一种微镜结构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及微纳加工技术领域，特别涉及一种微镜结构及其制备方法。衬底晶圆包括相对的第一表面和第二表面，所述驱动电极层设置在所述第一表面；所述衬底晶圆和所述驱动电极层上设有通孔；所述第一绝缘层设置在所述驱动电极层的表面和所述通孔的内壁上；所述支撑梁的第一端穿过所述通孔与所述固定层连接，所述支撑梁与所述通孔之间存在第一预设间隙；所述固定层设置在所述第二表面；所述驱动电极层中设有第一驱动电极、第二驱动电极和屏蔽电极；所述微镜设置在所述支撑梁的第二端上，所述微镜与所述第一绝缘层之间存在第二预设间隙。本申请实施例所述的微镜结构可以在减小单元尺寸的同时保证微镜的面内横向位移可与入射光波长相比拟。相比拟。相比拟。

【技术实现步骤摘要】
beamsteering with large-scale MEMS optical phased array,Optica,Vol.6,No.5,2019,pp.557-562)。300nm宽的梁不仅增加了光刻、刻蚀等工艺的难度，也会因为位移大于梁宽度而增加位移非线性效应，从而增加控制系统的复杂性。
[0009]为了实现大于入射红外线半波长的驱动位移，不仅要求支撑梁的倔强系数小，还要求静电驱动力足够大。由于静电力随极板间隙的增加而迅速减小，而法向驱动方式存在吸合效应，其极板间隙必须大于位移的3倍，难以在较低的电压下得到足够的静电力。微镜一般需要采用横向驱动方式，其静电力为
[0010][0011]式中ε和ε0分别为相对介电常数和真空介电常数，V为驱动电压，d0为极板间隙，n为电极对的数量。为了在较低电压下获得足够的静电力，必须增加电极对数量n并减小d0。电极对数量n显然也是受到微镜单元尺寸限制的。Youmin Wang等人采用了宽度仅为300nm的极板间隙，并通过窄电极提高电极对数量(Youmin Wang,Guangya Zhou,Xiaosheng Zhang,Kyungmok Kwon,Pierre-A.Blanche,Nicholas Triesualt,Kyoung-Sik Yu,and Ming C.Wu,2D broadband beamsteering with large-scale MEMS optical phased array,Optica,Vol.6,No.5,2019,pp.557-562)。窄间隙不仅对光刻、刻蚀工艺提出了很高的要求，还要求腐蚀形成的侧壁粗糙度必须显著小于间隙尺寸。

技术实现思路

[0012]本申请提出一种梁垂直于硅片表面的微镜结构，微镜结构的侧视图如图1所示，并如下所述：
[0013]衬底晶圆101的正面为第一表面，反面为第二表面。微镜104由垂直于硅片表面的支撑梁103支撑，支撑梁103嵌在衬底晶圆101上开的孔内部，并通过第二表面上的固定层102锚定在衬底晶圆101上。微镜104、支撑梁103与第二表面上的固定层102均由多晶硅制作。微镜104与衬底晶圆101表面平行。微镜104表面可制作光学结构107，光学结构107可以是光栅、纳米光学结构等。光学结构107的具体材料和结构不是本申请的重点关注内容，在此不作详细叙述。本申请仅要求光学结构107能够耐受释放结构的腐蚀工艺。第二表面上的固定层102与衬底晶圆101间有或没有第二第二绝缘层1066都是可以的。当没有第二第二绝缘层1066时，第二表面上的固定层102与衬底晶圆101连接到同一电位。
[0014]第一驱动电极121、第二驱动电极122与屏蔽电极123制作在衬底晶圆101的第一表面一侧，第一驱动电极121、第二驱动电极122与屏蔽电极123由同一层材料制成，可以是单晶硅或多晶硅材料。第一驱动电极121、第二驱动电极122与屏蔽电极123上表面的起伏小于10nm。第一驱动电极121、第二驱动电极122、微镜104、支撑梁103和第二表面上的固定层102的掺杂类型相同，记为第一掺杂类型，第一掺杂类型可以任意选择，即可以是P型或N型。屏蔽电极123的掺杂类型与第一掺杂类型相反，记为第二掺杂类型，即当第一掺杂类型为P型时第二掺杂类型为N型，当第一掺杂类型为N型时第二掺杂类型为P型。屏蔽电极123与第一驱动电极121、第二驱动电极122间存在PN结，并且工作时所述的PN结始终处于反偏状态，即N区电压高于P区电压。第一驱动电极121、第二驱动电极122与屏蔽电极123上表面覆盖第一绝缘层105，下表面可以制作第二绝缘层106，也可以不制作第二绝缘层106。当第一驱动电
极121、第二驱动电极122、屏蔽电极123与衬底晶圆101间有第二绝缘层106时，衬底晶圆101的掺杂类型没有限制。当第一驱动电极121、第二驱动电极122、屏蔽电极123与衬底晶圆101间没有第二绝缘层106时，衬底晶圆101的掺杂类型为第二掺杂类型，与第一驱动电极121、第二驱动电极122间存在PN结，并且所述的PN结在工作时始终处于反偏状态。
[0015]微镜104与第一绝缘层105间有第二预设间隙112，支撑梁103与衬底晶圆101间有第一预设间隙111，因此微镜104可在与衬底晶圆101表面平行的平面内作一维或二维运动。第二预设间隙112的厚度在10nm到3微米范围内。第一预设间隙111的宽度大于工作波长，且小于等于3微米。微镜104上与支撑梁103连接的连接点附近区域为第一区域，为了避免支撑梁103与微镜104的连接点附近可能出现的不平整对微镜横向运动的影响，在第一区域微镜104与与第一绝缘层105间的间隙形成第三预设间隙113，第三预设间隙113的厚度等于第一预设间隙111的宽度。
[0016]屏蔽电极123位于微镜104的正下方，第一驱动电极121与第二驱动电极122布置在微镜104的两边，俯视图如图2所示。驱动电压的极性需保证屏蔽电极123与第一驱动电极121、第二驱动电极122间的PN结处于反偏状态。当第一掺杂类型为P型、第二掺杂类型为N型时，第一驱动电极121与第二驱动电极122上施加的驱动电压低于屏蔽电极123上的电压，即采用相对于屏蔽电极123为负的电压作为驱动电压。当第一掺杂类型为N型、第二掺杂类型为P型时，第一驱动电极121与第二驱动电极122上施加的驱动电压高于屏蔽电极123上的电压，即采用相对于屏蔽电极123为正的电压作为驱动电压。
[0017]优选的，为了增加静电力，微镜104和第一驱动电极121、第二驱动电极122可以采用俯视图如图3所示的结构设计。微镜104采用梳状结构。即微镜104的两侧分别设有一个或者多个缺口，两侧的缺口位置对称，形成类似于两侧带梳齿的梳子结构。第一驱动电极121位于梳齿的一边并连接在一起，第二驱动电极122位于梳齿另一边并连接在一起。图3中未画出光学结构107。为了提高光学结构的填充率，光学结构107可以制作成矩形，俯视图如图4所示，图中仅画出光学结构107、微镜104和支撑梁103，剖面图如图5所示。
[0018]为了实现上述结构，提出如下工艺流程：
[0019]在衬底晶圆101上制作第二绝缘层106和第一多晶硅层，并对第一多晶硅层进行掺杂，掺杂类型为第二掺杂类型，掺杂浓度低于第一驱动电极121和第二驱动电极122的掺杂浓度。第一多晶硅层用于形成驱动电极层120。第二绝缘层106和驱动电极层120需能够耐受后续牺牲层腐蚀工艺。该步工艺也可以省略，此时衬底晶圆101需采用第二掺杂类型的硅晶圆。
[0020]制作盲孔108，盲孔108穿过第二绝缘层106和驱动电极层120并终止在衬底晶圆101内。盲孔108的深度近似等于支撑梁103的长度，在衬底晶圆101平面内的截面形貌可以是矩形、正方形、圆形等，在衬底晶圆101平面内的尺度等于支撑梁103在平面内的尺度加上第二间隙13宽度的2倍。完成后的剖面如图6所示。
[0021]淀积制作第一绝缘层105，完成后剖面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微镜结构，其特征在于，包括：衬底晶圆(101)、驱动电极层(120)、第一绝缘层(105)、支撑梁(103)、固定层(102)和微镜(104)；所述衬底晶圆(101)包括相对的第一表面和第二表面，所述驱动电极层(120)设置在所述第一表面；所述衬底晶圆(101)和所述驱动电极层(120)上设有通孔，所述通孔依次贯通所述驱动电极层(120)、所述第一表面和所述第二表面；所述第一绝缘层(105)设置在所述驱动电极层(120)远离所述衬底晶圆(101)的表面和所述通孔的内壁上；所述支撑梁(103)包括第一端和第二端，所述第一端穿过所述通孔与所述固定层(102)连接，所述支撑梁(103)与所述通孔之间存在第一预设间隙(111)；所述固定层(102)设置在所述第二表面，所述固定层(102)用于固定所述支撑梁(103)；所述驱动电极层(120)中设有第一驱动电极(121)、第二驱动电极(122)和屏蔽电极(123)，所述屏蔽电极(123)设置在所述第一驱动电极(121)与所述第二驱动电极(122)之间；所述微镜(104)设置在所述第二端上，所述微镜(104)与所述第一绝缘层(105)之间存在第二预设间隙(112)，所述微镜(104)靠近所述衬底晶圆(101)的表面与所述第一绝缘层(105)远离所述衬底晶圆(101)的表面平行。2.根据权利要求1所述的微镜结构，其特征在于，所述驱动电极层(120)相对所述微镜的表面存在最低点，以所述最低点所在平面为基准面，所述驱动电极层(120)的表面上的最高点至所述基准面的距离为0-10nm。3.根据权利要求2所述的微镜结构，其特征在于，所述第一驱动电极(121)和所述第二驱动电极(122)的掺杂类型为第一掺杂类型，所述屏蔽电极(123)的掺杂类型为第二掺杂类型，所述第一掺杂类型与所述第二掺杂类型相反；所述第一驱动电极(121)与所述屏蔽电极(123)之间存在PN结，所述第二驱动电极(122)与所述屏蔽电极(123)之间存在PN结。4.根据权利要求3所述的微镜结构，其特征在于，所述微镜(104)、所述支撑梁(103)和所述固定层(102)的材质为多晶硅；和/或，所述第一驱动电极(121)、所述第二驱动电极(122)和所述屏蔽电极(123)材质相同，所述第一驱动电极(121)、所述第二驱动电极(122)和所述屏蔽电极(123)的材质为单晶硅或多晶硅。5.根据权利要求4所述的微镜结构，其特征在于，所述微镜(104)包括相对的第一侧和第二侧，所述第一侧上设有至少一个缺口，所述第二侧上设有至少一个缺口，所述第一侧上的缺口与所述第二侧上的缺口相对设置，所述第一侧上的缺口位置对应的所述驱动电极层(120)上设有第一驱动电极(121)，所述第一侧上的缺口位置对应的所述驱动电极层(120)上设有第二驱动电极(122)。6.根据权利要求5所述的微镜结构，其特征在于，所述第一预设间隙(111)的尺寸大于所述微镜结构的工作波长且小于3μm；和/或，所述第二预设间隙(112)的尺寸为10-3000nm。7.根据权利要求1所述的微镜结构，其特征在于，所述驱动电极层(120)与所述衬底晶圆(101)之间还设置有第二绝缘层(106)；和/或，
所述固定层(102)与所述第二表面之间还设有第三绝缘层。8.根据权利要求1所述的微镜结构，其特征在于，所述微镜结构还包括光学结构(107)，所述光学结构(107)设置在所述微镜(104)远离所述衬底晶圆(101)的表面上，所述光学结构为光栅或纳米光学结构。9.一种微镜结构，其特征在于，包括：衬底晶圆(101)、第一绝缘层(105)、支撑梁(103)、固定层(102)和微镜(104)；所述衬底晶圆(101)包括相对的第一表面和第二表面；所述衬底晶圆(101)上设有通孔，所述通孔依次贯通所述第一表面和所述第二表面；所述第一绝缘层(105)设置在所述第一表面和所述通孔的内壁上；所述支撑梁(103)包括第一端和第二端，所述第一端穿过所述通孔与所述固定层(102)连接，所述支撑梁(103)与所述通孔之间存在第一预设间隙(111)；所述固定层(102)设置在所述第二表面，所述固定层(102)用于固定所述支撑梁(103)；所述微镜(104)设置在所述第二端上，所述微镜(104)与所述第一绝缘层(105)之间存在第二预设间隙(112)，所述微镜(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨恒，孙珂，李昕欣，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：