1 引言

微光電子機(jī)械系統(tǒng)（MOEMS）是一種新興技術(shù)，日前已成為全球最熱門(mén)的技術(shù)之一。MOEMS是利用光子系統(tǒng)的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），內(nèi)含微機(jī)械光調(diào)制器、微機(jī)械光學(xué)開(kāi)關(guān)、IC及其他構(gòu)件，并利用了MEMS技術(shù)的小型化、多重性、微電子性，實(shí)現(xiàn)了光器件與電器件的無(wú)縫集成。簡(jiǎn)單地說(shuō)，MOEMS就是對(duì)系統(tǒng)級(jí)芯片的進(jìn)一步集成。與大規(guī)模光機(jī)械器件相比，MOEMS器件更小、更輕、更快速（有更高的諧振頻率），并可采用批量制作技術(shù)。與波導(dǎo)方式相比，這種自由空間方式優(yōu)點(diǎn)是具有較低的耦合損耗和較小的串話。光子學(xué)和信息技術(shù)的變革直接促進(jìn)了MOEMS的發(fā)展，圖1示出了微電子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、光電子學(xué)、纖維光學(xué)、MEMS與MOEMS的關(guān)系。如今信息技術(shù)迅速發(fā)展、不斷更新，到2010年光開(kāi)天速度可達(dá)Tb／s。日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)率和更高性能的新一代設(shè)備需求，驅(qū)動(dòng)了對(duì)MOEMS和光互連的需求，使MOEMS器件在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增長(zhǎng)。

2 MOEMS器件與技術(shù)

MOEMS器件按其物理工作原理分為干涉、衍射、透射、反射型（見(jiàn)表1），大多數(shù)采用反射型器件。MOEMS在過(guò)去幾年中已獲得顯著發(fā)展。最近幾年，由于對(duì)高速率通信和數(shù)據(jù)傳輸需求的增長(zhǎng)，大大激發(fā)了對(duì)MOEMS技術(shù)及其器件的研發(fā)。已開(kāi)發(fā)出所需的低損耗、低EMV敏感性、低串話的高數(shù)據(jù)率反射光型MOEMS器件。

如今，除了諸如可變光衰減器（VOA）之類的簡(jiǎn)單器件之外，采用MOEMS技術(shù)也可制作可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、光調(diào)制器、可調(diào)波長(zhǎng)選擇光探測(cè)器等光有源器件和濾波器、光開(kāi)關(guān)、可編程波長(zhǎng)光插／分復(fù)用器（OADM）等光無(wú)源器件及大規(guī)模光交叉連接（OXC）。

在信息技術(shù)中，光學(xué)運(yùn)用的關(guān)鍵之一是商品化的光源，除單片光源（如熱輻射源、LED、LD、VCSEL）之外，特別受到關(guān)注的是具有活動(dòng)器件的MOEMS光源。例如，在可調(diào)諧VCSEL中，通過(guò)微機(jī)械改變諧振器的長(zhǎng)度即可改變其發(fā)射波長(zhǎng)，由此實(shí)現(xiàn)了高性能WDM技術(shù)。目前，已開(kāi)發(fā)了支撐懸臂調(diào)諧方式和具有支撐臂的活動(dòng)結(jié)構(gòu)。

還開(kāi)發(fā)出具有可移動(dòng)反射鏡和反射鏡陣列的MOEMS光開(kāi)關(guān)，用于組裝OXC、并聯(lián)和開(kāi)／關(guān)（On／Off）開(kāi)關(guān)陣列。圖2示出了自由空間MOEMS纖維光學(xué)開(kāi)關(guān)，它具有一對(duì)用于光纖橫向移動(dòng)的U形懸臂式致動(dòng)器。與傳統(tǒng)的波導(dǎo)開(kāi)關(guān)相比，其優(yōu)點(diǎn)是耦合損耗較低、串話較小。

具有寬范圍連續(xù)可調(diào)的光濾波器是可變DWDM網(wǎng)絡(luò)中非常重要的器件，已開(kāi)發(fā)了采用各種材料系統(tǒng)的MOEMS F_P濾波器。由于可調(diào)膜片和有效光腔長(zhǎng)度的機(jī)械靈活性限制，這些器件的波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍僅為70nm。日本OpNext公司開(kāi)發(fā)了具有創(chuàng)紀(jì)錄可調(diào)諧寬度的MOEMS F_P濾波器。該濾波器基于多個(gè)InP／空氣隙MOEMS技術(shù)，垂直結(jié)構(gòu)由6層懸浮的InP膜片構(gòu)成，薄膜為圓形結(jié)構(gòu)，并由三個(gè)或四個(gè)懸浮架支撐，并分別與三個(gè)或四個(gè)矩形支撐臺(tái)連接。其連續(xù)可調(diào)諧F_P濾波器阻帶極寬，覆蓋了第二和第三個(gè)光通信窗口（1 250～l 800nm），其波長(zhǎng)調(diào)諧寬度大于ll2nm，致動(dòng)電壓低至5V。

3 MOEMS設(shè)計(jì)與制作技術(shù)

大多數(shù)MOEMS制作技術(shù)是直接由IC工業(yè)及其制造標(biāo)準(zhǔn)演化而來(lái)。因此，在MOEMS中采用體和表面微機(jī)械加工及高產(chǎn)量的微機(jī)械加工（HARM）技術(shù)。但有管芯尺寸、材料均勻性、三維技術(shù)、表面構(gòu)形和最后加工、不平度和溫度敏感性等其他挑戰(zhàn)。

一般廣泛采用光刻技術(shù)制作結(jié)構(gòu)圖形。此外，無(wú)掩膜光刻技術(shù)也可用于制作常規(guī)圖形。如用于聚合物一類光敏材料的表面。為了獲得低折射率表面，也可制作二維圖形，該表面可取代傳統(tǒng)的多層抗反射涂層，并可用于MOEMS以改善其性能。所采用的材料及其淀積技術(shù)類似于標(biāo)準(zhǔn)的IC工藝，如Si熱氧化、LPCVD、PECVD、濺射、電鍍等，也可采用不同類型的濕法腐蝕和干法腐蝕技術(shù)。例如，通過(guò)濕法各向異性腐蝕可很精確地制作SiV形槽，并廣泛用于光纖與光電器件的對(duì)準(zhǔn)與封裝。通過(guò)濕法反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）和表面微機(jī)械加工可制作微反射鏡。采用精珩磨技術(shù)也可獲得具有大縱模比的非平面結(jié)構(gòu)。

目前，采用最多的方法是帶有芯片焊凸的微機(jī)械硅晶片平面技術(shù)，它使標(biāo)準(zhǔn)和低成本IC組裝的方法成為可能。為保護(hù)芯片，可通過(guò)凝膠涂層封閉晶片平面，并可采用凹槽同流焊方法（IRS）作為改進(jìn)晶片級(jí)封裝的方法。一些新型MOEMS產(chǎn)品對(duì)溫度特別敏感，帶引線的器件一般采用手工焊接，而表面貼裝器件則采用激光焊接。

在MOEMS中已采用模擬反饋環(huán)路（FEA）、工藝最佳化和二次設(shè)計(jì)等成功的技術(shù)。除機(jī)械、熱、電模擬之外，還引入了光模擬（BPM）和性能鑒定。此外，由于光對(duì)準(zhǔn)要求高，為了實(shí)現(xiàn)完整的光器件封裝和互連要求，在設(shè)計(jì)模擬中已引入了封裝技術(shù)。圖3示出MOEMS設(shè)計(jì)模擬和技術(shù)工藝程序。

4 MOEMS封裝技術(shù)

除了研發(fā)實(shí)用的MOEMS器件之外，目前主要挑戰(zhàn)是在專用管殼中組裝和封裝可靠的器件。雖然已開(kāi)發(fā)了許多器件，但在市場(chǎng)中能可靠工作的器件很少。原因之一是封裝困難和難以實(shí)現(xiàn)可靠的低成本光鏈路。特別是隨著MOEMS器件進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，主要問(wèn)題是光對(duì)準(zhǔn)與封裝。此外，MOEMS器件的實(shí)際損耗也取決于封裝技術(shù)。

與標(biāo)準(zhǔn)封裝方式不同的是MOEMS組件和封裝為特殊應(yīng)用，由于每個(gè)MOEMS器件是非標(biāo)準(zhǔn)研制，并且不同的應(yīng)用其封裝要求也不同，因此MOEMS制作技術(shù)主要是封裝技術(shù)，其封裝成本在MOEMS中占最大比例，為系統(tǒng)總成本的75％～95％。所以也有開(kāi)發(fā)者稱：封裝是工藝而不是科學(xué)。

一般將MOEMS封裝分為芯片級(jí)、器件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)三級(jí)。其中芯片級(jí)封裝包括芯片鈍化、隔離和焊接，提供電源通路、信號(hào)轉(zhuǎn)換和互連引線，并對(duì)傳感元件和執(zhí)行元件進(jìn)行鈍化保護(hù)和隔離等；器件級(jí)封裝包括信號(hào)測(cè)量和變換、引線鍵合及元件焊接；系統(tǒng)級(jí)封裝包括封裝沒(méi)汁、制作、組裝和測(cè)試。圖4示出了采用玻璃光纖和球透鏡的2×2光開(kāi)關(guān)的封裝。這種高性能、低成木、可批量生產(chǎn)的MOEMS光開(kāi)關(guān)可滿足全光網(wǎng)絡(luò)對(duì)器件的要求。

4.1 MOEMS封裝要求

MOEMS封裝要求是：抗機(jī)械和熱沖擊、抗振動(dòng)和抗化學(xué)性及長(zhǎng)壽命。包括晶片和晶片粘附厚度、晶片切割、管芯固定芯片貼裝工藝、熱控制、應(yīng)力隔離、氣密封裝、檢驗(yàn)和調(diào)整。

晶片和晶片粘附厚度：該晶片粘附一般相當(dāng)厚（1mm以上），但如今標(biāo)準(zhǔn)IC的封裝市場(chǎng)正朝多維發(fā)展，這對(duì)封裝技術(shù)提出了重大挑戰(zhàn)，因?yàn)椴荒懿捎媚承﹤鹘y(tǒng)的組裝設(shè)備，也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的工具。

晶片切割：晶片切割工藝是最大的問(wèn)題。采用粘膠載帶手工操作，水流和振動(dòng)可破壞微小的表面微機(jī)械結(jié)構(gòu)。另外，在犧牲層腐蝕之前進(jìn)行切割則增加了成本。由于MOEMS第一級(jí)封裝不必與周?chē)h(huán)境接觸，可解決這個(gè)問(wèn)題．

熱控制：由于熱波動(dòng)可引起性能不穩(wěn)定，并且CTE不同的材料可導(dǎo)致光不同軸，因此要求在芯片和管殼中進(jìn)行熱控制。可采用熱調(diào)節(jié)器一類的散熱器進(jìn)行制冷，以保持恒溫。芯片貼裝是采用焊料或具有高熱導(dǎo)率的填充環(huán)氧樹(shù)脂的銀材料。

應(yīng)力隔離：MOEMS器件中機(jī)械或熱產(chǎn)生的應(yīng)力與其工作原理有關(guān)。一股認(rèn)為功能問(wèn)題和失配損耗產(chǎn)生的應(yīng)力問(wèn)題可減少可靠性和性能，常常由連接硅芯片與管殼的粘接劑或環(huán)氧樹(shù)脂的緩慢收縮引起。

氣密封裝：常采用氣密封裝，以增加器件的長(zhǎng)期可靠性。一般抽真空或充入惰性氣體，以防潮氣、水汽和污染進(jìn)入管殼內(nèi)或侵蝕環(huán)境。必須采用金屬、陶瓷、硅或毫米厚的玻璃制作氣密管殼，在電和光互連時(shí)要確保氣密封接。

檢測(cè)、調(diào)節(jié)：由于制造工藝中有小的偏差，MOEMS器件必須檢測(cè)，以滿足所需的技術(shù)指標(biāo)。一是采用激光微調(diào)電阻器或激光燒蝕的方法，二是采用電子補(bǔ)償方法。

4.2 MOEMS封裝技術(shù)

MOEMS封裝技術(shù)可分為管芯固定、外殼、布線和光互連幾個(gè)主要方面。在MOEMS中，商用器件需要實(shí)用的MOEMS混合的可靠和安全屏蔽的封裝。由于光學(xué)具有非接觸、非插入性，所以MOEMS器件的封裝比MEMS器件的封裝要容易得多，并可利用MEMS設(shè)計(jì)，但需要極好和可靠的光對(duì)準(zhǔn)。

光對(duì)準(zhǔn)：為了獲得可靠和低損耗的系統(tǒng)。在MOEMS中光器件的對(duì)準(zhǔn)是最重要的。目前MOEMS有無(wú)源對(duì)準(zhǔn)和有源對(duì)準(zhǔn)兩種方法。無(wú)源對(duì)準(zhǔn)通常是在制作工藝期間一次實(shí)現(xiàn)，制作誤差或溫度變化都可降低對(duì)準(zhǔn)的精確性，這些誤差可用有源對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。有源對(duì)準(zhǔn)較復(fù)雜，但有源對(duì)準(zhǔn)有助于減少系統(tǒng)公差，并可獲得光器件的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)。多模應(yīng)用的光對(duì)準(zhǔn)可采用無(wú)源的像Si V形槽一類的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。組裝MOEMS模塊的一個(gè)成熟的方法是采用基于Si光臺(tái)階／Si微機(jī)械技術(shù)的無(wú)源對(duì)準(zhǔn)光子系統(tǒng)組裝。它也可用于單模光纖與混合集成的光元件或電元件的無(wú)源對(duì)準(zhǔn)，主要取決于V形槽的精度。這種封裝技術(shù)已發(fā)展到晶片級(jí)的自對(duì)準(zhǔn)Si基板。為防止光纖移動(dòng)，采用InP波導(dǎo)來(lái)替代光纖的手工操作。由于MOEMS技術(shù)本身的精度不夠，對(duì)大多數(shù)像OXC一類的單模器件，還必須采用有源對(duì)準(zhǔn)。

在自由空間光互連和光存儲(chǔ)領(lǐng)域中，有特殊要求的集成微光子系統(tǒng)是模擬和標(biāo)準(zhǔn)化的。為達(dá)到對(duì)準(zhǔn)要求，定位的自由度必須減至最少，已開(kāi)發(fā)了具有定位裝置的預(yù)制模塊。為了可自由地組合不同的標(biāo)準(zhǔn)部件，關(guān)鍵是需要建立機(jī)械和光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。典型的自組裝式MOEMS光開(kāi)關(guān)已向高度集成化方向前進(jìn)了一大步。

外殼：MOEMS的幾何接口要求與平面集成類似。在平面自由空間集成中，由于在襯底內(nèi)以一個(gè)偏離軸心的角度進(jìn)行光傳播，并且所有的光功能在襯底的表面完成。因此其接口也位于襯底的表面。所以不能采用諸如傳統(tǒng)的IC管殼進(jìn)行封裝。一般將芯片置于密閉的外殼內(nèi)，以防止敏感的光學(xué)器件受到外界光線影響，但必須留出一條光通道，需要在外殼內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)光的蓋板或窗口。如今MOEMS已有許多商用化的封裝技術(shù)，廣為采用的封裝方法有陶瓷、塑料和金屬三種普通類型。由于陶瓷安全可靠、穩(wěn)定、堅(jiān)固、不會(huì)彎曲變形，MOEMS大多采用陶瓷空腔外殼。陶瓷外殼常由一個(gè)基座或通過(guò)粘接劑或焊料連接一個(gè)或多個(gè)管芯的管座構(gòu)成，蓋板為透明玻璃。以確保良好的密封性能。例如，采用snap技術(shù)的LCC snap陣列陶瓷空腔外殼比有引線的管殼小、成本低，導(dǎo)線壓焊和倒焊適應(yīng)于電互連。

布線和電互連：所有MOEMS封裝必須提供光和電的互連。金屬線焊接是電連接管芯和管殼的傳統(tǒng)技術(shù)。采用倒裝片（FC）技術(shù)可在整個(gè)芯片區(qū)布置焊料球，可提供較高密度的I／O連接。但由于熔化焊料的加熱工藝可使芯片受到損傷并產(chǎn)生不同軸的現(xiàn)象，所以不能用于光機(jī)械組裝。一個(gè)有效的解決方法是確定從MOEMS表面到管殼外表面的電接觸通道（包括通過(guò)襯底的導(dǎo)電性），通過(guò)深RIE腐蝕技術(shù)制作這些通道的通孔，并涂覆隔離層和導(dǎo)電層。

此外，電路、金屬布線常規(guī)工藝與Si MOEMS制作中的各向異性深腐蝕工藝之間有不相容性。在制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)的Si各向異性深腐蝕過(guò)程中，已制作完成的電路和金屬布線易受到腐蝕而被損壞。一般解決方法有：用Au作電路和布線的保護(hù)膜；對(duì)電極引線孔進(jìn)行濃擴(kuò)散后，在玻璃蓋上蒸發(fā)Al作為引線焊點(diǎn)，再將其壓合到一起。但這兩種方法都增大了工藝難度，并限制了Si MOEMS的集成化和微型化。為此又開(kāi)發(fā)了采用SiO2／Cr作保護(hù)膜的方法，其工藝簡(jiǎn)單、成本低，并實(shí)現(xiàn)了工藝之間的兼容性。 光互連：MOEMS器件光互連的關(guān)鍵是減小對(duì)準(zhǔn)損耗。在精確的V槽中用穩(wěn)定性很好的粘接劑固定玻璃光纖，并需通過(guò)無(wú)源或有源調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)準(zhǔn)管芯。

除了進(jìn)行MOEMS器件的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)外，還應(yīng)重視MOEMS在PCB上的裝配技術(shù)。在光電子學(xué)和MOEMS的光互連中，對(duì)背板和印制板（PCB）的關(guān)注正在增長(zhǎng)。但PCB在裝配方面還無(wú)章可循。基本原則是將器件、封裝和裝配作為一個(gè)相互影響相互作用的系統(tǒng)。目前正在研究MOEMS對(duì)PCB裝配的影響，并需要開(kāi)發(fā)PCB裝配工藝及標(biāo)準(zhǔn)。

一個(gè)好的解決方法是采用聚合物波導(dǎo)電光電路板，即將PCB載體與光結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。對(duì)于光鏈路，選擇帶有熱凸臺(tái)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一個(gè)附加光層。該附加光層包括下包層、芯層、上包層，并通過(guò)PCB制作工藝的標(biāo)準(zhǔn)壓層技術(shù)制作成一個(gè)薄片，最終成為電光電路板（EOCB）。圖5示出該EOCB的裝配，它包括電／光載體、光電器件和驅(qū)動(dòng)器。如VCSEL和PIN光電器件可直接與波導(dǎo)耦合。該光層放進(jìn)平板管殼的中間，以便在焊接期間保護(hù)具有高熱負(fù)載的光結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)壓層制作EOCB。

通過(guò)直接對(duì)接耦合，可實(shí)現(xiàn)光電器件與波導(dǎo)之間的耦合。其連接過(guò)程也解決了薄層內(nèi)光電器件與光多模結(jié)構(gòu)的精確對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，并使器件與波導(dǎo)軸之間的軸偏移最小化。此外，由于減小了光束變寬的效應(yīng)，通過(guò)直接對(duì)接耦合也限制了相鄰信道之間的串話。在圖6中示出了整個(gè)用于EOCB的對(duì)接耦合的光電器件裝置。目前，已開(kāi)發(fā)了具有光發(fā)射器、驅(qū)動(dòng)器和插件的EOCB測(cè)試插件板系統(tǒng)。

4.3 具有發(fā)展前景的HDI MCM封裝工藝

此外，適合于MEMS的HDI MCM封裝工藝是一個(gè)很有希望的方法。這也是將MEMS技術(shù)引進(jìn)光電一多芯片組件（OE-MCM）中的新應(yīng)用。由于在公共襯底中HDI MCM封裝工藝有支持多種類型管芯的能力，很適合用于MOEMS封裝。HDIMCM為MOEMS的集成和封裝提供了靈活性，所以無(wú)需改變MEMS或電子學(xué)制作工藝。在采用標(biāo)準(zhǔn)化HDI工藝完成封裝MOEMS芯片所需的窗口之后，可采用大面積激光切開(kāi)技術(shù)切開(kāi)要接入MOEMS的芯片。打開(kāi)可物理接入MEMS管芯所必須的窗口。但MCM或平板級(jí)的缺點(diǎn)之一是在光纖中不能實(shí)現(xiàn)無(wú)源光結(jié)構(gòu)（諸如分束器或合束器一類），只能采用拼接方式。因此，MOEMS不能用標(biāo)準(zhǔn)的SMD工藝組裝，必須采用增加成本的其他方法。

5 發(fā)展前景

MOEMS是一種新興技術(shù)，它為電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用提供了重量很輕、小型化和低成本的光器件，實(shí)現(xiàn)了具有微光元件單片集成的可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，已成為21世紀(jì)電子領(lǐng)域的代表性技術(shù)之一。

MOEMS正受到研究單位和工業(yè)界的極大關(guān)注。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、科羅拉多大學(xué)及其他一些研究機(jī)構(gòu)都相繼開(kāi)發(fā)出頗有價(jià)值的MOEMS器件，并在國(guó)際上掀起了開(kāi)發(fā)MOEMS光開(kāi)關(guān)等光電器件的熱潮。目前MOEMS已開(kāi)始商用化。例如商品化的MOEMS光學(xué)系統(tǒng)已用于最先進(jìn)的數(shù)字投影儀，并開(kāi)始在數(shù)字影院試運(yùn)行。

MOEMS市場(chǎng)前景看好。據(jù)稱在2003年進(jìn)入市場(chǎng)的光開(kāi)關(guān)價(jià)值達(dá)4.4～l0億美元，在2003年，MOEMS的市場(chǎng)份額為MEMS總市場(chǎng)的8％。表2為MOEMS應(yīng)用市場(chǎng)的類型和份額。

MOEMS作為一種新型封裝器件，其組件和封裝為特殊應(yīng)用，所以與標(biāo)準(zhǔn)的微電子方法不同。在MOEMS中其封裝成本所占比例最大。MOEMS封裝不僅要確保產(chǎn)品的預(yù)期性能，而且要使器件性能可靠，并具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。MOEMS要在這一新興技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地，將面臨產(chǎn)品制造的可重復(fù)性、封裝和工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化、核心器件的可靠性和壽命等一系列課題。即不僅要開(kāi)發(fā)器件技術(shù)，也要開(kāi)發(fā)封裝技術(shù)。雖然MOEMS的封裝難度較大，但發(fā)展速度很快，如今已有許多商用化的封裝技術(shù)。這意味著并不缺少解決辦法，而缺少如何將它運(yùn)用到MOEMS生產(chǎn)中，MOEMS及其器件技術(shù)在未來(lái)的信息技術(shù)和光電子學(xué)領(lǐng)域的前途一片光明。