專利名稱：具有角度垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器的mems裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用梳狀驅(qū)動(dòng)器的微機(jī)電裝置，特別涉及在角度垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器控 制下的可傾斜的光學(xué)微鏡陣列。
背景技術(shù)：
靜電驅(qū)動(dòng)的光學(xué)微機(jī)電裝置(MEMS)中主要要解決的是獲得相對(duì)大的旋轉(zhuǎn)角同 時(shí)降低驅(qū)動(dòng)電壓，尤其在開關(guān)軸(switching axis),即"鋼琴(piano)"軸或Y軸。常 規(guī)的雙軸微機(jī)電(MEMS)裝置，例如于2005年8月23日授予Miller等人的美國(guó)專利 第6,934,439號(hào)和于2006年8月22日授予Mala等人的美國(guó)專利第7,095,546號(hào)所公開 的，為了實(shí)現(xiàn)傾斜(Y軸)和轉(zhuǎn)動(dòng)(X軸)，該裝置包含兩組要求復(fù)雜電極和供電配制 的平板靜電電極，例如于2005年11月22日授予Miller等人的美國(guó)專利第6,968,101號(hào) 和于2006年3月7日授予他們的美國(guó)專利第7,010,188號(hào)所公開的，其提供有限的傾斜 角(Y軸)范圍和控制。
平板(PP)靜電電極易遭受牽引(pull-in)不穩(wěn)定，這限制了可用的角度范圍；因此，用于鋼琴傾斜和旋轉(zhuǎn)的平板電極不可為下一個(gè)器件提供足夠的范圍。
垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器是一種可利用靜電操作原理產(chǎn)生較高的驅(qū)動(dòng)器功率的微機(jī)電(MEMS)驅(qū)動(dòng)器，并且可在半導(dǎo)體工業(yè)中采用標(biāo)準(zhǔn)的材料和可升級(jí)的工藝來制造。有利地，可在多種光學(xué)應(yīng)用中將垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器用來控制高速、高分辨率微鏡，這些應(yīng)用包括光學(xué)掃描、光學(xué)開關(guān)、自由空間光學(xué)通信、光學(xué)相控陣、光學(xué)濾波器、外腔式激光器、自適應(yīng)光學(xué)以及其他應(yīng)用。
典型垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理是靜電式的，其中，在兩個(gè)梳狀結(jié)構(gòu)之間施加一個(gè) 電位差，所述兩個(gè)梳狀結(jié)構(gòu)一個(gè)為活動(dòng)梳(或轉(zhuǎn)子)， 一個(gè)為固定梳(或定子)。當(dāng)在它 們之間施加電壓時(shí)，由于靜電場(chǎng)產(chǎn)生扭矩而使活動(dòng)梳繞支撐鉸鏈向固定梳旋轉(zhuǎn)，直到由 于鉸鏈彈簧的機(jī)械扭矩的恢復(fù)而使靜電扭矩達(dá)到平衡。例如，在授予Behin等人的美國(guó) 專利第6,612,029號(hào)中對(duì)不同類型的垂直梳狀驅(qū)動(dòng)裝置作了更詳細(xì)的描述，在此通過參考將其合并入本申請(qǐng)中。
與平板靜電電極驅(qū)動(dòng)器相比，常規(guī)的垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器相對(duì)有效，并且可以被設(shè)計(jì)成 避免與平板電極相關(guān)的驅(qū)動(dòng)方向的牽引(pull-in)現(xiàn)象。但是，垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器需要解 決的主要問題是為獲得驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性而需要的亞微米(sub-micron)梳齒對(duì)準(zhǔn)的精確性。
—種梳狀驅(qū)動(dòng)器為交錯(cuò)垂直梳狀(SVC)驅(qū)動(dòng)器，其中，可在不同的層制造轉(zhuǎn)子梳 和定子梳。通常的現(xiàn)有技術(shù)工藝流程包括通過蝕刻 一 片絕緣體上外延硅 (silicon-on-insulator, SOI)晶片來制作可動(dòng)梳狀組件，和通過蝕刻另 一片絕緣體上外延 硅(SOI)晶片來制作固定梳狀組件，然后將這兩個(gè)蝕刻晶片組裝在一起形成垂直梳狀驅(qū) 動(dòng)器。美國(guó)專利第6,925,710號(hào)和第7,079,299號(hào)中描述了這種工藝的不同版本。然而， 由于對(duì)形成這兩個(gè)梳狀組件的兩個(gè)晶片之間的對(duì)準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格，使得器件加工變得相 當(dāng)復(fù)雜并對(duì)器件的產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。于2007年4月11日以Moffat等人名義提交的美 國(guó)專利申請(qǐng)第11/733,821號(hào)中已經(jīng)開發(fā)了自對(duì)準(zhǔn)掩模方法來克服這種缺陷，盡管這種自 對(duì)準(zhǔn)SVC工藝相對(duì)復(fù)雜，此專利申請(qǐng)?jiān)诖送ㄟ^參考將其合并入本申請(qǐng)中，。 [9]本發(fā)明的目的是提供一種可樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的微鏡，該微鏡具有利用在開關(guān)軸(Y)上的角 度的梳以得到相對(duì)大的傾斜角和/或降低所需的電壓的驅(qū)動(dòng)器陣列結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容[10]因此，本發(fā)明涉及一種MEMs微鏡器件，其包括 [11]基底；[12]樞裝到所述基底上的鏡面平臺(tái)，所述鏡面平臺(tái)繞第一軸旋轉(zhuǎn)； [13]第一鉸^逸，其可使所述鏡面平臺(tái)繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)； [14]定子梳狀驅(qū)動(dòng)器，其延伸自所述基底；以及[15]轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器，用來與所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器交錯(cuò)，所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器與所述鏡 面平臺(tái)成銳角而延伸，用于所述鏡面平臺(tái)繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)。


[16]下面將參考代表優(yōu)選實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中[17]圖la是才艮據(jù)本發(fā)明的微鏡結(jié)構(gòu)的等軸測(cè)視圖；[18]圖lb是圖la所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)和外板的等軸測(cè)視圖；[19]圖lc是圖la所示的微鏡結(jié)構(gòu)的基底的等軸測(cè)視圖；[20]圖2是多個(gè)圖la所示的微鏡結(jié)構(gòu)的俯視圖，它們的反射表面彼此交錯(cuò)；[21]圖3是圖la所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)的俯視圖；[22]圖4是圖la所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)從下往上看的等軸測(cè)視圖；[23]圖5是根據(jù)本發(fā)明的第一角度垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器實(shí)施例的如圖la所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)和外板的等軸測(cè)視圖。[24]圖6是圖5所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)和外板的俯視圖；[25]圖7a是根據(jù)本發(fā)明的第二角度垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器實(shí)施例的如圖la所示的微鏡結(jié)構(gòu) 的內(nèi)平臺(tái)和外板的等軸測(cè)視圖。[26]圖7b是圖7a所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)和外板的俯視圖； [27]圖8a-8d示出了根據(jù)本發(fā)明的第一制造方法； [28]圖9a-9e示出了根據(jù)本發(fā)明的第二制造方法；[29]圖10是根據(jù)本發(fā)明的交錯(cuò)垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器實(shí)施例的微鏡結(jié)構(gòu)的等軸測(cè)視圖； [30]圖ll是如圖IO所示的微鏡結(jié)構(gòu)的基底的等軸測(cè)視圖； [31]圖12是如圖IO所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)的俯視圖；以及 [32]圖13是如圖10所示的微鏡結(jié)構(gòu)的內(nèi)平臺(tái)的等軸測(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
[33]參考圖la-lc，本發(fā)明涉及一種微鏡結(jié)構(gòu)1，其用于將具有反射表面3的平臺(tái)或板8 繞基底2上方的第一橫向開關(guān)軸(Y軸或傾斜軸)傾斜。在優(yōu)選實(shí)施例中，反射表面3 也可繞基底2上方的第二正交縱向旋轉(zhuǎn)軸(X軸)樞軸旋轉(zhuǎn)；但是，微鏡繞單個(gè)軸樞軸 旋轉(zhuǎn)也屬于本發(fā)明的范圍。如圖所示的微鏡結(jié)構(gòu)1采用混合驅(qū)動(dòng)器，其包括角度垂直梳 狀(AVC)驅(qū)動(dòng)器和平板靜電驅(qū)動(dòng)器，該角度垂直梳狀(AVC)驅(qū)動(dòng)器用來使平臺(tái)8繞 開關(guān)軸(Y軸)旋轉(zhuǎn)以獲得相對(duì)大的傾斜角并降低所需的電壓，該平板靜電驅(qū)動(dòng)器用于 使平臺(tái)8繞旋轉(zhuǎn)軸(X軸)旋轉(zhuǎn)；然而，平板靜電驅(qū)動(dòng)器對(duì)于繞單個(gè)軸傾斜的平臺(tái)8不 是必須的。[34]內(nèi)平臺(tái)4可繞Y軸旋轉(zhuǎn)，在AVC的情況下，包括位于其相對(duì)端的雙材料懸臂梁5a 和5b,它們分別具有從內(nèi)平臺(tái)4延伸、垂直于Y軸的轉(zhuǎn)子梳6a和6b。 在某些情況下， 可采用單個(gè)懸臂梁和轉(zhuǎn)子梳。矩形骨架結(jié)構(gòu)7a和7b分別從懸臂梁5a和5b (或從內(nèi)平臺(tái)4)延伸，分別將轉(zhuǎn)子梳6a和6b環(huán)繞并包圍。外部平臺(tái)8,既可繞X軸樞軸旋轉(zhuǎn) 又可繞Y軸樞軸旋轉(zhuǎn)，其環(huán)繞內(nèi)平臺(tái)4，并包含反射表面3、翼部9a、尾部10，以及在 反射表面3和尾部10之間延伸的矩形框架臂18,該矩形框架臂18位于外板8的與翼部表面3鍍有反射涂層，例如金，用來反射光束，而尾部10提供 平衡偏重。[35]通過常規(guī)的平板靜電驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)輥繞X軸旋轉(zhuǎn)，該平板靜電驅(qū)動(dòng)器包含安裝在 基底2上的X-電極9b, 該X電極9b用來作為匹配電極以吸引外部平臺(tái)8的翼部9a 的內(nèi)側(cè)。由于具有轉(zhuǎn)子梳6a和6b的內(nèi)平臺(tái)4被布置在X鉸鏈內(nèi)(見圖3 ), 輥旋轉(zhuǎn) 不會(huì)影響梳狀驅(qū)動(dòng)器的對(duì)準(zhǔn)，因此其僅繞Y軸傾斜。[36]參考圖lc,基底2可以是玻璃或硅，在其凸起的基座部分13的兩側(cè)包含凹部12a 和12b,以為外部平臺(tái)8繞Y軸運(yùn)動(dòng)提供寬的角運(yùn)動(dòng)范圍。凸起的基座13包含沿其一 側(cè)延伸的X-電極9b、在其中部且位于X和Y軸交叉點(diǎn)的基座或錨桿14,以及位于其 各端的定子錨16a和16b,微鏡結(jié)構(gòu)1自該X和Y軸的交叉點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。 [37]反射表面3可與相鄰反射鏡平臺(tái)的反射表面交錯(cuò)，所述相鄰反射鏡平臺(tái)沿相反的 方向延伸，如圖2所示，并如于2007年1月23日授予Miller等人的美國(guó)專利第7,167,613 號(hào)中所公開的，在此通過參考將其合并入本申請(qǐng)中。[38]具體參考圖3,外部平臺(tái)8和內(nèi)平臺(tái)4通過第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈21和第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈22樞 轉(zhuǎn)互連，其中，第 一扭轉(zhuǎn)鉸鏈21在尾部10與矩形結(jié)構(gòu)7a之間延伸，第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈22 在反射表面3與矩形結(jié)構(gòu)7b之間延伸，從而限定縱向的X軸。第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈21和第二 扭轉(zhuǎn)鉸鏈22可以是蜿蜒的梁，其兩端沿X軸延伸或其每一側(cè)的端部沿平行于X軸延伸， 如圖3所示。[39]除轉(zhuǎn)子梳6a和6b之外，梳狀驅(qū)動(dòng)器還包含兩組縱向延伸的、分別安裝在定子錨 16a和16b上的固定(定子)梳26a和26b，定子梳26a和26b的齒分別與轉(zhuǎn)子梳6a和6b 的齒交錯(cuò)。矩形蓋27在內(nèi)平臺(tái)4的中央形成用來連接錨柱14的頂端。最佳如圖3和4, 第三扭轉(zhuǎn)鉸鏈28和第四扭轉(zhuǎn)鉸鏈29從矩形蓋27的相對(duì)側(cè)延伸至內(nèi)平臺(tái)4以支撐內(nèi)平 臺(tái)4,從而限定橫向的Y軸。第三扭轉(zhuǎn)鉸鏈28和第四扭轉(zhuǎn)鉸鏈29可以是蜿蜒梁，其兩 端沿Y軸延伸或其每一側(cè)的端部沿平行于Y軸延伸，如圖3和圖4所示。 [40]移動(dòng)(轉(zhuǎn)子)梳6a和6b位于第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈21和第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈22之間，從而移 動(dòng)梳6a和6b的齒可自由地隨外部平臺(tái)8經(jīng)由第三扭轉(zhuǎn)鉸鏈28和第四扭轉(zhuǎn)鉸鏈29繞Y 軸(鋼琴) 一起旋轉(zhuǎn)，但是當(dāng)外部平臺(tái)8經(jīng)由第 一扭轉(zhuǎn)鉸鏈21和第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈22繞縱 向X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述齒與外部平臺(tái)8不相關(guān)并保持靜止。[41] Y軸扭轉(zhuǎn)鉸鏈28和29優(yōu)選為其長(zhǎng)度小于反射表面3或尾部10的寬度的蜿蜒扭轉(zhuǎn) 彈簧，從而可實(shí)現(xiàn)反射表面3的密集封裝而它們之間僅存在小的空隙，然后將反射鏡表面3固定到中間柱14上，再將中間柱14固定到基底2上。[42]此實(shí)施例中的角度垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子梳6a, 6b和定子梳 26a, 26b的梳齒可在同一層上同時(shí)加工、提供自對(duì)準(zhǔn)，然后，通過例如硅-氧化硅的預(yù) 應(yīng)力雙材料的懸臂梁5a和5b,在制造期間釋放，移動(dòng)的轉(zhuǎn)子梳齒6a和6b可相對(duì)于基 板2成銳角傾斜，從而提供角度垂直梳齒驅(qū)動(dòng)器。因此，不需要制造后的傾斜過程或機(jī)制。[43]在施加電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子梳6a, 6b和定子梳26a， 26b的轉(zhuǎn)子齒和定子齒需要彼此之間 垂直偏移以在垂直方向產(chǎn)生靜電力。如果轉(zhuǎn)子齒和定子齒位于同一平面，那么就不會(huì)產(chǎn) 生垂直方向上的力，因此沒有反射鏡傾斜的轉(zhuǎn)矩。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過在釋放期間 彎曲懸臂梁5a和5b以預(yù)傾斜轉(zhuǎn)子梳6a和6b,可以更容易地在一層中實(shí)現(xiàn)角度垂直偏 置(預(yù)傾斜)。由于可獲得的空間有限，實(shí)際上不能將所有梳齒制造在一層中，然后在 垂直方向線性地偏置轉(zhuǎn)子或定子梳6a, 6b, 26a和26b。[44]因此，參考圖8a-9e,雙材料懸臂梁部分5a和5b具有包含主結(jié)構(gòu)層31和預(yù)應(yīng)力 層32 (如位于上面的結(jié)構(gòu)層31下方的熱生長(zhǎng)二氧化硅層)的雙材料結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)層31 可以鄰近或不鄰近內(nèi)平臺(tái)4 (如薄硅層)。預(yù)應(yīng)力層32 (見圖4)具有殘余壓縮應(yīng)力，通 常約為300 Mpa。優(yōu)選地，可在非常高的溫度下加工二氧化硅，如1000 。C,因此相對(duì) 無缺陷，保證了在裝置工作溫度狀況下(即0°C-70°C)應(yīng)力對(duì)于時(shí)間的穩(wěn)定性。 [45]可替代地，預(yù)應(yīng)力層32可以包含沉積在結(jié)構(gòu)層31下方的壓縮多晶硅層，或在薄結(jié) 構(gòu)層31上的拉伸多晶硅層。同熱二氧化硅一樣，也期望多晶硅在工作溫度下保持穩(wěn)定。 [46]預(yù)應(yīng)力層32中的壓力一旦釋放，會(huì)導(dǎo)致懸臂梁5a和5b向上彎曲，而且轉(zhuǎn)子梳6a, 6b與基底2和/或外板8成一銳角傾斜，如圖5所示。在如圖5所給出的模擬中，這樣 的懸臂梁5a和5b不僅使轉(zhuǎn)子梳6a, 6b傾斜，而且使外部平臺(tái)8相對(duì)于Y鉸鏈(即 第三扭轉(zhuǎn)鉸鏈28和第四扭轉(zhuǎn)鉸鏈29)和錨柱14上升，如所示出的那樣；這是一種有利 的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼮橥獠科脚_(tái)8提供了附加的移動(dòng)空間。如圖6所示，矩形框架7a和7b 分別被連接到懸臂梁5a和5b,從而轉(zhuǎn)子梳6a, 6b的齒的外端沿矩形框架7a和7b彎 曲。矩形框架7a和7b通過第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈21和第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈22也被連接到外部板8， 從而整個(gè)外部平臺(tái)8隨轉(zhuǎn)子梳6a， 6b的端部一起上升。[47]可替代地，如圖7a所示，懸臂梁5a和5b可以被如此設(shè)計(jì)，以使僅僅轉(zhuǎn)子梳6a 和6b相對(duì)于基底2和/或外板8成一銳角傾斜，使外部平臺(tái)8其它部分與內(nèi)平臺(tái)4 (即 正方形蓋27和扭轉(zhuǎn)鉸鏈28和29)位于同一平面。如圖7b所示，在圖7a的實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子梳6a和6b中的齒的外端是自由的、不受限制的，從而它們自己分別傾斜于懸臂梁 5a和5b 。分別環(huán)繞轉(zhuǎn)子梳6a和6b的矩形框架7a和7b,獨(dú)立于懸臂梁5a和5b而從 內(nèi)平臺(tái)4延伸，因此不與轉(zhuǎn)子梳6a和6b及懸臂梁5a和5b —起彎曲。 [48]當(dāng)在內(nèi)平臺(tái)4上的接地轉(zhuǎn)子梳6a和6b與固定在基板2上的帶電定子梳26a和26b 之間施加電位差時(shí)，轉(zhuǎn)子和定子對(duì)梳6a和26a, 6b和26b之間的垂直方向的靜電力產(chǎn) 生力矩，從而導(dǎo)致整個(gè)反射鏡裝置1 (即內(nèi)平臺(tái)4和外部平臺(tái)8)繞第三和第四(Y軸) 鉸鏈28, 29傾斜。[49]當(dāng)在翼部9a和圖案化在基板2上的X -電極9b之間施加電位差時(shí)，由于翼部9a 和X-電極9b之間的靜電吸引力，外部平臺(tái)8會(huì)繞X軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外部平臺(tái)8沿滾動(dòng)或X 方向傾斜時(shí)，由于它們被布置在第 一和第二 X軸鉸鏈21和22的內(nèi)部，轉(zhuǎn)子梳6a, 6b 保持靜止。[50]本發(fā)明可以通過在雙絕緣體上硅(double silicon on insulator, DSOI)結(jié)構(gòu)或單絕緣 體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)上來實(shí)現(xiàn)，分別如圖8a-8d和圖9a-9e所示。在DSOI情況下，圖8a 示出了一種多層結(jié)構(gòu)，其包含預(yù)應(yīng)力絕緣層32 (例如期望厚度的第一熱氧化層，通常為 2um)、第一結(jié)構(gòu)層31 (例如硅)、第二絕緣層33 (例如二氧化硅)，以及第二結(jié)構(gòu)層34, 其中，預(yù)應(yīng)力絕緣層32生長(zhǎng)在第一結(jié)構(gòu)層31上，第一結(jié)構(gòu)層31上具有第二絕緣層33, 第二絕緣層33在第二結(jié)構(gòu)層34上形成。具有釋放層37的操作晶片(handle wafer) 36 用來在加工過程中為多層結(jié)構(gòu)提供支撐。在圖8b中，第一結(jié)構(gòu)層31和預(yù)應(yīng)力層32在 背面被組成圖案來形成懸臂梁5a, 5b。然后將DSOI結(jié)構(gòu)結(jié)合到圖案化的基底2 (見圖 8c),已經(jīng)形成的基底包含凹部12a， 12b、具有錨柱14的凸起的基架13,以及定子錨 16a, 16b。然后采用釋放層37來除去操作晶片36。下一步驟如圖8d所示，然后在暴 露的Si層34上加工對(duì)4危6a, 6b, 26a和26b、扭轉(zhuǎn)4交鏈21, 22, 28和29，同時(shí)釋放懸 臂梁5a, 5b?，F(xiàn)在，通過干蝕刻去除梁結(jié)構(gòu)5a， 5b上的殘留氧化物33，以獲得轉(zhuǎn)子梳 6a和6b的傾斜或自組裝。需對(duì)轉(zhuǎn)子梳6a、平臺(tái)27和雙材料懸臂梁5a的重疊寬度進(jìn) 行選擇，以使在氧化物蝕刻期間的任何底切不會(huì)對(duì)所需的錨柱14的錨定寬度(即幾微 米級(jí))產(chǎn)生反作用。[51]僅通過單SOI也可簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)，如圖9a-9e所示。圖9a示出了第一步，在 該步驟中，提供一種單SOI結(jié)構(gòu)，其包含結(jié)構(gòu)層41 (例如硅)、預(yù)應(yīng)力絕緣層42 (例如 二氧化硅)、釋放層43和操作晶片44，結(jié)構(gòu)層41在預(yù)應(yīng)力絕緣層42和釋放層43之間， 它們都由操作晶片44支撐。在第二步中，如圖9b所示，生長(zhǎng)用于懸臂梁5a和5b的預(yù)應(yīng)力層42，其被圖案化在結(jié)構(gòu)層41上并從結(jié)構(gòu)層41被蝕刻。然后將SOI結(jié)構(gòu)結(jié)合到 圖案化的基底2 (見圖9c),已經(jīng)形成的基底包含凹部12a， 12b、具有錨柱14的凸起基 架13,以及定子錨16a， 16b。然后在包含懸臂梁5a和5b的部分，在暴露的結(jié)構(gòu)層41 上進(jìn)行定時(shí)的蝕刻以使材料(例如硅)變薄，如圖9d所示。在變薄步驟后，接著在暴 露的硅層41上加工梳對(duì)6a， 6b,26a和26b 、扭轉(zhuǎn)鉸鏈21，22, 28和29,來同時(shí)釋放懸 臂梁5a， 5b，從而完成轉(zhuǎn)子梳6a和6b的自組裝，如前所述。[52]為了作比較，圖10-13示出了交錯(cuò)垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器實(shí)施例，其中，MEMS微鏡裝 置101用來同時(shí)將反射表面103a和103b繞基底102上方的第一橫向開關(guān)軸(Y)和第 二正交縱向旋轉(zhuǎn)軸(X)傾斜。微鏡裝置101采用混合驅(qū)動(dòng)器，其包括交錯(cuò)角度垂直梳狀 (AVC)驅(qū)動(dòng)器和平板靜電驅(qū)動(dòng)器，該角度垂直梳狀(AVC)驅(qū)動(dòng)器用來使反射表面103a 和103b繞開關(guān)軸(Y)旋轉(zhuǎn)以獲得相對(duì)大的傾斜角并降低所需的電壓，該平板靜電驅(qū)動(dòng) 器用于使反射表面103a和103b繞旋轉(zhuǎn)軸(X )旋轉(zhuǎn)。[53]內(nèi)部矩形或正方形骨架框架結(jié)構(gòu)104可繞Y軸樞軸旋轉(zhuǎn)，該結(jié)構(gòu)具有分別從其延 伸、平行于X軸的轉(zhuǎn)子梳106a和106b。矩形框架104包含分別從其相對(duì)端側(cè)(ends sides ) 延伸、環(huán)繞并包圍轉(zhuǎn)子梳106a和106b的矩形骨架臂107a和107b。外板108既可繞X 軸樞軸旋轉(zhuǎn)又可繞Y軸樞軸旋轉(zhuǎn)，其基本上環(huán)繞內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)104(至少三邊)，并且其 包含反射表面103a和103b、翼部109a。反射段(mirrored sections) 103a和103b鍍 有反射涂層，例如金，用來反射光束。[54]通過平板靜電驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)輥繞X軸旋轉(zhuǎn)，該平板靜電驅(qū)動(dòng)器包含安裝在基底102 上的X-電極109b, 該X-電極109b作為匹配電極用來吸引外板108的翼部109a的內(nèi) 側(cè)。如圖12所示，由于具有轉(zhuǎn)子梳106a和106b的內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)104被布置在X-鉸鏈 內(nèi)部(也就是在扭轉(zhuǎn)鉸鏈121和122之間)，輥旋轉(zhuǎn)不會(huì)影響梳狀驅(qū)動(dòng)器的對(duì)準(zhǔn)，因此 其僅繞Y軸傾斜。[55]參考圖11,基底102可以是玻璃或硅，在其凸起的基座部分113的兩側(cè)包含凹部 112a和112b, 以為外板108繞Y軸運(yùn)動(dòng)提供較寬的角運(yùn)動(dòng)范圍。凸起的基座113包 含沿其一側(cè)延伸的X-電極109b、在其中部的基座或錨柱114以及至少一組定子梳126, 微鏡裝置101自基座或錨柱14旋轉(zhuǎn)。如果需要的話可提供第二組定子梳。 [56]具體參考圖12,外板108和內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)104通過第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈121和第二扭轉(zhuǎn) 鉸鏈122樞轉(zhuǎn)互連，其中，第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈121在反射表面103a與矩形框架107a之間延 伸，第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈122在第二反射表面103b與矩形框架107b之間延伸，從而限定縱向的X軸。第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈121和第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈122可以是蜿蜒的梁，其端部沿X軸延伸 或其每一側(cè)的端部沿平行于X軸延伸，如圖所示。[57]除轉(zhuǎn)子梳106a和106b之外，梳狀驅(qū)動(dòng)器還至少包含一組縱向延伸的、安裝在基底 102上的固定(定子)梳126，定子梳126的齒與轉(zhuǎn)子梳106a和/或106b的齒交錯(cuò)。定 子梳126分別平行于轉(zhuǎn)子梳106a和106b延伸，在平行平面內(nèi)，即轉(zhuǎn)子梳106a和106b 在包含外板108的第一平面中延伸，該第一平面疊加在第二平面的上方，該第二平面包 含在其中延伸的定子梳126。矩形蓋127在內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)104的中央形成，用來連接到 錨柱114的頂端。最佳如圖12所示，第三扭轉(zhuǎn)鉸鏈128和第四扭轉(zhuǎn)鉸鏈129從矩形蓋 127的相對(duì)側(cè)延伸至內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)104的側(cè)面，以支撐該內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)104、轉(zhuǎn)子梳106a 和106b以及矩形框架107a和107b,從而限定橫向的Y軸。第三^a轉(zhuǎn)^t交鏈128和第四 扭轉(zhuǎn)鉸鏈129可以是直彈簧或蜿蜒的梁，其端部沿Y軸延伸或其每一側(cè)的端部沿平行于 Y軸延伸，如圖所示。[58]當(dāng)在微鏡裝置101上的接地轉(zhuǎn)子梳106b和固定在基底102上的帶電定子梳126之 間施加電位差時(shí)，由于靜電力而沿轉(zhuǎn)子和定子梳對(duì)之間的垂直方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，引起轉(zhuǎn)子 梳106旋轉(zhuǎn)與定子梳126成銳角，從而導(dǎo)致整個(gè)微鏡裝置101繞Y軸鉸鏈128, 129傾 斜。Y軸扭轉(zhuǎn)鉸鏈128和129優(yōu)選為被置于第一反射表面103a和第二反射表面103b之 間，并且包含其長(zhǎng)度小于反射鏡表面103a的寬度的蜿蜒扭轉(zhuǎn)彈簧，從而可實(shí)現(xiàn)反射表 面103a， 103b或相鄰反射鏡之間的密集封裝，之間僅存在小的空隙。將扭轉(zhuǎn)鉸鏈128 和129的內(nèi)端固定到蓋127上，該蓋127被固定在中間柱114上，而中間柱114自基底 102延伸。[59](移動(dòng))轉(zhuǎn)子梳106a和106b位于第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈121和第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈122之間，從 而，移動(dòng)梳106a和106b可通過第三扭轉(zhuǎn)鉸鏈128和第四扭轉(zhuǎn)鉸鏈129自由地與外板108 一起繞Y軸(鋼琴)旋轉(zhuǎn)，但是當(dāng)外板108經(jīng)由第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈121和第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈122 繞縱向X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子梳106a和106b與外板108不相關(guān)并保持靜止。 [60]可通過基底工藝的雙SOI來實(shí)現(xiàn)圖10-14所示的實(shí)施例，并且僅涉及一個(gè)結(jié)合步 驟。雙SOI的一個(gè)層可形成固定于基底102上的定子齒126,并且第二層可形成反射表 面103a和103b/轉(zhuǎn)子梳106a和106b/鉸鏈結(jié)構(gòu)121, 122, 128和129。以Moffat等人名 義于2007年4月11日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)第11/733,821號(hào)中披露了交錯(cuò)梳狀驅(qū)動(dòng)器的 制作，在此通過參考將其合并入本申請(qǐng)中。
權(quán)利要求
1、一種MEMs微鏡裝置，其包括基底；鏡面平臺(tái)，將其樞裝到所述基底上，用于繞第一軸旋轉(zhuǎn)；第一鉸鏈，其可使所述鏡面平臺(tái)繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)；定子梳狀驅(qū)動(dòng)器，其自所述基底延伸；以及轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器，其用來與所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器交錯(cuò)，與所述鏡面平臺(tái)成銳角而延伸，所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器用于使所述鏡面平臺(tái)繞所述第一軸旋轉(zhuǎn)。
2、 如權(quán)利要求1所述的MEMs微鏡裝置，其中，所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器包含固定端 和外端；以及其中，所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器的所述固定端與所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器共面，從而所述轉(zhuǎn) 子梳狀驅(qū)動(dòng)器和所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器可在同 一層中形成。
3、 如權(quán)利要求1所述的MEMs微鏡裝置，其中，所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器包含自其延 伸的第 一懸臂結(jié)構(gòu)和第 一轉(zhuǎn)子梳；其中，所述第一懸臂結(jié)構(gòu)包含用來彎曲所述第一懸臂結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力層，以及所述第 一轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器與所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器成銳角。
4、 如權(quán)利要求3所述的MEMs微鏡裝置，其中，所述第一懸臂結(jié)構(gòu)包含內(nèi)部固定 端，以及所述第一轉(zhuǎn)子梳包含外部自由端；以及其中所述第 一懸臂結(jié)構(gòu)的所述內(nèi)部固定端與所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器共面，從而所述轉(zhuǎn) 子梳狀驅(qū)動(dòng)器和所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器可在同 一層中形成。
5、 如權(quán)利要求4所述的MEMs微鏡裝置，還包含在所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器和所述平 臺(tái)之間延伸的框架，從而當(dāng)所述第一懸臂結(jié)構(gòu)將所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器彎曲時(shí)，所述平臺(tái) 被置于所述第 一鉸鏈與所述定子梳狀驅(qū)動(dòng)器的上方。
6、 如權(quán)利要求4所述的MEMs微鏡裝置，其中，所述第一懸臂結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述平 臺(tái)彎曲，從而當(dāng)所述第一懸臂結(jié)構(gòu)將所述轉(zhuǎn)子梳狀驅(qū)動(dòng)器彎曲時(shí)，所述平臺(tái)與所述定子 梳狀驅(qū)動(dòng)器保持共面。
7、 如權(quán)利要求1所述的MEMs微鏡裝置，還包含錨柱，所述錨柱經(jīng)由所述平臺(tái)的 開口，沿所述第一軸，自所述基底向上延伸；其中，所述第 一鉸鏈包含在所述平臺(tái)和所述錨柱之間延伸的第 一和第二扭轉(zhuǎn)梁。
8、 如權(quán)利要求7所述的MEMs微鏡裝置，其中，所述平臺(tái)比所述第一鉸鏈寬，從 而可將多個(gè)平臺(tái)緊密組裝在一起。
9、 如權(quán)利要求7所述的MEMs微鏡裝置，還包含內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)，其至少部分環(huán)繞所述錨柱和所述第一鉸鏈；第二鉸鏈，其包含分別自所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的相對(duì)端延伸至所述平臺(tái)的相對(duì)側(cè)的第 三鉸鏈和第四扭轉(zhuǎn)梁，以限定第二軸；以及電極驅(qū)動(dòng)器，其用來使所述平臺(tái)繞所述第二軸旋轉(zhuǎn)；從而當(dāng)所述電極驅(qū)動(dòng)器受驅(qū)動(dòng)時(shí)，所述平臺(tái)相對(duì)于所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)繞所述第二軸 旋轉(zhuǎn)。
10、 如權(quán)利要求9所述的MEMs微鏡裝置，其中，所述電極驅(qū)動(dòng)器包含安裝在所述 基底上的靜電電極，用于吸引所述平臺(tái)下部的部分。
11、 一種制作微鏡裝置的方法，所述微鏡裝置包含通過垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器可繞第一鉸 鏈旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)，所述垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器包含第 一和第二定子梳以及第 一和第二轉(zhuǎn)子梳，所 述第一和第二定子梳相對(duì)于基底固定，所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳自預(yù)應(yīng)力懸臂部分與所述 基底成銳角而延伸，所述方法包括以下步驟a) 提供雙絕緣體上硅SOI結(jié)構(gòu)，所述雙SOI結(jié)構(gòu)包含第一和第二結(jié)構(gòu)層以及第一 和第二絕緣層；b) 蝕刻所述第一和第二絕緣層以及所述第二結(jié)構(gòu)層，以在所述第一結(jié)構(gòu)層上形成 所述第一和第二懸臂部分，所述第二絕緣層為所述第一和第二懸臂部分的每一個(gè)形成預(yù) 應(yīng)力層；c) 將所述第一結(jié)構(gòu)層安裝在自所述基底延伸的第一、第二和第三支撐；d) 蝕刻所述第一結(jié)構(gòu)層以形成自所述第一支撐延伸的所述第一鉸鏈、分別自所述 第一和第二懸臂部分延伸的所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳、分別自所述第二和第三支撐延伸的 所述第一和第二定子^^,以及所述平臺(tái)；以及e) 蝕刻在所述第一和第二懸臂部分上方的所述第一結(jié)構(gòu)層，從而釋放所述第一和第 二懸'臂部分，以使所述第一和第二懸臂部分由于所述預(yù)應(yīng)力層而相對(duì)于所述基底成銳角 彎曲。
12、 如權(quán)利要求11所述的制作微鏡裝置的方法，其中，在步驟d)中的形成所述平 臺(tái)步驟包含蝕刻內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)和外板步驟，其中，所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)可經(jīng)由所述第一4交 鏈繞所述第一軸樞轉(zhuǎn)，所述外板可與所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)一起繞所述第一軸樞轉(zhuǎn)。
13、 如權(quán)利要求12所述的制作微鏡裝置的方法，其中，在步驟d)中的形成所述內(nèi) 部框架結(jié)構(gòu)步驟包含蝕刻第一和第二骨架框架，所述第一和第二骨架框架分別自所述第一和第二懸臂部分延伸且分別環(huán)繞所述第 一和第二轉(zhuǎn)子梳；從而所述懸臂部分的彎曲會(huì) 導(dǎo)致所述第一和第二骨架框架與其一起彎曲，從而所述外板相對(duì)于所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)上升。
14、 如權(quán)利要求12所述的制作微鏡裝置的方法，其中，在步驟d)中的形成所述內(nèi) 部框架結(jié)構(gòu)步驟包含蝕刻自其延伸的、且分別環(huán)繞所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳的第一和第二 骨架框架，與所述懸臂部分分開，從而所述懸臂部分的彎曲會(huì)導(dǎo)致所述第一和第二轉(zhuǎn)子 梳與其一起彎曲，與所述第一和第二骨架框架分開，從而抬起所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳而 與所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)和所述第一和第二骨架框架形成銳角。
15、 如權(quán)利要求12所述的制作微鏡裝置的方法，其中，步驟d)還包含在所述第一 結(jié)構(gòu)層中蝕刻第二鉸鏈，所述第一結(jié)構(gòu)層包含分別自所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的相對(duì)端延伸至 所述外板的相對(duì)側(cè)的第三和第四扭轉(zhuǎn)梁；以及提供用來使所述外板繞所述第二鉸鏈旋轉(zhuǎn) 的電極驅(qū)動(dòng)器；從而當(dāng)所述電極驅(qū)動(dòng)器受驅(qū)動(dòng)時(shí)，所述外板相對(duì)于所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)繞 所述第二軸旋轉(zhuǎn)。
16、 一種制作微鏡裝置的方法，所述微鏡裝置包含通過垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器可繞第一鉸 鏈樞轉(zhuǎn)的平臺(tái)，所述垂直梳狀驅(qū)動(dòng)器包含第一和第二定子梳以及第一和第二轉(zhuǎn)子梳，所 述第一和第二定子梳相對(duì)于基底固定，所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳分別自第一和第二預(yù)應(yīng)力 懸臂部分與所述基底成銳角而延伸，所述方法包括以下步驟a) 提供SOI結(jié)構(gòu)，所述SOI結(jié)構(gòu)包含結(jié)構(gòu)層以及第一和第二絕緣層；b) 蝕刻所述第一絕緣層以限定所述第一結(jié)構(gòu)層上的所述第一和第二懸臂部分中的 每一個(gè)的預(yù)應(yīng)力層；c) 將所述第一結(jié)構(gòu)層安裝在自所述基底延伸的第一、第二和第三支撐上；d) 蝕刻所述第一結(jié)構(gòu)層以形成自所述第一支撐延伸的所述第一鉸鏈、分別自所述 第一和第二懸臂部分延伸的所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳、分別自所述第二和第三支撐延伸的 所述第一和第二定子梳，以及所述平臺(tái)；以及e) 蝕刻在所述第一和第二懸臂部分上方的所述第一結(jié)構(gòu)層，從而釋放所述第一和第 二懸臂部分以使所述第一和第二懸臂部分由于所述預(yù)應(yīng)力層而成銳角彎曲。
17、 如權(quán)利要求16所述的制作微鏡裝置的方法，其中，在步驟d)中的形成所述平 臺(tái)步驟包含蝕刻內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)和外板步驟，其中，所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)可經(jīng)由所述第一鉸 鏈繞所述第一軸樞轉(zhuǎn)，所述外板可與所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)一起繞所述第一軸樞轉(zhuǎn)。
18、 如權(quán)利要求17所述的制作微鏡裝置的方法，其中，在步驟d)中的形成所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)步驟包含蝕刻第一和第二骨架框架，所述第一和第二骨架框架分別自所述第 一和第二懸臂部分延伸且分別環(huán)繞所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳；從而所述懸臂部分的彎曲會(huì)導(dǎo)致所述第一和第二骨架框架與其一起彎曲，從而所述外板相對(duì)于所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)上升。
19、 如權(quán)利要求17所述的制作微鏡裝置的方法，其中，在步驟d)中的形成所述內(nèi) 部框架結(jié)構(gòu)步驟包含蝕刻自其延伸的、且分別環(huán)繞所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳的第 一和第二 骨架框架，與所述懸臂部分分開，從而所述懸臂部分的彎曲會(huì)導(dǎo)致所述第一和第二轉(zhuǎn)子 梳與其一起彎曲，與所述第一和第二骨架框架分開，從而抬起所述第一和第二轉(zhuǎn)子梳而 與所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)和所述第一和第二骨架框架形成銳角。
20、 如權(quán)利要求17所述的制作微鏡裝置的方法，其中，步驟d)還包含在所述第一 結(jié)構(gòu)層中蝕刻第二鉸鏈，所述第二鉸鏈包含分別自所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)的相對(duì)端延伸至所 述外板的相對(duì)側(cè)的第三和第四扭轉(zhuǎn)梁；以及提供用來使所述外板繞所述第二鉸鏈旋轉(zhuǎn)的 電極驅(qū)動(dòng)器；從而當(dāng)所述電極驅(qū)動(dòng)器受驅(qū)動(dòng)時(shí)，所述外板相對(duì)于所述內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)繞所 述第二軸旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直梳狀靜電驅(qū)動(dòng)器，其用來使微機(jī)電微鏡裝置繞傾斜軸或旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，該梳狀驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)子梳齒自微鏡裝置的子框架延伸，微鏡裝置包含預(yù)應(yīng)力層，其用來使轉(zhuǎn)子梳齒彎曲至與基底和鏡面平臺(tái)成一角度，使得平臺(tái)、鉸鏈、轉(zhuǎn)子梳齒和定子梳齒可在同一層中形成，即同一蝕刻步驟。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101329446SQ200810110958
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者阿卜杜·賈里爾·K.·穆伊杜 申請(qǐng)人:Jds尤尼弗思公司