專利名稱：利用(110)硅片制作微機(jī)械光開關(guān)、光開關(guān)陣列及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，涉及一種利用(110)硅片制作的靜電驅(qū)動(dòng)微反射鏡型扭臂結(jié)構(gòu)的微光電子機(jī)械系統(tǒng)(MOEMS)光開關(guān)、光開關(guān)陣列及制作方法。
背景技術(shù)：
隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展和密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的應(yīng)用，全光交換已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，光開關(guān)是實(shí)現(xiàn)全光交換的關(guān)鍵器件，它可以實(shí)現(xiàn)全光層的路由選擇，波長(zhǎng)選擇，光交叉連接，自愈保護(hù)等功能。從目前的技術(shù)形式看，主要有波導(dǎo)型光開關(guān)和MOEMS光開關(guān)，波導(dǎo)型光開關(guān)的速度在微秒到亞毫秒量級(jí)，且體積小，但其插入損耗、消光比、偏振敏感性等指標(biāo)較差。而MOEMS光開關(guān)由于具有插入損耗和串話小、消光比高、透明性和可擴(kuò)展型好、易于集成和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，將成為大規(guī)模光交換技術(shù)的主流。
靜電驅(qū)動(dòng)微反射鏡結(jié)構(gòu)是MOEMS光開關(guān)廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式，微反射鏡的制作有體硅微機(jī)械加工和平面微機(jī)械加工兩種方法。平面微機(jī)械加工多采用鉸鏈技術(shù)制作微反射鏡，然后組裝成三維結(jié)構(gòu)，工藝復(fù)雜，工藝要求較高。體硅微機(jī)械加工分為干法刻蝕和濕法刻蝕，干法刻蝕通常采用深層反應(yīng)離子刻蝕和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝。目前濕法刻蝕主要是利用(100)硅片的各向異性腐蝕制作微反射鏡，此方法制作的微反射鏡屬于{100}晶面族，反射鏡的尺寸以及鏡面的垂直度不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用(110)硅片制作靜電驅(qū)動(dòng)微反射鏡型扭臂結(jié)構(gòu)的MOEMS光開關(guān)、光開關(guān)陣列及其制作方法。
對(duì)(110)硅片進(jìn)行各向異性腐蝕時(shí)，可以得到與襯底垂直度非常好的{111}面，將{111}面作為微反射鏡的鏡面，具有表面光滑、反射效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于{111}面是硅的自停止面，器件的結(jié)構(gòu)尺寸容易控制。本發(fā)明所述及的制作方法工藝簡(jiǎn)單，制作精度和成品率高，制作成本低并且容易做成N×N(N≥2)的多種開關(guān)陣列。
本發(fā)明利用(110)硅片的結(jié)晶學(xué)特征及各向異性腐蝕技術(shù)，在(110)硅片上制作靜電驅(qū)動(dòng)微反射鏡型扭臂結(jié)構(gòu)的微機(jī)械光開關(guān)及光開關(guān)陣列。光開關(guān)由(110)硅片、絕緣層、襯底層組成。在(110)硅片上制作上電極、微反射鏡、扭臂和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽，襯底層一般為玻璃片，在玻璃片上蒸發(fā)或?yàn)R射鋁膜作為下電極，絕緣層為二氧化硅或氮化硅。微反射鏡面為{111}晶面族，反射鏡的尺寸以及鏡面的垂直度容易控制。
開關(guān)的工作原理為當(dāng)上電極和下電極之間不加電壓時(shí)，微反射鏡處在光通路上，對(duì)光起反射作用，入射光被反射到鏡面同一側(cè)的光纖中，這是開關(guān)的反射狀態(tài)；當(dāng)上電極和下電極之間有電壓輸入時(shí)，在靜電力的作用下，上電極帶動(dòng)微反射鏡向下移動(dòng)離開光通路，光沿直線傳播進(jìn)入前方的光纖中，這是開關(guān)的直通狀態(tài)。
本發(fā)明所涉及的微機(jī)械光開關(guān)采用如下步驟制作1.雙面拋光(110)硅片，雙面LPCVD淀積氮化硅作為腐蝕掩模層；2.設(shè)計(jì)晶向?qū)?zhǔn)掩膜圖形，光刻、反應(yīng)離子刻蝕氮化硅；3.各向異性濕法腐蝕，確定晶向位置；4.光刻、反應(yīng)離子刻蝕微反射鏡和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽掩膜；5.各向異性濕法腐蝕硅片制作微反射鏡和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽；6.反應(yīng)離子刻蝕扭臂結(jié)構(gòu)；7.上、下電極的制作；8.在玻璃片的鋁膜上生長(zhǎng)二氧化硅或氮化硅絕緣層；9.將硅片和玻璃片鍵合組裝；10.反射鏡面上蒸鍍過渡層和反射層。
本發(fā)明的特點(diǎn)是最大限度地利用(110)硅片的結(jié)晶學(xué)特征，配合各向異性腐蝕技術(shù)，它可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)微反射鏡的鏡面平整垂直、各單元的反射鏡面平行、光纖槽的自對(duì)準(zhǔn)、扭臂的結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確控制。不僅制作工藝簡(jiǎn)單，成品率高，制作成本低，更重要的是提高光開關(guān)的制作精度，降低光損耗，容易做成陣列，易于光開關(guān)陣列的實(shí)用化生產(chǎn)。鏡面的反射率可達(dá)85-98％，開關(guān)時(shí)間小于10ms。


圖1本發(fā)明微機(jī)械光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2晶向?qū)?zhǔn)的掩模圖形；圖3硅片腐蝕后形成的晶向?qū)?zhǔn)圖形。
圖1中上電極2、微反射鏡3、扭臂4和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽5都是在(110)硅片1上制作的，與(110)硅片為一體結(jié)構(gòu)，6為玻璃片，7為氮化硅或二氧化硅作為上下電極之間的絕緣層，8為在玻璃片6上蒸發(fā)或?yàn)R射的鋁膜，作為下電極。微反射鏡3的鏡面為{111}面，與硅片表面相垂直。
當(dāng)上電極2和下電極8之間不加電壓時(shí)，微反射鏡3處在光通路上，對(duì)來自光纖槽5中的光起反射作用，入射光被反射到鏡面同一側(cè)的光纖中，這是開關(guān)的反射狀態(tài)；當(dāng)上電極2和下電極8之間有電壓輸入時(shí)，在靜電力的作用下，上電極2帶動(dòng)微反射鏡3向下移動(dòng)離開光通路，光沿直線傳播進(jìn)入前方的光纖中，這是開關(guān)的直通狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電壓一般為10-30V。
制作方法實(shí)施例1.雙面拋光(110)硅片，用低壓化學(xué)汽相淀積方法(LPCVD)在硅片的兩面生長(zhǎng)100-200納米氮化硅層作為腐蝕掩模；2.設(shè)計(jì)晶向?qū)?zhǔn)掩膜圖，如附圖2所示，以(110)硅片的參考方向?yàn)橹休S線，它由±2°扇形區(qū)域內(nèi)的許多矩形條組成，相鄰兩個(gè)矩形條的夾角為0.2°矩形條寬10-20微米，長(zhǎng)5-10毫米，光刻、反應(yīng)離子刻蝕氮化硅，形成晶向?qū)?zhǔn)圖形的掩模，反應(yīng)離子刻蝕所用氣體為CF4和氧氣；3.使用濃度為35～50％的KOH溶液在60～80℃下腐蝕硅片，腐蝕深度在80～100微米，腐蝕后的晶向?qū)?zhǔn)圖形如附圖3所示，形成多個(gè)刻蝕槽，其中刻蝕槽側(cè)壁I的臺(tái)階較大，這是因?yàn)榭涛g方向和擬對(duì)準(zhǔn)晶向相差較多，穿越多個(gè){111}面，從而使暴露的{111}面不在同一平面上；刻蝕槽側(cè)壁II的臺(tái)階比側(cè)壁I的小，表明刻蝕方向與擬對(duì)準(zhǔn)晶向比較接近，穿越較少的{111}面；刻蝕槽側(cè)壁III的表面非常平整、沒有臺(tái)階，暴露的{111}面在同一個(gè)平面上，表明該刻蝕槽的方向與擬對(duì)準(zhǔn)晶向一致，即硅片的{111}面；4.利用步驟3中的刻蝕槽側(cè)壁III為定位基準(zhǔn)，在硅片上光刻、反應(yīng)離子刻蝕氮化硅，形成微反射鏡和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽的掩模，反應(yīng)離子刻蝕所用氣體為CF4和氧氣；5.使用濃度為35～50％的KOH溶液在60～80℃下制作微反射鏡和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽，微反射鏡的厚度為3～5微米，長(zhǎng)度和高度均為100～200微米，上電極的厚度為10～20微米；6.反應(yīng)離子刻蝕制作扭臂結(jié)構(gòu)，扭臂寬度為10～15微米，長(zhǎng)度為500～700微米，反應(yīng)離子刻蝕所用氣體為SF6和氬氣；7.在微反射鏡另一側(cè)的硅片及玻璃片6上蒸發(fā)或?yàn)R射100～200納米厚的鋁膜，作為上電極、下電極；8.在玻璃片的鋁膜上生長(zhǎng)二氧化硅或氮化硅，作為上下電極之間的絕緣層；9.將硅片和玻璃鍵合；10.反射鏡面上蒸鍍鉻20～50納米和金200～500納米，作為過渡層和反射膜。
KOH腐蝕液的最佳濃度為40％，腐蝕出的微反射鏡的表面粗糙度低于8nm，反射效率可達(dá)98％，反射鏡面與襯底硅片的角度為90±0.1°，如采用四甲基羥氨(TMAH)，鏡面具有更好的性能及反射效率，但成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于KOH。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械光開關(guān)，包括在硅片(1)上制作的上電極(2)、微反射鏡(3)、扭臂(4)和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽(5)以及玻璃片(6)、氮化硅或二氧化硅絕緣層(7)，作為下電極的鋁膜(8)組成，其特征在于硅片為(110)硅片。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械光開關(guān)，其特征在于上電極(2)、微反射鏡(3)、扭臂(4)和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽(5)與硅片(1)為一體結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)械光開關(guān)，其特征在于微反射鏡(3)的鏡面沿硅片的{111}面，與硅片表面相垂直。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的微機(jī)械光開關(guān)，其特征在于微反射鏡(3)的厚度為3～5微米，長(zhǎng)度和高度分別為100～200微米，上電極(2)的厚度為10～20微米，扭臂寬度為10～15微米，長(zhǎng)度為500～700微米。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的微機(jī)械光開光關(guān)可以作成N×N的多種開關(guān)陣列，其中N≥2。
6.一種制備權(quán)利要求1所述微機(jī)械光開光的方法，包括如下步驟(1)雙面拋光(110)硅片，雙面LPCVD淀積氮化硅作為腐蝕掩模層；(2)設(shè)計(jì)晶向?qū)?zhǔn)掩膜圖形，光刻、反應(yīng)離子刻蝕氮化硅；(3)各向異性濕法腐蝕，確定晶向位置；(4)光刻、反應(yīng)離子刻蝕微反射鏡和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽掩膜；(5)各向異性濕法腐蝕硅片制作微反射鏡和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽；(6)反應(yīng)離子刻蝕微反射鏡的扭臂結(jié)構(gòu)；(7)上、下電極的制作；(8)在玻璃片上生長(zhǎng)二氧化硅或氮化硅絕緣層；(9)將硅片和玻璃片鍵合組裝；(10)反射鏡面上蒸鍍過渡層和反射層。
7.如權(quán)利要求6所述的制備微機(jī)械光開關(guān)的方法，其特征在于晶向掩膜圖形是以(110)硅片的參考方向?yàn)橹休S線，由±2°扇形區(qū)域內(nèi)的許多矩形條組成，相鄰兩個(gè)矩形條的夾角為0.2°，矩形條間距10-20微米，長(zhǎng)3-5毫米。
8.如權(quán)利要求6所述的制備微機(jī)械光開關(guān)的方法，其特征在于各向異性濕法腐蝕液是濃度為35～50％的KOH溶液，腐蝕溫度60～80℃間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用(110)硅片制作的靜電驅(qū)動(dòng)微反射鏡型扭臂結(jié)構(gòu)的微光電子機(jī)械系統(tǒng)(MOEMS)光開關(guān)、光開關(guān)陣列及制作方法。微機(jī)械光開關(guān)由在硅片(1)上制作的上電極(2)、微反射鏡(3)、扭臂(4)和自對(duì)準(zhǔn)光纖槽(5)以及玻璃片(6)、氮化硅或二氧化硅絕緣層(7)，作為下電極的鋁膜(8)組成。微反射鏡(3)的鏡面沿硅片的{111}面，與硅片表面相垂直。微反射鏡(3)的厚度為3～5微米，長(zhǎng)度和高度分別為100～200微米，上電極(2)的厚度為10～20微米，扭臂寬度為10～15微米，長(zhǎng)度為500～700微米。本發(fā)明所述及的微機(jī)械光開關(guān)具有鏡面平整垂直、各單元的反射鏡面平行、扭臂的結(jié)構(gòu)尺寸能夠準(zhǔn)確控制，制作工藝簡(jiǎn)單，成品率高，制作成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B26/08GK1402034SQ0213309
公開日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2002年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月29日
發(fā)明者董瑋, 陳維友, 劉彩霞, 張龍, 徐寶琨 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)