專利名稱：一種氧化釩薄膜微型光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型所屬領(lǐng)域為光開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氧化釩薄膜微型光開關(guān)。
背景技術(shù)：
光開關(guān)是光通訊領(lǐng)域中的核心器件，目前市場上的傳統(tǒng)機械光開關(guān)具有開關(guān)時間長，體積大，無法形成大規(guī)模陣列等缺點，不能滿足日益發(fā)展的光通訊技術(shù)和市場需求。當(dāng)前正處于研究熱點的光開關(guān)主要集中于五個方面，即微光機電(MOMES)光開關(guān)、液晶光開關(guān)、波導(dǎo)光開關(guān)和氣泡或液泡驅(qū)動的光開關(guān)以及半導(dǎo)體光放大器(SOA)光開關(guān)。MOMES光開關(guān)是傳統(tǒng)機械式光開關(guān)的微型化，通過移動光纖或者微反射鏡來實現(xiàn)光開關(guān)功能，其開關(guān)時間可以達到毫秒量級，還可以形成大規(guī)模二維或者三維陣列，缺點是由于存在活動部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性需待進一步提高。液晶光開關(guān)可以克服MOMES光開關(guān)的缺點，光開關(guān)中不存在可移動部件，可靠性高，然而系統(tǒng)需要起偏和檢偏的附加器件，系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，其光開關(guān)速度由于液晶材料的限制，很難突破亞毫秒量級。波導(dǎo)型光開關(guān)的開關(guān)時間較短，但是一般都是平面結(jié)構(gòu)，設(shè)計的自由度小，而且插入損耗和功耗都比較大。液泡或者氣泡驅(qū)動的微型光開關(guān)是利用運動的氣泡或者液泡調(diào)整波導(dǎo)折射率實現(xiàn)光開關(guān)功能，其開關(guān)時間較長。基于SOA的光開關(guān)也具有很多優(yōu)點，如開關(guān)時間短，無插損，但是它的偏振靈敏性問題一直沒有得到有效解決，距離實用化也有一段較長的距離。
在熱致變色的材料中，某些氧化物和硫化物具有可逆的溫度相變特性，這些材料當(dāng)溫度升高到相變溫度時，其晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生突變，從非金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，伴隨著這些微觀結(jié)構(gòu)的變化，薄膜的光學(xué)透過和反射特性也發(fā)生顯著的變化。氧化釩薄膜就是這樣一種具有可逆的溫度相變特性的薄膜材料。當(dāng)薄膜溫度低于相變溫度時，氧化釩薄膜呈單斜晶系結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出半導(dǎo)體材料的特性，對入射紅外光具有高透過特性。當(dāng)薄膜溫度高于相變溫度時，薄膜呈四方晶系結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出金屬材料的特性，對紅外光具有高反射特性。氧化釩薄膜的相變溫度在68℃附近，通過摻雜或者改變薄膜應(yīng)力狀態(tài)其相變溫度還可以進一步降低。氧化釩薄膜的相變速度很快，目前已經(jīng)觀察到高達皮秒(10-12秒)量級的相變時間。所有這些特性使得氧化釩薄膜成為一種有廣泛應(yīng)用前景的光開關(guān)、光存儲、強激光保護和智能窗材料等。依據(jù)氧化釩薄膜的溫度相變特性，本實驗室曾提出并研制了一種基于該薄膜的微型光開關(guān)(Sihai Chen，Hong Ma，Xinjian Yi，Hongcheng Wang，XiongTao，Mingxiang Chen，Xiongwei Li，Caijun Ke.Optical switch based on vanadium dioxidethin films.Infrared Physics & Technology 45(2004)239-242)，在該光開關(guān)中，氧化釩薄膜直接制備在硅襯底之上，加熱方式為電流加熱，測試結(jié)果表明該光開關(guān)的開關(guān)時間為毫秒量級。在該種類型的光開關(guān)中，由于氧化釩薄膜是直接制作在襯底之上的，因此在加熱氧化釩薄膜時，與氧化釩薄膜相鄰的部分襯底也隨之被一起加熱，這樣就增大了光開關(guān)的熱容值，限制了光開關(guān)的熱反應(yīng)時間，因此采用這種結(jié)構(gòu)的光開關(guān)很難進一步縮短開關(guān)時間，實現(xiàn)快速的開關(guān)響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種化釩薄膜微型光開關(guān)。該微型光開關(guān)可降低光開關(guān)的熱容值，提高光開關(guān)的開關(guān)速度。
本實用新型提供的一種氧化釩薄膜微型光開關(guān)，包括氧化釩薄膜及電極，其特征在于橋腿與橋面采用同一種介質(zhì)薄膜制成，二者位于同一平面內(nèi)，橋腿的一端與橋面相連，另一端架在金屬橋墩上，橋面由橋腿和橋墩支撐懸浮在襯底上，橋面與襯底之間構(gòu)成空腔；氧化釩薄膜制備在橋面之上，電極位于金屬橋墩之上，且與氧化釩薄膜相連。
在加熱功率密度確定的條件下，氧化釩薄膜微型光開關(guān)的開關(guān)時間主要是由氧化釩薄膜的相變時間和光開關(guān)結(jié)構(gòu)的熱反應(yīng)時間決定的，由于氧化釩薄膜自身的相變時間很短(為皮秒量級)，因此氧化釩薄膜微型光開關(guān)的開關(guān)時間主要取決于光開關(guān)自身的熱反應(yīng)時間。光開關(guān)結(jié)構(gòu)的熱容越小，其熱反應(yīng)時間就越短，因此通過降低光開關(guān)的熱容可以降低光開關(guān)的熱時間常數(shù)，提高開關(guān)速度。日益興起的微電機系統(tǒng)技術(shù)也為實現(xiàn)這種超小熱容結(jié)構(gòu)提供了可能性，利用微機械加工工藝，可以制作出單元結(jié)構(gòu)熱容為10-9J/K量級的微橋結(jié)構(gòu)。
采用微橋結(jié)構(gòu)，不僅可以降低光開關(guān)的熱容值，提高開關(guān)速度，而且通過改變微橋結(jié)構(gòu)參數(shù)，還可以進一步調(diào)整光開關(guān)與襯底間的熱導(dǎo)值。由于光開關(guān)的功耗與光開關(guān)與襯底間的熱導(dǎo)相關(guān)，當(dāng)選擇低熱導(dǎo)微橋結(jié)構(gòu)時，光開關(guān)的功耗可以維持在很低的水平。當(dāng)選擇高熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)時，雖然功耗較大，但可以進一步縮短開關(guān)時間，提高光開關(guān)的開關(guān)速度。
相對于常規(guī)MOMES光開關(guān)，本實用新型為全固態(tài)器件，避免了MOMES光開關(guān)中的移動部件，提高了光開關(guān)的可靠性。相對于直接制作在襯底上的氧化釩光開關(guān)，本實用新型采用了薄膜微橋結(jié)構(gòu)，降低了光開關(guān)的熱容值，有利于研制高速或者低功耗的光開關(guān)陣列。


圖1為微橋結(jié)構(gòu)的主視圖。
圖2為氧化釩薄膜微型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2的俯視圖。
圖4為面陣光開關(guān)陣列構(gòu)造示意圖。
圖5為微型光開關(guān)加工工藝流程圖。
具體實施方式
氧化釩薄膜微型光開關(guān)是利用懸浮在襯底上的微橋結(jié)構(gòu)來降低光開關(guān)的熱容值的，該微橋結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示，橋腿2、3與橋面1采用同一種介質(zhì)薄膜(如炭化硅，氧化硅或氮化硅薄膜等)且二者位于同一平面內(nèi)。橋腿2、3的一端架在金屬橋墩4、5上，另一端支撐橋面1懸浮在襯底7之上，并在橋面1與襯底7之間形成空腔6。
如圖2、圖3所示，氧化釩薄膜12制備在微橋橋面1之上并與金屬電極10、11連接，金屬電極10，11的另一端與金屬橋墩4、5相連。襯底7上可設(shè)置控制開關(guān)13，用于控制光開關(guān)通斷。加熱電壓由金屬電極10、11通過控制開關(guān)13和金屬橋墩4、5施加在氧化釩薄膜12上。當(dāng)金屬電極10、11兩端的加熱電壓小于閾值電壓Vth時，氧化釩薄膜溫度小于相變溫度，對入射紅外光波高透，假定為開啟(ON)狀態(tài)；當(dāng)金屬電極10、11兩端的電壓大于閾值電壓Vth時，由該電壓產(chǎn)生的焦耳熱將加熱微橋結(jié)構(gòu)溫度超過氧化釩薄膜相變溫度，氧化釩薄膜由半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，對入射紅外光波高反，為關(guān)閉(OFF)狀態(tài)。因此，通過控制金屬電極10、11兩端的電壓就可以控制光開關(guān)的通斷狀態(tài)。閾值電壓Vth定義為所產(chǎn)生的焦耳熱恰好使得氧化釩薄膜處于相變溫度值的外加電壓。
為了消除工作環(huán)境如濕氣等對薄膜性能的不良影響，在氧化釩薄膜12之上可覆蓋一層表面鈍化層9，使氧化釩薄膜12與外界環(huán)境隔離開來，該表面鈍化層9通常由炭化硅，氧化硅或氮化硅等結(jié)構(gòu)致密介質(zhì)薄膜材料構(gòu)成。此外，為了提高光開關(guān)在開啟狀態(tài)下的透過率，在鈍化層薄膜上還可以覆蓋一層光學(xué)增透膜8，該增透膜層8一般采用MgF2等折射率較低的介質(zhì)薄膜材料。
由于氧化釩薄膜12和支撐橋面1以及鈍化層9和增透膜8都是薄膜結(jié)構(gòu)，在光開關(guān)結(jié)構(gòu)中，薄膜結(jié)構(gòu)的總厚度可以控制在1μm內(nèi)，因此與平面結(jié)構(gòu)光開關(guān)相比，帶微橋結(jié)構(gòu)的光開關(guān)的熱容值很小。微橋的橋面1和橋腿2、3通常選用機械特性較好的電絕緣薄膜材料，如氮化硅、氧化硅和炭化硅等。炭化硅與氧化硅和氮化硅材料相比，具有較高的熱導(dǎo)率，適合制作高熱導(dǎo)微橋結(jié)構(gòu)。而氧化硅和氮化硅是很好的熱絕緣材料，具有很低的熱導(dǎo)率，因此適合制作具有高熱絕緣特性的微橋結(jié)構(gòu)。
典型的氧化釩面陣微型光開關(guān)原理示意圖如圖4所示，圖中，光開關(guān)陣列規(guī)模為m行n列，S為光開關(guān)單元。光開關(guān)的工作原理如下行選電路MC一次可以選中一行，列選電路ML一次可以選中一列，當(dāng)行選和列選電路同時選中某一光開關(guān)單元S時，電流從Vdd流至Vgnd，電流產(chǎn)生的焦耳熱將微橋結(jié)構(gòu)溫度加熱至薄膜相變溫度之上，氧化釩薄膜就從對入射紅外光的高透射態(tài)轉(zhuǎn)為高反射態(tài)，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化；而當(dāng)撤去加熱電流時，處于高溫的光開關(guān)冷卻至室溫，由于微橋結(jié)構(gòu)的熱容很小，所以升溫和降溫速度都很快，與沒有集成微橋結(jié)構(gòu)相比，可以大幅度提高光開關(guān)的開關(guān)速度。
實例1利用上述方案設(shè)計了一種基于氧化釩薄膜的高速微型光開關(guān)。該光開關(guān)采用了薄膜微橋結(jié)構(gòu)，具有很小的熱容值。在設(shè)計中，為了提高光開關(guān)的開關(guān)速度，橋面和橋腿以及鈍化層都采用了高熱導(dǎo)率的SiC薄膜，其熱導(dǎo)率在室溫下為5W/cm.K，是Si3N4薄膜(0.03-0.045W/cm.K)的100多倍。在該方案中，為了控制光開關(guān)的熱容值，沒有制作增透膜層。
表1低熱容氧化釩相變微型光開關(guān)設(shè)計參數(shù)表

所設(shè)計的低熱容氧化釩薄膜相變微型光開關(guān)的具體工藝實施過程如圖5所示并描述如下。
A)在已經(jīng)制作了控制開關(guān)13的襯底7表面旋涂聚酰亞胺薄膜14。利用勻膠機在已經(jīng)清洗并烘干的襯底表面旋涂光敏聚酰亞胺薄膜14，聚酰亞胺薄膜的具體厚度可根據(jù)設(shè)計要求而調(diào)整。
B)聚酰亞胺薄膜光刻和亞胺化。利用紫外曝光機對聚酰亞胺薄膜14進行光刻，形成聚酰亞胺薄膜圖形15和橋墩孔16，隨后，聚酰亞胺薄膜圖形被放置在惰性氣體保護的退火爐內(nèi)進行高溫亞胺化處理，亞胺化有利于提高聚酰亞胺薄膜的耐高溫特性和機械特性。
C)制作橋墩4，5。利用剝離工藝用金屬鋁或者其他金屬良導(dǎo)體填充橋墩孔，形成兩個金屬橋墩4、5。
D)制備結(jié)構(gòu)層薄膜17和氧化釩薄膜12。利用等離子增強化學(xué)氣相沉積或濺射沉積工藝制備結(jié)構(gòu)層炭化硅薄膜17。隨后在炭化硅薄膜上制備氧化釩薄膜12。氧化釩薄膜厚度控制在100nm左右。
E)制作互連孔18。在氧化釩薄膜上光刻出互連孔18圖形，并采用濕法腐蝕或干法刻蝕工藝去除互連孔18內(nèi)的氧化釩薄膜和結(jié)構(gòu)層薄膜，露出下部金屬橋墩。
F)制作電極10、11。利用剝離工藝在互連孔18內(nèi)和氧化釩薄膜上制作金屬電極10、11，該金屬電極10、11一端與金屬橋墩相連，另一端與氧化釩薄膜連接。
G)淀積鈍化層薄膜9。為了防止氧化釩薄膜性能退化，在氧化釩薄膜12和金屬電極10、11上還制備了炭化硅鈍化層9。
H)釋放微橋結(jié)構(gòu)。在上述各薄膜層上光刻出微橋結(jié)構(gòu)圖形，刻蝕各薄膜層至聚酰亞胺薄膜層，形成橋面和橋腿圖形，并用氧等離子體去除橋面和橋腿圖形底部的聚酰亞胺薄膜，形成微橋結(jié)構(gòu)。
實例2在方案1的設(shè)計中，支撐層薄膜和鈍化層都選用了高熱導(dǎo)率的SiC薄膜，采用這種高熱導(dǎo)率的材料有利于提高光開關(guān)的開關(guān)速度。然而光開關(guān)的功耗是與光開關(guān)的熱導(dǎo)相關(guān)的，熱導(dǎo)越大，光開關(guān)的功耗約大，因此，在嚴(yán)格控制光開關(guān)陣列功耗的場合下，方案1就不太適用，于是設(shè)計了方案2。而在方案2的設(shè)計中，薄膜支撐層選用了由氧化硅和氮化硅構(gòu)成的復(fù)合低應(yīng)力薄膜作為橋面支撐層薄膜，鈍化層也選用了氮化硅薄膜。與炭化硅相比，氧化硅和氮化硅的熱導(dǎo)率很小，有利于減少光開關(guān)與襯底間的熱導(dǎo)和降低光開關(guān)的功耗。為了提高光開關(guān)在開啟狀態(tài)下的透過率，在鈍化層薄膜之上還覆蓋了一層氟化鎂光學(xué)增透薄膜。
表2低功耗微型光開關(guān)設(shè)計參數(shù)表
權(quán)利要求1.一種氧化釩薄膜微型光開關(guān)，包括氧化釩薄膜及電極，其特征在于橋腿(2、3)與橋面(1)采用同一種介質(zhì)薄膜制成，二者位于同一平面內(nèi)，橋腿(2、3)的一端與橋面(1)相連，另一端架在金屬橋墩(4、5)上，橋面(1)由橋腿(2、3)和橋墩(4、5)支撐懸浮在襯底(7)上，橋面(1)與襯底(7)之間構(gòu)成空腔(6)；氧化釩薄膜(11)制備在橋面(1)之上，電極(10、11)位于金屬橋墩(4、5)上，且與氧化釩薄膜(12)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光開關(guān)，其特征在于所述氧化釩薄膜(12)上覆蓋有表面鈍化層(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光開關(guān)，其特征在于所述表面鈍化層(9)上覆蓋有增透膜(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的光開關(guān)，其特征在于襯底(7)上設(shè)有控制光開關(guān)通斷的控制開關(guān)(13)。
專利摘要本實用新型公開了一種氧化釩薄膜微型光開關(guān)。光開關(guān)的橋腿與橋面采用同一種介質(zhì)薄膜制成，二者位于同一平面內(nèi)，橋腿的一端與橋面相連，另一端架在金屬橋墩上，橋面由橋腿和橋墩支撐懸浮在襯底上，橋面與襯底之間構(gòu)成空腔；氧化釩薄膜制備在橋面之上，電極位于金屬橋墩上，且與氧化釩薄膜相連。本實用新型采用微橋結(jié)構(gòu)，不僅可以降低光開關(guān)的熱容值，提高開關(guān)速度，而且通過改變微橋結(jié)構(gòu)參數(shù)，還可以進一步調(diào)整光開關(guān)與襯底間的熱導(dǎo)值。本實用新型為全固態(tài)器件，避免了MOMES光開關(guān)中的移動部件，提高了光開關(guān)的可靠性。本實用新型有利于研制高速或者低功耗的光開關(guān)陣列。
文檔編號H04B10/12GK2762175SQ20042005789
公開日2006年3月1日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者陳四海, 王宏臣, 黃光 , 何少偉, 付小朝, 易新建, 馬宏 申請人:華中科技大學(xué)