JP2023533231A - フォトニクス光ジャイロスコープの微小電気機械センサとの統合 - Google Patents
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Abstract
本開示の態様は、フォトニクス集積回路として平面シリコンプラットフォーム上に作製された光ジャイロスコープを、ＭＥＭＳ加速度計とともに同じダイ上にモノリシックに統合することを対象とする。加速度計は、光ジャイロスコープを制御する電子回路によって制御することができる。クロストークを低減し、光ジャイロスコープの感度および実装密度を改善するために、隣り合う導波路ターン間に間隙が導入されてもよい。
Description
本開示は、フォトニクスベースの光ジャイロスコープを微小電気機械システム（ＭＥＭＳ： ｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）ベースのセンサと同一チップ上に統合するための様々な構造および作製方法に関する。言い換えれば、本開示は、チップにＭＥＭＳベースのセンサとモノリシックに統合されたフォトニクス集積回路（ＰＩＣ： ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）（特許請求の範囲では集積フォトニクスチップとも称される）に関するものである。
ジャイロスコープ（「ジャイロ」と呼ばれることもある）は、角速度を測定することができるセンサである。ジャイロスコープは機械式または光学式があり得、精度、性能、コスト、サイズが異なり得る。コリオリ効果に基づく機械式ジャイロは、典型的には安価であるが、あまり高い性能を出すことができず、温度、振動、および電磁干渉（ＥＭＩ： ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）によって引き起こされる測定誤差が生じやすい。光学式ジャイロは、典型的には、最高の性能を有し、サニャック効果（干渉分光法で遭遇する、回転によって引き起こされる現象）に基づく干渉測定に依存する。光ジャイロスコープは、可動部分を有していないので、可動部分を有する機械式ジャイロに比べて、衝撃、振動、および温度変化の影響を受けにくいので、機械式ジャイロを超える利点を有する。
最も一般的な光ジャイロスコープは、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ： ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）である。ＦＯＧの構造は、典型的には、偏波保持（ＰＭ： ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ）ファイバの長いループ（ループは数ターンを有するコイルまたはファイバスプールを構成する場合がある）を含む。レーザ光は、ＰＭファイバの両端に送出され、異なる方向に進む。ファイバのループ／コイルが回転している場合、光ビームは互いに対して異なる光路長となる。干渉計システムを設置することにより、囲まれたループの面積および回転するコイルの角速度に比例する小さな光路長差を測定することができる。
ＦＯＧは非常に高い精度を有することができるが、同時に、寸法が大きく、非常に高価であり、デバイスが、正確に位置合わせをする必要がある別個の光学構成要素に基づいて構築されることにより、組立てが困難である。多くの場合、手作業での位置合わせが伴い、大量生産のために規模の拡大が困難である。本開示は、以下でさらに説明するように、この問題に対する解決策を提供する。
複数のジャイロスコープおよび他のセンサ（加速度計、および場合によっては磁力計など）は、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸に沿った様々な運動パラメータを検知するために、移動物体内に慣性測定ユニット（ＩＭＵ： Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）として一緒にパッケージ化される場合がある。例えば、６軸のＩＭＵは、３軸の加速度計と３軸のジャイロスコープとが一緒にパッケージ化されて、移動物体の絶対的な空間変位を測定することができる。ＩＭＵの用途としては、限定するものではないが、軍事行動（例えば、ジェット戦闘機、潜水艦によるもの）、民間航空機／ドローンナビゲーション、ロボット工学、自律車両ナビゲーション、仮想現実、拡張現実、ゲームなどが含まれる。
本発明者らは、ジャイロスコープの大量生産に対してより有望である、半導体プラットフォームへの費用効果の高い容易な統合のために、ファイバを導波路ベースの集積フォトニクス構成要素に置き換えることを提案する。本願では、以下に詳述するように、シリコンプラットフォーム上に作製される窒化ケイ素（ＳｉＮ）導波路コアを含む様々な構造、およびジャイロスコープがある同じシリコンプラットフォーム上でのＭＥＭＳ加速度計の統合を説明する。
本開示の態様は、フォトニクス集積回路として平面シリコンプラットフォーム上に作製された光ジャイロスコープを、ＭＥＭＳ加速度計とともに同じダイ上にモノリシックに統合することを対象とする。加速度計は、光ジャイロスコープを制御する電子回路によって制御することができる。クロストークを低減し、光ジャイロスコープの感度および実装密度を改善するために、隣り合う導波路ターン間に間隙が導入されてもよい。
詳細には、導波路コイルであって、導波路コイルによって囲まれた中央領域の周りをループする複数の導波路ターンを備え、各導波路ターンが隣り合う導波路ターンに平行であり、光ジャイロスコープの回転センシング要素として使用される導波路コイルと、導波路コイルによって囲まれた中央領域にモノリシックに統合された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの運動センシングデバイスであって、導波路コイルとＭＥＭＳ加速度計とが共通のプラットフォーム上に作製される、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの運動センシングデバイスとを備える集積フォトニクスチップが開示される。
光ジャイロスコープとＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスとは、モジュール化された統合慣性測定ユニット（ＩＭＵ）として一緒にパッケージ化される。ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスは、すべての運動軸に対して粗い回転センシング値を提供し、光ジャイロスコープは、１つまたは複数の選択された運動軸に対してより高精度の回転センシング値を提供することができる。
ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスはまた、１つまたは複数の運動軸に対する加速度計を備えることができる。いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、６軸のジャイロスコープおよび加速度計とすることができる。
集積フォトニクスチップの共通のプラットフォームは、シリコンフォトニクスプラットフォームとすることができ、各導波路ターンは、上部クラッドと下部クラッドとの間に挟まれた導波路コアを備える。一実施形態では、導波路コアは窒化ケイ素を含み、上部クラッドおよび下部クラッドは酸化物を含む。
構造的な修正が、隣り合う導波路ターン間のクロストークを低減するために各導波路ターンの両側に導入され、それによって集積フォトニクスチップの所定の領域内に作製することができる導波路ターンの空間密度を増大させることができる。
所定の領域は、導波路コイルおよびＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを作製するために使用されるレチクルの露光フィールドに依存する場合がある。導波路ターンの空間密度を増大させることにより、導波路コイル内に囲まれる中央領域が増大するとともに、中央領域を囲む導波路ターン数が増加し、それによって、回転センシング要素の感度が増大する。
構造的な修正は間隙を含む場合があり、間隙は、空隙、金属で満たされた間隙、あるいは不活性ガスまたは液体で満たされた間隙を含む。
いくつかの実施形態では、間隙は、間隙が長手方向に沿って導波路コアの上方および下方に実質的に延在するように、間隙の長手方向の寸法が間隙の横方向の寸法よりも実質的に大きい高アスペクト比の長方形スリットまたは溝の形態である。
また、導波路コイルとＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスとを共通のプラットフォーム上に備える集積フォトニクスチップをモノリシックに作製する方法が開示され、本方法は、ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを作製するために、共通のプラットフォーム上に中央領域を指定するステップであって、中央領域が、中央領域の周りをループする複数の導波路ターンを備える導波路コイルによって囲まれ、各導波路ターンが、隣り合う導波路ターンと平行であり、導波路コイルが、光ジャイロスコープの回転センシング要素として使用される、ステップと、導波路コイルを共通のプラットフォーム上に作製するステップと、導波路コイルの上方にエッチストップ層を堆積させることにより、作製された導波路コイルを保護するステップと、ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを指定された中央領域に作製するステップとを含む。
ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを作製するステップは、指定された中央領域においてエッチストップ層の上に電極を堆積させパターン化するステップと、エッチストップ層およびパターン化された電極の上に第１の犠牲層を堆積させパターン化するステップと、パターン化された犠牲層およびパターン化された電極の上に構造層を堆積させパターン化するステップと、パターン化された構造層の上に第２の犠牲層を堆積させパターン化するステップと、ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスの部品として柱を生成するために構造層をパターン化するステップであって、第２の犠牲層も柱の上にパターン化される、ステップと、第１の犠牲層および第２の犠牲層を除去し、それによって、ＭＥＭＳベースのデバイスの運動センシング要素として機能する浮いている構造（ｓｕｓｐｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を生成するステップとをさらに含む。
本方法は、隣り合う導波路ターン間のクロストークを低減するために各導波路ターンの両側に間隙を形成して、それによって集積フォトニクスチップの所定の領域内に作製することができる導波路ターンの空間密度を増大させるステップをさらに含んでもよい。
集積フォトニクスチップは、複数の層または平面を有することができ、フォトニクス構成要素の一部分を、複数の平面の間に分配することができる。このようにして、フォトニクスチップの総占有面積を小さいままにすることができるが、より多くの機能をフォトニクスチップに詰め込むことができるとともに、デバイスの占有面積を増大させずにより長い導波路コイルの長さを導入することができる。
本開示は、以下の詳細な説明および本開示の様々な実施様態の添付図面からより完全に理解されるであろう。
本開示の態様は、コンパクトな超低損失の集積フォトニクスベースの導波路と微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのセンシングデバイスとをモノリシックに統合することを対象とする。これらの導波路は、例えば、フォトニクス集積光ジャイロスコープにおいて、平面フォトニクス集積回路（ＰＩＣ： ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）上の光学要素として使用することができる。背景の項で論じたように、ファイバベースの光ジャイロスコープの高性能の鍵は、サニャック効果を測定するために使用される高品質で低損失の光ファイバの長尺さである。本発明者らは、ウェハスケール処理に適した集積シリコンフォトニクスの出現により、性能を犠牲にすることなく、ＦＯＧをより小さな集積フォトニクスチップの解決策に置き換える機会があることを認識している。フォトニクスベースの光ジャイロは、サイズ、重量、電力、およびコストが削減されるが、加えて、大量生産が可能で、振動および電磁干渉の影響を受けず、ＦＯＧと同等の性能を提供する可能性を有する。集積光ジャイロスコープがシリコンプラットフォーム上に作製されるとき、ＳｉＰｈＯＧ（登録商標）（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）と略記される。本開示は、ＭＥＭＳ加速度計をフォトニクスジャイロスコープチップにモノリシックに統合することによって、センシング要素をまとめる方向に一歩進める。
この集積フォトニクスの解決策の重要な要素の１つは、酸化物または溶融石英のクラッドで囲まれる窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）製の非常に損失の少ない導波路コアを製作することである。導波路構造全体（コアおよびクラッドを含む）は、簡略化のため、ＳｉＮ導波路と呼ばれることがある。ＳｉＮ導波路の伝搬損失は、０．１ｄｂ／メートルより十分小さくすることができる。これは、伝搬損失が０．１ｄｂ／センチメートルの範囲にある現在の最新のＳｉＮプロセスを超える大幅な改善である。
図１は、ジャイロスコープ導波路ダイ１０上に作製されたＳｉＰｈＯＧ（登録商標）－ＭＥＭＳ複合システム１００を示す。光は、いくつかのターンを有するジャイロスコープ導波路コイル２０の第１の端部１４において送出される。ここでは、分かりやすくするために４ターンしか示していないが、実際のデバイスでは、ジャイロスコープの必要な感度に基づいて、さらに多くのターン（例えば、数百ターン）を使用することができる。導波路コイル内を伝搬した後、光は第２の端部１６から出る。光は、端部１４または１６のいずれからでも送出することができるので、端部のそれぞれは、「入力端」または「出力端」として機能することができることに留意されたい。話を簡単にするために、第１の端部１４を「入力端」、第２の端部１６を「出力端」と呼び、第２の端部１６に近い導波路の部分１８を「出力導波路」１８と呼ぶ。いくつかの実施形態では、対向伝搬する光ビームから位相差信号を得るために、両方の端部１４および１６において光を送出することができる。導波路コイルの設計は、対向伝搬するビーム間の位相干渉および／または例えば１１０と１１２などの隣り合う導波路間の交差結合を考慮する。加速度計デバイス３０は、ジャイロスコープ導波路ダイ１０上に統合される。一実施形態では、ＭＥＭＳ加速度計デバイス３０を含む加速度計ダイ１２は、ジャイロスコープ導波路ダイ１０上にハイブリッドに統合され得る。例えば、本開示の前身は、「ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＯＰＴＩＣＡＬ ＧＹＲＯＳＣＯＰＥＳ ＯＰＴＩＭＩＺＥＤ ＦＯＲ ＡＵＴＯＮＯＭＯＵＳ ＴＥＲＲＥＳＴＲＩＡＬ ＡＮＤ ＡＥＲＩＡＬ ＶＥＨＩＣＬＥＳ」と題され、２０１９年１０月１８日に米国仮出願第６２／９２３，２３４号として出願されており、ここでは、ＭＥＭＳセンサのフォトニクスジャイロスコープとのハイブリッド統合がモジュールレベルで記載されている。この出願は、２０２０年１０月１５日に米国非仮出願第１７／０７１，６９７号に変更され、これは、米国特許出願公開第２０２１／０１１６２４６号として公開されている。これらの出願のすべてを、参照により本明細書に援用する。本開示は、ジャイロスコープ導波路ダイ１０上へのＭＥＭＳ加速度計デバイス３０の面内統合に焦点を当てている。言い換えれば、フォトニクス光ジャイロスコープおよびＭＥＭＳ加速度計を含む自己完結型の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）は、単一ダイ上の単一デバイスとして作製することができ、それはＳｉＰｈＯＧ－Ｘと呼ばれることもある。
図２Ａは、ＭＥＭＳ－ＳｉＰｈＯＧ統合プロセスフローの開始時点における断面図を示す。詳細には、図２Ａは、シリコン基板の場合がある基板１０２を示す。基板１０２の厚さは、標準的なウェハの厚さであってもよく、例えば、厚さは７２５μｍとすることができる。様々な材料層の厚さは、縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。しかしながら、基板１０２が、図２Ａ～図２Ｆに示される材料層の残りの部分よりもはるかに厚いという考えを伝えるために、はっきりと分かるようにするためだけに断続線１０１が層１０２の中間に導入されている。層１０６および層１１６の厚さは、基板１０２の両側で１５μｍの範囲の厚さ「ｈ１」とすることができる。層１０６は、導波路コア１１０、１１２のための下部クラッドとして機能する。隣り合う導波路コア１１０、１１２は、図１に示された導波路コイル２０の各ターンに対応することに留意されたい。コア間のピッチｐ１は、２０μｍの範囲であってもよく、これは、図４に関して後述するように、隣り合う導波路コアの間に構造的な修正を導入することによって、大幅に小さくすることができる。導波路コア１１０および１１２は、厚さ「ｈ」および幅「ｗ」を有することができる。「ｈ」の非限定的な例示的な寸法は６０～１００ｎｍとすることができ、「ｗ」は２～３μｍとすることができる。導波路コア１１０および１１２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）から作られる。上部クラッド１０４は、導波路コア１１０および１１２の上に形成される。上部クラッド層１０４の厚さ「ｈ２」は、２～３μｍの範囲とすることができる。ＭＥＭＳ加速度計を生成するための後続のプロセスフローに必要であれば、厚さは約１μｍまで薄くしてもよい。層１０６、１１０（および１１２）および１０４が基板１０２の一方の側に形成されるとき、基板１０２の他方の側に、対応する層１１６、１１８および１１４もまた、それらの層が導波目的のために使用されないにもかかわらず形成されることに留意されたい。あるいは、それらの層は、必要に応じて、異なる層で導波路を生成することができる。上部クラッド１０４および下部クラッド１０６の両方は、同じ材料１０８、例えば酸化ケイ素のものであることが示されているが、様々な実施形態では、下部クラッッドは予備成長酸化物であり得、上部クラッッドはＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ Ｅｔｈｙｌ Ｏｒｔｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ）または他の組成物などの堆積された酸化物であってもよい。同様に、両方の層１１４および１１６は、材料１０８と同一の同じ材料１２０を有する。破線の枠１１３は、ダイ１０上の光ジャイロスコープコイル２０のターン用に割り当てられた領域を示し、破線の枠１１１は、同じダイ１０上のＭＥＭＳ加速度計の後続の作製用に割り当てられた領域を示す。
図２Ｂは、酸化物層１０８の上に形成されたＳｉＮの追加の層１２２を示す。このＳｉＮ層１２２は、ＭＥＭＳ加速度計作製のためのエッチストップ層として機能する。電極１２４および１２６は、ＭＥＭＳ加速度計用に指定された領域１１１内の層１２２の上に堆積およびパターン化することができる。
図２Ｃは、エッチストップ層１２２ならびにパターン化された電極１２６および１２４の上に堆積されパターン化された犠牲層１２８を示す。犠牲層１２８は、酸化物層であってもよい。
図２Ｄは、パターン化された犠牲層１２８および電極１２６、１２４の上に堆積されパターン化された構造層１３０を示す。構造層１３０は、ポリシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）から作ることができる。この層は、パターン化された犠牲層１２８の間の間隙を埋める。
図２Ｅは、構造層１３０の上に堆積されパターン化された第２の犠牲層１３１を示す。層１３１は、層１２８と同じ材料、例えば酸化物であってもよい。ボンドパッド１３２および１３４は、第２の犠牲層１３１の上に形成され、パターン化される。
図２Ｆは、ＭＥＭＳ加速度計用の指定領域１１１内に柱１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄおよび１３０ｅを生成するための構造層１３０のパターン化するステップを示す。第２の犠牲層１３１も、柱（１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ）の上にパターン化される。
図３は、犠牲層１２８および１３１が除去され、それによって柱１３０ｂおよび１３０ｄによって示される周囲のフレームの間の中間に浮いている構造１３０ｃを生成した後のＭＥＭＳデバイス３０を示す。この自由に浮いている構造１３０ｃは、ＭＥＭＳ加速度計の動作に不可欠である。
各導波路コア１１０、１１２は、図１に示した導波路コイル２０の各ターンに対応することに留意されたい。シングルモードを保ち、隣り合う導波路間の結合を避けるために、隣り合う導波路コアの間に最小ピッチｐ１が保たれる必要がある。ｐ１の非限定的な例示的な値は、１４～１６μｍ、または２０μｍであり得る。このピッチにより、ダイ１０（図１参照）上の導波路の全長が制限され、導波路コイル２０によって囲まれる最大面積も制限される。
図４は、隣り合う導波路間のクロストークを軽減しながら、ピッチを小さくし、それによって、導波路コイル２０のターンをより密に詰め込むことができる一手法を示す。図４の実施形態によって、自動的に、導波路の全長はより長くなり、および囲まれる領域はより大きくなり、それによって光ジャイロスコープの感度はより高くなる。導波路コアの両側に空隙４５０を導入することによって、光モードは大部分、導波路の１ターン内に閉じ込められ、導波路の隣り合うターンへの光信号の漏れは防止される。言い換えれば、空隙４５０は、隣り合う導波路コア４１０、４１２、４１４、および４１６の間の物理的な絶縁体として機能する。２つの隣り合う導波路コア間のピッチｐ２が短くなると、自動的に、同じレチクルフィールド内により多くのターンを収容することができ、個々の層または平面における全長および囲まれる領域の両方が増加する。ピッチｐ２は、空隙を有して１０μｍより短く、すなわち図２Ａに示したピッチｐ１よりはるかに小さくすることが十分可能である。空気の代わりに、不活性ガスなどの他の非反応性流体で間隙が満たされてもよいことに留意されたい。また、空隙の代わりに、隣り合う導波路の間にサブ波長格子状構造または金属バリアを使用して、クロストークを増加させずにピッチを短くすることができる。ＭＥＭＳ加速度計は、図２Ａ～図２Ｆに関して説明したのとほぼ同じ方法で、修正ＳｉＮ導波路チップ（例えば、空隙付き）上に作製することができることに留意されたい。
１つの選択肢としては、複数のターンを有するＳｉＮ導波路コイル（および／または単一のターンを有するリング）の全長を、フォームファクタを増大させずにジャイロ感度の改善をもたらすであろう異なる垂直分離層（例えば、２層以上）に分配することであり得ることに留意されたい。積層多層ジャイロ構成の詳細は、「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｏｎ Ｆｕｓｅｄ Ｓｉｌｉｃａ Ｐｌａｔｆｏｒｍ」と題され、２０１９年６月７日に出願された米国仮出願第６２／８５８，５８８号に包含されている。「Ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」と題され、２０１９年９月５日に出願された続編の米国仮出願第６２／８９６，３６５号は、追加の実施形態を記述している。第３の米国仮出願第６２／９８６，３７９号は、「Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｌｏｗ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」と題され、２０２０年３月６日に出願された。これら３つの出願は、「Ｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」と題され、２０２０年６月５日に出願された米国非仮出願第１６／８９４，１２０号に結合され、最終的には、２０２１年４月６日に米国特許第１０，９６９，５４８号として発行された。これらの出願を、参照により本明細書に援用する。加えて、シリコンフォトニクスベースのフロントエンドチップとＳｉＮ導波路チップとのシステムレベルの統合は、「Ｓｙｓｔｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」と題され、２０１９年７月１０日に出願された米国仮出願第６２／８７２，６４０号、および「Ｓｙｓｔｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｏｄｅ－Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」と題され、２０１９年９月２３日に出願された米国仮出願第６２／９０４，４４３号に包含されている。これら２つの出願は「Ｓｙｓｔｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」と題され、２０１９年１０月２１日に出願された米国非仮出願第１６／６５９，４２４号に結合され、最終的には、２０２０年８月４日に米国特許第１０，７３１，９８８号として発行された。これらの出願も、参照により本明細書に援用する。
しかしながら、上記の出願では、単一の平面において、隣り合う導波路が不必要な交差結合を防ぐピッチの間隔を開けて配置される必要もあって、２層デバイスを製造する必要性が生じた。したがって、デバイスの占有面積をほぼ同じに保つために、導波路スパイラルの全長は、２つ以上の平面の間に分配された。本開示は、隣り合う導波路を単一の平面内により密に詰めることができる、すなわち、隣り合う導波路間のピッチを個々の平面で短くする解決策を提供する。導波路コイルを複数の平面に分配することを説明するとき、「層」および「平面」という用語が交換可能に使用されていることに留意されたい。単一平面に導波路を密に詰めることにより、多層デバイスを作製する必要性を完全に排除することができ、または、少なくとも、光ジャイロスコープの感度に直接関係する導波路コイルの適切な全長を得るために必要な層の数を減らすことができる。
要約すると、フォトニクス光ジャイロスコープと同じチップにＭＥＭＳセンサを組み込むと、コリオリ力とサニャック効果の両方を利用して、回転および加速度センシングを含む精密な慣性センシングが実現される。サニャック効果ジャイロスコープによる高精度な光学値を必要としない軸に対して、低精度の機械式ジャイロスコープでさえ同じダイ上に統合することができる。ＳｉＰｈＯＧとＭＥＭＳセンサとをモノリシックに統合することにより、様々なセンサ用の電子制御回路をすべて同じチップ上に持ってくることが早まる。
いくつかのセンシング用途では、低コストの機械式ジャイロスコープ（ＭＥＭＳベースのジャイロスコープなど）による低精度測定を補完または置換するために、１軸のみに高精度光ジャイロスコープを必要とすることがあり、他の２軸は、低コストの機械式ジャイロスコープからの低精度測定を使用し続けることがあることに留意されたい。そのような例の１つは、現在および将来の世代の自律走行車、特にレベル２．５／レベル３（Ｌ２．５／Ｌ３）市場向けの自動運転支援システム（ＡＤＡＳ： ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｒｉｖｅｒ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ）が依存する安全センサのジャイロスコープである。ＡＤＡＳでは、車両は硬い道路のＸ－Ｙ平面上にあるため、進行方向を決定するためのＺ軸（ヨー軸）のみ高精度な角度測定が望まれる場合がある。この状況では、Ｘ軸とＹ軸（ピッチ軸とロール軸）の角度測定は、安全上重要でない場合がある。本発明者らは、少なくとも１軸に対する高精度光ジャイロスコープのコストを下げることにより、ＩＭＵの全体的なコストが削減され、大量市場への浸透を促進することを認識している。加えて、必要に応じて、他の２軸の機械式ジャイロスコープも、例えば、無人航空機（例えば、ドローン）、建設、農業、産業、海上乗物、Ｌ４／Ｌ５市場、および特定の軍事用途において、すべての３軸（ピッチ、ロール、およびヨー軸）のシステムレベルの統合を適切に設計して光ジャイロスコープによって置換または補完されてもよい。
前述の明細書では、特定の例示的な実施様態を参照して本開示の実施様態を説明してきた。以下の特許請求の範囲に記載されるような本開示の実施様態のより広い趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができることは明らかであろう。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で見なされるべきものである。加えて、例えば、「上」、「下」などの方向を示す用語は、本開示の範囲をいかなる固定された向きにも限定するものではなく、様々な向きの並べ替えおよび組み合わせを包含する。
１０ ジャイロスコープ導波路ダイ
１２ 加速度計ダイ
１４ 入力端
１６ 出力端
１８ 出力導波路
２０ ジャイロスコープ導波路コイル
３０ 加速度計デバイス
１００ ＳｉＰｈＯＧ（登録商標）－ＭＥＭＳ複合システム
１０１ 断続線
１０２ 基板
１０４ 上部クラッド
１０６ 下部クラッド
１０８ 材料
１１０ 導波路コア、層
１１１ ＭＥＭＳ加速度計用に割り当てられた領域
１１２ 導波路コア、層
１１３ 光ジャイロスコープコイルのターン用に割り当てられた領域
１１４ 層
１１６ 層
１１８ 層
１２０ 材料
１２２ エッチストップ層
１２４ 電極
１２６ 電極
１２８ 犠牲層
１３０ 構造層
１３０ａ 柱
１３０ｂ 柱
１３０ｃ 柱
１３０ｄ 柱
１３０ｅ 柱
１３１ 第２の犠牲層
１３１ａ 柱
１３１ｂ 柱
１３１ｃ 柱
１３２ ボンドパッド
１３４ ボンドパッド
４１０ 導波路コア
４１２ 導波路コア
４１４ 導波路コア
４１６ 導波路コア
４５０ 空隙
ｈ 厚さ
ｈ１ 厚さ
ｈ２ 厚さ
ｐ１ ピッチ
ｗ 幅
１２ 加速度計ダイ
１４ 入力端
１６ 出力端
１８ 出力導波路
２０ ジャイロスコープ導波路コイル
３０ 加速度計デバイス
１００ ＳｉＰｈＯＧ（登録商標）－ＭＥＭＳ複合システム
１０１ 断続線
１０２ 基板
１０４ 上部クラッド
１０６ 下部クラッド
１０８ 材料
１１０ 導波路コア、層
１１１ ＭＥＭＳ加速度計用に割り当てられた領域
１１２ 導波路コア、層
１１３ 光ジャイロスコープコイルのターン用に割り当てられた領域
１１４ 層
１１６ 層
１１８ 層
１２０ 材料
１２２ エッチストップ層
１２４ 電極
１２６ 電極
１２８ 犠牲層
１３０ 構造層
１３０ａ 柱
１３０ｂ 柱
１３０ｃ 柱
１３０ｄ 柱
１３０ｅ 柱
１３１ 第２の犠牲層
１３１ａ 柱
１３１ｂ 柱
１３１ｃ 柱
１３２ ボンドパッド
１３４ ボンドパッド
４１０ 導波路コア
４１２ 導波路コア
４１４ 導波路コア
４１６ 導波路コア
４５０ 空隙
ｈ 厚さ
ｈ１ 厚さ
ｈ２ 厚さ
ｐ１ ピッチ
ｗ 幅
Claims (20)
- 導波路コイルであって、前記導波路コイルによって囲まれた中央領域の周りをループする複数の導波路ターンを備え、各導波路ターンが隣り合う導波路ターンに平行であり、光ジャイロスコープの回転センシング要素として使用される導波路コイルと、
前記導波路コイルによって囲まれた前記中央領域にモノリシックに統合された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの運動センシングデバイスであって、前記導波路コイルと前記ＭＥＭＳ加速度計とが共通のプラットフォーム上に作製される、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの運動センシングデバイスと
を備える集積フォトニクスチップ。 - 前記光ジャイロスコープと前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスとが、モジュール化された統合慣性測定ユニット（ＩＭＵ）として一緒にパッケージ化された、請求項１に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスが、すべての運動軸に対して粗い回転センシング値を提供し、前記光ジャイロスコープが、１つまたは複数の選択された運動軸に対してより高精度の回転センシング値を提供する、請求項２に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスが、１つまたは複数の運動軸に対する加速度計を備える、請求項２に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記共通のプラットフォームが、シリコンフォトニクスプラットフォームであり、各導波路ターンが、上部クラッドと下部クラッドとの間に挟まれた導波路コアを備える、請求項１に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記導波路コアが窒化ケイ素を含み、前記上部クラッドおよび前記下部クラッドが酸化物を含む、請求項５に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記隣り合う導波路ターン間のクロストークを低減するために各導波路ターンの両側に導入され、それによって前記集積フォトニクスチップの所定の領域内に作製することができる導波路ターンの空間密度を増加させる構造的な修正をさらに備える、請求項５に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記所定の領域が、前記導波路コイルおよび前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを作製するために使用されるレチクルの露光フィールドに依存する、請求項７に記載の集積フォトニクスチップ。
- 導波路ターンの空間密度を増大させることにより、前記導波路コイル内に囲まれる前記中央領域が増大するとともに、前記中央領域を囲む導波路ターン数が増加し、それによって、前記回転センシング要素の感度が増大する、請求項７に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記構造的な修正が間隙を含む、請求項７に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記間隙が、空隙、金属で満たされた間隙、または不活性ガスまたは液体で満たされた間隙のうちの１つを含む、請求項１０に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記間隙が、前記間隙が長手方向に沿って前記導波路コアの上方および下方に実質的に延在するように、前記間隙の長手方向の寸法が前記間隙の横方向の寸法よりも実質的に大きい高アスペクト比の長方形スリットまたは溝の形態である、請求項１０に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記導波路コイルの第１の部分が第１の平面上にあり、前記導波路コイルの第２の部分が第２の平面上にあり、前記第１の平面と前記第２の平面とが互いに鉛直方向に積層された、請求項１に記載の集積フォトニクスチップ。
- 前記第１の平面上の前記導波路コイルの前記第１の部分と前記第２の平面上の前記導波路コイルの前記第２の部分との間で光がエバネセント結合する、請求項１３に記載の集積フォトニクスチップ。
- 導波路コイルとＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスとを共通のプラットフォーム上に備える集積フォトニクスチップをモノリシックに作製する方法であって、
前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを作製するために、前記共通のプラットフォーム上に中央領域を指定するステップであって、前記中央領域が、前記中央領域の周りをループする複数の導波路ターンを備える前記導波路コイルによって囲まれ、各導波路ターンが、隣り合う導波路ターンと平行であり、前記導波路コイルが、光ジャイロスコープの回転センシング要素として使用される、ステップと、
前記導波路コイルを前記共通のプラットフォーム上に作製するステップと、
前記導波路コイルの上方にエッチストップ層を堆積させることにより、前記作製された導波路コイルを保護するステップと、
前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを前記指定された中央領域に作製するステップと
を含む方法。 - 前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスを作製するステップが、
前記指定された中央領域において前記エッチストップ層の上に電極を堆積させパターン化するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。 - 前記エッチストップ層および前記パターン化された電極の上に第１の犠牲層を堆積させパターン化するステップと、
前記パターン化された犠牲層および前記パターン化された電極の上に構造層を堆積させパターン化するステップと、
前記パターン化された構造層の上に第２の犠牲層を堆積させパターン化するステップと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。 - 前記ＭＥＭＳベースの運動センシングデバイスの部品として柱を生成するために前記構造層をパターン化するステップであって、前記第２の犠牲層も前記柱の上にパターン化される、ステップと、
前記第１の犠牲層および前記第２の犠牲層を除去し、それによって、前記ＭＥＭＳベースのデバイスの運動センシング要素として機能する浮いている構造を生成するステップと
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。 - 前記隣り合う導波路ターン間のクロストークを低減するために各導波路ターンの両側に間隙を形成して、それによって前記集積フォトニクスチップの所定の領域内に作製することができる導波路ターンの空間密度を増大させるステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
- 前記導波路コイルを作製するステップが、
前記導波路コイルの第１の部分を第１の平面上に作製するステップと、
前記導波路コイルの第２の部分を第２の平面上に作製するステップであって、前記第１の平面上の前記導波路コイルの前記第１の部分と前記第２の平面上の前記導波路コイルの前記第２の部分との間で光がエバネセント結合する、ステップと
をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
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