DE102020209122A1

DE102020209122A1 - Herstellungsverfahren für ein mikrooptoelektromechanisches Bauelement und entsprechendes mikrooptoelektromechanisches Bauelement

Info

Publication number: DE102020209122A1
Application number: DE102020209122.6A
Authority: DE
Inventors: Rafel Ferre i Tomas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-01-27
Also published as: CN116194813A; US20230041107A1; CA3185931A1; US11808989B2; WO2022017694A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikrooptoelektromechanisches Bauelement und ein entsprechendes mikrooptoelektromechanisches Bauelement. Das mikrooptoelektromechanische Bauelement ist ausgestattet mit einem Basissubstrat (1a) mit einer darin ausgebildeten Kaverne (5), welche von einem Decksubstrat (1b) verschlossen ist, einem Lichtwellenleiter (50) auf dem Decksubstrat (1b) oberhalb der Kaverne (5), welcher einen ummantelten Wellenleiterkern (50c) aufweist, einem elektrischen Kontaktelement (20) im Bereich des umgebenden Decksubstrats (1b), wobei unterhalb des elektrischen Kontaktelements (20) ein aus einer elektrisch leitfähigen Polysiliziumschicht gebildetes Kontaktpad (10a') angeordnet ist, wobei der Lichtwellenleiter (50) und das darunter befindliche Decksubstrat (1b) in einen stationären Teilbereich (S) und in einen auslenkbaren Teilbereich (B), welcher durch elektrisches Auslenken des entsprechenden Teilbereichs des Deckwafers (1b) an den stationären Teilbereich (S) andockbar ist, geteilt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein mikrooptoelektromechanisches Bauelement und ein entsprechendes mikrooptoelektromechanisches Bauelement.
Stand der Technik
Photonische Vorrichtungen , die in mikroelektromechanischen Elementen (MEMS) integriert sind, gehören zur nächsten Generation der Kommunikations- und Sensorsysteme. Dank der MEMs-Prozesse und der Silicon-On-Insulator (SOI) Technik, ist z.B. die Miniaturisierung vieler Elemente wie Linsen, Spiegeln, Beam-splitter, Gitter, Filter, Wellenleiter mit niedrigen Verlusten, Multiplexer, und Lichtschalter möglich. Diese Elemente gehören der Kategorie der Micro-Opto-Electro-Mechanical systems (MOEMS) und der Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADMs).
Optische Lichtschalter werden derzeit entwickelt, die mit MEMs-Technologie kompatibel mit Halbleiter-Prozessen hergestellt werden, z.B. als Optical Transceiver für das 5G-Netz.
Für diese optischen Lichtschalter werden drei relevante Komponenten benötigt:

Lichtwellenleiter, die typischerweise aus drei abgeschiedenen Schichten hergestellt sind. Eine obere und eine untere Schicht, auch Bottom Clad und Top Clad genannt, bestehen aus Siliziumoxid mit einem Brechungsindex von ca. 1,45. Eine mittlere Schicht, Core genannt, besteht aus einem Material, typischerweise Siliziumnitrid, mit einem höheren Brechungsindex als das Bottom und Top Clad. Die Schichten werden durch Photolitographie strukturiert, sodass der Core komplett umgewickelt von den beiden Clads ist. Der Lichtwellenleiter ist in einen stationären Teilbereich und in einen auslenkbaren Teilbereich aufgeteilt, wobei der auslenkbare Teilbereich zum Schalten durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den stationären Teilberich angedockt werden kann.
Cavity SOI Device Wafer, auf dem die Lichtwellenleiter angeordnet sind. Ein Substratwafer, auf dem der SOI-Wafer angebracht ist, hat einen Hohlraum, also eine Kaverne oder Cavity. Wird der Bereich über der Kaverne durch DRIE-Prozesse bearbeitet, wird dieser Bereich befreit und kann deshalb seine MEMs-Funktion übernehmen, und zwar ohne die übliche Gasphasenätzprozesse, die sonst ohne Kaverne notwendig wären.

Metal Kontakt Pads, welche für den elektrischen Antrieb des MEMs-Elemets notwendig sind und einen einwandfreien elektrischen Kontakt zwischen den MEMS-Substrat besitzen müssen.
Im Fall von Lichtschaltern werden die Lichtwellenleiter auf SOI-Wafer durch CMOS Prozesse aufgebaut. Um die bewegliche Teile des Chips zu befreien, ist eine Strukturierung der Lichtwellenleiter und des unteren SOI-Bereichs nötig. Diese beiden Strukturierungen werden als „Vertical Etch“ und „DRIE Trench“ bezeichnet.
Um die optischen Verluste zu reduzieren, muss der bewegliche Teilbereich des Wellenleiters sehr gut an dem stationären Teilbereich andocken, weshalb die Wände des Lichtwellenleiters in diesem Schaltbereich so senkrecht wie möglich sein müssen. Da die Dicke des Lichtwellenleiters mehrere Mikrometer beträgt, ist die Nutzung einer Soft Maske (Lackmaske) nicht ausreichend, um die benötigten senkrechten Flanken zu reproduzieren.
Da das von Telekommunikationsnetzen übertragene Verkehrsaufkommen aufgrund der bandbreitenintensiven Anwendungen wie Internetzugang, Multimedia-Anwendungen für den elektronischen Handel und verteiltes Rechnen rasch zugenommen hat, ist es unbedingt erforderlich, das optische Netzwerk für Backbone, Metropolen und lokale Netzwerke zu nutzen Gebietsnetzwerke. Die optischen Netzwerke, die optische Fasern als Übertragungsmedium verwenden, haben ein überlegenes Leistungs / Kosten-Verhältnis sowohl für Langstrecken- als auch für Kurzstreckenrouten gezeigt, und die aufkommenden DWDM- / All-Optical-Netzwerke (Densight Wavelength Division Multiplexing) haben ein vielversprechendes Verbesserungspotential gezeigt Geschwindigkeit, Kapazität und Konnektivität von optischen Telekommunikationsnetzen.
Die US 2004/0264847 A1 offenbart einen mikrooptoelektromechanischen Wellenleiterschalter (MOEM-WS), aufgebaut durch Integrieren von MEMS-Aktuatoren und mikroSPS auf demselben Substrat bereit. Das MOEM-WS ist ein integriertes Hybridmikrosystem: Das Micro-Opto-Electro-Mechanical System (MOEMS) eignet sich insbesondere für optische Cross-Connect-Schalter (OXC) und optische Add / Drop-Multiplexer (OADM). Der MOEM-WS bietet eine wesentliche Faserumschaltfähigkeit für rein optische Netzwerke mit zahlreichen damit verbundenen Vorteilen, wie z.B. niedrigen Kosten, geringem Übersprechen, Zuverlässigkeit, Kompaktheit, hoher Geschwindigkeit, Rekonfigurierbarkeit, Modularität, Skalierbarkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Signalwellenlänge und Polarisation.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für ein mikrooptoelektromechanisches Bauelement nach Anspruch 1 und ein entsprechendes mikrooptoelektromechanisches Bauelement nach Anspruch 10.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine mehrschichtige Hartmaske für den „Vertical Etch“ zu verwenden.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht die Ausbildung sehr senkrechter lateraler Wände des Trenches, welcher den stationären und den auslenkbaren Teilbereich trennt. Die elektrisch leitfähige erste Hartmaskenschicht ermöglicht gleichzeitig eine gute elektrische Anbindung des elektrischen Kontaktelements an das Decksubstrat über das von ihr verbleibende Kontaktpad.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist auf dem Basissubstrat eine Isolationsschicht aufgebracht, welche sich in die Kaverne ersteckt. Dies ermöglicht ein Direktbonden vom Decksubstrat aus das Basissubstrat.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das Basissubstrat und das Decksubstrat ein Siliziumsubstrat.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Hartmaskenschicht eine dotierte Polysiliziumschicht und die zweite Hartmaskenschicht eine Siliziumoxidschicht. So läßt sich eine erwünschte Ätzselektivität zum Lichtwellenleiter erreichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Bilden der Ätzöffnung unter Verwendung einer Lackmaske durchgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Lichtwellenleiterkern aus Siliziumnitrid gebildet und von einer unteren Deckschicht und einer oberen Deckschicht aus Siliziumoxid ummantelt wird. So lassen sich gute optische Lichtwellenleitereigenschaften erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Trenchätzen in einem zweistufigen Ätzprozess durchgeführt wird, bei dem in einem ersten Ätzschritt der Lichtwellenleiter getrencht wird und in einem zweiten Ätzschritt der das darunter befindliche Decksubstrat getrencht wird. So läßt sich der Ätzprozess für das jeweilige Material optimieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in dem ersten Ätzschritt die zweite Hartmaskenschicht zumindest bereichsweise entfernt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das elektrische Kontaktelement aus Aluminium hergestellt. Dies ermöglicht eine niederohmige Ankopplung des beweglichen MEMS-Teilbereichs.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1a)-h) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikrooptoelektromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)-h) zeigen schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines mikrooptoelektromechanischen Bauelements und eines entsprechenden Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1a) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein SOI-Substrat, welches ein Basissubstrat 1a mit einer darin ausgebildeten Kaverne 5 aufweist, welche von einem Decksubstrat 1b verschlossen ist. Das Decksubstrat 1b ist beispielsweise durch SOI-Direktbonden auf einer Isolationsschicht 1c aus Siliziumoxid aufgebondet, welche auf dem Basissubtrat 1a aufgebracht ist und sich durchgehend in die Kaserne 5 erstreckt.
Auf dem Decksubstrat 1b wird ein Lichtwellenleiter 50 oberhalb der Kaverne 5 ausgebildet, welcher einen ummantelten Wellenleiterkern 50c aufweist. Der Lichtwellenleiterkern 50c wird beispielsweise aus Siliziumnitrid gebildet und wird von einer unteren Deckschickt 50a und einer oberen Deckschicht 50b jeweils aus Siliziumoxid ummantelt.
Weiter mit Bezug auf 1b) wird eine elektrisch leitfähige erste Hartmaskenschicht 10a über dem Lichtwellenleiter 50 und dem umgehenden Decksubstrat 1b ausgebildet, welche beispielsweise aus einer dotierten Polysiliziumschicht besteht.
Im Anschluss daran wird gemäß 1c) eine Metallisierung, z.B. aus Aluminium, über der ersten Hartmaskenschicht 10a abgeschieden und in ein elektrisches Kontaktelement 50 auf der ersten Hartmaskenschicht 10a im Bereich des umgebenden Decksubstrats 1b strukturiert.
Wie in 1d) dargestellt wird anschließend eine zweite Hartmaskenschicht 10b über der ersten Hartmaskenschicht 10a und dem elektrischen Kontaktelement 20 aufgebracht, welche beispielsweise aus Siliziumoxid besteht.
Gemäß 1e) erfolgt daran schließend das Bilden eine Ätzöffnung 11 in der ersten und zweiten Hartmaskenschicht 10a, 10b zum bereichsweisen Freilegen der Oberseite des Lichtwellenleiters 50. Dieses Bilden der Ätzöffnung 11 kann beispielsweise unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Lackmaske erfolgen.
Nach Entfernen der Lackmaske wird gemäß 1f) ein Trenchätzen des Lichtwellenleiters 50 in einem ersten Ätzschritt durchgeführt. Dieser erste Ätzschritt stoppt beispielsweise auf dem darunterliegenden Decksubstrat 1b und schafft einen Teiltrench 100a.
Gemäß 1g) wird in einem darauffolgenden zweiten Ätzschritt das unter dem Teiltrench 100a befindliche Decksubstrat 1b bis zur Kaverne 5 hin getrencht, um einen durchgehenden Trench 100 zu schaffen. Durch diesen durchgehenden Trench 100 erfolgt ein Teilen des Lichtwellenleiters 50 und des darunter befindlichen Decksubstrats 1b in einem stationären Teilbereich S und in einem auslenkbaren Teilbereich B, wie nachstehend näher erläutert wird.
Anschließend erfolgt gemäß 1h) ein Entfernen der freiliegenden ersten und zweiten Hartmaskenschicht 10a, 10b, wobei unterhalb des elektrischen Kontaktelements 20 ein aus der elektrisch leitfähigen ersten Hartmaskenschicht 10a gebildetes elektirsches Kontaktpad 10a' verbleibt.
Im Betrieb ist der auslenkbare Teilbereich B durch elektrisches Auslenken des entsprechenden Teilbereichs des Deckwafers 1b an den stationären Teilbereich S andockbar, wodurch eine Lichtschalterfunktion erzielbar ist. Die Bewegungsrichtung ist in 1g) und 1h) mit Bezugszeichen M bezeichnet. Das elektrische Auslenken erfolgt beispielsweise durch Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung an das elektrische Kontaktelement 20.
Aufgrund der verwendeten mehrschichtigen Hartmaske mit der ersten Hartmaskenschicht 10a und der zweiten Hartmaskenschicht 10d kann gewährleistet werden, dass die vertikalen Wände des durchgehenden Trenches 100 möglichst senkrecht orientiert sind, so dass ein ganzflächiges Andocken und damit eine exakte Lichtschalterfunktion erziehlbar ist.
Das unter dem elektrischem Kontaktelement 20 aus Aluminium gebildete Kontaktpad 10a' aus der ersten elektrischen leitfähigen Hartmaskenschicht 10a gewährleistet eine gute elektrische Anmeldung des elektrischen Kontaktelements 20 zum darunterliegenden Decksubstrat 1b.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Insbesondere sind die angegebenen Materialien und Strukturen nur beispielhaft und nicht einschränkend angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2004/0264847 A1 [0009]

Claims

Herstellungsverfahren für ein mikrooptoelektromechanisches Bauelement mit den Schritten: Bereitstellen eines Basissubstrats (1a) mit einer darin ausgebildeten Kaverne (5), welche von einem Decksubstrat (1b) verschlossen ist; Ausbilden eines Lichtwellenleiters (50) auf dem Decksubstrat (1b) oberhalb der Kaverne (5), welcher einen ummantelten Wellenleiterkern (50c) aufweist; Aufbringen einer elektrisch leitfähigen ersten Hartmaskenschicht (10a) über dem Lichtwellenleiter (50) und dem umgebenden Decksubstrat (1b); Ausbilden eines elektrischen Kontaktelements (20) auf der ersten Hartmaskenschicht (10a) im Bereich des umgebenden Decksubstrats (1b); Aufbringen einer zweiten Hartmaskenschicht (10b) über der ersten Hartmaskenschicht (10a) und dem elektrischen Kontaktelement (20); Bilden einer Ätzöffnung (11) in der ersten und zweiten Hartmaskenschicht (10a, 10b) zum bereichsweisen Freilegen der Oberseite des Lichtwellenleiters (50); und Trenchätzen des Lichtwellenleiters (50) und des darunter befindlichen Decksubstrats (1b) zum Teilen des Lichtwellenleiters (50) und des darunter befindlichen Decksubstrats (1b) in einen stationären Teilbereich (S) und in einen auslenkbaren Teilbereich (B), welcher durch elektrisches Auslenken des entsprechenden Teilbereichs des Deckwafers (1b) an den stationären Teilbereich (S) andockbar ist; Entfernen der freiliegenden ersten und zweiten Hartmaskenschicht (10a, 10b), wobei unterhalb des elektrischen Kontaktelements (20) ein aus der elektrisch leitfähigen ersten Hartmaskenschicht (10a) gebildetes Kontaktpad (10a') verbleibt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei auf dem Basissubstrat (1a) eine Isolationsschicht (1c) aufgebracht ist, welche sich in die Kaverne (5) ersteckt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Basissubstrat (1a) und das Decksubstrat (1b) ein Siliziumsubstrat sind.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Hartmaskenschicht (10a) eine dotierte Polysiliziumschicht und die zweite Hartmaskenschicht (10b) eine Siliziumoxidschicht ist.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bilden der Ätzöffnung (11) unter Verwendung einer Lackmaske durchgeführt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtwellenleiterkern (50c) aus Siliziumnitrid gebildet wird und von einer unteren Deckschicht (50a) und einer oberen Deckschicht (50b) aus Siliziumoxid ummantelt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trenchätzen in einem zweistufigen Ätzprozess durchgeführt wird, bei dem in einem ersten Ätzschritt der Lichtwellenleiter (50) getrencht wird und in einem zweiten Ätzschritt der das darunter befindliche Decksubstrat (1b) getrencht wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, wobei in dem ersten Ätzschritt die zweite Hartmaskenschicht (10b) zumindest bereichsweise entfernt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrische Kontaktelement (20) aus Aluminium hergestellt wird.
Mikrooptoelektromechanisches Bauelement, insbesondere hergestellt nach dem Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, mit: einem Basissubstrat (1a) mit einer darin ausgebildeten Kaverne (5), welche von einem Decksubstrat (1b) verschlossen ist; einem Lichtwellenleiter (50) auf dem Decksubstrat (1b) oberhalb der Kaverne (5), welcher einen ummantelten Wellenleiterkern (50c) aufweist; und einem elektrischen Kontaktelement (20) im Bereich des umgebenden Decksubstrats (1b), wobei unterhalb des elektrischen Kontaktelements (20) ein aus einer elektrisch leitfähigen Hartmaskenschicht (10a), insbesondere einer Polysiliziumschicht, gebildetes Kontaktpad (10a') angeordnet ist; wobei der Lichtwellenleiter (50) und das darunter befindliche Decksubstrat (1b) in einen stationären Teilbereich (S) und in einen auslenkbaren Teilbereich (B), welcher durch elektrisches Auslenken des entsprechenden Teilbereichs des Deckwafers (1b) an den stationären Teilbereich (S) andockbar ist, geteilt sind.
Mikrooptoelektromechanisches Bauelement nach Anspruch 10, wobei auf dem Basissubstrat (1a) eine Isolationsschicht (1c) aufgebracht ist, welche sich in die Kaverne (5) ersteckt.
Mikrooptoelektromechanisches Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Basissubstrat (1a) und das Decksubstrat (1b) ein Siliziumsubstrat sind.
Mikrooptoelektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der der Lichtwellenleiterkern (50c) aus Siliziumnitrid gebildet ist und von einer unteren Deckschicht (50a) und einer oberen Deckschicht (50b) aus Siliziumoxid ummantelt ist.
Mikrooptoelektromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das elektrische Kontaktelement (20) aus Aluminium hergestellt ist.