CN107564907B - 两个波导之间的接合区域以及相关制造方法 - Google Patents

两个波导之间的接合区域以及相关制造方法 Download PDF

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Abstract

光子集成装置包括至少第一波导(G1)和第二波导(G2)，两个波导由包括突节(R)的接合区域(JCN)相互耦合。

Description

两个波导之间的接合区域以及相关制造方法
技术领域
本发明的实施方式和实施例的模式涉及光子集成电路，特别地涉及包括不同波导的光子集成电路，以及最特别地涉及用于将这些不同波导相互耦合的装置。
背景技术
常规地，在两个波导之间的接合区域中，例如在肋条波导和条带波导之间，肋条波导的板片逐步减小，直至其与条带波导的肋条相同宽度。
如图1和图2中所示，该接合类型可以常规地经由部分地刻蚀硅膜1的第一操作而制造，使用掩模M1(图1)实现刻蚀操作，并且刻蚀操作允许刻蚀界定了肋条波导的板片和肋条、并且特别地界定其宽度逐步减小的第一波导的板片的第一区域2。
使用掩模M2(图2)实现的、第二刻蚀操作允许界定条带波导，以及允许完全刻蚀位于两个波导任一侧上的绝缘层的区域3。
然而，当执行两个刻蚀操作时，可能在两个掩模之间发生对准误差，例如沿着横轴线X的、可以潜在地超过30纳米的偏移。
对于常规宽度(也即数百纳米)的条带波导而言，这些偏移在两个波导之间导致断裂或障壁，从而引起光学信号的显著衰减或寄生反射。
发明内容
因此，根据一个实施例，提出了一种在两个波导之间的接合区域并且其制造方法对于对准误差是稳健的，两个波导展现了大大减小了或甚至不存在的断裂。
根据一个方面，提出了一种光子集成装置，包括半导体衬底。半导体衬底包括第一侧部区域、第二侧部区域、中央区域、位于第一侧部区域和中央区域之间的第一中间区域、位于第二侧部区域和中央区域之间的第二中间区域。
衬底至少包括：包括在第一侧部区域中的一部分的第一波导，以及包括在第二侧部区域中的一部分的第二波导，两个波导由接合区域相互耦合。接合区域包括位于中央区域中的中央接合区域、第一中间接合区域和第二中间接合区域。第一中间接合区域和第二中间接合区域分别延伸至第一中间区域和第二中间区域中并同时逐渐变宽，以便于接触中央接合区域而以便于形成突节。
因此，突节有利地允许光学信号从一个波导传递至另一个波导,而同时依靠波导宽度的逐渐变化将光波维持在它们的基谐模式(fundamental mode)中，并且同时减小损耗和寄生反射的效应。用于制造该接合区域的方法也是有利的，如以下将描述。
至少第一波导包括在第二部分上制造的第一部分，第二部分比至少第一波导的第一部分更宽。另外，第一波导可以是肋条波导。
接合区域包括所述第二部分的一部分，从第一侧部区域延伸至第一中间区域中并且至中央区域的一部分中，而同时逐渐变窄直至达到中央接合区域的宽度。
因此，在中央区域中，保持在波导的中部中的光学信号不再受界定了波导边缘的界面的影响。因此，如果在该区域中发生波导形式的改变，将不会发生反射或信号损失。
根据该方面的第一实施例，第二波导也可以包括在第二部分上制造的第一部分，第二部分比第二波导的第一部分更宽，并且接合区域额外地包括所述第二部分的一部分，从第二侧部区域延伸至第二中间区域中并且至中央区域的一部分中，而同时逐渐变窄直至到达中央接合区域的宽度。
另外，第一波导和第二波导是肋条波导。
第一中间区域和第二中间区域的长度可以不同。
接合区域的总长度可以有利地小于或等于三十五微米。
根据另一方面，提出了一种用于制造光子集成装置的方法，光子集成装置包括由接合区域相互连接的两个波导，方法包括刻蚀半导体衬底的两个连续操作。
根据该另一方面的总体特征，除了由第一掩模掩蔽的第一区域之外，第一刻蚀操作包括部分刻蚀衬底，以及除了仍然由第一掩模掩蔽的第一区域之外，第二刻蚀操作包括完全刻蚀衬底，以及由第二掩模掩蔽的第二区域之外，第一刻蚀操作和第二刻蚀操作在衬底中限定了突节。
第一掩模可以例如常规地是氧化硅、氮化硅、非晶碳、或氮化钛的硬掩模，以及第二掩模可以常规地是抗蚀剂掩模。
根据实施方式的第一模式，衬底包括：第一侧部区域，第二侧部区域，中央区域，位于第一侧部区域和中央区域之间的第一中间区域，以及位于第二侧部区域和中央区域之间的第二中间区域，以及第一掩模包括位于第一侧部区域中的第一部分，位于第二侧部区域中的第二部分，位于中央区域中的中央掩模区域，分别延伸至第一和第二中间区域中而同时逐渐变宽以便于接触中央掩模区域的第一中间掩模区域和第二中间掩模区域，以及第二掩模包括恒定宽度的矩形掩模区域，以及延伸至第一中间区域中并至衬底的中央区域的一部分中而同时变窄的第二中间掩模区域。
因此，第二掩模具有位于第一掩模的突节之上的窄端部，由此有利地在两个掩模对准不佳的情形中提供了更宽的误差容限。
优选地，放置第二掩模以便于在中间掩模区域的端部与第一掩模的中央区域的边缘之间留下大于三十五纳米的容限。
因此，第一掩模或硬掩模给予装置自对准特性，因为在第二刻蚀操作期间其保持在合适位置，而同时保护了两个波导的第一部分或肋条以及中央区域。
根据实施方式的一个模式，第二刻蚀操作包括完全刻蚀衬底，除了由第三掩模掩蔽的第三区域之外，第三掩蔽区域类似于第二掩蔽区域并且相对于后者定位为镜像图像。
附图说明
审阅全部非限定实施方式和实施例的详细说明书以及附图将使得本发明的其他优点和特征变得明显，其中：
图1和图2如上所述示出了现有技术；
图3至图7示出了本发明的实施方式和实施例。
具体实施方式
图3和图4示出了根据本发明一个实施方式的刻蚀方法。刻蚀方法允许在半导体衬底4(在该情形中为硅膜)中所制造的两个波导G1和G2之间形成接合区域JCN。在该情形中第一波导G1例如是肋条波导，以及第二波导G2是条带波导。
硅膜4可以常规地制造在掩埋绝缘层上，掩埋绝缘层自身制造在载体衬底上。另外，随后采用绝缘体上硅(SOI)技术。硅膜4的厚度在该情形中是三百纳米。
刻蚀操作包括制造例如氮化硅的硬掩模的第一掩模M3，以及例如抗蚀剂掩模的第二掩模M4，抗蚀剂掩模常规地允许在刻蚀期间保留材料的某些区域。
初始地，氮化物层在硅膜顶上，抗蚀剂层在氮化物层自身顶上。这两个层允许制造第一掩模M3。
在第一步骤中(图3)，在硅膜4的顶部上制造第一掩模M3。
第一掩模M3经由刻蚀抗蚀剂层随后刻蚀氮化物层以便于覆盖硅膜4的第一掩蔽区域5的常规方法而制造。在制造第一掩模M3的工艺结束处，已经刻蚀或去除整个抗蚀剂层，并且仅留下氮化物层的未刻蚀部分，在该情形中形成了第一掩模M3或硬掩模。
第一掩模M3包括两个掩模部分51和52(在该情形中为矩形)，宽度(沿着横向方向X测量)分别为三百五十和四百纳米，并且均分别位于硅膜4的第一侧部区域40上和第二侧部区域41上。
侧部区域沿着第一方向Y延伸(例如纵向方向)，其正交于第二方向X，例如横向方向。
两个矩形掩模部分51和52分别延伸至第一中间区域42中和至硅膜的第二中间区域43上，而同时形成两个中间掩模区域53和54，两个中间掩模区域53和54沿硅膜4的中央区域44的方向逐渐变宽，直至接触中央区域44，而此时形成了宽度为一千二百纳米的中央掩模区域55。
在该示例中例如，中间掩模区域53和54均具有一百微米的长度。
随后，借助于该第一氮化物掩模M3，部分地刻蚀硅膜4。根据本质上已知的常规方法执行刻蚀操作。执行刻蚀操作，以便于刻蚀在硅膜4的并未被氮化物掩模M3覆盖的区域中一部分。在该情形中，硅被部分地刻蚀至一百五十纳米的深度。
在第二步骤中(图4)，第二掩模M4放置在之前刻蚀过的硅膜4的顶部上，在第一掩模M3上，以便于覆盖半导体薄膜4的第二区域6。
为此，沉积新的抗蚀剂层以便于完全覆盖硅膜以及第一氮化物掩模M3。
随后，经由刻蚀新抗蚀剂层的常规方法制造第二掩模M4，从而新抗蚀剂层的未刻蚀部分形成了第二抗蚀剂掩模M4，并且覆盖了硅膜4与第一氮化物掩模M3的多层的第二掩蔽区域6。
第二抗蚀剂掩模M4包括矩形掩模区域60，矩形掩模区域60延伸至侧部区域40中并且在硅膜4的第一中间区域42的一部分之上，并且在该情形中其宽度是四微米。
矩形区域60延伸至第一中间区域42中并且在硅膜的中央区域44的一部分之上，并形成了逐渐变窄的第二中间掩模区域61，直至在其端部62处达到例如六百纳米的宽度。
第二掩模M4的端部62远远窄于之前由第一掩模M3形成并且仍然由第一氮化物掩模M3或硬掩模保护的中央掩模区域55，在中央掩模区域55的边界与第二掩模M4的端部62之间存在三百纳米的边缘。
因此，在两个掩模之间的对准误差，例如沿着轴线X的数十纳米的对准误差，将不会导致在硅中形成断裂或障壁。
硅膜随后被完全刻蚀，以使得完全刻蚀了并未被第一氮化物掩模M3保护的区域，以及并未被第二抗蚀剂掩模M4保护的区域。
接着，经由常规方法移除第一氮化物掩模M3和第二抗蚀剂掩模M4。
因此获得了如图5中所示以及如下所述的装置。
图5示出了光子集成装置的第一实施例，包括由接合区域JCN连接的两个波导G1和G2。
第一波导1延伸进入硅膜的第一侧部区域40中，并且包括第一底部部分或板片7，其厚度为一百五十纳米并且其宽度为四微米。位于其上的是宽度为三百六十纳米的第二顶部部分或肋条8。根据所选择的波长和目标电路的尺寸，该宽度可以从300纳米变化至450纳米。
第二波导G2延伸至硅膜的第二侧部区域41中并且包括等同宽度的顶部部分90和底部部分91。因此常规地考虑，第二波导G2包括四百纳米宽的单个条带9。根据所选择的波长和目标电路的尺寸，该宽度可以从300纳米改变至500纳米。
接合区域JCN包括第一中间接合区域80和第二中间接合区域92，其分别包括第一波导G1的肋条8的一部分以及第二波导G2的条带9的一部分，这两部分分别延伸至硅膜的中间区域42和43中，而同时逐渐变宽，直至它们在此接合的硅膜的中央区域44，同时形成了长十微米且宽一千二百纳米的矩形中央接合区域10。该宽度是常规的，并且可以大于1300纳米。中央接合区域10的最大宽度取决于部件的紧凑性。
接合区域JCN也包括第一波导G1的底部部分7的一部分，其延伸至硅膜的中间区域42中并至中央区域中，并且宽度减小直至达到中央接合区域10的宽度。
因此，两个波导G1和G2之间的接合区域JCN包括突节R。该突节特别地是如上所述更稳健制造方法的结果，允许基本上限制由于两个掩模M3和M4之间潜在未对准而引起的断裂。
额外地，即使方法在接合区域JCN的边缘上产生断裂，突节R对于光信号足够宽，从而允许光信号足够远离边缘地穿过并且因此有利地不受这些断裂影响。
在硅膜的中间区域42和43中宽度的逐渐改变也允许当穿过接合JCN时将光波维持在其基谐模式下。
应该注意，在此展示的实施例完全是非限定性的。特别地，尽管已经描述了不同类型两个波导之间接合区域JCN，应该完全可想到在相同类型但是具有不同特性的两个波导之间制造接合区域。
因此，图6示出了光子装置的实施例，其包括由接合区域JCN2连接的两个肋条波导G3和G4。
第一肋条波导G3包括顶部部分11，厚度一百五十纳米且宽度三百二十纳米，制造在厚度一百五十纳米的底部部分12上。
第二肋条波导G4包括厚度五十纳米的底部部分13，以及厚度二百五十纳米且宽度四百纳米的顶部部分14。
也可以想到在不同尺寸的两个条带波导之间具有接合。
图7示出了包括根据本发明一个实施例的装置的***。***SYS在该情形中是有源光纤，常规地包括两个光学收发器TRO1和TRO2，包括诸如以上所述和图3至图6中所示的装置，耦合至光纤FO。
该***常规地设计用于连接计算机设备的两个项目，例如计算机、路由器或开关，并且改进了通信性能。
尽管已经在此展示了在约两百一十微米长度上延伸的接合，完全可能并有利的是制造更小的接合区域，借由非限定性示例的方式，延伸在小于三十五微米的长度上，其中例如硅膜的第一中间区域测量约十微米，硅膜的第二中间区域测量约二十微米，以及硅膜的中央区域测量约1微米。
额外地，尽管已经在此展示了八边形形式的突节R，完全可想到的是制造不包括边缘的突节R，也即例如采取圆化形式。中央接合区域10将不是恒定宽度。

Claims (9)

1.一种光子集成装置，包括半导体衬底，
所述半导体衬底包括第一侧部区域、第二侧部区域、中央区域、位于所述第一侧部区域和所述中央区域之间的第一中间区域、位于所述第二侧部区域和所述中央区域之间的第二中间区域，
所述衬底至少包括：第一波导以及第二波导，所述第一波导包括在所述第一侧部区域中的一部分，所述第二波导包括在所述第二侧部区域中的一部分，两个波导由接合区域相互耦合，
所述接合区域包括位于所述中央区域中的中央接合区域、分别延伸至所述第一中间区域和所述第二中间区域中的第一中间接合区域和第二中间接合区域，所述第一中间接合区域和所述第二中间接合区域逐渐变宽以便于接触所述中央接合区域以便于形成突节，以及
至少所述第一波导包括在第二部分上制造的第一部分，所述第一波导的所述第二部分比所述第一部分更宽，以及
所述接合区域包括所述第二部分的一部分，所述第二部分的一部分从所述第一侧部区域延伸至所述第一中间区域中并且延伸至所述中央区域的一部分中，并且逐渐变窄，直至到达所述中央接合区域的宽度。
2.根据权利要求1所述的光子集成装置，其中，所述第二波导包括第一部分，所述第一部分被制造在比所述第一部分更宽的所述第二波导的第二部分上，以及
所述接合区域额外地包括所述第二部分的一部分，所述第二部分的一部分从所述第二侧部区域延伸至所述第二中间区域中并且延伸至所述中央区域的一部分中，并且逐渐变窄，直至达到所述中央接合区域的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的光子集成装置，其中，所述第一中间区域与所述第二中间区域的长度不同。
4.根据权利要求1或2所述的光子集成装置，其中，所述接合区域的总长度小于或等于三十五微米。
5.一种用于制造光子集成装置的方法，所述光子集成装置包括由接合区域相互连接的两个波导，所述方法包括刻蚀半导体衬底的两个连续操作，其特征在于，
第一刻蚀操作包括除了由第一掩模掩蔽的第一区域之外，部分地刻蚀所述衬底，以及
第二刻蚀操作包括除了所述第一区域以及由第二掩模掩蔽的第二区域之外，完全刻蚀所述衬底，所述第一刻蚀操作和所述第二刻蚀操作在所述衬底中界定突节；
其中，所述衬底包括第一侧部区域、第二侧部区域、中央区域、位于所述第一侧部区域和所述中央区域之间的第一中间区域、以及位于所述第二侧部区域和所述中央区域之间的第二中间区域，以及
所述第一掩模包括位于所述第一侧部区域中的第一部分、位于所述第二侧部区域中的第二部分、位于所述中央区域中的恒定宽度的中央掩模区域、分别延伸至所述第一中间区域和所述第二中间区域中并且逐渐变宽以便于接触所述中央掩模区域的第一中间掩模区域和第二中间掩模区域，以及
所述第二掩模包括恒定宽度的矩形掩模区域、以及延伸至所述第一中间区域中并且延伸至所述衬底的所述中央区域的一部分中并且变窄的第二中间掩模区域。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二掩模被放置为在所述第二掩模的所述第二中间掩模区域的端部与所述第一掩模的中央掩模区域的边缘之间留下大于三十五纳米的边缘容限。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二刻蚀操作包括：额外地除了由第三掩模所掩蔽的第三区域之外，完全刻蚀所述衬底，所述第三掩蔽区域类似于所述第二区域并且定位作为相对于所述第二掩蔽区域的镜像图像。
8.一种电子***，包括根据权利要求1至4中任一项所述的装置。
9.根据权利要求8所述的电子***，所述***是光学收发器。
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