專利名稱：光學部件的制造方法及由該方法制成的光學部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學部件制造的領(lǐng)域，尤其涉及集成(或平面)光學部件。尤其是，本發(fā)明涉及這樣的光學部件的制造，其中同與波導的末端對準的一個或多個其它光學元件相結(jié)合地形成一個或多個波導。
在集成光學領(lǐng)域中，通常需要制造其中一個或多個光學元件與一個或多個波導的末端對準的部件。例如，在制造波分多路復用器(wavelengthdivision multiplexer)時就是這樣的情況。通常，在制造過程的第一階段，把構(gòu)成波導的層相繼淀積在襯底上并跟蹤其中的圖案。其后，在波導結(jié)構(gòu)完成時(核心層、外包層，還可能有位于襯底和核心層之間的緩沖層)，通過對完成的波導結(jié)構(gòu)進行構(gòu)圖和蝕刻，使形成的有關(guān)光學元件根據(jù)需要與波導的末端對準。制造過程的第二階段包括在例如20-30μm厚的厚分層結(jié)構(gòu)上進行光刻和蝕刻工藝，引起了許多問題。
將參考

圖1，通過描述基于衍射光柵的窄帶波分多路復用器或多路分用器(NBWDM)的制造工藝來更詳細地說明常規(guī)制造工藝中所固有的問題。通常，基于衍射光柵的窄帶波分多路復用器或多路分用器(NBWDM)包括與為幾個(通常為32或更多)通道服務的輸入和輸出波導的末端對準的衍射光柵。
依據(jù)常規(guī)工藝，把通常由具有光學平滑表面的硅或二氧化硅構(gòu)成且通常為1mm厚的晶片用作制造光學部件的襯底10。如圖1A所示，通過例如火焰水解(flame hydrolysis)淀積或化學淀積工藝或等離子體淀積工藝等把二氧化硅層20淀積在襯底10上。為了提高二氧化硅的折射率，用鍺、鈦等對二氧化硅進行摻雜。(在利用硅襯底的情況下，為了光學隔離的目的，在淀積摻雜的二氧化硅核心層20前在襯底10上設置緩沖層?？赏ㄟ^熱氧化來獲得緩沖層)。
二氧化硅層20的厚度通常在5到10μm之間，例如6.5μm厚。通過以光刻步驟進行構(gòu)圖，隨后蝕刻到適當?shù)暮穸?例如在利用6.5μm厚的核心層的情況下為7μm)，從而由層20形成波導的核心25以及平面波導28(見圖1B)。在此第一光刻步驟期間形成用于隨后光刻步驟的對準標志。
接著，通過諸如低壓化學汽相淀積(LPCVD)、等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)、大氣壓化學汽相淀積(APCVD)、火焰水解等適當?shù)墓に嚨矸e由未摻雜二氧化硅或摻有例如硼或磷的二氧化硅構(gòu)成的通常為10-20μm厚的外包層30(見圖1C)。其后，通過在嘗試使掩模與先前形成的對準標志對準的光刻步驟中進行構(gòu)圖且通常通過反應離子蝕刻把完成的層狀結(jié)構(gòu)蝕刻到20-30μm之間的深度來形成衍射光柵35(見圖1D)。通過淀積由鋁或金構(gòu)成的層36，從而對光柵35進行金屬化來完成基于光柵的窄帶波分多路復用器或多路分用器(NBWDM)(見圖1E)。
在常規(guī)工藝中，有許多問題困擾著第二光刻和蝕刻步驟。由于先前淀積的核心和外包層的厚度(17-30μm)，使得襯底明顯地翹曲，對于4″(100mm)的晶片，通常為100μm左右。這種嚴重的翹曲使得難于獲得高分辨率的光刻，這是制造需要非常精確地限定被蝕刻部件的窄帶WDM元件等所存在的嚴重問題。此外，在兩個光刻步驟中所使用的掩模需要完全對準，但由于外包層的厚度大導致可見度的損失而帶來了困難。
此外，在常規(guī)的工藝中，需要深的二氧化硅蝕刻，它本身是極為困難的。蝕刻時間很長，通常為5到10小時，且對蝕刻掩模有嚴格的限制(高厚度、高耐蝕刻性、低應力和高蝕刻分辨率)。此外，蝕刻期間分辨率的損失導致光柵的磨圓(rounding)在3和4μm之間。
針對以上問題，本發(fā)明為光學部件的制造提供了一種新工藝，這種工藝免除了在這樣的厚分層結(jié)構(gòu)上進行光刻和蝕刻步驟的需要。
尤其是，本發(fā)明提供了一種形成光學部件的方法，此光學部件包括至少一個波導和面向波導的末端放置的至少一個光學元件，這種方法包括在襯底上淀積核心層來形成每個波導的核心的步驟，其特征是還包括以下步驟在所述核心層上淀積局部外包層；對所述核心層和局部外包層進行構(gòu)圖，從而同時限定光學元件和波導的核心；以及淀積另一外包層。
通過以兩個階段淀積外包層并通過刻穿(etch through)核心層和局部外包層來同時限定光學元件與波導，本發(fā)明的方法避免了常規(guī)制造方法中所存在的深度蝕刻工藝，從而可實現(xiàn)光學元件的高分辨率。
此外，通過省略常規(guī)制造方法中的第二光刻步驟，本發(fā)明大大簡化了工藝且保證了波導與光學元件的完全對準。
此外，通過減小蝕刻深度，降低了對蝕刻掩模的要求，減少了蝕刻時間，且進一步提高了分辨率(1μm左右的磨圓)。
局部外包層的厚度最好在1-5μm的范圍內(nèi)，以核心與外包層的折射率之差的函數(shù)來確定此精確值。例如，2-3μm厚的局部外包層適用于使用核心層(例如，n=1.46)與外包層(例如，n=1.45)的折射率之間的相對差為0.69％的波導的情況。
如果局部外包層的厚度太低，則在所獲得的光學部件中，面對波導末端的光學元件將與波導核心及其上的一小部分外包層(對應于局部外包層)相對，且將只控制在這些元件中傳輸?shù)墓?。然而，實際上，光并不維持限制于波導核心，在使用期間光還將依據(jù)高斯分布在外包層上傳播。核心層外的這種傳播的程度將隨核心與外包層的折射率之差變得越來越接近或減小而增大。
因而，為了把光學損失減到最少，想要使光學部件不僅與波導核心相對，而且也與一部分外包層相對，這部分外包層的厚度足以保證在核心層外傳播的大多數(shù)光位于這部分外包層內(nèi)。由于這些光學元件通過蝕刻局部外包層來形成且面向?qū)诰植客獍鼘拥倪@部分外包層，因而，局部外包層的厚度應使得在核心層外傳播的大多數(shù)光位于局部外包層內(nèi)。
另一方面，如果局部外包層制作得太厚，則本發(fā)明的優(yōu)點(較好的分辨率、較少的翹曲)開始消失。
通過進行刻穿核心層和1-5μm的局部外包層的蝕刻步驟，保持了獲得的光學部件具有良好的效率。
本發(fā)明還提供一種光學部件，它包括至少一個波導，以及通過蝕刻而形成并放置成面向波導末端的光柵，其中波導的核心由二氧化硅制成，最好是摻雜的二氧化硅，且蝕刻引起的光柵的磨圓＜3μm，最好近似等于或小于1μm。
從以下對通過舉例給出的并如附圖所示的本發(fā)明較佳實施例的描述，將使本發(fā)明的進一步特征和優(yōu)點變得明顯起來，其中圖1示出NBWDM元件的常規(guī)制造工藝，該工藝經(jīng)歷了從圖1A到1E所示的中間步驟；以及圖2示出應用于制造NBWDM元件的依據(jù)本發(fā)明的制造工藝的第一較佳實施例，該工藝經(jīng)歷了從圖2A到2E所示的中間階段；以及圖3示出應用于制造NBWDM元件的依據(jù)本發(fā)明的制造工藝的第二較佳實施例，該工藝經(jīng)歷了從圖3A到3F所示的中間階段。
在以下描述中，通過討論制造NBWDM元件的兩個實施例來說明依據(jù)本發(fā)明的方法。然而，應理解，本發(fā)明不限于制造這種類型的元件，而可應用于通過蝕刻完成的波導結(jié)構(gòu)而使光學元件與一個或多個波導形成對準的常規(guī)情況。
現(xiàn)在將參考圖2A到2E來描述依據(jù)本發(fā)明的方法的第一較佳實施例。
依據(jù)第一實施例的方法的第一步驟與常規(guī)方法中的相同的，此第一步驟包括通過任何適當?shù)募夹g(shù)在襯底10上淀積摻雜的二氧化硅層20(見圖2A)。通常，如1的例子，襯底可以是1mm厚且直徑為100mm的二氧化硅襯底，核心層20可以是摻有鍺、鈦等的6.5μm厚的二氧化硅。隨后的步驟不同于常規(guī)方法的那些步驟。
接著，在本實施例中，通過例如APCVD、PECVD、LPCVD、火焰水解等一種適當?shù)墓に嚨矸e近似于在1和5μm之間的局部外包層30A(見圖2B)，而不是對波導核心進行構(gòu)圖和蝕刻，其后淀積常規(guī)的外包層。局部外包層可以由常規(guī)的材料來構(gòu)成，通常是摻有硼或磷的二氧化硅。接著，在光刻步驟中同時對波導核心25′和衍射光柵35′進行構(gòu)圖并通過例如反應離子蝕刻對其蝕刻10μm左右的深度(見圖2C)。對光柵35′和波導核心25′同時進行蝕刻保證了它們之間的完全對準。此外，穿過相對薄的分層結(jié)構(gòu)對此階段的光柵35′進行構(gòu)圖和蝕刻保證了分辨率的提高，并簡化了蝕刻工藝。
在本發(fā)明的第一較佳實施例中，接著通過例如真空下的蒸發(fā)或濺射淀積金屬層來對光柵進行金屬化(見圖2D)。以定向的方式來進行金屬化，從而金屬層36在光柵35′上而不(或幾乎不)在其它表面上形成。此后，淀積另一外包層部分30B，以完成波導的外包層部分(見圖2E)。由于外包層30B是在金屬化步驟后淀積的，所以應選擇諸如PECVD、LPCVD或溶膠-凝膠(sol-gel)工藝等低溫外包層淀積工藝(通常＜900℃)。對光柵的金屬化，諸如金等熔點高的金屬是較佳的。
接著參考圖3A到3F來描述本發(fā)明的第二較佳實施例。
依據(jù)第二實施例的方法的前三個步驟與第一實施例中的那些步驟相同，包括在二氧化硅襯底10上淀積摻雜的二氧化硅層20(見圖3A)，接著淀積局部外包層30A(見圖3B)以及同時對光柵35′和波導核心25′進行構(gòu)圖和蝕刻(見圖3C)。然而，該工藝的隨后步驟是不同的。
依據(jù)第二實施例，推遲光柵35′的金屬化。代之以，在光柵上淀積保護層(諸如聚聚酰亞胺等耐高溫的聚合物)37(見圖3D)，然后淀積外包層30B(見圖3E)。通常，通過在光柵上涂敷液狀的原始產(chǎn)品然后在高溫下使其聚合來形成保護層。如在第一實施例，淀積外包層30B需要低溫淀積工藝；而在此情況下，需要溫度＜500℃。在淀積了外包層30B后，除去保護層37，并通常通過真空下的濺射或蒸發(fā)對光柵35′進行金屬化，以淀積由鋁或金構(gòu)成的層36(見圖3F)。此時，由于在光柵35′上存在層30B，不再可能以把金屬僅淀積在光柵35′上的方式來進行金屬化。然而，在光柵35′后的空腔的其它表面上存在的金屬層36不會產(chǎn)生任何不良影響。
將看到，在上述兩個實施例中，在僅有覆蓋核心層的局部外包層的襯底上進行光刻。因而，提高了光刻的分辨率。例如，在上述例子中的100mm的晶片上形成光學部件的情況下，把影響光刻步驟的晶片翹曲減小到30μm左右。此外，同時限定衍射光柵和波導核心保證了完全對準，也免去了光刻步驟。最后，通過減小限定光柵時所需的蝕刻深度，使蝕刻工藝變得更簡單，更快實現(xiàn)，且具有更好的分辨率。
在以上描述中，由于火焰水解、APCVD、LPCVD、PECVD、溶膠-凝膠等各種淀積工藝在本領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的這一事實，所以未給出這些工藝的的詳細操作條件。例如，Michael F.Grant于1994年七月在圣地亞哥的鑒定審查會議CR 53，SPIE 1994中提出的審查論文CR53-03“玻璃集成光學及光纖器件”的前兩節(jié)中可找到這些工藝中許多工藝的細節(jié)。
雖然已參考了本發(fā)明的特殊實施例對本發(fā)明進行了描述，但應理解，本發(fā)明不限于這些實施例的詳細特點。尤其是，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易對本發(fā)明進行大量修改。
例如，可應用本發(fā)明的方法來制造這樣的光學部件，其中除了光柵以外，一個或多個波導還與諸如透鏡、聚焦或反射鏡、棱鏡等光學元件對準。
此外，在上述實施例中，雖然直接在襯底10上形成核心層20，但應理解，本發(fā)明還應用于襯底和核心材料的本性使得必須設置緩沖層的情況。
此外，雖然上述實施例有關(guān)波導以二氧化硅為基礎(chǔ)的光學部件，但依據(jù)本發(fā)明的方法還可應用于制造波導以諸如InP(磷化銦)等半導體為基礎(chǔ)的光學部件。由于折射率高于二氧化硅的折射率，所以磷化銦使得能夠產(chǎn)生更薄的核心和外包層，因而，完成的波導結(jié)構(gòu)比基于二氧化硅的波導的結(jié)構(gòu)薄。然而，本發(fā)明所提供的制造方法即使在制造基于InP的光學部件的情況下也優(yōu)于常規(guī)的方法。蝕刻分辨率有明顯的提高且制造工藝有明顯的簡化。
此外，雖然在上述實施例中形成的增補外包層(30B)由二氧化硅制成，但它可由其它材料構(gòu)成，例如聚合物等。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易進行的以上和其它修改包含在附加權(quán)利要求書中所限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．光學部件的制造方法，所述光學部件包括至少一個波導以及放置成面向每個波導的末端的至少一個光學元件，所述方法包括在襯底上淀積核心層以形成每個波導的核心的步驟，其特征在于還包括以下步驟在所述核心層上淀積局部外包層；對所述核心層和局部外包層進行構(gòu)圖，從而同時限定光學元件和每個波導的核心；以及淀積另一外包層。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于局部外包層的厚度在1到5μm的范圍內(nèi)。
3．如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于局部外包層的厚度為2-3μm，核心與外包層的折射率之間的相對差為0.7％左右。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光學元件為衍射光柵，所述方法還提供了對光柵進行金屬化的步驟。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于光柵的金屬化發(fā)生在淀積另一外包層之前，淀積另一外包層發(fā)生在低于900℃的溫度下。
6．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于淀積另一外包層發(fā)生在光柵的金屬化之前，在淀積另一外包層的步驟之前，通過把耐高溫的聚合物加到光柵上而在淀積另一外包層時保護光柵；淀積另一外包層發(fā)生在低于500℃的溫度下，在光柵的金屬化步驟之前從光柵上除去耐高溫的聚合物。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過一在相對低的溫度下發(fā)生的工藝，尤其是通過從APCVD、PECVD、LPCVD和溶膠-凝膠工藝構(gòu)成的組中選出的一個工藝來進行另一外包層的淀積。
8．如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于光柵的金屬化步驟包括以金對光柵進行金屬化。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述光學部件為波分多路復用器/多路分用器。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述光學部件為至少包括32個通道的窄帶波分多路復用器/多路分用器。
11．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述核心層包括摻雜的二氧化硅。
12．一種光學部件，包括至少一個波導，以及通過蝕刻形成的光柵，所述光柵放置成面向所述波導的末端，其特征在于波導的核心由二氧化硅制成，以及蝕刻引起的光柵的磨圓＜3μm。
13．如權(quán)利要求12所述的光學部件，其特征在于波導的核心由摻雜的二氧化硅制成。
14．如權(quán)利要求12所述的光學部件，其特征在于蝕刻引起的光柵的磨圓近似等于或小于1μm。
全文摘要
通過這樣一種工藝來制造包括與一個或多個波導(25’)的末端對準的一個或多個光學元件(35’)的光學部件,其中,首先在襯底(10)(或在襯底的緩沖層上)上淀積經(jīng)摻雜的氧化硅核心層(20),隨后在核心層上淀積通常為1－5μm厚的局部外包層(30A)。對局部外包層和核心層進行構(gòu)圖和蝕刻,從而同時限定光學元件和波導核心。其后,通過淀積另一外包層(30B)而完成外包層。在把此制造方法應用于基于光柵的NBWDM器件時,光柵的金屬化可在淀積第二外包層部分(30B)之前或之后進行。在任一種情況下,淀積此第二外包層部分都需要低溫淀積工藝。
文檔編號G02B6/13GK1285924SQ98807416
公開日2001年2月28日 申請日期1998年7月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月23日
發(fā)明者A·貝甘, P·勒于得 申請人:康寧股份有限公司