热光移相器及其制造方法

专利名称：热光移相器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种热光移相器及其制造方法；尤其涉及一种能够适合作 为光学装置，如利用热光效应产生的相变的开关、可变衰减器或波长滤波 器，而使用的热光移相器。
背景技术：
在光通信领域中，由于波分多路复用(WDM)通信系统的出现，多 信道通信得到了快速的发展。基于此，为了实现对各个信道的功能性控制， 需要数量与信道的数量相一致的光学元件。此处的例子是保持各个信道的 功率一致并进行切换。
因此，能够应用在光学开关和其他类似光学装置中的小型光学回路元 件的需求量增加。目前，许多单器件(single-unit)光学开关已经面世， 而具有多个输入/输出端口且采用大量光学开关的矩阵开关也已经投入实 际应用中。
为了实现光学开关，可采用多种技术方案。例如， 一种方法是，通过 机械式移动输入端口和输出端口从而连接两者(例如，参见专利文献l)， 另一种方法是，通过转动可移动的反射镜使其以特定的角度倾斜从而连接 输入端口和输出端口 (例如，参见专利文献2和非专利文献1)，在一种方 法中则采用了液晶(例如，参见专利文献3)，又一种方法是，通过在已连 接的波导或其他类似装置的交叉点上生成气泡来控制光的反射以改变输 入端口和输出端口之间的连接。以上只是多种可行的方法中的一些。
其中，利用热光移相器的平面光波回路(PLC)型装置能够采用半导 体电路制造技术进行制造。相应地，这种易于制造的装置也相当容易集成， 在改善功能性和增加规模等方面具有优势。
热光移相器通常通过如下方法获得。首先，在衬底上生成具有包覆层和芯的光波导。金属薄膜或其他类似导电薄膜形成在该光波导上并沿着该 光波导形成细线形状，以使得能够传导电流。当电能被从外部供给至这薄 膜时，因薄膜的电阻作用而产生热量，以使得该膜作为光波导的加热器工 作。这个加热器产生的热量通过光波导的包覆层传递到芯。最终，在被该 加热器加热的光波导部分中的折射率增加。有效的波导长度也对应于折射 率的最终变化以及该波导长度相应地增加，而输出终端处光出现相移。通 过调节供给到加热器的电能，相移量能够根据要求进行控制。当光波导由
石英玻璃形成时，石英玻璃的折射率温度系数(dn/dT)约为1 x 10—5 (/。C)。
通过在输入端将单一的光波导分成两股光波导，再将这两股光波导中 的至少一股连接至热光移相器上，接着使这两股光波导在输出端重新结 合，就能够获得光学开关。例如，如果被这两股光波导引导的光的相位被 相互移开二分之一波长，则输出端的输出就能减少至零。同样，如果这两 股分开的光波导的相位没有发生移动，输入的光就可以原封不动地被输 出。从而实现对输出的开/关控制。
然而，如果为了多路复用，需要在单个光学回路中设置多个热光移相 器，则总光学回路的功耗比每个热光移相器消耗的大量功率时还要高很 多。迄今为止，热光移相器已经被投入到实际应用中，例如，当引导光具 有通常用来光通信的1550 nm (纳米)的波长时，进行二分之一波长的相 移所需的功率约为每个信道400 mW(毫瓦)。因此，比如，如果要控制具 有40个信道的光通信回路，且为每个信道都提供采用前述热光移相器的 开关，那么，所需的最大功率为40 x 400mW (即16000mW或16W)。 一 种有效利用由加热器所产生的热量的方法，作为第一方案，已经被提出(例 如，参见专利文献4)。
图6和图7示出有效利用由加热器所产生的热量的第一常规方案。图 6是图7中沿着VI—VI截得的横截面图。如图6所示，对于适于第一方 案的热光移相器，例如，衬底101具有0.8mm的厚度且由硅组成。牺牲 层102设于衬底101之上。牺牲层102由向玻璃里掺加磷形成的惨磷硅玻 璃(PSG)制成，例如具有5pm的薄膜厚度。
包覆层103设于牺牲层102之上。包覆层103由设于牺牲层102之上 的下包覆层104和设于下包覆层104之上的上包覆层105组成。下包覆层104和上包覆层105都由例如向玻璃里惨加硼和磷获得的硼磷硅玻璃
(BPSG)形成，且例如分别具有14pm和15pm的膜厚。衬底101可以由 半导体而非由硅形成，或由例如石英玻璃的绝缘体形成。牺牲层102并不 限于PSG，也可以由比衬底101和包覆层103蚀刻速度更高且相对于衬底 101和包覆层103能够选择性地被蚀刻的任何材料形成，而且，只要符合 这些条件，牺牲层102可以由例如半导体或其它不同于PSG的玻璃形成。
平行于衬底101的表面延伸的芯106设于下包覆层104之上，上包覆 层105被提供用于覆盖芯106。芯106和绕着芯106的包覆层103形成光 波导107。例如，芯106垂直于其纵长方向的横截面的形状是高度为5.5pm 宽度为5.5pm的矩形。芯106由比包覆层103折射率更高的材料，比如 GPSG (掺锗掺磷硅玻璃)，形成，比如，芯106和包覆层103之间的相对 折射率差A为0.65%。
对于第一方案中的热光移相器，薄膜加热器108设于光波导107之上， 即，设于上包覆层105的表面上。比如，薄膜加热器108是一个由铬制成 且厚度为0.2 pm的薄膜。如图7所示，薄膜加热器108包括位于两端的 电极部分108A以及位于电极部分108A之间的加热器部分108B。电极部 分108A的形状例如为正方形，而加热部分108B的形状则为例如宽度为 10pm、长度为4mm的细长线。
在包覆层103和牺牲层102中位于薄膜加热器108下方的区域，沿着 与芯106延伸的方向相平行的方向延伸的凹槽109形成在位于光波导107 两侧上的区域中。凹槽109形成在两个位置处，从而从侧面包围光波导 107。凹槽109在纵长方向(即芯106延伸的方向)上的长度例如为4mm， 凹槽109的宽度(即与芯106延伸的方向相垂直的方向上的长度)例如为 205 pm，而凹槽的深度例如为29 )im。凹槽109之间的距离，即光波导107 的脊宽，例如为25nm。光波导107和衬底101之间的牺牲层102被去除 以形成空隙111 (参见图6)。空隙111的高度与牺牲层102的薄膜厚度相 同，例如皆为5pm。因此，光波导107被包覆层103而非光波导107分离 开，并且通过两个凹槽109和空隙111与牺牲层102和衬底101分离开， 形成桥。牺牲层102形成在衬底101的除了空隙111以外的整个表面之上。
因此，对于第一方案中的热光移相器，从防止薄膜加热器108产生的热量逃逸至衬底101侧从而减少功耗的角度来看，位于光波导107下方的
牺牲层102被去除，且光波导107形成桥结构。
图8A—8C示意性地示出第一方案中热光移相器的制造方法。首先， 如图8A所示，采用掺磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层102形成在衬底101 上，在此之上形成下包覆层104以放置芯106，再形成上包覆层105以将 其覆盖，从而形成光波导。薄膜加热器108形成在上包覆层105的表面上。
接着，如图8B所示，在薄膜加热器108之上形成抗蚀剂112，该抗 蚀剂112用作掩模蚀刻出在从侧面包围所述光波导的位置处延伸到衬底 101 (由硅薄膜组成)的凹槽109。
接着，如图8C所示，掺磷硅玻璃(牺牲层102)以湿法蚀刻的方式 被选择性去除凹槽109由此形成。因此，可以制造出一种热光移相器，这 种热光移相器中没有牺牲层102，而下包覆层104设于凹槽109的外部， 并位于衬底101之上且离开衬底101 —定距离。
同时，给出了一种技术作为第二方案，该技术中，通过形成上侧包覆 层(overcladding)以覆盖芯来形成光波导，加热器形成在所述光波导之上， 凹槽被形成以去除硅台(terrace)(例如，参见专利文献5)。
图9A —9G示意性地示出第二方案中热光移相器的制造方法。首先， 如图9A所示，通过在石英衬底121的整个表面上进行溅射来形成例如厚 度为2.5 pm的硅薄膜(未示出)。所述硅薄膜以光刻的方式被图案化成硅 台122。
接着，如图9B所示，通过等离子CVD (化学气相沉积)形成厚度约 为8pm的下侧包覆层123。然后进行溅射，以在下侧包覆层123的整个表 面之上形成厚度约为6pm的掺入锗的芯薄膜(未示出)。如图9C所示， 芯(光学回路)124通过光刻来形成。
之后，如图9D所示，以火焰沉积的方式形成厚度为30)am的上侧包 覆层125。接着，如图9E所示，以剥离(lift-off)法形成具有三层(即厚 度约为0.1 pm的钛层、厚度约为0.5 jim的铂层和厚度约为0.5 pm的金层) 的加热器126。然而，通过蚀刻从热生成区域去除金，得到只有钛和铂的 双层结构。
接着，如图9F所示，在加热器126的两侧上形成凹坑127。对这些凹坑127的蚀刻一直持续到到达硅台122为止。此后，如图9G所示，在 玻璃波导元件纵长方向上整个长度上的硅台122通过蚀刻被完全去除。接 着，所述产物通过切割被分成独立的元件，并被准分子激光器辐射以在芯 124上形成布拉格(Bragg)光栅，从而获得玻璃波导。
由于在第一方案和第二方案中，光波导和衬底之间形成有空隙，因此， 可以降低热光移相器的功耗。
专利文献l:日本未经审查专利，公开号H9-5653 (第0011段，图l 一2);
专利文献2:日本未经审査专利，公开号2001-255474 (第0008段， 图2);
专利文献3:日本未经审査专利，公开号S62-187826 (第5页右下侧 第4行至第6页右下侧第14行)；
专利文献4:日本未经审査专利，公开号2004-37524 (第0041—0044 段，第0063 — 0065段，图1、 4);
专利文献5:日本专利No. 3,152,182 (第0024 — 0031段，图2);
非专禾U文献1: Proceedings of the IEICE General Conference (C-3-8 (2002), p. 140)。

发明内容
本发明解决的技术问题
然而，第一方案和第二方案存在如下所述的问题。首先，对于如图 9A—9G所示的第二方案所示的技术，问题在于，选择性蚀刻硅薄膜的困 难。通过在氢氟酸水溶液中混合入硝酸来得到的化学制剂通常用来蚀刻 硅。这种化学制剂具有极大的危害性，但可以蚀刻掉抗蚀剂或者硅玻璃， 因此，很难用来安全地且选择性地仅仅蚀刻硅薄膜。对于第二方案，形 成下侧包覆层以覆盖选择性形成的硅薄膜。因此，问题在于，下侧包覆 层的顶部不是平的，导致很难在所述下侧包覆层上形成上侧包覆层和加 热器层。
对于第二方案，为了保证良好的可靠性和降低损失，在高温下进行退火处理，从而增加了密度，并去除了将成为传输损耗源的杂质。例如， 当适合于提高折射率的SiON被用作制造光波导芯的材料时，出自0-H键
或N-H键的红外线吸收会出现在用于光通信的1500rnn的红外波长带的附 近，而且，这会导致相当大的吸收损耗。因此，退火处理必须在超过1000°C 的温度下进行。同时，高温退火会提高玻璃薄膜的密度，从而可能制造 出具有优良的可靠性的装置，这在更长的时间内不会被外界影响。
然而，如果在不同材料接触时进行高温退火，在不同材料接触处会 产生与热膨胀系数对应的应力，从而可能导致光波导芯的双折射问题。
具体地，对于第二方案，因为由不同于玻璃的材料制成的硅薄膜直接位 于芯之下，所以，当对玻璃层进行退火处理时，通过大量热滞后产生应 力，而当硅薄膜被去除后，内应力残留在芯中，这点给光学特性造成显 著的不良影响。
同时，第一方案公开的技术存在着问题。如图6至图8C所示，牺牲 层和包覆层不能耐受上述的高温退火。玻璃的耐热性与材料的软化温度 密切相关，且当掺入硼或磷后，玻璃的软化温度下降。对于第一方案， 掺加剂用来保证牺牲层和包覆层的蚀刻选择性。因此，软化温度大幅度 下降，由于内部的结晶沉淀反应或高温退火处理期间掺加剂的影响，有 可能会产生气泡或透明度丧失。同时，对于第一方案，由于牺牲层或下 包覆层的软化温度低，所以在高温退火处理期间光波导芯的位置不断变 化，从而产生了例如因微弯曲造成的传输损耗的出现，偏振依赖性的出 现以及传输特性的波动等重大问题。
鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种具有优良的耐高温退火性 能和长期可靠性的热光移相器，该热光移相器几乎没有传输损耗，偏振 依赖性或者光波导芯上的残留应力。而且，本发明还提供了一种该热光 移相器的制造方法。
解决上述问题的装置
根据本发明的一个示意性方面，热光移相器包括衬底；牺牲层， 该牺牲层形成在该衬底上方；第一包覆层，该第一包覆层形成在该牺牲 层上方，该第一包覆层的薄膜密度高于该牺牲层的薄膜密度；光波导芯，
9该光波导芯形成在该第一包覆层上方；第二包覆层，该第二包覆层设在
该第一包覆层之上以覆盖该光波导芯；热生成加热器，设于直接置于该 光波导芯上方的该第二包覆层的一个区域；和形成在该光波导芯侧面区 域中的凹槽，所述凹槽从该第二包覆层的表面延伸至该衬底的表面。
具体地，对于本发明，采用薄膜密度低于第一包覆层的薄膜密度但 能与包覆层一样能够耐受高温的材料来制作牺牲层。对于能够耐受高温 的材料，其热特性(软化温度)并非由膜密度决定，但是当通过与材料 进行反应的方式(湿法蚀刻或者干法蚀刻等)被去除时，去除速率可能 提高。因此，可以保持牺牲层的耐高温退火特性，同时允许牺牲层最终 能够被优先且选择性地去除，并提供热光移相器的低功耗。同样，由于 牺牲层能够形成在衬底的整个表面之上，因此，该牺牲层的顶部是平滑 的，这样更容易形成所述包覆层，并且能使光波导获得更好的光学特性。 而且，经过包覆层被从光波导芯的侧面区域去除所在的部分，选择性地 去除衬底和第一包覆层之间的牺牲层，就可以简单地形成热阻挡结构。
根据本发明的一个示意性方面，热光移相器的制造方法包括在衬 底上方形成牺牲层；在牺牲层上方形成第一包覆层，所述第一包覆层的薄 膜密度高于牺牲层的薄膜密度；在该第一包覆层上方形成光波导芯；在 该第一包覆层之上形成第二包覆层以覆盖该光波导芯；在该第二包覆层 的直接位于该光波导芯上方的一个区域形成热生成加热器；和在该光波 导芯的侧面区域中形成从该第二包覆层的表面延伸至该衬底的表面的凹槽。
具体地，对于本发明，采用薄膜密度低于第一包覆层的薄膜密度但能 与包覆层一样能够耐受高温的材料来制作牺牲层。且可以进行高温退火， 就意味着可能制造出具有优良的长期可靠性、在光波导芯上几乎不具有 应力、而且能在低功耗水平下工作的热光移相器。同时，该热光移相器 能够通过利用等离子激发化学气相沉积、常压化学气相沉积或溅射来形 成牺牲层而制得。所有这些化学气相沉积方法、等离子激发化学气相沉 积和常压化学气相沉积方法都能使对牺牲层的体积密度的控制变得更加 容易。同样，当使用溅射方法时，类似地，对牺牲层的体积密度的控制 也相对容易，因此适合形成牺牲层。本发明的有益效果
如上所述，本发明可以以良好的控制和高产率容易地制造出具有优 异的光学特性的热光移相器。同时，牺牲层与包覆层能够连续地形成， 这大大简化了制造过程。从而降低制造成本，提高了产率。而且，即便 热光移相器部件中的牺牲层被去除，装置中的其它部分仍然保留牺牲层， 且这保留下来的牺牲层则起到应力缓冲层的作用。因此，形成在装置中 的光波导就能遭受更少的残余应力，而且，由应力引起的偏振依赖性也 会减少。同时，本发明提供的热光移相器在高温退火期间几乎不经历收 縮，并能保持稳定的结构，因此，能够以简单且低成本的方法形成低功 耗的结构。


图1是本发明一实施例中所述的热光移相器中的主要部件的剖视图2A是所述主要部件的剖视图，示出上述实施例中制造热光移相器 的工艺的主要环节；
图2B是所述主要部件的剖视图，示出上述实施例中制造热光移相器 的工艺的主要环节；
图2C是所述主要部件的剖视图，示出上述实施例中制造热光移相器 的工艺的主要环节；
图2D是所述主要部件的剖视图，示出上述实施例中制造热光移相器 的工艺的主要环节；
图3A是说明如何测量蚀刻速率差的示意图3B是说明如何测量蚀刻速率差的示意图4是所述主要部件的剖视图，示出上述实施例中去除直接位于光波 导芯下面的全部牺牲层的例子；
图5是所述主要部件的剖视图，示出上述实施例中釆用高密度NSG 制造上包覆层的热光移相器中的主要部件的例子；
图6是常规第一方案中热光移相器的主要部件的剖视图7是常规第一方案中热光移相器的主要部件的平面图；图8A是所述主要部件的剖视图，示出常规第一方案中制造热光移相 器的工艺的主要环节；
图8B是所述主要部件的剖视图，示出常规第一方案中制造热光移相 器的工艺的主要环节；
图8C是所述主要元件的剖视图，示出常规第一方案中制造热光移相 器的工艺的主要环节；
图9A是示出常规第二方案中制造玻璃波导的工艺的主要环节的示意
图9B是示出常规第二方案中制造玻璃波导的工艺的主要环节的示意
图9C是示出常规第二方案中制造玻璃波导的工艺的主要环节的示意
图9D是示出常规第二方案中制造玻璃波导的工艺的主要环节的示意
图9E是示出常规第二方案中制造玻璃波导的工艺的主要环节的示意
图9F是示出常规第二方案中制造玻璃波导的工艺的主要环节的示意 图；且
图9G是示出常规第二方案中制造玻璃波导的工艺的主要环节的示意图。
附图标记简要说明
200 —热光移相器，
201 —衬底，
202 —牺牲层，
203 —下包覆层， 204—光波导芯，
205 —上包覆层，
206 —热生成加热器，
207 —凹槽，208 —抗蚀剂。
具体实施例方式
本发明将以实施例为基础进行详细的说明和阐述。图1示出了在本发 明的一个实施例中所述的热光移相器中的主要部件的剖视图结构。该实
施例中的高效能热光移相器200包括衬底201、设于该衬底201之上的牺 牲层202、形成在该牺牲层202上的下包覆层203、形成在该下包覆层203 上的光波导芯204、适于覆盖该光波导芯204的上包覆层205以及设于直 接位于光波导芯204上方的一个区域中的热生成加热器206。特定特征在 于，热阻挡结构形成在直接位于光波导芯204下面的所述区域中的牺牲层 202的全部或者至少一部分上，且位于光波导芯204的侧面区域中的牺牲 层202、上包覆层205和下包覆层203经凹槽207被去除，牺牲层202的 薄膜密度低于下包覆层203的薄膜密度。
在制造该高效能热光移相器200时，最初形成在衬底201上的牺牲层 202必须具有耐受高温退火的特性，为了形成下包覆层203和上包覆层 205以及降低传输损耗，高温退火还要相继地进行。牺牲层202还必须具 有最终能被轻易去除的特性。下包覆层203和上包覆层205显然需要具有 能够使其耐受高温退火的薄膜性能，而牺牲层202并不一定要采用与下包 覆层203和上包覆层205完全相同的材料。因此，在本实施例中，通过采 用薄膜密度比下包覆层203和上包覆层205的薄膜密度低但与下包覆层 203和上包覆层205 —样能够耐受高温的材料，作为牺牲层202的材料， 从而解决这一问题。当牺牲层202由能够耐受高温的材料制成时，其热特 性(软化点)并非由薄膜密度决定，但当通过与材料进行反应的方式(湿 法蚀刻或者干法蚀刻等)去除时，去除速率可能提高。因此，可以保持 牺牲层202的耐高温退火特性，同时允许牺牲层202最终能够被优先且选 择性地去除，并保证热光移相器的低功耗。
同样地，由于牺牲层202能够形成在衬底201的整个表面之上，因此， 该牺牲层202的顶部应该是平滑的，这样更容易形成下包覆层203和上包 覆层205，并且能使光波导获得更好的光学特性。而且，经过上包覆层205 被从光波导芯204的侧部区域去除所在的部分，选择性地去除衬底201和下包覆层203之间的牺牲层202，就可以简单地形成热阻挡结构。结果， 就能以良好的控制性和高产率容易地制造出具有优异的光学特性的热光 移相器。同样，牺牲层202与下包覆层203能够连续地形成，这大大简化 了制造过程。从而能够降低制造成本，提高产率。
同时，对于本实施例，即便构成热光移相器200的牺牲层202被去除， 装置中的其它部分仍然保留牺牲层202，而所述保留下来的牺牲层202则 起到应力缓冲层的作用。因此，形成在装置中的光波导就能承受更少的 残余应力，而且，由应力引起的偏振依赖性也会减少。
牺牲层202的体积密度(通过质量除以体积获得)优选为至少2.0 g/cm3。普通的硅玻璃的体积密度是大约2.3g/cm3。如果所述体积密度为 该数值(即至少2.0 g/cm3)的至少90%，则这种低密度不会导致牺牲层 的自毁，且在超过1000°C的高温退火中也几乎不产生收縮。因此，当具 有低功耗的结构可以形成时，就可以保持稳定的结构。
而且，牺牲层202和下包覆层203优选由硅玻璃制成。主要材料为硅 玻璃的光波导能够经受超过1000°C的高温退火，并能保持低传输损耗。 对于热光移相器200，化学气相沉积中的薄膜形成条件可以根据要求变 化，高温退火条件下的薄膜密度可以是从2.0到2.3g/cm3，且牺牲层和
包覆层可以通过相同的方法形成。因此，可以以简单而低成本的方式获 得高效能热光移相器200。、
同样，对于热光移相器200，牺牲层202和下包覆层203可以由硅玻 璃和选自磷玻璃、硼玻璃和锗玻璃中的一种或者多种杂质材料制成。光 波导是一种通过利用芯层的折射率与下包覆层203和上包覆层205的折 射率的差异而形成的装置，并对这些结构的折射率必须进行精确的控制。 因此，硅玻璃和用于调整折射率的杂质的混合物有时用于制造下包覆层 203和上包覆层205。
牺牲层202与下包覆层203中杂质材料含量之差优选不超过1 wt%。 如果杂质材料含量之差过大，则有可能由于杂质材料含量的原因在去除 牺牲层202的步骤中造成蚀刻差异，同时，在高温退火中也会有差别。因 此，制造牺牲层202的材料和制造下包覆层203的材料优选尽可能接近。 如果杂质材料含量之差为lwt。/o或更少，则这种差异几乎不会对耐热性能
14和蚀刻性能产生影响。
同样，牺牲层202和下包覆层203中含有的杂质材料的量优选各不超 过4wt。/。。这是由于当杂质含量上升时软化点降低，因而不能获得防止传 输损耗所需的耐高温退火性能。 一旦杂质含量为4wt。/。或者更少，就能获 得对1000。C或者更高温度的高温退火的耐受能力，而且还能够获得满足 包覆层的所有要求且具有牺牲层的作用的玻璃材料。
制造这种热光移相器200的方法包括如下步骤
(a) 在衬底200上方形成牺牲层202;
(b) 在牺牲层202上方形成下包覆层203，所述下包覆层203的薄膜 密度高于牺牲层202的薄膜密度；
(c) 在下包覆层203上方形成光波导芯204;
(d) 形成上包覆层205以覆盖该光波导芯204;
(e) 在直接位于光波导芯204上方的区域中形成热生成加热器206;
(f) 通过在光波导芯204的侧面区域中去除牺牲层202、上包覆层 205和下包覆层206的全部或者至少一部分来形成凹槽；
(g) 从直接位于光波导芯204下面的区域经凹槽207去除牺牲层202。 对于上述的热光移相器200，由于可以进行高温退火，因此具有优异
的长期可靠性，光波导芯几乎不受应力，而且也能实现高能效作业。同 时，该热光移相器200能够通过利用等离子激发化学气相沉积、常压化学 气相沉积或溅射形成牺牲层202而制得。所有这些化学气相沉积方法、等 离子激发化学气相沉积和常压化学气相沉积都能使对牺牲层202的体积 密度的控制变得更加容易。同样适用于溅射方法，当使用溅射方法时， 对牺牲层202的体积密度的控制也相对容易。因此，这些都可以成为适合 于形成牺牲层202的值得考虑的制造方法。
图2A-2D示出了本实施例中制造热光移相器的工艺的主要环节。为了 制造热光移相器200，首先，如图2A所示，在衬底201上形成牺牲层202， 所述牺牲层202不仅能够耐受超过1000°C的高温，还具有低薄膜密度(例 如无掺杂硅玻璃(謹-d叩ed silica glass) (NSG))。作为一个例子， 本文中给了一种利用等离子增强化学气相沉积(P-CVD)的方法。
对于P-CVD，薄膜质量借助于导入CVD设备的薄膜成形腔中的气体种类(未图示)，所述腔内的压强，衬底201的温度以及产生等离子体所需 的高频能量进行控制。在此，通过降低衬底201的温度或者增加腔内的压
强，可以减少这里已形成的无掺杂硅玻璃(NSG)的薄膜密度。因此，在 本实施例中，通过将牺牲层202的形成过程中的衬底温度设置成低于下包 覆层203的形成过程中的衬底温度，并将牺牲层202的形成过程中的腔内 压强设置成高于下包覆层203的形成过程中的腔内压强，4,um厚的牺牲 层202的薄膜密度就能低于包覆层203的薄膜密度。
通过改变薄膜形成条件来改变薄膜密度与溅射或者其它化学气相沉 积(CVD)方法相同。因此，相对于使用其它设备(如溅射设备或常压CVD 设备)的薄膜形成方法，能够相对容易地获得薄膜密度差别。然而，对 于已有的薄膜形成方法，根据设备生产者和设备条件的不同，设定的条 件可能千差万别，因此，薄膜密度，掺加剂含量等等都不得不根据所规 定的具体情况进行调整。
牺牲层202的薄膜密度可以通过，例如，测量体积重量来进行测量， 但是，进行精确测量是困难的。因此，采用以下方法是最简单和最有效 的。具体地，对于本实施例，当牺牲层202形成后，无掺杂硅玻璃(NSG) 形成作为例如下包覆层203，相对于牺牲层202，所述下包覆层203具有 更高的薄膜密度。此时，最重要的是，牺牲层202与下包覆层203之间具 有薄膜密度差。鉴于此，在本实施例中，当下包覆层203形成后，在牺牲 层202切出一个横截面，进行蚀刻，从而测得蚀刻速率差。
图3A和图3B示除如何测量蚀刻速率差。图3A示出在衬底201、牺 牲层202和下包覆层203层叠的部分沿着垂直于衬底201的箭头221的方 向切出一个横截面时的状态。此时，牺牲层202由具有低薄膜密度的无掺 杂硅玻璃(NSG)组成，而下包覆层203则由具有高薄膜密度的无惨杂硅 玻璃组成。
图3A示出了整个横截面被蚀刻的状态。由于当薄膜密度降低时，蚀 刻速度变慢，因此，如图3B所示，横截面中的牺牲层202与下包覆层203 之间形成有台阶。薄膜密度的差异可以根据此台阶的程度得出。然而， 正如专利文献4中公开的， 一旦牺牲层202中含有的掺加物与下包覆层 203中含有的掺加物的差别过大，那么蚀刻速率也会不同。玻璃薄膜中惨加物的量可以通过对牺牲层202和下包覆层203中含有的掺加物的定量 分析，例如次级离子质谱(SIMS)，或微区X-射线分析法，来进行确认。 由此可以得出，蚀刻速率究竟是由掺加物的量决定的，还是由薄膜密度 决定的。
现在回来参见图2A进行描述，牺牲层202形成有4陶的厚度且能够 耐受高温退火，而下包覆层203形成有8陶的厚度，此后，由SiON组成 的光波导芯204形成在下包覆层203的表面上。该光波导芯204是一个光 功率特别集中的地方，任何轻微的变动或者变形，都能对光传输特性产 生重要的影响。同时， 一旦造成红外线吸收的物质(例如0-H键或N-H 键)残留在用于形成光波导芯204的材料上，就可能导致传输损耗的增加。 因此，光波导芯204的高温退火特别重要。
然而，在以前的做法中，当采用硅制造牺牲层202时，或者，当采用 BPSG制造下包覆层203或采用含有大量掺加剂的掺磷硅玻璃(PSG)制造 牺牲层202时，会出现问题。比如，当牺牲层202是硅时，其热膨胀系数 不同于制造下包覆层203的无掺杂硅玻璃(NSG)的热膨胀系数。这就意 味着尤其是，由于从高温退火中冷却时收缩量的变化，内应力停止积 聚。结果，例如当光波导芯204受到外力时，就会产生双折射，这严重影 响光传输特性。
当采用由PSG制成的牺牲层202和由BPSG制成的203时，由于熔化 温度低，被用来支撑光波导芯204的下包覆层最终变形。结果造成光波导 芯204形状的畸变，这具有增加传输损耗或恶化光传输特性的负面影响。 因此，采用具有优异耐高温退火性能的牺牲层202和下包覆层203，是至 关重要的，而且，如本实施例所述的形成具有薄膜密度差的牺牲层202 的方法是有效的。
接着，如图2B所示，形成上包覆层205，热生成加热器206形成在 直接位于光波导芯204上方的区域中。此处的上包覆层205并不一定要具 有耐高温退火的性能。由于上包覆层具有较平滑的表面，所以如果退火 造成其变形并产生与光波导芯204的外形相一致的形状，则在光波导芯 204的附近能够取得更好的嵌入条件。当然，也可以采用具有优异的耐高 温退火性能的玻璃来制造上包覆层205。在本实施例中，处于对表面光滑
17度和良好的嵌入特性的优先考虑，采用了硼磷硅玻璃(BPSG)。结果，热
生成加热器206可以通过侧向宽度为5to的金属薄膜导线电阻而被恰当 的图案化。
接着，如图2C所示，凹槽207形成在光波导芯204的任一侧上并直 接位于由热生成加热器206形成的加热器图案下面的区域中，每一凹槽 207距离光波导芯204的中心20 Wn。抗蚀剂208形成在上包覆层25之上， 反应离子蚀刻(RIE)设备被用来形成凹槽207。凹槽207从上包覆层25 形成向下延伸至牺牲层202的最底部，并形成允许从牺牲层202的侧面进 行均匀的侧面蚀刻的形状。
如图2D所示，湿法蚀刻适于侧面蚀刻。具体地，采用缓冲氟化氢水 溶液(朋F)形成无掺杂硅玻璃(NSG)是理想的，而无掺杂硅玻璃(NSG) 在本实施例中作为牺牲层202形成。同样，在本实施例中，牺牲层202 采用缓冲氟化氢水溶液(BHF)进行蚀刻。在本实施例中，牺牲层202的 蚀刻速率比是下包覆层203的1. 5倍。蚀刻设计成保留牺牲层202的一部 分，从而保持热阻挡结构的强度。牺牲层202从凹槽207的两侧侧面蚀刻 15Wn，下包覆层203在每个方向上被蚀刻IO陶，而上包覆层在每个方向 上被蚀刻5to。残留的牺牲层202的宽度为IO陶，下包覆层203的宽度为 20陶，而上包覆层205的宽度为30Wn。
图4示出一个去除直接位于光波导芯下面的全部牺牲层的例子。于 是，与图2D不同的是，可以去除直接位于光波导芯204下面的全部牺牲 层202。
接着，对采用由图2A至图2D所示的工艺制造的热光移相器200的光 开关的功耗进行描述。光开关的功耗定义为对接触部位进行接通和断 开所需的功率量，也即是，进行^ (rad)相变所需的功率量。
如图2B所示，当不存在凹槽207或者没有对牺牲层202的蚀刻时， 功耗为400mW。当如图2C所示形成凹槽207时，光开关的功耗降至200mW。 而且，如图2D所示，当对牺牲层202进行蚀刻并采用本实施例中的结构 时，光开关的功耗降至100mW。因此，当仅仅形成凹槽207时，光开关的 功耗可以减半。
上述测量的结果表明，即便对于没有形成热阻挡结构的部分中的光学回路，也几乎不存在偏振依赖性，而且低密度牺牲层202的效果也可以 被确认。因此，就有可能制造出满足低损失，低功耗，低偏振依赖性和 优优异的长期可靠性的要求的满意的光学装置，
即便进一步通过采用例如增加牺牲层202的厚度，缩短凹槽207之间 的距离，縮小牺牲层202的宽度或者如图4所示的去除全部牺牲层202 等方法，还可以减少功耗。例如，当图2D所记示的实施例中每个条件都 相同时(其中，牺牲层202蚀刻后上包覆层205的宽度为30to，且下包 覆层203的宽度为20to)，且如图4所示，当所有牺牲层202从直接位于 光波导芯204下面的区域去除时，光开关的功耗可以减至40mW或更少。
对于上述的实施例，采用BPSG (硼磷硅玻璃)制造上包覆层205，然 而，本发明并不限于此，也可以采用高密度无掺杂硅玻璃(NSG)。通常， 用缓冲氟化氢水溶液(M1F)对BPSG进行蚀刻比对高密度NSG进行蚀刻更 慢。这意味着，如图1所示，上包覆层最终具有更大的宽度，从而导致热 阻挡部分的耐热性降低和热容量增加，并对运行速度和减少功耗的效果 产生一些不良的影响。因此，只要不影响穿过光波导芯204传播的光，上 包覆层205和和下包覆层203优选具有相同的宽度，并且，该宽度尽可能 小。
图5示出了热光移相器中的主要部件，其中，采用高密度NSG制造上 包覆层。因而，采用高密度NSG制造上包覆层205，使得上包覆层205和 下包覆层203具有相同的宽度。在这种情况下，上包覆层205能够和下包 覆层203 —样经受高温退火。因此，可以制成具有低损耗和优良的长期可 靠性的光波导。
而且，釆用高密度NSG制造上包覆层205，就意味着，即使进行高温 退火，对由BPSG制成的上包覆层205表面的平整度也不会产生任何影响。 因此，也会对精细图案化产生一些不良影响。但是，另一方面，还能够 获得优异的热阻挡特性并可以减少功耗。例如，在如图5所示的例子中， 如果上包覆层205和下包覆层203的宽度都为20Wii，而残留的牺牲层202 的宽度为lOWii，光开关的功耗则约为85mW，使得功耗进一步降低了 15%。
上述实施例的设计和制造中给出设计和制造后的具体数值仅仅起到 示例的作用。因此，根据光波导或所需结构的设计要求，宽度和厚度可以增加或减少。具体地，关键在于，根据所需的开关速度、波长以及光
波导芯204与上包覆层205和下包覆层203之间的折射率的差异来设计结 构参数。无论如何，本发明对减少功耗、传输损耗和偏振依赖性作出了 很大的贡献。
工业化应用
例如，本发明可用在光学装置中，如能够利用热光效应产生相变的开 关、波长滤波器和可变衰减器。
权利要求
1.一种热光移相器，包括衬底；牺牲层，所述牺牲层形成在所述衬底上方；第一包覆层，所述第一包覆层形成在所述牺牲层上方，所述第一包覆层的薄膜密度高于所述牺牲层的薄膜密度；光波导芯，所述光波导芯形成在所述第一包覆层上方；第二包覆层，所述第二包覆层设在所述第一包覆层之上以覆盖所述光波导芯；热生成加热器，设于直接位于所述光波导芯上方的所述第二包覆层的一个区域内；和形成在所述光波导芯侧面区域中的凹槽，所述凹槽从所述第二包覆层的表面延伸至所述衬底的表面。
2. 如权利要求l所述的热光移相器，其中 所述牺牲层的体积密度至少为2.0 g/cm3。
3. 如权利要求l所述的热光移相器，其中 所述牺牲层和所述第一包覆层由硅玻璃制成。
4. 如权利要求l所述的热光移相器，其中所述牺牲层和所述第一包覆层由硅玻璃和来自磷玻璃、硼玻璃和锗 玻璃中的至少一种杂质材料制成。
5. 如权利要求4所述的热光移相器，其中所述牺牲层中的杂质材料含量和所述第一包覆层中的杂质材料含量之差不超过1 wt%。
6. 如权利要求4所述的热光移相器，其中所述牺牲层中的杂质材料含量和所述第一包覆层中的杂质材料含量均不超过4 wt%。
7. —种热光移相器的制造方法，包括 在衬底上形成牺牲层；在所述牺牲层上形成第一包覆层，所述第一包覆层的薄膜密度高于所述牺牲层的薄膜密度；在所述第一包覆层上形成光波导芯；在所述第一包覆层之上形成第二包覆层以覆盖所述光波导芯； 在所述第二包覆层的直接位于所述光波导芯上方的一个区域中形成热生成加热器；和在所述光波导芯的侧面区域内形成从所述第二包覆层的表面延伸至所述衬底的表面的凹槽。
8. 如权利要求7所述的热光移相器的制造方法，其中所述牺牲层采用等离子增强化学气相沉积方法、常压化学气相沉积 方法或溅射方法形成。
9. 如权利要求7所述的热光移相器的制造方法，其中所述形成凹槽 的步骤包括通过利用反应离子蚀刻设备从所述第二包覆层蚀刻至所述牺牲层的 最底部分来形成垂直槽；和在所述垂直槽形成后，利用湿法蚀刻方法在所述垂直槽上进行侧面蚀刻。
全文摘要
根据本发明示例性方面的一种热光移相器(200)，包括衬底(201)；形成在该衬底(201)上的牺牲层(202)；形成在该牺牲层(202)上的第一包覆层(203)，该第一包覆层(203)的薄膜密度高于该牺牲层(202)的薄膜密度；形成在该第一包覆层(203)上的光波导芯(204)；设在该第一包覆层(203)之上以覆盖该光波导芯(204)的第二包覆层(205)；设于直接位于该光波导芯(204)的该第二包覆层(205)的一个区域内的热生成加热器(206)；和形成在该光波导芯(204)侧面区域中的凹槽(207)，所述凹槽(207)从该第二包覆层(205)的表面延伸至该衬底(201)的表面。
文档编号G02F1/01GK101529312SQ20078003886
公开日2009年9月9日 申请日期2007年10月10日 优先权日2006年10月20日
发明者高桥森生 申请人:日本电气株式会社