CN2566285Y

CN2566285Y - 集成铁电微镜式光开关

Info

Publication number: CN2566285Y
Application number: CN 02243923
Authority: CN
Inventors: 任天令; 刘理天; 徐杨
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2003-08-13
Anticipated expiration: 2012-07-31

Abstract

集成铁电微镜式光开关属于光通信用的微型光开关领域，其特征在于：它包含有铁电薄膜悬臂梁及与该梁做成一体的微反射镜，所述的铁电膜可以是单层、双层或多层；所述的悬臂梁是绝缘层/金属/铁电材料/金属/绝缘材料/衬底层构成的多层膜结构；悬臂梁衬底材料是Si或GaAS或GaN或InP半导体材料或它们的复合。相应地给出了一种SiO₂/Pt/PZT(锆钛酸铅)/Pt/Ti/SiO₂/Si复合膜的例子。同时给出了典型的集成铁电微镜式光开关的制作流程图。与现有的可动镜式光开关相比，它具有体积小、结构简单、容易控制与操作、可靠性高、易加工且适合批量生产等优点。

Description

集成铁电微镜式光开关

技术领域

集成铁电微镜式光开关属于光通信用的微型光开关技术领域。

背景技术

由于现代光通信技术具有其他传统通信技术无可比拟的优越性，不仅在洲际和国家骨干网中广泛采用，而且越来越多地应用于宽带交换网中，随着光通信和密集波分复用技术的迅猛发展，日益复杂的网络拓扑结构对可靠、灵活的网络管理方式要求越来越高。光交叉互连(OXC，Optical Cross Connector)技术，就是其中的一项关键技术，光开关则是OXC中的关键器件，尤其是无需光电、电光转换的全光交叉互连的器件，其技术水平直接决定着光通信网络的性能。国外已经研制出不同结构、不同制作方法的微机械式(MEMS，Micro-electro-mechanicalSystem)光开关。可动镜面式光开关利用镜面的移动将反射光从一个通路转换到另外的通路。这样的器件可以实现多个输入输出路。可动镜式光开关是利用微反射镜的运动来改变反射光束的方向而实现开关功能的。以前的机械式光开关，它们一般使用多次牺牲层工艺制作铰链与微弹簧，还要单独制作微反射镜，因而工艺复杂。这些方案面临的一个重要问题是工艺复杂、重复性差、开关速度慢，限制了自身的应用。我们提出了一种新型微光机电开关阵列，可将铁电驱动结构以及控制电路集成在同一硅芯片上，从而大大提高了开关的性能和缩小了体积，其结构简单、可靠性高、易加工、适合批量生产。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种体积小、结构简单、容易控制与操作、可靠性高、易加工且适合批量生产的集成铁电微镜式光开关。本实用新型是用于光通信网络的光分插多用和光交叉连接点的高速光开关。其中，硅微反射镜与铁电薄膜悬臂梁做成一体。锆钛酸铅(PZT)等铁电薄膜的力电耦合能力(压电系数)远大于非铁电的压电材料，因此把PZT等铁电薄膜作为光开关的核心驱动部分。加电压后，由于压电效应导致铁电薄膜在长度方向伸长(或收缩)，而氧化硅部分处于被动形变状态，使梁发生弯曲形变，从而带动梁下端的微镜作竖直上下运动，实现对光路的开关与转接，其结构示意图见图1。它很容易形成集成化的光开关阵列，只要在硅衬底上把该光开关阵列结构和控制电路集成在同一个硅芯片即可。图2是一个4×4光开关阵列示意图，它的每一个微镜单元都由图1所示结构构成。光由入射光纤导入，经微镜反射后由导出光纤导出，通过选择电路控制微镜悬臂梁的移动，从而实现对光路的切换与交叉互连。

本实用新型所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：它含有铁电薄膜悬臂梁以及与该梁做成一体的微反射镜；所述的悬臂梁是绝缘层①/金属②/铁电材料③/金属④/绝缘材料⑤/衬底层⑥构成的多层膜结构；所述的悬臂梁结构中的绝缘层①是SiO₂或Si₃N₄介质，金属②是Pt或Au金属或其合金，铁电材料③是PZT或PT或其复合，金属④是Pt或Ti或Au金属或其合金，绝缘材料⑤是SiO₂或Si₃N₄介质，衬底层⑥是Si或GaAs或GaN或InP半导体材料或它们的复合材料；所述悬臂梁的尺寸范围是(500～5000)μm×(20～5000)μm×(3～300)μm，铁电材料层厚(0.2～200)μm，镜面的尺寸范围是(50～1000)μm×(1～100)μm×(50～1000)μm；所述的悬臂梁是单层或双层或多层铁电膜层中的任何一种。

本实用新型所述的集成铁电微镜式光开关所提出的制造方法，其特征在于，它含有以下d典型的加工工艺(可参见图3)：(1)用(110)晶向的双抛硅片，双面生长热氧后淀积氮化硅；(2)背面光刻氮化硅窗口，后漂去露出的热氧；(3)利用KOH各向一行体硅腐蚀形成垂至于(110)面的(111)面作为光开关的反射镜面，其高度约为150μm；(4)漂背面的SiO₂后，继续进行腐蚀，直至剩下(50-100)μm的硅作支撑层；(5)光刻下电极窗口，正胶剥离出下电极Pt/Ti；(6)用sol-gel(溶胶—凝胶)法制备PZT后快速退火；(7)光刻上电极窗口，正胶剥离出Pt上电极并干法刻蚀PZT；(8)再淀积低温氧化层(LTO)，刻接触孔，溅铝并刻出铝引线，然后用TMAH(一种化学腐蚀液)进行体硅腐蚀，减薄梁的厚度并彻底释放出悬臂梁结构；(9)将镜面蒸金形成高反射率表面。

本实用新型所述的具有双层铁电薄膜的集成铁电微镜式光开关的制造方法，其特征在于，它含有以下典型的加工工艺(可参见图4)：(1)～(7)与上相同；(8)再按上法制备一层PZT后快速退火，正胶剥离上电极并干法刻蚀PZT；(9)～(10)与上(8)～(9)同；(11)把悬臂梁处的硅衬底、二氧化硅都去掉(也可以保留薄的二氧化硅层)，微反射镜处除外。

使用证明它达到了预期的目的。

附图说明

图1.基于硅基铁电膜材料的悬臂梁光开关单元结构示意图。图1中的1，2，3，4分别是：含铁电膜层的悬臂梁，微反射镜，入射光，出射光。

图2.4×4光开关阵列示意图。

图3.用于制作集成铁电薄膜微镜式光开关的流程图。它是通过微反射镜中心平面的一个截面的截面图，同样适用于图4。

图4.制作具有双层铁电薄膜的集成铁电微镜式光开关时，去除除了微反射镜处的硅衬底外的部分的硅衬底材料时的制作流程图。

具体实施方式

典型的具体制作流程已如图3、图4所示。

考虑到在悬臂梁的制作过程中，会由于薄膜的生长带来残余应力的积累，这要求器件结构在有残余应力的情况下，依然能够正常工作。从力学设计角度出发，由于器件在制作流程中采用的薄膜淀积、生长和掺杂，会使不同的材料形成的不同的内应力，根据通常的工艺条件SiO₂会形成约130MPa的压应力，PZT则一般表现为张应力，与之相比Al等金属薄层的内应力则可以忽略。这种内应力会在微结构形成时以残余应力的形式释放出来，对器件的力学特性造成很大的影响，甚至在结构释放后会令器件的功能失效。由于存在应力刚化(Stress Stiffening)效应，即平面内应力和横向刚度的耦合的效应，还将极大的影响微结构的机械灵敏度。对于设计的梁结构，残余应力越大，机械灵敏度越低。同时，由于残余应力的存在，还会导致梁结构在释放时产生过大的形变(即静态挠度过大)，破坏器件的整体结构，造成器件失效。然而，残余应力与制备时的工艺参数、环境温度和器件的封装都密切相关，难以精确控制。为改进这一问题，可能采用的方法是将具有不同初始应力的材料组成复合膜结构，使PZT的张应力为氧化硅的压应力所补偿，从而提高膜的机械灵敏度，减小初始变形。理论上讲，当组成复合膜的各层膜满足条件：(1)每层膜材料内应力均匀；(2)复合结构无弯曲时，等效的复合膜应力σ_c、等效膜厚度t_c和各层膜(i＝1，2，...)对应量的关系为：

σ_ctc＝σ₁t₁+σ₂t₂+... (1)

t_c＝t₂+t₂+... (2)由公式(1)可知合理设置各层膜厚度可使复合膜应力σ_c接近为0。为防止梁在工作时出现疲劳或出现形变难以恢复原状，要考虑形变是在完全塑性形变范围内，即弯曲向下位移为1/4波长时产生的形变最大应力要远远小于屈服应力。根据此原理，可知，各层薄膜材料的厚度对复合膜的材料参数有着重要的影响，可以通过改变复合膜各层材料的厚度来减小整个复合膜由于残余应力造成的刚化效应，即减小残余应力对可动结构的影响。为此我们可设计出复合应力σ_c≈0的SiO₂/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO₂/Si复合膜层悬臂梁。

经过模拟我们提出一个典型的尺寸：悬臂梁尺寸取2000μm×400μm×10μm，其中PZT的膜厚1μm，镜面大小为150μm×20μm×150μm，电压增大到U＝35V时，产生最大的位移为186μm，其最大应力144.796MPa，小于梁的屈服应力7.0×10⁹N/m²，悬臂梁的状态此时仍然完全处在弹性形变的限度内，因此在正常工作下，悬臂梁所发生的形变是完全塑性形变。因为利用疲劳特性较好的硅梁通过弹性形变实现开关功能，避免了硅硅间的摩擦减少磨损，大大提高了光开关的使用寿命与可靠性。

Claims

1.集成铁电微镜式光开关，其特征在于：它含有铁电薄膜悬臂梁以及与该梁做成一体的微反射镜。

2.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁结构是绝缘层①/金属②/铁电材料③/金属④/绝缘材料⑤/衬底层⑥构成的多层膜结构。

3.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁结构中的绝缘①层是SiO₂或Si₃N₄介质。

4.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁结构中的金属②是Pt或Au金属或其合金。

5.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁结构中的铁电材料③是PZT或PT或其复合。

6.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁结构中的金属④是Pt或Ti或Au金属或其合金。

7.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁结构中的绝缘材料⑤是SiO₂或Si₃N₄介质。

8.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁结构中的衬底层⑥是Si或GaAs或GaN或InP半导体材料或它们的复合材料。

9.根据权利要求1或2所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述悬臂梁的尺寸范围是(500～5000)μm×(20～5000)μm×(3～300)μm，铁电材料(如PZT)层厚(0.2～200)μm，镜面的尺寸范围是(50～1000)μm×(1～100)μm×(50～1000)μm。

10.根据权利要求1所述的集成铁电微镜式光开关，其特征在于：所述的悬臂梁是单层或双层或多层铁电膜层的任何一种。