FR3053479A1 - Region de jonction entre deux guides d'ondes et procede de fabrication associe - Google Patents
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Abstract
Le dispositif intégré photonique comporte au moins un premier guide d'ondes (G1) et un deuxième guide d'ondes (G2), les deux guides d'ondes étant mutuellement couplés par une région de jonction (JCN) comprenant un renflement (R).
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 053 479 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 56188
COURBEVOIE © IntCI8
G 02 B 6/12 (2017.01), G 02 B 6/24
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| (§) Date de dépôt : 30.06.16. | © Demandeur(s) : STMICROELECTRONICS (CROLLES |
| (30) Priorité : | 2) SAS Société par actions simplifiée — FR. |
| @ Inventeur(s) : BAUDOT CHARLES. | |
| (© Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 05.01.18 Bulletin 18/01. | |
| (© Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
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| ©) Demande(s) d’extension : | © Mandataire(s) : CASALONGA & ASSOCIES. |
Pty REGION DE JONCTION ENTRE DEUX GUIDES D'ONDES ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE.
FR 3 053 479 - A1
Le dispositif intégré photonique comporte au moins un premier guide d'ondes (G1) et un deuxième guide d'ondes (G2), les deux guides d'ondes étant mutuellement couplés par une région de jonction (JCN) comprenant un renflement (R).
Région de jonction entre deux guides d’ondes et procédé de fabrication associé
Des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention concernent les circuits intégrés photoniques, notamment les circuits intégrés photoniques comportant différents guides d’ondes, et tout particulièrement les moyens de couplage entre ces différents guides d’ondes.
Classiquement, dans une zone de jonction entre deux guides d’ondes, par exemple entre un guide d’ondes à nervure (« rib waveguide » selon l’appellation anglo-saxonne bien connu de l’homme du métier) et un guide d’ondes en bande (« strip waveguide »), la dalle du guide d’ondes à nervure se réduit progressivement jusqu’à être de la même largeur que la nervure du guide d’ondes en bande.
Comme l’illustrent les figures 1 et 2, ce type de jonction peut classiquement être réalisé par une première gravure partielle d’un film de silicium 1, réalisée à l’aide d’un premier masque Ml (figure 1) et permettant de graver une première région 2 délimitant la dalle et la nervure du guide d’ondes à nervure, et notamment la portion de la dalle du premier guide d’ondes dont la largeur diminue progressivement.
Une deuxième gravure réalisée à l’aide d’un second masque M2 (figure 2) permet de délimiter le guide d’ondes en bande, et de réaliser une gravure totale sur une région 3 de la couche isolante située de part et d’autre des deux guides d’ondes.
Cependant, lors de la réalisation des deux gravures, il est possible que des erreurs d’alignement aient lieu entre les deux masques, par exemple un décalage selon l’axe transversal X pouvant dépasser 30 nanomètres.
Pour des guides d’ondes en bande de largeurs classiques, c’est à dire de quelques centaines de nanomètres, ces décalages induisent des discontinuités, ou murs, à la jonction entre les deux guides d’ondes, responsables d’atténuations importantes du signal optique ou de réflexions parasites.
Ainsi, selon un mode de réalisation il est proposé une région de jonction entre deux guides d’ondes ayant des discontinuités très réduites voire inexistantes et dont le procédé de fabrication est robuste aux erreurs d’alignement.
Selon un aspect, il est proposé un dispositif intégré photonique comportant un substrat semi-conducteur comprenant une première zone latérale, une deuxième zone latérale, une zone centrale, une première zone intermédiaire située entre la première zone latérale et la zone centrale, une deuxième zone intermédiaire située entre la deuxième zone latérale et la zone centrale.
Le substrat comprend au moins un premier guide d’ondes comportant une portion dans la première zone latérale et un deuxième guide d’ondes comportant une portion dans la deuxième zone latérale, les deux guides d’ondes étant mutuellement couplés par une région de jonction comprenant une région centrale de jonction située dans la zone centrale, une première région intermédiaire de jonction et une deuxième région intermédiaire de jonction s’étendant respectivement dans les première et deuxième zones intermédiaires en s’élargissant progressivement pour rejoindre la région centrale de jonction de façon à former un renflement.
Ainsi, le renflement permet avantageusement de faire passer les signaux optiques d’un guide d’ondes à l’autre en maintenant les ondes dans leur mode fondamental grâce à une transition progressive de largeur de guide, et en diminuant les pertes et les effets de réflexions parasites. Le procédé de réalisation d’une telle région de jonction est également avantageux comme il le sera décrit ci-après.
Au moins le premier guide d’ondes comprend une première partie réalisée sur une deuxième partie plus large que sa première partie. En d’autres termes, le premier guide d’ondes peut être un guide d’ondes à nervure.
La région de jonction comprend une portion de ladite deuxième partie qui s’étend depuis la première zone latérale dans la première zone intermédiaire et dans une partie de la zone centrale en diminuant progressivement de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la région centrale de jonction.
Ainsi, dans la région centrale, le signal optique qui reste au milieu du guide n’est plus affecté par les interfaces délimitant les bords du guide. Par conséquent, si le changement de forme de guide a lieu dans cette région, aucune réflexion ou perte de signal ne surviendra.
Selon un mode de réalisation de cet aspect, le deuxième guide d’ondes peut comprendre également une première partie réalisée sur une deuxième partie plus large que sa première partie et la région de jonction comprend en outre une portion de ladite deuxième partie qui s’étend depuis la deuxième zone latérale dans la deuxième zone intermédiaire et dans une partie de la zone centrale en diminuant progressivement de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la région centrale de jonction.
En d’autres termes, le premier et le deuxième guide d’ondes sont des guides d’ondes à nervures.
La première zone intermédiaire et la deuxième zone intermédiaire peuvent avoir des longueurs différentes.
La longueur totale de la région de jonction peut être avantageusement inférieure ou égale à trente-cinq micromètres.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de réalisation d’un dispositif photonique intégré comprenant deux guides d’ondes reliés entre eux par une région de jonction, le procédé comportant deux gravures successives d’un substrat semi-conducteur.
Selon une caractéristique générale de cet autre aspect, la première gravure comprend une gravure partielle du substrat à l’exception d’une première zone masquée par un premier masque, et la deuxième gravure comprend une gravure totale du substrat à l’exception de la première zone toujours masquée par le premier masque et d’une deuxième zone masquée par un deuxième masque, la première gravure et la deuxième gravure définissant un renflement dans le substrat.
Le premier masque peut par exemple classiquement être un masque dur d’oxyde de silicium, de nitrure de silicium, de carbone amorphe ou de nitrure de titane, et le deuxième masque peut classiquement être un masque de résine.
Selon un mode de mise en œuvre, le substrat comprend une première zone latérale, une deuxième zone latérale, une zone centrale, une première zone intermédiaire située entre la première zone latérale et la zone centrale et une deuxième zone intermédiaire située entre la deuxième zone latérale et la zone centrale, et le premier masque comprend une première portion située dans la première zone latérale, une deuxième portion située dans la deuxième zone latérale, une région centrale de masque située dans la zone centrale, une première région intermédiaire de masque et une deuxième région intermédiaire de masque s’étendant respectivement dans les première et deuxième zones intermédiaires en s’élargissant progressivement pour rejoindre la région centrale de masque, et le deuxième masque comporte une région rectangulaire de masque de largeur constante et une deuxième région intermédiaire de masque s’étendant dans la première zone intermédiaire et dans une partie de la zone centrale du substrat en diminuant de largeur.
Ainsi, le deuxième masque présente une extrémité étroite située au dessus du renflement du premier masque, ce qui permet avantageusement d’avoir une marge d’erreur plus importante en cas de mauvais alignement des deux masques.
Préférentiellement le deuxième masque est placé de manière à laisser une marge supérieure à trente-cinq nanomètres entre l’extrémité de la région intermédiaire de masque et les bords de la région centrale du premier masque.
Ainsi, le premier masque, ou masque dur, confère des propriétés d’auto-alignement au dispositif car il reste présent lors de la deuxième gravure en protégeant les premières parties, ou nervures, des deux guides d’ondes et la région centrale.
Selon un mode de mise en œuvre, la deuxième gravure comprend une gravure totale du substrat à l’exception en outre d’une troisième zone masquée par un troisième masque, la troisième zone masquée étant analogue à la deuxième zone masquée et positionnée en miroir par rapport à celle-ci.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de mise en œuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- les figures 1 et 2, décrites précédemment, illustrent l’art antérieur,
- les figures 3 à 7 illustrent des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention.
Les figures 3 et 4 illustrent un procédé de gravure selon un mode de mise en œuvre de l’invention. Le procédé de gravure permet la formation d’une région de jonction JCN entre deux guides d’ondes G1 et G2 réalisés dans un substrat semi-conducteur 4, ici un film de silicium. Par exemple ici, le premier guide d’ondes G1 est un guide d’ondes à nervure, et le deuxième guide d’ondes G2 est un guide d’ondes en bande.
Le film de silicium 4 peut classiquement être réalisé sur une couche isolante enterrée, elle-même réalisée sur un substrat porteur. En d’autres termes, on est alors dans une technologie du type silicium sur isolant (SOI : Silicon On Insulator). Le film de silicium 4 à ici une épaisseur de trois-cent nanomètres.
La gravure comprend la réalisation d’un premier masque M3, par exemple un masque dur de nitrure de silicium, et d’un deuxième masque M4, par exemple un masque de résine, qui permettent classiquement de préserver certaines régions du matériau lors de la gravure.
Initialement, le film de silicium est surmonté d’une couche de nitrure, elle-même surmontée d’une couche de résine. Ces deux couches permettent la réalisation du premier masque M3.
Dans une première étape (figure 3) on réalise le premier masque M3 au dessus du film de silicium 4.
Le premier masque M3 est réalisé par un procédé classique de gravure des couches de résine puis de la couche de nitrure, de manière à recouvrir une première région masquée 5 du film de silicium 4. A la fin du procédé de réalisation du premier masque M3, la totalité de la couche de résine à été gravée ou retirée, et il ne subsiste qu’une partie non gravée de la couche de nitrure, formant ici le premier masque M3, ou masque dur.
Le premier masque M3 comporte deux parties de masque 51 et 52, ici rectangulaires, respectivement de largeur (comptée selon la direction transversale X) trois cent cinquante et quatre cent nanomètres, et situées chacune respectivement sur une première zone latérale 40 et sur une deuxième zone latérale 41 du film de silicium 4.
Les zones latérales s’étendent selon une première direction Y, par exemple une direction longitudinale, orthogonale à la deuxième direction X, par exemple la direction transversale.
Les deux parties rectangulaires 51 et 52 de masque se prolongent respectivement dans une première zone intermédiaire 42 et sur une deuxième zone intermédiaire 43 du film de silicium en formant deux régions intermédiaires de masque 53 et 54 qui s’élargissent progressivement vers une zone centrale 44 du film de silicium 4, jusqu’à se rejoindre dans la zone centrale 44 en formant une région centrale de masque 55 d’une largeur de mille deux cent nanomètres.
Par exemple ici, les régions intermédiaires de masque 53 et 54 ont chacune une longueur de cent micromètres.
On réalise ensuite avec ce premier masque M3 de nitrure une gravure partielle du film de silicium 4. La gravure se fait par un procédé classique et connu en soi. La gravure est réalisée de façon à graver la partie du film de silicium 4 dans les régions non recouvertes par le masque M3 de nitrure. Ici, on réalise une gravure partielle d’une profondeur de cent cinquante nanomètres dans le silicium.
Lors d’une deuxième étape (figure 4), on place un deuxième masque M4 au dessus du film de silicium 4 préalablement gravé, sur le premier masque M3, de manière à recouvrir une deuxième région 6 du film semi-conducteur 4.
A cette fin, on dépose une nouvelle couche de résine de façon à recouvrir entièrement le film de silicium et le premier masque M3 de nitrure.
Puis, on réalise le deuxième masque M4 par un procédé classique de gravure de la nouvelle couche de résine, de façon à ce que la partie non gravée de la nouvelle couche de résine forme le deuxième masque M4 de résine et recouvre une deuxième zone masquée 6 de l’empilement du film de silicium 4 et du premier masque M3 de nitrure.
Le deuxième masque M4 de résine comporte une région rectangulaire de masque 60, qui s’étend dans la zone latérale 40 et au dessus d’une partie de la première zone intermédiaire 42 du film de silicium 4, et qui possède ici une largeur de quatre micromètres.
La région rectangulaire 60 se prolonge dans la première zone intermédiaire 42 et au dessus d’une partie de la zone centrale 44 du film de silicium en formant une deuxième région intermédiaire de masque 61 qui diminue progressivement de largeur, jusqu’à atteindre par exemple une largeur de six cents nanomètres à son extrémité 62.
L’extrémité 62 du deuxième masque M4 est beaucoup plus étroite que la région centrale 55 préalablement formée par le premier masque M3 et toujours protégée par le premier masque M3 de nitrure, ou masque dur, une marge de trois cents nanomètres étant présente entre les bordures de la région centrale de masque 55 et l’extrémité 62 du deuxième masque M4.
Ainsi, une erreur d’alignement entre les réalisations des deux masques, par exemple une erreur d’alignement de plusieurs dizaines de nanomètres selon l’axe X, n’entraînera pas la formation de discontinuité, ou mur, dans le silicium.
On réalise ensuite une gravure complète du film de silicium, de façon à ce que les régions non protégées par le premier masque M3 de nitrure et les régions non-protégées par le deuxième masque M4 de résine soient entièrement gravées.
Puis, on retire le premier masque M3 de nitrure et le deuxième masque M4 de résine par des procédés classiques.
On obtient ainsi un dispositif tel que celui illustré sur la figure 5 et décrit ci-après.
La figure 5 illustre un premier mode de réalisation d’un dispositif photonique intégré comportant deux guides d’ondes G1 et G2 reliés par une région de jonction JCN.
Le premier guide d’ondes G1 s’étend dans une première zone latérale 40 du film de silicium et comporte une première partie inférieure, ou dalle 7, ayant une épaisseur de cent cinquante nanomètres et une largeur de quatre micromètres, et sur laquelle se trouve une deuxième partie supérieure, ou nervure 8, d’une largeur de trois cent soixante nanomètres. Selon la longueur d’onde choisie et les dimensions du circuit visé, cette largeur peut varier de 300 à 450 nanomètres.
Le deuxième guide d’ondes G2 s’étend dans une deuxième zone latérale 41 du film de silicium et comporte une partie supérieure 90 et une partie inférieure 91 ayant des largeurs identiques. On considère donc classiquement que le deuxième guide d’ondes G2 comporte une seule bande 9 d’une largeur de quatre cent nanomètres. Selon la longueur d’onde choisie et les dimensions du circuit visé, cette largeur peut varier de 300 à 500 nanomètres.
La région de jonction JCN comprend une première et une deuxième région intermédiaire de jonction 80 et 92 qui comprennent respectivement une portion de la nervure 8 du premier guide d’ondes G1 et une portion de la bande 9 du deuxième guide d’ondes G2 qui s’étendent respectivement dans les zones intermédiaires 42 et 43 du film de silicium en s’élargissant progressivement jusqu’à la zone centrale 44 du film de silicium où elles se rejoignent en formant une région centrale de jonction 10 rectangulaire d’une longueur de dix micromètres et d’une largeur de mille deux cents nanomètres. Cette largeur est classique, et pourrait être supérieure à 1300 nanomètres. La largeur maximale de la région centrale de jonction 10 est fonction de la compacité du composant.
La région de jonction JCN comporte également une portion de la partie inférieure 7 du premier guide d’ondes G1 qui s’étend dans la zone intermédiaire 42 du film de silicium et dans la zone centrale en diminuant de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la région centrale de jonction 10.
Ainsi, la région de jonction JCN entre les deux guides d’ondes G1 et G2 comporte un renflement R. Ce renflement est notamment le résultat du procédé de réalisation plus robuste décrit précédemment, permettant de limiter fortement les discontinuités dues à un éventuel mauvais alignement entre les deux masques M3 et M4.
Et, même si le procédé générait des discontinuités sur les bords de la région de jonction JCN, le renflement R est suffisamment large pour qu’un signal lumineux y circulant soit suffisamment éloigné des bords et ne soit donc avantageusement pas affecté par ces discontinuités.
Les variations progressives des largeurs dans les zones intermédiaires 42 et 43 du film de silicium permettent également de maintenir l’onde lumineuse dans son mode fondamental lors de son passage dans la jonction JCN.
Il convient de noter que les modes de réalisation présentés ici ne sont nullement limitatifs. Notamment, bien qu’il ait été décrit une région de jonction JCN entre deux guides d’onde de types différents, il serait tout à fait envisageable de réaliser une région jonction entre deux guides d’ondes de même type mais présentant des caractéristiques différentes.
Ainsi, la figure 6 illustre un mode de réalisation d’un dispositif photonique qui comporte deux guides d’ondes à nervures G3 et G4 reliés par une région de jonction JCN2.
Le premier guide d’ondes à nervures G3 comporte une partie supérieure 11, d’une épaisseur de cent cinquante nanomètres et d’une largeur de trois cent vingt nanomètres, réalisée sur une partie inférieure 12, d’une épaisseur de cent cinquante nanomètres.
Le deuxième guide d’ondes à nervure G4 comporte une partie inférieure 13 d’une épaisseur de cinquante nanomètres, et une partie supérieure 14 d’une épaisseur de deux cent cinquante nanomètres pour une largeur de quatre cents nanomètres.
ίο
Il serait également envisageable d’avoir une jonction entre deux guides d’ondes en bande de dimensions différentes.
La figure 7 illustre un système comportant un dispositif selon un mode de réalisation de l’invention. Le système SYS est ici une fibre otique active, comportant classiquement deux transmetteursrécepteurs optiques TRO1 et TRO2 comportant des dispositifs tels que ceux décrits précédemment et illustrés aux figures 3 à 6, couplés à une fibre optique FO.
Ce système est classiquement destiné à faire la liaison entre deux équipements informatiques, par exemple des ordinateurs, des routeurs, ou des commutateurs, en améliorant les performances de communication
Bien qu’il ait été présenté ici des jonctions s’étendant sur une longueur d’environ deux cent dix micromètres, il serait tout à fait possible et avantageux de réaliser une région de jonction plus réduite, s’étendant par exemple mais non limitativement sur une longueur inférieure à trente-cinq micromètres, avec par exemple une première zone intermédiaire du film de silicium mesurant environ dix micromètres, une deuxième zone intermédiaire du film de silicium mesurant vingt micromètres, et une zone centrale du film de silicium mesurant environ 1 micromètre.
Et, bien qu’il ait été présenté ici un renflement R de forme octogonale, il serait tout à fait envisageable de réaliser un renflement R ne comportant pas d’arêtes, c'est-à-dire ayant par exemple une forme arrondie. La région centrale de jonction 10 ne serait alors pas de largeur constante.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Dispositif intégré photonique comportant un substrat semiconducteur comprenant une première zone latérale (40), une deuxième zone latérale (41), une zone centrale (44), une première zone intermédiaire (42) située entre la première zone latérale (40) et la zone centrale (44), une deuxième zone intermédiaire située entre la deuxième zone latérale (41) et la zone centrale (44), le substrat comprenant au moins un premier guide d’ondes (Gl) comportant une portion dans la première zone latérale (40) et un deuxième guide d’ondes (G2) comportant une portion dans la deuxième zone latérale (40), les deux guides d’ondes étant mutuellement couplés par une région de jonction (JCN) comprenant une région centrale de jonction (10) située dans la zone centrale (44), une première région intermédiaire de jonction (80) et une deuxième région intermédiaire de jonction (92) s’étendant respectivement dans les première et deuxième zones intermédiaires (42, 43) en s’élargissant progressivement pour rejoindre la région centrale de jonction (10) de façon à former un renflement (R), et au moins le premier guide d’ondes (Gl) comprend une première partie (8) réalisée sur une deuxième partie (7) plus large que sa première partie (8), et la région de jonction (JCN) comprend une portion (70) de ladite deuxième partie (7) qui s’étend depuis la première zone latérale (40) dans la première zone intermédiaire (42) et dans une partie de la zone centrale (44) en diminuant progressivement de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la région centrale de jonction (10).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le deuxième guide d’ondes (G2) comprend une première partie (14) réalisée sur une deuxième partie (13) plus large que sa première partie (14) et la région de jonction comprend en outre une portion (130) de ladite deuxième partie (13) qui s’étend depuis la deuxième zone latérale (41) dans la deuxième zone intermédiaire (43) et dans une partie de la zone centrale (44) en diminuant progressivement de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la région centrale de jonction (10).
- 3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première zone intermédiaire (42) et la deuxième zone intermédiaire (43) ont des longueurs différentes.
- 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la longueur totale de la région de jonction (JCN) est inférieure ou égale à trente-cinq micromètres.
- 5. Procédé de réalisation d’un dispositif photonique intégré comprenant deux guides d’ondes (Gl, G2) reliés entre eux par une région de jonction (JCN), le procédé comportant deux gravures successives d’un substrat semi-conducteur (4), caractérisé en ce que la première gravure comprend une gravure partielle du substrat à l’exception d’une première zone masquée (5) par un premier masque (M3), et la deuxième gravure comprend une gravure totale du substrat à l’exception de la première zone masquée (5) et d’une deuxième zone masquée (6) par un deuxième masque (M4), la première gravure et la deuxième gravure (6) définissant un renflement (R) dans le substrat (4).
- 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le substrat comprend une première zone latérale (40), une deuxième zone latérale (41), une zone centrale, une première zone intermédiaire (42) située entre la première zone latérale (40) et la zone centrale (44) et une deuxième zone intermédiaire ( 43) située entre la deuxième zone latérale et la zone centrale (44), et le premier masque (M3) comprend une première portion située dans la première zone latérale, une deuxième portion située dans la deuxième zone latérale, une région centrale de masque (55) de largeur constante située dans la zone centrale (44), une première région intermédiaire de masque (53) et une deuxième région intermédiaire de masque (54) s’étendant respectivement dans les première et deuxième zones intermédiaires en s’élargissant progressivement pour rejoindre la région centrale de masque (55), et le deuxième masque (M4) comporte une région rectangulaire de masque (60) de largeur constante et une deuxième région intermédiaire de masque (61) s’étendant dans la première zone intermédiaire (42) et dans une partie de la zone centrale (44) du substrat en diminuant de largeur.
- 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le deuxième masque (M2) est placé de manière à laisser une marge5 supérieure à trente-cinq nanomètres entre l’extrémité (62) de la région intermédiaire de masque (61) et les bords de la région centrale (55) du premier masque (M3).
- 8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel la deuxième gravure comprend une gravure totale du10 substrat à l’exception en outre d’une troisième zone masquée par un troisième masque, la troisième zone masquée étant analogue à la deuxième zone masquée et positionnée en miroir par rapport à celle-ci.
- 9. Système comprenant un dispositif selon l’une des revendications 1 à 4.15
- 10. Système selon la revendication 9, le système étant un transmetteur-récepteur optique.1/3
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