專利名稱：一種基于鍵合工藝的三層連續(xù)面型mems變形鏡的制作工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微光機電系統(tǒng)技術領域，特別涉及一種適用于自適應光學系統(tǒng)的基于鍵 合工藝的三層連續(xù)面型MEMS變形鏡的制作工藝。
背景技術：
在自適應光學領域，靜電驅動的MEMS變形鏡具有體積小，功耗低，響應速度快，可 批量生產(chǎn)，與集成電路兼容性好等優(yōu)點，因而在自適應光學系統(tǒng)中備受青睞?，F(xiàn)有的靜 電驅動MEMS變形鏡一般都是采用表面微加工技術進行加工，加工難度較大；且要得到大 的行程，例如大于4微米的行程，由于靜電拉入效應的影響，驅動器的行程不能超過初 始極板間距的三分之一，就需要犧牲層的厚度大于IO微米，加工難度更大。通過采用基 于鍵合工藝的三層連續(xù)面型MEMS變形鏡的制作工藝，使得加工連續(xù)面型的變形鏡的難度 降低，容易加工出大行程的變形鏡，而且本工藝在上下極板之間加入了一層氮化硅薄膜， 避免了靜電拉入對器件短路的損害，而且由于是連續(xù)型，填充因子接近100%。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，設計了一種基于鍵合工藝的三
層連續(xù)面型MEMS變形鏡的制作工藝，加工過程相對簡單，也易于加工大行程連續(xù)面型變 形鏡，填充因子可以達到接近100%。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種基于鍵合工藝的三層連續(xù)面型
MEMS變形鏡的制作工藝，將體硅加工工藝和表面微加工工藝相結合，即將體硅工藝加工 出的上面兩層與用表面工藝加工出的下電極結構層相鍵合，從而得到三層微機械結構。 具體由以下工藝流程構成.-
(1) 取一塊玻璃或硅片作為基底；
(2) 光刻并刻蝕，在基底上形成O. 3 2.0微米深的槽；
(3) 沉積0.3 2.0微米厚的多晶硅或非晶硅或金屬薄膜，然后光刻并刻蝕，刻蝕深 度等于這層薄膜的厚度，形成變形鏡的下電極和引線；
(4) 沉積厚度為0. 1 1.0微米的氮化硅薄膜，然后光刻并刻蝕，刻蝕深度等于這層 薄膜的厚度，使得氮化硅或二氧化硅層將下電極覆蓋，從而避免靜電拉入效應對器件造 成短路的損害；(5) 取一塊SOI晶片，晶片的硅結構層厚度是0. 3 20. 0微米，氧化層厚度是0. 3 IO微米，基底厚度為300 1000微米，或者在厚300 1000微米的普通硅片的上表面熱 氧化一層厚0.3 10微米的氧化層，然后在氧化層上表面鍵合一塊硅片并將這塊硅片用 機械或化學的方法減薄到0. 3 20微米厚并將其磨平；
(6) 對步驟(5)得到的晶片上下表面都沉積兩層二氧化硅和兩層氮化硅，順序是 二氧化硅一氮化硅一二氧化硅一氮化硅，為后續(xù)的濕法刻蝕或干法刻蝕做準備；
(7) 對步驟(6)得到的結構下表面進行兩次光刻和刻蝕，形成臺階狀的結構，為 后續(xù)的濕法刻蝕做準備；
(8) 以步驟(7)得到的臺階狀的氮化硅和二氧化硅為掩膜進行濕法或干法刻蝕硅 基底，刻蝕至距離基底的上表面12 52微米處停止；
(9) 然后濕法或干法刻蝕掉一層氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作 掩膜進行濕法或干法刻蝕硅基底，深度為丄0 50微米；
(10)將上下表面剩余的二氧化硅和氮化硅用濕法或干法刻蝕除掉；
(U)將步驟(3)中得到的結構的上表面和步驟(10)中得到的結構的下表面進行
熔融鍵合或陽極鍵合或低溫鍵合； (12)對步驟(10)中得到的結構的上表面進行光刻并刻蝕，形成釋放孔，然后將 釋放孔下面的氧化層釋放，只保留將第一層和第二層連接的連接體。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明主要在SOI晶片上表面進行干法刻蝕出 釋放孔，將部分氧化層釋放，下表面濕法刻蝕并在另一塊晶片上加工出電極結構并將兩 片晶片進行鍵合，將體硅加工和表面微加工結合在一起，用體硅加工上面兩層然后鍵合 下面表面微加工出的下電極得到三層機械結構，解決了傳統(tǒng)連續(xù)表面微機械變形鏡通過 三層表面微加工加工難度大的缺點，而且加工出的變形鏡上下極板間距可以做到超過20 微米，可得到大的離面位移，還通過加入氮化硅絕緣層消除靜電拉入的影響，可廣泛適 用于自適應光學領域。


圖1為本發(fā)明方法的實現(xiàn)流程圖2為本發(fā)明中的玻璃或硅基底立體圖3為本發(fā)明中在基底刻蝕槽之后的立體圖4為本發(fā)明中在上面沉積金屬或多晶硅或非晶硅并刻蝕后的結構圖； 圖5為本發(fā)明中在上面沉積氮化硅并刻蝕后的結構圖6為本發(fā)明中另一塊S0I晶片或者用普通硅片上表面熱氧化一層氧化層，然后在氧化層上表面鍵合一塊硅片并將這塊硅片用機械或化學的方法減薄并將其磨平；
圖7為對圖6得到的晶片上下表面都沉積2層二氧化硅和兩層氮化硅的仰視圖； 圖8為本發(fā)明中加工濕法或干法刻蝕的掩膜的仰視結構示意圖9為本發(fā)明中進行一次濕法或干法刻蝕，刻蝕到距離基底的上表面12 52微米處 停止仰視結構圖； '…
圖IO為本發(fā)明中用濕法或干法刻蝕掉一層氮化硅和二氧化硅，再進行一次濕法或干 法刻蝕并刻蝕掉剩余的氮化硅和二氧化硅仰視結構圖lla為本發(fā)明中鍵合前上面的兩層結構立體圖lib為本發(fā)明中鍵合前下面一層結構的立體圖llc為本發(fā)明中鍵合后AA,的剖視圖。
圖中1為第一個基底，2為電極引線，3為下電極，4為覆蓋下電極的氮化硅，5 為用作鏡面的結構層，6為氧化層，7為第二基底，8為氮化硅，9為二氧化硅，10為刻 蝕出圖形用作濕法或干法刻蝕掩膜的氮化硅，11為濕法刻蝕出的上電極，12為鍵合時的 連接體，13釋放孔，14為薄板梁結構，15為連接鏡面和驅動梁的連接體。 具體實施例
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明， 本發(fā)明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例本領域的技術人員 即可以實現(xiàn)本發(fā)明權利要求的全部內容。
實施例1
以3X3單元三層連續(xù)面形微機械變形鏡的制作過程為例，結合附圖對本發(fā)明作具體
描述，具體步驟如圖1所示。
1. 取一塊500微米厚的5英寸Pyrex7740玻璃作為第一基底1，如圖2所示。
2. 用第一個掩膜版光刻并用緩沖氫氟酸濕法刻蝕出0. 5微米深的槽，為沉積下電極 做準備，如圖3所示。
3. 在玻璃基底上表面蒸鍍0.5微米厚的金，然后光刻并干法刻蝕，刻蝕深度為O. 5 微米，形成變形鏡的下電極3和引線2，如圖4所示。
4. 用PECVD沉積厚度為0.5微米的氮化硅薄膜4，然后光刻并干法刻蝕，刻蝕深度 等于這層薄膜的厚度，使得氮化硅將下電極覆蓋，從而避免靜電拉入效應對器件造成短 路的損害，如圖5所示。
5. 在厚400微米的4英寸N型(100)3級雙面拋光麥克斯硅片作為第二基底7的上 表面熱氧化一層厚3微米的氧化層6，然后在氧化層上表面鍵合一塊同樣的硅片并將這塊硅片用機械或化學的方法減薄到3微米厚并將其用CMP拋光作為鏡面的結構層，如圖 6所示。
6. 將上一步得到的晶片上下表面都用PECVD沉積2層厚度都是300nm的二氧化硅9 和兩層氮化硅8，順序是二氧化硅一氮化硅一二氧化硅一氮化硅，為后續(xù)的濕法刻蝕或 基底做準備，如圖7所示。
7. 對上一步得到的結構下表面進行兩次光刻和兩次干法刻蝕，形成臺階狀的結構 10，為后續(xù)^濕法刻蝕基底做準備，如圖8所示。
8. 以上一步得到的臺階狀的氮化硅和二氧化硅為掩膜用50°/。的氫氧化鉀溶液濕法刻 蝕硅基底，刻蝕至距離基底的上表面20微米處停止，形成上電極ll，如圖9所示
9. 然后干法刻蝕掉一層氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜用 50%的氫氧化鉀溶液濕法刻蝕硅基底，刻蝕深度為10微米，形成鍵合時的連接體12和驅 動器薄膜14，如圖10所示
10. 將步驟3中得到的結構的上表面和步驟9中得到結構的下表面進行陽極鍵合， 條件是500V電壓、 一個標準大氣壓和300攝氏度，然后在上表面光刻并用SFe干法刻蝕 釋放孔13再用緩沖氫氟酸濕法刻蝕將釋放孔下面的氧化層釋放，只保留將第一層和第二 層連接的連接體15，得到的結構如圖11所示。
實施例2
以7X7單元三層連續(xù)面形微機械變形鏡的制作過程為例，結合附圖對本發(fā)明作具體 描述，具體步驟如圖l所示。
1. 取一塊IOOO微米厚的5英寸康寧7070玻璃作為第一基底1，如圖2所示。
2. 用第一個掩膜版光刻并用緩沖氫氟酸濕法刻蝕出2微米深的槽，為鋪設下電極做 準備，如圖3所示。
3. 在基底上表面蒸鍍2.0微米厚的金，然后光刻并干法刻蝕，刻蝕深度為2微米， 形成變形鏡的下電極3和引線2，如圖4所示。
4. 用LPCVD沉積厚度為l微米的氮化硅薄膜4，然后光刻并干法刻蝕，刻蝕深度等 于這層薄膜的厚度，使得氮化硅將下電極覆蓋，從而避免靜電拉入效應對器件造成短路 的損害，如圖5所示。
5. 取一塊4英寸S0I晶片，晶片的硅結構層5厚度是20微米，氧化層6厚度是10 微米，第二基底7厚度為IOOO微米，如圖6所示。
6. 將上一步得到的晶片上下表面都沉積2層厚度都用LPCVD沉積600nm的二氧化硅
9和兩層氮化硅8，順序是二氧化硅一氮化硅一二氧化硅 氮化硅，為后續(xù)的濕法刻蝕基底做準備，如圖7所示。
7. 對上一步得到的結構下表面進行兩次光刻和兩次干法刻蝕，形成臺階狀的結構 10，為后續(xù)的濕法刻蝕基底做準備，如圖8所示。
8. 以上一步得到的臺階狀的氮化硅和二氧化硅為掩膜用50%氫氧化鉀溶液濕法刻蝕 硅基底，刻蝕至距離基底的上表面52微米處停止，形成上電極ll，如圖9所示
9. 然后干法刻蝕掉一層氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜用 50%氫氧化鉀溶液濕法刻蝕硅基底，深度為50微米，形成鍵合時的連接體12和驅動器薄 膜14，如圖10所示
10. 將步驟3中得到的結構的上表面和步驟9中得到結構的下表面進行陽極鍵合， 條件是IOOOV、 500攝氏度和一個標準下氣壓，然后光刻并用SFe干法刻蝕釋放孔13再用 緩沖氫氟酸濕法刻蝕將釋放孔下面的氧化層釋放，只保留將第一層和第二層連接的連接 體15，得到的結構如圖11所示。
實施例3
以10X10單元三層連續(xù)面形微機械變形鏡的制作過程為例，結合附圖對本發(fā)明作具 體描述，具體步驟如圖1所示。
1. 取一塊300微米厚的4英寸N型(100)雙面拋光麥克斯硅片作為第一基底1， 電阻率為105 2X105Q'cm，如圖2所示。
2. 用第一個掩膜版光刻并用50%氫氧化鉀溶液濕法刻蝕出0. l微米深的槽，為鋪設 下電極做準備，如圖3所示。
3. 用LPCVD沉積0. 1微米厚的多晶硅，然后光刻并干法刻蝕，刻蝕深度為0. 1微米， 形成變形鏡的下電極3和引線2，如圖4所示。
4. 用LPCVD沉積厚度為O. l微米的氮化硅薄膜4，然后光刻并刻蝕，刻蝕深度等于 這層薄膜的厚度，使得氮化硅將下電極覆蓋，從而避免靜電拉入效應對器件造成短路的 損害，如圖5所示。
5. 取一塊4英寸S0I晶片，晶片的硅結構層5厚度是0.3微米，氧化層6厚度是 0.3微米，第二基底7厚度為300微米，如圖6所示。
6. 將上一步得到的晶片上下表面都用PECVD沉積2層厚度都是800nm的二氧化硅9 和兩層氮化硅8，順序是二氧化硅一氮化硅一二氧化硅一氮化硅，為后續(xù)的濕法刻蝕或 干法刻蝕做準備，如圖7所示。
7. 對上一步得到的結構下表面進行兩次光刻和兩次干法刻蝕，形成臺階狀的結構 10，為后續(xù)的濕法刻蝕基底做準備，如圖8所示。8. 以上一步得到的臺階狀的氮化硅和二氧化硅為掩膜用50%氫氧化鉀溶液濕法刻蝕 硅基底，刻蝕至距離基底的上表面32微米處停止，形成上電極ll，如圖9所示
9. 然后干法刻蝕掉一層氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜用 50%氫氧化鉀溶液濕法刻蝕硅基底，深度為12微米，形成鍵合時的連接體12和驅動器薄 膜14，如圖10所示
10. 將步驟3中得到的結構的上表面和步驟9中得到結構的下表面進行陽極鍵合， 條件是600V、 1000攝氏度和一個標準下氣壓，然后光刻并用SFe干法刻蝕釋放孔再用緩 沖氫氟酸濕法刻蝕將釋放孔下面的氧化層釋放，只保留將第一層和第二層連接的連接體， 得到的結構如圖ll所示。
權利要求
1、一種基于鍵合工藝的三層連續(xù)面型MEMS變形鏡的制作工藝，其特征在于步驟如下(1)取一塊玻璃或硅片作為基底；(2)光刻并刻蝕，在基底上形成0.3～2.0微米深的槽；(3)沉積0.3～2.0微米厚的多晶硅或非晶硅或金屬薄膜，然后光刻并刻蝕，刻蝕深度等于這層薄膜的厚度，形成變形鏡的下電極和引線；(4)沉積厚度為0.1～1.0微米的氮化硅薄膜，然后光刻并刻蝕，刻蝕深度等于這層薄膜的厚度，使得氮化硅或二氧化硅層將下電極覆蓋，從而避免靜電拉入效應對器件造成短路的損害；(5)取一塊SOI晶片，晶片的硅結構層厚度是0.3～20.0微米，氧化層厚度是0.3～10微米，基底厚度為300～1000微米，或者在厚300～1000微米的普通硅片的上表面熱氧化一層厚0.3～10微米的氧化層，然后在氧化層上表面鍵合一塊硅片并將這塊硅片用機械或化學的方法減薄到0.3～20微米厚并將其磨平；(6)對步驟(5)得到的晶片上下表面都沉積兩層二氧化硅和兩層氮化硅，順序是二氧化硅→氮化硅→二氧化硅→氮化硅，為后續(xù)的濕法刻蝕或干法刻蝕做準備；(7)對步驟(6)得到的結構下表面進行兩次光刻和刻蝕，形成臺階狀的結構，為后續(xù)的濕法刻蝕做準備；(8)以步驟(7)得到的臺階狀的氮化硅和二氧化硅為掩膜進行濕法或干法刻蝕硅基底，刻蝕至距離基底的上表面12～52微米處停止；(9)然后濕法或干法刻蝕掉一層氮化硅和二氧化硅，以剩余的氮化硅和二氧化硅作掩膜進行濕法或干法刻蝕硅基底，深度為10～50微米；(10)將上下表面剩余的二氧化硅和氮化硅用濕法或干法刻蝕除掉；(11)將步驟(3)中得到的結構的上表面和步驟(10)中得到的結構的下表面進行熔融鍵合或陽極鍵合或低溫鍵合；(12)對步驟(10)中得到的結構的上表面進行光刻并刻蝕，形成釋放孔，然后將釋放孔下面的氧化層釋放，只保留將第一層和第二層連接的連接體。
全文摘要
一種基于鍵合工藝的三層連續(xù)面型MEMS變形鏡的制作工藝，主要包括在SOI晶片上表面干法刻蝕出釋放孔，將SOI晶片中間氧化層進行部分釋放，對SOI晶片下表面進行濕法刻蝕，并在另一塊基片(硅片或玻璃上)上沉積金屬作為電極結構，最后將該基片與SOI晶片進行鍵合。其特征在于將體硅微加工工藝和表面微加工工藝相結合，將體硅工藝加工得到的上面兩層結構和采用表面微加工得到的下電極結構層進行鍵合，得到的三層微機械結構。本發(fā)明是一種基于鍵合工藝的三層連續(xù)面型的MEMS變形鏡，其制作工藝過程相對容易，解決了傳統(tǒng)連續(xù)表面微機械變形鏡通過三層表面微加工加工難度大的缺點，而且加工出的變形鏡可得到大的離面位移，并通過加入氮化硅絕緣層消除靜電拉入導致短路的缺陷，可廣泛適用于光通訊及自適應光學領域。
文檔編號G02B26/08GK101604069SQ20091008925
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權日2009年7月10日
發(fā)明者豪 任, 軍 姚, 邱傳凱, 陶逢剛 申請人:中國科學院光電技術研究所