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体硅微机械光开关的设计与制作工艺的研究

作　者: 董玮
导　师: 陈维友
学　校: 吉林大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 光开关微反射镜微机械倾斜下电极驱动结构插入损耗驱动电压开关时间体硅光纤连接
分类号: TN405
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

随着光纤通信技术的发展和密集波分复用（ＤＷＤＭ）系统的应用，全光交换已经成为一种趋势，光开关是实现全光交换的关键器件，它可以实现全光层的路由选择，波长选择，光交叉连接，自愈保护等功能。随着ＭＥＭＳ技术的发展，ＭＥＭＳ与光器件融合于一体的ＭＯＥＭＳ光开关阵列将成为全光网络的主流器件。国外的研究机构都以极大的力度投入微光电子机械开关阵列的研究，并取得了很大突破。我国对ＭＯＥＭＳ光开关的研究虽然时间不长，但也取得了相当的进展，从事这一研究工作的单位多数是一流的高校和技术力量雄厚的研究所，电子科技集团公司十三所、吉林大学、上海交通大学、清华大学和上海微系统与信息技术研究所等。目前主要进行研究的是１×２和２×２等小型微机械结构光开关。但由于力量分散，投入不足，尽管已有不少成果，但在产品质量，性能价格比及实用化等方面与国外还有很大差距。　　本文研制了２×２微机械光开关，它是利用微反射镜的移动来改变入射光的传播方向实现光开关的功能。主要包括微反射镜，自对准光纤槽以及驱动结构。微反射镜、光纤槽和静电驱动扭臂结构的上电极是在（１００）硅片（或（１１０）硅片）上制作，制作工艺简单，反射镜和光纤槽是通过一次掩膜在ＫＯＨ溶液中腐蚀出来。驱动部分的下电极是在另一片硅片上制作。　采用单模光纤连接损耗理论对光开关的插入损耗进行了分析，在直通状态时引起插入损耗的主要原因是：两根单模光纤连接时的轴向、径向和角度偏移。而反射状态时引起插入损耗的原因除了光纤连接引起的损耗以外，还包括反射镜的表面粗糙和反射镜的厚度引起的损耗。并且指出若要求反射状态的插入损耗小于２ｄＢ，使用普通的单模光纤耦合的难度是相当大，因此需要在光纤的端部进行适当的加工处理。　 108<WP=117>吉林大学博士学位论文对微机械光开关的驱动结构进行了设计和优化，给出了悬臂驱动结构和普通平面下电极的扭臂结构的驱动电压和结构尺寸的关系，提出了一种倾斜下电极的扭臂驱动结构，理论分析表明，倾斜下电极的ｐｕｌｌ－ｉｎ电压仅为平面下电极的一半，从而能有效地降低驱动电压。计算了倾斜下电极扭臂驱动结构开关时间。　确定了制作光开关的工艺条件，设计并制作了硅各向异性湿法腐蚀过程中晶向对准图形，在（100）和（110）硅片上制作了微反射镜，光纤槽和扭臂驱动结构的上电极部分。本文提出了一种倾斜下电极制作的新方法，选取了偏 2.5°的（111）硅片，制作了倾斜下电极。利用五维光纤调节架和测量显微镜等设备，对微机械光开关进行了组装，将上下电极粘和在一起，光纤固定在光纤槽中。　建立了驱动电压和开关时间的测试系统，对光开关的驱动电压和开关时间进行了测试，开关的 pull-in电压为 35.7V，开关从直通到反射和从反射到直通状态的时间均小于或等于 5ms，开关的寿命大于 100万次。测试结果和理论计算值之间有一定的误差，这主要是由器件的设计尺寸和制作尺寸之间的偏差引起的。利用稳定化光源和光功率计对光开关的插入损耗和串话进行了测量，直通状态下的插入损耗小于 2dB，反射状态下的插入损耗小于 3dB，串话小于-50 dB。在制作开关单元的基础上，提出了８×８阵列光开关的制作方案，通过各向异性湿法腐蚀工艺制作静电驱动扭臂结构微反射镜型二维结构的８×８光开关阵列。使用（１１０）硅片制作了８×８阵列光开关的微反射镜阵列，共有６４个微反射镜。　与国内其它单位的研究方案相比，我们提出８×８光开关阵列的研究方案具有可以同时实现微反射镜的镜面平整垂直、各单元的微镜平面间平行、扭臂的结构尺寸准确控制等优点。这种设计方案和工艺路线是目前我们所见到的ＭＯＥＭＳ光开关工艺中最为简单的，它不仅能简化工艺流程，提高成品率，降低制作成本，更重要的是提高光开关的制作精度，降低光损耗，容易做成阵列，实现光开关阵列的实用化生产。

全文目录

提要  4-9
第一章绪论  9-33
  1.1 引言  9-11
  1.2 光开关在全光网络中的应用  11-12
  1.3 光开关的类型  12-15
    1.3.1 热光效应光开关  12-13
    1.3.2 液晶光开关  13-14
    1.3.3 气泡光开关  14-15
    1.3.4 声光光开关  15
    1.3.5 ＭＯＥＭＳ光开关  15
  1.4 ＭＯＥＭＳ光开关的制作工艺  15-19
    1.4.1 平面微机械加工工艺制作的光开关  16-18
    1.4.2 体硅微机械加工工艺制作的光开关  18-19
    1.4.3 体硅工艺和平面工艺相结合制作的光开关  19
  1.5 ＭＯＥＭＳ光开关的微驱动器  19-23
    1.5.1 热驱动  19-20
    1.5.2 电磁驱动  20-21
    1.5.3 静电驱动  21-23
  1.6 ＭＯＥＭＳ光开关的现状和市场前景  23-25
  1.7 本课题的研究意义及主要研究内容  25-26
    1.7.1 研究意义  25
    1.7.2 主要研究内容  25-26
  参考文献  26-33
第二章 (100)与(110)硅片的各向异性湿法腐蚀  33-57
  2.1 硅的湿法腐蚀  33-35
  2.2 硅的各向异性腐蚀的机制  35-37
  2.3 ＫＯＨ的腐蚀特性  37-38
  2.4 (100)硅片的各向异性腐蚀  38-42
    2.4.1 腐蚀温度对(100)硅片腐蚀表面粗糙度的影响  39-40
    2.4.2 ＫＯＨ浓度对(100)硅片腐蚀表面的粗糙度的影响  40-41
    2.4.3 ＫＯＨ浓度对(100)硅片腐蚀侧面的粗糙度的影响  41-42
  2.5 (100)硅片上三维结构的制作  42-45
    2.5.1 Ｖ型槽的制作  43
    2.5.2 垂直侧壁结构的制作  43-44
    2.5.3 倾斜侧壁结构的制作  44-45
  2.6 (110)硅片的各向异性腐蚀  45-50
    2.6.1 腐蚀温度对(110)硅片腐蚀表面粗糙度的影响  46
    2.6.2 ＫＯＨ浓度对(110)硅片腐蚀表面粗糙度的影响  46-49
    2.6.3 ＫＯＨ浓度对(110)侧面的粗糙度的影响  49
    2.6.4 ＫＯＨ的浓度对各向异性的影响  49-50
    2.6.5 ＫＯＨ溶液腐蚀硅片表面粗糙度产生的原因  50
  2.7 (110)硅片各向异性腐蚀凸角侧蚀机理的研究  50-54
    2.7.1 (110)硅片各向异性凸角侧蚀的机制  51-53
    2.7.2 凸角补偿结构的设计  53-54
  2.8 本章小结  54
  参考文献  54-57
第三章ＭＯＥＭＳ光开关单元的设计  57-82
  3.1 开关单元的结构和工作原理  57-59
  3.2 光开关的插入损耗的分析  59-67
    3.2.1 输入和输出光纤的连接损耗  59-64
    3.2.2 菲涅尔反射引起的损耗  64
    3.2.3 反射镜表面粗糙度对损耗的影响  64-65
    3.2.4 反射镜厚度产生的损耗  65-66
    3.2.5 光开关的总的插入损耗  66-67
  3.3 微反射镜和光纤槽的尺寸的设计  67-69
    3.3.1 在(100)硅片设计微反射镜和光纤槽  67-68
    3.3.2 在(110)硅片上设计微反射镜  68-69
  3.4 静电驱动结构的设计和分析  69-76
    3.4.1 悬臂驱动结构的设计  69-70
    3.4.2 平面下电极的扭臂驱动结构的分析  70-74
    3.4.3 倾斜下电极的扭臂驱动结构的分析  74-76
  3.5 开关时间的计算  76-78
  3.6 掩膜设计中应该考虑的问题  78-79
    3.6.1 (100)和(110)硅片上制作反射镜时侧蚀的问题  78
    3.6.2 深槽内光刻的问题  78-79
  3.7 本章小结  79
  参考文献  79-82
第四章ＭＯＥＭＳ光开关制作工艺的研究  82-103
  4.1 ＭＯＥＭＳ光开关的基本制作工艺  82-87
    4.1.1 各向异性湿法化学腐蚀掩膜的制作  82-83
    4.1.2 磁控溅射工艺  83-84
    4.1.3 光刻工艺  84
    4.1.4 反应离子刻蚀(ＲＩＥ)工艺  84-86
    4.1.5 湿法刻蚀工艺  86-87
  4.2 ＭＯＥＭＳ光开关的制作工艺流程  87-97
    4.2.1 腐蚀过程中定位图形的设计与制作  88-90
    4.2.2 利用(100)硅片制作的微反射镜、光纤槽和扭臂结构  90-94
    4.2.3 利用(110)硅片制作的微反射镜、光纤槽和扭臂结构  94-96
    4.2.4 下电极的制作  96-97
  4.3 微机械光开关的组装  97-99
    4.3.1 组装需要的仪器和元件  97-98
    4.3.2 组装过程  98-99
  4.4 8 ×8 阵列光开关的初步研究  99-100
  4.5 本章小结  100-101
  参考文献  101-103
第五章ＭＯＥＭＳ光开关性能的测试  103-110
  5.1 ＭＯＥＭＳ光开关的性能指标  103-104
  5.2 反射镜的位移和开关时间的测试  104-108
    5.2.1 测试系统的建立  104-105
    5.2.2 测试系统的工作原理  105
    5.2.3 反射镜的位移和驱动电压之间关系的测试  105-107
    5.2.4 开关时间的测试  107-108
    5.2.5 开关寿命的测试  108
  5.3 ＭＯＥＭＳ光开关光学性能的测试  108-109
    5.3.1 插入损耗的测试  108
    5.3.2 串话的测试  108-109
  5.4 本章小结  109
  参考文献  109-110
第六章全文总结与展望  110-113
  6.1 全文总结  110-112
  6.2 下一步将开展的工作  112-113
致谢  113-114
攻博期间发表的学术论文及其它成果  114-116
摘要  116-118
ＡＢＳＴＲＡＣＴ  118-120

体硅微机械光开关的设计与制作工艺的研究

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