TW201316383A - 於非soi基板上製作矽波導之方法 - Google Patents

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Ching-Fuh Lin
Shih-Che Hung
Shu-Jia Syu
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Abstract

本發明提供一種於非絕緣層上覆矽基板（non-silicon-on-insulator substrate）製作矽波導之方法，特別是有關一種使用雷射於矽基板製作矽波導之方法。該方法包含下列步驟：（1）製作一具高高寬比的背脊結構於一非絕緣層上覆矽（non-SOI）基板上;（2）以雷射照射該背脊結構，而將背脊結構融化重整為一上寬下窄之結構;（3）氧化該上寬下窄之結構以形成一矽波導。

Description

於非SOI基板上製作矽波導之方法
  本發明係關於一種於非絕緣層上覆矽基板(non-silicon-on-insulator substrate; non-SOI substrate)製作矽波導之方法，特別是有關一種使用雷射於矽基板製作矽波導之方法。
  一般來說，矽光子元件，例如矽波導，都是必需要在絕緣層上覆矽基板(silicon-on-insulator substrate;簡稱SOI基板)上才能製作，而無法製作於一般常用的矽晶圓或是矽基板上。SOI基板相較於一般的矽基板(或矽晶圓)，在製程上較為複雜與困難，所以其製作成本相對的也較高，所以導致在整個矽光子元件的製作成本無法降低。
  另外，隨著微處理器效能的增加，導致在晶片與晶片，及晶片內的資料傳輸量以及傳輸速度的需求也不斷增加，因此，以矽光子元件做為晶片與晶片之間的光學連接、或做為晶片內的半導體元件之間的光學連接，而取代傳統的金屬線路做為晶片與晶片之間的資料傳輸及晶片內的電子元件(或半導體元件)之間的資料傳輸，顯然為一良好的取代方案。然而，由於矽光子元件無法製作於一般的矽基板(或矽晶圓)上，導致必需將電子元件或半導體元件，例如CMOS，以及矽光子元件，例如矽波導，分別製作於矽基板與SOI基板上，等到兩者於個別基板上製作完成後，再進行組合，所以無法將電子元件(或半導體元件)與矽光子元件一起製作於同一基板上。因此，導致此方案的製程過於複雜與困難以及製作成本過高，而妨礙此方案的實踐。
  有鑑於此，亟需要一種可以於非SOI基板製作光學元件之方法，能夠以一般的矽基板(或矽晶圓)取代SOI基板，而將矽光子元件製作於其上，從而降低矽光子元件的製作成本，並使得矽光子元件與電子元件(或半導體元件)可以製作於同一矽基板上，從而以一簡單且低成本的製程將矽光子元件與電子元件(或半導體元件)進行整合。
  本發明之一目的為提供一種於非SOI基板製作矽光子元件(例如矽波導)之方法，可以採用一般的矽基板(或矽晶圓)進行矽光子元件的製作，而降低矽光子元件的製作成本。
  本發明之另一目的為提供一種於非SOI基板製作矽光子元件(例如矽波導)之方法，可以將矽光子元件製作於一般的矽基板(或矽晶圓)上，而使矽光子元件與電子元件(或半導體元件)可以製作於同一矽基板上，而降低矽光子元件與電子元件(或半導體元件)整合於同一矽基板上的困難度與製作成本。
  根據本發明之一目的，本發明提供一種於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其包含下列步驟:(1)製作一具高高寬比的背脊結構於一非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上;(2)以雷射照射該背脊結構，使該背脊結構融化重整為一上寬下窄之結構;(3)氧化該上寬下窄之結構的狹窄下部，以及該上寬下窄之結構的上部的外圍部份，以形成一矽波導。
  因此，本發明提供了一種於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，可以價格較低廉的矽基板或矽晶圓取代價格較高的SOI基板而製作矽光子元件，而將低矽光子元件的製作成本。藉此，更進一步提供一可以將矽光子元件與電子元件(或半導體元件)製作於同一矽基板上的方法，而降低矽光子元件與電子元件(或半導體元件)整合於同一矽基板上的困難度與製作成本，並以矽光子元件做為晶片與晶片之間的光學連接、或做為晶片內的半導體元件之間的光學連接，從而簡化以矽光子元件做為晶片與晶片之間的資料傳輸或晶片內的電子元件(或半導體元件)之間的資料傳輸的困難度，而增加此設計的可能性。
  本發明的一些實施例詳細描述如下。然而，除了該詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受已提出之實施例的限制，而以本發明提出之申請專利範圍為準。其次，當本發明之實施例圖示中的各元件或步驟以單一元件或步驟描述說明時，不應以此作為有限定的認知，即如下之說明未特別強調數目上的限制時本發明之精神與應用範圍可推及多數個元件或結構並存的結構與方法上。再者，在本說明書中，各元件之不同部分並沒有完全依照尺寸繪圖，某些尺度與其他相關尺度相比或有被誇張或是簡化，以提供更清楚的描述以增進對本發明的理解。而本發明所沿用的現有技藝，在此僅做重點式的引用，以助本發明的闡述。
  第一A圖至第一H圖為本發明之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法的一個實施例，其以剖面結構圖顯示整個製程與各個製程步驟。參照第一A圖，首先，提供一非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板100，非SOI基板100為一般用於製作電子元件(或半導體元件)的矽基板或矽晶圓。
  接著，參照第一B圖，形成或覆蓋一光阻102於非SOI基板100的表面上，並以微影製程圖案化光阻102，而移除部份的光阻部份，以裸露出非SOI基板100上部份區域的表面，而定義該區域為預定製作背脊結構區域104以及其寬度。換言之，所定義的預定製作背脊結構區域104的寬度即為後續步驟中製作的背脊結構的寬度。當然，在此步驟，也可以直接以一已經圖案化的遮罩覆蓋於非SOI基板100，而定義出非SOI基板100上的預定製作背脊結構區域以及其寬度。
  然後，參照第一C圖，形成一金屬層106於該預定製作該背脊結構區域104的非SOI基板100表面上以及光阻102上。當然，在此步驟也可以僅形成金屬層於非SOI基板上的預定製作該背脊結構區域中。金屬層106係以蒸鍍(evaporation)、濺鍍(sputtering)、或是其他適用的方法製作，而金屬層106可以採用鉻(Cr)或其他任何適合做為蝕刻遮罩的金屬。
  接著，參照第一D圖，移除光阻102以及光阻102上的金屬層106，而保留製作該背脊結構區域104上的金屬層106。此光阻移除步驟可以採用化學蝕刻、化學機械研磨、或其他任何適用移除方法將光阻移除。然後，參照第一E圖，以殘留的金屬層106為蝕刻遮罩而實施一移除步驟，將非SOI基板100上未覆蓋金屬層106部份移除至一預定厚度，以形成具高高寬比的背脊結構108。接著，再將做為蝕刻遮罩的殘留的金屬層106移除，或是直接在實施移除步驟的時候一併將金屬層106移除。其中，該預定厚度即為背脊結構108的高度，可以視欲製作的矽波導尺寸而採取不同預定厚度(或背脊結構108的高度)。背脊結構108高度範圍在100奈米(nm)至10微米(μm)之間，背脊結構108之寬度範圍在10奈米(nm)至5微米(μm)之間，而背脊結構108之高寬比在1/50至1000之間，其可以視欲製作的矽波導的尺寸與設計而採取不同的選擇。此移除步驟可以採取係以濕蝕刻、乾蝕刻、反應式離子蝕刻、雷射輔助壓印、或是雷射切割方式實施。參照第二A圖，其為以電子顯微鏡觀察經上述步驟後所得到的背脊結構108剖面結構的照片，以顯示經過移除步驟後的實際結構。
  參照第一F圖，接著，以雷射110照射背脊結構108，特別是照射於背脊結構108的上半部。藉由雷射能量使背脊結構108(特別是背脊結構108的上半部)融化，進而重整為一上寬下窄之結構112(如第一G圖所示)。參照第二B圖，其為以電子顯微鏡觀察經過融化重整後的背脊結構108剖面結構的照片，以顯示經過雷射110照射後的實際結構。
  該步驟所使用的雷射種類可以採用氣體雷射、固態雷射、或是半導體雷射，而所使用的雷射操作模態可以採取脈衝式雷射(pulse laser)或連續波雷射(continue-wave laser; CW laser)。雷射110的照射方向可以為0度(雷射照射方向垂直非SOI基板平面)至90度(雷射照射方向平行非SOI基板平面)，其可以視製程需求而採取不同的選擇。雷射照射步驟可以視製程的需要，而選擇在真空、大氣、惰性氣體、或是欲作用反應之氣體(例如氧氣或氮氣)中實施。另外，可以經由一光學系統，例如均質化透鏡、透鏡與反射鏡等所組成之光學系統，先將雷射100均質化，再照射於背脊結構108上，以使照射於背脊結構108各部份的能量都相同，或是先經由一光學系統，例如一連串透鏡與反射鏡等所組成之光學系統，將雷射集中一點或一條線，再照射於背脊結構上，以使雷射能量增加或使雷射僅作用於背脊結構欲作用之部位，例如背脊結構的上半部。
  其次，在進行雷射照射時，可以視製程需求，而將非SOI基板放置於一常溫基板、高溫基板、或是低溫基板上進行雷射照射。其中，置於高溫基板進行雷射照射，可以幫助背脊結構快速融化，而縮短製程時間，置於低溫基板進行雷射照射，幫助非SOI基板散熱，而避免非SOI基板因過熱而造成損壞。高溫基板的溫度範圍為室溫至1200℃。另外，為了避免雷射照射到其他不需要融化重整的部位，例如非SOI基板的表面或是背脊結構的下半部，可以於雷射照射之前，先以光罩或是微影製程製作之遮罩(例如光阻)遮蔽SOI基板上不需雷射照射的部位，以定義出雷射照射的區域，而限制雷射僅照射於所欲作用的區域。
  參照第一G圖與第二B圖，背脊結構在經融化重整後所形成的上寬下窄之結構112包含一較寬的上部結構112a與一較狹窄的下部結構112b。其中，背脊結構的上半部由於雷射照射而融化，藉由表面張力(surface tension)而形成一剖面結構為圓形、橢圓形或是類似形狀的上部結構112a，使得上部結構112a。背脊結構的下半部則因未被雷射照射或是僅被微量的雷射照射到，而不會發生融化重整，所以幾乎不會有任何改變或僅有些微變形，使下部結構112b幾乎與原來的背脊結構的下半部相同。因此，使得上部結構112a的寬度大於下部結構112b的寬度。上部結構112a最寬處的寬度在100奈米(nm)至5微米(μm)之間，下部結構112b最窄處的寬度在10奈米(nm)至3微米(μm)之間，而下部結構112b高度在50奈米(nm)至10微米(μm)之間。
  最後，參照第一H圖，實施一氧化製程而氧化非SOI基板100與其上的上寬下窄之結構112，而在氧化非SOI基板100與上寬下窄之結構112上形成一氧化層114。特別是氧化非SOI基板表面、整個下部結構112b，以及氧化上部結構112a的外圍部份，而分別形成氧化層114a、114b與114c於其上，以形成一矽波導112c。在氧化製程中，由於上部結構112a的寬度遠大於下部結構112b的寬度，且在非SOI基板100、上部結構112a以及下部結構112b上的氧化速率大致相同，所以在下部結構112b的外部與內部都完全被氧化時，上部結構112a內部的核心部份112c仍然未被氧化，形成一矽核結構，以做為矽波導。由矽波導112c被氧化層114c包覆，且下部結構112b完全氧化成氧化層114b，所以可以降低基板損耗(substrate loss)，即光由矽波導112c耦合至非SOI基板所造成的損耗。該氧化步驟可以視製程需求，而選擇採取高溫乾氧化方式、高溫濕氧化方式、或是化學氧化方式進行氧化。其中，核心部份(矽波導)112c的寬度在50奈米(nm)至5微米(μm)之間，而下部結構仍保持在112b高度在50奈米(nm)至10微米(μm)之間。
  其次，在此氧化步驟，除了可以採取一次氧化而直接在氧化非SOI基板100與上寬下窄之結構112上形成一預定厚度的氧化層之外，還可以採取多次氧化方式，而製作被氧化層包覆的矽波導。多次氧化方式係在初次氧化後(如第二C圖所示)，將氧化層移除，再重新進行氧化，並重複移除與氧化步驟直到形成所欲達成的矽波導結構為止(如第二D圖所示)，即整個下部結構112b被氧化，而氧化上部結構112a保留核心部份112c未被氧化。由於氧化速率隨著氧化層的厚度增加而遞減，因此，為了縮短製程的時間或是加快製程的速率，或是在下部結構112b的寬度過大的狀況下，採取多次氧化製程顯然為一較佳的選擇。
  由於在製程中微塵(particles)最容易集聚於表面上，因此，多次氧化方式中的氧化層移除步驟有助於表面微塵的去除與減少，故此也為採取多次氧化方式的優點之一。另外，在完成矽波導的製作之後，可以化學氣象沈積(PECVD)、真空蒸鍍、或其他沈積方式，在氧化層上形成一氮化物，例如氮化矽，而覆蓋氧化層，以穩定矽波導結構。雖然於上述說明與圖示中都僅顯示單一的背脊結構、上寬下窄之結構以及矽波導，但是這僅式微了簡化圖示以利說明，實際上是可以同時製作多個背脊結構、上寬下窄之結構以及矽波導。
  有鑑於上述實施例，本發明提供一種於非SOI基板製作矽光子元件(例如矽波導)之方法，可以採用一般的矽基板(或矽晶圓)取代價格昂貴的SOI基板進行矽光子元件的製作，而降低矽光子元件的製作成本。再者，藉由上述方法所製作的矽波導不但可以製作於矽基板(或矽晶圓)上，更因為該矽波導被氧化層所包覆，而可以降低基板損耗，使得矽光子元件(例如矽波導)可以與電子元件(或半導體元件)製作於同一基板上，以利矽光子元件與電子元件的整合。
100．．．非SOI基板
102．．．光阻
104．．．預定製作背脊結構區域
106．．．金屬層
108．．．背脊結構
110．．．雷射
112．．．上寬下窄之結構
112a．．．上部結構
112b．．．下部結構
112c．．．矽波導
114、114a、114b、114c．．．氧化層
第一A圖至第一H圖為本發明之一實施例之於非SOI基板上製作矽波導之方法的剖面流程圖。

第二A圖至第二D圖分別為本發明之於非SOI基板上製作矽波導之方法的不同步驟中，以電子顯微鏡觀察到的剖面結構的照片。
100．．．非SOI基板
102．．．光阻
104．．．預定製作背脊結構區域
106．．．金屬層
108．．．背脊結構
110．．．雷射
112．．．上寬下窄之結構
112a．．．上部結構
112b．．．下部結構
112c．．．矽波導
114、114a、114b、114c．．．氧化層

Claims (30)

  1. 一種於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，包含:
    　 (1)製作一具高高寬比的背脊結構於一非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上;
    　 (2)以雷射照射該背脊結構，使該背脊結構融化重整為一上寬下窄之結構;以及
    　 (3)氧化該上寬下窄之結構的下部結構，以及該上寬下窄之結構的上部結構的外圍部份，以形成一矽波導。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板為一矽晶圓或矽基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中步驟(1)包含:
    　 形成一光阻於該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上;
    　 圖案化該光阻而定義出欲製作該背脊結構之區域與該背脊結構的寬度;
    　 形成一金屬層於該欲製作該背脊結構之區的非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板表面上;
    　 移除該光阻;以及
    　 以該金屬層為遮罩執行一移除步驟，將該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上未覆蓋該金屬層的部份移除至一預定厚度，以形成該背脊結構。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該金屬層為一鉻(Cr)金屬層。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該移除步驟係以濕蝕刻、乾蝕刻、反應式離子蝕刻、雷射輔助壓印、或是雷射切割方式進行。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該預定厚度即為該背脊結構之高度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該背脊結構之高度範圍在100奈米(nm)至10微米(μm)之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該背脊結構之寬度範圍在10奈米(nm)至5微米(μm)之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該背脊結構之高寬比在1/50至1000之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中步驟(2)所使用之雷射為氣體雷射、固態雷射、或是半導體雷射。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中步驟(2)所使用之雷射的操作模態為脈衝式雷射(pulse laser)或連續波雷射(continue-wave laser; CW laser)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該步驟(2)所使用之雷射經過一光學系統而均質化，使得照射於該背脊結構各部份的能量都相同。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該步驟(2)之雷射的照射方向為0度至90度。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該步驟(2)所使用之雷射經過一光學系統而及終於一點或一條線，而使雷射能量增加或使該雷射僅作用於該背脊結構欲作用之部位。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該步驟(2)係於真空、大氣、惰性氣體、或是欲作用反應之氣體中進行。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該欲作用反應之氣體為氧氣或氮氣。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該步驟(2)係將該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板放置於一常溫基板上進行雷射照射。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該步驟(2)係將該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板放置於一高溫基板上進行雷射照射，以幫助該背脊結構融化。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該高溫基板的溫度為室溫至1200℃。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該步驟(2)係將該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板放置於一低溫基板上進行雷射照射，以幫助該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板散熱。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其該步驟(2)更包含覆蓋一光罩或是微影製程所製作之光阻於該非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板或該背脊結構上，而定義與限制雷射照射的區域。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該上寬下窄之結構的上部結構最寬處的寬度在100奈米(nm)至5微米(μm)之間。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該上寬下窄之結構的下部結構最窄處的寬度在10奈米(nm)至3微米(μm)之間。
  24. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該上寬下窄之結構的下部結構高度在50奈米(nm)至10微米(μm)之間。
  25. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中步驟(3)係以高溫乾氧化方式、高溫濕氧化方式、或是化學氧化方式進行氧化。
  26. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中在步驟(3)中，保留該上寬下窄之結構的上部結構的核心部份不被氧化。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中該核心部份的寬度在50奈米(nm)至5微米(μm)之間。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中步驟(3)係採取多次氧化的方式對該上寬下窄之結構進行氧化。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中在多次氧化步驟中，會先將前次形成之氧化層移除後，再重新進行氧化，並重複上述步驟直到形成所欲達成的矽波導結構為止。
  30. 如申請專利範圍第1項所述之於非絕緣層上覆矽(non-SOI)基板上製作矽波導之方法，其中更包含一形成氮化物步驟，而在該氧化層上覆蓋一氮化物，以穩定該矽波導結構。
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