基於soi的連續薄膜式微變形鏡的製作方法
2023-05-24 12:49:36
專利名稱：基於soi的連續薄膜式微變形鏡的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微變形鏡，屬於自適應光學及微機電系統(MEMS)領域。
背景技術：
作為自適應光學系統的核心部件，變形鏡在軍事和民用領域擁有廣泛的應用前景。 使用MEMS技術製造的微變形鏡由於其體積小、成本低、響應快及集成度高等特點， 已成為,變形鏡研究的重要方向，而製造具有高光學效率的微變形鏡己成為研究的重點 和熱點。
絕緣體上矽(Silicon on Insulator, SOI)材料提供了一種"SrSiCVS;(矽—二氧化
矽一矽)"三層結構，其中的S,02層可作為深矽刻蝕的停止層，從而使得到高表面質
量的體矽薄膜成為可能。並且利用陽極鍵合技術將SOI片與玻璃基底鍵合得到鏡面與
電極間空腔，可以極大的提高鏡面的變形量，擴大變形鏡調製波長的範圍。
參照圖2，文獻Semicond. Sci. Technol, 1994. 9 157C-1572.《Flexible reflecting membranes micromachined in silicon》介紹了由荷蘭Delft大學的Gleb Vdovin禾CI Lina Sarro共同提出了氮化矽薄膜微變形鏡；氮化矽薄膜微變形鏡首先在矽片的兩面都澱積 一層厚500納米的氮化矽薄膜，然後在矽片背面以反應離子刻蝕方法(RIE)刻蝕氮 化矽得到後續溼法腐蝕窗口，用濃度33%的氫氧化鉀(KOH)溶液在85t:下刻蝕體 矽，當刻蝕到正面的氮化矽層時停止。之後在矽片背面濺射一層厚200納米的鋁以提 高其反射性，最後用粘合劑將鏡面層與帶有金屬電極的基底層粘合。該結構利用氮化 矽薄膜作為體矽刻蝕的停止層及鏡面，氮化矽薄膜在澱積時會留下很大的殘餘應力， 影響鏡面的平整度，也限制了鏡面的大小和厚度，無法作出具有大反射面積的微變形 鏡。而且氮化矽本身的機械性能不如體矽，在去掉驅動電壓後薄膜恢復初始形狀有一 定的遲滯，對微鏡的響應頻率影響較大；粘合劑的塗抹厚度誤差較大，會造成鏡面至 電極距離不一致，影響微變形鏡性能。
參照圖3 ，文獻United States Patent, 6,108,121， (Aug. 22, 2000)《Micromachined high reflectance deformable mirror》介紹了由美國Stanford大學的Justin D. Mansell禾卩Robert L.Byer共同提出了柱狀電極薄膜微變形鏡；首先在經過拋光的矽片正面製作一層複合 反射層，然後從矽片背面以溼法腐蝕刻蝕體矽，留下厚度10 40微米體矽薄膜及柱狀電極分別作為鏡面及上電極，之後與己製作了驅動電極及通氣孔的基底粘合。該結構 採用了以體矽工藝加工的單晶矽薄膜作為鏡面，避免了澱積式薄膜所固有的殘餘應力 等缺陷。但是其體矽刻蝕採用溼法腐蝕方法，在刻蝕深度達到幾百微米的情況下很難 精確控制刻蝕深度，因而鏡面厚度誤差大，製造重複性差；柱狀電極的採用增加了鏡 面的質量，降低了這種微變形鏡的響應速度，且柱狀電極在鏡面上形成了一塊剛性區 域，造成鏡面變形的不連續，給電極的尺寸設計帶來許多限制。
實用新型內容
為了克服現有技術的不足，本實用新型提供一種基於SOI的連續薄膜式微變形鏡
及其製備方法，避免了現有技術中澱積式薄膜所帶來的殘餘應力等缺陷，並且解決了
體矽工藝在深矽刻蝕中刻蝕深度的控制問題，利用SOI獨特的三層結構，可以方便的
得到具有高表面質量的懸浮體矽薄膜。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是包括SOI矽片的基底(Handle) 層l、絕緣層2和器件層3，以及變形鏡的鏡面4、鏡面至驅動電極的空腔5、驅動電 極6和玻璃基底7。其中，Handle層l、絕緣層2和器件層3為一張SOI矽片的三層 結構，Handle層1處於結構最上方，向下依次為絕緣層2和器件層3。對器件層3進 行刻蝕後餘下的體矽薄膜作為微鏡鏡面4，鏡面形狀可設為圓形或方形，而刻蝕的凹 槽在SOI矽片與玻璃基底鍵合後形成鏡面至驅動電極的空腔5，鏡面上方的Handle 1和絕緣i^ 2則以與器件層3刻蝕凹槽相同的形狀和位置作穿透刻蝕，使鏡面露出， 其中絕緣層2在被刻蝕之前作為Handle層1的深矽刻蝕停止層。驅動電極6分布在鏡 面至驅動電極的空腔5中，由濺射在玻璃基底7上的金屬經過刻蝕得到，電極形狀可 設為圓形或六邊形，分布規律可以根據不同要求設計為正交型排列或磚型排列。可在 變形鏡鏡面4上濺射一層金屬作為反射層以提高器件的反射效率。
採用SOI矽片厚度為350 400微米，其中絕緣層2厚度在數百納米到數微米之 間，可根據需要向供應商定製， 一般情況下厚的絕緣層可更好地起到刻蝕停止層的作 用；器件層3厚度在幾微米到幾十微米之間，也可以根據具體要求向供應商定製，但 其厚度應等於變形鏡鏡面4的厚度與鏡面至驅動電極的空腔5距離之和；變形鏡鏡面 4的厚度在2微米以上，但不宜高於40微米；鏡面至驅動電極空腔5的距離應在30 微米以下，但大的空腔距離能提供更大的鏡面變形量。其中變形鏡鏡面4的厚度及鏡面至驅動電極空腔5的距離應根據設計要求綜合考慮。
作為一種優選尺寸方案，所述的SOI矽片厚度400微米，其中絕緣層2厚300納 米，器件層3厚20微米，對器件層刻蝕15微米，鏡面4厚5微米，形狀設為圓形， 直徑1.2釐米，並且不在鏡面製作其他反射層。玻璃基底7採用矽酸鹽玻璃Pyrex7740， 驅動電極6材料選用鋁，濺射厚度0.4微米，電極形狀設為圓形，直徑500微米，電 極中心距1000微米，採用9X9正交形排列並去除12個單元，即在四角各去除最頂點 單元以及距離該單元最近的兩個單元。
本實用新型的有益效果是本實用新型所提出的薄膜式微變形鏡是以體矽工藝方 法製作的體矽薄膜作為鏡面，避免了以往澱積式薄膜所固有的殘餘應力等問題造成的 表面質量缺陷；採用SOI材料解決了深矽刻蝕中刻蝕深度控制問題，鏡面厚度得到有 效的控制。而且，鏡面可到達的最大變形量由刻蝕體矽的深度決定，不再受限於犧牲 層澱積厚度，大幅度的提高了變形鏡可調製光波波長的範圍。同時，該結構的鏡面反 射面沒有經過刻蝕工藝，保留了原材料所具有的高表面質量。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是本實用新型所述微變形鏡的結構示意圖； 圖2是現有氮化矽薄膜微變形鏡的結構示意圖； 圖3是現有柱狀電極薄膜微變形鏡的結構示意圖中，l一SOI矽片Handle層，2 —SOI矽片絕緣層，3 —SOI矽片器件層，4—鏡 面，5 —鏡面至驅動電極空腔，6 —玻璃基底，7 —驅動電極。
具體實施方式
具體實施例l:
參閱圖l，本實施例提供的基於SOI的薄膜式微變形鏡，包括鏡面層和基底層兩 部分。其中鏡面層由一張SOI矽片經過三次刻蝕完成，依次包括器件層3刻蝕、Handle 層1刻蝕及絕緣層2刻蝕。SOI矽片各層厚度可根據需要定製，器件層3厚度應為鏡 面至驅動電極空腔5及鏡面4厚度之和，絕緣層2應能提供足夠的抵抗ICP刻蝕時間， 以保證其下方器件層3體矽不被破壞，本實施例中採用的SOI矽片規格為直徑100毫 米，總厚400微米，其中器件層3厚20微米，絕緣層2厚0.3微米。器件層3的刻蝕深度即鏡面至驅動電極空腔5距離由變形鏡調製光波最大波長決定，本實施例中器件
層3刻蝕深度為15微米，採用感應耦合離子刻蝕方法(ICP)，其在淺矽刻蝕中刻蝕 深度可以得到有效的控制，變形鏡鏡面4厚度誤差小。Handle層1刻蝕深度一般在300 微米以上，採用ICP幹法刻蝕，當進行到絕緣層2時刻蝕停止，保護其下方的變形鏡 鏡面4不被破壞。絕緣層2刻蝕可用反應離子刻蝕(RIE)或氫氟酸(HF)溶液溼法 刻蝕，本實施例中採用的為RIE幹法刻蝕；基底層包括玻璃基底7及驅動電極6，驅 動電極由澱積在玻璃基底上的金屬層經過刻蝕完成，本實施例中電極金屬為鋁，採用 溼法刻蝕，刻蝕溶液為磷酸+硝酸溶液。電極形狀為圓形，排布形式釆用正交形排列。 具體實施例2:
參閱圖1，本實施例提供的基於SOI的薄膜式微變形鏡，包括鏡面層和基底層兩 部分。其中鏡面層由一張SOI矽片經過三次刻蝕完成，依次包括器件層3刻蝕、Handle 層1刻蝕及絕緣層2刻蝕。SOI矽片各層厚度可根據需要定製，器件層3厚度應為鏡 面至驅動電極空腔5及鏡面4厚度之和，絕緣層2應能提供足夠的抵抗ICP刻蝕時間， 以保證其下方器件層3體矽不被破壞，本實施例中採用的SOI矽片規格為"徑100 :嘗 米，總厚400微米，其中器件層3厚20微米，絕緣層2厚0.3微米。器件層3的刻蝕 深度即鏡面至驅動電極空腔5距離由變形鏡調製光波最大波長決定，本實施例中器件 層3刻蝕深度為15微米，採用感應耦合離子刻蝕方法(ICP)，其在淺矽刻蝕中刻蝕 深度可以得到有效的控制，變形鏡鏡面4厚度誤差小。Handle層1刻蝕深度380微米 左右，採用ICP幹法刻蝕，當進行到絕緣層2時刻蝕停止，保護其下方的變形鏡鏡面 4不被破壞。絕緣層2刻蝕可用反應離子刻蝕(RIE)或氫氟酸(HF)溶液溼法刻蝕， 本實施例中採用的為溼法刻蝕，刻蝕溶液為氫氟酸(HF)溶液；基底層包括玻璃基底 7及驅動電極6，驅動電極由澱積在玻璃基底上的金屬層經過刻蝕完成，本實施例中電 極金屬為鋁，採用溼法刻蝕，刻蝕溶液為磷酸+硝酸溶液。電極形狀為六邊形，其內 切圓直徑500微米，電極中心距1000微米，排布形式採用磚形排列。
權利要求1、基於SOI的連續薄膜式微變形鏡，包括SOI矽片的基底層、絕緣層和器件層，以及變形鏡的鏡面、鏡面至驅動電極的空腔、驅動電極和玻璃基底，其特徵在於所述的基底層、絕緣層和器件層為一張SOI矽片的三層結構，基底層處於結構最上方，向下依次為絕緣層和器件層；對器件層進行刻蝕後餘下的體矽薄膜作為微鏡鏡面，而刻蝕的凹槽在SOI矽片與玻璃基底鍵合後形成鏡面至驅動電極的空腔，鏡面上方的基底層和絕緣層則以與器件層刻蝕凹槽相同的形狀和位置作穿透刻蝕，使鏡面露出，驅動電極分布在鏡面至驅動電極的空腔中，由濺射在玻璃基底上的金屬經過刻蝕得到。
2、 根據權利要求1所述的基於SOI的連續薄膜式微變形鏡，其特徵在於所 述的鏡面形狀為圓形或方形。
3、 根據權利要求1所述的基於SOI的連續薄膜式微變形鏡，其特徵在於所 述的電極形狀為圓形或六邊形，分布規律為正交型排列或磚型排列。
4、 根據權利要求1所述的基於SOI的連續薄膜式微變形鏡，其特徵在於所述的變形鏡鏡面上濺射一層金屬作為反射層。
5、 根據權利要求1所述的基於SOI的連續薄膜式微變形鏡，其特徵在於所述的SOI矽片厚度400微米，其中絕緣層厚300納米，器件層厚20微米，對 器件層刻蝕15微米，鏡面厚5微米，形狀設為圓形，直徑1.2釐米，玻璃基底 採用矽酸鹽玻璃Pyrex7740，驅動電極材料選用鋁，濺射厚度0.4微米，電極形 狀設為圓形，直徑500微米，電極中心距1000微米，採用9X9正交形排列並 去除12個單元，即在四角各去除最頂點單元以及距離該單元最近的兩個單元。
專利摘要本實用新型公開了一種基於SOI的連續薄膜式微變形鏡，基底層、絕緣層和器件層為一張SOI矽片的三層結構，基底層處於結構最上方，向下依次為絕緣層和器件層；對器件層進行刻蝕後餘下的體矽薄膜作為微鏡鏡面，而刻蝕的凹槽在SOI矽片與玻璃基底鍵合後形成鏡面至驅動電極的空腔，鏡面上方的基底層和絕緣層則以與器件層刻蝕凹槽相同的形狀和位置作穿透刻蝕，使鏡面露出，驅動電極分布在鏡面至驅動電極的空腔中，由濺射在玻璃基底上的金屬經過刻蝕得到。本實用新型避免了表面質量缺陷，鏡面厚度得到有效的控制，大幅度的提高了變形鏡可調製光波波長的範圍，保留了原材料所具有的高表面質量。
文檔編號G02B26/08GK201331623SQ200820228469
公開日2009年10月21日 申請日期2008年12月25日 優先權日2008年12月25日
發明者喬大勇, 李曉瑩, 斌 燕, 力 田, 苑偉政 申請人:西北工業大學