CN1213782A - 一种光波导装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造光波导装置的方法,包括如下步骤:在基片上依次形成下覆层和芯层;在芯层上形成露出芯层的掩膜图案;基片承载于感应耦合等离子体系统的阴电极之上,该系统包括阴电极,与阴电极相对一预定间距的电极和位于上电极和阴电极之间的感应耦合等离子体线圈;由向该系统供入的反应气中产生等离子体,以通过掩膜图案将芯层制出图案形成一光波导;形成覆盖光波导的上覆层。

Description

一种光波导装置的制造方法
本发明涉及一种光通信装置的制造方法，特别涉及一种光波导装置的制造方法。
光波导装置是构成一光波电路的各光学装置中用于发射一光信号的基本光学发射装置。
光波导装置包括形成于一基片上的下、下覆层和一形成于上、下覆层之间的用于波导光的光波导。此光波导必须均一构形以发射光。要做到此点需要进行在下覆层上形成一芯层并在芯层上制出图案的处理。
如图1所示，利用反应离子蚀刻(RIE)系统的刻蚀处理在芯层上制出图案。
更具体地说，在基片40上顺序形成一芯层和暴露出芯层的预定区域的掩膜图案。掩膜图案通常是用光刻胶形成的。由此产生的基片40被负载于RIE系统的阴极电极43上，如图1所示。由-RF功率发生器41产生的射频功率被施加在阴极电极43上，一直流(DC)偏压施加在与阴极电极43相对并相距一预定距离的上电极45。同时，一种反应气体被送入RIE系统以通过施加在阳级电极43上的RF功率从反应气中产生等离子体。由此产生的等离子体到达基片40后与由掩膜图案暴露出来的芯层反应，由此在芯层上形成图案。然后，清除掩膜图案，即清除留存的光刻胶图案。
在使用RIE系统的蚀刻方法中，刻蚀速度是低的，例如，当硅层作为芯层时，刻蚀速度非常低，即大约300埃/min至500埃/min。这样，为通过刻蚀厚度约8μm或更厚的芯层形成一光波导，就需要刻蚀约3至5小时。因此，制造光波导装置工艺的生产率被降低。
一种增加RF功率的方法可被用来增加刻蚀速度。在此方法中，通过增加RF功率来增加等离子体的集中度，由此增加用于刻蚀的能量。然而，当增加RF功率时，出现另一个问题，即被施加在上电极45上的DC偏压电压增至一非正常电平。这种DC偏压的增加可能会损坏光波导或下覆层和基片。这种损坏降低了包括有波导装置的光波电路的特性。
同时，由光刻胶制成掩膜图案时，由于取决于光刻胶的厚度的精细度上的限制造成光刻胶图案的损坏。光刻胶图案的毁坏会损坏芯层图案的轮廓或外形，也即，损坏光波导。因此，可能会产生光发射误差。
更具体地讲，光波导通常必须达到约8μm高。因此，针对一个刻蚀过程所需的光刻胶图案的厚度必须是在芯层被完整地蚀刻出来之前保持不会被全部用尽。被用作芯层的材料层即硅石层与光刻胶图案的刻蚀选择比约为1∶1。所以，需要具有大约100μm厚度的光刻胶图案来蚀刻具有约8μm厚度的芯层。
精细度的限制也存在于用以形成具有上述较大厚度的光刻胶图案的曝光和冲洗处理中。相应地由曝光或冲洗的缺陷可能会导致光刻胶图案的损坏。另外，通过用被损坏的光刻胶图案形成芯层图案的处理得到的波导上的芯层图案的轮廓或形状会发生损坏。
为解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种生产光波导的方法，因为其中芯层的刻图处理可在一高速下进行，所以生产率可以得到提高。
本发明的另一目的是提供一种制造光波导的方法，藉此方法，通过获得一较薄的掩膜图案形成的光波导的轮廓、形状或其它方面可以通过引入一具有针对一芯层的高刻蚀选择性的掩膜图案而得以改善。
为实现第一目的，在制造光波导的方法中，首先，在一基片上形成下覆层和芯层。芯层是一硅石层，一光聚合物层或一单晶氧化层。
在芯层上形成露出芯层的掩膜图案。掩膜图案由一光刻胶层，一非晶硅层，或一硅化物层形成。可替换地，掩膜图案可以由一金属层诸如铬层或钛层形成。金属层是由溅射或电子束沉积形成的。
形成掩膜图案的执行步骤如下。在芯层上形成露出芯层的光刻胶图案。光刻胶形成后的结构上形成金属层。在清除一部分形成于光刻胶图案上的金属层的同时通过清除光刻胶图案形成露出芯层的金属掩膜图案。
可替换地，形成掩膜的步骤也可如下。芯层上形成金属层。在金属层上形成露出金属层的光刻胶图案。通过使用光刻胶图案作为刻图掩膜在露出的金属层上刻出图案形成露出芯层的金属掩膜图案。对露出金属层的刻图通过利用干法或湿法刻蚀进行。
具有形成于其上的掩膜图案的基片在感应耦合等离子体系统的阴电极之上形成。感应耦合等离子体系统包括一阴电极，与阴电极相对并相隔一预定间距的上电极和被插入上电极和阴电极之间的感应耦合等离子体线圈。
通过向感应耦合等离子体系统内加入反应气并将第一和第二RF功率分别施加于阴电极和感应耦合等离子体线圈上而从反应气中产生等离子体，以将由掩膜图案露出的芯层刻出图案成为光波导。反应气包括一种氟化物气体，比如四氟化碳气体或六氟化硫气体。然后，形成覆盖光波导的上覆层。
为实现第二目的，在制造一光波导装置的方法中，在一基片上依次形成下覆层和一芯层。芯层是一硅石层，一光聚合物层或一单晶氧化物层。
在芯层上形成露出芯层的金属掩膜图案。金属掩膜图案由铬层或钛层制成。金属层由溅射或电子束沉积形成。
形成掩膜图案的执行步骤如下。在芯层上形成露出芯层的光刻胶图案。光刻胶形成后的结构上形成金属层。在清除一部分形成于光刻胶图案上的金属层的同时通过清除光刻胶图案形成露出芯层的金属掩膜图案。
可替换地，形成掩膜的步骤也可如下。芯层上形成金属层。在金属层上形成露出金属层的光刻胶图案。通过使用光刻胶图案作为刻图掩膜在露出的金属层上刻出图案形成露出芯层的金属掩膜图案。对露出金属层的刻图通过利用干法或湿法刻蚀进行。
具有形成于其上的金属掩膜图案的基片在感应耦合等离子体系统的阴电极之上形成。感应耦合等离子体系统包括一阴电极，与阴电极相对并相隔一预定间距的上电极和被插入上电极和阴电极之间的感应耦合等离子体线圈。
通过向感应耦合等离子体系统内加入反应气并将第一和第二RF功率分别施加于阴电极和感应耦合等离子体线圈上而从反应气中产生等离子体，以将由掩膜图案露出的芯层刻出图案成为光波导。反应气包括一种氟化物气体，比如四氟化碳气体或六氟化硫气体。然后，形成覆盖光波导的上覆层。
根据本发明，因为芯层刻图处理可在一高速下执行，所以生产率增加了。另外，采用了具有针对芯层的高蚀刻选择性的掩膜图案，所以通过完成一较薄的掩膜图案形成的光波导的轮廓或形状可得到改善。
本发明的上述目的和优点将在结合附图对最佳实施例的详细描述中变得更为明显。
图1为一反应离子刻蚀(RIE)系统的横截面图；
图2至图5为显示根据本发明第一实施例用于制造一光波导装置的掩膜图案的制备方法的横截面图；
图6为使用根据本发明的第一实施例制备好的掩膜图案制造光波导的一步骤的横截面图；
图7为用于制造一光波导的感应耦合等离子体系统的横截面图；
图8为根据本发明的第一实施例完成光波导装置的一步骤的横截面图；
图9至图11为显示根据本发明的第二实施例制造一光波导装置的方法的横截面图。
本发明的实施例还可被变化为其它各种形式，而本发明的范围不应限于实施例。实施例只是为使本领域技术人员更明了本发明。在图中，各部件为清晰起见或放大或简化。相同的参考标号代表相同部件。
图2至图5为显示根据本发明第一实施例用于制造一光波导装置的掩膜图案的制备方法的横截面图。
图2所示为在一基片100上形成一下覆层200和一芯层300的步骤。
更具体地说，在一由硅或玻璃制成的平整的基片100上依次形成下覆层200和芯层100。其后，将芯层300刻出图案以成为光波导。所以，芯层300由一种光可被引导或传播通过的材料制成。另外，芯层300由较下覆层200折射率大的材料制成。
例如，制造硅化物光波导的情况下，包含二氧化硅(SiO2)作为主要部分的硅化物层被用作芯层300。可替换地，芯层300可以是有机材料层如单晶氧化物层或光聚合物。本实施例以硅化物层为例作为芯层300，但本发明并不限于此。
图3所示为在芯层300上形成光刻胶图案450的步骤。
更具体地说，露出芯层300的预定区域的光刻胶图案450形成于芯层300之上。这里，光刻胶图案450覆盖住要被蚀刻出的芯层300的一部分。
图4所示为在其上形成有光刻胶图案450的结构的整个表面上形成金属层500的步骤。
其上形成有光刻胶图案450的结构的整个表面上形成金属层500。金属层500由具有针对芯层300的大刻蚀选择性的金属制成。即，当硅化物层作为芯层300时，金属层由钛(Ti)或铬(Cr)制成。最好，金属层500由铬制成。
使用一溅射系统或电子束沉积系统通过沉积方法形成金属层500。
图5所示为形成掩膜图案550的步骤。
用清除(lift-off)方法清除光刻胶图案450和形成于光刻胶图案450之上的金属层500以形成掩膜图案550。用化学溶剂执行清除方法。这里，该化学溶剂必须能根据光刻胶图案450材料的质量溶解或清除光刻胶图案450。例如，用丙酮或类似物作为化学溶剂。该化学溶剂可溶解或清除掉光刻胶图案450。
当光刻胶图案450被溶解时，沉积在光刻胶450上的金属层500也被清除。所以只有直接沉积在由光刻胶图案450露出的芯层300上的金属层500才保留下来，由此形成掩膜图案550。
如前所述，掩膜图案550由具有针对下芯层300的较大刻蚀选择性的材料制成。相应地，掩膜图案550可以较由光刻胶形成的掩膜图案更薄地形成。所以，金属掩膜图案可以通过清除方法精确地形成。
本实施例中掩膜图案550由如前所述的铬层形成，但掩膜图案550的材料可根据随后要被刻出图案的芯层300的材料而变化。例如掩膜图案550可采用一金属层如钛层；一聚合物层如光刻胶层；一氧化物层如二氧化硅层；一绝缘层如非晶硅层或硅化物的层。
图6为显示通过对芯层300刻图形成一光波导350的步骤的横截面图。图7为用于形成光波导350的一相应耦合等离子体(ICP)系统的横截面图。
ICP系统包括一阴电极600，一与阴电极600相对并相隔一预定距离的下电极700和ICP线圈900。由第一RF功率发生器800产生的第一RF功率施加在阴电极600上，一DC偏压被施加在上电极700上，另外，第二RF功率被施加在ICP线圈900上。除了引入ICP线圈900，并将第二RF功率施加在ICP线圈900上之外，ICP系统的整体结构与常规RIE系统的结构相同。
如前所述，其上形成芯层300和掩膜图案550的基片100被承载于ICP系统的阴极电极600。通过气体供应管路(图中未示)向ICP系统中送入反应气体。一第一RF功率被施加在阴极电极600上，一第二RF功率被施加在ICP线圈上，DC偏压被施加在上电极700上。
送入ICP系统的反应气的元素被分别施加在阴极电极600和ICP线圈900上的第一和第二RF功率激励成为等离子体状态。这里，等离子体根据不同条件，诸如第一RF功率、第二RF功率，ICP系统中的部分压强，反应气体的类型，反应气体的供给量或ICP系统的输出等等，可形成各种不同形式。
等离子体包括反应气体的元素，由反应气体受激产生的离子，一反应原子团，电子等等。这里被激励离子由施加于阴极电极600上的第一RF功率加速，被加速离子与基片100发生碰撞。这种离子轰击导致掩膜图案550露出芯层300的选择性蚀刻。
此时，等离子体中的离子(e-)的运动被施加在ICP线圈900上的第二RF功率所改变。也即，等离子体中的电子在作直线运动的同时作螺旋运动，相应地，反应气体的离子和元素或等离子体中的电子和离子更易于相互碰撞。因此，产生等离子体的可能性增加了，由此增加等离子体集中度。
等离子体集中度的增加表示了等离子体中离子、原子团或电子的集中度的增加。这种离子等等的增加增强了离子撞击效果，所以可较快速地蚀刻掩膜图案550露出的芯层300。
在本实施例中，包括氟化物气体的反应气被用作反应气。例如产生碳氟化合物离子(CFx+)和氟化物原子团的四氟化碳(CF4)或可产生氟离子或氟原子团的六氟化硫被作为反应气送入。
被送入的氟化物气体被施加在阴电极600上的第一RF功率和施加在ICP线圈900上的第二RF功率激励成为一等离子体状态。此时，(CFx,CFx+,Fx,F-,F)和电离(e-)存在于CF4被用作反应气体时产生的等离子体中。另外，SFx,SFx+,Fx,F-,F和电离e-存在于SF6被用作反应气体时产生的等离子体中。
这里，F+或CFx+被施加于阴电极600的第一RF功率加速，并与基片100发生碰撞。相应地，芯层300被因F+或CFx+产生的离子轰击进行蚀刻。
如前所述，因施加在ICP线圈900的第二RF功率如F+或CFx+造成的等离子体内的e-的螺旋运动所导致的离子轰击增强了。所以，芯层300的蚀刻速度变得较高。
在本实施例中，具有约8μm或更厚的厚度的光波导350可利用在下面举例说明的具体蚀刻条件形成。例如，约10sccm(标准立方厘米每分钟)至50sccm的SF6或CF4气体被供给一ICP系统。这里，ICP系统内的空气压强被维持在约3至30mTorr。另外，约10-400W的第一RF功率被施加在阴电极600上，约100至1500W的第二RF功率被施加在ICP线圈900。
在上述蚀刻条件下，被用作芯层300的硅石层可以一约3000埃/分或更高的蚀刻速度被蚀刻。这里，当一铬层被用作掩膜图案550，可以实现芯层300(即铬层)约1∶65的蚀刻选择性。即，当被用作掩膜图案550的铬层被用掉约1埃时，被用作芯层300的硅化物层被蚀刻掉65埃的厚度并被清除。
相应的，掩膜图案550，即铬层，可被更薄地引入。利用清除方法也可形成铬层刻出图案的较薄的下光刻胶层，可以形成高精细度的光刻胶图案。所以，通过清除方法形成的铬层图案的外廓或形状即掩膜图案550被改善，从而可获得具有较精确图案的掩膜图案550。
一种在使用氟族气体的蚀刻条件下进行的蚀刻方法可提供各向异性的刻蚀特性。所以，光波导350的侧壁以接近直角向基片100表面倾斜。即，可获得具有较佳侧壁外廓的光波导350，且可获得更统一的侧壁特性。
根据本发明的第一实施例，具有较佳外廓的8μm或更厚的光波导350可通过上述效用在较短时间内形成。
图8为显示通过形成覆盖光波导350的上覆层250完成光波导装置的步骤的横截面图。
在存留在光波导350上的掩膜图案被清除后，形成覆盖光波导350的上覆层250。上覆层250由较光波导350的材料折射率低的材料制成。最好，上覆层250由与下覆层200相同的材料制成。
图9至图11为显示根据本发明的第二实施例制造一光波导装置的方法的横截面图。
第二实施例中与第一实施例中相同的标号表明相同的部件。在第一实施例中，掩膜图案550通过用清除方法将金属层500刻出图案来形成。然而，在第二实施例中，掩膜图案550a通过用选择性刻蚀处理将金属层500刻出图案来形成。
参照图9，下覆层200和芯层300在芯片100上依次形成，如第一实施例中一样。具有针对芯层300的大的蚀刻选择性的金属层500a根据要被蚀刻的芯层300的材料在芯层300上形成。例如，金属层500a由Ti或Cr形成。金属层500a通过溅射或电子束沉积形成。
图10为显示通过将金属层500a刻出图案形成掩膜图案550a的步骤的横截面图。
在金属层500a上形成露出金属层500a一部分的光刻胶图案450a。使用光刻胶图案450a作为刻蚀掩膜蚀刻露出的金属层500a，由此形成露出芯层300一部分的掩膜图案550a即金属掩膜图案。使用等离子体的湿法刻蚀法或干法刻蚀法来蚀刻金属层500a。
掩膜图案550a由具有相对于下芯层300的大蚀刻选择性的金属制成，从而可以很薄地形成。用以形成掩膜图案550a的光刻胶图案450a也可以很薄地形成。因此，以高精细度形成光刻胶图案450a。所以掩膜550a的外廓或形状被改善。
图11为显示通过将芯层300刻出图案以形成光波导350的步骤的横截面图。
通过采用ICP系统利用刻蚀方法蚀刻露出的芯层300的一部分可形成光波导350。例如，通过反应气体(如SF6或CF4气体)可将芯层300进行选择性地蚀刻。因此，如实施例一中的效果。然后清除存留的刻蚀掩膜550a，由此形成上覆层250，如图8所示。
如前所述，使用反应气(如SF6或CF4气体)和可产生氟离子或氟化碳离子的CIP系统可较快地将芯层刻出图案。所以制造光波导装置的生产率可被改善。
另外，通过引入金属掩膜图案等可实现芯层的高蚀刻选择性，从而可引入一较薄掩膜图案，还有，可获得高各向异性蚀刻特性。可实现接近垂直于要形成的光波导的较佳的外廓。
本发明参照上述实施例进行了详细描述，但本发明并不限于实施例。很明显，本领域熟炼技术人员可在本发明的技术精神内进行不同的变化和改进。

Claims (20)

1、一种制造光波导装置的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
在一基片上依次形成一下覆层和一芯层；
在芯层上形成露出芯层的掩膜图案；
将其上形成掩膜的基片承载于感应耦合等离子体系统的阴电极之上，该感应耦合等离子体系统包括阴电极，以一预定间距与阴电极相对的上电极和位于上电极和阴电极之间的感应耦合等离子体线圈；
通过向感应耦合等离子体系统供入反应气并分别向阴极和相应耦合线圈施加第一和第二RF功率而由反应气中产生等离子体，以通过掩膜图案将芯层制出图案形成一光波导；及
形成覆盖光波导的上覆层。
2、如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述的芯层是从一硅石层，一光聚合物层和一单晶氧化物层构成的一组中选出的一层。
3、如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述掩膜图案是由选自光刻胶层，非晶硅层和一硅化物层构成的一组中的一层形成的。
4、如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述的掩膜图案由一金属层形成。
5、如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述金属层是从铬层和钛层构成的一组中选出的一层。
6、如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述金属层由溅射和电子束沉积形成。
7、如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，形成掩膜图案的步骤包括下列从步骤：
在芯层上形成露出芯层的光刻胶图案；
在形成了光刻胶图案的结构上形成金属层；
在清除形成于光刻胶图案上的金属层的一部分的同时，清除光刻胶图案，以形成露出芯层的金属掩膜图案。
8、如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，形成掩膜图案的步骤也可包括下列从步骤：
在芯层上形成金属层；
在金属层上形成露出金属层的光刻胶图案；
通过用光刻胶图案作为制图掩膜将露出的金属层制出图案形成露出芯层的金属掩膜。
9、如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，将露出的金属层制出图案的步骤是利用干法或湿法刻蚀方法执行的。
10、如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述反应气体包括氟化物气体。
11、如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述氟化物气体是从六氟化碳气体和四氟化硫气体构成的一组中选出的一种。
12、一种制造光波导装置的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
在一基片上依次形成一下覆层和一芯层；
在芯层上形成露出芯层的金属掩膜图案；
将其上形成金属掩膜的基片承载于感应耦合等离子体系统的阴电极之上，该感应耦合等离子体系统包括阴电极，以一预定间距与阴电极相对的上电极和位于上电极和阴电极之间的感应耦合等离子体线圈；
通过向感应耦合等离子体系统供入反应气并分别向阴极和相应耦合线圈施加第一和第二RF功率由反应气中产生等离子体，以通过掩膜图案将芯层制出图案形成一光波导；及
形成覆盖光波导的上覆层。
13、如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述的芯层是从一硅石层，一光聚合物层和一单晶氧化物层构成的一组中选出的一层。
14、如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述金属层是从铬层和钛层构成的一组中选出的一层。
15、如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述金属层由溅射和电子束沉积形成。
16、如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，形成掩膜图案的步骤包括下列从步骤：
在芯层上形成露出芯层的光刻胶图案；
在形成了光刻胶图案的结构上形成金属层；
在清除形成于光刻胶图案上的金属层的一部分的同时，清除光刻胶图案，以形成露出芯层的金属掩膜图案。
17、如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，形成掩膜图案的步骤也可包括下列从步骤：
在芯层上形成金属层；
在金属层上形成露出金属层的光刻胶图案；
通过用光刻胶图案作为制图掩膜将露出的金属层制出图案而形成露出芯层的金属掩膜。
18、如权利要求17所述的制造方法，其特征在于，将露出的金属层制出图案的步骤是利用干法或湿法刻蚀方法执行的。
19、如权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述反应气体包括氟化物气体。
20、如权利要求19所述的制造方法，其特征在于，所述氟化物气体是从六氟化碳气体和四氟化硫气体构成的一组中选出的一种。
CN 98120207 1997-10-02 1998-09-30 一种光波导装置的制造方法 Pending CN1213782A (zh)

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