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集成鐵電微鏡式光開關的製作方法

2023-05-16 01:02:01 2

專利名稱:集成鐵電微鏡式光開關的製作方法
技術領域:
集成鐵電微鏡式光開關屬於光通信用的微型光開關技術領域。
本發明所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於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構成的多層膜結構;所述的懸臂梁結構中的絕緣層①是SiO2或Si3N4介質,金屬②是Pt或Au金屬或其合金,鐵電材料③是PZT或PT或其複合,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,襯底層⑥是Si或GaAs或GaN或InP半導體材料或它們的複合材料;所述懸臂梁的尺寸範圍是(500~5000)μm×(20~5000)μm×(3~300)μm,鐵電材料層厚(0.2~200)μm,鏡面的尺寸範圍是(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。
本發明所述的集成鐵電微鏡式光開關所提出的製造方法,其特徵在於,它含有以下d典型的加工工藝(可參見圖3)(1)用(110)晶向的雙拋矽片,雙面生長熱氧後澱積氮化矽;(2)背面光刻氮化矽窗口,後漂去露出的熱氧;(3)利用KOH各向一行體矽腐蝕形成垂至於(110)面的(111)面作為光開關的反射鏡面,其高度約為150μm;(4)漂背面的SiO2後,繼續進行腐蝕,直至剩下(50-100)μm的矽作支撐層;(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)法製備PZT後快速退火;(7)光刻上電極窗口,正膠剝離出Pt上電極並幹法刻蝕PZT;(8)再澱積低溫氧化層(LTO),刻接觸孔,濺鋁並刻出鋁引線,然後用TMAH(一種化學腐蝕液)進行體矽腐蝕,減薄梁的厚度並徹底釋放出懸臂梁結構;(9)將鏡面蒸金形成高反射率表面。
本發明所述的具有雙層鐵電薄膜的集成鐵電微鏡式光開關的製造方法,其特徵在於,它含有以下典型的加工工藝(可參見圖4)(1)~(7)與上相同;(8)再按上法製備一層PZT後快速退火,正膠剝離上電極並幹法刻蝕PZT;(9)~(10)與上(8)~(9)同;(11)把懸臂梁處的矽襯底、二氧化矽都去掉(也可以保留薄的二氧化矽層),微反射鏡處除外。
使用證明它達到了預期的目的。
圖2.4×4光開關陣列示意圖。
圖3.用於製作集成鐵電薄膜微鏡式光開關的流程圖。圖3是通過微反射鏡中心平面的一個截面的截面圖,同樣適用於圖4。
圖4.製作具有雙層鐵電薄膜的集成鐵電微鏡式光開關時,去除除了微反射鏡處的矽襯底外的部分的矽襯底材料時的製作流程圖。
考慮到在懸臂梁的製作過程中,會由於薄膜的生長帶來殘餘應力的積累,這要求器件結構在有殘餘應力的情況下,依然能夠正常工作。從力學設計角度出發,由於器件在製作流程中採用的薄膜澱積、生長和摻雜,會使不同的材料形成的不同的內應力,根據通常的工藝條件SiO2會形成約130MPa的壓應力,PZT則一般表現為張應力,與之相比Al等金屬薄層的內應力則可以忽略。這種內應力會在微結構形成時以殘餘應力的形式釋放出來,對器件的力學特性造成很大的影響,甚至在結構釋放後會令器件的功能失效。由於存在應力剛化(Stress Stiffening)效應,即平面內應力和橫向剛度的耦合的效應,還將極大的影響微結構的機械靈敏度。對於設計的梁結構,殘餘應力越大,機械靈敏度越低。同時,由於殘餘應力的存在,還會導致梁結構在釋放時產生過大的形變(即靜態撓度過大),破壞器件的整體結構,造成器件失效。然而,殘餘應力與製備時的工藝參數、環境溫度和器件的封裝都密切相關,難以精確控制。為改進這一問題,可能採用的方法是將具有不同初始應力的材料組成複合膜結構,使PZT的張應力為氧化矽的壓應力所補償,從而提高膜的機械靈敏度,減小初始變形。理論上講,當組成複合膜的各層膜滿足條件(1)每層膜材料內應力均勻;(2)複合結構無彎曲時,等效的複合膜應力σc、等效膜厚度tc和各層膜(i=1,2,...)對應量的關係為σctc=σ1t1+σ2t2+... (1)tc=t2+t2+... (2)由公式(1)可知合理設置各層膜厚度可使複合膜應力σc接近為0。為防止梁在工作時出現疲勞或出現形變難以恢復原狀,要考慮形變是在完全塑性形變範圍內,即彎曲向下位移為1/4波長時產生的形變最大應力要遠遠小於屈服應力。根據此原理,可知,各層薄膜材料的厚度對複合膜的材料參數有著重要的影響,可以通過改變複合膜各層材料的厚度來減小整個複合膜由於殘餘應力造成的剛化效應,即減小殘餘應力對可動結構的影響。為此我們可設計出複合應力σc≈0的SiO2/Pt/PZT/Pt/Ti/SiO2/Si複合膜層懸臂梁。
經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,產生最大的位移為186μm,其最大應力144.796MPa,小於梁的屈服應力7.0×109N/m2,懸臂梁的狀態此時仍然完全處在彈性形變的限度內,因此在正常工作下,懸臂梁所發生的形變是完全塑性形變。因為利用疲勞特性較好的矽梁通過彈性形變實現開關功能,避免了矽矽間的摩擦減少磨損,大大提高了光開關的使用壽命與可靠性。
權利要求
1.集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於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.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述的懸臂梁結構是絕緣層①/金屬②/鐵電材料③/金屬④/絕緣材料⑤/襯底層⑥構成的多層膜結構。
3.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述的懸臂梁結構中的絕緣①層是SiO2或Si3N4介質。
4.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述的懸臂梁結構中的金屬②是Pt或Au金屬或其合金。
5.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述的懸臂梁結構中的鐵電材料③是PZT或PT或其複合。
6.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述的懸臂梁結構中的金屬④是Pt或Ti或Au金屬或其合金。
7.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述的懸臂梁結構中的絕緣材料⑤是SiO2或Si3N4介質。
8.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述的懸臂梁結構中的襯底層⑥是Si或GaAs或GaN或InP半導體材料或它們的複合材料。
9.根據權利要求1或2所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於所述懸臂梁的尺寸範圍是(500~5000)μm×(20~5000)μm×(3~300)μm,鐵電材料(如PZT)層厚(0.2~200)μm,鏡面的尺寸範圍是(50~1000)μm×(1~100)μm×(50~1000)μm。
10.根據權利要求1所述的集成鐵電微鏡式光開關,其特徵在於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.根據權利要求1或2所述的集成鐵電微鏡式光開關所提出的製造方法,其特徵在於,它含有以下典型的加工工藝(1)用(110)晶向的雙拋矽片,雙面生長熱氧後澱積氮化矽;(2)背面光刻氮化矽窗口,後漂去露出的熱氧;(3)利用KOH各向異性體矽腐蝕形成垂至於(110)面的(111)面作為光開關的反射鏡面,其高度約為150μm;(4)漂背面的SiO2後,繼續進行腐蝕,直至剩下(50~100)μm的矽作支撐層;(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)法製備PZT後快速退火;(7)光刻上電極窗口,正膠剝離出Pt上電極並幹法刻蝕PZT;(8)再澱積低溫氧化層(LTO),刻接觸孔,濺鋁並刻出鋁引線,然後用TMAH(一種化學腐蝕液)進行體矽腐蝕,減薄梁的厚度並徹底釋放出懸臂梁結構;(9)將鏡面蒸金形成高反射率表面。
12.根據權利要求1或2所述的集成鐵電微鏡式光開關所提出的製造方法,其特徵在於,它含有以下典型的加工工藝(1)用(110)晶向的雙拋矽片,雙面生長熱氧後澱積氮化矽;(2)背面光刻氮化矽窗口,後漂去露出的熱氧;(3)利用KOH各向異性體矽腐蝕形成垂至於(110)面的(111)面作為光開關的反射鏡面,其高度約為150μm;(4)漂背面的SiO2後,繼續進行腐蝕,直至剩下(50-100)μm的矽作支撐層;(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)法製備PZT後快速退火;(7)光刻上電極窗口,正膠剝離出Pt上電極並幹法刻蝕PZT;(8)再按上法製備一層PZT後快速退火,正膠剝離上電極並幹法刻蝕PZT;(9)再澱積低溫氧化層(LTO),刻接觸孔,濺鋁並刻出鋁引線,然後用TMAH(一種化學腐蝕液)進行體矽腐蝕,減薄梁的厚度並徹底釋放出懸臂梁結構;(10)將鏡面蒸金形成高反射率表面。(11)把懸臂梁處的矽襯底、二氧化矽都去掉(也可以保留薄的二氧化矽層),微反射鏡處除外。
全文摘要
集成鐵電微鏡式光開關屬於光通信用的微型光開關領域,其特徵在於: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/襯底層構成的多層膜結構;懸臂梁襯底材料是Si或GaAS或GaN或InP半導體材料或它們的複合。相應地給出了一種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 優先權日2002年7月31日
發明者任天令, 劉理天, 徐楊 申請人:清華大學

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