一种使用SOI圆片制作MEMS驱动臂的方法与流程

一种使用soi圆片制作mems驱动臂的方法
技术领域
1.本发明涉及的是一种使用soi圆片制作mems驱动臂的方法及电热式mems驱动臂，属于微机械电子系统领域。

背景技术：

2.基于热双层材料（bimorph）结构的电热式mems驱动臂通过对导电回路层（加热层）施加电压产生的焦耳热对器件结构进行驱动，具有大转角、大位移、低驱动电压等优点。现有电热mems器件加热层的制作工艺（如cn106066535a、cn104020561b）只能在bimorph结构层中生长导电金属薄膜层并对导电金属薄膜层进行绝缘包裹，该工艺需要累积制备多层薄膜，引入了多层薄膜的应力、厚度、氧化、扩散等不可控因素，增加了制作器件的工艺难度，恶化了器件的工艺一致性和结构稳定性。
3.现有电热式mems驱动臂的结构主要包括四层结构，从上到下一次是第一结构层、绝缘层、加热层和第二结构层，制作上述mems驱动臂较为复杂。

技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是如何简化制作电热式mems驱动臂的加热层工艺，提高加热层工艺一致性和稳定性的技术问题。
5.本发明采用的技术方案：一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7、第一结构层6与第二结构层7之间的绝缘层5，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3；步骤2）、对顶硅层1-3进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层4，该加热电阻层4同时作为第二结构层7；步骤3）、在加热电阻层4上制作绝缘材料作为绝缘层5；步骤4）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层6；步骤5）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤6）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。
6.步骤1）中所述soi圆片的顶硅层1-3是低阻硅。
7.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6和第二结构层7，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3；步骤2）、对顶硅层1-3进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层4，该加热电阻层4同时作为第二结构层7；步骤3）、在加热电阻层4上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层6；
步骤4）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤5）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤4）和步骤5）可以互换。
8.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7、第一结构层6与第二结构层7之间的绝缘层5，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，其中顶硅层1-3是高阻硅或p型硅或n型硅；步骤2）、在顶硅层1-3上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形3的掩模；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4；步骤4）、在加热电阻层4上制作绝缘材料作为绝缘层5；步骤5）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层6；步骤6）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤7）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤6）和步骤7）可以互换。
9.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6和第二结构层7，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，其中顶硅层1-3是高阻硅或p型硅或n型硅；步骤2）、在顶硅层1-3上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形3的掩模；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4；步骤4）、在加热电阻层4上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层6；步骤5）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤6）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。
10.本发明获得的技术效果：本发明创造的发明点在于硅既作为结构层的同时，又作为加热层，免除了还要做加热层的麻烦，采用离子注入的方法制作加热层，简化了电热式mems驱动臂的加热层的工艺步骤，提供了效率。
附图说明
11.图1是一种电热式mems驱动臂的结构示意图。
12.图2是图1中加热电阻层4的示意图。
13.图3是电热式mems驱动臂的俯视图。
14.图4是另一种电热式mems驱动臂的俯视图。
15.图5是图3加热发生的形变结果。
16.图6是图4加热发生的形变结果。
17.图7是多节电热式mems驱动臂的俯视图。
18.图8是多节电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。
19.图9是单节电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。
20.图10是两个电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。
21.图11是四个电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。
22.图12是实施例1的制作流程示意图。
23.图13是实施例2的制作流程示意图。
24.图14是实施例3的制作流程示意图。
25.图15是实施例4的制作流程示意图。
26.其中，1是衬底，1-1是底硅层，1-2是氧埋层，1-3是顶硅层，2是光刻胶，3是导电回路图形，4是加热电阻层，5是绝缘层，6是第一结构层，7是第二结构层，9是被驱动单元。
具体实施方式
27.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7、第一结构层6与第二结构层7之间的绝缘层5，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3；步骤2）、对顶硅层1-3进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层4，该加热电阻层4同时作为第二结构层7；步骤3）、在加热电阻层4上制作绝缘材料作为绝缘层5；步骤4）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层6；步骤5）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤6）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。
28.步骤1）中所述soi圆片的顶硅层1-3是低阻硅。
29.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6和第二结构层7，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3；步骤2）、对顶硅层1-3进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层4，该加热电阻层4同时作为第二结构层7；步骤3）、在加热电阻层4上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层6；步骤4）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤5）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤4）和步骤5）可以互换。
30.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热
电阻层4、第一结构层6、第二结构层7、第一结构层6与第二结构层7之间的绝缘层5，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，其中顶硅层1-3是高阻硅或p型硅或n型硅；步骤2）、在顶硅层1-3上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形3的掩模；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4；步骤4）、在加热电阻层4上制作绝缘材料作为绝缘层5；步骤5）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层6；步骤6）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤7）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤6）和步骤7）可以互换。
31.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6和第二结构层7，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，其中顶硅层1-3是高阻硅或p型硅或n型硅；步骤2）、在顶硅层1-3上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形3的掩模；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4；步骤4）、在加热电阻层4上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层6；步骤5）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2；步骤6）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。
32.实施例1如图8-11所示，一种电热式mems驱动臂，该电热式mems驱动臂一端连接衬底1，另一端连接被驱动单元9，该电热式mems驱动臂包括第一结构层6和第二结构层7，其特征在于还包括在第二结构层7的内部或第二结构层7整体进行掺杂形成的加热电阻层4。
33.如图1、图2所示，该电热式mems驱动臂还包括绝缘层5，该绝缘层5位于加热电阻层4的上方。第一结构层6是金属铝或聚合物（如su-8，pvdf，pmmi，pi等），第二结构层7是高阻硅。被驱动单元9是镜面。
34.如图7、8所示，该电热式mems驱动臂是折叠梁结构，该折叠梁结构的第一结构层6被分成三段，分别位于该折叠梁结构的三段梁上。此时，第一结构层6是不连续。
35.如图3、图4所示，该电热式mems驱动臂是u形梁结构，如图5、图6所示，该电热式mems驱动臂是带弯曲的梁结构。
36.实施例2如图12所示，一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7、第一结构层6与第二结构层7之间的绝缘层5，
其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，如图12a所示；步骤2）、对顶硅层1-3进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层4，该加热电阻层4同时作为第二结构层7，如图12b所示；步骤3）、在加热电阻层4上制作绝缘材料（例如沉积sio2薄膜层）作为绝缘层5，如图12c所示；步骤4）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料（例如沉积金属铝）作为第一结构层6，如图12d所示；步骤5）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，如图12e所示，再去除氧埋层1-2，如图12f所示；步骤6）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。
37.其中步骤1）中所述soi圆片的顶硅层1-3是低阻硅，则本实施例中步骤2）即可省略。
38.实施例3本实施例与实施例1的区别是没有绝缘层5，第一结构层6使用高热膨胀系数的绝缘材料制作而成。
39.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6和第二结构层7，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，如图13a所示；步骤2）、对顶硅层1-3进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层4，该加热电阻层4同时作为第二结构层7，如图13b所示；步骤3）、在加热电阻层4上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层6，如图13c所示；步骤4）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，如图13d所示，再去除氧埋层1-2，如图13e所示；步骤5）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤4）和步骤5）可以互换。
40.实施例4一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7、第一结构层6与第二结构层7之间的绝缘层5，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，其中顶硅层1-3是高阻硅或p型硅或n型硅，如图14a所示；步骤2）、在顶硅层1-3上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形3的掩模，如图14b
所示；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4，如图14c所示；步骤4）、在加热电阻层4上制作绝缘材料作为绝缘层5，如图14d所示；步骤5）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层6，如图14e所示；步骤6）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2，如图14f所示；步骤7）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤6）和步骤7）可以互换。
41.在选择顶硅层1-3的材料时，可以是高阻硅、p型硅或n型硅。
42.当选择p型硅时，在步骤3）中，掺杂的离子可以是p型离子，也可以是n型离子。但是，掺杂p型离子时，掺杂浓度要远高于顶硅层1-3中p型离子的浓度；掺杂n型离子时，掺杂过后，与顶硅层1-3形成pn结，在n型区域施加的电压要高于p型区域的电压，形成pn结反偏。
43.当选择n型硅时，在步骤3）中，掺杂的离子可以是p型离子，也可以是n型离子。但是，掺杂n型离子时，掺杂浓度要远高于顶硅层1-3中n型离子的浓度；掺杂p型离子时，掺杂过后，与顶硅层1-3形成pn结，在n型区域施加的电压要高于p型区域的电压，形成pn结反偏。
44.实施例5本实施例与实施例3的区别是没有绝缘层5，第一结构层6使用高热膨胀系数的绝缘材料制作而成。
45.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层4、第一结构层6和第二结构层7，其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底1，该soi圆片包括底硅层1-1、氧埋层1-2和顶硅层1-3，其中顶硅层1-3是高阻硅或p型硅或n型硅，如图15a所示；步骤2）、在顶硅层1-3上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形3的掩模，如图15b所示；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4，如图15c所示；步骤4）、在加热电阻层4上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层6，如图15d所示；步骤5）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2，再去除氧埋层1-2，如图15e所示；步骤6）、在衬底1的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。

技术特征：

1.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层（4）、第一结构层（6）、第二结构层（7）、第一结构层（6）与第二结构层（7）之间的绝缘层（5），其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底（1），该soi圆片包括底硅层（1-1）、氧埋层（1-2）和顶硅层（1-3）；步骤2）、对顶硅层（1-3）进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层（4），该加热电阻层（4）同时作为第二结构层（7）；步骤3）、在加热电阻层（4）上制作绝缘材料作为绝缘层（5）；步骤4）、在绝缘层（5）上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层（6）；步骤5）、刻蚀衬底（1）的底部至氧埋层（1-2），再去除氧埋层（1-2）；步骤6）、在衬底（1）的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。2.根据权利要求1所述的一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，其特征在于步骤1）中所述soi圆片的顶硅层（1-3）是低阻硅。3.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层（4）、第一结构层（6）和第二结构层（7），其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底（1），该soi圆片包括底硅层（1-1）、氧埋层（1-2）和顶硅层（1-3）；步骤2）、对顶硅层（1-3）进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层（4），该加热电阻层（4）同时作为第二结构层（7）；步骤3）、在加热电阻层（4）上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层（6）；步骤4）、刻蚀衬底（1）的底部至氧埋层（1-2），再去除氧埋层（1-2）；步骤5）、在衬底（1）的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤4）和步骤5）可以互换。4.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层（4）、第一结构层（6）、第二结构层（7）、第一结构层（6）与第二结构层（7）之间的绝缘层（5），其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底（1），该soi圆片包括底硅层（1-1）、氧埋层（1-2）和顶硅层（1-3），其中顶硅层（1-3）是高阻硅或p型硅或n型硅；步骤2）、在顶硅层（1-3）上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形（3）的掩模；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底（1）进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层（4）；步骤4）、在加热电阻层（4）上制作绝缘材料作为绝缘层（5）；步骤5）、在绝缘层（5）上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层（6）；步骤6）、刻蚀衬底（1）的底部至氧埋层（1-2），再去除氧埋层（1-2）；步骤7）、在衬底（1）的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤6）和步骤
7）可以互换。5.一种使用soi圆片制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂包括加热电阻层（4）、第一结构层（6）和第二结构层（7），其特征在于包括如下步骤：步骤1）、选择soi圆片作为衬底（1），该soi圆片包括底硅层（1-1）、氧埋层（1-2）和顶硅层（1-3），其中顶硅层（1-3）是高阻硅或p型硅或n型硅；步骤2）、在顶硅层（1-3）上进行图形化，形成预先设计的导电回路图形（3）的掩模；步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底（1）进行掺杂，形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层（4）；步骤4）、在加热电阻层（4）上制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层（6）；步骤5）、刻蚀衬底（1）的底部至氧埋层（1-2），再去除氧埋层（1-2）；步骤6）、在衬底（1）的上部按照预先设计的mems驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终释放该电热式mems驱动臂，完成该电热式mems驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。

技术总结

一种使用SOI圆片制作电热式MEMS驱动臂的方法，包括如下步骤：步骤1）、选择SOI圆片作为衬底1；步骤2）、对顶硅层1-3进行离子掺杂形成低阻硅，作为加热电阻层4；步骤3）、在加热电阻层4上制作绝缘材料作为绝缘层5；步骤4）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料作为第一结构层6；步骤5）、刻蚀衬底1的底部至氧埋层1-2；步骤6）、在衬底1的上部按照预先设计的MEMS驱动臂形状进行正面图形化刻蚀；最终完成该电热式MEMS驱动臂的制作，其中步骤5）和步骤6）可以互换。优点：硅既作为结构层的同时，又作为加热层，免除了还要做加热层的麻烦，采用离子注入的方法制作加热层，简化了电热式MEMS驱动臂的加热层的工艺步骤，提供了效率。提供了效率。提供了效率。