CN1448737A - 一种垂直光滑的反射型微镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直光滑的反射型微镜的制作方法，其特征在于利用硅的干法刻蚀和各向异性腐蚀相结合在绝缘层上的硅材料上制作的；具体步骤是：(1)在绝缘层上的硅上生长一层可用于硅的各向异性腐蚀的掩模；(2)在掩模上光刻出制作镜子的窗口；(3)利用步骤(2)中的光刻胶或已经光刻出镜子窗口的掩模作掩模进行硅的干法刻蚀，刻蚀出垂直、相对光滑的镜面；(4)在各向异性腐蚀液中腐蚀，而制成垂直、光滑的镜面。本发明优点在于镜面光滑，可在更小区域内制作面积是足够大镜面；无用区域小以及工艺简单，仅增加一步干法刻蚀工艺。

Description

一种垂直光滑的反射型微镜的制作方法

技术领域

本发明涉及一种垂直微镜的制作方法，更确切地说涉及一种利用硅的干法刻蚀和各向异性腐蚀在绝缘层上的硅材料上制作与表面垂直，光滑的镜面的方法。属于微机械领域。

背景技术

信息时代要求越来越大的网络传输容量，光纤通信系统是满足这一需要的理想选择。光纤通信已经向着密集波分复用，全光网络发展。在光纤通信系统中，起光调制，发射，探测，开关，复用/解复用等功能的光子器件的发展扮演着尤为重要的角色。集成光波导型器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件。通过氧化、光刻、刻蚀等微细加工手段，可以制作具有体积小，精度高，便于大批量、集成化生产的集成光波导型器件，在今后的接入网中有很大的潜在应用，它已经成为目前研究和开发的重点。

弯曲波导是集成光波导型器件的重要组成部分。器件尺寸的大小，性能指标等大多要求能在短距离、小面积范围内实现低损耗的光波转向。目前实现波导弯曲的方法主要有三类：直接转向型、弧形转向型和镜面反射型。1)直接转向型弯曲波导随着弯曲角度的增大，光场的损耗会由于弯曲前后的光波模式的失配而变大，其弯曲角度通常要小于1度，由模式失配引起的损耗才可以忽略；2)而弧形波导也会由于过渡损耗和弯曲损耗的限制在实现短距离大弯曲时存在局限；3)镜面反射型弯曲波导，通过在必要的位置制作镜面，由镜面处光的全反射特性或强反射特性，改变光束传播方向，实现波导的弯曲，它有实现大角度和小尺寸的潜力，所以很具发展前途。目前干法刻蚀的镜面反射型弯曲波导主要存在镜面表面粗糙、垂直性不好，以及镜面位置难以精确控制等问题。

申请号为01105879的发明专利申请，提供了一种用绝缘层上的硅材料来制作全反射型弯曲波导的方法，利用硅在各向异性腐蚀液中的特性，可以很好地解决上述问题。但这种中方法存在一个腐蚀时间下限，即腐蚀深度要大于或接近绝缘层上的硅材料的器件层的厚度。由于硅的各向异性腐蚀的晶向选择和各晶向腐蚀速率特性限制，腐蚀镜面需要一个过程，并且在腐蚀的过程中会由于侧蚀，出现新的{111}面等原因，造成光刻图形与实际形成的镜子形状有较大差别。因此在小区域制作垂直，光滑的镜面时有占用空间过多的缺点。例如使用(100)硅片时，在各向异性腐蚀过程中，镜面的宽度会逐渐减小。特别是绝缘层上的硅材料的器件层厚度较大，也就是说镜子的高度较高时，如数个微米，与干法刻蚀比，制作镜子需要较大的空间。如图1所示，镜面从光刻位置向前推进的距离d₁必须大于等于腐蚀的深度即镜子的高度，即腐蚀时间要大于等于从顶层硅表面腐蚀到绝缘层的时间。在推进过程中，镜子的宽度将减小两倍的d₁。所以在有限的空间或面积中，能制作的镜面的有效面积是空间影响，当空间有限时不能满足要求。尤其在某些紧凑结构中，如阵列波导光栅中，镜子的形状和尺寸会给设计和制作带来严重的困难。使用(110)硅片时，光刻图形中与腐蚀出的{111}面的边不平行的边会有很大的侧向腐蚀。而在腐蚀过程中出现的新的{111}面也会向内侧延伸，因此如果腐蚀时间很长的情况下，浪费或消耗的空间就很大，限制了各向异性腐蚀出的镜面的应用。另外使用(100)硅片，光刻窗口为三角形，斜边为腐蚀镜子的边时，在镜子减小的同时产生的宽为w₁(为当入射光与镜子成45度角入射时，从镜子上部边缘算起)的斜{111}面也成为无效区域，会使多个镜面的排列间距或微镜与邻近波导的间距受到w₁的限制。同时，按申请号为01105879的发明专利申请，提供的制作方法在(100)的硅片上制作的微镜的形状为倒梯形，与脊形波导的光场分布(见图1中5)不匹配，为适应波导的光场分布，提高反射率，镜子必需足够大。也就是说，倒梯形的形状使得微镜的倒梯形上底的上两侧是没有用的，不仅浪费了制作镜子的空间，也会这部分也可能在应用中带来负面影响。用在平板波导中时，则希望镜面的性状为矩形，利于镜面的排列，减小镜面间的不利影响。显然，上述申请号为01105879的发明专利申请提出的制作方法不能满足这一需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的垂直微镜的制作方法，它特征是利用硅的干法刻蚀和各向异性腐蚀相结合在绝缘层上的硅材料上制作垂直，光滑的镜面的方法，亦即在各向异性腐蚀之前，先用干法刻蚀方法，该方法解决了申请号为01105879的发明专利中微镜的形状与脊形波导的光场分布不匹配，空间利用率低，制作和排列微镜需要较大空间和的缺点。

本发明的目的是通过下述方式实施的。以绝缘层上的硅为基材料，利用硅的干法刻蚀和各向异性腐蚀特性相结合，通过氧化、光刻、腐蚀等的微细加工技术，制作出位置精确、镜面平整度高且与硅片表面垂直的镜面。使用(100)硅片时，该面为{100}面，使用(110)硅片时，该面是{111}面，且呈菱形、矩形或多边形，与平板波导、脊形波导中的光场分布有高的重叠效果。该镜面可以和用绝缘层上的硅材料制作出的波导一起构成大角度、小尺寸、损耗低的弯曲波导。将此微镜和脊形波导，平板波导等结构结合起来，应用于无源光器件(如光耦合器、阵列波导光栅等等)中可以实现结构紧凑、集成度高、性能好、工艺简单、可批量生产的光通信器件。特别是适用于制作直角拐弯式阵列波导光栅，刻蚀式平面波导分波合波器，制作Y分支式光功率分配翼等。

镜面的工艺步骤如下：

1、生长一层可用于硅的各向异性腐蚀的掩模，如二氧化硅和氮化硅。

2、在掩模上光刻出制作镜子的窗口。

3、利用步骤2中的光刻胶或已经光刻出镜子窗口的掩模作掩模进行硅的干法刻蚀。刻蚀出较垂直，相对光滑的镜面。

4、在各向异性腐蚀液中腐蚀。得到光滑垂直的镜面。

所述的掩膜为氧化硅或氮化硅，其厚度为50-2000nm；使用(110)硅片时在各向异性腐蚀液中腐蚀量，即镜面的推进距离在0.2μm和器件层厚度之间。使用(110)硅片时，腐蚀量为将{111}面全部腐蚀出来。

所述的镜面形状根据干法刻蚀深度、光刻图形的设计和各向异性腐蚀深度或各向异性腐蚀时间的长短调整。

为进一步表明本发明的特征，先结合附图予以阐明。

图1和图2是以(110)硅片为例对现有技术和本发明的说明和比较。图1为现有方法在(100)硅片上制作微镜的方法图示：图中1为光刻出来的腐蚀窗口，边2为用于制作镜面的边。经过各项异性腐蚀后的边2向前推进到边3的位置，推进距离为d₁。5为腐蚀后的镜子的形状示意图，镜子形状为倒梯形，边3为长底，底角a为45度。其中镜子的高度为h₁，当腐蚀深度小于波导层的厚度时，d₁＝h₁，到达后，腐蚀深度不再增加，d₁＞h₁。6为脊形波导中光场分布与镜子位置大小示意图。W₁为当入射光与镜子成45度角入射时，从镜子上部边缘算起的无效区域宽度。图2为本发明方法在(100)硅片上制作微镜的图示：1为光刻出来的腐蚀窗口，边2为用于制作镜面的边。经过干法刻蚀到波导层的底部并各向异性腐蚀足够长的时间，即腐蚀过程中出现的{111}面相遇时，边2向前推进到边3的位置，推进距离为d₂。实际上腐蚀时间只受表面改善程度的需要的影响，腐蚀时间较短，推进距离d₂可以很小。各向异性腐蚀前，镜子的形状为矩形。9为当腐蚀时间等于或大于上述{111}面相遇时所需时间的镜子形状，角b＝135度，此时窗口图形腐蚀后的边缘为8。10为腐蚀时间小于上述{111}面相遇时所需时间的镜子形状，角b＝135度。与脊形波导的光场分布6比较可知，用本发明提出的方法制作的镜子与光场更匹配。W₂为当入射光与镜子成45度角入射时，以镜子边缘(一般在中部)计算的无效区域宽度。因为各向异性腐蚀的时间可以很短，所以w₂可以远小于w₁。同时，镜子的形状也更利于在相同大小(以镜子的边缘计)时，有更高的反射效果。

综上所述，本发明具有如下的优点：

1、镜面光滑。虽然干法刻蚀的测壁的表面不够光滑，当经过各向异性腐蚀的晶向选择作用，用本发明提出的制作方法仍可得到与只用各向异性腐蚀制作的镜面相当的镜面。

2、可以在更小的区域内制作面积足够大的微镜。在湿法腐蚀过程中镜子的宽度会在向前推进中与推进距离成比例缩小，但由于现在以RIE，DRIE等干法刻蚀工艺可以制作出垂直度和表面质量较好的刻蚀壁，本发明所述方法仅需要很短的腐蚀量即可达到修整镜面的作用。因此，(100)硅片湿法腐蚀过程中镜面的推进距离小于现有方法。所以微镜的缩小量可以控制在相对于现有技术来说很小的范围内。

3、无用区域小。无用区域的长度w₁，w₂会随湿法腐蚀过程中镜面推进距离的增大成比例增大。本方法由于镜子的各向异性腐蚀时间缩短，无用区域的长度w₂也会缩小。这有利于密集排列微镜，减小微镜与波导距离。

4、镜子形状更优化。用(100)硅片时，镜子不是倒梯形，而是与平板波导，脊形波导等常用波导的光场有更高重叠效果的菱形或近似矩形或多边形。比较可知，当反射功率一定时，本方法制作的镜子的所需宽度更小，制作微镜所需的空间或面积也更小。

5、镜面的形状可以根据干法刻蚀的深度，光刻图形的设计和各向异性腐蚀的深度调整。可满足不同的需要以获得灵活多样的镜面的形状，适应不同的需求(详见实施例)。

6、工艺简单，与原有技术相比，只增加了一步干法刻蚀工艺。

附图说明

图1为现有方法在(100)硅片上制作微镜的方法示意图。

图2为本发明方法在(100)硅片上制作微镜的示意图。

图3为直角拐弯式阵列波导光栅示意图。

图4为刻蚀光栅式平面波导分波合波器示意图。

图5是1×4功分器的示意图。

图6为功分器中分支波导和反射微镜的示意图。

具体实施方式

实施例1

在器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作直角拐弯式阵列波导光栅；

图3为直角拐弯式阵列波导光栅示意图。10，11是平板波导区，12是阵列波导，13是用于波导拐弯的微镜。输入输出波导未画出。由于阵列波导的间距较小，现有方法制作的微镜有效面积小，在拐弯处的损耗较大，降低了串扰的性能。采用本发明的方法可解决上述问题。制作步骤：

(1)、绝缘层上的硅材料器件层表面光刻出波导图形；

(2)、腐蚀出波导图形；

(3)、绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅，100nm厚；

(4)、光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(5)、利用步骤4中的二氧化硅作掩模进行硅的干法刻蚀。刻蚀到氧化层，在波导转弯处刻蚀出较垂直，相对光滑的镜面；

(6)、在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，对在波导转弯处形成的镜面进行修整，硅的腐蚀量(镜面的推进距离)为1μm。

实施例2

在器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作直角拐弯式阵列波导光栅。如图3所示。制作步骤如下：

(1)、绝缘层上的硅材料表面生成一层氮化硅掩膜，厚度150nm。

(2)、光刻出镜子图形，腐蚀氮化硅。

(3)、利用步骤(2)光刻出镜子窗口的光刻胶作掩模进行硅的干法刻蚀。刻蚀深度为绝缘层上的硅材料的器件层厚度的一半，在波导转弯处刻蚀出较垂直，相对光滑的镜面。

(4)、在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，对在波导转弯处形成的镜面进行修整。硅的腐蚀量为将干法刻蚀剩余的器件层全部腐蚀掉，即腐蚀到绝缘层。

(5)、绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅。

(6)、光刻出波导图形，腐蚀二氧化硅。

(7)、腐蚀出波导图形。

实施例3

在器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作刻蚀光栅式平面波导分波合波器。

图4为刻蚀光栅式平面波导分波合波器示意图。图中14为输入波导，15为接收和输出波导。16为刻蚀光栅。17为用于波导拐弯的微镜。由于接收波导的间距较小，现有方法制作的微镜有效面积相对较小，在拐弯处的损耗较大，同时降低的串扰的性能。采用本发明的方法可解决上述问题。制作工艺如下：

(1)绝缘层上的硅材料器件层表面光刻出波导图形；

(2)腐蚀出波导图形；

(3)绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅，厚度70nm；

(4)光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(5)利用步骤4中的光刻胶作掩模进行硅的干法刻蚀。刻蚀到氧化层，在波导转弯处刻蚀出较垂直，相对光滑的镜面；

(6)在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，对在波导转弯处形成的镜面进行修整，硅的腐蚀量(镜面的推进距离)为1μm；

(7)再次氧化，并光刻出刻蚀光栅的图形；

(8)刻蚀阶梯光栅。

实施例4

在(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作Y分支式光功率分配器。

图5是1×4功分器的示意图。图中17、21分别为输出和输入波导。18为分支波导。19和20分别为直角拐弯微镜。(100)晶向的绝缘层上的硅材料受晶体中{111}面的限制不能腐蚀出直接相交的镜面，所以将入射光先用一段分叉角度极小的弧型弯曲将其分成两束光后再通过镜面反射。图6为功分器中分支波导和反射微镜的示意图。在现有方法中湿法腐蚀微镜过程中出现的无用区域w₃为两倍的w₁(见图1)，所以在经过镜面反射之前，需要分支波导的间距较大。因此需要很长的分支波导。用本专利的方法可以减小w₃的大小，并由此缩小了分支波导的间距和长度，缩小了器件的尺寸。

该器件的具体工艺步骤如下：

(1)绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅做掩膜，厚度200nm；

(2)光刻出波导图形，腐蚀二氧化硅；

(3)各向异性腐蚀出波导，腐蚀深度控制在满足波导单模条件；

(4)去除二氧化硅；

(5)绝缘层上的硅材料表面再热氧化一层二氧化硅；

(6)光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(7)干法刻蚀镜子，刻蚀深度为器件层厚度，在波导转弯处形成较好的镜面；

(8)各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，改善镜面质量。硅的腐蚀量即(镜面的推进距离)为0.5μm；

(9)去二氧化硅。

Claims (9)

1、一种垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于利用硅的干法刻蚀和各向异性腐蚀相结合在绝缘层上的硅材料上制作的。

2、按权利要求1所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于具体制作步骤是：

(1)、在绝缘层上的硅上生长一层可用于硅的各向异性腐蚀的掩模；

(2)、在掩模上光刻出制作镜子的窗口；

(3)、利用步骤(2)中的光刻胶或已经光刻出镜子窗口的掩模作掩模进行硅的干法刻蚀，刻蚀出垂直、相对光滑的镜面；

(4)、在各向异性腐蚀液中腐蚀，而制成垂直、光滑的镜面。

3、按权利要求2所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于使用(100)硅片时，制作的垂直光滑镜面为{100}面，使用(110)硅片时，制作的垂直光滑镜面为{111}面，且呈菱形，矩形或多边形，与平板波导、脊形波导中的光场分布有高的重叠效果。

4、按权利要求2或3所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于所述的镜面形状根据干法刻蚀深度、光刻图形的设计和各向异性腐蚀深度或各向异性腐蚀时间的长短调整。

5、按权利要求2所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于所述的掩膜为氧化硅或氮化硅，其厚度为50-2000nm；使用(110)硅片时在各向异性腐蚀液中腐蚀量即镜面的推进距离在0.2μm和器件层厚度之间。使用(110)硅片时，腐蚀量为将{111}面全部腐蚀出来。

6、按权利要求1或2所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作直角拐弯式阵列波导光栅的制作步骤：

(1)、绝缘层上的硅材料器件层表面光刻出波导图形；

(2)、腐蚀出波导图形；

(3)、绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅，150nm厚；

(4)、光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(5)、利用步骤4中的二氧化硅作掩模进行硅的干法刻蚀。刻蚀到氧化层，在波导转弯处刻蚀出较垂直，相对光滑的镜面；

(6)、在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，对在波导转弯处形成的镜面进行修整。

7、按权利要求1或2所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作直角拐弯式阵列波导光栅的制作步骤：

(1)、绝缘层上的硅材料表面生成一层氮化硅掩膜，厚度150nm；

(2)、光刻出镜子图形，腐蚀氮化硅；

(3)、利用步骤(2)光刻出镜子窗口的光刻胶作掩模进行硅的干法刻蚀，刻蚀深度为绝缘层上的硅材料的器件层厚度的一半，在波导转弯处刻蚀出较垂直，相对光滑的镜面；

(4)、在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，对在波导转弯处形成的镜面进行修整。硅的腐蚀量为将干法刻蚀剩余的器件层全部腐蚀掉，即腐蚀到绝缘层；

(5)、绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅；

(6)、光刻出波导图形，腐蚀二氧化硅；

(7)、腐蚀出波导图形。

8、按权利要求1或2所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于在器件层为(100)晶向的绝缘层上的硅制作刻蚀光栅式平面波导分波合波器的制作步骤是：

(1)绝缘层上的硅材料器件层表面光刻出波导图形；

(2)腐蚀出波导图形；

(3)绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅，厚度70nm；

(4)光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(5)利用步骤4中的光刻胶作掩模进行硅的干法刻蚀。刻蚀到氧化层，在波导转弯处刻蚀出较垂直，相对光滑的镜面；

(6)在各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，对在波导转弯处形成的镜面进行修整，硅的腐蚀量，即镜面的推进距离为1μm；

(7)再次氧化，并光刻出刻蚀光栅的图形；

(8)刻蚀阶梯光栅。

9、按权利要求1或2所述的垂直光滑的反射微镜的制作方法，其特征在于在(100)晶向的绝缘层上的硅材料上制作Y分支式光功率分配器的具体制作步骤是：

(1)绝缘层上的硅材料表面生成一层二氧化硅，厚度200nm；

(2)光刻出波导图形，腐蚀二氧化硅；

(3)各向异性腐蚀，腐蚀深度控制在满足波导单模条件；

(4)去除二氧化硅；

(5)绝缘层上的硅材料表面热氧化一层二氧化硅；

(6)光刻出镜子图形，腐蚀二氧化硅；

(7)干法刻蚀镜子，刻蚀深度为器件层厚度，在波导转弯处形成较好的镜面；

(8)各向异性腐蚀液中进行湿法腐蚀，硅的腐蚀量，即镜面的推进距离为0.5μm；

(9)去二氧化硅。

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