CN1326104A - 机械调制式波分复用发送和接收模块 - Google Patents

Abstract

一种制造法布里－珀罗腔光机械调制器,以及由此组成的波分复用发送和接收模块的技术。法布里－珀罗腔由多晶硅三叠层结构刻蚀而成。调制器的柔性薄膜由上层多晶硅形成,中层多晶硅转变成多孔多晶硅后腐蚀去除,从而使上层多晶硅悬空。悬空的上层多晶硅最后释放由反应离子腐蚀实现。多晶硅叠层结构下的硅片内集成有圆锥形状的光纤插入孔。插入孔由多孔单晶硅技术形成,光纤一旦插入即能自动对准安置于腔体上的光电探测器。

Description

机械调制式波分复用发送和接收模块

本发明是关于波分复用(WDM)发送和接收模块(module)，特别是关于微机械加工(micromachined)的光机械调制器作为光信号发送器的波分复用发送和接收模块。

光纤通信，特别是光纤到户和光纤到办公桌刺激了低成本高性能的波分复用发送和接收模块的需求。现在已经发展出两种主要的波分复用发送和接收模块。一种模块需要一只安装于用户处的半导体激光器，用来为用户发送光信号。半导体激光器的调制速率可以高达几个Gbit/s，但由于价格昂贵，对温度敏感，功率消耗大等因素，既抬高了整个模块的价格，也影响到模块的性能稳定。另一种采用闭路返回的架构，整个模块只需一只安装在中心办公室的半导体激光器，而在用户端，一只微机械加工的光机械调制器取代半导体激光器，担负发送用户光信号的功能。在这种模块中，中心办公室发送的数据由中心办公室的半导体激光器产生，而用户发送的数据由用户的光机械调制器调制来自中心办公室的光束产生。

对于许多实际应用，用户信息的比特率远低于中心办公室信息的比特率，几个Mbit/s也许就可满足用户信息的要求。这种低比特率的信息正适合用微机械加工的光机械调制器产生。微机械加工的光机械调制器具有制造成本低，插入损耗低，对比度高，和对极性不敏感等优点。因此微机械加工的光机械调制器取代半导体激光器是一种经济实用，便于推广的替代方案。

对光机械调制器的研究开发工作，可以追溯到几十年以前，只是早期的光机械调制器的工作方式大多为相移式或扫描镜式，其调制速率太低，满足不了光纤通信的需要。近几年来，发展了以集成电路技术为基础的微机械加工(micromachining)技术，并且用这种技术制造出形形色色的微电机系统和微光电系统。比较成功的微光电系统为Fabry-Perot(法布里-珀罗)腔光机械调制器。法布里-珀罗腔由两只平行的反射面构成，两反射面之间的距离只有四分之一光波长的数倍。对于如此精细的法布里-珀罗腔，如采用传统的机械加工技术，不仅制造过程极其复杂，而且加工精度也很难保证。采用微机械加工技术，整个制造过程变成实施几道简单的半导体工兿，加工精度要求都在常规半导体加工范围之内。

图1A和图1B展示文献报道的一种微机械加工的光机械调制器(James A.Walker，Keith W.Goossen，and Susanne C.Arney，“Fabrication of a Mechanical Antireflection Switch for Fiber-to-the-Home System，”Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.5(1)，pp.45-51，March 1996)。该调制器的法布里-珀罗腔由衬底101，空气间隙103，环绕空气间隙的铝支撑框架102，和氮化硅(Si₃N₄)膜104构成。Si₃N₄膜104包括中央平板106和四周支撑梁107两部分，作为整体悬空横跨于衬底101之上。金属电极105覆盖支撑梁107全部和中央平板106的边缘部分，而中央平板106的中心部分仍露出Si₃N₄膜，用作透光窗口108。为运行器件，须将信号电压施加于上电极105和下电极109之间，由此产生静电力作用于上电极105，使Si₃N₄膜随着信号电压向衬底101方向弯曲。当电压为零时，Si₃N₄膜104和衬底101之间的空气间隙103为λ/4(其中λ为工作光波波长)的奇数倍，此时法布里-珀罗腔对入射光束的反射系数最大；随着电压增加，Si₃N₄膜开始弯向衬底101，当使空气间隙103为λ/4的偶数倍时，法布里-珀罗腔的反射系数最小。采用这种方法改变法布里-珀罗腔两反射面间的距离，可以调制反射光束的强度，使其成为载有用户信息的光信号。

尽管采用以铝为牺牲层和以Si₃N₄为弹性膜，从制造角度考虑确实比较方便，但却带来不少颇为严重的困扰。当铝层的厚度接近1微米时，其表面变得粗糙不平，并且随之出现大量小丘，这使形成于铝层之上的Si₃N₄膜产生高密度的针孔。Si₃N₄膜除用作结构材料外，还用作金属布线的绝缘层，密布的针孔和铝层小丘会引起电极短路和器件失效。此外，微机械加工用来对基片进行雕刻和挖掘，以形成三维微型结构，因此腐蚀的选择性是首要考虑的问题。这种腐蚀的选择性对形成法布里-珀罗腔更为重要，因为腔的纵向和横向尺寸的微小变化都会造成其光学性能的显著差异。当用铝作形成腔体结构的牺牲材料时，铝的横向腐蚀不能自行停止。腔体的横向尺寸控制不了，腔体的的振动特性就不能重复，腔体的运行电压也就难以确定。

另外一种光机械调制器的设计如图2所示(C.Marxer，M.A.Gretillat，V.P.Jaecklin，R.Baettig，O.Anthamatten，P.Vogel，N.F.de Rooij，”Megahertz opto-mechanical modulator，”Sensors andActuators A，Vol.52(1-3)，pp.46-50，March/April 1996)。该调制器的法布里-珀罗腔由多晶硅下反射镜203，多晶硅上反射镜205，和空气间隙206组成。腔体形成于单晶硅片201之上。为形成腔体，首先在单晶硅片201表面形成Si₃N₄层204，用作抗反射薄膜。然后在Si₃N₄层204表面形成下多晶硅反射镜203。接着形成磷硅玻璃(PSG)层，用作选择腐蚀的牺牲层(图中没有画出)。PSG层被加工成岛状后，在PSG岛上形成多晶硅层。选择腐蚀PSG岛即形成拱桥状多晶硅上反射镜205。多晶硅，Si₃N₄，以及PSG都由低压化学气相沉积(LPCVD)技术形成。单晶硅片201的背面覆盖有电介质层202，背面中心部位有空洞207。光纤209由空洞207插入，纤芯208对准下反射镜203底部的细孔洞，由其发射的光束通过细孔洞进入腔体。

这种光机械调制器也存在许多不足之处。1)理想的法布里-珀罗腔要求无应力或低张应力的材料构成可形变的反射镜。在单晶硅片上用LPCVD技术形成的多晶硅层不仅做不到无应力或低张应力，相反却有足够大的残余压应力存在，致使通过腐蚀牺牲层而予以释放的多晶硅膜松驰折皱，很难构成理想的平面反射镜。2)用作牺牲层的PSG层表面起伏不平，造成多晶硅膜表面的粗糙度高达140，其后果是增加调制器的插入损耗。3)由于空气间隙太大，造成器件运行电压高达70V，这对配合微电子电路，特别是微处理器的应用是很不方便的。4)光纤插入孔洞的形成图形由单晶硅片背面电介质层光刻图形确定，背面电介质层光刻图形很难与在单晶硅片正面形成的法布里-珀罗腔对准，这意味着插入的光纤不能与法布里-珀罗腔自动对准。

上述微机械加工的光机械调制器存在的问题或困扰，也都程度不同的出现在其它类似的微机械加工的光机械调制器上。本发明的宗旨就是对现有的光机械调制器的结构及其制造方法进行重大改造，从根本上消除产生上述问题或困扰的起因，以制造出高性能低成本的微机械加工的光机械调制器。

本发明的目的之一是提供一种以法布里-珀罗腔为基本组成的光机械调制器，其腔体由同质材料的薄膜叠层加工而成，而不是象在前的调制器那样由异质材料的薄膜叠层加工而成。采用同质材料的薄膜叠层，可以消除由不同材料的热膨胀系数失配和晶格常数失配引起的腔体薄膜残余应力，以获得更为理想的平面反射镜。

本发明的目的之二是提供一种以法布里-珀罗腔为基本组成的光机械调制器，其腔体可形变薄膜的形成分两步进行，第一步由湿法腐蚀去除部分牺牲层，第二部由干法腐蚀去除残留的牺牲层，而不是象在前的调制器那样只采用湿法腐蚀一步形成。干法腐蚀可以消除湿法腐蚀中固有的溶液表面张力作用，从而消除腐蚀释放的可形变溥膜被拉向衬底并与衬底发生粘贴的现象。

本发明的目的之三是提供一种以法布里-珀罗腔为基本组成的光机械调制器，其腔体的空气间隔可以减至理论设计的最小值，而不是象在前的调制器那样，由于受到制造技术的限制而不得不取比较大的值。比较小的空气间隔可以降低调制器运行所需的电压，为配合微电子电路使用提供方便。

本发明的目的之四是提供一种以法布里-珀罗腔为基本组成的光机械调制器，其腔体的可形变薄膜由形成于比较薄的牺牲层上的薄膜构成。比较薄的牺牲层具有比较光滑的表面，因而可形变薄膜也有比较光滑的表面，从而降低调制器的插入损耗。

本发明的目的之五是提供一种以法布里-珀罗腔为基本组成的光机械调制器具有与腔体对准的光纤插入孔洞，腔体与光纤插入孔洞形成于同一衬底，共同围绕同一中心轴线，使光纤一经插入即可自动与腔体对准。

本发明的目的之六是提供一种以法布里-珀罗腔为基本组成的光机械调制器，其腔体与其衬底表面处于同一平面，不是象在前的调制器那样凸出于衬底表面。腔体的平面化不仅便于直接采用成熟的半导体平面工艺进行制造，而且有利于增加调制器的机械强度，降低制造过程中的损耗，提高产品的成品率。

为了实现上述目的以及其它目的，本发明提出了一种以光机械调制器为发送器的波分复用发送和接收模块的制造方法。该模块如图3所示，其法布里-珀罗腔由上部多晶硅反射镜和柔性多晶硅梁304，下部多晶硅反射镜302，以及两多晶硅反射镜之间的空气间隙306组成。上部多晶硅反射镜的正面中心覆盖有抗反射膜305。金属电极310覆盖多晶硅梁和大部分多晶硅反射镜面积，而下多晶硅反射镜的中心部位露出抗反射膜305。下部多晶硅反射镜302的背面覆盖有抗反射膜303。金属电接触308与单晶硅片中的扩散层301连接，由于扩散层301的表面层为高掺杂浓度区，通过这一高掺杂浓度区可以将外加电压直接传到多晶硅反射镜302的底部。金属引线313和314通向外电路，为腔体引入调制电信号，使腔体多晶硅反射镜304可随调制电信号发生弯曲，以改变与下部多晶硅反射镜302之间的距离。

该模块的法布里-珀罗腔由多晶硅三叠层结构307加工而成，该叠层结构形成于单晶硅片的扩散层301之上。腔体的多晶硅膜和柔性多晶硅梁304原为其上部多晶层的一部分，在选择性腐蚀去除其下的多晶硅层后，这部分多晶硅层就腾空而起成为富有柔性的结构。中间的多晶硅层有三个作用：1)用于形成多晶硅膜304的牺牲层；2)用于形成多晶硅膜304支撑框架的建筑材料；3)用作隔离多晶硅膜304与扩散层301的半绝缘层。下部多晶层夹在上部多晶层与下面扩散层301之间，起缓冲层作用，以减小两种材料热膨胀系数失配和晶格失配对上部多晶膜304的影响，降低上部多晶膜304中的残余应力。

光电二极管316安装于法布里-珀罗腔之上，其受光面317朝下并对准抗反射膜305，其凸出焊块318连接单晶硅片，对光电二极管316起支撑和定位作用。单晶硅片的扩散层301围绕一圆锥形状孔洞315。单晶硅片从背面减薄后，用粘合剂311将其与玻璃片312粘结，使玻璃片中的通孔对准单晶硅片的圆锥形状孔洞315。光纤319插入圆锥形状孔洞315，并用树脂321将其固定于玻璃片312。圆锥形状孔洞315的横向直径被调整到与光纤的横向直径相配合，插入光纤319的纤芯320不需进行位置调整就能自动对准腔体的中心轴线，使纤芯发出的光束透过腔体后能准确照射到光电二极管316的光灵敏区317上。

法布里-珀罗腔的多晶硅膜304的释放，采用以选择性形成和腐蚀多孔多晶硅为基础的多孔多晶硅微机械加工技术。释放过程主要包括：在单晶硅片上形成多晶硅三叠层结构，并对多晶硅三叠层结构进行局部掺杂，使中层的中部区域和下层的中部局部区域成为重掺杂区，而这些区域四周仍由未掺杂的高阻多晶硅围绕。上层多晶层开若干开口，以露出部分中层的重掺杂区。置入氢氟酸(HF)溶液进行阳极氧化，将重掺杂的多晶硅选择性转变成多孔多晶硅，然后用硅的弱腐蚀剂，如稀释的氢氧化钾溶液，选择性腐蚀形成的多孔多晶硅，从而释放上部原处于重掺杂区之上的多晶硅层，使其成为容易变形的薄膜。

单晶硅片中圆锥形状孔洞的形成采用以选择性形成和腐蚀多孔单晶硅为基础的多孔单晶硅微机械加工技术。圆锥形状孔洞形成过程，主要是在p型轻掺杂的单晶硅片中形成圆环形状的n型扩散层，圆环围绕的p形区为顶部小底部大的圆锥。在单晶硅片表面形成多晶硅三叠层结构，使叠层结构与圆锥形状p型区围绕同一中心轴线。在叠层结构的重掺杂多晶硅转变成多孔多晶硅后，继续进行阳极氧化反应，使单晶硅片中的圆锥形状p型单晶硅转变成多孔单晶硅，然后将形成的多孔单晶硅腐蚀去除，就形成了顶部小底部大的圆锥形状孔洞。

腐蚀多孔单晶硅后形成的圆锥形状孔洞具有光滑的侧壁，其横截面的直径由上至下连续变化。控制n型扩散层的圆环直径，使其稍小于插入光纤的直径，则圆锥形状孔洞的中间部位必有一处，其横截面直径与光纤直径配合。无须借助精密仪器，也不必进行繁琐的人工操作，光纤一经插入，必与腔体的中心轴线自动重合。

为避免腔体多晶硅膜304与下多晶硅膜302粘贴，腐蚀多孔多晶硅后，多晶硅膜304的多晶硅梁部分仍由其边缘的未掺杂多晶硅墙支撑，而多晶硅膜的平板部分仍由散布其中的未掺杂多晶硅柱支撑。这时所释放的多晶硅膜仍有足够的刚性强度，阻止腐蚀溶液毛细管力的作用，而不致被拉弯到与其分开的多晶硅层接触。这些未掺杂多晶硅墙和未掺杂多晶硅柱，最后由干法腐蚀去除。干法腐蚀不存在腐蚀溶液毛细管力的作用，因而不会出现释放的多晶硅膜与底部多晶硅层粘贴的问题。

未掺杂多晶硅墙和未掺杂多晶硅柱被设置于重掺杂多晶硅之中，当周围的重掺杂多晶硅被阳极氧化而变成多孔多晶硅时，由于未掺杂多晶硅的半绝缘特性，可以阻止阳极电流从中通过，因而不会被阳极氧化变成多孔多晶硅。多孔多晶硅腐蚀用的腐蚀溶液为稀释的氢氧化钾溶液腐蚀，腐蚀在室温下进行，在此条件下，对多晶硅的腐蚀微不足道，因而在随后的多孔多晶硅的腐蚀过程中，未掺杂多晶硅墙和未掺杂多晶硅柱不受任何腐蚀影响。

为采用干法腐蚀技术选择性去除未掺杂多晶硅墙和未掺杂多晶硅柱，多晶硅墙和多晶硅柱上的保护膜与多晶硅膜上的保护膜须具有不同的保护特性，它们都有抗HF溶液腐蚀的能力，从而防止其表面在阳极氧化过程中受到损坏，但在干法腐蚀过程中，多晶硅膜上的保护膜仍具有抗腐蚀的作用，而多晶硅墙和多晶硅柱上的保护膜却不再具有抗腐蚀的作用。为满足这些要求，多晶硅膜上的保护膜选用Si₃N₄和二氧化硅(SiO₂)复合层，而多晶硅墙和多晶硅柱上的保护膜选用Si₃N₄单层。选用的干法腐蚀剂对Si₃N₄和多晶硅的腐蚀速率须高于对SiO₂腐蚀速率，而对金属基本上不腐蚀，Cl₂＋He腐蚀气体系列就具有这种特性。

图1展示在前技术提供的一种微机械加工的光机械调制器的横截面示意图。

图2展示在前技术提供的另一种微机械加工的光机械调制器的横截面示意图。

图3展示本发明提供的以微机械加工的光机械调制器为发送器的波分复用发送和接收模块的横截面示意图。

图4至图14展示本发明提供的以微机械加工的光机械调制器为发送器的波分复用发送和接收模块在其各主要制造步骤完成后部分切除透视图。

配合图4至图14的图形展示，详细介绍本发明提供的以微机械加工的光机械调制器为发送器的波分复用发送和接收模块的制造过程。

参照图4，轻掺杂的p型单晶硅片401用作衬底材料，大约1微米厚的SiO₂层形成于其上部表面，采用的技术为高温湿氧热氧化。通过光刻和腐蚀，将SiO₂层加工成包含有开口的掩蔽图形。然后进行高温热扩散，在单晶硅片401内形成大约20微米深的n型扩散层402。扩散层402在衬底表面呈圆环形状，圆环内径大约110微米。扩散层402围绕的p型区403为圆锥形状，其顶部直径大约110微米，底部直径大约134微米。

参照图5，在单晶硅片401的表面形成多晶硅层404，采用的技术为LPCVD，沉积温度为620℃，气源为SiH₄，反应气压为220mTorr。该多晶硅层的厚度为mλ/4，其中m为奇数，典型的情况下m为1。多晶硅层404未有意掺杂，其电阻率高于10⁶Ωcm。大约1微米厚的低温二氧化硅(LTO)层形成于多晶硅层404之上，采用的技术为LPCVD，沉积温度为560℃，气源为O₂和SiH₄，反应气压为150mTorr。采用光刻和腐蚀技术将LTO层加工成包含开口的掩蔽图形。然后进行磷离子注入，注入剂量为1×10¹⁵/cm²，注入能量为60kev。接着进行热退火，退火温度为1100℃，退火时间为30min。由此形成四个重掺杂区405，围绕着圆锥形状p型单晶硅区403的中心轴线对称分布，且每个重掺杂区底部大部分座落在圆锥形状p型单晶硅区403内。

参照图6，在缓冲的氢氟酸溶液(BHF)中腐蚀去除LTO层后，采用与上述相同的LPCVD技术在多晶硅层404之上形成另一多晶硅层406。此多晶硅层的厚度为mλ/4，典型情况下m为3。用与上述相同的LPCVD技术形成另一LTO层，并且加工成包含有开口的掩蔽图形。用与上述相同的磷离子注入和高温热退火技术，在多晶硅层406中形成正方形的重掺杂区407。重掺杂区407中间分布许多未掺杂的小正方块区408和小矩形块区409。重掺杂区407的底部部分座落在重掺杂的多晶硅区405内，而未掺杂的小正方块区408和小矩形块区409的底部部分座落在未掺杂的多晶硅区内。

参照图7，腐蚀掉LTO层后，在第二多晶硅层406表面，采用与上述相同的LPCVD技术形成第三多晶硅层410。该多晶硅层的厚度为mλ/4，典型情况下m为1。紧接着用光刻和腐蚀技术加工形成接触孔413。接触孔413须穿越上，中，下三层多晶硅层404，406，和410，一直深入到n型扩散层402的表面高掺杂浓度区。多晶硅的腐蚀采用反应离子腐蚀(RIE)技术，腐蚀气体配方为Cl₂＋He＝180∶400sccm，RF功率为275W，反应气压为300mToor，衬底温度为40℃。然后，用与上述相同的LPCVD技术，在410层的表面形成厚λ/4的LTO层411。用光刻和腐蚀技术对LTO层411进行加工，使形成露出下部多晶硅层410的开口414，开口414的中央部位留出20×20μm正方形的LTO台面用作抗反射膜412，该抗反射膜的中心处于圆锥形状p型单晶硅区403的中心轴线上。在此光刻和腐蚀过程中，接触孔413底部的LTO层须一同腐蚀去除，以便于随后制作金属电接触。

参照图8，在单晶硅片401的表面，用LPCVD技术形成1000厚的低应力Si₃N₄层415，采用的气源为SiH₂Cl₂(DCS)/NH₃＝0.176，沉积温度为790℃，反应气压为150mToor。用光刻和腐蚀技术对低应力Si₃N₄层415进行加工形成Si₃N₄图形416。Si₃N₄图形416包括中部30×30μm的正方形平台，该平台完全覆盖其下的抗反射膜412。Si₃N₄图形416还包括四条长40μm宽10μm的“Z”形长爪，该长爪从正方形平台的边缘中部伸出，与外缘的框架相连，将框内裸露的上部多晶硅层410分割成四个等面积的开口414。在光刻腐蚀形成开口414的同时，须腐蚀去除接触孔413底部的Si₃N₄层。

参照图9，在单晶硅片401的表面，用电子束蒸发技术依次形成200厚的Cr层和200厚Au层，由此组成Au/Cr复合层，其中Cr用作粘合剂，增加Au层对Si₃N₄层的粘性。用光刻和腐蚀技术对Au/Cr复合层进行加工形成复合层图形419。该复合层图形覆盖大部分正方形Si₃N₄平台，但须空出处于抗反射膜412之上的部分和边缘四个小正方块区域418。复合层图形419还覆盖大部分”Z”形Si₃N₄长爪，但空出边缘的小矩形块区域417。对复合层进行加工还同时形成接触孔内的金属电接触420和排列在复合层图形419两侧的金属压焊块421和422。金属压焊块421与金属电接触420连接，金属压焊块422与复合层图形419连接。金属压焊块421和422须用电镀技术进一步加厚到大约20微米左右。然后用光刻和腐蚀技术去除未被Si₃N₄覆盖上部多晶硅层，形成裸露出中部重掺杂区的开口423。

接下来是形成用作微机械加工牺牲层的多孔多晶硅和多孔单晶硅。多孔多晶硅和多孔单晶硅都能在浓度比较高的HF溶液中由阳极氧化生成，但其生成的择优性与材料的掺杂类型和掺杂浓度有关。不论是多晶硅和单晶硅，一般的规律是，重掺杂p+型硅比轻掺杂p型和轻掺杂n型硅优先阳极氧化生成多孔硅，重掺杂n+型硅比重掺杂p+型，轻掺杂p型硅和轻掺杂n型硅优先阳极氧化生成多孔硅。这就是说通过控制阳极氧化电压，可以在轻掺杂n型硅衬底上优先在重掺杂n+型硅区形成多孔硅，也可以在轻掺杂p型硅衬底上优先在重掺杂p+和重掺杂n+型硅区形成多孔硅。

使用的阳极氧化槽为双室聚四氟乙烯槽。待阳极氧化的单晶硅片插入槽室的中部，将槽室分隔成两个相互隔离的小槽，每个小槽的相对端放置一只板状的铂电极，与外部直流电源连接，将直流电压施加于槽内的HF溶液。HF溶液有两种作用，一是在单晶硅片的正面起阳极氧化作用，二是在单晶硅片的背面起电接触的作用。HF溶液由化学泵驱动使其在槽内不断循环流动，以驱除粘在单晶硅片表面，由阳极氧化反应产生的气泡，并且提供搅拌作用使溶液浓度均匀分布，避免在反应区域HF浓度因反应消耗而显著降低。

HF是强腐蚀剂，待阳极氧化的单晶硅片401表面要加以保护以免遭到损坏。保护层要有足够的耐HF腐蚀的能力。耐HF腐蚀的材料很多，常用的有LPCVD形成的低应力Si₃N₄，PECVD形成的无定形SiC和无定形硅(Si)，以及Au和Pt等。上面选用LPCVD形成的低应力Si₃N₄，其抗HF腐蚀的能力比符合化学配比的Si₃N₄强。

选用的HF溶液的配方为HF(49％)∶C₂H₅OH(96vol％)＝1∶1。溶液中添加C₂H₅OH(无水乙醇)是为了增强HF溶液的在微孔洞内的渗透能力，并且使附在单晶硅片401表面的氢气气泡能尽快的移去。阳极氧化时，阳极电流密度保持在大约50mA/cm²左右，溶液温度维持在室温左右。

参照图10，通过阳极氧化，先将中间多晶硅层中较大面积的重掺杂区407，底部多晶硅层中较小面积的重掺杂区405转变成多孔多晶硅424，然后将单晶硅片401中n型扩散层402所包围的圆锥形状p型区403转变成多孔单晶多孔硅425。形成的多孔单晶多孔硅层425的深度随着阳极氧化时间增加，一般可控制在60-80μm左右，以符合随后减薄单晶硅片401所能达到的常规厚度。

参照图11，将单晶硅片401粘结到玻璃片上(图中未画出)，使其正面朝下，背面朝上，粘合剂可用光刻胶，比如KPR系列的负性光刻胶，这种光刻胶的前烘温度大约120℃。然后用减薄机减薄，以露出形成的多孔单晶硅区425。再将另一刻有通孔的硬片427粘到单晶硅片401上，使硬片的通孔428与单晶硅片401的多孔单晶硅425的露头对准，粘合剂用低温固化树脂426。硬片材料为金属，塑胶，玻璃等，须有足够的机械强度，而且容易加工出精密的通孔。用作粘合剂的树脂固化温度须低于负光刻胶的前烘温度120℃。随后用负性光刻胶的显影液溶去除负光刻胶，移去单晶硅片401正面的玻璃片，以露出其正面形成的多晶硅图形。

参照图12，用稀释的5％KOH溶液腐蚀多孔多孔硅424和多孔单晶硅425，由此形成上部多晶硅膜430，与此膜相连的四条多晶硅梁431，下部多晶硅膜433，两多晶硅膜之间的空气间隙432。此时，上部多晶硅膜430由四个未掺杂多晶硅柱435支撑，每条多晶硅梁431由两个未掺杂多晶硅墙434支撑。须注意，未掺杂多晶硅墙434和未掺杂多晶硅柱435的底部为多晶硅层404的未掺杂区域，顶部覆盖有Si₃N₄薄膜。最后在下部多晶硅膜433的表面，用电子束蒸发技术形成λ/4厚的LTO层，用作抗反射膜429。

参照图13，在单晶硅片401的表面不需要再形成任何新的掩蔽膜，直接用RIE技术腐蚀去除未掺杂多晶硅墙434和未掺杂多晶硅柱435。腐蚀气体为Cl₂＋He＝180∶400sccm，RF功率为275W，反应气压为300mT，基座温度为40℃。在此条件下产生的腐蚀速率，对多晶硅是5700/min，对低应力Si₃N₄是530/min，对LTO是60/min，对Au/Cr基本上不腐蚀。由此可知，Au/Cr和LTO是很好的抗腐蚀材料。RIE腐蚀Si₃N₄/LTO的情况是，先高速率腐蚀Si₃N₄层，然后低速腐蚀LTO层，通过控制腐蚀时间，使腐蚀在适当的位置终止，以保存抗反射膜411有足够的厚度。RIE腐蚀Si₃N₄/多晶硅的情况是，高速腐蚀去除Si₃N₄层后，露出的是多晶硅而不是LTO，腐蚀剂对多晶硅仍有很高的腐蚀速率，因而能继续腐蚀，很快将中部多晶硅层406腐蚀掉并露出下部多晶硅层404。经RIE腐蚀后，多晶硅膜430和多晶硅梁431完全与下部的多晶硅层404分离，其间的多晶硅层406，不论是重掺杂区域还是未掺杂区域，都被腐蚀去除干净。须注意，多晶硅层406的重掺杂多晶硅部分是形成多孔多晶硅后由稀释的KOH溶液腐蚀掉，未掺杂多晶硅部分直接由RIE腐蚀掉。

众所周知，溶液腐蚀存在毛细管力的作用，会引起微结构粘连。溶液腐蚀的产物也会残留在微结构形成处，成为引起微结构粘连的另一个因素。RIE腐蚀的腐蚀剂和反应产物都是气体，反应室处在低气压状态，反应产物不易在微结构形成处停留。因此上述溶液腐蚀存在的问题在干法腐蚀中都不会出现。

参照图14，将光电二极管439装置在单晶硅片401的上方，使光电二极管的焊接凸块441与单晶硅片401上的焊接凸块421一一对接，确保光电二极管439的光灵敏区440与抗反射膜412对准。然后将光纤437通过玻璃片427的通孔洞插入单晶硅片401的圆锥形状的光纤插入孔洞。单模光纤的直径为125μm，正好介于光纤插入孔洞上下部横向直径之间，因而光纤的插入端会停止在插入孔洞斜坡状的内壁上，保持与下部多晶硅膜433的下表面有一确定的距离。只要光纤437是垂直插入的，其纤芯就会自动对准插入孔洞的中心轴线，也即对准由上部多晶硅膜430，上部多晶硅梁431，下部多晶硅膜433，和中间空气间隙432构成的法布里-珀罗腔的中心轴线，以及腔体上方的光电二极管439的光灵敏区440。

上面介绍的是本发明提出的微机构加工的光机械调制器以及以其为发送器的波分复用发送和接收膜块的最佳实施方案。本技术领域的熟练技术人员根据上述介绍，很容易对本发明给出的制造方法和制造流程的某些方面进行修改，增添和删减，但本质上却不会离开本发明的所限定的基本范围和基本精神。

Claims (12)

1.一种制造法布里-珀罗腔光机械调制器的方法，其特征是包括如下制造步骤：

(A)在轻掺杂的p型单晶硅衬底内形成由n型扩散层围绕的圆锥形状的p型区；

(B)在单晶硅衬底上形成局部掺杂的多晶硅三叠层结构，使其中层包含有一块面积较大的重掺杂区，其中散布若干面积较小的未掺杂区，下层含有若干面积较小的重掺杂区，中层重掺杂区与下层重掺杂区有部分面积重叠，下层重掺杂区与圆锥形状的p型区有部分面积重叠，从上层未掺杂多晶硅层分割出尚未从底部释放的多晶硅膜和多晶硅梁；

(C)在氢氟酸溶液中进行阳极氧化，将重掺杂的多晶硅转变成多孔多晶硅而保持未掺杂多晶硅，包括散布于重掺杂区中小面积未掺杂区内的未掺杂多晶硅不变；

(D)在氢氟酸溶液中进行阳极氧化将圆锥形状的p型单晶硅转变成多孔单晶硅；

(E)从单晶硅衬底的背面减薄以露出形成的多孔单晶硅；

(F)将有通孔的玻璃片与单晶硅衬底粘结使其通孔与露出的多孔单晶硅图形对准；

(G)在稀释的碱溶液中腐蚀多孔多晶硅和多孔单晶硅，部分释放多晶硅膜和多晶硅梁，并形成圆锥形状的光纤插入孔洞；

(H)用干法腐蚀去除原来散布于中层多晶硅重掺杂区中的小面积未掺杂多晶硅，以全部释放多晶硅膜和多晶硅梁。

2.一种制造法布里-珀罗腔光机械调制器的方法，其权利要求1所述的特征制造步骤还包括形成耐氢氟酸腐蚀的阳极氧化保护层。

3.一种制造以法布里-珀罗腔光机械调制器的方法，其权利要求1所述的特征制造步骤还包括形成耐氢氟酸腐蚀的金属布线。

4.一种制造以法布里-珀罗腔光机械调制器的方法，其权利要求2所述的阳极氧化保护层分成两部分，保护多晶硅膜和多晶硅梁的部分由沉积Si₃N₄和SiO₂复合层形成，保护随后由干法腐蚀去除的未掺杂多晶硅部分由沉积Si₃N₄单层形成。

5.一种制造以法布里-珀罗腔光机械调制器的方法，其权利要求3所述的耐氢氟酸腐蚀的金属布线由以铬为粘附层，以金为导电层的复合层形成。

6.一种制造以法布里-珀罗腔光机械调制器的方法，其权利要求1所述的干法腐蚀所用的腐蚀剂对Si₃N₄和多晶硅的腐蚀易于对SiO₂的腐蚀，而对金和铬几乎不腐蚀。

7.一种制造以光机械调制器为发射器的波分复用发射和接收模块的制造方法，其特征是包括如下制造步骤：

(A)在轻掺杂的p型单晶硅衬底中形成由n型扩散层围绕的圆锥形状的p型区；

(B)在单晶硅衬底上形成局部掺杂的多晶硅三叠层结构，使其中层包含有一块面积较大的重掺杂区，其间散布若干面积较小的未掺杂区，下层含有若干面积较小的重掺杂区，中层重掺杂区与下层重掺杂区有部分面积重叠，下层重掺杂区与圆锥形状的p型区有部分面积重叠，从上层未掺杂多晶硅层分割出尚未从底部释放的多晶硅膜和多晶硅梁；

(C)在氢氟酸溶液中进行阳极氧化将重掺杂的多晶硅转变成多孔多晶硅而保持未掺杂多晶硅，包括散布于重掺杂区中小面积未掺杂多晶硅不变；

(D)在氢氟酸溶液中进行阳极氧化将圆锥形状的p型单晶硅转变成多孔单晶硅；

(E)从单晶硅衬底的背面减薄以露出形成的多孔单晶硅；

(F)将有通孔的金属类硬片与单晶硅衬底粘结使通孔与露出的多孔单晶硅图形对准；

(G)在稀释的碱溶液中腐蚀多孔多晶硅和多孔单晶硅，部分释放多晶硅膜和多晶硅梁，并形成圆锥形状的光纤插入孔洞；

(H)用干法腐蚀去除原来散布于重掺杂区中的小面积未掺杂多晶硅，以全部释放多晶硅膜和多晶硅梁；

(I)将光电二极管安装在单晶硅衬底上使其光敏感区对准多晶硅膜的中心轴线；

(J)将光纤插入圆锥形状的光纤插入孔洞。

8.一种制造以光机械调制器为发送器的波分复用发射和接收模块的方法，其权利要求7所述的特征制造步骤还包括形成耐氢氟酸腐蚀的阳极氧化保护层。

9.一种制造以光机械调制器为发送器的波分复用发射和接收模块的方法，其权利要求7所述的特征制造步骤还包括形成耐氢氟酸腐蚀的金属布线。

10.一种制造以光机械调制器为发送器的波分复用发射和接收模块的方法的方法，其权利要求8所述的阳极氧化保护层分成两部分，保护多晶硅膜和多晶硅梁的部分由沉积Si₃N₄和SiO₂复合层形成，保护随后由干法腐蚀去除的未掺杂多晶硅部分由沉积Si₃N₄单层形成。

11.一种制造以光机械调制器为发送器的波分复用发射和接收模块的方法，其权利要求9所述的耐氢氟酸腐蚀的金属布线由以铬为粘附层，以金为导电层的复合层形成。

12.一种制造以光机械调制器为发送器的波分复用发射和接收模块的方法其权利，其权利要求7所述的干法腐蚀所用的腐蚀剂对Si₃N₄和多晶硅的腐蚀易于对SiO₂的腐蚀，而对金和铬几乎不腐蚀。

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