一種單向扭轉的高平衡可變光衰減器及其製備方法
2023-05-02 19:02:11
專利名稱：一種單向扭轉的高平衡可變光衰減器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種衰減器及其製備方法，具體來說，涉及一種單向扭轉的高平衡可變光衰減器及其製備方法。
背景技術：
可變光衰減器(文中簡稱:V0A)是光網絡中的一種重要的光纖無源器件，是組成光放大器的關鍵部件，在光纖通信系統中起到功率平衡的關鍵作用。微機電系統(文中簡稱:MEMS)可變光衰減器性能可靠，結構緊湊，造價低廉，易於批量生產，具有廣泛的發展前景。目前的MEMS光衰減器主要有微鏡結構，通過靜電驅動實現微鏡的上下偏轉。驅動結構有平板型和梳齒型，平板型難以實現線性控制，梳齒則需要上下交疊，上下梳齒的加工涉及對準和隔離等問題，因此工藝相對複雜，如果梳齒集中在一邊，可能造成結構不對稱，容易失衡。
發明內容
技術問題:本發明所要解決的技術問題是:提供一種單向扭轉的高平衡可變光衰減器，該可變光衰減器結構簡單，採用梳齒驅動，可實現任意位置精確控制微鏡的扭轉角度；同時，本發明還提供該可變光衰減器的製備方法，該製備方法簡單，可靠性高，且加工精度高。技術方案:為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:一種單向扭轉的高平衡可變光衰減器，該可變光衰減器包括上部設有空腔的襯底、固定連接在襯底空腔中的固定梳齒單元、位於襯底上方的兩個活動電極區、微鏡、活動梳齒單元和兩根支杆，活動電極區與襯底之間設有第一二氧化矽絕緣層，兩根支杆的一端均與微鏡固定連接，兩根支杆 的另一端均通過扭轉杆與一個活動電極區固定連接；活動梳齒單元固定連接在支杆的側面，且活動梳齒單元位於固定梳齒單元的上方，固定梳齒單元位於支杆的一側，固定梳齒單元中的固定梳齒與活動梳齒單元中的活動梳齒交錯布置；微鏡、活動梳齒單元、支杆和扭轉杆均處於懸空狀態。進一步，所述的活動梳齒單元位於兩根支杆的兩側，且沿支杆相互對稱。上述的單向扭轉的高平衡可變光衰減器的製備方法，該製備方法包括以下步驟:步驟10)選取起始矽片:選取由(100)晶向高摻雜襯底和矽膜製成的SOI矽片作為起始矽片；soi矽片中含有第一二氧化矽絕緣層；步驟20)採用熱氧化方法，在起始矽片頂面生長一層第二二氧化矽絕緣層，然後採用旋塗工藝，在第二二氧化矽絕緣層頂面覆蓋一層光刻膠層，採用光刻工藝，在光刻膠層上刻蝕第一孔，當刻蝕到第二二氧化矽絕緣層頂面時，利用氫氟酸溶液，腐蝕掉第一孔中的第二二氧化矽絕緣層，接著再採用幹法感應耦合等離子體工藝，在矽膜中向下刻蝕第一孔，當刻蝕到第一二氧化矽絕緣層頂面時，再利用氫氟酸溶液，腐蝕掉第一孔中的第一二氧化矽絕緣層；隨後採用八氟化四碳氣體幹法刻蝕工藝，在第一孔的壁面和底面上澱積保護層，最後採用離子轟擊，去掉位於第一孔底面上的保護層；步驟30 )採用幹法感應耦合等離子體工藝，沿著第一孔向下刻蝕襯底，在襯底上形成第二孔；步驟40)採用各向同性等離子幹法刻蝕工藝，刻蝕位於第一孔下方的襯底，使第二孔的孔徑變寬；步驟50)採用氫氟酸溶液腐蝕掉位於矽膜上方的第二二氧化矽絕緣層和位於第一孔壁面上的保護層，然後採用外延工藝，在第一孔中進行矽外延生長，封閉第二孔；步驟60)光刻衰減器部件:採用光刻板，對矽膜進行梳齒光刻，一直刻到襯底空腔底部，形成活動梳齒、固定梳齒、微鏡、活動電極區、支杆和扭轉杆，製成可變光衰減器。有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:(I)可精確控制微鏡的扭轉角度。本發明的可變光衰減器，在襯底和一個活動電極區之間施加靜電，通過扭轉杆和支杆的傳遞，固定梳齒單元和與該固定梳齒單元對應的活動梳齒單元之間產生靜電驅動力。由於固定梳齒單元僅布置在支杆的一側，微鏡僅單向扭轉。由於襯底和活動電極區之間施加的靜電大小，僅受外加電壓影響，因此，通過控制外加電壓，可在任意位置精確控制微鏡的扭轉角度。(2)器件可靠性高。本發明的可變光衰減器，活動梳齒單元位於兩根支杆的兩側，且沿支杆相互對稱。當不在襯底和兩個活動電極區之間施加靜電時，由於兩組活動梳齒單元沿支杆和微鏡對稱設置，所以可變光衰減器可以保持較好的平衡。也就是說，該可變光衰減器不施加靜電時，微鏡的鏡面保持水平狀態。如果只在支杆一側設置活動梳齒單元，那麼不對可變光衰減器施加靜電時，微鏡就向設有活動梳齒單元的一側發生傾斜，不能保證器件本身測量的穩定性和準確性。設置兩組活動梳齒單元，且位於兩根支杆的兩側，有利於提高器件的可靠性。(3)製備方法簡單易操作，可靠性高，且加工精度高。本發明的製備方法採用半導體工藝，結合深矽刻蝕加工實現，工藝可靠性高。該製備方法採用SOI晶圓單面加工實現，不需要通過背面加工和矽矽鍵合，可有效保證加工成品率，適合批量化產品的推廣應用。該製備方法僅在矽片上表面加工，且上下梳齒不需要套刻對準，位於兩根支杆兩側的活動梳齒單元相對微鏡對稱設置，結構穩定性好。由於上下兩層梳齒(即固定梳齒和活動梳齒)是一次光刻和刻蝕成型，沒有對準偏差，因此可靠性高，且加工精度高。
圖1是本發明中可變光衰減器的結構示意圖。圖2是圖1中沿A-A向剖視圖。圖3是圖1中沿B-B向剖視圖。圖4是本發明製備方法中步驟20)完成後的結構示意圖。圖5是本發明製備方法中步驟30)完成後的結構示意圖。圖6是本發明製備方法中步驟40)完成後的結構示意圖。圖7是本發明製備方法中步驟50)完成後的結構示意圖。圖中有:襯底1、活動電極區2、微鏡3、固定梳齒單元4、活動梳齒單元5、支杆6、扭轉杆7、第一二氧化娃絕緣層8、光刻膠層9、第二二氧化娃絕緣層10、保護層11、第一孔12、第二孔13、矽膜14。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的技術方案作進一步詳細的說明。如圖1至圖3所示，本發明的單向扭轉的高平衡可變光衰減器，包括上部設有空腔的襯底1、固定連接在襯底I空腔中的固定梳齒單元4、位於襯底I上方的兩個活動電極區
2、微鏡3、活動梳齒單元5和兩根支杆6。活動電極區2與襯底I之間設有第一二氧化矽絕緣層8。第一二氧化矽絕緣層8固定連接在活動電極區2與襯底I之間。也就是說，兩個活動電極區2均通過一個第一二氧化矽絕緣層8與襯底I隔離。兩根支杆6的一端均與微鏡3固定連接，兩根支杆6的另一端均通過扭轉杆7與一個活動電極區2固定連接。微鏡3呈圓形，支杆6和扭轉杆7均位於微鏡3的軸線上。活動梳齒單元5固定連接在支杆6的側面，且活動梳齒單元5位於固定梳齒單元4的上方。活動梳齒單元5和固定梳齒單元4之間有空隙。固定梳齒單元4位於支杆6的一側。固定梳齒單元4中的固定梳齒與活動梳齒單元5中的活動梳齒交錯布置。也就是說，位於支杆6 —側的固定梳齒單元4，僅和與該固定梳齒單元4同側的活動梳齒單元5交錯布置，且該活動梳齒單元5位於固定梳齒單元4上方,活動梳齒單元5的底端和固定梳齒單元4的頂端在縱向有空隙。固定梳齒單元4中的每個固定梳齒位於活動梳齒單元5中相鄰的兩個活動梳齒之間下方。固定梳齒單元4中的固定梳齒與活動梳齒單元5中的活動梳齒不是上下一一對應，而是交錯布置，且固定梳齒和活動梳齒在縱向沒有重疊部位。微鏡3、活動梳齒單元5、支杆6和扭轉杆7均處於懸空狀態。進一步，所述的活動梳齒單元5位於兩根支杆6的兩側，且沿支杆6相互對稱。活動梳齒單元5可以僅布置在支杆6的一側，位於固定梳齒單元4上方。但是，優選活動梳齒單元5位於兩根支杆6的兩側，且沿支杆6相互對稱。此時，固定梳齒單元4仍然僅布置在支杆6的一側。活動梳齒單元5位於兩根支杆6的兩側，且沿支杆6相互對稱。這可保證微鏡受力平衡，增加了器件的可靠性。進一步，所述的活動電極區2和襯底I均為低阻材料製成，且活動梳齒單元5、微鏡
3、支杆6、扭轉杆7和活動電極區2均為同一種材料製成；固定梳齒單元4和襯底I均為同一種材料製成。低阻材料可以為高摻雜磷的矽、高摻雜硼的矽，或者高摻雜砷的矽。本發明的可變光衰減器中，襯底I作為支撐體，同時固定梳齒單元4設置在襯底I的上部的內凹腔內，活動梳齒單元5及微鏡3通過支杆6和扭轉杆7與活動電極區2相連並懸空。活動電極區2的下部通過第一二氧化矽絕緣層8與襯底I連接。本發明的可變光衰減器採用單向扭轉的交錯布置的梳齒靜電驅動結構。該梳齒靜電驅動結構採用交錯布置的固定梳齒和活動梳齒，包括一組嵌在襯底I上的固定梳齒單元4和位於固定梳齒單元4上方且與該固定梳齒單元4對應的一組活動梳齒單元5。固定梳齒單元4和與該固定梳齒單元4對應的活動梳齒單元5之間有微小的間隔，且電隔離。活動梳齒5和襯底I電絕緣。固定梳齒單元4和與該固定梳齒單元4對應的活動梳齒單元5組成梳齒靜電驅動結構。活動梳齒單元5可以為兩組，且沿支杆6相互對稱。一組活動梳齒單元5下方有固定梳齒單元4，另一組活動梳齒單元5下方沒有固定梳齒單元4。當不在襯底I和兩個活動電極區2之間施加靜電時，由於兩組活動梳齒單元5的對稱性，所以該可變光衰減器可以保持較好的平衡。上述結構的單向扭轉的高平衡可變光衰減器的工作過程是:在襯底I和一個活動電極區2之間施加靜電，通過扭轉杆7和支杆6的傳遞，固定梳齒單元4和與該固定梳齒單元4對應的活動梳齒單元5之間產生靜電驅動力。活動梳齒單元5中的活動梳齒向固定梳齒單元4偏轉，且活動梳齒向兩個相鄰的固定梳齒之間的空隙扭轉。由於固定梳齒單元4僅布置在支杆6的一側，微鏡3僅單向扭轉。如圖1所示，微鏡3的右部區域沒有固定梳齒單元，因此只要在襯底I和活動電極區2之間施加靜電，則靜電力將驅使由微鏡3向襯底I左部方向扭轉。上述單向扭轉的高平衡可變光衰減器的製備方法，包括以下步驟:步驟10)選取起始矽片:選取由(100)晶向高摻雜襯底I和矽膜14製成的SOI矽片作為起始矽片；S0I矽片中含有第一二氧化矽絕緣層8。步驟20)如圖4所示，採用熱氧化方法，在起始矽片頂面生長一層第二二氧化矽絕緣層10，然後採用旋塗工藝，在第二二氧化矽絕緣層10頂面覆蓋一層光刻膠層9，採用光刻工藝，在光刻膠層9上刻蝕第一孔12，當刻蝕到第二二氧化矽絕緣層10頂面時，利用氫氟酸溶液，腐蝕掉第一孔12中的第二二氧化矽絕緣層10，接著再採用幹法感應耦合等離子體工藝，在矽膜14中向下刻蝕第一孔12，當刻蝕到第一二氧化矽絕緣層8頂面時，再利用氫氟酸溶液，腐蝕掉第一孔12中的第一二氧化矽絕緣層8 ;隨後採用八氟化四碳氣體幹法刻蝕工藝，在第一孔12的壁面和底面上澱積保護層11，最後採用離子轟擊，去掉位於第一孔12底面上的保護層11。步驟30)如圖5所示，採用幹法感應耦合等離子體工藝，沿著第一孔12向下刻蝕襯底1，在襯底I上形成第二孔13 ;第二孔13的深度優選為2 —10微米。步驟40)如圖6所示，採用各向同性等離子幹法刻蝕工藝，刻蝕位於第一孔12下方的襯底I，使第二孔13的孔徑變寬。步驟50)如圖7所示，採用氫氟酸溶液腐蝕掉位於矽膜14上方的第二二氧化矽絕緣層10和位於第一孔12壁面上的保護層11，然後採用外延工藝，在第一孔12中進行矽外延生長，封閉第二孔。步驟60)光刻衰減器部件:採用光刻板，對矽膜14進行梳齒光刻，一直刻到襯底I空腔底部，形成活動梳齒、固定梳齒、微鏡3、活動電極區2、支杆6和扭轉杆7，製成可變光衰減器。在步驟60)中，活動梳齒單元5中的活動梳齒和固定梳齒單元4中的固定梳齒是一次刻蝕完成，無需對準。同時，微鏡3、活動電極區2、支杆6和扭轉杆7也一次刻蝕完成。這些部件的位置由光刻板決定，且自動對準並完成。上述製備方法以絕緣體上的矽(文中簡稱SOI)結合體矽深刻蝕加工技術實現。該製備方法首先選取SOI圓片，SOI圓片的襯底層就是可變光衰減器的襯底1，S0I圓片的中間氧化層就是第一二氧化矽絕緣層8，SOI圓片上面的矽膜用於製造活動梳齒單元5、微鏡3、支杆6和扭轉杆7。首先在SOI圓片上的矽膜開小孔(即第一孔12)陣列，以露出中間的第一二氧化矽絕緣層8，通過腐蝕去掉小孔中的第一二氧化矽絕緣層8後，再進行各向同性襯底I腐蝕，形成空腔，然後生長矽膜填充小孔(即第一孔12)，最後進行上下梳齒的加工。活動梳齒和固定梳齒採用一次光刻和刻蝕完成。
該製備方法只是在矽片正面進行加工，因此加工工藝相對簡單，且保證了加工精度。採用SOI矽片進行加工，保證了圓片的加工的厚度均勻性，器件的加工成品率好，活動梳齒相對微鏡均勻分布，保證了結構的平衡性，有利於提高器件的工作穩定性和可靠性。
權利要求
1.一種單向扭轉的高平衡可變光衰減器，其特徵在於，該可變光衰減器包括上部設有空腔的襯底(1)、固定連接在襯底(1)空腔中的固定梳齒單元(4)、位於襯底(1)上方的兩個活動電極區(2)、微鏡(3)、活動梳齒單元(5)和兩根支杆(6)，活動電極區(2)與襯底(1)之間設有第一二氧化矽絕緣層(8 )，兩根支杆(6 )的一端均與微鏡(3 )固定連接，兩根支杆(6 )的另一端均通過扭轉杆(7)與一個活動電極區(2)固定連接；活動梳齒單元(5)固定連接在支杆(6)的側面，且活動梳齒單元(5)位於固定梳齒單元(4)的上方，固定梳齒單元(4)位於支杆(6)的一側，固定梳齒單元(4)中的固定梳齒與活動梳齒單元(5)中的活動梳齒交錯布置；微鏡(3)、活動梳齒單兀(5)、支杆(6)和扭轉杆(7)均處於懸空狀態。
2.按照權利要求1所述的單向扭轉的高平衡可變光衰減器，其特徵在於，所述的活動梳齒單元(5)位於兩根支杆(6)的兩側，且沿支杆(6)相互對稱。
3.按照權利要求1所述的單向扭轉的高平衡可變光衰減器，其特徵在於，所述的活動電極區(2)和襯底(1)均為低阻材料製成，且活動梳齒單元(5)、微鏡(3)、支杆(6)、扭轉杆(7)和活動電極區(2)均為同一種材料製成；固定梳齒單元(4)和襯底(1)均為同一種材料製成。
4.按照權利要求3所述的單向扭轉的高平衡可變光衰減器，其特徵在於，所述的低阻材料為高摻雜磷的矽、高摻雜硼的矽，或者高摻雜砷的矽。
5.一種權利要求1所述的單向扭轉的高平衡可變光衰減器的製備方法，其特徵在於，該製備方法包括以下步驟: 步驟10)選取起始矽片:選取由(100)晶向高摻雜襯底(1)和矽膜(14)製成的SOI矽片作為起始矽片；S0I矽片中含有第一二氧化矽絕緣層(8)； 步驟20)採用熱氧化方法，在起始矽片頂面生長一層第二二氧化矽絕緣層(10)，然後採用旋塗工藝，在第二二氧化矽絕緣層(10)頂面覆蓋一層光刻膠層(9)，採用光刻工藝，在光刻膠層(9)上刻蝕第一孔(12)，當刻蝕到第二二氧化矽絕緣層(10)頂面時，利用氫氟酸溶液，腐蝕掉第一孔(12)中的第二二氧化矽絕緣層(10)，接著再採用幹法感應耦合等離子體工藝，在矽膜(14)中向下刻蝕第一孔(12)，當刻蝕到第一二氧化矽絕緣層(8)頂面時，再利用氫氟酸溶液，腐蝕掉第一孔(12)中的第一二氧化矽絕緣層(8);隨後採用八氟化四碳氣體幹法刻蝕工藝，在第一孔(12)的壁面和底面上澱積保護層(11 )，最後採用離子轟擊，去掉位於第一孔(12)底面上的保護層(11)； 步驟30)採用幹法感應耦合等離子體工藝，沿著第一孔(12)向下刻蝕襯底(1)，在襯底(1)上形成第二孔(13); 步驟40)採用各向同性等離子幹法刻蝕工藝，刻蝕位於第一孔(12)下方的襯底(1)，使第二孔(13)的孔徑變寬； 步驟50)採用氫氟酸溶液腐蝕掉位於矽膜(14)上方的第二二氧化矽絕緣層(10)和位於第一孔(12)壁面上的保護層(11)，然後採用外延工藝，在第一孔(12)中進行矽外延生長，封閉第二孔； 步驟60)光刻衰減器部件:採用光刻板，對矽膜(14)進行梳齒光刻，一直刻到襯底(1)空腔底部，形成活動梳齒(5)、固定梳齒(4)、微鏡(3)、活動電極區(2)、支杆(6)和扭轉杆(7)，製成可變光衰減器。
6.按照權利要求5所述的單向扭轉的高平衡可變光衰減器的製備方法，其特徵在於，所述的步驟30)中， 第二孔(13)的深度為2 —10微米。
全文摘要
本發明公開了一種單向扭轉的高平衡可變光衰減器，包括上部設有空腔的襯底、固定梳齒單元、兩個活動電極區、微鏡、活動梳齒單元和兩根支杆，活動電極區與襯底之間設有第一二氧化矽絕緣層；兩根支杆的一端均與微鏡固定連接，另一端均通過扭轉杆與一個活動電極區固定連接；活動梳齒單元固定連接在支杆的側面，且活動梳齒單元位於固定梳齒單元的上方，固定梳齒單元位於支杆的一側，固定梳齒單元中的固定梳齒與活動梳齒單元中的活動梳齒交錯布置；微鏡、活動梳齒單元、支杆和扭轉杆均處於懸空狀態。該可變光衰減器可實現任意位置精確控制微鏡的扭轉角度；同時，本發明還提供該可變光衰減器的製備方法，該製備方法簡單，可靠性高，且加工精度高。
文檔編號G02B26/08GK103149683SQ20131004905
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月7日 優先權日2013年2月7日
發明者秦明 申請人:東南大學