專利名稱：光波導(dǎo)的制作方法
發(fā)明涉及一種制作光波導(dǎo)的方法。
光纖通信系統(tǒng)和以光纖為基礎(chǔ)的儀器和器件往往需要光纖與諸如集積在-塊襯底上的波導(dǎo)等集成光學(xué)器件精確對(duì)準(zhǔn)并可靠連接。在這種光學(xué)連接的設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要的、需要考慮的問題是，要在波導(dǎo)和光纖之間獲得良好的對(duì)準(zhǔn)。此類光學(xué)連接的一個(gè)典型結(jié)構(gòu)是，安放在V型槽內(nèi)的光纖與集積在硅襯底上的波導(dǎo)相連。PCT GB96/01068描述了這樣一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)基于集積在硅-絕緣體晶片上的硅制肋形或脊形波導(dǎo)。為了獲得良好連接，應(yīng)使光纖帶到波導(dǎo)小平面的5μm或更小的縫隙內(nèi)。由于V型槽沒有與槽底垂直的端面，其端相對(duì)槽底設(shè)有一個(gè)角度，所以希望能底切波導(dǎo)以形式一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)象“跳水板”那樣懸伸出帶角度的端面。此概念可在PCT GB96/01068中找到。盡管此特殊概念是獲得適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)特性的一種理解方式，但是處理容限會(huì)使懸伸結(jié)構(gòu)在形成V型槽之后呈現(xiàn)出一個(gè)不希望有的、延伸到波導(dǎo)小端面之外的掩埋氧化物“擱板”。當(dāng)把一層氮化物沉積到包含氧化物擱板的小端面上時(shí)，同樣會(huì)形成一個(gè)小的氮化物“擱板”。如果留著這些擱板，它們會(huì)使波導(dǎo)射出的光波變形。
本發(fā)明的目的是，提高波導(dǎo)小平面的表面質(zhì)量，以改善與光纖的光連接。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于處理波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括具有一集成肋形波導(dǎo)的硅襯底，波導(dǎo)包括一個(gè)帶小平面的端部，該端部懸伸出硅襯底，并在其下側(cè)具有一層從波導(dǎo)小平面伸出的氧化物層，還具有一層在波導(dǎo)上表面和小平面上延伸的氮化物層，所述方法包括以下步驟i)執(zhí)行氧化物蝕刻步驟，從下側(cè)去除氧化物層；ii)執(zhí)行氧化物生長(zhǎng)步驟，在下側(cè)的外露硅上形成一層新的氧化物層，所述新的氧化物層在小平面處終止；iii)執(zhí)行氮化物蝕刻步驟，去除氮化物層；以及iv)沉積一層新的氮化物層，它在上表面和小平面上延伸，但不突出在小平面之外，從而在小平面上制成氮化硅。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于在硅-絕緣體晶片上制作波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一硅襯底，一層在硅襯底頂上的氧化物層，以及一層在氧化物層頂上的外延硅，所述方法包括以下步驟在外延層上限定一個(gè)肋形波導(dǎo)；在波導(dǎo)端部，蝕刻位于肋形波導(dǎo)任何一側(cè)上的外延層，以暴露出掩埋氧化物層；相繼在肋形波導(dǎo)上沉積氧化物層和氮化物層；底切端部，在硅襯底中形成V型槽，便于將一光纖與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，所述底切步驟留下一部分不希望有的掩埋氧化物，其延伸到肋形波導(dǎo)小端面之外；以及用上述限定的方法處理波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
上面的蝕刻步驟和沉積步驟(i)-(iv)可以如敷層工藝那樣來執(zhí)行，不需要掩膜。所以，這工藝是非常容易實(shí)現(xiàn)?？梢钥刂菩碌飳拥暮穸?，以控制在小平面上形成的氮化硅的光學(xué)性質(zhì)。
為了更好地理解本發(fā)明并說明如何實(shí)現(xiàn)此發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖作舉例說明，附圖有

圖1示出了在中間加工階段硅-絕緣體肋形波導(dǎo)的一個(gè)端部；圖1A是一透視圖，示出了肋形波導(dǎo)的一個(gè)截面；圖2是一側(cè)視示意圖，示出了波導(dǎo)與光纖的連接；圖3是一側(cè)視示意圖，示出了懸伸出V-型槽的波導(dǎo)，顯示了不希望有的氧化層和氮化層擱板。
圖4是一側(cè)視示意圖，示出了在去除不希望有的氧化物后懸伸出V型槽的波導(dǎo)；圖5是一側(cè)視示意圖，示出了在下表面再生長(zhǎng)氧化物后懸伸出V型槽的波導(dǎo)；圖6是一側(cè)視示意圖，示出了在去除不希望有的氮化物后懸伸出V型槽的波導(dǎo)；圖7是一側(cè)視示意圖，示出了在進(jìn)一步從小平面上去除不希望有的氧化物后懸伸出V型槽的波導(dǎo)；圖8是一側(cè)視示意圖，示出了在完成了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的方法的最后階段后懸伸出V型槽的波導(dǎo)。
在這些附圖中，相同的標(biāo)號(hào)指的是相同的部件。
本文描述的肋形波導(dǎo)基于硅-絕緣體基片。J.Morgail等人于1989年在《應(yīng)用物理通訊》(Applied Physics Letters)第54期，第526頁上發(fā)表了一篇題為“在以兩步氧注入形成的硅-絕緣體結(jié)構(gòu)中降低缺陷密度”論文，該論文描述了用于形成此類基片的方法。這篇論文描述了用于制作硅-絕緣體晶片的過程。然后，例如通過外延生長(zhǎng)改善晶片的硅層，使其適于形成本文所述的集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的底座。圖1示出了在這種基片上形成的光波導(dǎo)的一個(gè)端部?；ㄒ粚庸?，氧化硅3將該硅層1與硅襯底4隔開。肋形波導(dǎo)2位于硅層1中。圖1還示出了氧化物包層7，它位于肋形波導(dǎo)2的頂上。J.Schmidtchen等人于1991年在《電子通訊》(Electronic Letters)第27期，第1486頁上發(fā)表的、題為“在硅-絕緣體具有較大截面情況下的低損耗單模光波導(dǎo)”的論文，以及PCT WO95/08787專利說明書詳細(xì)描述了這種形式的波導(dǎo)。
這種形式的波導(dǎo)提供了一種單模的、低損耗的(一般，對(duì)于1.2到1.6微米的波長(zhǎng)范圍，損耗小于0.2dB/cm)波導(dǎo)，其尺寸一般為3-5微米左右，能與光纖耦合，并且還可以與其它集成部件兼容。
圖2是一側(cè)視圖，示出了用于將波導(dǎo)與光纖6耦合的最終形式的集成結(jié)構(gòu)。掩埋氧化層3的折射率低于肋形波導(dǎo)2的折射率，所以光波被限制在肋形波導(dǎo)內(nèi)。在波導(dǎo)上形成一層熱的氧化物7，以提供波導(dǎo)包層。在對(duì)襯底4蝕刻V型槽期間，形成了一個(gè)蝕刻內(nèi)坡5A，從而產(chǎn)生一個(gè)懸伸的“跳水板”結(jié)構(gòu)，用于與光纖6連接。
現(xiàn)在描述制作這種結(jié)構(gòu)的方法，從基本的硅-絕緣體晶片開始。
第一階段是在外延硅1上沉積一層熱的二氧化硅7，二氧化硅提供了一層包層，厚度約為7000。然后，在抗蝕劑中對(duì)晶片制作圖形，并對(duì)熱的氧化物7進(jìn)行蝕刻，形成一個(gè)初始的脊形結(jié)構(gòu)。此步驟露出了初始脊形結(jié)構(gòu)兩側(cè)的外延硅。除去抗蝕劑，然后將外延硅蝕刻掉1.45μm，以形成脊形波導(dǎo)2。圖1A示出了此階段脊形結(jié)構(gòu)的截面。
下一步是完全制成波導(dǎo)的小端面52。在抗蝕劑中對(duì)晶片制作圖形，為了保持對(duì)準(zhǔn)性應(yīng)避免局部成形的小平面。然后，在隨后將包含V型槽以展露掩埋氧化層3的區(qū)域中，對(duì)外露的外延硅進(jìn)行過蝕刻?，F(xiàn)在，完全制成了波導(dǎo)小平面，如圖1所示，從上往下看，小平面呈“T型交匯”的形狀。
圖2還示出了具有纖芯6A的光纖6。由圖可見，由于蝕刻內(nèi)坡5A有角度，所以如果波導(dǎo)不伸出內(nèi)坡的話，很難使光纖與波導(dǎo)小平面52充分密接。所以為了制作出圖2的結(jié)構(gòu)，下階段的工藝包括形成V型槽，并在波導(dǎo)端部對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行底切，從而能讓光纖與波導(dǎo)精密對(duì)準(zhǔn)。
去除前一步驟留下的抗蝕劑，并熱生長(zhǎng)一層約0.35μm厚的濕二氧化硅，以覆蓋整個(gè)晶片。然后，在抗蝕劑中對(duì)小平面制作圖形，并進(jìn)行濕式過蝕刻，這就意味著小平面現(xiàn)在沒有氧化層，但是脊形結(jié)構(gòu)的其余部分仍被覆蓋著。一種合適的蝕刻劑是氟化氫。
去除抗蝕劑，并生長(zhǎng)一層薄的干氧化物(200)，以保護(hù)小平面不受隨后的濕氮化物蝕刻的影響。這種蝕刻可能會(huì)在硅中摻入少量的磷。
下一步是在肋形結(jié)構(gòu)和外露的掩埋氧化物上沉積一層500厚的LPCVD氮化硅。因?yàn)榇藢邮窃跔t子中沉積的，所以與爐中空氣的反應(yīng)會(huì)在氮化物頂部形成一層氮氧化物(nitox)(40厚)。在抗蝕劑中對(duì)氮化物去除層制作圖形，并對(duì)氮氧化物進(jìn)行濕蝕刻。然后，剝?nèi)タ刮g劑，并從脊周圍的區(qū)域濕式蝕刻掉氮化物，該區(qū)域?qū)⒃谙乱浑A段中形成V型槽區(qū)域。在該方式中，氮氧化物是蝕刻掩模，而氮化物的去除限定了在下一階段中將從哪里去除氧化物。
接下來的步驟是開始形成V型槽。在抗蝕劑中對(duì)V型槽區(qū)域制作圖形，并在氮氧化物掩膜所限定的外露區(qū)將掩埋氧化層朝襯底4濕蝕刻掉0.8μm。
最后的步驟是去除抗蝕劑，并蝕刻到硅襯底4中，以限定V型槽。這是一種快速的結(jié)晶蝕刻，它對(duì)脊形波導(dǎo)進(jìn)行底切，留下其端部成為懸伸出V型槽的“跳水板”。實(shí)際的脊為1.45μm高，跳水板剩余部分的高度是2.8μm。圖3示出了此階段結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
如圖3所示，存在一個(gè)不希望有的“擱板”，它長(zhǎng)到波導(dǎo)小端面52之外。它由氧化物部分11和氮化物部分12組成，氧化物部分是掩埋氧化物層的多余物。因?yàn)椴豢赡軐⑽g刻掩模與小平面精確對(duì)準(zhǔn)，所以兩者都在蝕刻過程中留下來。肋形波導(dǎo)2位于外延硅1中，并被氧化物和氮化物完全包起來。波導(dǎo)2下側(cè)的氧化物由標(biāo)號(hào)3表示，因?yàn)樗茄诼裱趸瘜拥囊徊糠?，波?dǎo)上表面和小平面上的氮化物層用標(biāo)號(hào)10表示。此外，有少量不希望有的氧化物14留在小平面52上，它是在生長(zhǎng)了200干氧化物層后留下的。
其它圖示出了去除不希望有的擱板以及隨后制作了一有效的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述有效波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在上下表面都有保護(hù)層，并且在小端面上有抗反射的氮化硅涂層。
首先，用濕蝕刻除去氧化物層3和附加部分11。這導(dǎo)致了圖4所示的結(jié)構(gòu)。然后，在波導(dǎo)下側(cè)和V型槽周圍的外露硅上再生長(zhǎng)一氧化保護(hù)層13。就沉積到波導(dǎo)周圍的任何氧化物層來說，此層的目的是使氧化物/硅界面光滑，并防止任何塵粒影響波導(dǎo)的有效折射率。在這個(gè)階段，氮化物部分12仍舊保留著。氮化物蝕刻過程去除此部分12以及上表面的氮化物10，留下圖6所示的結(jié)構(gòu)。除了留下很小厚度的、不希望有的氧化物外，現(xiàn)在小平面52暴露出來了。然后，把小平面浸入蝕刻劑中很短的一段時(shí)間，以去除此氧化物，留下如圖7所示的純硅小平面52。所有在圖3-8所示階段中包含的蝕刻都是“敷層”蝕刻，因?yàn)椴恍枰谱鲌D形，所以成本有效。
最后的處理是在整個(gè)波導(dǎo)和V型槽區(qū)域周圍再沉積一氮化物層15。這在小平面52上形成一層氮化硅17，它起到抗反射涂層的作用，以保證有一個(gè)低損耗的光纖-波導(dǎo)干擾。
權(quán)利要求
1.一種用于處理波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括硅襯底，它具有一集成的肋形波導(dǎo)，波導(dǎo)具有一個(gè)帶小平面的端部，此端部懸伸出硅襯底，并在其下側(cè)具有一層從波導(dǎo)小平面伸出的氧化物層，還具有一層在波導(dǎo)上表面和小平面上延伸的氮化物層，其特征在于，所述方法包括以下步驟i)執(zhí)行氧化物蝕刻步驟，從下側(cè)去除氧化物層；ii)執(zhí)行氧化物生長(zhǎng)步驟，在下側(cè)的外露硅上形成一層新的氧化物層，所述新的氧化物層在小平面處終止；iii)執(zhí)行氮化物蝕刻步驟，去除氮化物層；以及iv)沉積一層新的氮化物層，它在上表面和小平面上延伸，但不突出在小平面之外，從而在小平面上制成氮化硅。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在小平面上有一層不希望有的氧化物層，并且該方法在步驟(iii)之后包括一附加步驟(v)，即去除所述不希望有的氧化物層。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟(iv)是一個(gè)敷層沉積步驟。
4.按照權(quán)利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，控制新的氮化物層的厚度，以便控制小平面的光學(xué)性能。
5.一種用于在硅-絕緣體晶片上制作波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一硅襯底，一層在硅襯底頂上的氧化物層，以及一層在氧化物層頂上的外延硅，其特征在于，所述方法包括以下步驟在外延層上限定一個(gè)肋形波導(dǎo)；在波導(dǎo)端部，蝕刻位于肋形波導(dǎo)任何一側(cè)的外延層，以暴露出掩埋氧化物層；相繼在肋形波導(dǎo)上沉積氧化物層和氮化物層；底切端部，在硅襯底中形成V型槽，便于將一光纖和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，所述底切步驟留下一部分不希望有的掩埋氧化物，其延伸到肋形波導(dǎo)小端面之外；以及用權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)限定的方法來處理波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
6.一種用于處理波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述方法基本上如前參考附圖所述和如附圖所示。
全文摘要
描述了一種用來處理波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法,其中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)具有集成肋形波導(dǎo)(2)的硅襯底。該波導(dǎo)具有一個(gè)帶小平面(52)的端部,該端部懸伸出硅襯底,并在其下側(cè)有一層氧化物層(3),此氧化物層突出于波導(dǎo)小平面之外(11)。一層氮化物層(10)在波導(dǎo)上表面和小平面上延伸。處理過程包括從下側(cè)蝕刻氧化物層(3,11),生長(zhǎng)一層新的氧化物層,蝕刻氮化物層(10),然后沉積一層新的氮化物層。
文檔編號(hào)G02B6/13GK1330772SQ99814429
公開日2002年1月9日 申請(qǐng)日期1999年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月14日
發(fā)明者J·P·德雷克 申請(qǐng)人:博克漢姆技術(shù)股份有限公司