JP2001296483A

JP2001296483A - 光空洞からなる物品

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Publication number: JP2001296483A
Application number: JP2001083938A
Authority: JP
Inventors: Dennis S Greywall; スタンレイグレイウォールデニス
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-03-25
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2001-10-26
Also published as: JP2007299008A; EP1139159A2; DE60132679D1; EP1139159A3; DE60132679T2; US6356689B1; EP1139159B1

Abstract

(57)【要約】【課題】ミクロンサイズの寸法を有する、光インター
フェース効果を作るのに適した光空洞を特徴とするこ
と。【解決手段】光空洞からなる物品は、互いに間隔が置
かれて平行な２つのミラーを含み、少なくとも１つのミ
ラーは、好適に可動になっている。いくつかの実施例で
は、両ミラーは、応力が加えられていない単結晶シリコ
ンから形成される。いくつかの実施例で使用される単結
晶シリコンは、好適には絶縁物上単結晶シリコン（ＳＯ
Ｉ）ウェハから供給される。本発明による方法では、第
１のミラーが、第１のＳＯＩウェハの薄いシリコン層に
パターン化される。第１のミラーの近くの薄いシリコン
層上に、支柱が配置される。第２のＳＯＩウェハの薄い
シリコン層は、２つの間隔を置かれた薄いシリコン層間
にギャップがあるように、支柱に取り付けられる。第２
のＳＯＩウェハの薄いシリコン層は、そのウェハから厚
いシリコン層および埋設された酸化物を除去することに
より解放されて可動ミラーを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に光デバイス
に関し、特に、ミクロンサイズの寸法を有し、光インタ
ーフェース効果を作るのに適する光空洞に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】制御可
能な光インターフェース効果を作るのに適する光空洞
（以下、簡単に“光空洞”という）は、技術上知られ、
使用されている。この制御可能な光インターフェース効
果は、たとえば、光信号を変調、減衰、等価、ろ波する
ために使用されている。

【０００３】光空洞のタイプの１つは、ファブリー＝ペ
ローエタロンとして知られており、通常、あるギャップ
で分離された２つの高いおよび等しい反射率の誘電体ミ
ラーからなる。ミラーは、平行になるようにいつも整列
されており、処理されるべき光信号の波長の１／４に等
しい呼び厚さを有する。エタロンは、ミラーの間隔（す
なわち、ギャップ）とミラー特性の関数である反射率
（たとえば、制御可能な光インターフェース効果）を示
す。

【０００４】典型的に、エタロンのミラーのうちの一方
は可動になっているが、他方のミラーは可動になってい
ない。可動ミラーは、たいていの場合、可動ミラーの上
下にある電極に電圧を印加することにより移動する。可
動ミラーが、不可動ミラーの方へ押し進められると、ギ
ャップが変わる。このようにして、エタロンの反射率は
制御可能に変えられる。

【０００５】精密加工技術の出現により、ミクロンで測
定される寸法を有する光空洞を備えたデバイスが製作さ
れている。このようなミクロンサイズのデバイスの光空
洞は、通常、シリコン窒化物またはポリシリコンの層を
用いて表面精密加工技術で形成される。このような表面
精密加工技術のうちの典型的なものは、ＣＨＲＯＮＯＳ
（以前は、ノースカロライナ州のＭＥＭＳＭｉｃｒｏ
ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｅｎｔｅｒ）より提供され
るものである。

【０００６】ＣＨＲＯＮＯＳは、他の工程のなかで、３
ポリシリコン層表面精密加工工程を提供している。３ポ
リシリコン層の第１の層（ＰＯＬＹ０）は“解放不可
能”であり（すなわち、不可動のままであり）、シリコ
ンウェハ等の基板上へのアドレス電極と局部配線のパタ
ーン化のために使用される。他の２つのポリシリコン層
（ＰＯＬＹ１およびＰＯＬＹ２）は、“解放可能”であ
り（すなわち、可動にさせられており）、そこで、機械
的構造（たとえば、可動ミラー素子等）を形成するのに
使用される。

【０００７】解放は、ＰＯＬＹ１層とＰＯＬＹ０層の間
またはＰＯＬＹ１層とＰＯＬＹ２層の間に堆積された犠
牲材料、典型的には酸化物層、をエッチングで除去する
ことによって達成される。エッチングは、下にあるポリ
シリコン層の上に“浮かぶ”薄膜つまりポリシリコン層
を生じ、それらの間に空洞が形成される。浮かんだ、つ
まり“解放された”部分は、（たとえば、電圧の印加に
より）可動になっている可能性がある。適当な寸法にさ
れている場合、このような配置は、ファブリー＝ペロー
エタロンまたは他のタイプの光空洞を作るのに適してい
る。

【０００８】このような光空洞を組みこんだ製品を製造
する会社は、ＣＨＲＯＮＯＳ等の商業的なＭＥＭＳ鋳物
工場よりむしろ、自身の“社内”製作工程を使用して、
可動ミラーとして機能する浮遊構造を形成することがで
きる。このような社内工程は、典型的に、多数のポリシ
リコン層、シリコン窒化物層および犠牲層（たとえば、
酸化物）の、堆積と典型的にフォトリソグラフィ技術に
よる選択的除去とを含む。

【０００９】外部供給者から得られようと社内で作られ
ようと、上述のような光空洞およびその製作方法は、種
々の障害を経験する。これらの障害のいくつかは、下記
に説明される。

【００１０】このような障害の一番目のものは、材料選
択に関連している。詳細には、可動ミラーとして役立つ
ポリシリコンまたはシリコン窒化物層は、典型的に、
“応力が加えられる”層（シリコン窒化物に対する引張
り応力と、ポリシリコンに対する圧縮応力）である。こ
の応力は、下にある犠牲層（たとえば、シリコン二酸化
物等）上へのポリシリコンまたはシリコン窒化物の堆積
／成長の間に起こる温度循環から生じる。なぜなら、犠
牲層は、必然的に、上にあるポリシリコン層またはシリ
コン窒化物層の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する
からである。

【００１１】可動ミラー／共振空洞の機械的性質、たと
えば，その速度と切り換え電圧は、可動ミラーにおける
応力のレベルに依存しており、応力が高くなると、少な
くとも潜在的に大きな速度が生じる。不幸にして、この
ような応力は、解放された構造を“曲げたり”または
“ゆがませたり”する傾向があり、その結果、デバイス
応答が予測できなくなったり、信頼性の問題が生じたり
する。

【００１２】さらに、光空洞を形成する先行技術の“解
放”タイプ工程は、典型的に、可動層（ミラー）を形成
すべき層の下にある犠牲層を除去する、時期を合わせた
ウェットエッチングに頼っている。エッチングステップ
のタイミングの逸脱は、可動ミラーのサイズ（すなわち
直径）を変化させる。可動ミラーのサイズ、したがっ
て、特定の応答を有する空洞を反復可能に作る能力は、
精密に時期を合わせたエッチングの高い度合いに依存し
ている。

【００１３】電気的絶縁物であるシリコン窒化物から形
成された稼動ミラーを有する光空洞は、その上に配置さ
れる電極を持たなければならない。したがって、その結
果生じる構造は、２つの伝導体（すなわち、上にある電
極と下にある電極）で挟まれた絶縁物（すなわち、シリ
コン窒化物）を有する。動作時、電荷は、シリコン窒化
物層の下部表面に蓄積する傾向がある。シリコン窒化物
層を完全に放電させるのは困難なので、稼動ミラーの制
御が問題になってくる。したがって、この技術は、改善
された製作方法と、それから生じる改善された光空洞か
ら恩恵を受ける。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のいくつかの実施
例は、先行技術の欠点のいくつかのない、光インターフ
ェース効果を発生する光空洞を提供する。特に、この光
空洞と、このような空洞を形成する方法のいくつかの実
施例は、・応力が加えられる層を組み込まず、・時期を合わせたエッチングを必要とせず、・電極間に絶縁物を備えていない。

【００１５】本発明によるこの空洞と、このような空洞
を含む改善された光デバイスは、２つのミラーを含み、
そのうちの１つは好適に可動になっており、互いに間隔
が置かれ平行になっている。いくつかの実施例では、両
ミラーは、応力が加えられていない単結晶シリコンから
形成される。

【００１６】本発明のいくつかの実施例で使用される単
結晶シリコンは、好適には、絶縁物上の単結晶シリコン
（single crystal silicon-on-insulator）（以下、Ｓ
ＯＩという）ウェハから得られる。このようなウェハ
は、２つのシリコン層間に挟まれた埋設絶縁物層を含
む。層の一方は、可動および不可動ミラーを形成するの
に使用されるシリコンの“薄い”（すなわち、０．１乃
至１．５ミクロン）層である。２つの層のうちの他方の
層は、シリコンの“厚い”層（すなわち、０．５乃至
０．７ミリメートル）である。

【００１７】本発明による一実施例の方法では、不可動
ミラーは、第１のＳＯＩウェハの薄いシリコン層にパタ
ーンが描かれる。ミラー近くの薄いシリコン層の上に、
支柱が配置される。第２のＳＯＩウェハの薄いシリコン
層は、２つの間隔を置いた薄いシリコン層の間にギャッ
プがあるように、支柱に取り付けられる。

【００１８】第２のＳＯＩウェハの薄いシリコン層は、
このウェハからシリコンの厚い層と埋設された酸化物と
を除去することにより、解放されて可動ミラーを形成す
る。第１のＳＯＩウェハにパターンが描かれた可動ミラ
ー、不可動ミラー、およびそれらの間のギャップは、光
空洞を限定する。

【００１９】単結晶ＳＯＩウェハにおいて、可動ミラー
を形成する薄いシリコン層は、“ゼロ”応力になってお
り、したがって、先行技術の応力が加えられる層のゆが
み／曲がり問題が回避される。さらに、空洞または解放
を限定するために除去を要する多数の層が、“埋設”さ
れていないので、ウェットエッチングが必要とされな
い。むしろ、反応イオンエッチングが、このようなエッ
チングステップに好適に使用され、それにより、ウェッ
トエッチングの重要なタイミング問題が回避される。シ
リコンミラーは伝導性なので（ミラーは、通常、この伝
導率を改善するためにドープされる）、シリコン窒化物
ミラーで経験される電荷蓄積問題が、回避される。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例による
光空洞１００を含む物品１を示す。例示的な光空洞１０
０は、好適に可動になっているミラー４２０と、不可動
ミラー４１０と、それらのあいだで限定されるギャップ
Ｇとからなる。支柱４１６は、ＳＯＩウェハ２００Ａお
よび２００Ｂの取付ポイントとして使用され、さらに、
可動ミラー４２０と不可動ミラー４１０間でギャップＧ
を作って維持するように機能する。

【００２１】周知の理論にしたがって、ミラー４１０お
よび４２０は、好適に以下の式［１］で与えられる厚さ
ｔを有する。［１］ｔ＝ｍλ／（４ｎ）ここで、ｍは奇数の整数、λは波長（多波長信号のピー
ク、中心または平均）、ｎはミラーを構成する材料の屈
折率である。

【００２２】式［１］にしたがって、ミラー厚さｔは、
ミラーで測定された場合の光空洞１０で受信されるべき
光信号の波長の１／４の奇数倍に等しい。上述のように
“４分の１波”ミラーとすれば、光空洞１００は、ギャ
ップＧが光信号の波長の１／４の偶数倍である場合、反
射率が相対的な最小限を示すだろう。光空洞１００の理
論上の性能は、図２Ａに示される。

【００２３】光空洞１００は、ミラーが４分の１波層で
はない実施例において、光干渉効果を発生することがあ
ることが認識されるべきである。このような実施例で
は、相対反射率の最大限および最小限は、ギャップＧが
上記に指定されたサイズと異なるサイズを有する場合に
起こる。このような異なるサイズは、当業者により容易
に決定される。

【００２４】基本的なファブリー＝ペローエタロンから
逸脱する構造を有する光空洞もまた知られていること
が、当業者により認められるだろう。空洞性能の態様を
ある程度改善する目的で行われるこのような逸脱は、た
とえば等しい反射率を有していないミラーを用いた、公
称の４分の１波ミラー厚さからの逸脱と、２つのミラー
の屈折率間の関係に一定の数学的制約を賦課することと
を含む。この教示による光空洞のいくつかの実施例は、
このような逸脱を含んでいる。

【００２５】この教示によれば、２つの単結晶ＳＯＩウ
ェハ２００Ａおよび２００Ｂは、好適に、光空洞１００
を製作するのに使用される。製作の容易さとデバイス性
能に関する前述した利点は、ＳＯＩウェハを使用するこ
とから、より好適には単結晶ＳＯＩウェハを使用するこ
とから生じる。図２Ｂは、従来のＳＯＩウェハ２００を
示す。

【００２６】ＳＯＩウェハ２００は、大きなつまり“厚
い”シリコン層２０２と、その上に配置された電気絶縁
層２０４と、絶縁層２０４上に配置された“薄い”シリ
コン層２０６とを有する。

【００２７】絶縁層２０４は、典型的に、厚いシリコン
層２０２（すなわち、シリコンウェハ）上に成長させら
れた酸化物層（すなわち、シリコン二酸化物）である。
絶縁層２０４は、２つのシリコン層の間に挟まれている
ので、“埋設された”層と呼ばれることがある。絶縁層
２０４は、望ましい通りに、約０．２乃至３ミクロンの
範囲内にある厚さを有する。

【００２８】薄いシリコン層２０６は、好適には、水素
イオン注入工程により絶縁層２０４上に“成長”させら
れる。薄いシリコン層２０６は、望ましい通りに、約
０．１乃至１．５ミクロンの範囲の厚さを有する。上述
のように形成されたＳＯＩウェハは、マサチューセッツ
州のＳＯＩＴＥＣＵＳＡ社から市販されている。厚い
シリコン層２０２は、シリコンウェハの厚さとして典型
的な、通常、ウェハ直径の関数としての約５２５ミクロ
ン乃至７２５ミクロンの厚さを有する。このようなＳＯ
Ｉウェハに関するさらなる情報は、ＳＯＩＴＥＣウェブ
サイトのｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｏｉｔｅｃ．ｃｏｍ
から入手できる。

【００２９】１．５５ミクロンの典型的な光通信波長
で、シリコンミラーを用いると仮定すると、４分の１波
ミラーは、厚さｔ＝１．５５ｍ／（４×３．５）＝０．
１１ミクロン（ここで、ｍ＝１）を有する。上述したよ
うに、（精密さの高い度合いの）０．１１ミクロンの厚
さの薄いシリコン層２０６を有するＳＯＩウェハが、Ｓ
ＯＩＴＥＣＵＳＡ等の製作業者から容易に得られる。

【００３０】本発明によれば，埋設された層２０４は、
好適には、薄いシリコン層２０６と比較できる厚さ（た
とえば、典型的には、薄いシリコン層２０６の厚さの約
１．５乃至３倍）を有する。

【００３１】３．５の屈折率を有するシリコンから形成
されたミラーと、１．５５ミクロンの波長を有する光信
号とすれば、光空洞１００は、１．５５ｍ／（４×１）
＝０．３９ミクロン（ここで、ｍ＝１であり、空気がギ
ャップ内にある）の反射率の相対最大限を示すだろう。
したがって、一実施例において、支柱４１６は、可動ミ
ラー４２０がその静止（非活性）位置にある時、可動ミ
ラー４２０と不可動ミラー４１０を０．３９ミクロンだ
け分離する。

【００３２】例証を続けると、可動ミラー４２０と不可
動ミラー４１０を横切って電圧をかけることにより、ミ
ラー４２０をミラー４１０の方へ移動せしめる静電引力
が発生し、それにより、ギャップＧが減少する。この例
では、ギャップＧが減少するにつれて、光空洞１００の
反射率は、可動ミラーが、不可動ミラー４１０の方へλ
／４の間隔だけ移動した時相対最大限の方へ減少する。

【００３３】与えられた例では、可動ミラー４２０は、
λ／４の間隔だけ移動すると、好適に不可動ミラー４１
０に接触するだろう。したがって、ギャップＧは、この
接触を避けるのに適切なサイズ（たとえば、３λ／４）
にされるべきである。さらに、電気絶縁材料のわずかな
“隆起”をミラーの片方または両方に配置することによ
り、ミラーが互いに接触するのを防ぐことができる。

【００３４】図２Ｃは、可動ミラーの共振周波数を、
１．５５動作波長に対するその厚さＤと厚さｔの関数と
して示す（理論上の）プロットである。

【００３５】図３は、この教示にしたがって光空洞１０
０を形成する例示的な方法３００を示す。この方法は、
図４Ａ−４Ｈおよび５Ａ−５ｃに関して以下に説明され
る。方法３００で用いられる作業は、標準的な周知の処
理技術、たとえば、堆積および／または成長手法、パタ
ーン化およびエッチング技術、ウェハ接合技術を含む。
これらの手法および技術は周知であり、当業者は、ここ
に提供される原理にしたがって、光空洞とこのような光
空洞を用いたデバイスとを形成するために、用いられる
べき材料の関数として、このような技術を適切に線託し
て適用することができる。これらの技術は周知なので、
適切な場合にそれらの使用を述べる以外は、ここでは説
明されない。

【００３６】また、本発明方法３００のステップを示す
作業ブロックと、光空洞１００の製作の段階を示す図面
は、特定の順番で提供され、示された順番は例示であ
り、制限されるものではない。本発明の他の実施例にお
いて、図示の作業の多くは、図示のものと異なる順番に
実行可能であることが、当業者には明らかだろう。

【００３７】方法３００の作業３０２によれば、ミラー
／電極は、第１のＳＯＩウェハで限定される。作業３０
２は、それぞれ、第１のＳＯＩウェハ２００Ａの平面図
および側面図である図４Ａおよび４Ｂに示されている。
これらの図面に示されているように、電接パッド４０８
とミラー４１０は、薄いシリコン層２０６Ａの電気絶縁
領域によって薄いシリコン層の残部から限定されてい
る。この電気絶縁は、一実施例では、薄いシリコン層２
０６Ａ中に溝４１２をエッチングすることによって達成
される。エッチングは、好適には、技術上周知の反応イ
オンエッチング（ＲＩＥ）で行われるが、他のエッチン
グ手法、たとえばウェットエッチングやドライエッチン
グを適宜使用することができる。

【００３８】方法３００の作業３０４によれば、支柱４
１６が、第１のＳＯＩウェハ２００Ａ（または第２のＳ
ＯＩウェハ２００Ｂ、または第１および第２のＳＯＩウ
ェハの両方のいずれか）上に配置される。前述のよう
に、光空洞１００を限定する２つのミラー４１０および
４２０は、正確に限定されたギャップＧだけ離れてい
る。図示の実施例では、ギャップＧは、作業３０４に示
されるように、ミラー間に支柱４１６を配置することに
より形成される。

【００３９】図示の実施例では、支柱４１６は、図４Ｃ
および４Ｄに示されるように、薄いシリコン層２０６Ａ
上に材料の層４１４を成長／堆積させ、次いで、層４１
４に適当にパターンを描いてエッチングすることにより
形成される。支柱４１６の高さは、（可動ミラー４２０
がその静止状態にある時に測定されるように）ギャップ
Ｇのサイズを決定する。その結果として、層４１４は、
ギャップＧとして適当な高さまで堆積／成長する。

【００４０】層４１４は、好適には、薄いシリコン層２
０６Ａ上に成長した酸化物からなり、これらの実施例で
は、ＲＩＥは、好適には、層４１４をエッチングするの
に使用される。溝４１２は、層４１４を構成する材料が
充填されているので、層４１４のエッチングは、溝を通
り（なぜなら、シリコンは、それを停止させるために存
在していない）、次いで埋設された絶縁物層２０４Ａを
通って厚いシリコン層２０２Ａまで延長する（図４Ｄ参
照）。

【００４１】例示の方法３００のいくつかの実施例で
は、ＳＯＩウェハ２００Ａは、さらに処理されて追加の
特徴を提供し、光空洞１００になる。このさらなる処理
は、この明細書では、任意の作業３１０，３１２と図４
Ｈおよび５Ａ−５Ｃの説明に関して後で説明される。こ
のさらなる処理は、ＳＯＩウェハ２００Ａが第２のＳＯ
Ｉウェハ２２０Ｂと連結される前または後に実行するこ
とができる。他の実施例では、ウェハ２００Ａの処理
は、作業３０２および３０４の完了で終わる。

【００４２】いくつかの実施例では、例示的な方法３０
０は、第１のＳＯＩウェハ２００Ａを第２のＳＯＩウェ
ハ２００Ｂに連結する（作業３０６）ことにより継続す
る。他の実施例では、任意の処理作業が、連結作業３０
６の前に実行される。連結作業３０６の説明は、任意の
処理作業３１４の説明後まで譲られる。作業３１４で
は、第２のＳＯＩウェハ２００Ｂの薄いシリコン層２０
６Ｂに、開口部が形成される（図４Ｅおよび４Ｆ参
照）。

【００４３】十分な緩衝がない場合、可動ミラー４２０
は、（その静止位置からその作動位置までまたはその逆
に移動後）鳴動または振動する傾向がある。光空洞の光
学特性は、可動ミラーの位置の関数として変化するの
で、この鳴動は、光空洞の性能に影響を与える。

【００４４】約１ＭＨｚ以下の動作周波数では、（密閉
された）光空洞内に典型的に存在するガス（たとえば、
空気、アルゴン等）は、十分な緩衝を提供する。特に、
可動ミラー４２０が移動するにつれてガス中に発生する
二またの流れは、膜の運動エネルギーを下向きに消失さ
せる。しかしながら、約１ＭＨｚ以上の周波数では、こ
の消失メカニズムは、ガスが可動ミラーの真下から流れ
出る時間がないので、無効になる。むしろ、光空洞内の
ガスは、可動ミラー４２０が下向きに移動するにつれて
圧縮され、その結果として、ガスは、スプリングのよう
なエネルギーを蓄積する。その結果、可動ミラーが鳴動
する。

【００４５】したがって、光空洞１００が、約１ＭＨｚ
以上の周波数で動作することになる実施例に対しては、
例示の方法３００の作業３１４にしたがって、可動ミラ
ー４２０に、開口部が好適に形成される。開口部つまり
緩衝用穴４１８は、鳴動を実質的に防止するように（す
なわち、空洞内のガスが、時期を合わせて穴を通って逃
げることにより、上述の圧縮が避けられるように）十分
な緩衝の大きさを提供するのに適切な個数とサイズで用
意される。緩衝用穴４１８は、パターンが描かれ、たと
えば、ウェットエッチングまたはＲＩＥを用いてエッチ
ングされる。緩衝用穴の設計に関するさらなる詳細は、
米国特許第５，６５９，４１８号および第５，７５１，
４６９号において提供されており、これらは、参照によ
りここに含まれる。

【００４６】さらなる任意の処理作業（すなわち、ＳＯ
Ｉウェハ２００Ｂに受動整列ガイドを形成するための作
業３１６）を、作業３０６の前または後に実行して追加
の特徴を提供し、光空洞１００を生じさせることができ
る。このさらなる処理は、図４Ｈ、５Ａ−５Ｃおよび６
Ａ−６Ｃに関してこの明細書において後で説明される。

【００４７】次に、作業３０６の説明に移ると、第１の
ＳＯＩウェハ２００Ａが、第２のＳＯＩウェハ２００Ｂ
と連結される。２つのミラー４１０および４２０がギャ
ップＧだけ離れている光空洞１００を形成するために、
一方のＳＯＩウェハの薄いシリコン層が支柱４１６に取
り付けられる。図面では、支柱４１６は、第１のＳＯＩ
ウェハ２００Ａ上に形成されているものとして示されて
いる。したがって、作業３１６では、第２のＳＯＩウェ
ハ２００Ｂの薄いシリコン層２０６Ｂは、支柱４１６と
整列されて連結される。この取り付け作業は、好適に
は、標準的なウェハ接合技術によって行われる。図４Ｇ
は、ミラー４１０および４２０が平行に対向した関係に
なりかつギャップＧだけ離れるように、互いに連結され
た２つのＳＯＩウェハを示す。

【００４８】励磁の方法３００におけるこの時点まで、
ミラー４２０は、解放されなかった。本発明のいくつか
の実施例において、光空洞１００は、２つの不可動ミラ
ーを備えているが、より大きな効用が、可動ミラーを備
えた空洞によって提供される。そのため、方法３００の
いくつかの実施例では、第２のＳＯＩウェハの薄いシリ
コン層２０６ｂの部分は、作業３０８にしたがって、解
放され、それにより、可動ミラー４２０が限定される。
例示された実施例では、ミラー４２０は、２つのＳＯＩ
ウェハが連結された後まで解放されないが、他の実施例
では、ミラー４１０が、連結作業前に解放されることが
理解されるべきである。

【００４９】図４Ｈに示されるように、厚いシリコン層
２０２Ｂと埋設された絶縁物層２０４の一部が除去され
て、薄いシリコン層２０６ｂの部分が解放される。層２
０２Ｂ及び２０４Ｂは、好適には、深いＲＩＥを用いて
除去される。参照によりここに含まれる米国特許第５，
５０１，８９３号を参照されたい。

【００５０】前に示されたように、いくつかの実施例で
は、第１及び／または第２のＳＯＩは、既に説明した作
業に加えて処理作業にさらされる。このような作業は、
以下に説明されるように、その結果生じる光空洞に追加
の特徴を提供するために実行される。

【００５１】第１のＳＯＩウェハに関連して、いくつか
の実施例では、埋設された絶縁物層２０４Ａと厚いシリ
コン層２０２Ａの一部は、作業３１０において、第１の
ミラー４１０の“下”から除去される。作業３１０は、
第１のミラー４１０に至る穴または溝４２２を生じる。
このような層を除去すると、ミラー４１０したがって光
空洞１００の反射率が改善される。図２Ａに示される空
洞反射率のプロットは、このような溝の存在に基づいて
いる。ミラー４１０の下にある層の一部が除去される
と、ミラー４１０は、ミラー４１０及び４２０を横切る
電圧の印加により多少可動になることがある。この効果
は、ギャップＧのサイズを所定量変えるための電圧必要
条件を単に下げるだろう。

【００５２】さらに、いくつかの実施例では、受動整列
ガイドが、第１のＳＯＩウェハ２００Ａに形成される
（すなわち、作業３１２）か、または、第２のＳＯＩウ
ェハ２００Ｂに形成される（すなわち、作業３１６）
か、または両方のＳＯＩウェハに形成される。この受動
整列ガイドは、光ファイバを収容し、光ファイバをミラ
ーの一方と受動的に整列させるように物理的に適合され
る。１つ以上の受動整列ガイドを有する光空洞１００の
種々の実施例は、図５Ａ〜５Ｃに示される。

【００５３】図５Ａは、第２のＳＯＩウェハ２００Ｂに
ある受動整列ガイド５２６を示す。受動整列ガイド５２
４は、組み立て中に光ファイバＯＦ１が可動ミラー４２
０に接触するのを防ぐための“止め部”として機能する
縁５２６を含む。受動整列ガイド５２４は、解放工程３
０８の間に形成することができる。これを実行するため
に、２段階エッチングが好適に使用される。受動整列ガ
イド５２４を形成するために２段階エッチングを実行す
る技術は、図６Ａ−６Ｃに示される。

【００５４】図６Ａは、支柱４１６上に配置された、受
動整列ガイド５２４を含む第２のＳＯＩウェハ２００Ｂ
を示す。第１のＳＯＩウェハ２００Ａは、明快さのため
に省略されている。受動整列ガイド５２４のファイバ収
容部は、直径Ｄ２および高さＨ２を有する。縁５２６
は、直径Ｄ１および高さＨ１を有する。

【００５５】図６Ｂは、第１段階エッチングで除去され
る厚いシリコン層２０２Ｂの部分を示す。除去される部
分は、縁５２６で限定される開口部に対応する直径Ｄ１
および高さＨ１を有する。第１段階エッチングは、ＲＩ
Ｅで実行することができる。

【００５６】図６Ｃは、第２段階エッチングを示し、こ
こでは、厚いシリコン層２０２Ｂのさらなる部分と、埋
設された絶縁物層２０４Ｂの一部が除去される。次に、
エッチングは、受動整列ガイド５２４のファイバ収容部
の直径に対応する直径Ｄ２を有する領域を除去するよう
に広くされる。厚いシリコン層２０２Ｂの上縁６３０
は、受動整列ガイド５２４のファイバ収容部の高さに対
応する間隔Ｈ２だけエッチングされる。厚いシリコン層
２０２Ｂの上縁６３０の中央領域は、第１段階エッチン
グの結果として、上縁６３０の外側領域より低くなる。
上縁６３０は、第２段階エッチングにより間隔Ｈ２だけ
一様に低くなるので、縁５２６は、稼動ミラー４２０上
に直接形成される。受動整列ガイド５２４を作るための
２段階エッチングは、可動ミラー４２０を解放（形成）
することに注目されたい。厚いシリコン層２０Ｂを除去
するために、深いＲＩＥが好適に使用される。埋設され
た絶縁物層２０４Ｂを除去するために、ドライエッチン
グまたはウェットエッチングを用いることができる。

【００５７】図５Ｂは、第１のＳＯＩウェハにある受動
整列ガイド５２８を示す。受動整列ガイド５２８は、好
適にはＲＩＥを用いて形成されるが、他の技術を適宜に
使用しても良い。図５Ｂに示される実施例のように、穴
４２２が存在する場合は、穴には、好適に屈折率整合用
エポキシ樹脂が充填される。

【００５８】図５Ｃは、２つの受動整列ガイド５２４及
び５２８を備えた光空洞１００を示す。受動整列ガイド
５２４は、可動ミラー４２０を用いる光通信の際に光フ
ァイバＯＦ１を配置し、受動整列ガイド５２８は、不可
動ミラー４１０を用いる光通信の際に光ファイバＯＦ２
を配置する。

【００５９】前述したように、方法３００の種々の作業
が実行される順番は、実質的に入れ替え可能である。す
なわち、図３は、処理中（すなわち、２つのＳＯＩウェ
ハが連結される前）の特定の時間に起こる任意の作業３
１０，３１２，３１４及び３１６を示しており、これら
の作業のいくつかまたは全部は、ＳＯＩウェハが連結さ
れた後に実行することができる。そして、２つの不可動
ミラーを有する光空洞が望ましい範囲まで、可動ミラー
４２０を形成する解放作業３０８は実行されない。

【００６０】上記の教示は、光空洞を含む様々なデバイ
スを作るのに適用することができる。たとえば、この教
示による光変調器は、稼動ミラー４２０と固定ミラー４
１０を横切る制御電圧源（図示しない）を電気接続する
ことにより生じる。

【００６１】複数の光空洞を含むより複雑な構造を、方
法３００にしたがって形成することができる。このよう
な構造の一例は、図７Ａ〜７Ｉに示されるスペクトルイ
コライザ７００である。

【００６２】複数の通信チャンネルからなる光ネットワ
ークであって、各チャネルが、他のチャンネルを介して
伝達された信号とわずかに異なる波長を有する光信号を
伝達する光ネットワークを考える。多数の光信号の異な
る波長に一部起因して、各チャンネルは、信号強度が独
特の落ち込みを示すことが予想される。このような信号
強度の差のある信号がネットワークを介して伝搬するの
は望ましくないので、多数の信号間の信号強度を等価さ
せるために、スペクトルイコライザが好適に使用され
る。

【００６３】図７Ａは、スペクトルイコライザ７００の
切り欠き斜視図を示し、図７Ｂは、線１−１に沿った断
面図を示す。明快にするため、上にある（ＳＯＩウェハ
２００Ｄの）埋設された絶縁物層２０４Ｄと厚いシリコ
ン層２０２Ｄは、図７Ａに示されていない（図７Ｂには
示されている）。スペクトルイコライザ７００は、第１
の複数の可動ミラー７２０と、その一部の下に配置され
た溝７２２により多少可動になっている第２の複数のミ
ラー７１０とを含む。対向して間隔を置いたミラー７２
０と７１０の各ペアは、光空洞を限定する。このよう
に、スペクトルイコライザ７００は、間隔を置いたミラ
ーの複数ペアで限定される複数の光空洞を有する。多数
のチャンネルの光信号の波長の差は、かなり小さいの
で、このような光空洞の各々の形態（すなわち、ミラー
厚さ、ギャップ間隔等）は同一になっている。

【００６４】各ミラー７１０は、電接パッド７０８と電
気的に接続されている。各電接パッド７０８は、制御電
圧源ＣＶＳに個別的に電気接続されている（個々の接続
は図示しない）。同様に、可動ミラー７２０が限定され
る層２０６Ｄも、制御電圧源ＣＶＳに電気接続されてい
る。電圧が、１つ以上の特定の電接パッド７０８に印加
されると、対応する１つ以上の上にある稼動ミラー７２
０が、下方へ移動する。前述したように、この移動は、
ギャップＧを変化させ、したがって、特定の光空洞の反
射率を変化させる。

【００６５】各々が独特のピーク波長を有する複数の光
信号は、空洞当たり１信号が光空洞に向けられる。いず
れかの特定の信号の信号強度を減少させるために、関連
する空洞の電接パッド７０８に電圧が印加される。電圧
印加がない場合反射率が最大であると仮定すると、稼動
ミラーの静止位置から離れる移動はすべて、反射率を減
少させる。関連する可動ミラー７２０は、反射信号が望
ましい程度に減衰するまで、電圧の印加によって移動す
る。

【００６６】スペクトルイコライザは、好適にはコンピ
ュータ制御され、自動フィードバックループを含む。一
実施例では、信号強度は、光検出器ＰＤで測定され、信
号強度量は、コントローラ（プロセッサ）Ｃに送られ、
セットポイントと比較される。セットポイントと光検出
器ＰＤからのデータに差が存在する場合は、制御信号Ｃ
Ｓが制御電圧源ＣＶＳに送られ、ミラーへの電圧を、個
別を基本として適宜増減する。

【００６７】スペクトルイコライザ７００は、好適に
は、前述した仕方でかつ方法３００にしたがって２つの
単結晶ＳＯＩウェハから形成される。スペクトルイコラ
イザ７００の製作への方法３００の適用は、図７Ｃ−７
Ｉに関して以下に説明される。

【００６８】方法３００の作業３０２にしたがって、第
１のミラーが第１のＳＯＩウェハに限定される。図７Ｃ
は、第１のＳＯＩウェハ２００Ｃの平面図を示し、電接
パッド７０８を備え、薄いシリコン層２０６Ｃに限定さ
れた５個のミラー７１０を示す。溝７１２は、各ミラー
７１０／電接パッド７０８を電気的に絶縁する。図７Ｄ
は、（図７Ｃに）示された方向の線２−２による断面を
示す。図７Ｄは、薄いシリコン層２０６Ｃを貫通してエ
ッチングされた溝７１２を示す。ＳＯＩウェハ２０２Ｃ
は、前述したＳＯＩウェハと同じ構造を有し、そのた
め、薄いシリコン層２０６Ｃに加えて、埋設された絶縁
物層２０４Ｃと厚いシリコン層２０２Ｃが存在する。

【００６９】作業３０４にしたがって、支柱が、ＳＯＩ
ウェハ２００Ｃの薄いシリコン層２０６Ｃ上に配置され
る。図７Ｅは、ミラー７１０の上にあって、ミラー７１
０を取り囲んでいる支柱７１６を示す。電接パッド７０
８は、制御電圧源ＣＶＳへの電接を容易にするために支
柱７１６の“外側”配置される。図７Ｆは、（図７Ｅ
に）示された方向の線３−３に沿った支柱７１６の図を
示す。溝７２２（図７Ａ参照）は、任意の作業３１０に
したがって形成される。

【００７０】任意の作業３１４により、第２のＳＯＩウ
ェハの薄いシリコン層に開口部が形成される。図７Ｇ
は、第２のウェハ２００Ｄの平面図であり、薄いシリコ
ン層２０６Ｄに形成された開口部７１８を示す。この実
施例では、開口部７１８は、“緩衝用穴”して機能せ
ず、むしろそれらの間の複数の領域７２０を限定する。
領域７２０は、複数の可動ミラーを形成する。図７Ｈ
は、（図７Ｇに）示された方向の線４−４に沿った断面
図を示す。開口部７１８は、薄いシリコン層２０６Ｄを
貫通し、埋設された酸化物層２０４Ｄで終わっている。

【００７１】作業３０６にしたがって、２つのＳＯＩウ
ェハは、一方のウェハの薄いシリコン層を支柱に取り付
けることにより連結される。図７Ｉは、（図７Ｅに示さ
れた方向の）線５−５に沿った断面図を示し、支柱７１
６に取り付けられたＳＯＩウェハ２００Ｄの薄いシリコ
ン層２０６Ｄを示す。ミラー７２０は、ミラー７１０の
上にあり、ギャップＧだけ離れている。

【００７２】最後に、作業３０８により、第２のＳＯＩ
ウェハの薄いシリコン層が解放されて、可動ミラーを限
定する。この例では、厚いシリコン層２０２Ｄと埋設さ
れた絶縁物層２０４Ｄは、第２のＳＯＩウェハ２００Ｄ
から除去され、それにより、ミラー７２０が解放される
（図７Ｂ参照）。

【００７３】上記の例は、方法３００が、複雑な多空洞
光デバイスを作るためにどのように適用されるかの例示
を提供する。単結晶ＳＯＩウェハは、好適には、本発明
方法に関して使用される。なぜなら、他の理由の中で、
薄いシリコン層は、“ゼロ”応力層であるからである。
前述したように、応力層は、解放された膜のゆがみを引
き起こす。また、ドープされた単結晶シリコン等の伝導
材料を用いると、電極を作るために可動ミラーに金属を
付け加える必要性が回避される。さもなければ非伝導性
の可動ミラーに、金属が付け加えられた場合には、可動
ミラーの下部表面に集められる電荷の問題が生じる。さ
らに、ＳＯＩウェハの使用は、空洞等を作るために時期
を合わせたエッチングの必要性が回避される。

【００７４】しかしながら、本発明の他の実施例におい
ては、単結晶ＳＯＩウェハが使用されないことが理解さ
れるべきである。むしろ、シリコンウェハを酸化させ、
ポリシリコンの薄い層を、酸化物の上に成長させること
ができる。しかしながら、この材料は、応力が加えられ
るだろう。

【００７５】上述の実施例は、本発明の単なる例示であ
り、多くの変形が、本発明の範囲及びここに開示された
原理から逸脱することなく当業者により工夫され得るこ
とが理解されるべきである。したがって、このような変
形は、付随の請求項及びそれらの同等物の範囲内に含め
られるべきものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この教示による光空洞の一実施例を示す図であ
る。

【図２Ａ】図１の光空洞の反射率を、ミラー間のギャッ
プのサイズの関数をプロットして示す図である。

【図２Ｂ】本発明と共に使用する市販の絶縁物上のシリ
コンウェハを示す図である。

【図２Ｃ】１．５５ミクロン動作波長における図１に示
される可動ミラーの共振周波数を、可動ミラーの直径Ｄ
および厚さｔの関数を理論上プロットして示す図であ
る。

【図３】この教示にしたがって光空洞を形成する例示的
な方法のブロック線図を示す図である。

【図４Ａ】図３の例示的な方法による光空洞の製作中の
種々の段階における第１のＳＯＩウェハを示す図であ
る。

【図４Ｂ】図３の例示的な方法による光空洞の製作中の
種々の段階における第１のＳＯＩウェハを示す図であ
る。

【図４Ｃ】図３の例示的な方法による光空洞の製作中の
種々の段階における第１のＳＯＩウェハを示す図であ
る。

【図４Ｄ】図３の例示的な方法による光空洞の製作中の
種々の段階における第１のＳＯＩウェハを示す図であ
る。

【図４Ｅ】図３の例示的な方法による光空洞の製作中の
第２のＳＯＩウェハの平面図を示す図である。

【図４Ｆ】図３の例示的な方法による光空洞の製作中の
第２のＳＯＩウェハの側面図である。

【図４Ｇ】互いに接合された第１および第２のＳＯＩウ
ェハを示す図である。

【図４Ｈ】開口部が固定ミラーの真下に形成された、本
発明による光空洞の他の実施例を示す図である。

【図５Ａ】１本または２本の光ファイバが、この教示に
よる光空洞で光通信状態にある実施例を示す図である。

【図５Ｂ】１本または２本の光ファイバが、この教示に
よる光空洞で光通信状態にある実施例を示す図である。

【図５Ｃ】１本または２本の光ファイバが、この教示に
よる光空洞で光通信状態にある実施例を示す図である。

【図６Ａ】受動的整列ガイドを形成するための２段階エ
ッチングを示す図である。

【図６Ｂ】受動的整列ガイドを形成するための２段階エ
ッチングを示す図である。

【図６Ｃ】受動的整列ガイドを形成するための２段階エ
ッチングを示す図である。

【図７Ａ】この教示による例示的なスペクトルイコライ
ザを示す図である。

【図７Ｂ】この教示による例示的なスペクトルイコライ
ザを示す図である。

【図７Ｃ】この方法による図７Ａおよび７Ｂのスペクト
ルイコライザの製作中の種々の段階を示す図である。

【図７Ｄ】この方法による図７Ａおよび７Ｂのスペクト
ルイコライザの製作中の種々の段階を示す図である。

【図７Ｅ】この方法による図７Ａおよび７Ｂのスペクト
ルイコライザの製作中の種々の段階を示す図である。

【図７Ｆ】この方法による図７Ａおよび７Ｂのスペクト
ルイコライザの製作中の種々の段階を示す図である。

【図７Ｇ】この方法による図７Ａおよび７Ｂのスペクト
ルイコライザの製作中の種々の段階を示す図である。

【図７Ｈ】この方法による図７Ａおよび７Ｂのスペクト
ルイコライザの製作中の種々の段階を示す図である。

【図７Ｉ】この方法による図７Ａおよび７Ｂのスペクト
ルイコライザの製作中の種々の段階を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 ＭｏｕｎｔａｉｎＡｖｅｎｕｅ, ＭｕｒｒａｙＨｉｌｌ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者デニススタンレイグレイウォールアメリカ合衆国 08889 ニュージャーシィ，ホワイトハウスステーション，サウスライランドロード９

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光信号を受信するように動作可能な光空
洞からなる物品であって、上記光空洞は、単結晶シリコンからなる第１の可動ミラーと、単結晶シリコンからなり、上記可動ミラーから間隔が置
かれてそれと平行関係にある第２のミラーとを含む物
品。
【請求項２】請求項１記載の物品において、前記第１
の可動ミラーは、前記第１の可動ミラーにおいて測定さ
れた場合、前記光信号の波長の１／４の奇数倍の厚さを
有する物品。
【請求項３】請求項２記載の物品において、前記第２
のミラーは、前記不可動ミラーにおいて測定された場
合、前記光信号の波長の１／４の奇数倍の厚さを有する
物品。
【請求項４】請求項１記載の物品において、前記第１
の可動ミラーは、第１の絶縁物上単結晶シリコンウェハ
の一部からなる物品。
【請求項５】請求項４記載の物品において、前記第２
のミラーは、第２の絶縁物上単結晶シリコンウェハの一
部からなる物品。
【請求項６】請求項５記載の物品において、前記第１
の絶縁物上単結晶シリコンウェハは、第１の光ファイバ
を収容して受動的に整列させるガイドを有する物品。
【請求項７】請求項６記載の物品において、前記第２
の絶縁物上単結晶シリコンウェハは、第２の光ファイバ
を収容して受動的に整列させるガイドを有する物品。
【請求項８】請求項１記載の物品において、さらに、
前記第１の可動ミラー及び前記第２のミラーに電気的に
接続された制御電圧源を含む物品。
【請求項９】請求項８記載の物品において、さらに、
前記第１の可動ミラーと光通信する第１の光ファイバを
含む物品。
【請求項１０】請求項９記載の物品において、さら
に、前記第２のミラーと光通信する第２の光ファイバを
含む物品。
【請求項１１】請求項８記載の物品において、前記物
品はスペクトルイコライザであり、該スペクトルイコラ
イザは複数の光空洞からなり、各光空洞は、単結晶シリ
コンからなる第１の可動ミラーと、上記可動ミラーから
間隔が置かれてそれと平行関係にある第２のミラーとか
らなる物品。
【請求項１２】請求項１１記載の物品において、前記
第２のミラーは全て、第１の絶縁物上シリコンウェハ上
の単結晶シリコンの薄い層で限定される物品。
【請求項１３】請求項１２記載の物品において、前記
第１のミラーは全て、第２の絶縁物上シリコンウェハ上
の単結晶シリコンの薄い層で限定される物品。
【請求項１４】第１の絶縁物上シリコン（ＳＯＩ）ウ
ェハの薄いシリコン層で第１のミラーを限定し、第２のＳＯＩウェハの薄いシリコン層で第２の可動ミラ
ーを形成し、上記第１のＳＯＩウェハの上記薄いシリコン層または上
記第２のＳＯＩウェハの上記薄いシリコン層のうちの一
方に支柱を配置し、上記支柱を介して上記第１及び第２のＳＯＩウェハを連
結することにより形成される物品。
【請求項１５】請求項１４記載の物品において、前記
ＳＯＩウェハのうちの一方のＳＯＩウェハの上記薄いシ
リコン層は、前記支柱に取り付けられている物品。
【請求項１６】光空洞を有する物品を形成する方法で
あって、第１の絶縁物上シリコン（ＳＯＩ）ウェハの薄いシリコ
ン層上に第１のミラーを限定するステップと、上記第１のＳＯＩウェハまたは第２のＳＯＩウェハ上に
支柱を形成し、該支柱を上記第１または第２のＳＯＩウ
ェハのうちの少なくとも一方のＳＯＩウェハの上記薄い
シリコン層に連結することによって、薄いシリコン層を
有する第２のＳＯＩウェハを上記第１のＳＯＩウェハに
取り付けるステップとからなる方法。
【請求項１７】請求項１６記載の方法において、支柱
を形成するステップは、前記第１または第２のＳＯＩウ
ェハのうちの少なくとも一方の上に電気絶縁材料を、前
記光空洞の望ましい高さに等しい高さまで配置するステ
ップを含む方法。
【請求項１８】請求項１７記載の方法において、前記
支柱を配置するステップは、前記第１のＳＯＩウェハの
前記薄いシリコン層上に酸化物層を配置するステップか
らなる方法。
【請求項１９】請求項１８記載の方法において、前記
連結するステップは、前記第２のＳＯＩウェハを前記支
柱に接合するステップからなる方法。
【請求項２０】請求項１６記載の方法において、さら
に、前記第１のＳＯＩウェハから、埋設された絶縁物層
の一部と厚いシリコン層の一部とを除去するステップを
含む方法。
【請求項２１】請求項２０記載の方法において、前記
除去するステップは、さらに、光ファイバを収容して前
記第１のミラーと受動的に整列させるための受動整列ガ
イドを、前記第１のＳＯＩウェハに形成するステップを
含む方法。
【請求項２２】請求項２１記載の方法において、さら
に、前記光ファイバを収容するステップを含む方法。
【請求項２３】請求項１６記載の方法において、前記
第２のＳＯＩウェハの厚いシリコン層及び埋設された絶
縁物層の一部を除去することにより、前記第２のＳＯＩ
ウェハの前記薄いシリコン層を解放するステップを含む
方法。
【請求項２４】請求項２３記載の方法において、除去
するステップは、さらに、第１の光ファイバを収容して
解放された薄いシリコン層と受動的に整列させるための
受動整列ガイドを、前記第２のＳＯＩウェハに形成する
ステップを含む方法。
【請求項２５】請求項２４記載の方法において、さら
に、前記第１の光ファイバを収容するステップを含む方
法。
【請求項２６】請求項２４記載の方法において、さら
に、第２の光ファイバを収容して前記第１のミラーと受
動的に整列させるための受動整列ガイドを、前記第１の
ＳＯＩウェハに形成するステップを含む方法。
【請求項２７】請求項２６記載の方法において、さら
に、前記第１及び第２の光ファイバを収容するステップ
を含む方法。