機械調製式波分復用發送和接收模塊的製作方法

2024-02-15 11:38:15 1

專利名稱：機械調製式波分復用發送和接收模塊的製作方法
技術領域：
本發明是關于波分復用(WDM)發送和接收模塊(module)，特別是關於微機械加工(micromachined)的光機械調製器作為光信號發送器的波分復用發送和接收模塊。
光纖通信，特別是光纖到戶和光纖到辦公桌刺激了低成本高性能的波分復用發送和接收模塊的需求。現在已經發展出兩種主要的波分復用發送和接收模塊。一種模塊需要一隻安裝於用戶處的半導體雷射器，用來為用戶發送光信號。半導體雷射器的調製速率可以高達幾個Gbit/s，但由於價格昂貴，對溫度敏感，功率消耗大等因素，既抬高了整個模塊的價格，也影響到模塊的性能穩定。另一種採用閉路返回的架構，整個模塊只需一隻安裝在中心辦公室的半導體雷射器，而在用戶端，一隻微機械加工的光機械調製器取代半導體雷射器，擔負發送用戶光信號的功能。在這種模塊中，中心辦公室發送的數據由中心辦公室的半導體雷射器產生，而用戶發送的數據由用戶的光機械調製器調製來自中心辦公室的光束產生。
對於許多實際應用，用戶信息的比特率遠低於中心辦公室信息的比特率，幾個Mbit/s也許就可滿足用戶信息的要求。這種低比特率的信息正適合用微機械加工的光機械調製器產生。微機械加工的光機械調製器具有製造成本低，插入損耗低，對比度高，和對極性不敏感等優點。因此微機械加工的光機械調製器取代半導體雷射器是一種經濟實用，便於推廣的替代方案。
對光機械調製器的研究開發工作，可以追溯到幾十年以前，只是早期的光機械調製器的工作方式大多為相移式或掃描鏡式，其調製速率太低，滿足不了光纖通信的需要。近幾年來，發展了以集成電路技術為基礎的微機械加工(micromachining)技術，並且用這種技術製造出形形色色的微電機系統和微光電系統。比較成功的微光電系統為Fabry-Perot(法布裡-珀羅)腔光機械調製器。法布裡-珀羅腔由兩隻平行的反射面構成，兩反射面之間的距離只有四分之一光波長的數倍。對於如此精細的法布裡-珀羅腔，如採用傳統的機械加工技術，不僅製造過程極其複雜，而且加工精度也很難保證。採用微機械加工技術，整個製造過程變成實施幾道簡單的半導體工兿，加工精度要求都在常規半導體加工範圍之內。


圖1A和圖1B展示文獻報導的一種微機械加工的光機械調製器(James A.Walker，Keith W.Goossen，and Susanne C.Arney，「Fabrication of a Mechanical Antireflection Switch for Fiber-to-the-Home System，」Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.5(1)，pp.45-51，March 1996)。該調製器的法布裡-珀羅腔由襯底101，空氣間隙103，環繞空氣間隙的鋁支撐框架102，和氮化矽(Si3N4)膜104構成。Si3N4膜104包括中央平板106和四周支撐梁107兩部分，作為整體懸空橫跨於襯底101之上。金屬電極105覆蓋支撐梁107全部和中央平板106的邊緣部分，而中央平板106的中心部分仍露出Si3N4膜，用作透光窗口108。為運行器件，須將信號電壓施加於上電極105和下電極109之間，由此產生靜電力作用於上電極105，使Si3N4膜隨著信號電壓向襯底101方向彎曲。當電壓為零時，Si3N4膜104和襯底101之間的空氣間隙103為λ/4(其中λ為工作光波波長)的奇數倍，此時法布裡-珀羅腔對入射光束的反射係數最大；隨著電壓增加，Si3N4膜開始彎向襯底101，當使空氣間隙103為λ/4的偶數倍時，法布裡-珀羅腔的反射係數最小。採用這種方法改變法布裡-珀羅腔兩反射面間的距離，可以調製反射光束的強度，使其成為載有用戶信息的光信號。
儘管採用以鋁為犧牲層和以Si3N4為彈性膜，從製造角度考慮確實比較方便，但卻帶來不少頗為嚴重的困擾。當鋁層的厚度接近1微米時，其表面變得粗糙不平，並且隨之出現大量小丘，這使形成於鋁層之上的Si3N4膜產生高密度的針孔。Si3N4膜除用作結構材料外，還用作金屬布線的絕緣層，密布的針孔和鋁層小丘會引起電極短路和器件失效。此外，微機械加工用來對基片進行雕刻和挖掘，以形成三維微型結構，因此腐蝕的選擇性是首要考慮的問題。這種腐蝕的選擇性對形成法布裡-珀羅腔更為重要，因為腔的縱向和橫向尺寸的微小變化都會造成其光學性能的顯著差異。當用鋁作形成腔體結構的犧牲材料時，鋁的橫向腐蝕不能自行停止。腔體的橫向尺寸控制不了，腔體的的振動特性就不能重複，腔體的運行電壓也就難以確定。
另外一種光機械調製器的設計如圖2所示(C.Marxer，M.A.Gretillat，V.P.Jaecklin，R.Baettig，O.Anthamatten，P.Vogel，N.F.de Rooij，」Megahertz opto-mechanical modulator，」Sensors andActuators A，Vol.52(1-3)，pp.46-50，March/April 1996)。該調製器的法布裡-珀羅腔由多晶矽下反射鏡203，多晶矽上反射鏡205，和空氣間隙206組成。腔體形成於單晶矽片201之上。為形成腔體，首先在單晶矽片201表面形成Si3N4層204，用作抗反射薄膜。然後在Si3N4層204表面形成下多晶矽反射鏡203。接著形成磷矽玻璃(PSG)層，用作選擇腐蝕的犧牲層(圖中沒有畫出)。PSG層被加工成島狀後，在PSG島上形成多晶矽層。選擇腐蝕PSG島即形成拱橋狀多晶矽上反射鏡205。多晶矽，Si3N4，以及PSG都由低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術形成。單晶矽片201的背面覆蓋有電介質層202，背面中心部位有空洞207。光纖209由空洞207插入，纖芯208對準下反射鏡203底部的細孔洞，由其發射的光束通過細孔洞進入腔體。
這種光機械調製器也存在許多不足之處。1)理想的法布裡-珀羅腔要求無應力或低張應力的材料構成可形變的反射鏡。在單晶矽片上用LPCVD技術形成的多晶矽層不僅做不到無應力或低張應力，相反卻有足夠大的殘餘壓應力存在，致使通過腐蝕犧牲層而予以釋放的多晶矽膜松馳折皺，很難構成理想的平面反射鏡。2)用作犧牲層的PSG層表面起伏不平，造成多晶矽膜表面的粗糙度高達140，其後果是增加調製器的插入損耗。3)由於空氣間隙太大，造成器件運行電壓高達70V，這對配合微電子電路，特別是微處理器的應用是很不方便的。4)光纖插入孔洞的形成圖形由單晶矽片背面電介質層光刻圖形確定，背面電介質層光刻圖形很難與在單晶矽片正面形成的法布裡-珀羅腔對準，這意味著插入的光纖不能與法布裡-珀羅腔自動對準。
上述微機械加工的光機械調製器存在的問題或困擾，也都程度不同的出現在其它類似的微機械加工的光機械調製器上。本發明的宗旨就是對現有的光機械調製器的結構及其製造方法進行重大改造，從根本上消除產生上述問題或困擾的起因，以製造出高性能低成本的微機械加工的光機械調製器。
本發明的目的之一是提供一種以法布裡-珀羅腔為基本組成的光機械調製器，其腔體由同質材料的薄膜疊層加工而成，而不是象在前的調製器那樣由異質材料的薄膜疊層加工而成。採用同質材料的薄膜疊層，可以消除由不同材料的熱膨脹係數失配和晶格常數失配引起的腔體薄膜殘餘應力，以獲得更為理想的平面反射鏡。
本發明的目的之二是提供一種以法布裡-珀羅腔為基本組成的光機械調製器，其腔體可形變薄膜的形成分兩步進行，第一步由溼法腐蝕去除部分犧牲層，第二部由幹法腐蝕去除殘留的犧牲層，而不是象在前的調製器那樣只採用溼法腐蝕一步形成。幹法腐蝕可以消除溼法腐蝕中固有的溶液表面張力作用，從而消除腐蝕釋放的可形變溥膜被拉向襯底並與襯底發生粘貼的現象。
本發明的目的之三是提供一種以法布裡-珀羅腔為基本組成的光機械調製器，其腔體的空氣間隔可以減至理論設計的最小值，而不是象在前的調製器那樣，由於受到製造技術的限制而不得不取比較大的值。比較小的空氣間隔可以降低調製器運行所需的電壓，為配合微電子電路使用提供方便。
本發明的目的之四是提供一種以法布裡-珀羅腔為基本組成的光機械調製器，其腔體的可形變薄膜由形成於比較薄的犧牲層上的薄膜構成。比較薄的犧牲層具有比較光滑的表面，因而可形變薄膜也有比較光滑的表面，從而降低調製器的插入損耗。
本發明的目的之五是提供一種以法布裡-珀羅腔為基本組成的光機械調製器具有與腔體對準的光纖插入孔洞，腔體與光纖插入孔洞形成於同一襯底，共同圍繞同一中心軸線，使光纖一經插入即可自動與腔體對準。
本發明的目的之六是提供一種以法布裡-珀羅腔為基本組成的光機械調製器，其腔體與其襯底表面處於同一平面，不是象在前的調製器那樣凸出於襯底表面。腔體的平面化不僅便於直接採用成熟的半導體平面工藝進行製造，而且有利於增加調製器的機械強度，降低製造過程中的損耗，提高產品的成品率。
為了實現上述目的以及其它目的，本發明提出了一種以光機械調製器為發送器的波分復用發送和接收模塊的製造方法。該模塊如圖3所示，其法布裡-珀羅腔由上部多晶矽反射鏡和柔性多晶矽梁304，下部多晶矽反射鏡302，以及兩多晶矽反射鏡之間的空氣間隙306組成。上部多晶矽反射鏡的正面中心覆蓋有抗反射膜305。金屬電極310覆蓋多晶矽梁和大部分多晶矽反射鏡面積，而下多晶矽反射鏡的中心部位露出抗反射膜305。下部多晶矽反射鏡302的背面覆蓋有抗反射膜303。金屬電接觸308與單晶矽片中的擴散層301連接，由於擴散層301的表面層為高摻雜濃度區，通過這一高摻雜濃度區可以將外加電壓直接傳到多晶矽反射鏡302的底部。金屬引線313和314通向外電路，為腔體引入調製電信號，使腔體多晶矽反射鏡304可隨調製電信號發生彎曲，以改變與下部多晶矽反射鏡302之間的距離。
該模塊的法布裡-珀羅腔由多晶矽三疊層結構307加工而成，該疊層結構形成於單晶矽片的擴散層301之上。腔體的多晶矽膜和柔性多晶矽梁304原為其上部多晶層的一部分，在選擇性腐蝕去除其下的多晶矽層後，這部分多晶矽層就騰空而起成為富有柔性的結構。中間的多晶矽層有三個作用1)用於形成多晶矽膜304的犧牲層；2)用於形成多晶矽膜304支撐框架的建築材料；3)用作隔離多晶矽膜304與擴散層301的半絕緣層。下部多晶層夾在上部多晶層與下面擴散層301之間，起緩衝層作用，以減小兩種材料熱膨脹係數失配和晶格失配對上部多晶膜304的影響，降低上部多晶膜304中的殘餘應力。
光電二極體316安裝於法布裡-珀羅腔之上，其受光面317朝下並對準抗反射膜305，其凸出焊塊318連接單晶矽片，對光電二極體316起支撐和定位作用。單晶矽片的擴散層301圍繞一圓錐形狀孔洞315。單晶矽片從背面減薄後，用粘合劑311將其與玻璃片312粘結，使玻璃片中的通孔對準單晶矽片的圓錐形狀孔洞315。光纖319插入圓錐形狀孔洞315，並用樹脂321將其固定於玻璃片312。圓錐形狀孔洞315的橫向直徑被調整到與光纖的橫向直徑相配合，插入光纖319的纖芯320不需進行位置調整就能自動對準腔體的中心軸線，使纖芯發出的光束透過腔體後能準確照射到光電二極體316的光靈敏區317上。
法布裡-珀羅腔的多晶矽膜304的釋放，採用以選擇性形成和腐蝕多孔多晶矽為基礎的多孔多晶矽微機械加工技術。釋放過程主要包括在單晶矽片上形成多晶矽三疊層結構，並對多晶矽三疊層結構進行局部摻雜，使中層的中部區域和下層的中部局部區域成為重摻雜區，而這些區域四周仍由未摻雜的高阻多晶矽圍繞。上層多晶層開若干開口，以露出部分中層的重摻雜區。置入氫氟酸(HF)溶液進行陽極氧化，將重摻雜的多晶矽選擇性轉變成多孔多晶矽，然後用矽的弱腐蝕劑，如稀釋的氫氧化鉀溶液，選擇性腐蝕形成的多孔多晶矽，從而釋放上部原處於重摻雜區之上的多晶矽層，使其成為容易變形的薄膜。
單晶矽片中圓錐形狀孔洞的形成採用以選擇性形成和腐蝕多孔單晶矽為基礎的多孔單晶矽微機械加工技術。圓錐形狀孔洞形成過程，主要是在p型輕摻雜的單晶矽片中形成圓環形狀的n型擴散層，圓環圍繞的p形區為頂部小底部大的圓錐。在單晶矽片表面形成多晶矽三疊層結構，使疊層結構與圓錐形狀p型區圍繞同一中心軸線。在疊層結構的重摻雜多晶矽轉變成多孔多晶矽後，繼續進行陽極氧化反應，使單晶矽片中的圓錐形狀p型單晶矽轉變成多孔單晶矽，然後將形成的多孔單晶矽腐蝕去除，就形成了頂部小底部大的圓錐形狀孔洞。
腐蝕多孔單晶矽後形成的圓錐形狀孔洞具有光滑的側壁，其橫截面的直徑由上至下連續變化。控制n型擴散層的圓環直徑，使其稍小於插入光纖的直徑，則圓錐形狀孔洞的中間部位必有一處，其橫截面直徑與光纖直徑配合。無須藉助精密儀器，也不必進行繁瑣的人工操作，光纖一經插入，必與腔體的中心軸線自動重合。
為避免腔體多晶矽膜304與下多晶矽膜302粘貼，腐蝕多孔多晶矽後，多晶矽膜304的多晶矽梁部分仍由其邊緣的未摻雜多晶矽牆支撐，而多晶矽膜的平板部分仍由散布其中的未摻雜多晶矽柱支撐。這時所釋放的多晶矽膜仍有足夠的剛性強度，阻止腐蝕溶液毛細管力的作用，而不致被拉彎到與其分開的多晶矽層接觸。這些未摻雜多晶矽牆和未摻雜多晶矽柱，最後由幹法腐蝕去除。幹法腐蝕不存在腐蝕溶液毛細管力的作用，因而不會出現釋放的多晶矽膜與底部多晶矽層粘貼的問題。
未摻雜多晶矽牆和未摻雜多晶矽柱被設置於重摻雜多晶矽之中，當周圍的重摻雜多晶矽被陽極氧化而變成多孔多晶矽時，由於未摻雜多晶矽的半絕緣特性，可以阻止陽極電流從中通過，因而不會被陽極氧化變成多孔多晶矽。多孔多晶矽腐蝕用的腐蝕溶液為稀釋的氫氧化鉀溶液腐蝕，腐蝕在室溫下進行，在此條件下，對多晶矽的腐蝕微不足道，因而在隨後的多孔多晶矽的腐蝕過程中，未摻雜多晶矽牆和未摻雜多晶矽柱不受任何腐蝕影響。
為採用幹法腐蝕技術選擇性去除未摻雜多晶矽牆和未摻雜多晶矽柱，多晶矽牆和多晶矽柱上的保護膜與多晶矽膜上的保護膜須具有不同的保護特性，它們都有抗HF溶液腐蝕的能力，從而防止其表面在陽極氧化過程中受到損壞，但在幹法腐蝕過程中，多晶矽膜上的保護膜仍具有抗腐蝕的作用，而多晶矽牆和多晶矽柱上的保護膜卻不再具有抗腐蝕的作用。為滿足這些要求，多晶矽膜上的保護膜選用Si3N4和二氧化矽(SiO2)複合層，而多晶矽牆和多晶矽柱上的保護膜選用Si3N4單層。選用的幹法腐蝕劑對Si3N4和多晶矽的腐蝕速率須高於對SiO2腐蝕速率，而對金屬基本上不腐蝕，Cl2＋He腐蝕氣體系列就具有這種特性。
圖1展示在前技術提供的一種微機械加工的光機械調製器的橫截面示意圖。
圖2展示在前技術提供的另一種微機械加工的光機械調製器的橫截面示意圖。
圖3展示本發明提供的以微機械加工的光機械調製器為發送器的波分復用發送和接收模塊的橫截面示意圖。
圖4至圖14展示本發明提供的以微機械加工的光機械調製器為發送器的波分復用發送和接收模塊在其各主要製造步驟完成後部分切除透視圖。
配合圖4至圖14的圖形展示，詳細介紹本發明提供的以微機械加工的光機械調製器為發送器的波分復用發送和接收模塊的製造過程。
參照圖4，輕摻雜的p型單晶矽片401用作襯底材料，大約1微米厚的SiO2層形成於其上部表面，採用的技術為高溫溼氧熱氧化。通過光刻和腐蝕，將SiO2層加工成包含有開口的掩蔽圖形。然後進行高溫熱擴散，在單晶矽片401內形成大約20微米深的n型擴散層402。擴散層402在襯底表面呈圓環形狀，圓環內徑大約110微米。擴散層402圍繞的p型區403為圓錐形狀，其頂部直徑大約110微米，底部直徑大約134微米。
參照圖5，在單晶矽片401的表面形成多晶矽層404，採用的技術為LPCVD，沉積溫度為620℃，氣源為SiH4，反應氣壓為220mTorr。該多晶矽層的厚度為mλ/4，其中m為奇數，典型的情況下m為1。多晶矽層404未有意摻雜，其電阻率高於106Ωcm。大約1微米厚的低溫二氧化矽(LTO)層形成於多晶矽層404之上，採用的技術為LPCVD，沉積溫度為560℃，氣源為O2和SiH4，反應氣壓為150mTorr。採用光刻和腐蝕技術將LTO層加工成包含開口的掩蔽圖形。然後進行磷離子注入，注入劑量為1×1015/cm2，注入能量為60kev。接著進行熱退火，退火溫度為1100℃，退火時間為30min。由此形成四個重摻雜區405，圍繞著圓錐形狀p型單晶矽區403的中心軸線對稱分布，且每個重摻雜區底部大部分座落在圓錐形狀p型單晶矽區403內。
參照圖6，在緩衝的氫氟酸溶液(BHF)中腐蝕去除LTO層後，採用與上述相同的LPCVD技術在多晶矽層404之上形成另一多晶矽層406。此多晶矽層的厚度為mλ/4，典型情況下m為3。用與上述相同的LPCVD技術形成另一LTO層，並且加工成包含有開口的掩蔽圖形。用與上述相同的磷離子注入和高溫熱退火技術，在多晶矽層406中形成正方形的重摻雜區407。重摻雜區407中間分布許多未摻雜的小正方塊區408和小矩形塊區409。重摻雜區407的底部部分座落在重摻雜的多晶矽區405內，而未摻雜的小正方塊區408和小矩形塊區409的底部部分座落在未摻雜的多晶矽區內。
參照圖7，腐蝕掉LTO層後，在第二多晶矽層406表面，採用與上述相同的LPCVD技術形成第三多晶矽層410。該多晶矽層的厚度為mλ/4，典型情況下m為1。緊接著用光刻和腐蝕技術加工形成接觸孔413。接觸孔413須穿越上，中，下三層多晶矽層404，406，和410，一直深入到n型擴散層402的表面高摻雜濃度區。多晶矽的腐蝕採用反應離子腐蝕(RIE)技術，腐蝕氣體配方為Cl2＋He＝180∶400sccm，RF功率為275W，反應氣壓為300mToor，襯底溫度為40℃。然後，用與上述相同的LPCVD技術，在410層的表面形成厚λ/4的LTO層411。用光刻和腐蝕技術對LTO層411進行加工，使形成露出下部多晶矽層410的開口414，開口414的中央部位留出20×20μm正方形的LTO臺面用作抗反射膜412，該抗反射膜的中心處於圓錐形狀p型單晶矽區403的中心軸線上。在此光刻和腐蝕過程中，接觸孔413底部的LTO層須一同腐蝕去除，以便於隨後製作金屬電接觸。
參照圖8，在單晶矽片401的表面，用LPCVD技術形成1000厚的低應力Si3N4層415，採用的氣源為SiH2Cl2(DCS)/NH3＝0.176，沉積溫度為790℃，反應氣壓為150mToor。用光刻和腐蝕技術對低應力Si3N4層415進行加工形成Si3N4圖形416。Si3N4圖形416包括中部30×30μm的正方形平臺，該平臺完全覆蓋其下的抗反射膜412。Si3N4圖形416還包括四條長40μm寬10μm的「Z」形長爪，該長爪從正方形平臺的邊緣中部伸出，與外緣的框架相連，將框內裸露的上部多晶矽層410分割成四個等面積的開口414。在光刻腐蝕形成開口414的同時，須腐蝕去除接觸孔413底部的Si3N4層。
參照圖9，在單晶矽片401的表面，用電子束蒸發技術依次形成200厚的Cr層和200厚Au層，由此組成Au/Cr複合層，其中Cr用作粘合劑，增加Au層對Si3N4層的粘性。用光刻和腐蝕技術對Au/Cr複合層進行加工形成複合層圖形419。該複合層圖形覆蓋大部分正方形Si3N4平臺，但須空出處於抗反射膜412之上的部分和邊緣四個小正方塊區域418。複合層圖形419還覆蓋大部分」Z」形Si3N4長爪，但空出邊緣的小矩形塊區域417。對複合層進行加工還同時形成接觸孔內的金屬電接觸420和排列在複合層圖形419兩側的金屬壓焊塊421和422。金屬壓焊塊421與金屬電接觸420連接，金屬壓焊塊422與複合層圖形419連接。金屬壓焊塊421和422須用電鍍技術進一步加厚到大約20微米左右。然後用光刻和腐蝕技術去除未被Si3N4覆蓋上部多晶矽層，形成裸露出中部重摻雜區的開口423。
接下來是形成用作微機械加工犧牲層的多孔多晶矽和多孔單晶矽。多孔多晶矽和多孔單晶矽都能在濃度比較高的HF溶液中由陽極氧化生成，但其生成的擇優性與材料的摻雜類型和摻雜濃度有關。不論是多晶矽和單晶矽，一般的規律是，重摻雜p+型矽比輕摻雜p型和輕摻雜n型矽優先陽極氧化生成多孔矽，重摻雜n+型矽比重摻雜p+型，輕摻雜p型矽和輕摻雜n型矽優先陽極氧化生成多孔矽。這就是說通過控制陽極氧化電壓，可以在輕摻雜n型矽襯底上優先在重摻雜n+型矽區形成多孔矽，也可以在輕摻雜p型矽襯底上優先在重摻雜p+和重摻雜n+型矽區形成多孔矽。
使用的陽極氧化槽為雙室聚四氟乙烯槽。待陽極氧化的單晶矽片插入槽室的中部，將槽室分隔成兩個相互隔離的小槽，每個小槽的相對端放置一隻板狀的鉑電極，與外部直流電源連接，將直流電壓施加於槽內的HF溶液。HF溶液有兩種作用，一是在單晶矽片的正面起陽極氧化作用，二是在單晶矽片的背面起電接觸的作用。HF溶液由化學泵驅動使其在槽內不斷循環流動，以驅除粘在單晶矽片表面，由陽極氧化反應產生的氣泡，並且提供攪拌作用使溶液濃度均勻分布，避免在反應區域HF濃度因反應消耗而顯著降低。
HF是強腐蝕劑，待陽極氧化的單晶矽片401表面要加以保護以免遭到損壞。保護層要有足夠的耐HF腐蝕的能力。耐HF腐蝕的材料很多，常用的有LPCVD形成的低應力Si3N4，PECVD形成的無定形SiC和無定形矽(Si)，以及Au和Pt等。上面選用LPCVD形成的低應力Si3N4，其抗HF腐蝕的能力比符合化學配比的Si3N4強。
選用的HF溶液的配方為HF(49％)∶C2H5OH(96vol％)＝1∶1。溶液中添加C2H5OH(無水乙醇)是為了增強HF溶液的在微孔洞內的滲透能力，並且使附在單晶矽片401表面的氫氣氣泡能儘快的移去。陽極氧化時，陽極電流密度保持在大約50mA/cm2左右，溶液溫度維持在室溫左右。
參照圖10，通過陽極氧化，先將中間多晶矽層中較大面積的重摻雜區407，底部多晶矽層中較小面積的重摻雜區405轉變成多孔多晶矽424，然後將單晶矽片401中n型擴散層402所包圍的圓錐形狀p型區403轉變成多孔單晶多孔矽425。形成的多孔單晶多孔矽層425的深度隨著陽極氧化時間增加，一般可控制在60-80μm左右，以符合隨後減薄單晶矽片401所能達到的常規厚度。
參照圖11，將單晶矽片401粘結到玻璃片上(圖中未畫出)，使其正面朝下，背面朝上，粘合劑可用光刻膠，比如KPR系列的負性光刻膠，這種光刻膠的前烘溫度大約120℃。然後用減薄機減薄，以露出形成的多孔單晶矽區425。再將另一刻有通孔的硬片427粘到單晶矽片401上，使硬片的通孔428與單晶矽片401的多孔單晶矽425的露頭對準，粘合劑用低溫固化樹脂426。硬片材料為金屬，塑膠，玻璃等，須有足夠的機械強度，而且容易加工出精密的通孔。用作粘合劑的樹脂固化溫度須低於負光刻膠的前烘溫度120℃。隨後用負性光刻膠的顯影液溶去除負光刻膠，移去單晶矽片401正面的玻璃片，以露出其正面形成的多晶矽圖形。
參照圖12，用稀釋的5％KOH溶液腐蝕多孔多孔矽424和多孔單晶矽425，由此形成上部多晶矽膜430，與此膜相連的四條多晶矽梁431，下部多晶矽膜433，兩多晶矽膜之間的空氣間隙432。此時，上部多晶矽膜430由四個未摻雜多晶矽柱435支撐，每條多晶矽梁431由兩個未摻雜多晶矽牆434支撐。須注意，未摻雜多晶矽牆434和未摻雜多晶矽柱435的底部為多晶矽層404的未摻雜區域，頂部覆蓋有Si3N4薄膜。最後在下部多晶矽膜433的表面，用電子束蒸發技術形成λ/4厚的LTO層，用作抗反射膜429。
參照圖13，在單晶矽片401的表面不需要再形成任何新的掩蔽膜，直接用RIE技術腐蝕去除未摻雜多晶矽牆434和未摻雜多晶矽柱435。腐蝕氣體為Cl2＋He＝180∶400sccm，RF功率為275W，反應氣壓為300mT，基座溫度為40℃。在此條件下產生的腐蝕速率，對多晶矽是5700/min，對低應力Si3N4是530/min，對LTO是60/min，對Au/Cr基本上不腐蝕。由此可知，Au/Cr和LTO是很好的抗腐蝕材料。RIE腐蝕Si3N4/LTO的情況是，先高速率腐蝕Si3N4層，然後低速腐蝕LTO層，通過控制腐蝕時間，使腐蝕在適當的位置終止，以保存抗反射膜411有足夠的厚度。RIE腐蝕Si3N4/多晶矽的情況是，高速腐蝕去除Si3N4層後，露出的是多晶矽而不是LTO，腐蝕劑對多晶矽仍有很高的腐蝕速率，因而能繼續腐蝕，很快將中部多晶矽層406腐蝕掉並露出下部多晶矽層404。經RIE腐蝕後，多晶矽膜430和多晶矽梁431完全與下部的多晶矽層404分離，其間的多晶矽層406，不論是重摻雜區域還是未摻雜區域，都被腐蝕去除乾淨。須注意，多晶矽層406的重摻雜多晶矽部分是形成多孔多晶矽後由稀釋的KOH溶液腐蝕掉，未摻雜多晶矽部分直接由RIE腐蝕掉。
眾所周知，溶液腐蝕存在毛細管力的作用，會引起微結構粘連。溶液腐蝕的產物也會殘留在微結構形成處，成為引起微結構粘連的另一個因素。RIE腐蝕的腐蝕劑和反應產物都是氣體，反應室處在低氣壓狀態，反應產物不易在微結構形成處停留。因此上述溶液腐蝕存在的問題在幹法腐蝕中都不會出現。
參照圖14，將光電二極體439裝置在單晶矽片401的上方，使光電二極體的焊接凸塊441與單晶矽片401上的焊接凸塊421一一對接，確保光電二極體439的光靈敏區440與抗反射膜412對準。然後將光纖437通過玻璃片427的通孔洞插入單晶矽片401的圓錐形狀的光纖插入孔洞。單模光纖的直徑為125μm，正好介於光纖插入孔洞上下部橫向直徑之間，因而光纖的插入端會停止在插入孔洞斜坡狀的內壁上，保持與下部多晶矽膜433的下表面有一確定的距離。只要光纖437是垂直插入的，其纖芯就會自動對準插入孔洞的中心軸線，也即對準由上部多晶矽膜430，上部多晶矽梁431，下部多晶矽膜433，和中間空氣間隙432構成的法布裡-珀羅腔的中心軸線，以及腔體上方的光電二極體439的光靈敏區440。
上面介紹的是本發明提出的微機構加工的光機械調製器以及以其為發送器的波分復用發送和接收膜塊的最佳實施方案。本技術領域的熟練技術人員根據上述介紹，很容易對本發明給出的製造方法和製造流程的某些方面進行修改，增添和刪減，但本質上卻不會離開本發明的所限定的基本範圍和基本精神。
權利要求
1.一種製造法布裡-珀羅腔光機械調製器的方法，其特徵是包括如下製造步驟(A)在輕摻雜的p型單晶矽襯底內形成由n型擴散層圍繞的圓錐形狀的p型區；(B)在單晶矽襯底上形成局部摻雜的多晶矽三疊層結構，使其中層包含有一塊面積較大的重摻雜區，其中散布若干面積較小的未摻雜區，下層含有若干面積較小的重摻雜區，中層重摻雜區與下層重摻雜區有部分面積重疊，下層重摻雜區與圓錐形狀的p型區有部分面積重疊，從上層未摻雜多晶矽層分割出尚未從底部釋放的多晶矽膜和多晶矽梁；(C)在氫氟酸溶液中進行陽極氧化，將重摻雜的多晶矽轉變成多孔多晶矽而保持未摻雜多晶矽，包括散布於重摻雜區中小面積未摻雜區內的未摻雜多晶矽不變；(D)在氫氟酸溶液中進行陽極氧化將圓錐形狀的p型單晶矽轉變成多孔單晶矽；(E)從單晶矽襯底的背面減薄以露出形成的多孔單晶矽；(F)將有通孔的玻璃片與單晶矽襯底粘結使其通孔與露出的多孔單晶矽圖形對準；(G)在稀釋的鹼溶液中腐蝕多孔多晶矽和多孔單晶矽，部分釋放多晶矽膜和多晶矽梁，並形成圓錐形狀的光纖插入孔洞；(H)用幹法腐蝕去除原來散布於中層多晶矽重摻雜區中的小面積未摻雜多晶矽，以全部釋放多晶矽膜和多晶矽梁。
2.一種製造法布裡-珀羅腔光機械調製器的方法，其權利要求1所述的特徵製造步驟還包括形成耐氫氟酸腐蝕的陽極氧化保護層。
3.一種製造以法布裡-珀羅腔光機械調製器的方法，其權利要求1所述的特徵製造步驟還包括形成耐氫氟酸腐蝕的金屬布線。
4.一種製造以法布裡-珀羅腔光機械調製器的方法，其權利要求2所述的陽極氧化保護層分成兩部分，保護多晶矽膜和多晶矽梁的部分由沉積Si3N4和SiO2複合層形成，保護隨後由幹法腐蝕去除的未摻雜多晶矽部分由沉積Si3N4單層形成。
5.一種製造以法布裡-珀羅腔光機械調製器的方法，其權利要求3所述的耐氫氟酸腐蝕的金屬布線由以鉻為粘附層，以金為導電層的複合層形成。
6.一種製造以法布裡-珀羅腔光機械調製器的方法，其權利要求1所述的幹法腐蝕所用的腐蝕劑對Si3N4和多晶矽的腐蝕易於對SiO2的腐蝕，而對金和鉻幾乎不腐蝕。
7.一種製造以光機械調製器為發射器的波分復用發射和接收模塊的製造方法，其特徵是包括如下製造步驟(A)在輕摻雜的p型單晶矽襯底中形成由n型擴散層圍繞的圓錐形狀的p型區；(B)在單晶矽襯底上形成局部摻雜的多晶矽三疊層結構，使其中層包含有一塊面積較大的重摻雜區，其間散布若干面積較小的未摻雜區，下層含有若干面積較小的重摻雜區，中層重摻雜區與下層重摻雜區有部分面積重疊，下層重摻雜區與圓錐形狀的p型區有部分面積重疊，從上層未摻雜多晶矽層分割出尚未從底部釋放的多晶矽膜和多晶矽梁；(C)在氫氟酸溶液中進行陽極氧化將重摻雜的多晶矽轉變成多孔多晶矽而保持未摻雜多晶矽，包括散布於重摻雜區中小面積未摻雜多晶矽不變；(D)在氫氟酸溶液中進行陽極氧化將圓錐形狀的p型單晶矽轉變成多孔單晶矽；(E)從單晶矽襯底的背面減薄以露出形成的多孔單晶矽；(F)將有通孔的金屬類硬片與單晶矽襯底粘結使通孔與露出的多孔單晶矽圖形對準；(G)在稀釋的鹼溶液中腐蝕多孔多晶矽和多孔單晶矽，部分釋放多晶矽膜和多晶矽梁，並形成圓錐形狀的光纖插入孔洞；(H)用幹法腐蝕去除原來散布於重摻雜區中的小面積未摻雜多晶矽，以全部釋放多晶矽膜和多晶矽梁；(I)將光電二極體安裝在單晶矽襯底上使其光敏感區對準多晶矽膜的中心軸線；(J)將光纖插入圓錐形狀的光纖插入孔洞。
8.一種製造以光機械調製器為發送器的波分復用發射和接收模塊的方法，其權利要求7所述的特徵製造步驟還包括形成耐氫氟酸腐蝕的陽極氧化保護層。
9.一種製造以光機械調製器為發送器的波分復用發射和接收模塊的方法，其權利要求7所述的特徵製造步驟還包括形成耐氫氟酸腐蝕的金屬布線。
10.一種製造以光機械調製器為發送器的波分復用發射和接收模塊的方法的方法，其權利要求8所述的陽極氧化保護層分成兩部分，保護多晶矽膜和多晶矽梁的部分由沉積Si3N4和SiO2複合層形成，保護隨後由幹法腐蝕去除的未摻雜多晶矽部分由沉積Si3N4單層形成。
11.一種製造以光機械調製器為發送器的波分復用發射和接收模塊的方法，其權利要求9所述的耐氫氟酸腐蝕的金屬布線由以鉻為粘附層，以金為導電層的複合層形成。
12.一種製造以光機械調製器為發送器的波分復用發射和接收模塊的方法其權利，其權利要求7所述的幹法腐蝕所用的腐蝕劑對Si3N4和多晶矽的腐蝕易於對SiO2的腐蝕，而對金和鉻幾乎不腐蝕。
全文摘要
一種製造法布裡－珀羅腔光機械調製器,以及由此組成的波分復用發送和接收模塊的技術。法布裡－珀羅腔由多晶矽三疊層結構刻蝕而成。調製器的柔性薄膜由上層多晶矽形成,中層多晶矽轉變成多孔多晶矽後腐蝕去除,從而使上層多晶矽懸空。懸空的上層多晶矽最後釋放由反應離子腐蝕實現。多晶矽疊層結構下的矽片內集成有圓錐形狀的光纖插入孔。插入孔由多孔單晶矽技術形成,光纖一旦插入即能自動對準安置於腔體上的光電探測器。
文檔編號G02F1/136GK1326104SQ0010774
公開日2001年12月12日 申請日期2000年5月25日 優先權日2000年5月25日
發明者塗相徵, 李韞言 申請人:李韞言