專利名稱：制造一種光學(xué)裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各種光學(xué)裝置，特別是平面光學(xué)波導(dǎo)。
光纖通訊系統(tǒng)正在變得更為流行。除光纖本身之外光纖通訊系統(tǒng)使用很寬種類的用于接收、發(fā)送和利用光學(xué)信號(hào)的光學(xué)裝置。集成光學(xué)裝置的一種類型是一種在硅基片上制造的硅石光學(xué)電路。這種裝置的基本結(jié)構(gòu)在HenryC.H.等在IEEProc.-Optoelectron.Vol.143，No.5，pp.263-280(1996)上的“Silica-based optical integratedcircuits”一文中作了描述。該波導(dǎo)由三層制成這些層是一個(gè)下覆蓋層(按Henry的說(shuō)法被認(rèn)為是基層)、芯子層和上覆蓋層。下覆蓋層將基本模式和硅基片隔離開。這樣隔離能防止光學(xué)信號(hào)經(jīng)由硅石一硅(基片)界面泄漏掉。這一界面和其它波導(dǎo)界面不同，不能完全反射。上覆蓋層的折射率被選擇得接近等于基層的折射率。
下覆蓋層由未摻雜的或輕微摻雜的硅石制成。這是最堅(jiān)固的一層，它保持著附著于其上的芯子在成形后不會(huì)移動(dòng)。其它的玻璃是摻雜程度較高的二氧化硅。
提出了多種多樣的制造各種硅石-硅光學(xué)裝置的工藝方案。這樣的工藝方案一般要求基層被沉積到硅基片的表面上。當(dāng)前用于制作下覆蓋層的技術(shù)有像低壓強(qiáng)化學(xué)蒸汽沉積(LPCVD)和高壓強(qiáng)氧化(HiPOX)這樣的沉積技術(shù)。雖然這些技術(shù)能提供可以接受的下覆蓋層，但它們似乎有些慢。因而要尋求用于制作硅石-硅光學(xué)裝置的下覆蓋層的另外的技術(shù)。
本發(fā)明的目的是一種用于制造在其硅基片中制作有下覆蓋層的光學(xué)裝置的技術(shù)。該下覆蓋層制作時(shí)首先是在硅基片中形成一個(gè)多孔硅的區(qū)域。在基片中形成多孔硅區(qū)的簡(jiǎn)捷辦法是一個(gè)在該技術(shù)方面精通熟練的人所熟知的。如果用電解技術(shù)制作多孔硅，那是有利的。在電解技術(shù)中，硅在一種電解溶液中進(jìn)行陽(yáng)極化處理。這樣一種技術(shù)在Unagmi.T.等在Semiconductor Technologies，Vol.8，chap.11，pp.139-154(OHMSHAT and North Holland Publishingcompany 1983)上，在這里被包括在參考文獻(xiàn)中的“An IsolationTechnique Using Oxidized Porous Silicon”一文中進(jìn)行了敘述。
硅基片被選擇性地進(jìn)行陽(yáng)極化處理以在其中形成多孔硅區(qū)。基片在陽(yáng)極化之前通過在硅基片上形成一層遮擋層而被選擇性地陽(yáng)極化。此遮擋層之中至少有一個(gè)開口。墊在下面的硅基片表面通過這樣的開口而露到外面。
同樣該多孔硅區(qū)的孔隙度基本上也是一種設(shè)計(jì)選擇上的問題。材料的孔隙度是由基片(即硅晶片)的摻雜程度和用來(lái)形成多孔區(qū)的陽(yáng)極化條件決定的。陽(yáng)極化條件如外加電壓和相關(guān)電流密度以及HF溶液的濃度和PH值被選擇得足以獲得所希望的孔隙度。在測(cè)定孔隙度時(shí)，必須考慮由產(chǎn)生多孔硅引起的硅密度下降以及多孔硅隨后的氧化所引起的膨脹。多孔硅區(qū)域體積的膨脹或縮小得到控制，使該波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)不因多孔硅區(qū)的產(chǎn)生和該區(qū)域隨后的氧化所引起的體積變化而過分受力。
由于多孔硅在氧化前后的相對(duì)體積已知，體積的膨脹和收縮很容易控制。準(zhǔn)確地說(shuō)，多孔硅的熱氧化使其體積增大2.2倍。如果多孔硅的密度(密度是孔度的逆關(guān)系，因而密度加孔度等于1)不低于硅密度的百分之四十四就很好。如果多孔硅的密度不低于硅密度的百分之四十四，則氧化后的多孔硅的體積將不超過轉(zhuǎn)變成多孔硅的硅區(qū)的體積。也就是說(shuō)，多孔硅的體積增加(2.2)的結(jié)果使得被氧化的硅的體積大致等于硅在被轉(zhuǎn)化成為多孔硅之前的體積。在數(shù)學(xué)上，0.44(相對(duì)于硅密度的多孔硅密度)的2.2倍約為1。使陽(yáng)極化之前的硅的體積和氧化過的多孔硅的體積之間有接近相等的關(guān)系可以避免由體積膨脹和收縮所引起的受力和非平面化。
相反，如果多孔硅的密度大大低于硅密度的百分之四十四，則氧化和密實(shí)后的多孔硅區(qū)的表面將低于該基片表面的其它部分。因此，為了避免有一個(gè)大大高于或低于該基片表面的硅石區(qū)，如果該多孔硅能有硅密度的百分之四十四的密度(這相應(yīng)于百分之56的孔度)就很好了。
多孔硅區(qū)的尺寸基本上是設(shè)計(jì)選擇的問題。多孔硅區(qū)的深度和大小取決于隨后在該區(qū)形成的波導(dǎo)的大小。
在基片中形成多孔硅區(qū)之后，該區(qū)被氧化。該多孔硅在一種含氧氣的氣體中在高溫(例如850℃至1150℃)下被氧化。非多孔硅在這種條件下也會(huì)被氧化。但多孔硅的氧化速率大大高于基片中硅塊的氧化速率。硅塊被氧化的量可以忽略不計(jì)。如果有必要，被氧化的硅塊以后可以去掉。準(zhǔn)確地說(shuō)，在多孔硅區(qū)中硅骨架的尺寸約為100埃。此外，整個(gè)多孔硅區(qū)(通常為10-20微米厚)被同時(shí)暴露于氧化環(huán)境中。因而，將整個(gè)多孔硅區(qū)轉(zhuǎn)變成SiO2塊的氧化過程是在只氧化大約100埃的Si塊的各個(gè)條件(例如流速、O2氣中的H含量、爐溫、以及氧化時(shí)間)下進(jìn)行的。在晶片的非多孔區(qū)中最后得到的SiO2薄層不需對(duì)下覆蓋層進(jìn)行任何重大沖擊便可很容易地在氧化后去掉。
這時(shí)被氧化的多孔硅被變得密實(shí)而形成硅石。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，密實(shí)化牽涉到多孔硅的多孔結(jié)構(gòu)的毀壞。密實(shí)化是通過在含氧氣的氣體中對(duì)基片進(jìn)行加熱完成的。同樣，硅塊也被氧化，但和密實(shí)的速度相比氧化速度很慢。從而，硅塊只是程度很低地受到氧化，而且如有必要，被氧化的多孔硅可以很容易地去掉。
在基片上形成覆蓋層后，平面光學(xué)裝置的制造即告完成。通常用于制造平面光學(xué)裝置的技術(shù)和材料被認(rèn)為是合適的。因此在此不對(duì)在被氧化和變密實(shí)的多孔硅上用于制作平面光學(xué)裝置的制造技術(shù)作詳細(xì)討論。芯子是在被氧化和變密實(shí)的多孔硅區(qū)上形成，并被蝕刻形成圖形。然后在芯片上形成一層上覆蓋層。從這種方式制作得益的裝置的例子包括有平面波導(dǎo)、用于稠密波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)的波長(zhǎng)Add-Drop(WAD)、在鉺摻雜的光纖放大器系統(tǒng)中用于色彩補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)波長(zhǎng)補(bǔ)償器Mach-Zehnder(MZ)開關(guān)、可調(diào)諧濾波器、以及Y分路開關(guān)。
本發(fā)明相對(duì)其中下覆蓋層被沉積在基片上的工藝程序有某些優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)例子是像在同一芯片上帶有波導(dǎo)的激光器這樣的光學(xué)裝置的集成化。這種集成化要求波導(dǎo)的芯子和該光學(xué)裝置準(zhǔn)確對(duì)中。當(dāng)該波導(dǎo)芯子是被沉積在一個(gè)本身被沉積在硅基片表面的下覆蓋層上時(shí)，這種對(duì)中是困難的。如果為了獲得最佳性能而使該光學(xué)裝置必須位于硅基片表面，則這一對(duì)中問題更為嚴(yán)重。
在以往技術(shù)的工藝程序中，這一對(duì)中要求有另加的加工步驟。例如，硅基片被局部預(yù)先蝕刻到和下覆蓋層所希望的厚度相等的深度。然后將足夠多的下覆蓋層材料填充或過量地填充到蝕刻出的溝槽中。然后再將復(fù)合的薄片進(jìn)行機(jī)械拋光，以從除溝槽以外的所有區(qū)域去除覆蓋層。有選擇地遮擋和濕性蝕刻是機(jī)械拋光的一種替代辦法。芯玻璃然后僅在溝槽區(qū)的頂部被沉積和成形以將波導(dǎo)限定僅在溝槽區(qū)的頂部。這種技術(shù)能為硅基片表面提供通路。但是要為光學(xué)裝置相對(duì)于波導(dǎo)芯子的垂直對(duì)中提供一個(gè)公共基準(zhǔn)表面，則要求有許多復(fù)雜的加工步驟(例如蝕刻、沉積、拋光等)。


圖1表示的是一個(gè)其中的下覆蓋層是一個(gè)在半導(dǎo)體基片中形成的變密實(shí)的多孔硅區(qū)的光學(xué)裝置的例子。
圖2A-2C表示本發(fā)明的一個(gè)范例的過程的順序。
本發(fā)明的目的是找到一種用于在硅基片上制成以硅石為基礎(chǔ)的光學(xué)裝置的方法。有許多種以硅為基礎(chǔ)的光學(xué)裝置。這樣的裝置對(duì)于該種技術(shù)方面的一個(gè)技術(shù)熟練人員是熟知的，因此在此不作詳細(xì)敘述。為了方便，本發(fā)明的工藝過程將在關(guān)于一種簡(jiǎn)單的平面波導(dǎo)的制造的文中進(jìn)行敘述。該種技術(shù)方面的一個(gè)技術(shù)熟練人員將很易理解，此工藝過程可以用于制造在硅基片上制成并要求有下覆蓋層的整個(gè)范圍的以硅為基礎(chǔ)的光學(xué)裝置。
圖1表示平面波導(dǎo)的一般結(jié)構(gòu)。它由三層組成芯層10、上覆蓋層11和下覆蓋層12。在一個(gè)實(shí)施例中，所有三層都是硅石玻璃。芯層用磷摻雜。在另一些實(shí)施例中，芯層和上覆蓋層用塑料制成。單獨(dú)一層的厚度由設(shè)計(jì)選擇決定。用于一種特殊應(yīng)用的合適厚度很容易由一個(gè)在該技術(shù)方面熟練精通的人確定。
對(duì)本發(fā)明的該工藝過程參照?qǐng)D2A-2C作了說(shuō)明。參照?qǐng)D2A，下覆蓋層是通過在硅基片15上沉積一個(gè)材料20的帶圖形的層(即一層遮擋層)而形成的。遮擋層20確定了希望的覆蓋層區(qū)域30，這是基片15的透過遮擋層20露出來(lái)的區(qū)域。遮擋層是使用常規(guī)的平版印刷技術(shù)制成的，這種技術(shù)在此不予說(shuō)明，但是為一個(gè)在該技術(shù)方面熟練精通的人所熟知。
圖2A上描述的結(jié)構(gòu)被放置在一個(gè)陽(yáng)極化槽中?；?5受到陽(yáng)極化槽影響的部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫坠鑵^(qū)12(區(qū)域12的多孔性質(zhì)在圖中未表示出來(lái))。陽(yáng)極化沿各個(gè)方向均勻地進(jìn)行，而該基片處于遮擋層20下面的部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫坠琛亩?，多孔硅區(qū)12大于遮擋層的開口30。例如，深度15μm的多孔硅區(qū)也會(huì)向遮擋層20下面伸進(jìn)15μm。
各種各樣的遮擋層材料被認(rèn)為是合用的。合用的遮擋層材料包括光刻膠、氮化物、氧化物和碳化硅、多晶硅以及不溶于HF溶液的金屬(例如金、鉑等)。不同的遮擋材料對(duì)HF有不同的蝕刻阻力，因此應(yīng)按照希望的蝕刻時(shí)間和工藝過程的復(fù)雜程度進(jìn)行選擇。
在基片15中形成多孔硅區(qū)之后，將遮擋層20從基片15上剝離。區(qū)域12是基本上完全被氧化的(多孔硅區(qū)域12的多孔性質(zhì)在圖中未表示出來(lái))。在本發(fā)明的說(shuō)明中，基本上完全被氧化的意思是選擇條件以基本上達(dá)到多孔硅區(qū)的完全氧化。達(dá)到基本上完全被氧化的條件很容易由一個(gè)在該技術(shù)方面熟練精通的人確定。選取的條件取決于基片中該多孔硅區(qū)的尺寸。例如，通過在流動(dòng)的濕性氧氣(85℃時(shí)濕度為100％)中將多孔硅區(qū)加熱到900℃并將該多孔硅區(qū)在此條件下保持兩小時(shí)達(dá)到15μm多孔硅區(qū)的完全氧化。由于多孔硅區(qū)12的氧化速率比硅基片15的氧化速率快得如此之多，基片15不會(huì)氧化得很嚴(yán)重。在基片15被氧化的程度，這樣的被氧化的硅容易用常規(guī)技術(shù)去除?；?5表面上形成的氧化物薄層未表示在圖中。
氧化后，氧化的多孔硅區(qū)12被變密實(shí)。在變密實(shí)時(shí)，多孔硅區(qū)中的孔隙被壓塌而多孔硅區(qū)則轉(zhuǎn)化成密實(shí)的玻璃區(qū)。密實(shí)化的作用原理是粘滯流。因此，被氧化的多孔硅必須被加熱到高于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)，才能發(fā)生這種作用機(jī)制。密實(shí)化的適當(dāng)條件很容易由在該技術(shù)方面熟練精通的人確定。例如，當(dāng)氧化的多孔硅在濕性氧氣氣氛中經(jīng)受高溫(例如1150℃)約兩小時(shí)密實(shí)化即發(fā)生。由于多孔硅區(qū)12密實(shí)化的速度比硅基片15氧化的速度快許多，基片15不會(huì)氧化得太厲害。在基片15氧化的程度，這樣的被氧化的硅使用常規(guī)技術(shù)很容易去掉。
在某些實(shí)施例中，如果多孔硅在氧化和變密實(shí)之前能加以穩(wěn)定是有利的。使用能在基片15的表面上制作若干氧化物單層的條件可以獲得穩(wěn)定化。合適的條件是一個(gè)在該技術(shù)方面熟練精通的人所熟知的。將芯片在干躁含氧氣的氣體中加熱到約300℃的溫度約一小時(shí)可以使多孔硅穩(wěn)定。如果多孔硅在氧化和變密實(shí)前曾在環(huán)境溫度下在一種含氧氣的氣體中存放一段時(shí)間，則可選擇穩(wěn)定條件以防止多孔硅氧化。
參考圖1，之后使用這里沒有說(shuō)明的常規(guī)技術(shù)將芯片10制作在覆蓋區(qū)12上。然后又使用常規(guī)技術(shù)將上覆蓋層11制作在芯子10上。
例子摻雜的、阻抗為0.01Ω-cm的摻雜硅芯片被清洗并覆蓋上一層感光防護(hù)材料Shipley 1822。這種防護(hù)材料是從馬薩諸塞州Marlborough的shipley公司得到的。該感光材料層是使用標(biāo)準(zhǔn)條件制作在硅基片上的。
一個(gè)圖形被描繪到感光材料中。該圖形明確表示了多種光學(xué)裝置(即直線波導(dǎo)、耦合器和Mach-Zender裝置)的下覆蓋層。圖形中最小的尺寸約在5μm到約7μm。確定芯子使用同樣的遮擋層。由于形成多孔硅的陽(yáng)極化是一個(gè)各向同性的過程，多孔硅區(qū)伸入到了遮擋層的下面。從而，多孔硅區(qū)的尺寸比遮擋層尺寸大了些(例如多孔硅區(qū)的深度為15μm同時(shí)該多孔硅區(qū)向遮擋層下伸進(jìn)了15μm的距離)。圖形是用標(biāo)準(zhǔn)的版印技術(shù)描繪在感光的防護(hù)材料中。首先通過使該防護(hù)層對(duì)圖形輻射曝光將圖像轉(zhuǎn)移到感光材料中。然后通過去掉感光材料對(duì)輻射曝光的部分將圖像顯影成為圖形。去掉感光材料的部分因而使這些部分下面的硅基片的表面露了出來(lái)。去掉部分的圖形和遮擋圖形相對(duì)應(yīng)。
在圖形顯影之后，防護(hù)膜在150℃烘烤兩分鐘。這是為了增加該防護(hù)膜在以后加工期間的穩(wěn)定性。
帶有圖形遮擋層的基片然后受到一組對(duì)硅進(jìn)行電化學(xué)蝕刻的條件的支配。這里使用的電化學(xué)電池是一種標(biāo)準(zhǔn)雙槽電池。在Lang.w.等在Sensors and Actuators A 51，PP.31-36(1995)中就描述了這樣一種電池。在雙槽電池中，芯片被浸沒在HF溶液中，使兩側(cè)被浸沒在溶液中而芯片則在兩個(gè)“半電池”之間形成一個(gè)屏障。兩個(gè)鉑電極位于芯片兩側(cè)的每個(gè)半電池中。芯片背側(cè)的電接觸是電鍍形成的，而相應(yīng)的鉑電極為陽(yáng)極。另一個(gè)半電池中的鉑電極處于陰極電位。此二鉑電極被連接到驅(qū)動(dòng)電流流過芯片的電池。晶片的正面供作陽(yáng)極蝕刻，而在遮擋層未覆蓋的區(qū)域形成多孔硅。電解液是氫氟酸(HF)的25％重量的醋酸溶液。150mA/cm2的電流密度得到的蝕刻速度為6.5μm/min，而孔度約為55％。在5-20μm厚的多孔層形成后電流截止而基底芯片從電池中移出。將遮擋層從基片表面剝離。防護(hù)膜在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)防護(hù)膜剝離器的槽中去除。
在基片中形成多孔硅區(qū)以后，基片被加熱到300℃并在氧氣氛中保持兩小時(shí)。基片在濕性(85℃時(shí)100％濕度)氧氣(流動(dòng))中被加熱到900℃并在此保持兩小時(shí)。多孔硅被氧化，但在垂直方向沒有可以測(cè)出的膨脹，也就是說(shuō)它和基片表面仍然在同一平面內(nèi)。因?yàn)楹突钠渌砻嫦啾榷嗫坠璞砻鏇]有在高度上有增加或降低，由于多孔硅的區(qū)域的存在而使進(jìn)一步處理變得復(fù)雜。
在濕性流動(dòng)氧氣中將芯片加熱到1150℃使多孔硅變密實(shí)。芯片在此氣氛中保持兩小時(shí)。然后芯片以約每小時(shí)100℃的速率被冷卻到室溫。
然后將一個(gè)摻雜的玻璃材料層沉積到變密實(shí)的多孔硅區(qū)上。該摻雜玻璃是用磷(重量百分之七)摻雜的硅石。該摻雜玻璃材料用LPCVD進(jìn)行沉積。摻雜物在原位被引入玻璃。
光學(xué)裝置的芯層然后通過使摻雜玻璃層加上圖形而形成。一個(gè)蝕刻遮擋層形成在摻雜玻璃層上。該蝕刻遮擋層然后被加上圖形，結(jié)果該蝕刻遮擋層的剩余部分確定了被制作的光學(xué)裝置的芯層。該摻雜玻璃材料然后被使用反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)進(jìn)行蝕刻。蝕刻之后，摻雜玻璃層的剩余部分即為該光學(xué)裝置的芯層。RIE蝕刻遮擋層的剩余部分然后被去除。
在基片的另一邊形成另一層硅石玻璃。這層硅石玻璃是使用LPCVD從正硅酸四乙酯(TEOS)預(yù)報(bào)器進(jìn)行沉積。玻璃成分為硅石，用硼(百分之五重量)和磷(百分之二重量)摻雜。
對(duì)完成的裝置進(jìn)行評(píng)價(jià)，其性能合格。一個(gè)直線波導(dǎo)(長(zhǎng)6cm)的總插入損失約為1.2dB。從而，波導(dǎo)的傳輸損失約為0.2dB/cm。傳輸損失實(shí)際上更低，因?yàn)樵诳偟?.2dB中，約0.4dB到約0.5dB是波導(dǎo)和輸入與輸出光纖之間的耦合損失。因此，波導(dǎo)的傳輸損失實(shí)際上約為0.15dB/cm。
本發(fā)明通過一些專門的實(shí)施例和例子得到了說(shuō)明。這些實(shí)施例和例子是為說(shuō)明本發(fā)明而給出的，且除非根據(jù)權(quán)利要求，不會(huì)限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1．用于制造一種光學(xué)裝置的方法，包括在一個(gè)硅基片中形成一個(gè)多孔硅區(qū)；將該多孔硅區(qū)氧化；使該多孔硅區(qū)變密實(shí)；以及在變密實(shí)的多孔硅上形成一個(gè)光學(xué)裝置的活性部分
2．權(quán)利要求1的方法，其中的多孔硅區(qū)由陽(yáng)極化形成。
3．權(quán)利要求2的方法，其中的多孔硅區(qū)由陽(yáng)極化之前在該硅基片上形成的一個(gè)遮擋層所確定。
4．權(quán)利要求1的方法，其中的多孔硅的密度約為百分之四十四。
5．權(quán)利要求1的方法，其中的多孔硅區(qū)通過在一種含氧氣的氣體中將該基片加熱到約850℃到約1150℃的溫度而被氧化。
6．權(quán)利要求5的方法，其中氧化步驟的時(shí)間長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，以便能將多孔硅區(qū)基本上完全氧化。
7．權(quán)利要求1的方法，其中被氧化的多孔硅使用能將被氧化的多孔硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣枋臈l件而被變密實(shí)。
8．權(quán)利要求7的工藝過程，其中的多孔硅通過在含氧氣的氣體中將基片加熱而變密實(shí)。
9．權(quán)利要求1的工藝過程，還包括在氧化步驟之前對(duì)該多孔硅區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定。
全文摘要
用于在一種硅基片上制作一種基于硅石的光學(xué)裝置的工藝過程被公開。該裝置有一個(gè)在硅基片中形成的覆蓋層。該裝置也有一個(gè)活性區(qū),而且該活性區(qū)被形成于該覆蓋層上。該覆蓋層是通過在該硅基片中形成一個(gè)多孔硅區(qū)域而制成的。該多孔硅然后被氧化和變密實(shí)。在變密實(shí)之后,該裝置的活性層在該覆蓋層上形成。
文檔編號(hào)G02B6/13GK1298110SQ0013426
公開日2001年6月6日 申請(qǐng)日期2000年11月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月30日
發(fā)明者謝亞宏, 約瑟夫·西姆羅維奇, 阿勒克賽·格勒波夫, 阿蘭·J·布魯斯 申請(qǐng)人:朗迅科技公司