用于减小最小波导间隔的光波导制造技术

专利名称：用于减小最小波导间隔的光波导制造技术
技术领域：
这里公开的内容一般涉及器件制造，特别地但非排它地涉及平面光波电路上的光波导的制造，其中最小波导间隔减小。
背景技术：
集成光学器件，例如在平面光波电路芯片上形成的集成光学器件等，通常包括呈光波导形式的光学组件。事实上，光波导往往是所有集成光学器件的基本组件。光波导用来将光信号从一位置引导到另一位置，且常常在各个位置处叉开或“分开”，以允许将光信号传至几个不同位置。
理想地，使光波导之间的间隔例如在分开位置处的间隔尽可能小。如果间隔太大，则在分开位置处对入射的光信号呈现出较大的剖面。这种较大的间隔造成在间隔处能量入射变得无导向或分散，从而在该器件中损失。这种损失的能量对集成光学器件的效率和性能以及光学网络的总体性能产生不利的影响。
如果芯片尺寸是重要的考虑因素，则减小波导之间的间隔也是有益的。通过减小波导之间的间隔，在芯片上可得到更多的“房地产”，用于放置其它组件，从而也降低了成本。
然而，由于与平面光波电路制造工艺相关的实际考虑以及限制，减小波导之间的间隔说来容易做起来难。例如，当前使用的技术不容许间隔比通过与形成间隔的特定蚀刻和沉积/回流工艺相关的纵横比(深度除以宽度)给出的间隔更小。最小波导间隔通过此纵横比的最大值确定，且如果波导间隔与波导高度的比大于蚀刻工艺所允许的最大纵横比，则不能进一步减小波导间隔。而且，即使通过使用改进的蚀刻工艺减小此最小间隔，由于间隔太小，将常常在随后的填充间隔的沉积/回流工艺过程中留下空隙。这是因为深而窄的间隔将难以完全填充。该空隙可造成光的散射并产生电路中的缺陷。


参照附图描述本发明的非限定性和非排它性实施例，其中相同标号在各个附图中自始自终是指相同部分，除非另有规定。
图1-4示出用于在平面光波电路上制造光波导的工艺。
图5-9示出根据本发明的实施例用于在平面光波电路上制造光波导的工艺。
具体实施例方式
这里描述了用于在半导体器件上制造光波导的实施例。在以下描述中，给出了一些具体细节，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域中的技术人员将理解，可不使用一个或更多的具体细节，或使用其它方法、组件、材料等来实施本发明。在其它例子中，没有显示或详细描述熟知的结构、材料、或操作，以避免使本发明的各方面难以理解。
在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参照是指结合该实施例进行描述的特性、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。在整个说明书中在不同地方出现词组“在一个实施例中”或“在实施例中”，其不必全部都指同一实施例。而且，具体特征、结构或特征可以任何适合的方式结合在一个或更多实施例中。
为了说明的简洁和清晰，本发明的各个实施例以横截面图示出。可理解，这样的视图仅是说明性的，而非按比例或按确切的外形绘制出。而且，可理解，由于不同的制造工艺、设备、设计公差、或其它实际考虑(其产生从一个半导体器件与另一半导体器件的差异)，与图中所示不同，采用本发明的原理的实际器件可在形状、尺寸、配置、轮廓等上有所改变。
概括地说，本发明的实施例包括能减少最小波导间隔的制造方法。实施例由覆层材料蚀刻波导，接着用具有较高折射率的中心材料填充它们，而不是环绕波导中心蚀刻间隔并接着用覆层材料填充间隔。即，下部覆层材料首先被沉积、接着被蚀刻以获得波导中心区。这种蚀刻被这样完成，使得波导中心区之间的间隔不受限制地更小，小于用现有技术获得的最小波导间隔。中心材料接着在蚀刻过的波导中心区中沉积。紧跟在去除多余的中心材料之后执行化学-机械抛光。接着沉积上部覆层材料。
图1-4是示出与光波导的制造技术相关的工艺流程的横截面图，其中本发明的实施例可改进以减少波导间隔。首先参看图1，下部覆层材料10在衬底12上形成，其同时包括集成光学器件14或其它集成电路的一部分。例如，衬底12可由硅材料或玻璃材料制成。例如，下部覆层材料10可由二氧化硅制成，例如使用薄膜沉积技术或通过使用其它方法在衬底12上形成。
接着在图2中，中心材料16沉积在下部覆层材料10上。作为示例，中心材料16可由掺锗二氧化硅、氮化硅、硅、磷酸铟材料制成。随后如图3中所示，光刻图案化(其后是反应离子蚀刻)将除波导位置外的所有位置处的中心材料16去除。结果，在留在波导位置处的中心材料16之间蚀刻间隔18。
在此需要指出，光刻工艺和蚀刻工艺用于获得图3所示结构，光刻和蚀刻的限制妨碍间隔18比根据所使用的特定光刻和/或蚀刻技术所获得的间隔在宽度上更小。而且，对于紧随其后的上部覆层沉积/回流工艺来说，间隔18不能小于/窄于确保完全填充间隔18(没有空隙)的宽度。具体地在图4中，上部覆层材料20被沉积和回流以覆盖中心材料16和填充在间隔18中。此后完整的波导22形成。
从图1-4中显然看出，间隔18的宽度受限于光刻和蚀刻工艺以及随后的沉积或回流工艺，该光刻工艺和蚀刻工艺用于去除除中心区外的任何位置处的中心材料16，该沉积或回流工艺用来将上部覆层材料20填充到间隔18中。简单说来，不超出所用光刻、蚀刻、或沉积/回流工艺的实际的限制，图3-4所示间隔18的宽度不能进一步减少。
图5-9是示出根据本发明的实施例减少波导间隔的技术的横截面图。首先参看图5，下部覆层材料24在衬底26之上形成，其同时包括集成光学器件28或其它集成电路的部分。下部覆层材料24和衬底26可由与制成图1-4中所示器件14的材料相似的材料制成。相似的技术还可被用于在衬底26上形成下部覆层材料24。然而，根据本发明的实施例，下部覆层材料24沉积为图5中较厚的层。这种较厚的层考虑到下部覆层材料24将不仅包括下部覆层，而且还包括波导的旁侧覆层(例如，如将在下面描述的，波导间隔中的覆层材料)。
接着，在图6中，在从中心区30和32有选择地去除下部覆层材料的各向异性蚀刻或其它垂直蚀刻之后，执行光刻图案化。在各向异性蚀刻之后，邻近中心区30和32形成宽度减少的间隔34。根据本发明的实施例，在光刻图案化期间，可使中心区30和32彼此尽可能不受限制地接近，以减少间隔34的宽度。因为中心区30和32的宽度远大于间隔34的宽度，且由于中心区30和32的良好纵横比，蚀刻工艺和随后的填充工艺不会受到两个邻近的波导之间的间隔宽度的限制。在一个实施例中，波导的中心区30和32的纵横比与间隔34无关，从而，蚀刻和沉积工艺仅需要满足中心区30和32的纵横比，该纵横比通常比两个波导之间的最小间隙的纵横比要小得多。在一个实施例中，对于间隔34，这种最小间隙的宽度可以是一微米或更小(与用于图1-4所示间隔18的四微米相比)。
接着在图7中，中心材料36被沉积和/或回流以覆盖下部覆层24和间隔34，以及填充中心区30和32。中心材料36可由与图2-4所示中心材料16相似的材料制成。接着在图8中，化学-机械抛光被使用以去除除中心区30和32处外的多余的中心材料36，从而使中心区30和32的上表面、间隔34的上表面和覆层材料24的其它区域的上表面大体上齐平。最终的或上部的覆层材料36被沉积(例如，使用薄膜沉积技术)或回流以完成图9中的波导。
从图5-9中显然看出，不存在与最小波导间隔相关的高纵横比相关的问题。这是因为与形成中心区30和32的蚀刻工艺相关的纵横比与波导的纵横比相同(例如，中心区30和32的纵横比)。与间隔34的最小宽度相关的纵横比变得基本上不相关。此外，由于中心区30和32具有用于均匀填充的适合的尺寸，几乎不存在与用中心材料36填充中心区30和32的沉积/回流工艺的纵横比相关的限制。因此，如图3和4中所示，对于用于上部覆层材料20的蚀刻和沉积/回流工艺，利于本发明的一个实施例基本消除了对最小波导间隔的限制。
从图5-9中示出的实施例显然看出，最小波导间隔的减少允许在非常靠近的范围设置两个或更多个波导。这种减小的间隔改善了集成光学器件的性能，例如从简单的Y分支到复杂排列的波导阵列。同样，由于在性能良好的表面上的较简单的沉积/回流，与将上部覆层材料20填充到图3-4的间隔18中相比，中心材料36较易填充到图6-7的中心区30和32中，集成器件生产的生产量提高。在一个实施例中，所有的凹坑或沟槽(例如，中心区30和32)具有相同的纵横比，该纵横比对于用中心材料36填充来说较容易。在一个实施例中这种纵横比可约为1。
此外，通过用于中心材料36的沉积/回流和/或用于上部覆层材料36的性能良好的表面拓扑结构，可提高产量(因而降低了成本)。还可为随后的工艺提供较好的表面。例如，如果热光器件或电光器件需要电薄膜加热器，则平面可由上部覆层材料36提供。
本发明所示出的实施例的以上描述，包括在摘要中所描述的，其目的不是穷举的、也不是将本发明限制于所披露的具体形式。相关领域中的技术人员将认识到，在本文中描述的本发明的特定实施例和示例仅为示范性目的，在本发明的范围之内可以作出各种等效修改。
根据以上详细的描述可对本发明进行这些修改。在所附权利要求书中所使用的术语不应被认作是将本发明限制于在说明书和权利要求书中所披露的具体实施例。相反，本发明的范围完全由所附的权利要求书完全确定，权利要求书可根据已确立的权利要求解释规则进行解释。
权利要求
1.一种方法，包括在衬底上形成覆层材料将所述覆层材料光刻图案化和蚀刻以获得中心区和所述中心区之间的间隔，所述间隔由所述覆层材料制成；以及用中心材料填充所述中心区。
2.根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述覆层材料包括使用各向异性蚀刻技术。
3.根据权利要求1所述的方法，其中填充所述中心区包括使用沉积技术。
4.根据权利要求1所述的方法，其中填充所述中心区包括使用回流工艺。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括使用化学-机械工艺去除在所述中心区上和所述覆层材料上形成的多余中心材料。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述中心区上和所述间隔上形成另一覆层材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其中光刻图案化所述覆层材料包括使用掩模。
8.一种方法，包括在衬底上形成由第一材料制成的层；有选择地去除所述层的部分以形成由所述第一材料构成的间隔分开的区域；以及用与所述第一材料不同的第二材料填充所述区域。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一材料包括覆层材料，所述第二材料包括中心材料，且所述覆层材料和中心材料包括集成光学器件的光波导的部分。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括去除在所述第一材料上和所述区域上形成的第二材料的多余部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中去除所述多余部分包括使用化学-机械抛光技术。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述区域上和所述间隔上形成另一层。
13.根据权利要求8所述的方法，其中填充所述区域包括使用沉积或回流工艺以用所述第二材料填充所述区域。
14.根据权利要求8所述的方法，其中有选择地去除所述层的部分包括光刻图案化所述区域和所述间隔，其中所述间隔的宽度相对于所述区域的宽度减小了；以及基于所述光刻图案化垂直地蚀刻所述层以去除与所述区域相应的所述第一材料的部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中光刻图案化所述区域和所述间隔包括使用掩模。
16.一种器件，包括由第一覆层材料制成的间隔，该间隔是通过蚀刻工艺从邻近所述间隔的中心区去除所述第一覆层材料的部分形成的；中心材料，其在从所述中心区去除所述第一覆层材料的部分后被填充到所述中心区中；以及由第二覆层材料制成的层，其被形成在所述中心材料上和所述第一覆层材料上，包括形成在所述间隔上。
17.根据权利要求16所述的器件，其中所述第一和第二覆层材料包括折射率比所述中心材料低的类似材料。
18.根据权利要求16所述的器件，其中所述中心材料的上表面、间隔的上表面和所述第一材料的上表面基本齐平。
19.根据权利要求16所述的器件，其中所述中心区和间隔使用光刻技术图案化。
21.根据权利要求16所述的器件，其中使用沉积技术或回流技术用所述中心材料填充所述中心区。
全文摘要
一种制造方法，其能减少集成光学器件中的最小波导间隔。波导的中心区被蚀刻到覆层材料中，接着用中心材料填充，而不是首先在所述中心材料之间蚀刻间隔接着填充所述间隔。这允许中心区之间的间隔被不受限制地制成很小，而不受与过去用于形成波导间隔的常规蚀刻和沉积/回流工艺相关的纵横比的限制。
文档编号G02B6/122GK1498349SQ02807051
公开日2004年5月19日 申请日期2002年2月28日 优先权日2001年3月21日
发明者D·E·尼科诺夫, X·王, D E 尼科诺夫 申请人:英特尔公司