專利名稱：提供光學(xué)質(zhì)量硅表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改善光學(xué)系統(tǒng)透光性的方法，而且更具體地說(shuō)是涉及在光學(xué)器件、包括集成的光學(xué)波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)中降低表面的粗糙度并且提供光學(xué)質(zhì)量硅表面的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造已經(jīng)成熟，所以使用創(chuàng)新且低成本的光電元件包裝技術(shù)已經(jīng)從相對(duì)簡(jiǎn)單的激光和光電探測(cè)器封裝(submount)遷移到更加復(fù)雜的復(fù)合集成光學(xué)子系統(tǒng)。光學(xué)層的出現(xiàn)和成熟以及對(duì)增長(zhǎng)的光學(xué)層功能性的需求為之提供了動(dòng)力。同時(shí)，光學(xué)器件逐漸遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣并且最終遷移到單個(gè)用戶，這就需要實(shí)現(xiàn)小的、低成本的且高度功能化的光電元件。
硅光具座(SiOB)技術(shù)被發(fā)展來(lái)獲取使用硅玻璃(glass-on-silicon)技術(shù)的平面光波回路器件的優(yōu)點(diǎn)。SiOB技術(shù)也具有硅加工的優(yōu)點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)V-凹槽、基準(zhǔn)和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記、被動(dòng)校準(zhǔn)的機(jī)械圍欄、焊接壩和焊接蒸發(fā)等。但是，硅上存在的大緩沖層和SiOB技術(shù)中弱的光波導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致大的彎曲半徑。因此，光波回路器件需要大的實(shí)際成本。
然后，絕緣體硅(Silicon-on-insulator)(SOI)被發(fā)展來(lái)作為用于實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)器件、包括光波導(dǎo)器件設(shè)備的有前途的基片材料。最近，SOI已經(jīng)作為商用、低成本、集成的光波導(dǎo)技術(shù)出現(xiàn)。使用SOI技術(shù)的實(shí)例在美國(guó)專利第4,789,642、5,787,214和4,789,691號(hào)中公開(kāi)。SOI提供了容易獲得的平面波導(dǎo)技術(shù)決方案，由于硅基片與其它硅加工直接兼容的可用性，因此這是有利的。硅可以用作光具座，從而為主動(dòng)器件的復(fù)合裝配實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)、對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和被動(dòng)凹槽，并且在SOI上用作被動(dòng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維。
為了定義使用SOI作為基片材料的光學(xué)器件和其它對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)有兩種可能的途徑濕刻蝕技術(shù)和干刻蝕技術(shù)。濕刻蝕技術(shù)典型地使用液體刻蝕劑，例如緩沖的氧化物刻蝕劑來(lái)處理刻蝕區(qū)域。干刻蝕典型地在反應(yīng)性氣體和/或等離體放電氣體氣氛中進(jìn)行。這些刻蝕技術(shù)每種都具有自身的屬性。一般來(lái)說(shuō)，它們?cè)谄渥钸m合的特定情況中使用。當(dāng)可以使用濕刻蝕得到光學(xué)平滑的表面時(shí)，沿著晶面方向趨向于是優(yōu)選的。另外，濕刻蝕提供各向同性的刻蝕，而在光學(xué)器件結(jié)構(gòu)中沒(méi)有足夠的靈活性，而且特別是在用于實(shí)現(xiàn)深縱橫比結(jié)構(gòu)時(shí)，更是如此。結(jié)果，濕刻蝕通常得到非垂直的刻蝕壁、帶有彎曲表面的壁、或者不可接受的小的縱橫刻蝕比。因此，濕刻蝕通常不適合于例如在光學(xué)器件中形成波導(dǎo)或者形成需要垂直壁和/或高縱橫比的其它結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
另一方面，干刻蝕通常用于不適合濕刻蝕的應(yīng)用，例如需要具有高縱橫比的垂直壁的應(yīng)用，如在光學(xué)器件中形成波導(dǎo)。兩種常用的干刻蝕技術(shù)是常規(guī)干刻蝕和深度反應(yīng)性離子刻蝕(RIE)。由于其高度各向異性的刻蝕，干刻蝕對(duì)實(shí)現(xiàn)帶有深縱橫比的柔性光學(xué)器件結(jié)構(gòu)是非常有利的。但是，干刻蝕會(huì)帶來(lái)引起明顯光損耗的表面粗糙度。因?yàn)楣璨▽?dǎo)中心和包層，例如空氣或其它電介質(zhì)材料間非常大的折射率差異，硅表面粗糙可能產(chǎn)生明顯的光損耗。此外，在集成光學(xué)元件中加工的光束典型地在平行于基片表面的方向傳播。為了避免與信息損失相關(guān)的傳播光的扭曲，通常需要集成元件中的光學(xué)器件的壁是基本上垂直且平滑的。因此，就需要一種在帶有高縱橫比表面特征的結(jié)構(gòu)中降低硅表面的表面粗糙度的系統(tǒng)和方法，從而改善由干刻蝕形成的波導(dǎo)和波導(dǎo)面的透光性。


結(jié)合附圖來(lái)闡明本發(fā)明的實(shí)施方案，并且與說(shuō)明書(shū)一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理，附圖被合并入本說(shuō)明書(shū)并形成本說(shuō)明書(shū)一部分。
圖1表示本發(fā)明實(shí)施方案所操作的SOI光波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)例。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在掃描電子顯微鏡(SEM)下的刻蝕后和表面處理前的光學(xué)器件。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在SEM下的表面處理后的光學(xué)器件。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在刻蝕后和表面處理前的硅表面的原子力顯微鏡(AFM)圖片。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在第一次表面處理后的硅表面的AFM圖片。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在第二次表面處理后的硅表面的AFM圖片。
圖7(a)-(g)表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的提供光學(xué)質(zhì)量硅表面的方法。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案，其實(shí)施例結(jié)合相關(guān)

。當(dāng)結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方案來(lái)描述本發(fā)明時(shí)，應(yīng)理解成它們并沒(méi)有將本發(fā)明限制于這些實(shí)施方案。相反，本發(fā)明打算涵蓋可以包括在如附加權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的替代、修改和等價(jià)物。此外，在下面本發(fā)明詳細(xì)的描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的整體理解，提出了大量的具體細(xì)節(jié)。但是，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，明顯地不用這些具體的細(xì)節(jié)也可以實(shí)踐本發(fā)明。在其它情況下，公知的方法、程序、元件和電路沒(méi)有被詳細(xì)描述，從而不會(huì)不必要地模糊本發(fā)明的內(nèi)容。
本發(fā)明的實(shí)施方案旨向于在用于光學(xué)系統(tǒng)、包括集成的光學(xué)波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的平面集成產(chǎn)品中提供光學(xué)質(zhì)量的硅表面。本發(fā)明通過(guò)在這些光學(xué)系統(tǒng)中降低硅表面的表面粗糙度來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。期望平面集成產(chǎn)品能優(yōu)于用于高級(jí)系統(tǒng)的基于電介質(zhì)濾光器的波長(zhǎng)多路復(fù)用和多路分離產(chǎn)品。在生產(chǎn)平面波導(dǎo)器件中使用的集成電路型批量生產(chǎn)能力降低了生產(chǎn)成本。低的光傳播損耗特性、生產(chǎn)的方便性、能夠增加新光學(xué)/光電功能性的能力和容易獲得的主動(dòng)波導(dǎo)已經(jīng)產(chǎn)生了大量的集成光學(xué)技術(shù)。這些技術(shù)包括鈮酸鋰、III-V族和化合物半導(dǎo)體光子集成電路、硅-硅(silica on silicon)、聚合物、離子交換玻璃和SOI形式的調(diào)制器和開(kāi)關(guān)陣列。
本發(fā)明中引用的“一個(gè)實(shí)施方案”和“某個(gè)實(shí)施方案”意指結(jié)合實(shí)施方案描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施方案中。因此，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中不同地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施方案中”并不全是指相同的實(shí)施方案。
圖1表示本發(fā)明實(shí)施方案可以起作用的SOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光學(xué)模式的示意圖。SOI允許實(shí)現(xiàn)低成本的集成光波導(dǎo)技術(shù)。在SOI系統(tǒng)中有幾個(gè)獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)點(diǎn)。第一硅在長(zhǎng)波長(zhǎng)的無(wú)線電通訊帶如λ＞1.2μm之內(nèi)，提供了低的光傳播損耗。第二在該技術(shù)和微電子IC制造技術(shù)間有直接的兼容性。第三硅為電光或熱光調(diào)諧提供了可能性。第四允許形成高縱橫比的光帶結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)M.N.Naydenkov and B.Jalali，“Fabrication of high aspect ratio photonic bandgap structures onsilicon-on-insulator”，Proceedings of SPIE，Vol.3936，pp.33-39，2000)。第五硅(n～3.44)和SiO2(n～1.44)間大的折射率差異能夠使功能性的被動(dòng)光波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)集成在小的面積中。最后，通過(guò)使用公知的硅光具座技術(shù)(參見(jiàn)美國(guó)專利第5,337,398號(hào)和“Silicon Optical BenchWaveguide Technology”by Yuan P.Li and Charles H.Henry，pp 319-376，Academic Press，1997)，可得到光電器件的復(fù)合集成。
圖1中，在SOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的光波導(dǎo)可以作為附件設(shè)計(jì)并且與傳統(tǒng)單一模式或多模式的光波導(dǎo)纖維一起操作。SOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包含下硅基片層10、介電層20和波導(dǎo)肋層30。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，晶體硅基片接受離子注入，在晶體硅基片的表面之下且在下硅基片層10之上形成介電層20。為了將這種硅的埋置層轉(zhuǎn)換成例如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)的硅電介質(zhì)化合物，高能的離子化氧氣或氮?dú)獗蛔⑷刖w硅基片中。在圖1中，SiO2作為介電層20描述。埋置的介電層20的深度典型地為0.5到1微米，并且通過(guò)注入能量和離子通量來(lái)控制。上部波導(dǎo)肋層30可以通過(guò)離子注入后獨(dú)立的外延生產(chǎn)步驟來(lái)變得更厚，并且常規(guī)的厚度可以為0.2～10微米。維持在波導(dǎo)肋層30下的介電層20的功能之一是阻止光學(xué)信號(hào)尾隨進(jìn)入硅基片層10中。介電層20阻止信號(hào)明顯透過(guò)電介質(zhì)并進(jìn)入下硅基片層10中。
然后，硅基片被刻蝕并圖案化，從而在晶體硅的波導(dǎo)肋層30中提供暴露的波導(dǎo)邊緣，位于介電層20的頂部。圖案化可以涉及濕刻蝕或干刻蝕技術(shù)。在圖1中，直槽波導(dǎo)被幾何圖案化，從而提供了光學(xué)信號(hào)的側(cè)面限制。在其它實(shí)施方案中，其它類型的光學(xué)器件和對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)通過(guò)使用SOI作為基片材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。在直槽波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施方案中，波導(dǎo)在截面上大體上是矩形，波導(dǎo)寬度31和波導(dǎo)高度32如圖1所示。例如，波導(dǎo)約10微米高，8微米寬?；蛘?，在SOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中也可以使用其它的尺寸和形狀。在如圖1所示的配置中，SOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生高的折射率差異。晶體硅的波導(dǎo)肋層30的折射率約為3.44。SiO2介電層20的折射率約為1.5。如果用Si3N4作為介電層20，其折射率約為1.96。由于這種高的折射率差異，波導(dǎo)被光學(xué)隔離。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使用能產(chǎn)生小于1微米寬、幾微米深隔離區(qū)的各向異性RIE來(lái)在波導(dǎo)肋層30中產(chǎn)生光波導(dǎo)邊緣35和光波導(dǎo)平面38。在該過(guò)程中，RIE刻蝕模具在硅基片上形成，以暴露要形成溝槽的區(qū)域。模具結(jié)構(gòu)和厚度取決于所使用的RIE的化學(xué)和條件。在干刻蝕過(guò)程中，進(jìn)行氣體放電并且波導(dǎo)肋層30通過(guò)放電形成的化學(xué)實(shí)體來(lái)刻蝕?？涛g最終通過(guò)放電實(shí)體與SOI基片的波導(dǎo)肋層30的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。干刻蝕可以采取一個(gè)或多個(gè)步驟來(lái)刻蝕SOI。在一個(gè)實(shí)施方案中，這種刻蝕過(guò)程通過(guò)氣體放電實(shí)體與基片的動(dòng)力學(xué)沖擊在波導(dǎo)肋層30中帶來(lái)增強(qiáng)的材料去除。
根據(jù)實(shí)施方案，具體的RIE過(guò)程，通常稱作波希法(Boschprocess)，被用來(lái)進(jìn)行刻蝕。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用PlasmaTherm SLR770 ICP來(lái)進(jìn)行刻蝕。感應(yīng)耦合等離子體發(fā)生器在臨近上電極處產(chǎn)生稠密的等離子體。使用電容耦合的二級(jí)RIE發(fā)生器獨(dú)立地給基片加偏壓。波希法使用一系列的交替沉積和刻蝕來(lái)維持低的底切面和垂直側(cè)壁，從而形成如圖1所示的干刻蝕的波導(dǎo)邊緣35。當(dāng)波希法導(dǎo)致高度各向異性的刻蝕時(shí)，系列交替沉積和刻蝕產(chǎn)生刻蝕表面的波紋。這種波紋的實(shí)例在圖2中顯示。
從干刻蝕形成的干刻蝕波導(dǎo)邊緣35和光波導(dǎo)平面38在光波導(dǎo)表面上引起粗糙。另外，離子輔助的等離子體刻蝕經(jīng)常在刻蝕邊緣的表面附近引起大量的損傷。這種表面損傷會(huì)引起光和電性質(zhì)的退化，從而妨礙隨后的外延沉積。粗糙表面特性與光學(xué)模式發(fā)生強(qiáng)烈地相互作用并引起散射損耗。為了提高干刻蝕的光學(xué)器件結(jié)構(gòu)的光學(xué)質(zhì)量，使用熱氧化和刻蝕過(guò)程。
接著干刻蝕過(guò)程并在形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之后，在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面上生長(zhǎng)熱氧化物。例如，熱氧化物可以通過(guò)硅的濕或干氧化來(lái)生長(zhǎng)。在一個(gè)實(shí)施方案中，使用氧化爐如Tygstar I來(lái)實(shí)施硅的濕或干氧化。在許多情況下，在進(jìn)入氧化爐之前硅基片需要清除金屬或有機(jī)物。在一個(gè)實(shí)施方案中，清潔過(guò)程使用標(biāo)準(zhǔn)的爐前清潔過(guò)程在100℃用17∶1的H2SO4∶H2O2的piranha溶液來(lái)完成。在另一實(shí)施方案中，使用其它類型的爐前清潔過(guò)程。例如，干氧化可以在帶有氧氣流的管式爐中實(shí)施。在濕氧化一個(gè)實(shí)例中，使用獨(dú)立的噴燈來(lái)使氫氣和氧氣流動(dòng)。在爐中引入H2能夠發(fā)生蒸汽氧化或濕氧化。在裝載和卸載樣品期間使用氮?dú)廨d氣來(lái)凈化。在每一步中生長(zhǎng)的氧化物的典型厚度約為250納米。對(duì)于在250納米范圍內(nèi)的氧化物厚度，因?yàn)檠趸俾时雀裳趸斓枚?，所以濕氧化是?yōu)選的。在氧化過(guò)程中，溫度是氧化物生長(zhǎng)的關(guān)鍵參數(shù)?；臏囟瓤刂蒲趸^(guò)程的生長(zhǎng)速率，因?yàn)樗刂蒲蹼x子在硅晶格中的擴(kuò)散系數(shù)。例如，濕氧化可以在800～1100℃的爐溫中進(jìn)行。
接著熱氧化物生長(zhǎng)步驟，使用氫氟酸(HF)基溶液來(lái)刻蝕生長(zhǎng)的氧化物。在一個(gè)實(shí)施方案中，裝載在耐蝕刻皿中的晶片或SOI被浸入HF基溶液罐中。HF具有溶解二氧化硅而不溶解硅的優(yōu)點(diǎn)。例如，HF基溶液可以使用水和氟化銨的混合物來(lái)緩沖，產(chǎn)生緩沖的氧化物刻蝕劑(BOE)。HF通過(guò)將氧化物轉(zhuǎn)化成能溶解于水中的H2SiF6來(lái)刻蝕生長(zhǎng)的氧化物。盡管可以使用純的HF，但是典型地使用稀濃度的HF。純HF在室溫下具有每秒300A的刻蝕速率，這對(duì)于可控過(guò)程通常是太快了。在本實(shí)施方案中，實(shí)施氧化和刻蝕過(guò)程一次來(lái)平滑波導(dǎo)邊緣35。在其它實(shí)施方案中，為了獲得想要的平滑度重復(fù)這種氧化和刻蝕過(guò)程。因?yàn)橹貜?fù)該過(guò)程可以得到更平滑的表面，這對(duì)于多重可控的平滑應(yīng)用是適合的。
在一個(gè)實(shí)施方案中，這種刻蝕平滑對(duì)于實(shí)現(xiàn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直于光波導(dǎo)刻蝕的光學(xué)質(zhì)量的刻面是特別有利的。這種方法通過(guò)最小化由于光散射帶來(lái)的損耗而改善了光學(xué)質(zhì)量，并且明顯降低了波導(dǎo)的表面散射損耗。例如，使用與單一模式光纖耦合的直波導(dǎo)樣品端面的Fabry-Perot共振條紋反差的波導(dǎo)散射損耗表現(xiàn)出從2dB/cm到0.2dB/cm的損耗改善。在其它實(shí)施方案中，刻蝕在某個(gè)角度上被實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了光波導(dǎo)和輸入/輸出光纖間低的背反射界面。幾度的角度，如小于12度的角度對(duì)明顯降低反向散射是有用的。這種影響在本領(lǐng)域中是公知的并被常規(guī)地用來(lái)在單一模式光纖與單一模式光纖的連接中實(shí)現(xiàn)低的背反射。例如，與具有平坦拋光端面的FC-PC相比，F(xiàn)C-APC和FC-UPC(8°)的纖維端面導(dǎo)致反向散射降低了20dB。角度刻面表面的平滑導(dǎo)致了降低誘導(dǎo)光散射損耗的表面粗糙度，進(jìn)一步優(yōu)化了反向散射的降低。
圖2和3分別表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在SEM下的表面處理前后的光學(xué)器件的圖像。在SEM圖像中，表示出了在波導(dǎo)肋層30上的硅肋波導(dǎo)部分的前圖像和后圖像。如圖2所示，由于等離子體的刻蝕，在氧化生長(zhǎng)和刻蝕過(guò)程之前，在干刻蝕的波導(dǎo)邊緣35和波導(dǎo)平面38上觀察到明顯的粗糙。波導(dǎo)邊緣35中的標(biāo)記是粗糙度(scaloping)的結(jié)果，它是使用刻蝕過(guò)程，如波希法的副產(chǎn)物。
在形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)后，熱氧化物在硅表面上生長(zhǎng)。氧化物生長(zhǎng)典型地通過(guò)擴(kuò)散過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中氧氣通過(guò)在硅表面生長(zhǎng)的氧化物層擴(kuò)散入硅基片中，從而形成新的氧化物。擴(kuò)散速率取決于表面的形貌，表面粗糙在硅表面的峰和谷處導(dǎo)致不同的氧化速率。在峰處的氧化速率快于在谷處的氧化速率。結(jié)果，在氧化物生長(zhǎng)步驟中，在硅表面的峰處比在谷處形成更多的新鮮氧化物。然后，用例如HF基溶液來(lái)刻蝕生長(zhǎng)的熱氧化物，暴露出新鮮的硅。圖3中所示的后圖像是在氧化生長(zhǎng)和刻蝕過(guò)程的兩次循環(huán)后攝取的。如圖3所示，在波導(dǎo)邊緣35和波導(dǎo)平面38處的波導(dǎo)表面是很平滑的。應(yīng)該指出的是可以通過(guò)多次過(guò)程的循環(huán)以降低硅層厚度為代價(jià)來(lái)得到表面的進(jìn)一步平滑。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在刻蝕1微米后和表面處理前的硅表面的原子力顯微鏡(AFM)圖片。由AFM觀察到43.3埃()的均方根(RMS)表面粗糙度。在圖片中，所示為約1μm×1μm的面積。硅表面的峰高從0到139。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在第一次表面處理后的硅表面的AFM圖片。此處，所示為約4μm×4μm的面積。在該實(shí)施方案中，形成了250nm厚的熱氧化物并且隨后進(jìn)行了BOE。在圖5中，觀察到27.2的RMS表面粗糙度，該值低于處理前得到的值。硅表面的峰高從0到96.1，這比處理前得到的范圍小。重復(fù)上述氧化和刻蝕循環(huán)導(dǎo)致表面粗糙度的進(jìn)一步降低。圖6表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的在第二次表面處理后的硅表面的AFM圖片。在氧化和BOE刻蝕的第二次循環(huán)后，觀察到RMSS表面粗糙度為15.1，峰高為從0到42.7。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D7(a)-7(g)來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的提供光學(xué)質(zhì)量硅表面的方法。作為例釋性的實(shí)施例，首先產(chǎn)生SOI光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在其它實(shí)施方案中，形成其它的結(jié)構(gòu)。圖7(a)表示起始材料—晶體硅基片的截面圖。
在圖7(b)中，晶體硅基片接受離子注入，從而在晶體硅基片的表面下但在下硅基片層10上形成介電層20。注入高能的離子化物種，形成硅介電層20。介電層20上面的層是要形成光波導(dǎo)的波導(dǎo)肋層30。
在圖7(c)中，模具40被放在波導(dǎo)肋層30的上面，暴露出要形成溝槽的區(qū)域。這樣就允許實(shí)施刻蝕技術(shù)，例如各向異性的RIE，來(lái)在波導(dǎo)肋層30中形成光波導(dǎo)。
在圖7(d)，波導(dǎo)肋層30被刻蝕并圖案化，提供暴露的波導(dǎo)邊緣35和暴露的波導(dǎo)平面38?？涛g后除去模具40。如圖7(d)所示，波導(dǎo)邊緣35和暴露的波導(dǎo)平面38都形成了粗糙表面，這由其上面的峰和谷表現(xiàn)出。在一個(gè)實(shí)施方案中，刻蝕表面的波紋是刻蝕技術(shù)的系列交替沉積和刻蝕的結(jié)果。
在如圖7(d)所示的刻蝕后進(jìn)行熱氧化生長(zhǎng)步驟。在圖7(e)中，在光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、包括波導(dǎo)邊緣35和暴露的波導(dǎo)平面38的表面上產(chǎn)生一層熱氧化物50。例如，熱氧化物可以通過(guò)硅的濕或干氧化來(lái)生長(zhǎng)。氧化生長(zhǎng)典型地通過(guò)擴(kuò)散過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中氧氣通過(guò)在硅表面生長(zhǎng)的氧化物層擴(kuò)散入波導(dǎo)肋層30中，從而形成新鮮的氧化物。擴(kuò)散速率取決于表面的形貌，表面粗糙在硅表面的峰和谷處導(dǎo)致不同的氧化速率。
然后，用HF基溶液來(lái)刻蝕熱氧化物，從而在波導(dǎo)肋層30上暴露出新鮮的硅，如圖7(f)所示。如圖7(f)所示，波導(dǎo)邊緣35和暴露的波導(dǎo)平面38比以前更加平滑了(見(jiàn)圖7(d))，并且刻蝕表面的波紋被最小化了?？梢灾貜?fù)進(jìn)行熱氧化生長(zhǎng)步驟和隨后刻蝕生長(zhǎng)氧化物的循環(huán)，得到想要的表面平滑度。
圖7(g)表示第二次熱氧化物生長(zhǎng)和隨后刻蝕之后的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如圖所示，與圖7(f)中的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，所得結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)邊緣35和暴露的波導(dǎo)平面38是更加平滑的。
使用本發(fā)明方法可以實(shí)現(xiàn)低損耗的光學(xué)溝槽/干刻蝕波導(dǎo)面。隨著表面散射損耗被最小化了，光學(xué)質(zhì)量改善了。這使波導(dǎo)能更好地與外部光纖或其它現(xiàn)行的光電元件接觸。這種光電元件的實(shí)例是激光和光電探測(cè)器。這種將干刻蝕的粗糙硅表面轉(zhuǎn)化成光學(xué)質(zhì)量的平滑表面的能力在制造硅光學(xué)微型裝配中提供更大的靈活性。
當(dāng)前述的說(shuō)明指本發(fā)明的具體實(shí)施方案時(shí)，應(yīng)理解為提供具體的實(shí)施方案是出于例釋和說(shuō)明的目的。它們并沒(méi)有打算是詳盡的，或者將本發(fā)明限制于所公開(kāi)的精確形式。根據(jù)上述的教導(dǎo)，許多修改和變化都是可能的，并且可以給出而不會(huì)偏離它們的精神。例如，在圖7(a)-7(g)中，在每次氧化生長(zhǎng)和刻蝕過(guò)程中，邊緣和平面都是平滑的。在一個(gè)變化中，邊和平面可以各自是平滑的，以至于對(duì)邊緣實(shí)現(xiàn)某種程度的表面平滑，而對(duì)于面實(shí)現(xiàn)另一程度的表面平滑。在一個(gè)實(shí)施方案中，模具，或阻斷材料被背向不需要平滑或進(jìn)一步平滑的表面放置，該表面可以是所有邊緣、所有面、一個(gè)邊緣或一個(gè)面的表面。模具在氧化生長(zhǎng)過(guò)程期間阻止表面的待氧化并且在隨后的刻蝕過(guò)程中阻止表面被刻蝕。因此，只有暴露的表面被平滑。在另一個(gè)實(shí)施方案中，模具由不能完全阻斷氧氣擴(kuò)散，但是能使氧氣以降低的速率擴(kuò)散的材料制成。結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了不同的氧化速率并在不同的位置/表面得到不同程度的平滑度。附加的權(quán)利要求打算覆蓋這些落入本發(fā)明真實(shí)范圍和精神內(nèi)的修改。因此，本發(fā)明公開(kāi)的實(shí)施方案被在各方面認(rèn)為是例釋性的而不是限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及在權(quán)利要求的等價(jià)意義及范圍內(nèi)的所有變化來(lái)限定，而非由前述說(shuō)明來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種提供硅光學(xué)表面的方法，該方法包括刻蝕絕緣體硅基片形成具有表面粗糙的光學(xué)表面的光學(xué)表面波導(dǎo)，其中通過(guò)將硅基片進(jìn)行離子注入形成介電層而形成所述絕緣體基片；氧化光學(xué)表面的一部分，形成氧化區(qū)，其中使用擴(kuò)散模具來(lái)選擇性地改變氧的擴(kuò)散速率，從而選擇性改變氧化區(qū)的氧化速率，在所述部分內(nèi)的表面粗糙度根據(jù)氧的擴(kuò)散速率的選擇性改變而改變；除去氧化區(qū)，其中光學(xué)表面的表面粗糙度降低了。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述光波導(dǎo)是通過(guò)蝕刻形成的，并且光學(xué)表面包括，粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中所述粗糙刻蝕邊緣是具有高縱深比形貌特征的壁，所述表面粗糙度是光學(xué)表面上的峰和谷形式。
4.如權(quán)利要求2的方法，其進(jìn)一步包括在氧化光學(xué)表面時(shí)，阻止粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一的特定部分氧化，其中所述特定部分的表面粗糙度以不同于另一個(gè)部分的速率降低。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中阻止特定部分氧化是通過(guò)使用背向放在特定部分的阻斷材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該阻斷材料減慢了在該特定部分處的氧化生長(zhǎng)速率。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中重復(fù)實(shí)施光學(xué)表面部分的氧化和氧化區(qū)域的除去，直至得到理想程度的平滑度。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中氧化部分的除去用氫氟酸基溶液來(lái)實(shí)施。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中所述氧化部分的除去用緩沖的氧化物刻蝕劑來(lái)實(shí)施。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中所述光學(xué)表面是各向異性結(jié)構(gòu)中的垂直壁。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中至少一個(gè)光學(xué)表面在具有該至少一個(gè)光學(xué)表面的光波導(dǎo)與輸入光纖和輸出光纖至少之一間產(chǎn)生低的背反射界面。
11.一種提供硅光學(xué)表面的方法，該方法包括刻蝕絕緣體硅基片，形成具有粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一的光學(xué)表面的光波導(dǎo)，其中粗糙刻蝕邊緣是具有高縱深比形貌特征的壁，通過(guò)將硅基片進(jìn)行離子注入形成介電層而形成所述絕緣體基片，粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一具有表面粗糙度；在刻蝕的絕緣體硅基片上提供干氧化過(guò)程來(lái)生長(zhǎng)熱氧化，在所述粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一上氧化至少一部分表面粗糙度，其中使用擴(kuò)散模具來(lái)選擇性地改變氧的擴(kuò)散速率，從而選擇性改變氧化區(qū)的氧化速率，在所述部分內(nèi)的表面粗糙度根據(jù)氧的擴(kuò)散速率的選擇性改變而改變；用刻蝕劑除去氧化的部分，其中所述粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一的光學(xué)表面是平滑的。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中所述刻蝕劑是氫氟酸基溶液。
13.如權(quán)利要求11的方法，其中所述刻蝕劑是緩沖的氧化物刻蝕劑。
14.如權(quán)利要求11的方法，其中所述干氧化過(guò)程是用氧氣流來(lái)實(shí)施的。
15.如權(quán)利要求11的方法，其中重復(fù)實(shí)施提供干氧化過(guò)程步驟和除去步驟，直至得到理想程度的平滑度。
16.一種提供硅光學(xué)表面的方法，該方法包括刻蝕絕緣體硅基片，形成具有粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一的光學(xué)表面的光波導(dǎo)，其中粗糙刻蝕邊緣是具有高縱深比形貌特征的壁，通過(guò)將硅基片進(jìn)行離子注入形成介電層而形成所述絕緣體基片，粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一具有表面粗糙度；在刻蝕的絕緣體硅基片上提供干氧化過(guò)程來(lái)生長(zhǎng)熱氧化，在所述粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一上氧化至少一部分表面粗糙度，其中使用擴(kuò)散模具來(lái)選擇性地改變氧的擴(kuò)散速率，從而選擇性改變氧化區(qū)的氧化速率，在所述部分內(nèi)的表面粗糙度根據(jù)氧的擴(kuò)散速率的選擇性改變而改變；用刻蝕劑除去氧化的部分，其中所述粗糙刻蝕邊緣和粗糙刻蝕平面至少之一的光學(xué)表面是平滑的。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述濕氧化過(guò)程用氧氣和氫氣流來(lái)實(shí)施，實(shí)施該濕氧化過(guò)程的溫度范圍從800℃到1000℃。
18.權(quán)利要求16的方法，其中重復(fù)實(shí)施提供濕氧化過(guò)程步驟和除去步驟，直至得到理想程度的平滑度。
19.如權(quán)利要求16的方法，其中所述刻蝕劑是氫氟酸基溶液。
20.如權(quán)利要求16的方法，其中所述刻蝕劑是緩沖的氧化物刻蝕劑。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在光學(xué)系統(tǒng)，包括集成的光學(xué)波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)上制備光學(xué)質(zhì)量硅表面的系統(tǒng)和方法。粗糙表面通過(guò)干刻蝕過(guò)程形成。熱氧化物在表面上通過(guò)濕或干的氧化過(guò)程生長(zhǎng)。使用基于HF的溶液來(lái)刻蝕生長(zhǎng)的氧化物，降低表面的粗糙度。為了獲得所需程度的平滑度，可以重復(fù)進(jìn)行本發(fā)明的過(guò)程。
文檔編號(hào)G02B6/122GK1794022SQ20051013577
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2002年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月2日
發(fā)明者米哈伊爾·N·內(nèi)登科夫, 黃權(quán), 西瓦蘇布拉馬尼亞姆·葉格納納拉雅納 申請(qǐng)人:英特爾公司