余洪斌，陈海清，竺子民，李俊，王忠 | |||||||||
（华中科技大学光电子工程系，湖北 武汉 430074） | |||||||||
关键词：硅微加工；自适应光学；可变形反射镜 中图分类号：TN256 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)05-0064-04 自适应光学是新近发展起来的一种集光学、机械与电学为一身的技术，一方面由于没有一种技术能同时对其中的部件如可变形反射镜、控制系统及波前探测器等进行制造，这就决定了其系统既复杂又昂贵，极大地限制了其应用范围；另一方面自适应光学系统又具有传统光学系统无法比拟的优越性能，尤其在一些特殊应用场合如航空航天领域、军事领域等。由此可见，发展自适应光学系统是必要的。因而，在保证性能的前提下尽可能降低系统的复杂程度和成本是当前研究的主要方向。 本文主要讨论DMs就是自适应光学系统中一个重要的组成部分，其主要是用来补偿由光路中各种因素引起的成像质量降低的问题[1]。给出了一种传统的机械式可变形反射镜的典型结构[2]。 它主要利用材料的逆压电特性，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，且变形量小；③单个驱动单元造价昂贵。同时由于压电材料的性质决定了整个系统的响应速度较慢，因而它不适用于有特殊要求的实时控制系统。为了克服上述缺点，进一步拓宽自适应光学系统的应用领域，人们一直在不断探索，随着微加工技术的出现，这一问题正在逐步得到解决。以下介绍三种基于硅微加工工艺设计的新型DMs。 2 设计及制造 2.1 薄膜DMs 其具体加工工艺为：首先在准备好的硅片两侧，用LPCVD方法淀积一层数微米厚的氮化硅，如(a)，其作用为构成反射镜镜面主体和作为硅片背腐蚀的掩模；其次用典型的光刻、腐蚀方法对硅片进行背腐蚀，加工出设计的镜面形状，如(b)；然后在另一衬底上（通常是硅片或玻璃）通过沉积、光刻和腐蚀方法加工出所需的电极及引线，如(c)；接着通过键合工艺，将上述二者合二为一，如(d)；经过封装等一系列后续工艺，即可制造出终成品。 此种反射镜的特点是结构简单，加工工艺易于实现，响应频率高。但是有一点不能忽视，由于镜面主体是由一薄层Si3N4构成的，而LPCVD沉积的Si3N4膜内往往有很大的内应力，因而不可能做出具有大表面积的反射镜，同时其镜面的平整度也有待进一步改进。有报道指出[3]，已成功研制出具有此种结构的直径为15mm，焦距变化为5m～∞的可变形反射镜。 2.2 平面盘式DMs 其制作步骤（）为：首先在硅片两面沉积几十纳米的Si3N4，然后在其上旋涂光刻胶并进行预烘处理，通过光刻和等离子刻蚀，在硅片上表面且靠近边缘处的氮化硅层上开出一些测试窗口，用丙酮洗去残余光刻胶，并将硅片浸入80℃的33％浓度的KOH溶液中处理10min，则可在窗口处腐蚀出深度约为10μm的小坑。再旋涂光刻胶，通过光刻和等离子刻蚀在硅片下表面的氮化硅层上加工出腐蚀窗口，洗去残余光刻胶后，将硅片浸入KOH溶液中，直到起初腐蚀出的测试窗口变得透明为止，此时表明剩余的硅膜厚度大约为10μm。用等离子刻蚀法除去残余的氮化硅。这里开测试窗口的目的是为了控制腐蚀深度。还有一种简单的控制方法就是采用腐蚀自停止技术，利用KOH对重掺硼和未掺杂硅的腐蚀速率相差很大这一性质，就能很好地控制腐蚀深度及其均匀性。有研究表明，在KOH溶液中，B浓度大于7×1019/cm3的重掺杂，硅的腐蚀速率是未掺杂硅的几十分至百分之一。其具体做法是通过扩散，使所要求的厚度范围内的杂质含量达到一定程度即可。其后的工序与种结构相同（）。 之所以将镜面背面设计成台柱结构，是为了缩短镜面与驱动电极的间距。由相应的物理知识可知，两平行极板间的静电力F∝AV2/d2，其中A为极板面积；V为极板之间的电势差；d为极板间距。由此可见，在获得一定静电力F 的情况下，如果间距小，则相应所需的驱动电压也就小。从此角度考虑，这种台柱结构是有利的，但是随着台柱的加入，整个反射镜活动部分的质量也将大大增加，这样一来将降低系统的谐振频率，因为f∝1/m。因此台柱结构的设计必须综合考虑这两方面因素的影响。 2.3 活塞式分离DMs 制作工艺流程为：首先在硅片表面淀积一层氮化硅，对硅衬底与电极进行电隔离。接着在其上用LPCVD淀积掺杂多晶硅，经过光刻、腐蚀加工出所需电极及引线。这里采用掺杂多晶硅作为电极材料是因为由于在后续工序中要在其上沉积牺牲层及结构层材料，典型的沉积温度为400～600℃，而传统的电极材料如金、铝等在此温度下化学性质会变得非常活泼，从而导致其可靠性下降甚至失效。而掺杂多晶硅具有较好的高温稳定性，以它作为电极材料能很好地避免上述问题发生。然后再在电极上淀积牺牲层材料，可以是PSG、二氧化硅或聚酰亚胺等。在牺牲层上光刻、腐蚀出锚孔，通过它可将悬臂梁一端固定在衬底上。淀积多晶硅作为结构材料，构成反射镜主体。用特定溶液去除牺牲层、释放结构，用去离子水清洗并烘干（）。 这种结构的特点是有四个悬臂梁结构，它们的一端通过锚孔与衬底相连，另一端与镜面相连，它们的作用就如同四个并联的弹簧一样，因而当施加均匀的静电力时，整个镜面是作活塞式的平行运动。通过计算可知，在不考虑其内应力的情况下，它们的等效弹簧常数k有如下表达式 式中，E为材料的杨氏模量；w、t分别为梁截面的宽度和高度；L则为梁的长度。由力学性质可知，静电力F与其产生的镜面变形x之间的关系为 F=kx，可见在产生一定的变形情况下，如果弹簧常数 k越大，则所需的静电力就越小，相应所需的驱动电压也就可以进一步降低。这对于那些对器件功耗有严格要求的应用场合（如航空航天领域）尤为重要。为获得较大的弹簧常数，通常的做法是增大L。 虽然有以上优点，但从图中也可看到，梁与反射镜之间以及反射镜与反射镜之间存在着间隙，这势必会降低整个反射表面的光学填充系数，同时这些间隙还会对入射光产生衍射效应，这些都会对经DMs反射后的光束质量带来负面影响。解决这种问题的办法是采用多层结构（），即在原有基础上增加两道牺牲层和结构层淀积工艺。虽然各个反射镜之间的间隙无法消除（这是所有分离式DMs的固有性质），但梁与反射镜的间隙却得以消除，这将大大提高反射镜的光学性能。 3 结论 使用硅微加工技术设计制造用于自适应光学系统的可变形反射镜是一种全新的思想，它以其传统变形镜所无法比拟的优势而受到越来越多人的关注。国外如美国的Stanford大学、Boston大学以及Texas Instrument公司等众多科研机构已较早对此进行了系统研究，其中有些成果已成功地投入商业使用。而国内在这方面起步较晚，且鲜有成果报道。这主要是受限于现有的工艺水平，因而今后一段时间的研究重点应放在工艺突破上。 | |||||||||
本文摘自《半导体技术》 | |||||||||
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