專利名稱：寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬頻域可調(diào)諧光濾波器的制作方法，特別地涉及一種利用表面微機(jī)械工藝制作的寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著互聯(lián)網(wǎng)接入、高質(zhì)量的圖象傳輸、多媒體技術(shù)等對(duì)高速、大容量通訊網(wǎng)絡(luò)的迫切需求，DWDM已經(jīng)成為目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中重要的技術(shù)，而更窄的頻率間隔和更多的復(fù)用頻道則一直是人們不懈的追求。
實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用(DWDM)的核心器件是復(fù)用器與解復(fù)用器(mux/demux)，而50GHz的密集波分復(fù)用更要靠一種全新的器件Interleaver?？烧{(diào)諧濾波器的主要應(yīng)用第一就是構(gòu)成各種解復(fù)用器，把復(fù)用在一起的光區(qū)分開來；而將這種可調(diào)諧濾波器技術(shù)運(yùn)用到激光器或探測器上，即可實(shí)現(xiàn)DWDM中重要的可調(diào)諧光源和接收器。新一代全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件光上下話路器也可以由濾波器構(gòu)成。正是這些應(yīng)用使可調(diào)諧濾波器在全光網(wǎng)絡(luò)和DWDM系統(tǒng)中已成為不可或缺的關(guān)鍵器件。
可調(diào)諧光學(xué)濾波器除了要求窄通帶(如＜1nm)外，寬頻域可調(diào)諧以及小型化可兼容集成對(duì)實(shí)用化系統(tǒng)的應(yīng)用也很重要。已經(jīng)發(fā)展的多層介質(zhì)膜濾光片，聲光濾波器，布拉格(Bragg)光柵光纖濾波器等很難同時(shí)滿足上述要求。
半導(dǎo)體光濾波器，尤其是硅基材料研制的光濾波器，有可能滿足實(shí)用化光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的需求，因而是人們關(guān)注的一個(gè)重要發(fā)展方向。
在現(xiàn)有的三類具有寬頻域可調(diào)諧范圍的技術(shù)(即液晶F-P腔技術(shù)、AOTF技術(shù)以及微機(jī)械技術(shù))中，液晶F-P腔技術(shù)在調(diào)諧過程中存在偏振相關(guān)性，AOTF技術(shù)存在強(qiáng)的旁瓣以及帶寬過大的問題，而微機(jī)械技術(shù)則不存在上述問題，具有更好的綜合優(yōu)勢。
目前研究的微機(jī)械濾波器可分為兩類，GaAs基和硅基。由于硅基微機(jī)械調(diào)諧的濾波器的調(diào)諧范圍可大于100nm，同時(shí)與成熟的硅微電子加工技術(shù)兼容，具有低功耗、高對(duì)比度等優(yōu)點(diǎn)，并可能實(shí)現(xiàn)OEIC單片集成，因而更適合于低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。
硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器制作過程的關(guān)鍵問題是低溫表面微機(jī)械加工工藝，合適的犧牲層材料以及對(duì)于殘余應(yīng)力的控制尤為重要。如1996年A.T.T.D.Tran.等發(fā)表在IEEEPhotonics Technology Letters，Vo1.8，No.3393-395(1996)中提到采用聚酰亞胺作為犧牲層以及梁的支柱，制作了1.55μm可調(diào)諧濾波器。但聚酰亞胺作為聚合物，其工作穩(wěn)定性不高，受溫度和濕度影響極大；并且其厚度不易控制，這對(duì)于光學(xué)器件的制作極為不利。
本發(fā)明揭示了一種新型的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，采用了特殊的金屬層作為犧牲層材料，并且無需殘留犧牲層作為梁的支柱，有效地解決了犧牲層厚度的控制以及工作穩(wěn)定性問題；采用特殊工藝(如電鍍Au層)有效地控制了殘余應(yīng)力；同時(shí)采用了一套與之對(duì)應(yīng)的低溫表面微機(jī)械工藝，與硅微電子加工技術(shù)兼容。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于揭示一種寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法。在常規(guī)的硅基微機(jī)械可調(diào)諧探測器結(jié)構(gòu)中，采用聚酰亞胺等作為犧牲層，同時(shí)殘留部分犧牲層作為梁的支柱。但聚酰亞胺作為聚合物，存在溫度穩(wěn)定性及老化性問題，受溫度和濕度影響極大；并且其厚度不易控制，這對(duì)于光學(xué)器件的制作極為不利。本發(fā)明揭示的制作方法中，采用了特殊的金屬層作為犧牲層材料，并且無需殘留犧牲層作為梁的支柱，有效地解決了犧牲層厚度的控制以及工作穩(wěn)定性問題；采用特殊工藝(如電鍍Au層)有效地控制了殘余應(yīng)力。
特別地，本發(fā)明的一個(gè)目的在于揭示了一種低成本寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，采用了與硅微電子加工技術(shù)兼容的低溫表面微機(jī)械工藝。本發(fā)明提供的工藝難度相對(duì)較低，適合工業(yè)生產(chǎn)。
本發(fā)明一種寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，采用了低溫表面微機(jī)械工藝，整個(gè)工藝溫度不超過300℃；其特征在于，其制作方法包括如下步驟a)在基片上制作第一電極，此電極是產(chǎn)生靜電吸引作用的其中一個(gè)電極板，并且在電極層中制作電極引線引出孔；b)在第一電極上制作第一反射鏡，是濾波器必備的反射鏡之一；c)在第一反射鏡上制作犧牲層，該犧牲層的厚度決定著濾波器的工作模式，當(dāng)釋放后形成的空氣腔構(gòu)成濾波器的諧振腔體；d)在犧牲層上制作第二反射鏡，該反射鏡和上述第一反射鏡以及犧牲層釋放后形成的空氣腔形成濾波選模結(jié)構(gòu)；e)在第二反射鏡上制作第二電極及控制應(yīng)力的薄膜層；f)腐蝕釋放犧牲層，釋放后形成的空氣腔，當(dāng)在上述第一電極和第二電極之間施加電壓時(shí)由于靜電吸引作用導(dǎo)致空氣腔的厚度發(fā)生變化，濾波器的透射模式也隨之變化，從而具備波長可調(diào)的選模作用。
其中第一電極是高摻雜的n區(qū)，高摻雜的p區(qū)。
其中第一和第二反射鏡所用的材料是SiO2/Si，A12O3/Si，SiNxOy/Si，Ta2O5/SiO2。
其中犧牲層由特殊的金屬層Al構(gòu)成，獲得最終器件結(jié)構(gòu)需要完全去除犧牲層后形成空氣腔，無需殘留犧牲層作為梁的支柱。
其中該薄膜層是電鍍2-3微米的Au層。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1A是常規(guī)微機(jī)械光濾波器的截面圖；圖1B是典型的懸臂梁結(jié)構(gòu)的照片(俯視圖)；圖2是典型共振腔光濾波器的響應(yīng)曲線；圖3A-I是本發(fā)明寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的工藝流程示意圖；圖4a外加電場下可調(diào)諧光濾波器的光透射曲線；圖4b可調(diào)諧光濾波器的懸臂梁結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖3A-I，本發(fā)明一種寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，采用了低溫表面微機(jī)械工藝，整個(gè)工藝溫度不超過300℃；其制作方法包括如下步驟a)在基片100上制作第一電極101，此電極是產(chǎn)生靜電吸引作用的其中一個(gè)電極板，并且在電極層中制作電極引線引出孔102，該第一電極101是高摻雜的n區(qū)，高摻雜的p區(qū)；b)在第一電極101上制作第一反射鏡110，是濾波器必備的反射鏡之一；c)在第一反射鏡110上制作犧牲層121，該犧牲層的厚度決定著濾波器的工作模式，當(dāng)釋放后形成的空氣腔構(gòu)成濾波器的諧振腔體，該犧牲層121由特殊的金屬層Al構(gòu)成，獲得最終器件結(jié)構(gòu)需要完全去除犧牲層121后形成空氣腔，無需殘留犧牲層121作為梁的支柱；d)在犧牲層121上制作第二反射鏡130，該反射鏡和上述第一反射鏡以及犧牲層釋放后形成的空氣腔形成濾波選模結(jié)構(gòu)；e)在第二反射鏡130上制作第二電極140及控制應(yīng)力的薄膜層150，該薄膜層150是電鍍2-3微米的Au層；f)腐蝕釋放犧牲層121，釋放后形成的空氣腔122，當(dāng)在上述第一電極101和第二電極140之間施加電壓時(shí)由于靜電吸引作用導(dǎo)致空氣腔的厚度發(fā)生變化，濾波器的透射模式也隨之變化，從而具備波長可調(diào)的選模作用。
其中第一和第二反射鏡110、130所用的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，Ta2O5/SiO2。
為達(dá)到提供本發(fā)明背景信息的目的，在圖1中首先介紹了常規(guī)微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的器件結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)。如圖1所示，一個(gè)基本的微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的基本結(jié)構(gòu)包括下反射鏡，理論上下反射鏡的反射率越高越好，一般高達(dá)99％以上；位于下反射鏡之上的犧牲層，其部分釋放后形成空氣腔，殘留部分作為梁的支柱；位置可控的上反射鏡，和下反射鏡構(gòu)成一對(duì)共振反射系統(tǒng)，上反射鏡的反射率也是越高越好(99％以上)，一般設(shè)計(jì)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即上下反射鏡的反射率一樣；以及微腔的調(diào)節(jié)控制部分。當(dāng)光線進(jìn)入共振腔時(shí)，由于共振腔的干涉作用，滿足特定相位條件的光穿過濾波器，而其他光被抑制，從而具有波長選擇作用，典型的共振腔的響應(yīng)曲線如圖2所示。共振波長的位置和腔長相關(guān)，利用兩電極之間的靜電吸引作用調(diào)節(jié)腔長，從而達(dá)到調(diào)諧波長的目的。
參照?qǐng)D3A-I。圖3I揭示了本發(fā)明的一種寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的示意圖，圖3A-3I揭示了該器件的工藝流程。本發(fā)明所揭示的制作工藝能夠有效地解決了犧牲層厚度的控制以及工作穩(wěn)定性問題；采用特殊工藝(如電鍍Au層)有效地控制了殘余應(yīng)力；整個(gè)工藝為采用了與硅微電子加工技術(shù)兼容的低溫表面微機(jī)械加工工藝，能夠有效地降低生產(chǎn)成本。
以下進(jìn)一步詳細(xì)描述工藝流程圖3I所揭示的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器，其結(jié)構(gòu)包括一半導(dǎo)體基片100；一個(gè)高反射率的下反射鏡110；下電極101；空氣腔122；上反射鏡130；上電極140；以及控制殘余應(yīng)力的薄膜層150。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，其工藝流程如圖3A-3I所示，其制作的步驟描述如下1)雙面拋光的硅片100，本實(shí)施例中采用低摻雜的n-(100)硅片，如圖3A所示。采用低摻雜硅片是為了減小襯底對(duì)于光通信波段的吸收損耗；此外，由于此濾波器件為透射型器件，故采用雙面拋光的襯底。
2)制作下電極101，本實(shí)施例中注入B，經(jīng)快速熱退火后，形成下電極區(qū)，如圖3B所示。注入B后，形成p型摻雜；也可以注入P，形成n型摻雜。制作高摻層的目的是相對(duì)于金屬電極其厚度很薄，吸收損耗也較小，光可以直接透過摻雜層；快速熱退火是為了激活注入的離子，同時(shí)減小注入損傷層(非晶層)。
3)制作下電極引出孔102。本實(shí)施例中，采用磁控濺射方法，帶膠剝離合金Cr/Au制作電極標(biāo)記，如圖3C所示。制作下電極引出孔是為了以后電極引出的方便，為了壓焊的方便，在電極孔的高摻層表面需要有金屬Cr/Au層。
4)生長下反射鏡110。在本實(shí)施例中，下反射鏡采用SiO2/Si材料，采用電子束蒸發(fā)的方法生長，如圖3D所示。若實(shí)現(xiàn)光濾波器的窄帶功能，下反射鏡的反射率必須很高，大于99.9％。此時(shí)應(yīng)采用4.5對(duì)以上的SiO2/Si材料。
5)生長犧牲層材料121。在本實(shí)施例中，采用濺射的方法生長金屬層Al，然后光刻犧牲層，形成結(jié)構(gòu)121，如圖3E所示。犧牲層的厚度決定了空氣腔的長度，而犧牲層的表面質(zhì)量則決定了以后生長的上反射鏡的鏡面質(zhì)量，影響了器件的散射損耗和上反射鏡反射率的大小。因此要仔細(xì)控制犧牲層的厚度和表面粗糙度，優(yōu)化生長條件。若是制作1.5微米的濾波器，犧牲層的厚度應(yīng)為0.75微米的整數(shù)倍。
6)生長上反射鏡130，在本實(shí)施例中，上反射鏡采用SiO2/Si材料，使用電子束蒸發(fā)的方法生長，如圖3F所示。若實(shí)現(xiàn)光濾波器的窄帶功能，上反射鏡的反射率也必須很高，要求大于99.9％。此時(shí)應(yīng)采用4.5對(duì)以上的SiO2/Si材料。
7)生長上電極140。在本實(shí)施例中，采用磁控濺射方法，帶膠剝離合金Cr/Au制作上電極。
8)生長控制殘余應(yīng)力的薄膜層150，本實(shí)施例中，采用局部電鍍的方法，獲得2-3微米的Au層，如圖3G所示。厚的金屬層的獲得常采用電鍍的方法。由于電鍍Au層構(gòu)成了懸臂梁的一部分，梁的厚度越大，調(diào)諧電壓越高；為了減小調(diào)諧電壓，Au層的厚度不宜過大，控制在2-3微米最優(yōu)。
9)光刻下電極引線孔?？坛鱿码姌O的引線，而保護(hù)上DBR的窗口，如圖3H所示。利用干法腐蝕的方法，腐蝕上反射鏡(Si及SiO2)。
10)光刻上電極?？坛隽旱男螤睿瑫r(shí)保護(hù)下電極引線孔，如圖3H所示。利用濕法腐蝕，腐蝕Au及Cr，以刻出梁的形狀。
11)光刻上DBR。保護(hù)上DBR窗口，同時(shí)刻出上DBR梁，如圖3H所示。利用干法腐蝕的方法，腐蝕上反射鏡(Si及SiO2)，刻出上反射鏡梁的形狀。
12)在硅片100的背面生長一層減反膜160，在本實(shí)施例中，采用PECVD方法生長光學(xué)厚度為1/4波長的硅NO薄膜，如圖3I所示。
13)腐蝕犧牲層121，結(jié)構(gòu)釋放，形成空氣腔122，以后進(jìn)行后處理。犧牲層采用特殊的金屬A1，腐蝕液采用H3PO4∶H2O＝5∶1(70℃)，如圖3I所示。此步驟非常關(guān)鍵，必須利用金屬的橫向腐蝕特性，完全去除犧牲層，同時(shí)保證器件結(jié)構(gòu)完全釋放，不存在粘連現(xiàn)象。腐蝕后先將器件分別經(jīng)去離子水、乙醇、丙酮進(jìn)行清洗。去離子水是為了去除殘留的腐蝕液，乙醇為了脫水，而丙酮?jiǎng)t可去除殘留的乙醇。
至此，完成微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的器件制作，解理，壓焊后，在電極A和B之間施加調(diào)諧電壓，光線垂直入射。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，可移動(dòng)的梁采用四臂固支梁結(jié)構(gòu)，如圖4b所示，梁寬30微米，梁長200微米，梁的總厚度為4微米，中央電極面積為21250平方微米。在25V電壓下，此光濾波器的透射峰可由1330nm藍(lán)移至1230nm，實(shí)現(xiàn)100nm的調(diào)諧范圍，如圖4a所示。
盡管本發(fā)明是通過各個(gè)實(shí)施例描述的，這不應(yīng)該就認(rèn)為它是本發(fā)明的所有內(nèi)容或內(nèi)涵。閱讀完上面本發(fā)明的詳細(xì)闡述后，毫無疑問，業(yè)內(nèi)人士能夠?qū)Ρ景l(fā)明的那些技術(shù)進(jìn)行各種各樣的替換和修正。因此，可將本申請(qǐng)案的權(quán)利要求解釋成涵蓋在本發(fā)明原始精神與領(lǐng)域下的所有改變與修正。
權(quán)利要求
1.一種寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，采用了低溫表面微機(jī)械工藝，整個(gè)工藝溫度不超過300℃；其特征在于，其制作方法包括如下步驟a)在基片上制作第一電極，此電極是產(chǎn)生靜電吸引作用的其中一個(gè)電極板，并且在電極層中制作電極引線引出孔；b)在第一電極上制作第一反射鏡，是濾波器必備的反射鏡之一；c)在第一反射鏡上制作犧牲層，該犧牲層的厚度決定著濾波器的工作模式，當(dāng)釋放后形成的空氣腔構(gòu)成濾波器的諧振腔體；d)在犧牲層上制作第二反射鏡，該反射鏡和上述第一反射鏡以及犧牲層釋放后形成的空氣腔形成濾波選模結(jié)構(gòu)；e)在第二反射鏡上制作第二電極及控制應(yīng)力的薄膜層；f)腐蝕釋放犧牲層，釋放后形成的空氣腔，當(dāng)在上述第一電極和第二電極之間施加電壓時(shí)由于靜電吸引作用導(dǎo)致空氣腔的厚度發(fā)生變化，濾波器的透射模式也隨之變化，從而具備波長可調(diào)的選模作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，其特征在于，其中第一電極是高摻雜的n區(qū)，高摻雜的p區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，其特征在于，其中第一和第二反射鏡所用的材料是SiO2/Si，Al2O3/Si，SiNxOy/Si，Ta2O5/SiO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，其特征在于，其中犧牲層由特殊的金屬層Al構(gòu)成，獲得最終器件結(jié)構(gòu)需要完全去除犧牲層后形成空氣腔，無需殘留犧牲層作為梁的支柱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，其特征在于，其中該薄膜層是電鍍2-3微米的Au層。
全文摘要
一種寬頻域的硅基微機(jī)械可調(diào)諧光濾波器的制作方法，包括如下步驟在基片上制作第一電極，并且在電極層中制作電極引線引出孔；在第一電極上制作第一反射鏡，是濾波器必備的反射鏡之一；在第一反射鏡上制作犧牲層，在犧牲層上制作第二反射鏡，該反射鏡和上述第一反射鏡以及犧牲層釋放后形成的空氣腔形成濾波選模結(jié)構(gòu)；在第二反射鏡上制作第二電極及控制應(yīng)力的薄膜層；腐蝕釋放犧牲層，釋放后形成的空氣腔，當(dāng)在上述第一電極和第二電極之間施加電壓時(shí)由于靜電吸引作用導(dǎo)致空氣腔的厚度發(fā)生變化，濾波器的透射模式也隨之變化，從而具備波長可調(diào)的選模作用。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1979256SQ20051012632
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者左玉華, 毛容偉, 王良臣, 成步文, 余金中, 王啟明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所