专利名称：一种利用<110>硅片制作的微机械光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用<110>硅片制作微机械光开关。本微机械光开关是在<110>硅片上制作出垂直于{110}表面的光亮{111}镜面，并设计结构使之可以实现在垂直方向上大位移移动从而完成光路切换功能。本发明属于光电子器件领域。
本发明提供的一种微机械光开关的结构单元的特征在于它是由A、B两个部分紧密结合而成。A可为硅体或其它易于微机械加工的低电阻率材料，B为硅体或其它易于微机械加工的材料。A、B之间相互绝缘。A部分上的组件有外框架、左右两个副悬臂梁、左右两个副质量块、主悬臂梁、主质量块、微镜、微镜支撑体、两个进光光纤定位槽和两个出光光纤定位槽等十三个部分。B部分上的组件有一个上层面、左右两个中层面、一个底层面、左右两个副电极、主电极以及左右两个阻挡块等九个部分。待A、B部分紧密结合后，左右两个副质量块与相应左右副电极之间的垂直距离相等且小于主质量块与主电极之间的垂直距离。
具体结构特征在于1.外框架主要起支撑左、右两个副悬臂梁及其相连的主悬臂梁以及左、右两个副质量块及主质量块的作用。四个光纤定位槽均位于外框架上。另外通过这一组件底部平面，与B部分的上层面紧密结合；2.左、右副悬臂梁分别连接外框架和左、右副质量块，它可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于副质量块的厚度；3.左、右副质量块分别与左、右副悬臂梁相连且和主悬臂梁连接，在A、B二部分紧密结合后，其正下方分别为左、右副电极，且在远离主悬臂梁的一端的正下方为左、右阻挡块；4.主悬臂梁为双端悬臂梁时，将依次将左副质量块、主质量块和右副质量块连接；主悬臂梁为单端悬臂梁时，它或将右副质量块和主质量块相连；或将左副质量块和主质量块连接；主悬臂梁厚度一般小于或等于主质量块的厚度；5.主质量块与主悬臂梁相连，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为主电极；6.主质量块底部和左、右二个副质量块底部是在同一水平面上，即上层面，A、B二部分也是在这一水平面上紧密结合；7.左、右中层面上各有左、右副电极和左、右阻挡块，也即左、右中层面位于左、右副电极和左、右阻挡块的下方，在垂直方向上它比上层面低，比底层面高；在A、B二部分紧密结合后，左、右副电极正上方为左、右副质量块；8.左、右副电极分别在左、右中层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方分别为左、右副质量块；主电极位于下层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方主质量块；9.底层面位于主电极的下方，在垂直方向上它比中层面低，而左、右中层面比上层面低；10.阻挡块为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁的长度方向，位于中层面上，高度低于上层面与中层面高度差的一半；11.微镜立于主质量块上，两端与微镜支撑体相连，并与主质量块严格垂直，为{111}晶面。此镜面为通过沿<111>晶向之垂直方向作合适的掩膜，经各向异性腐蚀直接生成。其光洁度好，蒸镀或溅射金膜后，可直接作为镜面使用；12.微镜支撑体立于主质量块上，与微镜两端分别相连，并与主质量块严格垂直，其侧面均为{111}晶面。微镜支撑体与微镜同时形成。微镜支撑体可支撑微镜防止微镜面由于应力的影响发生挠曲以至于影响光反射性能；13.光纤定位槽位于外框架上，为固定光纤载体，可用干法刻蚀形成。微镜的每侧各有一个进光光纤定位槽和一个出光光纤定位槽，定位槽的方向延长线与与微镜面所成角度均相等，微镜两侧的光纤定位槽相对于微镜面对称。
在所提供的结构单元中悬臂梁的形状或为双端固支悬臂梁、双端固支折叠梁或双端固支悬臂梁和折叠梁的组合；悬臂梁的结构或主悬臂梁为双端固支，副悬臂梁为单端固支悬臂梁；或主悬臂梁为单端固支，副悬臂梁为双端固支悬臂梁；或主悬臂梁和副悬臂梁均为单端固支。
本发明提供的利用<110>硅片制作微机械光开关可用常规体硅工艺，所以制作工艺简单，适合批量制作。其制作工艺简述如下(1)双抛<110>硅片长掩膜层，掩膜层可为氧化硅或氮化硅，工艺可为氧化或淀积；(2)正面光刻、腐蚀二氧化硅，形成制作质量块、悬臂梁的掩膜；(3)干法刻蚀2-50微米，形成质量块、悬臂梁；(4)背面光刻、腐蚀二氧化硅，形成制作光纤定位槽的掩膜；(5)干法刻蚀10-200微米，形成光纤定位槽；(6)正面长氮化硅，光刻，腐蚀氮化硅，形成保护质量块、悬臂梁的氮化硅层，同时这一层氮化硅在A部分同B部分相连时起绝缘作用；(7)双面氧化，背面光刻、腐蚀二氧化硅，形成制作微镜、微镜支撑体和外框架的掩膜；(8)各向异性穿通腐蚀，形成微镜、微镜支撑体和外框架，释放质量块、悬臂梁等结构；(9)微镜镜面蒸镀或溅射金，至此A部分制作完成；(10)取双抛<100>或<110>硅片，采用多次光刻、多次腐蚀或刻蚀工艺，制作出不同深度的中层面、底层面和阻挡块，高度10-150微米不等；(11)蒸镀或溅射铝，光刻、腐蚀铝，制作出电极，B部分制作完成；(12)A和B部分对准紧密结合，结合方法可用胶粘和或用其它办法。
综上所述，本发明提供的光开关具有的优点为(1)采用{111}面作为微镜反射镜面。{111}面是体硅中腐蚀速率最慢的晶面，因而镜面质量好，可达到较高的镜面光反射率；同时微镜可以做得很薄(可达2微米以下)，因而可以极大地降低光纤轴向的光偏差损耗；(2)采用微镜支撑体设计。可以保证微镜面在内外应力作用下依然不发生挠曲，保持与底面的严格垂直，进一步降低了光反射损耗；(3)采用不同高度的电极共同驱动的驱动结构设计，实现了以较小的静电电压在垂直方向上驱动较大的位移，从而更有效地控制光信号的通断；(4)工艺简单，易于操作，适合批量生产；(5)使用时控制简单，重复精度高；(6)机构简单，易于扩展，可用于N×N(N＞2)阵列。
图2是本发明结构单元的斜视图和剖面视图。
2-1是A、B二个部分的斜视图，2-2是A、B紧密结合后的剖面视图。
图3是本发明结构单元A部分的俯视图。
图4是微镜说明示意图。
4-1是微镜、微镜支撑体、主质量块俯视图，4-2是晶向示意图。
图5是
图1中悬臂梁的不同形状示意图。
5-1是双端固支悬臂梁，5-2是双端固支折叠梁，5-3、5-4为双端固支悬臂梁和折叠梁的组合。
图6是图1中悬臂梁的不同结构示意图。
6-1左、右副悬臂梁为单端固支悬臂梁，主悬臂梁为双端固支悬臂梁。
6-2左或右副悬臂梁为双端固支悬臂梁，主悬臂梁为单端固支悬臂梁。
6-3主悬臂梁和副悬臂梁均为单端固支悬臂梁。
本图中只是列出了悬臂梁的不同结构，关于折叠梁的不同结构也可依次类推。
图中1-外框架，2-右副悬臂梁，3-右副质量块，4-左副悬臂梁，5-左副质量块，6-主悬臂梁，7-主质量块，8-上层面，9-右中层面，10-右副电极，11-左中层面，12-左副电极，13-底层面，14-主电极，15-右阻挡块，16-左阻挡块，17-微镜，18-微镜支撑体，19-进光光纤定位槽1，20-进光光纤定位槽2，21-出光光纤定位槽1，22-出光光纤定位槽2。
其基本工作原理为电极10、12、14相互短路，当质量块3、5、7和电极10、12、14之间施加不同的静电时，质量块和电极之间会产生吸引力，吸引质量块垂直向下运动，使微镜17退出由光纤定位槽19、20、21、22定位的光路，从而由光纤定位槽19定位的光纤中的信号可传输至光纤定位槽21定位的光纤，由光纤定位槽20定位光纤中的信号可传输至由光纤定位槽22定位的光纤；当静电撤去后，微镜17由于悬臂梁6的弹性回复力返回到由光纤定位槽19、20、21、22定位的光路，从而由进光光纤定位槽19定位的光纤中的信号被微镜17反射至由出光光纤定位槽22定位的光纤，由进光光纤定位槽20定位的光纤中的信号被微镜17反射至由出光光纤定位槽21定位的光纤。由此完成光信号的开关切换功能。
本实施例各部分结构特征和相互关联性1.外框架1主要为支撑左、右副悬臂梁4、2及其相连的主悬臂梁6和左、右副质量块5、3和主质量块7。另外通过这一组件底部平面，即上层面，与B部分紧密结合。
2.右副悬臂梁2连接外框架1和右副质量块3，可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于右副质量块3的厚度。
3.右副质量块3连接右副悬臂梁2和主悬臂梁6，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为右副电极10，在远离主悬臂梁6的一端的正下方为右阻挡块15。
4.左副悬臂梁4连接外框架1和左副质量块5，可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于左副质量块5的厚度。
5.左副质量块5连接左副悬臂梁4和主悬臂梁6，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为左副电极12，在远离主悬臂梁6的一端的正下方为左阻挡块16。
6.主悬臂梁6为双端悬臂梁时，将右副质量块3、主质量块7、左副质量块5依次连接；为单端悬臂梁时，连接左副质量块5(或右副质量块3)和主质量块7，其厚度一般小于或等于主质量块7的厚度。
7.主质量块7与主悬臂梁6相连，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为主电极14。
8.上层面8为与主质量块7底部相平的平面，也即是A部分外框架1底部的平面，A、B在这一平面上紧密结合。
9.右中层面9位于右副电极10和右阻挡块15的下方。在垂直方向上比上层面8低，比底层面13高。
10.右副电极10位于右中层面9上，其相对于主电极14的远端紧埃着右阻挡块15，在A、B二部分紧密结合后，其正上方为右副质量块3。
11.左中层面11位于左副电极12和左阻挡块16的下方。在垂直方向上比上层面8低，比底层面13高。
12.左副电极12位于左中层面11上，其相对于主电极14的远端紧埃着左阻挡块16，在A、B二部分紧密结合后，其正上方为左副质量块5。
13.底层面13位于主电极14下，在垂直方向上比左中层面11和右中层面9低。
14.主电极14位于底层面13上。在A、B二部分紧密结合后，其正上方为主质量块7。
15.右阻挡块15位于右中层面9上，靠近右副电极10其相对于主电极14的远端，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁6的长度方向，高度低于上层面8与右中层面9高度差的一半。
16.左阻挡块16位于左中层面11上，靠近左副电极12其相对于主电极14的远端，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁6的长度方向，高度低于上层面8与左中层面11高度差的一半。
17.微镜17立于主质量块7上，两端与微镜支撑体相连，并与主质量块7严格垂直，为{111}晶面。此镜面为通过沿<111>晶向之垂直方向作合适的掩膜，经各向异性腐蚀直接生成。其光洁度好，蒸镀或溅射金膜后，可直接作为镜面使用。
18.微镜支撑体18立于主质量块上，与微镜两端分别相连，并与主质量块7严格垂直，其侧面均为{111}晶面。微镜支撑体与微镜同时形成。微镜支撑体可支撑微镜防止微镜面由于应力的影响发生挠曲以至于影响光反射性能。
19.进光光纤定位槽19位于外框架1上，为固定光纤载体，可用干法刻蚀形成。与出光光纤定位槽22在微镜17同一侧，与出光光纤定位槽21方向重合，与进光光纤定位槽20相对于微镜17对称。
20.进光光纤定位槽20位于外框架1上，为固定光纤载体，可用干法刻蚀形成。与出光光纤定位槽21在微镜17同一侧，与出光光纤定位槽22方向重合，与进光光纤定位槽19相对于微镜17对称。
21.出光光纤定位槽21位于外框架1上，为固定光纤载体，可用干法刻蚀形成。与进光光纤定位槽20在微镜17同一侧，与进光光纤定位槽19方向重合，与出光光纤定位槽22相对于微镜17对称。
22.出光光纤定位槽22位于外框架1上，为固定光纤载体，可用干法刻蚀形成。与进光光纤定位槽19在微镜17同一侧，与进光光纤定位槽20方向重合，与出光光纤定位槽21相对于微镜17对称。
实施例2如图5所示，左、右副悬臂梁和主悬臂梁或为图5-1所示双端固支悬臂梁，其余同实施例1。
实施例3如图5所示，左、右副悬臂梁和主悬臂梁或为图5-2所示双端固支折叠梁，其余同实施例1。
实施例4、5如图5所示，左、右副悬臂梁和主悬臂梁或为图5-3或图5-4所示双端固支悬臂梁和折叠梁的组合，其余同实施例1。
实施例6、7、8如图6-1、6-2、6-3所示，悬臂梁的三种不同结构，其余同实施例1。
权利要求
1.一种利用<110>硅片制作的微机械开关，包括进光光纤定位槽、出光光纤定位槽、悬臂梁、电极、质量块、阻挡块，其特征在于(1)它是由A、B两个部分紧密结合而成，A、B之间相互绝缘；A部分上的组件有外框架、左右两个副悬臂梁、左右两个副质量块、主悬臂梁、主质量块、微镜、微镜支撑体、两个进光光纤定位槽和两个出光光纤定位槽；B部分上的组件有一个上层面、左右两个中层面、一个底层面、左右两个副电极、主电极以及左右两个阻挡块；A、B部分紧密结合后，左右两个副质量块与相应左右副电极之间的垂直距离相等且小于主质量块与主电极之间的垂直距离；(2)外框架主要起支撑左、右两个副悬臂梁及其相连的主悬臂梁以及左、右两个副质量块及主质量块的作用，四个光纤定位槽均位于外框架上；另外通过这一组件底部平面与B部分的上层面紧密结合；(3)左、右副悬臂梁分别连接外框架和左、右副质量块，其厚度一般小于或等于副质量块的厚度；(4)左、右副质量块分别与左、右副悬臂梁相连且和主悬臂梁连接，在A、B二部分紧密结合后，其正下方分别为左、右副电极，且在远离主悬臂梁的一端的正下方为左、右阻挡块；(5)主悬臂梁为双端悬臂梁时，将依次将左副质量块、主质量块和右副质量块连接；主悬臂梁为单端悬臂梁时，它或将右副质量块和主质量块相连；或将左副质量块和主质量块连接；主悬臂梁厚度一般小于或等于主质量块的厚度；(6)主质量块与主悬臂梁相连，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为主电极；(7)主质量块底部和左、右二个副质量块底部是在同一水平面上，即上层面，A、B二部分也是在这一水平面上紧密结合；(8)左、右中层面上各有左、右副电极和左、右阻挡块，也即左、右中层面位于左、右副电极和左、右阻挡块的下方，在垂直方向上它比上层面低，比底层面高；在A、B二部分紧密结合后，左、右副电极正上方为左、右副质量块；(9)左、右副电极分别在左、右中层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方分别为左、右副质量块；主电极位于下层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方主质量块；(10)底层面位于主电极的下方，在垂直方向上它比中层面低，而左、右中层面比上层面低；(11)阻挡块为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁的长度方向，位于中层面上，高度低于上层面与中层面高度差的一半；(12)微镜立于主质量块上，两端与微镜支撑体相连，并与主质量块垂直，为{111}晶面；(13)微镜支撑体立于主质量块上，与微镜两端分别相连，并与主质量块垂直，其侧面均为{111}晶面；(14)光纤定位槽位于外框架上，为固定光纤载体，可用干法刻蚀形成。微镜的每侧各有一个进光光纤定位槽和一个出光光纤定位槽，定位槽的方向延长线与与微镜面所成角度均相等，微镜两侧的光纤定位槽相对于微镜面对称。
2.按权利要求1所述的一种利用<110>硅片制作的微机械开关，其特征在于在所提供的结构单元中悬臂梁的形状或为双端固支悬臂梁、双端固支折叠梁或双端固支悬臂梁和折叠梁的组合；悬臂梁的结构或主悬臂梁为双端固支，副悬臂梁为单端固支悬臂梁；或主悬臂梁为单端固支，副悬臂梁为双端固支悬臂梁；或主悬臂梁和副悬臂梁均为单端固支。
3.按权利要求1所述的一种利用<110>硅片制作的微机械开关，其特征在于它为1×2，2×2，4×4，8×8或N×N。
4.按权利要求1所述的一种利用<110>硅片制作的微机械开关的制作方法，其特征在于具体工艺是(1)双抛<110>硅片长掩膜层，掩膜层为氧化硅或氮化硅，工艺可为氧化或淀积；(2)正面光刻、腐蚀二氧化硅，形成制作质量块、悬臂梁的掩膜；(3)干法刻蚀2-50微米，形成质量块、悬臂梁；(4)背面光刻、腐蚀二氧化硅，形成制作光纤定位槽的掩膜；(5)干法刻蚀10-200微米，形成光纤定位槽；(6)正面长氮化硅，光刻，腐蚀氮化硅，形成保护质量块、悬臂梁的氮化硅层，同时这一层氮化硅在A部分同B部分相连时起绝缘作用；(7)双面氧化，背面光刻、腐蚀二氧化硅，形成制作微镜、微镜支撑体和外框架的掩膜；(8)各向异性穿通腐蚀，形成微镜、微镜支撑体和外框架，释放质量块、悬臂梁等结构；(9)微镜镜面蒸镀或溅射金，至此A部分制作完成；(10)取双抛<100>或<110>硅片，采用多次光刻、多次腐蚀或刻蚀工艺，制作出不同深度的中层面、底层面和阻挡块，高度10-150微米不等；(11)蒸镀或溅射铝，光刻、腐蚀铝，制作出电极，B部分制作完成；(12)A和B部分对准用胶粘紧密结合。
5.按权利要求4所述的一种利用<110>硅片制作的微机械开关的制作方法，其特征在于微镜镜面为通过沿<110>晶向的垂直方向作掩膜，经各向异性腐蚀直接生成的。
6.按权利要求4所述的一种利用<110>硅片制作的微机械开关的制作方法，其特征在于微镜支撑体与微镜同时形成，微镜支撑体支撑微镜。
全文摘要
本发明提供一种利用<110>硅片制作微机械光开关的设计，属于光电子器件领域。其特征在于它是由A、B两个部分紧密结合而成，且相互绝缘；A部分上的组件有外框架、左右两个副悬臂梁、左右两个副质量块、主悬臂梁、主质量块、微镜、微镜支撑体、两个进光光纤定位槽和两个出光光纤定位槽；B部分上的组件有一个上层面、左右两个中层面、一个底层面、左右两个副电极、主电极以及左右两个阻挡块。通过在<110>硅片上制作出垂直的<111>镜面，并设计结构使之可以在垂直方向上大位移移动从而完成光路切换功能。<111>镜面严格与<110>底面垂直以及微镜支撑体设计、大位移结构设计都极大地降低了光信号的损耗。
文档编号H04B10/12GK1405592SQ0213779
公开日2003年3月26日 申请日期2002年11月1日 优先权日2002年11月1日
发明者向民, 杨艺榕, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所