CN115524796A - 耦合系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种耦合系统及其使用方法，耦合系统包含用以承载光信号的光纤。耦合系统进一步包含与光纤光通讯的晶片。光纤与晶片的顶表面之间的角度介于约92度至约88度的范围。晶片包含：光栅，用以接收光信号；及波导，其中光栅用以接收光信号且将光信号沿波导重导向。

Description

耦合系统及其使用方法

技术领域

本揭露有关于耦合系统及其使用方法。

背景技术

光栅可用于将光信号在晶片与光纤之间进行导向。光栅可用于将光信号自晶片导向至光纤以及将光信号自光纤导向至晶片。光栅有效地将晶片耦合至光纤的能力是基于光纤与光栅之间的角度。在标准光栅中，光纤相对于光栅的顶表面的法线以接近10度的角度定向。

在光纤与光栅之间的晶片的层中形成空腔，以便减少穿过晶片的层的光信号的信号损失。信号损失是归因于吸收、反射、折射及其类似者所致的。随着光栅与光纤之间的角度增加，空腔的尺寸增加。增加空腔的尺寸又导致晶片大小增加。

发明内容

本揭露的态样是关于一种耦合系统。耦合系统包含用以承载光信号的光纤。耦合系统进一步包含与光纤光通讯的晶片。光纤与晶片的顶表面之间的角度介于约92度至约88度的范围。晶片包含：光栅，用以接收光信号；及波导，其中光栅用以接收光信号且将光信号沿波导重导向。

本揭露的态样是关于一种耦合系统。耦合系统包含用以承载光信号的光纤，其中光纤具有第一宽度。耦合系统进一步包含与光纤光通讯的晶片，其中晶片限定具有第二宽度的空腔，第二宽度比第一宽度大约10％至约20％。晶片包含光栅，用以接收光信号；波导，用以接收自光栅重导向的光信号；及互连结构，处于光栅上方。

本揭露的态样是关于一种使用耦合系统的方法。方法包含将光纤与晶片中的空腔对准，其中对准光纤包括将光纤定向在相对于晶片的顶表面的介于约88度至约92度的范围的角度内。方法进一步包含自光纤发射光信号。方法进一步包含使用定位在空腔的与光纤相对的一侧上的光栅将光信号重导向至波导中。

附图说明

当结合随附附图阅读时，根据以下详细描述最佳地理解本揭露的态样。应注意，根据行业中的标准实践，未按比例绘制各种特征。实务上，为了论述清楚起见，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。

图1为根据一些实施例的光纤至晶片耦合系统的视图；

图2为根据一些实施例的光栅的横截面图；

图3为根据一些实施例的光栅的横截面图；

图4为根据一些实施例的光栅的横截面图；

图5为根据一些实施例的光栅的透视图；

图6A至图6H为根据一些实施例的在制造的各个阶段期间光栅的横截面图；

图7为根据一些实施例的光栅的横截面图；

图8为根据一些实施例的使用光纤至晶片耦合系统的方法的流程图。

【符号说明】

100:光纤至晶片耦合系统

110:光纤

115:光信号

120:晶片

122,780:基板

124,724:波导层

126,610:层间介电质(ILD)

128:蚀刻终止层

130:互连结构

132:金属间介电(IMD)层

134:导电层

136:开口/空腔

140,200,300,400,500,600,700:光栅

212,214,216,218,222,312,314,316,318,322,412,414,416,418,422:开口

210,310,410,510:可变光栅区部

220,320,420,520:均匀光栅区部

620:光透射层

622:光学块

625,645:特征

626:凹槽

628,646:沟槽

630,640:遮罩层

632:遮罩

651:光栅区

652:波导区

660:可变光栅区

670:均匀光栅区

770:包覆层

782:第一氧化物层

790:第一反射层

792:第二反射层

800:方法

810,820,830,840:操作

A-A、B-B:线

a:角度

d1,d2,d3,d4,d5:深度

p,p1,p2,p3,p4,p5:节距

w1,w2,w3,w4,w5,wc,wf:宽度

具体实施方式

以下揭露内容提供了许多不同的实施例或实例，以用于实施所提供的主题的不同特征。下文描述元件、值、操作、材料、配置或其类似者的特定实例以简化本揭露。当然，这些特定实例仅为实例，而不旨在进行限制。考虑其他元件、值、操作、材料、配置或其类似者例如，在以下描述中第一特征在第二特征上方或上的形成可以包含第一特征及第二特征直接接触地形成的实施例，且亦可以包含额外特征可以形成于第一特征与第二特征之间以使得第一特征及第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本揭露可以在各种实例中重复附图标记及/或字母。此重复是出于简单及清楚的目的，且其本身并不指示所论述的各种实施例及/或组态之间的关系。

另外，为了便于描述，本文中可以使用空间相对术语(诸如“在...之下”、“在...下方”、“底部”、“在...上方”、“上部”及其类似者)，以描述如附图中所说明的一个部件或特征与另一部件或特征的关系。除了在附图中所描绘的定向之外，空间相对术语亦旨在涵盖装置在使用或操作中的不同定向。设备可以以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，且因此可以相应地解释本文中所使用的空间相对描述词。

随着半导体晶片的大小继续减小，晶片内的诸如互连结构的特征的密度增加。在互连结构中形成开口降低了布线可能性且限制了减小晶片大小的能力。随着开口的大小的增加，开口对互连结构的影响加剧。

晶片之间的光通讯亦增加，以便准许信息自一个装置至另一装置的快速传送。光栅用于将来自晶片内部的光信号耦合至在不同装置之间延伸的光纤。为了减少信号损失，在互连结构中形成开口或空腔以减少光信号在光纤与光栅之间传播的材料量。

仅当光纤相对于标准光栅的顶表面的法线成大角度时，标准光栅(其具有作为特征的均匀节距、深度及宽度)才能够在晶片与光纤之间耦合光信号。光纤相对于光栅的角度及离开光纤的光的自然发散度指示了互连结构中的开口的尺寸增加。此增加的尺寸降低了互连结构内的布线可能性且限制了减小晶片大小的能力。

在发生耦合的方向上的光学特征的节距、深度和宽度中的至少一个方面具有变化的光栅，即使是当光纤被定位以接近光栅顶表面法线的位置，仍有助于有效地将光纤耦合到芯片，将能够减小互连结构中的开口的尺寸。包含此光栅将增加布线可能性，且与不包含此光栅的其他晶片相比，该晶片能够具有减小的大小尺寸。

图1为根据一些实施例的光纤至晶片耦合系统100的横截面图。光纤至晶片耦合系统100包含用以发射光信号115的光纤110。光纤至晶片耦合系统100进一步包含晶片120。晶片120包含基板122。波导层124处于基板122上方。层间介电质(inter-layer dielectric，ILD)126处于波导层124上方。蚀刻终止层128处于ILD 126上方。互连结构130处于蚀刻终止层128上方。互连结构130包含金属间介电(inter-metal dielectric，IMD)层132及导电层134。图1包含单个IMD层132及导电层134。然而，熟悉此项技术者会认识到，互连结构130包含多个IMD层及导电层，以便电连接晶片120的不同元件。开口136(或称为空腔136)延伸穿过互连结构130的一部分。光栅140自波导层124延伸且用以接收穿过开口1366(或称为空腔136)、互连结构130的任何剩余部分、蚀刻终止层128及ILD 126的光信号115。光栅140用以将光信号115导向至波导层124中至晶片120内的元件。熟悉此项技术者将认识到，光纤至晶片耦合系统100中将可以包含额外的层，诸如包覆层及反射层。下文更详细地论述这些层中的一些。

光纤110为具有介于约8微米(μm)至约12μm的范围的宽度wf的单模光纤。在一些实施例中，光纤110为具有介于约45μm至约70μm的范围的宽度wf的多模光纤。宽度wf是基于包含任何额外包覆层或覆盖层的光纤110的纤芯的大小。若宽度wf太大，则光纤110的大小不必要地增加。若宽度wf太小，则存在来自纤芯的光信号损失或来自外部光源的光信号干扰的风险。光纤110用以将光信号115自外部装置运输至晶片120。光纤110相对于晶片120的顶表面(或光栅140的顶表面)垂直定位，即，以90度的角度a定位。在一些实施例中，角度a偏离法线位置至多2度，即自约92度偏离至约88度。随着角度a与法线的偏离增加，空腔136的宽度wc增加，从而降低布线可能性且增大晶片120的大小。

光信号115具有波长。在光纤110为单模光纤的一些实施例中，光信号115的波长介于约1260纳米(nm)至约1360nm的范围。在光纤110为多模光纤的一些实施例中，光信号115的波长介于约770nm至约910nm的范围。光信号115的波长是基于用于产生光信号的光源。在光纤110为单模光纤的一些实施例中，光源为激光或激光二极管。在光纤110为多模光纤的一些实施例中，光纤的光源为发光二极管(light emitting diode，LED)。光信号115将在离开光纤110时发散。

晶片120包含至少一个光电元件，诸如激光驱动器、数字控制电路、光侦测器、波导、小型可插拔(small form-factor pluggable，SFP)收发器、高速相位调变器(High-speed phase modulator，HSPM)、校准电路、分布式马赫-岑得干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)、光栅耦合器、光源、(即激光)或其类似者。光电元件用以自波导层124接收光信号115且将光信号115转换成电信号。虽然图1的描述被写成晶片120自光纤110接收光信号115，但熟悉此项技术者将理解光纤至晶片耦合系统100亦可用于将光信号自晶片120传送至光纤110。亦即，在一些实施例中，光电元件产生光信号，该光信号经由波导层124及光栅140传送至光纤110。

在一些实施例中，基板122包含：元素半导体，该元素半导体包含晶体结构、多晶结构或非晶结构的硅或锗；化合物半导体，包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及锑化铟；合金半导体，包含SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP及GaInAsP；任何其他适合材料；或其组合。在一些实施例中，合金半导体基板具有梯度SiGe特征，其中Si与Ge组成自梯度SiGe特征的一个位置处的一个比率变为另一位置处的另一比率。在一些实施例中，合金SiGe形成在硅基板上方。在一些实施例中，基板122为应变SiGe基板。在一些实施例中，半导体基板具有绝缘层上半导体结构，诸如绝缘层上硅(silicon on insulator，SOI)结构。在一些实施例中，半导体基板包含掺杂磊晶层或埋层。在一些实施例中，化合物半导体基板具有多层结构，或基板包含多层化合物半导体结构。

波导层124用以将光信号115自光栅140导向至晶片120内的光电元件。波导层124包含光学透明材料。在一些实施例中，波导层124包含硅。在一些实施例中，波导层124包含塑料。在一些实施例中，波导层124包含与光栅140相同的材料。在一些实施例中，波导层124包含与光栅140不同的材料。在一些实施例中，波导层124与光栅140为一体的。在一些实施例中，波导层124为板条波导、平面波导或光管。为了使光栅140将光信号115有效地耦合至波导层124中，光栅140将入射光信号115重导向至波导层124的接受角(angle ofacceptance)中。波导层124的接受角是基于光信号的波长、光信号的频率及波导层124的尺寸。ILD 126包含介电材料。经由ILD 126形成触点以将光电元件电连接至互连结构130及晶片内的其他元件或外部装置。ILD 126使用化学气相沉积、物理气相沉积或另一适合的沉积制程沉积在基板122上。在一些实施例中，ILD 126具有介于约500nm至约3000nm的范围的厚度。若厚度太大，则用于形成穿过ILD 126的触点的深宽比使可靠的制造变得困难，且在一些情况下，光信号115的吸收将光信号的强度降低至不可接受的程度。若厚度太小，则ILD126不能在诸如导电层134的导体与晶片120中的其他元件之间提供足够的电绝缘。在一些实施例中，根据本揭露的各种实施例，ILD 126包含介电材料，诸如Si、Si₃N₄、SiO₂(例如石英及玻璃)、Al₂O₃及H₂O。蚀刻终止层128处于ILD 126上方且具有与ILD 126及IMD层132不同的蚀刻化学。在一些实施例中，蚀刻终止层128使用化学气相沉积或另一适合的沉积制程来沉积。在一些实施例中，蚀刻终止层128包含SiC、Si₃N₄或另一适合的材料。在一些其他实施例中，蚀刻终止层128具有介于约250nm至约350nm的范围内的厚度。在一些情况下，若蚀刻终止层128的厚度太大，则材料被浪费且光信号115的吸收将光信号的强度降低至不可接受的程度。若蚀刻终止层128的厚度太小，则在形成空腔136或在ILD 126与导电层134之间形成电连接期间蚀刻穿过蚀刻终止层128的风险增加。

互连结构130用以例如经由晶片接合将光电元件电连接至晶片120内的其他元件或外部装置。为了简洁起见，图1包含单个IMD层132及单个导电层134。然而，熟悉此项技术者将认识到，互连结构130包含多个IMD层及导电层。

IMD层132包含介电材料。IMD层132在导电层134与晶片120内的其他导电部件(诸如ILD 126中的触点)之间提供电绝缘。IMD层132使用化学气相沉积、物理气相沉积或另一适合的沉积制程沉积在蚀刻终止层128上。在一些实施例中，IMD层132具有介于约1,000埃至约30,000埃的范围的厚度。在一些情况下，若厚度太大，则用于形成穿过IMD层132的电连接的深宽比使可靠的制造变得困难。若厚度太小，则IMD层132不能在诸如导电层134的导体与晶片120中的其他元件之间提供足够的电绝缘。在一些实施例中，根据本揭露的各种实施例，IMD层132包含介电材料，诸如Si、Si₃N₄、SiO₂(例如石英及玻璃)、Al₂O₃及H₂O。在一些实施例中，IMD层132包含低k介电材料。在一些实施例中，IMD层132包含与ILD 126相同的材料。在一些实施例中，IMD层132包含与ILD 126不同的材料。

导电层134用以将电信号运输至晶片120中的各种元件，例如光电元件。在一些实施例中，导电层134包含晶种层。在一些实施例中，导电层134包含铜、铝、钨、其合金或另一适合的材料。

空腔136减少了光信号115在被光栅140导向至波导层124之前穿过的材料量。空腔136延伸穿过导电层134且部分穿过IMD层132。在一些实施例中，空腔136延伸穿过互连结构130的整体以暴露蚀刻终止层128。空腔136的侧壁基本上为垂直的。在一些实施例中，空腔136的侧壁为锥形的。在一些实施例中，空腔的宽度wc介于比光纤110的宽度wf大约10％至约20％的范围。在一些实施例中，宽度wc介于约11μm至约12μm的范围。该宽度wc有助于解决光纤110与空腔136之间的未对准。即使光信号115将在离开光纤时发散，宽度wc亦有助于准许整个光信号115穿过空腔136。在一些情况下，若宽度wc太小，则光信号115的未对准或发散将增加损失光信号115的一部分的风险。在一些情况下，若宽度wc太大，则互连结构130中的布线可能性降低或晶片120的整体大小增大。

光栅140用以将来自光纤110的光信号115耦合至波导层124中。光栅140以与光信号115在光栅140上的入射角成90度角导向光信号115。光栅140在更靠近光电元件的部分(即传播方向)中包含可变光栅区部。在图1中，可变光栅区部处于光栅140的左侧上，如由光信号115中的箭头所指示。可变光栅区部包含具有不同几何尺寸的光栅特征。在一些实施例中，可变光栅区部包含在宽度、深度、节距或其组合中具有变化的光栅特征。可变光栅区部有助于光栅140将光信号重导向大约90度，此情况准许光纤110的垂直定向，从而减小空腔136的宽度wc。因此，能够减小晶片120的大小且最大化互连结构130中的布线可能性。

在一些实施例中，光栅140包含在远离光电元件(即，与传播方向相反)的部分中的均匀光栅区部。均匀光栅区部包含具有一致几何尺寸的光栅特征。在一些实施例中，平行于光栅的顶表面的均匀光栅区部的长度小于可变光栅区部的长度的约50％。在一些情况下，若均匀光栅区部的长度太大，则光栅140将不能可靠地将光信号耦合至波导层124中。包含比均匀光栅区部更靠近光电元件的可变光栅区部有助于光栅140以更尖锐的角度将光信号115重导向成更靠近光电元件。例如，在光栅140处于波导层124上方的一些实施例中，离光电元件较远的光栅的光栅特征能够以较不尖锐的角度(例如85度至88度)重导向光，且仍然将光信号115耦合至波导层124中。

光栅140包含光学透明材料。在一些实施例中，光栅140包含硅。在一些实施例中，光栅140包含塑料。

图2为根据一些实施例的光栅200的横截面图。在一些实施例中，光栅200可用作光纤至晶片耦合系统100(图1)中的光栅140。光栅200包含可变光栅区部210及均匀光栅区部220。在一些实施例中，省略均匀光栅区部220。光栅200包含可变光栅区部210中的光栅特征之间的开口212至218。开口212至218中的每一者具有不同的深度d1至d4。光栅200包含均匀光栅区部220中的光栅特征之间的开口222。开口222中的每一者具有相同的深度d5。光栅200中的开口212至218及222中的每一者具有基本恒定的宽度。亦即，宽度在制造误差容限内为恒定的。

可变光栅区部210中的光栅特征的节距p基本上为恒定的。在一些实施例中，节距p小于或等于1300nm。节距p基于光信号115的波长来确定。若节距p太大或太小，则光栅200将不能以接近90度角重导向入射光信号。

开口212的深度d1小于开口214的深度d2。同样地，开口214的深度d2小于开口216的深度d3，该深度d3小于开口218的深度d4。开口222的深度d5大于开口218的深度d4。在一些实施例中，深度d1至深度d5的差值为一致的，例如，深度d1与深度d2的差值等于深度d2与深度d3的差值等。在一些实施例中，深度d1至深度d5的差值为可变的。在一些实施例中，深度d1介于约120nm至约180nm的范围。在一些情况下，若深度d1太大或太小，则开口212与开口214之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，深度d2介于约150nm至约220nm的范围。在一些情况下，若深度d2太大或太小，则开口214与开口216之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，深度d3介于约200nm至约280nm的范围。在一些情况下，若深度d3太大或太小，则开口216与开口218之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，深度d4介于约260nm至约340nm的范围。在一些情况下，若深度d4太大或太小，则开口218与开口222之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，深度d5介于约300nm至约400nm的范围。在一些情况下，若深度d5太大或太小，则相邻开口222之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。

光栅200包含具有深度d1的单个开口，即开口212。在一些实施例中，光栅200包含具有深度d1的多个开口。类似地，在一些实施例中，光栅200包含具有深度d1至深度d5中的任一者的多个开口。

图3为根据一些实施例的光栅300的横截面图。在一些实施例中，光栅300可用作光纤至晶片耦合系统100(图1)中的光栅140。光栅300包含可变光栅区部310及均匀光栅区部320。在一些实施例中，省略均匀光栅区部320。光栅300包含可变光栅区部310中的光栅特征之间的开口312至318。开口312至318中的每一者具有不同的深度d1至深度d4，类似于光栅200(图2)。光栅300包含均匀光栅区部320中的光栅特征之间的开口322，类似于光栅200。开口322中的每一者具有相同的深度d5。针对光栅300的节距p为均匀的。与光栅200相反，光栅300包含具有不同宽度w1至宽度w5的开口312至开口318及开口322。深度d1至深度d5及节距p类似于光栅200，且为简洁起见，此处不再论述。

开口312的宽度w1小于开口314的宽度w2。同样地，开口314的宽度w2小于开口316的宽度w3，该宽度w3小于开口318的宽度w4。开口322的宽度w5大于开口318的宽度w4。在一些实施例中，宽度w1至宽度w5的差值为一致的，例如，宽度w1与宽度w2的差值等于宽度w2与宽度w3的差值，等等。在一些实施例中，宽度w1至宽度w5的差值为可变的。在一些实施例中，宽度w1介于大于0nm至约100nm的范围。在一些情况下，若宽度w1太大或太小，则开口312与开口314之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，宽度w2介于约80nm至约140nm的范围。在一些情况下，若宽度w2太大或太小，则开口314与开口316之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，宽度w3介于约120nm至约180nm的范围。在一些情况下，若宽度w3太大或太小，则开口316与开口318之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，宽度w4介于约160nm至约210nm的范围。在一些情况下，若宽度w4太大或太小，则开口318与开口322之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，宽度w5介于约190nm至约250nm的范围。在一些情况下，若宽度w5太大或太小，则相邻开口322之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。

光栅300包含具有宽度w1的单个开口，即开口312。在一些实施例中，光栅300包含具有宽度w1的多个开口。类似地，在一些实施例中，光栅300包含具有宽度w1至宽度w5中的任一者的多个开口。

图4为根据一些实施例的光栅400的横截面图。在一些实施例中，光栅400可用作光纤至晶片耦合系统100(图1)中的光栅140。光栅400包含可变光栅区部410及均匀光栅区部420。在一些实施例中，省略均匀光栅区部420。光栅400包含可变光栅区部410中的光栅特征之间的开口412至开口418。开口412至开口418中的每一者具有不同的深度d1至深度d4，类似于光栅200(图2)。类似于光栅200，光栅400包含均匀光栅区部420中的光栅特征之间的开口422。开口422中的每一者具有相同的深度d5。针对光栅400中的每一光栅特征的宽度为均匀的，类似于光栅200。与光栅200相反，光栅400包含开口412至开口418及开口422之间的不同节距p1至节距p5。深度d1至深度d5类似于光栅200，且为简洁起见，此处不再论述。

开口412与开口414之间的节距p1小于开口414与开口416之间的节距p2。同样地，开口414与开口416之间的节距p2小于开口416与开口418之间的节距p3，该节距p3小于开口418与开口422之间的节距p4。相邻开口422之间的节距p5大于节距p4。在一些实施例中，节距p1至p5的差值为一致的，例如节距p1与节距p2的差值等于节距p2与节距p3的差值等。在一些实施例中，节距p1至p5的差值为可变的。在一些实施例中，节距p1介于约400nm至约550nm的范围。在一些情况下，若节距p1太大或太小，则开口412与开口414之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，节距p2介于约500nm至约700nm的范围。在一些情况下，若节距p2太大或太小，则开口414与开口416之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，节距p3介于约650nm至约800nm的范围。在一些情况下，若节距p3太大或太小，则开口416与开口418之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，节距p4介于约750nm至约900nm的范围。在一些情况下，若节距p4太大或太小，则开口418与开口422之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。在一些实施例中，节距p5介于约850nm至约1,000nm的范围。在一些情况下，若节距p5太大或太小，则相邻开口422之间的光栅特征不能将入射光导向至波导层(例如波导层124)中。

光栅400包含单个光栅特征，即，在开口412与开口414之间，具有节距p1。在一些实施例中，光栅400包含具有节距p1的多个光栅特征。类似地，在一些实施例中，光栅400包含具有节距p1至p5中的任一者的多个光栅特征。

光栅200、光栅300及光栅400提供了具有不同几何特性的可变光栅区部的不同实例。熟悉此项技术者将认识到，本揭露不仅限于上文明确论述的不同几何特性组合；且不同几何特性组合的其他组合在本揭露的范畴内。

图5为根据一些实施例的光栅500的透视图。在一些实施例中，光栅500可用作光纤至晶片耦合系统100(图1)中的光栅140。光栅500包含可变光栅区部510及均匀光栅区部520。在一些实施例中，省略均匀光栅区部520。在一些实施例中，光栅500具有类似于光栅200(图2)的几何特性。在一些实施例中，光栅500具有类似于光栅300(图3)的几何特性。在一些实施例中，光栅500具有类似于光栅400(图4)的几何特性。在一些实施例中，光栅200、300及400(图2至图4)为沿线A-A截取的光栅500的横截面图。光栅700(图7)为沿线B-B截取的光栅500的横截面图。

图6A为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6A的阶段，光栅600包含ILD 610及ILD 610上的光透射层620。在一些实施例中，ILD 610包含氧化硅或另一适合的介电材料。在一些实施例中，光透射层620包含硅、塑料或另一适合的光透射材料。

图6B为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6B的阶段，遮罩层630处于光透射层620上方。在一些实施例中，遮罩层630包含光阻剂材料。

图6C为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6C的阶段，遮罩层630使用微影术来图案化，以在光透射层620的一部分上方限定遮罩632。

图6D为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6D的阶段，使用遮罩632蚀刻光透射层620以限定光学块622。在一些实施例中，蚀刻为干式蚀刻。在一些实施例中，蚀刻为湿式蚀刻。随后通过抗蚀剂剥离来移除遮罩632。

图6E为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6E的阶段，遮罩层640处于光学块622上。在一些实施例中，遮罩层640包含光阻剂材料。在一些实施例中，遮罩层640包含与遮罩层630相同的材料。在一些实施例中，遮罩层640包含与遮罩层630不同的材料。遮罩层640覆盖光学块622的侧壁及由光栅区暴露的ILD 610的部分。

图6F为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6F的阶段，遮罩层640使用微影术来图案化，以限定多个沟槽646及多个特征645。

图6G为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6G的阶段，通过蚀刻将遮罩层640的图案转印至光学块622。在一些实施例中，蚀刻为干式蚀刻。在一些实施例中，蚀刻为湿式蚀刻。在一些实施例中，蚀刻为单步骤蚀刻。蚀刻在光学块622中限定了多个凹槽626及多个特征625。随后移除图案化遮罩层640。在一些实施例中，使用光阻剂剥离来移除图案化遮罩层640。包含凹槽626及特征625的光学块622的部分为光栅区651。光学块622的在凹槽626及特征625之外的部分为波导区652。

图6H为根据一些实施例的在制造的中间阶段期间光栅600的横截面图。在图6H的阶段，进一步蚀刻凹槽626以增加凹槽626的深度以限定沟槽628。蚀刻包含多个蚀刻阶段以便至少限定可变光栅区660。在一些实施例中，蚀刻包含多个阶段以限定均匀光栅区670。在一些实施例中，多个蚀刻阶段包含在蚀刻特定凹槽或凹槽组期间对光学块622的部分进行遮罩以扩大凹槽626以形成沟槽628。例如，在一些实施例中，所有凹槽被蚀刻至第一沟槽深度；随后所有经设计成具有第一沟槽深度的沟槽被遮罩；且未遮罩的沟槽被蚀刻至第二沟槽深度。重复制程，直至所有沟槽达到对应设计沟槽深度为止。

图7为根据一些实施例的光栅700的横截面图。光栅包含基板780。基板780类似于基板122(图1)。第一反射层790处于基板780上方。第一氧化物层782处于第一反射层790上方。波导层724处于第一氧化物层782上方。波导层724类似于波导层124。包覆层770位于波导层724上方。第二反射层792处于包覆层770上方。

第一反射层790将来自光信号的光反射回光栅700的顶表面，以便防止光损失至基板780中。在一些实施例中，第一反射层790包含铝、铜、镍、其合金或另一适合的材料。在一些实施例中，第一反射层790的厚度介于约0.1μm至约10μm的范围。在一些情况下，若第一反射层790的厚度太小，则来自光信号的光逸出光栅700的风险增加。在一些情况下，若第一反射层790的厚度太大，则材料被浪费而效能没有显著提高。

第一氧化物层782支撑波导层724且具有与波导层724不同的折射率。在光信号沿波导层724传播期间，折射率的差异有助于将来自光信号的光反射回波导层724。在一些实施例中，第一氧化物层782具有介于约500nm至约3,000nm的范围的厚度。在一些情况下，若第一氧化物层782的厚度太小，则光穿过第一氧化物层782的风险增加。在一些情况下，若第一氧化物层782的厚度太大，则材料被浪费而效能没有显著提高。在一些实施例中，第一氧化物层782含有除氧化硅之外的材料，诸如氮化硅、氧化铝、氧化铪或另一适合的材料。

包覆层770有助于将来自光信号的光反射回类似于第一氧化物层782的波导层724。在一些实施例中，包覆层的厚度介于约0.6μm至约3μm的范围。在一些情况下，若包覆层770的厚度太小，则光穿过包覆层770的风险增加。在一些情况下，若包覆层770的厚度太大，则材料被浪费而效能没有显著提高。在一些实施例中，包覆层770含有氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪或另一适合的材料。在一些实施例中，包覆层770含有与第一氧化物层782相同的材料。在一些实施例中，包覆层770含有与第一氧化物层782不同的材料。

第二反射层792将来自光信号的光反射回光栅700的底表面，以便防止光自光栅700损失。在一些实施例中，第二反射层792包含铝、铜、镍、其合金或另一适合的材料。在一些实施例中，第二反射层792含有与第一反射层790相同的材料。在一些实施例中，第二反射层792含有与第一反射层790不同的材料。在一些实施例中，第二反射层792的厚度介于约0.1μm至约10μm的范围。在一些情况下，若第二反射层792的厚度太小，则来自光信号的光逸出光栅700的风险增加。在一些情况下，若第二反射层792的厚度太大，则材料被浪费而效能没有显著提高。在一些实施例中，第二反射层792的厚度与第一反射层790的厚度不同。在一些实施例中，第二反射层792的厚度等于第一反射层790的厚度。在一些实施例中，第二反射层792仅处于不包含光栅的波导层724的部分上方以最大化光信号(例如光信号115(图1))至光栅的传输，以用于沿波导层724的传输。

图8为根据一些实施例的使用光纤至晶片耦合系统的方法800的流程图。在操作810中，光纤(例如光纤110(图1))与空腔(例如空腔136)对准。空腔比光纤宽。在一些实施例中，光纤为单模光纤。在一些实施例中，光纤与空腔同心。在一些实施例中，光纤的中心相对于空腔的中心偏移。在一些实施例中，光纤定向成垂直于空腔的底表面。在一些实施例中，光纤相对于来自空腔的底表面的法线成至多2度的角度。

在操作820中，自光纤发射光信号。光信号(例如光信号115(图1))随着光信号离开光纤而发散。光信号自光纤传播至空腔中。

在操作830中，使用光栅耦合器将光信号耦合至波导中。光栅耦合器(例如光栅140(图1))至少包含可变光栅区。在一些实施例中，光栅耦合器进一步包含均匀光栅区。光栅耦合器接收自光纤发射的光信号且将光信号在基本上90度的方向上重导向至波导中。在一些实施例中，光栅耦合器与波导为一体的。光栅耦合器的几何特性是基于光信号的波长。

在操作840中，光信号由连接至波导的光电元件接收。光信号沿波导行进。在一些实施例中，由包围波导的包覆层或反射层将光信号保持在波导内。一旦光信号由光电元件接收到，光信号即被转换成电信号以供电子元件使用。

在一些实施例中，方法800包含额外的操作。例如，在一些实施例中，方法800包含将光信号转换成电信号。在一些实施例中，省略方法800的至少一个操作。例如，在一些实施例中，省略操作840且波导光学地连接至另一光纤。在一些实施例中，方法800的操作顺序不同。例如，在一些实施例中，操作820与操作810同时执行。

本说明书的态样是关于一种耦合系统。耦合系统包含用以承载光信号的光纤。耦合系统进一步包含与光纤光通讯的晶片。光纤与晶片的顶表面之间的角度介于约92度至约88度的范围。晶片包含：光栅，用以接收光信号；及波导，其中光栅用以接收光信号且将光信号沿波导重导向。在一些实施例中，光纤具有第一宽度，晶片在光纤与光栅之间限定空腔，空腔具有第二宽度，且第二宽度比第一宽度大约10％至约20％。在一些实施例中，晶片包含互连结构，且空腔延伸至互连结构中。在一些实施例中，光纤为单模光纤。在一些实施例中，光栅包含可变光栅区。在一些实施例中，光栅在可变光栅区中限定第一多个沟槽，第一多个沟槽中的第一沟槽的深度与第一多个沟槽中的第二沟槽的深度不同。在一些实施例中，光栅进一步包含均匀光栅系统。在一些实施例中，光栅在均匀光栅系统/区中限定第二多个沟槽，第二多个沟槽中的每一者的深度相等，且第二多个沟槽中的每一者的深度与第一沟槽的深度及第二沟槽的深度不同。在一些实施例中，光栅包含在可变光栅区中的多个光栅特征，且多个光栅特征中的第一光栅特征与多个光栅特征中的第二光栅特征之间的节距与多个光栅特征中的第二光栅特征与第三光栅特征之间的节距不同。在一些实施例中，光栅在可变光栅区中限定多个沟槽，多个沟槽中的第一沟槽的宽度与多个沟槽中的第二沟槽的宽度不同。在一些实施例中，光栅用以将光信号与光信号的入射角成90度重导向。

本说明书的态样是关于一种耦合系统。耦合系统包含用以承载光信号的光纤，其中光纤具有第一宽度。耦合系统进一步包含与光纤光通讯的晶片，其中晶片限定具有第二宽度的空腔，第二宽度比第一宽度大约10％至约20％。晶片包含光栅，用以接收光信号；波导，用以接收自光栅重导向的光信号；及互连结构，处于光栅上方。在一些实施例中，空腔延伸穿过互连结构。在一些实施例中，空腔延伸穿过互连结构的整体。在一些实施例中，光栅与波导为一体的。在一些实施例中，光栅包含可变光栅区。在一些实施例中，光栅的至少一种几何特性在可变光栅区内变化。在一些实施例中，至少一种几何特性选自由节距、深度及宽度组成的群组。在一些实施例中，包括均匀光栅区的光栅及光栅的节距、深度及宽度中的每一者在均匀光栅区中为均匀的。

本说明书的态样是关于一种使用耦合系统的方法。方法包含将光纤与晶片中的空腔对准，其中对准光纤包括将光纤定向在相对于晶片的顶表面的介于约88度至约92度的范围的角度内。方法进一步包含自光纤发射光信号。方法进一步包含使用定位在空腔的与光纤相对的一侧上的光栅将光信号重导向至波导中。

前述概述了若干实施例的特征，以使得熟悉此项技术者可以较佳地理解本揭露的态样。熟悉此项技术者应当了解，其可以容易地将本揭露用作设计或修改其他制程及结构的基础，以供实现本文中所引入的实施例的相同目的及/或达成相同优点。熟悉此项技术者亦应认识到，这些等效构造并不脱离本揭露的精神及范畴，且在不脱离本揭露的精神及范畴的情况下，熟悉此项技术者可以进行各种改变、取代及更改。

Claims (10)

1.一种耦合系统，其特征在于，包括：

一光纤，用以承载一光信号；及

一晶片，与该光纤光通讯，其中该光纤与该晶片的一顶表面的一角度介于约92度至约88度的范围，且该晶片包括：

一光栅，用以接收该光信号；及

一波导，其中该光栅用以接收该光信号且将该光信号沿该波导重导向。

2.如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，该光纤具有一第一宽度，该晶片在该光纤与该光栅之间限定一空腔，该空腔具有一第二宽度，且该第二宽度比该第一宽度大约10％至约20％。

3.如权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，该晶片包括一互连结构，且该空腔延伸至该互连结构中。

4.如权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，该光栅包括一可变光栅区。

5.如权利要求4所述的耦合系统，其特征在于，该光栅在该可变光栅区中限定一第一多个沟槽，该第一多个沟槽中的一第一沟槽的一深度与该第一多个沟槽中的一第二沟槽的一深度不同。

6.如权利要求4所述的耦合系统，其特征在于，该光栅包括在该可变光栅区中的多个光栅特征，且该些光栅特征中的一第一光栅特征与该些光栅特征中的第二光栅特征之间的一节距与该些光栅特征中的该第二光栅特征与一第三光栅特征之间的一节距不同。

7.一种耦合系统，其特征在于，包括：

一光纤，用以承载一光信号，其中该光纤具有一第一宽度；及

一晶片，与该光纤光通讯，其中该晶片限定具有一第二宽度的一空腔，该第二宽度比该第一宽度大约10％至约20％，且该晶片包括：

一光栅，用以接收该光信号；

一波导，用以接收自该光栅重导向的该光信号；及

一互连结构，处于该光栅上方。

8.如权利要求7所述的耦合系统，其特征在于，该光栅包括一可变光栅区。

9.如权利要求8所述的耦合系统，其特征在于，该光栅的至少一种几何特性在该可变光栅区内变化。

10.一种使用一耦合系统的方法，其特征在于，该方法包括：

将一光纤与一晶片中的一空腔对准，其中对准该光纤包括将该光纤定向在相对于该晶片的一顶表面的介于约88度至约92度的范围的一角度内；

自该光纤发射一光信号；及

使用定位在该空腔的与该光纤相对的一侧上的一光栅将该光信号重导向至一波导中。

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