CN101713866B - 一种可调反射式装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述基于微机电系统技术的一种可调反射式装置，其中包括基片、固定支撑部分、颈项部分以及微镜部分。固定支撑部分和基片绝缘并固定在基片上，微镜部分依靠和基片之间的静电力而被驱动。颈项部分由于自身应力导致弯曲进而带动微镜部分产生远离基片的预置偏转角，提高了可调反射角度范围，同时简化了芯片制造工艺。本发明采用弯曲形变而代替传统的扭曲形变，并加大了微镜部分和其他部分的连接区域，使器件的抗冲击性能得到很大提高。针对当微镜部分的反射层为金属层而导致的器件温度特性变差的问题，本发明采用了相应的补偿方法。

Description

一种可调反射式装置

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)技术器件，特别是涉及可调反射式装置。

背景技术

可调反射式装置可以广泛应用于成像、激光打印以及光纤通信领域。近年来用MEMS技术来制造可调反射式装置已成为一个趋势，特别是在光学通信领域中利用MEMS技术制造可调衰减器或光学开关，具有体积小、可批量生产等特点。这种可调反射式装置通过改变芯片上微小镜子的状态使入射光经过反射后，方向发生变化以达到使输出光强发生变化的目的。可调反射式装置一般采用角度旋转的方法。现有这类装置为保证镜子在旋转不同角度时的光学特性，镜体为刚体，并由处于镜体中央两侧的悬臂所支撑。悬臂被支撑固定在一基片上，一般采用静电力驱动镜体围绕悬臂旋转。镜体是驱动器的一个电极，并且由悬臂的变形所产生的扭矩在外力撤销时使镜子恢复原位。在这种结构中，镜体和基片在不受外力的情况下是平行的，平行状态是缘于这种芯片是两片硅片键合而成，两个硅片键合后是平行的，其中在一个硅片上刻蚀出镜体，另一个作为基片，在两个硅片间的牺牲层或中间层去掉后，镜体通过中央两侧的悬臂支撑而与基片保持平行，同时在去掉牺牲层后，镜体就有空间绕悬臂转动。需要指出的是对于这种结构，在采用静电力驱动时，基片是不能作为静电力驱动中的一个电极的。必须在悬臂的微镜某一侧的下方所对应的基片上作一个和基片绝缘的电极，这样静电力才可以在悬臂的微镜这一侧产生转动所需要的力矩。这种结构的制造工序是在基片上形成了所需电极等结构后，再采用特殊键合工艺使基片和制作镜体的硅片键合在一起。因此芯片制造工艺复杂，对设备要求苛刻，制造高成本。可以看出这种结构不能使用商品化SOI硅片。特别地，镜体的旋转角度受牺牲层厚度的限制：理论和实验表明镜体一端的转动距离只有小于牺牲层厚度的三份之一时，镜体的转动才受外加电压的控制。为了增加镜体的转动角度就需要增加牺牲层的厚度，一般地，如果镜体一端由于转动要达到位移4微米时，牺牲层的距离就要在12微米以上。现有商品化的SOI硅片的牺牲层远远达不到这个厚度。如果采用特殊键合工艺来得到这样的厚度，不仅工艺复杂，成品率难以提高，而且会大大增加驱动电压。这是因为静电力和距离的平方成反比。因此微镜绕悬臂转动这种结构存在着制造工艺复杂、成本高、以及镜子变化角度不易增大等问题。

发明内容

本发明描述一种新型结构的基于微机电系统技术的可调反射式装置。通过本发明的实施，将克服此类装置的偏转角度范围受牺牲层或中间层限制的问题，并且可以采用商品化SOI硅片来制造具有大偏转角度的器件，克服现有制造工艺复杂、工艺条件要求苛刻等问题。

本发明中芯片包含导电的基片、微镜部分、颈项部分和固定支撑部分。其中微镜部分通过颈项部分和固定支撑部分相连。固定支撑部分固定在基片上且和基片相绝缘，这一部分金属化后可用作导线的焊接区域。颈项部分和基片之间有一间隙层，同样微镜部分和基片之间也有一间隙层。微镜是导电的，或通过金属化使其导电。当在基片和微镜之间存在电位差时，微镜受到指向基片的静电力。

在本发明中，当微镜部分受到指向基片的静电力时，微镜部分不发生形变，而是颈项部分发生形变而使微镜部分产生转动效果。颈项部分在微镜部分受到静电力而向基片运动时发生形变，并产生恢复力矩。微镜部分在不同的旋转角度时其表面不发生和静电力大小相关的变形，保证了微镜部分的光学特性不会变差。和以往的转镜结构不同，微镜部分是通过颈项部分的一段区域相连而被支撑，而以往的转镜是通过两个可以扭曲变形的细小转轴而被支撑，因此本发明中微镜部分得到更多区域的连接和支撑，微镜部分更加结实牢靠。在本发明中，微镜的运动依靠颈项部分的弯曲变形而实现，并由于颈项部分的弯曲形变所产生的弹力在没有外来驱动时而恢复原位。而以往的转镜的转动是通过两个纤细悬臂的扭曲变形而实现。

在本发明中为了克服偏转角度范围受牺牲层或中间层限制这个问题，采用预置偏转角的结构，也就是说在没有受到外力时，微镜部分相对于基片有一个远离基片而上翘的角度。通过使颈项部分产生固有的弯曲，使微镜部分整体和基片形成一个上翘的角度。由于在没有外力的情况下存在一个远离基片的偏转角度，这样就增加了微镜部分在静电力驱动下向基片转动的角度范围，因此无需微镜和基片之间的牺牲层或中间层很厚，就能使微镜有较大的旋转角度。我们知道，对于靠静电力吸引而变形的一个悬臂梁，其能够受静电力控制的悬臂端点的运动范围并不是端点和另一个电极之间的整个距离，而只是其中的约三分之一的范围。对于商品化的SOI硅片来说，其牺牲层最大厚度在3微米左右，当用SOI硅片的器件层来制作微镜部分时，如果没有预置偏转角，微镜一端在静电力驱动下也就只能可控地移动约1微米。采用预置角度的结构使微镜一端上翘几个到几十个微米是较容易实现的。通过本发明的实施可以使用商品化SOI硅片制造有较大转动角度的微镜旋转系统。

在本发明中预置偏转角的实现是由于颈项部分的应力而使颈项部分向上弯曲而形成。在本发明中，颈项部分的应力不是热应力，器件不会由于温度的变化导致颈项部分的应力变化而使微镜部分角度发生变化。同时由于器件采用静电力驱动，颈项部分不需要制造电加热部件，因此功耗很小。本发明中所说颈项部分应力是指颈项部分在厚度方向上存在应力分布。

在本发明中，颈项部分的主要结构是通过化学气相沉积方法制造的膜。所说膜所采用的材料为氮化硅、二氧化硅或多晶硅/无定形硅。这些材料都是半导体工业的标准材料，并且本身具有很低的热膨胀系数以及良好的机械特性。所说的应力分布是通过改变上述材料的沉积条件而得到。在通过化学气相沉积的材料生长过程中，改变工艺条件，比如反应气体的比例、沉积的温度、沉积的气体压强等参数，使先沉积部分和后沉积部分的内在应力或残留应力不一样，从而形成颈项部分的特定应力分布。应力的变化可以是渐变的，也可以是突变的。

在本发明中，所说颈项部分应力也可以是通过不同物质的组合沉积而得到，比如氮化硅和多晶硅/无定形硅的分步沉积、氮化硅和二氧化硅的分步沉积或多晶硅/无定形硅和二氧化硅的分步沉积。所选的不同物质热膨胀系数相近，以保证热稳定性。

一般地，为了使微镜部分产生远离基片的上翘，对颈项部分的应力控制有许多方法，比如，颈项部分首先沉积的物质的应力为负(压应力)，其后沉积的物质的应力为正(张应力)；或者，首先沉积的物质的张应力小于后来沉积物质的张应力。对于都是压应力时的情况可以类推。

在本发明中，颈项部分也可以由连接微镜部分和固定支撑部分的一个或几个单晶硅条和上述所说的膜共同构成。具体地，当使用SOI硅片来制作本发明所说的反射装置时，通过刻蚀方法做出微镜部分和支撑部分，在这两个部分之间要形成颈项部分的区域内刻蚀出一个或几个单晶硅条，再在这个区域上沉积上述所说薄膜。这种结构有几个优点：一是单晶硅的热膨胀系数和将要采用的薄膜材料基本一致，这样就保证了器件的热稳定性；二是单晶硅的机械特性要好于薄膜材料，薄膜附在单晶硅条上使颈项部分更加结实牢固，这样就提高了器件的可靠性；三是通过调整单晶硅条的宽窄和个数能够容易调整颈项部分的弹性系数，利于调节器件的电气参数；四是SOI硅片的器件层一般是导电的，因此通过上述单晶硅条建立起了微镜部分和支撑部分的电气连接，省去了用金属层作为电气连接的相关工序，并且避免了由于颈项部分存在金属层而对器件的热稳定性产生的负面影响。当颈项部分存在多晶硅/无定形硅时也可以通过掺杂的方式建立起微镜部分和支撑部分的电气连接，但要注意掺杂浓度的选取。

颈项部分的薄膜应力分布情况、薄膜的厚度、颈项部分的长度以及所说单晶硅条的数目和宽度将会影响微镜部分的上翘角度。对这些因素的控制将使微镜部分的所说预置偏转角达到设计要求。

对于微镜部分，为了保证反射面光滑平整，一般采用单晶硅作为微镜的基底，也可以采用多晶硅。在某些情况下，微镜部分由其自身的的弯曲也对上翘有贡献，微镜部分自身的弯曲可以由微镜的基底或反射层所带来的残余应力或固有应力造成。

一般地，微镜边缘不和颈项部分相连的区域带有支撑结构。所说支撑结构可以通过部分去除微镜边缘的牺牲层后淀积氮化硅或多晶硅/无定形硅材料形成。其高度不大于微镜和基片之间牺牲层的厚度。由于支撑结构的存在，使微镜向基片运动时支撑结构首先和基片接触并阻止微镜部分进一步和基片贴近，防止在微镜向基片运动角度过大而不受控制时导致基片和微镜的永久粘连。同时由于静电力的大小和距离的平方成反比，由于支撑结构的存在，避免了距离为零而导致静电力非常大这一危险状态，这一危险状态的出现往往会导致基片和微镜部分产生永久粘连。因此这一结构对改善器件的可靠性非常重要。所说支撑结构采用化学气相沉积方法，使支撑结构在微镜和基片之间形成，而不是微镜部分本身的平面延伸，这样更利于防止微镜部分和基片之间的粘连。所说支撑结构可以形成于微镜前端边缘，也可以形成于微镜的其他边缘位置，可以是一个或几个不相连的，也可以是连成一体的。

当微镜部分的反射层采用金属层时，由于金属和其下面的微镜部分基底材料的热膨胀系数不一致，微镜会产生和温度相关的弯曲，对其自身上翘也产生影响，导致反射光线的路径发生变化，器件的热稳定性能也因此变差，严重时会影响器件的使用。对这个问题的解决将极大地改善器件的性能。本发明中采用热补偿的方法。一般地，当微镜部分基底材料和所用反射层金属都确定时，由于温度变化导致金属层对微镜部分上翘或下弯的影响程度是确定的。针对这种情况，在本发明中，把整个基片安装在一个随温度发生变化的支架上，支架随温度发生变化导致整个基片的安装角度发牛变化。基片安装角度的变化量用以补偿微镜部分自身的变化，使温度变化时微镜相对于光路的角度基本保持不变。所说支架由高膨胀系数材料和低膨胀系数材料支撑物构成，分别支撑基片的两端。

在某些情况下，需要更大的旋转转角度，改变上述各种参数可以达到大预置偏转角度来保证大旋转角度的要求。由于静电力和距离的平方成反比，大的预置偏转角度意味着更大的驱动电压。因此单纯增大预置偏转角会迅速增大驱动电压，给使用带来不便。本发明针对这种情况，采用二级预置偏转角度的设计方案：颈项部分和微镜部分分成两级，第一级的颈项部分和固定支撑部分相连，另一端和第一级微镜部分相连；第二级颈项部分的一端和第一级微镜部分相连，第二级颈项部分的另一端和第二级微镜部分相连。第一级微镜部分在第一级颈项部分的带动下得到一个预置偏转角，第二级颈项部分由于和第一级微镜部分相连，因此第二级颈项部分本身也就有了偏转角，所以第二级微镜部分的预置偏转角度为第一级和第二级颈项部分产生的预置偏转角度的总合。一般地，第一微镜部分起到角度传递的作用，因此不包含反射区域，但其表面积可以很大，这样在相同驱动电压下增大静电力。特别是第一级微镜部分和基片距离较近，在低驱动电压时就会发生偏转从而带动第二级整体发生偏转，对降低驱动电压非常有利。在设计时应该考虑第一级和第二级颈项部分的距离，改善偏转状态的光学特性。

本发明采用支撑固定支撑部分、颈项部分以及微镜部分，通过选用热膨胀系小的材料来制作颈项部分，并通过颈项部分的应力使微镜部分产生一个远离基片的预置偏转角，克服了偏转角度被牺牲层厚度限制的问题。这种结构使采用商品化的SOI硅片来制造由静电驱动的有较大偏转角度的微镜成为现实，无需在工艺流程过程中进行键合，同时微镜部分通过颈项部分和固定支撑部分连接，而不是通过细长的旋臂被固定，提高了抗震抗冲击性能的提高。由于抛弃了一些特殊的要求很高的工艺，比如键合、抛光等工艺，有利于制造成本的降低以及批量化的生产。

本发明中采用导电的基片，通过下面具体实施例的描述，本发明的优点将清楚地显现出来。

附图说明

图1为一种优选形式的可调反射装置的结构示意图。

图2为把固定支撑结构分成两个部分的示意图。

图3为微镜部分边缘的支撑结构示意图。

具体实施方式

下面依据附图具体描述可调反射式装置的优选实施方案，所示附图表明各部分的相对关系，为了便于理解，附图各部分未按比例画出。

如图1所示，本发明中可调反射式装置由导电基片10、固定支撑部分20、颈项部分30，微镜部分40，以及空隙层50构成。在本发明中，一种优选实施方案采用SOI硅片作为基本材料。SOI硅片掺杂的硅衬底层(handlelayer)构成导电基片10。SOI硅片的二氧化硅牺牲层被腐蚀后形成成空隙层50。SOI硅片的器件层(device layer)以及蒸镀或沉积在其上的反射层构成了微镜部分40。固定支撑部分20可以由二氧化硅牺牲层和器件层构成。可以用CVD方法淀积氮化硅或多晶硅/无定型硅来构成颈项部分30，颈项部分30也可以包括由器件层刻蚀而成的连接微镜部分和固定支撑部分的单晶硅条70。

首先在SOI硅片的器件层上光刻出微镜部分、固定支撑部分以及颈项部分的硅条，然后通过干法腐蚀的方法在器件层上形成上述部分。注意选择合适的干法腐蚀参数以便减少对牺牲层的影响。然后通过干法或湿法腐蚀去掉除微镜部分、固定支撑部分以及颈项部分以外其他区域的牺牲层。然后通过化学气相沉积(CVD)方法淀积氮化硅或多晶硅薄膜作为颈项部分的薄膜结构。所说薄膜在厚度方向上有固有或残余应力分布，使得颈项部分被释放时向上弯曲，带动被释放的微镜部分远离基片。淀积过程要掌握参数。所说薄膜也可以是不同材料薄膜先后淀积而成。

然后除去颈项部分以外的薄膜，但保留固定支撑部分边缘的薄膜，形成保护条55。

在完成上述工艺后，在微镜部分的表面蒸镀上反射层，反射层可以是由金属构成的反射层，也可以采用由介质膜构成的反射层。最后通过腐蚀去掉相应区域的牺牲层使微镜部分和颈项部分得到释放。为加速释放过程，可以通过背面套刻和腐蚀的办法从基片背部腐蚀出到达牺牲层的一个或数个小孔60，这些小孔在微镜部分的下方，腐蚀液体或气体可以通过小孔从背面到达牺牲层以加快释放过程。一般地，反射区域为圆形，但微镜部分可以是包含这个圆形的其它形状，以改善静电力的特性。

保护条55可以由用于淀积颈项部分的薄膜来形成，也可以用单独的一道淀积工艺形成。用单独的工艺可以使保护条55的厚度不受限制，以增加保护能力。由于固定支撑部分和颈项部分相连，并且固定支撑部分和颈项部分下面的牺牲层也是相连的，因此在释放微镜部分以及颈项部分的时候，固定支撑部分下面的牺牲层也会被腐蚀。如果固定支撑部分面积比微镜部分要大很多，或当采用背部制作小孔60的方法，在微镜部分和颈项部分得到释放时仍将有很多的固定支撑部分下面的牺牲层得以保留，固定支撑部分的稳固性不受影响。当然也可采用如图2所示的方法来保证固定支撑部分的稳固性：固定支撑部分分成两部分，和颈项部分相连接的第一固定支撑部分80上面有很多除去牺牲层的小孔，第一固定支撑部分通过化学气相沉积产生的薄膜和基片相连并固定，第二固定支撑部分90得到保护条55的全周长保护，第一固定支撑部分和第二固定支撑部分通过金属条或硅条相连。第二固定支撑部分镀有金属层并有足够强度用于打线。

一般地，微镜边缘不和颈项部分相连的区域带有支撑结构95，如图3所示。所说支撑结构可以通过腐蚀的方法减薄微镜部分边缘的牺牲层后，淀积氮化硅或多晶硅/无定形硅材料形成。由于支撑结构95的存在，使微镜向基片运动时支撑结构95首先和基片接触并阻止微镜部分进一步和基片贴近，防止在微镜部分向基片运动角度过大而导致基片和微镜部分的永久粘连。同时由于静电力的大小和距离的平方成反比，由于支撑结构的存在，避免了距离为零而导致静电力非常大这一危险状态。这一危险状态的出现往往会导致基片和微镜部分产生永久粘连。所说支撑结构采用化学气相淀积方法，使支撑结构在微镜和基片之间形成，而不是微镜部分本身的平面延伸，更利于防止微镜部分和基片之间的粘连。

在微镜部分的反射面为金属层时，由于金属的热膨胀系数和微镜部分基底材料的热膨胀系数不同，在温度变化时，微镜部分的曲率半径会发生变化。由于微镜部分的一端被颈项部分固定，这个变化等效于微镜部分和基片间的角度发生变化，这样将导致器件的输出值受温度影响而变化。为了改善器件的温度稳定性，需要对此进行温度补偿。可以把基片放置在一个随温度变化的支架上，支架一般由两个支撑物组成，分别支撑在基片的两端，两个支撑物分别由热膨胀系数不同的材料构成，支架随温度变化导致基片的放置角度变化，其变化用于补偿微镜部分由于曲率半径变化而导致的等效角度变化。

Claims (9)

1.一种基于微机电系统技术的可调反射式装置，其特征在于包括：

导电的基片；

导电的微镜部分；

导电的颈项部分；

固定支撑部分；

所述基片和微镜部分之间以及基片和颈项部分之间有空隙层；

所述颈项部分的一端和所述固定支撑部分相连，所述颈项部分另一端和所述微镜部分的一端相连；

所述颈项部分存在应力分布而导致弯曲，所述微镜部分在此弯曲的带动下产生远离基片的预置偏转角度；

所述微镜部分在其自身和所述基片间静电力的作用下使所述颈项部分产生形变，从而向所述基片偏转，导致所述微镜部分的法线方向发生变化，致使反射光束的传播方向发生变化。

所述颈项部分是由下列材料的一种或几种组合形成的薄膜结构：氮化硅、二氧化硅、多晶硅/无定形硅；

所述颈项部分应力分布是所述薄膜结构的材料在形成时通过工艺控制而产生的固有应力分布或残留应力分布。

2.根据权利要求1所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述基片是掺杂的硅基片，所述空隙层由二氧化硅或掺磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层被腐蚀掉而形成。

3.根据权利要求2所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述颈项部分还包括连接所述固定支撑部分和所述微镜部分的单晶硅条。

4.根据权利要求3所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述微镜由单晶硅薄膜为基底，表面镀由以下一种金属或几种金属的组合而形成的反射层：铝、铬、镍、金、银；

所述基片固定在一个随温度变化的支架上，所述支架由高膨胀系数材料和低膨胀系数材料支柱构成，分别支撑基片的两端，用于补偿所述微镜部分在温度变化时发生的和角度有关的变化。

5.根据权利要求3所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述微镜部分和颈项部分不相连的区域边缘有支撑结构，所述支撑结构通过化学气相沉积工艺得到。

6.根据权利要求2所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述微镜部分由单晶硅层为基底，表面形成由以下材料形成的介质反射膜：氮化硅、多晶硅/无定形硅，或二氧化硅。

7.根据权利要求2所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述微镜部分由多晶硅/无定形硅薄膜为基底，上镀由以下一种金属或几种金属的组合而形成的反射层：铝、铬、镍、金、银；

所述基片固定在一个随温度变化的支架上，所述支架由高膨胀系数材料和低膨胀系数材料支柱构成，分别支撑基片的两端，用于补偿所述微镜部分在温度变化时发生的和角度有关的变化。

8.根据权利要求2所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述微镜由多晶硅/无定形硅薄膜为基底，上面形成由以下材料组合形成的介质反射膜：氮化硅、多晶硅/无定形硅，或二氧化硅。

9.根据权利要求2所述的可调反射式装置，其特征在于：

所述颈项部分和微镜部分包含第一级和第二级，第一级颈项部分一端和所述固定支撑部分相连，另一端和第一级微镜部分相连；第二级颈项部分一端和所述第一级微镜部分相连，另一端和第二级微镜部分相连。

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