微光學裝置及其制造方法

專利名稱：微光學裝置及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種微光學裝置，其包括反射鏡以及由深干刻蝕技術制造的復雜結構，例如能夠利用反射鏡進行光路轉換和光強度調節的微光學裝置，并且本發明還涉及該裝置的制造方法。
背景技術：
提出一種光學開關，其利用例如半導體各向異性干刻蝕技術將包括反射鏡、鉸鏈、致動器和光導等元件形成在基底上，并且其具有通過將其嵌入到反射鏡的光導中和從反射鏡的光導中將其抽出來實現光路轉換的功能。
為了給出一個具體例子，在圖1中表示于2001年11月13日公開的美國專利第6,315,462號中所公開的MEMS(微機電系統)光學開關結構。
片狀基底111中以十字形結構形成四個光纖槽112a到112d。用由光纖槽112a和112b確定的四個區域中的一個區域表示驅動器形成部分111′。在驅動器形成部分(drive formation)111′中形成與光纖槽112a和112b的每一個都成45°角的插槽113，并且將可移動桿114設置在插槽113中。
在它的一端，可移動桿114支承反射鏡115，該反射鏡115位于光纖槽112a到112d之間的相交區域116。支承臂117a和支承臂117b，它們的一端連接到可移動桿114中間長度的兩側，而支承臂117a和支承臂117b的另一端通過片簧鉸鏈118a和118b分別固定在固定支架119a和119b上。以類似的方式，支承臂117c和支承臂117d，它們的一端連接到可移動桿114另一端的兩側，通過片簧鉸鏈118c和118d這些支承臂117c和支承臂117d的另一端分別固定在固定支架119a和119b上。照這樣，支承可移動桿114，從而使其在縱向方向上可移動。需要注意的是，片簧118a、118b、118c和118d自身是可折疊的，以增加彈簧長度。
由梳齒型靜電致動器驅動可移動桿114。具體地，分別將可移動梳齒電極121a到121d如陣列般地固定地設置在支承臂117a到117b上，并且分別與固定設置在驅動器形成部分111′上的固定梳齒電極122a到122d配合。當在可移動梳齒電極121a和121b及固定梳齒電極122a和122b之間施加電壓時，形成靜電吸引力，從而使可移動桿114向著相交區域116中心的方向移動。另一方面，當在可移動梳齒電極121c和121d與固定梳齒電極122c和122d之間施加電壓時，形成靜電吸引力，從而使可移動桿114向遠離相交區域116中心的方向移動。通過利用梳齒型靜電致動器驅動可移動桿114，可將反射鏡115嵌入到相交區域116的中心或從相交區域116中心抽出。
分別將光纖123a到123d設置在四個光纖槽112a到112d中。當反射鏡115嵌入到相交區域116中心時，例如由光纖123a發射出的光通過反射鏡115反射從而照射到光纖123d上，并且將由光纖123b發射出的光通過反射鏡115反射從而照射到光纖123c上。相反的，當將反射鏡從相交區域116中心抽出時，由光纖123a發射出的光照射到光纖123c上，并且由光纖123b發射出的光照射到光纖123d上。光路轉換以此方式進行。
通過圖2所示的制造方法制造微光學開關。具體地，如圖2A所示，制備三層結構的SOI(絕緣體硅)基底130，其包括單晶硅基底131，在單晶硅基底131上形成由氧化硅膜形成的絕緣層132，以及在絕緣層132之上設置單晶硅層133。通過構圖掩模材料層，在單晶硅層133上形成所需的掩模134。使單晶硅層133中通過掩模134而露出的部分經歷深各向異性反應離子刻蝕(DRIE深各向異性反應離子刻蝕)，除去單晶硅層133，直到絕緣層132露出為止，如圖2B所示。
如圖2B所示的單晶硅層133的窄寬度部分135表示可移動部件例如圖1所示的可移動桿114、支承臂117a到117d和片簧鉸鏈118a到118d，而寬寬度部分136表示結構主體例如圖1所示的固定設置的固定支架119a和119b。圖2是這些部件的示例性說明。
參考圖2B，對露出的絕緣層132進行濕刻蝕，直到絕緣層132的設置在窄寬度部分135下面的部分通過側刻蝕除去為止。結果，如圖2C所示，通過氣隙137，將窄寬度部分135設置在單晶硅基底131之上。這樣，當除去絕緣層132時由窄寬度部分135形成的可移動部件與單晶硅基底131分開并且可移動。可以理解的是，在單晶硅層133的刻蝕處理期間，與可移動桿114、支承臂117a到117d以及可移動梳齒電極121a到121d一起制造出反射鏡115。在濕刻蝕操作之后，在反射鏡115側壁表面上通過蒸鍍而形成反射膜，由此完成反射鏡115。
照這樣，當應用各向異性反應離子干刻蝕處理時，不受單晶硅基底131晶體取向所帶來的影響，可形成垂直的刻蝕側壁，由此可制造出如圖1所示的復雜形狀的微細結構。當通過利用應用于單晶硅層的刻蝕劑溶液的濕刻蝕可獲得深刻蝕時，要注意的是，相對于硅的晶體取向，該濕刻蝕表現出各向異性特征，并因此很難為微機電系統制造具有如圖1所示光學開關所示出的復雜結構的光學裝置。由于這個原因，借助利用反應離子的深各向異性干刻蝕制造出這種微光學裝置。
然而，當將深各向異性反應離子刻蝕應用于單晶硅基底131以可獲得深垂直刻蝕的側壁表面時，在刻蝕的側壁表面上造成超過大約100nm的不平度。如果將具有如此不平度的已刻蝕側壁表面用于可移動反射鏡115的反射鏡表面，則該反射鏡不可能具有良好的反射響應。根據在專利文獻國際
公開日為2001年2月15日、國際公開號WO 01/011411中所公開的技術，在深各向異性反應離子刻蝕以前，以完全和與寬寬度部分136相聯的掩模134c分開的方式將犧牲性凸層掩模134b(sacrificial raised layer mask)形成在接近于在單晶硅層133的部分115a上的掩模134a并位于其兩側，在該部分115a處隨后將形成反射鏡115。當隨后執行深各向異性反應離子刻蝕時，在被遮蔽部分115a的兩側以相當接近并且平行的關系形成犧牲性凸層138。如圖3B所示，單晶硅層133浸入到刻蝕劑139中，借此包括反射鏡部分115a在內的可移動部件相對于單晶硅基底131自由移動。此時，不與任何固定部件連接的犧牲性凸層138被除去。通過選擇這樣的技術，反射鏡部分115a的兩個側壁表面均可制成比沒有形成犧牲性凸層138而獲得的表面更為光滑的表面，其不平度為約30nm或更小。
然而，需要注意到這里有若干個緊密間隔的部件，例如梳齒電極121a到121d以及122a到122d的各梳齒，以及彼此緊密間隔的片簧鉸鏈118a到118d的折疊部分。特別地，絕緣層132的厚度通常至多大約為3μm，并且這些可移動部件和單晶硅基底131之間的氣隙非常窄。如果與基底分隔開的犧牲性凸層138的斷片卡進這些窄空間，可移動部件可能無法工作，或者產生對微光學裝置特性不利的影響，導致合格率下降。
已知的是，對由深各向異性反應離子干刻蝕形成的反射鏡部分115a的兩側壁表面的粗糙硅表面可進行熱氧化，從而形成其厚度相對于粗糙硅表面的微小不平度是夠大的氧化膜，并且可利用氟酸(HF)對該氧化膜進行刻蝕，從而提供小粗糙度的反射鏡表面(參看非專利文獻W.H.Juan和S.W.Pang，“Controlling sidewall smoothness for micromachined Si mirrors and lenses”，J.Vac.Sci.Technol.B14(6)，Nov/Dec 1996，pp.4080-4084)。
然而，利用此技術由熱氧化形成相對于表面的微不平度足夠厚的氧化膜所需的時間段長達例如10個小時，需要更長的制造微光學裝置的時間，導致光學裝置的高成本。
這個問題不限于微光學開關，當包括反射鏡以及反射鏡以外的復雜結構的微光學裝置經歷氣體反應各向異性干刻蝕以實現垂直于基底表面的深刻蝕反應時，則會產生類似的問題。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種可用比較短時間以良好合格率制造出的、包括具有光滑反射鏡表面的反射鏡的微光學裝置，以及制造該裝置的方法。
在根據本發明的該微光學裝置中，反射鏡具有是(100)面或(111)面的反射鏡表面，上述面垂直于單晶硅基底的板面。反射鏡表面以及除了反射鏡之外結構的表面是垂直于基底板面的側壁表面，或者是與基底板面平行的表面。
根據本發明的制造方法，制備一種SOI基底，該SOI基底包括上和下單晶硅層以及中間絕緣層，在上層的上表面上形成掩模層，并且通過以光刻法將掩模層構圖形成掩模從而確定反射鏡形成表面，該表面垂直于上單晶基底的板面并與(100)面或(111)面以及垂直于基底板面的其它側壁表面對準；基于這樣形成的掩模，通過氣體反應各向異性干刻蝕除去沒有遮蔽的上基底，直到露出中間絕緣層為止；對于通過應用于上基底的干刻蝕而露出的側壁表面，通過對于硅具有各向異性的濕刻蝕劑溶液，使與(100)面或(111)面對準的表面變得光滑；并且對于與(100)面或(111)面對準的光滑表面，將要形成為反射鏡表面的表面用具有高反射率的金屬涂覆。
根據本發明，反射鏡表面是(100)面或(111)面，但光學裝置結構的其他垂直側壁表面不受這種方式所限制，允許不與(100)面或(111)面或其他晶體學表面對準的表面存在。因此，可將利用各向異性氣體反應干刻蝕的深刻蝕應用于單晶硅基底，以便反射鏡表面與(100)面或(111)面對準，從而形成具有復雜形狀的微細結構。在該深刻蝕后，利用相對于該晶體取向顯示出各向異性的溶液執行刻蝕，由此具有快速刻蝕速率的高指數表面被快速刻蝕，并且反射鏡表面成為與(100)面或(111)面對準的晶體學表面，從而在縮短濕刻蝕所用時間段的同時，提供具有約10nm或更小不平度的光滑反射鏡表面。由于不形成犧牲性凸層且不需要除去該犧牲性凸層，因此不可能降低響應，結果是更好的合格率。


圖1是一種傳統微光學開關的平面圖；圖2A到2C是示意性說明圖1所示微光學開關的制造方法中幾個步驟的部分截面圖；圖3A到3B是示出傳統微光學開關另一種制造方法中幾個步驟的截面示意圖；圖4是本發明一個實施例的平面圖；圖5A、5B和5C是圖4所示光學裝置分別沿VA-VA、VB-VB和VC-VC線所得的截面圖；圖6是一個放大尺寸的平面圖，說明圖4所示光學裝置的結構，其位于十字形排列的光纖槽的中心附近；圖7是一個放大尺寸的平面圖，說明圖4所示光學裝置的可移動梳齒電極和固定梳齒電極的結構；圖8A和8B是在圖4所示光學裝置中所用的示例性片簧鉸鏈的放大尺寸的截面圖；圖9是說明在圖4所示光學裝置中從光纖槽中心1c抽出反射鏡時的狀況的平面圖；圖10說明具有重疊關系的片簧鉸鏈的各種寬度的放大截面圖；圖11用圖表表示出說明鉸鏈寬度與片簧鉸鏈的彈簧常數之間典型關系的特性曲線；圖12用圖表表示出說明鉸鏈寬度誤差與片簧鉸鏈的彈簧常數之間典型關系的特性曲線；圖13A表示由濕刻蝕之后的干燥步驟期間殘留的液體的作用可保持將片簧鉸鏈向鉸鏈凹槽的壁表面吸引的狀況；
圖13B表示通過在濕刻蝕之后的干燥步驟期間的液體運動，不能將片簧鉸鏈向鉸鏈凹槽的壁表面上吸引的狀況；以及圖14A到14D是沿圖4所示VA-VA線所得的截面圖，說明根據本發明用于制造包括圖4所示光學裝置的反射鏡的結構的方法中的幾個步驟。
具體實施例方式
以下將參考附圖描述應用于微光學開關的本發明的一個實施例。在以下的描述中，貫穿附圖應當注意到，由相同附圖標記標明的相應部分不再對其進行重復描述。
如圖4中平面圖和圖5中截面圖所示，SOI三層結構包括具有上表面31u的片狀單晶硅基底31，在上表面31u中光纖槽1形成十字結構。四個光纖槽1A到1D從十字形光纖槽1之間的相交區域中心1c處放射地延伸，并且光纖32A到32D嵌入到各自的光纖槽中。如圖6所示，光纖槽1A到1D的寬度設定為非常接近光纖32A-32D的直徑使得壓進槽的光纖在槽內固定，并且每個光纖的端面設置成靠在自各光纖槽1A到1D的鄰近中心1c的側壁凸出的接合凸出物(abutment projection)3上，由此光纖32A到32D相對于基底31設置。在這個實施例中，朝向中心1c設置的每個光纖32A到32D的端面相對于垂直于光纖軸的平面以例如6°角傾斜并研磨，從而起準直光纖的作用。
如圖4所示，基底31上表面31u上由十字形排列的光纖槽1分隔開的四個區域中的一個確定了驅動器形成部分10，其中與中心1c相聯的桿槽33相對于光纖槽1A和1D中的每一個成45°角形成，從而二等分他們之間的角。可移動桿7設置在桿槽33中，并且可移動桿7在其朝向中心1c設置的端部處支承有反射鏡4。片簧鉸鏈6A到6D連接到可移動桿7每側的兩個位置處從而支承可移動桿7，以使借助可移動部件支架10a可移動桿7可沿其長度方向移動。在所示的該實施例中，每個片簧鉸鏈6A到6D在其主平面中心處稍微彎曲，以允許鉸鏈呈現出具有逆彎曲(reversed flexure)的雙穩態。
在鉸鏈6A、6C與鉸鏈6B、6D之間提供梳齒型靜電致動器。具體地，支承臂5a和5b的一端固定到可移動桿7的兩側，并且可移動梳齒電極5形成在支承臂5a和5b上，朝向片簧鉸鏈6A和6B，以及朝向片簧鉸鏈6C和6D。第一和第二固定梳齒電極8和9固定在驅動器形成部分10的固定部件8a、9a和8b、9b上，其朝向可移動梳齒電極5的片簧6C和6D及朝向片簧鉸鏈6A和6B設置。如圖7中放大尺寸所示，可移動梳齒電極5上的梳齒與第一和第二固定梳齒電極8和9上的梳齒相關聯，從而兩梳齒電極5與8和9彼此可嚙合。反射鏡4、可移動梳齒電極5、相聯的支承臂5a和5b、以及可移動桿7一起構成可移動部件11，其通過片簧鉸鏈6A到6D保持可在可移動部件支架10a上移動。如后面將要描述的，固定部件8a、9a和8b、9b與可移動部件支架10a在電學上是絕緣的，其中可移動部件支架10a與片簧鉸鏈6A到6D連接。
在本實施例中，反射鏡4的兩個側表面或反射鏡表面4M(圖6)均與片狀基底31的板面或上表面31u垂直，并且與單晶硅的晶面(100)對準。與微光學開關反射鏡表面4M平行或正交的、并與上表面31u垂直的暴露表面是硅的晶面(100)，而其他垂直表面則不是(100)面。片狀基底31的上表面31u是(100)面。
如圖7所示，將片簧鉸鏈6A、6B和6C、6D分別設置在形成于驅動器形成部分10中的鉸鏈凹槽14a和14b內。限定除了反射鏡4以外的結構即可移動梳齒電極5、可移動桿7、鉸鏈6A到6D、以及第一和第二固定梳齒電極8和9的外輪廓的每個表面是垂直于基底板面(上表面31u)的側壁表面，或是平行于上表面31u的表面。在緊接著光學裝置制造后的初期狀態中，最好將與片簧鉸鏈6A到6D板面相對設置的鉸鏈凹槽14a和14b的壁表面平行于相對設置的鉸鏈6A、6B或6C、6D。分別以D1表示片簧鉸鏈6A、6B與第二固定梳齒電極9的固定部件9a、9b之間的間距，以及以D2表示相同鉸鏈與設置在固定部件9a、9b對面的固定部件之間的間距，并且分別以D3表示片簧鉸鏈6C、6D與第一固定梳齒電極8的固定部件8a、8b之間的間距，以及以D4表示相同片簧鉸鏈與設置在固定部件8a、8b對面的固定部件之間的間距，理想的是這些間距彼此相等或D1＝D2＝D3＝D4。另外，如圖8A和8B所示的片簧鉸鏈6A到6D的截面結構是優選的，即兩側表面是稍微傾斜的，例如，相對于垂直于基底板面31u的平面，該角度約為θ1＝0.5°，并且最好寬度從表面6s(上表面31u)向內表面逐漸減小。片簧鉸鏈6A到6D的截面結構可為如圖8A所示的相對底部具有更寬上邊的梯形，也可為如在圖8B所示的楔形三角形的形狀。
當光學裝置具有在制成后立即呈現的初始形態(此后稱作第一穩態)時，如圖4所示，反射鏡4位于中心1c處。在此時，從光纖32A發射出的光由反射鏡4反射，從而照射到光纖32B。光纖32D發射出的光被反射，并然后照射到光纖32C。通過可移動桿7和片簧鉸鏈6A到6D將可移動梳齒電極5與可移動部件支架10a電連接，并且當將電壓施加于第一固定梳齒電極8，而可移動部件支架10a和第二梳齒電極9接地時，在第一固定梳齒電極8與可移動梳齒電極5之間產生靜電吸引力。如果該靜電力大于保持第一穩態的力，則片簧鉸鏈6A到6D反轉到第二穩態，并且如果終止施加電壓，則通過自保持作用保持在該狀態中。在這種情況中，反射鏡4從中心1c處收回，并且從光纖32A和32B發射的光分別照射到光纖32C和32D。當將電壓施加于第二固定梳齒電極9，而可移動部件支架10a和第一固定梳齒電極8接地時，在第二固定梳齒電極9與可移動梳齒電極5之間產生靜電吸引力，并且如果該靜電力大于保持第二穩態的力，則鉸鏈再次回復到第一穩態。為了向第一或第二固定梳齒電極8或9和可移動電極5施加電壓，可將接合線與第一或第二固定梳齒電極的固定部件8a和8b或9a和9b連接，并且向該接合線和可移動部件支架10a施加電壓。光纖32A和32B、或32C和32D作為光路形成部分的例子給出，其中光路的延長線在反射鏡14的反射鏡表面上彼此相交。
從圖7注意到，該光學裝置構造為除反射鏡4以外，可移動部件11相對于平行于反射鏡驅動方向的中心線(或可移動桿7的中心線)顯示出軸對稱，并且四個片簧鉸鏈6A、6B、6C和6D支承可移動桿7處(即鉸鏈作用力作用處)的點A、B、C和D相對于可移動梳齒電極5與可移動桿7之間的連接(或驅動力作用點S)對稱地設置。另外驅動力作用點S設計為基本上與可移動部件11的重心重合。這種結構構造的結果是，如果來自致動器的驅動力包括指向不同于可移動部件將被驅動方向的方向的矢量分量，四個片簧鉸鏈6A、6B、6C和6D向驅動力中多余的矢量分量提供相等的反作用力，由此允許可移動部件11在除預期驅動方向以外方向上的非預期移動得以有效抑制。
如果施加外界干擾例如碰撞，則兩個結構特征(即，1)四個片簧鉸鏈6A、6B、6C和6D設置在相對于可移動部件11的重心對稱的位置上；和2)通過四個片簧鉸鏈6A、6B、6C和6D以同樣的方式支承代表沉重結構的可移動梳齒電極5)允許可移動部件11的非預期移動得以有效抑制。
由于用稍微傾斜的錐形表面形成片簧鉸鏈6A到6D的相對表面，朝向內部(或隨著進一步遠離表面)減小寬度，所以在該表面上提供給定彈簧常數所需的鉸鏈6A到6D的寬度可比截面是矩形時大，從而有利于執行形成掩模時所進行的光刻，同時降低制造誤差。
具體地，片簧鉸鏈6A到6D的機械剛度與鉸鏈厚度的三次方成比例，因此鉸鏈6A到6D的厚度對可移動部件11的動態響應具有很大的影響。由于這個原因，為了可獲得適當的轉換電壓，有必要將鉸鏈6A到6D的厚度加工成例如約1μm的極薄結構，這需要相當高的制造精度。然而，很難在此尺寸范圍內得到令人滿意的最終形狀精度。
如圖10所示，對于錐形側表面，假定片簧鉸鏈6的截面結構的傾斜角θ1具有給定值(例如0.5°)。圖11用圖表示出了彈簧常數與在表面6s上測量出的鉸鏈寬度W1之間的關系；對于具有梯形或三角形截面并具有不同寬度W1值的彈簧鉸鏈6，以及具有矩形截面并具有與鉸鏈6相同的寬度和高度的彈簧鉸鏈，圖12用圖表示出了鉸鏈寬度誤差與彈簧常數之間的關系。在圖11中，橫坐標表示彈簧常數，縱坐標表示鉸鏈寬度，在圖12中橫坐標表示鉸鏈寬度誤差，縱坐標表示彈簧常數。在兩圖中，三角形標記△表示具有梯形或三角形截面的鉸鏈，方形標記□表示具有矩形截面的鉸鏈。
可從圖11中看到，對于相同的彈簧常數，具有梯形或三角形截面的鉸鏈可具有寬度W1，該寬度比具有矩形截面的鉸鏈的相應寬度大0.6μm或更多。也可從圖12中看到，當鉸鏈寬度W1的誤差增加，在具有梯形或三角形截面的鉸鏈中彈簧常數的變化率比在具有矩形截面的鉸鏈中小，并因此，對于相同的彈簧常數誤差，允許具有梯形或三角形截面的鉸鏈具有更大的設計公差。
如上面所述，最好使片簧鉸鏈6A到6D的截面呈現出倒置梯形或倒置等腰三角形的形狀，其側邊具有大約0.5°的傾角。然而，通過形成反射鏡表面的同時所進行的干刻蝕，得到片簧6A到6D側面的傾角。反射鏡表面4M的傾斜造成的光損失取決于光束的直徑。通過形成在光纖32A到32D中的每一個的內端的準直光纖調節光束，并在反射鏡表面4M上形成最小直徑(光束腰部直徑(beam waist diameter))。由單模光纖發射的光具有大約2.0到30.0μm的腰部直徑。光學開關中的光損失歸因于各種因素，并且由反射鏡表面4M傾角造成的實際容許損耗大約為0.1到0.3dB。
對于1.55μm光波長和45°的水平入射角，由反射鏡表面傾斜所造成的光損失的計算結果為，在最小光束腰部直徑為2.0μm條件下，對于傾斜角θ1等于5.25°，最大容許損耗為0.3dB。另一方面，在最大光束腰部直徑為30.0μm條件下，產生0.1dB最小容許損耗的傾斜角θ1等于0.20°。因此，片簧6A到6D的側面實際傾斜角θ1在約0.2°到5.0°的范圍內，最好為約0.5°。
制造光學裝置期間，在濕刻蝕之后的干燥步驟期間，當刻蝕劑蒸發時，由于刻蝕劑表面張力的作用，刻蝕劑易于在窄區域內聚集，并且這可能造成不利，即液體表面張力將可移動部件向固定部件吸引，并且當完成干燥步驟時，該可移動部件在范德瓦爾斯(van der Waals)力的影響下保持固定在那里。可通過用在低壓下容易升華的液體替代蝕刻液的技術避免這種不利，并且該液體在約例如25℃溫度時凝固，以在低壓下促進該固體的升華；通過用液態二氧化碳(CO2)替換刻蝕液的超臨界干燥處理避免這種不利，該干燥步驟是在高溫和高壓的環境中連續執行的，該環境未伴隨有從液相到氣相的狀態變化；或通過用另一種具有較低表面張力的液體簡單替換蝕刻液以執行干燥步驟的技術避免這種不利。在這些選擇中，利用具有較低表面張力的液體執行干燥步驟是簡單的，但其缺陷是可靠性無保證。
為了避免此問題，可以預期的是增加片簧鉸鏈的機械剛度使其達到幾乎不被吸引的程度。然而，考慮到與驅動電壓的關系，不能增加片簧鉸鏈6A-6B的剛度，因而有可能產生吸引。這被發現歸因于以下描述的原因。應用彎曲片簧鉸鏈6A到6D，以允許可移動部件11具有第一和第二穩態。因此，當將鉸鏈凹槽14制成矩形形狀，該矩形具有與片簧鉸鏈縱向方向基本一致的縱向方向時，片簧鉸鏈6的板面和相對設置的鉸鏈凹槽14的壁表面可以是寬間距的或是窄間距的，使得干燥步驟期間液體蒸發時限的偏差增加。在間隔近的區域內，液體15的汽化可延遲，并且殘余液體15的表面張力(用箭頭18表示)導致鉸鏈6向凹槽14的壁表面被吸引。
然而，當如圖4和7所示實施例中那樣，片簧鉸鏈6A到6D兩側的空間形狀或鉸鏈板面與凹槽壁表面之間的間隔均勻時，經歷延遲蒸發的液體15的數量在鉸鏈兩側變得相等，如圖13B所示，并因此殘留在兩側的液體15的表面張力大小將基本上彼此相等，防止鉸鏈被吸引。這樣，通過在鉸鏈和設置在鉸鏈兩側的凹槽壁表面之間提供相等間距，能可靠實現基于簡單而便利的液體的直接干燥步驟。
由圖4和5A到5C中的說明和相關描述顯見，在本實施例中構成反射鏡14和其他結構或可移動部件11、光纖槽1A到1D的表面、以及反射鏡表面是垂直于基底板面的側壁表面，或者是平行于基底板面的表面。換而言之，反射鏡和其他結構具有由垂直于和平行于基底板面的表面形成的外部輪廓。
現在參考圖14描述圖4到7所示光學裝置的制造方法實施例，圖14示出在幾個步驟期間沿圖4所示的線VA-VA所得的截面。
如圖14A所示，制備由一對通過中間絕緣層41結合在一起的單晶硅層42和43所形成的片狀基底或所謂SOI基底31。例如，單晶硅層42可包括具有350μm厚度的單晶硅基底，其上形成作為中間絕緣層的氧化硅膜41，并且形成作為單晶硅裝置層43的單晶硅層43，從而完成基底31。
將掩模材料層44形成在基底31上或硅裝置層43上。掩模材料可包括例如氧化硅膜。
利用例如光刻法，將掩模材料層44構圖，從而如圖14B所示，在反射鏡4、鉸鏈6A-6D、可移動桿7、可移動梳齒電極5、第一固定梳齒電極8和9上以及在除光纖槽1、桿槽33和不影響片簧鉸鏈6A-6D彎曲操作的空間(鉸鏈凹槽14)以外的基底31上形成掩模45，或根據確定垂直于基底板面的反射鏡形成表面和除反射鏡表面以外的結構的側壁表面的圖案形成掩模45，在本實施例中該圖案是如圖4所示構造的圖案。對掩模材料層44構圖，以使反射鏡4的反射鏡表面與單晶硅的(100)面對準。由于該原因，應用SOI基底31，其中硅裝置層43的上表面是單晶硅的(100)面。
其后，例如通過ICP-RIE(感應耦合等離子體-反應離子刻蝕)干刻蝕，在基本垂直于片狀基底31的板面方向上，利用掩模45對硅裝置層43進行刻蝕，直到中間絕緣層41暴露出為止，如圖14C所示。這樣形成了光纖槽1、桿槽33、鉸鏈凹槽14以及梳齒電極的梳齒。
對包括由該刻蝕操作所形成的側壁的硅裝置層43的表面進行清潔之后，將其浸入到溶液中，該溶液相對于硅的晶向表現出刻蝕速率的各向異性特性，并且其在室溫中具有較低刻蝕速率，例如一個例子是8mol/L(8N)氫氧化鉀(KOH)溶液在室溫中大約為十分鐘的時間段內，其可為約0.03μm/min，如此將輕微程度的濕刻蝕應用于硅裝置層43的由干刻蝕所形成的側壁。為這個目的的刻蝕劑溶液還可包括乙二胺-鄰苯二酚(EDP)的水溶液或氫氧化四甲基銨(TMAH)的水溶液，并且優先選用在室溫具有大約為0.1μm/min刻蝕速率的溶液。
其后，將基底浸入到對中間絕緣層41而言的選擇性刻蝕劑溶液中，該溶液可包括50％氟酸(HF)溶液(或氫氟酸與氟化銨的混合溶液)以刻蝕暴露的中間絕緣層41。選擇一個刻蝕時間段，使得在與可移動部件11例如反射鏡4、可移動梳齒電極5、鉸鏈6A到6D以及可移動桿7對應的區域中完全除去中間絕緣層41，但在與除應當保持固定在基底31上的梳齒以外的第一和第二固定梳齒電極8和9的部分對應的區域中，僅在邊緣上稍微除去中間絕緣層41。更明確地，在例如反射鏡4、可移動梳齒電極5、鉸鏈6A到6D、可移動桿7、以及梳齒電極8和9的梳齒部分的狹窄區域中，將位于硅裝置層43與單晶硅基底42之間的中間絕緣層41完全地除去，但在例如固定部件8a、8b、9a和9b、可移動部件支架10a的寬區域中，僅在邊上除去位于硅裝置層43與單晶硅基底42之間的中間絕緣層41。
由于該刻蝕操作，以可移動的方式通過片簧鉸鏈6A到6D將可移動部件11支承在基底31上，并且第一固定梳齒電極8及其相聯的固定部件8a和8b、第二固定梳齒電極9及其相聯的固定部件9a和9b、以及可移動部件支架10a是彼此電絕緣的。另外，在這個例子中，在該刻蝕操作期間，同時除去掩模45，因為中間絕緣層41和掩模材料層44使用了相同的材料。
在該刻蝕操作之后沿線VA-VA、VB-VB和VC-VC所得的截面如圖5A、5B和5C所示，對應于圖4和14所示部件的部件用相同附圖標記表示。
對于硅裝置層43的已刻蝕側壁的、在有限時間段內進行的各向異性濕刻蝕，可在刻蝕中間絕緣層41之后或在使可移動部分可移動的刻蝕之后實行。
應當注意的是，這兩個刻蝕操作均為濕刻蝕，并且可在改變刻蝕溶液時連續進行而無需在兩個刻蝕操作之間插入干燥步驟。
在深各向異性干刻蝕應用于硅裝置層43之后，所刻蝕的側壁表面為粗糙表面，可將其看作指向不取決于硅晶向的隨機方向(高指數表面方向)的凸起的組合。然而，當利用對于硅晶向表現出刻蝕速率的各向異性的刻蝕劑溶液例如氫氧化鉀進行刻蝕時，具有快刻蝕速率的高指數表面被快速刻蝕。由于反射鏡4的兩個表面均表現為硅晶體的(100)面，取決于晶向的各向異性刻蝕將反射鏡表面轉變為在硅晶體(100)面方向上具有大約10nm或更小不平度的光滑表面。反射鏡4的兩個光滑表面均涂覆具有高反射率的金屬例如通過濺射的Au/Pt/Ti多層膜，于是形成反射鏡體。
通常在大約70℃的溫度利用KOH溶液執行應用于單晶硅的各向異性濕刻蝕。在這一情況下，刻蝕速率大約為1μm/min，比前面提到的降低的刻蝕速率大兩個數量級，并且當應用于具有2μm厚度的可移動反射鏡4時，刻蝕時間將非常短，除非精密地控制該刻蝕時間，否則反射鏡部分將發生溶解，這使得刻蝕操作的控制非常難。然而，由于按照本發明其在低刻蝕速率的情況下發生，因此很容易執行該濕刻蝕。室溫下執行約0.01μm/min的刻蝕速率是優選的，但其并不受上述數值的限制。既然由于大約為1.0μm/min的刻蝕速率使刻蝕控制相當難而得出上述選擇，所以例如當期望快速刻蝕時，在室溫中能夠容易進行刻蝕控制的刻蝕速率可選擇為0.05μm/min，但取決于環境也可為約0.1到0.2μm/min。如果刻蝕速率太低，則需要更長的濕刻蝕時間，但這不適合工業目的。因此，室溫中可選擇大約為0.001到0.005μm/min的刻蝕速率作為慢速刻蝕操作，其避免了嚴重妨礙生產率。
通過利用調節刻蝕條件的刻蝕操作實現形成如錐形表面的片簧鉸鏈6A到6D的兩表面，使得相對于基底表面的垂線而言側壁具有一個輕微的角度，從而在深干刻蝕操作期間使鉸鏈的厚度(截面的寬度)從表面向著中間絕緣層41而減少。在這種情況下，當嚴格觀測時，反射鏡4的反射鏡表面或晶面(100)將相對于基底表面(基底的板面)的垂直線具有輕微的偏離，但如果偏離大約是0.5°，則對光學性能影響很小。整個說明書中，連同上述微小的偏離在內，把通過深各向異性反應離子干刻蝕所形成的側壁表面描述為垂直于基底表面(基底的板面)。
也可把應用于由深干刻蝕所形成的側壁表面的各向異性濕刻蝕應用于對可移動部件11的動態響應有很大影響的片簧鉸鏈6A到6D的厚度的微調中。
在前面所述中，將(100)面作為經歷慢刻蝕速率的表面而使用，并且為反射鏡的反射鏡表面選擇單晶硅的(100)面。然而，也可利用具有(110)面作為硅裝置層43上表面的SOI基底31，從而反射鏡具有是(111)面的反射鏡表面，并且仍可利用各向異性濕刻蝕來得到光滑的反射鏡表面。如果從這些面中選擇一個，(100)面是優選的。
在前面所述中，本發明用于除反射鏡4以外的作為復雜結構的反射鏡驅動器，但本發明的應用并不局限于此，本發明可應用于這樣的微光學裝置此裝置中通過深各向異性干刻蝕形成反射鏡和除反射鏡以外的結構，其中反射鏡表面是單晶硅的(100)面或(111)面，并且其與基底板面垂直，并且其中形成反射鏡和除反射鏡以外的結構的表面由垂直于基底板面的側壁表面或由平行于基底板面的表面確定，由此包括其中反射鏡固定的裝置或其中結構不包括可移動部件的裝置，包括以下的例子-作為可移動裝置可變光學衰減器(VOA)...在結構方面上與光學開關是基本相同的，其中片簧鉸鏈不具有雙穩態操作的功能，并且不是在雙態移動中控制反射鏡，而是反射鏡根據施加的驅動電壓連續地移位。
諧振器型可變濾光器...將一對反射鏡以對立的關系設置，從而形成諧振器，并且使至少一個反射鏡是可變的，從而為改變諧振器的傳輸波長特性而改變反射鏡間的間距。
-作為靜止裝置用于信號傳輸和接收的光學模塊，包括反射鏡、光纖、半導體激光元件、光接收元件以及片狀濾光元件。通過深各向異性反應離子干刻蝕形成用于設置上述元件的槽和锪孔。微光學裝置，包括用于設置光纖和片狀濾光元件的具有壓力彈簧(例如在圖6所示的壓力彈簧2)的壓力機構。
權利要求
1.一種微光學裝置，其形成在單晶硅基底上，并包括反射鏡以及除該反射鏡以外的結構，其中該反射鏡具有是(100)面或(111)面的反射鏡表面，并且該反射鏡表面與該單晶硅基底的板面垂直，并且其中包括該反射鏡表面在內的該反射鏡和除該反射鏡以外的該結構的每個表面由與該基底的板面垂直的側壁表面或與該基底的板面平行的表面形成。
2.根據權利要求1的微光學裝置，其中部分該結構是可移動部件，該可移動部件包括該反射鏡設置于其上且可在該單晶硅基底上方沿著該基底的板面移動的可移動桿，還包括多個片簧鉸鏈，每個片簧鉸鏈的一端固定在該可移動桿上，并且其另一端固定在該單晶硅基底上，用于以可移動的方式將該可移動桿支撐在該多晶硅基底上，每個片簧鉸鏈具有兩個側表面，它們與該基底的板面垂直，兩側表面間的間隔向面向該結構設置的該單晶硅基底的表面的方向增加，光路形成部分設置在該單晶硅基底上，其中光路的延長線與該反射鏡表面相交。
3.根據權利要求2的微光學裝置，其中片簧鉸鏈的兩側表面均與垂直于該基底板面的平面形成0.2°到5.0°的小角。
4.根據權利要求2或3的微光學裝置，其中每個片簧鉸鏈具有彎曲的板面，從而允許該鉸鏈呈現出雙穩態，并且其中每個片簧設置在形成在該單晶硅基底中的鉸鏈凹槽內，每個片簧兩側上的板面與相對設置的該鉸鏈凹槽的壁表面之間的間隔彼此相等。
5.一種制造微光學裝置的方法，該微光學裝置在單晶硅基底上包括反射鏡和除該反射鏡以外的結構，該方法包括以下步驟提供SOI基底，其包括第一和第二單晶硅層、以及置于該單晶硅層中間的中間絕緣層，并且在該第一層的上表面形成掩模層；通過光刻法將掩模層構圖，從而形成具有圖案的掩模，該圖案確定反射鏡形成表面，該表面與由該第一單晶層形成的基底的板面垂直，并且與(100)面或(111)面對準，并且該圖案確定與該基底的該板面垂直的其他側壁表面；利用各向異性氣體反應干刻蝕除去未被該掩模所覆蓋的該第一單晶層，直到該中間絕緣層暴露出為止；利用對于硅表現出各向異性的濕刻蝕，對該第一單晶層的通過該干刻蝕而暴露出的與(100)面或(111)面對準的那些側壁表面進行平滑處理；以及用具有高反射率的金屬，對與(100)面或(111)面對準的光滑表面中將成為反射鏡表面的一個表面進行涂覆。
6.根據權利要求5制造微光學裝置的方法，其中該濕刻蝕具有從0.001μm/min到0.2μm/min的刻蝕速率。
7.根據權利要求5的制造微光學裝置的方法，其中該濕刻蝕具有大約0.01μm/min的刻蝕速率。
8.根據權利要求5或6的制造微光學裝置的方法，其中部分該結構是可移動部件，反射鏡安裝在該可移動部件上，還包括在該干刻蝕之后的該各向異性濕刻蝕之前或之后，利用對該中間絕緣層具有選擇性的刻蝕劑溶液對暴露的中間絕緣層進行濕刻蝕的步驟，從而留下位于不對應于該可移動部件的該第一單晶層的寬區域與該第二單晶層之間的中間絕緣層的至少一部分，而完全地除去對應于該可移動部件的第一單晶層的窄區域與第二單晶層之間的中間絕緣層，由此完成在該第一單晶層中的可移動部件，該可移動部件被支承為可在平行于該基底的板面的方向上移動。
9.根據權利要求8的制造微光學裝置的方法，其中所選擇的用于該掩模層的材料是被在該中間絕緣層的該選擇性濕刻蝕中所用的刻蝕劑溶液刻蝕的材料，由此在該選擇性濕刻蝕期間同時除去該掩模。
全文摘要
本發明涉及微光學裝置及其制造方法。該裝置包括復雜結構和可移動反射鏡，可在更短的時間內制造出該微光學裝置。硅基底和單晶硅裝置層以及置于其間的氧化硅中間層構成基底，其上掩模材料層得以形成且被構圖，從而形成與如平面圖所示的預期光學裝置的結構具有相同圖案的掩模。將構造為反射鏡表面的表面選擇為硅晶體的面。利用掩模，通過反應離子干刻蝕，垂直刻蝕裝置層，直到露出中間層為止。隨后利用KOH溶液在約十分鐘的時間段內以大約0.1μm/min的刻蝕速率，執行對于晶向是各向異性的濕刻蝕，從而將反射鏡4的側壁表面轉變為光滑的晶體學表面。隨后，選擇性地濕刻蝕中間層，從而僅在位于光學裝置的可移動部件下面的區域中除去中間層。
文檔編號B81C1/00GK1619351SQ20041010235
公開日2005年5月25日 申請日期2004年9月30日 優先權日2003年9月30日
發明者加藤嘉睦, 吉田惠, 森惠一, 近藤健治, 濱田義彥, 伊卷理 申請人:日本航空電子工業株式會社