閃耀角可調微機械光柵的製作方法

2023-10-08 06:13:44 1

專利名稱：閃耀角可調微機械光柵的製作方法
技術領域：
本發明屬於智能微型器件領域，主要涉及微機電系統(MEMS)技術、微加工技術以及光柵衍射技術等。
背景技術：
閃耀光柵能將出射光的絕大部分能量集中到某一特定方向或特定衍射級或特定波長上，極大提高了光柵的衍射效率，因此在各個領域得到了廣泛應用。閃耀角可調微機械光柵是一種全新概念下的光柵，以微機電系統(MEMS)為基礎,米用微加工技術製作。通過對光柵驅動電路的可編程控制，實現對光柵閃耀角的動態調製，從而使衍射光譜產生相應改變。閃耀角可調微機械光柵具有響應速度快、成本低、可大批量生產等特點，在應用中較傳統光柵具有更大的靈活性，極大拓展了光柵的應用空間，提高了系統的微型化、集成化及智能化水平。美國空軍技術學院的D.M.Burns等人於1997年報導了幾種閃耀角可調微機械光柵(10th IEEE Int，I Conf.0n Micro Electro MechanicalSystems (MEMS), 1997, pp.55;Proc.SPIE, 1997, 3131:99.)，採用標準化的 MUMPs 三層多晶娃表面微加工工藝，實現的最大可工作閃耀角對於雙向扭轉靜電驅動式為1.25° ,對於熱驅動式為0.86°。2002年，美國加州大學和史丹福大學的研究人員報導了一種相位和閃耀角同時可調的微機械光柵(Sensor.Actuat.A, 2002, 97-98:21.)，採用上下四組梳齒驅動器提供驅動力，由MUMPs工藝製作，實驗測得的最大可工作閃耀角在0.8° 1.0°之間。可以看出，採用標準化表面微加工技術製備的閃耀角可調微機械光柵的最大可工作閃耀角非常有限，主要是因為表面工藝中可利用的空氣間隙非常小，通常只有2μπι左右。為了提高最大可工作閃耀角，本研究組提出了一種基於兩層多晶矽表面微加工技術，通過大幅度增大Dimple結構的深度來充分利用有限的空氣間隙，實現的最大可工作閃耀角超過 5.1。(光學學報，2008，28:2220;Microsyst.Technol.，2009，15:853;中國雷射，2008，35:211; Chinese Sc1.Bull.，2010，53:1.)。然而，通過研究發現，利用表面工藝製作的微機械光柵，光學工作面的表面粗糙度較大，同時釋放孔等工藝結構的引入減小了有效光學工作面積，這些都直接影響了器件的最終衍射效率。

發明內容
本發明的目的是:為了克服表面加工閃耀角可調微機械光柵的最大可工作閃耀角小、光學衍射效率低等方面的不足，本發明提出了一種新型的閃耀角可調微機械光柵製作工藝。本發明的技術方案是:參閱圖1，所述的閃耀角可調微機械光柵包含基底I和置於基底I上的N組光柵單元；每組光柵單元包括一個下電極2、一個扭轉支點3和一個光柵反射梁4 ;所述下電極2置於基底I上；所述扭轉支點3及光柵反射梁4基於同一材料加工而成；光柵反射梁4通過支撐梁16與錨點12相連，懸置於基底I上；所述扭轉支點3通過接觸點向下懸置於光柵反射梁4上，且扭轉支點3的下端與基底I形成間隙；第i組光柵單元的下電極2與光柵反射梁4之間連接有驅動電壓源5，電壓為Vi，當驅動電壓Vi接通時，第i組光柵單元的扭轉支點3和光柵反射梁4在靜電力作用下向下運動；當扭轉支點3與基底I接觸之後，光柵反射梁4開始繞接觸點扭轉，產生的扭轉角Θ i ;參閱圖2，當N組光柵單元的驅動電壓Vi相等時，光柵反射梁4產生的扭轉角Θ i相等，扭轉角Θ i即為光柵的閃耀角；參閱圖3，當N組光柵單元的驅動電壓Vi不相等時，光柵反射梁4產生的扭轉角Θ i不相等，從而可實現更加複雜的衍射光譜。參閱圖4，所述閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝，包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖4 (a)，在基底I上刻蝕出淺槽10 ；步驟2:參閱圖4(b)，在基底I的淺槽10 —側澱積一層金屬薄膜，並刻蝕出圖形，形成下電極2 ；步驟3:參閱圖4(c)，在導電的光柵結構材料11的一側刻蝕出一定高度的扭轉支點3，以及錨點12 ；步驟4:參閱圖4 (d)，將由步驟2和步驟3得到的結構通過錨點12鍵合在一起；步驟5:參閱圖4(e)，將光柵結構材料11減薄至所需厚度；步驟6:參閱圖4(f)，對光柵結構材料11進行刻蝕，得到光柵反射梁4，它通過支撐梁16與錨點12相連。參閱圖5，第二種所述閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝，包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖5 (a)，在基底I上澱積一層金屬薄膜，並刻蝕出圖形，形成下電極2 ；步驟2:參閱圖5(b)，在導電的光柵結構材料11的一側刻蝕出一定高度的扭轉支點3，以及錨點12 ；步驟3:參閱圖5 (C)，對形成的扭轉支點3以及錨點12進行刻蝕，使扭轉支點3的高度低於錨點12的高度。步驟4:參閱圖5 (d)，將由步驟I和步驟3得到的結構通過錨點12鍵合在一起；步驟5:參閱圖5(e)，將光柵結構材料11減薄至所需厚度；步驟6:參閱圖5(f)，對光柵結構材料11進行刻蝕，得到光柵反射梁4，它通過支撐梁16與錨點12相連。本發明的有益效果是:本發明提出的用於閃耀角可調微機械光柵的製作工藝，採用體矽幹法刻蝕技術結合化學機械拋光減薄技術，能夠將光學工作面的表面粗糙度控制在納米級，可極大提高器件的光學效率；同時，具有比表面工藝大的多、且工藝可調的空氣間隙，能大幅度提高器件的最大可工作閃耀角。本發明將促進閃耀角可調微機械光柵在實際系統中的應用。


圖1至圖3是本專利方法所涉及的閃耀角可調微機械光柵工作示意圖；圖4是實施例1中閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝示意圖5是實施例2中閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝示意圖；圖6是實施例3中閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝示意圖。其中:1-基底；2_下電極；3_扭轉支點；4_光柵反射梁；5_電壓源；10_淺槽；11-光柵結構材料；12-錨點；13-基底矽；14-氧化層；15-器件矽；16-支撐梁。
具體實施例方式實施例1參閱圖4，本實施例中用於閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝，包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖4 (a)，在矽基底I上刻蝕出I 2 μ m深的淺槽10 ；步驟2:參閱圖4 (b)，在矽基底I的淺槽10 —側澱積一層IOOnm厚的金膜，並刻蝕出圖形，形成下電極2 ;步驟3:參閱圖4 (C)，在摻雜矽光柵結構材料11的一側刻蝕出5 μ m高的扭轉支點3，以及錨點12 ；步驟4:參閱圖4 (d)，將由步驟2和步驟3得到的結構通過錨點12鍵合在一起；步驟5:參閱圖4 (e)，將摻雜矽光柵結構材料11減薄至5 μ m厚；步驟6:參閱圖4(f)，對摻雜矽光柵結構材料11進行刻蝕，得到光柵反射梁4，它通過支撐梁16與錨點12相連。實施例2參閱圖5，本實施例中用於閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝，包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖5(a)，在矽基底I上澱積一層IOOnm厚的銀膜，並刻蝕出圖形，形成下電極2 ；步驟2:參閱圖5 (b)，在摻雜矽光柵結構材料11的一側刻蝕出5 μ m高的扭轉支點3，以及錨點12 ；步驟3:參閱圖5 (C)，對形成的扭轉支點3以及錨點12進行刻蝕，使扭轉支點3的高度低於錨點12的高度。步驟4:參閱圖5 (d)，將由步驟I和步驟3得到的結構通過錨點12鍵合在一起；步驟5:參閱圖5 (e)，將摻雜矽光柵結構材料11減薄至5 μ m厚；步驟6:參閱圖5 (f)，對摻雜矽光柵結構材料11進行刻蝕，得到光柵反射梁4，它通過支撐梁16與錨點12相連。實施例3參閱圖6，本實施例中用於閃耀角可調微機械光柵的體矽幹法刻蝕工藝，包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖6 (a)，在玻璃基底I上刻蝕出I 2 μ m深的淺槽10 ；步驟2:參閱圖6 (b)，在玻璃基底I的淺槽10 —側澱積一層150nm厚的金膜，並刻蝕出圖形，形成下電極2 ;步驟3:參閱圖6 (C)，採用SOI矽片作為光柵結構材料11，它包括400 μ m厚的基底矽13、1μπι厚的氧化層14以及15 μ m厚的器件矽15。在器件矽15上刻蝕出IOym高的扭轉支點3，以及錨點12 ;步驟4:參閱圖6 (d)，將由步驟2和步驟3得到的結構通過錨點12鍵合在一起；步驟5:參閱圖6 (e)，刻蝕掉光柵結構材料11的基底矽13和氧化層14，剩下5 μ m厚的器件娃15。步驟6:參閱圖6(f)，對器件矽15進行刻蝕，得到光柵反射梁4，它通過支撐梁16與錨點12相連。
權利要求
1.閃耀角可調微機械光柵的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1:在基底(I)上刻蝕出淺槽(10)； 步驟2:在基底(I)的淺槽(10)—側澱積一層金屬薄膜，並刻蝕出圖形，形成下電極(2)； 步驟3:在導電的光柵結構材料(11)的一側刻蝕出扭轉支點(3)，以及錨點(12)； 步驟4:將由步驟2和步驟3得到的結構通過錨點(12)鍵合在一起； 步驟5:將光柵結構材料(11)減薄至所需厚度； 步驟6:對光柵結構材料(11)進行刻蝕，得到光柵反射梁(4)，它通過支撐梁(16)與錨點(12)相連。
2.閃耀角可調微機械光柵的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1:在基底(I)上澱積一層金屬薄膜，並刻蝕出圖形，形成下電極(2)； 步驟2:在導電的光柵結構材料(11)的一側刻蝕出一定高度的扭轉支點(3)，以及錨點 (12)； 步驟3:對形成的扭轉支點(3)以及錨點(12)進行刻蝕，使扭轉支點(3)的高度低於錨點(12)的高度。
步驟4:將由步驟I和步驟3得到的結構通過錨點(12)鍵合在一起； 步驟5:將光柵結構材料(11)減薄至所需厚度； 步驟6:對光柵結構材料(11)進行刻蝕，得到光柵反射梁(4)，它通過支撐梁(16)與錨點(12)相連。
全文摘要
本發明公開了兩種基於體矽幹法刻蝕技術的閃耀角可調微機械光柵的製作方法，主要涉及微機電系統(MEMS)技術、微加工技術以及光柵衍射技術等。該方法包括刻蝕淺槽、澱積金屬薄膜並刻蝕形成下電極、刻蝕出扭轉支點和錨點、鍵合、減薄、刻蝕得到光柵反射梁等過程。該方法能夠將光學工作面的表面粗糙度控制在納米級，可極大提高器件的光學效率；同時，具有比表面工藝大的多、且工藝可調的空氣間隙，能大幅度提高器件的最大可工作閃耀角。本發明將促進閃耀角可調微機械光柵在實際系統中的應用。
文檔編號B81C1/00GK103076676SQ20131001981
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者虞益挺, 苑偉政, 喬大勇 申請人:西北工業大學