專利名稱：集成鐵電微鏡式光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
集成鐵電微鏡式光開關(guān)屬于光通信用的微型光開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于它含有鐵電薄膜懸臂梁以及與該梁做成一體的微反射鏡；所述的懸臂梁是絕緣層①/金屬②/鐵電材料③/金屬④/絕緣材料⑤/襯底層⑥構(gòu)成的多層膜結(jié)構(gòu)；所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)中的絕緣層①是SiO2或Si3N4介質(zhì)，金屬②是Pt或Au金屬或其合金，鐵電材料③是PZT或PT或其復(fù)合，金屬④是Pt或Ti或Au金屬或其合金，絕緣材料⑤是SiO2或Si3N4介質(zhì)，襯底層⑥是Si或GaAs或GaN或InP半導(dǎo)體材料或它們的復(fù)合材料；所述懸臂梁的尺寸范圍是(500～5000)μm×(20～5000)μm×(3～300)μm，鐵電材料層厚(0.2～200)μm，鏡面的尺寸范圍是(50～1000)μm×(1～100)μm×(50～1000)μm；所述的懸臂梁是單層或雙層或多層鐵電膜層中的任何一種。
本發(fā)明所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)所提出的制造方法，其特征在于，它含有以下d典型的加工工藝(可參見圖3)(1)用(110)晶向的雙拋硅片，雙面生長熱氧后淀積氮化硅；(2)背面光刻氮化硅窗口，后漂去露出的熱氧；(3)利用KOH各向一行體硅腐蝕形成垂至于(110)面的(111)面作為光開關(guān)的反射鏡面，其高度約為150μm；(4)漂背面的SiO2后，繼續(xù)進(jìn)行腐蝕，直至剩下(50-100)μm的硅作支撐層；(5)光刻下電極窗口，正膠剝離出下電極Pt/Ti；(6)用sol-gel(溶膠一凝膠)法制備PZT后快速退火；(7)光刻上電極窗口，正膠剝離出Pt上電極并干法刻蝕PZT；(8)再淀積低溫氧化層(LTO)，刻接觸孔，濺鋁并刻出鋁引線，然后用TMAH(一種化學(xué)腐蝕液)進(jìn)行體硅腐蝕，減薄梁的厚度并徹底釋放出懸臂梁結(jié)構(gòu)；(9)將鏡面蒸金形成高反射率表面。
本發(fā)明所述的具有雙層鐵電薄膜的集成鐵電微鏡式光開關(guān)的制造方法，其特征在于，它含有以下典型的加工工藝(可參見圖4)(1)～(7)與上相同；(8)再按上法制備一層PZT后快速退火，正膠剝離上電極并干法刻蝕PZT；(9)～(10)與上(8)～(9)同；(11)把懸臂梁處的硅襯底、二氧化硅都去掉(也可以保留薄的二氧化硅層)，微反射鏡處除外。
使用證明它達(dá)到了預(yù)期的目的。
圖2.4×4光開關(guān)陣列示意圖。
圖3.用于制作集成鐵電薄膜微鏡式光開關(guān)的流程圖。圖3是通過微反射鏡中心平面的一個截面的截面圖，同樣適用于圖4。
圖4.制作具有雙層鐵電薄膜的集成鐵電微鏡式光開關(guān)時，去除除了微反射鏡處的硅襯底外的部分的硅襯底材料時的制作流程圖。
考慮到在懸臂梁的制作過程中，會由于薄膜的生長帶來殘余應(yīng)力的積累，這要求器件結(jié)構(gòu)在有殘余應(yīng)力的情況下，依然能夠正常工作。從力學(xué)設(shè)計角度出發(fā)，由于器件在制作流程中采用的薄膜淀積、生長和摻雜，會使不同的材料形成的不同的內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)通常的工藝條件SiO2會形成約130MPa的壓應(yīng)力，PZT則一般表現(xiàn)為張應(yīng)力，與之相比Al等金屬薄層的內(nèi)應(yīng)力則可以忽略。這種內(nèi)應(yīng)力會在微結(jié)構(gòu)形成時以殘余應(yīng)力的形式釋放出來，對器件的力學(xué)特性造成很大的影響，甚至在結(jié)構(gòu)釋放后會令器件的功能失效。由于存在應(yīng)力剛化(Stress Stiffening)效應(yīng)，即平面內(nèi)應(yīng)力和橫向剛度的耦合的效應(yīng)，還將極大的影響微結(jié)構(gòu)的機(jī)械靈敏度。對于設(shè)計的梁結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力越大，機(jī)械靈敏度越低。同時，由于殘余應(yīng)力的存在，還會導(dǎo)致梁結(jié)構(gòu)在釋放時產(chǎn)生過大的形變(即靜態(tài)撓度過大)，破壞器件的整體結(jié)構(gòu)，造成器件失效。然而，殘余應(yīng)力與制備時的工藝參數(shù)、環(huán)境溫度和器件的封裝都密切相關(guān)，難以精確控制。為改進(jìn)這一問題，可能采用的方法是將具有不同初始應(yīng)力的材料組成復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，使PZT的張應(yīng)力為氧化硅的壓應(yīng)力所補(bǔ)償，從而提高膜的機(jī)械靈敏度，減小初始變形。理論上講，當(dāng)組成復(fù)合膜的各層膜滿足條件(1)每層膜材料內(nèi)應(yīng)力均勻；(2)復(fù)合結(jié)構(gòu)無彎曲時，等效的復(fù)合膜應(yīng)力σc、等效膜厚度tc和各層膜(i＝1，2，...)對應(yīng)量的關(guān)系為σctc＝σ1t1+σ2t2+... (1)tc＝t2+t2+... (2)由公式(1)可知合理設(shè)置各層膜厚度可使復(fù)合膜應(yīng)力σc接近為0。為防止梁在工作時出現(xiàn)疲勞或出現(xiàn)形變難以恢復(fù)原狀，要考慮形變是在完全塑性形變范圍內(nèi)，即彎曲向下位移為1/4波長時產(chǎn)生的形變最大應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力。根據(jù)此原理，可知，各層薄膜材料的厚度對復(fù)合膜的材料參數(shù)有著重要的影響，可以通過改變復(fù)合膜各層材料的厚度來減小整個復(fù)合膜由于殘余應(yīng)力造成的剛化效應(yīng)，即減小殘余應(yīng)力對可動結(jié)構(gòu)的影響。為此我們可設(shè)計出復(fù)合應(yīng)力σc≈0的SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si復(fù)合膜層懸臂梁。
經(jīng)過模擬我們提出一個典型的尺寸懸臂梁尺寸取2000μm×400μm×10μm，其中PZT的膜厚1μm，鏡面大小為150μm×20μm×150μm，電壓增大到U＝35V時，產(chǎn)生最大的位移為186μm，其最大應(yīng)力144.796MPa，小于梁的屈服應(yīng)力7.0×109N/m2，懸臂梁的狀態(tài)此時仍然完全處在彈性形變的限度內(nèi)，因此在正常工作下，懸臂梁所發(fā)生的形變是完全塑性形變。因為利用疲勞特性較好的硅梁通過彈性形變實現(xiàn)開關(guān)功能，避免了硅硅間的摩擦減少磨損，大大提高了光開關(guān)的使用壽命與可靠性。
權(quán)利要求
1.集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于它含有鐵電薄膜懸臂梁以及與該梁做成一體的微反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)是絕緣層①/金屬②/鐵電材料③/金屬④/絕緣材料⑤/襯底層⑥構(gòu)成的多層膜結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)中的絕緣①層是SiO2或Si3N4介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)中的金屬②是Pt或Au金屬或其合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)中的鐵電材料③是PZT或PT或其復(fù)合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)中的金屬④是Pt或Ti或Au金屬或其合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)中的絕緣材料⑤是SiO2或Si3N4介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)中的襯底層⑥是Si或GaAs或GaN或InP半導(dǎo)體材料或它們的復(fù)合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述懸臂梁的尺寸范圍是(500～5000)μm×(20～5000)μm×(3～300)μm，鐵電材料(如PZT)層厚(0.2～200)μm，鏡面的尺寸范圍是(50～1000)μm×(1～100)μm×(50～1000)μm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)，其特征在于所述的懸臂梁是單層或雙層或多層鐵電膜層的任何一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)所提出的制造方法，其特征在于，它含有以下典型的加工工藝(1)用(110)晶向的雙拋硅片，雙面生長熱氧后淀積氮化硅；(2)背面光刻氮化硅窗口，后漂去露出的熱氧；(3)利用KOH各向異性體硅腐蝕形成垂至于(110)面的(111)面作為光開關(guān)的反射鏡面，其高度約為150μm；(4)漂背面的SiO2后，繼續(xù)進(jìn)行腐蝕，直至剩下(50～100)μm的硅作支撐層；(5)光刻下電極窗口，正膠剝離出下電極Pt/Ti；(6)用sol-gel(溶膠—凝膠)法制備PZT后快速退火；(7)光刻上電極窗口，正膠剝離出Pt上電極并干法刻蝕PZT；(8)再淀積低溫氧化層(LTO)，刻接觸孔，濺鋁并刻出鋁引線，然后用TMAH(一種化學(xué)腐蝕液)進(jìn)行體硅腐蝕，減薄梁的厚度并徹底釋放出懸臂梁結(jié)構(gòu)；(9)將鏡面蒸金形成高反射率表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成鐵電微鏡式光開關(guān)所提出的制造方法，其特征在于，它含有以下典型的加工工藝(1)用(110)晶向的雙拋硅片，雙面生長熱氧后淀積氮化硅；(2)背面光刻氮化硅窗口，后漂去露出的熱氧；(3)利用KOH各向異性體硅腐蝕形成垂至于(110)面的(111)面作為光開關(guān)的反射鏡面，其高度約為150μm；(4)漂背面的SiO2后，繼續(xù)進(jìn)行腐蝕，直至剩下(50-100)μm的硅作支撐層；(5)光刻下電極窗口，正膠剝離出下電極Pt/Ti；(6)用sol-gel(溶膠—凝膠)法制備PZT后快速退火；(7)光刻上電極窗口，正膠剝離出Pt上電極并干法刻蝕PZT；(8)再按上法制備一層PZT后快速退火，正膠剝離上電極并干法刻蝕PZT；(9)再淀積低溫氧化層(LTO)，刻接觸孔，濺鋁并刻出鋁引線，然后用TMAH(一種化學(xué)腐蝕液)進(jìn)行體硅腐蝕，減薄梁的厚度并徹底釋放出懸臂梁結(jié)構(gòu)；(10)將鏡面蒸金形成高反射率表面。(11)把懸臂梁處的硅襯底、二氧化硅都去掉(也可以保留薄的二氧化硅層)，微反射鏡處除外。
全文摘要
集成鐵電微鏡式光開關(guān)屬于光通信用的微型光開關(guān)領(lǐng)域,其特征在于:它包含有鐵電薄膜懸臂梁及與該梁做成一體的微反射鏡,所述的鐵電膜可以是單層、雙層或多層;所述的懸臂梁是絕緣層/金屬/鐵電材料/金屬/絕緣材料/襯底層構(gòu)成的多層膜結(jié)構(gòu);懸臂梁襯底材料是Si或GaAS或GaN或InP半導(dǎo)體材料或它們的復(fù)合。相應(yīng)地給出了一種SiO
文檔編號H04J14/02GK1389749SQ02125400
公開日2003年1月8日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者任天令, 劉理天, 徐楊 申請人:清華大學(xué)