CN1285924A - 光学部件的制造方法及由该方法制成的光学部件 - Google Patents

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Abstract

通过这样一种工艺来制造包括与一个或多个波导(25’)的末端对准的一个或多个光学元件(35’)的光学部件,其中,首先在衬底(10)(或在衬底的缓冲层上)上淀积经掺杂的氧化硅核心层(20),随后在核心层上淀积通常为1－5μm厚的局部外包层(30A)。对局部外包层和核心层进行构图和蚀刻,从而同时限定光学元件和波导核心。其后,通过淀积另一外包层(30B)而完成外包层。在把此制造方法应用于基于光栅的NBWDM器件时,光栅的金属化可在淀积第二外包层部分(30B)之前或之后进行。在任一种情况下,淀积此第二外包层部分都需要低温淀积工艺。

Description

光学部件的制造方法及由该方法制成的光学部件
本发明涉及光学部件制造的领域，尤其涉及集成(或平面)光学部件。尤其是，本发明涉及这样的光学部件的制造，其中同与波导的末端对准的一个或多个其它光学元件相结合地形成一个或多个波导。
在集成光学领域中，通常需要制造其中一个或多个光学元件与一个或多个波导的末端对准的部件。例如，在制造波分多路复用器(wavelengthdivision multiplexer)时就是这样的情况。通常，在制造过程的第一阶段，把构成波导的层相继淀积在衬底上并跟踪其中的图案。其后，在波导结构完成时(核心层、外包层，还可能有位于衬底和核心层之间的缓冲层)，通过对完成的波导结构进行构图和蚀刻，使形成的有关光学元件根据需要与波导的末端对准。制造过程的第二阶段包括在例如20-30μm厚的厚分层结构上进行光刻和蚀刻工艺，引起了许多问题。
将参考图1，通过描述基于衍射光栅的窄带波分多路复用器或多路分用器(NBWDM)的制造工艺来更详细地说明常规制造工艺中所固有的问题。通常，基于衍射光栅的窄带波分多路复用器或多路分用器(NBWDM)包括与为几个(通常为32或更多)通道服务的输入和输出波导的末端对准的衍射光栅。
依据常规工艺，把通常由具有光学平滑表面的硅或二氧化硅构成且通常为1mm厚的晶片用作制造光学部件的衬底10。如图1A所示，通过例如火焰水解(flame hydrolysis)淀积或化学淀积工艺或等离子体淀积工艺等把二氧化硅层20淀积在衬底10上。为了提高二氧化硅的折射率，用锗、钛等对二氧化硅进行掺杂。(在利用硅衬底的情况下，为了光学隔离的目的，在淀积掺杂的二氧化硅核心层20前在衬底10上设置缓冲层。可通过热氧化来获得缓冲层)。
二氧化硅层20的厚度通常在5到10μm之间，例如6.5μm厚。通过以光刻步骤进行构图，随后蚀刻到适当的厚度(例如在利用6.5μm厚的核心层的情况下为7μm)，从而由层20形成波导的核心25以及平面波导28(见图1B)。在此第一光刻步骤期间形成用于随后光刻步骤的对准标志。
接着，通过诸如低压化学汽相淀积(LPCVD)、等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)、大气压化学汽相淀积(APCVD)、火焰水解等适当的工艺淀积由未掺杂二氧化硅或掺有例如硼或磷的二氧化硅构成的通常为10-20μm厚的外包层30(见图1C)。其后，通过在尝试使掩模与先前形成的对准标志对准的光刻步骤中进行构图且通常通过反应离子蚀刻把完成的层状结构蚀刻到20-30μm之间的深度来形成衍射光栅35(见图1D)。通过淀积由铝或金构成的层36，从而对光栅35进行金属化来完成基于光栅的窄带波分多路复用器或多路分用器(NBWDM)(见图1E)。
在常规工艺中，有许多问题困扰着第二光刻和蚀刻步骤。由于先前淀积的核心和外包层的厚度(17-30μm)，使得衬底明显地翘曲，对于4″(100mm)的晶片，通常为100μm左右。这种严重的翘曲使得难于获得高分辨率的光刻，这是制造需要非常精确地限定被蚀刻部件的窄带WDM元件等所存在的严重问题。此外，在两个光刻步骤中所使用的掩模需要完全对准，但由于外包层的厚度大导致可见度的损失而带来了困难。
此外，在常规的工艺中，需要深的二氧化硅蚀刻，它本身是极为困难的。蚀刻时间很长，通常为5到10小时，且对蚀刻掩模有严格的限制(高厚度、高耐蚀刻性、低应力和高蚀刻分辨率)。此外，蚀刻期间分辨率的损失导致光栅的磨圆(rounding)在3和4μm之间。
针对以上问题，本发明为光学部件的制造提供了一种新工艺，这种工艺免除了在这样的厚分层结构上进行光刻和蚀刻步骤的需要。
尤其是，本发明提供了一种形成光学部件的方法，此光学部件包括至少一个波导和面向波导的末端放置的至少一个光学元件，这种方法包括在衬底上淀积核心层来形成每个波导的核心的步骤，其特征是还包括以下步骤：在所述核心层上淀积局部外包层；对所述核心层和局部外包层进行构图，从而同时限定光学元件和波导的核心；以及淀积另一外包层。
通过以两个阶段淀积外包层并通过刻穿(etch through)核心层和局部外包层来同时限定光学元件与波导，本发明的方法避免了常规制造方法中所存在的深度蚀刻工艺，从而可实现光学元件的高分辨率。
此外，通过省略常规制造方法中的第二光刻步骤，本发明大大简化了工艺且保证了波导与光学元件的完全对准。
此外，通过减小蚀刻深度，降低了对蚀刻掩模的要求，减少了蚀刻时间，且进一步提高了分辨率(1μm左右的磨圆)。
局部外包层的厚度最好在1-5μm的范围内，以核心与外包层的折射率之差的函数来确定此精确值。例如，2-3μm厚的局部外包层适用于使用核心层(例如，n=1.46)与外包层(例如，n=1.45)的折射率之间的相对差为0.69％的波导的情况。
如果局部外包层的厚度太低，则在所获得的光学部件中，面对波导末端的光学元件将与波导核心及其上的一小部分外包层(对应于局部外包层)相对，且将只控制在这些元件中传输的光。然而，实际上，光并不维持限制于波导核心，在使用期间光还将依据高斯分布在外包层上传播。核心层外的这种传播的程度将随核心与外包层的折射率之差变得越来越接近或减小而增大。
因而，为了把光学损失减到最少，想要使光学部件不仅与波导核心相对，而且也与一部分外包层相对，这部分外包层的厚度足以保证在核心层外传播的大多数光位于这部分外包层内。由于这些光学元件通过蚀刻局部外包层来形成且面向对应于局部外包层的这部分外包层，因而，局部外包层的厚度应使得在核心层外传播的大多数光位于局部外包层内。
另一方面，如果局部外包层制作得太厚，则本发明的优点(较好的分辨率、较少的翘曲)开始消失。
通过进行刻穿核心层和1-5μm的局部外包层的蚀刻步骤，保持了获得的光学部件具有良好的效率。
本发明还提供一种光学部件，它包括：至少一个波导，以及通过蚀刻而形成并放置成面向波导末端的光栅，其中波导的核心由二氧化硅制成，最好是掺杂的二氧化硅，且蚀刻引起的光栅的磨圆＜3μm，最好近似等于或小于1μm。
从以下对通过举例给出的并如附图所示的本发明较佳实施例的描述，将使本发明的进一步特征和优点变得明显起来，其中：
图1示出NBWDM元件的常规制造工艺，该工艺经历了从图1A到1E所示的中间步骤；以及
图2示出应用于制造NBWDM元件的依据本发明的制造工艺的第一较佳实施例，该工艺经历了从图2A到2E所示的中间阶段；以及
图3示出应用于制造NBWDM元件的依据本发明的制造工艺的第二较佳实施例，该工艺经历了从图3A到3F所示的中间阶段。
在以下描述中，通过讨论制造NBWDM元件的两个实施例来说明依据本发明的方法。然而，应理解，本发明不限于制造这种类型的元件，而可应用于通过蚀刻完成的波导结构而使光学元件与一个或多个波导形成对准的常规情况。
现在将参考图2A到2E来描述依据本发明的方法的第一较佳实施例。
依据第一实施例的方法的第一步骤与常规方法中的相同的，此第一步骤包括通过任何适当的技术在衬底10上淀积掺杂的二氧化硅层20(见图2A)。通常，如图图1的例子，衬底可以是1mm厚且直径为100mm的二氧化硅衬底，核心层20可以是掺有锗、钛等的6.5μm厚的二氧化硅。随后的步骤不同于常规方法的那些步骤。
接着，在本实施例中，通过例如APCVD、PECVD、LPCVD、火焰水解等一种适当的工艺淀积近似于在1和5μm之间的局部外包层30A(见图2B)，而不是对波导核心进行构图和蚀刻，其后淀积常规的外包层。局部外包层可以由常规的材料来构成，通常是掺有硼或磷的二氧化硅。接着，在光刻步骤中同时对波导核心25′和衍射光栅35′进行构图并通过例如反应离子蚀刻对其蚀刻10μm左右的深度(见图2C)。对光栅35′和波导核心25′同时进行蚀刻保证了它们之间的完全对准。此外，穿过相对薄的分层结构对此阶段的光栅35′进行构图和蚀刻保证了分辨率的提高，并简化了蚀刻工艺。
在本发明的第一较佳实施例中，接着通过例如真空下的蒸发或溅射淀积金属层来对光栅进行金属化(见图2D)。以定向的方式来进行金属化，从而金属层36在光栅35′上而不(或几乎不)在其它表面上形成。此后，淀积另一外包层部分30B，以完成波导的外包层部分(见图2E)。由于外包层30B是在金属化步骤后淀积的，所以应选择诸如PECVD、LPCVD或溶胶-凝胶(sol-gel)工艺等低温外包层淀积工艺(通常＜900℃)。对光栅的金属化，诸如金等熔点高的金属是较佳的。
接着参考图3A到3F来描述本发明的第二较佳实施例。
依据第二实施例的方法的前三个步骤与第一实施例中的那些步骤相同，包括在二氧化硅衬底10上淀积掺杂的二氧化硅层20(见图3A)，接着淀积局部外包层30A(见图3B)以及同时对光栅35′和波导核心25′进行构图和蚀刻(见图3C)。然而，该工艺的随后步骤是不同的。
依据第二实施例，推迟光栅35′的金属化。代之以，在光栅上淀积保护层(诸如聚聚酰亚胺等耐高温的聚合物)37(见图3D)，然后淀积外包层30B(见图3E)。通常，通过在光栅上涂敷液状的原始产品然后在高温下使其聚合来形成保护层。如在第一实施例，淀积外包层30B需要低温淀积工艺；而在此情况下，需要温度＜500℃。在淀积了外包层30B后，除去保护层37，并通常通过真空下的溅射或蒸发对光栅35′进行金属化，以淀积由铝或金构成的层36(见图3F)。此时，由于在光栅35′上存在层30B，不再可能以把金属仅淀积在光栅35′上的方式来进行金属化。然而，在光栅35′后的空腔的其它表面上存在的金属层36不会产生任何不良影响。
将看到，在上述两个实施例中，在仅有覆盖核心层的局部外包层的衬底上进行光刻。因而，提高了光刻的分辨率。例如，在上述例子中的100mm的晶片上形成光学部件的情况下，把影响光刻步骤的晶片翘曲减小到30μm左右。此外，同时限定衍射光栅和波导核心保证了完全对准，也免去了光刻步骤。最后，通过减小限定光栅时所需的蚀刻深度，使蚀刻工艺变得更简单，更快实现，且具有更好的分辨率。
在以上描述中，由于火焰水解、APCVD、LPCVD、PECVD、溶胶-凝胶等各种淀积工艺在本领域内是众所周知的这一事实，所以未给出这些工艺的的详细操作条件。例如，Michael F.Grant于1994年七月在圣地亚哥的鉴定审查会议CR 53，SPIE 1994中提出的审查论文CR53-03“玻璃集成光学及光纤器件”的前两节中可找到这些工艺中许多工艺的细节。
虽然已参考了本发明的特殊实施例对本发明进行了描述，但应理解，本发明不限于这些实施例的详细特点。尤其是，本领域内的技术人员容易对本发明进行大量修改。
例如，可应用本发明的方法来制造这样的光学部件，其中除了光栅以外，一个或多个波导还与诸如透镜、聚焦或反射镜、棱镜等光学元件对准。
此外，在上述实施例中，虽然直接在衬底10上形成核心层20，但应理解，本发明还应用于衬底和核心材料的本性使得必须设置缓冲层的情况。
此外，虽然上述实施例有关波导以二氧化硅为基础的光学部件，但依据本发明的方法还可应用于制造波导以诸如InP(磷化铟)等半导体为基础的光学部件。由于折射率高于二氧化硅的折射率，所以磷化铟使得能够产生更薄的核心和外包层，因而，完成的波导结构比基于二氧化硅的波导的结构薄。然而，本发明所提供的制造方法即使在制造基于InP的光学部件的情况下也优于常规的方法。蚀刻分辨率有明显的提高且制造工艺有明显的简化。
此外，虽然在上述实施例中形成的增补外包层(30B)由二氧化硅制成，但它可由其它材料构成，例如聚合物等。本领域内的技术人员容易进行的以上和其它修改包含在附加权利要求书中所限定的本发明的范围内。

Claims (14)

1．光学部件的制造方法，所述光学部件包括至少一个波导以及放置成面向每个波导的末端的至少一个光学元件，所述方法包括在衬底上淀积核心层以形成每个波导的核心的步骤，其特征在于还包括以下步骤：
在所述核心层上淀积局部外包层；
对所述核心层和局部外包层进行构图，从而同时限定光学元件和每个波导的核心；以及
淀积另一外包层。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于局部外包层的厚度在1到5μm的范围内。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于局部外包层的厚度为2-3μm，核心与外包层的折射率之间的相对差为0.7％左右。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于光学元件为衍射光栅，所述方法还提供了对光栅进行金属化的步骤。
5．如权利要求1所述的方法，其特征在于光栅的金属化发生在淀积另一外包层之前，淀积另一外包层发生在低于900℃的温度下。
6．如权利要求4所述的方法，其特征在于淀积另一外包层发生在光栅的金属化之前，在淀积另一外包层的步骤之前，通过把耐高温的聚合物加到光栅上而在淀积另一外包层时保护光栅；淀积另一外包层发生在低于500℃的温度下，在光栅的金属化步骤之前从光栅上除去耐高温的聚合物。
7．如权利要求1所述的方法，其特征在于通过一在相对低的温度下发生的工艺，尤其是通过从APCVD、PECVD、LPCVD和溶胶-凝胶工艺构成的组中选出的一个工艺来进行另一外包层的淀积。
8．如权利要求4所述的方法，其特征在于光栅的金属化步骤包括以金对光栅进行金属化。
9．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述光学部件为波分多路复用器/多路分用器。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于所述光学部件为至少包括32个通道的窄带波分多路复用器/多路分用器。
11．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述核心层包括掺杂的二氧化硅。
12．一种光学部件，包括：
至少一个波导，以及
通过蚀刻形成的光栅，所述光栅放置成面向所述波导的末端，
其特征在于波导的核心由二氧化硅制成，以及蚀刻引起的光栅的磨圆＜3μm。
13．如权利要求12所述的光学部件，其特征在于波导的核心由掺杂的二氧化硅制成。
14．如权利要求12所述的光学部件，其特征在于蚀刻引起的光栅的磨圆近似等于或小于1μm。
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