CN1304872C - 一种硅基可变形反射镜及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基可变形反射镜及其制作方法。该可变形反射镜包括硅片和玻璃片，硅片由键合区、硅膜及与硅膜下表面连为一体的至少一个硅台柱构成，硅膜的上表面为反射面，在玻璃片上具有引线、压焊点及与硅台柱相对应的驱动电极，玻璃片和硅片由键合区相固定，当给驱动电极施加电压时，产生的静电力驱动硅台柱向下运动，从而带动硅膜发生变形。本发明以微电机系统MEMS技术为基础，它借助半导体工业中一套成熟的加工工艺，如：材料淀积、光刻等进行反射镜的制造，不仅成品率较高，还可像集成电路一样，容易进行大批量生产，从而大大降低单个器件的成本。同时，加工出的可变形反射镜具有体积小、重量轻、高镜面质量和低能耗的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射镜及其制作方法，特别是涉及一种可变形反射镜及其制作方法。
背景技术
目前，可变形反射镜大都采用的是压电驱动方式，即通过施加电压，引起材料膨胀或收缩，从而带动镜面变形。其缺点在于：①系统体积庞大；②驱动电压大(上千伏)，且变形量小；③单个驱动单元造价昂贵；④由于压电材料的性质决定了整个系统的响应速度较慢，因而其应用大多数只限于地面大型天文望远镜的自适应光学系统中。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种硅基可变形反射镜及其制作方法，该反射镜体积小、重量轻、能耗低且成本低廉，能满足自适应光学系统日益小型化的要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种硅基可变形反射镜包括硅片和玻璃片，硅片由键合区、硅膜及与硅膜下表面连为一体的至少一个硅台柱构成，硅膜的上表面为反射面，在玻璃片上具有引线、压焊点及与硅台柱相对应的驱动电极，玻璃片和硅片由键合区相固定，当给驱动电极施加电压时，产生的静电力驱动硅台柱向下运动，从而带动硅膜发生变形；可变形反射镜的镜面是由一个完整的硅膜所构成；且硅台柱的下表面到硅膜之间的厚度比键合区的下表面到硅膜之间的厚度小。
一种制作硅基可变形反射镜的方法，包括：
(1)在硅片的下、上表面上同时依次完成生长二氧化硅、氮化硅、二氧化硅、氮化硅作为掩膜材料，使用键合区掩膜板进行第一次光刻，将键合区掩膜板图形转移到掩膜材料层中，使用硅台柱掩膜板进行第二次光刻，将硅台柱掩膜板图形转移到掩膜材料层中；采用湿化学方法或干法或湿化学方法和干法同时使用，进行两次不同深度的腐蚀，先进行第一次腐蚀，完全去除含有第一次光刻图形的氮化硅和二氧化硅、暴露在外面的部分氮化硅和二氧化硅，再进行第二次腐蚀，完全去除硅片上剩余的氮化硅和二氧化硅，在硅片上刻蚀出键合区、硅膜及与硅膜连为一体的至少一个硅台柱；
在作为反射面的硅膜的上表面溅射一层介质膜或金膜。
(2)用剥离方法在玻璃片上加工出引线、压焊点及与硅台柱相对应的驱动电极；
(3)采用阳极键合或者用导电环氧树脂将硅片与玻璃片通过键合区粘结在一起。
本发明的优点在于：本发明是以微电机系统MEMS技术为基础的，借助半导体工业中一套成熟的加工工艺，如：材料淀积、光刻等来进行反射镜的制造，不仅成品率较高，还可像集成电路一样，容易进行大批量生产，从而大大降低单个器件的成本。同时，加工出的可变形反射镜具有体积小、重量轻、高镜面质量和低能耗的性能。
附图说明
图1是可变形反射镜一种实施例的结构示意图。
图2是图1反射镜的剖面图。
图3是图1中玻璃片的结构示意图。
图4是用于在硅片上第一次光刻的一种掩膜板平面图(用来定义出键合区部分)。
图5是用于在硅片上第二次光刻的一种掩膜板平面图(用来定义出硅台柱部分)。
图6(a)～图6(h)是硅片在不同加工阶段的工艺流程图。
图7(a)～图7(e)是玻璃片在不同加工阶段的工艺流程图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明包括硅片1和玻璃片2，硅片1由键合区7、硅膜3及与硅膜3下表面连为一体的硅台柱5阵列构成，硅膜3的上表面为反射面，在玻璃片2上含有引线8、压焊点9及与硅台柱5阵列相对应的驱动电极6，玻璃片2和硅片1由键合区7相固定，当给驱动电极6施加电压时，产生的静电力驱动硅台柱5向下运动，从而带动硅膜3发生变形，引起镜面的曲率发生变化，可变形反射镜的镜面是由一个完整的硅膜所构成；且硅台柱5的下表面到硅膜之间的厚度比键合区7的下表面到硅膜之间的厚度小。通过控制不同位置的驱动电极6的电压的大小，可获得具有不同型面的镜面。
在硅膜3的上表面可镀有一层金膜4，由于金存在较大的拉应力，这会引起硅膜变形，从而影响硅面的平整度，因此，在保证高反射率的前提下，尽可能的减小金膜厚度。
由于不同的硅晶面具有不同的腐蚀速率，因而最终获得的台柱形状与所选用的硅片取向有关。对于(100)硅片，获得的将是四棱台结构、且其侧面与上下表面的夹角为54.74，而对于(110)硅片，将获得具有垂直侧壁的四棱柱结构。
一种硅基可变形反射镜制作方法，包括：
用通常的湿化学方法和干法，在硅片1上刻出键合区7、硅膜3及与硅膜3连为一体的硅台柱5阵列，具体制作方法为；
(1)对硅片1进行相应处理，即抛光和清洗。最常见的抛光方法是化学机械抛光。清洗去除硅片1表面残余的有机物、颗粒和金属杂质。
(2)在硅片1下、上表面同时淀积掩膜材料，依次完成热氧化生长二氧化硅10和14、低压化学气相淀积氮化硅11和15、低压化学气相淀积二氧化硅12和16和低压化学气相淀积氮化硅13和17，各层厚度均为1000，如图6(a)所示。硅片1上表面用来保护抛光面免受腐蚀液的侵袭，而硅片1下表面是作为其后腐蚀时的掩膜材料。
(3)使用图4所示的掩膜板图形，在不作为反射面的硅片1下表面进行第一次光刻：用反应离子刻蚀或等离子刻蚀去除部分氮化硅13，缓冲氢氟酸BHF去除部分二氧化硅12，从而将此次光刻图形转移到氮化硅13和二氧化硅12中，如图6(b)所示。刻蚀条件可为：80mtorr气压，100W射频功率，30sccm六氟化硫流量和20sccm氦气流量，缓冲氢氟酸腐蚀液温度为30℃，且由体积比为5∶1的氟化氨水溶液与氢氟酸混和而成。
(4)使用图5所示的掩膜板图形，在硅片1下表面进行第二次光刻：用反应离子刻蚀或等离子刻蚀去除部分氮化硅11、缓冲氢氟酸BHF去除部分二氧化硅10，从而将此次光刻图形转移到氮化硅11和二氧化硅10中，如图6(c)所示。刻蚀条件同(3)。
(5)进行第一次氢氧化钾KOH腐蚀。以温度为80℃、浓度为30％的氢氧化钾水溶液作为腐蚀液，腐蚀深度为365μm，如图6(d)所示。也可采用四甲基氢氧化銨TMAH进行腐蚀。
(6)用反应离子刻蚀或等离子刻蚀完全去除含有第一次光刻图形的氮化硅13和二氧化硅12、暴露在外面的部分氮化硅11和二氧化硅10，如图6(e)所示。刻蚀条件可为：50mtorr气压，300W射频功率，4sccm六氟化硫流量、60sccm甲烷流量和20sccm氦气流量。
(7)进行第二次氢氧化钾KOH腐蚀，方法同(5)，深度为5μm，如图6(f)所示，此时对应的硅膜3厚度为30μm。通过调整腐蚀深度，可控制硅膜3的厚度及台柱5表面到驱动电极6的距离。硅膜3如果太薄，则镜面容易破裂，太厚则镜面刚度较小，变形将会困难，同时，在一定静电力的前提下，驱动电压与间距成正比，但如果间距过小，又会降低变形范围，因此，要在这两方面进行折中。
(8)用反应离子刻蚀或等离子刻蚀完全去除硅片1上剩余的氮化硅11、15、17和二氧化硅10、14、16，如图6(g)所示。刻蚀条件同(6)。此时，在硅片1上刻出键合区7、硅膜3及与硅膜3连为一体的硅台柱5阵列。
(9)在作为反射面的硅膜3的上表面可溅射一层介质膜或金膜4，厚度为700，如图6(h)所示。溅射条件可为：200W溅射功率、氩气Ar作为溅射气体腔体真空度为3.1/6.3-7。
用通常的剥离方法在玻璃片2上加工出引线8、压焊点9及与硅台柱5相对应的驱动电极6，具体制作方法为：
(10)在玻璃片2上旋涂光刻胶18，作为掩膜材料，如图7(a)所示；并采用图5所示掩膜板图形进行光刻，如图7(b)所示；用缓冲氢氟酸BHF腐蚀玻璃片2，从而将此次光刻图形转移到玻璃片2上，如图7(c)所示，腐蚀条件同(3)，深度为1200。
(11)溅射一层金膜，厚度1600，如图7(d)所示。溅射条件同(9)。
(12)将玻璃片2浸入装有丙酮的容器中，然后置于超声波清洗槽内进行剥离操作，用以形成驱动电极6、引线8和压焊点9，如图7(e)所示。
(13)将硅片1镀有金膜4的一面朝上，台柱5面向玻璃2，并使用光刻机完成硅台柱5与电极6图形的对准操作，送入键合机中，待抽真空、充氨气和升温完成后，在玻璃上施加一负压，并保持10min，此时，键合已完成，硅片1和玻璃片2通过键合区7粘合在一起。或者将硅片1镀有金膜4的一面朝上，台柱5面向玻璃片2，通过导电环氧树脂将硅片1和玻璃片2粘结在一起。
Claims (2)
1、一种硅基可变形反射镜，其特征在于：包括硅片(1)和玻璃片(2)，硅片(1)由键合区(7)、硅膜(3)及与硅膜(3)下表面连为一体的至少一个硅台柱(5)构成，硅膜(3)的上表面为反射面，在玻璃片(2)上具有引线(8)、压焊点(9)及与硅台柱(5)相对应的驱动电极(6)，玻璃片(2)和硅片(1)由键合区(7)相固定，当给驱动电极(6)施加电压时，产生的静电力驱动硅台柱(5)向下运动，从而带动硅膜(3)发生变形；可变形反射镜的镜面是由一个完整的硅膜所构成；且硅台柱(5)的下表面到硅膜之间的厚度比键合区(7)的下表面到硅膜之间的厚度小。
2、一种制备权利要求1所述硅基可变形反射镜的方法，其特征在于：包括
(1)在硅片(1)的下、上表面上同时依次完成生长二氧化硅、氮化硅、二氧化硅、氮化硅作为掩膜材料，使用键合区掩膜板进行第一次光刻，将键合区掩膜板图形转移到掩膜材料层中，使用硅台柱掩膜板进行第二次光刻，将硅台柱掩膜板图形转移到掩膜材料层中；采用湿化学方法或干法或湿化学方法和干法同时使用，进行两次不同深度的腐蚀，先进行第一次腐蚀，完全去除含有第一次光刻图形的氮化硅和二氧化硅、暴露在外面的部分氮化硅和二氧化硅，再进行第二次腐蚀，完全去除硅片(1)上剩余的氮化硅和二氧化硅，在硅片(1)上刻蚀出键合区(7)、硅膜(3)及与硅膜(3)连为一体的至少一个硅台柱(5)；
在作为反射面的硅膜(3)的上表面溅射一层介质膜或金膜；
(2)用剥离方法在玻璃片(2)上加工出引线(8)、压焊点(9)及与硅台柱(5)相对应的驱动电极(6)；
(3)采用阳极键合或者用导电环氧树脂将硅片(1)与玻璃片(2)通过键合区(7)粘结在一起。
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