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Hintergrund
der Erfindung
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Die
offenbarte Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Umschaltschaltungen
und insbesondere auf optische Umschaltschaltungen, die Heizwiderstände verwenden,
um die Zustände
von optischen Schaltelementen zu steuern.
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Optische
Fasern ersetzen leitfähige
Drähte bei
der Telephon- und Datenkommunikation, da optische Fasern eine äußerst hohe
Bandbreite liefern, immun gegenüber
Funkfrequenzrauschen sind und beinahe keine elektromagnetische Störung erzeugen.
Da sich die Kosten der optischen Fasern verringern, dehnt sich die
Verwendung von optischen Fasern auf Anwendungen aus, die Schalten
erfordern, um die Verbindung von optischen Signalwegen dynamisch
neu zu konfigurieren.
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Ein
bekannter Lösungsansatz
zum optischen Schalten umfaßt
das thermische Steuern des Vorliegens oder der Abwesenheit einer
Flüssigkeit
in einem Zwischenraum, an dem sich eine Mehrzahl von optischen Wellenleitersegmenten
schneiden. Dieser Lösungsansatz
kann beispielsweise bei einer optischen Umschaltschaltung implementiert
werden, die ein Wellenleitersubstrat, das eine Mehrzahl von thermisch
betätigten
fluidischen optischen Schaltern aufweist, und ein Heizsubstrat umfaßt, das
benachbart zu dem Wellenleitersubstrat angeordnet ist. Das Heizsubstrat
umfaßt
ein Array von Heizwiderständen,
die die optischen Schalter selektiv thermisch betätigen, beispielsweise
durch Bilden von Antriebsblasen zum Bewegen von Fluid, damit sich
dasselbe in die und aus den Zwischenräumen in dem Wellenleitersubstrat
bewegt, das Licht überträgt oder
reflektiert, als eine Funktion des Vorliegens oder der Abwesenheit
von Fluid.
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Die
US-Patentanmeldung US-A-5357271 offenbart ein planares Heizwiderstandsarray,
das in einer Dünnfilmteilstruktur
gebildet ist, und eine Mehrzahl von thermisch leitfähigen Streifen,
die jeweils den Heizwiderständen
zugeordnet sind, von denselben dielektrisch getrennt sind und in
der Nähe
derselben positioniert sind.
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Ein
Problem bei der vorhergehenden fluidischen optischen Umschaltschaltung
sind die nicht-einheitlichen thermischen Charakteristika von Heizwiderständen in
dem Heizsubstrat. Beispielsweise haben Widerstände näher zur Mitte des Heizsubstrats
weniger Wärmekapazität als Widerstände näher an den
Kanten des Heizsubstrats. Die nicht-einheitlichen thermischen Charakteristika
können
die Leistungsfähigkeit
verschlechtern und können
auch zu Zuverlässigkeitsproblemen
für die
Widerstände führen, die
nahe der Mitte des Heizsubstrats positioniert sind.
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Es
gibt folglich einen Bedarf an einem Heizwiderstandsarray einer optischen
Umschaltschaltung, das lokalisierte Wärmeableitungscharakteristika
aufweist, die individuell einstellbar sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
offenbarte Erfindung bezieht sich auf ein Heizwiderstandsarray,
das eine Dünnfilmteilstruktur; eine
Mehrzahl von Heizwiderständen,
die in der Dünnfilmteilstruktur
gebildet sind; und eine Mehrzahl von Regionen, die jeweils den Heizwiderständen zugeordnet
sind und von den Heizwiderständen
dielektrisch getrennt sind, umfaßt, wobei jede der Regionen nahe
zu einem zugeordneten der Heizwiderstände positioniert ist, zum Ableiten
von Wärme
von dem zugeordneten Heizwiderstand, wobei die Regionen einen jeweiligen
Bereich aufweisen, der abhängig
von den Positionen der jeweiligen Regionen in dem Dünnfilmsubstrat
variiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung werden für einen
Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres offensichtlich anhand der
folgenden detaillierten Beschreibung, wenn dieselbe in Verbindung
mit den Zeichnungen gelesen wird.
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1 ist ein schematischer
Aufriß,
der eine thermisch betätigte
fluidische optische Umschaltschaltung darstellt, bei der die Erfindung
verwendet werden kann.
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2 ist eine schematische
Draufsicht, die ein Heizwiderstandsarray der optischen Umschaltschaltung
von 1 darstellt.
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3 ist eine nicht-skalierte
schematische Querschnittsansicht eines Beispiels einer Heizteilstruktur
der Schaltung von 1,
lateral durch eine darstellende Heizwiderstandsregion.
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4 ist eine nicht-skalierte
schematische Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Heizteilstruktur
der Schaltung von 1,
lateral durch eine darstellende Heizwiderstandsregion.
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5 ist eine Draufsicht, die
eine Durchkontaktierungsstruktur der Heizteilstruktur von 4 darstellt.
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6 ist eine Draufsicht, die
eine weitere Durchkontaktierungsstruktur der Heizteilstruktur von 4 darstellt.
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7 ist eine nicht skalierte
schematische Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels einer Heizteilstruktur
der Schaltung von 1,
lateral durch eine darstellende Heizwiderstandsregion.
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Detaillierte
Beschreibung der Offenbarung
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Bei
der folgenden detaillieren Beschreibung und bei den mehreren Figuren
der Zeichnung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet.
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Mit
Bezugnahme auf 1 ist
ein schematischer Aufriß eines
Blockdiagramms einer thermisch betätigten fluidischen optischen
Umschaltschaltung gezeigt, bei der die Erfindung verwendet werden kann,
und die im allgemeinen ein Wellenleitersubstrat 13, das
eine Mehrzahl von thermisch betätigten
fluidischen optischen Schaltern 21 aufweist, und eine integrierte
Schaltung oder eine Dünnfilmheizteilstruktur oder
einen Chip 11 umfaßt,
der benachbart zu einer Seite des Wellenleitersubstrats angeordnet
ist. Die Dünnfilmheizteilstruktur
oder der Chip 11 umfaßt Heizwiderstände 56,
die in derselben definiert sind, zum thermischen Betätigen der
fluidischen optischen Schalter in dem Wellenleitersubstrat 13 und
umfaßt im
allgemeinen ein Substrat, wie z. B. Silizium, und Dünnfilmschichten,
die auf demselben gebildet sind. Die thermisch betätigte fluidische
optische Umschaltschaltung von 1 kann
auch eine weitere Dünnfilmheizteilstruktur 15 (die
in gestrichelten Linien gezeigt ist) an der anderen Seite des Wellenleitersubstrats 11 umfassen.
Beispiele von thermisch betätigten fluidischen
optischen Umschaltschaltungen, in die die Erfindung eingebaut werden
kann, sind in dem US-Patent 5,699,462, Fouqet u.a. offenbart.
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Mit
Bezugnahme auf 2 ist
schematisch eine Draufsicht der Dünnfilmheizteilstruktur 11 gezeigt,
die ein Heizwider standsstrukturarray gemäß der Erfindung darstellt.
Die Dünnfilmheizteilstruktur 11 umfaßt eine
Mehrzahl von Widerständen 56 und eine
Mehrzahl von thermisch leitfähigen
Regionen 58, die jeweils den Heizwiderständen 56 zugeordnet sind
und unter denselben liegen, zum Ableiten von Wärme von den zugeordneten Heizwiderständen 56. Als
darstellendes Beispiel, wie es nachfolgend näher beschrieben ist, umfassen
die Heizwiderstände 56 Dünnfilmwiderstände während die
thermisch leitfähigen
Regionen Metallregionen oder Platten umfassen. In 2 sind die thermisch leitfähigen Regionen,
die Heizwiderständen
nahe den Kanten der Dünnfilmheizteilstruktur
zugeordnet sind, nicht gezeigt, um anzuzeigen, daß solche
thermisch leitfähigen
Regionen sich nicht lateral über
ihre zugeordneten Heizwiderstände
hinaus erstrecken.
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Die
thermisch leitfähigen
Regionen koppeln die Heizwiderstände
thermisch mit dem Substrat der Dünnfilmheizteilstruktur 11,
und gemäß der Erfindung
ist jede der thermisch leitfähigen
Wärmeableitregionen 58 individuell
konfiguriert, um die Wärmeableitungsfähigkeit
der speziellen Heizwiderstandsstruktur, die durch einen speziellen
Heizwiderstand und eine zugeordnete thermisch leitfähige Region gebildet
ist, abzumessen oder einzustellen, beispielsweise um das thermische
Profil der Dünnfilmheizteilstruktur 11 zu
konfigurieren. Insbesondere erhöht
sich die Wärmeableitkapazität einer
thermisch leitfähigen
Region, wenn sich die Fläche
derselben vergrößert, und
die Wärmekapazität einer
Heizwiderstandsstruktur wird durch Einstellen der Fläche der thermisch
leitfähigen
Region der bestimmten Heizwiderstandstruktur eingestellt.
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Durch
ein spezifisches Beispiel, bei dem Befestigungs- und Abdichtungsstrukturen
an Kanten der Dünnfilmheizteilstruktur
befestigt sind, können thermisch
leitfähige
Regionen 58 in dem Mittelabschnitt der Dünnfilmheizteilstruktur 11 konfiguriert werden,
um größere Flächen aufzuweisen
als thermisch leitfähige
Regionen 58 nahe den Kanten der Dünnfilm heizteilstruktur 11,
um beispielsweise eine einheitlichere thermische Charakteristik über die Dünnfilmheizteilstruktur 11 zu
liefern. Dies tritt auf, da die Heizwiderstände nahe den Kanten einer Dünnfilmheizteilstruktur 11,
an deren Kanten Befestigungs- und Abdichtungsstrukturen befestigt
sind, größere Wärmeableitungskapazitäten aufweisen würden aufgrund
einer größeren Nähe zu den
Befestigungs- und Abdichtungsstrukturen, während Heizwiderstände in der
Mitte der Dünnfilmheizteilstruktur weniger
Wärmekapazität aufweisen
würden
aufgrund der relativ schlechten thermischen Leitfähigkeit
der dielektrischen Schichten der Dünnfilmheizteilstruktur.
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Als
weiteres Beispiel, bei dem eine Befestigungsstruktur an dem Mittelabschnitt
der Dünnfilmheizteilstruktur 11 befestigt
ist, können
die thermisch leitfähigen
Regionen 58 nahe den Kanten der Dünnfilmheizteilstruktur 11 konfiguriert
sein, um größere Flächen aufzuweisen
als thermisch leitfähige
Regionen 58 in dem Mittelabschnitt der Dünnfilmheizteilstruktur 11,
um beispielsweise eine einheitlichere thermische Charakteristik über die
Dünnfilmteilstruktur 11 zu
liefern.
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Im
allgemeinen sollte klar sein, daß die thermischen Ausbreitungscharakteristika,
die Struktur oder das Profil der Dünnfilmheizteilstruktur 11 abgestimmt
wird durch Variieren oder Auswählen
der Flächen
der thermisch leitfähigen
Regionen als eine Funktion der Position in der Dünnfilmteilstruktur.
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Die
Dünnfilmheizteilstruktur 11 kann
hergestellt werden gemäß einer
Standarddünnfilmverarbeitung
für integrierte
Schaltungen, die chemische Dampfaufbringung, Photoresistaufbringung,
Maskieren, Entwickeln und Ätzen
umfaßt,
wie es beispielsweise in der gemeinschaftlich übertragenen US-Patentanmeldung 4,719,477
und dem US-Patent 5,317,346 offenbart ist.
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Mit
Bezugnahme auf 3 ist
eine nicht-skalierte schematische Querschnittsansicht einer speziellen
Implementierung der Heizteilstruktur 11 gezeigt, durch
einen darstellenden Heizwiderstand 56. Die Dünnfilmheizteilstruktur 11 umfaßt insbesondere
ein Siliziumsubstrat 51, eine thermisch gewachsene Siliziumdioxidschicht 53,
die über
dem Siliziumsubstrat 51 angeordnet ist, und eine strukturierte
Metallisierungsschicht, die Metallteilbereiche oder Platten 58 umfaßt, die
auf der thermischen Oxidschicht 53 aufgebracht sind. Eine
aufgebrachte Siliziumdioxidschicht 54 ist über der
ersten Metallisierungsschicht angebracht, die die Metallteilbereiche 58 umfaßt, während eine
Widerstandsschicht 55, die beispielsweise Tantalaluminium
umfaßt,
auf der aufgebrachten Oxidschicht 54 gebildet ist. Eine
strukturierte Metallisierungsschicht 57, die Aluminium
umfaßt,
das beispielsweise mit einem kleinen Prozentsatz an Kupfer und/oder
Silizium dotiert ist, ist über der
Widerstandsschicht 55 angeordnet.
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Die
Metallisierungsschicht 57 umfaßt Metallisierungsspuren, die
durch entsprechendes Maskieren und Ätzen definiert sind. Das Maskieren
und Ätzen
der Metallisierungsschicht 57 definiert auch die Widerstandsflächen. Insbesondere
sind die Widerstandsschicht 55 und die Metallisierungsschicht 57 im
allgemeinen miteinander ausgerichtet, außer daß Teile der Spuren der Metallisierungsschicht 57 in
den Bereichen entfernt sind, an denen Heizwiderstände gebildet
sind. Auf diese Weise umfaßt
der leitfähige Weg
in einer Öffnung
in einer Spur in der Metallisierungsschicht 57 einen Teil
der Widerstandsschicht 55, der an der Öffnung oder dem Zwischenraum
in der leitfähigen
Spur positioniert ist. Anders ausgedrückt, ein Widerstandsbereich
wird definiert durch Bereitstellen einer ersten und zweiten metallischen Spur,
die an unterschiedlichen Positionen auf dem Umfang des Widerstandsbereichs
enden. Die erste und die zweite Spur umfassen den Abschluß oder die Anschlußleitungen
des Widerstands, die effektiv einen Teil der Widerstandsschicht
umfassen, der zwischen den Abschlüssen der ersten und zweiten Spur liegt.
Gemäß dieser
Technik des Bildens von Widerständen
können
die Widerstandsschicht 55 und die Metallisierungsschicht
gleichzeitig geätzt
werden, um strukturierte Schichten zu bilden, die miteinander ausgerichtet
sind. Dann werden Öffnungen
in die Metallisierungsschicht 57 geätzt, um Widerstände zu definieren.
Die Heizwiderstände 56 sind
somit insbesondere in der Widerstandsschicht 55 gebildet,
gemäß Zwischenräumen in
Spuren in der Metallisierungsschicht 57.
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Die
Metallteilbereiche 58 liegen unter den zugeordneten Heizwiderständen 56 und
nahe zu denselben, und umfassen wärmeableitende thermisch leitfähige Regionen.
Gemäß der Erfindung
sind die Flächen
der Metallteilbereiche, die im allgemeinen planar sind, individuell
konfiguriert, um eine gewünschte
Wärmeableitungskapazität für die laminare Heizwiderstandsstruktur
zu erreichen, die durch den Heizwiderstand und den zugeordneten
Metallteilbereich gebildet ist. Dies ermöglicht das genaue Einstellen
der thermischen Charakteristika der Dünnfilmheizteilstruktur 11.
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Eine
zusammengesetzte Passivierungsschicht, die eine Schicht 59 aus
Siliziumnitrid (Si3N4) und
eine Schicht aus Siliziumkarbid (SiC) umfaßt, ist über der Metallisierungsschicht 57,
den freigelegten Abschnitten der Widerstandsschicht 55 und
den freigelegten Abschnitten der Oxidschicht 53 angeordnet. Optional
kann eine Tantalpassivierungsschicht, die Tattalteilbereiche 61 umfaßt, auf
der zusammengesetzten Passivierungsschicht 59, 60 über den
Heizwiderstand 56 angeordnet sein, um beispielsweise eine
mechanische Passivierung zu liefern, die einen Hohlraumbildungsdruck
von zusammenfallenden Antriebsblasen absorbiert, die in dem Fluid
in dem Wellenleitersubstrat 13 gemäß der selektiven Versorgung
der Heizwiderstände
mit Energie erzeugt werden.
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Mit
Bezugnahme auf 4 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Implementierung
der Heiz teilstruktur 11 gezeigt, durch einen darstellenden
Heizwiderstand 56. Die Heizteilstruktur 11 von 4 ist ähnlich wie die Heizteilstruktur 11 von 3 und umfaßt Metallplatten 58,
die durch Durchkontaktierungen 158 in elektrischem Kontakt sind
mit dem Siliziumsubstrat 51. Die Durchkontaktierungen 158 können zylindrische
Durchkontaktierungen umfassen, wie es in 5 dargestellt ist, oder Leitungsdurchkontaktierungen,
wie es in 6 dargestellt
ist. Die Durchkontaktierungen 158 werden beispielsweise
durch Ätzen
von Durchkontaktierungsöffnungen
in der thermischen Oxidschicht 53 vor der Aufbringung der
ersten Metallisierungsschicht gebildet, in der die Platten 58 gebildet
werden. Gemäß der Erfindung
ist die Fläche
von jeder der Metallplatten 58 individuell konfiguriert,
um eine gewünschte
thermische Ableitungskapazität
für die spezielle
Heizwiderstandsstruktur zu definieren.
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Mit
Bezugnahme auf 7 ist
schematisch darin eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren
Implementierung der Heizteilstruktur 11 gezeigt, durch
einen darstellenden Heizwiderstand 56. Die Heizteilstruktur 11 von 7 ist ähnlich wie die Heizteilstruktur 11 von 3 und umfaßt Metallplatten 58,
die auf dem Siliziumsubstrat 51 angeordnet sind und daher
elektrisch in Kontakt sind mit dem Siliziumsubstrat 51.
Die Metallplatten 58 sind im Grunde große Kontakte und werden beispielsweise
durch Ätzen
geeigneter Öffnungen
in der thermischen Oxidschicht 53 vor der Aufbringung der
ersten Metallisierungsschicht gebildet, in der die Metallplatten 58 gebildet
sind. Gemäß der Erfindung
ist die Fläche
von jeder der Metallplatten 58 individuell ausgewählt, um eine
gewünschte
thermische Ableitungskapazität
für die
spezielle Heizwiderstandsstruktur zu definieren.
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Es
sollte klar sein, daß die
Dünnfilmheizteilstruktur 11 aktive
Bauelemente umfassen kann, in diesem Fall würden zwischen der Bildung der
thermischen Oxidschicht 53 und der Bildung der Metallisierungsschicht,
die die Metallplatten 58 umfaßt, zusätzliche Schichten gebildet.
Beispielsweise würde
Polysilizium auf der thermischen Oxidschicht aufgebracht und strukturiert,
und eine dotierte Oxidschicht würde aufgebracht,
verdichtet und aufgeschmolzen. Die erste Metallisierungsschicht
würde dann
aufgebracht und strukturiert.
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Das
vorhergehende war daher eine Offenbarung einer Heizteilstruktur,
die sinnvoll ist für
optische Umschaltschaltungen und die vorteilhafterweise Heizwiderstände umfaßt, die
individuell eingestellte Wärmeableitungscharakteristika
aufweisen.