專利名稱：一種基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微型扭轉(zhuǎn)器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型光學(xué)器件領(lǐng)域，特別是涉及一種基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微型扭轉(zhuǎn)器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
靜電驅(qū)動(dòng)式微型扭轉(zhuǎn)器件具有驅(qū)動(dòng)方式簡單，頻率響應(yīng)好，工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域(M0EMS)。目前主流的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡器件有兩種，德州儀器(TI, Texas Instrument)公司的 DMD (Digital Micro-mirror Device)和基于 SOI 娃片的梳齒式驅(qū)動(dòng)微鏡。這些器件各有利弊:前者為平板驅(qū)動(dòng)式器件，電極之間的間距小，轉(zhuǎn)角范圍小，轉(zhuǎn)角與驅(qū)動(dòng)電壓之間的線性度差，但在小角度轉(zhuǎn)動(dòng)下可做線性近似處理，其制造工藝為表面犧牲層工藝，對(duì)橫向和縱向結(jié)構(gòu)的尺度精度高，對(duì)工藝均勻性和設(shè)備的要求也比較高。后者為梳齒式驅(qū)動(dòng)器件，改善了轉(zhuǎn)角與驅(qū)動(dòng)電壓之間的線性度，其制造工藝為體娃工藝，需要使用SOI硅片進(jìn)行制備，另外還需要有深刻蝕專用設(shè)備，工藝成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是簡化靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡器件的制備工藝流程，降低工藝成本和對(duì)工藝設(shè)備的要求，同時(shí)使其能夠完成足夠大偏角的轉(zhuǎn)動(dòng)，符合光路系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本申請(qǐng)?zhí)峁┝巳缦录夹g(shù)方案:—種基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微型扭轉(zhuǎn)器件，所述微型扭轉(zhuǎn)器件包括娃襯底1、由下至上依次生長于所述硅襯底I上的氧化硅層2、氮化硅層3、金屬鋁層4、金屬Cr層5、金屬Cu層6和金屬Ni層7。其中，所述氧化硅層2和氮化硅層3的復(fù)合層構(gòu)成方形KOH腐蝕掩模。其中，所述金屬鋁層4為釋放微鏡可動(dòng)結(jié)構(gòu)的犧牲層。其中，所述金屬Cr層5和金屬Cu層6作為電鍍工藝的種子層。其中，所述金屬Ni層7為微鏡器件的主體結(jié)構(gòu)。其中，所述硅襯底I由KOH溶液進(jìn)行濕法腐蝕，以釋放微鏡結(jié)構(gòu)。一種基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微型扭轉(zhuǎn)器件的制作方法，包括如下步驟:第一步，襯底準(zhǔn)備，硅襯底I ;第二步，在所述硅片襯底的上表面依次生長氧化硅層2和氮化硅層3，形成復(fù)合層；第三步，對(duì)所述復(fù)合層進(jìn)行圖形化刻蝕，形成后續(xù)KOH深腐蝕工藝的掩模；第四步，在所述硅片襯底及復(fù)合層表面淀積金屬鋁4，并對(duì)其進(jìn)行圖形化刻蝕，作為后續(xù)微鏡結(jié)構(gòu)釋放的犧牲層；第五步，在第四步所述硅片I和復(fù)合層以及圖形化的金屬鋁4表面濺射金屬Cr5，再濺射金屬Cu6，形成后續(xù)電鍍工藝的種子層；第六步，在第五步所述金屬種子層上用光刻定義電鍍圖形區(qū)域，電鍍Ni7形成微鏡器件的主體結(jié)構(gòu)；第七步，以第六步中的電鍍Ni7圖形為掩模，去除第五步中濺射的種子層Cu6和Cr5 ；第八步，用濕法腐蝕的方法去除第四步中淀積的金屬鋁4 ；第九步，采用KOH各向異性腐蝕的方法對(duì)第八步中露出的硅襯底I進(jìn)行深腐蝕，釋放微鏡結(jié)構(gòu)，完成靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡的制備優(yōu)選地，所述依次生長于硅襯底上的氧化硅層的厚度為100_400nm，最佳厚度為300nm,氮化娃層的厚度為100-200nm,最佳厚度為150nm。優(yōu)選地，所述金屬鋁層的厚度為200-600nm，最佳厚度為400nm。優(yōu)選地，所述金屬Ni層的厚度為1-4 μ m,最佳厚度為2 μ m。優(yōu)選地，第一步中的襯底硅為(100)晶向的硅。優(yōu)選地，第三步驟中對(duì)復(fù)合層的圖形化刻蝕，應(yīng)使圖形的外邊緣與襯底硅的(110)晶向平行。優(yōu)選地，第九步中的腐蝕硅襯底的深度為250-350 μ m，最佳為300 μ m。有益效果在本發(fā)明中，我們提出一種基于電鍍和濕法腐蝕工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡器件。采用電鍍工藝制備微鏡器件的主體結(jié)構(gòu)，制備工藝簡單，成本低廉；在條件受到限制，沒有深刻蝕專用設(shè)備的情況下，采用KOH的濕法腐蝕工藝代替深刻蝕工藝，可謂物美價(jià)廉；該器件使用普通的硅片襯底就可制備，不用SOI基片，大大降低工藝成本；此外，該器件制備的工藝大部分為低溫工藝，與CMOS工藝的兼容性好?？傊?，該制備方法對(duì)工藝設(shè)備的要求寬松，制備成本低廉，工藝兼容性好，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明通過采用電鍍工藝和濕法腐蝕工藝作為制備靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝，制備出的金屬微鏡能夠?qū)⑷肷涞界R面表面的光線反射到特定的位置。在金屬微鏡和襯底硅之間加上一定的電壓時(shí)，金屬微鏡在靜電力的作用下發(fā)射扭轉(zhuǎn)，鏡面的轉(zhuǎn)動(dòng)引起光線入射角和反射角的變化，進(jìn)而使光線的反射點(diǎn)位置(反射光斑)發(fā)生偏移。用適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)控制微鏡器件的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使入射的光線達(dá)到定向投影的效果。相比于目前主流的基于體硅工藝的梳齒驅(qū)動(dòng)式微鏡，本發(fā)明結(jié)構(gòu)和工藝相對(duì)簡單，制備成本低廉，對(duì)設(shè)備的要求更低，同時(shí)功能完備，可提供足夠大偏角的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有重要的實(shí)用價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化前景。


圖1是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1 (a)是俯視圖，圖1 (b)是沿(a)中AB線段所截得的剖面圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡的制作方法流程示意圖；圖3是依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡的工作原理示意圖。其中，1:娃襯底；2:氧化娃層；3:氮化娃層；4:金屬招層；5:金屬Cr層；6:金屬Cu層；7:金屬Ni層；8、金屬Ni微鏡器件鏡面部分；9、金屬Ni微鏡器件扭轉(zhuǎn)梁部分；10、金屬Ni微鏡器件錨點(diǎn)(Anchor)部分；11、一種基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡器件；12、入射激光源；13、激光接收器；14、入射激光；15:反射激光；16:微鏡偏轉(zhuǎn)后的反射激光；17:微鏡器件中的鏡面位置；18:偏轉(zhuǎn)后的微鏡器件鏡面位置；19、提供偏轉(zhuǎn)電壓的電源。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實(shí)施例基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由硅襯底1，以及依次形成于其上的圖形化的氧化硅層2、氮化硅層3、金屬Cr層5、金屬Cu層6和金屬Ni層7組成。所述金屬Ni層7構(gòu)成微鏡器件主體結(jié)構(gòu)，硅襯底I以圖形化的氧化硅層2、氮化硅層3復(fù)合層為掩模，進(jìn)行KOH的濕法腐蝕，腐蝕深度優(yōu)選為300 μ m。本發(fā)明實(shí)施例基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡結(jié)構(gòu)的制作流程截面圖如圖2(a)- (f)所示，所取截面為圖1中沿AB線段所截取的剖面。第一步，在準(zhǔn)備好的硅襯底I上依次生長氧化硅層2、氮化硅層3，并對(duì)氧化硅層2、氮化硅層3的復(fù)合層進(jìn)行圖形化刻蝕，形成進(jìn)行KOH濕法腐蝕的掩模層(見圖2 (a))。第二步，在表面淀積一層金屬鋁層4，并對(duì)其進(jìn)行圖形化腐蝕，作為微鏡器件結(jié)構(gòu)的犧牲層(見圖2 (b))。第三步，在表面淀積一層金屬Cr層5、金屬Cu層6，作為后續(xù)電鍍工藝的種子層(見圖2 (C))。第四步，在種子層上進(jìn)行圖形化電鍍金屬Ni層7，形成微鏡器件的主體結(jié)構(gòu)(見圖2 (d))。第五步，對(duì)第三步中淀積的金屬Cr層5、金屬Cu層6，和第二步中淀積的金屬鋁層4進(jìn)行濕法腐蝕，去除多余的種子層并裸露出微鏡器件下方的襯底硅，以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)釋放(見圖2 (e))。最后一步，對(duì)襯底硅進(jìn)行KOH的濕法腐蝕，釋放微鏡器件結(jié)構(gòu)，從而形成本發(fā)明基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡結(jié)構(gòu)(見圖2 (f))。本發(fā)明實(shí)施例基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡結(jié)構(gòu)的工作原理如圖3所示。實(shí)際使用時(shí)，入射光線14 (例如由激光器12產(chǎn)生的一束激光)以一定的入射角照射在微鏡器件表面，鏡面以相同的反射角將光線反射出去，反射光線15投射在處于某特定位置上的光接收器13。微鏡器件的主體結(jié)構(gòu)金屬Ni層7和娃襯底I為微鏡器件的2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極,它們之間不加電壓時(shí)微鏡處于靜止?fàn)顟B(tài)，在2個(gè)電極上加上一定的驅(qū)動(dòng)電壓，微鏡結(jié)構(gòu)會(huì)在靜電力的作用下向襯底方向偏置一定的角度，進(jìn)而改變了入射光線的入射角與反射光線的反射角，光線的總體偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)等于入射角的變化加上反射角的變化。光線的投射方向偏轉(zhuǎn)，其投射的位置可以在數(shù)個(gè)光接收器之間轉(zhuǎn)換，這樣，通過控制微鏡器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以使得光信號(hào)通過不同的光接收器，構(gòu)成幾個(gè)不同的光學(xué)通路。本發(fā)明的基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)方式簡單，與光學(xué)系統(tǒng)配合方便，僅僅使用一個(gè)簡單的電信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)通路的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明采用普通的硅片襯底即可完成器件的制備，采用電鍍工藝完成器件的主體結(jié)構(gòu)生長，不需要復(fù)雜而昂貴專用深刻蝕設(shè)備，而是采用濕法腐蝕工藝完成微鏡結(jié)構(gòu)的釋放。另外，本發(fā)明的制備工藝大多數(shù)為低溫工藝，與CMOS工藝的兼容性好，具有后續(xù)的工藝擴(kuò)展與開發(fā)潛力?？傊景l(fā)明的制備工藝簡單實(shí)用，成本低廉，對(duì)工藝設(shè)備的要求寬松，適合大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本申請(qǐng)所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本申請(qǐng)型的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述微型扭轉(zhuǎn)器件包括硅襯底(1)，依次生長于硅襯底(I)上并進(jìn)行了圖形化刻蝕的氧化硅層(2)、氮化硅層(3)，生長于硅襯底(I)以及氮化硅層(3)表面并進(jìn)行了圖形化腐蝕的金屬鋁層(4)，依次生長于娃襯底(I)、氮化娃層(3)以及金屬招層(4)表面的金屬Cr層(5)、金屬Cu層(6),經(jīng)光刻定義圖形區(qū)域后電鍍生長于金屬Cu層(6)上的金屬Ni層(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述硅襯底(I)為4-8寸晶向?yàn)?100)的硅片，其厚度為400-900 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述氧化硅層(2)由熱氧化生長，厚度為100-400nm，氮化硅層(3)由LPCVD生長，其厚度為100_200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述氧化硅層(2)和氮化硅層(3)構(gòu)成復(fù)合材料層，經(jīng)圖形化刻蝕后形成KOH濕法腐蝕的掩模，其刻蝕圖形尺寸邊長為600 μ m~1mnin
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述金屬鋁層(4)厚度為200-600nm，經(jīng)圖形化腐蝕后作為釋放可動(dòng)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的犧牲層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述金屬Cr層(5)和金屬Cu層(6)由濺射工藝生長，其厚度分別為10-40nm和50_200nm，作為電鍍工藝的種子層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述金屬Ni層(7)生長前先由光刻定義生長圖形區(qū)域，然后由電鍍工藝生長于金屬Cu層(6)之上，為微鏡器件的主體結(jié)構(gòu)，其圖形特征為微鏡鏡面尺寸長和寬300 μ m-lmm,扭轉(zhuǎn)梁寬度2_5 μ m，扭轉(zhuǎn)梁長度400-lmm,電鍍金屬Ni層(7 )厚度1-4 Um0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型扭轉(zhuǎn)器件，其特征在于:所述硅襯底(I)由KOH溶液進(jìn)行各項(xiàng)異性的濕法腐蝕，腐蝕深度250-350 μ m,以釋放扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
9.權(quán)利要求1所述微型扭轉(zhuǎn)器件的制作方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，襯底準(zhǔn)備，硅襯底(I); 第二步，在所述硅片襯底的上表面依次生長氧化硅層(2)和氮化硅層(3)，形成復(fù)合材料層； 第三步，對(duì)所述復(fù)合材料層進(jìn)行圖形化刻蝕，形成后續(xù)KOH深腐蝕工藝的掩模； 第四步，在所述硅片襯底及復(fù)合層表面淀積金屬鋁(4)，并對(duì)其進(jìn)行圖形化腐蝕，作為后續(xù)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)釋放的犧牲層； 第五步，在第四步所述硅片(I)和復(fù)合層以及圖形化的金屬鋁(4)表面濺射金屬Cr(5)，再濺射金屬Cu (6)，形成后續(xù)電鍍工藝的種子層； 第六步，在第五步所述金屬種子層上用光刻定義電鍍圖形區(qū)域，電鍍Ni (7)形成微型扭轉(zhuǎn)器件的主體結(jié)構(gòu)； 第七步，以第六步中的電鍍Ni (7)圖形為掩模，去除第五步中濺射的種子層Cu (6)和Cr (5)； 第八步，用濕法腐蝕的方法去除第四步中淀積的金屬鋁(4); 第九步，采用KOH各向異性腐蝕的方法對(duì)第八步中露出的硅襯底(I)進(jìn)行深腐蝕，釋放微鏡結(jié)構(gòu)，完成靜電驅(qū)動(dòng)式微鏡微型扭轉(zhuǎn)器件的制備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電鍍工藝的靜電驅(qū)動(dòng)式微型扭轉(zhuǎn)器件，其典型應(yīng)用是微型扭轉(zhuǎn)器件，其包括硅襯底1、由下至上依次生長于所述硅襯底1上的氧化硅層2、氮化硅層3、金屬鋁層4、金屬Cr層5、金屬Cu層6和金屬Ni層7。本發(fā)明結(jié)構(gòu)工作原理和制備工藝簡單，成本低廉，同時(shí)功能完備，可提供足夠大的偏轉(zhuǎn)角度，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化前景。
文檔編號(hào)G02B26/08GK103197414SQ20131009895
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者李志宏, 劉坤 申請(qǐng)人:北京大學(xué)