微机电系统及纳米技术大作业--微型光栅

微机电系统及纳米技术

大作业

题目：微型光栅

目录

摘要 (2)

关键词 (3)

引言 (3)

衍射光栅 (4)

衍射光栅概念 (4)

传统衍射光栅的技术发展 (4)

硅光栅技术（） (5)

硅光栅的加工制作方法 (5)

硅光栅的体硅制作工艺 (6)

硅光栅的表面硅制作工艺 (6)

硅光栅的应用 (7)

MEMS微型可编程光栅（） (8)

可编程光栅结构原理 (8)

微型可编程光栅的工艺 (9)

微型可编程光栅的发展现状 (10)

总结 (11)

参考文献 (12)

摘要

基于光栅技术的光谱分析在物理、化学、天文、生物、冶金学及其他分析领域起着重要的作用。随着科学技术的发展，对光栅技术提出了更高的要求，对新型光栅的研究也受到更加广泛的重视。

随着硅微加工技术的迅速发展，带动了微电子科学的进步，计算机及其它各种电子产品已成为人类不可缺少的工具。与微电子产品相兼容的集成化、微型化的产品为传统的仪器及设备打开了新的应用空间，因而出现了微机械、微光学等在技术上与硅微加工工艺相兼容的新学科。而光栅在微观上的周期性，硅作为晶体材料结构上的特殊性及其加工工艺的兼容性，使人们开始尝试在硅基材料上制作光栅的可能性。1975年W．Tang和S．Wang首次在论文中报道了利用硅加工技术制作光栅m，从此硅光栅被应用在许多不同的领域。

MEMS技术的出现与发展提供了能根据实际情况实时改变结构参数的光栅，即MEMS微型可编程光栅。这种光栅通过静电驱动的方式实现对光栅的结构单元，微变形梁的编程控制。MEMS微型可编程光栅不仅扩展了光栅在传统领域发挥巨大作用，同时促进其在光通讯等领域的广泛应用。因此，对MEMS微型可编程光栅的研究具有重要的研究意义。

本文对硅光栅和MEMS可编程光栅进行了简单的介绍，主要包括其工作原理及结构组成，加工方法，工艺流程及其中的关键工艺，最后简单说明了微型光栅的应用领域、实际应用情况及可能的应用前景。

关键词

微机电系统，硅光栅，微型可编程光栅

引言

光谱是各个波长光波的有序排列。而光谱分析学则是研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用的学科。一直以来，基于衍射光栅的光谱分析技术在物理研究中一直占有重要地位。特别是近年来随着科学技术的发展，光栅光谱技术在天文、生物、化学、冶金学及其他分析领域起着越来越重要的作用：物理学研究方面，光栅光谱分析仪可用于验证量子力学的氢原子光谱采集实验；天文

学研究方面，利用光栅光谱分析仪可以分析各种恒星的物质组成成分和行星上的大气组成结构：化学研究方面，基于光栅的各种分析仪器可以确定各种化学成分是否存在，甚至包括对它们的含量进行检测。

衍射光栅

衍射光栅概念

光栅光谱分析仪器的核心器件是衍射光栅，这是一种具有良好分光性能的光学器件。

衍射光栅是具有周期性空间结构或光学性能的光学元件。按制作材料特性的不同可以将衍射光栅分为反射光栅和透射光栅；按表面的形状可以分为平面光栅和凹面光栅；按用途来分可以分为：伦琴射线、紫外、红外和可见区的光栅。

目前，衍射光栅不仅仅用于光谱分析，而且已经广泛的应用于其他领域，如在计量、无线电天文学、集成光学和光通信、信息处理等领域。如在通讯领域中，基于光栅技术的波分复用器件可以大大提高光纤光学网络的容量，并提高其通讯能力。

传统衍射光栅的技术发展

最早的光栅是采用机械刻划技术制作的，这种技术由夫琅禾费于1814年发明，使用的是一种叫做镜铜的高度抛光的金属：20世纪30年代J．Strong又发明的真空镀膜技术推动了光栅刻划技术的发展。在此之后，大多数光栅都是利用在玻璃衬底上沉积铝或金膜然后再刻划而成。为了控制槽形和沟槽的位置，对光栅刻划机的运动精度、刀具的外形精度以及环境的温度、湿度等要求较高，同时在制作过程中可能由于摩擦、磨损的原因而中途失败，因此生产效率较低。

此后人们又发展了光栅复制技术，即真空镀膜复制法。真空镀膜复制法是把用机械刻划法制作的光栅作为母版，在母光栅上用真空镀膜方法蒸镀分离层和铝，然后在粘接剂作用下把这层铝附着在复制光栅的毛坯上而获得复制光栅。最早成功制出复制光栅的是英国人托浦(1899)，复制光栅的出现解决了光栅批量

制作问题，满足了光栅光谱仪器发展的需要。

此外，随着科学技术的发展，人们提出了一种新型的光栅制作方法——全息法。首先是迈克耳孙在1927年提出了利用两柬相干的单色平行光产生的高度均匀的干涉条纹，记录在适当介质上以制造高精度光栅的方法。但当时既无激光那样强的光源，又无细颗粒记录材料。60年代中期，由于激光的出现，特别是高功率氩离子激光器的发展，克服了曝光时间长的困难，可使用感光速度慢的细颗粒光敏材料。1967年用光刻胶和A什激光器做出了此种光栅。用全息法制作的光栅没有鬼线，杂散光很低，可以制作大面积光栅。制作全息光栅必须有可靠的干涉仪系统，具有单模和选频的激光，以及精制的光致抗蚀剂。由于全息光栅效率较低，也有采用复杂的耦合波理论对其进行优化设计，利用干法刻蚀技术制备高效率的全息衍射光栅。

硅光栅技术

硅光栅的加工制作方法

硅光栅的加工主要采用体硅加工技术和表面微加工技术，体硅加工技术和表面硅加工技术都是基于微电子集成制作技术发展而来的。体硅加工技术是为制作微三维结构而发展起来的，通常是按照设计图形在硅片上有选择地去除一部分硅材料，形成设计的微型三维结构。体硅加工技术的关键是刻蚀技术，它包括于法和湿法两种刻蚀技术。单晶硅片由于其特殊的晶体结构，在腐蚀液中沿不同的晶向其腐蚀速率有很大差别，因此又可以分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀，对于硅片的(100)面的刻蚀速率可以比它的(111)面的刻蚀速率高100倍，也可以采用重掺杂法和电化学止停刻蚀法进行有选择性的刻蚀。干法刻蚀主要采用物理法(溅射、离子刻蚀)和化学等离子刻蚀(反应离子刻蚀)，适用于各向同性和各向异性刻蚀。表面硅加工技术是以硅片作基片，通过电极与光刻形成多层薄膜图形，再把下面的牺牲层经刻蚀去除，保留上面结构图形的加工方法。面硅加工技术与体硅加工技术的主要区别是它不直接对硅片本身进行加工，而是对硅片上淀积的薄膜(通常是多晶硅、氧化硅和氮化硅等)进行加工，有选择地保留或去除部分薄膜材料以形成所需的图形。