CN1979256A

CN1979256A - 宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法

Info

Publication number: CN1979256A
Application number: CN 200510126325
Authority: CN
Inventors: 左玉华; 毛容伟; 王良臣; 成步文; 余金中; 王启明
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2007-06-13

Abstract

一种宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，包括如下步骤：在基片上制作第一电极，并且在电极层中制作电极引线引出孔；在第一电极上制作第一反射镜，是滤波器必备的反射镜之一；在第一反射镜上制作牺牲层，在牺牲层上制作第二反射镜，该反射镜和上述第一反射镜以及牺牲层释放后形成的空气腔形成滤波选模结构；在第二反射镜上制作第二电极及控制应力的薄膜层；腐蚀释放牺牲层，释放后形成的空气腔，当在上述第一电极和第二电极之间施加电压时由于静电吸引作用导致空气腔的厚度发生变化，滤波器的透射模式也随之变化，从而具备波长可调的选模作用。

Description

宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种宽频域可调谐光滤波器的制作方法，特别地涉及一种利用表面微机械工艺制作的宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法。

背景技术

随着互联网接入、高质量的图象传输、多媒体技术等对高速、大容量通讯网络的迫切需求，DWDM已经成为目前点对点网络中重要的技术，而更窄的频率间隔和更多的复用频道则一直是人们不懈的追求。

实现密集波分复用(DWDM)的核心器件是复用器与解复用器(mux/demux)，而50GHz的密集波分复用更要靠一种全新的器件Interleaver。可调谐滤波器的主要应用第一就是构成各种解复用器，把复用在一起的光区分开来；而将这种可调谐滤波器技术运用到激光器或探测器上，即可实现DWDM中重要的可调谐光源和接收器。新一代全光网络的关键器件光上下话路器也可以由滤波器构成。正是这些应用使可调谐滤波器在全光网络和DWDM系统中已成为不可或缺的关键器件。

可调谐光学滤波器除了要求窄通带(如＜1nm)外，宽频域可调谐以及小型化可兼容集成对实用化系统的应用也很重要。已经发展的多层介质膜滤光片，声光滤波器，布拉格(Bragg)光栅光纤滤波器等很难同时满足上述要求。

半导体光滤波器，尤其是硅基材料研制的光滤波器，有可能满足实用化光网络系统应用的需求，因而是人们关注的一个重要发展方向。

在现有的三类具有宽频域可调谐范围的技术(即液晶F-P腔技术、AOTF技术以及微机械技术)中，液晶F-P腔技术在调谐过程中存在偏振相关性，AOTF技术存在强的旁瓣以及带宽过大的问题，而微机械技术则不存在上述问题，具有更好的综合优势。

目前研究的微机械滤波器可分为两类，GaAs基和硅基。由于硅基微机械调谐的滤波器的调谐范围可大于100nm，同时与成熟的硅微电子加工技术兼容，具有低功耗、高对比度等优点，并可能实现OEIC单片集成，因而更适合于低成本的大规模生产。

硅基微机械可调谐光滤波器制作过程的关键问题是低温表面微机械加工工艺，合适的牺牲层材料以及对于残余应力的控制尤为重要。如1996年A.T.T.D.Tran.等发表在IEEEPhotonics Technology Letters，Vo1.8，No.3：393-395(1996)中提到采用聚酰亚胺作为牺牲层以及梁的支柱，制作了1.55μm可调谐滤波器。但聚酰亚胺作为聚合物，其工作稳定性不高，受温度和湿度影响极大；并且其厚度不易控制，这对于光学器件的制作极为不利。

本发明揭示了一种新型的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，采用了特殊的金属层作为牺牲层材料，并且无需残留牺牲层作为梁的支柱，有效地解决了牺牲层厚度的控制以及工作稳定性问题；采用特殊工艺(如电镀Au层)有效地控制了残余应力；同时采用了一套与之对应的低温表面微机械工艺，与硅微电子加工技术兼容。

发明内容

本发明的目的在于揭示一种宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法。在常规的硅基微机械可调谐探测器结构中，采用聚酰亚胺等作为牺牲层，同时残留部分牺牲层作为梁的支柱。但聚酰亚胺作为聚合物，存在温度稳定性及老化性问题，受温度和湿度影响极大；并且其厚度不易控制，这对于光学器件的制作极为不利。本发明揭示的制作方法中，采用了特殊的金属层作为牺牲层材料，并且无需残留牺牲层作为梁的支柱，有效地解决了牺牲层厚度的控制以及工作稳定性问题；采用特殊工艺(如电镀Au层)有效地控制了残余应力。

特别地，本发明的一个目的在于揭示了一种低成本宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，采用了与硅微电子加工技术兼容的低温表面微机械工艺。本发明提供的工艺难度相对较低，适合工业生产。

本发明一种宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，采用了低温表面微机械工艺，整个工艺温度不超过300℃；其特征在于，其制作方法包括如下步骤：

a)在基片上制作第一电极，此电极是产生静电吸引作用的其中一个电极板，并且在电极层中制作电极引线引出孔；

b)在第一电极上制作第一反射镜，是滤波器必备的反射镜之一；

c)在第一反射镜上制作牺牲层，该牺牲层的厚度决定着滤波器的工作模式，当释放后形成的空气腔构成滤波器的谐振腔体；

d)在牺牲层上制作第二反射镜，该反射镜和上述第一反射镜以及牺牲层释放后形成的空气腔形成滤波选模结构；

e)在第二反射镜上制作第二电极及控制应力的薄膜层；

f)腐蚀释放牺牲层，释放后形成的空气腔，当在上述第一电极和第二电极之间施加电压时由于静电吸引作用导致空气腔的厚度发生变化，滤波器的透射模式也随之变化，从而具备波长可调的选模作用。

其中第一电极是高掺杂的n区，高掺杂的p区。

其中第一和第二反射镜所用的材料是SiO₂/Si，A1₂O₃/Si，SiNxOy/Si，Ta₂O₅/SiO₂。

其中牺牲层由特殊的金属层Al构成，获得最终器件结构需要完全去除牺牲层后形成空气腔，无需残留牺牲层作为梁的支柱。

其中该薄膜层是电镀2-3微米的Au层。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1A是常规微机械光滤波器的截面图；

图1B是典型的悬臂梁结构的照片(俯视图)；

图2是典型共振腔光滤波器的响应曲线；

图3A-I是本发明宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的工艺流程示意图；

图4a外加电场下可调谐光滤波器的光透射曲线；

图4b可调谐光滤波器的悬臂梁结构。

具体实施方式

请参阅图3A-I，本发明一种宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，采用了低温表面微机械工艺，整个工艺温度不超过300℃；其制作方法包括如下步骤：

a)在基片100上制作第一电极101，此电极是产生静电吸引作用的其中一个电极板，并且在电极层中制作电极引线引出孔102，该第一电极101是高掺杂的n区，高掺杂的p区；

b)在第一电极101上制作第一反射镜110，是滤波器必备的反射镜之一；

c)在第一反射镜110上制作牺牲层121，该牺牲层的厚度决定着滤波器的工作模式，当释放后形成的空气腔构成滤波器的谐振腔体，该牺牲层121由特殊的金属层Al构成，获得最终器件结构需要完全去除牺牲层121后形成空气腔，无需残留牺牲层121作为梁的支柱；

d)在牺牲层121上制作第二反射镜130，该反射镜和上述第一反射镜以及牺牲层释放后形成的空气腔形成滤波选模结构；

e)在第二反射镜130上制作第二电极140及控制应力的薄膜层150，该薄膜层150是电镀2-3微米的Au层；

f)腐蚀释放牺牲层121，释放后形成的空气腔122，当在上述第一电极101和第二电极140之间施加电压时由于静电吸引作用导致空气腔的厚度发生变化，滤波器的透射模式也随之变化，从而具备波长可调的选模作用。

其中第一和第二反射镜110、130所用的材料是SiO₂/Si，Al₂O₃/Si，SiNxOy/Si，Ta₂O₅/SiO₂。

为达到提供本发明背景信息的目的，在图1中首先介绍了常规微机械可调谐光滤波器的器件结构和工作特点。如图1所示，一个基本的微机械可调谐光滤波器的基本结构包括：下反射镜，理论上下反射镜的反射率越高越好，一般高达99％以上；位于下反射镜之上的牺牲层，其部分释放后形成空气腔，残留部分作为梁的支柱；位置可控的上反射镜，和下反射镜构成一对共振反射系统，上反射镜的反射率也是越高越好(99％以上)，一般设计成对称结构，即上下反射镜的反射率一样；以及微腔的调节控制部分。当光线进入共振腔时，由于共振腔的干涉作用，满足特定相位条件的光穿过滤波器，而其他光被抑制，从而具有波长选择作用，典型的共振腔的响应曲线如图2所示。共振波长的位置和腔长相关，利用两电极之间的静电吸引作用调节腔长，从而达到调谐波长的目的。

参照图3A-I。图3I揭示了本发明的一种宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的示意图，图3A-3I揭示了该器件的工艺流程。本发明所揭示的制作工艺能够有效地解决了牺牲层厚度的控制以及工作稳定性问题；采用特殊工艺(如电镀Au层)有效地控制了残余应力；整个工艺为采用了与硅微电子加工技术兼容的低温表面微机械加工工艺，能够有效地降低生产成本。

以下进一步详细描述工艺流程：

图3I所揭示的硅基微机械可调谐光滤波器，其结构包括：

一半导体基片100；

一个高反射率的下反射镜110；

下电极101；

空气腔122；

上反射镜130；

上电极140；以及

控制残余应力的薄膜层150。

在一个最佳实施例中，其工艺流程如图3A-3I所示，其制作的步骤描述如下：

1)双面抛光的硅片100，本实施例中采用低掺杂的n-(100)硅片，如图3A所示。采用低掺杂硅片是为了减小衬底对于光通信波段的吸收损耗；此外，由于此滤波器件为透射型器件，故采用双面抛光的衬底。

2)制作下电极101，本实施例中注入B，经快速热退火后，形成下电极区，如图3B所示。注入B后，形成p型掺杂；也可以注入P，形成n型掺杂。制作高掺层的目的是相对于金属电极其厚度很薄，吸收损耗也较小，光可以直接透过掺杂层；快速热退火是为了激活注入的离子，同时减小注入损伤层(非晶层)。

3)制作下电极引出孔102。本实施例中，采用磁控溅射方法，带胶剥离合金Cr/Au制作电极标记，如图3C所示。制作下电极引出孔是为了以后电极引出的方便，为了压焊的方便，在电极孔的高掺层表面需要有金属Cr/Au层。

4)生长下反射镜110。在本实施例中，下反射镜采用SiO₂/Si材料，采用电子束蒸发的方法生长，如图3D所示。若实现光滤波器的窄带功能，下反射镜的反射率必须很高，大于99.9％。此时应采用4.5对以上的SiO₂/Si材料。

5)生长牺牲层材料121。在本实施例中，采用溅射的方法生长金属层Al，然后光刻牺牲层，形成结构121，如图3E所示。牺牲层的厚度决定了空气腔的长度，而牺牲层的表面质量则决定了以后生长的上反射镜的镜面质量，影响了器件的散射损耗和上反射镜反射率的大小。因此要仔细控制牺牲层的厚度和表面粗糙度，优化生长条件。若是制作1.5微米的滤波器，牺牲层的厚度应为0.75微米的整数倍。

6)生长上反射镜130，在本实施例中，上反射镜采用SiO₂/Si材料，使用电子束蒸发的方法生长，如图3F所示。若实现光滤波器的窄带功能，上反射镜的反射率也必须很高，要求大于99.9％。此时应采用4.5对以上的SiO₂/Si材料。

7)生长上电极140。在本实施例中，采用磁控溅射方法，带胶剥离合金Cr/Au制作上电极。

8)生长控制残余应力的薄膜层150，本实施例中，采用局部电镀的方法，获得2-3微米的Au层，如图3G所示。厚的金属层的获得常采用电镀的方法。由于电镀Au层构成了悬臂梁的一部分，梁的厚度越大，调谐电压越高；为了减小调谐电压，Au层的厚度不宜过大，控制在2-3微米最优。

9)光刻下电极引线孔。刻出下电极的引线，而保护上DBR的窗口，如图3H所示。利用干法腐蚀的方法，腐蚀上反射镜(Si及SiO₂)。

10)光刻上电极。刻出梁的形状，同时保护下电极引线孔，如图3H所示。利用湿法腐蚀，腐蚀Au及Cr，以刻出梁的形状。

11)光刻上DBR。保护上DBR窗口，同时刻出上DBR梁，如图3H所示。利用干法腐蚀的方法，腐蚀上反射镜(Si及SiO₂)，刻出上反射镜梁的形状。

12)在硅片100的背面生长一层减反膜160，在本实施例中，采用PECVD方法生长光学厚度为1/4波长的硅NO薄膜，如图3I所示。

13)腐蚀牺牲层121，结构释放，形成空气腔122，以后进行后处理。牺牲层采用特殊的金属A1，腐蚀液采用H3PO₄∶H₂O＝5∶1(70℃)，如图3I所示。此步骤非常关键，必须利用金属的横向腐蚀特性，完全去除牺牲层，同时保证器件结构完全释放，不存在粘连现象。腐蚀后先将器件分别经去离子水、乙醇、丙酮进行清洗。去离子水是为了去除残留的腐蚀液，乙醇为了脱水，而丙酮则可去除残留的乙醇。

至此，完成微机械可调谐光滤波器的器件制作，解理，压焊后，在电极A和B之间施加调谐电压，光线垂直入射。

在一个最佳实施例中，可移动的梁采用四臂固支梁结构，如图4b所示，梁宽30微米，梁长200微米，梁的总厚度为4微米，中央电极面积为21250平方微米。在25V电压下，此光滤波器的透射峰可由1330nm蓝移至1230nm，实现100nm的调谐范围，如图4a所示。

尽管本发明是通过各个实施例描述的，这不应该就认为它是本发明的所有内容或内涵。阅读完上面本发明的详细阐述后，毫无疑问，业内人士能够对本发明的那些技术进行各种各样的替换和修正。因此，可将本申请案的权利要求解释成涵盖在本发明原始精神与领域下的所有改变与修正。

Claims

1、一种宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，采用了低温表面微机械工艺，整个工艺温度不超过300℃；其特征在于，其制作方法包括如下步骤：

e)在第二反射镜上制作第二电极及控制应力的薄膜层；

2、根据权利要求1所述的新型宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，其特征在于，其中第一电极是高掺杂的n区，高掺杂的p区。

3、根据权利要求1所述的新型宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，其特征在于，其中第一和第二反射镜所用的材料是SiO₂/Si，Al₂O₃/Si，SiNxOy/Si，Ta₂O₅/SiO₂。

4、根据权利要求1所述的新型宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，其特征在于，其中牺牲层由特殊的金属层Al构成，获得最终器件结构需要完全去除牺牲层后形成空气腔，无需残留牺牲层作为梁的支柱。

5、根据权利要求1所述的新型宽频域的硅基微机械可调谐光滤波器的制作方法，其特征在于，其中该薄膜层是电镀2-3微米的Au层。