專利名稱：基于soi基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的裝置及其制造方法，具體是一種基于
SOI (絕緣體上硅)基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
微驅(qū)動(dòng)器或稱微型執(zhí)行器是一種重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)力或
位移的輸出，是微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的重要組成部分。微驅(qū)動(dòng)器不僅僅縮小了 尺寸(特征尺寸范圍為lum—10mra)，降低了能耗和提高了性能，更重要是通過(guò)微 型化和集成化，達(dá)到采用新的工作原理和實(shí)現(xiàn)新的功能的目的。靜電式微驅(qū)動(dòng)器 是應(yīng)用較廣泛的微驅(qū)動(dòng)器，它們具有效率高、精度高、不發(fā)熱、響應(yīng)速度較快等 優(yōu)點(diǎn)，但存在著輸出的力小以及驅(qū)動(dòng)電壓高等缺點(diǎn)。這一類靜電式微驅(qū)動(dòng)器有多 種形式其中包括豎向、橫向和轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式，通常采用多組平行的平板電容構(gòu)
成的梳狀形式，其目的是為了提高力的輸出并降低驅(qū)動(dòng)電壓。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，栗大超等在《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》2006年19巻05A 期發(fā)表了《基于復(fù)合靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的硅微機(jī)械扭轉(zhuǎn)微鏡》。該文提出硅微機(jī)械扭 轉(zhuǎn)微鏡結(jié)構(gòu)，具體方法是結(jié)合了垂直扭轉(zhuǎn)梳齒靜電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、側(cè)壁平行板電容靜 電驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)制造扭轉(zhuǎn)效果。其不足在于沒(méi)有實(shí)現(xiàn)在平面上的二維運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于SOI基板的二維光學(xué) 可動(dòng)平臺(tái)裝置及其制造方法，利用梳狀微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)裝置，可以廣泛應(yīng)用于 MEOMS(微光機(jī)電系統(tǒng))的光學(xué)部分。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的基于SOI基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置，包括4個(gè)固定極板、 4個(gè)可動(dòng)極板、中央光學(xué)平臺(tái)、錨點(diǎn)、微懸臂梁。其中每一個(gè)固定極板和每一個(gè) 可動(dòng)極板共同組成一個(gè)靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器。在裝置的上下左右四個(gè)方向上對(duì)稱分
布四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器。四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器分別通過(guò)微懸臂 梁上連接中央光學(xué)平臺(tái)，微懸臂梁分別連接到四個(gè)錨點(diǎn)上，錨點(diǎn)固定、支撐整個(gè) 平臺(tái)裝置。
所述四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器，其中一個(gè)靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器上加電壓， 而對(duì)側(cè)的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器上加相反的電壓時(shí)，極板間將產(chǎn)生相對(duì)位移，這使中 央光學(xué)平臺(tái)平行于位移方向移動(dòng)，另外兩相對(duì)的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器上加電壓時(shí)能 實(shí)現(xiàn)另一個(gè)方向的移動(dòng)，整個(gè)中央光學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二維方向移動(dòng)。
本發(fā)明所涉及的基于SOI基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的制造方法，包括如
下步驟
① 首先UV光刻預(yù)制掩模板，利用UV光刻與顯影技術(shù)將設(shè)計(jì)好的基于SOI基板
的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的結(jié)構(gòu)圖案遷移在SOI晶片表面；
② 用深度反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕S0I基板至Si02層；
③ 用去除溶液去除表面的光刻膠；
④ 利用HF蒸汽刻蝕工藝來(lái)刻蝕Si02層，從而釋放出可移動(dòng)部分；
⑤ 最后進(jìn)行干燥。
所述SOI基板由三層組成，自上而下分別為p型導(dǎo)體Si結(jié)構(gòu)層，Si02層和Si 襯底。
所述用深度反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕SOI基板至Si02層，其刻蝕速率為 1. 2麗/min。
所述利用HF蒸汽刻蝕工藝來(lái)刻蝕Si02層，參數(shù)為HF質(zhì)量濃度為46M，溫度 為40。C，刻蝕速率為O. 2um/min。
所述干燥，是指在HF刻蝕后，該結(jié)構(gòu)在120。C溫度下干燥10分鐘以進(jìn)一步 消除粘連問(wèn)題。
本發(fā)明方法是基于SOI的微加工工藝，它是一種成熟的工藝，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單 并且容易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用了DRIE工藝，實(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)的制造； 在不增加橫向尺寸的前提下，大大增加了指狀結(jié)構(gòu)的厚度，從而增大驅(qū)動(dòng)器的總 電容和驅(qū)動(dòng)能力，并降低所需的驅(qū)動(dòng)電壓。


圖l基于SOI基板的梳狀微驅(qū)動(dòng)器的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)示意圖2基于SOI基板的梳狀微驅(qū)動(dòng)器的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的加工工藝；
圖中固定極板l、可動(dòng)極板2、中央光學(xué)平臺(tái)3、錨點(diǎn)4、微懸臂梁5。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括4個(gè)固定極板1、 4個(gè)可動(dòng)極板2、中央光學(xué)平 臺(tái)3、錨點(diǎn)4、微懸臂梁5。其中每一個(gè)固定極板1和每一個(gè)可動(dòng)極板2共同組 成一個(gè)靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器。在裝置的上下左右四個(gè)方向上對(duì)稱分布四個(gè)等同的靜 電式梳狀驅(qū)動(dòng)器。四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器分別通過(guò)微懸臂梁5上連接中央 光學(xué)平臺(tái)3，微懸臂梁5分別連接到四個(gè)錨點(diǎn)上4，四個(gè)錨點(diǎn)4固定、支撐整個(gè) 平臺(tái)裝置?？蓜?dòng)極板2、中央光學(xué)平臺(tái)3、錨點(diǎn)4、懸臂梁5之間是導(dǎo)電的。
每個(gè)固定極板l、可動(dòng)極板2由若千個(gè)相同數(shù)目叉指電極構(gòu)成。每個(gè)叉指電
極長(zhǎng)度為20um，寬度為2咖，同一個(gè)極板上的叉指電極間距為6rnn，不加電壓時(shí)
每對(duì)極板之間相鄰叉指之間的間距為2um，每個(gè)極板上的電極總數(shù)為60。 中央光學(xué)平臺(tái)3，尺寸為40umX40um，用于放置光學(xué)反射鏡等部件。
錨點(diǎn)4，其尺寸為60umX60um。
微懸臂梁5，其寬度統(tǒng)一為2um 。由于采用的整個(gè)結(jié)構(gòu)最上層為p型導(dǎo)體Si 結(jié)構(gòu)層，所以每個(gè)獨(dú)立的部件是導(dǎo)電的。
可動(dòng)極板2、中央光學(xué)平臺(tái)3、錨點(diǎn)4、懸臂梁5之間是導(dǎo)電的。
工作原理當(dāng)改變每一對(duì)極板之間的電壓時(shí)，極板之間的間距(即叉指電極 之間交叉的部分)會(huì)改變，由于部件2、 3、 5是連接在一起的可動(dòng)部件，這會(huì)引 起部件3的位置產(chǎn)生變化。
當(dāng)增大左邊極板對(duì)的電壓差而同時(shí)減小右邊極板的電壓差時(shí)，部件會(huì)向左平 動(dòng)，只要保證所加電壓使得位移小于每對(duì)極板之間相鄰叉指之間的間距2um即可。 同理，當(dāng)增大上極板對(duì)的電壓差而同時(shí)減小下邊極板的電壓差時(shí)，部件會(huì)向上平 動(dòng)，只要保證所加電壓使得位移小于每對(duì)極板之間相鄰叉指之間的間距2咖即可。 根據(jù)相同的原理可以使得光學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)向右和向下的平動(dòng)。為了安全起見(jiàn)，將最 大位移量設(shè)定為l. 5um，則整個(gè)光學(xué)平臺(tái)的活動(dòng)范圍為3umX3um。
具體工藝步驟
如圖2所示，基于SOI基板的梳狀微驅(qū)動(dòng)器的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置結(jié)構(gòu)是在
一個(gè)SOI(絕緣層上硅)材料上加工的，這個(gè)SOI晶片由三層組成，自上而下分別為 30um的p型導(dǎo)體Si結(jié)構(gòu)層，3um的Si02層和500um的Si襯底，如圖2中(a)部分。
① 首先，設(shè)計(jì)好用于光刻處理的掩模板。先旋涂一層光刻膠(圖(b)中最上 層)，然后利用UV光刻與顯影技術(shù)將設(shè)計(jì)好參照?qǐng)D1的結(jié)構(gòu)圖案遷移在上述S0I晶 片表面，如圖2中(b)部分。
② 其次，用DRIE工藝刻蝕至深30um處的Si02層，刻蝕速率為1. 2um/rain，如 圖2中(c)部分。
③ 然后，用去除溶液去除表面的光刻膠。
接著，利用HF蒸汽刻蝕工藝來(lái)刻蝕設(shè)備層下邊的Si02層，刻蝕至恰好全部 釋放出部件2、 3、 5為止，如圖2中(d)部分。在此條件下，由于部件l、 4的尺 寸要比部件2、 3、 5的大，使得部件2、 3、 5全部刻蝕完畢后部件1、 4還沒(méi)有完全 刻蝕完，即部件l、 4的30um的Si結(jié)構(gòu)層、3um的SiO2層和500um的Si襯底部分連接 在一起，形成不可動(dòng)部件。HF蒸汽刻蝕技術(shù)是在克服制造基于硅的梳狀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的粘連問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，本工藝的刻蝕參數(shù)為HF質(zhì)量濃度為46 %，溫度為40℃，刻蝕速率為O. 2um/min。
⑤在HF刻蝕后，該結(jié)構(gòu)在120 QC溫度下干燥10分鐘以進(jìn)一步消除粘連問(wèn)題。 本實(shí)施例得到的裝置表面光滑，不存在粘連，可以廣泛應(yīng)用于MEOMS(微光機(jī) 電系統(tǒng))的光學(xué)部分。
權(quán)利要求
1.一種基于SOI基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置，其特征在于包括4個(gè)固定極板、4個(gè)可動(dòng)極板、中央光學(xué)平臺(tái)、錨點(diǎn)、微懸臂梁，其中每一個(gè)固定極板和每一個(gè)可動(dòng)極板共同組成一個(gè)靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器，在裝置的上下左右四個(gè)方向上對(duì)稱分布四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器，四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器分別通過(guò)微懸臂梁上連接中央光學(xué)平臺(tái)，微懸臂梁分別連接到四個(gè)錨點(diǎn)上，錨點(diǎn)固定、支撐整個(gè)平臺(tái)裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOI基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置，其特征是， 所述四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器，其中一個(gè)靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器上加電壓，而對(duì) 側(cè)的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器上加相反的電壓時(shí)，極板間將產(chǎn)生相對(duì)位移，這使中央光 學(xué)平臺(tái)平行于位移方向移動(dòng)，另外兩相對(duì)的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器上加電壓時(shí)能實(shí)現(xiàn) 另一個(gè)方向的移動(dòng)，整個(gè)中央光學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二維方向移動(dòng)。
3. —種如權(quán)利要求1所述的基于SOI基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的制備方法，其特征在于包括如下步驟① 首先UV光刻預(yù)制掩模板，利用UV光刻與顯影技術(shù)將設(shè)計(jì)好的基于SOI基板 的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的結(jié)構(gòu)圖案遷移在SOI晶片表面；② 用深度反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕S0I基板至Si02層；③ 用去除溶液去除表面的光刻膠；④ 利用HF蒸汽刻蝕工藝來(lái)刻蝕Si02層，從而釋放出可移動(dòng)部分；⑤ 最后進(jìn)行干燥。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于S0I基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的制備方法， 其特征是，所述SOI基板由三層組成，自上而下分別為p型導(dǎo)體Si結(jié)構(gòu)層，SiOJl 和Si襯底。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于S0I基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的制備方法， 其特征是，所述用深度反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕S0I基板至Si02層，其刻蝕速率為 1. 2um/min。f如權(quán)利要求l所述的基于SOI基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的制備方法， 其特征是，所述利用HF蒸汽刻蝕工藝來(lái)刻蝕Si02層，參數(shù)為HF質(zhì)量濃度為46%，溫度為40t，刻蝕速率為O. 2um/min?！鯹.如權(quán)利要求1所述的基于S0I基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置的制備方法， 其特征是，所述干燥，是指在HF刻蝕后，該結(jié)構(gòu)在120。C溫度下干燥10分鐘以 進(jìn)一步消除粘連問(wèn)題。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的基于SOI基板的二維光學(xué)可動(dòng)平臺(tái)裝置及其制造方法。裝置包括4個(gè)固定極板、4個(gè)可動(dòng)極板、中央光學(xué)平臺(tái)、錨點(diǎn)、微懸臂梁。每一個(gè)固定極板和每一個(gè)可動(dòng)極板共同組成一個(gè)靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器。裝置的上下左右對(duì)稱分布四個(gè)等同的靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器。靜電式梳狀驅(qū)動(dòng)器通過(guò)微懸臂梁上連接中央光學(xué)平臺(tái)，微懸臂梁連接到四個(gè)錨點(diǎn)上。方法為利用UV光刻與顯影技術(shù)將設(shè)計(jì)好裝置結(jié)構(gòu)圖案遷移在SOI晶片表面；用深度反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕SOI基板至SiO₂層；用去除溶液去除表面的光刻膠；利用HF蒸汽刻蝕工藝來(lái)刻蝕SiO₂層，釋放出可移動(dòng)部分；干燥。本發(fā)明增大驅(qū)動(dòng)器的總電容和驅(qū)動(dòng)能力，并降低所需的驅(qū)動(dòng)電壓。
文檔編號(hào)G02B26/08GK101359093SQ200810200030
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者張俊峰, 李以貴, 陽(yáng) 高 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)