CN116194813A - 用于微光机电结构元件的制造方法和相应的微光机电结构元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于微光机电结构元件的制造方法和一种相应的微光机电结构元件。微光机电结构元件配备有基底衬底(1a)，所述基底衬底具有构造在所述基底衬底中的空穴(5)，所述空穴被覆盖衬底(1b)封闭，配备有在所述空穴(5)上方的覆盖衬底(1b)上的光波导(50)，所述光波导具有被包覆的波导芯(50c)，配备有在环绕的覆盖衬底(1b)的区域中的电接触元件(20)，其中，在所述电接触元件(20)下方布置有由能导电的多晶硅层形成的接触垫(10a‘)，其中，所述光波导(50)和位于所述光波导下方的覆盖衬底(1b)划分为固定的子区域(S)和能够偏移的子区域(B)，所述能够偏移的子区域能够通过覆盖晶片(1b)的相应的子区域的电偏移对接到所述固定的子区域(S)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于微光机电结构元件的制造方法和一种相应的微光机电结构元件。
背景技术
集成在微机电元件(MEMS)中的光子设备属于下一代通信系统和传感器系统。由于MEMs工艺和绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)技术，例如许多元件的小型化成为可能，如透镜、反射镜、分束器、光栅、滤波器、低损耗波导、多路复用器和光开关。这些元件属于微光机电系统(MOEMS)和可重构光分插复用器(ROADM)的范畴。
目前开发借助与半导体工艺兼容的MEMs技术制造的光学光开关，例如，作为5G网络的光学收发器。
这些光学光开关需要三个相关的部件：
光波导，所述光波导典型地由三个沉积层制成。上层和下层，也称为底包层和顶包层，由折射率约为1.45的氧化硅组成。中间层，称为芯，由折射率高于底包层和顶包层的材料组成，该材料典型地是氮化硅。通过光刻将所述层结构化，使得芯完全被两个薄层缠绕。光波导划分为固定的子区域和能够偏移的子区域，该能够偏移的子区域能够对接到固定的子区域上，用以通过施加电压进行切换。
空腔SOI设备晶片，在该空腔SOI设备晶片上布置有所述光波导。其上安装有SOI晶片的衬底晶片具有空洞，即空穴或者空腔。如果通过DRIE工艺处理空穴上方的区域，则该区域被释放，并且因此可以接管其MEMs功能，更确切地说，不需要常见的气相蚀刻工艺，否则，所述气相蚀刻工艺在没有空穴的情况下将是必需的。
金属接触垫，所述金属接触垫对于电驱动MEMs元件来说是必需的并且必须具有MEMS衬底之间的无故障的电接触。
在光开关的情况下，光波导通过CMOS工艺构造在SOI晶片上。为了释放芯片的可移动部分，需要对光波导和下部的SOI区域进行结构化。所述两个结构化被称为“竖直蚀刻(Vertical Etch)”和“DRIE开槽(DRIE Trench)”。
为了减少光损耗，波导的可移动的子区域必须非常好地对接到固定的子区域上，所以光波导的壁在该切换区域中必须尽可能地垂直。由于光波导的厚度是几微米，因此使用软掩膜(抗蚀剂掩模，Lackmaske)不足以再现所需要的垂直侧翼。
由于由电信网络所传输的交通流量由于互联网接入、用于电子商务的多媒体应用和分布式计算等带宽密集型应用而迅速增加，因此必然需要将光网络用于骨干网、城域网和局域网区域网络。使用光纤作为传输介质的光网络不仅对于长距离路线、而且对于短距离路线显示出卓越的性能/成本比，新兴的DWDM网络/全光网络(Densight WavelengthDivision Multiplexing，密度波分复用)显示出光电信网络的在速度、容量和连接性方面的大有可为的改进潜力。
US 2004/0264847 A1公开一种微光机电波导开关(MOEM-WS)，该微光机电波导开关是通过将MEMS促动器和微SOS集成到同一衬底上而构造的。MOEM-WS是集成的混合微系统：微光机电系统(MOEMS)尤其适合用于光交叉连接开关(OXC)和光分插复用器(OADM)。MOEM-WS为纯粹的光网络提供了基本的光纤转换能力
其具有大量相关的优点，如低成本、低串扰、可靠性、紧凑性、高速、可重新配置性、模块化、能扩展性以及对信号波长和偏振的不敏感性。
发明内容
本发明提出一种根据权利要求1所述的用于微光机电结构元件的制造方法和一种根据权利要求10所述的相应的微光机电结构元件。
本发明所基于的构思在于，将多层式硬掩膜用于“竖直蚀刻(Vertical Etch)”。
优选的扩展方案是从属权利要求的主题。
本发明的优点
根据本发明的制造方法使得能够构造沟槽的非常垂直的横向壁，该沟槽将固定的子区域和能够偏移的子区域分离。能导电的第一硬掩膜层同时使得电接触元件能够经由第一硬掩膜层所保留的接触垫良好地电附接到覆盖衬底上。
根据一种优选的实施方式，在所述基底衬底上施加绝缘层，所述绝缘层延伸到所述空穴中。这使得能够从基底衬底直接键合覆盖衬底。
根据另一种优选的实施方式，基底衬底和覆盖衬底是硅衬底。
根据另一种优选的实施方式，第一硬掩膜层是掺杂的多晶硅层，第二硬掩膜层是氧化硅层。如此，能够实现对光波导的期望的蚀刻选择性。
根据另一种优选的实施方式，在使用抗蚀剂掩模的情况下执行蚀刻开口的形成。
根据另一种优选的实施方式，光波导芯由氮化硅形成，并且被由氧化硅构成的下覆盖层和上覆盖层包覆。如此，能够实现良好的光波导特性。
根据另一种优选的实施方式，在两阶段式蚀刻工艺中执行沟槽蚀刻，在该两阶段式蚀刻工艺中，在第一蚀刻步骤中对光波导开槽，在第二蚀刻步骤中对位于该光波导下方的覆盖衬底开槽。如此，能够针对相应的材料优化蚀刻工艺。
根据另一种优选的实施方式，在第一蚀刻步骤中，至少局部地移除第二硬掩膜层。
根据另一种优选的实施方式，由铝制造电接触元件。这使得能够低电阻地耦合可移动的MEMS子区域。
附图说明
在下文中，根据在绘图的示意性附图中给出的实施例更详细地阐述本发明。附图示出：
图1a)-1h)示出用于阐述根据本发明的一种实施方式的微光机电结构元件和相应的制造方法的示意性横截面图示。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同的或者说功能相同的元件。
图1a)-1h)示出用于阐述根据本发明的一种实施方式的微光机电结构元件和相应的制造方法的示意性横截面图示。
在图1a)中，附图标记1表示SOI衬底，该SOI衬底具有基底衬底1a，该基底衬底具有构造在该基底衬底中的空穴5，该空穴被覆盖衬底1b封闭。覆盖衬底1b例如通过SOI直接键合而键合在由氧化硅构成的绝缘层1c上，该绝缘层施加在基底衬底1a上并且连贯地延伸到空穴5中。
在空穴5上方，光波导50构造在覆盖衬底1b上，该光波导具有被包覆的波导芯50c。光波导芯50c例如由氮化硅形成，并且被分别由氧化硅构成的下覆盖层50a和上覆盖层50b包覆。
进一步参考图1b)，能导电的第一硬掩膜层10a构造在光波导50和围绕的覆盖衬底1b上方，该第一硬掩膜层例如由掺杂的多晶硅层组成。
随后，根据图1c)，例如由铝构成的金属化结构沉积在第一硬掩膜层10a上方，并且结构化为在环绕的覆盖衬底1b的区域中的第一硬掩膜层10a上的电接触元件50。
随后，如图1d)中所示，第二硬掩膜层10b施加在第一硬掩膜层10a和电接触元件20上方，该第二硬掩膜层例如由氧化硅组成。
然后，根据图1e)，在第一和第二硬掩膜层10a、10b中形成蚀刻开口11，用以局部地暴露光波导50的上侧。蚀刻开口11的形成可以例如在使用(未示出的)抗蚀剂掩模的情况下进行。
根据图1f)，在移除抗蚀剂掩模之后，在第一蚀刻步骤中执行光波导50的沟槽蚀刻。该第一蚀刻步骤例如在位于该光波导下方的覆盖衬底1b上停止，并且创造子沟槽100a。
根据图1g)，在后续的第二蚀刻步骤中，将位于子沟槽100a下方的覆盖衬底1b开槽直至空穴5，以便创造连贯的沟槽100。通过该连贯的沟槽100，将光波导50和位于该光波导下方的覆盖衬底1b划分为固定的子区域S和能够偏移的子区域B，如下面详细阐述的那样。
随后，根据图1h)，移除裸露的第一和第二硬掩膜层10a、10b，其中，在电接触元件20下方保留由能导电的第一硬掩膜层10a形成的电接触垫10a′。
在运行时，能够偏移的子区域B通过覆盖晶片1b的相应的子区域的电偏移能够对接到固定的子区域S上，由此能够实现光开关功能。运动方向在图1g)和1h)中用附图标记M表示。该电偏移例如通过将相应的控制电压施加到电接触元件20上来实现。
基于所使用的具有第一硬掩膜层10a和第二硬掩膜层10b的多层式硬掩膜，可以确保，连贯的沟槽100的垂直的壁是尽可能垂直地取向的，使得能够实现全面的对接并且因此能够实现精确的光开关功能。
在由铝构成的电接触元件20下方形成的、由能导电的第一硬掩膜层10a构成的接触垫10a′确保了电接触元件20与位于该电接触元件下方的覆盖衬底1b的良好的电注册。
虽然在上文中已根据优选的实施例完整地描述了本发明，但是本发明不限于此，而是能够以多种方式进行修改。
尤其是，所说明的材料和结构仅示例性地说明，而不是限制性地说明。
Claims (14)
1.一种用于微光机电结构元件的制造方法，所述制造方法具有下述步骤：
提供基底衬底(1a)，所述基底衬底具有构造在所述基底衬底中的空穴(5)，所述空穴被覆盖衬底(1b)封闭；
在所述空穴(5)上方的覆盖衬底(1b)上构造光波导(50)，所述光波导具有被包覆的波导芯(50c)；
在所述光波导(50)和环绕的覆盖衬底(1b)上方施加能导电的第一硬掩膜层(10a)；
在所述环绕的覆盖衬底(1b)的区域中在所述第一硬掩膜层(10a)上构造电接触元件(20)；
在所述第一硬掩膜层(10a)和所述电接触元件(20)上方施加第二硬掩膜层(10b)；
在所述第一硬掩膜层和所述第二硬掩膜层(10a，10b)中形成蚀刻开口(11)，用以局部地暴露所述光波导(50)的上侧；
对所述光波导(50)和位于所述光波导下方的覆盖衬底(1b)进行沟槽蚀刻，用以将所述光波导(50)和位于所述光波导下方的覆盖衬底(1b)划分为固定的子区域(S)和能够偏移的子区域(B)，所述能够偏移的子区域能够通过覆盖晶片(1b)的相应的子区域的电偏移对接到所述固定的子区域(S)上；
移除裸露的所述第一硬掩膜层和所述第二硬掩膜层(10a，10b)，其中，在所述电接触元件(20)下方保留由能导电的第一硬掩膜层(10a)形成的接触垫(10a‘)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，在所述基底衬底(1a)上施加绝缘层(1c)，所述绝缘层延伸到所述空穴(5)中。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述基底衬底(1a)和所述覆盖衬底(1b)是硅衬底。
4.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述第一硬掩膜层(10a)是掺杂的多晶硅层，所述第二硬掩膜层(10b)是氧化硅层。
5.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，在使用抗蚀剂掩模的情况下执行所述蚀刻开口(11)的形成。
6.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述光波导芯(50c)由氮化硅形成，并且被由氧化硅构成的下覆盖层(50a)和上覆盖层(50b)包覆。
7.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，在两阶段式蚀刻工艺中执行所述沟槽蚀刻，在所述两阶段式蚀刻工艺中，在第一蚀刻步骤中对所述光波导(50)开槽，在第二蚀刻步骤中对位于所述光波导下方的覆盖衬底(1b)开槽。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其中，在所述第一蚀刻步骤中，至少局部地移除所述第二硬掩膜层(10b)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，由铝制造所述电接触元件(20)。
10.一种微光机电结构元件，尤其是根据权利要求1至9中任一项所述的制造方法制造的微光机电结构元件，所述微光机电结构元件具有：
基底衬底(1a)，所述基底衬底具有构造在所述基底衬底中的空穴(5)，所述空穴被覆盖衬底(1b)封闭；
在所述空穴(5)上方的覆盖衬底(1b)上的光波导(50)，所述光波导具有被包覆的波导芯(50c)；
在环绕的覆盖衬底(1b)的区域中的电接触元件(20)，其中，在所述电接触元件(20)下方布置有由能导电的硬掩膜层(10a)形成的接触垫(10a‘)，所述能导电的硬掩膜层尤其是多晶硅层；
其中，所述光波导(50)和位于所述光波导下方的覆盖衬底(1b)划分为固定的子区域(S)和能够偏移的子区域(B)，所述能够偏移的子区域能够通过覆盖晶片(1b)的相应的子区域的电偏移对接到所述固定的子区域(S)上。
11.根据权利要求10所述的微光机电结构元件，其中，在所述基底衬底(1a)上施加绝缘层(1c)，所述绝缘层延伸到所述空穴(5)中。
12.根据权利要求10或11所述的微光机电结构元件，其中，所述基底衬底(1a)和所述覆盖衬底(1b)是硅衬底。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的微光机电结构元件，其中，所述光波导芯(50c)由氮化硅形成，并且被由氧化硅构成的下覆盖层(50a)和上覆盖层(50b)包覆。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的微光机电结构元件，其中，由铝制造所述电接触元件(20)。
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