基于体硅键合技术的悬臂微桥可调谐红外滤波器及其制备方法

本发明涉及红外光谱探测集成芯片领域中所需的核心光学元件动态滤波器，涉及一种基于体硅键合工艺的大面积悬臂微桥静电调谐红外滤波器及其制备方法。

背景技术：

1、红外探测技术具有作用距离远、抗干扰性好、穿云透雾能力强、全天时工作等优点，在航天遥感、军事装备、天文探测、安全检测等方面都有广泛应用随着各国对红外技术的投入与科技树攀升，二代、三代红外光焦平面探测器已大规模进入装备，高端三代也在逐步推进实用化，并逐渐形成对第四代焦平面技术的雏形探讨——片上多功能智能化集成探测(光谱、偏振、相位、时间、空间等多维度集成)。光谱集成探测作为其中分支之一，是重点研究领域。针对传统红外探测芯片单一强度探测模式缺陷，对目标的空间二维成像(x,y)，在复杂环境中无法规避干扰波段形成主动探测能力，无法满足伪装、遮蔽等场景下目标清晰识别的需求。新一代红外光谱集成探测芯片，充分利用红外光谱的“指纹识别”特性，以强度探测为基础融红外光谱信息，进行图谱合一的多维光谱探测技术(x，y，λ)，是提高目标识别能力和抗环境干扰能力的有效途径。集成的高性能光谱集成探测技术研究，核心关键技术——动态调谐滤波器。

2、近年来以美国、德国为主导的发达国家对此关键技术进行大力研究。目前主要技术路线集中于基于法布里-珀罗(f-p)原理的悬空微桥滤波方案。在上下电极电压偏置下由静电力相互吸引作用改变悬空高度而调节滤波腔长，从而实现对滤波的主动选择。基于现有微表面牺牲层技术的一体化加工路线，存在以下缺陷：一方面，由于悬空结构的特殊性，在温度、压力等外部环境影响下，上桥面容易发生倾斜、弯曲，尤其在真空、低温环境下使用，桥面存在应力失配等问题，因此难以在制冷型红外探测器中集成并有效使用；另一方面，由于微表面器件的一体化加工，导致面积一般不会超过毫米量级，无法覆盖整个红外焦平面芯片。如文章《mems-based tunable fabry–perot filters for adaptivemultispectral thermal imaging》(journal of microelectromechanical systems,2016,25(1):227-235.)基于表面微加工牺牲层技术制作了一体结构的动态滤波器。

3、现有技术中存在以下技术问题：

4、1、传统基于表面牺牲层技术制作的微f-p滤波器，存在有效滤波面积有限，面积无法达到厘米量级的限制；

5、2、传统基于表面牺牲层技术制作的微f-p滤波器，存在在真空、低温下悬臂结构容易坍塌问题，无法与制冷型红外探测器集成使用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，提高悬空平板的稳定性与平衡性，以及增大滤波器的透光面积，满足低温真空环境下与制冷型红外探测芯片集成使用条件，本发明提供一种基于体硅键合工艺的大面积悬臂微桥静电调谐红外滤波器及其制备方法。围绕力、电、光多物理场耦合模拟，对该结构的结构力学进行研究，首先对等效应力集中处拐角、固定处进行结构改进，引入圆弧悬臂结构，利用深硅刻蚀技术在体硅上进行一体化加工释放出悬臂梁。其次，采用铟柱键合方法，得到一体化滤波器样品，保证整理桥面的受力均匀、桥面位移一致性高的目标。

2、本发明的目的是提供一种可在低温真空环境下使用的大面积悬臂微桥光谱可调滤波器及制备方法。

3、本发明的技术解决方案如下：

4、一方面，本发明提供一种基于体硅键合技术的圆弧型悬臂微桥结构可调谐红外滤波器，包括静镜和动镜，其特点在于，所述静镜和动镜通过铟球互联键合为一体，中间形成空腔，利用静电力作用实现动态可调谐功能；

5、所述静镜包括静镜硅衬底层、位于该静镜硅衬底层上的金电极层和静镜滤波区域，以及多根铟柱梁；所述金电极层由多组电极组构成，每组电极组由第一电极和第二电极组成，所述第一电极靠近所述静镜滤波区域的一端呈圆形，上方设置所述铟柱梁，用于与所述动镜t导电，所述第二电极的一端与所述第一电极对应，另一端呈圆弧状围绕所述静镜滤波区域；所述静镜滤波区域呈圆形，且位于所述第二电极圆弧端围绕而成的圆形中央；

6、所述动镜t包括动镜硅衬底层、以及位于该动镜硅衬底层上的悬臂梁电极层和动镜滤波区域；所述悬臂梁电极层由多组与所述电极组数量相同的臂梁电极组构成，每组臂梁电极组由依次连接的第一悬臂梁电极、第二悬臂梁电极和第三悬臂梁电极连接成圆弧形，各个臂梁电极组相互嵌套围绕成圆形，所述动镜滤波区域呈圆形，且位于所述臂梁电极组围绕而成的圆形中央；所述动镜硅衬底层划分为固定区域、悬臂梁区域和桥面区域；所述第一悬臂梁电极位于所述悬臂梁区域上，并与所述铟柱梁相对应形成支撑结构；所述第二悬臂梁电极位于所述悬臂梁区域上，所述第三悬臂梁电极一部分位于所述桥面区域上，另一部分位于固定区域上。

7、进一步，所述铟柱梁与所述第一悬臂梁电极键合，使所述动静与静镜键合为一体；所述静镜滤波区域与动镜滤波区域相对应构成悬空的空腔结构，在偏置电压作用下，利用静电力降低悬臂梁区域和桥面的高度，实现滤波波长随腔长高度的调谐。

8、优选的，所述电极组为三组，所述铟柱梁为三根，所述臂梁电极组为三组。

9、另一方面，本发明还提供一种制备所述基于体硅键合技术的圆弧型悬臂微桥结构可调谐红外滤波器的方法，其特点在于，包括如下步骤：

10、步骤1.静镜制作

11、①在静镜硅衬底层上用光刻剥离工艺，形成金底电极层，该金电极层由多组电极组构成，每组电极组由第一电极和第二电极组成，所述电极组呈圆弧形排列，用于施加静电偏置电压；

12、②在静镜硅衬底层的中间区域，利用磁控溅射方法生长静镜滤波区域；

13、③通过光刻剥离工艺在所述金底电极层的第一电极上生长铟柱梁，用于与动镜的电极相连构成电路通路；

14、步骤2.动镜制作

15、①在动镜硅衬底层上通过光刻剥离工艺制作悬臂梁电极层，该悬臂梁电极层由多组与所述电极组数量相同的臂梁电极组构成，每组臂梁电极组由依次连接的第一悬臂梁电极、第二悬臂梁电极和第三悬臂梁电极连接成圆弧形，所述第一悬臂梁电极的形状、位置与所述铟柱梁的形状、位置相对应，所述第二悬臂梁电极与悬臂梁区域位置对应，第三悬臂梁电极的形状、位置与第二电极的形状、位置相对应，各臂梁电极组相互嵌套围绕成圆形；

16、②在动镜硅衬底层采用磁控溅射方法生长动镜滤波区域；

17、③采用深硅刻蚀方法将动镜硅衬底层刻穿，形成固定区域、悬臂梁区域和桥面区域，所述第二悬臂梁电极位于所述悬臂梁区域位置属于上下重叠关系，且所述悬臂梁区域的一端与所述固定区域相连，另一端与所述桥面区域相连；

18、步骤3.键合

19、将所述铟柱梁与所述第一悬臂梁电极键合，使所述动静与静镜键合为一体，中间形成悬空的空腔结构。在偏置电压作用下可以调谐悬臂梁区域和桥面的高度，改变空腔结构高度，从而实现滤波波长随高度的调谐。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

21、1、本发明的圆弧形微桥结构有效解决现有技术基于微表面牺牲层技术制作的动态可调滤波器存在应力过大且集中导致结构翘曲、倾斜、坍塌等问题，采用动镜和静镜独立加工制作，并利用铟互联的方式粘合为一体，形成静电压驱动可调谐的f-p滤波器结构。静镜上的电极构成电容回路，通过施加偏振电压使上下极集聚正负电荷产生吸引位移，最终达到滤波器滤波范围改变的目的。使悬臂微桥结构更加稳定，能够在真空和低温环境下保持长时间稳定性。

22、2、采用铟粘合的工艺实现动、静镜集成一体，能保证大面积(mm尺寸)整体桥面一致性，且桥面总体应力均匀。本发明能保证整体桥面大面积的滤波区域，中心圆形悬空桥面的最大直径5.4mm。有效解决利用牺牲层技术透光面积有限等缺陷。

23、3、满足真空、低温冲击下的使用条件。可用于制冷型红外探测器表面集成滤波片，获得紧凑片上集成的动态滤波调谐的探测功能。