TWI845842B - 光子系統以及形成光子系統的方法 - Google Patents

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Abstract

一種結構及方法，包含：波導，具有環繞安置於基板上方 的芯層的包覆層；空腔，延伸至基板中，鄰近於波導；光纖，安置於空腔中；以及隔離空間，延伸至基板中且安置於波導下方。多個孔可延伸穿過包覆層，鄰近於芯層。

Description

光子系統以及形成光子系統的方法
本發明的實施例是有關於一種結構以及製造結構的方法。
半導體積體電路(integrated circuit；IC)行業已歷經指數增長。IC材料及設計中的技術進步已產生數代IC，其中每一代具有比前一代更小且更複雜的電路。在IC演進的過程中，功能密度(亦即，每晶片面積的互連元件的數目)一般已增加，而幾何大小(亦即，可使用製造製程形成的最小組件(或線路))已減小。此縮小過程通常藉由提高生產效率及降低相關聯成本來提供益處。此縮小亦已增加處理及製造IC的複雜性。
將限制及導引電磁波的光波導用作整合式光學電路中的提供各種光子功能的組件。整合式光波導通常為施加於可見光譜中的光波長上的訊號提供功能性，且已觀察到具有次微米尺寸的整合式光波導為施加於紅外光譜中的光波長上的訊號提供功能性。然而，訊號在其傳播期間可遭受損耗，從而大體上降低波導的效率及元件效能。因此，雖然包含波導的結構在一些方面為令人滿意的，但改良此等元件及其包含光波導以及此等元件與其他組件 的介面的製造有益於滿足效率需求。
根據本發明的一實施例，一種結構，包括：波導，包含環繞安置於基板上方的芯層的包覆層；空腔，延伸至所述基板中，鄰近於所述波導；光纖，安置於所述空腔中；以及隔離空間，延伸至所述基板中且安置於所述波導下方。
根據本發明的一實施例，一種結構，包括：波導，安置於基板上方，其中所述波導包含芯部件，所述芯部件具有主要部分及錐形末端區，所述主要部分具有第一寬度，所述錐形末端區具有自所述第一寬度減小至第二寬度的寬度；隔離空間，位於所述波導與所述基板之間，其中所述隔離空間插入於所述主要部分與所述基板之間且插入於所述錐形末端區與所述基板之間；空腔，鄰近於所述波導的所述錐形末端區；以及光纖，安置於所述空腔中且與所述芯部件對準。
根據本發明的一實施例，一種製造結構的方法，包括：在基板上方形成具有芯層及包覆層的波導；在所述基板上方形成遮罩部件，其中所述遮罩部件具有限定空腔的第一開口及限定多個釋放孔的多個第二開口；在所述第一開口及所述多個第二開口下方蝕刻所述包覆層以同時形成所述多個釋放孔及所述空腔的上部部分；以及在所述多個釋放孔下方蝕刻所述基板以形成隔離空間。
100、800:方法
102、104、106、108、110、112、114、116、802、804、806、808、810:區塊
200、200'、200":元件
202:基板
204:第一包覆層
206:芯層
208:第二包覆層
210:波導
212:光
302:遮罩部件
304、306:開口
402:釋放孔
404:空腔
502:隔離空間
504:下部空腔
506:空腔
602:組件
702:波
A、B:軸線
A-A'、E-E':橫截面
C、D:特殊區
d1、d2:橫向距離
d3:深度
N1、N1'、N2:折射率
t1、t2:厚度
w1、w2:寬度
θc:臨界角
在結合隨附圖式閱讀以下詳細描述時會最佳地理解本揭 露。需要強調的是，根據業界中的標準慣例，各種特徵未按比例繪製且僅用於說明目的。實際上，可出於論述清楚起見而任意增大或減小各種特徵的尺寸。
圖1說明根據本揭露的一或多個態樣的用於形成元件的方法的實施例的流程圖。
圖2A、圖2E、圖3A、圖4A、圖5A、圖5C、圖6A以及圖7說明根據本揭露的一或多個態樣的在根據圖1的方法的製造製程期間的元件的實施例的局部橫截面圖。
圖2B、圖2C、圖2D、圖3B、圖4B、圖5B以及圖6B說明根據本揭露的一或多個態樣的在根據圖1的方法的製造製程期間且分別與圖2A、圖3A、圖4A、圖5A以及圖6A的元件對應的元件的實施例的局部俯視圖。
圖8說明根據本揭露的一或多個態樣的與圖1的方法100的各種步驟對應的用於判定及提供釋放孔組態以形成隔離空間的方法的實施例的流程圖。
圖9及圖10說明根據本揭露的一或多個態樣的在根據圖1的方法的製造製程期間的元件的其他實施例的局部俯視圖。
以下揭露內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置的具體實例是為了簡化本揭露。當然，此等組件及配置僅為實例且並不意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中，在第二特徵上方或第二特徵上形成第一特徵可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例， 且亦可包含可在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複附圖標號及/或字母。此重複是出於簡單及清楚的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例及/或組態之間的關係。
另外，為易於描述，在本文中可使用諸如「在......之下(beneath)」、「在......下方(below)」、「下部(lower)」、「在......上方(above)」、「上部(upper)」以及類似術語的空間相對術語來描述如圖中所說明的一個部件或特徵與另一部件或特徵的關係。除了圖式中所描繪的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋元件在使用或操作中的不同定向。裝置可以其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)，且本文中所使用的空間相對描述詞可同樣相應地進行解釋。更進一步地，當數值或數值的範圍運用「約(about)」、「大約(approximate)」、「實質上(substantially)」以及類似者進行描述時，除非另外規定，否則術語意欲涵蓋在所描述數值的+/-10%內的數值。舉例而言，術語「約5奈米」涵蓋在4.5奈米至5.5奈米的範圍內的尺寸。
根據一些實施例，本揭露大體上是關於包含光學元件及電子元件兩者的光子系統及形成所述光子系統的方法。特定而言，光子系統形成為具有光學網路，所述光學網路包含與諸如光纖的組件介接(interfacing)的波導。本文中所論述的方法及元件中的一些有利地提供下伏於波導的至少一部分的隔離空間及/或提供空腔，諸如光纖的組件可相對於波導安置於所述空腔內。
舉例而言，為了使波導有效且高效地與另一組件介接，應控制組件與波導之間的對準。在一些實施例中，組件置放於其內的 空腔的深度影響此對準。在一些實施方式中，需要精確地控制組件置放，以使得波導中的光學路徑與組件(例如，光纖)中的光學路徑中心對準。實施邊緣耦合器的一個挑戰在於，經由波導傳播的光可歸因於光訊號洩漏而損耗，所述邊緣耦合器可包含待與諸如光纖的組件介接的矽芯波導的遠側末端。舉例而言，訊號洩漏可包含自波導洩漏至安置有波導的基板。具體而言，在訊號傳輸(自波導至光纖或自光纖至波導)期間，光穿隧現象尤其可出現在鄰近於光纖的波導的末端部分或遠端部分(例如，波導的錐形部分)處，從而產生光訊號損耗。換言之，光穿隧現象意謂光訊號的部分可離開波導且延伸至基板中。在此處論述的一些實施例中，可設置波導與基板之間的隔離空間以減輕此損耗。此隔離空間允許損耗的光波反射回波導。論述一些實施例的一些變化。貫穿各種視圖及說明性實施例，相同附圖標號用於指代相同部件。
參考圖1，說明了製造包括空腔及隔離空間的元件的方法100。在一些實施例中，方法100可藉由形成與第二組件(此處由光纖例示)對準的第一組件(此處由波導例示)來實施，所述第二組件鄰近於第一組件安置於空腔中及在第一組件下方延伸的隔離空間中。在一些實施方式中，所形成的元件或其部分可稱為邊緣耦合器，此是由於所述元件或其部分提供(經由介接光學路徑)耦合至光纖的波導。
應理解，方法100包含具有互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)技術製程流程的特徵的步驟，且因此僅在本文中簡要描述。可在方法100之前、之後及/或期間執行額外步驟。下文結合圖2A至圖7描述方法100， 圖2A至圖7說明根據一些實施例的在根據方法100的各種製造步驟處的結構(亦稱為元件200)的各種俯視圖及橫截面圖。圖2B是元件200的俯視圖，且包含分別說明圖2A的橫截面A-A'、圖2E的橫截面E-E'的平面以及圖2C及圖2D的特殊區C及D的標註。藉由以下諸圖說明類似橫截面平面。
方法100在區塊102處開始，在所述區塊102中，提供基板。參考圖2A的實例，提供基板202。在實施例中，基板202為諸如矽基板的半導體基板。在實施例中，基板202形成為下文進一步詳細地論述的絕緣體上矽(silicon-on-insulator；SOI)基板。在實施例中，基板202為氮化矽。基板202可另外或替代地包含諸如鍺、碳化矽(SiC)、矽鍺(SiGe)或金剛石的其他半導體。替代地，基板202可包含化合物半導體及/或合金半導體。此外，基板202可視情況包含視所屬領域中已知的設計要求而定的各種摻雜組態，一或多個磊晶層(epi層)可發生形變以實現效能增強且/或具有其他適合的增強特徵。
應注意，繪示基板202的局部視圖。本文中所論述的元件可為形成於基板202上的整合式光學電路的部分。元件200可更包含各種其他元件及特徵(諸如其他類型的元件，諸如電晶體、雙極接面電晶體、電阻器、電容器、電感器、二極體、熔絲)，但為了較佳地理解本揭露的發明概念簡化了所述元件200。
方法100接著進行至區塊104，在所述區塊104中，在基板202上方形成第一包覆層。參考圖2A的實例，第一包覆層204安置於基板202上方。在實施例中，第一包覆層204為諸如氧化矽的氧化物。如下文所論述且如圖2D中所說明，其他例示性組成 物包含折射率(N1)低於芯層的折射率(N2)的其他氧化物、低k介電質及/或其他組成物。折射率或折射係數為量測光線在材料中的傳播的與材料相關的值。
在實施例中，第一包覆層204的厚度在大約0.5微米與大約4微米之間，例如2微米。在各種實例中，第一包覆層204可藉由CVD製程、次常壓CVD(subatmospheric CVD；SACVD)製程、可流動CVD製程、ALD製程、PVD製程及/或其他適合製程沈積。
方法100接著進行至區塊106，在所述區塊106中，芯層形成在第一包覆層上方。芯層可包括折射率(在圖2D中為N2)高於上文論述的第一包覆層的折射率且高於下文論述的第二包覆層的折射率的組成物。在實施例中，芯層為矽。在另一實施例中，芯層為氮化矽。如下文所論述，芯層可形成為或經圖案化以形成波導的芯部件。
參考圖2A的實例，芯層206安置於第一包覆層204上方。重要地，芯層206具有比第一包覆層204的折射率更大的折射率。在一些實施例中，芯層206具有在1.8至4的範圍內的折射率(refraction index；RI)。舉例而言，在實施例中，芯層206為可具有大約2.0的折射率的氮化矽。作為另一實例，在實施例中，芯層206為可具有大約3.5的折射率的矽。在實施例中，芯層206具有在80奈米至500奈米的範圍內的厚度。舉例而言，在一些實施例中，芯層為大約90奈米至150奈米。提供芯層的尺寸以形成用於待傳輸的光的適合的傳播路徑。
在區塊106中的在基板上方形成芯部件可包含形成芯層 的材料的保形(conformal)層。保形層可經圖案化以提供適合於作為波導的芯部件而發揮作用的形狀。具體而言，芯層經圖案化以提供光傳播穿過的路徑。芯層的圖案化可包含微影製程，諸如(例如)在基板及芯層材料上方形成光阻層，將光阻曝光至圖案，執行曝光後烘烤製程以及使光阻顯影以形成包含光阻的遮罩部件。在一些實施例中，使光阻圖案化以形成遮罩部件可使用電子束(e束)微影製程來執行。圖案化可在沈積下文參考區塊108論述的第二包覆層之前執行。
除了使芯層圖案化以提供跨基板202的一部分的傳播路徑之外，芯層亦可經圖案化以提供錐形遠側(末端)區。圖2B說明在基板202及第一包覆層204上方延伸的芯層206的俯視圖，其中芯層終止於遠側末端中。在實施例中，芯層為在基板上方延伸的主要部分的寬度為w2的部件。如在圖2B、圖2C以及圖2D的俯視圖中所說明，芯層206包含光傳播穿過的第一包覆層204上方的寬度w2。鄰近於芯層206的具有寬度w2的主要部分，芯層包含鄰近於芯層的遠側末端的錐形末端部分，例如，芯層逐漸變窄至寬度w1。圖2C說明芯層在其自寬度w2逐漸變窄至寬度w1時的遠側末端。此錐形物亦可存在於圖2B中的芯層的末端(未繪示)。在圖2A中藉由使豎直的厚度尺寸(厚度t1)逐漸變窄至厚度尺寸(厚度t2)來進一步說明芯層206的末端區的逐漸變窄。厚度尺寸t2比厚度t1小例如10%至90%。
在一些實施例中，寬度w2可在大約100奈米與300奈米之間，例如140奈米。錐形的寬度w1可在大約40奈米與300奈米之間。錐形的寬度w1可比較寬的寬度w2小10%至90%。在實 施例中，寬度w2可大約為芯層的厚度t1的0.9倍至1.2倍。在實施例中，豎直的厚度t1可在大約500奈米與100奈米之間。錐形的豎直的厚度t2可在大約30奈米與100奈米之間。芯層在豎直的厚度及水平的寬度尺寸上的此逐漸變窄使傳播路徑收窄且適當地允許波導與另一組件介接，因此，所述芯層可稱為邊緣耦合器或其部分。
方法100接著進行至區塊108，在所述區塊108中，第二包覆層形成在芯層上方。第一包覆層及第二包覆層一起環繞芯層，從而實際上提供光在其內傳播的經圖案化芯層的管。參考圖2A及圖2E的實例，第二包覆層208安置於基板202上方。在實施例中，第二包覆層208為諸如氧化矽的氧化物。其他例示性組成物包含下文論述的折射率低於芯層的折射率的其他氧化物、低k介電質及/或其他組成物。在實施例中，第二包覆層208的厚度在大約0.5微米與4微米之間，例如1.8微米至2.2微米。第二包覆層208的厚度可與第一包覆層204的厚度實質上相同。在各種實例中，可藉由CVD製程、次常壓CVD(SACVD)製程、可流動CVD製程、ALD製程、PVD製程及/或其他適合的製程沈積第二包覆層208。如圖2E的橫截面圖中所說明，第二包覆層環繞經圖案化芯層206的側壁。
第一包覆層204、芯層206以及第二包覆層208一起提供波導210。在一些實施例中，波導210傳輸電磁光譜的可見區段中的電磁輻射。芯層206提供由具有較低折射率的媒體(包覆層)環繞的光學媒體。將可見光注入至整合式光波導的末端中(例如，使用透鏡、光柵耦合器或稜鏡耦合器，未繪示)，且歸因於芯層206 與周圍媒體(包覆層204及包覆層208)之間的折射率差，藉助於芯層206內的全內反射沿著波導210的長度引導可見光。
在圖2D中說明電磁光譜的可見區段中的輻射(稱為光)在波導210的一部分中的傳播。因為第一/第二包覆層中的每一者的折射率(分別為N1及N1')小於芯層的折射係數(N2)，所以芯層充當光212可利用內反射在其內傳播的稠密媒體。若經由芯層206反射的光的入射角大於臨界角θc，則波(光)被全反射且波導提供內反射，因此沿著波導傳播光。應注意，臨界角θc是基於波導的材料的折射係數。因此，光波以「Z字形」方式沿著波導隧道在圖案化芯層206內部傳播。
在實施例中，第一包覆層及第二包覆層包括相同材料。在實施例中，第一包覆層及/或第二包覆層包括氧化矽且因此具有大約1.45的折射率。在實施例中，基板202及芯層206包括相同材料。舉例而言，在實施例中，基板202及芯層206為矽。矽的折射率大約為3.47。
雖然需要如圖2D中所說明的全反射，但是在一些實施例中，存在來自芯層206的射線洩漏(例如，不足以滿足臨界角)，因此降低了光傳輸的效率。在一些實施例中，所溢出的光輸往基板202，所述基板202可具有比包覆層的折射係數更大的折射係數，且因此，光未被反射回芯層，而是丟失於基板202。如下文所論述，在一些實施例中，提供折射係數低於芯層及包覆層的折射係數的區(隔離空間)允許反射回芯層，因此提高了光傳播的效率。
在實施例中，第一包覆層204為SOI基板的埋入式氧化物(buried oxide；BOX)層，且芯層206為形成於其上的半導體 (例如，矽)層的一部分。SOI基板為可利用一些技術實施以提高效能(例如，寄生電容)的矽-絕緣體-矽基板。在一些實施例中，SOI基板包含矽-氧化矽-矽堆疊。在另一實施例中，第一矽提供圖2A的實施例的基板202，氧化矽提供圖2A的實施例的第一包覆層204，芯層可經圖案化為上覆矽層。適合於形成SOI基板的各種方法是適合的，包含植入氧氣形成埋入式氧化物層的注氧隔離(separation by implantation of oxygen；SIMOX)；晶圓接合；以及在絕緣層上方磊晶生長矽上部層。
在形成如上文所論述的波導部件之後，方法100接著進行至區塊110，在所述區塊110中，遮罩部件形成在波導部件上方。可使用包含微影的適合製程來製造遮罩部件。微影製程可包含：在元件上方形成光阻層，將光阻曝光至圖案；執行曝光後烘烤製程，以及使光阻顯影以形成包含光阻的遮罩部件。在一些實施例中，使光阻圖案化以形成遮罩部件可使用電子束(e束)微影製程執行。在一些實施例中，圖案化光阻層用於使提供遮罩部件或其部分的硬罩幕層圖案化。
由遮罩部件提供的圖案可限定釋放孔及/或限定用於鄰近於波導的空腔的區。在實施例中，空腔為諸如光纖的組件所定位的區。空腔位置及尺寸(例如，深度)可限定組件相對於波導的定位。如下文所論述，由圖案限定的釋放孔可為待形成於波導的包覆層中的開口，所述開口允許隔離區形成於波導部件下方。圖8提供判定待由可例如結合區塊110實施的遮罩部件限定的釋放孔的圖案的方法800的實施例。
在例示性實施例中，圖3A及圖3B說明安置於基板202 上方的遮罩部件302。遮罩部件302限定用於如下文所論述的隨後形成的釋放孔及空腔的圖案。具體而言，遮罩部件302包含限定釋放孔的多個開口304。遮罩部件302包含限定用於諸如光纖的組件的空腔的放大的開口306。
當自元件的俯視圖觀察時，開口304經對準成使得由所述開口304限定的釋放孔與芯層206(例如，橫向地)間隔開。此距離經選擇成使得足以防止蝕刻劑在使如在以下方法100的區塊112及區塊114中所論述的結構圖案化時與芯層介接及可能損壞芯層。亦即，橫向距離d1設置於圖案化開口304與芯層206之間。在一些實施例中，大約10微米≦d1≦大約50微米。
當自元件的俯視圖觀察時，開口306經對準成使得由所述開口306限定的空腔與芯層206的遠側末端(例如，橫向地)間隔開。此距離足以防止蝕刻劑在使如在方法100的區塊112及區塊114中所論述的結構圖案化時與芯層介接及可能損壞芯層。亦即，橫向距離d2設置於圖案化開口306與芯層206的遠側末端之間。在一些實施例中，大約10微米≦d2≦大約50微米。
遮罩部件302的圖案說明波導210的芯層206的每一相對側上的四(4)個開口304。參見圖3A及圖3B。此組態及數量僅為例示性的。釋放孔的組態不限於開口的此數量或形狀。實情為，開口304的數量、大小、包含形狀的組態以及密度是基於期望隔離空間以及如下文包含相對於圖8的方法800所論述的指定深度的空腔的形成而判定的。在一些實施例中，圖案可提供彼此不同大小或形狀的釋放孔。
開口304豎直地處於第一包覆層及第二包覆層上方且與 如上文所論述的芯層206間隔開橫向距離。開口304的子集豎直地處於芯層206的錐形部分上方且與所述錐形部分橫向地間隔開，亦即，使橫向地鄰近於具有小於w2的寬度的芯層206的釋放孔圖案化。開口304的另一子集豎直地處於芯層206的較寬部分上方且與所述較寬部分橫向地間隔開，亦即，使橫向地鄰近於具有w2的寬度的芯層206的釋放孔圖案化。在實施例中，至少一個開口304限定鄰近於芯層206的較寬部分的釋放孔或其部分，且至少一個開口304限定鄰近於芯層206的較窄/錐形部分的釋放孔或其部分。
方法100接著進行至區塊112，在所述區塊112中，結構且尤其是包覆層根據區塊110的遮罩部件來進行圖案化。蝕刻下伏(underlying)層形成延伸穿過第一/第二包覆層的上部空腔及/或釋放孔。在實施例中，非等向性乾式蝕刻製程用於使下伏層圖案化。蝕刻製程可對包覆層的材料具有選擇性。參考圖4A及圖4B的實例，經由第一包覆層204及第二包覆層208提供釋放孔402。在實施例中，區塊112中所提供的釋放孔402終止於基板202的頂表面處。釋放孔402延伸穿過第一包覆層204/第二包覆層208，且橫向地鄰近於芯層206且與芯層206間隔開一定距離(例如，上文中的d1)。釋放孔402的實例尺寸包含自大約5微米至50微米(例如，在寬度方面)。釋放孔402的大小設定成足以為下文論述的製程提供蝕刻劑的通道。釋放孔402的大小過大可引起結構完整性問題，允許以可能不利地影響波導的方式引入蝕刻劑及/或其他可能問題。
在實施例中，釋放孔402藉由非等向性乾式蝕刻製程蝕 刻。在另一實施例中，蝕刻劑對第一包覆層204/第二包覆層208的組成物具有選擇性且實質上不蝕刻基板202的組成物(例如，矽)。舉例而言，在一些實施方式中，蝕刻劑對第一包覆層204/第二包覆層208的氧化矽具有選擇性。在實施例中，蝕刻製程可實施包括氟的蝕刻氣體(例如F2、CH3F、CH2F2、CHF3、CF4、C2F6、SF6及/或NF3)。
參考圖4A及圖4B的實例，經由第一包覆層204及第二包覆層208提供空腔404。在實施例中，區塊112中所提供的空腔404終止於基板202的頂表面處。空腔橫向地鄰近於芯層206的錐形遠側末端且與所述錐形遠側末端間隔開一定距離(例如，上文中的d2)。
在實施例中，空腔404藉由適合的非等向性乾式蝕刻製程蝕刻。在另一實施例中，蝕刻劑對第一包覆層204/第二包覆層208的組成物具有選擇性且實質上不蝕刻基板202的組成物(例如，矽)。舉例而言，在一些實施方式中，相較於基板202的矽，蝕刻劑對第一/第二包覆層的氧化矽具有選擇性。
有利地，在一些實施例中，空腔404及釋放孔402在使用單個圖案化遮罩部件302的單個蝕刻製程中同時(例如同一時間)形成。此可提供在無分離且不同遮罩及/或蝕刻步驟的情況下形成釋放孔的益處。在其他實施例中，製程可包含分離地形成釋放孔及空腔。
方法100接著進行至區塊114，在所述區塊114中，方法包含使基板圖案化以在波導部件下方形成下部空腔及/或隔離空間。下部空腔與藉由區塊112提供的上部空腔相鄰。下部空腔連 同上部空腔一起提供適合的空間以將諸如光纖的組件定位於空腔內。此外，下部空腔的表面(例如，底部)提供用於將光纖部件與波導部件對準的機構。在實施例中，對準將光在各別部件中傳播所沿循的路徑定位成使得所述路徑可與連續路徑介接且提供連續路徑。在實施例中，對準定位如下文進一步所論述的每一部件的軸線。
在一些實施例中，在區塊114中，伴隨使基板圖案化以形成下部空腔，隔離空間形成於波導部件下方。隔離空間與區塊112中所提供的上覆釋放孔相鄰。隔離空間是藉由將蝕刻劑通過釋放孔引入至位於釋放孔下方的基板的暴露表面來形成。空腔及/或隔離空間可藉由諸如乾式蝕刻或濕式蝕刻的適合蝕刻製程形成。在實施例中，形成下部空腔及/或隔離空間的蝕刻製程為等向性蝕刻製程。
在一些實施例中，隔離空間及下部空腔一起形成，例如由單個遮罩部件限定且由單個蝕刻步驟形成。此可提供在無分離且不同遮罩及/或蝕刻步驟的情況下形成隔離空間及下部空腔的益處。
參考圖5A、圖5B以及圖5C的實例，隔離空間502形成於波導210下方，且下部空腔504與上部空腔(空腔404)相鄰，從而形成單個空腔506。在實施例中，空腔506填充有空氣。在實施例中，隔離空間502填充有空氣。在一些實施方式中，空氣的折射率大約為1，所述折射率小於第一包覆層及芯層的折射率。在一些實施例中，隔離空間502及/或空腔506填充有另一媒體。在一些實施方式中，此媒體再次具有比第一包覆層204及/或第二包覆 層206的折射率更低的折射率。舉例而言，黏合材料可安置於空腔506及/或隔離空間502內。由於隔離空間502的折射率低於第一包覆層204的折射率，因此可將來自第一包覆層204的光訊號洩漏反射回芯層206。
在一些實施例中，芯層206具有錐形部分，如上文所論述，所述錐形部分具有較寬部分(例如，w2)及提供較窄側面(例如，w1)的錐形遠側末端。隔離空間502在錐形遠側末端下方自空腔506延伸至至少較寬部分(w2)的至少一部分下方。藉此，在某些實施方式中，隔離空間有效地減少光損耗。此是因為第一包覆層204與基板202之間的隔離空間502適合於防止光穿隧或減少通往基板的光傳播損耗。為了獲得足夠的結構強度，隔離空間502的長度可小於芯層206的長度。隔離空間502可具有在大約10微米與100微米之間的深度。選擇隔離空間的深度以考慮結構剛性、額外蝕刻時間的製程考慮及對周圍組件(例如，波導)的可能損壞，以及光損耗減少的充足效能。
如藉由圖5C所說明，釋放孔402與隔離空間502相鄰。釋放孔402充當允許蝕刻劑在釋放孔402的底部處接近所暴露的基板202的遞送通道。具有使蝕刻劑與基板介接的能力，蝕刻劑可選擇性地(例如等向性地)蝕刻基板202的材料。在一些實施例中，隔離空間502的底部表面可略微更深(恰好位於釋放孔402下方)，從而提供如圖5A中所說明的圓齒狀表面。
在一些實施例中，下部空腔504及隔離空間502例如利用單個蝕刻步驟同時形成。在另一實施例中，下部空腔504及隔離空間502使用上文在區塊110及區塊112中所提供的遮罩部件 302來形成，且因此可提供減少遮罩步驟以形成隔離區及/或空腔的益處。
在一些實施例中，同時(concurrently)且原位(in-situ)地執行區塊112及區塊114的蝕刻。在一些實施例中，將蝕刻劑及/或蝕刻組態(例如，等向性及非等向性)自區塊112修改為區塊114，但原位地執行蝕刻製程。
選擇區塊114的蝕刻參數(例如，時間)以基於待定位於空腔506內的組件來提供空腔506的適合深度d3。具體而言，在實施例中，空腔深度d3經提供成使得當停留於空腔506的底部表面上時，組件與波導210對準，例如中心軸線對準。在實施例中，空腔深度d3經提供成使得波導210的光傳播路徑與如參考下圖7所論述的空腔中的光纖的傳播路徑對準。所選擇的深度d3可影響在蝕刻以提供空腔深度d3的同時蝕刻期望隔離空間所需的釋放孔的組態，此將在下文參考圖8的方法800進行論述。換言之，釋放孔的組態經選擇成使得在經過調諧以提供所選擇的深度d3的蝕刻製程期間同時形成充足的隔離空間。隔離空間502的深度可小於d3，例如大約為d3的0.1倍至0.9倍。
在一些實施例中，在形成空腔506及隔離空間502之後，例如藉由適合的蝕刻或剝離製程移除遮罩部件302。
方法100接著進行至區塊116，在所述區塊116中，諸如光纖的組件安置於所形成的空腔中。參考圖6A及圖6B的實例，組件602定位於空腔504中。在一些實施例中，組件602為光纖。在一些實施例中，光纖在兩個末端之間傳輸光，其中所說明的一個末端與波導210介接。如上文所論述，空腔504的一或多個表面 將組件602定位成使得所述組件602與波導210對準。隔離空間502與空腔504相連。隔離空間502可橫向地延伸超過釋放孔402的邊緣。
圖7實質上類似於圖6A，且進一步說明經由波導210傳播至組件602(例如光纖)的波(例如，可見光)。如所說明，軸線A為芯層206的中心軸線。軸線B為光纖組件602的中心軸線。軸線A與軸線B對準。在實施例中，軸線A為波導210的傳播路徑(參見圖2D)的中心，且軸線B為提供為組件602的光纖的對應傳播路徑的中心。在一些實施例中，釋放孔402在最終元件中填充有空氣。
雖然上述例示性實施例是針對波導及光纖的定位，但是所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，本揭露的態樣可用於其他元件及應用。舉例而言，在實施例中，提供本發明方法以用於生物感測器元件。舉例而言，使用釋放孔來為生物感測器元件及其與另一組件(例如，感測器而非光纖)的介面創建隔離空間及空腔。
如上文所引入，釋放孔的組態影響位於波導下方的基板的蝕刻速率，且因此影響隔離空間的尺寸。參考圖8，說明了方法800，所述方法800包含限定如上文在方法100的實施例中所提供的遮罩部件的組態，所述遮罩部件用於形成釋放孔以及形成組件將形成於其內的空腔。方法800包含提供遮罩部件及相關聯蝕刻參數，所述相關聯蝕刻參數允許藉由精確的空腔深度控制來使波導中的光學路徑與光纖中的光學路徑中心對準且亦允許在波導下方形成隔離空間。
方法800或其部分可用於判定區塊110的遮罩部件(如藉由遮罩部件302(包含圖3A及圖3B的開口304及開口306)所例示)的圖案。亦即，經由遮罩部件302及相關聯蝕刻製程(區塊112、區塊114)的組態，判定空腔(下部空腔504)的深度及隔離空間502的深度、空腔(下部空腔504)的寬度及隔離空間502的寬度以及空腔(下部空腔504)的長度及隔離空間502的長度。在實施例中，選擇空腔(下部空腔504)的尺寸以提供期望組件與波導的對準。因此，可判定蝕刻製程參數(例如，時間及蝕刻劑)以提供空腔(下部空腔504)的所選擇的尺寸。使用此等蝕刻約束，與空腔(下部空腔504)同時形成的隔離空間502的期望尺寸可藉由改變釋放孔的組態(包含例如釋放孔的形狀(例如，如由俯視圖所繪示)、大小、密度、數量以及配置)來進行控制。此是因為釋放孔的組態影響經由釋放孔402到達基板202的蝕刻劑體積，且因此影響隔離空間502尺寸。
方法800在區塊802處開始，在所述區塊802中，判定適合於光纖部件的空腔的深度的位置。空腔深度提供適合深度以支撐光纖部件，使得光纖部件的軸線與波導部件的芯部件對準。參見圖7。判定此空腔深度以便設定在區塊804中所提供的蝕刻製程參數。
方法800接著進行至區塊804，其中提供對用以形成期望空腔的蝕刻製程參數的判定。蝕刻製程參數是基於上文所論述的區塊112及區塊114的與蝕刻劑相關聯的蝕刻速率。製程參數包含蝕刻劑、蝕刻劑濃度、時間、溫度及/或提供蝕刻速率的其他適合的參數。可選擇蝕刻製程參數以提供在區塊802中所判定的適 合空腔深度。
方法800進行至區塊806，在所述區塊806中，提供釋放孔組態以實現為結構所期望的隔離空間組態，同時應用區塊804的蝕刻製程參數及/或維持區塊802的期望空腔深度。釋放孔負載效應可在同時蝕刻創建具有目標深度的空腔時允許以單個圖案化及使用相同蝕刻製程同時形成隔離空間。釋放孔的負載效應控制進入位於波導結構下方的基板區的蝕刻劑的置放及量。負載愈大，則提供愈多的蝕刻劑。在實施例中，每一個別釋放孔的面積愈大，則提供愈大的蝕刻速率。舉例而言，釋放孔的寬度(例如，w或d)愈大，蝕刻速率愈大。在實施例中，釋放孔的寬度愈小，蝕刻速率愈低。
在實施例中，釋放孔的組態包含實質上矩形的形狀(例如，正方形)，例如如圖3B中所說明。在一些實施例中，每一釋放孔的俯視圖形狀為圓形、矩形或其他多邊形形狀。釋放孔的形狀可影響所提供的蝕刻劑的體積及蝕刻劑的位置。可進一步選擇釋放孔的形狀以易於達成圖案化性(patternability)。額外釋放孔提供更大的隔離空間尺寸。隔離空間的期望組態(包含其深度)可基於結構的效能目標(例如，傳播光的容許洩漏)來判定。
上文的圖3A、圖3B、圖4A、圖4B以及類似者說明例示性元件200的釋放孔的組態。在說明為元件200'的實施例中，釋放孔的組態包含(例如)如圖9中所說明的實質上圓形的形狀。在實施例中，如圖10中利用元件200"所說明，單個釋放孔定位於波導的芯部件的一側上，且另一釋放孔定位於芯部件的另一側上。圖10的釋放孔可以類似方式自芯層的錐形部分延伸至芯層的較寬 (例如，w2)區。相較於元件200或元件200'，圖10的組態可提供隔離空間的增大的尺寸。
方法800進行區塊808，在所述區塊808中，將區塊806的圖案實施於如上文參考圖1所描述的方法100的區塊110中所提供的遮罩部件中。有利地，在一些實施例中，使用單個罩幕來限定釋放孔的圖案及空腔的位置。
方法800接著進行至區塊810，在所述區塊810中，上文所論述的釋放孔、空腔以及隔離結構如藉由遮罩部件所限定一般進行蝕刻，且藉由如上文在上文所論述的圖1的方法100的區塊112及區塊114中所論述的蝕刻製程實施。
因此，提供包含波導的結構及方法，所述波導具有鄰近於所述波導的空腔，諸如光纖的組件可安置於所述空腔中且與波導精確地對準。在一些實施例中，在波導下與空腔同時形成隔離空間。因此，在一些實施方式中，單個遮罩部件限定空腔及產生隔離空間的釋放孔兩者。類似地用於形成空腔及隔離空間的蝕刻製程可同時執行。在一些實施方式中，隔離空間可提供諸如例如藉由提供將損耗的光反射回波導的芯部件的折射率來降低來自波導的光訊號損耗的益處。在一些實施例中，結構可提供波導與組件之間的大於70%的耦合效率。在實施例中，傳播光的TE模態波(橫電波)及TM模態波(橫磁波)具有小於10%的耦合效率差。
在一個例示性態樣中，本揭露是針對一種結構，包含：波導，包含環繞安置於基板上方的芯層的包覆層；空腔，延伸至基板中，鄰近於波導；光纖，安置於空腔中；以及隔離空間，延伸至基板中且安置於波導下方。在另一實施例中，延伸穿過包覆層的多個 孔鄰近於芯層。在實施例中，隔離空間與空腔相鄰。在一些實施方式中，隔離空間填充有空氣。在一些實施方式中，隔離空間與包覆層介接。在實施例中，芯層具有錐形末端，所述錐形末端的第一寬度收窄至小於第一寬度的第二寬度。在另一實施例中，隔離空間豎直地位於錐形末端下方。在另一實施例中，隔離空間延伸為豎直地位於第一寬度下方。
在更廣泛的實施例中的另一者中，一種結構包含安置於基板上方的波導。波導包含芯部件，所述芯部件具有主要部分及錐形末端區，所述主要部分具有第一寬度，所述錐形末端區具有自第一寬度減小至第二寬度的寬度。隔離空間安置於波導與基板之間。隔離空間插入於主要部分與基板之間且插入於錐形末端區與基板之間。空腔鄰近於波導的錐形末端區。光纖安置於空腔中且與芯部件對準。
在另一實施例中，與芯部件對準的光纖包含具有各別中心軸線的對準。隔離空間可經組態以將波反射至芯部件。在實施例中，芯部件具有第一折射率，且隔離空間具有小於第一折射率的第二折射率。在實施例中，波導更包含芯部件與隔離空間之間的包覆層。在一些實施方式中，包覆層具有第三折射率，所述第三折射率小於第一折射率且大於第二折射率。在另一實施例中，第二折射率大約為1。在一些實施方式中，包覆層包含延伸至隔離空間的多個孔。
在更廣泛的實施例中的另一者中，提供一種製造結構的方法，所述方法包含在基板上方形成具有芯層及包覆層的波導。在基板上方形成遮罩部件。遮罩部件具有限定空腔的第一開口及限 定多個釋放孔的多個第二開口。在第一開口及多個第二開口下方蝕刻包覆層以同時形成多個釋放孔及空腔的上部部分。在多個釋放孔下方蝕刻基板以形成隔離空間。
在另一實施例中，方法更包含蝕刻基板以使空腔的上部部分延伸以形成空腔的下部部分。在實施例中，蝕刻包覆層為非等向性蝕刻製程。在另一實施例中，蝕刻基板為等向性蝕刻製程。在一些實施方式中，方法包含將光纖定位於空腔中。
前述內容概述若干實施例的特徵以使得所屬技術領域中具有通常知識者可較佳地理解本揭露的態樣。所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，其可易於使用本揭露作為設計或修改用於達成本文中所引入的實施例的相同目的及/或實現相同優勢的其他製程及結構的基礎。所屬技術領域中具有通常知識者亦應認識到，此類等效構造並不脫離本揭露的精神及範疇，且所屬技術領域中具有通常知識者可在不脫離本揭露的精神及範疇的情況下在本文中作出各種改變、替代以及更改。
100:方法
102、104、106、108、110、112、114、116:區塊

Claims (10)

  1. 一種光子系統，包括：波導，包括依序堆疊在基板上的第一包覆層、芯層以及第二包覆層，其中所述第一包覆層以及所述第二包覆層的折射率大於1且小於所述芯層的折射率；空腔，延伸至所述基板中，鄰近於所述波導；光纖，安置於所述空腔中；以及隔離空間，延伸至所述基板中且安置於所述波導下方，其中所述芯層具有錐形末端，所述錐形末端被所述第二包覆層覆蓋且與所述空腔保持距離，所述距離大於或等於10微米且小於或等於50微米。
  2. 如請求項1所述的光子系統，更包括：多個孔，延伸穿過所述第一包覆層以及所述第二包覆層，鄰近於所述芯層。
  3. 如請求項1所述的光子系統，其中所述隔離空間與所述空腔相鄰。
  4. 如請求項1所述的光子系統，其中所述隔離空間填充有空氣。
  5. 如請求項1所述的光子系統，其中所述隔離空間介接於所述第一包覆層以及所述第二包覆層。
  6. 如請求項1所述的光子系統，其中所述錐形末端的第一寬度收窄至小於所述第一寬度的第二寬度。
  7. 如請求項1所述的光子系統，更包括：多個孔，延伸穿過所述第一包覆層以及所述第二包覆層且與 所述隔離空間相鄰。
  8. 如請求項7所述的光子系統，其中所述多個孔填充有空氣。
  9. 一種光子系統，包括：波導，安置於基板上方，其中所述波導包括依序堆疊在所述基板上的第一包覆層、芯層以及第二包覆層，其中所述第一包覆層以及所述第二包覆層的折射率大於1且小於所述芯層的折射率，所述芯層具有主要部分以及錐形末端，所述主要部分具有第一寬度，且所述錐形末端自所述第一寬度收窄至小於所述第一寬度的第二寬度；隔離空間，位於所述波導與所述基板之間，其中所述隔離空間插入於所述主要部分與所述基板之間且插入於所述錐形末端與所述基板之間；空腔，鄰近於所述波導的所述錐形末端，其中所述錐形末端被所述第二包覆層覆蓋且與所述空腔保持距離，所述距離大於或等於10微米且小於或等於50微米；以及光纖，安置於所述空腔中且與所述芯層對準。
  10. 一種形成光子系統的方法，包括：在基板上方形成波導，所述波導包括依序堆疊在所述基板上的第一包覆層、芯層以及第二包覆層，其中所述第一包覆層以及所述第二包覆層的折射率大於1且小於所述芯層的折射率，所述芯層具有被所述第二包覆層覆蓋的錐形末端；在所述基板上方形成遮罩部件，其中所述遮罩部件具有限定空腔的第一開口及限定多個釋放孔的多個第二開口，其中所述第 一開口與所述錐形末端保持距離；在所述第一開口及所述多個第二開口下方蝕刻所述包覆層以同時形成所述多個釋放孔及所述空腔的上部部分，其中所述空腔的所述上部部分與所述錐形末端保持距離，所述距離大於或等於10微米且小於或等於50微米；以及在所述多個釋放孔下方蝕刻所述基板以形成隔離空間。
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