湿法刻蚀制作MEMS光开关的结构设计与工艺研究

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1、湿法刻蚀制作MEMS光开关的结构设计与工艺研究摘要将微机电系统(MEMS)与光器件融合于一体的微光机电系统(MOEMS)是MEMS的一个重要的研究方向，它采用微细加工的技术手段，把微光学器件、微电子器件和微机械结构或装置集成在相兼容的基体材料上，充分发挥三者的综合性能，不仅能够使光学系统微型化而降低成本，而且可实现光学元件间的自对准，更重要的是这种组合还会产生新的光学器件和装置MMOEMS的出现将极大的促进信息通讯，航天技术以及光学工具的发展，对整个信息化时代将产生深远的影响。随着信息时代的到来，光通信系统中器件的小型化、大阵列、低成本将是光通信技术的主要发展

2、方向。光开关是新一代全光网络的关键器件，微机电系统(MEMS)光开关具有体积小、重量轻、能耗低、性能稳定;适于大批量生产、生产成本低;惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点，有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景。对MEMS光开关的理论分析、结构设计以及加工工艺等方面的研究具有十分重要的意义，将大大促进光纤通信事业的发展。本文的研究属于光通信无源器件和微光机电系统(MOEMS)技术领域。在本文中设计了一种新型的MEMS光开关结构，它基于体硅湿法定向腐蚀工艺加工而成，采用扭臂结构通过静电力驱动微反射镜上下移动，对光通路进行转换，从而实现光开关的功能。微反射镜、上电极板

3、(悬臂)、扭臂、下电极板和自对准光纤定位槽组成了完整的光开关结构。其中微反射镜、悬臂和扭臂的侧壁均由硅片的{111}面构成，且为一体，器件的一致性好，制作时结构尺寸容易控制。微反射镜的垂直度好，表面光滑，经测量其表面粗糙度低于6nm，在上面溅射上60nm的铝反射层后，光功率反射率高达95%，可作为光开关理想的微反射镜。其开关时间小于loms,驱动电压低于30V，经测量其插入损耗低于5dB，并与理论分析值进行了比较。本文通过对硅晶体的晶体结构特点和其在氢氧化钾(KOH)溶液中各向异性腐蚀特性的研究，充分利用了硅晶体的{111}面在KOH溶液中腐蚀自停止效应，采用

4、表面微机械加工工艺和体硅微机械加工工艺来制作MEMS光开关结构。经研究发现，在(110)硅片上有4个与硅片水平{1101面夹角为90。的{111}面，它们分别是(111`、{111}、{1111和{1111，这四个晶面两两平行，彼此间的夹角为70.530。由于偏离{1111面的高晶面指数的晶面表面自由能大，湿法腐蚀时容易出现台阶，并产生侧向腐蚀。若光刻图形未能精确对准与〔110)硅片水平表面垂直的{1111面，在其后的定向腐蚀操作中，刻蚀槽壁上将形成一系列由{1111面构成的台阶，并伴随着侧向腐蚀现象的产生。实验表明，腐蚀方向与晶体内1111面方向的误差夹角大

5、于0.2。时，就会产生台阶状的侧表面。因此要制作无台阶的、平整的微反射镜镜表面，腐蚀时对准精度应小于。2。，这在工艺上的难度是相当大的，采用x光定向仪测量晶向，实现0.2“对准也是相当困难的，且无法实现在光刻对准时x光的实时原位定向。为解决这一技术关键，我们设计了扇形定位结构，通过预腐蚀的方法在(110)硅片上精确的找到了硅晶体的{111}面，并能精确的沿该面所示的方位进行腐蚀，得到理想的MEMS光开关结构。本文对所涉及到的低压化学气相沉积工艺(LPCVD)、切片工艺、光刻工艺、反应离子刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺和磁控溅射工艺进行了深入的研究与反复的实验检测，得出

6、了较理想的工艺参数。采用了“掩膜—无掩膜”腐蚀技术来生成光开关的悬臂和扭臂结构，通过两次光刻、反应离子刻蚀和湿法腐蚀工艺，同时制作出光开关的微反射镜、悬臂、扭臂和自对准光纤定位槽。光开关的结构设计新颖。性能优良，制作工艺简单，便于集成及制成光开关阵列。利用单模光纤的祸合理论分析了光开关由于入射光纤与出射光纤间的纵向、横向和角向偏移所引起的插入损耗，并结合反射镜的反射损耗，得出了光开关插入损耗，分析了影响光开关插入损耗的主要因素在于微反射镜光功率的反射率和入射与出射的单模光纤间由于偏移所带来得损耗。并利用稳定化光源和光功率计对光开关的插入损耗和微反射镜的光功率反

7、射率进行了测量。对光开关的驱动电压与上电极板的位移关系进行了理论上的计算，找出了影响光开关驱动电压的主要因素，为光开关整体结构的设计提供了重要的参数依据，并提出了降低驱动电压的方法。ABSTRACTAkeyresearchdirectionofMicro-electro-mechanicalsystems(MEMS)isMicro-opt.-electro-mechanicalsystems(MOEMS),whichblendMEMSandopticaldevicesintoonewholesystem.MOEMSintegratemicro-opt.-dev

8、icesandmicro-electr