MEMS微镜阵列光子开关

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泰丰瑞电子已经开发出用于微机电系统(MEMS)倾斜镜阵列的高产量制造方法，该阵列具有高纵横比的扭力弹簧和阶梯式电极，可实现可靠的倾斜运动。实验结果表明，倾斜镜的运动是可靠的，这使得该镜阵列在三维MEMS光开关应用中具有很大潜力。

简介

硅光微机电系统（MEMS）在许多光学组件中显示出很好的前景。三维（3D）MEMS光开关作为大规模全光交换结构引起了极大的兴趣，因为它们在降低成本、减少功耗以及提供紧凑性和高光性能方面具有巨大潜力。MEMS光开关结构使用自由空间光互连的3D MEMS光开关模块的基本配置如图1所示。该模块由两轴MEMS倾斜镜阵列和光纤准直器阵列组成。每个输入和输出端口都有一个专用镜。来自输入端口的光束由准直器阵列准直，并被两轴MEMS倾斜镜反射两次。当镜子二维倾斜时，光束也会二维偏转。通过控制每个镜子的倾斜角度可以实现任何输入端口和任何输出端口之间的连接。

MEMS镜阵列是3D MEMS光开关的关键功能组件。光开关的特性很大程度上取决于镜阵列本身的特性，如平整度和反射率。已经引入了许多具有良好特性的单晶硅镜。然而，关于制造镜阵列的方法鲜有报道。我们开发了实用的高成品率工艺来制造MEMS镜阵列，并使用该工艺制造了具有高纵横比扭力弹簧的MEMS倾斜镜阵列，可实现可靠的倾斜运动。本文描述了我们的MEMS倾斜镜阵列的结构和制造方法。同时还给出了镜倾斜运动的实验结果，表明该镜阵列在3D MEMS光开关应用中具有很大潜力。

一. MEMS微镜结构

图2展示了双轴MEMS倾斜镜的横截面示意图。该MEMS镜由两个单晶硅基板组成：镜基板和平移电极基板。这些基板独立加工，并通过倒装芯片键合在一起，从而在镜子和电极之间形成空气间隙。镜子通过在其与电极之间施加电压产生的静电力来驱动。镜子的倾斜角度通过向每个电极施加驱动电压来控制。

图1. 3D MEMS光开关的基本结构图 2. MEMS倾斜镜的横截面示意图

(a) MEMS 镜 (b) 扭力弹簧

图3. (a) MEMS镜面和(b)高纵横比扭转弹簧的SEM照片

1.1 反镜衬底结构

图3(a)和(b)分别显示了双轴MEMS倾斜镜和扭力弹簧的衬底SEM照片。这个直径为600微米的MEMS镜由一对折叠扭力弹簧支撑，并通过x轴连接到万向环。万向环通过另一对折叠扭力弹簧在y轴上连接到基座。因此，镜子可以在x和y轴上转动，从而能够在3D空间中控制光束。镜子和扭力弹簧由单晶硅制成，这提供了高度可靠的镜子运动。扭力弹簧具有高纵横比，即弹簧厚度与弹簧宽度的比值。这些高纵横比的弹簧在z方向相对于扭转方向具有较大的刚度，这可以防止镜子被下拉并接触电极。

1.2 驱动电极衬底结构

图4展示了具有3D阶梯结构的四个电极的SEM照片。通过向每个电极施加电压产生的静电力来驱动反射镜。静电力与反射镜和电极之间间隙的平方成反比。与传统平面电极结构相比，3D阶梯电极结构减小了间隙，从而允许使用较低的驱动电压。

图4. 电极的扫描电子显微镜照片

二. FAB 工艺

1.1 微镜电极基板

图5展示了镜基板工艺流程。首先，通过光刻和干法刻蚀在绝缘体上硅(SOI)晶圆上形成镜图案(图5(a))。然后在形成的镜子上旋涂聚酰亚胺(图5(b))。在背面体硅上形成镜子开口图案(图5(c))，然后使用抗蚀剂掩膜进行干法刻蚀。掩埋氧化物(BOX)作为刻蚀停止层(图5(d))。用氢氟酸去除BOX(图5(e))，然后在涂层镜子表面的另一侧再次旋涂聚酰亚胺(图5(f))。聚酰亚胺在切割步骤中保护镜子免受冲击。切割工艺后，通过暴露在氧等离子体中灰化去除聚酰亚胺保护层(图5(g))。在最后阶段使用这种干法工艺释放镜子可以防止所谓的工艺中镜子粘连问题，并提高工艺良率。镜子表面的平整度会影响包含镜子阵列的开关的光学特性。镜子表面两侧都镀有金，以减少镜子表面的翘曲，表面的金涂层也确保了良好的反射率。峰谷差为0.05 µm，表明镜子表面非常平整。

图5. 镜基板工艺流程

1.2 微镜电极基板

图6展示了驱动电极基板的工艺流程。该工艺从热氧化硅晶圆开始。在形成第0级互连后，通过蒸发沉积Au/Ti金属层。Ti层作为粘附层，Au层作为后续电镀的种子层（图6(a)）。然后，旋涂聚酰亚胺，并通过光刻技术图案化第一层的电极和镜基板支撑结构（图6(b)）。光刻工艺后，进行Au电镀（图6(c)）。在电镀过程中，由于晶圆上电流密度的差异，金属的厚度会随待镀区域而变化。因此，我们设计每个电极待电镀区域的面积尽可能相似，以便在电镀后在整个晶圆上获得平坦的表面。为此，我们采用了如图4所示的实心矩形结构来制作镜基板支撑。通过调整待电镀面积和控制电镀时间来获得平坦表面。重复聚酰亚胺涂覆、光刻和金电镀工艺（图6(b)至6(e)，可以得到嵌入超过80 µm聚酰亚胺中的厚金多层电极（图6(f)）。最后，通过暴露在氧等离子体中灰化掉聚酰亚胺牺牲层（图6(g)）。这些工艺产生的电极和镜基板支撑结构高度超过80µm，确保了足够的空间使镜子能够在电极上倾斜。