一種矽基可變形反射鏡及其製作方法

2023-10-28 22:58:47

專利名稱：一種矽基可變形反射鏡及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種反射鏡及其製作方法，特別是涉及一種可變形反射鏡及其製作方法。
背景技術：
目前，可變形反射鏡大都採用的是壓電驅動方式，即通過施加電壓，引起材料膨脹或收縮，從而帶動鏡面變形。其缺點在於①系統體積龐大；②驅動電壓大(上千伏)，且變形量小；③單個驅動單元造價昂貴；④由於壓電材料的性質決定了整個系統的響應速度較慢，因而其應用大多數只限於地面大型天文望遠鏡的自適應光學系統中。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足之處，提供一種矽基可變形反射鏡及其製作方法，該反射鏡體積小、重量輕、能耗低且成本低廉，能滿足自適應光學系統日益小型化的要求。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案是一種矽基可變形反射鏡包括矽片和玻璃片，矽片由鍵合區、矽膜及與矽膜下表面連為一體的至少一個矽臺柱構成，矽膜的上表面為反射面，在玻璃片上具有引線、壓焊點及與矽臺柱相對應的驅動電極，玻璃片和矽片由鍵合區相固定，當給驅動電極施加電壓時，產生的靜電力驅動矽臺柱向下運動，從而帶動矽膜發生變形。
一種製作矽基可變形反射鏡的方法，包括(1)用溼化學方法或幹法或溼化學方法和幹法同時使用，在矽片上刻出矽膜及與矽膜連為一體的至少一個矽臺柱；(2)用剝離方法在玻璃片上加工出引線、壓焊點及與矽臺柱相對應的驅動電極；(3)採用陽極鍵合或者用導電環氧樹脂將矽片與玻璃片粘結在一起。
本發明的優點在於本發明是以微電機系統MEMS技術為基礎的，藉助半導體工業中一套成熟的加工工藝，如材料澱積、光刻等來進行反射鏡的製造，不僅成品率較高，還可像集成電路一樣，容易進行大批量生產，從而大大降低單個器件的成本。同時，加工出的可變形反射鏡具有體積小、重量輕、高鏡面質量和低能耗的性能。


圖1是可變形反射鏡一種實施例的結構示意圖。
圖2是圖1反射鏡的剖面圖。
圖3是圖1中玻璃片的結構示意圖。
圖4是用於在矽片上第一次光刻的一種掩膜板平面圖(用來定義出鍵合區部分)。
圖5是用於在矽片上第二次光刻的一種掩膜板平面圖(用來定義出矽臺柱部分)。
圖6(a)～圖6(h)是矽片在不同加工階段的工藝流程圖。
圖7(a)～圖7(e)是玻璃片在不同加工階段的工藝流程圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2和圖3所示，本發明包括矽片1和玻璃片2，矽片1由鍵合區7、矽膜3及與矽膜3下表面連為一體的矽臺柱5陣列構成，矽膜3的上表面為反射面，在玻璃片2上具有引線8、壓焊點9及與矽臺柱5陣列相對應的驅動電極6，玻璃片2和矽片1由鍵合區7相固定，當給驅動電極6施加電壓時，產生的靜電力驅動矽臺柱5向下運動，從而帶動矽膜3發生變形，引起鏡面的曲率發生變化。通過控制不同位置的驅動電極6的電壓的大小，可獲得具有不同型面的鏡面。
在矽膜3的上表面可鍍有一層金膜4，由於金存在較大的拉應力，這會引起矽膜變形，從而影響矽面的平整度，因此，在保證高反射率的前提下，儘可能的減小金膜厚度。
由於不同的矽晶面具有不同的腐蝕速率，因而最終獲得的臺柱形狀與所選用的矽片取向有關。對於(100)矽片，獲得的將是四稜台結構、且其側面與上下表面的夾角為54.74°，而對於(110)矽片，將獲得具有垂直側壁的四稜柱結構。
一種矽基可變形反射鏡製作方法，可包括用通常的溼化學方法和幹法，在矽片1上刻出鍵合區7、矽膜3及與矽膜3連為一體的矽臺柱5陣列，具體製作方法為(1)對矽片1進行相應處理，即拋光和清洗。最常見的拋光方法是化學機械拋光，清洗去除矽片1表面殘餘的有機物、顆粒和金屬雜質。
(2)在矽片1下、上表面同時澱積掩膜材料，依次完成熱氧化生長二氧化矽10和14、低壓化學氣相澱積氮化矽11和15、低壓化學氣相澱積二氧化矽12和16、低壓化學氣相澱積氮化矽13和17，各層厚度均為1000，如圖6(a)所示。矽片1上表面用來保護拋光面免受腐蝕液的侵襲，而矽片1下表面是作為其後腐蝕時的掩膜材料。
(3)使用圖4所示的掩膜板圖形，在不作為反射面的矽片1下表面進行第一次光刻，用反應離子刻蝕或等離子刻蝕去除部分氮化矽13，緩衝氫氟酸BHF去除部分二氧化矽12，從而將此次光刻圖形轉移到氮化矽13和二氧化矽12中，如圖6(b)所示。刻蝕條件可為80mtorr氣壓，100W射頻功率，30sccm六氟化硫流量和20sccm氦氣流量，緩衝氫氟酸腐蝕液溫度為30℃，且由體積比為5∶1的氟化氨水溶液與氫氟酸混和而成。
(4)使用圖5所示的掩膜板圖形，在矽片1下表面進行第二次光刻，用反應離子刻蝕或等離子刻蝕去除部分氮化矽11、緩衝氫氟酸BHF去除部分二氧化矽10，從而將此次光刻圖形轉移到氮化矽11和二氧化矽10中，如圖6(c)所示。刻蝕條件同(3)。
(5)進行第一次氫氧化鉀KOH腐蝕，以溫度為80℃、濃度為30％的氫氧化鉀水溶液作為腐蝕液，腐蝕深度為365μm，如圖6(d)所示。也可採用四甲基氫氧化銨TMAH進行腐蝕。
(6)用反應離子刻蝕或等離子刻蝕完全去除含有第一次光刻圖形的氮化矽13、二氧化矽12、暴露在外面的部分氮化矽11和二氧化矽10，如圖6(e)所示。刻蝕條件可為50mtorr氣壓，300W射頻功率，4sccm六氟化硫流量、60sccm甲烷流量和20sccm氦氣流量。
(7)進行第二次氫氧化鉀KOH腐蝕，方法同(5)，深度為5μm，如圖6(f)所示。此時對應的矽膜3厚度為30μm。通過調整腐蝕深度，可控制矽膜3的厚度及臺柱5表面到驅動電極6的距離。矽膜3如果太薄，則鏡面容易破裂，太厚則鏡面剛度較大，變形將較困難，同時，在一定靜電力的前提下，驅動電壓與間距成正比，但如果間距過小，又會降低變形範圍，因此，要在這兩方面進行折中。
(8)用反應離子刻蝕或等離子刻蝕完全去除矽片1上剩餘的氮化矽11、15、17和二氧化矽10、14、16，如圖6(g)所示。刻蝕條件同(6)。此時，在矽片1上刻出鍵合區7、矽膜3及與矽膜3連為一體的矽臺柱5陣列。
(9)在作為反射面的矽膜3的上表面可濺射一層介質膜或金膜4，厚度為700，如圖6(h)所示。濺射條件可為200W濺射功率、氬氣Ar作為濺射氣體腔體真空度為3.1/6.3-7。
用通常的剝離方法在玻璃片2上加工出引線8、壓焊點9及與矽臺柱5相對應的驅動電極6，具體製作方法為(10)在玻璃片2上旋塗光刻膠18，作為掩膜材料，如圖7(a)所示；並採用圖3作為掩膜板圖形進行光刻，如圖7(b)所示；用緩衝氫氟酸BHF腐蝕玻璃片2，從而將此次光刻圖形轉移到玻璃片2上，如圖7(c)所示，腐蝕條件同(3)中去除二氧化矽12，深度為1200。
(11)濺射一層金膜，厚度1600，如圖7(d)所示。濺射條件同(9)。
(12)將玻璃片2浸入裝有丙酮的容器中，然後置於超聲波清洗槽內進行剝離操作，用以形成驅動電極6、引線8和壓焊點9，如圖7(e)所示。
(13)將矽片1鍍有金膜4的一面朝上，臺柱5面向玻璃2，並使用光刻機完成矽臺柱5與電極6圖形的對準操作，送入鍵合機中，待抽真空、充氮氣和升溫完成後，在玻璃上施加一負壓，並保持10min，此時，鍵合已完成，矽片1和玻璃片2通過鍵合區7粘結在一起。或者將矽片1鍍有金膜4的一面朝上，臺柱5面向玻璃片2，通過導電環氧樹脂將矽片1和玻璃片2粘結在一起。
權利要求
1.一種矽基可變形反射鏡，其特徵在於包括矽片(1)和玻璃片(2)，矽片(1)由鍵合區(7)、矽膜(3)及與矽膜(3)下表面連為一體的至少一個矽臺柱(5)構成，矽膜(3)的上表面為反射面，在玻璃片(2)上具有引線(8)、壓焊點(9)及與矽臺柱(5)相對應的驅動電極(6)，玻璃片(2)和矽片(1)由鍵合區(7)相固定，當給驅動電極(6)施加電壓時，產生的靜電力驅動矽臺柱(5)向下運動，從而帶動矽膜(3)發生變形。
2.一種製作權利要求1所述矽基可變形反射鏡的方法，其特徵在於包括(1)用溼化學方法或幹法或溼化學方法和幹法同時使用，在矽片(1)上刻出鍵合區(7)、矽膜(3)及與矽膜(3)連為一體的至少一個矽臺柱(5)；(2)用剝離方法在玻璃片(2)上加工出引線(8)、壓焊點(9)及與矽臺柱(5)相對應的驅動電極(6)；(3)採用陽極鍵合或者用導電環氧樹脂將矽片(1)與玻璃片(2)粘結在一起。
全文摘要
本發明公開了一種矽基可變形反射鏡及其製作方法。該可變形反射鏡包括矽片和玻璃片，矽片由鍵合區、矽膜及與矽膜下表面連為一體的至少一個矽臺柱構成，矽膜的上表面為反射面，在玻璃片上具有引線、壓焊點及與矽臺柱相對應的驅動電極，玻璃片和矽片由鍵合區相固定，當給驅動電極施加電壓時，產生的靜電力驅動矽臺柱向下運動，從而帶動矽膜發生變形。本發明以微電機系統MEMS技術為基礎，它藉助半導體工業中一套成熟的加工工藝，如材料澱積、光刻等進行反射鏡的製造，不僅成品率較高，還可像集成電路一樣，容易進行大批量生產，從而大大降低單個器件的成本。同時，加工出的可變形反射鏡具有體積小、重量輕、高鏡面質量和低能耗的性能。
文檔編號G02B26/08GK1554961SQ20031011166
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月25日 優先權日2003年12月25日
發明者餘洪斌, 陳海清, 竺子民, 汪超 申請人:華中科技大學