JP4798331B2 - 回折光学素子を作成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、相補型金属酸化膜半導体（complementary metal oxide semiconductor：以下、「ＣＭＯＳ」とよぶ）プロセスを使用して、回折光学素子（diffractive optical element：以下、「ＤＯＥ」とよぶ）を作成する方法に関する。

現在の光学システムは、しばしば、ＤＯＥを使用する。たとえば、ＤＯＥレンズを使用して光ファイバにレーザ光を集光することができる。ＤＯＥは、透過または反射のいずれかで素子と相互作用する光の位相を修正することによって動作する。ＤＯＥは、位相シフト材料を適切なレンズにパターン形成することで形成する。

本発明の一実施形態では、回折レンズの製造方法は、シリコン基板の第１の面上にエッチング停止層を形成するステップと、エッチング停止層の上に回折光学素子を形成するステップと、回折光学素子をカバーする平坦化層を形成するステップと、平坦化層を平坦化するステップと、平坦化層の上にボンディング層を形成するステップと、ボンディング層の上に透明な基板を接着するステップと、回折光学素子の反対側のシリコン基板の一部を除去するためにシリコン基板の第２の面をエッチング停止層までエッチングするステップとを含んでなり、シリコン基板の残りの部分はボンディングリングを形成する。

異なる図面に使用されている同じ参照記号は、同様な項目または同一の項目を示す。断面図はスケールどおりには描かれておらず、説明のために示されている。

ＤＯＥは、シリコン基板上に支持されたアモルファスシリコンと二酸化珪素とのマルチレイヤの材料を形成し、続いてマルチレイヤ材料にパターン形成してＤＯＥを形成することによって作成できる。このようなＤＯＥは、シリコンの高い屈折率と、マルチレイヤ材料内にエッチング停止層を交互に重ねることと、ＣＭＯＳ回路製造方法が提供する精密マスキングとを利用する。このようなＤＯＥは、シリコン基板が透過する長い波長に適している。シリコン基板は１ミクロン（μｍ）未満の波長の近赤外線については吸光度が高いため、このようなＤＯＥは、一部のレーザが生成する８５０ナノメートル（ｎｍ）や９９０ナノメートルなどのより短い波長には適用できない。

図１は、本発明の一実施形態における、透明なウェハ上にＤＯＥを形成する方法１０のフローチャートである。次に、図２Ａ〜図２Ｅを参照して方法１０を説明する。

図２Ａに示すように、ステップ１２では、透明な基板３４の上側に不透明なコーティング３２を形成する。光学センサを使用する半導体装置が透明な基板３４を検出して処理できるように、不透明なコーティング３２を透明な基板３４上に塗布する。不透明なコーティング３２を図２Ａだけに示す。（たとえば、ほとんどの通信用途では少なくとも１０％であるように）用途によって指定された入射光の一定のパーセンテージが基板を透過できる場合には、透明な基板３４は（たとえば、赤外線から紫外線の間で選択された波長である）目的の波長を透過する。透明な基板３４は、石英、ナトリウムホウケイ酸ガラス（たとえばパイレックス（登録商標））、サファイア、または、溶融シリカでありうる。不透明なコーティング３２は、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）またはプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）によって付着させたアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）でありうる。アモルファスシリコンコーティング３２は、典型的には０．５μｍ以上の厚さである。

図２Ａに示すように、ステップ１４では、任意選択的に、透明な基板３４の裏側に反射防止コーティング（ＡＲ）３６を形成する。ＡＲコーティング３６は、光がＤＯＥ５０（図２Ｂ）と透明な基板３４との間を移動するときに反射を低減する。

当業者であれば、入射媒体と、出射媒体と、ＡＲコーティング材との屈折率に依存してＡＲコーティング材を選択することが理解されるであろう。理想的なＡＲコーティング材は、入射媒体と出射媒体との幾何平均である屈折率を有する。理想的なＡＲコーティングの厚さは、ＡＲコーティング媒体の中の光の波長の４分の１に等しい。一実施形態では、ＡＲコーティング３６は、パイレックス（登録商標）とシリコンとの間に挟まれる。したがって、理想的な屈折率は次のように計算される。
ｓｑｒｔ（１．５＊３．５）＝２．２９。
上式で、１．５と３．５とは、パイレックス（登録商標）とシリコンとのそれぞれの屈折率である。したがって、２．２９という理想的な屈折率に近い２．２という屈折率を二酸化チタン（ＴｉＯ₂）が有するので、二酸化チタンをＡＲ材として選択する。そして、９９０ｎｍの動作に関する二酸化チタンのＡＲコーティング３６の厚さを次のように計算する。
（９９０ｎｍ／４）／２．２＝１１２．５ｎｍ。
当業者であれば、ＡＲコーティング３６の屈折率と厚さとをこれにしたがって調節できることが理解されるであろう。二酸化チタンのＡＲコーティング３６は、電子ビーム（ｅ−ビーム）蒸着によって付着させることができる。

図２Ｂに示すように、ステップ１６では、ＤＯＥ５０をＡＲコーティング３６上に形成する。ＤＯＥ５０は、所望の回折レンズを形成するようにパターン形成された位相シフト層のスタックを含む。スタック内の隣接する位相シフト層は、エッチング停止層により分離する。位相シフト層はアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）であってもよく、エッチング停止層は二酸化珪素（ＳｉＯ₂）であってもよい。別法としては、位相シフト層は、アモルファスシリコンではなく窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）であってもよい。

ＤＯＥ層は、ＰＥＣＶＤで成長させることができる。アモルファスシリコン層の厚さと酸化物の層の厚さとは、目的とする波長と、層の数と、材料の屈折率とに依存する。空気中を通過する位相シフトに対する、ＤＯＥスタックを通過する光の合計位相シフトは、２πの整数倍であるべきである。シリコンの高い屈折率を利用するために、酸化物の層の低い屈折率は約５０Åに最小化する。この厚さは、効果的なエッチング停止層として実験的に決定されたものである。したがって、アモルファスシリコンの層と酸化層の８つのインタリーブ層とを有し９９０ｎｍで動作する典型的なＤＯＥでは、８つの酸化物のエッチング停止層による合計位相シフトは次のように計算される。

（ＲＩｏｘ−ＲＩＡｉｒ）＊２π＊（５ｎｍ／９９０ｎｍ）＊８
＝（１．４５−１）＊２π＊（５ｎｍ／９９０ｎｍ）＊８
＝０．１１４２

ＲＩｏｘとＲＩＡｉｒとは、酸化物のエッチング停止層と空気とのそれぞれの屈折率である。１．４５と１という値は、酸化物の層と空気とのそれぞれの屈折率である。８つのアモルファスシリコン層による合計位相シフトは次の通りである。

（ＲＩｓｉ−ＲＩＡｉｒ）＊２π＊（ｔ／９９０ｎｍ）＊８

ＲＩｓｉは、アモルファスシリコン層の屈折率であり、ｔはアモルファスシリコン層の厚さである。ＤＯＥスタックを介して望ましい位相シフトを達成するために、各アモルファスシリコン層の厚さを次のように計算する。

２π−０．１１４２＝（ＲＩｓｉ−ＲＩＡｉｒ）＊２π＊（ｔ／９９０ｎｍ）＊８
または、
ｔ＝（２π−０．１１４２）＊９９０ｎｍ／〔（ＲＩｓｉ−ＲＩＡｉｒ）＊２π＊８〕
ｔ＝（２π−０．１１４２）＊９９０ｎｍ／〔（３．５−１）＊２π＊８〕
ｔ＝４８．６ｎｍ

値３．５は、アモルファスシリコン層の屈折率である。

スタックが形成されると、上のアモルファスシリコン層をフォトレジストでマスキングし、そして、酸化物層を使用してエッチングしてエッチングを止める。シリコンをエッチングした後に、エッチングの化学反応を変えて、次のシリコン層を使用して酸化物層をエッチングし、エッチングを止める。連続する各層をマスキングし、エッチングして、望ましい回折レンズを形成する。

一実施形態では、ＤＯＥ５０は、レーザ光を一定のボリュームを介して均一に広がる小さな角度の分布に変換する二重焦点回折レンズである。このボリュームの大きさは、光ファイバの入力面の大きさよりも大きいので、このコンポーネントはアライメントが容易である。二重焦点回折レンズは、２つの焦点距離ｆ１とｆ２とを提供する隆起（ridge）を伴う面を有する。二重焦点回折レンズの設計プロセスは、焦点距離ｆ１を有する従来の回折レンズの表面の輪郭を画定する第１の位相関数を決定することで開始できる。回折レンズの設計に関する任意の従来の技術を使用できる。特に、アプライド・オプティクス・リサーチ社が市販するＧＬＡＤ、または、ＭＭリサーチ社が市販するＤＩＦＦＲＡＣＴなどの市販のソフトウェアを使用すると、回折素子の位相関数を解析することができる。第２の位相関数も同様に生成され、第２の位相関数は、第２の位相関数と第１の位相関数とをかけると、この組み合わせにより第２の焦点距離ｆ２を有する回折レンズが提供されるような位相関数である。ついで、（たとえば５０％などの）入射光の一定パーセンテージを集光するが、（たとえば５０％の）入射光の残りを乱さずに通過させる、部分効率回折レンズを提供するように、第２の位相関数をスケーリングする。第１の位相関数と、スケーリングされた第２の位相関数とを掛け合わせて、最終的な設計の二重焦点レンズを形成する。

別の実施形態では、ＤＯＥ５０は、ハイブリッド回折／屈折素子である。ハイブリッド回折／屈折素子は、光を一定ボリュームに渡って広げ、上記のように光ファイバのアライメント許容範囲を拡大する。ハイブリッド回折／屈折レンズは、たとえばｆ２など１つの焦点距離に対する曲率を伴う少なくとも１つの面を有する。さらに、部分効率回折レンズの回折機構をハイブリッド回折／屈折レンズの片面または両面の上に重ね、この組み合わせによって、入射光の別々の部分について２つの焦点距離ｆ１とｆ２を提供する。

図２Ｂに示すように、ステップ１８では、任意選択的に、ＡＲコーティング５１をＤＯＥ５０上に形成する。ＡＲコーティング材５１の屈折率と厚さとは、上記のように選択することができる。ＡＲコーティング５１は、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）でありうる。薄膜窒化珪素材は、付着条件に依存して、一定範囲の屈折率を有することがある。屈折率１．９の窒化物のＡＲコーティング５１を電子ビーム蒸着で付着させることができ、９９０ｎｍの波長に関しては典型的には１３０ｎｍの厚さである。電子ビーム蒸着を使用することにより、格子表面上により望ましい非共形コーティング（non-conformal coating）が提供される。ＡＲコーティング５１を図２Ｂだけに示す。

図２Ｃと図２Ｄとに示すように、ステップ２０では、シリコン基板６２を加工してボンディングリング６２Ａを形成する。シリコン基板６２上にバリア層６０を形成する。バリア層６０は、後から高温動作で金属珪化物が形成されないように、任意の金属とシリコン基板６２との反応を分離する。バリア層６０は窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）でありうる。窒化物のバリア層６０は、ＰＥＣＶＤで付着させることができ、典型的には０．５μｍの厚さである。そして、バリア層６０上にボンディングパッド６４を形成する。ボンディングパッド６４は、リフトオフマスク（liftoff mask）をパターン形成し、金属を付着させ、金属でマスクをリフトオフすることによって形成できる。金属のボンディングパッド６４は、電子ビーム蒸着またはスパッタリングで付着させたチタン−プラチナ−金（ＴｉＰｔＡｕ）シーケンスでありうる。チタンは典型的には５０ｎｍの厚さを有し、プラチナは典型的には１５０ｎｍの厚さを有し、金は典型的には５０ｎｍの厚さを有する。そして、フォトレジスト６６をバリア層６０上で回転塗布し、露光し、現像することによって、エッチングウィンドウ６７を形成する。エッチングウィンドウ６７によって露出したバリア層６０とシリコン基板６２との一部をエッチングして除去し、ボンディングリング６２Ａを形成する。バリア層６０とシリコン基板６２とは、ディープリアクティブイオンエッチング（deep reactive ion etching：ＤＲＩＥ）を使用してエッチングすることができる。そして、フォトレジスト６６を剥離する。

図２Ｄに示すように、ステップ２２では、ボンディングリング６２Ａを透明な基板３４に接着してリッド８０を形成する。透明な基板３４がナトリウムホウケイ酸ガラス（sodium borosilicate glass）である場合には、ボンディングリング６２Ａを陽極接着（anodic bond）によって透明な基板３４に接着することができる。透明な基板３４が石英またはサファイアである場合には、接着ボンドを使用することができる。別法としては、フッ酸（ＨＦ）接着を使用してもよい。ＨＦ接着では、共に押し付けた２つの清浄な面を、間に少量のＨＦを施すことによって接着できる。ＨＦは毛管作用によって２つの結合する片の間の空隙を生める。ＨＦが乾燥すると２つの片は永久的に接着される。別法としては、ガラスフリット接着（glass frit bond）を使用することもできる。ガラスフリット接着では、ガラスの細かい粉を２つの結合片の間に施し、結合プロセスの間、ガラスリフロー温度より高い温度に加熱する。この温度は、選択したガラスフリット材に依存し、典型的には２５０℃以上である。

図２Ｅに示すように、ステップ２４では、リッド８０をサブマウント８２に接着し、マイクロエレクトロニクスパッケージ８４を完成させる。リッド８０とサブマウント８２と
は、はんだで接着させることができる。サブマウント８２は、（たとえば、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの）光源８６を含みうる。サブマウント８２は、他の能動受動回路８８を含みうる。

図３は、本発明の別の実施形態における透明なウェハ上にＤＯＥを形成する方法９０のフローチャートである。方法９０は、図１の方法１０のステップ１２から１８に従う。そして、ステップ１８の次にステップ２６が続き、この後は図４を参照して説明する。

図４に示すように、ステップ２６では、ＤＯＥ５０を伴う透明な基板３４を、シリコン材９４を伴うサブマウント９２上に装着する。サブマウント９２は、（たとえば、ＶＣＳＥＬなどの）光源９６を含みうる。サブマウント８２は、他の能動受動回路９８を含みうる。

図５は、本発明の別の実施形態における、シリコンオンインシュレータ（以下、「ＳＯＩ」とよぶ）基板上にＤＯＥを形成する方法１００のフローチャートである。次に、図６Ａ〜図７Ｇを参照して、方法１００を説明する。

図６Ａに示すように、ステップ１０４では、ＤＯＥ５０をＳＯＩ基板１４２上に形成する。ＳＯＩ基盤１４２は、シリコンデバイス層１４４と、酸化物絶縁体層１４６と、シリコンハンドル層１４８とを含む。シリコンデバイス層１４４は、典型的には２０μｍ未満の厚さであり、８５０ｎｍと９９０ｎｍとの波長を透過する。酸化物絶縁体層１４６は、後に、シリコンハンドル層１４８をエッチングしてボンディングリング１４８Ａを形成するときにエッチング停止として使用する（図７Ｅ）。一実施形態では、ＳＯＩ基板１４２は、（図６Ａだけに示すように）デバイス層１４４と酸化物絶縁体層１４６との間の窒化珪素層１４５をさらに含む。このようなＳＯＩ基板１４２は、酸化させたウェハを窒化珪素でコーティングしたウェハに接着させて形成できる。接着後、窒化珪素を伴うウェハをグラインドし、薄くラッピングして、デバイス層１４４を形成する。このようなＳＯＩ基板１４２を使用することにより、次に説明するステップ１２８が除かれる。

ＤＯＥ５０は、上記の図１の方法１０で形成されるが、次のような修正を伴う。方法１０では、ＤＯＥ５０を移動する光の速度と空気中を移動する光の速度が異なるために位相シフトが生じる。この実施形態では、ＤＯＥ５０を移動する光の速度と酸化物平坦化層１６０（図６Ｃ）を移動する光の速度が異なるために位相シフトが生じる。酸化物平坦化層１６０は、ＤＯＥ５０内のエッチング停止酸化物と等しいかまたは同様な屈折率を有するので、アモルファスシリコンの厚さは次のように計算される。
（９９０ｎｍ／〔（８＊３．５−１．４５）〕）＝６０．３７ｎｍ。
合計のＤＯＥスタックの厚さは次のように計算される。
〔９９０ｎｍ／（３．５−１．４５）＋５ｎｍ〕＊８＝５２３ｎｍ。

図６Ｂに示すように、ステップ１０６では、任意選択的に、ＡＲコーティング１５０をＤＯＥ５０上に形成する。ＡＲコーティング１５０の材料と厚さとを上記のように選択する。ＡＲコーティング１５０は、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）でありうる。二酸化チタンのＡＲコーティング１５０は、電子ビーム蒸着で付着させることができ、典型的には９９０ｎｍの波長について１１２．５ｎｍの厚さである。ＡＲコーティング１５０を図６Ｂだけに示す。

図６Ｃに示すように、ステップ１０８では、平坦化層１６０をデバイス層１４４とＤＯＥ５０の上に形成し、作成される構造の上面が平らなほうが望ましい場合には、平坦化する。平坦化層１６０は、ＰＥＣＶＤで形成した二酸化珪素（ＳｉＯ₂）でありうる。酸化物平坦化層１６０は、平坦度（flatness）が２００オングストローム（Å）以内になるように化学機械研磨（ＣＭＰ）により研磨され、典型的にはＤＯＥ５０より０．３μｍ厚い。９９０ｎｍ波長のための一実施形態では、ＤＯＥ５０は、典型的には５２３ｎｍの厚さを有する。したがって、酸化物平坦化層１６０は、典型的には８２３ｎｍの厚さを有する。

図６Ｄに示すように、ステップ１１０では、ＳＯＩ基板１４２の裏側にバリア層１７０を形成する。バリア層１７０は、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）でありうる。酸化物のバリア層１７０は、ＰＥＣＶＤによって付着させることができ、典型的には０．５μｍの厚さである。

図６Ｄに示すように、ステップ１１２では、ボンディングパッド１７２をバリア層１７０上に形成する。ボンディングパッド１７２は、電子ビーム蒸着またはスパッタリングによって付着させ、リフトオフマスクによりパターン形成した、チタン−プラチナ−金（ＴｉＰｔＡｕ）のシーケンスでありうる。チタンは典型的には５０ｎｍの厚さを有し、プラチナは典型的には１５０ｎｍの厚さを有し、金は典型的には５０ｎｍの厚さを有する。

図６Ｄに示すように、ステップ１１４では、エッチングマスク層１７４をバリア層１７０とボンディングパッド１７２上に形成する。ウェットエッチングを使用する場合には、エッチングマスク層１７４は、ＰＥＣＶＤで付着させた窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）でありうる。ドライエッチングを使用する場合には、エッチングマスク層１７４は回転塗布されたフォトレジストでありうる。

図７Ｅに示すように、ステップ１１６では、エッチングマスク層１７４をパターン形成し、エッチングウィンドウ１７６の部分を形成する。エッチングマスク層１７４が窒化物である場合には、フォトレジストに回転塗布し、フォトレジストを露光させ、フォトレジストを現像し、窒化物をエッチングすることによってパターン形成することができる。エッチングマスク層１７４がフォトレジストの場合には、フォトレジストを露光して現像することによってパターン形成することができる。

図７Ｅに示すように、ステップ１１８では、エッチングマスク層１７４を使用してバリア層１７０にパターン形成し、エッチングウィンドウ１７６の部分を形成する。

図７Ｅに示すように、ステップ１２０では、ＤＯＥ５０の反対側に位置しエッチングウィンドウ１７６で露出されるシリコンハンドル層１４８の一部を、酸化物の絶縁体層１４６までエッチングする。これはボンディングリング１４８Ａを形成するときにエッチング停止として機能する。エッチングマスク層１７４が窒化物の場合には、シリコンハンドル層１４８を水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液でエッチングすることができる。エッチングマスク層１７４がフォトレジストの場合には、シリコンハンドル層１４８をＤＲＩＥを使用してエッチングすることができる。

図７Ｅと図７Ｆとに示すように、ステップ１２２では、残りのエッチングマスク層１７４をエッチングして除去する。

図７Ｅと図７Ｆとに示すように、ステップ１２４では、ＤＯＥ５０の反対側にある酸化物絶縁体層１４６の一部をエッチングして除去する。フッ酸（ＨＦ）を使用して酸化物絶縁体層１４６をエッチングして除去することができる。

図７Ｇに示すように、ステップ１２６では、任意選択的に、ＡＲコーティング１９０を平坦化層１６０上に形成する。ＡＲコーティング１９０の材料と厚さとは上記のように選択する。ＡＲコーティング１９０はフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）でありうる。フッ化マグネシウムのＡＲコーティング１９０は、電子ビーム蒸着によって付着させることができ、典型的には９９０ｎｍの波長に対して１７９．３ｎｍの厚さである。

図７Ｇに示すように、ステップ１２８では、任意選択的に、ＡＲコーティング１９２をＤＯＥ５０の反対側のシリコンデバイス層１４２上に形成する。ＡＲコーティング１９２の材料と厚さとは上記のように選択する。ＡＲコーティング１９２は窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）でありうる。窒化物のＡＲコーティング１９２は、シャドウマスクを介して電子ビーム蒸着で付着させることができ、典型的には９９０ｎｍの波長について１３２．３ｎｍの厚さである。シャドウマスクは化学エッチングした金属箔でありうる。ソースからの蒸着した窒化珪素は、マスク内の穴を通過して、ウェハ上に付着する。このマスクは、通常はウェハに対して機械的に並びウェハの近くに配置される。窒化珪素およびアモルファスシリコンなどの材料は、プロセスパラメータによって調節できる一定範囲の屈折率を有することに注意されたい。当業者であれば、付着温度やガス流状態や圧力などのパラメータを調節して屈折率を調節する方法を理解されるであろう。この時点で、リッド１９４を形成し、サブマウントに装着してマイクロエレクトロニクスパッケージを完成させることができる。

別法としては、窒化珪素層１４５（図６Ａ）を含むＳＯＩ基板１４２を使用する場合には、ステップ１２８をバイパスすることができる。このようなＳＯＩ基板１４２を使用する場合には、窒化珪素層１４５がＤＯＥ５０のＡＲコーティングになる。

図８は、本発明の一実施形態における、シリコン基板の上にＤＯＥを形成し、ＤＯＥを透明な基板に移す方法２００のフローチャートである。次に、図９Ａ〜図１０Ｇを参照して方法２００を説明する。

図９Ａに示すように、ステップ２０２では、シリコン基板２４２上にエッチング停止層２４０を形成する。エッチング停止層２４０は二酸化珪素（ＳｉＯ₂）でありうる。エッチング停止層２４０は、加熱成長させるかＰＥＣＶＤで付着させることができ、典型的には０．５μｍの厚さである。

図９Ａに示すように、ステップ２０４では、任意選択的に、ＡＲコーティング２４４をエッチング停止層２４０上に形成する。ＡＲコーティング２４４の材料と厚さとは上記のように選択する。ＡＲコーティング２４４は窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）でありうる。窒化物ＡＲコーティング２４４は、ＰＥＣＶＤで付着させることができ、典型的には９９０ｎｍの波長に対して１３２．３ｎｍの厚さである。

図９Ａに示すように、ステップ２０８では、ＤＯＥ５０をＡＲコーティング２４４の上に形成する。ＤＯＥ５０は図１の方法１０で記述したように形成する。ＤＯＥ層の厚さは上記のように選択することができる。

図９Ｂに示すように、ステップ２１０では、任意選択的に、ＡＲコーティング２４８をＤＯＥ５０の上に形成する。ＡＲコーティング２４８の材料と厚さとは上記のように選択する。ＡＲコーティング２４８は二酸化チタン（ＴｉＯ₂）でありうる。二酸化チタンのＡＲコーティング２４８は、電子ビーム蒸着で付着させることができ、典型的には９９０ｎｍの波長について１１２．５ｎｍの厚さである。ＡＲコーティング２４８を図９Ｂだけに示す。

図９Ｃに示すように、ステップ２１２では、ＡＲコーティング２４４とＤＯＥ５０との上に平坦化層２６０を形成して平坦化する。平坦化層２６０は、ＰＥＣＶＤで形成した二酸化珪素（ＳｉＯ₂）でありうる。酸化物の平坦化層２６０は、平坦度が２００Å以内になるようにＣＭＰにより研磨され、典型的にはＤＯＥ５０より０．３μｍ厚い。酸化物の平坦化層２６０は、典型的には０．８μｍの厚さである。

図９Ｃに示すように、ステップ２１４では、平坦化層２６０の上にボンディング層２６２を形成する。ボンディング層２６２は、ＰＥＣＶＤで付着させたアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）でありうる。シリコンのボンディング層２６２は、目的とする波長の半分の厚さを有するか、目的とする波長の半分の整数倍の厚さを有する。シリコンのボンディング層２６２は、９９０ｎｍの波長に対して典型的には１４１．４ｎｍである。シリコンのボンディング層２６２は、（たとえばパイレックス（登録商標）などの）ナトリウムホウケイ酸ガラスの透明基板２７０（図９Ｄ）に対する、酸化物でコーティングされたシリコン基板の陽極接着を向上させる。この層は、陽極接着以外の接着方法では省略できる。

図９Ｄに示すように、ステップ２１６では、透明な基板２７０をボンディング層２６２に接着する。透明な基板２７０は、シリコン基板２４２を後からエッチングして除去した後に残る構造に対して機械的な支持を提供する。透明な基板２７０は、（たとえば、ほとんどの通信用途について少なくとも１０％であるように）用途が指定する入射光の一定のパーセンテージがその基板を透過する場合には、（たとえば、赤外線から紫外線の間で選択される）目的の波長を透過する。透明な基板２７０は、石英、（たとえばパイレックス（登録商標）などの）ナトリウムホウケイ酸ガラス、サファイア、または、溶融シリカでありうる。好ましい透明な基板２７０は、陽極接着によってボンディング層２６２に接着できるナトリウムホウケイ酸ガラスである。別法としては、接着ボンド、ＨＦ接着、ガラスフリット接着を使用することができる。

図１０Ｅに示すように、ステップ２１８では、バリア層２７１をシリコン基板２４２の裏側に形成する。バリア層２７１は二酸化珪素（ＳｉＯ₂）でありうる。酸化物のバリア層２７１は、ＰＥＣＶＤで形成することができ、典型的には０．５μｍの厚さである。

図１０Ｅに示すように、ステップ２２０では、ボンディングパッド２７２をバリア層２７１の上に形成する。ボンディングパッド２７２は、電子ビーム蒸着またはスパッタリングで付着させ、リフトオフマスクでパターン形成した、チタン−プラチナ−金（ＴｉＰｔＡｕ）シーケンスでありうる。チタンは典型的には５０ｎｍの厚さを有し、プラチナは典型的には１５０ｎｍの厚さを有し、金は典型的には５０ｎｍの厚さを有する。

図１０Ｅと図１０Ｆとに示すように、ステップ２２４では、フォトレジスト層２７４を形成しパターン形成して、エッチングウィンドウ２７８の部分を形成する。

図１０Ｅと図１０Ｆとに示すように、ステップ２２６では、エッチングウィンドウ２７８によって露出されるバリア層２７１の部分を、フォトレジスト層２７４を使用してエッチングし、エッチングウィンドウ２７８の部分を形成する。

図１０Ｅと図１０Ｆとに示すように、ステップ２２８では、ＤＯＥ５０の反対側に位置しエッチングウィンドウ２７８が露出するシリコン基板２４２の部分を、エッチング停止層２４０までエッチングし、ボンディングリング２４２Ａを形成する。シリコン基板２４２はＤＲＩＥでエッチングできる。

図１０Ｆと図１０Ｇとに示すように、ステップ２３０では、残りのフォトレジスト層２７４をレジスト剥離剤（ｒｅｓｉｓｔ ｓｔｒｉｐｅｒ）によって化学的に除去する。

図１０Ｆと図１０Ｇとに示すように、ステップ２３２では、ＤＯＥ５０の反対側の酸化物エッチング停止層２４０の部分をエッチングして除去し、ＡＲコーティング２４４の一部を露出する。オプションのフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）のＡＲコーティングは、透明な基板２７０上に電子ビーム蒸着することができる。ＭｇＦ₂の厚さと屈折率とは上記のように選択することができる。この時点でリッド２８０を形成し、サブマウントに装着し、マイクロエレクトロニクスパッケージを完成させることができる。

ステップ２２４から２３２の代替としては、すべてのシリコン基板２４２をエッチングして除去し、透明な基板２７０に装着されるＤＯＥ５０を形成することができる。これにより、ボンディングリング２４２Ａのないリッド２８０が作成される。

図１１は、本発明の一実施形態における、ＤＯＥのパターンをシリコン基板から透明な基板に移すことによってＤＯＥを形成する方法３６０のフローチャートである。次に、図１２Ａから図１２Ｄを参照して、方法３６０を説明する。

図１２Ａに示すように、ステップ３６２では、ＤＯＥのモールド３９０をシリコン基板３９２上に形成する。モールド３９０は、図１の方法１０でＤＯＥ５０と同様に形成することができるが、モールド３９０はＤＯＥ自体ではなくＤＯＥの逆の像である点が異なる。逆の像を屈折率２．１の窒化珪素で満たすので、このモールド３９０の合計の厚さは、９９０ｎｍ／（ＲＩｓｉｎ−Ｒｉａｉｒ）＝９９０ｎｍ／（２．１−１）＝９００ｎｍになる。

図１２Ａに示すように、ステップ３６３では、モールド３９０の上に非共形二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）層３９３を形成する。非共形酸化物層３９３は、電子ビーム蒸着で付着させることができる。酸化物層３９３は、エッチング停止としての機能と、窒化物のＤＯＥ３９４Ａ（図１２Ｂ）のＡＲコーティングとしての機能とを果たす。酸化物層３９３の屈折率は、典型的には１．４５である。（たとえば、９９０ｎｍ／４／１．４５＝１７０．７ｎｍのように）酸化物層３９３の厚さを上記のように選択する。窒化物のＤＯＥ３９４Ａは約２．１の屈折率を有するので、屈折率が１．４５の酸化物層３９３は非常に効果的なＡＲコーティング材となりうる。

図１２Ｂに示すように、ステップ３６４では、レンズ層３９４を形成し、酸化物層３９３をカバーして平坦化する。図面からわかるように、酸化物層３９３のパターンに一致するレンズ層３９４の一部がＤＯＥ３９４Ａを形成する。レンズ層３９４はＰＥＣＶＤで付着させた窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）または二酸化珪素（ＳｉＯ₂）であってもよく、典型的には１２００ｎｍの厚さである。レンズ層３９４はＣＭＰにより９００ｎｍの厚さに平坦化できる。

図１２Ｂに示すように、ステップ３６５では、透明な基板３９８をエッチングマスク層３９４に接着する。透明な基板３９８は、（たとえば、ほとんどの通信用途について少なくとも１０％であるように）用途が指定する入射光の一定のパーセンテージが基板を透過する場合には、（たとえば、赤外線から紫外線の間で選択される波長である）目的の波長を透過する。透明な基板３４は、石英、（たとえばパイレックス（登録商標）などの）ナトリウムホウケイ酸ガラス、サファイア、または、溶融シリカでありうる。透明な基板３９８がナトリウムホウケイ酸ガラスである場合には、陽極接着によって窒化物レンズ層３９４に接着できる。別法としては、酸化物のレンズ層３９４上にシリコン接着層を形成し、ナトリウムホウケイ酸ガラス基板３９８を陽極接着によってシリコンのボンディング層に接着することができる。

図１２Ｂに示すように、ステップ３６６では、ボンディングパッド３９５をシリコン基板３９２の裏側に形成する。ボンディングパッド３９５は、電子ビーム蒸着またはスパッタリングによって付着され、リフトオフマスクでパターン形成したチタン−プラチナ−金（ＴｉＰｔＡｕ）シーケンスでありうる。チタンは典型的には５０ｎｍの厚さを有し、プラチナは典型的には１５０ｎｍの厚さを有し、金は典型的には５０ｎｍの厚さを有する。

図１２Ｂに示すように、ステップ３６８では、シリコン基板３９２の裏側とボンディングパッド３９５上とにエッチングマスク層３９６を形成する。エッチングマスク層３９６は、ＰＥＣＶＤで付着した窒化珪素（ＳＩ₃Ｎ₄）でありうる。

図１２Ｂと図１２Ｃとに示すように、ステップ３７２では、エッチングマスク層３９６をパターン形成してエッチングウィンドウ４００を形成する。

図１２Ｃと図１２Ｄとに示すように、ステップ３７４では、ＤＯＥ３９４Ａの反対側に位置しエッチングウィンドウ４００で露出しているシリコン基板３９２の部分を酸化物層３９３までエッチングして、ボンディングリング３９２Ａを形成する。シリコン基板３９２はＤＲＩＥでエッチングして除去することができる。

ステップ３７６では、エッチングマスク層３９６をエッチングして除去する。この時点でリッド４０２を形成し、サブマウントに装着して、マイクロエレクトロニクスパッケージを完成させることができる。

開示された実施形態の特徴を他に種々の方法で適応させたり組み合わせたりした方法も、本発明の範囲内である。添付の請求項には多くの実施形態が包含される。

本発明の一実施形態における、透明な基板上に回折光学素子（ＤＯＥ）を作成する方法のフローチャートである。 Ａ〜Ｅは、本発明の一実施形態における、図１の方法を使用して形成された構造を示す図である。 本発明の別の実施形態における、透明な基板上にＤＯＥを作成する方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態における、図３の方法を使用して形成された構造を示す図である。 本発明の別の実施形態における、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板上にＤＯＥを作成する方法のフローチャートである。 Ａ〜Ｄは、本発明の一実施形態における、図５の方法を使用して形成される構造を示す図である。 Ｅ〜Ｇは、本発明の一実施形態における、図５の方法を使用して形成される構造を示す図である。 本発明の別の実施形態における、シリコン基板上にＤＯＥを作成し、ＤＯＥを透明な基板に移す方法のフローチャートである。 Ａ〜Ｄは、本発明の一実施形態における、図８の方法を使用して形成された構造を示す図である。 Ｅ〜Ｇは、本発明の一実施形態における、図８の方法を使用して形成された構造を示す図である。 本発明の別の実施形態における、シリコン基板から透明な基板にＤＯＥのパターンを移すことによってＤＯＥを作成する方法のフローチャートである。 Ａ〜Ｄは、本発明の一実施形態における、図１１の方法を使用して形成された構造を示す図である。

符号の説明

３２ 不透明なコーティング
３４ 透明な基板
３６ 反射防止コーティング
５０ ＤＯＥ
５１ 反射防止コーティング
６０ バリア層
６２ シリコン基板
６２Ａ ボンディングリング
６４ ボンディングパッド
６６ フォトレジスト
６７ エッチングウィンドウ
８０ リッド
８２ サブマウント
８４ マイクロエレクトロニクスパッケージ
８６ 光源
８８ 能動受動回路
９２ サブマウント
９４ シリコン剤
９６ 光源
９８ 能動受動回路
１４２ ＳＯＩ基板
１４４ シリコンデバイス層
１４５ 窒化珪素層
１４６ 酸化物絶縁体層
１４８ シリコンハンドル層
１４８Ａ ボンディングリング
１５０ ＡＲコーティング
１６０ 酸化物平坦化層
１７０ バリア層
１７２ ボンディングパッド
１７４ エッチングマスク層
１７６ エッチングウィンドウ
１９０ ＡＲコーティング
１９２ ＡＲコーティング
１９４ リッド
２４０ エッチング停止層
２４２ シリコン基板
２４４ ＡＲコーティング
２４８ ＡＲコーティング
２６０ 平坦化層
２６２ ボンディング層
２７０ 透明な基板
２７１ バリア層
２７２ ボンディングパッド
２７４ フォトレジスト層
２７８ エッチングウィンドウ
２８０ リッド
３９０ モールド
３９２ シリコン基板
３９２Ａ ボンディングリング
３９３ 非共形二酸化シリコン層
３９４ レンズ層
３９４Ａ 窒化物のＤＯＥ
３９５ ボンディングパッド
３９６ エッチングマスク層
３９８ 透明な基板
４００ エッチングウィンドウ
４０２ リッド

Claims (5)

1. シリコン基板の第１の面上に回折光学素子のモールドを形成するステップと、
   前記モールドの上にエッチング停止層を形成するステップと、
   該エッチング停止層の上にレンズ層を形成するステップであって、該レンズ層は前記モールドに一致して前記回折光学素子を形成し、該レンズ層は赤外線から紫外線の間で選択された波長の光を透過するレンズ層を形成するものであるステップと、
   前記レンズ層を平坦化するステップと、
   前記レンズ層に透明な基板を接着するステップと、
   前記シリコン基板の残りの部分がボンディングリングを形成するように、前記回折光学素子の反対側にあるシリコン基板の第２の面を前記エッチング停止層までエッチングするステップと
   を含んでなる、回折レンズの製造方法。
2. 前記レンズ層は、窒化珪素と二酸化珪素とを含むグループから選択される材料を含むものである請求項１に記載の方法。
3. 前記透明な基板は、石英とパイレックス（登録商標）とサファイアとを含むグループから選択される材料を含むものである請求項１に記載の方法。
4. 前記モールドを形成するステップは、
   前記エッチング停止層を用いて分離された少なくとも２つのレンズ層を含むスタックを形成することと、
   前記回折光学素子の層を形成するために前記スタックをパターン形成することと
   をさらに含むものである請求項１に記載の方法。
5. 前記ボンディングリング上にボンディングパッドを形成するステップと、
   パッケージを形成するために該ボンディングリングにサブマウントを接着するステップと
   をさらに含む請求項１に記載の方法。

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