CN1278920C - 一种微机电系统扭转镜面驱动器、制作方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统扭转镜面驱动器、制作方法及应用。其特征在于所述的扭转微镜面位于上电极和下电极构成的隔离空间内，其扭转的角度随驱动器的上电极和下电极施加的电压调节。其制作方法是首先在硅片背面上制作出扭转镜面的上电极与下电极隔离空间，构成扭转镜面的扭转空间，然后在玻璃上制作铝的下电极，接着把硅片背面和玻璃套准后键合在一起，把键合好的硅玻璃键合片进行硅片减薄，最后在减薄的硅片层上制作出扭转镜面的两端固定的细梁、驱动器的上电极和扭转微镜面，对硅片进行划片后，得到单个的静电镜面驱动的驱动器；具有体积小、工艺简单、驱动电压低、可靠性高，响应速度快和利于集成的优点。

Description

一种微机电系统扭转镜面驱动器、制作方法及应用

技术领域

本发明涉及一种微机电系统扭转镜面驱动器、制作方法及应用，属于光纤通信领域。

背景技术

随着光纤通信的发展，光纤传输系统，光纤网络的推广和普及，必然需要大量的光通讯器件，其中可调式光衰减器(Variable Optical attenuator)是现代宽带光网中的一种核心器件，可用于密集波分复用光纤光网络(DWDMFiber Optical Networks)中各信道信号的强弱调整，还可用于模拟光纤长距离传输或检测传输系统的动态范围。

MEMS微机电系统(Micro-Electro Mechanical Systems，简称″MEMS″)，又称微系统，是受微电子技术启发并在其基础上发展起来的、是微电子加工技术和多种微机械加工技术相融合而成的微型系统。完整的MEMS是由感知外界信息(力、热、光、磁、化等)的微传感器、控制对象的微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS具有集成电路系统的许多优点，如微型化、以硅为主要材料，机械电气性能优良、可批量生产、集成化等，同时又集约了机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科发展出的尖端成果。具有多学科交叉、多技术融合的特点，并且为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。

现有MEMS技术制作的光路可调式光衰减器主要包括两种控制类型，一种类型是控制挡光片运动的挡光型光路可调光衰减器(图1)，另一种类型是控制反射镜面运动的光路反射型光衰减器(图2)。对于挡光型光衰减器，主要使用一个控制器来控制挡光片的在光路中的运动来控制光路的耦合面积，以此来获得可调谐的光衰减量。比如中国发明专利(申请号为：00127939.4)报道，其采用MEMS技术制作了一个挡光片驱动器，利用电磁控制驱动器在光路中的运动达到控制光信号衰减的目的，利用这种方法使得插入损耗低、分辨率高，但体积较大、组装技术困难并且偏振相关损耗大。因此器件的体积大不利于器件的集成化，组装技术困难不利于器件的大规模制作，偏振相关损耗大将使得衰减器的应用范围大幅缩小。而另一种控制反射镜面运动的光路反射型光衰减器，主要利用反射镜面发射回光路，调节反射耦合程度，以此来获得光衰减量。又如中国专利申请CN：02134213.X，报道利用一镀有反射率成线性变化的反射膜或有效反射面积成线性变化的活动反射镜将光的方向从一光学端口反射到另一光学端口，控制活动发射镜面的运动，可以达到光学衰减的目的(图3)。这种反射式光衰减器需要制作成线性变化的反射膜或者反射面积成线性变化的活动反射镜，增加制作工艺难度，而且移动这种发射镜达到衰减的反射式光衰减器与挡光型衰减器类似，可能导致偏振相关损耗过大，而且这种设计的活动反射镜需要移动很大的距离，直接导致工作电压过高，从而器件的功耗增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机电系统(MEMS)扭转镜面驱动器、制作方法及应用。可为反射式可调光衰减器提供一种利用MEMS技术制作的工艺实现简单，静电驱动的扭转微镜驱动器。本发明的驱动器利用静电力驱动，通过施加较低的电压，可以使得微镜面扭转一定角度，通过镜面扭转的小角度来改变反射光耦合，不同的角度改变引起相应的光信号衰减量。

本发明提供的一种MEMS扭转镜面驱动器是由下电极图形、硅材料器件层、扭转微镜面、左上电极、左细梁、右上电极、右细梁以及上电极与下电极的隔离空间构成；

其中，左上电极通过左细梁和硅材料器件层相连接；右上电极通过右细梁和硅材料器件层相连接；扭转微镜面位于上电极和下电极构成的隔离空间内。

所述的扭转微镜面所在的隔离空间从几微米到几十个微米距离，镜面扭转的角度可随驱动器的上电极和下电极施加的电压调节。

本发明提供的一种MEMS扭转镜面驱动器的制作方法包括的步骤是首先在硅片背面上制作出扭转镜面的上电极与下电极隔离空间，构成扭转镜面的扭转空间，然后在玻璃上制作铝的下电极，接着把硅片背面和玻璃套准后键合在一起，把键合好的硅玻璃键合片进行硅片减薄，最后在减薄的硅片层上制作出扭转镜面的两端固定的细梁、驱动器的上电极和扭转微镜面。对硅片进行划片后，得到单个静电镜面驱动的驱动器，具体特征在于：

(1)硅片利用一层二氧化硅薄膜作为腐蚀的掩膜层，利用MEMS技术中的光刻工艺在二氧化硅薄膜上制作出所需图形，然后使得硅片背面在氢氧化钾溶液中腐蚀出上电极和下电极的间隔空间。

(2)在减薄后的硅片器件层上，利用光刻工艺制作出扭转镜面需要的细梁位置、驱动器的上电极位置和扭转微镜面位置，然后利用等离子体硅深刻蚀工艺把硅片器件层刻蚀穿通，得到所需的扭转微镜面、驱动器的上电极和固定上电极和扭转微镜面的两根细梁。

(3)在利用等离子体硅深刻蚀工艺刻蚀得到所需扭转镜面，驱动器上电极和细梁之前，可以利用光刻，溅射工艺在硅片器件层上的扭转镜面部分溅射上一层增加光反射效率的金薄膜。然后再利用等离子体硅深刻蚀工艺刻蚀出所需的扭转微镜面、驱动器上电极和两根细梁。

(4)对硅玻璃键合片上的硅材料进行减薄的方法或选用氢氧化钾(KOH)腐蚀或四甲基氢氧化铵(TMAH)腐蚀液的方法，或采用等离子体硅刻蚀的方法进行硅片减薄。

(5)硅片经过氢氧化钾腐蚀减薄或者等离子体硅刻蚀减薄后，可以使用化学机械抛光对所剩的硅片器件层进行表面抛光处理，以获得更好的硅器件层表面。

(6)可以用氮化硅薄膜作为腐蚀掩膜，腐蚀溶液或KOH溶液或使用TMAH等可以腐蚀硅的各向异性腐蚀液。

(7)在对硅片进行划片后，得到单个静电镜面驱动的驱动器，通过施加几伏到几十伏范围的较低电压，使微镜面扭转角度，从而改变发射光耦合，不同的角度引起相应的光信号衰减。从而使本发明提供的MEMS扭转镜面驱动的驱动器用于反射式可调光衰减器。综上所述，本发明的一种微机电系统扭转镜面驱动器，利用MEMS中的光刻、腐蚀、键合、溅射和等离子硅深刻蚀技术制作一种工艺简单可行，利用静电精密驱动，光插入损耗小，驱动电压低的可用于反射式可调光衰减器的扭转微镜面驱动器。该种微镜面驱动器相对于现有MEMS技术制作出的镜面驱动器，有体积小、工艺简单、驱动电压低、可靠性高，响应速度快和利于集成的优点。

附图说明

图1现有控制挡光片运动的挡光型光路可调光衰减器装配图

图2现有控制反射镜运动的反射式光路可调光衰减器原理图

图3现有反射式光衰减器驱动器发射镜面结构，(a)为正视图，(b)为侧视图。

图4(a)～(j)为本发明的实施例制作过程示意图

(a)为制作驱动器的硅片示意图

(b)为硅片经过氧化后上下表面生长一层二氧化硅薄膜示意图

(c)在硅片背面二氧化硅层制作出需要硅腐蚀的窗口图形示意图

(d)为硅片放入氢氧化钾腐蚀溶液腐蚀后示意图

(e)为在玻璃上采用溅射工艺溅射一层铝薄膜示意图

(f)为制作出的下电极示意图

(g)为利用硅玻璃键合技术键合示意图

(h)为硅玻璃键合片在硅基底进行腐蚀减薄后的示意图

(i)为在硅器件层上制作出所需梁、上电极和扭转微镜面侧视示意图

(j)为扭转微镜面驱动器的示意图(俯视)

图5为本发明提供的微机电系统镜面驱动器示意图

图中1.为输入光信号光纤 2.为输出光信号光纤 3.为光纤的支撑部件 4.为挡光片 5.双光纤准直器 6.反射镜面 7.镜面的基底 10.为硅衬底 11.为二氧化硅薄膜12.为去除二氧化硅薄膜后暴露出的需要腐蚀的硅区域 13.为硅片上腐蚀出的上电极和下电极需要的隔离空间区域 14.为铝薄膜 15.为玻璃基底 16.为所需的下电极图形 17.为硅基底腐蚀减薄后剩下的硅材料器件层 18.为扭转微镜面 19.为左上电极 20.为左细梁 21.为右上电极22.为右细梁

具体实施方式

下面结合附图进一步阐明本发明所提供的MEMS扭转镜面的制作工艺步骤，以表述本发明提供的扭转镜面驱动器的具体结构以及作为可调光衰减器的应用。

本发明的具体实施步骤如下：

1.在硅片上表面和背面生长一层厚度为1000埃到5000埃左右的二氧化硅薄膜。如图4(b)所示。

2.利用MEMS技术中的光刻、显影和二氧化硅腐蚀工艺在二氧化硅薄膜上制作出所需图形。如图4(c)所示。

3.把硅片放入溶液浓度为40％温度为40℃的氢氧化钾溶液或TMAH溶液中，硅片背面图形在氢氧化钾溶液中各向异性腐蚀出10um深图形，作为上电极和下电极的间隔空间，同时这个腐蚀出来的间隔空间也可以对扭转镜面提供过载保护。如图4(d)所示。

4.利用二氧化硅腐蚀工艺去除硅片上剩余的二氧化硅薄膜。

5.在玻璃片上利用溅射工艺使得玻璃上溅射一层1um左右的铝电极。如图4(e)所示。

6.利用光刻、显影和铝腐蚀工艺在铝薄膜上腐蚀出所需的下电极图形。如图4(f)所示。

7.硅片背面腐蚀出来的上电极与下电极的隔离空间和玻璃上制作出来的铝下电极套准后，利用硅玻璃键合技术进行整体的键合，使得硅片和玻璃成为一个整体。如图4(g)所示。

8.把硅玻璃键合片放入氢氧化钾腐蚀溶液中对硅片进行整体减薄，使得玻璃上的硅片器件层保留在几十微米左右。如图4(h)所示。

9.在减薄后的硅片器件层上通过光刻、显影制作出所需扭转镜面和上电极处的图形。

10.利用溅射工艺在硅片暴露出的图形区域溅射几千埃厚的金薄膜层，以提高反射镜面的反射率。

11.在减薄后的硅片器件层上再次通过光刻、显影制作出所需扭转镜面、上电极和两端的固定细梁图形。利用等离子体硅深刻蚀工艺刻蚀穿通硅片器件层，得到分离开的扭转微镜面、上电极和两端固定的细梁结构。如图4(i)所示。

12.对整个硅片进行划片得到单个静电驱动的，主要应用于双光纤准直器的反射式可调光衰减器的扭转微镜面驱动器。

所制得的MEMS扭转镜面驱动器，镜面扭转的角度可随驱动器的上电极和下电极施加的电压调节，施加电压的范围为几伏特到几十伏特，所制得得MEMS扭转镜面驱动器如图5所示。

本发明所制备的MEMS扭转镜面驱动器是利用静电驱动，通过施加较低的电压，使镜面扭转一定角度，从而改变光耦合，不同角度的改变引起相应光信号衰减，所以是一种相对于现有MEMS技术制作的一种反射式可调光衰减器。

Claims (6)

1.一种微机电系统扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于包括的步骤是首先在硅片背面上制作出扭转镜面的上电极与下电极隔离空间，构成扭转镜面的扭转空间，然后在玻璃上制作铝的下电极，接着把硅片背面和玻璃套准后键合在一起，把键合好的硅玻璃键合片进行硅片减薄，最后在减薄的硅片层上制作出扭转镜面的两端固定的细梁、驱动器的上电极和扭转微镜面，对硅片进行划片后，得到单个的静电镜面驱动的驱动器。

2.按权利要求1所述的一种微机电系统扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于硅片利用一层二氧化硅薄膜作为腐蚀的掩膜层，利用MEMS技术中的光刻工艺在二氧化硅薄膜上制作出所需图形，然后使得硅片背面在氢氧化钾溶液中腐蚀出上电极和下电极的间隔空间。

3.按权利要求1所述的一种微机电系统扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于在减薄后的硅片器件层上，利用光刻工艺制作出扭转镜面需要的细梁位置、驱动器的上电极位置和扭转微镜面位置，然后利用等离子体硅深刻蚀工艺把硅片器件层刻蚀穿通，得到所需的扭转微镜面、驱动器的上电极和固定上电极和扭转微镜面的两根细梁。

4.按权利要求1所述的一种微机电系统扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于在利用等离子体硅深刻蚀工艺刻蚀得到所需扭转镜面，驱动器上电极和细梁之前，利用光刻，溅射工艺在硅片器件层上的扭转镜面部分溅射上一层增加光反射效率的金薄膜，然后再利用等离子体硅深刻蚀工艺刻蚀出所需的扭转微镜面、驱动器上电极和两根细梁。

5.按权利要求1所述的一种微机电系统扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于对硅玻璃键合片上的硅材料进行减薄或选用氢氧化钾或四甲基氢氧化铵腐蚀的方法，或采用等离子体硅刻蚀的方法。

6.按权利要求1或2所述的一种微机电系统扭转镜面驱动器的制作方法，其特征在于用氮化硅薄膜作为腐蚀掩膜，腐蚀溶液或使用四甲基氢氧化铵溶液腐蚀硅的各向异性腐蚀液。

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