CN1205444A - 均匀平面光波导的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种均匀平面光波导的制造方法,该方法包括如下步骤:(a)在一基片上沉积下包层,并抛光该沉积表面;(b)在步骤(a)所得结构上沉积芯层并抛光该沉积表面;(c)对在步骤(b)中其表面被抛光的芯层进行构图,以制得光波导;以及(d)在经过步骤(c)构图形成的光波导上沉积包层。因为进一步包括了表面抛光步骤,所以提高了光波导厚度的均匀性。其结果是,光波导内的有效折射率变得均匀,并能制造出更精确的光学器件。各信道的相位差与期望值匹配,从而降低了串音。

Description

均匀平面光波导的制造方法
本发明涉及均匀平面光波导的制造方法，更具体地说，涉及通过沉积之后进行抛光来制造均匀平面光波导的方法。
在制造光学通信装置的集成光学方法中，为大规模生产并且弥补其弱点，已发展出平面光波导环路。图1A至1C表示制造平面光波导的传统方法。图1A表示的步骤为在基片100上沉积一下包层102和一芯层104。图1B表示的步骤为在图1A的芯层104上构图，然后制成波导106。图1C表示的步骤为在图1B的波导上沉积一上包层108。
图1D为详细展示由图1A至1C所示的制造方法的流程图。首先，在步骤112，沉积下包层和芯层。为进行沉积诸如聚合物等有机材料以旋转涂覆方法沉积，而无机材料以化学汽相沉积(CVD)方法、改进CVD方法或者火焰水解沉积(FHD)方法沉积。此处，根据所用沉积方法及其条件，层的厚度有所不同。根据旋转涂覆方法，在合成有机材料之后，通过加入既定溶剂调整该有机材料的浓度和粘度，将该混合物注入旋转涂料器，然后通过高速旋转该旋转涂料器制得几个微米厚的有机薄膜。在CVD方法中，向反应炉中注入作为待沉积层材料的源气体，并向反应炉提供能量以便在基片上形成膜层。改进CVD方法包括低压CVD(LPCVD)，常压CVD(APCVD)，以及等离子体增强CVD(PECVD)。在FHD方法中，反应气体与氢气和氧气火焰合成，形成细灰，然后将细灰沉积在基片上。对于每一种沉积方法，主要采用硅基片作为基片。然而，也可采用由石英、氧化铝(Al2O3)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者属于元素周期表中第III和V族元素的半导体化合物制成的基片。
在清洁的室内制造图纹。将其上沉积有膜层的晶片洗涤并干燥，在步骤116进行感光胶(PR)旋转涂覆。这里，在步骤112和116之间，可以根据蚀刻条件在步骤114中沉积一金属掩模。在PR旋转涂覆之后，在步骤118将所得结构烘烤，以使PR图纹硬化，在步骤120利用掩模对准器将设计图纹转印至晶片上，并利用紫外(UV)射线照射其上。在照射紫外线形成图纹之后，在步骤122利用显影液除去未反应的PR，然后在步骤124对裸露芯层进行干刻。这里，蚀刻是通过感应耦合等离子体方法或反应离子束蚀刻方法进行的。在蚀刻之后，在步骤126除去用作图纹掩模的材料(PR或金属膜)(称作卸除蚀刻)，并在步骤128进行后退火。接着，在步骤130通过沉积形成上包层。在完成在晶片单元中进行的上述步骤之后，将晶片切割成器件单元，并经过包装步骤获得完成的器件。
如上所述，在制造平面光波导的传统方法中，薄膜的沉积基本上重复三次。然而，对于制造多层器件，则需要三次以上的沉积。这里，即使薄膜沉积条件最佳，膜层的厚度在2-3％厚度范围内是均匀的。如果薄膜厚度不均匀，则由该膜层形成的光波导的厚度也不均匀，从而造成不均匀的器件特性。图2A是具有不均匀厚度的光波导的垂直截面图，图2B是图2A所示具有不均匀厚度的光波导的侧视图。这里，标号200代表基片，标号202代表芯层，标号204代表包层，d代表光波导的厚度，W代表光波导的宽度，而l代表光波导的长度。上述不均匀厚度的器件呈现下述效应。例如，一个排列好的波导多路分用器(AWG DEMUX)将输入光信导的混合波长分离开并将独立波长分布在信道之间。这里，各信道的相位差Δφ应确定为一个既定间隔，并假定ΔL为路程差，β为波长的传导折射率，则相位差可由等式Δφ＝ΔL·β表示。波导的传导折射率由等式β＝Ko·dsinθ表示，其中Ko为波数，d为波导的厚度，并且θ为入射角。这里，如果波导不是同一的，其厚度d在光的传播过程中变化，则光信号在各信道终端不会分离成所需的特定波长，增加了串音，这在制造时引起严重问题。
这种问题在采用光波导的器件中，以及在AWG DEMUX中可能发生。如果此问题造成的误差在允许范围内，则器件尚可使用。然而，在具有多层结构器件的情况下，需要对光信号进行更精确控制，这就需要一种更精确的光波导。
为解决上述问题，本发明目的在于提供一种制造平面光波导的方法，其包括一个表面抛光步骤，用于去除具有2-3％厚度偏离的上下包层及芯层厚度上的不平整，从而最大限度降低膜层的厚度差并提高表面的平面度。
相应地，为实现上述目的，提供了一种制造均匀平面光波导的方法，包括如下步骤：(a)在基片上沉积一下包层并抛光沉积表面；(b)在步骤(a)所得结构上沉积一芯层并抛光该沉积表面；(c)在步骤(b)中其表面抛光的芯层上进行构图，以产生一光波导；以及(d)在经过步骤(c)构图形成的光波导上沉积一上包层。
通过参照附图对其优选实施例进行详细说明，将更加清楚本发明的上述目的及优点。
图1A至1C表示制造平面光波导的传统方法的垂直截面图；
图1D为详细表示制造平面光波导的传统方法的流程图；
图2A为具有不均匀厚度的光波导的垂直截面图；
图2B为图2A所示具有不均匀厚度的光波导的侧视图；
图3为表示根据本发明的制造具有均匀厚度的平面光波导的方法的流程图；以及
图4A至4C为表示表面抛光步骤的截面图。
参照图3，一种制造平面光波导的方法，包括沉积下包层的步骤300，抛光第一表面的步骤310，沉积芯层的步骤320，抛光第二表面的步骤330，构图的步骤340，沉积上包层的步骤350，以及抛光第三表面的步骤360。
在沉积上包层、芯层和下包层的步骤330、320和350中，可以采用旋转涂覆、化学汽相沉积(VCD)、低压CVD(LPCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、常压CVD(APCVD)或者火焰水解沉积(FHD)方法。而且，基片可以由硅、石英、氧化铝(Al2O3)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或者属于元素周期表中第III和V族元素的半导体化合物制成。
第一，第二和第三表面抛光步骤310、330和360用于增加该表面平面度。表面抛光方法包括机械抛光方法和化学抛光方法。在机械抛光方法中，通过硬度大于待抛光表面材料硬度的材料对表面进行物理擦除。在化学抛光方法中，通过与待抛光表面化学反应一点点溶解表面。而且，也可采用作为上述两种方法结合的化学机械抛光方法。在化学机械抛光方法中，通过待抛光表面与化学药剂的化学反应来改变表面特性，可提高机械抛光效率。该方法主要用于有可能需要精密表面抛光的半导体制造工艺中和利用晶片的批量生产中。图4A至4C表示上述机械化学抛光方法。详细地说，图4A画出了一个未抛光沉积表面，其中标号400代表基片而标号402代表沉积层。图4B表示采用抛光器具404的化学机械抛光方法，其中抛光媒剂由“○”表示而化学药剂由“●”。图4C表示抛光后的均匀平滑的表面。
例如，在二氧化硅光波导的情况下，待抛光目标由含有二氧化硅(SiO2)作为主要成份的硼磷石英玻璃(BPSG)制成，相应地，目标物的表面特性在采用诸如SiO2颗粒和含碱(-OH)例如KOH的陶瓷颗粒等抛光媒剂时会发生变化。膜层的表面特性通过化学方程式变化，从而提高了机械抛光效率。
在本发明的制造均匀平面光波导的方法中，在步骤300沉积一下包层，然后在步骤310按上述方法进行表面抛光。接着，在步骤320向其上沉积芯层，在步骤330再次进行表面抛光。在完成芯层沉积和表面抛光之后，在步骤340进行构图。
下面详细描述构图步骤340，在清洗晶片之后，在步骤342进行感光胶(PR)旋转涂覆。在步骤342之前，可以在步骤341根据蚀刻条件沉积一金属掩模。在PR旋转涂覆之后，在步骤343进行烘烤以使PR图纹硬化，然后在步骤344通过对准掩模将设计图案转印至PR上，并向其上照射紫外(UV)射线，在通过UV射线照射形成图纹之后，在步骤345通过将其浸泡在既定溶液中进行显影，然后在步骤346通过等离子蚀刻方法，例如感应耦合等离子体方法或反应离子束蚀刻方法对裸露芯层进行干刻，在蚀刻完成后，在步骤347将用作图纹掩模的材料(PR或金属膜)去除，然后在步骤348进行后退火，从而完成构图步骤。
在构图之后，在步骤350通过沉积形成上包层，并且在步骤360再次进行表面抛光。
在完成上述步骤之后，可以通过重复上述步骤制得多层结构的器件。
在经过上述抛光的单模二氧化硅波导的情况下，光波导的厚度偏差降低至500埃以内的范围。因为单模二氧化硅光波导的芯层厚度大约8μm，所以其厚度偏差为大约0.6％，与2-3％的传统偏差相比，这是3-5倍的改进。在多模波导的情况下，光波导的尺寸增加并且其厚度偏差不变，从而进一步降低了其偏差比率。该光波导制造方法可应用于涉及多波长的器件，采用长距离光传输的器件或者采用多层光波导的器件。
在本发明制造均匀平面光波导的方法中，进一步包括表面抛光步骤，从而在光波导厚度方面提高了其均匀性。其结果是，光波导内的有效折射率变得均匀并且可以制造出精确的光学器件。特别地，在AWG DEMUX的情况下，各信道的相位差与期望值匹配，从而降低了串音。

Claims (9)

1、一种制造均匀平面光波导的方法，其特征是包括如下步骤：
(a)在一基片上沉积下包层，并抛光该沉积表面；
(b)在步骤(a)所得结构上沉积芯层，并抛光该沉积表面；
(c)对步骤(b)中其表面被抛光的芯层进行构图，以制得光波导；以及
(d)在经过步骤(c)构图形成的光波导上沉积上包层。
2、如权利要求1所述的方法，其中基片由选自下组的材料制成，该组材料包括硅、石英、氧化铝(Al2O3)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)和属于元素周期表中第III和V族元素的半导体化合物。
3、如权利要求1所述的方法，其中沉积下包层的步骤(a)通过选自下组的方法进行，该组方法包招旋转涂覆、化学汽相沉积、等离子体增强化学汽相沉积、低压化学汽相沉积、常压化学汽相沉积以及火焰水解沉积方法。
4、如权利要求1所述的方法，其中抛光通过选自下组的方法进行，该组方法包括机械抛光、化学抛光以及化学机械抛光方法。
5、如权利要求1所述的方法，其中沉积芯层的步骤(b)通过选自下组的方法进行，该组方法包括旋转涂覆、化学汽相沉积、等离子体增强化学汽相沉积、低压化学汽相沉积、常压化学汽相沉积以及火焰水解沉积方法。
6、如权利要求1所述的方法，其中沉积上包层的步骤(d)通过选自下组的方法进行，该组方法包括旋转涂覆、化学汽相沉积、等离子体增强化学汽相沉积、低压化学汽相沉积、常压化学汽相沉积以及火焰水解沉积方法。
7、如权利要求1所述的方法，其中构图步骤(c)步骤包括如下步骤：
(c1)在表面抛光的芯层上进行感光胶旋转涂覆；
(c2)烘烤步骤(c1)所得结构，以使感光胶图纹硬化；
(c3)通过对准掩模并向其上照射紫外线，将设计图纹转印至感光胶上；
(c4)通过浸泡在既定溶液中对感光胶图案进行显影；
(c5)按照设计图纹对步骤(c4)所得结构进行蚀刻，并除去所用图纹掩模；以及
(c6)对步骤(c5)所得结构进行后退火。
8、如权利要求7所述的方法，其中构图步骤(c)还包括一个在步骤(c1)之前的在表面抛光的涂层上沉积金属掩模的步骤。
9、如权利要求7所述的方法，其中蚀刻步骤(c5)通过等离子体蚀刻方法进行。
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