[发明专利]MEMS微振镜及基于SOI顶层硅预制该MEMS微振镜的制作方法

说明书

本发明提供一种MEMS微振镜及基于SOI顶层硅预制该MEMS微振镜的制作方法，在键合形成SOI晶圆之前，预先在顶层硅背面通过微加工制作特定的微结构从而移除镜面的部分质量并维持镜面的结构强度和尺寸，同时在底层硅正面根据镜面扭转运动所需要的空间大小提前制作腔室，然后将顶层硅和底层硅的制作有微结构的一面相互对准键合形成SOI晶圆并通过研磨抛光工艺减薄至目标厚度，最后在顶层硅正面加工制作所需要的金属反射层和镜面可动结构，解决了以常规SOI晶圆加工MEMS微振镜存在的大尺寸镜面结构质量过大，影响振镜的扭转角度及性能的问题，从而扩展MEMS微振镜设计和加工的自由度，提高MEMS微振镜的性能，尤其对制作高可靠性、大镜面尺寸的MEMS微振镜具有重要意义。

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种MEMS微振镜及在SOI晶圆顶层硅上预制特定微结构的MEMS微振镜的制作方法。

背景技术

MEMS微振镜是一种具有可动悬浮结构的微机械结构，微振镜各部分微结构的机电性能决定了微振镜的性能。采用常规SOI(Silicon-On-Insulator)晶圆作为微振镜结构设计和工艺设计的原材料对简化加工工艺和提高加工良率起到了明显的效果，但是仍存在不足。以常规SOI晶圆为原材料的微振镜的体硅工艺加工过程中，由于顶层硅与底层硅键合在一起，顶层硅和底层硅都只能从单面(正面或背面)进行加工，平面横向尺寸容易设计加工，但是纵向厚度尺寸则难以匹配微振镜的微结构需要从而做到差异化设计加工，因此其微结构的可设计性和可加工性受到影响，进而限制了整个MEMS微振镜的性能设计与提升。

具体而言，某一规格SOI晶圆的顶层硅厚度已经决定了镜面、梁、梳齿等结构的厚度(而且是统一厚度)，设计这些关键结构的尺寸只能通过改变横向的平面尺寸来实现。当MEMS微振镜的镜面尺寸和工作频率由于应用需求被限定时，为了达到目标频率，根据公式：

其中，f为微振镜的工作频率，m为微振镜可动结构的质量，k为微振镜扭转梁的刚度，只能通过改变扭转梁的刚度k或者镜面可动结构的质量m来实现。然而以常规SOI晶圆加工MEMS微振镜时，为了维持镜面区域良好的平整度和镜面反射率并不适宜从正面通过局部干法刻蚀的方式来减薄而移除部分质量，也无法从顶层硅的背面加工，因此m难以改变。在这种情况下，MEMS微振镜的频率设计就只能通过改变梁的长宽度(三维尺寸决定梁的刚度)来实现。这对于小尺寸镜面的MEMS微振镜来说尚能接受，而对于大尺寸镜面，由于镜面质量明显增大，为了达到设定的工作频率只能通过大幅提高梁的刚度，而这将严重影响大镜面MEMS微振镜的扭转角度，同时大尺寸镜面本身的质量也严重影响MEMS微振镜的可靠性，限制了MEMS微振镜的性能提升。

发明内容

为了解决以常规SOI晶圆加工MEMS微振镜存在的大尺寸镜面结构质量过大，影响振镜的扭转角度及性能的问题，本发明提供一种MEMS微振镜及基于SOI顶层硅预制特定微结构的MEMS微振镜的加工方法。在键合形成SOI晶圆之前，预先在顶层硅背面通过微加工制作特定的微结构从而移除镜面的部分质量并维持镜面的结构强度和尺寸，同时在底层硅正面根据镜面扭转运动所需要的空间大小提前制作腔室，然后将顶层硅和底层硅的制作有微结构的一面相互对准键合形成SOI晶圆并通过研磨抛光工艺减薄至目标厚度，最后在顶层硅正面加工制作所需要的金属反射层和镜面可动结构，从而扩展MEMS微振镜设计和加工的自由度，提高MEMS微振镜的性能，尤其对制作高可靠性、大镜面尺寸的MEMS微振镜具有重要意义。

本发明的技术解决方案是提供一种MEMS微振镜，利用SOI晶圆制备，包括底层硅、埋氧层和顶层硅，底层硅通过埋氧层与顶层硅键合，顶层硅上设有微振镜镜面及隔离沟槽，其特殊之处在于：上述微振镜镜面的背部设有第一腔室单元，上述第一腔室单元包括n个第一腔室，n≥1，上述底层硅内部具有第二腔室，上述第二腔室对应于微振镜镜面位置，为微振镜镜面提供扭转空间。

优选地，当n﹥1时，各第一腔室关于可动镜面的扭转轴呈轴对称分布，且关于镜面中心呈中心对称设置。