(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱光学スイッチを製造するための方法であって、
基板（２１０）を形成する段階と、
前記基板（２１０）の少なくとも一部の上に絶縁層（２３０）を形成する段階と、
前記絶縁層（２３０）の少なくとも一部の上にシリコン層（２２０）を形成する段階と、
前記シリコン層（２２０）においてシリコン構造を形成する段階であって、前記シリコン構造は、前記シリコン層上の第１マスク層によって形成され、前記シリコン層の露出部分をエッチングしたものである段階と、
前記絶縁層（２３０）をエッチングし、前記基板（２１０）から前記シリコン構造の少なくとも一部を熱的に隔離するギャップ（２３２）を形成する段階と
を備え、
前記シリコン構造は、絶縁層（１３０）の対角線方向上に形成された４つのアーム（１３２）によって支持され、前記シリコン構造は、前記アームのうちの２つによって各々支持される第１のリブ状シリコン導波管及び第２のリブ状シリコン導波管を有し、
前記第１のマスク層を除去し、前記ギャップの範囲を規定することによって前記アームを形成するよう前記絶縁層（２３０）のエッチングにおいて使用するために、前記絶縁層（２３０）上に第２のマスク層（２５０）を形成し、そして前記第２のマスク層を除去し、
前記エッチングは、前記絶縁層（２３０）と前記基板（２１０）との間で少なくとも２０：１の選択性を有し、ここにおいて、前記絶縁層（２３０）における前記ギャップ（２３２）の下の基板表面は非エッチング状態である
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記絶縁層（２３０）において前記ギャップ（２３２）を形成する形成する段階は、前記基板（２１０）に影響を与えないエッチング材により前記絶縁層の一部を除去することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板（２１０）を形成する段階は、シリコン基板を形成し、シリコンに影響を与えないエッチング材により絶縁層の一部を除去することにより前記絶縁層（２３０）を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板（２１０）を生成する段階は、第１の材料の基板を形成し、第２の材料の層の形成を含む絶縁層（２３０）を形成することを含む
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記基板（２１０）を生成する段階は、シリコンの基板を形成し、誘電体材料の層の形成を含む絶縁層（２３０）を形成することを含む
請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記基板（２１０）を生成する段階は、シリコンの基板を形成し、二酸化ケイ素の層の形成を含む絶縁層（２３０）を形成することを含む
請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記エッチングは、前記絶縁層（２３０）と前記基板（２１０）との間で少なくとも５０：１の選択性を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記絶縁層（２３０）において前記ギャップを形成する段階は、前記ギャップの下にある前記基板表面に影響を与えないエッチング材によって前記絶縁層の一部を除去することを含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン構造熱分離のためのシステム及び方法に関する。特に、本発明のシステム及び方法は、マイクロマシン化された、あるいはマイクロ電子機械システムベースの、素子及びその製造に関連する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン構造を、シリコン構造を支持する基板から熱的に隔離することが知られている。例えば、図１に示されるような集積光回路が、特許文献１(ここにその全体が参照として取りこまれる)に説明される。本素子は、シリコン二酸化物で形成された絶縁体層6によってシリコン基板5から隔離されたシリコン4の層を含む、絶縁体上のシリコン(ＳＯＩ)ウェーハを備える。シリコン4の層の部分は、シリコン基板5に形成されたＶ溝2を横断して延在する導波管(waveguide)1を備える。このやり方で、導波管1は、実質的に熱的に、シリコン基板5から隔離される。
【０００３】
特許文献１に説明されたように、導波管1は、リブ導波管(rib waveguide)である。酸化物６Ａは、リブ導波管1の上に形成され、酸化物層6は、リブ導波管1の下に形成される。金属被覆のような温度制御手段9が、リブ導波管1の上に与えられる。電流を、そこを通じて通過させることによって、温度制御手段9は、リブ導波管1を加熱して、リブ導波管1のシリコンの屈折率を調整するために過熱される。リブ導波管1は実質的に熱的に、シリコン基板5から隔離されるので、リブ導波管1を加熱するために必要とされる電力と時間は、減少される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際特許文献ＷＯ99/21036号公報(1999年４月29日発行)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のシステム及び方法は、シリコン構造の熱隔離を提供する。
【０００６】
本発明のシステム及び方法は別個に、シリコン構造における応力削減を提供する。
【０００７】
本発明のシステム及び方法は別個に、実質的に応力フリー(stress-free)のシリコン構造を提供する。
【０００８】
本発明のシステム及び方法は別個に、改善された能力を持つ、マイクロマシン化されたあるいはマイクロ電子機械システムベースの素子を提供する。
【０００９】
本発明のシステム及び方法は別個に、少なくとも部分的に基板から熱隔離された、シリコン構造を含む、マイクロマシン化されたあるいはマイクロ電子機械システムベースの素子を提供する。
【００１０】
本発明のシステム及び方法は別個に、改善された製造化能力と削減された製造コストを持つ、マイクロマシン化されたあるいはマイクロ電子機械システムベースの素子を提供する。
【００１１】
本発明のシステム及び方法は別個に、シリコンスイッチの熱隔離を提供する。
【００１２】
本発明のシステム及び方法は別個に、シリコン導波管の熱隔離を提供する。
【００１３】
本発明のシステム及び方法の種々の模範的実施例によって、マイクルマシン化された素子は、基板，少なくとも基板の一部分の上に形成された絶縁層，及び、少なくとも上記絶縁層の一部分の上に形成されたシリコン層，を備える。シリコン層は、絶縁層内のギャプによって、少なくとも部分的に、基板から熱的に隔離されたシリコン構造を含み、絶縁層内のギャップの下の基板の表面は、実質的にアンエッチされる(unetched)。
【００１４】
種々の実施例で、基板はシリコンで作られる。種々の実施例で、シリコン層は単一の結晶シリコン層(a single crystal silicon layer)である。種々の実施例で、絶縁層は二酸化シリコンで作られる。
【００１５】
種々の実施例で、シリコン構造は熱光学スイッチ(thermo-optical switch)である。種々の実施例で、熱光学スイッチは、Mach-Zehnderスイッチである。
【００１６】
本発明のシステム及び方法の種々の模範的実施例によって、マイクロマシン化された素子が、基板を形成し、基板の少なくとも一部分の上に絶縁層を形成し、絶縁層の少なくとも一部分の上にシリコン層を形成し、シリコン層内にシリコン構造を形成し、基板から、シリコン構造を少なくとも部分的に熱的に隔離する絶縁層内にギャップを形成し、絶縁層内のギャプの下の基板の表面が実質的にアンエッチ状態に維持される、ことによって製造される。
【００１７】
本発明のシステム及び方法の他の種々の模範的実施例によって、マイクロマシン化された素子が、基板を形成し、基板の少なくとも一部分の上に絶縁層を形成し、絶縁層の少なくとも一部分の上にシリコン層を形成し、シリコン層内にシリコン構造を形成し、そして、ギャップの下の基板の表面に影響を与えること無しに、絶縁層内にギャップを形成することによって製造される。
【００１８】
種々の模範的実施例で、絶縁層内にギャップを形成することには、絶縁層の一部分を、基板に影響を与えないエッチング(etch)で除去すること、が含まれる。種々の模範的実施例で、基板を形成することはシリコン基板を形成することを含み、絶縁層の一部分を除去することは、シリコンに影響を与えないエッチング(etch)による。
【００１９】
種々の模範的実施例で、基板を形成することは第一の材料の基板を形成することを含み、絶縁層を形成することは第２の材料の層を形成することを含み、絶縁層内にギャップを形成することは絶縁層の一部分を、第一と第２の材料との間で高度に選択的なエッチングで除去することを含む。
【００２０】
他の種々の模範的実施例で、基板を形成することはシリコンの基板を形成することを含み、絶縁層を形成することは誘電体の層を形成することを含み、絶縁層にギャップを形成することは絶縁層の一部分を、誘電体材料とシリコンとの間で高度に選択的なエッチングで除去することを含む。
【００２１】
他の種々の実施例で、基板を形成することはシリコンの基板を形成することを含み、絶縁層を形成することは二酸化シリコンの層を形成することを含み、そして、絶縁層にギャップを形成することは絶縁層の一部分を、二酸化シリコンとシリコンとの間で高度に選択的なエッチングで除去することを含む。
【００２２】
本発明の、これらと他の特徴および利点が、以下の、本発明によるシステム及び方法の種々の模範的実施例での詳細な記述で説明されるか、あるいはそこから明白である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】シリコン基板から熱的に隔離されたシリコン層の一部分を有する既知の素子の断面図。
【図２】本発明による熱光学的スイッチを含むマイクロ素子の模範的実施例の上面図。
【図３】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの断面図。
【図４Ａ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの上面図。
【図４Ｂ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの断面図。
【図５Ａ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの上面図。
【図５Ｂ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの断面図。
【図６Ａ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの上面図。
【図６Ｂ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの断面図。
【図７Ａ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの上面図。
【図７Ｂ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの断面図。
【図８Ａ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの上面図。
【図８Ｂ】本発明による方法の模範的実施例による種々の製造ステップの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
添付の図面を参照して、以下に本発明のシステム及び方法の種々の模範的実施例が記載される。
【００２５】
本発明が以下に、シリコンベースの熱光学的スイッチに関して説明される一方、本発明のシステム及び方法は、そこまで限定的でないことを理解していただきたい。逆に、本発明のシステムと方法は、基板から、少なくとも部分的に熱的に隔離される、いかなる既知のあるいは今後開発されるシリコン構造をもを企図する。
【００２６】
更に、本発明のシステム及び方法は、そのようなシリコン構造を取りこむ、いかなる既知の、あるいは今後開発される素子をも企図する。例えば、下記のシリコンベースの熱光学スイッチは、再構成可能な光マルチプレキサ(本出願と共にペンディング中の出願(アト−ニー・ドケット番号108757号，2001年11月8日出願，この全体はここに参照として取りこまれる)で説明されるような)の一部として製造され得る。
【００２７】
本発明の種々の模範的実施例で、マイクロマシニング(maicromachining)と他のマイクロ電子機械システムベースの製造技術が、少なくとも部分的に、基板から熱的に隔離されたシリコン構造を持つ素子を作るために使用される。他の潜在的技術に比べて、そのような製造技術は比較的進んでおり、より信頼出来る結果とより大きな柔軟性を産み出す。しかし本発明は、そのような製造技術に限定されないことを理解していただきたい。
【００２８】
種々の模範的実施例で、開始材料としての絶縁部上のシリコン(ＳＯＩ：silicon on insulator)ウェーハからマイクロ素子を作るために、表面マイクロマシニング技術が用いられる。しかし表面マイクロマシニング技術は本発明によって、少なくとも片側の上のパターン化された半導体層のような絶縁層を持つ第一のウェーハ，及び，例えば第一のウェーハ上の絶縁層に結合された単一結晶シリコンの第２のウェーハ，からマイクロ素子(micro-device)を作るために用いられ得る。
【００２９】
図２は、本発明によるシリコン熱光学スイッチ122を含むマイクロ素子100の模範的実施例の上面図を示す。この模範的実施例で、シリコン熱光学スイッチ122は、４つのアーム132によって支持される。アーム132は、二酸化シリコンのような誘電性材料で作られ得、そして、シリコン熱光学スイッチ122のためのヒートシンクを形成し得る。図示されないが、シリコン熱光学スイッチ122は、(本出願に取りこまれた上記特許文献１に記載されたもののような)いかなる適切な手段(既知のあるいは、今後開発されるもののいずれによっても)によっても加熱され得る。
【００３０】
図２に示されるようにアーム132は、絶縁層130の一部分を除去することによって形成されたギャップ134によって規定される。絶縁層130は、基板110の上に形成され、シリコン熱光学スイッチ122を基板110から分離する。図示のように、ギャップ134は、シリコン熱光学スイッチ122の下に延びる。こうして、シリコン熱光学スイッチ122は実質的に、熱的に基板110から隔離される。
【００３１】
本発明による、図２に示されるマイクロ素子100のようなマイクロ素子を製造するための方法の模範的実施例が、図３から８Ｂに示される。より詳細に、図３から８Ｂは、少なくとも部分的に熱的に基板から隔離された、シリコン熱光学スイッチを含むマイクロ素子を作るために使用され得る、種々の模範的製造ステップの上面図及び断面図である。
【００３２】
図３に示されるように、マイクロ素子は、単一のシリコンチップ上に製造され得る。単一のシリコンチップは、シリコン基板210，比較的薄い単一結晶シリコン素子層220，及び、素子層220と基板210との間に配置された絶縁層230，を有する絶縁部上のシリコン(ＳＯＩ）ウェーハ200を含み得る。ウェーハ200は、いかなる既知のあるいは後に開発される絶縁部上のシリコン(ＳＯＩ)技術を用いて製造され得る。
【００３３】
模範的実施例においてシリコン熱光学スイッチは、素子層220に作られる。ヒンジ(hinge)，ガイド(guide)，アンカー(anchor)等のような追加の機械的要素の製造のために、一つあるいはそれ以上のポリシリコン層(図示せず)が、素子層220の上に付加され得る。電子トレース(electrical traces)や論理回路のような能動電子要素(図示せず)もまた、素子層220内に規定され得る。代替的に、シリコン熱光学スイッチは、素子層220の上に形成されたポリシリコン層の一つに作られ得る。
【００３４】
図４Ａと４Ｂの上面図及び断面図にそれぞれ示されるように、フォトレジストのような第一のマスク層240が素子層220の上に形成される。シリコン熱光学スイッチを規定する(define)ために、第一のマスク層240は、適切な蒸着とエッチング技術(既知のあるいは後に開発されるもののいずれか)を用いて配置されてパターン化され得る。
【００３５】
第一のマスク層240を用いて、例えばリアクティブイオンエッチング（reactive ion etching, RIE）を用いて、素子層220の露呈された部分がエッチングされる。図５Ａと５Ｂに示されるように、エッチングは絶縁層230で停止される。その後、図６Ａと６Ｂに示されるように、第１のマスク層240が除去され、素子層220内のシリコン熱光学スイッチが残される。
【００３６】
一旦シリコン熱光学スイッチが素子層220で規定されると、絶縁層230の部分が除去されて、ギャップ232が形成される(図８Ａ及び８Ｂに示される)。絶縁層230に形成されたギャップ232は、少なくとも部分的に熱的に、素子層220内のシリコン熱光学スイッチを、基板210から隔離する。
【００３７】
本発明によって基板210は、そのままに維持され、ギャップ232の形成に際して絶縁層230の部分の除去によって影響されない。絶縁層230の一部分の除去に伴って、もし基板210の表面が損傷を受け、あるいは部分的に除去されたならば、基板210に形成され得るマイクロ素子の重要な特徴が、存そうされあるいは失われ得る。
【００３８】
それぞれ図７Ａと図７Ｂの上面図及び断面図で示されるように、フォトレジストのような第２のマスク層250が、絶縁層230の少なくとも一部の上に形成される。製造の効率化のために、第２のマスク層もまた、上述のエッチングの後に残った素子層220の一部分あるいは全体の上に形成され得る。生成されるべきギャップ232の範囲を規定するために、第２のマスク層250は、適切な蒸着とエッチング技術(既知のあるいは今後開発されるものかのいずれか)を用いて蒸着され(deposited)パターン化(patterned)され得る。
【００３９】
第２のマスク層250を用いて、絶縁層230の露呈された部分が、例えばウェットエッチ(wet etch)を用いてエッチングされる。本発明によって、腐食液は、絶縁層230の露呈された部分が、除去された絶縁層230の部分の下にある基板210の表面に影響を与えること無しに除去されるように選択される。種々の模範的実施例で、選択された腐食液は、絶縁層230の材料と基板210との間で高度に選択的である。例えば、基板210がシリコンで作られ、絶縁層230が２酸化シリコンで作られる場合には、腐食液は、絶縁層の部分を除去するために必要な期間中(通常1時間より短い)にシリコンに影響を与えること無しに、２酸化シリコンを腐食するフッ化水素の酸溶液であり得る。
【００４０】
選択性は、フッ化水素の酸溶液の濃度、及び、環境温度に依存する。例えば、バッファーされた(buffered)室温における、水で希釈されたフッ化水素酸溶液について、４９％のフッ化水素濃度を持つ場合には、約５０：１の選択性あるいはそれ以上であれば高度に選択性があると、一般的に考えられる。しかし、攻撃的な(aggressive)アプローチでは、約20：1の選択性を使用することが可能である。
【００４１】
所望の絶縁層230のエッチング完了後に、図８Ａ及び８Ｂに示されるように第２のマスク層250が除去され、ギャップ232によって実質的に熱的に、基板210から隔離されたシリコン熱光学スイッチの部分を素子層220に残す。
【００４２】
本発明のシステム及び方法は、不必要なステップを避けることによって、マイクロ素子の効率的な作成を提供する。例えば、基板210のシリコンを腐食しない腐食液を選択することによって、基板210と絶縁層230との間の保護層に対する必要性，あるいは、絶縁層の部分的厚みが、ギャップ232が形成される基板210の上に残るように、絶縁層230の所定の厚さだけを除去する高度に制御されたエッチングに対する必要性が避けられる。更に、素子層220内の熱光学スイッチもまたシリコンで作られるので、選択された腐食液は、熱光学スイッチを腐食しない。こうして、熱光学スイッチのための保護層は必要でない。
【００４３】
更に、ギャップ232によって実質的に熱的に基板210から隔離された素子層220内のシリコン熱光学スイッチの部分は、実質的に応力フリー(stress-free)である。作成中、シリコン−絶縁層(酸化物)インターフェースにおいて応力が生成される。しかし、絶縁層230はギャップで除去されるので、もし残っていれば変形をもたらすインターフェースは残らない。
【００４４】
逆に、図１に示されるように、リブ導波管１と酸化物層6の上に形成された酸化物被覆６Ａは、リブ導波管の下に形成され、これによって、リブ導波管1に望ましくない応力をもたらすことになる。酸化物層6がシリコン基板5から分離されたときに、シリコン−酸化物インターフェースが残る。一旦リブ導波管がシリコン基板5から分離されると、酸化物層6はリブ導波管1を、シリコン基板5に向かって、あるいはそこから離れるように曲げる(buckle)傾向がある。
【００４５】
光スイッチとしてのシリコン構造を製造するための適切な技術が、共にペンディングの米国特許出願(アトーニー・ドケット番号Ｄ/98777，Ｄ/98777Ｑ，及びＤ/98777Ｑ１)(その全体が参照としてここに取り込まれる)に記載される。他の適切な技術が、共にペンディングの米国特許出願(アトーニー・ドケット番号Ｄ/Ａ0164)(その全体が参照としてここに取り込まれる)に記載される。
【００４６】
種々の模範的実施例でとの関係で本発明が記載されてきた一方、多くの代替物，修正，及び変更が、当業者にとって明白であることを理解して欲しい。よって、出願人は、本発明の精神と視野に従う、全てのそのような代替物，修正，及び変更を包含する意図を持つ。
【００４７】
例えば、本発明によるマイクロマシン化された素子を製造するための上述の技術が特に適している、一方、マイクロ素子のための、如何なる既知の、あるいは今後開発される処理技術も、利用され得ることが理解されるべきである。例えば、従来のフォトリソグラフィーとエッチング技術が使用され得る。
【符号の説明】
【００４８】
１００  マイクロ素子
１２２  シリコン熱光学スイッチ
１３０  絶縁層
１３２  アーム
１３４  ギャップ
２００  ウェーハ
２２０  素子層
２３０  絶縁層
２４０  マスク層
【図１】
0005140041.tif 000002
【図２】
0005140041.tif 000003
【図３】
0005140041.tif 000004
【図４Ａ】
0005140041.tif 000005
【図４Ｂ】
0005140041.tif 000006
【図５Ａ】
0005140041.tif 000007
【図５Ｂ】
0005140041.tif 000008
【図６Ａ】
0005140041.tif 000009
【図６Ｂ】
0005140041.tif 000010
【図７Ａ】
0005140041.tif 000011
【図７Ｂ】
0005140041.tif 000012
【図８Ａ】
0005140041.tif 000013
【図８Ｂ】
0005140041.tif 000014