专利名称：用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列及其方法
技术领域：
本发明涉及一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列及其方法。
背景技术：
激光照排机和激光直接制版机是印刷行业里用到的重要设备，目前国内的照排机大都是采用的第一代技术即声光调制器扫描技术，由于调制器的频率响应带宽的限制，扫描路数受到限制；同时，目前印刷行业正由激光照排机向直接制版机过渡，直接制版机中扫描的激光光强比较高，采用声光调制器技术现在无法满足直接制版即对光能量的要求，同时由于声光调制器响应带宽的限制，采用这种方案设计的照排机对于大幅面胶片输出需要非常长的时间。因此需要研究新的扫描原理使用更多路的扫描，提高扫描速度。
采用光栅光阀(Grating Light Valve)作为激光扫描控制器件，由于光栅光阀是由一个个单元组成的，采用微细加工技术可以很容易得到多个单元的阵列，采用这种方法可以达到几百路同时扫描，大大提高速度，而且可以满足直接制版机上对扫描光强的需要。
发明内容
本发明是为了解决激光照排系统中扫描速度慢和扫描精度低的问题而提出一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列及其方法。
用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列包括硅基底，在硅基底上设有二氧化硅层，在二氧化硅层上等间隔平行设有固定光栅条和可移动光栅条，可移动光栅条为中间悬空的桥梁状，可移动光栅条两端固定在二氧化硅上。
用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列的加工方法包括如下步骤1)在硅基底1上生长二氧化硅层2，在二氧化硅层2上生长硅牺牲层7，在硅牺牲层7表面生长一层氮化硅、单晶硅或多晶硅8；2)在氮化硅、单晶硅或多晶硅8表面用匀胶机甩上一层光刻胶9；3)在曝光机下，把制作完成刻有图案的掩模板10放在光刻胶9层上，进行曝光处理；4)曝光处理后，在暗室进行显影操作，去除曝光部分的光刻胶，留下的光刻胶作为保护层，在离子刻蚀机中进行离子刻蚀；5)用化学腐蚀的方法掏空硅牺牲层7，得到中间悬空的氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁；6)在氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁上表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银11；7)在两两氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁之间的二氧化硅层2表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银11。
所述的硅基底厚度为250-350微米，二氧化硅层的厚度为0.6-0.8微米。
固定光栅条的材料为金属铝、铂金或金属银，固定光栅条的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米。
可移动光栅条由氮化硅、单晶硅或多晶硅与金属铝、铂金或金属银组成，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为150-200纳米，宽度为4-6微米，金属铝、铂金或金属银的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，悬梁与二氧化硅层的距离为0.8-1微米，氮化硅、单晶硅或多晶硅的长度为200-300微米，金属铝、铂金或金属银的长度为200-300微米。
本发明的有益效果1)实现了微光学光栅光阀(GLV)取代传统照排机声光调制器进行扫描的方法。
2)光栅光阀器件具有非常快速的响应速度，约几十个纳秒，而且可以实现多路并行扫描，如128路，256路或者更多，可以大大提高激光照排机的扫描速度。
3)光栅光阀器件光学效率高，成像清晰，成像精度高，可重复使用，很大程度上提高了激光照排机扫描系统的成像质量。
4)光栅光阀器件不需要复杂的控制电路，极大的减小了系统的体积、能耗和封装费用。
图1(a)是非工作状态光栅光阀器件的剖面图；图1(b)是工作状态光栅光阀器件的剖面图；图2是光栅光阀器件的侧下视图；图3是硅基底以及二氧化硅和硅牺牲层组成的示意图；图4至图9是光栅光阀器件的制作工艺过程图；图4是在硅表面生长一层氮化硅、单晶硅或多晶硅；图5是在氮化硅、单晶硅或多晶硅表面甩一层正光刻胶；图6是利用掩模板在曝光机下进行曝光处理；
图7是对曝光后的表面进行离子刻蚀，得到需要的图形结构；图8是在得到需要的结构后，用化学腐蚀的方法掏空硅牺牲层；图9是在图8得到的结构上，蒸镀一层金属铝、铂金或金属银；图10是光栅光阀器件工作参数示意图；图11是包含光栅光阀器件的激光照排机扫描系统的工作示意图；图中硅基底1、二氧化硅层2、固定光栅条3、可移动光栅条4、入射光5、衍射光6、硅牺牲层7、氮化硅、单晶硅或多晶硅层8、光刻胶9、掩模板10、金属铝、铂金或金属银11、LD光源12、光束扩束准直系统13、反射镜14、聚焦透镜15、GLV阵列器件16、扫描滚筒17。
具体实施例方式
如图1、2所示，用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列包括硅基底1，在硅基底1上设有二氧化硅层2，在二氧化硅层2上等间隔平行设有固定光栅条3和可移动光栅条4，可移动光栅条4为中间悬空的桥梁状，可移动光栅条两端固定在二氧化硅2上。
固定光栅条和可移动光栅条在基底表面相间隔等距排列，固定光栅条附着在基底表面，在非工作或工作状态下，都不会改变位置和形状。可移动光栅条如桥梁形状，两端与基底表面相连，中间的梁悬浮在空气层中，由于悬梁非常薄，当悬梁与基底之间加上电压时，悬梁受静电力的作用会向基底方向弯曲。这就是光栅光阀器件的工作状态。在工作状态下入射光5在光栅表面发生衍射，通过电压控制对衍射光6进行调节。
硅基底1的厚度为250-350微米，二氧化硅层2的厚度为0.6-0.8微米。固定光栅条3的材料为金属铝、铂金或金属银，固定光栅条3的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米。可移动光栅条4由氮化硅、单晶硅或多晶硅与金属铝、铂金或金属银组成，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为150-200纳米，宽度为4-6微米，金属铝、铂金或金属银的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，悬梁与二氧化硅层2的距离为0.8-1微米，氮化硅、单晶硅或多晶硅的长度为200-300微米，金属铝、铂金或金属银的长度为200-300微米。
如图3所示，光栅光阀器件的基底是硅基底1，上面设有二氧化硅层2和硅牺牲层7。硅基底的厚度为250-350微米，二氧化硅层厚度为0.6-0.8微米，硅牺牲层厚度为0.8-1微米。
如图4所示，在硅牺牲层7表面生长一层氮化硅、单晶硅或多晶硅8，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度是150-200纳米，这层氮化硅、单晶硅或多晶硅就是光栅光阀中可移动光栅条的构成材料。
如图5所示，在氮化硅、单晶硅或多晶硅8表面用匀胶机甩上一层光刻胶9，光刻胶为接下来的曝光显影起到保护层的作用。
如图6所示，在曝光机下，把制作完成刻有需要图案的掩模板10放在试片上，进行曝光处理。
如图7所示，经过显影操作，去除曝光部分光刻胶，留下的光刻胶作为保护层，在离子刻蚀机中进行离子刻蚀，刻掉不需要的部分氮化硅、单晶硅或多晶硅，得到需要的结构。
如图8所示，在图7的结构中，用化学腐蚀的方法掏空硅牺牲层7，得到中间悬空的氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁。
如图9所示，在掏空的结构表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银，金属铝、铂金或金属银的厚度是80-120纳米。金属铝、铂金或金属银具有多重作用一方面作为固定光栅条的部分，和可移动光栅条共同组成光栅光阀的工作表面，另一方面作为反射镜面和上电极。
用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列的加工方法包括如下步骤1)在硅基底1上生长二氧化硅层2，在二氧化硅层2上生长硅牺牲层7，在硅牺牲层7表面生长一层氮化硅、单晶硅或多晶硅8，硅基底的厚度为250-350微米，二氧化硅层的厚度为0.6-0.8微米，硅牺牲层厚度为0.8-1微米，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为150-200纳米；2)在氮化硅、单晶硅或多晶硅8表面用匀胶机甩上一层光刻胶9；3)在曝光机下，把制作完成刻有图案的掩模板10放在光刻胶9层上，进行曝光处理；4)曝光处理后，在暗室进行显影操作，去除曝光部分的光刻胶，留下的光刻胶作为保护层，在离子刻蚀机中进行离子刻蚀；5)用化学腐蚀的方法掏空硅牺牲层7，得到中间悬空的氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为150-200纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米，悬梁与二氧化硅层的距离为0.8-1微米；6)在氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁上表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银11，金属铝、铂金或金属银起到增加反射率的作用，金属铝、铂金或金属银的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米；7)在两两氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁之间的二氧化硅层2表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银11，金属铝、铂金或金属银不但起到增加反射率的作用，同时还当作上电极，金属铝、铂金或金属银的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米。
固定光栅条的材料为金属铝、铂金或金属银，固定光栅条的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米。
可移动光栅条由氮化硅、单晶硅或多晶硅与金属铝、铂金或金属银组成，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为150-200纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米；金属铝、铂金或金属银的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米。
如图10所示，Λ为可移动条之间的间隔，δ为可移动条与固定条的距离。GLV器件在工作状态下，可移动条向下移动，δ＝λ/4。
光栅光阀(GLV)的技术原理基于光的反射及衍射干涉效应。它采用简单而且稳定的材料如硅、二氧化硅、氮化硅进行制造。在不加电压的情况下，可移动组件不会向下移动，这个时候可移动组件与固定组件在垂直于基底表面的方向上的距离为二分之一波长或者更大的长度，光栅光阀器件处于非工作状态，即暗状态。当在基底下电极和可移动组件间施加电压时，由于静电力的作用，悬浮的空气层中的可移动组件会向下移动一定的距离，在反射层表面形成一个相位光栅。此时光栅光阀器件处于衍射状态。在衍射状态下，固定组件和可移动组件反射出的光波前之间产生相位差，光栅在θ角度产生衍射峰θm=arcsin(mλΛ)]]>其中Λ为可移动条之间的间隔，m为衍射级，λ为波长。当可移动条向下移动到与固定组件的距离δ为入射光波长的四分之一时，即δ＝λ/4时，衍射光的光强达到最大。一级衍射光强与δ的关系为I1=Imaxsin2(2πδλ)]]>因此，当固定组件与可移动组件之间的垂直距离为四分之一个波长的长度时，光栅光阀器件处在工作状态下，即亮状态。这样光栅光阀器件就把入射光转换成衍射光进行传输。
如图11所示，光栅光阀器件应用在激光照排扫描系统中，由LD光源12发出光，光线先经过光束扩束准直系统13将光束调节为有一定宽度的线光束，然后经过反射镜14的反射和光栅光阀阵列器件16的调制，得到的光再由聚焦透镜15聚焦到扫描滚筒17上，完成扫描。
激光照排机是印刷行业里用到的重要设备，传统的照排机大都采用第一代技术即声光调制器扫描技术，由于调制器的频率响应带宽限制，扫描路数收到了很大的制约。此外，传统的照排系统需要先对胶片进行二次曝光，然后再将胶片与最终的印刷用ps版紧贴在一起进行二次紫外曝光，从而获得最终装上印刷机的印版。在从胶片到ps印版的转移过程中，手工操作和环境变化都会引入误差，从而影响最终印刷品的质量。目前印刷行业正在抛弃传统的技术向直接制版技术过渡。直接制版技术取消了胶片的曝光过程，直接将图像数据曝光在涂有特殊感光感热材料的铝基ps版上，从而避免了激光照排过程的许多缺点，可以获得更好的印刷效果。直接制版技术中扫描的激光光强比较高，采用声光调制器技术无法满足这个要求。
光栅光阀器件具有高可靠性和可耐受高能量密度的特点正好可以满足直接制版技术的要求。光栅光阀是一种微型反射式相位光栅器件，它依靠静电驱动微型机械部件，利用具有耐热耐用性能的氮化硅材料提供较高的张力，改变光栅表面的结构，对入射光的强度和反射方向进行控制。光栅光阀的制作采用技术成熟稳定的光刻以及干湿法刻蚀方法，得到的光栅光阀器件除了上面所述的高可靠性和可耐受高能量密度的优点之外，还具有响应速度快，光学衍射效率高，精度高，成本低等优点，同时可以进行多路扫描，大大提高扫描速度。
实施例1)在硅基底上生长二氧化硅层和硅牺牲层，在硅牺牲层表面生长一层氮化硅、单晶硅或多晶硅，硅基底的厚度为300微米，二氧化硅层的厚度为0.7微米，硅牺牲层厚度为1微米，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为170纳米；2)在氮化硅、单晶硅或多晶硅表面用匀胶机甩上一层光刻胶，在曝光机下，把制作完成刻有图案的掩模板放在光刻胶层上，进行曝光处理；3)曝光处理后，在暗室进行显影操作，去除曝光部分的光刻胶，留下的光刻胶作为保护层，在离子刻蚀机中进行离子刻蚀；4)用化学腐蚀的方法掏空硅牺牲层，得到中间悬空的氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁，氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁宽度为5微米，长度为250微米悬梁与二氧化硅层的距离为0.8微米；5)在氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁上表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银，金属铝、铂金或金属银起到增加反射率的作用，金属铝、铂金或金属银的厚度为100纳米，宽度为5微米，长度为250微米；6)在两两氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁之间的二氧化硅层表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银，金属铝、铂金或金属银不但起到增加反射率的作用，同时还当作上电极，金属铝、铂金或金属银的厚度为100纳米，宽度为5微米，长度为250微米。
在工作时，GLV器件处于衍射状态，固定光栅条和可移动光栅条的垂直距离为四分之一波长的长度，这个时候具有一级衍射最大值。光栅光阀就是利用这一点来对入射光进行调制。
权利要求
1.一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列，其特征在于包括硅基底(1)，在硅基底(1)上设有二氧化硅层(2)，在二氧化硅层(2)上等间隔平行设有固定光栅条(3)和可移动光栅条(4)，可移动光栅条(4)为中间悬空的桥梁状，可移动光栅条两端固定在二氧化硅(2)上。
2.如权利要求1所述的一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列，其特征在于所述的硅基底(1)的厚度为250-350微米，二氧化硅层(2)的厚度为0.6-0.8微米。
3.如权利要求1所述的一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列，其特征在于所述的固定光栅条(3)的材料为金属铝、铂金或金属银，固定光栅条(3)的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米。
4.如权利要求1所述的一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列，其特征在于所述的可移动光栅条(4)由氮化硅、单晶硅或多晶硅与金属铝、铂金或金属银组成，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为150-200纳米，宽度为4-6微米，金属铝、铂金或金属银的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，悬梁与二氧化硅层(2)的距离为0.8-1微米，氮化硅、单晶硅或多晶硅的长度为200-300微米，金属铝、铂金或金属银的长度为200-300微米。
5.一种如权利要求1所述的用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列的加工方法，其特征在于包括如下步骤1)在硅基底(1)上生长二氧化硅层(2)，在二氧化硅层(2)上生长硅牺牲层(7)，在硅牺牲层(7)表面生长一层氮化硅、单晶硅或多晶硅(8)；2)在氮化硅、单晶硅或多晶硅(8)表面用匀胶机甩上一层光刻胶(9)；3)在曝光机下，把制作完成刻有图案的掩模板(10)放在光刻胶(9)层上，进行曝光处理；4)曝光处理后，在暗室进行显影操作，去除曝光部分的光刻胶，留下的光刻胶作为保护层，在离子刻蚀机中进行离子刻蚀；5)用化学腐蚀的方法掏空硅牺牲层(7)，得到中间悬空的氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁；6)在氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁上表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银(11)；7)在两两氮化硅、单晶硅或多晶硅悬臂梁之间的二氧化硅层(2)表面蒸镀一层金属铝、铂金或金属银(11)。
6.如权利要求5所述的一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列的加工方法，其特征在于所述的硅基底(1)的厚度为250-350微米，二氧化硅层(2)的厚度为0.6-0.8微米。
7.如权利要求5所述的一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列的加工方法，其特征在于所述的固定光栅条(3)的材料为金属铝、铂金或金属银，厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，长度为200-300微米。
8.如权利要求5所述的一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列的加工方法，其特征在于所述的可移动光栅条(4)由氮化硅、单晶硅或多晶硅与金属铝、铂金或金属银组成，氮化硅、单晶硅或多晶硅的厚度为150-200纳米，宽度为4-6微米，金属铝、铂金或金属银的厚度为80-120纳米，宽度为4-6微米，悬梁与二氧化硅层(2)的距离为0.8-1微米，氮化硅、单晶硅或多晶硅的长度为200-300微米，金属铝、铂金或金属银的长度为200-300微米。
全文摘要
本发明公开了一种用于激光照排的微机电加工光栅光阀阵列及其方法。光栅光阀阵列包括硅基底，在硅基底上设有二氧化硅层，在二氧化硅层上等间隔平行设有固定光栅条和可移动光栅条，可移动光栅条为中间悬空的桥梁状，可移动光栅条两端固定在二氧化硅上。方法是采用硅作为基底，上面再生长一层二氧化硅和硅牺牲层。在牺牲层上生长氮化硅、单晶硅或多晶硅作悬臂梁，利用离子刻蚀工艺刻蚀氮化硅、单晶硅或多晶硅，再用化学腐蚀的方法，掏空牺牲层，最后蒸镀金属铝、铂金或金属银作为反射面兼上电极。本发明作为激光扫描控制器件应用于激光照排系统中。该器件能够实现在激光照排系统上多路并行扫描，大大的提高了激光照排机的打片速度。
文档编号G03F7/00GK101073935SQ20071006942
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月19日 优先权日2007年6月19日
发明者张巍, 侯昌伦, 杨国光 申请人:浙江大学