错列垂直梳状驱动器加工方法

专利名称：错列垂直梳状驱动器加工方法
技术领域：
本发明主要涉及垂直梳状驱动器执行器及其加工方法，更具体地是涉及一种采用改进对准公差的高效垂直错列梳状驱动器执行器的加工方法。
背景技术：
错列垂直梳状驱动器(SVCD)是一类微机电系统(Micro-Electro MechanicalSystems，MEMS)执行器，其采用静电工作原理，能够实现相对较高的执行器作用力和较高速度。此外，它们可以采用标准材料和半导体行业开发的可升级工艺加工。SVCD适合在多种光学应用(包括光学扫描、光交换、自由空间光通信、光相控阵列、滤光器、外腔式激光器、自适应光学及其他应用中)用于控制高速、高分辨率的微镜片。
典型SVCD的动作采用静电原理。在2个梳状结构——可动梳齿(或称转子)与固定梳齿(或称定子)——之间施加一个电势差。当它们之间施加有电压时，可动梳齿(转子)被拉向固定梳齿(定子)，直至定子和转子的梳齿重叠，静电场能量被最小化。不同类型的SVCD装置有详细介绍，例如在授予Behin等人的第6,612,029号美国专利中所述的，在此作为参考并入。
图1示出了一种典型的现有技术中的SVCD20。该SVCD20包括定子22和转子30。定子具有在基体26上制成的独立的梳爪24。转子30包含多个独立的梳爪32，与基体34相连。转子30还包含一个镜片或叶片40，并配有相应的扭转铰链42。在静止状态，转子30基本上位于定子22上方，如图1所示。
图2示出处于一种激活状态的SVCD系统20。此状态是通过在转子30与固定梳齿组件22之间施加电压来实现的。在此状态下，转子和定子的独立梳齿相互交叉。施加的电压将转子30吸引至定子22，从而对扭转铰链42施加转矩，使镜片40倾斜。扭转铰链42会被锚定，当电压去除时它将提供恢复力矩。
一种典型的现有技术中的加工工艺流程包括蚀刻一个绝缘硅片(SOI)，形成移动梳齿组件30，再蚀刻另一个SOI片，形成固定梳齿组件22，之后将蚀刻出的晶片装配(如粘合)在一起，形成SVCD20。第6,925,710号和第7,079,299号等美国专利中介绍了不同形式的此类工艺。然而，构成梳齿组件的2个晶片之间的严密对准要求会大大增加器件加工的复杂程度，而对器件产量造成负面影响。
定子和转子梳爪的对准对于执行器的正常运行至关重要。如不能实现要求的对准精度，则可能引起电击穿、机械干涉和横向破裂等故障，而削弱执行器的性能和/或可靠性。
典型情况下转子和定子必须横向对准，即在晶片和梳齿平面内，达到1微米左右或更好的水平。然而当转子和定子由不同晶片加工时，晶片正面与背面对准、晶片粘合的横向对准的精度在整个晶片上可能到达3微米(3σ)量级。
为克服此困难，已经提出了进行转子和定子齿爪自对准加工的技术，其中转子和定子均由一个SOI晶片的同一器件层光刻制成。
例如，授予Behin等人的第6,612,029号美国专利公布了一种由同一器件层同时加工转子和定子齿爪的技术，该器件层包括2个中间被一层二氧化硅隔离层隔离的导电硅层。最终器件至少有1组梳爪，例如转子，其中每一个梳爪均有2个垂直堆叠的导电层，其间由氧化隔离层隔离。在工作时，所述导电层之一将被接地，电压施加到另一导电层上，以此在所述层与相邻接地定子齿爪之间形成一个牵引电场。对定子齿爪可以向下蚀刻到隔离层，形成一组压薄的定子齿爪。在一个实施例中，隔离氧化层被去除，而在相应齿爪中留下一个气隙。
尽管Behin等人所披露的SVCD加工方法提供了自对准转子和定子，它还有其他缺点。此方法的一种缺点是采用此法制成的多层齿爪可能在高压下发生电击穿，从而大大限制了可施用的电压，继而减小转子的转角。而如果隔离齿爪导电层的氧化层被去除而形成气隙，则这种限制将尤其严重；此外，这种采用气隙的实现方式可能对灰尘颗粒比较敏感，灰尘颗粒可能使器件发生短路。如果氧化层不被去除，其电学特性也会随时间而发生漂移；例如，它可能会在逐渐累积静电荷，使耦合定子与转子的电场发生改变，从而导致意外变化和/或器件性能老化。
Choo等人的2007/0026614号美国专利申请披露了一种有些类似Behin等人的SVCD加工方法，但其中加工转子和定子的器件层处于一个导电硅层中，中间没有隔离氧化层，而是采用一个两层掩模来分别确定转子和定子齿爪。一组齿爪采用一种定时蚀刻工艺进行减薄加工，达到器件层高度的一半左右，而另一组则保持全高。尽管所形成的器件没有上述Behin SVCD的缺点，却还有其他缺点。Choo等人的方法的一个缺点是，它制成的器件转子转角较小，因为所施加的电压只能将转子转动至其齿爪的中点与定子齿爪的中点对准为止。例如，在Choo的器件中，转子齿爪和定子齿爪的中点处于静止状态，当不施加电压时，仅被分开约为器件层1/4高度的距离，而Behin法的器件分离距离则可达到器件层1/2高度左右。
本发明的一个目的是提供一种SVCD器件的自对准加工方法，该方法克服了上述方法及现有技术其他方法的全部或至少部分缺点。

发明内容
根据本发明，给出了一种加工错列垂直梳状驱动器的方法，该方法包括以下步骤a)提供包含器件层的晶片；b)蚀刻该器件层，以形成2个梳状结构，即2组相互交叉的齿爪；c)以蚀刻方式去除第一组每一个齿爪的顶部，使第一组齿爪的纵向长度缩短，并将一个承载晶片贴至器件层上，用作支撑；d)以从晶片背面蚀刻的方式去除第二组每一个齿爪的下部，使第二组齿爪的纵向长度缩短，形成所述的第二组齿爪与第一组齿爪的垂直方向偏移。
在一种实施例中，d)包括首先在晶片背面形成第三层掩模的步骤，以便在(d)步的蚀刻中保护第一组齿爪，而对第二组齿爪的下部施用所述的蚀刻。
根据本发明的另一特点，生成双层掩模的步骤包括a1)在器件层上生成第一掩模，以暴露出对应于第一组齿爪的部分；a2)在器件层和第一掩模上沉积出一个掩模层，该层应可以基本抵御(b)步中采用的蚀刻工艺；a3)去除掩模层部分，形成确定第一组和第二组齿爪的第二掩模，并暴露晶片在二者之间的部分。
在本发明的一个优选实施例中，器件层具备导电性，晶片还包括一个隔离层，夹在器件层与基层之间，在进行(d)步之前至少应将该层部分去除。


以下将参照优选实施例的相应图对本发明进行更详细的介绍，其中 图1为现有技术中的错列垂直梳状驱动器(SVCD)处于静止状态时的等轴侧图； 图2为图1所示现有技术中的错列垂直梳状驱动器(SVCD)处于激活状态时的等轴侧图； 图3A-3H为根据本发明的一个实施例给出的加工SVCD器件的横截面原理图； 图3I为图3A-3H中所示加工工艺中所用材料的图例； 图4为图3A-3H中所示工艺加工出的SVCD器件平面原理图； 图5为根据本发明加工的SVCD器件一部分的横截面原理图，其中示出定子与转子齿爪之间一个并不用于度量的垂直间隙； 图6A、6B为根据本发明的一个实施例，采用蚀刻阻挡层加工SVCD器件的横截面原理图。
具体实施例方式图3A-3H中示出了根据本发明的一个优选实施例加工SVCD器件的方法，下文参照SVCD器件88进行介绍，该器件平面图示于图4中；图3I示出本发明加工方法中所用材料的图例。本领域的技术人员将认识到本发明的方法可以采用不同材料组合方便地实现，并可用于加工其他多种类型的有垂直偏移特征、需要精确横向对准的SVCD器件。
如图4所示，SVCD88包括镜片55，它可绕由锚柱53锚定的扭转铰链58转动。镜片55连接至可动梳齿组件60，下文称转子60，后者有一组梳齿，下文称齿爪70。转子齿爪70位于固定梳齿组件65(下文称定子65)的齿爪75之间。处于加工过程中的定子和转子齿爪组75、70将在下文中被称作第一和第二组齿爪。
根据下文所述的本发明的一个示范实施例，SVCD88由绝缘硅片(SOI)晶片90制成；图3A-3H以示意方式示出本发明的一种实施例在加工的不同阶段的加工工艺，SOI晶片90的一部分沿AA′横截面线的垂直截面示于图4中。
参见图3A，在本方法的第一步中给出SOI晶片90；它有一个硅氧化物隔离层110，下文也称作氧化层110，夹在支撑结构的基层100与器件层120之间，在一个优选实施例中两者均以硅制成。箭头128指向器件层120在晶片90上的一例；下文将称其为晶片90的正面128，而晶片的另一面则称为背面129，以相应标志的箭头标示。如下文所述，本发明的方法即是从晶片90的正面和背面对器件层120进行有选择的蚀刻。
首先，在器件层120的正面128上生成双层掩模125；双层掩模125将覆盖住器件层上要形成转子和定子齿爪组的部分，而暴露出器件层120上处于所述最终转子和定子齿爪之间的蚀刻部分111，如图3A所示。
在一个实施例中，双层掩模125以如下方式生成。第一掩模层105在图3A-C中以白色示出，氧化硅、氮化硅、铝、光刻胶或其他适当材料中的一种被沉积在器件层120上，并绘出光刻图案，形成第一掩模126，它暴露出在接下来的步骤中用以生成第一组齿爪的器件层120上的部分，而覆盖住器件层上用以生成第二组齿爪的部分。在这里所介绍的实施例中，第一组齿爪对应于转子60的齿爪70，第二组齿爪则对应于定子65的齿爪75。在其他实施例中，第一组齿爪可以是定子齿爪，而第二组齿爪则可以是转子齿爪。
接下来，将第二掩模层115(如光刻胶)沉积在器件层120和第一掩模126上。第一和第二掩模层包含不同类型的掩模材料，因此二者之一可被有选择地去除，而不会对另一个造成实质性影响。之后将根据形成第二掩模127的第二图样(确定第一和第二组齿爪的位置)有选择地去除第二掩模层115的特定部分，如使用光刻技术；更具体而言，它将覆盖住器件层120上最终要成为转子齿爪70和定子齿爪75的部分，而暴露出器件层120或第一掩模126上处于第一和第二组齿爪的相邻齿爪之间的部分111。第一掩模126上未被第二掩模127覆盖的部分确定了第一和第二组齿爪的位置，对该部分也采用第二掩模可以抵御(即蚀刻率大体较小)的蚀刻工艺进行去除，以使第一和第二掩模图样在器件层120上形成第二组齿爪的部分上对准，并暴露对器件层120上位于第一和第二组齿爪的相邻齿爪之间的部分进行蚀刻。有利的是，由此工艺生成的第一和第二掩模126、127在第二组齿爪的位置上可在箭头80所示的横向上自行对准，而第一组齿爪的位置则被保护(即覆盖)，此保护仅由第二掩模127实现，它将确定转子和定子齿爪的位置。
接下来，在本发明的一个实施例中，器件层120被蚀刻至理想的第一深度d1，例如使用定时深度离子蚀刻(DRIE)或其他合适的深度蚀刻方法，形成2个梳状结构，其中第一组齿爪140与第二组齿爪150相交叉，如图3B所示。理想的第一深度d1最好为器件层120厚度d的一半左右，d1≈0.5d，但在其他实现方式中可以小于或大于0.5d。这一蚀刻步骤在下文中称为第一次DRIE蚀刻步骤，或第一次DRIE蚀刻。随后第二掩模127被去除，暴露出第一组齿爪150进行蚀刻。
此时转至图3C，在去除第二掩模127之后，将对晶片90的正面进行第二次蚀刻，例如在DRIE蚀刻器中，将第一和第二组梳爪150、140的相邻齿爪之间的器件层120蚀刻透，停止于氧化层110上。在此步之后，第二组齿爪140将基本从整个器件层120延伸至氧化层110。与此同时，该二次蚀刻步骤将去除第一组齿爪150的每个无掩模齿爪的顶部，从而在垂向上缩短第一组齿爪150，即在箭头95所示的垂直方向上使之变薄。在此步之后，第一组齿爪150将由氧化层110开始以在垂直方向延伸，延伸量仅为器件层120厚度d的几分之一(如一半或更少)，如图3C所示。第二次蚀刻步骤可以被定为在第二组齿爪150达到理想高度113时停止。
生产图3C所示结构的加工步骤大体包括i)对器件层进行蚀刻，形成2个梳状结构，其中第一组齿爪150与第二组齿爪140相互交叉；ii)通过蚀刻去除第一组齿爪150每个齿爪的顶部，以使第一组垂向缩短的齿爪与第二组齿爪相互交叉。本领域的技术人员可以认识到这些工作也可以采用上文所述的替代蚀刻工艺来完成。例如，在第一次DRIE蚀刻步骤中，可将器件层120直接蚀刻达到氧化层110，如使用氧化层110作为蚀刻止挡物，以使第一和第二组140和150中的所有齿爪均具有相同的高度d，之后可以按照上文所述去除第二掩模127，再进行定时DRIE蚀刻，以去除第一组齿爪150的每个齿爪的顶部，而保持第二组齿爪140基本完好。
转回图3C，在下一步中，采用熔解晶片接合或其他适用的任何晶片接合或粘合方法，将一个承载晶片160贴至器件层120的正面128上(上述第一次和第二次蚀刻DRIE步骤就从该面进行)，已形成上文所述的2组不同高度的齿爪140、150。举例而言，承载晶片160是一块硅片，最好有适当的隔离层(这里未示出)，如由二氧化硅形成与定子的电隔离；它也可以是玻璃晶片，或由其他任何强度足够支撑最终SVCD结构的适合材料制成。可以选择在粘合晶片90和160之前去除第一掩模126。图3D示出了最终形成的两片式结构99，其中器件层120此时由承载晶片160支撑，承载晶片160最好有凹槽231、232，在SVCD 88被所施加电压制动时用于调节(即非阻止)镜片55(也可包括第一组齿爪150，即转子齿爪)的纵向运动。
现转至图3E，在下一步中，晶片90的基层110至少被部分减薄或去除(例如采用各向异性或各向同性的蚀刻)，以便露出氧化层110，并最终露出齿爪140的下部以供蚀刻；“下部”一词在这里指与梳爪140上与晶片90的背面129最接近的部分。
接下来，在图3F中，在晶片90的背面129上暴露的氧化层110上生成第三掩模170(如采用光刻胶)，以便在后续蚀刻中对第一组齿爪150提供保护，并暴露给晶片90的所述背面129的所述蚀刻部分172，或者为所示实施例中氧化层110的部分，构成第二组齿爪140的基础。有利的是，第三掩模170与第二组齿爪140位置之间的横向对准精度要求可以很松，因为所要求的掩模170在齿爪140上开口的横向定位精度与第一和第二组140、150的相邻齿爪间的标称距离处于同一数量级，所述的距离通常大于齿爪宽度，且一般超过2微米。举例而言，第一和第二组的每个齿爪宽度均为3μm，相邻转子和定子齿爪150、140之间的横向距离为4μm，器件层d的厚度为20μm。
参见图3G，在下一步中，对晶片90的背面129进行蚀刻，以去除未被第三掩模170覆盖的氧化层110，以便从晶片背面暴露出第一组齿爪140。此后，在第三次DRIE蚀刻步骤(如在DRIE蚀刻机中)中，第一组齿爪140的每个被暴露的下部被去除，方式是蚀刻至第二深度d2，以便在垂直方向上缩短或减薄第二组齿爪140。去除未被掩模170覆盖的暴露氧化层110的过程可以在减薄第二组齿爪140时所采用的同一DRIE蚀刻步骤中进行，或者采用现有技术中技术人员熟悉的常用的单独的各向异性或各向同性蚀刻工艺。
有利的是，从晶片90背面129进行蚀刻以减薄第二组140齿爪的步骤将使第一和第二组齿爪150、140被相互垂直偏移，从而增大了第一和第二组150和140的相邻齿爪中点间的垂直距离，由此可增大图4中所示的最终SVCD器件88的执行范围。如上所述，在这里所述的实施例中，第一和第二组齿爪150和140分别对应于转子和定子齿爪70、75。
现在转至图3H，在下一加工步骤中，第三掩模170及剩余的氧化层110被去除，而通过荫罩210上的开口215在器件层120的镜片区55’上沉积一个反射层205(如金等金属)，所述的镜片区55’与第一组齿爪150连接，形成图4中所示的反射镜片55。
在另一实施例中，在去除基层100之后，反射层205可以沉积在氧化层110上，如图3E所示，在用光刻胶绘出图样之后，可用于生成掩模170，掩模再被用于减小第二组齿爪140(即定子)的垂直厚度，如上文参照图3F和3G所述。之后除镜片区55’之外的所有金属层和氧化层110均被去除。
图3A-3H所示的上述生成SVCD器件88的加工步骤是以一个示例实施例介绍了本发明的方法。该方法相比现有技术有若干重要优势。首先，它可以自动实现第一和第二组150、140(即转子和定子梳齿)齿爪之间的横向对准，因为两组齿爪均由一个掩模(即第二掩模127)在同一器件层上加工而成，该掩模自身就确定了定子和转子齿爪的横向位置。其结果是，此方法采用标准的光刻技术实现了精确的转子-定子横向对准。此外，本发明的方法让使用者可以通过控制第一次和第二次蚀刻深度d1和d2来控制转子和定子齿爪150、140的垂向对准。例如，齿爪140、150可以被加工成在没有施加电压(即SVCD处于静止状态)时两者之间存在小而均匀的垂直间隙222，如图5所示，以便在实现较大的定子运动角范围的同时保持较低的工作电压。有利的是，相比6612029号美国专利中所述的采用现有技术的垂直梳齿执行器，本方法可对所述的垂直间隙222进行更好的控制，因为SVCD器件88中的间隙222不会受到电致缩短的限制。与此同时，相比转子和定子齿爪在垂直方向上基本交叠的执行器(如2007/0026614号美国专利申请中所述的)而言，本发明所实现的定子与转子齿爪之间更大的垂向偏移量可以增大转子运动的角范围。
上文已参照一种特定的实施例对本发明进行了介绍；而本领域的技术人员应能认识到本发明的方法也可以在其他实现方式中方便地实现。例如，尽管晶片90在上文中为SOI晶片，且所述的本方法的实施例采用硅器件层120来生成SVCD器件的转子和定子，但在其他实施方法中，导电器件层120和基层100也可以由其他适用的材料制成，包括但不限于硅、硅锗化合物、碳化硅、其他半导体材料或镍、金等金属。绝缘层110在上述优选实施例中为氧化硅(如通过硅基层100的热氧化形成)，在其他实施例中则可以由任何适合的绝缘材料制成，包括但不限于氮化硅、碳化硅、石英、高电阻率硅锗化合物、聚酰亚胺或聚合物薄膜。其他基体和材料组合也可用在实现本发明方法的不同加工工艺中。同样可举例说明，铰链58在上文中为扭转式，它也可以采用螺旋形铰链或其他适合的铰链类型来实现。
图6A和6B所示为本发明的另一实施例，其中器件层120在适宜深度处加入了一个蚀刻阻挡层313(如采用硅氧化层实现)，以便在第二次(也可能包括第一次)DRIE蚀刻步骤中当第一组齿爪150有部分被去除时控制蚀刻的深度。之后同一蚀刻阻挡层还可以在去除第二组齿爪140下部的第三次蚀刻步骤中使用。这样就形成了图6B中所示的结构，其中蚀刻阻挡层313的采用可使整个晶片上第一和第二组140、150齿爪达到统一高度，相邻齿爪的传导部分之间也可以达到统一的垂直间隙222’，这一间隙的大小可以通过蚀刻阻挡层313的厚度方便地控制。
此外，本领域技术人员还将认识到，生成SVCD器件88的加工步骤也可以按不同于上文参照图3A-3H所述的顺序进行。例如，加工开始时可以先对晶片90的器件层120从正面128进行一次单步定时DRIE蚀刻，以去除器件层120的一部分，达到预先确定的第一组齿爪150横向位置的深度，此步骤的掩模对准公差要求可以相对较松。在晶片的正面与支撑晶片160结合并减薄后，再进行两步式DRIE蚀刻，基本与上文参照图3B和3C所述相同，采用掩模125之类的自对准双层掩模，但从器件层120的背面进行，以生成2个自对准齿爪组140、150，大体如图3H所示。
在不背离本发明实质和范围的条件下，还可以设计出本发明的其他多种实现方式。
权利要求
1一种加工错列垂直梳状驱动器的方法，包括以下步骤a)提供一个包含一个器件层的晶片；b)对所述器件层进行蚀刻，在其上生成2个梳状结构，所述梳状结构包括相互交叉的第一组齿爪与第二组齿爪；c)通过蚀刻方法去除所述第一组齿爪的每个齿爪顶部，在垂直方向上缩短第一组齿爪；以及d)通过从所述晶片背面蚀刻的方法去除所述第二组齿爪的每个齿爪下部，在垂直方向上缩短所述第二组齿爪，形成与所述第一组齿爪存在垂向偏移的所述第二组齿爪。
2如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括在所述器件层上生成双层掩模而暴露出所述第一和第二组齿爪之间部分的步骤。
3如权利要求2所述的方法，其中生成双层掩模的步骤包括以下分步骤a1)在所述器件层上生成第一掩模，以便暴露出对应于所述第一组齿爪的部分；a2)在所述器件层和所述第一掩模上加工出一个基本可以抵御步骤(b)中所用蚀刻工艺的掩模层；以及a3)去除所述掩模层部分，以生成确定所述第一和第二组齿爪的第二掩模，并暴露出二者之间的晶片部分。
4如权利要求3所述的方法，其中在步骤(a3)之后进行以下步骤a4)采用掩模层可抵御的蚀刻工艺去除所述第一掩模图样的暴露部分，以便将第一和第二掩模图样在要生成第二组齿爪的器件层部分上对准。
5如权利要求4所述的方法，包括在步骤(c)之前去除所述第一掩模的步骤。
6如权利要求1的方法，其中步骤(d)包括以下步骤d1)首先在晶片背面生成第三掩模，以便在步骤(d)的蚀刻中保护所述第一组齿爪，并暴露出所述第二组齿爪的下部进行所述的蚀刻。
7如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤e)在步骤(c)之后、步骤(d)之前，将一个承载晶片贴附到所述器件层上。
8如权利要求7所述的方法，其中所述晶片还包括基层和隔离层，其中所述隔离层夹在所述器件层与所述基层之间。
9如权利要求8所述的方法，还包括在步骤(d)之前至少部分去除所述基层以减薄所述晶片的步骤。
10如权利要求1所述的方法，其中所述器件层包含导电层。
11如权利要求1所述的方法，其中所述器件层包含蚀刻阻挡层。
12如权利要求1所述的方法，其中步骤(c)和(d)二者之一的蚀刻采取定时。
13如权利要求11所述的方法，其中所述蚀刻阻挡层在至少步骤(c)和(d)二者之一中用于分别阻止对所述第一或所述第二组齿爪的蚀刻。
14如权利要求1所述的方法，其中所述器件层包含一个或多个半导体层。
15如权利要求14所述的方法，其中所述的一个或多个半导体层包含硅。
16如权利要求8所述的方法，其中隔离层包含氧化硅。
17如权利要求3所述的方法，其中步骤(a2)中采用的掩模层为光刻胶。
18如权利要求3所述的方法，其中步骤(a1)中的所述第一掩模由氧化层形成。
全文摘要
本发明涉及一种对横向对准公差要求较宽松的错列垂直梳状驱动器执行器的加工方法。首先使用自对准双层掩模从正面蚀刻晶片的器件层，以确定移动和固定梳齿的交叉齿爪。第二次蚀刻步骤是有选择地去除两组齿爪之一的顶部，以此对其进行垂直方向的减薄。此时将晶片的正面与一承载晶片结合。之后再从器件层背面对晶片进行有选择的蚀刻，以去除第二组齿爪的下部，从而形成齿爪具备纵向偏移且相互交叉的移动和固定梳齿。
文档编号H05K3/02GK101056072SQ200710090110
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月12日 优先权日2006年4月12日
发明者斯蒂芬·H.·莫法特, 约翰·M.·米勒 申请人:Jds尤尼弗思公司