一种新型MEMS VOA芯片的设计

第０２卷第０５期２０１　５年９月　电子科学技术　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

一种新型ＭＥＭＳ　ＶＯＡ芯片的设计　

侯继东，黄惠良　（上海鸿辉光通科技股份有限公司，上海嘉定，２０１８２２）　

摘　要：本文首先简介了ＭＥＭＳ　ＶＯＡ芯片的研发历史，总结了现有各种此类芯片的特点和缺　

陷。然后介绍了一种新型的ＭＥＭＳ　ＶＯＡ芯片的设计思路和简要工艺流程，对新型芯片的测量表　

明衰减范围超过４０ｄＢ，响应时间小于ｌｍｓ。和现有主流芯片相比，新型芯片的工艺流程对于设备　

要求低，制造成本低，响应时间快，抗冲击性能高。　

关键词：ＭＥＭＳ　ＶＯＡ；芯片设计；工艺流程；制造成本；新型结构　

中图分类号：ＴＮ２５３　文献标识码：Ａ　文章编号：　２０９５．８５９５（２０１５）０５．５ｌ４—０６　

电子科学技术ＵＲＬ：ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｃｈｉｎａ．ｅｓｔ．ｃｏｒｎ．ｃｎ　ＤＯＩ：１０．１６４５３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５．８５９５．２０１５．０５．００１　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗ　Ｔｙｐｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｐｓ　Ｆｏｒ　ＭＥＭＳ　ＶｏＡ　

Ｊｉｄｏｎｇ　Ｈｏｕ，Ｈｕｉｌｉａｎｇ　Ｈｕａｎｇ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｈｏｎｇｈｕｉ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈ．Ｃｏ，ＬＴＤ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｊｉａｄｉｎｇ，２０１　８２２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　Ｒ＆Ｄ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ＭＥＭＳ　ｃｈｉｐｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　Ｔｅｌｅｃｏｍ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｃｈｉｐＳ　ｆｏｒ　ＶＯＡ　ａｒｅ　

ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｃｈｉｐｓ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｈｉｐｓ　ｆｏｒ　ＭＥＭＳ　

ＶＯＡ，ｏｆ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ｉｓ　ｐｒｅ－ｂｕｉｌｄ—ｔｉｌｔｉｎｇ—ａｎｇｌｅ，ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｉｐｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．Ｐａｃｋａｇｅｄ　ｉｎ　ｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｈｉｐｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　

ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　４０ｄＢ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｒａｎｇｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｌｅｓｓ　ｔｈｅｎ　１　ｍｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　

ｐｏｐｕｌａｒ　ｃｈｉｐｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ，ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃｈｉｐｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　

ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ　ＶＯＡ；Ｃｈｉｐ—ｄｅｓｉｇｎ；Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｃｏｓｔ　ｏｆ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ；Ｎｅｗ　Ｔｙｐｅ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

引言　

光强作为光的重要参数，在光的各种应用场　

合，特别是光通信中需要进行控制和调节。直接变　化激光器的驱动电流可以调节光强，但输出光波长　

也会发生变化。在光通信中广泛采用波分复用技　

术，不同的波长代表不同的通道，在控制调整光强　

时不允许波长发生任何变化。这就需要可调光衰减　

器发挥作用。在波分复用系统中，一般先用可调光　衰减器把每路光衰减到相同的功率，再用光放大器　

进行统一放大。人们采用过很多方法来制作可调光　衰减器，譬如，用步进马达带动中性衰减片，用电　压控制液晶，用声光、磁光技术控制光强。这些传　

统技术制造有各种各样的缺点，比如器件功耗大、　

体积大、装配复杂、对温度敏感、对偏振状态敏感　

和响应时间不理想等问题。　纵观光通信行业的发展，从基础研究发展到了　

大规模的商业化应用阶段，现在更是提出智能化光　

网络，在这种状况下，光通信的发展强烈依赖并大　

量需求速度快、功耗小、性价比高、可大量生产的　可调光学器件。传统的生产技术和工艺已经不能胜　

任这个需求。如果没有新的器件制造技术平台，光　第０５期　侯继东等：一种新型ＭＥＭＳ　ＶＯＡ芯片的设计　

通信的发展将会受到抑制。　

近来兴起的微机电系统（ＭＥＭＳ，Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ．　Ｍｅｃｈａｎｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ）…是一种先进的制造技术平台。它　

是以半导体制造技术为基础发展起来的。ＭＥＭＳ技　

术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系　

列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲，　ＭＥＭＳ中基本的制造技术是成熟的。但ＭＥＭＳ更侧　

重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力　

学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩　大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理　学的各分支。基于ＭＥＭＳ技术制造的器件具有以下共　

有特点：１）微型化：ＭＥＭＳ器件体积小、重量轻、　

耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短，一致　

性和重复性能远远高于宏观机械器件；２）批量生　

产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百　上千个微型机电装置，而同一批次可以同时加工几　

十个硅片。ＭＥＭＳ这种批量生产能力是空前的，这　种方法可大大降低生产成本；３）集成化：可以把　

不同功能的部件集成于一体，完成机械上的执行或　

感知以及电子逻辑的运作。就目前市场情况而言，　

ＭＥＭＳ器件已经广泛应用于轮胎压力传感器、低分辨　率陀螺仪、微型投影仪等产品中，并正以较快速度　

占领市场。　ＭＥＭＳ一这个全新制造技术平台用于光通信　

器件制造也越来越显示出巨大的优越性。传统光器　件的生产一般依靠大量的手工装配完成，以传统的　

步进电机形式的可调衰减器（ＶＯＡ，Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｔｔｅｎｕａｔｔｅｒ）为例，需要选择可靠的电机，手工固定电　

机，手工固定中性衰减片，焊接电线等步骤。而用　

ＭＥＭＳ技术制造ＶＯＡ，只需要固定芯片，采用半导　

体工艺进行导线引出。同时．ＭＥＭＳ芯片上运动部件　

质量微小，因此ＭＥＭＳ器件响应速度快。总体来说，　因采用ＭＥＭＳ技术能够大批量的生产速度快、功耗　

小、性价比高的器件。因此ＭＥＭＳ光学器件成为光通　

信行业中可调器件的潮流。ＭＥＭＳ　ＶＯＡ就属于具有　巨大市场潜力并已经规模化生产的可调光学器件ｆ２］。　

ＭＥＭＳ　ＶＯＡ的芯片设计和制造至今可以分成两　

个阶段：１．电压（静电力）驱动和电流驱动并行发展　相互竞争、电流驱动的芯片取得市场优势的阶段。　

以ＪＤＳＵ为主研制的电流驱动芯片依靠电流加热使　

双金属片发生形变带动一个挡光片移动，产生和驱　

动电流相关的衰减。同时期电压驱动芯片的驱动结　构分成两种，平板电容型和垂直梳齿型，平板电容　

型芯片由于在释放工艺上存在一定难度，逐步被垂　

直梳齿型替代。垂直梳齿型芯片的动梳齿的厚度在　２０微米左右，静梳齿的高度也接近２０微米，相邻的　

动、静梳齿间隔只有２￣１１３微米，不但套刻工艺要求　

苛刻，在刻蚀工艺上的缺陷也会导致芯片报废，这　

个阶段电流驱动型芯片由于可靠性方面取得优势。　２．随着使用年限的加长，电流驱动芯片逐步显露出材　

料老化和电气性能可靠性不佳的问题，而垂直梳齿　型芯片由于优化了结构ｐ】，并且通过出厂前对芯片的　

严格测试，基本上消除了工艺上的缺陷，在市场上　

逐步取代了电流驱动的芯片。虽然垂直梳齿的可靠　性得到改进，但基本结构没有发生变化，芯片制造　

良率很难提高，以某知名厂家提供的芯片为例，不　同批次良率变化强烈，出厂良率最低时不到１０％。　

除此之外，这类芯片在没有完成气密封装之前，环　

境中的灰尘颗粒有可能使动、静梳齿卡住：或在加　

电时，由于左右间隙的偏差或刻蚀工艺的缺陷会使　动、静梳齿横向吸引。上面这两类问题是器件可靠　

性的大敌。这些问题都表明现有梳齿型芯片结构并　不完美。另外现有梳齿型芯片制造工艺除了上面说　

的光刻和刻蚀要求苛刻外，还采用两次键合工艺，　

第二次还是带图形键合ｐ］，这些都导致了梳齿型芯片　

的成本居高不下。　

１新型芯片的设计和制造　

１．１芯片的设计思路　

本文介绍一种新型结构的ＭＥＭＳ　ＶＯＡ芯片，和　

垂直梳齿结构不同，本芯片采用平板电容的改进结　

构，这是出于以下两个原因的考虑：一是避免多次键　合工艺，降低成本，提高制造效率：二是尽量降低　

芯片制造过程中对设备和工艺的苛刻要求。本芯片　

直接采用商品化的ＳＯＩ硅片，避免了在制造过程中多　

次键合和由此相伴的减薄和抛光的过程。在本芯片　结构中，Ｈａｎｄｌｅ　ｌａｙｅｒ是高掺杂，作为基板和负极，　

Ｄｅｖｉｃｅ　ｌａｙｅｒ￣过刻蚀后形成转镜并作为正极，牺　

牲层被腐蚀后，在转镜和基板间形成空隙，加电压　

后，转镜和基板问形成的静电场，转镜的自由端在　此静电场的作用下向基板移动，转镜发生旋转。当　

电压继续加大，位移超过初始距离的ｌ／

３后　，转镜就　电子科学技术Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

会急速靠近基板并最终使两者的问距变成零。这是　

因为回复力和位移成线性关系，静电力和间距的平　方成反比，当间隙小于原始间隙的ｌ／３后，线性增加　

的恢复力平衡不了和间隙的平方成反比的静电力。　

因此对于平板电容结构，可以利用的移动距离为原　始间隙的１／３。　

常见ＳＯＩ硅片的牺牲层厚度不超过３微米，超过　此厚度的硅片价格高，不适于作为生产原料。按照　

上面分析，用这样的ＳＯｌ硅片制造芯片，转镜自由端　只有１Ｎ米的可用移动距离，转镜只有很小的偏转角　度。　

为解决这个问题，新型芯片采用我们称之为偏　

转预置角的方法，在转镜和锚地（ａｎｃｈｏｒ）之间的链　

接处（ｈｉｎｇｅｓ）引入应力，当芯片释放后，此应力会　

导致链接处发生相对于基板向上的翘曲，带动转镜　

形成一个相对于基板的上倾角度。文献【５　采用高分子　材料交联后应力发生变化的方法，也有利用金属球　

冷却收缩的方法。这些方法的热稳定性、可靠性都　

存在很大问题，不能实际使用于像ＶＯＡ这种高端器　件中。我们采用ＣＶＤ的方法在链接处沉积上一层氮　

化硅或多晶硅膜，控制沉积条件，使这层膜呈现张　

应力。释放后，这层膜会使链接处发生翘曲。氮化　

硅和多晶硅都是半导体常用材料，并且它们的热膨　

胀系数和硅基片相当，同时氮化硅是一种抗疲劳强　度很高的材料，适于高强度的变形【６】。　

１．２芯片的工艺流程　

图ｌ是本芯片的工艺流程示意图，在ＳＯｌ的器　

件层上通过光刻作出微镜、链接处、锚地等的图形　（图１ａ），通过干法刻蚀刻穿器件层（图ｌｂ），腐蚀掉　

锚地周边的二氧化硅层（图１ｃ），通过ＣＶＤ生长氮化硅　

薄膜并通过干法刻蚀去掉多余部分（图ｌｄ）。经过金属　

化后，通过释放工艺得到最终芯片（图１ｅ）。　

（ｂ、　口单晶硅　目光刻胶　口二氧化硅　

囱ＣＶＤ膜　

图１工艺流程示意图　

在本结构芯片中，微镜部分受力后本身并不变　

形，而是带动链接处（ｈｉｎｇｅ）发生形变，这样可以　

保证在微镜偏转是光学特性没有变化。连接处的结　构影响驱动电压和响应时间。一般ＭＥＭＳ芯片的最　

终量产之前需要几次到几十次的完善，包括对工艺　

的改进、对结构的改进。图２是ＭＥＭＳ芯片开发流程　

图。　

图２　ＭＥＭＳ　ＶＯＡ芯片流程罔　

一般的流程是：首先确定芯片各功能部分的几　何尺寸，并根据芯片结构和加工设备的具体情况制