专利名称：通过过度抛光生产光波导中的垂直锥形体的方法
技术领域：
本发明的领域一般涉及光学通信装置，尤其涉及，但不限于，光学装置中的波导锥体。
背景某些光学装置包括波导，其旨在耦合到具有基本上更大的界面尺寸的其它波导。例如，平面光波线路(PLC)可以具有高度为4微米量级的波导，以便耦合到直径约10微米的光纤。将相对较大的波导的端口耦合到较小波导的端口的一种方法是通过形成锥形体的波导结构以耦合这两个波导。在一种锥形体中，锥形体在一端处具有同较大波导管近似相同大小的高度或直径。在另一端处，锥形体通常变成一点。锥形体的侧部通常是直的，从而锥形体具有楔形形状，其中锥形体的较宽部分位于波导的端部处。锥形体的这一端部用于将锥形体耦合到较大的波导。锥形体的这一内端用作终端，它与锥形体的收缩形状一起帮助迫使光从锥形体的较宽端传播到较小的波导(或者从较小的波导到锥形体的较宽端)。
一种在较小波导是半导体波导时形成上述锥形体的常规技术是形成具有一端部的较小波导，其中从该端部其通过蚀刻形成锥形体。这样，在该端部处，较小的波导具有(a)约等于锥形体的所需长度的长度；以及(b)约等于较小波导的所需厚度与锥形体的所需厚度之和的厚度。该厚度通常是光纤芯的大小(例如，8-10μm)。
随后，采用标准蚀刻技术蚀刻较小波导的该端部以形成具有一定形状的锥形体，如上所述。但是，某些蚀刻过程使得锥形体的边缘端变得被侵蚀和粗糙，而非实现所需的平滑的锐利边缘。粗糙的被侵蚀边缘会劣化锥形体的性能。此外，普通的蚀刻过程使得被蚀刻的表面比没有被蚀刻的表面明显更粗糙。这种粗糙会增加波导的损耗，(例如，在某些测试中，被蚀刻的表面会将损耗增加约额外的5dB/cm)。
附图概述参考附图描述本发明的非限制性且不完全的实施例，其中相同的标号表示相同的部分或元件，除非特别说明，在各种示图中它们具有相同或基本相似的功能和/或结构。此外，诸如“之上”、“垂直”、“侧向”、“之下”等等的术语在这里可用于描述附图。这些术语用于相对的理解，即用于示出图中描述的部分或元件的相对方向并不必针对重力或者使用中定向的物理实施例。
图1和1A是根据本发明一个实施例的制造垂直锥形体中初始阶段的典型截面和顶视图。
图2和2A是根据本发明一个实施例的制造垂直锥形体中另一个阶段的典型截面和顶视图。
图3和3A是根据本发明一个实施例的制造垂直锥形体中再一个阶段的典型截面和顶视图。
图4和4A是根据本发明一个实施例的制造垂直锥形体中又一个阶段的典型截面和顶视图。
图5和5A是根据本发明一个实施例的制造垂直锥形体中别一个阶段的典型截面和顶视图。
图6是根据本发明一个实施例的图5中所示的截面的典型等轴透视图。
图7是使用根据本发明实施例制造的锥形体的实例性系统的框图。
具体实施例方式
图1说明了根据本发明一个实施例在制造垂直锥形体中较早阶段期间的半导体工件(没有按照一定比例绘制)的部分剖视图。该工件包括半导体基板10、覆盖层12、核心层14以及保护层16。
在某些实施例中，核心层14由半导体材料构成而覆盖层12由绝缘材料构成(例如，氧化物)，其中核心层14的折射率n1大于覆盖层12的折射率n2。在该实施例中，核心层14由硅构成而覆盖层12由二氧化硅(SiO2)构成。在某些实施例中，保护层16由氧化物构成。在核心层14由二氧化硅构成的其它实施例中，保护层16可以由氮化硅(例如，Si3N4)构成。此外，覆盖层12也可以由氮化物构成。
更特别地，覆盖层12形成于半导体基板10和核心层14之间。在该实施例中，半导体基板10由硅构成；但是，在其它实施例中，半导体基板10可以由不同的半导体材料构成(例如，砷化镓)。此外，在该实施例中，覆盖层12由氧化硅(例如，二氧化硅)构成，而在其它实施例中，覆盖层12可以由其它不导电材料构成。
在一个实施例中，使用已知的绝缘体上的硅(SOI)晶片制造过程形成半导体基板10、覆盖层12和核心层14。例如，可以使用已知的氧植入工艺形成埋入的氧化层以用作覆盖层12。在该实施例中，覆盖层12具有约1μm的厚度，且在其它实施例中其范围可以从约0.35μm到2μm。此外，在该实施例中，核心层14是厚度约2.5μm的硅层，但在其它实施例中其范围可以从约1μm到10μm。
在一个实施例中，保护层16是厚度为约2μm的氧化物层，但在其它实施例中，其范围可以从约0.5μm到约5μm。可以使用任何合适的已知工艺形成本实施例的保护层16的氧化物，例如低温氧化物(LTO)工艺。虽然描述了氧化物保护层，但在其它实施例中也可以使用其它材料。例如，对于核心层14的材料所经受的所选CMP过程具有较低化学机械抛光(CMP)更换率的材料(例如，抛光垫和浆)适合于保护层16。图1A说明了所形成的结构(没有按比例绘制)的顶视图，其中保护层16是唯一可看到的层。
图2说明了根据本发明一个实施例的在另一个阶段中半导体工件(没有按比例绘制)的部分截面。在该阶段中，保护层16(图1)被形成图案以具有开口21，图2中视作形成图案的保护层16A。在某些实施例中，已知的光刻技术用于形成被形成图案的保护层16A。开口21限定其中将形成垂直锥形体的区域。在该实施例中，开口21是矩形的，虽然在其它实施例中也可以使用其它形状。图2A说明了结果结构的顶视图(没有按比例绘制)，其中可以看到被形成图案的保护层16A。此外，经由形成图案的保护层16A中的开口21露出一部分的核心层14。
图3说明了根据本发明一个实施例的在另一个阶段中半导体工件的部分截面(没有按比例绘制)。在该阶段中，在图2的结构上实施化学机械抛光(CMP)工艺。此外，在该实施例中，进行CMP工艺，从而产生“凹陷”，如下所述。
如CMP技术领域中已知的，当被抛光的表面包括由与该沟槽或通路周围的材料不同的材料填充的沟槽或通路时，会产生“凹坑”。当按比沟槽或通路周围的材料更快的速度除去沟槽或通路内的材料时，通常在CMP操作期间产生凹坑。这会在表面被“过度抛光(over polishing)”时产生。凹坑使得沟槽或通路中的材料具有凹入的表面拓扑。在本实施例的上下文中，使用引起凹坑的方法，在图2的结构上进行CMP操作。结果，CMP操作在由开口21(图2)露出的那部分核心层中形成凹陷31。图3中将具有凹陷31的核心层表示为被抛光的核心层14A。
在一个实施例中，CMP“方法”被设计成增加核心层14的暴露部分的通常不期望的“凹坑”。例如，在核心层由硅形成的实施例中，可以使用硅选择浆(即，相对于被图案形成的保护层16A的材料的移除率而实现硅的较高移除率的浆)。可以优化抛光垫的硬度、抛光压力、旋转速度、抛光时间和/或其它CMP参数以实现凹陷31所需的凹入形状。例如，在一个实施例中，CMP方法被设计成使得凹坑使凹陷31的侧壁的上部具有垂直锥形体所需的倾斜外形。
在某些实施例中，在CMP操作期间将某些材料从形成图案的保护层16A(图2)的上部以及从开口21(图2)的侧壁移除。图3中，保护层的最终结构被表示为被抛光的保护层16B。在其它实施例中，与从核心层14移除的材料相比，在CMP期间从保护层移除的材料量是不显著的。
图3A说明了示出被抛光的保护层16B的最终结构(没有按比例绘制)的顶视图。此外，通过开口21可以看到形成图案的核心层14A的凹陷31(在该实施例中，它通过CMP操作加宽或蚀刻)。
图4说明了根据本发明一个实施例在另一个阶段期间半导体工件的部分截面(没有按比例绘制)。在该阶段中，移除了被抛光的保护层16B(图3)。在一个实施例中，使用选择性的蚀刻工艺来除去被抛光的保护层16B同时留下被抛光的核心层14基本与执行蚀刻过程之前相同。
在可选实施例中，在CMP操作期间移除形成图案的保护层16A(图2)。例如，保护层可以相对较薄。此外，CMP方法可以被设计成以一定速率移除保护层，这导致当核心层中的凹陷31已达到所需形状时保护层被清除。
随后，将蚀刻掩模41形成于被抛光的核心层14A上，如图4所示。例如，蚀刻掩模41可以由Si3N4构成，随后使用光刻技术被形成图案以便掩模一部分的被抛光核心层14A(包括一部分凹陷31)。蚀刻掩模41限定在波导的一端处要形成的锥形体。更特别地，蚀刻掩模41覆盖具有垂直锥形体所需的倾斜拓扑的那部分凹陷31。
图4A说明了最终结构的顶视图(没有按比例示出)。如图所示，可以看到蚀刻掩模41，以及核心层14的被抛光核心层14A的一部分。图4A中，在虚线中示出一部分凹陷31。
图5说明了根据本发明一个实施例在再一个阶段期间半导体工件的部分截面(没有按比例绘制)。在该阶段中，蚀刻被抛光的核心层14A(图4)并移除蚀刻掩模41(图4)。在一个实施例中，深蚀刻(etchback)过程被用于蚀刻未由蚀刻掩模41(图4)覆盖的那部分被抛光的核心层14A(图4)。例如，在一个实施例中，光阻材料被旋转于图4的结构上。随后，执行蚀刻过程，它按基本相等的速率蚀刻光阻材料和核心层的材料，同时对于蚀刻掩模41的材料是非选择性的。
执行蚀刻过程以移除“多余”部分的被抛光核心层14A(图4)以形成在波导的端部处具有垂直锥形体的波导。在该实施例中，未由蚀刻掩模41(图4)覆盖的那部分被抛光的核心层14A(图4)被蚀刻直到它被平面化，它在图5中被表示为被蚀刻的核心层14B的部分51。此外，在该实施例中，被蚀刻的核心层14B的部分51的上表面与与蚀刻掩模层41(图4)的侧壁对准的凹陷31(图4)的表面部分相齐。结果，该蚀刻过程将凹陷31(图4)变成倾斜区31A，如图5所示。被蚀刻的核心层14B的被平面化部分的最终厚度是所形成的波导的所需厚度。随后，移除蚀刻掩模41。最终的结构在图5和5A中示出。
垂直锥形体制造过程的该阶段表示对蚀刻硅以形成垂直锥形体的常规过程的显著改善。例如，如前所述，蚀刻核心层以形成倾斜表面会不期望地使倾斜表面变粗糙，增加损耗。相反，根据本发明的实施例，不蚀刻垂直锥形体的倾斜表面。相反，使用CMP过程抛光倾斜表面，这会形成更平滑的倾斜表面。结果，通过核心层的CMP形成的垂直锥形体一般会具有比通过蚀刻的垂直锥形体更少的损耗。
在随后的处理步 中，被蚀刻的核心层14B(包括倾斜区31A)可以被形成图案并蚀刻以形成波导。此外，该形成图案和蚀刻过程可以在核心层14中形成侧向锥形体(未示出)。侧向锥形体可以使波导耦合到截面积大于核心层14中形成的波导的另一个波导或光纤。虽然未示出，但可以在随后的处理步 中在图5和5A所示的结构上形成另一个覆盖层(例如，氧化物、氮化物等等)。
图6说明了在被蚀刻的核心层14B(图5)已被形成图案和蚀刻以形成PCL的波导的一部分之后图5所示截面的透视图。图5中，核心层被视作被形成图案的核心层14C。在该实施例中，波导是肋(rib)波导。
操作中，例如，光纤可以耦合到锥形体结构的较宽端部61，从而光信号可以从光纤传播入波导的被形成图案的核心层14C的部分51。在光信号向图案形成的核心层14C的部分51传播时，倾斜区31A使得光信号向下传播。
此外，虽然以上描述了垂直锥形体应用的实施例，也可以在其它模式转换器应用中使用其它实施例。
图7说明了其中可以使用本发明实施例的波导锥形体的系统70。系统70包括连接到光纤72的一端的光信号源71。光纤72的另一端连接到包含锥形体74的PLC73。根据上述实施例之一制造锥形体74。例如，当如图6实施例中所示般实施锥形体时，较宽的端部61将用于将PLC73连接到光纤72的端部。在一个实施例中，PCL73应用于集成电路中。其它实施例可以具有与锥形体74的结构基本相同的一个或更多的其它锥形体(未示出)。
说明书中对“一个实施例”或“实施例”的参考意味着联系该实施例描述的特定的特点、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书中各处短语“一个实施例中”或“实施例中”的出现不必都涉及相同的实施例。此外，该特定的特点、结构或特征可以按任何合适的光学方式结合于一个或更多实施例中。
此外，本描述的实施例不仅可以在半导体芯片内还可以在机器可读的介质内实施。例如，上述设计可以存储和/或嵌入与用于设计半导体装置的设计工具有关的机器可读的介质内。实例包括按VHSIC硬件描述语言(VHDL)语言、Verilog语言或SPICE语言格式化的连接表。某些连接表实例包括行为等级连接表、寄存器传送等级(RTL)连接表、门电路等级连接表以及晶体管等级连接表。机器可读的介质还包括具有诸如GSD-II文件的配置信息的介质。此外，用于半导体芯片设计的连接表文件或其它机器可读介质可用于模拟环境中以执行上述教导的方法。
因此，本发明的实施例可以用作或用来支持在某些形式的处理核心(诸如计算机的CPU)上执行的软件程序，或者在机器可读的介质之上或之内执行或实现。机器可读的介质包括用于按机器(例如，计算机)可读的形式存储或传送信息的任何介质。例如，机器可读的机构可以包括诸如只读存储器(ROM)；随机访问存储器(RAM)；磁盘存储介质；光盘存储介质；以及闪存装置，等等。此外，机器可读的介质可以包括传播信号，诸如电、光、声或其它形式的传播信号(例如，载波、红外线信号、数字信号等等)。
在前述说明书中，以参考其特定的实例性实施例描述了本发明。但是，明显地，可以对其进行各种修改和变化而不背离本发明的较宽的精神和范围，如所附权利要求书中所阐述的。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。
权利要求
1.一种用于制造锥形体的方法，其特征在于，包括在基板上形成覆盖层；在覆盖层上形成核心层；在核心层上形成保护层，该保护层具有开口；以及使用化学机械抛光(CMP)工艺抛光保护层和核心层的暴露区以便在与保护层的开口对准的核心层中形成凹陷，核心层的第一部分具有限定凹陷的第一部的第一表面，该第一部分的第一表面用作锥形体的倾斜表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用绝缘体上硅(SOI)晶片形成覆盖层和核心层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括移除保护层；以及移除与第一部分接触的核心层的第二部分，从而核心层的第三部分具有邻近于第一区的基本平面的表面。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，第一区的第一表面与第三区的基本平面的表面对准。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过蚀刻移除核心层的第二部分。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在CMP过程期间移除保护层。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括移除核心层的第四部分以形成波导核心。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括在核心层上形成第二覆盖层。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，核心层由半导体材料构成。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，核心层由二氧化硅构成。
11.一种用于传播光信号的装置，其特征在于，该装置包括覆盖层；以及核心层，它被设置于覆盖层的表面上，该核心层具有第一表面和第二表面，其中第一表面是相对于第二表面倾斜的被抛光表面，且其中第二表面基本平行于覆盖层的表面。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，覆盖层和核心层是绝缘体上硅(SOI)晶片的硅和绝缘体层。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，通过化学机械抛光(CMP)抛光第一表面。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，进一步包括设置于核心层上的第二覆盖层。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，由半导体材料形成核心层。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，由二氧化硅形成核心层。
17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，核心层具有第三表面以耦合到光纤。
18.一种集成电路，其特征在于，包括半导体基板；第一覆盖层，它设置于该半导体基板上；核心层，它设置于第一覆盖层的表面上，该核心层具有第一表面、第二表面和第三表面，其中第一表面是抛光表面并相对于第二表面倾斜，该第二表面基本平行于第一覆盖层的表面，以及该第三表面连接到在PLC外部的波导；以及第二覆盖层，它设置于核心层上。
19.如权利要求18所述的集成电路，其特征在于，外部波导是光纤。
20.如权利要求18所述的集成电路，其特征在于，通过化学机械抛光(CMP)抛光第一表面。
21.如权利要求18所述的集成电路，其特征在于，核心层由半导体材料构成。
22.如权利要求18所述的集成电路，其特征在于，核心层包括二氧化硅。
23.如权利要求18所述的集成电路，其特征在于，覆盖层和核心层是绝缘体上硅(SOI)晶片的硅和绝缘体层。
24.一种系统，其特征在于，包括光信号源；光纤，其一端耦合到光信号源；以及集成电路，它包括半导体基板；第一覆盖层，它被设置于半导体基板上；核心层，它被设置于第一覆盖层的表面上，该核心层具有第一表面、第二表面和第三表面，其中第一表面是抛光表面并相对于第二表面倾斜，该第二表面基本平行于第一覆盖层的表面，以及该第三表面连接到光纤的另一端；以及第二覆盖层，它被设置于核心层上。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，外部波导是光纤。
26.如权利要求24所述的系统，其特征在于，通过化学机械抛光(CMP)抛光第一表面。
27.如权利要求24所述的系统，其特征在于，核心层包括半导体材料。
28.如权利要求24所述的系统，其特征在于，核心层包括二氧化硅。
29.如权利要求24所述的系统，其特征在于，覆盖层和核心层是绝缘体上硅(SOI)晶片的硅和绝缘体层。
全文摘要
一种用于在平面波导中形成垂直波导锥形体的方法包括提供基板(10)；在基板上形成覆盖层(12)；在覆盖层(12)上形成核心层(14)。在核心层(14)上形成具有开口的保护层(16B)，该开口露出一部分核心层。使用化学机械抛光工艺从而，在暴露部分中形成凹坑，在核心层(14)中形成具有倾斜侧壁的凹坑(31)。在一个实施例中，随后，将核心层(14)形成图案，从而将一部分核心层除去到约凹坑的深度。该被除去的部分包括含凹坑的一部分核心层。最终的结构包括未被蚀刻的倾斜表面，它过度到基本平面的被蚀刻表面。再次使核心层形成图案并被蚀刻以形成波导，其中倾斜表面形成锥形体的一部分。
文档编号G02B6/136GK1668951SQ03816669
公开日2005年9月14日 申请日期2003年4月17日 优先权日2002年5月31日
发明者M·萨里布 申请人:英特尔公司