專利名稱:一種利用金屬材料制作的微機械光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種利用金屬材料制作的微機械光開關(guān),屬于光電子器件領(lǐng)域。
背景技術(shù):
隨著網(wǎng)絡(luò)化時代的到來,人們對信息的需求與日俱增。IP業(yè)務(wù)在全球范圍突飛猛進的發(fā)展,給傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)帶來巨大沖擊的同時,也為電信網(wǎng)的發(fā)展提供了新的機遇。從當前信息技術(shù)發(fā)展的潮流來看,建設(shè)高速大容量的寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。近幾年來,密集波分復用(DWDMDense Wavelength Division Multiplexer)技術(shù)的發(fā)展提供了利用光纖帶寬的有效途徑,使點到點的光纖大容量傳輸技術(shù)取得了突出進展。由于電子器件本身的物理極限,傳統(tǒng)的電子設(shè)備在交換容量上難以再有質(zhì)的提高,此時交換過程帶來的“電子瓶頸”問題(即在交換過程中要經(jīng)過光/電、電/光變換)成為限制通信網(wǎng)絡(luò)吞吐能力的主要因素,為此提出了“全光網(wǎng)(AONAll Optical Network)”的概念,即數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸過程中始終在光域內(nèi),避免在所經(jīng)過的各個節(jié)點上的光/電、電/光轉(zhuǎn)換,也就克服了“電子瓶頸”問題。因此,全光通信網(wǎng)是建立在密集波分復用(DWDM)技術(shù)基礎(chǔ)上的高速寬帶通信網(wǎng),其核心技術(shù)主要有全光交換技術(shù)、全光波長變換技術(shù)、光分插復用器(OADMOptical Add/Drop Multiplexer)、光交叉連接器(OXCOptical Cross Connector)、全光放大技術(shù)(OAOptical Amolifer)、DWDM、AON的控制和管理技術(shù)等,干線擴容采用DWDM技術(shù),在交叉節(jié)點上采用OADM、OXC來實現(xiàn),并通過光纖接入技術(shù)實現(xiàn)光纖到家(FTTHFiber To The Home)。在全光網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)中OXC和OADM是其中最為關(guān)鍵的部分,OXC和OADM的研制,成為建設(shè)大容量通信干線網(wǎng)絡(luò)十分迫切的任務(wù)。而OXC和OADM的核心是光開關(guān)和光開關(guān)陣列,因此光開關(guān)成為一種迫切需要的基本器件,光網(wǎng)絡(luò)市場的擴大將導致光開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和市場的高速崛起,這使光開關(guān)的研究意義重大而迫切。
由于傳統(tǒng)的機械光開關(guān)具有價格昂貴,體積龐大,端口數(shù)量少,功耗大,且擴展性不好等缺點,因此主要用于保護系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中,無法用于實現(xiàn)動態(tài)OADM,OXC等光交換量大面廣的領(lǐng)域。目前國外一些大研究機構(gòu)已廣泛地開展了新型光開關(guān)的研發(fā),MEMS(微機械)光開關(guān)、光波導開關(guān)、鐵電液晶光開關(guān)、基于氣泡技術(shù)的光開關(guān)、基于熱毛細管效應的光開關(guān)、電子全息光開關(guān)等方案層出不窮,其中,MEMS光開關(guān)具有插入損耗低,串擾小、消光比大、體積小、價格低廉等優(yōu)點成為國際研究熱點,基于MEMS的光開關(guān)將在未來的全光通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。
然而,目前的MEMS光開關(guān)的主流技術(shù)是體硅工藝和表面微機械硅工藝技術(shù),為保障光開關(guān)的性能需要進行復雜的工藝處理過程,造成MEMS光開關(guān)工藝流程復雜,與IC工藝兼容性差和成品率不高等問題,同時也造成單位光開關(guān)成本的提高。
同時,目前的MEMS光開關(guān)微鏡通常是采用多晶硅材料(表面微機械加工技術(shù)制備)或者是單晶硅(體硅工藝技術(shù)制備),前者因工藝過程中不可避免并且很難控制的應力問題造成鏡面變形,需要通過復雜的工藝去除多晶硅層應力,避免變形,實現(xiàn)起來難度非常高,且工藝復雜度和成本都會大幅上升,且成品率不高;后者是體硅加工的垂直微鏡,其表面光潔度得不到保證,且鏡面形狀不易控制,微鏡尺寸也受到嚴重局限,且用單晶硅直接作為鏡面進行反射,其反射系數(shù)低,造成此類光開關(guān)的插入損耗很大,因此硅材料的微鏡在工藝過程和實用研究中都有相當?shù)碾y度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用硅片和金屬材料制作的微機械光開關(guān),其中水平設(shè)計的微鏡為MEMS光開關(guān)單元的核心部分,同時設(shè)計也包含了一個光開關(guān)所必須的耦合和驅(qū)動結(jié)構(gòu),該光開關(guān)具有工藝流程簡單、成品率高、工藝與IC工藝兼容等優(yōu)點,且該微機械光開關(guān)單元可以構(gòu)成1×1、1×2、2×2…N×N等多種類型MEMS光開關(guān)及陣列。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種利用金屬制作的微機械光開關(guān),它以硅片形成基板,基板上形成有微鏡、V形槽、懸梁臂和電極。其中;微鏡是本光開關(guān)的核心部分,設(shè)計為可扭轉(zhuǎn)的水平結(jié)構(gòu),同時也作為上電極,未加電時呈水平狀態(tài),不插入光路,在靜電的驅(qū)動下,其雙側(cè)的懸臂梁發(fā)生扭轉(zhuǎn),使微鏡旋轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)插入光路,起到改變光路,實現(xiàn)光開關(guān)的作用。微鏡采用多種金屬合金材料制作,工作表面濺射或電鍍金層,金層厚度應大于光開關(guān)工作波長的穿透厚度,保證關(guān)開關(guān)在工作波段達到高反射率,降低插入損耗。采用金屬結(jié)構(gòu),可以很好地消除工藝過程中產(chǎn)生的應力導致鏡面變形(彎曲),避免鏡面變形造成插入損耗增大,性能不穩(wěn)定等問題,保證反射面為平整度光潔度很好的鏡面。微鏡通過干法刻蝕或濕法刻蝕形成,微鏡形狀為長方形,方向沿(100)方向。
微鏡的正下方是供微鏡旋轉(zhuǎn)的通孔,孔深稍大于微鏡長度,保證微鏡具有足夠的旋轉(zhuǎn)空間。通孔由干法深槽刻蝕技術(shù)形成,或通過各向異性濕法刻蝕與V形槽同時形成。
懸梁臂支撐在微鏡兩側(cè),為矩形懸臂梁,材料為金屬,與微鏡為同一金屬掩膜版形成,作用是在靜電驅(qū)動扭轉(zhuǎn)使微鏡旋轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài),插入光路,起到改變光路的光開關(guān)作用。
下電極在通孔下部,由硅片上濺射金屬形成,與微鏡形成的上電極共同構(gòu)成靜電驅(qū)動的類平行平板結(jié)構(gòu)。在未加電時,不影響金屬微鏡的水平狀態(tài),加電后形成靜電驅(qū)動結(jié)構(gòu),使微鏡旋轉(zhuǎn)至垂直位置,實現(xiàn)光路切換。
在上下電極之間有微鏡止動結(jié)構(gòu),是微鏡旋轉(zhuǎn)到垂直方向的定位結(jié)構(gòu),保證微鏡垂直地插入光路中,保障低的插入損耗。微鏡止動結(jié)構(gòu)可以采用刻蝕技術(shù)在硅片上形成。
另外,V形槽由各向異性濕法刻蝕技術(shù)形成,V形槽的掩膜使用金屬掩膜,并且與微鏡的掩膜為同一塊掩膜,保證V形槽對準的精度。V形槽用于光纖的定位和對準。
進一步,為了保證在可能的較高電壓下金屬微鏡和下電極構(gòu)成的類平行極板結(jié)構(gòu)不會發(fā)生電擊穿的問題,在結(jié)構(gòu)中增加一層絕緣層作為防擊穿層,該層可以在下極板上淀積二氧化硅形成。
為了保障金屬微鏡在釋放后的安全,保證光開關(guān)的成品率,在金屬微鏡制作工藝中增加一對臨時支撐梁,起到臨時支持的作用,在劃片之后,該臨時支撐梁可以用激光除去,從而完全釋放微鏡。臨時支撐梁與金屬微鏡在同一掩膜版上用相同工藝形成。
以上述微機械光開關(guān)為單元,可以構(gòu)成1×1、1×2、2×2…N×N等多種類型微機械光開關(guān)及陣列。
由上述結(jié)構(gòu)可見,本發(fā)明提供的金屬微機械光開關(guān)具有的優(yōu)點為1、水平金屬微鏡,單元結(jié)構(gòu)簡單,可擴展性好。
2、采用靜電驅(qū)動,控制簡單。
3、工藝簡單,成品率高,適合大批量生產(chǎn)。
圖1是本微機械光開關(guān)的結(jié)構(gòu)俯視圖;圖2是本微機械光開關(guān)的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖;圖3是本微機械光開關(guān)的工作示意圖;圖4是以上述光開關(guān)為單元的級聯(lián)示意圖。
具體實施例方式參見圖1和圖2,該光開關(guān)構(gòu)成如下由硅片形成的基板1、微鏡2、通孔3、V形槽4、雙側(cè)懸臂梁5、臨時支撐梁6、下電極7、微鏡止動結(jié)構(gòu)8和防擊穿層9幾個部分構(gòu)成。微鏡2為可扭轉(zhuǎn)的水平結(jié)構(gòu),采用多種金屬合金材料,同時也作為上電極。微鏡2的正下方是通孔3,孔深稍大于微鏡長度。雙側(cè)懸梁臂5支撐在微鏡2兩側(cè),為矩形懸臂梁,與微鏡為同一金屬掩膜版形成。下電極7在通孔3下部,由硅片上濺射金屬形成,與微鏡2形成的上電極共同構(gòu)成靜電驅(qū)動的類平行平板結(jié)構(gòu)。在上下電極之間有微鏡止動結(jié)構(gòu)8,下電極板上還淀積一層二氧化硅作為防擊穿層9。微鏡在制作中在兩側(cè)還用采用同一金屬膜板上形成的臨時支撐梁6,V形槽4和微鏡2同一塊掩膜板形成,用于光纖耦合。
參見圖3,其工作光原理如下
金屬微鏡2為水平的微鏡結(jié)構(gòu),當在金屬微鏡和下電極之間未施加驅(qū)動電壓時,金屬微鏡為水平狀態(tài),鏡面不在光路中,此時的光路為A-A’,光路是ON直通狀態(tài)。
當在金屬微鏡和下電極之間施加驅(qū)動電壓時,產(chǎn)生靜電吸引力,造成懸臂梁的扭轉(zhuǎn),帶動微鏡向內(nèi)旋轉(zhuǎn),鏡面插入光路,并由止動結(jié)構(gòu)定位,使微鏡呈垂直狀態(tài),此時的光路狀態(tài)為A-A”,光路是OFF切換狀態(tài)。
參見圖4,以本光開關(guān)為單元形式,能構(gòu)成1×1、1×2、2×2…N×N等多種類型MEMS光開關(guān)及陣列,具有很好的可擴展性。其中,光路為B-B’和C-C’時,光路是ON直通狀態(tài),光路為B-B”和C-C”時,光路是OFF切換狀態(tài),。
本微機械光開關(guān)制作的工藝步驟簡述如下制作的工藝流程1、光開關(guān)上電極部分的制作流程RCA清洗→氧化(厚度~1微米)→LPCVD雙面淀積氮化硅(厚度為100-250納米)→雙面光刻→干法刻蝕氮化硅(兩面都刻蝕)→正面涂膠保護→濕法刻蝕背面的二氧化硅→KOH溶液濕法刻蝕硅(深度100~200微米)→RCA清洗→濺射金屬(Ti、W、Ni、Cr、Au),其中附著層膜厚度200~600埃→光刻→刻蝕金屬形成金屬微鏡,同時形成V型槽→電鍍Au→濕法刻蝕硅,把硅片刻蝕穿,釋放金屬微鏡,獲得光開關(guān)的上電極部分。
2、光開關(guān)微鏡單元的下電極部分的制作流程RCA清洗→氧化(厚度~1微米)→光刻形成臺階→氧化→正面濺射金屬(硅鋁)→光刻→濕法刻蝕硅鋁→清洗→PECVD淀積二氧化硅→光刻引線孔→干法刻蝕二氧化硅→去膠→形成光開關(guān)的下電極部分。
具體各部分的操作方法如下1)RCA清洗方法目的去除各道工藝過后硅片表面的各種有機及無機污染物。
設(shè)備拉達-1化學清洗系統(tǒng)、Semitool ST-260D型甩干機、層流罩。
工具A182-39M聚四氟乙烯花籃、A72-40聚四氟乙烯手柄、吸筆。
清洗液1#液、2#液和去離子水。
1#液配方NH4OH∶H2O2∶H2O=1∶5∶14。
2#液配方HCl∶H2O2∶H2O=1∶2∶7。
清洗方法用A182-39M聚四氟乙烯花籃裝上待清洗的硅片放入溫度為70度的1#液中處理10分鐘,處理完后放入清洗槽中用去離子水沖洗10分鐘。用A72-40聚四氟乙烯手柄將裝有硅片的A182-39M聚四氟乙烯花籃放日溫度為100□的2#液中處理10分鐘,處理完后放入清洗槽中用去離子水沖洗15分鐘。然后用A72-40聚四氟乙烯手柄將裝有硅片的A182-39M聚四氟乙烯花籃從慢沖槽中取出,放入甩干機中,按下甩干機「START」鍵,開始淋洗/甩干,當甩干機停止轉(zhuǎn)動,花籃回到放入時位置后,取出花籃放入傳遞盒。
2)氧化工藝的操作如下目的在硅片表面生長一層優(yōu)質(zhì)的二氧化硅層。
設(shè)備THERMCO擴散爐、氫氣純化器。
工具石英管、石英舟、石英登、手套、口罩、鑷子、吸筆、強光燈。
材料管道N2,管道壓空,管道O2,管道H2。
工藝過程按下擴散爐的啟動按鈕,運行工藝程序,載裝硅片石英舟的懸臂自動從爐管勻速拉出。待懸臂停止,石英舟冷卻10分鐘后,用舟夾把要裝片的石英舟從懸臂上夾下來放在石英凳上,用裝入硅片,硅片主參考面朝下且正面背對氣流。裝片結(jié)束后,用舟夾把石英舟放回懸臂上。按下「START」鍵,進行具體工藝過程。待工藝過程結(jié)束后,懸臂自動從爐管勻速拉出。待懸臂停止,石英舟上正式片冷卻10分鐘后,戴手套和口罩,用舟夾把裝片的石英舟從懸臂上夾下來放在石英凳上,取下正式片作檢查看是否滿足工藝要求。按下「START」鍵,懸臂自動勻速進入爐管后,工藝程序結(jié)束。
3)LPCVD淀積氮化硅工藝操作目的用低壓化學氣相淀積的方法淀積氮化硅薄膜。
設(shè)備THERMCO低壓化學淀積系統(tǒng);SEMI GAS氣瓶柜;Nanometrics膜厚測試儀。
工具石英管,石英舟鑷子;口罩,尼龍手套。
材料二氯二氫硅SICL2H2 99%;氨氣NH3 電子純;管道N2,管道壓空,管道O2。
工藝過程讓系統(tǒng)處于“STANDBY”狀態(tài),按“START”鍵,運行程序,懸臂將自動運行至裝片位置;待懸臂冷卻10分鐘后,帶上口罩和手套,用鑷子裝上待淀積氮化硅的硅片,再按“START”鍵,程序?qū)⒆詣舆\行。在程序?qū)⒆詣舆\行過程中認真觀察系統(tǒng)(操作TMX9001鍵盤)情況,讓系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。
工藝程序設(shè)置工藝時間47min,程序名NITRSI2
待工藝過程結(jié)束后,懸臂自動從爐管勻速拉出。待懸臂停止,石英舟上正式片冷卻10分鐘后,戴手套和口罩,用舟夾把裝片的石英舟從懸臂上夾下來放在石英凳上,取下正式片,LPCVD淀積氮化硅操作結(jié)束。
4)光刻工藝操作目的在硅片表面留下清晰、完整、滿足尺寸要求的窗口圖形設(shè)備System 150硅片處理系統(tǒng);Karlsuss光刻機;顯影機;顯微鏡;烘箱;真空泵。
工具PA182-39M花籃;鑷子;手套??谡?;手套;防護眼鏡。
材料氮氣;壓空;真空;排風;負性光刻膠;負膠顯影;預涂液;顯影液;腐蝕液;去膠液;去離子水。
工藝過程將硅片進行預涂,除去硅片表面殘余水份。將硅片放入System 150硅片處理系統(tǒng)涂膠,在硅片表面涂敷一層均勻的厚度的負性光刻膠。然后將硅片放入120□的烘箱進行前烘15分鐘。待烘烤結(jié)束,將硅片放入Karlsuss光刻機進行光刻曝光。曝完光后,將硅片放入System 150硅片處理系統(tǒng)進行顯影,然后將硅片放入160□的烘箱進行堅膜30分鐘。這樣在硅片表面留下清晰、完整、滿足尺寸要求的窗口或膠膜。待堅膜完成,將硅片進行腐蝕,腐蝕完后,將硅片用去離子水沖洗干凈,并用甩干機脫水,然后在顯微鏡下檢查是否腐蝕干凈,最后去掉硅片上的光刻膠,這樣腐蝕工藝結(jié)束。
5)濺射工藝目的在硅片上淀積均勻的、無缺陷的金屬化層。
設(shè)備XM-90濺射系統(tǒng);PTL-05冷水機;壓縮機;機械泵;適配器。
工藝過程首先打開工藝室離子規(guī),觀察真空計讀數(shù),看是否達到真空要求(10-7乇),在達到規(guī)定要求后,才能進行后面的操作。輸入User ID“1”,進入Service Mode服務(wù)模式。選擇頁面“4”,入口、出口片盒歸位。選擇頁面“2”,執(zhí)行手動指令。將工藝室傳送臂左右走動幾次最后停在Park位置。上下活動工藝室工作臺,最后停留在上的位置。在前面工作進行完畢后,把裝有需要濺射的硅片放到XM-90濺射系統(tǒng)的傳送裝置上,放下蓋子,按下XM-90濺射系統(tǒng)的啟動按鈕,XM-90濺射系統(tǒng)自動濺射一層均勻的金屬薄膜。
權(quán)利要求
1.一種利用金屬制作的微機械光開關(guān),以硅片形成基板,基板上形成有微鏡、V形槽、懸梁臂和電極,其特征在于微鏡為可扭轉(zhuǎn)的水平結(jié)構(gòu),采用金屬合金材料,同時也作為上電極;微鏡的正下方是供微鏡旋轉(zhuǎn)的通孔,孔深稍大于微鏡長度;懸梁臂支撐在微鏡兩側(cè),為矩形懸臂梁,與微鏡為同一金屬掩膜版形成,可由靜電驅(qū)動使微鏡旋轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài);下電極在通孔下部,由硅片上濺射金屬形成,與微鏡形成的上電極共同構(gòu)成靜電驅(qū)動的類平行平板結(jié)構(gòu);在上下電極之間有微鏡止動結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機械光開關(guān),其特征在于微鏡工作表面濺射或電鍍金層,金層厚度應大于光開關(guān)工作波長的穿透厚度,通過干法刻蝕或濕法刻蝕形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機械光開關(guān),其特征在于微鏡形狀為長方形,方向沿(100)方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機械光開關(guān),其特征在于在下電極板上還淀積一層二氧化硅作為防擊穿層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機械光開關(guān),其特征在于通孔由干法深槽刻蝕技術(shù)形成,或通過各向異性濕法刻蝕與V形槽同時形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機械光開關(guān),其特征在于V形槽掩膜為金屬掩膜,為光纖對準定位機構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機械光開關(guān),其特征在于在微鏡在制作中采用同一金屬膜板上形成的臨時支撐梁做支撐,劃片以后除去,釋放微鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機械光開關(guān),其特征在于以上述微機械光開關(guān)為單元,可以構(gòu)成1×1、1×2、2×2…N×N等多種類型微機械光開關(guān)及陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用金屬材料制作的微機械光開關(guān),屬于光電子器件領(lǐng)域,該結(jié)構(gòu)由基板、微鏡、通孔、V形槽、雙側(cè)懸臂梁、臨時支撐梁、下電極、止動結(jié)構(gòu)和防擊穿層等構(gòu)成,其中微鏡的設(shè)計為水平結(jié)構(gòu),以金屬為材料,通過在靜電驅(qū)動下,其雙側(cè)的懸臂梁發(fā)生扭轉(zhuǎn),使微鏡旋轉(zhuǎn)為垂直狀態(tài)插入光路,起到改變光路從而實現(xiàn)開關(guān)的作用。本結(jié)構(gòu)可以作為光開關(guān)單元,有效地制作1×1、1×2、2×2...N×N等多種類型MEMS光開關(guān)及陣列。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單,成品率高,工藝簡單,可批量生產(chǎn)等優(yōu)點,在全光通信網(wǎng)絡(luò)中的光交叉連接(OXC)、光分插復用(OADM)中可發(fā)揮重要作用,同時在全光網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備中也有重要的應用。
文檔編號G02B6/13GK1472556SQ0313529
公開日2004年2月4日 申請日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者羅元, 張正元, 黃尚廉, 徐世六, 羅 元 申請人:重慶大學, 中國電子科技集團公司第二十四研究所