DE69736792T2

DE69736792T2 - Mikromechanischer optischer Modulator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69736792T2
Application number: DE69736792T
Authority: DE
Inventors: Susanne C. Highland Park Arney; James A. Freehold Walker; Dennis Stanley White House Station Greywall; Bernard Plainfield Yurke
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2017-01-22
Also published as: DE69736792D1; US5751469A; US5808781A; EP0788005A2; EP0788005A3; JP3784484B2; JPH09236760A; EP0788005B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft mikromechanische optische Modulatoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen mikromechanischen optischen Modulator, der eine kreisförmige Membran verwendet.
Hintergrund der Erfindung
In optischen Wellenlängen-Multiplex-Netzen ist es erwünscht, kostengünstige optische Modulatoren zu haben, die einen hohen Kontrast und breite optische Bandbreiten aufweisen. Ein potentiell geeigneter optischer Modulator ist der oberflächensenkrechte mikromechanische optische Modulator. Diese Vorrichtung weist einen variablen Luftspalt auf, der durch zwei Materialschichten, typischerweise eine Membran und ein Substrat, definiert ist. Das Verändern des Luftspalts durch Bewirken, dass sich die Membran bewegt, ändert die optischen Eigenschaften der Vorrichtung. Typischerweise weisen solche Modulatoren zwei Zustände auf, die zwei verschiedenen Membranpositionen entsprechen. In einem Zustand wird ein minimaler Teil der optischen Energie, die auf den Modulator einfällt, in der zur Oberfläche senkrechten Richtung zurückgeführt. Im zweiten Zustand wird ein signifikant größerer Teil der einfallenden optischen Energie so gerichtet. Der vorstehend erwähnte Modulator wird typischerweise durch elektrostatische Kräfte betätigt, d. h. der Luftspalt wird durch diese verändert.
Typische Modulatoren des Standes der Technik verwenden gleichmäßig dicke Membranen mit einem rechteckig geformten mittleren Bereich, die über Stützarme über einem Substrat abgestützt ist. Siehe beispielsweise EP-A-0667548 und Aratani et al., "Process and Design Considerations for Surface Micromachined Beams for a Tunable Interferometer Array in Silicon", Proc. IEEE Micro. ElectroMech. Workshop, Ft. Lauderdale, Fla., 7.-10. Feb. 1993, S. 230-235. EP-A-0 667 548 offenbart einen mikromechanischen Modulator mit einer Membran und einem Substrat, die beabstandet sind, um einen Luftspalt zu bilden. Die Membran besteht aus einer oder mehreren Schichten und ist über dem Substrat durch Stützarme aufgehängt.
Die Stützarme der vorstehend erwähnten Modulatoren sind gewöhnlich auch rechteckförmig und relativ schmal im Vergleich zum Abschnitt der Membran, die sie abstützen. Aufgrund der scharfen Ecken, die sich aus den rechteckigen Formen des mittleren Bereichs und der Stützarme ergeben, und der relativ schmalen Stützarme können sehr hohe Spannungen in den Stützarmen konzentriert sein. Solche Spannungen können verursachen, dass die Stützarme versagen, was den Modulator betriebsunfähig macht.
Folglich besteht ein Bedarf für eine verbesserte Membrankonstruktion, die die Spannungskonzentration minimiert, was zu einer verbesserten Modulatorzuverlässigkeit und -leistung führt und ferner die Modulatorherstellung und -packung vereinfacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein verbesserter mikromechanischer Modulator, der eine neue Membrankonfiguration verwendet, und Verfahren zur Herstellung des Modulators werden offenbart. Eine kreisförmige Membran ist über einem Bereich eines Substrats derart ausgebildet, dass sich ein Spalt zwischen der Membran und dem Substrat ergibt, der einen Hohlraum bildet. Die Membran bildet eine kontinuierliche Oberfläche über dem Hohlraum. Insbesondere ist die Membran nicht durch diskrete Stützarme abgestützt, sondern erstreckt sich vielmehr über den Umfang des Hohlraums hinaus. Folglich bedeckt die Membran den Hohlraum in einer Weise analog zu der Weise, in der ein Trommelkopf den Körper einer Trommel bedeckt. Löcher sind in der Membran ausgebildet, um das Dämpfen ihrer Bewegung zu unterstützen. Die Löcher werden auch während der Modulatorherstellung verwendet, wie nachstehend beschrieben.
Erfindungsgemäße Modulatoren können unter Verwendung von bekannten Abscheidungs- und Strukturierungsverfahren ausgebildet werden. In einer Ausführungsform wird mindestens eine Materialschicht auf einem Siliciumsubstrat abgeschieden und strukturiert, wobei ein vorzugsweise kreisförmiger Bereich eines blanken Substrats ausgebildet wird, wo der Spalt ausgebildet wird, d. h. der Modulatorhohlraum definiert wird. Der entstehende Modulator wird Bedingungen ausgesetzt, die zum thermischen Oxidieren des blanken Substrats innerhalb des kreisförmigen Bereichs geeignet sind. Die Oxidationsbedingungen werden so gesteuert, dass die seitliche und vertikale Ausdehnung der Oxidation innerhalb des Substrats genau begrenzt werden. In dieser Weise können die Dicke des resultierenden Spalts und die Abmessungen des Modulatorhohlraums genau definiert werden.
Eine schnell ätzbare Materialschicht wird auf dem oxidierten Silicium abgeschieden. Ein solches Material kann mit einer viel schnelleren Rate als das darunter liegende Oxid geätzt werden. Die schnell ätzbare Schicht wird zu der Form strukturiert, die für die Membran ausgewählt ist, und dann wird eine die Membran bildende Materialschicht vorzugsweise mit einer Kreisform abgeschieden und strukturiert.
Während der Membranstrukturierung werden kleine Löcher ausgebildet, die sich vollständig durch die Membran erstrecken. Wie vorstehend erwähnt, helfen solche Löcher beim Dämpfen der Membranschwingung und schaffen auch einen Zugang zu den darunter liegenden Schichten, wie z. B. zur schnell ätzbaren Schicht und zum oxidierten Silicium, die in anschließenden Schritten entfernt werden müssen, um den Spalt auszubilden. Keine Löcher sind in einem Bereich nahe der Mitte der Membran angeordnet, der ein optisches Fenster bildet. Wenn die Membran nicht leitend ist, wird eine Schicht aus leitendem Material auf der Membran abgeschieden, wobei das optische Fenster unbedeckt gelassen wird.
Dann wird ein Ätzmittel durch die Löcher in der Membran eingeleitet. Das Ätzmittel entfernt zuerst die schnell ätzbare Schicht. Sobald sie entfernt ist, existiert ein seitlicher Kanal zwischen der Oxidschicht und der Membranschicht, der ermöglicht, dass das Ätzmittel über die gesamte Oberfläche der Oxidschicht fließt. Nach dem Fließen über die Oberfläche des Oxids läuft das Ätzmittel in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung durch das Oxid weiter. Das Vorsehen eines seitlichen Kanals für diesen Zweck ist besonders vorteilhaft. Wenn die schnell ätzbare Schicht nicht vorhanden wäre, so dass kein Kanal gebildet werden würde, müsste das Ätzmittel in einer etwas seitlichen Richtung unter den Bereichen der Membran, wo sich keine Löcher befinden, wie z. B. dem optischen Fenster, weiterlaufen. Da das oxidierte Substrat einen Durchmesser von nicht weniger als 350 Mikrometer, d. h. die Größe des Modulatorhohlraums, und dennoch typischerweise eine Dicke von etwa einem Mikrometer oder weniger aufweisen kann, wird ein vertikales Ätzen viel schneller vollendet als ein seitliches Ätzen. Ein solches schnelles Ätzen ist erwünscht, da die Membranstrukturen für einen Angriff anfällig sind, während das darunter liegende Oxid geätzt wird. Das Entfernen der Oxidschicht erzeugt den Spalt, wodurch der Modulator ausgebildet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von speziellen Ausführungsformen derselben ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen haben und in denen:
1 eine Querschnittsseitenansicht eines erfindungsgemäßen Modulators ist;
2 eine Draufsicht auf den Modulator von 1 ist;
3 den Modulator von 1 und 2 unter Vorspannung darstellt;
4 ein Substrat mit einer darauf angeordneten einen Hohlraum definierenden Schicht zeigt;
5 eine Schicht aus einem erodierbaren Material zeigt, die auf der Anordnung von 4 angeordnet ist;
6 eine beispielhafte Ausführungsform einer Maske ist, die zum Strukturieren einer kreisförmigen Struktur in einer Materialschicht verwendet wird;
7 die Schichten von 5 zeigt, die strukturiert sind, um einen Modulatorhohlraum zu definieren;
8 die Anordnung von 7 zeigt, nachdem das erodierbare Material von der den Hohlraum definierenden Schicht abgelöst ist;
9a die Anordnung von 8 nach der lokalen Oxidation des Substrats innerhalb des entstehenden Modulatorhohlraums zeigt;
9b eine weitere Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens darstellt, wobei ein Kontaktstellenoxid verwendet wird, um die Spannung an der den Hohlraum definierenden Schicht während des Oxidwachstums zu minimieren;
10 eine schnell ätzbare Schicht zeigt, die auf der Anordnung von 9a angeordnet ist;
11 die schnell ätzbare Schicht strukturiert zeigt;
12 die die Membran bildende Schicht zeigt, die auf der Anordnung von 11 angeordnet ist;
13 eine Darstellung der Anordnung von 12 ist, wobei die die Membran bildende Schicht zu einer Membran strukturiert ist;
14 eine Draufsicht auf die Anordnung von 13 ist;
15 eine Schicht aus leitendem Material zeigt, die auf der Membran angeordnet ist;
16 das leitende Material geeignet strukturiert zeigt;
17 eine Draufsicht auf die Anordnung von 16 ist, die die strukturierte leitende Schicht zeigt;
18a eine Darstellung des oxidierten Substrats ist, das in einer Ausführungsform geätzt wird, wobei die schnell ätzbare Schicht nicht auf dem oxidierten Substrat abgeschieden wurde;
18b eine Darstellung des oxidierten Substrats ist, das in der bevorzugten Ausführungsform geätzt wird, wobei die schnell ätzbare Schicht auf dem oxidierten Substrat abgeschieden wurde;
19 die Anordnung von 16 zeigt, wobei die schnell ätzbare Schicht und das oxidierte Substrat entfernt sind, wobei ein Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
20 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Modulators ist;
21 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Modulators ist;
22 eine Oxidschicht und eine schnell ätzbare Schicht, die auf einem Substrat angeordnet sind, in einer zusätzlichen Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
23 die schnell ätzbare Schicht zu einer Form strukturiert zeigt, die zum Ausbilden eines seitlichen Kanals geeignet ist;
24 eine Membranschicht zeigt, die auf der strukturierten schnell ätzbaren Schicht angeordnet ist;
25 eine Darstellung eines seitlichen Kanals ist, der ausgebildet wird, wenn die schnell ätzbare Schicht entfernt wird;
26 die Oxidschicht entfernt zeigt, was zu einem Spalt zwischen der Membran und dem Substrat führt;
27 eine erste und eine zweite Vorrichtungsschicht und ein schnell ätzbares Material, das auf der zweiten Vorrichtungsschicht angeordnet ist, zeigt, wobei das Material zu diskreten Bereichen strukturiert ist;
28 eine dritte Vorrichtungsschicht zeigt, die auf den Bereichen des schnell ätzbaren Materials angeordnet ist;
29 Löcher, die in der dritten Vorrichtungsschicht strukturiert sind, und seitliche Kanäle, die ausgebildet werden, wenn die Bereiche des schnell ätzbaren Materials entfernt werden, zeigt; und
30 Spalte zeigt, die zwischen der zweiten und der dritten Vorrichtungsschicht ausgebildet werden, wenn ein Abschnitt der zweiten Vorrichtungsschicht unterhalb jedes seitlichen Kanals geätzt wird.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 und 2 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines mikromechanischen Modulators 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Vorrichtung ein Substrat 10 und eine Membran 15.
Die Membran 15 und das Substrat 10 sind voneinander beabstandet, wobei ein Spalt 20 zwischen ihnen definiert ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Löchern 14 in der Membran vorgesehen, die vorzugsweise radial angeordnet sind, wie in 2 dargestellt. Die Löcher 14 unterstützen beim Dämpfen der Membranschwingung und werden auch während der Modulatorherstellung verwendet, wie später in dieser Patentbeschreibung beschrieben. Die Löcher 14 sind in der Membran 15 so strukturiert, dass sie außerhalb eines zentral angeordneten Bereichs 16 beginnen und in Richtung des Umfangs 19 der Membran 15 verlaufen. Der zentral angeordnete Bereich 16 bildet ein "optisches Fenster". Das optische Fenster steht typischerweise in optischer Verbindung mit einem optischen Wellenleiter oder einer optischen Faser, der/die ein optisches Signal 2 zum Modulator liefert. Die Löcher 14 fehlen im optischen Fenster, da sich ihre Anwesenheit in diesem Bereich der Membran auf die optischen Eigenschaften des Modulators 1 schädlich auswirken würde.
Im Gegensatz zu typischen Modulatorkonstruktionen wird der vorliegende Modulator nicht von diskreten Stützarmen abgestützt. Vielmehr überlappt die Membran 15 den Umfang des Modulatorhohlraums 21 entlang des meisten eines derartigen Umfangs. In einer bevorzugten Ausführungsform überlappt die Membran 15 den Umfang des Modulatorhohlraums 21 an im Wesentlichen jedem Punkt entlang eines derartigen Umfangs. Eine solche Anordnung verringert die Konzentration von Spannung, die sich in den schmalen Stützarmen und nahe scharfen Ecken entwickeln kann. Punkte mit hoher Spannung können als Keimbildungsstellen für Brüche wirken. Solche Brüche können zu einem Modulatorausfall führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 15 kreisförmig, wie in 2 gezeigt. Eine solche kreisförmige Membran hat keine der vorstehend erwähnten Spannungskonzentrationen und kann so hergestellt werden, dass sie einen höheren Eigenspannungspegel aufweist, als es ansonsten möglich wäre. Modulatoren, die eine solche Membran mit höherer Spannung verwenden, weisen eine höhere Resonanzfrequenz und eine höhere Bitrate als Modulatoren, die eine Membran mit niedrigerer Spannung verwenden, auf.
Das Substrat 10 und die Membran 15 sind vorzugsweise geeignet leitend, so dass ein Vorspannungssignal über sie angelegt werden kann, was eine elektrostatische Kraft erzeugt. Diese Kraft verursacht, dass sich die Membran 15 in Richtung des Substrats bewegt, wie in 3 gezeigt. Wenn sich die Membran aus ihrer nicht vorgespannten Position bewegt, ändert sich das Reflexionsvermögen des Modulators 1 für das einfallende optische Signal 2. Insbesondere weist in einer ersten Ausführungsform der Modulator 1 sein minimales Reflexionsvermögen auf, wenn sich die Membran in ihrer nicht vorgespannten Position befindet. Das minimale Reflexionsvermögen des Modulators ist vorzugsweise Null. Wenn sich die Membran in ihre vorgespannte Position bewegt, weist der Modulator vorzugsweise sein maximales Reflexionsvermögen auf. In einer zweiten Ausführungsform weist der Modulator 1 sein maximales Reflexionsvermögen auf, wenn sich die Membran in ihrer nicht vorgespannten Position befindet. Wenn sich die Membran in ihre vorgespannte Position bewegt, weist der Modulator vorzugsweise sein minimales Reflexionsvermögen auf. Das minimale Reflexionsvermögen für die zweite Ausführungsform ist wiederum vorzugsweise Null.
Das Vorspannungssignal kann durch eine gesteuerte Spannungsquelle 29 geliefert werden. Ein Kontakt 31 kann auf dem Substrat 10 ausgebildet sein, um die elektrische Verbindung mit der gesteuerten Spannungsquelle 29 zu erleichtern. Die gesteuerte Spannungsquelle ist auch mit der Membran 15 elektrisch verbunden. Der Modulator kann geeigneterweise auf einem Halbleiterchip oder -wafer ausgebildet werden.
Vorzugsweise wird das Substrat 10 aus einem leitenden Material ausgebildet, das über die optische Betriebsbandbreite entweder durchlässig ist oder absorbiert. Geeignete Materialien umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Silicium, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Germanium oder mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichtetes Glas. Wenn ein Halbleiter für das Substrat verwendet wird, sollte er vorzugsweise geeignet dotiert sein. Wenn das Substrat beispielsweise Silicium ist, ist es vorzugsweise mit irgendeinem Element der Gruppe III oder Gruppe V dotiert, typischerweise Phosphor oder Bor. Eine solche Dotierung sollte die Vorrichtungsgeschwindigkeit verbessern.
Wenn das Substrat aus einem Material ausgebildet wird, das für einen erfindungsgemäßen Modulator unzureichend leitend ist, kann die Leitfähigkeit durch Dotieren des Substrats mit geeigneten Materialien erhöht oder verliehen werden. Dotierungsverfahren umfassen Ionenimplantation, selektive Diffusion und andere Verfahren, die Fachleuten bekannt sind.
Die Membran 15 besteht vorzugsweise aus einer einzelnen Materialschicht, die bei den Betriebswellenlängen des Modulators durchlässig ist. Wenn das Substrat 10 Silicium ist, welches das bevorzugte Material ist, dann ist die Membran 15 vorzugsweise Siliciumnitrid. Es sollte selbstverständlich sein, dass der verbesserte Modulator der vorliegenden Erfindung auf irgendeinem einer Vielzahl von verschiedenen Betriebsprinzipien basieren kann. An sich können die bevorzugten oder erforderlichen Eigenschaften der Membran des vorliegenden Modulators als Funktion des ausgewählten Betriebsprinzips variieren. Wenn der vorliegende Modulator beispielsweise eine mindestens eine Viertelwelle dicke Membran gemäß den Lehren von EP-A-667 548, EP-A-695 959, US-A-5 500 761, US-A 5 636 052, US-A-5 654 819 und US-A 5 589 974 umfasst, dann ist die Membran 15 ferner durch einen Brechungsindex gekennzeichnet, der ungefähr gleich der Quadratwurzel des Brechungsindex des Substrats 10 ist. Wenn der Modulator jedoch ein hinsichtlich der Phase fehlabgeglichener Fabry-Perot-Hohlraummodulator ist, wie in US-A-5 825 528 beschrieben, dann ist die Membran 15 durch einen Brechungsindex gekennzeichnet, der größer ist als die Quadratwurzel des Brechungsindex des Substrats 10. Es ist zu erkennen, dass die Membran 15 gemäß der vorliegenden Erfindung andere Eigenschaften für andere Modulatorkonstruktionen besitzen müssen kann. Trotz solcher Unterschiede weisen alle Ausführungsformen von Modulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Membran auf, die den Umfang des Modulatorhohlraums überlappt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen kann eine solche Membran eine Kreisform aufweisen und kann außerdem Dämpfungslöcher besitzen.
Wie vorher angegeben, kann, wenn die Membran 15 für einen Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung nicht geeignet leitfähig ist, eine Schicht 30 aus leitendem Material auf ihr abgeschieden werden, wie in 1, 2 und 3 gezeigt. Es sollte erkannt werden, dass, wenn die Membran 15 aus einem geeignet leitenden Material, wie z. B. dotiertem amorphen oder polykristallinen Silicium oder ITO, besteht, dann die leitende Schicht 30 nicht erforderlich ist. Ein beliebiges geeignet leitendes Material kann verwendet werden, um die leitende Schicht 30 auszubilden, einschließlich, ohne Begrenzung, Aluminium, Platin, Wolfram, leitendes Silicium, ITO, Gold oder Legierungen dieser Materialien, wie z. B., ohne Begrenzung, Chrom/Gold oder Titan/Gold. Ferner sind Silicide oder geeignet dotiertes amorphes Silicium oder polykristallines Silicium zur Verwendung als leitende Schicht geeignet. Es ist zu erkennen, dass, wenn die leitende Schicht 30 über die Betriebsbandbreite des Modulators optisch undurchlässig ist, sie dann nicht auf dem zentral angeordneten Bereich 16 der Membran 15, der das optische Fenster bildet, angeordnet werden darf.
Wie vorher angegeben, kann ein verbesserter Modulator gemäß der vorliegenden Erfindung auf einem beliebigen einer Vielzahl von Betriebsprinzipien basieren. An sich können die Dicke der Membran 15 und die Größe des Spalts 20 mit dem ausgewählten Betriebsprinzip variieren. Solche Parameter können durch Bezugnahme auf eine Beschreibung eines Modulators auf der Basis des ausgewählten Betriebsprinzips bestimmt werden. Siehe beispielsweise EP-A-667 548, EP-A-695 959, US-A-5 500 761, US-A-5 636 052, U5-A-5 654 819 und US-A-5 589 974.
Wie vorher beschrieben, umfasst die Membran 15 eine Vielzahl von Löchern 14. In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Löcher 14 entlang einer Vielzahl von Radien 18 ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform sollten die Löcher entlang einer quadratischen oder hexagonalen Anordnung angeordnet sein. Die Löcher sind so bemessen und beabstandet, dass die Dämpfung der Membran 15 optimiert wird.
Eine maximale Dämpfung wird erreicht, wenn der Abstand d zwischen den Löchern 14 gegeben ist durch: d = 2[(Ph2)/(12πμefff)]0,5 [1]wobei: P der Druck des Gases ist, durch das sich die Membran 15 bewegt; h der Abstand zwischen der Membran und dem Substrat, d. h. der Spalt 20, ist, f die Eigenresonanzfrequenz des Modulators ist und μ_eff die effektive Gasviskosität ist. Die effektive Gasviskosität kann hinsichtlich der Gasviskosität μ durch die Formel: μeff = μ/{1 + [6(2·σ)λ/σh] [2]ausgedrückt werden, wobei: σ der Anpassungskoeffizient ist, wie nachstehend weiter beschrieben, und λ die mittlere freie Weglänge des Gases ist. Das folgende Beispiel verwendet die vorangehenden Ausdrücke, um den Abstand d für die Löcher 14 in einer Membran 15 zu berechnen.
Im folgenden Beispiel wird angenommen, dass das den Modulator umgebende Gas Luft mit einer Temperatur von 20 °C und mit einem Druck von einer Atmosphäre ist. Ferner ist der Modulator für eine Betriebsfrequenz von 1 MHz ausgelegt und weist einen Spalt zwischen der Membran und dem Substrat von 1 Mikrometer auf. Der Anpassungskoeffizient σ ist ein Maß dafür, wie effektiv eine Oberfläche Gasmoleküle, die auf die Oberfläche auftreffen, streut. Der Anpassungskoeffizient weist typischerweise einen Wert nahe 1 auf, welcher der für das vorliegende Beispiel verwendete Wert ist. Bei den herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen ist die mittlere freie Weglänge λ von Luft 0,09 Mikrometer und die Viskosität μ von Luft ist 1,8 × 10^–4 Gramm pro Zentimeter-Sekunde. Nach Einsetzen der vorangehenden Werte in [2] ist μ_eff gleich 1,2 × 10^–4 Gramm pro Zentimeter-Sekunde. Der Druck P ist 1 × 10⁶ dyn pro Quadratzentimeter und die Frequenz ist 1 × 10⁶ Hertz. Nach Einsetzen der vorangehenden Werte in [1] ist d gleich 28 Mikrometer.
Der Durchmesser der Löcher 14 sollte im Bereich von etwa 2 bis etwa 4 mal der Spalt zwischen der Membran und dem Substrat, d. h. etwa 2h bis etwa 4h und nicht mehr als etwa ein Drittel von d, dem Lochabstand, liegen. Folglich kann für das vorangehende Beispiel ein geeigneter Lochdurchmesser im Bereich von etwa 2 Mikrometer bis etwa 4 Mikrometer liegen.
Der Ausdruck [1] stellt den Lochabstand für eine maximale Membrandämpfung bereit. In Abhängigkeit von den Spezifikationen einer gegebenen Anwendung könnte eine maximal gedämpfte Membran jedoch nicht eine optimal gedämpfte Membran sein. Es ist beispielsweise möglich, dass ein berechneter Lochabstand und eine berechnete Lochgröße zu einer übergedämpften Membran 15 führen können. Die Dämpfung wird bei einem Gütefaktor Q im Bereich von etwa 0,7 bis 0,8 optimiert, welcher ermöglicht, dass der Modulator die höchsten Bitraten erreicht. Der Gütefaktor, der in Fachleuten bekannten Weisen berechnet werden kann, ist zur Dämpfung der Membran umgekehrt proportional. Wenn die Dämpfung zunimmt, nimmt folglich Q proportional ab. Die Dämpfung kann durch Verringern der Anzahl von Löchern 14 in der Membran 15 verringert werden. Insbesondere sollten die Löcher im Verhältnis zur gewünschten Zunahme von Q verringert werden.
Aus dem Ausdruck [1] ist zu erkennen, dass die Art von Gas, das im Modulatorhohlraum verwendet wird, und sein Druck sich auch auf die Membrandämpfung auswirken. Im Allgemeinen sehen schwerere Gase mehr Dämpfung vor als leichtere Gase, z. B. sieht Xenon mehr Dämpfung vor als Helium. Folglich kann die Dämpfung durch Einstellen des Gasdrucks oder Ändern der Art des im Modulatorhohlraums verwendeten Gases eingestellt werden.
Die Resonanzfrequenz f einer kreisförmigen Membran kann durch den folgenden Ausdruck bestimmt werden: f = 0,766/D(S/ρ)^1/2, wobei S die Spannung in der Membran ist, ρ die mittlere Dichte der Membran ist und D der Durchmesser der Membran und daher der Durchmesser des Modulatorhohlraums, wie z. B. des Modulatorhohlraums 21, ist. Beim Berechnen der Spannung S und der Dichte ρ der Membran sollte die Anwesenheit der leitenden Schicht 30 und irgendwelcher anderen Schichten berücksichtigt werden. Bei optimaler Dämpfung ist die Modulatorbitrate etwa zweimal die Resonanzfrequenz der Membran 15.
Der obige Ausdruck kann verwendet werden, um die Membran 15 oder den Modulatorhohlraum 21 für einen Modulator, der mit einer gegebenen Bitrate arbeitet, zu bemessen, indem einfach ein Membranmaterial ausgewählt wird, die Dichte und Spannung der Membran berechnet werden und dann nach D aufgelöst wird. Der Durchmesser einer erfindungsgemäßen Membran ist beispielsweise nachstehend als Funktion der Membran-Resonanzfrequenz auf der Basis einer Siliciumnitrid-Membran mit einer Spannung S von 600 Megapascal (MPa) und einer Dichte ρ von 3,1 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) gegeben.
Der Durchmesser des optischen Fensters 16 kann geeigneterweise in der Größe im Bereich von etwa 10 bis 150 Mikrometer liegen, was mit der Größe der Membran 15 konsistent ist. Vorzugsweise ist das optische Fenster 16 so bemessen, dass die optische Kommunikation mit einer optischen Faser, die das optische Signal zum Modulator liefert und das optische Signal von diesem empfängt, erleichtert wird. Vorzugsweise ist der maximale Durchmesser des optischen Fensters 16 etwa 35 Prozent des Membrandurchmessers. Für das obige Beispiel könnte somit ein Modulator mit 3 MHz (6 MBit/s) mit einem optischen Fenster mit einem Durchmesser von 40 Mikrometer hergestellt werden. Wenn Siliciumnitrid mit höherer Spannung als im obigen Beispiel verwendet wird, könnte ein noch größeres optisches Fenster untergebracht werden, was die Ausrichtung auf eine optische Faser weiter vereinfacht.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ausbilden des hierin beschriebenen Modulators wird nachstehend beschrieben. Das Verfahren umfasst (1) das Ausbilden eines Mittels zum Erzeugen eines Spalts zwischen dem Substrat und der Membran, (2) das Ausbilden einer Membran, (3) das Ausbilden eines seitlichen Kanals zum Unterstützen der Entfernung des Mittels zum Erzeugen des Spalts und schließlich (4) das Entfernen des Mittels zum Erzeugen des Spalts. Obwohl die Schritte (3) und (4) größtenteils nacheinander stattfinden, können die beiden Schritte durch den einzelnen Schritt des Lieferns eines Ätzmittels zum entstehenden Modulator durchgeführt werden. Weitere Details von Ausführungsformen des Verfahrens werden nachstehend beschrieben.
Es wird für die Zwecke der folgenden Beschreibung angenommen, dass das Substrat 10, das in Form eines Wafers vorliegen kann, Silicium ist. Es wird angenommen, dass das Substrat 10 geeignet vorbereitet, d. h. wie geeignet mit Phosphor oder Bor dotiert und gereinigt ist. In einer Ausführungsform wird eine einen Hohlraum definierende Materialschicht 12a auf dem Substrat 10 abgeschieden, wie in 4 gezeigt. Es wird für die Zwecke der folgenden Beschreibung angenommen, dass die Schicht 12a Siliciumnitrid ist. Für Fachleute ist zu erkennen, dass in dem Umfang, in dem ein anderes Material für die Schicht 12a verwendet wird, die folgenden Prozeduren eine Modifikation erfordern können, wie beispielsweise die Verwendung eines anderen Ätzmittels. Solche Modifikationen liegen innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten.
Vorzugsweise wird die Schicht 12a aus Siliciumnitrid unter Verwendung von chemischer Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) abgeschieden. LPCVD ist Fachleuten gut bekannt. Das Siliciumnitrid wird bei Temperaturen im Bereich von etwa 800 ° bis 840 ° Celsius (C) abgeschieden. Das so abgeschiedene Siliciumnitrid weist eine Zugspannung von etwa 1000 MPa auf. Die Schicht 12a wird typischerweise mit einer Dicke von etwa 1000 bis 1500 Angström (Å) abgeschieden. Nach der Abscheidung wird die Schicht 12a zur Form des optischen Hohlraums wie z. B. des optischen Hohlraums 21 strukturiert.
Standard-Photolithographieverfahren können verwendet werden, um die Schicht 12a zu strukturieren, die in 5-8 dargestellt sind. Wie in 5 gezeigt, wird eine Schicht 35 eines selektiv erodierbaren Materials wie beispielsweise Photoresist oder photodefinierbares Polyimid auf der Schicht 12a abgeschieden. Das Belichten der Schicht 35 mit geeigneter Strahlung, typischerweise Ultraviolettlicht, bewirkt eine Änderung der Löslichkeit des belichteten Bereichs der Schicht. Das Belichten kann die Löslichkeit in Abhängigkeit von der Art des erodierbaren Materials erhöhen oder verringern. Nach der Belichtung wird das erodierbare Material "entwickelt", wobei es mit einem Lösungsmittel behandelt wird, das das erodierbare Material mit höherer Löslichkeit entfernt. Eine geeignet strukturierte Maske, wie z. B. die in 6 gezeigte Maske 37, wird verwendet, so dass Bereiche der Schicht 35 selektiv belichtet werden können. Eine solche selektive Belichtung ermöglicht, dass die Struktur der Maske in darunter liegenden Schichten reproduziert wird, wobei gewünschte Strukturen in diesen Schichten ausgebildet werden. Die Maske 37 weist beispielsweise einen kreisförmigen Bereich 38, der für eine solche Strahlung entweder durchlässig oder undurchlässig ist, und einen Bereich 39, der die entgegengesetzte Eigenschaft aufweist, in Abhängigkeit von der Art des erodierbaren Materials auf. Wenn die Schicht 35 selektiv durch die Maske 37 hindurch bestrahlt wird, ergibt sich ein kreisförmiger Bereich der Schicht 35 mit höherer Löslichkeit als der Umgebungsbereich. Das Lösungsmittel wird dann aufgebracht, um das Material mit höherer Löslichkeit zu entfernen, und ein kreisförmiger Bereich, der sich durch die Schicht 35 erstreckt und an der Schicht 12a stoppt, ergibt sich. Die strukturierte Schicht 35 kann nun als Schablone zum Strukturieren der Schicht 12a dienen.
Die Schicht 12a wird unter Verwendung eines geeigneten Ätzverfahrens geätzt. Wenn die Schicht 12a beispielsweise Siliciumnitrid ist, kann sie unter Verwendung von trockenem Ätzen wie z. B. Plasmaionenätzen oder reaktivem Ionenätzen unter Verwendung einer Fluorchemie, wie beispielsweise CF₄, CHF₃ oder SF₆, geätzt werden. Andere geeignete Ätzverfahren, die Fachleuten bekannt sind, können alternativ verwendet werden. Der entstehende Modulator ist nach dem Ätzen der Schicht 12a in 7 gezeigt. Das Ätzen der Schicht 12a definiert den Modulatorhohlraum 21. Der Deutlichkeit halber wird vor dem Strukturieren den den Modulator bildenden Schichten die Bezeichnung "a" sowie ein Zahlenidentifikator gegeben, z. B. die Schicht 12a. Nach dem Strukturieren wird die Bezeichnung "a" fallen gelassen, z. B. die Schicht 12.
Das verbleibende erodierbare Material 35 wird von der strukturierten Schicht 12 unter Verwendung von Lösungsmitteln oder eines Gemisches von Schwefelsäure und Peroxid ("Piranha") oder Plasmaasche abgelöst. 8 ist eine Darstellung des entstehenden Modulators, wobei das erodierbare Material 35 von der den Hohlraum definierenden Schicht 12 entfernt ist. Der Bequemlichkeit halber werden die vorstehend erwähnten Schritte des Abscheidens eines erodierbaren Materials, des Strukturierens, Entwickelns, Ätzens und Ablösens hierin gemeinsam als "Strukturieren" bezeichnet.
Das Siliciumsubstrat und die den Hohlraum definierende Schicht 12 werden dann unter Verwendung von entweder Dampf, nassen oder trockenen Verfahren, die Fachleuten bekannt sind, thermisch oxidiert. Vorzugsweise wird Dampfoxidation verwendet. Die Oxidationstemperatur liegt vorzugsweise innerhalb des Bereichs von etwa 950° bis etwa 1150 °C. Die seitliche Ausdehnung der Oxidation ist durch die Öffnung in der Schicht 12 definiert, die ferner den Modulatorhohlraum 21 definiert. Die vertikale Ausdehnung der Oxidation ist eine Funktion der Menge an Zeit, die das Silicium der Oxidationsumgebung ausgesetzt wird. Das vorstehend erwähnte Verfahren zum Oxidieren eines selektiven Abschnitts von Silicium wird als lokale Oxidation von Silicium (LOCOS) bezeichnet. LOCOS ist für Fachleute gut verständlich.
Eine Volumenausdehnung tritt auf, wenn sich der Sauerstoff mit Silicium kombiniert. Folglich wächst ungefähr eine Hälfte des LOCOS-Oxids 40 über der ursprünglichen Siliciumoberfläche, wie in 9a gezeigt. Ferner geht die Oxidation etwas über den Modulatorhohlraum 21 hinaus vor sich, was zur charakteristischen "Vogelschnabel"-Form an jedem Ende des LOCOS-Oxids 40 führt. Wie in 9a gezeigt, hebt das LOCOS-Oxid einen kleinen Abschnitt der den Hohlraum definierenden Schicht 12 an. Eine Schicht 11 aus Oxid, die in 9b gezeigt ist und als "Kontaktstellenoxid" bezeichnet wird, kann für den Spannungsabbau verwendet werden, da sich das LOCOS-Oxid 40 selbst seitlich unter die den Hohlraum definierende Schicht 12 drängt. Es wird angenommen, dass das Kontaktstellenoxid 11 unter die Schicht 12 fließt, wenn das LOCOS-Oxid 40 eindringt. Wenn das Kontaktstellenoxid 11 vorhanden ist, wird es vor dem Abscheiden der Schicht 12a abgeschieden oder gezüchtet. Die Dicke des LOCOS-Oxids 40 ist der hauptsächliche entscheidende Faktor für die Größe des Spalts 20, wenn sich die Membran 15 im nicht vorgespannten Zustand befindet. Folglich wird eine den Spalt bestimmende Schicht oder ein Mittel zum Erzeugen eines Spalts zwischen dem Substrat und der Membran ausgebildet.
Nachdem das LOCOS-Oxid 40 auf die geeignete Dicke gewachsen ist, wird eine schnell ätzbare Schicht 42a abgeschieden. Die Schicht 42a wird aus einem Material ausgebildet, das sich im Vergleich zum LOCOS-Oxid 40 sehr schnell ätzen lässt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Material ein Glas, das sich in Fluorwasserstoffsäure (HF) oder gepufferter HF (BHF) oder verdünnter HF oder verdünnter BHF sehr schnell ätzen lässt. Geeignete Gläser umfassen Phosphorsilikat-Glas (PSG), Borphosphorsilikat-Glas (BPSG), Phosphortetraorthosilikat (PTEOS) oder Borphosphortetraorthosilikat (BPTEOS). Siliciumnitrid oder Siliciumoxid von plasmagestützter chemischer Gasphasenabschneidung und aufgeschleudertes Glas können auch geeigneterweise als schnell ätzbare Schicht verwendet werden. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform, die später in dieser Patentbeschreibung genauer erörtert wird, kann die schnell ätzbare Schicht amorphes Silicium oder polykristallines Silicium sein. Ungeachtet des gewählten Materials wird die Schicht 42a vorzugsweise als glatte Schicht mit einer gleichmäßigen Dicke abgeschieden.
Wenn die Schicht 42a ein Glas ist, wird sie vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen unter Verwendung von LPCVD abgeschieden. Die Abscheidungstemperatur ist vorzugsweise etwa 450 °C. Die Schicht 42a wird vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von etwa 500 bis etwa 5000 Å abgeschieden. Dann kann sie beispielsweise bei 900 °C für 1 h in Stickstoff ausgeheilt werden, um ihre Dichte und ihre Ätzeigenschaften zu steuern. Nach der Abscheidung wird die Schicht 42a unter Verwendung der vorher beschriebenen Standard-Photolithographieschritte strukturiert.
Wie in 11 gezeigt, ist die strukturierte schnell ätzbare Schicht 42 vorzugsweise geringfügig größer als die nach oben gewandte Kante 13 der den Hohlraum definierenden Schicht 12. Alternativ kann die strukturierte schnell ätzbare Schicht 42 geringfügig kleiner sein als die Kante 13, so dass die obere Oberfläche des LOCOS-Oxids 40 nicht vollständig bedeckt ist. Das Abscheiden der schnell ätzbaren Schicht 42a erleichtert das Ausbilden eines seitlichen Kanals 43 zum Verteilen der Ätzlösung über die Oberfläche des darunter liegenden LOCOS-Oxids, wie nachstehend genauer beschrieben. Ein solches Merkmal ist besonders vorteilhaft.
Eine eine Membran bildende Schicht 15a wird als nächstes abgeschieden, wie in 12 gezeigt. Vorzugsweise ist die die Membran bildende Schicht 15a Siliciumnitrid, das unter Verwendung von LPCVD abgeschieden wird. Die die Membran bildende Schicht 15a wird mit der Dicke abgeschieden, die für die Membran 15 erforderlich ist. Wie vorher angegeben, kann die Membrandicke gemäß den Lehren der vorstehend erwähnten Patentbeschreibungen oder gemäß anderen Bezugsquellen, wie für das ausgewählte Betriebsprinzip des Modulators geeignet, bestimmt werden. Ferner werden der Brechungsindex und die Spannung der die Membran bildenden Schicht 15a gesteuert. Es liegt innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten, die vorstehend erwähnten Parameter geeignet zu steuern.
Die die Membran bildende Schicht 15a wird vorzugsweise zur Membran 15 unter Verwendung von Standard-Photolithographieprozeduren strukturiert. Die Vielzahl von Löchern 14, die in 13 und 14 gezeigt sind, werden in der Membran 15 während des vorstehend erwähnten Schritts strukturiert. Es ist zu beachten, dass die die Membran bildende Schicht 15a "im Verwendungsgebiet", d. h. jenseits des Modulatorhohlraums 21, nicht entfernt werden muss. Eine Schicht 30a aus einem leitenden Material, die in 15 gezeigt ist, wird, falls erforderlich, auf der strukturierten Membran 15 abgeschieden. Die Schicht 30a wird dann strukturiert. Alternativ kann die Schicht 30a vor dem Strukturieren der darunter liegenden die Membran bildenden Schicht 15a abgeschieden werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Schicht 30a nach dem Lösungsätzschritt, der nachstehend beschrieben wird, abgeschieden und strukturiert werden.
Wie in 16 gezeigt, ist das leitende Material vorzugsweise kleiner als die Membran 15, so dass Abschnitte der Membran 15 benachbart zu den Löchern 14 nicht mit der leitenden Schicht 30 bedeckt sind. Wenn das leitende Material optisch undurchlässig ist, sollte es nicht innerhalb des optischen Fensters der Membran 15 abgeschieden werden. Fachleute werden erkennen, dass die Schicht 30 direkt unter Verwendung des "Abhebe"-Verfahrens strukturiert werden kann.
Die leitende Schicht 30 erstreckt sich vorzugsweise über die Membran 15 hinaus in einen Bereich 23, wie in 17 dargestellt. Die gesteuerte Spannungsquelle 29 wird vorzugsweise mit der leitenden Schicht 30 im Bereich 23 elektrisch verbunden. Es ist zu erkennen, dass der Bereich 23 zu einer beliebigen geeigneten Form strukturiert werden kann. Ein Kontakt 31 zum elektrischen Verbinden des Substrats 10 mit der gesteuerten Spannungsquelle 29 kann während der Abscheidung und Strukturierung der leitenden Schicht 30 auf dem Substrat abgeschieden und strukturiert werden.
Um den Spalt 20 auszubilden, müssen die schnell ätzbare Schicht 42 und das LOCOS-Oxid 40, die unter der Membran 15 liegen, entfernt werden. Dieser Schritt wird als "Lösungs"-Ätzen bezeichnet, da die Membran 15 gelöst wird, d. h. sich frei bewegen kann, nachdem die darunter liegenden Schichten entfernt sind. Wenn die schnell ätzbare Schicht 42 aus einem der bevorzugten Gläser ausgebildet wird, dann ist das Ätzmittel vorzugsweise HF, BHF oder verdünnte Versionen von HF und BHF. Diese bevorzugten Ätzvehikel können andere Strukturen des Modulators wie z. B. die leitende Schicht 30 und die Membran 15 in Abhängigkeit von den gewählten Materialien und der Menge an Zeit, die im Ätzbad verbracht wird, angreifen. Eine Schutzschicht aus Photoresist wird vorzugsweise auf der leitenden Schicht 30 abgeschieden, Photoresist hebt sich jedoch vom darunter liegenden Material in HF oder sogar in BHF während längerer Ätzzeiten ab. Wie vorher angegeben, kann die Verschlechterung der leitenden Schicht 30 durch Abscheiden und Strukturieren der leitenden Schicht 30 nach dem Lösungsätzen vermieden werden.
Es ist zu erkennen, dass ein Ätzmittel nicht zu den Schichten, die unter der Membran 15 des vorliegenden Modulators liegen, in derselben Weise wie für Modulatoren mit durch Stützarme abgestützten Membranen geliefert werden kann. Insbesondere besteht gewöhnlich eine ausreichende Menge eines offenen Bereichs zwischen den Stützarmen von typischen Modulatoren, so dass Ätzmittel zu unter der Membran liegenden Schichten geliefert werden können. Im vorliegenden Modulator bedeckt jedoch die Membran 15 den optischen Hohlraum vollständig. Folglich muss das Ätzmittel zu den unter der Membran liegenden Schichten in einer anderen Weise geliefert werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Ätzmittel zu den darunter liegenden Schichten über die Löcher 14 in der Membran 15 geliefert. Andere Verfahren oder Mittel zum Liefern des Ätzmittels wie z. B. Löcher durch andere Schichten hindurch, in Abhängigkeit von der Modulatorkonfiguration können geeigneterweise verwendet werden.
18a ist eine Darstellung eines Modulators, der ohne die schnell ätzbare Schicht 42 ausgebildet ist. Das Ätzen muss in einer im Wesentlichen seitlichen Richtung vor sich gehen, um das LOCOS-Oxid 40 von unter dem Abschnitt des optischen Fensters der Membran zu entfernen, da keine Löcher im optischen Fenster vorhanden sind. Wie vorher angegeben, kann das optische Fenster im Durchmesser nicht kleiner als etwa 150 Mikrometer sein, so dass der Modulator für die Zeit, die es dauert, um die Hälfte dieses Durchmessers zu ätzen, im Ätzmittel bleiben muss, da dieser Bereich um seinen ganzen Umfang geätzt wird. Durch Anordnen einer schnell ätzbaren Schicht wie z. B. der Schicht 42 unter der Membran 15 und auf dem LOCOS-Oxid 40 wird ein seitlicher Kanal 43 gebildet, wenn die schnell ätzbare Schicht 42 weggeätzt wird. Wie in 18b gezeigt, kann das Ätzmittel folglich über die Oberfläche des LOCOS-Oxids 40 strömen und somit das LOCOS-Oxid in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung ätzen. Der Spalt, der zur Dicke des LOCOS-Oxids 40 äquivalent ist, und der seitliche Kanal 43 sind typischerweise viel kleiner als der Durchmesser des Modulatorhohlraums. In einer Ausführungsform eines Modulators ist der Spalt 20 beispielsweise vorzugsweise etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge oder etwa 3300 Angström. In einer anderen ist der Spalt etwa 1,1 Mikrometer. Folglich entfernt ein vertikal vor sich gehendes Ätzen das LOCOS-Oxid 40 in beträchtlich weniger Zeit als ein seitlich vor sich gehendes Ätzen, was zu einer geringeren Beschädigung an dauerhaften Strukturen des Modulators, wie z. B. der leitenden Schicht 30 und dem ungeschützten optischen Fenster, führt. Wenn das LOCOS-Oxid 40 entfernt wird, wird der Spalt 20 ausgebildet, wie in 19 gezeigt.
Die Form der Membran 15, wenn sie über die nach oben gewandte Kante der Schicht 12 am nächsten zum Modulatorhohlraum 21 ansteigt, verleiht der Membran 15 ein "Federungsvermögen". Die Form dieses Bereichs der Membran 15 kann eingestellt werden, um der Membran mehr oder weniger eines solchen Federungsvermögens zu verleihen, indem die Verengung des LOCOS-Oxids 40 unter der Schicht 12 eingestellt wird. Die Verengung des LOCOS-Oxids 40 unter der Schicht 12 kann durch Veränderungen im LOCOS-Prozess, die Fachleuten bekannt sind, gesteuert werden.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die Ausführungsformen und Variationen, die hierin gezeigt und beschrieben sind, die Prinzipien dieser Erfindung erläutern und dass verschiedene Modifikationen der vorstehend genannten Ausführungsformen in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen. Modulatoren gemäß der vorliegenden Erfindung können beispielsweise ohne die den Hohlraum definierende Schicht 12a ausgebildet werden. Ausführungsformen von zwei solchen Modulatoren sind in 20 und 21 gezeigt. In der in 20 gezeigten Ausführungsform wird eine Mulde unter Verwendung von Fräs- oder Ätzverfahren ausgebildet, die mit einem erodierbaren Material wie z. B. Siliciumdioxid oder Aluminium gefüllt wird, eine schnell ätzbare Schicht wird auf dem erodierbaren Material abgeschieden und strukturiert und dann wird eine Membranschicht auf der schnell ätzbaren Schicht abgeschieden und strukturiert. Die darunter liegenden Schichten werden über die vorher beschriebenen Schritte entfernt. In der Ausführungsform von 21 wird eine "Insel" aus erodierbarem Material auf einem Substrat abgeschieden und strukturiert, eine schnell ätzbare Schicht wird auf dem erodierbaren Material abgeschieden und dann strukturiert und dann wird eine Membranschicht abgeschieden und strukturiert. Die darunter liegenden Schichten werden entfernt, wie vorher beschrieben.
Die vorstehend erwähnten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens erreichen eine genaue Steuerung der Größe, d. h. der Breite oder des Durchmessers, des Modulatorhohlraums. In anderen Ausführungsformen kann jedoch das vorliegende Verfahren zum Ausbilden von Modulatoren verwendet werden, bei denen eine solche genaue Steuerung über die Größe des Modulatorhohlraums nicht erwünscht ist. Die Schritte einer solchen Ausführungsform sind in 22-26 dargestellt.
Wie in 22 gezeigt, wird eine Oxidschicht 41 auf einem Substrat 10 abgeschieden oder gezüchtet. Eine schnell ätzbare Schicht 42a wird wiederum auf der Oxidschicht 41 abgeschieden oder gezüchtet. Es ist zu beachten, dass die Oxidschicht 41 in dieser Ausführungsform kein LOCOS-Oxid ist. Ferner wurde in den vorher beschriebenen Ausführungsformen die schnell ätzbare Schicht 42a als Material beschrieben, das sich im Vergleich zum LOCOS-Oxid 40 sehr schnell ätzen lässt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das die schnell ätzbare Schicht 42a bildende Material eines, das durch ein Ätzmittel angegriffen wird, das die Membran 15 oder Oxidschicht 41 nicht angreift. Geeignete Materialien umfassen ohne Begrenzung amorphes Silicium und polykristallines Silicium.
Die schnell ätzbare Schicht 42a wird nach Wunsch strukturiert, wie in 23 gezeigt. Die Form und seitliche Abmessung der strukturierten Schicht 42 nähern sich der Größe des resultierenden Modulatorhohlraums. Wie in 24 dargestellt, wird eine eine Membran bildende Schicht 15a auf der schnell ätzbaren Schicht 42 abgeschieden und strukturiert. Wiederum ist es nicht erforderlich, die die Membran bildende Schicht 15a im Verwendungsgebiet zu entfernen oder zu strukturieren. Es ist jedoch wichtig, dass Löcher 14 in der Membran strukturiert werden, wenn solche Löcher die Weise sind, in der das Ätzmittel zu den darunter liegenden Schichten geliefert wird. Falls erforderlich, wird eine Schicht 30a aus einem leitenden Material auf der Membran 15 abgeschieden und strukturiert, wie vorher beschrieben.
Der entstehende Modulator wird dann in einem Ätzmittel angeordnet, das zum Ätzen der schnell ätzbaren Schicht 42 geeignet ist, welche in der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise amorphes Silicium oder polykristallines Silicium ist. Geeignete Ätzmittel umfassen Ethylendiaminpyrocatechin oder Kaliumhydroxid oder Tetramethylhydrazin oder ein Gemisch von Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure und Wasser. In geeigneten Konzentrationen, die Fachleuten bekannt sind, greifen solche Ätzmittel die Schicht 42 an, lassen jedoch die Membran 15 und das darunter liegende Oxid 41 im Wesentlichen ungeätzt. Wenn die schnell ätzbare Schicht 42 entfernt wird, wird ein seitlicher Kanal 43 ausgebildet, wie in 25 gezeigt. Die Vorrichtung wird dann in einem zweiten Ätzmittel angeordnet, das zum Entfernen der Oxidschicht 41 geeignet ist, wie z. B. den vorher beschriebenen Ätzmitteln auf HF-Basis. Der Spalt 20 wird ausgebildet, wenn die Oxidschicht 41 entfernt wird, wie in 26 gezeigt.
In der in 7-19 beschriebenen Ausführungsform fungierte das das LOCOS-Oxid 40 umgebende Silicium als "Ätzstopp". In der vorliegenden Ausführungsform wird die Membran 15 bei Abwesenheit eines solchen Ätzstopps etwas "hinterschnitten", wenn das Ätzen isotrop in einer seitlichen Richtung unter der Membran 15 vor sich geht.
Es ist zu erkennen, dass ein Glas, wie z. B. die vorher beschriebenen, zur Verwendung als schnell ätzbare Schicht 42a in der vorliegenden Ausführungsform geeignet ist. Wenn dies der Fall ist, ist der zweite Ätzschritt zum Entfernen der Oxidschicht 41 nicht erforderlich, da das zum Entfernen des Glases verwendete Ätzmittel die Oxidschicht entfernt. Ebenso kann die in 7-19 dargestellte Ausführungsform amorphes Silicium oder polykristallines Silicium für die schnell ätzbare Schicht verwenden. Wenn dies der Fall ist, ist das zweite Ätzen zum Entfernen des LOCOS-Oxids 40 erforderlich.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen Weisen ebenso modifiziert werden, von welchen ein paar nachstehend beschrieben werden. In einer Modifikation ist das Ausbilden eines seitlichen Kanals unter Verwendung einer schnell ätzbaren Materialschicht auf die Herstellung anderer Modulatoren oder Vorrichtungen als Modulatoren, bei denen ein begrenzter Zugang zu einem Bereich besteht, der geätzt werden muss, anwendbar, insbesondere wenn andere Strukturen solcher Vorrichtungen für einen Angriff anfällig sind, während der Bereich geätzt wird. 27-30 stellen beispielsweise Schritte in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbilden einer anderen Struktur als eines Modulators dar. 27 zeigt zwei Vorrichtungsschichten 80 und 85 und eine schnell ätzbare Materialschicht, die in vier diskrete Bereiche 42 strukturiert wurde. Es ist zu erkennen, dass in Abhängigkeit von der Art der ausgebildeten Struktur mehr oder weniger Vorrichtungsschichten und mehr oder weniger Bereiche 42 aus schnell ätzbarem Material verwendet werden können. Eine weitere Schicht 90a wird auf den Bereichen 42 abgeschieden oder gezüchtet, wie in 28 dargestellt. 29 zeigt die Schicht 90a in die Schicht 90 strukturiert. Eine solche Strukturierung umfasst als Minimum die Ausbildung von Löchern 95, wenn die Löcher das Mittel zum Liefern eines Ätzmittels zum Entfernen der Bereiche 42 sind. 29 stellt ferner dar, dass seitliche Kanäle 43 durch Wegätzen der Bereiche 42 ausgebildet wurden. In 30 wird ein Abschnitt der Vorrichtungsschicht 85 unter jedem seitlichen Kanal 43 durch Liefern eines Ätzmittels zu den seitlichen Kanälen 43 entfernt. Folglich wird eine Reihe von Spalten 100 in der Struktur ausgebildet. Wie vorher beschrieben, kann die Schicht 85 unter Verwendung desselben Ätzmittels, das zum Ätzen der Bereiche 42 verwendet wurde, in Abhängigkeit von dem für die schnell ätzbare Schicht verwendeten Material geätzt werden.
In anderen Modifikationen können andere Materialien als die hierin beschriebenen zur Herstellung des Modulators verwendet werden.

Claims

Monolithischer mikromechanischer Modulator zum Modulieren eines optischen Signals (2), der umfasst: ein Substrat (10); eine Membran (15), die kreisförmig ist und so angeordnet ist, dass sie ein optisches Signal empfängt; wobei die Membran in einer beabstandeten Beziehung über einem ersten Bereich des Substrats unterstützt ist, wobei der Zwischenraum zwischen der Membran und dem ersten Bereich des Substrats einen Spalt (20) definiert; wobei der erste Bereich einen einen Modulatorhohlraum (21) definierenden Umfang besitzt; wobei das Substrat und die Membran monolithisch integriert sind; dadurch gekennzeichnet, dass: die Membran (15) mit dem gesamten Umfang des Modulatorhohlraums (21) überlappt; und die Membran mehrere Löcher (14) besitzt, die physikalisch so beschaffen sind, dass sie Schwingungen der Membran dämpfen.
Modulator nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (10) durch einen ersten Brechungsindex gekennzeichnet ist und bei dem die Membran (15) wenigstens eine erste Lage aus einem Werkstoff besitzt, der durch einen zweiten Brechungsindex gekennzeichnet ist, und bei dem ferner der zweite Brechungsindex angenähert gleich der Quadratwurzel des ersten Brechungsindex ist.
Modulator nach Anspruch 1, bei dem die Löcher (14) voneinander beabstandet sind und einen Durchmesser besitzen, derart, dass der Gütefaktor des Modulators in einem Bereich von etwa 0,7 bis 0,8 liegt.
Modulator nach Anspruch 3, bei dem der Modulatorhohlraum mit Gas gefüllt ist und die Löcher voneinander gemäß dem Ausdruck d = 2[(Ph²)/(12πμ_efff)]^0,5 beabstandet sind, wobei P der Druck des Gases ist, h die Größe des Spalts zwischen der Membran und dem Substrat ist, f die Eigenresonanzfrequenz des mikromechanischen Modulators ist und μ_eff die effektive Gasviskosität ist, wobei die effektive Gasviskosität gegeben ist durch μ_eff = μ/{1 + [6(2 – σ)λ/σh]}, wobei λ der Anpassungskoeffizient ist und λ die mittlere freie Weglänge des Gases ist.
Modulator nach Anspruch 1, bei dem die Löcher (14) einen Durchmesser besitzen, der etwa im Bereich von der zweifachen bis zur vierfachen Größe des Spalts (20) zwischen der Membran (15) und dem Substrat (10) liegt, und bei dem ferner der Durchmesser der Löcher (14) ein Maximum etwa eines Drittels des Abstandes zwischen Löchern ist.
Modulator nach Anspruch 1, bei dem die Löcher (14) einen Durchmesser im Bereich von etwa 2 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer besitzen und von dem nächsten Loch um etwa 10 bis etwa 30 Mikrometer beabstandet sind.
Modulator nach Anspruch 1, bei dem sich die mehreren Löcher (14) außerhalb des Umfangs eines mittig befindlichen Bereichs (16) der Membran befinden, wobei der Bereich ein optisches Fenster für die Aufnahme des optischen Signals (2) definiert.
Modulator nach Anspruch 7, bei dem der Durchmesser des optischen Fensters im Bereich von etwa 25 bis etwa 60 Mikrometer liegt.
Modulator nach Anspruch 1, der ferner eine leitende Schicht (30) aufweist, die auf der Membran (15) angeordnet ist.
Modulator nach Anspruch 9, bei dem die leitende Schicht (30) aus einem Werkstoff gebildet ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium, Gold, Indiumzinnoxid, Chrom/Gold, Titan/Gold, amorphem Silicium, polykristallinem Silicium und Siliciden besteht.