CN103477254A - 通过结晶湿法蚀刻制备的片上衍射光栅 - Google Patents

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Abstract

描述了形成微电子结构的方法。这些方法的实施例可包括：在(110)硅晶片衬底上形成光掩模，其中该光掩模包括平行四边形开口的周期性阵列，以及随后在所述（110）硅晶片衬底上进行时控湿法蚀刻以形成蚀刻进（110）硅晶片衬底中的衍射光栅结构。

Description

通过结晶湿法蚀刻制备的片上衍射光栅
背景
衍射光栅（DG）是在需要发散波长的应用中被广泛使用的重要光学器件。在自由空间光学器件中，通常，通过在衬底上机械地抛光沟槽，或通过对由两光束干涉显影出的全息图案进行反应离子束蚀刻，来制作DG。在波导光学器件中，已通过利用标准的光刻和蚀刻技术来制作DG。
附图简述
尽管说明书以特别指出和独立地要求保护某些实施例的权利要求书作为结尾，但各实施例的优势可从下面结合附图对实施例的描述中得到更好的理解，在附图中：
图1a-1c示出根据实施例形成结构的方法。
图2a-2e示出根据实施例形成结构的方法。
图3示出根据实施例的结构。
图4示出根据实施例的结构。
图5示出根据实施例的系统。
具体实施方式
在对本发明实施例的如下详细描述中，对示出可投入实践的特定实施例的附图作出参照。充分详细地描述这些实施例，以使本领域技术人员将这些实施例投入实践。要理解，各实施例尽管是不同的，但不一定是相互排斥的。例如，这里结合一个实施例描述的特定特征、结构或特性可在其它实施例中实现而不脱离它们的精神和范围。另外要理解，可修正各公开实施例中的各个要素的位置或配置而不脱离它们的精神和范围。因此，下面的详细描述不具有限定意义，并且各实施例的范围仅由适当解释的所附权利权利要求连同这些权利要求授权的等效方案的全部范围来定义。在附图中，在若干视图中，类似的附图标记指示相同或相似的功能。
描述了形成和利用微电子结构（诸如衍射光栅结构）的方法和相关结构。这些方法和结构可包括：在(110)硅晶片衬底上形成光掩模，其中该光掩模包括平行四边形开口的周期性阵列，以及随后在所述（110）硅晶片衬底上进行时控湿法蚀刻以形成蚀刻进（110）硅晶片衬底中的衍射光栅结构。本文所描述的各种实施例实现了包括超高光学品质的平面衍射光栅的制作。
图1a-1c例示了形成诸如衍射光栅结构之类的微电子结构的实施例，例如，图1a例示了（110）衬底100的一部分的各个晶轴。在一个实施例中，衬底100的该部分可包括（110）硅衬底100的一部分。在其他实施例中，（110）衬底100可包括，例如，（110）单晶硅晶片衬底100的一部分。在实施例中，（110）硅衬底100的[110]方向115可垂直于（110）衬底100的平面，且在实施例中可相对于（110）衬底100的平面在向上方向上。（110）衬底100可包括四个对称的结晶面｛111｝，且可包括（-11-1）面101、（1-1-1）面103、（-111）面105以及（1-11）面107。这些结晶面可以以70.6度的角度111或109.4度的角度109彼此相交。
在实施例中，（110）衬底100可被用于制作片上DG，其中DG的沟槽可通过将沟槽蚀刻到衬底自身中（例如，通过使用湿蚀刻剂）来形成。在实施例中，可将结晶蚀刻剂施加到（110）衬底100上。例如，诸如但不限于KOH（氢氧化钾）、EDP（乙烯二胺邻苯二酚）、TMAH（四甲基氢氧化铵）或NH4OH（氢氧化铵）的湿蚀刻剂可被施加到（110）衬底100上。
将湿蚀刻剂施加到（110）衬底100上之后，由于在<111>方向上的高原子密度，（110）衬底100的｛111｝面形成蚀刻阻挡层。在实施例中，湿蚀刻剂可进行各向异性蚀刻，该蚀刻在｛111｝硅衬底100的平面中较慢，且产生垂直侧壁。在实施例中，通过利用适当地设计的光掩模图案，例如，通过使用包括平行四边形的周期性阵列的光掩模，可将带有完全光滑的垂直侧壁的锯齿状光栅结构结晶性地湿法蚀刻到衬底100中。在实施例中，可将沟槽状衍射光栅形成/蚀刻在衬底100中，该衬底100在某些情况下可包括平面DG，例如为阶梯光栅结构。
在实施例中，通过蚀刻工艺形成的衍射光栅结构可被分类为两种情况：在臂之间有70.6度角111的一种光栅结构120（图1b），在臂之间有109.4度角109的另一种光栅结构120’。在实施例中，衍射光栅结构120、120’的闪耀角（blazed angle）111、109可通过调整图1b-1c中的臂115、115’和117、117’的长度来控制。在实施例中，光栅120、120’的角111和109可分别在臂115、117和115’、117’之间。在实施例中，衍射光栅结构120、120’的臂115、117和115’、117’可包括锯齿状结构。
在实施例中，图1b-1c中所示出的衍射光栅结构120、120’可被用作反射光栅，其中金属/反射性涂层可形成于衍射光栅结构120、120’的锯齿状结构的垂直侧壁上和/或可将大于全内反射角的入射角用于该衍射光栅结构120、120’，其中衍射光栅结构120、120’的透射损耗可大为减少。
光掩模图案的制备对于图1b-1c中所描述的衍射光栅结构120、120’的形成是重要的。例如，图1a-1b的臂长度115、115’和117、117’可通过光掩模的设计来调整，且因此，衍射光栅结构120、120’的角111和109可被控制。
在实施例中，可在（110）衬底200（类似于图1a的衬底100）上形成光掩模202，其中该光掩模202可包括平行四边形204的周期性阵列（图2a）。在实施例中，在光掩模202的平行四边形阵列204的各个平行四边形之间可有间隙206。在实施例中，可在加光掩模的衬底200上使用湿蚀刻化学剂（诸如，但不限于，前文所述的湿蚀刻化学剂之一）来进行时控蚀刻工艺以形成衍射光栅220（图2b）。衍射光栅220可包括臂长度215、217以及臂215、217之间的角216，其中臂长度可由光掩模202的设计来定义。
在实施例中，衍射光栅结构220可包括第一侧221和第二侧222。在实施例中，经蚀刻衍射光栅结构220的第二侧222可被移除，例如，使用干法蚀刻工艺来进行移除，不过在其他情况中可使用湿法蚀刻（图2c）。在另一实施例中，可将第一侧221从衍射光栅结构220移除。对于光源可能是从环境大气入射而来的应用来说，例如，当衍射光栅结构220可被用于自由空间光学系统时，可期望将衍射光栅结构220的第一或第二侧221、222移除。
衍射光栅结构220可包括两个主要优势。第一，衍射光栅结构220的侧壁223可为大致上精确的90°笔直，可包括在实施例中大约90度的侧壁角221，且由于结晶湿法蚀刻，其表面粗糙度可忽略（图2d）。这一优势对于产生大活动区域（例如当需要非常深的蚀刻深度时）是尤为重要的。第二，即便是当光掩模上的锯齿状结构（邻近的臂，其间成角度）的锐度不能被精确定义的情况下，所得的经蚀刻拐角仍将极为锐利。当使用高沟槽密度时，例如当拐角特征尺寸和光刻分辨率相当或更小时，这样的优势是尤为重要的。
图2e描述实施例的流程图。在步骤230，可在（110）硅衬底上形成光掩模，其中该光掩模包括平行四边形的周期性阵列。在步骤240，可将湿蚀刻剂施加到（110）硅衬底上，其中｛111｝面作为湿蚀刻剂的蚀刻阻挡层。在步骤250，可用湿蚀刻剂进行时控蚀刻，以将衍射光栅结构直接形成于（110）硅衬底中。
常规地，例如，通过在衬底上机械地抛光沟槽，或通过对由两光束干涉显影出的全息图案进行反应离子束蚀刻，来制作现有技术的大面积DG。衍射光栅，诸如阶梯光栅，当其同基于波导的光电设备集成时，通常通过标准光刻以及干法蚀刻来使用和制作。这样的现有技术方法会导致不期望的性质，例如粗糙的表面、倾斜的侧壁、和钝的拐角，这会严重降低衍射光栅设备的光学品质。因为现有技术的衍射光栅/波导的沟槽是通过干法蚀刻技术来制备的，其中经常出现粗糙的表面、倾斜的侧壁、和钝的拐角，这样的现有技术波导通常表现出高于预期的插入损耗，对于10微米到30微米的大芯波导尤甚。
衍射光栅结构220的益处包括：允许形成片上平面DG，其中（110）硅晶片的结晶湿法蚀刻可定义具有极高光学品质的平面DG。（110）硅衬底的湿法蚀刻允许为本文各实施例的平面DG制作90°笔直的侧壁。因此，允许形成带有笔直且光滑侧壁的平面DG。例如，根据本文所包括的各实施例，可形成用于粗波分复用（CWDM）的阶梯光栅。因为沟槽是通过湿法蚀刻技术来制备的，各实施例的DG表现出更低的插入损耗，对于10微米到30微米的大芯波导尤为如此，因此实现了理想阶梯光栅的制作。这样的光栅结构将大为增加总链路预算，因为硅光子学链路的主要损失来自于多路复用器和多路分离器组件。
在实施例中，片上准直器可与各个实施例的DG相结合以在基于平面DG的多路复用器/多路分离器设备中进行波长选择。例如，可采取Czerny-Turner配置（两个准直器）或Fastie-Ebert配置（一个准直器），如图3所示，该图示出了光线轨迹304。图3描述了Czerny-Turner配置301，其包括根据本文的实施例制作的DG302和两个准直器303。描述了Fastie-Ebert配置301’，其包括根据本文的实施例制作的DG302，带有单个准直器303’。描述了Fastie-Ebert配置，其包括根据本文的实施例制作的DG302，带有采取Littrow配置301’’的单个准直器303’。
在实施例中，本文所述各实施例的DG结构可形成于图4a所示的硅晶片400上，且可包括在管芯402上的各个集成电路的部分。硅晶片400可被切割以将各个管芯402彼此分离，如现有技术已知的那样。包括DG结构（诸如图1b、1c和2c的DG结构）的单独管芯402，例如，可然后变为微电子封装组件408的部分（图4b）。在某些实施例中，封装组件408可包括采用焊料球404置于封装衬底406上的管芯402，但可根据具体应用而包括任何类型的封装。
图5描述根据实施例的系统。系统500包括光源510，例如为激光器，其可引导输入光束到光学衍射光栅结构520中，光学衍射光栅结构520例如为图1b、1c和2c的衍射光栅结构。光栅结构520可通信地耦合于接收器530，接收器530可包括光学接收器530。接收器530可耦合于处理器550，处理器550可耦合于存储器设备540、输入和输出（I/O）控制器560，在一些实施例中，所有前述元件均可通过总线570通信地彼此耦合。处理器550可以是通用处理器或专用集成电路(ASIC)。I/O控制器560可包括用于有线或无线通信的通信模块。存储器设备540可以是动态随机存取存储器(DRAM)器件、静态随机存取存储器(SRAM)器件、闪存器件或这些存储器器件的组合。因此，在一些实施例中，系统500中的存储器器件540不一定包括DRAM器件。
系统500中所示的一个或多个部件可包括本文中包含的各实施例中的一个或多个衍射光栅。例如，处理器550或存储器器件540或I/O控制器560的至少一部分或这些部件的组合可包括在集成电路封装中，该集成电路封装包括本文所述结构的至少一个实施例。
这些部件执行它们业内公知的传统功能。尤其，存储器设备540在某些情形下可用于提供对在由处理器550执行期间形成根据一些实施例的结构的方法的可执行指令的长期存储，而在其它实施例中可用来短期地存储用于在由处理器550执行期间形成根据这些实施例的结构的方法的可执行指令。另外，指令可被存储或以其它方式关联于与系统可通信耦合的机器可访问介质，机器可访问介质例如是紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、软盘、载波和/或其它传播的信号。在一个实施例中，存储器设备540可向处理器550提供可执行的指令以供执行。
系统500可包括计算机(例如台式机、膝上计算机、手持计算机、服务器、Web设备、路由器等)、无线通信设备(例如蜂窝电话、无绳电话、寻呼机、个人数字助理等)、计算机关联的外围设备(例如打印机、扫描仪、监视器等)、娱乐设备(例如电视机、收音机、立体声、磁带和紧致盘播放器、视频卡带录像机、便携式摄像机、数字照相机、MP3(运动图象专家组，音频层3)播放机、视频游戏、手表等)，诸如此类。
尽管前面的说明书具有可用于实施例中的某些特定步骤和材料，然而本领域内技术人员将理解，可作出许多修正和替代。因此，所有这些修正、改变、替代和添加都应当被认为是落在实施例由所附权利要求书定义的精神和范围内。本文提供的附图仅示出与实践实施例相关的示例性微电子结构的部分。因此，实施例不限于本文描述的结构。

Claims (30)

1.一种方法，包括：
将湿蚀刻剂施加到（110）硅衬底，其中所述（110）硅衬底包括光掩模，所述光掩模包括平行四边形的周期性阵列；以及
将衍射光栅结构形成于所述（110）硅衬底中，其中所述（110）硅衬底的｛111｝面在所述（110）硅衬底的蚀刻期间形成蚀刻阻挡层。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：其中所述衍射光栅结构包括光滑的、垂直的侧壁，其中所述侧壁为大致90度的侧壁。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：其中形成所述衍射光栅结构还包括形成所述衍射光栅结构的臂之间的角。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：其中所述衍射光栅结构的臂之间的所述角包括约70.6度角和约109.4度角中的一个。
5.如权利要求1所述的方法，还包括：其中所述衍射光栅结构包括阶梯衍射光栅结构。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：其中所述衍射光栅结构包括粗波分复用（CWDM）光学系统的一部分。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：其中所述衍射光栅包括10到30微米的大芯波导。
8.如权利要求6所述的方法，还包括：其中所述CWDM光学系统还包括片上准直器。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：其中所述湿蚀刻剂包括KOH、TMAH和NH4OH的其中之一。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：其中所述湿蚀刻剂在所述（110）硅衬底上执行结晶各向异性蚀刻。
11.一种形成衍射光栅的方法，包括：
在（110）硅晶片衬底上形成光掩模，其中所述光掩模包括平行四边形开口的周期性阵列；
在所述（110）硅晶片衬底上执行时控湿法蚀刻，以形成被蚀刻到所述（110）硅晶片衬底中的衍射光栅结构。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：其中相邻平行四边形开口的拐角不是邻接的。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：其中所述衍射光栅结构的一侧被移除，其中光源可从环境大气入射施加于所述衍射光栅结构。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：其中所述衍射光栅的侧壁包括反射性涂层。
15.一种结构，包括：
被蚀刻到（110）硅衬底中的衍射光栅结构，其中所述衍射光栅结构的相邻臂之间的角包括70.6度角和109.4度角的其中之一。
16.如权利要求15所述的结构，其中所述衍射光栅结构包括光滑的、大致垂直的侧壁。
17.如权利要求16所述的结构，其中所述侧壁为大致90度的侧壁。
18.如权利要求15所述的结构，其中所述衍射光栅结构包括阶梯衍射光栅结构。
19.如权利要求15所述的结构，其中光源可从环境大气入射施加到所述衍射光栅结构。
20.一种结构，包括：
管芯的部分，其包括（110）硅衬底；以及
被蚀刻进所述（110）硅衬底的衍射光栅结构。
21.如权利要求20所述的结构，其中所述衍射光栅结构包括：在所述衍射光栅结构的相邻臂之间的角，所述角为70.6度角和109.4度角的其中之一。
22.如权利要求20所述的结构，其中所述衍射光栅结构包括大致光滑的侧壁。
23.如权利要求20所述的结构，其中所述衍射光栅结构的侧壁角包括大约90度角。
24.一种设备，包括：
管芯的部分，其包括（110）硅衬底；以及
被蚀刻进所述（110）硅衬底的衍射光栅结构；以及
封装衬底，其中所述管芯的所述部分被置于所述封装衬底上。
25.如权利要求24所述的设备，其中所述衍射光栅结构的臂之间的角包括约70.6度和约109.4度的其中之一。
26.如权利要求24所述的设备，其中所述衍射光栅结构包括阶梯衍射光栅结构。
27.如权利要求24所述的设备，其中所述衍射光栅结构包括粗波分复用（CWDM）光学系统的部分。
28.如权利要求24所述的设备，还包括：其中所述衍射光栅包括10到30微米的大芯波导。
29.如权利要求27所述的设备，其中所述CWDM光学系统还包括片上准直器。
30.如权利要求24所述的设备，还包括系统，其中所述设备耦合于光学接收器。
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