通過結(jié)晶濕法蝕刻制備的片上衍射光柵的制作方法
【專利摘要】描述了形成微電子結(jié)構(gòu)的方法。這些方法的實施例可包括：在(110)硅晶片襯底上形成光掩模，其中該光掩模包括平行四邊形開口的周期性陣列，以及隨后在所述（110）硅晶片襯底上進(jìn)行時控濕法蝕刻以形成蝕刻進(jìn)（110）硅晶片襯底中的衍射光柵結(jié)構(gòu)。
【專利說明】通過結(jié)晶濕法蝕刻制備的片上衍射光柵
[0001]直量
[0002]衍射光柵(DG)是在需要發(fā)散波長的應(yīng)用中被廣泛使用的重要光學(xué)器件。在自由空間光學(xué)器件中，通常，通過在襯底上機(jī)械地拋光溝槽，或通過對由兩光束干涉顯影出的全息圖案進(jìn)行反應(yīng)離子束蝕刻，來制作DG。在波導(dǎo)光學(xué)器件中，已通過利用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和蝕刻技術(shù)來制作DG。
[0003]附圖簡沭
[0004]盡管說明書以特別指出和獨立地要求保護(hù)某些實施例的權(quán)利要求書作為結(jié)尾，但各實施例的優(yōu)勢可從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中得到更好的理解，在附圖中:
[0005]圖1a-1c示出根據(jù)實施例形成結(jié)構(gòu)的方法。
[0006]圖2a_2e示出根據(jù)實施例形成結(jié)構(gòu)的方法。
[0007]圖3示出根據(jù)實施例的結(jié)構(gòu)。
[0008]圖4示出根據(jù)實施例的結(jié)構(gòu)。
[0009]圖5示出根據(jù)實施例的系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0010]在對本發(fā)明實施例的如下詳細(xì)描述中，對示出可投入實踐的特定實施例的附圖作出參照。充分詳細(xì)地描述這些實施例，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員將這些實施例投入實踐。要理解，各實施例盡管是不同的，但不一定是相互排斥的。例如，這里結(jié)合一個實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可在其它實施例中實現(xiàn)而不脫離它們的精神和范圍。另外要理解，可修正各公開實施例中的各個要素的位置或配置而不脫離它們的精神和范圍。因此，下面的詳細(xì)描述不具有限定意義，并且各實施例的范圍僅由適當(dāng)解釋的所附權(quán)利權(quán)利要求連同這些權(quán)利要求授權(quán)的等效方案的全部范圍來定義。在附圖中，在若干視圖中，類似的附圖標(biāo)記指示相同或相似的功能。
[0011]描述了形成和利用微電子結(jié)構(gòu)(諸如衍射光柵結(jié)構(gòu))的方法和相關(guān)結(jié)構(gòu)。這些方法和結(jié)構(gòu)可包括:在(110)硅晶片襯底上形成光掩模，其中該光掩模包括平行四邊形開口的周期性陣列，以及隨后在所述(110)硅晶片襯底上進(jìn)行時控濕法蝕刻以形成蝕刻進(jìn)(110)硅晶片襯底中的衍射光柵結(jié)構(gòu)。本文所描述的各種實施例實現(xiàn)了包括超高光學(xué)品質(zhì)的平面衍射光柵的制作。
[0012]圖1a-1c例示了形成諸如衍射光柵結(jié)構(gòu)之類的微電子結(jié)構(gòu)的實施例，例如，圖1a例示了(110)襯底100的一部分的各個晶軸。在一個實施例中，襯底100的該部分可包括(110)硅襯底100的一部分。在其他實施例中，(110)襯底100可包括，例如，(110)單晶硅晶片襯底100的一部分。在實施例中，(110)娃襯底100的[110]方向115可垂直于(110)襯底100的平面，且在實施例中可相對于(110)襯底100的平面在向上方向上。(110)襯底100可包括四個對稱的結(jié)晶面{111}，且可包括(-11-1)面101、(1-1-1)面103、(-111)面105以及(1-11)面107。這些結(jié)晶面可以以70.6度的角度111或109.4度的角度109彼此相交。[0013]在實施例中，(110)襯底100可被用于制作片上DG，其中DG的溝槽可通過將溝槽蝕刻到襯底自身中(例如，通過使用濕蝕刻劑)來形成。在實施例中，可將結(jié)晶蝕刻劑施加到(110)襯底100上。例如，諸如但不限于KOH (氫氧化鉀)、EDP (乙烯二胺鄰苯二酚)、TMAH(四甲基氫氧化銨)或NH40H (氫氧化銨)的濕蝕刻劑可被施加到(110)襯底100上。
[0014]將濕蝕刻劑施加到(110)襯底100上之后，由于在〈111〉方向上的高原子密度，
(110)襯底100的{111}面形成蝕刻阻擋層。在實施例中，濕蝕刻劑可進(jìn)行各向異性蝕刻，該蝕刻在{111}硅襯底100的平面中較慢，且產(chǎn)生垂直側(cè)壁。在實施例中，通過利用適當(dāng)?shù)卦O(shè)計的光掩模圖案，例如，通過使用包括平行四邊形的周期性陣列的光掩模，可將帶有完全光滑的垂直側(cè)壁的鋸齒狀光柵結(jié)構(gòu)結(jié)晶性地濕法蝕刻到襯底100中。在實施例中，可將溝槽狀衍射光柵形成/蝕刻在襯底100中，該襯底100在某些情況下可包括平面DG，例如為階梯光柵結(jié)構(gòu)。
[0015]在實施例中，通過蝕刻工藝形成的衍射光柵結(jié)構(gòu)可被分類為兩種情況:在臂之間有70.6度角111的一種光柵結(jié)構(gòu)120 (圖lb)，在臂之間有109.4度角109的另一種光柵結(jié)構(gòu)120’。在實施例中，衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120’的閃耀角(blazed angle) 111、109可通過調(diào)整圖1b-1c中的臂115、115’和117、117’的長度來控制。在實施例中，光柵120、120’的角111和109可分別在臂115、117和115’、117’之間。在實施例中，衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120，的臂115、117和115，、117，可包括鋸齒狀結(jié)構(gòu)。
[0016]在實施例中，圖1b-1c中所示出的衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120’可被用作反射光柵，其中金屬/反射性涂層可形成于衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120’的鋸齒狀結(jié)構(gòu)的垂直側(cè)壁上和/或可將大于全內(nèi)反射角的入射角用于該衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120’，其中衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120’的透射損耗可大為減少。
[0017]光掩模圖案的制備對于圖1b-1c中所描述的衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120’的形成是重要的。例如，圖1a-1b的臂長度115、115’和117、117’可通過光掩模的設(shè)計來調(diào)整，且因此，衍射光柵結(jié)構(gòu)120、120’的角111和109可被控制。
[0018]在實施例中，可在(I 10)襯底200 (類似于圖1a的襯底100)上形成光掩模202，其中該光掩模202可包括平行四邊形204的周期性陣列(圖2a)。在實施例中，在光掩模202的平行四邊形陣列204的各個平行四邊形之間可有間隙206。在實施例中，可在加光掩模的襯底200上使用濕蝕刻化學(xué)劑(諸如，但不限于，前文所述的濕蝕刻化學(xué)劑之一)來進(jìn)行時控蝕刻工藝以形成衍射光柵220 (圖2b)。衍射光柵220可包括臂長度215、217以及臂215、217之間的角216，其中臂長度可由光掩模202的設(shè)計來定義。
[0019]在實施例中，衍射光柵結(jié)構(gòu)220可包括第一側(cè)221和第二側(cè)222。在實施例中，經(jīng)蝕刻衍射光柵結(jié)構(gòu)220的第二側(cè)222可被移除，例如，使用干法蝕刻工藝來進(jìn)行移除，不過在其他情況中可使用濕法蝕刻(圖2c)。在另一實施例中,可將第一側(cè)221從衍射光柵結(jié)構(gòu)220移除。對于光源可能是從環(huán)境大氣入射而來的應(yīng)用來說，例如，當(dāng)衍射光柵結(jié)構(gòu)220可被用于自由空間光學(xué)系統(tǒng)時，可期望將衍射光柵結(jié)構(gòu)220的第一或第二側(cè)221、222移除。
[0020]衍射光柵結(jié)構(gòu)220可包括兩個主要優(yōu)勢。第一，衍射光柵結(jié)構(gòu)220的側(cè)壁223可為大致上精確的90°筆直，可包括在實施例中大約90度的側(cè)壁角221，且由于結(jié)晶濕法蝕亥IJ，其表面粗糙度可忽略(圖2d)。這一優(yōu)勢對于產(chǎn)生大活動區(qū)域(例如當(dāng)需要非常深的蝕刻深度時)是尤為重要的。第二，即便是當(dāng)光掩模上的鋸齒狀結(jié)構(gòu)(鄰近的臂，其間成角度)的銳度不能被精確定義的情況下，所得的經(jīng)蝕刻拐角仍將極為銳利。當(dāng)使用高溝槽密度時，例如當(dāng)拐角特征尺寸和光刻分辨率相當(dāng)或更小時，這樣的優(yōu)勢是尤為重要的。
[0021]圖2e描述實施例的流程圖。在步驟230，可在(110)硅襯底上形成光掩模，其中該光掩模包括平行四邊形的周期性陣列。在步驟240，可將濕蝕刻劑施加到(110)硅襯底上，其中{ 111}面作為濕蝕刻劑的蝕刻阻擋層。在步驟250，可用濕蝕刻劑進(jìn)行時控蝕刻，以將衍射光柵結(jié)構(gòu)直接形成于(110)硅襯底中。
[0022]常規(guī)地，例如，通過在襯底上機(jī)械地拋光溝槽，或通過對由兩光束干涉顯影出的全息圖案進(jìn)行反應(yīng)離子束蝕刻，來制作現(xiàn)有技術(shù)的大面積DG。衍射光柵，諸如階梯光柵，當(dāng)其同基于波導(dǎo)的光電設(shè)備集成時，通常通過標(biāo)準(zhǔn)光刻以及干法蝕刻來使用和制作。這樣的現(xiàn)有技術(shù)方法會導(dǎo)致不期望的性質(zhì)，例如粗糙的表面、傾斜的側(cè)壁、和鈍的拐角，這會嚴(yán)重降低衍射光柵設(shè)備的光學(xué)品質(zhì)。因為現(xiàn)有技術(shù)的衍射光柵/波導(dǎo)的溝槽是通過干法蝕刻技術(shù)來制備的，其中經(jīng)常出現(xiàn)粗糙的表面、傾斜的側(cè)壁、和鈍的拐角，這樣的現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)通常表現(xiàn)出高于預(yù)期的插入損耗，對于10微米到30微米的大芯波導(dǎo)尤甚。
[0023]衍射光柵結(jié)構(gòu)220的益處包括:允許形成片上平面DG，其中(110)硅晶片的結(jié)晶濕法蝕刻可定義具有極高光學(xué)品質(zhì)的平面DG。(110)硅襯底的濕法蝕刻允許為本文各實施例的平面DG制作90°筆直的側(cè)壁。因此，允許形成帶有筆直且光滑側(cè)壁的平面DG。例如，根據(jù)本文所包括的各實施例，可形成用于粗波分復(fù)用(CWDM)的階梯光柵。因為溝槽是通過濕法蝕刻技術(shù)來制備的，各實施例的DG表現(xiàn)出更低的插入損耗，對于10微米到30微米的大芯波導(dǎo)尤為如此，因此實現(xiàn)了理想階梯光柵的制作。這樣的光柵結(jié)構(gòu)將大為增加總鏈路預(yù)算，因為硅光子學(xué)鏈路的主要損失來自于多路復(fù)用器和多路分離器組件。
[0024]在實施例中，片上準(zhǔn)直器可與各個實施例的DG相結(jié)合以在基于平面DG的多路復(fù)用器/多路分離器設(shè)備中進(jìn)行波長選擇。例如，可采取Czerny-Turner配置(兩個準(zhǔn)直器)或Fastie-Ebert配置(一個準(zhǔn)直器)，如圖3所示，該圖示出了光線軌跡304。圖3描述了Czerny-Turner配置301，其包括根據(jù)本文的實施例制作的DG302和兩個準(zhǔn)直器303。描述了 Fastie-Ebert配置301’，其包括根據(jù)本文的實施例制作的DG302，帶有單個準(zhǔn)直器303’。描述了 Fastie-Ebert配置，其包括根據(jù)本文的實施例制作的DG302，帶有采取Littrow配置301”的單個準(zhǔn)直器303’。
[0025]在實施例中，本文所述各實施例的DG結(jié)構(gòu)可形成于圖4a所示的硅晶片400上，且可包括在管芯402上的各個集成電路的部分。硅晶片400可被切割以將各個管芯402彼此分離，如現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣。包括DG結(jié)構(gòu)(諸如圖lb、lc和2c的DG結(jié)構(gòu))的單獨管芯402，例如，可然后變?yōu)槲㈦娮臃庋b組件408的部分(圖4b)。在某些實施例中，封裝組件408可包括采用焊料球404置于封裝襯底406上的管芯402，但可根據(jù)具體應(yīng)用而包括任何類型的封裝。
[0026]圖5描述根據(jù)實施例的系統(tǒng)。系統(tǒng)500包括光源510,例如為激光器,其可引導(dǎo)輸入光束到光學(xué)衍射光柵結(jié)構(gòu)520中,光學(xué)衍射光柵結(jié)構(gòu)520例如為圖lb、Ic和2c的衍射光柵結(jié)構(gòu)。光柵結(jié)構(gòu)520可通信地耦合于接收器530，接收器530可包括光學(xué)接收器530。接收器530可稱合于處理器550,處理器550可稱合于存儲器設(shè)備540、輸入和輸出(I/O)控制器560，在一些實施例中，所有前述元件均可通過總線570通信地彼此耦合。處理器550可以是通用處理器或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)。I/O控制器560可包括用于有線或無線通信的通信模塊。存儲器設(shè)備540可以是動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)器件、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)器件、閃存器件或這些存儲器器件的組合。因此，在一些實施例中，系統(tǒng)500中的存儲器器件540不一定包括DRAM器件。
[0027]系統(tǒng)500中所示的一個或多個部件可包括本文中包含的各實施例中的一個或多個衍射光柵。例如，處理器550或存儲器器件540或I/O控制器560的至少一部分或這些部件的組合可包括在集成電路封裝中，該集成電路封裝包括本文所述結(jié)構(gòu)的至少一個實施例。
[0028]這些部件執(zhí)行它們業(yè)內(nèi)公知的傳統(tǒng)功能。尤其，存儲器設(shè)備540在某些情形下可用于提供對在由處理器550執(zhí)行期間形成根據(jù)一些實施例的結(jié)構(gòu)的方法的可執(zhí)行指令的長期存儲，而在其它實施例中可用來短期地存儲用于在由處理器550執(zhí)行期間形成根據(jù)這些實施例的結(jié)構(gòu)的方法的可執(zhí)行指令。另外，指令可被存儲或以其它方式關(guān)聯(lián)于與系統(tǒng)可通信耦合的機(jī)器可訪問介質(zhì)，機(jī)器可訪問介質(zhì)例如是緊湊盤只讀存儲器(CD-ROM)、數(shù)字多功能盤(DVD)、軟盤、載波和/或其它傳播的信號。在一個實施例中，存儲器設(shè)備540可向處理器550提供可執(zhí)行的指令以供執(zhí)行。
[0029]系統(tǒng)500可包括計算機(jī)(例如臺式機(jī)、膝上計算機(jī)、手持計算機(jī)、服務(wù)器、Web設(shè)備、路由器等)、無線通信設(shè)備(例如蜂窩電話、無繩電話、尋呼機(jī)、個人數(shù)字助理等)、計算機(jī)關(guān)聯(lián)的外圍設(shè)備(例如打印機(jī)、掃描儀、監(jiān)視器等)、娛樂設(shè)備(例如電視機(jī)、收音機(jī)、立體聲、磁帶和緊致盤播放器、視頻卡帶錄像機(jī)、便攜式攝像機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、MP3 (運動圖象專家組，音頻層3)播放機(jī)、視頻游戲、手表等)，諸如此類。
[0030]盡管前面的說明書具有可用于實施例中的某些特定步驟和材料，然而本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將理解，可作出許多修正和替代。因此，所有這些修正、改變、替代和添加都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是落在實施例由所附權(quán)利要求書定義的精神和范圍內(nèi)。本文提供的附圖僅示出與實踐實施例相關(guān)的示例性微電子結(jié)構(gòu)的部分。因此，實施例不限于本文描述的結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種方法，包括: 將濕蝕刻劑施加到(110)娃襯底,其中所述(110)娃襯底包括光掩模,所述光掩模包括平行四邊形的周期性陣列；以及 將衍射光柵結(jié)構(gòu)形成于所述(110)硅襯底中，其中所述(110)硅襯底的{111}面在所述(110)硅襯底的蝕刻期間形成蝕刻阻擋層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括:其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括光滑的、垂直的側(cè)壁，其中所述側(cè)壁為大致90度的側(cè)壁。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括:其中形成所述衍射光柵結(jié)構(gòu)還包括形成所述衍射光柵結(jié)構(gòu)的臂之間的角。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括:其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)的臂之間的所述角包括約70.6度角和約109.4度角中的一個。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括:其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括階梯衍射光柵結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括:其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括粗波分復(fù)用(CWDM)光學(xué)系統(tǒng)的一部分。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括:其中所述衍射光柵包括10到30微米的大芯波導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括:其中所述CWDM光學(xué)系統(tǒng)還包括片上準(zhǔn)直器。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括:其中所述濕蝕刻劑包括KOH、TMAH和NH40H的其中之一。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括:其中所述濕蝕刻劑在所述(110)硅襯底上執(zhí)行結(jié)晶各向異性蝕刻。
11.一種形成衍射光柵的方法，包括: 在(110)硅晶片襯底上形成光掩模，其中所述光掩模包括平行四邊形開口的周期性陣列； 在所述(110)硅晶片襯底上執(zhí)行時控濕法蝕刻，以形成被蝕刻到所述(110)硅晶片襯底中的衍射光柵結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括:其中相鄰平行四邊形開口的拐角不是鄰接的。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括:其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)的一側(cè)被移除，其中光源可從環(huán)境大氣入射施加于所述衍射光柵結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括:其中所述衍射光柵的側(cè)壁包括反射性涂層。
15.一種結(jié)構(gòu)，包括: 被蝕刻到(110)硅襯底中的衍射光柵結(jié)構(gòu)，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)的相鄰臂之間的角包括70.6度角和109.4度角的其中之一。
16.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括光滑的、大致垂直的側(cè)壁。
17.如權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述側(cè)壁為大致90度的側(cè)壁。
18.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括階梯衍射光柵結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求15所述的結(jié)構(gòu)，其中光源可從環(huán)境大氣入射施加到所述衍射光柵結(jié)構(gòu)。
20.—種結(jié)構(gòu),包括:管芯的部分，其包括(110)硅襯底；以及 被蝕刻進(jìn)所述(110)硅襯底的衍射光柵結(jié)構(gòu)。
21.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括:在所述衍射光柵結(jié)構(gòu)的相鄰臂之間的角，所述角為70.6度角和109.4度角的其中之一。
22.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括大致光滑的側(cè)壁。
23.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)的側(cè)壁角包括大約90度角。
24.一種設(shè)備，包括: 管芯的部分，其包括(110)硅襯底；以及 被蝕刻進(jìn)所述(110)硅襯底的衍射光柵結(jié)構(gòu)；以及 封裝襯底，其中所述管芯的所述部分被置于所述封裝襯底上。
25.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)的臂之間的角包括約70.6度和約109.4度的其中之一。
26.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括階梯衍射光柵結(jié)構(gòu)。
27.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中所述衍射光柵結(jié)構(gòu)包括粗波分復(fù)用(CWDM)光學(xué)系統(tǒng)的部分。
28.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，還包括:其中所述衍射光柵包括10到30微米的大芯波導(dǎo)。
29.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中所述CWDM光學(xué)系統(tǒng)還包括片上準(zhǔn)直器。
30.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，還包括系統(tǒng)，其中所述設(shè)備耦合于光學(xué)接收器。
【文檔編號】G02B5/18GK103477254SQ201280016352
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月30日
【發(fā)明者】那允中, J·赫克, 榮海生 申請人:英特爾公司