一种光学微机电结构及其制作方法与流程

本发明属于微机电系统，涉及一种光学微机电结构及其制作方法。

背景技术：

1、在过去的几十年中，微机电系统(mems)技术被认为是当代最有前途的技术之一，被广泛用于各个领域。mems技术通过将硅基微电子技术与微机械加工技术相结合，促使研究领域和工业领域发生了革命性的变化。其中，光学mems(optomems)传感器将光学元件集成到传统mems技术中，将mems传感器的优势与光学检测的特点相结合。

2、与传统mems传感器相比，optomems传感器具有不可替代的特性，包括快速响应、高精度和抗电磁干扰(emi)干扰。因此，optomems传感器已在广泛的应用中得到大量的研究，包括但不限于陀螺仪、传感仪和加速度计。然而，由于光微机电器件的小型化，噪声管理已经成为提高光微机电传感器性能的最重要因素之一。

3、其中热机械噪声在限制光微机电传感器的性能方面占主导地位。因此，如何降低光电传感器中的机械热噪声，对于实现高灵敏度的光学机电系统传感器是至关重要的。值得注意的是，在optomems系统中引入大质量的检测质量块可以大幅度降低热噪声的水平。此外，通过增加测试质量的大小，在较低的机械品质因数(q)时，仍可保持极高的机械-热噪声分辨率，这增大了optomems器件设计和制作的灵活性，并降低了工艺要求。通过增加测量质量块，可以在大气压下进行封装，以此减轻常用的低压封装的复杂性，并且产量也随着较低的机械品质因数的要求而增加。

4、对于悬浮检测质量块的制作，涉及光刻、多用途湿法腐蚀、等离子体腐蚀和微机械加工技术。通常，简单的制作方法倾向于在xy方向上扩大检测质量块的尺寸来增大检测质量块的质量，但这种方法效率低、耗时且低精确度。此外，检测质量块在xy方向面积的增大，也会导致光电传感器的稳定性的降低，进而影响光电传感器的性能。

5、因此，如何提供一种具有大质量检测块的光学微机电结构及其制作方法，以通过大质量检测块提高传感器性能，并提高大质量检测块的制造工艺兼容度以利于大规模制造，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

6、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学微机电结构及其制作方法，用于解决现有光学微机电结构的灵敏度低、稳定性差、制作工艺复杂、精确度不高等问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光学微机电结构，包括：

3、检测质量块，包括在z方向上依次层叠的底层、中间层及顶层；

4、多条下层支撑系绳，分布于所述检测质量块的x方向两侧并与所述底层连接；

5、多条上层支撑系绳，分布于所述检测质量块的x方向两侧并与所述顶层连接；

6、悬浮波导，位于所述检测质量块的y方向一侧；

7、光学谐振腔，包括沿y方向排列且间隔设置的第一光学晶体条及第二光学晶体条，所述第一光学晶体条连接于所述检测质量块，所述第二光学晶体条连接于所述悬浮波导，所述x方向、所述y方向及所述z方向相互垂直。

8、可选地，所述检测质量块沿x方向的长度范围是40微米-200微米，沿y方向的宽度范围是40微米-200微米。

9、可选地，所述底层沿z方向的厚度范围是100纳米-300纳米，所述中间层沿z方向的厚度范围是300微米-500微米，所述上层沿z方向的厚度范围是100纳米-300纳米。

10、可选地，所述底层包括氮化硅层，所述中间层包括硅层，所述顶层包括氮化硅层。

11、可选地，所述下层支撑系绳为沿x方向延伸的直线型，所述上层支撑系绳为沿x方向延伸的直线型。

12、可选地，所述检测质量块的x方向每一侧的所述下层支撑系绳的数量为30个-5000个，所述检测质量块的x方向每一侧的所述上层支撑系绳的数量为30个-5000个。

13、可选地，所述下层支撑系绳沿x方向的长度范围是300毫米-700毫米，沿y方向的宽度范围是300纳米-500纳米，沿z方向的厚度范围是100纳米-300纳米；所述上层支撑系绳沿x方向的长度范围是300毫米-700毫米，沿y方向的宽度范围是300纳米-500纳米，沿z方向的厚度范围是100纳米-300纳米。

14、可选地，所述光学谐振腔包括缺陷区域及镜子区域，所述镜子区域分布于所述缺陷区域的x方向两侧。

15、可选地，所述镜子区域还分布于所述缺陷区域的y方向两侧。

16、可选地，所述光学微机电结构应用于加速度计或陀螺仪。

17、本发明还提供一种光学微机电结构的制作方法，包括以下步骤：

18、提供一叠层结构，所述叠层结构包括在z方向上依次层叠的第一材料层、第二材料层及第三材料层；

19、图形化所述第三材料层以得到检测质量块的顶层，并得到悬浮波导、光学谐振腔及多条上层支撑系绳，所述悬浮波导位于所述检测质量块的y方向一侧，多条所述上层支撑系绳分布于所述检测质量块的x方向两侧并与所述顶层连接，所述光学谐振腔包括沿y方向排列且间隔设置的第一光学晶体条及第二光学晶体条，所述第一光学晶体条连接于所述检测质量块，所述第二光学晶体条连接于所述悬浮波导，所述x方向、所述y方向及所述z方向相互垂直；

20、图形化所述第一材料层以得到所述检测质量块的底层，并得到多条下层支撑系绳，所述下层支撑系绳与所述上层支撑系绳在xy平面上的垂直投影位置相同；

21、从所述叠层结构具有所述第一材料层的一面刻蚀所述第二材料层以去除所述第二材料层未被所述下层支撑系绳遮挡的部分；

22、去除所述第二材料层位于所述下层支撑系绳与所述上层支撑系绳之间的部分，所述第二材料层位于所述顶层与所述底层之间未被去除的部分作为所述检测质量块的中间层。

23、可选地，所述第一材料层包括氮化硅层，所述第二材料层包括硅层，所述第三材料层包括氮化硅层。

24、可选地，图形化所述第三材料层的方法包括电感耦合等离子体刻蚀法，刻蚀气体包括c4f8与sf6的混合气体；图形化所述第一材料层的方法包括电感耦合等离子体刻蚀法，刻蚀气体包括c4f8与sf6的混合气体；从所述叠层结构具有所述第一材料层的一面刻蚀所述第二材料层以去除所述第二材料层未被所述下层支撑系绳遮挡的部分的方法包括bosch刻蚀法，刻蚀气体包括交替使用c4f8和sf6；去除所述第二材料层位于所述下层支撑系绳与所述上层支撑系绳之间的部分的方法包括各向同性干法刻蚀，刻蚀气体包括xef2。

25、如上所述，本发明的光学微机电结构包括检测质量块、多条下层支撑系绳、多条上层支撑系绳、悬浮波导及光学谐振腔，其中，检测质量块包括在z方向上依次层叠的底层、中间层及顶层，多条下层支撑系绳分布于检测质量块的x方向两侧并与底层连接，多条上层支撑系绳分布于检测质量块的x方向两侧并与顶层连接，悬浮波导位于检测质量块的y方向一侧，光学谐振腔包括沿y方向排列且间隔设置的第一光学晶体条及第二光学晶体条，第一光学晶体条连接于检测质量块，第二光学晶体条连接于悬浮波导。本发明的光学微机电结构的检测质量块为三层结构，在z方向上扩大了检测质量块的尺寸，可以在检测质量块所占面积一定的情况下极大增加检测质量块的质量，从而可以减少由热-机械噪声造成的影响，增进光学微机电结构的性能和灵敏度。另外，当检测质量块的尺寸在xy方向上增加时，单层纳米系绳系统容易失去其稳定性而导致各种机械模式的干扰，而本发明通过多条下层支撑系绳及多条上层支撑系绳来增强稳定性，有利于单模操作，且下层支撑系绳及上层支撑系绳还可以结合检测质量块实现数百赫兹到数万赫兹的机械谐振频率的灵活调节。本发明的光学微机电结构的制作方法兼容于cmos工艺，易于大规模制造，且可以实现更精确的图案。