Mems扭轉式靜電驅動器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件技術領域，特別涉及一種MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法。
【背景技術】
[0002]MEMS微驅動器(actuator)，也稱為執行器或致動器，是在控制信號的作用下將能量轉換為可控運動和功率輸出的器件。微驅動器是一種重要的MEMS器件，在光學、通信、生物醫學、微流體等領域有著廣泛的應用。微驅動器的核心包括把電能轉換為機械能的換能器，以及執行能量輸出的微結構。根據能量的來源，執行器可以分為電、磁、熱、光、機械、聲，以及化學和生物執行器，常用的驅動方式包括靜電、電磁、電熱、壓電、記憶合金、電致伸縮、磁致伸縮等。靜電驅動器利用帶電導體之間的靜電引力實現驅動。靜電驅動在小尺寸(1-10微米)時效率很高，并且容易實現、控制精確、不需要特殊材料，是應用最廣泛的驅動方式。靜電驅動器包括平板電容結構、梳狀叉指結構、旋轉靜電馬達，以及線形長距離執行器等，分別利用到垂直和平行方向的靜電力。平板電容驅動器是常用的靜電驅動器，電容的下極板固定，上極板在彈性結構的支撐下可以移動，當上下極板間施加驅動電壓時，極板間的靜電引力驅動上極板整體垂直運動，實現輸出。平板電容驅動器制造簡單，控制和使用容易，但是驅動距離較小，輸出力也較小。輸出的驅動力與電容為非線性關系，并且在電壓控制時容易產生下拉現象，限制了有效驅動距離。另外，在動態時平板電容壓膜阻尼較大，限制了動態范圍。而扭轉式靜電驅動器利用扭曲的懸臂梁和靜電力使電容的上極板扭轉實現輸出，扭轉式靜電驅動器具有較好的性能，這是因為扭轉運動比垂直運動可以輸出更大的驅動力。
【發明內容】
[0003]基于此，有必要提供一種MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，該MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法可以制作出擁有較大輸出力的MEMS扭轉式靜電驅動器。
[0004]—種MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，包括步驟:
[0005]提供基片，所述基片包括依次層疊的第一硅層、埋氧化層和第二硅層；
[0006]將第一硅層圖形化并暴露所述埋氧化層以形成與周邊區域相互間隔的矩形的上極板，所述上極板與所述周邊區域僅通過懸臂梁連接，同時還在所述周邊區域上形成暴露埋氧化層的凹部；
[0007]將第二硅層圖形化并暴露所述埋氧化層以形成背腔，所述背腔位于第二硅層上與所述上極板對應的區域，并覆蓋所述與上極板對應區域40%?60%的面積，所述背腔靠近所述懸臂梁的一端；
[0008]去除所述凹部暴露出來的埋氧化層以暴露第二硅層，去除部分埋氧化層以懸空所述上極板和懸臂梁；
[0009]在所述周邊區域上和所述凹部暴露出來的第二硅層上分別形成上接觸電極和下接觸電極。
[0010]在其中一個實施例中，所述第一娃層、第二娃層的電阻率為0.001 Ω.cm?
0.01 Ω.cm。
[0011]在其中一個實施例中，所述第一硅層、第二硅層的材質為單晶硅。
[0012]在其中一個實施例中，所述第一硅層厚5微米?50微米。
[0013]在其中一個實施例中，所述埋氧化層厚0.5微米?2微米。
[0014]在其中一個實施例中，所述第二硅層厚400微米?600微米。
[0015]在其中一個實施例中，所述懸臂梁數量為兩條，所述背腔靠近任一懸臂梁的內側端。
[0016]在其中一個實施例中，利用氫氟酸去除所述凹部暴露出來的埋氧化層以暴露第二硅層，利用氫氟酸去除部分埋氧化層以懸空所述上極板和懸臂梁。
[0017]在其中一個實施例中，所述背腔位于第二硅層上與所述上極板對應的區域，并覆蓋所述與上極板對應區域50%的面積。
[0018]在其中一個實施例中，在所述周邊區域上和所述凹部暴露出來的第二硅層上通過淀積金屬層并圖形化分別形成上接觸電極和下接觸電極。
[0019]上述MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，以基于絕緣體的硅晶片(SOI，Siliconon Insulator)為基片，通過對第一硅層、埋氧化層和第二硅層的圖形化，在第一硅層形成上極板，在第二硅層形成下極板(背腔并沒有覆蓋的位于第二硅層與所述上極板對應的區域)，埋氧化層用作上下極板之間的絕緣層和犧牲層材料，上極板和下極板大概重合40%?60%的面積。當在上接觸電極和下接觸電極施加電壓時，由于靜電力的作用，上極板會發生運動。因為上極板和下極板不完全對應重合(相差40 %?60 % )，所以上極板受到的力不均勻。上極板與下極板對應的部分受到的靜電力大于與背腔對應部分受到的靜電力，導致懸臂梁發生扭曲和上極板發生扭轉運動，這就是MEMS扭轉式靜電驅動器，也叫MEMS扭轉電容驅動器。MEMS扭轉式靜電驅動器利用扭曲的懸臂梁和靜電力使上極板扭轉實現輸出較大的驅動力和更大的動態范圍。而且，SOI具有較大的厚度、較好的一致性和較低的殘余應力，因而制作過程相對較易控制，制作出來的MEMS扭轉式靜電驅動器也因為較低的殘余應力而擁有更好的性能。
【附圖說明】
[0020]圖1是一實施例MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法的流程圖；
[0021]圖2是基片的結構不意圖；
[0022]圖3是將第一硅層圖形化后的結構示意圖；
[0023]圖4是將第一硅層圖形化后的俯視示意圖；
[0024]圖5是去除部分埋氧化層以懸空上極板和懸臂梁后的結構示意圖；
[0025]圖6是制作上接觸電極和下接觸電極后的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。
[0027]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0028]下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】進行詳細描述。
[0029]MEMS扭轉式靜電驅動器，也叫MEMS扭轉電容驅動器，包括不動的下極板和可動的上極板，利用上極板受到的不均勻靜電力而發生扭轉實現驅動力的輸出。MEMS扭轉式靜電驅動器具有較好的性能，這是因為扭轉運動比垂直運動可以輸出更大的驅動力和動態范圍。
[0030]圖1是一實施例MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法的流程圖。
[0031 ] 一種MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，包括步驟:
[0032]步驟SlOO:提供基片10，基片10包括依次層疊的第一硅層100、埋氧化層200和第二硅層300。
[0033]請一并參閱圖2。基片10可以是基于絕緣體的硅晶片(SOI，Silicon onInsulator)，SOI具有較大的厚度、較好的一致性和較低的殘余應力。
[0034]第一硅層100、第二硅層300的電阻率應該是比較低的，可以直接用作導電材料，比如電阻率為0.001 Ω.cm?0.01 Ω.cm。第一娃層100、第二娃層300的材質可以為單晶硅，單晶硅在殘余應力和表面光潔度等方面都容易符合MEMS扭轉式靜電驅動器的制作需求。
[0035]第一娃層100厚5微米?50微米，埋氧化層200厚0.5微米?2微米，第二娃層300厚400微米?600微米。埋氧化層200在本實施例中為二氧化硅層，在其他實施例中還可以是其他的絕緣層。埋氧化層200的厚度等于扭轉電容的間隙，作為第一硅層100和第二硅層300之間的絕緣層和犧牲層。
[0036]步驟S200:將第一硅層100圖形化并暴露埋氧化層200以形成與周邊區域140相互間隔的矩形的上極板120，上極板120與周邊區域140僅通過懸臂梁130連接，同時還在周邊區域140上形成暴露埋氧化層200的凹部110。利用硅刻蝕工藝從基片10正面對第一硅層100進行刻蝕圖形化，直至刻蝕到埋氧化層200。
[0037]請一并參閱圖3和圖4，第一硅層100被兩個相互拼靠的“U”型槽分劃為四邊形的上極板120和周邊區域140，并在“U”型槽相互拼靠之處形成兩條細小的懸臂梁130。懸臂梁130連接上極板120和周邊區域140，四邊形的凹部110位于周邊區域140。懸臂梁130應該足夠細小，使在靜電力的作用下能夠容易發生形變扭曲，并使得上極板120發生扭轉。
[0038]步驟S300:將第二硅層300圖形化并暴露埋氧化層200以形成背腔310。從基片10背面對第二硅層300進行刻蝕圖形化，直至刻蝕到埋氧化層200。背腔310與上極板120的形狀相對應，也為四邊形。背腔310位于第二硅層300上與上極板120對應的區域，背腔310覆蓋該與上極板120對應的區域40%?60%的面積320，背腔310靠近任一懸臂梁的內側端，見圖4。這樣的設計，是為了懸臂梁130在靜電力的作用下能夠容易發生形變扭曲，并使得上極板120發生扭轉。在本實施例中，背腔310覆蓋該與上極板120對應的區域靠近任一懸臂梁的內側端50%的面積，即刻蝕圖形應覆蓋對應上極板對應的區域的半邊區域。
[0039]步驟S400:去除凹部110暴露出來的埋氧化層以暴露第二硅層300，去除部分埋氧化層以懸空上極板120和懸臂梁130。去除部分埋氧化層后，留下部分埋氧化層210以支撐周邊區域140。在本實施例中，利用氫氟酸去除凹部110暴露出來的埋氧化層200以暴露第二硅層300，利用氫氟酸去除部分埋氧化層200以懸空上極板120和懸臂梁130，比較難去除的位置可以通過鉆孔再利用氫氟酸去除。由于上極板和和第二硅層300之間懸空，上極板120在第二硅層300上投影對應的部分就成為了下極板，留下的部分埋氧化層210在此處相當于支撐結構的作用。圖5是去除部分埋氧化層以懸空上極板和懸臂梁后的結構示意圖。
[0040]步驟S500:在周邊區域140和凹部110暴露出來的第二硅層上分別形成上接觸電極400和下接觸電極500。請參閱圖6，在周邊區域140和凹部110暴露出來的第二硅層上通過淀積金屬層并圖形化分別形成上接觸電極400和下接觸電極500。容易得知，上接觸電極400和下接觸電極500都為金屬電極，上接觸電極400與上極板120形成電連接，下接觸電極500與下極板320形成電連接。當在上接觸電極400和下接觸電極500施加電壓時，由于靜電力的作用，上極板120會發生運動。因為上極板120和下極板320不完全對應重合(相差40%?60% )，所以上極板120受到的力不均勻。上極板120與下極板320對應的部分受到的靜電力大于與背腔310對應部分受到的靜電力，導致懸臂梁130發生扭曲和上極板120發生扭轉運動。
[0041]上述MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，以基于絕緣體的硅晶片(SOI，Siliconon Insulator)為基片，通過對第一硅層、埋氧化層和第二硅層的圖形化，在第一硅層形成上極板，在第二硅層形成下極板(背腔并沒有覆蓋的位于第二硅層與所述上極板對應的區域)，埋氧化層用作上下極板之間的絕緣層和犧牲層材料，上極板和下極板大概重合40%?60%的面積。當在上接觸電極和下接觸電極施加電壓時，由于靜電力的作用，上極板會發生運動。因為上極板和下極板不完全對應重合(相差40 %?60 % )，所以上極板受到的力不均勻。上極板與下極板對應的部分受到的靜電力大于與背腔對應部分受到的靜電力，導致懸臂梁發生扭曲和上極板發生扭轉運動，這就是MEMS扭轉式靜電驅動器，也叫MEMS扭轉電容驅動器。MEMS扭轉式靜電驅動器利用扭曲的懸臂梁和靜電力使上極板扭轉實現輸出較大的驅動力和更大的動態范圍。而且，SOI具有較大的厚度、較好的一致性和較低的殘余應力，因而制作過程相對較易控制，制作出來的MEMS扭轉式靜電驅動器也因為較低的殘余應力而擁有更好的性能。
[0042]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1.一種MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，包括步驟: 提供基片，所述基片包括依次層疊的第一硅層、埋氧化層和第二硅層； 將第一硅層圖形化并暴露所述埋氧化層以形成與周邊區域相互間隔的矩形的上極板，所述上極板與所述周邊區域僅通過懸臂梁連接，同時還在所述周邊區域上形成暴露埋氧化層的凹部； 將第二硅層圖形化并暴露所述埋氧化層以形成背腔，所述背腔位于第二硅層上與所述上極板對應的區域，并覆蓋所述與上極板對應區域40%?60%的面積，所述背腔靠近所述懸臂梁的一端； 去除所述凹部暴露出來的埋氧化層以暴露第二硅層，去除部分埋氧化層以懸空所述上極板和懸臂梁； 在所述周邊區域上和所述凹部暴露出來的第二硅層上分別形成上接觸電極和下接觸電極。2.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，所述第一娃層、第二娃層的電阻率為0.001 Ω.cm?0.01 Ω.cm。3.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，所述第一硅層、第二硅層的材質為單晶硅。4.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，所述第一娃層厚5微米?50微米。5.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，所述埋氧化層厚0.5微米?2微米。6.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，所述第二娃層厚400微米?600微米。7.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，所述懸臂梁數量為兩條，所述背腔靠近任一懸臂梁的內側端。8.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，利用氫氟酸去除所述凹部暴露出來的埋氧化層以暴露第二硅層，利用氫氟酸去除部分埋氧化層以懸空所述上極板和懸臂梁。9.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，所述背腔位于第二硅層上與所述上極板對應的區域，并覆蓋所述與上極板對應區域50%的面積。10.根據權利要求1所述的MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，其特征在于，在所述周邊區域上和所述凹部暴露出來的第二硅層上通過淀積金屬層并圖形化分別形成上接觸電極和下接觸電極。
【專利摘要】一種MEMS扭轉式靜電驅動器的制造方法，以基于絕緣體的硅晶片為基片，通過對第一硅層、埋氧化層和第二硅層的圖形化，在第一硅層形成上極板，在第二硅層形成下極板，埋氧化層用作上下極板之間的絕緣層和犧牲層材料，上極板和下極板大概重合40％～60％的面積。當在上接觸電極和下接觸電極施加電壓時，上極板與下極板對應的部分受到的靜電力大于與背腔對應部分受到的靜電力，導致懸臂梁發生扭曲和上極板發生扭轉運動，這就是MEMS扭轉式靜電驅動器，其相對于平板電容驅動器有更大的驅動力和動態范圍。
【IPC分類】B81C1/00
【公開號】CN105712288
【申請號】CN201410724507
【發明人】荊二榮
【申請人】無錫華潤上華半導體有限公司