提供光学质量硅表面的方法技术

本发明专利技术提供了一种在光学系统，包括集成的光学波导器件结构上制备光学质量硅表面的系统和方法。粗糙表面通过干刻蚀过程形成。热氧化物在表面上通过湿或干的氧化过程生长。使用基于ＨＦ的溶液来刻蚀生长的氧化物，降低表面的粗糙度。为了获得所需程度的平滑度，可以重复进行本发明专利技术的过程。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及改善光学系统透光性的方法，而且更具体地说是涉及在光学器件、包括集成的光学波导器件结构中降低表面的粗糙度并且提供光学质量硅表面的系统和方法。
技术介绍
因为光学系统的构造已经成熟，所以使用创新且低成本的光电元件包装技术已经从相对简单的激光和光电探测器封装(submount)迁移到更加复杂的复合集成光学子系统。光学层的出现和成熟以及对增长的光学层功能性的需求为之提供了动力。同时，光学器件逐渐迁移到网络边缘并且最终迁移到单个用户，这就需要实现小的、低成本的且高度功能化的光电元件。硅光具座(SiOB)技术被发展来获取使用硅玻璃(glass-on-silicon)技术的平面光波回路器件的优点。SiOB技术也具有硅加工的优点，用于实现V-凹槽、基准和对准标记、被动校准的机械围栏、焊接坝和焊接蒸发等。但是，硅上存在的大缓冲层和SiOB技术中弱的光波导会导致大的弯曲半径。因此，光波回路器件需要大的实际成本。然后，绝缘体硅(Silicon-on-insulator)(SOI)被发展来作为用于实现集成光学器件、包括光波导器件设备的有前途的基片材料。最近，SOI已经作为商用、低成本、集成的光波导技术出现。使用SOI技术的实例在美国专利第4,789,642、5,787,214和4,789,691号中公开。SOI提供了容易获得的平面波导技术决方案，由于硅基片与其它硅加工直接兼容的可用性，因此这是有利的。硅可以用作光具座，从而为主动器件的复合装配实现基准、对准标记和被动凹槽，并且在SOI上用作被动波导结构的光学纤维。为了定义使用SOI作为基片材料的光学器件和其它对准结构，现有技术有两种可能的途径湿刻蚀技术和干刻蚀技术。湿刻蚀技术典型地使用液体刻蚀剂，例如缓冲的氧化物刻蚀剂来处理刻蚀区域。干刻蚀典型地在反应性气体和/或等离体放电气体气氛中进行。这些刻蚀技术每种都具有自身的属性。一般来说，它们在其最适合的特定情况中使用。当可以使用湿刻蚀得到光学平滑的表面时，沿着晶面方向趋向于是优选的。另外，湿刻蚀提供各向同性的刻蚀，而在光学器件结构中没有足够的灵活性，而且特别是在用于实现深纵横比结构时，更是如此。结果，湿刻蚀通常得到非垂直的刻蚀壁、带有弯曲表面的壁、或者不可接受的小的纵横刻蚀比。因此，湿刻蚀通常不适合于例如在光学器件中形成波导或者形成需要垂直壁和/或高纵横比的其它结构的应用。另一方面，干刻蚀通常用于不适合湿刻蚀的应用，例如需要具有高纵横比的垂直壁的应用，如在光学器件中形成波导。两种常用的干刻蚀技术是常规干刻蚀和深度反应性离子刻蚀(RIE)。由于其高度各向异性的刻蚀，干刻蚀对实现带有深纵横比的柔性光学器件结构是非常有利的。但是，干刻蚀会带来引起明显光损耗的表面粗糙度。因为硅波导中心和包层，例如空气或其它电介质材料间非常大的折射率差异，硅表面粗糙可能产生明显的光损耗。此外，在集成光学元件中加工的光束典型地在平行于基片表面的方向传播。为了避免与信息损失相关的传播光的扭曲，通常需要集成元件中的光学器件的壁是基本上垂直且平滑的。因此，就需要一种在带有高纵横比表面特征的结构中降低硅表面的表面粗糙度的系统和方法，从而改善由干刻蚀形成的波导和波导面的透光性。附图说明结合附图来阐明本专利技术的实施方案，并且与说明书一起用来解释本专利技术的原理，附图被合并入本说明书并形成本说明书一部分。图1表示本专利技术实施方案所操作的SOI光波导的一个实例。图2表示根据本专利技术实施方案的在扫描电子显微镜(SEM)下的刻蚀后和表面处理前的光学器件。图3表示根据本专利技术实施方案的在SEM下的表面处理后的光学器件。图4表示根据本专利技术实施方案的在刻蚀后和表面处理前的硅表面的原子力显微镜(AFM)图片。图5表示根据本专利技术实施方案的在第一次表面处理后的硅表面的AFM图片。图6表示根据本专利技术实施方案的在第二次表面处理后的硅表面的AFM图片。图7(a)-(g)表示根据本专利技术实施方案的。具体实施例方式现在详细地说明本专利技术优选的实施方案，其实施例结合相关附图说明。当结合优选的实施方案来描述本专利技术时，应理解成它们并没有将本专利技术限制于这些实施方案。相反，本专利技术打算涵盖可以包括在如附加权利要求所定义的本专利技术精神和范围内的替代、修改和等价物。此外，在下面本专利技术详细的描述中，为了提供对本专利技术的整体理解，提出了大量的具体细节。但是，对于本领域技术人员来说，明显地不用这些具体的细节也可以实践本专利技术。在其它情况下，公知的方法、程序、元件和电路没有被详细描述，从而不会不必要地模糊本专利技术的内容。本专利技术的实施方案旨向于在用于光学系统、包括集成的光学波导器件结构的平面集成产品中提供光学质量的硅表面。本专利技术通过在这些光学系统中降低硅表面的表面粗糙度来实现这个目标。期望平面集成产品能优于用于高级系统的基于电介质滤光器的波长多路复用和多路分离产品。在生产平面波导器件中使用的集成电路型批量生产能力降低了生产成本。低的光传播损耗特性、生产的方便性、能够增加新光学/光电功能性的能力和容易获得的主动波导已经产生了大量的集成光学技术。这些技术包括铌酸锂、III-V族和化合物半导体光子集成电路、硅-硅(silica on silicon)、聚合物、离子交换玻璃和SOI形式的调制器和开关阵列。本专利技术中引用的“一个实施方案”和“某个实施方案”意指结合实施方案描述的具体特征、结构或特性被包括在至少一个本专利技术的实施方案中。因此，在整个说明书中不同地方出现的短语“在一个实施方案中”并不全是指相同的实施方案。图1表示本专利技术实施方案可以起作用的SOI光波导结构和光学模式的示意图。SOI允许实现低成本的集成光波导技术。在SOI系统中有几个独一无二的优点。第一硅在长波长的无线电通讯带如λ＞1.2μm之内，提供了低的光传播损耗。第二在该技术和微电子IC制造技术间有直接的兼容性。第三硅为电光或热光调谐提供了可能性。第四允许形成高纵横比的光带结构(参见M.N.Naydenkov and B.Jalali，“Fabrication of high aspect ratio photonic bandgap structures onsilicon-on-insulator”，Proceedings of SPIE，Vol.3936，pp.33-39，2000)。第五硅(n～3.44)和SiO2(n～1.44)间大的折射率差异能够使功能性的被动光波导器件结构集成在小的面积中。最后，通过使用公知的硅光具座技术(参见美国专利第5,337,398号和“Silicon Optical BenchWaveguide Technology”by Yuan P.Li and Charles H.Henry，pp 319-376，Academic Press，1997)，可得到光电器件的复合集成。图1中，在SOI光波导结构中的光波导可以作为附件设计并且与传统单一模式或多模式的光波导纤维一起操作。SOI光波导结构包含下硅基片层10、介电层20和波导肋层30。在优选的实施方案中，晶体硅基片接受离子注入，在晶体硅基片的表面之下且在下硅基片层10之上形成介电层20。为了将这种硅的埋置层转换成例如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)的硅电介质化合物，高能的离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提供硅光学表面的方法，该方法包括：刻蚀绝缘体硅基片形成具有表面粗糙的光学表面的光学表面波导，其中通过将硅基片进行离子注入形成介电层而形成所述绝缘体基片；氧化光学表面的一部分，形成氧化区，其中使用扩散模具来选择性地改变氧的 扩散速率，从而选择性改变氧化区的氧化速率，在所述部分内的表面粗糙度根据氧的扩散速率的选择性改变而改变；除去氧化区，其中光学表面的表面粗糙度降低了。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：米哈伊尔N内登科夫，黄权，西瓦苏布拉马尼亚姆叶格纳纳拉雅纳，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]