CN1472556A - 一种利用金属材料制作的微机械光开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用金属材料制作的微机械光开关，属于光电子器件领域，该结构由基板、微镜、通孔、V形槽、双侧悬臂梁、临时支撑梁、下电极、止动结构和防击穿层等构成，其中微镜的设计为水平结构，以金属为材料，通过在静电驱动下，其双侧的悬臂梁发生扭转，使微镜旋转为垂直状态插入光路，起到改变光路从而实现开关的作用。本结构可以作为光开关单元，有效地制作1×1、1×2、2×2...N×N等多种类型MEMS光开关及阵列。本发明具有结构简单，成品率高，工艺简单，可批量生产等优点，在全光通信网络中的光交叉连接(OXC)、光分插复用(OADM)中可发挥重要作用，同时在全光网络测试设备中也有重要的应用。

Description

一种利用金属材料制作的微机械光开关

技术领域

本发明涉及一种利用金属材料制作的微机械光开关，属于光电子器件领域。

技术背景

随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。IP业务在全球范围突飞猛进的发展，给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网的发展提供了新的机遇。从当前信息技术发展的潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业务网络已成为现代信息技术发展的必然趋势。近几年来，密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexer)技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径，使点到点的光纤大容量传输技术取得了突出进展。由于电子器件本身的物理极限，传统的电子设备在交换容量上难以再有质的提高，此时交换过程带来的“电子瓶颈”问题(即在交换过程中要经过光/电、电/光变换)成为限制通信网络吞吐能力的主要因素，为此提出了“全光网(AON：All Optical Network)”的概念，即数据从源节点到目的节点的传输过程中始终在光域内，避免在所经过的各个节点上的光/电、电/光转换，也就克服了“电子瓶颈”问题。因此，全光通信网是建立在密集波分复用(DWDM)技术基础上的高速宽带通信网，其核心技术主要有：全光交换技术、全光波长变换技术、光分插复用器(OADM：Optical Add/Drop Multiplexer)、光交叉连接器(OXC：Optical Cross Connector)、全光放大技术(OA：Optical Amolifer)、DWDM、AON的控制和管理技术等，干线扩容采用DWDM技术，在交叉节点上采用OADM、OXC来实现，并通过光纤接入技术实现光纤到家(FTTH：Fiber To The Home)。在全光网络的核心技术中OXC和OADM是其中最为关键的部分，OXC和OADM的研制，成为建设大容量通信干线网络十分迫切的任务。而OXC和OADM的核心是光开关和光开关阵列，因此光开关成为一种迫切需要的基本器件，光网络市场的扩大将导致光开关技术的发展和市场的高速崛起，这使光开关的研究意义重大而迫切。

由于传统的机械光开关具有价格昂贵，体积庞大，端口数量少，功耗大，且扩展性不好等缺点，因此主要用于保护系统、网络监控中，无法用于实现动态OADM，OXC等光交换量大面广的领域。目前国外一些大研究机构已广泛地开展了新型光开关的研发，MEMS(微机械)光开关、光波导开关、铁电液晶光开关、基于气泡技术的光开关、基于热毛细管效应的光开关、电子全息光开关等方案层出不穷，其中，MEMS光开关具有插入损耗低，串扰小、消光比大、体积小、价格低廉等优点成为国际研究热点，基于MEMS的光开关将在未来的全光通信网络中发挥关键的作用。

然而，目前的MEMS光开关的主流技术是体硅工艺和表面微机械硅工艺技术，为保障光开关的性能需要进行复杂的工艺处理过程，造成MEMS光开关工艺流程复杂，与IC工艺兼容性差和成品率不高等问题，同时也造成单位光开关成本的提高。

同时，目前的MEMS光开关微镜通常是采用多晶硅材料(表面微机械加工技术制备)或者是单晶硅(体硅工艺技术制备)，前者因工艺过程中不可避免并且很难控制的应力问题造成镜面变形，需要通过复杂的工艺去除多晶硅层应力，避免变形，实现起来难度非常高，且工艺复杂度和成本都会大幅上升，且成品率不高；后者是体硅加工的垂直微镜，其表面光洁度得不到保证，且镜面形状不易控制，微镜尺寸也受到严重局限，且用单晶硅直接作为镜面进行反射，其反射系数低，造成此类光开关的插入损耗很大，因此硅材料的微镜在工艺过程和实用研究中都有相当的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用硅片和金属材料制作的微机械光开关，其中水平设计的微镜为MEMS光开关单元的核心部分，同时设计也包含了一个光开关所必须的耦合和驱动结构，该光开关具有工艺流程简单、成品率高、工艺与IC工艺兼容等优点，且该微机械光开关单元可以构成1×1、1×2、2×2…N×N等多种类型MEMS光开关及阵列。

本发明的技术方案如下：

一种利用金属制作的微机械光开关，它以硅片形成基板，基板上形成有微镜、V形槽、悬梁臂和电极。其中；

微镜是本光开关的核心部分，设计为可扭转的水平结构，同时也作为上电极，未加电时呈水平状态，不插入光路，在静电的驱动下，其双侧的悬臂梁发生扭转，使微镜旋转为垂直状态插入光路，起到改变光路，实现光开关的作用。微镜采用多种金属合金材料制作，工作表面溅射或电镀金层，金层厚度应大于光开关工作波长的穿透厚度，保证关开关在工作波段达到高反射率，降低插入损耗。采用金属结构，可以很好地消除工艺过程中产生的应力导致镜面变形(弯曲)，避免镜面变形造成插入损耗增大，性能不稳定等问题，保证反射面为平整度光洁度很好的镜面。微镜通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成，微镜形状为长方形，方向沿(100)方向。

微镜的正下方是供微镜旋转的通孔，孔深稍大于微镜长度，保证微镜具有足够的旋转空间。通孔由干法深槽刻蚀技术形成，或通过各向异性湿法刻蚀与V形槽同时形成。

悬梁臂支撑在微镜两侧，为矩形悬臂梁，材料为金属，与微镜为同一金属掩膜版形成，作用是在静电驱动扭转使微镜旋转为垂直状态，插入光路，起到改变光路的光开关作用。

下电极在通孔下部，由硅片上溅射金属形成，与微镜形成的上电极共同构成静电驱动的类平行平板结构。在未加电时，不影响金属微镜的水平状态，加电后形成静电驱动结构，使微镜旋转至垂直位置，实现光路切换。

在上下电极之间有微镜止动结构，是微镜旋转到垂直方向的定位结构，保证微镜垂直地插入光路中，保障低的插入损耗。微镜止动结构可以采用刻蚀技术在硅片上形成。

另外，V形槽由各向异性湿法刻蚀技术形成，V形槽的掩膜使用金属掩膜，并且与微镜的掩膜为同一块掩膜，保证V形槽对准的精度。V形槽用于光纤的定位和对准。

进一步，为了保证在可能的较高电压下金属微镜和下电极构成的类平行极板结构不会发生电击穿的问题，在结构中增加一层绝缘层作为防击穿层，该层可以在下极板上淀积二氧化硅形成。

为了保障金属微镜在释放后的安全，保证光开关的成品率，在金属微镜制作工艺中增加一对临时支撑梁，起到临时支持的作用，在划片之后，该临时支撑梁可以用激光除去，从而完全释放微镜。临时支撑梁与金属微镜在同一掩膜版上用相同工艺形成。

以上述微机械光开关为单元，可以构成1×1、1×2、2×2…N×N等多种类型微机械光开关及阵列。

由上述结构可见，本发明提供的金属微机械光开关具有的优点为：

1、水平金属微镜，单元结构简单，可扩展性好。

2、采用静电驱动，控制简单。

3、工艺简单，成品率高，适合大批量生产。

附图说明

图1是本微机械光开关的结构俯视图；

图2是本微机械光开关的结构侧视图；

图3是本微机械光开关的工作示意图；

图4是以上述光开关为单元的级联示意图。

具体实施方式：

参见图1和图2，该光开关构成如下：由硅片形成的基板1、微镜2、通孔3、V形槽4、双侧悬臂梁5、临时支撑梁6、下电极7、微镜止动结构8和防击穿层9几个部分构成。微镜2为可扭转的水平结构，采用多种金属合金材料，同时也作为上电极。微镜2的正下方是通孔3，孔深稍大于微镜长度。双侧悬梁臂5支撑在微镜2两侧，为矩形悬臂梁，与微镜为同一金属掩膜版形成。下电极7在通孔3下部，由硅片上溅射金属形成，与微镜2形成的上电极共同构成静电驱动的类平行平板结构。在上下电极之间有微镜止动结构8，下电极板上还淀积一层二氧化硅作为防击穿层9。微镜在制作中在两侧还用采用同一金属膜板上形成的临时支撑梁6，V形槽4和微镜2同一块掩膜板形成，用于光纤耦合。

参见图3，其工作光原理如下：

金属微镜2为水平的微镜结构，当在金属微镜和下电极之间未施加驱动电压时，金属微镜为水平状态，镜面不在光路中，此时的光路为A-A’，光路是ON直通状态。

当在金属微镜和下电极之间施加驱动电压时，产生静电吸引力，造成悬臂梁的扭转，带动微镜向内旋转，镜面插入光路，并由止动结构定位，使微镜呈垂直状态，此时的光路状态为A-A”，光路是OFF切换状态。

参见图4，以本光开关为单元形式，能构成1×1、1×2、2×2…N×N等多种类型MEMS光开关及阵列，具有很好的可扩展性。其中，光路为B-B’和C-C’时，光路是ON直通状态，光路为B-B”和C-C”时，光路是OFF切换状态，。

本微机械光开关制作的工艺步骤简述如下：

制作的工艺流程：

1、光开关上电极部分的制作流程：RCA清洗→氧化(厚度～1微米)→LPCVD双面淀积氮化硅(厚度为100-250纳米)→双面光刻→干法刻蚀氮化硅(两面都刻蚀)→正面涂胶保护→湿法刻蚀背面的二氧化硅→KOH溶液湿法刻蚀硅(深度100～200微米)→RCA清洗→溅射金属(Ti、W、Ni、Cr、Au)，其中附着层膜厚度200～600埃→光刻→刻蚀金属形成金属微镜，同时形成V型槽→电镀Au→湿法刻蚀硅，把硅片刻蚀穿，释放金属微镜，获得光开关的上电极部分。

2、光开关微镜单元的下电极部分的制作流程：RCA清洗→氧化(厚度～1微米)→光刻形成台阶→氧化→正面溅射金属(硅铝)→光刻→湿法刻蚀硅铝→清洗→PECVD淀积二氧化硅→光刻引线孔→干法刻蚀二氧化硅→去胶→形成光开关的下电极部分。

具体各部分的操作方法如下：

1)RCA清洗方法

目的：去除各道工艺过后硅片表面的各种有机及无机污染物。

设备：拉达-1化学清洗系统、Semitool ST-260D型甩干机、层流罩。

工具：A182-39M聚四氟乙烯花篮、A72-40聚四氟乙烯手柄、吸笔。

清洗液：1#液、2#液和去离子水。

        1#液配方：NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶5∶14。

        2#液配方：HCl∶H2O2∶H2O＝1∶2∶7。

清洗方法：

用A182-39M聚四氟乙烯花篮装上待清洗的硅片放入温度为70度的1#液中处理10分钟，处理完后放入清洗槽中用去离子水冲洗10分钟。用A72-40聚四氟乙烯手柄将装有硅片的A182-39M聚四氟乙烯花篮放日温度为100□的2#液中处理10分钟，处理完后放入清洗槽中用去离子水冲洗15分钟。然后用A72-40聚四氟乙烯手柄将装有硅片的A182-39M聚四氟乙烯花篮从慢冲槽中取出，放入甩干机中，按下甩干机「START」键，开始淋洗/甩干，当甩干机停止转动，花篮回到放入时位置后，取出花篮放入传递盒。

2)氧化工艺的操作如下：

目的：在硅片表面生长一层优质的二氧化硅层。

设备：THERMCO扩散炉、氢气纯化器。

工具：石英管、石英舟、石英登、手套、口罩、镊子、吸笔、强光灯。

材料：管道N2，管道压空，管道O2，管道H2。

工艺过程：

按下扩散炉的启动按钮，运行工艺程序，载装硅片石英舟的悬臂自动从炉管匀速拉出。待悬臂停止，石英舟冷却10分钟后，用舟夹把要装片的石英舟从悬臂上夹下来放在石英凳上，用装入硅片，硅片主参考面朝下且正面背对气流。装片结束后，用舟夹把石英舟放回悬臂上。按下「START」键，进行具体工艺过程。待工艺过程结束后，悬臂自动从炉管匀速拉出。待悬臂停止，石英舟上正式片冷却10分钟后，戴手套和口罩，用舟夹把装片的石英舟从悬臂上夹下来放在石英凳上，取下正式片作检查看是否满足工艺要求。按下「START」键，悬臂自动匀速进入炉管后，工艺程序结束。

3)LPCVD淀积氮化硅工艺操作

目的：用低压化学气相淀积的方法淀积氮化硅薄膜。

设备：THERMCO低压化学淀积系统；SEMI GAS气瓶柜；Nanometrics膜厚测试仪。

工具：石英管，石英舟：镊子；口罩，尼龙手套。

材料：二氯二氢硅SICL2H2 99％；氨气NH3  电子纯；管道N2，管道压空，管道O2。

工艺过程：

让系统处于“STANDBY”状态，按“START”键，运行程序，悬臂将自动运行至装片位置；待悬臂冷却10分钟后，带上口罩和手套，用镊子装上待淀积氮化硅的硅片，再按“START”键，程序将自动运行。在程序将自动运行过程中认真观察系统(操作TMX9001键盘)情况，让系统处于正常运行状态。

工艺程序设置：工艺时间：47min，程序名：NITRSI2

序号	步骤	时间	温度设置	温度控制	气体流量	真空阀
							01	进舟				LON2 ON	OFF
02	升温		舟：740□中：750□源：750□	SPIKE	LON2 ON	OFF
							03	抽真空	00：09：30	舟：740□中：750□	SPIKE		ON

			源：750□
							04	检漏	00：01：00	舟：740□中：750□源：750□	SPIKE		OFF
05	淀积	00：31：00	舟：740□中：750□源：750□	PROFILE	SIH2CL2：70SCCMNH3：210SCCMCLP：400SCCM	ON
							06	吹氮气	00：05：30	舟：740□中：750□源：750□	SPIKE	LON2 ONHIN2 ON	OFF
07	出舟				LON2 ON	OFF

待工艺过程结束后，悬臂自动从炉管匀速拉出。待悬臂停止，石英舟上正式片冷却10分钟后，戴手套和口罩，用舟夹把装片的石英舟从悬臂上夹下来放在石英凳上，取下正式片，LPCVD淀积氮化硅操作结束。

4)光刻工艺操作

目的：在硅片表面留下清晰、完整、满足尺寸要求的窗口图形

设备：System 150硅片处理系统；Karlsuss光刻机；显影机；显微镜；烘箱；真空泵。

工具：PA182-39M花篮；镊子；手套。口罩；手套；防护眼镜。

材料：氮气；压空；真空；排风；负性光刻胶；负胶显影；预涂液；显影液；腐蚀液；去胶液；去离子水。

工艺过程：

将硅片进行预涂，除去硅片表面残余水份。将硅片放入System 150硅片处理系统涂胶，在硅片表面涂敷一层均匀的厚度的负性光刻胶。然后将硅片放入120□的烘箱进行前烘15分钟。待烘烤结束，将硅片放入Karlsuss光刻机进行光刻曝光。曝完光后，将硅片放入System 150硅片处理系统进行显影，然后将硅片放入160□的烘箱进行坚膜30分钟。这样在硅片表面留下清晰、完整、满足尺寸要求的窗口或胶膜。待坚膜完成，将硅片进行腐蚀，腐蚀完后，将硅片用去离子水冲洗干净，并用甩干机脱水，然后在显微镜下检查是否腐蚀干净，最后去掉硅片上的光刻胶，这样腐蚀工艺结束。

5)溅射工艺

目的：在硅片上淀积均匀的、无缺陷的金属化层。

设备：XM-90溅射系统；PTL-05冷水机；压缩机；机械泵；适配器。

工艺过程：

首先打开工艺室离子规，观察真空计读数，看是否达到真空要求(10^-7乇)，在达到规定要求后，才能进行后面的操作。输入User ID“1”，进入Service Mode服务模式。选择页面“4”，入口、出口片盒归位。选择页面“2”，执行手动指令。将工艺室传送臂左右走动几次最后停在Park位置。上下活动工艺室工作台，最后停留在上的位置。在前面工作进行完毕后，把装有需要溅射的硅片放到XM-90溅射系统的传送装置上，放下盖子，按下XM-90溅射系统的启动按钮，XM-90溅射系统自动溅射一层均匀的金属薄膜。

Claims (8)

1、一种利用金属制作的微机械光开关，以硅片形成基板，基板上形成有微镜、V形槽、悬梁臂和电极，其特征在于：微镜为可扭转的水平结构，采用金属合金材料，同时也作为上电极；微镜的正下方是供微镜旋转的通孔，孔深稍大于微镜长度；悬梁臂支撑在微镜两侧，为矩形悬臂梁，与微镜为同一金属掩膜版形成，可由静电驱动使微镜旋转为垂直状态；下电极在通孔下部，由硅片上溅射金属形成，与微镜形成的上电极共同构成静电驱动的类平行平板结构；在上下电极之间有微镜止动结构。

2、根据权利要求1所述的微机械光开关，其特征在于微镜工作表面溅射或电镀金层，金层厚度应大于光开关工作波长的穿透厚度，通过干法刻蚀或湿法刻蚀形成。

3、根据权利要求1或2所述的微机械光开关，其特征在于微镜形状为长方形，方向沿(100)方向。

4、根据权利要求1或2所述的微机械光开关，其特征在于在下电极板上还淀积一层二氧化硅作为防击穿层。

5、根据权利要求1或2所述的微机械光开关，其特征在于通孔由干法深槽刻蚀技术形成，或通过各向异性湿法刻蚀与V形槽同时形成。

6、根据权利要求1或2所述的微机械光开关，其特征在于V形槽掩膜为金属掩膜，为光纤对准定位机构。

7、根据权利要求1或2所述的微机械光开关，其特征在于在微镜在制作中采用同一金属膜板上形成的临时支撑梁做支撑，划片以后除去，释放微镜。

8、根据权利要求1或2所述的微机械光开关，其特征在于以上述微机械光开关为单元，可以构成1×1、1×2、2×2…N×N等多种类型微机械光开关及阵列。

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