DE69815368T2

DE69815368T2 - Hybrides chipverfahren

Info

Publication number: DE69815368T2
Application number: DE69815368T
Authority: DE
Inventors: Mark Roger BOSTOCK; Robert Jones; Frank David MOORE
Original assignee: Cambridge Consultants Ltd
Current assignee: Cambridge Consultants Ltd
Priority date: 1997-01-07
Filing date: 1998-01-07
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: WO1998030926A2; DE69815368D1; WO1998030926A3; ATE242493T1; EP1021739B1; EP1021739A2; GB9700150D0; US6360043B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Hybridschaltungen und findet besondere Anwendung auf dem Gebiet der optischen Fasern.
In den letzten Jahren war ein wesentlicher Anstieg im Gebrauch von Faseroptiken für die Datenkommunikation und die Datenverarbeitung zu verzeichnen. Die Vorteile der Faseroptik sind allgemein bekannt, parallel zu diesem Anstieg hat sich jedoch ein besonderes Problem ergeben, das die Verbindung optischer Fasern entweder untereinander oder mit anderen Komponenten wie Wellenleitern oder optoelektronischen Vorrichtungen betrifft. Um einen guten Koppel-Wirkungsgrad zwischen zwei optischen Monomodefasern oder zwischen einer Monomodefaser und einem anderen Element zu erhalten, muß die Verbindung mit einer Genauigkeit von besser einem Mikrometer und auf eine zuverlässige und stabile Art ausgeführt werden. Diese Erfordernisse führen dazu, daß die Kosten für das Herstellen von optischen Verbindungen zwischen optischen Fasern und zwischen Fasern und anderen Komponenten im Vergleich zu den tatsächlichen Kosten für die Elemente extrem hoch sind, was entsprechend zu einer spürbaren Einschränkung der Verbreitung von elektrooptischen Vorrichtungen und insbesondere bei der Herstellung von elektrooptischen integrierten Hybridschaltungen geführt hat.
Die Herstellung von integrierten Hybridschaltungen umfaßt eine Anzahl von miteinander in Beziehung stehenden Prozessen, von denen jeder Probleme hinsichtlich des Zusammenbringens von verschiedenen Arten von Vorrichtungen aufwirft. Diese Vorrichtungen umfassen optische Fasern, Laserdioden, Photodioden und Wellenleiter. Ebenfalls notwendig bei der Produktion von integrierten Hybridschaltungen ist das Vorsehen von Elektroden-Kontaktbereichen und von Wegen, auf denen die Schaltungen mit anderen elektronischen Vorrichtungen verbunden werden können.
Es gibt daher eine ganze Anzahl von Problemen, die bei der Herstellung von optoelektronischen Hybridschaltungen zu lösen sind. Neben der genauen Anordnung der verschiedenen Komponenten und insbesondere der von Faseroptiken ist es wichtig zu berücksichtigen, daß eine Verbindung zwischen einem Paar von verschiedenen Vorrichtungen, die gerade auf einem Substrat ausgebildet wurden, nicht Probleme hinsichtlich des nachfolgenden Anbringens auf oder der Verbindung mit anderen Vorrichtungen in anderen Bereichen verursacht, und daß ein nachfolgender Anbringungsschritt keinen Schaden oder Nachteil bei einem vorherigen Schritt verursacht.
In der vorliegenden Beschreibung deckt der Begriff "elektrooptische Komponente" sowohl aktive Komponenten wie Laserdioden und Photodioden als auch passive Komponenten wie Wellenleiter ab. Natürlich kann ein Wellenleiter auch mit elektrooptischen Effekten wie dem Kerr-Effekt oder dem thermooptischen Effekt in Verbindung gebracht werden.
Die GB 2 297 626 beschreibt ein Miniatur-Befestigungssubstrat mit Nuten, bei denen eine Faser dadurch in einer geätzten Nut gehalten wird, daß sich Klappen einer darüberliegenden Struktur über die Nut erstrecken.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Hybridchip gemäß dem Patentanspruch 1 geschaffen.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Miniatur-Befestigungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 7 geschaffen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun verschiedene Ausführungsformen davon beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Aufsicht auf einen Wafer;
1A schematisch eine Vergrößerung eines Bereichs auf dem Wafer der 1;
2 eine perspektivische Ansicht einen elektrooptischen Hybridchips;
3 eine Endansicht der Laserdiode in der 2; 4 eine Aufsicht auf die Laserdiode der 3;
5A einen Querschnitt durch den Wellenleiter der 2; die 5B, SC und SD zeigen, wie eine optische Faser an den Wellenleiter der 5A angekoppelt werden kann;
6 ist eine schematische Seitenansicht des Wellenleiters mit einer daran angebrachten Photodiode;
6A ist eine Aufsicht auf einen Wellenleiter mit einem Beugungsgitter;
7 ist eine Endansicht einer vergrabenen optischen Faser bei einem nicht erfindungsgemäßen Chip;
8 ist eine End-Schnittansicht einer vergrabenen optischen Faser bei einem nicht erfindungsgemäßen Chip;
9 zeigt eine Aufsicht auf eine Befestigung für eine optische Faser; die 10A und 10B zeigen die Verbindung zwischen einer optischen Faser und einer Laserdiode;
11 zeigt eine Endansicht einer erfindungsgemäß befestigten optischen Faser;
12 eine Aufsicht auf eine zusätzliche Maske, die bei dem Prozeß zur Anbringung der Faser bei der 11 verwendet wird.
Die 1 der Zeichnung zeigt einen Wafer in der Form eines kreisrunden Siliziumsubstrats. Wie allgemein bekannt, ist der Wafer deshalb kreisrund, weil ein wichtiges Verfahren zum Aufbringen von Schichten auf den Wafer das sogenannte Aufschleudern des aufzubringenden Materials umfaßt. Dieser eine Wafer ergibt die Substrate für eine große Anzahl von integrierten Hybridchips, die Fläche, die von einem einzigen potentiellen Chip belegt wird, wird mit IHC angegeben. Die 1A zeigt IHC in einem vergrößerten Maßstab. Es ist klar, daß die auf dem einen Chip in der 1A gezeigten Komponenten keine funktionierende Schaltung darstellen. Der Chip zeigt nur die wichtigsten Kom ponenten, die zur Herstellung eines funktionierenden integrierten elektrooptischen Hybridchips verwendet werden können. Die Darstellung ist nicht maßstäblich. Es ist auch klar, daß bei der Herstellung der Chips der ganze Wafer einer Anzahl von photolithographischen Operationen und Ätzvorgängen unterworfen wird, die später noch beschrieben werden, um die erforderlichen elektrischen Kontakte herzustellen und die Befestigungspositionen für Komponenten und außerdem die Ausbildung von Wellenleitern vorzusehen. Erst nach Beendigung dieser Vorgänge wird der eine Wafer zerschnitten, um die getrennten Chips der in der 2 gezeigten Art zu erzeugen. Der Punkt, an dem die auf der Oberfläche anzubringenden Komponenten auf die einzelnen Chips aufgebracht werden, kann entweder vor oder nach diesem Trennvorgang liegen. Das Einsetzen von optischen Fasern in die Chips setzt jedoch voraus, daß der Trennvorgang bereits erfolgt ist.
Die in der 1A und 2 gezeigten Chips umfassen ein Substrat 1 auf kristallinem Silizium mit einer widerstandsfähigen Abdeckschicht 2 aus Siliziumnitrid oder einem anderen geeigneten Material, etwa einem glasartigen Material.
An dem in der 1A gezeigte Chip sind zwei optische Fasern 3 und 4 angebracht. Wie im folgenden noch beschrieben, ist jede dieser Fasern auf eine etwas andere Art angebracht. Zur Vereinfachung zeigt der Chip der 2 nur die erste dieser beiden optischen Fasern, nämlich die Faser 3. Diese optische Faser 3 führt zu dem Eingangsabschnitt 5 eines Wellenleiters 6, der auf der Siliziumnitridschicht 2 angebracht ist. Ein Arm 7 des Wellenleiters führt zu dem Lichtausgang 8 einer Laserdiode 9 und der andere Arm 7' ist mit einem Kontakt 11 verbunden, durch den ein elektrisches Feld an den Arm angelegt werden kann, um den Brechungsindex des Wellenleiters zu verändern. Es ist dies nur ein Beispiel für eine der vielen Arten, in denen die Fähigkeiten des Wellenleiters durch ein Signal von einer externen Quelle verändert werden können. Die Laserdiode 9, die Photodiode 10 und der Anschluß 11 sind alle über entsprechende metallisierte Leiterbahnen mit Kontaktpunkten 12 auf der Siliziumnitridschicht 2 verbunden.
Es wird nun eine Abfolge der Schritte beschrieben, mit denen die gerade beschriebenen Hauptkomponenten auf dem Chip ausgebildet werden können. Nachdem die einzelnen Prozesse beschrieben wurden, erfolgt dann die Beschreibung des umfassenden erfindungsgemäßen Prozesses, mit dem die einzelnen elektrooptischen integrierten Hybridchips aus dem Wafer der 1 hergestellt werden können.
Eine wichtige Komponente bei der Herstellung eines elektrooptischen Hybridchips ist die Laserdiode. Es wird nun der Prozeß zur Anbringung der Laserdiode 9 beschrieben.
Die 3 ist eine Endansicht der Laserdiode, die wie bereits erwähnt bei 8 Licht emittiert. Bei der beispielhaften Ausführungsform der 2 ist dieser aktive Punkt mit dem Arm 7 des Wellenleiters 6 verbunden. Es ist jedoch genausogut möglich, daß der Ausgang der Laserdiode mit einer optischen Faser verbunden wird. Es ist wichtig, daß der Hauptkörper der Laserdiode bezüglich des Restes des Chips exakt angeordnet ist. Dies wird durch zwei Sockel 30 und 31 erreicht, die von der Siliziumnitridschicht 2 vorstehen. Diese Sockel befinden sich auf den beiden Seiten von Kontakten 32 und 33. Die 4 der Zeichnung zeigt die räumliche Beziehung (nicht maßstäblich) zwischen den Kontakten und den Sockeln. In dieser Darstellung ist der aktive Streifen der Laserdiode bei 8' gezeigt.
Die Schritte zur Anbringung der Laserdiode sind die folgenden. Zuerst wird ein Material wie Polysilizium über der Siliziumnitridschicht 2 abgeschieden. Die Schicht wird photolithographisch strukturiert und dann mit einem geeigneten Ätzmittel geätzt. Die Art des Ätzmittels hängt von der Art des Materials der Schicht ab. Der Zweck dieser Schritte ist, die beiden Sockel 30 und 31 auf jedem der Chips im Wafer 1 herzustellen. Die tatsächlich ausgeführten Schritte in der Prozedur sind die dafür üblichen Schritte. Dann werden die Kontakte 32 und 33 auf der Siliziumnitridschicht 2 abgeschieden. Schließlich wird die Laserdiode 9 durch das sogenannte Flip-Chip-Löten oder durch die Verwendung eines leitenden Klebstoffs auf den Sockeln 30, 31 angebracht und mit den Kontakten 32, 33 in Kontakt gebracht. Die Höhe der Sockel 30, 31 wird sorgfältig so gewählt, daß sich der Lichtausgang 8 in der richtigen Höhe über der Oberfläche des Substrats sowohl in Relation zu der aktiven Schicht des Wellenleiters 5 als auch, wie es später noch beschrieben wird, in Relation zu dem Kern einer optischen Faser befindet. Wie bereits erwähnt kann die Laserdiode auch direkt mit einem Wellenleiter verbunden werden oder mit einer optischen Faser verbunden werden.
Es wird nun der Prozeß beschrieben, mit dem der Wellenleiter 6 auf dem Wafer ausgebildet wird. Es ist klar, daß dieser Prozeß für jeden der vielen Chips wiederholt wird, die aus dem einzigen Wafer hergestellt werden, so daß, wenn der Wafer 100 Chips enthält, jeder Schritt dieses Prozesses gleichzeitig auf jedem der Chips ausgeführt wird.
Die 5A der Zeichnungen zeigt einen Querschnitt (nicht maßstäblich) des Wellenleiters 6. Der Wellenleiter umfaßt eine untere Elektrode 20 und eine obere Elektrode 22. Die aktive Wellenleiterschicht ist bei 23 gezeigt, sie liegt zwischen Pufferschichten 24 und 25.
Der erste Schritt bei der Herstellung des Wellenleiters ist die Abscheidung einer Aluminiumschicht auf der Siliziumnitridschicht 2. Diese Aluminiumschicht wird auf die bekannte photolithographische Art strukturiert und geätzt, um die unteren Elektroden 20 zu erzeugen. Der nächste Schritt ist das Aufschleudern der unteren Pufferschicht 24 und der mittleren aktiven Schicht 23. Die aktive Schicht 23 wird mit ultraviolettem Licht strukturiert, um den tatsächlichen Weg des Wellenleiters festzulegen, wie es in der 2 durch 7 und T gezeigt ist. Dann wird die obere Pufferschicht 25 aufgeschleudert. Der nächste Schritt bei der Herstellung des tatsächlichen Wellenleiters umfaßt das Maskieren des Substrats mit einer Chromschicht, so daß die unerwünschten Bereiche des Wellenleiteraufbaus mittels reaktivem Ionenätzen weggeätzt werden können. Dieser Prozeß macht es möglich, daß der verbleibende Wellenleiter vertikale Endflächen 26 und 27 aufweist. Die Vertikalität dieser Endflächen ist wichtig, wenn Licht mit einer Faseroptik in den Wellenleiter ein und daraus ausgekoppelt werden soll. Es ist ersichtlich, daß als Ergebnis dieses gesamten Prozesses die aktive Schicht des Wellenleiters nur wenig über der Oberseite der Siliziumnitridschicht 2 liegt.
Der Prozeß, mit dem die optischen Fasern am fertigen Chip angebracht werden, wird zwar erst später beschrieben, die 5B, 5C und 5D zeigen jedoch alternative Arten zum optischen Ankoppeln der Faseroptik 3 an die aktive Schicht 26 des Wellenleiters 6. Die Faser 3 wird in einer V-Nut 5 angeordnet. Diese Nut kann so geätzt werden, daß sie eine schräge Endfläche 5' aufweist. In einem solchen Fall stößt das Ende der Faser nicht direkt an der aktiven Schicht 26 an. Alternativ kann eine vertikale Vertiefung 5" an der vertikalen Seite des Wellenleiters 6 ionengeätzt werden. Dies erfolgt vor dem Ätzen der Nut 51. Wenn das Ätzen, wie es später noch beschrieben wird, zum Ätzen der Nut 51 erfolgt, erhält die Vertiefung 51'' die in der 5D gezeigte Gestalt.
Eine andere wichtige Koppelanordnung in einem Hybridchip ist die einer Photodiode an einen Wellenleiter.
Die 2 der Zeichnungen zeigt eine Photodiode 10, die an den Arm 7' des Wellenleiters 6 angekoppelt ist. Die 6A der Zeichnungen ist eine schematische Seitenansicht der Photodiode 10 und des Wellenleiters 6. Bekanntlich befindet sich der aktive Bereich an der Unterseite der Photodiode und wird an den Wellenleiter 6 mittels eines Beugungsgitters angekoppelt, das bei der Strukturierung der aktiven Schicht mit ultraviolettem Licht in die aktive Schicht 23 des Wellenleiters einstrukturiert wird. Die Photodiode 10 wird an den Wellenleiter entweder angeklebt oder mit einer Drahtbondung oder einer Flip-Chip-Bondung verbunden. Die unteren Kontakte 40 für die Photodiode werden an der Oberseite der oberen Pufferschicht 24 des Wellenleiters durch einen photolithographischen Strukturierungsprozeß ausgebildet. Die 6A zeigt schematisch die Beziehung zwischen dem Beugungsgitter, gezeigt bei 41, auf der aktiven Schicht des Wellenleiters und der Photodiode 10. Der aktive Bereich der Photodiode ist bei 10' gezeigt.
Wie bereits erwähnt ist es für die Endfertigung des integrierten Hybridchips wichtig, daß bestimmte Komponenten des Chips mit optischen Fasern verbunden werden können. Während die vorstehende Beschreibung das Anbringen von elektrooptischen Komponenten an der Oberfläche des Wafers 1 betraf, ist ein extrem wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung die Art, mit der auch optische Fasern exakt am Substrat angeordnet und mit den elektrooptischen Komponenten wie dem Wellenleiter und der Laserdiode verbunden werden. Es werden nun zwei Arten beschrieben, mit denen die optischen Fasern angebracht werden können. Bei der ersten, nicht erfindungsgemäßen Art wird die optische Faser effektiv im Substrat "vergraben". Das heißt, daß der Kern der Faser unter der Siliziumnitridschicht 2 liegt. Die zweite Art des Anbringens der Faser wird im folgenden als "vorstehende" Anbringung bezeichnet, in diesem Fall liegt der Kern der optischen Faser über der Siliziumnitridschicht 2, und diese Art ist erfindungsgemäß. Damit kann dann der aktive Kern der Faser direkt an die aktive Schicht des Wellenleiters 6 und an den Lichtausgang 8 der Laserdiode 9 angekoppelt werden, die wie beschrieben über der Siliziumnitridschicht 2 liegen. Da der Prozeß für die vorstehende Anbringung einer optischen Faser hinsichtlich des Prozesses zum Anbringen einer vergrabenen Faser zusätzliche Schritte beinhaltet, wird nun der erste Prozeß beschrieben.
Die 1 a der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine vergrabene Faser 4, die an eine Photodiode 50 angekoppelt ist. Die optische Faser 4 ist in einer Nut 51 angeordnet, deren mittlerer Abschnitt V-förmig ist, wie es am besten in der 7 der beiliegenden Zeichnungen zu sehen ist. An der Stelle, an der die Nut 51 den Rand des fertigen Chips erreicht,. erweitert sich die Nut 51 nach außen, um eine vergrößerte Öffnung zu schaffen, die am besten in den 9 und 10 zu sehen ist. Dieser erweiterte Öffnungsabschnitt ist sowohl tiefer als auch weiter als die mittlere V-förmige Nut 51. Die Tiefe der Nut 51 liegt im Bereich von 150 Mikrometern. In der 9 ist zu sehen, daß die Siliziumnitridschicht 2 so geätzt wurde, daß elastische Lippen entstehen, die die Faser 4 ergreifen, wenn sie über die erweiterte Öffnung der Nut in die Nut 51 eingeführt wird. Die Anordnung der Faser in der Nut ist dahingehend vollständig passiv, daß außer dem Akt des Einführens und Zuführens der Faser keine andere aktive Einstellung erforderlich ist. Die Ausbildung der Nut und der elastischen Lippen erfolgt durch die folgenden Schritte. Über die Siliziumnitridschicht 2 wird eine photolithographische Maske gelegt. Die Maske kann die in der 9 gezeigte Form haben, sie kann aber natürlich auch eine Anzahl von verschiedenen Ausgestaltungen haben. Die Maske ist erforderlich, damit für jede Nut, in der eine Faser angeordnet werden soll, ein Schlitz 52 in der Siliziumnitridschicht 2 festgelegt wird, der die äußeren Ränder der elastischen Lippen bestimmt, die die eingesetzte Faser einklemmen. Zweitens legt sie die V-Nut im Silizium fest, einschließlich der Endschräge, die die vergrößerte Öffnung ergibt. Dies wird durch die Strukturierung der Räume im Siliziumnitrid erreicht, die ein Unterätzen der Lippen durch das Silizium-Ätzmittel ermöglichen.
Das Siliziumsubstrat 1 weist eine bestimmte Kristallorientierung auf, die es ermöglicht, das Ätzen so auszuführen, daß die erforderliche Form der Nut und ihres Eingangsabschnitts sichergestellt ist. Das Ätzen kann mit Kaliumhydroxid als Naßätzmittel ausgeführt werden.
Dieses Ätzen erfolgt auf eine anisotrope Weise, wie es zum Beispiel in der US-Patentschrift Nr. 5 087 124 beschrieben ist. Das Ätzen erfolgt in der <100>-Richtung des kristallinen Siliziums mit <111>-Seitenwänden.
Aufgrund der Anisotropie der Silizumätzung sind die Ränder der fertigen V-Nut durch die Ränder des Musters in der Maske genau festgelegt. Es ergibt sich ein Kanal, dessen Tiefe durch die Maske bestimmt wird und der von der Konzentration des Ätzmittels oder der Zeit, für die die Vorrichtung geätzt wird, unabhängig ist. Die Ätzung wird durch die <111>-Kristallebene gestoppt, die über die ganze Länge der Nut 51 gleich bleibt. Die Ausrichtung der Faser 4, die in die Nut 51 eingesetzt wird, ist daher entsprechend der Konsistenz dieser Kristallebene genau. Das Ätzen der Siliziumnitridschicht 2 zur Ausbildung der Muster, die zur Erzeugung der Nut 51 unterätzt werden, kann so erfolgen, daß das Unterätzen entweder einen einzigen mittleren Schlitz in der Siliziumnitridschicht 2 hinterläßt, der durch die fortlaufenden Lippen festgelegt wird, oder daß sich eine Anzahl von etwas, was effektiv freitragende Elemente sind, senkrecht zur Faserachse erstreckt. Bei der Herstellung der Nut hinterläßt die Anisotropie der Siliziumätzung Rippen im vergrößerten Endabschnitt der Nut, da die Seiten dieser Abschnitte nicht parallel zu den Seiten der Kristallebene liegen. Diese Rippen steigen die Seitenwände des erweiterten Abschnitts unter einem Winkel hinan und bilden eine eigene Abschrägung, die die Faser in die Nut führt. Diese Rippen können durch eine kurze isotrope Ätzung zum Entfernen der Schärfe der Rippenkanten geglättet werden.
Die 10A und 10B der Zeichnungen zeigen die vergrabene Faser 4, die an die Laserdiode 50 angekoppelt ist.
Wie beschrieben ist es in vielen Situationen wie bei Verbindungen mit Wellenleitern oder Laserdioden vorteilhaft, wenn der Kern der optischen Faser über der Oberfläche der Siliziumnitridschicht 2 liegt. Dies ist die Situation hinsichtlich des Ankoppelns der Faser 3 an den Wellenleiter 6.
Um diese vorstehende Anbringung der optischen Faser 3 derart zu erreichen, daß der Kern der Faser genau zu der aktiven Schicht 26 des Wellenleiters 6 ausgerichtet ist, zeigt die 11 eine Endansicht der Faser 3 mit ihrer Anordnung in einer V-Nut 51, die der Nut 51 für die Faser 4 ähnlich ist, wobei die Faser 3 auch hier durch elastische Lippen ähnlich denen, die die Faser 4 halten, an Ort und Stelle gehalten wird. Es ist jedoch ersichtlich, daß im vorliegenden Fall die V-Nut flacher ist als für die Anordnung der vergrabenen Faser. Dieses Ergebnis wird wie folgt erreicht. Nach der Strukturierung der Siliziumnitridschicht 2 zur Freilegung der Stelle für die V-Nut und auch zur Festlegung der Bereiche, die zum Erzeugen der elastischen Lippen zu unterätzen sind, wird eine zweite Maskierungsschicht aus Siliziumoxid auf der strukturierten Siliziumnitridschicht und über dem Teil der Oberfläche des Siliziumsubstrats abgeschieden oder thermisch aufgebracht, der durch das Ätzen der Siliziumnitridschicht 2 freigelegt wurde. Diese Konfiguration ist in der 12 der Zeichnungen gezeigt. Die zweite Schicht engt die Breite der Nut ein, die anisotrop geätzt wird, und beschränkt wie erwähnt damit ihre Tiefe. Wenn das anisotrope Ätzen mit Kaliumhydroxid wie im Falle der Ausbildung der Nut für das Anbringen der Faser 4 erfolgt, werden die Lippen der V-Nut durch das Ende der Siliziumoxidmaske festgelegt. Der nächste Schritt ist das Entfernen der zweiten Maskierungsschicht, zum Beispiel durch Flußsäure, so daß die ebene Oberfläche des Siliziumsubstrats freigelegt wird, die sich auf den beiden Seiten der vorher mittels der Strukturierung der Siliziumnitridschicht 2 anisotrop geätzten Nut erstreckt. Es erfolgt dann eine zweite Ätzung mit Kaliumhydroxid, um die eingetieften Abschnitte 53 auf den beiden Seiten der mittleren V-Nut zu erzeugen, die in der 11 gezeigt sind. Die Verwendung der zweiten Maskierungsschicht hat zur Folge, daß das anfängliche Maskierungsmuster so gewählt werden kann, daß die elastischen Lippen oder Elemente jede gewünschte Länge haben. Es ist auch ersichtlich, daß der Ätzprozeß mit beträchtlicher Genauigkeit ausgeführt werden kann, so daß, nachdem die Faser in der Nut angeordnet ist, sich ihr aktiver Kern auf der gleichen Höhe befindet wie die aktive Schicht 26 des Wellenleiters oder gegebenenfalls der Lichtausgang der Laserdiode.
Die vorstehende Beschreibung betraf das Anbringen von einzelnen Komponenten zur Herstellung einer elektrooptischen Hybridschaltung der in der 2 gezeigten Art.
Dies erfolgte so, daß die einzelnen Anforderungen für jede Komponente verstanden werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch einen vollständigen Prozeß für die Herstellung des kompletten Chips, in den die Herstellung der verschiedenen individuellen Komponenten integriert ist.
Wie bereits erwähnt beginnt der komplette Prozeß mit einem kreisrunden. Siliziumwafer, der dann eventuell in die einzelnen Hybridchips zerschnitten wird. Schritt 1 des Prozesses ist die Beschichtung des ganzen Wafers mit der Schicht 2 aus Siliziumnitrid. Ein Verfahren dafür ist der bekannte Prozeß der Hochfrequenz-Plasmaabscheidung. Der nächste Schritt oder Schritt 2 im vollständigen Prozeß ist die Ausbildung der Sockel 30, 31 für die Laserdiode, wie es anhand der 3 und 4 beschrieben ist. Es wird dies durch die Abscheidung einer Polysiliziumschicht auf der Siliziumnitridschicht 2 erreicht. Die Polysiliziumschicht wird wie beschrieben strukturiert, um den Ort für die Sockel 30 und 31 für die Laserdiode festzulegen, und dann geätzt, damit diese Sockel von der Siliziumnitridschicht 2 vorstehen.
Schritt 3 im vollständigen Prozeß ist die Erzeugung eines lithographischen Maskenmusters in der Siliziumnitridschicht 2, das die V-Nuten festlegt und die zugehörigen elastischen Lippen oder Klappen, in denen die optischen Fasern angeordnet werden. Mit diesem Muster wird dann die Siliziumnitridschicht 2 geätzt, um die erforderlichen Muster in der Siliziumnitridschicht zu erzeugen, mit denen in der Folge die V-Nuten anisotrop mit Kaliumhydroxid geätzt werden können. An dieser Stelle in der Produktion des kompletten Chips wird jedoch nicht das anisotrope Ätzen der V-Nut ausgeführt, wie es mit Bezug zu den 8 bis 11 beschrieben wurde.
Schritt 4 des Prozesses ist die Abscheidung der Siliziumoxidschicht, wie es bei dem Prozeß für die V-Nut-Anbringung für die "vorstehende" Faser 3 beschrieben wurde, gefolgt von der Ausbildung eines photolithographischen Musters auf dieser Schicht und dem selektiven Entfernen der Siliziumoxidschicht zur Festlegung des engen Schlitzes für die flachere Nut für die "vorstehende" Faseranbringung.
Schritt 5 ist die Abscheidung der strukturierten Aluminiumschicht für die Kontakte 12, die in der 2 gezeigt sind, für die unteren Elektroden 20 des Wellenleiters 6, die Kontakte 32, 33 der Laserdiode 9 plus aller anderen erforderlichen Kontakte und elektrischen Wegen.
Schritt 6 ist die Herstellung des Wellenleiters 5, wie es oben mit Bezug zu den 3 und 6A der beiliegenden Zeichnungen beschrieben ist.
Schritt 7 umfaßt das Strukturieren der oberen Elektroden des Wellenleiters. Die obere Elektrode des Wellenleiters hat auch die Funktion, als Maske für die Erzeugung der vertikalen Vertiefung 51' zu dienen, die, wie beschrieben, dazu erforderlich ist, damit die optische Faser 3 an die aktive Schicht 26 des Wellenleiters anstoßen kann.
Schritt 8 umfaßt das Vorsehen einer Chrom-Passivierungsschicht auf dem Chip. Der Zweck dieser Schicht ist der Schutz des Wellenleiters 6 beim Ätzen der tiefen Vertie fung 51'', der V-Nuten 51 und der Ausnehmungen 53 bei der vorstehenden Faseranbringung.
Schritt 9 umfaßt das reaktive Ionenätzen der vertikalen Vertiefung 51''. Es ist klar, daß an dieser Stelle im Prozeß der Wafer nun zwei Schichten auf seiner Oberfläche aufweist, die verschiedene Bereiche der Oberfläche maskieren, wobei die eine Schicht aus Chrom ist und die andere aus Aluminium. Das reaktive Ionenätzen, in der Regel mit CF₄ + O₂, beeinflußt weder das Chrom noch das Aluminium.
Schritt 10 umfaßt das anisotrope Ätzen der V-Nuten für die optischen Fasern 3 und 4 mit einer flüssigen KOH-Ätze. Bei diesem Ätzen der V-Nuten wird das Aluminium durch das Ätzmittel entfernt, mit Ausnahme der Stellen, an denen es durch das Chrom abgedeckt ist, so daß die Siliziumnitridschicht 2 freigelegt wird und das anisotrope Ätzen möglich wird. Das Chrom und das Siliziumnitrid werden durch das KOH nicht beeinflußt. Im Falle der vorstehenden Faser 3 wird die Breite und damit die Tiefe der V-Nut durch die im Schritt 4 aufgebrachte Sliziumoxid-Maskierungsschicht festgelegt.
Schritt 11 umfaßt das Entfernen der Siliziumoxidschicht und dann das Ausführen der anisotropen Ätzung der Ausnehmungen an beiden Seiten der V-Nut für die vorstehende Faseranbringung, wieder unter Verwendung von Kaliumhydroxid.
Bei all diesen Ätzschritten 9 bis 11 ist der Wellenleiter 6 durch die Chrom-Passivierungsschicht geschützt. Nachdem die letzte Kaliumhydroxidätzungim Schritt 11 ausgeführt wurde, wird die Chrom-Passivierungsschicht entfernt.
Der Chip ist nun bereit für die Anbringung der Laser- und Photodioden auf der Waferoberfläche. Dies ist dann Schritt 12.
Der Endschritt in der Prozedur ist der Schritt 14 zum Zerschneiden des Wafers in die einzelnen Chips, Einsetzen der optischen Fasern und Befestigen der Fasern an Ort und Stelle.

Claims

Hybridchip, aufweisend: ein kristallines Substrat (1); eine Widerstandsschicht (2) auf einer Oberfläche des Substrats; eine V-Nut (51), die mit Hilfe von Öffnungen in der Widerstandsschicht anisotrop in das Substrat geätzt wurde, und eine in der V-Nut angeordnete und von klappenartigen Abschnitten der Widerstandsschicht, die sich zumindest teilweise über die V-Nut erstreckt, gehaltene optische Faser (3); dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit Ausnehmungen (53) auf beiden Seiten der V-Nut versehen ist, die mit den Wänden der V-Nut zusammenhängen, die bezüglich der Oberfläche des Substrats eingezogen, aber nicht so tief wie die Nut eingezogen sind, und die so ausgestaltet sind, daß die optische Faser auf den Seitenwänden der V-Nut ruht und der Kern der optischen Faser oberhalb der Ebene des ungeätzten Substrats verläuft.
Chip nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus kristallinem Silizium besteht.
Chip nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Widerstandsschicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid ist.
Chip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer mit der optischen Faser gekoppelten elektrooptischen Komponente.
Chip nach Anspruch 4, wobei die elektrooptische Komponente ein Wellenleiter ist, dessen Leitschicht die gleiche Höhe über der Widerstandsschicht wie der Kern der optischen Faser aufweist.
Chip nach Anspruch 4, wobei die elektrooptische Komponente eine Laserdiode ist, deren Ausgang sich auf der gleichen Höhe über der Widerstandsschicht wie der Kern der optischen Faser befindet.
Verfahren zur Herstellung einer Miniatur-Befestigungsvorrichtung für eine optische Faser, mit einem ersten Schritt zum photolithographischen Ätzen einer V-Nut in ein kristallines Substrat über einen begrenzten Schlitz in einer zweiten Maske, die über einer eine erste Maskenschicht festlegenden Widerstandsschicht ausgebildet ist, so daß die Breite und Tiefe der V-Nut von der Breite des Schlitzes festgelegt ist, und mit einem zweiten Schritt zum Entfernen der zweiten Maske und zum photolithographischen Ätzen durch ein Muster von Öffnungen in der ersten Maskenschicht um den Schlitz herum, um Ausnehmungen auf beiden Seiten der im ersten Schritt geätzten V-Nut zu erzeugen, die mit dieser zusammenhängen, wodurch die Ätzschritte klappenartige Abschnitte der Widerstandsschicht belassen, die sich mindestens teilweise über die V-Nut erstrecken und die dafür eingerichtet sind, eine angebrachte optische Faser zu halten, so daß diese auf den Seitenwänden der V-Nut aufliegt, wodurch sie, wenn sie in der V-Nut angeordnet ist, von den klappenartigen Abschnitten gehalten wird, während ihr Kern oberhalb der Ebene des ungeätzten Substrat verläuft.
Verfahren zum Herstellen mehrerer hybrider elektrooptischer Chips unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 7, wobei das Substrat in Form eines Siliziumwafers vorliegt und das Verfahren nach Anspruch 7 auf eine Vielzahl separater Gebiete des Wafers angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei jedes einer Vielzahl an Gebieten des Wafers mit mindestens einem Wellenleiter als elektrooptischer Komponente versehen wird und, nachdem der Wafer zur Festlegung der V-Nuten vor ihrem anisotropen Ätzen maskiert wird, ein Schritt zum Versehen der Wellenleiter mit einer Abdeckschicht vorgenommen wird, die die Wellenleiter während des anisotropen Ätzens der Nut schützt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei vor der Ausbildung der Wellenleiter bei jedem der Gebiete Befestigungssockel für eine Laserdiode auf der Schutzschicht mittels eines lithographischen Prozesses ausgebildet werden, der das Abdecken mittels einer Schicht über der Widerstandsschicht, das Ausbilden einer die Befestigungssockel festlegenden photolithographischen Maske, das Ätzen der Abdeckschicht durch die Maske hindurch, um die Sockel zu erzeugen, und das Entfernen der Maske beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Abdeckschicht aus Siliziumoxid ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei nach der Ausbildung der Sockel und vor der Ausbildung der Wellenleiter ein Schritt zum photolithographischen Maskieren des Wafers zur Festlegung der Befestigungsnuten für die jeweiligen optischen Fasern in jedem Gebiet des Wafers ausgeführt wird und dieses Maskieren beim Ätzen der Widerstandsschicht verwendet wird, um die Muster in der Schutzschicht festzulegen, die es erlauben, das Substrat des Wafers anisotrop zu ätzen, um die V-Nuten und Ausnehmungen zu erzeugen, in denen die optischen Fasern anzubringen sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei vor der Ausbildung der Wellenleiter ein Schritt zum Abscheiden einer Metallschicht zur Ausbildung von Elektroden für die elektrooptischen Komponenten vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Metallschicht aus Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt zum Ausbilden der Wellenleiter dem Schritt zum Festlegen der Elektroden folgt und ein Aufschleudern einer unteren Pufferschicht auf den Wafer, ein Aufschleudern der aktiven Schicht für die Wellenleiter über der unteren Pufferschicht, ein Festlegen der Wellenleiterwege in der aktiven Schicht, ein Aufschleudern einer oberen Pufferschicht über der aktiven Schicht, ein Maskieren des Wafers und ein Abätzen der unerwünschten Gebiete der oberen und der unteren Pufferschicht und der aktiven Schicht umfaßt, um die Wellenleiter zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die übrige maskierende Schicht entfernt wird, nachdem die Wellenleiter geätzt worden sind, metallische obere Elektroden auf den Wellenleitern abgeschieden werden und die Wellenleiter mittels einer Schutzschicht maskiert werden.
Verfahren nach Anspruch 16, mit einem reaktiven Ionenätzen einer Vertiefung, um eine vertikale Endfläche jedes. Wellenleiters zu bilden, um die aktive Schicht des Wellenleiters an eine optische Faser koppeln zu können, bevor das anisotrope Ätzen des Wafersubstrats zur Festlegung der V-Nuten zur Befestigung der optischen Fasern vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei eine Laserdiode an den Befestigungssockeln angebracht wird, jedwede anderen elektrooptischen Komponenten befestigt werden, der Wafer zur Erzeugung der einzelnen Chips zerschnitten wird und die optischen Fasern in die V-Nuten eingesetzt werden.