CN114408854A - 一种二维微机械双向扭转镜阵列及其制作方法 - Google Patents

一种二维微机械双向扭转镜阵列及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种二维微机械双向扭转镜阵列及其制作方法，二维微机械双向扭转镜阵列包括电极基底以及设置在电极基底上的微镜单元，微镜单元包括微镜支撑结构层、通孔电极基底以及镜面结构层，微镜支撑结构层包括锚点、扭转梁、第一下电极以及第二下电极，通孔电极基底包括第一通孔电极、第二通孔电极以及第三通孔电极，第一通孔电极与第一下电极贴触，第二通孔电极与第二下电极贴触，所述第三通孔电极与锚点贴触，镜面结构层包括镜面以及镜面支撑结构，扭转梁通过其两端的锚点支撑并悬置于通孔电极基底上方，第一下电极和第二下电极关于扭转梁对称分布，改善了微镜阵列在光谱成像系统中的光场匹配性，简化了系统光路，促进了光谱成像系统小型化。

Description

一种二维微机械双向扭转镜阵列及其制作方法
技术领域
本发明涉及微光机电系统技术领域，尤其是涉及一种二维微机械双向扭转镜阵列及其制作方法。
背景技术
近年来，利用微机电系统(Microelectromechanical systems，MEMS)技术加工的空间光调制芯片具有体积小、功耗和成本低、集成化和定制化能力强等优势，现已被广泛用于光通信、投影显示、医疗成像和生物技术等诸多领域。其中，由美国TI(TexasInstruments)公司设计生产的高帧频、高分辨率、可编程数字微镜器件(Digitalmicromirror devices，DMD)，是目前光学MEMS中最具代表性的空间光调制器，已在投影设备、显微成像、光谱成像等众多领域得到应用。DMD结构(US patent 4615595(1986.10.7))由许多小型铝制反射镜、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)静态存储器、寻址电极、偏置电极、轭架、铰链等组成。采用CMOS工艺制造微镜阵列并集成在CMOS存储器上面，在数字驱动信号的控制下能够迅速改变扭转角度，从而改变入射光的出射方向。微镜的转动是由微镜本身与下面的存储单元之间的电压差所产生的静电引力来完成。当存储器单元处于“开”即“1”状态时，微镜转到+10°；当存储器单元处于“关”即“0”状态时，微镜转到-10°。
目前商用的DMD主要分为“菱形”和“正交”两种阵列方式，在新型光谱成像系统中(Optics Express,2019,27(12):16995)，通过核心器件DMD的按列扭转实现了二维目标像的离散化动态取景，并结合传统透射型光栅，消除了光栅滤波时光谱重叠现象，有效提高了系统的光谱分辨能力。但是由于DMD固有结构及其运动方式，两种阵列方式的DMD都存在光路匹配性差和目标光学信息采集失真的问题，当“菱形”排布的DMD按列扭转时，同列微镜单元之前的间隙较大，无法实现同列完全填充，造成部分入射光不能被反射进入后端色散系统，导致目标光学信息采集失真，限制了光谱成像系统对目标光谱精细识别能力的提升。当“正交”排布的DMD按列扭转时，由于微镜单元绕其对角线扭转的方式，出入射光线不能处于同一水平面，所以光谱成像系统中至少有一条光路需要借助专用夹具进行固定，导致整个光谱成像系统体积增大，严重阻碍了光谱成像系统的小型化。此外，同一扭转列中相邻微镜单元之间还存在光线的干涉和遮挡，进而造成了目标光学信息的缺失。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高微镜阵列在光谱成像系统中的光场匹配性、简化光谱成像系统光路、促进光谱成像系统小型化，并且提高目标光学信息利用率的二维微机械双向扭转镜阵列及其制作方法。
本发明所采用的一种技术方案是，一种二维微机械双向扭转镜阵列，包括电极基底以及设置在电极基底上的N×N组等间距排列的微镜单元，所述微镜单元包括微镜扭转支撑结构层、位于微镜扭转支撑结构层下方的通孔电极基底以及位于微镜扭转支撑结构层上方的镜面结构层，所述微镜扭转支撑结构层包括锚点、扭转梁、第一下电极以及第二下电极，所述扭转梁通过两端的锚点支撑悬置于通孔电极基底上方，第一下电极和第二下电极关于扭转梁对称分布；所述通孔电极基底包括设置在通孔电极基底上的第一通孔电极、第二通孔电极以及第三通孔电极，所述第一通孔电极与第一下电极贴触，所述第二通孔电极与第二下电极贴触，所述第三通孔电极与锚点贴触，所述镜面结构层包括镜面以及镜面支撑结构，所述镜面通过镜面支撑结构与扭转梁相连接。
本发明的有益效果是：采用上述结构的二维微机械双向扭转镜阵列，通过采用轴对称微镜结构设计，实现了微镜单元绕镜面长轴扭转，当微镜阵列水平放置时，入射光路和出射光路位于同一水平面内，改善了微镜阵列在光谱成像系统中的光场匹配性，无需为了入射或出射光路倾斜而增加冗余机械结构，进而简化了系统光路，促进了光谱成像系统小型化。镜面扭转方式的改变，使得同一扭转列中相邻微镜单元间的光学干涉和遮挡被消除，更多有效目标光学信息能够进入后端色散系统，极大地提高了光谱成像系统光谱精细识别的能力。
作为优选，所述扭转梁包括中心部，所述镜面支撑结构与扭转梁的中心部相连接，所述镜面支撑结构和镜面为一体成型结构，所述扭转梁关于中心部对称，所述锚点的数量为两个，分别与扭转梁的两个端部对应贴合连接，采用该结构，每组微镜单元的镜面均被镜面支撑结构沿扭转梁的中心轴线分为两部分，即微镜结构为轴对称设计，实现了微镜单元绕镜面长轴扭转，改善了微镜阵列在光谱成像系统中的光场匹配性，简化了系统光路，促进了光谱成像系统小型化。
作为优选，所述微镜单元还包括覆盖在第一下电极和第二下电极的上表面的绝缘层，采用该结构，在第一下电极和第二下电极的上表面贴合一层绝缘层，这样可以防止镜面发生偏转时出现与第一下电极或者第二下电极接触的情况，从而避免发生镜面与第一下电极或者第二下电极短接的情况。
作为优选，所述微镜单元还包括覆盖在镜面上表面的金属反射层，采用该结构，可以提高镜面的反射效率。
作为优选，所述第一通孔电极、第二通孔电极以及第三通孔电极均包括通孔、填充在通孔内的填充金属以及覆盖在填充金属上的表面电极，采用该结构，通过通孔电极将电势从电极基底导到镜面上，结构简单。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种二维微机械双向扭转镜阵列的制作方法，该方法包括下列步骤：
S1、利用三维集成制造工艺制作电极基底；
S2、利用MEMS刻蚀工艺在通孔电极基底上制作通孔；
S3、利用MEMS键合工艺将电极基底和通孔电极基底进行对准键合；
S4、利用金属材料沉积工艺完成通孔中填充金属的沉积；
S5、利用MEMS沉积工艺在通孔电极基底上沉积表面电极材料，通过金属材料图形化工艺得到表面电极；
S6、利用MEMS刻蚀工艺在微镜扭转支撑结构层的一侧刻蚀出第一下电极、锚点以及第二下电极；
S7、将完成步骤S5的通孔电极基底和完成步骤S6的微镜扭转支撑结构层利用MEMS键合工艺进行圆片级集成；
S8、利用MEMS减薄工艺将微镜扭转支撑结构层减薄至所需厚度，完成第一下电极和第二下电极的结构释放；
S9、在完成结构释放的第一下电极和第二下电极的表面沉积绝缘材料并图形化得到绝缘层；
S10、根据微镜扭转角度要求，在镜面的一侧利用MEMS刻蚀工艺刻蚀出镜面支撑结构；
S11、根据驱动电压和扭转角度的要求，利用MEMS刻蚀工艺在微镜扭转结构层的一侧刻蚀出扭转梁；
S12、将扭转梁与镜面扭转支撑结构利用MEMS工艺进行键合；
S13、利用MEMS减薄工艺完成扭转梁结构释放；
S14、利用MEMS工艺将扭转梁的两个端部分别与对应的锚点进行键合；
S15、根据微镜驱动要求，将镜面减薄至所需厚度；
S16、在减薄后的镜面的表面沉积金属材料并图形化得到金属反射层，以金属反射层为掩膜，并利用MEMS刻蚀工艺完成镜面的结构释放。
采用上述二维微机械双向扭转镜阵列的制作方法，创新性地将MEMS技术与先进三维封装技术异构集成，简化了微镜阵列加工工艺流程并进一步提高了微镜阵列芯片的集成度，制作出来的微镜阵列具备良好的光场匹配性，结构简单，且能够极大地提高光谱成像系统光谱精细识别的能力。
附图说明
图1为本发明一种二维微机械双向扭转镜阵列的结构图；
图2为本发明中微镜单元的爆炸视图；
图3为本发明一种二维微机械双向扭转镜阵列工作原理示意图；
图4～图7为本发明的实施例1中一种二维微机械双向扭转镜阵列制备工艺示意图；
图8～图11为本发明的实施例2中二维微机械双向扭转镜阵列制备工艺示意图；
如图所示：1、电极基底；2、第一通孔电极；3、第二通孔电极；4、第三通孔电极；5、第一下电极；6、锚点；7、第二下电极；8、扭转梁；9、绝缘层；10、镜面支撑结构；11、镜面；12、金属反射层；13、通孔电极基底；14、微镜扭转支撑结构层；14.1、第一器件层；14.2、第一氧化层；14.3、第一衬底层；15、镜面结构层；15.1、第二器件层；15.2、第二氧化层；15.3、第二衬底层；16、微镜扭转结构层；16.1、第三器件层；16.2、第三氧化层；16.3、第三衬底层；17、镜面逆时针扭转驱动电压源；18、镜面顺时针扭转驱动电压源；19、中心部；20、端部；21、通孔；22、填充金属；23、表面电极。
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
针对现有技术中存在的微镜阵列在光谱成像系统中光场匹配性差、固有扭转方式和阵列形式导致目标光学信息采集丢失等问题，本发明提出一种新型的二维微机械双向扭转镜阵列及其加工方法，旨在通过采用轴对称微镜结构设计，实现微镜单元绕镜面长轴扭转，进而改善微镜阵列在光谱成像系统中的光场匹配性，简化系统光路，促进光谱成像系统小型化。同时消除同一扭转列中相邻微镜单元间的光学干涉和遮挡，提高目标光学信息的利用率。
本发明涉及一种二维微机械双向扭转镜阵列，如图1所示，包括电极基底1以及设置在电极基底1上的N×N组等间距排列的微镜单元，所述微镜单元包括微镜扭转支撑结构层14、位于微镜扭转支撑结构层14下方的通孔电极基底13以及位于微镜扭转支撑结构层14上方的镜面结构层15，所述微镜扭转支撑结构层14包括锚点6、扭转梁8、第一下电极5以及第二下电极7，所述扭转梁8通过两端的锚点6支撑悬置于通孔电极基底13上方，第一下电极5和第二下电极7关于扭转梁8对称分布；所述通孔电极基底13包括设置在通孔电极基底13上的第一通孔电极2、第二通孔电极3以及第三通孔电极4，所述第一通孔电极2与第一下电极5贴触，所述第二通孔电极3与第二下电极7贴触，所述第三通孔电极4与锚点6贴触，所述镜面结构层15包括镜面11以及镜面支撑结构10，镜面11通过镜面支撑结构10与扭转梁8相连接。
采用本发明的二维微机械双向扭转镜阵列，通过采用轴对称微镜结构设计，实现了微镜单元绕镜面11长轴扭转，当微镜阵列水平放置时，入射光路和出射光路位于同一水平面内，改善了微镜阵列在光谱成像系统中的光场匹配性，无需为了光路倾斜而增加冗余机械结构，进而简化了系统光路，促进了光谱成像系统小型化。镜面11扭转方式的改变，使得同一扭转列中相邻微镜单元间的光学干涉和遮挡被消除，更多有效目标光学信息能够进入后端色散系统，极大地提高了光谱成像系统光谱精细识别的能力。
如图2所示，所述扭转梁8包括中心部19，所述镜面支撑结构10与扭转梁8的中心部19相连接，所述镜面支撑结构10和镜面11为一体成型结构，所述扭转梁8关于中心部19对称，所述锚点6的数量为两个，两个锚点6为对称结构，分别与扭转梁8的两个端部20对应贴合连接，每组微镜单元的镜面11均被镜面支撑结构10沿扭转梁8的中心轴线分为两部分，即微镜结构为轴对称设计，实现了微镜单元绕镜面11长轴扭转，改善了微镜阵列在光谱成像系统中的光场匹配性，简化了系统光路，促进了光谱成像系统小型化。镜面11扭转方式的改变，使得同一扭转列中相邻微镜单元间的光学干涉和遮挡被消除，更多有效目标光学信息能够进入后端色散系统，极大地提高了光谱成像系统光谱精细识别的能力。
如图2所示，所述微镜单元还包括覆盖在第一下电极5和第二下电极7的上表面的绝缘层9，采用该结构，在第一下电极5和第二下电极7的上表面贴合一层绝缘层9，这样可以防止扭转梁8发生扭转时出现与第一下电极5或者第二下电极7接触的情况，从而避免发生镜面11与第一下电极5或者第二下电极7短接的情况。
如图2所示，所述微镜单元还包括覆盖在镜面11上表面的金属反射层12，采用该结构，可以提高镜面11的反射效率。
所述第一通孔电极2、第二通孔电极3以及第三通孔电极4均包括通孔21、填充在通孔21内的填充金属22以及覆盖在填充金属22上的表面电极23，采用该结构，通过通孔21电极将电势从电极基底1导到镜面11上，结构简单。
所述的电极基底1主要作用是为二维微机械双向扭转镜阵列提供驱动电信号，根据不同的电极制备工艺，电极基底11的材料不限于硅、玻璃、聚酰亚胺、生瓷带、FR-4等。
通孔电极基底13适宜采用圆片级MEMS体加工工艺的材料，不限于硅片或玻璃片等。
第一通孔电极2、第二通孔电极3和第三通孔电极4主要作用是将电极基底1上的接地信号和电压信号分别传递给第一下电极5、第二下电极7和锚点6，通孔电极的填充金属材料根据导电性能要求以及工艺能力，可选用钨、铜等导电材料；表面电极23的材料根据导电性能要求及工艺能力，可选用铝、金、铜等导电材料。
所述的微镜扭转支撑结构层14可选为普通硅片或SOI(silicon-on-insulator)硅片等。
所述的绝缘层9主要是为了防止镜面11与第一下电极5或第二下电极7短接，绝缘层9的制备材料根据绝缘要求，可选择氧化硅、氮化硅、多晶硅等。
所述的扭转梁8的形状可根据微镜驱动电压要求而不限于直梁、蛇形梁、梯形梁等。
微镜扭转结构层16用于制作扭转梁8，其材料可选为普通硅片或SOI(silicon-on-insulator)硅片等。
所述的镜面11作为反射镜面11的同时，还充当微镜单元的上电极，电势信号从电极基底1发出，经过通孔电极、锚点6、扭转梁8、微镜支撑结构到达镜面11。镜面结构层15的材料可根据导电性能要求与实际加工方法可选为高掺杂浓度的硅片或SOI硅片等。
所述的金属反射层12根据微镜工作波段以及表面质量要求选择合适的材料，如金、铝、银等。
本发明的基本工作原理是：参阅图3(a)，每组微镜单元的镜面11均被镜面支撑结构10沿扭转梁8中心轴线分为两部分，通孔电极基底13上与每组微镜单元的两部分对应位置处分布有第一下电极5和第二下电极7；第一下电极5与镜面11之间施加有微镜逆时针扭转电压源，第二下电极7与镜面11之间施加有微镜顺时针扭转电压源；所述微镜逆时针扭转电压源和微镜顺时针扭转电压源提供每组微镜单元双向扭转时所需要的驱动电压。
参阅图3(b)，当驱动电压接通时，第i组微镜单元的镜面11在静电力吸引和扭转梁8限制作用下，绕扭转梁8的轴线逆时针扭转，产生扭转角；当驱动电压接通时，第j组微镜单元的镜面11在静电力吸引和扭转梁8限制作用下，绕扭转梁8的轴线逆时针扭转，产生扭转角；当第i组微镜单元的驱动电压与第j组微镜单元的驱动电压相等时，第i组和第j组镜面11产生的扭转角相等，即＝θ1＝θ2。
参阅图3(c)，当第i组微镜单元的驱动电压与第j组微镜单元的驱动电压不相等时，第i组和第j组镜面11产生的扭转角不相等，即θ1≠θ2；从而实现更加复杂的空间光调制。
参阅图3(d)，当驱动电压接通时，第i组微镜单元的镜面11在静电力吸引和扭转梁8限制作用下，绕扭转梁8的轴线顺时针扭转，产生扭转角；当驱动电压接通时，第j组微镜单元的镜面11在静电力吸引和扭转梁8限制作用下，绕扭转梁8的轴线顺时针扭转，产生扭转角；当第i组微镜单元的驱动电压与第j组微镜单元的驱动电压相等时，第i组和第j组微镜镜面11产生的扭转角相等，即θ3＝θ4。
参阅图3(e)，当第i组微镜单元的驱动电压与第j组微镜单元的驱动电压不相等时，第i组和第j组镜面11产生的扭转角不相等，即θ3≠θ4；从而实现更加复杂的空间光调制。
参阅图4，本发明提出的一种二维微机械双向扭转镜阵列加工方法，包括如下基本步骤:
S1、参阅图4(a)，利用三维集成制造工艺完成电极基底1的制作；
所述的三维集成制造工艺可为低温陶瓷共烧技术、硅通孔互连工艺等；
S2、参阅图4(b)，利用MEMS刻蚀工艺在通孔电极基底13上制作通孔21；
所述的MEMS刻蚀工艺可为湿法腐蚀工艺、干法深刻蚀工艺、表面激光加工工艺等；
S3、参阅图4(c)，利用MEMS键合工艺将电极基底1和通孔电极基底13进行对准键合；
所述的MEMS键合工艺可为阳极键合工艺、胶粘键合工艺、直接键合工艺等；
S4、参阅图4(d)，利用金属材料沉积工艺完成通孔21中填充金属22的沉积；
所述的金属材料沉积工艺可为电镀工艺、化学气相沉积工艺等；
S5、参阅图4(e)，利用MEMS沉积工艺在通孔电极基底13上沉积表面电极23材料，通过金属材料图形化工艺得到表面电极4.3；
所述的MEMS沉积工艺可为电子束蒸镀工艺、磁控溅射工艺等；
所述的金属材料图形化工艺可为金属剥离工艺、金属湿法腐蚀工艺、金属干法刻蚀工艺等；
S6、参阅图5(a)，利用MEMS刻蚀工艺在微镜扭转支撑结构层14的一侧刻蚀出一定高度的第一下电极5、锚点6和第二下电极7；
所述的MEMS刻蚀工艺可为湿法腐蚀工艺、干法深刻蚀工艺、表面激光加工工艺等；
S7、参阅图5(b)，将已完成步骤5和步骤6加工的通孔电极基底13和微镜扭转支撑结构层14利用MEMS键合工艺进行圆片级集成；
所述的MEMS键合工艺可根据基底材料的不同选为阳极键合工艺、金硅键合工艺、胶粘键合工艺、直接键合工艺等；
S8、参阅图5(c)，利用MEMS减薄工艺将微镜扭转支撑结构层14减薄至所需厚度，完成第一下电极5和第二下电极7的结构释放；
所述的MEMS减薄工艺可选为湿法腐蚀工艺、干法深刻蚀工艺、化学机械抛光工艺等；
S9、参阅图5(d)，在完成结构释放的第一下电极5和第二下电极7的表面沉积绝缘材料并图形化得到绝缘层9；
所述的绝缘材料沉积工艺主要包括低温化学气相沉积工艺、等离子体增强化学气相沉积工艺、电子束蒸镀工艺等；
S10、参阅图6(a)，根据微镜扭转角度要求，在镜面11的一侧利用MEMS刻蚀工艺刻蚀出一定高度的镜面支撑结构10；
所述的MEMS刻蚀工艺为干法深刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺等；
S11、参阅图6(b)，根据驱动电压和扭转角度的要求，利用MEMS刻蚀工艺在微镜扭转结构层16一侧刻蚀一定深度的扭转梁8；
所述的MEMS刻蚀工艺为干法深刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺等；
S12、参阅图6(c)，将扭转梁8与镜面支撑结构10利用MEMS工艺进行键合；
所述的MEMS键合工艺可为阳极键合工艺、胶粘键合工艺、直接键合工艺；
S13、参阅图6(d)，利用MEMS减薄工艺完成扭转梁8的释放；
所述的MEMS减薄工艺可选为湿法腐蚀工艺、干法深刻蚀工艺、化学机械抛光工艺等；
S14、参阅图7(a)，利用MEMS工艺将扭转梁8上的两个端部20和对应的锚点6进行键合；
所述的MEMS键合工艺可为阳极键合工艺、胶粘键合工艺、直接键合工艺；
S15、参阅图7(b)，根据微镜驱动要求，将镜面11减薄至所需厚度；
所述的减薄工艺可选为湿法腐蚀工艺、干法深刻蚀工艺、化学机械抛光工艺等；
S16、参阅图7(c)，在减薄后的镜面11的表面沉积金属材料并图形化得到金属反射层12，以金属反射层12为掩膜，并利用MEMS刻蚀工艺完成镜面11的结构释放；
所述的沉积工艺可选为电子束蒸镀工艺、磁控溅射工艺等；
所述的MEMS刻蚀工艺可选为干法深刻蚀工艺、表面激光加工工艺、湿法腐蚀工艺等。
实施例1：
本实施例中的二维微机械双向扭转镜阵列主要包括电极基底1和置于电极基底1上的10×10组微镜单元，微镜单元之间的间距为2μm，每组微镜单元主要由第一通孔电极2、第二通孔电极3、第三通孔电极4、第一下电极5、锚点6、第二下电极7、扭转梁8、绝缘层9、镜面支撑结构10、镜面11以及金属反射层12，镜面11为20μm×20μm的正方形结构。第一通孔电极2、第二通孔电极3以及第三通孔电极4是由通孔电极基底13制备而成，第一下电极5、锚点6、扭转梁8以及第二下电极7共同构成微镜扭转支撑结构层14，第一下电极5、锚点6以及第二下电极7分别与第一通孔电极2、第三通孔电极4和第二通孔电极3位置对应并紧密接触。第一下电极5和第二下电极7关于扭转梁8对称分布，绝缘层9被制作于第一下电极5和第二下电极7的表面。扭转梁8通过锚点6支撑并悬置于通孔电极基底13的上方，由微镜扭转结构层16制备而成。镜面结构层15包括镜面支撑结构10和镜面11，镜面支撑结构10和镜面11为一体成型结构，镜面11通过其下方的镜面支撑结构10与扭转梁8相连。为了提高镜面反射效率，在镜面11的上方覆盖一层金属反射层12。
本实施例中，电极基底1的材料为生瓷带；通孔电极基底13为硅片；第一通孔电极2、第二通孔电极3以及第三通孔电极4的填充金属材料为钨，表面电极材料为铝；微镜扭转支撑结构层14为普通硅片；扭转梁8的形状根据微镜驱动电压要求选为直梁，微镜扭转结构层16为普通硅片；绝缘层9为氧化硅；镜面结构层15为高掺杂浓度的硅片；金属反射层12制备材料为金。
参阅图4，本发明提出的二维微机械双向扭转镜阵列的制作工艺包括如下步骤：
步骤1：参阅图4(a)，利用低温共烧陶瓷工艺完成电极基底1的制作；
步骤2：参阅图4(b)，采用300μm硅片作为通孔电极基底13，利用干法深刻蚀工艺在300μm硅片上制作通孔21；
步骤3：参阅图4(c)，利用直接键合工艺将电极基底1和300μm硅片进行对准键合；
步骤4：参阅图4(d)，利用化学气相沉积工艺完成通孔中填充金属钨的沉积；
步骤5：参阅图4(e)，利用电子束蒸镀工艺在硅片上沉积200nm铝膜，通过金属剥离工艺将其图形化得到表面电极；
步骤6：参阅图5(a)，采用500μm普通硅片来制作微镜扭转支撑结构层，即利用干法深刻蚀工艺在500μm普通硅片的一侧刻蚀得到15μm的第一下电极5、锚点6和第二下电极7；
步骤7：参阅图5(b)，将已完成步骤5和步骤7加工的通孔电极基底13和微镜扭转支撑结构层14利用硅硅直接键合工艺进行圆片级集成；
步骤8：参阅图5(c)，利用化学机械抛光工艺将500μm的普通硅片减薄至15微米，完成第一下电极5和第二下电极7的结构释放；
步骤9：参阅图5(d)，利用低温化学气相沉积工艺在完成结构释放的第一下电极5和第二下电极7的表面沉积200nm氧化硅并图形化得到绝缘层9；
步骤10：参阅图6(a)，采用300μm高掺杂浓度的硅片来制作镜面结构层15，根据微镜扭转角度要求，在300μm高掺杂浓度的硅片的表面利用干法深刻蚀工艺制备出15μm的镜面支撑结构10；
步骤11：参阅图6(b)，采用300μm硅片来作为微镜扭转结构层16，根据驱动电压和扭转角度的要求，利用干法深刻蚀工艺在300μm硅片的一侧刻蚀10μm深度的扭转梁8；
步骤12：参阅图6(c)，将扭转梁8与镜面支撑结构10利用硅硅直接键合工艺进行键合；
步骤13：参阅图6(d)，利用化学机械抛光工艺完成扭转梁8结构释放；
步骤14：参阅图7(a)，利用硅硅直接键合工艺将扭转梁8的两个端部和锚点6进行键合；
所述的MEMS键合工艺可为阳极键合工艺、胶粘键合工艺、直接键合工艺；
步骤15：参阅图7(b)，根据微镜驱动要求，利用化学机械抛光工艺将300μm高掺杂浓度硅片减薄至25μm。
步骤16：参阅图7(c)，利用电子束蒸镀工艺在减薄后的镜面结构层15的表面沉积200nm金膜并图形化得到金属反射层12，以金属反射层12为掩膜，并利用干法深刻蚀工艺完成镜面11的结构释放。
实施例2：
本实施例中的二维微机械双向扭转镜阵列主要包括电极基底1和置于电极基底1上的200×200组微镜单元，微镜单元之间的间距为1μm，每组微镜单元主要由第一通孔电极2、第二通孔电极3、第三通孔电极4、第一下电极5、锚点6、第二下电极7、扭转梁8、绝缘层9、镜面支撑结构10、镜面11以及金属反射层12，镜面11为25μm×25μm的正方形结构。第一通孔电极2、第二通孔电极3、第三通孔电极4设置在通孔电极基底13上，第一下电极5、锚点6、扭转梁8以及第二下电极7共同构成微镜扭转支撑结构层，第一下电极5、锚点6以及第二下电极7分别与第一通孔电极2、第三通孔电极4和第二通孔电极3对应并紧密接触。第一下电极5和第二下电极7关于扭转梁8对称分布，绝缘层9被制作于第一下电极5和第二下电极7的表面。扭转梁8通过锚点6支撑并悬置于通孔电极基底13的上方，由微镜扭转结构层16制备而成。镜面结构层15包括镜面支撑结构10和镜面11，镜面支撑结构10和镜面11为一体成型结构，镜面11通过其下方的镜面支撑结构10与扭转梁8相连。为了提高镜面反射效率，在镜面11的上方覆盖一层金属反射层12。
本实施例中，电极基底1的材料为硅；通孔电极基底13为BF33玻璃片；第一通孔电极2、第二通孔电极3和第三通孔电极4的填充金属材料为铜，表面电极材料为金；微镜扭转支撑结构层14为SOI硅片(SOI硅片14包括15μm第一器件层14.1，0.5μm第一氧化层14.2和300μm第一衬底层14.3)；扭转梁8的形状根据微镜驱动电压要求选为折叠梁，微镜扭转结构层材料16为SOI片(SOI硅片16包括15μm第三器件层16.1，1.5μm第三氧化层16.2和350μm第三衬底层16.3)；绝缘层9为氮化硅。镜面结构层15为SOI硅片(SOI硅片15包括20μm第二器件层15.1，2μm第二氧化层15.2和400μm第二衬底层15.3)；金属反射层12材料为铝。
参阅图5，本发明提出的微机械静电驱动微镜阵列的制作工艺包括如下步骤：
步骤1：参阅图8(a)，利用硅通孔互连工艺完成电极基底1的制作；
步骤2：参阅图8(b)，采用300μm BF33玻璃片作为通孔电极基底13，利用表面激光加工工艺在300μm BF33玻璃片上制作通孔；
步骤3：参阅图8(c)，利用硅玻阳极键合工艺将电极基底1和BF33玻璃片13进行对准键合；
步骤4：参阅图8(d)，利用电镀工艺完成通孔中填充金属铜的沉积；
步骤5：参阅图8(e)，利用磁控溅射工艺在BF33玻璃片13上沉积250nm金膜，通过金属湿法腐蚀工艺将其图形化得到表面电极；
步骤6：参阅图9(a)，采用SOI硅片来制作微镜扭转支撑结构层14，利用湿法腐蚀工艺在SOI硅片的器件层上刻蚀得到15μm的第一下电极5、锚点6和第二下电极7；
步骤7：参阅图9(b)，将已完成步骤5和步骤6加工的BF33玻璃片和SOI硅片利用硅玻阳极键合工艺进行圆片级集成；
步骤8：参阅图9(c)，利用干法深刻蚀工艺将SOI硅片的300μm第一衬底层14.3全部去除，完成下电极5和下电极7的结构释放；
步骤9：参阅图9(c)，SOI硅片14剩余的0.5μm第一氧化层14.2作为绝缘层材料并图形化得到绝缘层9；
步骤10：参阅图10(a)，采用SOI硅片制作镜面结构层15，根据微镜扭转角度要求，在SOI硅片的20μm器件层15.1表面利用湿法腐蚀工艺制备出10μm的镜面支撑结构10；
步骤11：参阅图10(b)，根据驱动电压和扭转角度的要求，利用湿法腐蚀工艺在SOI硅片16的15μm第三器件层16.1上刻蚀15μm深度的扭转梁8；
步骤12：参阅图10(c)，将扭转梁8与镜面支撑结构10利用硅硅直接键合工艺进行键合；
步骤13：参阅图10(d)，利用湿法腐蚀工艺完成扭转梁8结构释放；
步骤14：参阅图11(a)，利用导电胶粘键合工艺将扭转梁8的两个端部分别和锚点6进行键合；
步骤15：参阅图11(b)，根据微镜驱动要求，利用干法深刻蚀工艺将SOI硅片的第二衬底层15.3和第二氧化层15.2全部去除；
步骤16：参阅图11(c)，利用磁控溅射工艺在减薄后的镜面结构层15表面沉积200nm铝膜并图形化得到金属反射层12，以金属反射层12为掩膜，并利用表面激光加工工艺完成镜面11的结构释放。

Claims (6)

1.一种二维微机械双向扭转镜阵列，其特征在于：包括电极基底(1)以及设置在电极基底(1)上的N×N组等间距排列的微镜单元，所述微镜单元包括微镜扭转支撑结构层(14)、位于微镜扭转支撑结构层(14)下方的通孔电极基底(13)以及位于微镜扭转支撑结构层(14)上方的镜面结构层(15)，所述微镜扭转支撑结构层(14)包括锚点(6)、扭转梁(8)、第一下电极(5)以及第二下电极(7)，所述扭转梁(8)通过其两端的锚点(6)支撑悬置于通孔电极基底(13)上方，第一下电极(5)和第二下电极(7)关于扭转梁(8)对称分布；所述通孔电极基底(13)包括设置在通孔电极基底(13)上的第一通孔电极(2)、第二通孔电极(3)以及第三通孔电极(4)，所述第一通孔电极(2)与第一下电极(5)贴触，所述第二通孔电极(3)与第二下电极(7)贴触，所述第三通孔电极(4)与锚点(6)贴触，所述镜面结构层(15)包括镜面(11)以及镜面支撑结构(10)，所述镜面(11)通过镜面支撑结构(10)与扭转梁(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种二维微机械双向扭转镜阵列，其特征在于：所述扭转梁(8)包括中心部(19)，所述镜面支撑结构(10)与扭转梁(8)的中心部(19)相连接，所述镜面支撑结构(10)和镜面(11)为一体成型结构，所述扭转梁(8)关于中心部(19)对称，所述锚点(6)的数量为两个，分别与扭转梁(8)的两个端部(20)对应贴合连接。
3.根据权利要求1所述的一种二维微机械双向扭转镜阵列，其特征在于：所述微镜单元还包括覆盖在第一下电极(5)和第二下电极(7)的上表面的绝缘层(9)。
4.根据权利要求1所述的一种二维微机械双向扭转镜阵列，其特征在于：所述微镜单元还包括覆盖在镜面(11)上表面的金属反射层(12)。
5.根据权利要求1所述的一种二维微机械双向扭转镜阵列，其特征在于：所述第一通孔电极(2)、第二通孔电极(3)以及第三通孔电极(4)均包括通孔(21)、填充在通孔(21)内的填充金属(22)以及覆盖在填充金属(22)上的表面电极(23)。
6.一种用于制作权1至权5中任意一项所述的二维微机械双向扭转镜阵列的方法，该方法包括下列步骤：
S1、利用三维集成制造工艺制作电极基底(1)；
S2、利用MEMS刻蚀工艺在通孔电极基底(13)上制作通孔(21)；
S3、利用MEMS键合工艺将电极基底(1)和通孔电极基底(13)进行对准键合；
S4、利用金属材料沉积工艺完成通孔(21)中填充金属(22)的沉积；
S5、利用MEMS沉积工艺在通孔电极基底(13)上沉积表面电极材料，通过金属材料图形化工艺得到表面电极(23)；
S6、利用MEMS刻蚀工艺在微镜扭转支撑结构层(14)的一侧刻蚀出第一下电极(5)、锚点(6)以及第二下电极(7)；
S7、将完成步骤S5的通孔电极基底(13)和完成步骤S6的微镜扭转支撑结构层(14)利用MEMS键合工艺进行圆片级集成；
S8、利用MEMS减薄工艺将微镜扭转支撑结构层(14)减薄至所需厚度，完成第一下电极(5)和第二下电极(7)的结构释放；
S9、在完成结构释放的第一下电极(5)和第二下电极(7)的表面沉积绝缘材料并图形化得到绝缘层(9)；
S10、根据微镜扭转角度要求，在镜面(11)的一侧利用MEMS刻蚀工艺刻蚀出镜面支撑结构(10)；
S11、根据驱动电压和扭转角度的要求，利用MEMS刻蚀工艺在微镜扭转结构层(16)的一侧刻蚀出扭转梁(8)；
S12、将扭转梁(8)与镜面支撑结构(10)利用MEMS工艺进行键合；
S13、利用MEMS减薄工艺完成扭转梁(8)结构释放；
S14、利用MEMS工艺将扭转梁(8)的两个端部(20)分别与对应的锚点(6)进行键合；
S15、根据微镜驱动要求，将镜面(11)减薄至所需厚度；
S16、在减薄后的镜面(11)的表面沉积金属材料并图形化得到金属反射层(12)，以金属反射层(12)为掩膜，并利用MEMS刻蚀工艺完成镜面(11)的结构释放。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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