(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜下部構造と、前記薄膜下部構造内に形成した複数のヒータ抵抗器と、前記複数のヒータ抵抗器にそれぞれ関連し、前記ヒータ抵抗器から誘電的に分離した複数の熱伝導性領域とを含んでなり、前記複数の熱伝導性領域の各々は、前記ヒータ抵抗器の関連する一つに近接して配置されて前記関連するヒータ抵抗器から熱を放散し、前記熱伝導性領域は、前記ヒータ抵抗器の中で関連するヒータ抵抗器の各々の熱放散容量を調整するように選択した面積をそれぞれ有し、前記熱伝導性領域の前記面積は、前記薄膜下部構造内の各々の熱伝導性領域の位置に依存して異なっているヒータ抵抗器配列。
【請求項２】
前記ヒータ抵抗器はプレーナヒータ抵抗器を含んでおり、前記熱伝導性領域はプレーナ熱伝導性領域を含んでいる請求項１に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項３】
前記プレーナ熱伝導性領域はプレーナメタル領域を含んでいる請求項２に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項４】
前記プレーナヒータ抵抗器は前記プレーナメタル領域から酸化シリコンによって分離されている請求項３に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項５】
前記薄膜下部構造はシリコン基板を含んでいる請求項４に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項６】
前記薄膜下部構造はシリコン基板を含んでおり、前記熱伝導性領域は金属領域を含んでいる請求項１に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項７】
前記メタル領域は前記シリコン基板に接続している請求項６に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項８】
前記メタル領域を前記シリコン基板に接続するためのメタルビアをさらに含んでいる請求項７に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項９】
前記メタル領域はメタルコンタクトスラブを含んでいる請求項７に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項１０】
前記薄膜下部構造の中央部に位置する熱伝導性領域の面積は、前記薄膜下部構造の端部近傍に位置する熱伝導性領域の面積よりも大きい面積をそれぞれ有している請求項１に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項１１】
前記薄膜下部構造の中央部に位置する熱伝導性領域の面積は、前記薄膜下部構造の端部近傍に位置する熱伝導性領域の面積よりも小さい面積をそれぞれ有している請求項１に記載のヒータ抵抗器配列。
【請求項１２】
前記薄膜下部構造に隣接して、前記ヒータ抵抗器からの熱エネルギーによって駆動される複数の流体性光スイッチング素子を有する導波路基板をさらに含んでいる請求項１に記載のヒータ抵抗器配列。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には光スイッチング回路に関し、より具体的にはヒータ抵抗器を使用して光スイッチング素子の状態を制御する光スイッチング回路に関している。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは、極めて広い周波数帯域を提供し、無線周波数ノイズによる影響を受け難く、電磁気の干渉を実質的に全く生まないことから、電話およびデータ通信における導電性ワイヤに取って代わりつつある。光ファイバのコストが低減していくにつれて、光ファイバの用途は、光信号路の相互接続を動的に変更するためのスイッチングを必要とするアプリケーションへ拡大している。
【０００３】
光スイッチングに対する既知のアプローチでは、複数の光導波路セグメントが交差しているギャップ内で液体の有無を熱的に制御する。このアプローチは、例えば、複数の熱的に駆動する流体性光スイッチを有する導波路基板とその導波路基板に隣接して配置するヒータ基板とを含む光スイッチング回路によって実現できる。ヒータ基板はヒータ抵抗器の配列を含み、ヒータ抵抗器は、例えば、駆動バブルを形成して導波路基板内のギャップ内外へと流体を移動させ、流体の有無の関数として光を伝達または反射することによって、光スイッチを選択的に熱的に駆動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の流体性光スイッチ回路にとって考慮すべき問題は、ヒータ基板内のヒータ抵抗器の熱特性が一様でない点にある。例えば、ヒータ基板の中央部に近い抵抗器は、ヒータ基板の端部に近い抵抗器に比べて熱容量が小さい。不均一な熱特性は性能を劣化することがあり、また、ヒータ抵抗器の中心近くに位置する抵抗器に対する信頼性の問題を招くこともある。
【０００５】
したがって、個別に調整可能な局在化している熱放散特性を有する光スイッチング回路用のヒータ抵抗器配列が必要とされている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
開示される本発明はヒータ抵抗器配列に関しており、このヒータ抵抗器配列は、薄膜集積回路下部構造と、前記薄膜下部構造内に規定する複数のヒータ抵抗器と、前記薄膜下部構造内に規定する前記ヒータ抵抗器から誘電的に分離した複数の熱伝導性領域とを備えている。前記複数の熱伝導性領域の各々は、前記ヒータ抵抗器の関連するヒータ抵抗器に近接して配置され、前記関連するヒータ抵抗器からの熱を放散する。前記熱伝導性領域の各々は、前記関連するヒータ抵抗器の熱放散容量を調整または適合させるように選択された面積を有している。本発明の特定の実施形態において、ヒータ抵抗器はプレーナ（平面状）ヒータ抵抗器であり、熱伝導性領域はプレーナ（平面状）メタル領域である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
開示される本発明の効果および特徴は、以下の詳細な説明を添付の図面と共に解釈することによって、当業者により容易に理解される。
【０００８】
以下の詳細な説明およびいくつかの図面において、同じ構成要素には同じ参照番号が付けられている。
【０００９】
図１を参照して、本発明に使用可能な熱的に駆動する流体性光スイッチング回路を描いた模式的な正面図を示す。この光スイッチング回路は、一般的に、複数の熱的に駆動する流体性光スイッチ２１を含む導波路基板１３とこの導波路基板の一方の側に隣接して配置した集積回路または薄膜ヒータ下部構造またはダイ１１とを含む。薄膜ヒータ下部構造またはダイ１１は、そこに規定されて導波路基板１３内の流体性光スイッチを熱的に駆動するヒータ抵抗器５６を含み、一般的に、シリコンのような基板とその上に形成した薄膜層とを含んでいる。また、図１の熱的に駆動する流体性光スイッチング回路は、導波路基板１１のもう一方の側に、さらに薄膜ヒータ上部構造１５（破線で示されている）を含みうる。本発明を組み込みうる熱的に駆動される流体性光スイッチング回路の例は、Ｆｏｕｑｅｔらの米国特許第５，６９９，４６２号公報に開示されており、その内容は、引用することにより本願明細書の一部をなすものとする。
【００１０】
次に図２を参照して、本発明によるヒータ抵抗器の構造配列を描いた薄膜ヒータ下部構造１１の上面図を示す。この薄膜ヒータ下部構造１１は、複数の抵抗器５６とそれらのヒータ抵抗器５６に関連してそれらの下に位置する複数の熱伝導性領域５８とを含む。これらの熱伝導性領域５８は、関連するヒータ抵抗器５６からの熱を放散する。描写的な例として本願明細書中でさらに説明するように、ヒータ抵抗器５６は薄膜抵抗器を含み、熱伝導性領域はメタル領域またはメタルスラブを含んでいる。図２において、薄膜ヒータ下部構造の端部に近いヒータ抵抗器に関連した熱伝導性領域が描かれていない。これはそのような熱伝導性領域が、関連するヒータ抵抗器を超えて横方向に広がらないことを示しているためである。
【００１１】
熱伝導性領域は、ヒータ抵抗器を薄膜ヒータ下部構造１１の基板に熱的に結合しており、本発明によれば、熱伝導性の熱放散領域５８の各々は、特定のヒータ抵抗器とそれに関連する熱伝導性領域とによって形成される特定のヒータ抵抗器構造の熱放散容量を適合または調整するように個別に構成されて、例えば薄膜ヒータ下部構造１１の熱的な断面形状を形成する。特に、熱伝導性領域の熱放散容量はその面積が増えるにつれて増加し、ヒータ抵抗器構造の熱容量は特定のヒータ抵抗器構造の熱伝導性領域の面積を調整することによって調整される。
【００１２】
マウント構造およびシール構造を薄膜ヒータ下部構造の端部に取り付けている特定の例では、薄膜ヒータ下部構造１１の中央部の熱伝導性領域５８は、例えば薄膜ヒータ下部構造１１内の熱特性をさらに一様とするように、薄膜ヒータ下部構造１１の端部に近い熱伝導性領域５８よりも大きい面積を有するように構成できる。これは、マウント構造およびシール構造を取り付けている薄膜ヒータ下部構造の端部に近いヒータ抵抗器が、マウント構造およびシール構造に密接しているためにより大きな熱放散容量を有し、一方、薄膜ヒータ下部構造の中央部のヒータ抵抗器は、薄膜ヒータ下部構造の誘電体層の熱伝導率が比較的悪いために、熱放散容量がより小さくなることによって生じるものである。
【００１３】
マウント構造を薄膜ヒータ下部構造の中央部に取り付けている他の例では、薄膜ヒータ下部構造１１の端部に近い熱伝導性領域５８は、例えば薄膜ヒータ下部構造１１にわたる熱特性をさらに一様とするように、薄膜ヒータ下部構造１１内の中央部の熱伝導性領域５８よりも大きい面積を有するように構成できる。
【００１４】
一般に、薄膜ヒータ下部構造１１の熱放散特性やパターンやプロファイルは、薄膜下部構造内の位置の関数として熱伝導性領域の面積を変更または選択することにより調整されることに留意されたい。
【００１５】
薄膜ヒータ下部構造１１は、例えば、引用することにより本願明細書の一部をなすものとする共に譲渡された米国特許第４，７１９，４７７号および第５，３１７，３４６号に開示されているような、化学蒸着法とホトレジスト蒸着とマスキングと現像とエッチングとを含む標準的な薄膜集積回路プロセスによって形成できる。
【００１６】
次に図３を参照して、代表的なヒータ抵抗器５６を通して見たヒータ下部構造１１の特定の実施形態のスケーリングされていない模式的な断面図を示す。より具体的には、この薄膜ヒータ下部構造１１は、シリコン基板５１と、シリコン基板５１の上に設けられた熱成長シリコン酸化層５３と、熱酸化層５３上に形成されたメタルサブエリアまたはメタルスラブ５８を含むパターニングされたメタライゼーション層とを含んでなる。堆積した酸化シリコン層５４がメタルサブエリア５８を含む第１のメタライゼーション層の上に設けられており、例えばタンタル・アルミニウムを含む抵抗層５５が堆積した酸化層５４上に形成されている。パターニングしたメタライゼーション層５７は、例えば、銅および／またはシリコンをわずかな割合でドープしたアルミニウムを含み、抵抗層５５の上に設けられている。
【００１７】
メタライゼーション層５７は、適当なマスキングおよびエッチングによって規定するメタライゼーショントレースを含んでいる。また、メタライゼーション層５７のマスキングおよびエッチングは抵抗器領域も規定する。特に、ヒータ抵抗器を形成する領域においてメタライゼーション層５７のトレースの一部を除く以外に、抵抗層５５およびメタライゼーション層５７を、一般に、互いに位置合わせする。このように、メタライゼーション層５７内のトレース内の開口部に位置する導電路は、導電トレース内の開口部またはギャップに位置する抵抗層５５の一部を含む。別の言い方をすると、抵抗器領域の周縁部上の異なった位置で終端する第１および第２のメタリックトレースを設けることによって抵抗器領域を規定する。これら第１および第２のメタリックトレースは抵抗器の端子またはリードを含み、これらは、事実上、第１のトレースの端部と第２のトレースの端部との間にある抵抗層の一部を含んでいる。このような抵抗器の形成技術によれば、抵抗層５５とメタライゼーション層とを同時にエッチングして、互いに位置合わせしてパターニングした層を形成できる。そして、メタライゼーション層５７内の開口部をエッチングして抵抗器を規定する。このように、メタライゼーション層５７内のトレース内のギャップにしたがって、ヒータ抵抗器５６を抵抗層５５内に個々に形成する。
【００１８】
メタルサブエリア５８は、関連するヒータ抵抗器５６の下にこれに近接して位置し、熱を放散する熱伝導性領域を含んでいる。本発明によると、一般的に、ヒータ抵抗器とそれに関連したメタルサブエリアとによって形成される積層ヒータ抵抗器構造に対して所望の熱放散容量を達成するように、プレーナ状であるメタルサブエリアの面積を個別に形成する。これにより、薄膜ヒータ下部構造１１の熱特性を調整することが可能になる。
【００１９】
窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）の層５９と炭化シリコン（ＳｉＣ）の層６０とを含む複合パッシベーション層が、メタライゼーション層５７と抵抗層５５の露出部分と酸化層５３の露出部分との上に設けられる。選択的に、タンタルサブエリア６１を含むタンタルパッシベーション層をヒータ抵抗器５６の上の複合パッシベーション層５９、６０上に設けることにより、例えば、ヒータ抵抗器の選択的な通電に従って導波路基板１３内の流体中に形成する駆動バブルが破裂する際の空洞化圧力を吸収する機械的なパッシベーションを提供できる。
【００２０】
次に図４を参照して、代表的なヒータ抵抗器５６を通して見たヒータ下部構造１１の他の実施形態の模式的な断面図を示す。図４のヒータ下部構造１１は、図３のヒータ下部構造１１と類似しており、シリコン基板５１にビア１５８によって電気的に接続したメタルスラブ５８を含んでいる。ビア１５８は、図５に描いているような円筒状ビアまたは図６に描いているようなラインビアを含みうる。ビア１５８は、例えば、スラブ５８を形成する第１のメタライゼーション層の堆積に先立って、熱酸化層５３内のビア開口部をエッチングすることによって形成される。本発明によれば、特定のヒータ抵抗器構造に対する所望の熱放散容量を規定するように、各々のメタルスラブ５８の面積が個別に形成される。
【００２１】
次に図７を参照し、代表的なヒータ抵抗器５６を通して見たヒータ下部構造１１のさらに他の実施形態の模式的な断面図を示す。図７のヒータ下部構造１１は、図３のヒータ下部構造１１と類似しており、シリコン基板５１上に設けられたためシリコン基板５１へと電気的に接触しているメタルスラブ５８を含んでいる。メタルスラブ５８は、基本的には大きなコンタクトであり、例えば、メタルスラブ５８を形成する第１のメタライゼーション層の堆積に先立って、熱酸化層５３内に適切な開口部をエッチングすることによって形成される。本発明によれば、特定のヒータ抵抗器構造に対する所望の熱放散容量を規定するように、メタルスラブ５８の各々の面積を個別に選択する。
【００２２】
薄膜ヒータ下部構造１１が能動デバイスを含んでもよく、その場合には、熱酸化層５３の形成とメタルスラブ５８を含むメタライゼーション層の形成との間に、付加的な層を形成することに留意されたい。例えば、ポリシリコンを熱酸化層上に堆積してパターニングし、ドープした酸化層が堆積して高密度化してリフローする。その後に、第１のメタライゼーション層を堆積してパターニングする。
【００２３】
このように、以上の説明は、光スイッチング回路に対して有用であり個別に調整した熱放散特性を有するヒータ抵抗器を効果的に含むようなヒータ下部構造を開示するものである。
【００２４】
本発明の特定の実施形態が上記で説明され且つ描かれているが、当業者は、添付の請求項によって規定される本発明の範囲および精神から逸脱することなく、様々な修正および変更を開示された内容に施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を使用可能な熱的に駆動する流体性光スイッチング回路を描いている模式的な正面図である。
【図２】図１の光スイッチング回路のヒータ抵抗器配列を描いている模式的な上面図である。
【図３】代表的なヒータ抵抗器領域を通して横方向に見た図１の回路のヒータ下部構造の一例を模式的に示すスケーリングされていない模式的な断面図である。
【図４】代表的なヒータ抵抗器領域を通して横方向に見た図１の回路のヒータ下部構造の他の例を模式的に示すスケーリングされていない模式的な断面図である。
【図５】図４のヒータ下部構造内のビア構造を描く上面図である。
【図６】図４のヒータ下部構造内の別のビア構造を描く上面図である。
【図７】代表的なヒータ抵抗器領域を通して横方向に見た図１の回路のヒータ下部構造の他の例を模式的に示すスケーリングされていない模式的な断面図である。
【符号の説明】
１１  薄膜下部構造
１３  導波路基板
２１  流体性光スイッチ
５１  シリコン基板
５３  熱成長シリコン酸化層
５４  堆積された酸化シリコン層
５５  抵抗層
５６  ヒータ抵抗器
５７  メタライゼーション層
５８  熱伝導性領域
５９、６０  パッシベーション層
６１  タンタルパッシベーション層
１５８  メタルビア
【図１】
0003936536.tif 000002
【図２】
0003936536.tif 000003
【図３】
0003936536.tif 000004
【図４】
0003936536.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003936536.tif 000007
【図７】
0003936536.tif 000008