CN114910998B - 具有多层级式的层的混合边缘耦合器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及具有多层级式的层的混合边缘耦合器，揭示包含边缘耦合器的结构以及制造包含边缘耦合器的结构的方法。该结构包含具有边缘的介电层、介电层上的波导芯区以及介电层上的多个节段。波导芯区具有端面，且波导芯区朝向端面而纵长逐渐变细。这些节段定位于波导芯区与介电层的边缘间。波导芯具有以重叠布置定位于波导芯区上方的区段。波导芯具有端面，且波导芯的区段朝向端面而纵长逐渐变细。
Description
技术领域
本发明涉及光子芯片(photonics chip)，且更具体地说，涉及包含边缘耦合器(edge coupler)的结构以及制造包含边缘耦合器的结构的方法。
背景技术
光子芯片用于许多应用及系统，包含数据通信系统及数据计算系统。光子芯片将光学组件(例如波导、光开关、边缘耦合器及偏振器(polarizer))以及电子组件(例如场效应晶体管(field-effect transistors))集成到一个统一平台中，除其他因素外，布局面积、成本及运营开销可通过两种类型的组件的集成来减少。
边缘耦合器，也称为光斑尺寸耦合器(spot-size coupler)，通常用于将给定模式的光从光纤耦合到光子芯片上的光学组件。边缘耦合器可以包含波导芯的一区段，其定义与光子芯片的边缘相邻的倒锥体(inverse taper)。对应于模式传播方向，倒锥体是指波导芯的锥形区段，其特征在于宽度沿着模式传播方向逐渐增加。在边缘耦合器构造中，倒锥体的顶部处的窄端靠近光纤布置，倒锥体的宽端与波导芯的另一区段连接，波导芯的另一区段将光从边缘耦合器路由出去且路由到光子芯片的光学组件。
当光从光纤传输到光子芯片时，倒锥体的逐渐变化的剖面面积支持与模式转换(mode conversion)相关的模式变换(mode transformation)及模式尺寸变化。倒锥体的尖端处的窄端不能完全限制从光纤接收的入射模式，因为其窄端处的尖端的剖面面积小于模式尺寸。因此，入射模式的相当大比例的电磁场分布在倒锥体的尖端附近。随着其宽度的增加，倒锥体可支持整个入射模式且将电磁场限制在倒锥体内。
由于归因于材料硅的非线性机制，硅基边缘耦合器(silicon-based edgecoupler)可能会受到功率相关的损耗的影响。此外，硅基边缘耦合器在高输入光功率下可能容易受到不可逆损坏，这是因为随着倒锥体变宽，增强的光能量密度及远离光路径的热传输变化的组合。边缘耦合器的倒锥体可能是边缘耦合器对不可逆损坏最敏感的部分。
需要包含边缘耦合器的改进结构以及制造包含边缘耦合器的结构的方法。
发明内容
在本发明的一实施例中，提供一种用于边缘耦合器的结构。该结构包含具有边缘的介电层、该介电层上的波导芯区、以及该介电层上的多个节段(segment)。该波导芯区具有端面，且该波导芯区朝向该端面而纵长(lengthwise)逐渐变细。该多个节段定位于该波导芯区与该介电层的该边缘之间。该结构还包含波导芯，该波导芯具有以重叠布置定位于该波导芯区上方的区段。波导芯具有端面，且该波导芯的该区段朝向该端面而纵长逐渐变细。
在本发明的一实施例中，提供一种形成用于边缘耦合器的结构的方法。该方法包含在介电层上形成波导芯区，在该介电层上形成多个节段，以及形成包含以重叠布置定位于该波导芯区上方的区段的波导芯。该多个节段定位于该波导芯区与该介电层的边缘之间。该波导芯区具有端面，且该波导芯区朝向该端面而纵长逐渐变细。该波导芯具有端面，且该区段朝向该端面而纵长逐渐变细。
附图说明
包含在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的各种实施例，且与上方给出的本发明的一般描述及下方给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的实施例。在各种附图中，相同的附图标记表示相同的特征。
图1是根据本发明实施例的处理方法的初始制造阶段的结构的顶视图。
图2是通常沿着图1中的线2-2截取的结构的剖面视图。
图2A是通常沿着图1中的线2A-2A截取的结构的剖面视图。
图2B是通常沿着图1中的线2B-2B截取的结构的剖面视图。
图3是在图1之后的处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
图4是通常沿着图3中的线4-4截取的结构的剖面视图。
图4A是通常沿着图3中的线4A-4A截取的结构的剖面视图。
图4B是通常沿着图3中的线4B-4B截取的结构的剖面视图。
图5是在图3之后的处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
图6是通常沿着图5中的线6-6截取的结构的剖面视图。
图6A是通常沿着图5中的线6A-6A截取的结构的剖面视图。
图6B是通常沿着图5中的线6B-6B截取的结构的剖面视图。
图7是根据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
图8是根据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
具体实施方式
参照图1、2、2A、2B且根据本发明的实施例，边缘耦合器的结构10包含多个节段(segment)12、多个节段14及覆盖有节段14的波导芯区16，以及与节段14和波导芯区16相邻的锥形波导芯区18。节段12、节段14、波导芯区16及锥形波导芯区18可沿着纵向轴线(longitudinal axis)21对齐纵向布置。节段14及波导芯区16纵向定位于节段12与锥形波导芯区18之间。
激光(laser light)可从光纤(optical fiber)(未示出)指向结构10。激光可具有给定的波长、强度、模式形状及模式尺寸，且结构10对激光提供光斑尺寸转换(spot sizeconversion)。光纤与结构10之间的间隙或空间可通过空气填充，或者，可以通过折射率匹配材料填充或可包含透镜。光在结构10内从节段12朝向锥形波导芯区18的方向传播。
节段12、节段14、波导芯区16及锥形波导芯区18可定位于介电层24上方。在一实施例中，介电层24可由二氧化硅组成。在一实施例中，介电层24可以是绝缘体上硅衬底(silicon-on-insulator substrate)的掩埋氧化物层(buried oxide layer)，且绝缘体上硅衬底还可包含由单晶半导体材料(例如，单晶硅)组成的处理衬底26。节段12、及段14、波导芯区16及锥形波导芯区18可由单晶半导体材料组成，例如单晶硅。在一实施例中，节段12、节段14、波导芯区16及锥形波导芯区18可通过光刻及蚀刻工艺从绝缘体上硅晶圆(wafer)的单晶硅装置层图案化。
节段12位于最初从光纤接收激光的结构10的部分中。节段12是离散的且彼此分开。在这方面，节段12通过凹槽13分隔开，从而定义光栅状结构(grating-likestructure)。节段12可具有在横向于纵向轴线21的方向上的宽度尺寸(width dimension)，该宽度尺寸沿着纵向轴线21的位置而变化。
节段14及波导芯区16位于结构10的一部分中，该部分将激光从节段12传输到锥形波导芯区18。通过波导芯区16连接的节段14可在横向于纵向轴线21的方向上具有宽度尺寸，该宽度尺寸沿着纵向轴线21的位置而变化。各节段14的部分从波导芯区16的相对侧边缘向外突出以提供宽度尺寸的变化。
节段12、14可以足够小的节距定位，以便不辐射或反射工作波长的光且充当有效的光学材料，并因此定义超材料波导(metamaterial waveguide)。在一实施例中，节段12的节距及占空比(duty cycle)可以是相同的以定义周期性布置。在替代实施例中，节段12的节距及/或占空比可以变迹(apodized)(即，不相同)以定义非周期性布置。在一实施例中，节段14的节距及占空比可以是相同的以定义周期性布置。在替代实施例中，节段14的节距及/或占空比可以变迹(即，不相同)以定义非周期性布置。
锥形波导芯区18具有从与波导芯区16的相交处延伸到端面28的侧壁20及侧壁22。锥形波导芯区18可直接连接到波导芯区16。锥形波导芯区18从波导芯区16沿着纵向轴线21纵长(lengthwise)延伸且终止于端面28。锥形波导芯区18具有可从与波导芯区16的界面到端面28所测量的长度L1。
锥形波导芯区18具有在光传播方向上沿着纵向轴线21的位置而变化的宽度尺寸(即，纵长逐渐变细(lengthwise tapered))。锥形波导芯区18的宽度尺寸随着距离节段14及波导芯区16的距离增加而增加，且随着距离端面28的距离减小而减小。锥形波导芯区18具有出现在端面28处的最小宽度w1。例如，锥形波导芯区18可从与波导芯区16相交处的280纳米(nanometer)的宽度缩短到端面28处的90纳米的宽度。在一实施例中，锥形波导芯区18的宽度尺寸可以在端面28处最窄且基于线性函数在其长度L1上变化以提供梯形形状。在替代实施例中，锥形波导芯区18的宽度尺寸可以在端面28处最窄且基于非线性函数(例如二次函数、抛物线函数或指数函数)在其长度L1上变化。
参照图3、4、4A、4B，其中相同的附图标记表示图1、2中相同的特征且在随后的制造阶段，在节段12、节段14、波导芯区16、锥形波导芯区18和介电层24上方形成介电层30。介电层30可由二氧化硅组成，其可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition)沉积且通过化学机械抛光(chemical mechanical polishing)平坦化。
波导芯32定位于介电层30上。波导芯32包含在锥形波导芯区18上方的锥形区段(section)34以及连接到锥形区段34的非锥形区段33。波导芯32沿着纵向轴线35纵长延伸且终止于端面38。锥形区段34可与锥形波导芯区18完全重叠。锥形区段34可定位成部分地与锥形波导芯区18重叠且部分地与节段14及和波导芯32的端面38相邻的波导芯区16重叠。在一实施例中，波导芯32的锥形区段34可在锥形波导芯区18上方居中。锥形区段34具有从波导芯32的端面38延伸到与非锥形区段33相交的侧壁36及侧壁37。锥形区段34具有可从端面38到与非锥形区段33的界面所测量的长度L2。锥形区段34的长度L2可大于长度L1(图1)。
锥形区段34在宽度上可随着距离端面38的距离增加而增加。锥形区段34具有沿着纵向轴线35的位置而变化的宽度尺寸。锥形区段34在沿着纵向轴线35的方向上随着距离端面38的距离增加而逐渐变宽，且在端面38处具有最小宽度w2。例如，锥形区段34可从端面38处的120纳米的宽度到锥形末端处的800纳米的宽度相反地逐渐变细。在一实施例中，锥形区段34定义相对于锥形波导芯区18的锥形而朝相反方向上逐渐变细的倒锥体。如本文所用，倒锥体是宽度沿着光的传播方向逐渐增加的波导芯的锥形区段。在一实施例中，锥形区段34的宽度尺寸可以在端面38处最窄且基于线性函数在其长度L2上变化以提供梯形形状。在替代实施例中，锥形区段34的宽度尺寸可以在端面38处最窄且基于非线性函数(例如二次函数、抛物线函数或指数函数)在其长度L2上变化。在一实施例中，在重叠存在的任何纵向位置处，锥形区段34的宽度尺寸可大于锥形波导芯区18的宽度尺寸。
参照图5、6、6A、6B，其中相同的附图标记表示图3、4中相同的特征且在随后的制造阶段，在介电层30及波导芯32上方形成介电层40。介电层40可由通过化学气相沉积沉积且通过化学机械抛光平坦化的二氧化硅组成。在介电层40上方形成包含层间介电层的堆栈的后端堆栈(back-end-of-line stack)42，且靠近结构10的后端堆栈42的一部分被移除且被替换为介电层44。介电层44可由通过化学气相沉积沉积且通过化学机械抛光平坦化的二氧化硅组成。后端堆栈42及介电层44沿着从后端堆栈42的层间介电层到介电层44的过渡(transition)的界面43汇合。波导芯32的端面38可与界面43共同延伸(coextensive)(即，共享边界)。
凹槽46形成在处理衬底26中，其从处理衬底26的边缘27延伸到介电层24的边缘25，且接着还延伸到介电层24及结构10的一部分下方作为底切(undercut)。边缘25代表介电层24的边界处的侧表面。边缘27代表在处理衬底26的边界处的表面，该表面与介电层24的边缘25水平间隔一距离d。边缘27也与界面43水平间隔一距离d2。
凹槽46可通过一种多步骤工艺来形成。可使用光刻及蚀刻工艺以形成延伸穿过介电层24、30、40且进入边缘25、27之间的处理衬底26中的矩形开口，以及也形成延伸穿过介电层24、30、40且进入与结构10相邻的处理衬底26中的孔(未示出)。矩形开口的形成定义介电层24的边缘25。然后可以用抗蚀剂掩蔽处理衬底26中的矩形开口，且可通过使用例如六氟化硫等离子体(sulfur hexafluoride plasma)的蚀刻工艺透过孔蚀刻在结构10的部分下方的处理衬底26以提供初始底切。在移除抗蚀剂之后，可使用湿化学蚀刻剂(wetchemical etchant)来提供边缘25、27之间的凹槽46的部分且提供具有V形或U形的底切的凹槽46的部分。湿化学蚀刻剂可显出关于处理衬底26的半导体材料的晶体取向(crystalorientation)的选择性，且其特征可在于沿着不同晶体方向的不同蚀刻速率，其产生V形或U形。例如，湿化学蚀刻剂可以是含有四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide,TMAH)的溶液。
处理衬底26中的凹槽46的一部分定位成与介电层24的边缘25相邻，且因此定位成与结构10相邻。光纤的尖端可至少部分地通过与结构10相邻的凹槽46的部分的侧壁插入及支撑。低折射率粘合剂(low-index adhesive)可用于组装光纤的尖端且可填充凹槽46的全部或部分。凹槽46的一部分定位于结构10的一部分下方，且介电层24的一部分定位于凹槽46与结构10之间。位于凹槽46上方的介电层24的部分定义通过凹槽46底切的膜(membrane)。
在本文所描述的任何实施例中，结构10可集成到包含电子组件及额外的光学组件的光子芯片中。例如，电子组件可包含通过CMOS处理所制造的场效应晶体管。
用于边缘耦合器的结构10包含锥形波导芯区18及锥形区段34之间的本质过渡(intrinsic transition)，该锥形波导芯区18及该锥形区段34位于介电层24上方的不同层级(level)的高度(elevation)。用于边缘耦合器的结构10具有混合构造(hybridconstruction)，包含位于不同层级中的不同成分的材料。在结构10内的锥形波导芯区18与锥形区段34之间的多层级过渡的并入可提供快速模式转换，且提供改进的功率处理(powerhandling)，使得锥形波导芯区18较不容易损坏。在结构10中引入除硅之外的材料可减少在光功率通过结构从光纤传输到光子芯片上的光学组件期间的功率相关损耗(power-dependent loss)。
参照图7，其中相同的附图标记表示图1中相同的特征且根据本发明的替代实施例，可修改锥形波导芯区18以沿着纵向轴线21在长度上延伸超过波导芯32的锥形区段34，使得锥形波导芯区18的一部分与波导芯32的锥形区段34重叠，且锥形波导芯区18的不同部分与波导芯32的非锥形区段33重叠。延伸的锥形波导芯区18的端面28位于波导芯32的非锥形区段33下方，而非位于波导芯32的锥形区段34下方。
参照图8，其中相同的附图标记表示图3中相同的特征且根据本发明的替代实施例，可修改波导芯32的锥形区段34，使得端面38定位于锥形波导芯区18上方，而非位于节段14及波导芯区16上方。在一实施例中，端面38可直接定位于从节段14及波导芯区16到锥形波导芯区18的过渡上方。端面38在没有重叠的情况下从节段14及波导芯区16纵向偏移。
如上所述方法用于集成电路芯片的制造。最终的集成电路芯片可以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸管芯(bare die)、或者以封装形式分配。芯片可以与其他芯片、分立电路元件及/或其他信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是包含集成电路芯片的任何产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
本文中引用的由近似语言例如“约”、“大约”、和“实质上”修饰的用语不限于精确的特定值。近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，除非依赖于仪器的精度，否则可表示所述值的+/-10％。
本文中引用术语例如“垂直”、“水平”等作为示例来建立参考框架，并非限制。本文中所使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的传统平面平行的平面，而不论其实际的三维空间取向。术语“垂直”及“正交”是指垂直于如刚刚所定义的水平面的方向。术语“横向”是指在该水平平面内的方向。
与另一个特征“连接”或“耦接”的特征可与该另一个特征直接连接或耦接，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可与另一个特征“直接连接”或“直接耦接”。如果存在至少一个中间特征，则特征可与另一个特征“非直接连接”或“非直接耦接”。在另一个特征“上”或与其“接触”的特征可直接在该另一个特征上或与其直接接触，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可直接在另一个特征“上”或与其“直接接触”。如果存在至少一个中间特征，则特征可“不直接”在另一个特征“上”或与其“不直接接触”，如果一个特征用直接接触或间接接触延伸到另一个特征上且覆盖另一个特征的一部分，则不同的特征可能重叠。
对本发明的各种实施例所做的说明是出于示例说明目的，而非意图详尽无遗或限于所披露的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离所述实施例的范围及精神。本文中所使用的术语经选择以最佳解释实施例的原理、实际应用或在市场已知技术上的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中所披露的实施例。
Claims (18)
1.一种用于边缘耦合器的结构，其特征在于，该结构包括：
第一介电层，包含边缘；
第一波导芯区，位于该第一介电层上，该第一波导芯区具有端面，且该第一波导芯区朝向该端面而纵长逐渐变细；
多个节段，位于该第一介电层上，该多个节段定位于该第一波导芯区与该第一介电层的该边缘间；
波导芯，包含以重叠布置定位于该第一波导芯区上方的第一区段，该波导芯具有端面，且该第一区段朝向该端面而纵长逐渐变细；
后端堆栈，位于该波导芯上方；以及
第二介电层，具有与该后端堆栈相接的界面，该第二介电层从该界面延伸到该第一介电层的该边缘，
其中，该波导芯的该端面与该界面共同延伸。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯的该第一区段居中在该第一波导芯区上方。
3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯包括氮化硅，且该第一波导芯区及该多个节段包括单晶硅。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯区的该端面定位于该波导芯的该第一区段下方。
5.如权利要求4所述的结构，其特征在于，还包括：
第二波导芯区，覆盖有该多个节段，该第二波导芯区连接到该第一波导芯区，
其中，该波导芯的该端面定位于该第二波导芯区及该多个节段上方。
6.如权利要求4所述的结构，其特征在于，还包括：
第二波导芯区，覆盖有该多个节段，该第二波导芯区连接到该第一波导芯区，
其中，该波导芯的该端面定位于该第一波导芯区上方。
7.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
第二波导芯区，覆盖有该多个节段，该第二波导芯区连接到该第一波导芯区，
其中，该波导芯的该端面定位于该第二波导芯区及该多个节段上方。
8.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
第二波导芯区，覆盖有该多个节段，该第二波导芯区连接到该第一波导芯区，
其中，该波导芯的该端面定位于该第一波导芯区上方。
9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯区及该多个节段包括硅，该波导芯包括氮化硅，且还包括：
第三介电层，定位于该第一波导芯区与该波导芯的该第一区段间。
10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一介电层定位于衬底上，且该衬底包含在该第一介电层的该边缘下方及该多个节段下方延伸的凹槽。
11.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯区及该波导芯的该第一区段在相反方向逐渐变细。
12.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该多个节段及该第一波导芯区沿着纵向轴线对齐，且该多个节段沿着该纵向轴线间隔开。
13.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该界面及该波导芯的该端面定位于该多个节段上方。
14.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯包含与该第一区段邻接的第二区段，该第一区段定位于该第二区段与该波导芯的该端面间，且该第一波导芯区的该端面定位于该波导芯的该第二区段下方。
15.一种形成用于边缘耦合器的结构的方法，其特征在于，该方法包括：
在第一介电层上形成第一波导芯区，其中，该第一波导芯区具有端面，且该第一波导芯区朝向该端面而纵长逐渐变细；
在该第一介电层上形成多个节段，其中，该多个节段定位于该第一波导芯区与该第一介电层的边缘间；
形成波导芯，该波导芯包含以重叠布置定位于该第一波导芯区上方的区段，其中，该波导芯具有端面，且该区段朝向该端面而纵长逐渐变细；
在该波导芯上方形成后端堆栈；
移除该后端堆栈的第一部分；以及
形成具有与该后端堆栈的第二部分相接的界面的第二介电层，
其中，该第二介电层从该界面延伸到该第一介电层的该边缘，且该波导芯的该端面与该界面共同延伸。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该第一波导芯区的该端面定位于该波导芯的该区段下方。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
形成覆盖有该多个节段的第二波导芯区，该第二波导芯区连接到该第一波导芯区，
其中，该波导芯的该端面定位于该第二波导芯区及该多个节段上方。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
形成覆盖有该多个节段的第二波导芯区，该第二波导芯区连接到该第一波导芯区，
其中，该波导芯的该端面定位于该第一波导芯区上方。
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