微光学装置及其制造方法.pdf

本发明涉及微光学装置及其制造方法。该装置包括复杂结构和可移动反射镜，可在更短的时间内制造出该微光学装置。硅基底和单晶硅装置层以及置于其间的氧化硅中间层构成基底，其上掩模材料层得以形成且被构图，从而形成与如平面图所示的预期光学装置的结构具有相同图案的掩模。将构造为反射镜表面的表面选择为硅晶体的面。利用掩模，通过反应离子干刻蚀，垂直刻蚀装置层，直到露出中间层为止。随后利用KOH溶液在约十分钟的时间段内以大约0.1μm/min的刻蚀速率，执行对于晶向是各向异性的湿刻蚀，从而将反射镜4的侧壁表面转变为光滑的晶体学表面。随后，选择性地湿刻蚀中间层，从而仅在位于光学装置的可移动部件下面的区域中除去中间层。

1.  一种微光学装置，其形成在单晶硅基底上，并包括反射镜以及除该反射镜以外的结构，其中该反射镜具有是(100)面或(111)面的反射镜表面，并且该反射镜表面与该单晶硅基底的板面垂直，并且其中包括该反射镜表面在内的该反射镜和除该反射镜以外的该结构的每个表面由与该基底的板面垂直的侧壁表面或与该基底的板面平行的表面形成。

2.  根据权利要求1的微光学装置，其中部分该结构是可移动部件，
该可移动部件包括该反射镜设置于其上且可在该单晶硅基底上方沿着该基底的板面移动的可移动杆，还包括多个片簧铰链，每个片簧铰链的一端固定在该可移动杆上，并且其另一端固定在该单晶硅基底上，用于以可移动的方式将该可移动杆支撑在该多晶硅基底上，
每个片簧铰链具有两个侧表面，它们与该基底的板面垂直，两侧表面间的间隔向面向该结构设置的该单晶硅基底的表面的方向增加，
光路形成部分设置在该单晶硅基底上，其中光路的延长线与该反射镜表面相交。

3.  根据权利要求2的微光学装置，其中片簧铰链的两侧表面均与垂直于该基底板面的平面形成0.2°到5.0°的小角。

4.  根据权利要求2或3的微光学装置，其中每个片簧铰链具有弯曲的板面，从而允许该铰链呈现出双稳态，并且其中每个片簧设置在形成在该单晶硅基底中的铰链凹槽内，每个片簧两侧上的板面与相对设置的该铰链凹槽的壁表面之间的间隔彼此相等。

5.  一种制造微光学装置的方法，该微光学装置在单晶硅基底上包括反射镜和除该反射镜以外的结构，该方法包括以下步骤
提供SOI基底，其包括第一和第二单晶硅层、以及置于该单晶硅层中间的中间绝缘层，并且在该第一层的上表面形成掩模层；
通过光刻法将掩模层构图，从而形成具有图案的掩模，该图案确定反射镜形成表面，该表面与由该第一单晶层形成的基底的板面垂直，并且与(100)面或(111)面对准，并且该图案确定与该基底的该板面垂直的其他侧壁表面；
利用各向异性气体反应干刻蚀除去未被该掩模所覆盖的该第一单晶层，直到该中间绝缘层暴露出为止；
利用对于硅表现出各向异性的湿刻蚀，对该第一单晶层的通过该干刻蚀而暴露出的与(100)面或(111)面对准的那些侧壁表面进行平滑处理；以及
用具有高反射率的金属，对与(100)面或(111)面对准的光滑表面中将成为反射镜表面的一个表面进行涂覆。

6.  根据权利要求5制造微光学装置的方法，其中该湿刻蚀具有从0.001μm/min到0.2μm/min的刻蚀速率。

7.  根据权利要求5的制造微光学装置的方法，其中该湿刻蚀具有大约0.01μm/min的刻蚀速率。

8.  根据权利要求5或6的制造微光学装置的方法，其中部分该结构是可移动部件，反射镜安装在该可移动部件上，
还包括在该干刻蚀之后的该各向异性湿刻蚀之前或之后，利用对该中间绝缘层具有选择性的刻蚀剂溶液对暴露的中间绝缘层进行湿刻蚀的步骤，从而留下位于不对应于该可移动部件的该第一单晶层的宽区域与该第二单晶层之间的中间绝缘层的至少一部分，而完全地除去对应于该可移动部件的第一单晶层的窄区域与第二单晶层之间的中间绝缘层，由此完成在该第一单晶层中的可移动部件，该可移动部件被支承为可在平行于该基底的板面的方向上移动。

9.  根据权利要求8的制造微光学装置的方法，其中所选择的用于该掩模层的材料是被在该中间绝缘层的该选择性湿刻蚀中所用的刻蚀剂溶液刻蚀的材料，由此在该选择性湿刻蚀期间同时除去该掩模。

微光学装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微光学装置，其包括反射镜以及由深干刻蚀技术制造的复杂结构，例如能够利用反射镜进行光路转换和光强度调节的微光学装置，并且本发明还涉及该装置的制造方法。
背景技术
提出一种光学开关，其利用例如半导体各向异性干刻蚀技术将包括反射镜、铰链、致动器和光导等元件形成在基底上，并且其具有通过将其嵌入到反射镜的光导中和从反射镜的光导中将其抽出来实现光路转换的功能。
为了给出一个具体例子，在图1中表示于2001年11月13日公开的美国专利第6,315,462号中所公开的MEMS(微机电系统)光学开关结构。
片状基底111中以十字形结构形成四个光纤槽112a到112d。用由光纤槽112a和112b确定的四个区域中的一个区域表示驱动器形成部分111′。在驱动器形成部分(drive formation)111′中形成与光纤槽112a和112b的每一个都成45°角的插槽113，并且将可移动杆114设置在插槽113中。
在它的一端，可移动杆114支承反射镜115，该反射镜115位于光纤槽112a到112d之间的相交区域116。支承臂117a和支承臂117b，它们的一端连接到可移动杆114中间长度的两侧，而支承臂117a和支承臂117b的另一端通过片簧铰链118a和118b分别固定在固定支架119a和119b上。以类似的方式，支承臂117c和支承臂117d，它们的一端连接到可移动杆114另一端的两侧，通过片簧铰链118c和118d这些支承臂117c和支承臂117d的另一端分别固定在固定支架119a和119b上。照这样，支承可移动杆114，从而使其在纵向方向上可移动。需要注意的是，片簧118a、118b、118c和118d自身是可折叠的，以增加弹簧长度。
由梳齿型静电致动器驱动可移动杆114。具体地，分别将可移动梳齿电极121a到121d如阵列般地固定地设置在支承臂117a到117b上，并且分别与固定设置在驱动器形成部分111′上的固定梳齿电极122a到122d配合。当在可移动梳齿电极121a和121b及固定梳齿电极122a和122b之间施加电压时，形成静电吸引力，从而使可移动杆114向着相交区域116中心的方向移动。另一方面，当在可移动梳齿电极121c和121d与固定梳齿电极122c和122d之间施加电压时，形成静电吸引力，从而使可移动杆114向远离相交区域116中心的方向移动。通过利用梳齿型静电致动器驱动可移动杆114，可将反射镜115嵌入到相交区域116的中心或从相交区域116中心抽出。
分别将光纤123a到123d设置在四个光纤槽112a到112d中。当反射镜115嵌入到相交区域116中心时，例如由光纤123a发射出的光通过反射镜115反射从而照射到光纤123d上，并且将由光纤123b发射出的光通过反射镜115反射从而照射到光纤123c上。相反的，当将反射镜从相交区域116中心抽出时，由光纤123a发射出的光照射到光纤123c上，并且由光纤123b发射出的光照射到光纤123d上。光路转换以此方式进行。
通过图2所示的制造方法制造微光学开关。具体地，如图2A所示，制备三层结构的SOI(绝缘体硅)基底130，其包括单晶硅基底131，在单晶硅基底131上形成由氧化硅膜形成的绝缘层132，以及在绝缘层132之上设置单晶硅层133。通过构图掩模材料层，在单晶硅层133上形成所需的掩模134。使单晶硅层133中通过掩模134而露出的部分经历深各向异性反应离子刻蚀(DRIE：深各向异性反应离子刻蚀)，除去单晶硅层133，直到绝缘层132露出为止，如图2B所示。
如图2B所示的单晶硅层133的窄宽度部分135表示可移动部件例如图1所示的可移动杆114、支承臂117a到117d和片簧铰链118a到118d，而宽宽度部分136表示结构主体例如图1所示的固定设置的固定支架119a和119b。图2是这些部件的示例性说明。
参考图2B，对露出的绝缘层132进行湿刻蚀，直到绝缘层132的设置在窄宽度部分135下面的部分通过侧刻蚀除去为止。结果，如图2C所示，通过气隙137，将窄宽度部分135设置在单晶硅基底131之上。这样，当除去绝缘层132时由窄宽度部分135形成的可移动部件与单晶硅基底131分开并且可移动。可以理解的是，在单晶硅层133的刻蚀处理期间，与可移动杆114、支承臂117a到117d以及可移动梳齿电极121a到121d一起制造出反射镜115。在湿刻蚀操作之后，在反射镜115侧壁表面上通过蒸镀而形成反射膜，由此完成反射镜115。
照这样，当应用各向异性反应离子干刻蚀处理时，不受单晶硅基底131晶体取向所带来的影响，可形成垂直的刻蚀侧壁，由此可制造出如图1所示的复杂形状的微细结构。当通过利用应用于单晶硅层的刻蚀剂溶液的湿刻蚀可获得深刻蚀时，要注意的是，相对于硅的晶体取向，该湿刻蚀表现出各向异性特征，并因此很难为微机电系统制造具有如图1所示光学开关所示出的复杂结构的光学装置。由于这个原因，借助利用反应离子的深各向异性干刻蚀制造出这种微光学装置。
然而，当将深各向异性反应离子刻蚀应用于单晶硅基底131以可获得深垂直刻蚀的侧壁表面时，在刻蚀的侧壁表面上造成超过大约100nm的不平度。如果将具有如此不平度的已刻蚀侧壁表面用于可移动反射镜115的反射镜表面，则该反射镜不可能具有良好的反射响应。根据在专利文献：国际公开日为2001年2月15日、国际公开号WO 01/011411中所公开的技术，在深各向异性反应离子刻蚀以前，以完全和与宽宽度部分136相联的掩模134c分开的方式将牺牲性凸层掩模134b(sacrificial raised layer mask)形成在接近于在单晶硅层133的部分115a上的掩模134a并位于其两侧，在该部分115a处随后将形成反射镜115。当随后执行深各向异性反应离子刻蚀时，在被遮蔽部分115a的两侧以相当接近并且平行的关系形成牺牲性凸层138。如图3B所示，单晶硅层133浸入到刻蚀剂139中，借此包括反射镜部分115a在内的可移动部件相对于单晶硅基底131自由移动。此时，不与任何固定部件连接的牺牲性凸层138被除去。通过选择这样的技术，反射镜部分115a地两个侧壁表面均可制成比没有形成牺牲性凸层138而获得的表面更为光滑的表面，其不平度为约30nm或更小。
然而，需要注意到这里有若干个紧密间隔的部件，例如梳齿电极121a到121d以及122a到122d的各梳齿，以及彼此紧密间隔的片簧铰链118a到118d的折叠部分。特别地，绝缘层132的厚度通常至多大约为3μm，并且这些可移动部件和单晶硅基底131之间的气隙非常窄。如果与基底分隔开的牺牲性凸层138的断片卡进这些窄空间，可移动部件可能无法工作，或者产生对微光学装置特性不利的影响，导致合格率下降。
已知的是，对由深各向异性反应离子干刻蚀形成的反射镜部分115a的两侧壁表面的粗糙硅表面可进行热氧化，从而形成其厚度相对于粗糙硅表面的微小不平度是够大的氧化膜，并且可利用氟酸(HF)对该氧化膜进行刻蚀，从而提供小粗糙度的反射镜表面(参看非专利文献：W.H.Juan和S.W.Pang，“Controlling sidewall smoothness for micromachined Si mirrors and lenses”，J.Vac.Sci.Technol.B14(6)，Nov/Dec 1996，pp.4080-4084)。
然而，利用此技术由热氧化形成相对于表面的微不平度足够厚的氧化膜所需的时间段长达例如10个小时，需要更长的制造微光学装置的时间，导致光学装置的高成本。
这个问题不限于微光学开关，当包括反射镜以及反射镜以外的复杂结构的微光学装置经历气体反应各向异性干刻蚀以实现垂直于基底表面的深刻蚀反应时，则会产生类似的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可用比较短时间以良好合格率制造出的、包括具有光滑反射镜表面的反射镜的微光学装置，以及制造该装置的方法。
在根据本发明的该微光学装置中，反射镜具有是(100)面或(111)面的反射镜表面，上述面垂直于单晶硅基底的板面。反射镜表面以及除了反射镜之外结构的表面是垂直于基底板面的侧壁表面，或者是与基底板面平行的表面。
根据本发明的制造方法，制备一种SOI基底，该SOI基底包括上和下单晶硅层以及中间绝缘层，在上层的上表面上形成掩模层，并且通过以光刻法将掩模层构图形成掩模从而确定反射镜形成表面，该表面垂直于上单晶基底的板面并与(100)面或(111)面以及垂直于基底板面的其它侧壁表面对准；
基于这样形成的掩模，通过气体反应各向异性干刻蚀除去没有遮蔽的上基底，直到露出中间绝缘层为止；
对于通过应用于上基底的干刻蚀而露出的侧壁表面，通过对于硅具有各向异性的湿刻蚀剂溶液，使与(100)面或(111)面对准的表面变得光滑；
并且对于与(100)面或(111)面对准的光滑表面，将要形成为反射镜表面的表面用具有高反射率的金属涂覆。
根据本发明，反射镜表面是(100)面或(111)面，但光学装置结构的其他垂直侧壁表面不受这种方式所限制，允许不与(100)面或(111)面或其他晶体学表面对准的表面存在。因此，可将利用各向异性气体反应干刻蚀的深刻蚀应用于单晶硅基底，以便反射镜表面与(100)面或(111)面对准，从而形成具有复杂形状的微细结构。在该深刻蚀后，利用相对于该晶体取向显示出各向异性的溶液执行刻蚀，由此具有快速刻蚀速率的高指数表面被快速刻蚀，并且反射镜表面成为与(100)面或(111)面对准的晶体学表面，从而在缩短湿刻蚀所用时间段的同时，提供具有约10nm或更小不平度的光滑反射镜表面。由于不形成牺牲性凸层且不需要除去该牺牲性凸层，因此不可能降低响应，结果是更好的合格率。
附图说明
图1是一种传统微光学开关的平面图；
图2A到2C是示意性说明图1所示微光学开关的制造方法中几个步骤的部分截面图；
图3A到3B是示出传统微光学开关另一种制造方法中几个步骤的截面示意图；
图4是本发明一个实施例的平面图；
图5A、5B和5C是图4所示光学装置分别沿VA-VA、VB-VB和VC-VC线所得的截面图；
图6是一个放大尺寸的平面图，说明图4所示光学装置的结构，其位于十字形排列的光纤槽的中心附近；
图7是一个放大尺寸的平面图，说明图4所示光学装置的可移动梳齿电极和固定梳齿电极的结构；
图8A和8B是在图4所示光学装置中所用的示例性片簧铰链的放大尺寸的截面图；
图9是说明在图4所示光学装置中从光纤槽中心1c抽出反射镜时的状况的平面图；
图10说明具有重叠关系的片簧铰链的各种宽度的放大截面图；
图11用图表表示出说明铰链宽度与片簧铰链的弹簧常数之间典型关系的特性曲线；
图12用图表表示出说明铰链宽度误差与片簧铰链的弹簧常数之间典型关系的特性曲线；
图13A表示由湿刻蚀之后的干燥步骤期间残留的液体的作用可保持将片簧铰链向铰链凹槽的壁表面吸引的状况；
图13B表示通过在湿刻蚀之后的干燥步骤期间的液体运动，不能将片簧铰链向铰链凹槽的壁表面上吸引的状况；以及
图14A到14D是沿图4所示VA-VA线所得的截面图，说明根据本发明用于制造包括图4所示光学装置的反射镜的结构的方法中的几个步骤。
具体实施方式
以下将参考附图描述应用于微光学开关的本发明的一个实施例。在以下的描述中，贯穿附图应当注意到，由相同附图标记标明的相应部分不再对其进行重复描述。
如图4中平面图和图5中截面图所示，SOI三层结构包括具有上表面31u的片状单晶硅基底31，在上表面31u中光纤槽1形成十字结构。四个光纤槽1A到1D从十字形光纤槽1之间的相交区域中心1c处放射地延伸，并且光纤32A到32D嵌入到各自的光纤槽中。如图6所示，光纤槽1A到1D的宽度设定为非常接近光纤32A-32D的直径使得压进槽的光纤在槽内固定，并且每个光纤的端面设置成靠在自各光纤槽1A到1D的邻近中心1c的侧壁凸出的接合凸出物(abutment projection)3上，由此光纤32A到32D相对于基底31设置。在这个实施例中，朝向中心1c设置的每个光纤32A到32D的端面相对于垂直于光纤轴的平面以例如6°角倾斜并研磨，从而起准直光纤的作用。
如图4所示，基底31上表面31u上由十字形排列的光纤槽1分隔开的四个区域中的一个确定了驱动器形成部分10，其中与中心1c相联的杆槽33相对于光纤槽1A和1D中的每一个成45°角形成，从而二等分他们之间的角。可移动杆7设置在杆槽33中，并且可移动杆7在其朝向中心1c设置的端部处支承有反射镜4。片簧铰链6A到6D连接到可移动杆7每侧的两个位置处从而支承可移动杆7，以使借助可移动部件支架10a可移动杆7可沿其长度方向移动。在所示的该实施例中，每个片簧铰链6A到6D在其主平面中心处稍微弯曲，以允许铰链呈现出具有逆弯曲(reversed flexure)的双稳态。
在铰链6A、6C与铰链6B、6D之间提供梳齿型静电致动器。具体地，支承臂5a和5b的一端固定到可移动杆7的两侧，并且可移动梳齿电极5形成在支承臂5a和5b上，朝向片簧铰链6A和6B，以及朝向片簧铰链6C和6D。第一和第二固定梳齿电极8和9固定在驱动器形成部分10的固定部件8a、9a和8b、9b上，其朝向可移动梳齿电极5的片簧6C和6D及朝向片簧铰链6A和6B设置。如图7中放大尺寸所示，可移动梳齿电极5上的梳齿与第一和第二固定梳齿电极8和9上的梳齿相关联，从而两梳齿电极5与8和9彼此可啮合。反射镜4、可移动梳齿电极5、相联的支承臂5a和5b、以及可移动杆7一起构成可移动部件11，其通过片簧铰链6A到6D保持可在可移动部件支架10a上移动。如后面将要描述的，固定部件8a、9a和8b、9b与可移动部件支架10a在电学上是绝缘的，其中可移动部件支架10a与片簧铰链6A到6D连接。
在本实施例中，反射镜4的两个侧表面或反射镜表面4M(图6)均与片状基底31的板面或上表面31u垂直，并且与单晶硅的晶面(100)对准。与微光学开关反射镜表面4M平行或正交的、并与上表面31u垂直的暴露表面是硅的晶面(100)，而其他垂直表面则不是(100)面。片状基底31的上表面31u是(100)面。
如图7所示，将片簧铰链6A、6B和6C、6D分别设置在形成于驱动器形成部分10中的铰链凹槽14a和14b内。限定除了反射镜4以外的结构即可移动梳齿电极5、可移动杆7、铰链6A到6D、以及第一和第二固定梳齿电极8和9的外轮廓的每个表面是垂直于基底板面(上表面31u)的侧壁表面，或是平行于上表面31u的表面。在紧接着光学装置制造后的初期状态中，最好将与片簧铰链6A到6D板面相对设置的铰链凹槽14a和14b的壁表面平行于相对设置的铰链6A、6B或6C、6D。分别以D1表示片簧铰链6A、6B与第二固定梳齿电极9的固定部件9a、9b之间的间距，以及以D2表示相同铰链与设置在固定部件9a、9b对面的固定部件之间的间距，并且分别以D3表示片簧铰链6C、6D与第一固定梳齿电极8的固定部件8a、8b之间的间距，以及以D4表示相同片簧铰链与设置在固定部件8a、8b对面的固定部件之间的间距，理想的是这些间距彼此相等或D1＝D2＝D3＝D4。另外，如图8A和8B所示的片簧铰链6A到6D的截面结构是优选的，即两侧表面是稍微倾斜的，例如，相对于垂直于基底板面31u的平面，该角度约为θ1＝0.5°，并且最好宽度从表面6s(上表面31u)向内表面逐渐减小。片簧铰链6A到6D的截面结构可为如图8A所示的相对底部具有更宽上边的梯形，也可为如在图8B所示的楔形三角形的形状。
当光学装置具有在制成后立即呈现的初始形态(此后称作第一稳态)时，如图4所示，反射镜4位于中心1c处。在此时，从光纤32A发射出的光由反射镜4反射，从而照射到光纤32B。光纤32D发射出的光被反射，并然后照射到光纤32C。通过可移动杆7和片簧铰链6A到6D将可移动梳齿电极5与可移动部件支架10a电连接，并且当将电压施加于第一固定梳齿电极8，而可移动部件支架10a和第二梳齿电极9接地时，在第一固定梳齿电极8与可移动梳齿电极5之间产生静电吸引力。如果该静电力大于保持第一稳态的力，则片簧铰链6A到6D反转到第二稳态，并且如果终止施加电压，则通过自保持作用保持在该状态中。在这种情况中，反射镜4从中心1c处收回，并且从光纤32A和32B发射的光分别照射到光纤32C和32D。当将电压施加于第二固定梳齿电极9，而可移动部件支架10a和第一固定梳齿电极8接地时，在第二固定梳齿电极9与可移动梳齿电极5之间产生静电吸引力，并且如果该静电力大于保持第二稳态的力，则铰链再次回复到第一稳态。为了向第一或第二固定梳齿电极8或9和可移动电极5施加电压，可将接合线与第一或第二固定梳齿电极的固定部件8a和8b或9a和9b连接，并且向该接合线和可移动部件支架10a施加电压。光纤32A和32B、或32C和32D作为光路形成部分的例子给出，其中光路的延长线在反射镜14的反射镜表面上彼此相交。
从图7注意到，该光学装置构造为除反射镜4以外，可移动部件11相对于平行于反射镜驱动方向的中心线(或可移动杆7的中心线)显示出轴对称，并且四个片簧铰链6A、6B、6C和6D支承可移动杆7处(即铰链作用力作用处)的点A、B、C和D相对于可移动梳齿电极5与可移动杆7之间的连接(或驱动力作用点S)对称地设置。另外驱动力作用点S设计为基本上与可移动部件11的重心重合。这种结构构造的结果是，如果来自致动器的驱动力包括指向不同于可移动部件将被驱动方向的方向的矢量分量，四个片簧铰链6A、6B、6C和6D向驱动力中多余的矢量分量提供相等的反作用力，由此允许可移动部件11在除预期驱动方向以外方向上的非预期移动得以有效抑制。
如果施加外界干扰例如碰撞，则两个结构特征(即，1)四个片簧铰链6A、6B、6C和6D设置在相对于可移动部件11的重心对称的位置上；和2)通过四个片簧铰链6A、6B、6C和6D以同样的方式支承代表沉重结构的可移动梳齿电极5)允许可移动部件11的非预期移动得以有效抑制。
由于用稍微倾斜的锥形表面形成片簧铰链6A到6D的相对表面，朝向内部(或随着进一步远离表面)减小宽度，所以在该表面上提供给定弹簧常数所需的铰链6A到6D的宽度可比截面是矩形时大，从而有利于执行形成掩模时所进行的光刻，同时降低制造误差。
具体地，片簧铰链6A到6D的机械刚度与铰链厚度的三次方成比例，因此铰链6A到6D的厚度对可移动部件11的动态响应具有很大的影响。由于这个原因，为了可获得适当的转换电压，有必要将铰链6A到6D的厚度加工成例如约1μm的极薄结构，这需要相当高的制造精度。然而，很难在此尺寸范围内得到令人满意的最终形状精度。
如图10所示，对于锥形侧表面，假定片簧铰链6的截面结构的倾斜角θ1具有给定值(例如0.5°)。图11用图表示出了弹簧常数与在表面6s上测量出的铰链宽度W1之间的关系；对于具有梯形或三角形截面并具有不同宽度W1值的弹簧铰链6，以及具有矩形截面并具有与铰链6相同的宽度和高度的弹簧铰链，图12用图表示出了铰链宽度误差与弹簧常数之间的关系。在图11中，横坐标表示弹簧常数，纵坐标表示铰链宽度，在图12中横坐标表示铰链宽度误差，纵坐标表示弹簧常数。在两图中，三角形标记△表示具有梯形或三角形截面的铰链，方形标记□表示具有矩形截面的铰链。
可从图11中看到，对于相同的弹簧常数，具有梯形或三角形截面的铰链可具有宽度W1，该宽度比具有矩形截面的铰链的相应宽度大0.6μm或更多。也可从图12中看到，当铰链宽度W1的误差增加，在具有梯形或三角形截面的铰链中弹簧常数的变化率比在具有矩形截面的铰链中小，并因此，对于相同的弹簧常数误差，允许具有梯形或三角形截面的铰链具有更大的设计公差。
如上面所述，最好使片簧铰链6A到6D的截面呈现出倒置梯形或倒置等腰三角形的形状，其侧边具有大约0.5°的倾角。然而，通过形成反射镜表面的同时所进行的干刻蚀，得到片簧6A到6D侧面的倾角。反射镜表面4M的倾斜造成的光损失取决于光束的直径。通过形成在光纤32A到32D中的每一个的内端的准直光纤调节光束，并在反射镜表面4M上形成最小直径(光束腰部直径(beam waist diameter))。由单模光纤发射的光具有大约2.0到30.0μm的腰部直径。光学开关中的光损失归因于各种因素，并且由反射镜表面4M倾角造成的实际容许损耗大约为0.1到0.3dB。
对于1.55μm光波长和45°的水平入射角，由反射镜表面倾斜所造成的光损失的计算结果为，在最小光束腰部直径为2.0μm条件下，对于倾斜角θ1等于5.25°，最大容许损耗为0.3dB。另一方面，在最大光束腰部直径为30.0μm条件下，产生0.1dB最小容许损耗的倾斜角θ1等于0.20°。因此，片簧6A到6D的侧面实际倾斜角θ1在约0.2°到5.0°的范围内，最好为约0.5°。
制造光学装置期间，在湿刻蚀之后的干燥步骤期间，当刻蚀剂蒸发时，由于刻蚀剂表面张力的作用，刻蚀剂易于在窄区域内聚集，并且这可能造成不利，即液体表面张力将可移动部件向固定部件吸引，并且当完成干燥步骤时，该可移动部件在范德瓦尔斯(van der Waals)力的影响下保持固定在那里。可通过用在低压下容易升华的液体替代蚀刻液的技术避免这种不利，并且该液体在约例如25℃温度时凝固，以在低压下促进该固体的升华；通过用液态二氧化碳(CO₂)替换刻蚀液的超临界干燥处理避免这种不利，该干燥步骤是在高温和高压的环境中连续执行的，该环境未伴随有从液相到气相的状态变化；或通过用另一种具有较低表面张力的液体简单替换蚀刻液以执行干燥步骤的技术避免这种不利。在这些选择中，利用具有较低表面张力的液体执行干燥步骤是简单的，但其缺陷是可靠性无保证。
为了避免此问题，可以预期的是增加片簧铰链的机械刚度使其达到几乎不被吸引的程度。然而，考虑到与驱动电压的关系，不能增加片簧铰链6A-6B的刚度，因而有可能产生吸引。这被发现归因于以下描述的原因。应用弯曲片簧铰链6A到6D，以允许可移动部件11具有第一和第二稳态。因此，当将铰链凹槽14制成矩形形状，该矩形具有与片簧铰链纵向方向基本一致的纵向方向时，片簧铰链6的板面和相对设置的铰链凹槽14的壁表面可以是宽间距的或是窄间距的，使得干燥步骤期间液体蒸发时限的偏差增加。在间隔近的区域内，液体15的汽化可延迟，并且残余液体15的表面张力(用箭头18表示)导致铰链6向凹槽14的壁表面被吸引。
然而，当如图4和7所示实施例中那样，片簧铰链6A到6D两侧的空间形状或铰链板面与凹槽壁表面之间的间隔均匀时，经历延迟蒸发的液体15的数量在铰链两侧变得相等，如图13B所示，并因此残留在两侧的液体15的表面张力大小将基本上彼此相等，防止铰链被吸引。这样，通过在铰链和设置在铰链两侧的凹槽壁表面之间提供相等间距，能可靠实现基于简单而便利的液体的直接干燥步骤。
由图4和5A到5C中的说明和相关描述显见，在本实施例中构成反射镜14和其他结构或可移动部件11、光纤槽1A到1D的表面、以及反射镜表面是垂直于基底板面的侧壁表面，或者是平行于基底板面的表面。换而言之，反射镜和其他结构具有由垂直于和平行于基底板面的表面形成的外部轮廓。
现在参考图14描述图4到7所示光学装置的制造方法实施例，图14示出在几个步骤期间沿图4所示的线VA-VA所得的截面。
如图14A所示，制备由一对通过中间绝缘层41结合在一起的单晶硅层42和43所形成的片状基底或所谓SOI基底31。例如，单晶硅层42可包括具有350μm厚度的单晶硅基底，其上形成作为中间绝缘层的氧化硅膜41，并且形成作为单晶硅装置层43的单晶硅层43，从而完成基底31。
将掩模材料层44形成在基底31上或硅装置层43上。掩模材料可包括例如氧化硅膜。
利用例如光刻法，将掩模材料层44构图，从而如图14B所示，在反射镜4、铰链6A-6D、可移动杆7、可移动梳齿电极5、第一固定梳齿电极8和9上以及在除光纤槽1、杆槽33和不影响片簧铰链6A-6D弯曲操作的空间(铰链凹槽14)以外的基底31上形成掩模45，或根据确定垂直于基底板面的反射镜形成表面和除反射镜表面以外的结构的侧壁表面的图案形成掩模45，在本实施例中该图案是如图4所示构造的图案。对掩模材料层44构图，以使反射镜4的反射镜表面与单晶硅的(100)面对准。由于该原因，应用SOI基底31，其中硅装置层43的上表面是单晶硅的(100)面。
其后，例如通过ICP-RIE(感应耦合等离子体-反应离子刻蚀)干刻蚀，在基本垂直于片状基底31的板面方向上，利用掩模45对硅装置层43进行刻蚀，直到中间绝缘层41暴露出为止，如图14C所示。这样形成了光纤槽1、杆槽33、铰链凹槽14以及梳齿电极的梳齿。
对包括由该刻蚀操作所形成的侧壁的硅装置层43的表面进行清洁之后，将其浸入到溶液中，该溶液相对于硅的晶向表现出刻蚀速率的各向异性特性，并且其在室温中具有较低刻蚀速率，例如一个例子是8mol/L(8N)氢氧化钾(KOH)溶液在室温中大约为十分钟的时间段内，其可为约0.03μm/min，如此将轻微程度的湿刻蚀应用于硅装置层43的由干刻蚀所形成的侧壁。为这个目的的刻蚀剂溶液还可包括
乙二胺-邻苯二酚(EDP)的水溶液或
氢氧化四甲基铵(TMAH)的水溶液，并且优先选用在室温具有大约为0.1μm/min刻蚀速率的溶液。
其后，将基底浸入到对中间绝缘层41而言的选择性刻蚀剂溶液中，该溶液可包括50％氟酸(HF)溶液(或氢氟酸与氟化铵的混合溶液)以刻蚀暴露的中间绝缘层41。选择一个刻蚀时间段，使得在与可移动部件11例如反射镜4、可移动梳齿电极5、铰链6A到6D以及可移动杆7对应的区域中完全除去中间绝缘层41，但在与除应当保持固定在基底31上的梳齿以外的第一和第二固定梳齿电极8和9的部分对应的区域中，仅在边缘上稍微除去中间绝缘层41。更明确地，在例如反射镜4、可移动梳齿电极5、铰链6A到6D、可移动杆7、以及梳齿电极8和9的梳齿部分的狭窄区域中，将位于硅装置层43与单晶硅基底42之间的中间绝缘层41完全地除去，但在例如固定部件8a、8b、9a和9b、可移动部件支架10a的宽区域中，仅在边上除去位于硅装置层43与单晶硅基底42之间的中间绝缘层41。
由于该刻蚀操作，以可移动的方式通过片簧铰链6A到6D将可移动部件11支承在基底31上，并且第一固定梳齿电极8及其相联的固定部件8a和8b、第二固定梳齿电极9及其相联的固定部件9a和9b、以及可移动部件支架10a是彼此电绝缘的。另外，在这个例子中，在该刻蚀操作期间，同时除去掩模45，因为中间绝缘层41和掩模材料层44使用了相同的材料。
在该刻蚀操作之后沿线VA-VA、VB-VB和VC-VC所得的截面如图5A、5B和5C所示，对应于图4和14所示部件的部件用相同附图标记表示。
对于硅装置层43的已刻蚀侧壁的、在有限时间段内进行的各向异性湿刻蚀，可在刻蚀中间绝缘层41之后或在使可移动部分可移动的刻蚀之后实行。
应当注意的是，这两个刻蚀操作均为湿刻蚀，并且可在改变刻蚀溶液时连续进行而无需在两个刻蚀操作之间插入干燥步骤。
在深各向异性干刻蚀应用于硅装置层43之后，所刻蚀的侧壁表面为粗糙表面，可将其看作指向不取决于硅晶向的随机方向(高指数表面方向)的凸起的组合。然而，当利用对于硅晶向表现出刻蚀速率的各向异性的刻蚀剂溶液例如氢氧化钾进行刻蚀时，具有快刻蚀速率的高指数表面被快速刻蚀。由于反射镜4的两个表面均表现为硅晶体的(100)面，取决于晶向的各向异性刻蚀将反射镜表面转变为在硅晶体(100)面方向上具有大约10nm或更小不平度的光滑表面。反射镜4的两个光滑表面均涂覆具有高反射率的金属例如通过溅射的Au/Pt/Ti多层膜，于是形成反射镜体。
通常在大约70℃的温度利用KOH溶液执行应用于单晶硅的各向异性湿刻蚀。在这一情况下，刻蚀速率大约为1μm/min，比前面提到的降低的刻蚀速率大两个数量级，并且当应用于具有2μm厚度的可移动反射镜4时，刻蚀时间将非常短，除非精密地控制该刻蚀时间，否则反射镜部分将发生溶解，这使得刻蚀操作的控制非常难。然而，由于按照本发明其在低刻蚀速率的情况下发生，因此很容易执行该湿刻蚀。室温下执行约0.01μm/min的刻蚀速率是优选的，但其并不受上述数值的限制。既然由于大约为1.0μm/min的刻蚀速率使刻蚀控制相当难而得出上述选择，所以例如当期望快速刻蚀时，在室温中能够容易进行刻蚀控制的刻蚀速率可选择为0.05μm/min，但取决于环境也可为约0.1到0.2μm/min。如果刻蚀速率太低，则需要更长的湿刻蚀时间，但这不适合工业目的。因此，室温中可选择大约为0.001到0.005μm/min的刻蚀速率作为慢速刻蚀操作，其避免了严重妨碍生产率。
通过利用调节刻蚀条件的刻蚀操作实现形成如锥形表面的片簧铰链6A到6D的两表面，使得相对于基底表面的垂线而言侧壁具有一个轻微的角度，从而在深干刻蚀操作期间使铰链的厚度(截面的宽度)从表面向着中间绝缘层41而减少。在这种情况下，当严格观测时，反射镜4的反射镜表面或晶面(100)将相对于基底表面(基底的板面)的垂直线具有轻微的偏离，但如果偏离大约是0.5°，则对光学性能影响很小。整个说明书中，连同上述微小的偏离在内，把通过深各向异性反应离子干刻蚀所形成的侧壁表面描述为垂直于基底表面(基底的板面)。
也可把应用于由深干刻蚀所形成的侧壁表面的各向异性湿刻蚀应用于对可移动部件11的动态响应有很大影响的片簧铰链6A到6D的厚度的微调中。
在前面所述中，将(100)面作为经历慢刻蚀速率的表面而使用，并且为反射镜的反射镜表面选择单晶硅的(100)面。然而，也可利用具有(110)面作为硅装置层43上表面的SOI基底31，从而反射镜具有是(111)面的反射镜表面，并且仍可利用各向异性湿刻蚀来得到光滑的反射镜表面。如果从这些面中选择一个，(100)面是优选的。
在前面所述中，本发明用于除反射镜4以外的作为复杂结构的反射镜驱动器，但本发明的应用并不局限于此，本发明可应用于这样的微光学装置：此装置中通过深各向异性干刻蚀形成反射镜和除反射镜以外的结构，其中反射镜表面是单晶硅的(100)面或(111)面，并且其与基底板面垂直，并且其中形成反射镜和除反射镜以外的结构的表面由垂直于基底板面的侧壁表面或由平行于基底板面的表面确定，由此包括其中反射镜固定的装置或其中结构不包括可移动部件的装置，包括以下的例子：
-作为可移动装置：
可变光学衰减器(VOA)...在结构方面上与光学开关是基本相同的，其中片簧铰链不具有双稳态操作的功能，并且不是在双态移动中控制反射镜，而是反射镜根据施加的驱动电压连续地移位。
谐振器型可变滤光器...将一对反射镜以对立的关系设置，从而形成谐振器，并且使至少一个反射镜是可变的，从而为改变谐振器的传输波长特性而改变反射镜间的间距。
-作为静止装置：
用于信号传输和接收的光学模块，包括反射镜、光纤、半导体激光元件、光接收元件以及片状滤光元件。通过深各向异性反应离子干刻蚀形成用于设置上述元件的槽和锪孔。微光学装置，包括用于设置光纤和片状滤光元件的具有压力弹簧(例如在图6所示的压力弹簧2)的压力机构。