基于SOI工藝的扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵設(shè)計(jì)及制作

靳 倩

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng)471000）

引言

光譜分析技術(shù)是一種重要的理化分析與檢測(cè)手段，光譜儀是實(shí)現(xiàn)光譜分析的基本設(shè)備?；谂まD(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的微型光譜儀由于具有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、探測(cè)速度快、可以批量生產(chǎn)以及成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)體檢、軍事探查、野外現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、星載分析檢測(cè)等場(chǎng)合［1］。

扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵作為微型光譜儀的核心器件，其性能很大程度上制約著微型光譜儀的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)微型光譜儀的市場(chǎng)化應(yīng)用，希望其同時(shí)兼?zhèn)潴w積輕巧、光譜分辨率高、驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單以及成本低廉這些優(yōu)良的性能特點(diǎn)?；赟OI技術(shù)制備的扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的微型光譜儀是利用光譜掃描的方式進(jìn)行探測(cè)的，因此其只需一個(gè)單點(diǎn)探測(cè)器即可完成光譜的識(shí)別，從而在不影響器件光譜分辨率的前提下大大降低了器件的成本［2］。

1 工作原理

扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的工作原理為：在一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的平面（光柵質(zhì)量平板）上刻出光柵結(jié)構(gòu)，利用驅(qū)動(dòng)裝置使光柵的質(zhì)量平板進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)分光和光譜的掃描作用。如圖1所示，當(dāng)一束復(fù)色光入射到光柵表面，將產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，假設(shè)復(fù)色光入射角度不變，微機(jī)械掃描光柵在驅(qū)動(dòng)力的作用下偏轉(zhuǎn)了θ角度，則經(jīng)光柵衍射后的相同衍射級(jí)次的光譜將會(huì)發(fā)生2θ的偏轉(zhuǎn)；又因?yàn)榕まD(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)，因此其產(chǎn)生的衍射光譜可以實(shí)現(xiàn)4θ的偏轉(zhuǎn)，即光譜掃描角度可達(dá)到4θ，滿足了微型光譜儀大譜段掃描的需求。

圖1 扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵工作原理圖Fig.1 Working schematic diagram of micromachined scanning gratings

2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在各種各樣的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，利用SOI技術(shù)制備的靜電垂直梳齒驅(qū)動(dòng)相對(duì)于其他驅(qū)動(dòng)方式來(lái)說(shuō)，它可以實(shí)現(xiàn)較低電壓驅(qū)動(dòng)較大的位移，同時(shí)響應(yīng)速度也較快［3］。因此，設(shè)計(jì)了一種利用靜電垂直梳齒驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2所示。器件利用SOI技術(shù)制作，分為器件層（30μm）、絕緣層（0.3μm）和基底層（350μm）。該扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的驅(qū)動(dòng)裝置為靜電平面垂直梳齒，分為固定梳齒和可動(dòng)梳齒，可動(dòng)梳齒分布在刻有光柵條的質(zhì)量平板兩側(cè)，質(zhì)量平板通過(guò)扭轉(zhuǎn)梁與錨點(diǎn)相連，整個(gè)器件的可動(dòng)結(jié)構(gòu)（質(zhì)量平板、可動(dòng)梳齒以及扭轉(zhuǎn)梁）懸置在基底形成的空腔上。在實(shí)際平面垂直梳齒工藝制作的過(guò)程中，由于MEMS加工的不對(duì)稱(chēng)性以及器件的殘余應(yīng)力等因素，將導(dǎo)致可動(dòng)梳齒與固定梳齒在垂直方向產(chǎn)生一定的錯(cuò)位，所以當(dāng)給該器件施加一定的交流電時(shí)，由于梳齒之間產(chǎn)生了靜電力，而錯(cuò)位的梳齒正好就起到了一個(gè)啟動(dòng)電極的作用，因此質(zhì)量平板將帶動(dòng)光柵進(jìn)行有規(guī)律的扭轉(zhuǎn)，圖3為扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理圖。

圖2 扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic view of torsion-type micromachined scanning gratings

圖3 器件的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.3 Dynamic driving view

對(duì)于扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵來(lái)說(shuō)，在分析其主振動(dòng)模態(tài)時(shí)，器件可以用一個(gè)方形質(zhì)量塊來(lái)近似表示［4］。由于器件的主振型模態(tài)要求為轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)，因此其轉(zhuǎn)動(dòng)方向的諧振頻率fφ為

式中：Iφ和kφ分別為質(zhì)量塊在其轉(zhuǎn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和在轉(zhuǎn)動(dòng)方向的剛度。

當(dāng)扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的尺寸一定時(shí)（如圖4所示），對(duì)于單根扭轉(zhuǎn)梁，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剛度可以通過(guò)下式求出：

式中：a表示較小一個(gè)扭轉(zhuǎn)梁寬度和厚度的一半；b表示較大一個(gè)扭轉(zhuǎn)梁寬度和厚度的一半；ρ和G分別為硅材料的密度與剪切模量；tm為器件的厚度；Ws和Ls分別為扭轉(zhuǎn)梁的寬度和長(zhǎng)度；Wm和Lm分別為光柵質(zhì)量平板的寬度和長(zhǎng)度；N為梳齒驅(qū)動(dòng)器的單側(cè)梳齒對(duì)數(shù)；Wf和Lf分別為梳齒的寬度和長(zhǎng)度。結(jié)合扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的應(yīng)用背景，考慮到單點(diǎn)探測(cè)型微型光譜儀多用于頻率較低的場(chǎng)合，因此設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵的諧振頻率也應(yīng)較低，設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1所示。器件的厚度由SOI的器件層所決定，由于使用的SOI器件層厚度為30μm，因此將b定為15 μm。通過(guò)計(jì)算可以得到該器件的理論諧振頻率為327.97Hz。

圖4 扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵示意圖Fig.4 Configuration of torsion-type micromachined scanning gratings

表1 擬定質(zhì)量平板尺寸參數(shù)Table 1 Partial geometric dimensions of device

b）刻蝕氧化硅層，直至刻蝕到器件層，在氧化硅層上形成光柵結(jié)構(gòu)的掩膜；

c）以氧化硅為掩膜，濕法刻蝕光柵梁結(jié)構(gòu)，直至刻蝕出現(xiàn)V形光柵槽結(jié)構(gòu)；

d）用40%的HF溶液去除氧化硅層，并進(jìn)行熱處理去除內(nèi)應(yīng)力；

e）基底層背面濺射鋁膜，作為ICP干法刻蝕基底空腔的掩膜；

f）刻蝕鋁，在一定濃度配比的鋁刻蝕液中用濕法腐蝕鋁，即將基底層的空腔結(jié)構(gòu)復(fù)制到鋁膜上；

g）以鋁膜為掩膜刻蝕基底層硅，直至刻蝕到氧化硅層形成空腔；

h）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質(zhì)量平板、梳齒以及扭轉(zhuǎn)梁等結(jié)構(gòu)；

i）釋放，在40%HF溶液中腐蝕SOI的絕緣層，并將器件干燥，即完成扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵器件的制作。

3 器件的制作工藝設(shè)計(jì)

SOI材料，即絕緣體上硅材料，是一種具有“Si／SiO2／Si”3層結(jié)構(gòu)的新型硅基半導(dǎo)體材料，被國(guó)際上公認(rèn)為“21世紀(jì)硅集成電路技術(shù)”的基礎(chǔ)［5］。它具有普通體硅材料所不具有的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，消除了體硅CMOS電路的寄生閂鎖效應(yīng)；基于SOI工藝技術(shù)的MEMS器件具有寄生電容小、功耗低、工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使用SOI硅片可減少13%～20%的工序［6］。因此，利用SOI硅片的工藝技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵進(jìn)行制作，主要需完成以下幾步：第一，刻蝕出光柵結(jié)構(gòu)；第二，刻蝕出基底層背腔，為其扭轉(zhuǎn)提供空間；第三，刻蝕出器件層的質(zhì)量平板、扭轉(zhuǎn)梁以及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)等；第四，進(jìn)行絕緣層刻蝕，將器件進(jìn)行釋放。工藝流程見(jiàn)圖5所示。工藝步驟簡(jiǎn)述如下：

a）在器件層生成氧化硅層，用于光柵刻蝕的掩膜；

圖5 器件制作工藝流程圖Fig.5 Flow chart of SOI processes for scanning gratings

通過(guò)工藝方案制備了扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵器件，將其進(jìn)行打線封裝，器件樣件如圖6所示。圖6中（a）為所制備的器件芯片的正面及反面圖；（b）為器件在顯微鏡下的整體結(jié)構(gòu)圖；（c）為刻蝕形成的V形光柵溝槽結(jié)構(gòu)SEM圖；（d）為梳齒結(jié)構(gòu)SEM圖。從圖6可以看出，制作完成的器件可動(dòng)梳齒與固定梳齒有一定的錯(cuò)位，這與之前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論相符。

圖6 制作工藝完成后的器件樣件圖Fig.6 Photo of fabricated device

4 器件的性能測(cè)試

4.1 諧振頻率測(cè)試

利用激光多普勒測(cè)振儀，可以方便精確地測(cè)試出器件的一階諧振頻率，測(cè)試諧振峰值如圖7所示，最大諧振波峰處的頻率值即為器件的一階諧振頻率。從圖7可見(jiàn)測(cè)量的頻率值351.88Hz與理論值327.97Hz存在6.8%的誤差，該誤差是由于實(shí)際測(cè)量中的空氣阻尼導(dǎo)致的。

圖7 激光多普勒所測(cè)的諧振頻率峰值Fig.7 Resonant frequency of device measured by laser Doppler

4.2 器件的電壓－轉(zhuǎn)角性能測(cè)試

圖8 激光三角法測(cè)量最大轉(zhuǎn)角Fig.8 Maximum deflection angle of device measured by triangulation method

采用激光三角法（測(cè)試原理見(jiàn)圖8所示）對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)角性能的測(cè)試，搭建相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試L、b1、b2的數(shù)值即可得到所制備器件的電壓－轉(zhuǎn)角特性曲線。圖9所示為器件在555Hz的方波激勵(lì)信號(hào)作用下測(cè)得的電壓－轉(zhuǎn)角特性曲線，從圖9中可以看出，驅(qū)動(dòng)電壓較小時(shí)，轉(zhuǎn)角增加速度較快；當(dāng)轉(zhuǎn)角超過(guò)3°之后，器件的電壓－轉(zhuǎn)角特性近似線性；在驅(qū)動(dòng)電壓為25V時(shí)，器件的最大轉(zhuǎn)角可達(dá)到±4.8°，對(duì)應(yīng)的光學(xué)掃描角為19.2°。可見(jiàn)器件具有較大光譜掃描范圍。

圖9 器件的電壓－轉(zhuǎn)角特性曲線Fig.9 Voltage versus rotational angle

5 結(jié)論

扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵作為單點(diǎn)探測(cè)型微型光譜儀的核心器件，在光學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文以扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵作為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作工藝、性能測(cè)試等展開(kāi)研究，實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)式微機(jī)械掃描光柵具有低頻驅(qū)動(dòng)、掃描范圍廣、制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，初步滿足單點(diǎn)探測(cè)型微型光譜儀要求。

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