JP2007299008A

JP2007299008A - 光空洞からなる物品

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Publication number: JP2007299008A
Application number: JP2007175866A
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; Agere Systems Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC; Nokia of America Corp
Priority date: 2000-03-25
Filing date: 2007-07-04
Publication date: 2007-11-15
Also published as: EP1139159B1; JP2001296483A; EP1139159A2; EP1139159A3; DE60132679D1; US6356689B1; DE60132679T2

Abstract

【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（ＳＯＩ）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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

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ＭＥＭＳＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｅｎｔｅｒ）より提供されるものである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＳＯＩ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。

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。

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。

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。

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。例示的な光空洞１００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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ＳＯＩ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。

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、ＳＯＩＴＥＣＵＳＡ等の製作業者から容易に得られる。

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。

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。

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。

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４１０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。

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。

図３は、この教示にしたがって光空洞１００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。

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。

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３０２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２０６Ａ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。

方法３００の作業３０４によれば、支柱４１６が、第１のＳＯＩウェハ２００Ａ（または第２のＳＯＩ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。

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４１４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。

層４１４は、好適には、薄いシリコン層２０６Ａ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）。

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４Ｈ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ＳＯＩ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。

いくつかの実施例では、例示的な方法３００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３０６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２０６Ｂに、開口部が形成される（図４Ｅおよび４Ｆ参照）。

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。

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。

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。

さらなる任意の処理作業（すなわち、ＳＯＩ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６Ａ−６Ｃに関してこの明細書において後で説明される。

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。

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。

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２０２Ｂ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。

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。

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。

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。

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５２４は、組み立て中に光ファイバＯＦ１が可動ミラー４２０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３０８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。

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。

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、ＲＩＥで実行することができる。

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。

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。

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。

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３１０，３１２，３１４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。

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４１０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。

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。

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。

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７２０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。

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７２０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。

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。

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ＣＳ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。

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−７Ｉに関して以下に説明される。

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。

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７１０を取り囲んでいる支柱７１６を示す。電接パッド７０８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。

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。

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７１６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。

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）。

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。

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。

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。

この教示による光空洞の一実施例を示す図である。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。

Claims

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、
実質的に応力のかかっていない単結晶シリコンからなる第１の可動ミラーと、
実質的に応力のかかっていない単結晶シリコンからなり、前記第1の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。