（微电子学与固体电子学专业论文）转动竖直微镜的硅微机械光开关研究.pdf

摘要 转动竖直微镜的硅微机械光开关研究 杨艺榕( 微电子学与固体电子拳) 指导老师：王跃林 摘要 本论文提出一种l x 2 扭转竖直微镜光开关，微镜采用( 1 1 0 ) 硅腐蚀制备而成， 执行器采用变间隙的电容驱动器，光耦含采用球透镜进行，并制作l x 2 光开关器件。 直接光纤耦合的微机械光开关损耗较大，但光束准直后再耦合可以降低损耗。本 文采用球透镜光纤进行光耦合，仔细分析了影响耦合效率的各种因素，高反射率薄膜 是微镜的一个组成部分，对金属薄膜的反射特性进行了计算，金和铝是很好的反射膜 镀层，饱和反射率达到9 7 ，膜厚2 0 0 r i m 。在入射角不大的情况下，偏振相关的反 射率相差很小。 角度偏转是光操作的一种方式，在光开关和光衰减器有广泛的应用，针对固定间 隙的电容，把固定电极做成曲线形状，有效低降低悬臂梁的吸合电压。对执行器的静 电压响应和频率特性进行了模拟计算，在此基础上制作的执行器驱动竖直微镜对光信 号进行偏转。在器件的光学耦合部分设计的固定弹簧有助于光纤的固定。 以( 1 l o ) 硅为衬底，用湿法腐蚀技术制作的表面平整光洁的竖直镜面，是光器 件的关键之一，采用深反应离子刻蚀技术制作的执行器，对微镜进行小角度偏转从而 控制光信号的切换，测得的执行器吸舍电压为6 9 v 和7 3 v ，与模拟的结果较为吻合。 研制的光开关样品测出损耗为4 5 d b ，隔离度为4 5 d b 。测试结果表明，光开关 器件能够实现光切换的功能。 本论文的工作作为“光通信用微光机电关键技术”的一部分成果获褥了“2 0 0 3 年上海市科学技术进步二等奖”。 关键词：微机械，光玎关，竖直微镜，球透镜 中盈辩学院上海微系统与信息技术研究所硕士学住论丈 a b s t r a c t s t u d y o nm e m so p t ic a is w i t c hb a s e do r l v er t i c a it o r s i o n a im i c r o m irr o f y a n gy i r o n g ( m i c r o e l e c t r o n i c sa n d s o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db y ：w a n gy u e l i n a b s t r a c t i nt h i st h e s i s an o v e ll x 2o p t i c a ls w i t c hw a sp r o p o s e d w h i c hi sb a s e do nav e r t i c a l t o r s i o n a lm i c r o m i r r o r m i c r o m i r r o rw a sf a b r i c a t e dw i t h ( 1 lo ) - o r i e n t e ds i l i c o nw a f e rb yw e t e t c h i n gt e c h n o l o g y m i c r o a c t u a t o rw a sc o m p o s e do fac a n t i l e v e ra n d v a r i a b l e g a p e l e c t r o d e s t h eo p t i c a lc o u p l i n gw a sc a r r i e do u tb ya d d i n gap a i ro fb a l ll e n sb e t w e e n f i b e r s t h eo p t i c a ls w i t c hd e v i c e sw e r ed e s i g n e da n dm a d e t h el o s so fm e m s o p t i c a ls w i t c hu s i n gd i r e c tf i b e rc o u p l i n gi sb i g h o w e v e rt h e o p t i c a l1 0 s sc a nb er e d u c e da f t e rt h eo p t i c a lb e a m i sc o l l i m a t e d i nt h et h e s i s ，b a l l l c r i s e s w e r ea d d e di u s tt oc o l l i m a t et h eb e a m t h ei n f l u e n c e df a c t o r sw e r ea n a l y s e di nd e t a i l t h e r e f l e c t e df i l mw i t hh i 吐c o e f f i c i e n t w a sa p a r t o fm i c r o m i r r o r s t h er e f l e c t e d c h a r a c t e r i s t i c sw a se a l c u l a t e do nm e t a lm a t e r i a l st of i n do u tt h a ta l u m i n u ma n dg o l da r et h e b e s tc h o i c e s t h e i rs a t u r a t e dr e f l e c t i v i t yi su dt o9 7 a n dt h et h i c k n e s si sa b o u t2 0 0 n m i n t h er a n g eo f m o d e r a t ei n c i d e n ta n g l e s t h ed i f f e r e n c ed e p e n d e n to np o l a r i z a t i o ni sl i t t l e a n g l ed e f l e c t i o ni sa ne f f e c t i v eo p e r a t i o no no p t i c s ，w h i c hi sw i d e l yu s e di no p t i c a l s w i t c ha n dv a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r i no r d e rt ol o w e rt h ed r i v i n gv o l t a g eo f af i x e d g a s c a p a c i t o r , t h ee d g eo f e l e c t r o d e sw e r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e dw i t hc u _ r v e s t h ed cv o l t a g e a n df r e q u e n c yr e s p o n d sw e r es i m u l a t e d b a s e do nt h ec a l c u l a t i o n s ，t h ea c t u a t o ra n df i x i n g s p r i n gw e r ed e s i g n e d t h ea c t u a t o rw a s u s e dt os t e e rt h eo p t i c a lb e a ma n dt h es p r i n gw a s u s e dt of i xt h ef i b e r av e r t i c a lm i c r o m i r r o rw i t hh i g hs u r f a c eq u a l i t yw a sw e te t c h e do n ( 1 1 0 ) - o r i e n t e d s i l i c o nw a n gw h i c hw a so fs i g n i f i c a n c ei no p t i c a ld e v i c e s ，t h ea c t u a t o rw a sf a b r i c a t e d m a i n l yb yd e e pr e a c t i v ei o ne t c h i n gt e c h n o l o g y t h ep u l l i nv o l t a g e so f t h ea c t u a t o rw e r e t e s t e da b o u t6 9 va n d7 3 v r e s p e c t i v e l y , w h i c hw e r e w e l la g r e e dw i t ht h es i m u l a t e d r e s u l t s ， t h el o s so ft h ed e v e l o p e do p t i c a ls w i t c hw a st e s t e da b o u t4 5 d b ，a n dt h ec r o s s t a l k w a sa b o u t4 5 d b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i c a ld e v i c ec a np e r f o r mt h ef u n c t i o n a so n e p a r to f t h ea c h i e v e m e n t s “m i c r o o p t o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m o e m s ) k e yt e c h n o l o g i e s f o ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n s ”，t h ew o r kw a sa w a r d e dw i t h “s h a n g h a im u n i c i p a lp r i z ef o r s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g yp r o g r e s si n2 0 0 3 ，s e c o n dp r i z e ” i n d e x ：m e m s ，o p t i c a ls w i t c h ，t o r s i o n a lm i r r o r , b a l l l e n s 中国科擘院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 转动竖直撤镜的硅微机械光开关研究 第一章绪论 1 引言 微机械技术是近二十几年来兴起的一项新技术，运用集成电路技术和其他一些特 殊技术，如各向异性腐蚀技术、牺牲层技术、键合技术等，在硅片等衬底材料上制作 尺度从微米量级到毫米量级的微型敏感器、执行器、微系统，微机械技术可以看作是 微电子技术的延伸与发展。 微机械技术的起源可以追溯到s m i t h 发现硅的压阻效应。此后，以硅应变计和 硅压力传感器为研究对象，微加工技术开始发展起来。世界上的第一个硅压阻型压力 传感器在k u l i t e 公司 2 1 问世，而在这之前的1 9 5 9 年，美国诺贝物理奖得主r r f e y n m a n 在加州理工大学的物理年会上发表的演讲pj ，就已经提出在信息存储、分子生物学、 计算机等学科微小型化的概念。 1 9 7 0 年到1 9 8 5 年期间是微机械技术确立其地位的阶段，硅的各向异性湿法腐蚀 技术【4 】和静电键合技术【5 】得到发展并用于传感器的制造，特别是在1 9 8 1 年，s e n s o r s a n da c t u a t o r s 杂志创刊以及国际会议t r a n s c u d e r s 8 l 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【6 1 更是确立了硅作为一种微机械材料的重 要地位。这一时期，微机械压力传感器已经商业化。 从1 9 8 5 年至今，微机械技术得到了迅猛发展。1 9 8 9 年，u c ，b e r k e l e y 率先研制 出直径为1 0 0 p , m 的多晶硅微马达【7j 。在m i c r o t e l e o p e r a t e dr o b o t i c sw o r k s h o p 会议 上第一次提出微电子机械系统( m e m s ：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 这个概 念吼而在欧洲，这项技术也称为微系统技术( m s t ：m i c r os y s t e mt e c h n o l o g y ) 。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 r t i a l m e m s ) ，生物m e m s ( b i o m e m s ) ，光m e m s ( o p t i c a l m e m s ) 和射频m e m s ( r f m e m s ) ，各种新结构和新加工技术不断涌现出来，尤其是1 9 9 2 年m u m p s 技术规范 的推出以及t 9 9 4 年b o s c h 公司深反应离子刻蚀专利的诞生，增强了表面微加工的能 力和体硅加工的能力。 典型的微电子机械系统是一种可相对独立地完成特定任务的集成了微敏感器、微 执行器和处理电路的系统级器件，使得器件不仅具有采集、处理与发送信息或指令的 功能，还能按照指令采取特定的动作，因而大大加强了器件的功能性和智能性【j l 。虽 然我们很难准确地定义m e m s ，但是它应该具备以下四个特征：m e m s 是一个微小 化的结构、元件乃至系统；能实现更高水平的功能；多种功能集成在一个封装里； m e m s 技术能降低器件的成本p j 。 m e m s 技术是微电子技术问世以来，科学与技术发展到定阶段的必然结果。 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，因此，可动结构的加工技术和 驱动技术成为m e m s 的两大关键技术。牺牲层技术、键合技术、m e m s - s o i 技术等 部是为了制作出可动结卡句而发展起来的，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。最典型的是静屯力的执行器，还有磁力的执行器、 热的执行器、相变合金的执行器、压电薄膜的执行器等，权衡材料、加工技术、功耗 和响应时间等多项因素，硅的静电力执行器是首选的微执行器。 微机械技术浇到底是对传统机械进行的微小型化，但事实上，这种过程并不是简 单地等比例缩小，因为在缩小过程中，表面的影响越来越突出，甚至成为主要因素， 中国科举院上海撤系统与信息技术研究所硕士学位论丈 第一章绪论 许多在宏观世界罩可以忽略的效应，如边缘效应、寄生效应、表面力效应，或者次要 因素，如阻尼效应、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。微米尺度下的这些科学问题可以用经典理论来描述和解决，但是需 要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【1 w 。 1 1 几种典型的静电力执行器 在宏观机械中，磁驱动占据统治的地位，但是随着器件尺寸的缩小，静电力驱动 变得更有优势叫，在电压保持不变的情况下，静电力不随结构等比例缩小而减小，而 弹性力、重力等随着结构等比例缩小而减小，所以静电力的驱动效果随结构等比例缩 小而增大，因此在微机械器件中，静电力执行器广泛地应用。 最早的静电力执行器是n a t h a n s o n 于1 9 6 7 年研制出来的谐振器【l “，第一个静电 微马达是f a n l 一s 等于1 9 8 7 年研制出来的【”，此后，各式各样的微马达纷纷报导”】， 掀起了微马达研究的热潮。当时，人们一直期望微马达能像宏观机械一样输出功率， 但后来发现微马达的输出功率不仅非常小【1 8 1 ，还存在摩擦和磨损【1 9 j 等可靠性问题， 所以实用化有一定的困难。但是微马达的出现激起了世界各国研究m e m s 器件的兴 趣和热情，很多国家纷纷设立专项基金研究m e m s 技术和相关器件。 静电梳齿谐振器的研制成功 2 0 】使m e m s 器件向实用化迈进一步，它用弹性梁支 撑，因此运动时不与衬底接触，避免了摩擦和磨损，但会受到空气阻尼的影响。静电 梳齿执行器能产生直线位移和角度位移，最近报道了高度方向上的梳齿执行器产生角 度偏转 2 1 ，此外，静电力扭矩执行器也用来产生角度偏转。 1 11 直线位移型梳齿执行器 直线位移型静电梳齿执行器( l i n e d i s p l a c e m e n tc o m b d r i v ea c t u a t o r ) 最早是作 为谐振器被提出来的，它利用切线方向的静电力作为驱动力，带动质量块振动。切线 静电力与运动位移无关，与电压的平方成正比，所以增大电压能显著地增大驱动力， 刷时许多梳齿并联起来也能线性地增大驱动力。早期的梳齿执行器是用表面微加工技 术制作的，有了深反应离子刻蚀技术以后，具有大深宽比梳齿结构的执行器更加频繁 地被采用。在s o i 衬底上，仅用一块掩模就能够制作出梳齿执行器，工艺更加简单 可行，r o o i j 利用梳齿执行器制作出2 x 2 光开关1 2 。 一般来晚，直线位移型的执行器产生几十微米的位移，更大的位移则需要精心的 设计。对静电梳齿执行器的改进常常集中在支撑梁上，有“蟹脚梁”、“折叠梁”等改 进结构报导，也有弯曲梁的设计。图1 1 是j d su n i p h a s e 公司制作的“非接触锁定” 的光开关芯片，支撑梁被设计成弯曲形状，利用弯曲梁的两种稳态实现了光开关不加 电就能锁定的功能吲。 i o l o n 公司设计了一种预弯曲梁的静电梳齿执行器 “1 ，如图1 2 所示，将普通的 直梁改为弯曲梁，而且将梳齿长度设计成渐变的形式，目的在于克服大位移时梳齿侧 壁之间机械一电的不稳定性。初始状态的梁为弯曲的形状，当驱动电压为1 5 0 v 时， 执行器位移2 0 0 u m ，此时弯曲梁被拉成直梁，与运动方向正交方向的刚度变为最大， 增强了抗吸合的本领，执行器的运动时间为l m s 。 中国科擘院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 转动竖直微镜的硅微机械光开关研完 图1 1j d s u 的2 x 2 m e m s 光开关芯片 图1 2 大位移弯曲粱梳齿执行器 1 1 2 角度位移型梳齿执行器 将梳齿排列在径向等圆周上，用折叠梁或者螺旋线如阿基米德螺线支撑，就形成 了角度位移型静电梳齿执行器( a n g l e d i s p l a c e m e n t c o m b d r i v e a c t u a t o r ) ，产生面内 的角度偏转。i o l o n 公司利用角度位移型静电梳齿执行器开发出l x 4 的微机械光开关【2 4 ( 图1 ，3 ) 和波长可调谐激光器【硐( 图1 4 ) 。在光开关应用中，梳齿执行器带动微镜 在四个角度切换并锁定，控制光路交换。在波长可调谐激光器应用中，梳齿执行器调 节法布里一珀罗腔的腔长，用衍射光栅选定输出波长，发出cb a n d 中各种波长的激 光束。 图1 、3 角度位移型静电梳齿执行器及l x 4 微机械光开关 中国科学腕上海微系兢与信息技术研究所硕士学位论文 第一章绪论 图1 4 用于可调波长激光器的角度位移型静电梳齿执行器 1 1 3 静电抓爬执行器 a k i y a m a 最早提出了- - k e 静电抓爬执行器( 2 6 ( s d a ：s c r a t c hd r i v e a c t u a t o r ) ，它的 爬行原理如图1 5 ( a ) 示意，主体是一个薄的膜片，端水平自由，另一端与衬底接触， 在衬底与膜片之间加上脉冲电压，水平薄膜向衬底弯曲引起接触端上翘，电压撤离后， 以接触线为支点，薄膜往前爬行了一个小的步进，连续的脉冲驱动就牵引着薄膜往前 运动。这种抓爬执行器在前进方向上是自由的，突破了梳齿执行器有限位移的约束， 能在硅片表面做大范围运动，虽然它不能带动宏观的物体，但可以驱动微机械光学元 件，组装成光学系统。静电抓爬执行器的最小步进为1 0 n m ，速度与驱动电压的频率 成正比，文献 2 7 于艮道了静电抓爬执行器在频率从1 0 0 h z 到1 0 0 k h z 下皆能运动，速 度一般为1 3 m m s 。图( b ) 是一个静电抓爬执行器前进后带动弹簧产生的形变图。实 用的是阵列式的抓爬执行器。 ( a ) 静电抓爬执行器的爬行原理 ( b ) 静电抓爬执行器带动弹簧形变图 图1 5 静电抓爬执行器 1 1 4 静电扭矩执行器 三维光交叉互连器件和微机械扫描器的研究推动了静电扭矩执行器( t o r s i o n a c t u a t o r ) 的发展。l u c e n t 公司研制的波长路由器采用了两轴水平扭转的微镜实现光 的三维偏转，改变光线在三维空间的传输，图1 6 为朗讯公司研究的光路由器芯片中 的一个单元微镜。 图1 7 也是一种水平平面内二维扭转的静电驱动结构 2 ，微镜下方的四个电极控 制镜面的三维空间角，x 方向和y 方向上的最大转角为+ 2 度。图1 6 和图1 7 在本 质上是一样的，但是应用的要求和场合不同。为了能在二维扫描中获得最大范围的扫 中国科学院上海微系统与信息技术研宄所硕士学住论文 4 转动竖直徽镜的硅微机械光开关研究 描面积，需对四个驱动电极的电压进行优化组合。 这两种光器件均采用表面微加工的技术制作，为了使微镜的转角尽量大，需要将 微镜水平抬高，l u c e n t 的光器件采用的是高张应力的氮化硅薄膜抬升臂将微镜拾高 7 0 u r n ，图1 7 中的微机械扫描器采用的是s d a 执行器将微镜水平抬升7 2 u r n ，然后锁 定。 图1 6 朗讯公司的光开关微镜 类似于普通梳齿水平面内交叠的情况，将梳齿制作成在高度方向上的交叠，用微 梁悬拉着微镜，微镜能产生扭转运动，如图1 8 所示。因为采用体硅做为镜面，馓镜 的厚度大大增加了，解决了薄膜镜面容易变形的问题。 蹦1 7 用于二维扫描的扭矩执行器 图18 用于一维扫描的梳齿执行器 12 ，m e m s 加工技术 微机械技术按照加工方法的不同可分为表面微机械加工技术、体硅微机械加工技 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 第一幸绪论 术和己f g a 技术等。表面微机槭施工技术在衬底表面沉积各种薄膜，然后进行加工形 成微结构，因此是一种单丽工艺，与i c 工艺兼容性很好，易于单片集成。器件是由 各种各样的薄膜组成，厚度只有几个微米，因此体积和质量都非常小，惯性乜小，适 于制作高速的机械器件，因为检测信号很弱，所以m e m s 器件须与i c 电路单片集成。 体硅微机械加工技术采用各种腐蚀技术对体硅进行加工，以获取大的深宽比。体硅加 ： 的器件质量大、电容大，可以采用混合集成的方式进行驱动和检_ ；9 1 4 ，体谴微机械加 工技术与i c 的兼容性不如表面微机械加工技术。l i g a 技术是利用x 射线曝光出很 厚的光刻胶模具，再利用微电铸工艺制各批量化的零件，但是l i g a 技术需用同步辐 射光源，极大地增加了成本。近年来发展的准l i g a 技术利用深紫外光源在s u 8 胶 一卜实现了较厚的结构，大大降低成本。此外，还有许多技术可以用于m e m s 器件的 制作，如键合技术、浓硼自停止腐蚀技术、电钝化腐蚀技术、多孔硅制备技术等等1 2 。 以上三种技术各有优缺点，它们的加工能力、工艺的兼容性等各有特点，以下简 要介绍这三种技术。 1 2 1 表面微加工技术 表面微加工技术( s u r f a c em i e r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ) 是一种以薄膜沉积、光刻、 腐蚀为基本工艺模块的有机组合序列，这个过程可以用图1 9 来概括。表面微加工技 术的创新思想在于牺牲层技术，有了牺牲层技术，可动的部件就能制作出来了。具有 商腐蚀选择比的各种材料体系皆可用于表面微加工的器件，其中以多晶硅( 结构材料) 和磷硅玻璃( 牺牲层材料) 组成的材料体系最为流行，此外，金属铝( 结构材料) 和 光刻胶( 牺牲层材料) 组成的材料体系也应用于数字微镜器件的制造喁l ，这两种材料 体系都已用于若干产业化的m e m s 器件制作。 图1 9 袭面微加工技术制作流程 自从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p o 推出以后，表面 微加i t 技术至今出现了若干工艺标准，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 u m c n c ) ，c m u ( m o s i s ) 和s c n a m e m s ( m o s i s n i s t ) 。目前，m u m p s 能够提供二层到五层结构层的工艺标准，图1 1 0 是二层多晶硅结构的m u m p s 工艺 削而图。 建立和维持一条m e m s 工艺线需要投入巨额的资本，所以m e m s 工业也仿效i c 工业的模式运作，m e m s 器件的设计和加工逐渐地可以分开来，公司和研究机构只 要对器件进行设计，加工制造可以到m e m s 的加工基地完成。目前，美国、欧洲和 台湾都有m e m s 加工基地。 中圆荦辛学院上海微乐统与信息技术研览所硕士学位论史 6 转动竖直微镜的硅微机械光开关研究 图1 1 0 二层多晶硅结构的m u m p st 艺的( 释放前；释放后) 薄膜的应力控制技术和微结构的释放技术是表面微加工的两个核心技术。单面薄 膜掺杂会在厚度上产生应力梯度，造成薄膜翘曲( 图1 1 1 ) ，为了消除应力梯度，在 多晶硅上下表面同时扩散和退火工艺解决了应力梯度的问题。在微结构释放过程中， 界面力、液体的表面张力会使得微结构黏附在衬底上，造成器件失效，采用二氧化碳 超临界释放工艺或者干法腐蚀释放技术可以解决微结构的黏附问题，文献【3 l j 仔细讨 论了微机械器件中的黏附失效的机理。 图1 1 1 多晶硅潭膜翘曲照片 1 2 2 体硅微加工技术 体硅微加工技术( b u l ks i l i c o nm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g y ) 利用各种腐蚀技术加 工深的微结构，有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。 硅的各向同性湿法腐蚀系统主要指硝酸、氢氟酸、醋酸组成的混合液，溶液的搅 拌程度影响了硅片的等腐蚀速率面，如图1 1 2 所示，腐蚀过程加入搅拌就可以腐蚀 出球面，如果没有搅拌，腐蚀槽的底部是平的，该项技术可用于光学微球面的制作。 硅的各向同性干法腐蚀般用x e f ：作为腐蚀气体，使硅与其他材料的腐蚀比大为提 高，用于m e m s 结构的释放( 图1 1 3 ) 。 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，利用了单晶硅不同晶 向的腐蚀速率不同的原理来获得各种槽结构。利用 1 1 1 晶向的腐蚀速率l l ： 1 0 0 晶向 的腐蚀速率慢得多的特点，用( 1 0 0 ) 晶向的硅片可以制作精度高的v 形槽，用( 1 1 0 ) 晶向的硅片可以制作出垂直的u 形槽，如图1 1 4 。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士擘位论文 图1 1 2 硅各向同性湿法腐蚀图1 1 3 硅各向同性干法腐蚀 o - 图1 1 4 ( 1 0 0 ) 硅片的各向异性湿法腐蚀技术 硅的各向异性干法刻蚀技术是1 9 9 5 年以来新出现的针对m e m s 器件的刻蚀技 术，称作深反应离子刻蚀( d r i e ：d e e pr e a c t i v ei o ne t c h i n g ) i 深反应离子刻蚀技术 对暴露的硅垂直地往下刻蚀，刻蚀速率跟硅的晶向无关，d r i e 技术在制作大深宽比 的垂直结构优势明显，如图1 1 5 。不过，采用b o s c h 专利的d r i e 技术，刻蚀表面是 周期性的起伏，一般在几百纳米，倘若用于光学反射，轰而的粕耥稷唐必须加以减小。 图1 1 5d r i e 技术制作的梳齿以及刻蚀的侧壁显微照片 1 2 3 三维微光刻技术 在m e m s 器件的加工技术里，还发展出一类三维微光刻技术，有利用同步辐射 x 射线曝光的l i g a 技术、深紫外光源曝光的准l i g a 技术、激光立体加工技术等。 l i g a 来自德文的缩写，意思是光刻、电镀和铸模，由于曝光时须采用同步辐射光源， 所以成本相当高。后来发明的准l i g a 技术利用深紫外光源对s u 8 胶进行曝光，制 中国科学院上海徽系统与信息技术研究所硕士学位论寒 转动竖直徽镜的硅微机械光开关研究 作出厚达毫米的胶膜，( 图1 1 6 ) 。激光立体加工技术利用计算机控制的光学系统和激 光的加工能力，直接在厚胶上加工出真正三维的结构，如图1 1 7 。 图1 1 6s u 8 胶模微粱 图1 1 7 激光立体加工出来的三维结构 1 2 4 微光学元件的自组装技术 在微机械光学系统中，由表面微加工技术制作的光学元件在释放工艺结束后并不 是处于工作时的形状和位置，需要将这些光学元件移到目的地并组装成一定的形状， 比如把水平放置的光学元件或竖立起来、或水平抬升，这些操作需要特定的机构和组 装技术来完成，常用到的技术有残应力工程和s d a 组装技术。图1 1 8 是利用铰链结 构和各种执行器将水平薄膜竖立起来的过程图，带有v 槽的膜片起锁定作用。 幽1 1 8 微光学兀件组装过程 在制作薄膜微镜时，总是希望薄膜中的残应力被减小到最弱以保证其平整性，但 是，残应力也能被创造性地用在光学元件的自组装，利用薄膜沉积技术制作厚度方向 上具有张应力梯度的复合粱结构，如多晶硅铬金，或者高应力氮化硅薄膜，机械能 被储存在高应力的薄膜里，当结构释放后，薄膜由于自身的应力发生卷曲，抬升各种 微结构。这种自组装技术的优点是无需人为干预和外加能源，实现自动化和批量化。 下面介绍两个应用。 m c w u 等利用复合薄膜中的残应力将微镜竖立，再抬升起来，如图t 1 9 。为 了让微镜平整将微镜做成夹心的结构。铬金复合膜在这里起两种作用，微镜表面 的铬金超反射作用，悬臂梁上的铬金产生应力梯度。微结构的释放速度取决于牺牲 层的侧向腐蚀快慢，在反射镜薄膜上开出许多释放孔，反射镜最先释放出来，接着窄 的悬臂梁释放出来脱离衬底向上抬升，支起反射镜到竖直位置并被锁定，宽的悬臂梁 最后被释放出来，带着反射镜一起抬升一定高度。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 9 一一 墨二兰竺堕 图11 9 利用复合膜中的残应力自组装 l u c e n t 公司p 埘的自组装技术则是利用四根高张应力的氮化硅薄膜拾升臂将框架 水平地抬高7 0 u r n ，水平框架与竖直支架连接处的锥形结构，保证整个反射镜框架被 水平地拾升到预期高度后被锁定，由于这些结构是通过光刻技术制作的，所以它们之 m 的相对位置相当精确。图1 2 0 绘出一根抬升臂产生的力与长度的曲线，四根抬升 臂产生的维持力超过7 0 u n ，足以抵抗2 0 0 0 9 的冲击，所以说这种结构是很稳定的。 利用s d a 执行器和铰链结构也可以水平地抬升微结构( 图1 7 ) 。它的工作原理 如图1 2 1 ，两组s d a 执行器相向移动相同的距离，通过铰链水平地支起微结构，并 在合适的位置将其锁定。 i b m ”“j - d u ! “一“j l 。f ， 一 穹秘 - - - ! t a h j h ) g b i ： l 且 4 d2 = 3 5 却0 p r t l i 一一d ：7 0 1 t n l l ”o 4 ”訾黑。m 8 m 0 0m 咖1 0 0 m 0 “0 o 。1 4 0 0 图1 2 0 一根抬升臂产生的支撑力曲线图l2 1s d a 自组装示意图 以上简要总结了m e m s 发展的过程，介绍了典型的m e m s 静电执行器以及 m e m s 技术的特点和应用。 2 几种典型的m o e m s 器件 微电子机械系统不仅包含电子线路和机械部件，也可以包含磁、热、流体、电磁 ( 光和微波) 等成分，为了显示微电子机械系统中包含光学应用，常常使用m o e m s ( m i c r o o p t o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 这个词代替m e m s 。m o e m s 可以定义为 任何使用了光学系统的m e m s 器件，是联系光子、电子和微机械结构或者微运动的 器件，光波长从紫外波长的0 2 u r n 到远红外的1 2 u m 。m e m s 器件的平面尺寸与光波 长相比拟，而且对光进行操作只需要非常少的机械能，激发人们对光m e m s 的研究， 同时m e m s 光学系统体积更小、重量更轻、响应速度更快，也是诱人的因素。 光和m e m s 早已互为利用，一方面，光技术是m e m s 加工的基础，m e m s 加工 几乎都要用到光刻技术，激光加工技术的应用也不断增加。另一方面，许多m e m s 中西科学院上海微系统与信息技术研完所硕士华位论吏 1 0 f30124c莹呈寺j*o若 转动竖直撇镜的硅微机械光开关研冗 器件已经证明能够操纵或者探测光，下面着重阐述m e m s 技术在光源、光操作和光 探测三个方面的应用。 2 1 光源 有源光电器件如半导体激光器、l e d 和光探测器绝大多数都是在化合物半导体 材料上制作出来的，如果把牺牲层技术引进来制作可动的反射镜，就能制作可调激光 光源。波长可调激光器是密集波分复用光网路不可或缺的光源，早期的调谐方法利用 热调谐改变激光器的输出波长，波长调谐范围小、速度慢、功耗大。相比之下，m e m s 器件产生的微米量级运动能够精确地改变f p 腔的长度，改变激光器的输出波长，具 有波长调谐范围大、速度快。目前，已经开发出通信用可调波长的边发射激光器( e d g e e m i t t i n gl a s e r ) 和垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 。 2 1 1 可调波长垂直腔面发射激光器 垂直腔面发射激光器产生的光斑在半径方向上是圆分布的，与单模光纤的模场一 致，耦合效率高。将v c s e l 的d b r 与m e m s 悬臂梁集成，就形成了波长可调的垂 直腔面发射激光器。c h a n g h a s n a i n 3 4 】用静电驱动的悬臂梁调节腔长，控制v c s e l 的 波长，可进行2 5 g b i t s 的直接调制，但光输出功率较小，仅l m w 。以该技术为核心 的b a n d w i d t h 9 公司推出了低价位的可变波长模块，图1 2 2 是器件结构图，2 0 个输出 波长响应曲线。 0 喜2 0 l - 4 0 崔 一6 0 8 0 2 0c h a n n e l s 1 0 0g h z w a v e l e n g t h ( r i m 图1 2 2 波长可调激光器结构图、输出波艮 2 1 2 可调波长边发射激光器 采用前面介绍的角度位移梳齿执行器和伺服控制系统，i o l o n 公司研制一种大功 率输出、波长调谐范围宽的激光器 2 5 1 ，它的输出功率可达+ 1 3 d b m ，波长调谐范围覆 盖了cb a n d 和l b a n d3 8 n m ，可用于长途通信。i o l o n 的可调波长激光器用边发射激 光器芯片作为光源，闪耀光栅、透镜等光学元件加上m e m s 技术制作的执行器封装 而成，由于采用了s e g a t e 硬盘公司的高精度伺服控制系统，器件具有波长锁定功能， 波长精度优于1 0 p m 。图1 2 3 为器件的封装结构图和波长电压响应曲线。 。 m e m s 技术应用于外腔可调激光器，是机械式可调谐激光器向微型化方向的发 展。边发射可调激光器是基于成熟的、廉价的f p 型激光器，采用m e m s 的外腔调谐 机构可获取更好的性能，例如：调谐范围很宽( c + l 波段) 、激光线宽窄、波长间隔 窄( 可达2 5 g h z ) 、输出光功率大( 可大2 0 r o w ) 、相对强度噪声比( r i n ) 及边模抑 制比高，这些是其它技术无法比拟的，优势十分明显。它的主要问题是调谐速度为 m s 级，比电流调谐的s g d b r 慢得多，对于以波长为单位交换的全光网络，是可以 胜任的，适用于l o n g h a u l 、m e t r o 、a c c e s s 、s w i t c h i n g 、o a d m 等应用。垂直腔可谓 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 第一章培论 激光器，技术上更为简单，与单模光纤的模场致，耦合效率高，目前主要的问题是 不够成熟、光功率不大，但其成本低廉，可以做成面阵，易于耦合封装，适用于a c c e s s 应用。 图1 2 3 可调波长边发射激光器封装图和波长与屯压响应曲线 2 2 微机械可调光衰减器 可变光衰减器( v o a ) 是d w d m 系统中光功率管理的核心器件。在d w d m 系统 中对光源直接进行功率控制往往会带来负作用，一般不倾向采用，比如会引起波长的 变化，器件的老化等，因而使用v o a 进行功率控制就成为必要。到达接收机的光信 号功率差别很大，在接收功率过大时接收机就会产生饱和，因而必须使用v o a 将接 收光功率衰减到合适的范围。光放大器的增益不平坦，因而造成各波长之间的功率差 别较大。在多级光放大器级联时这问题会更加恶化，此时必须采用光功率管理系统 进行波长间的功率均衡，而v o a 正是功率管理与均衡系统的核心器件。当有信号上 下路时，由于光放大器的增益的重新分配，其他波长的信号功率通常会有较大的波动 起伏，因而必须采用以v o a 为核心的光功率管理系统进行动态管理。 基于m e m s 技术的可调谐光衰减器为w d m 系统提供一种袖珍型、低成本的、 电可调型光衰减器。图1 2 4 为s a n t e c 公司最新开发的m e m sv o a 器件，封装的通 道数可以是l 、4 或8 个，各通道的衰减值线性范围为3 0 d b ，分辨率高于0 1 d b ，电 源为5 vd ，c ，具有4 5 d b 的保护阻挡功能，插损为o 8 d b ，p d l 小于0 2 d b ，不受外 界震动或机械冲击的影响，密封封装确保了产品的长期可靠性 图1 1 2 4s a n t e c 的m e m s 可调光衰减器 2 - 3 自由空间光学 自由空间光学研究光信号在空气或者其他的气体中传播的行为，一些光学元件与 光相互作用并发生诸如反射、折射、衍射、干涉等物理现象，采用m e m s 技术在硅 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学住论文 e u j s口c女g至 拍：协，o嘶i”巧 一窖p，a 转动竖直微镜的硅微机械光开关研究 片上制作光学元件是对宏观光学系统的微小化。传统的光学元件均采用精密机械技术 加工出来，而m e m s 技术很难加工出光学元件的侧壁，利用铰链机构可以将水平的 镜面竖立起来，整个过程需要集成的微执行器进行调整和对准。 根据不同的物理过程，将自由空间光学元件分为四种工作模式讨论：反射模式元 件、折射模式元件、衍射模式元件和干涉模式元件。 2 3 1 反射模式元件 镜面是m e m s 光学中最关键的元件之一。在m e m s 器件中，用很薄的膜片当镜 面或者用整个硅片作镜面，用湿法腐蚀或者干法腐蚀制作镜面，最后再镀上高反射率 的材料，提高镜面的反射率。表面质量、表面轮廓和反射系数是表征反射表面的三个 重要参数。表面质量用表面粗糙度定量，均方根表面粗糙度( r m s ) 一般要小于三 四十纳米才能被接受。表面轮廓偏差是指获得的表面与预期表面之间的符合程度，镜 面的表面轮廓偏差要求不大于波长的十分之一。 2 3 2 折射模式元件 一般说来，要求折射元件的折射率与周围物质的折射率相差大，折射元件的最小 尺寸至少大于工作波长的5 1 0 倍才能起作用，否则衍射效应会使折射效应失效。透 镜是折射模式的主要元件，需要做成一定形状的曲面，m e m s 中的透镜可用表面张 力的原理制得。图1 2 5 是一个m e m s 技术制作的光刻胶折射透镜p 0 1 ，先用厚光刻胶 a z 4 6 2 0 旋涂在多晶硅表面，光刻显影出光刻胶圆柱，然后2 0 0 下回流2 0 分钟，形 成单边球形。利用这种技术制作的透镜f 数范围在1 5 ，直径3 0 u m 5 0 0 u m 。 图1 2 5 m e m s 折射透镜 2 3 3 衍射模式元件 衍射是光束的相位和振幅与微结构相互作用后产生的干涉现象，在m e m s 光学 元件中，有三科c 元件能产生衍射效应：