CN111924797A - 一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺 - Google Patents

一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺，可动镜面与另一镜面相对设置以形成腔体，可动镜面包括镶嵌有透明材料的硅层，硅层的镶嵌有透明材料的部分形成透光区域，硅层的外围区域与另一镜面连接的部位形成支撑结构，在支撑结构与透光区域之间的部分硅层被去除以形成弹性结构。可动镜面可由SOI晶圆加工而成，透明材料与SOI晶圆的硅衬底结合可以增加器件设计的灵活性，方便加工。同时由于硅材料可以通过掺杂等方式调整其导电率，该SOI晶圆的硅衬底还可以用来导通玻璃表面的导电镜面材料。由SOI晶圆的硅薄膜形成的弹性结构具有良好的机械强度和稳定的弹性系数，而不受应力等影响因素影响，由此形成的可动镜面具有良好的可控性和稳定性。

Description

一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺
技术领域
本发明涉及滤波器领域，特别是一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺。
背景技术
基于Fabry-Perot（法伯腔）干涉的可调滤波器件（tuneable FPI）可以应用在微型光谱仪和小型甚至迷你高光谱相机。在可见光-近红外范围的FPI器件通常使用光学玻璃（例如合成石英玻璃）作为衬底，通过光学和半导体加工形成镜面芯片，然后将两个镜面芯片同外置压电执行器（piezo actuator）组装成FPI模组。由此形成的FPI模组的体积比较大，驱动电压高，不适合应用在空间尺寸极为受限的器件，例如手持式高光谱相机。
另一方面，目前的微机械加工（micromachining）形成的FPI器件主要是体工艺型和表面工艺型。表面工艺型器件由悬空的薄膜形成可动镜面。体工艺型器件由具有悬臂梁结构的衬底形成可动镜面。
由于在可见光-近红外范围的FPI器件通常使用光学玻璃（例如合成石英玻璃）作为衬底，导致对衬底的加工非常困难。通常玻璃只能用化学溶液（如氢氟酸）来刻蚀。这样刻蚀速度很慢（小于1微米/分钟），另外可加工的线条尺寸受到衬底厚度的限制（一般是400-700微米）无法做到精细加工。在衬底上加工悬臂梁会增加器件设计和加工的复杂度从而增加成本。体工艺型器件中弹性结构（spring）和镜面由同一个衬底提供，导致了镜面受到弹性结构的影响存在本征的应力和形变。由于悬臂梁结构要占用很大的芯片面积，也限制了镜面本身的尺寸。
目前，可见光-近红外范围的法伯腔器件存在以上关键问题导致该技术本身的商业应用受到限制。
发明内容
针对上述存在的对衬底加工非常困难、无法做到精细加工、增加加工复杂度和成本、限制镜面的尺寸等问题，本申请的实施例提出了一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺以解决上述存在的问题。
第一方面，本申请的实施例提出了一种具有可动镜面的法珀腔器件，可动镜面与另一镜面相对设置以形成腔体，可动镜面包括镶嵌有透明材料的硅层，硅层的镶嵌有透明材料的部分形成透光区域，硅层的外围区域与另一镜面连接的部位形成支撑结构，在支撑结构与透光区域之间的部分硅层被去除以形成弹性结构。
在一些实施例中，可动镜面利用SOI晶圆制成，其中透明材料是通过将SOI晶圆的部分硅衬底刻蚀后被填充到SOI晶圆中的。透明材料与SOI晶圆的硅衬底结合可以增加器件设计的灵活性。即通过调节SOI晶圆的硅衬底的设计，同种器件结构可以适用于不同大小的器件。同时由于硅材料可以通过掺杂等方式调整其导电率，所以该SOI晶圆的硅衬底还可以用来导通玻璃表面的导电镜面材料。
在一些实施例中，透明材料上方的SOI晶圆的至少一部分硅薄膜被去除以形成透光区域。光线从透光区域透过进入法珀腔进行滤光。
在一些实施例中，在支撑结构与透光区域之间的SOI晶圆中的硅衬底和绝缘层被去除以形成弹性结构。弹性结构由SOI晶圆的硅薄膜构成，SOI晶圆的硅薄膜具有良好的机械强度和稳定的弹性系数，而不受应力等影响因素影响，由此形成的可动镜面具有良好的可控性和稳定性。
在一些实施例中，透明材料的周围的部分SOI晶圆的硅衬底被保留。透明材料的边缘保留部分SOI晶圆的硅衬底用来增强支撑和进行电学连接。
在一些实施例中，在透光区域和另一镜面相对的表面上分别形成有镜面材料。光线在相对的两个表面上进行反射实现滤光的效果。
在一些实施例中，在支撑结构上远离另一镜面的一侧设置压电执行器。在可动镜面上通过溅射或溶胶凝胶等方式沉积压电薄膜以形成可以驱动可动镜面移动的压电执行器。
在一些实施例中，可动镜面与另一镜面之间采用键合的方式进行连接。可动镜面与另一镜面采用键合连接的方式进行结合工艺成熟。
在一些实施例中，在支撑结构上远离另一镜面的一侧设置有第一电极，在键合部分的键合面上设置有第二电极用以与第一电极形成电容驱动以控制可动镜面移动。通过第一电极和第二电极形成电容驱动控制可动镜面移动，改变可动镜面和另一镜面之间的距离进行滤光。
在一些实施例中，在弹性结构和/或透明材料上分别设置有通孔。通孔可以使得法珀腔内和外部之间的空气流通更有效率，进而降低可动镜面移动时受到的阻尼。
第二方面，本申请的实施例提出了一种具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，包括以下步骤：
S1，在可动镜面的硅层上镶嵌有透明材料；
S2，去除透明材料周围的部分硅层形成弹性结构和支撑结构；
S3，去除镶嵌有透明材料的部分硅层形成透光区域；以及
S4，在透光区域和另一镜面相对的表面上分别形成有镜面材料，将具有镜面材料的可动镜面和另一镜面相对设置以形成法珀腔器件。
在一些实施例中，步骤S1具体包括：S11，去除SOI晶圆的部分硅衬底形成凹槽；S12，在凹槽内填充透明材料。透明材料与SOI晶圆的硅衬底结合可以增加器件设计的灵活性。即通过调节SOI晶圆的硅衬底的设计，同种器件结构可以适用于不同大小的器件。同时由于硅材料可以通过掺杂等方式调整其导电率，所以该SOI晶圆的硅衬底还可以用来导通玻璃表面的导电镜面材料。
在一些实施例中，在步骤S2中去除透明材料周围的SOI晶圆中的硅衬底和绝缘层以形成弹性结构和支撑结构。弹性结构由SOI晶圆的硅薄膜构成，SOI晶圆的硅薄膜具有良好的机械强度和稳定的弹性系数，而不受应力等影响因素影响，由此形成的可动镜面具有良好的可控性和稳定性。
在一些实施例中，在步骤S3中去除透明材料上方的SOI晶圆的至少一部分硅薄膜形成透光区域。光线从透光区域透过进入法珀腔进行滤光。
在一些实施例中，在步骤S3和S4之间还包括：在支撑结构上远离另一镜面的一侧形成压电执行器。在可动镜面上通过溅射或溶胶凝胶等方式沉积压电薄膜以形成可以驱动可动镜面移动的压电执行器。
在一些实施例中，步骤S4中将可动镜面与另一镜面通过键合连接形成法珀腔器件。可动镜面与另一镜面采用键合连接的方式进行结合工艺成熟。
在一些实施例中，在步骤S3和S4之间还包括：在支撑结构上远离另一镜面的一侧形成有第一电极，在键合部分的键合面上设置有第二电极用以与第一电极形成电容驱动以控制可动镜面移动。通过第一电极和第二电极形成电容驱动控制可动镜面移动，改变可动镜面和另一镜面之间的距离进行滤光。
在一些实施例中，在步骤S3和S4之间还包括：在弹性结构和/或透明材料上分别形成有通孔。通孔可以使得法珀腔内和外部之间的空气流通更有效率，进而降低可动镜面移动时受到的阻尼。
本发明提供一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺，可动镜面与另一镜面相对设置以形成腔体，可动镜面包括镶嵌有透明材料的硅层，硅层的镶嵌有透明材料的部分形成透光区域，硅层的外围区域与另一镜面连接的部位形成支撑结构，在支撑结构与透光区域之间的部分硅层被去除以形成弹性结构。可动镜面可由SOI晶圆加工而成，透明材料与SOI晶圆的硅衬底结合可以增加器件设计的灵活性，方便加工。同时由于硅材料可以通过掺杂等方式调整其导电率，所以该SOI晶圆的硅衬底还可以用来导通玻璃表面的导电镜面材料。由SOI晶圆的硅薄膜形成的弹性结构具有良好的机械强度和稳定的弹性系数，而不受应力等影响因素影响，由此形成的可动镜面具有良好的可控性和稳定性，可以降低法珀腔器件的面积，适用于生产各个尺寸的法珀腔器件。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1为本申请的实施例一的具有可动镜面的法珀腔器件的截面示意图；
图2为本申请的实施例一的具有可动镜面的法珀腔器件的硅玻璃融合的截面示意图；
图3为本申请的实施例一的具有可动镜面的法珀腔器件的可动镜面的结构示意图；
图4为本申请的实施例一的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺的流程示意图；
图5为本申请的实施例一的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺的步骤S1的流程示意图；
图6为本申请的实施例二的具有可动镜面的法珀腔器件的截面示意图；
图7为本申请的实施例三的具有可动镜面的法珀腔器件的截面示意图；
图8为本申请的实施例四的具有可动镜面的法珀腔器件的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
图1示出了根据本发明的其中一个实施例的具有可动镜面的法珀腔器件的截面图。如图1所示，可动镜面101与另一镜面201相对设置以形成腔体301，可动镜面101包括镶嵌有透明材料102的硅层103，硅层103的镶嵌有透明材料102的部分形成透光区域104，硅层103的外围区域与另一镜面201连接的部位形成支撑结构105，在支撑结构105与透光区域104之间的部分硅层被去除以形成弹性结构106。在优选的实施例中，另一镜面201由玻璃衬底加工而成。
在其中一个具体的实施例中，如图2所示，可动镜面101利用SOI晶圆制成，其中透明材料102是通过将SOI晶圆的部分硅衬底刻蚀后被填充到SOI晶圆中的。在优选的实施例中，透明材料102为玻璃，SOI晶圆由硅衬底、玻璃层和硅薄膜构成。透明材料102与SOI晶圆的硅衬底结合可以增加器件设计的灵活性。即通过调节SOI晶圆的硅衬底的设计，同种器件结构可以适用于不同大小的器件。同时由于硅材料可以通过掺杂等方式调整其导电率，所以该SOI晶圆的硅衬底还可以用来导通玻璃表面的导电镜面材料。
另外，如图3所示，在支撑结构105与透光区域104之间的SOI晶圆中的硅衬底和绝缘层被去除以形成弹性结构106。弹性结构106由SOI晶圆的硅薄膜构成，SOI晶圆的硅薄膜具有良好的机械强度和稳定的弹性系数，而不受应力等影响因素影响，由此形成的可动镜面101具有良好的可控性和稳定性。并且保留透明材料102的周围的部分SOI晶圆的硅衬底。透明材料102的边缘保留部分SOI晶圆的硅衬底用来增强支撑和进行电学连接。透明材料102上方的SOI晶圆的至少一部分硅薄膜被去除以形成透光区域104。光线从透光区域104透过进入法珀腔进行滤光。
在具体的实施例中，在支撑结构105上远离另一镜面201的一侧设置有第一电极107，在键合部分的键合面上设置有第二电极108用以与第一电极107形成电容驱动以控制可动镜面101移动。通过第一电极107和第二电极108形成电容驱动控制可动镜面101移动，改变可动镜面101和另一镜面201之间的距离进行滤光。
在具体的实施例中，在透光区域104和另一镜面201相对的表面上分别形成有镜面材料109。最后，可动镜面101与另一镜面201之间采用键合的方式进行连接。该工艺成熟、技术先进，可以满足法珀腔器件的生产要求。
与之相对应的，本申请的实施例提出了一种具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，如图4所示，包括以下步骤：
S1，在可动镜面的硅层上镶嵌有透明材料；
S2，去除透明材料周围的部分硅层形成弹性结构和支撑结构；
S3，去除镶嵌有透明材料的部分硅层形成透光区域；以及
S4，在透光区域和另一镜面相对的表面上分别形成有镜面材料，将具有镜面材料的可动镜面和另一镜面相对设置以形成法珀腔器件。
在具体的实施例中，如图5所示，步骤S1具体包括：S11，去除SOI晶圆的部分硅衬底形成凹槽；S12，在凹槽内填充透明材料。在优选的实施例中，透明材料102为玻璃，SOI晶圆由硅衬底、玻璃层和硅薄膜构成。因此先去除SOI晶圆的部分硅衬底以形成底部裸露出玻璃层的凹槽，再通过将材质为玻璃的透明材料102融化在凹槽中，通过研磨形成硅玻璃融合的晶圆。在优选的实施例中，可以采用深硅刻蚀等方法去除SOI晶圆的部分硅衬底，透明材料102与SOI晶圆的硅衬底结合可以增加器件设计的灵活性。即通过调节SOI晶圆的硅衬底的设计，同种器件结构可以适用于不同大小的器件。同时由于硅材料可以通过掺杂等方式调整其导电率，所以该SOI晶圆的硅衬底还可以用来导通玻璃表面的导电镜面材料。
在具体的实施例中，如图3所示，在步骤S2中去除透明材料102周围的SOI晶圆中的硅衬底和绝缘层以形成弹性结构106和支撑结构105。弹性结构106由SOI晶圆的硅薄膜构成，SOI晶圆的硅薄膜具有良好的机械强度和稳定的弹性系数，而不受应力等影响因素影响，由此形成的可动镜面101具有良好的可控性和稳定性。另外，在步骤S3中去除透明材料102上方的SOI晶圆的至少一部分硅薄膜形成透光区域104。光线从透光区域104透过进入法珀腔进行滤光。
在具体的实施例中，在步骤S3和S4之间还包括：在支撑结构105上远离另一镜面201的一侧形成有第一电极107，在键合部分的键合面上设置有第二电极108用以与第一电极107形成电容驱动以控制可动镜面101移动。通过第一电极107和第二电极108形成电容驱动控制可动镜面101移动，改变可动镜面101和另一镜面201之间的距离进行滤光。在透光区域和另一镜面相对的表面上分别形成有镜面材料109，最后将可动镜面101与另一镜面201通过键合连接形成法珀腔器件。在优选的实施例中，镜面材料109为金属（如银等）或半导体/绝缘层构成。该镜面材料还可以用来形成驱动可动镜面101的电极。
实施例二
请参阅图6，本实施例与实施例一相比，其区别在于，可动镜面121可以利用具有一定厚度的硅衬底制成，因此直接在硅衬底上刻蚀形成凹槽，将材质为玻璃的透明材料122融化并结合研磨工艺形成硅玻璃融合的晶圆。再将外围区域的部分硅衬底去除以形成弹性结构126和支撑结构125。然后去除透明材料122上方的部分硅衬底以形成透光区域124。在优选的实施例中，通过深硅刻蚀等方法去除部分硅衬底。
实施例三
请参阅图7，本实施例与实施例一相比，其区别在于，在弹性结构136和/或透明材料132上分别设置有通孔401。通孔401可以使得法珀腔内和外部之间的空气流通更有效率，进而降低可动镜面131移动时受到的阻尼。
实施例四
请参阅图8，本实施例与实施例一相比，其区别在于，在支撑结构145上远离另一镜面241的一侧设置压电执行器501。在可动镜面141上通过溅射或溶胶凝胶等方式沉积压电薄膜，进而通过微加工工艺形成可以驱动可动镜面141移动的压电执行器501。在优选的实施例中压电薄膜的材料可以为PZT、AlN或ZnO等。
本发明提供一种具有可动镜面的法珀腔器件及其制作工艺，可动镜面与另一镜面相对设置以形成腔体，可动镜面包括镶嵌有透明材料的硅层，硅层的镶嵌有透明材料的部分形成透光区域，硅层的外围区域与另一镜面连接的部位形成支撑结构，在支撑结构与透光区域之间的部分硅层被去除以形成弹性结构。可动镜面可由SOI晶圆加工而成，透明材料与SOI晶圆的硅衬底结合可以增加器件设计的灵活性，方便加工。同时由于硅材料可以通过掺杂等方式调整其导电率，所以该SOI晶圆的硅衬底还可以用来导通玻璃表面的导电镜面材料。由SOI晶圆的硅薄膜形成的弹性结构具有良好的机械强度和稳定的弹性系数，而不受应力等影响因素影响，由此形成的可动镜面具有良好的可控性和稳定性，可以降低法珀腔器件的面积，适用于生产各个尺寸的法珀腔器件。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。

Claims (18)

1.一种具有可动镜面的法珀腔器件，所述可动镜面与另一镜面相对设置以形成腔体，其特征在于，所述可动镜面包括镶嵌有透明材料的硅层，所述硅层的镶嵌有所述透明材料的部分形成透光区域，所述硅层的外围区域与所述另一镜面连接的部位形成支撑结构，在所述支撑结构与所述透光区域之间的部分硅层被去除以形成弹性结构。
2.根据权利要求1所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，所述可动镜面利用SOI晶圆制成，其中所述透明材料是通过将所述SOI晶圆的部分硅衬底刻蚀后被填充到所述SOI晶圆中的。
3.根据权利要求2所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，所述透明材料上方的所述SOI晶圆的至少一部分硅薄膜被去除以形成透光区域。
4.根据权利要求2所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，在所述支撑结构与所述透光区域之间的所述SOI晶圆中的硅衬底和绝缘层被去除以形成弹性结构。
5.根据权利要求4所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，所述透明材料的周围的部分所述SOI晶圆的硅衬底被保留。
6.根据权利要求1所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，在所述透光区域和所述另一镜面相对的表面上分别形成有镜面材料。
7.根据权利要求1所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，在所述支撑结构上远离所述另一镜面的一侧设置压电执行器。
8.根据权利要求1所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，所述可动镜面与所述另一镜面之间采用键合的方式进行连接。
9.根据权利要求8所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，在所述支撑结构上远离所述另一镜面的一侧设置有第一电极，在键合部分的键合面上设置有第二电极用以与所述第一电极形成电容驱动以控制所述可动镜面移动。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的具有可动镜面的法珀腔器件，其特征在于，在所述弹性结构和/或所述透明材料上分别设置有通孔。
11.一种具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在所述可动镜面的硅层上镶嵌有透明材料；
S2，去除所述透明材料周围的部分硅层形成弹性结构和支撑结构；
S3，去除镶嵌有所述透明材料的部分所述硅层形成透光区域；以及
S4，在所述透光区域和另一镜面相对的表面上分别形成有镜面材料，将具有所述镜面材料的所述可动镜面和所述另一镜面相对设置以形成法珀腔器件。
12.根据权利要求11所述的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11，去除SOI晶圆的部分硅衬底形成凹槽；
S12，在所述凹槽内填充所述透明材料。
13.根据权利要求12所述的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，在所述步骤S2中去除所述透明材料周围的所述SOI晶圆中的硅衬底和绝缘层以形成弹性结构和支撑结构。
14.根据权利要求12所述的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，在所述步骤S3中去除所述透明材料上方的所述SOI晶圆的至少一部分硅薄膜形成所述透光区域。
15.根据权利要求11所述的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，在步骤S3和S4之间还包括：在所述支撑结构上远离所述另一镜面的一侧形成压电执行器。
16.根据权利要求11所述的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，所述步骤S4中将所述可动镜面与所述另一镜面通过键合连接形成法珀腔器件。
17.根据权利要求16所述的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，在步骤S3和S4之间还包括：在所述支撑结构上远离所述另一镜面的一侧形成有第一电极，在键合部分的键合面上设置有第二电极用以与所述第一电极形成电容驱动以控制所述可动镜面移动。
18.根据权利要求11-17中任一项所述的具有可动镜面的法珀腔器件的制作工艺，其特征在于，在步骤S3和S4之间还包括：在所述弹性结构和/或所述透明材料上分别形成有通孔。
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