CN115950536A - 基于圆弧型悬臂微桥工艺的静电调谐滤波器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于圆弧型悬臂微桥工艺的静电调谐滤波器及其制备方法，电调谐滤波器由下而上依次的硅衬底层、底部“回”字形金电极层、空气悬空层、顶部“S”形硅桥面层和顶部金“插指”电极层构成；硅顶部桥面层的桥面悬臂拐角和桥腿固定连接处为“圆弧”结构，顶部金“插指”电极层的四个内边各有一根“插指”电极，该“插指”电极的固定端的圆弧半径与硅顶部桥面层的拐角的桥面圆弧一致。本发明的圆弧形微桥结构有效解决传统“直臂”型结构中90°拐角处和悬臂固定点存在应力过大且集中导致结构翘曲、倾斜、坍塌等问题，保证整体桥面一致性，且桥面总体应力均匀。该发明可用于红外探测器表面集成滤波片，获得紧凑片上集成的动态滤波调谐的探测功能。
Description
技术领域
本发明涉及红外光谱探测领域中所需的核心动态光谱滤波器，特别是一种基于圆弧型悬臂微桥工艺的静电调谐滤波器及其制备方法。
背景技术
红外焦平面探测芯片的发展，目前正处在第三代大规模、高密度，并逐渐明朗下一代发展方向之一，以强度探测为基础，融合光谱信息的“图谱合一”的新型探测技术。相比于传统强度探测方式，在云雾遮挡、沙尘等恶劣环境下无法进行目标的有效探测。结合红外光谱的“指纹”识别信息，可以针对复杂环境，主动选择光谱范围从而抑制背景噪声，提高信噪比，实现有效目标识别。利用高品质光谱选择增加光谱信息的获取通道。
实现系统级芯片(SOC)的关键是片上主动调谐分光技术。近年来以美国为主导的发达国家对此关键技术进行大力研究。目前主要技术路线集中于基于法布里-珀罗(F-P)原理的悬空微桥滤波方案。目前的技术以上层可动桥面-中部悬空层-下层固定桥面构成主要滤波结构，在上下电极电压偏置下由静电力相互吸引(或排斥)作用改变悬空高度而调节滤波腔长，从而实现对滤波的主动选择。传统结构以直角拐角桥面为主。然而，由于悬空结构的特殊性，在温度、压力等外部环境影响下，上桥面容易发生倾斜、弯曲。直角悬臂处更是表面应力的集中点，极易发生坍塌。这些结构不稳定因素造成了滤波效果的弱化，光谱品质因子降低。
如会议文章《Study on the structure of bridge surface of the microFabry-Perot cavity tunable filter》(Journal of Physics:Conference Series.IOPPublishing,2011,276(1):012079.)系统研究了直角悬臂的受力分析和桥面位移情况。未对其他悬臂形状的受力情况进行分析。
发明内容
本发明为了提高悬空平板的稳定性与平衡性，围绕力、电、光多物理场耦合模拟，对该结构的结构力学进行研究，首先对等效应力集中处拐角、固定处进行结构改进，引入圆弧结构。其次，合理设计上电极的位置，获得最佳偏置电压施加位置点。最终实现降低结构应力的同时，保证整理桥面的受力均匀、桥面位移一致性高的目标，研制高稳定性光谱动态可调滤波器。
本发明的目的是提供一种低应力、高稳定的“圆弧形”悬臂微桥光谱可调滤波器及制备方法，解决目前存在以下技术问题：
1、传统直角悬臂梁拐角和连接处应力过大、受力不均导致桥面倾斜、翘曲等问题；
2、直角悬臂梁施加静电压偏置后容易坍塌的问题。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于圆弧型悬臂微桥的静电调谐滤波器，其特点在于，该静电调谐滤波器由下而上依次的硅衬底层、底部“回”字形金电极层、空气悬空层、顶部“S”形硅桥面层和顶部金“插指”电极层构成；该静电调谐滤波器的俯视图呈正方形，所述的硅顶部桥面层的桥面悬臂拐角和桥腿固定连接处为“圆弧”结构，所述的顶部金“插指”电极层的四个内边各有一根“插指”电极，该“插指”电极的固定端的圆弧半径R与所述的硅顶部桥面层的拐角的桥面圆弧，即桥腿固定处的圆弧半径一致，所述的四根“插指”电极各自沿逆时针方向向对边延伸，所述的“插指”电极的末端与相邻内边的硅顶部桥面层的桥面圆弧的拐角的直径齐平，所述的“插指”电极下的硅顶部桥面层的桥面与所述的底部金电极层“回”字形区域直接面对。
上述基于圆弧型悬臂微桥工艺的静电调谐滤波器的制备方法，其特点在于包括下列步骤：
1)在所述的硅衬底层上用光刻剥离工艺，制作所述的金底部电极层，底部电极整体呈现“回”字形,中间区域为滤波器透光区域；四周为电极，用于施加静电偏置电压；
2)在所述的金底部电极层上CVD方法生长牺牲层；
3)在所述的牺牲层上用CVD方法生长一层硅，再采用微纳加工方法，利用光刻胶作为刻蚀掩膜材料，用反应离子刻蚀的方法刻蚀加工得到所述的硅顶部桥面层图形，注意所述的桥面悬臂拐角和桥腿固定连接处为“圆弧”形；
4)用光刻剥离工艺制作顶部金电极层，包括四根顶部“插指”电极，所述的顶部“插指”电极的固定端的圆弧半径R与所述的顶部桥面层的圆弧半径一致，四根“插指”电极的末端与所述的圆弧拐角的直径齐平；
5)用气体干法刻蚀方法，刻蚀释放所述的牺牲层的中间部分，得到所述的空气悬空层，使所述的“插指”电极的硅顶部桥面层与所述的金底部电极层“回”字区域直接面对。
本发明的技术效果如下：
1、本发明的圆弧形微桥结构有效解决传统“直臂”型结构中90°拐角处和悬臂固定点存在应力过大且集中导致结构翘曲、倾斜、坍塌等问题，使悬臂微桥结构更加稳定。最大应力相比于优化前降低53％。
2、本发明能保证整体桥面一致性，且桥面总体应力均匀。优化后结构桥面高低位移差：52nm/50μm，均匀性～1％。
该发明可用于红外探测器表面集成滤波片，获得紧凑片上集成的动态滤波调谐的探测功能。
附图说明
图1是本发明圆弧悬臂微桥结构示意图
图2是本发明圆弧悬臂微桥的加工步骤
图3采用本发明优化前后模拟效果比较图。
(a)优化后应力及位移分析；(b)优化前应力及位移分析。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明圆弧悬臂微桥结构示意图，由图可见，本发明基于圆弧型悬臂微桥的静电调谐滤波器，该静电调谐滤波器由下而上依次的硅衬底层1、底部“回”字形金电极层2、空气悬空层3、顶部“S”形硅桥面层4和顶部金“插指”电极层5构成；该静电调谐滤波器的俯视图呈正方形，所述的硅顶部桥面层4的桥面悬臂拐角41和桥腿固定连接处42为“圆弧”结构，所述的顶部金“插指”电极层5的四个内边各有一根“插指”电极51，该“插指”电极51的固定端512的圆弧半径R与所述的硅顶部桥面层4的拐角的桥面圆弧41，即桥腿固定处的圆弧半径一致，所述的四根“插指”电极51各自沿逆时针方向向对边延伸，所述的“插指”电极51的末端511与相邻内边的硅顶部桥面层4的桥面圆弧41的拐角的直径齐平，所述的“插指”电极51下的硅顶部桥面层4的桥面与所述的底部金电极层“回”字形区域2直接面对。
上述基于圆弧型悬臂微桥工艺的静电调谐滤波器的制备方法，包括下列步骤：
1)在所述的硅衬底层1上用光刻剥离工艺，制作所述的金底部电极层2，底部电极整体呈现“回”字形,中间区域为滤波器透光区域；四周为电极，用于施加静电偏执电压；
2)在所述的金底部电极层2上CVD方法生长牺牲层3’；
3)在所述的牺牲层3’上用CVD方法生长一层硅，再采用微纳加工方法，利用光刻胶作为刻蚀掩膜材料，用反应离子刻蚀(RIE)的方法刻蚀加工得到所述的硅顶部桥面层4图形，注意所述的桥面悬臂拐角41和桥腿固定连接处42为“圆弧”形；
4)用光刻剥离工艺制作顶部金电极层5，包括四根顶部“插指”电极51，所述的顶部“插指”电极51的固定端512的圆弧半径R与所述的顶部桥面层4的圆弧半径R一致，四根“插指”电极51的末端511与所述的圆弧拐角41的直径齐平；
5)用气体干法刻蚀方法，刻蚀释放所述的牺牲层3’的中间部分，得到所述的空气悬空层3，使所述的“插指”电极的硅顶部桥面层4与所述的金底部电极层“回”字区域2直接面对。
实施例1：
Si衬底1的厚度为300μm；
所述的Au底部电极层2的厚度为150nm；
所述的牺牲层SiO2释放后，得到Air悬空层3的厚度为2μm；
所述的Si顶部桥面层4的厚度0.22μm，桥面尺寸50μm×50μm，桥腿固定处圆弧半径R1＝32μm，桥面连接拐角处小圆弧半径R2＝4μm；
所述的Au顶部电极层的厚度0.05μm，顶部电极固定端圆弧半径R与桥面一致，四根“插指”电极的末端与圆弧拐角直径齐平。
实施例2：
所述的Si衬底1的厚度为300μm；
所述的Au底部电极层2的厚度为200nm；
所述的牺牲层SiO2释放后，得到Air悬空层3的厚度为1.8μm；
所述的Si顶部桥面层4的厚度0.22μm，桥面尺寸200μm×200μm，桥腿固定处圆弧半径R1＝32μm，桥面连接拐角处小圆弧半径R2＝4μm；
参见图3，图3是采用本发明优化前后模拟效果比较图。其中图3(a)表示硅顶部桥面层4的桥面悬臂拐角41和桥腿固定连接处42采用“圆弧”结构的等效冯米斯应力图。图3(b)表示传统直角拐角桥面的冯米斯应力图。两图对比可以发现，对于该S形结构的悬臂微桥，应力集中处位于拐角41和桥腿固定连接处42，实物样品中这两处地方容易发生坍塌、断裂。对于传统的直角拐角结构(图(b))，最大应力3.8×107N/m2。经过本发明优化后，本发明将桥面悬臂拐角41和桥腿固定连接处42采用“圆弧”结构，最大应力为1.8×107N/m2，降低50％。
实验表明，本发明的圆弧形微桥结构有效解决传统“直臂”型结构中90°拐角处和悬臂固定点存在应力过大且集中导致结构翘曲、倾斜、坍塌等问题。本发明能保证整体桥面一致性，且桥面总体应力均匀。该发明可用于红外探测器表面集成滤波片，获得紧凑片上集成的动态滤波调谐的探测功能。
Claims (2)
1.一种基于圆弧型悬臂微桥的静电调谐滤波器，其特征在于，该静电调谐滤波器由下而上依次的硅衬底层(1)、底部“回”字形金电极层(2)、空气悬空层(3)、顶部“S”形硅桥面层(4)和顶部金“插指”电极层(5)构成；该静电调谐滤波器的俯视图呈正方形，所述的硅顶部桥面层(4)的桥面悬臂拐角(41)和桥腿固定连接处(42)为“圆弧”结构，所述的顶部金“插指”电极层(5)的四个内边各有一根“插指”电极(51)，该“插指”电极(51)的固定端(512)的圆弧半径R与所述的硅顶部桥面层(4)的拐角的桥面圆弧(41)，即桥腿固定处的圆弧半径(R1)一致，所述的四根“插指”电极(51)各自沿逆时针方向向对边延伸，所述的“插指”电极(51)的末端(511)与相邻内边的硅顶部桥面层(4)的桥面圆弧(41)的拐角的直径齐平，所述的“插指”电极(51)下的硅顶部桥面层(4)的桥面与所述的底部金电极层“回”字形区域(2)直接面对。
2.权利要求1所述的基于圆弧型悬臂微桥工艺的静电调谐滤波器的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
1)在所述的硅衬底层(1)上用光刻剥离工艺，制作所述的金底部电极层(2)，底部电极整体呈现“回”字形,中间区域为滤波器透光区域；四周为电极，用于施加静电偏置电压；
2)在所述的金底部电极层(2)上CVD方法生长牺牲层(3’)；
3)在所述的牺牲层(3’)上用CVD方法生长一层硅，再采用微纳加工方法，利用光刻胶作为刻蚀掩膜材料，用反应离子刻蚀(RIE)的方法刻蚀加工得到所述的硅顶部桥面层(4)图形，注意所述的桥面悬臂拐角(41)和桥腿固定连接处(42)为“圆弧”形；
4)用光刻剥离工艺制作顶部金电极层(5)，包括四根顶部“插指”电极(51)，所述的顶部“插指”电极(51)的固定端(512)的圆弧半径R与所述的顶部桥面层(4)的圆弧半径R一致，四根“插指”电极(51)的末端(511)与所述的圆弧拐角(41)的直径齐平；
5)用气体干法刻蚀方法，刻蚀释放所述的牺牲层(3’)的中间部分，得到所述的空气悬空层(3)，使所述的“插指”电极的硅顶部桥面层(4)与所述的金底部电极层“回”字区域(2)直接面对。
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