專利名稱：一種彎曲懸臂梁執(zhí)行器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有較低驅(qū)動電壓、輸出位移大的彎曲懸臂梁執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)及其制作方法。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種彎曲懸臂梁執(zhí)行器，包括單晶硅襯底，制作在硅襯底上的下電極、下電極壓焊塊、上電極、上電極壓焊塊、上、下電極之間的二氧化硅和氮化硅絕緣層，其特征在于所述的上電極采用彎曲懸臂梁。
本發(fā)明的特征還在于所述的彎曲懸臂梁是由制作在硅襯底上可腐蝕掉的磷硅玻璃(PSG)犧牲層上的多晶硅層、氮化硅層(Si3N4)構(gòu)成的多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁。在所述多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁上的氮化硅層與該復(fù)合微梁的根部留有一定距離，其長度在50μm～200μm之間。
本發(fā)明還提供了一種彎曲懸臂梁執(zhí)行器的制作方法，該方法包括如下步驟(1)在硅晶片上重?fù)诫s硼作下電極；(2)在硅襯底上淀積、光刻二氧化硅和氮化硅作為絕緣介質(zhì)膜；(3)用低壓化學(xué)氣相法淀積上一層磷硅玻璃，光刻、在厚度方向部分腐蝕磷硅玻璃，形成用于防粘附的凹柱圖形，再光刻圖形化磷硅玻璃作為犧牲層；(4)用低壓化學(xué)氣相法淀積一層多晶硅，使多晶硅的殘余內(nèi)應(yīng)力在-100MPa～50MPa之間，光刻出懸臂梁的多晶硅結(jié)構(gòu)；(5)用低壓化學(xué)氣相法淀積一層氮化硅，使氮化硅留有0.5GPa～1.5GPa的殘余拉應(yīng)力，以便在釋放時，該拉應(yīng)力能把多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁從硅襯底上拉起，光刻出懸臂梁的氮化硅結(jié)構(gòu)；(6)濺射或蒸發(fā)金屬層，圖形化金屬層，作為電極引線和壓焊塊；(7)用氫氟酸緩沖液犧牲層腐蝕，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)。
上述步驟(3)還可按如下方法進(jìn)行用低壓化學(xué)氣相法(LPCVD)淀積一層磷硅玻璃，光刻、腐蝕，形成用于防止復(fù)合微梁與硅襯底粘附的凹柱圖形后，根據(jù)其上層的多晶硅的結(jié)構(gòu)，可不再光刻圖形化磷硅玻璃。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果①結(jié)構(gòu)簡單，采用標(biāo)準(zhǔn)硅表面加工工藝，利用多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁殘余應(yīng)力差形成彎曲懸臂梁。
②能輸出70μm～400μm的位移，并且可以通過改變懸臂梁的長度、多晶硅、氮化硅的厚度改變彎曲懸臂梁端部與硅襯底的位移，適應(yīng)性強(qiáng)，能滿足多種不同需求。
③在實(shí)現(xiàn)大位移的前提下，具有較低的驅(qū)動電壓，降低了能耗。
④快速性好，由于微梁結(jié)構(gòu)簡單，諧振頻率高，從初始狀態(tài)切換到彎曲懸臂梁完全吸附在硅襯底的狀態(tài)，時間為亞毫秒量級。
⑤用途廣泛，可用做光開關(guān)執(zhí)行器，各種微夾持結(jié)構(gòu)的執(zhí)行部件。
圖2a和圖2b是本發(fā)明實(shí)施例1所述執(zhí)行器的工藝簡圖。
圖3a和圖3b是本發(fā)明實(shí)施例2的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4a和圖4b是本發(fā)明應(yīng)用在一種光開關(guān)器件上的結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及制作方法結(jié)合附圖及實(shí)施例作進(jìn)一步的具體描述。


圖1a、圖1b為本發(fā)明實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1為單晶硅襯底；2為重?fù)诫s硼的單晶硅層作為下電極；3為二氧化硅、氮化硅組成的絕緣介質(zhì)膜；4為下電極壓焊塊；5為上電極壓焊塊；6為多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁的氮化硅層；7為多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁的多晶硅層。圖1a是未加電壓的狀態(tài)，由于復(fù)合微梁中的多晶硅、氮化硅存在較大的應(yīng)力差，使復(fù)合微梁在犧牲層腐蝕后自動翹離硅襯底形成彎曲懸臂梁，彎曲懸臂梁根部與硅襯底的間隙等于犧牲層的厚度，而其自由端與硅襯底有幾百微米的距離。在上下電極間加電壓，彎曲懸臂梁根部先被吸下，帶動前端下來，最后整個彎曲懸臂梁被吸附在硅襯底上，參見圖1b。去除電壓后，彎曲懸臂梁的固有殘余應(yīng)力差使其恢復(fù)翹離硅襯底的初始狀態(tài)。
圖2a、2b上述實(shí)施例執(zhí)行器的工藝簡圖。圖中8為濺射的金屬鉻-金層，作為電極引線和上下電極壓焊塊。圖2a是上下電極未加電壓時，彎曲懸臂梁處于翹起的狀態(tài)；圖2b是加上電壓后，彎曲懸臂梁完全吸附在硅襯底1上的狀態(tài)。
該實(shí)施例中，彎曲懸臂梁根部與硅襯底的間隙等于犧牲層的厚度，為2μm，其自由端與硅襯底的距離等于400μm。在上下電極間加50V的電壓，彎曲懸臂梁根部先被吸下，帶動前端下來，最后整個彎曲懸臂梁被吸附在硅襯底上，響應(yīng)時間為0.20ms，參見圖1b。去除電壓后，彎曲懸臂梁的固有殘余應(yīng)力差使其恢復(fù)翹離硅襯底的初始狀態(tài)，經(jīng)過0.8ms后，彎曲懸臂梁達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖3a、圖3b為本實(shí)施例2的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中14為犧牲層腐蝕后剩下的磷硅玻璃，用來連接上電極和硅襯底。圖3a是未加電壓的狀態(tài)，多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁上的氮化硅層與該復(fù)合微梁的根部留有一定距離，該段長度為150μm，這小段粘附在硅襯底上，從而使復(fù)合微梁與硅襯底的間隙等于絕緣層的厚度，彎曲懸臂梁自由端與硅襯底的距離等于70μm。圖3b是加上10V電壓后，彎曲懸臂梁完全吸附在硅襯底上的狀態(tài)。
圖4a是在上下電極之間未加電壓時，彎曲懸臂梁和微鏡9翹離硅襯底，其自由端與硅襯底的距離為220μm，微鏡9不在光路中，光線從光纖8傳到光纖11，從光纖13傳到10。圖4b是在上下電極之間加25V電壓后，彎曲懸臂梁吸附在硅襯底上的情況，微鏡9處在光路中，光線經(jīng)微鏡反射，從光纖8傳到光纖10，從光纖13傳到11。
權(quán)利要求
1.一種彎曲懸臂梁執(zhí)行器，包括單晶硅襯底，制作在硅襯底上的下電極、下電極壓焊塊、上電極、上電極壓焊塊、上、下電極之間的二氧化硅和氮化硅絕緣層，其特征在于所述的上電極采用彎曲懸臂梁。
2.按照權(quán)利要求1所述的彎曲懸臂梁執(zhí)行器，其特征在于所說的彎曲懸臂梁由制作在硅襯底上的磷硅玻璃(PSG)犧牲層上的多晶硅層、氮化硅層構(gòu)成多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的彎曲懸臂梁執(zhí)行器，其特征在于在多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁上的氮化硅層與該復(fù)合梁的根部留有一定距離，其長度在50μm～200μm之間。
4.施如權(quán)利要求1所述的彎曲懸臂梁執(zhí)行器的制作方法，其特征在于(1)在硅晶片上重?fù)诫s硼作下電極；(2)在硅襯底上淀積、光刻二氧化硅和氮化硅作為絕緣介質(zhì)膜；(3)用低壓化學(xué)氣相法淀積上一層磷硅玻璃，光刻、在厚度方向上部分腐蝕磷硅玻璃，形成用于防粘附的凹柱圖形，再光刻圖形化磷硅玻璃作為犧牲層；(4)用低壓化學(xué)氣相法淀積一層多晶硅，使多晶硅的殘余內(nèi)應(yīng)力在-100Mpa～50Mpa之間，光刻出懸臂梁的多晶硅結(jié)構(gòu)；(5)用低壓化學(xué)氣相法淀積一層氮化硅，使氮化硅留有0.5Gpa～1.5Gpa的殘余拉應(yīng)力，以便在釋放時，該拉應(yīng)力能把多晶硅-氮化硅復(fù)合微梁從硅襯底上拉起，光刻出懸臂梁的氮化硅結(jié)構(gòu)；(6)濺射或蒸發(fā)金屬層，圖形化金屬層，作為電極引線和壓焊塊；(7)用氫氟酸緩沖液犧牲層腐蝕，釋放懸臂梁結(jié)構(gòu)。
5.按照權(quán)利要求4所述的彎曲懸臂梁執(zhí)行器的制作方法，其特征在于步驟(3)還可按如下方法進(jìn)行用低壓化學(xué)氣相法(LPCVD)淀積一層磷硅玻璃，光刻、腐蝕，形成用于防止復(fù)合微梁與硅襯底粘附的凹柱圖形。
全文摘要
一種彎曲懸臂梁執(zhí)行器及其制作方法,屬于微型電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括單晶硅襯底,制作在硅襯底上的下電極、下電極壓焊塊、上電極、上電極壓焊塊、上、下電極之間的二氧化硅和氮化硅絕緣層,其技術(shù)特點(diǎn)是所述的上電極采用彎曲懸臂梁。該彎曲懸臂梁是由制作在硅襯底上的磷硅玻璃(PSG)犧牲層上的多晶硅層、氮化硅層構(gòu)成的多晶硅－氮化硅復(fù)合微梁;本發(fā)明還提供了其制作方法,通過控制工藝條件,即在淀積多晶硅時,使多晶硅留有較小的殘余應(yīng)力,在淀積氮化硅時,使氮化硅留有較大的殘余拉應(yīng)力,從而使復(fù)合微梁翹起。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明不僅驅(qū)動電壓低,能實(shí)現(xiàn)較大位移,還具有能耗低,切換時間短等諸多特點(diǎn),易于推廣使用。
文檔編號B81B3/00GK1374249SQ0211742
公開日2002年10月16日 申請日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月19日
發(fā)明者葉雄英, 劉素艷, 卜敏強(qiáng), 周兆英 申請人:清華大學(xué)