基于MEMS工艺的二维磁驱动扫描微镜及其制备方法与流程

本发明属于微机电系统技术领域，特别是一种基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜及其制备方法。

背景技术：

随着微加工技术的进步及小型化传感器和执行器系统的应用需求，基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜作为一种微执行器件应用于激光雷达成像系统中。其作用是通过改变镜面的旋转角度，改变激光光束的出射角度，经物体反射后接收并处理，以此获得三维空间信息。与传统的机械式雷达相比较，mems微镜镜面尺寸一般需求为1mm以上，整体尺寸小，易于驱动，具有嵌入式装配的可能。

与集成电路相比，微执行器件的集成更加困难，由于不同的传感器和驱动器工作原理及结构方案差异巨大，目前工业上仍然没有针对mems器件的工艺流程的具体标准。对于可动结构的释放，功能性集成以及由于设备的精度的原因，需要对不同原理和结构的器件进行集成制造，需要研究一套特定的工艺方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜及其制备方法，以实现深沟道cu线圈结构、集成压阻传感器的微镜工艺制备。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于mems工艺的二维扫描微镜，包括硅基底、镜面基底、第一压阻传感器、第二压阻传感器、线圈、框架、氧化绝缘层、金属镜面层、金属电极、线圈引线、金属连接线、以镜面基底中心对称设置的两个第一悬臂梁以及两个第二悬臂梁，且两个第一悬臂梁连线与两个第二悬臂梁连线垂直；

所述硅基底上端设有第一压阻传感器和第二压阻传感器，第一压阻传感器位于一个第一悬臂梁向外延伸的末端；所述第二压阻传感器位于一个第二悬臂梁向外延伸的末端；所述硅基底中心设有线圈槽、线圈导线槽；所述线圈导线槽、位于线圈槽外围；所述线圈、线圈引线分别设置在线圈槽、线圈引线槽内；所述氧化绝缘层设在线圈上；所述金属电极布置在线圈引线引出端；所述金属镜面层布置在硅基底；所述连接线布置在氧化绝缘层上，将线圈与线圈引线桥接；所述第一悬臂梁、第二悬臂梁、镜面基底、框架通过正面刻蚀形成；所述镜面基底位于整个扫描微镜的中心，且位于金属镜面层下端；所述镜面基底位于线圈引线槽内部，且线圈引线槽位于框架内；所述第一悬臂梁、第二悬臂梁一端分别与框架一边相连；所述第一悬臂梁、第二悬臂梁、镜面基底、框架再通过背面刻蚀与硅基底释放，形成悬空结构。

一种基于mems工艺的二维扫描微镜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在硅基底上制备第一压阻传感器和第二压阻传感器；

步骤2、在硅基底上刻蚀出线圈槽、线圈引线槽；

步骤3、制备线圈、线圈引线；

步骤4、形成氧化绝缘层，为线圈导线、金属连接线互连搭建绝缘层；

步骤5、在线圈引线末端制备金属电极、在硅基底上制备金属镜面层以及在氧化绝缘层上制备金属连接线；

步骤6、制备第一悬臂梁、第二悬臂梁、镜面基底、框架。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明的基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜，采用一个方向的电磁驱动获得双轴扫描，能够实现5v电压下慢轴、快轴±23.65°、±4.69°的角度偏转，实现了大角度偏转；同时，慢轴谐振频率约为589.4hz，快轴谐振频率约为9.633khz，实现了两轴的高频快速扫描。

(2)本发明的基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜，镜面的有效直径为3mm，大镜面尺寸保证了激光收发的稳定性。

(3)本发明的基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜制备方法，深线圈的cu电镀工艺，提供一了层化学机械抛光的氧化停刻层，以监测抛光终止，获得平滑的电镀表面。

(4)本发明的基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜制备方法，对于微镜结构的背面刻蚀结构释放，在正面采用两层保护层结构(氧化层、喷胶机的厚胶层)，使微镜结构能够完全释放。

(5)本发明的基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜制备方法，采用简单的离子注入掺杂的方式在梁末端形成用于角度检测的压阻传感器。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜的总体布置图。

图2为在硅基底1上制备第一压阻传感器和第二压阻传感器流程示意图。

图3为在硅基底1上制备线圈槽、线圈引线槽流程示意图。

图4为制备线圈、线圈引线流程示意图。

图5为制备氧化绝缘层流程示意图。

图6为在线圈引线末端制备金属电极、在硅基底上制备金属镜面层以及在氧化绝缘层上制备金属连接线流程示意图。

图7为制备第一悬臂梁、第二悬臂梁、镜面基底、框架流程示意图。

图8(a-c)分别为制备微镜的光学显微镜整体结果图、a、b处局部放大的扫描电子显微镜图片。

图9(a-b)分别为微镜实物图、微镜双轴扫描图形。

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1～图7，本发明的一种基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜，包括硅基底1、镜面基底6、第一压阻传感器3、第二压阻传感器8、线圈9、框架10、氧化绝缘层4、金属镜面层5、金属电极14、线圈引线13、金属连接线15、以镜面基底6中心对称设置的两个第一悬臂梁2以及两个第二悬臂梁7，且两个第一悬臂梁2连线与两个第二悬臂梁7连线垂直；

所述硅基底1上端刻蚀有第一压阻传感器3和第二压阻传感器8，第一压阻传感器3位于一个第一悬臂梁2向外延伸的末端；所述第二压阻传感器8位于一个第二悬臂梁7向外延伸的末端；所述硅基底1中心刻蚀有线圈槽12、线圈导线槽；所述线圈导线槽、位于线圈槽12外围；所述线圈9、线圈引线13均通过电镀分别设置在线圈槽12、线圈引线槽内；所述氧化绝缘层4通过沉积方式设在线圈9上，作为化学机械抛光的停刻层；所述金属电极14通过溅射布置在线圈引线13引出端；所述金属镜面层5通过溅射布置在硅基底1；所述连接线通过溅射布置在氧化绝缘层4上，将线圈9与线圈引线13桥接；所述第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10通过正面刻蚀形成；所述镜面基底6位于整个扫描微镜的中心，且位于金属镜面层5下端；所述镜面基底6位于线圈引线槽内部，且线圈引线槽位于框架10内；所述第一悬臂梁2、第二悬臂梁7一端分别与框架10一边相连；所述第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10再通过背面刻蚀与硅基底1释放，形成悬空结构。

进一步的，所述第一悬臂梁2为直梁；所述第二悬臂梁7为两侧直角折弯梁，其目的是当第二悬臂梁7刚度相同时，获得更小的梁长度，以此减小框架10的尺寸。

进一步的，所述框架10为八边形框架结构，所述框架10通过两个第一悬臂梁2与镜面基底6锚接，并通过两个第二悬臂梁7与硅基底1锚接；

进一步的，金属镜面层5位于镜面基底6的上，且镜面基底6位于硅基底1的中心位置，被框架10所环绕；

优选的，所述线圈9圈数为10～16匝，且置于框架10的内部，形成一条闭合回路；

本发明的一种基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在硅基底1上制备第一压阻传感器3和第二压阻传感器8；

1.1、光刻形成第一压阻传感器3和第二压阻传感器8图形：

在硅基底1上涂覆正性光刻胶，覆盖设有第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的图形的掩膜板进行曝光处理，得到第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的图形。

1.2、对硅基底1进行反应离子刻蚀，得到第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的结构，并且得到对准标记结构；

1.3、在第一压阻传感器3和第二压阻传感器8上进行离子注入，得到第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的压阻层；

优选的，离子注入采用b元素；在一些实施方式中，也可注入p元素。

通过离子注入，可以减小掺杂区域的材料的电阻率，增强掺杂区导电性。

1.4、通过退火工艺(rtp)使第一压阻传感器3、第二压阻传感器8区形成欧姆接触。

通过退火工艺可激活离子注入的b或p元素。

1.5、清洗光刻胶：将硅基底1放入丙酮溶液中清洗，去除光刻胶。

步骤2、在硅基底1上刻蚀出线圈槽12、线圈引线槽；

2.1、通过感应耦合等离子体化学汽相淀积工艺(icpcvd)在硅基底1上生长二氧化硅牺牲层11。

icpcvd沉积氧化硅牺牲层11，作为化学机械抛光工艺(cmp)的停刻层，其目的是为了防止电镀线圈互连。

2.2、刻蚀出线圈槽12、线圈导线槽的图形：

以对准标记做基准进行对准光刻，在在硅基底1上涂覆正性光刻胶，覆盖设有线圈槽12、线圈引线槽图形的掩膜板进行曝光处理，得到线圈槽12、线圈引线槽的图形。

2.3、刻蚀出线圈槽12、线圈引线槽的图形结构：

采用rie工艺和drie工艺刻蚀出线圈槽12、线圈引线槽的图形结构。

步骤3、制备线圈9、线圈引线13；

3.1、制备线圈9、线圈引线13的电镀种子层：

通过电子束蒸发工艺(ebe)、剥离工艺(lift-off)剥离出线圈9、线圈引线13的电镀种子层结构；

3.2、在线圈槽12、线圈引线槽填满导电金属；

通过电镀在线圈槽12、线圈引线槽填满导电金属。

优选的，所述导电金属为镍、铜或金。

3.3、去除超出沟槽表面的导电金属：

通过化学机械抛光工艺对电镀表面突出的导电金属结构进行抛光处理，直到至氧化硅牺牲层为止。

3.4、去除氧化硅牺牲层：

用boe溶液将余下的氧化牺牲层去除。

步骤4、形成氧化绝缘层4，为线圈导线13、金属连接线15互连搭建绝缘层；

4.1、通过icpcvd二氧化硅沉积工艺，形成二氧化硅结构层；以对准标记做基准进行对准光刻，在基底上涂覆正性光刻胶，覆盖设有氧化绝缘层4图形的掩膜板进行曝光，得到氧化绝缘层图形；采用rie工艺刻蚀形成氧化绝缘层4图形结构。

4.2.去除光刻胶：将硅基底1放入丙酮溶液中清洗，去除光刻胶。

步骤5、在线圈引线13末端制备金属电极14、在硅基底1上制备金属镜面层5以及在氧化绝缘层4上制备金属连接线15；

5.1、在线圈引线13末端形成金属电极14图形、在硅基底1上形成金属镜面层5图形、在氧化绝缘层4上形成金属连接线15图形：

在硅基底1上涂覆负性光刻胶，覆盖除去金属电极14图形、金属镜面层5图形、金属连接线图形的掩膜板，曝光得到金属电极14图形、金属镜面层5图形、金属连接线15图形。

5.2、通过磁控溅射工艺(fhr)、剥离工艺(lift-off)剥离出金属电极14、金属镜面层5、金属连接线15结构。

步骤6、制备第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10：

6.1、在硅基底1正面形成第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形；

以对准标记做基准进行对准光刻，在硅基底1正面涂覆正性光刻胶，覆盖设有第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形的掩膜版进行曝光，得到第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形。

6.2、刻蚀出第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形结构。

采用drie工艺在硅基底1正面刻蚀出第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10的图形结构。

6.3、去除光刻胶：将硅基底1放入丙酮溶液中清洗，去除光刻胶。

6.4、在硅基底1正面通过icpcvd二氧化硅沉积工艺、再通过喷胶机进行旋涂厚胶，形成二氧化硅、厚胶两层正面保护层，以防止背面刻蚀可能带来的硅基底损坏。

6.5、以对准标记为基准进行背面对准光刻，在硅基底1背面涂覆正性光刻胶，覆盖设有结构释放图形的掩膜版进行曝光，得到结构释放的图形。

6.6、背面刻蚀，释放第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10结构；

采用drie工艺在硅基底1背面进行刻蚀工艺，释放第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10结构。

实施例

结合图1～图7，本发明的一种基于mems工艺的二维磁驱动扫描微镜，包括硅基底1、镜面基底6、第一压阻传感器3、第二压阻传感器8、线圈9、框架10、氧化绝缘层4、金属镜面层5、金属电极14、线圈引线13、金属连接线、以镜面基底6中心对称设置的两个第一悬臂梁2以及两个第二悬臂梁7，且两个第一悬臂梁2连线与两个第二悬臂梁7连线垂直；

具体的制备工艺流程包括以下步骤：

步骤1、制备第一压阻传感器3和第二压阻传感器8；如图2所示；

1.1、光刻形成第一压阻传感器3和第二压阻传感器8图形：

在硅基底1上涂覆az5214正性光刻胶，覆盖设有第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的图形的掩膜板进行曝光处理，得到第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的图形。具体工艺参数为：光刻胶旋涂转速：4000r/min，旋涂时间为：30s，前烘条件：温度：95℃，时间：90s。紫外光光刻曝光时间：6.7s。

1.2、对硅基底1进行反应离子刻蚀(rie)，得到第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的结构，并且得到对准标记结构，刻蚀深度为500nm；

1.3、在第一压阻传感器3和第二压阻传感器8上进行离子注入，得到第一压阻传感器3和第二压阻传感器8的压阻层。

本例离子注入采用b元素。具体的工艺参数为：能量为50kev，剂量为5e15ions/cm³。通过离子注入，可以减小掺杂区域的材料的电阻率，增强掺杂区导电性。

1.4、通过退火工艺(rtp)使第一压阻传感器3、第二压阻传感器8区b元素激活，形成欧姆接触。具体工艺参数为：温度1000℃，退火时间10s～15s。

1.5、清洗光刻胶：将硅基底1放入丙酮溶液中清洗，去除光刻胶。

步骤2、在硅基底1上刻蚀出线圈槽12、线圈引线槽；如图3(a)、(b)所示；

2.1、通过感应耦合等离子体化学汽相淀积工艺(icpcvd)在硅基底1上生长二氧化硅牺牲层11。75℃工艺条件下icpcvd沉积600nm厚的氧化硅牺牲层11，作为化学机械抛光工艺(cmp)的停刻层，其目的是为了防止电镀线圈互连。

2.2、刻蚀出线圈槽12、线圈引线槽的图形：

以对准标记做基准进行对准光刻，在在硅基底1上涂覆az4620正性光刻胶，覆盖设有线圈槽12、线圈引线槽图形的掩膜板进行曝光处理，得到线圈槽12、线圈导线槽的图形。具体工艺参数为：光刻胶旋涂转速：3000r/min，旋涂时间为：30s，前烘条件：温度：100℃，时间：2min30s。紫外光光刻曝光时间：27s。

2.3、刻蚀出线圈槽12、线圈引线槽的图形结构：

采用rie工艺和drie工艺刻蚀出线圈槽12、线圈引线槽的图形结构。先采用rie工艺将之前形成的600nm左右的氧化层牺牲层刻蚀，再使用drie工艺刻蚀出16μm左右深度的cu线圈沟槽。

步骤3、制备线圈9、线圈引线13；如图4所示；

3.1、制备线圈9、线圈引线13的电镀种子层：

通过电子束蒸发工艺(ebe)、剥离工艺(lift-off)剥离出线圈9、线圈引线13的电镀种子层结构；具体工艺参数：先用ebe沉积20/300nm左右的ti/au电镀种子层，然后用丙酮溶液浸泡，做lift-off剥离工艺，时长24h，剥离出所需要的电镀结构。

3.2、在线圈槽12、线圈引线槽填满导电金属：

通过电镀在线圈槽12、线圈引线槽填满16μm导电金属。

选用电镀金属为金属铜。具体工艺参数：电镀电流：120ma。电流占空比：30％。电镀时长：4h10min左右。

3.3、去除超出沟槽表面的导电金属：

通过化学机械抛光工艺(cmp)。采用cmp工艺对由于电镀表面突出的cu金属结构进行抛光处理，直至氧化牺牲层11，停止抛光工艺。

3.4、去除氧化硅牺牲层：

用boe溶液将余下的氧化牺牲层去除。

步骤4、形成氧化绝缘层4，为线圈引线13、金属连接线15互连搭建绝缘层；如图5(a)、(b)所示；

4.1、通过75℃icpcvd二氧化硅沉积工艺，形成300nm左右二氧化硅结构层。以对准标记做基准进行对准光刻，在基底上涂覆正性az5214光刻胶，覆盖设有氧化绝缘层4图形的掩膜板进行曝光，得到氧化绝缘层4图形；采用rie工艺刻蚀形成氧化绝缘层4图形结构。

4.2.去除光刻胶：将硅基底1放入丙酮溶液中清洗，去除光刻胶。

步骤5、在线圈引线13末端制备金属电极14、在硅基底1上制备金属镜面层5以及在氧化绝缘层4上制备金属连接线15；如图6所示；

5.1、在线圈引线13末端形成金属电极14图形、在硅基底1上形成金属镜面层5图形、在氧化绝缘层4上形成金属连接线15图形：

在硅基底1上涂覆负性光刻胶，覆盖除去金属电极14图形、金属镜面层5图形、连接线图形的掩膜板，曝光得到金属电极14图形、金属镜面层5图形、金属连接线15图形。具体工艺参数：光刻胶旋涂转速：4000r/min，旋涂时间为：30s，前烘条件：温度：90℃，时间：90s。紫外光光刻曝光时间：2.7s。热板加热条件：100℃，时间90s。泛曝光时间45s。

5.2、通过磁控溅射工艺(fhr)、剥离工艺(lift-off)剥离出线圈引线13末端金属电极14、金属镜面层5、金属连接线15结构。金属层ti/au，厚度为20/200nm。

步骤6、制备第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10；如图7所示；

6.1、在硅基底1正面形成第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形；

以对准标记做基准进行对准光刻，在硅基底1正面涂覆az4620正性光刻胶，覆盖设有第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形的掩膜版进行曝光，得到第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形。

6.2、刻蚀出第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10图形结构。

采用drie工艺在硅基底1正面刻蚀出线圈槽12、线圈导线槽图形结构。结构厚度为100μm。

6.3、去除光刻胶：将硅基底1放入丙酮溶液中清洗，去除光刻胶。

6.4、在硅基底1正面通过75℃300nmicpcvd二氧化硅沉积工艺、再通过喷胶机进行旋涂厚胶，形成二氧化硅、厚胶两层正面保护层，以防止背面刻蚀可能带来的硅基底损坏。

6.5、以对准标记为基准进行背面对准光刻，在硅基底1背面涂覆正性az4620光刻胶，覆盖设有结构释放图形的掩膜版进行曝光，得到结构释放的图形。

6.6、背面刻蚀，释放第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10结构；

采用drie工艺在硅基底1背面进行刻蚀工艺，释放第一悬臂梁2、第二悬臂梁7、镜面基底6、框架10结构。刻蚀厚度为300μm。

通过上述方法制备的微镜如图8所示，图8(a)为微镜光学显微镜整体结构示意图；(b)、(c)为微镜局部放大的扫描电子显微镜图片。从结果可以得到上述方法制备的镜面的有效直径为3mm，大镜面尺寸保证了激光收发的稳定性。

本发明采用图9(a)所示的一种45°定磁场驱动的微镜，利用线圈在磁场中受到的洛伦兹力并利用结构的谐振频率，使得微镜在两路谐振频率点附近的电流信号作用下实现双轴偏转。实际测得慢轴及快轴在5v电压下的频域响应最大幅值为±23.65°及±4.69°，并且仍能保持稳定工作，激光光源至屏幕的测试距离为200mm。慢轴谐振频率约为589.4hz，快轴谐振频率约为9.633khz。图9(b)显示了微镜双轴偏转形成的矩形视场。