TW202016592A - 具有模式侷限結構之波導彎曲 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示數種波導彎曲與波導彎曲的製造方法。第一波導彎曲與波導相接。第二波導彎曲與該第一波導彎曲之內半徑處之表面以間隙相隔。該第二波導彎曲與該第一波導彎曲呈實質同心配置。

Description

具有模式侷限結構之波導彎曲
本發明係有關於光子晶片，且更特別的是，有關於波導彎曲(waveguide bend)以及波導彎曲的製造方法。
光子晶片能夠使用於許多應用及許多系統，包括但不限於：資料通訊系統與資料運算系統。光子晶片將例如波導的光學組件與例如場效電晶體的電子組件集成於統一平台。可藉由集成這兩種類型的組件於單一光子晶片上來減少佈局面積、成本及操作費用等。
晶片上通訊及感測可依靠通過在光子晶片上的波導傳送光學訊號至其他光學組件。光學訊號以不同性質為特徵的多種不同模式作為電磁波在波導內傳播。橫向電(TE)模式取決於電場向量與傳播方向垂直的橫向電波。橫向磁(TM)模式取決於磁場向量與傳播方向垂直的橫向磁波。
筆直波導與波導彎曲和其他光學組件可具有由氮化矽或單晶矽製成的核心。對於橫向電模式，與有單晶矽核心的波導相比，有氮化矽核心的波導或波導彎曲可能有相當低的有效折射率(effective index)以 及明顯較弱的場侷限(field confinement)。因此，在光學訊號傳播通過波導彎曲時，模式場(mode field)的一部分可能被拉出氮化矽核心，相較於彎曲半徑與單晶矽核心相等的波導彎曲，這可能導致較高的彎曲損失(bending loss)。為了補償較高的彎曲損失，可提供有氮化矽核心的波導彎曲，其曲率半徑大於有單晶矽核心的波導彎曲，這增加有氮化矽核心之波導彎曲的佔用面積。
亟須以減少彎曲損失為特徵的改良波導彎曲和波導彎曲製造方法。
在本發明之一具體實施例中，一種結構，其包括：波導，第一波導彎曲，其與該波導相接；以及第二波導彎曲，其在該第一波導彎曲之內半徑處與表面以間隙相隔。該第二波導彎曲與該第一波導彎曲可呈實質同心配置。
在本發明之一具體實施例中，一種方法，其包括：形成波導和與該波導相接的第一波導彎曲，以及形成與該第一波導彎曲之內半徑處之表面以間隙相隔的第二波導彎曲。該第二波導彎曲與該第一波導彎曲可呈實質同心配置。
10‧‧‧結構
12‧‧‧波導
14‧‧‧波導
16、16a‧‧‧波導彎曲
17‧‧‧內表面
18‧‧‧埋藏氧化物(BOX)層
19‧‧‧外表面
20‧‧‧處理晶圓
22、24、26‧‧‧介電層
27‧‧‧內表面
28、28a、28b‧‧‧波導彎曲
29‧‧‧外表面
30‧‧‧介電層
31‧‧‧後段製程堆疊
32‧‧‧波導區段
34‧‧‧波導區段
36‧‧‧波導彎曲
40‧‧‧結構
48‧‧‧層
50‧‧‧光子晶片
52‧‧‧電子組件
54‧‧‧光學組件
g‧‧‧空間或間隙
r1、r2‧‧‧內半徑
V‧‧‧頂點
w‧‧‧寬度
併入且構成本專利說明書之一部份的附圖係圖示本發明的各種具體實施例，且與以上給出的【發明內容】和以下給出的【實施方式】一起用來解釋本發明的具體實施例。
第1圖的上視圖根據本發明之具體實施例圖示在加工方法之製造階段的光子晶片。
第1A圖示意圖示第1圖之光子晶片的一部分。
第2圖為大體沿著第1圖之直線2-2繪出的光子晶片橫截面圖。
第2A圖的橫截面圖圖示在第2圖以後之製造階段的光子晶片。
第3圖根據本發明之替代具體實施例圖示與第1圖之光子晶片類似的上視圖。
第4圖至第7圖根據本發明之替代具體實施例圖示與第1圖用於光子晶片之波導配置類似的上視圖。
第8圖至第10圖根據本發明之替代具體實施例圖示與第2A圖用於光子晶片之波導配置類似的橫截面圖。
參考第1圖、第1A圖、第2圖以及根據本發明的具體實施例，結構10包括配置在絕緣體上覆矽(SOI)基板之埋藏氧化物(BOX)層18上方的波導12、波導14及波導彎曲16，以及在BOX層18頂面上配置成多層堆疊的介電層22、24、26。結構10可位於已移除裝置層(未圖示)之單 晶矽的SOI基板區域中。波導彎曲16有與波導12相接的一端和與波導14相接的另一端，致使波導彎曲16連接波導12與波導14。波導彎曲16用來改變光學訊號傳播通過結構10的傳播方向，例如，從在波導12內的初始方向到在波導14內的不同方向。波導彎曲16可具有可從頂點V量到弧形的內表面17的內半徑r1，並且可以是也包括外半徑大於內半徑r1之弧形的外表面19的一扇狀環形物。波導彎曲16可彎成中心角等於90度的弧形，但也可考慮其他的中心角及弧長。
BOX層18可由電絕緣體構成，例如二氧化矽(例如，SiO2)，且位於SOI基板的處理晶圓20上方。介電層22及介電層26可由用原子層沉積(ALD)或化學氣相沉積(CVD)沉積的電介質材料構成，例如二氧化矽(SiO2)。介電層24可由用原子層沉積或化學氣相沉積沉積的電介質材料構成，例如氮化矽(Si3N4)。BOX層18與介電層22、24、26可當作提供結構10之侷限的下包層(lower cladding)。
結構10進一步包括波導彎曲28，它在垂直方向也配置於BOX層18及介電層22、24、26上方，且可橫向配置在含有波導12、波導14及波導彎曲16的平面內。波導彎曲28與波導12、波導14及波導彎曲16斷開，且與波導12、波導14及波導彎曲16不接觸。關於後者，波導彎曲28有內表面27和外表面29，外表面29由於曲率半徑小於波導彎曲16之曲率半徑而與波導彎曲16之內表面17以空間或間隙g分離。波導彎曲28全部配置在波導彎曲16的內表面17內側。
波導彎曲28配置在由波導彎曲之內半徑r1界定的波導彎曲16之內表面側上。波導彎曲28可具有從頂點V量到弧形內表面27的 內半徑r2，以及從頂點V量到弧形外表面29且大於內半徑r2的外半徑。波導彎曲28可具有沿著弧形長度不變的寬度w，致使該外半徑等於內半徑r2與寬度w的總和。波導彎曲28的內半徑及外半徑皆小於波導彎曲16的內半徑r1。
在一具體實施例中，波導彎曲28在內表面27及/或外表面29有與波導彎曲16在內表面17之弧長同心或實質同心的弧長，而且波導彎曲28的中心角等於或實質等於波導彎曲16之中心角。波導彎曲28可在內表面27及/或外表面29有比波導彎曲16在其內表面17之弧長短的弧長。波導彎曲28可彎成中心角等於90度的弧形，然而本發明的具體實施例可考慮其他的中心角。
波導彎曲28的形狀可為扇狀環形物的特徵，其中波導彎曲28在內半徑及外半徑的弧長為代表各個圓形之一部分圓周的弧形。或者，波導彎曲28的形狀可根據提供絕熱彎曲(adiabatic bend)的另一種曲線來製作，例如用方程式或公式描述的複雜曲線，例如正弦函數、餘弦函數、樣條函數、歐拉螺線函數等等。在一具體實施例中，波導彎曲28的曲率等於波導彎曲16的曲率。在一替代具體實施例中，波導彎曲28有與波導彎曲16之曲率不同的曲率。
波導12、波導14及波導彎曲16可由電介質材料構成，例如氮化矽(Si3N4)，該電介質材料用化學氣相沉積法沉積以及用微影及蝕刻製程從一層組成電介質材料圖案化。在一具體實施例中，波導彎曲28由與波導12、波導14及波導彎曲16相同的電介質材料構成。在一具體實施例中，波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28可從同一層電介質材料 使用相同的微影及蝕刻製程同時圖案化，致使波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28在垂直方向(亦即，y方向)有相同的厚度。
參考用相同元件符號表示與第2圖類似之特徵的第2A圖，以及在加工方法的後續製造階段，結構10可進一步包括介電層30，其形成於結構10上方，且填充在波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28之間的間隙。介電層30由組成物與構成波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28之電介質材料不同的電介質材料構成。介電層30可由電介質材料構成，例如二氧化矽(SiO2)，其用以臭氧(O2)及正矽酸乙酯(TEOS)作為反應劑的化學氣相沉積法沉積且用化學機械研磨法(CMP)平坦化。
大致用元件符號31表示的後段製程堆疊(back-end-of-line stack)可形成於介電層30上方。後段製程堆疊31可包括由低k電介質材料或超低k(ULK)電介質材料構成的一或多個介電層與由例如配置在該一或多個介電層中之銅或鈷構成的金屬化物。
在描述於本文的任一具體實施例中，結構10可被集成到包括其他類型之電子組件52及光學組件54的光子晶片50中。例如，光子晶片50可集成代表光學組件54的一或多個光偵測器，其接收由結構10攜載之光學訊號且將該光學訊號轉換為可被電子組件處理之電子訊號。電子組件52可包括由CMOS前段製程使用SOI基板之裝置層製成的場效電晶體。
參考用相同元件符號表示與第1圖類似之特徵的第3圖且根據本發明的替代具體實施例，可修改結構10的波導彎曲28以添加配置在波導彎曲28之一端的波導區段32與配置在波導彎曲28之另一端的波 導區段34。波導區段32、34與波導彎曲28的相對端相接。可在藉由圖案化一層電介質材料(例如，氮化矽)來形成波導彎曲28時，形成波導區段32、34，且在一具體實施例中，波導區段32、34與波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28同時形成。波導區段32、34在垂直方向被配置於BOX層18及介電層22、24、26上方。
波導區段32有長度L1且可呈筆直或直線而沒有折彎或彎曲，致使波導區段32與波導12實質平行地對齊。波導區段34有長度L2，且可呈筆直或直線而沒有折彎或彎曲，致使波導區段34與波導14實質平行地對齊。波導區段32、34各有在其長度上不變的寬度。在波導區段32與波導12之間以及在波導區段34與波導14之間可維持波導彎曲28與波導彎曲16之間的間隙。在該代表性具體實施例中，波導區段32、34各自在其長度上有可等於波導彎曲28的寬度的均勻寬度。在一具體實施例中，波導彎曲28的曲率等於波導彎曲16的曲率。在一替代具體實施例中，波導彎曲28的曲率與波導彎曲16的曲率不同。
參考用相同元件符號表示與第2圖類似之特徵的第4圖且根據本發明的替代具體實施例，波導區段32、34的一或兩者各在其長度之至少一部分上可彎曲而不是直線及筆直。在該代表性具體實施例中，波導區段32的曲率與波導區段34的曲率不同。在一替代具體實施例中，波導區段32的曲率等於波導區段34的曲率。
參考用相同元件符號表示與第2圖類似之特徵的第5圖且根據本發明的替代具體實施例，波導區段32、34的一或兩者各在其長度之至少一部份上可呈錐形且延伸到結尾尖端而不是各在其長度上有均勻的寬 度。在一具體實施例中，波導區段32、34的寬度隨著與波導彎曲28的距離增加而減少，其中波導區段32、34各自在與波導彎曲28的交點處有最大寬度。在一具體實施例中，錐形波導區段32、34也為如第4圖所示的弧形以提供錐形化與曲率的組合。在一具體實施例中，波導彎曲28的曲率等於波導彎曲16的曲率。在一替代具體實施例中，波導彎曲28的曲率與波導彎曲16的曲率不同。
參考用相同元件符號表示與第1圖類似之特徵的第6圖且根據本發明的替代具體實施例，波導彎曲16a與波導彎曲28a有弧長以及提供光傳播方向變化大於90度的中心角的數值。例如，該方向變化可為180度。波導彎曲28a可視為包括各個類似波導彎曲28的複數個個別區段，彼等經串接以協助波導彎曲16a的侷限。例如，可將有相等曲率半徑及90度中心角的一對波導彎曲28對接並串接成對於光學訊號在波導12、14中之傳播可提供180度方向變化的波導彎曲28a。在一具體實施例中，波導彎曲28a的曲率等於波導彎曲16a的曲率。在一替代具體實施例中，波導彎曲28a的曲率與波導彎曲16a的曲率不同。
參考用相同元件符號表示與第1圖類似之特徵的第7圖且根據本發明的替代具體實施例，波導彎曲28的利用可延伸到其他類型的彎曲結構，例如環共振器與陣列式波導光柵。例如，波導彎曲28b可為與也為環形之結構40實質同心的環狀物。波導彎曲28b的曲率半徑小於可用作環共振器之結構40的曲率半徑。波導彎曲28b與結構40可具有非圓形的其他形狀，例如橢圓形形狀。此外，波導彎曲28b與結構40之間的間隙可隨著在波導彎曲28b之周邊上的位置而有所不同。
參考用相同元件符號表示與第2A圖類似之特徵的第8圖且根據本發明的替代具體實施例，可改變波導彎曲28的組成物，致使波導彎曲28由與波導彎曲16不同的材料構成。在這方面，波導彎曲36可從使用微影及蝕刻製程沉積及圖案化的一層不同材料形成，該微影及蝕刻製程與用來圖案化構成波導12、波導14及波導彎曲16之材料的微影及蝕刻製程分開且不同。在一具體實施例中，波導彎曲36由多晶矽構成，且波導12、波導14及波導彎曲16由氮化矽構成。波導彎曲36在垂直方向配置於BOX層18上方，且介電層22、24、26可延伸越過且覆蓋波導彎曲36，而不是配置在波導彎曲36下面。包括由與波導12、波導14及波導彎曲16不同之材料構成之波導彎曲36的結構10可被修改成具有如第3圖至第7圖中之任一者所示的構造。
參考用相同元件符號表示與第2A圖類似之特徵的第9圖且根據本發明的替代具體實施例，結構10的波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28可由單晶半導體材料構成。在一具體實施例中，該單晶半導體材料為來自SOI基板之裝置層的單晶矽，該單晶矽經圖案化形成結構10，且波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28在垂直方向配置於BOX層18上方。介電層22、24、26、介電層30、及後段製程堆疊31配置在結構10上方，其中介電層22提供間隙填充。由單晶半導體材料構成的結構10可被修改成具有如第3圖至第7圖中之任一者所示的構造。
參考用相同元件符號表示與第2A圖類似之特徵的第10圖且根據本發明的替代具體實施例，該結構的波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28可由單晶半導體材料構成。在一具體實施例中，該單晶半導 體材料為來自SOI基板之裝置層的單晶矽，該單晶矽經圖案化形成結構10，且波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28在垂直方向配置在BOX層18上方。控制圖案化的蝕刻製程，致使裝置層的部分蝕刻的單晶半導體材料的層48配置於在波導彎曲16與波導彎曲28之間的間隙中，以及於包圍結構10的其他區域上方。該層48在垂直方向(亦即，y方向)有由於部分蝕刻而留下且小於裝置層之原始厚度的厚度。介電層22、24、26、介電層30、及後段製程堆疊31配置在波導12、波導14、波導彎曲16及波導彎曲28上方，其中介電層22提供間隙填充功能。由部分蝕刻的單晶半導體材料構成的結構10可被修改成具有如第3圖至第7圖中之任一者所示的構造。
描述於本文之波導彎曲28的具體實施例可改善橫向電模式之光學訊號在波導彎曲16之核心中的侷限，相較於沒有波導彎曲28的配置，可減少波導彎曲16中歸因於例如輻射損失及模式失配損失的彎曲損失。波導彎曲16與波導彎曲28的耦合可改善光學訊號的模式侷限，這可導致通過該等彎曲的輻射損失減少。此外，波導彎曲28可協助侷限模式場在波導彎曲16的核心中，這可導致模式失配損失減少。
本文所引用的用語，例如“垂直”、“水平”、“側向”等，係通過舉例而非限制的方式，來建立參考系。如本文所用的用語“水平”及“側向”係指在與半導體基板之頂面平行之平面中的方向，而與實際三維空間取向無關。用語“垂直”及“法線”係指與“水平”方向垂直的方向。用語“上方”及“下方”表示元件或結構相互之間及/或相對於半導體基板之頂面的定位而不是相對高度。
“連接”或“耦合”至另一元件的特徵可直接連接或耦合至該另一元件，或是，可存在一或多個中介元件。如果不存在中介元件的話，特徵可“直接連接”或“直接耦合”至另一元件。如果存在至少一中介元件的話，特徵可“間接連接”或“間接耦合”至另一元件。
為了圖解說明已呈現本發明之各種具體實施例的描述，但是並非旨在窮盡或限定於所揭示的具體實施例。本技藝一般技術人員明白仍有許多修改及變體而不脫離所述具體實施例的範疇及精神。使用於本文的術語經選定成可最好地解釋具體實施例的原理、實際應用或優於在市上可找到之技術的技術改善，或使得本技藝一般技術人員能夠了解揭示於本文的具體實施例。
10‧‧‧結構
12、14‧‧‧波導
16、28‧‧‧波導彎曲
17、27‧‧‧內表面
26‧‧‧介電層
29‧‧‧外表面
50‧‧‧光子晶片
52‧‧‧電子組件
54‧‧‧光學組件

Claims (20)

  1. 一種結構，包含：波導；第一波導彎曲，與該波導相接，該第一波導彎曲具有界定內半徑的表面；以及第二波導彎曲，在該第一波導彎曲之該內半徑處與該表面以間隙相隔。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎曲及該第二波導彎曲由氮化矽構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎曲由氮化矽構成，以及該第二波導彎曲由多晶矽構成。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎曲及該第二波導彎曲由單晶半導體材料構成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎曲及該第二波導彎曲由單晶半導體材料構成，且該單晶半導體材料的薄層連接該第一波導彎曲與該第二波導彎曲。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎曲沿著有第一中心角的第一弧形延伸，該第二波導彎曲沿著有第二中心角的第二弧形延伸，以及該第一中心角實質等於該第二中心角。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第二波導彎曲與該第一波導彎曲呈實質同心配置。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之結構，進一步包含：波導區段，與該第二波導彎曲相接，該波導區段配置成鄰接該波導。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之結構，其中，該波導沿長度呈筆直，且該波導區段沿長度呈筆直以及與該波導實質平行地對齊。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之結構，其中，該波導區段具有長度且沿著該長度與該波導以該間隙相隔。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之結構，其中，該波導沿長度呈筆直，且該波導區段沿長度呈彎曲。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之結構，其中，該波導區段具有長度以及沿著該長度而錐形化的寬度。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之結構，進一步包含：第三波導彎曲，與該第一波導彎曲以該間隙相隔且與該第二波導彎曲相接，該第三波導彎曲相對於該第一波導彎曲呈實質同心配置。
  14. 一種方法，包含：形成波導和與該波導相接的第一波導彎曲；以及形成與該第一波導彎曲之內半徑處之表面以間隙相隔的第二波導彎曲。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中，該第二波導彎曲與該第一波導彎曲呈實質同心配置。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，進一步包含：沉積氮化矽層；以及用微影及蝕刻製程圖案化該氮化矽層以形成該波導、該第一波導彎曲及該第二波導彎曲。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之方法，進一步包含： 用微影及蝕刻製程圖案化絕緣體上覆矽晶圓的裝置層以形成該波導、該第一波導彎曲及該第二波導彎曲。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中，形成該波導及與該波導相接之該第一波導彎曲包含：沉積氮化矽層；以及用第一微影及蝕刻製程圖案化該氮化矽層以形成該波導與該第一波導彎曲。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中，形成與該第一波導彎曲以該間隙相隔之該第二波導彎曲包含：沉積多晶矽層；以及用第二微影及蝕刻製程圖案化該氮化矽層以形成該第二波導彎曲。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之方法，進一步包含：形成與該第二波導彎曲相接的波導區段，其中，該波導區段配置成鄰接該波導。
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