專利名稱：基于soi基板的二維光學(xué)可動平臺裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機電系統(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)可動平臺裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
微驅(qū)動器或稱微型執(zhí)行器是一種重要的執(zhí)行機構(gòu)。它的主要功能是實現(xiàn)力或
位移的輸出，是微型機電系統(tǒng)(MEMS)的重要組成部分。微驅(qū)動器不僅僅縮小了 尺寸(特征尺寸范圍為lum—10mra)，降低了能耗和提高了性能，更重要是通過微 型化和集成化，達到采用新的工作原理和實現(xiàn)新的功能的目的。靜電式微驅(qū)動器 是應(yīng)用較廣泛的微驅(qū)動器，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，但存在著輸出的力小以及驅(qū)動電壓高等缺點。這一類靜電式微驅(qū)動器有多 種形式其中包括豎向、橫向和轉(zhuǎn)動等運動形式，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)動電壓。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，栗大超等在《傳感技術(shù)學(xué)報》2006年19巻05A 期發(fā)表了《基于復(fù)合靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)的硅微機械扭轉(zhuǎn)微鏡》。該文提出硅微機械扭 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)動結(jié)構(gòu)、側(cè)壁平行板電容靜 電驅(qū)動結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)制造扭轉(zhuǎn)效果。其不足在于沒有實現(xiàn)在平面上的二維運動。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于SOI基板的二維光學(xué) 可動平臺裝置及其制造方法，利用梳狀微驅(qū)動器的驅(qū)動裝置，可以廣泛應(yīng)用于 MEOMS(微光機電系統(tǒng))的光學(xué)部分。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明所涉及的基于SOI基板的二維光學(xué)可動平臺裝置，包括4個固定極板、 4個可動極板、中央光學(xué)平臺、錨點、微懸臂梁。其中每一個固定極板和每一個 可動極板共同組成一個靜電式梳狀驅(qū)動器。在裝置的上下左右四個方向上對稱分
布四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器。四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器分別通過微懸臂 梁上連接中央光學(xué)平臺，微懸臂梁分別連接到四個錨點上，錨點固定、支撐整個 平臺裝置。
所述四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器，其中一個靜電式梳狀驅(qū)動器上加電壓， 而對側(cè)的靜電式梳狀驅(qū)動器上加相反的電壓時，極板間將產(chǎn)生相對位移，這使中 央光學(xué)平臺平行于位移方向移動，另外兩相對的靜電式梳狀驅(qū)動器上加電壓時能 實現(xiàn)另一個方向的移動，整個中央光學(xué)平臺實現(xiàn)二維方向移動。
本發(fā)明所涉及的基于SOI基板的二維光學(xué)可動平臺裝置的制造方法，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)計好的基于SOI基板
的二維光學(xué)可動平臺裝置的結(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蒸汽刻蝕工藝來刻蝕Si02層，從而釋放出可移動部分；
⑤ 最后進行干燥。
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分鐘以進一步 消除粘連問題。
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，工藝過程簡單 并且容易實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用了DRIE工藝，實現(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)動器的總 電容和驅(qū)動能力，并降低所需的驅(qū)動電壓。
圖l基于SOI基板的梳狀微驅(qū)動器的二維光學(xué)可動平臺裝置結(jié)構(gòu)示意圖2基于SOI基板的梳狀微驅(qū)動器的二維光學(xué)可動平臺裝置的加工工藝；
圖中固定極板l、可動極板2、中央光學(xué)平臺3、錨點4、微懸臂梁5。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括4個固定極板1、 4個可動極板2、中央光學(xué)平 臺3、錨點4、微懸臂梁5。其中每一個固定極板1和每一個可動極板2共同組 成一個靜電式梳狀驅(qū)動器。在裝置的上下左右四個方向上對稱分布四個等同的靜 電式梳狀驅(qū)動器。四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器分別通過微懸臂梁5上連接中央 光學(xué)平臺3，微懸臂梁5分別連接到四個錨點上4，四個錨點4固定、支撐整個 平臺裝置?？蓜訕O板2、中央光學(xué)平臺3、錨點4、懸臂梁5之間是導(dǎo)電的。
每個固定極板l、可動極板2由若千個相同數(shù)目叉指電極構(gòu)成。每個叉指電
極長度為20um，寬度為2咖，同一個極板上的叉指電極間距為6rnn，不加電壓時
每對極板之間相鄰叉指之間的間距為2um，每個極板上的電極總數(shù)為60。 中央光學(xué)平臺3，尺寸為40umX40um，用于放置光學(xué)反射鏡等部件。
錨點4，其尺寸為60umX60um。
微懸臂梁5，其寬度統(tǒng)一為2um 。由于采用的整個結(jié)構(gòu)最上層為p型導(dǎo)體Si 結(jié)構(gòu)層，所以每個獨立的部件是導(dǎo)電的。
可動極板2、中央光學(xué)平臺3、錨點4、懸臂梁5之間是導(dǎo)電的。
工作原理當(dāng)改變每一對極板之間的電壓時，極板之間的間距(即叉指電極 之間交叉的部分)會改變，由于部件2、 3、 5是連接在一起的可動部件，這會引 起部件3的位置產(chǎn)生變化。
當(dāng)增大左邊極板對的電壓差而同時減小右邊極板的電壓差時，部件會向左平 動，只要保證所加電壓使得位移小于每對極板之間相鄰叉指之間的間距2um即可。 同理，當(dāng)增大上極板對的電壓差而同時減小下邊極板的電壓差時，部件會向上平 動，只要保證所加電壓使得位移小于每對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)平臺實現(xiàn)向右和向下的平動。為了安全起見，將最 大位移量設(shè)定為l. 5um，則整個光學(xué)平臺的活動范圍為3umX3um。
具體工藝步驟
如圖2所示，基于SOI基板的梳狀微驅(qū)動器的二維光學(xué)可動平臺裝置結(jié)構(gòu)是在
一個SOI(絕緣層上硅)材料上加工的，這個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)計好參照圖1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)動結(jié)構(gòu) 過程中經(jīng)常發(fā)生的粘連問題的關(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分鐘以進一步消除粘連問題。 本實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 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)可動平臺裝置，其特征在于包括4個固定極板、4個可動極板、中央光學(xué)平臺、錨點、微懸臂梁，其中每一個固定極板和每一個可動極板共同組成一個靜電式梳狀驅(qū)動器，在裝置的上下左右四個方向上對稱分布四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器，四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器分別通過微懸臂梁上連接中央光學(xué)平臺，微懸臂梁分別連接到四個錨點上，錨點固定、支撐整個平臺裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOI基板的二維光學(xué)可動平臺裝置，其特征是， 所述四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器，其中一個靜電式梳狀驅(qū)動器上加電壓，而對 側(cè)的靜電式梳狀驅(qū)動器上加相反的電壓時，極板間將產(chǎn)生相對位移，這使中央光 學(xué)平臺平行于位移方向移動，另外兩相對的靜電式梳狀驅(qū)動器上加電壓時能實現(xiàn) 另一個方向的移動，整個中央光學(xué)平臺實現(xiàn)二維方向移動。
3. —種如權(quán)利要求1所述的基于SOI基板的二維光學(xué)可動平臺裝置的制備方法，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)計好的基于SOI基板 的二維光學(xué)可動平臺裝置的結(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蒸汽刻蝕工藝來刻蝕Si02層，從而釋放出可移動部分；⑤ 最后進行干燥。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于S0I基板的二維光學(xué)可動平臺裝置的制備方法， 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)可動平臺裝置的制備方法， 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)可動平臺裝置的制備方法， 其特征是，所述利用HF蒸汽刻蝕工藝來刻蝕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。■].如權(quán)利要求1所述的基于S0I基板的二維光學(xué)可動平臺裝置的制備方法， 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 進一步消除粘連問題。
全文摘要
本發(fā)明公開一種微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的基于SOI基板的二維光學(xué)可動平臺裝置及其制造方法。裝置包括4個固定極板、4個可動極板、中央光學(xué)平臺、錨點、微懸臂梁。每一個固定極板和每一個可動極板共同組成一個靜電式梳狀驅(qū)動器。裝置的上下左右對稱分布四個等同的靜電式梳狀驅(qū)動器。靜電式梳狀驅(qū)動器通過微懸臂梁上連接中央光學(xué)平臺，微懸臂梁連接到四個錨點上。方法為利用UV光刻與顯影技術(shù)將設(shè)計好裝置結(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SiO<sub>2</sub>層；用去除溶液去除表面的光刻膠；利用HF蒸汽刻蝕工藝來刻蝕SiO<sub>2</sub>層，釋放出可移動部分；干燥。本發(fā)明增大驅(qū)動器的總電容和驅(qū)動能力，并降低所需的驅(qū)動電壓。
文檔編號G02B26/08GK101359093SQ200810200030
公開日2009年2月4日 申請日期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 高 申請人:上海交通大學(xué)