CN103076676B - 闪耀角可调微机械光栅的制作方法 - Google Patents

闪耀角可调微机械光栅的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了两种基于体硅干法刻蚀技术的闪耀角可调微机械光栅的制作方法，主要涉及微机电系统（MEMS）技术、微加工技术以及光栅衍射技术等。该方法包括刻蚀浅槽、淀积金属薄膜并刻蚀形成下电极、刻蚀出扭转支点和锚点、键合、减薄、刻蚀得到光栅反射梁等过程。该方法能够将光学工作面的表面粗糙度控制在纳米级，可极大提高器件的光学效率；同时，具有比表面工艺大的多、且工艺可调的空气间隙，能大幅度提高器件的最大可工作闪耀角。本发明将促进闪耀角可调微机械光栅在实际系统中的应用。

Description

闪耀角可调微机械光栅的制作方法
技术领域
本发明属于智能微型器件领域，主要涉及微机电系统（MEMS）技术、微加工技术以及光栅衍射技术等。
背景技术
闪耀光栅能将出射光的绝大部分能量集中到某一特定方向或特定衍射级或特定波长上，极大提高了光栅的衍射效率，因此在各个领域得到了广泛应用。闪耀角可调微机械光栅是一种全新概念下的光栅，以微机电系统（MEMS）为基础，采用微加工技术制作。通过对光栅驱动电路的可编程控制，实现对光栅闪耀角的动态调制，从而使衍射光谱产生相应改变。闪耀角可调微机械光栅具有响应速度快、成本低、可大批量生产等特点，在应用中较传统光栅具有更大的灵活性，极大拓展了光栅的应用空间，提高了系统的微型化、集成化及智能化水平。
美国空军技术学院的D.M.Burns等人于1997年报道了几种闪耀角可调微机械光栅（10th IEEE Int’l Conf.on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS),1997,pp.55;Proc.SPIE,1997,3131:99.），采用标准化的MUMPs三层多晶硅表面微加工工艺，实现的最大可工作闪耀角对于双向扭转静电驱动式为1.25°，对于热驱动式为0.86°。2002年，美国加州大学和斯坦福大学的研究人员报道了一种相位和闪耀角同时可调的微机械光栅（Sensor.Actuat.A,2002,97-98:21.），采用上下四组梳齿驱动器提供驱动力，由MUMPs工艺制作，实验测得的最大可工作闪耀角在0.8°～1.0°之间。可以看出，采用标准化表面微加工技术制备的闪耀角可调微机械光栅的最大可工作闪耀角非常有限，主要是因为表面工艺中可利用的空气间隙非常小，通常只有2μm左右。为了提高最大可工作闪耀角，本研究组提出了一种基于两层多晶硅表面微加工技术，通过大幅度增大Dimple结构的深度来充分利用有限的空气间隙，实现的最大可工作闪耀角超过5.1°（光学学报,2008,28:2220;Microsyst.Technol.,2009,15:853;中国激光,2008,35:211;Chinese Sci.Bull.,2010,53:1.）。然而，通过研究发现，利用表面工艺制作的微机械光栅，光学工作面的表面粗糙度较大，同时释放孔等工艺结构的引入减小了有效光学工作面积，这些都直接影响了器件的最终衍射效率。
发明内容
本发明的目的是：为了克服表面加工闪耀角可调微机械光栅的最大可工作闪耀角小、光学衍射效率低等方面的不足，本发明提出了一种新型的闪耀角可调微机械光栅制作工艺。
本发明的技术方案是：参阅图1，所述的闪耀角可调微机械光栅包含基底1和置于基底1上的N组光栅单元；每组光栅单元包括一个下电极2、一个扭转支点3和一个光栅反射梁4；所述下电极2置于基底1上；所述扭转支点3及光栅反射梁4基于同一材料加工而成；光栅反射梁4通过支撑梁16与锚点12相连，悬置于基底1上；所述扭转支点3通过接触点向下悬置于光栅反射梁4上，且扭转支点3的下端与基底1形成间隙；第i组光栅单元的下电极2与光栅反射梁4之间连接有驱动电压源5，电压为Vi，
当驱动电压Vi接通时，第i组光栅单元的扭转支点3和光栅反射梁4在静电力作用下向下运动；当扭转支点3与基底1接触之后，光栅反射梁4开始绕接触点扭转，产生的扭转角θi；参阅图2，当N组光栅单元的驱动电压Vi相等时，光栅反射梁4产生的扭转角θi相等，扭转角θi即为光栅的闪耀角；参阅图3，当N组光栅单元的驱动电压Vi不相等时，光栅反射梁4产生的扭转角θi不相等，从而可实现更加复杂的衍射光谱。
参阅图4，所述闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图4(a)，在基底1上刻蚀出浅槽10；
步骤2：参阅图4(b)，在基底1的浅槽10一侧淀积一层金属薄膜，并刻蚀出图形，形成下电极2；
步骤3：参阅图4(c)，在导电的光栅结构材料11的一侧刻蚀出一定高度的扭转支点3，以及锚点12；
步骤4：参阅图4(d)，将由步骤2和步骤3得到的结构通过锚点12键合在一起；
步骤5：参阅图4(e)，将光栅结构材料11减薄至所需厚度；
步骤6：参阅图4(f)，对光栅结构材料11进行刻蚀，得到光栅反射梁4，它通过支撑梁16与锚点12相连。
参阅图5，第二种所述闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图5(a)，在基底1上淀积一层金属薄膜，并刻蚀出图形，形成下电极2；
步骤2：参阅图5(b)，在导电的光栅结构材料11的一侧刻蚀出一定高度的扭转支点3，以及锚点12；
步骤3：参阅图5(c)，对形成的扭转支点3以及锚点12进行刻蚀，使扭转支点3的高度低于锚点12的高度。
步骤4：参阅图5(d)，将由步骤1和步骤3得到的结构通过锚点12键合在一起；
步骤5：参阅图5(e)，将光栅结构材料11减薄至所需厚度；
步骤6：参阅图5(f)，对光栅结构材料11进行刻蚀，得到光栅反射梁4，它通过支撑梁16与锚点12相连。
本发明的有益效果是：本发明提出的用于闪耀角可调微机械光栅的制作工艺，采用体硅干法刻蚀技术结合化学机械抛光减薄技术，能够将光学工作面的表面粗糙度控制在纳米级，可极大提高器件的光学效率；同时，具有比表面工艺大的多、且工艺可调的空气间隙，能大幅度提高器件的最大可工作闪耀角。本发明将促进闪耀角可调微机械光栅在实际系统中的应用。
附图说明
图1至图3是本专利方法所涉及的闪耀角可调微机械光栅工作示意图；
图4是实施例1中闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺示意图；
图5是实施例2中闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺示意图；
图6是实施例3中闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺示意图。
其中：1-基底；2-下电极；3-扭转支点；4-光栅反射梁；5-电压源；10-浅槽；11-光栅结构材料；12-锚点；13-基底硅；14-氧化层；15-器件硅；16-支撑梁。
具体实施方式
实施例1
参阅图4，本实施例中用于闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图4(a)，在硅基底1上刻蚀出1～2μm深的浅槽10；
步骤2：参阅图4(b)，在硅基底1的浅槽10一侧淀积一层100nm厚的金膜，并刻蚀出图形，形成下电极2；
步骤3：参阅图4(c)，在掺杂硅光栅结构材料11的一侧刻蚀出5μm高的扭转支点3，以及锚点12；
步骤4：参阅图4(d)，将由步骤2和步骤3得到的结构通过锚点12键合在一起；
步骤5：参阅图4(e)，将掺杂硅光栅结构材料11减薄至5μm厚；
步骤6：参阅图4(f)，对掺杂硅光栅结构材料11进行刻蚀，得到光栅反射梁4，它通过支撑梁16与锚点12相连。
实施例2
参阅图5，本实施例中用于闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图5(a)，在硅基底1上淀积一层100nm厚的银膜，并刻蚀出图形，形成下电极2；
步骤2：参阅图5(b)，在掺杂硅光栅结构材料11的一侧刻蚀出5μm高的扭转支点3，以及锚点12；
步骤3：参阅图5(c)，对形成的扭转支点3以及锚点12进行刻蚀，使扭转支点3的高度低于锚点12的高度。
步骤4：参阅图5(d)，将由步骤1和步骤3得到的结构通过锚点12键合在一起；
步骤5：参阅图5(e)，将掺杂硅光栅结构材料11减薄至5μm厚；
步骤6：参阅图5(f)，对掺杂硅光栅结构材料11进行刻蚀，得到光栅反射梁4，它通过支撑梁16与锚点12相连。
实施例3
参阅图6，本实施例中用于闪耀角可调微机械光栅的体硅干法刻蚀工艺，包括如下基本的工艺步骤：
步骤1：参阅图6(a)，在玻璃基底1上刻蚀出1～2μm深的浅槽10；
步骤2：参阅图6(b)，在玻璃基底1的浅槽10一侧淀积一层150nm厚的金膜，并刻蚀出图形，形成下电极2；
步骤3：参阅图6(c)，采用SOI硅片作为光栅结构材料11，它包括400μm厚的基底硅13、1μm厚的氧化层14以及15μm厚的器件硅15。在器件硅15上刻蚀出10μm高的扭转支点3，以及锚点12；
步骤4：参阅图6(d)，将由步骤2和步骤3得到的结构通过锚点12键合在一起；
步骤5：参阅图6(e)，刻蚀掉光栅结构材料11的基底硅13和氧化层14，剩下5μm厚的器件硅15。
步骤6：参阅图6(f)，对器件硅15进行刻蚀，得到光栅反射梁4，它通过支撑梁16与锚点12相连。

Claims (2)

1.闪耀角可调微机械光栅的制作方法，所述的闪耀角可调微机械光栅包含基底(1)和置于基底(1)上的N组光栅单元；每组光栅单元包括一个下电极(2)、一个扭转支点(3)和一个光栅反射梁(4)；所述下电极(2)置于基底(1)上；所述扭转支点(3)及光栅反射梁(4)基于同一材料加工而成；光栅反射梁(4)通过支撑梁(16)与锚点(12)相连，悬置于基底(1)上；所述扭转支点(3)通过接触点向下悬置于光栅反射梁(4)上，且扭转支点(3)的下端与基底(1)形成间隙；该闪耀角可调微机械光栅的制作方法包括如下步骤： 
步骤1：在基底(1)上刻蚀出浅槽(10)； 
步骤2：在基底(1)的浅槽(10)一侧淀积一层金属薄膜，并刻蚀出图形，形成下电极(2)； 
步骤3：在导电的光栅结构材料(11)的一侧刻蚀出扭转支点(3)，以及锚点(12)； 
步骤4：将由步骤2和步骤3得到的结构通过锚点(12)键合在一起； 
步骤5：将光栅结构材料(11)减薄至所需厚度； 
步骤6：对光栅结构材料(11)进行刻蚀，得到光栅反射梁(4)，它通过支撑梁(16)与锚点(12)相连。 
2.闪耀角可调微机械光栅的制作方法，所述的闪耀角可调微机械光栅包含基底(1)和置于基底(1)上的N组光栅单元；每组光栅单元包括一个下电极(2)、一个扭转支点(3)和一个光栅反射梁(4)；所述下电极(2)置于基底(1)上；所述扭转支点(3)及光栅反射梁(4)基于同一材料加工而成；光栅反射梁(4)通过支撑梁(16)与锚点(12)相连，悬置于基底(1)上；所述扭转支点(3)通过接触点向下悬置于光栅反射梁(4)上，且扭转支点(3)的下端与基底(1)形成间隙；该闪耀角可调微机械光栅的制作方法包括如下步骤： 
步骤1：在基底(1)上淀积一层金属薄膜，并刻蚀出图形，形成下电极(2)； 
步骤2：在导电的光栅结构材料(11)的一侧刻蚀出一定高度的扭转支点(3)，以及锚点(12)； 
步骤3：对形成的扭转支点(3)以及锚点(12)进行刻蚀，使扭转支点(3)的高度低于锚点(12)的高度；
步骤4：将由步骤1和步骤3得到的结构通过锚点(12)键合在一起； 
步骤5：将光栅结构材料(11)减薄至所需厚度； 
步骤6：对光栅结构材料(11)进行刻蚀，得到光栅反射梁(4)，它通过支撑梁(16)与锚点(12)相连。 
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