(57)【要約】ガラス基板（４１０）、ガラス基板に接合された単結晶シリコン層（４０２）、及び単結晶シリコン層の表面に形成された熱的に調整可能な薄膜光フィルタ（４２０）がある光デバイス。
2007514961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板と、
前記ガラス基板に接合された結晶シリコン層と、
前記結晶シリコン層の表面上に形成された、熱的に調整可能な薄膜光フィルタと、
を備えた光デバイス。
【請求項２】
前記光フィルタが波長λの光信号で動作するように設計されており、前記ガラス基板が波長λの光を透過する、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記の熱的に調整可能な光フィルタが熱光学的に調整可能な薄膜光フィルタである、請求項２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記結晶シリコン層上に設けられ、前記光フィルタを取り囲む加熱素子をさらに備える、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記シリコン層をヒータとして利用すべく電流を該シリコン層に供給するために、該結晶シリコン層に形成された電気接点をさらに備える、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記結晶シリコンヒータ層が、ドープされた結晶シリコン層である、請求項５に記載の光デバイス。
【請求項７】
前記ガラス基板がパイレックスよりなる、請求項６に記載の光デバイス。
【請求項８】
前記ガラス基板がホウケイ酸ガラスよりなる、請求項６に記載の光デバイス。
【請求項９】
前記ガラス基板が、前記光フィルタのＣＴＥと一致するＣＴＥによって特徴付けられる、請求項６に記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記薄膜光フィルタが、アモルファス半導体から成る一つ以上の層を含む、請求項５に記載の光デバイス。
【請求項１１】
前記アモルファス半導体がアモルファスシリコンである、請求項１０に記載の光デバイス。
【請求項１２】
前記薄膜光フィルタが複数の薄膜干渉層を備える、請求項５に記載の光デバイス。
【請求項１３】
前記複数の薄膜層のうちの少なくとも幾つかが、アモルファスシリコンから成る、請求項１２に記載の光デバイス。
【請求項１４】
前記光フィルタが波長λの光信号で動作するように設計されており、複数の薄膜層の各層がおよそλ／４の整数倍の厚さを有する、請求項１２に記載の光デバイス。
【請求項１５】
前記薄膜光フィルタが複数のファブリ・ペロー・キャビティ(cavity)の積層体から成る、請求項５に記載の光デバイス。
【請求項１６】
光デバイスを形成する方法であって、
ガラス基板上に接合された結晶シリコン層を有する前記ガラス基板を準備することと、
前記結晶シリコン層の表面上に、熱的に調整可能な薄膜光フィルタを形成することと、
を備える方法。
【請求項１７】
前記シリコン層はドープされたシリコン層であり、前記方法はさらに、ドープされた前記シリコン層に電流を供給するために、該シリコン層に電気接点を形成することを備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記光フィルタを形成する前に、該光フィルタが形成されるシリコンの領域にシリコン層をパターニングすることを更に備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記結晶シリコン層が前記ガラス基板に陽極接合される、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記結晶シリコン層の表面上に、熱的に調整可能な薄膜光フィルタを形成することは、熱光学的に調整可能な薄膜光フィルタを形成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光学的に調整可能な薄膜光フィルタのような、熱的に調整可能なデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱光学的に調整可能な薄膜光フィルタを基礎にしたデバイスの一群が存在する。アモルファス半導体材料から形成されるこれらのデバイスは、アモルファスシリコンの望ましくない性質だとこれまではみなされてきた、大きな熱光学係数を利用する。これらのデバイスの性能は、薄膜干渉構造における熱光学的な調整可能性を最大化する試みを基礎としており、従来の固定フィルタでしばしば目的であった熱光学的な調整可能性を最小化する試みに代わるものである。前記デバイスは、温度によって制御される波長を中心とする通過帯域により特徴付けられる。言い換えると、該デバイスの温度の変化により、ある波長の範囲に亘って前記通過帯域の位置を前後にずらすことができ、したがって該デバイスを通過（又は反射）することが許される光の波長を制御できる。
【０００３】
熱光学的に調整可能な薄膜フィルタの基本構造は、図１に示されるように、単一キャビティ(cavity)のファブリ・ぺロー型フィルタ１０であ。前記ファブリ・ぺロー・キャビティは、スペーサ１６によって分離させられた一対の薄膜積層干渉鏡１４ａ，１４ｂを含む。前記薄膜鏡は、１／４波長の高屈折率及び低屈折膜の対を交互に配置することによって作られる。前記層で用いられる２つの材料は、ａ−Ｓｉ：Ｈ（ｎ＝３．６７）及び非化学量論的組成のＳｉＮｘ（ｎ＝１．７７）である。更に、前記スペーサ（「キャビティ」）もまたアモルファスシリコンから形成される。より複雑な通過帯域特性又はより明確な通過帯域を作るために、複数のキャビティが多重共キャビティ構造を形成するように連結される。
【０００４】
前記デバイスの温度の制御を行うために、少なくとも幾つかの実施形態は、前記積層構造に組み込まれたＺｎＯ又はポリシリコン加熱膜１２を含んでいる。前記加熱膜は、所望の波長（例えば１５５０ｎｍ）において、導電性を有し且つ光学的に透明である。故に、該膜を通過する電流を制御することにより、フィルタの温度を制御することができる。
【０００５】
この熱光学的に調整可能なフィルタにより達成可能な熱的な調節は、図１ｂで説明される。その構成は、誘電体鏡（イオンアシストスパッタリング法で蒸着され、Ｒ＝９８．５％の鏡面反射率を有する五酸化タンタルの高屈折率層及び二酸化ケイ素の低屈折率層）を有するアモルファスシリコンスペーサを用いている。その構造は２５Ｃから２２９Ｃにまで亘って加熱された。波長調整は、約１５ｎｍ或いはｄλ／ｄＴ＝０．０８ｎｍ／Ｋである。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
概して、一形態において、本発明は、ガラス基板、前記ガラス基板上に接合された結晶性のシリコン層、及び前記結晶シリコン層の表面上に形成された、熱的に調整可能な薄膜光フィルタを含んでいる光デバイスを特徴としている。
【０００７】
別の実施形態は、一つ以上の以下の特徴を含んでいる。前記光フィルタは波長λの光信号で動作し、前記ガラス基板は波長λの光を透過するように設計される。熱的に調整可能である前記光フィルタは、熱光学的に調整可能な薄膜光フィルタである。前記光デバイスには、前記結晶シリコン層に加熱素子を含んでおり、前記光フィルタを取り囲む。これとは別に、該光デバイスは、電流をシリコン層に供給して該シリコン層をヒータとして利用するための結晶シリコン層に形成された電気的な接点を含んでいる。該結晶シリコンヒータ層は結晶シリコン層にドープされている。該ガラス基板はパイレックス又はホウケイ酸ガラスで作られる。該ガラス基板は光フィルタのＣＴＥと同じである、前記ＣＴＥで特徴付けられる。該薄型光フィルタは、例えばアモルファスシリコンのようなアモルファス半導体から成る一つ以上の層を含んでいる。該薄型光フィルタは、複数の薄膜干渉層を含んでいる。少なくとも複数の薄膜層のいくつかはアモルファスシリコンでできている。該光フィルタは波長λの光フィルタで動作するように設計されており、複数の薄膜層の前記各層は大雑把にλ／４の整数倍の厚さを有している。該薄膜光フィルタは、多重ファブリ‐・ぺロー・キャビティ(Fabry-Perot cabity)の積み重ねを含んでいる。
【０００８】
概して、別の形態において、本発明は光デバイスの作成方法を特徴としている。その方法には、基板シリコン層をガラス基板に接合されたガラス基板と共に結晶シリコン層を用意し、前記結晶シリコン層の頂上に熱的に調整可能な薄膜の光フィルタを形成することを含んでいる。
【０００９】
別の実施形態は、一つ以上の、以下の特徴を含んでいる。前記シリコン層はドープされたシリコン層で、更に電流をドープされた該シリコン層に供給するために該シリコン層に電気接地を組み立てる方法を含んでいる。前記方法は、前記光フィルタを組み立てる前に、フィルタを組み立てるシリコン島を形成するために該シリコン層をパターニングすることをも含んでいる。該結晶シリコン層はガラス基板に陽極接合される。該結晶シリコン層の表面上に熱的調整可能な薄膜光フィルタを形成することは、熱光学的調整可能な薄膜光フィルタの形成を意味する。
【００１０】
本発明の一つ以上の実施形態の詳細が、添付した図面及び詳細な説明に記載されている。本発明の、他の特徴、目的、及び利点は、詳細な説明及び図面並びに請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１１】
図面は説明を簡単にするために描かれたものであることを理解するべきである。描かれた構造は、比率及び相対的な寸法の何れも正確であることを意図して描かれていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
概して、熱的に調整可能な薄膜光フィルタは、ドープした単結晶シリコンのシート状の抵抗ヒータの表面上に直接蒸着され、該抵抗ヒータは、光フィルタが動作する波長を透過させる基板によって支持されている。前記基板の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、以前使われていた融解石英シリカよりも光フィルタのＣＴＥに非常に近い値であるので、形成及び調整時に必要とされる大きな温度の偏移にさらされる際に過度な応力を受けることやダメージを受けることなく、膨張及び収縮するための完全な構造を可能にする。この構造を形成する方法を、以下に記載する。
【００１３】
図２ａ〜図２ｅを参照すると、望ましい厚さのデバイス層４０２を有するＳＯＩウェーハ４００において処理が開始される。デバイス層４０２は高品質単結晶シリコン物質よりなり、ハンドル層４０８上に形成された酸化物層（ＢＯＸ層）４０６に接合されている。デバイス層４０２は、後にシリコン層上に蒸着される光フィルタを形成する層の積層体の一部になるので、その厚さは四分の一波長の整数倍にほぼ等しくなるように正確に制御される必要がある。
【００１４】
この水準の厚さ制御を成し遂げるために、「スマートカット」工程がＳＯＩウェーハを形成するために利用される。「スマートカット」工程は、二つの研磨されたＳｉウェーハ、ウェーハＡ及びウェーハＢを使い、以下のように行われる。酸化物をウェーハＡ上で熱的に成長させ、その後水素が前記酸化物層を通って下のシリコンに予め定められた深さで埋め込まれる。ウェーハＡは次に、圧力及び摂氏約４００−６００度の温度を与えられた状態で、ウェーハＢに親水性結合される。次の熱処理の間、水素イオン注入が、ウェーハＡ（すなわちドナーウェーハ）から切り出されてウェーハＢ（すなわち受け取りウェーハ）の表面上に移送されるべき（厚さｄの）結晶膜の薄いスライスを可能にする原子メスとして振舞う。前記シリコンの薄いスライスと前記酸化物層との間の接合は、二度目の次の摂氏約１１００度の焼き戻しにより強化される。結果としてできる構造は、前記薄い結晶Ｓｉ膜（一般的には「デバイス」層と呼ばれる）が、ウェーハＢ（「ハンドル」層とも呼ばれる）に硬く接合している酸化物膜に接合されている。前記デバイス層は、一般的には高い精度（誤差は約±３０〜４０ｎｍ）で、３００〜５００ｎｍの厚さである。蒸着したＳｉ膜面の最後の光研磨は、非常に滑らかな表面を作るために行われる。
【００１５】
この工程によって作られるウェーハは、フランスのベルナンのＳ．Ｏ．Ｉ．ＴＥＣ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｓｏｉｔｅｃ）から入手可能である。
【００１６】
入手したＳＯＩウェーハを使い、デバイス層４０２は、適切なドーパント（例えば、ボロン又はリン）を、多くの異なった工程のいずれかを利用してドープされる。前記実施形態においては、望ましい導電性を得るために必要な密度で、ドーパント４０４においてイオンが注入される。前記ドーパント注入は、標準的な半導体製造の手順で利用している高温アニールにより実施される。前記アニールはデバイス層４０２の厚みのいたるところで一定のドーパント密度を実現し、この層への効果的な電気的接続がこの層の「後側」を通じて確立する役割があることを、以下に記載する。
【００１７】
ＳＯＩウェーハ４００のデバイス層４０２がドープされた後、図２ｂに記載しているように、ウェーハ４００はガラス基板４１０に陽極接合される。前記ガラス基板は、フィルタの積層体（例えば、あるホウケイ酸塩ガラス、コーニング社のＰｙｔｅｘ（登録商標）又はＥａｇｌｅ  ２０００（登録商標））のＣＴＥとより近いＣＴＥを有する材料よりなる。前記ＣＴＥが一致する基板がデバイス層４０２に取り付けられた後、ＳＯＩウェーハ４００のハンドル層４０８は、例えばＫＯＨ溶液などの適切な試薬でエッチングするか、エッチングに続く機械的なラッピングの組み合わせのいずれかにより取り除かれる。前述したが、エッチングは、ハンドル層４０８からデバイス層４０２を分離するＢＯＸ層４０６酸化層により自動的に停止することに注意すべきである。これにより、図２ｃに示される構造が生成される。
【００１８】
ハンドル層４０８が完全に取り除かれた後、ＢＯＸ層４０２も、中和したＨＦ溶液のような適切な溶液に前記ウェーハを沈めることで取り除かれる。この結果、結晶シリコン層４０２が、図２ｄに示したように完全に露出される。露出された前記シリコンデバイス層は、次に、ドープされたシリコンの孤立領域を基板４１０の表面上に形成すべくリゾグラフィー的にパターン化され、光学素子（例えば調整可能な光フィルタの積層体）４２０が前記シリコン領域の表面上に形成される。これは、該ウェーハの表面全体に前記フィルタの積層体を蒸着し、その後シリコン領域の表面上に個々の独立したフィルタ素子を形成すべく前記蒸着した材料をリゾグラフィックにパターン化することで行われる。次に、対応するコンタクトパッド４２４に沿った電気金属線４４２が、前記ドープされたシリコン領域の表面上に形成され、前記材料に電気的な接続が提供されて、該材料がそれを通じて流れる電流によって加熱されることが可能となる。
【００１９】
以前は、熱光学的に調整可能なフィルタは、融解石英基板上のドープされた多結晶シリコン膜上に蒸着していた。前記ドープされた多結晶膜は熱的に調整可能なフィルタの温度を制御するためのヒータとして機能した。
【００２０】
これらのデバイスがうまく機能しても、以下の問題が出てきた。第一に、フィルタ−膜／ポリシリコン構造とその下の融解石英シリカ基板との間の大きなＣＴＥの不一致があった。この不一致は、大きな駆動電流を伴う前記ヒータの励起、又は形成工程自身の間におこる極度の大きな温度変化によって、前記デバイスに起こるフィルタ−膜／ポリシリコン構造の破裂及び断裂につながる大きな応力の原因になることが示された。第二に、ドープしたポリシリコン膜の抵抗がデバイスの動作の間に徐々に増えていくことが観測された。この影響はポリシリコン膜で、ドーパントの粒界への拡散によって引き起こされると思われる。第三に、ポリシリコン膜は、結晶粒構造のために一般的に微視的に粗かったので、光フィルタ−膜／ポリシリコン構造を通過する度に散乱される原因になった。この散乱は、挿入損失の増加及びフィルタのライン幅の増大を引き起こした。
【００２１】
ここに説明したＣＴＥが一致する構造は、以前の設計に対してこれらの問題を解決する二つの基本的な変化をもたらす。第一は、前記ポリシリコンヒータを単結晶シリコンヒータに置き換えることである。上記したように、利点は時間に対する安定したヒータ抵抗及び低い挿入損失及び狭いフィルタピークを導く光の散乱を減少させることを含んでいる。第二は、融解シリカ基板をＣＴＥが一致する基板に置き換えることである。前記膜にかかる応力を減らすような基板を使うことで、より厚く、より複雑な膜の積層を行うことができ、それにつれてより広い調節範囲を使うことができるようになる。更に、前記単結晶シリコンヒータは滑らかな表面を有し、粒界が無いため、挿入損失を減らし、フィルタの隣接チャンネル除去率を上げ、これらは、多重ポートデバイス、及びチャンネル間隔がより狭いデバイスを作るために重要である。
【００２２】
また、熱光学的に調整可能な薄膜フィルタ構造は、アモルファスシリコンの膜を含む。屈折率に対する熱係数が高いまま維持されるように、前記デバイスの寿命が来るまでの間、アモルファス状態でこれらの膜を維持することが望ましい。しかし、これらの膜は、フィルタ構造に高温が加えられるために、前記デバイスが動作している間、ゆっくりとマイクロクリスタリゼーションが起こり、それによってデバイスの寿命が制限される。アモルファスＳｉ膜のマイクロクリスタリゼーションは、機械的な応力の存在によって加速されることが知られている。故に、フィルタ構造と基板との間のＣＴＥの不一致の解消は、膜構造に加わる応力を目に見えて減少させ、その結果マイクロクリスタリゼーションを抑え、前記デバイスの寿命の改善につながる。
【００２３】
上に記載した構造は熱光学的に調整可能な膜光フィルタに関しては特に実用的である。しかし、優れた電気的安定性、断裂及び破裂に対する高い耐久性、及び／又は赤外線領域で散乱が無い、優れた透過性が要求されるヒータを必要とする他のデバイスにも利用できる。
【００２４】
上の記載はウェーハ基板上の個々のデバイスの形成に焦点を当てたが、実際には、一つのウェーハ上に形成され、多くの個別のダイを作るべくウェーハを切断することによって後に個々の部品に分離されるような多くのデバイスが存在する。
【００２５】
他の実施形態は、特許請求の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１ａ】熱光学的に調整可能な薄膜フィルタの基本的なデバイスの構造を示す図。
【図１ｂ】熱光学スペーサ及び誘電体鏡を備えたフィルタの調節範囲を示すフィルタ透過率特性の多重プロット。
【図２】ａ〜ｅは、ドープした結晶シリコン抵抗層によって実現される薄膜ヒータ上の熱光フィルタの形成を示す図。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【国際調査報告】
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