CN102602160A

CN102602160A - 反射式光栅光阀及其加工方法

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Publication number: CN102602160A
Application number: CN2012100611082A
Authority: CN
Inventors: 方平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2012-07-25

Abstract

一种反射式光栅光阀及其加工方法，所述的反射式光栅光阀主要由硅基底、二氧化硅层和可移动光栅条组成，所述的硅基底上设有二氧化硅层，在二氧化硅层上设有多个可移动光栅条，所述的可移动光栅条间相互平行且等间隔布置，可移动光栅条呈中间悬空的桥梁状，其两端分别固定于二氧化硅层上；加工方法是在硅基底上生长二氧化硅层，在二氧化硅层上生长硅牺牲层，在硅牺牲层上生长氮化硅层；用离子蚀刻法对氮化硅层进行离子蚀刻，留下氮化硅梁部分；用化学腐蚀法对牺牲层进行腐蚀，掏空牺牲层，得到中间悬空、两端固定在二氧化硅层上的氮化硅梁；在氮化硅层的表面蒸镀一层金属铝或金属银作为金属反射层和上电极；它具有高光效率、高消光比和高响应速度，而且加工工艺简单，可作为其多路光调制器件，应用于高品质印刷和防伪包装领域的高解析度激光雕刻装备。

Description

反射式光栅光阀及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种反射式光栅光阀及其加工方法，属于一种光电技术领域。

背景技术

高解析度激光雕刻装备广泛用于高品质印刷和防伪包装领域，具有解析度高、扫描速度快等特点。激光雕刻装备一般采用微机电加工的多路光调制器件，要求该器件具有高的光效率、消光比和响应速度。现有技术的微机电加工的多路光调制器件主要有两种。

其一是基于悬臂梁或绞链结构的光偏转器件，典型的为Texas Instruments公司的DMD器件。DMD器件的转镜的偏转量较大，且悬臂梁和绞链结构的固有频率低，因此DMD器件的响应频率一般低于100kHz。

其二是基于衍射效应的光栅光阀器件，典型的为Silicon Light Machine公司的光栅光阀(GLV)。光栅光阀(GLV)由固定光栅条和可移动光栅条组成，依靠静电驱动改变可移动光栅条的形状，对入射光的强度和反射方向进行控制以实现调制。其对每路光的调制均需通过驱动多个可移动光栅条变形，使固定光栅条与可移动光栅条的反射光之间产生相位差，从而发生衍射现象来实现。因此，尽管该器件的制作采用技术成熟的光刻以及干湿法刻蚀方法，但由于其光栅条的尺寸小、精度高，因此加工工艺仍显复杂，成品率较低。同时，光栅光阀(GLV)的光效率和消光比较低，使用其零级光时，消光比较低；使用其一级光时，其一级光束的能量均低于50％，光效率较低。

发明内容

为了满足高解析度激光雕刻装备对多路光调制器件的技术要求，克服现有微机电加工的光栅光阀器件的不足，本发明由可移动光栅条、二氧化硅层、以及硅基底组成，可移动光栅条在静电驱动下发生变形，形成柱面镜，对入射光实现反射，目的在于提供一种具有高光效率、高消光比和高响应速度，而且加工工艺简单的反射式光栅光阀器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的反射式光栅光阀：它主要由硅基底、二氧化硅层和可移动光栅条组成，所述的硅基底上设有二氧化硅层，在二氧化硅层上设有多个可移动光栅条，所述的可移动光栅条间相互平行且等间隔布置，可移动光栅条呈中间悬空的桥梁状，其两端分别固定于二氧化硅层上。

所述的可移动光栅条由氮化硅梁和金属反射层构成，氮化硅梁采用低应力氮化硅材料制成，其上设有既作为反射层以增大可移动光栅条的反射度、同时也作为其上电极的金属反射层。

所述氮化硅梁的厚度为100-200nm，宽度为25-100μm，长度为150-300μm；氮化硅梁与二氧化硅层之间的中间悬空间距为0.5-1μm；所述金属反射层的材料选用金属铝或金属银构成，其厚度为50-100nm，宽度为25-100μm，长度为150-300μm；相邻两个可移动光栅条之间的距离为0.5-1μm。

所述的硅基底的厚度为200-350μm；所述二氧化硅层的厚度为0.6-0.8μm。

一种如上所述的反射式光栅光阀的加工方法，该加工方法包括以下步骤：

1)、在硅基底上生长二氧化硅层，在二氧化硅层上生长硅牺牲层，在硅牺牲层上生长氮化硅层；

2)、用离子蚀刻法对氮化硅层进行离子蚀刻，留下氮化硅梁部分；

3)、用化学腐蚀法对牺牲层进行腐蚀，掏空牺牲层，得到中间悬空、两端固定在二氧化硅层上的氮化硅梁；

4)、在氮化硅梁的表面蒸镀一层金属反射层。

本发明具有如下有益技术效果：

1、采用可移动光栅条反射法，光效率和消光比高；

2、每个可移动光栅条调制一路光，减少了光栅条的数量，降低了驱动电路的复杂度、以及加工和封装的难度；

3、由于形成有效柱面镜所需的可移动光栅条的变形非常小，且低应力氮化硅材料的弹性模量高，热膨胀系数低，因此器件的驱动电压低，响应快，可耐受的光强高；

4、可移动光栅条数量可达512以上，可同时对512路以上的光进行控制，成像速度快；

5、光斑尺寸小，且呈正方形，成像质量高。

因此本发明可应用于高品质印刷和防伪包装领域的高解析度激光雕刻装备，作为其多路光调制器件。

附图说明

图1为本发明的立体示意图；

图2(a)为本发明未加电时的截面示意图；

图2(b)为本发明加电时的截面示意图；

图3为本发明加工方法的流程图；

图4为本发明应用实施例激光雕刻装备的光学原理示意图。

图中：1.硅基底，2.二氧化硅层，3.可移动光栅条，4.氮化硅梁，5.金属反射层，6.光阑，7.狭缝，8.氮化硅层，9.牺牲层，10.反射式光栅光阀，11.入射光线，12.线状激光器，13.加电可移动光栅条之反射光线，14.透镜组，15.感光材料，16.辊筒，17.未加电可移动光栅条之反射光线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示，本发明主要由硅基底1、二氧化硅层2和可移动光栅条3组成，所述的硅基底1上设有二氧化硅层2，在二氧化硅层2上设有多个可移动光栅条3，所述的可移动光栅条3间相互平行且等间隔布置，可移动光栅条3呈中间悬空的桥梁状，其两端分别固定于二氧化硅层2上。

所述的可移动光栅条3由氮化硅梁4和金属反射层5构成，氮化硅梁4采用低应力氮化硅材料制成，其上设有既作为反射层以增大可移动光栅条的反射度、同时也作为其上电极的金属反射层5。

图2(a)、图2(b)所示，所述的硅基底1的厚度为200-350μm。所述的二氧化硅层2的厚度为0.6-0.8μm。所述的可移动光栅条3包括氮化硅梁4和金属反射层5；氮化硅梁4采用低应力氮化硅材料，氮化硅梁4上设有金属反射层5；氮化硅梁4的厚度为100-200nm，宽度为25-100μm，长度为150-300μm；氮化硅梁4与二氧化硅层2的间距为0.5-1μm；金属反射层5的材料一般采用金属铝或金属银，其厚度为50-100nm，宽度为25-100μm，长度为150-300μm，金属反射层5既作为反射层以增大可移动光栅条的反射度，同时也作为其上电极；相邻两个可移动光栅条3之间的距离为0.5-1μm。

反射式光栅光阀基于光的反射原理进行工作，采用简单、稳定的材料如硅、二氧化硅和氮化硅材料，并采用光刻、离子刻蚀等半导体制造工艺进行加工。在上电极与基底电极间不加电时，可移动光栅条3处于非工作状态，不发生变形，金属反射层5将入射在其表面的光线直接反射，绝大部分反射光被光阑6挡住。当上电极与基底下电极之间施加一定的电压时，在静电驱动下，氮化硅梁4发生弯曲变形，带动金属反射层5变形，形成柱面镜，入射在该柱面镜上的光线被反射并聚焦，绝大部分反射光穿过光阑6的狭缝7；施加在上电极与基底下电极之间电压越高，氮化硅梁4的变形量越大，因此可通过调整所施加的电压幅值，调整透过光阑6的光强。

反射式光栅光阀的特点之一是进行有效调制所需的可移动光栅条3的变形量非常小，仅需1μm以下，而氮化硅梁4所采用的低应力氮化硅材料具有弹性模量高、热膨胀系数小等特点，因此所需的驱动电压低，响应速度快，可耐受的光强高。当可移动光栅条3的长度为1，加电后可移动光栅条3的变形量为Δ时，根据光学原理可得柱面镜的曲率半径为R＝l²/8Δ，柱面镜的焦距为f＝l²/16Δ；狭缝7越宽，反射式光栅光阀的光效率越高，而消光比则越低。

图3所示，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括如上所述的反射式光栅光阀的加工方法，包括以下步骤：

1)、在硅基底1上生长二氧化硅层2，在二氧化硅层2上生长硅牺牲层9，在硅牺牲层9上生长氮化硅层8；

2)、用离子蚀刻法对氮化硅层8进行离子蚀刻，留下氮化硅梁部分；

3)、用化学腐蚀法对牺牲层9进行腐蚀，掏空牺牲层9，得到中间悬空、两端固定在二氧化硅层上的氮化硅梁4；

4)、在氮化硅梁4的表面蒸镀一层金属反射层5。

实施例：

本实施例取可移动光栅条数量为512，硅基底1的厚度为300μm，二氧化硅层2的厚度为0.6μm，氮化硅梁4的厚度为200nm，宽度为50μm，长度为200μm，氮化硅梁4与二氧化硅层2的间距为1μm，金属反射层5的厚度为60nm，宽度为50μm，长度为200μm，相邻两个可移动光栅条的间距为1μm，狭缝7的宽度为5μm，长度为30mm。实验结果表明，本发明实施例反射式光栅光阀10的光效率为75％，消光比为50∶1，工作频率达300kHz。

将本发明实施例反射式光栅光阀10作为多路光调制器件应用于高解析度激光雕刻装备，其光学原理如图4所示。线状激光器12发出的线状激光11入射在反射式光栅光阀10上，未施加电压的可移动光栅条之反射光线17的绝大部分被光阑6挡住，施加电压后发生形变的可移动光栅条之反射光线13穿过光阑6上的狭缝7，经透镜组14聚焦后扫描涂布于辊筒16表面上的感光材料15。实验结果表明，该激光雕刻装备的解析度达10160DPI，雕刻1平米仅需5分钟，适用于高品质印刷和防伪包装。

Claims

1.一种反射式光栅光阀，它主要由硅基底(1)、二氧化硅层(2)和可移动光栅条(3)组成，其特征在于所述的硅基底(1)上设有二氧化硅层(2)，在二氧化硅层(2)上设有多个可移动光栅条(3)，所述的可移动光栅条(3)间相互平行且等间隔布置，可移动光栅条(3)呈中间悬空的桥梁状，其两端分别固定于二氧化硅层(2)上。

2.根据权利要求1所述的反射式光栅光阀，其特征在于所述的可移动光栅条(3)由氮化硅梁(4)和金属反射层(5)构成，氮化硅梁(4)采用低应力氮化硅材料制成，其上设有既作为反射层以增大可移动光栅条的反射度、同时也作为其上电极的金属反射层(5)。

3.根据权利要求2所述的反射式光栅光阀，其特征在于所述氮化硅梁(4)的厚度为100-200nm，宽度为25-100μm，长度为150-300μm；氮化硅梁与二氧化硅层之间的中间悬空间距为0.5-1μm；所述金属反射层(5)的材料选用金属铝或金属银构成，其厚度为50-100nm，宽度为25-100μm，长度为150-300μm；相邻两个可移动光栅条(3)之间的距离为0.5-1μm。

4.根据权利要求1所述的反射式光栅光阀，其特征在于所述的硅基底(1)的厚度为200-350μm；所述二氧化硅层2的厚度为0.6-0.8μm。

5.一种如权利要求1或2或3或4所述的反射式光栅光阀的加工方法，其特征在于所述的加工方法包括以下步骤：

1)、在硅基底1上生长二氧化硅层(2)，在二氧化硅层(2)上生长硅牺牲层(9)，在硅牺牲层(9)上生长氮化硅层(8)；

2)、用离子蚀刻法对氮化硅层(8)进行离子蚀刻，留下氮化硅梁部分；

3)、用化学腐蚀法对牺牲层(9)进行腐蚀，掏空牺牲层(9)，得到中间悬空、两端固定在二氧化硅层上的氮化硅梁(4)；

4)、在氮化硅梁(4)的表面蒸镀一层金属反射层(5)。