一种微机电系统及其制备方法与流程

1.本发明涉及微机电系统(micro-electro-mechanical systems，mems)领域，尤其涉及一种mems装置及其制备方法。背景技术：2.微机电系统mems器件广泛应用于光通信、消费电子等领域。其原理是，利用加载在mems器件驱动结构上的电势差产生静电力和力矩，驱动mems器件上的活动部件转动或平动。mems器件的驱动结构包括平板结构和梳齿结构等。3.平板结构的mems如图1左边所示，其活动平台通过两侧的支撑梁连接到固定锚点，活动平台下方有两个固定电极，与活动平台构成平板电容，其中活动平台为平板电容的上电极，固定电极为下电极。将活动平台通过支撑梁和锚点接地，并在固定电极上施加恒定或者周期性变化的静电偏置电压，上下电极之间的电势差形成静电力和力矩，驱动活动平台绕支撑梁旋转。梳齿结构的mems如图1右边所示，活动平台两侧连接有活动梳齿，分别对应下方的两个固定梳齿。将活动梳齿接地，并在固定梳齿上施加恒定或者周期性变化的静电偏置电压，活动梳齿与固定梳齿之间的电势差形成静电力矩，驱动活动平台绕支撑梁旋转。技术实现要素：4.本发明实施例提供一种微机电系统mems装置及其制备方法，提高了mems装置的驱动效率，提升了可靠性，扩大了mems装置的应用范围。5.第一方面，本发明实施例提供了一种微机电系统mems装置，包括：第一固定梳齿，第二固定梳齿，支撑梁，活动平台和活动梳齿；其中：第一固定梳齿和第二固定梳齿固定在基板上，第一固定梳齿和第二固定梳齿之间电学隔离；支撑梁的两端固定在基板上，活动平台连接在支撑梁上；活动梳齿连接在活动平台上，并与第一固定梳齿和第二固定梳齿形成三层梳齿结构。三层梳齿结构提高了mems装置的驱动效率，减小了一定力矩下所需的驱动电压。6.在一个可能的设计中，mems装置包括两组三层梳齿结构，分别位于支撑梁的左侧和右侧。从而进一步提高了驱动能力。7.在又一个可能的设计中，第一固定梳齿用于在其与活动梳齿间施加第一电势差，第二固定梳齿用于在其与活动梳齿间施加第二电势差。从而进一步提高了驱动能力。8.在又一个可能的设计中，活动平台上镀有金属反射层或介质反射层。从而可以更广泛应用于光通信系统、消费电子等领域。9.在又一个可能的设计中，活动平台的形状为矩形、多边形、圆形，或椭圆形。不同的平台形状扩大了mems装置的应用范围。10.在又一个可能的设计中，第一固定梳齿用于在其与活动梳齿间施加电势差，第二固定梳齿用于通过其与活动梳齿间的电容测量活动平台的旋转角度。从而进一步扩大了mems装置的应用范围。11.在又一个可能的设计中，支撑梁与基板之间电学隔离。从而避免了mems装置的的净电荷积累，提升mems装置长期稳定性。12.在又一个可能的设计中，第一固定梳齿和第二固定梳齿之间通过第一绝缘层电学隔离，支撑梁与基板之间通过第二绝缘层电学隔离，第一绝缘层与第二绝缘层位于同一平面。这样有利于减小mems装置的体积，降低制备成本。13.在又一个可能的设计中，活动梳齿连接在活动平台中与支撑梁垂直的边上，三层梳齿结构紧靠着支撑梁。这种结构有利于减小mems装置尺寸，有利于应用到微镜阵列。14.在又一个可能的设计中，mems装置包括两组三层梳齿结构，位于支撑梁的同一侧，两组三层梳齿结构分别用于控制活动平台。从而有利于提高驱动活动平台的灵活性。15.在又一个可能的设计中，上述两组三层梳齿结构中的一组用于施加电势差驱动活动平台，一组用于测量活动平台的旋转角度。从而有利于提高mems装置使用的灵活性。16.在又一个可能的设计中，一种二维mems装置，包括两个mems装置，第一mems装置和第二mems装置，其中：第一mems装置的活动平台作为固定第二mems装置的基板；第一mems装置的支撑梁与第二mems装置的支撑梁相互垂直。从而实现了活动平台的二维转动，进一步扩大了mems装置的应用范围。17.在又一个可能的设计中，一种mems装置阵列，其特征在于，包括多个前述的mems装置，其中，多个mems装置呈一维分布或二维分布。18.在又一个可能的设计中，mems装置还包括基板、管壳、光窗、以及控制电路；其中：基板用于固定第一固定梳齿和第二固定梳齿，以及固定支撑梁两端；管壳安装在基板上，用于保护mems装置；光窗安装在管壳顶部，用于光线的入出；控制电路用于控制活动平台转动。这样完整的产品有利于保护mems装置长时间使用。19.第二方面，本发明实施例提供了一种mems装置的制备方法，包括：在第一晶圆上光刻形成第一固定梳齿；在双层第二晶圆上光刻形成活动梳齿、活动平台以及支撑梁；将第一晶圆和双层第二晶圆键合；在键合后的晶圆上光刻形成第二固定梳齿；释放活动平台和活动梳齿。这种方法通过一个单层晶圆和一个双层晶圆实现了前述三层梳齿结构的mems装置。20.第三方面，本发明实施例提供了另一种mems装置的制备方法，包括：在第一晶圆上光刻形成第一固定梳齿；将第二晶圆与第一晶圆键合；在两个晶圆键合后的晶圆上光刻形成活动梳齿、活动平台以及支撑梁；将第三晶圆和两个晶圆键合后的晶圆键合；在三个晶圆键合后的晶圆上光刻形成第二固定梳齿；释放活动平台和活动梳齿。这种方法通过3个单层晶圆实现了前述三层梳齿结构的mems装置。21.第四方面，本发明实施例提供了一种mems装置的使用方法，包括：在mems装置的第一固定梳齿和活动梳齿间施加电势差使活动平台旋转；测量mems装置的第二固定梳齿和活动梳齿间的电容来监控活动平台的旋转角度。这样监控到mems装置的性能出现变化后，可进一步采取措施以补偿性能的变化，使得mems装置也适用于工作环境变化大以及连续工作不停机的场景，扩大了mems装置的使用范围。22.本发明实施例提供的上述技术方案，提高了mems装置的驱动效率，减小了驱动电压，改善了mems装置的净电荷积累问题，提升了mems装置的长期稳定性；另外，由于驱动效率提高，mems装置中驱动结构的占用面积随之减小，因此提高了mems装置的有效占空比，扩大了mems装置的应用范围。附图说明23.图1为现有技术的平板结构和梳齿结构mems装置示意图；24.图2a为本发明实施例提供的一种mems装置的剖面示意图；25.图2b为本发明实施例提供的一种mems装置的45°示意图；26.图3a为本发明实施例提供的另一种mems装置的45°示意图；27.图3b为本发明实施例提供的另一种mems装置的剖面示意图；28.图3c为本发明实施例提供的又一种mems装置的剖面示意图；29.图4a为本发明实施例提供的一种mems装置旋转状态的示意图；30.图4b为本发明实施例提供的反馈结构电容与活动平台旋转角度关系的仿真示意图；31.图5a为本发明实施例提供的又一种mems装置的45°示意图；32.图5b为本发明实施例提供的又一种mems装置的剖面示意图；33.图6为本发明实施例提供的一维排列的mems装置阵列示意图；34.图7为本发明实施例提供的又一些mems装置的示意图；35.图8为本发明实施例提供的又一些mems装置的示意图；36.图9为本发明实施例提供的又一些mems装置的示意图；37.图10为本发明实施例提供的同侧多组三层梳齿结构的mems装置示意图；38.图11为本发明实施例提供的一种二维mems装置示意图；39.图12为本发明实施例提供的一种mems装置的制备方法示意图；40.图13为本发明实施例提供的另一种mems装置的制备方法示意图。具体实施方式41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。42.目前的驱动结构产生的静电力矩比较有限。技术的发展、设备小型化等，都要求mems装置能产生更大驱动力矩、降低偏置电压、减小mems芯片面积。43.本发明实施例提供的mems装置，可以是一个mems芯片，可作为mems微镜或微镜阵列。mems装置广泛应用于光通信领域，例如，mems装置通过将输入的多路光信号交叉反射为输出的多路光信号，实现光交叉。还广泛应用于消费类领域，例如mems器件调节光路实现增强现实(augmented reality，ar)领域的人眼移动追踪。44.如图2a和2b所示，为本发明实施例的一个mems装置，其中，图2a为mems装置的剖面图，图2b为mems装置的45°示意图，图2b中已去掉光窗和侧壁。45.mems芯片201和控制asic(application specific integrated circuit，专用集成电路)202封装在管壳203内，管壳顶部为透明光窗204，允许光线入射和出射。mems装置固定在基板205上，基板可以是陶瓷基板。mems装置的活动平台上镀有反射层206，用于反射从光窗入射的光线。控制asic通过引线与mems装置梳齿的电极207相连，用于控制活动平台，例如通过在三层梳齿结构上加载静电偏置来控制活动平台的旋转或平移。46.图3a和3b所示为本发明实施例提供的一种三层梳齿结构的mems装置示意图，是上述mems芯片201的一个具体的实施例。其中，图3a是mems装置的45°示意图，图3b是mems装置的一个剖面图。mems装置包括：上层固定梳齿301，下层固定梳齿302，支撑梁303，活动平台304和活动梳齿305。活动梳齿与上层固定梳齿和下层固定梳齿形成一组三层梳齿结构。mems装置可以包括一组或多组三层梳齿结构，图3a和3b中的mems装置包括了两组三层梳齿结构，位于支撑梁左右两侧。47.左右两侧的下层固定梳齿和上层固定梳齿都固定在基板上，图3a和3b中基板未画出。在上层和下层固定梳齿之间有一个绝缘层306，以实现电学隔离，从而可分别控制上层和下层固定梳齿上的电压以形成与活动梳齿之间的电势差。上层和下层固定梳齿分别与各自的电极相连，包括上层固定梳齿电极307和下层固定梳齿电极308。绝缘层材料可以是二氧化硅sio2、氮化硅sixny等。48.支撑梁的两端也固定在基板上，两侧固定的部分可称为锚点309。活动平台连接在支撑梁上。左右两侧的活动梳齿连接在所述活动平台上，并与上层固定梳齿和下层固定梳齿形成左右两侧的两组三层梳齿结构。活动梳齿上方和下方分别对应上层固定梳齿和下层固定梳齿，且活动梳齿在水平方向上分别与上下层固定梳齿错开，避免绕支撑梁转动时与固定梳齿发生碰撞。活动梳齿可以通过活动平台、支撑梁和锚点接地。49.基板可以是一个平板，也可以是一个中空的框架，或其他可固定上下层固定梳齿和支撑梁两端的固定件。50.活动平台、支撑梁、上层固定梳齿、下层固定梳齿、活动梳齿均可由掺杂单晶硅或多晶硅构成，活动平台上可以镀金属反射层(如铝或金)，也可以是介质反射层。51.活动梳齿通过活动平台连接到两侧的支撑梁，活动梳齿可以绕支撑梁转动。当需要驱动活动平台旋转时，可以在左侧上层固定梳齿和右侧下层固定梳齿上分别施加静电偏置电压。由于活动梳齿接地，左侧上层固定梳齿与活动梳齿之间的电势差产生静电力矩m1，右侧下层固定梳齿与活动梳齿之间的电势差产生静电力矩m2，m1与m2方向相同，驱动活动平台绕支撑梁顺时针旋转的力矩为m1+m2。同样，如果在右侧上层固定梳齿和左侧下层固定梳齿上分别施加静电偏置电压，则同样可驱动活动平台绕支撑梁逆时针旋转。52.三层梳齿结构导致的驱动力矩的增加，提高了mems装置的驱动效率，由于驱动效率提高，mems装置中驱动结构的占用面积随之减小，因此提高了mems装置的有效占空比；另外，三层梳齿结构也降低了驱动电压，从而改善了mems装置的净电荷积累问题，提升了mems装置的长期稳定性。这些效果都扩大了mems装置的应用范围。53.锚点与支撑梁之间也可以设置一个绝缘层，在静电驱动时，活动梳齿和活动平台可以不接地，而单独施加静电偏置，从而灵活控制活动梳齿和上层或下层固定梳齿之间的电势差。增加了驱动控制的灵活性。进一步，这个锚点与支撑梁之间的绝缘层可以与上下层固定梳齿之间的绝缘层位于同一平面，如图3c所示。绝缘层位于同一平面有利于mems装置的制备，具体见后面图12和图13所示制备方法实施例的步骤13。54.除可用于驱动活动平台旋转外，上述mems装置还可以用于监控活动平台的旋转角度。例如，图4a所示为mems装置活动平台受驱动结构驱动时发生旋转的示意图。右侧的上层固定梳齿与活动梳齿构成驱动结构，右侧的下层固定梳齿与活动梳齿构成反馈结构。在右侧上层固定梳齿施加偏置电压时，与活动梳齿之间的电势差产生的力矩可驱动活动平台旋转，同时通过测量前述反馈结构的电容c，可监控活动平台的旋转角度a。图4b所示为反馈结构的电容c与活动平台旋转角度a之间关系的仿真示意图，其中横坐标表示旋转角度，单位是度(°)；纵坐标表示电容变化，单位是飞法拉(ff)。55.同样，也可以用右侧的下层固定梳齿与活动梳齿构成驱动结构，上层固定梳齿与活动梳齿构成反馈结构。当驱动活动平台旋转时，通过测量反馈结构的电容，监控活动平台的旋转角度。56.一般随着温度等环境因素的变化，或者随着工作时间变长，mems装置的性能会出现变化。例如，不同温度下，或者不同工作时长下，相同电势差引起活动平台旋转角度会不同。监控到mems装置的性能出现变化后，可以采取措施以补偿性能的变化,例如进一步调节驱动电势差。这样使得mems装置也适用于工作环境变化大以及连续工作不停机的场景，扩大了mems装置的使用场景和使用范围。57.图5a和5b公开了另一种mems装置结构，图5a是mems装置的45°示意图，图5b是mems装置的一个剖面图。其中活动平台通过支撑梁与固定锚点相连，可以绕支撑梁转动。mems装置包含的三层梳齿结构位于支撑梁两侧，靠近活动平台中与支撑梁垂直的边，活动梳齿连接在与活动平台中与支撑梁垂直的边上。这种结构有利于减小mems装置尺寸。多个mems装置组成阵列时可以实现较小的间距。58.如图6所示，为一维排列的mems装置阵列。阵列也可以是二维排列，如m*n的阵列，排列成m行，每行n个(m和n为整数)mems装置。mems装置阵列可以对不同光束的反射方向进行精确控制，从而可以应用到光通信领域中的光交叉连接oxc、波长选择开关wss等模块中，也可以应用到消费领域中的微投影、激光电视等设备中。59.除了图5所示的矩形mems装置之外，如图7所示，活动平台的形状可包含但不限于多边形、圆形、椭圆形。mems装置的驱动方法如前所述。这样也扩大了mems装置的应用范围。60.如图8中所示，mems装置的三层梳齿结构也可以位于活动平台两侧，沿平行于支撑梁的轴向分布，优点是驱动梳齿的静电力矩更大，可以驱动活动平台获得较大的转角。61.进一步地，三层梳齿结构可以同时分布在支撑梁和活动平台两侧，如图9所示，优点是梳齿数更多，静电驱动力或力矩更强，因此活动平台的转角或位移更大。活动平台的驱动方法如前所述。62.mems装置还可以在同一侧有2组以上的三层梳齿结构。如图10所示，为本发明实施例提供的另一种mems装置。其中，支撑梁两侧各有3组三层梳齿结构，支撑梁右侧包括第1、2、3组三层梳齿结构，支撑梁左侧包括第4、5、6组三层梳齿结构，这6组梳齿结构相互独立控制，每一组三层梳齿结构可以单独驱动活动平台转动。也可以灵活组合驱动活动平台转动。63.同样，每一组三层梳齿结构的一个固定梳齿和活动梳齿都可以作为反馈结构，通过反馈结构的电容来反馈活动平台的转角。具体的驱动和反馈方法如前所述。进一步，梳齿数量相对较多的三层梳齿结构作为驱动的梳齿结构，梳齿数量相对较少的三层梳齿结构作为反馈的梳齿结构，这样，测量的精度更高一些。具体的，如图5，第2和第5组三层梳齿结构的梳齿数量相对其他4组多。这样，第2、第5组单独或者与其他组一起，可以作为驱动结构；而其它未被作为驱动结构的三层梳齿结构，可作反馈结构。64.同样，这些同侧包含多组梳齿结构的mems装置，活动平台的的形状可包含但不限于多边形、圆形、椭圆形。支撑梁同侧的多个三层梳齿结构之间相互独立，提高了应用的灵活性，提升了mems装置的控制精度。65.如图11所示，本发明实施例还提供一种二维mems装置，实现活动平台的二维转动。这种二维mems装置相当于包括了两个mems装置，称为第一mems装置和第二mems装置。第一mems装置包括第一支撑梁1111、第一三层梳齿结构1112、以及活动框架1113。第二mems装置包括第二支撑梁1121、第二三层梳齿结构1122、以及活动平台1123，活动框架1113作为第一mems装置的活动平台，也作为固定第二mems装置的基板。66.活动框架1113连接在第一支撑梁1111上，第一支撑梁两侧通过锚点固定在整个二维mems装置的基板上(图中基板未画出)。第一mems装置的三层梳齿结构1112位于第一支撑梁两侧。图中的活动平台1123，也就是圆形镜面，为第二mems装置的活动平台，也是整个二维mems装置的活动平台，通过第二支撑梁1121固定在活动框架1113上，固定点相当于锚点。第二mems装置的三层梳齿结构1122的上层和下层固定梳齿也固定在活动框架1113上，第二三层梳齿结构1122位于第二支撑梁1121两侧。第一支撑梁与第二支撑梁相互垂直。图11中还包括了两个mems装置的局部放大图。67.通过控制第一mems装置的三层梳齿结构和第二mems装置的三层梳齿结构，活动平台既可绕第一支撑梁旋转，又可绕第二支撑梁旋转，从而实现了活动平台的二维旋转。控制梳齿结构的方法如前所述。同样，二维mems装置的活动平台的形状可包含但不限于矩形、多边形、圆形、椭圆形等。活动平台的二维旋转极大增加了mems装置的应用范围。68.多个二维mems装置也可以组成一维或二维的mems装置阵列。mems装置阵列可以对不同光束的反射方向进行精确控制，从而可以应用到光通信领域中的光交叉连接oxc、波长选择开关wss等模块中，也可以应用到消费领域中的微投影、激光电视等设备中。69.本发明实施例还提供一种mems装置的制备方法，用一个单层晶圆和一个双层晶圆，一次晶圆键合制备。具体包括：在一个晶圆光刻形成下层固定梳齿；在另一个双层晶圆光刻形成活动梳齿、活动平台以及支撑梁；将两个晶圆键合；再光刻形成上层固定梳齿；释放活动平台和活动梳齿。70.一个更具体制备mems装置的实施例如图12所示，包括如下14步：1，选择高掺杂的绝缘衬底上硅(silicon-on-insulator，soi)第一晶圆作为制备下层固定梳齿的基底；2，在第一晶圆衬底层制作双面光刻对准标记；3，在第一晶圆的器件层上刻蚀下层固定梳齿的电隔离槽；4，光刻形成下层固定梳齿、活动平台背腔结构；5，选择另一片双层高掺杂soi第二晶圆作为制作活动平台、活动梳齿及引线的基底；6，在第二晶圆衬底层制作双面光刻对准标记；7，光刻形成支撑梁区域；8，光刻形成活动梳齿和下层固定梳齿的电隔离槽；9，两个soi晶圆通过si-si键合形成一个晶圆；10，刻蚀去除晶圆最上方的si层；11，刻蚀去除晶圆最上方的sio2层；12，光刻形成上层固定梳齿；13，通过气相hf刻蚀sio2层，释放活动平台和活动梳齿，双层第二晶圆中剩余的二氧化硅(sio2)层构成梳齿之间的绝缘层1203，三层梳齿结构中的第一固定梳齿和第二固定梳齿之间通过绝缘层1203电学隔离，支撑梁与基板之间也通过该绝缘层电学隔离，一个绝缘层实现了两个电学隔离；14，制备金属电极1201和镜面反射层1202。71.本发明实施例还提供另一种mems装置的制备方法，用3个单层晶圆，两次晶圆键合制备。具体包括：在第一个晶圆光刻形成下层固定梳齿；将第二个晶圆与第一个晶圆键合；在键合的晶圆光刻形成活动梳齿、活动平台以及支撑梁；将第三个晶圆与上述键合的晶圆再次键合；在键合的晶圆光刻形成上层固定梳齿；释放活动平台和活动梳齿。两次键合的工艺更复杂一些。72.一个更具体制备mems装置的实施例如图13所示，包括如下14步：1，在掺杂soi第一晶圆衬底层制作双面光刻对准标记；2，光刻形成下层固定梳齿、活动平台背腔；3，刻蚀下层固定梳齿的电隔离槽；4，将第一晶圆与掺杂soi第二晶圆通过si-si键合形成一个晶圆；5，刻蚀去除晶圆最上方的si层；6，光刻形成活动梳齿；7，刻蚀减小下层固定梳齿高度；8，刻蚀去除器件层表面的硬掩模；9，用第三晶圆制备第二次晶圆键合的加盖(cap)晶圆；10，将第三晶圆与前面键合的晶圆再次si-sio2键合完成第二次晶圆键合；11，刻蚀去除晶圆最上层的si层；12，刻蚀上层固定梳齿；13，通过气相hf刻蚀去除上层固定梳齿上的sio2，释放活动平台和活动梳齿，第二晶圆中剩余的sio2层构成梳齿之间的绝缘层1303，三层梳齿结构中的第一固定梳齿和第二固定梳齿之间通过绝缘层1303电学隔离，支撑梁与基板之间也通过该绝缘层电学隔离，一个绝缘层实现了两个电学隔离；14，制备金属电极1301和镜面反射层1302。73.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。74.尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。