基于SOI工艺的扭转式微机械扫描光栅设计及制作

靳 倩

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳471000）

引言

光谱分析技术是一种重要的理化分析与检测手段，光谱仪是实现光谱分析的基本设备。基于扭转式微机械扫描光栅的微型光谱仪由于具有质量轻、体积小、结构紧凑、性能稳定、探测速度快、可以批量生产以及成本低廉的优点，广泛地应用于临床医学体检、军事探查、野外现场检测、星载分析检测等场合［1］。

扭转式微机械扫描光栅作为微型光谱仪的核心器件，其性能很大程度上制约着微型光谱仪的应用。为了实现微型光谱仪的市场化应用，希望其同时兼备体积轻巧、光谱分辨率高、驱动控制简单以及成本低廉这些优良的性能特点。基于SOI技术制备的扭转式微机械扫描光栅的微型光谱仪是利用光谱扫描的方式进行探测的，因此其只需一个单点探测器即可完成光谱的识别，从而在不影响器件光谱分辨率的前提下大大降低了器件的成本［2］。

1 工作原理

扭转式微机械扫描光栅的工作原理为：在一个可以转动的平面（光栅质量平板）上刻出光栅结构，利用驱动装置使光栅的质量平板进行扭转，实现分光和光谱的扫描作用。如图1所示，当一束复色光入射到光栅表面，将产生光的衍射现象，假设复色光入射角度不变，微机械扫描光栅在驱动力的作用下偏转了θ角度，则经光栅衍射后的相同衍射级次的光谱将会发生2θ的偏转；又因为扭转式微机械扫描光栅可以实现2个方向的扭转，因此其产生的衍射光谱可以实现4θ的偏转，即光谱扫描角度可达到4θ，满足了微型光谱仪大谱段扫描的需求。

图1 扭转式微机械扫描光栅工作原理图Fig.1 Working schematic diagram of micromachined scanning gratings

2 器件结构设计

通过对国内外扭转式微机械扫描光栅的现状进行分析，发现在各种各样的驱动结构中，利用SOI技术制备的静电垂直梳齿驱动相对于其他驱动方式来说，它可以实现较低电压驱动较大的位移，同时响应速度也较快［3］。因此，设计了一种利用静电垂直梳齿驱动的扭转式微机械扫描光栅结构，见图2所示。器件利用SOI技术制作，分为器件层（30μm）、绝缘层（0.3μm）和基底层（350μm）。该扭转式微机械扫描光栅的驱动装置为静电平面垂直梳齿，分为固定梳齿和可动梳齿，可动梳齿分布在刻有光栅条的质量平板两侧，质量平板通过扭转梁与锚点相连，整个器件的可动结构（质量平板、可动梳齿以及扭转梁）悬置在基底形成的空腔上。在实际平面垂直梳齿工艺制作的过程中，由于MEMS加工的不对称性以及器件的残余应力等因素，将导致可动梳齿与固定梳齿在垂直方向产生一定的错位，所以当给该器件施加一定的交流电时，由于梳齿之间产生了静电力，而错位的梳齿正好就起到了一个启动电极的作用，因此质量平板将带动光栅进行有规律的扭转，图3为扭转式微机械扫描光栅的动态驱动原理图。

图2 扭转式微机械扫描光栅结构示意图Fig.2 Schematic view of torsion-type micromachined scanning gratings

图3 器件的动态驱动原理图Fig.3 Dynamic driving view

对于扭转式微机械扫描光栅来说，在分析其主振动模态时，器件可以用一个方形质量块来近似表示［4］。由于器件的主振型模态要求为转动振动模态，因此其转动方向的谐振频率fφ为

式中：Iφ和kφ分别为质量块在其转动方向的转动惯量和在转动方向的刚度。

当扭转式微机械扫描光栅的尺寸一定时（如图4所示），对于单根扭转梁，其转动惯量和刚度可以通过下式求出：

式中：a表示较小一个扭转梁宽度和厚度的一半；b表示较大一个扭转梁宽度和厚度的一半；ρ和G分别为硅材料的密度与剪切模量；tm为器件的厚度；Ws和Ls分别为扭转梁的宽度和长度；Wm和Lm分别为光栅质量平板的宽度和长度；N为梳齿驱动器的单侧梳齿对数；Wf和Lf分别为梳齿的宽度和长度。结合扭转式微机械扫描光栅的应用背景，考虑到单点探测型微型光谱仪多用于频率较低的场合，因此设计的扭转式微机械扫描光栅的谐振频率也应较低，设计的具体结构尺寸见表1所示。器件的厚度由SOI的器件层所决定，由于使用的SOI器件层厚度为30μm，因此将b定为15 μm。通过计算可以得到该器件的理论谐振频率为327.97Hz。

图4 扭转式微机械扫描光栅示意图Fig.4 Configuration of torsion-type micromachined scanning gratings

表1 拟定质量平板尺寸参数Table 1 Partial geometric dimensions of device

b）刻蚀氧化硅层，直至刻蚀到器件层，在氧化硅层上形成光栅结构的掩膜；

c）以氧化硅为掩膜，湿法刻蚀光栅梁结构，直至刻蚀出现V形光栅槽结构；

d）用40%的HF溶液去除氧化硅层，并进行热处理去除内应力；

e）基底层背面溅射铝膜，作为ICP干法刻蚀基底空腔的掩膜；

f）刻蚀铝，在一定浓度配比的铝刻蚀液中用湿法腐蚀铝，即将基底层的空腔结构复制到铝膜上；

g）以铝膜为掩膜刻蚀基底层硅，直至刻蚀到氧化硅层形成空腔；

h）刻蚀器件层硅，在ICP刻蚀系统中干法刻蚀器件层硅，直至刻蚀到氧化层形成质量平板、梳齿以及扭转梁等结构；

i）释放，在40%HF溶液中腐蚀SOI的绝缘层，并将器件干燥，即完成扭转式微机械扫描光栅器件的制作。

3 器件的制作工艺设计

SOI材料，即绝缘体上硅材料，是一种具有“Si／SiO2／Si”3层结构的新型硅基半导体材料，被国际上公认为“21世纪硅集成电路技术”的基础［5］。它具有普通体硅材料所不具有的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，消除了体硅CMOS电路的寄生闩锁效应；基于SOI工艺技术的MEMS器件具有寄生电容小、功耗低、工艺简单的特点，使用SOI硅片可减少13%～20%的工序［6］。因此，利用SOI硅片的工艺技术对所设计的扭转式微机械扫描光栅进行制作，主要需完成以下几步：第一，刻蚀出光栅结构；第二，刻蚀出基底层背腔，为其扭转提供空间；第三，刻蚀出器件层的质量平板、扭转梁以及驱动结构等；第四，进行绝缘层刻蚀，将器件进行释放。工艺流程见图5所示。工艺步骤简述如下：

a）在器件层生成氧化硅层，用于光栅刻蚀的掩膜；

图5 器件制作工艺流程图Fig.5 Flow chart of SOI processes for scanning gratings

通过工艺方案制备了扭转式微机械扫描光栅器件，将其进行打线封装，器件样件如图6所示。图6中（a）为所制备的器件芯片的正面及反面图；（b）为器件在显微镜下的整体结构图；（c）为刻蚀形成的V形光栅沟槽结构SEM图；（d）为梳齿结构SEM图。从图6可以看出，制作完成的器件可动梳齿与固定梳齿有一定的错位，这与之前结构设计的理论相符。

图6 制作工艺完成后的器件样件图Fig.6 Photo of fabricated device

4 器件的性能测试

4.1 谐振频率测试

利用激光多普勒测振仪，可以方便精确地测试出器件的一阶谐振频率，测试谐振峰值如图7所示，最大谐振波峰处的频率值即为器件的一阶谐振频率。从图7可见测量的频率值351.88Hz与理论值327.97Hz存在6.8%的误差，该误差是由于实际测量中的空气阻尼导致的。

图7 激光多普勒所测的谐振频率峰值Fig.7 Resonant frequency of device measured by laser Doppler

4.2 器件的电压－转角性能测试

图8 激光三角法测量最大转角Fig.8 Maximum deflection angle of device measured by triangulation method

采用激光三角法（测试原理见图8所示）对其进行转角性能的测试，搭建相应的测试系统，通过测试L、b1、b2的数值即可得到所制备器件的电压－转角特性曲线。图9所示为器件在555Hz的方波激励信号作用下测得的电压－转角特性曲线，从图9中可以看出，驱动电压较小时，转角增加速度较快；当转角超过3°之后，器件的电压－转角特性近似线性；在驱动电压为25V时，器件的最大转角可达到±4.8°，对应的光学扫描角为19.2°。可见器件具有较大光谱扫描范围。

图9 器件的电压－转角特性曲线Fig.9 Voltage versus rotational angle

5 结论

扭转式微机械扫描光栅作为单点探测型微型光谱仪的核心器件，在光学领域具有广泛的应用前景。本文以扭转式微机械扫描光栅作为研究对象，对其结构设计、制作工艺、性能测试等展开研究，实验证明所设计的扭转式微机械扫描光栅具有低频驱动、扫描范围广、制作工艺简单等优点，初步满足单点探测型微型光谱仪要求。

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