CN1081339C - 微光学开关及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤通讯中微光学信息处理技术领域，包括结合成一体的芯片、引线框架、金引线及塑料封装外壳；芯片由硅片，插入硅片中的入射、出射光纤及制作在硅片上反射入/出射光的由聚酰亚胺多晶硅复合微梁和微镜支持框架支撑的一个以上微镜，以及结合于该微镜上、下表面的二电极所组成。本发明具有结构简单，制造方便，驱动角度小，能耗低，快速性好，惯量小，无阻尼自振频率高，使用方便等诸多优点，易于推广应用。

Description

微光学开关及其制作方法

本发明属于光纤通讯中微光学信息处理技术领域，特别涉及一种微光学开关的结构设计与制作。

目前，光学开关在光纤通信特别是大容量光纤通信网中有着重要的地位。因为光学开关被使用的广泛性，要求其具有性能高、小型、价廉等特性，微光学开关正能满足这一要求。日本电信电话公司(NTT)研制了在光纤上镀上磁性材料，利用电磁驱动的1×2小型光纤开关。瑞士Neuchatel大学研制了利用高深宽比等离子刻蚀制作的、梳状静电驱动器驱动的、利用侧面反射的微镜光学开关；德国卡鲁休斯核研究所利用X射线刻蚀(LIGA)工艺制作了原理相同的微光学开关，上述两种开关通过梳状静电驱动器驱动微镜平移入光路，切断一方向的光，反射另一方向的光，梳状驱动器需占较大的面积。日本东京大学研制了利用硅表面工艺和体硅工艺结合制作的微镜光学开关，该开关利用下硅片上的电极驱动和光纤定位沟在同一硅片上的微转镜旋转90°切入光路，切断一方向的光反射另一方向的光，该开关因需腐蚀穿硅片，所占面积不小，下电极与微镜间距离较大，所需驱动电压也较高。美国加州大学咯杉机分校研制了硅表面微加工结合铰链组装技术制作的垂直于硅片的微转镜开关，在微转镜和与其成45°的电极间印加电压，实现45°微镜开关。

但是，上述各种微光学开关由于驱动部件结构复杂，所占面积大，惯量大，频率响应慢，所需驱动电压高，制造工艺复杂，因此在制造、使用上受到很大的限制。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种微光学开关，具有结构简单，制造方便，驱动角度小，能耗低，快速性好，惯量小，无阻尼自振频率高，使用方便等诸多优点，易于推广应用。

本发明提出一种微光学开关，包括结合成一体的芯片、引线框架、金引线及塑料封装外壳，其特征在于，所说的芯片由硅片，插入硅片中的入射、出射光纤及制作在硅片上反射入/出射光的由聚酰亚胺多晶硅复合微梁和微镜支持框架支撑的一个以上微镜，以及结合于该微镜上、下表面的二电极所组成。

所说的硅片可由粘合成一体的上、下硅片构成，该上硅片开有供光纤插固的定位通孔，其下表面中部形成凹部构成限制所说微镜竖起角度的微镜定位板，该下硅片的上表面与所说的光纤相对位置制作有所说的微镜。

所说的硅片可由粘合成一体的上、中、下硅片构成，该中硅片的上下表面开有供光纤插固的定位槽和限制所说微镜竖起角度的微镜定位平台，其中部开有光线透射孔，该上硅片的下表面及下硅片的上表面与所说的光纤相对位置制作有所说的微镜。

所说的微镜可由制作在所说硅片衬底上可腐蚀掉的磷硅玻璃牺牲层上的并与所说的聚酰亚胺多晶硅复合微梁相连的多晶硅层、金膜层、聚酰亚胺层构成。

本发明所述的微光学开关的制作方法，包括采用注塑工艺、冲裁工艺和键合工艺将芯片、引线框架、金引线及塑料封装外壳结合成一体，其特征在于，所说的芯片制作步骤为：在硅片上用热氧化法生长上一层二氧化硅作为绝缘介质膜，用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层多晶硅，用光刻工艺把多晶硅层刻出下电极、引线和压焊点，用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层氮化硅和一层磷硅玻璃，分别作为绝缘介质膜和作为牺牲层，光刻磷硅玻璃成一定形状，再用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层多晶硅，组成聚酰亚胺多晶硅复合微梁和微镜支持框架，在硅片上溅射上一层金膜，用光刻工艺把金层刻出一定的形状，包括微镜上电极、引线和压焊点，以及上、下硅片的结合面，用甩胶法在硅片上涂上聚酰亚胺，光刻聚酰亚胺多晶硅复合微梁，聚酰亚胺进行亚胺化，把磷硅玻璃牺牲层腐蚀掉，从而释放聚酰亚胺多晶硅复合微梁、微镜支持框架和微镜，减吸附处理。

所说的芯片制作步骤还包括利用反应离子深层刻蚀技术在硅片上刻蚀出光纤定位孔。或包括在硅片双面光刻、体硅腐蚀出光纤定位槽和光线透射孔以及微镜定位平台。

所说的键合工艺是利用硅片结合面间的金层进行硅硅低温键合。在模具中冲裁出引线框架，把芯片用低应力胶固定在已经冲裁好的引线框架中央，利用键合工艺，由金引线把芯片上的压焊点和引线框架上的外引线键合连接起来，把芯片和引线框架放入注塑模具中注塑封装。

本发明的工作原理是，利用硅微细加工工艺，进行硅表面微加工和体硅加工，制作出反射光线的微镜及聚酰亚胺多晶硅复合微梁。进行亚胺化后，聚酰亚胺多晶硅复合微梁内产生大残余应力，使聚酰亚胺多晶硅复合微梁弯曲翘起，用微镜定位板使其处于一定角度，在微镜上和微镜下方各有一个电极，驱动时，在这两个电极间加电压，微镜在静电引力的作用下下塌，撤去电压后，微镜在聚酰亚胺多晶硅复合微梁的弹性力作用下回到初始位置，从而实现光线的开关功能。本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：

1、结构简单，易于制造。利用聚酰亚胺多晶硅复合微梁内大残余应力使微镜竖起，不用进行大面积和深度的体硅腐蚀工艺。

2、制造成本低廉，适合于在流水线上大批量生产。

3、微镜惯量小，驱动角度小，导致驱动电压低，能耗小。

4、快速性好，由于微镜结构简单，惯量小，无阻尼自振频率高。

5、实用方便，使用时，只需直接插入集成电路插槽中就能外接电路相连，连接好光纤就能使用。

附图简要说明：

图1是本发明微光学开关实施例一的总体结构剖示图。

图2是图1的断面剖示图。

图3是微光学开关实施例一中芯片13的结构示意图。

图4是本发明微光学开关实施例二的总体结构剖示图。

图5是图4的断面剖示图。

图6是微光学开关实施例二中芯片23的结构(微镜竖起时)示意图。

图7是微光学开关实施例二中芯片23的结构(微镜平躺时)示意图。

图8是实施例二的中间硅片234的结构图。

图9是图8的侧视图。

图10是图8的俯视图。

图11是本发明实施例单个微镜结构平躺时的状态图。

图12是本发明实施例单个微镜结构微镜平躺状态的俯视图。

图13是本发明实施例单个微镜结构未加电压时微镜竖起的状态。

图14是本发明实施例单个微镜结构的断面图。

以下结合附图对本发明的实施例具体结构及制作方法作进一步描述：

图1，图2是微光学开关实施例一的总体结构图。总体共包括四个部件：其中，11为塑料封装外壳，在注塑模具中通过注塑工艺得到；12为光纤，和芯片13连接在一起成为一个部件，14为引线框架，设计好具体形状后在模具中通过冲裁工艺得到；15为金引线。芯片用低应力胶粘接在引线框架的中心，利用键合工艺，由金引线把芯片上的压焊点和引线框架上的外引线键合连接起来。最后在注塑模具中通过注塑工艺用封装外壳把芯片封装起来。

图3是微光学开关实施例一中芯片13的结构图。图中，131为下硅片，132为入射微镜，136为出射微镜，所有的微镜都制作在下硅片上。133为上硅片，它的下面四周与下硅片粘合在一起，中间部分与下硅片有一微小空间，恰能使下硅片上的微镜竖起45°。上硅片是入射光纤134以及出射光纤135和芯片的连接部分。每个芯片有一个入射光纤，有N个出射光纤，出射光纤数目N可根据实际需要而确定，图中只画出了8个。上硅片上有光纤定位孔，光纤插入定位孔中后，再用胶固定。上硅片还起着微镜定位板的作用。

入射微镜132是固定微镜，倾斜角度为45°，光线可由此微镜反射至任何一个出射微镜136。出射微镜136，共有N个，结构都相同，与出射光纤一一相对应。图中只画出了8个，可根据实际需要而确定其数目。在各微镜上和下硅片上(与微镜对应位置上)都有一个电极，(电极的具体结构和位置见图11至图14)。在电极间未加电压时，微镜竖起倾斜角度为45°，在电极间加上电压时，微镜平躺。当前M个出射微镜平躺时，光线就从第M+1个出射微镜反射至第M+1条出射光纤，从而可实现1×N微光学开关。

上、下硅片结合面处都有一层金膜137和138，把上、下硅片对准后加到一定温度后，金层137和138相互融合，上、下硅片就粘合在一起了。图4，图5微光学开关实施例二的总体结构图。总体共包括四个部件，除了芯片23外，其余部件的结构和制作过程与实施例一都一样，此处不再细述。

图6和图7是微光学开关实施例二的芯片23的结构图。其中，图6是芯片上的微镜竖起时的状态，图7是微镜平躺时的状态。这是两种不同的工作状态。图中231为下硅片，下硅片上设置有一个入射微镜232和一个出射微镜236，微镜竖起时倾斜角小于45°。235是上硅片，同样设置有一个入射微镜232和一个出射微镜236。上硅片结构与下硅片相同。234是中间硅片，上下两面都刻有光纤定位槽和微镜定位平台，中间刻有光线透射孔，具体结构见图8、图9和图10。中间硅片起光纤定位、上、下硅片连接以及微镜定位板作用。每个芯片有二个入射光纤233和二个出射光纤237，安装时分别插入中间硅片234的定位槽中后用胶固定。上、下硅片与中间硅片的结合面处都有一层金膜238和239。把上、下硅片与中间硅片对准后加到一定温度后，金层238和239相互融合，三层硅片就粘合在一起。同时把入射光纤和出射光纤固定。各入射微镜和出射微镜的结构相同，而且对称布置。整个芯片的结构上下、左右对称，保证了两组入射微镜和出射微镜分别平行。在各微镜上和上、下硅片上(与微镜对应位置上)都有一个电极，(电极的具体结构和位置见图11至图14)。

图6是在上、下硅片上的电极和各微镜上的电极间未加电压时，微镜竖起，从入射光纤233射入的光经入射微镜232反射到对应的出射微镜236后，再从对应的出射光纤237射出。

图7是在上、下硅片上的电极和各微镜上的电极间加上电压时，微镜在静电力作用下平躺，从入射光纤233射入的光直接从同一侧的出射光纤237射出，从而实现2输入、2输出的2×2微光学开关。

图8、图9和图10是实施例二的中间硅片234的结构图。在中间硅片的上下两侧都有一个金层238、光纤定位槽2341、微镜定位平台2342，在中间硅片的中间有一个光线透射孔2343。金层238作为与上、下硅片的结合面。

实施例一和实施例二中微镜结构相同。图11，图12，图13，图14是单个微镜结构图，其中，图11是微镜平躺时的状态，图12是微镜平躺状态的俯视图，图13是未加电压时微镜竖起的状态，图14是微镜的断面图。图中31是硅片衬底，是整个微镜结构的基础，微镜的所有结构层都制作在硅片衬底上。32是绝缘介质膜，由一层二氧化硅组成。33是下电极，由一层多晶硅组成。34是多晶硅层，其中的一部分与聚酰亚胺层一起构成聚酰亚胺多晶硅复合微梁，另外与微镜靠近的部分作为微镜的支持框架。35是聚酰亚胺层，经过亚胺化处理后收缩，产生大残余应力，使复合梁弯曲翘起。36是氮化硅钝化绝缘层，起电绝缘作用。37是金膜微镜，同时也作为上电极。

在上、下电极33和37之间未加上电压时，微镜就竖起，加上电压时微镜就平躺，从而实现开关动作。

以下结合附图对本发明的具体制作过程作进一步描述：制作过程共分成芯片制作和外壳封装两个过程。

一、实施例一中芯片制作过程：

1、下硅片制作过程：

(1)在硅片上用热氧化法生长上一层二氧化硅作为绝缘介质膜。

(2)在硅片上用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层多晶硅，作为下电极。

(3)用光刻工艺把多晶硅层刻出一定的形状，包括下电极、引线和压焊点。

(4)再在硅片上用LPCVD沉积上一层氮化硅作为绝缘介质膜。

(5)在硅片上用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层磷硅玻璃，作为牺牲层。

(6)光刻磷硅玻璃成一定形状。

(7)在硅片上用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层多晶硅，组成聚酰亚胺多晶硅复合微梁和微镜支持框架。

(8)在硅片上溅射上一层金。

(9)用光刻工艺把金层刻出一定的形状，包括微镜上电极、引线和压焊点，以及上、下硅片的结合面。

(10)用甩胶法在硅片上涂上聚酰亚胺，光刻出聚酰亚胺多晶硅复合微梁。

(11)聚酰亚胺进行亚胺化。

(12)牺牲层腐蚀，把磷硅玻璃层腐蚀掉，从而释放聚酰亚胺多晶硅复合微梁、微镜支持框架和微镜。

(13)减吸附处理。

2、上硅片制作过程：

(1)利用反应离子深层刻蚀技术刻蚀出光纤定位孔。

(2)体硅腐蚀出微镜定位平台。

(3)光纤与上硅片通过光纤定位孔定位连接，通过胶使其固定。

3、把上、下硅片对准后，利用结合面间的金层进行硅硅低温键合。

二、实施例二中芯片制作过程：

1、上硅片和下硅片的制作过程与实施例1中下硅片的一样。

2、中间硅片制作：

(1)双面光刻出光纤定位槽和光线透射孔以及微镜定位平台的图型。

(2)体硅腐蚀出光纤定位槽、光线透射孔、微镜定位平台、中间硅片与上下硅片的结合面。

(3)在硅片的两面都溅射上一层金。

3、把光纤置于中间硅片的定位槽中，用胶固定，盖上上硅片和下硅片，对准后利用结合面间的金层进行硅硅低温键合。

三、外壳封装过程：

实施例一和实施例二的外壳封装过程相同，只是注塑所使用的模具不同。

(1)引线框架的冲裁。设计好引线框架的具体形状后，放在模具中冲裁出引线框架。

(2)把芯片用低应力胶固定在已经冲裁好的引线框架中央。

(3)利用键合工艺，由金引线把芯片上的压焊点和引线框架上的外引线键合连接起来。

(4)把芯片和引线框架放入注塑模具中注塑封装。

Claims (8)

1、一种微光学开关，包括结合成一体的芯片、引线框架、金引线及塑料封装外壳，其特征在于，所说的芯片由硅片，插入硅片中的入射、出射光纤及制作在硅片上反射入/出射光的由聚酰亚胺多晶硅复合微梁和微镜支持框架支撑的一个以上微镜，以及结合于该微镜上、下表面的二电极所组成。

2、按照权利要求1所述的微光学开关，其特征在于：所说的硅片由粘合成一体的上、下硅片构成，该上硅片开有供光纤插固的定位通孔，其下表面中部形成凹部构成限制所说微镜竖起角度的微镜定位板，该下硅片的上表面与所说的光纤相对位置制作有所说的微镜。

3、按照权利要求1所述的微光学开关，其特征在于：所说的硅片由粘合成一体的上、中、下硅片构成，该中硅片的上下表面开有供光纤插固的定位槽和限制所说微镜竖起角度的微镜定位平台，其中部开有光线透射孔，该上硅片的下表面及下硅片的上表面与所说的光纤相对位置制作有所说的微镜。

4、按照权利要求1、2或3所述的微光学开关，其特征在于：所说的微镜由制作在所说硅片衬底上可腐蚀掉的磷硅玻璃牺牲层上的并与所说的聚酰亚胺多晶硅复合微梁相连的多晶硅层、金膜层、聚酰亚胺层构成。

5、按照权利要求1所述的微光学开关的制作方法，包括采用注塑工艺、冲裁工艺和键合工艺将芯片、引线框架、金引线及塑料封装外壳结合成一体，其特征在于，所说的芯片制作步骤为：

1)在硅片上用热氧化法生长上一层二氧化硅作为绝缘介质膜，用低压化学气相淀积法淀积上一层多晶硅；

2)用光刻工艺把多晶硅层刻出下电极、引线和压焊点，用低压化学气相淀积法淀积上一层氮化硅和一层磷硅玻璃，分别作为绝缘介质膜和作为牺牲层，光刻磷硅玻璃成一定形状；

3)用低压化学气相淀积法淀积上一层多晶硅，组成聚酰亚胺多晶硅复合微梁和微镜支持框架；

4)在硅片上溅射上一层金膜，用光刻工艺把金层刻出一定的形状，包括微镜上电极、引线和压焊点，以及上、下硅片的结合面；

5)用甩胶法在硅片上涂上聚酰亚胺，光刻聚酰亚胺多晶硅复合微梁，聚酰亚胺进行亚胺化，把磷硅玻璃牺牲层腐蚀掉，从而释放聚酰亚胺多晶硅复合微梁、微镜支持框架和微镜；

6)减吸附处理；

7)利用反应离子深层刻蚀技术在硅片上刻蚀出光纤定位孔。

6、按照权利要求1所述的微光学开关的制作方法，包括采用注塑工艺、冲裁工艺和键合工艺将芯片、引线框架、金引线及塑料封装外壳结合成一体，其特征在于，所说的芯片制作步骤为：

1)在硅片上用热氧化法生长上一层二氧化硅作为绝缘介质膜，用低压化学气相淀积法淀积上一层多晶硅；

2)用光刻工艺把多晶硅层刻出下电极、引线和压焊点，用低压化学气相淀积法淀积上一层氮化硅和一层磷硅玻璃，分别作为绝缘介质膜和作为牺牲层，光刻磷硅玻璃成一定形状；

3)用低压化学气相淀积法淀积上一层多晶硅，组成聚酰亚胺多晶硅复合微梁和微镜支持框架；

4)在硅片上溅射上一层金膜，用光刻工艺把金层刻出一定的形状，包括微镜上电极、引线和压焊点，以及上、下硅片的结合面；

5)用甩胶法在硅片上涂上聚酰亚胺，光刻聚酰亚胺多晶硅复合微梁，聚酰亚胺进行亚胺化，把磷硅玻璃牺牲层腐蚀掉，从而释放聚酰亚胺多晶硅复合微梁、微镜支持框架和微镜；

6)减吸附处理；

7)在硅片双面光刻、体硅腐蚀出光纤定位槽和光线透射孔以及微镜定位平台。

7、如权利要求5或6所述的工艺方法，其特征在于，所说的键合工艺是利用硅片结合面间的金层进行硅硅低温键合。

8、按照权利要求5或6所述的微光学开关的制作方法，其特征在于，所说的封装工艺为在模具中冲裁出引线框架，把芯片用低应力胶固定在已经冲裁好的引线框架中央，利用键合工艺，由金引线把芯片上的压焊点和引线框架上的外引线键合连接起来，把芯片和引线框架放入注塑模具中注塑封装。

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