一种新型微变形镜键合技术

　　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。