[发明专利]硅结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅结构，更具体地涉及一种由硅衬底上的硅化合物形成的硅结构。

背景技术

平面光电路(PLC)被认为是硅结构的一种应用。在光学通信的各种光学器件之中，因为可以使用制造半导体电路的工艺，利用平面光电路的器件在最小化、功能化和集成该器件方面出众。

通常，通过如下的PLC制造技术制造光波导电路。首先，在硅衬底上形成下包覆层，然后形成通过其导引光的芯(core)膜。在这里，通过利用光刻和干法蚀刻将芯膜图案化成所希望布局的芯。之后，形成回流层膜以嵌入该芯。然后，在其上形成上包覆层。根据芯的布局，以这种方式制造的光波导电路可以具有各种功能，例如用于耦合/去耦多个波长光的AWG(阵列波导光栅)、用于经适当量衰减输入光的VOA(可变光衰减器)和用于将输入光输出至所希望端口的光开关。

代表光波导电路的光学特征的特性是插入损耗(或传播损耗)和PDL(偏振相关损耗)。通常，优选使它们两个制作得尽可能的小。在这里，PDL是根据输入光的偏振状态光波导的插入损耗不同的现象，且这由TE模式的插入损耗和TM模式的插入损耗之间的分离量表示。该分离是由光波导的双折射引起的。双折射暗示光波导随着光的传播方向具有不同的折射率。产生双折射的主要因素是光波导的内应力(换句话说，用于保持与由外部施加的应力相平衡的应力)。

如上所述，光波导是通过在衬底上层压氧化硅膜制造的。此时，通常，该工艺需要在很高的温度例如约1000℃下的加热过程。为此，当该衬底由硅制成时，所沉积的氧化硅膜和衬底之间的热膨胀系数差异使晶片弯曲，且制造的光波导受到来自衬底很大的应力。该应力会产生PDL。为此，考虑并应用多种方法的技术被使用，来减少应力或提供应力之间的平衡以致不出现方向性。

作为这些方法中的一种方式，提出了一种光波导与硅衬底分离的结构。在这种技术中，光波导部分浮置(floated)于桥形状的硅衬底并且释放来自衬底的应力以减少PDL。此后，这种结构称为桥结构。

在下文，将描述作为该桥结构实例的热光移相器，可以从该结构获得除了PDL减小之外的效果。

在光波导结构中，一般使用用TO(热-光)效应来增加功能的方法。这积极地利用了光波导结构的玻璃材料的折射率随着温度改变的物理现象。例如，光波导电路中由定向耦合器组成的Mach-Zehnder干涉仪具有使输入光分成两支光并且使它们在传播彼此相等的距离之后重新结合的结构。在这里，将金属加热器放置在一个分支光波导的上部上，并且将电能提供给加热器。因此，要被导引的光的相位可以通过产生的热改变。在这种结构中，当分支的光波导彼此耦合时，干涉状态根据通过分支的光波导导引的光之间的相位差而改变，以便可以改变输出光强度。例如，当假设相位差为光波长的一半时，分支的光会在它们相互耦合时相互抵消。由此，输出几乎变为零。而且，当假设相位差为零或等于波长的整数倍时，可以在其初始状态推断出光强度。在这里，把用于改变相位的电路或结构的部分称为热光移相器。

这些现象使得Mach-Zehnder干涉仪用作光学开关。而且，由于可以任选地给出相位差，所以通过连续相变可以用作光学衰减器。

为了使光学器件运转，将电能提供给加热器，以控制折射率。由此，希望用于操作的消耗功率小。通常，在光通信中一般使用的转换具有1550nm波长的光的相位需要的电能为约400mW，而结构没有任何改变。如果需要40个通道的波导，则需要约16W的电能。由于该功率很大，则必须通过修改光波导结构来减少电能。

作为用于实现在平面光电路中热光移相器的更少消耗功率的一般方式，一般采用具有以下结构的光波导。也就是说，形成沟槽以将用作移相器的光波导部分放在它们之间。沟槽填充有空气或被抽真空。然而，由于与用于该包覆的氧化硅膜比较，气体的导热率很低，所以可以防止由加热器产生的热扩散到该包覆中。由此，可以使消耗功率制作得很小。把上述结构称为脊形结构，并且仅把具有这种结构的光波导部分称为脊。

通常，通过以下方式制造具有上述脊形结构的热光移相器。在形成光波导之后，通过溅射设备或蒸发设备在上包覆膜上形成用于加热器的金属膜。随后，通过研磨设备利用光掩模通过光刻形成所希望布局的加热器。随后，与形成芯的步骤相似，使用干法蚀刻设备在所希望的位置形成沟槽。此时，需要加热器用抗蚀剂充分保护以便在干蚀刻时不会损伤加热器。

为了改善热效率，一般在脊形结构中使用以下方法。