JP3784484B2

JP3784484B2 - 改善された微小機械変調器の方法及び装置

Info

Publication number: JP3784484B2
Application number: JP01820897A
Authority: JP
Inventors: シー．アーニイスザンヌ; スタンレイグレイウォールデニス; エー．ウォーカージェームス; ユアクバーナード
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2017-01-31
Also published as: DE69736792T2; DE69736792D1; US5751469A; US5808781A; EP0788005A2; EP0788005A3; JPH09236760A; EP0788005B1

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は微小機械光変調器に係る。より具体的には、本発明は円形薄膜を用いた微小機械光変調器に係る。
【０００２】
【関連出願の相互引用】
本出願は審査中の米国特許、１９９４年１月２７日出願のＳ．Ｎ．０８／１８７，６７６号、１９９４年７月２９日出願のＳ．Ｎ．０８／２８３，１０６号、１９９５年６月７日出願のＳ．Ｎ．０８／５７８，５９０号、１９９５年６月７日出願のＳ．Ｎ．０８／４７９，４７６号、１９９５年１２月２６日出願のＳ．Ｎ．０８／５７８，１２３号と関連している。これらすべては、本発明の権利者と、権利者を同じにする。
【０００３】
【発明の背景】
光波長分割多重送信回路網において、高いコントラストと広い光帯域幅をもつ安価な光変調器を有することが、望ましい。１つの可能性のある適切な光変調器は、垂直面微小機械変調器である。このデバイスは、典型的な場合、薄膜及び基板である２つの材料層により規定された可変空気間隙を有する。薄膜を動かすことにより、空気間隙を変えると、デバイスの光学特性が変る。典型的な場合、そのような変調器は、２つの異なる薄膜位置に対応する２つの状態を有する。１つの状態において、変調器に入射する光エネルギーの最小部分が、表面に垂直な方向に戻る。第２の状態において、入射光エネルギーの著しく大きな部分が、そのように向けられる。上述の変調器は典型的な場合、静電的力により、動かされる。すなわち、空気間隙が変えられる。
【０００４】
典型的な従来技術の変調器は、支持アームにより、基板上に支持された長方形の中央領域を有する均一な厚さの薄膜を用いる。たとえば、アラタニ（Ａｒａｔａｎｉ）ら、“シリコン中の同調可能な干渉アレイ用面微小機械ビームのプロセス及び設計”、プロシーディング、アイ・イー・イー・イーマイクロ、エレクトロメカニック・ワークショップ（Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥＭｉｃｒｏ．ＭｌｅｃｔｒｏＭｅｖｈ．Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）、フィート・ローダデール、フロリダ、１９９３年２月７〜１０日、２３０〜２３５頁を参照されたい。先に述べた参照文献とともに、本明細書で述べる他の文献、特許出願及び特許は、すべてここに参照文献として、含まれている。
【０００５】
先に述べた変調器の支持アームはまた、通常の形は長方形で、それらが支えている薄膜部分に比べ、比較的狭い。中央領域と支持アームの長方形から生じる鋭い角と、比較的狭い支持アームのため、非常に高い応力が、支持アーム中に集中しうる。そのような応力は、支持アームに損傷を与え、変調器を動作不能にする可能性がある。
【０００６】
従って、応力集中を最小にし、変調器の信頼性と特性を改善し、更に変調器の作製とパッケージ作製を簡単化する改善された薄膜設計の必要性がある。
【０００７】
【発明の要約】
新しい薄膜形態を用いた改善された微小機械変調器及び変調器の作製方法が、明らかにされている。一実施例において、好ましくは円形である薄膜は、空胴を形成する薄膜及び基板間に、間隙が生じるように、基板の一領域上に、形成される。薄膜は空胴上に、連続した表面を形成する。具体的には、薄膜は別々の支持アームによっては支持されず、空胴の縁を越えて延びる。従って、薄膜はドラムヘッドカバーが、ドラムの気体を被覆するのと同じように、空胴を被覆する。好ましくは、薄膜の動きを弱めるため、薄膜中に孔を形成する。また、以下に述べるように、孔は変調器作製中、用いられる。
【０００８】
本発明に従う変調器は、既知の堆積及びパターン形成技術を用いて、形成してよい。一実施例において、少くとも１つの材料層をシリコン基板上に堆積させ、パターン形成し、間隙が形成される部分に、好ましくは円形の裸の基板領域を、規定する。すなわち、変調器空胴を規定する。出来た変調器は、円形領域内の裸の基板を、熱的に酸化するのに適した条件に、露出される。酸化条件は基板内の酸化の横方向及び垂直方向の量を、精密に限定するよう、制御される。このようにして、得られる間隙の厚さ及び変調器空胴の寸法は、精密に規定される。
【０００９】
急速にエッチング可能な材料層を、酸化されたシリコン上に堆積させる。そのような材料は、下の酸化物よりはるかに速く、エッチングできる。急速にエッチング可能な層は、薄膜に選択された形にパターン形成され、次に薄膜形成の材料層を堆積させ、好ましくは円形にパターン形成する。
【００１０】
この薄膜形成中、薄膜を完全に貫いて延びる小さな孔が形成される。上述のように、そのような孔は薄膜の振動を弱める動きをし、間隙を形成する次の工程で除去しなければならない急速にエッチング可能な層及び酸化されたシリコンのような下の層への通路にもなる。光学窓を形成する薄膜の中心付近の領域には、孔は置かない。もし薄膜が非導電性なら、導電性材料の層を薄膜上に堆積させ、光学窓は被覆しないままにする。
【００１１】
薄膜中の孔を通して、エッチングを行う。エッチングにより、最初急速にエッチングされる層が、とり除かれる。一度除かれると、酸化物層と薄膜の間に、横方向の導管が存在し、それによって酸化物層の全表面上に、エッチング液が流れるようになる。酸化物の表面上に流れた後、エッチングは酸化物を貫いて、本質的に垂直方向に進む。この目的のために横方向の導管を作ることは、特に有利である。もし、導管が形成されないように、急速にエッチングできる層が存在しないなら、エッチングは光学窓のように孔がない薄膜の領域下で、ある程度横方向に進むであろう。酸化された基板は直径すなわち変調器空胴の寸法は３５０ミクロンの大きさで、かつ典型的な場合、厚さが１ミクロンかそれ以下であるから、垂直方向のエッチングは横方向のエッチングより、はるかに急速に完了する。下の酸化物がエッチングされている間、薄膜形状は浸食されやすいから、そのような急速なエッチングは望ましい。酸化物層を除去すると、間隙が生じ、従って変調器が形成される。
【００１２】
【好ましい実施例の詳細な記述】
図１及び２は本発明に従う微小機械変調器１の好ましい実施例を示す。図１に示されるように、デバイスは基板１０及び薄膜１５を含む。
【００１３】
薄膜１５及び基板１０は相互に離れ、それらの間に間隙２０を規定する。好ましい実施例において、複数の孔１４が薄膜中に形成され、好ましくは図２に示されるように、半径方向に配置される。孔１４は薄膜の振動を弱める働きをし、本明細書中で後に述べるように、変調器作製中用いられる。孔１４は薄膜１５中にパターン形成され、中央に配置された領域１６の外から始まり、薄膜１５の縁１９の方向へ広がる。中央に配置された領域１６は、“光学窓”を形成する。光学窓は典型的な場合、光信号２を変調器に導く光導波路又はファイバとともに、光通信の中にある。孔が薄膜の光学窓領域にあると、変調器１の光学特性に悪影響を及ぼすため、その領域には孔１４はない。
【００１４】
典型的な変調器設計と異なり、本発明の変調器は、個別の支持アームによっては、支持されていない。そうではなくし、薄膜１５はそのような縁のほとんどに沿って、変調器空胴２１の縁と重なる。好ましい実施例において、薄膜１５は縁に沿った本質的に各点において、変調器空胴２１の縁と重なる。そのような構成により、狭い支持アーム中及び鋭い角の付近に生じうる応力の集中が減る。高応力点は、破損の核形成位置として働く。そのような破損により、変調器は破損する。
【００１５】
好ましい実施例において、薄膜１５は図２に示されるように、円形である。そのような円形薄膜には、上述のような応力集中がなく、そうであい場合に生じうるより高い応力レベルをもつよう、作製できる。そのような高応力薄膜を用いた変調器は、低応力薄膜を用いた変調器より、高い共振周波数とより高いビットレートを有するであろう。
【００１６】
基板１０及び薄膜１５は、バイアス信号がそれらの間に印加され、静電気力を生じるように、好ましくは導電性であることが適している。この力により、図３に示されるように、薄膜１５は基板の方に動く。薄膜がそのバイアスされていない位置から動くとともに、入射光信号２に対する変調器の反射率が変る。具体的には、第１の実施例において、変調器１は薄膜がそのバイアスされない位置にある時、反射率は最小である。変調器の最小反射率は、ゼロが好ましい。薄膜がそのバイアス位置に動くとともに、変調器はその最大反射率を示すのが好ましい。第２の実施例において、変調器は薄膜がそのバイアスされない位置にある時、最大反射率を示す。薄膜がそのバイアス位置に動くとともに、変調器は最小反射率を示すのが、好ましい。第２の実施例の場合も、最小反射率はゼロが好ましい。
【００１７】
バイアス信号は制御された電圧源２９により、供給できる。制御された電圧源２９との電気的接続を容易にするため、基板１０上に接触３１を形成してもよい。制御された電圧源もまた、薄膜１５に電気的に接続される。変調器は半導体チップ又はウエハ上に、適切に形成することができる。
【００１８】
基板１０は動作光帯域に渡って透明又は吸収性の導電性材料で形成するのが好ましい。適当な材料にはシリコン、ガリウムひ素、インジウムリン、ゲルマニウム、又はインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）被覆ガラスが含まれるが、それらに限定はされない。もし、半導体を基板に用いるなら、適切にドーピングする必要がある。たとえば、もし基板がシリコンなら、典型的な場合、リン又はホウ素である任意のＩＩＩ族又はＶ族元素をドーピングするのが好ましい。そのようなドーピングにより、デバイス速度が増す。
【００１９】
もし、基板が本発明に従う変調器用には十分導電性でない材料で形成されるなら、適当な材料で基板をドーピングすることにより、導電性は増すか与えられる。ドーピング法には、イオン注入、選択成長及び当業者には周知の他の方法が含まれる。
【００２０】
薄膜１５は変調器の動作波長において透明である材料の単一の層から成るのが好ましい。もし、基板１０がシリコンなら、それは好ましい材料で、薄膜１５はシリコン窒化物が好ましい。本発明の改善された変調器は、各種の異なる動作原理の任意の１つに基いてよいことを、理解する必要がある。従って、本発明の変調器の薄膜の好ましい又は必要な特性は、選択された動作原理の関数として、変化してよい。たとえば、もし本発明の変調器が、米国特許出願Ｓ．Ｎ．０８／１８７，６７６号、Ｓ．Ｎ．０８／２８３，１０６号、Ｓ．Ｎ．０８／５７８，５９０号及びＳ．Ｎ．０８／４７９，４７６号の教えに従う少くとも１つの四分の一波長厚薄膜なら、薄膜１５は更に、基板１０の屈折率の平方根にほぼ等しい屈折率を、特徴とする。しかし、もし変調器が米国特許出願Ｓ．Ｎ．０８／５７８，１２３号に述べられている位相不整ファブリーペロー空胴変調器なら、薄膜１５は基板１０の屈折率の平方根より大きな屈折率を、特徴とする。本発明に従う薄膜１５は、他の変調器設計には、他の特性をもつ必要が生じる可能性のあることが、認識されるであろう。そのような違いは障害にならず、本発明に従う変調器のすべての実施例は、変調器空胴の縁と重なる薄膜をもつ。ある種の好ましい実施例においては、そのような薄膜は円形形状をもってよく、加えて、減衰孔を有してよい。
【００２１】
先に述べたように、もし薄膜１５が本発明に従う変調器に適した導電性を持たないなら、図１、２及び３に示されるように、導電性材料の層３０をその上に堆積させてよい。もし薄膜１５がドープされたアモルファス又は多結晶シリコン又はＩＴＯのような適切な導電性材料から成るなら、導電層３０は必要ないことを、認識する必要がある。導電層３０を形成するために、任意の適切な導電性材料を用いてよく、それらにアルミニウム、白金、タングステン、導電性シリコン、ＩＴＯ、金又はクロム／金又はチタン／金といったこれら材料の合金が含まれるが、それらには限定されない。更に、シリサイド又は適切にドープしたアモルファスシリコン又は多結晶シリコンが、導電層として用いるのに適している。もし、導電層３０が変調器の動作帯域に渡って、光学的に不透明なら、光学窓を形成する薄膜１５の中央に位置する領域１６上に、それを配置してはならない。
【００２２】
先に述べたように、本発明に従う改善された変調器は、各種の動作原理のいずれか１つに基いてよい。従って、薄膜１５の厚さ及び間隙２０の寸法は、選択される動作原理とともに、変ってよい。そのようなパラメータは、選択される動作原理に基いた変調器の記述を参照することにより、決められる。たとえば、米国特許出願Ｓ．Ｎ．０８／１８７，６７６号、Ｓ．Ｎ．０８／２８３，１０６号、Ｓ．Ｎ．０８／５７８，５９０号、Ｓ．Ｎ．０８／４７９，４７６号及びＳ．Ｎ．０８／５７８，１２３号を参照されたい。
【００２３】
先に述べたように、薄膜１５は複数の孔１４を含む。図２に示された実施例において、孔１４は複数の半径１８に沿って配置される。好ましい実施例において、孔は正方形又は六角形のアレイに沿って、配置する必要がある。孔は薄膜１５の減衰を最適化するような寸法と間隔にする。
【００２４】
最大減衰は、孔１４間の距離ｄが次式で与えられる時、得られる。
〔１〕ｄ＝２〔（Ｐｈ²）／（１２πμ_effｆ）〕^0.5
ここで、Ｐは薄膜１５を動かす気体の圧力；ｈは薄膜と基板間の距離、すなわち間隙２０の距離、ｆは変調器の自然共振周波数及びμ_effは実効気体粘性である。実効気体粘性は、気体粘性μを用いて、次式により表わされる。
〔２〕 μ_eff＝μ／｛１＋〔６（２−σ）λ／σｈ）｝
ここで、σは以下で更に述べる適応係数、λは気体の平均自由行程である。以下の例では、薄膜１５中の孔１４について、間隔ｄを計算するのに、上の式を用いている。
【００２５】
以下の例で、変調器を囲む気体は、温度２０℃、圧力１気圧と仮定してある。更に、変調器は１ＭＨｚの動作周波数と薄膜及び基板間の間隙１ミクロンをもつように、設計されている。適応係数σは表面がそれに衝突した気体分子を、どの程度効果的に散乱するかという尺度である。適応係数は典型的な場合、ほぼ１の値を有し、この値をここの例に用いる。一般的な温度及び圧力条件において、空気の平均自由行程λは０．０９ミクロンで、空気の粘性は１．８×１０^-4ｇ／ｃｍ・ｓである。上の値を〔２〕に代入すると、μ_effは１．２×１０^-4ｇ／ｃｍ・ｓとなる。圧力Ｐは１×１０⁶ｄｙｎ／ｃｍ²で周波数は１×１０⁶Ｈｚである。上の値を〔１〕に入れると、ｄは２８ミクロンになる。
【００２６】
孔１４の直径は薄膜及び基板間の間隙の約２ないし約４倍すなわち約２ｈないし約４ｈの範囲にすべきで、孔の間隔ｄの約３分の１を越えてはならない。従って、先の例では、適切な孔の直径は、約２ミクロンないし約４ミクロンでよい。
【００２７】
式〔１〕は最大薄膜減衰に対する孔間隔を与える。しかし、与えられた用途の仕様に依存して、最大に減衰する薄膜は、最適に減衰した薄膜とは限らない。たとえば、計算された孔間隔及び孔寸法は、過剰に減衰する薄膜を生じる可能性がある。減衰は品質係数Ｑを約０．７ないし０．８にすることにより最適化され、それによって変調器は最も高いビットレートを生じる。当業者には周知の方法で計算できる品質係数は、薄膜の減衰の逆数に比例する。従って、減衰が増すとともに、Ｑは比例して減少する。減衰は薄膜１５中の孔１４の数を減少させることによって、減少させられる。具体的には、孔はＱの所望の増加に比例して、減少させるべきである。
【００２８】
式〔１〕から、変調器空胴に用いる気体の型及びその圧力は、薄膜の減衰に影響を与えることが、認識されるであろう。一般に、気体が重いほど、軽い気体より、減衰は大きい。たとえば、キセノンはヘリウムより減衰を与える。このように、減衰は変調器空胴に用いる気体の圧力を調整し、気体の型を変えることにより、調整できる。
【００２９】
円形薄膜の共振周波数ｆは、以下の式で決められる。ｆ＝０．７６６／Ｄ（Ｓ／ρ）^1/2 ここで、Ｓは薄膜中の応力、ρは薄膜の平均密度、Ｄは薄膜の直径、従って変調器空胴２１のような変調器空胴の直径である。薄膜の応力Ｓ及び密度ρの計算において、導電層３０及び他の層の存在を、考慮すべきである。最適減衰において、変調器ビットレートは薄膜１５の共振周波数の約２倍である。
【００３０】
上の式は、単に薄膜材料を選択し、薄膜の密度を計算し、次にＤに対して解くことにより、与えられたビットレートで動作する変調器に対する薄膜１５又は変調器空胴２１の寸法を決るために、使用できる。たとえば、本発明に従う薄膜の直径は、６００メガパスカル（ＭＰａ）の応力Ｓ及び１立方センチメートル当り３．１グラム（ｇ／ｃｃ）の密度ρを有するシリコン窒化物薄膜を基本に、薄膜共振周波数の関数として、以下のように与えられる。
【表１】

【００３１】
光学窓１６の直径は、約１０ないし１５０ミクロンの大きさが適当な範囲で、薄膜１５の大きさにあわせることができる。光学窓１６は変調器に光信号を導き、それから光信号を受ける光ファイバを有する光通信を容易にする寸法にするのが好ましい。光学窓１６の最大直径は、薄膜直径の約３５パーセントが好ましい。従って、上の例の場合、３ＭＨｚ（６Ｍｂｉｔ／秒）変調器は４０ミクロン径の光学窓をもつように作ることができる。もし、上の例より応力の高いシリコン窒化物を用いるなら、より大きな光学窓を適合させ、光ファイバとの位置合わせを更に簡単化させることができる。
【００３２】
ここに述べた変調器を形成するための本発明に従う方法について、以下で述べる。その方法は（１）基板及び薄膜間に間隙を生じさせる手段を形成すること、（２）薄膜を形成すること、（３）間隙を生じさせる手段をとり除く助けとなる横方向導管を形成すること及び最後に、（４）間隙を生じさせる手段をとり除くことを含む。工程（３）及び（４）はふつう順次行われるが、得られる変調器にエッチング液を導入することにより、両方の工程を単一の工程で行うこともできる。本方法の実施例の更に詳細について、以下に述べる。
【００３３】
ウエハの形でよい基板１０は以下の説明のため、シリコンであると仮定する。基板１０はたとえばリン又はホウ素で適当にドーピングし、清浄化されているというように、適切に準備されていると仮定する。一実施例において、材料の空胴規定層１２ａを、図４に示されるように、基板１０上に堆積させる。層１２ａは以下の説明のため、シリコン窒化物であると仮定する。当業者には、層１２ａとして異なる材料を用いるなら、たとえば異なるエッチング液を用いるといったように、以下のプロセスは修正する必要が生じうることが、認識されよう。そのような修正は、当業者の能力内にある。
【００３４】
シリコン窒化物の層１２ａは、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）を用いて堆積させるのが、好ましい。ＬＰＣＶＤは、当業者にはよく知られている。シリコン窒化物は約８００°ないし８４０℃の範囲の温度で、堆積させる。そのように堆積させたシリコン窒化物は、約１０００ＭＰａの引張り応力を有する。層１２ａは典型的な場合、約１０００ないし１５００オングストローム（Å）の厚さに堆積させる。堆積後、層１２ａは光空胴２１のような光空胴の形に、パターン形成される。
【００３５】
層１２ａをパターン形成するために、標準的なフォトリソグラフィ技術を用いてよい。それが図５〜８に示されている。図５に示されるように、たとえばフォトレジスト又は光で規定できるポリイミドのような選択的に浸食可能な材料の層３５を、層１２ａ上に堆積させる。層３５を典型的な場合、紫外光である適当な放射に露出させることにより、層の露出された領域の溶解度を、変化させる。浸食可能な材料の性質に保存して、露出により、溶解度は増加又は減少する。露出後、浸食可能な材料は“現像され”、より溶解性の浸食可能な材料をとり除く溶媒で、処理される。図６に示されるマスク３７のような適切なパターン形成されたマスクを、層３５の領域が選択的に露出できるように用いる。そのような選択的な露出により、マスクのパターンが下の層中に再生され、それらの層中に、所望の形状を形成する。たとえば、マスク３７はそのような放射に対し、透明又は不透明な円形領域３８を有し、領域３９は浸食可能な材料の性質に依存して、反対の性質をもつ。マスク３７を通して層３５が選択的に照射されると、層３５の円形領域は周囲の領域より高い溶解度をもつようになる。次に、より溶解度の高い材料を除去するために、溶媒が与えられ、層３５を貫いて延び、層１２ａで止る円形領域が生じる。パターン形成された層３５は層１２ａをパターン形成するための型板として働く。
【００３６】
層１２ａは適当なエッチング技術を用いて、エッチングされる。たとえば、もし層１２ａがシリコン窒化物なら、それはプラズマイオンエッチング又はたとえばＣＦ₄、ＣＨＦ₃又はＳＦ₆のようなフッ化物を用いた反応性イオンエッチングのような乾式エッチングを用いて、エッチングできる。当業者に周知の他の適当なエッチング法を、代りに用いてもよい。層１２ａのエッチング後、得られる変調器が、図７に示されている。層１２ａをエッチングすることにより、変調器空胴２１が規定される。明瞭にするため、パターン形成前、変調器形成層はたとえば層１２ａと指定する数字とともに、“ａ”を印す。パターン形成後、たとえば層１２というように、“ａ”という印は落す。
【００３７】
残った浸食可能な材料３５は、溶媒又は硫酸と過酸化水素の混合物（“ピラニア”）又はプラズマ灰化を用いて、パターン形成された層１２から、除去される。図８は空胴規定層１２から浸食可能な材料３５が除去された得られる変調器を示す。便宜上、浸食可能な材料を堆積させ、パターン形成し、現像し、エッチングして除去する上で述べた工程を、ここでは一括して“パターン形成”とよぶことにする。
【００３８】
次に、シリコン基板及び空胴規定層１２は当業者には周知の水蒸気、湿式又は乾式法を用いて、熱的に酸化する。水蒸気酸化を用いるのが、好ましい。酸化温度は約９５０°ないし約１１５０℃の範囲が好ましい。酸化の横方向の量は、層１２中の開孔によって規定され、開孔は更に変調器空胴２１を規定する。酸化の垂直方向の量は、シリコンが酸化雰囲気に露出される時間の関数である。シリコンの選択された部分を酸化する上述の方法は、シリコンの局所酸化（ＬＯＣＯＳ）とよばれる。ＬＯＣＯＳは当業者には、よく知られている。
【００３９】
酸素がシリコンと結合するとともに、体積膨張が起る。その結果、ＬＯＣＯＳ酸化物４０の約二分の一が、図９ａに示されるように、最初のシリコン表面の上に成長する。更に、酸化は変調器空胴２１をある程度越えて進み、ＬＯＣＯＳ酸化物４０の各端部で、特徴的な“バーズビーク”形状を生じる。図９ａに示されるように、ＬＯＣＯＳ酸化物は空胴規定層１２のわずかな部分を、持ち上げる。“パッドオキサイド”と呼ばれる図９ｂに示された酸化物の層１１は、ＬＯＣＯＳ酸化物４０が空胴規定層１２下で、それ自身を横に押し、応力を解放するために用いてよい。パッドオキサイド１１はＬＯＣＯＳ酸化物４０が押し入るにつれ、層１２下で流れると信じられている。もしパッドオキサイド１１が存在するなら、それは層１２ａを堆積させる前に、堆積又は成長させる。ＬＯＣＯＳ酸化物４０の厚さは、薄膜１５がバイアスされない状態にある時の間隙２０の大きさを、基本的に決るものである。このように、基板及び薄膜間に間隙を生成させるための間隙決定層又は手段が形成される。
【００４０】
ＬＯＣＯＳ酸化物４０が適当な厚さに成長した後、急速にエッチング可能な層４２ａを堆積させる。層４２ａはＬＯＣＯＳ酸化物４０に比べ、非常に短時間でエッチングされる材料で、形成される。好ましい実施例において、材料はフッ化水素酸（ＨＦ）又は緩衝ＨＦ（ＢＨＦ）又は希釈ＨＦ又は希釈ＢＨＦ中で、非常に短時間でエッチングされるガラスである。適当なガラスには、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）、ホウ素−リン−テトラオルト珪酸（ＢＰＴＥＯＳ）が含まれる。プラズマ促進化学気相堆積シリコン窒化物又はシリコン酸化物又はスピン−オン−ガラスが、急速にエッチング可能な層として、使用できる。別の好ましい実施例において、本明細書中で後により詳細に述べるように、急速にエッチング可能な層はアモルファスシリコン又は多結晶シリコンでよい。選ぶ材料にかかわらず、層４２ａは均一な厚さを有する平滑な層として、堆積させるのが好ましい。
【００４１】
もし、層４２ａがガラスなら、ＬＰＣＶＤを用いて低温で堆積させるのが好ましい。堆積温度は約４５０℃が好ましい。層４２ａは約５００ないし約５０００Åの範囲の厚さに堆積させるのが好ましい。次に、その密度及びエッチング特性を制御するため、たとえば９００℃で１時間、窒素中でアニールしてもよい。堆積後、層４２ａは先に述べた標準的なフォトグラフィ工程を用いて、パターン形成される。
【００４２】
図１１に示されるように、パターン形成された急速にエッチング可能な層４２は、空胴規定層１２のそり返った端部１３より、わずかに大きいことが好ましい。あるいは、急速にエッチング可能な層４２は端部１３よりわずかに小さく、ＬＯＣＯＳ酸化物４０の上部表面が、完全に被覆されないようにしてもよい。急速にエッチング可能な層４２ａを堆積することによって、以下でより詳細に述べるように、下のＬＯＣＯＳ酸化物の表面全体に、エッチング溶液を分布させるための横方向導管４３の形成が容易になる。そのような特徴は、特に有利である。
【００４３】
次に、図１２に示されるように、薄膜形成層１５ａを、堆積させる。薄膜形成層１５ａはＬＰＣＶＤを用いて堆積させたシリコン窒化物が好ましい。薄膜形成層１５ａは薄膜１５に必要な厚さに、堆積させる。先に述べたように、薄膜の厚さは先に述べた特許明細書の教え又は変調器の選択された動作原理に適した他の参照文献に従って、決められる。更に、薄膜形成層１５ａの屈折率及び応力は、制御される。先に述べたパラメータを適切に制御することは、当業者の能力の範囲内である。
【００４４】
薄膜形成層１５ａは標準的なフォトリソグラフィ・プロセスを用いて、薄膜１５にパターン形成するのが好ましい。図１３及び１４に示される複数の孔１４は、先に述べた工程中、薄膜１５にパターン形成される。薄膜形成層１５ａは“使用されている部分を”除去する必要はない。即ち、変調器空胴２１を越えて除去する必要はないことに、注意すべきである。もし必要なら、図１５に示される導電性材料の層３０ａを、パターン形成された薄膜１５上に、堆積させる。次に、層３０ａをパターン形成する。あるいは、層３０ａは下の薄膜形成層１５ａのパターン形成前に、堆積できる。更に好ましい実施例において、層３０ａは以下で述べるように、解放エッチング工程後、堆積し、パターン形成できる。
【００４５】
図１６に示されるように、導電性材料は薄膜１５より寸法が小さく、孔１４に隣接した薄膜の部分が、導電層３０により被覆されないことが好ましい。もし、導電性材料が光学的に不透明なら、それは薄膜１５の光学窓内には、堆積してはならない。当業者は、層３０は“リフトオフ”法を用いて、直接パターン形成できることを、認識するであろう。
【００４６】
導電層３０は図１７に示されるように、薄膜１５を越えて、領域２３まで延びるのが好ましい。制御された電圧源２９は領域２３中の導電層３０に、電気的に接続するのが好ましい。領域２３は任意の適当な形にパターン形成してよいことが、認識されるであろう。基板１０を制御された電圧源２９に、電気的に接続するために、導電層３０の堆積及びパターン形成中に、接触３１を基板上に堆積させ、パターン形成できる。
【００４７】
間隙２０を形成するために、薄膜１５の下にある急速にエッチング可能な層４２及びＬＯＣＯＳ酸化物４０を、除去しなければならない。この工程は“解放”エッチングとよばれる。なぜなら、下の層が除去された後、薄膜１５は解放される、すなわち自由に動けるからである。もし、急速にエッチング可能な層４２が、好ましいガラスの１つで形成されるなら、エッチング液はＨＦ、ＢＨＦ又は希釈されたＨＦ及びＢＨＦが好ましい。これらの好ましいエッチング剤は、選んだ材料及びエッチング槽内に入れる時間に依存して、導電層３０及び薄膜１５といった変調器の他の形状を浸食する可能性がある。導電層３０上にフォトレジストの保護槽を堆積させるのは好ましいが、フォトレジストはエッチング時間が長くなると、ＨＦ又は希釈ＢＨＦ中でも、下の材料から持ち上る。先に述べたように、導電層３０の劣化は、解放エッチングの後、導電層３０を堆積し、パターン形成することにより、避けられる。
【００４８】
支持アームにより支持された薄膜を有する変調器と同様に、エッチング液は本変調器の薄膜１５の下の層には、導かれないことを、認識するであろう。具体的には、典型的な変調器の支持アーム間に、通常十分な大きさの空間があり、エッチング液は薄膜下の層に導かれる。しかし、本変調器において、薄膜１５は光学空胴を、完全に被覆する。従って、エッチング液は異なる方式で薄膜下の層に、導かなければならない。本発明の一実施例において、エッチング液は薄膜１５中の孔を通して、下の層に導かれる。変調器の形態に依存して、他の層を貫く孔といったエッチング液を導く他の技術又は手段を、適切に用いてよい。
【００４９】
図１８ａは急速にエッチング可能な層４２なしに形成される変調器を示す。光学窓には孔がないから、薄膜の光学窓部分の下から、ＬＯＣＯＳ酸化物４０を除去するため、エッチングは本質的に横方向に進まなければならない。先に述べたように、光学窓は直径が約１５０ミクロンもの大きさであるから、変調器はこの半径の半分をエッチングするための時間、エッチングを保たなければならない。なぜなら、この領域はその縁の周囲全体がエッチングされなければならないからである。層４２のような急速にエッチング可能な層を、薄膜１５の下、ＬＯＣＯＳ酸化物４０の最上部に置くことにより、急速にエッチング可能な層４２がエッチング除去されるとともに、横方向導管４３が形成される。このように、図１８ｂに示されるように、エッチング液はＬＯＣＯＳ酸化物４０の表面上に流れることができ、従ってＬＯＣＯＳ酸化物を本質的に垂直方向にエッチングする。ＬＯＣＯＳ酸化物４０の厚さ及び横方向導管４３の厚さに等しい間隙は、典型的な場合、変調器空胴の直径より、はるかに小さい。たとえば、変調器の一実施例において、間隙２０は動作波長の約４分の１、又は約３３００オングストロームが好ましい。別の実施例において、間隙は約１．１ミクロンである。従って、垂直に進むエッチングは、横方向に進むエッチングより短い時間で、ＬＯＣＯＳ酸化物４０を除去し、導電層３０及び保護されない光学窓といった変調器の永続的な形状に対する損傷は小さい。ＬＯＣＯＳ酸化物４０が除去されるにつれ、図１９に示されるように、間隙２０が形成される。
【００５０】
薄膜１５の形は、変調器空胴２１に最も近い層１２の反りかえった端部上に上昇するとともに、薄膜１５に対して“弾性”を与える。薄膜１５のこの領域の形は、層１２下のＬＯＣＯＳ酸化物４０の侵入度を調整することにより、薄膜にそのような弾性をより多く又は少く与えるように、調整できる。層１２下のＬＯＣＯＳ酸化物４０の侵入度は、当業者には周知のように、ＬＯＣＯＳプロセスを変えることにより、制御できる。
【００５１】
ここで示し、述べた実施例及び変形は、本発明の原理を示すためのもので、本発明の視野及び精神を離れることなく、当業者には様々な修正が考えられ、実施できることを、理解する必要がある。たとえば、本発明に従う変調器は、空胴規定層１２ａなしに、形成できる。２つのそのような変調器の実施例が、図２０及び２１に示されている。図２０に示される実施例において、ミリング又はエッチング技術を用いて井戸が形成され、二酸化シリコン又はアルミニウムといった浸食可能な材料で満され、急速にエッチング可能な層を、浸食可能な材料上に堆積し、かつパターン形成し、次に急速にエッチング可能な層上に薄膜層を堆積させ、パターン形成する。下の層は先に述べた工程により、除去する。図２１の実施例において、浸食可能な材料の“島”を基板上に堆積し、パターン形成し、急速にエッチング可能な層を浸食可能な材料上に堆積させ、パターン形成し、次に薄膜層を堆積させ、パターン形成する。下の層は先に述べたように、除去される。
【００５２】
本発明に従う方法の先に述べた実施例では、変調器空胴の寸法、すなわち幅又は直径が、精密に制御できる。しかし、他の実施例において、本発明の方法は、変調器空胴の寸法に対するそのような精密な制御が必要ない変調器の形成に、用いることができる。そのような実施例の１つの工程が、図２２〜２６に示されている。
【００５３】
図２２に示されるように、酸化物層４１を基板１０上に堆積させるか成長させる。次に、酸化物層４１上に急速にエッチングが可能な層４２ａを、堆積又は成長させる。この実施例において、酸化物層４１はＬＯＣＯＳ酸化物ではないことに、注意されたい。更に、先に述べた実施例において、急速にエッチング可能な層４２ａはＬＯＣＯＳ酸化物４０に比べ、非常に速くエッチングされる材料であると述べた。本実施例において、急速にエッチング可能な層４２ａを形成する材料は、薄膜１５又は酸化物層４１を浸食しないエッチング液によって浸食される材料である。適する材料には、アモルファスシリコン及び多結晶シリコンが含まれるが、それらに限定されない。
【００５４】
急速にエッチング可能な層４２ａは図２３に示されるように、所望のようにパターン形成される。パターン形成された層４２の形及び横方向の寸法は、得られる変調器空胴の寸法にほぼ等しい。図２４に示されるように、薄膜形成層１５ａを急速にエッチング可能な層４２上に堆積させ、パターン形成する。やはり、外側の薄膜形成層１５ａをとり除いたり、パターン形成する必要はない。しかし、もしエッチング液が下の層に分配されるように、孔があるなら、薄膜中にそのような孔１４が、パターン形成されることは、重要である。もし必要なら、導電性材料の層３０ａを薄膜１５上に堆積させ、先に述べたように、パターン形成する。
【００５５】
次に、得られた変調器を急速にエッチング可能な層４２をエッチングするのに適したエッチング液中に置く。急速にエッチング可能な層は、本実施例ではアモルファスシリコン又は多結晶シリコンが好ましい。適当なエッチング液には、エチレンジアミンピロカテコール、水酸化カリウム、テトラメチルヒドラジン又は硝酸、フッ化水素酸及び水の混合物が含まれる。当業者には周知の濃度で、そのようなエッチング液は層４２を浸食するが、薄膜１５及び下の酸化物４１は本質的にエッチングされないまま残る。急速にエッチング可能な層４２が除去されるにつれ、図２５に示されるように、横方向導管４３が形成される。次に、デバイスは先に述べたＨＦを基本とするエッチング液のような酸化物層４１を除去するのに適した第２のエッチング液中に置く。酸化物層４１が除去されるとともに、図２６に示されるように、間隙２０が形成される。
【００５６】
図７〜１９で述べた実施例において、ＬＯＣＯＳ酸化物４０は“エッチング停止”として働く。本実施例においては、そのようなエッチング停止が無いから、エッチングが薄膜１５の下で横方向に等方的に進むとともに、薄膜１５は幾分“アンダーカット”されるであろう。
【００５７】
先に述べたようなガラスが、本実施例において、急速にエッチング可能な層４２ａとして用いるのに適していることが、認識されるであろう。もしそうであれば、ガラスを除去するために用いられるエッチング液は、酸化物層を除去しないから、酸化物層４１を除去するための第２のエッチング工程は必要ない。同様に、図７〜１９に示された実施例では、急速にエッチング可能な層として、アモルファスシリコン又は多結晶シリコンを用いてよい。もしそうなら、ＬＯＣＯＳ酸化物４０を除去するための第２のエッチングが必要になる。
【００５８】
本発明は他の方式に修正してもよく、その二・三について以下に述べる。１つの修正において、急速にエッチングが可能な材料層を用いて、横方向導管を形成することは、他の変調器又はエッチングしなければならない領域に、近づける限界がある変調器以外のデバイスに、適用できる。特に、その領域がエッチングされている間、そのようなデバイスの他の形状が浸食されやすいデバイスに、適用できる。たとえば、図２７〜３０は変調器以外の構造を形成するための本発明に従う方法の工程を示す。図２７は２つのデバイス層８０及び８５、及び４つの個別の領域４２にパターン形成された急速にエッチング可能な材料層を示す。形成される構造の性質に依存して、より多くの又はより少いデバイス層及びより多くの又はより少い急速にエッチング可能な材料の領域４２を使用できることが、認識されるであろう。図２８に示されるように、領域４２上に更に層９０ａを堆積させるか成長させる。図２９は層９０にパターン形成された層９０ａを示す。そのようなパターン形成には、もし孔が領域４２を除去するため、エッチング液を分配する手段であるなら、孔９５の形成が少くとも含まれる。図２９は更に、領域４２をエッチング除去することにより、形成された横方向導管４３を示す。図３０において、各横方向導管４３下のデバイス層８５の一部は、エッチング液を横方向導管に分配することにより、除去される。このように、一連の間隙１００が、構造中に形成される。先に述べたように、急速にエッチング可能な層として用いる材料に依存して、領域４２をエッチングするのに用いたものと同じエッチング液を用いて、層８５はエッチングできる。
【００５９】
他の修正において、ここで述べた方法は、好ましい円形以外の形を有する薄膜を形成するために使用でき、ここで述べた以外の材料を、変調器の作製に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う変調器の断面図である。
【図２】図１の変調器の上面図である。
【図３】バイアス下における図１及び２の変調器を示す図である。
【図４】上に空胴規定層を配置させた基板を示す図である。
【図５】図４の装置上に配置された浸食可能な材料層を示す図である。
【図６】材料層の円形形状をパターン形成するために用いられるマスクの実施例を示す図である。
【図７】変調器空胴を規定するためパターン形成された図５の層を示す図である。
【図８】空胴規定層から浸食可能な材料をとり除いた後の図７の構成を示す図である。
【図９ａ】得られた変調器空胴内の基板を局所的に酸化した後の図８の構成を示す図である。
【図９ｂ】酸化物成長中、空胴規定層上の応力を最小にするためパッド酸化物を用いる本方法の別の実施例を示す図である。
【図１０】図９ａの構成上に配置された急速にエッチング可能な層を示す図である。
【図１１】パターン形成された急速にエッチング可能な層を示す図である。
【図１２】図１１の構成上に配置された薄膜形成層を示す図である。
【図１３】薄膜中にパターン形成された薄膜形成層を有する図１２の構成を示す図である。
【図１４】図１３の構成の上面図である。
【図１５】構成の最上部上に配置された導電性材料の層を示す図である。
【図１６】適切にパターン形成された導電性材料を示す図である。
【図１７】パターン形成された導電層を示す図１６の構成の上面図である。
【図１８ａ】急速にエッチング可能な層を酸化された基板上に堆積していない実施例中で、エッチングされる酸化基板を示す図である。
【図１８ｂ】急速にエッチング可能な層を酸化基板上に堆積した好ましい実施例中でエッチングされる酸化基板を示す図である。
【図１９】急速にエッチング可能な層及び酸化された基板が除去され、本発明に従う変調器を形成する図１６の構成を示す図である。
【図２０】本発明に従う変調器の別の実施例を示す図である。
【図２１】本発明に従う変調器の更に別の実施例を示す図である。
【図２２】本発明に従う方法の別の実施例において、基板上に配置された酸化物層及び急速にエッチング可能な層を示す図である。
【図２３】横方向導管を形成するのに適した形にパターン形成された急速にエッチング可能な層を示す図である。
【図２４】パターン形成された急速にエッチング可能な層上に配置された薄膜層を示す図である。
【図２５】急速にエッチング可能な層が除去されるとともに形成される横方向導管を示す図である。
【図２６】薄膜及び基板間に間隙を生じる除去される酸化物層を示す図である。
【図２７】別々の領域に材料がパターン形成される第１及び第２のデバイス層及び第２のデバイス層上に配置された急速にエッチング可能な材料を示す図である。
【図２８】急速にエッチング可能な材料の領域上に配置された第３のデバイス層を示す図である。
【図２９】第３のデバイス層中にパターン形成された孔及び急速にエッチング可能な材料の領域が除去されるとともに形成される横方向導管を示す図である。
【図３０】各横方向導管の下の第２のデバイス層の部分がエッチングされるとともに、第２及び第３のデバイス層間に形成される間隙を示す図である。
【符号の説明】
１微小機械変調器、変調器
２光信号
１０基板
１１層、パッドオキサイド
１２、１２ａ空胴規定層、層
１４孔
１５、１５ａ薄膜、薄膜形成層
１６領域
１８半径
１９縁
２０間隙
２１変調器空胴、光空胴
２３領域
２９電圧源
３０、３０ａ層、導電層
３１接触
３５層、材料
３７マスク
３８円形領域
３９領域
４０ＬＯＣＯＳ酸化物
４１酸化物層
４２、４２ａ層、領域
４３横方向導管
８０デバイス層
８５デバイス層
９０、９０ａ層
９５孔
１００間隙

Claims

光信号を変調するモノリシック微小機械変調器であって、
第１の屈折率により特徴付けられる基板と、
光信号を受ける薄膜とからなり、該薄膜は、該基板の該第１の屈折率の平方根に略等しい第２の屈折率を有する材料の第１の層を少なくとも有し、
該薄膜は別個のアームによっては支持されず、該基板の第１の領域上で支持されるものであり、該第１の領域は変調器空胴を規定する周囲を有し、該薄膜が、該変調器空胴の周囲部分全体と重なって、これにより支持されており、そして該基板と該薄膜とがモノリシックに統合されていることを特徴とする変調器。
請求項１に記載の変調器であって、該薄膜は円形であることを特徴とする変調器。
請求項１に記載の変調器であって、該薄膜はさらに、振動を抑えるのに物理的に適した複数の孔を含むことを特徴とする変調器。
請求項１に記載の変調器であって、さらに該薄膜上に配置された導電層を含むことを特徴とする変調器。
光信号を変調するモノリシック微小機械変調器であって、
基板と、
光信号を受ける薄膜とからなり、該薄膜は振動を抑えるのに物理的に適した複数の孔を有しており、
該薄膜は別個のアームによっては支持されず、該薄膜は該基板の第１の領域上で支持されるものであり、該第１の領域は変調器空胴を規定する周囲を有し、該薄膜は該変調器空胴の周囲部分全体と重なり、該基板と薄膜とがモノリシックに統合され、該孔は相互に離間し、そして該孔は変調器の品質係数が約０．７ないし約０．８の範囲にあるような直径を有することを特徴とする変調器。
請求項５に記載の変調器であって、該薄膜は円形であることを特徴とする変調器。
請求項５に記載の変調器であって、該変調器空胴が気体で満され、そして該孔がｄ＝２［（Ｐｈ^２）／（１２πμ_ｅｆｆｆ）］^０．５に従って相互に離間されており、ここでＰは気体の圧力、ｈは該薄膜と該基板との間の間隙の大きさ、ｆは該微小機械変調器の自然共振周波数、そしてμ_ｅｆｆは実効気体粘性であり、該実効気体粘性は、μ_ｅｆｆ＝μ／｛１＋［６（２−σ）λ／σｈ］｝で与えられ、ここでσは適合係数であり、そしてλは気体の平均自由行程であることを特徴とする変調器。
請求項５に記載の変調器であって、該孔は該薄膜と該基板との間の間隙の大きさの約２倍ないし約４倍の範囲の直径を有し、該孔の直径は該孔間の間隔の約３分の１が最大であることを特徴とする変調器。
請求項５に記載の変調器であって、該孔は、約２ミクロンないし約５ミクロンの範囲の直径を有し、最も近い孔から約１０ないし約３０ミクロン離れていることを特徴とする変調器。
請求項５に記載の変調器であって、該複数の孔が該薄膜の中央に位置する領域の周囲の外側に配置され、その領域は光信号を受ける光学窓を規定することを特徴とする変調器。