硅结构及其制造方法

专利名称：硅结构及其制造方法
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100(TC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。(1) 使光波导的下包覆层制作得厚。因此，增加了芯和硅衬底之 间的热阻，以防止热扩散到硅衬底中。(2) 使桥的宽度制作得窄。在脊形结构的情况下，主要使热量从 脊扩散到硅衬底中。由此，随着脊宽度制作得更窄，桥和硅衬底之间 的接触面积也制作得更窄，以抑制热扩散。然而，那些方法由于以下原因而具有各自的限制。(1) 随着下包覆层制作得更厚，从衬底施加到氧化硅膜的应力变 得更强。由此，衬底容易出现裂缝。当双折射随着强应力增加时，也 增加了光波导的PDL。而且，随着膜变厚，制造步骤时间变长。(2) 如果脊宽度制作得过薄，则导引的光会感受到桥侧壁的粗糙度并会增加弥散损耗。即使尽可能多地采取了上述措施，但通过脊形结构获得小消耗功 率的效果通常也会减少至小于通常情况的上述消耗功率的几乎一半。这样，用于40个通道的8W的值不能说是足够小。以该方式，作为除了脊形结构之外进一步减少消耗功率的方法而 提出的方式，是采用桥结构。该桥结构使桥形状的光波导浮置，以使 光波导和硅衬底隔开。在具有脊形结构的热移相器的情况下，通过使 所述脊与硅衬底隔开获得这种桥结构。与抑制向包覆层热扩散的脊形 结构相似，该桥结构也抑制了向硅衬底的热扩散。由此，获得了进一 步大大降低消耗功率的效果。最初，如上所述，该桥结构具有降低PDL 的特点，因为释放了来自衬底的由于包覆层膜和衬底之间的线性膨胀 系数差导致的应力。因此，在热光学移相器中使用该桥结构可提供更 小能耗和更小PDL的两大效果。在下文中，这种结构称为桥结构，虽然 己经在上文中描述。而且，把在桥形状浮置的波导部分称为桥。该桥结构可以通过作为MEMS (微机电系统)技术公知的被称为 牺牲层蚀刻的技术来获得。该技术是预先在衬底上沉积牺牲层以及最 后以各向同性的方式仅蚀刻牺牲层的方法，如在日本专利申请公布 (JP-P2004-37524A)中公开的。该方法是通过利用硅衬底和PSG (磷 硅玻璃)的牺牲层，并且用氟化氢溶液进行蚀刻来获得的。由于当掺 杂磷时氧化硅膜具有对氟化氢溶液的高蚀刻速率，所以能够仅选择性地蚀刻PSG。尽管该方法具有不需要专用设备的优点，但必须在下包覆层和硅 衬底之间形成用于牺牲层的种膜。这种方法的一个问题是除了膜形成 步骤的增加外，必须调节沉积在牺牲层上的氧化硅膜，以用作折射率 和软化温度的波导，同时对牺牲层保持高的蚀刻选择性。这暗示着失 去了整个制造工艺的设计自由度。而且，除了牺牲层膜之外，或多或 少地用氟化氢蚀刻氧化硅膜。因此，需要不会损伤光波导的用于制造 的设计和技术。从上面看，有作为替代方式的蚀刻硅衬底的方法。在该情况下， 由于不需要牺牲层，所以可以获得桥结构，而不会对用于制造光波导常规建立工艺有任何影响。在A. Sugita等的"Bridge-Suspended Silica-Waveguide Thermo-Optic Phase Shift and Its Application to Mach-Zehnder Type Optical Switch" (Trans. IEICE， Vol. E73 (1990)， 第105-109页)中公开了该方法。尽管在上述论文中公开了，通常获得硅衬底的蚀刻，以便在形成 脊形结构之后，将硅衬底浸入蚀刻溶液或暴露到蚀刻气体中。尽管在 上述论文中描述了通过干法蚀刻蚀刻硅衬底，但硅衬底的各向同性蚀 刻可以通过利用气体例如氟化氙获得。结合以上描述，在日本专利申请公开(JP-P2004-133130A)中公 开了一种光电路。所述光电路具有硅衬底、光波导和温度控制器。在 这里，光波导层具有形成在硅衬底上的芯和包覆层。温度控制器形成 在光波导层上并且局部且可变地控制芯的一部分的温度。在温度控制 器的形成部分的两侧，沿着芯的纵向，从光波导层表面到硅衬底表面， 距离芯一间距来移除光波导层。在与光波导层的移除部分的下部相对 的整个区域中的硅衬底表面部分中形成矩形凹面部分。硅衬底的表面 具有(100)面。沿着芯的纵向形成的凹面部分的侧壁具有与硅衬底表 面基本垂直的(100)面。凹面部分的底面具有基本平行于硅衬底表面的(100)面。在这里，在蚀刻硅衬底以及牺牲层时，在进行各向同性蚀刻以制 造桥结构时有两个问题。首先，上述文章表示直接在光波导下面的硅衬底是通过各向同性干法蚀刻移除的。图IOA至IOC是表示通过各向同性干法蚀刻部分移 除硅衬底的状态的图。在各向同性蚀刻的情况下，蚀刻进行而不取决 于硅衬底的晶面取向。由此，直接在光波导下面的硅衬底是如图10C 所示的状态之一，部分移除硅衬底并且不存在光波导与硅衬底完全分 开的部分；且如图IOA所示的状态，移除整个硅衬底，并且光波导与 硅衬底完全分开。在前一情况下，光波导和硅衬底没有隔开。由此，通过热导率高 的硅衬底会产生热扩散。结果，不能获得减少消耗功率的目的。而且， 由于没有完全释放来自硅衬底的应力，所以还不能获得减少PDL的另一目的。另一方面，在后一情况下，当光波导与硅衬底完全隔开时，大大 抑制了对硅衬底的热扩散。然而，由于没有通过任何支撑组件支撑光 波导，所以该结构机械强度弱。当要被蚀刻的硅衬底的区域窄时，通 过形成垂直于光波导的多个梁(beam)可以加强机械强度，如图10A 至IOC所示。然而，当蚀刻区宽时，不存在用于支撑来自下面的光波 导的组件。由此，光波导容易受到外力破坏。而且，当存在梁时，通 过该梁进行热扩散，并不能获得消耗功率减少的效果。另外，当存在 由Mach-Zehnder型表示的干涉结构时，必须设计光波导以热扩散以这 种方式使得加到热光移相器的热不会热干涉其它光波导。由上述原因，当进行各向同性蚀刻以形成桥结构时，有提供支柱 而不是梁的方式。例如，如图11A至11C所示，脊的宽度制作得宽或在光波导中提供支柱的位置形成岛。图11A至11C示于日本专利申请公布 (JP-P2004-37524A)中。在这里，在脊宽度上保持直接在部分24c下面 的硅衬底ll的部分12a，或岛部分24c用作支柱。为此，必须蚀刻直接在 光波导24下面的硅衬底的部分以使光波导24与硅衬底1完全隔开。而 且，不必全部蚀刻直接在宽部分或岛部分24c下面的硅衬底ll的部分 12a，并且该蚀刻必须停止在光波导24和硅衬底11没有隔开的状态。然而，在该情况下，存在以下问题。在包覆层13和15残留初始状 态于宽部分或岛部分24c中，而没有被蚀刻。由此，会产生热扩散到残 留的包覆层13和15而降低热效率。而且，进行设计时必须考虑热干涉 的影响，失去了光波导24的布局的自由度。例如，为了留下具有与桥 相同宽度的硅支柱12a，必须使用作支柱12a的部分的桥宽度加倍。因此， 除了结构和热干涉之外，进行设计时必须考虑上述问题。下面将说明通过利用各向同性蚀刻形成桥结构时的第二个问题。 例如，在上文中，直接在光波导下面的硅衬底部分的蚀刻以与脊两侧 相同的速率进行。当硅衬底继续被蚀刻时，光波导与硅衬底隔开，如 图10A所示。然而，应当注意，光波导在整个部分中被同时且立刻隔开。 通常，对光波导的膜进行约800和130(TC之间的高温处理。由此，由于 基于波导的氧化硅膜和硅衬底之间的热膨胀系数差的热应力使晶片大 大翘曲。简而言之，氧化硅膜受到来自硅衬底的强应力。因此，当来 自硅衬底的应力瞬时释放时，存在桥破裂的情况。实际上，这个问题不限制于各向同性蚀刻。例如，在日本专利申 请公布(JP-P2001-521180A和JP-P2004-133130A)中，公开了通过利用 各向异性蚀刻移除直接在直线光波导下面的硅衬底的部分的方法。由 于通过利用蚀刻液各向异性蚀刻硅衬底不需要专用设备，所以容易形 成桥结构。而且，湿法各向异性蚀刻液的代表是氢氧化钾(KOH)、 氢氧化四甲基铵(TMAH)、乙二胺邻苯二酚(EDP)等。然而，尤其 是，KOH溶液以约几百倍的选择比蚀刻硅与氧化硅。由此，KOH溶液具有可以大大减少对光波导的氧化硅膜损伤的特征。然而，在日本专利申请公布(JP-P2004-133130A)的情况下，甚至在光波导的任一部分 中硅衬底的蚀刻都以与光波导的两侧相同的速率进行。由此，把光波 导与硅衬底的隔开看作为临时现象，其不会导致问题的解决。自然，应该注意，解决上述问题的桥结构不能仅应用到光波导电 路，而且可以应用到除了通过蚀刻牺牲层的桥结构之外的各种领域， 例如MEMS领域中的悬臂。发明内容因此本发明的主题在于提供一种硅衬底上的桥结构及其制造方 法，其中桥结构容易制造且机械强度优良。光波导电路可以使用桥结 构，且热光移相器可以使用光波导电路。可以提供制造光波导电路和 热光移相器的方法。在本发明的第一示范性实施例中，硅结构包括硅衬底；形成在硅 衬底上且包括硅化合物膜的衬底上(on-substrate)结构；和基于硅衬底 的晶体取向，从硅衬底延伸且设计以支撑衬底上结构形成的支柱。直 接在硅衬底上的衬底上结构下面提供支柱。光波导使用上述的衬底上结构。而且，热光移相器使用衬底上结 构，且衬底上结构进一步包括形成在衬底上结构的加热器。在本发明的第二示范性实施例中，制造硅结构的方法，包括在硅 衬底上沿着预定线提供衬底上结构；和蚀刻所述硅衬底以便根据所述 硅衬底的晶面移除所述硅衬底的一部分。


结合附图，从某些示范性实施例的以下说明，本发明的上述和其 它目的、优点和特征将变得更加明显图l是表示衬底的平面定向的概念图；图2A和2B表示相关技术中的光波导形成在平行于(100)面的 (001)面硅衬底上；图3A和3B表示相关技术中的光波导形成在平行于(110)面的 (001)面硅衬底上；图4A和4B表示本发明中的作为衬底上结构的弯曲光波导形成在(001)面硅衬底上；图4C-W至4C—5-3是本发明的衬底上结构的截面图；图5A和5B表示本发明中的环形波导形成在(001)面硅衬底上； 图6A和6B表示本发明中的目标Mach-Zehnder波导形成在(001) 面硅衬底上；图7A和7B表示本发明中的目标Mach-Zehnder波导形成在(100)面硅衬底上；图8A和8B表示本发明中的目标Mach-Zehnder波导形成在(001) 面硅衬底上；图9A和9B表示本发明应用到环形波导；图10A至10C表示在干蚀刻中以各向同性的方式移除硅衬底部分；和图11A至11C表示加厚脊的宽度或仅在希望支柱提供用于光波导 的位置提供岛的方法。
具体实施方式
在下文，将参考附图详细地说明根据本发明的示范性实施例的硅 结构。在这里，将把光波导电路描述为硅结构的一个应用。在光波导 电路中，采用具有芯和包覆层的桥结构。光波导中的芯和包覆层由两 种折射率不同的氧化硅膜形成，且即使进行各向异性蚀刻也基本不会 移除光波导。图l是表示晶面的概念图。在开始说明本发明之前，定义晶面。单晶硅具有金刚石结构。金刚石结构的晶胞是立方。由此，硅晶 体具有(100)面、(110)面和(111)面，如公知的。本发明利用(100) 面、(110)面和(111)面的蚀刻速率不同的事实。图2A和2B表示在平行于(100)面的(001)面硅衬底中形成凹面 部分的实例。当从上部看作为金刚石结构的晶胞立方时对应于四边的 平面是(100)面和(010)面，且对应于两个对角线的面是(110)面。 在这里，在各向异性蚀刻的情况下，(100)面、(010)面或(001) 面是最大的蚀刻速率。换句话说，在垂直于(100)面的方向上进行的 蚀刻最大。在包括垂直于(100)面的方向分量的方向和不同的方向分 量上进行的蚀刻速率，根据不同的方向分量的速率连续改变。图3A和3B表示在(100)衬底中形成平行于(110)面的沟槽的实 例。与图2A和2B相似，在对平行于(110)面的表面进行的蚀刻的蚀刻 速率低。具体地，有比平行于(100)面的平面的蚀刻速率慢约100倍 的情况。这是因为蚀刻到那个方向的蚀刻暴露出(111)面，其最难蚀 刻。图4A、4B和4C-l-l至4C-5-3表示本发明中弯曲光波导形成在(001) 面硅衬底上的情况。在这里，沿着预定线(在下文，称为基本曲线)7 形成光波导3。当对在硅衬底上设计曲线7形状的光波导的硅层进行各 向异性蚀刻时，在垂直于波导侧壁且平行于硅衬底表面的平面中波导 的切线和(100)面的之间的角6 1()()为零的那一点处以最快的蚀刻率进 行蚀刻(也就是，两个都具有平行关系)。而且，蚀刻速率在波导的 切线和(110)面之间的角9 uo为零的那一点处变为最低的蚀刻速率(此 时，01()()为45° ，然而，在互补角的情况下为135。)。在它们之间的 角处，蚀刻率连续变化。在图4A和4B所示的实例中，将硅衬底浸入例如用于蚀刻的KOH溶 液中。此时，硅的蚀刻速率在点A、 E和I处最快且随着点接近点C和G而连续降低。由此，逐步形成桥结构，同时蚀刻直接在光波导下面的硅衬底，如图4C-l-l至4C-5-3所示。简而言之，通过各向异性蚀刻，如 图4C-l-l至4C-4-l所示，首先移除点A、 E和I处的硅衬底，且如图4C-l-2 至4C-5-2所示，硅衬底上的移除区域朝着点C和G逐渐变宽。在这里， 尽管基本不会蚀刻光波导，如图4C-1-1所示，但把直接位于光波导下面 的硅衬底在点A、 E和I被刻蚀的事实称为"钻蚀"。各向异性蚀刻的蚀刻速率相对于波导的切角指数增加。由此，完 成各向异性蚀刻的时间，也就是，调节硅衬底浸入KOH中的时间以便 作为高蚀刻选择率的结果可以留下点C和G处的硅衬底，如图4C-l-3至 4C-5-3所示。由此，由于点C和G是蚀刻率低的硅衬底部分，以便保留 不被蚀刻的硅衬底部分，留下的部分可以作为用于支撑光波导的支柱 支撑硅衬底，如图4C-5-3所示。简而言之，可以获得在硅衬底2上支撑 桥形状的光波导3的桥结构，而不被瞬时释放应力所破坏。而且，以该 方式，由于设计使得外应力主要施加到基本曲线7的曲率半径方向上， 该弯曲桥结构具有比直线桥结构高的抗应力性。而且，通过利用蚀刻 率根据晶向而大大不同的事实，能够容易制造硅支柱5。具体地，优选设计光波导3具有基本曲线7的形状。此时，基本曲 线7的曲率半径方向优选沿着光波导3连续变化。这是因为当基本曲线7 的曲率半径方向连续变化时，蚀刻速率也连续变化以便可以获得各向异性蚀刻。作为具体实例，当衬底上结构的移除部分的曲率半径方向 等于预定方向时，蚀刻速率大。相反，当衬底上结构的支柱的曲率半 径方向等于另一预定方向时，蚀刻速率小。结果，当对移除部分的蚀刻速率大时，以短时间蚀刻直接在光波 导3下面的硅衬底2上的部分的移除部分6。简而言之，随着蚀刻连续进 行，移除部分6逐步增加。也就是说，这暗示着移除部分6沿着光波导3 逐步增加。由于光波导3与硅衬底2的隔离不是快速进行而是逐步进行， 所以立刻施加到光波导3上的应力小以减少裂缝产生的危险。接下来，为了设计光波导3的桥结构，必须满足以下条件。也就是说，该桥结构提供有用于支撑光波导3的支柱5，且每个移除部分6都存 在于光波导3下面的相邻的两个支柱5之间。首先移除该移除部分6以留 下支柱5，且当留下支柱5时，必须完成各向异性蚀刻。布置移除部分6 以便基于大的蚀刻速率确定移除部分6的定向。相反，甚至在完成各向异性蚀刻之后，也不必移除支柱5。由此， 支柱5的一侧必须是蚀刻率小的硅晶面或接近于它的面。具体地，该面 是(110)面或(111)面。因此，布置支柱5以便基于小蚀刻率确定 支柱5的定向。图5A和5B表示根据本发明的实例，当在硅衬底2的(100)面上形 成环形波导3的情况。硅衬底2的支柱5保留在平行于(110)面的包含 点E至H的平面中。在平行于(100)面的包含点A至D的面中以桥的形 状浮置环形波导3。图6A和6B示出了根据本发明在硅衬底的(100)面上形成目标 Mach-Zehnder波导3的情况的实例。硅衬底2的支柱5留在平行于(110) 面的点I至N处。在平行于(100)面的点A至H处，环形波导3以桥形状 浮置。图7A和7B表示在硅衬底的(100)面上形成目标Mach-Zehnder波 导3的情况的实例。硅衬底2上的支柱5留在平行于(110)面的点E和F 处。在平行于(100)面的点A至D处，环形波导3以桥的形状浮置。如从图6A和6B和图7A和7B之间的比较可以明白，甚至在具有类似 支柱布置结构的Mach-Zehnder波导3中，通过仅利用本发明的弯曲波导 3，可以自由地设计波导3的长度。图8A和8B表示在硅衬底2的(100)面上形成目标Mach-Zehnder波 导3的情况的实例。硅衬底2的支柱5保留在平行于(110)面的包含点C 至F的平面处。在平行于(100)面的包含点A和B的平面处，环形波导3 以桥的形状浮置。如从图7A和7B和图8A和8B之间的比较可以明白，甚至在具有相同 长度的波导3的Mach-Zehnder波导3中，通过仅利用本发明的弯曲波导3， 也可以自由地设计不同的支柱布置结构。图9A和9B表示本发明应用到环形波导3的情况的实例。在这里， 环形波导3包含硅衬底2、光波导3和薄膜加热器4。光波导3包含直线部 分和环形部分，且它们每个都包含中心芯l和环绕芯l的包覆层。光波 导3中的芯和包覆层由氧化硅制成。而且，芯1掺杂有磷。由此，设置 了在它们两个的折射率之间的差。在这里，尽管示范了氧化硅结构作 为衬底上结构，但可使用不同的硅化合物结构。例如，碳化硅、氮化 硅等具有抵抗对硅衬底2的各向异性蚀刻的足够的耐久性。由此，可以 将它们应用于本发明的硅结构。应该注意，在硅衬底2上进行各向异性蚀刻之前，以以下方式形成 光波导3中的芯1和包覆层。首先，通过CVD (化学气相沉积)在硅衬 底2上形成位于芯1下面的包覆层的一部分的氧化硅膜。将包覆层的该 部分称为下层包覆。随后，在下层包覆上形成芯l的氧化硅膜，并且对 用于芯l的氧化硅膜进行掺杂。最后，在下层包覆和芯l上形成残留的 包覆，以便芯l由该包覆包围。将残留的包覆称为上层包覆。硅衬底2包含光波导3的一部分用于支撑光波导3的整个直线部分， 和支柱5的一部分用于从下面相似地支撑环形部分的一部分。薄膜加热 器4是通过溅射法沉积在光波导3上的金属膜。薄膜加热器4包含有与光 波导3的环形部分基本相同形状的部分，和连接至电源电路(未示出) 的两个接线端。硅衬底2支撑来自下面的光波导3。然而，光波导3的整个直线部分 由硅衬底2支撑。然而，关于该环形部分，仅其一部分由硅衬底2的支 柱5的部分支撑。在光波导3中，该环形部分连接至在右侧和左侧延伸 的两个直线部分。薄膜加热器4形成在光波导3中的环形部分上。将从电源电路(未示出)把电能提供给薄膜加热器4，且光波导3 的环形部分由焦耳热加热。在环形波导3中，热-光地改变其折射率，由 此将它的过滤性质设置为所希望的值。在这里，大部分环形波导3从硅 衬底2以桥的形状浮置。由此，可以大大节省提供给薄膜加热器4的电为了形成这种环形光波导3，将晶体结构布置在光波导3中，如在 图5A和5B中已经示出的。也就是说，通过各向异性蚀刻将硅衬底2上的 支柱5留在点E至H处，且在点A至D处以桥的形状浮置环形波导3。在上面，已描述了利用高蚀刻速率和利用(100)衬底的方法。也 就是说，讨论了 (100)面是硅衬底2的表面的情况。然而，甚至在(IIO) 面硅衬底中或甚至在(111)面硅衬底中也可以应用本发明。在(110) 面硅衬底的情况下，由于暴露出(111)面，使得该表面变得更加平行 于(111)面，所以该蚀刻变得更难。而且，在(111)面硅衬底的情 况下，该表面已经是蚀刻难的(111)面。由此，必须通过利用任一方 法例如干蚀刻等首先蚀刻(111)面来暴露出(100)面和(110)面。 而且，相比(100)面或(110)面和(111 )面之间的蚀刻速率差，(100) 面和(110)面之间的蚀刻速率差很小。结果，在利用那些蚀刻率的情 况下，希望充分地稀释并且使用各向异性蚀刻溶液例如KOH，且然后 减少整个各向异性蚀刻的蚀刻率以便可以足够地保存蚀刻移除物之间 的时间差。虽然已参考其示范性实施例具体示出和说明了本发明，但本发明不限于这些示范性实施例。可应用领域不限于光波导结构或热光移相 器。具体地，这可以应用到MEMS领域。本领域技术人员将明白，在这 里可进行形式和细节的各种变化，而不脱离如由权利要求定义的本发 明的精神和范围。
权利要求
1.一种硅结构，包括硅衬底；包括硅化合物膜且形成在所述硅衬底上的衬底上结构；其中至少一个移除面通过各向异性蚀刻移除并且经由蚀刻至少存留一个支柱以支撑用作直接在所述衬底上结构下面的所述硅衬底的直接下部的所述衬底上结构。
2. 根据权利要求l所述的硅结构，其中所述衬底上结构包含沿着 线形成的部分，所述线属于平行于所述硅衬底表面的面。
3. 根据权利要求2所述的硅结构，其中各向异性蚀刻的蚀刻速率 取决于各向异性蚀刻的方向，并且其中在硅衬底表面上的投影内，当各向异性蚀刻的方向跟与所述 支柱相应的曲率半径的方向一致而跟与移除部分相应的曲率半径的方 向不同时，蚀刻速率较低。
4. 根据权利要求2所述的硅结构，其中所述线包含曲率半径方向 连续改变的曲线，以及各向异性蚀刻的蚀刻速率根据所述各向异性蚀刻前进的方向连续 地改变。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述硅衬底的 面是(100)面。
6. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述硅衬底的 面是(110)面。
7. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述硅衬底的面是(111)面。
8. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述硅化合物 膜包括氧化硅膜。
9. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述硅化合物 膜包括碳化硅膜。
10. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述硅化合 物膜包括氮化硅膜。
11. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述各向异 性蚀刻是使用氢氧化钾的湿法蚀刻。
12. 根据权利要求1至4中任一项所述的硅结构，其中所述衬底上结构包含由氧化硅膜形成的包覆层；和由被执行掺杂以致具有与所述包覆层不同折射率的氧化硅膜形成 的芯。
13. —种热光移相器，其包含 硅结构，所述硅结构包含 硅衬底；和包括硅化合物膜且形成在所述硅衬底上的衬底上结构； 其中至少一个移除面通过各向异性蚀刻移除并且经由蚀刻至少存留一个支柱以支撑用作直接在所述衬底上结构下面的所述硅衬底的直 接下部的所述衬底上结构；其中所述衬底上结构包含由氧化硅膜形成的包覆层；和由被执行掺杂以致具有与所述包覆层不同折射率的氧化硅膜形成的芯；所述热光相转移器进一步包含 在所述衬底上结构的金属制得的薄膜加热器。
14. 一种制造硅结构的方法，其包含制造硅结构，在所述硅结构中衬底上结构由硅衬底支撑并且在所 述硅结构中硅衬底的一部分通过各向异性蚀刻被移除；设计所述衬底上结构以具有沿考虑到所述硅衬底的多个晶面的关 系的线的形状以及根据各向异性蚀刻的所述各向异性蚀刻速率的蚀刻 进行速度；在所述硅衬底上形成衬底上结构；以及在硅衬底上执行各向异性蚀刻。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述设计包含 设计衬底上结构以具有沿着线的部分，所述线属于平行于所述硅衬底表面的面；以及在硅衬底表面上的投影内，设计衬底上结构以使当各向异性蚀刻 的方向跟与所述支柱相应的曲率半径的方向一致而跟与移除部分相应 的曲率半径的方向不同时，蚀刻速率较低。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述设计进一步包含.-设计衬底上结构以使所述线含有曲线，在所述曲线中曲率半径的方向连续改变。
17. 根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述执行包含作为直接在衬底上结构下面的硅衬底的一部分的移除部分，通过各向异性蚀刻较快地移除有较高的蚀刻速率的部分； 加宽沿着所述线的所述移除部分；并 结束所述各向异性蚀刻，其中硅衬底的有较低蚀刻速率的部分被保留作为支柱。
18. 根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中所述各向异 性蚀刻是使用氢氧化钾的湿法蚀刻。
19. 一种制造光波导线路的方法，其包含制造硅结构作为光波导线路，在里面衬底上结构由硅衬底支撑并 且在所述硅结构中硅衬底的一部分通过各向异性蚀刻被移除；设计所述衬底上结构以具有沿考虑到所述硅衬底的多个晶面的关 系的线的形状以及根据各向异性蚀刻的所述各向异性蚀刻速率的蚀刻 进行速度；在所述硅衬底上形成衬底上结构；以及在硅衬底上执行各向异性蚀刻；其中所述形成包含形成衬底上结构作为光波导。
20. —种热光相转移器的制造方法，其包含制造硅结构作为光波导线路，在里面衬底上结构由硅衬底支撑并 且在所述硅结构中硅衬底的一部分通过各向异性蚀刻被移除；设计所述衬底上结构以具有沿考虑到所述硅衬底的多个晶面的关 系的线的形状以及根据各向异性蚀刻的所述各向异性蚀刻速率的蚀刻 进行速度；在所述硅衬底上形成衬底上结构；以及在硅衬底上执行各向异性蚀刻；其中所述形成包含形成衬底上结构作为光波导，以及其中所述方法还包含在衬底上结构上形成金属的膜加热器。
全文摘要
一种硅结构包括硅衬底、形成在硅衬底上且包括硅化合物膜的衬底上结构；和根据硅衬底的晶体取向从硅衬底延伸形成的且配置以支撑衬底上结构的支柱。支柱直接提供在硅衬底上的衬底上结构的下面。
文档编号G02B6/136GK101334502SQ200810129548
公开日2008年12月31日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年6月28日
发明者渡边真也 申请人:日本电气株式会社