含有具有可变折射率的材料的可调谐光栅耦合器的制作方法

1.本发明涉及光子芯片，尤其涉及包括光栅耦合器的结构，以及形成包括光栅耦合器的结构的方法。


背景技术：

2.光子芯片用于许多应用及系统中，例如数据通信系统以及数据计算系统。光子芯片将光学组件(例如波导、光学开关、光栅耦合器，以及偏振器)与电子组件(例如场效应晶体管)集成于统一的平台中。除其它因素以外，布局面积、成本以及操作开销可通过在该光子芯片中集成两种类型的组件来减小。
3.在光子芯片中通常使用光栅耦合器，以在光探测和测距(light detection and ranging；lidar)系统中提供天线，以及在硅光子相位阵列中提供天线。光栅耦合器是平面结构，其可以给定的发射角引导激光脉冲离开芯片或接收激光脉冲。传统的光栅耦合器是被动光学组件，其光学性能无法被调谐、切换或以其它方式配置或重新配置。
4.需要改进的包括光栅耦合器的结构，以及形成包括光栅耦合器的结构的方法。


技术实现要素：

5.在本发明的一个实施例中，一种结构包括平板层以及包括在该平板层上以间隔关系定位的多个片段的光栅耦合器。该多个片段由活性材料组成，该活性材料经配置以响应施加刺激而具有第一状态以及第二状态，该第一状态具有第一折射率，该第二状态具有第二折射率。
6.在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成平板层，以及形成包括在该平板层上以间隔关系定位的多个片段的光栅耦合器。该多个片段由活性材料组成，该活性材料经配置以响应施加刺激而具有第一状态以及第二状态，该第一状态具有第一折射率，该第二状态具有第二折射率。
附图说明
7.包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本发明的各种实施例，并与上面所作的有关本发明的概括说明以及下面所作的有关该些实施例的详细说明一起用以解释本发明的该些实施例。在该些附图中，类似的附图标记表示不同视图中类似的特征。
8.图1显示包括依据本发明的实施例处于制程方法的初始制造阶段的结构的光子芯片的顶视图。
9.图2显示大体沿图1中的线2-2所作的该结构的剖视图。
10.图3显示处于图2之后的制造阶段的该结构的剖视图。
11.图3a显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。
12.图4显示包括依据本发明的替代实施例的结构的光子芯片的顶视图。
13.图5显示包括依据本发明的替代实施例的结构的光子芯片的顶视图。
14.图6显示大体沿图5中的线6-6所作的该结构的剖视图。
15.图7-8显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
16.图9-10显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。
具体实施方式
17.请参照图1、2并依据本发明的实施例，结构10包括与波导芯14耦接的光栅耦合器12。光栅耦合器12定位于平板层16上。在该代表性实施例中，平板层16是波导芯14的整合部分，且可由与波导芯14相同的材料组成。在一个实施例中，波导芯14可由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成。在一个实施例中，该单晶半导体材料可源自绝缘体上硅衬底的装置层，该绝缘体上硅衬底还包括埋置氧化物层18以及由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成的衬底20。可在光子芯片50的前端工艺制程期间通过光刻及蚀刻制程自该绝缘体上硅衬底的该装置层图案化波导芯14。在该代表性实施例中，波导芯14的平板层16为矩形垫，其通过锥部与波导芯14的较窄部分连接。
18.光栅耦合器12可包括以给定间距在波导芯14的平板层16上横向隔开的光栅结构或片段22。在该代表性实施例中，片段22是长度尺寸l大于宽度尺寸的矩形脊或带，且沿其相应长度尺寸呈平行布置。在一个实施例中，片段22可与波导芯14的平板层16直接接触，并突伸远离平板层16的顶部表面。片段22可具有垂直的侧壁，如图所示，或具有某种程度的锥化及/或弯曲的侧壁。波导芯14的该较窄部分经配置以将激光引导至光栅耦合器12或引导激光离开光栅耦合器12。
19.光栅耦合器12的片段22与凹槽24交替布置，该些凹槽隔开相邻对的片段22。凹槽24延伸至波导芯14的平板层16，以在相邻片段22之间暴露平板层16的条带。在一个实施例中，片段22可具有均匀的宽度及/或在相邻片段22之间的均匀间距，以定义周期性布置。在一个替代实施例中，片段22可具有不均匀的宽度及/或相邻片段22之间不均匀的间距。在一个替代实施例中，片段22可为弯曲的脊，而不是该代表性实施例中的线性脊。
20.片段22可含有以可变折射率为特征的活性材料，该可变折射率可随施加偏置电压的变化而变化，以在以不同折射率为特征的离散状态之间转换。例如，依据该施加偏置电压，各片段22的活性材料可具有以高折射率为特征的状态以及以小于该高折射率的低折射率为特征的状态。例如，与该偏置电压不存在时相比，当该偏置电压存在时，该活性材料的折射率的实部(real part)可较高，从而提供以高折射率状态及低折射率状态为特征的两态系统(two-state system)。在替代实施例中，可通过施加及移除与电性偏置不同类型的施加刺激(例如通过光学泵浦的加热或光学吸收)来产生状态间转换。
21.片段22可由通过原子层沉积或化学气相沉积来沉积的层形成并通过光刻及蚀刻制程图案化。在一个实施例中，片段22可由导电氧化物组成，例如氧化铟锡(ito)。在一个实施例中，片段22可由相变材料组成，例如氧化钒或碲化锗锑。在一个实施例中，片段22可由二维材料组成，例如石墨烯或二硫化钼。在一个替代实施例中，片段22可由有机材料组成，例如聚合物。
22.请参照图3，其中，类似的附图标记表示图2中类似的特征，且在下一制造阶段，在光栅耦合器12及波导芯14上方形成介电层26。介电层26可由介电材料(例如二氧化硅)组成，介电材料是通过化学气相沉积来沉积，并利用例如化学机械抛光平坦化，以移除形貌。
片段22嵌入或埋置于介电层26的介电材料中，以使凹槽24被介电层26的介电材料填充。
23.通过中间工艺(mol)制程在介电层26中形成接触件28、30。该些接触件28的其中之一与各片段22耦接，且在一个实施例中，接触件28可与片段22直接连接。接触件30与平板层16耦接，且在一个实施例中，接触件30可与平板层16直接连接。在一个实施例中，接触件28可邻近片段22的端部的其中一端或另一端设置，或设置于片段22的两端，以避免在使用期间阻碍光栅耦合器12。
24.可在介电层26上方通过后端工艺(beol)制程形成后端工艺堆叠。该后端工艺堆叠可包括由介电材料(例如二氧化硅或低k介电材料)组成的一个或多个介电层34，以及设置于该一个或多个介电层34中的由金属(例如铜或铝)组成的金属特征36。
25.片段22可被单独设置于不同的状态，其中，其活性材料的可变折射率是可调谐的(也就是，可切换的)，以提供不同状态之间的转换。该状态间转换可通过施加及移除施加刺激(例如，施加偏置电压)来产生。在此方面，可通过接触件28、30及金属特征36自电源供应该偏置电压，以在不同的折射率状态之间选择性调谐各片段22的折射率。在一个实施例中，在施加偏置电压不存在的情况下，各片段22的活性材料可具有低折射率，而在施加偏置电压存在的情况下，各片段22的活性材料可具有高折射率。
26.结构10(在本文中所述的其任意实施例中)可被集成于包括电子组件及额外光学组件的光子芯片50(图1)中。例如，该电子组件可包括通过cmos前端工艺(feol)制程制造的场效应晶体管。
27.光栅耦合器12可基于各可调谐片段22的不同折射率状态的组合在不同的光耦合状况之间配置，从而为调制自光栅耦合器12发射或由光栅耦合器12接收的激光提供额外的自由度。例如，光栅耦合器12可经配置以在光栅耦合器12在特定波长对激光具有高耦合效率的“开启”光耦合状况与光栅耦合器12在该特定波长具有低耦合效率的“关闭”光耦合状况之间切换。为产生该切换，可向所有片段22施加偏置电压，以提供该“开启”光耦合状况的高耦合效率，以及自所有片段22移除该偏置电压，以提供该“关闭”光耦合状况的低耦合效率。又例如，光栅耦合器12可经配置以偏移光谱及峰值波长，从而扩展用于光栅耦合器12的操作的波长范围。例如，为产生偏移，可向所有片段22施加偏置电压来发射或接收在给定峰值波长的激光，以提供光耦合状况，且随后，仅向交替的片段22施加该偏置电压，以接收或发射在不同峰值波长的激光，从而提供不同的光耦合状况。
28.请参照图3a，其中，类似的附图标记表示图1中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，可在邻近片段22的该后端工艺堆叠的一个或多个介电层34中设置加热器38。加热器38通过该后端工艺堆叠中的金属特征36与电源耦接，以向加热器38供电，从而提供促使相关片段22的材料的折射率变化的温度变化。与接触件28(图3)类似，加热器38定位成邻近片段22的一端，旨在避免在使用期间阻碍光栅耦合器12。在一个实施例中，可邻近片段22的另一端设置与加热器38类似的另一个加热器(未显示)。
29.在操作期间，热量从受电的加热器38通过该后端工艺堆叠被传递至片段22。可通过选择性施加热量作为该施加刺激来改变片段22的温度，以提供具有低于特征转换温度的低折射率的状态以及高于该转换温度的高折射率的状态。例如，与该活性材料的温度低于该转换温度时相比，当该活性材料的温度高于该转换温度时，该活性材料的折射率的实部可较高。
30.请参照图4，其中，类似的附图标记表示图1中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，结构10所处的平板层16可具有不同的形状(为锥形)，且可作为波导芯14的整合部分与波导芯14直接连接。片段22可具有经调节以适应平板层16的锥形宽度的不同长度。例如，片段22的长度可逐渐缩短，以适应平板层16的窄化宽度。在一个替代实施例中，片段22可为具有不同弧长的弯曲脊或弧，而不是如该代表性实施例中那样具有不同长度的线性脊。
31.请参照图5、6，其中，类似的附图标记表示图1、2中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，结构10的片段22可以多行布置，片段22的尺寸经调节以允许在平板层16上的行内设置。片段22的尺寸、位置及间距可经选择以提供特定范围的可调谐性。在一个实施例中，片段22可具有均匀的长度、宽度，以及厚度尺寸，并可具有非倾斜的侧壁。在一个替代实施例中，片段22还可以列布置，从而定义矩阵。接触件28的其中之一可与各片段22耦接。对于小于自波导芯14接收的激光的波长的特征尺寸，片段22可被视为以不同于块体属性的属性(例如折射率)为特征的超材料。
32.介电层40可定位于平板层16的全部或部分上方的片段22与平板层16之间。介电层40可用于改善光栅耦合器12对以特定模式(例如横磁模式)传播的激光的光耦合。介电层40可经成形以使平板层16的部分未被覆盖，从而允许接触件30(图3)着陆在平板层16的未覆盖部分上，以提供电性连接作为至片段22的电性连接的补充，并在使用期间提供闭合电路。在一个替代实施例中，可省略介电层40，以使片段22与平板层16直接接触。
33.请参照图7，其中，类似的附图标记表示图5中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，结构10所处的平板层16可具有不同的形状(为锥形)，且可与波导芯14直接连接作为整合部分。各行中的片段22的数目可经调节以适应平板层16的窄化宽度。例如，各行中的片段22的数目可逐渐减少，以适应平板层16的窄化的锥形宽度。
34.请参照图8，其中，类似的附图标记表示图7中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，结构10的片段22可为铺设于平板层16并通过光刻及蚀刻制程图案化的活性材料的原本未破裂的层42中的开口。片段22的位置可通过在光刻期间所使用的蚀刻掩模在图案化期间定义。定义片段22的该些开口可穿过层42完全延伸至平板层16。
35.请参照图9，其中，类似的附图标记表示图2中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯14可由介电材料例如氮化硅组成，其被沉积为层并通过光刻及蚀刻制程图案化。片段22定位于层44上，该层44在形成光栅耦合器12之前形成于波导芯14的平板层16上方。层44可由导体例如氧化铟锡、钨或多晶硅组成，且层44可设于片段22与平板层16之间。接触件30(图3)与层44耦接，以提供电性连接作为至片段22的电性连接的补充。
36.请参照图10，其中，类似的附图标记表示图2中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，平板层16可由导体例如氧化铟锡、钨或多晶硅组成，其定位于埋置氧化物层18上并在结构上不同于波导芯14。在一个实施例中，平板层16可由导体例如氧化铟锡、钨或多晶硅组成，其定位于埋置氧化物层18上。在一个实施例中，平板层16可定位成与埋置氧化物层18直接接触。片段22形成于平板层16上，且波导芯14可在一边与平板层16叠置。
37.上述方法用于集成电路芯片的制造。制造者可以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸芯片，或者以封装形式分配所得的集成电路芯片。可将该芯片与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的部分。该最终产品可为包括集成电路芯片的任意产品，例如具有中央处理器的电脑产品
或智能手机
38.本文中引用的由近似语言例如“大约”、“大致”及“基本上”所修饰的术语不限于所指定的精确值。该近似语言可对应于用以测量该值的仪器的精度，且除非另外依赖于该仪器的精度，否则可表示所述值的 /-10％。
39.本文中引用术语例如“垂直”、“水平”等作为示例来建立参考框架，并非限制。本文中所使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的传统平面平行的平面，而不论其实际的三维空间取向。术语“垂直”及“正交”是指垂直于如刚刚所定义的水平面的方向。术语“横向”是指在该水平平面内的方向。
40.与另一个特征“连接”或“耦接”的特征可与该另一个特征直接连接或耦接，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可与另一个特征“直接连接”或“直接耦接”。如存在至少一个中间特征，则特征可与另一个特征“非直接连接”或“非直接耦接”。在另一个特征“上”或与其“接触”的特征可直接在该另一个特征上或与其直接接触，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可直接在另一个特征“上”或与其“直接接触”。如存在至少一个中间特征，则特征可“不直接”在另一个特征“上”或与其“不直接接触”。
41.对本发明的各种实施例所作的说明是出于示例说明的目的，而非意图详尽无遗或限于所揭示的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离所述实施例的范围及精神。本文中所使用的术语经选择以最佳解释实施例的原理、实际应用或在市场已知技术上的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中所揭示的实施例。