一种光开关器件、阵列、光芯片及其制造方法与流程

本发明涉及半导体，尤其是一种光开关器件、阵列、光芯片及其制造方法。

背景技术：

1、随着数据中心、高性能计算和人工智能计算集群对高速、大容量互连需求的不断提高，光路交换系统（optical circuit switch，ocs）逐渐成为实现大规模光互连和光路由的重要技术方案。ocs通常包括多个输入端口和多个输出端口，并由多个光开关单元按照预定的网络拓扑构成。

2、光开关是ocs中的基本功能单元，可采用热光、电光以及微机电系统（mems）等方式实现。其中，mems硅光开关通过机械驱动改变光波导之间的相对位置，从而改变光信号的传播路径，实现光路切换。采用静电驱动的mems硅光开关具有开关能耗低以及无载流子吸收等特点，具有应用于大规模光交换阵列的潜力。

3、mems硅光开关可采用水平耦合或垂直耦合等结构形式。其中，垂直方向耦合型mems光开关通常包括位于不同垂直位置的固定波导和可动波导，通过mems驱动结构改变上下波导之间的垂直间距，进而改变波导之间的光耦合状态，实现光路切换。特别地，采用垂直绝热定向耦合结构时，可获得较宽的工作带宽和较好的工艺容差，适用于大规模光交换阵列。

4、为了保证mems机械结构能够正常运动，在mems机械结构形成后，通常需要去除可动结构周围的部分介质材料，使可动结构处于悬空状态，并形成供其运动的释放空间。

5、相关技术中，通常需要经由芯片顶层介质层对mems机械结构进行释放，即去除mems机械结构上方和周围的至少部分顶层介质材料，以形成供mems机械结构运动的释放空间。该释放方式会导致mems区域上方的顶层介质层部分缺失，从而影响顶层介质层的连续性、完整性和平坦性。

6、对于大端口数ocs，随着mems硅光开关数量增加，相应的驱动电极和电连接数量也显著增加，因此需要采用倒装键合等高密度电互连方式。然而，传统mems释放结构形成的开放释放区域和空腔会增加后续倒装封装的难度。例如，需要避免焊料、底部填充材料等进入mems释放区域而影响可动机械结构；如在mems释放区域上方进一步设置保护结构，则需采用复杂密封工艺。

7、此外，mems释放形成的开放区域及空腔区域通常不适于直接布置用于倒装键合的金属焊盘，也会占用或分割可用于芯片内部或表面金属互连布线的有效区域。随着mems开关数量增加，相应的驱动电极及电连接数量显著增加，使焊盘布置和金属互连布线难度进一步上升，并对ocs向更大端口规模扩展形成限制。

8、因此，如何在保证mems硅光开关具有足够机械运动空间的同时，减少mems释放过程对顶层介质层连续性和完整性的影响，并兼顾mems机械结构的保护及高密度倒装电互连需求，是大规模mems光交换芯片中有待进一步解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种光开关器件、阵列、光芯片及其制造方法，以在保证mems硅光开关中可动结构具有所需运动空间的同时，避免在mems区域对应的顶层介质层中形成用于释放的开口，从而提高顶层介质层的连续性和完整性，并兼顾mems机械结构保护及高密度电互连需求。

2、一方面，本发明包括一种光开关器件，所述光开关器件包括：

3、衬底；

4、第一介质层；所述第一介质层沿第一方向与所述衬底叠合；

5、图形结构层；所述图形结构层沿所述第一方向与所述第一介质层叠合，所述图形结构层包括mems可动结构，所述mems可动结构包括可动光波导，所述mems可动结构的通电动作方向为所述第一方向；

6、第二介质层；所述第二介质层沿所述第一方向与所述图形结构层叠合，所述第二介质层设有固定光波导；所述固定光波导位于所述可动光波导的所述第一方向上；

7、所述衬底、所述第一介质层内部和所述第二介质层内部形成层间贯通的空腔体；所述第二介质层在所述第一方向上对所述空腔体封闭；所述封闭包括由所述第二介质层自身或所述第二介质层中的耐刻蚀结构实现的封闭；

8、所述mems可动结构悬空布置在所述空腔体内。

9、进一步地，所述图形结构层还包括固定锚结构，所述固定锚结构叠合在所述第一介质层与所述第二介质层之间；

10、所述mems可动结构还包括折叠梁和可动驱动电极；所述折叠梁与所述固定锚结构连接，所述折叠梁承载所述可动驱动电极与所述可动光波导；

11、所述第二介质层内部设有固定驱动电极；所述固定驱动电极位于所述可动驱动电极的所述第一方向上；

12、所述固定驱动电极用于对所述可动驱动电极形成吸引，使得所述mems可动结构沿所述通电动作方向动作。

13、进一步地，所述第二介质层的顶面设有第一电极焊盘和第二电极焊盘；所述顶面为朝向所述第一方向的一面；

14、所述第二介质层内部设有第一导电通孔、第二导电通孔、第三导电通孔和金属互联层；

15、所述第一电极焊盘依次通过所述第三导电通孔、所述金属互联层、所述第一导电通孔与所述可动驱动电极电连接，所述第二电极焊盘通过所述第二导电通孔与所述固定驱动电极电连接。

16、进一步地，所述第二介质层的顶面覆盖第一保护层；所述顶面为朝向所述第一方向的一面；

17、所述第一保护层对应所述第一电极焊盘和所述第二电极焊盘的位置设置有导电开口。

18、进一步地，所述第二介质层的空腔顶壁覆盖第二保护层；所述空腔顶壁为所述空腔体沿所述第一方向正对的一面；所述第二保护层用于作为所述耐刻蚀结构；所述第二保护层的平面尺寸大于所述mems可动结构的平面尺寸；

19、所述第二保护层设有停止结构；所述停止结构向所述空腔体凸出。

20、进一步地，所述空腔体通过所述衬底向第二方向开放；所述第二方向为所述第一方向的反方向。

21、进一步地，所述光开关器件还包括：

22、封装保护层；所述封装保护层沿所述第二方向与所述衬底叠合。

23、另一方面，本发明还包括一种光开关阵列，所述光开关阵列包括若干个光开关器件。

24、另一方面，本发明还包括一种光芯片，所述光芯片包括若干个光开关器件或者光开关阵列。

25、另一方面，本发明还包括一种光开关器件的制造方法，所述制造方法包括：

26、提供soi晶圆；所述soi晶圆包括沿第一方向依次叠合的衬底层、埋氧层和硅器件层；

27、以所述衬底层作为衬底，以所述埋氧层作为第一介质层；

28、在所述硅器件层中通过光刻和干法刻蚀形成图形结构层；

29、所述图形结构层包括mems可动结构，所述mems可动结构包括可动光波导；

30、沿所述第一方向在所述图形结构层上形成第二介质层的下部；

31、沿所述第一方向在所述第二介质层的下部之上形成固定光波导；

32、沿所述第一方向在所述第二介质层的下部以及所述固定光波导上，形成所述第二介质层的上部；

33、对所述衬底的底面进行刻蚀，形成释放窗口；

34、沿所述第一方向从所述释放窗口开始对所述第一介质层和所述第二介质层进行刻蚀，形成空腔体，直至空腔体将所述mems可动结构容纳在内。

35、进一步地，所述mems可动结构还包括可动驱动电极，所述制造方法还包括：

36、在形成所述第二介质层的下部之后、形成所述固定光波导之前，在所述第二介质层的下部的所述第一方向上形成第二保护层；所述第二保护层的平面尺寸大于所述mems可动结构的平面尺寸；

37、在形成所述固定光波导之后、形成所述第二介质层的上部之前，在所述第二介质层的下部的所述第一方向上形成固定驱动电极，对所述第二介质层进行刻蚀和金属沉积，在所述第二介质层内部形成第一导电通孔和金属互联层。

38、进一步地，所述制造方法还包括：

39、对所述第二介质层进行刻蚀和金属沉积，在所述第二介质层内部形成第二导电通孔和第三导电通孔；所述第一导电通孔的一端与所述可动驱动电极电连接，所述第二导电通孔的一端与所述固定驱动电极电连接，所述第三导电通孔的一端与所述金属互联层连接；所述金属互联层电连接导电通孔或电极焊盘；

40、在所述第二介质层的顶面制作第一电极焊盘和第二电极焊盘；所述顶面为朝向所述第一方向的一面；所述第一电极焊盘与所述第三导电通孔的另一端连接，所述第二电极焊盘与所述第二导电通孔的另一端连接；

41、在所述第二介质层的顶面形成第一保护层；

42、在所述第一保护层的对应所述第一电极焊盘和所述第二电极焊盘的位置制作导电开口。

43、本发明的有益效果是：本发明光开关器件、阵列、光芯片及其制造方法中，光开关器件包括一个能够容纳mems可动结构从而使得mems可动结构悬空在其中的空腔体，其中空腔体在第一方向上被第二介质层封闭，这样的构造使得可动mems结构形成于第二介质层以下，因此在执行制造方法制造这样的构造时，可以对需要形成的可动mems结构以下的衬底等结构进行刻蚀，来释放可动mems结构，而无需通过在第二介质层上方形成释放开口来释放mems可动结构，可以降低对第二介质层的破坏，而且，还可以进一步设置第二保护层等结构在刻蚀过程中对第二介质层提供保护，从而使得第二介质层具有良好的连续性、完整性和平坦性，这样第二介质层可以对mems可动结构具有良好的保护作用，而且可以降低对复杂密封工艺的依赖，有利于减少工艺复杂度和制造成本，而且连续、完整和平坦的第二介质层有利于高密度金属焊盘的布置以及芯片金属互连线路的布设，降低大规模光开关器件的电互连难度，从而有利于光交换芯片向更大规模和更高集成度扩展。