CN115777080A - 制造热光组件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造热光组件的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供SOI基板，该SOI基板包括：‑表面层，其由单晶硅制成、在主平面中延伸并且被放置在介电层上，该介电层本身被放置在由硅制成的载体上，以及‑至少一个掩埋腔，其被形成在载体中并且在介电层下方敞开，然后，b)形成在主平面中延伸并且包括芯的光波导，所述芯被形成在表面层中并且被包括介电层的光封闭层包围，c)在光波导上制备至少一个加热元件，所述加热元件在主平面中定位成在竖直方向上位于光波导的区段的正上方，或者位于所述区段的任一侧，加热元件和光波导的区段定位成在竖直方向上位于至少一个掩埋腔的正上方。
Description
技术领域
本发明涉及光子学领域。本发明具体涉及一种制造热光(thermo-optic)组件的方法，即，经由由组件内部或外部的热源产生的局部或全局温度变化来修改光学特性(一阶的折射率)的组件。
背景技术
硅光子学越来越受关注，因为该技术允许通过提供诸如开关和光移相器、调制器、滤波器、激光器等的许多集成功能来改进光通信链路。
具体地，开关和光移相器必须能够高效地输送大量信号，同时满足关于紧凑性、低功耗以及高切换速度的规范。由于硅具有高的热光效应，因此，已经能够在绝缘体上硅(SOI)基板上开发出紧凑且快速的热光开关；尤其可以提及的是诸如环形谐振器或Mach-Zehnder干涉仪的组件。
文献US2015253510提供了一种紧凑型热光开关，其极大地最小化了实现切换所需的功率，因为其光波导形成为悬挂在载体基板上方、主要被空气包围并且通过限制热流的支柱附接至所述载体基板：热封闭提高了开关的效率(限制了功耗)。利用SOI基板获得该热光开关的架构；硅表面层和掩埋氧化物分别形成光波导的芯以及围绕该芯的光封闭层的一部分，并且加热元件被放置在波导上。从正面构造和蚀刻SOI基板的步骤允许在波导与载体基板之间形成深沟槽和气隙。
这种架构的一个缺点可能是由热光组件的多个外围区域与空气接触的事实而造成的：因此，该热光组件对由加热元件产生的温度变化的瞬态响应将劣化。具体地，由于周围空气产生的热惯性，因此，加热元件停工时波导从较高温度T1返回到温度T0所需的时间(即，下降时间)增加。
发明目的
本发明涉及现有技术中已知的方案的另选方案。本发明涉及一种制造热光组件的方法，该热光组件准许良好的热隔绝、有利于热光效应的效率，同时保持非常好的瞬态动态组件响应。该制造方法还允许向组件赋予高集成密度和优异的机械稳定性，同时简化制造步骤。
发明内容
本发明涉及一种制造热光组件的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供绝缘体上硅(SOI)基板，所述SOI基板包括：
-表面层，所述表面层由单晶硅制成、在主平面中延伸并且被放置在介电层上，所述介电层本身被放置在由硅制成的载体上，以及
-至少一个掩埋腔，所述至少一个掩埋腔被形成在所述载体中并且在所述介电层下方敞开，
b)形成在所述主平面中延伸并且包括芯的光波导，所述芯被形成在所述表面层中并且被包括所述介电层的光封闭层包围，
c)在所述光波导上制备至少一个加热元件，所述加热元件在所述主平面中定位成在竖直方向上位于所述光波导的区段的正上方，或者位于所述区段的任一侧，所述加热元件和所述光波导的所述区段定位成在竖直方向上位于所述至少一个掩埋腔的正上方。
根据本发明的可以单独地或者以任何可实现的组合实现的一些有利特征：
·在步骤b)中，贯穿所述光波导制备孔，以将所述至少一个腔置于外部压力下；
·所述孔被保护或塞住，以气密地密封所述至少一个腔；
·所述至少一个腔贯穿步骤a)、步骤b)以及步骤c)保持被气密地密封；
·所述介电层由氧化硅制成，并且厚度介于100nm至3微米之间；
·所述表面层的厚度介于100nm至500nm之间；
·所述光封闭层包括附加介电层，所述附加介电层的厚度介于0.5微米至1.5微米之间；
·所述至少一个腔在所述主平面中的横向尺寸介于10微米至几毫米之间，并且沿着正交于所述主平面的轴线的深度介于几微米至100微米之间，并且有利地介于5微米至10微米之间。
本发明还涉及一种使用诸如上述的制造方法制备的热光组件，该热光组件形成开关、移相器、调制器、激光发射器、放大器、定向耦合器、滤波器和/或复用器。
附图说明
参照附图，根据下面的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：
-图1a至图1d示出了根据本发明的制造方法的步骤a)的提供SOI基板的方法序列；
-图2示出了根据本发明的制造方法的步骤b)；
-图3示出了根据本发明的制造方法的步骤c)；
-图4a和图4b示出了利用根据本发明的制造方法制备的热光组件的从上方看的两种架构。
附图是示意性表示，为了易读起见，附图没有按比例绘制。具体地，层沿着z轴的厚度相对于沿着x轴和y轴的横向尺寸不成比例。
在图中，相同的附图标记可以用于具有相同性质的元件。
各种可能性(在下面的描述中例示和/或详述的变型例和实施方式)必须被理解为彼此不是排它的，并且可以组合在一起。
具体实施方式
本发明涉及一种制造热光组件的方法。就热光组件(其是指任何类型的光电子器件，诸如开关、移相器、调制器、定向耦合器、滤波器和光复用器、激光发射器、放大器等)而言，其光学特性(具体是其一阶的折射率)是通过由该器件内部或外部的热源产生的局部(或全局)温度变化修改的。
所述制造方法准备用于制备基于单晶硅的光波导50以及在波导50的区段附近制备加热元件60：波导50的硅芯的区段52’中的由加热元件60产生的温度变化将具有修改硅的折射率的效果，从而改变所述波导50中的光学模式的有效折射率。
所述制造方法包括提供绝缘体上硅(SOI)基板10的步骤a)，该SOI基板包括由单晶硅制成的表面层4，该表面层在主平面(x，y)中延伸并且被放置在介电层3上，该介电层本身被放置在硅载体1上(图1d)。SOI基板10优先采取直径介于150mm至450mm之间的圆形晶片的形式，载体1的厚度通常在300微米至1000微米之间变化。
有利地，为了满足光子应用的要求，表面层4的厚度介于100nm至500nm之间。该表面层4旨在形成光波导50的芯。
同样有利但非限制性地，介电层3由氧化硅制成，并且厚度介于100nm至3微米之间。
SOI基板10还包括至少一个掩埋腔2，所述至少一个掩埋腔被形成在载体1中并且在介电层3下方敞开。下面，为了简单起见，将对掩埋腔2进行说明，但应理解，SOI基板10有利地包括多个腔2，这些腔将根据旨在设置于所述SOI基板10上的热光组件100的架构、类型以及数量而分布在主平面(x，y)中。还应注意，所有掩埋腔2不必具有相同的尺寸(主平面(x，y)中的长度和宽度，以及沿着正交于主平面(x，y)的z轴的深度)，因为它们可以与各种组件架构或类型相关联。
掩埋腔2在主平面(x，y)中的横向尺寸可以介于10微米至几毫米之间，并且深度介于几微米至100微米之间，并且有利地介于5微米至10微米之间。它可以在主平面(x，y)中具有任何形状，例如，正方形、矩形、多边形、圆形、环形等。
SOI基板10的掩埋腔2可以填充有牺牲固体材料或者没有该牺牲固体材料。在后一种情况下，该掩埋腔可以填充有空气或者填充有处于大气压或经确定的受控压力的气体。
通过示例的方式，牺牲材料将可能选自氧化硅(例如，低密度或掺杂的氧化硅)、掺杂多晶硅、多孔硅等。牺牲材料相对于SOI基板10的其它材料(即，相对于热氧化硅和单晶硅)将可选地具有足够高的蚀刻速率，以避免在方法中随后除去该牺牲材料时对基板10的显著蚀刻。
这种具有掩埋腔2的SOI基板10的制备优选地基于被称为Smart CutTM工艺的薄层转移工艺。
在表面层4的转移之前，所使用的载体1是单晶硅基板，其正面1a已被蚀刻以形成所述至少一个腔2(图1a)。在腔2填充有牺牲材料的变型例中，然后以与正面1a的硅表面齐平的方式将所述材料淀积在腔2中。
在此将不再描述的光刻、掩模、蚀刻、淀积以及抛光的常规步骤用于形成所述腔，并且若需要的话填充所述腔。
通过由单晶硅制成的供体基板40的正面40a对该供体基板进行注入，以限定基本上平行于正面40a的掩埋弱化平面41，并利用该掩埋弱化平面界定待转移的薄层3、4(图1b)。注入通常是利用轻物质(诸如氢离子或氦离子或者这两种物质的组合)来进行的。弱化平面41之所以这样命名是因为它包括由所注入的轻物质产生的晶状体形式的纳米裂纹。
根据一个优选选项，待转移的薄层3、4包括从供体基板40的正面40a起到掩埋弱化平面41的介电层3和硅层4，它们将分别形成SOI基板10的掩埋介电层3和硅表面层4。因此，应理解，考虑到消耗所述层4的一些材料的精加工步骤(下面提及的)，选择并调节轻物质的注入能量，以在与表面层4的希望厚度相对应的深度形成掩埋弱化平面(相对地定位在注入峰处)。
然后，供体基板40和载体1通过所述基板40的正面40a与载体1的正面1a之间的直接接合而连接，以形成接合结构(图1c)。如直接接合领域所公知的，将可能对正面40a、1a的表面执行清洁和/或活化，以获得优质接合。基板可以在受控气氛下连接；当所述腔没有牺牲材料时，这尤其允许控制腔(其在所述连接操作之后被掩埋)中的压力。
沿掩埋弱化平面41的裂开优选地通过在中等温度(典型地介于350℃至500℃之间)施加热处理而产生，因为微裂纹是通过气体物质的聚结和加压而生长的(图1d)。另选地或者结合地，裂开可以通过向接合结构施加机械应力而产生。
在该裂开结束时，一方面获得中间SOI基板，另一方面获得供体基板的剩余部分40’。照惯例向中间SOI基板施加包括清洁、表面处理(蚀刻、抛光等)和/或热处理的精加工序列，以确保硅表面层4再次具有良好的表面光洁度(粗糙度和缺陷数量)和良好的晶体质量。在此之后，SOI基板10是可用的。
尽管在此已经参照Smart-Cut工艺描述了具有掩埋腔2的SOI基板10的制备，但是这种SOI基板10也可以使用本领域已知的其它薄层转移工艺来制备。
根据本发明的制造方法然后包括步骤b)：形成在主平面(x，y)中延伸并且包括芯52、52’的光波导50，该芯被形成在表面层4中并且被包括介电层3的光封闭层53包围(图2)。
光波导50的形成需要局部蚀刻表面层4，以在主平面(x，y)中限定波导的尺寸和形状。
图4a和图4b分别例示了从上方(即，在主平面(x，y)中)看到的Mach-Zehnder干涉仪的情况下以及环形谐振器的情况下的波导50的两种不同架构。其中可以看到波导50的芯52、52’，该波导的一个或更多个区段52’定位成在竖直方向上位于一个或更多个腔2(图4a和图4b中的虚线)的正上方。芯52在主平面(x，y)中的长度可以根据目标架构而变化；其宽度常规上介于0.2微米至1微米之间，优选地介于0.3微米至0.6微米之间。
光波导50的形成还需要在芯52、52’上淀积附加介电层3’，以将该芯封装在包括SOI基板10的介电层3的包覆层(在此被称为光封闭层53)中。附加介电层3’优选地由氧化硅制成。附加介电层3’的厚度通常介于0.5微米至1.5微米之间。
在步骤b)，有利地在已经形成波导50之后，可以贯穿光波导50制备孔(未示出)，以将所述至少一个腔2置于外部压力下。通常在包括硅芯52、52’的区域之外贯穿封闭层53来制备所述孔。在外部压力下的这种放置之后，该孔将可能被保护，或者被塞住以密封腔2。
在掩埋腔2填充有牺牲材料的情况下，形成(至少)一个孔，以允许接近所述材料，并且进行湿法蚀刻或干法蚀刻，目的是去除该材料并清空掩埋腔2中的固体材料。再一次地，在腔2被清空之后，所述孔将可能被保护或者塞住。
可以回想，腔2是在步骤a)结束时被气密地密封的，并且某些实施方式中，可以在步骤b)和/或步骤c)中甚或在制造热光组件之后、在其使用期间保持在该状态。腔2的气密性质使得可以避免由于在制造方法期间气态或液态物质不希望地渗透到该腔2中而造成的影响，这些影响潜在地产生与干燥、上部膜的接合、各种类型的污染、上部膜的劣化等有关的问题。在组件的使用期间保持腔2气密还可以允许确保工作点的再现性(尤其是在热环境和机械变形方面)。
然后，所述制造方法包括步骤c)：在光波导50上制备至少一个加热元件60(图3)。该加热元件60在主平面(x，y)中放置成在竖直方向上位于掩埋腔2的正上方。有利地，加热元件60在该平面中的尺寸小于腔2的尺寸，如图3、图4a以及图4b所例示的。
因此，再次在主平面(x，y)中，加热元件60定位成在竖直方向上位于光波导50的芯区段52’的正上方，或者被定位在所述区段52’的任一侧(图4a、图4b)。该区段52’对应于波导50的如下部分，该部分将经历由加热元件60施加的温度变化，并因此将向组件100赋予其热光特性。
根据一个特定示例性实施方式，加热元件60是通过直接在封闭层53上淀积在竖直方向上位于波导的区段52’的正上方的Ti/TiN叠层来形成的。叠层的厚度可以约为100nm。
加热元件60还包括旨在连接至电流源的两个金属触点焊盘。在施加电流时，加热元件60经由焦耳加热来耗散热，从而增加波导50的芯区段52’所经历的温度。
根据本发明的制造方法是简单且有效的：其限制了限定和隔绝热光组件100所需的技术步骤，而这些步骤尤其基于通常难以控制的化学蚀刻；它还允许实现高集成密度。SOI基板10中的(至少)一个掩埋腔2的存在促进了旨在产生热光效应的波导区段52’的绝热，这允许限制经由传导的热损失，腔中的空气或气体形成了极好的隔绝体。并行地，光波导50的芯52周围的光封闭层53的热连续性确保了加热元件60的温度变化期间的低瞬态响应时间，从而向组件100赋予非常好的响应性。光波导的芯52’下面的介电层3的存在允许在组件响应速度与其控制的能量效率之间获得良好的折衷。
根据本发明的制造方法还获得鲁棒的热光组件100，因为不需要经由SOI基板10的正面或者经由背面的复杂蚀刻来形成隔绝，而这些蚀刻易于降低组件的机械强度。
不用说，本发明不限于所描述的实施方式，并且在不脱离诸如由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以采用变型实施方式。
Claims (9)
1.一种制造热光组件(100)的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供SOI基板(10)，所述SOI基板包括：
-表面层(4)，所述表面层由单晶硅制成、在主平面(x，y)中延伸并且被放置在介电层(3)上，所述介电层本身被放置在由硅制成的载体(1)上，以及
-至少一个掩埋腔(2)，所述至少一个掩埋腔被形成在所述载体(1)中并且在所述介电层(3)下方敞开，然后，
b)形成在所述主平面(x，y)中延伸并且包括芯(52、52’)的光波导(50)，所述芯被形成在所述表面层(4)中并且被包括所述介电层(3)的光封闭层(53)包围，然后，
c)在所述光波导(50)上制备至少一个加热元件(60)，所述加热元件(60)在所述主平面(x，y)中定位成在竖直方向上位于所述光波导(50)的区段(52’)的正上方，或者位于所述区段(52’)的任一侧，所述加热元件(60)和所述光波导的所述区段(52’)定位成在竖直方向上位于所述至少一个掩埋腔(2)的正上方。
2.根据权利要求1所述的制造热光组件(100)的方法，其中，在步骤b)中，贯穿所述光波导(50)制备孔，以将所述至少一个腔(2)置于外部压力下。
3.根据权利要求2所述的制造热光组件(100)的方法，其中，所述孔被塞住以气密地密封所述至少一个腔(2)。
4.根据权利要求1所述的制造热光组件(100)的方法，其中，所述至少一个腔(2)贯穿步骤a)、步骤b)以及步骤c)保持被气密地密封。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制造热光组件(100)的方法，其中，所述介电层(3)由氧化硅制成，并且厚度介于100nm至3微米之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的制造热光组件(100)的方法，其中，所述表面层(4)的厚度介于100nm至500nm之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的制造热光组件(100)的方法，其中，所述光封闭层(53)包括附加介电层(3’)，所述附加介电层的厚度介于0.5微米至1.5微米之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的制造热光组件(100)的方法，其中，所述至少一个腔(2)在所述主平面中的横向尺寸介于10微米至几毫米之间，并且沿着正交于所述主平面(x，y)的轴线(z)的深度介于几微米至100微米之间，并且有利地介于5微米至10微米之间。
9.一种使用根据前述权利要求中任一项所述的制造方法制备的热光组件(100)，所述热光组件形成开关、移相器、调制器、激光发射器、放大器、定向耦合器、滤波器和/或复用器。
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