一種垂直光滑的反射型微鏡的製作方法
2023-06-03 09:03:01
專利名稱：一種垂直光滑的反射型微鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種垂直微鏡的製作方法，更確切地說涉及一種利用矽的幹法刻蝕和各向異性腐蝕在絕緣層上的矽材料上製作與表面垂直，光滑的鏡面的方法。屬於微機械領域。
彎曲波導是集成光波導型器件的重要組成部分。器件尺寸的大小，性能指標等大多要求能在短距離、小面積範圍內實現低損耗的光波轉向。目前實現波導彎曲的方法主要有三類直接轉向型、弧形轉向型和鏡面反射型。1)直接轉向型彎曲波導隨著彎曲角度的增大，光場的損耗會由於彎曲前後的光波模式的失配而變大，其彎曲角度通常要小於1度，由模式失配引起的損耗才可以忽略；2)而弧形波導也會由於過渡損耗和彎曲損耗的限制在實現短距離大彎曲時存在局限；3)鏡面反射型彎曲波導，通過在必要的位置製作鏡面，由鏡面處光的全反射特性或強反射特性，改變光束傳播方向，實現波導的彎曲，它有實現大角度和小尺寸的潛力，所以很具發展前途。目前幹法刻蝕的鏡面反射型彎曲波導主要存在鏡面表面粗糙、垂直性不好，以及鏡面位置難以精確控制等問題。
申請號為01105879的發明專利申請，提供了一種用絕緣層上的矽材料來製作全反射型彎曲波導的方法，利用矽在各向異性腐蝕液中的特性，可以很好地解決上述問題。但這種中方法存在一個腐蝕時間下限，即腐蝕深度要大於或接近絕緣層上的矽材料的器件層的厚度。由於矽的各向異性腐蝕的晶向選擇和各晶向腐蝕速率特性限制，腐蝕鏡面需要一個過程，並且在腐蝕的過程中會由於側蝕，出現新的{111}面等原因，造成光刻圖形與實際形成的鏡子形狀有較大差別。因此在小區域製作垂直，光滑的鏡面時有佔用空間過多的缺點。例如使用(100)矽片時，在各向異性腐蝕過程中，鏡面的寬度會逐漸減小。特別是絕緣層上的矽材料的器件層厚度較大，也就是說鏡子的高度較高時，如數個微米，與幹法刻蝕比，製作鏡子需要較大的空間。如
圖1所示，鏡面從光刻位置向前推進的距離d1必須大於等於腐蝕的深度即鏡子的高度，即腐蝕時間要大於等於從頂層矽表面腐蝕到絕緣層的時間。在推進過程中，鏡子的寬度將減小兩倍的d1。所以在有限的空間或面積中，能製作的鏡面的有效面積是空間影響，當空間有限時不能滿足要求。尤其在某些緊湊結構中，如陣列波導光柵中，鏡子的形狀和尺寸會給設計和製作帶來嚴重的困難。使用(110)矽片時，光刻圖形中與腐蝕出的{111}面的邊不平行的邊會有很大的側向腐蝕。而在腐蝕過程中出現的新的{111}面也會向內側延伸，因此如果腐蝕時間很長的情況下，浪費或消耗的空間就很大，限制了各向異性腐蝕出的鏡面的應用。另外使用(100)矽片，光刻窗口為三角形，斜邊為腐蝕鏡子的邊時，在鏡子減小的同時產生的寬為w1(為當入射光與鏡子成45度角入射時，從鏡子上部邊緣算起)的斜{111}面也成為無效區域，會使多個鏡面的排列間距或微鏡與鄰近波導的間距受到w1的限制。同時，按申請號為01105879的發明專利申請，提供的製作方法在(100)的矽片上製作的微鏡的形狀為倒梯形，與脊形波導的光場分布(見圖1中5)不匹配，為適應波導的光場分布，提高反射率，鏡子必需足夠大。也就是說，倒梯形的形狀使得微鏡的倒梯形上底的上兩側是沒有用的，不僅浪費了製作鏡子的空間，也會這部分也可能在應用中帶來負面影響。用在平板波導中時，則希望鏡面的性狀為矩形，利於鏡面的排列，減小鏡面間的不利影響。顯然，上述申請號為01105879的發明專利申請提出的製作方法不能滿足這一需要。
本發明的目的是通過下述方式實施的。以絕緣層上的矽為基材料，利用矽的幹法刻蝕和各向異性腐蝕特性相結合，通過氧化、光刻、腐蝕等的微細加工技術，製作出位置精確、鏡面平整度高且與矽片表面垂直的鏡面。使用(100)矽片時，該面為{100}面，使用(110)矽片時，該面是{111}面，且呈菱形、矩形或多邊形，與平板波導、脊形波導中的光場分布有高的重疊效果。該鏡面可以和用絕緣層上的矽材料製作出的波導一起構成大角度、小尺寸、損耗低的彎曲波導。將此微鏡和脊形波導，平板波導等結構結合起來，應用於無源光器件(如光耦合器、陣列波導光柵等等)中可以實現結構緊湊、集成度高、性能好、工藝簡單、可批量生產的光通信器件。特別是適用於製作直角拐彎式陣列波導光柵，刻蝕式平面波導分波合波器，製作Y分支式光功率分配翼等。
鏡面的工藝步驟如下1、生長一層可用於矽的各向異性腐蝕的掩模，如二氧化矽和氮化矽。
2、在掩模上光刻出製作鏡子的窗口。
3、利用步驟2中的光刻膠或已經光刻出鏡子窗口的掩模作掩模進行矽的幹法刻蝕。刻蝕出較垂直，相對光滑的鏡面。
4、在各向異性腐蝕液中腐蝕。得到光滑垂直的鏡面。
所述的掩膜為氧化矽或氮化矽，其厚度為50-2000nm；使用(110)矽片時在各向異性腐蝕液中腐蝕量，即鏡面的推進距離在0.2μm和器件層厚度之間。使用(110)矽片時，腐蝕量為將{111}面全部腐蝕出來。
所述的鏡面形狀根據幹法刻蝕深度、光刻圖形的設計和各向異性腐蝕深度或各向異性腐蝕時間的長短調整。
為進一步表明本發明的特徵，先結合附圖予以闡明。
圖1和圖2是以(110)矽片為例對現有技術和本發明的說明和比較。圖1為現有方法在(100)矽片上製作微鏡的方法圖示圖中1為光刻出來的腐蝕窗口，邊2為用於製作鏡面的邊。經過各項異性腐蝕後的邊2向前推進到邊3的位置，推進距離為d1。5為腐蝕後的鏡子的形狀示意圖，鏡子形狀為倒梯形，邊3為長底，底角a為45度。其中鏡子的高度為h1，當腐蝕深度小于波導層的厚度時，d1＝h1，到達後，腐蝕深度不再增加，d1＞h1。6為脊形波導中光場分布與鏡子位置大小示意圖。W1為當入射光與鏡子成45度角入射時，從鏡子上部邊緣算起的無效區域寬度。圖2為本發明方法在(100)矽片上製作微鏡的圖示1為光刻出來的腐蝕窗口，邊2為用於製作鏡面的邊。經過幹法刻蝕到波導層的底部並各向異性腐蝕足夠長的時間，即腐蝕過程中出現的{111}面相遇時，邊2向前推進到邊3的位置，推進距離為d2。實際上腐蝕時間只受表面改善程度的需要的影響，腐蝕時間較短，推進距離d2可以很小。各向異性腐蝕前，鏡子的形狀為矩形。9為當腐蝕時間等於或大於上述{111}面相遇時所需時間的鏡子形狀，角b＝135度，此時窗口圖形腐蝕後的邊緣為8。10為腐蝕時間小於上述{111}面相遇時所需時間的鏡子形狀，角b＝135度。與脊形波導的光場分布6比較可知，用本發明提出的方法製作的鏡子與光場更匹配。W2為當入射光與鏡子成45度角入射時，以鏡子邊緣(一般在中部)計算的無效區域寬度。因為各向異性腐蝕的時間可以很短，所以w2可以遠小於w1。同時，鏡子的形狀也更利於在相同大小(以鏡子的邊緣計)時，有更高的反射效果。
綜上所述，本發明具有如下的優點1、鏡面光滑。雖然幹法刻蝕的測壁的表面不夠光滑，當經過各向異性腐蝕的晶向選擇作用，用本發明提出的製作方法仍可得到與只用各向異性腐蝕製作的鏡面相當的鏡面。
2、可以在更小的區域內製作面積足夠大的微鏡。在溼法腐蝕過程中鏡子的寬度會在向前推進中與推進距離成比例縮小，但由於現在以RIE，DRIE等幹法刻蝕工藝可以製作出垂直度和表面質量較好的刻蝕壁，本發明所述方法僅需要很短的腐蝕量即可達到修整鏡面的作用。因此，(100)矽片溼法腐蝕過程中鏡面的推進距離小於現有方法。所以微鏡的縮小量可以控制在相對於現有技術來說很小的範圍內。
3、無用區域小。無用區域的長度w1，w2會隨溼法腐蝕過程中鏡面推進距離的增大成比例增大。本方法由於鏡子的各向異性腐蝕時間縮短，無用區域的長度w2也會縮小。這有利於密集排列微鏡，減小微鏡與波導距離。
4、鏡子形狀更優化。用(100)矽片時，鏡子不是倒梯形，而是與平板波導，脊形波導等常用波導的光場有更高重疊效果的菱形或近似矩形或多邊形。比較可知，當反射功率一定時，本方法製作的鏡子的所需寬度更小，製作微鏡所需的空間或面積也更小。
5、鏡面的形狀可以根據幹法刻蝕的深度，光刻圖形的設計和各向異性腐蝕的深度調整。可滿足不同的需要以獲得靈活多樣的鏡面的形狀，適應不同的需求(詳見實施例)。
6、工藝簡單，與原有技術相比，只增加了一步幹法刻蝕工藝。
圖2為本發明方法在(100)矽片上製作微鏡的示意圖。
圖3為直角拐彎式陣列波導光柵示意圖。
圖4為刻蝕光柵式平面波導分波合波器示意圖。
圖5是1×4功分器的示意圖。
圖6為功分器中分支波導和反射微鏡的示意圖。
實施例2在器件層為(100)晶向的絕緣層上的矽材料上製作直角拐彎式陣列波導光柵。如圖3所示。製作步驟如下(1)、絕緣層上的矽材料表面生成一層氮化矽掩膜，厚度150nm。
(2)、光刻出鏡子圖形，腐蝕氮化矽。
(3)、利用步驟(2)光刻出鏡子窗口的光刻膠作掩模進行矽的幹法刻蝕。刻蝕深度為絕緣層上的矽材料的器件層厚度的一半，在波導轉彎處刻蝕出較垂直，相對光滑的鏡面。
(4)、在各向異性腐蝕液中進行溼法腐蝕，對在波導轉彎處形成的鏡面進行修整。矽的腐蝕量為將幹法刻蝕剩餘的器件層全部腐蝕掉，即腐蝕到絕緣層。
(5)、絕緣層上的矽材料表面熱氧化一層二氧化矽。
(6)、光刻出波導圖形，腐蝕二氧化矽。
(7)、腐蝕出波導圖形。
實施例3在器件層為(100)晶向的絕緣層上的矽材料上製作刻蝕光柵式平面波導分波合波器。
圖4為刻蝕光柵式平面波導分波合波器示意圖。圖中14為輸入波導，15為接收和輸出波導。16為刻蝕光柵。17為用于波導拐彎的微鏡。由於接收波導的間距較小，現有方法製作的微鏡有效面積相對較小，在拐彎處的損耗較大，同時降低的串擾的性能。採用本發明的方法可解決上述問題。製作工藝如下(1)絕緣層上的矽材料器件層表面光刻出波導圖形；(2)腐蝕出波導圖形；(3)絕緣層上的矽材料表面熱氧化一層二氧化矽，厚度70nm；(4)光刻出鏡子圖形，腐蝕二氧化矽；(5)利用步驟4中的光刻膠作掩模進行矽的幹法刻蝕。刻蝕到氧化層，在波導轉彎處刻蝕出較垂直，相對光滑的鏡面；(6)在各向異性腐蝕液中進行溼法腐蝕，對在波導轉彎處形成的鏡面進行修整，矽的腐蝕量(鏡面的推進距離)為1μm；(7)再次氧化，並光刻出刻蝕光柵的圖形；(8)刻蝕階梯光柵。
實施例4在(100)晶向的絕緣層上的矽材料上製作Y分支式光功率分配器。
圖5是1×4功分器的示意圖。圖中17、21分別為輸出和輸入波導。18為分支波導。19和20分別為直角拐彎微鏡。(100)晶向的絕緣層上的矽材料受晶體中{111}面的限制不能腐蝕出直接相交的鏡面，所以將入射光先用一段分叉角度極小的弧型彎曲將其分成兩束光後再通過鏡面反射。圖6為功分器中分支波導和反射微鏡的示意圖。在現有方法中溼法腐蝕微鏡過程中出現的無用區域w3為兩倍的w1(見圖1)，所以在經過鏡面反射之前，需要分支波導的間距較大。因此需要很長的分支波導。用本專利的方法可以減小w3的大小，並由此縮小了分支波導的間距和長度，縮小了器件的尺寸。
該器件的具體工藝步驟如下(1)絕緣層上的矽材料表面熱氧化一層二氧化矽做掩膜，厚度200nm；(2)光刻出波導圖形，腐蝕二氧化矽；(3)各向異性腐蝕出波導，腐蝕深度控制在滿足波導單模條件；(4)去除二氧化矽；(5)絕緣層上的矽材料表面再熱氧化一層二氧化矽；(6)光刻出鏡子圖形，腐蝕二氧化矽；(7)幹法刻蝕鏡子，刻蝕深度為器件層厚度，在波導轉彎處形成較好的鏡面；(8)各向異性腐蝕液中進行溼法腐蝕，改善鏡面質量。矽的腐蝕量即(鏡面的推進距離)為0.5μm；(9)去二氧化矽。
權利要求
1.一種垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於利用矽的幹法刻蝕和各向異性腐蝕相結合在絕緣層上的矽材料上製作的。
2.按權利要求1所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於具體製作步驟是(1)、在絕緣層上的矽上生長一層可用於矽的各向異性腐蝕的掩模；(2)、在掩模上光刻出製作鏡子的窗口；(3)、利用步驟(2)中的光刻膠或已經光刻出鏡子窗口的掩模作掩模進行矽的幹法刻蝕，刻蝕出垂直、相對光滑的鏡面；(4)、在各向異性腐蝕液中腐蝕，而製成垂直、光滑的鏡面。
3.按權利要求2所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於使用(100)矽片時，製作的垂直光滑鏡面為{100}面，使用(110)矽片時，製作的垂直光滑鏡面為{111}面，且呈菱形，矩形或多邊形，與平板波導、脊形波導中的光場分布有高的重疊效果。
4.按權利要求2或3所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於所述的鏡面形狀根據幹法刻蝕深度、光刻圖形的設計和各向異性腐蝕深度或各向異性腐蝕時間的長短調整。
5.按權利要求2所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於所述的掩膜為氧化矽或氮化矽，其厚度為50-2000nm；使用(110)矽片時在各向異性腐蝕液中腐蝕量即鏡面的推進距離在0.2μm和器件層厚度之間。使用(110)矽片時，腐蝕量為將{111}面全部腐蝕出來。
6.按權利要求1或2所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於器件層為(100)晶向的絕緣層上的矽材料上製作直角拐彎式陣列波導光柵的製作步驟(1)、絕緣層上的矽材料器件層表面光刻出波導圖形；(2)、腐蝕出波導圖形；(3)、絕緣層上的矽材料表面熱氧化一層二氧化矽，150nm厚；(4)、光刻出鏡子圖形，腐蝕二氧化矽；(5)、利用步驟4中的二氧化矽作掩模進行矽的幹法刻蝕。刻蝕到氧化層，在波導轉彎處刻蝕出較垂直，相對光滑的鏡面；(6)、在各向異性腐蝕液中進行溼法腐蝕，對在波導轉彎處形成的鏡面進行修整。
7.按權利要求1或2所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於器件層為(100)晶向的絕緣層上的矽材料上製作直角拐彎式陣列波導光柵的製作步驟(1)、絕緣層上的矽材料表面生成一層氮化矽掩膜，厚度150nm；(2)、光刻出鏡子圖形，腐蝕氮化矽；(3)、利用步驟(2)光刻出鏡子窗口的光刻膠作掩模進行矽的幹法刻蝕，刻蝕深度為絕緣層上的矽材料的器件層厚度的一半，在波導轉彎處刻蝕出較垂直，相對光滑的鏡面；(4)、在各向異性腐蝕液中進行溼法腐蝕，對在波導轉彎處形成的鏡面進行修整。矽的腐蝕量為將幹法刻蝕剩餘的器件層全部腐蝕掉，即腐蝕到絕緣層；(5)、絕緣層上的矽材料表面熱氧化一層二氧化矽；(6)、光刻出波導圖形，腐蝕二氧化矽；(7)、腐蝕出波導圖形。
8.按權利要求1或2所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於在器件層為(100)晶向的絕緣層上的矽製作刻蝕光柵式平面波導分波合波器的製作步驟是(1)絕緣層上的矽材料器件層表面光刻出波導圖形；(2)腐蝕出波導圖形；(3)絕緣層上的矽材料表面熱氧化一層二氧化矽，厚度70nm；(4)光刻出鏡子圖形，腐蝕二氧化矽；(5)利用步驟4中的光刻膠作掩模進行矽的幹法刻蝕。刻蝕到氧化層，在波導轉彎處刻蝕出較垂直，相對光滑的鏡面；(6)在各向異性腐蝕液中進行溼法腐蝕，對在波導轉彎處形成的鏡面進行修整，矽的腐蝕量，即鏡面的推進距離為1μm；(7)再次氧化，並光刻出刻蝕光柵的圖形；(8)刻蝕階梯光柵。
9.按權利要求1或2所述的垂直光滑的反射微鏡的製作方法，其特徵在於在(100)晶向的絕緣層上的矽材料上製作Y分支式光功率分配器的具體製作步驟是(1)絕緣層上的矽材料表面生成一層二氧化矽，厚度200nm；(2)光刻出波導圖形，腐蝕二氧化矽；(3)各向異性腐蝕，腐蝕深度控制在滿足波導單模條件；(4)去除二氧化矽；(5)絕緣層上的矽材料表面熱氧化一層二氧化矽；(6)光刻出鏡子圖形，腐蝕二氧化矽；(7)幹法刻蝕鏡子，刻蝕深度為器件層厚度，在波導轉彎處形成較好的鏡面；(8)各向異性腐蝕液中進行溼法腐蝕，矽的腐蝕量，即鏡面的推進距離為0.5μm；(9)去二氧化矽。
全文摘要
本發明涉及一種垂直光滑的反射型微鏡的製作方法，其特徵在於利用矽的幹法刻蝕和各向異性腐蝕相結合在絕緣層上的矽材料上製作的；具體步驟是(1)在絕緣層上的矽上生長一層可用於矽的各向異性腐蝕的掩模；(2)在掩模上光刻出製作鏡子的窗口；(3)利用步驟(2)中的光刻膠或已經光刻出鏡子窗口的掩模作掩模進行矽的幹法刻蝕，刻蝕出垂直、相對光滑的鏡面；(4)在各向異性腐蝕液中腐蝕，而製成垂直、光滑的鏡面。本發明優點在於鏡面光滑，可在更小區域內製作面積是足夠大鏡面；無用區域小以及工藝簡單，僅增加一步幹法刻蝕工藝。
文檔編號H04B10/12GK1448737SQ0311650
公開日2003年10月15日 申請日期2003年4月18日 優先權日2003年4月18日
發明者王文輝, 唐衍哲, 楊藝榕, 吳亞明, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所