CN101666910B - 平动式光栅光调制器及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光调制器技术领域，具体涉及一种光栅光调制器及其制造方法和阵列；所述平动式光栅光调制器包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层，光栅通过弹性悬臂梁悬空支撑于绝缘层上方，所述弹性悬臂梁由梁体和锚杆组成，梁体的一端通过锚杆固定设置于绝缘层上，梁体的另一端与光栅固定连接，在光栅下方的绝缘层上设置有下电极，所述弹性悬臂梁的梁体具有折叠结构；本发明的平动式光栅光调制器，弹性悬臂梁的梁体具有折叠结构，能增加梁体长度，减小等效梁的弹性系数，使得光栅相对增厚而刚性相对增强，从而降低可动光栅下拉弯度，保证光栅面平坦，使光栅光调制器的开关调制效果更好。

Description

平动式光栅光调制器及其阵列

技术领域

本发明涉及光调制器技术领域，具体涉及一种光栅光调制器及其制造方法和阵列。

背景技术

MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems，微光机电系统)技术是MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术和光学技术的进一步融合，具有天生的优势，它可以实现微型光学元件和控制电路的集成，具有可大批量制造，单位成本低，体积微小，响应速度快，性能可靠等优势。目前，基于MOEMS技术制造的光调制器以其优良的性能获得高速的发展和广泛的应用，典型的有美国德州仪器公司的数字微镜器件DMD和硅光机械公司的光栅光阀GLV，他们在投影显示、自适应光学、传感器、光通信、微型化光学平台等方面也得到了广泛应用。实现MOEMS技术实现对光谱、偏振和光空间属性的操作和控制而衍生出的更多更广的功能性开发，已成为该领域的重要应用研发趋势。由重庆大学提出的基于MOEMS的光栅光调制器，利用光栅衍射原理实现光学调制在投影技术应用上取得了丰硕研究成果，但现有的光栅光调制器，如重庆大学提出的申请号为200510020186.8和200510020185.3的中国发明专利中公开的平动式光栅光调制器，由于光栅面平坦度对其光学特征具有重要的影响，而现有的平动式光栅光调制器的悬臂梁为直梁结构，在光栅下拉时容易造成光栅发生畸变，影响光栅面的平坦度。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出了一种平动式光栅光调制器，光栅面的平坦度高，可应用于微型光谱仪。

本发明的目的是这样实现的：平动式光栅光调制器，包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层，光栅通过弹性悬臂梁悬空支撑于绝缘层上方，所述弹性悬臂梁由梁体和锚杆组成，梁体的一端通过锚杆固定设置于绝缘层上，梁体的另一端与光栅固定连接，在光栅下方的绝缘层上设置有下电极，所述弹性悬臂梁的梁体具有折叠结构。

进一步，所述弹性悬臂梁的梁体的折叠结构呈方波状折叠；

进一步，所述弹性悬臂梁为4根，分别与光栅的四角固定连接；

进一步，所述弹性悬臂梁与光栅为一体，由多晶硅刻蚀而成；

进一步，弹性悬臂梁梁体的厚度小于光栅的厚度的1/3；

进一步，所述下电极为2个，分别设置于光栅长度方向上的两端下方；

进一步，所述下电极由磷掺杂多晶硅刻蚀而成；

本发明还提供一种制造前述平动式光栅光调制器的方法，包括如下步骤：

1)在硅衬底上热氧化一层二氧化硅；

2)在步骤1)所得的二氧化硅层上低压化学气相淀积一层氮化硅作为绝缘层；

3)在步骤2)所得的绝缘层上淀积并光刻磷掺杂多晶硅，形成分布式布置的多个下电极；

4)采用等离子增强化学气相沉积法在绝缘层上淀积二氧化硅作为牺牲层，并刻蚀形成用于容纳锚杆的锚点；

5)淀积多晶硅并刻蚀弹性悬臂梁和光栅，并镂空刻蚀出光栅条之间的凹槽；

6)在光栅的顶层、镂空处表面以及绝缘层上溅射金或铝，形成反射面；

7)刻蚀掉牺牲层。

进一步，步骤1)中热氧化的二氧化硅、步骤2)中氮化硅淀积的厚度均为100-300nm；步骤4)中淀积的二氧化硅厚度为500-5000nm。

本发明还提供所述的平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列，所述平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列由至少2个平动式光栅光调制器并列而成，其中每一个平动式光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作。

本发明的平动式光栅光调制器，弹性悬臂梁的梁体具有折叠结构，能增加梁体长度，减小等效梁的弹性系数，使得光栅相对增厚而刚性相对增强，从而降低可动光栅下拉弯度，保证光栅面平坦，使光栅光调制器的开关调制效果更好；在进一步的技术方案中，下电极分布式设置，2个下电极同时作用下拉光栅两端，能减少光栅中间与两端的位移差，进一步提高光栅面的平坦度。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了平动式光栅光调制器的结构示意图；

图2示出了平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列的结构示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1，本实施例的平动式光栅光调制器包括硅衬底1以及设置于硅衬底1上的绝缘层2，光栅6通过弹性悬臂梁悬空支撑于绝缘层2上方，所述弹性悬臂梁由梁体4和锚杆5组成，梁体4的一端通过锚杆5固定设置于绝缘层 2上，梁体4的另一端与光栅6固定连接，所述梁体为4根，分别与光栅6的四角固定连接，所述梁体4为折叠梁，优选的，梁体4呈方波状折叠，所述弹性悬臂梁与光栅6为一体，由多晶硅刻蚀而成；在光栅6下方的绝缘层上设置有下电极3，所述下电极3由磷掺杂多晶硅刻蚀而成，下电极3可以为多个，分布式设置，优选的，所述下电极3为2个，分别设置于光栅6长度方向上的两端下方；所述光栅6上具有多条长条形镂空凹槽，形成多根光栅条，在光栅6的上表面、其镂空处的侧表面以及绝缘层2的上表面覆盖有铝膜，使光栅6与绝缘层2分别形成上、下反射面。

本实施例的平动式光栅光调制器结构参数如下：

光栅长度    500um    光栅常数        8um  弹性悬臂梁梁体    272um

折叠总长l

光栅宽度    60um     光栅周期        8个  弹性悬臂梁梁体    4um

宽度b

光栅厚度    2.7um    边框宽度        4um  弹性悬臂梁梁体    0.7um

厚度h

光栅条宽度  4um      光栅-下反射面   2um  下拉行程         250um

间距                                  (λ/4)

可通过如下方法制作上述平动式光栅光调制器：

1)在一块<100>P型硅衬底上热氧化一层厚度为300nm的二氧化硅；

2)在步骤1)所得的二氧化硅层上低压化学气相法(LPCVD)淀积一层厚度为300nm的氮化硅作为绝缘层；

3)在步骤2)所得的绝缘层上淀积并光刻磷掺杂厚度为300nm的多晶硅，形成分布式布置的多个下电极；

4)采用等离子增强化学气相沉积法(PECVD)在绝缘层上淀积厚度为2000nm的二氧化硅作为牺牲层，并刻蚀形成用于容纳锚杆的锚点；

5)淀积多晶硅并刻蚀弹性悬臂梁和光栅，并镂空刻蚀出光栅条之间的凹槽，梁体的厚度应当远小于光栅的厚度，优选的：梁体厚度小于光栅厚度的1/3；

6)在光栅的顶层、镂空处表面以及绝缘层上溅射金或铝，形成反射面；

7)刻蚀掉牺牲层。

平动式光栅光调制器主要用于形成光栅光调制器阵列，应用在光谱仪等设备中，以实现对光的开关选通，可减小光谱仪重量和体积，

参见图2，平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列由至少2个平动式光栅光调制器并列而成，还设置有相应的驱动电路，使其中每一个平动式光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作，即阵列中的每个光栅都可以根据下拉电压的不同分别向下平动到不同的高度。

光栅光调制器作为光衍射器件，其平坦度对其光学特性有至关重要的影响，若其平坦度较差，将直接关系到对光的开关调制效果，提高光学平坦度在光栅光调制器设计中尤为重要，其表面的不平度差一般要求不超过λ/10，因此可将不平度在λ/10以内的光栅面积作为平坦度的衡量指标，其中λ为入射光中心波长。针对近红外微型光谱仪系统工作波段要求，中心波长为1000nm，那么光栅光调制器的不平度应不超过100nm。

在平动式光栅光调制器可动光栅下拉过程中，光栅中部由于电荷集边效应受静电力较大，而两端由于梁体的回复力而抵消部分静电力，导致光栅中部下拉位移较之两端稍大；并且当梁体和中间栅条的抗弯系数相差不大时，光栅会随梁体的弯曲而出现弹性弯曲，从而影响平坦度。在本实施例的平动式光栅光调制器结构设计中主要采用如下措施进行优化：

改善梁结构：增加梁体长度，并减薄梁体厚度，以降低弹性系数，使其柔性增加。但考虑到增加梁体长度会影响光栅光调制器的响应频率即开关速度，加之尺寸限制，本实施例采用折叠梁结构。

改善下电极分布：由于电荷集边效应，光栅与下电极在相同距离条件下，光栅中部积累的电荷高于边缘；加之梁体的应力共同导致中间受力过大，下拉位移大于光栅的长度方向的两端，因此若采用分布式下电极，特别是在沿光栅长度方向的两端分别设置一个下电极，使双电极由双端同时下拉光栅，可有效减少光栅中间与两端之间的位移差，提高平坦度。

增加光栅厚度：由于光栅下拉时，梁体提供的回复力越大，则等效弹性系数 越大，从而使得光栅面呈弯曲形，减小了有效光学面积。如果增加光栅厚度以提高其刚度，可防止其因下拉而引起弹性弯曲，从而提高平坦度。

仿真实验结果表明，本实施例的平动式光栅光调制器在5V电压下拉作用下，最大下拉高度为0.62um，不平度50nm范围内光栅面积占71％，而100nm范围内则到98％以上。以上三种措施优化了光栅平坦度，且这三种措施是相互影响的：增加光栅的厚度与减薄梁体处理是等效的，都是提高光栅的刚度，降低梁的弹性系数；增加光栅厚度和改善电极分布会使驱动电压增加，而折叠增加梁长度并减薄处理可降低弹性系数以减小驱动电压。同时光栅面平坦度又与驱动电压大小有关，电压越大器件形变越明显。以上仿真中均用5V电压下拉，光栅基本在吸合状态，而工作电压是小于吸合电压的，因此在除去工艺过程中应力形变因素影响外，器件平坦度会比较理想。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.平动式光栅光调制器，其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层，光栅通过弹性悬臂梁悬空支撑于绝缘层上方，所述弹性悬臂梁由梁体和锚杆组成，梁体的一端通过锚杆固定设置于绝缘层上，梁体的另一端与光栅固定连接，在光栅下方的绝缘层上设置有下电极，所述弹性悬臂梁的梁体具有折叠结构，弹性悬臂梁梁体的厚度小于光栅的厚度的1/3。

2.如权利要求1所述的平动式光栅光调制器，其特征在于：所述弹性悬臂梁的梁体的折叠结构呈方波状折叠。

3.如权利要求1所述的平动式光栅光调制器，其特征在于：所述弹性悬臂梁为4根，分别与光栅的四角固定连接。

4.如权利要求1至3中任一项所述的平动式光栅光调制器，其特征在于：所述弹性悬臂梁与光栅为一体，由多晶硅刻蚀而成。

5.如权利要求1至3中任一项所述的平动式光栅光调制器，其特征在于：所述下电极为2个，分别设置于光栅长度方向上的两端下方。

6.如权利要求5所述的平动式光栅光调制器，其特征在于：所述下电极由磷掺杂多晶硅刻蚀而成。

7.如权利要求1至6中任一项所述的平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列，其特征在于：所述平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列由至少2个平动式光栅光调制器并列而成，其中每一个平动式光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作。

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