CN100561288C - 一种微型光学器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型光学器件及其制备工艺，其特征在于：它包括固定电极、可动电极、支撑梁、玻璃衬底、光反射模块和光纤固定模块；所述固定电极包括连接在所述玻璃衬底顶面两侧的梳齿式固定电极和固定在所述玻璃衬底顶面中部的平板式固定电极；所述可动电极为插设在所述梳齿式固定电极间的两梳齿式可动电极和分别位于所述平板式固定电极上方的两平板式可动电极；所述支撑梁包括折叠横梁和组合扭转梁，所述光纤固定模块上以所述光反射模块为中心，呈放射状设置有若干光纤槽，且每一所述光纤槽分别对准所述光反射模块上多个光反射面中的一个。本发明的制备方工艺简单，与多种类型的MEMS器件工艺兼容，可用于实现功能更强大的微光集成***。

Description

一种微型光学器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学器件及其制备方法，特别是关于一种具有光开关和可变光衰减器混合功能的微型光学器件及其制备方法。

背景技术

采用微电子机械***(MEMS)技术实现的光开关和可变光衰减器具有体积小、重量轻、能耗低、性能稳定等优点。随着光纤通讯技术和密集波分复用***的飞速发展，MEMS光开关和可变光衰减器作为重要的光波导器件，得到了越来越广泛的应用。目前有关MEMS光开关和可变光衰减器的研究已有很多报道。这些器件都是以分立器件的形式设计，制造和封装，并能很好地实现光开关或光衰减功能。

集成化是当前MEMS技术发展的主流。集成化MEMS器件具有体积更小、重量更轻、功耗更低、成本更低、可靠性更高、性能更优异及功能更强大等优点。通过集成MEMS光开关和可变光衰减器，研制出高性能的具有光开关和可变光衰减器混合功能的微型光学器件，将极大的提高MEMS通讯类光学器件的性能、集成度和在应用方面的柔性度。然而，光开关同可变光衰减器在工艺和结构设计上存在较大的差异，因此实现该类集成技术存在着巨大的困难。就目前来看，在世界范围内，仍然通过将分立的MEMS光开关和可变光衰减器通过外部电学和光学连接构成微光***来实现集成化的高性能微型光学器件的光开关和可变光衰减器混合功能。这将提高设备成本、降低***可靠性、增加***维护难度和不利于设备的微型化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可实现光开关和可变光衰减器混合功能的微型光学器件及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种微型光学器件，其特征在于：它包括固定电极、可动电极、支撑梁、玻璃衬底、光反射模块和光纤固定模块；所述固定电极包括连接在所述玻璃衬底顶面两侧的梳齿式固定电极和固定在所述玻璃衬底顶面中部的平板式固定电极；所述可动电极为插设在所述梳齿式固定电极间的两梳齿式可动电极和分别位于所述平板式固定电极上方的两平板式可动电极；所述支撑梁包括折叠横梁和组合扭转梁，所述折叠横梁包括通过短梁连接所述两可动电极的通梁，通过锚点悬浮固定在所述玻璃衬底上的折叠梁；所述组合扭转梁包括多个支梁，其中两所述支梁一端连接所述折叠横梁，另一端连接两可动电极的外侧；另两所述支梁的一端连接所述两可动电极的内侧，另一端连接光反射模块的尾部两侧，再两所述支梁一端连接所述折叠横梁，另一端连接所述光反射模块的尾部；所述光纤固定模块上以所述光反射模块为中心，呈放射状设置有若干光纤槽，且每一所述光纤槽分别对准所述光反射模块上多个光反射面中的一个。

所述组合扭转梁与所述折叠横梁可以是单端不等高梁。所述单端不等高的组合扭转梁可以与所述折叠横梁的顶部平齐，底部高于所述折叠横梁。所述单端不等高的组合扭转梁也可以与所述折叠横梁的底部平齐，顶部低于所述折叠横梁。

所述组合扭转梁与所述折叠横梁也可以是双端不等高梁。

所述组合扭转梁与所述折叠横梁为单端不等高梁时，采用以下主要制备工艺：

(1)采用双抛N型(100)硅片；

(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蚀深槽，所述深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；

(3)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；

(4)在玻璃衬底上制作金属电极，作为微驱动结构的引线电极；

(5)将玻璃衬底和硅片进行阳极键合，并将硅片减薄到固定电极的厚度；

(6)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，定出折叠横梁上端与组合扭转梁上端的高度差；

(7)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩膜为掩模刻蚀释放结构，完成微型光学器件制备。

所述组合扭转梁与所述折叠横梁为双端不等高梁时，采用以下主要制备工艺：

(1)采用双抛N型(100)硅片；

(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，深槽的深度定出折叠横梁与组合扭转梁的下端高度差；

(3)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩模为掩模刻蚀硅片形成深槽，深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；

(4)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；

(5)在玻璃衬底上制作金属电极，作为微驱动结构的引线电极；

(6)将玻璃衬底和硅片进行阳极键合，并将硅片减薄到固定电极的厚度；

(7)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；1然后以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，定出折叠横梁上端与组合扭转梁上端的高度差；

(8)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩膜为掩模刻蚀释放结构，完成微型光学器件制备。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在器件驱动结构中同时采用梳齿型静电驱动器和平板型静电驱动器的设计，不但可以实现光开关光衰减复合功能，而且光开关功能和光衰减功能以独立方式控制实现，使器件具有高可控性和不同功能控制间的高隔离度。2、本发明使用以高精度光刻技术定义的片内集成光纤槽，可以精确、稳固地定位光纤，从而实现光反射模块与光纤槽之间的自对准，降低封装的难度和成本。3、本发明在微型光学器件中采用单晶硅材料制作，可以大大减小结构的内应力，提高器件结构的质量。4、本发明的制备方法可以采用常规MEMS工艺设备，实现大批量制造，且工艺过程简单，与多种类型的MEMS器件工艺兼容，可用于实现功能更强大的微光集成***。

附图说明

图1是本发明立体结构示意图

图2是本发明平面结构示意图

图3为本发明组合扭转支撑梁结构示意图

图4a～图4b是本发明实现光开关功能的工作原理示意图

图5a～图5b是本发明实现光衰减功能的工作原理示意图

图6a～图6g是本发明采用单端不等高支撑梁的制备过程示意图

图7a～图7d是本发明采用双端不等高支撑梁的制备过程示意图

具体实施方式

如图1～3所示，本发明包括固定电极1、2、3，可动电极4、5，支撑梁6、7，玻璃衬底8，光反射模块9和光纤固定模块10。

固定电极1、2为相对设置在玻璃衬底8的顶面两侧的四组梳齿式电极，与其对应，两个可动电极4分别梳齿插设在两侧的固定电极1、2之间，形成两个梳齿型静电驱动器。固定电极3为一平板式电极，其固定在玻璃衬底8的中部，两可动电极5亦为平板式电极，其分开一距离位于固定电极3的上方，与固定电极3之间具有一定空间间距，形成一平板型静电驱动器。

支撑梁包括折叠横梁6和组合扭转梁7，折叠横梁6包括四个通过锚点61悬浮连接在固定电极3两侧玻璃衬底8上的折叠弹簧梁62，一根连接两个梳齿型静电驱动器可动电极4的通梁63，通梁63通过两个短梁64分别连接对应设置的两对折叠弹簧梁62，在通梁63的中部设置有连接组合扭转梁的三个结点65、66、67。

组合扭转梁7由六个支梁71、72、73、74、75、76组成，其中，两支梁71、72的一端分别连接结点65、67，另一端分别连接两可动电极5的外侧；两支梁73、74的一端分别连接两可动电极5的内侧，另一端分别连接光反射模块9的尾部两侧；两支梁75、76的两端分别连接结点66和光反射模块9的尾端。光反射模块9的头部具有多个光反射面91，与各光反射面对应，在玻璃衬底8上设置有一光纤固定模块10，在光纤固定模块10上设置有若干呈放射状的光纤槽，光纤槽的深度可根据采用光纤的型号不同而通过制造工艺改变。

本发明微型光学器件可以利用梳齿型静电驱动器移动光反射模块9来实现光开关功能，如图4a所示，当可动电极4与固定电极1、2相互作用，使两可动电极4同步向左运动时，与可动电极4连成一体的折叠横梁6、组合扭转梁7、可动电极5和光反射模块9一起沿X轴向左运动，此时入射光IN1经光反射模块9上反射面91的传输方向为OUT1；如图4b所示，当可动电极4与固定电极1、2相互作用，使可动电极4向右运动时，与可动电极4连成一体的折叠横梁6、组合扭转梁7、可动电极5和光反射模块9一起沿X轴向右运动，此时入射光IN1经反射面91后的传输方向改变为OUT2。光反射模块9的各光反射面91分别对应一路设置在光纤固定模块10中的输出光纤10’，因此，移动光反射模块9可以对入射光实现多路切换，实现开关功能。

本发明微型光学器件还可以利用平板型静电驱动器扭转光反射模块9来实现光衰减功能。如图5a所示，由于折叠横梁6的结构比较粗大，刚度也大，组合扭转梁7的结构非常细小，刚度也较小，因此当两个可动电极5和固定电极3相互作用，使可动电极5在Z方向做离面(向下)运动时，折叠横梁6刚性大基本不会发生移动，相当于固定梁，而组合扭转梁7的各支梁刚性小，其中两支梁71、72在可动电极5的带动下会以折叠横梁6的两结点65、67为轴，作顺时针方向转动(如图5b所示)，另两支梁73、74在可动电极5的带动下，会带动光反射模块9和两支梁75、76以折叠梁6的结点66为轴，作逆时针方向转动，该转动使光反射模块9向上移动，使进入出射光纤10’的光能量发生改变，实现光衰减功能，其中光衰减量与光反射模块9的扭转角度成正比关系。

上述实施例中组合扭转梁7与折叠横梁6不但在梁宽度方向相比非常窄，而且在梁厚度方向也有差别，其既可以制作成单端不等高梁，又可以制作成双端不等高梁。单端不等高梁为组合扭转梁7与折叠横梁6底面(或顶面)平齐，顶面(或底面)不等高，双端不等高梁为组合扭转梁7与折叠横梁6顶面和底面都不平齐。

下面是本发明微型光学器件的制备工艺，其分为两种情况：

实施例1：制作单端不等高支撑梁的微型光学器件时，主要采取以下工艺：

1、起始材料采用双抛N型(100)硅片11(如图6a所示)，厚度为400±10微米；

2、在硅片11上形成氧化硅掩膜12，然后刻蚀深槽13，深槽13的深度定出玻璃衬底上的固定电极3和可动电极5之间的间隙；

3、如图6b所示，去除氧化硅掩膜12，硅片11表面采用离子注入或扩散工艺掺杂硼14，以形成欧姆接触；

4、如图6c所示，在玻璃衬底8上制作金属电极15，作为微驱动结构的引线电极；

5、如图6d所示，将玻璃衬底8和硅片11进行阳极键合，并将硅片11减薄到固定电极1、2、3需要的厚度；

6、在硅片11上形成氧化硅掩膜16，再在氧化硅掩膜16表面形成光刻胶掩膜17(如图6e所示)，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜17为掩模刻蚀深槽18(如图6f所示)，深槽18的深度定出组合扭转梁7上端与折叠横梁6上端的高度差(如图6g所示)，同时也是组合扭转梁7上端与其它部件上端的高度差；

7、去除光刻胶掩模17，以氧化硅掩模16为掩模刻蚀释放结构，形成单端不等高支撑梁，完成单端不等高支撑梁的微型光学器件的制备。

实施例2：制作双端不等高支撑梁的微型光学器件时，主要采用以下工艺：

1、起始材料采用双抛N型(100)硅片11(如图6a所示)，厚度为400±10微米；

2、首先在硅片11上形成氧化硅掩膜19，再在氧化硅掩模19表面形成光刻胶掩膜20(如图7a所示)，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶20为掩模刻蚀深槽21(如图7b所示)，深槽21的深度定出组合扭转梁7与折叠横梁6(包括71，72，73等梁)的下端高度差(如图7c所示)；

3、去除光刻胶掩模20，以氧化硅掩模19为掩模刻蚀硅片11形成深槽22，深槽22的深度定出玻璃衬底上的固定电极3和可动电极5之间的间隙；

4、然后按照上述实施例1中的步骤3～步骤7进行，完成双端不等高支撑梁的微型光器件的制备(如图7d所示)。

上述制作单端不等高支撑梁的微型光学器件时，如果单端不等高的组合扭转梁7与所述折叠横梁6的顶部平齐，底部高于所述折叠横梁6时，可以参照上述两工艺实施例，对工艺进行个别调整，即可实现，在此不再赘述。

上述各实施例仅为说明本发明而列举，凡在本发明技术方案的基础上进行的等同变化，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1、一种微型光学器件，其特征在于：它包括固定电极、可动电极、支撑梁、玻璃衬底、光反射模块和光纤固定模块；

所述固定电极包括连接在所述玻璃衬底顶面两侧的梳齿式固定电极和固定在所述玻璃衬底顶面中部的平板式固定电极；

所述可动电极为插设在所述梳齿式固定电极间的两梳齿式可动电极和分别位于所述平板式固定电极上方的两平板式可动电极；

所述支撑梁包括折叠横梁和组合扭转梁，所述折叠横梁包括通过短梁连接两所述两梳齿式可动电极的通梁，通过锚点悬浮固定在所述平板式固定电极两侧玻璃衬底上、且通过两短梁连接所述通梁的折叠梁；所述组合扭转梁包括多个支梁，其中两所述支梁各有一端连接所述折叠横梁，各有另一端连接相应的平板式可动电极的外侧；另两所述支梁的各有一端连接相应的平板式固定可动电极的内侧，各有另一端连接光反射模块的尾部两侧，再两所述支梁各有一端连接所述折叠横梁，各有另一端连接所述光反射模块的尾部；

所述光纤固定模块上以所述光反射模块为中心，呈放射状设置有若干光纤槽，且每一所述光纤槽分别对准所述光反射模块上多个光反射面中的一个。

2、如权利要求1所述的一种微型光学器件，其特征在于：所述组合扭转梁与所述折叠横梁为单端不等高梁，即底面平齐而顶面不等高，或者顶面平齐而底面不等高。

3、如权利要求2所述的一种微型光学器件，其特征在于：所述单端不等高的组合扭转梁与所述折叠横梁的底部平齐，顶部低于所述折叠横梁。

4、如权利要求2所述的一种微型光学器件，其特征在于：所述单端不等高的组合扭转梁与所述折叠横梁的顶部平齐，底部高于所述折叠横梁。

5、如权利要求1所述的一种微型光学器件，其特征在于：所述组合扭转梁与所述折叠横梁为双端不等高梁，即顶面和底面都不平齐。

6、如权利要求1或2或3所述一种微型光学器件的制备方法，其主要包括以下工艺：

(1)采用双抛N型(100)硅片；

(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，然后刻蚀深槽，所述深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；

(3)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；

(4)在玻璃衬底上制作金属电极，作为微驱动结构的引线电极；

(5)将玻璃衬底和硅片进行阳极键合，并将硅片减薄到固定电极的厚度；

(6)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，定出折叠横梁上端与组合扭转梁上端的高度差；

(7)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩膜为掩模刻蚀释放结构，完成微型光学器件制备。

7、如权利要求1或5所述一种微型光学器件的制备方法，其主要包括以下工艺：

(1)采用双抛N型(100)硅片；

(2)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩模表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，深槽的深度定出折叠横梁与组合扭转梁的下端高度差；

(3)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩模为掩模刻蚀硅片形成深槽，深槽的深度定出玻璃衬底上的固定电极和可动电极之间的间隙；

(4)去除氧化硅掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，以形成欧姆接触；

(5)在玻璃衬底上制作金属电极，作为微驱动结构的引线电极；

(6)将玻璃衬底和硅片进行阳极键合，并将硅片减薄到固定电极的厚度；

(7)在硅片上形成氧化硅掩膜，再在氧化硅掩膜表面形成光刻胶掩膜，进而形成氧化硅和光刻胶的复合掩模；然后以光刻胶掩膜为掩模刻蚀深槽，定出折叠横梁上端与组合扭转梁上端的高度差；

(8)去除光刻胶掩模，以氧化硅掩膜为掩模刻蚀释放结构，完成微型光学器件制备。

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