CN1226647C - 利用（110）硅片制作微机械光开关、光开关阵列的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用(110)硅片制作静电驱动微反射镜型扭臂结构的微光电子机械系统(MOEMS)光开关、光开关阵列的方法。微机械光开关由在硅片(1)上制作的上电极(2)、微反射镜(3)、扭臂(4)和自对准光纤槽(5)以及玻璃片(6)、氮化硅或二氧化硅绝缘层(7)，作为下电极的铝膜(8)组成。微反射镜(3)的镜面为{111}面，与硅片表面完全垂直。微反射镜(3)的厚度为3～5微米，长度和高度均为100～200微米，上电极(2)的厚度为10～20微米，扭臂宽度为10～15微米，长度为500～700微米。采用本发明所述方法制备的微机械光开关及光开关阵列具有镜面平整垂直、各单元的反射镜面平行、扭臂的结构尺寸能够准确控制，制作工艺简单，成品率高，制作成本低等特点。

Description

利用(110)硅片制作微机械光开关、光开关阵列的方法

技术领域：

本发明属于光电子器件领域，涉及一种利用(110)硅片制作静电驱动微反射镜型扭臂结构的微光电子机械系统(MOEMS)光开关、光开关阵列的方法。

背景技术：

随着光纤通信技术的发展和密集波分复用(DWDM)系统的应用，全光交换已经成为一种趋势，光开关是实现全光交换的关键器件，它可以实现全光层的路由选择，波长选择，光交叉连接，自愈保护等功能。从目前的技术形式看，主要有波导型光开关和MOEMS光开关，波导型光开关的速度在微秒到亚毫秒量级，且体积小，但其插入损耗、消光比、偏振敏感性等指标较差。而MOEMS光开关由于具有插入损耗和串话小、消光比高、透明性和可扩展型好、易于集成和稳定性好等优点，将成为大规模光交换技术的主流。

静电驱动微反射镜结构是MOEMS光开关广泛采用的结构形式，微反射镜的制作有体硅微机械加工和平面微机械加工两种方法。平面微机械加工多采用铰链技术制作微反射镜，然后组装成三维结构，工艺复杂，工艺要求较高。体硅微机械加工分为干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀通常采用深层反应离子刻蚀和感应耦合等离子体刻蚀工艺。目前湿法刻蚀主要是利用(100)硅片的各向异性腐蚀制作微反射镜，此方法制作的微反射镜属于{100}晶面族，反射镜的尺寸以及镜面的垂直度不易控制。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用(110)硅片制作静电驱动微反射镜型扭臂结构MOEMS光开关、光开关阵列的方法。

对(110)硅片进行各向异性腐蚀时，可以得到与衬底垂直度非常好的{111}面，将{111}面作为微反射镜的镜面，具有表面光滑、反射效率高等优点。由于{111}面是硅的自停止面，器件的结构尺寸容易控制。本发明所述及的制作方法工艺简单，制作精度和成品率高，制作成本低并且容易做成N×N(N≥2)的多种开关阵列。

本发明利用(110)硅片的结晶学特征及各向异性腐蚀技术，在(110)硅片上制作静电驱动微反射镜型扭臂结构的微机械光开关及光开关阵列。光开关由(110)硅片、绝缘层、衬底层组成。在(110)硅片上制作上电极、微反射镜、扭臂和自对准光纤槽，衬底层一般为玻璃片，在玻璃片上蒸发或溅射铝膜作为下电极，绝缘层为二氧化硅或氮化硅。微反射镜面为{111}晶面族，反射镜的尺寸以及镜面的垂直度容易控制。

开关的工作原理为：当上电极和下电极之间不加电压时，微反射镜处在光通路上，对光起反射作用，入射光被反射到镜面同一侧的光纤中，这是开关的反射状态；当上电极和下电极之间有电压输入时，在静电力的作用下，上电极带动微反射镜向下移动离开光通路，光沿直线传播进入前方的光纤中，这是开关的直通状态。

本发明所涉及的微机械光开关采用如下步骤制作：

1.双面抛光(110)硅片，双面LPCVD淀积氮化硅作为腐蚀掩膜层；

2.设计晶向对准掩膜图形，光刻、反应离子刻蚀氮化硅；

3.各向异性湿法腐蚀，确定晶向位置；

4.光刻、反应离子刻蚀微反射镜和自对准光纤槽掩膜；

5.各向异性湿法腐蚀硅片制作微反射镜和自对准光纤槽；

6.反应离子刻蚀扭臂结构；

7.上、下电极的制作；

8.在玻璃片的铝膜上生长二氧化硅或氮化硅绝缘层；

9.将硅片和玻璃片键合组装；

10.反射镜面上蒸镀过渡层和反射层。

本发明的特点是最大限度地利用(110)硅片的结晶学特征，配合各向异性腐蚀技术，它可以同时实现微反射镜的镜面平整垂直、各单元的反射镜面平行、光纤槽的自对准、扭臂的结构尺寸准确控制。不仅制作工艺简单，成品率高，制作成本低，更重要的是提高光开关的制作精度，降低光损耗，容易做成阵列，易于光开关阵列的实用化生产。镜面的反射率可达85-98％，开关时间小于10ms。

附图说明：

图1：本发明微机械光开关结构示意图；

图2：晶向对准的掩膜图形；

图3：硅片腐蚀后形成的晶向对准图形。

图1中上电极2、微反射镜3、扭臂4和自对准光纤槽5都是在(110)硅片1上制作的，与(110)硅片为一体结构，6为玻璃片，7为氮化硅或二氧化硅作为上下电极之间的绝缘层，8为在玻璃片6上蒸发或溅射的铝膜，作为下电极。微反射镜3的镜面为{111}面，与硅片表面相垂直。

当上电极2和下电极8之间不加电压时，微反射镜3处在光通路上，对来自光纤槽5中的光起反射作用，入射光被反射到镜面同一侧的光纤中，这是开关的反射状态；当上电极2和下电极8之间有电压输入时，在静电力的作用下，上电极2带动微反射镜3向下移动离开光通路，光沿直线传播进入前方的光纤中，这是开关的直通状态，驱动电压一般为10-30V。

制作方法实施例：

1.双面抛光(110)硅片，用低压化学汽相淀积方法(LPCVD)在硅片的两面生长100-200纳米氮化硅层作为腐蚀掩膜；

2.在硅片的一侧设计并形成晶向对准掩膜图形，如附图2所示，以(110)硅片的参考方向为中轴线，它由±2°扇形区域内的许多矩形条组成，相邻两个矩形条的夹角为0.2°，矩形条宽10～20微米，长5～10毫米，光刻、反应离子刻蚀氮化硅，反应离子刻蚀所用气体为CF₄和氧气；

3.使用浓度为35～50％的KOH溶液在60～80℃下腐蚀硅片，腐蚀深度在80～100微米，腐蚀后的晶向对准图形如附图3所示，形成多个刻蚀槽，其中刻蚀槽侧壁I的台阶较大，这是因为刻蚀方向和拟对准晶向相差较多，穿越多个{111}面，从而使暴露的{111}面不在同一平面上；刻蚀槽侧壁II的台阶比侧壁I的小，表明刻蚀方向与拟对准晶向比较接近，穿越较少的{111}面；刻蚀槽侧壁III的表面非常平整、没有台阶，暴露的{111}面在同一个平面上，表明该刻蚀槽的方向与拟对准晶向一致，即硅片的{111}面；

4.利用步骤3中的刻蚀槽侧壁III为定位基准，在硅片上光刻、反应离子刻蚀氮化硅，形成微反射镜和自对准光纤槽的掩膜，反应离子刻蚀所用气体为CF₄和氧气；

5.使用浓度为35～50％的KOH溶液在60～80℃下制作微反射镜和自对准光纤槽，微反射镜的厚度为3～5微米，长度和高度均为100～200微米，上电极的厚度为10～20微米；

6.反应离子刻蚀制作扭臂结构，扭臂宽度为10～15微米，长度为500～700微米，反应离子刻蚀所用气体为SF₆和氩气；

7.在微反射镜另一侧的硅片及玻璃片6上蒸发或溅射100～200纳米厚的铝膜，作为上电极、下电极；

8.在玻璃片的铝膜上生长二氧化硅或氮化硅，作为上下电极之间的绝缘层；

9.将硅片和玻璃键合；

10.反射镜面上蒸镀铬20～50纳米和金200～500纳米，作为过渡层和反射膜。

KOH腐蚀液的最佳浓度为40％，腐蚀出的微反射镜的表面粗糙度低于8nm，反射效率可达98％，反射镜面与衬底硅片的角度为90±0.1°，如采用四甲基羟氨(TMAH)，镜面具有更好的性能及反射效率，但成本远远高于KOH。

Claims (1)

1、利用(110)硅片制作微机械光开关、光开关阵列的方法，包括如下步骤：

(1)双面抛光(110)硅片，用低压化学汽相淀积方法在硅片的两面生长100～200纳米氮化硅层作为腐蚀掩膜；

(2)在硅片的一侧设计并形成晶向对准掩膜图形，以(110)硅片的参考方向为中轴线，它由±2°扇形区域内的许多矩形条组成，相邻两个矩形条的夹角为0.2°，矩形条宽10～20微米，长5～10毫米，光刻、反应离子刻蚀氮化硅，反应离子刻蚀所用气体为CF₄和氧气；

(3)使用浓度为35～50％的KOH溶液在60～80℃下腐蚀硅片，腐蚀深度在80～100微米，其中侧壁表面平整、没有台阶的刻蚀槽的方向与拟对准的硅片{111}面的晶向一致，从而确定晶向位置；

(4)以步骤(3)确定的硅片的{111}面为定位基准，在硅片上光刻、反应离子刻蚀氮化硅，形成微反射镜和自对准光纤槽的掩膜，反应离子刻蚀所用气体为CF₄和氧气；

(5)使用浓度为35～50％的KOH溶液在60～80℃下制作微反射镜和自对准光纤槽，微反射镜的厚度为3～5微米，长度和高度均为100～200微米，上电极的厚度为10～20微米；

(6)反应离子刻蚀制作扭臂结构，扭臂宽度为10～15微米，长度为500～700微米，反应离子刻蚀所用气体为SF₆和氩气；

(7)在微反射镜另一侧的硅片及玻璃片上蒸发或溅射100～200纳米厚的铝膜，作为上电极、下电极；

(8)在玻璃片的铝膜上生长二氧化硅或氮化硅，作为上下电极之间的绝缘层；

(9)将硅片和玻璃键合；

(10)反射镜面上蒸镀铬20～50纳米和金200～500纳米，作为过渡层和反射膜。

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