一種製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法

2023-04-24 17:34:51 1

專利名稱：一種製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法
技術領域：
本發明涉及一種基於微光機電系統(M0EMS)的波長可調諧濾波器的製作方法，特 別涉及一種幹法刻蝕和溼法腐蝕相結合的MEMS(微機械)工藝製作的GaAs基波長可調諧 濾波器(波長在1. 3-1. 6 ii m波段)。
背景技術：
隨著新一代高容量高速光通訊技術和全光通訊網絡技術的發展，密集波分復用 (DW匿)系統已成為長途光信號傳輸的關鍵技術。當DW匿系統的通道數目增加，精確監控波 長顯得越來越重要。MOMES波長可調諧濾波器，MOMES波長可調諧探測器和MOMES波長可調 諧垂直腔面發射雷射器等光電子器件，可以對波長進行有效的選擇和控制，在高速高容量 光通訊技術和全光通訊網絡技術中有著廣泛的應用前景。 MOMES波長可調諧濾波器主要有三部分組成可移動的上分布布拉格反射鏡 (DBR)，固定的與襯底相連的下BDR和位於上下DBR之間的空氣腔。上下DBR部分相當於 F-P腔的兩個端面。給上下BDR間加上反向偏壓，在靜電力的作用下，上DBR部分被拉向下 DBR部分，改變了空氣隙的厚度，即改變了諧振腔的長度，從而使F-P腔的諧振波長發生偏 移，實現了波長的可調諧。

發明內容
( — )要解決的技術問題 有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種製作基於微光機電系統的波長可調諧 濾波器的方法，以製作出波長可調諧的濾波器。
( 二 )技術方案 為達到上述目的，本發明提供了一種製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器 的方法，該可調諧濾波器從上自下依次由可移動的上反射鏡、AlAs犧牲層、固定的下反射鏡 和襯底構成，該方法包括 用分子束外延方法生長用於製作濾波器的外延片； 對該外延片進行清洗，並對該外延片進行第一次光刻，光刻出單懸臂圖形； 採用電感耦合等離子體刻蝕方法對該具有單懸臂圖形的外延片進行幹法刻蝕，刻
蝕出垂直臺面； 對該刻蝕出垂直臺面的外延片進行第二次光刻，光刻出P、N兩個電極圖案，然後 反型，澱積共面電極，並金屬剝離，形成電極； 對該外延片進行選擇性腐蝕，腐蝕出具有空氣隙的單懸臂結構；
停止反應，對該單懸臂結構進行保護。 上述方案中，所述基於製作濾波器的外延片由可移動的上分布布拉格反射鏡DBR、 固定的與襯底相連的下BDR和位於上下DBR之間的AlAs犧牲層三部分構成其中，上DBR 是P型摻雜的，由14. 5對厚度為A 。/4n的GaAs和AlGaAs (Al的摩爾百分比為80% )交替
4生長形成；下DBR是N型摻雜的，由14對厚度為A 。/4n的GaAs和AlAs交替生長，並與一 對287. 7nm厚的GaAs、lllnm厚的AlAs形成；A 。為中心波長，取為1330nm， n為該層材料 在A 。處的折射率，AlAs犧牲層取為A 。/2n。的整數倍，n。為空氣的折射率。
上述方案中，所述對該外延片進行清洗，並對該外延片進行第一次光刻，光刻出單 懸臂圖形的步驟，具體包括用MOS級的高純丙酮-三氯乙烯-四氯化碳依次循環煮沸三 次，最後在丙酮中煮沸一次，以清除外延片表面的汙染物；然後對該外延片進行第一次光 刻，光刻出單懸臂圖形；該單懸臂圖形由方形的大臺面、懸臂梁和頂端的圓形臺面組成。
上述方案中，所述採用電感耦合等離子體刻蝕方法對該具有單懸臂圖形的外延片 進行幹法刻蝕，刻蝕出垂直臺面的步驟中，幹法刻蝕出垂直臺面為非選擇性刻蝕，在腔室中 充入SiCl4/Cl2混合氣體，混合氣體在真空電場中被加速，轟擊在外延片表面；幹法刻蝕要 刻蝕掉上DBR部分，截止到AlAs犧牲層，並部分暴露AlAs層的側面，以便用稀鹽酸進行選 擇性腐蝕。 上述方案中，所述對該刻蝕出垂直臺面的外延片進行第二次光刻，光刻出P、 N兩 個電極圖案，然後反型，澱積共面電極，並金屬剝離，形成電極的步驟中，澱積的共面電極是 Ti-Au電極，金屬剝離是在超聲波條件下進行的。 上述方案中，所述形成電極以後，進一步包括對形成的電極進行金屬合金化，使 電極更加穩固。 上述方案中，所述對該外延片進行選擇性腐蝕，腐蝕出具有空氣隙的單懸臂結構 的步驟中，採用稀鹽酸對外延片進行選擇性腐蝕，稀鹽酸是由質量百分比為37%的鹽酸與 去離子水按照體積比為l : 200的比例配置而成的，在進行腐蝕時採用水浴加熱在恆溫條 件下進行腐蝕，腐蝕溫度為30攝氏度。 上述方案中，所述停止反應，對該單懸臂結構進行保護的步驟，具體包括外延片 在稀鹽酸溶液中腐蝕後，置於去離子水中停止反應，然後再置於甲醇中清洗，最後置於丙酮 中，待丙酮自然揮發。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果 1、本發明採用了分子束外延的方法生長濾波器的外延片，與其它方法(如MOCVD) 相比，用分子束外延的方法生長的外延片，外延材料的表面形貌好，外延片表面積大均勻性 好，而且生長溫度低，提高了外延層的純度和完整性。 2、本發明採用了單懸臂的結構，使濾波器的上反射鏡更易於調諧，大大降低了濾 波器工作時的調諧電壓，便於與其它器件的系統集成。 3、本發明採用了電感耦合等離子體刻蝕的方法，大大降低了傳統的溼法腐蝕所造
成的側蝕現象，縮小了器件的尺寸，更有利於與其它光電的單片集成；採用了電感耦合等離
子體刻蝕的方法，可以對刻蝕的情況實現實時的監測，可以獲得理想的截止層。 4、本發明採用的處理懸臂的方法，利用丙酮溶液張力要小於去離子水的張力來實
現懸臂的保護，大大提高了器件的成品率。


圖1是本發明提供的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法流程5
圖2是本發明中濾波器的外延結構圖； 圖3是本發明中臺面腐蝕示意圖； 圖4是本發明中ICP刻蝕臺面原位監控曲線； 圖5是本發明中ICP刻蝕臺面側面SEM圖； 圖6是本發明中濾波器澱積共面電極後的光學顯微鏡照片； 圖7是本發明中選擇性腐蝕犧牲層的示意圖； 圖8是本發明中選擇性側蝕形成空氣腔後側面SEM圖； 圖9是本發明中懸臂釋放後濾波器解理後的光學顯微鏡照片。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。 如圖1所示，圖1是本發明提供的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的 方法流程圖，該可調諧濾波器從上自下依次由可移動的上反射鏡、AlAs犧牲層、固定的下反 射鏡和襯底構成，該方法包括 步驟101 :用分子束外延方法生長用於製作濾波器的外延片； 步驟102 :對該外延片進行清洗，並對該外延片進行第一次光刻，光刻出單懸臂圖 形； 步驟103 :採用電感耦合等離子體刻蝕方法對該具有單懸臂圖形的外延片進行幹 法刻蝕，刻蝕出垂直臺面； 步驟104 :對該刻蝕出垂直臺面的外延片進行第二次光刻，光刻出P、N兩個電極圖 案，然後反型，澱積共面電極，並金屬剝離，形成電極； 步驟105 :對該外延片進行選擇性腐蝕，腐蝕出具有空氣隙的單懸臂結構；
步驟106 :停止反應，對該單懸臂結構進行保護。 基於圖1所示製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法流程圖，下面結 合具體實施例和附圖，對本發明進一步詳細說明。 a、用分子束外延(MBE)方法生長用於製作濾波器的外延片。如圖2所示，該外延 片由可移動的上分布布拉格反射鏡(DBR)、固定的與襯底相連的下BDR和位於上下DBR之 間的厚的AlAs犧牲層三部分構成其中，上DBR是P型摻雜的，由14. 5對厚度為A 。/4n的 GaAs和AlGaAs (Al摩爾百分比為80%)交替生長形成；下DBR是N型摻雜的，由14對厚度 為入。/4n的GaAs和AlAs交替生長，並與一對287. 7nm厚的GaAs、lllnm厚的AlAs形成; 入。為中心波長，取為1330nm，n為該層材料在A 。處的折射率，AlAs犧牲層取為A 。/2n。的 整數倍，n。為空氣的折射率。 b、用丙酮等清洗樣片的具體步驟用高純(MOS級)丙酮-三氯乙烯-四氯化碳依 次循環煮沸三次，最後在丙酮中煮沸一次，以清除外延片表面的汙染物；然後對該外延片進 行第一次光刻，光刻出單懸臂圖形；該單懸臂圖形由方形的大臺面、懸臂梁和頂端的圓形臺 面組成。 c、採用電感耦合等離子體刻蝕(ICP)幹法刻蝕出垂直臺面。如圖3所示，4為一次 光刻形成懸臂圖形的光刻膠。光刻膠用以保護懸臂圖形部分不被刻蝕掉。幹法刻蝕垂直臺
6面為非選擇性刻蝕。在腔室中充入SiCl4/Cl2混合氣體，混合氣體在真空電場中被加速，轟 擊在樣片表面。圖3所示，幹法刻蝕要刻蝕掉上DBR部分3，截止到厚的AlAs犧牲層2，並 部分暴露AlAs層的側面，以便用稀鹽酸進行選擇性腐蝕；圖4所示，採用ICP原位監控系統 可以準確的截止到AlAs犧牲層。 d、澱積共面電極的具體步驟1)第二次光刻P、 N兩個電極的圖案，然後反型；2) 澱積Ti-Au電極；3)在超聲波條件下，進行金屬剝離，形成電極；4)金屬合金化，使其更加 穩固。 e、採用稀鹽酸對外延片進行選擇性腐蝕，稀鹽酸是由質量百分比為37X的鹽酸與 去離子水按照體積比為l : 200的比例配置而成的，在進行腐蝕時採用水浴加熱在恆溫條 件下進行腐蝕，腐蝕溫度為30攝氏度。圖7所示。在此條件下，稀鹽酸溶液選擇腐蝕AlAs 的速率約為1. 5iim/min，對AlGaAs(Al的摩爾百分比為80% )幾乎不腐蝕。
f、外延片在稀鹽酸溶液中腐蝕後，置於去離子水中停止反應，然後再置於甲醇中 清洗，最後置於丙酮中，待丙酮自然揮發。 圖9所示為本發明中懸臂釋放後濾波器的結構。對外延片解理後發現，厚的AlAs 層被選擇性腐蝕掉，形成空氣隙。上Dm 部分，即單懸臂結構由圖7中2(未被腐蝕掉的AlAs 部分)部分支撐。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，該可調諧濾波器從上自下依次由可移動的上反射鏡、AlAs犧牲層、固定的下反射鏡和襯底構成，其特徵在於，該方法包括用分子束外延方法生長用於製作濾波器的外延片；對該外延片進行清洗，並對該外延片進行第一次光刻，光刻出單懸臂圖形；採用電感耦合等離子體刻蝕方法對該具有單懸臂圖形的外延片進行幹法刻蝕，刻蝕出垂直臺面；對該刻蝕出垂直臺面的外延片進行第二次光刻，光刻出P、N兩個電極圖案，然後反型，澱積共面電極，並金屬剝離，形成電極；對該外延片進行選擇性腐蝕，腐蝕出具有空氣隙的單懸臂結構；停止反應，對該單懸臂結構進行保護。
2. 根據權利要求1所述的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，其特徵 在於，所述用於製作濾波器的外延片由可移動的上分布布拉格反射鏡DBR、固定的與襯底相 連的下BDR和位於上下DBR之間的AlAs犧牲層三部分構成其中，上DBR是P型摻雜的，由 14. 5對厚度為A 。/4n的GaAs和AlGaAs交替生長形成，AlGaAs中Al的摩爾百分比為80%; 下DBR是N型摻雜的，由14對厚度為A 。/4n的GaAs和AlAs交替生長，並與一對287. 7nm 厚的GaAs、lllnm厚的AlAs形成；A。為中心波長，取為1330nm，n為該層材料在A 。處的折 射率，AlAs犧牲層取為A 。/2n。的整數倍，n。為空氣的折射率。
3. 根據權利要求1所述的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，其特 徵在於，所述對該外延片進行清洗，並對該外延片進行第一次光刻，光刻出單懸臂圖形的步 驟，具體包括用MOS級的高純丙酮_三氯乙烯_四氯化碳依次循環煮沸三次，最後在丙酮中煮沸一 次，以清除外延片表面的汙染物；然後對該外延片進行第一次光刻，光刻出單懸臂圖形；該 單懸臂圖形由方形的大臺面、懸臂梁和頂端的圓形臺面組成。
4. 根據權利要求1所述的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，其特徵 在於，所述採用電感耦合等離子體刻蝕方法對該具有單懸臂圖形的外延片進行幹法刻蝕， 刻蝕出垂直臺面的步驟中，幹法刻蝕出垂直臺面為非選擇性刻蝕，在腔室中充入SiCl"Cl2 混合氣體，混合氣體在真空電場中被加速，轟擊在外延片表面；幹法刻蝕要刻蝕掉上DBR部 分，截止到AlAs犧牲層，並部分暴露AlAs層的側面，以便用稀鹽酸進行選擇性腐蝕。
5. 根據權利要求1所述的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，其特徵 在於，所述對該刻蝕出垂直臺面的外延片進行第二次光刻，光刻出P、 N兩個電極圖案，然後 反型，澱積共面電極，並金屬剝離，形成電極的步驟中，澱積的共面電極是Ti-Au電極，金屬 剝離是在超聲波條件下進行的。
6. 根據權利要求1或5所述的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，其 特徵在於，所述形成電極以後，進一步包括對形成的電極進行金屬合金化，使電極更加穩 固。
7. 根據權利要求1所述的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，其特徵 在於，所述對該外延片進行選擇性腐蝕，腐蝕出具有空氣隙的單懸臂結構的步驟中，採用稀 鹽酸對外延片進行選擇性腐蝕，稀鹽酸是由質量百分比為37%的鹽酸與去離子水按照體積比為1 :200的比例配置而成的，在進行腐蝕時採用水浴加熱在恆溫條件下進行腐蝕，腐蝕溫度為30攝氏度。
8.根據權利要求1所述的製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，其特徵在於，所述停止反應，對該單懸臂結構進行保護的步驟，具體包括外延片在稀鹽酸溶液中腐蝕後，置於去離子水中停止反應，然後再置於甲醇中清洗，最 後置於丙酮中，待丙酮自然揮發。
全文摘要
本發明公開了一種製作基於微光機電系統的波長可調諧濾波器的方法，該方法包括用分子束外延方法生長用於製作濾波器的外延片；對該外延片進行清洗，並對該外延片進行第一次光刻，光刻出單懸臂圖形；採用電感耦合等離子體刻蝕方法對該具有單懸臂圖形的外延片進行幹法刻蝕，刻蝕出垂直臺面；對該刻蝕出垂直臺面的外延片進行第二次光刻，光刻出P、N兩個電極圖案，然後反型，澱積共面電極，並金屬剝離，形成電極；對該外延片進行選擇性腐蝕，腐蝕出具有空氣隙的單懸臂結構；停止反應，對該單懸臂結構進行保護。利用本發明，製作出了波長可調諧的濾波器。
文檔編號G02B26/08GK101738722SQ20081022578
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月12日 優先權日2008年11月12日
發明者朱彬, 李文兵, 楊曉紅, 秦龍, 鞠研玲, 韓勤 申請人:中國科學院半導體研究所