CN117285001A - 一种光mems器件结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光MEMS器件结构及其制备方法，它包括由下到上依次叠设键合的衬底结构层、梳齿结构层以及镜面结构层；衬底结构层上设有第一金属键合区，在第一金属键合区内侧设有深腔；梳齿结构层包括与镜面结构层键合连接的第二金属键合区、第三金属键合区，以及梳齿结构和与梳齿结构连接的金属焊点，在梳齿结构表面设有压敏电阻结构；镜面结构层包括镜面框和位于镜面框内侧的镜面结构，镜面框通过第二金属键合区与梳齿结构层连接，镜面结构下端面连接支撑柱，支撑柱通过第三金属键合区与梳齿结构层连接。本发明的顶伞式镜面结构可以提高镜面占空比，缩小芯片面积，并且通过集成制作压敏电阻结构，可以实现微光学镜面的精确驱动控制和角度解算。
Description
技术领域
本发明涉及属于微光机电技术领域，具体涉及一种静电驱动的光MEMS器件结构及其制备方法。
背景技术
光MEMS器件是集成制造的微型光学元件和MEMS执行器，通过MEMS执行器控制微型光学元件运动可以实现光束扫描、指向等。由于光MEMS器件具有体积小、成本低、集成度高及易于批量化生产等优点，在激光雷达、光通信、投影显示、医疗成像等应用中具有巨大市场前景。
在某些应用方面，需要将光MEMS器件的镜面尺寸和偏转角度做的越大越好，同时需集成角度反馈传感器用于微光学镜面的精确驱动控制和角度解算。目前，集成角度传感器的光MEMS器件通常采用电磁驱动方式，但其需要组装磁铁形成外部磁场，封装后器件体积较大，限制了其使用范围。而静电驱动光MEMS器件封装方式简单，具有明显的成本优势。因此，如何集成制造角度传感器与静电驱动的大镜面尺寸光MEMS器件是亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种光MEMS器件结构及其制备方法，可以实现集成角度反馈传感器的大镜面尺寸静电驱动光MEMS器件的制备，在光MEMS器件设计加工中具有很强的实用价值。
它采用了如下技术方案：
一种光MEMS器件结构，包括由下到上依次叠设键合的衬底结构层、梳齿结构层以及镜面结构层；
所述衬底结构层上设有与梳齿结构层键合连接的第一金属键合区，在第一金属键合区内侧设有可增加运动范围的深腔；
所述梳齿结构层包括与镜面结构层键合连接的第二金属键合区、第三金属键合区，以及梳齿结构和与梳齿结构连接的金属焊点，在梳齿结构表面设有压敏电阻结构；
所述镜面结构层包括镜面框和位于镜面框内侧的镜面结构，镜面框通过第二金属键合区与梳齿结构层连接，镜面结构下端面连接支撑柱，支撑柱通过第三金属键合区与梳齿结构层连接；梳齿结构驱动带动镜面结构偏转。
本发明还提供一种光MEMS器件结构的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备衬底结构层：取双抛硅片A，在其上制备第一键合金属层，并制备深腔，第一键合金属层作为第一金属键合区；
（2）制备镜面结构层：取双抛硅片B和SOI硅片C，将双抛硅片B与SOI硅片C顶层硅键合在一起，并在其中一层硅衬底上制备键合支柱结构；
（3）制备梳齿结构层并分别与衬底结构层、镜面结构层键合；
（4）机械减薄、TMAH腐蚀去除镜面结构层的衬底层和埋氧层，露出镜面硅层；
（5）在镜面硅层上制备镜面金属层并刻蚀、释放镜面结构，露出金属焊点。
进一步地，所述梳齿结构包括第一梳齿结构；
制备所述梳齿结构层包括以下步骤：
1）取SOI硅片D，在其顶层硅上通过光刻、离子注入制备压敏电阻结构（204）；
2）在顶层硅面生长氧化层，通过光刻、刻蚀工艺制备引线孔、金属引线层、金属焊点和第二、第三键合金属层；
3）当梳齿结构层与镜面结构层进行金硅共晶键合后，械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片D的衬底层和埋氧层，露出顶层硅；
4）通过光刻、深硅刻蚀制备第一梳齿结构。
进一步地，所述梳齿结构还包括第二梳齿结构，第二梳齿结构位于第一梳齿结构的下侧；
制备所述梳齿结构包括以下步骤：
1）取SOI硅片E，在其顶层硅上生长热氧化层，然后与SOI硅片F顶层硅键合在一起；
2）通过机械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片F的衬底层和埋氧层；
3）SOI硅片F顶层硅上制备压敏电阻结构、金属引线层和第二、第三键合金属层以及金属焊点，并制备第一梳齿结构；
4）当将梳齿结构层与镜面结构层进行键合后，机械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片E的衬底层和埋氧层，并制备第二梳齿结构。
本发明相比现有技术具的有益效果：
本发明通过设置支撑柱与镜面结构的连接结构，组成了顶伞式镜面结构，顶伞式镜面结构可以提高镜面占空比，缩小芯片面积，实现光MEMS器件的大尺寸镜面的设置；并且通过集成制作压敏电阻结构，可以实现微光学镜面的精确驱动控制和角度解算。
附图说明
图1是本发明实施例一的一种光MEMS器件结构的示意图；
图2是本发明实施例二的一种光MEMS器件结构的示意图；
图3是本发明实施例一中衬底结构层制备方法步骤的示意图；
图4是本发明实施例一中镜面结构层制备方法步骤的示意图；
图5是本发明实施例一中制备梳齿结构层及与其他结构层键合方法步骤的示意图；
图6是本发明实施例二中制备梳齿结构层及与其他结构层键合方法步骤的示意图。
附图标记说明：100、衬底结构层；101、第一金属键合区；102、深腔；200、梳齿结构层；201、第二金属键合区；202、第三金属键合区；203、金属焊点；204、压敏电阻结构；205、引线孔； 210、梳齿结构；211、第一梳齿结构；212、第二梳齿结构；300、镜面结构层；301、镜面框；302、镜面结构；303、支撑柱；304、镜面金属。
具体实施方式
为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种光MEMS器件结构及其制备方法进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，一种光MEMS器件结构，它包括由下到上依次叠设键合的衬底结构层100、梳齿结构层200以及镜面结构层300。
其中，所述衬底结构层100上表面设有框型的第一金属键合区101，在第一金属键合区101内侧设有向下凹陷的深腔102。
所述梳齿结构层200的上表面设有框型的第二金属键合区201，在第二金属键合区201的内侧中心处设有一个第三金属键合区202；梳齿结构层200上还设有梳齿结构210，梳齿结构210位于第二、第三金属键合区之间，梳齿结构210通过金属引线与设于梳齿结构层200上表面的边缘处的金属焊点203连接，在梳齿结构210的上表面上还设有压敏电阻结构204，压敏电阻结构204通过引线与对应的金属焊点203连通。
所述镜面结构层300包括镜面框301和位于镜面框301内侧的镜面结构302，镜面结构302边缘镜面框301内缘不接触。镜面框301通过第二金属键合区201与梳齿结构层200键合连接，镜面结构302下端面连接支撑柱303，支撑柱303通过第三金属键合区202与梳齿结构层200键合连接。此处，支撑柱303与镜面结构302连接结构组成了顶伞式镜面结构，可以提高镜面占空比，缩小芯片面积，实现光MEMS器件的大尺寸镜面的设置。通过梳齿结构210驱动带动镜面结构302偏转。本实施例中，所述梳齿结构210为单层结构，其包括第一梳齿结构211。
本发明还提供该光MEMS器件结构的制备方法，其包括以下步骤：
本发明衬底结构层100制备方法步骤如图3所示，包括步骤如下：
（1）如图3（a）所示，取双抛硅片A，其上进行生长1微米的氧化层；
（2）如图3（b）所示，在氧化层上溅射第一键合金属层Ti/Au，层厚度为1微米，此处，该第一键合金属层作为第一金属键合区101；
（3）如图3（c）所示，在双抛硅片A上表面制备深腔102，深腔102的深度400-600微米。
本发明镜面结构层300制备方法步骤如图4所示，包括步骤如下：
（1）如图4（a）所示，取双抛硅片B和SOI硅片C，其双抛硅片B上进行生长1微米厚的氧化层，并将双抛硅片B与SOI硅片C顶层硅键合在一起；
（2）如图4（b）所示，选取一层衬底硅通过光刻、深硅刻蚀制备镜面支柱结构，即支撑柱303，其中，刻蚀深度根据支撑柱303高度确定。
本发明制备梳齿结构层200并分别与衬底结构层100、镜面结构层300键合方法步骤如图5所示，包括步骤如下：
（1）如图5（a）所示，取SOI硅片D，在其顶层硅上通过光刻、离子注入制备压敏电阻结构204；
（2）如图5（b）所示，在顶层硅面生长3000A氧化层，通过光刻、刻蚀制备引线孔205；
（3）如图5（c）所示，通过溅射、光刻、刻蚀制备金属引线层（图中未示）和金属焊点，引线金属可以为Al、Au、Pt等常见金属，两侧的金属焊点203可与下述的梳齿结构210电性连接，内侧的金属焊点203与压敏电阻结构204电性连接；
（4）如图5（d）所示，通过溅射、光刻、腐蚀制备第二、第三键合金属层Ti/Au，层厚度1微米；
（5）如图5（e）所示，梳齿结构层200与镜面结构层300进行金硅共晶键合；
（6）如图5（f）所示，机械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片D衬底层和埋氧层，露出顶层硅；
（7）如图5（g）所示，通过光刻、深硅刻蚀制备第一梳齿结构211，第一梳齿结构211与上述步骤中的金属焊点203电性连接；
（8）如图5（h）所示，梳齿结构层200与衬底结构层100进行金硅共晶键合；
（9）如图5（i）所示，机械减薄、TMAH腐蚀去除镜面结构层的衬底层和埋氧层，露出镜面硅层，并通过溅射、光刻、腐蚀制备镜面金属304，镜面金属可以为Au、Al等；
（10）如图5（j）所示，通过光刻、深硅刻蚀释放镜面结构302，并露出焊点金属。
实施例二
如图2所示，一种光MEMS器件结构，其与实施例一的区别在于：所述梳齿结构210为双层结构，它还包括第二梳齿结构212，第二梳齿结构212位于第一梳齿结构211的下侧。
制备该光MEMS器件结构的方法，相比于实施例一而言，区别在于：制备梳齿结构层200并分别与衬底结构层100、镜面结构层300键合的方法步骤，其具体包括以下步骤：
（1）如图6（a）所示，取SOI硅片E，在其顶层硅上生长热氧化层，然后与SOI硅片F顶层硅键合在一起，机械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片E的衬底层和埋氧层，并在SOI硅片F顶层硅上制备压敏电阻结构204；
（2）如图6（b）所示，在顶层硅面生长3000A的氧化层，通过光刻、刻蚀制备引线孔205；
（3）如图6（c）所示，通过溅射、光刻、刻蚀制备金属引线层和金属焊点203，两侧的金属焊点203与下述第一梳齿结构211电性连接，引线金属可以为Al、Au、Pt等常见金属；
（4）如图6（d）所示，通过溅射、光刻、腐蚀制备第二、第三键合金属层，键合金属层为Ti/Au，层厚度1微米；
（5）如图6（e）所示，通过光刻、深硅刻蚀制备第一梳齿结构211，并掩模溅射金属焊点，该金属焊点用于与下述的第二梳齿结构212电性连接；
（6）如图6（f）所示，梳齿结构层200与镜面结构层300进行金硅共晶键合；
（7）如图6（g）所示，机械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片E的衬底层和埋氧层，露出SOI硅片F顶层硅；
（8）如图6（h）所示，通过光刻、深硅刻蚀在SOI硅片F顶层硅下表面制备第二梳齿结构212；
（9）如图6（i）所示，将梳齿结构层200与衬底结构层100进行金硅共晶键合；
（10）如图6（j）所示，机械减薄、TMAH腐蚀去除镜面结构层的衬底层和埋氧层，露出镜面硅层；通过溅射、光刻、腐蚀制备镜面金属304，镜面金属304可以为Au、Al等；
（11）如图6（k）所示，通过光刻、深硅刻蚀释放镜面结构302，并露出焊点金属。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种光MEMS器件结构，其特征在于：包括由下到上依次叠设键合的衬底结构层（100）、梳齿结构层（200）以及镜面结构层（300）；
所述衬底结构层（100）上设有与梳齿结构层（200）键合连接的第一金属键合区（101），在第一金属键合区（101）内侧设有可增加运动范围的深腔（102）；
所述梳齿结构层（200）包括与镜面结构层（300）键合连接的第二金属键合区（201）、第三金属键合区（202），以及梳齿结构（210）和与梳齿结构（210）连接的金属焊点（203），在梳齿结构（210）表面设有压敏电阻结构（204）；
所述镜面结构层（300）包括镜面框（301）和位于镜面框（301）内侧的镜面结构（302），镜面框（301）通过第二金属键合区（201）与梳齿结构层（200）连接，镜面结构（302）下端面连接支撑柱（303），支撑柱（303）通过第三金属键合区（202）与梳齿结构层（200）连接；梳齿结构（210）驱动带动镜面结构（302）偏转。
2.用于权利要求1所述的一种光MEMS器件结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）制备衬底结构层（100）：取双抛硅片A，在其上制备第一键合金属层，并制备深腔（102），第一键合金属层作为第一金属键合区（101）；
（2）制备镜面结构层（300）：取双抛硅片B和SOI硅片C，将双抛硅片B与SOI硅片C顶层硅键合在一起，并在其中一层硅衬底层上制备键合支柱结构；
（3）制备梳齿结构层（200）并分别与衬底结构层（100）、镜面结构层（300）键合；
（4）机械减薄、TMAH腐蚀去除镜面结构层（300）的衬底层和埋氧层，露出镜面硅层；
（5）在镜面硅层上制备镜面金属层并刻蚀、释放镜面结构（302），露出金属焊点。
3.根据权利要求2所述的一种光MEMS器件结构的制备方法，其特征在于：所述梳齿结构（210）包括第一梳齿结构（211）；
制备所述梳齿结构层（200）包括以下步骤：
1）取SOI硅片D，在其顶层硅上通过光刻、离子注入制备压敏电阻结构（204）；
2）在顶层硅面生长氧化层，通过光刻、刻蚀工艺制备引线孔、金属引线层、金属焊点和第二、第三键合金属层；
3）当梳齿结构层（200）与镜面结构层进行金硅共晶键合后，械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片D的衬底层和埋氧层，露出顶层硅；
4）通过光刻、深硅刻蚀制备第一梳齿结构（211）。
4.根据权利要求2所述的一种光MEMS器件结构的制备方法，其特征在于：所述梳齿结构（210）还包括第二梳齿结构（212），第二梳齿结构（212）位于第一梳齿结构（211）的下侧；
制备所述梳齿结构（210）包括以下步骤：
1）取SOI硅片E，在其顶层硅上生长热氧化层，然后与SOI硅片F顶层硅键合在一起；
2）通过机械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片F的衬底层和埋氧层；
3）SOI硅片F顶层硅上制备压敏电阻结构（204）、金属引线层和第二、第三键合金属层以及金属焊点，并制备第一梳齿结构（211）；
4）当将梳齿结构层（200）与镜面结构层（300）进行键合后，机械减薄、TMAH腐蚀去除SOI硅片E的衬底层和埋氧层，并制备第二梳齿结构（212）。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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