平面独立金属层制造:在微镜阵列中实现子结构，用于光转向应用

我们提出了一种制造平面金属层用作微加工反射镜的方法。纯金属的释放反射镜涉及严重的应力，揭示了获得平面反射镜结构的具体挑战。通过引入产生波纹图案的子结构，金属反射镜层可以得到机械稳定，减少反射镜弯曲。在我们的研究中，我们在金属镜子上使用了不同排列的线结构，比如一组定向不同的直线或曲线。比较所有实现的不同设计，平面微反射镜是通过与单线正交排列的直线组合的子结构实现的。这些平面微反射镜允许通过反射和窗口透过率的调整来控制入射光。所提出的低成本方法适用于微镜阵列的大面积制造，但也可以定制为其他应用，其中需要平面独立金属层。

在高可靠性、低功耗、最小重量和尺寸、高稳定性、低成本和大面积制造方面的优势促进了人们对微机电系统(MEMS)领域的巨大兴趣，以及这些系统在各个部门的先进应用[1，2］．然而，应用这些系统在能源效率和节能方面还没有得到充分的开发。我们致力于这一目标的研究，专注于提高建筑的能源效率。通过利用日光进行室内照明/供暖，或阻挡日光以防止室内加热，我们预期将大幅减少制冷和供暖装置的负荷，以及对人造光的需求。特别是在建筑中使用日光照明是具有挑战性的:在夏天，太阳升得很高，所以靠近窗户的地方是明亮的，但房间的深处是黑暗的;在冬天，太阳的低位置引起眩光。为了应对这一挑战，我们选择了静电驱动微镜用于日光导向，应用于窗玻璃之间[3.，4，5］．由于这些MEMS结构被用于操纵光，它们也可以被归类为微光电系统(MOEMS)。尺寸约为100 μ m的反射镜由薄的应力金属层构成，通常情况下会形成弯曲结构，如微快门所示[6，如图所示。1a.在这种情况下，结构可以通过静电驱动选择性地打开(完全日光透过)或关闭(完全反射)，以调节通过透明衬底的入射光。然而，我们课题组的目标是制造微反射镜，它也允许通过反射和调整窗口衬底的透过率来引导入射光。这只能通过包含平面反射区域的金属镜子来实现。因此，我们的微镜结构可以分为3个区域，如图所示。1b, c:

1. 1.

   锚区,这使得反射镜可以附着在基底上。

2. 2.

   弯曲的铰链面积，通过特定的沉积参数在金属层中引入本征应力得到[7]，这将导致镜像在非驱动状态下打开。本文提出的反射镜由物理气相沉积(PVD)沉积的铝(Al)双层，应用电子束源对第一层200 nm Al进行沉积，然后从电阻加热蒸发源进一步沉积200 nm Al层。根据文献，在类似条件下与PVD沉积的这些单层应该会产生几乎无应力层[8]，然而，一旦结合这两层，新层系统的应力明显增加。对这种内在压力的原因的调查不包括在本研究的范围内，但在欧盟研究项目MEM4WIN中进行了详细的描述。[9］．在本项目中，通过透射电子显微镜(TEM)和俄杰深度剖面分析对这样的Al双层进行了检查，揭示了两个沉积Al层之间的界面层，显示出高水平的氧气。因此，假设Al双层中的应力来自Al₂O_3.这是由Al和氧在这个区域反应形成的。因为Al的应力值₂O_3.的300-350 MPa [10]与我们在本研究中观察到的应用Al双层的应力范围相同，这一假设得到了进一步的证实。

3. 3.

   镜面平面，这是与入射光相互作用的主要部分。

微缩百叶窗开启状态截面(一个)、处于开启非驱动状态的微镜(b)，以及在驱动过程中处于中间状态(c）

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为了使这些微反射镜具有静电驱动作用，还需要绝缘层和玻璃基板上的透明电极(同样适用于微快门)。本文详细介绍了其主要概念、工艺制作和各种实验结果[11，12］．

为了获得平面镜像面积，需要局部平面化。对于复合半导体、介质或在这种情况下的应力金属层，通常通过在相应区域引入额外的定制反应力层来实现平面化[13］．此外，还可以通过添加一个比补偿层更厚的几乎无应力层来实现平面化。请注意，对于硅基MEMS不需要这种额外的努力，因为平面反射镜很容易获得[14］．这些方法的共同之处在于，必须沉积和构造额外的层来确定平面区域。这将导致更复杂的制造过程，进一步的生产成本和复杂的层系统，这可能会对器件的功能产生负面影响。为了避免这些缺点，我们提出了一种新的方法来定义应力金属层的平面面积，而不需要额外的补偿层。引入子结构，我们生成波纹图案，机械地稳定这些金属镜面层，有效地减少不必要的镜面弯曲。这个想法来源于宏观尺度上对波纹图案的观察(例如，应用于建筑部门的波纹金属板)，沿着波纹的刚度明显增加，激励我们在结构区域内找到提供平面金属层的最佳子结构设计。

为了找到最合适的子结构设计，这将导致结构区域的平面化，研究了不同的安排。本信中提出的3个子结构设计(I-III)如图所示。2．每个设计的想法都是基于上述通过波纹结构的稳定。在设计I中，这是通过应用从镜子锚的对面的角落开始的同心圆来实现的。设计II由沿反射镜短边(沿y轴)的平行线组成，以防止反射镜绕x轴弯曲。设计III在镜子的长边(沿x轴)增加了一条线，以进一步稳定和防止这些镜子沿y轴弯曲。

子结构设计I-III具有明确的x轴和y轴。设计的底部边缘呈现铰链区域，分别连接到锚

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采用基于光刻的工艺制作了这些选择的子结构设计的微反射镜。由光刻胶AZ®nLOF 2070 (Microchemicals GmbH)制成的三维牺牲结构在玻璃基板上制备(图。3.A)使用3层光刻胶，这3层光刻胶是在彼此上面连续排列的。这就产生了3个组成部分:镜像区域、子结构和分隔墙。每一步后，光阻胶都要经过硬烘烤以保持其形状。这些三维牺牲结构在接下来的本应应力铝层沉积步骤中充当成型结构(图。3.b).由于采用了各向异性沉积方法，避免了在分离壁上的侧壁沉积。溶剂TechniStrip NI555 (Microchemicals GmbH)用于选择性地去除金属层下面的牺牲结构。这使分离的墙壁和镜子释放的升空。最后，反射镜仅通过锚定区域附着在玻璃基板上，建立所需的打开状态(图。3.c)。

用光刻胶制成具有代表性的三维牺牲结构(含子结构设计III) (一个)，在灰色所示的应力铝层沉积后(b)和处于非驱动状态的释放微镜(c)．这里没有显示绝缘体和透明电极

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尽管实现子结构需要在制造过程中增加一个步骤，但这只是一个单一的常规光刻步骤。与补偿层的平面化相比，这相对简单，补偿层至少需要进一步的2个步骤:根据应力定制的材料沉积和该材料的结构以确定平面化区域[13］．

当将制造转移到基于纳米印迹技术的工艺时，可以利用所提出的制造概念的一个更有价值的优势[15，16， 3D结构可以在一个单一的工艺步骤中成型。由于这种技术便于快速、低成本和大面积的制造，它非常适合工业生产，这是我们在光转向应用微反射镜研究工作的最终目标。

微镜包括3个子结构设计(图。2)。我们的研究重点是这些子结构对镜像区域平面性行为的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)研究了微反射镜在打开状态下的轮廓，通过检查这些反射镜的截面来确定微反射镜的平面度。总的来说，我们观察到，将子结构引入应力金属层对这些金属反射镜层的行为有很强的影响，从而产生了与微快门弯曲结构显著不同的剖面[6］．包含子结构的微反射镜，我展示了从边缘向外延伸的镜子，防止它们从基底上升(图。4a).另一方面，设计II子结构的微反射镜成功抑制了反射镜绕x轴的弯曲，达到了预期效果。然而，围绕y轴的弯曲仍然以卷曲的形式存在，源于镜子的短边，导致非平面微镜(图。4b)。

微镜的扫描电镜图像包含设计I (一个)及设计II (b）

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我们的目标是通过设计III的子结构来实现镜面区域的完全平面化(图3)。5A)，其中沿反射镜x轴和y轴的线组合抑制了金属层在各自方向上的弯曲。沿着镜子的长边(沿x轴)增加一条线足以消除这些镜子绕y轴的弯曲(对比设计II，图)。4B)，因为锚也有助于镜子在同一方向的稳定。相应的结构光刻胶层(图。5b特写)通过原子力显微镜(AFM)分析，得到的具有平面镜面的微镜如图所示。5一部。

带镜面尺寸和几何参数的子结构设计III示意图v-z（一个)，用SEM分析对应结构光刻胶层的轮廓，用AFM分析设计III的平行线特写(b)，所得微反射镜与全平面反射镜的扫描电镜图像(c)，镜面角的近景扫描电镜图像(d)，铰链区域的特写扫描电镜图像与描绘的曲率半径r_c(e).在我们的结构筛选中，设计III被认为是最好的

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对于子结构设计III，一些参数的改变，包括长水平线的位置(由几何参数定义)y而且z)，平行线的长度x，线宽为半最大值时的全宽，还考虑了子结构的高度。表格1描述每个值的可能范围，它揭示了镜像平面的平面化(平行线之间的距离)v和铰链长度w分别在11 μ m和20 μ m保持恒定)。

除了子结构设计外，铰链的形状也对最终的微反射镜的功能起着重要的作用。为了在非驱动开启状态下获得最大的光透射，不仅镜像平面必须完全平面化，而且铰链必须显示出适当的曲率，以显示镜像平面与基板表面之间的90°角。对于我们定义的铰链长度w合适的曲率r_c等于2w/π = 12.7 μ m。

本研究中所制备的微镜在打开状态下的最大透射率为85%，在关闭状态下的最小透射率为5%。这些数值是根据不透明和透明区域的几何覆盖计算出来的。由于本研究的范围是反射镜平面面积的平面化，而不是驱动电压或最小和最大传输，我们有意设计了与相邻反射镜有较大间隙的反射镜，以隔离我们的研究与可能的寄生影响。然而，在我们课题组的其他微镜研究中，优化了镜阵排列，显示最小透射率为0.01%，最大透射率为73%，显示对比度为7300。完全启动反射镜的最小电压为12v，而我们的微反射镜的典型驱动电压在20到40 V之间[11，12］．

我们提出了一种不需要额外补偿层的平面金属层制造新方法。该方法基于通过子结构引入目标金属层中的波纹结构的机械稳定。最优的子结构设计，其结果是一个平面镜面，由一组与单线正交排列的直线组成。利用这种方法，我们成功地制作了既可用于引导入射光又可调节衬底透光率的微反射镜。然而，这种方法也可以定制为其他应用，其中平面独立金属层是必需的。我们的下一步研究将集中于开发基于纳米压印技术的微镜制造工艺，以方便其易于转移到工业生产。

在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

在:

纳米结构技术与分析研究所，“，

CINSaT:

跨学科纳米结构科学与技术中心

微机电系统:

微机电系统

多项:

Micro-Optoelectromechanical系统

扫描电镜:

扫描电子显微镜

AFM:

原子力显微镜

应用:

完全宽度在一半最大

作者感谢纳米结构技术与分析研究所的所有同事，感谢他们促进了讨论和技术支持。感谢德国联邦环境基金会(Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU)、欧盟和德国联邦交通与交通管理局(BMBF)博士奖学金项目的资助。

本研究得到了德国联邦环境基金会(Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU)的博士奖学金项目的部分支持，欧盟资助的ENER/FP7/284533/NEXT-BUILDINGS和德国BMBF资助的13N14517，作者对此表示感谢。

作者和联系

1. 卡塞尔大学电子工程与计算机科学系纳米结构技术与分析研究所，德国卡塞尔Heinrich-Plett-Strasse 40, 34132

   Natalie Worapattrakul, Andreas Tatzel, Volker Viereck & Hartmut Hillmer

2. 交叉学科纳米结构科学与技术中心，heinrich - plett strasse 40, 34132，德国卡塞尔

   Natalie Worapattrakul, Andreas Tatzel, Volker Viereck & Hartmut Hillmer

贡献

NW开发了一种方法来制造包含用于平面化的子结构的微反射镜，并研究了制造结果。AT是技术支持的主要贡献者。NW是撰写手稿的主要贡献者。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到娜塔莉Worapattrakul．

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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