CN101446682B - 基于soi的连续薄膜式微变形镜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI的连续薄膜式微变形镜及其制备方法，基底层、绝缘层和器件层为一张SOI硅片的三层结构，基底层处于结构最上方，向下依次为绝缘层和器件层；对器件层进行刻蚀后余下的体硅薄膜作为微镜镜面，而刻蚀的凹槽在SOI硅片与玻璃基底键合后形成镜面至驱动电极的空腔，镜面上方的基底层和绝缘层则以与器件层刻蚀凹槽相同的形状和位置作穿透刻蚀，使镜面露出，驱动电极分布在镜面至驱动电极的空腔中，由溅射在玻璃基底上的金属经过刻蚀得到。本发明避免了表面质量缺陷，镜面厚度得到有效的控制，大幅度的提高了变形镜可调制光波波长的范围，保留了原材料所具有的高表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种微变形镜及其制备方法，属于自适应光学及微机电系统(MEMS)领域。
背景技术
作为自适应光学系统的核心部件，变形镜在军事和民用领域拥有广泛的应用前景。使用MEMS技术制造的微变形镜由于其体积小、成本低、响应快及集成度高等特点，已成为变形镜研究的重要方向，而制造具有高光学效率的微变形镜已成为研究的重点和热点。
绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)材料提供了一种“Si-SiO2-Si(硅-二氧化硅-硅)”三层结构，其中的SiO2层可作为深硅刻蚀的停止层，从而使得到高表面质量的体硅薄膜成为可能。并且利用阳极键合技术将SOI片与玻璃基底键合得到镜面与电极间空腔，可以极大的提高镜面的变形量，扩大变形镜调制波长的范围。
参照图2，文献Semicond.Sci.Technol，1994.9157C-1572.《Flexible reflectingmembranes micromachined in silicon》介绍了由荷兰Delft大学的Gleb Vdovin和LinaSarro共同提出了氮化硅薄膜微变形镜；氮化硅薄膜微变形镜首先在硅片的两面都淀积一层厚500纳米的氮化硅薄膜，然后在硅片背面以反应离子刻蚀方法(RIE)刻蚀氮化硅得到后续湿法腐蚀窗口，用浓度33％的氢氧化钾(KOH)溶液在85℃下刻蚀体硅，当刻蚀到正面的氮化硅层时停止。之后在硅片背面溅射一层厚200纳米的铝以提高其反射性，最后用粘合剂将镜面层与带有金属电极的基底层粘合。该结构利用氮化硅薄膜作为体硅刻蚀的停止层及镜面，氮化硅薄膜在淀积时会留下很大的残余应力，影响镜面的平整度，也限制了镜面的大小和厚度，无法作出具有大反射面积的微变形镜。而且氮化硅本身的机械性能不如体硅，在去掉驱动电压后薄膜恢复初始形状有一定的迟滞，对微镜的响应频率影响较大；粘合剂的涂抹厚度误差较大，会造成镜面至电极距离不一致，影响微变形镜性能。
参照图3，文献United States Patent，6，108，121，(Aug.22，2000)《Micromachined highrenectance deformable mirror》介绍了由美国Stanford大学的Justin D.Mansell和RobertL.Byer共同提出了柱状电极薄膜微变形镜；首先在经过抛光的硅片正面制作一层复合反射层，然后从硅片背面以湿法腐蚀刻蚀体硅，留下厚度10～40微米体硅薄膜及柱状电极分别作为镜面及上电极，之后与已制作了驱动电极及通气孔的基底粘合。该结构采用了以体硅工艺加工的单晶硅薄膜作为镜面，避免了淀积式薄膜所固有的残余应力等缺陷。但是其体硅刻蚀采用湿法腐蚀方法，在刻蚀深度达到几百微米的情况下很难精确控制刻蚀深度，因而镜面厚度误差大，制造重复性差；柱状电极的采用增加了镜面的质量，降低了这种微变形镜的响应速度，且柱状电极在镜面上形成了一块刚性区域，造成镜面变形的不连续，给电极的尺寸设计带来许多限制。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于SOI的连续薄膜式微变形镜及其制备方法，避免了现有技术中淀积式薄膜所带来的残余应力等缺陷，并且解决了体硅工艺在深硅刻蚀中刻蚀深度的控制问题，利用SOI独特的三层结构，可以方便的得到具有高表面质量的悬浮体硅薄膜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括SOI硅片的基底(Handle)层1、绝缘层2和器件层3，以及变形镜的镜面4、镜面至驱动电极的空腔5、驱动电极6和玻璃基底7。其中，Handle层1、绝缘层2和器件层3为一张SOI硅片的三层结构，Handle层1处于结构最上方，向下依次为绝缘层2和器件层3。对器件层3进行刻蚀后余下的体硅薄膜作为微镜镜面4，镜面形状可设为圆形或方形，而刻蚀的凹槽在SOI硅片与玻璃基底键合后形成镜面至驱动电极的空腔5，镜面上方的Handle层1和绝缘层2则以与器件层3刻蚀凹槽相同的形状和位置作穿透刻蚀，使镜面露出，其中绝缘层2在被刻蚀之前作为Handle层1的深硅刻蚀停止层。驱动电极6分布在镜面至驱动电极的空腔5中，由溅射在玻璃基底7上的金属经过刻蚀得到，电极形状可设为圆形或六边形，分布规律可以根据不同要求设计为正交型排列或砖型排列。可在变形镜镜面4上溅射一层金属作为反射层以提高器件的反射效率。
采用SOI硅片厚度为350～400微米，其中绝缘层2厚度在数百纳米到数微米之间，可根据需要向供应商定制，一般情况下厚的绝缘层可更好地起到刻蚀停止层的作用；器件层3厚度在几微米到几十微米之间，也可以根据具体要求向供应商定制，但其厚度应等于变形镜镜面4的厚度与镜面至驱动电极的空腔5距离之和；变形镜镜面4的厚度在2微米以上，但不宜高于40微米；镜面至驱动电极空腔5的距离应在30微米以下，但大的空腔距离能提供更大的镜面变形量。其中变形镜镜面4的厚度及镜面至驱动电极空腔5的距离应根据设计要求综合考虑。
作为一种优选尺寸方案，所述的SOI硅片厚度400微米，其中绝缘层2厚300纳米，器件层3厚20微米，对器件层刻蚀15微米，镜面4厚5微米，形状设为圆形，直径1.2厘米，并且不在镜面制作其他反射层。玻璃基底7采用硅酸盐玻璃Pyrex7740，驱动电极6材料选用铝，溅射厚度0.4微米，电极形状设为圆形，直径500微米，电极中心距1000微米，采用9×9正交形排列并去除12个单元，即在四角各去除最顶点单元以及距离该单元最近的两个单元。
本发明还提供该薄膜式微变形镜的制作方法，包括以下步骤：
1)清洗，对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗；
2)光刻，在器件层上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到器件层刻蚀的掩膜；
3)浅硅刻蚀，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)对器件层进行干法刻蚀，由控制刻蚀时间来控制刻蚀深度；
4)清洗，再次对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗；
5)光刻，在Handle层上涂覆光刻胶，厚度7微米以上，经曝光显影，得到Handle层刻蚀的掩膜；
6)深硅刻蚀，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)对Handle层进行干法刻蚀，直至将其刻透，绝缘层完全露出。当刻蚀进行到绝缘层时，由于该刻蚀工艺对于绝缘层几乎没有刻蚀作用，因而绝缘层下方的硅被保护不受刻蚀工艺破坏；
7)SiO2刻蚀，采用反应离子刻蚀方法(RIE)干法刻蚀或氢氟酸(HF)溶液去除绝缘层；
8)金属溅射，在硅酸盐玻璃(Pyrex7740)基底上溅射一层铝；
9)光刻，在铝上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到金属层的刻蚀掩膜；
10)金属刻蚀，对铝进行湿法刻蚀，得到驱动电极阵列，刻蚀液采用磷酸(H3PO4)∶硝酸(HNO3)∶冰醋酸(CH3COOH)∶去离子水(H2O)按照体积比50∶2∶10∶9的比例配成溶液；
11)硅玻键合，应用阳极键合技术将玻璃基底与SOI硅片进行键合，其键合强度高，且能保持镜面至电极距离在键合前后的一致性。
该薄膜式微变形镜的制作方法还可以采用以下步骤：
1)清洗，对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗；
2)光刻，在器件层上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到器件层刻蚀的掩膜；
3)浅硅刻蚀，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)对器件层进行干法刻蚀，由控制刻蚀时间来控制刻蚀深度；
4)金属溅射，在硅酸盐玻璃(Pyrex7740)基底上溅射一层铝；
5)光刻，在铝上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到金属层的刻蚀掩膜；
6)金属刻蚀，对铝进行湿法刻蚀，得到驱动电极阵列，刻蚀液采用磷酸(H3PO4)∶硝酸(HNO3)∶冰醋酸(CH3COOH)∶去离子水(H2O)按照体积比50∶2∶10∶9的比例配成溶液；
7)硅玻键合，应用阳极键合技术将玻璃基底与SOI硅片进行键合，其键合强度高，且能保持镜面至电极距离在键合前后的一致性。
8)光刻，在Handle层上涂覆光刻胶，厚度7微米以上，经曝光显影，得到Handle层刻蚀的掩膜；
9)深硅刻蚀，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)对Handle层进行干法刻蚀，直至将其刻透，绝缘层完全露出。当刻蚀进行到绝缘层时，由于该刻蚀工艺对于绝缘层几乎没有刻蚀作用，因而绝缘层下方的硅被保护不受刻蚀工艺破坏；
10)SiO2刻蚀，采用反应离子刻蚀方法(RIE)干法刻蚀或氢氟酸(HF)溶液去除绝缘层。
本发明的有益效果是：本发明所提出的薄膜式微变形镜是以体硅工艺方法制作的体硅薄膜作为镜面，避免了以往淀积式薄膜所固有的残余应力等问题造成的表面质量缺陷；采用SOI材料解决了深硅刻蚀中刻蚀深度控制问题，镜面厚度得到有效的控制。而且，镜面可到达的最大变形量由刻蚀体硅的深度决定，不再受限于牺牲层淀积厚度，大幅度的提高了变形镜可调制光波波长的范围。同时，该结构的镜面反射面没有经过刻蚀工艺，保留了原材料所具有的高表面质量。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明所述微变形镜的结构示意图；
图2是现有氮化硅薄膜微变形镜的结构示意图；
图3是现有柱状电极薄膜微变形镜的结构示意图；
图4是本发明具体实施例1的工艺流程图
图5是本发明具体实施例2的工艺流程图
图中，1-SOI硅片Handle层，2-SOI硅片绝缘层，3-SOI硅片器件层，4-镜面，5-镜面至驱动电极空腔，6-玻璃基底，7-驱动电极。
具体实施方式
具体实施例1：
参阅图1，本实施例提供的基于SOI的薄膜式微变形镜，包括镜面层和基底层两部分。其中镜面层由一张SOI硅片经过三次刻蚀完成，依次包括器件层3刻蚀、Handle层1刻蚀及绝缘层2刻蚀。SOI硅片各层厚度可根据需要定制，器件层3厚度应为镜面至驱动电极空腔5及镜面4厚度之和，绝缘层2应能提供足够的抵抗ICP刻蚀时间，以保证其下方器件层3体硅不被破坏，本实施例中采用的SOI硅片规格为直径100毫米，总厚400微米，其中器件层3厚20微米，绝缘层2厚0.3微米。器件层3的刻蚀深度即镜面至驱动电极空腔5距离由变形镜调制光波最大波长决定，本实施例中器件层3刻蚀深度为15微米，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)，其在浅硅刻蚀中刻蚀深度可以得到有效的控制，变形镜镜面4厚度误差小。Handle层1刻蚀深度一般在300微米以上，采用ICP干法刻蚀，当进行到绝缘层2时刻蚀停止，保护其下方的变形镜镜面4不被破坏。绝缘层2刻蚀可用反应离子刻蚀(RIE)或氢氟酸(HF)溶液湿法刻蚀，本实施例中采用的为RIE干法刻蚀；基底层包括玻璃基底7及驱动电极6，驱动电极由淀积在玻璃基底上的金属层经过刻蚀完成，本实施例中电极金属为铝，采用湿法刻蚀，刻蚀溶液为磷酸+硝酸溶液。电极形状为圆形，排布形式采用正交形排列。
参阅图4，本实施例中薄膜式微变形镜的制作方法包括如下步骤：
1)清洗，对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗，分别采用浓硫酸(H2SO4)∶双氧水(H2O2)按照体积比4∶1的比例配成溶液和盐酸(HCl)∶双氧水(H2O2)∶去离子水(H2O)按照体积比1∶1∶6的比例配成溶液；
2)光刻，在器件层上涂覆光刻胶BP212，厚度1.3微米，经曝光显影，得到器件层刻蚀的掩膜；
3)浅硅刻蚀，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)对器件层进行刻蚀，刻蚀深度15微米；
4)清洗，再次对SOI硅片进行清洗，步骤参照1；
5)光刻，在Handle层上涂覆光刻胶SU8，厚度10微米，经曝光显影，得到Handle层刻蚀的掩膜；
6)深硅刻蚀，采用ICP对器件层进行刻蚀，当进行到绝缘层时刻蚀停止；
7)SiO2刻蚀，采用反应离子刻蚀(RIE)去除绝缘层；
8)金属溅射，在Pyrex7740玻璃基底上溅射一层铝，薄膜溅射厚度约400纳米；
9)光刻，在铝上涂覆光刻胶BP212，厚度1.3微米，经曝光显影，得到金属层的刻蚀掩膜；
10)金属刻蚀，对铝进行湿法刻蚀，刻蚀液采用磷酸(H3PO4)∶硝酸(HNO3)∶冰醋酸(CH3COOH)∶去离子水(H2O)按照体积比50∶2∶10∶9的比例配成溶液；
11)硅玻键合，应用阳极键合技术将玻璃基底与SOI硅片进行键合。
具体实施例2：
参阅图1，本实施例提供的基于SOI的薄膜式微变形镜，包括镜面层和基底层两部分。其中镜面层由一张SOI硅片经过三次刻蚀完成，依次包括器件层3刻蚀、Handle层1刻蚀及绝缘层2刻蚀。SOI硅片各层厚度可根据需要定制，器件层3厚度应为镜面至驱动电极空腔5及镜面4厚度之和，绝缘层2应能提供足够的抵抗ICP刻蚀时间，以保证其下方器件层3体硅不被破坏，本实施例中采用的SOI硅片规格为直径100毫米，总厚400微米，其中器件层3厚20微米，绝缘层2厚0.3微米。器件层3的刻蚀深度即镜面至驱动电极空腔5距离由变形镜调制光波最大波长决定，本实施例中器件层3刻蚀深度为15微米，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)，其在浅硅刻蚀中刻蚀深度可以得到有效的控制，变形镜镜面4厚度误差小。Handle层1刻蚀深度380微米左右，采用ICP干法刻蚀，当进行到绝缘层2时刻蚀停止，保护其下方的变形镜镜面4不被破坏。绝缘层2刻蚀可用反应离子刻蚀(RIE)或氢氟酸(HF)溶液湿法刻蚀，本实施例中采用的为湿法刻蚀，刻蚀溶液为氢氟酸(HF)溶液；基底层包括玻璃基底7及驱动电极6，驱动电极由淀积在玻璃基底上的金属层经过刻蚀完成，本实施例中电极金属为铝，采用湿法刻蚀，刻蚀溶液为磷酸+硝酸溶液。电极形状为六边形，其内切圆直径500微米，电极中心距1000微米，排布形式采用砖形排列。
参阅图5，本实施例中薄膜式微变形镜的制作方法包括如下步骤：
1)清洗，对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗，分别采用浓硫酸(H2SO4)∶双氧水(H2O2)按照体积比4∶1的比例配成溶液和盐酸(HCl)∶双氧水(H2O2)∶去离子水(H2O)按照体积比1∶1∶6的比例配成溶液；
2)光刻，在器件层上涂覆光刻胶BP212，厚度1.3微米，经曝光显影，得到器件层刻蚀的掩膜；
3)浅硅刻蚀，采用感应耦合离子刻蚀方法(ICP)对器件层进行刻蚀，刻蚀深度15微米；
4)金属溅射，在Pyrex7740玻璃基底上溅射一层铝，薄膜溅射厚度约400纳米；
5)光刻，在铝上涂覆光刻胶BP212，厚度1.3微米，经曝光显影，得到金属层的刻蚀掩膜；
6)金属刻蚀，对铝进行湿法刻蚀，刻蚀液采用磷酸(H3PO4)∶硝酸(HNO3)∶冰醋酸(CH3COOH)∶去离子水(H2O)按照体积比50∶2∶10∶9的比例配成溶液；
7)硅玻键合，应用阳极键合技术将玻璃基底与SOI硅片进行键合。
8)光刻，在Handle层上涂覆光刻胶SU8，厚度10微米，经曝光显影，得到Handle层刻蚀的掩膜；
9)深硅刻蚀，采用ICP对器件层进行刻蚀，当进行到绝缘层时刻蚀停止；
10)SiO2刻蚀，采用氢氟酸(HF)水溶液(HF∶H2O体积比为50∶1)去除绝缘层。
Claims (2)
1.一种基于SOI的连续薄膜式微变形镜的制备方法，所述的基于SOI的连续薄膜式微变形镜包括SOI硅片的基底层、绝缘层和器件层，以及变形镜的镜面、镜面至驱动电极的空腔、驱动电极和玻璃基底；基底层、绝缘层和器件层为一张SOI硅片的三层结构，基底层处于结构最上方，向下依次为绝缘层和器件层；对器件层进行刻蚀后余下的体硅薄膜作为微镜镜面，而刻蚀的凹槽在SOI硅片与玻璃基底键合后形成镜面至驱动电极的一联通空腔，镜面上方的基底层和绝缘层则以与器件层刻蚀凹槽相同的形状和位置作穿透刻蚀，使镜面露出，驱动电极分布在镜面至驱动电极的空腔中，由溅射在玻璃基底上的铝经过刻蚀得到；其特征在于该制备方法包括下述步骤：
(a)对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗；
(b)在器件层上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到器件层刻蚀的掩膜；
(c)采用感应耦合离子刻蚀方法对器件层进行干法刻蚀；
(d)再次对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗；
(e)在基底层上涂覆光刻胶，厚度7微米以上，经曝光显影，得到基底层刻蚀的掩膜；
(f)采用感应耦合离子刻蚀方法对基底层进行干法刻蚀，直至将其刻透，绝缘层完全露出；
(g)采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀或氢氟酸溶液去除绝缘层；
(h)在硅酸盐玻璃基底上溅射一层铝；
(i)在铝上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到金属层的刻蚀掩膜；
(j)对铝进行湿法刻蚀，得到驱动电极阵列，刻蚀液采用磷酸∶硝酸∶冰醋酸∶去离子水按照体积比50∶2∶10∶9的比例配成溶液；
(k)应用阳极键合技术将玻璃基底与SOI硅片进行键合。
2.一种基于SOI的连续薄膜式微变形镜的制备方法，所述的基于SOI的连续薄膜式微变形镜包括SOI硅片的基底层、绝缘层和器件层，以及变形镜的镜面、镜面至驱动电极的空腔、驱动电极和玻璃基底；基底层、绝缘层和器件层为一张SOI硅片的三层结构，基底层处于结构最上方，向下依次为绝缘层和器件层；对器件层进行刻蚀后余下的体硅薄膜作为微镜镜面，而刻蚀的凹槽在SOI硅片与玻璃基底键合后形成镜面至驱动电极的一联通空腔，镜面上方的基底层和绝缘层则以与器件层刻蚀凹槽相同的形状和位置作穿透刻蚀，使镜面露出，驱动电极分布在镜面至驱动电极的空腔中，由溅射在玻璃基底上的铝经过刻蚀得到；其特征在于该制备方法包括下述步骤：
(a)对SOI硅片进行去有机物和去金属离子清洗；
(b)在器件层上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到器件层刻蚀的掩膜；
(c)采用感应耦合离子刻蚀方法对器件层进行干法刻蚀，由控制刻蚀时间来控制刻蚀深度；
(d)在硅酸盐玻璃基底上溅射一层铝；
(e)在铝上涂覆光刻胶，厚度1微米以上，经曝光显影，得到金属层的刻蚀掩膜；
(f)对铝进行湿法刻蚀，得到驱动电极阵列，刻蚀液采用磷酸∶硝酸∶冰醋酸∶去离子水按照体积比50∶2∶10∶9的比例配成溶液；
(g)应用阳极键合技术将玻璃基底与SOI硅片进行键合；
(h)在基底层上涂覆光刻胶，厚度7微米以上，经曝光显影，得到基底层刻蚀的掩膜；
(i)采用感应耦合离子刻蚀方法对基底层进行干法刻蚀，直至将其刻透，绝缘层完全露出；
(j)采用反应离子刻蚀方法干法刻蚀或氢氟酸溶液去除绝缘层。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Owner name: JIANGSU TIEMAO GLASS CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY Effective date: 20140827 Owner name: NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY Effective date: 20140827 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 710072 XI AN, SHAANXI PROVINCE TO: 226600 NANTONG, JIANGSU PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140827 Address after: 226600 No. 128 Changjiang West Road, Haian Town, Haian County, Nantong, Jiangsu Patentee after: Jiangsu Tiemao Glass Co.,Ltd. Patentee after: Northwestern Polytechnical University Address before: 710072 Xi'an friendship West Road, Shaanxi, No. 127 Patentee before: Northwestern Polytechnical University |