专利名称：硅光子电路中的垂直镜的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及光子电路，并且更具体而言，涉及光子电路中用于将光垂直 引导至电路的表面的垂直镜。
背景技术：
硅光子电路通常路由平面波导中的光信号，并且提供光垂直进入/离开电路的路 径是困难的。将光路由到晶片表面中或者外出于几种原因可以是有价值的，例如耦合到晶 片表面上的垂直入射光电探测器、用于晶片级光学测试/表征、或者其它潜在的应用。特别感兴趣的是平面硅波导与锗基光电探测器的集成。这通过几种方法来解决， 所有这些方法具有各种挑战。其中锗生长在硅波导的顶部上的平面光电探测器非常大，因 为光耦合效率不高，并且用于形成从硅到锗的足够光耦合需要长距离。为了避免这种困难，已经提出了沟槽侧壁光电探测器，其中波导由垂直面结束。在 这种情况下，很难形成具有足够平滑度的面，并且锗基光电探测器的外延生长可能非常具 有挑战性。另一感兴趣的地方是晶片级光学测试。当前，硅光子管芯必须切单(singulate) 并且将边缘抛光以便进行光学测试；这是非常昂贵和耗时的处理。垂直镜能够实现晶片级 的迅速且不昂贵的光学测试，极大地降低开发时间和测试成本。
当结合 形成本发明的公开的一部分的附图阅读时，根据下面对布置、示范实施例 以及权利要求的具体描述，对以上所述和本发明的更好的理解可以变得显而易见。尽管以 上所述和下面描写和示出的公开集中于本发明的布置和示范实施例，但是应该清楚地理解 以上所述和下面描写和示出的公开仅作为示例和范例，并且本发明不限于此。图1包括并排的晶片侧视图和顶视图，其示出了用于产生全内反射(TIR)镜器件 的制造步骤；图2包括并排的晶片侧视图和顶视图，其示出了用于产生涂覆有氮化物层的TIR 镜器件的制造步骤；图3包括并排的晶片侧视图和顶视图，其示出了用于产生具有蚀刻的沟槽的TIR 镜器件的制造步骤；图4包括并排的晶片侧视图和顶视图，其示出了用于产生具有侧凹区域 (undercut area)的TIR镜器件的制造步骤；图5包括并排的晶片侧视图和顶视图，其示出了用于产生TIR镜器件的制造步骤， 所述TIR镜器件示出了包括(111)平面上硅层中的面的梯形区；图6包括并排的晶片侧视图和顶视图，其示出了用于重新平坦化之后产生TIR镜 器件的制造步骤；图7A和7B示出了分别在晶片级测试系统中使用以及具有在其上制造的光电探测器的TIR镜器件。
具体实施例方式所描述的是包括全内反射(TIR)镜的装置和方法，所述全内反射镜将光从平面硅 波导反射至垂直于晶片表面的方向(并且反之亦然)，从而实现很多这种应用。这里所描述的实施例包括垂直TIR镜及其制造方法。所述镜可以通过使用晶体硅 蚀刻产生凹的(re-entrant)轮廓来制造。从绝缘体上硅(SOI)晶片开始，使用深硅蚀刻 来暴露掩埋氧化物层，然后湿法蚀刻所述掩埋氧化物层，在Si器件层的底部表面开口。然 后暴露该底部硅表面，使得在晶体蚀刻中，得到的形状是凹的梯形，其中面与垂线(normal) 方向大约成54°角。这些面可以结合平面硅波导使用以根据TIR原理将光向上反射。或 者，光可以从晶片上耦合到硅波导中。在整个说明书中提到“一个实施例”或“实施例”表示结合实施例描述的特定特征、 结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中多处出现的词语“在 一个实施例中”或“在实施例中”无需全都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中 可以通过任何适当的方式来组合特定特征、结构或特性。现在参考图1，示出了制造的第一阶段中本发明的器件的一个实施例的顶视图和 侧视图。包括绝缘体上硅(SOI)晶片的器件制造晶片(100) 100位于操作(handle)晶片104 上的掩埋氧化物层(BOX) 102的顶部。操作晶片104可以通过注入进行重惨硼( 102°cm_3) 以防止随后的蚀刻。图2示出了在其表面上具有进行了构图的氮化物层200的器件晶片100。如图 3中所示，可以例如使用深反应离子蚀刻(DRIE)将Si晶片100向下蚀刻到掩埋氧化物 (BOX) 102以产生沟槽300。在图4中，可以例如通过利用氢氟酸(HF)进行湿法蚀刻来蚀刻 氧化物层102，以在Si器件层100下方产生侧凹区域400。现在参考图5，可以将晶片100浸入诸如氢氧化钾(KOH)的晶体蚀刻剂中。在 一些实施例中，可以使用氢氧化铵(NH4OH)、乙烯二胺邻本二酚(EDP ethylene diamene pyrocatechol)￥SSfl^M (TMAH :tetramethyl ammonium hydroxide) 。>|# 牛M 100的底部暴露至蚀刻剂，产生具有与垂线成54. 7°角的倒梯形。还可以通过改变诸如成 分或者温度的蚀刻条件来调整该角度，可能产生45°的面。该蚀刻在顶部硅氮化物层200 处结束。假设如先前所述对操作晶片104进行了掺硼，则在该步骤期间不进行蚀刻；否则类 似的梯形凹陷将向下进入操作晶片100。如图6所示，可以将氮化物层200可选地去除以消除如图5中所示的任何突出物。 可以例如通过沉积和回流厚氧化物层600对晶片100进行重新平坦化。或者，可以使用聚 合材料进行重新平坦化。实施例通过产生极平滑镜500避免了如上所讨论的上述挑战，所 述极平滑镜500由硅晶片100的凹的(111)晶面来限定，且将光向上反射；从而可以将光信 号有效地耦合至晶片表面。这里，制造了凹的TIR镜500，并且如图7Α所示可以对硅光子器件进行晶片级测 试。这些镜500可以结合平面硅波导使用，以便基于TIR原理将光向上反射。或者，光可以 从晶片上方耦合至硅波导中。晶片级光学测试系统701可以用于成批量测试而无需在可以 执行光学测试之前劈开(cleaving)和抛光。
或者，如图7B所示，光电探测器700可以形成在晶片100的表面上，位于镜500上 方。可以使用标准的表面处理制造这种紧凑的Ge光电探测器，并且还可以容易地在光电探 测器的顶部上制造例如由铝或金层制成的镜702，由于光两次通过Ge层从而使得探测效率 加倍。
上面对本发明的所示实施例的描述，包括在摘要中所描述的，不是旨在穷举的或 者将本发明限定于所公开的精确形式。尽管出于说明目的，在这里描述了本发明的具体实 施例和示例，但是如相关领域的技术人员将意识到的，在本发明的范围内，各种相等的变型 是可能的。考虑到上面具体的描述，可以对本发明作出这些变型。在所附权利要求中使用的 术语不应被理解为将本发明限制到在说明书和权利要求书中所公开的特定实施例。相反 地，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，应根据所建立的权利要求解释的原则来理 解所附权利要求。
权利要求
1.一种用于在硅光子电路中形成镜的方法，包括 设置操作晶片；在所述操作晶片上形成掩埋氧化物(BOX)层；在所述BOX层上设置包括绝缘体上硅(SOI)晶片的器件晶片；在所述器件晶片上沉积氮化物层；在所述器件晶片中蚀刻沟槽以暴露所述BOX层；蚀刻所述BOX层以在所述器件层下方产生侧凹；浸入蚀刻剂中以填充所述沟槽，从所述沟槽和侧凹区域与所述器件层一起产生包括面 的梯形形状；以及对所述器件晶片进行重新平坦化，其中，所述面包括凹的全内反射(TIR)镜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述面包括与垂线成54度到45度的角度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述器件晶片包括(100)晶面晶片。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述面包括所述器件晶片的(111)晶面。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括利用所选择的掺杂物对所述操作晶片进行掺杂，以防止对所述操作晶片的梯形形状蚀刻。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，硼浓度大约为102°cnT3。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过深反应离子蚀刻(DRIE)蚀刻所述沟槽。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，利用氢氟酸(HF)蚀刻所述掩埋氧化物(BOX)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，用于形成所述梯形形状的所述蚀刻剂包括氢氧 化钾(kOH)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，用于形成所述梯形形状的所述蚀刻剂包括氢氧 化铵(NH4OH)。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，用于形成所述梯形形状的所述蚀刻剂包括乙烯 二胺邻本二酚(EDP)。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，用于形成所述梯形形状的所述蚀刻剂包括四甲 基氢氧化氨(TMAH)。
13.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述操作晶片中没有使用掺杂物，并且各向 异性的蚀刻剂在所述操作晶片中形成梯形或者锥形蚀刻凹陷。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述面之上的所述器件晶片上形成Ge光电探测器。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括在所述光电探测器的顶部上形成镜，以使得光两次通过所述Ge光电探测器。
16.一种硅光子电路上的垂直镜，包括 硅器件晶片；所述硅器件晶片下面的掩埋氧化物(BOX)层； 在所述BOX层下面的掺杂有ρ型掺杂物的操作晶片；梯形形状区域，所述梯形形状区域具有由所述操作晶片限定的底侧、由所述BOX层限 定的相对垂直侧、以及在所述垂直侧上方由所述硅器件晶片限定的向内成角度的面，其中，所述面用作垂直全内反射(TIR)镜。
17.根据权利要求16所述的垂直镜，还包括 填充所述梯形形状区域的氧化物层。
18.根据权利要求17所述的垂直镜，其中，所述硅器件晶片的表面具有(100)晶面取向。
19.根据权利要求16所述的垂直镜，其中，所述面位于所述硅器件晶片中的(111)晶面 取向上。
20.根据权利要求16所述的垂直镜，其中，所述ρ型掺杂物包括浓度大约为102°cm_3的硼。
21.根据权利要求16所述的垂直镜，其中，所述面包括与垂线成54度到45度的角度。
22.根据权利要求21所述的垂直镜，还包括所述面之上的Ge光电探测器，所述光电探 测器具有形成于其顶部上的镜，以使得光两次通过所述Ge光电探测器。
全文摘要
一种垂直全内反射(TIR)镜及其制造，其通过使用晶体硅蚀刻产生凹的轮廓来进行。从SOI晶片开始，使用深硅蚀刻以暴露掩埋氧化物层，然后对掩埋氧化物层进行湿法蚀刻(利用HF)，在Si器件层的底部表面开口。然后暴露该底部硅表面，使得在晶体蚀刻中，得到的形状是具有面的凹的梯形。这些面可以结合平面硅波导使用以基于TIR原理将光向上反射。或者，光可以从晶片上方耦合到硅波导中以用于诸如晶片级测试的目的。
文档编号H01L31/0352GK102034894SQ201010294280
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月21日 优先权日2009年9月25日
发明者A·刘, H·荣, J·赫克, M·T·莫尔斯 申请人:英特尔公司