一種mems自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒及其制造方法，屬于MEMS【技術(shù)領(lǐng)域】。自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒包括一端固定在襯底上而另一端與活動(dòng)梳齒或者固定梳齒連接的抬升結(jié)構(gòu)，抬升結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)應(yīng)力作用下產(chǎn)生垂直方向的位移帶動(dòng)其連接的活動(dòng)梳齒或者固定梳齒移動(dòng)。采用SOI硅片，SOI的正面單晶硅器件層即為MEMS結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)層，引入的抬升機(jī)構(gòu)與梳齒對(duì)依次形成于機(jī)械結(jié)構(gòu)層上，由同一步刻蝕工藝形成固定梳齒和活動(dòng)梳齒，由抬升結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力將固定梳齒與活動(dòng)梳齒在垂直方向上產(chǎn)生一定位移，從而形成了自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，相對(duì)于多層機(jī)構(gòu)的MEMS省去了多次鍵合的工藝，簡(jiǎn)化了制造工藝，大大降低加工成本和加工難度，提高成品率。
【專利說(shuō)明】一種MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開(kāi)了一種MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒及其制造方法，屬于MEMS【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng)）是一個(gè)制造微小器件并 可同時(shí)集成多種物理場(chǎng)作用的新興領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，MEMS器件的尺寸更小，一般 在微米到毫米量級(jí)。它基于半導(dǎo)體集成電路（1C)制作工藝，可大量利用1C生產(chǎn)中的成熟 技術(shù)、工藝，進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)，使性價(jià)比相對(duì)于傳統(tǒng)"機(jī)械"制造技術(shù)大幅度提高。
[0003] 梳齒結(jié)構(gòu)在MEMS器件中廣泛應(yīng)用，比如各種電容式傳感器包括加速度計(jì)、陀螺儀 等以及各種微驅(qū)動(dòng)器。一般的MEMS梳齒結(jié)構(gòu)都是平的，即梳齒的動(dòng)齒和固齒在同一個(gè)平 面。這種梳齒在做驅(qū)動(dòng)時(shí)只能產(chǎn)生平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要產(chǎn)生平面外運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們就需要 高低梳齒，或叫垂直梳齒，即動(dòng)齒和固齒一高一低不在一個(gè)平面。高低梳齒結(jié)構(gòu)可以用來(lái)制 作掃描微鏡，也是實(shí)現(xiàn)三軸加速度計(jì)、三軸MEMS電容式陀螺儀必不可少的結(jié)構(gòu)。但是要制 作高低梳齒，工藝上往往采用鍵合或者多次刻蝕方法形成高低梳齒，工藝復(fù)雜，難度高，且 成品率低。
[0004] 現(xiàn)有的高低梳齒設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的MEMES制造工藝?yán)面I合工藝分別刻蝕高低梳 齒，或者利用多次光刻分別刻蝕高低梳齒，都需要高精度對(duì)準(zhǔn)，對(duì)工藝要求高且成品率低。 SOI技術(shù)可以解決梳齒自對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，但是同樣存在多次刻蝕，加工復(fù)雜的缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了一種MEMS自對(duì) 準(zhǔn)高低梳齒及其制造方法。
[0006] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0007]MEMS自對(duì)準(zhǔn)_低梳齒，包括活動(dòng)梳齒，固定梳齒和一端固定在襯底上而另一端與 活動(dòng)梳齒或者固定梳齒連接的抬升結(jié)構(gòu)，所述抬升結(jié)構(gòu)由至少一段彎曲梁和至少一段直梁 組成，所述彎曲梁與所述直梁一起構(gòu)成至少一個(gè)折彎的折疊梁結(jié)構(gòu)，所述彎曲梁使所述折 疊梁結(jié)構(gòu)在垂直方向產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)與其連接的活動(dòng)梳齒/固定梳齒與固定梳齒/活 動(dòng)梳齒處于不同平面，形成高低梳齒。
[0008]MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒的關(guān)鍵部件是一個(gè)抬升結(jié)構(gòu)，該抬升結(jié)構(gòu)的一端固定在襯底 上而另一端與活動(dòng)梳齒或者固定梳齒連接，該抬升結(jié)構(gòu)使與其連接的梳齒在垂直方向產(chǎn)生 位移，從而使活動(dòng)梳齒與固定梳齒不在同一個(gè)平面。該結(jié)構(gòu)釋放后，抬升結(jié)構(gòu)產(chǎn)生垂直位 移，將活動(dòng)梳齒與固定梳齒在垂直方向錯(cuò)開(kāi)而形成高低梳齒；而在該結(jié)構(gòu)釋放前，活動(dòng)梳齒 與固定梳齒在同一平面并在同一步工藝形成。因此，該高低梳齒叫做自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒。
[0009] 抬升結(jié)構(gòu)中至少一個(gè)彎曲梁位于所述折彎之前，且至少一個(gè)彎曲梁位于所述折彎 之后。
[0010] 所述抬升結(jié)構(gòu)由均勻連續(xù)的第一層材料、覆蓋在第一層材料上的非連續(xù)、分段的 第二層材料構(gòu)成，所述直梁由第一層材料單獨(dú)構(gòu)成，所述彎曲梁由第一層材料及其覆蓋的 第二層材料構(gòu)成。
[0011] 第一層材料是單晶硅或多晶硅。
[0012] 第二層材料是單層薄膜或多層薄膜。
[0013] 第二層材料是一層或多層金屬薄膜，如鋁、銅、金等。
[0014] 第二層材料是一層或多層非金屬薄膜，如二氧化硅、氮化硅、多晶硅等。
[0015] 第二層材料是一種復(fù)合薄膜，含有至少一層金屬薄膜和一層非金屬薄膜。
[0016] 該自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒可以用來(lái)制作面外運(yùn)動(dòng)（垂直方向）的MEMS靜電驅(qū)動(dòng)器或 MEMS電容式位移傳感器。
[0017] 下面簡(jiǎn)單描述該自對(duì)準(zhǔn)MEMS高低梳齒的制造方法之一。加工娃片采用 SOI(Silicon-〇n_Insulator，絕緣襯底上的娃）娃片：
[0018]a，在SOI正面單晶硅器件層上淀積薄膜層，圖形化薄膜層形成抬升結(jié)構(gòu)的第二層 材料，所述第二層材料為薄膜層，
[0019]b，對(duì)SOI背面進(jìn)行空腔刻蝕形成背腔，可采用深硅刻蝕工藝，
[0020] C，刻蝕SOI正面單晶硅器件層形成梳齒以及抬升結(jié)構(gòu)的第一層材料，SOI器件層 即為抬升結(jié)構(gòu)的第一層材料，即單晶硅；
[0021] d，薄膜層中的內(nèi)應(yīng)力使折疊梁結(jié)構(gòu)的局部發(fā)生彎曲，局部彎曲后的折疊梁結(jié)構(gòu)組 成的抬升結(jié)構(gòu)帶動(dòng)與其連接的固定梳齒或活動(dòng)梳齒在垂直方向上移動(dòng)，從而形成自對(duì)準(zhǔn)梳 齒。
[0022] 作為所述制造方法的進(jìn)一步優(yōu)化方案，控制薄膜層生長(zhǎng)工藝中的氣壓長(zhǎng)、溫度、淀 積速率以控制薄膜層的應(yīng)力。
[0023] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果：采用SOI硅片加工，SOI的正面單 晶硅器件層即為MEMS結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)層，引入的抬升機(jī)構(gòu)與梳齒對(duì)同時(shí)形成于機(jī)械結(jié)構(gòu) 層上，在同一步刻蝕工藝形成固定梳齒和活動(dòng)梳齒，由抬升結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力將固定梳齒與活 動(dòng)梳齒在垂直方向上產(chǎn)生一定位移，從而形成了自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒。相對(duì)于多層機(jī)構(gòu)的MEMS 省去了多次鍵合的工藝，簡(jiǎn)化了制造工藝，大大降低加工成本和加工難度，提高成品率。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1 (a)、圖1 (b)分別為2段折疊梁抬升結(jié)構(gòu)的正面圖和側(cè)面圖，圖1 (c)、圖1 (d) 分別為3段折疊梁抬升結(jié)構(gòu)的正面圖和側(cè)面圖。
[0025] 圖2為自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒的結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖3 (a)、圖3 (b)分別為采用自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒MEMS靜電驅(qū)動(dòng)器、MEMS電容式位移 傳感器。

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 2段折疊梁的抬升結(jié)構(gòu)如圖1所示，抬升結(jié)構(gòu)的一端固定在襯底上。如圖1(a)的 正面圖所示，抬升結(jié)構(gòu)梁的兩段與其余部分的材料組成不完全一樣，且這兩段不一樣的梁 一個(gè)位于折彎之前（位置A)，一個(gè)位于變形之后（位置B)。該抬升結(jié)構(gòu)的側(cè)面圖如圖1(b) 所示，抬升結(jié)構(gòu)主要由一層相對(duì)較厚的材料（比如硅）構(gòu)成，而在位置A和B處的結(jié)構(gòu)梁比 其余結(jié)構(gòu)梁多一層薄膜，該薄膜層材料（比如金屬材料如鋁或半導(dǎo)體材料如多晶硅或介電 質(zhì)材料如氮化娃等）厚度相對(duì)較小。利用雙金屬（Bimorph)效應(yīng)，薄膜層材料在一定條件 下淀積在較厚材料層上之后整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)由于應(yīng)力作用而發(fā)生彎曲。控制該薄膜生長(zhǎng)工藝包 括氣壓、溫度、淀積速率等可控制位置A和B處結(jié)構(gòu)梁的曲率，這兩段彎曲梁是形成整體結(jié) 構(gòu)垂直抬升的基礎(chǔ)。假設(shè)位置A處梁向上彎曲，緊接著的那段梁（因由單一材料Ml構(gòu)成而 是直梁）產(chǎn)生向上位移；此處已形成抬升但有傾斜。所以增加一段橫梁并緊跟一段往反方 向的折疊梁，該折疊梁的初始段（即位置B處）也往上翹，但翹曲方向與A段相反。所以形 成末端垂直位移。并利用第一層材料Ml作為折疊梁放大位移。該結(jié)構(gòu)完全釋放后末端將 得到相對(duì)于襯底面垂直的位移。
[0029] 其中，這里柔性Bimorph結(jié)構(gòu)連接件彎曲角度

【權(quán)利要求】
1. 一種MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，包括活動(dòng)梳齒，固定梳齒和一端固定在襯 底上而另一端與活動(dòng)梳齒或者固定梳齒連接的抬升結(jié)構(gòu)，所述抬升結(jié)構(gòu)由至少一段彎曲梁 和至少一段直梁組成，所述彎曲梁與所述直梁一起構(gòu)成至少一個(gè)折彎的折疊梁結(jié)構(gòu)，所述 彎曲梁使所述折疊梁結(jié)構(gòu)在垂直方向產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)與其連接的活動(dòng)梳齒/固定梳齒 與固定梳齒/活動(dòng)梳齒處于不同平面，形成高低梳齒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，所述抬升結(jié)構(gòu)中至少一 個(gè)彎曲梁位于所述折彎之前，且至少一個(gè)彎曲梁位于所述折彎之后。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的MEMS的自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，所述抬升結(jié)構(gòu)由均勻 連續(xù)的第一層材料、覆蓋在第一層材料上的非連續(xù)、分段的第二層材料構(gòu)成，所述直梁由第 一層材料單獨(dú)構(gòu)成，所述彎曲梁由第一層材料及其覆蓋的第二層材料構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，第一層材料是單晶硅或 多晶娃。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，第二層材料是單層薄膜 或多層薄膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，第二層材料是一層或多 層金屬薄膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，第二層材料是一層或多 層非金屬薄膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒，其特征在于，第二層材料是一種復(fù)合 薄膜，含有至少一層金屬薄膜和一層非金屬薄膜。
9. 權(quán)利要求4所述MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒的制造方法，采用SOI襯底，其特征在于包括 如下步驟： a，在SOI正面單晶硅器件層上淀積薄膜層，圖形化薄膜層形成抬升結(jié)構(gòu)的第二層材 料，所述第二層材料為薄膜層； b，對(duì)SOI背面進(jìn)行深硅刻蝕，形成背腔； c，刻蝕SOI正面單晶硅器件層形成梳齒以及抬升結(jié)構(gòu)的第一層材料； d，薄膜層中的內(nèi)應(yīng)力使折疊梁結(jié)構(gòu)的局部發(fā)生彎曲，局部彎曲后的折疊梁結(jié)構(gòu)組成的 抬升結(jié)構(gòu)帶動(dòng)與其連接的固定梳齒/活動(dòng)梳齒在垂直方向上移動(dòng)，從而形成自對(duì)準(zhǔn)梳齒。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述MEMS自對(duì)準(zhǔn)高低梳齒的制造方法，其特征在于，控制薄膜層生 長(zhǎng)工藝中的氣壓長(zhǎng)、溫度、淀積速率以控制薄膜層的應(yīng)力。
【文檔編號(hào)】B81C3/00GK104370272SQ201410599134
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】陳巧, 謝會(huì)開(kāi) 申請(qǐng)人:無(wú)錫微奧科技有限公司