光学芯片及其生产方法与流程

本发明涉及微机电系统(mems)技术器件，具体涉及一种光学芯片及其生产方法，具体涉及旋转微镜芯片转轴的形状改变以增大旋转角度范围。

背景技术：

控制反射镜的角度来控制光的传输方向是经常使用的技术，特别当微机电(mems)技术发展起来后，人们通常采用半导体工艺，在芯片上制造可以被信号驱动的微镜。驱动微镜可以采用电磁驱动，加热驱动，静电力驱动等方式。由于装配简单，功耗低，寿命长等特点，静电驱动的mems光学芯片已成为主流。静电驱动的原理是通过动电极和静电极间形成的电容，在加电压后，积累了电荷而产生静电力，相互吸引，而使动电极向静电极运动。通常动电极和微镜相连接或是微镜的一部分，并且通过轴和芯片固定部分相连。这样动电极和微镜就可以在静电力的作用下发生转动，并使轴发生扭曲形变，扭曲形变产生的恢复力使得微镜在某一角度下静止平衡，并在电压撤回后动电极和微镜恢复至原始位置。

对于这个静电受力系统，在动电极和静电极之间产生的静电吸力，不止使动电极相对于轴产生了力矩，并使动电极带动微镜发生旋转，而且还使动电极和微镜一起向静电极移动。所以对于悬挂动电极和微镜的轴来说，同时发生扭曲变形和抵御向下运动的弯曲变形。

在mems芯片上，运动部分(由动电极和微镜组成)和静电极(一般由基底或称衬底组成)中间是空隙层，空隙层越深，运动部分的活动范围也就也大。但是静电力和空隙层的深度的平方成反比，空隙层越深，静电力衰减越大。同时深的空隙层加大了晶圆的制造难度和成本。通常空隙层都在几微米到十几微米。

对于微镜系统来说，重要的是运动部分的旋转，而不是运动部分的向下运动。特别地，运动部分的向下运动会缩小旋转范围。同时，当运动部分由于向下移动超过空隙层的三分之一的距离时，轴的回复力不能平衡静电力，而导致运动部分直接吸附在基底上，极大地阻碍了运动部分的旋转角度。增加微镜的旋转角度是微镜系统的一个重要任务，而微镜的向下移动极大的缩小了微镜的角度旋转范围。因此在静电力驱动的微镜系统中，必须尽量抑制或防止运动部分的向下移动。

对于轴来说，就是同时发生了扭曲变形和弯曲变形，在受到相同吸力的情况下，尽量使轴发生扭曲变形，同时避免使轴发生弯曲变形就很重要。通常可以使动电极远离轴，以增加旋转力矩。但这样在空隙层一定的情况下，由于电极更容易和基底接触，而又减小了旋转角度范围。更好的方法增加轴的弯曲弹性系数，但这样也会增加增加轴的扭曲弹性系数。通行方法是增加轴的厚度而减少轴的长度，这样可以相对减小弯曲的影响。但厚度的增加和长度的减少无疑增加了对静电驱动力的要求。为了减小对静电力的要求(也就是对驱动电压的要求)，就要把轴做的很细。但现实工艺来说，轴的细度增加了光刻的难度，相同的容差，轴越细，轴的细度晃动就越强烈影响驱动电压的一致性。特别地，轴越细，越容易断裂，器件的可靠性就得不到保证。因此找到一种消除或抑制弯曲方法非常重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种光学芯片及其生产方法，通过改变转轴的形状抑制所受外力导致转轴的弯曲变形，从而增大旋转角度的范围。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光学芯片，包括：衬底层、一对转轴和微镜；所述微镜通过一对所述转轴被锚定在所述衬底层上，一对所述转轴分布在所述微镜的两侧；其中，在外加电场或磁场的作用下，所述微镜发生转动，一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种光学芯片，包括：衬底层、一对转轴和微镜；所述微镜通过一对所述转轴被锚定在所述衬底层上，一对所述转轴分布在所述微镜的两侧；其中，在外加电场或磁场的作用下，所述微镜发生转动，一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形，一对所述转轴通过生长在所述转轴上的压应力物质而形成拱形。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种光学芯片，包括：衬底层、一对转轴和微镜；所述微镜通过一对所述转轴被锚定在所述衬底层上，一对所述转轴分布在所述微镜的两侧；其中，在外加电场或磁场的作用下，所述微镜发生转动，一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形，一对所述转轴通过所述芯片的整体变形而形成拱形。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种光学芯片，包括：衬底层、一对转轴和微镜；所述微镜通过一对所述转轴被锚定在所述衬底层上，一对所述转轴分布在所述微镜的两侧；其中，在外加电场或磁场的作用下，所述微镜发生转动，一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形，一对所述转轴通过生长在所述转轴上的压应力物质和通过所述芯片的整体变形而形成拱形。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种光学芯片的生产方法，其中，所述光学芯片包括衬底层、一对转轴和微镜；所述微镜通过一对所述转轴被锚定在所述衬底层上，一对所述转轴分布在所述微镜的两侧；其中，在外加电场或磁场的作用下，所述微镜发生转动，一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形，包括以下步骤：利用低气压气相化学沉积在soi硅片上生长一层多晶硅，所述soi硅片包括依次从下到上的衬底层、绝缘层和器件层，所述多晶硅具有压应力；去除和所述衬底层相邻的一层多晶硅；如果是用等离子增强化学气相沉积(pecvd)来长膜，就不用对背面进行处理。用光刻胶做掩膜，通过干法刻蚀，除去和所述器件层相邻的大部分多晶硅，只保留和转轴对应区域的多晶硅；然后再次用光刻胶做掩膜，用干法刻蚀方法刻蚀出轴和微镜，止于绝缘层；掏空所述转轴和所述微镜下面的绝缘层，使所述转轴和所述微镜悬空。

在其中一个实施例中，所述绝缘层是二氧化硅时，用氢氟酸去除转轴和微镜下面的绝缘层，使转轴和微镜悬空。

在其中一个实施例中，所述绝缘层是有机材料时，通过氧气的等离子体或有机溶液来掏空轴和微镜下面的绝缘层，使转轴和微镜悬空。

在其中一个实施例中，所述转轴和微镜之间通过柔性连接，所述柔性连接采用和转轴垂直的梁来连接所述转轴和所述微镜实现。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种光学芯片的生产方法，其中，所述光学芯片包括衬底层、一对转轴和微镜；所述微镜通过一对所述转轴被锚定在所述衬底层上，一对所述转轴分布在所述微镜的两侧；其中，在外加电场或磁场的作用下，所述微镜发生转动，一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形，包括以下步骤：利用低气压气相化学沉积在soi硅片上生长一层多晶硅，所述soi硅片包括依次从下到上的衬底层、绝缘层和器件层，所述多晶硅具有张应力；去除和所述衬底层相邻的一层多晶硅；用光刻胶做掩膜，通过干法刻蚀，除去转轴和微镜对应区域的多晶硅，保留所述器件层相邻的大部分多晶硅；然后再次用光刻胶做掩膜，用干法刻蚀方法刻蚀出轴和微镜，止于绝缘层；掏空所述转轴和所述微镜下面的绝缘层，使所述转轴和所述微镜悬空；为了避免转轴在释放后可能出现的向下弯曲，可以在去除所述微镜上临时涂覆的一层具有压应力的光刻胶，在掏空所述转轴和所述微镜下面的绝缘层后，除去光刻胶。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种光学芯片的生产方法，其中，所述光学芯片包括衬底层、一对转轴和微镜；所述微镜通过一对所述转轴被锚定在所述衬底层上，一对所述转轴分布在所述微镜的两侧；其中，在外加电场或磁场的作用下，所述微镜发生转动，一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形，包括以下步骤：利用低气压气相化学沉积在soi硅片上生长一层多晶硅，所述soi硅片包括依次从下到上的衬底层、绝缘层和器件层，所述多晶硅具有压应力；去除和所述器件层相邻的一层多晶硅，保留和所述衬底层相邻的一层多晶硅；用光刻胶做掩膜，用干法刻蚀方法刻蚀出轴和微镜，止于绝缘层；在所述微镜上临时涂覆一层具有压应力的光刻胶；掏空所述转轴和所述微镜下面的绝缘层，使所述转轴和所述微镜悬空；去除所述微镜上临时涂覆的一层具有压应力的光刻胶。

本发明的有益效果：

一对所述转轴向远离所述衬底层的方向发生弯曲从而形成拱形，通过改变转轴的形状抑制所受外力导致转轴的向下弯曲变形，从而增大旋转角度的范围。

附图说明

图1是本发明第一种光学芯片的生产方法的示意图之一。

图2是本发明第一种光学芯片的生产方法的示意图之二。

图3是本发明第一种光学芯片的生产方法的示意图之三。

图4是本发明第二种光学芯片的生产方法的示意图之一。

图5是本发明第二种光学芯片的生产方法的示意图之二。

图6是本发明第三种光学芯片的生产方法的示意图之一。

图7是本发明第三种光学芯片的生产方法的示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明就是为了解决静电驱动微镜由于轴的弯曲变形而导致转到范围减小的问题。一般地，可以通过减少轴的宽度和缩小轴的长度来减弱弯曲变形，但这样会增加光刻的难度，并由于光刻的不确定性增加驱动电压指标的晃动，特别是使轴非常脆弱。另外就是通过把驱动部分尽量远离轴，这样加大静电力的扭曲力矩，但这样驱动部分就会限制旋转的范围。虽然增大牺牲层可以加大旋转范围，但有同时增加了驱动电压。行业内通用的办法是把驱动部分做出相互套嵌的动齿和静齿，但这种梳齿结构对工艺要求苛刻，成本降低困难，特别是会发生上下齿相互咬死的状态。在本发明中，为了避免这些问题，采用转轴变形的方法，使轴略微上翘曲，呈拱状，这样极大的增加了轴的向下抗弯曲强度，同时对扭曲变形又没有什么影响。采用本发明后，在不显著提高驱动电压，不增大牺牲层厚度的条件下，微镜的转动范围得到显著增大，器件的可靠性得到显著提升。对制造光衰减器，光开关，激光扫描振镜都有极大益处。

本发明适用于一切由外力驱动，并通过转轴的扭曲变形达到旋转的mems芯片，其核心是通过使转轴发生向上弯曲，形成拱状，而达到轴对向下弯曲变形的抑制。mems芯片中扭曲的转轴都采用单晶硅这种材料，同时芯片采用soi晶圆来制造。在本发明中，soi晶圆中的绝缘层可以是二氧化硅，也可以是其他绝缘材料。在本发明中，向上指的是远离soi的衬底层(handlelayer)方向。

第一种生产方法，具体如下：首先利用lpcvd(低气压气相化学沉积)在soi硅片上生长一层多晶硅薄膜，所述soi硅片包括依次从下到上的衬底层、绝缘层和器件层。多晶硅根据生长温度的不同，可以形成细粒和粗粒两种微观结构。一般以摄氏580度左右为界，低于这个温度时，生长过程中硅烷的流量和压力较小，形成细粒。高于这个温度时，所用硅烷流量和压力可以比较大，形成粗粒。粗粒结构的多晶硅薄膜具有压应力。细粒结构的多晶硅经过700度以上的高温退火具有张应力。本发明第一种生产方法采用上述所说粗粒结构多晶硅薄膜，此薄膜具有压应力。如果采用lpcvd方法，需要整体去掉soi晶圆背面(即紧靠所述衬底层)的多晶硅，只保留正面(即所述器件层上)的多晶硅薄膜，如图1。然后用光刻胶做掩膜，通过干法刻蚀，除去正面大部分多晶硅薄膜，只保留和转轴对应区域的薄膜。然后再次用光刻胶做掩膜，用干法刻蚀方法刻蚀出转轴和微镜等部分，止于绝缘层。对于一般的soi硅片，绝缘层是二氧化硅，用氢氟酸去除转轴和微镜下面的二氧化硅，使转轴和微镜悬空，这就是所谓释放工艺。如果是有机材料做的绝缘层，可以通过氧气的等离子体或有机溶剂来掏空轴和微镜下面的绝缘层。在多晶硅薄膜的作用下，轴向上拱起，如图2。一般转轴和微镜之间通过柔性连接，以使转轴上拱效果更大。柔性连接的方法可以采用和转轴垂直的梁来连接转轴和微镜，如图3。

第二种生产方法，具体如下：首先利用lpcvd(低气压气相化学沉积)在soi硅片上生长一层多晶硅，所述soi硅片包括依次从下到上的衬底层、绝缘层和器件层。多晶硅根据生长温度的不同，可以形成细粒和粗粒两种微观结构。一般以摄氏580度左右为界，低于这个温度时，生长过程中硅烷的流量和压力较小，形成细粒。高于这个温度时，所用硅烷流量和压力可以比较大，形成粗粒。粗粒结构的多晶硅薄膜具有压应力。细粒结构的多晶硅经过700度以上的高温退火会形成具有张应力的薄膜。本发明第二种生产方法采用上述所说细粒结构多晶硅薄膜并经过高温退火，此薄膜具有张应力。如果采用lpcvd方法，需要整体去掉soi晶圆背面(即靠近所述衬底层)的多晶硅，只保留正面(即紧靠所述器件层)的多晶硅薄膜，如图1。用光刻胶做掩膜，通过干法刻蚀，除去转轴和微镜对应区域的多晶硅，保留所述器件层相邻的大部分多晶硅；然后再次用光刻胶做掩膜，用干法刻蚀方法刻蚀出转轴和微镜，止于绝缘层；在所述微镜上临时涂覆一层具有压应力的光刻胶；掏空所述转轴和所述微镜下面的绝缘层，使所述转轴和所述微镜悬空；去除所述微镜上临时涂覆的一层具有压应力的光刻胶。

具有压应力的光刻胶也可以用具有压应力的金属薄膜替代，最终微镜上的金属薄膜保留，作为微镜的反射层。

可以理解，上述所说释放工艺，在转轴与微镜释放后，其他区域由于上表面张应力作用而使整个芯片变形向上弯曲，使得悬空部件受到向内的压力。由于和微镜相比，转轴非常细，绝大部分变形发生在转轴上，微镜基本不会发生形变。在这种情况下，转轴既可能向上弯曲，也可能向下弯曲。为了避免向下弯曲，可以在释放前，在微镜临时覆涂一层光刻胶，如图4。控制光刻胶的厚度和烘烤温度以及对应的时序，使光刻胶具有压应力。光刻胶在释放过程中，使悬空部分保持上拱形状，如图5。在释放完成后，去掉这层临时物质。在表面其他区域的多晶硅应力的作用下，转轴仍然保持上拱形状。

第三种生产方法，具体如下：首先利用lpcvd(低气压气相化学沉积)在soi硅片上生长一层多晶硅，所述soi硅片包括依次从下到上的衬底层、绝缘层和器件层。多晶硅根据生长温度的不同，可以形成细粒和粗粒两种微观结构。一般以摄氏580度左右为界，低于这个温度时，生长过程中硅烷的流量和压力较小，形成细粒。高于这个温度时，所用硅烷流量和压力可以比较大，形成粗粒。粗粒结构的多晶硅薄膜具有压应力。本发明第三种生产方法采用上述所说粗粒结构多晶硅薄膜，此薄膜具有压应力。去除和所述器件层相邻的一层多晶硅，如图6，保留和所述衬底层相邻的一层多晶硅；用光刻胶做掩膜，用干法刻蚀方法刻蚀出轴和微镜，止于绝缘层；在所述微镜上临时涂覆一层具有压应力的光刻胶；掏空所述转轴和所述微镜下面的绝缘层，使所述转轴和所述微镜悬空；去除所述微镜上临时涂覆的一层具有压应力的光刻胶。

可以理解，在用上述所说刻蚀和释放工艺后，由于背面压应力多晶硅作用，芯片变形，使得悬空部件受到向内的压力。由于和微镜相比，转轴非常细，大部分变形发生在转轴上，微镜基本不会发生形变。在这种情况下，转轴既可能向上弯曲，也可能向下弯曲。为了避免向下弯曲，可以在释放前，在微镜临时覆涂一层光刻胶，控制光刻胶的厚度和烘烤温度以及对应的时序，使光刻胶具有压应力。光刻胶在释放过程中，使悬空部分保持上拱形状。在释放完成后，去掉这层临时物质。在背面压应力的作用下，转轴仍然保持上拱形状，如图7。

可以理解，上面第一种和第二种，以及第一种和第三种方法可以同时实施，以增大转轴的向上弯曲效果。

在转轴向上拱起的同时，微镜以及可能存在的其他可动部分都被一定程度的提升。这样也在一定程度上增加了微镜和衬底层的距离，对加大旋转角度有贡献。同时需注意如果有转轴和微镜之间的柔性连接，这种连接要保持一定刚度，不要使可动部分在静电力或磁力的作用下凹陷。同时需要指出，通过蒸镀或溅射一层或几层金属，并使金属层具有压应力，也可以起到方法2和方法3提到的临时光刻胶的作用，但在释放完成后，可以不予去除而成为反射层。通过使微镜表面凸起也可以使转轴向上变形。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。