JP2021527854A - 導波路構造体の製造 - Google Patents
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Abstract
導波路層から固体コア導波路を形成するための導波路構造体を製造する方法は、流体チャネルを導波路層内にエッチングすることと、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップを導波路層内にエッチングすることと、を含むことができ、第１および第２のエアギャップをエッチングすることにより、第１のエアギャップと第２のエアギャップとの間の導波路層内に固体コア導波路を作製する。固体コア導波路を形成するための導波路構造体を製造するための方法は、第１のトレンチ、第２のトレンチおよび第３のトレンチを基板層に形成することと、マシニングされた基板層上に導波路層を堆積することと、を含むことができ、導波路層を堆積することにより、第１のトレンチに対応する位置で流体チャネルの中空コアを作製し、第２のトレンチと第３のトレンチとの間の領域に対応する位置で導波路層内に固体コア導波路部分を作製する。
Description
関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年５月２２日付にて出願された米国仮出願第６２／６７４，８５３号の利益を主張するものであり、その内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
この出願は、２０１８年５月２２日付にて出願された米国仮出願第６２／６７４，８５３号の利益を主張するものであり、その内容の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、概して、導波路の製造方法に関し、より具体的には、固体コア導波路、流体コアチャネル、および／または流体コア導波路を有する光流体チップなどの２次元導波路構造体の製造方法に関する。
光チップや光流体チップなどの導波路構造体は、現代の生物医学研究において重要である。これらの導波路構造体は、固体コア導波路、流体チャネル、および／または流体コア導波路を含んでいてよく、互いに同じ平面に設けられていてよく、かつ、様々な構成において互いに交差していてよい。
上記構造を製造するための既知の技術は、複数の製造ステップを必要とする。例えば、導波路チップを製造するための既知の技術は、６つ以上のリソグラフィステップ、複数のエッチングステップ、複数の堆積ステップ、および犠牲コア除去プロセスを含みうる。
上述のように、光チップおよび光流体チップなどの導波路構造体を製造するための既知の技術は、多数のステップを必要とする。これらの様々なステップは、実行するのに困難かつ複雑で、時間および費用がかかる。例えば、アライメントステップは、ミスアライメントによる導波路構造体における欠陥および不具合に対する様々な契機を生じさせる。また、犠牲コア除去プロセスには、非常に時間がかかりうる。さらに、バイオセンサチップおよび導波路構造体を活用する分野においては、総体的な製造可能性、コスト、歩留まりおよび再現性を改善するために、最適化されたチップおよび構造を製造するためのステップおよびプロセス数の削減によることを含みつつ、上記最適化されたチップおよび導波路アーキテクチャを開発する必要がある。したがって、既知の技術よりも単純で、困難でなく、時間もかからず、安価である光チップおよび光流体チップを含む導波路構造体を製造するための改善された技術が必要とされている。
上記の必要性のうちの１つ以上に対処できる改善された技術が本明細書に開示されている。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるように、ボンディングプロセスが後に続く、単一のリソグラフィ／エッチングプロセスは、以前の技術によって必要とされていた、扱いにくく広範囲にわたる一連のステップを置き換えることができる。全体のステップ数の削減により、商業規模を含め、より速く、より効率的で、より複雑でなく、より安価な生産（例えば、製造可能性、コスト、歩留まり、再現性）を可能にしうる。アライメントステップを排除することで、従来のアライメント手順中に生じうるミスアライメントおよび欠陥を防止することにより、品質管理をさらに改善することができる。例えば、これらの技術は、コンフォーマルコーティングおよびエッチングによって形成されたものよりも欠陥がはるかに少ない自動アライメントおよび導波路交差を可能にしうる。さらに、本明細書に記載の技術は、要求される微細加工ステップを既知の方法よりも少なくすることができ、（各１つのマスクの代わりに）流体コアチャネルへの固体コア導波路の自動アライメントを形成することができ、固体コアと流体コアの間にモノリシック交差を形成することができ、直接の流体的集積を可能にすることができ（例えば、平面チップ表面は、接合技術およびより単純な流体相互接続を可能にしうる）、時間のかかる犠牲コア除去の必要性を排除することができ、かつ、従来の方法と互換性のある材料だけでなく、より多様な材料から選択することを可能にしうる。
いくつかの実施形態では、導波路構造体を製造して導波路層から少なくとも１つの固体コア導波路を形成するための第１の方法が提供され、第１の方法は、流体チャネルを導波路層内にエッチングすることと、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップを導波路層内にエッチングすることであって、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップをエッチングすることにより、第１のエアギャップと第２のエアギャップとの間の導波路層内に固体コア導波路を作製する、ことと、流体チャネルを封入するように導波路層にカバー層を取り付けることと、を含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路層は、第１の酸化物層および第２の酸化物層を含み、第１の酸化物層は、第２の酸化物層の第１の側にあり、かつ、第１の屈折率を有し、第２の酸化物層は、第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する。
第１の方法のいくつかの実施形態では、流体チャネルをエッチングすることは、第２の酸化物層および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、第２の酸化物層および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、第２の酸化物層および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路層は、第２の酸化物層の第１の側の反対側の第２の側に第３の酸化物層をさらに含み、第３の酸化物層は、第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有し、流体チャネルをエッチングすることは、第３、第２、および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、第３、第２、および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、第３、第２、および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第１の方法は、導波路層をドープして、周囲の屈折率よりも低いドープ屈折率を有する導波路層内に１つ以上のドープ領域を作製することをさらに含み、この１つ以上のドープ領域は、固体コア導波路に隣接している。
第１の方法のいくつかの実施形態では、１つ以上のドープ領域は、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップに隣接している。
第１の方法のいくつかの実施形態では、１つ以上のドープ領域は、流体チャネルに隣接している。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第１の方法は、導波路層をドープして、周囲の屈折率よりも高いドープ屈折率を有する導波路層内に１つ以上のドープ領域を作製することをさらに含み、この１つ以上のドープ領域は、固体コア導波路を形成する。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、流体チャネルをエッチングすることは、ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく導波路層内にエッチングすることを含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく導波路層内にエッチングすることを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく導波路層内にエッチングすることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、導波路構造体は、流体チャネルに対応する位置で、ＡＲＲＯＷ層と導波路層との間にエッチストップ層を含み、流体チャネルをエッチングすることは、ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく導波路層内にエッチングすることと、エッチストップ層を溶解させることと、を含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、導波路層およびＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、導波路層およびＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、流体チャネルをエッチングすることは、ドライエッチングを実行し、続いてウェットエッチングを実行することを含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、ドライエッチングを実行し、続いてウェットエッチングを実行することを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、ドライエッチングを実行し、続いてウェットエッチングを実行することを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、流体チャネルをエッチングすることは、導波路層を通ってＡＲＲＯＷ層までエッチングすることなく、導波路層内に部分的にエッチングすることを含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、導波路層およびＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、導波路層およびＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第１のエアギャップをエッチングすることは、導波路層、ＡＲＲＯＷ層、および基板層内に一度にエッチングすることを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、導波路層、ＡＲＲＯＷ層、および基板層内に一度にエッチングすることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路構造体は、導波路層の下にＡＲＲＯＷ層を含み、導波路構造体は、流体チャネルに対応する位置、第１のエアギャップに対応する位置、および第２のエアギャップに対応する位置に延在する、ＡＲＲＯＷ層と導波路層との間にエッチストップ層を含み、流体チャネルをエッチングすることは、ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく導波路層内にエッチングすることを含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく導波路層内にエッチングすることを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく導波路層内にエッチングすることを含み、第１の方法は、エッチストップ層を溶解させることをさらに含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路構造体は、導波路層に結合された基板層を含み、本方法は、基板内にエッチングして、流体チャネルおよび固体コア導波路のうちの１つ以上に隣接する第３のエアギャップを形成することであって、第３のエアギャップが、１つ以上の流体チャネルおよび固体コア導波路内を伝搬する光の内部反射を生じさせるように構成されている、こと、をさらに含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第１の方法は、レンズ素子を第３のエアギャップに設けることをさらに含み、レンズ素子は、流体チャネルから第３のエアギャップに逃げる光を収集するように構成されている。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第３のエアギャップを形成するために基板内にエッチングすることは、流体チャネルおよび固体コア導波路のうちの１つ以上をアンダカットすることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、導波路構造体は、微細加工されたファイバアライメントフィーチャを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第１の方法は、エッチングが実行される導波路層の表面から導波路層をドープして、導波路層が、ドープされた表面の近くで最も高い屈折率勾配を有するようにすることをさらに含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第１の方法は、導波路層をドープした後、かつ導波路層内にエッチングする前に、導波路層上に保護層を設けることをさらに含み、カバー層を導波路層に取り付けることは、保護層にカバー層を取り付けることを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、流体チャネルをエッチングすることは、ドライエッチングを実行することを含み、第１のエアギャップをエッチングすることは、ドライエッチングを実行することを含み、第２のエアギャップをエッチングすることは、ドライエッチングを実行することを含む。
第１の方法のいくつかの実施形態では、第１の方法は、固体コア導波路の端部の後方の導波路層内にエッチングすることをさらに含み、これにより、固体コア導波路の端部を形成する。
いくつかの実施形態では、第１の導波路構造体が提供され、第１の導波路構造体は、流体チャネル、第１のエアギャップ、および第２のエアギャップを含む導波路層であって、第１および第２のエアギャップが、第１のエアギャップと第２のエアギャップとの間の導波路層内に固体コア導波路を画定する、導波路層と、流体チャネルを封入するように導波路層に取り付けられたカバー層と、を含む。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、導波路層は、第１の酸化物層および第２の酸化物層を含み、第１の酸化物層は、第２の酸化物層の第１の側にあり、かつ、第１の屈折率を有し、第２の酸化物層は、第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、流体チャネル、第１のエアギャップ、および第２のエアギャップのうちの１つ以上は、第１の酸化物層および第２の酸化物層を少なくとも部分的に通って延在する。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、導波路層は、第２の酸化物層の第１の側の反対側の第２の側に第３の酸化物層をさらに含み、第３の酸化物層は、第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有し、流体チャネル、第１のエアギャップ、および第２のエアギャップのうちの１つ以上は、第１の酸化物層、第２の酸化物層、および第３の酸化物層を少なくとも部分的に通って延在する。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、導波路層は、周囲の屈折率よりも低いドープ屈折率を有する１つ以上のドープ領域を含み、１つ以上のドープ領域は固体コア導波路に隣接している。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、１つ以上のドープ領域は、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップに隣接している。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、１つ以上のドープ領域は、流体チャネルに隣接している。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、導波路層は、周囲の屈折率よりも高いドープ屈折率を有する１つ以上のドープ領域を含み、１つ以上のドープ領域は固体コア導波路を形成する。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、第１の導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層をさらに含み、流体チャネル、第１のエアギャップ、および第２のエアギャップのうちの１つ以上は、ＡＲＲＯＷ層内に延在することなく、導波路層を少なくとも部分的に通って延在する。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、第１の導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層をさらに含み、流体チャネルは、ＡＲＲＯＷ層内に延在することなく、導波路層を少なくとも部分的に通って延在し、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップのうちの１つ以上は、導波路層およびＡＲＲＯＷ層を少なくとも部分的に通って延在する。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、第１の導波路構造体は、導波路層に結合された基板層をさらに含む。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、基板層は、１つ以上の流体チャネルおよび固体コア導波路に隣接する第３のエアギャップを含み、第３のエアギャップは、１つ以上の流体チャネルおよび固体コア導波路を伝搬する光の内部反射を生じさせるように構成されている。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、第３のエアギャップは、流体チャネルから第３のエアギャップに逃げる光を収集するように構成されたレンズ素子を含む。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、第３のエアギャップは、１つ以上の流体チャネルおよび固体コア導波路をアンダカットする。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、第１の導波路構造体は、微細加工されたファイバアライメントフィーチャをさらに含む。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、導波路層は、屈折率勾配を有する。
第１の導波路構造体のいくつかの実施形態では、第１の導波路構造体は、導波路層上に設けられた保護層をさらに含み、流体チャネル、第１のエアギャップ、および第２のエアギャップのうちの１つ以上は、保護層および導波路層を少なくとも部分的に通って延在する。
いくつかの実施形態では、導波路構造体を製造して少なくとも１つの固体コア導波路を形成するための第２の方法が提供され、第２の方法は、基板層に第１のトレンチ、第２のトレンチ、および第３のトレンチを形成することと、マシニングされた基板層を酸化することにより、マシニングされた基板層から酸化物層を形成することと、酸化物層をドープして、酸化物層の元の屈折率よりも高いドープ屈折率を有する１つ以上のドープ領域を作製することであって、酸化物層をドープすることが、第１のトレンチに対応する位置で流体チャネルの中空コアと、第２のトレンチと第３のトレンチとの間の領域に対応する位置で導波路層内に固体コア導波路部分とを作製する、ことと、流体チャネルを封入するように、ドープされた酸化物層にカバー層を取り付けることと、を含む。
第２の方法のいくつかの実施形態では、第２の方法は、カバー層を取り付ける前に、ドープされた酸化物層上に第２の酸化物層を堆積させることをさらに含む。
第２の方法のいくつかの実施形態では、基板層に第１のトレンチ、第２のトレンチ、および第３のトレンチのうちの１つ以上を形成することは、基板層内に１つ以上のトレンチをマシニングすることを含む。
第２の方法のいくつかの実施形態では、基板層は、シリコンを含む。
いくつかの実施形態では、第２の導波路構造体が提供され、第２の導波路構造体は、流体チャネルを導波路構造体の導波路層内にエッチングすることと、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップを導波路層内にエッチングすることであって、第１および第２のエアギャップをエッチングすることにより、第１のエアギャップと第２のエアギャップとの間の導波路層内に固体コア導波路を作製する、ことと、流体チャネルを封入するように導波路層にカバー層を取り付けることと、を含む方法によって作製される。
いくつかの実施形態では、上記の実施形態のいずれか１つ以上の特徴のいずれか１つ以上は、互いに、かつ／または本明細書に開示されている任意の方法、システム、技術、もしくはデバイスの他の特徴もしくは態様と組み合わせることができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるように、ボンディングプロセスが後に続く、単一のリソグラフィ／エッチングプロセスは、以前の技術によって必要とされる扱いにくく広範囲にわたる一連のステップを置き換えることができる。例えば、導波路構造体（例えば、２次元導波路構造体）は、基板層と、基板層の上にある導波路層と、を含むチップから形成することができる。いくつかの実施形態では、基板層は、シリコンまたは他の適切な材料で形成可能であり、導波路層は、低温酸化物、リンドープ酸化物、酸窒化ケイ素、または他の適切な材料などの１つ以上の酸化物で形成可能である。導波路層は、いくつかの実施形態では、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、または２０μｍ以上の厚さであってよい。導波路層は、いくつかの実施形態では、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、または２０μｍ以下の厚さであってもよい。導波路層で使用される材料は、材料が光を効果的に伝達し、固体コア導波路の固体コアと、流体チャネルの壁および／または流体コアの壁と、の両方を形成しうるように選択することができる。
導波路層が基板層上に設けられた（例えば、設置されたまたは堆積された）後、１つ以上の固体コア導波路および１つ以上の流体チャネル（いくつかの実施形態では、流体コア導波路でもありうる）を形成するために、１つ以上のエッチングステップを実行してもよい。流体チャネルを形成するために、チャネルの中空コアを導波路層からエッチング除去してもよい。
いくつかの実施形態では、流体チャネルの寸法は、流体チャネルを通る流体の流速に影響を与えるように変えることができる。いくつかの実施形態では、流体チャネルを通る流体の流れは、真空、陽圧、電気浸透、および／または電気泳動のうちの１つ以上によって生ぜしめられてもよい。いくつかの実施形態では、流体チャネルのジオメトリは、シースフローによってフローフォーカシングを生じるように形成可能である。いくつかの実施形態では、チャネル流体チャネルの高さおよび／または幅は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、または１０００μｍ以下であってよい。いくつかの実施形態では、チャネル流体チャネルの高さおよび／または幅は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、または１０００μｍ以上であってもよい。いくつかの実施形態では、流体チャネルを通る流速は、０．００５μＬ／分、０．０１μＬ／分、０．１μＬ／分、１μＬ／分、１０μＬ／分、１００μＬ／分、または５００μＬ／分以下であってもよい。いくつかの実施形態では、流体チャネルを通る流速は、０．００５μＬ／分、０．０１μＬ／分、０．１μＬ／分、１μＬ／分、１０μＬ／分、１００μＬ／分、または５００μＬ／分以上であってよい。
固体コア導波路を形成するために、固体コア導波路がエアギャップ間に残された導波路層の残りの材料から形成されるように、エアギャップを、固体コア導波路のそれぞれの側の上の導波路層からエッチング除去してもよい。いくつかの実施形態では、エッチングステップは、反応性イオンエッチング、ディープ反応性イオンエッチング、および／または中性ループ放電エッチングなどのドライエッチングを含んでもよく、いくつかの実施形態では、エッチングステップは、緩衝フッ化水素酸を用いたエッチングなどのウェットエッチングを含んでもよい。いくつかの実施形態では、エアギャップをエッチングして固体コア導波路の各側に領域を画定することに加えて、エッチングプロセスはまた、固体コア導波路の端部での領域をエッチングし、これにより、光が結合されうる光導波路の端部（例えば、光学ファセット）を形成することを含んでもよい。
導波路層内にエッチングして固体コア導波路および流体チャネルを形成した後、カバー層を導波路層の上に適用して、流体チャネルの開放上部側を封入し、かつ／または１つ以上のエアギャップを封入することができる。いくつかの実施形態では、カバー層は、接合ガラス、ＡＲＲＯＷ層、または内部全反射コーティングされた材料（例えば、ＴＥＦＬＯＮ ＡＦなどの低屈折率材料）、または金属コーティングされた材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、カバー層は、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、または２００μｍ、３００μｍ、または５００μｍ以下の厚さであってよい。いくつかの実施形態では、カバー層は、１μｍ、５μｍ、または１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、または２００μｍ、３００μｍ、または５００μｍ以上であってもよい。いくつかの実施形態では、カバー層は、永続的または非永続的な接合、接着性糊付け、または他の適切な手段によって、導波路層（または以下でさらに論じる、導波路構造体の別の層）に取り付けられてもよい。
カバー層のエッチングおよび取り付けが完了した後、流体チャネルは、固体コア導波路に沿って伝搬し、流体チャネルに入射する励起光によって励起される分析物を含む気体または液体などの、流体（例えば、ガスおよび／または液体）で満たされうる。いくつかの実施形態では、流体チャネル内の分析物からの放射は、面外に（例えば、光検出器の上方または下方）、または面内に（例えば、流体チャネルが流体コア導波路であるときに、または流体コア導波路を使用することなく固体コア導波路構造体による上記放出を捕捉することにより、流体チャネルによって面内光検出器に導波することによって）収集されうる。
いくつかの実施形態では、流体コア導波路としての流体チャネルの（例えば、放射光の面内検出に対する）性能は、壁の厚さを低減することによって、クラッド材料の平均屈折率を低減することによって、または以下でさらに論じるように、チャネルの下の基板層の一部をエッチング除去することによって、増大させることができる。
図１Ａおよび図１Ｂは、いくつかの実施形態による、導波路構造体１００の２つの概略図を示す。図１Ａは、導波路構造体１００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１０２を示している。図１Ｂは、導波路構造体１００の上面図を示す。
図１Ａに示しているように、導波路層１０４は、１つ以上の酸化物層から形成されうる。いくつかの実施形態では、低屈折率酸化物層１０６は、基板（例えば、シリコン）層１０８の上に設けることができ、高屈折率酸化物層１１０は、低屈折率酸化物層１０６の上に設けることができる。２つの酸化物層は、導波路層１０４を一緒に形成することができる。光１１２が高屈折率酸化物層１１０を通って伝搬すると、光１１２は、エアギャップ１１６および／または低屈折率酸化物層１０６によって、固体コア導波路１１４に沿って内部反射されうる。いくつかの実施形態では、低屈折率酸化物層１０６および基板層１０８は両方とも、低屈折率基板層によって置き換えられてもよい。
図１Ａに示しているように、エアギャップ１１６および流体チャネル１１８を形成するエッチングステップは、高屈折率酸化物層１１０および低屈折率酸化物層１０６が内部へかつ／またはこれを通って同時にエッチングされるように実行可能である。すなわち、酸化物層を別々にエッチングし、次いで各層内にエッチングされたギャップ／チャネルを位置合わせするのではなく、層が既に互いに結合された後にエッチングを実行することができ、これにより自動アライメントが達成される。図１の例に示しているように、チャネル１１８および／またはエアギャップ１１６は、いくつかの実施形態では、上から高屈折率酸化物層１１０を完全に貫通してエッチングし、上から低屈折率酸化物層１０６内に部分的にエッチングすることによって形成することができる。いくつかの実施形態では、導波路構造体１００は、流体チャネル１１８の開放上部側を封入するように、かつ／または１つ以上のエアギャップ１１６を封入するように、導波路層１０４の上に適用されうるカバー層１２０を含むことができる。
本明細書に開示される導波路構造体のいずれかのいくつかの実施形態では、１つ以上の導波路層は、別の１つの層の上に配置しまたは堆積させることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の層は、スパッタ、スピンオン、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）、電子ビーム蒸着、および／または任意の他の堆積方法によって堆積させることができる。
リソグラフィステップが１つしか存在しないため、この方法を使用することにより、より複雑な導波路構造体を作製し、このプロセス用の個々のダイ（例えば、電子ビームで画定されたフィーチャ）を露出させるのは非常に簡単となりうる。さらに、このワークフローでは、製造ステップ間でマスクを位置合わせする必要がない。
導波路構造体１００および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、高屈折率酸化物（例えば、層１１０）の屈折率は、１、２、３または４以下であってよい。図１および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、高屈折率酸化物（例えば、層１１０）の屈折率は、１、２、３または４以上であってもよい。
導波路構造体１００および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、低屈折率酸化物（例えば、層１０６）の屈折率は、１、２、３、または４以下であってよい。図１および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、低屈折率酸化物（例えば、層１０６）の屈折率は、１、２、３、または４以上であってもよい。
導波路構造体１００および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態（例えば、以下の図１５および１６を参照）では、ドープされた酸化物の屈折率は、１、２、３、または４以下であってよい。図１および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、ドープされた酸化物の屈折率は、１、２、３、または４以上であってもよい。
いくつかの実施形態では、基板層（例えば、低屈折率酸化物層１０６）に隣接する酸化物層の厚さは、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、または５０μｍ以下であってよい。いくつかの実施形態では、基板層（例えば、低屈折率酸化物層１０６）に隣接する酸化物層の厚さは、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、または５０μｍ以上であってもよい。いくつかの実施形態では、基板層に隣接する酸化物層（例えば、低屈折率酸化物層１０６）は、導波路の導波特性を改善し、かつ／または隣接するシリコン／基板材料からのバックグラウンドフォトルミネセンスを低減することができる。
いくつかの実施形態では、コア酸化物層（例えば、高屈折率酸化物層１１０）の厚さは、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以下であってよい。いくつかの実施形態では、コア酸化物層（例えば、高屈折率酸化物層１１０）の厚さは、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以上であってもよい。
図２Ａおよび図２Ｂは、いくつかの実施形態による、接合されたカバー層２２０の下に低屈折率層２０６を有する導波路構造体２００の２つの概略図を示す。図２Ａは、導波路構造体２００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー２０２を示している。図２Ｂは、導波路構造体２００の上面図を示す。
図２に示す導波路構造体２００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、図２の構造の導波路層２０４が、高屈折率酸化物層２１０の上かつカバー層２２０の下に付加的な低屈折率酸化物層２２２を含みうるという点で、図１に示した構造体１００とは異なりうる。いくつかの実施形態では、第２の低屈折率酸化物層２２２は、他の酸化物層が設けられる（例えば、設置されるまたは堆積される）のに続いて、他の酸化物層の上に設ける（例えば、設置するまたは堆積させる）ことができる。光２１２が高屈折率酸化物層２１０を通って伝搬すると、エアギャップ２１６、低屈折率酸化物層２０６、および／または付加的な低屈折率酸化物層２２２によって、固体コア導波路２１４に沿って内部反射が生じうる。
いくつかの実施形態では、第２の低屈折率酸化物層１２２の厚さは、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以下であってよい。いくつかの実施形態では、第２の低屈折率酸化物層１２２の厚さは、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以上であってもよい。
いくつかの実施形態では、エアギャップ２１６および流体チャネル２１８を形成するエッチングステップは、高屈折率酸化物層２１０、および２つの低屈折率酸化物層２０６、２２２の内部へかつ／またはこれを通って同時にエッチングされるように実行可能である。すなわち、酸化物層を別々にエッチングし、次いで各層内にエッチングされたギャップ／チャネルを位置合わせするのではなく、層が既に互いに結合された後にエッチングを実行することができ、これにより自動アライメントが達成される。導波路構造体２００の例に示しているように、チャネル２１８および／またはエアギャップ２１６は、いくつかの実施形態では、上から上部低屈折率酸化物層２２２を完全に貫通してエッチングし、上から高屈折率酸化物層２１０を完全に貫通してエッチングし、かつ、上から低屈折率酸化物層２０６内に部分的にエッチングすることによって形成することができる。いくつかの実施形態では、流体チャネル２１８を形成するエッチングにより、導波路層２０４を完全に貫通し、基板層２０８内に部分的に（破線のプロファイル２２４によって示しているように）切削することができる。
底部２０６および上部低屈折率層２２２（または代替的にＡＲＲＯＷ層）の存在により、明確に画定された導波路を作製することができ、カバー層２２０が、固体コア導波路２１４およびいくつかの実施形態では流体コア導波路での導波に必要な光学特性を著しく妨害することなしに、上記液体チャネル２１８をシールするための任意のタイプの材料を使用することを可能としうる。
図３Ａおよび図３Ｂは、いくつかの実施形態による、１つ以上の導波路を画定する低屈折率ドープ領域３２６を含む導波路構造体３００の２つの概略図を示す。図３Ａは、導波路構造体３００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー３０２を示している。図３Ｂは、導波路構造体３００の上面図を示す。
図３に示す導波路構造体３００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、エアギャップ３１６をエッチングすることによって固体コア導波路３１４および／または流体コア導波路を画定することに代えてまたはこれに加えて、フォトマスクを通したドーパント拡散を使用して、屈折率が導波路層３０４の他の場所よりも低い導波路層３０４内の領域３２６を画定することができるという点で、図１に示した構造体１００とは異なりうる。
いくつかの実施形態では、ドーパント拡散は、イオン拡散、イオン交換、および／またはイオン注入を含みうる。いくつかの実施形態では、ドーパント拡散に使用されるイオンは、Ｈｅ＋、Ｎ＋、Ｏ＋、Ｓｉ＋、Ｐ＋、Ｔｉ＋、Ｇｅ＋、またはRighini, G. C. & Chiappini, A. Glass optical waveguides: a review of fabrication techniques, OE, OPEGAR 53, 071819 (2014)、Penia-Rodri’guez, O. et al., Optical Waveguides Fabricated by Ion Implantation/Irradiation: A Review. Ion implantation (InTech, 2012)、および／またはChen, F., Wang, X.-L. & Wang, K.-M., Development of ion-implanted optical waveguides in optical materials: A review. Optical Materials 29, 1523-1542 (2007)に示されているイオンのうちのいずれか１つ以上を含んでもよい。したがって、図３Ｂの上面図に示しているように、固体コア導波路３１４は、２つのドープ領域３２６間の領域によって画定されうる。いくつかの実施形態では、ドーパントを使用して導波路を画定することにより、エッチングに依存して固体コア導波路３１４を形成する構造と比較して、光３１２の屈折および散乱が少ない構造体３００を作製することができ、これによりチップのバックグラウンド信号を低減することができる。
いくつかの実施形態では、導波路層３０４内のドーパント拡散を使用して、固体コア導波路３１４および／または流体コア導波路を含む、導波路の側部、下部、および／または上部に領域を画定することもできる。いくつかの実施形態では、導波路層３０４は、低屈折率酸化物層３０６および高屈折率酸化物層３１０を含む。低屈折率酸化物層３０６は、基板（例えば、シリコン）層３０８の上に設けることができ、高屈折率酸化物層３１０は、低屈折率酸化物層３０６の上に設けることができる。いくつかの実施形態では、付加的なドープ領域３２８を含むことにより、導波路の特定のモードを規定するか、または他の光学現象を生じさせることができる。付加的なドープ領域３２８は、（基板層３０８上に配置されている）低屈折率酸化物層３０６内に設けることができ、かつ／または（カバー層３２０の下に設けられた）高屈折率酸化物層３１０内に設けることができる。
いくつかの実施形態では、ドーパント拡散は、１つ以上のエッチングステップの前に実行してもよく、いくつかの実施形態では、１つ以上のエッチングステップの後に実行してもよい。
図４Ａおよび図４Ｂは、いくつかの実施形態による、導波路を画定する高屈折率ドープ領域を含む導波路構造体４００の２つの概略図を示す。図４Ａは、導波路構造体４００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー４０２を示している。図４Ｂは、導波路構造体４００の上面図を示す。
図４の導波路構造体４００は、図３に示す導波路構造体３００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができる。図３に示している導波路構造体３００と同様に、図４に示される導波路構造体４００は、フォトマスクを通したドーパント拡散などのドーパント拡散によって作製および画定される１つ以上の導波路を含みうる。図３に示している構造体３００は、周囲の領域よりも低い屈折率を有するドープ領域３２６を画定するドーパント拡散を使用して作製可能であるが、図４に示している構造体４００は、代わりに、周囲の領域よりも高い屈折率を有するドープ領域を画定するドーパント拡散を使用して作製可能である。いくつかの実施形態では、ゲルマニウム、または上記で示したもののうちの１つ以上などの他の適切なイオンを使用して、ドープにより高屈折率領域を作製することができる。いくつかの実施形態では、導波路層４０４をドープすることによって形成される屈折率変動は、屈折率の瞬間的な空間変化（例えば、ステップ変化）を含むことができ、かつ／または屈折率の漸進的な空間的増大もしくは減少を含むことができることに留意されたい。
したがって、図４Ｂの上面図に示しているように、固体コア導波路４１４は、導波路層４０４内の非ドープ酸化物よりも高い屈折率を有しうるドープ領域自体によって画定されうる。いくつかの実施形態では、ドーパントを使用して導波路を画定することにより、エッチングによって固体コア導波路４１４を形成する構造と比較して、光４１２の屈折および散乱が少ない構造体４００を作製することができ、これによりチップのバックグラウンド信号を低減することができる。いくつかの実施形態では、導波路層４０４は、基板層４０８の上に配置された酸化物層４０６を含むことができる。導波路層４０４はまた、エアギャップ４１６、および流体チャネル４１８を含みうる。いくつかの実施形態では、カバー層４２０は、導波路層４０４の上に設けることができる。
いくつかの実施形態では、ドーパント拡散は、１つ以上のエッチングステップの前に実行してもよく、いくつかの実施形態では、１つ以上のエッチングステップの後に実行してもよい。
図５Ａおよび図５Ｂは、いくつかの実施形態による、ＡＲＲＯＷ層５３０を含む導波路構造体５００の２つの概略図を示す。図５Ａは、導波路構造体５００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー５０２を示している。図５Ｂは、導波路構造体５００の上面図を示す。
図５に示す導波路構造体５００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、構造体５００が、基板５０８の上かつ導波路層５０４の下にＡＲＲＯＷ層５３０をさらに含むという点で、図１に示した構造体１００とは異なりうる。ＡＲＲＯＷ層５３０は、いくつかの実施形態では、基板層５０８の上に設ける（例えば、設置するまたは堆積させる）ことができ、次いで、導波路層５０４は、ＡＲＲＯＷ層５３０の上に設ける（例えば、設置するまたは堆積させる）ことができる。ＡＲＲＯＷ層５３０が導波路層５０４の下で使用されるいくつかの実施形態では、導波路層５０４は、異なる屈折率を有する複数の異なる酸化物層から構成されるのではなく、上部から下部まで一定の屈折率を有してもよい。
図５Ａの断面図に示しているように、チャネル５１８および／またはエアギャップ５１６は、いくつかの実施形態では、ＡＲＲＯＷ層５３０内へのエッチング、およびその光学特性を損なうことを防ぐために、最後までエッチングすることなしに、導波路層５０４内に部分的にエッチングすることによって形成されうる。いくつかの実施形態では、固体コア導波路５１４は、エッチングによって画定することができる。いくつかの実施形態では、カバー層５２０を導波路層５０４の上に設けることができる。
いくつかの実施形態では、ＡＲＲＯＷ層５３０の全体の厚さ（例えば、総スタック厚さ）は、０．１μｍ、０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以下であってよい。いくつかの実施形態では、ＡＲＲＯＷ層５３０の全体の厚さ（例えば、総スタック厚さ）は、０．１μｍ、０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以上であってもよい。ＡＲＲＯＷ層５３０の全体の厚さは、交互の層の数、および／または例えば導波光５１２に対する所望の導波特性に依存して変化しうる。
図６Ａおよび図６Ｂは、いくつかの実施形態による、ＡＲＲＯＷ層６３０およびエッチストップ層６３２を含む導波路構造体６００の２つの概略図を示す。図６Ａは、導波路構造体６００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー６０２を示している。図６Ｂは、導波路構造体６００の上面図を示す。
図６に示している導波路構造体６００は、構造体６００が、ＡＲＲＯＷ層６３０の上かつ導波路層６０４の下にエッチストップ層６３２をさらに含むという点で、図５に示した構造体５００とは異なりうる。いくつかの実施形態では、エッチストップ層６３２は、流体チャネル６１８を形成するためにエッチング除去される領域の下部に配置される限局されたエッチストップ層であってよい。この手段により、エアギャップ６１６を形成するエッチングステップは、導波路層６０４を貫通し、ＡＲＲＯＷ層６３０内にかつ／またはＡＲＲＯＷ層６３０を貫通して、さらに基板層６０８に最後までエッチング可能であるが、流体チャネル６１８を形成するエッチングステップは、エッチストップ層６３２により、ＡＲＲＯＷ層６３０内にまたはＡＲＲＯＷ層６３０を貫通してエッチングすることが防止される。したがって、ＡＲＲＯＷ層６３０は、流体チャネル６１８の下の位置で保護および保存することができ、一方、構造体６００の他の位置のＡＲＲＯＷ層６３０は、貫通してエッチングされてもよい。
いくつかの実施形態では、流体チャネル６１８をエッチングするステップに続いて、限局されたエッチストップ層６３２は、ウェットエッチングなどによって溶解させることができ、またはそうでなければ、流体チャネル６１８の中空コアがＡＲＲＯＷ層６３０に直接に隣接するよう、除去することもできる。エッチストップ層６３２がＡＲＲＯＷ層６３０の所望の光学特性と互換性がある場合などのいくつかの実施形態では、エッチストップ層６３２は所定の位置に残されてもよい。
いくつかの実施形態では、エッチストップ層６３２は、金属、誘電体材料、多結晶材料、および／または他の適切な材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、エッチストップ層６３２用の材料は、導波路層６０４の１つ以上の材料のエッチング速度と比較したときに、材料が十分に異なるエッチング速度を有するように、選択されうる。
いくつかの実施形態では、エッチストップ層６３２の厚さは、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、または１０μｍ以下であってよい。いくつかの実施形態では、エッチストップ層６３２の厚さは、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、または１０μｍ以上であってもよい。
図７Ａおよび図７Ｂは、いくつかの実施形態による、ＡＲＲＯＷ層７３０を含み、ウェットエッチング仕上げ技術を使用して形成された、導波路構造体７００の２つの概略図を示す。図７Ａは、導波路構造体７００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー７０２を示している。図７Ｂは、導波路構造体７００の上面図を示す。
図７に示す導波路構造体７００は、図５に示した導波路構造体５００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、第１のエッチングステップ（例えば、粗いディープエッチングステップ）に続いて、エアギャップ７１６および流体チャネル７１８のそれぞれに対して、導波路層７０４を貫通して最後までエッチングし、ＡＲＲＯＷ層７３０まで（しかしその内部へではなく）エッチングするために、第２のエッチングステップを実行することができるという点で、図５に示した構造体５００とは異なりうる。いくつかの実施形態では、第１のエッチングステップはディープエッチングであってよく、第２のエッチングステップはウェットエッチングであってよい。いくつかの実施形態では、第２のエッチングステップを使用して、エッチングされているギャップ７１６またはチャネル７１８のさらに下方かつ／またはさらに側面７３４までエッチングすることができる。いくつかの実施形態では、ＡＲＲＯＷ層７３０の最も外側（例えば、上部または底部）の層は、ウェットエッチングステップがＡＲＲＯＷ層７３０内へのエッチングによってＡＲＲＯＷ層７３０を損なうのを防止するように構成されたエッチストップＡＲＲＯＷ層とすることができる。最も外側のＡＲＲＯＷ層をウェットエッチングなどのエッチングプロセスに対する効果的なエッチストップとして選択し、ディープエッチングの後にその後のウェットエッチングを適用することによって、損傷のないＡＲＲＯＷ層７３０を流体チャネル７１８の直下に達成することが可能である。
いくつかの実施形態では、チャネル７１８および／またはエアギャップ７１６の比較的垂直な側壁を達成するために、チャネル７１８および／またはエアギャップ７１６のプロファイルの上部が比較的垂直になるように、実質的な深度までエッチングを行うことができる。
図８は、いくつかの実施形態による、ＡＲＲＯＷ層８３０および可変深度エッチングを含む導波路構造体８００の概略図を示す。図８は、導波路構造体８００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー８０２を示している。
図８に示す導波路構造体８００は、図６に示した導波路構造体６００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、図８の構造体８００が、限局されたエッチストップ層（または任意のエッチストップ層、例えば、層６３２）を有さないという点で、図６に示した構造体６００とは異なりうる。したがって、エッチング中、液体チャネル８１８を形成するエッチングにより、たとえエッチングがエッチストップ層（例えば、層６３２）によって停止されることがなくても、導波路層８０４を貫通してＡＲＲＯＷ層８３０内に最後まで切削する手前で停止することができる。
図９Ａおよび図９Ｂは、いくつかの実施形態による、複数のトレンチの下方に位置するＡＲＲＯＷ層９３０およびエッチストップ層９３２を含む導波路構造体９００の２つの概略図を示す。図９Ａは、断面図を示す。図９Ｂは、導波路構造体９００の上面図を示す。
図９に示す導波路構造体９００は、図６に示した導波路構造体６００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、構造体９００に含まれるエッチストップ層９３２が、流体チャネル９１８に対応する位置にのみ限局されないという点で、図６に示した構造体６００とは異なりうる。代わりに、エッチストップ層９３２は、導波路層９０４からエッチングされた１つ以上のエアギャップ９１６など、１つ以上の他のエッチング部の下の領域に延在していてよい。したがって、非限局のエッチストップ層９３２は、流体チャネル９１８を形成するエッチングおよび１つ以上のエアギャップ９１６を形成するエッチングがＡＲＲＯＷ層９３０内に延在するのを防ぐことができる。
いくつかの実施形態では、エッチストップ層９３２を、１つ以上のエッチングステップの後に完全にまたは部分的に溶解させるか、またはそうでなければ除去することができる。いくつかの実施形態では、エッチストップ層９３２は、（例えば、流体チャネル９１８およびエアギャップ９１６でエッチングが行われる領域から当該エッチストップ層９３２が除去されたとしても）固体コア導波路９１４の下に存在したまま残りうるため、固体コア導波路９１４内の光９１２のＡＲＲＯＷ層９３０内への伝搬を阻止しないよう、透明とすることができる。いくつかの実施形態では、透明エッチストップ層９３２は、１つ以上の酸化物を含んでいてよい（いくつかの実施形態では、不透明エッチストップ層９３２は、１つ以上の金属を含んでいてよく、１つ以上の金属は、いくつかの実施形態では、付加的なエッチングステップなどの２次プロセスステップを使用して導波路構造体９００から除去されてもよい）。
いくつかの実施形態では、透明なエッチストップ層９３２の厚さは、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以下であってよい。いくつかの実施形態では、透明なエッチストップ層９３２の厚さは、０．５μｍ、１μｍ、２．５μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、または１５μｍ以上であってもよい。
図１０Ａおよび図１０Ｂは、いくつかの実施形態による、基板層１００８に形成されたエアギャップ１０３６を含む導波路構造体１０００の２つの概略図を示す。図１０Ａは、導波路構造体１０００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１００２を示している。図１０Ｂは、導波路構造体１０００の上面図を示す。
図１０に示す導波路構造体１０００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、基板層１００８の一部を除去し、導波路層１００４の下側を、流体チャネル１０１８および／または固体コア導波路１０１４の下の１つ以上のエアギャップ１０３６に露出させるために、導波路層１００４内に流体チャネル１０１８および固体コア導波路１０１４を作製するために実行されるトップダウンエッチングに加えて、ボトムアップエッチングもまた実行されうるという点で、図１に示した構造体１００とは異なりうる。流体チャネル１０１８および／または固体コア導波路１０１４の下に１つ以上のエアギャップ１０３６を形成することにより、固体コア導波路１０１４および／または（流体コア導波路として機能しうる）流体チャネル１０１８内の光１０１２が下向きに導波路１０１４／チャネル１０１８から漏れるのを防止できるので、基板層１００８から切り出されたエアギャップ１０３６自体によって、ＡＲＲＯＷ層（例えば、層９３０）または低屈折率酸化物層の必要性を排除することができる。
いくつかの実施形態では、図１０に示しているように導波路層１００４の反対側の基板層１００８の側にエッチングすることなどによって、基板層１００８へのエッチングを付加的にまたは代替的に使用して、１つ以上の流体チャネルを形成することができ、かつ／または基板層１００８を通る流体ルーティング用の他の構造を形成することができる。
いくつかの実施形態では、図１０に示しているように導波路層１００４の反対側の基板層１００８の側にエッチングすることなどによって、基板層１００８へのエッチングを付加的にまたは代替的に使用して、導波路構造体１０００の物理的な配置の際に使用するために、導波路構造体１０００上の構造を形成することができる。いくつかの実施形態では、基板１００８の微細加工を使用して、１つ以上のキネマチック構造を形成することができる。いくつかの実施形態では、基板層１００８へのエッチングによって形成された１つ以上の構造を使用して、物理的に配置し、かつ／またはアライメントシステムに取り付け、かつ／またはこれと物理的に相互作用させることができる。いくつかの実施形態では、基板層１００８へのエッチングによって形成された１つ以上の構造には、キネマチック用途で使用するための磁性材料および／または１つ以上の磁性構成要素を充填可能であり、これらを収容可能であり、かつ／または他の方法でこれらに取り付け可能である。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、いくつかの実施形態による、基板層１１０８に形成されたエアギャップ１１３６を含み、かつ、集光用レンズ１１３８を含む、導波路構造体１１００の２つの概略図を示す。図１１Ａは、導波路構造体１１００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１１０２を示している。図１１Ｂは、導波路構造体１１００の上面図を示す。
図１１に示す導波路構造体１１００は、図１０に示した導波路構造体１０００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、構造体１１００が、例えば、面外励起光収集での使用のために１つ以上のレンズをさらに含みうるという点で、図１０に示した構造体１０００とは異なりうる。図示しているように、レンズ１１３８などの１つ以上のレンズは、流体チャネル１１１８からの励起光１１１２の上側での収集のために、接着剤糊付け、永久的接合もしくは非永久的接合などによって、またはカバー層１１２０自体の内部に製造することによって、カバー層１１２０に含めるかまたは取り付けることができる。代替的または付加的に、レンズ１１４０などの１つ以上のレンズは、流体チャネル１１１８からの励起光１１１２の下側での収集のために、基板１１０８から下側のエアギャップ１１３６をエッチングすることに続いて、流体チャネル１１１８の下方に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上のレンズ１１３８、１１４０は、ポリマー材料、誘電体材料、ガラス、または任意の他の適切な材料から形成することができる。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、いくつかの実施形態による、基板層１２０８に形成されたアンダカットされたエアギャップ１２４２を含む導波路構造体１２００の２つの概略図を示す。図１２Ａは、導波路構造体１２００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１２０２を示している。図１２Ｂは、導波路構造体１２００の上面図を示す。
図１２に示す導波路構造体１２００は、図１０に示した導波路構造体１０００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、流体チャネル１２１８および／または固体コア導波路１２１４の下のエアギャップ１２４２が、基板層１２０８を下方からエッチングすることによってではなく、アンダエッチング（例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチング）を実行して、導波路層１２０４に最初にエッチングされたエアギャップ１２１６から、固体コア導波路１２１４内かつ下方へかつ／または流体チャネル１２１８の下方へ切削することによって形成されうるという点で、図１０に示した構造体１０００とは異なりうる。いくつかの実施形態では、アンダエッチングは、例えば、吊り下げた構造の崩壊を防ぐために、ブリッジされたセクションで実行可能である。
図１３Ａおよび図１３Ｂは、いくつかの実施形態による、ファイバアライメントフィーチャ１３４４を含む導波路構造体１３００の２つの概略図を示す。図１３Ａは、導波路構造体１３００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１３０２を示している。図１３Ｂは、導波路構造体１３００の上面図を示す。
図１３Ａおよび図１３Ｂに示す導波路構造体１３００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、構造体１３００が、例えば、励起光１３１２の導波の際に使用するために、１つ以上の従来の光ファイバを組み込みうるという点で、図１に示した構造体１００とは異なりうる。例えば、導波路層１３０４にエアギャップをエッチングすることによって固体コア導波路を作製することに代えて、光ファイバ１３４６を使用して、光１３１２を（本明細書の他の場所で論じたのと同じ方法で形成可能な）流体チャネル１３１８に導波することができる。いくつかの実施形態では、光ファイバ１３４６を使用して、励起光１３１２を、本明細書の他の場所で論じたように形成された固体コア導波路に導波することができる。
図１４Ａ〜Ｄは、いくつかの実施形態による、ＣＭＰ（化学機械研磨）ベースのトレンチ製造方法の様々な段階中の導波路構造体１４００の４つの概略図を示す。図１４に示す導波路構造体１４００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができる。本明細書で論じた他のいくつかの実施形態とは異なり、図１４に示している技術は、１つ以上の酸化物へのエッチングに加えてまたはこれに代えて、１つ以上のフィーチャをシリコン基板１４０８（または他の非酸化物基板）にマシニングすることに大きく依拠しうる。いくつかの実施形態では、シリコンまたは他の基板材料へのマシニングに依存する導波路構造体製造技術は、シリコンのマシニングが酸化物へのエッチングよりも単純で標準化されたプロセスでありうるため、主としてまたは排他的に酸化物へのエッチングに依拠する技術よりも、単純かつ高速であり、より効率的かつより安価でありうる。
図１４Ａに示しているように、シリコン基板１４０８は、２つの交差する（一方は９０°のコーナーの右側に示されている１４４８であり、他方は９０°のコーナー１４０２の左側示されている１４５０である）トレンチを形成するために、マシニング（例えば、マイクロマシニング）されうる。次いで、マシニングされたトレンチ１４４８、１４５０が酸化物１４０６で充填可能となるように、１つ以上の酸化物を、マシニングされたシリコン基板１４０８上に堆積させることができる。酸化物１４０６が設けられた（例えば、堆積されたまたは設置された）後、流体チャネル１４１８が、９０°のコーナー１４０２の右側に示されている酸化物１４０６内にエッチングされうる（代替的に、いくつかの実施形態では、流体チャネル１４１８を形成する酸化物部分は、例えば、図１７および１８を参照して以下で論じるように、エッチングされたシリコントレンチ１４４８の酸化によって形成されうる）。
次いで、図１４Ｂに示しているように、基板１４０６にマシニングされたトレンチ１４４８または１４５０のうちの一方の、内側でない、基板１４０８上に設けられた（例えば、堆積されたまたは設置された）酸化物１４０６が除去されうる。いくつかの実施形態では、酸化物１４０６は、ＣＭＰによって除去することができ、一方、いくつかの実施形態では、酸化物１４０６をリフトオフしてもよい。
次に、図１４のＣに示しているように、流体チャネル１４１８がエッチングされたトレンチ１４４８を取り囲んでいるシリコン基板１４０８が、例えば、ＫＯＨエッチングによって除去されうる。いくつかの実施形態では、基板１４０８は、流体チャネル１４１８を形成する酸化物１４０６の下の領域の一方側または両側および一部を含みうる領域１４４２で（例えば、アンダエッチングによって）エッチング除去されうる。
次いで、図１４のＤに示しているように、９０°のコーナー１４０２の左側にある、酸化物が充填されたトレンチ１４５０を取り囲んでいるシリコン基板１４０８が、例えば、ＫＯＨエッチングによって除去されうる。いくつかの実施形態では、基板１４０８は、酸化物を充填されたトレンチ１４５０を形成する酸化物１４０６の下の領域の一方側または両側および一部を含みうる領域１４５２で（例えば、アンダエッチングによって）エッチング除去されうる。
最後に、図１４のＤに示しているように、カバー層１４２０を追加して、流体チャネル１４１８を封入することができる。カバー層１４２０は、本明細書の他の場所で論じた他のカバー層（例えば、カバー層１２０）と、任意の１つ以上の特性を共有することができる。
したがって、９０°のコーナー１４０２の左側に示される酸化物１４５４は、光１４１２の固体コア導波路として機能することができ、９０°のコーナーの右側に示されるエッチング除去された酸化物１４５６は、固体コア導波路と交差する流体チャネル１４１８および／または流体コア導波路（例えば、酸化物１４５４）として機能することができる。
図１５Ａおよび図１５Ｂは、いくつかの実施形態による、ドープされた酸化物基板１５０８を含む導波路構造体１５００の２つの概略図を示す。図１５Ａは、導波路構造体１５００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１５０２を示している。図１５Ｂは、導波路構造体１５００の上面図を示す。
図１５に示す導波路構造体１５００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、導波路（例えば、酸化物）層（例えば、層１０４）とは異なる基板（例えば、シリコン）層（例えば、層１０８）を含むのではなく、構造が、モノリシック酸化物基板１５０８（例えば、石英ガラスウェハ、ボロフロート、ＢＫ７、溶融シリカ、または単結晶石英）から形成されうるという点で、図１に示した導波路構造体１００、および本明細書に示した他の導波路構造体（例えば、構造体２００〜１４００）とは異なりうる。いくつかの実施形態では、酸化物基板１５０８は、酸化物基板１５０８の屈折率が、ドープされた表面（例えば、上面１５５８）から遠い位置よりも、ドープされた（例えば、上面１５５８）表面近くで高くなるように、酸化物に屈折率勾配を形成するために、基板１５０８の表面（例えば、上面１５５８）近くでイオンによってドープされうる（例えば、上記のイオンドープの説明を参照）。いくつかの実施形態では、マスクを使用して特定の領域のみをドープするのではなく、酸化物基板１５０８の表面全体（例えば、上面１５５８）にブランケットドープを施してもよい。本明細書の他の場所で論じるエッチングステップは、次いで、酸化物基板１５０８のドープされた表面（例えば、上面１５５８）内にエッチングして、流体チャネル１５１８およびエアギャップ１５１６を形成することによって、実行されうる。屈折率勾配のため、エッチングされたエアギャップ間に画定された流体コア導波路（例えば、流体チャネル１５１８）内の励起光１５１２が、酸化物基板１５０８の低屈折率部分内に下向きに漏れるのを防ぐことができる。屈折率勾配が上述されているが、いくつかの実施形態では、屈折率は、１つ以上の空間曲線にしたがって、かつ／または１つ以上の空間勾配にしたがって、１つ以上の空間ステップ関数で変化しうる。
図１５および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、ドープされた酸化物（例えば、層１５０８）の屈折率は、１、２、３または４以下であってよい。図１５および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、ドープされた酸化物（例えば、層１５０８）の屈折率は、１、２、３または４以上であってもよい。
いくつかの実施形態では、酸化物基板１５０８全体にわたってブランケットドープ技術を使用することによって、純粋な導波路材料を用いることから堆積ステップが最小化され、バックグラウンドを低減させることができる。さらに、いくつかの実施形態では、導波路（例えば、固体コア導波路１５１４）を画定するためにドーパントを使用することによって、光１５１２の屈折および散乱を少なくさせる可能性があり、これは、チップのバックグラウンド信号を低減するのに有利でありうる。
いくつかの実施形態では、流体チャネル１５１８内の光１５１２は、チャネルから漏れ出すと酸化物基板１５０８内に下降しうるため、流体チャネル１５１８は、チャネルとしてのみ機能し、流体コア導波路としては機能しない。しかしながら、いくつかの実施形態では、流体チャネル１５１８の下にエアギャップを形成し、流体チャネル１５１８を流体コア導波路として機能させるために、基板１５０８の下側でディープエッチングを実行してもよい（またはアンダカットエッチングを実行してもよい）。
図１６Ａおよび図１６Ｂは、いくつかの実施形態による、ドープされた酸化物基板１６０８、および接合されたカバー層１６２０の下のキャップ層１６６０を含む、導波路構造体１６００の２つの概略図を示す。図１６Ａは、導波路構造体１６００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１６０２を示している。図１６Ｂは、導波路構造体１６００の上面図を示す。
図１６に示す導波路構造体１６００は、図１５に示した導波路構造体１５００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、構造体１６００が、モノリシック酸化物基板１６０８に形成された導波路（例えば、固体コア導波路１６１４、流体コア導波路１６１８）を光学的に保護できる、モノリシック酸化物基板１６０８の上かつカバー層１６２０の下にキャップ層１６６０をさらに含みうるという点で、図１５に示した構造体１５００とは異なりうる。保護層１６６０は、酸化物基板１６０８のドープが実行された後、酸化物基板１６０８上に設ける（例えば、堆積させるまたは設置する）ことができる。いくつかの実施形態では、保護層１６６０は、１つ以上の酸化物を含んでもよい。次いで、保護層１６６０および酸化物基板１６０８が内部へかつ／またはこれを通って同時にエッチングされうる。
図１６および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、ドープされた酸化物（例えば、層１６０８）の屈折率は、１、２、３、または４以下であってよい。図１６および／または本明細書で論じる他の導波路構造体のいくつかの実施形態では、ドープされた酸化物（例えば、層１６０８）の屈折率は、１、２、３、または４以上であってもよい。
図１７Ａおよび図１７Ｂは、いくつかの実施形態による、マシニングされた基板層１７０８を酸化およびドープして導波路層ＸＸＸを形成することによって得られた導波路構造体１７００の２つの概略図を示す。図１７Ａは、導波路構造体１７００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１７０２を示している。図１７Ｂは、導波路構造体の上面図を示す。
図１７に示す導波路構造体１７００は、図１に示した導波路構造体１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができる。本明細書で論じる他のいくつかの実施形態とは異なり、図１７に示している技術は、１つ以上の酸化物へのエッチングに加えてまたはこれに代えて、１つ以上のフィーチャをシリコン基板１７０８（または他の非酸化物基板）にマシニングすることに大きく依拠しうる。いくつかの実施形態では、シリコンまたは他の基板材料１７０８へのマシニングに依存する導波路構造体製造技術は、シリコンのマシニングが、酸化物へのエッチングよりも単純で標準化されたプロセスでありうるため、主にまたは排他的に酸化物へのエッチングに依拠する技術よりも、単純かつ高速であり、より効率的かつより安価でありうる。
いくつかの実施形態では、流体チャネル１７１８に対応するトレンチは、基板１７０８からマシニング（例えば、マイクロマシニング）可能であり、流体チャネル１７１８を取り囲むエアギャップ１７１６および交差する固体コア導波路１７１４に対応するトレンチは、基板１７０８からマシニング（例えば、マイクロマシニング）可能である。したがって、図１に示されている、酸化物１０６、１１０内にエッチングされた流体チャネル１１８およびエアギャップ１１６のジオメトリは、当該ジオメトリが酸化物などの導波路層１０４内ではなくシリコンウェハなどの基板１７０８内に形成されうることを除いて、複製可能である。
マシニングによる基板１７０８でのこのジオメトリの形成に続いて、マシニングされた基板１７０８の部分１７６２（例えば、上面の近くの部分、および／またはマシニングされたトレンチ、チャネル、もしくはギャップに露出した表面の近くの部分）が、基板層１７０８の部分１７６２から導波路層１７０４用の酸化物１７０６（例えば、二酸化ケイ素）を形成するために、次いで導波路材料に変換（例えば、変容）されうる。いくつかの実施形態では、マシニングされた基板１７０８の部分１７６２は、酸化（例えば、熱酸化）によって変換されて、シリコンが二酸化ケイ素に変換され、これにより、先にはマシニングされたシリコン基板１７０８であったものの部分１７６２に、導波路層１７０４用の二酸化ケイ素１７０６を形成することができる。基板から形成された二酸化ケイ素１７０６は、マシニングされた基板１７０８のジオメトリを模倣することができる。したがって、導波路層１７０４を形成するための二酸化ケイ素材料１７０６は、マシニングされた基板層１７０８から形成されて、基板層１７０８のそれぞれのマシニングされたトレンチから形成された、流体チャネル１７１８およびエアギャップ１７１６を含みうる。
導波路層１７０４に対する二酸化ケイ素材料１７０６の形成に続いて（例えば、シリコン基板１７０８の部分１７６２を酸化して二酸化ケイ素導波路層１７０４を形成することによって）、ドープされた表面（例えば、上面１７５８）の近くに高屈折率酸化物１７１０の１つ以上の領域を作製し、これにより導波路層１７０４の形成を完了するために、導波路層１７０４は、導波路層１７０４の表面（例えば、上面１７５８）近くでイオンドープされうる（例えば、上記のイオンドープの説明を参照）。このように、屈折率は、ドープされた表面（例えば、上面１７５８）から遠い位置よりも、ドープされた表面（例えば、上面１７５８）近くでより高くなりうる。いくつかの実施形態では、導波路層１７０４の表面全体にブランケットドープを施すことができ、したがって、マシニングされた基板１７０８からの形成によって導波路層１７０４に画定されたドープされたフィーチャ１７１０により、固体コア導波路１７１４および／または導波路流体チャネル１７１８を画定することができる。いくつかの実施形態では、固体コア導波路１７１４が、９０°のコーナー１７０２の左側にある酸化物１７０６のドープされた突出部分によって示しているように、形成される。いくつかの実施形態では、導波路流体チャネル１７１８が、９０°のコーナー１７０２の右側にある２つのドープされた突出したチャネル壁酸化物部分１７６６の間の空間によって示しているように、形成される。屈折率が高いため、エアギャップ１７１６の間のドープされた壁部分１７６６の間に画定された流体コア導波路１７１８内の励起光１７１２が、外向きにかつ／または下向きに漏れるのを防ぐことができる。
いくつかの実施形態では、酸化物層１７０６のドープを使用して、酸化物層１７０６の全部または一部に屈折率勾配を形成することができ、一方、いくつかの実施形態では、屈折率は、１つ以上の空間曲線にしたがって、かつ／または１つ以上の空間勾配にしたがって、１つ以上の空間ステップ関数で変化しうる。
いくつかの実施形態では、保護層（図１７Ａには示されていないが、いくつかの実施形態では１つ以上の酸化物を含みうる）は、層１７０６のドープが実行された後、酸化物層１７０６上に設ける（例えば、堆積させるまたは設置する）ことができる。
最後に、カバー層１７２０を追加して、流体チャネル１７１８を封入することができる。カバー層１７２０は、本明細書の他の場所で説明されている他のカバー層（例えば、カバー層１２０）と任意の１つ以上の特性を共有することができる。
図１８Ａおよび図１８Ｂは、いくつかの実施形態による、マシニングされた基板層１８０１を酸化およびドープして導波路層１８０４を形成することによって得られた導波路構造体１８００の２つの概略図を示す。図１８Ａは、導波路構造体１８００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１８０２を示している。図１８Ｂは、導波路構造体１８００の上面図を示す。
図１８に示す導波路構造体１８００は、図１７に示した導波路構造体１７００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、より高い屈折率を有する酸化物１８１０の１つ以上の領域を作製するために、導波路層１８０４の二酸化ケイ素部分に酸化物１８０６をドープするのに続いて、カバー層１８２０を追加する前に、第２の酸化物層１８６８を、ドープされた高屈折率酸化物層１８１０の上に設ける（例えば、堆積させるまたは設置する）ことができるという点で、図１７に関して上述した導波路構造体１７００とは異なりうる。第２の酸化物層１８６８は、例えば、コンフォーマルコーティングによって堆積されうる。いくつかの実施形態では、第２の酸化物層１８６８は、酸化物１８０６の第１の層のドープされた部分１８１０よりも低い屈折率を有しうる。いくつかの実施形態では、酸化物１８６８の第２の層を追加することにより、第１の酸化物層１８０６の導波特性を保護することができる。
第２の酸化物層１８６８の堆積に続いて、次いでカバー層１８２０を追加して、流体チャネル１８１８を封入することができる。カバー層１８２０は、最上部の酸化物層（例えば、層１８６８）に直接に接合可能または取り付け可能であり、本明細書の他の場所で論じる他のカバー層（例えば、カバー層１７２０）と任意の１つ以上の特性を共有してもよい。
図１９は、いくつかの実施形態による、基板層１９０８に形成されたエアギャップ１９１６を含み、集光用レンズ１９３８および１９４０を含み、かつ、アパーチャ層１９７０を含む、導波路構造体１９００の２つの概略図を示す。図１９Ａは、導波路構造体１９００の２つのアングルからの断面図を示し、点線で区切られた２つのビューは、９０°のコーナー１９０２を示している。図１９Ｂは、導波路構造体の上面図を示す。
図１９に示す導波路構造体１９００は、図１１に示した導波路構造体１１００と共通の任意の１つ以上の特性を共有することができ、構造体１９００が、他の光を阻止しながら、信号からの光が収集のためにアパーチャ１９７２を通過しうるように構成されたアパーチャ層１９７０をさらに含みうるという点で、図１１に関して上述した導波路構造体１１００とは異なりうる。いくつかの実施形態では、アパーチャ層１９７０に形成された１つ以上のアパーチャは、流体チャネル１９１８の近く、かつ基板層１９０８に埋め込まれたレンズ１９４０の近くに配置されて、信号光が流体チャネル１９１８からアパーチャ層１９７０を通り、収集のために、基板１９０８内のレンズ１９４０へと通過することを可能にし、一方、アパーチャ１９７２を通過せずにアパーチャ層１９７０の不透明な部分によって阻止されるバックグラウンド光を阻止する。
いくつかの実施形態では、アパーチャ層１９７０は、１つ以上の隣接するアパーチャ、異なる形状のアパーチャ、１つ以上のパターンを形成する複数のアパーチャ、および／またはスペクトルに依存するアパーチャを含みうる（例えば、アパーチャ層１９７０は、いくつかの実施形態では、ＡＲＲＯＷ層のスタックを含みうる）。いくつかの実施形態では、アパーチャ層１９７０内の１つ以上のアパーチャを使用して、例えば、導波路構造体１９００に入射する励起光のビームがアパーチャ層１９７０の１つ以上のアパーチャのみを通過しうるように、励起光を空間的にフィルタリングすることができる。
図１９に示しているように、アパーチャ層１９７０は、基板層１９０８（例えば、シリコン層）、および基板層１９０８に埋め込まれたレンズ１９４０の上に設けることができ、流体チャネル１９１８の下に隣接して設けることができる。いくつかの実施形態では、図１９の例に示しているように、アパーチャ層１９７０は、２つの異なる低屈折率酸化物層の間に挟むことなどによって、導波路層１９０４の一部に埋め込まれてもよい。いくつかの実施形態では、図１９に示しているように、アパーチャ層１９７０を取り囲む２つの低屈折率酸化物層を含む３層の積層部自体を、基板層と高屈折率酸化物層との間に挟むことができる。
図１９と図１１との間のさらなる違いは、図１９の導波路層１９０４が、低屈折率酸化物層（例えば、層１９０６）と高屈折率酸化物層（例えば、層１９１０）との両方を含むことである。いくつかの実施形態では、２つの低屈折率酸化物層の間にアパーチャ層１９７０を配置する（かつ／または単一の低屈折率酸化物層１９０６の中央部にアパーチャ層を吊り下げる）ことにより、導波路層１９０４内の導波路からアパーチャ層１９７０を光学的に分離することができ、これにより、アパーチャ層１９７０が導波路から光を吸収することを防止する。さらに、２つの低屈折率酸化物層の間にアパーチャ層１９７０を配置する（かつ／または単一の低屈折率酸化物層１９０６の中央部にアパーチャ層を吊り下げる）ことにより、基板層１９０８からかつ／または導波路層（例えば、層１９１０）の上部から、アパーチャ層１９７０を物理的に分離することができ、これにより、アパーチャ層１９７０を破壊または損なうことなく、基板層１９０８上、かつ／または導波路層（例えば、層１９１０）の上部で、エッチングおよび他の後処理ステップを実行することが可能になる。
いくつかの実施形態では、アパーチャ層１９７０は、クロム、ニッケル、別の金属、１つ以上のＡＲＲＯＷ層（例えば、パターン化されたＡＲＲＯＷ層）、および／またはバックグラウンド光を遮断するように構成された別の不透明材料を含みうる。いくつかの実施形態では、アパーチャ層１９７０は、微細加工（例えば、スパッタリング、電子ビーム蒸着、スピンコーティング、および／または１つ以上のコーティング技術を含む）を使用してアパーチャ自体の１つ以上のフィーチャを形成することができるように、微細加工することができる。いくつかの実施形態では、基板層１９０８（例えば、シリコン基板層）は、最下部の低屈折率酸化物層１９０６（いくつかの実施形態では、本明細書で論じる他の最下部の低屈折率酸化物層と同じまたは同様の寸法を有しうる）を形成する光学的に透明な材料の厚い層（例えば、約２μｍ以上）でコーティングされうる。次いで、微細加工を使用してパターン化された吸収材料の薄い層（例えば、約０．１μｍ以下）に１つ以上のフィーチャ（例えば、１つ以上の穴）を形成して、アパーチャ層１９７０（いくつかの実施形態では、本明細書で論じる他のアパーチャ層と同じまたは同様の寸法を有しうる）を形成することができる。次に、光学的に透明な低屈折率材料の厚い層（例えば、約１μｍ、５μｍ、または１０μｍ以上）をアパーチャ層の上に堆積させて、アパーチャ層を分離する別の低屈折率酸化物層を形成することができる（ここで、アパーチャ層を分離する低屈折率酸化物層は、いくつかの実施形態では、本明細書で論じる他の最下部の、または基板に隣接する低屈折率酸化物層と同じまたは同様の寸法を有しうる）。次いで、より高い屈折率の材料を低屈折率の酸化物層の上に堆積させて、導波路層の高屈折率領域を形成してもよい（ここで、高屈折率領域は、本明細書で論じる他の高屈折率酸化物層と同じまたは同様の厚さを有しうる）。次に、吸収層のフィーチャに位置合わせする（例えば、アパーチャ層１９７０のアパーチャの上に流体チャネルが形成されるように位置合わせする）ことができる、単一のリソグラフィプロセスを使用して、導波路層１９０４内に流体コアおよび固体コア導波路１９１８および１９１４を同時に画定することができる。
いくつかの実施形態では、図１９の導波路構造体１９００の基板１９０８は、低屈折率酸化物などの低屈折率材料を含みうる。いくつかの実施形態では、図１９に関して説明されたものと共通の１つ以上の特性を共有するアパーチャ層１９７０は、本明細書に記載された他の非軸方向検出導波路構造体のいずれかの１つ以上に組み込まれてもよい。
本明細書の開示は、導波路構造体の導波路層における特定の酸化物材料の使用について論じてきたが、本明細書に開示される構造の導波路層は、いくつかの実施形態では、蒸着を使用して蒸着された材料（例えば、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）または低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）によって堆積された二酸化チタンなどの酸化物）、熱酸化によって形成された材料（例えば、シリコンの熱酸化から形成された二酸化ケイ素）、スピンオンガラス、バックグラウンド低減のために選択または構成されうる任意の１つ以上の他の材料、および／または１つ以上のプラスチック（例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ））を含むがこれらに限定されない、１つ以上の代替または付加的な材料から、（全体的にまたは部分的に）形成可能である。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される製造技術のうちのいずれか１つ以上による導波路構造体の製造に続いて、堆積、化学修飾、表面化学の変更、および／またはトポロジーの変更を含むがこれらに限定されない、製造されたチップをさらに修飾するために、１つ以上の付加的なプロセスを実行することができる。いくつかの実施形態では、これらの１つ以上の付加的なプロセスを使用して、製造された構造の疎水性、滑らかさ、および／または反応性など、製造された構造の１つ以上の特性を修正および／または拡張することができる。
前述の記載は、説明の目的で、特定の実施形態を参照して行った。しかしながら、上記の例示的な論述は、網羅的であることを意図するものではなく、または本発明を開示した精確な形態に限定することを意図するものではない。上記の教示を考慮して、多くの修正および変形が可能である。実施形態は、技術の基本方式およびその実際の適用を最もよく説明するために、選択し、説明した。これにより、当業者は、企図される特定の用途に適した様々な修正と共に、技術および様々な実施形態を最も良好に利用することが可能になる。
開示および実施例を、添付の図面を参照して完全に説明してきたが、様々な変更および修正が当業者には明らかになることに留意されたい。このような変更および修正は、特許請求の範囲によって規定される開示および実施例の範囲内に含まれるものとして理解されるべきである。最後に、本出願で言及されているすべての特許および刊行物の開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (44)
- 導波路層から少なくとも１つの固体コア導波路を形成する導波路構造体を製造するための方法であって、前記方法は、
流体チャネルを前記導波路層内にエッチングするステップと、
第１のエアギャップおよび第２のエアギャップを前記導波路層内にエッチングするステップであって、前記第１のエアギャップおよび前記第２のエアギャップをエッチングすることにより、前記第１のエアギャップと前記第２のエアギャップとの間の前記導波路層に固体コア導波路を作製するステップと、
前記流体チャネルを封入するようにカバー層を前記導波路層に取り付けるステップと、
を含む方法。 - 前記導波路層は、第１の酸化物層および第２の酸化物層を含み、前記第１の酸化物層は、前記第２の酸化物層の第１の側にあり、第１の屈折率を有し、前記第２の酸化物層は、前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する、
請求項１記載の方法。 - 前記流体チャネルをエッチングするステップは、前記第２の酸化物層および前記第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、前記第２の酸化物層および前記第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、前記第２の酸化物層および前記第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含む、
請求項２記載の方法。 - 前記導波路層は、前記第２の酸化物層の前記第１の側の反対側の第２の側に第３の酸化物層をさらに含み、前記第３の酸化物層は、前記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有し、
前記流体チャネルをエッチングするステップは、前記第３、第２および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、前記第３、第２および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、前記第３、第２および第１の酸化物層内に一度にエッチングすることを含む、
請求項２または３記載の方法。 - 前記方法は、前記導波路層をドープして、周囲の屈折率よりも低いドープ屈折率を有する前記導波路層内に１つ以上のドープ領域を作製するステップをさらに含み、前記１つ以上のドープ領域は、前記固体コア導波路に隣接している、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。 - 前記１つ以上のドープ領域は、前記第１のエアギャップおよび前記第２のエアギャップに隣接している、
請求項５記載の方法。 - 前記１つ以上のドープ領域は、前記流体チャネルに隣接している、
請求項５または６記載の方法。 - 前記方法は、前記導波路層をドープして、周囲の屈折率よりも高いドープ屈折率を有する前記導波路層内に１つ以上のドープ領域を作製するステップをさらに含み、前記１つ以上のドープ領域は、前記固体コア導波路を形成する、
請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。 - 前記導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、
前記流体チャネルをエッチングするステップは、前記ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく前記導波路層内にエッチングすることを含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、前記ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく前記導波路層内にエッチングすることを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、前記ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく前記導波路層内にエッチングすることを含む、
請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。 - 前記導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、
前記導波路構造体は、前記流体チャネルに対応する位置で、前記ＡＲＲＯＷ層と前記導波路層との間にエッチストップ層を含み、
前記流体チャネルをエッチングするステップは、
前記ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく前記導波路層内にエッチングすることと、
前記エッチストップ層を溶解させることと、
を含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、前記導波路層および前記ＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、前記導波路層および前記ＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含む、
請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。 - 前記導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、
前記流体チャネルをエッチングするステップは、ドライエッチングを実行し、続いてウェットエッチングを実行することを含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、ドライエッチングを実行し、続いてウェットエッチングを実行することを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、ドライエッチングを実行し、続いてウェットエッチングを実行することを含む、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。 - 前記導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層を含み、
前記流体チャネルをエッチングするステップは、前記導波路層を貫通して前記ＡＲＲＯＷ層までエッチングすることなく、前記導波路層内に部分的にエッチングすることを含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、前記導波路層および前記ＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、前記導波路層および前記ＡＲＲＯＷ層内に一度にエッチングすることを含む、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。 - 前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、前記導波路層、前記ＡＲＲＯＷ層および前記基板層内に一度にエッチングすることを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、前記導波路層、前記ＡＲＲＯＷ層および前記基板層内に一度にエッチングすることを含む、
請求項１２記載の方法。 - 前記導波路構造体は、前記導波路層の下にＡＲＲＯＷ層を含み、
前記導波路構造体は、前記流体チャネルに対応する位置、前記第１のエアギャップに対応する位置、および、前記第２のエアギャップに対応する位置まで延在する、前記ＡＲＲＯＷ層と前記導波路層との間のエッチストップ層を含み、
前記流体チャネルをエッチングするステップは、前記ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく前記導波路層内にエッチングすることを含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、前記ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく前記導波路層内にエッチングすることを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、前記ＡＲＲＯＷ層内にエッチングすることなく前記導波路層内にエッチングすることを含み、
前記方法は、前記エッチストップ層を溶解させるステップをさらに含む、
請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。 - 前記導波路構造体は、前記導波路層に結合された基板層を含み、
前記方法は、前記基板内にエッチングして、前記流体チャネルおよび前記固体コア導波路のうちの１つ以上に隣接する第３のエアギャップを形成するステップをさらに含み、前記第３のエアギャップは、１つ以上の前記流体チャネルおよび前記固体コア導波路を伝搬する光の内部反射を生じさせるように構成されている、
請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法。 - 前記方法は、レンズ素子を前記第３のエアギャップに設けるステップをさらに含み、前記レンズ素子は、前記流体チャネルから前記第３のエアギャップに逃げる光を収集するように構成されている、
請求項１５記載の方法。 - 前記第３のエアギャップを形成するために前記基板内にエッチングするステップは、前記流体チャネルおよび前記固体コア導波路のうちの１つ以上をアンダカットすることを含む、
請求項１５または１６記載の方法。 - 前記導波路構造体は、微細加工されたファイバアライメントフィーチャを含む、
請求項１から１７までのいずれか１項記載の方法。 - 前記方法は、エッチングが実行される前記導波路層の表面から前記導波路層をドープするステップをさらに含み、前記導波路層が、前記ドープされた表面の近くで最も高い屈折率勾配を有するようにさせる、
請求項１から１８までのいずれか１項記載の方法。 - 前記方法は、前記導波路層をドープした後かつ前記導波路層内にエッチングする前に、前記導波路層上に保護層を設けるステップをさらに含み、前記カバー層を前記導波路層に取り付けるステップは、前記保護層に前記カバー層を取り付けることを含む、
請求項１９記載の方法。 - 前記流体チャネルをエッチングするステップは、ドライエッチングを実行することを含み、
前記第１のエアギャップをエッチングするステップは、ドライエッチングを実行することを含み、
前記第２のエアギャップをエッチングするステップは、ドライエッチングを実行することを含む、
請求項１から２０までのいずれか１項記載の方法。 - 前記方法は、前記固体コア導波路の端部の後方の前記導波路層内にエッチングするステップをさらに含み、これにより、前記固体コア導波路の端部を形成する、
請求項１から２１までのいずれか１項記載の方法。 - 導波路構造体であって、前記導波路構造体は、
流体チャネル、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップを含む導波路層であって、前記第１のエアギャップおよび前記第２のエアギャップは、前記第１のエアギャップと前記第２のエアギャップとの間の前記導波路層に固体コア導波路を画定する導波路層と、
前記流体チャネルを封入するように前記導波路層に取り付けられたカバー層と、
を備える導波路構造体。 - 前記導波路層は、第１の酸化物層および第２の酸化物層を含み、前記第１の酸化物層は、前記第２の酸化物層の第１の側にあり、第１の屈折率を有し、前記第２の酸化物層は、前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する、
請求項２３記載の導波路構造体。 - 前記流体チャネル、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップのうちの１つ以上は、前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層を少なくとも部分的に通って延在する、
請求項２４記載の導波路構造体。 - 前記導波路層は、前記第２の酸化物層の前記第１の側の反対側の第２の側に第３の酸化物層をさらに含み、前記第３の酸化物層は、前記第１の屈折率よりも低い第３の屈折率を有し、
前記流体チャネル、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップのうちの１つ以上は、前記第１の酸化物層、前記第２の酸化物層および前記第３の酸化物層を少なくとも部分的に通って延在する、
請求項２４または２５記載の導波路構造体。 - 前記導波路層は、周囲の屈折率よりも低いドープ屈折率を有する１つ以上のドープ領域を含み、前記１つ以上のドープ領域は、前記固体コア導波路に隣接している、
請求項２３から２６までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記１つ以上のドープ領域は、前記第１のエアギャップおよび前記第２のエアギャップに隣接している、
請求項２７記載の導波路構造体。 - 前記１つ以上のドープ領域は、前記流体チャネルに隣接している、
請求項２７または２８記載の導波路構造体。 - 前記導波路層は、周囲の屈折率よりも高いドープ屈折率を有する１つ以上のドープ領域を含み、前記１つ以上のドープ領域は、前記固体コア導波路を形成する、
請求項２３から２９までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層をさらに含み、
前記流体チャネル、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップのうちの１つ以上は、前記ＡＲＲＯＷ層内に延在することなく、前記導波路層を少なくとも部分的に通って延在する、
請求項２３から３０までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記導波路構造体は、ＡＲＲＯＷ層をさらに含み、
前記流体チャネルは、前記ＡＲＲＯＷ層内に延在することなく、前記導波路層を少なくとも部分的に通って延在し、
前記第１のエアギャップおよび第２のエアギャップのうちの１つ以上は、前記導波路層および前記ＡＲＲＯＷ層を少なくとも部分的に通って延在する、
請求項２３から３１までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記導波路構造体は、前記導波路層に結合された基板層をさらに含む、
請求項２３から３２までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記基板層は、１つ以上の前記流体チャネルおよび前記固体コア導波路に隣接する第３のエアギャップを含み、前記第３のエアギャップは、１つ以上の前記流体チャネルおよび前記固体コア導波路を伝搬する光の内部反射を生じさせるように構成されている、
請求項２３から３３までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記第３のエアギャップは、前記流体チャネルから前記第３のエアギャップに逃げる光を収集するように構成されたレンズ素子を含む、
請求項３４記載の導波路構造体。 - 前記第３のエアギャップは、前記流体チャネルおよび前記固体コア導波路のうちの１つ以上をアンダカットする、
請求項３４または３５記載の導波路構造体。 - 前記導波路構造体は、微細加工されたファイバアライメントフィーチャを含む、
請求項２３から３６までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記導波路層は、屈折率勾配を有する、
請求項２３から３７までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 前記導波路構造体は、前記導波路層上に設けられた保護層を含み、前記流体チャネル、第１のエアギャップおよび第２のエアギャップのうちの１つ以上は、前記保護層および前記導波路層を少なくとも部分的に通って延在する、
請求項２３から３８までのいずれか１項記載の導波路構造体。 - 少なくとも１つの固体コア導波路を形成するための導波路構造体を製造するための方法であって、前記方法は、
基板層に、第１のトレンチ、第２のトレンチおよび第３のトレンチを形成するステップと、
マシニングされた基板層を酸化することにより、前記マシニングされた基板層から酸化物層を形成するステップと、
前記酸化物層をドープするステップにより、前記酸化物層の元の屈折率よりも高いドープ屈折率を有する１つ以上のドープ領域を作製するステップであって、前記酸化物層をドープするステップにより、
前記第１のトレンチに対応する位置に流体チャネルの中空コアと、
前記第２のトレンチと前記第３のトレンチとの間の領域に対応する位置の導波路層内に固体コア導波路部分と、
を作製するステップと、
前記流体チャネルを封入するように前記ドープされた酸化物層にカバー層を取り付けるステップと、
を含む方法。 - 前記方法は、前記カバー層を取り付ける前に、前記ドープされた酸化物層上に第２の酸化物層を堆積させるステップをさらに含む、
請求項４０記載の方法。 - 前記基板層に、前記第１のトレンチ、前記第２のトレンチおよび前記第３のトレンチのうちの１つ以上を形成するステップは、前記１つ以上のトレンチを前記基板層内にマシニングすることを含む、
請求項４０または４１記載の方法。 - 前記基板層は、シリコンを含む、
請求項４０から４２までのいずれか１項記載の方法。 - 導波路構造体であって、
流体チャネルを前記導波路構造体の導波路層内にエッチングするステップと、
第１のエアギャップおよび第２のエアギャップを前記導波路層内にエッチングするステップであって、前記第１および前記第２のエアギャップをエッチングするステップにより、前記第１のエアギャップと前記第２のエアギャップとの間の前記導波路層に固体コア導波路を作製するステップと、
前記流体チャネルを封入するようにカバー層を前記導波路層に取り付けるステップと、
を含む方法によって作製された導波路構造体。
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