DE60015987T2

DE60015987T2 - Herstellungsverfahren eines mikromechanischen optischen Schalters

Info

Publication number: DE60015987T2
Application number: DE60015987T
Authority: DE
Inventors: Nan Zhang
Original assignee: ADC Telecommunications Inc
Current assignee: Commscope Connectivity LLC
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2020-08-02
Also published as: WO2001011411A9; NO20020675L; CA2379179C; US6682871B2; JP2003506755A; CN1370284A; IL148039A0; IL148039A; AU774240B2; TW475999B; EP1208403A1; DE60015987D1; ATE282839T1; WO2001011411A1; EP1208403B1; AU7389900A; NO20020675D0; US20010008457A1; US6229640B1; CN1226650C

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Schalter und insbesondere mikroelektromechanische optische Schalter und Verfahren zum Herstellen von solchen optischen Schaltern.
Hintergrund der Erfindung
Relativ jüngere Technologie ermöglicht nun die Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) auf Halbleitersubstraten, typischerweise Siliciumsubstraten. Diese mikroelektromechanischen Systeme haben typischerweise eine Größe in der Großenordnung von Mikrometern und können mit anderen elektrischen Schaltungen auf einem gemeinsamen Substrat integriert sein. Infolgedessen haben sich mikroelektromechanische Systeme in zahlreichen Anwendungen in zahlreichen Disziplinen durchgesetzt. Beispielhafte MEMS-Anwendungen umfassen etwa optisches Schalter, Trägheits- oder Drucksensoren und biomedizinische Vorrichtungen.
Optische Schalter auf MEMS-Basis werden in vielen verschiedenen Anwendungen zum Schalten von Lichtwellen zwischen Lichtwellenleitern wie etwa Lichtleiterfasern verwendet. Derzeitige optische Schalter auf MEMS-Basis können in der Ebene des Substrats oder senkrecht zu dem Substrat arbeiten. Ein Beispiel eines in der Ebene arbeitenden optischen Schalters unter Verwendung eines vertikalen Spiegels ist beschrieben in WO 98/12 589 und in C. Marxer et al., "Vertical Mirrors Fabricated By Reactive Ion Etching For Fiber Optical Switching Applications", Proceedings IEEE, The Tenth Annual International Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, An Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators, Machines and Robots (Cat. No. 97CH46021), IEEE 1997, Seiten 49 bis 54. Der optische Schalter von Marxer weist einen metallbeschichteten Siliciumspiegel auf, der mit einem Zweifachkammantriebsaktuator gekoppelt ist. Die Zweifachkammaktuatoren sind in entgegengesetzte Richtungen wirksam, um den Spiegel in einen Strahlengang zwischen Lichtwellenleitern zu schieben und den Spiegel aus dem Strahlengang zu ziehen. Der optische Schalter von Marxer wird in einem einzigen Schritt unter Anwendung der induktiv gekoppelten Plasmaätztechnologie mit einer Seitenwandpassivierungstechnik hergestellt.
Der Schalter von Marxer unterliegt einer Reihe von Beschränkungen. Beispielsweise erfordert sein Zweifachkammaktuator Energie sowohl in einer ausgefahrenen als auch einer zurückgezogenen Position. Ohne Energie liegt der Spiegel in der Mitte zwischen den Lichtleiterfasern, was unerwünscht ist. Obwohl außerdem die Herstellungstechnik nach Marxer Wände mit einer Vertikalität von 89,3° und einem quadratischen Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit von 36 Nanometern (nm) ermöglicht, bleibt Raum für eine Verbesserung jeder dieser Eigenschaften. Herkömmliche DRIE- und Photolithographietechniken, die sich auf Oxidmasken- und Ultraschallmasken-Entfernung stützen, haben ebenfalls schädliche Auswirkungen auf MEMS-Strukturen. Beispielsweise bleiben bei diesen Photolithographietechniken häufig Abriebteilchen zwischen Strukturen zurück. Verbesserungen an optischen Schaltern sind also erwünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein einen optischen Schalter auf MEMS-Basis mit verbesserten Eigenschaften und Verfahren zu dessen Herstellung bereit. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird ein optischer Schalter bereitgestellt, der folgendes aufweist: einen einzelnen Kammantriebsaktuator, welcher einen ortsfesten Kamm, der an einem Substrat angebracht ist, einen bewegbaren Kamm, der mit dem ortsfesten Kamm verzahnt ist, und eine Balkenstruktur, die zwischen dem Substrat und dem bewegbaren Kamm verbunden ist, aufweist, und einen Spiegel, der mit dem Aktuator gekoppelt ist. Der optische Schalter weist ferner ein Paar von ersten Wellenleiterkanälen und ein Paar von zweiten Wellenleiterkanälen auf, die an dem Substrat angeordnet sind. Der Spiegel ist imstande, zwischen einer ausgefahrenen Position, die zwischen den Wellenleiterkanälen liegt, und einer zurückgezogenen Position im Abstand von den Wellenleiterkanälen bewegt zu werden. Die zwei Kämme bringen eine Kraft auf, die imstande ist, die Balkenstruktur auszulenken und den Spiegel in eine von der ausgefahrenen Position und der zurückgezogenen Position zu bewegen, und die Balkenstruktur bringt in Abwesenheit des Aufbringens von Kraft zwischen den zwei Kämmen den Spiegel in die andere von der ausgefahrenen Position oder der zurückgezogenen Position zurück.
Nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines Spiegels auf einem Substrat gemäß der Definition in Anspruch 1 bereitgestellt. Das Verfahren weist auf: über dem Substrat Bilden einer strukturierten Maskierungsschicht, die den ersten Bereich des Substrats und zwei seitliche Bereiche des Substrats bedeckt, die jeweils einer Seite des ersten Bereichs benachbart sind. Nach dem Bilden der strukturierten Maskierungsschicht werden unbedeckte Bereiche des Substrats unter Verwendung der strukturierten Maskierungsschicht entfernt, um eine erste erhabene Struktur in dem ersten Substratbereich und eine verlorene erhabene Struktur in jedem seitlichen Substratbereich der ersten erhabenen Struktur benachbart zu bilden. Die verlorenen erhabenen Strukturen werden dann unter gleichzeitigem Intaktlassen der ersten erhabenen Struktur selektiv entfernt, und eine Reflexionsoberfläche wird an der ersten erhabenen Struktur gebildet.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines optischen Schalters gemäß der Definition in Anspruch 11 bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 u. 2 Draufsichten auf einen beispielhaften optischen Schalter, der in einer ausgefahrenen und einer zurückgezogenen Position gezeigt ist;
3A bis 3F ein beispielhaftes Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung;
4 eine beispielhafte Draufsicht auf einen optischen Schalter bei der Herstellung;
5 einen Querschnitt eines beispielhaften Spiegels;
6 eine Perspektivansicht von Aktuatorkämmen;
7 eine Perspektivansicht von Aktuatorkämmen, die unter Verwendung einer Oxidmaske gebildet sind; und
8 eine Draufsicht auf beispielhafte Wellenleiter; und
9 eine Perspektivansicht eines Schalterbausteins mit einem weggeschnittenen Bereich.
Genaue Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mikroelektromechanische optische Schalter, die vertikale Spiegel verwenden. Die Erfindung ist besonders geeignet für für optische Schalter auf MEMS-Basis, die sich auf vertikale Komponenten wie etwa Spiegel und Kammzähne stützen. Obwohl die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, ergeben sich verschiedene Aspekte der Erfindung aus dem Verständnis der nachstehenden Beispiele.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften optischen Schalter. Wie nachstehend weiter erläutert wird, liegen sämtliche Features des optischen Schalters 100 im allgemeinen in einer oberen Schicht eines Substrats. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist der optische Schalter 100 nicht maßstabgetreu gezeigt. Der optische Schalter 100 weist im allgemeinen einen Spiegel 102 auf, der mit einem Aktuator 104 gekoppelt ist, der imstande ist, den Spiegel 102 zwischen einer ausgefahrenen Position (beispielsweise 1), die zwischen Lichtwellenleitern 105 (in Strichlinien gezeigt) liegt, und einer zurückgezogenen Position (beispielsweise 2) im Abstand von den Wellenleitern zu bewegen. In der beispielhaften Ausführungsform werden dann, wenn sich der Spiegel 102 in der ausgefahrenen Position befindet, Lichtwellen von dem Spiegel 102 reflektiert, um zwischen Wellenleitern 105a und 105b und 105c und 105d gekoppelt zu werden, ohne daß eine Übertragung zwischen gegenüberliegenden Wellenleitern 105a, 105d und 105b, 105c erfolgt. Wenn der Spiegel 102 in der zurückgezogenen Position liegt, erfolgt ein Schaltvorgang, so daß Lichtwellen zwischen Wellenleitern 105a und 105d und 105b und 105c gekoppelt werden, ohne von dem Spiegel 102 reflektiert zu werden. Im vorliegenden Zusammenhang soll der Begriff Wellenleiter jedes Medium umfassen, das Licht überträgt, einschließlich beispielsweise Lichtleitfasern.
Der Spiegel 102 ist typischerweise in einem Graben 112 angeordnet. Der Graben 112 hat typischerweise eine Breite, die ausreicht, um zu verhindern, daß der Spiegel 102 im Betrieb mit Seitenwänden des Grabens 112 in Kontakt gelangt. Typischerweise ist die Grabenbreite (von Seitenwand zu Seitenwand) für viele Anwendungen im Bereich von 40 bis 50 μm. Der Spiegel 102 weist typischerweise eine schmale Wand 114 auf, die an jeder Seite eine Reflexionbeschichtung hat und an einer langgestreckten Basisabstützung 116 angebracht ist, welche die schmale Wand 114 mit dem Aktuator 104 koppelt. Die Spiegelwand 114 kann für viele Anwendungen eine Dicke oder Breite von ungefähr 2 bis 5 μm haben. Dadurch verbleibt in vielen Fällen zwischen den Seiten der schmalen Wand und den Seitenwänden des Grabens eine Öffnung von ungefähr 20 bis 25 μm. Die langgestreckte Basisabstützung 116 ist typischerweise breiter als die Wand 114, um dem Spiegel 102 im Betrieb Stabilität zu verleihen. Bei dieser Ausführungsform weist der optische Schalter 100 ferner eine Abstützstruktur 118 auf, die zwischen der Basisabstützung 116 für den Spiegel 102 und einer Basisoberfläche 120 des Aktuators 104 angebracht ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Abstützstruktur 118 eine Gitterstruktur mit Linien, die unter einem Winkel relativ zu der Basisoberfläche 120 und der Basisabstützung 116 für den Spiegel 102 verlaufen. Die Abstützstruktur 118 verleiht dem Spiegel 102 beim Umschalten zwischen seiner ausgefahrenen und seiner zurückgezogenen Position vorteilhafterweise zusätzliche Stabilität.
Die Spiegelwand 114 weist im Vergleich mit auf herkömmliche Weise gebildeten vertikalen Spiegeln typischerweise relativ glatte und vertikale Seitenwände auf. Beispielsweise haben die Seitenwände der Spiegelwand 114 typischerweise einen quadratischen Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit von 30 nm oder weniger und eine Vertikalität von 90°±0,6° oder besser (beispielsweise 90°±0,5°, 90°±0,4°, 90°±0,3° oder besser). Techniken zum Bilden von Seitenwänden mit solchen Eigenschaften werden nachstehend im einzelnen erläutert. Es versteht sich, daß die erhöhte Vertikalität und die verringerte Oberflächenrauhigkeit der Spiegelwand 114 die Übertragungseigenschaften des optischen Schalters 100 im Vergleich mit herkömmlichen optischen Schaltern verbessern.
Der gezeigte Aktuator 104 weist auf: eine Antriebseinrichtung 122, die imstande ist, eine Kraft aufzubringen, welche den Spiegel 102 in die zurückgezogene Position bewegt, und eine Balkenstruktur 124, die während des Aufbringens von Kraft ausgelenkt wird und die in Abwesenheit des Aufbringens von Kraft durch die Antriebseinrichtung 122 den Spiegel in die ausgefahrene Position zurückbringt. Die Balkenstruktur 124 ist typischerweise als eine Feder wirksam, die in Anwesenheit von Kraft zwischen den Kämmen ausgelenkt wird und in Abwesenheit von Kraft in eine ursprüngliche Position zurückkehrt. Bei der gezeigten Ausführungsform speichert die Balkenstruktur 124 null Energie, wenn sich der Spiegel in der ausgefahrenen Position befindet. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung 122 ein einzelner Kammantrieb, der einen ortsfesten Kamm 108 aufweist, der mit einem bewegbaren Kamm 100 verzahnt ist, um die Kraft zu liefern, die den Aktuator 104 und somit den Spiegel 102 zwischen seiner ausgefahrenen und seiner zurückgezogenen Position antreibt. Die Längsverlagerung des Spiegels 102 zwischen seiner ausgefahrenen und seiner zurückgezogenen Position liegt typischerweise im Bereich von 40 bis 70 μm oder mehr und ist bei der gezeigten Ausführungsform ungefähr 55 μm.
Jeder von den Kammzähnen hat typischerweise eine Breite w im Bereich von 2 bis 4 μm und hat bei der beispielhaften Ausführungsform eine Breite w von ungefähr 3 μm. Die zwei Kämme 108 und 110 sind ferner eng voneinander beabstandet. Beispielsweise ist der Zwischenraum g zwischen benachbarten Kammzähnen typischerweise im Bereich von 2 bis 4 μm und ist bei der beispielhaften Ausführungsform ungefähr 3 μm. Bei der gezeigten Ausführungsform haben die einzelnen Zähne jeweils relativ vertikale (beispielsweise Vertikalität von mindestens 90°+0,6°) und glatte (quadratischer Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit 30 nm oder weniger) Seitenwände. Die glatte Beschaffenheit der Zähne ermöglicht eine dicht gepackte Ausbildung der verzahnten Kämme. Dadurch wird es möglich, die Größe der Struktur für eine gegebene aufgebrachte Kraft maßstäblich zu verkleinern. Dies läßt also die Entwicklung kleinerer Schalter zu, während gleichzeitig Schaltgeschwindigkeiten aufrechterhalten oder verringert werden. Die Länge 1 jedes Zahns, die Überlappung o in Abwesenheit von Kraft (in 1 gezeigt) zwischen den zwei Kämmen 108 und 110 und die Anzahl von Zähnen an jedem Kamm 108, 110 werden typischerweise unter Berücksichtigung der gewünschten Kraft, die sich zwischen den zwei Kämmen 108 und 110 entwickelt, sowie der gewünschten Bewegungsstrecke des Spiegels 102 zwischen seiner ausgefahrenen und seiner zurückgezogenen Position gewählt. Bei der beispielhaften Ausführungsform haben die Zähne eine Länge 1 im Bereich von 90 bis 110 μm, und die Kämme haben eine Überlappung o von 20 bis 30 μm. Die Anzahl von Zähnen an jedem Kamm 108, 110 kann variieren und kann für viele Anwendungen im Bereich von 120 bis 160 liegen.
Die gezeigte Balkenstruktur 124 weist einen zweifach gefalteten Balken 126 an jeder Seite des Aktuators 104 auf. Da die zweifach gefalteten Balken 126 bei der beispielhaften Ausführungsform symmetrisch sind, wird in der nachstehenden Erläuterung nur einer beschrieben. Der zweifach gefaltete Balken 126 weist innere Balken 128, die mit einem ersten Ende an einer festgelegten Substratstruktur 130 angebracht sind, und einen ersten und einen zweiten äußeren Balken 132 und 134 auf. Der erste äußere Balken 132 ist an dem einen Ende mit Enden der anderen Balken und an dem anderen Ende mit der Basisoberfläche 120 des Aktuators gekoppelt. Der zweite äußere Balken 134 ist an dem einen Ende mit den anderen Balken und an dem anderen Ende mit dem bewegbaren Kamm 108 gekoppelt. Unter der festgelegten Substratstruktur 130 verbleibt die vergrabene Isolierschicht, die diese Struktur an dem Substrat festlegt. Die Balken 132 und 134 und ein Endstück 136 sind frei von der Isolierung, wodurch zugelassen wird, daß sich die Ausbildungen mit dem bewegbaren Kamm bewegen. Im Gebrauch sind die gefalteten Balken 126 als eine Feder wirksam, die ausgelenkt wird, wenn der Spiegel 102 in seine zurückgezogene Position bewegt wird, und die in Abwesenheit von Kraft zwischen den Kämmen 108, 110 den Spiegel 102 in eine ausgefahrene Position zurückbringt. Obwohl nicht maßstabgetreu gezeigt, kann die Länge jedes Balkens 126 (gemessen von einer mit dem Spiegel 102 ausgefluchteten Achse bis zu den äußeren Enden der Balken) für viele Anwendungen im Bereich von 700 bis 1000 μm sein.
Vorteilhafterweise haben eine oder mehrere Ausbildungen der Balkenstruktur 124 (beispielsweise die inneren Balken 128, die äußeren Balken 132 und 134 und/oder das Endstück 136) relativ vertikale Seitenwände und glatte Oberflächen. Beispielsweise kann die Vertikalität der Seitenwände 90°+0,6° oder besser sein, wobei der quadratische Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit 30 nm oder weniger ist. Nachstehend werden Techniken zum Bilden von relativ vertikalen und glatten Seitenwänden des Balkens erläutert. Durch Er höhen der Vertikalität und Verringern der Rauhigkeit der Seitenwände kann die Festigkeit der Balkenstruktur 124 im Vergleich mit herkömmlichen Balkenstrukturen erhöht werden. Dadurch wird es beispielsweise möglich, die Lebensdauer der Balkenstruktur verlängern, die Auslenkungsstrecke der Balken zu vergrößern und/oder die Größe der Struktur zu reduzieren. Bei der gezeigten Ausführungsform lassen die Features der Balken die Bildung eines relativ kompakten optischen Schalters zu, der einen einzelnen Kammantriebsaktuator, eine relativ große Spiegelverlagerung und hohe Schaltgeschwindigkeiten hat.
Der gezeigte einzelne Kammantriebsaktuator bietet zwar Vorteile; es ist jedoch zu beachten, daß der gezeigte Aktuator beispielhaft und nicht einschränkend vorgesehen ist. Andere Aktuatortypen können verwendet werden. Beispielsweise können Aktuatoren verwendet werden, die zweifache Kammantriebe haben. Aktuatoren, die einzelne Kammantriebe in gegenüberliegender Konfiguration haben, können ebenfalls verwendet werden. Beispielsweise kann ein einzelner Kammantriebsaktuator so ausgebildet sein, daß der Kammantrieb eine Kraft aufbringt, um den Spiegel auszufahren, und die Balkenstruktur bringt den Spiegel in eine zurückgezogene Position zurück. Die Balkenstruktur kann ferner von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren und ist nicht auf die gezeigte Zweifachbalkenstruktur beschränkt. Beispielsweise können andere Typen von Strukturen wie etwa unterschiedliche Zweifachbalkenstrukturen oder Einzelbalkenstrukturen verwendet werden.
8 zeigt eine Draufsicht auf beispielhafte Wellenleiter und eine beispielhafte Wellenleiterkanalanordnung. Dieses Beispiel bezieht sich auf Lichtwellenleiter, obwohl das Beispiel nicht darauf beschränkt ist.
Bei der beispielhaften Ausführungsform weisen die Lichtwellenleiter 810 jeweils ein Ende 820 mit einer Seitenwand 830 auf, die sich zu einer perlenförmigen Linse 840 verjüngt. Die verjüngte Seitenwand 830 kann vorteilhafterweise mit einem oder mehren Flanschen 850 der Kanäle 860 ausfluchten, um die Ausfluchtung der Lichtwellenleiter 810 in den Kanälen 860 zu erleichtern. Die verjüngten Seitenwände 830 können ferner zulassen, daß die Linse 840 am Ende 820 jedes Lichtwellenleiters 810 in größerer Nähe zu dem Spiegel 870 liegt. Durch die verjüngten Seitenwänden 830 und die perlenförmige Linse 840 kann die Distanz von jeder Linse 840 zu dem Spiegel 870 im Bereich von 10 bis 30 μm liegen und ist bei der beispielhaften Ausführungsform ungefähr 20 μm. Die perlenförmige Linse 840 kann ferner übertragene Lichtwellen fokussieren. Aufgrund des fokussierten Lichts und der engen Nähe zu dem Spiegel 870 können Lichtübertragungsverluste dramatisch verringert werden.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Bilden eines verjüngten Lichtwellenleiters mit einer perlenförmigen Linse weist auf: Erwärmen eines Lichtwellenleiters auf die Schmelztemperatur, Ziehen des Lichtwellenleiters zu konischer Form und anschließendes Spleißen des gezogenen Lichtwellenleiters, um verjüngte Enden zu bilden. Nach dem Spleißen können die verjüngten Enden erwärmt werden, um die Enden perlenförmig auszugestalten und um eine Fokussierlinse zu bilden. Die perlenförmigen Enden können außerdem poliert werden.
Es wird erneut auf die 1 und 2 Bezug genommen. Im Gebrauch wird zwischen die zwei Kämme 108 und 110 eine Spannungsdifferenz angelegt, so daß eine Kraft erzeugt wird, welche die zwei Kämme 108 und 110 aneinander anzieht und den Spiegel 102 aus seiner ausgefahrenen Position zwischen den Lichtwellenleitern in seine zurückgezogene Position im Abstand von den Lichtwellenleitern zurückzieht. Die dicht gepackten und glatten Kammzähne können eine Kraft aufbringen, die den Spiegel zwischen seiner ausgefahrenen und seiner zurückgezogenen Position in 0,2 bis 1 ms umschaltet. Vorteilhafterweise ermöglichen Features des Aktuators eine Verlagerung des Spiegels um eine relativ große Distanz bei geringer Auslenkung in einer Querrichtung. Beispielsweise dienen sowohl die Gitterabstützstruktur als auch die gefaltete Balkenstruktur dazu, die Querauslenkung und das Mitschwingen des Spiegels zu reduzieren. Dies dient dazu, die optischen Übertragungseigenschaften des Schalters weiter zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf die 3A bis 3F und 4 wird ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines optischen Schalters wie etwa des vorstehend erläuterten optischen Schalters beschrieben. Um die Darstellung zu vereinfachen, entspricht der in den 3A bis 3E gezeigte Querschnitt einem Querschnitt des Substrats; das verwendet wird, um eine vertikale Spiegelwand wie etwa die vorstehend erläuterte schmale Wand 114 zu bilden.
In diesem beispielhaften Verfahren wird eine Maskierungsschicht 303 über einem Substrat 301 gebildet. Das Substrat 301 ist typischerweise aus einem Halbleitermaterial wie etwa Silicium gebildet und weist eine vergrabene Isolierschicht 302 auf, die das Substrat 301 in einen oberen Bereich 304 und einen unteren Bereich 306 trennt. Die vergrabene Isolierschicht 302 kann beispielsweise eine Oxidschicht wie etwa Siliciumdioxid sein. Die Tiefe des oberen Substrats 304 kann beispielsweise ungefähr 75 μm sein. Die Strukturen des optischen Schalters werden in dem oberen Bereich 304 des Substrats 301 über der Isolierschicht 302 gebildet.
Die Maskierungsschicht 303 wird vorgesehen, um Bereiche des Substrats während des anschließenden Substratätzens zu schützen, und hat typischerweise eine dafür ausreichende Dicke. In dem gezeigten Verfahren wird die Maskierungsschicht 303 aus einer Doppelschicht aus dem gleichen Photoresistmaterial gebildet. Das Photoresistmaterial kann beispielsweise S1818 sein. Eine Photoresistdoppelschicht kann zwar vorteilhaft sein, die Maskierungsschicht 303 kann jedoch aus jedem geeigneten Maskierungsmaterial einschließlich Oxid und Photoresist unter Anwendung bekannter Techniken gebildet werden. Die resultierende Struktur ist in 3A gezeigt.
Die Photoresistdoppelschicht 303 weist typischerweise eine erste Photoresistschicht 305a, die über dem Substrat 301 gebildet ist, und eine aus dem gleichen Material wie die erste Photoresistschicht 305a gebildete zweite Photoresistschicht 305b auf, die über der ersten Photoresistschicht 305a gebildet ist. Jede Schicht 305a, b ist typischerweise bis zu ihrer maximalen Nenndicke gebildet. Die maximale Nenndicke eines bestimmten Photoresists wird typischerweise von einem Photoresisthersteller angegeben und entspricht der maximalen Dicke des Photoresistmaterials, die einen bestimmten Grad an Oberflächenplanheit ermöglicht. Bei S1818 ist diese Dicke ungefähr 2 μm.
Typischerweise wird die erste Schicht 305a aus Photoresistmaterial abgeschieden und vor dem Abscheiden und Erwärmen der zweiten Schicht 305b aus Photoresistmaterial erwärmt. Die Verwendung einer Doppelschicht aus S1818 läßt eine Feinstrukturierung einer relativ dicken Photoresistschicht zu. Dies ermöglicht wiederum tiefes Ätzen des darunter liegenden Substrats, um feine Ausbildungen in dem Substrat zu bilden. Photoresist S1818 kann ferner auf vorteilhafte Weise entfernt werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Bildung einer Photoresistdoppelschicht finden sich in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung mit der Anmeldenummer 09/372,428 (Anwaltsakte Nr. 2316.1020US01) mit der Bezeichnung "Method of Etching a Wafer Layer Using Multiple Layers of the Same Photoresistant Material and Structure Formed Thereby", deren Inhalt hier summarisch eingeführt wird.
Bereiche der Photoresistdoppelschicht 303 werden entfernt, um eine strukturierte Photoresistschicht 309 zu bilden, wie in 3B gezeigt ist. Das Entfernen der Bereiche der Photoresistschicht 303 kann unter Anwendung von Photolithographietechniken erfolgen. Wenn dabei beispielsweise Photoresist S1818 verwendet wird, können Photoresistschichtbereiche unter Verwendung von Aceton ohne Ultraschallunterstützung entfernt werden. Freigelegte Bereiche des Substrats 301 werden in der anschließenden Herstellung entfernt. Die strukturierte Maskierungsschicht 309 bedeckt im allgemeinen Bereiche des Substrats 301, die nach der Substratentfernung zurückbleiben. Die zurückbleibenden Bereiche des Substrats 301 bilden typischerweise die Features des resultierenden optischen Schalters (beispielsweise die Spiegelwand, Grabenseitenwände, Wellenleiterkanäle, Aktuatorkämme und Balken usw.)
Wie vorstehend erwähnt, zeigt der in den 3A bis 3E dargestellte Querschnitt die Bildung einer Spiegelwand. Dabei weist die strukturierte Maskierungsschicht 309 einen Bereich 311, der einen ersten Bereich 311a des Substrats 301 bedeckt, und zwei Seitenbereiche 313 auf, die Seitenbereiche 313a des Substrats jeder Seite des ersten Bereichs 311 benachbart bedecken. Seitenwände 315 der Photoresistschicht 309 dienen dazu, Ränder eines Grabens zu definieren, in dem der Spiegel gebildet wird. Der Maskenbereich 311 ist vorgesehen, um eine Spiegelwand in dem ersten Bereich 311a zu bilden. Die seitlichen Maskenstrukturen 313 bedecken Bereiche 313a, in denen verlorene Wände gebildet werden.
Die Maskenstrukturen 313 dienen dazu, den freiliegenden Bereich des Substrats während des Ätzens zu begrenzen und die Vertikalität der Wände der Spiegelstruktur des Bereichs 311a zu erhöhen. Die Distanz oder der Zwischenraum zwischen dem Maskenbereich 311 und jedem seitlichen Maskenbereich 313 wird so gewählt, daß die Vertikalität der resultierenden Spiegelstruktur in dem Bereich 311a optimiert wird. Zwischenraumdistanzen von 10 bis 30 μm sind für viele Anwendungen geeignet. Eine Zwischenraumdistanz von 20 μm ist bei dem nachstehend erläuterten Entfernungsvorgang besonders gut wirksam. Eine genauere Erläuterung der Vorteile von solchen verlorenen Wänden findet sich in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung mit der Anmeldenummer 09/372,700 (Anwaltsakte Nr. 2316.1021US01) und der Bezeichung "Method of Etching A Wafer Layer Using a Sacrificial Wall und Structure Formed Thereby", deren Inhalt hier summarisch eingeführt wird.
4 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf einen optischen Schalter nach der Strukturierung einer Maskierungsschicht. Der schraffierte Bereich repräsentiert eine strukturierte Maskierungsschicht 402 und die freien Bereiche zeigen freigelegte Bereiche eines darunter liegenden Substrats 404. Die strukturierte Maskierungsschicht 402 weist einen Maskenbereich 406 auf, der vorgesehen ist, um eine verlorene Wand um Features des optischen Schalters herum zu bilden, wie beispielsweise die Spiegelwand und äußeren Balken. Substratbereiche unter dem Maskenbereich 406 werden nach dem Ätzen von offenen Bereichen des Substrats 404 entfernt, wie nachstehend erläutert wird. Die Verwendung einer verlorenen Wandmaske 406 erleichtert das vertikale Ätzen der benachbarten Strukturen, wie etwa der Spiegelwand und der Balken, wie nachstehend beschrieben wird.
Wenn die strukturierte Maskierungsschicht 309 fertig ist, werden freiliegende Bereiche des Substrats 301 entfernt, wie in 3C gezeigt ist. Dieser Entfernungsvorgang kann unter Anwendung des tiefen reaktiven Ionenätzens (DRIE) ausgeführt werden. Bei einer Ausführungsform wird ein Standardverfahren Bosch DRIE angewandt. Dieses Verfahren ist typischerweise ein Drei-Stufen-Verfahren, das unter den folgenden Bedingungen ausgeführt wird:

Druck: 15 m Torr

He Durchfluß: 7,45 sccm (Standard-Kubikzentimeter pro Minute)
In Schritt 1 läßt man C₄F₈200 (70 sccm), SF₆200 (0,5 sccm) und Argon (40 sccm) für 4 s strömen. In Schritt 2 läßt man C₄F₈200 (0,5 sccm), SF₆200 (50 sccm) und Argon (40 sccm) für 3 s strömen. In Schritt 3 läßt man C₄F₈200 (0,5 sccm), SF₆200 (100 sccm) und Argon 40 (sccm) für 5 s strömen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Durchflußzeit für den ersten und den zweiten Schritt verlängert (beispielsweise auf 5 s bzw. 4 s), und die Durchflußzeit für den dritten Schritt wird verkürzt (beispielsweise auf 3 s.). Diese alternative Ausführungsform ergibt vorteilhafterweise vertikalere Seitenwände als das Standardverfahren BOSCH DRIE.
Der Entfernungsvorgang verwendet typischerweise ein Ätzmittel, das für die vergrabene Isolierschicht 302 selektiv ist, so daß der Ätzvorgang an dieser Schicht gestoppt wird. Aufgrund der Seitenwandstrukturen 321 und der Masken 313 wird die erhabene Struktur 319 unter der Maske 311 mit relativ vertikalen Seitenwänden 320 gebildet. Bei der gezeigten Ausführungsform haben die Seitenwände 320 typischerweise eine Vertikalität (relativ zu der Horizontalebene des Substrats) von 90°±0,6° oder besser (beispielsweise 90°±0,5°, 90°±0,4°, 90°±0,3° oder besser). Dieser Vorgang beläßt das erhabene Feature 310 mit relativ glatten Seitenwänden. Beispielsweise kann bei Anwendung dieses Vorgangs der quadratische Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit der Seitenwände 30 nm oder weniger sein.
Das Photoresist wird entfernt, wie in 3D gezeigt ist. Dies kann unter Verwendung von Aceton erfolgen, wie vorstehend erwähnt wurde. Durch Verwendung von Aceton ohne die Ultraschallunterstützung kann das Photoresist ohne Beschädigung der zerbrechlichen Strukturen wie etwa der Aktuatorkämme, des Spiegels und der gefalteten Balken entfernt werden. Die Verwendung von Aceton auf diese Weise kann beispielsweise auch Abriebteilchen von dem Substrat wirkungsvoller entfernen. Nach der Photoresistentfernung werden Bereiche der vergrabenen Isolierschicht 302 entfernt. Die Isolierschicht 302 wird typischerweise unter Verwendung eines gepufferten isolierenden Ätzmittels (beispielsweise 10:1- Lösung Salzsäure:Wasser) entfernt. Während dieses Vorgangs entfernt das Ätzmittel freiliegende Bereiche der Isolierschicht 302 sowie Bereiche der Isolierschicht 302 unter den Siliciumstrukturen, die über der Isolierschicht 302 gebildet sind. Es versteht sich, daß unter relativ schmalen Siliciumstrukturen (beispielsweise der Spiegelwand, den Aktuatorbalken, Kammzähnen usw.) die darunter liegende Isolierschicht 302 ausreichend entfernt wird, um diese Strukturen von dem Substrat 301 zu trennen. Unter dickeren Features (beispielsweise festgelegten Abstützungen 130 für die Balken, dem Basisbereich 109 des ortsfesten Kamms 110) bleibt die Isolierschicht 302 intakt, so daß die se Features an dem Substrat 301 festgelegt sind. Dies ermöglicht, daß sich Strukturen wie etwa der Spiegel, die Balken und der bewegbare Kamm bewegen.
Der Entfernungsvorgang wird typischerweise durch Tauchen des Substrats 301 in ein Ätzmittel 322 ausgeführt, wie in 3E gezeigt ist. Bei diesem Vorgang wird die Isolierschicht 302 unter der verlorenen Wänden 321 entfernt, und die verlorenen Wände 321 fallen in die Ätzlösung 322. Dadurch bleibt das erste erhabene Feature 319 (Spiegelwand) von dem Substrat/der Isolierschicht abgestützt, die unter dem anderen Bereich des Schalters liegt (beispielsweise festgelegte Balkenabstützungen 130). Die Spiegel 319 wird zwischen zwei Seitenwänden eines Grabens 323 gebildet. Die resultierende Struktur ist in 3F gezeigt.
Die Verwendung einer Photoxesistdoppelschicht aus dem gleichen Material in Kombination mit der Ausbildung mit verlorenen Seitenwandmasken ermöglicht die Bildung von relativ tiefen, dünnen und vertikalen Strukturen mit glatten Oberflächen. Diese Strukturen können beispielsweise als ein Spiegel, die Kammzähne des Aktuators und/oder die Balken der Balkenstruktur verwendet werden. Bei Anwendung dieser Techniken kann die Vertikalität der erhabenen Features mindestens 90°+0,6° bei einem quadratischen Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit von 30 nm oder weniger sein.
Es versteht sich, daß bei einer späteren Verarbeitung die Spiegelwand typischerweise mit einem Reflexionsmetall beschichtet wird, um eine Reflexionsoberfläche zu bilden. Aufgrund der verbesserten Vertikalität und der verringerten Oberflächenrauhigkeit der Spiegelwand hat die Reflexionsoberfläche eine erhöhte Vertikalität und eine verringerte Rauhigkeit. Dies reduziert Streuung und verbessert die optischen Eigenschaften des Schalters. Bei der späteren Verarbeitung wird ferner Metall typischerweise auf den zwei Kämmen abgeschieden, um Elektroden für die Kämme zu bilden. Diese Metallabscheidungen können unter Anwendung von beispielsweise bekannten Techniken ausgeführt werden. Der Wafer wird typischerweise vor der Verarbeitung mit Bor dotiert, um dem Substrat Leitfähigkeit zu verleihen und um zuzulassen, daß zwischen den Kämmen eine Spannungsdifferenz angelegt wird.
5 zeigt eine beispielhafte vertikale Struktur, die gemäß dem vorstehenden Verfahren gebildet ist. Der Querschnitt kann den Querschnitt eines vertikalen Features wie etwa eines Spiegels oder Balkens der Balkenstruktur repräsentieren. Die vertikale Struktur 500 hat Seitenwände 502 mit einer Vertikalität (repräsentiert durch den Winkel λ zwischen einer Horizontalebene 504 des Substrats und der Ebene 506 der Seitenwand 502) von 90°+0,6° oder besser und einem quadratischen Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit von 30 nm oder weniger.
Die 6 und 7 zeigen Kämme für einen Aktuator, die unter Anwendung von zwei verschiedenen Techniken gebildet sind. 6 zeigt Kämme, die unter Verwendung einer Photoresistdoppelschicht aus S1818 und Anwendung eines sich auf Aceton anstatt auf Ultraschall stützenden Entfernungsvorgang gebildet sind, wie vorstehend erläutert wurde. Im Gegensatz dazu zeigt 7 die Bildung von ähnlichen Features unter Verwendung einer strukturierten Maskierungsschicht, die aus einem Oxid gebildet ist. Wie ersichtlich ist, haben die unter Anwendung des vorliegenden Verfahrens gebildeten Kammzähne eine verringerte Oberflächenrauhigkeit und deutlicher ausgeprägte Features. Bei den Kammzähnen von 6 treten weniger Abriebteilchen zwischen den Zähnen auf. Da Abriebteilchen die Kämme des Aktuators kurzschließen und das Leistungsvermögen der Vorrichtung herabsetzen kann, werden die Produktausbeute und das Leistungsvermögen der Vorrichtung weiter erhöht.
9 zeigt einen Schalterbaustein, der einen optischen MEMS-Schalter aufweist. Der beispielhafte Baustein 900 weist ein Gehäuse 910 auf, das einen optischen 2×2-Schalter 920 enthält. Der Schalter 920 kann beispielsweise dem in den vorstehenden 1 und 2 gezeigten Schalter ähnlich sein. Vier Lichtwellenleiter 930 erstrecken sich von dem Schalter 920 und von dem Gehäuse 910 nach außen. Die Lichtwellenleiter 930 können beispielsweise den Schalter 930 mit anderen Netzkomponenten verbinden. Obwohl dies nicht gezeigt ist, verlaufen die Lichtwellenleiter 930 typischerweise in Kanälen, die in einem Substratkörper gebildet sind. Leitfähige Zuleitungen 940 erstrecken sich von den Kämmen des Schalters 930, typischerweise zu einer Energieversorgung. Es ist zu beachten, daß der Baustein beispielhaft und nicht einschränkend angegeben ist. Viele Typen von Schalterbausteinen sind möglich. Beispielsweise können Schalterbausteine vorgesehen werden, die externe Steuerschaltkreise (d. h. außerhalb des Gehäuses) oder interne Steuerschaltkreise (beispielsweise innerhalb des Gehäuses und in manchen Fällen auf demselben Substrat wie der Schalter) aufweisen. Außerdem zeigt der beispielhafte Baustein einen 2×2 Schalter. Viele verschiedene Typen von Schalterbausteinen wie beispielsweise 4×4-, 8×8-, 16×16-Matrixschalter können beispielsweise durch Kaskadenschaltern gebildet sein. Ferner können 1×N-Schalter mit den vorstehend genannten optischen Schaltern implementiert werden.

Claims

Verfahren zum Bilden eines vertikalen Mikrospiegels auf einem Substrat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: über dem Substrat Bilden einer strukturierten Maskierungsschicht, die einen ersten Bereich des Substrats und zwei seitliche Bereiche des Substrats bedeckt, die jeweils einer Seite des ersten Bereichs benachbart sind, und derart, daß eine Öffnung zwischen dem ersten Bereich und jedem von den zwei seitlichen Bereichen gebildet wird; Entfernen von unbedeckten Bereichen des Substrats unter Verwendung der strukturierten Maskierungsschicht, um eine erste erhabene Struktur in dem ersten Substratbereich und zwei verlorene erhabene Strukturen auf jedem seitlichen Substratbereich der ersten erhabenen Struktur benachbart zurückzulassen; selektives Entfernen der verlorenen erhabenen Strukturen unter gleichzeitigem Intaktlassen der ersten erhabenen Struktur; und Bilden einer Reflexionsfläche an einer Seitenwand der ersten erhabenen Struktur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der strukturierten Maskierungsschicht aufweist: Bilden der Öffnung, die eine Breite von ungefähr 10 bis 30 μm hat, zwischen dem ersten Bereich und jedem seitlichen Bereich.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Entfernen von unbedeckten Bereichen des Substrats, um die erste erhabene Struktur zurückzulassen, aufweist: Bilden eines Zwischenraums, der eine Breite von ungefähr 10 bis 30 μm hat, zwischen der ersten erhabenen Struktur und jeder von den verlorenen erhabenen Strukturen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Entfernen von unbedeckten Bereichen des Substrats aufweist: Bilden der ersten erhabenen Struktur mit einem quadratischen Mittelwert der Oberflächenrauhigkeit von 30 nm oder weniger.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ätzen des Substrats aufweist: Zurücklassen der Seitenwand der ersten erhabenen Struktur mit einer Vertikalität von mindesten 90°+0,6°.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Ätzen des Substrats aufweist: Bilden eines Grabens, der eine Tiefe von 75 um oder mehr hat, zwischen der ersten erhabenen Struktur und jeder von den verlorenen erhabenen Strukturen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Bilden der strukturierten Maskierungsschicht aufweist: Abscheiden einer Vielzahl von Schichten aus dem gleichen Photoresistmaterial über dem Substratn und Erwärmen jeder abgeschiedenen Schicht vor dem Abscheiden einer nachfolgenden Schicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bilden der strukturierten Maskierungsschicht aufweist: Bilden von Öffnungen in der strukturierten Maskierungsschicht unter Freilegen von Substratbereichen, die jeden von den zwei seitlichen Bereichen umgeben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat eine Isolierschicht aufweist, die in das Substrat in bezug auf eine äußere Oberfläche des Substrats eingebettet ist, wobei das Entfernen von unbedeckten Bereichen des Substrats aufweist: Entfernen der die zwei seitlichen Bereiche umgebenden freiliegenden Substratbereiche, um die verlorenen erhabenen Strukturen auf der Isolierschicht von der ersten erhabenen Struktur getrennt zurückzulassen, und das selektive Entfernen der verlorenen erhabenen Strukturen aufweist: Entfernen der Isolierschicht von unterhalb der verlorenen erhabenen Strukturen, so daß die verlorenen erhabenen Strukturen von dem Substrat befreit werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das selektive Entfernen der verlorenen erhabenen Strukturen aufweist: Zurücklassen der ersten erhabenen Struktur innerhalb des von dem Substrat definierten Grabens.
Verfahren zum Bilden eines optischen Schalters auf einem Substrat, das eine vergrabene Isolierschicht hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: über dem Substrat Bilden einer Verbund-Photoresistschicht, die eine Vielzahl von Schichten aus dem gleichen Photoresistmaterial aufweist; Entfernen von Bereichen der Photoresistschicht unter Verwendung von Aceton, um eine strukturierte Photoresistschicht zu bilden, die Bereiche des Substrats selektiv maskiert, in denen eine Spiegelwand, Aktuatoren, Aktuatorenbalken und verlorene Wände gebildet werden; Ätzen von freiliegenden Bereichen des Substrats bis zu der Isolierschicht unter Verwendung der strukturierten Maskierungsschicht, um die Spiegelwand, die Aktuatoren, die Aktuatorenbalken und die verlorenen Wände zurückzulassen, wobei die verlorenen Wände mindestens entlang der ersten und der zweiten Seitenwand der Spiegelwand angeordnet sind; Entfernen von Bereichen der Isolierschicht unter der Spiegelwand, den Aktuatorenbalken, dem bewegbaren Kamm und den verlorenen Wänden, um die Spiegelwand, die Aktuatorenbalken, den bewegbaren Kamm und die verlorenen Wände von dem Substrat zu befreien; Entfernen der verlorenen Wände, um die Spiegelwand in einem Furche angeordnet zurückzulassen; und Bilden einer Reflexionsfläche an den Seitenwänden der Spiegelwand, wobei der optische Schalter folgendes aufweist: ein Paar von ersten Wellenleiterkanälen und ein Paar von zweiten Wellenleiterkanälen, die an dem Substrat angeordnet sind; einen einzelnen Kammantriebsaktuator, der aufweist: einen ortsfesten Kamm, der an dem Substrat angebracht ist, einen bewegbaren Kamm, der mit dem ortsfesten Kamm verzahnt ist, und eine Balkenstruktur, die zwischen dem Substrat und dem bewegbaren Kamm verbunden ist; und einen Spiegel, der mit dem Aktuator gekoppelt ist, wobei der Spiegel fähig ist, zwischen einer ausgefahrenen Position, die zwischen den Wellenleiterkanälen liegt, und einer zurückgezogenen Position im Abstand von den Wellenleiterkanälen bewegt zu werden; wobei die zwei Kämme eine Kraft aufbringen, die imstande ist, die Balkenstruktur auszulenken und den Spiegel in eine von der ausgefahrenen Position oder der zurückgezogenen Position zu bewegen, und die Balkenstruktur in Abwesenheit des Aufbringens von Kraft zwischen den zwei Kämmen den Spiegel in die andere von der ausgefahrenen Position oder der zurückgezogenen Position zurückbringt.