TW392081B - Method of fabricating an optical component and optical component made thereby - Google Patents

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五、發明説明（/ ) Α7 Β7 經濟部中央橾準局負工消費合作社印製 發明背景： 本發明係關於光學組件之製造，特別是關於整體(或平 面）光學組件之製造。特別是關於光學組件之製造,其中一 條或多條光學波導與一個或多個光學元件共同形成該元 件與光學波導對準》 在集艘光學領域中，時常需要製造一個組件，其中一個 或多個光學元件與一條或多條光學波導4準。此情況例如 為製造波長區分多工器之過程。通常在製造過程之第一階 段中，構成波導連續層沉積於基板上以及在其中形成圈案 。當波導結構完成(心蕊層及外包層，在基板與心蕊層間可 能具有緩衝層）後，藉由將完成波導結構姓刻及圖案化而形 成相關之光學元件與波導端部對準。在製造處理過程之第 二階段中包含在厚層例如為20-30微米結構上進行光石版 印刷法以及蝕刻處理過程，其將產生許多問題。 傳統製造處理過程存在之問題藉由參考圖1說明製造 繞射光栅為主之狭窄頻帶波長區分多工器或解多工器（NBW DM)處理過程而較為詳細地加以解釋。通常繞射光栅為主 之狹窄頻帶波長區分多工器或解多工器包含繞射光柵與作 為多個頻道通常為32或更多頻道之輸入與輸出波導之端部 對準。 依據傳統之處理過程，通常具有厚度為ΙΠΗΒ光學平滑表 面之矽或矽石晶片使用作為基板10以製造出光學組件。如 圈1Α所示，一層矽石20藉由例如火焰水解沉積或化學沉積 處理過程或等離子沉積處理過程等沉積於基板10上。鍺， (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 • -f - ..... _ . 本紙張尺度適用中國國家標举（CMS ) Α4規格（210Χ297公S ) 子 A7 ______B7 五、發明説明（2) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 鈦或類似元素使用來摻雜矽石以提高其折射率。（在使用 基板情況下，在沉積摻雜矽石心蕊層20前提供緩衝層於基 板10上作為光學隔雜目的。緩衝層能夠藉由熱氧化過程達 成Ο 矽石厚度通常界於5至10微米之間，例如為6. 5微米厚 度。波導之心蕊25以及平面波導28由層20形成，其藉由光 石版印刷法圖案步驟以及接著進行姑刻至適當深度例如為 7微米於心蕊層厚度為6. 5微米情況下而形成(參閱圈1B)。 在該第一光石版印刷步驟中形成對準標記以作為後面光石 版印刷步驟使用。 其次，通常為10-20微米未摻雜或摻雜硼或磷之外包層 30厚度通藉由適當處理過程沉積出，該處理過程例如為壓 力化學汽相沉積法(LPCVD)，等離子加強化學汽相沉積法（ PECVD),大氣壓力化學汽相沉積法(APCVD)，火焰水解等（參 閱圖1C)。該處理過程後，繞射光栅35藉由圖案化形成，在 光石版印刷步驟過程中將標記與先前形成對準標記對準， 以及蝕刻完成層結構達到深度界於20-30微米（參閱圖1D), 通常藉由活性離子蝕刻。光柵為主之狹窄頻帶波長區分多 工器或解多工器（WBWDM)藉由沉積一層鋁或金而使光栅塗 復一層金屬而達成(參閱圖1E) » 在傳統處理過程中，第二光石版印刷以及蝕刻遭遇許 多問題。基板顯著程度地弩曲，通常4英吋(100咖)晶片為 100微米，由於先前沉積心蕊及外包層（17-30微米）厚度。 此嚴重程度之弩曲使得難以得到高解析度之光石版印刷， ---— II- — -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 5* A7 —___B7五、發明説明（) 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 此為製造狹窄頻帶WDM組件或類似需要非常精確界限蝕刻 組件嚴重之缺點。除此，在兩個光石版印刷步驟中所使用 遮單需要良好的對準，此由於可見度之損耗而難以克服， 其由於外包層較大厚度所致。 除此，在傳統處理過程中需要較深之珍石蝕刻以及其 本身為十分困難。蝕刻時間為較長，通常為5至10小時，以 及蝕刻遮單存在嚴格限制（高厚度，高蝕刻抵抗性，低應力 以及高蝕刻解析度除此，在蝕刻過程中存在解析度之損 耗，其導致光栅外圓角約在3與4微米之間。 由於上述問題，本發明提供新穎的處理法作為製造光 學组件,配合對該厚層構造預製件光石版印刷以及姓刻步 驟之需要。 特別地，本發明提供一種形成光學組件之方法，其包含 至少一條波導以及至少一個光學元件放置於面對著波導端 部，其包含在基板沉積出心蕊層以形成每一波導之心蕊，藉 由包含下列步騍表現出特點:沉積部份外包層於心蕊層上； 將該心蕊層及部份外包層圖案化以同時地界定出光學元件 以及波導之9蕊或波導；以及更進一步沉積出外包層。 藉由在兩階段沉積外包層以及同時地界定出光學元件 與波導，其藉由蝕刻通過心蕊層以及部份外包層達成，本發 明方法避免在傳統製造方法中存在較深姓刻處理過程以及 能夠達成較高解析度界定之光學元件。 除此，藉由在傳統製造方法中去除第二光石版印刷步 驟，本發明處理過程產生重要之減化以及確保波導完美地 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) *π 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） Α7 Β7 五、發明説明（中） 與光學元件對準。 同時，藉由減小蝕刻深度，對蝕刻遮罩之要求將降低， 蝕刻時間將減少以及更進一步改善解析度(約為1微米）。 優先地，部份外包層厚度應該界於1-微米範固内，精確 值能夠決定出，為心蕊與外包層折射率間差值之函數。例 如，在波導心蕊層折射率(例如n=l. 46)以及外包層折射率( 例如n=l. 45)間之相對差值為〇. 69%情況下，2-3微米厚度之 外包層為適當的。 假如部份外包層之厚度太小，在產生光學组件中面對 波導端部之光學元件將對著波導心蕊以及少部份外包層在 上方(其對著部份外包層）以及在這些元件中只處理透射之 光線。不過在實際操作使用過程中，依據高斯分佈公式，光 線並不限定保持於波導心蕊中，而將傳播於外包層中β當 心蕊舆外包層折射率間之差值變為較為接近或減小時傳播 於心蕊層外側之部份將提高。 因此，為了將光學損耗減為最低,光學組件不但應該面 對著波導心蕊同時一部份外包層厚度足以確保傳播於心蕊 層外側之大部份光線將位於該部份外包層中。由於光學元 件由蝕刻部份外包層而形成，以及面對著外包層部份，其相 對部份外包層，因此部份外包層具有之厚度應該使得傳播 於心蕊層外側之光線位於部份外包層中。 另外一方面,假如部份外包層太厚，則將失去本發明之 優點(較佳解析度，較小彎曲）。 藉由進行蚀刻步驟經由心蕊層以及部份外包層1-5微 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇Χ297公釐〉 η (請先閲讀背面之注Ϊ項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -a

經濟部中央榡準局員工消費合作衽印製 A7 B7 五、發明説明（γ) 求厚度，所形成光學組件能夠保持良好之效率。 本發明更進一步包含提供光學組件，其包含至少一條 波導，以及光柵藉由蝕刻以及位於面對著波導端部而形成， 其中波導之心蕊由矽石所構成，優先地由含摻雜劑之矽石， 以及由於#刻光栅之外圓角小於3微米，優先地等於或小於 1微米。 本發明更進一步優點及特性由下列優先實施例說明變 為清楚，這些實施例顧示於附圖中。 附圖簡單說明： 圈1顯示出製造NBWDM元件之傳統處理過程，處理過程 經歷之中間過程顯示於圖1A至1E中。 圖2顯示出本發明應用於製造NBWDM元件處理過程之優 先實施例，其經歷之中間過程圖解地顯示於圖2A至2E。 固3顯示出本發明應用於製造NBWDM元件處理過程之第 二優先實施例，其經歷之中間過程圖解地顯示於圖3A至3F。 附圈數字符號說明： 基板10;心蕊層20;光學波導25;平面波導28;外包 層30A，30B;光學元件35;光栅35’；金屬層36;保護層 37- 詳細說明： 在下列說明中，本發明之方法藉由說明兩個實施例而 列舉出，在實施例中將製造出NBWDM。不過人們了解本發明 並不受限於輿造該形式之元件，通常能夠應用於一些情況 中，其中光學元件以傳統方式藉由蝕刻所有波導結構而形 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (#先閲讀背面之注意事項再填寫<頁) 訂 .0Γβ It · A7 B7 ——— ^ · 五、發明説明（£> ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 成並與一條或多條波導對準。 本發明方法第一優先實施例針對圖2A至2E加以說明9 本發明第一實施例之第一步驟包含將摻雜矽石層2〇藉由適 當技術沉積於基板1〇(參考圖2A)。如圖1範例所示，基板厚 度為1咖以及直徑為1〇〇咖之矽石基板以及心蕊層2〇為摻雜 鍺，鈦等之矽石，其厚度為6· 5微米。其餘步驟與傳統方法 並不相同。 接著，並不將波導心蕊圈案化以及蝕刻，沉積傳統外包 廣，在本發明實施例中約為1至5微米之外包層30A藉由適當 處理過程例如^¥认？£0^，11>(：卯，火焰水解等沉積出，（參 閱圖2B)。部份外包層能夠由傳統材料製造出，通常矽石摻 雜硼與磷。接著，波導心蕊25’以及繞射光栅同時地在光石 版印刷步驟中形成圈案化以及藉由例如活性離子蝕刻法蚀 刻深度約為10微米（參考圖2C)。光栅35’與波導心蕊25’同 時地杜刻確保其間之完全對準。除此，在該階段光栅之圖 案化及姓刻通過相當薄層結構將確保改善解析度以及將蝕 刻處理過程減化。 在本發明優先實施例中，光栅之金屬層36藉由在真空 下蒸發或喷塗方式沉積一層塗覆金屬。塗復金屬以直接方 式進行使得金屬層36形成於光柵35’上以及不會(很少）形 成於其他表面上。之後，外包層部份30B更進一步沉積出以 完成波導之外包層部份(參閱圖2E)。由於外包層30B在塗 覆金羼步驊後沉積出，應該選擇低溫之外包層沉積處理過 程(通常<900°C>,例如為PECVD，LPCVD或溶膠處理過程。作 本紙译尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210么297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作杜印策 A7 _B7__ 五、發明説明（々） 為光柵塗覆金屬臈，優先採用具有高熔點金屬例如為金。 本發明第二實施例將針對圖3A至3F說明。本發明第二 實施例最先三個步驟舆第一實施例相同，以及包含在矽石 基板10上沉積含摻雜劑之矽石層20(參閱圈3A),接著沉積 部份外包層30A(參閱圈3B)以及同時將光柵35’以及波導心 蕊25’圖案化及加以蝕刻（參間圈3C) »然而在後面步驟中 處理過程並不相同。 依據第二實施例，光栅35’塗覆金屬膜將延後處理。保 護層優先地為抗高溫聚合物例如為聚醢胺(polyimide)塗 覆於光栅(參閱圈3D)以及再塗覆外包層（參聞圈3E)。保護 層通常藉由塗覆液態形式之前身產物於光柵上以及再將其 在高溫下加以聚合。在第一實施例中，低溫沉積處理過程 需要沉積出外包層30B;但是在該情況下，溫度需要<500eC 。在外包層30B沉積後，去除保護層37以及光柵35’塗覆金 屬膜，通常在真空中藉由喷塗或汽化以沉積一層鋁或金36 (參閱圖3F)。此時由於在光栅35’上面存在層30B，不可能 再進行塗復金屬膜使得金屬只沉積在光栅35’上。不過，存 在於光栅35,後面其他凹腔表面上金屬層36並不會產生任 何不良影響。 由先前所說明兩個實施例可看出光石版印刷實施於只 具有復蓋心蕊層之部份外包層基板上。因而改善光石版印 刷之解析度。例如，在形成光學組件於1〇〇咖晶片上之情況 下，如先前所說明範例中，影饗光石版印刷步驟之晶片弯曲 被減小為30微米。除此，繞射光栅以及波導心蕊同時地界 本紙張^適用中賴家標率（CNS〉Α4· (2丨Gx297公着） 10 c请先閲讀背面之泣意事項再填寫本貢) ,1r A7 B7 五、發明説明（f) 經濟部中央榇準局員工消費合作社印製 定出將確保完美之對準以及去除光石版印刷步驟。最後， 藉由減小在界定光栅過程中所需要之蝕刻深度，蝕刻處理 過程變為較為單純，快速地達成以及具有較佳之解析度。 在先前說明中，不同沉積處理過程例如為火焰水解，AP CVD，LPCVD，PECVD,溶膠等詳細操作條件並未列舉出，然而 這些處理過程為業界所熟知。這些處理過程詳細說明能夠 參考在critical review conference CR53，SPIE 1994， San Diegoo，July 1994提出之invited review paper CR53-03 "Glass Integrated Optics and Optical Fiber Devices" by Michael F. Grant之最先兩段中。 雖然本發明已針對特定實施例說明，人們了解本發明 並不只受限於這些詳細說明之實施例。許多改變及變化能 夠由熟知此技術者達成。 例如，本發明應用於製造光學組件，其中一條或多條波 導舆光學元件例如為透鏡，聚焦或反射銳，菱銳而非與光栅 對準。 除此，雖然先前所說明實施例係關於主成份為矽石之波 導光學組件，其中本發明亦能夠應用於製造光學組件中，其 中波導主要為例如為InP(磷化銦)之半導體。折射率高於矽 石折射率之礙化銦能夠產生較薄心蕊及外包層，以及整個波 導較矽石為主成份之波導薄。儘管如此，與傳統方法比較本 發明製造方法存在一些優點，甚至於在製造InP為主成份光 學組件之情況。蝕刻解析度以及製造處理過程之減化方面 產生顯著之改善。

本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） K (請先閲讀背面.之注意事項再填寫本頁) *11 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（^ ) ， 除此，雖然先前所說明實施例中形成之附加性外包層 30B由矽石所構成，其亦能夠由其他材料例如為聚合物所構 成。上述以及其他改變及變化能夠由熟知此技術者達成， 這些變化及改變均界定於下列申請專利範圍中。 本紙張尺度適用中國國家搮準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 10(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

Claims (1)

11 11 經濟部中央樣隼局員工消费合作社印裝 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 1. 一種製造光學組件之方法,該光學組件至少包含一條光 學波導以及一個光學元件，該光學元件放置對著每一波導 之端部，該方法包含在基板上沉積心蕊層作為形成每一波 導之心蕊，其更進一步包含下列步驟而顯現特點： 在心蕊層上沉積部份外包層； 將心蕊層以及部份外包層圖案化以同時地界定出光學元 件以及每一波導之心蕊；以及 更進一步沉積出外包層。 2. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中部份外包層厚度界 於1至5微米範固内。 3. 依據申請專利範圍第2項之方法，其中部份外包層厚度界 於2至3微米範園内以及心蕊與外包層折射率間之差值約為 0· 7%。 4. 依據申請專利範面第1項之方法，其中光學元件為繞射光 栅以及更進一步包含將光柵塗覆金屬膜之步驟。 5. 依據申請專利範園第4項之方法，其中光柵塗覆金屬膜之 步驟在更進一步沉積外包層步驟前行，以及更進一步外 包層沉積在溫度低於900°C情況下進行。 6. 依據申請專利範圍第4項之方法，其中更進一步沉積外包 層在光柵塗復金屬膜之前進行，光柵在更進一步外包層沉 精步驟前藉由塗覆抗高溫聚合物在其上面之更進一步沉積 外包層而加以保護，更進一步沉積外包層在溫度低於500°C 進行，及抗高溫聚合物在光栅塗膜金屬膜前由光柵去除。 7. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中更進一步沉積外包 各紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁)

12 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 層利用相當低溫度之處理過程進行，該處理過程由^即， PECVD，LPCVD，以及溶膠處理過程選取出。 8·依據，請專利範圍第4項之方法，其中光柵塗覆金屬膜之 步称包含光栅利用金來塗覆金屬膜。 9. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中光學組件為波長區 分多工器/解多工器。 10. 依據申請專利範圍第1項之方法，其中光學組件為狹窄 頻帶波長區分多工器/解多工器，其包含至少32個頻道》 11. 依據申請專利範圍第1項之方法,其中心蕊層由含有摻 雜谢之梦石所構成。 12. —種光學組件，其包含 至少一條波導，以及 由蝕刻形成之光柵及該光柵放置於面對著波導之端部， 其中波導心蕊由矽石所構成，以及由於姓刻產生光栅之 外圓角小於3微米。 13. 依據申請專利範圍第12項之光學组件，其中波導心蕊由 含有摻雜劑矽石所構成。 14. 依據申請專利範圍第12項之光學組件，其中由於蝕刻產 生光栅之外圓角等於或小於1微米。 I -II — nr(,^-- (請先閲讀背面之注^^項再填寫本頁) 、1T 經濟部中央標隼局負工消費合作社印裝 木紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨公釐）