專利名稱：利用(110)硅片制作微機械光開關、光開關陣列及方法
技術領域：
本發明屬于光電子器件領域，涉及一種利用(110)硅片制作的靜電驅動微反射鏡型扭臂結構的微光電子機械系統(MOEMS)光開關、光開關陣列及制作方法。
背景技術：
隨著光纖通信技術的發展和密集波分復用(DWDM)系統的應用，全光交換已經成為一種趨勢，光開關是實現全光交換的關鍵器件，它可以實現全光層的路由選擇，波長選擇，光交叉連接，自愈保護等功能。從目前的技術形式看，主要有波導型光開關和MOEMS光開關，波導型光開關的速度在微秒到亞毫秒量級，且體積小，但其插入損耗、消光比、偏振敏感性等指標較差。而MOEMS光開關由于具有插入損耗和串話小、消光比高、透明性和可擴展型好、易于集成和穩定性好等優點，將成為大規模光交換技術的主流。
靜電驅動微反射鏡結構是MOEMS光開關廣泛采用的結構形式，微反射鏡的制作有體硅微機械加工和平面微機械加工兩種方法。平面微機械加工多采用鉸鏈技術制作微反射鏡，然后組裝成三維結構，工藝復雜，工藝要求較高。體硅微機械加工分為干法刻蝕和濕法刻蝕，干法刻蝕通常采用深層反應離子刻蝕和感應耦合等離子體刻蝕工藝。目前濕法刻蝕主要是利用(100)硅片的各向異性腐蝕制作微反射鏡，此方法制作的微反射鏡屬于{100}晶面族，反射鏡的尺寸以及鏡面的垂直度不易控制。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用(110)硅片制作靜電驅動微反射鏡型扭臂結構的MOEMS光開關、光開關陣列及其制作方法。
對(110)硅片進行各向異性腐蝕時，可以得到與襯底垂直度非常好的{111}面，將{111}面作為微反射鏡的鏡面，具有表面光滑、反射效率高等優點。由于{111}面是硅的自停止面，器件的結構尺寸容易控制。本發明所述及的制作方法工藝簡單，制作精度和成品率高，制作成本低并且容易做成N×N(N≥2)的多種開關陣列。
本發明利用(110)硅片的結晶學特征及各向異性腐蝕技術，在(110)硅片上制作靜電驅動微反射鏡型扭臂結構的微機械光開關及光開關陣列。光開關由(110)硅片、絕緣層、襯底層組成。在(110)硅片上制作上電極、微反射鏡、扭臂和自對準光纖槽，襯底層一般為玻璃片，在玻璃片上蒸發或濺射鋁膜作為下電極，絕緣層為二氧化硅或氮化硅。微反射鏡面為{111}晶面族，反射鏡的尺寸以及鏡面的垂直度容易控制。
開關的工作原理為當上電極和下電極之間不加電壓時，微反射鏡處在光通路上，對光起反射作用，入射光被反射到鏡面同一側的光纖中，這是開關的反射狀態；當上電極和下電極之間有電壓輸入時，在靜電力的作用下，上電極帶動微反射鏡向下移動離開光通路，光沿直線傳播進入前方的光纖中，這是開關的直通狀態。
本發明所涉及的微機械光開關采用如下步驟制作1.雙面拋光(110)硅片，雙面LPCVD淀積氮化硅作為腐蝕掩模層；2.設計晶向對準掩膜圖形，光刻、反應離子刻蝕氮化硅；3.各向異性濕法腐蝕，確定晶向位置；4.光刻、反應離子刻蝕微反射鏡和自對準光纖槽掩膜；5.各向異性濕法腐蝕硅片制作微反射鏡和自對準光纖槽；6.反應離子刻蝕扭臂結構；7.上、下電極的制作；8.在玻璃片的鋁膜上生長二氧化硅或氮化硅絕緣層；9.將硅片和玻璃片鍵合組裝；10.反射鏡面上蒸鍍過渡層和反射層。
本發明的特點是最大限度地利用(110)硅片的結晶學特征，配合各向異性腐蝕技術，它可以同時實現微反射鏡的鏡面平整垂直、各單元的反射鏡面平行、光纖槽的自對準、扭臂的結構尺寸準確控制。不僅制作工藝簡單，成品率高，制作成本低，更重要的是提高光開關的制作精度，降低光損耗，容易做成陣列，易于光開關陣列的實用化生產。鏡面的反射率可達85-98％，開關時間小于10ms。


圖1本發明微機械光開關結構示意圖；圖2晶向對準的掩模圖形；圖3硅片腐蝕后形成的晶向對準圖形。
圖1中上電極2、微反射鏡3、扭臂4和自對準光纖槽5都是在(110)硅片1上制作的，與(110)硅片為一體結構，6為玻璃片，7為氮化硅或二氧化硅作為上下電極之間的絕緣層，8為在玻璃片6上蒸發或濺射的鋁膜，作為下電極。微反射鏡3的鏡面為{111}面，與硅片表面相垂直。
當上電極2和下電極8之間不加電壓時，微反射鏡3處在光通路上，對來自光纖槽5中的光起反射作用，入射光被反射到鏡面同一側的光纖中，這是開關的反射狀態；當上電極2和下電極8之間有電壓輸入時，在靜電力的作用下，上電極2帶動微反射鏡3向下移動離開光通路，光沿直線傳播進入前方的光纖中，這是開關的直通狀態，驅動電壓一般為10-30V。
制作方法實施例1.雙面拋光(110)硅片，用低壓化學汽相淀積方法(LPCVD)在硅片的兩面生長100-200納米氮化硅層作為腐蝕掩模；2.設計晶向對準掩膜圖，如附圖2所示，以(110)硅片的參考方向為中軸線，它由±2°扇形區域內的許多矩形條組成，相鄰兩個矩形條的夾角為0.2°矩形條寬10-20微米，長5-10毫米，光刻、反應離子刻蝕氮化硅，形成晶向對準圖形的掩模，反應離子刻蝕所用氣體為CF4和氧氣；3.使用濃度為35～50％的KOH溶液在60～80℃下腐蝕硅片，腐蝕深度在80～100微米，腐蝕后的晶向對準圖形如附圖3所示，形成多個刻蝕槽，其中刻蝕槽側壁I的臺階較大，這是因為刻蝕方向和擬對準晶向相差較多，穿越多個{111}面，從而使暴露的{111}面不在同一平面上；刻蝕槽側壁II的臺階比側壁I的小，表明刻蝕方向與擬對準晶向比較接近，穿越較少的{111}面；刻蝕槽側壁III的表面非常平整、沒有臺階，暴露的{111}面在同一個平面上，表明該刻蝕槽的方向與擬對準晶向一致，即硅片的{111}面；4.利用步驟3中的刻蝕槽側壁III為定位基準，在硅片上光刻、反應離子刻蝕氮化硅，形成微反射鏡和自對準光纖槽的掩模，反應離子刻蝕所用氣體為CF4和氧氣；5.使用濃度為35～50％的KOH溶液在60～80℃下制作微反射鏡和自對準光纖槽，微反射鏡的厚度為3～5微米，長度和高度均為100～200微米，上電極的厚度為10～20微米；6.反應離子刻蝕制作扭臂結構，扭臂寬度為10～15微米，長度為500～700微米，反應離子刻蝕所用氣體為SF6和氬氣；7.在微反射鏡另一側的硅片及玻璃片6上蒸發或濺射100～200納米厚的鋁膜，作為上電極、下電極；8.在玻璃片的鋁膜上生長二氧化硅或氮化硅，作為上下電極之間的絕緣層；9.將硅片和玻璃鍵合；10.反射鏡面上蒸鍍鉻20～50納米和金200～500納米，作為過渡層和反射膜。
KOH腐蝕液的最佳濃度為40％，腐蝕出的微反射鏡的表面粗糙度低于8nm，反射效率可達98％，反射鏡面與襯底硅片的角度為90±0.1°，如采用四甲基羥氨(TMAH)，鏡面具有更好的性能及反射效率，但成本遠遠高于KOH。
權利要求
1.一種微機械光開關，包括在硅片(1)上制作的上電極(2)、微反射鏡(3)、扭臂(4)和自對準光纖槽(5)以及玻璃片(6)、氮化硅或二氧化硅絕緣層(7)，作為下電極的鋁膜(8)組成，其特征在于硅片為(110)硅片。
2.如權利要求1所述的微機械光開關，其特征在于上電極(2)、微反射鏡(3)、扭臂(4)和自對準光纖槽(5)與硅片(1)為一體結構。
3.如權利要求1所述的微機械光開關，其特征在于微反射鏡(3)的鏡面沿硅片的{111}面，與硅片表面相垂直。
4.如權利要求1或2或3所述的微機械光開關，其特征在于微反射鏡(3)的厚度為3～5微米，長度和高度分別為100～200微米，上電極(2)的厚度為10～20微米，扭臂寬度為10～15微米，長度為500～700微米。
5.如權利要求1或2或3所述的微機械光開光關可以作成N×N的多種開關陣列，其中N≥2。
6.一種制備權利要求1所述微機械光開光的方法，包括如下步驟(1)雙面拋光(110)硅片，雙面LPCVD淀積氮化硅作為腐蝕掩模層；(2)設計晶向對準掩膜圖形，光刻、反應離子刻蝕氮化硅；(3)各向異性濕法腐蝕，確定晶向位置；(4)光刻、反應離子刻蝕微反射鏡和自對準光纖槽掩膜；(5)各向異性濕法腐蝕硅片制作微反射鏡和自對準光纖槽；(6)反應離子刻蝕微反射鏡的扭臂結構；(7)上、下電極的制作；(8)在玻璃片上生長二氧化硅或氮化硅絕緣層；(9)將硅片和玻璃片鍵合組裝；(10)反射鏡面上蒸鍍過渡層和反射層。
7.如權利要求6所述的制備微機械光開關的方法，其特征在于晶向掩膜圖形是以(110)硅片的參考方向為中軸線，由±2°扇形區域內的許多矩形條組成，相鄰兩個矩形條的夾角為0.2°，矩形條間距10-20微米，長3-5毫米。
8.如權利要求6所述的制備微機械光開關的方法，其特征在于各向異性濕法腐蝕液是濃度為35～50％的KOH溶液，腐蝕溫度60～80℃間。
全文摘要
本發明涉及一種利用(110)硅片制作的靜電驅動微反射鏡型扭臂結構的微光電子機械系統(MOEMS)光開關、光開關陣列及制作方法。微機械光開關由在硅片(1)上制作的上電極(2)、微反射鏡(3)、扭臂(4)和自對準光纖槽(5)以及玻璃片(6)、氮化硅或二氧化硅絕緣層(7)，作為下電極的鋁膜(8)組成。微反射鏡(3)的鏡面沿硅片的{111}面，與硅片表面相垂直。微反射鏡(3)的厚度為3～5微米，長度和高度分別為100～200微米，上電極(2)的厚度為10～20微米，扭臂寬度為10～15微米，長度為500～700微米。本發明所述及的微機械光開關具有鏡面平整垂直、各單元的反射鏡面平行、扭臂的結構尺寸能夠準確控制，制作工藝簡單，成品率高，制作成本低等特點。
文檔編號G02B26/08GK1402034SQ0213309
公開日2003年3月12日 申請日期2002年9月29日 優先權日2002年9月29日
發明者董瑋, 陳維友, 劉彩霞, 張龍, 徐寶琨 申請人:吉林大學