MEMS微镜及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)技术领域，具体涉及一种MEMS微镜及其制备方法。

背景技术

在光纤通信系统中，MEMS微镜已经成为调节或改变“光线”的核心元器件。随着光纤通信技术及MEMS技术的快速发展，MEMS微镜的用途也越来越广泛。目前MEMS微镜已广泛应用于各种光纤通信器件中，如可变光衰减器(VOA)、光开关(Switch)、可调滤波器(TF)、波长选择器(WSS)等。另外，MEMS微镜在激光扫描(如激光雷达)、数字显示(如激光投影)、3D成像(如3D相机)等领域也具有广泛的市场应用场景。

目前，应用于光纤通信系统中的MEMS微镜的反射镜面通常为0.8mm～1.5mm(直径)，而应用于非光通信领域的MEMS微镜的反射镜面则可能更大，如车用激光雷达领域，为了能够探测更远的距离及更大的视场，MEMS微镜的反射镜面甚至达到5mm～10mm(直径)。因此，大反射镜面的MEMS微镜也已成为研究的热点。

静电垂直梳齿驱动具有功率小、兼容性好、受干扰小、体积小、可大批量制造等优点，成为MEMS微镜驱动方式的主要方向之一。MEMS微镜的加工主要采用深腔硅刻蚀、硅硅键合、垂直梳齿硅刻蚀等体硅MEMS工艺技术。MEMS微镜在加工制造过程中通常会形成空腔及硅膜镜面，并且空腔通常形成于垂直梳齿与硅膜镜面的下方，扭转角度与镜面面积越大则需要的空腔面积及体积越大，大面积与大体积的空腔在硅硅键合及微镜结构的刻蚀释放过程中容易导致硅膜镜面的变形甚至断裂。

因此，如何进一步提高MEMS微镜的加工精度及加工良率，以改善上述缺陷，是亟需解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS微镜及其制备方法，用于解决现有技术中，在加工制造MEMS微镜，尤其是制造大镜面尺寸的MEMS微镜时，容易导致硅膜镜面的变形甚至断裂等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS微镜，包括：框架；可动微光反射镜，位于所述框架内；弹性梁结构，位于所述框架内，且与所述框架连接，所述弹性梁结构包括第一弹性梁及第二弹性梁，所述第一弹性梁与所述第二弹性梁相对于所述可动微光反射镜对称设置，且均与所述可动微光反射镜相连接；梳齿结构，位于所述框架内，且与所述框架及所述可动微光反射镜均相连接，用于驱动所述可动微光反射镜扭转，所述梳齿结构包括上梳齿与下梳齿，所述上梳齿的顶面高于所述下梳齿的顶面，且所述上梳齿与所述下梳齿在水平面上的投影交错排列；槽结构，位于所述可动微光反射镜的下方；支撑柱，位于所述可动微光反射镜及所述上梳齿的下方。

可选地，所述支撑柱对称设置于所述可动微光反射镜周边的下方。

可选地，所述支撑柱包括上支撑柱和对应设置于上支撑柱下方的下支撑柱，所述下支撑柱的水平面积不小于所述上支撑柱的水平面积。

可选地，所述下梳齿的纵向长度不小于所述上梳齿的纵向长度。

可选地，所述MEMS微镜包括一维扭转MEMS微镜和二维扭转MEMS微镜中的任意一种。

可选地，所述可动微光反射镜的平面形貌包括圆形、长方形和正方形中的任意一种，可动微光反射镜的长边尺寸大于等于2mm。

本发明还提供一种MEMS微镜的制备方法，所述制备方法包括步骤：

1)提供一双器件层基底，所述双器件层基底包括依次堆叠的第一器件层、第一绝缘层、第二器件层、第二绝缘层及基底层；刻蚀所述第一器件层及所述第一绝缘层，以于所述第一器件层中形成上支撑柱及下梳齿；

2)提供一衬底，刻蚀所述衬底，以于衬底中形成下支撑柱及槽结构，所述下支撑柱及槽结构在所述衬底的正面具有开口；

3)将所述双器件层基底具有所述第一器件层的一面与所述衬底正面键合，形成键合体结构，所述上支撑柱与所述下支撑柱上下对应键合固定在一起，所述下梳齿位于所述槽结构上方；

4)去除所述基底层，以显露出第二绝缘层；

5)刻蚀所述第二绝缘层及所述第二器件层，于第二器件层中得到上梳齿、可动微光反射镜、弹性梁结构及释放孔，所述上梳齿、可动微光反射镜及弹性梁结构位于所述槽结构上方，所述上梳齿与所述下梳齿在水平面上的投影交错排列，所述释放孔位于所述上支撑柱和下支撑柱的正上方；

6)去除所述第二绝缘层和位于所述下梳齿表面的所述第一绝缘层。

本发明还提供另一种MEMS微镜的制备方法，包括步骤：

1)提供第一单器件层基底，所述单器件层基底包括依次堆叠的第一器件层、第一绝缘层及第一基底层，刻蚀所述第一器件层，以于所述第一器件层中形成下梳齿、支撑柱及槽结构；

2)提供第二单器件层基底，所述第二单器件层基底包括依次堆叠的第二器件层、第二绝缘层及第二基底层，将所述第一单器件层基底具有所述第一器件层的表面与所述第二单器件层基底的第二器件层的表面键合，形成键合体结构；

3)去除所述第二基底层，以显露出第二绝缘层；

4)刻蚀所述第二绝缘层及所述第二器件层，于所述第二器件层中得到上梳齿、可动微光反射镜、弹性梁结构及释放孔，所述可动微光反射镜位于所述槽结构的上方，所述上梳齿与所述下梳齿在水平面上的投影交错排列，所述释放孔位于所述支撑柱的正上方；

5)去除所述第二绝缘层和位于所述下梳齿表面的所述第一绝缘层。

可选地，所述释放孔对称设置于所述可动微光反射镜的周边，且所述释放孔的开孔面积大于所述支撑柱的水平面积。

如上所述，本发明提供的MEMS微镜在可动微光反射镜及上梳齿的下方设置有支撑柱结构，由此可有效减小由空腔引起的垂直梳齿及镜面硅膜的变形，避免硅膜的断裂，从而显著提高MEMS微镜的加工精度及加工良率。本发明的MEMS微镜的支撑柱是在刻蚀梳齿或槽结构的过程中同步形成，并在采用深硅刻蚀工艺释放上梳齿、弹性梁及反射镜结构的过程中同时释放，并不增加额外的制造工艺，制造工艺简单。此外，支撑柱结构的形状、尺寸、位置等可根据设计需要灵活选择，灵活度高。本发明尤其适合用于制备大镜面尺寸，例如镜面直径在2mm以上的MEMS微镜，有助于进一步拓展MEMS微镜的应用领域。

附图说明

图1显示为本发明提供的MEMS微镜的俯视结构示意图。

图2和图3显示为图1沿AA’线方向的例示性截面结构示意图。

图4至图10显示为图2所示的MEMS微镜于制备过程的各步骤中所呈现出的例示性截面结构示意图。

图11至图20显示为图3所示的MEMS微镜于制备过程的各步骤中所呈现出的例示性截面结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图20。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。且为使图示尽量简洁，各附图中总并未对所有的结构进行标记。

如图1至图3所示，本发明提供一种MEMS微镜，包括：框架11；可动微光反射镜12，位于所述框架11内；弹性梁结构13，位于所述框架11内，且与所述框架11连接，所述弹性梁结构13包括第一弹性梁及第二弹性梁，所述第一弹性梁与所述第二弹性梁相对于所述可动微光反射镜12对称设置，且均与所述可动微光反射镜12相连接，即第一弹性梁、可动微光反射镜12和第二弹性梁沿着同一方向依次连接；梳齿结构，位于所述框架11内，且与所述框架11及所述可动微光反射镜12均相连接，用于驱动所述可动微光反射镜12扭转，所述梳齿结构包括上梳齿14与下梳齿15，上梳齿14和下梳齿15均包括多个间隔设置的梳齿，且上梳齿14的各梳齿的尺寸，包括横向宽度和纵向长度等优选一致，相邻梳齿的间距也较佳地为一致；下梳齿15的各梳齿的尺寸，包括横向宽度和纵向长度等同样优选一致，各梳齿的间隔也较佳地为一致，但上梳齿14的纵向长度(也即高度)可以与下梳齿15的纵向长度相同或不同，在较佳的示例中，所述下梳齿15的纵向长度不小于所述上梳齿14的纵向长度；所述上梳齿14的顶面高于所述下梳齿15的顶面，且所述上梳齿14与所述下梳齿15在水平面上的投影交错排列；上梳齿14可以整个位于下梳齿15的上方，也可以是下梳齿15向上穿插延伸到下梳齿15的梳齿之间，本实施例的附图将主要以上梳齿14完全位于下梳齿15上方为例，且上梳齿14和下梳齿15之间具有间距；槽结构16，位于所述可动微光反射镜12的下方，该槽结构16通常为非贯通槽，即其未贯通所在材料层，所述槽结构16为所述可动微光反射镜12提供运动空间；支撑柱17，位于所述可动微光反射镜12及所述上梳齿14的下方，所述支撑柱17可以为如图2所示的包含上支撑柱171和下支撑柱172的双层柱结构，这种情况下，上支撑柱171对应位于下支撑柱172的上方，且两者相互固定，上支撑柱171和下梳齿15位于同一器件层中；所述支撑柱17也可以为如图3所示的单层柱结构；具体地，所述可动微光反射镜12和上梳齿14位于同一器件层中，该器件层较佳地为单晶硅层，而下梳齿15和支撑柱17位于另一器件层中，该器件层同样较佳地为单晶硅层，槽结构16自另一器件层向上贯穿下梳齿15所在的器件层而延伸到可动微光反射镜12的下方，上梳齿14、下梳齿15外侧的器件层之间则通过绝缘层，例如通过氧化硅层相隔离。本发明提供的MEMS微镜在可动微光反射镜、及上梳齿的下方设置有支撑柱结构，由此可有效减小由空腔引起的垂直梳齿及镜面硅膜的变形，避免硅膜的断裂，从而显著提高MEMS微镜的加工精度及加工良率。本发明尤其适合用于制备大镜面尺寸，例如镜面直径在2mm以上的MEMS微镜，有助于进一步拓展MEMS微镜的应用领域。

较佳地，所述支撑柱17对称设置于所述可动微光反射镜12周边的下方，以对位于其上方的可动微光反射镜12等结构提供稳定支撑。当所述支撑柱17包括上支撑柱171和下支撑柱172时，所述下支撑柱172的水平面积较佳地为大于等于所述上支撑柱171的水平面积(也即上支撑柱的正投影落在下支撑柱的正投影内)，以使得整个MEMS微镜结构更加牢固。

所述MEMS微镜通常还包括位于可动微光反射镜12表面的金属反射层121，例如金层，当然，该金属反射层121通常被认为是可动微光反射镜12的一部分，金属反射层有助于提高可动微光反射镜的反射率。所述MEMS微镜通常还包括连接上梳齿14的上梳齿电极18和连接下梳齿15的下梳齿电极19，下梳齿电极19例如可以位于下梳齿电极引线槽20内，该下梳齿电极引线槽20位于上梳齿14外围的器件层内，且显露出下梳齿15所在器件层的表面。

在一较佳的示例中，所述可动微光反射镜12的平面形貌为圆形。本实施例提供的MEMS微镜适用于多种镜面尺寸的微镜，尤其适用于大镜面尺寸，例如可动微光反射镜12的直径大于等于2mm时，尤其适合采用本发明提供的MEMS微镜。当然，可动微光反射镜12的平面形貌并不限于圆形，还可以是正方形，长方形或其他形状，当其为长方形时，其长边尺寸可以大于等于2mm，而为正方形时，其边长可以为大于等于2mm。本发明提供的MEMS微镜既适用于一维(1D)扭转MEMS微镜，也适用于二维(2D)扭转MEMS微镜。

本发明还提供一种MEMS微镜的制备方法，其可以用于制备如上述任一方案中所述的MEMS微镜。虽然根据支撑柱是如图2所示的包括上支撑柱171和下支撑柱172的双层柱结构还是如图3所示的单层柱结构，MEMS微镜的制备过程会略有差异，但图2和图3所示的MEMS微镜(两种MEMS微镜的俯视结构图相同，都是如图1所示)的制备过程大致都包括提供两个复合材料层，复合材料层包括若干个器件层(如单晶硅层)和位于器件层表面的绝缘层(如氧化硅层)，于其中一个复合材料层中形成下梳齿15和支撑柱(或下支撑柱)，且于其中一个复合材料层中形成槽结构后，将两个复合材料层进行键合而得到键合体(其中一个复合材料层形成有下梳齿15的表面和另一个复合材料层的器件层，例如形成有槽结构的器件层所在的表面键合)，之后对键合体结构的器件层进行刻蚀而形成上梳齿14、可动微光反射镜12、弹性梁结构13及释放孔23，去除位于键合体结构表面和位于下梳齿15表面的绝缘层，之后形成引出电极和金属反射层121。为使本发明的优点更加突出，接下来将结合附图，对图2和图3所示的MEMS微镜的制备过程做分开说明。

如图4至图10所示，本发明提供一种MEMS微镜的制备方法，其可以用于制备如图2所示的MEMS微镜，所述制备方法包括步骤：

1)提供一双器件层基底21，所述双器件层基底21包括依次堆叠的第一器件层、第一绝缘层、第二器件层、第二绝缘层及基底层；刻蚀所述第一器件层及所述第一绝缘层，以于所述第一器件层中形成上支撑柱及下梳齿15；所述双器件层基底21的结构可以参考图4所示，其第一器件层和器件层较佳地为单晶硅层，第一绝缘层和第二绝缘层较佳地为氧化硅层，但不仅限于此，所述基底层可以为硅基底或其他材质；可通过干法或湿法刻蚀得到所述上支撑柱和下梳齿15，上支撑柱和下梳齿15之间的间隙显露出第二器件层，经刻蚀后得到的结构如图5所示；

2)提供一衬底22，该衬底22的两个相对表面，即正面和背面可以通过氧化工艺形成有氧化硅层以作为绝缘层221，刻蚀所述衬底22，以于衬底22中形成下支撑柱及槽结构，所述下支撑柱及槽结构在所述衬底22的正面具有开口，所述槽结构的尺寸可以根据需要灵活设置，但其深度通常不大于衬底22的厚度，即槽结构未贯穿衬底22，该步骤得到的结构可以参考图6所示；所述衬底22较佳地为单晶硅基底，刻蚀方法可以为干刻或湿刻，

3)将所述双器件层基底21具有所述第一器件层的一面与所述衬底22正面键合，形成键合体结构，键合工艺可以采用热键合或其他方式，对此不做严格限制，所述上支撑柱与所述下支撑柱上下对应键合固定在一起(两者之间有绝缘层相间隔)，所述下梳齿15位于所述槽结构上方；该步骤后得到的结构如图7所示；

4)去除所述基底层，以显露出第二绝缘层，得到的结构如图8所示；去除所述基底层的方法可以为刻蚀和/或化学机械研磨工艺，如果基底层和第二器件层之间是通过粘结工艺固定，还可以采用剥离法去除；

5)刻蚀所述第二绝缘层及所述第二器件层，于第二器件层中得到上梳齿14、可动微光反射镜12、弹性梁结构13及释放孔23，所述上梳齿14、可动微光反射镜12及弹性梁结构13位于所述槽结构上方，所述上梳齿14与所述下梳齿15在水平面上的投影交错排列，所述释放孔23位于所述上支撑柱和下支撑柱的正上方，释放孔23显露出上支撑柱，且该过程中可以同步刻蚀出位于可动微光反射镜12外围的下梳齿电极引线槽20；该步骤后得到的结构如图9所示；

6)去除所述第二绝缘层和位于所述下梳齿15表面的所述第一绝缘层，较佳地为进行干法刻蚀，刻蚀气体可通过所述上梳齿14的梳齿之间的间隙进入到上梳齿14和下梳齿15之间，由此将相应的绝缘层去除；该步骤后得到的结构如图10所示；

该步骤之后，还可以先进行金属沉积，沉积的金属可以为金，但不仅限于此，然后经光刻刻蚀形成上梳齿电极18、位于下梳齿电极引线槽20内的下梳齿电极19，以及位于可动微光反射镜12表面的金属反射层121，最后得到的MEMS微镜如图1和2所示。

需要特别说明的是，上述步骤并没有严格的先后顺序限定，例如步骤1)可以在步骤2)之前进行，也可以在其之后进行，或者步骤1)和2)可以在不同的设备上同时进行。

所述释放孔23较佳地为对称设置于所述可动微光反射镜12的周边，以避免入射光能量的损失，且所述释放孔23的开孔面积较佳地为大于所述支撑柱(包括上支撑柱和下支撑柱)的水平面积，以实现所述支撑柱不影响所述可动微光反射镜12的扭转。

如图11至图20所示，本发明还提供另一种MEMS微镜的制备方法，该制备方法可以用于制备如图3所示的MEMS微镜，该制备方法包括步骤：

1)提供第一单器件层基底24，参考图11所示，所述单器件层基底包括依次堆叠的第一器件层241、第一绝缘层242及第一基底层243，所述第一器件层241较佳地为单晶硅层，所述第一基底层243可以为硅基底或其他材质，所述第一绝缘层242较佳地为氧化硅层，且所述第一单器件层基底24的上下表面可以通过氧化工艺形成氧化硅材质的绝缘层244，该绝缘层244可以作为后续刻蚀工艺的掩膜，提供第一单器件层基底24后，刻蚀所述第一器件层241，以于所述第一器件层241中形成下梳齿15、支撑柱17及槽结构16，该过程具体可以包括如下步骤：在所述第一器件层241表面通过氧化、光刻刻蚀(涂布光刻胶层进行曝光显影后刻蚀)，形成下梳齿15及支撑柱的掩模图形(若提供的第一单器件层基底24表面事先形成有所述绝缘层244，则氧化过程可以省略，直接进入刻蚀工序)，该过程可以参考图11和12所示；然后刻蚀所述第一器件层241，于所述第一器件层241中形成未完成刻蚀的槽结构(或者可以定义为槽结构的第一部分)，得到的结构如图13所示，该步骤后去除光刻胶层，得到的结构如图14所示；接下来继续刻蚀所述第一器件层241，以于所述第一器件层241中形成下梳齿15、支撑柱17及槽结构16，得到的结构如图15所示；

2)提供第二单器件层基底25，参考图16所示，所述第二单器件层基底25包括依次堆叠的第二器件层251、第二绝缘层252及第二基底层253，第二器件层251同样优选单晶硅层，第二绝缘层252优选氧化硅层，第二基底层253可以为硅基底或其他材质；将所述第一单器件层基底24具有所述第一器件层241的表面，即将槽结构16的开口所在的面与所述第二单器件层基底25的第二器件层251的表面键合，形成键合体结构，得到的结构如图17所示；

3)采用刻蚀和/或化学机械研磨等工艺去除所述第二基底层253，以显露出第二绝缘层252，得到的结构如18所示；

4)刻蚀所述第二绝缘层252及所述第二器件层251，于所述第二器件层251中得到上梳齿14、可动微光反射镜12、弹性梁结构13及释放孔23，所述可动微光反射镜12位于所述槽结构16的上方，所述上梳齿14与所述下梳齿15在水平面上的投影交错排列，所述释放孔23位于所述支撑柱17的正上方，且该过程中可以同步刻蚀出位于可动微光反射镜12外围的下梳齿电极引线槽20；该步骤后得到的结构如图19所示；

5)去除所述第二绝缘层252和位于所述下梳齿15表面的所述第一绝缘层，较佳地为进行干法刻蚀，刻蚀气体可通过所述上梳齿14的梳齿之间的间隙进入到上梳齿14和下梳齿15之间，由此将相应的绝缘层去除；该步骤后得到的结构如图20所示；

该步骤之后，还可以先进行金属沉积，沉积的金属可以为金，但不仅限于此，然后经光刻刻蚀形成上梳齿电极18、位于下梳齿电极引线槽20内的下梳齿电极19，以及位于可动微光反射镜12表面的金属反射层121，最后得到的MEMS微镜如图1和3所示。

同样地，本示例的制备方法中，所述释放孔23较佳地为对称设置于所述可动微光反射镜12的周边，以避免入射光能量的损失，且所述释放孔23的开孔面积较佳地为大于所述支撑柱(包括上支撑柱和下支撑柱)的水平面积，以实现所述支撑柱不影响所述可动微光反射镜12的扭转。

本发明提供的MEMS微镜的制备方法主要采用深硅刻蚀工艺、硅硅键合工艺等体硅MEMS加工技术，在采用深硅刻蚀工艺释放上梳齿、弹性梁及反射镜结构的同时释放位于其下方的支撑柱，即支撑柱是在刻蚀梳齿或槽结构的过程中同步形成，并在采用深硅刻蚀工艺释放上梳齿、弹性梁及反射镜结构的过程中同时释放，并不增加额外的制造工艺，制造工艺简单。此外，支撑柱结构的形状、尺寸、位置等可根据设计需要灵活选择，灵活度高。本发明可以用于制备一维或二维扭转MEMS微镜，且尤其适合用于制备大镜面尺寸，例如镜面直径在2mm以上的MEMS微镜，有助于进一步拓展MEMS微镜的应用领域。

综上所述，本发明提供一种MEMS微镜及其制备方法。该MEMS微镜包括：框架；可动微光反射镜，位于所述框架内；弹性梁结构，位于所述框架内，且与所述框架连接，所述弹性梁结构包括第一弹性梁及第二弹性梁，所述第一弹性梁与所述第二弹性梁相对于所述可动微光反射镜对称设置，且均与所述可动微光反射镜相连接；梳齿结构，位于所述框架内，且与所述框架及所述可动微光反射镜均相连接，用于驱动所述可动微光反射镜扭转，所述梳齿结构包括上梳齿与下梳齿，所述上梳齿的顶面高于所述下梳齿的顶面，且所述上梳齿与所述下梳齿在水平面上的投影交错排列；槽结构，位于所述可动微光反射镜的下方；支撑柱，位于所述可动微光反射镜、所述弹性梁结构及所述上梳齿的下方。本发明提供的MEMS微镜在可动微光反射镜及上梳齿的下方设置有支撑柱结构，由此可有效减小由空腔引起的垂直梳齿及镜面硅膜的变形，避免硅膜的断裂，从而显著提高MEMS微镜的加工精度及加工良率。本发明的MEMS微镜的支撑柱是在刻蚀梳齿或槽结构的过程中同步形成，并在采用深硅刻蚀工艺释放上梳齿、弹性梁及反射镜结构的过程中同时释放，并不增加额外的制造工艺，制造工艺简单。此外，支撑柱结构的形状、尺寸、位置等可根据设计需要灵活选择，灵活度高。本发明尤其适合用于制备大镜面尺寸，例如镜面直径在2mm以上的MEMS微镜，有助于进一步拓展MEMS微镜的应用领域。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。