專利名稱：一種基于soi晶片的靜電驅動mems變形鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)技術領域，特別涉及一種適用于自適應光學系統(tǒng)的靜 電驅動MEMS變形鏡。
技術背景在自適應光學、投影成像等領域，靜電驅動的MEMS變形鏡具有體積小、功耗低、無滯 后性、性能穩(wěn)定、響應速度快、單元密度高以及可單片集成等優(yōu)點，而成為一種最具發(fā)展?jié)?力的微變形鏡。然而，單純基于表面硅工藝技術的MEMS變形鏡存在著膜層應力難控制、工 序多、成本高、行程小和靜電拉入(pull-in)等缺點，這種變形鏡的最大行程因受靜電拉入 現(xiàn)象的影響而不會超過上、下極板初始間隙的1/3，小的行程難以對低階和高階像差進行有 效校正。并且， 一旦出現(xiàn)靜電拉入現(xiàn)象，會使得上下電極短路，導致器件失效。 發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于SOI晶片的靜電驅動 型MEMS變形鏡，它的行程取決于鏡面和驅動結構之間犧牲層的厚度，SOI晶片硅襯底層的 高度遠大于對變形鏡行程的要求，從而有效地避免了驅動結構的靜電拉入現(xiàn)象，使得變形鏡 矯正像差的行程大大增加。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形 鏡，其中SOI晶片從上到下包括硅器件層、二氧化硅層、硅襯底層，其特征在于鏡面位 于SOI晶片的硅器件層之上，鏡面和SOI晶片之間是通過連接桿來連接，上極板形成在SOI 晶片的硅器件層上，下極板所在的襯底位于SOI晶片的下方，SOI晶片的硅襯底層通過鍵合 物鍵合到襯底上構成變形鏡驅動結構的支撐部分，硅器件層下面的二氧化硅層和硅襯底層被 掏空作為驅動結構的行程空間。所述鏡面(1)的材料為多晶硅或金屬。所述鏡面(1)可以是連續(xù)或分離的。所述襯底(9)的材料為硅或玻璃。3所述下極板(8)的其材料是硅或金屬。所述驅動結構還包括上極板(7)、下極板(8)以及二氧化硅層(3)。 所述上極板(7)是通過對SOI晶片的硅器件層(2)摻雜、刻蝕而形成，由懸臂梁結構 (10)來支撐；下極板(8)是通過沉積或鍍膜、刻蝕而形成在襯底(9)上的。所述SOI晶片的二氧化硅層(3)和硅襯底層(4)被刻蝕成槽狀，該槽狀結構的幾何中 心與鏡面(I)、連接桿(6)、上極板(7)以及下極板(8)的幾何中心同軸。 所述連接桿(6)是通過對鏡面(1)的沉積而形成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的優(yōu)點本發(fā)明利用了SOI晶片硅器件層作為變形鏡驅動 結構的上極板，其具有無應力的特點；其二氧化硅層和硅襯底層被刻蝕的部分作為驅動結構 的行程空間，利用SOI晶片硅襯底的厚度通常都較大的特點，可以避免靜電拉入(pull-in) 現(xiàn)象；采用體硅、表面硅、鍵合工藝技術，利用了它們各自的優(yōu)點，可以降低制造成本，得 到大行程、陣列化的微變形鏡，提高了其在自適應光學系統(tǒng)應用中校正像差的能力。


圖l是基于SOI晶片和鍵合工藝的變形鏡側視圖； 圖2是變形鏡驅動器上極板的結構示意圖； 圖3是變形鏡上極板的三維示意圖； 圖4是鏡面連續(xù)的變形鏡側視圖； 圖5是鏡面分離的變形鏡側視圖； 圖6是變形鏡未鍵合時的三維示意圖； 圖7是SOI晶片被刻蝕形成的空腔示意圖； 圖8是變形鏡加工作電壓時的形變示意圖；圖中l(wèi)為鏡面、2為SOI晶片的硅器件層、3為SOI晶片的二氧化硅層、4為SOI晶片的 硅襯底、5為鍵合物、6為連接桿、7為上極板、8為下極板、9為襯底、IO為懸臂梁、ll為上 極板的正方形板。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。如附圖l所示為一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡的側面示意圖；其中SOI晶片 從上到下包括硅器件層2、 二氧化硅層3、硅襯底層4;鏡面l位于SOI晶片的硅器件層2之上， 處于整個MEMS變形鏡的最上層；鏡面l和SOI晶片之間的連接是通過連接桿6來實現(xiàn)，連接桿6是沉積鏡面1時形成的；上極板7是通過對SOI晶片的硅器件層2摻雜、刻蝕而形成在SOI 晶片的硅器件層2上，上極板7的結構示意圖和三維結構示意圖分別如圖2和圖3所示，本實施 例中所選擇的上極板7的正方形板ll的大小為600umX600Pm，支撐正方形板ll的懸臂梁10 的尺寸為640pmX15um;下極板8所在的襯底9位于SOI晶片的下方，下極板8通過沉積或 鍍膜、刻蝕而形成在襯底9上的，下極板8的大小與上極板7的正方形板11的大小相等，為600 umX600um;襯底9處于整個MEMS變形鏡結構的最下層；SOI晶片的襯底層4和襯底9通過 環(huán)氧樹脂鍵合物5粘結得到變形鏡驅動結構的支撐部分，該驅動結構還包括上極板7、下極板 8以及二氧化硅層3;上極板7下面的SOI晶片的二氧化硅層3和硅襯底層4被掏空作為驅動器 的行程空間；這里選擇鏡面1和下極板8的材料是多晶硅，襯底9的材料是單晶硅，鏡面l和SOI 晶片的硅器件層2之間的間隔為4nm， SOI晶片的硅器件層2厚度為2um，硅襯底層4厚度為 50p m。本發(fā)明的基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡的鏡面l可以是連續(xù)的，也可以是分離 的；本實施例中選取的靜電驅動MEMS變形鏡是它們的一個單元部分，如圖4所示為鏡面連 續(xù)的變形鏡側視圖；如圖5所示為鏡面分離的變形鏡側視圖。圖7為SOI晶片的二氧化硅層和硅襯底層被刻蝕形成的空腔示意圖；其中空腔的幾何中 心要與鏡面l、連接桿6、上極板7以及下極板8的幾何中心同軸，此空腔給了變形鏡提供了行 程空間，其高度遠大于鏡面1和硅器件層2之間的間隔，是變形鏡避免發(fā)生靜電拉入(pull-in) 現(xiàn)象的關鍵原因。如附圖8所示為變形鏡上下極板加電壓時的變形示意圖。不加電壓時，鏡面l處于靜止平 衡狀態(tài)；當給變形鏡的上下極板施加正、負電壓時，上極板7和下極板8之間會產(chǎn)生電場，形 成一個方向向下的靜電吸引力，上極板7以及上極板7所在的SOI晶片的硅器件層2在該靜電 力作用下發(fā)生彎曲變形，并且?guī)佑蛇B接桿6所連接的鏡面1向下運動，由于鏡面l的位移可 以達到3um以上，遠小于上下極板初始間隙的1/3 (17um)，不僅避免了靜電拉入(pull-in) 現(xiàn)象的發(fā)生，而且相比于傳統(tǒng)的基于表面硅加工工藝的MEMS變形鏡，行程得到很大提高。
權利要求
1. 一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其中SOI晶片從上到下包括硅器件層(2)、 二氧化硅層(3)、硅襯底層(4)，其特征在于鏡面(1)位于SOI晶片的硅器件層(2)之上，鏡面(1)和SOI晶片之間是通過連接桿(6)來連接，上極板(7)形成在SOI晶片的硅器件層(2)上，下極板(8)所在的襯底(9)位于SOI晶片的下方，SOI晶片的硅襯底層(4)通過鍵合物(5)鍵合到襯底(9)上構成變形鏡驅動結構的支撐部分，硅器件層(2)下面的二氧化硅層(3)和硅襯底層(4)被掏空作為驅動結構的行程空間。
2、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的鏡面(1)的材料為多晶硅或金屬。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的鏡面(1)可以是連續(xù)或分離的。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的襯底(9)的材料為硅或玻璃。
5、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的下極板(8)的其材料是硅或金屬。
6、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的驅動結構還包括上極板(7)、下極板(8)以及二氧化硅層(3)。
7、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的上極板(7)是通過對SOI晶片的硅器件層(2)摻雜、刻蝕而形成，由懸臂梁結構(10) 來支撐；下極板(8)是通過沉積或鍍膜、刻蝕而形成在襯底(9)上的。
8、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的SOI晶片的二氧化硅層(3)和硅襯底層(4)被刻蝕成槽狀空腔結構，該槽狀空腔結構 的幾何中心與鏡面(1)、連接桿(6)、上極板(7)以及下極板(8)的幾何中心同軸。
9、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其特征在于所 述的連接桿(6)是通過對鏡面(1)的沉積而形成。
全文摘要
一種基于SOI晶片的靜電驅動MEMS變形鏡，其中SOI晶片從上到下包括硅器件層、二氧化硅層、硅襯底層，其特征在于鏡面位于SOI晶片的硅器件層之上；鏡面和SOI晶片之間是通過連接桿來連接；上極板形成在SOI晶片的硅器件層上；下極板所在的硅或玻璃襯底位于SOI晶片下方；SOI晶片的硅襯底層通過鍵合物鍵合到下極板所在襯底上構成變形鏡的驅動結構的支撐部分；硅器件層下面的二氧化硅層和硅襯底層被掏空作為驅動器的行程空間；本發(fā)明的靜電驅動MEMS變形鏡不會受到靜電拉入(pull-in)現(xiàn)象的影響，能夠獲得大的行程，能夠應用于各種自適應光學系統(tǒng)，提高光學系統(tǒng)的成像質量，具有十分重要的應用價值。
文檔編號G02B26/08GK101256283SQ200810103498
公開日2008年9月3日 申請日期2008年4月7日 優(yōu)先權日2008年4月7日
發(fā)明者軍 姚, 王大甲, 邱傳凱 申請人:中國科學院光電技術研究所