CN101718906A

CN101718906A - 微反射镜阵列制造方法

Info

Publication number: CN101718906A
Application number: CN200910175401A
Authority: CN
Inventors: 徐永青; 杨拥军; 李艳丽
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: CN101718906B

Abstract

本发明公开了一种微反射镜阵列制造方法，用于对高填充因子、大角度扭转、大阵列微反射镜阵列的制造。该方法采用体硅MEMS加工技术、垂直梳齿驱动方式、晶片键合工艺以及刻蚀技术，特点是中间驱动层加工好后进行晶片键合，在驱动层上方覆盖一层反射镜面，在此基础上采用独创的深刻蚀释放技术释放驱动层中保留的支撑柱，实现微反射镜的扭转，从而达到高填充因子、大角度扭转、低电压驱动的目的。

Description

微反射镜阵列制造方法

技术领域

本发明涉及一种微反射镜阵列制造方法，尤其适合制造大阵列、大角度扭转、高填充因子的微反射镜阵列。

背景技术

MOEMS(微光学电子机械系统)是一个光、机、电一体化的集成系统，信息技术、光纤通信技术的发展，使MOEMS成为当前研究的热点，其应用遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。利用MEMS技术制作的新型光器件，插入损耗小，光路间相互串扰极低，对光的波长和偏振不敏感，并且通常采用硅为主要材料，从而器件的光学、机械、电气性能优良。

在MOEMS中改变“光线”方向的核心元件是反射镜，随着光纤通信的快速发展，微反射镜及其阵列的作用与地位也越来越重要。微反射镜的用途十分广泛，因此对微反射镜的研究与制造在国内外也是一个热点。

从微镜的动作方式可分为平动、垂直动以及扭动，目前扭动微镜是一种比较普遍形式，如国际著名通信公司LUCENT扭镜3D光交换阵列。扭镜又可分为一维(1D)、二维(2D)以及多维扭镜，而国内采用MEMS技术研制的扭镜还没有成熟产品。

从加工工艺来看主要包括精密机械加工与MEMS加工，而主流的优势的加工技术是MEMS加工技术，MEMS加工又分为体硅与表面加工，如美国Ti公司DMD(数字微镜)投影仪采用了表面MEMS加工技术，国内多采用体硅MEMS加工技术。

从驱动方式上目前微镜的驱动形式包括静电与磁驱动，从驱动的可控性、功耗等方面讲静电驱动更具优势。静电驱动又有平行板电容驱动以及梳齿电容驱动，前者存在pull-in(吸合)现象，即当扭转角度超过一定范围后会造成两平行板瞬间贴在一起而短路，后者不存在pull-in现象，也是被较多采用的技术。

传统垂直梳齿驱动的微反射镜的的结构参见图1，包括反射镜面、驱动电极(动齿驱动电极和定齿驱动电极)、驱动梳齿(动驱动梳齿和定驱动梳齿)以及扭梁，所述反射镜面和动驱动梳齿在同一平面内。驱动原理是：动驱动梳齿和动齿驱动电极相连，定驱动梳齿和定齿驱动电极相连，在动齿驱动电极和定齿驱动电极上施加驱动电压，使动、定驱动梳齿之间产生静电力，从而使反射镜面绕扭梁旋转。扭转角度与驱动梳齿长度的平方和施加的驱动电压成正比，即驱动电压一定时驱动梳齿越长扭转角度越大或者在扭转角度相同的情况下，驱动梳齿越长所需驱动电压越低。由于反射镜面和动驱动梳齿在同一平面内，制作微反射镜时既要考虑反射镜面的有效面积又要考虑梳齿的长度，因此就会造成制作的微反射镜填充因子低，扭转角度小，驱动电压低的问题。填充因子低即反射镜面的有效反射面积小就会造成光损耗，从而使到达光接收端的光信号减弱；扭转角度小造成光的反射角小，实际应用中安装的光接收端就少，不同光接收端之间的间距较小，造成光信道之间的串扰。

目前国内外微反射镜的技术指标一般为：填充因子小于95％，扭转角度小于3度，驱动电压为100V左右。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微反射镜阵列制造方法，以解决目前反射镜填充因子低，扭转角度小，驱动电压高的问题，达到制作高填充因子、大角度扭转、低电压驱动的微反射镜阵列的目的。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是提供一种微反射镜阵列制造方法，该方法采用体硅MEMS加工技术、垂直梳齿驱动方式、晶片键合工艺以及刻蚀技术，其特点是：中间驱动层加工好后进行晶片键合，在驱动层上方覆盖一层反射镜面，在此基础上采用独创的深刻蚀释放技术释放驱动层中保留的支撑柱，实现微反射镜的扭转，具体包括以下步骤：

1)双面抛光衬底玻璃片、驱动结构层硅片、反射镜面层硅片；

2)在玻璃片涂覆光刻胶，曝光、显影后得到电极布线图形；

3)在衬底玻璃片上形成金属层，并采用剥离工艺去掉不需要的金属，形成金属布线，即金属电极层；

4)在驱动结构层硅片的正面涂覆光刻胶，曝光、显影后得到定驱动梳齿、锚点、支撑柱的结构图形；

5)对步骤4)的硅片采用深反应离子刻蚀垂直腐蚀掉没有光刻胶保护的部分，形成定驱动梳齿、锚点、支撑柱结构；

6)衬底玻璃片与驱动结构层硅片正面静电键合；

7)在驱动结构层硅片背面涂覆光刻胶，曝光、显影后得到动驱动梳齿、扭梁的结构图形；

8)对步骤7)的硅片采用深反应离子刻蚀垂直腐蚀掉无光刻胶保护的部分，形成动驱动梳齿、扭梁结构；

9)在反射镜面层硅片的正面上形成金属层；

10)在反射镜面层硅片正面涂覆光刻胶，曝光、显影得到金属-硅共晶键合锚点图形；

11)对反射镜面层硅片正面进行深反应离子刻蚀，形成扭梁上方的悬空区域；

12)将反射镜面层硅片的正面和驱动结构层硅片的背面共晶键合；

13)在反射镜面层的背面涂覆光刻胶，曝光、显影后得到支撑柱施放孔、镜面单元周边释放槽的结构图形；

14)采用深反应离子刻蚀释放工艺在反射镜面层硅片背面刻蚀形成支撑柱释放孔，释放支撑柱，并形成镜面单元周边释放槽，释放微镜单元。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：将驱动层和反射镜面层相分离，使驱动层和反射镜面各独占一层，解决了传统微反射镜中驱动梳齿长度和反射镜面有效面积不能兼顾的问题，即要想增大驱动梳齿长度必然减小反射镜面的有效面积或者要想提高反射镜面的有效面积必然使驱动梳齿缩短，因此极大地提高了微反射镜阵列的填充因子，增加了驱动梳齿长度，从而增大了扭转角度，降低了驱动电压。对于1mmX1mm的微反射镜单元组成的微反射镜阵列，填充因子大于99％，扭转角大于6度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1是传统微反射镜的结构示意图；

图2是本发明制备的8×8微反射镜阵列示意图；

图3是本发明制备的微反射镜阵列一个单元俯视图；

图4是本发明制备的微反射镜阵列一个单元剖面图；

图5-1～图5-14是本发明制备微反射镜阵列的工艺方法流程图；

图1中，21-反射镜面，22-动齿驱动电极，23-扭梁，24-定齿驱动电极1，25-定驱动梳齿，26-定齿驱动电极2，27-动驱动梳齿；

图4中，1-衬底玻璃片，2-驱动结构层硅片，3-反射镜面层硅片，4-动驱动梳齿，5-反射镜面，6-键合金属层(动齿驱动电极)，7-释放孔，8-扭梁，9-定齿驱动电极(1)，10-定驱动梳齿，11-支撑柱(释放后)，12-定齿驱动电极(2)。

具体实施方式

图3是微反射镜阵列中的一个单元俯视图，反射镜镜面材料是硅抛光面，光滑的硅表面具有较高反射率，来减小光的反射损耗，反射镜表面具有支撑柱释放孔。

图4是微反射镜阵列中的一个单元剖面图，由衬底玻璃片1、驱动结构层硅片2和反射镜面层硅片3通过晶片键合工艺键合在一起，包括动驱动梳齿4，反射镜面5，键合金属层(动齿驱动电极)6，释放孔7，扭梁8，定齿驱动电极(1)9，定驱动梳齿10，支撑柱(释放后)11，定齿驱动电极(2)12，其中在衬底玻璃片1和驱动结构层硅片2表面有金属布线。其工作原理为：定驱动梳齿10与定齿驱动电极(1)9或定齿驱动电极(2)12相连，动驱动梳齿4与动齿驱动电极6相连，在定齿驱动电极(1)9和动齿驱动电极6上施加电压，定驱动梳齿和动驱动梳齿之间产生静电力，在静电力的作用下动驱动梳齿4将带动反射镜面层硅片3绕扭梁8沿顺时针或逆时针方向转动；如果在定齿驱动电极(2)和动齿驱动电极6之间施加电压，则动驱动梳齿4将带动反射镜面层硅片3绕扭梁8沿相反方向转动。

图5-1～图5-14是本发明制作微反射镜的具体实施方式流程图。下面结合图5-1～图5-14具体说明制作过程。

1)材料准备：衬底玻璃片：双面抛光，厚度至少为200μm；驱动结构层硅片：双面抛光，厚度一般小于250μm；反射镜面层硅片：双面抛光，厚度一般小于250μm；本实施例中玻璃片的厚度为250μm，驱动结构层硅片的厚度为200μm，反射镜面层硅片的厚度为200μm。

2)光刻：在玻璃片上涂覆光刻胶，通过曝光、显影得到电极布线图形。参见图5-1。

3)金属化：在工艺步骤2)中所述的玻璃片正面上形成金属层，上述金属层为铬、钛或金中的一种金属，铬或钛的厚度10-30nm，金的厚度至少为80nm，并采用剥离工艺将不需要的金属去掉，形成金属电极布线。本实施例中采用铬，厚度20nm。参见图5-2和图5-3。

4)光刻：在驱动结构层硅片的正面上涂覆光刻胶，通过曝光、显影得到定驱动梳齿、锚点、支撑柱的结构图形。参见图5-4。

5)深反应离子刻蚀(DRIE)：对工艺步骤4)中的驱动结构层刻蚀，将没有光刻胶保护的地方的垂直腐蚀掉，腐蚀深度为150-170μm，形成定驱动梳齿、锚点、支撑柱等结构。本实施例中可是深度150μm，参见图5-5。

6)静电圆片键合：将玻璃片与驱动结构层的正面进行静电键合，参见图5-6所示。

7)双面光刻：在驱动结构层硅片的背面上涂覆光刻胶，通过曝光、显影得到动驱动梳齿、扭梁等结构的图形，参见图5-7。

8)DRIE：对驱动结构层背面刻蚀，将没有光刻胶保护的地方的垂直腐蚀掉，腐蚀深度位置与工艺5衔接上，形成动驱动梳齿、扭梁等结构。本实施例中刻蚀深度为30μm，参见图5-8。

9)金属化：在反射镜面层硅片的正面生长金属层，上述金属层为铬、钛或金中的一种金属，铬或钛的厚度为10-30nm，金的厚度至少为0.5μm。本实施例中采用金，厚度为2μm，参见图5-9。

10)光刻：在反射镜面层硅片的正面涂覆光刻胶，通过曝光、显影得到金硅共晶键合锚点的图形，并去掉没有被光刻胶保护住的金属层，参见图5-10。

11)DRIE：对反射镜层硅片的正面刻蚀，形成扭梁上方的悬空区域。腐蚀深度至少为20μm。本实施例中刻蚀深度为25μm，参见图5-11。

12)金-硅共晶圆片键合：将反射镜面层硅片的正面与驱动结构层的背面进行共晶键合，参见图5-12。

13)双面光刻：在反射镜面层硅片的背面上涂覆光刻胶，通过曝光、显影得到支撑柱释放孔、镜面单元周边释放槽等结构的图形。参见图5-13。

14)DRIE：对反射镜面层硅片的背面刻蚀，刻蚀深度一般至少为250μm，形成支撑柱释放孔，并形成镜面单元周边释放槽，释放微镜单元。本实施例中刻蚀深度为270μm，参见图5-14。

Claims

1.一种微反射镜阵列制造方法，该方法采用体硅MEMS加工技术、垂直梳齿驱动方式、晶片键合工艺以及刻蚀技术，其特征在于：中间驱动层加工好后进行晶片键合，在驱动层上方覆盖一层反射镜面，在此基础上采用独创的深刻蚀释放技术释放驱动层中保留的支撑柱，实现微反射镜的扭转，具体步骤为：

1)双面抛光衬底玻璃片(1)、驱动结构层硅片(2)、反射镜面层硅片(3)；

2)在衬底玻璃片(1)上涂覆光刻胶，曝光、显影后得到电极布线图形；

3)在衬底玻璃片(1)上形成金属层，并采用剥离工艺去掉不需要的金属，形成金属布线；

4)在驱动结构层硅片(2)的正面涂覆光刻胶，曝光、显影后得到定驱动梳齿(10)、锚点、支撑柱(11)的结构图形；

5)对步骤4)的硅片采用深反应离子刻蚀垂直腐蚀掉没有光刻胶保护的部分，形成定驱动梳齿(10)、锚点、支撑柱(11)结构；

6)衬底玻璃片(1)与驱动结构层硅片(2)正面静电键合；

7)在驱动结构层硅片(2)背面涂覆光刻胶，曝光、显影后得到动驱动梳齿(4)、扭梁(8)的结构图形；

8)对步骤7)的硅片(2)采用深反应离子刻蚀垂直腐蚀掉无光刻胶保护的部分，形成动驱动梳齿(4)、扭梁(8)结构；

9)在反射镜面层硅片(3)的正面上形成键合金属层(6)；

10)在反射镜面层硅片(3)正面涂覆光刻胶，曝光、显影得到金属-硅共晶键合锚点图形；

11)对反射镜面层硅片(3)正面进行深反应离子刻蚀，形成扭梁(8)上方的悬空区域；

12)将反射镜面层硅片(3)的正面和驱动结构层硅片(2)的背面共晶键合；

13)在反射镜面层硅片(3)的背面涂覆光刻胶，曝光、显影后得到支撑柱释放孔(7)、镜面单元周边释放槽的结构图形；

14)采用深反应离子刻蚀释放工艺在反射镜面层硅片(3)背面刻蚀形成支撑柱释放孔(7)，释放支撑柱(11)，并形成镜面单元周边释放槽，释放微镜单元。

2.根据权利要求1所述的微反射镜阵列制造方法，其特征在于所述的衬底玻璃片(1)厚度至少为200μm，驱动结构层硅片(2)厚度至多为250μm，反射镜面硅片(3)厚度至多为250μm。

3.根据权利要求1所述的微反射镜阵列制造方法，其特征在于所述步骤3)中的金属层的金属为铬、钛或金中的任意一种，铬或钛的厚度为10nm-30nm，金的厚度至少为80nm。

4.根据权利要求1所述的微反射镜阵列制造方法，其特征在于所述步骤5)中刻蚀深度为150μm-200μm。

5.根据权利要求1所述的微反射镜阵列制造方法，其特征在于所述步骤8)中刻蚀深度位置与步骤5)所述硅刻蚀衔接。

6.根据权利要求1所述的微反射镜阵列制造方法，其特征在于所述步骤9)中的金属层的金属为铬、钛或金中的任意一种，其中铬或钛的厚度为10nm-30nm，金的厚度至少为0.5μm。

7.根据权利要求1所述的微反射镜阵列制造方法，其特征在于所述步骤11)中刻蚀深度至少为20μm。

8.根据权利要求1所述的微反射镜阵列制造方法，其特征在于所述步骤14)中刻蚀深度至少为270μm。