（光学工程专业论文）基于moems技术的光学调制器研究.pdf

塑坚查兰堕：! 笙奎 翌8 7 2 9 2 3 摘要 m e m s 和光学的结合( m o e m s ) 给传统光学器件的设计和制造带来了全新的 思路，它具有性能灵活、低成本、尺寸小和易于批量生产等优点。本课题对基于 m o e m s 技术的光学调制器进行了理论和实验研究。 表面微机械工艺中，薄膜的光学常数、初始应力及其梯度等光学和机械性能 对m o e m s 器件有着至关重要的作用。本文提出了一种从单透过率测试曲线求 解薄膜光学常数和厚度的方法。借助于合适的色散模型，采用改进的单纯形法进 行反演，从而确定薄膜光学常数和物理厚度。利用这种方法，测试了不同制备方 法沉积的各种薄膜的光学常数和膜厚，获得了 9 0 的结果。通过k o h 减薄h a n d l ew a f c r ，得到了脬玻璃 层游顶层穗麴类s o l 结构，这可徼为制作麓性能表蔼微规械器譬# 的基底。 文章最后对整个课题的工作进行了总结，并且提出了今后需要进一步研究和 发璇豹方囱。 关键词：微光机电系统，光学薄膜，光学调制器，表面微机械技术，光栅光阀 i l 浙江大学簿圭硷文 a b s 重r a c 鼍 t h e 如s i o no f m e m sa n do p t i c s ( m i c r o - o p t o e l e c t r o m e c h a n i es y s t e m s ) b r i n g s u pn e wl n e n l o d s f o r d e s i g n i n ga n d 岛b 疽c 融i n go p t i c a lc o m p o n 嘲s 1 th a s l h e a d v a n t a g e so fl o w c o s t ，s m a i ls i z e ，m a s sp m d u c t i o na n ds m a nm n c t i o n 1 弧er e s e a r c h 强c 搬；e s 熊o p l i e a lm o 撼撒o r sb a s 糠m o l 三s 辘也弦p 嘲e e l t h e 描垂珏e 髓t e 珏重s 搬 t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t 融o p t i e a la n dm o 吐强i c a lp 麓斌 e so f 像主靛蠡l m s ，s u e 量la so 磐i c a lc 雌建a n t s ， 牲s i d u a ls t r e s sa n ds t r e s 尊g r a d i e i na r ev i t a lf o rm e 【( ) e m sd e v i o e si ns u r f a c e m i c r o m a c h i n i n gt e c 量l i l o l o g y as i m p l em e t h o dt od e t e 订n i n et 1 1 eo p t i c a lc o n s t a n t sa n d p h y s i c a lt h i c k n e s sa r ep r e 辩n t e d + 强em o d 涵e ds i h 垮l c xm e t h o di s u s e dt o 矗tt h c m e a s u r e dt r 锄s m i s s i o nc u r v eb a s e do na 1 ) p m p r i a t ed i s p e r s i o nm o d e l t h eo p t i c a l c o n s t a n t so fv a r 主o u s 蠡l m sd e p o s i t e db ye v 举。豫t i o 娃翘d 犟u 始蠢n ga r 。m e a s 愀du s i n g t h i sm e t h o d t h ee r r o r so ft h er e s u i t sa r el e s st h a n4 c o m p a r e dw “ho t h e rm e t l l o d s 强es i 鸨秘ds 0 球y 纛l m s 黜d e 弦s i 涮醣f e a c t i v e 瓣鑫嚣e | m n 犟瞧蹦i n g 确e o p t i c a lp r o p c n i e s ，o p t i c a lb 柚dg a pa n dt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na r ea 1 1 a l y z e du n d e r v 蕊。硅sp f o e e s sc o 丽建i o n s ( d 珩s i t i o 撞p f e s s u f e ，g a s 蠡o w 豫t i o ，e t 采) am i f o * f o 掘蕊g s t n j c n i r eo nw a f c rt od e t e n n i n et h er e s i d u a ls 虹_ e s sa n ds t r e s sg r a d i e n to ff i l m si s d e s i g l l e d 确em e a s u f e ds t r e s so fp o l y s i l i c o na n ds i 3 n 4 壬i l m sd e p o s i t e db yl p c v d a 一4 7 8 m p aa n d + 5 3 0 m p 8r e s 弦c t i v e l ya n dt h es t r e s s 掣a d i e n ta f e + 2 6 7 4 3 m p aa | 1 d + 4 4 _ 2 m p a m i e 羚e a v 姆d 蹦i e e s8 耽攮e 轻撼蛙c o 拄拄n 檄u s e d 蝴镰勰s 瓤酝o e m s 。 飞e r e l a 廿o nb e t w e e nt h ea i rg a pt l l i c k n e s sa 1 1 dp e a l 【w a v e l e n g t l li ns h o r tc a v 时m o e m s f 矗嘛一p | 融e f8 r c 删y z 弼氇糯s 融m a 醢x 醚蕊o d 、强e 黼嗣醛i c 醚 o x p r e s s i o nf o rt h ep h a s es h mc o e f f i c i e mi sd e d u c e da i l dan e w1 i n e a rr e l a t i o n s h i pi s p r e s e i e dd u r 至n gn m i n gp f o c e s s am i c f 对一d i s p l 巍yc o m p o n e n tb a s e do l li n d u c e d r e n e c t i o ni sd e s i g n e da n dt 1 1 eo p t i c a lp r o p e n i e so fd i e l e c t r i c 曲e t a la i rg a ps y s t e ma r e c o m p u t e d ，u s i n gp u r c e l le f i f e c t ，aw a v e l e n 班ht u n a b l em i c r o c a v i t yo r g a n i ci 培h t e m i 地毽d i o d eb a s e do nm e m s sd e s i g n e d 蕞n d 攮ee 戚撞i n gs p e c t n 凇sw 浊v 蘸o u s ￥搬 浙江大学博士论文 v 0 1 t a g e sa c t u a t e da r ea i l a l y z e d as e l f - c o n s i s t e ma r i t l l 】m e t i ci si m r o d u c e dt oa i l a l y z i n g t 1 1 ec o u p l i n gp m b l e mi nm e m sd e v i c e s 、v h i c ha r ea c t u a c t e db ye l e c t r o s t a t i cf o r c e t h ed e f o m l a t i o n so fm es q u a r e ，r e c t a j l g l e ，b o ws t m c t u r e sa r ec o m p a r e du s i n gt h i s m e t h o d t h ev a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o rb a s e do n 掣吼i n gl i g h tv a l v ei s ad i f f r a c t i v e m o e m sd e v i c e t h eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，r c l a t i o nb e 帆e e nt h ed e f b 肿a l i o na n dv o l t a g e a i l dd y n 啪i cp r o p e r t i e ss u c ha sr e s o n a n t 舶q u e n c y ，r e s p o n s et i m ea r ea n a l y z e d u s i n g s u 墒c em i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，v a r i o u sm a t e r i a lc o m b i n a t i o n sa r er e s e a c h e da 1 1 d t h ek e yp r o c e s s e s ，t h es t i c t i o na n db u c k l i n gp h e n o m e n a ，a r es t u d i e d ag o o d i _ e l e a s e s m l c t u r ew i t hp o l y s i l i c o nf i l ma ss a c r i 丘c i a ll a y e ra n ds i 3 n 4f n m sa ss t n l c t l l r el a y e r d e p o s i t e db yl p c v di sf a b r i c a t e db ys u p e r c f i t i c a lc 0 2d r y e ra 1 1 dr e s i d u a l s t r e s s c o n t r 0 1 t 1 1 eo p t i c a lp m p e r t i e so ft h ed e v i c ea r em e a s u r e d ，t h ez e m o r d e rr e n e c t i v j t y d e c r e a s e sf r o m8 6 6 t o5 9 7 w h e nt l l ev o l t a g ei n c r e a s e sf 而mo vt o3 0 8 vt h e r e s p o n s et i m eo ft h ed e v i c ei s l 2 m s t bi m p r o v em ep m p e r t i e s ，a n o d i cb o n d i n g b e t 、v e e ns ia n ds i m o xs 0 1w a f c r sw i t hs c h o t t8 3 2 9g l a s sf i l ma sa ni n t e n l l e d i a t e 1 a y e rd e p o s i t e db ye - b e a n le v a p o r a t e di si n t r o d u c e d t h eb o n d i n gc u r i _ e n t ，b o n d i n g s t r e n g t l la n db o n d i n ga r e ar a t i oi sa l l a l y z e du n d e rv 撕o u sc o n d i t i o n t h es t m c t u r e w i t ht h i c kg l a s sf i l ma 董1 dt l l i nd e v i c el a y e ri sa c h i e v e dw i t hk o hs o l u t i o ne t c h i n g b a c k i ti sag o o db a s e 妇f a b r i c a t i o no fs o m em e m sd e v i c e s a tl a s t ，as u m m a r yo ft h i sp 印e ri si n c l u d e da 1 1 dt l l ep m s p e c to ft h i sp r o j e c ti s g i v e nt o g e t l l e l k e y w o r d s ：m o e m s ，o p t i c a l 1 1 l i n f i l m ， 0 p t i c a l m o d u l a t o r ， s u r f k e m i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，g r a t i n gl i g h tv 甜v e 辩江火学湾圭论文 1 。1m e m s 技术概述 1 。1 1 引言 第一章绪论 微机械技术是近二十年来兴起的一耪耘技术，运用集成电路工艺和其他一 些特殊工艺，如各向异性腐蚀技术、牺牲层技术、键合技术等，在硅片等衬底材 鹞上铡雩# 尺度从微米量级到毫米量级的微型敏赚器、执行器或微系统，微机缓技 术可以麓作是微电子技术的延伸与发展。 m 嚣m s 鼓零懿起源追溯铡l 孽5 9 年美国磷爱尔物理奖德主费曼 瑟。黧 f e y n m a l l ) 在加州理工大学的物理年会上发表的“t h e r ei sp l e n t yo fm o m a tt h e b o t t o m ”的演讲，谴擒遗了器彳牟可鞋融无限小秘方自发震，并虢藩惠存储、分 子生物学、计算机等学科的应用作了展塑，从此科学界开始了微小器件的研究。 在1 9 8 3 年的蒸汽机会议一t ，费嫩辩次作了“i n f i n i t e s i m a lm a c h i n e r v ”的报告”， 并对实现这个目标的一些驱动方式以及工艺提文了一些建议和方法。与北同时农 六十年代，随蓿s m i t h 发现硅的雁阻效应。1 ，以硅应变计和硅压力传感器为对象， 微援攮瓣工技零开媲发攫起寒，毽嚣上戆第一个硅压疆型压力绩感器在k 珏l i | e 公 司i4 。问世j = 。 l 垂7 0 年至l 8 5 年期闽是徽械躐薤术确立萁穗位静除浚，硅豹各 每舅经和圈镶 渝法腐蚀技术嘲和静电键合技术“1 得到发展并用于传感器的制造。7 0 年代术和8 0 年代初，汽车污染控售法律的蹴台，激励着汽车稍造商去研究各种压力传感器来 控制空气燃料的比例”。福特( f 鲫d ) 公司致力：j ：微机械电容式压力传感器的研 究，而大众( g m ) 公司专注于悉阻式压力传感器，这些器件在8 0 年代初进入大批 蹙生产。网对，孙x b o r o 公司制逑出了翊于盘压传感豹微极壤赞感嚣，出于盛瘸 了硅加工工艺，在价格上有很大的优势，取代了传统熏复使用的医疗器件。伴随 黄湿法鼹 塞程爨牲墨稳警等方曩| i _ ；赘基礁骚究，麴速度煲感嚣、徽滚控、 蓦援徽粱 等器件弓i 起了广泛的研究，s t a n d f o r d 、w e s t i n 曲o u s e 、t i 、i b m 等研究结构走谯 磷究静蘸舞。1 9 8 1 年，s 濑s o r sa n da c 融撕。r s 杂悫翻诵潋及戳际会议 浙江人学博上论文 t r 趾s c u d e r s 8 1 的召开标志着微机械技术已经成为一个学术研究的领域， p e t e r s e n 发表的论文更是确立了硅作为一种微机械材料的重要地位”1 。这一时期， 微机械压力传感器已经商业化了，因而这个时期被称为压力传感器时代。 从1 9 8 5 年至今，微机械技术得到了迅猛发展。微电子工业中制造半导体集 成电路的微加工技术在m e m s 被广泛采用，1 9 8 8 年美国b e r k e l e y 大学的f a i lls ， t a iyc ，r i c h a r dm u l l e 运用p o l y s i l i c o n 表面微机械技术率先研制出直径为1 0 0 肛m 的静电力驱动的多晶硅微马达9 3 ，在学术界引起了极大的轰动，并在1 9 8 9 年盐湖 城召开的m i c m t e l e o p e m t e dr o b o t i c sw o r k s h o p 会议上第次提出微电子机械 系统( m e m s ：m i c m e l e c 打o m e c h a l l i c a ls y s t e m s ) 这个概念“，而在欧洲这项 技术被称为微系统技术( m s t ：m i c r os y s t e mt e c l l l l o l o g y ) ，在日本被称为微机 械( m i c m m a c h i n e ) 。在这时期，微机械技术已经渗透到多个领域，衍生出许 多交叉学科，有惯性m e m s ( i n e n i a lm e m s ) ，生物m e m s ( b i om e m s ) ，光 m e m s ( 0 p t i c a lm e m s m o e m s ) 和射频m e m s ( r fm e m s ) ，各种新结构和 新加工技术不断涌现出来，尤其是硅熔融直接键合技术。”( s i l i c o nf u s i o nd i r e c t b o n d i n g ) ，1 9 9 2 年多晶硅删m p s “4 ( m u l t i u s e rm e m sp r o c e s s e s ) 技术规范的推 出以及1 9 9 4 年b o s c b 公司深反应离子刻蚀1 ( d 砌e ：d e e pr e a c t i v ei o ne t c h ) 专利的 诞生，增强了表面微加工和体硅加工的能力以及后道封装工艺的能力。 在这期间，各种成功的m e m s 产品实现大批量生产，呈现出百花齐放的局面。 9 0 年代初，大多数汽车的安全气囊装上了m e m s 加速度计，a n a l o gd e v i c e 公司 2 0 0 5 年宣布已经售出2 亿个加速度计。h e w l e t tp a c h a r d 公司的m e m s 喷墨打印机喷 头是基于m e m s 技术的器件中销售额最大的产品”1 。1 9 9 6 年，t i 公司成功的把 h o m b e c k 经过2 0 多年研究的d m d ( d i g i t a lm i c r o m i h w d e v i c e ) 推到市场“，它 是d l p ( d i 百t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 显示的核心器件，如今给t i 公司每年带来l o 亿美 元的销售额，美国初创的高科技公司k e y o t e e ，m i 豫d i a 和r e f l e c t i v i t y 也正在投入 m e m s 扭镜的研发与n 争夺市场“。1 9 9 8 2 0 0 0 年，许多基于m e m s 技术的光通 讯器件“初创公司成立，虽然伴随着光纤通讯泡沫的破裂，但部分公司依然存在。 虽然微流控和生物技术公司的销售额从2 0 0 0 年的1 6 0 亿降到了2 0 0 5 年的2 0 亿，但 是它们中的大多数公司仍然存活。 2 1 世纪初，随着电子束光刻、聚焦离予束光刻( f o c u si o nb e 锄，f i b ) 、纳米 浙江人学溥上论文 压印n 7 3 ( n l l ，n a l l o i m p r i n tl i t h o g r a p h y ) 等高分辨率光刻技术的发展，使得1 0 0 n m 尺寸以下的图形转换( p a t t e mt r a n s f e r ) 成为可能，微机电系统也发展到纳机电系 统1 ( n e m s ，n a i l o e 1 e c t r o m e c h a n i cs y s t e m ) 。这些器件的尺寸在几十甚至几个 n m ，具有大的表而比，非常小的质量和力弹性系数，因而器件具有高的探测灵敏 度。这些器件和a f m ，s t m 一起可以测量很小的力，纳米谐振器在生物检测、射频 器件等方面有很大的应用前途。 m e m s 技术是微电子技术问世以来科学与技术发展到一定阶段的必然结果。 它的加工技术不仅继承了成熟的微电子器件制造技术，也创造出许多新技术，特 别是三维加工技术。m e m s 技术以特征尺寸为微米的光刻技术为核心，因此，可批 量化生产器件，器件体积小，重量轻，成本低。但是，与i c 芯片显著不同的是 m e m s 芯片通常包含有可动的机械结构，有些部件还要求执行动作，同时加工过 程中往往涉及k 十，n a + 等碱离子与c m o s 工艺不兼容，因此可动结构的加工技术、 驱动技术以及封装技术成为m e m s 器件的三大关键技术。牺牲层技术“、键合技术 、深刻蚀d r i e 技术3 ，s o i ( s i l i c o n0 ni n s u l a t o r ) 基m e m s 技术。”都是为了制作 出可动结构而发展起来的技术。从驱动角度考虑，执行器动作对外做功，因此需 要各种形式能量的输入和转化。最常用的是静电力驱动器，还有磁力驱动器、热 驱动器、相变驱动器、压电薄膜驱动器等，权衡材料、加工技术、功耗和响应时 间等多项因素，静电力驱动器是硅材料上最好的驱动器。 微机械技术说到底是对传统机械进行的微小型化，但是这种过程并不是简单 的等比例缩小，当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象与宏观世界的现象有着 很大的差别，如力的尺寸效应和微结构的表面效应，如图1 1 。在微小尺寸领 域，与特征尺寸l 的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减弱，而与 尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增强。 随着尺寸的减少，表面积和体积之比的作用相对增大，因而热传导、化学反应等 加速，表面问的摩擦阻力明显增大，许多在宏观世界里可以忽略的效应，如边缘 效应、寄生效应、表面力效应，或者次要因素，如阻尼、热效应等都变得不可忽 略。“。因此，m e m s 中的不同领域需要研究与之相关的科学问题，惯性m e m s 需要研究微米尺度下的动力学问题，生物m e m s 需要研究微米尺度下的微流体、 微传导和微加热等问题，光m e m s 需要研究微米尺度下的光学问题。微米尺度 浙江人学博士论文 下的这些科学问题都可以用经典理论来描述和解决，需要发展的只是把微米尺度 下的各种不能忽略的效应考虑进来，所以说，微机械需要更完善的微米尺度理论 来指导器件的设计。 图1 - 1m e m s 中的尺寸效应 1 1 2m e m s 制造工艺 m e m s 加工工艺主要从成熟的半导体集成电路( i c ) 工艺衍生而来，同时又加 入了自身独有的一些工艺。按照加工方法的不同，可以分为表面微机械加工技术， 体微机械加工技术，l i g a 技术以及近年来发展起来的s o i 技术。 1 体微加工技术( b u l km i c r o m a c h i n i n gt e c l l i l o l o g y ) 图卜2 体硅加工工艺流程 体硅微加工技术1 利用各种腐蚀技术对硅基底本身进行加工，可以分为各向 同性腐蚀技术和各向异性腐蚀技术，并且分别有湿法腐蚀系统和干法腐蚀系统。 4 濒旺大学博士论文 宅懿基本：e 艺浚理翅蚕l 2 获示，硅基底土沉积层s i 0 2 或者s i 3 n 4 薄膜，竞刻聪 刻蚀薄膜形成图形作为张基板加工的掩模，最聪用湿法或者干法刻蚀加工硅基 板，形成深整、稽等绪稳。 图l 一3 硅番向l 司性泓法腐蚀 交露建豹醚鹣各自添牲疼镶裂是珏n a 溶滚3 ，鄄氢袋羧、磷酸跌及冰酪酸的 混合物，溶液的搅拌程度影响了硅片的等腐蚀速率面，如图卜3 所示，腐蚀过程 中鲡采搅拌了，可菇瘸镪密球舔，鲡采不搅薛，槽底部跫平貔，该矮按术可蠲予 光学微球面的制作。硅的各向同性干法腐蚀一般用x e f 2 作为腐蚀气体“，使得硅 与其他材辩的腐蚀比大大提高，由于鬣于法腐蚀没有表面张力，因此它常用于 m e m s 结构中粱岛等的释放。 鞫l 一4 醺篾静器自异性藤键鬻焘 硅嚣；砉 硅片) 硅的各向异性湿法腐蚀以k o h 溶液和t m a h 溶液为主，利用了单晶硅不 黼磊囱瓣藩法逮攀不嗣静藤瑾交获褥各耱结鞫，特臻怒蠢溺了【ll l 】鑫淘浆瘸镳 速率比c 1 0 0 1 1 0 慢两个数量级以上的特点，采用( 1 0 0 ) 晶向的硅片很容易制 作精度离的v 澎稽，蘩用( 1 l o ) 晶向酌硅片w 戬制作甾垂壹靛u 形稽，鲡黼 卜4 所示。硅盼各向异性于法刻蚀”。主要是指深反应离子刻蚀d e ，也就是慕 于b o s c h 专利的反应离子刻蚀。它的刻蚀过程使用高能等离子体交替地剡蚀硅和 在侧壁淡积聚合物，刻蚀的几德图形不限，侧蹙近乎度，特别适合予铡作惑 浙江大学博十论文 深宽比的结构，广泛用于梳齿驱动器、槽、梁等的制作，如图卜5 所示。但是采 用b o s c h 专利的d e 技术，刻蚀表面是周期性的起伏，一般在几百纳米，这种 起伏对于非光学应用影响不大，倘若用在光学七，表面的粗糙程度必须加以减小。 图卜5d r i e 深反应离子刻蚀深槽图 体微加工技术，由于其灵活性在m e m s 中应用非常广泛，而在光学m e m s 中 也常用来制作光纤对准用的v 型槽、微镜、梳状驱动器、深腔、粱等结构。 2 表面微加工技术( s u r f a c em j c r o m a c h i n gt e c h n o l o g y ) 图卜6 表面微加工技术的基本流程图 表面微机械加工技术。”是一种以薄膜沉积、光刻、腐蚀为基本工艺模块的有 蘸疆麦喾博士论文 规组合黟捌。这耪技术遴过淀瑷雅毪层秘结掏屡以及痿镶掏空数方法亲翎墨三缎 微机械结构，它的基本流程如图卜6 所示。器件的结构部分由淀积的结构层薄膜 麓工露藏，在缝褊罄与蘩底之瀚淀积有一澄牺矮滋。维秘麓谈尧瑟互箴特定彩状螽， 将牺牲屡腐蚀撺，就得刹了可动的的微结构部件。表面微机械加工的核心是牺昝生 拦技术，通过擒空牺毪鼷，器彳牛中可动的部斧才能生成。牺整鬣与结稳联材辩体 系的选择，要求具有高的腐蚀选择比，常用的组合有多始硅p s g 、a l p h o t o r e s i s t 等，如液卜l 所示。 表卜l 表蟊徽妻瑟工中鬻蠲熬牺莹耋层筵搀缮毒| 摹季 结构屡牺牲展腐蚀剂应用 多晶硅 p s g 氢氟酸a d x l 5 0 荦晶硅氧纯破氢氟酸 s o i m e m s 辍化硅多晶硅x e f 2纳米谐振粱 铝毙嘉黢孬酮蹦d ( t 1 ) 铝单晶硅 e d p ，t m a h ，x e f 2 镍铜 氨水和般氧水电镀 l l l v 族糕誊莘竞奏# 黢丙酮可调激光器 表嚣激热工技术爨l c 工艺一样，是一耱在蒸叛上添麴游d 国耪秘来铡终器赞 的方法，因而它与l c 工蕊的结合性很好，很容易制作器 牛的驱动电路，因此可以 徽舞荤片集成，鼙蘸大多数裔豫纯匏m e m s 产麓都采羽表面徽船工技术。鑫获 1 9 9 2 年m u m p s ( m u l t iu s e rm e m sp r o c e s s ) 工艺标准推出以后，表面微加工技 术至今融经出现了几个工艺标准，包括m u m p s ( m c n c ) 、i t t ( s a n d i a ) 、i m e m s ( a d i m c n e ) 、c m u ( m o s l s ) 和s 潮a m e m s( m o s l s n l s t ) ，类似与l e f o u n d r y ，这样m e m s 器件的设计和加工可以逐渐地分离开来。当自m u m p s 提供二 层到五鼷结掬臻静工艺拣准，黧卜7 是二层多燕谴结稳戆醛u m p s 工艺割嚣烫。 图卜7m u m p s 双层多龆鞋结构的剖面圈( 左：释放翦；右：释放舞) 浙江人学博士论文 表面微加工技术中，薄膜的应力控制“”和器件的反黏附“”是两个最关键的技 术。过大的张应力会使薄膜破裂，而过大的压应力将使释放的结构屈曲 ( b u c k l i n g ) 。同时应力梯度或者多层薄膜中应力的不匹配将造成力矩，使得释 放的结构产生初始的变形。因此低的张应力和多层膜中应力的匹配是薄膜沉积的 追求。黏附现象是指在干燥或者器件工作的过程中，由于各种原因引起的器件中 可动部件与基底的粘连，从而使器件失效的一种现象。超临界c 0 2 干燥、干法腐 蚀掏空和单分子层等方法被用来解决黏附现象。 3 基于s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 的m e m s 技术 图卜8 基于s o i 的m 酬s 平台( 左：梳状驱动器；右：器件全貌) s o i 就是“绝缘体上的硅”的缩写，它是近年来出现的新型半导体材料，随着 s i m o xs o i ，b e s o i ，s m a n c u ts o i 三种制备技术的成熟，s o i 硅片目前已经 大批量商业化生产，在高频、低功耗等高性能半导体芯片和m e m s 领域中得到 了广泛的应用。s o i 微加工技术结合了表面和体微加工技术的优点，s o i 硅片的 顶层硅( d e v i c e t o pl a y e r ) 本身是体硅的一部分，因而它具有均匀的机械电学 性能，应力也很小，它可以解决表面微机械工艺中对薄膜性能要求过高的问题； 同时埋层氧化层( b u r i e d0 x i d e d ) 是硅的很好的绝缘层、牺牲层和腐蚀停止层， 对顶层硅加工图形化时，可以用来阻止湿法腐蚀液或者干法刻蚀的气体对基底的 侵蚀，腐蚀掏空中间的s i 0 2 薄膜，就能释放出能够运动的微结构了。图卜8 所 示就是s o i 基底上制作的m e m s 平台川( s t a g e ) 。基于此工艺的微系统及微器 件【2 8 j 具有功能完善、集成度高、可靠性好等许多特点，因此在惯性器件、纳米 谐振器、光器件等方面应用广泛。 浙江大学博士论立 1 2m o e m s 的应用( m e m s 和光学的结合) 最近几年，随着光纤通信以及信息显示技术的发展需求以及m e m s 技术的逐 渐成熟，m e m s 和光学结合发展了一个新的领域，这就是微光机电系统也称为光 学m e m s ( m i c m o p t o - e 1 e c 仃。一m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m o e m so ro p t i c a lm e m s ) 。 m o e m s 中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束进行汇聚、 衍射、反射、相位调制等控制，从而可最终实现光开关、衰减、扫描和成像等功 能。这种把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起的系统，能够充 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 学元件问的自对准，更重要的是这种组合还会产生新的光学器件和装置。 m e m s 和光学的结合是一种必然，光学是一种“轻工作”，所以操作需要的力 很小，虽然微执行器只具有很有限输出力的能力( 这对用微细加工制成的部件是 很典型的情况) ，但也足以支持这样的操作；很多光学应用中所需要的位移通常 也很小，一般在光波长量级( 几个微米甚至几百纳米) ，如l 瓢的位移就能引起 干涉的极值变化，这一点也与m e m s 的工作能力匹配得很好；另外很多的光学元 件，例如光栅和透镜，也可以容易地被集成进系统中，因此，m o e m s 光器件成 了近1 0 多年最热的研究之一。m o e m s 器件从光学的原理可分为干涉型，衍射型， 折反射型等；从应用领域可分为光通讯器件，微显示器件，空间光学器件，光 源工程，光探测等，下面对这些应用做一些介绍。 1 2 1 光通讯领域 与电信号相比，光信号具有速度侠、信息容量大等优点，因而光通信也就无 可质疑地成了未来通讯产业的主流。然而现有的光网络并不能完全展现出这些优 势，原因一方面在于目前的光网络在信号传输、路由的分配、切换和监控等方面 都还或多或少的依赖于传统的电子技术，形成了所谓的电子瓶颈效应，不仅无法 利用光所固有的空间平行性优势，反而要进行光电一光的复杂转换；另一方面目 前系统中所用的光纤、光波导器件、平面光栅阵列器件、全息器件以及集成电路 芯片等，都是相互分立的器件，因此它们之间的光对准祸合及互连基本上还要靠 人工装配和调整，既费工费时又不利于成品率和系统运行质量的保证，更不能适 9 浙江大学博士论文 应目前系统的高速率、高封装密度、高功率密度的封装需要。所有这些问题都为 m o e m s 提供了发展之道。一方面m o e m s 建立在硅微细加工的基础之上，其加 工精度完全可以适应光通信系统在信号转换和连接等方面贬微米量级的定位精 度要求，同时由于m o e m s 可以制作硅基平台上的立体结构，使得光的空间平 行性优势终于可以利用，使系统有望克服电子瓶颈；另一方面m o e m s 体积小， 更拥有与i c 电路集成的能力，因此在提高封装密度、减小系统功耗方面也可以 提供强大的技术支撑。 因此，2 0 0 0 年许多初创公司进行了m e m s 光器件的研发和生产，虽然随着 光通讯泡沫的破裂，一些公司已经退出，但仍然取得了不少进展，特别是光开关 ( s w i t c h ) 和光可调谐衰减器( v o a ) ，m e m s 技术成为大多数设备商的首选。 1 光开关 光开关的功能是转换光路，实现光信号的交换。对光开关的要求是插入损耗 小、串音低、重复性高、开关速度快、回波损耗小、消光比大、寿命长、结构小 型化和操作方便。微机械光开关通过移动微镜或者光纤，来改变光路或者使得干 涉极值变化来实现光的调制。 酗卜9 梳状驱动微镜微机械光开关( 左：器件s e m 图；右：原理简图) m a ) ( e r 等报道了用s o i 硅片制作的2 2 微机械光开光【2 9 】。如图卜9 四根光 纤槽成“十”字排列，微镜处在“十”字的4 5 0 处，利用梳状驱动器通过静电力来拉 动微镜在光纤槽交界处移动，从而使光在通过反射间切换。为了减小插入损耗， 微镜一般需要做得很薄，这个器件的响应时间o 5 m s ，插入损耗1 2 d b 。u c l a 的m x w u 博士等也采用微镜制作了相似结构的微机械光开关3 0 1 。 1 0 薪江夫学祷士论文 1 9 9 4 年，b e l l 实骏室的k 撇b o s 龋和j ，a ，酬k 料蓉媚表蘑微扭械钊圣# 了 “m a r s ”( m e c h a n i c a l l y 。a c t i v ea n t i r e n e c t i o n ) 器件【3 l j ，它是上层可变形的薄膜 平投，遴过改交空气黢浮菠来实瑷开关俸羯静徽器搏。它巧妙逢翻羯了s i 3 n 4 薄膜作为s i 的谢效减反射膜的特点( n s 3 n 4 = 1 8 7 舯。i = 3 4 ，n 2 粥。f n s i ) ，空气层初始 厚度为奇数个l 4 中心波长，这时其有离的反辩，呈o n ”状态；加上静电力驱韵 后，上层薄板变形使空气腔厚度为偶数个1 2 个中心波长，空气腔是虑设层，这 时是减反射效聚，呈“o f r 状态。图卜l o 是器件的结构筒图和光谱图。 ：三_ ：_ j ：毒一 。篓：一一w m m m * 一 图卜1 0m a r s 结构图和测到的光谱图( 左：结构图 2 可调谐衰减潴( 、k i a b l ec i p t i e a la 髓e n u a t o r ) 镛罐薛辨 自嘲 右：光谱圈) 光傧号在传输过程中，由予线路上器 孛的掇耗，以及e 狐放大倍教的非线 性，使得各个通道信号能量不相等，这将使得信道间的c r o s s t a l k 增大，因此需鼹 翊可调谐衰躐嚣动态地黠不同豹遵遭进行戆量f 冬衰减。v o a 魄楚构成淤态增蕊 平衡d g e ( d ”a m i cg a i ne q u i l i b r i l l l l l ) 的蒎本元件。 大多数醚嚣m s 竞开关豹络褥都貔翔来裁 挈霹溪谐裘减器，只不过一个是数 字的即舆有开关两种状态，另外一个撼模拟的即连续可调。目前微机构可调谐 光衰藏器主要衣两类：类是程两裉辩准竞纤钓闯隙中插入鹅沌片来裳减光功 率；另类利用扭镜的偏转改变光反射进光纤的耦合效率来调制光能量。 c 。r g i l e s 报道了挡片式光衰减器f 埘，其基本原理和结构如图l l1 所示。这 种衰减器采用静逛力驱动，主要南硅弹簧支撑的多晶醚电容叛、多晶硅校杼帮 浙江大学博+ 论文 个表面溅射有一层金的多晶硅挡光片组成。电容板压在杠杆的一端上，多晶硅挡 光片则安装在杠杆的另一端上，并插入两根对准单模光纤间隙的f 下方。当在电 容板和基片问施加一电压时，电容板在静电力的作用下会向下压动杠杆，使杠杆 另一端上的挡光片向上运动，从而阻挡两光纤中传输的光，这样光功率就会发生 衰减。该衰减器的工作电压为2 0 _ _ 4 0 v ，插入损耗约为o 引d b ，衰减范围为 o _ 一5 0 d b ，响应时间6 4 u s 。 图卜1 1 挡光片式衰减器( 左：原理图；右：s e m 图) i s a m o t o 等报道的是一种扭镜式的衰减器【3 ，原理和结构如图卜1 2 所示。运 用一个双光纤准直器，反射端是一个反射扭镜，在静电力驱动下，镜子发生偏转， 改变两根光纤的耦合效率，对光能量进行调制。这个器件的驱动电压5 v ，响应 时间 9 0 的结聚。通过k o 妊藏簿h a n d l e w j f e r ，褥到了琢渡璃朕薄顶滕破的类s 结翰， 这可做为制传齑性能袋礤微机械器件的基底。 5 刽造挞撼设计了一耪分矮，金照镞整终构豹予涉型醚滋m s 鼹示元搏。 熬予诱露爱射概念，采用转输矩辉计爨了这个器l 牛戆毙学特蠼，爨转焱不同鳇空 浙江大学博士论文 气腔厚度下可以诱导出高饱和度的红绿蓝三基色，而在p u l l - i n 时，器件吸收可 见光而呈现黑色，因而这种器件不需要外部的分色系统就可以产生全彩色的显 示。 参考文献 f e y m a l lrp t h e r e sp l e n l yo f r o o ma tt l l eb o n o m j o u m a lo f i e ms y s t e m ，1 9 9 2 ，1 ( 1 ) ，6 0 f e y m 锄rpi n f i n i t e s i m a lm a c h n e 够j o u m a lo f m e ms y s 把m 1 9 9 3 ，2 ( 1 ) ，4 s m i t hcs p i e z o r e s i s t a n c ei ng e n l l a l l i u m 柚ds i l i c o n p h y s i c sr e v i e w ，1 9 5 4 ，9 4 ，4 2 k u r t za d h t t p ：w w k u l i t ec o m t e c h m a i n a s p ，i n t e m e ts o u r c e b e a nke a n i s o t r o p i ce t c h j n go fs i l i c o n 1 e e et r 姐s e l e c n u nd e v i c e s ，19 7 8 ，e d 2 5 ，1 18 5 ，a l l l sgd ，p 0 m e m n t zdi _ f i e l da s s i s t e dg i a s s - m e t a ls e a l i n g ，j o u m a lo f a p p l i e dp h y s i c s ， 1 9 6 9 ，4 0 ，3 9 4 6 p e t e r s e nke an e wa g ef b rm e m s t r a n s d u c e r 0 5 ，2 0 0 5 ，1 p 】1 p e t e r s e nk e s j l i c o na s am e c h a n i c a lm a t e r i 面，p r o c e e d i n g so f i e e e ，1 9 8 2 ，7 0 ，4 2 0 f a nls ，t a iyc ，m u l l e rrs 1 c p m c e s s e de l e c t m s t a t j cm i c r o - m o t o r s ：d e s i g i l ，t e