專利名稱：在熱膨脹率匹配的透明襯底上具有加熱體的可調(diào)諧光學(xué)濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及熱可調(diào)諧器件比如熱光可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。
背景技術(shù)：
有一類基于熱光可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器的器件。這些器件由非晶半導(dǎo)體材料制成，采用以前被看成為非晶硅不期望的特性，即，它的大熱光系數(shù)。這些器件的性能基于試圖最大化薄膜干涉結(jié)構(gòu)中熱光可調(diào)諧性，而不是試圖最小化它，后者常常是傳統(tǒng)的固定濾波器的目標(biāo)。這些器件的特征在于通帶的中心處于由器件的溫度控制的波長(zhǎng)。換言之，通過(guò)變化器件的溫度可以在波長(zhǎng)范圍內(nèi)往復(fù)的移動(dòng)通帶位置并由此控制允許穿過(guò)器件(或者被器件反射的)光的波長(zhǎng)。
用于熱光可調(diào)諧薄膜濾波器的基本結(jié)構(gòu)是單腔法布里-珀羅(Fabry-Perot)型濾波器10，如圖1a中所示。法布里-珀羅腔(Fabry-Perot cavity)包括一對(duì)由隔離物16分開(kāi)的薄膜多層干涉鏡14a和14b。薄膜鏡由交替的高和低折射率的四分之一波長(zhǎng)對(duì)組成。用于層的兩種材料是Si:H(n＝3.67)和非化學(xué)計(jì)量(non-stoichiometric)的SiNx(n＝1.77)。此外隔離物(″腔″)還用非晶硅制成。為了產(chǎn)生更復(fù)雜的通帶特性或者更好地限定的通帶，可以串聯(lián)多個(gè)腔形成多腔的結(jié)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)控制器件溫度，至少一些實(shí)施例包括集成在多層結(jié)構(gòu)中的ZnO或者多晶硅加熱體薄膜12。在所考慮的波長(zhǎng)(例如1550nm)下，加熱體薄膜是導(dǎo)電的和光學(xué)上透明的。因此，通過(guò)控制通過(guò)薄膜的電流，可以控制濾波器的溫度。
圖1b說(shuō)明了可由這種熱光可調(diào)諧光學(xué)濾波器實(shí)現(xiàn)的熱調(diào)諧。該配置使用具有介質(zhì)反射鏡(用離子輔助濺射法沉積五氧化二鉭高反射率層和二氧化硅低反射率層，R＝98.5％鏡面反射率)的非晶硅隔離物。在加熱室從25C到229C加熱那種結(jié)構(gòu)。調(diào)諧是大約15nm或者dλ/dT＝0.08nm/K。

發(fā)明內(nèi)容
通常，一方面，本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，其包括玻璃襯底、粘合到玻璃襯底的晶體硅層；以及在晶體硅層的頂部制造的熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。
其他實(shí)施例包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。光學(xué)濾波器設(shè)計(jì)成能在波長(zhǎng)λ的光信號(hào)上工作并且其中玻璃襯底對(duì)波長(zhǎng)λ的光透明。熱可調(diào)諧光學(xué)濾波器是熱光可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。光學(xué)器件還包括在晶體硅層上并且圍繞在光學(xué)濾波器周圍的加熱元件?；蛘撸鈱W(xué)器件包括在晶體硅層上形成的電觸點(diǎn)，用于給硅層提供電流以便使用硅層作為加熱體。晶體硅加熱體層是摻雜晶體硅層。玻璃襯底由派熱克斯玻璃(Pyrex)或者硼硅玻璃制成。玻璃襯底的特點(diǎn)在于CTE(熱膨脹系數(shù))與光學(xué)濾波器的CTE相配。薄膜光學(xué)濾波器包括一個(gè)或多個(gè)包括例如非晶硅的非晶形半導(dǎo)體的層。薄膜光學(xué)濾波器包括多個(gè)薄膜干涉層。多個(gè)薄膜層的至少一些層由非晶硅制成。光學(xué)濾波器設(shè)計(jì)成能在波長(zhǎng)λ的光信號(hào)上工作并且其中多個(gè)薄膜層中的每一層具有大致為λ/4的整數(shù)倍的厚度。薄膜光學(xué)濾波器包括大量多個(gè)Fabry-Perot腔的堆。
通常，另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種制造光學(xué)器件的方法。該方法包括給粘合到玻璃襯底的晶體硅層提供玻璃襯底；以及在晶體硅層的頂部制造熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。
其他實(shí)施例包括一個(gè)或多個(gè)以下特征。硅層是摻雜硅層并且該方法還包括在硅層上制造電觸點(diǎn)，用于給摻雜硅層提供電流。該方法還包括在制造光學(xué)濾波器之前，構(gòu)圖硅層來(lái)形成硅島，在該硅島上制造光學(xué)濾波器。晶體硅層陽(yáng)極地(anodically)粘合到玻璃襯底。在晶體硅層的頂部制造熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器包括制造熱光可調(diào)諧薄膜、光學(xué)濾波器。
按照附圖和下面的描述闡明本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。從說(shuō)明書(shū)和附圖中和從權(quán)利要求中本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)是清楚的。


圖1a示出了熱光可調(diào)諧薄膜濾波器的基本器件結(jié)構(gòu)。
圖1b呈現(xiàn)了說(shuō)明具有熱光隔離物和介質(zhì)反射鏡的濾波器調(diào)諧范圍的濾波器傳輸特性的多個(gè)曲線。
圖2a-e說(shuō)明了通過(guò)摻雜晶體硅抵抗層實(shí)現(xiàn)的薄膜加熱體上的集成熱光地濾波器的制造。
應(yīng)該理解為附圖是便于說(shuō)明。描述的結(jié)構(gòu)沒(méi)有按比例畫(huà)出，相對(duì)尺寸也不是精確的。
具體實(shí)施例方式
通常，在摻雜的單晶硅薄片電阻加熱體的上面直接沉積熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器，襯底又支撐所述加熱體，襯底對(duì)于光學(xué)濾波器要在其上工作的波長(zhǎng)透明。襯底的熱膨脹率(CTE)比過(guò)去已經(jīng)使用的熔凝石英硅石更接近地與光學(xué)濾波器的CTE相匹配，因此當(dāng)暴露于制造或者調(diào)諧所需的大的溫度擺幅時(shí)允許整個(gè)結(jié)構(gòu)膨脹和收縮而不受到過(guò)分的應(yīng)力或者導(dǎo)致?lián)p壞。如下是用于制造這種結(jié)構(gòu)的方法。
參考圖2a-e，工藝過(guò)程以具有期望厚度的器件層402的SOI晶片400開(kāi)始。器件層402由高質(zhì)量單晶硅材料制成并且粘合到在操作層408上形成的氧化層(BOX層)406。因?yàn)槠骷?02會(huì)變成層的堆的一部分，所述層構(gòu)成后來(lái)在硅層上沉積的濾光器，所述器件層402的厚度需要精密的控制以便它大致等于四分之一波長(zhǎng)的某個(gè)整數(shù)倍。
為了獲得這種等級(jí)的厚度控制，使用″精密的切割(smart cut)″工藝制造SOI晶片?！寰艿那懈睢骞に囀褂脙蓚€(gè)磨光的Si晶片，晶片A和晶片B，并且如下工作。在晶片A上熱地生長(zhǎng)氧化物，之后氫注入通過(guò)氧化層并且注入到下面的硅到預(yù)定深度。然后在施加壓力和大約400-600℃的溫度下晶片A親水地粘合到晶片B。在隨后的熱處理期間，氫離子注入用作原子解剖刀，使得能夠從晶片A(即，施主晶片)切割(厚度d的)晶體薄膜薄片并且轉(zhuǎn)移到晶片B(即，接收晶片)的上面。在大約1100℃下經(jīng)過(guò)第二、后續(xù)的退火加強(qiáng)了硅薄片和氧化層之間的粘合。在產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)中，薄的晶體Si膜(通常被稱為是″器件″層)粘合到目前堅(jiān)固地粘合到晶片B的氧化膜(也被稱為是″操作″層)。器件層通常具有高精度(大約±30-40nm)的300-500nm的厚度。然后進(jìn)行暴露的Si膜表面的最后的拋光以確保非常光滑的表面。
用這種工藝制造的晶片商業(yè)上可以從法國(guó)Bernin的S.O.I.TECSilicon on Insulator Technologies(Soitec)獲得。
隨著獲得了SOI晶片，然后通過(guò)利用若干不同的可用工藝中任何工藝用適當(dāng)?shù)膿诫s劑(例如硼或者磷)摻雜器件層402。在所述的實(shí)施例中，需要在一定密度下用摻雜劑404進(jìn)行離子注入來(lái)獲得期望的電導(dǎo)率。然后利用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理，通過(guò)高溫退火激活注入的摻雜劑。退火用來(lái)確保在整個(gè)器件層402的厚度的恒定的摻雜密度，以便通過(guò)該層的″背面″可以建立到該層的有效的電接觸，這在下面描述。
SOI晶片400的器件層402被摻雜之后，它陽(yáng)極地粘合到適當(dāng)?shù)牟Ａбr底410，如圖2b中描述的一樣。玻璃襯底由其CTE與濾波器堆的CTE更匹配的材料(例如來(lái)自Corning的某些硼硅玻璃，PyrexTM和Eagle2000TM)制成。在CTE匹配的襯底附著于器件層402之后，通過(guò)用適當(dāng)?shù)脑噭?，例如KOH溶液，蝕刻或者通過(guò)機(jī)械研磨(lapping)之后結(jié)合蝕刻，來(lái)除去SOI晶片400的操作層408。注意，如較早描述的，用BOX層406氧化層自動(dòng)地停止蝕刻，所述BOX層406氧化層把器件層402和操作層408分開(kāi)。這產(chǎn)生圖2c中示出的結(jié)構(gòu)。
已經(jīng)完全除去操作層408之后，還通過(guò)將晶片浸入比如緩沖的HF溶液的適當(dāng)?shù)脑噭?，除去BOX層402。如圖2d所示，這完全地暴露晶體硅層402。然后光刻地構(gòu)圖暴露的硅器件層以在襯底410的上面形成摻雜硅的隔離區(qū)域并且在硅區(qū)域的上面制造光學(xué)元件(例如可調(diào)諧光學(xué)濾波器堆)420。這是通過(guò)在晶片的整個(gè)表面上沉積濾波器堆然后光刻地構(gòu)圖沉積的材料來(lái)在硅區(qū)域的頂部產(chǎn)生獨(dú)立的隔離濾波器元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其次，在摻雜硅區(qū)域的頂部制造沿著相關(guān)聯(lián)的接觸墊424的電金屬跡線422來(lái)提供到那個(gè)材料的電連接，以便可以通過(guò)使電流流過(guò)它來(lái)加熱它。
以前，在由熔凝石英襯底支持的多晶硅膜上沉積熱光可調(diào)諧濾波器。摻雜的多晶硅膜用做加熱體來(lái)控制熱可調(diào)諧濾波器的溫度。
雖然這些器件正常工作，但是它們出現(xiàn)以下問(wèn)題。第一，在濾波器-膜/多晶硅結(jié)構(gòu)和下面的熔凝石英襯底之間存在大的CTE不匹配。當(dāng)通過(guò)利用高驅(qū)動(dòng)電流激發(fā)加熱體而驅(qū)動(dòng)器件到大的溫度極限時(shí)或者在制造過(guò)程本身期間，這種不匹配導(dǎo)致高應(yīng)力，這引起破裂并且把濾波器-膜/多晶硅結(jié)構(gòu)分層。第二，在器件操作期間摻雜的多晶硅膜的電阻逐漸地增加。認(rèn)為這種效應(yīng)是由摻雜劑擴(kuò)散到多晶硅薄膜中的晶粒邊界(grain boundary)造成的，在所述邊界，它們被捕獲并被電去活。第三，由于多晶硅膜的晶體顆粒結(jié)構(gòu)，它通常是顯微鏡下粗糙的，因此當(dāng)光穿過(guò)濾波器-膜/多晶硅結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生散射。這種散射引起插入損耗增大和濾波器線寬增大。
在這里描述的CTE匹配的結(jié)構(gòu)把兩個(gè)基本變化引入到以前的設(shè)計(jì)中以解決這些問(wèn)題。第一，它用單晶硅加熱體替換多晶硅加熱體。如上所述，益處包括在時(shí)間上穩(wěn)定的加熱體電阻和減少的光散射，這又帶來(lái)較低的插入損耗和較窄的濾波器尖峰。第二，它用CTE匹配的襯底替換熔凝硅石襯底。使用這種襯底減少了膜中的應(yīng)力，允許生長(zhǎng)更厚的、更復(fù)雜的膜堆并允許利用大的調(diào)諧范圍。此外，單晶硅加熱體具有光滑的表面并且沒(méi)有顆粒邊界，因此減少濾波器的插入損耗和增加相鄰信道抑制，這在制造多端口器件和具有更緊密信道間隔的器件方面是關(guān)鍵的。
此外，熱光可調(diào)諧薄膜濾波結(jié)構(gòu)包括非晶硅膜。希望在器件壽命期間保持這種膜在非晶形狀態(tài)下以便對(duì)于它的折射率，導(dǎo)熱率保持很高?？墒?，由于施加到濾波結(jié)構(gòu)的高溫，在器件工作期間這些膜可能經(jīng)歷慢的微結(jié)晶，因此限制了器件壽命。還知道，機(jī)械應(yīng)力的存在加快了非晶硅膜的微結(jié)晶。因此，消除膜結(jié)構(gòu)和襯底之間的CTE不匹配明顯減少了施加到膜結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力，由此也抑制了微結(jié)晶，并且改善了器件壽命。
上面描述的結(jié)構(gòu)對(duì)于熱光可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器特別有用處。但是可以把它用于其他器件中，其中需要加熱體具有優(yōu)良的電穩(wěn)定性、對(duì)分層和破裂的高抵抗性，和/或沒(méi)有散射的在紅外線(IR)中良好的透明度。
盡管上面的描述一般地集中于晶片襯底上的各個(gè)器件的制造，但實(shí)際上，有許多在單個(gè)晶片上制造的這樣的器件，它們后來(lái)通過(guò)對(duì)晶片的切割和分片以產(chǎn)生許多獨(dú)立的管芯而被分離成獨(dú)立的元件。
其它實(shí)施例在下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件包括玻璃襯底，粘合到所述玻璃襯底的晶體硅層；以及在晶體硅層的頂部上制造的熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。
2.權(quán)利要求1的所述光學(xué)器件，其中所述光學(xué)濾波器設(shè)計(jì)成在波長(zhǎng)λ的光信號(hào)上工作并且其中所述玻璃襯底對(duì)波長(zhǎng)λ的光是透明的。
3.權(quán)利要求2所述的光學(xué)器件，其中所述熱可調(diào)諧光學(xué)濾波器是熱光可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。
4.權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，還包括在晶體硅層上并圍繞在光學(xué)濾波器周圍的加熱元件。
5.權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件，還包括在晶體硅層上形成的電觸點(diǎn)，用于給所述硅層提供電流以把硅層用作加熱體。
6.權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中所述晶體硅加熱體層是摻雜的晶體硅層。
7.權(quán)利要求6所述的光學(xué)器件，其中玻璃襯底由派熱克斯玻璃制成。
8.權(quán)利要求6所述的光學(xué)器件，其中玻璃襯底由硼硅玻璃制成。
9.權(quán)利要求6所述的光學(xué)器件，其中玻璃襯底的特征是與所述光學(xué)濾波器的熱膨脹系數(shù)相匹配的熱膨脹系數(shù)。
10.權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中所述薄膜光學(xué)濾波器包括一個(gè)或多個(gè)包括非晶形半導(dǎo)體的層。
11.權(quán)利要求10所述的光學(xué)器件，其中所述非晶形半導(dǎo)體是非晶硅。
12.權(quán)利要求5所述的光學(xué)器件，其中所述薄膜光學(xué)濾波器包括多個(gè)薄膜干涉層。
13.權(quán)利要求12所述的光學(xué)器件，其中所述多個(gè)薄膜層的至少一些包括非晶硅。
14.權(quán)利要求12所述的光學(xué)器件，其中所述光學(xué)濾波器設(shè)計(jì)成在波長(zhǎng)λ的光信號(hào)上工作并且其中所述多個(gè)薄膜層中的每一個(gè)層具有大致為λ/4的整數(shù)倍的厚度。
15.權(quán)利要求5的所述光學(xué)器件，其中所述薄膜光學(xué)濾波器包括多個(gè)法布里-珀羅腔的堆。
16.一種制造光學(xué)器件的方法，該方法包括給玻璃襯底提供粘合到玻璃襯底的晶體硅層；以及在晶體硅層的頂部制造熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述硅層是摻雜的硅層并且該方法還包括在所述硅層上制造電觸點(diǎn)，用于給摻雜硅層提供電流。
18.權(quán)利要求16所述的方法，還包括，在制造光學(xué)濾波器之前，制圖硅層來(lái)形成硅島，在該硅島上制造光學(xué)濾波器。
19.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述晶體硅層陽(yáng)極地粘合到玻璃襯底。
20.權(quán)利要求16所述的方法，其中在所述晶體硅層的頂部制造熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器的步驟包括制造熱光可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器。
全文摘要
一種光學(xué)器件包括玻璃襯底(410)，粘合到玻璃襯底的晶體硅層(402)和在晶體硅層的頂部制造的熱可調(diào)諧薄膜光學(xué)濾波器(420)。
文檔編號(hào)G02F1/21GK1864091SQ200480029436
公開(kāi)日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2004年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月7日
發(fā)明者尤金·伊－杉·馬, 米切爾·S·科恩 申請(qǐng)人:伊吉斯半導(dǎo)體公司