CN1295544C - 一种氧化钒薄膜微型光开关及其制作方法 - Google Patents

一种氧化钒薄膜微型光开关及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化钒薄膜微型光开关及其制作方法。光开关的桥腿与桥面采用同一种介质薄膜制成，二者位于同一平面内，桥腿的一端与桥面相连，另一端架在金属桥墩上，桥面由桥腿和桥墩支撑悬浮在衬底上，桥面与衬底之间构成空腔；氧化钒薄膜制备在桥面之上，电极位于金属桥墩上，且与氧化钒薄膜相连。本发明采用微桥结构，不仅可以降低光开关的热容值，提高开关速度，而且通过改变微桥结构参数，还可以进一步调整光开关与衬底间的热导值。本发明为全固态器件，避免了MOMES光开关中的移动部件，提高了光开关的可靠性。本发明有利于研制高速或者低功耗的光开关阵列。

Description

一种氧化钒薄膜微型光开关及其制作方法
技术领域
本发明所属领域为光开关技术领域，具体涉及一种氧化钒薄膜微型光开关及其制作方法。
背景技术
光开关是光通讯领域中的核心器件，目前市场上的传统机械光开关具有开关时间长，体积大，无法形成大规模阵列等缺点，不能满足日益发展的光通讯技术和市场需求。当前正处于研究热点的光开关主要集中于五个方面，即微光机电(MOMES)光开关、液晶光开关、波导光开关和气泡或液泡驱动的光开关以及半导体光放大器(SOA)光开关。MOMES光开关是传统机械式光开关的微型化，通过移动光纤或者微反射镜来实现光开关功能，其开关时间可以达到毫秒量级，还可以形成大规模二维或者三维阵列，缺点是由于存在活动部件，***结构复杂，可靠性需待进一步提高。液晶光开关可以克服MOMES光开关的缺点，光开关中不存在可移动部件，可靠性高，然而***需要起偏和检偏的附加器件，***构造复杂，其光开关速度由于液晶材料的限制，很难突破亚毫秒量级。波导型光开关的开关时间较短，但是一般都是平面结构，设计的自由度小，而且***损耗和功耗都比较大。液泡或者气泡驱动的微型光开关是利用运动的气泡或者液泡调整波导折射率实现光开关功能，其开关时间较长。基于SOA的光开关也具有很多优点，如开关时间短，无插损，但是它的偏振灵敏性问题一直没有得到有效解决，距离实用化也有一段较长的距离。
在热致变色的材料中，某些氧化物和硫化物具有可逆的温度相变特性，这些材料当温度升高到相变温度时，其晶体结构会发生突变，从非金属态转变为金属态，伴随着这些微观结构的变化，薄膜的光学透过和反射特性也发生显著的变化。氧化钒薄膜就是这样一种具有可逆的温度相变特性的薄膜材料。当薄膜温度低于相变温度时，氧化钒薄膜呈单斜晶系结构，表现出半导体材料的特性，对入射红外光具有高透过特性。当薄膜温度高于相变温度时，薄膜呈四方晶系结构，表现出金属材料的特性，对红外光具有高反射特性。氧化钒薄膜的相变温度在68℃附近，通过掺杂或者改变薄膜应力状态其相变温度还可以进一步降低。氧化钒薄膜的相变速度很快，目前已经观察到高达皮秒(10-12秒)量级的相变时间。所有这些特性使得氧化钒薄膜成为一种有广泛应用前景的光开关、光存储、强激光保护和智能窗材料等。依据氧化钒薄膜的温度相变特性，本实验室曾提出并研制了一种基于该薄膜的微型光开关(Sihai Chen，Hong Ma，Xinjian Yi，Hongcheng Wang，XiongTao，Mingxiang Chen，Xiongwei Li，Caijun Ke.Optical switch based on vanadium dioxidethin films.Infrared Physics & Technology 45(2004)239-242)，在该光开关中，氧化钒薄膜直接制备在硅衬底之上，加热方式为电流加热，测试结果表明该光开关的开关时间为毫秒量级。在该种类型的光开关中，由于氧化钒薄膜是直接制作在衬底之上的，因此在加热氧化钒薄膜时，与氧化钒薄膜相邻的部分衬底也随之被一起加热，这样就增大了光开关的热容值，限制了光开关的热反应时间，因此采用这种结构的光开关很难进一步缩短开关时间，实现快速的开关响应。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种化钒薄膜微型光开关。该微型光开关可降低光开关的热容值，提高光开关的开关速度；此外，本发明还提供了该光开关的制作方法。
本发明提供的一种氧化钒薄膜微型光开关，包括氧化钒薄膜及电极，其特征在于：桥腿与桥面采用同一种介质薄膜制成，二者位于同一平面内，桥腿的一端与桥面相连，另一端架在金属桥墩上，桥面由桥腿和桥墩支撑悬浮在衬底上，桥面与衬底之间构成空腔；氧化钒薄膜制备在桥面之上，电极位于金属桥墩之上，且与氧化钒薄膜相连。
本发明还提供了上述光开关的制作方法，其步骤包括：
①、在衬底上旋涂聚酰亚胺薄膜；
②、光刻聚酰亚胺薄膜，形成聚酰亚胺图形和桥墩孔并对聚酰亚胺图形进行亚胺化处理；
③、用金属填充桥墩孔，形成二个金属桥墩；
④、在聚酰亚胺图形和金属桥墩上制备介质薄膜，再制备氧化钒薄膜，氧化钒薄膜厚度为100nm-500nm；
⑤、利用光刻和刻蚀工艺制作互连孔，然后利用剥离工艺在互连孔内和氧化钒薄膜上制作金属电极；
⑥、在上述各薄膜层上光刻出微桥结构图形，刻蚀各薄膜层至聚酰亚胺薄膜层，形成桥面和桥腿图形，并用氧等离子体去除桥面和桥腿图形底部的聚酰亚胺薄膜，形成微桥结构。
在加热功率密度确定的条件下，氧化钒薄膜微型光开关的开关时间主要是由氧化钒薄膜的相变时间和光开关结构的热反应时间决定的，由于氧化钒薄膜自身的相变时间很短(为皮秒量级)，因此氧化钒薄膜微型光开关的开关时间主要取决于光开关自身的热反应时间。光开关结构的热容越小，其热反应时间就越短，因此通过降低光开关的热容可以降低光开关的热时间常数，提高开关速度。日益兴起的微电机***技术也为实现这种超小热容结构提供了可能性，利用微机械加工工艺，可以制作出单元结构热容为10-9J/K量级的微桥结构。
采用微桥结构，不仅可以降低光开关的热容值，提高开关速度，而且通过改变微桥结构参数，还可以进一步调整光开关与衬底间的热导值。由于光开关的功耗与光开关与衬底间的热导相关，当选择低热导微桥结构时，光开关的功耗可以维持在很低的水平。当选择高热导结构时，虽然功耗较大，但可以进一步缩短开关时间，提高光开关的开关速度。
相对于常规MOMES光开关，本发明为全固态器件，避免了MOMES光开关中的移动部件，提高了光开关的可靠性。相对于直接制作在衬底上的氧化钒光开关，本发明采用了薄膜微桥结构，降低了光开关的热容值，有利于研制高速或者低功耗的光开关阵列。
附图说明
图1为微桥结构的主视图。
图2为氧化钒薄膜微型光开关的结构示意图。
图3为图2的俯视图。
图4为面阵光开关阵列构造示意图。
图5为微型光开关加工工艺流程图。
具体实施方式
氧化钒薄膜微型光开关是利用悬浮在衬底上的微桥结构来降低光开关的热容值的，该微桥结构的示意图如图1所示，桥腿2、3与桥面1采用同一种介质薄膜(如炭化硅，氧化硅或氮化硅薄膜等)且二者位于同一平面内。桥腿2、3的一端架在金属桥墩4、5上，另一端支撑桥面1悬浮在衬底7之上，并在桥面1与衬底7之间形成空腔6。
如图2、图3所示，氧化钒薄膜12制备在微桥桥面1之上并与金属电极10、11连接，金属电极10，11的另一端与金属桥墩4、5相连。衬底7上可设置控制开关13，用于控制光开关通断。加热电压由金属电极10、11通过控制开关13和金属桥墩4、5施加在氧化钒薄膜12上。当金属电极10、11两端的加热电压小于阈值电压Vth时，氧化钒薄膜温度小于相变温度，对入射红外光波高透，假定为开启(ON)状态；当金属电极10、11两端的电压大于阈值电压Vth时，由该电压产生的焦耳热将加热微桥结构温度超过氧化钒薄膜相变温度，氧化钒薄膜由半导体态转变为金属态，对入射红外光波高反，为关闭(OFF)状态。因此，通过控制金属电极10、11两端的电压就可以控制光开关的通断状态。阈值电压Vth定义为所产生的焦耳热恰好使得氧化钒薄膜处于相变温度值的外加电压。
为了消除工作环境如湿气等对薄膜性能的不良影响，在氧化钒薄膜12之上可覆盖一层表面钝化层9，使氧化钒薄膜12与外界环境隔离开来，该表面钝化层9通常由炭化硅，氧化硅或氮化硅等结构致密介质薄膜材料构成。此外，为了提高光开关在开启状态下的透过率，在钝化层薄膜上还可以覆盖一层光学增透膜8，该增透膜层8一般采用MgF2等折射率较低的介质薄膜材料。
由于氧化钒薄膜12和支撑桥面1以及钝化层9和增透膜8都是薄膜结构，在光开关结构中，薄膜结构的总厚度可以控制在1μm内，因此与平面结构光开关相比，带微桥结构的光开关的热容值很小。微桥的桥面1和桥腿2、3通常选用机械特性较好的电绝缘薄膜材料，如氮化硅、氧化硅和炭化硅等。炭化硅与氧化硅和氮化硅材料相比，具有较高的热导率，适合制作高热导微桥结构。而氧化硅和氮化硅是很好的热绝缘材料，具有很低的热导率，因此适合制作具有高热绝缘特性的微桥结构。
典型的氧化钒面阵微型光开关原理示意图如图4所示，图中，光开关阵列规模为m行n列，S为光开关单元。光开关的工作原理如下：行选电路MC一次可以选中一行，列选电路ML一次可以选中一列，当行选和列选电路同时选中某一光开关单元S时，电流从Vdd流至Vgnd，电流产生的焦耳热将微桥结构温度加热至薄膜相变温度之上，氧化钒薄膜就从对入射红外光的高透射态转为高反射态，开关状态发生变化；而当撤去加热电流时，处于高温的光开关冷却至室温，由于微桥结构的热容很小，所以升温和降温速度都很快，与没有集成微桥结构相比，可以大幅度提高光开关的开关速度。
实例1
利用上述方案设计了一种基于氧化钒薄膜的高速微型光开关。该光开关采用了薄膜微桥结构，具有很小的热容值。在设计中，为了提高光开关的开关速度，桥面和桥腿以及钝化层都采用了高热导率的SiC薄膜，其热导率在室温下为5W/cm.K，是Si3N4薄膜(0.03-0.045W/cm.K)的100多倍。在该方案中，为了控制光开关的热容值，没有制作增透膜层。
表1低热容氧化钒相变微型光开关设计参数表
  桥墩尺寸   Φ4μm
  桥墩高度   1.5μm
  桥墩材料(热导率)桥面尺寸桥腿尺寸桥面薄膜氧化钒薄膜钝化层加热电极   Al(1.2W/cm.K)30×30μm26×11×0.5μm3300nm SiC100nm VO250nm SiC50nmCr+200nmAu
所设计的低热容氧化钒薄膜相变微型光开关的具体工艺实施过程如图5所示并描述如下。
A)在已经制作了控制开关13的衬底7表面旋涂聚酰亚胺薄膜14。利用匀胶机在已经清洗并烘干的衬底表面旋涂光敏聚酰亚胺薄膜14，聚酰亚胺薄膜的具体厚度可根据设计要求而调整。
B)聚酰亚胺薄膜光刻和亚胺化。利用紫外曝光机对聚酰亚胺薄膜14进行光刻，形成聚酰亚胺薄膜图形15和桥墩孔16，随后，聚酰亚胺薄膜图形被放置在惰性气体保护的退火炉内进行高温亚胺化处理，亚胺化有利于提高聚酰亚胺薄膜的耐高温特性和机械特性。
C)制作桥墩4，5。利用剥离工艺用金属铝或者其他金属良导体填充桥墩孔，形成两个金属桥墩4、5。
D)制备结构层薄膜17和氧化钒薄膜12。利用等离子增强化学气相沉积或溅射沉积工艺制备结构层炭化硅薄膜17。随后在炭化硅薄膜上制备氧化钒薄膜12。氧化钒薄膜厚度控制在100nm左右。
E)制作互连孔18。在氧化钒薄膜上光刻出互连孔18图形，并采用湿法腐蚀或干法刻蚀工艺去除互连孔18内的氧化钒薄膜和结构层薄膜，露出下部金属桥墩。
F)制作电极10、11。利用剥离工艺在互连孔18内和氧化钒薄膜上制作金属电极10、11，该金属电极10、11一端与金属桥墩相连，另一端与氧化钒薄膜连接。
G)淀积钝化层薄膜9。为了防止氧化钒薄膜性能退化，在氧化钒薄膜12和金属电极10、11上还制备了炭化硅钝化层9。
H)释放微桥结构。在上述各薄膜层上光刻出微桥结构图形，刻蚀各薄膜层至聚酰亚胺薄膜层，形成桥面和桥腿图形，并用氧等离子体去除桥面和桥腿图形底部的聚酰亚胺薄膜，形成微桥结构。
实例2
在方案1的设计中，支撑层薄膜和钝化层都选用了高热导率的SiC薄膜，采用这种高热导率的材料有利于提高光开关的开关速度。然而光开关的功耗是与光开关的热导相关的，热导越大，光开关的功耗约大，因此，在严格控制光开关阵列功耗的场合下，方案1就不太适用，于是设计了方案2。而在方案2的设计中，薄膜支撑层选用了由氧化硅和氮化硅构成的复合低应力薄膜作为桥面支撑层薄膜，钝化层也选用了氮化硅薄膜。与炭化硅相比，氧化硅和氮化硅的热导率很小，有利于减少光开关与衬底间的热导和降低光开关的功耗。为了提高光开关在开启状态下的透过率，在钝化层薄膜之上还覆盖了一层氟化镁光学增透薄膜。
表2低功耗微型光开关设计参数表
  桥墩尺寸   Φ5μm
  桥墩高度桥墩材料桥面尺寸桥腿尺寸桥面薄膜氧化钒薄膜加热电极钝化层增透膜   2μmNi40×40μm21.5×50×0.5μm3200nm SiO2+200nmSi3N4100nmCr(50nm)50nm Si3N4280nm MgF2

Claims (7)

1、一种氧化钒薄膜微型光开关，包括氧化钒薄膜及电极，其特征在于：桥腿(2、3)与桥面(1)采用同一种介质薄膜制成，二者位于同一平面内，桥腿(2、3)的一端与桥面(1)相连，另一端架在金属桥墩(4、5)上，桥面(1)由桥腿(2、3)和桥墩(4、5)支撑悬浮在衬底(7)上，桥面(1)与衬底(7)之间构成空腔(6)；氧化钒薄膜(11)制备在桥面(1)之上，电极(10、11)位于金属桥墩(4、5)上，且与氧化钒薄膜(12)相连。
2、根据权利要求1所述的光开关，其特征在于：所述氧化钒薄膜(12)上覆盖有表面钝化层(9)。
3、根据权利要求2所述的光开关，其特征在于：所述表面钝化层(9)上覆盖有增透膜(8)。
4、根据权利要求1、2或3所述的光开关，其特征在于：衬底(7)上设有控制光开关通断的控制开关(13)。
5、权利要求1所述光开关的制作方法，包括：
①、在衬底上旋涂聚酰亚胺薄膜；
②、光刻聚酰亚胺薄膜，形成聚酰亚胺图形和桥墩孔并对聚酰亚胺图形进行亚胺化处理；
③、用金属填充桥墩孔，形成二个金属桥墩；
④、在聚酰亚胺图形和金属桥墩上制备介质薄膜，再制备氧化钒薄膜，氧化钒薄膜厚度为100nm-500nm；
⑤、利用光刻和刻蚀工艺制作互连孔，然后利用剥离工艺在互连孔内和氧化钒薄膜上制作金属电极；
⑥、在上述各薄膜层上光刻出微桥结构图形，刻蚀各薄膜层至聚酰亚胺薄膜层，形成桥面和桥腿图形，并用氧等离子体去除桥面和桥腿图形底部的聚酰亚胺薄膜，形成微桥结构。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤⑤与⑥之间，在氧化钒薄膜和金属电极上制作表面钝化层。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在表面钝化层上制作增透膜。
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