一种电热式MEMS驱动臂的制作方法

本实用新型涉及的是一种电热式mems驱动臂，属于微机械电子系统领域。

背景技术：

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（加热电阻层）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器件加热电阻层的制作工艺（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。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是如何简化制作电热式mems驱动臂的加热电阻层工艺，提高加热电阻层工艺一致性和稳定性的技术问题。

本实用新型的技术方案：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的部分或整体进行掺杂形成的加热电阻层4。

该一种电热式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。

所述第一结构层6是金属铝或聚合物，所述第二结构层7是高阻硅或p型硅或n型硅。

所述被驱动单元9是微镜镜面或微结构平台。

所述电热式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。

所述电热式mems驱动臂是u形梁结构或带弯曲的梁结构。

所述电热式mems驱动臂上的第一结构层6不连续。

该一种电热式mems驱动臂还包括via通孔和金属引线，金属引线通过via通孔连接在加热电阻层4上。

本实用新型的优点：本发明创造的发明点在于硅既作为结构层的同时，由作为加热电阻层，免除了还要做加热电阻层的麻烦，采用离子注入的方法制作加热电阻层，简化了电热式mems驱动臂的加热电阻层的工艺步骤，提供了效率。

附图说明

图1是一种电热式mems驱动臂的结构示意图。

图2是图1中加热电阻层4的示意图。

图3是实施例1的制作流程示意图。

图4是实施例2的制作流程示意图。

图5是实施例3的制作流程示意图。

图6是实施例4的制作流程示意图。

图7是实施例5的制作流程示意图。

图8是实施例6的制作流程示意图。

图9是电热式mems驱动臂的俯视图。

图10是另一种电热式mems驱动臂的俯视图。

图11是图9加热发生的形变结果。

图12是图10加热发生的形变结果。

图13是多节电热式mems驱动臂的俯视图。

图14是多节电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。

图15是单节电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。

图16是两个电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。

图17是四个电热式mems驱动臂连接被驱动单元的俯视图。

图中，1是衬底，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，8是深硅刻蚀阻止层，9是被驱动单元。

具体实施方式

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的部分或整体进行掺杂形成的加热电阻层4。

该一种电热式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。

所述第一结构层6是金属铝或聚合物，所述第二结构层7是高阻硅或p型硅或n型硅。

所述被驱动单元9是微镜镜面或微结构平台。

所述电热式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。

所述电热式mems驱动臂是u形梁结构或带弯曲的梁结构。

所述电热式mems驱动臂上的第一结构层6不连续。

该一种电热式mems驱动臂还包括via通孔和金属引线，金属引线通过via通孔连接在加热电阻层4上。

实施例1

如图1、2，图9-17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。

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。

如图13、14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。

如图9、图10所示，该电热式mems驱动臂是u形梁结构，如图11、图12所示，该电热式mems驱动臂是带弯曲的梁结构。

该电热式mems驱动臂还包括via通孔和金属引线，金属引线通过via通孔连接在加热电阻层4上。

实施例2

如图3所示，一种制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂至少包括加热电阻层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）、选择高阻硅作为衬底1。

步骤2）、在衬底1上进行图形化，即均涂光刻胶（如图3a所示），然后进行光刻，形成预先设计的导电回路图形3的掩模，如图3b所示。

步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂（该离子可以是p型离子，也可以是n型离子），形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4，如图3c所示。

步骤4）、去除光刻胶2，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3d所示。此时，可以制作via通孔和金属引线，具体制作方法是：在绝缘层5上进行图形化，即均涂光刻胶，然后进行光刻，形成via掩模；利用via掩膜刻蚀绝缘层5，形成via通孔，之后去除via掩膜；在绝缘层5上沉积导电材料（例如金属薄膜），并光刻和刻蚀或liftoff形成金属引线。

步骤5）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料（例如沉积金属铝），并光刻和刻蚀或liftoff形成第一结构层6，如图3e所示；如果高热膨胀系数的材料与金属引线材料相同，金属引线与第一结构层6一同形成。

步骤6）、刻蚀衬底1的底部，留下设定厚度的高阻硅作为第二结构层7。

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。

在选择衬底1的材料时，可以是高阻硅、p型硅或n型硅。

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，掺杂浓度要远高于衬底1中p型离子的浓度；掺杂n型离子时，掺杂过后，与衬底1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。

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，掺杂浓度要远高于衬底1中n型离子的浓度；掺杂p型离子时，掺杂过后，与衬底1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。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于制作的电热式mems驱动臂没有绝缘层5。

一种制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂至少包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7，其特征在于包括如下步骤。

步骤1）、选择高阻硅作为衬底1。

步骤2）、在衬底1上进行图形化，即均涂光刻胶（如图4a所示），然后进行光刻，形成预先设计的导电回路图形3的掩模，如图4b所示。

步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1进行掺杂（该离子可以是p型离子，也可以是n型离子），形成导电回路，该导电回路作为加热电阻层4，如图4c所示。

步骤4）、去除光刻胶2，在加热电阻层4的上层制作高热膨胀系数的绝缘材料，并光刻和刻蚀或liftoff形成第一结构层6，如图4d所示。

步骤5）、刻蚀衬底1的底部，留下设定厚度的高阻硅作为第二结构层7。

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。

实施例4

如图5所示，本实施例是采用的是在裸硅片上使用多次离子掺杂工艺制作的方式实现的，利用高阻硅衬底1中p型离子参杂区形成的深硅刻蚀阻止层8，在使用koh或tmah湿法刻蚀硅衬底1形成第二结构层7时，刻蚀至深硅刻蚀阻止层8，会出现刻蚀自停止现象。相比soi硅片昂贵的价格，本实施案例可以在裸硅片上通过调节n型离子掺杂区的深度精确地控制第二结构层7的厚度，降低了器件成本。

一种制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂至少包括加热电阻层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）、选择高阻硅作为衬底1。

步骤2）、在衬底1上进行图形化（即在衬底1上均涂光刻胶，然后进行光刻），形成掩模图形，作为p型离子参杂区，如图5a所示。

其中，本步骤2）为可选步骤，即图形化后，步骤3）中掺杂的是p型离子参杂区；不图形化，则步骤3）中掺杂的是衬底1的表面。

步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1表面或p型离子参杂区进行p型离子重参杂，形成深硅刻蚀阻止层8，该深硅刻蚀阻止层8作为第二结构层7，如图5b所示。

步骤4）、在深硅刻蚀阻止层8上进行掩模并光刻（即在刻蚀阻止层8上匀涂光刻胶2，然后曝光显影），留出n型离子参杂区，如图5c所示。

步骤5）、将n型离子按照预先设计的导电回路图形3参杂到p型离子参杂区的内部，形成n型硅，该n型硅作为加热电阻层4，如图5d所示。

步骤6）、去除掩模（即去除光刻胶2），如图5e所示，在加热电阻层4的上制作绝缘材料（例如：沉积sio2层）作为绝缘层5，如图5f所示。此时可以制作via通孔和金属引线，制作方法同实施例1中的步骤4）。

步骤7）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料（例如：沉积金属铝膜）作为第一结构层6，如图5g所示。

步骤8）、使用koh或tmah湿法刻蚀衬底1的底部至深硅刻蚀阻止层8。

步骤9）、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8）和步骤9）可以互换，如图5h所示。

该电热式mems驱动臂在适用时，须保证加热电阻层4的电压高于深硅刻蚀阻止层8的电压，使形成的pn结反偏。

其中，在选择衬底1的材料时，可以是高阻硅、p型硅或n型硅。衬底1为p型硅时，掺杂浓度较低。

此外，在于步骤2）和步骤3）形成的深硅刻蚀阻止层8可采用外延的方式，生长在衬底1的上层，如图5i所示。

实施例5

如图6所示，本实施例与实施例3的区别在深硅刻蚀阻止层8既作为第二结构层7，又作为加热电阻层4，比实施例3的结构更加简单。

一种制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂至少包括加热电阻层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）、选择高阻硅作为衬底1。

步骤2）、在衬底1上进行图形化（即在衬底1上均涂光刻胶，然后进行光刻），形成掩模图形，作为p型离子参杂区，如图6a所示。

其中，本步骤2）为可选步骤，即图形化后，步骤3）中掺杂的是p型离子参杂区；不图形化，则步骤3）中掺杂的是衬底1的表面。

步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1表面或p型离子参杂区进行p型离子重参杂，形成深硅刻蚀阻止层8，该深硅刻蚀阻止层8既作为第二结构层7，同时也作为加热电阻层4，如图6b所示。

步骤4）、去除掩模（即去除光刻胶2），在加热电阻层4的上制作绝缘材料（例如：沉积sio2层）作为绝缘层5，如图6c所示。此时可以制作via通孔和金属引线，制作方法同实施例1中的步骤4）。

步骤5）、在绝缘层5上制作高热膨胀系数的材料（例如：沉积金属铝膜）作为第一结构层6，如图6d所示。

步骤6）、刻蚀衬底1的底部至加热电阻层4。

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，如图6e所示。

其中，在选择衬底1的材料时，可以是高阻硅、p型硅或n型硅。衬底1为n型硅时，衬底1的电压须高于深硅刻蚀阻止层8的电压，使形成的pn结反偏。

实施例6

本实施例与实施例3的区别在于没有绝缘层5。

一种制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂至少包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7，其特征在于包括如下步骤。

步骤1）、选择高阻硅作为衬底1。

步骤2）、在衬底1上进行图形化（即在衬底1上均涂光刻胶，然后进行光刻）形成掩模图形，作为p型离子参杂区，如图7a所示。

其中，本步骤2）为可选步骤，即图形化后，步骤3）中掺杂的是p型离子参杂区；不图形化，则步骤3）中掺杂的是衬底1的表面。

步骤3）、使用注入法或扩散法对衬底1表面或p型离子参杂区进行p型离子重参杂，形成深硅刻蚀阻止层8作为第二结构层7，如图7b所示。

步骤4）、在深硅刻蚀阻止层8上进行掩模并光刻，留出n型离子参杂区，如图7c所示。

步骤5）、将n型离子按照预先设计的导电回路图形3参杂到p型离子参杂区的内部，形成n型硅，该n型硅作为加热电阻层4，如图7d所示。

步骤6）、在加热电阻层4的上层制作高热膨胀系数的绝缘材料作为第一结构层6，如图7e所示。

步骤7）、刻蚀衬底1的底部至深硅刻蚀阻止层8。

步骤8）、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，步骤7）和步骤8）可以互换，如图7f所示。

该电热式mems驱动臂在适用时，须保证加热电阻层4的电压高于深硅刻蚀阻止层8的电压，使形成的pn结反偏。

其中，在选择衬底1的材料时，可以是高阻硅、p型硅或n型硅。衬底1为p型硅时，掺杂浓度较低。

实施例7

本实施例与实施例4的区别在于没有绝缘层5。

一种制作电热式mems驱动臂的方法，该电热式mems驱动臂至少包括加热电阻层4、第一结构层6、第二结构层7，其特征在于包括如下步骤。

步骤1）、选择高阻硅作为衬底1。

步骤2）、在衬底1上进行图形化（即在衬底1上均涂光刻胶，然后进行光刻），形成掩模图形，作为p型离子参杂区，如图8a所示。

其中，本步骤2）为可选步骤，即图形化后，步骤3）中掺杂的是p型离子参杂区；不图形化，则步骤3）中掺杂的是衬底1的表面。

步骤3）、使用注入法或扩散法对p型离子参杂区进行p型离子重参杂，形成深硅刻蚀阻止层8，该深硅刻蚀阻止层8既作为第二结构层7，同时也作为加热电阻层4，如图8b所示。

步骤4）、去除掩模（即去除光刻胶2），在加热电阻层4的上层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的底部至加热电阻层4。

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，在选择衬底1的材料时，可以是高阻硅、p型硅或n型硅。衬底1为n型硅时，衬底1的电压须高于深硅刻蚀阻止层8的电压，使形成的pn结反偏。

本申请实施例3中步骤8）、实施例4中步骤6）、实施例5中步骤7）、实施例6中步骤5）中刻蚀衬底1时，可利用电化学刻蚀方法实现自动停止，衬底1可为n型，p型或高阻硅；当衬底为n型时，上层硅为p型，形成pn结；当衬底为p型时，上层硅为n型，形成pn结；衬底为高阻硅时，上层硅可为n型或p型；之后通过电化学方式刻蚀衬底，刻蚀将在上层硅自动停止。