光开关的制作方法

专利名称:光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光开关，其用于改变光信号的光路，并且特别适合应用于2×2光开关，该2×2光开关构造为具有两个安装于其上的输出侧光纤和两个安装于其上的输入侧光纤，并且能够同时地将由两个输出侧光纤分别射出的光信号输入至对应的输入侧光纤中，其中从每个该输出侧光纤射出光信号，而每个该输入侧光纤接受入射于其上的光信号。
背景技术：
作为示例，2000年1月23至27日，在日本宫崎举行的第十三届IEEE国际微机电系统会议(MEMS-2000)中，Philippe Helin等人发表了名为“SELFALIGNED VERTICAL MIRRORS AND V-GROOVES APPLIED TO ASELF-LATCHING MATRIX SWITCH FOR OPTICAL NETWORKS(用于光网的自锁矩阵开关中采用的自对准垂直反射镜及V形凹槽)”的论文，其中介绍了一种技术，若对其表面为(100)晶面的单晶硅衬底进行方向依赖性湿法蚀刻或化学各向异性湿法蚀刻，则可以同时制得一薄板状或片状反射镜和四个V形凹槽，该薄板状或片状反射镜由蚀刻过的硅衬底竖起并与其构成整体，而该四个V形凹槽在硅衬底上沿着两条彼此正交并通过该反射镜中心的直线延伸。另外，该论文中还介绍到，当由其表面为(100)晶面的硅衬底竖起的反射镜通过对硅衬底进行化学各向异性湿法蚀刻而制得时，反射镜的镜面为(100)晶面，使得镜面的垂直性和平整性的精度相当高，并且由此可以将光损失保持在最小值。
在上述论文中公开的光开关中，四根光纤分别安装在以90°的间隔角形成的四个V形凹槽中，并且该光开关使得分别从两个输出侧光纤射出的光信号通过板状反射镜开关，使得该光信号中的任意一个进入对应的一个输入侧光纤中。例如，对于反射镜处于光路中的情况，光开关使得从设置于相邻位置的两个输出侧光纤射出的光信号由反射镜的前镜面或后镜面与入射光信号成直角反射并进入对应的一个输入侧光纤，而对于反射镜未处于光路中的情况，由另一个输出侧光纤射出的光信号直接进入与该另一个输出侧光纤相对的一个对应输入侧光纤。
利用上述论文中所述的制造方法，板状反射镜可以精确地形成在使其镜面(前垂直表面和后垂直表面)分别与四个V形凹槽准确地成45°角的位置。然而，反射镜的厚度随着蚀刻时间的误差而变化，使得其厚度可以变得比预定厚度更厚或更薄，这导致了镜面位置的位移。若镜面的位置变化，则光路的轴也将偏离，使得由两个输出侧光纤射出的光信号难以以较低的光损失同时进入对应的两个输入侧光纤。换言之，在使用一个薄板状反射镜构造2×2光开关的情况中，将出现光路的轴偏离的问题。
另外，在先前由本申请人提出的日本专利申请No.2000-270621(于2000年9月6日提交)的图2中示出了一种具有基本上与上述论文中介绍的光开关相同构造的现有技术光开关，并且此光开关由于反射镜厚度而导致的缺陷已参照其图3介绍。详细情况可参照日本专利申请No.2000-270621。
在上述论文中介绍的光开关中，为了使反射镜的厚度为预定的厚度，向硅衬底进行各向异性湿法蚀刻的蚀刻时间必须以很高的精度控制。因此，存在着生产效率非常低的缺陷。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多个反射镜的光开关，构造为其准确地将从对应的一个输出侧光纤进入其中的光束以非常小的光损失反射，由此使反射光束进入对应的一个输入侧光纤，并且该光开关可以方便地制得。
本发明的另一目的在于提供一种2×2光开关，构造为其准确地将分别从两个输出侧光纤进入其中的光束以非常小的光损失反射，由此使反射光束进入对应的两个输入侧光纤，并且该2×2光开关可以方便地制得。
为了实现上述目的，本发明的一个方面在于，提供一种光开关，包括衬底；固定板状电极；活动板状电极，利用与所述衬底连接的挠性梁状元件、平行于所述固定板状电极安装，其中活动板状电极与固定板状电极之间有预定间隔；多个反射镜，形成在所述活动板状电极的表面上；多根光纤，分别定位并固定于沿着彼此平行并通过该些反射镜的多条直线形成在衬底上的多个V形凹槽中；以及，其中，通过在固定板状电极与活动板状电极之间施加电压，活动板状电极和反射镜一起朝向固定板状电极移动，由此开关用于入射光信号的光路，并且所述光开关的特征在于衬底和活动板状电极中的每一个都包括表面为(100)晶面的单晶硅；以及，多个反射镜，其镜面通过用具有高反射率的物质涂覆垂直的(100)晶面而形成，垂直的(100)晶面通过对表面为(100)晶面的单晶硅进行各向异性蚀刻而制得，并且两个相对的镜面彼此形成直角。
在优选实施例中，前述反射镜为两个，并且每个反射镜具有彼此形成直角的两个镜面，而与活动板状电极一体地形成在活动板状电极表面上的该两个反射镜按照使其相对的镜面彼此形成直角的方式形成。
或者，可以在活动板状电极表面上、与活动板状电极一体地制造四个反射镜，并且每个反射镜为薄板形并具有一个镜面，该些反射镜按照使每个镜面与对应的一个V形凹槽形成45°角且两个相对的镜面彼此形成直角的方式形成。
V形凹槽为四个，并通过对包括其表面为(100)晶面的单晶硅的衬底进行各向异性蚀刻而形成，且每个V形凹槽的槽面为(111)晶面。
另外，该四个V形凹槽形成为使得其中的两个形成在活动板状电极的一侧而其余的两个形成在活动板状电极相对的一侧，沿着两条以45°角通过对应的镜面的平行直线。
活动板状电极、反射镜和V形凹槽通过对其表面为(100)晶面的单晶硅进行各向异性蚀刻而同时制得。
利用本发明，由于使用相同的蚀刻剂对其表面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性蚀刻，因此镜面为(100)晶面且其中相对的两个相对的镜面彼此形成直角的多个反射镜、以及用于定位并固定分别与反射镜对齐的光纤的V形凹槽同时制得，并且，每个反射镜和对应的一个V形凹槽彼此高度精确地对齐。因此，无论蚀刻时间长短，两个相对的镜面都能正确地形成直角，并且因此反射镜总是可以将从输出侧光纤射入的入射光信号通过两个相对的镜面、以非常低的光损失精确地反射两次，并使反射光信号进入输入侧光纤。
另外，由于反射镜和V形凹槽通过对其顶面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性蚀刻而同时制得，因此可以在各向异性蚀刻前一次进行掩模构图。各向异性蚀刻仅进行一次，并且因此反射镜和V形凹槽可以通过一次掩模构图和一次各向异性蚀刻同时制得。另外，无需高精度地控制蚀刻时间，因此该光开关制造简便且生产效率得到极大提高。



图1为平面图，其主要示出了可以应用本发明的一个2×2光开关示例的单晶硅衬底、活动板状电极、反射镜、凹陷和V形凹槽；图2为平面图，其示出了分别容纳于图1所示的凹陷和V形凹槽中的微透镜阵列和光纤的一个示例；图3为平面图，其示出了固定板状电极；图4为平面图，其示出了可以应用本发明的2×2光开关的一个示例；图5为截面图，其沿着图4中的线5-5截取，并且沿箭头所指方向观察；图6A为轮廓截面图，用于说明由光敏树脂形成的反射镜的制造工艺；图6B为轮廓截面图，用于说明由光敏树脂形成的反射镜的缺点；图7A、7B和7C为平面图，用于说明反射镜位置的移动与光路的轴之间的关系；图8为平面图，其示出了根据本发明的光开关的一个实施例，其中去除了光纤和固定板状电极；图9为截面图，其沿着图8中的线9-9截取并且仅示出了截断面；图10为截面图，其沿着图8中的线10-10截取并且仅示出了截断面；图11为截面图，其沿着图8中的线11-11截取并且仅示出了截断面；图12A至12K为截面图，用于按照工艺步骤顺序说明图8所示光开关的制造方法的一个示例，并且仅示出了截断面；图13为透视图，用于说明在图8所示的光开关中，通过对硅进行各向异性湿法蚀刻而由单晶硅制得反射镜的方式；图14为透视图，其示出了通过对硅进行各向异性湿法蚀刻而制得的反射镜；图15为轮廓平面图，用于说明无论蚀刻时间长短总是能将两个相对的镜面制造为彼此形成直角的方式；以及图16为轮廓透视图，用于说明无论蚀刻时间长短总是能将相邻的两个V形凹槽制造为具有基本相同的形状和深度的方式。
具体实施方式
下面，将参照附图详细介绍本发明的优选实施例。然而，本发明可以按照多种不同的形式实施，并且不应限制于下面所示的实施例，提供实施例更是为使本公开更加透彻且完整，以及将本发明的范围全面地传达给本领域技术人员。
首先，将参照图1至5介绍适于应用本发明的2×2光开关的示例。另外，由于2×2光开关已在上述日本专利申请No.2000-270621(P2000-270621)中介绍，因此其细节应参照日本专利申请No.2000-270621。
图1为平面图，其主要示出了一般为矩形形状的单晶硅衬底1和一般为矩形形状且与衬底1整体形成的活动板或平板状电极2，两者都是可以应用本发明的2×2光开关的组件。在活动板状电极2上形成与活动电极板2整体形成的四个薄板状或片状微镜31A、32A、31B和32B。活动板状电极2的两侧上，沿着衬底1的纵向，形成凹陷13A和13B以及V形凹槽14A和14B，其中每个凹陷一般成矩形形状并与活动板状电极2隔开预定距离，而两个凹槽14A彼此平行并且从衬底1的一端沿其纵向(衬底1的一个附边)延伸至对应的凹陷13A，其其余的两个凹槽14B彼此平行并且从衬底1的相对端沿其纵向(衬底1的相对附边)延伸至对应的凹陷13B。
具有矩形形状的窗口12形成在衬底1的中心部分处，而活动板状电极2位于窗口12之上并且处于其中心处，活动板状电极2的尺寸比窗口12的小。活动板状电极2由两根挠性梁(flexible beams，每根都称作“挠曲件(flexure)”)21支撑，从而可以向上和向下移动，每根挠性梁具有多个通常为直角的匝。每根柱21的前端固定于活动板状电极2对应的一个对角，而其基部固定于衬底1的凹陷13A或13B与窗口12之间的位置。
四个薄板状微镜31A、32A、31B和32B具有彼此基本相同的形状和尺寸，两个微镜31A和31B设置在第一直线上，该第一直线基本通过活动板状电极2的中心并且与水平线形成45°角。其余的两个微镜32A和32B设置在第二直线上，该第二直线基本通过活动板状电极2的中心并且与第一直线正交。这些微镜31A、32A、31B和32B设置在使得其从第一与第二之间的交点沿径向总是离开基本形同距离的位置，并且对应的两个V形凹槽14A和对应的两个V形凹槽14B的轴线基本通过微镜的中心。
两个凹陷13A和13B具有彼此相同的形状和尺寸，并且在凹陷13A和13B中分别容纳有微透镜阵列9A和9B。微透镜阵列9A具有彼此平行并排设置的两个微透镜94A和95A，如图2所示，而微透镜阵列9B也具有彼此平行并排设置的两个微透镜94B和95B，如图2所示。由于两根光纤4A和5A与微透镜阵列9A对齐并安装于其上，而两根光纤4B和5B与微透镜阵列9B对齐并安装于其上，对于分别在对应的凹陷13A和13B中容纳微透镜阵列9A和9B的情况，分别安装于微透镜阵列9A和9B的光纤4A、5A和4B、5B同时分别容纳并定位于V彬凹槽14A和14B中。
输出侧光纤和输入侧光纤安装于每个微透镜阵列。在所示的示例中，两根安装于微透镜阵列9A的光纤4A和5A中的一根光纤4A为输出侧光纤，而另一根光纤5A为输入侧光纤。类似地，两根安装于微透镜阵列9B的光纤4B和5B中的一根光纤4B为输出侧光纤，而另一根光纤5B为输入侧光纤。这些光纤布置为使得安装于一个微透镜阵列9A的输出侧光纤4A与安装于另一个微透镜阵列9B的输入侧光纤5B相对且与其对齐(其设置在相同的光轴上)，而安装于一个微透镜阵列9A的输入侧光纤5A与安装于另一个微透镜阵列9B的输出侧光纤4B相对且与其对齐(其设置在相同的光轴上)。
如图3所示，固定的或静止的板状电极8由形状和尺寸基本与衬底1相同的单晶硅衬底构成。通过蚀刻去除固定板状电极8的周边部分，从而在电极8顶面的中心部分形成一般为矩形形状的抬升部分81，抬升部分81具有与衬底1的窗口12基本相同的形状和尺寸。固定的板状电极8安装于衬底1的下侧，使得其起到固定电极作用的抬升部分81与活动板状电极2以其间预定的间隔相对。
图4为平面图，其中包括具有图1所示的衬底1的2×2光开关、安装在衬底1上的图2所示光纤4A、5A和微透镜阵列9A的组件、安装在衬底1上的图2所示光纤4B、5B和微透镜阵列9B的组件、以及安装于衬底1的图3所示固定板状电极8。图5为沿图4中的线5-5截取并沿箭头所指方向观察的截面图。
如图4所示，在所示2×2光开关中，在活动板状电极2上，在安装于一个微透镜阵列9A的输出侧光纤4A与安装于另一个微透镜阵列9B的输入侧光纤5B之间，与电极2一体地形成两个反射镜31A和32B，使得其分别与对应的光纤形成45°的角度，类似地，在活动板状电极2上，在安装于一个微透镜阵列9A的输入侧光纤5A与安装于另一个微透镜阵列9B的输出侧光纤4B之间，与电极2一体地形成两个反射镜32A和31B，使得其分别与对应的光纤形成45°的角度。
另外，如图5所示，固定板状电极8安装于衬底1的下侧，使得其抬升部分81与形成在衬底1中的窗口12相配合。因此，固定板状电极8的抬升部分81和活动板状电极2以其间预定的间隔通过窗口12彼此相对，并且允许活动板状电极2通过窗口12向下位移或移动。结果，若固定板状电极8与活动板状电极2之间施加预定的电压，从而沿着使固定板状电极8与活动板状电极2彼此吸引的方向在其间产生静电吸引，活动板状电极2向下位移，并且因此形成在活动板状电极2顶面上并且由其竖起的反射镜31A、32A和31B、32B也向下位移至使得反射镜处于由光纤形成的光路外。由此，可以开关从输出侧光纤4A或4B输出的光信号通过其传播的光路。
另外，如上构造的2×2光开关通过使用显微机械加工技术制造，并且四个反射镜31A、32A和31B、32B使用光刻由光敏树脂形成。具体而言，四个反射镜31A、32A和31B、32B通过在硅衬底1的顶面上涂覆光敏树脂，仅曝光所形成的光敏树脂薄膜其上将要形成反射镜的部分，其后使用溶剂去除除曝光部分外的光敏树脂薄膜，从而形成四个镜体，并且以金属涂覆这些镜体的镜面。
按此方式，在使用光敏树脂形成反射镜的情况下，由于在反射镜制造过程中光敏树脂的硬化导致难以使镜面平坦，并且因此，对光的反射特性劣化。因此，产生了导致光损失增加的一个因素。另外，光敏树脂其上将要形成反射镜的部分在反射镜的制造过程中曝光。在此曝光中，如图6A所示，通过掩模M的窗口W暴露的光L的一部分由于衍射而在掩模的周围部分倾斜行进。由于一部分暴露的光倾斜地行进以及其它原因，所形成的镜体m具有了与正交于活动板状电极2顶面的垂直平面以角度θ倾斜的垂直面(镜面)。结果，难以使镜面垂直。因此，沉积在镜体m表面上的金属涂层c的表面也以角度θ倾斜，并且由入射的光束LB产生的反射光束LBR以角θ从平行于活动板状电极2的顶面的水平面向上偏离。这也产生了导致光损失增大的一个因素。
另外，在如上构造的光开关中，V形凹槽14A、14B和反射镜31A、32A和31B、32B使用掩模构图和蚀刻单独地形成。因此，很有可能由于V形凹槽14A、14B与反射镜31A、32A和31B、32B之间位置的相互关系而产生位移或误差，并且这也成为了导致光损失增大的一个因素。例如，以反射镜31A和32A为例，若反射镜31A和32A从以虚线示出的、其将要形成的正确位置移动到图7A所示由实线示出的位置，则从输出侧光纤4A射出的光束无法进入输入侧光纤5A，因为光束的反射光轴如图所示地偏离。另外，若反射镜31A、32A的位置从以虚线示出的、其将要形成的正确位置移动到图7B所示由实线示出的位置，尽管从输出侧光纤4A射出的光束偏离了图示的其反射光轴，但其仍然进入了输入侧光纤5A。另外，若反射镜31A、32A的位置从以虚线示出的、其将要形成的正确位置移动到图7C所示由实线示出的位置，从输出侧光纤4A射出的光束在未与其反射光轴发生任何偏离的情况下进入输入侧光纤5A。
按此方式，若光开关构造为使得输出侧光纤4A和输入侧光纤5A彼此邻接，并且彼此平行地并排设置，而从输出侧光纤4A射出的光束每次以90°的角度反射两次，即总计反射180°，随后进入输入侧光纤5A，则降低了反射轴的偏离。另外，在上述日本专利申请No.2000-270621中详细介绍了制造上述2×2光开关的方法，并且对该方法的前述以外的说明在此略去。
本发明适合应用于2×2光开关，该光开关具有例如图1至5所示的构造和结构并使用上述Philippe Helin等人的论文中公开的用于形成反射镜和V形凹槽的技术制得。应用了本发明的2×2光开关具有两个或四个与活动板状电极一体形成并由该活动板状电极竖起的反射镜，反射镜高度精确地形成在使得两个相对的镜面形成直角且每个镜面总是与光路轴保持45°的合适角度的位置，即使是没有以很高的精度控制蚀刻时间。因此，提供了一种2×2光开关，其中的光损失可以保持为最小值，并且可以容易地制造。
图8为平面图，示出了根据本发明的光开关的一个实施例，其中去除了光纤和固定板状电极，图9为截面图，其沿着图8中的线9-9截取并且仅示出了截面，图10为截面图，其沿着图8中的线10-10截取并且仅示出了截面，而图11为截面图，其沿着图8中的线11-11截取并且仅示出了截面。
如截面图9至11所示，图8所示的光开关由两个形成于SOI(色缘硅)衬底1上的2×2光开关构成，该SOI衬底1具有包括二氧化硅层(SiO2层)11和两个形成在二氧化硅层11的两个表面上的单晶硅层10T和10B的三层结构，其每一层都具有预定的厚度。另外，为了清楚说明，在图8中，与图1至5相对应的元件和部分，对于一个2×2光开关将以相同的附图标记附加“-1”来表示，而对于另一个2×2光开关将以相同的附图标记附加“-2”来表示，并且除非必要，将略去其说明。
如图8所示，SOI衬底1具有透过其中形成一般为矩形形状的开口43，在此示例中，开口43从衬底1下侧边缘的中心部分沿着图中其纵向方向朝向其上侧边缘以衬底1附边长度的2/3延伸，使得衬底1具有由位于开口43两侧的矩形部分1L和1R以及连接于矩形部分1L与1R之间的中路部分1C组成的倒置沟道形状，图中的每个矩形部分的垂直边比其水平边长。
一个2×2光开关包括一般为方形形状的活动板状电极2-1；两个反射镜35-1和36-1，与活动板状电极2-1一体地形成在活动板状电极2-1上并由其竖起，每个反射镜在平面中具有一般为直角等腰三角形的形状；V形凹槽14A-1和14B-1，分别形成在衬底1具有较长垂直边的矩形部分1L和1R上，位于活动板状电极2-1的两侧，一对凹槽14A-1彼此平行地形成在矩形部分1L上，而另一对凹槽14B-1彼此平行地形成在矩形部分1R上；以及，挠性梁21-1，用于支撑活动板状电极2-1，使其可以向上或向下移动，挠性梁具有多个一般为矩形的匝。柱21-1的前端连接于活动板状电极2-1对应的一个角，而其基部连接于形成在衬底1上、一般为截棱锥形状的电极支撑41-1的基部。在电极支撑41-1的顶面上，形成电极45-1。另外，平面中一般为直角等腰三角形的两个反射镜35-1和36-1形成为使得其形成90°角的垂直角沿着图中的垂直方向彼此相对且两个反射镜对称。两个平行的V形凹槽14A-1和两个平行的V形凹槽14B-1形成为使得其沿着水平方向(分别沿着具有较长垂直边的矩形部分1L和1R的对应附边的方向)彼此平行且沿着水平线彼此对齐。
另一个2×2光开关包括一般为方形形状的活动板状电极2-2；两个反射镜35-2和36-2，与活动板状电极2-2一体地形成在活动板状电极2-2上并由其竖起，每个反射镜在平面中具有一般为直角等腰三角形的形状；V形凹槽14A-2和14B-2，分别形成在衬底1具有较长垂直边的矩形部分1L和1R上，位于活动板状电极2-2的两侧，一对凹槽14A-2彼此平行地形成在矩形部分1L上，而另一对凹槽14B-2彼此平行地形成在矩形部分1R上；以及，挠性梁21-2，用于支撑活动板状电极2-2，使其可以向上或向下移动，挠性梁具有多个一般为矩形的匝。柱21-2的前端连接于活动板状电极2-2对应的一个角，而其基部连接于形成在衬底1上、一般为截棱锥形状的电极支撑41-2的基部。在电极支撑41-2的顶面上，形成电极45-2。另外，平面中一般为直角等腰三角形的两个反射镜35-2和36-2形成为使得其形成90°角的垂直角沿着图中的垂直方向彼此相对且两个反射镜对称。两个平行的V形凹槽14A-2和两个平行的V形凹槽14B-2形成为使得其沿着水平方向(分别沿着具有较长垂直边的矩形部分1L和1R的对应附边的方向)彼此平行且沿着水平线彼此对齐。
两个活动板状电极2-1和2-2位于衬底1的开口43内，并且由分别由对应的挠性梁21-1和21-2支撑为可在开口43内的空间中向上和向下移动。另外，在此示例中，两个电极支撑41-1和41-2形成在中路部分1C上，使得其沿着图中的水平方向并排设置。
在形成活动板状电极2-1和2-2的同时，通过在SOI衬底1的顶面上，对一个单晶硅层(图9至11中上侧上的较厚单晶硅层)10T进行方向依赖性湿法蚀刻或化学各向异性湿法蚀刻，形成平面中都具有一般为直角等腰三角形形状的反射镜35-1、36-1和35-2、36-2，单晶硅层10T的表面为(100)晶面。反射镜35-1彼此形成90°角的两个垂直表面35-1A和35-1B、反射镜36-1彼此形成90°角的两个垂直表面36-1A和36-1B、反射镜35-2彼此形成90°角的两个垂直表面35-2A和35-2B、以及反射镜36-2彼此形成90°角的两个垂直表面36-2A和36-2B，如上述Philippe Helin等人的论文中所述，其垂直性和平整性具有很高的精度，并且因此可以基本完全地反射入射光(以很小的光损失)，并且反射光几乎不会从水平面垂直地偏离。实际上，垂直表面35-1A和35-1B、36-1A和36-1B、35-2A和35-2B、以及36-2A和36-2B涂覆有诸如铬(Cr)、金(Au)等的金属，从而形成镜面。另外，图8中，尽管每个反射镜35-1、36-1和35-2、36-2显示为具有一般为直角等腰三角形的形状，这仅是为了方便理解。实际上，每个反射镜的角成为更高阶的晶面，不会导致有角的形状。实际上，垂直角部分成为相当萎缩的形状。然而，反射镜35-1、36-1和35-2、36-2的两个镜面35-1A和35-1B、36-1A和36-1B、35-2A和35-2B、以及36-2A和36-2B保持为，两个镜面彼此以很高的精度形成90°的角度。
另外，在形成反射镜35-1、36-1和35-2、36-2时，V形凹槽14A-1和14B-1、14A-2和14B-2也通过向SOI衬底1的上侧单晶硅层10T进行各向异性湿法蚀刻同时形成。因此，这些V形凹槽14A-1和14B-1、14A-2和14B-2以及反射镜35-1、36-1和35-2、36-2可以同时以很高的精度在预定位置制得，而无需精确控制蚀刻时间，如下所述。
因此，即使没有精确控制蚀刻时间，也可以以很高的精度制得与对应的活动板状电极一体形成的两个反射镜，使得每一对将入射光束每次以90°反射两次的相对的两个镜面35-1A和36-1A、35-1B和36-1B、35-2A和36-2A、以及35-2B和36-2B总是与光路的轴保持45°的合适角度。由于反射镜镜面的垂直性和平整性具有很高的精度，因此可以正确地以90°的角度反射入射光束，由此可以使光损失最小化。另外，由于通过对单晶硅层进行各向异性湿法蚀刻同时形成反射镜、活动板状电极、V形凹槽和挠性梁，因此其便于制造，并且明显改善了生产效率。
另外，在上述实施例中，已经讨论了两个2×2光开关形成于SOI衬底1的上侧单晶硅层10T上的情况。显然，将要形成在SOI衬底1上的2×2光开关的数量可以是一个或多于两个。另外，显然，通过对单晶硅层进行各向异性湿法蚀刻，可以在每个活动板状电极上形成图4所示的四个薄板状反射镜，即可以按照与反射镜35-1、36-1和35-2、36-2的两个镜面35-1A和35-1B、36-1A和36-1B、35-2A和35-2B、以及36-2A和36-2B相同的角度位置制造八个薄板状反射镜，并且可以获得相同的功能和效果。
接着，将参照图12A至12K介绍制造工艺的示例，其中在SOI衬底1的上侧单晶硅层10T(其表面为(100)晶面)上形成活动板状电极2-1和2-2、挠性梁21-1和21-2、反射镜35-1、36-1和35-2、36-2、V形凹槽14A-1、14A-2和14B-1、14B-2、电极支撑41-1和41-2、电极45-1和45-2等等。另外，图12A至12K为截面图，其仅示出了对应于图11的截面。为简化附图，图中未示出构成另一个2×2光开关的活动板状电极2-2、反射镜35-2、36-2、V形凹槽14B-1、14B-2、电极支撑41-2、电极45-2等，该另一个2×2光开关具有与2×2光开关基本相同的构造和结构。另外，由于可以将具有与例如图3和5所示的固定板状电极基本相同的构造和结构的固定板状电极用作固定板状电极，因此不再说明其制造工艺。
首先，如图12A所示，制备三层结构的SOI衬底1，该三层结构具有一般为矩形的形状和预定的尺寸，其包括二氧化硅层(SiO2层)11、以及形成在二氧化硅层11的两个表面上的上单晶硅层10T和下单晶硅层10B，每一层都具有预定的厚度。在本示例中，上单晶硅层10T形成为使得其顶面为(100)晶面，并且比下单晶硅层10B厚得多。
接着，如图12B所示，使用水蒸气氧化法或CVD法，在上单晶硅层10T和下单晶硅层10B的表面上形成上氧化膜(SiO2层)51T和下氧化膜(SiO2层)51B。
接着，在上SiO2层51T的表面上涂覆光致抗蚀剂，并且对光致抗蚀剂进行掩模构图，以形成预定的窗口，随后，通过蚀刻去除上SiO2层51T与将要形成电极支撑41-1和41-2的区域相对应的部分，由此在上SiO2层51T中形成窗口W1，如图12C所示。另外，图中未示出形成在上SiO2层51T中与将要形成电极支撑41-2的区域相对应的窗口W1。
接着，通过蒸发，在上SiO2层51T包括窗口W1在内的整个表面上沉积铬(Cr)和金(Au)的双层金属薄膜，并且利用掩模构图金属薄膜上的光致抗蚀剂，从而形成预定的窗口，随后，通过蚀刻去掉除窗口W1上及附近的部分以外的金属薄膜。结果，如图12D所示，在上单晶硅层10T与将要形成电极支撑41-1和41-2的区域相对应的表面上形成了电极45-1和45-2。电极45-2未示出。
接着，利用掩模构图覆盖SOI衬底1下单晶硅层10B表面的下SiO2层51B上的光致抗蚀剂，从而形成预定的窗口，接着，如图12E所示，通过蚀刻去除下单晶硅层10B和下SiO2层51B与将要形成活动板状电极2-1的区域相对应的部分。
接着，在SOI衬底1SiO2层11的暴露表面上进行光致抗蚀剂的掩模构图，以形成用于在SiO2层11中制造柱21-1和21-2的窗口W2，如图12F所示。
通过蚀刻利用窗口W2去除上单晶硅层10T的部分下侧后，如图12G所示，在SiO2层11和下SiO2层51B的整个表面上涂覆光致抗蚀剂层53，以保护SOI衬底1的下表面。
接着，在覆盖上单晶硅层10T表面的SiO2层51上进行光致抗蚀剂掩模构图以形成预定的窗口，随后通过蚀刻以预定的厚度或深度去除上单晶硅层10T与SOI衬底1中路部分1C上的电极支撑41-1和41-2的周边区域相对应的部分，以减小上单晶硅层10T的厚度。然而，在此情况下，上单晶硅层10T与其上将要形成挠性梁21-1和21-2的电极支撑的区域相对应的部分在此步骤中未被蚀刻，因为其厚度通过以下工艺步骤中的各向异性湿法蚀刻而减小。此工艺步骤使得两个电极支撑41-1和41-2分开。图12H中示出了上单晶硅层10T与电极支撑41-1的周边区域相对应的部分以预定厚度去除以减小其厚度的情况。
接着，如图12I所示，在上SiO2层51T的表面上进行光致抗蚀剂掩模构图，以形成窗口W3，随后通过各向异性湿法蚀刻以相当大的深度去除上单晶硅层10T与将要形成反射镜35-1、36-1、35-2、36-2、以及柱21-1和21-2的区域相对应的部分。同时，通过此各向异性湿法蚀刻，分别在与SOI衬底1的矩形部分1L和1R相对应的区域上形成V形凹槽14A-1、14A-2和14B-1、14B-2。另外，对于柱21-2，其一部分在图中示出，而反射镜35-2、36-2、以及V形凹槽14A-1、14A-2和14B-1、14B-2未在图中示出。
下面，将说明在制造反射镜35-1和36-1时进行的化学各向异性蚀刻。如图13所示，例如，在上单晶硅层10T与其上将要形成活动板状电极2-1的区域相对应的部分的整个表面上形成SiO2层，随后在SiO2层上进行光致抗蚀剂掩模蚀刻，以形成一对掩模M。每个掩模M具有基本为直角等腰三角形的形状，并且掩模M对设置为使得其成直角的垂直角以其间的预定间隔彼此相对。上单晶硅层10T其顶面为(100)晶面，如上所述，并且垂直方向以及硅层10T沿着包括垂直角的直角等腰三角形的两条边延伸的方向(与V形凹槽14A-1、14A-2和14B-1、14B-2形成45°角的方向)为(100)方向，而硅层10T沿着直角等腰三角形的底延伸的方向(与V形凹槽14A-1、14A-2和14B-1、14B-2平行的方向)为(110)方向。
接着，使用适合的蚀刻剂对上单晶硅层10T进行化学各向异性蚀刻。施加于硅层10T上的此化学各向异性蚀刻产生了具有三角柱形状的两个反射镜35-1和35-2，如图14所示，每个反射镜形成直角的垂直表面57A和57B为(100)晶面。在此示例中，70℃、35重量百分比的KOH溶液用作蚀刻剂。
每个反射镜形成直角的垂直表面57A和57B具有非常高精度的垂直性和平整性，如上述Philippe Helin等人的论文中所述，因此其可以以非常低的光损失反射入射光束，并且反射的光束不可能从水平面垂直地偏离。另外，在下面的工艺步骤中，在垂直表面57A和57B上通过蒸发沉积了两层由铬(Cr)和金(Au)构成的金属薄膜，以形成镜面。
另外，在图14中，尽管每个制得的反射镜35-1和36-1显示为具有一般为直角等腰三角形的形状，这是出于方便理解的目的。实际上，每个反射镜的角成为了更高阶的晶面，并且不具有与每个掩模M相同的形状。即，每个角不具有成角的形状。特别是，垂直角部分成为了相当萎缩的形状。因此，每个反射镜既不具有一般的直角等腰三角形的形状也不具有一般的三角形形状。然而，每个反射镜的两个镜面57A和57B彼此以很高的精度形成了90°的角度。另外，从每个反射镜35-1和36-1的底部竖起垂直表面成为了(111)面，并且因此其变为了倾斜表面(与V形凹槽的一个槽面类似的表面)。
作为各向异性蚀刻的结果，如图12J所示，去除上单晶硅层10T与反射镜35-1、36-1、35-2、36-2和柱21-1、21-2将要形成的区域相对应的部分，仅保留其下侧部分作为非常薄的层。另一方面，尽管未在图中示出，作为此各向异性湿法蚀刻的结果，V形凹槽14A-1、14A-2和14B-1、14B-2分别形成在与SOI衬底1的矩形部分1L和1R相对应的区域上，如图10所示。在此情况下，每个V形凹槽的深度设置为具有比光纤直径更大的值。另外，反射镜35-2、36-2和V形凹槽14A-1、14A-2、14B-1、14B-2未在图12J中示出。
接着，如图12K，去除SOI衬底1顶面上其余的SiO2层，并且剥落SOI衬底1下侧上的光致抗蚀剂层53。另外，在后面的工艺步骤中，去除下单晶硅层10B下侧上其余的下SiO2层51B以及SiO2层11(除已经形成了下单晶硅层10B的部分以外)，使得开口43(见图8)形成在活动板状电极2-1、2-2和柱21-1、21-2之下。由此，制得了图8至11所示的光开关。
如上所述，当通过对顶面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性湿法蚀刻同时制得反射镜35-1、36-1、35-2、36-2和V形凹槽14A-1、14A-2、14B-1、14B-2时，在进行各向异性湿法蚀刻前可以一次进行掩模构图。由于仅进行一次各向异性湿法蚀刻，反射镜和V形凹槽可以通过一次掩模构图和一次各向异性湿法蚀刻同时形成，这导致了对生产效率或制造工艺的明显改善。
另外，由于反射镜和V形凹槽通过各向异性湿法蚀刻同时制得，单晶硅层使用相同的蚀刻剂蚀刻一次，并且因此可以控制一对反射镜35-1、36-1的相对镜面35-1A和36-1A、35-1B和36-1B以及另一对反射镜35-2、36-2的相对镜面35-2A和36-2A、35-2B和36-2B的蚀刻速度，使其基本等于彼此平行的V形凹槽14A-1、14A-2和14B-1、14B-2的蚀刻速度。因此，可以使由于蚀刻速度、蚀刻时间等的误差导致的光路轴的偏离基本为零，并且因此，分别从分别位于并固定于V形凹槽中的输出侧光纤发射的光束基本完全由反射镜反射，以使反射光束进入分别位于并固定于V形凹槽中的对应输入侧光纤。
下面，将参照图15和16进一步讨论上述情况。图15为平面图，用于说明当利用上述使用相同蚀刻剂的各向异性湿法蚀刻同时制得反射镜35-1和36-1时，在一对反射镜35-1和36-1的相对镜面35-1A和36-1A由于蚀刻时间的误差而被多去除了Δx的情况下，光束传播的情况。
在图15中，相对的镜面35-1A和36-1A的蚀刻速度基本相同，因为每个镜面都是(100)晶面。因此，即使蚀刻时间出现误差，例如，即使蚀刻时间比预定的时间长且镜面35-1A和36-1A通过蚀刻多去除了Δx，造成其从图15中虚线所示的正确位置偏移至黑实线所示的位置，由镜面35-1A和36-1A形成的角仍然是直角而未发生变化。结果，如图中实线所示，从输出侧光纤4A射出的光束以45°的角度准确入射在镜面35-1A上，并在相同的水平面上由镜面35-1A沿着与入射光束准确形成90°角的方向反射。因此，反射光束以45°的角度准确入射在镜面36-1A上，并在相同的水平面上由镜面36-1A沿着与入射光束准确形成90°角的方向反射，使得反射光束进入输入侧光纤5A。
按此方式，利用使用两个都是(100)晶面的相对镜面将入射光束90°、90°地反射两次的构造，无论蚀刻时间长短，由将要制得的镜面35-1A和36-1A形成的角度总是为90°(直角)，并且每个镜面35-1A和36-1A总是与入射光束保持所需角度(45°)。因此，水平面内，光路的轴未发生偏离。换言之，可以同时制得相对的两个镜面35-1A和36-1A、35-1B和36-1B、35-2A和36-2A、以及35-2B和36-2B，每一对总是彼此以很高的精度形成90°角。因此，水平面内，光路的轴未发生偏离，并且可以在很小的光损失下，以总计180°的角度反射入射光束，以发射反射光束。
图16为透视图，用于说明，在利用上述使用相同蚀刻剂的各向异性湿法蚀刻同时制得相邻的两个V形凹槽14A-1的情况下，彼此平行的两个相邻V形凹槽(用于固定输出侧光纤和用于固定输入出侧光纤)14A-1的深度Δz即使是蚀刻时间存在误差也不改变的方式。
在图16中，相邻的V形凹槽14A-1的蚀刻速度基本相同。另外，每个V形凹槽14A-1形成字母“V”的槽面或壁为(111)晶面，因此，其时刻速度明显小于(100)晶面的蚀刻速度。因此，即使蚀刻时间存在误差，即无论蚀刻时间长短，当这些V形凹槽14A-1的蚀刻深度Az达到(111)晶面时，其难以继续向前。因此，位于并固定于V形凹槽14A-1中的一个之中的输出侧光纤4A和位于并固定于V形凹槽14A-1中的另一个之中的输入侧光纤5A总是处于相同的水平面，并且因此光束沿垂直方向没有偏离，且光路的轴在水平面内也没有偏离。结果，从输出侧光纤4A射出的光束以45°的角度准确入射在镜面35-1A上，并且由镜面35-1A沿着相同水平面内与入射光束准确地成90°角的方向反射。因此，反射光束以45°的角度准确入射在镜面36-1A上，并且由镜面36-1A沿着相同水平面内与入射光束准确地成90°角的方向反射，使得反射光束进入输入侧光纤5A。
按此方式，由于相邻V形凹槽的蚀刻在V形凹槽到达(111)晶面后难以继续，因此其蚀刻深度基本相同，使得无需高精度地控制蚀刻时间，可以同时制得相邻的V形凹槽14A-1、14A-2、14B-1、14B-2，用于在相同的水平面内定位输出侧光纤和输入侧光纤。另外，若采用了两个V形凹槽彼此平行地并排设置的构造，如图8所示，可以在很小的空间内制造多沟道2×2光开关。
在上述实施例中，用70℃、35重量百分比的KOH溶液作为蚀刻剂，但显然可以使用其它的蚀刻剂。另外，尽管反射镜和V形凹槽通过对顶面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性湿法蚀刻同时制得，但反射镜和V形凹槽的也可以使用各向异性干法蚀刻同时制得。
另外，通过对顶面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性湿法蚀刻，在每个活动板状电极上形成了每个都具有两个彼此形成直角的镜面的两个反射镜，显然，可以通过对顶面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性湿法蚀刻，在每个活动板状电极上形成四个图4所示的薄板状反射镜。在制造四个薄板状反射镜的情况下，可以通过按照使得四个掩模以90°的间角设置并且相邻两个掩模的主侧彼此形成直角的方式，在顶面为(100)晶面的单晶硅层的表面上形成每个都具有一般为矩形的形状的四个掩模，并且随后对单晶硅层进行各向异性湿法蚀刻。每个所形成的薄板状反射镜其镜面具有一般为梯形的形状。在此情况下，由于两个相对的镜面为(100)晶面，因此其彼此形成了准确的直角，并且其垂直性和平整性的精度相当高。因此，显然可以获得与上述情况相同的功能和效果。另外，在每个反射镜的垂直表面上通过蒸发形成了由铬和金构成的两层金属薄膜，由此形成镜面，但也可以在每个反射镜的垂直表面上涂覆一层的金属薄膜。另外，金属薄膜可以通过蒸发以外的手段或方法涂覆在每个反射镜的垂直表面上。当然，可以在每个反射镜的垂直表面上涂覆金属以外的适合高反射率物质或材料。
另外，在上述实施例中，通过应用各向异性蚀刻，与反射镜一同在SOI衬底的矩形部分上制得了其深度比光纤的直径大的V形凹槽，每个矩形部分其垂直边比水平边长。然而，在通过蚀刻上单晶硅层与SOI衬底中路部分上的电极支撑的周边区域向对应的部分以减小其厚度至预定厚度的工艺步骤中，SOI衬底的矩形部分可以通过蚀刻同时去除，以使其成为薄膜状部分，并且在通过应用各向异性蚀刻制造反射镜时，仅用于定位光纤的浅V形凹槽同时形成在薄膜状部分上。显然，衬底不限于SOI衬底。
由上述内容显见，在本发明中，由于每个都具有(100)晶面的镜面且两个相对的镜面彼此形成直角的多个反射镜、以及用于定位并固定分别与反射镜对齐的光纤的V形凹槽同时通过使用相同的蚀刻剂对表面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性蚀刻而制得，因此每个反射镜和对应的一个V形凹槽彼此精确对齐。另外，无论蚀刻时间长短，两个相对的镜面总是正确地形成直角，并且不会出现光路的轴在水平面内发生偏离。无论蚀刻时间如何，每个晶面的垂直性和平整性总是很高，并且在垂直平面中，光路的轴不会发生偏离。因此，获得了反射镜可以总是在相同的平面内、利用两个相对的镜面、以很小的光损失将从输出侧光纤射出的光信号精确地反射两侧并使反射光信号进入输入侧光纤的显著优点。
另外，由于反射镜和V形凹槽通过对顶面为(100)晶面的单晶硅层进行各向异性蚀刻同时制得，因此可以在进行各向异性蚀刻前一次进行掩模构图。各向异性蚀刻仅进行一次，并且因此反射镜和V形凹槽可以通过一次掩模构图和一次各向异性蚀刻同时制得。另外，无需高精度地控制蚀刻时间，因此还获得了光开关制造简便和生产效率极大提高的优点。
虽然本发明已通过举例的方式参照其优选实施例进行了介绍，本领域技术人员显见，可以在不脱离本发明的精神和范围的基础上对上述实施例进行各种改进、替换、改动和/或辅助的改善。因此，应理解本发明不限于所示实施例，且应包括所有属于由所附权利要求
限定的本发明范围的改进、替换、改动和/或辅助的改善。
权利要求
1.一种光开关，包括单晶硅衬底，其表面具有(100)晶面；固定板状电极；活动板状电极，由所述单晶硅衬底的一部分构成；挠性梁状元件，其由所述单晶硅衬底的一部分构成并支撑所述活动板状电极以进行垂直移动，并平行于所述固定板状电极，其中所述挠性梁状元件与固定板状电极之间有预定间隔；两个反射镜，每个所述反射镜由所述单晶硅衬底的一部分构成并且包括均为(100)晶面的两个垂直晶面，所述两个垂直晶面彼此垂直，其中所述垂直晶面涂覆有金属层，所述金属层具有足以形成镜面的反射率，并且两个所述反射镜一体地形成在所述活动板状电极的表面上，使得它们彼此相对并且之间具有间隙，一个反射镜的两个垂直晶面的每个与另一个反射镜的相对垂直晶面形成直角；四个V形凹槽，沿着彼此平行地通过所述两个反射镜的两条直线形成在所述单晶硅衬底上，其中所述四个V形凹槽中的两个沿着一条直线形成使得每个凹槽与一个反射镜的相应垂直晶面对齐，其余两个V形凹槽沿着另一条直线形成使得每个凹槽与另一个反射镜的相应垂直晶面对齐；四根光纤，分别定位并固定于对应的四个V形凹槽中，其中所述四根光纤的每根与所述两个反射镜的相应垂直晶面对齐；以及其中，通过在固定板状电极与活动板状电极之间施加电压，活动板状电极和反射镜一起朝向固定板状电极移动，由此开关用于入射光信号的光路。
2.如权利要求
1所述的光开关，其中所述V形凹槽中的两个形成在远离所述活动板状电极的一侧的所述单晶硅衬底的部分上，而其余的两个V形凹槽形成在远离所述活动板状电极相对一侧的所述单晶硅衬底的部分上，在一侧上的两个V形凹槽和在相对侧上的两个V形凹槽相对且彼此对齐。
3.如权利要求
1所述的光开关，其中该活动板状电极、两个反射镜、挠性梁状元件和四个V形凹槽通过化学各向异性蚀刻工艺而在所述单晶硅衬底中同时形成。
4.如权利要求
1所述的光开关，其中所述两个反射镜从所述活动板状电极的表面竖起，并且所述两个反射镜每个都在平面中具有类似直角等腰三角形形状。
5.如权利要求
1所述的光开关，其中所述单晶硅衬底是三层结构的绝缘硅的第一单晶硅层，所述三层结构包括二氧化硅层、形成在所述二氧化硅层表面上的第二单晶硅层、和形成在所述二氧化硅层相对表面上的第一单晶硅层，所述第二单晶硅层比所述第一单晶硅层要薄，其中所述两个反射镜、活动板状电极、挠性梁状元件和四个V形凹槽通过化学各向异性湿法蚀刻工艺而在所述单晶硅衬底中同时形成。
6.如权利要求
1所述的光开关，还包括电极支撑，所述挠性梁状元件的一端一体化连接到所述电极支撑，并且其中所述电极支撑与所述两个反射镜、活动板状电极、挠性梁状元件和四个V形凹槽通过化学各向异性湿法蚀刻工艺而在所述单晶硅衬底中同时形成。
专利摘要
本发明公开了一种光开关，其可以方便地制得并且几乎不产生光损失。一活动电极板通过挠性梁状元件以其间预定的间隔与固定电极板平行地设置，至少两个反射镜设置在活动电极板的表面上，并且至少三个V形凹槽用于固定光纤，上述活动电极板、反射镜和V形凹槽通过各向异性蚀刻同时形成于其表面为(100)晶面的单晶硅衬底上。两个相对的反射镜布置为其镜面形成直角，而两个平行的V形凹槽形成为以相对于这些镜面的45°的角度彼此相对。输出侧和输入侧光纤分别容纳并固定于两个V形凹槽的一个和另一个中。
文档编号G02B6/12GKCN1308721SQ02818781
公开日2007年4月4日 申请日期2002年8月9日
发明者则松俊英 申请人:日本航空电子工业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan