TWI768794B - 光學裝置與其製造方法 - Google Patents

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Abstract

揭露光學裝置的製造方法，此光學裝置具有高折射率材料。此光學裝置的製造方法包含在基板之上形成第一氧化層，及在第一氧化層之上形成具有第一溝槽與第二溝槽的圖案化模板層。圖案化模板層的材料具有第一折射率。此光學裝置的製造方法更包含在第一溝槽與第二溝槽之內分別形成波導的第一部分與光耦合器的第一部分，在圖案化模板層的頂面之上分別形成波導的第二部分與光耦合器的第二部分，及在波導的第二部分與光耦合器的第二部分之上沉積披覆層。波導與光耦合器包含具有第二折射率的材料，第二折射率大於第一折射率。

Description

光學裝置與其製造方法
本揭露實施例是有關於一種光學裝置與其製造方法，且特別是有關於一種光學裝置與在圖案化高折射率材料中具有改進的製程控制的製造波導和耦合器的方法。
將光纖耦合到矽(Si)光子積體電路(photonic integrated circuit, PIC)(Si-PIC)之上的波導的方法之一是將光纖和Si-PIC與光耦合裝置(例如，光柵耦合器)進行光耦合。光耦合裝置減少光纖與波導之間的光模(optical mode)尺寸失配(mismatch)，用以使光在光纖與Si-PIC之間傳輸。然而，為了滿足對更快的處理系統日益增長的需求，Si-PIC尺寸的縮小已增加製造具有高光學效率的波導和光耦合裝置的複雜性。
本揭露實施例是有關於一種光學裝置的製造方法，此光學裝置的製造方法包含在基板之上形成第一氧化層，及在第一氧化層之上形成具有第一溝槽與第二溝槽的圖案化模板層。圖案化模板層的材料具有第一折射率。此光學裝置的製造方法更包含在第一溝槽與第二溝槽之內分別形成波導的第一部分與光耦合器的第一部分，在圖案化模板層的頂面之上分別形成波導的第二部分與光耦合器的第二部分，及在波導的第二部分與光耦合器的第二部分之上沉積披覆層。波導與光耦合器包含具有第二折射率的材料，第二折射率大於第一折射率。
本揭露實施例是有關於一種光學裝置的製造方法，此光學裝置的製造方法包含在基板之上形成一熱氧化層及在熱氧化層之上形成圖案化半導體層。圖案化半導體層的第一部分形成耦合器的底部光柵線，圖案化半導體層的第二部分形成犧牲層，且圖案化半導體層的第三部分形成基底層。此光學裝置的製造方法更包含在基底層之上形成影像感測器，在熱氧化層之上形成具有溝槽的圖案化模板層，在溝槽之內形成波導的肋部分，其中影像感測器與波導相鄰，在圖案化模板層的頂面之上形成波導的板部分和耦合器的頂部光柵線，以及在板部分、頂部光柵層及影像感測器之上沉積披覆層。
本揭露實施例是有關於一種光學裝置，光學裝置包含基板、設置於基板之上的熱氧化層、設置於熱氧化層之上的非熱氧化層及設置於熱氧化層之上的波導。波導包含肋部分、錐形部分及板部分，肋部分和錐形部分設置於非熱氧化層之內，板部分設置於肋部分和錐形部分之上。光學裝置更包含設置於熱氧化層之上的光柵耦合器及設置於波導和光柵耦合器之上的披覆層。光柵耦合器包含底部光柵線及頂部光柵線，底部光柵線設置於非熱氧化層之內，頂部光柵線設置於非熱氧化層的頂面之上。頂部光柵線和底部光柵線彼此不重疊。
以下揭露提供許多不同的實施例或範例以實施所提供主題的不同特徵。以下敘述各個部件及其排列方式的特定範例，以簡化本揭露。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露實施例敘述了一第一特徵部件形成於一第二特徵部件之上或上方，即表示其可能包含前述第一特徵部件與前述第二特徵部件是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加的特徵部件形成於前述第一特徵部件與前述第二特徵部件之間的實施例，而使前述第一特徵部件與前述第二特徵部件可能未直接接觸。此外，本揭露可能在各種範例中重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
為了便於描述，本文中可能使用空間相關用詞，例如「在… 的下方」、「在… 之下」、「下」、「在… 的上方」、「在… 之上」、「上」及類似的用詞，以描述圖式中一個(些)元件或特徵部件與另一個(些)元件或特徵部件之間的關係。除了在圖式中描述的方位之外，這些空間相關用詞還意圖涵蓋裝置在使用或操作中的不同方位。裝置可被轉向不同的方位(旋轉90度或其他方位)，而在此使用的空間相關用詞可以同樣地被相應地解釋。
應注意的是，說明書中對「一個實施例」、「一實施例」、「範例性實施例」、「範例性」等的引用是指示所描述的實施例可以包括特定的特徵、結構或特性，但是每個實施例可以不包含此些特定的特徵、結構或特性。此外，這樣的用語不一定代表相同的實施例。再者，當結合一實施例描述特定的特徵、結構或特性時，無論是否明確描述，結合其他的實施例來實現這種特徵、結構或特性是在本領域技術人員的知識範圍內。
應當理解的是，本文中的用詞或術語是為了描述而並非限制，使得本領域技術人員將根據本文的教示解釋本說明書的用語或術語。
如本文中所用，術語「高折射率」是指大於或等於2.0的折射率。
如本文中所用，術語「低折射率」是指小於或等於2.0的折射率。
在一些實施例中，術語「約」和「大致上」可表示在給定數量的數值的5%內變化(例如，此數值的±1%、±2%、±3%、±4%、±5%)。這些數值僅是範例，並非為了限制。術語「約」和「大致上」可代表根據本文的教示，由相關領域的技術人員所解釋的百分比數值。
與Si-PIC上的波導相比，光纖可具有相對較大的芯(core)，造成比與Si-PIC上的波導相關的模式更大的光模場(optical mode field)。光纖和波導之間的直接光耦合會因為光模尺寸失配以及光纖和波導之間的折射率失配而造成高的光耦合損耗和高的光訊號損耗。為了減少這種失配，使用光耦合裝置(也稱為「耦合器」）將光纖與Si-PIC上的波導光耦合。耦合器作為光模尺寸轉換器，以改善光纖和波導之間的光耦合效率。
波導和耦合器可包含具有高折射率的半導體和/或介電材料，此半導體和/或介電材料設置於具有低折射率的介電材料之內。高折射率材料可包含矽(Si)、氮化矽(SiN)、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鉿(HfO2 )或在本揭露的範圍內其他合適的高折射率材料。低折射率材料可包含氧化矽(SiO2 )或在本揭露的範圍內其他合適的低折射率材料。
製造波導和耦合器的挑戰之一是將高折射率材料圖案化，以在波導和耦合器的圖案化特徵中實現極小的邊緣粗糙度(例如，粗糙度小於1 nm)和/或線寬變化(例如，變化小於1 nm)。舉例來說，製造基於SiN的波導和/或具有厚SiN層(例如，厚度約200 nm或更大，或厚度約300 nm至約1000 nm之間)的耦合器以實現最佳的光學裝置性能是具挑戰性的，這是因為沈積高質量的厚SiN層會導致基板與SiN層一起彎曲，這使得沉積的SiN層的圖案化具挑戰性。厚SiN層的沉積還可能由於SiN層中的累積應力導致在基於SiN的波導和/或耦合器的基板中的裂痕。此外，將厚SiN層圖案化需要複雜的處理步驟，例如多次塗佈、圖案化、蝕刻和/或研磨製程，這使得圖案化的SiN部件的線寬、側壁斜率和/或邊緣粗糙度難以精確地控制。製程控制的困難也導致難以將具有小特徵(例如波導和/或耦合器中尖銳的錐形特徵和小間隙)的基於SiN的波導和/或耦合器圖案化。
波導和耦合器的性能取決於圖案化製程控制。舉例來說，若在製造過程中波導的圖案化特徵的邊緣粗糙度和/或線寬均勻性控制不良，則波導中的光學損耗和/或能量消耗可能很高。因此，將用於波導和耦合器的高折射率材料圖案化的挑戰限制了在光纖與波導和耦合器之間可實現的最小光模尺寸失配和最大光耦合效率。
本揭露提供製造波導和耦合器的範例性方法，其在將高折射率材料圖案化中具有改良的製程控制。在一些實施例中，範例性方法使用相對較低折射率的材料(例如，SiO2 )的圖案化層作為模板，以將高折射率材料的厚層圖案化。與高折射率材料相比，用於圖案化模板層的低折射率材料具有較低複雜的圖案化製程和對圖案化部件更好的臨界尺寸控制。使用具有低折射率材料的圖案化模板層消除將高折射率材料的厚層圖案化所需的複雜沉積、蝕刻和研磨製程。因而，使用圖案化模板層減輕了對波導和耦合器的基板的與應力相關的損壞，且降低了製造具有高折射率材料的厚層的波導和耦合器的複雜性。
此外，使用圖案化模板層對用高折射率材料圖案化的部件的邊緣粗糙度、表面粗糙度和/或線寬均勻性提供更好的控制。較光滑的表面使得波導和耦合器中的光損耗較低。在一些實施例中，範例性方法可將表面粗糙度減小到約1 nm或更小，這使得在基於Si的波導中的傳播損耗約為1 dB/cm或更小，而在耦合器中的傳播損耗約為0.2 dB/cm或更小。
第1A圖繪示根據一些實施例具有波導102和光耦合裝置104(也稱為「光柵耦合器104」)的光學裝置100的剖面圖。
光學裝置100可包含基板106、設置於基板106之上的熱氧化層108、設置於熱氧化層108之上的圖案化模板層110以及設置於圖案化模板層110之上的披覆層112。基板106可為半導體材料，例如：矽、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、絕緣體上矽(silicon-on-insulator, SOI)結構、其他合適的半導體材料及其組合。熱氧化層108可包含熱生長SiO2 、基板106的材料的熱生長氧化物或其他合適的具有低折射率的熱生長氧化物材料。圖案化模板層110可包含化學沉積的SiO2 或其他合適的具有低折射率的化學沉積氧化物材料。可透過化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)製程、低壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)製程或電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)製程來沉積化學沉積的SiO2 或其他氧化物材料，並且化學沉積的SiO2 或其他氧化物材料可被稱為「CVD氧化物材料」或「非熱氧化物材料」。CVD氧化物材料代替熱生長氧化物材料被包含於圖案化模板層110中，因為與熱生長氧化物材料相比，CVD氧化物材料在圖案化模板層110的製造期間更容易且更快地被蝕刻。披覆層112可包含與圖案化模板層110的材料相似的材料或其他合適的具有低折射率的介電材料。
波導102與光柵耦合器104可設置於熱氧化層108之上。在一些實施例中，波導102可包含肋部分102A及板部分102B，肋部分102A設置於圖案化模板層110之內，板部分102B設置於肋部分之上及披覆層112之內。肋部分102A和板部分102B皆可包含具有高折射率的半導體或介電材料，例如：Si、SiN、Al2 O3 、HfO2 以及其他合適的具有高折射率的材料。肋部分102A可具有沿著Z軸的厚度T1和沿著X軸的寬度W1，而板部分102B可具有沿著Z軸的厚度T2和沿著X軸的寬度W2。寬度W2大於寬度W1。為了波導102的最佳性能(例如，對於可忽略的傳播損耗)，W2:W1的比可在約1:1至約100:1的範圍內。在一些實施例中，厚度T1可在約200 nm至約2000 nm的範圍內或可為其他合適的尺寸，而厚度T2可在約1 nm至約1000 nm的範圍內或可為其他合適的尺寸。
在一些實施例中，波導102可具有如第1B圖所示的等角視圖(isometric view)。第1A圖中的波導102的剖面圖可沿著第1B圖的線A-A所切。第1B圖繪示設置於熱氧化層108之上的波導102，熱氧化層108設置於基板106之上。第1B圖進一步繪示設置於圖案化模板層110之內的肋部分102A和設置於肋部分102A之上的板部分102B。為簡單起見，在第1B圖中未繪示板部分102B之上的披覆層112。在一些實施例中，如第1B圖所示，波導102可進一步包含與肋部分102A物理接觸並設置於圖案化模板層110之內和板部分102B下方的錐形部分102C。錐形部分102C可為類似於肋部分102A的材料。如第1B圖所示，錐形部分102C的底部可與肋部分102A的一側物理接觸，且如第1C圖所示，錐形部分102C的底部的寬度和厚度可等於肋部分102A的寬度W1和厚度T1。第1C圖繪示沿著第1B圖的線B-B(即，沿著錐形部分102C的底部)所切的剖面圖。如第1B圖所示，錐形部分102C的尖端可與板部分102B的邊緣間隔開距離D1。在一些實施例中，為了具有錐形部分102C的波導102的最佳性能，距離D1可在約1 nm到約10 μm的範圍內。如第1D圖所示，錐形部分102C的尖端可具有厚度T1和寬度W5。第1D圖繪示沿著第1B圖的線C-C(即，沿著錐形部分102C的尖端)所切的剖面圖。在一些實施例中，為了具有錐形部分102C的波導102的最佳性能，W1:W5的比可在約1:1到約10:1的範圍內。
重新參照第1A圖，光柵耦合器104可被配置為將波導102與Si-PIC中的光纖(未繪示)光耦合。在一些實施例中，光柵耦合器104可為雙層光柵耦合器，其具有與圖案化模板層110一起設置的底部光柵線104A的陣列和設置於披覆層112之內的頂部光柵線104B的陣列。圖案化模板層110可使底部光柵線104A彼此電性隔離，而披覆層112可使頂部光柵線104B彼此電性隔離。在一些實施例中，如第1A圖所示，頂部光柵線104B的陣列可與底部光柵線104A的陣列不重疊。在一些實施例中，一個或多個頂部光柵線104B可部分或完全重疊一個或多個底部光柵線(未繪示)。底部光柵線104A的陣列和頂部光柵線104B的陣列可包含具有高折射率的半導體或介電材料，例如：Si、SiN、Al2 O3 、HfO2 及其他合適的具有高折射率的材料。在一些實施例中，底部光柵線104A的陣列和頂部光柵線104B的陣列可具有彼此相似或不同的材料。
每個底部光柵線104A可具有沿著Z軸的厚度T3和沿著X軸的寬度W3，而每個頂部光柵線104B可具有沿著Z軸的厚度T4和沿著X軸的寬度W4。厚度T3可大於厚度T4，而寬度W3和寬度W4可彼此相等或不同。為了光柵耦合器104的最佳性能，T3:T4的比可在約1:4至約4:1的範圍內。在一些實施例中，厚度T3可在約50 nm至約1000 nm的範圍內或可為其他合適的尺寸，而厚度T4可在約1 nm至約1000 nm的範圍內或可為其他合適的尺寸。在一些實施例中，厚度T3和厚度T4可分別大致上等於厚度T1和厚度T2。
第2圖是根據一些實施例用於製造具有波導102和光柵耦合器104的光學裝置100的範例性方法200的流程圖。為了說明，將參考用於形成如第3圖至第8圖所示具有波導102和光柵耦合器104的光學裝置100的範例性製造程序來描述第2圖所示的操作。可根據特定的應用以不同的順序執行操作或不執行操作。方法200可能無法產生完整的光學裝置100。因此，可以在方法200之前、期間和之後提供其他的程序，且本文僅簡要地描述一些其他的程序。第3圖至第8圖中的元件具有如上所述第1A圖至第1D圖中的元件相同的註記。
在操作205中，在基板之上形成熱氧化層。舉例來說，如第3圖所示，在基板106之上形成熱氧化層108。在一些實施例中，基板可包含Si，且可在基板106之上形成熱SiO2 層108。在一些實施例中，熱氧化層108的形成可包含透過在氧氣環境中或在蒸汽和氧氣環境中，在約600 °C至約1100 °C的溫度下對基板106進行退火，以在基板106上形成厚度為約10 nm至約10 μm的熱氧化層。在退火製程(也稱為「熱氧化製程」)期間，基板106的頂部被氧化以形成熱氧化層108。
在一些實施例中，可提供SOI基板代替在基板106之上形成熱氧化層108，接著將SOI基板的頂部Si層移除以暴露SOI基板的埋入氧化層(未繪示)。埋入氧化層可以是熱氧化層108。
參照第2圖，在操作210中，在熱氧化層之上形成圖案化模板層。舉例來說，如第3圖至第4圖所示，在熱氧化層108之上形成具有溝槽414~416的圖案化模板層110。在隨後的程序中，溝槽414定義波導102的肋部分102A的結構和尺寸，溝槽416定義光柵耦合器104的底部光柵線104A的陣列的結構和尺寸。溝槽414的尺寸可取決於肋部分102A的尺寸，而溝槽416的尺寸可取決於底部光柵線104A的尺寸。溝槽414的高度H1和寬度W6可分別大致上等於肋部分102A的厚度T1和寬度W1。溝槽416的高度H2和寬度W7可分別大致上等於底部光柵線104A的厚度T3和寬度W3。
圖案化模板層110的形成可包含以下步驟：(i) 如第3圖所示，在熱氧化層108之上沉積氧化層110*；以及(ii) 如第4圖所示，將氧化層110*圖案化以形成溝槽414~416。氧化層110*的沉積可包含使用CVD製程、LPCVD製程、PECVD製程或其他合適的化學沉積製程，以在熱氧化層108之上沉積具有低折射率的SiO2 或其他合適的氧化物材料的層。在一些實施例中，可以在約650 °C至約750 °C的溫度下的CVD製程中，或者在約400 °C至約750 °C的溫度下的LPCVD製程中使用前驅體(例如，四乙基正矽酸鹽(tetraethyl orthosilicatem, TEOS))來沉積氧化層110*。
氧化層110*的圖案化可包含使用光微影製程以及乾式或濕式蝕刻製程。在一些實施例中，乾式蝕刻製程可包含使用具有含氟氣體(例如，CF4 、SF6 、CH2 F2 、CHF3 和/或C2 F6 )、含氯氣體(例如，Cl2 、CHCl3 、CCl4 和/或BCl3 )、含溴氣體(例如，HBr和/或CHBR3 )或其組合的蝕刻劑。在一些實施例中，濕式蝕刻製程可包含在稀氫氟酸(diluted hydrofluoric acid, DHF)、氫氧化鉀(potassium hydroxide, KOH)溶液、氨水、含氫氟酸(HF)、硝酸(HNO3 )、醋酸(CH3 COOH)的溶液或其組合中蝕刻。可適當地控制氧化層110*的圖案化中包含的製程，以實現具有明確定義的側壁輪廓(例如，大致上線性的輪廓)和極小的表面粗糙度(例如，小於1 nm)的溝槽414~416。
參照第2圖，在操作215中，在圖案化模板層之上形成波導和光柵耦合器。舉例來說，如第5圖至第7圖所示，在圖案化模板層110之上形成波導102和光柵耦合器104。波導102和光柵耦合器104的形成可包含以下步驟：(i) 如第5圖所示，在圖案化模板層110之上沉積高折射率材料的層518，以在溝槽414~416之內形成層部分518A，並在圖案化模板層110的頂面之上形成層部分518B；(ii) 如第6圖所示，在層部分518B之上執行化學機械研磨(chemical mechanical polishing, CMP)製程，以形成延伸至溝槽414~416之外的研磨層620；以及(iii) 如第7圖所示，將研磨層620圖案化，以形成板部分102B和頂部光柵線104B。
設置於溝槽414(第4圖)之內的層部分518A形成波導102的肋部分102A，而設置於溝槽416(第4圖)之內的層部分518A形成光柵耦合器104的底部光柵線104A的陣列。結果，具有極小表面粗糙度(例如，小於1 nm)的溝槽414~416的明確定義的側壁輪廓(例如，大致上線性的輪廓)被轉移至肋部分102A和底部光柵線104A的側壁輪廓。因此，透過使用圖案化模板層110，可以比其他形成具有高折射率材料的厚層的波導和/或光柵耦合器的方法較不複雜的製程，來形成具有高折射率材料的厚(例如，大於200 nm)層的肋部分102A和底部光柵線104A。此外，透過使用圖案化的模板層110，肋部分102A和底部光柵線104A可比其他沒有圖案化模板層的波導和/或光柵耦合器形成為具有更光滑的表面(例如，表面粗糙度小於1 nm)和更明確定義的側壁輪廓。
層518的沉積可包含在約600 °C至約800 °C的高溫下的LPCVD製程中、在約100 °C至約400 °C的低溫下的PECVD製程中或者在其他適合高折射率材料的沉積製程中，沉積厚度為約200 nm至約1000 nm的高折射率材料(例如，SiN)層。與在PECVD製程中沉積的高折射率材料層的氫鍵濃度相比，在LPCVD製程中沉積的高折射率材料層可具有較低的氫鍵濃度。LPCVD製程的高溫有助於破壞和移除層518中的氫鍵。氫鍵的存在對層518中的高折射率材料層的光學品質有不利的影響。因而，在一些實施例中，可使用LPCVD製程而不是PECVD製程來沉積層518，以形成具有更高光學品質的高折射率材料層。另一方面，在一些實施例中，若LPCVD製程的高溫製程與光學裝置100的形成中所包含的其他製程不兼容，則可使用PECVD製程而不是LPCVD製程來沉積層518。
CMP製程可包含將層部分518B研磨，以形成厚度小於約300 nm(例如，約50 nm、約100 nm或約150 nm)的研磨層620。若研磨層620的厚度大於約300 nm，則如上所述，由於將具有大於300 nm的厚度的高折射率材料圖案化的挑戰，後續的圖案化製程可能需要復雜的程序。研磨層620的圖案化可包含使用光微影製程以及乾式或濕式蝕刻製程。在一些實施例中，乾式蝕刻製程可包含使用具有含氟氣體(例如，HF、F2 )的蝕刻劑。在一些實施例中，濕式蝕刻製程可包含在磷酸(H3 PO4 )中蝕刻。
參照第2圖，在操作220中，在波導和光柵耦合器之上形成披覆層。舉例來說，如第8圖所示，在波導102和光柵耦合器104之上形成披覆層112。披覆層112的形成可包含使用CVD製程、LPCVD製程、PECVD或其他合適的化學沉積製程來沉積具有低折射率的SiO2 或其他合適的氧化物材料，隨後進行CMP製程的層。在一些實施例中，可以在約650 °C至約750 °C的溫度下的CVD製程中，或者在約400 °C至約750 °C的溫度下的LPCVD製程中使用前驅體(例如，四乙基正矽酸鹽(TEOS))來沉積SiO2 的層。
在一些實施例中，可在操作215之後重複操作210~215代替在第7圖的結構之上執行操作220或在其之後執行，以在第7圖的結構上形成波導102和光柵耦合器104的堆疊。
第9圖是根據一些實施例用於製造具有波導102和光柵耦合器104的光學裝置100的範例性方法900的流程圖。為了說明，將參考用於形成如第10圖至第17圖所示具有波導102和光柵耦合器104的光學裝置100的範例性製造程序來描述第9圖所示的操作。可根據特定的應用以不同的順序執行操作或不執行操作。方法900可能無法產生完整的光學裝置100。因此，可以在方法900之前、期間和之後提供其他的程序，且本文僅簡要地描述一些其他的程序。第10圖至第17圖中的元件具有如上所述第1A圖至第1D圖和第3圖至第8圖中的元件相同的註記。
在操作905中，在基板之上形成熱氧化層。舉例來說，如第10圖所示，以類似於參照第3圖所描述的操作205的操作，在基板106之上形成熱氧化層108。
參照第9圖，在操作910中，在熱氧化層之上形成研磨停止層和圖案化模板層。舉例來說，如第10圖至第13圖所示，在熱氧化層108之上形成研磨停止層1022和具有溝槽414~416的圖案化模板層110。研磨停止層1022和圖案化模板層110的形成可包含以下步驟：(i) 如第10圖所示，在熱氧化層108之上沉積氧化層110*；(ii) 如第10圖所示，在氧化層110*之上沉積研磨停止層1022；(iii) 將研磨停止層1022圖案化，以形成第11圖的結構；(iv) 在第11圖的結構之上形成具有開口414*~416*的圖案化遮罩層1224(例如，光阻層)，以形成第12圖的結構；(v) 如第13圖所示，通過開口414*~416*蝕刻氧化層110*，以形成相應的溝槽414~416。
氧化層110*的沉積和蝕刻可類似於操作210中描述的沉積製程和蝕刻製程。研磨停止層1022的沉積可包含使用CVD製程或其他合適的化學沉積製程來沉積與氧化層110*的材料不同的金屬材料或絕緣材料的層。研磨停止層1022的厚度取決於隨後形成的板部分102B和頂部光柵線104B的厚度T2和厚度T4。研磨停止層1022可在形成板部分102B和頂部光柵線104B的過程中控制厚度T2和厚度T4，這將在以下進一步詳細描述。研磨停止層1022的圖案化可包含使用光微影製程以及乾式或濕式蝕刻製程。
參照第9圖，在操作915中，在圖案化模板層之上形成波導和光柵耦合器。舉例來說，如第14圖至第17圖所示，在圖案化模板層110之上形成波導102和光柵耦合器104。波導102和光柵耦合器104的形成可包含以下步驟：(i) 如第14圖所示，在第13圖的結構之上沉積高折射率材料的層518；(ii) 如第15圖所示，在層部分518B之上執行化學機械研磨(CMP)製程，以形成延伸至溝槽414~416之外的研磨層620；(iii) 將研磨停止層1022移除，以形成第16圖的結構；以及(iv) 如第17圖所示，將研磨層620圖案化，以形成板部分102B和頂部光柵線104B。
層518的沉積和研磨層620的圖案化可類似於操作215中描述的沉積製程和圖案化製程。CMP製程可包含將層部分518B研磨，直到研磨層620的頂面與研磨停止層1022的頂面大致上共平面。在CMP製程之後，研磨停止層1022的移除可包含用於將金屬材料或絕緣材料移除的乾式或濕式蝕刻製程。
參照第9圖，在操作920中，在波導和光柵耦合器之上形成披覆層。舉例來說，如第17圖所示，以類似於參照第8圖描述的操作220的操作，在波導102和光柵耦合器104之上形成披覆層112。
在一些實施例中，可在操作915之後重複操作910~915代替在第17圖的結構之上執行操作920或在其之後執行，以形成波導102和光柵耦合器104的堆疊。
在一些實施例中，光學裝置100可包含位於熱氧化層108和圖案化模板層110之間的蝕刻停止層1926(如第21圖所示)，以在形成圖案化模板層110的過程中保護熱氧化層108。第18圖是根據一些實施例用於製造具有蝕刻停止層1926的光學裝置100的範例性方法1800的流程圖。為了說明，將參考用於形成如第19圖至第21圖所示具有蝕刻停止層1926的光學裝置100的範例性製造程序來描述第18圖所示的操作。可根據特定的應用以不同的順序執行操作或不執行操作。方法1800可能無法生產完整的光學裝置100。因此，可以在方法1800之前、期間和之後提供其他的程序，且本文僅簡要地描述一些其他的程序。第19圖至第21圖中的元件具有如上所述第1A圖至第1D圖、第3圖至第8圖和第10圖至第17圖中的元件相同的註記。
在操作1805中，在基板之上形成熱氧化層。舉例來說，如第19圖所示，以類似於參照第3圖所描述的操作205的操作，在基板106之上形成熱氧化層108。
參照第18圖，在操作1810中，在熱氧化層之上形成蝕刻停止層。舉例來說，如第19圖所示，在熱氧化層108之上形成蝕刻停止層1926。蝕刻停止層1926的形成可包含使用CVD製程或其他合適的用於絕緣材料的沉積製程來沉積絕緣材料的層，絕緣材料例如是氮化矽(SiNx )、氮氧化矽(SiON)、碳化矽(SiC)、氮摻雜碳化矽(SiCN)、氮化硼(BN)、硼氮化矽(silicon boron nitride, SiBN)、碳硼氮化矽(silicon carbon boron nitride, SiCBN)和其組合。
參照第18圖。在操作1815中，在蝕刻停止層之上形成圖案化模板層。舉例來說，如第20圖所示，以類似於參照第3圖至第4圖所描述的操作210的操作，在蝕刻停止層1926之上形成圖案化模板層110。
參照第18圖，在操作1820中，在圖案化模板層之上形成波導和光柵耦合器。舉例來說，如第21圖所示，以類似於參照第5圖至第7圖所描述的操作215的操作，在圖案化模板層110之上形成波導102和光柵耦合器104。
參照第18圖，在操作1825中，在波導和光柵耦合器之上形成披覆層。舉例來說，如第21圖所示，以類似於參照第8圖描述的操作220的操作，在波導102和光柵耦合器104之上形成披覆層112。
在一些實施例中，可在操作1820之後重複操作1815~1820代替執行操作1825或在其之後執行，以形成波導102和光柵耦合器104的堆疊。
第22圖繪示根據一些實施例具有波導102和光耦合裝置104(也稱為「光柵耦合器2204」)的光學裝置2200的剖面圖。
光學裝置2200可包含基板106、設置於基板106之上的熱氧化層108、設置於熱氧化層108之上的圖案化模板層110以及設置於圖案化模板層110之上的披覆層112。波導102與光柵耦合器2204可設置於熱氧化層108之上。光柵耦合器2204可被配置為將波導102與Si-PIC中的光纖(未繪示)光耦合。在一些實施例中，光柵耦合器2204可為雙層光柵耦合器，其設置於圖案化模板層110之內的底部光柵線2204A的陣列和設置於披覆層112之內的頂部光柵線2204B的陣列。底部光柵線2204A的陣列和頂部光柵線2204B的陣列可彼此垂直間隔開距離D2，且透過圖案化模板層110彼此電性隔離。圖案化模板層110也可使底部光柵線2204A彼此電性隔離，而披覆層112可使頂部光柵線2204B彼此電性隔離。底部光柵線2204A的陣列和頂部光柵線2204B的陣列可包含具有高折射率的半導體或介電材料，例如：Si、SiN、Al2 O3 、HfO2 及其他合適的具有高折射率的材料。在一些實施例中，底部光柵線2204A的陣列和頂部光柵線2204B的陣列可具有彼此相似或不同的材料。在一些實施例中，波導102的材料與頂部光柵線2204B的材料可彼此相似，而與底部光柵線2204A的材料可彼此不同。
每個底部光柵線2204A可具有沿著Z軸的厚度T8和沿著X軸的寬度W8，而每個頂部光柵線2204B可具有沿著Z軸的厚度T9和沿著X軸的寬度W9。厚度T8可大於厚度T9，而寬度W8和寬度W9可彼此相等或不同。在一些實施例中，厚度T8可在約100 nm至約1000 nm的範圍內或可為其他合適的尺寸，而厚度T9可在約50 nm至約500 nm的範圍內或可為其他合適的尺寸。
光學裝置2200可進一步包含影像感測器2228與隔離裝置2230。在一些實施例中，影像感測器2228可包含設置於熱氧化層108之上的基底層2232、部分位於基底層2232之內且部分位於圖案化模板層110之內的鍺(Ge)層2234、設置於鍺層2234之上的覆蓋層2236、部分位於鍺層2234之內且部分位於覆蓋層2236之內的n型摻雜區2238和p型摻雜區2240以及設置於圖案化模板層110之上的鈍化層2242。在一些實施例中，覆蓋層2236可包含矽(Si)，而鈍化層2242可包含與波導102和/或頂部光柵線2204B的材料相似的材料。在一些實施例中，隔離裝置2230可包含設置於圖案化模板層110之內的n型摻雜區2248和p型摻雜區2250。摻雜區2248~2250的摻雜濃度可分別大致上等於摻雜區2238~2240的摻雜濃度。光學裝置2200可進一步包含設置於摻雜區2238~2240和摻雜區2248~2250之上的接觸結構2244~2246及設置於接觸結構2244~2246之上的通孔結構2252~2254。
第23圖是根據一些實施例用於製造光學裝置2200的範例性方法2300的流程圖。為了說明，將參考用於形成具有如第24圖至第36圖所示的光學裝置2200的範例性製造程序來描述第23圖所示的操作。可根據特定的應用以不同的順序執行操作或不執行操作。方法2300可能無法生產完整的光學裝置2200。因此，可以在方法2300之前、期間和之後提供其他的程序，且本文僅簡要地描述一些其他的程序。第24圖至第36圖中的元件具有如上所述第1A圖至第1D圖、第3圖至第8圖、第10圖至第17圖和第22圖中的元件相同的註記。
在操作2305中，在基板之上形成熱氧化層。舉例來說，如第24圖所示，以類似於參照第3圖所描述的操作205的操作，在基板106之上形成熱氧化層108。
參照第23圖，在操作2310中，在熱氧化層之上形成圖案化半導體層，圖案化半導體層具有光柵耦合器的底部光柵線的陣列。舉例來說，如第24圖與第25圖所示，在熱氧化層108之上形成具有底部光柵線2204A的陣列的圖案化半導體層2456。圖案化半導體層2456的形成可包含以下順序的操作：(i) 如第24圖所示，在熱氧化層108之上沉積半導體層2456*；以及(ii) 使用光微影製程以及乾式或濕式蝕刻製程將半導體層2456*圖案化，以形成第25圖的結構。如第26圖所示，在形成圖案化半導體層2456之後，可在第25圖的結構之上形成氧化層110*。
在一些實施例中，可提供SOI基板代替形成第24圖的結構，且可將SOI基板的矽層圖案化為圖案化半導體層2456，以形成第25圖的結構。在一些實施例中，圖案化半導體層2456具有：(i) 形成底部光柵線2204A的陣列的第一部分；(ii) 形成犧牲結構2258的第二部分，其在隨後的程序中定義波導102的肋部分102A；(iii) 形成影像感測器2228的基底層2232的第三部分；以及(iv) 形成半導體結構2260的第四部分，其在隨後的程序中被摻雜，以形成摻雜區2248~2250。
參照第23圖，在操作2315中，在圖案化半導體層的一部分之上形成影像感測器。舉例來說，如第26圖至第30圖所示，在圖案化半導體層2456的一部分之上形成影像感測器2228。影像感測器2228的形成可包含以下順序的操作：(i) 如第26圖所示，藉由通過遮罩層2664(例如，光阻層)中的開口選擇性地蝕刻，在基底層2232中形成溝槽2662；(ii) 如第27圖所示，在溝槽2662中磊晶生長鍺層2234；(iii) 如第28圖所示，在鍺層2234之上執行CMP製程，以使鍺層2234的頂面與氧化層110*的頂面大致上共平面；(iv) 如第28圖所示，在鍺層2234之上選擇性地沉積覆蓋層2236；(v) 如第29圖所示，在第28圖的結構之上沉積與氧化層110*的材料相似的氧化層110**；(vi) 如第29圖所示，透過將n型摻雜劑離子植入通過遮罩層2968(例如，光阻層)中的開口2966，在鍺層2234和覆蓋層2236中形成n型摻雜區2238；(vii) 如第30圖所示，透過將p型摻雜劑離子植入通過遮罩層3072(例如，光阻層)中的開口3070，在鍺層2234和覆蓋層2236中形成p型摻雜區2240；以及(viii) 如第31圖所示，在氧化層110**之上沉積鈍化層2242。
在一些實施例中，如第29圖所示，在形成n型摻雜區2238的期間，可透過將n型摻雜劑離子植入通過遮罩層2968中的開口2967，在半導體結構2260中形成摻雜區2248。類似地，如第30圖所示，在形成p型摻雜區2240的期間，可透過將p型摻雜劑離子植入通過遮罩層3072中的開口3071，在半導體結構2260中形成摻雜區2250。
參照第23圖，在操作2320中，在圖案化半導體層的另一部分之上形成波導和光柵耦合器的頂部光柵線的陣列。舉例來說，如第31圖至第34圖所示，在圖案化半導體層2456的另一部分之上形成波導102和頂部光柵線2204B的陣列。波導102的形成可包含以下順序的操作：(i) 如第32圖所示，藉由通過遮罩層3276(例如，光阻層)中的開口選擇性地蝕刻鈍化層2242、氧化層110*~110**和犧牲結構2258，以形成溝槽3274；(ii) 如第33圖所示，在將遮罩層3276移除之後，在第32圖的結構之上沉積高折射率材料的層3318，以在溝槽3274之內形成層部分3318A和延伸至溝槽3274之外的層部分3318B；(iii) 如第34圖所示，在層部分3318B之上執行CMP製程，以形成研磨層3420；以及(iv) 如第35圖所示，將研磨層3420和鈍化層2242圖案化，以在圖案化模板層110之上形成板部分102B。如第35圖所示，在將研磨層3420和鈍化層2242圖案化的期間，板部分102B可以研磨層3420和鈍化層2242的一部分所形成，而頂部光柵線2204B可以研磨層3420和鈍化層2242的另一部分所形成。
設置於溝槽3274(第32圖)之內的層部分3318A形成波導102的肋部分102A。結果，具有極小表面粗糙度(例如，小於1 nm)的溝槽3274的明確定義的側壁輪廓(例如，大致上線性的輪廓)被轉移至肋部分102A的側壁輪廓。層3318的沉積可包含在低溫(例如，溫度在約400 °C或低於約400 °C)下的沉積製程中，例如在約100 °C至約400 °C的低溫下的PECVD製程中，或在其他合適的用於高折射率材料的低溫沉積製程中，沉積厚度為約300 nm至約1000 nm的高折射率材料(例如，SiN)的層。高折射率材料的層3318的沉積在低溫沉積製程中執行，因為影像感測器2228(例如鍺層2234或摻雜區2238~2240)和/或隔離裝置2230的結構在高溫(例如，溫度高於400 °C)下容易受到熱破壞。
CMP製程可包含將層部分3318B研磨，以形成厚度小於約300 nm(例如，約50 nm、約100 nm或約150 nm)的研磨層3420。若研磨層3420的厚度大於約300 nm，則如上所述，由於將具有大於200 nm的厚度的高折射率材料圖案化的挑戰，後續的圖案化製程可能需要復雜的程序。研磨層3420和鈍化層2242的圖案化可包含使用光微影製程以及乾式或濕式蝕刻製程。在一些實施例中，乾式蝕刻製程可包含使用具有含氟氣體(例如，HF、F2 )的蝕刻劑。在一些實施例中，濕式蝕刻製程可包含在磷酸(H3 PO4 )中蝕刻。
參照第23圖，在操作2325中，在波導、光柵耦合器和影像感測器之上形成披覆層。舉例來說，如第36圖所示，以類似於參照第8圖描述的操作220的操作，在第35圖的結構之上形成披覆層112。
參照第23圖，在操作2330中，在披覆層之內形成接觸結構和通孔結構。舉例來說，如第36圖所示，在披覆層112之內形成接觸結構2244~2246和通孔結構2252~2254。在一些實施例中，可同時形成接觸結構2244~2246，且可在接觸結構2244~2246之上同時形成通孔結構2252~2254。接觸結構2244~2246和通孔結構2252~2254可包含金屬材料。
第37圖是根據一些實施例用於製造具有波導102和光柵耦合器2204的光學裝置2200的範例性方法3700的流程圖，光柵耦合器2204具有比方法2300中形成的材料具更高的光學品質和更低的光學傳播損耗的材料。在方法2300中，由於隨後形成的波導102和頂部光柵線2204B的高折射率材料的層3318的低溫沉積，因此高折射率材料的光學品質可能不足以滿足波導102和光柵耦合器2204的最佳性能。為了改善光學品質，可在高溫(例如，溫度高於約400 °C)沉積製程中形成高折射率材料的層3318。然而，由於影像感測器2228和/或隔離裝置2230在高溫下容易受到熱損傷，可使用方法3700代替方法2300，以形成具有波導102和光柵耦合器2204的光學裝置2200，此光柵耦合器2204具有更高的光學品質的材料。與方法2300相比，方法3700在形成波導102和頂部光柵線2204B之後形成影像感測器2228和隔離裝置2230，以防止對影像感測器2228和/或隔離裝置2230造成熱損傷。
為了說明，將參考用於形成如第38圖至第44圖所示的光學裝置2200的範例性製造程序來描述第37圖所示的操作。可根據特定的應用以不同的順序執行操作或不執行操作。方法2300可能無法生產完整的光學裝置2200。因此，可以在方法2300之前、期間和之後提供其他的程序，且本文僅簡要地描述一些其他的程序。第38圖至第44圖中的元件具有如上所述第1A圖至第1D圖、第3圖至第8圖、第10圖至第17圖、第22圖和第24圖至第36圖中的元件相同的註記。
在操作3705中，在基板之上形成熱氧化層。舉例來說，如第38圖所示，以類似於參照第3圖所描述的操作205的操作，在基板106之上形成熱氧化層108。
參照第37圖，在操作3710中，在熱氧化層之上形成圖案化半導體層，圖案化半導體層具有光柵耦合器的底部光柵線的陣列。舉例來說，如第38圖所示，以類似於參照第24圖至第25圖所描述的操作2310的操作，在熱氧化層108之上形成具有底部光柵線2204A的陣列的圖案化半導體層2456。
參照第37圖，在操作3715中，在圖案化半導體層的一部分之上形成波導和光柵耦合器的頂部光柵線的陣列。舉例來說，如第39圖至第41圖所示，在圖案化半導體層2456的一部分之上形成波導102和頂部光柵線2204B的陣列。波導102的形成可包含以下順序的操作：(i) 如第39圖所示，藉由通過遮罩層3276中的開口選擇性地蝕刻氧化層110*和犧牲結構2258，以形成溝槽3274；(ii) 在高溫沉積製程中，例如在約700 °C至約900 °C的高溫下的LPCVD製程中，或在其他合適的用於高折射率的高溫沉積製程中，沉積高折射率材料的層3318；(iii) 如第40圖所示，以類似於參照第34圖所描述的操作2320的操作，執行CMP製程，以形成研磨層3420；以及(iv) 如第41圖所示，以類似於參照第35圖所描述的操作2320的操作，將研磨層3420圖案化，以形成板部分102B。如第41圖所示，在研磨層3420的圖案化期間，板部分102B可以研磨層3420的一部分所形成，而頂部光柵線2204B可以研磨層3420的另一部分所形成。在一些實施例中，如第42圖所示，可在第41圖的結構之上沉積介電層4278，以保護波導102和頂部光柵線2204B免受後續程序的影響。介電層4278可包含類似於氧化層110和/或披覆層112的材料。
參照第37圖，在操作3720中，在圖案化半導體層的另一部分之上形成影像感測器。舉例來說，如第43圖至第44圖所示，在圖案化半導體層2456的另一部分之上形成影像感測器2228。影像感測器2228的形成可包含以下順序的操作：(i) 如第43圖所示，以類似於參照第26圖至第28圖所描述的操作2315的操作，形成鍺層2234和覆蓋層2236；以及(ii) 如第44圖所示，以類似於參照第29圖至第30圖所描述的操作2315的操作，形成摻雜區2238~2240。在一些實施例中，如第44圖所示，可以類似於參照第29圖至第30圖所描述的操作2315的操作，形成摻雜區2248~2250。
參照第37圖，在操作3725中，在波導、光柵耦合器和影像感測器之上形成披覆層。舉例來說，如第44圖所示，以類似於參照第36圖描述的操作2325的操作，在第43圖的結構之上形成披覆層112。
參照第37圖，在操作3730中，在披覆層之內形成接觸結構和通孔結構。舉例來說，如第44圖所示，以類似於參照第36圖描述的操作2330的操作，在披覆層112之內形成接觸結構2244~2246和通孔結構2252~2254。
本揭露提供製造波導(例如，波導102)和耦合器(例如，光柵耦合器104和2204)的範例性方法(例如，方法200、900、1800、2300和3700)，其在將高折射率材料圖案化中具有改良的製程控制。在一些實施例中，範例性方法使用相對較低折射率的材料(例如，Si或SiO2 )的圖案化層作為模板，以將高折射率材料的厚層圖案化。與高折射率材料相比，用於圖案化模板層(例如，圖案化模板層110)的低折射率材料具有較低複雜的圖案化製程和對圖案化部件更好的臨界尺寸控制。使用具有低折射率材料的圖案化模板層消除將高折射率材料的厚層圖案化所需的複雜沉積、蝕刻和研磨製程。因而，使用圖案化模板層減輕了對波導和耦合器的基板的與應力相關的損壞，且降低了製造具有高折射率材料的厚層的波導和耦合器的複雜性。
此外，使用圖案化模板層對用高折射率材料圖案化的部件的邊緣粗糙度、表面粗糙度和/或線寬均勻性提供更好的控制。較光滑的表面使得波導和耦合器中的光損耗較低。在一些實施例中，範例性方法可將表面粗糙度減小到約1 nm或更小，這使得在基於Si的波導中的傳播損耗約為1 dB/cm或更小，而耦合器中的傳播損耗約為0.2 dB/cm或更小。
在一些實施例中，一種光學裝置的製造方法包含在基板之上形成第一氧化層，及在第一氧化層之上形成具有第一溝槽與第二溝槽的圖案化模板層。圖案化模板層的材料具有第一折射率。此光學裝置的製造方法更包含在第一溝槽與第二溝槽之內分別形成波導的第一部分與光耦合器的第一部分，在圖案化模板層的一頂面之上分別形成波導的第二部分與光耦合器的第二部分，及在波導的第二部分與光耦合器的第二部分之上沉積披覆層。波導與光耦合器包含具有第二折射率的材料，第二折射率大於第一折射率。
在一些實施例中，形成第一氧化層的步驟包含在基板上生長熱氧化層。
在一些實施例中，形成圖案化模板層的步驟包含透過化學氣相沉積製程沉積氧化層。
在一些實施例中，形成波導的第一部分與光耦合器的第一部分的步驟包含在模板層的第一溝槽與第二溝槽之內沉積介電層，其中介電層包含具有第二折射率的材料。
在一些實施例中，形成波導的第二部分與光耦合器的第二部分的步驟包含在圖案化模板層之上沉積介電層，及將介電層設置於圖案化模板層的頂面之上的一部分圖案化。
在一些實施例中，形成波導的第二部分與光耦合器的第二部分的步驟包含在圖案化模板層之上沉積具有第二折射率的介電層，將介電層設置於圖案化模板層的頂面之上的一部分研磨，以形成一研磨層，及將研磨層圖案化。
在一些實施例中，形成波導的第二部分的步驟包含在圖案化模板層之上沉積介電層，及將介電層設置於波導的第一部分之上的一部分圖案化。
在一些實施例中，形成光耦合器的第二部分的步驟包含在圖案化模板層之上沉積介電層，及將介電層未覆蓋於光耦合器的第一部分之上的一部分圖案化。
在一些實施例中，此光學裝置的製造方法更包含在圖案化模板層之上形成研磨停止層。
在一些實施例中，此光學裝置的製造方法更包含在第一氧化層與圖案化模板層之間沉積蝕刻停止層。
在一些實施例中，一種光學裝置的製造方法包含在基板之上形成一熱氧化層及在熱氧化層之上形成圖案化半導體層。圖案化半導體層的第一部分形成耦合器的底部光柵線，圖案化半導體層的第二部分形成犧牲層，且圖案化半導體層的第三部分形成基底層。此光學裝置的製造方法更包含在基底層之上形成影像感測器，在熱氧化層之上形成具有溝槽的圖案化模板層，在溝槽之內形成波導的肋部分，其中影像感測器與波導相鄰，在圖案化模板層的頂面之上形成波導的板部分和耦合器的頂部光柵線，以及在板部分、頂部光柵層及影像感測器之上沉積披覆層。
在一些實施例中，形成圖案化模板層的步驟包含蝕刻犧牲層。
在一些實施例中，形成波導的肋部分的步驟包含在圖案化模板層之內沉積介電層，其中介電層的折射率大於圖案化模板層的折射率。
在一些實施例中，形成波導的板部分的步驟包含在圖案化模板層之上沉積介電層，及將介電層設置於波導的肋部分之上的一部分圖案化。
在一些實施例中，形成耦合器的頂部光柵線的步驟包含在圖案化模板層之上沉積介電層，及將介電層與耦合器的底部光柵線重疊的一部分圖案化。
在一些實施例中，形成影像感測器的步驟是在形成圖案化模板層的步驟之前執行。
在一些實施例中，形成影像感測器的步驟是在形成波導的板部分的步驟之後執行。
在一些實施例中，一種光學裝置包含基板、設置於基板之上的熱氧化層、設置於熱氧化層之上的非熱氧化層及設置於熱氧化層之上的波導。波導包含肋部分、錐形部分及板部分，肋部分和錐形部分設置於非熱氧化層之內，板部分設置於肋部分和錐形部分之上。光學裝置更包含設置於熱氧化層之上的光柵耦合器及設置於波導和光柵耦合器之上的披覆層。光柵耦合器包含底部光柵線及頂部光柵線，底部光柵線設置於非熱氧化層之內，頂部光柵線設置於非熱氧化層的頂面之上。頂部光柵線和底部光柵線彼此不重疊。
在一些實施例中，肋部分具有在約300 nm至約1000 nm的範圍內的厚度，而板部分具有小於約200 nm的厚度。
在一些實施例中，波導的材料的折射率大於非熱氧化層的折射率。
以上概述數個實施例的部件，以便在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本揭露實施例的觀點。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，他們能以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並無悖離本揭露的精神與範圍，且他們能在不違背本揭露之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。
100,2200:光學裝置 102:波導 102A:肋部分 102B:板部分 102C:錐形部分 104,2204:光柵耦合器 104A,2204A:底部光柵線 104B,2204B:頂部光柵線 106:基板 108:熱氧化層 110:圖案化模板層 110*,110**:氧化層 112:披覆層 200,900,1800,2300,3700:方法 205,215,220,905,910,915,920,1805,1810,1815,1820,1825,2305,2310,2315,2320,2325,2330,3705,3710,3715,3720,3725,3730:操作 414,416,2662,3274:溝槽 414*,416*,2966,2967,3070,3071:開口 518,3318:層 518A,518B,3318B:層部分 620,3420:研磨層 1022:研磨停止層 1926:蝕刻停止層 2228:影像感測器 2230:隔離裝置 2232:基底層 2234:鍺層、 2236:覆蓋層 2238,2240,2248,2250:摻雜區 2242:鈍化層 2244,2246:接觸結構 2252,2254:通孔結構 2258:犧牲結構 2260:半導體結構 2456:圖案化半導體層 2456*:半導體層 2664,2968,3072,3276:遮罩層 4278:介電層 A-A,B-B:線 D1,D2:距離 H1,H2:高度 T1,T2,T3,T4,T8,T9:厚度 W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7,W8,W9:寬度 X,Y,Z:坐標軸
以下詳細描述將配合所附圖式最好地理解本揭露的各種實施例。 第1A圖繪示根據一些實施例具有波導和光耦合裝置的光學裝置的剖面圖。 第1B~1D圖繪示根據一些實施例的邊緣耦合器和波導的等角視圖和剖面圖。 第2圖是根據一些實施例用於製造具有波導和光耦合裝置的光學裝置的方法的流程圖。 第3~8圖繪示根據一些實施例具有波導和光耦合裝置的光學裝置在其製造方法的各階段的剖面圖。 第9圖是根據一些實施例用於製造具有波導和光耦合裝置的光學裝置的方法的流程圖。 第10~17圖繪示根據一些實施例具有波導和光耦合裝置的光學裝置在其製造方法的各階段的剖面圖。 第18圖是根據一些實施例用於製造具有波導和光耦合裝置的光學裝置的方法的流程圖。 第19~21圖繪示根據一些實施例具有波導和光耦合裝置的光學裝置在其製造方法的各階段的剖面圖。 第22圖繪示根據一些實施例具有波導、光耦合裝置和影像感測器的光學裝置的剖面圖。 第23圖是根據一些實施例用於製造具有波導、光耦合裝置和影像感測器的光學裝置的方法的流程圖。 第24~36圖繪示根據一些實施例具有波導、光耦合裝置和影像感測器的光學裝置在其製造方法的各階段的剖面圖。 第37圖是根據一些實施例用於製造具有波導、光耦合裝置和影像感測器的光學裝置的方法的流程圖。 第38~44圖繪示根據一些實施例具有波導、光耦合裝置和影像感測器的光學裝置在其製造方法的各階段的剖面圖。 現在將參考所附圖式描述說明性實施例。在圖式中，相似的元件符號通常表示相同、功能相似和/或結構相似的元件。除非另有說明，否則對第1A~1D圖和第2~44圖中具有相同註記的元件的討論適用於彼此。
100:光學裝置
102:波導
102A:肋部分
102B:板部分
104:光柵耦合器
104A:底部光柵線
104B:頂部光柵線
106:基板
108:熱氧化層
110:圖案化模板層
112:披覆層
T1,T2,T3,T4:厚度
W1,W2,W3,W4:寬度
X,Y,Z:坐標軸

Claims (15)

  1. 一種光學裝置的製造方法，包括：在一基板之上形成一第一氧化層；在該第一氧化層之上形成具有一第一溝槽與一第二溝槽的一圖案化模板層，其中該圖案化模板層的材料具有一第一折射率；在該第一溝槽與該第二溝槽之內分別形成一波導的一第一部分與一光耦合器的一第一部分；在該圖案化模板層的一頂面之上分別形成該波導的一第二部分與該光耦合器的一第二部分，其中該波導與該光耦合器包括具有一第二折射率的材料，該第二折射率大於該第一折射率；以及在該波導的該第二部分與該光耦合器的該第二部分之上沉積一披覆層。
  2. 如請求項1之光學裝置的製造方法，其中形成該波導的該第一部分與該光耦合器的該第一部分的步驟包括在該模板層的該第一溝槽與該第二溝槽之內沉積一介電層，其中該介電層包括具有該第二折射率的材料。
  3. 如請求項1之光學裝置的製造方法，其中形成該波導的第二部分與該光耦合器的第二部分的步驟包括：在該圖案化模板層之上沉積一介電層；及將該介電層設置於該圖案化模板層的一頂面之上的一部分圖案化。
  4. 如請求項1之光學裝置的製造方法，形成該波導的第二部分與該光耦合器的第二部分的步驟包括：在該圖案化模板層之上沉積具有該第二折射率的一介電層；將該介電層設置於該圖案化模板層的一頂面之上的一部分研磨，以形成一研 磨層；及將該研磨層圖案化。
  5. 如請求項1之光學裝置的製造方法，其中形成該波導的該第二部分的步驟包括：在該圖案化模板層之上沉積一介電層；及將該介電層設置於該波導的該第一部分之上的一部分圖案化。
  6. 如請求項1之光學裝置的製造方法，其中形成該光耦合器的該第二部分的步驟包括：在該圖案化模板層之上沉積一介電層；及將該介電層未覆蓋於該光耦合器的該第一部分之上的一部分圖案化。
  7. 如請求項1之光學裝置的製造方法，更包括：在該圖案化模板層之上形成一研磨停止層。
  8. 如請求項1之光學裝置的製造方法，更包括：在該第一氧化層與該圖案化模板層之間沉積一蝕刻停止層。
  9. 一種光學裝置的製造方法，包括：在一基板之上形成一熱氧化層；在該熱氧化層之上形成一圖案化半導體層，其中該圖案化半導體層的一第一部分形成一耦合器的一底部光柵線，該圖案化半導體層的一第二部分形成一犧牲層，且該圖案化半導體層的一第三部分形成一基底層；在該基底層之上形成一影像感測器；在該熱氧化層之上形成具有一溝槽的一圖案化模板層；在該溝槽之內形成一波導的一肋部分，其中該影像感測器與該波導相鄰； 在該圖案化模板層的一頂面之上形成該波導的一板部分和該耦合器的一頂部光柵線；以及在該板部分、該頂部光柵層及該影像感測器之上沉積一披覆層。
  10. 如請求項9之光學裝置的製造方法，其中形成該波導的該肋部分的步驟包括在該圖案化模板層之內沉積一介電層，且其中該介電層的折射率大於該圖案化模板層的折射率。
  11. 如請求項9之光學裝置的製造方法，其中形成該波導的該板部分的步驟包括：在該圖案化模板層之上沉積一介電層；及將該介電層設置於該波導的該肋部分之上的一部分圖案化。
  12. 如請求項9之光學裝置的製造方法，其中形成該耦合器的該頂部光柵線的步驟包括：在該圖案化模板層之上沉積一介電層；及將該介電層與該耦合器的該底部光柵線重疊的一部分圖案化。
  13. 如請求項9之光學裝置的製造方法，其中形成該影像感測器的步驟是在形成該圖案化模板層的步驟之前執行，或是在形成該波導的該板部分的步驟之後執行。
  14. 一種光學裝置，包括：一基板；一熱氧化層，設置於該基板之上；一非熱氧化層，設置於該熱氧化層之上；一波導，設置於該熱氧化層之上，其中該波導包括一肋部分、一錐形部分及 一板部分，該肋部分和該錐形部分設置於該非熱氧化層之內，該板部分設置於該肋部分和該錐形部分之上；一光柵耦合器，設置於該熱氧化層之上，其中該光柵耦合器包括一底部光柵線及一頂部光柵線，該底部光柵線設置於該非熱氧化層之內，該頂部光柵線設置於該非熱氧化層的一頂面之上，且其中該頂部光柵線和該底部光柵線彼此不重疊；以及一披覆層，設置於該波導和該光柵耦合器之上。
  15. 如請求項14之光學裝置，其中該波導的材料的折射率大於該非熱氧化層的折射率。
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