专利名称：一种单向扭转的高平衡可变光衰减器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种衰减器及其制备方法，具体来说，涉及一种单向扭转的高平衡可变光衰减器及其制备方法。
背景技术：
可变光衰减器(文中简称:V0A)是光网络中的一种重要的光纤无源器件，是组成光放大器的关键部件，在光纤通信系统中起到功率平衡的关键作用。微机电系统(文中简称:MEMS)可变光衰减器性能可靠，结构紧凑，造价低廉，易于批量生产，具有广泛的发展前景。目前的MEMS光衰减器主要有微镜结构，通过静电驱动实现微镜的上下偏转。驱动结构有平板型和梳齿型，平板型难以实现线性控制，梳齿则需要上下交叠，上下梳齿的加工涉及对准和隔离等问题，因此工艺相对复杂，如果梳齿集中在一边，可能造成结构不对称，容易失衡。
发明内容
技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提供一种单向扭转的高平衡可变光衰减器，该可变光衰减器结构简单，采用梳齿驱动，可实现任意位置精确控制微镜的扭转角度；同时，本发明还提供该可变光衰减器的制备方法，该制备方法简单，可靠性高，且加工精度高。技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种单向扭转的高平衡可变光衰减器，该可变光衰减器包括上部设有空腔的衬底、固定连接在衬底空腔中的固定梳齿单元、位于衬底上方的两个活动电极区、微镜、活动梳齿单元和两根支杆，活动电极区与衬底之间设有第一二氧化硅绝缘层，两根支杆的一端均与微镜固定连接，两根支杆 的另一端均通过扭转杆与一个活动电极区固定连接；活动梳齿单元固定连接在支杆的侧面，且活动梳齿单元位于固定梳齿单元的上方，固定梳齿单元位于支杆的一侧，固定梳齿单元中的固定梳齿与活动梳齿单元中的活动梳齿交错布置；微镜、活动梳齿单元、支杆和扭转杆均处于悬空状态。进一步，所述的活动梳齿单元位于两根支杆的两侧，且沿支杆相互对称。上述的单向扭转的高平衡可变光衰减器的制备方法，该制备方法包括以下步骤:步骤10)选取起始硅片:选取由(100)晶向高掺杂衬底和硅膜制成的SOI硅片作为起始硅片；soi硅片中含有第一二氧化硅绝缘层；步骤20)采用热氧化方法，在起始硅片顶面生长一层第二二氧化硅绝缘层，然后采用旋涂工艺，在第二二氧化硅绝缘层顶面覆盖一层光刻胶层，采用光刻工艺，在光刻胶层上刻蚀第一孔，当刻蚀到第二二氧化硅绝缘层顶面时，利用氢氟酸溶液，腐蚀掉第一孔中的第二二氧化硅绝缘层，接着再采用干法感应耦合等离子体工艺，在硅膜中向下刻蚀第一孔，当刻蚀到第一二氧化硅绝缘层顶面时，再利用氢氟酸溶液，腐蚀掉第一孔中的第一二氧化硅绝缘层；随后采用八氟化四碳气体干法刻蚀工艺，在第一孔的壁面和底面上淀积保护层，最后采用离子轰击，去掉位于第一孔底面上的保护层；步骤30 )采用干法感应耦合等离子体工艺，沿着第一孔向下刻蚀衬底，在衬底上形成第二孔；步骤40)采用各向同性等离子干法刻蚀工艺，刻蚀位于第一孔下方的衬底，使第二孔的孔径变宽；步骤50)采用氢氟酸溶液腐蚀掉位于硅膜上方的第二二氧化硅绝缘层和位于第一孔壁面上的保护层，然后采用外延工艺，在第一孔中进行硅外延生长，封闭第二孔；步骤60)光刻衰减器部件:采用光刻板，对硅膜进行梳齿光刻，一直刻到衬底空腔底部，形成活动梳齿、固定梳齿、微镜、活动电极区、支杆和扭转杆，制成可变光衰减器。有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:(I)可精确控制微镜的扭转角度。本发明的可变光衰减器，在衬底和一个活动电极区之间施加静电，通过扭转杆和支杆的传递，固定梳齿单元和与该固定梳齿单元对应的活动梳齿单元之间产生静电驱动力。由于固定梳齿单元仅布置在支杆的一侧，微镜仅单向扭转。由于衬底和活动电极区之间施加的静电大小，仅受外加电压影响，因此，通过控制外加电压，可在任意位置精确控制微镜的扭转角度。(2)器件可靠性高。本发明的可变光衰减器，活动梳齿单元位于两根支杆的两侧，且沿支杆相互对称。当不在衬底和两个活动电极区之间施加静电时，由于两组活动梳齿单元沿支杆和微镜对称设置，所以可变光衰减器可以保持较好的平衡。也就是说，该可变光衰减器不施加静电时，微镜的镜面保持水平状态。如果只在支杆一侧设置活动梳齿单元，那么不对可变光衰减器施加静电时，微镜就向设有活动梳齿单元的一侧发生倾斜，不能保证器件本身测量的稳定性和准确性。设置两组活动梳齿单元，且位于两根支杆的两侧，有利于提高器件的可靠性。(3)制备方法简单易操作，可靠性高，且加工精度高。本发明的制备方法采用半导体工艺，结合深硅刻蚀加工实现，工艺可靠性高。该制备方法采用SOI晶圆单面加工实现，不需要通过背面加工和硅硅键合，可有效保证加工成品率，适合批量化产品的推广应用。该制备方法仅在硅片上表面加工，且上下梳齿不需要套刻对准，位于两根支杆两侧的活动梳齿单元相对微镜对称设置，结构稳定性好。由于上下两层梳齿(即固定梳齿和活动梳齿)是一次光刻和刻蚀成型，没有对准偏差，因此可靠性高，且加工精度高。
图1是本发明中可变光衰减器的结构示意图。图2是图1中沿A-A向剖视图。图3是图1中沿B-B向剖视图。图4是本发明制备方法中步骤20)完成后的结构示意图。图5是本发明制备方法中步骤30)完成后的结构示意图。图6是本发明制备方法中步骤40)完成后的结构示意图。图7是本发明制备方法中步骤50)完成后的结构示意图。图中有:衬底1、活动电极区2、微镜3、固定梳齿单元4、活动梳齿单元5、支杆6、扭转杆7、第一二氧化娃绝缘层8、光刻胶层9、第二二氧化娃绝缘层10、保护层11、第一孔12、第二孔13、硅膜14。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。如图1至图3所示，本发明的单向扭转的高平衡可变光衰减器，包括上部设有空腔的衬底1、固定连接在衬底I空腔中的固定梳齿单元4、位于衬底I上方的两个活动电极区
2、微镜3、活动梳齿单元5和两根支杆6。活动电极区2与衬底I之间设有第一二氧化硅绝缘层8。第一二氧化硅绝缘层8固定连接在活动电极区2与衬底I之间。也就是说，两个活动电极区2均通过一个第一二氧化硅绝缘层8与衬底I隔离。两根支杆6的一端均与微镜3固定连接，两根支杆6的另一端均通过扭转杆7与一个活动电极区2固定连接。微镜3呈圆形，支杆6和扭转杆7均位于微镜3的轴线上。活动梳齿单元5固定连接在支杆6的侧面，且活动梳齿单元5位于固定梳齿单元4的上方。活动梳齿单元5和固定梳齿单元4之间有空隙。固定梳齿单元4位于支杆6的一侧。固定梳齿单元4中的固定梳齿与活动梳齿单元5中的活动梳齿交错布置。也就是说，位于支杆6 —侧的固定梳齿单元4，仅和与该固定梳齿单元4同侧的活动梳齿单元5交错布置，且该活动梳齿单元5位于固定梳齿单元4上方,活动梳齿单元5的底端和固定梳齿单元4的顶端在纵向有空隙。固定梳齿单元4中的每个固定梳齿位于活动梳齿单元5中相邻的两个活动梳齿之间下方。固定梳齿单元4中的固定梳齿与活动梳齿单元5中的活动梳齿不是上下一一对应，而是交错布置，且固定梳齿和活动梳齿在纵向没有重叠部位。微镜3、活动梳齿单元5、支杆6和扭转杆7均处于悬空状态。进一步，所述的活动梳齿单元5位于两根支杆6的两侧，且沿支杆6相互对称。活动梳齿单元5可以仅布置在支杆6的一侧，位于固定梳齿单元4上方。但是，优选活动梳齿单元5位于两根支杆6的两侧，且沿支杆6相互对称。此时，固定梳齿单元4仍然仅布置在支杆6的一侧。活动梳齿单元5位于两根支杆6的两侧，且沿支杆6相互对称。这可保证微镜受力平衡，增加了器件的可靠性。进一步，所述的活动电极区2和衬底I均为低阻材料制成，且活动梳齿单元5、微镜
3、支杆6、扭转杆7和活动电极区2均为同一种材料制成；固定梳齿单元4和衬底I均为同一种材料制成。低阻材料可以为高掺杂磷的硅、高掺杂硼的硅，或者高掺杂砷的硅。本发明的可变光衰减器中，衬底I作为支撑体，同时固定梳齿单元4设置在衬底I的上部的内凹腔内，活动梳齿单元5及微镜3通过支杆6和扭转杆7与活动电极区2相连并悬空。活动电极区2的下部通过第一二氧化硅绝缘层8与衬底I连接。本发明的可变光衰减器采用单向扭转的交错布置的梳齿静电驱动结构。该梳齿静电驱动结构采用交错布置的固定梳齿和活动梳齿，包括一组嵌在衬底I上的固定梳齿单元4和位于固定梳齿单元4上方且与该固定梳齿单元4对应的一组活动梳齿单元5。固定梳齿单元4和与该固定梳齿单元4对应的活动梳齿单元5之间有微小的间隔，且电隔离。活动梳齿5和衬底I电绝缘。固定梳齿单元4和与该固定梳齿单元4对应的活动梳齿单元5组成梳齿静电驱动结构。活动梳齿单元5可以为两组，且沿支杆6相互对称。一组活动梳齿单元5下方有固定梳齿单元4，另一组活动梳齿单元5下方没有固定梳齿单元4。当不在衬底I和两个活动电极区2之间施加静电时，由于两组活动梳齿单元5的对称性，所以该可变光衰减器可以保持较好的平衡。上述结构的单向扭转的高平衡可变光衰减器的工作过程是:在衬底I和一个活动电极区2之间施加静电，通过扭转杆7和支杆6的传递，固定梳齿单元4和与该固定梳齿单元4对应的活动梳齿单元5之间产生静电驱动力。活动梳齿单元5中的活动梳齿向固定梳齿单元4偏转，且活动梳齿向两个相邻的固定梳齿之间的空隙扭转。由于固定梳齿单元4仅布置在支杆6的一侧，微镜3仅单向扭转。如图1所示，微镜3的右部区域没有固定梳齿单元，因此只要在衬底I和活动电极区2之间施加静电，则静电力将驱使由微镜3向衬底I左部方向扭转。上述单向扭转的高平衡可变光衰减器的制备方法，包括以下步骤:步骤10)选取起始硅片:选取由(100)晶向高掺杂衬底I和硅膜14制成的SOI硅片作为起始硅片；S0I硅片中含有第一二氧化硅绝缘层8。步骤20)如图4所示，采用热氧化方法，在起始硅片顶面生长一层第二二氧化硅绝缘层10，然后采用旋涂工艺，在第二二氧化硅绝缘层10顶面覆盖一层光刻胶层9，采用光刻工艺，在光刻胶层9上刻蚀第一孔12，当刻蚀到第二二氧化硅绝缘层10顶面时，利用氢氟酸溶液，腐蚀掉第一孔12中的第二二氧化硅绝缘层10，接着再采用干法感应耦合等离子体工艺，在硅膜14中向下刻蚀第一孔12，当刻蚀到第一二氧化硅绝缘层8顶面时，再利用氢氟酸溶液，腐蚀掉第一孔12中的第一二氧化硅绝缘层8 ;随后采用八氟化四碳气体干法刻蚀工艺，在第一孔12的壁面和底面上淀积保护层11，最后采用离子轰击，去掉位于第一孔12底面上的保护层11。步骤30)如图5所示，采用干法感应耦合等离子体工艺，沿着第一孔12向下刻蚀衬底1，在衬底I上形成第二孔13 ;第二孔13的深度优选为2 —10微米。步骤40)如图6所示，采用各向同性等离子干法刻蚀工艺，刻蚀位于第一孔12下方的衬底I，使第二孔13的孔径变宽。步骤50)如图7所示，采用氢氟酸溶液腐蚀掉位于硅膜14上方的第二二氧化硅绝缘层10和位于第一孔12壁面上的保护层11，然后采用外延工艺，在第一孔12中进行硅外延生长，封闭第二孔。步骤60)光刻衰减器部件:采用光刻板，对硅膜14进行梳齿光刻，一直刻到衬底I空腔底部，形成活动梳齿、固定梳齿、微镜3、活动电极区2、支杆6和扭转杆7，制成可变光衰减器。在步骤60)中，活动梳齿单元5中的活动梳齿和固定梳齿单元4中的固定梳齿是一次刻蚀完成，无需对准。同时，微镜3、活动电极区2、支杆6和扭转杆7也一次刻蚀完成。这些部件的位置由光刻板决定，且自动对准并完成。上述制备方法以绝缘体上的硅(文中简称SOI)结合体硅深刻蚀加工技术实现。该制备方法首先选取SOI圆片，SOI圆片的衬底层就是可变光衰减器的衬底1，S0I圆片的中间氧化层就是第一二氧化硅绝缘层8，SOI圆片上面的硅膜用于制造活动梳齿单元5、微镜3、支杆6和扭转杆7。首先在SOI圆片上的硅膜开小孔(即第一孔12)阵列，以露出中间的第一二氧化硅绝缘层8，通过腐蚀去掉小孔中的第一二氧化硅绝缘层8后，再进行各向同性衬底I腐蚀，形成空腔，然后生长硅膜填充小孔(即第一孔12)，最后进行上下梳齿的加工。活动梳齿和固定梳齿采用一次光刻和刻蚀完成。
该制备方法只是在硅片正面进行加工，因此加工工艺相对简单，且保证了加工精度。采用SOI硅片进行加工，保证了圆片的加工的厚度均匀性，器件的加工成品率好，活动梳齿相对微镜均匀分布，保证了结构的平衡性，有利于提高器件的工作稳定性和可靠性。
权利要求
1.一种单向扭转的高平衡可变光衰减器，其特征在于，该可变光衰减器包括上部设有空腔的衬底(1)、固定连接在衬底(1)空腔中的固定梳齿单元(4)、位于衬底(1)上方的两个活动电极区(2)、微镜(3)、活动梳齿单元(5)和两根支杆(6)，活动电极区(2)与衬底(1)之间设有第一二氧化硅绝缘层(8 )，两根支杆(6 )的一端均与微镜(3 )固定连接，两根支杆(6 )的另一端均通过扭转杆(7)与一个活动电极区(2)固定连接；活动梳齿单元(5)固定连接在支杆(6)的侧面，且活动梳齿单元(5)位于固定梳齿单元(4)的上方，固定梳齿单元(4)位于支杆(6)的一侧，固定梳齿单元(4)中的固定梳齿与活动梳齿单元(5)中的活动梳齿交错布置；微镜(3)、活动梳齿单兀(5)、支杆(6)和扭转杆(7)均处于悬空状态。
2.按照权利要求1所述的单向扭转的高平衡可变光衰减器，其特征在于，所述的活动梳齿单元(5)位于两根支杆(6)的两侧，且沿支杆(6)相互对称。
3.按照权利要求1所述的单向扭转的高平衡可变光衰减器，其特征在于，所述的活动电极区(2)和衬底(1)均为低阻材料制成，且活动梳齿单元(5)、微镜(3)、支杆(6)、扭转杆(7)和活动电极区(2)均为同一种材料制成；固定梳齿单元(4)和衬底(1)均为同一种材料制成。
4.按照权利要求3所述的单向扭转的高平衡可变光衰减器，其特征在于，所述的低阻材料为高掺杂磷的硅、高掺杂硼的硅，或者高掺杂砷的硅。
5.一种权利要求1所述的单向扭转的高平衡可变光衰减器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤: 步骤10)选取起始硅片:选取由(100)晶向高掺杂衬底(1)和硅膜(14)制成的SOI硅片作为起始硅片；S0I硅片中含有第一二氧化硅绝缘层(8)； 步骤20)采用热氧化方法，在起始硅片顶面生长一层第二二氧化硅绝缘层(10)，然后采用旋涂工艺，在第二二氧化硅绝缘层(10)顶面覆盖一层光刻胶层(9)，采用光刻工艺，在光刻胶层(9)上刻蚀第一孔(12)，当刻蚀到第二二氧化硅绝缘层(10)顶面时，利用氢氟酸溶液，腐蚀掉第一孔(12)中的第二二氧化硅绝缘层(10)，接着再采用干法感应耦合等离子体工艺，在硅膜(14)中向下刻蚀第一孔(12)，当刻蚀到第一二氧化硅绝缘层(8)顶面时，再利用氢氟酸溶液，腐蚀掉第一孔(12)中的第一二氧化硅绝缘层(8);随后采用八氟化四碳气体干法刻蚀工艺，在第一孔(12)的壁面和底面上淀积保护层(11 )，最后采用离子轰击，去掉位于第一孔(12)底面上的保护层(11)； 步骤30)采用干法感应耦合等离子体工艺，沿着第一孔(12)向下刻蚀衬底(1)，在衬底(1)上形成第二孔(13); 步骤40)采用各向同性等离子干法刻蚀工艺，刻蚀位于第一孔(12)下方的衬底(1)，使第二孔(13)的孔径变宽； 步骤50)采用氢氟酸溶液腐蚀掉位于硅膜(14)上方的第二二氧化硅绝缘层(10)和位于第一孔(12)壁面上的保护层(11)，然后采用外延工艺，在第一孔(12)中进行硅外延生长，封闭第二孔； 步骤60)光刻衰减器部件:采用光刻板，对硅膜(14)进行梳齿光刻，一直刻到衬底(1)空腔底部，形成活动梳齿(5)、固定梳齿(4)、微镜(3)、活动电极区(2)、支杆(6)和扭转杆(7)，制成可变光衰减器。
6.按照权利要求5所述的单向扭转的高平衡可变光衰减器的制备方法，其特征在于，所述的步骤30)中， 第二孔(13)的深度为2 —10微米。
全文摘要
本发明公开了一种单向扭转的高平衡可变光衰减器，包括上部设有空腔的衬底、固定梳齿单元、两个活动电极区、微镜、活动梳齿单元和两根支杆，活动电极区与衬底之间设有第一二氧化硅绝缘层；两根支杆的一端均与微镜固定连接，另一端均通过扭转杆与一个活动电极区固定连接；活动梳齿单元固定连接在支杆的侧面，且活动梳齿单元位于固定梳齿单元的上方，固定梳齿单元位于支杆的一侧，固定梳齿单元中的固定梳齿与活动梳齿单元中的活动梳齿交错布置；微镜、活动梳齿单元、支杆和扭转杆均处于悬空状态。该可变光衰减器可实现任意位置精确控制微镜的扭转角度；同时，本发明还提供该可变光衰减器的制备方法，该制备方法简单，可靠性高，且加工精度高。
文档编号G02B26/08GK103149683SQ20131004905
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月7日 优先权日2013年2月7日
发明者秦明 申请人:东南大学