一種溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡及其製作方法

2023-06-12 18:35:16

專利名稱：一種溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡及其製作方法
一種溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡及其製作方法所屬領域本發明屬於微光機電系統(MOEMS)領域，主要涉及一種微扭轉鏡及其製作方法。
背景技術：
微扭轉鏡與傳統光束偏轉元件相比，具有能耗小、微型化、易集成等優點，加之其在通信、消費電子、生物醫藥、軍事國防等領域的應用不斷擴展，逐漸成為光學MEMS領域研究的熱點。靜電梳齒驅動微扭轉鏡具有結構簡單、單位能量密度大、轉動角度大的特點，是未來最具商業化前景的微扭轉鏡形式之一。鑑於微扭轉鏡有著廣闊的商業前景，特別是基於單片絕緣體上矽(SOI)矽片的垂直梳齒驅動微扭轉鏡，大大簡化了製作工藝的成本和難度，為微扭轉鏡的研究開闢了新的天地。為此，近年來，國際上很多公司和研究院校的科研人員參加到各種形式的垂直梳齒驅動微扭轉鏡的研發當中。1999年，康奈爾大學採用表面工藝結合深度反應離子刻蝕(DRIE)體矽工藝，製作了 Maggered Vertical Comb (SVC)微扭轉鏡，在18V電壓驅動下轉角僅為1. 1°，但此研究開闢了垂直梳齒驅動微扭轉鏡結構的先河；加州大學伯克利分校於2000年研製出基於矽矽鍵合工藝的SVC微扭轉鏡，在交流電壓驅動下，其掃描角度達到24. 9° ；2002年加州大學洛杉磯分校的PR. Patterson研究小組提出了 Angular Vertical Comb (AVC)驅動器能有效提高微扭轉鏡的靜態轉角，但是其AVC採用光刻膠鉸鏈製作，工藝可操作性差； 這些報導的微扭轉鏡都是工作在開環控制下，其受外界的影響較大，為了更好的實現扭轉鏡穩定的轉動，一般通過檢測電容的變化來反饋信息對其實行閉環控制。在文獻《Driver ASIC for synchronized excitation of resonant micromirrors》中，Roscher, K.等人通過特殊的集成電路設計來對電容變化的檢測實行閉環控制，但往往這種電容的信號是非常微弱的，並且光的檢測技術要求更高的精度，所以這種方法實現起來有很大的難度；2010 年 A. Tortschanoff 等人在文獻《Optical Position Feedback and Phase Control of MOEMS-Scanner Mirrors))提出，通過採用雷射束在鏡面的背面反射，外加高速光電探測器來快速的檢測光的反射並以此確定參數來實現系統的閉環控制，但這種方式需要外加高速光電探測器和觸發二極體來實現，使整個系統的設計變得複雜，成本增加。綜上所述，為了實現微扭轉鏡更加穩定的工作，一般採用電容檢測的方式來實現閉環控制，但現有的方法存在反饋信號弱，系統實現複雜，精確度低等問題。如果直接檢測鏡面梳齒的電容，當連接鏡面的錨點和固定梳齒端錨點加上驅動電壓後，若將其作為電容信號檢測的兩端，則驅動信號和檢測信號混疊，無法準確實現加電壓後梳齒間的電容的測量，從而無法實現微扭轉鏡的閉環控制。

發明內容
本發明的目的是為了克服微扭轉鏡器件在連接鏡面的錨點和固定梳齒端錨點加電壓後，梳齒電容很難被準確測量這一問題，本發明提出一種溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡及其製作方法，該微扭轉鏡採用溝槽填充技術來使的鏡面分為加電後導電部分和加電後不導電部分，這樣能有效的測量其微扭轉鏡的梳齒電容，以使來更好的完成信息的反饋，並利用閉環控制使微扭轉鏡達到更穩定的狀態。本發明的技術方案是參閱圖1，一種溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡，包括鏡面，其特徵在於，所述的鏡面由被溝槽隔離開的導電鏡面1和隔離鏡面2組成；導電鏡面1和隔離鏡面2各通過一根支撐梁5，分別與加電引線錨點7和測試引線錨點6連接，使得整個鏡面由支撐梁5支撐懸置在兩個錨點中間；鏡面上的溝槽被兩邊為二氧化矽4，中間為多晶矽3的夾心式材料填充，二氧化矽4的作用是將鏡面絕緣開，而填充的多晶矽3則起到對兩個分開的導電鏡面1和隔離鏡面2的機械連接作用；所述導電鏡面1上布有活動梳齒8，固定在加電引線固定錨點11上的固定梳齒9與之構成驅動梳齒對；所述隔離鏡面2上也布有活動梳齒8，固定在測試引線固定錨點10上的固定梳齒9與之構成檢測梳齒對。參閱圖2，所述的溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡的製作方法，其主要是對溝槽隔離部分工藝的描述，包括如下步驟步驟1 清洗SOI矽片後，光刻以及ICP刻蝕器件層，在器件層加工出未加工溝槽的鏡面、支撐梁5、可動梳齒8、固定梳齒9、加電引線錨點7、加電引線固定錨點11、測試引線錨點6、測試引線固定錨點10結構；步驟2 參閱圖2 (a)，在矽片的器件層上塗光刻膠12，光刻後在其上形成光刻膠上的溝槽窗口 13結構，光刻膠上的溝槽窗口 13對應的是鏡面上的隔離槽窗口 ；步驟3 參閱圖2 (b)，以光刻膠12為掩模對器件層鏡面進行ICP刻蝕，刻蝕到鏡面下的二氧化矽絕緣層為止，形成鏡面上的溝槽窗口 14，然後去除光刻膠12 ；步驟4 參閱圖2 (C)，對器件層進行氧化，使得包括鏡面，溝槽的側壁及溝槽底部溼氧化一層二氧化矽層，這其中溝槽側壁的二氧化矽層是我們所需要的，這將形成鏡面溝槽側壁隔離物二氧化矽4 ；步驟5 參閱圖2(d)，給器件層所氧化的二氧化矽層上再沉積一層多晶矽層，保證多晶矽填滿溝槽，以免造成鏡面的不平整使得最後器件測試時對光的反射有損失；步驟6 參閱圖2(e)，機械拋光鏡面上溝槽外的多晶矽層，再去除除溝槽側壁之外表面的二氧化矽層，最終形成溝槽裡兩邊的二氧化矽4以及中間的多晶矽3 ；步驟7 參閱圖2(f)，對整張矽片進行背面的光刻及ICP深刻蝕，形成提供微扭轉鏡轉動空間的背腔，在氫氟酸溶液中釋放結構，去除微扭轉鏡底下的二氧化矽犧牲層，以此形成利用溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡結構。本發明的有益效果是本發明提出的溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡，理論上，當在加電引線錨點7和加電引線固定錨點11不加驅動電壓時，微扭轉鏡在平衡位置，如果加電引線錨點7和加電引線固定錨點11組成的驅動梳齒對加上驅動電壓後，微扭轉鏡面在嚴格意義上的平衡位置是不能起振的，但由於工藝誤差的存在，是不可能製造出鏡面處於嚴格意義上的平衡位置，所以我們利用鏡面上活動梳齒8和固定梳齒9之間的相對誤差距離來將其加驅動電壓信號後起振。工作時，加電引線錨點7通電後，導電鏡面1和其上的活動梳齒8通電，驅動梳齒對在靜電力作用下帶動整個鏡面轉動；由於隔離鏡面2通過溝槽與導電鏡面1隔離開，溝槽兩邊填充的二氧化矽層4絕緣，因此隔離鏡面2是不導電的，這樣，就可以通過不帶電的檢測梳齒對得到鏡面轉動引起的準確電容值，這樣我們就避免了整個鏡面帶電而不能測量梳齒電容的問題，以此來更好的實行閉環系統。總之，本發明提出的溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡，整個器件結構簡單，設計方法新穎，效果顯著，能夠有效的測量出活動梳齒和固定梳齒之間電容，很好的實現系統的閉環控制，為微扭轉鏡器件的性能可靠性和準確性提供了保障，使其具有更為廣闊的市場前景。


圖1是本發明提出的溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡俯視2是本發明提出的溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡的製作方法示意中1-導電鏡面，2-隔離鏡面，3-多晶矽，4-二氧化矽，5-支撐梁，6-測試引線錨點，7-加電引線錨點，8-活動梳齒，9-固定梳齒，10-測試引線固定錨點，11-加電引線固定錨點，12-光刻膠，13-光刻膠上的溝槽窗口，14-鏡面上的溝槽窗口。具體實施方法本實施例中的溝槽溝離鏡面的微扭轉鏡，包括鏡面，其特徵在於，所述的鏡面由被溝槽隔離開的導電鏡面1和隔離鏡面2組成；導電鏡面1和隔離鏡面2各通過一根支撐梁 5，分別與加電引線錨點7和測試引線錨點6連接，使得整個鏡面由支撐梁5支撐懸置在兩個錨點中間；鏡面上的溝槽被兩邊為二氧化矽4，中間為多晶矽3的夾心式材料填充，二氧化矽層4的作用是將鏡面絕緣開，而填充的多晶矽3則起到對兩個分開的導電鏡面1和隔離鏡面2的機械連接作用；所述導電鏡面1上布有活動梳齒8，固定在加電引線固定錨點11 上的固定梳齒9與之構成驅動梳齒對；所述隔離鏡面2上也布有活動梳齒8，固定在測試引線固定錨點10上的固定梳齒9與之構成檢測梳齒對。參閱圖2，所述的溝槽溝離鏡面的微扭轉鏡的製作方法，其主要是對溝槽隔離部分工藝的描述，包括如下步驟步驟1 清洗SOI矽片後，光刻以及ICP刻蝕器件層，在器件層加工出未加工溝槽的鏡面、支撐梁5、可動梳齒8、固定梳齒9、加電引線錨點7、加電引線固定錨點11、測試引線錨點6、測試引線固定錨點10結構；步驟2 參閱圖2 (a)，在矽片的器件層上塗光刻膠12，光刻後在其上形成光刻膠上的溝槽窗口 13結構，光刻膠上的溝槽窗口 13對應的是鏡面上的隔離槽窗口 ；步驟3 參閱圖2 (b)，以光刻膠12為掩模對器件層鏡面進行ICP刻蝕，刻蝕到鏡面下的二氧化矽絕緣層為止，形成鏡面上的溝槽窗口 14，然後去除光刻膠12 ；步驟4 參閱圖2 (C)，使用氧化擴散爐對器件層進行溼氧化，使得包括鏡面，溝槽的側壁及溝槽底部溼氧化一層二氧化矽層，這其中溝槽側壁的二氧化矽層是我們所需要的，這將形成鏡面溝槽的隔離物二氧化矽4 ；步驟5 參閱圖2 (d)，使用LPCVD設備給器件層所氧化的二氧化矽層上再沉積一層多晶矽層，保證多晶矽填滿溝槽，以免造成鏡面的不平整使得最後器件測試時對光的反射有損失；步驟6 參閱圖2(e)，使用化學機械拋光(CMP)去除鏡面上溝槽外的多晶矽層，然後用體積比氫氟酸水為1 10的稀釋氫氟酸溶液去除除溝槽側壁之外表面的二氧化矽層，最終形成溝槽裡兩邊的二氧化矽4以及中間的多晶矽3 ；
步驟7 參閱圖2 (f)，對整張矽片進行背面的光刻及ICP深刻蝕，形成提供微扭轉鏡轉動空間的背腔，在氫氟酸溶液中釋放結構，去除微扭轉鏡底下的二氧化矽犧牲層，以此形成利用溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡結構。
權利要求
1.一種溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡，包括鏡面，其特徵在於，所述的鏡面由被溝槽隔離開的導電鏡面(1)和隔離鏡面(2)組成；導電鏡面(1)和隔離鏡面(2)各通過一根支撐梁 (5)，分別與加電引線錨點(7)和測試引線錨點(6)連接，使得整個鏡面由支撐梁(5)支撐懸置在兩個錨點中間；鏡面上的溝槽被兩邊為二氧化矽G)，中間為多晶矽(3)的夾心式材料填充；所述導電鏡面(1)上布有活動梳齒(8)，固定在加電引線固定錨點(11)上的固定梳齒(9)與之構成驅動梳齒對；所述隔離鏡面(2)上也布有活動梳齒(8)，固定在測試引線固定錨點(10)上的固定梳齒(9)與之構成檢測梳齒對。
2.一種如權利要求1所述的溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟步驟1 清洗SOI矽片後，光刻以及ICP刻蝕器件層，在器件層加工出未加工溝槽的鏡面、支撐梁(5)、可動梳齒(8)、固定梳齒(9)、加電引線錨點(7)、加電引線固定錨點(11)、測試引線錨點(6)、測試引線固定錨點(10)結構；步驟2 在矽片的器件層上塗光刻膠(1 ，光刻後在其上形成光刻膠上的溝槽窗口 (13)結構，光刻膠上的溝槽窗口(13)對應的是鏡面上的隔離槽窗口 ；步驟3 以光刻膠(1 為掩模對器件層鏡面進行ICP刻蝕，刻蝕到鏡面下的二氧化矽絕緣層為止，形成鏡面上的溝槽窗口(14)，然後去除光刻膠(12)；步驟4 對器件層進行氧化，使得包括鏡面，溝槽的側壁及溝槽底部溼氧化一層二氧化矽層，這其中溝槽側壁的二氧化矽層將形成鏡面溝槽側壁隔離物二氧化矽；步驟5 給器件層所氧化的二氧化矽層上再沉積一層多晶矽層，保證多晶矽填滿溝槽， 以免造成鏡面的不平整使得最後器件測試時對光的反射有損失；步驟6 機械拋光鏡面上溝槽外的多晶矽層，再去除除溝槽側壁之外表面的二氧化矽層，最終形成溝槽裡兩邊的二氧化矽以及中間的多晶矽(3)；步驟7 對整張矽片進行背面的光刻及ICP深刻蝕，形成提供微扭轉鏡轉動空間的背腔，在氫氟酸溶液中釋放結構，去除微扭轉鏡底下的二氧化矽犧牲層，以此形成利用溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡結構。
全文摘要
本發明公開了一種溝槽隔離鏡面的微扭轉鏡及其製作方法，屬於微光機電系統(MOEMS)領域。該微扭轉鏡的鏡面由被溝槽隔離開的導電鏡面1和隔離鏡面2組成，所述溝槽被兩邊為二氧化矽4，中間為多晶矽3的夾心式材料填充。工作時，加電引線錨點7通電後，導電鏡面1和其上的活動梳齒8通電，驅動梳齒對在靜電力作用下帶動整個鏡面轉動；由於溝槽的存在，隔離鏡面2不導電，這樣就可以通過不帶電的檢測梳齒對得到鏡面轉動引起的準確電容值。整個器件結構簡單，設計方法新穎，效果顯著，能夠有效的測量出活動梳齒和固定梳齒之間電容，很好的實現系統的閉環控制，為微扭轉鏡器件的性能可靠性和準確性提供了保障，使其具有更為廣闊的市場前景。
文檔編號G02B26/08GK102269868SQ20111019162
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者喬大勇, 劉耀波, 康寶鵬, 燕斌 申請人:西安勵德微系統科技有限公司