一种挡光式微机电可变光衰减器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种挡光式微机电可变光衰减器的制造方法。该方法在微纳加工工艺的基础上，采用体硅加工技术制作可变光衰减器的固定挡光板和活动挡光板，通过在固定挡光板、活动挡光板上淀积挡光材料，起到对光束的遮挡限制作用；固定挡光板上制作通光孔，用于约束光斑大小，限制光的衍射作用；通过光刻、刻蚀等工艺制作可变光衰减器的活动挡光板，使活动挡光板能够在外加驱动力的作用下线性运动，通过控制活动挡光板位置，实现对传输光能量的精确调节；最后通过圆片级键合，集成可变光衰减器固定挡光板和活动挡光板，实现对传输光能量的可控调节。上述方法采用常规的微纳加工方法，工艺成熟可靠，制作精度高，可大大降低成本，适用于规模化生产。
【专利说明】—种挡光式微机电可变光衰减器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS制造及工程领域，尤其涉及一种挡光式微机电可变光衰减器的制造方法。
【背景技术】
[0002]光衰减器作为光纤通信中的元器件，可以在外部激励(机械、电力、磁力等)作用下，通过光学元件运动或光学状态的改变，实现对光信号的强度进行调节。光衰减器是光通讯系统中重要的光无源器件之一，可以在光网络中产生可控的衰减，与其他器件匹配很好地实现光增益平坦、动态增益平衡以及传输功率均衡，在光纤通讯、光纤模拟信号传输、光学传感器模拟成像以及光纤测量等领域有着十分重要的应用。
[0003]可变光衰减器衰减量可以改变，能主动精确平衡光功率，对信号实现实时处理，在发展上较具优势。传统的可变光衰减器存在着体积大，成本高，不易集成等缺点，一般只适于单通道衰减方式。随着光通信网络的发展，特别是波分复用技术的应用以及可灵活升级的可重构光分插复用器的潜在需求，越来越需要通道数多而体积小的可变光衰减器。为更好地满足光通信的需求，VOA正朝着高集成、小型化、低成本的方向发展。传统的机械方式已不能解决这些问题，因而出现了基于微纳加工技术的MEMS可变光衰减器。MEMS VOA性能上除了保持传统技术VOA的光学性能外，还具有衰减范围大、驱动电压低、体积小、易于多通道集成、响应速度快和性价比高等优点，具有广泛的应用前景。
[0004]根据光衰减机理不同，微机械可变光衰减器可以划分为两种类型:反射式和挡光式。反射式微机械可变光衰减器一般是利用静电驱动反射镜偏转或变形使反射到输出光纤中的光功率发生改变，有较高的衰减控制精度和较快的反应时间，但其工作电压高，动态衰减范围小，插入损耗较大。
[0005]此外，反射式微机械可变光衰减器需要复杂的光纤对准光路。挡光式可变光衰减器采用微型挡板阻断传输光信号来实现光能量衰减，可实现大范围动态衰减，低插入损耗。挡光式可变光衰减器可以采用多种微机械加工技术来实现，目前国内外报道的主要有表面加工工艺、LIGA技术等、这些加工技术工艺较为复杂，并且目前器件生产的成品率很低，实现产业化还存在技术困难。因此开发一种工艺简单、高制作精度和成品率、低成本的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法对推动MEMS可变光衰减器的实用化具有重要意义。
【发明内容】
[0006](一 )需要解决的技术问题
[0007]针对传统可变光衰减器体积大、成本高、不易集成的缺点，现有的挡光式可变光衰减器加工工艺复杂、成品率低的问题，本发明提出了一种挡光式微机电可变光衰减器的制作方案，采用微纳加工技术制作，工艺简单，制作精度高，易集成。这些技术突破大大提高了器件的制作精度和成品率，有效降低了制作成本，有利于规模化生产。
[0008]( 二 )技术方案[0009]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，该方法包括固定挡光板和活动挡光板的制作、固定挡光板和活动挡光板的键合；
[0010]其中，固定挡光板的制作包括:
[0011]在基片I的正面光刻、刻蚀形成凹槽结构；
[0012]基片I的背面刻蚀形成通光孔，所述通光孔和凹槽结构相连通；
[0013]基片I的正面淀积挡光材料，形成遮光层，完成固定挡光板的制作；
[0014]所述活动挡光板的制作包括:
[0015]基片II的双面淀积介质薄膜；
[0016]刻蚀基片II背面的介质薄膜，形成刻蚀孔；
[0017]基片II的正面淀积挡光材料，并刻蚀挡光材料，形成挡光结构及导线图形；
[0018]根据所述挡光结构及导线图形依次刻蚀介质薄膜及基片II正面，形成活动挡光板弹性结构；
[0019]基片II的背面的刻蚀孔处进行湿法腐蚀，形成凹槽结构；
[0020]刻蚀所述凹槽结构底部形成通光孔，使活动挡光板弹性结构悬空，完成活动挡光板的制作；
[0021]所述固定挡光板和活动挡光板的键合包括:
[0022]分别在制作好的固定挡光板结构的基片I背面和活动挡光板结构的基片II正面淀积键合材料，通过光刻、刻蚀工艺形成键合结构，对基片I和基片II进行对准，使固定挡光板上的通光孔正对活动挡光板的通光孔，然后在一定的键合温度、压强下进行键合，完成可变光衰减器的制作。
[0023](三)有益效果
[0024]从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是:
[0025]1.本发明提供了一种挡光式可变光衰减器的制造方法，整个制作步骤只需要四块掩膜版，工艺步骤简单，所采用的都是常规的MEMS微纳加工方法，不需要昂贵耗时的加工设备，技术成熟，成本低，制作精度高，有利于实现高成品率制作，适用于大规模生产。
[0026]2.本发明采用固定遮光板与可动MEMS器件的集成方法，有效控制了光斑大小，减小了器件尺寸，有利于与CMOS器件集成。
[0027]3.本发明提出了在固定挡光板和可动挡光板上制作凹槽结构，有利于限制光纤，简化了对准和装配，大大提高了成品率。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1示出了本发明提出的一种挡光式微机电可变光衰减器的结构图；
[0029]图2示出了本发明中活动挡光板弹性结构的俯视图；
[0030]图3(a)-图3(d)示出了本发明提出的挡光式微机电可变光衰减器的固定挡光板的制作方法工艺流程图；
[0031]图4(a)-图4(f)示出了本发明提出的挡光式微机电可变光衰减器的活动挡光板的制作方法的工艺流程示意图。
【具体实施方式】[0032]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0033]图1示出了本发明提出的一种挡光式微机电可变光衰减器的结构图。如图1所示，所述挡光式微机电可变光衰减器具体包括:固定挡光板和活动挡光板，所述固定挡光板和活动挡光板分别由基片I和基片II制作，固定挡光板和活动挡光板键合制作成可变光衰减器。所述基片I包括硅晶片、含氧化硅中间层和单晶硅器件层的SOI片、玻璃片或其它常用衬底基片；所述基片II包括硅晶片或含氧化硅中间层和单晶硅器件层的SOI片。
[0034]其中，基片I的正面上制作有固定档光板凹槽结构4，凹槽结构4的底部具有固定挡光板通光孔7，延伸至基片I的背面；在所述基片I的正面、凹槽结构4的表面和通光孔7的表面覆盖有一层遮光薄膜层8，其为挡光材料。
[0035]基片II从下至上依次包括体硅22，掩埋氧化层21和顶层硅20，体硅22下表面具有凹槽结构17，凹槽结构17的底部具有通光孔18，其延伸至顶层硅20的下表面；顶层硅20上刻蚀有活动挡光板弹性结构14，活动挡光板弹性结构14由具有挡光结构的折叠梁结构构成，活动挡光板弹性结构14上淀积有薄膜2和遮光层8，薄膜2用于遮光层8与活动挡光板弹性结构14之间的绝缘。
[0036]图2示出了本发明中所述活动挡光板弹性结构的俯视图。如图2所示，所述活动挡光板弹性结构为折叠梁结构形式，图1为经过图2所示虚线的剖面图。所述活动挡光板弹性结构14下表面的掩埋氧化层21被腐蚀掉后，所述活动挡光板弹性结构14相对于掩膜氧化层21和体硅22悬空，具体为折叠梁结构，且其正对通光孔18上方处具有一挡光结构9，由折叠梁部分支撑，在外力的驱动下，该挡光结构9可以发生平移，即对准通光孔18或从通光孔18偏移，其在对准通光孔18时，挡光结构9上的遮光层8将固定挡光板下表面的通光孔7完全遮住，以阻断进入通光孔7的输入光纤中的光；当其从通光孔18正上方平移之后，可以打开通光孔7，使得输入光纤中的光通过通光孔7入射至通光孔18，进而进入通光孔18另一侧的输出光纤。
[0037]可见，所述活动挡光板弹性结构在外力驱动下，在输入光纤和输出光纤之间移入或移出，全部或部分阻断传输光的通过，调节进入输出光纤的传输光能量。
[0038]本发明提出了一种挡光式微机电可变光衰减器制作方法。利用微纳加工技术制作可变光衰减器的固定挡光板和活动挡光板，
[0039]图3(a)?图3(d)示出了本发明中提出的挡光式微机电可变光衰减器的固定挡光板的制作方法工艺流程图。如图3(a)?图3(d)所示，该具体制作过程包括:
[0040]步骤1、选择基片I制备固定挡光板，基片I可以是硅晶片、含氧化硅中间层和单晶硅器件层的SOI片、玻璃片或其它常用衬底基片，在基片I的正面和背面上低压化学气相淀积LPCVD介质薄膜2，介质薄膜2可以为氮化硅薄膜或氧化硅薄膜，用作绝缘层以及湿法腐蚀基片II的掩膜，并对硅片I正面的介质薄膜2上进行光刻、干法刻蚀形成刻蚀孔，如图3 (a)所示；
[0041]步骤2、采用KOH或TMAH各向异性湿法腐蚀或各向异性反应离子干法刻蚀的方法刻蚀所述刻蚀孔中的基片I，形成凹槽结构4，用于对准、限制和固定输入光纤，如图3 (b)所示；
[0042]步骤3、在凹槽结构4的表面和硅片I正面剩余的薄膜2正面电子束蒸发一层金属5，金属5可以为铝或铬，作为背面刻蚀挡光孔的截止层，并同时起到导热作用，以保证晶片在刻蚀过程中能够被有效冷却，如图3(c)所示；
[0043]步骤4、对基片I背面的薄膜2进行光刻、刻蚀形成刻蚀孔，采用干法刻蚀方法，从所述刻蚀孔露出的硅片I背面进行刻蚀，直至刻蚀到硅片I正面的金属层5，形成通光孔7，该通光孔7用于控制光斑大小，限制衍射作用，并用于对准限制光纤，方便装配；如图3(c)所示；
[0044]步骤5、去除金属层5及双面薄膜2 ；
[0045]步骤6、在基片I上淀积薄膜形成挡光层8，挡光层8可以是氧化锡铟膜(ITO)等金属氧化物、铝、金等金属或其它对入射光具有高反射率的薄膜材料，用于遮挡输入光线，如图3(d)所示，完成固定挡光板的制作。
[0046]图4(a)?图4(f)示出了本发明中提出的挡光式微机电可变光衰减器的活动挡光板的制作方法的工艺流程示意图。如图4(a)?图4(f)所示，该活动挡光板的具体制作工艺包括:
[0047]步骤1、以(100)晶向SOI片作为制备可动挡光板的基片II，包括顶层硅20，掩埋氧化层21和体硅22，在SOI片正面和背面上低压化学气相淀积LPCVD介质薄膜2，薄膜2可以为二氧化硅或氮化硅，对SOI片背面的介质薄膜2进行光刻、刻蚀，形成刻蚀孔，如图4 (a)所示；
[0048]步骤2、在SOI片正面的薄膜2上电子束蒸发金属层8，该金属层可以为Cr/Au ;然后以光刻胶为掩膜，湿法腐蚀金属层8形成挡光结构及导线图形13，所述挡光结构图形用于反射遮挡入射光线，导线图形用于实现电学互联，如图4(b)所示；
[0049]步骤3、根据所述挡光结构及导线图形13对SOI片正面进行光刻、依次刻蚀氮化硅薄膜2、顶层硅20、掩埋氧化层21，形成活动挡光板弹性结构14，如图4(c)所示；所述活动挡光板弹性结构14为折叠梁结构形式，且该折叠梁正对通光孔处具有挡光结构9 ；
[0050]步骤4、在SOI片正面形成的活动挡光板弹性结构14上电子束蒸发一层金属5，金属5可以为铝或铬，作为背面刻蚀通光孔的截止层，并同时起到导热作用，以保证晶片在刻蚀过程中能够被有效冷却；
[0051]步骤5、采用KOH湿法腐蚀的方法，从SOI片背面露出体硅22的位置刻蚀体硅22，刻蚀一定时间后形成凹槽结构17，用于对准、限制和固定输出光纤，如图4(d)所示；
[0052]步骤6、从SOI片背面的凹槽结构17干法刻蚀体硅22直至金属层5，形成通光孔18，如图4(e)所示；
[0053]步骤7、采用HF从背面去除活动挡光板弹性结构14下的掩埋氧化层21，从正面去除截止层金属5，释放结构使活动挡光板弹性结构悬空，形成折叠梁，如图4(f)所示，完成活动挡光板的制作。该步骤中利用MEMS工艺释放牺牲层，使结构层悬空，从而成为可动的机械结构，图形为折叠梁，折叠梁末端两端连接在顶层硅未刻蚀部分，这里只是剖面图，图形另一侧连接部分未画出。通过释放使活动挡光板悬空，形成可动结构，用于在外力驱动下，在输入光纤和输出光纤之间移动，全部或部分阻断传输光的通过，调节进入输出光纤的传输光能量。
[0054]分别在基片I背面和基片II正面淀积键合材料，通过光刻、刻蚀工艺在基片I背面外围和基片II正面外围相对应的位置形成环形键合结构23，在光刻机上对基片I和基片II进行对准，使固定挡光板上的通光孔正对活动挡光板的通光孔，然后放入键合机中，在一定的键合温度、压强条件下进行键合，完成可变光衰减器的制作。所述键合材料为环氧树脂、光刻胶、金或锡，所述键合温度、压强由所选择的键合材料决定。
[0055]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，该方法包括固定挡光板和活动挡光板的制作、固定挡光板和活动挡光板的键合； 其中，固定挡光板的制作包括: 在基片I的正面光刻、刻蚀形成凹槽结构； 基片I的背面刻蚀形成通光孔，所述通光孔和凹槽结构相连通； 基片I的正面淀积挡光材料，形成遮光层，完成固定挡光板的制作； 所述活动挡光板的制作包括: 基片II的双面淀积介质薄膜； 刻蚀基片II背面的介质薄膜，形成刻蚀孔； 基片II的正面淀积挡光材料，并刻蚀挡光材料，形成挡光结构及导线图形； 根据所述挡光结构及导线图形依次刻蚀介质薄膜及基片II正面，形成活动挡光板弹性结构； 基片II的背面的刻蚀孔处进行湿法腐蚀，形成凹槽结构； 刻蚀所述凹槽结构底部形成通光孔，使活动挡光板弹性结构悬空，完成活动挡光板的制作； 所述固定挡光板和活动挡光板的键合包括: 分别在制作好的固定挡光板结构的基片I背面和活动挡光板结构的基片II正面淀积键合材料，通过光刻、刻蚀工艺形成键合结构，对基片I和基片II进行对准，使固定挡光板上的通光孔正对活动挡光板的通光孔，然后在一定的键合温度、压强下进行键合，完成可变光衰减器的制作。
2.根据权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于，所述基片I包括硅晶片、含氧化硅中间层和单晶硅器件层的SOI片、玻璃片或其它常用衬底基片；所述基片II包括硅晶片或含氧化硅中间层和单晶硅器件层的SOI片。
3.根据权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于，制作固定挡光板时，采用KOH或TMAH各向异性湿法腐蚀或各向异性反应离子干法刻蚀形成凹槽结构；所述通光孔采用干法刻蚀形成，其用于控制光斑大小、限制衍射作用和对准限制光纤。
4.根据权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于，制作活动挡光板时，采用HF湿法腐蚀或各向异性反应离子干法刻蚀的方法，刻蚀基片II背面的介质薄膜；采用剥离、湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，刻蚀所述挡光材料，形成挡光结构及导线图形；采用各向异性反应离子干法刻蚀所述介质薄膜及基片II正面，形成活动挡光板弹性结构；采用KOH或TMAH各向异性湿法腐蚀基片II背面，形成凹槽结构；采用各向异性反应离子干法刻蚀凹槽结构底部，形成通光孔。
5.根据权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于，所述介质薄膜为氮化硅薄膜或氧化硅薄膜，用作绝缘层以及湿法腐蚀基片II的掩膜。
6.根据权利要求1所述的挡光式微机电`可变光衰减器的制造方法，其特征在于，所述挡光材料为金属氧化物、金属或其它对入射光具有高反射率的薄膜材料。
7.根据权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于:所述键合材料为环氧树脂、光刻胶、金或锡。
8.根据权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于:所述键合温度、压强由所选择的键合材料决定。
9.根据权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于:所述活动挡光板弹性结构可在外力驱动下发生平移，以遮挡或打开固定挡光板上的通光孔。
10.如权利要求1所述的挡光式微机电可变光衰减器的制造方法，其特征在于:所述活动挡光板弹性结构为具有挡光结构的折叠梁结构，且所述挡光结构位于固定挡光板上通光孔和活动挡光板上通光孔 之 间。
【文档编号】B81C1/00GK103576242SQ201310511425
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】毛旭, 魏伟伟, 吕兴东, 杨晋玲, 杨富华 申请人:中国科学院半导体研究所