專利名稱：平動式光柵光調(diào)制器、其制造方法及其陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光調(diào)制器技術領域，具體涉及一種光柵光調(diào)制器及其制造方法 和陣列。
背景技術：
MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems/微光機電系統(tǒng))技術是 MEMS (Micro -Electro-Mechanical Systems ,樣￡機電系統(tǒng))技術和光學技術的進 一步融合，具有天生的優(yōu)勢，它可以實現(xiàn)微型光學元件和控制電路的集成，具 有可大批量制造，單位成本低，體積微小，響應速度快，性能可靠等優(yōu)勢。目 前，基于MOEMS技術制造的光調(diào)制器以其優(yōu)良的性能獲得高速的發(fā)展和廣泛 的應用，典型的有美國德州儀器公司的數(shù)字微鏡器件DMD和硅光機械公司的光 柵光閥GLV，他們在投影顯示、自適應光學、傳感器、光通信、微型化光學平 臺等方面也得到了廣泛應用。實現(xiàn)MOEMS技術實現(xiàn)對光譜、偏振和光空間屬 性的操作和控制而衍生出的更多更廣的功能性開發(fā)，已成為該領域的重要應用 研發(fā)趨勢。由重慶大學提出的基于MOEMS的光柵光調(diào)制器，利用光柵衍射原 理實現(xiàn)光學調(diào)制在投影技術應用上取得了豐碩研究成果，但現(xiàn)有的光柵光調(diào)制 器，如重慶大學提出的申請?zhí)枮?00510020186.8和200510020185.3的中國發(fā)明專 利中公開的平動式光柵光調(diào)制器，由于光柵面平坦度對其光學特征具有重要的 影響，而現(xiàn)有的平動式光柵光調(diào)制器的懸臂梁為直梁結構，在光柵下拉時容易 造成光柵發(fā)生畸變，影響光柵面的平坦度。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種平動式光柵光調(diào)制器， 光柵面的平坦度高，可應用于微型光譜儀。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的平動式光柵光調(diào)制器，包括硅襯底以及設置 于硅襯底上的絕緣層，光柵通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層上方，所述彈性 懸臂梁由梁體和錨桿組成，梁體的一端通過錨桿固定設置于絕緣層上，梁體的 另一端與光柵固定連接，在光柵下方的絕緣層上設置有下電極，所述彈性懸臂 梁的梁體具有折疊結構。
進一步，所述彈性懸臂梁的梁體的折疊結構呈方波狀折疊；
進一步，所述彈性懸臂梁為4根，分別與光柵的四角固定連接； 進一步，所述彈性懸臂梁與光柵為一體，由多晶硅刻蝕而成； 進一步，彈性懸臂梁梁體的厚度小于光柵的厚度的1/3;
進一步，所述下電極為2個，分別設置于光柵長度方向上的兩端下方；
進一步，所述下電極由磷摻雜多晶硅刻蝕而成；
本發(fā)明還提供一種制造前述平動式光柵光調(diào)制器的方法，包括如下步驟 1 )在硅襯底上熱氧化一層二氧化硅；
2) 在步驟1 )所得的二氧化硅層上低壓化學氣相淀積一層氮化硅作為絕緣
層；
3) 在步驟2)所得的絕緣層上淀積并光刻磷摻雜多晶硅，形成分布式布置 的多個下電才及；
4) 采用等離子增強化學氣相沉積法在絕緣層上淀積二氧化硅作為犧牲層， 并刻蝕形成用于容納錨桿的錨點；
5 )淀積多晶硅并刻蝕彈性懸臂梁和光柵,并鏤空刻蝕出光柵條之間的凹槽；
6) 在光柵的頂層、鏤空處表面以及絕緣層上賊射金或鋁，形成反射面；
7) 刻蝕掉犧牲層。進一步，步驟l)中熱氧化的二氧化硅、步驟2)中氮化硅淀積的厚度均為
100-300nm;步驟4 )中淀積的二氧化硅厚度為500-5000nm。
本發(fā)明還提供所述的平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列，所述 平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列由至少2個平動式光柵光調(diào)制器 并列而成，其中每一個平動式光柵光調(diào)制器均可在驅動電路控制下獨立動作。
本發(fā)明的平動式光柵光調(diào)制器，彈性懸臂梁的梁體具有折疊結構，能增加 梁體長度，減小等效梁的彈性系數(shù)，使得光柵相對增厚而剛性相對增強，從而 降低可動光柵下拉彎度，保證光柵面平坦，使光柵光調(diào)制器的開關調(diào)制效果更 好；在進一步的技術方案中，下電極分布式設置，2個下電極同時作用下拉光 柵兩端，能減少光柵中間與兩端的位移差，進一步提高光柵面的平坦度。
本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡 述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯 而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可 以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲 得。


為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本 發(fā)明作進一步的詳細描述
圖1示出了平動式光柵光調(diào)制器的結構示意圖2示出了平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列的結構示意圖。
具體實施例方式
以下將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
參見圖1,本實施例的平動式光柵光調(diào)制器包括硅襯底1以及設置于硅襯 底1上的絕緣層2,光柵6通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層2上方，所述彈 性懸臂梁由梁體4和錨桿5組成，梁體4的一端通過錨桿5固定設置于絕緣層2上，梁體4的另一端與光柵6固定連接，所述梁體為4根，分別與光柵6的四角固定連接，所述梁體4為折疊梁，優(yōu)選的，梁體4呈方波狀折疊，所述彈性懸臂梁與光柵6為一體，由多晶硅刻蝕而成；在光柵6下方的絕緣層上設置有下電極3，所述下電極3由磷摻雜多晶硅刻蝕而成，下電極3可以為多個，分布式設置，優(yōu)選的，所述下電極3為2個，分別設置于光柵6長度方向上的兩端下方；所述光柵6上具有多條長條形鏤空凹槽，形成多根光柵條，在光柵6的上表面、其鏤空處的側表面以及絕緣層2的上表面覆蓋有鋁膜，使光柵6與絕緣層2分別形成上、下反射面。
本實施例的平動式光柵光調(diào)制器結構參數(shù)如下:
光柵長度500um光柵常數(shù)8um彈性懸臂梁梁體 折疊總長/272um
光柵寬度60um光柵周期8個彈性懸臂梁梁體 寬度b4um
光柵厚度2.7um邊框寬度4um彈性懸臂梁梁體 厚度h0,7um
光柵條寬度4咖光柵-下反射面 間距2um下拉行程250um (W4)
可通過如下方法制作上述平動式光柵光調(diào)制器
1) 在一塊〈0OP型硅襯底上熱氧化一層厚度為300nm的二氧化硅；
2) 在步驟l)所得的二氧化硅層上低壓化學氣相法(LPCVD)淀積一層厚度為300nm的氮化硅作為絕緣層；
3 )在步驟2 )所得的絕緣層上淀積并光刻磷摻雜厚度為300nm的多晶硅，形成分布式布置的多個下電極；
4)采用等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)在絕緣層上淀積厚度為2000nm的二氧化硅作為犧牲層，并刻蝕形成用于容納錨桿的錨點；
5 )淀積多晶硅并刻蝕彈性懸臂梁和光柵,并鏤空刻蝕出光柵條之間的凹槽，梁體的厚度應當遠小于光柵的厚度，優(yōu)選的梁體厚度小于光柵厚度的1/3;
6)在光柵的頂層、鏤空處表面以及絕緣層上 射金或鋁，形成反射面；7)刻蝕掉犧牲層。
平動式光柵光調(diào)制器主要用于形成光柵光調(diào)制器陣列，應用在光譜儀等設 備中，以實現(xiàn)對光的開關選通，可減小光譜儀重量和體積，
參見圖2，平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列由至少2個平動式 光柵光調(diào)制器并列而成，還設置有相應的驅動電路，使其中每一個平動式光柵 光調(diào)制器均可在驅動電路控制下獨立動作，即陣列中的每個光柵都可以根據(jù)下 拉電壓的不同分別向下平動到不同的高度。
光柵光調(diào)制器作為光衍射器件，其平坦度對其光學特性有至關重要的影響， 若其平坦度較差，將直接關系到對光的開關調(diào)制效果，提高光學平坦度在光柵 光調(diào)制器設計中尤為重要，其表面的不平度差一般要求不超過A710，因此可將 不平度在A710以內(nèi)的光柵面積作為平坦度的衡量指標，其中X為入射光中心波 長。針對近紅外微型光譜儀系統(tǒng)工作波段要求，中心波長為1000nm，那么光柵 光調(diào)制器的不平度應不超過IOOnm。
在平動式光柵光調(diào)制器可動光柵下拉過程中，光柵中部由于電荷集邊效應受 靜電力較大，而兩端由于梁體的回復力而抵消部分靜電力，導致光柵中部下拉 位移較之兩端稍大；并且當梁體和中間柵條的抗彎系數(shù)相差不大時，光柵會隨 梁體的彎曲而出現(xiàn)彈性彎曲，從而影響平坦度。在本實施例的平動式光柵光調(diào) 制器結構設計中主要采用如下措施進行優(yōu)化
改善梁結構增加梁體長度，并減薄梁體厚度，以降低彈性系數(shù)，使其柔性 增加。但考慮到增加梁體長度會影響光柵光調(diào)制器的響應頻率即開關速度，加 之尺寸限制，本實施例采用折疊梁結構。
改善下電極分布由于電荷集邊效應，光柵與下電極在相同距離條件下，光 柵中部積累的電荷高于邊緣；加之梁體的應力共同導致中間受力過大，下拉位 移大于光柵的長度方向的兩端，因此若采用分布式下電極，特別是在沿光柵長 度方向的兩端分別設置一個下電極，使雙電極由雙端同時下拉光柵，可有效減 少光柵中間與兩端之間的位移差，提高平坦度。
增加光柵厚度由于光柵下拉時，梁體提供的回復力越大，則等效彈性系數(shù)越大，從而使得光柵面呈彎曲形，減小了有效光學面積。如果增加光柵厚度以 提高其剛度，可防止其因下拉而引起彈性彎曲，從而提高平坦度。
仿真實驗結果表明，本實施例的平動式光柵光調(diào)制器在5V電壓下拉作用
下，最大下拉高度為0.62um,不平度50nm范圍內(nèi)光柵面積占71%,而100nm 范圍內(nèi)則到98%以上。以上三種措施優(yōu)化了光柵平坦度，且這三種措施是相互 影響的增加光柵的厚度與減薄梁體處理是等效的，都是提高光柵的剛度，降 低梁的彈性系數(shù)；增加光柵厚度和改善電極分布會使驅動電壓增加，而折疊增 加梁長度并減薄處理可降低彈性系數(shù)以減小驅動電壓。同時光柵面平坦度又與 驅動電壓大小有關，電壓越大器件形變越明顯。以上仿真中均用5V電壓下拉， 光柵基本在吸合狀態(tài)，而工作電壓是小于吸合電壓的，因此在除去工藝過程中 應力形變因素影響外，器件平坦度會比較理想。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領 域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和 范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技 術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權利要求
1.平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于包括硅襯底以及設置于硅襯底上的絕緣層，光柵通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層上方，所述彈性懸臂梁由梁體和錨桿組成，梁體的一端通過錨桿固定設置于絕緣層上，梁體的另一端與光柵固定連接，在光柵下方的絕緣層上設置有下電極，所述彈性懸臂梁的梁體具有折疊結構。
2. 如權利要求1所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于所述彈性懸臂 梁的梁體的折疊結構呈方波狀折疊。
3. 如權利要求1所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于所述彈性懸臂 梁為4根，分別與光柵的四角固定連接。
4.如權利要求l所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于彈性懸臂梁梁 體的厚度小于光柵的厚度的1/3。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于 所述彈性懸臂梁與光柵為一體，由多晶硅刻蝕而成。
6. 如權利要求1至4中任一項所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于 所述下電極為2個，分別設置于光柵長度方向上的兩端下方。
7. 如權利要求6所述的平動式光柵光調(diào)制器，其特征在于所述下電極由 磷摻雜多晶硅刻蝕而成。
8. 制造如權利要求1至7中任一項所述的平動式光柵光調(diào)制器的方法，其 特征在于包括如下步驟1 )在硅襯底上熱氧化一層二氧化硅；2)在步驟1 )所得的二氧化硅層上低壓化學氣相淀積一層氮化硅作為絕緣層；3) 在步驟2)所得的絕緣層上淀積并光刻磷摻雜多晶硅，形成分布式布置 的多個下電才及；4) 采用等離子增強化學氣相沉積法在絕緣層上淀積二氧化硅作為犧牲層， 并刻蝕形成用于容納錨桿的錨點；5)淀積多晶硅并刻蝕彈性懸臂梁和光柵，并鏤空刻蝕出光柵條之間的凹槽；6) 在光柵的頂層、鏤空處表面以及絕緣層上濺射金或鋁，形成反射面；7) 刻蝕掉犧牲層。
9. 如權利要求8所述的制造平動式光柵光調(diào)制器的方法，其特征在于步驟 1)中熱氧化的二氧化硅、步驟2)中氮化硅淀積的厚度均為100~300nm;步 驟4)中淀積的二氧化硅厚度為500~5000nm。
10. 如權利要求1至6中任一項所述的平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光 調(diào)制器陣列，其特征在于所述平動式光柵光調(diào)制器組成的光柵光調(diào)制器陣列 由至少2個平動式光柵光調(diào)制器并列而成，其中每一個平動式光柵光調(diào)制器均 可在驅動電鴻、控制下獨立動作。
全文摘要
本發(fā)明涉及光調(diào)制器技術領域，具體涉及一種光柵光調(diào)制器及其制造方法和陣列；所述平動式光柵光調(diào)制器包括硅襯底以及設置于硅襯底上的絕緣層，光柵通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層上方，所述彈性懸臂梁由梁體和錨桿組成，梁體的一端通過錨桿固定設置于絕緣層上，梁體的另一端與光柵固定連接，在光柵下方的絕緣層上設置有下電極，所述彈性懸臂梁的梁體具有折疊結構；本發(fā)明的平動式光柵光調(diào)制器，彈性懸臂梁的梁體具有折疊結構，能增加梁體長度，減小等效梁的彈性系數(shù)，使得光柵相對增厚而剛性相對增強，從而降低可動光柵下拉彎度，保證光柵面平坦，使光柵光調(diào)制器的開關調(diào)制效果更好。
文檔編號G02B26/08GK101666910SQ20091019097
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者張智海, 偉 王, 莫祥霞, 郭媛君, 黃慶探 申請人:重慶大學