專利名稱：平動式光柵光調(diào)制器、其制造方法及其陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光調(diào)制器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光柵光調(diào)制器及其制造方法 和陣列。
背景技術(shù)：
MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems/微光機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)是 MEMS (Micro -Electro-Mechanical Systems ,樣￡機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的進(jìn) 一步融合，具有天生的優(yōu)勢，它可以實(shí)現(xiàn)微型光學(xué)元件和控制電路的集成，具 有可大批量制造，單位成本低，體積微小，響應(yīng)速度快，性能可靠等優(yōu)勢。目 前，基于MOEMS技術(shù)制造的光調(diào)制器以其優(yōu)良的性能獲得高速的發(fā)展和廣泛 的應(yīng)用，典型的有美國德州儀器公司的數(shù)字微鏡器件DMD和硅光機(jī)械公司的光 柵光閥GLV，他們在投影顯示、自適應(yīng)光學(xué)、傳感器、光通信、微型化光學(xué)平 臺等方面也得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)MOEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對光譜、偏振和光空間屬 性的操作和控制而衍生出的更多更廣的功能性開發(fā)，已成為該領(lǐng)域的重要應(yīng)用 研發(fā)趨勢。由重慶大學(xué)提出的基于MOEMS的光柵光調(diào)制器，利用光柵衍射原 理實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)制在投影技術(shù)應(yīng)用上取得了豐碩研究成果，但現(xiàn)有的光柵光調(diào)制 器，如重慶大學(xué)提出的申請?zhí)枮?00510020186.8和200510020185.3的中國發(fā)明專 利中公開的平動式光柵光調(diào)制器，由于光柵面平坦度對其光學(xué)特征具有重要的 影響，而現(xiàn)有的平動式光柵光調(diào)制器的懸臂梁為直梁結(jié)構(gòu)，在光柵下拉時(shí)容易 造成光柵發(fā)生畸變，影響光柵面的平坦度。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種平動式光柵光調(diào)制器， 光柵面的平坦度高，可應(yīng)用于微型光譜儀。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的平動式光柵光調(diào)制器，包括硅襯底以及設(shè)置 于硅襯底上的絕緣層，光柵通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層上方，所述彈性 懸臂梁由梁體和錨桿組成，梁體的一端通過錨桿固定設(shè)置于絕緣層上，梁體的 另一端與光柵固定連接，在光柵下方的絕緣層上設(shè)置有下電極，所述彈性懸臂 梁的梁體具有折疊結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，所述彈性懸臂梁的梁體的折疊結(jié)構(gòu)呈方波狀折疊；
進(jìn)一步，所述彈性懸臂梁為4根，分別與光柵的四角固定連接； 進(jìn)一步，所述彈性懸臂梁與光柵為一體，由多晶硅刻蝕而成； 進(jìn)一步，彈性懸臂梁梁體的厚度小于光柵的厚度的1/3;
進(jìn)一步，所述下電極為2個(gè)，分別設(shè)置于光柵長度方向上的兩端下方；
進(jìn)一步，所述下電極由磷摻雜多晶硅刻蝕而成；
本發(fā)明還提供一種制造前述平動式光柵光調(diào)制器的方法，包括如下步驟 1 )在硅襯底上熱氧化一層二氧化硅；
2) 在步驟1 )所得的二氧化硅層上低壓化學(xué)氣相淀積一層氮化硅作為絕緣
層；
3) 在步驟2)所得的絕緣層上淀積并光刻磷摻雜多晶硅，形成分布式布置 的多個(gè)下電才及；
4) 采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在絕緣層上淀積二氧化硅作為犧牲層， 并刻蝕形成用于容納錨桿的錨點(diǎn)；
5 )淀積多晶硅并刻蝕彈性懸臂梁和光柵,并鏤空刻蝕出光柵條之間的凹槽；
6) 在光柵的頂層、鏤空處表面以及絕緣層上賊射金或鋁，形成反射面；
7) 刻蝕掉犧牲層。進(jìn)一步，步驟l)中熱氧化的二氧化硅、步驟2)中氮化硅淀積的厚度均為
100-300nm;步驟4 )中淀積的二氧化硅厚度為500-5000nm。
本發(fā)明還提供所述的平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列，所述 平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列由至少2個(gè)平動式光柵光調(diào)制器 并列而成，其中每一個(gè)平動式光柵光調(diào)制器均可在驅(qū)動電路控制下獨(dú)立動作。
本發(fā)明的平動式光柵光調(diào)制器，彈性懸臂梁的梁體具有折疊結(jié)構(gòu)，能增加 梁體長度，減小等效梁的彈性系數(shù)，使得光柵相對增厚而剛性相對增強(qiáng)，從而 降低可動光柵下拉彎度，保證光柵面平坦，使光柵光調(diào)制器的開關(guān)調(diào)制效果更 好；在進(jìn)一步的技術(shù)方案中，下電極分布式設(shè)置，2個(gè)下電極同時(shí)作用下拉光 柵兩端，能減少光柵中間與兩端的位移差，進(jìn)一步提高光柵面的平坦度。
本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡 述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯 而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可 以通過下面的說明書，權(quán)利要求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲 得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本 發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述
圖1示出了平動式光柵光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖2示出了平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下將對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
參見圖1,本實(shí)施例的平動式光柵光調(diào)制器包括硅襯底1以及設(shè)置于硅襯 底1上的絕緣層2,光柵6通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層2上方，所述彈 性懸臂梁由梁體4和錨桿5組成，梁體4的一端通過錨桿5固定設(shè)置于絕緣層2上，梁體4的另一端與光柵6固定連接，所述梁體為4根，分別與光柵6的四角固定連接，所述梁體4為折疊梁，優(yōu)選的，梁體4呈方波狀折疊，所述彈性懸臂梁與光柵6為一體，由多晶硅刻蝕而成；在光柵6下方的絕緣層上設(shè)置有下電極3，所述下電極3由磷摻雜多晶硅刻蝕而成，下電極3可以為多個(gè)，分布式設(shè)置，優(yōu)選的，所述下電極3為2個(gè)，分別設(shè)置于光柵6長度方向上的兩端下方；所述光柵6上具有多條長條形鏤空凹槽，形成多根光柵條，在光柵6的上表面、其鏤空處的側(cè)表面以及絕緣層2的上表面覆蓋有鋁膜，使光柵6與絕緣層2分別形成上、下反射面。
本實(shí)施例的平動式光柵光調(diào)制器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:
光柵長度500um光柵常數(shù)8um彈性懸臂梁梁體 折疊總長/272um
光柵寬度60um光柵周期8個(gè)彈性懸臂梁梁體 寬度b4um
光柵厚度2.7um邊框?qū)挾?um彈性懸臂梁梁體 厚度h0,7um
光柵條寬度4咖光柵-下反射面 間距2um下拉行程250um (W4)
可通過如下方法制作上述平動式光柵光調(diào)制器
1) 在一塊〈0OP型硅襯底上熱氧化一層厚度為300nm的二氧化硅；
2) 在步驟l)所得的二氧化硅層上低壓化學(xué)氣相法(LPCVD)淀積一層厚度為300nm的氮化硅作為絕緣層；
3 )在步驟2 )所得的絕緣層上淀積并光刻磷摻雜厚度為300nm的多晶硅，形成分布式布置的多個(gè)下電極；
4)采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在絕緣層上淀積厚度為2000nm的二氧化硅作為犧牲層，并刻蝕形成用于容納錨桿的錨點(diǎn)；
5 )淀積多晶硅并刻蝕彈性懸臂梁和光柵,并鏤空刻蝕出光柵條之間的凹槽，梁體的厚度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于光柵的厚度，優(yōu)選的梁體厚度小于光柵厚度的1/3;
6)在光柵的頂層、鏤空處表面以及絕緣層上 射金或鋁，形成反射面；7)刻蝕掉犧牲層。
平動式光柵光調(diào)制器主要用于形成光柵光調(diào)制器陣列，應(yīng)用在光譜儀等設(shè) 備中，以實(shí)現(xiàn)對光的開關(guān)選通，可減小光譜儀重量和體積，
參見圖2，平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列由至少2個(gè)平動式 光柵光調(diào)制器并列而成，還設(shè)置有相應(yīng)的驅(qū)動電路，使其中每一個(gè)平動式光柵 光調(diào)制器均可在驅(qū)動電路控制下獨(dú)立動作，即陣列中的每個(gè)光柵都可以根據(jù)下 拉電壓的不同分別向下平動到不同的高度。
光柵光調(diào)制器作為光衍射器件，其平坦度對其光學(xué)特性有至關(guān)重要的影響， 若其平坦度較差，將直接關(guān)系到對光的開關(guān)調(diào)制效果，提高光學(xué)平坦度在光柵 光調(diào)制器設(shè)計(jì)中尤為重要，其表面的不平度差一般要求不超過A710，因此可將 不平度在A710以內(nèi)的光柵面積作為平坦度的衡量指標(biāo)，其中X為入射光中心波 長。針對近紅外微型光譜儀系統(tǒng)工作波段要求，中心波長為1000nm，那么光柵 光調(diào)制器的不平度應(yīng)不超過IOOnm。
在平動式光柵光調(diào)制器可動光柵下拉過程中，光柵中部由于電荷集邊效應(yīng)受 靜電力較大，而兩端由于梁體的回復(fù)力而抵消部分靜電力，導(dǎo)致光柵中部下拉 位移較之兩端稍大；并且當(dāng)梁體和中間柵條的抗彎系數(shù)相差不大時(shí)，光柵會隨 梁體的彎曲而出現(xiàn)彈性彎曲，從而影響平坦度。在本實(shí)施例的平動式光柵光調(diào) 制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要采用如下措施進(jìn)行優(yōu)化
改善梁結(jié)構(gòu)增加梁體長度，并減薄梁體厚度，以降低彈性系數(shù)，使其柔性 增加。但考慮到增加梁體長度會影響光柵光調(diào)制器的響應(yīng)頻率即開關(guān)速度，加 之尺寸限制，本實(shí)施例采用折疊梁結(jié)構(gòu)。
改善下電極分布由于電荷集邊效應(yīng)，光柵與下電極在相同距離條件下，光 柵中部積累的電荷高于邊緣；加之梁體的應(yīng)力共同導(dǎo)致中間受力過大，下拉位 移大于光柵的長度方向的兩端，因此若采用分布式下電極，特別是在沿光柵長 度方向的兩端分別設(shè)置一個(gè)下電極，使雙電極由雙端同時(shí)下拉光柵，可有效減 少光柵中間與兩端之間的位移差，提高平坦度。
增加光柵厚度由于光柵下拉時(shí)，梁體提供的回復(fù)力越大，則等效彈性系數(shù)越大，從而使得光柵面呈彎曲形，減小了有效光學(xué)面積。如果增加光柵厚度以 提高其剛度，可防止其因下拉而引起彈性彎曲，從而提高平坦度。
仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本實(shí)施例的平動式光柵光調(diào)制器在5V電壓下拉作用
下，最大下拉高度為0.62um,不平度50nm范圍內(nèi)光柵面積占71%,而100nm 范圍內(nèi)則到98%以上。以上三種措施優(yōu)化了光柵平坦度，且這三種措施是相互 影響的增加光柵的厚度與減薄梁體處理是等效的，都是提高光柵的剛度，降 低梁的彈性系數(shù)；增加光柵厚度和改善電極分布會使驅(qū)動電壓增加，而折疊增 加梁長度并減薄處理可降低彈性系數(shù)以減小驅(qū)動電壓。同時(shí)光柵面平坦度又與 驅(qū)動電壓大小有關(guān)，電壓越大器件形變越明顯。以上仿真中均用5V電壓下拉， 光柵基本在吸合狀態(tài)，而工作電壓是小于吸合電壓的，因此在除去工藝過程中 應(yīng)力形變因素影響外，器件平坦度會比較理想。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和 范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技 術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于包括硅襯底以及設(shè)置于硅襯底上的絕緣層，光柵通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層上方，所述彈性懸臂梁由梁體和錨桿組成，梁體的一端通過錨桿固定設(shè)置于絕緣層上，梁體的另一端與光柵固定連接，在光柵下方的絕緣層上設(shè)置有下電極，所述彈性懸臂梁的梁體具有折疊結(jié)構(gòu)。
2. 如權(quán)利要求1所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于所述彈性懸臂 梁的梁體的折疊結(jié)構(gòu)呈方波狀折疊。
3. 如權(quán)利要求1所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于所述彈性懸臂 梁為4根，分別與光柵的四角固定連接。
4.如權(quán)利要求l所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于彈性懸臂梁梁 體的厚度小于光柵的厚度的1/3。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于 所述彈性懸臂梁與光柵為一體，由多晶硅刻蝕而成。
6. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于 所述下電極為2個(gè)，分別設(shè)置于光柵長度方向上的兩端下方。
7. 如權(quán)利要求6所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于所述下電極由 磷摻雜多晶硅刻蝕而成。
8. 制造如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的平動式光柵光調(diào)制器的方法，其 特征在于包括如下步驟1 )在硅襯底上熱氧化一層二氧化硅；2)在步驟1 )所得的二氧化硅層上低壓化學(xué)氣相淀積一層氮化硅作為絕緣層；3) 在步驟2)所得的絕緣層上淀積并光刻磷摻雜多晶硅，形成分布式布置 的多個(gè)下電才及；4) 采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在絕緣層上淀積二氧化硅作為犧牲層， 并刻蝕形成用于容納錨桿的錨點(diǎn)；5)淀積多晶硅并刻蝕彈性懸臂梁和光柵，并鏤空刻蝕出光柵條之間的凹槽；6) 在光柵的頂層、鏤空處表面以及絕緣層上濺射金或鋁，形成反射面；7) 刻蝕掉犧牲層。
9. 如權(quán)利要求8所述的制造平動式光柵光調(diào)制器的方法，其特征在于步驟 1)中熱氧化的二氧化硅、步驟2)中氮化硅淀積的厚度均為100~300nm;步 驟4)中淀積的二氧化硅厚度為500~5000nm。
10. 如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光 調(diào)制器陣列，其特征在于所述平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列 由至少2個(gè)平動式光柵光調(diào)制器并列而成，其中每一個(gè)平動式光柵光調(diào)制器均 可在驅(qū)動電鴻、控制下獨(dú)立動作。
全文摘要
本發(fā)明涉及光調(diào)制器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光柵光調(diào)制器及其制造方法和陣列；所述平動式光柵光調(diào)制器包括硅襯底以及設(shè)置于硅襯底上的絕緣層，光柵通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層上方，所述彈性懸臂梁由梁體和錨桿組成，梁體的一端通過錨桿固定設(shè)置于絕緣層上，梁體的另一端與光柵固定連接，在光柵下方的絕緣層上設(shè)置有下電極，所述彈性懸臂梁的梁體具有折疊結(jié)構(gòu)；本發(fā)明的平動式光柵光調(diào)制器，彈性懸臂梁的梁體具有折疊結(jié)構(gòu)，能增加梁體長度，減小等效梁的彈性系數(shù)，使得光柵相對增厚而剛性相對增強(qiáng)，從而降低可動光柵下拉彎度，保證光柵面平坦，使光柵光調(diào)制器的開關(guān)調(diào)制效果更好。
文檔編號G02B26/08GK101666910SQ20091019097
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者張智海, 偉 王, 莫祥霞, 郭媛君, 黃慶探 申請人:重慶大學(xué)