微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡光路傳輸效率優(yōu)化方法

徐浩然, 卜 瑛, 代 俊, 劉東芳

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109;2.上海目標識別與環(huán)境感知工程技術(shù)研究中心,上海 201109;3.中國航天科技集團有限公司交通感知雷達技術(shù)研發(fā)中心,上海 201109;4.北京理工大學(xué)機電學(xué)院,北京 100081)

0 引言

微光機電系統(tǒng)(MOEMS)是由微機電系統(tǒng)(MEMS)和光學(xué)技術(shù)共同推動的一項新興技術(shù)。微小型光開關(guān)作為微光機電系統(tǒng)最廣泛的應(yīng)用之一,在光通信系統(tǒng)、點火起爆系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用?；诠饫w光路的微小型光開關(guān)通常包括三種類型:阻斷式、反射式和光纖移動式。其中,反射式光開關(guān)由于具有較好的抗沖擊過載性能,可滿足引信安全系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的要求。相比于另外兩種光開關(guān),反射式光開關(guān)在安全與解除保險系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛。

傳統(tǒng)的反射式微小型光開關(guān)的加工通常采用電感耦合等離子體(inductively coupled plasma,ICP)或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝。由于ICP與CMOS工藝包含了化學(xué)和物理過程的復(fù)雜相互作用,硅襯底側(cè)壁的表面粗糙度通常較差,降低了側(cè)壁反射鏡的光路傳輸效率,從而限制了微小型光開關(guān)的發(fā)展。PHINNEY等研究了深反應(yīng)離子刻蝕制備的絕緣體上硅(silicon on insulator,SOI)MEMS器件的側(cè)壁粗糙度,全面地研究了刻蝕溝槽寬度(長寬比)對粗糙度特性的影響,這對微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡的設(shè)計具有重要的參考意義。微小空間內(nèi)的側(cè)壁加工一直是微納加工領(lǐng)域的一個難題,采用現(xiàn)有的加工技術(shù),如離子注入、化學(xué)機械拋光、沉積、濺射等,都不能很好地處理側(cè)壁式反射鏡面。

聚焦離子束(focused ion beam,FIB)刻蝕是一種高精度的微納結(jié)構(gòu)直接制造技術(shù),因可以直接加工指定的區(qū)域而受到廣泛的關(guān)注。FIB刻蝕是目前最精確的無掩膜微納加工方法之一,材料可以被直接從樣品表面去除。PANDER等提出了一種利用聚焦離子束附加二次刻蝕的新方法,可以獲得用于超材料的碳納米管納米森林結(jié)構(gòu)的均勻而精細的圖案。ZHANG等提出了一種基于Xe+等離子體聚焦離子束和掃描電子顯微鏡的斷層自動掃描技術(shù)改進方法,來精確提取黑硅的表面形貌。此外,FIB刻蝕可以在一個傾斜的角度進行。因此,FIB刻蝕非常適合用于微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡面的加工。

本文提出了一種將ICP和FIB刻蝕工藝相結(jié)合的加工方法,先通過ICP刻蝕工藝一體化加工微小型光開關(guān),然后采用FIB高精度刻蝕工藝對微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡面進行刻蝕,以降低側(cè)壁反射鏡的表面粗糙度,提升光路傳輸效率。并通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)對側(cè)壁反射鏡的表面粗糙度進行了表征。此外,還搭建了基于光學(xué)顯微鏡的光路傳輸效率測試系統(tǒng),用以評估側(cè)壁反射鏡的光路傳輸效率。

1 實驗方法

1.1 ICP和FIB刻蝕加工方法

采用ICP和FIB刻蝕工藝相結(jié)合的方法加工微小型光開關(guān)。首先,采用雙面ICP刻蝕工藝制作微小型光開關(guān),加工流程如圖1所示。主要的工藝過程包括勻膠光刻、制作電極、正面ICP刻蝕、背面ICP刻蝕、去氧化硅等。

圖1 微小型光開關(guān)的加工流程圖

圖2是采用雙面ICP刻蝕工藝制成的微小型光開關(guān)的SEM圖。然后進一步采用FIB高精度刻蝕工藝來改善微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡的表面粗糙度。

圖2 采用雙面ICP刻蝕工藝制成的微小型光開關(guān)SEM圖

圖3是采用FIB加工微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡面的示意圖。在電磁場的作用下,高能離子束被加速打到側(cè)壁表面,通過控制離子束的移動,可實現(xiàn)對側(cè)壁表面材料的去除。用于加工的實驗設(shè)備是FIB-SEM雙束系統(tǒng)Thermo Fisher Helios G4 UC,加工時使用30 k V Ga離子束,束流大小為9.3 n A,離子束傾角(離子束與側(cè)壁表面的夾角)為52°。

圖3 FIB加工微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡面示意圖

使用FIB-SEM雙束系統(tǒng)中的SEM模塊對加工前后的微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡表面形貌進行觀測,并且使用原子力顯微鏡對側(cè)壁反射鏡表面粗糙度進行表征,實驗使用的原子力顯微鏡型號為Bruker Dimension FastScan TM。

1.2 光學(xué)傳輸效率測試系統(tǒng)

光路傳輸效率是光開關(guān)的重要技術(shù)指標之一。由于粗糙度水平直接影響電磁波的散射和反射情況,側(cè)壁反射鏡表面粗糙度會影響光路傳輸效率。為表征側(cè)壁反射鏡的表面粗糙度,搭建了一套光路傳輸效率測試系統(tǒng),如圖4所示。該系統(tǒng)由數(shù)字顯微鏡、紅光筆、光功率計、光開關(guān)和光纖組成,如圖4(a)所示。光開關(guān)和光纖的放大圖如圖4(b)所示。采用650 nm激光紅光筆作為測試光源,采用VHX-1000E超景深三維顯微鏡實現(xiàn)對光路傳輸?shù)母弑都毠?jié)觀察,光功率計用于測量微小型光開關(guān)的輸入、輸出功率。光路傳輸效率定義為輸出功率與輸入功率的比值。

圖4 光路傳輸效率測試系統(tǒng)

2 實驗結(jié)果

2.1 SEM和AFM圖

側(cè)壁反射鏡的SEM圖如圖5所示。圖5(a)為經(jīng)FIB刻蝕后的側(cè)壁反射鏡的SEM圖,反射鏡尺寸為100μm×177μm。圖5(b)為FIB刻蝕前后的側(cè)壁放大對比圖。FIB刻蝕前的側(cè)壁反射鏡放大圖如圖5(c)所示,未經(jīng)FIB刻蝕的側(cè)壁顯示出由于ICP工藝造成的高長寬比和粗糙的表面。圖5(d)是FIB刻蝕后的側(cè)壁反射鏡的放大圖。結(jié)果表明,經(jīng)FIB刻蝕后的側(cè)壁反射鏡比未經(jīng)FIB刻蝕的側(cè)壁反射鏡明顯更光滑。

圖5 側(cè)壁反射鏡的SEM圖

不同大小的離子劑量在側(cè)壁上刻蝕形成的表面形貌也不相同。離子劑量通常用單位時間照射到單位面積上的離子數(shù)來表示。為了探究不同離子劑量對側(cè)壁刻蝕形成的形貌影響,在側(cè)壁反射鏡上進行矩形刻蝕實驗。不同離子劑量下側(cè)壁反射鏡刻蝕溝槽的SEM和AFM圖如圖6所示。一系列的離子劑量(1.6×10,3.2×10,4.9×10,6.5×10p C/μm)被用來在側(cè)壁反射鏡上刻蝕溝槽,刻蝕后的側(cè)壁反射鏡SEM圖如圖6(a)～圖6(d)所示?？涛g側(cè)壁反射鏡形成的不同溝槽的AFM圖如圖6(e)所示,從左往右離子劑量依次是1.6×10,3.2×10,4.9×10,6.5×10pC/μm。

圖6 不同離子劑量刻蝕側(cè)壁反射鏡溝槽的SEM和AFM圖

SEM和AFM圖表明,側(cè)壁反射鏡面粗糙度隨離子劑量的增加而減小。在此基礎(chǔ)上,對整個側(cè)壁反射鏡面進行了不同大小離子劑量的刻蝕,AFM表征實驗測得的側(cè)壁反射鏡表面粗糙度與離子劑量的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯鑫唇?jīng)FIB刻蝕的側(cè)壁反射鏡表面粗糙度為190 nm,而在離子劑量為6.5×10pC/μm時,經(jīng)過FIB刻蝕后的側(cè)壁反射鏡表面粗糙度下降至56 nm。

圖7 側(cè)壁反射鏡表面粗糙度與離子劑量的關(guān)系

2.2 光學(xué)傳輸效率測試結(jié)果

對處在導(dǎo)通狀態(tài)下的光開關(guān)進行測試。測量不同離子劑量刻蝕的光開關(guān)的輸入功率和輸出功率并計算對應(yīng)的光路傳輸效率,測量結(jié)果如圖8所示?？芍?對光開關(guān)的側(cè)壁反射鏡進行FIB刻蝕加工后,光路傳輸效率明顯提高,且光路傳輸效率隨著刻蝕離子劑量的增加而增加。未加工的微小型光開關(guān)光路傳輸效率只有10.2%,FIB刻蝕加工后(離子劑量為6.5×10pC/μm),光路傳輸效率上升為39.1%,效率提升達到300%。

圖8 光路傳輸效率與離子劑量的關(guān)系

3 結(jié)論

本文采用ICP和FIB刻蝕工藝相結(jié)合的方法,降低了微小型光開關(guān)側(cè)壁反射鏡表面粗糙度并提升了光路傳輸效率。研究表明:FIB刻蝕能顯著降低側(cè)壁反射鏡的表面粗糙度,沒有經(jīng)過FIB刻蝕的側(cè)壁反射鏡表面粗糙度高達190 nm,而經(jīng)過FIB刻蝕后的表面粗糙度減小為56 nm;與未進行FIB刻蝕的微小型光開關(guān)相比,經(jīng)FIB刻蝕后的微小型光開關(guān)的光路傳輸效率提高了約3倍。這項研究將推動微小型光開關(guān)在彈藥引信中的應(yīng)用。