專利名稱：反射式光柵光閥及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反射式光柵光閥及其加工方法，屬于一種光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高解析度激光雕刻裝備廣泛用于高品質(zhì)印刷和防偽包裝領(lǐng)域，具有解析度高、掃描速度快等特點(diǎn)。激光雕刻裝備一般采用微機(jī)電加工的多路光調(diào)制器件，要求該器件具有高的光效率、消光比和響應(yīng)速度。現(xiàn)有技術(shù)的微機(jī)電加工的多路光調(diào)制器件主要有兩種。其一是基于懸臂梁或絞鏈結(jié)構(gòu)的光偏轉(zhuǎn)器件,典型的為Texas Instruments公司的DMD器件。DMD器件的轉(zhuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)量較大，且懸臂梁和絞鏈結(jié)構(gòu)的固有頻率低，因此DMD 器件的響應(yīng)頻率一般低于IOOkHz。其二是基于衍射效應(yīng)的光柵光閥器件,典型的為Silicon Light Machine公司的光柵光閥(GLV)。光柵光閥(GLV)由固定光柵條和可移動(dòng)光柵條組成，依靠靜電驅(qū)動(dòng)改變可移動(dòng)光柵條的形狀，對入射光的強(qiáng)度和反射方向進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)調(diào)制。其對每路光的調(diào)制均需通過驅(qū)動(dòng)多個(gè)可移動(dòng)光柵條變形，使固定光柵條與可移動(dòng)光柵條的反射光之間產(chǎn)生相位差，從而發(fā)生衍射現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)。因此，盡管該器件的制作采用技術(shù)成熟的光刻以及干濕法刻蝕方法，但由于其光柵條的尺寸小、精度高，因此加工工藝仍顯復(fù)雜，成品率較低。同時(shí)， 光柵光閥(GLV)的光效率和消光比較低，使用其零級光時(shí)，消光比較低；使用其一級光時(shí)， 其一級光束的能量均低于50%，光效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足高解析度激光雕刻裝備對多路光調(diào)制器件的技術(shù)要求，克服現(xiàn)有微機(jī)電加工的光柵光閥器件的不足，本發(fā)明由可移動(dòng)光柵條、二氧化硅層、以及硅基底組成，可移動(dòng)光柵條在靜電驅(qū)動(dòng)下發(fā)生變形，形成柱面鏡，對入射光實(shí)現(xiàn)反射，目的在于提供一種具有高光效率、高消光比和高響應(yīng)速度，而且加工工藝簡單的反射式光柵光閥器件。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是所述的反射式光柵光閥它主要由硅基底、二氧化硅層和可移動(dòng)光柵條組成，所述的硅基底上設(shè)有二氧化硅層，在二氧化硅層上設(shè)有多個(gè)可移動(dòng)光柵條，所述的可移動(dòng)光柵條間相互平行且等間隔布置，可移動(dòng)光柵條呈中間懸空的橋梁狀，其兩端分別固定于二氧化硅層上。所述的可移動(dòng)光柵條由氮化硅梁和金屬反射層構(gòu)成，氮化硅梁采用低應(yīng)力氮化硅材料制成，其上設(shè)有既作為反射層以增大可移動(dòng)光柵條的反射度、同時(shí)也作為其上電極的
金屬反射層。所述氮化硅梁的厚度為100-200nm，寬度為25-100 μ m,長度為150-300 μ m ;氮化硅梁與二氧化硅層之間的中間懸空間距為O. 5-1 μ m ;所述金屬反射層的材料選用金屬鋁或金屬銀構(gòu)成，其厚度為50-100nm，寬度為25-100 μ m,長度為150-300 μ m ;相鄰兩個(gè)可移動(dòng)光柵條之間的距離為O. 5-1 μ m。所述的硅基底的厚度為200-350 μ m ;所述二氧化硅層的厚度為O. 6-0. 8 μ m。
一種如上所述的反射式光柵光閥的加工方法，該加工方法包括以下步驟I)、在硅基底上生長二氧化硅層，在二氧化硅層上生長硅犧牲層，在硅犧牲層上生長氮化娃層；2)、用離子蝕刻法對氮化硅層進(jìn)行離子蝕刻，留下氮化硅梁部分；3)、用化學(xué)腐蝕法對犧牲層進(jìn)行腐蝕，掏空犧牲層，得到中間懸空、兩端固定在二氧化硅層上的氮化硅梁；4)、在氮化硅梁的表面蒸鍍一層金屬反射層。本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果I、采用可移動(dòng)光柵條反射法，光效率和消光比高；2、每個(gè)可移動(dòng)光柵條調(diào)制一路光，減少了光柵條的數(shù)量，降低了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度、以及加工和封裝的難度；3、由于形成有效柱面鏡所需的可移動(dòng)光柵條的變形非常小，且低應(yīng)力氮化硅材料的彈性模量高，熱膨脹系數(shù)低，因此器件的驅(qū)動(dòng)電壓低，響應(yīng)快，可耐受的光強(qiáng)高；4、可移動(dòng)光柵條數(shù)量可達(dá)512以上，可同時(shí)對512路以上的光進(jìn)行控制，成像速度5、光斑尺寸小，且呈正方形，成像質(zhì)量高。因此本發(fā)明可應(yīng)用于高品質(zhì)印刷和防偽包裝領(lǐng)域的高解析度激光雕刻裝備，作為其多路光調(diào)制器件。


圖I為本發(fā)明的立體示意圖；圖2(a)為本發(fā)明未加電時(shí)的截面示意圖；圖2(b)為本發(fā)明加電時(shí)的截面示意圖；圖3為本發(fā)明加工方法的流程圖；圖4為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例激光雕刻裝備的光學(xué)原理示意圖。圖中1.娃基底,2. 二氧化娃層,3.可移動(dòng)光柵條,4.氮化娃梁,5.金屬反射層，
6.光闌，7.狹縫,8.氮化娃層,9.犧牲層，10.反射式光柵光閥，11.入射光線，12.線狀激光器，13.加電可移動(dòng)光柵條之反射光線，14.透鏡組,15.感光材料,16.棍筒,17.未加電可移動(dòng)光柵條之反射光線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I所示，本發(fā)明主要由硅基底I、二氧化硅層2和可移動(dòng)光柵條3組成，所述的硅基底I上設(shè)有二氧化娃層2,在二氧化娃層2上設(shè)有多個(gè)可移動(dòng)光柵條3,所述的可移動(dòng)光柵條3間相互平行且等間隔布置，可移動(dòng)光柵條3呈中間懸空的橋梁狀，其兩端分別固定于二氧化硅層2上。所述的可移動(dòng)光柵條3由氮化硅梁4和金屬反射層5構(gòu)成，氮化硅梁4采用低應(yīng)力氮化硅材料制成，其上設(shè)有既作為反射層以增大可移動(dòng)光柵條的反射度、同時(shí)也作為其上電極的金屬反射層5。
圖2(a)、圖2(b)所示，所述的硅基底I的厚度為200-350 μ m。所述的二氧化硅層2 的厚度為O. 6-0. 8 μ m。所述的可移動(dòng)光柵條3包括氮化娃梁4和金屬反射層5 ;氮化娃梁4 采用低應(yīng)力氮化硅材料，氮化硅梁4上設(shè)有金屬反射層5 ;氮化硅梁4的厚度為100-200nm， 寬度為25-100 μ m,長度為150-300 μ m ;氮化硅梁4與二氧化硅層2的間距為O. 5-1 μ m ;金屬反射層5的材料一般采用金屬鋁或金屬銀，其厚度為50-100nm，寬度為25-100 μ m，長度為150-300 μ m，金屬反射層5既作為反射層以增大可移動(dòng)光柵條的反射度，同時(shí)也作為其上電極；相鄰兩個(gè)可移動(dòng)光柵條3之間的距離為O. 5-1 μ m。反射式光柵光閥基于光的反射原理進(jìn)行工作，采用簡單、穩(wěn)定的材料如硅、二氧化硅和氮化硅材料，并采用光刻、離子刻蝕等半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)行加工。在上電極與基底電極間不加電時(shí)，可移動(dòng)光柵條3處于非工作狀態(tài)，不發(fā)生變形，金屬反射層5將入射在其表面的光線直接反射，絕大部分反射光被光闌6擋住。當(dāng)上電極與基底下電極之間施加一定的電壓時(shí)，在靜電驅(qū)動(dòng)下，氮化硅梁4發(fā)生彎曲變形，帶動(dòng)金屬反射層5變形，形成柱面鏡，入射在該柱面鏡上的光線被反射并聚焦，絕大部分反射光穿過光闌6的狹縫7 ;施加在上電極與基底下電極之間電壓越高，氮化硅梁4的變形量越大，因此可通過調(diào)整所施加的電壓幅值，調(diào)整透過光闌6的光強(qiáng)。反射式光柵光閥的特點(diǎn)之一是進(jìn)行有效調(diào)制所需的可移動(dòng)光柵條3的變形量非常小，僅需I μ m以下，而氮化硅梁4所采用的低應(yīng)力氮化硅材料具有彈性模量高、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，因此所需的驅(qū)動(dòng)電壓低，響應(yīng)速度快，可耐受的光強(qiáng)高。當(dāng)可移動(dòng)光柵條3的長度為1，加電后可移動(dòng)光柵條3的變形量為△時(shí)，根據(jù)光學(xué)原理可得柱面鏡的曲率半徑為R= 12/8Λ，柱面鏡的焦距為f = 12/16Δ ;狹縫7越寬，反射式光柵光閥的光效率越高， 而消光比則越低。圖3所示，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案還包括如上所述的反射式光柵光閥的加工方法，包括以下步驟I)、在硅基底I上生長二氧化硅層2，在二氧化硅層2上生長硅犧牲層9，在硅犧牲層9上生長氮化娃層8 ；2)、用離子蝕刻法對氮化硅層8進(jìn)行離子蝕刻，留下氮化硅梁部分；3)、用化學(xué)腐蝕法對犧牲層9進(jìn)行腐蝕，掏空犧牲層9，得到中間懸空、兩端固定在二氧化硅層上的氮化硅梁4 ；4)、在氮化硅梁4的表面蒸鍍一層金屬反射層5。實(shí)施例本實(shí)施例取可移動(dòng)光柵條數(shù)量為512，硅基底I的厚度為300 μ m, 二氧化硅層2的厚度為O. 6 μ m，氮化硅梁4的厚度為200nm，寬度為50 μ m,長度為200 μ m,氮化硅梁4與二氧化娃層2的間距為I μ m,金屬反射層5的厚度為60nm,寬度為50 μ m,長度為200 μ m,相鄰兩個(gè)可移動(dòng)光柵條的間距為I μ m,狹縫7的寬度為5 μ m,長度為30mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明實(shí)施例反射式光柵光閥10的光效率為75%，消光比為50 1，工作頻率達(dá)300kHz。將本發(fā)明實(shí)施例反射式光柵光閥10作為多路光調(diào)制器件應(yīng)用于高解析度激光雕刻裝備，其光學(xué)原理如圖4所示。線狀激光器12發(fā)出的線狀激光11入射在反射式光柵光閥10上,未施加電壓的可移動(dòng)光柵條之反射光線17的絕大部分被光闌6擋住,施加電壓后發(fā)生形變的可移動(dòng)光柵條之反射光線13穿過光闌6上的狹縫7，經(jīng)透鏡組14聚焦后掃描涂布于輥筒16表面上的感光材料15。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該激光雕刻裝備的解析度達(dá)10160DPI， 雕刻I平米僅需5分鐘，適用于高品質(zhì)印刷和防偽包裝。
權(quán)利要求
1.一種反射式光柵光閥，它主要由娃基底(I)、二氧化娃層⑵和可移動(dòng)光柵條⑶組成，其特征在于所述的硅基底(I)上設(shè)有二氧化硅層(2)，在二氧化硅層(2)上設(shè)有多個(gè)可移動(dòng)光柵條(3)，所述的可移動(dòng)光柵條(3)間相互平行且等間隔布置，可移動(dòng)光柵條(3)呈中間懸空的橋梁狀，其兩端分別固定于二氧化硅層(2)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的反射式光柵光閥，其特征在于所述的可移動(dòng)光柵條(3)由氮化硅梁(4)和金屬反射層(5)構(gòu)成，氮化硅梁(4)采用低應(yīng)力氮化硅材料制成，其上設(shè)有既作為反射層以增大可移動(dòng)光柵條的反射度、同時(shí)也作為其上電極的金屬反射層(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射式光柵光閥，其特征在于所述氮化硅梁(4)的厚度為 100-200nm,寬度為25-100μπι，長度為150-300 μ m ;氮化硅梁與二氧化硅層之間的中間懸空間距為O. 5-1 μ m;所述金屬反射層(5)的材料選用金屬鋁或金屬銀構(gòu)成，其厚度為 50-100nm，寬度為25-100 μ m，長度為150-300 μ m ;相鄰兩個(gè)可移動(dòng)光柵條(3)之間的距離為 O. 5-1 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的反射式光柵光閥，其特征在于所述的硅基底(I)的厚度為 200-350 μ m ;所述二氧化硅層2的厚度為O. 6-0. 8 μ m。
5.—種如權(quán)利要求I或2或3或4所述的反射式光柵光閥的加工方法,其特征在于所述的加工方法包括以下步驟1)、在硅基底I上生長二氧化硅層(2)，在二氧化硅層(2)上生長硅犧牲層(9)，在硅犧牲層(9)上生長氮化硅層(8)；2)、用離子蝕刻法對氮化硅層(8)進(jìn)行離子蝕刻，留下氮化硅梁部分；3)、用化學(xué)腐蝕法對犧牲層(9)進(jìn)行腐蝕，掏空犧牲層(9)，得到中間懸空、兩端固定在二氧化硅層上的氮化硅梁(4)；4)、在氮化娃梁(4)的表面蒸鍍一層金屬反射層(5)。
全文摘要
一種反射式光柵光閥及其加工方法，所述的反射式光柵光閥主要由硅基底、二氧化硅層和可移動(dòng)光柵條組成，所述的硅基底上設(shè)有二氧化硅層，在二氧化硅層上設(shè)有多個(gè)可移動(dòng)光柵條，所述的可移動(dòng)光柵條間相互平行且等間隔布置，可移動(dòng)光柵條呈中間懸空的橋梁狀，其兩端分別固定于二氧化硅層上；加工方法是在硅基底上生長二氧化硅層，在二氧化硅層上生長硅犧牲層，在硅犧牲層上生長氮化硅層；用離子蝕刻法對氮化硅層進(jìn)行離子蝕刻，留下氮化硅梁部分；用化學(xué)腐蝕法對犧牲層進(jìn)行腐蝕，掏空犧牲層，得到中間懸空、兩端固定在二氧化硅層上的氮化硅梁；在氮化硅層的表面蒸鍍一層金屬鋁或金屬銀作為金屬反射層和上電極；它具有高光效率、高消光比和高響應(yīng)速度，而且加工工藝簡單，可作為其多路光調(diào)制器件，應(yīng)用于高品質(zhì)印刷和防偽包裝領(lǐng)域的高解析度激光雕刻裝備。
文檔編號B41J2/435GK102602160SQ201210061108
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者方平 申請人:方平