CN117192683A - 通过并排锥形部利用光罩拼接的光子芯片 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及通过并排锥形部利用光罩拼接的光子芯片。包括波导芯的结构和制造包括波导芯的结构的方法。该结构包括光子芯片，该光子芯片包括第一芯片区、位于第一芯片区中的第一波导芯、第二芯片区、以及位于第二芯片区中的第二波导芯。第一芯片区沿边界邻接第二芯片区，第一波导芯包括第一锥形部，第二波导芯包括与第一锥形部相邻的第二锥形部。第一锥形部具有与边界基本平行地对准的第一纵轴，第二锥形部具有与边界基本平行地对准的第二纵轴。
Description
技术领域
本公开涉及光子芯片，更具体地涉及包括波导芯的结构和制造包括波导芯的结构的方法。
背景技术
光子芯片用于许多应用和系统，包括但不限于数据通信系统和数据计算系统。光子芯片将光学部件和电子部件集成到统一平台中。可以通过在同一芯片上集成两种类型的部件来降低布局面积、成本、操作开销以及其他一些因素。
光子芯片可以通过光刻法形成，其中重复的光罩(reticle)图像在步进重复(step-and-repeat)光刻工具中使用以图案化整个光子芯片。在图案化期间，将衬底上的光致抗蚀剂层的一些部分渐进性地暴露于光罩图案下，直到光子芯片的整个预期区域被曝光。通过这种方式，可以使用单个光罩来创建包含拼接(stitch)在一起的重复光罩图案的大型场图案。需要采取措施确保光可以跨每个光罩边界在波导芯之间有效传输。光罩拼接过程中的位置失配可能导致波导芯在光罩边界处的未对准，这可能导致显著的性能降低，例如增加插入损耗和增加背反射。
需要改进的包括波导芯的结构和制造包括波导芯的结构的方法。
发明内容
在本发明的实施例中，一种结构包括：光子芯片，其包括第一芯片区、位于所述第一芯片区中的第一波导芯、第二芯片区以及位于所述第二芯片区中的第二波导芯。所述第一芯片区沿边界邻接所述第二芯片区，所述第一波导芯包括第一锥形部，所述第二波导芯包括与所述第一锥形部相邻的第二锥形部。所述第一锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第一纵轴，所述第二锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第二纵轴。
在本发明的实施例中，一种方法包括形成光子芯片的第一芯片区，以及形成所述光子芯片的第二芯片区，所述第二芯片区沿边界邻接所述光子芯片的所述第一芯片区。所述第一芯片区包括第一波导芯，所述第一波导芯具有第一锥形部。所述第二芯片区包括第二波导芯，所述第二波导芯具有在所述边界处与所述第一锥形部相邻地定位的第二锥形部。所述第一锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第一纵轴，所述第二锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第二纵轴。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施例，并与上面给出的本发明的一般描述和下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的实施例。在附图中，相同的参考标号表示各个视图中的相同特征。
图1是根据本发明的实施例的光子芯片的俯视图。
图2是图1的一部分的放大俯视图。
图3是大致沿着图2中的线3-3截取的截面图。
图4是在图3之后的制造阶段的截面图。
图5是根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
图6是大致沿着图5中的线6-6截取的截面图。
图7是根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
图8是根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
具体实施方式
参考图1、图2、图3并且根据本发明的实施例，光子芯片10可以包括多个芯片区12，每个芯片区12包括通常由参考标号14表示的光学部件。光子芯片10的区域上的相邻芯片区12沿着相应的边界16邻接。结构18可以设置在边界16处，以使光穿过相邻芯片区12上的光学部件14之间的边界16传输。在实施例中，结构18中的一个可以设置在相邻的芯片区12对之间的每个边界16处。在实施例中，结构18的周期可以等于边界16的周期。
每个芯片区12可以是光罩图像图案的产物，该光罩图像图案作为用于产生多个芯片区12的工艺流程的一部分在光子芯片10的区域上光刻复制。边界16限定了不同芯片区12之间的过渡。光学部件14例如可以包括调制器、分光器和光电探测器，它们提供光学功能并且通过波导芯连接。在实施例中，不同芯片区12中的光学部件14可以在类型和布置方面相同。
对于每对相邻的芯片区12，波导芯22被包括在一个芯片区12中，波导芯24被包括在相邻芯片区12中。波导芯22具有锥形部26，并且波导芯24具有锥形部28，锥形部28从波导芯22的锥形部26跨过相邻芯片区12之间的边界16定位。每组锥形部26、28限定结构18中的一个。锥形部26与相邻芯片区12上的锥形部28具有并排(side-by-side)布置。波导芯22包括终止锥形部26的端部30，波导芯24包括终止锥形部28的端部32。波导芯22的端部30相对于波导芯24的端部32纵向偏移，使得锥形部26、28在端部30和端部32之间的距离上重叠。
锥形部26沿纵轴25对准，锥形部28沿纵轴27对准。波导芯22可以包括弯曲部31，该弯曲部31提供方向改变，该方向改变用于将锥形部26定位为与边界16相邻，其中纵轴25基本平行或平行于边界16。波导芯24可以包括弯曲部33，该弯曲部33提供方向改变，该方向改变用于将锥形部28定位为与边界16相邻，其中纵轴27基本平行或平行于边界16。在实施例中，弯曲部31和/或弯曲部33可以是90°的弯曲部。锥形部26、28通过弯曲部31、33被定位，以提供光学耦合，用于在横向方向上并且跨相邻芯片区12对之间的边界16传输光。
波导芯22具有宽度尺寸W1，波导芯24具有宽度尺寸W2。波导芯22的锥形部26的宽度尺寸W1随着距终止端部30的距离减小而纵向减小。类似地，波导芯24的锥形部28的宽度尺寸W2随着距终止端部32的距离减小而纵向减小。锥形部26的宽度尺寸W1和锥形部28的宽度尺寸W2在相对于彼此相反的方向上改变。在实施例中，锥形部26的宽度尺寸W1和锥形部28的宽度尺寸W2可以线性地减小。在替代实施例中，锥形部26的宽度尺寸W1和锥形部28的宽度尺寸W2可以基于非线性函数减小，非线性函数例如为二次函数、三次函数、抛物线函数、正弦函数、余弦函数、贝塞尔函数或指数函数。
波导芯22的锥形部26通过间隙20与波导芯24的锥形部28分隔开。锥形部26具有侧壁50和与侧壁50相反的侧壁52，波导芯24具有从侧壁50跨过间隙20定位的侧壁54，以及与侧壁54相反的侧壁56。锥形部26和锥形部28之间的间隙20与相邻芯片区12之间的中间边界16重叠。
侧壁50、52与波导芯22的端部30相交，并在与端部30的相交处限定相应的内角。在实施例中，侧壁50、52和端部30之间的相应内角可以相等。在替代实施例中，侧壁50、52和端部30之间的相应内角可以不相等。侧壁54、56在波导芯24的端部32处相遇，并在与端部32的相交处限定相应的内角，以及在与端部32相交处限定相应的内角。在实施例中，侧壁54、56和端部32之间的相应内角可以相等。在替代实施例中，侧壁54、56和端部32之间的相应内角可以不相等。在实施例中，锥形部26和锥形部28可以具有等于它们相应内角之和的锥角。在实施例中，锥形部26和锥形部28可以具有相等或基本相等的锥角，从而限定了随着相对于终止端部30、32的纵向位置的宽度变化。
在实施例中，锥形部26的纵轴25可以与锥形部28的纵轴27平行地对准。在实施例中，锥形部26的纵轴25可以与锥形部28的纵轴27基本平行地对准。在实施例中，锥形部26的纵轴25可以与边界16平行地对准，锥形部28的纵轴27也可以与边界16平行地对准。在实施例中，锥形部26的纵轴25可以与边界16基本平行地对准，锥形部28的纵轴27也可以与边界16基本平行地对准。
波导芯22、24可以在竖直(vertical)方向上定位在电介质层34和衬底36上方。在实施例中，电介质层34可以由诸如二氧化硅的电介质材料构成，并且衬底36可以由诸如单晶硅的半导体材料构成。在实施例中，电介质层34可以是绝缘体上硅衬底的掩埋氧化物层，并且电介质层34可以将波导芯22、24与衬底36分隔开。在替代实施例中，由例如二氧化硅构成的附加电介质层可以将波导芯22、24与电介质层34分隔开。在替代实施例中，衬底36可以包括位于锥形部26、28中的一个或多个锥形部下方的底切(undercut)。
在实施例中，波导芯22、24可以由折射率大于二氧化硅折射率的材料构成。在实施例中，波导芯22、24可以由诸如单晶硅的半导体材料构成。在替代实施例中，波导芯22、24可以由诸如氮化硅的电介质材料构成。在替代实施例中，波导芯22、24可以由氮氧化硅构成。在替代实施例中，可以使用诸如聚合物或III-V族化合物半导体的其他材料来形成波导芯22、24。
在实施例中，波导芯22、24可以通过利用光刻和蚀刻工艺图案化材料层来形成。在实施例中，波导芯22、24可以通过图案化绝缘体上硅衬底的器件层(例如，单晶硅)来形成。在实施例中，波导芯22、24可以通过图案化沉积的材料(例如，氮化硅)层来形成。在实施例中，波导芯22、24的锥形部26、28可以是实心且连续的(即，非分段的)。每个芯片区12可以在光刻期间由离散的光罩图像提供，并且不同的光罩图像被拼接以形成光子芯片10。
参考图4，其中相同的参考标号表示图3中的相同特征，并且在随后的制造阶段，在波导芯22、24上方形成电介质层38。电介质层38可以由诸如二氧化硅的电介质材料构成，该电介质材料被沉积，然后在沉积之后被平面化。在实施例中，波导芯22、24可以被嵌入电介质层38中。构成电介质层38的电介质材料的折射率可以小于构成波导芯22、24的材料的折射率。
可以在电介质层38上方形成后段制程堆叠40。后段制程堆叠40可以包括堆叠的电介质层，其中每个电介质层由电介质材料构成，电介质材料例如为二氧化硅、氮化硅、原硅酸四乙酯二氧化硅或氟化原硅酸四乙酯二氧化硅。
通过利用由不同光罩图像限定的芯片区12的边界16处的并排锥形，结构18可以有效地降低光罩拼接失配的影响。对于每个结构18，锥形部26被配置为跨边界16中的一个将光传输到锥形部28。锥形部26、28之间的光传输可以是绝热的，对光学性能的影响最小。与传统结构相比，结构18可以处理光学模式尺寸增加的光跨边界16的传输。结构18可以更容忍光传播方向上的未对准，例如由光罩拼接引起的导致锥形部26和锥形部28之间的纵向偏移变化的未对准。
参考图5、图6并且根据本发明的替代实施例，波导芯22和波导芯24可以形成在不同的层级(level)中，使得光在每个边界16处在锥形部26、28之间横向和竖直地传输。在实施例中，包括锥形部28的波导芯24可以形成在电介质层38上，使得锥形部28在竖直方向上以横向间隔定位在锥形部26上方。特别地，波导芯24可以形成在电介质层38的顶表面39上，并且波导芯22可以形成在电介质层38的顶表面39下方并嵌入电介质层38中。电介质层38的电介质材料的厚度T位于波导芯22和波导芯24之间。在实施例中，波导芯22和波导芯24可以由不同的材料构成。在实施例中，波导芯22可以由硅构成，波导芯24可以由氮化硅构成。在替代实施例中，波导芯22和波导芯24可以由相同的材料(例如，氮化硅)构成。
参考图7并且根据本发明的替代实施例，波导芯22的锥形部26可被分为沿纵轴25以间隔布置分布的节段(segment)42，波导芯24的锥形部28可被分为沿纵轴27以间隔布置分布的节段44。在实施例中，节段42和/或节段44的节距和占空比可以是均匀的，以限定周期性布置。在替代实施例中，节段42和/或节段44的节距和/或占空比可以变迹(即，不均匀)以限定非周期性布置。节段42和节段44可以以足够小的节距定制尺寸和定位，以便限定亚波长光栅状结构。
在波导芯22、24上方形成的电介质层38设置在相邻的节段42对之间的间隙中和相邻的节段44对之间的间隙中。在实施例中，电介质层38的电介质材料可以完全填充间隙。节段42和位于相邻的节段42对之间的间隙中的电介质层38的电介质材料可以限定超材料(metamaterial)结构，其中构成节段42的材料具有高于电介质层38的电介质材料的折射率。节段44和位于相邻的节段44对之间的间隙中的电介质层38的电介质材料可以限定超材料结构，其中构成节段44的材料具有高于电介质层38的电介质材料的折射率。超材料结构可以被视为均质材料，这些均质材料均具有介于构成节段42、44的材料的折射率和电介质层38的电介质材料的折射率之间的有效折射率。
在替代实施例中，具有分段的锥形部26的波导芯22和具有分段的锥形部28的波导芯24可以定位在不同的层级中(图5、6)。
参考图8并且根据本发明的替代实施例，可以形成覆盖在锥形部26的节段42上的肋(rib)60，以及可以形成覆盖在锥形部28的节段44上的另一肋62。在实施例中，肋60可以在与节段42相同的方向上逐渐变窄(taper)，并且肋62可以在与节段44相同的方向上逐渐变窄。
上述方法用于集成电路芯片的制造。由此产生的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸管芯或以封装形式进行分发。芯片可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是任何包括集成电路芯片的产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
本文中对由诸如“大约”、“约”、“基本上”的近似语言修饰的术语的引用不限于所规定的精确值。近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度，并且，除非依赖于仪器精度，否则可以指示所述值的+/-10％的范围。
本文中对诸如“竖直”、“水平”等的术语的引用是通过示例而非限制来建立参考系的。如本文所用，术语“水平”被定义为与半导体衬底的常规平面平行的平面，而不管其实际的三维空间取向如何。术语“竖直”和“法向”是指与刚刚定义的水平方向垂直的方向。术语“横向”是指水平平面内的方向。
“连接”或“耦合”到另一特征或与另一特征“连接”或“耦合”的特征可以直接连接或耦合到其他特征或与其他特征连接或耦合，或者可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一特征可以“直接连接”或“直接耦合”到另一特征或与另一特征“直接连接”或“直接耦合”。如果存在至少一个中间特征，则一特征可以“间接连接”或“间接耦合”到另一特征或与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。在另一特征“上”或“接触”另一特征的特征可以直接在其他特征上或与其他特征直接接触，或者可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一特征可以“直接在”另一特征“上”或与另一特征“直接接触”。如果存在至少一个中间特征，则一特征可以“间接在”另一特征“上”或与另一特征“间接接触”。如果一特征在另一特征上方延伸并且覆盖另一特征的一部分，则不同的特征可以“重叠”。
本发明的各种实施例的描述是为了说明的目的而给出的，但并非旨在是穷举的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或相对于市场上发现的技术的技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。
Claims (20)
1.一种结构，包括：
光子芯片，其包括第一芯片区、第二芯片区、位于所述第一芯片区中的第一波导芯、以及位于所述第二芯片区中的第二波导芯，所述第一芯片区沿边界邻接所述第二芯片区，所述第一波导芯包括第一锥形部，所述第二波导芯包括与所述第一锥形部相邻的第二锥形部，所述第一锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第一纵轴，所述第二锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第二纵轴。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一锥形部的所述第一纵轴与所述边界平行地对准，所述第二锥形部的所述第二纵轴与所述边界平行地对准。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一锥形部通过与所述边界重叠的间隙与所述第二锥形部分隔开。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一波导芯具有终止所述第一锥形部的第一端部，所述第二波导芯具有终止所述第二锥形部的第二端部，并且所述第一端部相对于所述第二端部在纵向方向上偏移。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一波导芯具有终止所述第一锥形部的第一端部，所述第一锥形部具有随着距所述第一端部的距离减小而减小的第一宽度尺寸。
6.根据权利要求5所述的结构，其中，所述第二波导芯具有终止所述第二锥形部的第二端部，所述第二锥形部具有随着距所述第二端部的距离减小而减小的第二宽度尺寸。
7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述第一锥形部和所述第二锥形部具有相等的锥角。
8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一波导芯包括邻接所述第一锥形部的第一弯曲部，所述第二波导芯包括邻接所述第二锥形部的第二弯曲部，所述第一锥形部的所述第一纵轴通过所述第一弯曲部而与所述边界基本平行地对准，所述第二锥形部的所述第二纵轴通过所述第二弯曲部而与所述边界基本平行地对准。
9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一锥形部包括沿所述第一纵轴具有第一间隔布置的第一多个节段，所述第二锥形部包括沿所述第二纵轴具有第二间隔布置的第二多个节段。
10.根据权利要求9所述的结构，其中，所述第一波导芯还包括覆盖在所述第一多个节段上的第一肋，所述第二波导芯还包括覆盖在所述第二多个节段上的第二肋。
11.根据权利要求9所述的结构，其中，所述第一多个节段被第一多个间隙分隔开，所述第二多个节段被第二多个间隙分隔开，电介质材料位于所述第一多个间隙和所述第二多个间隙中，所述第一多个节段和所述第二多个节段包括具有第一介电常数的第一材料，并且所述电介质材料包括具有小于所述第一介电常数的第二介电常数的第二材料。
12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述第一多个节段和所述电介质材料限定第一超材料结构，所述第二多个节段和所述电介质材料限定第二超材料结构。
13.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一芯片区包括耦合到所述第一波导芯的第一多个光学部件，所述第二芯片区包括耦合到所述第二波导芯的第二多个光学部件，并且所述第二多个光学部件与所述第一多个光学部件相同。
14.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一锥形部被配置为在所述边界处将光从所述第一波导芯传输到所述第二波导芯的所述第二锥形部。
15.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一锥形部是实心的，所述第二锥形部是实心的。
16.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一波导芯和所述第二波导芯包括相同的材料。
17.根据权利要求1所述的结构，其中，所述第一波导芯包括第一材料，所述第二波导芯包括不同于所述第一材料的第二材料。
18.根据权利要求17所述的结构，其中，所述第一材料是硅，所述第二材料是氮化硅。
19.根据权利要求17所述的结构，其中，所述光子芯片包括电介质层，所述第一波导芯被嵌入所述电介质层中，并且所述第二波导芯位于所述电介质层上。
20.一种方法，包括：
形成光子芯片的第一芯片区，其中，所述第一芯片区包括第一波导芯，所述第一波导芯包括第一锥形部；以及
形成所述光子芯片的第二芯片区，所述第二芯片区沿边界邻接所述光子芯片的所述第一芯片区，其中，所述第二芯片区包括第二波导芯，所述第二波导芯具有在所述边界处与所述第一锥形部相邻地定位的第二锥形部，所述第一锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第一纵轴，所述第二锥形部具有与所述边界基本平行地对准的第二纵轴。
Applications Claiming Priority (2)
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