一种大行程结构的静电驱动MEMS变形镜的制作方法

摘要

本发明公开了一种大行程结构的静电驱动MEMS变形镜的制作方法，基于硅表面加工工艺、电镀工艺、湿法腐蚀和化学抛光工艺，通过在硅基底上增加形成腔，并利用光刻胶或聚酰亚胺等作为牺牲层，利用电镀工艺制作变形镜的结构，采用化学抛光的方法研磨固化的光刻胶和电镀层，可制作出性能优异的大行程的MEMS变形镜。通过在硅基底上加工行程腔，在行程腔底部制作下电极和导引线，在不增加牺牲层制作难度的情况下，可有效提高变形镜上下电极间的初始间距，提高变形镜的有效行程。

说明书

技术领域

本发明属于微光机电系统技术领域，特别涉及一种适用于自适应 光学系统的静电吸引型大行程MEMS变形镜的制作方法。

背景技术

在变形镜领域，静电驱动的MEMS(微电子机械系统)变形镜 具有响应速度快、能耗低、体积小、单元密度高以及与集成电路兼容 性好的优点，而成为一种最具有发展潜力的微变形镜。然而，现有的 静电驱动MEMS变形镜，因收到静电吸引(pull-in)现象的限制，其 有效行程只有上、下电极初始间隙的三分之一。采用表面硅工艺的制 作的MEMS变形镜，一般采用二氧化硅做牺牲层，受到现有的应力 控制技术的制约，牺牲层的厚度较小，一般在3μm-8μm，且制作成 本高，成品率低，造成变形镜的有效行程小，实用化性能差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的大厚度牺牲层难加工的 缺陷，本发明目的是提供一种大行程结构的静电驱动MEMS变形镜 的制作方法。

为了实现所述目的，本发明提供一种大行程结构的静电驱动 MEMS变形镜的制作方法，其制作方法的步骤如下：

步骤A至步骤E：在硅基底上镀掩膜层；在掩膜层上涂光刻胶， 并经过光刻、显影后形成行程腔的腐蚀窗口；

步骤F：刻蚀掩膜层、刻蚀硅基底，形成行程腔；

步骤G：在行程腔底部用等离子干法刻蚀工艺刻蚀通孔；

步骤H：除掉掩膜层和光刻胶，并沉积绝缘层；

步骤I：在行程腔的底部加工下电极和导引线；

步骤J：喷涂光刻胶，光刻后得到制作锚点的窗口，并沉积锚点 电镀种子层；

步骤K：洗掉光刻胶，得到具有锚点电镀种子层的结构；

步骤L：涂光刻胶，并光刻、显影后得到锚点电镀窗口；

步骤M：电镀锚点，控制电镀厚度不要超出光刻胶的厚度；

步骤N：电镀锚点后，除掉光刻胶；

步骤O：重新涂光刻胶，胶层厚度没过锚点；

步骤P：固化光刻胶，得到固化的光刻胶；

步骤Q：CMP抛光固化光刻胶和锚点结构，抛光程度保证得到 暴露在外的、端面平整光滑的锚点；

步骤R：在抛光的固化光刻胶上甩胶，光刻、显影并溅射梁电镀 种子层及上电极电镀种子层；

步骤S：洗掉光刻胶，利用lift-off工艺除掉多余的金属结构，得 到梁电镀种子层和上电极电镀种子层结构；

步骤T：再次涂光刻胶、光刻后，打开上电极的电镀窗口和梁的 电镀窗口；

步骤U：电镀梁和上电极；

步骤V：电镀后洗掉光刻胶，并重新甩光刻胶；

步骤W：光刻、显影、溅射支撑柱的支撑柱电镀种子层；

步骤X：洗掉光刻胶，利用lift-off工艺除掉多余的金属结构，重 新涂光刻胶，光刻显影后，电镀得到支撑柱，控制电镀支撑柱的高度 厚度低于光刻胶的高度；

步骤Y：固化光刻胶，CMP抛平固化后的光刻胶和支撑柱的端 面；

步骤Z：在步骤2Y的结构上涂光刻胶、光刻、显影并溅射镜面 的电镀种子层；

步骤AA：除掉光刻胶，利用lift-off工艺除掉多余的金属结构， 再次涂光刻胶、光刻并电镀镜面结构；

步骤BB：洗掉电镀后的光刻胶，重新涂光刻胶，光刻胶的厚度 没过镜面；

步骤CC：高温固化光刻胶，CMP抛平固化的光刻胶和镜面；

步骤DD：干法释放固化的光刻胶，得到大行程结构的静电驱动 MEMS变形镜静，采用干法释放固化的光刻胶能有效的防治变形镜 各结构间的粘连。

本发明的有益效果：利用光刻胶或聚酰亚胺等作为牺牲层，结合 电镀工艺、化学抛光(CMP)以及低压化学沉积工艺(LPCVD)，可 以有效的克服现有的基于表硅工艺的厚膜加工难的加工工艺的限制， 制作出大初始间距的上、下电极结构，使变形镜获得大的有效行程， 最高可达15μm以上。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：通过在硅基底上加 工行程腔，在行程腔底部制作下电极和导引线，在不增加牺牲层制作 难度的情况下，可有效提高变形镜上下电极间的初始间距，提高变形 镜的有效行程。

附图说明

图1是一种大行程结构的静电驱动MEMS变形镜的结构示意图。

图2A至图2Z、图2AA至图2DD是一种大行程结构的静电驱动 MEMS变形镜的制作工艺流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面结合附图和具体实施方式详细介绍本发明。

如图1示出的大行程结构的静电驱动MEMS变形镜的结构，图 中的部件含有：镜面1、梁2、锚点3、硅基底4、绝缘层5、导引线 6、下电极7、行程腔8、上电极9和支撑柱10掩膜层11，其中：硅 基底4上加工有行程腔8，其上覆盖绝缘层5，在行程腔8的底部制 作有下电极7，其下表面连接导体线6。硅基底4通过锚点3利用梁 2支撑变形镜的上电极9，上电极9借助支撑柱10支撑变形镜的镜面 1，构成大行程结构的MEMS变形镜。

如附图2A至图2Z、图2AA至图2DD示出含有掩膜层11、光 刻胶12、光刻胶上开的行程腔刻蚀窗口13、掩膜层11上开的行程腔 刻蚀窗口14、通孔15、锚点电镀种子层16、多余的无用金属层17、 锚点的电镀窗口18、固化的光刻胶19、梁电镀种子层20、上电极电 镀种子层21、上电极的电镀窗口22、梁的电镀窗口23、支撑柱电镀 种子层24和镜面电镀种子层25的大行程结构的静电驱动MEMS变 形镜的制作工艺流程步骤如下：

如附图2A至图2E示出：在硅基底4上镀掩膜层11，掩膜层11 可以是金属或氮化硅等物质；在掩膜层11上涂光刻胶12，并经过光 刻、显影后形成行程腔8的腐蚀窗口13；

刻蚀掩膜层11、刻蚀硅基底4，形成行程腔8，如附图2F所示； 刻蚀方法可用ICP干法刻蚀或KOH溶液湿法刻蚀；

如附图2G示出：在行程腔8底部用等离子干法刻蚀工艺(ICP) 刻蚀通孔15；

如附图2H示出：除掉掩膜层11和光刻胶12，并沉积绝缘层5， 绝缘层5的材料为氮化硅；

如附图2I示出：在行程腔8的底部加工下电极7和导引线6，下 电极7和导引线6的材料为金属或掺杂的多晶硅；

喷涂光刻胶12，光刻后得到制作锚点3的窗口，并沉积锚点电 镀种子层16，如附图2J所示；

洗掉光刻胶12，得到具有锚点电镀种子层16的结构，如附图2K 所示；

涂光刻胶12，并光刻、显影后得到锚点电镀窗口18，如图2L 所示；

电镀锚点3，控制电镀厚度不要超出光刻胶12的厚度，得到的 结构，如图2M所示；

电镀锚点3后，除掉光刻胶12，得到如图2N所示的结构；

重新涂光刻胶12，胶层厚度没过锚点3，如图2O所示；

高温固化光刻胶，得到固化的光刻胶19如图2P所示；

CMP抛光固化的光刻胶19和锚点3结构，抛光程度保证可以得 到暴露在外的、端面平整光滑的锚点3，所得结构如图2Q所示；

在抛光的固化光刻胶19上甩胶，光刻，显影并溅射梁2的梁电 镀种子层20，上电极9的上电极电镀种子层21，所得结构如图2R 所示；

洗掉光刻胶12，利用lift-off工艺除掉多余的金属结构17，得到 梁电镀种子层20和上电极电镀种子层21结构，如图2S所示；

再次涂光刻胶12、光刻后开上电极的电镀窗口22和梁的电镀窗 口23，如图2T所示；

电镀梁2和上电极9，得到如图2U所示的结构；

电镀后洗掉光刻胶12，并重新甩光刻胶12，如图2V所示；

光刻、显影、溅射支撑柱10的支撑柱电镀种子层24，如图2W 所示；

洗掉光刻胶12，利用lift-off工艺除掉多余的金属结构17，重新 涂光刻胶12，光刻显影后，电镀得到支撑柱10，控制电镀支撑柱10 的高度低于光刻胶12的高度，如图2X所示；

高温固化光刻胶12，CMP抛平固化后的光刻胶19和支撑柱10 的端面，如图2Y所示；

在图2Y所示的结构上涂光刻胶、光刻、显影并溅射镜面1的电 镜面镀种子层25，如图2Z所示；

除掉光刻胶12，利用lift-off工艺除掉多余的金属结构17，再次 涂光刻胶12、光刻并电镀镜面1结构，所得结构如图2AA所示；

洗掉电镀后的光刻胶12，重新涂光刻胶12，光刻胶12的厚度没 过镜面1，如图2BB所示；

高温固化光刻胶12，CMP抛平固化的光刻胶19和镜面1，所得 结构如图2CC所示；

干法释放固化的光刻胶19，得到大行程结构的静电驱动MEMS 变形镜静，采用干法释放固化的光刻胶19可以有效的防治变形镜各 结构间的粘连，如图2DD所示。

其中，电镀形成锚点3后，重新涂光刻胶12，光刻胶12胶层没 过锚点3结构，没过的深度在0.01μm-30μm，烘胶温度180摄氏度-360 摄氏度，烘胶时间30秒-300秒，固化光刻胶12和锚点3结构，用 CMP化学抛光固化的光刻胶19和锚点3，得到光滑平整的表面，锚 点3的抛光磨削量0.01μm-20μm。

其中，得到电镀支撑柱10结构后，烘胶温度180摄氏度-360摄 氏度，烘胶时间30秒-300秒，固化光刻胶12和支撑柱1结构，CMP 化学抛光固化的光刻胶19和支撑柱10，得到光滑平整的表面，研磨 抛光支撑柱10的抛光磨削量0.01μm-20μm。

其中，电镀镜面1结构后，重新涂光刻胶12，光刻胶12胶层没 过镜面1结构，没过的深度在0.01μm-30μm，烘胶温度180摄氏度-360 摄氏度，烘胶时间30秒-300秒，固化光刻胶12和镜面1结构，CMP 抛光固化的光刻胶19和镜面1，得到光滑平整的表面，镜面1抛光 磨削量0.01μm-20μm。

下面以行程腔8深20μm，行程腔8底部尺寸为300μm×500μm 的长方形，锚点3高2.5μm的一种大行程结构的静电驱动MEMS变 形镜为例，结合附图对本发明作具体描述。

选用双面抛光、厚度380μm的硅片作为大行程结构的静电驱动 MEMS变形镜的硅基底4，如图2A图所示；

在硅基底4上蒸镀500nm厚的金膜作为掩膜层11，如图2B图 所示；

在掩膜层11上涂光刻胶12，光刻胶12的厚度2μm，如图2C图 所示；

光刻，显影，在光刻胶12上开行程腔的胶刻蚀窗口13，如图2D 图所示；

用金腐蚀液，湿法刻蚀金形成的掩膜层11，在掩膜层11上开行 程腔的掩膜层刻蚀窗口14，如图2E所示；

除光刻胶层12，并用KOH腐蚀液刻蚀硅基底4，得到行程腔8， 行程腔深20μm，如图2F所示；

用金腐蚀液除掉掩膜层11，在行程腔8底部打通孔15，孔直径 200μm，工艺手段采用ICP，如图2G图所示；

在硅基底4，行程腔8和通孔15的表面上生长氮化硅层，厚度 400nm，作为绝缘层5，工艺手段采用磁控溅射和LPCVD，如图2H 图所示；

采用电镀工艺，在行程腔8底部制作下电极7及导引线6，如图 2I图所示；

保形沉积光刻胶12，厚度4μm，光刻，显影后溅射锚点3的锚 点电镀种子层16，厚500nm，如图2J所示；

采用lift-off工艺，除掉光刻胶12，除掉多余的无用金属17，得 到锚点3的锚点电镀种子层16，如图2K图所示。

涂光刻胶12，光刻，显影开锚点3的电镀窗口18，胶厚3.5μm， 得到如图2L图所示的电镀结构。

电镀锚点3，控制电镀厚度在2.5μm之间，得到如图2M图所示 的结构；

洗掉光刻胶12，得到如图2N所示的结构；

涂光刻胶12，胶层没过锚点3，厚4μm-5μm，得到如图2O所示 的结构；

高温固化光刻胶12，形成固化的光刻胶19，温度245摄氏度， 烘胶时间90秒，得到如图2P所示的结构；

CMP抛光固化的光刻胶19，得到平整的固化光刻胶19，抛光时 保证锚点3的端面露出固化的光刻胶19并被抛光平整，抛光时抛掉 锚点3的厚度控制在0.5μm左右，如图2Q所示；

在抛光的固化光刻胶19的胶面上甩光刻胶12，胶厚2μm，光刻， 显影，溅射梁2的梁电镀种子层20和上电极9的上电极电镀种子层 21，种子层厚0.5μm，所得结构如图2R所示；

超声洗，洗掉光刻胶12，利用lift-off工艺除掉溅射种子层时产 生的多余的金属层结构17，得到梁电镀种子层20和上电极的电镀种 子层21，如图2S所示；

再次涂光刻胶12，胶厚3μm，光刻，显影后开上电极9和上电 极电镀窗口22和和梁2的梁电镀窗口23，如图2T所示；

电镀梁2和上电极9的结构，电镀时，电镀厚度2μm，得到如图 2U所示的结构；

电镀后洗掉光刻胶，并重新甩光刻胶12，胶层厚度4μm，得到 如图2V所示的结构；

光刻、显影、溅射支撑柱10的支撑柱电镀种子层24，种子层厚 O.5μm，得到如图2W所示的结构；

洗掉溅射种子层后的光刻胶，利用lift-off工艺除掉多余的金属 结构17，重新涂光刻胶12，光刻胶的厚度为5.5μm，光刻显影后， 电镀得到支撑柱10，电镀支撑柱10的高度为2μm，如图2X所示；

高温固化光刻胶12，得到固化的光刻胶19，CMP抛平固化后的 光刻胶19和支撑柱10的端面，支撑柱10磨削厚度0.5μm，使支撑 柱10的端面平整光滑的暴露出来，如图2Y所示；

在图1中Y图所示的结构上上涂光刻胶12，胶厚2μm，光刻， 显影并溅射镜面1的镜面电镀种子层25，种子层0.5μm，如图2Z图 所示；

除掉光刻胶12，利用lift-off工艺除掉多余的金属结构17，再次 涂光刻胶12，胶厚3μm，光刻，显影并电镀镜面1结构，电镀厚度2μm， 所得结构如图2AA所示；

洗掉电镀后的光刻胶12，重新涂光刻胶12，光刻胶12没过镜面 1，厚度4μm，如图2BB所示；

高温固化光刻胶12，CMP抛平固化的光刻胶19和镜面1，使镜 面平整光滑的暴露出来，镜面磨削深度0.5μm，所得结构如图2CC 所示；

干法释放固化的光刻胶19充当的牺牲层，得到大行程结构的静 电驱动MEMS变形镜静，如图2DD所示。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内， 可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。