DE102023100453A1

DE102023100453A1 - Metamaterialschichten zur verwendung mit optischen komponenten

Info

Publication number: DE102023100453A1
Application number: DE102023100453.0A
Authority: DE
Inventors: Yusheng Bian
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2023-01-11
Publication date: 2023-09-07
Also published as: US20230280549A1; CN116699760A

Abstract

Strukturen umfassend eine optische Komponente, wie etwa einen Kantenkoppler, und Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen. Die Struktur umfasst ein Substrat, einen Wellenleiterkern über dem Substrat, und eine Metamaterialschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen dem Wellenleiterkern und dem Substrat positioniert ist. Die Metamaterialschicht umfasst einen Satz von Elementen, die durch einen Satz von Spalten getrennt sind, und ein dielektrisches Material in dem Satz von Spalten.

Description

HINTERGRUND
Die Offenbarung betrifft Photonikchips und insbesondere Strukturen umfassend eine optische Komponente, wie etwa einen Kantenkoppler, und Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen.
Photonikchips werden in vielen Anwendungen und Systemen verwendet, die Datenkommunikationssysteme und Datenberechnungssysteme umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein Photonikchip integriert optische Komponenten, wie etwa Wellenleiter, Photodetektoren, Modulatoren und optische Leistungssplitter, und elektronische Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren, in eine vereinigte Plattform. Durch die Integration beider Komponententypen auf dem gleichen Chip können, neben anderen Faktoren, Layoutbereich, Kosten und betrieblicher Overhead reduziert werden.
Ein Kantenkoppler, auch als Punktgrößenkonverter (spot size converter) bekannt, wird üblicherweise zum Koppeln von Licht einer gegebenen Mode von einer Lichtquelle, wie etwa einem Laser oder einer optischen Faser, mit optischen Komponenten an dem Photonikchip verwendet. Der Kantenkoppler kann eine Sektion eines Wellenleiterkerns umfassen, die eine inverse Verjüngung mit einer Spitze definiert. In der Kantenkopplerkonstruktion stellt das schmale Ende der inversen Verjüngung eine Facette an der Spitze bereit, die angrenzend an die Lichtquelle positioniert ist, und ist das breite Ende der inversen Verjüngung mit einer anderen Sektion des Wellenleiterkerns verbunden, die das Licht zu den optischen Komponenten des Photonikchips führt.
Der allmählich variierende Querschnittsbereich der inversen Verjüngung unterstützt eine Modentransformation und Modengrößenvariation, die mit einer Modenkonversion zusammenhängen, wenn Licht von der Lichtquelle zu dem Kantenkoppler transferiert wird. Die Spitze der inversen Verjüngung ist nicht in der Lage, die von der Lichtquelle empfangene einfallende Mode vollständig zu umschließen, weil der Querschnittsbereich der Spitze beträchtlich kleiner als die Modengröße ist. Folglich wird ein signifikanter Prozentsatz des elektromagnetischen Felds der einfallenden Mode um die Spitze der inversen Verjüngung herum verteilt. Wenn ihre Breite zunimmt, kann die inverse Verjüngung die gesamte einfallende Mode unterstützen und das elektromagnetische Feld umschließen.
Konventionelle Kantenkoppler können anfällig für einen Leckageverlust in das Substrat sein. Der Leckageverlust kann beim Koppeln von Licht einer transversal magnetischen Mode von einer monomodigen optischen Faser zu einem Siliziumnitrid-Wellenleiterkern besonders hoch sein. Eine Herangehensweise zum Abschwächen des Leckageverlustes in das Substrat ist es, einen Abschnitt des Substrats unter dem Kantenkoppler zu entfernen, um einen Hinterschnitt zu definieren.
Verbesserte Strukturen umfassend eine optische Komponente, wie etwa einen Kantenkoppler, und Verfahren zum Herstellen derartiger Strukturen werden benötigt.
KURZER ABRISS
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Struktur ein Substrat, einen Wellenleiterkern über dem Substrat, und eine Metamaterialschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen dem Wellenleiterkern und dem Substrat positioniert ist. Die Metamaterialschicht umfasst eine Vielzahl von Elementen, die durch eine Vielzahl von Spalten getrennt sind, und ein dielektrisches Material in der Vielzahl von Spalten.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren ein Bilden eines Wellenleiterkerns über einem Substrat und ein Bilden einer Metamaterialschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen dem Wellenleiterkern und dem Substrat positioniert ist. Die Metamaterialschicht umfasst eine Vielzahl von Elementen, die durch eine Vielzahl von Spalten getrennt sind, und ein dielektrisches Material in der Vielzahl von Spalten.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Beschreibung einbezogen sind und einen Teil von ihr darstellen, veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit einer oben gegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen, dazu, die Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.

1 ist eine Draufsicht einer Struktur in einem anfänglichen Fertigungsstadium eines Prozessierungsverfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 2-2 in 1.
3 ist eine Draufsicht einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 1.
4 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 4-4 in 3.
5 ist eine Draufsicht einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 3.
6 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 6-6 in 5.
7 ist eine Draufsicht einer Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 5.
8 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 8-8 in 7.
9 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
10 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
11 ist eine Draufsicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
12 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1, 2 und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Struktur 10 für einen Kantenkoppler eine Vielzahl von Elementen 12, die eine nebeneinanderliegende (d.h. Seite-an-Seite) Anordnung aufweisen. Die Elemente 12 können in einem eindimensionalen Array über einer dielektrischen Schicht 14 und einem Substrat 16 positioniert sein. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 14 ein dielektrische Material, wie etwa Siliziumdioxid, umfassen und kann das Substrat 16 ein Halbleitermaterial, wie etwa einkristallines Silizium, umfassen. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 14 eine vergrabene Oxidschicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats sein, und kann die dielektrische Schicht 14 die Elemente 12 von dem Substrat 16 trennen. Die Elemente 12 können ein Halbleitermaterial, wie etwa einkristallines Silizium, umfassen. In einer Ausführungsform können die Elemente 12 durch Strukturieren einer einkristallinen Siliziumvorrichtungsschicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats mit Lithografie- und Ätzprozessen gebildet werden, und die dielektrische Schicht 14 kann beim Strukturieren der Elemente 12 als ein Ätzstopp fungieren.
Die Elemente 12 werden durch längliche Grate (d.h. Streifen) gebildet und Spalten 13 können angrenzende Elemente 12 trennen, um eine gitterartige Struktur zu definieren. Die Elemente 12 können entlang jeweiliger Längsachsen 11 ausgerichtet sein. In einer Ausführungsform können die Elemente 12 eine parallele Ausrichtung aufweisen. In der repräsentativen Ausführungsform sind die Elemente 12 in länglichen Graten ausgeführt, die voneinander getrennt sind. In einer Ausführungsform können die Teilung (pitch) und das Tastverhältnis (duty cycle) der Elemente 12 gleichmäßig sein, um eine periodische nebeneinanderliegende Anordnung zu definieren. In alternativen Ausführungsformen können die Teilung und/oder das Taktverhältnis der Elemente 12 apodisiert (d.h. nicht-gleichmäßig) sein, um eine nicht-periodische nebeneinanderliegende Anordnung zu definieren. In einer Ausführungsform kann jedes Element 12 eine rechteckige oder quadratische Querschnittsform in einer Richtung parallel zur Längsachse 11 aufweisen. In einer Ausführungsform können die Elemente 12 gleiche oder im Wesentlichen gleiche Längen aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 3, 4, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 1, 2 beziehen und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium ist eine dielektrische Schicht 18 über den Elementen 12 gebildet. Die dielektrische Schicht 18 kann ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumdioxid, umfassen. Die Elemente 12 sind in der dielektrischen Schicht 18 eingebettet, weil die dielektrische Schicht 18 dicker als die Höhe der Elemente 12 ist. Die Dicke der dielektrischen Schicht 18 und die Höhe der Elemente 12 können einstellbare Variablen sein. Das dielektrische Material, das die dielektrische Schicht 18 bildet, kann einen niedrigeren Brechungsindex als das Material aufweisen, das die Elemente bildet.
Das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 18 befindet sich in den Spalten 13 zwischen angrenzenden Paaren der Elemente 12. Die Elemente 12 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 18 in den Spalten 13 können eine Metamaterialschicht definieren. Die Metamaterialschicht umfassend die Elemente 12 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 18 in den Spalten 13 kann als ein effektives homogenes Material mit einem effektiven Brechungsindex behandelt werden, der zwischen dem Brechungsindex des Materials, das die Elemente 12 bildet, und dem Brechungsindex des dielektrischen Materials ist, das die Räume zwischen den Elementen 12 füllt. In einer Ausführungsform kann sich die Metamaterialschicht über eine gegebene Breite W in einer Richtung quer zu den Längsachsen 11 der Elemente 12 erstrecken. In alternativen Ausführungsformen kann die Metamaterialschicht in mehreren Niveaus und aus unterschiedlichen Materialien für die Elemente 12 in jedem Niveau gebildet sein.
Ein Kantenkoppler kann an der dielektrischen Schicht 18 gebildet sein, wobei er über den Elementen 12 positioniert ist. Der Kantenkoppler kann einen Wellenleiterkern 20 umfassen, der eine inverse Verjüngung 22, eine inverse Verjüngung 24, eine Sektion 26, die durch die inverse Verjüngung 24 mit der inversen Verjüngung 22 verbunden ist, und eine Endoberfläche aufweist, die eine Facette 28 definiert, welche die inverse Verjüngung 22 beendet. Die inverse Verjüngung 22 nimmt mit zunehmendem Abstand von der Facette 28 in der Breite zu. Eine inverse Verjüngung bezieht sich auf eine verjüngte Sektion eines Wellenleiterkerns, die durch eine allmähliche Zunahme in der Breite entlang einer Modenausbreitungsrichtung gekennzeichnet ist. Die Sektion 26 des Wellenleiterkerns 20 kann mit anderen optischen Komponenten verbunden sein.
Der Wellenleiterkern 20 kann ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumnitrid, umfassen. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 20 durch Abscheiden einer Schicht des Materials, aus dem er besteht, durch chemische Dampfabscheidung und Strukturieren der abgeschiedenen Schicht durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden, und die dielektrische Schicht 18 kann beim Strukturieren des Wellenleiterkerns 20 als ein Ätzstopp agieren.
Der Wellenleiterkern 20 kann entlang einer Längsachse 30 ausgerichtet sein, und der Wellenleiterkern 20 kann gegenüberliegende Seitenwände 19, 21 aufweisen, die an der Facette 28 konvergieren, welche die inverse Verjüngung 22 beendet. In einer Ausführungsform kann die Längsachse 11 jedes Elements 12 parallel zur Längsachse 30 des Wellenleiterkerns 20 ausgerichtet sein. Der Wellenleiterkern 20 kann mit einem oder mehreren der Elemente 12 überlappen. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 20 eine nicht-überlappende Beziehung mit einem oder mehr der Elemente 12 aufweisen. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 20 in einer lateralen Richtung zentral über den Elementen 12 positioniert sein, um eine symmetrische Anordnung bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 20 in einer lateralen Richtung zentral über den Elementen 12 positioniert sein, um eine symmetrische Anordnung bereitzustellen, wobei der Wellenleiterkern 20 wenigstens eines der Elemente überlappt und der Wellenleiterkern 20 eine nicht-überlappende Anordnung mit wenigstens einem der Elemente 12 aufweist. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 20 in einer lateralen Richtung zentral über den Elementen 12 positioniert sein, um eine symmetrische Anordnung bereitzustellen, in welcher der Wellenleiterkern 20 mit wenigstens einem der Elemente überlappt, der Wellenleiterkern 20 eine nicht-überlappende Anordnung mit mehreren Elementen 12 aufweist, und gleiche Anzahlen von nicht-überlappten Elementen 12 angrenzend an jede der Seitenwände 19, 21 des Wellenleiterkerns 20 positioniert sind.
Unter Bezugnahme auf 5, 6, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 3, 4 beziehen und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium können dielektrische Schichten 32, 34, 36 eines Back-End-of-Line-Stapels 31 über der dielektrischen Schicht 18 und dem Wellenleiterkern 20 gebildet sein. Der Wellenleiterkern 20 ist in die dielektrische Schicht 32 eingebettet. Die dielektrischen Schichten 32, 34, 36 können ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumdioxid, Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid, oder fluoriertes Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid, umfassen.
Der Kantenkoppler kann zusätzliche Wellenleiterkerne 38, 40, 42 umfassen, die in einem Niveau des Back-End-of-Line-Stapels 31 über dem Wellenleiterkern 20 gebildet sind. Die Wellenleiterkerne 38, 40, 42 weisen eine lateral beabstandete nebeneinanderliegende Anordnung auf, wobei sie an der dielektrischen Schicht 36 positioniert sind. In einer Ausführungsform kann ein Abstand D einer größten Trennung zwischen den äußersten Kanten des Wellenleiterkerns 38 und des Wellenleiterkerns 42 weniger als die Breite W der Metamaterialschicht sein. In alternativen Ausführungsformen kann der Abstand D größer als oder gleich der Breite W sein.
Die Wellenleiterkerne 38, 40, 42 können ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumkohlenstoffnitrid oder hydriertes Siliziumkohlenstoffnitrid, umfassen, das durch Lithografie- und Ätzprozesse abgeschieden und strukturiert wird. In einer alternativen Ausführungsform können die Wellenleiterkerne 38, 40, 42 Siliziumnitrid umfassen. Jeder der Wellenleiterkerne 38, 40, 42 kann entlang einer Längsachse 35 ausgerichtet sein. Der Wellenleiterkern 38 kann an gegenüberliegenden Enden 39 trunkiert sein, um eine Länge für den Wellenleiterkern 38 zu definieren, der Wellenleiterkern 40 kann an gegenüberliegenden Enden 41 trunkiert sein, um eine Länge für den Wellenleiterkern 40 zu definieren, und der Wellenleiterkern 42 kann an gegenüberliegenden Enden 43 trunkiert sein, um eine Länge für den Wellenleiterkern 42 zu definieren. Der Wellenleiterkern 40 befindet sich lateral zwischen dem Wellenleiterkern 38 und dem Wellenleiterkern 42, und der Wellenleiterkern 40 kann mit der inversen Verjüngung 24 des Wellenleiterkerns 20 überlappen. In einer Ausführungsform können die Wellenleiterkerne 38, 40, 42 in einer lateralen Richtung über dem Wellenleiterkern 20 positioniert sein, um eine symmetrische Anordnung bereitzustellen.
In einer Ausführungsform kann sich der Wellenleiterkern 38 weg von dem zentralen Wellenleiterkern 40 krümmen, so dass der Abstand zwischen dem Wellenleiterkern 38 und dem Wellenleiterkern 40 mit zunehmendem Abstand von der Facette 28 des Wellenleiterkerns 20 zunimmt. In einer Ausführungsform kann sich der Wellenleiterkern 42 weg von dem zentralen Wellenleiterkern 40 in einer entgegengesetzten Krümmungsrichtung als der Wellenleiterkern 38 krümmen, so dass der Abstand zwischen dem Wellenleiterkern 42 und dem Wellenleiterkern 40 mit zunehmendem Abstand von der Facette 28 des Wellenleiterkerns 20 zunimmt.
Unter Bezugnahme auf 7, 8, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 5, 6 beziehen und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium können dielektrische Schichten 44, 46 des Back-End-of-Line-Stapels 31 über den Wellenleiterkernen 38, 40, 42 gebildet sein. Die dielektrischen Schichten 44, 46 können eines oder mehrere dielektrische Materialien, wie etwa Siliziumdioxid, Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid, oder fluoriertes Tetraethylorthosilicat-Siliziumdioxid, umfassen. Die Wellenleiterkerne 38, 40, 42 sind in der dielektrischen Schicht 44 eingebettet.
Der Kantenkoppler kann einen Wellenleiterkern 48 umfassen, der in einem Niveau des Back-End-of-Line-Stapels 31 über den Wellenleiterkernen 38, 40, 42 gebildet ist. Der Wellenleiterkern 48 kann mit dem Wellenleiterkern 40 überlappen, und der Wellenleiterkern 48 kann entlang einer Längsachse 47 ausgerichtet sein. In einer Ausführungsform kann die Längsachse 47 des Wellenleiterkerns 48 parallel zu den Längsachsen 35 der Wellenleiterkerne 38, 40, 42 ausgerichtet sein.
Der Wellenleiterkern 48 kann ein dielektrisches Material, wie etwa Siliziumkohlenstoffnitrid oder hydriertes Siliziumkohlenstoffnitrid, umfassen, das durch Lithografie- und Ätzprozesse abgeschieden und strukturiert wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 48 Siliziumnitrid umfassen. In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 48 das gleiche dielektrische Material wie die Wellenleiterkerne 38, 40, 42 umfassen. Der Wellenleiterkern 48 kann an gegenüberliegenden Enden 49 trunkiert sein, so dass der Wellenleiterkern 48 eine Länge aufweist. In einer Ausführungsform können der Wellenleiterkern 48 und der Wellenleiterkern 40 gleiche oder im Wesentlichen gleiche Längen aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 48 kürzer in der Länge als der Wellenleiterkern 40 sein.
Zusätzliche dielektrische Schichten 56 (diagrammatisch in gestrichelten Linien gezeigt), umfassend eine Feuchtigkeitsbarriere, können über dem Wellenleiterkern 48 gebildet sein.
Licht (z.B. Laserlicht) kann in einer Modenausbreitungsrichtung 51 von einer Lichtquelle 50 zu der Facette 28 des Wellenleiterkerns 20 hin gerichtet werden. Das Licht kann eine gegebene Wellenlänge, Intensität, Modenform und Modengröße aufweisen, und der Kantenkoppler, der die repräsentative optische Komponente bereitstellt, kann eine Punktgrößenkonversion (spot size conversion) für das Licht bereitstellen. In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 50 eine monomodige optische Faser sein, die angrenzend an die Facette 28 platziert ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Lichtquelle 50 ein Halbleiterlaser sein, und der Halbleiterlaser kann innerhalb eines in dem Substrat 16 gebildeten Hohlraums angebracht sein. Die Metamaterialschicht umfassend die Elemente 12 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 18 in den Spalten 13 fungiert dazu, Licht aufwärts in einer vertikalen Richtung weg von der dielektrischen Schicht 18 und dem Substrat 16 zu beugen.
Die Metamaterialschicht umfassend die Elemente 12 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 18 in den Spalten 13 kann die Notwendigkeit eines Hinterschnitts in dem Substrat 16, das sich unter dem Kantenkoppler befindet, beseitigen. In dieser Hinsicht kann das Substrat 16 unter wenigstens der inversen Verjüngung 22 des Wellenleiterkerns 20 massiv sein. Die Metamaterialschicht verhindert, dass Licht, das von der Lichtquelle 50 zu dem Kantenkoppler bereitgestellt wird, mit dem Substrat 16 interagiert, und den resultierenden Einfügeverlust aufgrund einer Substratleckage. In dieser Hinsicht kann die Metamaterialschicht als ein Reflektor fungieren.
Die Struktur 10 kann, in jeglicher ihrer hierin beschriebenen Ausführungsformen, in einen Photonikchip integriert werden, der elektronische Komponenten und zusätzliche optische Komponenten umfasst. Beispielsweise können die elektronischen Komponenten Feldeffekttransistoren umfassen, die durch eine CMOS-Prozessierung gefertigt werden.
Unter Bezugnahme auf 9 and gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung können untere Abschnitte der Elemente 12 durch eine Slabschicht 52 verbunden sein. Die Slabschicht 52 kann gebildet werden, wenn die Elemente 12 durch Lithografie- und Ätzprozesse strukturiert werden. Die Slabschicht 52 ist an der dielektrischen Schicht 14 positioniert und die Dicke der Slabschicht 52 ist geringer als die Dicke der Elemente 12.
Unter Bezugnahme auf 10 and gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung, können die Elemente 12 der Metamaterialschicht derart ausgerichtet sein, dass die Längsachse 11 jedes Elements 12 relativ zur Längsachse 30 des Wellenleiterkerns 20 abgewinkelt ist. In einer Ausführungsform können die Elemente 12 derart ausgerichtet sein, dass die Längsachse 11 jedes Elements 12 quer (d.h. senkrecht) zur Längsachse 30 des Wellenleiterkerns 20 ausgerichtet ist. Die Prozessierung geht weiter, wie zuvor beschrieben, um den Kantenkoppler der Struktur 10 zu bilden.
Unter Bezugnahme auf 11 and gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung, können die Elemente 12 der Metamaterialschicht in Reihen von Segmenten 54 partitioniert sein. Die Segmente 54 jedes Elements 12 weisen eine beabstandete Anordnung entlang der Längsachse 11 auf. Die Segmente 54 in den verschiedenen Reihen können auch in Spalten angeordnet sein, um ein zweidimensionales Array zu definieren. Die Prozessierung geht weiter, wie zuvor beschrieben, um den Kantenkoppler der Struktur 10 zu bilden.
Unter Bezugnahme auf 12 and gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl von Wellenleiterkernen in jedem der unterschiedlichen Niveaus des Back-End-of-Line-Stapels 31 geändert werden. In einer Ausführungsform kann ein zusätzlicher Wellenleiterkern 58, der ähnlich oder identisch zu den Wellenleiterkernen 38, 40, 42 ist, zu dem Niveau über dem Wellenleiterkern 20 hinzugefügt werden, und können die Wellenleiterkerne 38, 40, 42, 58 lateral in einer symmetrischen Anordnung relativ zu dem Wellenleiterkern 20 positioniert sein. In einer Ausführungsform kann ein zusätzlicher Wellenleiterkern 60, der ähnlich oder identisch zu dem Wellenleiterkern 48 ist, zu dem Niveau über dem Niveau umfassend die Wellenleiterkerne 38, 40, 42 hinzugefügt werden, und können die Wellenleiterkerne 48, 60 lateral in einer symmetrischen Anordnung relativ zu dem Wellenleiterkern 20 positioniert sein. Der Wellenleiterkern 48 kann positioniert sein, um mit dem Wellenleiterkern 40 zu überlappen, und der Wellenleiterkern 60 kann positioniert sein, um mit dem Wellenleiterkern 42 zu überlappen.
Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (z.B. als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als nackter Chip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Der Chip kann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder einem Zwischenprodukt oder einem Endprodukt integriert sein. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, wie etwa Computerprodukte, die einen zentralen Prozessor aufweisen, oder Smartphones.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke, die durch eine Näherungssprache modifiziert sind, wie „etwa“, „ungefähr“, und „im Wesentlichen“, sollen nicht auf den spezifizierten präzisen Wert beschränkt sein. Die Näherungssprache kann der Präzision eines Instruments entsprechen, das verwendet wird, um den Wert zu messen, und kann, falls nicht anderweitig abhängig von der Präzision des Instruments, einen Bereich von +/- 10% des (der) genannten Werts (Werte) angeben.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke wie „vertikal“, „horizontal“, etc. erfolgen beispielhaft und nicht zur Beschränkung, um einen Referenzrahmen festzulegen. Der Ausdruck „horizontal“ wie hierin verwendet, ist als eine Ebene definiert, die parallel zu einer konventionellen Ebene eines Halbleitersubstrats ist, ungeachtet seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ und „normal“ beziehen sich auf eine Richtung, die senkrecht zur Horizontalen, wie gerade definiert, ist. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf eine Richtung innerhalb der horizontalen Ebene.
Ein Merkmal „verbunden“ oder „gekoppelt“ an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal kann an das oder mit dem anderen Merkmal direkt verbunden oder gekoppelt sein oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „indirekt verbunden“ oder „indirekt gekoppelt“ sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Ein Merkmal „an“ einem anderen Merkmal oder es „kontaktierend“ kann direkt an oder in direktem Kontakt mit dem anderen Merkmal sein, oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann „direkt an“ oder in „direktem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann „indirekt an“ oder in „indirektem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Verschiedene Merkmale können sich „überlappen“, wenn sich ein Merkmal über ein anderes Merkmal erstreckt und einen Teil davon bedeckt.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung präsentiert, sollen aber nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen sind für die gewöhnlichen Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und der Idee der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erklären, oder es anderen gewöhnlichen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Struktur umfassend: ein Substrat; einen Wellenleiterkern über dem Substrat; und eine Metamaterialschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen dem Wellenleiterkern und dem Substrat positioniert ist, wobei die Metamaterialschicht eine Vielzahl von Elementen, die durch eine Vielzahl von Spalten getrennt sind, und ein dielektrisches Material in der Vielzahl von Spalten umfasst.
Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Lichtquelle, die dazu konfiguriert ist, Licht zu dem Wellenleiterkern bereitzustellen, wobei die Metamaterialschicht dazu konfiguriert ist, das Licht weg von dem Substrat zu reflektieren.
Struktur nach Anspruch 2, wobei der Wellenleiterkern durch eine Endoberfläche beendet wird, und die Lichtquelle dazu konfiguriert ist, das Licht in einer Modenausbreitungsrichtung bereitzustellen, die mit der Endoberfläche ausgerichtet ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Elementen Silizium umfassen, und das dielektrische Material Siliziumdioxid umfasst.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wellenleiterkern ein erstes Material umfasst, und die Vielzahl von Elementen ein zweites Material umfassen.
Struktur nach Anspruch 5, wobei das erste Material Silizium ist, und das zweite Material Siliziumnitrid ist.
Struktur nach Anspruch 5, wobei das erste Material Silizium ist, und das zweite Material Siliziumkohlenstoffnitrid oder hydriertes Siliziumkohlenstoffnitrid ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wellenleiterkern eine erste Längsachse aufweist, jedes der Vielzahl von Elementen eine zweite Längsachse aufweist, und die zweite Längsachse parallel zur ersten Längsachse ausgerichtet ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wellenleiterkern eine erste Längsachse aufweist, jedes der Vielzahl von Elementen eine zweite Längsachse aufweist, und die zweite Längsachse in einem Winkel zur ersten Längsachse ausgerichtet ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wellenleiterkern eine erste Längsachse aufweist, jedes der Vielzahl von Elementen eine zweite Längsachse aufweist, und die zweite Längsachse senkrecht zur ersten Längsachse ausgerichtet ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei jedes der Vielzahl von Elementen eine erste Längsachse und eine Vielzahl von Segmenten umfasst, die entlang der ersten Längsachse positioniert sind.
Struktur nach Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Segmenten von jedem der Vielzahl von Elementen in Reihen ausgerichtet sind.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Wellenleiterkern mit wenigstens einem der Vielzahl von Elementen überlappt.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Wellenleiterkern eine nicht-überlappende Anordnung mit wenigstens einem der Vielzahl von Elementen aufweist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Wellenleiterkern über der Vielzahl von Elementen zentriert ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Wellenleiterkern eine inverse Verjüngung umfasst, und das Substrat unter der inversen Verjüngung massiv ist.
Verfahren umfassend: Bilden eines Wellenleiterkerns über einem Substrat; und Bilden einer Metamaterialschicht, die in einer vertikalen Richtung zwischen dem Wellenleiterkern und dem Substrat positioniert ist, wobei die Metamaterialschicht eine Vielzahl von Elementen, die durch eine Vielzahl von Spalten getrennt sind, und ein dielektrisches Material in der Vielzahl von Spalten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bilden der Metamaterialschicht umfassend die Vielzahl von Elementen, die durch die Vielzahl von Spalten getrennt sind, und das dielektrische Material in der Vielzahl von Spalten umfasst: Strukturieren einer Halbleiterschicht, um die Vielzahl von Elementen zu definieren; und Abscheiden des dielektrischen Materials nach Strukturieren der Halbleiterschicht.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Wellenleiterkern durch eine Endoberfläche beendet wird, und ferner umfassend: Platzieren einer Lichtquelle angrenzend an die Endoberfläche des Wellenleiterkerns, wobei die Lichtquelle dazu konfiguriert ist, das Licht in einer Modenausbreitungsrichtung bereitzustellen, die mit der Endoberfläche des Wellenleiterkerns ausgerichtet ist, und die Metamaterialschicht dazu konfiguriert ist, das Licht weg von dem Substrat zu reflektieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Wellenleiterkern eine erste Längsachse aufweist, jedes der Vielzahl von Elementen eine zweite Längsachse aufweist, und die zweite Längsachse entweder parallel oder senkrecht zur ersten Längsachse ausgerichtet ist.