交錯梳齒型靜電驅(qū)動MEMS微鏡的設(shè)計與制作*

李曉明， 郝瑞亭， 倪海橋， 牛智川

(1.云南師范大學 能源與環(huán)境科學學院，云南 昆明 650500;2.中國科學院半導(dǎo)體研究所 超晶格與微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室，北京 100083)

微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是一種微加工技術(shù)，可以在幾毫米甚至更小的尺寸上構(gòu)建獨立的智能系統(tǒng)[1].MEMS器件憑借其小體積、低能耗、低成本和高靈敏度等優(yōu)點在加速度計、陀螺儀、微鏡和微諧振器等方面得到廣泛應(yīng)用，并且已經(jīng)成功實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[2].

自從1980年P(guān)etersen首次以單晶硅為原料制備出靜電驅(qū)動扭轉(zhuǎn)掃描鏡后[3]，微掃描鏡以其裝置制作和操作簡單的特點迅速吸引了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，已成為MEMS系統(tǒng)中非常重要的光學執(zhí)行器件;其驅(qū)動方式涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，常見的驅(qū)動方式有靜電驅(qū)動[4]、電磁驅(qū)動[5]、壓電驅(qū)動[6]和電熱驅(qū)動[7].近年來，由于垂直梳狀靜電驅(qū)動微鏡具有較高的力密度和較寬的連續(xù)掃描范圍，在掃描微鏡的應(yīng)用中受到了越來越多的關(guān)注.其驅(qū)動結(jié)構(gòu)大致可以分為角垂直梳齒驅(qū)動方式(AVC)[8-9]和交錯垂直梳齒驅(qū)動方式(SVC)[10-11]兩種，梳狀驅(qū)動的驅(qū)動動力來自固定梳齒與移動梳齒之間由電容效應(yīng)產(chǎn)生的靜電力，移動梳齒組產(chǎn)生垂直位移進而帶動鏡面偏轉(zhuǎn).在AVC中，固定梳齒和活動梳齒在同一層進行制作，然后通過制作過程中硅片產(chǎn)生的自身應(yīng)力[12]或者通過后期進行高溫機械塑性方式[13]使兩組梳齒間產(chǎn)生一個初始偏轉(zhuǎn)角度，同時由于兩組梳齒是在同一步刻蝕中形成的，因此梳齒間不存在對準誤差.在SVC中，固定梳齒和移動梳齒之間存在垂直偏移，需要通過兩步刻蝕分別制作兩組梳齒結(jié)構(gòu)，最直接的方式是采用SOI襯底[14]進行制作，但這種方式會涉及正面與反面套刻工藝，反面套刻工藝精度差一直是影響這種方式應(yīng)用的一個重要因素，為了提高套刻時兩組梳齒間的對準精度，本文采用先在一片硅片上刻蝕出固定梳齒，然后將另一片硅片鍵合在上面，再在鍵合的硅片上進行移動梳齒的刻蝕，因為不涉及背面套刻，大大提高了對準精度，避免了在供電過程中由于梳齒間間距不平衡可能產(chǎn)生的橫向偏移問題[15].

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

梳齒狀靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu)的解析模型已經(jīng)被廣泛研究[16-17]，在梳齒型驅(qū)動結(jié)構(gòu)中，當將靜梳齒接地，動梳齒施加電壓V時，梳齒間垂直形成電容效應(yīng)，進而產(chǎn)生靜電力驅(qū)使梳齒垂直移動，這樣就可以把驅(qū)動器系統(tǒng)的電能We(θ)和由此產(chǎn)生的靜電力矩Te(θ)表示出來[18].

(1)

(2)

其中N為驅(qū)動器梳齒的對數(shù).

由公式(2)可以看出，靜電力矩是與梳齒間電容相對旋轉(zhuǎn)角度θ的變化量成正比，同時當動靜梳齒發(fā)生重疊時，單個梳齒兩側(cè)均會形成電容效應(yīng)[19]，所以電容變化量與面積變化量之間的關(guān)系可以表示為

(3)

其中，ε為真空介電常數(shù)，gs為梳齒間的間隙尺寸.

由圖1可以看出，隨著角度的增大，重疊區(qū)域會顯示出四種形態(tài).由于SVC型驅(qū)動方式在上下梳齒間會有一層很薄的SiO2作為介電層(gh)，驅(qū)動力來源于邊緣電場，在Carlen等人的研究中，通過有限元計算發(fā)現(xiàn)電容增量?C(θ)/?θ與當前兩組梳齒間的重疊部分面積存在相關(guān)性[19]，在θ<θ1時，不存在重疊部分，當θ1≤θ≤θ2時，重疊部分為三角形區(qū)域，同時電容增量?C(θ)/?θ快速增加.當θ2≤θ≤θ3時，重疊部分為四邊形區(qū)域，?C(θ)/?θ接近于一個常數(shù).當θ≥θ3時，重疊部分為五邊形區(qū)域，?C(θ)/?θ迅速衰減.由公式(2)可知靜電力矩Te(θ)與電容增量?C(θ)/?θ成正比，因此θ3就是理論最大偏轉(zhuǎn)角.本設(shè)計采用h1=80 μm，h2=100 μm，lo=20 μm，li=150 μm，gh=1 μm.經(jīng)計算后θ1≈0.3°，θ2≈1.7°，θ3≈24.7°.

圖1 旋轉(zhuǎn)重合區(qū)域示意圖

2 實驗設(shè)計

利用光刻技術(shù)、深硅刻蝕技術(shù)和鍵合工藝來制作SVC型微掃描鏡，樣品制備流程如圖2所示.第一步(圖2(a))在硅晶圓上利用深硅刻蝕挖200 μm深的方形坑作為鏡面的活動空間，尺寸略大于鏡片尺寸.第二步(圖2(b))在硅晶圓上刻蝕100 μm深的梳齒結(jié)構(gòu)，作為底層固定梳齒組.第三步(圖2(c))將其與另一片硅晶圓均熱氧化600 nm的熱氧化層，充分清洗兩個表面后將兩個熱氧化層表面貼合并使用鍵合工藝使兩片晶圓黏合在一起，然后將鍵合后的樣品在1 100 ℃下退火1 h，提高其鍵合強度.接下來將頂層硅片進行減薄至剩余80 μm，并進行表面拋光，為了后續(xù)頂層結(jié)構(gòu)光刻對準，根據(jù)硅晶圓長邊對準在頂層硅上刻蝕兩個窗口區(qū)域使底層硅上的光刻對版標暴露出來.第四步(圖2(d))在頂層硅上刻蝕出活動梳齒、旋轉(zhuǎn)軸及鏡面結(jié)構(gòu)，這一步的對準精度是對整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要的.最后一步(圖2(e))是利用光刻膠作為掩膜，將略小于鏡面的部分和頂部電極部分光刻膠顯影掉之后通過磁控濺射方式制備一層300 nm的鋁金屬層，然后通過剝離工藝去除剩余光刻膠的同時將不需要的金屬層一并去除，只留下鏡面和頂部電極部分金屬，鏡面部分的金屬層用于增強表面平整度以提升鏡面的反射率，最后再在底層硅晶圓背面整體通過磁控濺射一層300 nm鋁金屬，用作背電極給底部固定梳齒組供電.

圖2 樣品制備整體流程示意圖

3 實驗部分

為了去除樣品表面可能存在的有機物污染、殘留SiO2顆粒和金屬顆粒，樣品在生長SiO2硬掩膜層之前和刻蝕完成去除殘余SiO2硬掩膜層后都使用標準RCA清洗方式[20]對樣品表面進行充分清洗.

在整體刻蝕流程之前，提起在底層硅片上刻蝕深度300 nm左右的對版標，作為后續(xù)套刻時的對準標記.因為對版標刻蝕深度很淺，在做第一步刻蝕鏡面活動空間時可近似將樣品表面視為平整表面，因此可以直接選擇正膠(AZ6130或AZ4620)作為掩膜，采用旋涂方式來涂覆光刻膠，光刻顯影后效果如圖3所示.

圖3 對版標及鏡面活動空間曝光效果

經(jīng)過第一步深硅刻蝕后，由于鏡面活動空間刻蝕深度達到200 μm，落差較大，在進行涂覆光刻膠時使用旋涂的方式會在方坑的邊緣產(chǎn)生邊膠效應(yīng)[21]，會使光刻膠表面不平整、厚度不均勻，會影響后續(xù)刻蝕掩蔽的效果.因此，在進行第二步時，要采用噴膠的方法，將樣品置于噴膠機中，使用高速氣流將光刻膠垂直噴涂在樣品表面，這樣就可以使整個樣品表面光刻膠平整均勻[22].這兩種涂膠方式在進行光刻后的對比如圖4所示，從圖中可以非常明顯地發(fā)現(xiàn)旋涂方式會導(dǎo)致方坑邊緣光刻膠一側(cè)厚度較厚，另一側(cè)較薄，無法起到很好的掩蔽作用，進而影響后續(xù)的刻蝕工藝，但噴膠方式就不存在這個問題，整個方坑四周及坑內(nèi)均勻涂覆了一層光刻膠.

(a)旋涂方式 (b)噴膠方式

4 結(jié)語

設(shè)計了一種基于光刻、鍵合工藝的SVC型MEMS微鏡，主要通過鍵合工藝制備SVC型微鏡，既兼顧了SVC型微鏡偏轉(zhuǎn)角度大的優(yōu)點，又避免了使用SOI襯底進行制作時背面套刻精度較差的缺點，提高了整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.通過相關(guān)公式計算并設(shè)計了合適的結(jié)構(gòu)尺寸，同時對整個實驗流程進行了設(shè)計，本設(shè)計在理論上可實現(xiàn)的最大偏轉(zhuǎn)角度為24.7°.后續(xù)工作將繼續(xù)對一些工藝進行探索和優(yōu)化以提高流片良率.