CN102269868A - 一种沟槽隔离镜面的微扭转镜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沟槽隔离镜面的微扭转镜及其制作方法,属于微光机电系统(MOEMS)领域。该微扭转镜的镜面由被沟槽隔离开的导电镜面1和隔离镜面2组成,所述沟槽被两边为二氧化硅4,中间为多晶硅3的夹心式材料填充。工作时,加电引线锚点7通电后,导电镜面1和其上的活动梳齿8通电,驱动梳齿对在静电力作用下带动整个镜面转动;由于沟槽的存在,隔离镜面2不导电,这样就可以通过不带电的检测梳齿对得到镜面转动引起的准确电容值。整个器件结构简单,设计方法新颖,效果显著,能够有效的测量出活动梳齿和固定梳齿之间电容,很好的实现系统的闭环控制,为微扭转镜器件的性能可靠性和准确性提供了保障,使其具有更为广阔的市场前景。
Description
所属领域
本发明属于微光机电系统(MOEMS)领域,主要涉及一种微扭转镜及其制作方法。
背景技术
微扭转镜与传统光束偏转元件相比,具有能耗小、微型化、易集成等优点,加之其在通信、消费电子、生物医药、军事国防等领域的应用不断扩展,逐渐成为光学MEMS领域研究的热点。静电梳齿驱动微扭转镜具有结构简单、单位能量密度大、转动角度大的特点,是未来最具商业化前景的微扭转镜形式之一。
鉴于微扭转镜有着广阔的商业前景,特别是基于单片绝缘体上硅(SOI)硅片的垂直梳齿驱动微扭转镜,大大简化了制作工艺的成本和难度,为微扭转镜的研究开辟了新的天地。为此,近年来,国际上很多公司和研究院校的科研人员参加到各种形式的垂直梳齿驱动微扭转镜的研发当中。
1999年,康奈尔大学采用表面工艺结合深度反应离子刻蚀(DRIE)体硅工艺,制作了Staggered Vertical Comb(SVC)微扭转镜,在18V电压驱动下转角仅为1.1°,但此研究开辟了垂直梳齿驱动微扭转镜结构的先河;加州大学伯克利分校于2000年研制出基于硅硅键合工艺的SVC微扭转镜,在交流电压驱动下,其扫描角度达到24.9°;2002年加州大学洛杉矶分校的PR.Patterson研究小组提出了Angular Vertical Comb(AVC)驱动器能有效提高微扭转镜的静态转角,但是其AVC采用光刻胶铰链制作,工艺可操作性差;这些报道的微扭转镜都是工作在开环控制下,其受外界的影响较大,为了更好的实现扭转镜稳定的转动,一般通过检测电容的变化来反馈信息对其实行闭环控制。在文献《Driver ASIC forsynchronized excitation of resonant micromirrors》中,Roscher,K.等人通过特殊的集成电路设计来对电容变化的检测实行闭环控制,但往往这种电容的信号是非常微弱的,并且光的检测技术要求更高的精度,所以这种方法实现起来有很大的难度;2010年A.Tortschanoff等人在文献《Optical Position Feedback and Phase Control of MOEMS-ScannerMirrors》提出,通过采用激光束在镜面的背面反射,外加高速光电探测器来快速的检测光的反射并以此确定参数来实现系统的闭环控制,但这种方式需要外加高速光电探测器和触发二极管来实现,使整个系统的设计变得复杂,成本增加。
综上所述,为了实现微扭转镜更加稳定的工作,一般采用电容检测的方式来实现闭环控制,但现有的方法存在反馈信号弱,系统实现复杂,精确度低等问题。如果直接检测镜面梳齿的电容,当连接镜面的锚点和固定梳齿端锚点加上驱动电压后,若将其作为电容信号检测的两端,则驱动信号和检测信号混叠,无法准确实现加电压后梳齿间的电容的测量,从而无法实现微扭转镜的闭环控制。
发明内容
本发明的目的是:为了克服微扭转镜器件在连接镜面的锚点和固定梳齿端锚点加电压后,梳齿电容很难被准确测量这一问题,本发明提出一种沟槽隔离镜面的微扭转镜及其制作方法,该微扭转镜采用沟槽填充技术来使的镜面分为加电后导电部分和加电后不导电部分,这样能有效的测量其微扭转镜的梳齿电容,以使来更好的完成信息的反馈,并利用闭环控制使微扭转镜达到更稳定的状态。
本发明的技术方案是:参阅图1,一种沟槽隔离镜面的微扭转镜,包括镜面,其特征在于,所述的镜面由被沟槽隔离开的导电镜面1和隔离镜面2组成;导电镜面1和隔离镜面2各通过一根支撑梁5,分别与加电引线锚点7和测试引线锚点6连接,使得整个镜面由支撑梁5支撑悬置在两个锚点中间;镜面上的沟槽被两边为二氧化硅4,中间为多晶硅3的夹心式材料填充,二氧化硅4的作用是将镜面绝缘开,而填充的多晶硅3则起到对两个分开的导电镜面1和隔离镜面2的机械连接作用;所述导电镜面1上布有活动梳齿8,固定在加电引线固定锚点11上的固定梳齿9与之构成驱动梳齿对;所述隔离镜面2上也布有活动梳齿8,固定在测试引线固定锚点10上的固定梳齿9与之构成检测梳齿对。
参阅图2,所述的沟槽隔离镜面的微扭转镜的制作方法,其主要是对沟槽隔离部分工艺的描述,包括如下步骤:
步骤1:清洗SOI硅片后,光刻以及ICP刻蚀器件层,在器件层加工出未加工沟槽的镜面、支撑梁5、可动梳齿8、固定梳齿9、加电引线锚点7、加电引线固定锚点11、测试引线锚点6、测试引线固定锚点10结构;
步骤2:参阅图2(a),在硅片的器件层上涂光刻胶12,光刻后在其上形成光刻胶上的沟槽窗口13结构,光刻胶上的沟槽窗口13对应的是镜面上的隔离槽窗口;
步骤3:参阅图2(b),以光刻胶12为掩模对器件层镜面进行ICP刻蚀,刻蚀到镜面下的二氧化硅绝缘层为止,形成镜面上的沟槽窗口14,然后去除光刻胶12;
步骤4:参阅图2(c),对器件层进行氧化,使得包括镜面,沟槽的侧壁及沟槽底部湿氧化一层二氧化硅层,这其中沟槽侧壁的二氧化硅层是我们所需要的,这将形成镜面沟槽侧壁隔离物二氧化硅4;
步骤5:参阅图2(d),给器件层所氧化的二氧化硅层上再沉积一层多晶硅层,保证多晶硅填满沟槽,以免造成镜面的不平整使得最后器件测试时对光的反射有损失;
步骤6:参阅图2(e),机械抛光镜面上沟槽外的多晶硅层,再去除除沟槽侧壁之外表面的二氧化硅层,最终形成沟槽里两边的二氧化硅4以及中间的多晶硅3;
步骤7:参阅图2(f),对整张硅片进行背面的光刻及ICP深刻蚀,形成提供微扭转镜转动空间的背腔,在氢氟酸溶液中释放结构,去除微扭转镜底下的二氧化硅牺牲层,以此形成利用沟槽隔离镜面的微扭转镜结构。
本发明的有益效果是:本发明提出的沟槽隔离镜面的微扭转镜,理论上,当在加电引线锚点7和加电引线固定锚点11不加驱动电压时,微扭转镜在平衡位置,如果加电引线锚点7和加电引线固定锚点11组成的驱动梳齿对加上驱动电压后,微扭转镜面在严格意义上的平衡位置是不能起振的,但由于工艺误差的存在,是不可能制造出镜面处于严格意义上的平衡位置,所以我们利用镜面上活动梳齿8和固定梳齿9之间的相对误差距离来将其加驱动电压信号后起振。
工作时,加电引线锚点7通电后,导电镜面1和其上的活动梳齿8通电,驱动梳齿对在静电力作用下带动整个镜面转动;由于隔离镜面2通过沟槽与导电镜面1隔离开,沟槽两边填充的二氧化硅层4绝缘,因此隔离镜面2是不导电的,这样,就可以通过不带电的检测梳齿对得到镜面转动引起的准确电容值,这样我们就避免了整个镜面带电而不能测量梳齿电容的问题,以此来更好的实行闭环系统。
总之,本发明提出的沟槽隔离镜面的微扭转镜,整个器件结构简单,设计方法新颖,效果显著,能够有效的测量出活动梳齿和固定梳齿之间电容,很好的实现系统的闭环控制,为微扭转镜器件的性能可靠性和准确性提供了保障,使其具有更为广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明提出的沟槽隔离镜面的微扭转镜俯视图
图2是本发明提出的沟槽隔离镜面的微扭转镜的制作方法示意图
图中:1-导电镜面,2-隔离镜面,3-多晶硅,4-二氧化硅,5-支撑梁,6-测试引线锚点,7-加电引线锚点,8-活动梳齿,9-固定梳齿,10-测试引线固定锚点,11-加电引线固定锚点,12-光刻胶,13-光刻胶上的沟槽窗口,14-镜面上的沟槽窗口。
具体实施方法
本实施例中的沟槽沟离镜面的微扭转镜,包括镜面,其特征在于,所述的镜面由被沟槽隔离开的导电镜面1和隔离镜面2组成;导电镜面1和隔离镜面2各通过一根支撑梁5,分别与加电引线锚点7和测试引线锚点6连接,使得整个镜面由支撑梁5支撑悬置在两个锚点中间;镜面上的沟槽被两边为二氧化硅4,中间为多晶硅3的夹心式材料填充,二氧化硅层4的作用是将镜面绝缘开,而填充的多晶硅3则起到对两个分开的导电镜面1和隔离镜面2的机械连接作用;所述导电镜面1上布有活动梳齿8,固定在加电引线固定锚点11上的固定梳齿9与之构成驱动梳齿对;所述隔离镜面2上也布有活动梳齿8,固定在测试引线固定锚点10上的固定梳齿9与之构成检测梳齿对。
参阅图2,所述的沟槽沟离镜面的微扭转镜的制作方法,其主要是对沟槽隔离部分工艺的描述,包括如下步骤:
步骤1:清洗SOI硅片后,光刻以及ICP刻蚀器件层,在器件层加工出未加工沟槽的镜面、支撑梁5、可动梳齿8、固定梳齿9、加电引线锚点7、加电引线固定锚点11、测试引线锚点6、测试引线固定锚点10结构;
步骤2:参阅图2(a),在硅片的器件层上涂光刻胶12,光刻后在其上形成光刻胶上的沟槽窗口13结构,光刻胶上的沟槽窗口13对应的是镜面上的隔离槽窗口;
步骤3:参阅图2(b),以光刻胶12为掩模对器件层镜面进行ICP刻蚀,刻蚀到镜面下的二氧化硅绝缘层为止,形成镜面上的沟槽窗口14,然后去除光刻胶12;
步骤4:参阅图2(c),使用氧化扩散炉对器件层进行湿氧化,使得包括镜面,沟槽的侧壁及沟槽底部湿氧化一层二氧化硅层,这其中沟槽侧壁的二氧化硅层是我们所需要的,这将形成镜面沟槽的隔离物二氧化硅4;
步骤5:参阅图2(d),使用LPCVD设备给器件层所氧化的二氧化硅层上再沉积一层多晶硅层,保证多晶硅填满沟槽,以免造成镜面的不平整使得最后器件测试时对光的反射有损失;
步骤6:参阅图2(e),使用化学机械抛光(CMP)去除镜面上沟槽外的多晶硅层,然后用体积比氢氟酸∶水为1∶10的稀释氢氟酸溶液去除除沟槽侧壁之外表面的二氧化硅层,最终形成沟槽里两边的二氧化硅4以及中间的多晶硅3;
步骤7:参阅图2(f),对整张硅片进行背面的光刻及ICP深刻蚀,形成提供微扭转镜转动空间的背腔,在氢氟酸溶液中释放结构,去除微扭转镜底下的二氧化硅牺牲层,以此形成利用沟槽隔离镜面的微扭转镜结构。
Claims (2)
1.一种沟槽隔离镜面的微扭转镜,包括镜面,其特征在于,所述的镜面由被沟槽隔离开的导电镜面(1)和隔离镜面(2)组成;导电镜面(1)和隔离镜面(2)各通过一根支撑梁(5),分别与加电引线锚点(7)和测试引线锚点(6)连接,使得整个镜面由支撑梁(5)支撑悬置在两个锚点中间;镜面上的沟槽被两边为二氧化硅(4),中间为多晶硅(3)的夹心式材料填充;所述导电镜面(1)上布有活动梳齿(8),固定在加电引线固定锚点(11)上的固定梳齿(9)与之构成驱动梳齿对;所述隔离镜面(2)上也布有活动梳齿(8),固定在测试引线固定锚点(10)上的固定梳齿(9)与之构成检测梳齿对。
2.一种如权利要求1所述的沟槽隔离镜面的微扭转镜的制作方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:清洗SOI硅片后,光刻以及ICP刻蚀器件层,在器件层加工出未加工沟槽的镜面、支撑梁(5)、可动梳齿(8)、固定梳齿(9)、加电引线锚点(7)、加电引线固定锚点(11)、测试引线锚点(6)、测试引线固定锚点(10)结构;
步骤2:在硅片的器件层上涂光刻胶(12),光刻后在其上形成光刻胶上的沟槽窗口(13)结构,光刻胶上的沟槽窗口(13)对应的是镜面上的隔离槽窗口;
步骤3:以光刻胶(12)为掩模对器件层镜面进行ICP刻蚀,刻蚀到镜面下的二氧化硅绝缘层为止,形成镜面上的沟槽窗口(14),然后去除光刻胶(12);
步骤4:对器件层进行氧化,使得包括镜面,沟槽的侧壁及沟槽底部湿氧化一层二氧化硅层,这其中沟槽侧壁的二氧化硅层将形成镜面沟槽侧壁隔离物二氧化硅(4);
步骤5:给器件层所氧化的二氧化硅层上再沉积一层多晶硅层,保证多晶硅填满沟槽,以免造成镜面的不平整使得最后器件测试时对光的反射有损失;
步骤6:机械抛光镜面上沟槽外的多晶硅层,再去除除沟槽侧壁之外表面的二氧化硅层,最终形成沟槽里两边的二氧化硅(4)以及中间的多晶硅(3);
步骤7:对整张硅片进行背面的光刻及ICP深刻蚀,形成提供微扭转镜转动空间的背腔,在氢氟酸溶液中释放结构,去除微扭转镜底下的二氧化硅牺牲层,以此形成利用沟槽隔离镜面的微扭转镜结构。
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