CN101059586B - 光波导器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括光波导部分和光器件安装部分的光波导器件。在高温退火后对形成其上要安装发光器件的底座块的掩膜进行图案化。因此即使器件在制造过程中经历高温热处理，掩膜也不会受到影响。这使得可以非常精确地形成底座块。因此，可以在把发光器件安装在底座块上时实现非常精确的光耦合。

Description

光波导器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及在衬底上包括光波导部分和光器件安装部分的光波导器件。

背景技术

光接入市场上使用的光收发器大体分为由激光二极管(LD)、光探测器(PD)、薄膜滤光器和透镜构成的微光型模块和通过在硅衬底上制作二氧化硅波导并表面安装LD和PD而形成的平面光波导线路(PLC)型模块。虽然这二者各有优缺点，但是后者在成本和交付方面更具优势，因为它不需要光轴调节。这种不需要光轴调节的安装方法一般称为“被动对准安装”。

在被动对准安装中，通过利用红外发射光对被提供给光组件和光波导芯片二者的对准标记执行图像检测和识别，来确定光组件相对于光波导芯片的平面位置。光组件的垂直位置由称为底座的块的高度确定。由于可以非常精确地设定底座高度，因此可以通过在底座上安装光组件来非常精确地将高度与光波导匹配。

日本专利2,823,044中公开了这种光波导器件。图3是示出了该专利中公开的现有技术光波导器件的分解立体图。在图3中，光波导器件50包括光波导部分56，其由形成在硅衬底51上的具有下覆层521和522、核心层53以及上覆层54的光波导形成层55构成。光波导器件50还包括通过去除光波导形成层55的一部分而形成的光器件安装部分57。安装在光器件安装部分57上的发光器件58被光连接到光波导部分56的通过去除光波导形成层55的一部分而暴露的端面(end surface)。

光器件安装部分57包括底座块59、由下覆层521构成的对准标记60、由在底座块59上提供的铬(Cr)膜61构成的底座块形成掩膜62，以及与掩膜62相接触的发光器件58。下覆层521和522、核心层53以及上覆层54是常压化学气相沉积(CVD)膜。

换言之，通过在具有光波导线路的PLC芯片上表面安装发光器件58来形成光波导器件50。

图4示出了制造图3的光波导器件的方法的截面图，其中以图4(a)到(h)的顺序进行操作。下面将基于图3和图4给出说明。

在图4(a)中，在硅衬底51上沉积下覆层521作为第一层。

在图4(b)中，在下覆层521上对后来成为用于形成底座块的掩膜的铬膜61图案化。这里对成为用于形成安装发光器件58所需的对准标记的掩膜的铬膜61图案化。

在图4(c)中，沉积下覆层522作为第二层。

在图4(d)中，在下覆层522上沉积成为光波导部分56的核心的核心层53，并且通过干法蚀刻对光波导图案化。

在图4(e)中，沉积上覆层541作为用于内嵌核心层53的第一层，并在高温下执行回流处理。上覆层541由低熔点膜构成。回流处理的温度一般在800℃到900℃之间。

在图4(f)中，沉积上覆层542作为第二层以完成波导结构。

在图4(g)中，铬膜63和光刻胶膜64被沉积和图案化，以使得只有铬膜63留在作为光波导部分56的光波导形成层55上。最后，通过使用铬膜63作为蚀刻掩膜进行干法蚀刻来暴露核心层53的端面。此外，通过使用经图案化的铬膜61作为阻蚀掩膜62来形成底座块59和对准标记60，从而完成光波导器件。

然后根据需要执行铬膜去除以及绝缘膜和电极金属的成膜和图案化。例如，在图4(h)中去除铬膜63。

在光波导器件50中，光波导部分56的核心层53和底座块59的高度仅由成膜装置的精度控制。由于晶片表面变化，成膜装置的精度为1％左右。因此，当下覆层522的膜厚为1.5μm时，核心层53和底座块59之间的高度间隙仅为15nm。因此，通过利用对准标记60调节水平方向，并且在底座块59上安装发光器件58，可以非常精确地执行光耦合而不必执行光轴调节。更具体而言，发光器件581的有源层581和核心层53非常精确地彼此相对。此外，图4中示出了每个操作的热处理温度。

通过等离子体CVD制作的膜可以具有高折射率，因此它可以提高核心和覆层之间的折射率差，从而显著提高设计灵活度。但是，通过等离子体CVD形成的薄膜需要一般为1,100℃左右的高温热处理。

在光波导器件50中，核心层53是前述常压CVD膜。这是因为如果核心层53是等离子体CVD膜，则铬膜61会被高温热处理氧化，底座块形成掩膜62不再正常工作。

发明内容

本发明的示例性实施例克服了上面的缺点和上面未描述的其他缺点。此外，本发明并不要求克服上述缺点，并且本发明的示例性实施例可以不克服上述任何缺点。

本发明提供了即使在需要高温热处理时也能非常精确地制作底座块的光波导器件及其制造方法。

根据本发明的一个方面提供了一种光波导器件，其包括光波导部分和光器件安装部分。光波导部分包括形成在衬底上的具有下覆层、核心层和上覆层的光波导形成层。光器件安装部分是通过去除光波导形成层的一部分而形成的。安装在光器件安装部分上的光器件被光连接到光波导部分的由于去除光波导形成层的一部分而暴露的端面。上覆层包括一层、两层或更多层。在光器件安装部分中，核心层和下覆层被去除。光器件安装部分包括底座块，其包括在衬底上提供的至少一层上覆层以及在底座块上提供的由薄膜构成的掩膜。光器件与掩膜相接触。

本发明的掩膜不是在蚀刻上覆层时防止蚀刻到上覆层以下的阻蚀掩膜。本发明的掩膜可以形成底座块的一部分。成为掩膜的薄膜被提供在构成上覆层的至少一层上。因此即使下覆层和核心层在形成薄膜之前经历高温热处理，薄膜也不会受到影响。因此，即使需要高温热处理也能非常精确地制作底座块。这里，底座块的材料(例如二氧化硅膜(SiO₂))和高度与构成上覆层的至少一层相同。

下覆层和核心层可以由等离子体CVD膜构成。等离子体CVD膜可以在成膜后在1,000℃或更高温度下退火，或者优选地在1,100℃或更高温度下退火。在此情形下可以提高核心层的折射率。因此，可以提高核心层和覆层之间的折射率差，并显著增加光波导的设计灵活度。

对于形成上覆层的层没有限制。例如，它可以由沉积的第一和第二层构成。在此情形下，光器件安装部分具有由第二层构成的底座块和由在底座块上提供的薄膜构成的掩膜。下覆层、核心层和第一层被去除。因此，可以分别形成用于在其上提供掩膜的上覆层和与核心层相接触的上覆层。

根据本发明的另一方面，提供了一种制造具有光波导部分和光器件安装部分的光波导器件的方法。光波导部分包括形成在衬底上的具有下覆层、核心层和上覆层的光波导形成层。通过去除光波导形成层的一部分形成光器件安装部分。安装在光器件安装部分上的光器件被光连接到光波导部分的通过去除光波导形成层的一部分而暴露的端面。该方法包括以下操作。

在第一操作中，在衬底上形成至少下覆层和核心层。在第二操作中，去除至少下覆层和核心层的一部分以成为光器件安装部分。在第三操作中，在要成为光波导部分的一部分上和在要成为光器件安装部分的一部分上形成至少一层上覆层。于是在要成为光器件安装部分的一部分上形成由至少一层上覆层构成的底座块层。在第四操作中，在要成为光器件安装部分的一部分上形成由薄膜构成的掩膜。在第五操作中，通过使用要成为光器件安装部分的一部分中的掩膜去除除了掩膜以下之外的底座块层来形成底座块。

在第一操作中可以通过等离子体CVD来形成下覆层和核心层。该方法还可以包括在第三操作之前在1,000℃或更高温度下(优选地在1,100℃或更高温度下)对下覆层和核心层退火的操作。

此外，上覆层可以由沉积的第一和第二层构成。在此情形下，在第一操作中，通过等离子体CVD在衬底上沉积下覆层和核心层，并通过干法蚀刻形成核心，然后在1,000℃或更高温度下对下覆层和核心层退火。接下来，在核心层上形成第一层。在此情形下，可以在下覆层的成膜之后进行的核心层成膜之后执行退火。在第二操作中，在要成为光器件安装部分的部分中去除下覆层、核心层和第一层。在第三操作中，在要成为光波导部分的一部分和要成为光器件安装部分的一部分上形成第二层。从而在要成为光器件安装部分的一部分上形成由第二层构成的底座块层。

至少一个上覆层可以由常压CVD膜构成。由于不需要提高覆层的折射率，因此可以使用常压CVD膜(其热处理温度相对较低)以避免生成浪费的热应力。此外，它优选地应当是石英膜，例如具有低熔点和掺杂(例如硼或磷)的硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)膜。使用BPSG膜减小了热应力并促进了核的内嵌。它还改善了平整度，从而使得能非常精确地制作底座块。

此外，在第二操作中，还可以通过反应离子蚀刻(RIE)部分地去除下覆层，然后通过对衬底进行湿法蚀刻来去除其余下覆层。在此情形下，可以通过RIE获得包括核心层的端面的基本垂直的表面。例如如果下覆层是二氧化硅膜而衬底是硅，则可以很容易地只去除下覆层而不蚀刻衬底，因为不能通过利用诸如氢氟酸缓冲液等氢氟酸混合物进行湿法蚀刻来蚀刻硅衬底。因此，可以精确地形成底座块的高度。

换言之，根据本发明的示例性实施例，即使高温热处理是必须的，也可以制作具有使波导的高度非常精确地与另一光器件的高度匹配的结构的光波导器件。并且通过利用具有诸如硼或磷等掺杂的低熔点二氧化硅膜来制作底座块并利用由于其回流特性而得到的平整度，即使在必要的高温处理之后也能非常精确地制作底座块。

根据本发明的示例性实施例，上覆层膜加倍(double)以成为形成底座块的膜。并且在上覆层上提供了成为用于形成底座块的掩膜的薄膜。因此，即使下覆层和核心层在形成薄膜之前经历高温热处理，薄膜也不会受到影响。因此，即使在需要高温热处理时也能非常精确地制作底座块。

附图说明

参考附图，通过对示例性实施例的详细描述将更清楚本发明的上述和其他方面，在附图中：

图1是示出了本发明的示例性实施例的分解立体图；

图2是示出了根据本发明的示例性实施例的制造光波导器件的方法的截面图；

图3是示出了现有技术光波导器件的分解立体图；以及

图4是示出了制造图3的现有技术光波导器件的方法的截面图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例意在帮助理解本发明而非以任何方式限制本发明的范围。

图1是示出了根据本发明的示例性实施例的光波导器件的分解立体图。

图1所示的光波导器件10包括光波导部分16，光波导部分16包括形成于硅衬底11上的具有下覆层12、核心层13以及上覆层141和142的光波导形成层15。光波导器件10还包括通过去除光波导形成层15的一部分而形成的光器件安装部分17。安装在光器件安装部分17上的发光器件18被光连接到光波导部分16的通过去除光波导形成层15的一部分而暴露的端面。

光器件安装部分17包括底座块19、对准标记20和掩膜22。底座块19和对准标记20由上覆层142构成。掩膜22包括在上覆层142上提供的铬膜21。发光器件18与掩膜22相接触。光器件安装部分17具有这样的一个部分，其中上面没有掩膜22的上覆层被去除，并且硅衬底11的表面被暴露。

在上覆层142上提供成为掩膜22的铬膜21。因此即使下覆层12和核心层13在形成铬膜21之前经历高温热处理，铬膜21也不会受到影响。因此，即使在需要高温热处理时，也可以非常精确地制作底座块19。

下覆层12和核心层13由等离子体CVD膜构成。等离子体CVD膜在成膜后在1,000℃或更高温度下退火。通过使用该膜，可以提高核心层13和下覆层12之间的折射率差。因此显著提高了光波导的设计灵活度。

图2示出了图1的光波导器件的制造方法，其中操作以图2(a)到(h)的顺序进行。下面将基于图1和图2，根据本发明的示例性实施例来给出说明。

在图2(a)中，通过等离子体CVD在硅衬底11上形成下覆层12。如有必要，可以在形成该层之后执行约1,100℃的高温退火处理。

在图2(b)中，通过等离子体CVD在下覆层12上沉积成为核心层13的SiON膜，并通过干法蚀刻在核心层13上对波导图案化。然后可以执行约1,100℃的高温退火处理。如果热应力不成问题的话，可以在对波导图案化之前执行高温退火处理。

在图2(c)中，沉积上覆层141以便内嵌核心层13。然后在约850℃下对上覆层141进行回流处理以便内嵌核心层13。上覆层141可以是低熔点膜，例如通过常压CVD沉积的BPSG膜。

在图2(d)中，用于安装发光器件18的部分(即光器件安装部分17)的下覆层12、核心层13和上覆层141通过RIE被从下覆层12的一部分上蚀刻掉。

在图(e)中，通过利用氢氟酸缓冲液进行湿法蚀刻来蚀刻下覆层12，直到暴露硅衬底11。利用氢氟酸缓冲液进行湿法蚀刻的原因是为了防止硅衬底被蚀刻。虽然RIE会蚀刻掉少量的硅，但是氢氟酸缓冲液不会蚀刻硅。因此，可以在不去除硅衬底11的情况下只去除下覆层12。于是可以形成具有非常精确的高度的底座块19。

在图2(f)中，通过常压CVD沉积上覆层142。然后在约850℃下对上覆层142进行回流处理，以提高其表面平整度。上覆层142可以是低熔点膜，例如BPSG膜。

在图2(g)中，在上覆层142上沉积铬膜21和光刻胶膜23。然后，对用于形成底座块19的掩膜22进行图案化。在此情形下，同时对成为用于形成在安装发光器件18时所需的对准标记的掩膜的铬膜21进行图案化。此外，同时还对成为用于形成核心层13的端面的掩膜的铬膜21进行图案化。

在图2(h)中，通过使用作为掩膜的在图2(g)中图案化的铬膜21进行干法蚀刻来新暴露核心层13的端面。此外，形成底座块19和对准标记20。为了实现精确蚀刻，铬膜21的蚀刻速率应当是上覆层142的蚀刻速率的1/10或更低。

然后去除铬膜，并且根据需要形成并图案化绝缘膜、电极金属等。例如在(h)中，去除光波导部分16上的铬膜21。

根据本发明的示例性实施例，在高温退火处理之后对成为掩膜22的铬膜21图案化，以便形成底座块19和对准标记20。根据本发明的示例性实施例，核心层13和发光器件18的高度的相对精度是由通过等离子体CVD形成的下覆层12的膜厚的精度和通过常压CVD形成的上覆层142的膜厚的精度决定的。由于这二者的膜厚的精度都是1％左右，因此可以将差异保持为最大2％左右。因此，发光器件18的有源层181和核心层13被非常精确地光连接。在图2中，示出了每个步骤的示例性热处理温度。

通过使用铬膜21作为掩膜22，提高了蚀刻侧壁(etching sidewall)垂直度。此外，通过铬膜改善了光刻胶膜和二氧化硅膜之间的接触。此外，通过遮蔽红外辐射能更容易地识别标记。还可以使用钛膜或光刻胶膜来代替铬膜21。

虽然上面描述了本发明的示例性实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员将很清楚可以对本发明的示例性实施例作出多种修改。

本申请基于2006年4月17日向日本专利局提交的日本专利申请No.2006-113349并要求享受其优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (9)

1.一种光波导器件，包括：

光波导部分，包括下覆层、核心层和上覆层；以及

光器件安装部分，包括底座块、由所述底座块上形成的薄膜构成的掩膜，和与所述掩膜相接触的光器件，

其中所述上覆层包括第一层和第二层，所述底座块由所述第二层构成。

2.如权利要求1所述的光波导器件，其中至少所述下覆层和所述核心层包括等离子体化学气相沉积膜。

3.如权利要求2所述的光波导器件，其中所述等离子体化学气相沉积膜在其形成之后在不低于1,000℃下退火。

4.一种制造光波导器件的方法，包括：

在衬底上形成下覆层；

在所述下覆层上形成核心层；

去除光器件安装部分中的所述下覆层和所述核心层；

在光波导部分上形成至少一层作为上覆层，在所述光器件安装部分上形成至少一层作为底座块层；

在所述底座块层上形成由薄膜构成的掩膜；

通过使用所述掩膜作为蚀刻掩膜对所述底座块层进行蚀刻来形成所述光器件安装部分中的底座块。

5.如权利要求4所述的制造光波导器件的方法，其中通过先进行反应离子蚀刻再进行湿法蚀刻来执行所述光器件安装部分中的所述下覆层和所述核心层的去除。

6.如权利要求4所述的制造光波导器件的方法，其中至少所述下覆层和所述核心层是通过等离子体化学气相沉积形成的。

7.如权利要求6所述的制造光波导器件的方法，还包括在形成所述掩膜之前对至少所述下覆层和所述核心层在不低于1,000℃下退火。

8.一种制造光波导器件的方法，包括：

通过等离子体化学气相沉积在衬底上形成下覆层；

通过等离子体化学气相沉积在所述下覆层上形成核心层；

在不低于1,000℃下对所述下覆层和所述核心层退火；

在所述核心层上形成第一层作为第一上覆层；

去除光器件安装部分中的所述下覆层、所述核心层和所述第一上覆层；

在光波导部分上形成第二层作为第二上覆层，在所述光器件安装部分上形成第二层作为底座块层；

在所述底座块层上形成由薄膜构成的掩膜；

通过使用所述掩膜作为蚀刻掩膜对所述底座块层进行蚀刻来在所述光器件安装部分中形成底座块。

9.如权利要求8所述的制造光波导器件的方法，其中通过先进行反应离子蚀刻再进行湿法蚀刻来执行所述光器件安装部分中的所述下覆层和所述核心层的去除。

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