CN1258851A - 静电驱动垂直微镜微光学开关及其制作方法 - Google Patents
静电驱动垂直微镜微光学开关及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1258851A CN1258851A CN 00100148 CN00100148A CN1258851A CN 1258851 A CN1258851 A CN 1258851A CN 00100148 CN00100148 CN 00100148 CN 00100148 A CN00100148 A CN 00100148A CN 1258851 A CN1258851 A CN 1258851A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon substrate
- layer
- optical fiber
- psg
- polysilicon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 33
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 11
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 83
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 72
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 72
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 70
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 63
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 12
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 69
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 31
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 22
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 22
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 20
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 19
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 19
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 15
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 14
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 claims description 6
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 claims description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 238000001505 atmospheric-pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000012858 packaging process Methods 0.000 claims description 2
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000010424 printmaking Methods 0.000 description 2
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 2
- 244000050510 Cunninghamia lanceolata Species 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 229940085805 fiberall Drugs 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
本发明属于光纤通讯中微光学信息处理技术领域,包括芯片、金外线、金属封装外壳及带尾纤的光纤活动连接器,该芯片由硅衬底,入射、出射光纤,制作在硅衬底上由多晶硅－氮化硅复合微梁支撑的微镜,位于该微梁上的上电极和位于绝缘介质膜之下的下电极所组成。本发明具有结构简单,制造方便,能够实现自组装和自校准,光功率损失小,开关时间短,串扰小,耐冲击、振动,驱动电压低,能耗低,使用方便等诸多优点,易于推广应用。
Description
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Neufchatel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，能够实现自组装和自校准，光功率损失小，开关时间短，串扰小，耐冲击、振动，驱动电压低，能耗低，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，由结合成一体的芯片、金引线、金属封装外壳及带尾纤的光纤活动连接器构成，其特征在于，所说的芯片由硅衬底，插入硅衬底上的光纤定位槽中的入射、出射光纤，制作在硅衬底上由多晶硅-氮化硅复合微梁，由多晶硅-氮化硅复合微梁支撑的用于反射光线的与硅衬底垂直的微镜，位于该微梁上的上电极和位于绝缘介质膜之下的下电极所组成，利用静电驱动微梁作上下运动，把微镜切入或离开光路，从而实现光学开关功能。
所说的芯片可由单层硅衬底构成，该硅衬底上有由SU-8胶经过光刻后所形成的供光纤固定的定位槽，该定位槽与所说的微镜成45度角。
所说的微镜是在SU-8胶经过光刻后所形成的侧面溅射上Cr-Au层而形成的光线反射面。
所说的复合微梁可由制作在位于所说硅衬底上可腐蚀掉的磷硅玻璃(PSG)牺牲层上的多晶硅层、氮化硅层(Si3N4)、铬-金(Cr-Au)层构成，所说的上电极由多晶硅层和Cr-Au层构成。
本发明所述的微光学开关的制作方法，包括采用引线键合工艺将芯片、金引线及金属封装外壳结合成一体，其特征在于，所说的芯片制作步骤为；在硅衬底上掺杂硼作为公共下电极，在硅衬底上依次用热氧化法生长上一层二氧化硅(SiO2)和用低压化学气相淀积法(LPCVD)生长上一层Si3N4，SiO2和Si3N4一起作为绝缘介质膜，光刻、用反应离子刻蚀(RIE)方法图形化Si3N4和SiO2层，刻出下电极压焊块和对准符号窗口，在硅衬底上用常压化学气相淀积法(APCVD)淀积上一层PSG，作为牺牲层，第一次光刻PSG，用RIE图形化PSG，不刻穿PSG，刻出以后长多晶硅支撑柱的凹坑，第二次光刻PSG，用RIE图形化PSG，刻穿PSG层，再用低压化学气相淀积法(LPCVD)在硅衬底上淀积上一层多晶硅，多晶硅掺杂磷，用低压化学气相淀积法(LPCVD)在硅衬底上淀积上一层PSG，退火去除多晶硅层中的内应力，去除表面PSG，在硅衬底上用低压化学气相淀积法(LPCVD)生长上一层Si3N4，光刻、用RIE法图形化Si3N4，作为多晶硅-氮化硅复合微梁的上层，光刻、用RIE法图形化多晶硅，刻出微梁、上电极、上电极引线、上电极压焊块、上下电极隔离圈，用BHF去除表面外露的PSG，并且部分钻蚀PSG，在硅衬底上甩SU8胶，光刻SU8胶，刻出微镜部分和光纤定位槽部分，在硅衬底上溅射Cr-Au层，作为微镜反射面和上、下电极的压焊块，进行划片，牺牲层腐蚀，把PSG层腐蚀掉，从而释放多晶硅-氮化硅复合梁和微镜，用去离子水漂洗、烘干。
芯片封装过程为：把芯片用低应力胶粘接在金属封装外壳的基座上；把光纤从光纤套筒中穿入；用胶水把光纤和光纤套筒固定起来；去除伸出光纤套筒的光纤上的披覆层；用固定螺母把光纤套筒固定在金属封装外壳的侧壁上；把裸光纤用胶固定在芯片的光纤定位槽中；利用引线键合工艺，由金引线把芯片上的压焊块和金属封装外壳基座上的外引线键合连接起来；把金属封装外壳的上盖和金属封装外壳的基座焊接起来；把光纤和光纤活动连接器连接起来。
本发明的工作原理是，利用硅微细加工工艺，进行硅表面微细加工，制作出多晶硅-氮化硅复合微梁及制作在微梁上的反射光线的微镜。由于在多晶硅-氮化硅复合微梁制作过程中会产生的大残余内应力，在把位于多晶硅-氮化硅复合微梁下方的PSG牺牲层腐蚀掉后，由于应力释放而使多晶硅-氮化硅复合微梁弯曲翘起至一定高度，在微梁上和微梁下方各有一个电极，驱动时，在这两个电极间印加电压，微梁在静电引力的作用下下躺，带动微镜向下运动，直至微梁被吸附在硅衬底上；撤去电压后，微镜在多晶硅-氮化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。利用多晶硅-氮化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、能够实现微镜的自组装，光纤和微镜能够实现自校准，校准精度高。
4、微梁和微镜惯量小，由于微梁本身是弧形电极，导致驱动电压低，能耗小。
5、快速性好，由于微梁和微镜结构简单，惯量小，谐振频率高。
6、使用方便，使用时，只需直接插入集成电路插槽中就能与外接驱动电路相连，利用光纤活动连接器连接好光纤后就能使用。
本发明涉及到五个实施例，其中实施例一、实施例二、实施例三为2×2光学开关，实施例四为1×2光学开关，实施例五为1×4光学开关。
附图简要说明；
图1是本发明微光学开关各实施例中芯片的封装结构示意图。
图2是图1封装结构中封装外壳和光纤连接部分的局部剖视图。
图3是微光学开关实施例一中芯片12的立体结构示意图。
图4是微光学开关实施例一中芯片12的俯视图。
图5是微光学开关实施例二中芯片12的立体结构示意图。
图6是微光学开关实施例二中芯片12的俯视图。
图7是微光学开关实施例三中芯片12的立体结构示意图。
图8是微光学开关实施例三中芯片12的俯视图。
图9是微光学开关实施例四中芯片12的立体结构示意图。
图10是微光学开关实施例四中芯片12的俯视图。
图11是微光学开关实施例五中芯片12的立体结构示意图。
图12是微光学开关实施例五中芯片12的俯视图。
图13是五个实施例中芯片上的微梁和微镜结构示意图。
以下结合附图对本发明的各个实施例的具体结构及制作方法作进一步描述：
五个实施例中的芯片的封装结构原理完全相同，都用图1和图2来表示；五个实施例中的芯片制作步骤都完全相同。
图1是本发明微光学开关各实施例中芯片的封装结构示意图。总体共包括四个部件；其中，11和15为光纤活动连接器，其数目与各个实施例的结构有关；12为芯片；13为金属封装外壳的上盖；14为光纤，16为金属封装外壳的外引线；17为金属封装外壳的基座；18为金引线。图2是图1封装结构中封装外壳和光纤连接部分的局部剖视图。图中171为光纤套筒，172为固定光纤的胶，173为金属封装外壳的侧壁，174为固定螺母，175为光纤，176为去除光纤披覆层后的裸光纤。
芯片12用低应力胶粘接在金属封装外壳的基座17上，把光纤14从如图2中所示的光纤套筒171中穿入，并且用胶水172把光纤175和光纤套筒171固定起来，去除伸出光纤套筒171的光纤上的披覆层，用固定螺母174把光纤套筒171固定在金属封装外壳的侧壁173上，把裸光纤用胶固定在芯片的光纤定位槽中，利用引线键合工艺，由金引线18把芯片上的压焊块和金属封装外壳基座上的外引线16键合连接起来，把金属封装外壳的上盖13和金属封装外壳的基座17焊接起来，把光纤175和光纤活动连接器15连接起来。
图3是微光学开关实施例一中芯片12的立体结构示意图。其中图3(a)是在上电极1213和下电极12114间未加电压时，微梁1214和微镜1217、1219、12110、12111在翘起状态中；图3(b)是在上电极1213和下电极12114间加上电压时，微梁1214和微镜1217、1219、12110、12111被静电力吸附在硅衬底1211上。图中1211为硅衬底，1212为由SiO2和Si3N4层组成的绝缘介质膜，位于硅衬底上，1213为位于绝缘介质膜1212上的上电极压焊块，1214为与上电极压焊块1213相连的多晶硅-氮化硅复合微梁，1215为SU-8光纤定位槽，位于绝缘介质膜1212上，1216和12112为出射光纤，位于光纤定位槽1215之中，与对应的微镜成45度角，1217、1219、12110和12111为SU-8微镜，垂直立于微梁1214上方，各相邻微镜间成90度角，每个微镜只使用一面作为光线反射面。1218和12113为入射光纤，位于光纤定位槽1215之中，与对应的微镜成45度角，其中入射光纤1218和出射光纤12112在同一直线上，并且和出射光纤1216平行，入射光纤12113和出射光纤1216在同一直线上，并且和出射光纤12112平行，12114为下电极压焊块，作为公共电极。
如图3(a)中所示，在上电极1213和下电极12114间未加电压时，微梁1214和微镜1217、1219、12110、12111翘起，从入射光纤1218射出的光线射入出射光纤12112中，从入射光纤12113射出的光线射入出射光纤1216中，参看图4(a)实施例一中芯片12的俯视图；如图3(b)中所示，在上电极1213和下电极12114间加上电压时，微梁1214和微镜1217、1219、12110、12111平躺，从入射光纤1218射出的光线依次经过微镜12110和1217的反射射入出射光纤1216中，从入射光纤12113射出的光线依次经过微镜1219和12111的反射射入出射光纤12112中，参看图4(b)实施例一中芯片12的俯视图。从而实现2×2光学开关功能。
图5是微光学开关实施例二中芯片12的立体结构示意图。其中图5(a)是在上电极1223和下电极12211间未加电压时，微梁1224和微镜1227在翘起状态中；图5(b)是在上电极1223和下电极12211间加上电压时，微梁1224和微镜1227被静电力吸附在硅衬底上。图中1221为硅衬底，1222为由SiO2和Si3N4层组成的绝缘介质膜，位于硅衬底上，1223为位于绝缘介质膜1222上的上电极压焊块，1224为与上电极压焊块1213相连的多晶硅-氮化硅复合微梁，1225为位于绝缘介质膜1222上的SU-8光纤定位槽，1226和12210为入射光纤，位于光纤定位槽1215之中，均与微镜成45度角，1227为SU-8微镜，垂直立于微梁1224上方，1228和1229为出射光纤，位于光纤定位槽1215之中，其中1228与入射光纤12210在同一直线上，并且与入射光纤1226垂直，1229与入射光纤1226在同一直线上，并且与入射光纤12210垂直，12211为下电极压焊块，作为公共电极。实施例二与实施例一不同的是，芯片上只有一个微梁，并且只有一面微镜，微镜的两面都作为光线反射面使用，因此在微镜和光纤的位置安排上与实施例一有所不同，具体见图3、4、5、6所示。
如图5(a)中所示，在上电极1223和下电极12211间未加电压时，微梁1224和微镜1227翘起，从入射光纤1226射出的光线射入出射光纤1229中，从入射光纤12210射出的光线射入出射光纤1228中，参看图6(a)实施例二中芯片12的俯视图；如图5(b)中所示，在上电极1223和下电极12211间加上电压时，微梁1224和微镜1227平躺，从入射光纤1226射出的光线经过微镜1227的反射射入出射光纤1228中，从入射光纤12210射出的光线经过微镜1227的反射射入出射光纤1229中，参看图6(b)实施例二中芯片12的俯视图。从而实现2×2光学开关功能。
图7是微光学开关实施例三中芯片12的立体结构示意图。图中1231为硅衬底，1232为由SiO2和Si3N4层组成的绝缘介质膜，位于硅衬底上，1233、1235、1239、12318为位于绝缘介质膜上的上电极压焊块，1234、1236、12310、12317为多晶硅-氮化硅复合微梁，分别与上电极压焊块1233、1235、1239、12318相连在一起，1237、1238、12311、12312为SU-8微镜，分别垂直立于微梁1234、1236、12310、12317上方，12313和12314为出射光纤，位于光纤定位槽之中，相互平行，12315和12319为入射光纤，位于光纤定位槽之中，相互平行，并且均与出射光纤12313和12314垂直，12316为下电极压焊块，作为公共电极，12320为SU-8光纤定位槽，位于绝缘介质膜1232上。实施例三与实施例一和实施例二在结构上有所不同，每个芯片上有四个微梁，每个微梁上有一面微镜，四个微镜相互平行，因此在微镜和光纤的位置安排上与实施例一和二有所不同，具体见图7、8所示。
如图7(a)中所示，在上电极1233和下电极12316之间以及在上电极1239和下电极12316间加上电压，而在上电极1235和下电极12316间以及在上电极12318和下电极12316间未加电压时，微梁1236、12317和微镜1238、12312翘起，微梁1234、12310和微镜1237、12311被静电力吸附在硅衬底上，从入射光纤12315射出的光线经过微镜12311的反射射入出射光纤12313中，从入射光纤12319射出的光线经过微镜1237的反射射入出射光纤12314中，参看图8(a)实施例三中芯片12的俯视图；如图7(b)中所示，在上电极1235和下电极12316之间以及在上电极12318和下电极12316间加上电压，而在上电极1233和下电极12316间以及在上电极12319和下电极12316间未加电压时，微梁1234、12310和微镜1237、12311翘起，微梁1236、12317和微镜1238、12312被静电力吸附在硅衬底上，从入射光纤12315射出的光线经过微镜12312的反射射入出射光纤12314中，从入射光纤12319射出的光线经过微镜1238的反射射入出射光纤12313中，参看图8(b)实施例三中芯片12的俯视图。从而实现2×2光学开关功能。
图9是微光学开关实施例四中芯片12的立体结构示意图。图中1241为硅衬底，1242为由SiO2和Si3N4层组成的绝缘介质膜，位于硅衬底上，1243为SU-8微镜，垂直立于微梁上方，1244为多晶硅-氮化硅复合微梁，1245为上电极压焊块，位于绝缘介质膜上，与微梁1244相连在一起，1246、1247为出射光纤，位于SU-8光纤定位槽1249之中，相互垂直，1248为入射光纤，位于SU-8光纤定位槽1249之中，与出射光纤1246在同一直线上，并且与出射光纤1247垂直，出射光纤和入射光纤均与SU-8微镜成45度角，12410为下电极压焊块，作为公共电极。
如图9(a)中所示，在上电极1245和下电极12410之间未加上电压时，微梁1244和微镜1243翘起，从入射光纤1248射出的光线射入出射光纤1246中，参看图10(a)实施例四中芯片12的俯视图；当在上电极1245和下电极12410之间加上电压时，微梁1244和微镜1243被静电力吸附在硅衬底上，从入射光纤1248射出的光线经过微镜1243反射射入出射光纤1247中，参看图10(b)实施例四中芯片12的俯视图，从而可以实现1×2光学开关功能。
图11是微光学开关实施例五中芯片12的立体结构示意图。其中1251为硅衬底，1252为由SiO2和Si3N4层组成的绝缘介质膜，位于硅衬底上，1253、1258、12511、12514为SU-8微镜，分别垂直立于多晶硅-氮化硅复合微梁1254、1257、12510、12513上，1255、1256、1259、12512为上电极压焊块，位于绝缘介质膜上，分别与微梁1254、1257、12510、12513相连在一起，12515、12516、12517、12518为出射光纤，均位于SU-8光纤定位槽之中，相互平行，并且分别与对应的微镜成45度角，12519为入射光纤，位于SU-8光纤定位槽之中，与出射光纤12515、12516、12517、12518都垂直，与所有的微镜成45度角，12520为SU-8光纤定位槽，位于绝缘介质膜上，12521为下电极压焊块，作为公共电极。
如图11和12中所示，在上电极1255和下电极12521之间加上电压，而其它电极间不加电压时，微梁1254和微镜1253被静电力吸附在硅衬底上，微梁1257、12510、12513和微镜1258、12511、12514翘起，从入射光纤12519射出的光线经过微镜1253的反射射入出射光纤12518中；当在不同的上电极和下电极之间加上电压时，对应的微梁和微镜吸附在硅衬底上，而在其它上电极和下电极间不加电压，它们所对应的微梁和微镜翘起，从入射光纤12519射出的光线经过被吸附在硅衬底上的微镜反射射入对应的出射光纤中，从而可以实现1×4光学开关功能。
上述五个实施例中的芯片上的微梁和微镜的结构相同，如图13所示。图13(a)是两个电极间未加电压时，微梁和微镜处于翘起的的状态；图13(b)是两个电极间加上电压时，微梁和微镜被静电力吸附在硅衬底上的状态。图中从下到上各层组成结构为；1201为单晶硅衬底；1202为掺杂过硼的单晶硅层，作为公共的下电极；1203为SiO2层；1204为Si3N4层，Si3N4层和SiO2层一起作为绝缘介质膜；位于绝缘介质膜上的1205为上下电极隔离圈，由多晶硅和上面的Cr-Au层组成；1206为上电极压焊块，位于绝缘介质膜上，由多晶硅和上面的Cr-Au层组成；1207为多晶硅-氮化硅复合微梁，与上电极压焊块相连，分为两部分，靠近电极压焊块的部分由多晶硅、氮化硅和上面的Cr-Au层组成，远离电极压焊块的一端由多晶硅和上面的Cr-Au层组成；1208为微镜，由SU-8和包在SU-8外面作为反射层Cr-Au层组成，位于微梁上远离电极压焊块的一端；1209光纤定位槽，由SU-8和上面的Cr-Au层组成。
本发明的具体制作过程作进一步描述如下：
制作过程共分成芯片制作和外壳封装两个过程。五个实施例中的芯片制作和外壳封装过程都相同。
1、芯片制作过程：
(1)在硅衬底上重掺杂硼作为公共下电极；
(2)在硅衬底上用热氧化法生长上一层SiO2作为绝缘介质膜；
(3)在硅衬底上用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层Si3N4作为绝缘介质膜；
(4)光刻、用反应离子刻蚀(RIE)方法图形化Si3N4和SiO2层，刻出下电极压焊块和对准符号窗口；
(5)在硅衬底上用常压化学气相淀积法(APCVD)淀积上一层PSG，作为牺牲层；
(6)第一次光刻PSG，用RIE图形化PSG，不刻穿PSG，刻出以后长多晶硅支撑柱的凹坑；
(7)第二次光刻PSG，用RIE图形化PSG，刻穿PSG层；
(8)在硅衬底上用LPCVD法淀积上一层多晶硅；
(9)多晶硅掺磷；
(10)在硅衬底上用LPCVD法淀积上一层PSG；
(11)退火去除内应力；
(12)去除表面的PSG；
(13)在硅衬底上用LPCVD法淀积上一层Si3N4；
(14)光刻、用RIE法图形化Si3N4，作为多晶硅-氮化硅复合微梁的上层；
(15)光刻、用RIE法图形化多晶硅，刻出微梁、上电极、上电极引线、上电极压焊块、上下电极隔离圈；
(16)用BHF去除表面外露的PSG，并且部分钻蚀PSG；
(17)在硅衬底上甩SU8胶，光刻SU8胶，刻出微镜部分和光纤定位槽部分；
(18)在硅衬底上溅射Cr-Au层，作为微镜反射面和上、下电极的压焊块；
(19)进行划片；
(20)牺牲层腐蚀，把PSG层腐蚀掉，从而释放多晶硅-氮化硅复合梁和微镜；
(21)用去离子水漂洗、烘干。
2、芯片封装步骤为：
(1)、把芯片12用低应力胶粘接在金属封装外壳的基座17上；
(2)、把光纤14从如图2中所示的光纤套筒171中穿入；
(3)、用胶水172把光纤175和光纤套筒171固定起来；
(4)、去除伸出光纤套筒171的光纤上的披覆层；
(5)、用固定螺母174把光纤套筒171固定在金属封装外壳的侧壁173上；
(6)、把裸光纤用胶固定在芯片的光纤定位槽中；
(7)、利用引线键合工艺，用金引线18把芯片上的压焊块和金属封装外壳基座上的外引线16键合连接起来；
(8)、把金属封装外壳的上盖13和金属封装外壳的基座17焊接起来；
(9)、把光纤175和光纤活动连接器15连接起来。
Claims (6)
1、一种微光学开关，其特征在于，所包括的芯片由硅衬底，插入硅衬底上的光纤定位槽中的入射、出射光纤，制作在硅衬底上由多晶硅-氮化硅复合微梁，由该微梁支撑的用于反射光线的与硅衬底垂直的微镜，位于该微梁上的上电极和位于绝缘介质膜之下的下电极所组成，利用静电驱动微梁作上下运动，把微镜切入或离开光路，从而实现光学开关功能。
2、按照权利要求1所述的微光学开关，其特征在于：所说的芯片可由单层硅衬底构成，该硅衬底上有由SU-8胶经过光刻后所形成的供光纤固定的定位槽，该定位槽与所说的微镜成45度角。
3、按照权利要求1或2所述的微光学开关，其特征在于：所说的微镜是在SU-8胶经过光刻后所形成的侧面溅射上Cr-Au层而形成的光线反射面。
4、按照权利要求1、2或3所述的微光学开关，其特征在于：所说的复合微梁可由制作在所说硅衬底上可腐蚀掉的PSG牺牲层上的多晶硅层、氮化硅层、Cr-Au层构成，多晶硅层和Cr-Au层构成上电极。
5、按照权利要求1、2、3或4所述的微光学开关，其特征在于：利用部分钻蚀位于多晶硅下的PSG牺牲层来实现上下电极间的电隔离。
6、制作权利要求1所述的微光学开关的方法，其特征在于：
1)所说的芯片制作步骤为：
(1)在硅衬底上重掺杂硼作为公共下电极；
(2)在硅衬底上用热氧化法生长上一层SiO2作为绝缘介质膜；
(3)在硅衬底上用低压化学气相淀积法(LPCVD)淀积上一层Si3N4作为绝缘介质膜；
(4)光刻、用反应离子刻蚀(RIE)方法图形化Si3N4和SiO2层，刻出下电极压焊块和对准符号窗口；
(5)在硅衬底上用常压化学气相淀积法(APCVD)淀积上一层PSG，作为牺牲层；
(6)第一次光刻PSG，用RIE图形化PSG，不刻穿PSG，刻出以后长多晶硅支撑柱的凹坑；
(7)第二次光刻PSG，用RIE图形化PSG，刻穿PSG层；
(8)在硅衬底上用LPCVD法淀积上一层多晶硅；
(9)多晶硅掺磷；
(10)在硅衬底上用LPCVD法淀积上一层PSG；
(11)退火去除内应力；
(12)去除表面的PSG；
(13)在硅衬底上用LPCVD法淀积上一层Si3N4；
(14)光刻、用RIE法图形化Si3N4，作为多晶硅-氮化硅复合微梁的上层；
(15)光刻、用RIE法图形化多晶硅，刻出微梁、上电极、上电极引线、上电极压焊块、上下电极隔离圈；
(16)用BHF去除表面外露的PSG，并且部分钻蚀PSG；
(17)在硅衬底上甩SU8胶，光刻SU8胶，刻出微镜部分和光纤定位槽部分；
(18)在硅衬底上溅射Cr-Au层，作为微镜反射面和上、下电极的压焊块；
(19)进行划片；
(20)牺牲层腐蚀，把PSG层腐蚀掉，从而释放多晶硅-氮化硅复合梁和微镜；
(21)用去离子水漂洗、烘干；
2)芯片封装过程为：
(1)、把芯片用低应力胶粘接在金属封装外壳的基座上；
(2)、把光纤从光纤套筒中穿入；
(3)、用胶水把光纤和光纤套筒固定起来；
(4)、去除伸出光纤套筒的光纤上的披覆层；
(5)、用固定螺母把光纤套筒固定在金属封装外壳的侧壁上；
(6)、把裸光纤用胶固定在芯片的光纤定位槽中；
(7)、利用引线键合工艺，由金引线把芯片上的压焊块和金属封装外壳基座上的外引线键合连接起来；
(8)、把金属封装外壳的上盖和金属封装外壳的基座焊接起来；
(9)、把光纤和光纤活动连接器连接起来。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 00100148 CN1119681C (zh) | 2000-01-14 | 2000-01-14 | 静电驱动垂直微镜微光学开关及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 00100148 CN1119681C (zh) | 2000-01-14 | 2000-01-14 | 静电驱动垂直微镜微光学开关及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1258851A true CN1258851A (zh) | 2000-07-05 |
| CN1119681C CN1119681C (zh) | 2003-08-27 |
Family
ID=4575273
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 00100148 Expired - Fee Related CN1119681C (zh) | 2000-01-14 | 2000-01-14 | 静电驱动垂直微镜微光学开关及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1119681C (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6930873B2 (en) | 2001-04-02 | 2005-08-16 | Telefonaktiebolaget L M Erisson (Publ) | Micro electromechanical switches |
| US7298015B2 (en) | 2002-08-01 | 2007-11-20 | Nikon Corporation | Three-dimensional structure element and method of manufacturing the element, optical switch, and micro device |
| CN100368861C (zh) * | 2001-10-04 | 2008-02-13 | 迪康公司 | 主要用于光学应用的开关装置 |
| CN100420621C (zh) * | 2004-08-23 | 2008-09-24 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 镜面制程 |
| CN100451705C (zh) * | 2006-01-26 | 2009-01-14 | 中国科学院微电子研究所 | 一种光开关的设计及制作工艺 |
-
2000
- 2000-01-14 CN CN 00100148 patent/CN1119681C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6930873B2 (en) | 2001-04-02 | 2005-08-16 | Telefonaktiebolaget L M Erisson (Publ) | Micro electromechanical switches |
| CN100368861C (zh) * | 2001-10-04 | 2008-02-13 | 迪康公司 | 主要用于光学应用的开关装置 |
| US7298015B2 (en) | 2002-08-01 | 2007-11-20 | Nikon Corporation | Three-dimensional structure element and method of manufacturing the element, optical switch, and micro device |
| CN100420621C (zh) * | 2004-08-23 | 2008-09-24 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | 镜面制程 |
| CN100451705C (zh) * | 2006-01-26 | 2009-01-14 | 中国科学院微电子研究所 | 一种光开关的设计及制作工艺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1119681C (zh) | 2003-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111552072B (zh) | 大尺寸mems垂直梳齿微镜及其制备方法 | |
| CN111538154B (zh) | 静电驱动mems微镜阵列及其制备方法 | |
| CN1638115A (zh) | 对用于光学元件的封装件进行气密密封的方法和系统 | |
| CN206363065U (zh) | 投影mems设备、投影mems系统、便携式电子设备和便携式电子装置 | |
| CN1417615A (zh) | 光学扫描头及其制造方法 | |
| CN101290395A (zh) | 一种微型多功能光学器件及其制备方法 | |
| CN1279386C (zh) | 压电驱动法布里－珀罗腔可调光学滤波器件及制作方法 | |
| CN1119681C (zh) | 静电驱动垂直微镜微光学开关及其制作方法 | |
| CN1643430A (zh) | 联合微机械和光学器件阵列 | |
| CN101244801A (zh) | 一种实现共面和离面运动的微驱动结构及其制备方法 | |
| JPWO2003020633A1 (ja) | マイクロデバイス及びその製造方法 | |
| CN113820852B (zh) | 高占空比mems微镜、微镜阵列及制备方法 | |
| CN1266516C (zh) | 可变光学衰减器 | |
| CN113820851B (zh) | 双轴垂直梳齿mems微镜、微镜阵列及制备方法 | |
| CN1308721C (zh) | 光开关 | |
| CN114779463B (zh) | Mems微镜及其制备方法 | |
| CN1081339C (zh) | 微光学开关及其制作方法 | |
| CN100561288C (zh) | 一种微型光学器件及其制备方法 | |
| CN1271435C (zh) | 光学开关及其制造方法 | |
| CN100350293C (zh) | 光学器件 | |
| CN100339738C (zh) | 具有多组梳状电极的微机电致动器及其制造方法 | |
| CN111596455A (zh) | 具有弧形反射面的mems反射器及其制备方法 | |
| CN114408854A (zh) | 一种二维微机械双向扭转镜阵列及其制作方法 | |
| CN1405590A (zh) | 转动竖直镜面微机械光开关及其制造方法 | |
| CN1172204C (zh) | 微机械光开关阵列 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |