包括凹槽膜的边缘耦合器的制作方法

1.本发明涉及光子芯片，更具体地，涉及包括边缘耦合器的结构和制造包括边缘耦合器的结构的方法。


背景技术：

2.光子芯片用于许多应用和系统，包括数据通信系统和数据计算系统。光子芯片将波导、光开关、边缘耦合器和偏振器等光学组件和场效应晶体管等电子组件集成到一个统一平台中。除其他因素外，布局面积、成本和运营开销可以通过两种类型的组件的集成来减少。
3.边缘耦合器通常用于在光纤和光子芯片上的光学组件之间耦合激光。边缘耦合器可以包括在光子芯片边缘处的波导核心的锥形区段。边缘耦合器的模式尺寸比光纤发射的激光束小得多。由于模式尺寸不匹配以及模式形状的差异，可能会导致光纤和边缘耦合器之间的光耦合效率低下。边缘耦合器制造过程中的不确定性，例如材料折射率的不确定性，可能会导致所需模式形状和模式尺寸的偏移。此外，导致封装错误的制造缺陷可能导致光纤和边缘耦合器之间的未对准。这些低效率和其他问题可能会导致显着的耦合损耗。
4.需要改进的包括边缘耦合器的结构和制造包括边缘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，提供了一种用于边缘耦合器的结构。该结构包括具有边缘的第一介电层、在第一介电层上的波导核心区、以及在波导核心区和第一介电层上的第二介电层。波导核心区具有锥形区段，锥形区段的端面终止于邻近第一介电层的边缘。第二介电层包括第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽各自位于邻近波导核心区的锥形区段。
6.在本发明的一个实施例中，提供了一种形成用于边缘耦合器的结构的方法。该方法包括在第一介电层上形成波导核心区。波导核心区具有锥形区段，锥形区段的端面终止于邻近第一介电层的边缘。该方法还包括在波导核心区和第一介电层上形成第二介电层，以及在第二介电层中形成第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽和第二沟槽各自位于邻近波导核心区的锥形区段。
附图说明
7.包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的各种实施例，且与上面给出的本发明的一般描述和下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的实施例。在附图中，类似的附图标记指代在各种视图中类似的特征。
8.图1是根据本发明实施例的处理方法的初始制造阶段的结构的俯视图。
9.图2是大致沿图1中的线2-2截取的结构的横截面图。
10.图3是在图1之后的处理方法的制造阶段的结构的俯视图。
11.图4是大致沿图5中的线4-4截取的结构的横截面图。
12.图5是在图3之后的处理方法的制造阶段的结构的俯视图。
13.图6是大致沿图5中的线6-6截取的结构的横截面图。
14.图7是根据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
15.图8是根据本发明的替代实施例的结构的横截面图。
具体实施方式
16.参考图1、图2并且根据本发明的实施例，边缘耦合器的结构10包括具有锥形区段18的波导核心区12，该锥形区段18相对于端面14成反锥形。波导核心区12可以纵向定向为沿纵轴16对齐。在代表性实施例中，端面14终止波导核心区12的锥形区段18。锥形区段18的宽度可以随着距端面14的距离的增加而增加。
17.激光可以从光纤(未示出)导向波导核心区12的端面14。激光可以具有给定的波长、强度、模式形状和模式尺寸。光纤和波导核心区12的端面14之间的间隙或空间可以由空气填充，或者，可以由折射率匹配材料填充，或者可以包括透镜。波导核心区12的端面14提供具有给定横截面面积的表面，该表面最终与光纤对接并且参与接收从光纤发射的激光。
18.波导核心区12可以布置在介电层26上方。在一个实施例中，介电层26可以由二氧化硅构成。在一个实施例中，介电层26可具有约1微米至约5微米的厚度t1、约2微米至约4微米的厚度、或优选地约2.5微米的厚度。在一个实施例中，介电层26可以是绝缘体上硅晶片的掩埋氧化物层，并且绝缘体上硅晶片可以进一步包括由单晶半导体材料(例如单晶硅)构成的衬底28。波导核心区12可由单晶半导体材料构成，例如单晶硅。在一个实施例中，波导核心区12可以通过光刻和蚀刻工艺从绝缘体上硅晶片的单晶硅器件层图案化。
19.波导核心区12的端面14位于邻近衬底28的侧表面或边缘29。波导核心区12的锥形区段18包括相对的侧壁或侧表面22、24，侧壁或侧表面22、24沿着锥形区段18的长度随着距端面14的距离增加而发散以限定倒锥体(inverse taper)。波导核心区12的锥形区段18可以在端面14处具有等于最小宽度w1的宽度尺寸。波导核心区12的锥形区段18可以平行于纵轴16从端面14纵向延伸到在波导核心区12的非锥形区段的过渡处的相对端。
20.参考图3、图4，其中相同的附图标记指代图1和图2中相同的特征以及在随后的制造阶段，在介电层26上方形成后段工序(back-end-of-line)堆叠(未示出)，并且靠近波导核心区12的后段工序堆叠的一部分被移除并由介电层32代替。介电层32位于波导核心区12和介电层26上方。介电层32可以由介电材料组成，例如二氧化硅，通过化学气相沉积沉积并通过例如化学机械抛光来去除形貌。介电层32可以具有从顶面33到与介电层26的界面测量的厚度t2。在实施例中，介电层26、32可以具有在大约5微米到大约15微米的范围内、在约7微米至约12微米的范围内、或等于约9.5微米的总厚度。在实施例中，介电层32可具有在约1.3至约1.7的范围内、在约1.4至约1.5的范围内、或等于约1.45的折射率。在一个实施例中，介电层32的折射率可以等于或基本上等于介电层26的折射率。在一个替代实施例中，介电层32可以包括组成基本上相似但不相同的多个介电子层。
21.在衬底28中形成凹槽30，其从衬底28的边缘29延伸到介电层26的侧表面或边缘27，然后在介电层26和波导核心区12的锥形区段18下方作为底切(undercut)。介电层26的边缘27位于邻近波导核心区12的端面14。可使用光刻和蚀刻工艺来形成矩形开口，该矩形
开口延伸穿过介电层26、32并在边缘29处进入衬底28中，并且还形成延伸穿过介电层26、32并进入邻近波导核心区12的衬底28中的孔(未示出)。矩形开口的形成限定了介电层26的边缘27。然后用抗蚀剂掩蔽衬底28中的矩形开口，并且通过使用例如六氟化硫等离子体的蚀刻工艺通过孔蚀刻波导核心区12下方的衬底28以提供底切。在去除抗蚀剂之后，可以使用湿化学蚀刻剂，例如包含四甲基氢氧化铵(tmah)的溶液来提供边缘27、29之间的凹槽30的部分和提供具有v形或u形的底切的凹槽30的部分。湿化学蚀刻剂可表现出关于衬底28的半导体材料的晶体取向的选择性，并且其特征在于沿不同晶体方向的不同蚀刻速率，其产生v形或u形。
22.衬底28中的凹槽30的一部分位于邻近介电层26的边缘27和波导核心区12的端面14。光纤的尖端可以被插入并且至少部分地由凹槽30中与波导核心区12的端面14相邻的部分的侧壁31支撑。低折射率粘合剂可用于组装光纤的尖端并可填充凹槽30的全部或部分。在实施例中，波导核心区12的端面14可以与介电层26的边缘27隔开间隙g1，间隙g1小于约40微米，在约2微米至约15微米的范围内，或等于约1微米。在一个实施例中，波导核心区12的端面14可以与介电层26的边缘27共同延伸，使得间隙g1不存在。凹槽30的一部分位于波导核心区12下方，而介电层26的一部分位于凹槽30和波导核心区12之间。介电层26的位于凹槽30上方的部分限定了由于凹槽30的存在而被底切的膜。
23.参考图5、图6，其中相同的附图标记指代图3和图4中相同的特征和在随后的制造阶段，介电层32通过光刻和蚀刻工艺被图案化以形成在介电层32中限定细长凹槽的沟槽34、36。沟槽34、36可以相对于介电层32的顶面33延伸至深度d并且具有位于深度d处的各自的沟槽底部46、48。在一个实施例中，沟槽34、36的深度d可以等于或基本上等于介电层32的厚度。在替代实施例中，沟槽34、36可以部分地延伸穿过介电层32，使得沟槽34、36的深度d小于介电层32的厚度。在替代实施例中，沟槽34、36可以完全穿透介电层32并进入介电层26中，使得沟槽34、36的深度d大于介电层32的厚度。沟槽34具有与沟槽底部46相交的侧壁50,51，并且沟槽36具有与沟槽底部48相交的侧壁52、53。沟槽34、36的特征还在于它们各自的沟槽底部46、48处的宽度w2、侧壁倾斜角θ、以及在深度d的一半处的侧壁到侧壁间距s。
24.波导核心区12的锥形区段18横向位于沟槽34和沟槽36之间。在一个实施例中，波导核心区12的锥形区段18可以居中或基本上居中于沟槽34和沟槽36之间。沟槽34可以沿纵轴40对齐纵向延伸，并且沟槽36可以沿纵轴42对齐纵向延伸。在一个实施例中，纵轴40可以被定向成平行于或基本上平行于纵轴42。在一个实施例中，纵轴40、42可以被定向成平行于或基本上平行于波导核心区12的纵轴16。
25.沟槽34、36可以具有与介电层26的边缘27相邻的各自的端面35、37。在一个实施例中，沟槽34的端面35和沟槽36的端面37可以是由间隙g2与介电层26的边缘27隔开。在实施例中，间隙g2可小于约50微米，在约2微米至约20微米的范围内，或等于约5微米。在一个实施例中，端面35、37可以延伸到介电层26的边缘27，使得间隙g2不存在。
26.在实施例中，沟槽34、36的宽度w2可以在从大约1微米到大约50微米的范围内，从大约3微米到大约15微米的范围内，或者等于大约5微米。在实施例中，沟槽34、36之间的间距s可以在从大约5微米到大约15微米的范围内、从大约8微米到大约13微米的范围内、或者等于大约11微米。在实施例中，侧壁倾斜角θ可以在从大约45度到大约110度的范围内，从大约70度到大约95度的范围内，或者等于大约85度。在一个实施例中，沟槽34、36的折射率可
以小于介电层26、32的折射率。在一个实施例中，沟槽34、36可以由空气填充。
27.在本文描述的其任何实施例中，结构10可以集成到包括电子组件和附加光学组件的光子芯片中。例如，电子组件可以包括通过cmos处理制造的场效应晶体管。
28.结构10限定了布置在凹槽30上方的带凹槽的悬浮膜。沟槽34、36可以提供辅助限制，其促进波导核心区12的锥形区段18与具有位于凹槽30中的尖端的光纤的有效对接端光学耦合。在这方面，沟槽34、36可以改善与光纤输出的激光的模式匹配(即模式形状和/或模式尺寸的匹配)以提高光学耦合的效率。沟槽34、36可以设置模式形状，并且波导核心区12可以使模式从根本上被引导并限制其通过侧表面22、24的大量泄漏。沟槽34、36可以限制与波导核心区12的高度和宽度的制造公差以及介电层26、32和波导核心区12的折射率的制造公差相关联的模式形状和模式尺寸的可变性。
29.参考图7，其中相同的附图标记指代图1中的相同特征并且根据本发明的替代实施例，波导核心区12的锥形区段18可以被分成多个区段或分段38，这些区段或分段38沿着纵轴16以给定的节距(pitch)和占空比(duty cycle)横向间隔开，并且是由给定尺寸的间隙g3分隔开。分段38可以在形成波导核心区12的光刻和蚀刻工艺期间限定，并且占空比可以等于间隙的尺寸g3与分段38的节距的比率。分段38具有横向于纵轴16的方向上的各个宽度尺寸，这些分段提供波导核心区12的锥形区段18的锥形化。分段38以足够小的节距定位，以便不辐射或反射工作波长的光并充当一种有效的光学材料，因此定义了超材料波导。在一个实施例中，波导核心区12中的分段38的宽度尺寸可以随着距端面14的距离的增加而增加。在一个实施例中，波导核心区12中的分段38的节距可以随着距端面14的距离的增加而减小。在一个实施例中，波导核心区12中的分段38的占空比和节距可以随着距端面14的距离的增加而增加。波导核心区12的分段38的布置可以表征为与分段38和介电层26的间隙中的部分的整体光学特性不同的光学特性(例如，折射率)。在一个实施例中，分段38的节距可以基本上小于结构10从光纤接收的激光波长的一半。
30.在实施例中，分段波导核心区12的分段38可具有约1.7至约2.7范围内的折射率、约0.15微米至约0.4微米范围内的厚度、在端面14处约0.1微米至约0.25微米的范围的宽度、以及约0.15至约0.35的占空比。在实施例中，分段波导核心区12的分段38可具有约2.7至约4.5范围内的折射率、约0.14微米至约0.25微米范围内的厚度、在端面14处为约0.05微米至约0.12微米的范围的宽度、以及约0.15至约0.35的占空比。在一个实施例中，分段波导核心区12的分段38可以具有等于约3.5的折射率、等于约0.15微米的厚度、在端面14处等于约0.09微米的宽度以及等于约0.25微米的占空比。在实施例中，分段38的节距可在约0.1微米至约0.4微米的范围内，或在约0.15微米至约0.3微米的范围内。
31.参考图8，其中相同的附图标记指代图6中的相同特征并且根据本发明的替代实施例，可以改变介电层26以包括区段54和区段56，区段54与沟槽34、36的沟槽底部46、48相邻并在沟槽34、36的沟槽底部46、48下方，区段56布置成与部分54相邻。介电层26的区段54可以具有宽度w3，其大于在各自的沟槽底部46、48处的沟槽34、36的宽度，并且因此，介电层32可以与邻近沟槽34、36的各自的沟槽底部46、48的介电层26的区段54重叠。重叠的程度可以小于介电层26的厚度t1。
32.在一个实施例中，介电层26的区段54可以具有与区段56不同的成分。在一个实施例中，区段54可以包含通过等离子体增强化学气相沉积而沉积的二氧化硅，并且区段56可
以含有通过热氧化过程形成的二氧化硅。在一个实施例中，介电层26的区段54可以由具有与介电层26的邻近区段56的介电材料的折射率不同的折射率的介电材料构成。在一个实施例中，区段54的介电材料的折射率可以略大于区段56的介电材料的折射率。在一个实施例中，区段54的介电材料的折射率可以基本上等于介电层32的介电材料的折射率。在一个实施例中，介电层32和介电层26的区段54的各自的折射率可以比介电层26的区段56的折射率大0.001无量纲单位(dimensionless unit)到0.015无量纲单位。
33.如上所述的方法用于制造集成电路芯片。所得集成电路芯片可由制造商以原始晶片形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸片或以封装形式分发。芯片可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理设备集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
34.本文对由近似语言修饰的术语，例如“约”、“大约”和“基本上”的引用，不限于指定的精确值。近似语言可能对应于用于测量值的仪器的精度，除非另外依赖于仪器的精度，否则可能表示所述值的 /-10％。
35.此处对诸如“垂直”、“水平”等术语的引用是作为示例而非限制进行的，以建立参考框架。如本文所用，术语“水平”被定义为平行于半导体衬底的常规平面的平面，而不管其实际的三维空间取向。术语“垂直”和“法线”指的是垂直于水平线的方向，正如刚刚定义的那样。术语“横向”是指水平面内的方向。
36.特征“连接”或“耦合”到另一特征或与另一特征“连接”或“耦合”可以直接连接或耦合到另一特征或与另一特征直接连接或耦合，或者可以存在一个或多个居间特征。如果不存在居间特征，则特征可以与另一特征“直接连接”或“直接耦合”。如果存在至少一个居间特征，则特征可以与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。一个特征“在上”或“接触”另一个特征可能直接在另一个特征上或与另一个特征直接接触，或者可以存在一个或多个居间特征。如果不存在居间特征，一个特征可能与另一个特征“直接在上”或“直接接触”。如果存在至少一个居间特征，则特征可能与另一个特征“间接在上”或“间接接触”。
37.本发明的各种实施例的描述是出于说明的目的而呈现的，但并非旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。选择此处使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域技术人员能够理解此处公开的实施例。