微小型光开关侧壁反射镜光路传输效率优化方法

徐浩然, 卜 瑛, 代 俊, 刘东芳

(1.上海无线电设备研究所,上海 201109;2.上海目标识别与环境感知工程技术研究中心,上海 201109;3.中国航天科技集团有限公司交通感知雷达技术研发中心,上海 201109;4.北京理工大学机电学院,北京 100081)

0 引言

微光机电系统(MOEMS)是由微机电系统(MEMS)和光学技术共同推动的一项新兴技术。微小型光开关作为微光机电系统最广泛的应用之一,在光通信系统、点火起爆系统中发挥着重要的作用。基于光纤光路的微小型光开关通常包括三种类型:阻断式、反射式和光纤移动式。其中,反射式光开关由于具有较好的抗冲击过载性能,可满足引信安全系统应用环境的要求。相比于另外两种光开关,反射式光开关在安全与解除保险系统中的应用更加广泛。

传统的反射式微小型光开关的加工通常采用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma,ICP)或互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工艺。由于ICP与CMOS工艺包含了化学和物理过程的复杂相互作用,硅衬底侧壁的表面粗糙度通常较差,降低了侧壁反射镜的光路传输效率,从而限制了微小型光开关的发展。PHINNEY等研究了深反应离子刻蚀制备的绝缘体上硅(silicon on insulator,SOI)MEMS器件的侧壁粗糙度,全面地研究了刻蚀沟槽宽度(长宽比)对粗糙度特性的影响,这对微小型光开关侧壁反射镜的设计具有重要的参考意义。微小空间内的侧壁加工一直是微纳加工领域的一个难题,采用现有的加工技术,如离子注入、化学机械抛光、沉积、溅射等,都不能很好地处理侧壁式反射镜面。

聚焦离子束(focused ion beam,FIB)刻蚀是一种高精度的微纳结构直接制造技术,因可以直接加工指定的区域而受到广泛的关注。FIB刻蚀是目前最精确的无掩膜微纳加工方法之一,材料可以被直接从样品表面去除。PANDER等提出了一种利用聚焦离子束附加二次刻蚀的新方法,可以获得用于超材料的碳纳米管纳米森林结构的均匀而精细的图案。ZHANG等提出了一种基于Xe+等离子体聚焦离子束和扫描电子显微镜的断层自动扫描技术改进方法,来精确提取黑硅的表面形貌。此外,FIB刻蚀可以在一个倾斜的角度进行。因此,FIB刻蚀非常适合用于微小型光开关侧壁反射镜面的加工。

本文提出了一种将ICP和FIB刻蚀工艺相结合的加工方法,先通过ICP刻蚀工艺一体化加工微小型光开关,然后采用FIB高精度刻蚀工艺对微小型光开关侧壁反射镜面进行刻蚀,以降低侧壁反射镜的表面粗糙度,提升光路传输效率。并通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)对侧壁反射镜的表面粗糙度进行了表征。此外,还搭建了基于光学显微镜的光路传输效率测试系统,用以评估侧壁反射镜的光路传输效率。

1 实验方法

1.1 ICP和FIB刻蚀加工方法

采用ICP和FIB刻蚀工艺相结合的方法加工微小型光开关。首先,采用双面ICP刻蚀工艺制作微小型光开关,加工流程如图1所示。主要的工艺过程包括匀胶光刻、制作电极、正面ICP刻蚀、背面ICP刻蚀、去氧化硅等。

图1 微小型光开关的加工流程图

图2是采用双面ICP刻蚀工艺制成的微小型光开关的SEM图。然后进一步采用FIB高精度刻蚀工艺来改善微小型光开关侧壁反射镜的表面粗糙度。

图2 采用双面ICP刻蚀工艺制成的微小型光开关SEM图

图3是采用FIB加工微小型光开关侧壁反射镜面的示意图。在电磁场的作用下,高能离子束被加速打到侧壁表面,通过控制离子束的移动,可实现对侧壁表面材料的去除。用于加工的实验设备是FIB-SEM双束系统Thermo Fisher Helios G4 UC,加工时使用30 k V Ga离子束,束流大小为9.3 n A,离子束倾角(离子束与侧壁表面的夹角)为52°。

图3 FIB加工微小型光开关侧壁反射镜面示意图

使用FIB-SEM双束系统中的SEM模块对加工前后的微小型光开关侧壁反射镜表面形貌进行观测,并且使用原子力显微镜对侧壁反射镜表面粗糙度进行表征,实验使用的原子力显微镜型号为Bruker Dimension FastScan TM。

1.2 光学传输效率测试系统

光路传输效率是光开关的重要技术指标之一。由于粗糙度水平直接影响电磁波的散射和反射情况,侧壁反射镜表面粗糙度会影响光路传输效率。为表征侧壁反射镜的表面粗糙度,搭建了一套光路传输效率测试系统,如图4所示。该系统由数字显微镜、红光笔、光功率计、光开关和光纤组成,如图4(a)所示。光开关和光纤的放大图如图4(b)所示。采用650 nm激光红光笔作为测试光源,采用VHX-1000E超景深三维显微镜实现对光路传输的高倍细节观察,光功率计用于测量微小型光开关的输入、输出功率。光路传输效率定义为输出功率与输入功率的比值。

图4 光路传输效率测试系统

2 实验结果

2.1 SEM和AFM图

侧壁反射镜的SEM图如图5所示。图5(a)为经FIB刻蚀后的侧壁反射镜的SEM图,反射镜尺寸为100μm×177μm。图5(b)为FIB刻蚀前后的侧壁放大对比图。FIB刻蚀前的侧壁反射镜放大图如图5(c)所示,未经FIB刻蚀的侧壁显示出由于ICP工艺造成的高长宽比和粗糙的表面。图5(d)是FIB刻蚀后的侧壁反射镜的放大图。结果表明,经FIB刻蚀后的侧壁反射镜比未经FIB刻蚀的侧壁反射镜明显更光滑。

图5 侧壁反射镜的SEM图

不同大小的离子剂量在侧壁上刻蚀形成的表面形貌也不相同。离子剂量通常用单位时间照射到单位面积上的离子数来表示。为了探究不同离子剂量对侧壁刻蚀形成的形貌影响,在侧壁反射镜上进行矩形刻蚀实验。不同离子剂量下侧壁反射镜刻蚀沟槽的SEM和AFM图如图6所示。一系列的离子剂量(1.6×10,3.2×10,4.9×10,6.5×10p C/μm)被用来在侧壁反射镜上刻蚀沟槽,刻蚀后的侧壁反射镜SEM图如图6(a)～图6(d)所示。刻蚀侧壁反射镜形成的不同沟槽的AFM图如图6(e)所示,从左往右离子剂量依次是1.6×10,3.2×10,4.9×10,6.5×10pC/μm。

图6 不同离子剂量刻蚀侧壁反射镜沟槽的SEM和AFM图

SEM和AFM图表明,侧壁反射镜面粗糙度随离子剂量的增加而减小。在此基础上,对整个侧壁反射镜面进行了不同大小离子剂量的刻蚀,AFM表征实验测得的侧壁反射镜表面粗糙度与离子剂量的关系如图7所示。可以看出未经FIB刻蚀的侧壁反射镜表面粗糙度为190 nm,而在离子剂量为6.5×10pC/μm时,经过FIB刻蚀后的侧壁反射镜表面粗糙度下降至56 nm。

图7 侧壁反射镜表面粗糙度与离子剂量的关系

2.2 光学传输效率测试结果

对处在导通状态下的光开关进行测试。测量不同离子剂量刻蚀的光开关的输入功率和输出功率并计算对应的光路传输效率,测量结果如图8所示。可知,对光开关的侧壁反射镜进行FIB刻蚀加工后,光路传输效率明显提高,且光路传输效率随着刻蚀离子剂量的增加而增加。未加工的微小型光开关光路传输效率只有10.2%,FIB刻蚀加工后(离子剂量为6.5×10pC/μm),光路传输效率上升为39.1%,效率提升达到300%。

图8 光路传输效率与离子剂量的关系

3 结论

本文采用ICP和FIB刻蚀工艺相结合的方法,降低了微小型光开关侧壁反射镜表面粗糙度并提升了光路传输效率。研究表明:FIB刻蚀能显著降低侧壁反射镜的表面粗糙度,没有经过FIB刻蚀的侧壁反射镜表面粗糙度高达190 nm,而经过FIB刻蚀后的表面粗糙度减小为56 nm;与未进行FIB刻蚀的微小型光开关相比,经FIB刻蚀后的微小型光开关的光路传输效率提高了约3倍。这项研究将推动微小型光开关在弹药引信中的应用。