FR3053479B1 - 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

Région de jonction entre deux guides d’ondes et procédé defabrication associé
Des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’inventionconcernent les circuits intégrés photoniques, notamment les circuitsintégrés photoniques comportant différents guides d’ondes, et toutparticulièrement les moyens de couplage entre ces différents guidesd’ondes.
Classiquement, dans une zone de jonction entre deux guidesd’ondes, par exemple entre un guide d’ondes à nervure (« ribwaveguide » selon l’appellation anglo-saxonne bien connu de l’hommedu métier) et un guide d’ondes en bande (« strip waveguide »), la dalledu guide d’ondes à nervure se réduit progressivement jusqu’à être dela même largeur que la nervure du guide d’ondes en bande.
Comme l’illustrent les figures 1 et 2, ce type de jonction peutclassiquement être réalisé par une première gravure partielle d’un filmde silicium 1, réalisée à l’aide d’un premier masque Ml (figure 1) etpermettant de graver une première région 2 délimitant la dalle et lanervure du guide d’ondes à nervure, et notamment la portion de ladalle du premier guide d’ondes dont la largeur diminueprogressivement.
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 réaliserune gravure totale sur une région 3 de la couche isolante située de partet d’autre des deux guides d’ondes.
Cependant, lors de la réalisation des deux gravures, il estpossible que des erreurs d’alignement aient lieu entre les deuxmasques, par exemple un décalage selon l’axe transversal X pouvantdépasser 30 nanomètres.
Pour des guides d’ondes en bande de largeurs classiques, c’està dire de quelques centaines de nanomètres, ces décalages induisentdes discontinuités, ou murs, à la jonction entre les deux guidesd’ondes, responsables d’atténuations importantes du signal optique oude réflexions parasites.
Ainsi, selon un mode de réalisation il est proposé une région dejonction entre deux guides d’ondes ayant des discontinuités trèsréduites voire inexistantes et dont le procédé de fabrication est robusteaux erreurs d’alignement.
Selon un aspect, il est proposé un dispositif intégré photoniquecomportant un substrat semi-conducteur comprenant une première zonelatérale, une deuxième zone latérale, une zone centrale, une premièrezone intermédiaire située entre la première zone latérale et la zonecentrale, une deuxième zone intermédiaire située entre la deuxièmezone latérale et la zone centrale.
Le substrat comprend au moins un premier guide d’ondescomportant une portion dans la première zone latérale et un deuxièmeguide d’ondes comportant une portion dans la deuxième zone latérale,les deux guides d’ondes étant mutuellement couplés par une région dejonction comprenant une région centrale de jonction située dans lazone centrale, une première région intermédiaire de jonction et unedeuxième région intermédiaire de jonction s’étendant respectivementdans les première et deuxième zones intermédiaires en s’élargissantprogressivement pour rejoindre la région centrale de jonction de façonà former un renflement.
Ainsi, le renflement permet avantageusement de faire passer lessignaux optiques d’un guide d’ondes à l’autre en maintenant les ondesdans leur mode fondamental grâce à une transition progressive delargeur de guide, et en diminuant les pertes et les effets de réflexionsparasites. Le procédé de réalisation d’une telle région de jonction estégalement avantageux comme il le sera décrit ci-après.
Au moins le premier guide d’ondes comprend une premièrepartie réalisée sur une deuxième partie plus large que sa premièrepartie. En d’autres termes, le premier guide d’ondes peut être un guided’ondes à nervure.
La région de jonction comprend une portion de ladite deuxièmepartie qui s’étend depuis la première zone latérale dans la premièrezone intermédiaire et dans une partie de la zone centrale en diminuant progressivement de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la régioncentrale de jonction.
Ainsi, dans la région centrale, le signal optique qui reste aumilieu du guide n’est plus affecté par les interfaces délimitant lesbords du guide. Par conséquent, si le changement de forme de guide alieu dans cette région, aucune réflexion ou perte de signal nesurviendra.
Selon un mode de réalisation de cet aspect, le deuxième guided’ondes peut comprendre également une première partie réalisée surune deuxième partie plus large que sa première partie et la région dejonction comprend en outre une portion de ladite deuxième partie quis’étend depuis la deuxième zone latérale dans la deuxième zoneintermédiaire et dans une partie de la zone centrale en diminuantprogressivement de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la régioncentrale de jonction.
En d’autres termes, le premier et le deuxième guide d’ondessont des guides d’ondes à nervures.
La première zone intermédiaire et la deuxième zoneintermédiaire peuvent avoir des longueurs différentes.
La longueur totale de la région de jonction peut êtreavantageusement inférieure ou égale à trente-cinq micromètres.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de réalisationd’un dispositif photonique intégré comprenant deux guides d’ondesreliés entre eux par une région de jonction, le procédé comportantdeux gravures successives d’un substrat semi-conducteur.
Selon une caractéristique générale de cet autre aspect, lapremière gravure comprend une gravure partielle du substrat àl’exception d’une première zone masquée par un premier masque, et ladeuxième gravure comprend une gravure totale du substrat àl’exception de la première zone toujours masquée par le premiermasque et d’une deuxième zone masquée par un deuxième masque, lapremière gravure et la deuxième gravure définissant un renflementdans le substrat.
Le premier masque peut par exemple classiquement être unmasque dur d’oxyde de silicium, de nitrure de silicium, de carboneamorphe ou de nitrure de titane, et le deuxième masque peutclassiquement être un masque de résine.
Selon un mode de mise en œuvre, le substrat comprend unepremière zone latérale, une deuxième zone latérale, une zone centrale,une première zone intermédiaire située entre la première zone latéraleet la zone centrale et une deuxième zone intermédiaire située entre ladeuxième zone latérale et la zone centrale, et le premier masquecomprend une première portion située dans la première zone latérale,une deuxième portion située dans la deuxième zone latérale, unerégion centrale de masque située dans la zone centrale, une premièrerégion intermédiaire de masque et une deuxième région intermédiairede masque s’étendant respectivement dans les première et deuxièmezones intermédiaires en s’élargissant progressivement pour rejoindrela région centrale de masque, et le deuxième masque comporte unerégion rectangulaire de masque de largeur constante et une deuxièmerégion intermédiaire de masque s’étendant dans la première zoneintermédiaire et dans une partie de la zone centrale du substrat endiminuant de largeur.
Ainsi, le deuxième masque présente une extrémité étroite situéeau dessus du renflement du premier masque, ce qui permetavantageusement d’avoir une marge d’erreur plus importante en cas demauvais alignement des deux masques.
Préférentiellement le deuxième masque est placé de manière àlaisser une marge supérieure à trente-cinq nanomètres entre l’extrémitéde la région intermédiaire de masque et les bords de la région centraledu premier masque.
Ainsi, le premier masque, ou masque dur, confère despropriétés d’auto-alignement au dispositif car il reste présent lors dela 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 gravurecomprend une gravure totale du substrat à l’exception en outre d’une troisième zone masquée par un troisième masque, la troisième zonemasquée étant analogue à la deuxième zone masquée et positionnée enmiroir par rapport à celle-ci. D’autres avantages et caractéristiques de l’inventionapparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de miseen œuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexéssur lesquels : - les figures 1 et 2, décrites précédemment, illustrent l’artantérieur, - les figures 3 à 7 illustrent des modes de mise en œuvre etde réalisation de l’invention.
Les figures 3 et 4 illustrent un procédé de gravure selon unmode de mise en œuvre de l’invention. Le procédé de gravure permetla formation d’une région de jonction JCN entre deux guides d’ondesG1 et G2 réalisés dans un substrat semi-conducteur 4, ici un film desilicium. Par exemple ici, le premier guide d’ondes G1 est un guided’ondes à nervure, et le deuxième guide d’ondes G2 est un guided’ondes en bande.
Le film de silicium 4 peut classiquement être réalisé sur unecouche isolante enterrée, elle-même réalisée sur un substrat porteur.En d’autres termes, on est alors dans une technologie du type siliciumsur isolant (SOI : Silicon On Insulator). Le film de silicium 4 à ici uneépaisseur 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 deuxièmemasque M4, par exemple un masque de résine, qui permettentclassiquement de préserver certaines régions du matériau lors de lagravure.
Initialement, le film de silicium est surmonté d’une couche denitrure, elle-même surmontée d’une couche de résine. Ces deuxcouches permettent la réalisation du premier masque M3.
Dans une première étape (figure 3) on réalise le premiermasque M3 au dessus du film de silicium 4.
Le premier masque M3 est réalisé par un procédé classique degravure des couches de résine puis de la couche de nitrure, de manièreà recouvrir une première région masquée 5 du film de silicium 4. A lafin du procédé de réalisation du premier masque M3, la totalité de lacouche de résine à été gravée ou retirée, et il ne subsiste qu’une partienon 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 et52, ici rectangulaires, respectivement de largeur (comptée selon ladirection transversale X) trois cent cinquante et quatre centnanomètres, et situées chacune respectivement sur une première zonelatérale 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 deuxièmedirection X, par exemple la direction transversale.
Les deux parties rectangulaires 51 et 52 de masque seprolongent respectivement dans une première zone intermédiaire 42 etsur une deuxième zone intermédiaire 43 du film de silicium en formantdeux régions intermédiaires de masque 53 et 54 qui s’élargissentprogressivement vers une zone centrale 44 du film de silicium 4,jusqu’à se rejoindre dans la zone centrale 44 en formant une régioncentrale de masque 55 d’une largeur de mille deux cent nanomètres.
Par exemple ici, les régions intermédiaires de masque 53 et 54ont chacune une longueur de cent micromètres.
On réalise ensuite avec ce premier masque M3 de nitrure unegravure partielle du film de silicium 4. La gravure se fait par unprocédé classique et connu en soi. La gravure est réalisée de façon àgraver la partie du film de silicium 4 dans les régions non recouvertespar le masque M3 de nitrure. Ici, on réalise une gravure partielle d’uneprofondeur de cent cinquante nanomètres dans le silicium.
Lors d’une deuxième étape (figure 4), on place un deuxièmemasque M4 au dessus du film de silicium 4 préalablement gravé, sur lepremier masque M3, de manière à recouvrir une deuxième région 6 dufilm semi-conducteur 4. A cette fin, on dépose une nouvelle couche de résine de façon àrecouvrir entièrement le film de silicium et le premier masque M3 denitrure.
Puis, on réalise le deuxième masque M4 par un procédéclassique de gravure de la nouvelle couche de résine, de façon à ce quela partie non gravée de la nouvelle couche de résine forme le deuxièmemasque M4 de résine et recouvre une deuxième zone masquée 6 del’empilement du film de silicium 4 et du premier masque M3 denitrure.
Le deuxième masque M4 de résine comporte une régionrectangulaire de masque 60, qui s’étend dans la zone latérale 40 et audessus d’une partie de la première zone intermédiaire 42 du film desilicium 4, et qui possède ici une largeur de quatre micromètres.
La région rectangulaire 60 se prolonge dans la première zoneintermédiaire 42 et au dessus d’une partie de la zone centrale 44 dufilm de silicium en formant une deuxième région intermédiaire demasque 61 qui diminue progressivement de largeur, jusqu’à atteindrepar exemple une largeur de six cents nanomètres à son extrémité 62. L’extrémité 62 du deuxième masque M4 est beaucoup plusétroite que la région centrale 55 préalablement formée par le premiermasque M3 et toujours protégée par le premier masque M3 de nitrure,ou masque dur, une marge de trois cents nanomètres étant présenteentre les bordures de la région centrale de masque 55 et l’extrémité 62du deuxième masque M4.
Ainsi, une erreur d’alignement entre les réalisations des deuxmasques, par exemple une erreur d’alignement de plusieurs dizaines denanomètres selon l’axe X, n’entraînera pas la formation dediscontinuité, ou mur, dans le silicium.
On réalise ensuite une gravure complète du film de silicium, defaçon à ce que les régions non protégées par le premier masque M3 denitrure et les régions non-protégées par le deuxième masque M4 derésine soient entièrement gravées.
Puis, on retire le premier masque M3 de nitrure et le deuxièmemasque M4 de résine par des procédés classiques.
On obtient ainsi un dispositif tel que celui illustré sur la figure5 et décrit ci-après.
La figure 5 illustre un premier mode de réalisation d’undispositif photonique intégré comportant deux guides d’ondes G1 etG2 reliés par une région de jonction JCN.
Le premier guide d’ondes G1 s’étend dans une première zonelatérale 40 du film de silicium et comporte une première partieinférieure, ou dalle 7, ayant une épaisseur de cent cinquantenanomètres et une largeur de quatre micromètres, et sur laquelle setrouve une deuxième partie supérieure, ou nervure 8, d’une largeur detrois cent soixante nanomètres. Selon la longueur d’onde choisie et lesdimensions du circuit visé, cette largeur peut varier de 300 à 450nanomètres.
Le deuxième guide d’ondes G2 s’étend dans une deuxième zonelatérale 41 du film de silicium et comporte une partie supérieure 90 etune partie inférieure 91 ayant des largeurs identiques. On considèredonc classiquement que le deuxième guide d’ondes G2 comporte uneseule bande 9 d’une largeur de quatre cent nanomètres. Selon lalongueur d’onde choisie et les dimensions du circuit visé, cette largeurpeut varier de 300 à 500 nanomètres.
La région de jonction JCN comprend une première et unedeuxième région intermédiaire de jonction 80 et 92 qui comprennentrespectivement une portion de la nervure 8 du premier guide d’ondesG1 et une portion de la bande 9 du deuxième guide d’ondes G2 quis’étendent respectivement dans les zones intermédiaires 42 et 43 dufilm de silicium en s’élargissant progressivement jusqu’à la zonecentrale 44 du film de silicium où elles se rejoignent en formant unerégion centrale de jonction 10 rectangulaire d’une longueur de dixmicromètres et d’une largeur de mille deux cents nanomètres. Cettelargeur est classique, et pourrait être supérieure à 1300 nanomètres. Lalargeur maximale de la région centrale de jonction 10 est fonction dela compacité du composant.
La région de jonction JCN comporte également une portion dela 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 endiminuant de largeur jusqu’à atteindre la largeur de la région centralede jonction 10.
Ainsi, la région de jonction JCN entre les deux guides d’ondesG1 et G2 comporte un renflement R. Ce renflement est notamment lerésultat du procédé de réalisation plus robuste décrit précédemment,permettant de limiter fortement les discontinuités dues à un éventuelmauvais alignement entre les deux masques M3 et M4.
Et, même si le procédé générait des discontinuités sur les bordsde la région de jonction JCN, le renflement R est suffisamment largepour qu’un signal lumineux y circulant soit suffisamment éloigné desbords et ne soit donc avantageusement pas affecté par cesdiscontinuités.
Les variations progressives des largeurs dans les zonesintermédiaires 42 et 43 du film de silicium permettent également demaintenir l’onde lumineuse dans son mode fondamental lors de sonpassage dans la jonction JCN.
Il convient de noter que les modes de réalisation présentés icine sont nullement limitatifs. Notamment, bien qu’il ait été décrit unerégion de jonction JCN entre deux guides d’onde de types différents, ilserait tout à fait envisageable de réaliser une région jonction entredeux guides d’ondes de même type mais présentant descaractéristiques différentes.
Ainsi, la figure 6 illustre un mode de réalisation d’un dispositifphotonique qui comporte deux guides d’ondes à nervures G3 et G4reliés par une région de jonction JCN2.
Le premier guide d’ondes à nervures G3 comporte une partiesupérieure 11, d’une épaisseur de cent cinquante nanomètres et d’unelargeur de trois cent vingt nanomètres, réalisée sur une partieinférieure 12, d’une épaisseur de cent cinquante nanomètres.
Le deuxième guide d’ondes à nervure G4 comporte une partieinférieure 13 d’une épaisseur de cinquante nanomètres, et une partiesupérieure 14 d’une épaisseur de deux cent cinquante nanomètres pourune largeur de quatre cents nanomètres.
Il serait également envisageable d’avoir une jonction entredeux guides d’ondes en bande de dimensions différentes.
La figure 7 illustre un système comportant un dispositif selonun mode de réalisation de l’invention. Le système SYS est ici unefibre otique active, comportant classiquement deux transmetteurs-récepteurs optiques TR01 et TR02 comportant des dispositifs tels queceux décrits précédemment et illustrés aux figures 3 à 6, couplés à unefibre optique FO.
Ce système est classiquement destiné à faire la liaison entredeux équipements informatiques, par exemple des ordinateurs, desrouteurs, ou des commutateurs, en améliorant les performances decommunication
Bien qu’il ait été présenté ici des jonctions s’étendant sur unelongueur d’environ deux cent dix micromètres, il serait tout à faitpossible et avantageux de réaliser une région de jonction plus réduite,s’étendant par exemple mais non limitativement sur une longueurinférieure à trente-cinq micromètres, avec par exemple une premièrezone intermédiaire du film de silicium mesurant environ dixmicromètres, une deuxième zone intermédiaire du film de siliciummesurant vingt micromètres, et une zone centrale du film de siliciummesurant environ 1 micromètre.
Et, bien qu’il ait été présenté ici un renflement R de formeoctogonale, il serait tout à fait envisageable de réaliser un renflementR ne comportant pas d’arêtes, c'est-à-dire ayant par exemple une formearrondie. La région centrale de jonction 10 ne serait alors pas delargeur constante.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif intégré photonique comportant un substrat semi-conducteur comprenant une première zone latérale (40), une deuxièmezone latérale (41), une zone centrale (44), une première zoneintermédiaire (42) située entre la première zone latérale (40) et la zonecentrale (44), une deuxième zone intermédiaire située entre ladeuxième zone latérale (41) et la zone centrale (44), le substratcomprenant au moins un premier guide d’ondes (Gl) comportant uneportion dans la première zone latérale (40) et un deuxième guided’ondes (G2) comportant une portion dans la deuxième zone latérale (40), les deux guides d’ondes étant mutuellement couplés par unerégion de jonction (JCN) comprenant une région centrale de jonction(10) située dans la zone centrale (44), une première régionintermédiaire de jonction (80) et une deuxième région intermédiaire dejonction (92) s’étendant respectivement dans les première et deuxièmezones intermédiaires (42, 43) en s’élargissant progressivement pourrejoindre la région centrale de jonction (10) de façon à former unrenflement (R), et au moins le premier guide d’ondes (Gl) comprendune première partie (8) réalisée sur une deuxième partie (7) plus largeque sa première partie (8), et la région de jonction (JCN) comprendune portion (70) de ladite deuxième partie (7) qui s’étend depuis lapremière zone latérale (40) dans la première zone intermédiaire (42) etdans une partie de la zone centrale (44) en diminuant progressivementde largeur jusqu’à atteindre la largeur de la région centrale de jonction(10).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le deuxièmeguide d’ondes (G2) comprend une première partie (14) réalisée sur unedeuxième partie (13) plus large que sa première partie (14) et la régionde jonction comprend en outre une portion (130) de ladite deuxièmepartie (13) qui s’étend depuis la deuxième zone latérale (41) dans ladeuxième zone intermédiaire (43) et dans une partie de la zonecentrale (44) en diminuant progressivement de largeur jusqu’àatteindre la largeur de la région centrale de jonction (10).
  3. 3. Dispositif selon l’une quelconque des revendicationsprécédentes, dans lequel la première zone intermédiaire (42) et ladeuxième zone intermédiaire (43) ont des longueurs différentes.
  4. 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendicationsprécédentes dans lequel la longueur totale de la région de jonction(JCN) est inférieure ou égale à trente-cinq micromètres.
  5. 5. Procédé de réalisation d’un dispositif photonique intégrécomprenant deux guides d’ondes (Gl, G2) reliés entre eux par unerégion de jonction (JCN), le procédé comportant deux gravuressuccessives d’un substrat semi-conducteur (4), caractérisé en ce que lapremière gravure comprend une gravure partielle du substrat àl’exception d’une première zone masquée (5) par un premier masque(M3), et la deuxième gravure comprend une gravure totale du substratà l’exception de la première zone masquée (5) et d’une deuxième zonemasquée (6) par un deuxième masque (M4), la première gravure et ladeuxième gravure (6) définissant un renflement (R) dans le substrat(4), et en ce que le substrat comprend une première zone latérale (40),une deuxième zone latérale (41), une zone centrale, une première zoneintermédiaire (42) située entre la première zone latérale (40) et la zonecentrale (44) et une deuxième zone intermédiaire ( 43) située entre ladeuxième zone latérale et la zone centrale (44), et le premier masque(M3) comprend une première portion située dans la première zonelatérale, une deuxième portion située dans la deuxième zone latérale,une région centrale de masque (55) de largeur constante située dans lazone centrale (44), une première région intermédiaire de masque (53)et une deuxième région intermédiaire de masque (54) s’étendantrespectivement dans les première et deuxième zones intermédiaires ens’élargissant progressivement pour rejoindre la région centrale demasque (55), et le deuxième masque (M4) comporte une régionrectangulaire de masque (60) de largeur constante et une deuxièmerégion intermédiaire de masque (61) s’étendant dans la première zoneintermédiaire (42) et dans une partie de la zone centrale (44) dusubstrat en diminuant de largeur.
  6. 6. Procédé selon la revendications, dans lequel le deuxièmemasque (M2) est placé de manière à laisser une marge supérieure àtrente-cinq nanomètres entre l’extrémité (62) de la régionintermédiaire de masque (61) et les bords de la région centrale (55) dupremier masque (M3).
  7. 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 à 6,dans lequel la deuxième gravure comprend une gravure totale dusubstrat à l’exception en outre d’une troisième zone masquée par untroisième masque, la troisième zone masquée étant analogue à ladeuxième zone masquée et positionnée en miroir par rapport à celle-ci.
  8. 8. Système comprenant un dispositif selon l’une desrevendications 1 à 4.
  9. 9. Système selon la revendication 8, le système étant untransmetteur-récepteur optique.
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