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Abstract

描述了一种用来处理波导结构的方法,其中波导结构包括一个具有集成肋形波导(2)的硅衬底。该波导具有一个带小平面(52)的端部,该端部悬伸出硅衬底,并在其下侧有一层氧化物层(3),此氧化物层突出于波导小平面之外(11)。一层氮化物层(10)在波导上表面和小平面上延伸。处理过程包括从下侧蚀刻氧化物层(3,11),生长一层新的氧化物层,蚀刻氮化物层(10),然后沉积一层新的氮化物层。

Description

光波导的制作方法
发明涉及一种制作光波导的方法。
光纤通信系统和以光纤为基础的仪器和器件往往需要光纤与诸如集积在-块衬底上的波导等集成光学器件精确对准并可靠连接。在这种光学连接的设计中，一个重要的、需要考虑的问题是，要在波导和光纤之间获得良好的对准。此类光学连接的一个典型结构是，安放在V型槽内的光纤与集积在硅衬底上的波导相连。PCT GB96/01068描述了这样一种结构，该结构基于集积在硅-绝缘体晶片上的硅制肋形或脊形波导。为了获得良好连接，应使光纤带到波导小平面的5μm或更小的缝隙内。由于V型槽没有与槽底垂直的端面，其端相对槽底设有一个角度，所以希望能底切波导以形式一波导结构，该波导结构象“跳水板”那样悬伸出带角度的端面。此概念可在PCT GB96/01068中找到。尽管此特殊概念是获得适当对准特性的一种理解方式，但是处理容限会使悬伸结构在形成V型槽之后呈现出一个不希望有的、延伸到波导小端面之外的掩埋氧化物“搁板”。当把一层氮化物沉积到包含氧化物搁板的小端面上时，同样会形成一个小的氮化物“搁板”。如果留着这些搁板，它们会使波导射出的光波变形。
本发明的目的是，提高波导小平面的表面质量，以改善与光纤的光连接。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于处理波导结构的方法，其中波导结构包括：
具有一集成肋形波导的硅衬底，波导包括一个带小平面的端部，该端部悬伸出硅衬底，并在其下侧具有一层从波导小平面伸出的氧化物层，还具有一层在波导上表面和小平面上延伸的氮化物层，所述方法包括以下步骤：
i)执行氧化物蚀刻步骤，从下侧去除氧化物层；
ii)执行氧化物生长步骤，在下侧的外露硅上形成一层新的氧化物层，所述新的氧化物层在小平面处终止；
iii)执行氮化物蚀刻步骤，去除氮化物层；以及
iv)沉积一层新的氮化物层，它在上表面和小平面上延伸，但不突出在小平面之外，从而在小平面上制成氮化硅。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于在硅-绝缘体晶片上制作波导结构的方法，其中所述波导结构包括一硅衬底，一层在硅衬底顶上的氧化物层，以及一层在氧化物层顶上的外延硅，所述方法包括以下步骤：
在外延层上限定一个肋形波导；
在波导端部，蚀刻位于肋形波导任何一侧上的外延层，以暴露出掩埋氧化物层；
相继在肋形波导上沉积氧化物层和氮化物层；
底切端部，在硅衬底中形成V型槽，便于将一光纤与波导结构对准，所述底切步骤留下一部分不希望有的掩埋氧化物，其延伸到肋形波导小端面之外；以及
用上述限定的方法处理波导结构。
上面的蚀刻步骤和沉积步骤(i)-(iv)可以如敷层工艺那样来执行，不需要掩膜。所以，这工艺是非常容易实现。可以控制新氮化物层的厚度，以控制在小平面上形成的氮化硅的光学性质。
为了更好地理解本发明并说明如何实现此发明，现在将参照附图作举例说明，附图有：
图1示出了在中间加工阶段硅-绝缘体肋形波导的一个端部；
图1A是一透视图，示出了肋形波导的一个截面；
图2是一侧视示意图，示出了波导与光纤的连接；
图3是一侧视示意图，示出了悬伸出V-型槽的波导，显示了不希望有的氧化层和氮化层搁板。
图4是一侧视示意图，示出了在去除不希望有的氧化物后悬伸出V型槽的波导；
图5是一侧视示意图，示出了在下表面再生长氧化物后悬伸出V型槽的波导；
图6是一侧视示意图，示出了在去除不希望有的氮化物后悬伸出V型槽的波导；
图7是一侧视示意图，示出了在进一步从小平面上去除不希望有的氧化物后悬伸出V型槽的波导；
图8是一侧视示意图，示出了在完成了根据本发明一实施例的方法的最后阶段后悬伸出V型槽的波导。
在这些附图中，相同的标号指的是相同的部件。
本文描述的肋形波导基于硅-绝缘体基片。J.Morgail等人于1989年在《应用物理通讯》(Applied Physics Letters)第54期，第526页上发表了一篇题为“在以两步氧注入形成的硅-绝缘体结构中降低缺陷密度”论文，该论文描述了用于形成此类基片的方法。这篇论文描述了用于制作硅-绝缘体晶片的过程。然后，例如通过外延生长改善晶片的硅层，使其适于形成本文所述的集成波导结构的底座。图1示出了在这种基片上形成的光波导的一个端部。基片包括一层硅1，氧化硅3将该硅层1与硅衬底4隔开。肋形波导2位于硅层1中。图1还示出了氧化物包层7，它位于肋形波导2的顶上。J.Schmidtchen等人于1991年在《电子通讯》(Electronic Letters)第27期，第1486页上发表的、题为“在硅-绝缘体具有较大截面情况下的低损耗单模光波导”的论文，以及PCT WO95/08787专利说明书详细描述了这种形式的波导。
这种形式的波导提供了一种单模的、低损耗的(一般，对于1.2到1.6微米的波长范围，损耗小于0.2dB/cm)波导，其尺寸一般为3-5微米左右，能与光纤耦合，并且还可以与其它集成部件兼容。
图2是一侧视图，示出了用于将波导与光纤6耦合的最终形式的集成结构。掩埋氧化层3的折射率低于肋形波导2的折射率，所以光波被限制在肋形波导内。在波导上形成一层热的氧化物7，以提供波导包层。在对衬底4蚀刻V型槽期间，形成了一个蚀刻内坡5A，从而产生一个悬伸的“跳水板”结构，用于与光纤6连接。
现在描述制作这种结构的方法，从基本的硅-绝缘体晶片开始。
第一阶段是在外延硅1上沉积一层热的二氧化硅7，二氧化硅提供了一层包层，厚度约为7000。然后，在抗蚀剂中对晶片制作图形，并对热的氧化物7进行蚀刻，形成一个初始的脊形结构。此步骤露出了初始脊形结构两侧的外延硅。除去抗蚀剂，然后将外延硅蚀刻掉1.45μm，以形成脊形波导2。图1A示出了此阶段脊形结构的截面。
下一步是完全制成波导的小端面52。在抗蚀剂中对晶片制作图形，为了保持对准性应避免局部成形的小平面。然后，在随后将包含V型槽以展露掩埋氧化层3的区域中，对外露的外延硅进行过蚀刻。现在，完全制成了波导小平面，如图1所示，从上往下看，小平面呈“T型交汇”的形状。
图2还示出了具有纤芯6A的光纤6。由图可见，由于蚀刻内坡5A有角度，所以如果波导不伸出内坡的话，很难使光纤与波导小平面52充分密接。所以为了制作出图2的结构，下阶段的工艺包括形成V型槽，并在波导端部对波导进行底切，从而能让光纤与波导精密对准。
去除前一步骤留下的抗蚀剂，并热生长一层约0.35μm厚的湿二氧化硅，以覆盖整个晶片。然后，在抗蚀剂中对小平面制作图形，并进行湿式过蚀刻，这就意味着小平面现在没有氧化层，但是脊形结构的其余部分仍被覆盖着。一种合适的蚀刻剂是氟化氢。
去除抗蚀剂，并生长一层薄的干氧化物(200)，以保护小平面不受随后的湿氮化物蚀刻的影响。这种蚀刻可能会在硅中掺入少量的磷。
下一步是在肋形结构和外露的掩埋氧化物上沉积一层500厚的LPCVD氮化硅。因为此层是在炉子中沉积的，所以与炉中空气的反应会在氮化物顶部形成一层氮氧化物(nitox)(40厚)。在抗蚀剂中对氮化物去除层制作图形，并对氮氧化物进行湿蚀刻。然后，剥去抗蚀剂，并从脊周围的区域湿式蚀刻掉氮化物，该区域将在下一阶段中形成V型槽区域。在该方式中，氮氧化物是蚀刻掩模，而氮化物的去除限定了在下一阶段中将从哪里去除氧化物。
接下来的步骤是开始形成V型槽。在抗蚀剂中对V型槽区域制作图形，并在氮氧化物掩膜所限定的外露区将掩埋氧化层朝衬底4湿蚀刻掉0.8μm。
最后的步骤是去除抗蚀剂，并蚀刻到硅衬底4中，以限定V型槽。这是一种快速的结晶蚀刻，它对脊形波导进行底切，留下其端部成为悬伸出V型槽的“跳水板”。实际的脊为1.45μm高，跳水板剩余部分的高度是2.8μm。图3示出了此阶段结构的侧视图。
如图3所示，存在一个不希望有的“搁板”，它长到波导小端面52之外。它由氧化物部分11和氮化物部分12组成，氧化物部分是掩埋氧化物层的多余物。因为不可能将蚀刻掩模与小平面精确对准，所以两者都在蚀刻过程中留下来。肋形波导2位于外延硅1中，并被氧化物和氮化物完全包起来。波导2下侧的氧化物由标号3表示，因为它是掩埋氧化层的一部分，波导上表面和小平面上的氮化物层用标号10表示。此外，有少量不希望有的氧化物14留在小平面52上，它是在生长了200干氧化物层后留下的。
其它图示出了去除不希望有的搁板以及随后制作了一有效的波导结构，所述有效波导结构在上下表面都有保护层，并且在小端面上有抗反射的氮化硅涂层。
首先，用湿蚀刻除去氧化物层3和附加部分11。这导致了图4所示的结构。然后，在波导下侧和V型槽周围的外露硅上再生长一氧化保护层13。就沉积到波导周围的任何氧化物层来说，此层的目的是使氧化物/硅界面光滑，并防止任何尘粒影响波导的有效折射率。在这个阶段，氮化物部分12仍旧保留着。氮化物蚀刻过程去除此部分12以及上表面的氮化物10，留下图6所示的结构。除了留下很小厚度的、不希望有的氧化物外，现在小平面52暴露出来了。然后，把小平面浸入蚀刻剂中很短的一段时间，以去除此氧化物，留下如图7所示的纯硅小平面52。所有在图3-8所示阶段中包含的蚀刻都是“敷层”蚀刻，因为不需要制作图形，所以成本有效。
最后的处理是在整个波导和V型槽区域周围再沉积一氮化物层15。这在小平面52上形成一层氮化硅17，它起到抗反射涂层的作用，以保证有一个低损耗的光纤-波导干扰。

Claims (6)

1.一种用于处理波导结构的方法，其中波导结构包括：
硅衬底，它具有一集成的肋形波导，波导具有一个带小平面的端部，此端部悬伸出硅衬底，并在其下侧具有一层从波导小平面伸出的氧化物层，还具有一层在波导上表面和小平面上延伸的氮化物层，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
i)执行氧化物蚀刻步骤，从下侧去除氧化物层；
ii)执行氧化物生长步骤，在下侧的外露硅上形成一层新的氧化物层，所述新的氧化物层在小平面处终止；
iii)执行氮化物蚀刻步骤，去除氮化物层；以及
iv)沉积一层新的氮化物层，它在上表面和小平面上延伸，但不突出在小平面之外，从而在小平面上制成氮化硅。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，波导结构在小平面上有一层不希望有的氧化物层，并且该方法在步骤(iii)之后包括一附加步骤(v)，即去除所述不希望有的氧化物层。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(iv)是一个敷层沉积步骤。
4.按照权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于，控制新的氮化物层的厚度，以便控制小平面的光学性能。
5.一种用于在硅-绝缘体晶片上制作波导结构的方法，其中所述波导结构包括一硅衬底，一层在硅衬底顶上的氧化物层，以及一层在氧化物层顶上的外延硅，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在外延层上限定一个肋形波导；
在波导端部，蚀刻位于肋形波导任何一侧的外延层，以暴露出掩埋氧化物层；
相继在肋形波导上沉积氧化物层和氮化物层；
底切端部，在硅衬底中形成V型槽，便于将一光纤和波导结构对准，所述底切步骤留下一部分不希望有的掩埋氧化物，其延伸到肋形波导小端面之外；以及
用权利要求1-4中任何一项限定的方法来处理波导结构。
6.一种用于处理波导结构的方法，其特征在于，所述方法基本上如前参考附图所述和如附图所示。
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