專利名稱：一種由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMSMicro-Electro-Mechanical-Systems)領(lǐng)域一種可動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作方法，特別是一種由硅和二氧化硅作為共同支撐體的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是近年來迅速發(fā)展的技術(shù)，結(jié)合成熟的半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合超精密機(jī)械加工技術(shù)，將多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)集成到一塊芯片上，將信息獲取處理和執(zhí)行一體化的集成在一起，共同組成一個(gè)完整的多功能系統(tǒng)，具有高性能，低成本，小型化的特征。
可移動(dòng)的微小結(jié)構(gòu)通常是信息采集的重要部件，它可以將壓力、加速度等信號(hào)轉(zhuǎn)化為位移信息，它也可以用來作為器件的執(zhí)行部分，通過控制位移來變更器件的工作狀態(tài)。
對(duì)于制作可動(dòng)部分厚度為10到50微米的微小結(jié)構(gòu)，一個(gè)方法是將普通硅片用干法刻蝕或濕法腐蝕，制作出一層厚度為十幾個(gè)到幾十微米的硅膜作為支撐部分，如J.H.Jerman在《A Miniature Fabry-Perot InterferometerFabricated Using Silicon Micromachining Techniques》中可動(dòng)結(jié)構(gòu)的支撐部分為一層厚度為12微米的硅膜，首先這樣的結(jié)構(gòu)剛度過大，不易于驅(qū)動(dòng)，其次以目前的工藝很難獲得如此薄且厚度均勻一致的硅膜；另一個(gè)方法是制作一組支撐梁來支撐可動(dòng)部件，這樣的結(jié)構(gòu)首先如果可動(dòng)部件上有易損壞結(jié)構(gòu)或者材料，如鍍有金屬，則會(huì)使它們?cè)诤罄m(xù)工藝如刻蝕，劃片中被雜質(zhì)污染或者由于強(qiáng)度過低而使結(jié)構(gòu)損壞；另外這樣的厚度的一組梁普通硅片也難于制作，在J.W.Graff的《Flat free-standing silicon diaphragmsusing silicon-on-insulator wafers》文章中就是用SOI硅片制作這樣的結(jié)構(gòu)，這無疑大大增加了制作成本。
本發(fā)明試圖提出一種可動(dòng)微結(jié)構(gòu)，使之既能在結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新，不僅能夠克服上述可動(dòng)微小結(jié)構(gòu)的缺陷；而且在制作方法上兼容現(xiàn)有工藝，不增加工藝難度，制作出質(zhì)量好，可靠性高的可動(dòng)微小結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)及制作方法。
所涉的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)是由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)，它是由一組硅梁和二氧化硅膜及中間的可動(dòng)部件共同組成。硅梁和二氧化硅膜既起到支撐中間可動(dòng)部件的作用，也是工作時(shí)發(fā)生彈性變形的部分。中間可動(dòng)部件可為質(zhì)量塊。整個(gè)結(jié)構(gòu)是通過在硅片上制作出圖形，鍵合到襯底上，然后從背面減薄硅片而形成，襯底材料為硅片或者玻璃片，可以在襯底上進(jìn)行挖槽或者制作電極等工藝。它的基本制作步驟為(1)在硅片上形成一層掩膜；(2)在硅片上制作腔體，去掉掩膜；(3)在腔體底部制作形成硅梁；(4)在腔體底部制作一層氧化層；(5)將硅片與襯底鍵合起來；(6)將硅片從背面減薄，直到露出氧化層。
其中步驟1的掩膜是二氧化硅膜或者氮化硅膜或者光刻膠，步驟2為干法刻蝕或者濕法刻蝕，或者其組合方法，步驟6為干法刻蝕，或者濕法腐蝕，或者其組合方法，并輔以機(jī)械拋光、化學(xué)拋光或電化學(xué)腐蝕或其組合方法。
由于采用上述方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)可移動(dòng)器件由普通硅片制作，成本低；(2)用硅梁和二氧化硅膜共同支撐中間結(jié)構(gòu)，既提高了支撐強(qiáng)度，又保證了可動(dòng)結(jié)構(gòu)在較小的力的作用下能產(chǎn)生較大的位移。微觀條件下靜電力是重要的驅(qū)動(dòng)力。靜電力的一個(gè)主要問題就是力很小，不足以驅(qū)動(dòng)大的結(jié)構(gòu)，而本發(fā)明使器件在較小的作用力的情況下也能產(chǎn)生較大的位移；(3)鍵合之前可以通過各種工藝過程來實(shí)現(xiàn)設(shè)定的圖案、電極等；(4)二氧化硅膜的存在保護(hù)了腔體中的結(jié)構(gòu)。通常在制作完可動(dòng)結(jié)構(gòu)后還要進(jìn)行后續(xù)工藝處理。這時(shí)如果沒有二氧化硅膜的保護(hù)，外力或者腐蝕成份會(huì)對(duì)已經(jīng)形成的可動(dòng)結(jié)構(gòu)造成傷害，而為了避免這種傷害的形成，必然會(huì)使后續(xù)可選擇的工藝減少。增加了二氧化硅膜之后，雜質(zhì)無法進(jìn)入腔體，就使腔體內(nèi)部的圖形和結(jié)構(gòu)得到了保護(hù)。


圖1為由硅和二氧化硅共同支撐的可動(dòng)微結(jié)構(gòu)基本形狀。其中11，13為左、右硅梁，14，15為左、右二氧化硅膜，12為中央可動(dòng)部件，16為襯底。
圖2為在襯底上制作凹槽和電極后的結(jié)構(gòu)，其中21，22為左、右電極，23為凹槽。
圖3為中央可動(dòng)部件為質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)。其中31為質(zhì)量塊。
圖4為實(shí)施例1的制作流程圖。圖中(1)硅片氧化；(2)光刻諧振腔體；(3)光刻出硅梁和極板形狀；(4)去除鍵合面和極板上的二氧化硅；(5)濺射并光刻；(6)硅片和玻璃片鍵合；(7)刻蝕，完成制作。
圖5為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖6為在J.H.Jerman的文章里展示的以硅膜作為支撐的結(jié)構(gòu)，其中61為硅膜，62為被硅膜支撐的極板。
圖7為在J.W.Graff的文章里展示的在SOI硅片上制作的微小結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1這是一個(gè)利用法布里-泊羅多光速干涉效應(yīng)制作的腔長(zhǎng)可調(diào)的諧振腔，它能夠通過調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)的大小使特定波長(zhǎng)的光束透過，而將其它光束反射回去，從而達(dá)到濾波的效果。
根據(jù)本發(fā)明制作上極板可動(dòng)諧振腔的過程請(qǐng)參閱圖4，具體為1.對(duì)硅片進(jìn)行氧化，氧化厚度3500埃，如圖4-1所示；2.光刻諧振腔體，用KOH液腐蝕，深度約為10微米，然后去氧化層，如圖4-2所示；3.在腔體底部進(jìn)行光刻，刻蝕出梁和極板的形狀，高度為20微米，如圖4-3所示；4.硅片進(jìn)行氧化，氧化層厚度為3500埃，再光刻，用BOE腐蝕液去掉鍵合面和極板上的二氧化硅，如圖4-4所示；5.先在硅片和玻璃上濺射300埃鉻作為粘附層，然后濺射100納米的金，再光刻，分別用金鉻腐蝕液腐蝕，保留中間部分的金以作為反射鏡面，如圖4-5所示；6.將硅片和玻璃片鍵合起來，如圖4-6所示；7.將鍵合片用ICP刻蝕，將其減薄至剛好露出氧化層，如圖4-7所示。
制作出的諧振腔立體圖如圖5所示。
實(shí)施例2步驟2的諧振腔體用干法刻蝕，其余步驟如實(shí)施例1。
實(shí)施例3實(shí)施例1中步驟7將鍵合片放入KOH液中，減薄至150微米時(shí)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，然后用ICP減薄到露出氧化層，其余步驟如實(shí)施例1。這種組合減薄方法得到的硅片平整度可以高于單一減薄方法得到的平整度。
權(quán)利要求
1.一種由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)，由襯底和減薄后的硅片組成，其特征在于硅梁和二氧化硅膜支撐中間可動(dòng)部件，硅梁位于二氧化硅膜上面。
2.按權(quán)利要求1所述的由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的襯底為硅片或玻璃片中一種。
3.按權(quán)利要求1所述的由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)，其特征在于中間可動(dòng)部件為質(zhì)量塊。
4.制作如權(quán)利要求1所述的由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于通過硅片上制作出圖形，鍵合到襯底上，然后從背面減薄硅片上，具體制作步驟是(1)在硅片上形成一層掩膜；(2)在硅片上制作腔體，再去掉掩膜；(3)在腔體底部制作形成硅梁；(4)在腔體底部制作一層氧化層；(5)將硅片與襯底鍵合起來；(6)將硅片從背面減薄，直到露出氧化層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(1)的掩膜是二氧化硅膜或者氮化硅膜或者光刻膠中一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(2)為干法刻蝕或者濕法腐蝕，或者其組合方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟(6)為干法刻蝕，或者濕法腐蝕，或者其組合方法，并輔以機(jī)械拋光、化學(xué)拋光或電化學(xué)腐蝕或其組合方法。
8.按權(quán)利要求4所述的由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于可在襯底上進(jìn)行挖槽或制作電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由硅和二氧化硅共同支撐的可移動(dòng)微結(jié)構(gòu)及其制備方法。針對(duì)微觀下靜電驅(qū)動(dòng)力小的問題，采用硅梁和二氧化硅膜作為共同支撐部件，共同支撐中間可動(dòng)部件。既增加了支撐強(qiáng)度又提高了靜電力驅(qū)動(dòng)下的位移；針對(duì)用梁支撐的可動(dòng)結(jié)構(gòu)在后續(xù)工藝中粘上雜質(zhì)和被腐蝕液破壞的問題，采用二氧化硅膜作保護(hù)，使結(jié)構(gòu)在后續(xù)工藝中不被污染破壞，增加了提高器件制作工藝的可選擇性。其制備方法是通過硅片上制作出圖形，鍵合到襯底上，然后從背面減薄硅片上。
文檔編號(hào)G02B26/00GK1736850SQ20051002875
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月12日
發(fā)明者龍文華, 楊建義, 李廣波, 賈科淼, 王躍林 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所