CN113126212B - 具有制造变化敏感传输阻挡区的光纤耦合器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有制造变化敏感传输阻挡区的光纤耦合器结构。光学耦合器结构具有位于衬底上的绝缘体层，位于该绝缘体层中的波导结构，以及位于该波导结构及该绝缘体层上的包覆层。光栅耦合器位于该包覆层上，且该波导结构连接于该光栅耦合器之间。该波导结构在该光栅耦合器之间是不连续的。该绝缘体层包括位于该波导结构的不连续区段之间的传输阻挡区处的阵列。此阵列可为由开口构成的空洞开口阵列，或者可为由位于该绝缘体层中的分离元件构成的阻挡元件阵列。

Description

具有制造变化敏感传输阻挡区的光纤耦合器结构
技术领域
本申请涉及光纤耦合器结构，尤其涉及对制造变化敏感的结构。
背景技术
许多通信系统使用光来传输数据，以增加传输速度及带宽。出于本文中的目的，术语“光”包括所有形式的电磁辐射，包括在人类可见波长内以及在这些波长以外的电磁辐射。
为执行光传输，光纤由具有高内部反射率的材料制成，例如玻璃、塑料等。常常将此类光纤与可识别光内的数据的电子电路连接。通常使用光纤耦合器来物理连接该电路与该光纤。例如，波导内的光波可具有多种模式，包括横电磁(transverse electromagnetic；TEM)模式、横电(transverse electric；TE)模式、横磁(transverse magnetic；TM)模式等。一些光纤可传输多种模式的光波(多模光纤)，而其它光纤仅可传输单一模式(单模光纤)。
有时出现的一个问题涉及与光纤和耦合器之间的连接相关的耦合损耗及转换损耗。具体地说，光学边缘耦合器的插入损耗对包括由过蚀刻引起的关键尺寸(criticaldimension；CD)偏移及不规则尺寸/间距的制造缺陷敏感。这在使用自对准机制的芯与包覆层之间具有高折射率对比度的硅基边缘耦合器中尤其如此。插入损耗包括光学边缘耦合器的耦合损耗及转换损耗，两者都对由过蚀刻引起的关键尺寸(CD)偏移及不规则尺寸/间距非常敏感。
发明内容
本文中的光学耦合器包括(但不限于)：位于衬底上的绝缘体层，位于该绝缘体层中的波导结构，以及位于该波导结构及该绝缘体层上的包覆层。光栅耦合器位于该包覆层上，且该波导结构连接于该光栅耦合器之间。该衬底具有与上层连接的下层，其中，该上层位于该下层与该绝缘体层之间。该下层包括与该波导结构对齐并平行的凹槽。
该波导结构具有位于该光栅耦合器之间的不连续区段。该绝缘体层包括位于该波导结构的该不连续区段之间的传输阻挡区处的阵列。在不同的实施例中，此阵列可为由开口构成的空洞开口阵列，或者可为由位于该绝缘体层中的分离元件构成的阻挡元件阵列。
在该空洞开口阵列结构中，该空洞开口阵列的该开口自该包覆层的顶部穿过该包覆层、该绝缘体层、以及该衬底的该上层而完全延伸至该衬底的该下层中的该凹槽。该波导结构沿第一线呈线性，且该空洞开口阵列的该开口沿该传输阻挡区以平行于该第一线并偏离该第一线的方式排列于该绝缘体层中。该空洞开口阵列的该开口可呈线性或曲线排列。
在该阻挡元件阵列结构中，该阻挡元件阵列的该分离元件可为位于该绝缘体层内的导电分离元件或绝缘分离元件的一个或多个层级。该阻挡元件阵列的该分离元件沿该传输阻挡区以平行于该第一线并偏离该第一线的方式排列于该绝缘体层中。
该波导结构可具有与该传输阻挡区毗邻的连续的或分段的锥形波导结构端部。这些结构还可包括位于该波导结构的该不连续区段的至少其中之一上的图案化导体。
下面所述的附图中显示这些及其它特征。
附图说明
通过参照附图自下面的详细说明将更好地理解本文中的实施例，这些附图并不一定按比例绘制，且其中：
图1A是显示依据本文中的实施例的光纤耦合器结构的示意顶视图；
图1B是显示依据本文中的实施例位于晶圆上的图1A中所示的光纤耦合器结构的示意立体视图；
图2A是显示图1A中所示的光纤耦合器结构的部分的示意顶视图；
图2B-2C是图2A中所示的光纤耦合器结构的示意剖视图；
图3A-3D是显示图1A中所示的光纤耦合器结构的部分的示意顶视图；
图4A是显示图1A中所示的光纤耦合器结构的部分的示意顶视图；
图4B是图4A中所示的光纤耦合器结构的示意剖视图；
图5A是显示依据本文中的实施例的光纤耦合器结构的部分的示意顶视图；
图5B是图5A中所示的光纤耦合器结构的示意剖视图；
图6A是显示依据本文中的实施例的光纤耦合器结构的部分的示意顶视图；
图6B是图6A中所示的光纤耦合器结构的示意剖视图；
图7是显示图5A-6B中所示的光纤耦合器结构的示意顶视图；
图8A是显示图1A中所示的光纤耦合器结构的部分的示意顶视图；
图8B-8C是图8A中所示的光纤耦合器结构的示意剖视图；以及
图9是显示图1A中所示的光纤耦合器结构的部分的示意顶视图。
具体实施方式
如上所述，有时存在与光纤和耦合器之间的连接相关的耦合损耗及转换损耗，且这些损耗受制造变化影响。为测试或监控此类损耗，可与光学耦合器同时形成光学耦合器结构(同时在同一晶圆上，利用相同的处理等)。由于光学耦合器结构与光学耦合器同时形成，因此，光学耦合器结构将遭受与光学耦合器所经历的相同的制造变化。可向此类光学耦合器结构提供输入，且来自这些光学耦合器结构的输出提供关于在同一晶圆上同时形成的光学耦合器的质量的精确指标。
因为光栅耦合器平行于晶圆表面，在将晶圆分成单独的裸芯片(die)/芯片之前，可为使用该光栅耦合器的光学耦合器结构提供输入。这允许提供输入的光纤以近似垂直于晶圆表面的方向与该光栅耦合器连接。对于使用边缘耦合的其它光学耦合器结构，该光学耦合器结构仅在晶圆被分成单独的裸芯片/芯片以后使用。在晶圆切割以后，提供输入的光纤与此类“边缘连接”的光学耦合器测试结构的切割边缘连接。
传统上，边缘连接的光学耦合器测试结构被优先用于测量由过蚀刻导致的关键尺寸偏移及不规则尺寸/间距所引起的耦合损耗及转换损耗，因为此类损耗与边缘连接对准高度相关。具体地说，至边缘连接光学耦合器结构的边缘连接将精确地揭示边缘连接对准问题，当使用光栅耦合器连接的光学耦合器结构的近似垂直于晶圆表面的连接时，该边缘连接对准问题将是不可测量的。然而，等到晶圆被切割成单独的芯片增加额外的处理步骤及处理时间，光栅耦合器光学耦合器结构避免这些问题。
为使本文中所揭示的光栅耦合器连接光学耦合器结构的输出精确地表示边缘连接光学耦合器会产生的结果，本文中的光栅耦合器连接光学耦合器结构使用制造敏感传输阻挡区(manufacturing sensitive transmission blocking region)，该传输阻挡区包括经精心制作以揭示边缘连接对准问题的阵列。因此，为利用光栅耦合器连接光学耦合器结构所提供的减少的处理步骤及缩短的处理时间，同时改进与边缘连接对准问题相关的耦合损耗及转换损耗的测量，本文中的光学耦合器结构使用在与光栅耦合器连接的边缘耦合器光斑大小转换器(edge coupler spot-size converter)之间具有不连续区段的波导结构，以及使用在该波导结构的该不连续区段之间的传输阻挡区处的阵列的光学模式整流器。在不同的实施例中，此阵列可为由开口构成的“空洞开口阵列”，或者可为由位于绝缘体层中的分离元件构成的“阻挡元件阵列”。该阵列及传输阻挡区充当光学模式整流器，以改变该光学耦合器结构的输出。
本文中的光学耦合器结构所包括的此光学模式整流器通过定量表征传播损耗来将与边缘连接对准问题相关的耦合损耗及转换损耗的测量精度提高至边缘连接装置的测量精度。具体地说，此光学模式整流器的物理制造变化在本文中的光学耦合器结构的输出处以可预测的方式改变已知的输入。已知的可接受光学模式整流器输出的变化显示由对准问题(例如由过蚀刻导致的关键尺寸偏移缺陷及不规则尺寸/间距)引起的耦合损耗及转换损耗的量(且相同的损耗在与该光学耦合器结构相同的晶圆上制造的光学耦合器中将是明显的)。
如上所述，在本文中的光学耦合器结构中提供所包括的光学模式整流器。此光学模式整流器与初始模式接口并通过物理阻挡或散射该模式的部分来重塑模式轮廓。尤其，将传输截断为与该重塑的模式轮廓对准的匹配模式。制造变化(CD变化、过蚀刻)将改变该初始模式轮廓(例如，增加或减少硅芯尺寸引起相反方向的模式轮廓变化，使它的模式尺寸更大或更小)。因此，与整流器所控制的重塑模式轮廓的该匹配影响总传输功率。可将本文中的光学耦合器结构的输出的实际变化(来自已知输入)与已知标准(例如，插入损耗测量)比较，以确定在与该光学耦合器结构相同的晶圆上制造的光学耦合器中所发生的传播损耗，从而揭示晶圆上的结构是否遭受由过蚀刻导致的关键尺寸偏移缺陷及不规则尺寸/间距。
现在请参照附图，图1A显示本文中的示例光纤耦合器结构100，其包括(除其它元件以外)位于衬底130上的光栅耦合器102、104，连接于光栅耦合器102、104之间的波导结构106，以及周期底切孔112，该周期底切孔被用于极后端工艺(far back end of line；FBEOL)中以提供V槽底切等，以及类似的最终产品处理。图1还显示充当光学模式整流器的传输阻挡区110，如下面更详细所述。矩形区域101不是物理特征，而是被包括于附图中供参考，且矩形区域101是图2A中更详细显示的光学耦合器结构100的区域。
请参照图1B，显示位于晶圆114(仅显示其一部分)上的光学耦合器结构100的非常简单且超大尺寸(仅为方便示例说明)的立体视图实施。尽管图1B中仅显示一个光学耦合器结构100，但在晶圆114的其它区域上可形成许多光学耦合器结构100。
晶圆114包括衬底130，在该衬底上同时形成光学耦合器结构100与芯片116(其中一些含有光学耦合器)。在晶圆114完成以后，它被切割成单独的片(芯片116等)。该光学耦合器可位于芯片116的边缘，以允许光纤与芯片116的边缘(切割区)连接，从而允许光学信号被提供给芯片116。光学耦合器结构100及芯片116内的光学耦合器的特征是同时地利用相同的掩膜、相同的蚀刻制程、相同的沉积制程、相同的注入制程等形成的，以提高制造效率。含有光学耦合器的芯片116与光学耦合器结构100的该同时制造使光学耦合器结构100遭受与芯片116内的光学耦合器将经历的相同的制造变化。换句话说，含有光学耦合器的芯片116中的缺陷也将出现在光学耦合器结构100中。
图1B还显示用以将测试处理器128或其它类似装置与光栅耦合器102、104连接的光纤124、126。如图1B中所示，在晶圆被切割成单独的芯片116之前，光纤124、126与晶圆114连接。因此，光纤124、126经设置以使其长度维度垂直于晶圆114的表面，并经连接以允许光纤124、126内的光能传递至光栅耦合器102、104以及自光栅耦合器102、104传递。因此，可在不必切割晶圆114的情况下向光栅耦合器102、104提供信号以及从光栅耦合器102、104读取信号，从而节约与晶圆切割相关的时间及费用，并潜在地允许在晶圆114完全完成之前进行测试，以允许在执行不必要的额外处理步骤之前处理掉部分制造的缺陷晶圆。以此方式，与边缘连接的光学耦合器结构(其仅可在晶圆被分成芯片以后使用)相比，本文中的光学耦合器结构100使用至光栅耦合器102、104的垂直连接节约时间及费用。
图2A为示意顶视图，其显示图1A中的矩形区域101，该矩形区域包括位于波导结构106的端部之间的传输阻挡区110。图2B是图2A沿第一线(A-A)的部分及第二线(在图4A、5A、6A及8A中更清楚地显示为线C-C)的组合剖视图。图2C是图2A及2B沿线B-B的剖视图。要注意，第一线及第二线不是在每个顶视图中都显示，但在概念上，这些线在本说明书所附的每个顶视图中处于同一位置。
图2B及2C显示此耦合器结构100包括位于两层衬底130、132(例如，埋置氧化物(buried oxide；BOX)衬底)上的绝缘体层136，且波导结构106位于此绝缘体层136中。此外，包覆层108位于波导结构106及绝缘体层136上。在本文中的一些实施例中，包覆层108与绝缘体层136可为同一层及相同的材料，而在其它实施例中，该两个层可彼此截然不同。衬底130具有与上层132连接的下层130(两者都是任意命名的)，其中，上层132位于下层130与绝缘体层136之间。下层130包括与波导结构106对齐并平行的凹槽134。要注意，光栅耦合器102、104可位于衬底130、包覆层108，或衬底130的其它层上，以使光栅耦合器102、104在制造期间以及/或者在制造后形成晶圆的上表面(外表面、顶部表面等)的部分，从而允许光纤124、126与光栅耦合器102、104直接物理连接，而没有晶圆切割或其它分解。
波导结构106在光栅耦合器102、104之间是不连续的。因此，波导结构106具有位于光栅耦合器102、104之间的不连续区段(例如，断裂、间隙、缺失部分等)。如图2A-2B中所示，波导结构106的端部122呈锥形并分段，以形成波导结构106的超材料部分(在附图中使用附图标记122标识这些锥形“片段”或“超材料部分”)。
位于波导结构106的此类不连续区段的端部的片段122呈锥形，意味着它们具有逐渐减小(或逐渐增加)的尺寸/宽度(例如，沿垂直于第一线的方向所测量的尺寸/宽度)，其相对于包覆层108及/或绝缘体层136改变波导106的折射率(促进或阻止光离开或进入该波导)。该超材料部分(122)的此锥形及分段使光能从波导结构106的其中一端逃逸，并使光能被吸收至(进入)波导结构106的相对端部中。
因此，一些光能(受绝缘体层136的光传输约束限制)从波导结构106的一端穿过绝缘体层136被传递至波导结构106的相对端，而一些光能在绝缘体层136内损失。穿过绝缘体层136传递的此光能从光栅耦合器102、104的其中之一输出，并可由测试电路128(图1B)内的光学传感器测量。在不同晶圆114上制造的不同光学耦合器结构100的输出的差别(给定相同的输入)是不同晶圆114在制造期间所经历的制造变化的结果。
因此，包覆层108及绝缘体层136包括位于波导结构106的该不连续区段之间的本文中所称的传输阻挡区110或光学模式整流器(见图2A)。绝缘体层136包括位于传输阻挡区110处的本文中所称的“阵列”。在传输阻挡区110中的此阵列具有对由过蚀刻导致的关键尺寸偏移缺陷及不规则尺寸/间距所引起的对准问题高度敏感的结构。因此，在晶圆114上同时形成的所有结构所经历的对准问题将改变从波导结构106的一端穿过绝缘体层136行进至波导结构106的相对端的光能的数量、极性、强度等。在不同的实施例中，此阵列可为由开口120构成的“空洞开口阵列”(例如显示于图2A中，在下面讨论)，或者可为由位于绝缘体层136中的分离元件170构成的“阻挡元件阵列”(例如显示于图8A中，在下面讨论)。
在图2A-2C中所示的空洞开口阵列结构中，该空洞开口阵列的开口120从包覆层108的顶部穿过包覆层108、绝缘体层136、以及衬底130的上层132而完全延伸至衬底130、132的下层130中的凹槽134中。波导结构106沿图2A中所示的第一线呈线性，且该空洞开口阵列的开口120仅沿传输阻挡区110以平行于该第一线并偏离该第一线的方式在绝缘体层136中排列。开口120与位于传输阻挡区110外部的周期底切孔112形成对比。此外，周期底切孔112沿一线排列，该线平行于由开口120形成的第二线(并平行于第一线)但与其偏离；因此，周期底切孔112不与开口120对齐，且开口120相对于周期底切孔112更靠近第一线。
开口120的位置及尺寸改变(例如，增加/减少)传输阻挡区110的光传递特性。在光学耦合器结构100及芯片116内的相应光学耦合器的制造期间，开口120的不当排列(由例如掩膜未对准或不当蚀刻引起)将使一行开口120更靠近第一线，这将改变传输阻挡区110内的绝缘体层136的光传递特性。由一行开口120更靠近第一线引起(或由开口120比设计更大或更小引起)的传输阻挡区110的光传递特性的改变将相应改变从波导结构106的一端穿过传输阻挡区110至另一端传递的光能的量，从而导致光栅耦合器102、104中的输出光栅耦合器所提供的输出信号的改变(相对于设计的/预期的输出信号)。因此，在芯片116内的光学耦合器内发生的掩膜未对准/过蚀刻造成的对准/尺寸变化是由光栅耦合器102、104的其中之一所提供的输出信号的变化标示。
为使开口120的排列/尺寸变化有意义，利用用以形成芯片116内的光学耦合器的对准敏感特征的相同掩膜来形成开口120。例如，用以图案化光学耦合器结构100中的开口120的其中一些或全部的掩膜可为用以图案化V槽(其自对准芯片116的光学耦合器装置内的光纤)的同一掩膜，或者用以图案化芯片116的光学耦合器装置内的波导的同一掩膜等。芯片116的光学耦合器装置内的V槽或波导的过蚀刻/未对准将导致开口120的排列/尺寸变化，因为同时使用相同的掩膜及蚀刻制程来形成这些项目。
因此，在一个非限制性例子中，如果使用同一掩膜来图案化开口120以及芯片116的光学耦合器装置内的V槽，则未对准或过蚀刻将使开口120及V槽未对准或使其尺寸不同于与它们的设计尺寸(例如，太大、太小)。未对准或尺寸不同的开口120造成传输阻挡区110的光导特性变化，导致光栅耦合器102、104的其中之一所提供的输出信号提供关于光纤不会在芯片116的光学耦合器装置的边缘的V槽中适当对准的标示。另外，此未对准标示是在不使用边缘连接光学耦合器结构的情况下产生，因为本文中的光学耦合器结构100使用光栅耦合器102、104。
尽管上面提到一些掩膜(例如，V槽图案化掩膜、波导图案化掩膜等)，但可使用用以制造芯片116的光学耦合器装置的任意组件的任意掩膜或其它处理步骤来图案化开口120。因此，可识别芯片116的光学耦合器装置的许多不同的对准敏感特征，且开口120的形成可与此类特征同时进行(利用相同的制程及结构)，以允许开口120的变化提供关于芯片116的光学耦合器装置的制造变化的标示。
此外，在光学耦合器形成的不同处理阶段可形成不同的开口120。因此，例如，如果确定三个掩膜/蚀刻制程对于芯片116内的光学耦合器内的组件的适当对齐是关键的，则每行开口120中的至少一个开口120可通过使用该三个掩膜中的第一个掩膜形成，每行开口120中的至少另一个开口120可通过使用该三个掩膜中的第二个掩膜形成，每行开口120中的又一个或更多开口120可通过使用该三个掩膜中的最后一个掩膜形成。这三个掩膜中任意一个掩膜的未对准将导致至少一些开口120更靠近第一线，从而改变光栅耦合器102、104的其中之一所提供的输出信号。以此方式，一些开口120可代表芯片116内的光学耦合器的一个组件的形成，而其它开口120可代表芯片116内的光学耦合器的不同组件的形成。因此，开口120不限于监控芯片116内的光学耦合器的单个组件，而是可用以同时监控形成于不同的制造处理阶段的芯片116内的光学耦合器的多个组件的制造。
使用不同的开口124来代表芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段还可用以标示未对准的严重程度，因为较大数目的开口120的未对准通常会产生较大的输出信号发散(相对于假定没有制造缺陷的设计输出信号)。例如，如果仅这三个掩膜中的一个掩膜未对准，则输出信号的变化可能很小；然而，如果三个掩膜都未对准，则输出信号的变化将较大，标示较大的未对准问题。以此方式，当使用不同的开口120来代表芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段时，较大的输出信号发散可标示较严重的未对准问题。
在本文中的结构的概念相关特征中，在测试期间可考虑具有不同对准重要性的芯片116内的光学耦合器的不同组件的对准的相对重要性。例如，当使用不同的开口120来代表芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段时，较多的开口120可与该芯片内的光学耦合器的第一组件相关。此第一组件可被视为具有相对较高的对准重要性，因为在芯片116内的光学耦合器内的此第一组件的适当功能可能与适当对准高度相关。相比之下，较少的开口120可与芯片116内的光学耦合器的第二组件相关，其适当功能可能对适当对准不那么敏感。由此，相对于第二特征的未对准(其将导致较小数目的开口120的未对准)，第一特征的未对准(以及在传输阻挡区110中的较大数目的开口120的相应未对准)将引起输出信号的较大变化。以此方式，当使用不同的开口120代表芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段时，较大的输出信号发散可标示更多的对准关键组件遭受制造缺陷。
因此，所有开口120不需要(但可以)形成于同一制程中，且在本文中的结构的一些实施中，不同的开口120可与芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段同时形成。或者，即使开口120被良好地制造，分段结构106的CD偏移及未对准也可影响光传输，并因此可揭示其制造质量。
图3A-3D显示可将不同模式的开口120用于不同的测试目的。例如，如图3A-3C中所示，可使用在开口之间的不同宽度(w1相对于w2相对于w3)来控制将引起输出信号的变化的未对准的量。由于相对于图3A及3B，图3C中的开口120间隔较远，因此，对于较小量的未对准，图3A中的开口模式将更容易产生输出信号变化，而图3B中所示的模式将产生相对较小的输出信号变化，而图3C中所示的模式产生更小的输出信号变化。以此方式，开口120的行之间的间距可控制本文中的光学耦合器结构的敏感性。
尽管先前的例子显示该空洞开口阵列的开口120可呈线性排列，但图3D显示该开口可呈曲线排列，以将测试集中于芯片116内的光学耦合器的其它制造实施方式，这在使用不同的开口120来代表芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段时尤其有用，如上所述。例如，更接近第一线的开口120将对输出信号的变化产生更大的影响(更大的意义)，因为与距离第一线较远的那些开口120相比，它们将在更大程度上改变传输阻挡区110的光传输特性。
因此，通过图2A-3D中所示的传输阻挡区110处的阵列，在不同晶圆114上制造的不同光学耦合器结构100的输出差异可用以非常精确地预测在这些不同晶圆上同时形成的光纤耦合器的边缘对准特性。另外，在芯片116内同时形成的光纤耦合器的这些边缘对准特性差异可通过使用向光栅耦合器102、104提供以及自光栅耦合器102、104接收的输入和输出来发现，这避免了以边缘连接的方式提供信号的需要。换句话说，与光学耦合器结构100同时形成的光纤耦合器的对准特性差异可在不切割晶圆或将光纤与边缘连接光学耦合器结构的边缘对准的情况下发现，因为可通过本文中的光学耦合器结构100，利用垂直连接至未切割晶圆上的光栅耦合器102、104的光纤来确定信号及输出。
图4A-4B避免使用先前实施例中所示的片段或超材料122。图4B显示图4A中所示的光纤耦合器结构沿线C-C(由图2A中所示的第一线的部分及第二线形成)的示意剖视图。图4A-4B中所示的连续波导106使用连续锥形区段122A，其可改变穿过传输阻挡区110传递的光能(相对于片段或超材料122)，从而允许针对不同形式的测试进一步改进本文中的光学耦合器结构100。
图5A-5B及6A-6B分别包括额外的光栅耦合器150及光检测器160，它们可用以为光学耦合器结构100提供不同的连接。具体地说，项目150为光栅耦合器，直接连接于该结构内，以直接输出光，项目160为光检测器，邻近该结构构建，以测量传输功率，而没有光输出。图5B是图5A中所示的光纤耦合器结构沿线C-C的示意剖视图，类似地，图6B是图6A中所示的光纤耦合器结构沿线C-C的示意剖视图。在这些不同的例子中，光栅耦合器或光检测器150、160具有不同的形状，且可由不同的材料形成。例如，表面光栅150可通过底部硅片(bottomsilicon slab)与顶部周期弯曲光栅(top periodic curved grating)组合形成。光检测器160可形成为具有矩形形状的沉积锗光检测器，其具有瞬逝光耦合(evanescent lightcoupling)。这些光栅耦合器及光检测器150、160可在芯片116内的光学耦合器内同时形成。因此，光栅耦合器150可包括任意有用的晶体硅类似材料，包括多晶硅、非晶硅、非晶硅与多晶硅的组合，并通过合适的掺杂物的存在而导电。或者，本文中的光检测器160可包括金属，例如用于近红外信号吸收及检测的锗，或用于较短波长信号吸收及检测的硅，此类金属的任意合金，且可通过使用物理气相沉积、化学气相沉积，或本领域中已知的任意其它技术来沉积。为这些光栅耦合器或光检测器选择的材料是150、160，且可制作本文中所述的任意其它组件，以促进芯片116内的光学耦合器及/或光学耦合器结构100的最有效操作。
图7显示一种可使用图5A-5B的光栅耦合器150或图6A-6B的光检测器160的方式。具体来说，图7显示与提供多个波导106的光栅耦合器102连接的许多光学耦合器结构100。光栅耦合器或光检测器150、160可连接至其它光学耦合器结构100(两倍(x2)、三倍(x3)、四倍(x4))，它们最终连接至另一个光栅耦合器104，以建立削减测量(cut-backmeasurement)。各该不同的光学耦合器结构100可经设计以评估芯片116内的光学耦合器的相同或不同的制造实施方式，或者，不同的光学耦合器结构100可专用于晶圆114上的特定芯片116。因此，图7中所示的结构允许同时测试许多不同的光学耦合器以及该光学耦合器的许多不同制造实施方式。
图8A-9中显示位于传输阻挡区110内的阵列结构的一些其它例子。在这些例子中，不使用先前讨论的开口120的模式，而是使用分离元件170、172、174来改变传输阻挡区110的光传输特性。此外，相对于绝缘体层136的连续的、不间断的、无特征的部分，开口120与分离元件170、172、174都改变传输阻挡区110的光特性。下面所述的分离元件170、172、174可与上面所述的开口120位于相同的位置，并具有相同的模式。它们与空洞孔120类似地作用，以阻挡或散射经过传输阻挡区110的光的部分。相比之下，周期底切孔112用以生成V槽的底切，且不作为任意形式的功能阻挡物，像空洞孔120或分离元件170、172、174那样。
具体地说，图8B及8C是图8A中所示的光纤耦合器结构沿线C-C的示意剖视图。以与上述类似的方式，分离元件170仅位于传输阻挡区110中，且分离元件170偏离第一线。该阻挡元件阵列的分离元件170沿传输阻挡区110平行于第一线并偏离第一线而排列于绝缘体层136中。以与上述开口120的未对准类似的方式，在制造期间的未对准、尺寸变化或偏移缺陷可导致分离元件170的相应未对准、尺寸变化、偏移等，这将改变传输阻挡区110的传输特性。例如，如上所述，一个或多个分离元件170可因偏移制造缺陷而在波导106的端部之间移动，这可改变输出信号，从而标示这些制造缺陷已发生于芯片116中的光学耦合器内。
分离元件170在用以形成光学耦合器及芯片116的组件的相同制造处理步骤中同时形成。因此，分离元件170可为许多不同的材料的其中一种。例如，分离元件170可包括与波导106相同的材料(硅)或不同的材料(例如，多晶硅、氮化硅等)。此外，当存在未对准/偏移制造缺陷时，用于分离元件170的各种不同材料对传输阻挡区110的光传输特性可具有不同的影响，这可导致输出信号的不同变化。
以与上述开口120类似的方式，可使用分离元件170中的不同元件来代表芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段。如上所述，较大的输出信号发散可标示较严重的未对准问题，或者芯片116内的光学耦合器的较高对准关键组件可能受影响。因此，可以与如上所述的开口120相同的方式使用分离元件170。然而，尽管开口120在用于测试掩蔽及边缘制程时是有用的，但分离元件170可用于沉积、注入、以及其它材料形成制程。因此，分离元件170在测试由材料形成制程中的缺陷导致的关键尺寸偏移缺陷及不规则尺寸/间距时同样有用。
该阻挡元件阵列的分离元件170可为位于绝缘体层136及包覆层108内的一个或多个层级。图8C显示可在芯片116内的光学耦合器的不同制造处理阶段形成多个层级的分离元件(170、172、174)。以与如上所述相同的方式，用于不同层级的分离元件170、172、174的不同模式及不同材料可经选择/调整以反映芯片116内的光学耦合器内的不同组件的对准重要性。例如，由于用于不同层级的分离元件170、172、174的不同图案及/或不同材料，不同层级的分离元件170、172、174的其中一层级的未对准相对于另一层级的未对准可产生具有不同签名的输出。同样，这里，输出不仅仅是标示存在某些制造变化，而是可标示与该制造变化相关的特定组件或处理步骤。
因此，关于光学耦合器形成的对准敏感或偏移敏感处理阶段，分离元件170、172、174与形成芯片116内的光学耦合器的此类处理同时形成。因此，一些或更多分离元件170、172、174的不当对准/偏移可标示芯片116内的光学耦合器的制造变化特定对准或偏移问题。此外，未对准或偏移问题的严重性可由当一个或多个分离元件170、172、174改变传输阻挡区110的光传输特性时所引起的输出信号的变化量表示。
如上面由图3D所示，在图9中显示分离元件170可呈曲线排列，以将测试集中于芯片116内的光学耦合器的其它制造实施方式，或者允许一些分离元件170(更接近第一线)对输出信号的变化产生更大的影响(更大的意义)。
本文中所使用的“注入制程”可采取任意合适的形式(无论现在已知还是未来开发的)且可例如为离子注入等。外延生长发生于加热(有时加压)环境下，该环境富含要生长的材料的气体。
当图案化这里的任意材料时，可以任意已知的方式生长或沉积要被图案化的该材料，且可在该材料上方形成图案化层(例如有机光阻)。可将该图案化层(阻剂)暴露于以光曝光图案设置的某种模式的光辐射(例如，图案化曝光、激光曝光等)，接着使用化学剂显影该阻剂。此制程改变该阻剂中暴露于光的部分的物理特性。接着，可冲洗掉该阻剂的一部分，使该阻剂的其它部分保护要被图案化的该材料(冲洗掉该阻剂的哪部分取决于该阻剂是负型阻剂(保留受照部分)还是正型阻剂(冲洗掉受照部分))。接着，执行材料移除制程(例如，湿式蚀刻、非等向性蚀刻(取向依赖蚀刻)、等离子体蚀刻(反应离子蚀刻(reactiveion etching；RIE)等))，以移除要被图案化的该阻剂下方的该材料的未受保护部分。随后，移除该阻剂，使下方材料依据该光曝光图案(或其负型图像)被图案化。
本文中所使用的术语仅是出于说明特定实施例的目的，并非意图限制上述实施例。除非上下文中另外明确指出，否则本文中所使用的单数形式“一个”以及“该”也意图包括复数形式。而且，本文中所使用的术语如“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“平行”、“垂直”等意图说明当它们以附图中取向并显示时的相对位置(除非另外指出)，且术语如“接触”、“直接接触”、“毗邻”、“直接相邻”、“紧邻”等意图表示至少一个元件物理接触另一个元件(没有其它元件隔开所述元件)。本文中所使用的术语“横向”说明当元件以附图中取向并显示时所述元件的相对位置，尤其表示一个元件位于另一个元件的侧边而不是另一个元件的上方或下方。例如，一个元件横向邻近另一个元件将在该另一个元件旁边，一个元件横向紧邻另一个元件将直接在该另一个元件旁边，以及一个元件横向围绕另一个元件将邻近并环绕该另一个元件的外侧壁。
除显示在各阶段的当前实施例的方法及功能以外，各附图还显示通过一个或多个装置及结构整体或部分实施的方法的逻辑。这些装置及结构经配置以(也就是，包括一个或多个组件，例如电阻器、电容器、晶体管及类似物，它们经连接以实现过程的执行)实施上述方法。换句话说，可创建一个或多个电脑硬件装置，其经配置以实施本文中参照附图及其相应说明所述的方法及过程。
本文中的实施例可用于各种电子应用，包括但不限于高级传感器、存储器/数据储存、半导体、微处理器以及其它应用。制造者可以原始晶圆形式(也就是，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸芯片，或者以封装形式分配所得装置及结构，例如集成电路(IC)芯片。在后一种情况中，该芯片设于单芯片封装件中(例如塑料承载件，其具有附着至母板或其它更高层次承载件的引脚)或者多芯片封装件中(例如陶瓷承载件，其具有单面或双面互连或嵌埋互连)。在任何情况下，接着将该芯片与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为(a)中间产品例如母板的部分，或者作为(b)最终产品的部分。该最终产品可为包括集成电路芯片的任意产品，涉及范围从玩具及其它低端应用直至具有显示器、键盘或其它输入装置以及中央处理器的先进电脑产品。
下面的权利要求中的所有方式或步骤加功能元素的相应结构、材料、动作及等同意图包括执行该功能的任意结构、材料或动作结合具体请求保护的其它请求保护的元素。对本实施例所作的说明是出于示例及说明目的，而非意图详尽无遗或限于所揭示形式的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离本文中的实施例的范围及精神。该实施例经选择及说明以最佳解释此类实施例的原理，及实际应用，以及使本领域的其他普通技术人员能够理解具有适于所考虑的特定应用的各种变更的各种实施例。
尽管上面仅结合有限数目的实施例来详细说明，但很容易理解，本文中的实施例不限于这些公开的内容。相反，可修改本文中的元件以包含此前未说明但符合本文的精神及范围的任意数目的变化、更改、替代或等同布置。此外，尽管已说明各种实施例，但应当理解，本文中的实施方式可仅被某些所述实施例包括。相应地，下面的权利要求将不被视为被上述说明限制。除非特别说明，否则提及单数元件并不意图意味着“一个且仅一个”，而是“一个或多个”。本申请中所述的各种实施例的元件的所有结构及功能等同(其为本领域的普通技术人员已知的或后来逐渐知道的)通过引用明确包含于此并意图被本申请包括。因此，应当理解，在所揭示的特定实施例中可作变更，其落入如所附权利要求所概述的上述范围内。

Claims (20)

1.一种光学耦合器结构，包括：
绝缘体层，位于衬底上；
波导结构，位于该绝缘体层中；
包覆层，位于该波导结构及该绝缘体层上；以及
光栅耦合器，位于该包覆层上，
其中，该波导结构连接于该光栅耦合器之间，
其中，该波导结构包括位于该光栅耦合器之间的不连续区段，以及
其中，该绝缘体层包括位于该波导结构的该不连续区段之间的传输阻挡区处的空洞开口阵列。
2.如权利要求1所述的光学耦合器结构，其中，该空洞开口阵列包括延伸穿过该包覆层、该绝缘体层、以及该衬底的上层的开口。
3.如权利要求2所述的光学耦合器结构，其中，该波导结构沿第一线呈线性，以及其中，该空洞开口阵列的该开口沿该传输阻挡区以平行于该第一线并偏离该第一线的方式排列于该绝缘体层中。
4.如权利要求2所述的光学耦合器结构，其中，该空洞开口阵列的该开口呈线性或曲线排列。
5.如权利要求2所述的光学耦合器结构，其中，该衬底包括与该上层连接的下层，
其中，该上层位于该下层与该绝缘体层之间，
其中，该下层包括与该波导结构对齐并平行的凹槽，
其中，该空洞开口阵列的该开口自该包覆层延伸至该凹槽。
6.如权利要求1所述的光学耦合器结构，还包括位于该波导结构的该不连续区段的至少其中之一上的图案化导体。
7.如权利要求1所述的光学耦合器结构，其中，该波导结构包括与该传输阻挡区毗邻的连续的或分段的锥形波导结构端部。
8.一种光学耦合器结构，包括：
绝缘体层，位于衬底上；
波导结构，位于该绝缘体层中；
包覆层，位于该波导结构及该绝缘体层上；以及
光栅耦合器，位于该包覆层上，
其中，该波导结构连接于该光栅耦合器之间，
其中，该波导结构包括位于该光栅耦合器之间的不连续区段，以及
其中，该绝缘体层包括位于该波导结构的该不连续区段之间的传输阻挡区处的阻挡元件阵列。
9.如权利要求8所述的光学耦合器结构，其中，该阻挡元件阵列包括位于该绝缘体层中的分离元件。
10.如权利要求9所述的光学耦合器结构，其中，该波导结构沿第一线呈线性，以及其中，该阻挡元件阵列的该分离元件沿该传输阻挡区以平行于该第一线并偏离该第一线的方式排列于该绝缘体层中。
11.如权利要求9所述的光学耦合器结构，其中，该阻挡元件阵列的该分离元件呈线性或曲线排列。
12.如权利要求9所述的光学耦合器结构，其中，该阻挡元件阵列的该分离元件包括位于该绝缘体层及该包覆层内的导电分离元件或绝缘分离元件的一个或多个层级。
13.如权利要求8所述的光学耦合器结构，还包括位于该波导结构的该不连续区段的至少其中之一上的图案化导体。
14.如权利要求8所述的光学耦合器结构，其中，该波导结构包括与该传输阻挡区毗邻的连续的或分段的锥形波导结构端部。
15.一种光学耦合器结构，包括：
绝缘体层，位于衬底上；
波导结构，位于该绝缘体层中；
包覆层，位于该波导结构及该绝缘体层上；以及
光栅耦合器，位于该包覆层上，
其中，该波导结构连接于该光栅耦合器之间，
其中，该波导结构包括位于该光栅耦合器之间的不连续区段，以及
其中，该绝缘体层包括位于该波导结构的该不连续区段之间的传输阻挡区处的阵列。
16.如权利要求15所述的光学耦合器结构，其中，该阵列包括由位于该绝缘体层中的分离元件构成的阻挡元件阵列。
17.如权利要求16所述的光学耦合器结构，其中，该波导结构沿第一线呈线性，以及其中，该阻挡元件阵列的该分离元件沿该传输阻挡区以平行于该第一线并偏离该第一线的方式排列于该绝缘体层中。
18.如权利要求16所述的光学耦合器结构，其中，该阻挡元件阵列的该分离元件包括位于该绝缘体层及该包覆层内的导电分离元件或绝缘分离元件的一个或多个层级。
19.如权利要求15所述的光学耦合器结构，其中，该阵列包括由延伸穿过该包覆层、该绝缘体层、以及该衬底的上层的开口构成的空洞开口阵列，以及
其中，该空洞开口阵列的该开口呈线性或曲线排列。
20.如权利要求15所述的光学耦合器结构，还包括位于该波导结构的该不连续区段的至少其中之一上的图案化导体。
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