CN101285912A - 光波导管装置及光波导管装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种结构简单且能够调制在光波导管中进行导波的信号光的光波导管装置。其通过在SOI膜12上涂布光阻13来形成光阻罩幕14，然后蚀刻除去未被光阻罩幕14被覆的区域的SOI膜，来得到具有单晶硅芯的光波导管15。而且，在石英基板20的背面侧设置能够对上述的单晶硅芯照射1.1微米以下波长的光线的发光组件而作成光波导管装置。从发光组件30未照射光线时，在光波导管15中进行导波的光线是以原本的状态进行导波，但是若从发光组件30照射光线而在该照射区域16形成电子－空穴对时，由于在光波导管中进行导波的光线被该电子－空穴对吸收，所以通过有无从发光组件30来的光照射，能够进行切换光信号的ON/OFF。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用在石英基板上具有硅薄膜的SOI基板而成的光波导管装置的制造技术。
背景技术
随着近年来因特网的普及，高速且大容量的光通讯系统达成显著的发展。目前，将光通讯电缆直接引进个人住宅的方式也即FTTH(光纤到家；FiberTo The Home)逐渐普及，伴随着，为了使以C-波段(C-band)或L-波段(L-band)为代表的1.55微米波段的光线，在光集成电路上所设计的光波导管中进行传播的研究也正进展中。
其中，使用SOI基板的单晶硅导波路的研究正积极地进行中(例如，参照专利文献1～4等)，其理由为SOI基板是预先具备高质量的单晶硅层及硅氧化膜的基板，该高质量的单晶硅层适合将传播损失抑制为最小限度；而该硅氧化膜能够利用作为光波导管的覆盖层。
但是，从光通讯系统的观点，未仅止于使用SOI基板来形成单晶硅导波路的技术，与用以调制光信号的调制机构或其它的组件(例如，受光组件或光纤等)的融合技术也变为重要，然而目前未存在有实用化水平的光集成电路的泛用平台，到目前为止的提案，都只不过是处于研究阶段。特别是将利用以GaAs为代表的短波长光线(波长为约0.85微米)来调制1.55微米波段的光线的机构，集成于单芯片中的技术，尚未完成。
[专利文献1]日本特开2006-195371号公报
[专利文献2]日本特开2005-157210公报
[专利文献3]日本特开2004-086868号公报
[专利文献4]日本特开2002-323633号公报
发明内容
本发明是鉴于此种问题而开发出来，其目的是提供一种非常简单的结构的光波导管装置，其能够调制在光波导管中导波的信号光；特别是提供一种光波导管装置，其是将能够利用以GaAs为代表的短波长的光线，来调制1.55微米波段的光线的结构，集成于单芯片而成。
为了解决此种问题，本发明的光波导管装置，具备光波导管及发光组件，该光波导管装置具有设置在石英基板的表面的单晶硅芯；而该发光组件是设置在石英基板的背面侧，且能够对前述单晶硅芯照射1.1微米波长以下的光线。
本发明的光波导管装置所具备的光波导管，是例如台(mesa)型或山脊(ridge)型光波导管，在光波导管中导波的光线的波长为1.55微米波段的光线，发光组件是GaAs系发光组件。
本发明的光波导管装置的制造方法具备：工序A，是从单晶硅基板的表面注入氢离子；工序B，是对石英基板及单晶硅基板的至少一方的表面，施行活化处理；工序C，是贴合石英基板与单晶硅基板的表面之间；工序D，是机械性地从单晶硅基板剥离硅膜并在石英基板的表面上形成SOI膜而作成SOI基板；工序E，是在SOI膜形成光波导管用的单晶硅芯；及工序F，是在石英基板的背面侧设置能够对单晶硅芯照射1.1微米以下波长的光线的发光组件。
在该光波导管装置的制造方法，也可接着上述工序D，具备工序G，其是对SOI膜施行平坦化，或是接着上述工序E，具备工序H，其是形成用以被覆单晶硅芯的硅氧化膜。
在本发明的光波导管装置的制造方法中，上述工序B的活性化处理是例如等离子体处理或臭氧处理。
因为本发明是在相对于会被硅结晶吸收的光线(1.1微米以下波长的光线)是透明的石英基板的表面，形成具有单晶硅芯的光波导管，同时在背面设置有用来发出上述波长的光线的组件，所以能够以非常简单的结构来调制光信号。
附图说明
图1是为了说明本发明的光波导管装置的制造方法的工序例子的图。
图2是为了说明在SOI基板上制作光波导管而作成光波导管装置的工序例子的图。
图3是为了概念性地说明本发明的光波导管装置(光开关)的动作原理的图。
图4是为了说明在本发明的光波导管装置中所设置的发光组件的实施方式的图。
图5是为了说明在本发明中所具备的光波导管的实施方式的图。
其中，附图标记说明如下：
10 单晶硅基板 11 离子注入层
12 SOI膜 13 光阻
14 光阻罩幕 15 光波导管
16 光照射区域 20 石英基板
30 发光组件 40 已制作有发光组件的基板
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的光波导管装置及其制造方法。
图1是为了说明本发明的光波导管装置的制造方法的工序例子的图。又，虽然本实施例在贴合所使用的单晶硅基板的表面是未设置有氧化膜，但是也可以使用预先在表面形成氧化膜而成的硅基板。
图1(A)所图示的硅基板10是接合晶片，而石英基板20是支撑基板(基体晶片)。硅基板10是使用CZ法或FZ法所培育而成的通常市售的单晶硅基板。
这些单晶硅基板10及石英基板20的直径是相同的，为了随后制造光波导管装置的工序方便，在石英基板20上，也预先设置与设在单晶硅基板10上的定向平面(orientation flat(OF))同样的OF，最好是使这些OF彼此之间互相一致来进行贴合。
首先，将氢离子(H+)注入单晶硅基板10的表面(图1(B))。此离子注入面将成为以后的接合面(贴合面)。通过此氢离子注入，在单晶硅基板10的最表面形成平均深度L的离子注入层11(图1(C))。此时的离子注入深度是依存于在最后是将何种程度的厚度的SOI膜剥离而决定。
又，在将离子注入硅结晶中的工序中，通常为了要抑制注入离子的隧道效应(channeling)，而在单晶硅基板10的离子注入面，预先形成氧化膜等的绝缘膜，也可以透过此绝缘膜来施行离子注入。在注入该氢离子后，为了修复损伤，也可以通过众所周知的方法施行热处理。
随后，为了表面洁净化或表面活化等目的，可对单晶硅基板10的主面施行等离子体处理或臭氧处理(图1(D))。此种表面处理是为了除去表面(接合面)的有机物、或是增加表面上的OH基来谋求表面活化等的目的。又，此种表面处理只要施行于单晶硅基板10和石英基板20的至少其中一方的主面即可。
在通过等离子体处理来实行该表面处理的情况，是将已经预先施行RCA洗净等的表面洁净的单晶硅基板及/或石英基板，载置于真空处理室内的试样台上，并以成为规定真空度的方式，将等离子体用气体导入该真空室内。
又，在此所使用的等离子体用气体种类有氧气、氢气、氩气或该等的混合气体、或是氢气与氦气的混合气体等。导入等离子体用气体后，使其产生100W左右的电力的高频等离子体，来对要被等离子体处理的单晶硅基板及/或石英基板的表面，施行5～10秒左右的处理，然后结束。
在以臭氧处理来实行表面处理的情况，是将表面洁净的单晶硅基板及/或石英基板载置在含氧的环境的处理室内的试样台上，并在该处理室导入氮气或氩气等等离子体用气体后，使其产生规定电力的高频等离子体，通过该等离子体使环境中的氧变换成臭氧，来对被等离子体处理的单晶硅基板及/或石英基板的表面，施行规定时间的处理。
使上述已施行表面处理后的单晶硅基板10及石英基板20的主面之间密接而贴合(图1(E))。如上述，因为单晶硅基板10与石英基板20的至少其中一方的表面(接合面)，是使用等离子体处理或臭氧处理等施加表面处理而活化，所以即便是在未加热(在室温)密接(贴合)后的状态，其接合强度也是充分地能够耐住在后工序中的化学蚀刻时的处理或是机械研磨的程度。
而且，接着图1(E)的贴合工序，在贴合单晶硅基板10与石英基板20后的状态，也可设置以比较低温(100～300℃)的温度进行热处理的工序，该热处理工序的主要目的，是为了得到提高单晶硅基板10与石英基板20的接合强度的效果。
又，将上述的热处理温度设为300℃以下的主要理由，是考虑单晶硅与石英的热膨胀系数差异及起因于该热膨胀系数差异的应变量、及该应变量与单晶硅基板10及石英基板20的厚度。
单晶硅基板10及石英基板20的厚度是大致相同程度时，因为单晶硅的热膨胀系数(2.33×10-6/K)与石英的热膨胀系数(0.6×10-6/K)之间有大的差异，以高于300℃的温度施行热处理时，起因于两基板间的刚性差异，会产生热应变引起的裂缝或在接合面剥离、或是极端时单晶硅基板或石英基板会破裂掉的情形。由如此的观点而言，热处理温度的上限是选择300℃。
在如此的贴合工序后，从外部施加冲击来切断在离子注入层11内的硅-硅键，并沿着相当于单晶硅基板10的表面附近的规定深度(平均离子注入深度L)位置的结晶面，机械性地将单晶硅薄膜剥离。由此，能够得到在石英基板20的主面上具有SOI膜12的SOI基板(图1(F))。
又，实施机械性剥离时的环境或试样温度没有特别限制，也能够在室温大气中进行剥离。又，也可以在将试样保持于不会有可能产生大的热应变、裂缝、在接合面剥离等程度的温度的状态下，施行机械性剥离。
如此进行所得到的SOI膜12是在石英基板面内具有均匀的厚度，而且，使用原子力显微镜(AFM)测定表面的10微米×10微米区域所得到的RMS的平均值为良好的大致5纳米以下，为了将该SOI膜12的表面更平坦化时，进行CMP研磨等处理而得到最后的SOI基板(图1(G))。
图2是为了说明在通过上述方法所得到的SOI基板(图2(A))上制作光波导管而作成光波导管装置的工序例子的图。首先，在SOI膜12上涂布光阻13(图2(B))，将其曝光而形成被覆要用来形成光波导管的区域的光阻罩幕14(图2(C))。而且，使用干式蚀刻或湿式蚀刻除去未被覆光阻罩幕14的区域的SOI膜(图2(D))，然后除去光阻罩幕14，而得到具有单晶硅芯的光波导管15(图2(E))。而且，最后，在石英基板20的背面侧设置能够对上述单晶硅芯照射1.1微米以下波长的光线的发光组件(未图标)，而成为光波导管装置。
图3是为了概念性地说明经由此种工序所得到的光波导管装置(光开关)的动作原理的图。如立体图图3(A)所示，该光波导管装置是在石英基板20的表面设置具有单晶硅芯的光波导管15；而在石英基板20的背面侧，是具有能够对单晶硅芯照射会被硅结晶吸收的光线(1.1微米以下波长的光线)的例如GaAs系的LED或LD等的发光组件30。又，该光波导管装置，其光波导管15是山脊型光波导管。
在光波导管15，1.55微米波段的光线(λ1)进行导波，在该光波导管15的单晶硅芯区域，被照射来自发光组件30的波长λ2的光线。被照射在单晶硅芯区域的波长λ2的光线，因自由电子吸收而在该照射区域16的单晶硅芯中，形成电子-空穴对。
如图3(B)所示的光波导管15的俯视图，从发光组件30未对单晶硅芯区域照射光线时，在光波导管15中进行导波的1.55微米波段的波长λ1的光线，是以原本的状态进行导波，但是如图3(C)所示的光波导管15的俯视图，若单晶硅芯区被从发光组件30照射波长λ2的光线而在该照射区域16形成电子-空穴对，在光波导管15中的1.55微米波段的波长λ1的光线被该电子-空穴对吸收(自由电子吸收)。也即，如图3(D)所示，若将光波导管15的导波状态作为光信号的ON状态，并将遮断状态作为OFF状态时，通过有无从发光组件30来的光照射(ON或OFF)，能够进行切换光信号的ON/OFF(调制)。
如此，在本发明中，是在相对于会被硅结晶吸收的光线(1.1微米以下波长的光线)是透明的石英基板的表面，形成具有单晶硅芯的光波导管，同时在背面设置有发出上述波长的光线的组件，所以能够以非常简单的结构来调制光信号。
在如此的光波导管装置所设置的发光组件的方式，可以是：如图4(A)所示的自石英基板20的背面离间而设置(未图示)；或者也可以是如图4(B)所示，利用贴合已制作发光组件30的其它的基板40的方法等，作成设在石英基板20的背面的方式；或是如图4(C)所示的配置面发光型半导体激光(VCSEL)等的个别组件而成的各种方式。
又，光波导管是如图5(A)所示的台型以外，也可以是山脊型(图5(B))或是埋入型(图5(C))。作成山脊型时，是在图2(C)至图2(D)的蚀刻工序中，在完全地除去未被光阻罩幕14被覆的区域的硅膜之前，使蚀刻结束即可。又，埋入型时，是在形成单晶硅芯后，设置用以形成被覆该单晶硅芯的硅氧化膜等的形成工序即可。
实施例
在本实施例，是将光波导管制成台型光波导管。
因为SOI基板的制造方法是与已使用图1说明过的步骤相同，所以省略重复的说明；准备6英寸直径的单晶硅基板10及石英基板20，并在单晶硅基板10的表面，以平均厚度L为大约0.5微米的方式注入氢离子(H+)后，施加修复损伤热处理。随后，RCA洗净该单晶硅基板10的表面，并载置在真空处理室内的试样台上，施行等离子体处理约10秒钟而活化，然后使该单晶硅基板10和石英基板20的主面之间在室温下密接而贴合后，从外部施加冲击，并沿着相当于单晶硅基板10的表面附近的规定深度(平均离子注入深度L)相当的位置的结晶面，机械性地将单晶硅薄膜剥离而作成SOI基板。
首先，在SOI膜12上涂布正型光阻13并以旋转涂布器使其成为均匀的膜厚度(约15微米)(图2(B))，使用g射线(波长436纳米)进行曝光而在要形成光波导管的区域形成宽度10微米的带状光阻罩幕14(图2(C))。
而且，使用湿式蚀刻除去未被光阻罩幕14被覆的区域的SOI膜(图2(D))。此时的蚀刻液是在氢氟酸与硝酸的混酸中添加缓冲用的乙酸而成的蚀刻液。使用该蚀刻液蚀刻SOI膜，来形成高度0.5微米的台型光波导管15后，除去光阻罩幕14(图2(E))。而且，在最后，在石英基板20的背面侧设置能够对单晶硅芯照射0.85～0.87微米的波长的光线的GaAs的面发光型半导激光(VCSEL)而作成光波导管装置。
工业实用性
因为本发明是在相对于会被硅结晶吸收的光线(1.1微米以下波长的光线)是透明的石英基板的表面，形成具有单晶硅芯的光波导管，同时在背面设置有用来发出上述波长的光线的组件，所以能够以非常简单的结构来调制光信号。
Claims (9)
1.一种光波导管装置，其具备光波导管及发光组件；上述光波导管装置具有设置在石英基板的表面的单晶硅芯；而上述发光组件是设置在上述石英基板的背面侧，且能够对上述单晶硅芯照射1.1微米波长以下的光线。
2.如权利要求1所述的光波导管装置，其中，上述光波导管是台型光波导管。
3.如权利要求1所述的光波导管装置，其中，上述光波导管是山脊型光波导管。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光波导管装置，其中，在上述光波导管中导波光线的波长为1.55微米波段的光线，上述发光组件是GaAs系发光组件。
5.一种光波导管装置的制造方法，具备：工序A，是从单晶硅基板的表面注入氢离子；工序B，是对石英基板与上述单晶硅基板的至少其中一方的表面，施行活化处理；工序C，是贴合上述石英基板与上述单晶硅基板的表面之间；工序D，是机械性地从上述单晶硅基板剥离硅膜并在上述石英基板的表面上形成SOI膜而作成SOI基板；工序E，是在上述SOI膜形成光波导管用的单晶硅芯；及工序F，是在上述石英基板的背面侧设置能够对上述单晶硅芯照射1.1微米以下波长的光线的发光组件。
6.如权利要求5所述的光波导管装置的制造方法，其中，接着上述工序D，具备工序G，其对上述SOI膜施行平坦化。
7.如权利要求5所述的光波导管装置的制造方法，其中，接着上述工序E，具备工序H，其形成用以被覆上述单晶硅芯的硅氧化膜。
8.如权利要求6所述的光波导管装置的制造方法，其中，接着上述工序E，具备工序H，其形成用以被覆上述单晶硅芯的硅氧化膜。
9.如权利要求5～8中任一项所述的光波导管装置的制造方法，其中，上述工序B的活化处理是等离子体处理或臭氧处理的至少一种。
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