基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器及製作方法

2023-06-06 00:19:41

專利名稱：基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器及製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器，屬於微電子機械系 統領域 。
背景技術：
微型驅動器是微電子機械系統的一個重要組成部分，它對於運動的微電子機械系 統是必不可少的。在微電子機械系統中經常用到的驅動方式有五種熱驅動、形狀記憶合金 驅動、壓電驅動、電磁驅動及靜電驅動。微靜電驅動器是微電子機械系統領域中重要的驅動 器之一，靜電驅動方式主要有兩種一種是平板驅動，另一種是梳齒驅動。靜電驅動的原理 依賴於電荷極性相反的機械元件的相互吸引，就是一種利用電荷間的庫侖力作為驅動力， 從事做功的部件，這是微電子機械系統器件最常用的驅動方式。靜電驅動器結構簡單、響應 快、功耗相對較低，而且便於製作大規模集成的結構使其在微電子機械系統領域中得到廣 泛的應用和發展。微電子機械系統器件非常適合應用於光學領域，基於微電子機械系統的 光學器件，大都需要驅動器結構，如數字微鏡器件需要的扭轉微鏡結構，可調諧光器件需要 垂直平動結構，因此製作驅動器結構成為微電子機械系統器件的工作重點。靜電梳齒驅動器有很多優點大驅動距離，穩定，可靠，設計靈活。靜電驅動器被 廣泛應用於微電子機械系統器件中，常用於實現平面的橫向驅動，但實現縱向驅動比較困 難。國外很多學者採用正反對準、多次選擇性刻蝕獲得縱向有一定錯位的固定梳齒與可動 梳齒，從而實現縱向驅動，但是它很難實現固定梳齒與可動梳齒之間的精確對準，另外還需 要進行多次幹法刻蝕、澱積等工藝，步驟繁多而複雜，所以這種工藝成本高而且不實用。Chang-Li Hung在U. S. Pat. No. 7205174B2中描述了一種扭轉型靜電驅動器，通 過平面和垂直的梳齒控制微鏡的轉動，垂直的位錯梳齒使微鏡達到最大轉動角度，製作過 程中，先刻蝕底層梳齒再鍵合，之後刻蝕釋放上層梳齒結構，整個製作過程至少通過三步 刻蝕工藝，如果上層矽片很厚的話，釋放上層梳齒將會耗費大量時間，並且也是不經濟的。 Abraham P. Lee, et. al.在U. S. Pat. No. 5969848中描述了一種垂直靜電驅動器，依靠平面 的梳齒產生的垂直靜電力實現微鏡的垂直運動，運動距離小於1. 5 μ m，這種結構很難實現 較大的位移。本發明擬提出的一種基於矽塑性變形原理製作的靜電驅動器可以同時實現水 平與垂直方向運動，並且運動距離較大(一種可行的設計參數理論上施加30V的靜電壓可 實現約10 μ m的垂直運動距離)，製作方法上採用矽矽高溫鍵合技術，通過一次刻蝕實現了 整個結構的釋放(包括固定及可動梳齒、中央可動平臺、直梁及摺疊梁等)，大大縮短了工 藝流程並且降低了製作成本。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器及其制 作方法，該器件為微電子機械系統提供一種良好的驅動部件，較好的實現了在水平和垂直 方向運動，與傳統工藝相比，降低了工藝難度及製作成本。
本發明提供一種基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器，包括垂直及水平驅 動固定梳齒、垂直及水平驅動可動梳齒、四根直梁及四根摺疊梁、中央可動平臺、內部支撐 框架、外部支撐框架、四個固定錨點及襯底，其特徵在於(1)中央可動平臺通過四根直梁連接到內部支撐框架上，內部支撐框架通過四根 摺疊梁連接到四個固定錨點上；(2)內部、外部支撐 框架之間梳齒為垂直驅動梳齒，內部支撐框架裡面梳齒為水平 驅動梳齒；(3)在內部支撐框架上製作絕緣槽實現水平驅動電極間的電絕緣；(4)內部支撐框架上下運動，同時，中央可動平臺可水平運動；所述的中央可動平臺不僅局限於長方形或正方形，可為任意形狀。所述的四根直梁、四根摺疊梁的形狀和尺寸分別一致。所述的電極引線金屬塊製作在四個固定錨點及外部支撐框架上。所述的電極與襯底之間通過絕緣層實現電絕緣、電極引線金屬塊之間通過隔離槽 實現電絕緣。本發明提出的一種基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器，是利用微電子機 械繫統技術，利用矽矽高溫鍵合工藝技術，採用溼法腐蝕和幹法刻蝕的方法製作固定梳齒 和可動梳齒，利用矽在高溫下產生塑性變形的原理，使垂直驅動固定梳齒和水平梳齒在垂 直方向上產生位錯，代替傳統工藝採用昂貴SOI矽片和多步幹法刻蝕的方法，具體是通過 以下步驟的製作方法製作出來的(1)結構矽片通過氧化、光刻、溼法腐蝕、生長多晶矽的方法製作水平驅動電極間 的絕緣槽；(2)結構矽片雙面氧化形成二氧化矽薄膜後，利用光刻、溼法腐蝕的方法，在其下 表面腐蝕出深坑結構，腐蝕的深度由彈性梁的厚度及梳齒的高度決定；所述的彈性梁包括 摺疊梁或直梁；(3)結構矽片上表面二氧化矽薄膜上經光刻、幹法刻蝕工藝製作出固定梳齒與可 動梳齒、直梁及摺疊梁、中央可動平臺等掩膜結構；(4)將結構矽片下表面與襯底矽片上表面矽矽預鍵合，預鍵合完成後進行退火工 藝；(5)結構矽片上表面通過幹法刻蝕同時釋放固定梳齒與可動梳齒、直梁及摺疊梁、 中央可動平臺等結構；(6)施壓矽片氧化後利用光刻、溼法腐蝕的方法，在其下表面腐蝕出凸臺結構，凸 臺的高度由垂直位錯梳齒的位錯距離決定；(7)將施壓矽片下表面(凸臺結構)與結構矽片上表面(內部支撐框架及其內部) 對準壓緊後，平放入高溫爐中，進行退火工藝；(8)引線塊掩膜矽片氧化後利用光刻、溼法腐蝕的方法，腐蝕出電極引出槽；(9)取下施壓矽片，將引線塊掩膜矽片與結構矽片對準(電極引出槽與結構矽片 電極引線金屬塊位置上下相對應)壓緊並固定，然後濺射或蒸發金屬層，形成電極引線金 屬塊。(10)取下引線塊掩膜矽片。
所述的包括摺疊梁或直梁在內的彈性梁的厚度與梳齒的高度相等，並且決定腐蝕 的深度。所述的靜電驅動器採用矽矽鍵合技術，結構矽片下表面與襯底矽片上表面直接鍵 合，同時實現電絕緣。所述的固定梳齒與 可動梳齒、直梁及摺疊梁、中央可動平臺等結構是通過一步幹 法刻蝕的方法同時釋放的。所述的垂直位錯梳齒的位錯距離通過施壓矽片上的凸臺結構精確控制。總而言之，本發明提出的基於矽塑性變形原理製作的靜電驅動器可以同時實現水 平與垂直方向運動，靜電驅動器採用溼法腐蝕形成背面深坑-矽矽鍵合的方法製作空腔結 構，幹法刻蝕出處於同一平面的固定梳齒與可動梳齒，並實現電極間的絕緣，將帶有凸臺的 施壓矽片與結構矽片對準壓緊後平放入高溫爐中，矽摺疊梁經過高溫後產生永久塑性變 形，使垂直驅動固定梳齒與可動梳齒在垂直方向上產生了位錯，摺疊梁在垂直方向上的剛 度遠遠小於水平方向的剛度，因此，當給垂直驅動梳齒施加電壓時，內部支撐框架帶動中央 可動平臺在垂直方向上運動，同時，當給水平驅動梳齒施加電壓時，中央可動平臺在水平方 向上運動，所以同時實現了中央可動平臺在垂直方向與水平方向上的運動。施壓矽片與結 構矽片經過高溫後並沒有鍵合在一起，取下後可重複利用，同理，引線塊掩膜矽片也可重複 利用，由於電極引線金屬塊必須在結構釋放後製作，因此採用帶電極引出槽的引線塊掩膜 矽片做掩膜製作電極引線金屬塊。該靜電驅動器的製作方法不需要使用SOI矽片，並且固 定梳齒與可動梳齒、直梁及摺疊梁、中央可動平臺等結構是通過一步幹法刻蝕的方法同時 釋放的，實現了自對準，製作工藝簡單，因此大大降低了製作成本。


圖1是本發明提出的一種基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器的結構俯 視圖。圖2是圖1所示的二維梳齒靜電驅動器剖面圖。圖3是實施例的靜電驅動器工藝流程。其中，圖3(a)為水平驅動電極之間絕緣槽 的製作；圖3(b)為深坑結構的製作；圖3(c)固定梳齒與可動梳齒、直梁及摺疊梁、中央可 動平臺等二氧化矽掩膜結構的製作；圖3(d)為結構矽片下表面與襯底矽片上表面之間的 鍵合；圖3(e)為固定梳齒與可動梳齒、直梁及摺疊梁、中央可動平臺等結構的釋放；圖3(f) 為帶凸臺的施壓矽片的製作；圖3(g)為垂直驅動位錯梳齒的製作；圖3(h)為帶電極引出 槽的引線塊掩膜矽片的製作；圖3(i)、圖3(j)為電極引線金屬塊的製作。圖中各數字代表的含義為1垂直驅動固定梳齒、2垂直驅動可動梳齒、3水平驅動 固定梳齒、4水平驅動可動梳齒、5直梁、6摺疊梁、7中央可動平臺、8內部支撐框架、9外部 支撐框架、10固定錨點、11絕緣槽、12隔離槽、13結構矽片、14襯底矽片、15絕緣層、16電極 引線金屬塊、17 二氧化矽掩膜、18施壓矽片、19引線塊掩膜矽片、20電極引出槽
具體實施例方式以下實施例闡述本發明涉及的靜電驅動器及其製作方法的實質性特點和顯著進 步，但本發明決非僅限於介紹的實施例。
實施例本發明的實施例涉及靜電驅動器結構，結合附圖1和2說明。靜電驅動器結構俯視圖如圖1所示，主要包括垂直驅動固定梳齒1、垂直驅動可動 梳齒2、水平驅動固定梳齒3、水平驅動可動梳齒4、四根直梁5及四根摺疊梁6、中央可動平 臺7、內部支撐框架8、外部支撐框架9。中央可動平臺7通過四根直梁5連接到內部支撐框 架8上，內部支撐框架8通過四根摺疊梁6連接到四個固定錨點10上。又如圖2所示，電 極引線金屬塊16製作在四個固定錨點10及外部支撐框架9上。水平驅動電極之間通過絕 緣槽11實現電絕緣、電極引線金屬塊之間通過隔離槽12實現電絕緣。水平驅動固定梳齒 3和水平驅動可動梳齒4位於內部支撐框架8的內部，垂直驅動固定梳齒1和垂直驅動可 動梳齒2在內部支撐框架8與外部支撐框架9之 間。靜電驅動器結構剖面圖如圖2所示， 包括結構矽片13和襯底矽片14。結構矽片13和襯底矽片14通過氧化層15實現電絕緣， 電極引線金屬塊16製作在四個固定錨點10及外部支撐框架9上。圖1中右面的固定錨點 10與上面的固定錨點10、左面的固定錨點10與下面的固定錨點10分別為兩組水平驅動電 極，分別施加電壓Vl與GND1、V2與GND2 ；施加電壓時兩組水平驅動固定電極與可動電極的 電壓差相同的保證內部支撐框架帶動中央可動平臺在水平方向上運動；下面的外部支撐框 架9與左面的固定錨點10、上面的外部支撐框架9與右面的固定錨點10、左面的外部支撐 框架9與上面的固定錨點10、右面的外部支撐框架9與下面的固定錨點10分別為四組垂直 驅動電極，分別施加電壓V3與V2、V4與V1、V5與GND1、V6與GND2，施加電壓時四組垂直驅 動固定電極與可動電極的電壓差相同以保證內部支撐框架帶動中央可動平臺在垂直方向 上運動。GNDl和GND2分別表示接地。本發明的實施例涉及的靜電驅動器製作方法，參考圖3所示的工藝流程圖進行說 明，主要包括以下工藝步驟(1)結構矽片為雙拋(100)片(厚度為420士5 μ m)，氧化(二氧化矽厚度為 2000 5000 A )後、光刻、KOH腐蝕(深度為彈性梁的厚度或梳齒的高度)、生長多晶矽填 滿整個腐蝕槽，之後去除二氧化矽薄膜層，如圖(a)所示；(2)如圖(b)所示，結構矽片雙面氧化形成二氧化矽薄膜後，其下表面利用光刻、 KOH腐蝕的方法，腐蝕出深為340 380 μ m的深坑，之後去除下表面的二氧化矽薄膜。(3)如圖(c)所示，在結構矽片上表面二氧化矽薄膜層上經光刻、幹法刻蝕出固定 梳齒與可動梳齒、直梁及摺疊梁、中央可動平臺等掩膜結構。(4)如圖(d)所示，將步驟(2)製作的結構矽片下表面與襯底矽片上表面進行矽矽 預鍵合，矽矽預鍵合溫度為400 500°C，壓力為2 3Kg，預鍵合後進行退火工藝，退火溫 度為900 1100°C，時間為1小時，退火過程中通入氧氣或氮氣。(5)如圖(e)所示，將結構矽片通過幹法刻蝕釋放固定梳齒與可動梳齒、直梁及折 疊梁、中央可動平臺等結構，幹法去除結構矽片上表面的二氧化矽掩膜。(6)如圖(f)所示，取另一雙拋(100)矽片(厚度為420士5 μ m)，通過氧化、光刻、 KOH腐蝕工藝製作出帶有凸臺結構的施壓矽片。(7)如圖(g)所示，將施壓矽片(凸臺高度為40 80μπι)與結構矽片對準壓緊 後，平放入高溫爐中，溫度為9oo°c iioo°c，時間為ι小時。(8)如圖(h)所示，再取另一雙拋(100)矽片(厚度為420士5 μ m)，通過氧化、光刻、KOH腐蝕工藝製作出帶有電極引出槽的引線塊掩膜矽片。(9)如圖(i)所示，取下施壓矽片，將引線塊掩膜矽片與結構矽片通過對準壓緊並固定，然後製作(濺射、蒸發等，但不限於此)金屬層，形成電極引線金屬塊。(10)如圖(j)所示，取下引線塊掩膜矽片。
權利要求
一種基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器，其特徵在於包括垂直及水平驅動固定梳齒、垂直及水平驅動可動梳齒、四根直梁及四根摺疊梁、中央可動平臺、內部支撐框架、外部支撐框架、四個固定錨點及襯底，(1)中央可動平臺通過四根直梁連接到內部支撐框架上，內部支撐框架通過四根摺疊梁連接到外部支撐框架上的四個固定錨點上；(2)內部支撐框架和外部支撐框架之間梳齒為垂直驅動梳齒，內部支撐框架內的梳齒為水平驅動梳齒；(3)在內部支撐框架上製作絕緣槽實現水平驅動電極間的電絕緣；(4)內部支撐框架上下運動，同時，中央可動平臺依靠水平驅動梳齒與垂直驅動梳齒產生水平靜電力和垂直靜電力，實現水平及垂直方向運動。
2.根據權利要求1所述的二維梳齒靜電驅動器，其特徵在於中央可動平臺為長方形、 正方形或其他任意形狀。
3.根據權利要求1所述的二維梳齒靜電驅動器，其特徵在於四根直梁和四根摺疊梁的 形狀和尺寸分別一致，且摺疊梁或直梁的厚度與梳齒的高度相等。
4.根據權利要求1所述的二維梳齒靜電驅動器，其特徵在於電極引線金屬塊製作在外 部支撐框架上。
5.根據權利要求4所述的二維梳齒靜電驅動器，其特徵在於電極與襯底之間通過絕緣 層實現電絕緣、電極引線金屬塊之間通過隔離槽實現電絕緣。
6.按權利要求1所述的二維梳齒驅動器，其特徵在於施加30V的靜電壓可實現10μ m 的垂直運動距離。
7.製作如權利要求1-5中任一項所述的二維梳齒靜電驅動器的方法，其特徵在於所述 的靜電驅動器是採用微電子機械系統技術製作，利用矽矽高溫鍵合工藝技術、溼法腐蝕及 幹法刻蝕的方法製作固定梳齒與可動梳齒，固定梳齒與可動梳齒、直梁及摺疊梁、中央可動 平臺結構是通過一步幹法刻蝕的方法同時釋放的；利用矽在高溫下產生塑性變形的原理使 垂直驅動固定梳齒與水平梳齒在垂直方向上產生位錯，代替傳統工藝採用昂貴的SOI矽片 和多步幹法刻蝕的方法，固定梳齒與可動梳齒、直梁與摺疊梁、中央可動平臺結構通過一步 幹法刻蝕的方法同時釋放。
8.如權利要求7所述的製作方法，其特徵在於製作步驟為(1)首先將結構矽片通過氧化、光刻、溼法腐蝕、生長多晶矽的方法製作水平驅動電極 間的絕緣槽；(2)結構矽片雙面氧化形成二氧化矽薄膜後，利用光刻、溼法腐蝕的方法，在其下表面 腐蝕出深坑結構，腐蝕的深度由摺疊梁或直梁的厚度及梳齒的高度決定；(3)結構矽片上表面二氧化矽薄膜上經光刻、幹法刻蝕工藝製作出固定梳齒與可動梳 齒、直梁及摺疊梁、中央可動平臺掩膜結構；(4)將結構矽片下表面與襯底矽片上表面矽矽預鍵合，預鍵合完成後進行退火工藝；(5)結構矽片上表面通過幹法刻蝕同時釋放固定梳齒與可動梳齒、直梁及摺疊梁、中央 可動平臺等結構；(6)施壓矽片氧化後利用光刻、溼法腐蝕的方法，在其下表面腐蝕出凸臺結構，凸臺的 高度由垂直位錯梳齒的位錯距離決定；(7)將步驟6具有凸臺結構的施壓矽片下表面與步驟5所述的結構矽片上表面對準壓 緊後，平放入高溫爐中，進行退火工藝；(8)引線塊掩膜矽片氧化後利用光刻、溼法腐蝕的方法，腐蝕出電極引出槽；(9)取下步驟7經高溫退火處理的施壓矽片，然後將步驟8所述的引線塊掩膜矽片與結 構矽片對準，壓緊並固定，然後濺射或蒸發金屬層，形成電極引線金屬塊；(10)取下引線塊掩膜矽片。
9.按權利要求7或8所述的製作方法，其特徵在於垂直位錯梳齒的位錯距離通過施壓 矽片上的凸臺結構控制的。
全文摘要
本發明涉及一種基於矽塑性變形原理的二維梳齒靜電驅動器及其製作方法。其特徵在於所述的靜電驅動器的中央可動平臺通過四根直梁連接到內部支撐框架上，內部支撐框架通過四根摺疊梁連接到四個固定錨點上。依靠水平驅動梳齒與垂直驅動梳齒分別產生水平靜電力及垂直靜電力，同時實現中央可動平臺的水平及垂直方向運動。所述的靜電驅動器是採用微電子機械系統技術製作，利用矽矽高溫鍵合技術、溼法腐蝕及幹法刻蝕的方法製作固定梳齒與可動梳齒，利用矽在高溫下產生塑性變形的原理使垂直驅動固定梳齒與水平梳齒在垂直方向上產生位錯，代替傳統工藝採用昂貴的SOI矽片和多步幹法刻蝕的方法，降低了工藝難度和成本，是製作水平及垂直方向運動的二維靜電驅動器的經濟可靠的方法。
文檔編號B81B7/00GK101955151SQ201010292178
公開日2011年1月26日 申請日期2010年9月26日 優先權日2010年9月26日
發明者宋朝輝, 戈肖鴻, 李偉, 車錄鋒, 陳琳 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所