[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，尤其涉及一种包含由硅衬底上的硅化合物制成的衬底上结构的硅结构。

背景技术

作为硅结构的应用之一，有平面光波电路(PLC)。在用于获得光通信的各种光学器件中，利用平面光波电路的器件可以利用半导体电路的制造工艺形成。因此，利用平面光波电路的器件具有更小尺寸、更高功能和器件的更高集成度的优良特征。

通常，利用PLC技术制造的光波导如下。首先，在硅衬底上形成下包覆层。接着，形成用于导引光的芯膜。在此，利用设计为获得各种功能的光掩膜，并且进行光刻和干刻以形成所希望布局的芯。之后，根据情况，形成其中嵌入芯的回流层。然后，形成上包覆层。

基于芯的布局，由此制造的光波导电路可以具有各种功能，例如用于耦合或分支多个波长的AWG(阵列波导光栅)，用于使输入光衰减到所希望量的VOA(可变光学衰减器)，用于将输入光输出至所希望端口的光学开关等。光波导本身的光学特性由插入损失(或传播损失)和PDL(极化相关损失)表示。通常，优选地为更小。在此，PDL是光波导的插入损失基于光的极化状态而不同的一种现象，且这表示为TE模式的插入损失和TM模式的插入损失之间的间隔量。光波导的双折射非常有助于这种隔离。双折射意味着光波导取决于方向具有不同的折射率。产生双折射的主要原因在于光波导的内应力(换句话说，用于保持与从外部接收到的应力相平衡的应力)。

如上所述，光波导通过衬底上层压用作包覆层和芯的氧化硅膜制造。此时，通常，其工艺需要约1000℃特高温的加热工艺。为此，当衬底由硅制成时，晶片由于沉积的氧化硅膜和衬底之间的热膨胀系数的差异而翘曲，且制造的光波导受到晶片的危险应力。该应力涉及PDL。因此，利用采用各种方法减少应力或获得平衡以便不产生方向性的技术。

作为它们中的一种方式，提出了一种使光波导与硅衬底隔开的结构。这是用于使光波导与硅衬底以桥形部分地浮置并减轻衬底的应力，且由此减少PDL的技术。假定将这种技术称为桥结构。

在下文，将描述“热光移相器”，其可以通过该桥结构达到除了PDL减少效果之外的效果。

在光波导电路中，一般采用利用TO(热光)效应来增加功能的方法。这是正面利用光波导电路的玻璃材料的折射率随着热量而改变的物理现象的技术。例如，在提供由光波导电路组成的定向耦合器的马赫-曾德耳干涉仪中，将输入光分成以同一长度传播并再次耦合的两束光。在此，将金属加热器放置在一个波导的上部用于分支的光。为加热器提供电能以产生热量，该热量会导致导引光的相位的改变。通过这种设计，当耦合分支光时，干涉状态根据通过光波导所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，当假定相位差为光波长的一半时，两个分支的光在它们耦合时彼此抵消。由此，输出近似为零。而且，当假定相位差为零或为波长的整数倍时，可以在其初始状态提取输入光强度。在此，将改变相位的部分称为热光移相器。

通过使用这些现象，能够使用马赫-曾德耳干涉仪作为光学开关。而且，由于可以给出光相位差，所以其可以用作连续相位改变的光学衰减器。

为了运行由此获得的光学器件，将电能提供给加热器。因此，希望该运转所需的损耗功率较小。通常，移位在光学通信中具有1550nm波长的光到半波长所需要的电能为约400mW。然而，当需要控制40个信道时，需要约16W的电能。该电能很大。因此，通常，电能损耗通过与光波导电路相关的各种思想来降低。

作为降低在平面光波电路中实现的热光移相器的消耗电能的方案，提出了具有以下结构的光波导。在该结构中，形成沟槽以夹入用作移相器的光波导的一部分。该沟槽填充有空气或将其抽成真空。然而，气体的导热率显著小于用于包覆层的氧化硅膜的导热率。由此，可以防止将由加热器产生的热量传递到包覆层中。因此，消耗的电能可以很小。将这种结构称为脊结构。而且，仅将夹在沟槽之间的光波导部分称为脊。

通常，通过以下制造方法获得具有脊结构的热光移相器。在上述形成光波导之后，利用溅射设备或蒸发设备在上包覆层上形成用作加热器的金属膜。然后，利用其中使用光掩膜的光刻和碾磨设备，形成所希望布局的加热器。随后，与形成该芯的步骤相似，使用干刻设备在所希望位置形成沟槽。此时，以这种方式使得加热器不被干刻破坏，需要加热器受到抗蚀剂的充分保护。