專利名稱：和波導型光探測器管芯兼容的準共面波導及其制作方法
技術領域：
本發明涉及超高速率長波長光通信系統光接收/前放組件中的一個關鍵微電子器件——共面波導(CPWCoplanar Wave-guide)；具體地說，涉及一種在半絕緣半導體基片上、與光通信用超高速率(28Gb/s--40Gb/s)側面進光的波導型光探測器管芯兼容的準CPW。
背景技術：
光通信技術的發展趨勢是，信號傳輸速率越來越高、傳輸容量越來越大。在2001年美國OFC國際會議上，開始出現了40Gb/s光通信系統和光電子器件的報道，它代表了當今光通信技術發展的最高水平。這種40Gb/s光通信系統將在未來SDH核心網中將有廣泛的應用。
40Gb/s光通信設備中關鍵部件為40Gb/s光發送模塊和40Gb/s光接收模塊。而在40Gb/s光接收模塊中，40Gb/s PIN型光探測器是必需的關鍵光電子器件。為了提高光信號響應速率并兼顧光電轉換效率，40Gb/s PIN型光探測器通常采用側面進光的波導型結構。它是一種非常精細的臺面型或溝槽型三維結構。而這種器件與外界的連接，不能采用低頻下傳統的金絲焊接連線方式，而必須采用微波傳輸線耦合組裝方式。這是微波傳輸與較低頻率下信號傳輸的根本區別之一。
眾所周知，當信號傳輸頻率大于10GHz、波長小于數厘米時，微波特性將變得愈來愈明顯，即電磁場的特征愈來愈明顯，較低頻率下傳統的電‘路’概念不適用了。這時候，分布參數、電磁場分布、反射與干擾、導體損耗、相位畸變等問題將變得非常突出了。作為信號傳輸的電路連線就必須采用微波傳輸線。這種微波傳輸線的設計、分析、測試的理論基礎是特定條件下的電磁場理論，而不是電路理論。
微波傳輸線主要有兩種形式其一為微帶線；它的信號線和地線在不同一平面上。另一種傳輸線為共面波導；其信號線和地線一般在同一介質表面上。為便于和40Gb/s側面進光的波導型PIN-PD管芯連接組裝和光纖耦合，我們設計和制作的CPW不在介質等平面上，其中心的信號線略低于兩旁地線。因此，我們把這種CPW稱之為準CPW。
從現有查閱的資料來看，目前還沒有找到與本發明完全相同的專利。雖然在國際文獻資料和國際會議上，有不少CPW的報道，但本發明與它們有所不同。不僅應用場合、頻率范圍不同，且所用材料、結構形式等也有所不同；更為獨特的是，在設計和工藝制作時，我們采用準CPW雙聯體結構。
下面是幾個報道CPW的例子，如(1)Young-Ho Sun，Student Member，IEEE，and Kai Chang，Fellow，IEEE，Coplanar Stripline Resonators Modeling and Application to filter，IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques Vol.50，No.5，May 2002.
(2)Dylan F.Willams，Senior Member，IEEE，Jean-Maxence Belquin，AlainSpisser，Alain Cappy，Senior Member，IEEE，et al，Characterization ofCoplanar Waveguide on Epitaxial Layers.
(3)D.F.Willams and R.B.Mars，Accurate Transmission LineCharacterization，IEEE Microwave Guide Wave Lett.，pp.247-249，Aug.1993.
(4)劉軍、王志功、謝婷婷、童海濤、方芳，共面波導(CPW)在單片電路設計中的應用，1999年全國微波毫米波會議論文集，pp.315-317.
這些文獻從不同方面、不同角度、不同觀點介紹CPW的一些研究成果，很有意義。但到目前為止，還沒有找到任何一篇資料與本發明有關的一種在半絕緣半導體材料InP上、與光通信用超高速率(28Gb/s--40Gb/s)側面進光的波導型光探測器(PIN-PD)管芯兼容的準CPW。
發明內容
本發明的目的是提供一種和波導型光探測器管芯兼容的準共面波導及其制作方法，具體地說有三其一是準CPW的結構設計；其二是準CPW的材料設計；其三是準CPW的制作方法。
本發明的設計思想1)首先確定28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯主要技術指標和結構。
2)考慮準CPW的一般性能技術指標；3)設計和28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯的材料、結構、工藝以及和TIA前端輸入相兼容的準CPW；4)結構設計力求簡單，并考慮現有工藝條件(環境和設備)、工藝制作的可行性。
本發明的技術方案1、準CPW的結構設計首先，調研CPW的特性(主要是帶寬、阻抗匹配和傳輸損耗特性)和目前進展。通過文獻調研可知，作為微波傳輸線的微帶線和共面波導，其傳輸頻段都可能達到20GHz以上。這對和28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯匹配用的微波傳輸線設計來說，是十分重要的信息。
與微帶線不同，共面波導中心的信號線在介質基片的同一表面上，這有利于28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯的組裝。
本發明把和其匹配的CPW設計成準平面的。
為了簡化工藝和提高成品率，在工藝制作時，準CPW采用雙聯體結構。
由圖1、圖2、圖3可知，準共面波導，為一種在半絕緣半導體基片上的、近于平面的三叉狀微波傳輸線；其中心為信號線a，兩旁為地線b；具體地，①基片InP為摻鐵的半絕緣半導體材料；②由2條等平面的地線b和1條位于中心的、比2條地線b略低的傳輸速率為28Gb/s--40Gb/s的信號線a構成，該結構和28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯兼容；③信號線a、地線b的頭部里劈尖狀，后續部分為兩邊平行的條狀。
④準CPW為雙聯體結構。
所述雙聯體結構是一種這樣的結構兩個準CPW的一端無間隙地連在一起，形成一個中心長軸對稱的聯合體。在工藝制作時，該聯合體如同一個結構體。最后通過晶片解理工藝，把雙聯體準CPW分解成兩個單獨的準CPW。
2、準CPW的材料設計準CPW是一種介質波導，其性能主要有頻帶寬度、等效阻抗、傳播常數。而傳播常數中包括介質損耗和導波用金屬的損耗。
為了獲得合適的帶寬、等效阻抗和傳輸損耗，選用合適的材料來制作準CPW是首要的一步。此外還需要考慮工藝制作的可行性和可靠性。雖然材料種類很多、千差萬別，但十全十美的材料卻幾乎沒有。因此只能折中考慮和選擇。能基本滿足和接近這些要求的材料一般是微波陶瓷材料和半導體材料。
從頻帶要求在20-40GHz范圍考慮，可用的微波陶瓷有Ba(Mg1/3Ta2/3)O3、MgO-Al2O3混合介質、AlN等。但它們很難買到，加工也不容易；介質損耗并不嚴重的半導體可選材料有Si、GaAs、InP，它們的特點是容易買到，且和管芯制作工藝兼容。當然，Si雖然工藝成熟、價格便宜，但小面積解理很不容易；然而，40Gb/s光探測器管芯所用襯底材料為InP，且易于小面積解理。因此，選用摻鐵的半絕緣半導體材料InP來制作準CPW是最合適的。
3、準CPW的工藝設計及制作方法準CPW的工藝設計及制作方法包括工藝流程設計、工藝條件和工藝操作說明。
1)工藝流程設計準CPW的工藝流程為基片研磨及拋光1、化學清洗2、等離子加強的化學氣相淀積SiO23、信號線光刻4、化學腐蝕除去SiO25、深度測試6、化學腐蝕InP7、反應離子刻蝕InP8、等離子加強的化學氣相淀積SiO23、電子束蒸發9、金屬剝離10、地線光刻11、等離子或化學去膠12、電鍍或化學鍍金屬13、金屬剝離14、電子束蒸發15、背面減薄及拋光16、化學清洗及干燥17、晶片解理18、準CPW初測19。
2)工藝條件制作準CPW的工藝條件包括工藝環境條件、工藝設備要求和材料工具。
(1)工藝環境條件要求萬級或由于萬級的凈化工藝室。
(2)所用工藝設備主要有甩膠機、微米級接觸式暴光機、化學汽相淀機積設備、RIE(反應離子束刻蝕)設備、電子束蒸發設備、研磨及拋光設備、等離子去膠設備、臺階測量儀、電鍍或化學鍍設備、劃片機、烘箱、去離子水設備、通風化學腐蝕間等。
(3)所用材料工具主要有正性光刻膠、攝子、定型濾紙、燒杯、培養皿、脫脂棉、去離子水、各種化學試劑等。
3)工藝操作說明見設備使用說明書或工藝文件。
本發明具有以下優點和積極效果①準CPW與28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯結構兼容；②準CPW所用基片材料與制作工藝和28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯基本兼容；③準CPW與28Gb/s-40Gb/s側面進光的波導型光探測器管芯組裝比較容易，位置對準和光纖耦合比較方便；④準CPW結構較簡單，解理容易，成品率高。
圖1-準CPW結構圖；圖2-信號線結構圖；圖3-地線結構圖；圖4-準CPW的制作工藝流程圖。
其中a-信號線；b-地線；InP-基片，一種摻鐵的半絕緣半導體材料；1-基片研磨及拋光；2-化學清洗；3-等離子加強的化學氣相淀積(PECVDPlasma-Enhanced Chemical VaporDeposition)SiO2；4-信號線光刻；5-化學腐蝕除去SiO2； 6-深度測試；7-化學腐蝕InP； 8-反應離子刻蝕InP； 9-電子束蒸發；10-金屬剝離； 11-地線光刻； 12-等離子或化學去膠；13-電鍍或化學鍍金屬； 14-金屬剝離； 15-電子束蒸發；16-背面減薄及拋光； 17-化學清洗及干燥；18-晶片解理；19-準CPW初測。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例詳細說明
1)基片InP的電阻率大于107Ω/cm至1011Ω/cm，表面不平度小于0.1微米微米，總厚度為125-145微米。
2)信號線a，其頭部呈劈尖狀，最小寬度為16-18微米，最大寬度為50-60微米；后續部分為邊緣平行的條狀，寬度為50--60微米；表面離地線b表面為1.6-2.8微米，總長度為300-360微米。
3)兩旁地線b，其寬度為30微米至75微米，其內側邊緣離中心的信號線a的外側邊緣最小距離為25-30微米，最大距離為45-60微米。
4)工藝流程的背面減薄及拋光16中，最后總厚度減薄至125-145微米。
5)在晶片解理18工藝之前，準CPW為雙聯體結構；最后通過晶片解理18工藝，把雙聯體準CPW分解成兩個單獨的準CPW。
權利要求
1.一種準共面波導，即一種在半絕緣半導體基片上、和光通信用超高速率側面進光的波導型光探測器管芯兼容的準共面波導；其特征在于為一種在半絕緣半導體基片(InP)上的、近于平面的三叉狀微波傳輸線；其中心為信號線(a)，兩旁為地線(b)；具體地，①基片(InP)為摻鐵的半絕緣半導體材料；②由2條等平面的地線(b)和1條位于中心的、比2條地線(b)略低的傳輸速率為28Gb/s--40Gb/s的信號線(a)構成；③信號線(a)、地線(b)的頭部呈劈尖狀，后續部分為兩邊平行的條狀；④為雙聯體結構。
2.根據權利要求1所述的一種準共面波導，其特征在于基片(InP)的電阻率在107Ω/cm至1011Ω/cm，表面不平度小于0.1微米，總厚度為125-145微米。
3.根據權利要求1所述的一種準共面波導，其特征在于信號線(a)，其頭部呈劈尖狀，最小寬度為16-18微米，最大寬度為50-60微米；后續部分為邊緣平行的條狀，寬度為50-60微米；表面離地線(b)表面為1.6-2.8微米，總長度為300-360微米。
4.根據權利要求1所述的一種準共面波導，其特征在于兩旁地線(b)，其寬度為30微米至75微米，其內側邊緣離中心的信號線(a)的外側邊緣最小距離為25-30微米，最大距離為45-60微米。
5.制作權利要求1所述的一種準共面波導的工藝流程，其特征在于基片研磨及拋光(1)、化學清洗(2)、等離子加強的化學氣相淀積SiO2(3)、信號線光刻(4)、化學腐蝕除去SiO2(5)、深度測試(6)、化學腐蝕InP(7)、反應離子刻蝕InP(8)、等離子加強的化學氣相淀積SiO2(3)、電子束蒸發(9)、金屬剝離(10)、地線光刻(11)、等離子或化學去膠(12)、電鍍或化學鍍金屬(13)、金屬剝離(14)、電子束蒸發(16)、背面減薄及拋光(17)、化學清洗及干燥(17)、晶片解理(18)、準共面波導初測(19)。
6.根據權利要求5所述的工藝流程，其特征在于在背面減薄及拋光(16)中，最后總厚度減薄至125-145微米。
7.根據權利要求5所述的工藝流程，其特征在于在晶片解理(18)工藝之前，準共面波導為雙聯體結構；最后通過晶片解理(18)工藝，把雙聯體的準共面波導分解成兩個單獨的準共面波導。
全文摘要
本發明公開了一種和波導型光探測器管芯兼容的準共面波導及其制作方法；涉及一種共面波導(CPW)，尤其涉及一種在半絕緣半導體基片上、和光通信用超高速率側面進光的波導型光探測器管芯兼容的準CPW。該準CPW是一種近于平面的微波傳輸線，其結構為在摻鐵的半絕緣半導體基片上，通過介質鍍膜、光刻、電子束蒸發和金屬剝離等技術，形成近于平面的三叉狀微波傳輸線；其中心為信號線，兩旁為地線；中心的信號線比兩旁的地線低；而且，在設計和工藝制作時，采用雙聯體的準CPW結構。該準CPW具有結構簡單、制作容易、解理方便、和側面進光的波導型光探測器管芯兼容，便于組裝和光纖耦合、成品率高等特點。
文檔編號G02B6/13GK1544968SQ20031011146
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月27日 優先權日2003年11月27日
發明者丁國慶, 劉興瑤 申請人:武漢電信器件有限公司