CN1172204C - 微机械光开关阵列 - Google Patents

Abstract

介绍一种光纤通信用的微机械光开关阵列，其基本构成为一块(110)晶向的硅单晶衬底。该衬底集成有若干(111)结晶面反射镜平板，每块反射镜平板由一块弹性硅片支持。该衬底还集成有空腔，垂直深槽，阻挡块，和微型沟渠等。反射镜平板通过垂直深槽与硅衬底纵向分开，阻挡块处于空腔与垂直深槽连通处。垂直深槽引导反射镜平板上下移动，而阻挡块限定反射镜平板移动的最大高度。微型沟渠内布置有自动对准反射镜平板的光纤和圆柱形透镜。

Description

微机械光开关阵列

本发明是关于光纤通信用的光开关阵列，特别是关于光纤通信用的微机械光开关阵列。光开关的功能是将光纤传输的光束根据需要进行接通或关断，主要用于光纤通信。光开关与光电开关相比，其优越之处是免受电磁干扰，无需光电转换，结构简单，功率消耗低等。光开关已在光纤通信系統中逐步取代光电开关，不久的将来，一定会出现全部采用光开关的光纤通信系统。

早期的光开关器件以机械切换和电光调制为工作原理，其缺点是整体结构微型化不易，与控制用的集成电路组合也很困难。近几年来发展的光开关器件为微机械光开关器件。微机械制造技术是半导体器件制造技术的继承和发展，不仅可以采用大部分半导体器件制造所用的设备，而且可以沿用大部分半导体器件制造所采用的工艺。因此微机械光开关，像半导体器件那样，具有体积小，重量轻，加工精度高，容易大批量生产等优点。此外，光开关运作所需要配置的集成电路也可以采用混合集成方法予以实现，从而得以简化光开关的整体结构并改进其综合性能。

第一种现有的微机械光开关阵列如图1所示。该微机械光开关阵列主要由两块基片拼合而成，其中一块基片101包含若干金属焊接点和金属电路连线104，若干反射面102，和若干通孔103，另一块基片105包含若干凹坑106和若干处于凹坑顶部边缘的支持壁107。此外还包括若干排列在两基片组合体外围的光纤108。反射面102向下折叠弯入通孔103，通孔103下方对准凹坑106，下弯的反射面102底部背面紧贴凹坑顶部边缘。以反射面102为中心组成单元，周期性朝两互相垂直的方向展开，构成微机械光开关阵列。每个反射面102由两根细长轴条支持，细长轴条的外端与第一基片101连接。通过细长轴条的扭转形变，使反射面102发生转动，从而实现反射状态和非反射状态的转移。

两块基片101和105拼合要相互对准，使基片101上的反射面和通孔阵列与基片105上的凹坑阵列一一对应就位，并且使每个凹坑105恰好接纳一个下弯的反射面102。反射面102下弯进入凹坑105后，由支持壁107将其挡住，使其定位为垂直反射状态，此时由光纤108传来的光束可由反射面102反射，从而改变其传输方向。

两基片拼合结构是这种微机械光开关阵列的主要缺陷，因为两基片拼合时要求相应的构件精确对准，这給制造带来不少麻烦。

存在的问题还有光纤与反射面的瞄准需要配置微调装置，从而使微机械光开关阵列结构变得复杂，操作也很困难。

此外，反射面的转动由静电力驱动以使细长轴条产生扭转形变，而此力学过程至今都不是很清楚，可供设计的数据也不多，要实现精确控制并不容易。

图2表示第二种现有的微机械光开关阵列。该微机械光开关阵列組合构件包括基片201，若干处于反射状态和非反射状态的反射面202和203，若干微型透镜204，若干光纤205，和一驱动机构。反射面与基片通过转轴连接，在非静电力的作用下进行旋转运动。驱动机构附属于基片201，并与反射面相连，其功能是促使反射面在反射状态和非反射状态之间进行转换。每个反射面至少需配置一个铰链栓和两个铰链脚。铰链脚与基片201的连接通过订针形状的机构实现，每个订针机构内含有一条可容纳铰链脚的空槽，铰链脚在槽内可以自由移动，致使反射面绕铰链轴转动。

驱动机构包括一个铰链组合体和一个矩形平板。铰链組合配置有一个以上的连接棒，其一端与反射面铰链连接，另一端与矩形平板铰链连接。矩形平板与基片201滑动连接，可在两个限定的位置之间平行移动。

驱动机构可以采用抓爪驱动机构和梳状驱动机构。矩形平板的平行移动由两步操作实现，首先通过基片201的作用启动驱动机构，然后通过驱动机构的作用引起矩形平板平行移动。

这种微机械光开关阵列的明显缺陷是活动构件比较多，每个活动件的定位都影响到反射面最终进入反射状态的精确度，而活动件之间的连接又并不是密配合，而是留有一定的孔隙，一旦外部发生震动，必然引起相互之间位置的移动，从而带动反射光束偏离对准的方向。

另一缺陷，是驱动机构佔用比较多的操作面空间，使光开关单元之间存在较大的距离，而反射面之间又没有配置聚焦透镜，必将导致光束在自由空间传输损耗增加。

此外，这种微机械光开关阵列要用三层多晶硅加工技术制造，而目前这种技术尚未成熟，制造出來的微机械光开关阵列的重复精度很不理想。

为了解決上述现有微机械光开关阵列存在的问题，并且挖掘微机械光开关阵列尚未开发的潜在优势，本发明赋予微机械光开关阵列如下特性：

微机械光开关阵列的反射镜平面能自动保持与其操作平面垂直的状态，即使外部环境发生振动而使其偏离，但振动一旦消失即会自动返回垂直状态。

微机械光开关阵列中每两个光束传输点之间都配置有透镜，对发散的光束起会聚作用，从而降低自由空间的光传输损耗。

微机械光开关阵列的反射镜与放置光纤和透镜的微型结构集成在同一基片上，以实现各光束传输点之间被动瞄准或自动瞄准。

微机械光开关阵列的反射镜附属的平板为(111)硅结晶面平板，其表面具有原子級的平整度和光洁度，因而具有极高的反射系数。

微机械光开关阵列的反射镜为双面平面反射镜，从而使微机械光开关阵列具有比较高的光开关密度，更便于实现整体结构的微型化。

微机械光开关阵列的反射镜由硅单晶形成的弹性片支持，具有极其优良的机械性能，有利于延长使用寿命。

微机械光开关阵列的透镜具有与光纤相同的圆柱形尺寸，因而可以与光纤一同进行布置，对简化制造工艺和保证瞄准精度有利。

上述微机械光开关阵列的各种特性明确具体反映在本发明设計的下述微机械光开关阵列上。本发明微机械光开关阵列的基本构成主要为一块(110)晶向的硅单晶衬底，该衬底集成有若干有序排列的反射镜平板，该反射镜平板的两相对表面为垂直于硅单晶衬底表面的(111)结晶面。每块反射镜平板均由一块处于硅衬底背部的弹性硅片支持，该弹性硅片平行于硅衬底表面，并与反射镜平板垂直交连。每块弹性硅片至少有一边与硅衬底保持连接，而其它各处均与硅衬底分离。有一空腔夹在弹性硅片与硅衬底之间，为弹性硅片形变提供弯曲空间。空腔与垂直深槽连通，反射镜平板正是通过垂直深槽与(110)硅衬底纵向分开。在空腔与垂直深槽连通处形成直角状阻挡块对，分居于反射镜平板底部的两侧。垂直深槽引导反射镜平板上下垂直移动，而阻挡块限定反射镜平板上移的最大高度，并压平弯曲的弹性硅片以维持其支持的反射镜平板处于垂直状态。本发明微机械光开关阵列的构成，还包括若干微型沟渠，该微型沟渠与反射镜平板集成在同一硅衬底内，其中心轴线与反射镜平板的(111)结晶面成135度或45度夾角。

每条微型沟渠内放置一根光纤或一段圆柱形透镜，其中心轴线处于同一个水平面上，相互之间平行排布或垂直走向。每根光纤都从远处延伸而来，传来发自通信中心的光束。光纤的近端附有一段圆柱形透镜，对返回的发散光束进行聚焦，使其大部分光能沿光纤纤芯送回通信中心。光纤和圆柱形透镜都只有一小半部分置入微型沟渠内，使其纤芯高出硅衬底表面，从而使光纤传输的光束在离开纤芯后仍能沿着硅衬底表面上空行进。

每块反射镜平板由四段圆柱形透镜瞄准，反射镜平板同一侧的两段圆柱形透镜的中轴延长线相互正交，交点处于反射镜平板同侧的反射面上，且与反射镜平板的法线方向形成相同的夹角，因而其中一段圆柱形透镜发射的光束经反射镜反射后能进入另一段圆柱形透镜。当反射镜平板的厚度足夠薄或光束的直径足夠小，则可将四段圆柱形透镜的中轴延长线交点置于反射镜平板的厚度中心，从而使四段圆柱形透镜的中轴延长线相互垂直或连接成一条直线。

当反射镜平板处于非反射状态時，其全部板面隐藏于(110)硅衬底内，且其顶端与(110)硅衬底表面齐平。此时，由反射镜平板面对的一段圆柱形透镜发射的光束能夠毫无阻碍从反射镜平板的顶端上方越过，并进入处于反射镜平板另一侧该段圆柱形透镜延长线方向的另一段圆柱形透镜。

反射镜平板进入反射状态由平板电容器两平板之间的静电力作用驱动。为此，弹性硅片自身构成平板电容器的可形变电极，而另一平板电极附属于硅衬底之外的刚性平板上。平板电容器的两平板电极上外加极性相同的电压时，弹性硅片受排斥力作用向空腔内弯曲，带动由弹性硅片支持的反射镜平板向上提升，致使反射镜平板突出(110)硅衬底表面，阻挡由此处通过的光束。此时，由反射镜平板面对的一段圆柱形透镜发射的光束不能从反射镜平板的顶端越过，而是由反射镜平板的反射面进行反射，然后进入处于反射镜平板同侧另一段延长线与该段圆柱形透镜延长线垂直的圆柱形透镜。

圆柱形透镜形成于折射率梯度变化的光纤，其光芯的折射率沿径向方向成抛物线递增。选用的折射率梯度变化的光纤的外径与通信用的光纤相同，因而在具有同样几何形状的微型沟渠内既可放置光纤又可放置圆柱形透镜。

本发明的微机械光开关阵列采用微机械加工技术制造，其主要特征制造步骤包括：用KOH溶液对(110)硅单晶衬底进行各向异性腐蚀，以形成(111)结晶面平板；选择性形成隐藏的氧化多孔硅层，随后将其选择性腐蚀去掉以从硅单晶衬底分割出一部分变成弹性硅片。

根据硅单晶的晶体结构得知：(110)硅单晶衬底含有四个垂直于其表面的(111)结晶面。当(110)硅单晶片在KOH溶液中腐蚀时，其(110)结晶面的腐蚀速率远大于(111)结晶面的腐蚀速率，因此在经过足夠长的腐蚀时间后，腐蚀凹坑的侧面均为(111)结晶面。如果腐蚀掩蔽图形包含菱形开口，且菱形的边线对准垂直于(110)硅单晶衬底表面的(111)结晶面，则所形成的腐蚀凹坑的两相对侧面为极为平整光亮的(111)结晶面。

氧化多孔硅由多孔硅在比较低的温度下经由热氧化生成，而多孔硅为单晶硅的特殊形态，由单晶硅在HF溶液中发生阳极氧化生成。因此形成氧化多孔硅须经过四个步骤，第一步，在轻掺杂的硅单晶衬底内形成重掺杂的扩散层；第二步，在重掺杂的扩散层上外延生长轻掺杂的硅外延层；第三步，将重掺杂的扩散层选择性转化成多孔硅层；第四步，将多孔硅层选择性转化成氧化多孔硅层。在用KOH溶液腐蚀(110)硅单晶衬底的过程中，氧化多孔硅层用作抗腐蚀的阻挡层，防止氧化多孔硅层下的硅外延层被KOH溶液腐蚀。氧化多孔硅层可以在不腐蚀硅的腐蚀溶液中选择性去掉，从而可以保留其底下的硅外延层，使其成为与硅衬底分开的弹性硅片。

其它配合使用的特征制造步骤，还有形成几何形状可以精确控制的微型沟渠。形成微型沟渠的首选技术为深槽反应离子腐蚀技术，其替代技术为KOH各向异性腐蚀技术。用KOH溶液腐蚀(110)硅单晶衬底形成放置光纤的微型沟渠的技术，已在授权于本发明人的美国专利5381231中作了详细描述，此项美国专利被列入本发明的参考文献。美国专利5381231中的微型沟渠形成技术可以概括成两步操作过程。第一步，用KOH溶液腐蚀(110)硅单晶衬底以形成凹坑串。每个凹坑串包括两种不同尺寸的凹坑，彼此错开排列。沿凹坑串中心轴线方向，每个凹坑的两个相对侧面为垂直于(110)硅单晶衬底表面的(111)结晶面。每两个相邻凹坑之间均有一垂直于(110)硅单晶衬底表面的薄墙，由此将相邻凹坑隔离开来。第二步，用硅的各向同性腐蚀溶液腐蚀去掉两相邻凹坑之间的薄墙，使凹坑串打通变成沟渠。薄墙腐蚀去掉后留下突出的脊梁状平台，分布于沟渠的两相对侧面，成对相向而立，其间留有通道。脊梁状平台的几何形状，包括通道的宽度，可以通过控制腐蚀掩蔽膜图形和腐蚀条件而予先设定。

为了帮助了解本发明的微机械光开关阵列与现有的微机械光开关阵列的本质差别，本文附有现有微机械光开关阵列的示意图，本发明微机械光开关阵列的结构示意图，以及本发明微机械光开关阵列的制造流程示意图。

图1为现有的微机械光开关阵列的透视示意图。

图2为另一现有的微机械光开关阵列的透视示意图。

图3为本发明设计的微机械光开关阵列部分切除透视示意图。

图4为本发明微机械光开关阵列处于非反射状态时部分切除透视示意图。

图5为本发明微机械光开关阵列处于反射状态时部分切除透视示意图。

图6为本发明微机械光开关阵列制造流程的第一步完成后部分切除透视示意图，此步的目的是在轻掺杂的(110)硅单晶衬底的第一表面内形成重掺杂扩散层。

图7为本发明微机械光开关阵列制造流程的第二步完成后部分切除透视示意图，此步的目的是在(110)硅单晶衬底的第一表面上形成覆蓋重掺杂扩散层的轻掺杂硅外延层。

图8为本发明微机械光开关阵列制造流程的第三步完成后部分切除透视示意图，此步的目的是将重掺杂扩散层通过阳极氧化转变成多孔硅层，并进而通过热氧化将多孔硅层转变成氧化多孔硅层。

图9为本发明微机械光开关阵列制造流程的第四步完成后部分切除透视示意图，此步的目的是在(110)硅单晶衬底的第二表面内形成微型沟渠。

图10为本发明微机械光开关阵列制造流程的第五步完成后部分切除透视示意图，此步的目的是在(110)硅单晶衬底的第二表面内形成(111)结晶面薄膜。

图11为本发明微机械光开关阵列制造流程的第六步制备的刚形平板部分切除透视示意图。

图12为本发明微机械光开关阵列制造流程的第七步完成后部分切除透视示意图，此步的目的是将(110)硅单晶衬底与刚性平板组合，并在(110)硅单晶衬底的第二表面内刻制深槽以形成(111)结晶面平板。

图13为本发明微机械光开关阵列制造流程的第八步完成后部分切除透视示意图，此步的目的是选择性腐蚀去掉氧化多孔硅层，最终形成微机械光开关阵列。

图14为本发明用KOH溶液腐蚀(110)硅单晶片形成腐蚀坑串的透视示意图，此举是形成本发明微机械光开关阵列所需微型沟渠的制造步骤之一。

图15为本发明用硅各向同性腐蚀溶液腐蚀去掉腐蚀坑串内隔墙而将其打通的透视示意图，此举是形成本发明微机械光开关阵列所需微型沟渠的制造步骤之二。

图16为本发明用KOH溶液腐蚀(110)硅单晶片所形成的微型沟渠内放置光纤和圆柱形透镜的透视示意图。

参照附图，下面对本发明的微机械光开关阵列的器件结构及其制造流程进行详细描述。

如图3所示，本发明的微机械光开关阵列以一块(110)硅单晶衬底301为建造基础，其内部集成有若干显露的(111)结晶面反射镜平板302，若干隐藏的(111)结晶面反射镜平板303，若干光纤304，若干附属于光纤的圆柱形透镜305，若干独立的圆柱形透镜306，一块加固(110)硅单晶衬底301的刚性平板307，和一层介于(110)硅单晶衬底301和刚性平板307之间的黏结层308。

图3左上方箭头所指示的路径表示入射光束经由微机械光开关阵列作用后传出的第一条路径。这条路径表示由附属于光纤的圆柱形透镜305射出的光束从隐藏的(111)反射镜平板303的上方越过，穿过位置处于该圆柱形透镜延长线方向的一段独立圆柱形透镜306，经过显露的(111)反射镜平板302反射，穿过延长线与射出光束的圆柱形透镜延长线垂直相交的另一段独立圆柱形透镜，再经过另一块显露的(111)反射镜平板反射，由延长线与射出光束的圆柱形透镜延长线平行的第三段独立圆柱形透镜传走。

一般规律是，由排列在微机械光开关阵列一侧边的任何一根光纤传来的光束经过微机械光开关阵列传输后，既可以沿排列在微机械光开关阵列相对侧边处于该光纤延长线方向的光纤传走，也可以沿排列在微机械光开关阵列相对侧边右侧延长线与该光纤延长线平行的任何一根光纤传走。

图3右下方箭头所指示的路径表示入射光束经由微机械光开关阵列作用后传出的第二条路径。这条路径表示由附属于光纤304的圆柱形透镜射出的光束经过显露的(111)反射镜平板反射后，进入延长线与射出光束的圆柱形透镜延长线垂直相交且附属于另一根光纤的圆柱形透镜，进而与由其相连的光纤传走。

一般规律是，由排列在微机械光开关阵列一侧边的任何一根光纤传来的光束经过微机械光开关阵列传输后，可以经过排列在微机械光开关阵列右侧边且其延长线与传来光纤延长线垂直相交的任何一根光纤传走。

图4和图5表明，本发明微机械光开关阵列的(111)反射镜平板302和303与(110)硅单晶衬底301表面垂直，其底部由平行于(110)硅单晶衬底301表面的弹性硅片312支持。弹性硅片312的四边至少有一边与(110)硅单晶衬底301的底部连接，而另一相对边可以固定，也可以自由悬挂。弹性硅片312与(110)硅单晶衬底301之间夾杂有一矩形空腔313，正是这一空腔将弹性硅片312与(110)硅单晶衬底301分开。空腔313上方悬挂有阻挡块314，此阻挡块呈直角状，成对组合，每对分居于(111)反射镜平板302或303底部的两相对侧边。(111)反射镜平板302和303与(110)硅单晶衬底301的纵向分离通过深槽311实现，深槽从(110)硅单晶衬底301的表面开始垂直下切，直至与空腔313连通。

弹性硅片312支持(111)反射镜平板302和303的位置可以处在弹性硅片312的中心对称面上，也可处在靠近其自由端。当弹性硅片的支持位置处于中心对称面上，(111)反射镜平板的垂直状态为稳定的平衡状态，具有比较强的抗震能力。当弹性硅片的支持位置靠近自由端，弹性硅片弯曲会引起(111)反射镜平板稍微偏离垂直状态，此时須靠外力的作用，使弯曲的弹性硅片紧贴阻挡块底部而将其压平，以恢复(111)反射镜平板的垂直状态。

图5揭示，本发明微机械光开关阵列的弹性硅片弯曲是由静电力驱动。执行静电力驱动的机构为平板电容器，该电容器的一块平板电极形成于弹性硅片312自身，另一块平板电极314附属于一块(110)硅单晶衬底301以外的刚性平板307上。当平板电容器的两块电极上被施加一直流电压时，产生的静电排斥力作用于弹性硅片312上，使其发生形变而向空腔内弯曲。弹性硅片312的弯曲部分可以上翘跨越空腔，直至受阻于上方的阻挡块314。随着弹性硅片312向上弯曲，由其支持的(111)反射镜平板302也随之向上升起，使平板的顶部突出于(110)硅单晶衬底301的表面。突出部分的高度大于光纤纤芯的直径，一般为15到20微米。图中弯曲的弹性硅片312与阻挡块314接触的部分被压平，这表示即使(111)反射镜平板302未处在弹性硅片312的中心对称面上，仍可通过这种压平作用而维持(111)反射镜平板312的垂直状态。

图4反映(111)反射镜平板处于非反射状态的情况。此时(111)反射镜平板303隐藏在(110)硅单晶衬底301内，其顶端与(110)硅单晶衬底301的表面齐平。光纤304的全部纤芯部分和圆柱形透镜304的大部分纤芯部分高出(110)硅单晶衬底301表面。从一段与光纤304相连的圆柱形透镜305射出的光束可以无阻碍地从(111)反射镜平板303顶端的上方越过，并全部进入位置处于射出光束的圆柱形透镜中心轴线前进方向的另一段圆柱形透镜。

图5反映(111)反射镜平板处于反射状态的情况。此时(111)反射镜平板302被提升，其顶部已高出(110)硅单晶衬底301表面，从一段与光纤连接的圆柱形透镜射出的光束被提升的(111)反射镜平板302挡住去路，并由其进行反射。该段圆柱形透镜的中心轴线以135度角瞄准(111)反射镜平板302，而处于反射镜平板同一侧的另一段圆柱形透镜的中心轴线以45度角瞄准(111)反射镜平板302，两段圆柱形透镜的中心轴线相夾90度角，光束在(111)反射镜平板302上形成的入射角和出射角均为45度角，因此从一段圆柱形透镜射出的光束经(111)反射镜平板302反射后能夠准确进入另一段圆柱形透镜。

再回到图4和图5，所有的光纤和圆柱形透镜都置于微型沟渠内。这些微型沟渠都是在同一制造过程中形成的，具有相同的几何形状和结构尺寸，因此微型沟渠内的光纤和圆柱形透镜的中心轴线都处在与硅衬底表面平行的同一个水平面上。由图可见，微型沟渠内的光纤和圆柱形透镜的中心轴线与(111)反射镜平板成135度角或45度角，或与(111)反射镜平板的法线方向成45度角。

图6至图13为本发明的微机械光开关阵列在各主要制造步骤其器件构件形成的透视示意图，所有的图都被部分切除，以清楚显示其横截面的精细结构。

参照图6，本发明微机械光开关阵列制造的起始材料为双面抛光，轻掺杂(110)晶向硅单晶衬底401。该衬底的掺杂类型为n型或p型，掺杂电阻率分布范围为1至20欧姆·厘米，典型值为3欧姆·厘米。在硅单晶衬底401表面上，热氧化生长1微米厚的SiO₂层402。然后，对SiO₂层进行光刻腐蚀，以形成供离子注入和热扩散用的SiO₂掩蔽膜。该掩蔽膜含有若干矩形开口，以每两个相邻的矩形开口为重复单元，朝互相垂直的两个方向展开，形成周期性排列。每个单元内的两个矩形开口排成直线，相邻两短边彼此平行，并共同对准一个垂直于硅单晶衬底表面的(111)结晶面。在SiO₂掩蔽膜的保护下，分两步形成掺杂类型与(110)硅单晶衬底相同的重掺杂扩散层403：第一步进行离子注入，第二步进行高温热扩散。形成的重掺杂扩散层403的薄层电阻分布范围为4至20欧姆/方塊，典型值为8欧姆/方塊，结深范围为10至20微米，典型值为15微米。

腐蚀去掉使用过的SiO₂掩蔽膜402后，再在(110)硅单晶衬底的第一表面上外延生长掺杂类型与(110)硅单晶衬底相同的轻掺杂硅外延层404。硅外延层404的掺杂电阻率分布范围为1至20欧姆·厘米，典型值为3欧姆·厘米。硅外延层404的厚度分布范围为2至20微米，典型值为5微米。接着，在硅外延层404表面上形成厚2000埃的Si₃N₄层405，形成技术为810摄氏度下进行的低压化学气相沉积。然后，对Si₃N₄层405进行光刻腐蚀，以形成含有若干矩形开口的掩蔽膜。最后，在Si₃N₄掩蔽膜的保护下进行反应离子腐蚀，以形成穿越硅外延层404并抵达重掺杂扩散层403的沟槽406，如图7所示。

重掺杂扩散层形成后，继续保留(110)硅单晶衬底第一表面上的Si₃N₄层，并以此为保护膜，在HF溶液中进行阳极氧化，将重掺杂扩散层403选择性转变成多孔硅层。阳极氧化槽由耐HF腐蚀的聚四氟乙烯材料制成。槽体为双室结构，两室由待阳极氧化的硅单晶衬底从中隔开，每室各配一片铂电极，以此与外电源连通。与一般的硅片电腐蚀不一样，待阳极氧化的硅单晶衬底背面不需要制作金属电极，而直接通过与HF溶液接触，构成液体电极。阳极氧化形成的多孔硅要求具有45％的硅单晶密度，以便随后形成致密的SiO₂。阳极氧化时间要尽可能短，以減少形成的多孔硅随后被HF溶液部分溶解，从而保持其致密结构。为达此目的，选用HF溶液含为40％HF，稀释剂为无水乙醇，阳极电流密度为35毫安/平方厘米。

紧接着对多孔硅进行热处理，使多孔硅转变成如图8所示的氧化多孔硅层407。多孔硅氧化的特点是氧化过程同时遍布整个多孔硅层，因此可以在比较低的温度下和比较短的时间内形成比较厚的氧化多孔硅层。本发明要求氧化多孔硅层应与热氧化形成的SiO₂一样，具有比较强的耐腐蚀能力，比较稳定的机械性能，和比较低的热导系数，为此多孔硅氧化一般要经历三步过程。第一步，在450摄氏度的干氧气氛中，在多孔硅的孔壁上生长几个氧化物分子单层，以此作为防止随后高温处理过程中多孔硅变粗的保护膜。第二步，在850摄氏度的湿氧气氛中进行热氧化，将多孔硅层转变成氧化多孔硅层。这时生成的氧化多孔硅仍然夾杂有少量的孔隙，使其抗腐蚀能力变差。为了消除氧化多孔硅中的孔隙，还要进行第三步高温致密化处理。高温热处理的条件为：温度1100摄氏度，气氛湿氧，时间30分钟。

随后，用低压化学气相沉积技术形成厚3000埃的Si₃N₄层，如图8所示。此步加工的作用为二：其一，填充沟槽406，使其变成被填充的沟槽409，其二，在(110)硅单晶片401的第一表面上形成Si₃N₄覆蓋层408。填充构槽409，可以一次填满，也可以只填一部份。不论填满还是只填一部分，都要求形成的Si₃N₄层能阻止氧化多孔硅的腐蚀溶液从沟槽中流过，以防止损坏沟槽附近必须保留的结构。然后，对Si₃N₄覆蓋层408进行光刻腐蚀，以形成接触孔开口。跟着，采用顶脫(1iftoff)工艺，在接触孔开口中形成金接触。顶脫工艺的要点是，先在光刻胶图形上用电子束蒸发技术形成厚4000埃的金层，然后溶解去掉光刻胶，使光刻胶上的金层也随之一同去除，仅保存接触孔开口内的金层。接触孔开口内的金层形成后，再进行电镀，将金层加厚到2微米左右，以形成能进行焊接的金突条410。最后，在350摄氏度的干氮气氛进行合金化处理，使金层与硅单晶表面的接触变成欧姆接触。

转向图9，将(110)硅单晶衬底401翻转，使其第一表面朝下，第二表面朝上。用低压化学气相沉积技术，在(110)硅单晶衬底401的第二表面上形成厚1微米的SiO₂层411。对SiO₂层411进行光刻腐蚀，形成含有两串不同方向排列的狭长菱形开口的SiO₂掩蔽膜。以一垂直于(110)硅单晶衬底401表面的(111)结晶面与衬底表面交线为参考方向，使狭长菱形开口的终端边线与参考方向平行，且其中一串狭长菱形开口的中心轴线与参考方向相交135度角，另一串狭长菱形开口的中心轴线与参考方向相交45度角。除此以外，每四条狭长菱形开口围绕一条(111)结晶面与硅单晶衬底表面的交线，由此构成重复单元，两维展开，形成周期性分布结构。在同一串狭长菱形开口之内，各个狭长菱形开口之间以头尾相对，成直线排开，两相邻狭长菱形开口之间夾一条(111)结晶面交线。

紧随着，在SiO₂掩蔽膜保护下进行深槽反应离子腐蚀，以形成与狭长菱形开口相应的微型沟渠412。深槽反应离子腐蚀采用以电感耦合提供能量激发等离子的工作原理为基础的腐蚀器。这种腐蚀器可以实现用钝化膜保护腐蚀凹坑侧壁的功能，即轰击侧壁的离子束具有比较弱的腐蚀能力，容许钝化膜在侧壁生成，并对侧壁进行保护，而轰击底部的离子束具有比较强的腐蚀能力，能有效剥离形成的钝化膜，使其丧失对底层硅的保护作用，因而可以对硅层进行腐蚀。反应离子腐蚀形成的沟渠深50微米，宽60微米，恰好可以使置于其内，包层外径为125微米的光纤纤芯高出(110)硅单晶衬底401表面。

然后，腐蚀去掉使用过的SiO₂层，并用低压化学气相沉积技术在(110)硅单晶衬底401的第二表面上形成另一层厚1微米的SiO₂层(图中未画出)。接着，对SiO₂层进行光刻腐蚀，以形成含有扇叶状开口的SiO₂掩蔽膜。进而在含有扇叶状开口的SiO₂掩蔽膜保护下进行腐蚀，以形成扇叶状沟渠和沟梁。这种扇叶状沟渠和沟梁用来寻找垂直于硅单晶衬底401表面的(111)结晶面与衬底表面的交线，以此作为随后进行KOH溶液腐蚀以形成高纵横比(111)结晶面平板的对准标志。扇叶状沟渠以0.1度角等分隔排开，沟渠长3厘米，宽10微米，深100微米，分布角度范围从负2度至正2度。腐蚀形成的沟梁宽度决定于其与(111)结晶面的对准度，因此横向腐蚀最小，或沟粱最宽者被认定为最接近(111)结晶面方向的沟粱。一般说来，用此方法确定(111)结晶面方向的精确度可以达到0.1度角。

腐蚀形成扇叶状沟渠用的KOH溶液为40％的KOH水溶液，腐蚀溶液的温度在腐蚀过程中自始至终维持在70摄氏度。

在扇叶状沟渠形成后，腐蚀去掉SiO₂层，然后用低压化学气相沉积技术形成另一层新的SiO₂层413，如图10所示。对SiO₂层413进行光刻腐蚀，以形成含有若干菱形开口对的SiO₂掩蔽膜。菱形开口对中的两个菱形开口彼此平行对齐，其几何中心与四条微型沟渠的对称中心重合。两个菱形开口的两条邻近的长边分别对准一个(111)结晶面，而两条远离的长边各自对准两条排列成直线的微型沟渠412的垂直端面。菱形开口长边的长度分布范围为200至500微米，典型值为300微米，菱形开口短边的长度分布范围为10至50微米，典型值为20微米。两个菱形开口之间的间隔分布范围为2至50微米，典型值为10微米。

由图可见，两个菱形开口之间的间距即为将要形成的(111)结晶面平板的厚度。为保证(111)结晶面平板的顶部和底部具有相同的厚度，菱形开口之间的间距与其底部相对应的氧化多孔硅层407端面之间的间距应该相等，并且其对应的边界应该上下垂直对准。

跟随着进行KOH腐蚀，在SiO₂掩蔽膜的菱形开口中形成腐蚀槽，并使其垂直往下延伸，一直到接触底部的氧化多孔硅层407为止。图10表示出腐蚀形成的微型结构，该结构包括两个宽20微米的深槽414，和一个宽10微米的垂直深墙或薄膜415，深槽的侧面即为薄膜的侧面，由(111)结晶面界定。注意到，此时(111)结晶面薄膜415的两端仍与(110)硅单晶衬底401连接。

接下来，用电子束蒸发技术在(111)结晶面薄膜415的两相对表面上形成厚3000埃的金层，以使其成为具有高反射系数的镜面(图中未画出)。蒸发时，使(110)硅单晶衬底401表面法线方向以一定的角度朝向电子束的发射方向，以便在(111)结晶面薄膜415的上部形成的金层具有比较均匀的厚度。

此后，准备一块含有导电通孔419的Al₂O₃刚性平板416，如图11所示。用电子束蒸发技术，在Al₂O₃平板416的上表面形成厚3000埃的金层。对金层进行光刻腐蚀，以形成电极条417和418。再进行电镀，将电极条417和418的金层加厚到2微米左右。电极条417和418可以通过导电孔419与刚性平板416背面的电路或另一基座上的电路连接(图中未画出)。

对照图12，将(110)硅单晶衬底401翻转，使第一表面朝下，第二表面朝上，然后焊接到Al₂O₃刚性平板416上。焊接时要保持(110)硅单晶衬底401上的金突条410与Al₂O₃刚性平板416上的电极条418对准。接着，用光刻胶填平微型沟渠412和垂直深槽414。采用的光刻胶最好为电镀光刻胶，可供选用的电镀光刻胶包括ED2100和PEPR2400。电镀光刻胶含有带电胶粒，在电场作用下胶粒向电极方向移动，并在电极上堆积。用这种方法填充深槽，不仅可以将深槽填实，并且槽顶拐角处也会被均匀覆蓋住。为了使电镀得以进行，电镀前，用电子束蒸发技术形成一层厚3000埃的铝层，使其覆蓋微型沟渠412和垂直深槽414的内部表面，用作电极。电镀时电镀光刻胶在铝层上均匀堆积，电镀电流随形成的光刻胶层变厚而减小，最后变为零而使电镀终止。然后，用砂轮切割机切割(110)硅单晶衬底401，以形成垂直穿透衬底的通槽421。通槽421与薄膜415的两端成90度交角，将薄膜直线向下切开，使其与(110)硅单晶衬底401纵向分离，从而形成只有下端固定的矩形(111)结晶面平板422。

切割之后，将电镀光刻胶420和铝层清除干净。清除电镀光刻胶用丙酮，清除铝层用40摄氏度的H₃PO₄∶CH₃COOH∶HNO₃(29∶5∶1)溶液。紧接着，用稀释的HF溶液选择性腐蚀去掉氧化多孔硅层407，形成弹性硅片423，空腔424，和阻挡块425。如图13所示，弹性硅片423为长条形薄片，其两相对长边由通槽421界定，其两相对短边仍与(110)硅单晶片相连。(111)结晶面平板422四周由深槽414和通槽421界定，并由此与(110)硅单晶衬底实现纵向分隔，而其底部仍由弹性硅片423垂直向上支持。

如前所述，图13中(111)结晶面平板422可处于两端固定的弹性硅片423的中心对称面上。一般说来，(111)结晶面平板422可处于弹性硅片423上远离固定边的任何地方，包括与固定边相对的自由端，此处弹性硅片423发生的形变量最大。只是在处于自由端的情况下，其支持处仍需与端部边缘保持一定的距离，以使弹性硅片与阻挡块接触时有一定的长度搭在通槽421的边缘上。

阻挡块425形成于深槽414与空腔424的连通处，成对组合，每对分居于(111)结晶面平板422底部的两相对侧边。阻挡块425的底面为与(110)硅单晶衬底401表面平行的平面，这是因为阻挡块是通过腐蚀去掉氧化多孔硅层407所形成的，而氧化多孔硅层407在(110)硅单晶衬底401内形成的边界为与(110)硅单晶衬底401表面平行的平面。

空腔424将弹性硅片423与(110)硅单晶衬底401横向分开，并且为弹性硅片形变提供弯曲空间。弹性硅片可以向上弯曲直抵阻挡块425的底部，此时弹性硅片所支持的(111)结晶面平板422随之伸出(110)硅单晶衬底401表面的高度相当于空腔厚度。如果弹性硅片423弯曲的力足夠大，其弯曲的前部会被平坦的阻挡块底部压平，从而将稍有偏离的(111)结晶面平板422扶正，使其仍处于与(110)硅单晶衬底401表面垂直的状态。

上面介绍了(110)硅单晶衬底中的微型沟渠由深槽反应离子腐蚀形成的过程。下面介绍微型沟渠形成的替代技术，即用KOH溶液腐蚀(110)硅单晶衬底形成微型沟渠。

用KOH溶液腐蚀(110)硅单晶衬底形成微型沟渠分两步进行。第一步由图14表示，在表面覆蓋SiO₂层502的(110)硅单晶衬底501中形成若干顶部平面为菱形的腐蚀凹坑串。每个菱形腐蚀凹坑串包括大腐蚀凹坑503和506和小腐蚀凹坑504和507，大小腐蚀凹坑相互隔离排布。大菱形腐蚀凹坑的横向边长范围为300至1000微米，典型值为500微米，纵向垂直宽度范围为300至600微米，典型值为400微米。小菱形腐蝕凹坑的纵向垂直宽度范圍为30至100微米，典型值为50微米。小菱形腐蚀凹坑的横向边长由将要放置的光纤和圆柱形透镜的外围直径決定，只要光纤和圆柱形透镜的直径已知，就可按照简单的几何公式算出小菱形腐蚀凹坑横向边长。

腐蚀凹坑串的形成仍用SiO₂掩蔽图形保护(110)硅单晶衬底表面。SiO₂掩蔽图形包含与腐蚀凹坑顶部平面图形相同的菱形开口，菱形开口的四条边各对准一个垂直于(110)硅单晶衬底表面的(111)结晶面。从硅单晶的金刚石晶体结构特性得知，(110)硅单晶衬底有四个与其表面垂直的(111)结晶面，这些结晶面与衬底表面的交线相互夾角为70.5度或109.5度。因此腐蚀造成的凹坑为由六个(111)结晶面围成的多面体，其中四个(111)结晶面与(110)硅单晶衬底表面垂直，另两个(111)结晶面与(110)硅单晶衬底表面相交35.5度角。

KOH腐蚀条件仍为40％的KOH水溶液和70摄氏度的溶液温度。在此条件下，对(110)结晶面产生的腐蚀速率为0.8微米/分钟。根据已知的腐蚀速率，腐蚀造成的凹坑的深度可由腐蚀经历的时间推算。

图14给出两个腐蚀凹坑串，每串腐蚀凹坑的终端端面为垂直于(110)硅单晶衬底501表面的(111)结晶面，串内两相邻腐蚀凹坑分别由垂直薄墙505和508隔离。垂直薄墙的厚度范围为1至5微米，典型值为2微米。其中一串腐蚀凹坑中的小腐蚀凹坑的中轴线与串端平面相夹135度角，另一串腐蚀凹坑中的小腐蚀凹坑的中轴线与串端平面相夹45度角。两串腐蚀凹坑的中轴延长线垂直相交，其交点处于两串端平面的背后。每串大腐蚀凹坑的横向宽度大到包含整个小腐蚀凹坑的宽度，使两相邻腐蚀凹坑之间的垂直隔墙宽度等于小腐蚀凹坑的横向宽度，或垂直隔墙处于小腐蚀凹坑的一侧的侧面恰好为整个小腐蚀凹坑的侧面。

参见图15，形成微型沟渠的第二步是各向同性腐蚀去掉两个相邻腐蚀凹坑之间的垂直隔墙，使两串腐蚀凹坑各自纵向打通，形成微型沟渠509和512。与此同时，在微型沟渠的两相对侧面形成脊梁状突出衬垫511和513。脊梁状突出衬垫的几何形状和结构尺寸由腐蚀掩蔽图形和腐蚀条件确定，通过控制掩蔽图形和腐蚀条件可以使其密切配合将要放入微型沟渠的光纤和圆柱形透镜。对于光纤包层外径为125微米的光纤，如设定腐蚀掩蔽图形小菱形开口的纵向垂直宽度为50微米，和各向同性腐蚀去掉的厚度为2微米，则可以计算出腐蚀掩蔽图形小菱形开口的横向边长。对于中轴延长线与其端面面对的(111)结晶面相交135度角的微型沟渠，算得其相应的腐蚀掩蔽图形小菱形开口的横向边长为198.2微米，对于中轴延长线与其端面面对的(111)结晶面相交45度角的微型沟渠，算得其相应的腐蚀掩蔽图形小菱形开口的横向边长为231.6微米。

转向图16，微型沟渠509中放置近端附有圆柱形透镜的光纤515，其中轴延长线以135度角相交于其端面面对的(111)结晶面510。微型沟渠512中放置近端附有圆柱形透镜的光纤516，其中轴延長线以45度角相交于其端面面对的(111)结晶面514。两光纤515和516的延长线垂直相交，其交点落在其端面面对的(111)结晶面510和514的背后。

本文对本发明的微机械光开关阵列的结沟特征和特征制造步骤作了详尽的说明，应该明了，任何具有本专业背景的技术人员都有可能对本发明进行局部的增添，补充，删除，和修改，但这些举动决不会脱离和超出本发明权利要求所限定的范围和规定的内容。

Claims (15)

1、一种微机械光开关阵列，其器件结构特征包括：

一块(110)硅单晶衬底；

若干集成在(110)硅单晶衬底内的反射镜平板，每块平板的两相对表面为垂直于(110)硅单晶衬底表面的(111)结晶面，且覆盖有光反射薄膜；

若干集成在(110)硅单晶衬底背部的弹性硅片，每块弹性硅片至少有一边固定连接于(110)硅单晶衬底，且在其可形变部位垂直支持一块反射镜平板；

若干集成在(110)硅单晶衬底内的空腔，每个空腔将一块弹性硅片与(110)硅单晶衬底水平分开；

若干集成在(110)硅单晶衬底内的阻挡块对，每对阻挡块分居于一块反射镜平板底部的两相对侧边，引导反射镜平板从中垂直移动，并确定弹性硅片向上弯曲的极限高度；

若干集成在(110)硅单晶衬底内的微型沟渠，其纵向中轴延长线与反射镜平板的(111)结晶面相交135度角或45度角，并由深槽与反射镜平板分隔开，深槽的典型宽度为20微米；

若干置于微型沟渠内，且近端附属有圆柱形透镜的光纤，其与反射镜平板之间由深槽隔开；

若干置于微型沟渠内的独立圆柱形透镜，其与反射镜平板之间由深槽隔开；

以及

一驱动机构，促使弹性硅片弯曲，带动反射镜平板移动。

2、根据权利要求1所述的微机械光开关阵列，其特征在于所述的反射镜平板的厚度分布范围为2至50微米。

3、根据权利要求1所述的微机械光开关阵列，其特征在于所述的弹性硅片的厚度分布范围为2至20微米。

4、根据权利要求1所述的微机械光开关阵列，其特征在于所述的空腔的厚度分布范围为10至20微米。

5、根据权利要求1所述的微机械光开关阵列，其特征在于所述的圆柱形透镜由纤芯折射率径向坡度变化的光纤所形成。

6、根据权利要求1所述的微机械光开关阵列，其特征在于所述的驱动机构为平板电容器，其中一平板电极由所述的弹性硅片形成。

7、一种制造权利要求1所述的微机械光开关阵列的方法，其特征制造步骤包括：

准备一块两面抛光的轻掺杂(110)硅单晶衬底；

在(110)硅单晶衬底的第一表面内形成掺杂类型与衬底相同的重掺杂扩散层；

在(110)硅单晶衬底的第一表面上形成掺杂类型与衬底相同的轻掺杂硅外延层；

在HF溶液中进行阳极氧化，将(110)硅单晶衬底内的重掺杂扩散层选择性转变成多孔硅层；

进行热氧化，将多孔硅层选择性转变成氧化多孔硅层；

进行金属化处理，在(110)硅单晶衬底的第一表面上形成金属电路连线和焊接用的金属突条；

在(110)硅单晶衬底的第二表面内腐蚀形成微型沟渠，使其纵向中轴延长线与垂直于(110)硅单晶衬底表面的(111)结晶面相交135度角或45度角；

在(110)硅单晶衬底的第二表面内用KOH溶液腐蚀形成垂直于衬底表面的硅单晶薄膜，使其两相对表面为(111)结晶面；

在硅单晶薄膜的两相对表面上形成光反射薄膜；

将(110)硅单晶衬底与一块具有导电通孔，表面金属电路连线，和金属电极的刚性平板焊接在一起；

在(110)硅单晶衬底的第二表面上用光刻胶填充凹槽，并用砂轮刀切割硅单晶薄膜和弹性硅片，使硅单晶薄膜形成硅单晶平板，且与弹性硅片一起均与硅单晶衬底纵向分开；最后

选择性腐蚀去掉氧化多孔硅层，以形成空腔，弹性硅片，和阻挡块，并将光纤和圆柱形透镜置入微型沟渠。

8、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的轻掺杂(110)硅单晶衬底的电阻率分布范围为1至20欧姆-厘米。

9、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的轻掺杂硅外延层的电阻率分布范围为1至20欧姆-厘米。

10、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的重掺杂扩散层的方块电阻分布范围为40至20欧姆/方块。

11、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的重掺杂扩散层的厚度分布范围为10至20微米。

12、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的轻掺杂硅外延层的厚度分布范围为2至20微米。

13、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的(111)结晶面反射镜平板厚度分布范围为2至50微米。

14、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的微型沟渠由深槽反应离子腐蚀形成。

15、根据权利要求7所述的制造微机械光开关阵列的方法，其特征在于所述的微型沟渠由KOH溶液各向异性腐蚀形成。

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