面向晶上集成的耐高温静电驱动垂直微镜光开关芯片的制作方法

本发明属于光电子，尤其涉及面向晶上集成的耐高温静电驱动垂直微镜光开关芯片。

背景技术：

1、随着光电信息技术的不断发展，光纤互联网络已成为现代远距离通信的主要方式之一，具有传输速度快、容量大的优点。在光信号的传输过程中，信号需要进行路由和交换。光开关是将输入端口的光信号切换到输出端口，并完成光信号交换的重要器件，具有重要的应用价值。

2、以环形谐振腔光开关为代表的硅基光电子技术是一种二维技术，难以充分发挥硅作为载体的机械特性，也使得光的传播速率和损耗程度受限于波导制造工艺。而微电子机械系统(mems)是一种三维技术，可以在单晶硅晶圆上制造三维结构的微镜，实现光在空气中传播时光路的改变，充分发挥硅的机械特性、电学特性、光学特性，具有体积小、集成度高、功耗低的优点。然而传统的mems光学微镜阵列通常是水平结构的，一般用于光在竖直方向的传输方向调控，难以实现水平方向的光路传输和控制。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的是提供一种面向晶上集成的耐高温静电驱动垂直微镜光开关芯片，基于垂直深刻蚀工艺制作悬臂式或梳齿式的垂直方向的mems可驱动微镜，实现光路在水平方向的偏转和控制。由于使用的mems工艺与集成电路工艺完全兼容，且整个工艺中没有400℃以上的高温工艺制程，因此可以在完成集成电路芯片的制造工艺后再用mems工艺完成对光开关芯片的制造，从实现ic-mems的晶圆上集成。另外，本发明为无源器件结构，所使用的材料在120℃以上也能正常工作，因此具有一定的耐高温性能。

2、技术方案如下：

3、一种面向晶上集成的耐高温静电驱动垂直微镜光开关芯片，包括晶圆及其上的固定电极、可静电驱动垂直微镜、反射镜，所述可静电驱动垂直微镜为悬臂式可静电驱动垂直微镜或梳齿式可静电驱动垂直微镜，所述可静电驱动垂直微镜或反射镜为平面、凸面或凹面，通过固定电极和所述可静电驱动垂直微镜之间的排斥或吸引实现出射光线的移动，其中凹面或凸面的可静电驱动垂直微镜或反射镜实现出射光线角度的偏转，实现光信号切换；

4、所述光开关芯片的制备工艺包括：

5、固定电极、垂直微镜、反射镜制造步骤：在晶圆上表面深刻蚀形成固定电极、垂直微镜及反射镜，对深刻蚀形成的垂直侧壁进行平坦化抛光；

6、二氧化硅层沉积步骤：在所述晶圆、固定电极、垂直微镜和反射镜表面沉积二氧化硅绝缘层；

7、电极及互连线制造步骤：在所述固定电极、垂直微镜及反射镜表面沉积金属层，通过剥离的方法形成互连线及金属化固定电极、金属化垂直微镜、金属化反射镜。

8、进一步地，包括一组或多组所述固定电极和可静电驱动垂直微镜的组合，所有可静电驱动垂直微镜中的一个或多个为平面、凸面或凹面；

9、所述反射镜为分段式或一体式，所述反射镜为平面反射镜、凸面反射镜和凹面反射镜中的任意一种或任意组合。

10、进一步地，若所述可静电驱动垂直微镜为悬臂式可静电驱动垂直微镜，则设置多组所述固定电极和可静电驱动垂直微镜的组合，以将光线调平。

11、进一步地，所述固定电极、垂直微镜、反射镜制造步骤中，通过将所述固定电极、垂直微镜、反射镜浸入氢氧化钾或四甲基氢氧化铵与异丙醇的混合溶液中对深刻蚀后的垂直侧壁进行平坦化腐蚀。

12、进一步地，所述二氧化硅层沉积步骤包括：

13、使用电感耦合等离子体化学气相淀积或等离子体增强化学气相淀积的方法在微镜和单晶硅晶圆表面沉积二氧化硅绝缘层。

14、进一步地，所述电极及互连线制造步骤包括：

15、使用喷胶的方法涂布光刻胶，曝光显影形成电极及互连线图形；

16、沉积金属层；

17、使用剥离的方法去除光刻胶和多余的金属层，形成引线互连以及金属化固定电极、金属化悬臂式可静电驱动垂直微镜和金属化反射镜。

18、进一步地，所述金属层的材料为钛/金、铝、铬/金、钛/铂/金、钛/镍/金、钛/铜、铬/铜或钛/镍/铜。

19、进一步地，若所述可静电驱动垂直微镜具有凹面或凸面，则在所述固定电极、垂直微镜、反射镜制造步骤中通过光刻及刻蚀形成浅固定电极、带有凸面或凹面的浅垂直微镜、浅反射镜，且所述电极及互连线制造步骤包括：

20、在晶圆上表面涂布厚光刻胶，曝光显影形成底座图形；

21、基于所述底座图形深刻蚀硅，在所述浅固定电极、浅悬臂式可静电驱动垂直微镜、浅反射镜下方形成底座；

22、使用喷胶的方法涂布光刻胶，曝光显影形成电极及互连线图形；

23、沉积金属层；

24、使用剥离的方法去除光刻胶和多余的金属层，形成互连线以及金属化固定电极、带有凸面或凹面的金属化悬臂式可静电驱动垂直微镜、金属化反射镜。

25、进一步地，若所述可静电驱动垂直微镜为梳齿式可静电驱动垂直微镜，则在所述电极及互连线制造步骤之后，将晶圆浸入氢氟酸去除绝缘体上硅晶圆中的埋氧层二氧化硅或单晶硅晶圆上沉积的牺牲层，得到悬浮的梳齿结构。

26、进一步地，若所述可静电驱动垂直微镜为梳齿式可静电驱动垂直微镜，则在所述固定电极、垂直微镜、反射镜制造步骤之前，在所述晶圆的背面刻蚀悬浮槽，将晶圆背面与含有钾、纳离子的玻璃晶圆进行阳极键合，在晶圆正面进行减薄抛光。

27、本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

28、第一，本发明在硅晶圆上使用微电子深刻蚀工艺制造可静电驱动的微镜结构，通过改变入射光线照射在凸面反射镜和凹面反射镜的不同曲率位置，实现光路角度的转换，从而实现光信号的交换，对光源的要求低，传输速率快，同时也具有光子多通道、大带宽、高速率的优点；

29、第二，本发明使用的mems工艺与集成电路工艺完全兼容，且整个工艺中没有400℃以上的高温工艺制程，因此可以在完成集成电路芯片的制造工艺后再用mems工艺完成对光开关芯片的制造，从实现ic-mems的晶圆上集成；

30、第三，本发明为无源器件结构，所使用的材料在120℃以上也能正常工作，具有一定的耐高温性能。

31、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种面向晶上集成的耐高温静电驱动垂直微镜光开关芯片，其特征在于，包括晶圆及其上的固定电极、可静电驱动垂直微镜、反射镜，所述可静电驱动垂直微镜为悬臂式可静电驱动垂直微镜或梳齿式可静电驱动垂直微镜，所述可静电驱动垂直微镜或反射镜为平面、凸面或凹面，通过固定电极和所述可静电驱动垂直微镜之间的排斥或吸引实现出射光线的移动，其中凹面或凸面的可静电驱动垂直微镜或反射镜实现出射光线角度的偏转，实现光信号切换；

2.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，包括一组或多组所述固定电极和可静电驱动垂直微镜的组合，所有可静电驱动垂直微镜中的一个或多个为平面、凸面或凹面；

3.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，若所述可静电驱动垂直微镜为悬臂式可静电驱动垂直微镜，则设置多组所述固定电极和可静电驱动垂直微镜的组合，以将光线调平。

4.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，所述固定电极、垂直微镜、反射镜制造步骤中，通过将所述固定电极、垂直微镜、反射镜浸入氢氧化钾或四甲基氢氧化铵与异丙醇的混合溶液中对深刻蚀后的垂直侧壁进行平坦化腐蚀。

5.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，所述二氧化硅层沉积步骤包括：

6.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，所述电极及互连线制造步骤包括：

7.根据权利要求6所述的光开关芯片，其特征在于，所述金属层的材料为钛/金、铝、铬/金、钛/铂/金、钛/镍/金、钛/铜、铬/铜或钛/镍/铜。

8.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，若所述可静电驱动垂直微镜具有凹面或凸面，则在所述固定电极、垂直微镜、反射镜制造步骤中通过光刻及刻蚀形成浅固定电极、带有凸面或凹面的浅垂直微镜、浅反射镜，且所述电极及互连线制造步骤包括：

9.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，若所述可静电驱动垂直微镜为梳齿式可静电驱动垂直微镜，则在所述电极及互连线制造步骤之后，将晶圆浸入氢氟酸去除绝缘体上硅晶圆中的埋氧层二氧化硅或单晶硅晶圆上沉积的牺牲层，得到悬浮的梳齿结构。

10.根据权利要求1所述的光开关芯片，其特征在于，若所述可静电驱动垂直微镜为梳齿式可静电驱动垂直微镜，则在所述固定电极、垂直微镜、反射镜制造步骤之前，在所述晶圆的背面刻蚀悬浮槽，将晶圆背面与含有钾、纳离子的玻璃晶圆进行阳极键合，在晶圆正面进行减薄抛光。

技术总结本发明公开了一种面向晶上集成的耐高温静电驱动垂直微镜光开关芯片，包括晶圆及其上的固定电极、可静电驱动垂直微镜、反射镜，可静电驱动垂直微镜为悬臂式或梳齿式，可静电驱动垂直微镜或反射镜为平面、凸面或凹面，通过固定电极和可静电驱动垂直微镜之间的排斥或吸引实现出射光线的移动，其中凹面镜或凸面镜实现出射光线角度的偏转，实现光信号切换；光开关芯片的制备工艺包括：在晶圆上表面深刻蚀形成固定电极、垂直微镜及反射镜，对垂直侧壁进行平坦化抛光；在晶圆、固定电极、垂直微镜和反射镜表面沉积二氧化硅绝缘层；在固定电极、垂直微镜及反射镜表面沉积金属层，通过剥离的方法形成互连线及金属化的固定电极、垂直微镜、反射镜。技术研发人员：刘冠东,戚定定,王传智,刘楠,段元星受保护的技术使用者：之江实验室技术研发日：技术公布日：2024/2/1