摘要：对一种新型可变形反射镜加工中的硅-玻璃阳极键合工艺进行了研究。设计了一种通过导线将压焊点引至键合区的特殊结构，使得键合过程中台柱与驱动电极保持等电势，从而有效避免了电极和结构之间的相互作用所引入的缺陷，使得最终获得的驱动电极的有效面积接近 100%。针对键合前后气体体积收缩导致的镜面凹陷问题，提出在玻璃上加工出贯穿器件的浅槽结构。实验结果表明, 在 380°C,1atm 的环境下施加-1000V 电压进行阳极键合时，当浅槽深度大于200nm 时，将获得较好的镜面质量。
引 言
自适应光学系统有着传统系统所无法比拟的优势：它能实时感知光路中的变化，并校正这种变化所带来的光波畸变效应[1,2]，因而其在军事和民用领域有着非常广阔的应用前景，可变形反射镜就是其中的核心部件之一。目前的可变形反射镜大都采用的是压电驱动方式，其体积庞大，驱动电压高，响应速度慢，因而只限于一些大型的地基天文望远镜系统[3,4]。近年来兴起的 MEMS 技术是利用半导体中相对成熟的一系列加工工艺，在微小尺寸范围内来实现一些传统机械执行器的功能[5,6]。本文正是以此为出发点，设计了一种基于硅微加工的反射镜结构，并针对加工工艺中的键合工序进行了详细地研究。
1 工作原理
可变形反射镜是利用镜面形状的改变来实现对通过其上反射光束畸变的校正。图1 所示为本设计的反射镜结构示意图。由图可见反射镜包含两种材料，其中硅片为结构模块，玻璃为驱动模块。镜面是由一厚度为30μm，有效反射面积为 30mm×30mm的硅膜构成的，其背面与一 7mm ×7 mm 阵列的台柱结构相连，台柱底面为边长 500μm 的正方形，侧面与上下表面的夹角为54.74°，高度为 345μm。这一结构主要是基于减小镜面与电极间距从而降低驱动电压的角度考虑的。台柱下方的玻璃上是对应的驱动电极，当给电极施加一定的电压时，就会在电极与台柱之间产生一静电吸引力，此时台柱就会在这一静电的作用下向下运动，从而带动相应的镜面部分发生变形。通过控制施加电压的大小以及通电电极的分布，就可获得具有特定曲面轮廓的镜面，从而实现对不同畸变光束的校正能力。通常在作为镜面的硅表面上溅射一层金膜，用以提高其表面反射率。
2 加工工艺
本反射镜是利用硅体加工工艺来制造的，因而能充分利用体硅材料整体机械性能优异的特点，获得高质量的平整表面。其加工工艺流程如图2。最终器件如图3。从上述加工工序中可以看到，键合是其中非常关键的一步，其质量的好坏将直接对后续划片产生影响。如果键合强度不够，则在划片过程中会使得玻璃与硅片崩离造成器件失效，严重时还会毁坏划片刀。在大量试验的基础上采用如下键合参数可获得较理想的键合强度：在380°C，1atm的环境下施加-1000V电压键合20min。
3 结果与分析
按上述工艺参数进行键合后我们通过显微镜从玻璃背面观察到图4(a)的现象。图中黄色部分代表玻璃上的金属，白色部分代表硅。从图中可清楚的看到在电极上有一块颜色明显不同四周的深色区域，在显微镜下观察对应电极下方正对着硅上的台柱台柱的情况，如图4(b)。从图中我们发现在台柱的左下角处也存在相似的深色区域，且此位置与(a)中电极上的位置是相对应的。出现此种现象的原因是由于键合是在外加电场的辅助下完成的，因而又称作场助键合。其中大部分电压降落在硅与玻璃的界面处，从而在其间产生一相当大的静电力，使它们彼此紧密接触，同时键合是在一个较高温度的环境下进行的，这会引起硅与玻璃之间的化学反应，以实现两者的牢固粘接。
由前述可知，器件是基于静电力而工作的，因而键合中所施加的这一大电压，势必会使台柱受到较大静电吸引力的作用，而台柱是经由 KOH 腐蚀形成的，由于腐蚀掩模中存在缺陷，就会使得其下方的硅受到腐蚀液的侵蚀从而降低了其机械强度。在受到静电吸引力时，这些缺陷部分会从硅片上剥离，并落在电极上，在键合温度的作用下促使这些碎片与电极发生金硅反应，从而留下永久性的痕迹。这一现象在台柱的边角上更容易出现，因为这些地方在腐蚀时存在严重的钻蚀问题。它的直接后果是导致有效电极面积的减小，从而使得镜面变形减小。为避免这一现象的发生，我们采用如图5 的结构：从驱动电极压焊点上引出导线至键合区，这相当于将金属电极与硅短接起来，则在键合过程中电极始终与硅保持等电势，此时它们之间不存在任何形式的相互作用，最后通过划片将这些导线划断，从而不会对后续反射镜的工作造成影响。我们同样对键合后的结果进行了观察，如图6所示。此时可清楚的看到，正如所预期的那样，电极表面无任何瑕疵。此结构还适用于防止任何带有悬浮结构的硅片在进行阳极键合过程中出现结构塌陷的问题，并成功地在某型微加速度计的加工中得到验证。
除了上述现象外，键合后我们还发现在对应可变形的硅区域内有明显的凹陷痕迹，且镜面尺寸越大这种现象就越明显。这是由于当键合操作将硅与玻璃牢固粘接的同时，将一部分气体残留在硅结构与玻璃所形成的密封腔中。由相关物理知识可知，这部分气体满足理想气体方程
式中P1, V1和T1代表键合过程中腔内的气压、腔体体积和温度，而 P2, V2和 T2则对应键合后的相关参数。由上述工艺条件可知其中P1=1 atm, T1=653K, T2=293K,，若假设键合前后气体体积保持不变，则有P1>P2，由于此时外界气压为1 atm，因而腔内外这种压力差就会使得作为镜面的硅膜发生凹陷变形，其结果会减小V2, 增大 P2。随着腔内外压力差的降低，同时在作为弹性体镜面自身回复力的作用下，硅膜变形将部分得到恢复，这样一来2V 将增大，P2将减小，这又会导致压力差增大而使得变形增加。最终镜面将停留在使上述过程达到平衡时的位置。又由于镜面尺寸越大，整体刚度就越小，所以观察到的凹陷痕迹越明显。这种变形会影响整个镜面的平整度，从而降低器件的性能。消除此种负面效应的本质就是保持键合前后腔内气体体积不变即 V1= V2。此时公式(1)可变为：P1× T2= P2× T1，因为T1>T2, 且 P2=1 atm，所以有P1>1atm。这就要求键合是在加压的条件下完成的，在随后的降温过程中，必须严格控制环境气压按比例的减小，否则会在此过程中出现硅膜破裂的现象，这就对相应的控制系统提出了很高的要求。
本实验中我们采用了另一种方法，不仅实施容易，而且还能获得很好的效果。其截面图见图7。具体实施办法是通过腐蚀，在玻璃片上加工出一些贯穿整个器件的浅槽，使得腔内气体与外界环境连通，即使在键合过程中镜面会发生变形，通过其自身的回复力，最终也会恢复平整状态。此种方法中需要注意的一点是槽的深度，因为这些槽是贯通键合区的，而键合时由于玻璃的软化，键合界面会向玻璃内移动。如果槽的深度小于这个移动距离，则键合操作会将槽阻断，从而使其丧失作用。研究表明，在上述键合参数下，这种移动距离为200nm。
4 结 论
本文针对反射镜加工中与键合工序相关的问题进行了详细的研究。为避免键合给电极和结构所带来的缺陷，设计了一种特殊结构，此结构通过从压焊点引出导线至键合区，能在键合过程中使台柱与驱动电极保持等电势，从而避免在它们之间产生较大的静电相互作用。同时还对键合后镜面发生凹陷的机理进行了分析，结果显示硅片与玻璃构成的密封腔内的气体在键合前后发生体积收缩是导致镜面凹陷的直接原因。通过采用连接腔内外气体的贯通槽，能有效减轻这种变形，从而获得较好的镜面质量。由于硅-玻璃键合强度只取决于所采用的温度、电压和键合时间，因而上述结构的使用不会对器件的牢固度产生任何影响。
参考文献：
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作者简介：余洪斌(1977-)，男(汉族)，湖北武汉人，博士生，从事 MEMS 器件设计及相关工艺的研究. E-mail：yhb770913@sohu.com
