一種新型二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡的設計及實現(xiàn)

王松杰　張玉沖　張國慶

摘要：二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡廣泛應用于光纖通訊、投影顯示、數(shù)據(jù)存儲、精密測量、醫(yī)療成像和生物技術(shù)等國防和民用領域。在分析二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡工作原理的基礎上，利用L-edit軟件對二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡器件的版圖進行了設計。基于SOI（Silicon-On-Insulator）制作工藝，確定了扭轉(zhuǎn)鏡器件加工工藝流程，按照工藝流程成功制造出二維扭轉(zhuǎn)鏡樣件，并對制作完成后的器件進行初步的性能測試，獲得了不同的掃描圖形。

關(guān)鍵詞：微光機電系統(tǒng)（MEMS）；二維扭轉(zhuǎn)鏡；SOI工藝；靜電驅(qū)動

中圖分類號：TP271+.4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0038-03

0、引言

二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡作為一種重要的光學MEMS器件，在光纖通訊、投影顯示、數(shù)據(jù)存儲、精密測量、醫(yī)療成像和生物技術(shù)等國防和民用領域都有著廣泛的應用。作為一種新型的偏轉(zhuǎn)掃描微反射鏡，與一維MEMS掃描鏡相比，反射面具有兩個自由度，根據(jù)光的反射工作原理，通過反射面的位置不斷發(fā)生變化，改變?nèi)肷涔獾姆较?，對某一區(qū)域進行二維掃描。目前研制的二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡主要采用電磁驅(qū)動方式、磁致伸縮驅(qū)動方式、壓電驅(qū)動方式、電熱驅(qū)動方式和靜電驅(qū)動方式五種主要的形式。相對于其他四種驅(qū)動類型，靜電驅(qū)動方式具有功耗低、工藝相對簡單、無需外部磁體及PZT等額外的材料輔助，且與IC工藝完全兼容等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外的一個研究熱點。目前，靜電驅(qū)動方式主要包括類平行板電容、平面梳齒和垂直扭轉(zhuǎn)梳齒三種，每種驅(qū)動方式都各有其優(yōu)缺點，但是垂直扭轉(zhuǎn)梳齒憑借出色的運動特性成為大多數(shù)靜電驅(qū)動MEMS扭轉(zhuǎn)鏡的驅(qū)動方式。

1、設計

1.1 工作原理

二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡由SOI硅片制作而成，包括結(jié)構(gòu)層、絕緣層和基底層。可動結(jié)構(gòu)（鏡面和萬向架）制作在SOI的頂層，去除可動結(jié)構(gòu)下面的絕緣層和基底層從而為鏡面的轉(zhuǎn)動提供空間。

圖1所示為二維扭轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)層的示意圖，結(jié)構(gòu)層主要有三個部分構(gòu)成：鏡面、可動框架和固定框架。鏡面由可動框架內(nèi)的兩根扭轉(zhuǎn)梁懸空固定，可動框架由固定框架內(nèi)垂直于鏡面扭轉(zhuǎn)梁的兩根扭轉(zhuǎn)梁懸空固定，從而實現(xiàn)兩個方向的扭轉(zhuǎn)。

可動框架和固定框架之間由錨點連接，錨點周圍由絕緣溝道隔離，實現(xiàn)可動框架和固定框架的電隔離；同理，鏡面和可動框架之間由包括填充物的絕緣溝道隔離，實現(xiàn)鏡面和可動框架之間的電隔離。從而能夠?qū)崿F(xiàn)鏡面、可動框架、固定框架之間的電隔離，提供不同的電勢能，如圖2所示。圖包括方形鏡面質(zhì)量塊、兩根鏡面扭轉(zhuǎn)梁、可動框架質(zhì)量塊、兩個可動框架扭轉(zhuǎn)梁、固定框架、梳齒等；基底層版圖結(jié)構(gòu)簡單，主要用來制作空腔；溝道層版圖包括假溝道和真溝道，溝道采用燕尾互鎖形式，并在可動框架上對稱排布，以實現(xiàn)鏡面振動時的動態(tài)對稱。

為了保證對準精度，版圖上設計有十字對準標記、胖瘦標記、標記號以及對準線。器件單元尺寸為6.2 mm×5.1 mm。結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1。

2、制造

本文所研究的二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡是利用垂直

該二維扭轉(zhuǎn)鏡的驅(qū)動信號可以是正弦波、方波、鋸齒波等。以方波激勵為例，如圖3所示，虛線是方波激勵信號，實線是鏡面扭轉(zhuǎn)角隨時間變化的正弦曲線。在鏡面向正向最大角度運動時，方波信號電壓為0，沒有靜電力矩作用；鏡面達到正向最大偏轉(zhuǎn)角度位置后，方波信號跳躍到峰值電壓，在靜電力矩作用下，鏡面朝著平衡位置加速運動；在經(jīng)過平衡位置瞬間，方波信號電壓降為0，鏡面依靠自身慣性繼續(xù)向反向最大角度運動，當鏡面達到反向最大偏轉(zhuǎn)角度時，方波信號再次跳躍到峰值電壓。如此循環(huán)驅(qū)動鏡面往復轉(zhuǎn)動，激勵信號的頻率是鏡面機械振動頻率的兩倍。

1.2 版圖設計

本文所研究二維扭轉(zhuǎn)鏡采用SOI工藝制作，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，版圖共有三層：結(jié)構(gòu)層版圖、基底層版圖和溝道層版圖。其中結(jié)構(gòu)層版圖和基底層版圖為陽版，溝道層版圖為陰版。

圖4所示為L-Edit軟件設計的二維扭轉(zhuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)版圖。由于二維扭轉(zhuǎn)鏡為對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層版梳齒驅(qū)動，采用標準清洗、光刻、刻蝕、溝道填充等微機械加工工藝制造的一種諧振式微機械扭轉(zhuǎn)鏡。根據(jù)二維MEMS扭轉(zhuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和性能要求以及SOI材料的結(jié)構(gòu)特點，確定基于SOI的加工工藝流程。主要包括：一是在硅片器件層制作溝道層版圖的溝道：二是在硅片基底層制作扭轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)所需要的空腔結(jié)構(gòu)；三是在硅片器件層制作結(jié)構(gòu)層版圖的結(jié)構(gòu)；四是去除可動結(jié)構(gòu)下方的氧化層。SOI硅片各層厚度可根據(jù)需要定制，器件層厚度應為鏡面及扭轉(zhuǎn)梁厚度，絕緣層應能提供足夠的抵抗ICP刻蝕時間，以保證其下方器件層硅不被破壞，基底層應提供足夠的鏡面旋轉(zhuǎn)所需空間。具體加工工藝流程如圖5所示。

圖5中，（a）為SOI硅片前處理，用BHF溶液去除表面原生氧化層，去離子水清洗之后干燥：（b）為光刻，在SOI硅片器件層表面涂覆光刻膠，使用溝道層掩膜版進行光刻，圖案化的光刻膠將作為溝道ICP刻蝕的掩膜；（c）為刻蝕器件層硅，在ICP刻蝕系統(tǒng)中干法刻蝕器件層硅，直至刻蝕到氧化層形成溝道結(jié)構(gòu)；（d）為去膠，使用氧等離子清洗或者丙酮去膠液超聲等方法去除光刻膠；（e）為氧化，利用濕法氧化，在ICP刻蝕出的溝道側(cè)壁形成氧化絕緣層，厚度約為100 nm；（f）為多晶硅填充，用LPCVD在ICP刻蝕出的溝道中回填多晶硅介質(zhì)，形成最終的隔離結(jié)構(gòu)；（g）為化學機械拋光，在SOI硅片的器件層和基底層分別進行拋光，去除硅片表面形成的氧化層和LPCVD沉積的多晶硅層；（h）為濺射鋁膜，使用磁控濺射設備在硅片的器件層表面濺射沉積一層鋁膜；（i）為刻蝕鋁，在一定濃度配比的鋁刻蝕液中濕法腐蝕鋁，將基底層版圖圖案進一步復制到鋁膜；（i）為刻蝕基底層硅，用鋁掩膜在ICP刻蝕系統(tǒng)中干法刻蝕基底層硅，直至刻蝕到氧化層形成背腔；（k）為去除鋁掩膜，并在器件層涂覆光刻膠，利用結(jié)構(gòu)層版圖進行光刻，圖案化的光刻膠將作為結(jié)構(gòu)層ICP刻蝕的掩膜；（1）為刻蝕器件層硅，在ICP刻蝕系統(tǒng)中干法刻蝕器件層硅，直至刻蝕到氧化層形成扭轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)；（m）為釋放，使用氫氟酸溶液腐蝕掉可動結(jié)構(gòu)下面的氧化硅，干燥后完成微扭轉(zhuǎn)鏡器件制作。

最終研制的二維扭轉(zhuǎn)鏡芯片，其尺寸為6.2mm×5.1 mm，圖6所示為方形鏡面二維扭轉(zhuǎn)鏡正面照片和背面照片。

在光學平臺上搭建測試系統(tǒng)（如圖7），通過搭建的二維掃描成像系統(tǒng)樣機，得到如圖8所示的圖案，說明初步實現(xiàn)了二維圖案的投影顯示。