一种精简工艺的微镜芯片及制造方法与流程

本发明涉及一种精简工艺的微镜芯片及制造方法，属于微机电系统技术领域。

背景技术：

常用的微机电系统驱动结构包括静电驱动被广泛应用，其中静电驱动主要采用梳齿结构，梳齿结构一般分为两类，一类是面内梳齿结构，用作面内结构驱动；一类是上下梳齿结构，用作面外驱动，面外驱动的动齿和固齿一高一低不在一个平面。上下梳齿结构可以用来制作扫描微镜，三轴加速度计、三轴陀螺仪。但是要制作高低梳齿，现有的高低梳齿设计中，传统memes制造工艺利用键合工艺分别刻蚀高低梳齿，或者利用多次光刻分别刻蚀高低梳齿，需要高精度对准，对工艺要求高且成品率低，存在多次刻蚀，加工复杂等缺陷。

专利cn201521059002公开采用soi圆片实现下梳齿，然后键合一片硅片实现上梳齿的方式，该工艺复杂，且成品率不能得到保证；还有专利cn201410599134采用了一种自对准方案，采用抬升结构实现高低梳齿，这里的抬升结构利用了工艺应力，而使梳齿抬升，形成高低梳齿。该方案主要问题在于工艺应力不好控制，且随着时间会发生变化，高低梳齿不可靠。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种精简工艺的微镜芯片，无需键合工艺，即可以实现面外梳齿，产生面外驱动扭矩，能够实现快速扫描和大角度扫描驱动效果。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种精简工艺的微镜芯片，包括衬底、镜面支撑、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置，其中，衬底为soi硅片材料制成的环形结构，且衬底的各部位共面；两组下驱动装置均为soi硅片材料制成，且两组下驱动装置彼此结构相同，镜面支撑上彼此相对的两侧边位置分别通过一组下驱动装置、对接衬底环形结构的内侧边，且镜面支撑侧边两连接位置之间呈对称分布；

各组下驱动装置分别均包括下驱动本体与扭转轴结构，各组下驱动装置中，下驱动本体包括主轴、以及分别对接主轴两侧的两齿条组，并且主轴与两齿条组共面，各齿条组分别均包括至少一根齿条，且各齿条组中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距；各下驱动装置中下驱动本体分别与镜面支撑侧边上对应位置相连接，各下驱动装置中下驱动本体的主轴端部分别经扭转轴结构、对接衬底环形结构上内侧边对应位置；

各组上驱动装置均为多晶硅材料制成，各组上驱动装置分别均包括载体板、以及设置于载体板上的至少一个齿条组，各组上驱动装置中，载体板与各齿条组共面，各齿条组分别对应载体板上的不同侧边位置，各齿条组分别均包括至少一根齿条，各齿条组中的各根齿条分别对接载体板上对应侧边位置，且各齿条组中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距；

各组上驱动装置的载体板设置于衬底环形结构的上表面，且各组上驱动装置中各齿条组的位置分别与各组下驱动装置中各齿条部分的位置彼此一一对应，以及在垂直于衬底所在面的方向上，各组上驱动装置中各齿条组的各根齿条的投影、分别与对应位置下驱动装置中齿条部分的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；

镜面支撑的上表面设置镜面反射层，各组下驱动装置中下驱动本体的主轴上表面、以及各组上驱动装置中载体板的上表面均分别设置电极；通过向各个电极供电，在各组上驱动装置中各齿条与对应位置下驱动装置中各齿条之间的相互作用力下，实现各组下驱动装置中下驱动本体相对扭转轴结构的扭转，进而完成对镜面支撑角度的驱动调整。

作为本发明的一种优选技术方案：所述上驱动装置的组数为偶数个，所有上驱动装置平均分布于、所述镜面支撑彼此相对的两侧，且分布于镜面支撑两侧的各上驱动装置、相对所述镜面支撑位置呈对称分布；所述两组下驱动装置之间相对所述镜面支撑位置呈对称分布。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各组下驱动装置中的下驱动本体中，各齿条组中的各根齿条均与其所连主轴相垂直；所述各组上驱动装置中各齿条组中的各根齿条、均与其所对接载体板的侧边相垂直。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括两个弹簧结构，所述各组下驱动装置中的扭转轴结构分别包括两根第一扭转轴，所述上驱动装置的组数为六组；

两组下驱动装置分别对应位于所述镜面支撑彼此相对两侧边的外侧，各组下驱动装置中，下驱动本体主轴其中一侧齿条组的中间齿条的端部经一个弹簧结构对接镜面支撑上对应位置的侧边，下驱动本体主轴的两端分别经第一扭转轴对接所述衬底环形结构的内侧边，下驱动本体主轴所在直线、以及两根第一扭转轴分别所在直线三者相共线；两个弹簧结构彼此之间相对镜面支撑位置呈对称分布，两组下驱动装置之间相对所述镜面支撑位置呈对称分布，且两组下驱动装置中下驱动本体的主轴彼此平行；

六组上驱动装置平均分布于、镜面支撑对应其所连两组下驱动装置的两侧，各组上驱动装置分别均包括载体板、以及设置于载体板上的一个齿条组；镜面支撑对应其所连两组下驱动装置的各侧区域中，三组上驱动装置的载体板设置于衬底环形结构的上表面，并且其中一组上驱动装置中的齿条组位置、与下驱动本体主轴上背向镜面支撑一侧的齿条组位置相对应，以及另外两组上驱动装置中的齿条组位置、分别与下驱动本体主轴上面向镜面支撑一侧齿条组中、相对中间齿条的两侧齿条部分相对应，在垂直于衬底所在面的方向上，各组上驱动装置中齿条组的各根齿条的投影、分别与对应位置下驱动装置中齿条部分的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；分布于镜面支撑两侧的各上驱动装置、相对所述镜面支撑位置呈对称分布。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各组下驱动装置中的扭转轴结构分别包括一根第二扭转轴，所述上驱动装置的组数为两组；

两组下驱动装置分别对应位于所述镜面支撑彼此相对两侧边的外侧，各组下驱动装置中，下驱动本体主轴的其中一端对接镜面支撑上对应位置的侧边，下驱动本体主轴的另一端经第二扭转轴对接所述衬底环形结构的内侧边，下驱动本体主轴所在直线与第二扭转轴所在直线相共线；两组下驱动装置之间相对所述镜面支撑位置呈对称分布，且两组下驱动装置中下驱动本体主轴所在直线相共线；

两组上驱动装置分别位于镜面支撑彼此相对两侧边的外侧，并且两组上驱动装置所对应镜面支撑两侧边位置连线、与两组下驱动装置所对应镜面支撑两侧边位置连线相垂直；各组上驱动装置分别均包括载体板、以及设置于载体板上的两个齿条组；镜面支撑对应两组上驱动装置的各侧区域中，上驱动装置的载体板设置于衬底环形结构的上表面，并且上驱动装置中的两组齿条组位置、分别与镜面支撑两侧下驱动装置中下驱动本体主轴同侧的齿条组位置相对应，在垂直于衬底所在面的方向上，上驱动装置中各齿条组的各根齿条的投影、分别与对应位置下驱动装置中齿条组的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；两组上驱动装置相对镜面支撑位置呈对称分布。

与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种精简工艺微镜芯片的制造方法，拥有简洁的制造工艺，无需键合工艺，即可以实现面外梳齿，产生面外驱动扭矩，能够实现快速扫描和大角度扫描驱动效果。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对精简工艺的微镜芯片的制造方法，针对soi硅片执行如下步骤，实现所述微镜芯片的制造；

步骤a.针对soi硅片中顶硅层进行干法刻蚀，获得贯穿顶硅层上下面的衬底、镜面支撑、以及两组下驱动装置，然后进入步骤b；

步骤b.针对顶硅层上表面、顶硅层中的凹槽内壁、以及裸露的掩埋层位置，生长一层氧化层，然后进入步骤c；

步骤c.针对氧化层外延生长多晶硅层，并完成热处理、以及参杂处理，且多晶硅层突出顶硅层表面的高度与所述上驱动装置的厚度相适应，然后进入步骤d；

步骤d.针对多晶硅层上表面进行开窗刻蚀至氧化层位置，露出对应于各组下驱动装置位置的对准标记，然后进入步骤e；

步骤e.基于多晶硅层上对应于各组下驱动装置位置的对准标记，针对多晶硅层进行深反应离子刻蚀，获得各上驱动装置、以及其引线连接，然后进入步骤f；

步骤f.针对多晶硅层上表面、多晶硅层中的凹槽内壁、以及裸露的氧化层，外延构建临时保护层，然后进入步骤g；

步骤g.针对soi硅片中底硅层，基于图像化进行刻蚀处理，形成空腔，然后进入步骤h；

步骤h.针对soi硅片中的掩埋层进行刻蚀，然后去除临时保护层，完成对镜面支撑、两组下驱动装置、以及各上驱动装置的释放，然后进入步骤i；

步骤i.采用shadowmask方式,针对镜面支撑上表面生成镜面反射层，以及针对各组下驱动装置中下驱动本体的主轴上表面、各组上驱动装置中载体板的上表面均分别生成电极。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中，首先针对soi硅片中顶硅层表面图形化衬底、镜面支撑、以及两组下驱动装置，然后采用干法刻蚀，获得贯穿顶硅层上下面的衬底、镜面支撑、以及两组下驱动装置。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b中，采用热氧、或化学气相沉积cvd方法，针对顶硅层上表面、顶硅层中的凹槽内壁、以及裸露的掩埋层位置，生长一层氧化层。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤f中，针对多晶硅层上表面、多晶硅层中的凹槽内壁、以及裸露的氧化层，采用涂胶方法、光刻胶方法、或su8方法中的任意一种方法，外延构建临时保护层。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤g中，针对soi硅片中底硅层，基于图像化，应用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者干法湿法混合刻蚀中的任意一种方法进行刻蚀处理，形成空腔。

本发明所述一种精简工艺的微镜芯片及制造方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计精简工艺的微镜芯片及制造方法，采用soi硅片，驱动器布置于第三层，质量块与转轴布置在第一层，第二层布置支持结构，其中驱动器采用面内驱动器结构，可以实现面内驱动，通过中层支撑结构产生面外驱动转矩，带动质量块运动，可以实现快速扫描和大角度扫描驱动结构；该结构工艺上利于实现，不挑战工艺难点，可以大大简化面外运动加工难度，实现大角度，大质量块驱动；相对于多层机构的mems省去了多次键合的工艺，简化了制造工艺，大大降低加工成本和加工难度，提高成品率。

附图说明

图1是本发明设计精简工艺的微镜芯片的结构一示意图；

图2是本发明设计精简工艺的微镜芯片的结构二示意图；

图3是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中soi硅片的示意图；

图4是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中步骤a的结果示意图；

图5是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中步骤b的结果示意图；

图6是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中步骤c的结果示意图；

图7是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中步骤e的结果示意图；

图8是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中步骤f的结果示意图；

图9是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中步骤h的结果示意图；

图10是本发明设计精简工艺微镜芯片制造方法中步骤i的结果示意图。

其中，1.衬底，2.镜面支撑，3.上驱动装置，4.下驱动本体，5.镜面反射层，6.电极，7.弹簧结构,8-1.第一扭转轴，8-2.第二扭转轴,9-1.顶硅层，9-2.掩埋层，9-3.底硅层，9-4.氧化层，9-5.多晶硅层，10.空腔。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种精简工艺的微镜芯片，实际应用当中，具体包括衬底1、镜面支撑2、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置3，其中，衬底1为soi硅片材料制成的环形结构，且衬底1的各部位共面；两组下驱动装置均为soi硅片材料制成，且两组下驱动装置彼此结构相同，镜面支撑2上彼此相对的两侧边位置分别通过一组下驱动装置、对接衬底1环形结构的内侧边，且镜面支撑2侧边两连接位置之间呈对称分布。

各组下驱动装置分别均包括下驱动本体4与扭转轴结构，各组下驱动装置中，下驱动本体4包括主轴、以及分别对接主轴两侧的两齿条组，并且主轴与两齿条组共面，各齿条组分别均包括至少一根齿条，且各齿条组中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距；各下驱动装置中下驱动本体4分别与镜面支撑2侧边上对应位置相连接，各下驱动装置中下驱动本体4的主轴端部分别经扭转轴结构、对接衬底1环形结构上内侧边对应位置。

各组上驱动装置3均为多晶硅材料制成，各组上驱动装置3分别均包括载体板、以及设置于载体板上的至少一个齿条组，各组上驱动装置3中，载体板与各齿条组共面，各齿条组分别对应载体板上的不同侧边位置，各齿条组分别均包括至少一根齿条，各齿条组中的各根齿条分别对接载体板上对应侧边位置，且各齿条组中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距。

各组上驱动装置3的载体板设置于衬底1环形结构的上表面，且各组上驱动装置3中各齿条组的位置分别与各组下驱动装置中各齿条部分的位置彼此一一对应，以及在垂直于衬底1所在面的方向上，各组上驱动装置3中各齿条组的各根齿条的投影、分别与对应位置下驱动装置中齿条部分的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错。

实际应用当中，可以设计上驱动装置3的组数为偶数个，所有上驱动装置3平均分布于、所述镜面支撑2彼此相对的两侧，且分布于镜面支撑2两侧的各上驱动装置3、相对所述镜面支撑2位置呈对称分布；所述两组下驱动装置之间相对所述镜面支撑2位置呈对称分布；并且所述各组下驱动装置中的下驱动本体4中，各齿条组中的各根齿条均与其所连主轴相垂直；所述各组上驱动装置3中各齿条组中的各根齿条、均与其所对接载体板的侧边相垂直。

镜面支撑2的上表面设置镜面反射层5，各组下驱动装置中下驱动本体4的主轴上表面、以及各组上驱动装置3中载体板的上表面均分别设置电极6；通过向各个电极6供电，在各组上驱动装置3中各齿条与对应位置下驱动装置中各齿条之间的相互作用力下，实现各组下驱动装置中下驱动本体4相对扭转轴结构的扭转，进而完成对镜面支撑2角度的驱动调整。

基于上述技术方案所设计精简工艺的微镜芯片，在具体的实际应用中，可以设计获得两种结构，结构一，如图1所示，在上述结构基础上，还包括两个弹簧结构7，以及所述各组下驱动装置中的扭转轴结构分别包括两根第一扭转轴8-1，并设计所述上驱动装置3的组数为六组。

其中，两组下驱动装置分别对应位于所述镜面支撑2彼此相对两侧边的外侧，各组下驱动装置中，下驱动本体4主轴其中一侧齿条组的中间齿条的端部经一个弹簧结构7对接镜面支撑2上对应位置的侧边，下驱动本体4主轴的两端分别经第一扭转轴8-1对接所述衬底1环形结构的内侧边，下驱动本体4主轴所在直线、以及两根第一扭转轴8-1分别所在直线三者相共线；两个弹簧结构7彼此之间相对镜面支撑2位置呈对称分布，两组下驱动装置之间相对所述镜面支撑2位置呈对称分布，且两组下驱动装置中下驱动本体4的主轴彼此平行；实际应用中，弹簧结构7为单晶硅材料支撑，可采用弓形梁、l形梁、z形梁、或者他们的组合。

六组上驱动装置3平均分布于、镜面支撑2对应其所连两组下驱动装置的两侧，各组上驱动装置3分别均包括载体板、以及设置于载体板上的一个齿条组；镜面支撑2对应其所连两组下驱动装置的各侧区域中，三组上驱动装置3的载体板设置于衬底1环形结构的上表面，并且其中一组上驱动装置3中的齿条组位置、与下驱动本体4主轴上背向镜面支撑2一侧的齿条组位置相对应，以及另外两组上驱动装置3中的齿条组位置、分别与下驱动本体4主轴上面向镜面支撑2一侧齿条组中、相对中间齿条的两侧齿条部分相对应，在垂直于衬底1所在面的方向上，各组上驱动装置3中齿条组的各根齿条的投影、分别与对应位置下驱动装置中齿条部分的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；分布于镜面支撑2两侧的各上驱动装置3、相对所述镜面支撑2位置呈对称分布。

结构二，如图2所示，所述各组下驱动装置中的扭转轴结构分别包括一根第二扭转轴8-2，所述上驱动装置3的组数为两组。

两组下驱动装置分别对应位于所述镜面支撑2彼此相对两侧边的外侧，各组下驱动装置中，下驱动本体4主轴的其中一端对接镜面支撑2上对应位置的侧边，下驱动本体4主轴的另一端经第二扭转轴8-2对接所述衬底1环形结构的内侧边，下驱动本体4主轴所在直线与第二扭转轴8-2所在直线相共线；两组下驱动装置之间相对所述镜面支撑2位置呈对称分布，且两组下驱动装置中下驱动本体4主轴所在直线相共线。

两组上驱动装置3分别位于镜面支撑2彼此相对两侧边的外侧，并且两组上驱动装置3所对应镜面支撑2两侧边位置连线、与两组下驱动装置所对应镜面支撑2两侧边位置连线相垂直；各组上驱动装置3分别均包括载体板、以及设置于载体板上的两个齿条组；镜面支撑2对应两组上驱动装置3的各侧区域中，上驱动装置3的载体板设置于衬底1环形结构的上表面，并且上驱动装置3中的两组齿条组位置、分别与镜面支撑2两侧下驱动装置中下驱动本体4主轴同侧的齿条组位置相对应，在垂直于衬底1所在面的方向上，上驱动装置3中各齿条组的各根齿条的投影、分别与对应位置下驱动装置中齿条组的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；两组上驱动装置3相对镜面支撑2位置呈对称分布。

针对上述所设计精简工艺的微镜芯片，实际应用当中，设计了如下制造方法，用于生产上述微镜芯片，具体针对如图3所示soi硅片执行如下步骤，实现所述微镜芯片的制造。

步骤a.首先针对soi硅片中顶硅层9-1表面图形化衬底1、镜面支撑2、以及两组下驱动装置，然后采用干法刻蚀，获得贯穿顶硅层9-1上下面的衬底1、镜面支撑2、以及两组下驱动装置，如图4所示，然后进入步骤b。

步骤b.采用热氧、或化学气相沉积cvd方法，针对顶硅层9-1上表面、顶硅层9-1中的凹槽内壁、以及裸露的掩埋层9-2位置，生长一层氧化层9-4，如图5所示，然后进入步骤c。

步骤c.针对氧化层9-4外延生长多晶硅层9-5，并完成热处理、以及参杂处理，使电阻率达到设定要求，且多晶硅层9-5突出顶硅层9-1表面的高度与所述上驱动装置3的厚度相适应，如图6所示，然后进入步骤d。

步骤d.针对多晶硅层9-5上表面进行开窗刻蚀至氧化层9-4位置，露出对应于各组下驱动装置位置的对准标记，然后进入步骤e。

步骤e.基于多晶硅层9-5上对应于各组下驱动装置位置的对准标记，针对多晶硅层9-5进行深反应离子刻蚀，获得各上驱动装置3、以及其引线连接，如图7所示，然后进入步骤f。

步骤f.针对多晶硅层9-5上表面、多晶硅层9-5中的凹槽内壁、以及裸露的氧化层9-4，采用涂胶方法、光刻胶方法、或su8方法中的任意一种方法，外延构建临时保护层，如图8所示，然后进入步骤g。

步骤g.针对soi硅片中底硅层9-3，基于图像化，应用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者干法湿法混合刻蚀中的任意一种方法进行刻蚀处理，形成空腔10，然后进入步骤h。

步骤h.针对soi硅片中的掩埋层9-2进行刻蚀，然后去除临时保护层，完成对镜面支撑2、两组下驱动装置、以及各上驱动装置3的释放，如图9所示，然后进入步骤i。

步骤i.采用shadowmask方式,针对镜面支撑2上表面生成镜面反射层5，以及针对各组下驱动装置中下驱动本体4的主轴上表面、各组上驱动装置3中载体板的上表面均分别生成电极6，如图10所示。

上述技术方案所设计精简工艺的微镜芯片及制造方法，采用soi硅片，驱动器布置于第三层，质量块与转轴布置在第一层，第二层布置支持结构，其中驱动器采用面内驱动器结构，可以实现面内驱动，通过中层支撑结构产生面外驱动转矩，带动质量块运动，可以实现快速扫描和大角度扫描驱动结构；该结构工艺上利于实现，不挑战工艺难点，可以大大简化面外运动加工难度，实现大角度，大质量块驱动；相对于多层机构的mems省去了多次键合的工艺，简化了制造工艺，大大降低加工成本和加工难度，提高成品率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。