應(yīng)用于激光雷達(dá)的二維靜電微鏡設(shè)計(jì)*

單亞蒙，任麗江，沈文江

(1．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 納米技術(shù)與納米仿生學(xué)院，安徽 合肥230026；2.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州215123;3.西安交通大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710049)

0 引 言

基于微納制造技術(shù)所制備的微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)微鏡，具有重量輕、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其作為光學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的核心器件，已在激光投影顯示、條形碼掃描及自聚焦微型顯微鏡等方面廣泛應(yīng)用[1～3]。如今，伴隨著無人駕駛概念的提出，MEMS激光雷達(dá)走入視野。傳統(tǒng)宏觀機(jī)械式雷達(dá)的光束操縱是利用馬達(dá)來偏轉(zhuǎn)反射鏡，系統(tǒng)尺寸和重量大，而MEMS激光雷達(dá)，不僅體積小，且只需要一束激光光源，經(jīng)過MEMS二維微振鏡掃描反射光束，形成二維平面投射到物體上，通過信號(hào)對比，利用飛行時(shí)間(time of flight，TOF)技術(shù)從而達(dá)到對目標(biāo)物體進(jìn)行距離定位目的[4]。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，MEMS微鏡有四種方式驅(qū)動(dòng)：靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)及熱電驅(qū)動(dòng)。相比于其他驅(qū)動(dòng)方式，靜電驅(qū)動(dòng)微鏡制備工藝簡單、體積小、功耗低且容易與其他工藝兼?zhèn)涞鹊?。梳齒結(jié)構(gòu)靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡國內(nèi)外研究甚多，西北工業(yè)大學(xué)、臺(tái)灣OPUS、Microvision公司等[5,6]。

靜電二維MEMS微鏡要在水平方向和垂直方向分別實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，微鏡的快軸驅(qū)動(dòng)和慢軸驅(qū)動(dòng)需要利用溝槽實(shí)現(xiàn)電隔離。大多數(shù)制備工藝都要先經(jīng)過深硅刻蝕出隔離溝槽，再進(jìn)行氧化硅和多晶硅的填充實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接，還要進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平拋光工藝(chemical mechanical polishing,CMP)[7～9]。本文設(shè)計(jì)的二維微鏡結(jié)構(gòu)，在絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)晶圓器件層制備電隔離槽，只進(jìn)行一步深硅刻蝕，無需進(jìn)行額外的多晶硅及氧化硅沉積填充和拋光工藝，利用溝槽間隙實(shí)現(xiàn)電隔離作用，同時(shí)利用背面支撐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接。不僅簡化了制備工藝，還更好地保持了微鏡鏡面的光滑程度和器件的完整性。

1 微鏡設(shè)計(jì)、模擬及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

1.1 理論設(shè)計(jì)

MEMS微鏡的偏轉(zhuǎn)，需要對其扭轉(zhuǎn)軸、鏡面大小及微鏡梳齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)掃描鏡在一組梳齒驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行振動(dòng)時(shí)，可以看成一個(gè)圓柱型質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)力的作用下繞扭轉(zhuǎn)梁做簡諧振動(dòng)，通常所需要利用微鏡扭轉(zhuǎn)模態(tài)，使微鏡共振偏轉(zhuǎn)，而通過微鏡的偏轉(zhuǎn)來改變光路的傳播方向。

對上述微鏡結(jié)構(gòu)模型分析，繞扭轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)的諧振頻率[10]為

(1)

式中ω為角頻率，Ks為扭轉(zhuǎn)軸的彈性常量，Im為鏡子的慣性量

Ks=2GKabab3/Lf

(2)

(3)

(4)

式中a為軸的半寬,b為軸的半高,ρ為掃描鏡的材料密度,D為鏡面直徑,tm為鏡面厚度,Lf為扭轉(zhuǎn)梁的長度,G為剪切模量。

通過式(1)～式(4)可以看出掃描鏡的諧振頻率與扭轉(zhuǎn)梁長、寬度和鏡面直徑、鏡面厚度有關(guān)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)鏡面尺寸為4 mm，厚度為40 μm二維微鏡，快軸扭轉(zhuǎn)頻率為1 500 Hz左右，為防止快、慢軸頻率互相干擾，設(shè)計(jì)慢軸頻率為500 Hz左右。根據(jù)公式設(shè)計(jì)二維微鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)并計(jì)算諧振頻率，快軸扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的諧振頻率為1 628.8 Hz，慢軸扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的諧振頻率為418.4 Hz。表1給出了二維微鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 MEMS二維微鏡結(jié)構(gòu)參數(shù) m

1.2 模態(tài)模擬分析

采用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行有限元模擬分析，根據(jù)上述所設(shè)計(jì)微鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)用SolidWorks建立靜電驅(qū)動(dòng)二維微鏡3D模型，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析，并對模型材料定義為單晶硅。圖1給出了快軸及慢軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)圖，從模擬結(jié)果來看，微鏡快、慢軸扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的諧振頻率分別為1 799.1 Hz和334.86 Hz，由于慢軸扭轉(zhuǎn)要帶動(dòng)可動(dòng)框架偏轉(zhuǎn)，而引起慢軸扭轉(zhuǎn)諧振頻率發(fā)生變化，快軸在扭轉(zhuǎn)時(shí)可動(dòng)框架也會(huì)發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)也影響了快軸扭轉(zhuǎn)諧振頻率，但整體符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 二維靜電微鏡快、慢軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模態(tài)

2 結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

2.1 微鏡結(jié)構(gòu)及電隔離槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的二維靜電驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡，正面結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)包括鏡面、扭轉(zhuǎn)軸、梳齒、固定框架、可動(dòng)框架、驅(qū)動(dòng)電極、電隔離槽等結(jié)構(gòu)，而背部結(jié)構(gòu)主要是起支撐和連接及釋放器件層作用。圖2給出了所設(shè)計(jì)二維微鏡正面及背部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。采用梳齒結(jié)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力，在可動(dòng)梳齒和固定梳齒之間施加電壓，可動(dòng)梳齒會(huì)產(chǎn)生一個(gè)豎直方向上的靜電力，多對梳齒電極產(chǎn)生靜電力進(jìn)行疊加，從而帶動(dòng)微鏡偏轉(zhuǎn)。通常二維微鏡需要利用隔離溝槽對微鏡鏡面結(jié)構(gòu)和可動(dòng)框架之間、可動(dòng)框架和固定框架之間進(jìn)行電隔離，從而獨(dú)立實(shí)現(xiàn)微鏡快軸偏轉(zhuǎn)和慢軸偏轉(zhuǎn)。

圖2 二維微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大多數(shù)機(jī)構(gòu)所研制的MEMS二維靜電微鏡，其隔離溝槽的設(shè)計(jì)采用直線形、燕尾形、鋸齒形等，或有采用真假溝槽來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的對稱，微鏡溝槽制備工藝較為復(fù)雜，通常先刻蝕好溝槽，然后再進(jìn)行絕緣材料的填埋[6,7～9]。例如:Opus Microsystems Corporation在文獻(xiàn)中制備的二維微鏡，圖3給出了其具體的制備流程：先準(zhǔn)備好SOI片；深硅刻蝕，刻蝕到氧化層為止，形成隔離槽結(jié)構(gòu)；利用濕法氧化，在溝槽側(cè)壁形成氧化層；用低壓化學(xué)氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)在溝道中回填多晶硅介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連接；最后對SOI片進(jìn)行CMP工藝，以去除表面形成的氧化層和LPCVD的多晶硅，減少其對微鏡結(jié)構(gòu)的影響。進(jìn)行完隔離溝槽的制備后，再開始進(jìn)行下一步形成正面微鏡結(jié)構(gòu)，背面刻蝕支撐結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行氧化層的釋放。

圖3 隔離溝槽制備示意

上述隔離槽制備方法，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)電隔離和微鏡結(jié)構(gòu)的完整性，對隔離槽刻蝕后，使用絕緣材料的填充進(jìn)行結(jié)構(gòu)的連接。這樣做，不僅制備工藝復(fù)雜，同時(shí)會(huì)影響微鏡器件層結(jié)構(gòu)，對微鏡諧振頻率及扭轉(zhuǎn)特性會(huì)產(chǎn)生影響，從而使制備出的微鏡性能遠(yuǎn)差于理論設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的二維靜電MEMS微鏡的隔離槽，利用SOI晶圓頂層硅刻蝕出微鏡結(jié)構(gòu)和電隔離槽，再結(jié)合背部部分結(jié)構(gòu)保留刻蝕，實(shí)現(xiàn)絕緣的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了微鏡的結(jié)構(gòu)的連接。如圖4所示，圖4(c)方框中頂層硅的刻蝕實(shí)現(xiàn)了電隔離和器件的主體結(jié)構(gòu)，而背部硅的刻蝕，在實(shí)現(xiàn)釋放器件層的同時(shí)，刻蝕槽結(jié)構(gòu)下方保留部分硅實(shí)現(xiàn)絕緣及連接結(jié)構(gòu)的完整性。對不同區(qū)域施加正負(fù)電壓，電壓傳輸?shù)绞猃X結(jié)構(gòu)，使動(dòng)梳齒和靜梳齒分別帶有不同的電荷，產(chǎn)生靜電力，從而微鏡偏轉(zhuǎn)振動(dòng)。這樣不僅可以簡化工藝，降低工藝成本，同時(shí)減小了氧化及填埋多晶硅和化學(xué)機(jī)械拋光工藝給微鏡結(jié)構(gòu)帶來的損傷。而可動(dòng)框架的不對稱亦可以給微鏡梳齒結(jié)構(gòu)帶來一個(gè)偏差，給微鏡偏轉(zhuǎn)提供一個(gè)初始的動(dòng)力。

圖4 微鏡電隔離槽結(jié)構(gòu)

2.2 工藝流程

根據(jù)結(jié)構(gòu)及版圖設(shè)計(jì)，對微鏡制備加工工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇SOI片制備，主要工藝流程為：首先對鏡面結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電極形成金屬結(jié)構(gòu)，然后對正面結(jié)構(gòu)包括鏡面結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)、梳齒結(jié)構(gòu)以及溝道隔離槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻蝕，最后背部結(jié)構(gòu)刻蝕及氧化層釋放形成背部空腔，以便于微鏡進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。具體微鏡加工工藝流程為:1)準(zhǔn)備SOI片,用H2SO4︰H2O2=8︰1配制清洗液，在110 ℃下清洗10 min；2)形成金屬層,使用測控濺射在器件層濺射Ti/Au金屬層，形成電極及鏡面；3)器件層結(jié)構(gòu)刻蝕,SOI器件層進(jìn)行光刻形成正面結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行深反應(yīng)離子刻蝕(deep reactive ion etching,DRIE)，刻到氧化層為止；4)背部結(jié)構(gòu)刻蝕,對SOI片底部光刻出圖形，再進(jìn)行DRIE，保留部分底層硅用來支撐微鏡和連接微鏡結(jié)構(gòu)；5)刻蝕中間氧化層,保留上一步的圖形，進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching,RIE)中間氧化層，釋放微鏡結(jié)構(gòu)。

最終制備的靜電二維MEMS微鏡的尺寸為10 mm×9 mm。圖5是制備的MEMS二維微鏡芯片的掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)圖，圖(a)為微鏡正面結(jié)構(gòu)，圖(b)為微鏡背部結(jié)構(gòu)，圖(c)為慢軸軸端隔離溝槽及結(jié)構(gòu)釋放空槽結(jié)構(gòu)，圖(d)為快軸端部電隔離溝槽結(jié)構(gòu)，圖(e)為快軸及驅(qū)動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)，圖(f)為微鏡梳齒結(jié)構(gòu)。從圖中可清楚看到，微鏡正面和背部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，背部支撐連接結(jié)構(gòu)跟正面的隔離槽一起實(shí)現(xiàn)電隔離和結(jié)構(gòu)的完整性。梳齒、扭轉(zhuǎn)軸及電隔離溝槽結(jié)構(gòu)刻蝕較好，且隔離槽豎直刻蝕到氧化層，可以很好地起到電隔離作用。

圖5 二維微鏡SEM

3 二維微鏡測試

采用激光三角法對掃描微鏡在二維方向上偏轉(zhuǎn)角的測試[11]，原理如圖6所示，激光源發(fā)射出激光，激光光線射到微鏡芯片中的鏡面上，微鏡扭轉(zhuǎn)軸受到扭矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鏡面的反射作用，激光束會(huì)被反射到屏幕上并從原始位置發(fā)生偏移。通過幾何公式得到掃描微鏡在二維方向上的機(jī)械轉(zhuǎn)角。設(shè)屏幕上光線的長度的為L，鏡子到屏幕的垂直距離為S，微鏡的光學(xué)轉(zhuǎn)角為β，微鏡的機(jī)械轉(zhuǎn)角為α，振鏡的轉(zhuǎn)角公式如下

圖6 振鏡測試的原理

β=2α

(5)

(6)

通過信號(hào)發(fā)生器施加占空比為50 %方波驅(qū)動(dòng)電壓[12]，利用電壓放大器將電壓放大，分別施加在動(dòng)、鏡梳齒所在電極上，驅(qū)動(dòng)微鏡偏轉(zhuǎn)。由于是施加占空比為50 %的方波，故在微鏡達(dá)到最大角度時(shí)，信號(hào)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)頻率的1/2是微鏡振動(dòng)的頻率。對微鏡快、慢軸分別進(jìn)行測試，由于實(shí)際在制備微鏡工藝設(shè)備的限制，最終結(jié)果與設(shè)計(jì)及模擬分析結(jié)果稍有偏差，但在誤差允許范圍內(nèi)。

圖7為二維微鏡繞快軸做諧振振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電壓為40 V時(shí)，驅(qū)動(dòng)頻率為3 236.4 Hz，故微鏡扭轉(zhuǎn)頻率為1 618.2 Hz，最大光學(xué)轉(zhuǎn)角達(dá)到16°。圖7(a)中可看出微鏡快軸在13 V驅(qū)動(dòng)電壓下就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨電壓增大，光學(xué)轉(zhuǎn)角也逐漸增大，在驅(qū)動(dòng)端壓為50 V時(shí)，光學(xué)轉(zhuǎn)角為22°。圖7(b)為快軸頻率遲滯現(xiàn)象響應(yīng)曲線。

圖7 微鏡快軸測試數(shù)據(jù)

圖8為二維微鏡繞慢軸做諧振振動(dòng)測試數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電壓為50 V時(shí)，在驅(qū)動(dòng)頻率為656.4 Hz，故微鏡扭轉(zhuǎn)頻率為328.2 Hz，最大光學(xué)轉(zhuǎn)角達(dá)到21°。圖(a)中看出微鏡慢軸在9 V驅(qū)動(dòng)電壓下就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，隨電壓增大，光學(xué)轉(zhuǎn)角也逐漸增大，在驅(qū)動(dòng)端壓為80 V時(shí)，光學(xué)轉(zhuǎn)角為28°。圖(b)為快軸頻率遲滯現(xiàn)象響應(yīng)曲線。

圖8 微鏡慢軸測試數(shù)據(jù)

對微鏡快軸和慢軸同時(shí)施加占空比為50 %的30 V方波電壓，驅(qū)動(dòng)頻率分別為1 618.2 Hz和328.2 Hz，微鏡兩個(gè)方向上同時(shí)發(fā)生簡諧振動(dòng)。圖9為實(shí)驗(yàn)測得微鏡掃描圖形與MATLAB仿真得到的李薩如圖形對比圖。

圖9 李薩如圖形

4 結(jié) 論

本文成功設(shè)計(jì)制備出了一種鏡面尺寸為4 mm的二維靜電MEMS微鏡，對其結(jié)構(gòu)及制備工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在SOI晶圓頂層隔離槽刻蝕之后，不進(jìn)行絕緣材料填充及器件層拋光，通過對SOI片正面及背部結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，利用氧化層及背部結(jié)構(gòu)對微鏡實(shí)現(xiàn)電隔離和機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，不僅保證了微鏡結(jié)構(gòu)的完整性，還簡化了制備工藝流程，降低制備成本。對微鏡進(jìn)行封裝測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)模擬結(jié)論基本一致，在微鏡快軸和慢軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)絕緣溝槽起到了很好的電隔離作用，并掃描出李薩如圖形。