专利名称：变形镜及其制备方法
技术领域：
本发明属于变形镜的制备加工领域，具体涉及一种基于体硅MEMS加工技术制造的变形镜及其制备方法。
背景技术：
变形镜是一种可用在光学系统中进行光路畸变修正、敌我光电识别等领域的新型光学器件，在军事和民用市场两方面都有良好的前景。参考图1，传统的表面加工工艺制造变形镜通常是利用表面牺牲层工艺，即先在硅衬底上淀积一层介质膜(氮化硅或者二氧化硅)，该层膜是充当绝缘层；在绝缘层上分别淀积第一层多晶硅1、第一层牺牲层和第二层多晶硅2，在对变形镜的控制中多晶硅1和多晶硅2充当静电控制平板电容器的上、下电极板；淀积多晶硅2后，开始淀积第二层牺牲层(PSG)，厚度约为2微米；光刻刻蚀PSG以后，淀积第三层多晶硅3，该层多晶硅3是变形镜的镜面层，经过腐蚀牺牲层，即可制得变形镜，该变形镜得到的镜面与其下的控制电极之间的距离为牺牲层的厚度约为2微米，而其有效的变形范围则不超过这个距离的三分之一，即应该小于700纳米。表面加工变形镜的工艺复杂、成本很高，严重限制了变形镜的应用。
发明内容
本发明克服了上述变形镜及其制备方法的缺陷，提供一种基于体硅MEMS加工技术制得的变形镜及其制备方法，该变形镜的镜面有效变形范围大大增加、工艺简单、经济，既可以制造单一镜面的变形镜也可以制造多个变形镜组成的阵列。
本发明的技术内容一种变形镜，包括镜面单元和控制电极，镜面单元为一硅片，通过刻蚀硅片，镜面单元包括一薄膜镜面和一带有若干个凸台的背腔，控制电极固定在衬底上，将镜面单元与衬底固定连接，镜面单元的凸台与控制电极相对应，两者之间留有间隙。
控制电极的衬底为一玻璃片。
镜面单元的凸台与金属电极板之间的距离为5-6微米。
一种变形镜的制备方法，包括(1)刻蚀硅片，制得镜面单元的薄膜镜面和带有若干个凸台的背腔；(2)预处理衬底，通过金属溅射在衬底上制得控制电极；(3)将镜面单元和衬底对准阳极键合；(4)划片制得成品。
步骤1进一步包括a)硅片热氧化；b)淀积Si3N4掩膜；c)淀积SiO2掩膜；d)淀积Si3N4掩膜；e)第一次光刻；f)过刻蚀Si3N4、过腐蚀SiO2g)第二次光刻；h)过刻蚀Si3N4、过腐蚀SiO2i)KOH深腐蚀硅背腔一次；j)过刻蚀Si3N4、过腐蚀SiO2k)KOH浅腐蚀硅背腔一次；l)刻蚀掉所有的掩膜材料；m)硅正面溅射金属。
步骤2进一步包括a)光刻玻璃一次；b)腐蚀玻璃；c)溅射电极材料；d)剥离金属得到金属电极。
本发明的技术效果与表面工艺制作的变形镜相比，本发明镜面单元与其下的控制电极之间的距离增大若干倍，极大改变了镜面的有效变形范围，提高了变形镜的应用领域，从可见光区扩展到红外光区。且利用刻蚀体硅得到薄膜来充当镜面，可以减小由于应力造成的镜面卷曲，而在表面加工工艺里面是需要通过多层膜来制作镜面，从而在一定程度上缓解了应力造成的镜面卷曲。
本发明的另一优点还在于，通过将镜面和控制电极部分分开制造可以提高制造的灵活性，让控制电极的布局布线更灵活，而且也可以减小单元的面积从而可以提高集成度，既可以形成单一镜面的变形镜也可以形成多个变形镜组成的阵列。
本发明的另一优点还在于，利用阳极键合技术代替倒装焊(Flip-Chip)来组装镜面单元和控制电极，简化了组装的工艺步骤，倒装焊需要额外添加焊料，而阳极键合则不需要。
本发明的另一优点还在于，利用了玻璃替代了硅片来充当控制电极衬底，这样就不需要生长介质层来做隔离层，既简化了工艺又降低了成本。
图1传统工艺制备的变形镜的结构；图2本发明硅片的四层掩膜制作；图3本发明硅片的第一次光刻，掩膜刻蚀；图4本发明硅片的第二次光刻，掩膜刻蚀；图5本发明硅片的第一次KOH深腐蚀；图6本发明硅片的刻蚀掉两层掩膜；图7本发明硅片的第二次KOH浅腐蚀硅；图8本发明硅片的完全刻蚀掉所有掩膜；图9本发明硅片的正面溅射金属层；图10本发明光刻、刻蚀玻璃片；图11本发明在玻璃片上溅射金属；图12本发明在玻璃片上剥离金属得到金属线图形；图13本发明硅片和玻璃片的阳极键合；图14本发明变形镜。
其中，4-氮化硅；5-硅片；6-二氧化硅；7-金属镜面；8-光刻胶；9-玻璃片；10-金属电极；11-薄膜镜面；12-背腔内的凸台。
具体实施例方式
参考图1-图9，镜面单元的制备1.准备硅片采用单面抛光的(100)N型硅片，厚度为400微米2.清洗硅片以后，进行热氧化，二氧化硅的厚度为1000埃3.化学气相淀积(CVD)1000埃～1400埃的氮化硅(Si3N4)4.化学气相淀积(CVD)1000埃的二氧化硅膜5.化学气相淀积(CVD)氮化硅(Si3N4)1000埃6.第一次光刻出键合区7.反应离子刻蚀(RIE)刻蚀掉1000埃的氮化硅膜8.缓冲氢氟酸(BHF)腐蚀1000埃的二氧化硅9.去胶10.第二次光刻，制造出变形镜背面图形11.反应离子刻蚀(RIE)刻蚀掉氮化硅膜12.用缓冲氢氟酸(BHF)腐蚀掉二氧化硅13.去胶14.用氢氧化钾(KOH)腐蚀硅衬底，留下50微米厚的硅膜15.清洗去钾离子16.反应离子刻蚀掉最上面的氮化硅层和氧化硅层17.继续用KOH腐蚀5微米的硅18.清洗去钾离子19.用缓冲氢氟酸(BHF)腐蚀掉所有剩下的掩膜层。
参考图10-图12，控制电极的制备1.准备玻璃片pyrex77402.光刻玻璃得到金属电极图形3.用缓冲氢氟酸(BHF)腐蚀玻璃1200埃4.溅射电极材料钛/铂/金(Ti/Pt/Au)，厚度1600埃(400/300/900)5.利用丙酮溶液剥离得到金属线图形参考图13，将硅片与玻璃进行阳极键合，条件电压-1000伏，温度380摄氏度。
参考图14，本发明制备的变形镜为包括镜面单元和控制电极，镜面单元为一硅片5，通过刻蚀硅片制得一薄膜镜面11和一带有若干个凸台12的背腔，在薄膜镜面11表面上溅射一金属层，控制电极10固定在玻璃片衬底9上，硅片上的凸台12与控制电极10相对应，呈规则排列，两者之间留有间隙，其间距为5-6微米。将硅片5和玻璃片9对准阳极键合，使镜面单元与控制电极的衬底固定连接。
权利要求
1.一种变形镜，包括镜面单元和控制电极，其特征在于镜面单元为一硅片，通过刻蚀硅片，镜面单元包括一薄膜镜面和一带有若干个凸台的背腔，控制电极固定在衬底上，将镜面单元与衬底固定连接，镜面单元的凸台与控制电极相对应，两者之间留有间隙。
2.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于控制电极的衬底为一玻璃片。
3.如权利要求1或2所述的变形镜，其特征在于镜面单元的凸台与金属电极板之间的距离为5-6微米。
4.如权利要求1所述的变形镜，其特征在于在薄膜镜面的外表面上溅射一金属层。
5.一种变形镜的制备方法，包括(1)刻蚀硅片，制得镜面单元的薄膜镜面和带有若干个凸台的背腔；(2)预处理衬底，通过金属溅射在衬底上制得控制电极；(3)将镜面单元和控制电极的衬底对准阳极键合；(4)划片制得成品。
6.如权利要求5所述的变形镜的制备方法，其特征在于步骤1进一步包括a)硅片热氧化；b)淀积Si3N4掩膜；c)淀积SiO2掩膜；d)淀积Si3N4掩膜；e)第一次光刻；f)过刻蚀Si3N4、过腐蚀SiO2g)第二次光刻；h)过刻蚀Si3N4、过腐蚀SiO2i)KOH深腐蚀硅背腔一次；j)过刻蚀Si3N4、过腐蚀SiO2k)KOH浅腐蚀硅背腔一次；l)刻蚀掉所有的掩膜材料；m)硅正面溅射金属。
7.如权利要求5或6所述的变形镜的制备方法，其特征在于步骤2进一步包括a)光刻玻璃一次；b)腐蚀玻璃；c)溅射电极材料；d)剥离金属得到金属电极。
全文摘要
本发明提供了一种变形镜及其制备方法，属于变形镜加工制备领域。该变形镜包括镜面单元和控制电极，镜面单元为一硅片，通过刻蚀硅片，镜面单元包括一薄膜镜面和一带有若干个凸台的背腔，控制电极固定在衬底上，通过阳极键合将镜面单元与衬底固定连接，镜面单元的凸台与控制电极相对应，两者之间留有间隙。与表面工艺制作的变形镜相比，本发明增大了镜面的有效变形范围，大大提高了变形镜的应用领域，且利用刻蚀体硅方法制得薄膜来充当镜面，可以减小由于应力造成的镜面卷曲。
文档编号G02B26/08GK1690765SQ200410009049
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月27日 优先权日2004年4月27日
发明者郝一龙, 杜先锋, 张大成, 余宏斌, 李婷, 王玮 申请人:北京大学