TWI893978B

TWI893978B - 光學元件及其形成方法

Info

Publication number: TWI893978B
Application number: TW113133813A
Authority: TW
Inventors: 黃泰鈞; 斯帝芬魯蘇
Original assignee: 台灣積體電路製造股份有限公司
Priority date: 2024-07-19
Filing date: 2024-09-06
Publication date: 2025-08-11
Also published as: US12282184B1; US20260023208A1

Abstract

提供一種形成光學元件的方法，所述方法可包括形成背面反射層，以及在背面反射層上形成包覆層。所述方法還可包括在包覆層上形成光柵層，以及在包覆層上形成接收反射層。接收反射層可包括用於接收光訊號到至少光柵層的開口。

Description

光學元件及其形成方法

本發明的實施例是有關於一種光學元件及其形成方法。

電傳輸和處理是訊號傳輸和處理的一種技術。近年來，光傳輸和處理已被用於越來越多的應用中，特別是由於使用光纖相關應用進行訊號傳輸。光柵耦合器是一種可以將光訊號從光纖耦合到光波導以用於光傳輸和處理系統的元件。然而，現有的光柵耦合器通常會產生能量損失，進而影響整體系統性能。

在一些實施例中，形成光學元件的方法包括：形成第一反射層；在第一反射層上形成包覆層；在包覆層上形成光柵層；以及在包覆層上形成第二反射層，其中第二反射層包括開口。

在另一個實施例中，光學元件包括：背面反射層；在背面反射層上的包覆層；在包覆層上的光柵結構；以及在光柵結構上的接收反射層，其中接收反射層包括開口。

在另一個實施例中，光學元件包括：背面反射層；在背面反射層上的包覆層；在包覆層上的多層光柵結構；以及在多層光柵結構上的接收反射層，其中接收反射層包括開口。

100:光學中介物/中介物

101:第一基板

103:第一絕緣體層

103A:第一包覆層

105:材料

201:第一主動層

203:第一光學構件

204:光柵耦合器/光柵結構

205:光柵耦合器部分

206:第一罩幕

209:單材料層

210、216、234、239:溝渠

211:單層光柵結構

212:光柵/第一組光柵/第一多層組光柵

214:第二組光柵/第二多層組光柵

215:波導接合部分

221:第一光柵層

223:第二光柵層

225:第二包覆層

230:第三多層組光柵

235:第二多層組光柵

240:第一多層組光柵

260:背面反射層

265:接收反射層

270:開口

271:接收光訊號/光訊號/接收光訊號光束/光訊號光束

272:第一反射光訊號

273:第二反射光訊號

274:耦合光信號

280:多層光柵結構/雙向多層光柵耦合器結構

301:半導體材料

401:第二絕緣體層

501:第一金屬化層

503:第二光學構件

505:第一接合層

507:第一接合墊

509:第一介電材料

511:第三光學構件

601:第一半導體元件

603:半導體基板

605:主動元件

607:內連線結構

609:第二接合層

611:第三接合墊

613:第二間隙填充材料

701:支撐基板

703:耦合透鏡

801:第二主動層

803:第四光學構件

900:第一光學封裝件

901:第一元件通孔

903:第三接合層

905:光纖

909:第三接合墊

911:第五光學構件

D1:方向/第一方向

D2:第二方向

L1:長度

W1:寬度

當結合附圖閱讀時，可以從以下詳細描述中最好地理解本揭露的各方面。需要說明的是，依照業界標準慣例，各種特徵並未按比例繪製。事實上，為了討論的清楚起見，各種特徵的尺寸可以任意增加或減少。

圖1是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例用於形成光子平台的方法所使用的中介物。

圖2是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例處理中介物以提供第一光學元件。

圖2A是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例形成罩幕以隔離中介物的光柵耦合器部分並去除光柵耦合器部分中的中介物的第一絕緣層。

圖2B是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在中介物的光柵耦合器部分中形成背面反射層、第一包覆層和用於單層光柵結構的單材料層。

圖2C是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在用於單層光柵結構的單材料層的上表面上形成一組光柵。

圖2D是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在單層光柵結構上形成第二包覆層。

圖2E是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在第二包覆層上形成接收反射層，其中接收反射層包括用於將光訊號接收到至少單一光柵層結構的開口。

圖2F是光柵耦合器的俯視圖，繪示出根據一些實施例穿過接收反射層到單一光柵層結構的開口。

圖2G是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在第一包覆層中蝕刻溝渠並沉積單層光柵結構的單材料層，其中填充溝渠的材料提供沿第二方向延伸的第二組光柵。

圖2H是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在單層光柵結構的單材料層中蝕刻溝渠以形成沿第一方向延伸的第一組溝渠，並且在單層光柵結構上形成第二包覆層。

圖2I是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在第二包覆層上形成接收反射層，其中接收反射層包括用於接收光訊號到至少單層光柵結構的開口。

圖2J是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在第一包覆層中形成溝渠並在第一包覆層上形成多層光柵結構的第一光柵層，其中來自第一光柵層的材料填充第一包覆層中的溝渠提供第三多層組光柵。

圖2K是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在多層光柵結構的第一材料層中形成溝渠並在第一材料層上形成多層光柵結構的第二材料層，其中來自第二材料層的材料填充第一光柵層中的溝渠以提供第二多層組光柵。

圖2L是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在多層光柵結構的第二光柵層中形成溝渠，以形成第一多層組光柵。

圖2M是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例在第二包覆層上形成接收反射層，其中接收反射層包括用於將光訊號接收到至少多層光柵結構的開口。

圖3至圖9是側面剖視圖，繪示出根據一些實施例整合如圖2A至圖2M中所描述的光柵耦合器的光子平台的形成。

以下揭露提供了用於實現所提供的主題的不同特徵的許多不同的實施例或範例。以下描述組件和佈置的具體範例以簡化本揭露。當然，這些僅僅是示例並且不旨在進行限制。例如，在下面的描述中，在第二特徵上方或之上形成第一特徵可以包括其中第一和第二特徵形成為直接接觸的實施例，並且還可以包括其中附加特徵可以形成在第一和第二特徵之間的實施例，使得第一和第二特徵可以不直接接觸。另外，本揭露可以在各個範例中重複附圖標記及/或字母。這種重複是為了簡單和清楚的目的，並且其本身並不規定所討論的各種實施例及/或配置之間的關係。

此外，為了便於描述，本文可以使用諸如“下面”、“下方”、“下部”、“上面”、“上方”等空間相對術語來描述如圖所示的一個元件或特徵與另一元件或特徵的關係。除了圖中描繪的定向之外，空間相對術語旨在涵蓋使用中的裝置或操作的不同定向。設備可以以其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)並且本文中使用的空間相對描述符可以同樣被相應地解釋。

在一些實施例中，本文所描述的結構和方法提供了包括雙層金屬反射層的光學結構。在一些實施例中，光學結構包括接收反射層，接收反射層具有穿過其中的開口，以用於接收從光纖傳輸到光學裝置的光柵結構的光訊號。在一些實施例中，光學元件的雙層金屬反射層還包括位於光柵結構的相對側上的背面反射層，光柵結構上存在包括孔結構的接收反射層。

本文中呈現的實施例旨在是說明性的並且不旨在將實施例限制為所討論的精確描述。相反，所討論的實施例可以併入到各式各樣的實施中，並且所有這樣的實施完全旨在被包括在實施例的範圍內。

現在參考圖1，繪示出光學中介物100的初始結構。在圖1所示的特定實施例中，光學中介物100是光子積體電路(PIC)並且在此階段包括第一基板101、第一絕緣體層103以及用於第一光學構件203的第一主動層201的一層材料105(未單獨繪示在圖1中但在圖2中繪示出及描述)。在實施例中，在光學中介物100的製造流程開始時，第一基板101、第一絕緣體層103和用於第一光學構件203的第一主動層201的一層材料105可以共同是絕緣體上矽(SOI)的一部分。首先參考第一基板101，第一基板101可以是半導體材料(例如矽或鍺)、介電材料(例如玻璃)或允許對上方元件進行結構支撐的任何其他適當的材料。

第一絕緣體層103可以是將第一基板101與上方的第一主動層201分開的介電層，並且在一些實施例中，可以額外用作圍繞隨後製造的第一光學構件203的包層材料的一部分(下面進一步討論)。在實施例中，第一絕緣體層103可以是氧化矽、氮化矽、氧化鍺、氮化鍺、這些的組合等，其使用諸如植入(implantation)的方法形成(例如，用以形成掩埋氧化物(BOX)層)，或者也可以是使用沉積方法例如化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、這些的組合等將其沉積到第一基板101上。然而，可以使用任何合適的材料和製造方法。

第一主動層201的材料105最初(在圖案化之前)是材料的共形層，將用於開始製造第一光學構件203的第一主動層201。在實施例中，第一主動層201的材料105可以是半透明的材料，其可用作所需第一光學構件203的芯材料，例如半導體材料，例如矽、鍺、矽鍺、這些的組合等，而在其他實施例中，第一主動層201的材料105可以是介電材料，例如氮化矽等，儘管在其他實施例中，第一主動層201的材料105可以是III-V材料、鈮酸鋰材料或聚合物。在沉積有第一主動層201的材料105的實施例中，可以使用諸如磊晶生長、化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、這些的組合等方法來沉積第一主動層201的材料105。在使用植入方法形成第一絕緣體層103的其他實施例中，在植入製程以形成第一絕緣層103之前，第一主動層201的材料105最初可以是第一基板101的一部分。然而，可以利用任何合適的材料和製造方法來形成第一主動層201的材料105。

圖2繪示出一旦第一主動層201的材料105準備就緒，則使用第一主動層201的材料105來製造第一主動層201的第一光學構件203。在實施例中，第一主動層201的第一光學構件203可包括諸如光波導(例如，脊形波導、肋形波導、掩埋通道波導、擴散波導等)、定向耦合器、光調製器(例如，馬赫曾德矽光子開關、微機電開關、微環諧振器等)、放大器、多工器、解復用器、光電轉換器(例如，P-N接面)、電光轉換器、雷射、這些的組合等構件。然而，可以使用任何合適的第一光學構件203。

為了開始從初始的材料形成第一光學構件203的第一主動層201，可以將第一主動層201的材料105圖案化為第一光學構件203的第一主動層201的期望形狀。在實施例中，第一主動層201的材料105可以使用例如一種或多種光刻罩幕和蝕刻製程來圖案化。然而，可以使用將第一主動層201的材料105圖案化的任何合適的方法。對於一些第一光學構件203，圖案化製程可以是用於形成這些第一光學構件203的全部或至少大部分製造。

在一些實施例中，中介物100的一部分可以被處理以提供光柵耦合器204(如圖3所見)。中介物100的被處理以提供光柵耦合器204的部分此後被稱為中介物100的光柵耦合器部分205。在一些實施例中，為了在用於形成光柵耦合器204的處理期間保護第一光學構件203，中介物100中第一光學構件203所在的部分被罩幕結構覆蓋。在一些實施例中，罩幕結構被圖案化以使得中介物100的光柵耦合器部分205被暴露。保護第一光學構件203免受用於形成光柵耦合器204的製程影響的罩幕結構可以是硬罩幕、光阻罩幕或是光阻罩幕和硬罩幕的組合。用於隔離中介物的光柵耦合器部分205的罩幕結構可以在完成光柵耦合器204之後被移除。

圖2A繪示出形成第一罩幕206以保護第一光學構件203並暴露中介物100的光柵耦合器部分205的一個實施例。在形成第一罩幕206之後，可以使用蝕刻製程來去除可能存在於中介物100的光柵耦合器部分205中的第一主動層105和第一絕緣層103的任何部分。在製程流程的這個階段所使用的蝕刻製程可以是非等向性蝕刻，例如反應離子蝕刻(RIE)。在一些實施例中，用於去除第一絕緣層103的蝕刻製程可包括對第一基板101具有選擇性的蝕刻化學物質。在移除第一絕緣層103之後，第一基板101的上表面可能被暴露出來。

圖2B至圖2F繪示出處理中介物100的光柵耦合器部分205以在包括單層光柵結構211的第一基板101的頂部形成光柵耦合器204的一個實施例。在一些實施例中，由圖2B至圖2F中所示的製程流程所形成的光柵耦合器是光學元件，光學元件包括背面反射層260、在背面反射層260上的第一包覆層103A、在背面反射層260上的單層光柵結構211以及在單層光柵結構211上的接收反射層265(見圖2E)。在一些實施例中，接收反射層265包括用於接收光訊號到至少單層光柵結構211的開口270(參見圖2E)。在圖2B至圖2F中描繪的光柵耦合器部分205的處理期間，包括第一光學構件203的中介物100的剩餘部分可以由一個或多個塊罩幕及/或硬罩幕保護。

圖2B繪示出在光柵耦合器部分205中存在的第一基板101的上表面上形成背面反射層260的實施例。背面反射層260是雙層金屬反射層的元件，雙層金屬反射層可增加光學元件接收的光訊號的反射次數。在一些實施例中，背面反射層260允許從背面反射層反射的底部反射光訊號通過反射機制耦合回到光柵結構中。背面反射層260也可以稱為鏡面層，例如背面鏡面層。在一些實施例中，背面反射層260還可以是分佈式布拉格反射器。

在一些實施例中，背面反射層260可以由含金屬組成物材料所構成。例如，背面反射層260可以由例如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、鋁(Al)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉑(Pt)的金屬及其合金構成。在一些實施例中，形成背面反射層260可以從沉積種子層開始。例如，種子層可包括銅層。取決於所需的材料，可以使用諸如濺鍍、蒸鍍或電漿增強化學氣相沉積等製程來沉積種子層。然後可以將背面反射層260電鍍在種子層上。背面反射層260的電鍍金屬可以通過諸如電鍍或化學鍍的電鍍製程沉積在種子層上方。應注意，背面反射層260的方法和組成物僅出於說明性目的而提供，並且不旨在將本揭露限制為僅上述的材料和方法。背面反射層260的其他組成物和方法也在本揭露的範圍內，只要所形成的背面反射層260是光訊號反射結構即可。例如，背面反射層260可以在製程流程的稍後點(例如，在形成光柵結構之後)使用背面處理來形成。

圖2B還繪示出在背面反射層260上形成第一包覆層103A。第一包覆層103A可以由含氧化物的材料組成物所構成，例如氧化矽(SiO₂)。第一包覆層103A可以使用化學氣相沉積(CVD)製程來沉積。應注意，化學氣相沉積(CVD)只是適合形成第一包覆層103A的沉積製程的一個範例。在其他範例中，第一包覆層103A可以使用諸如原子層沉積(ALD)或物理氣相沉積(PVD)的沉積製程來形成。另外，第一包覆層103A的組成物並不僅限於氧化矽。例如，除了氧化矽之外，第一包覆層103A還可以由氮化矽、氧化鍺、氮化鍺及其組合構成。

圖2B還繪示出形成單層光柵結構211的單材料層209。可以使用單一沉積步驟使單材料層209可形成為與第一包覆層103A的上表面直接接觸。在一些實施例中，單層光柵結構211的單材料層209可以由含半導體材料所構成，例如含矽材料，例如矽(Si)。在一些實施例中，單材料層209可以由介電材料所構成，例如含氮化物材料，例如氮化矽(Si₃N₄)。在一些實施例中，單材料層209可以使用化學氣相沉積(CVD)製程來沉積。在一個範例中，化學氣相沉積(CVD)製程可以是電漿增強化學氣相沉積(PECVD)。在其他範例中，可以使用高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)、原子層沉積(ALD)或物理氣相沉積(PVD)來沉積單材料層209。

圖2C繪示出在單層光柵結構211的單材料層209的上表面上形成一組光柵212的實施例。在一些實施例中，可以通過在單材料層209的上表面形成溝渠210來形成一組光柵212。在單材料層209的上表面形成溝渠210可包括蝕刻製程。例如，形成溝渠210的蝕刻製程可包括形成蝕刻罩幕，蝕刻罩幕被圖案化以暴露單材料層209的將被蝕刻以形成溝渠210的部分。單材料層209中受蝕刻罩幕保護的部分以及每對溝渠210之間的部分在形成溝渠210的蝕刻步驟之後提供了一組光柵212。在一些實施例中，用於形成溝渠210的蝕刻製程可以是非等向性蝕刻，即定向蝕刻，例如反應離子蝕刻(RIE)。圖2C所描繪的一組光柵212具有在方向D1上朝向隨後形成的接收反射層265延伸的高度(如圖2E所見)。

在一些實施例中，一組光柵212的高度可以調整以提供與具有不同波長的光的耦合。在一些範例中，可以通過改變溝渠210的蝕刻深度來改變一組光柵212的高度。為了改變溝渠210的蝕刻深度，可以應用一個或多個蝕刻罩幕和蝕刻製程，其中改變蝕刻時間以改變不同的蝕刻深度。在另外實施例中，蝕刻製程可以伴隨離子植入製程，離子植入製程可以改變被蝕刻的材料的蝕刻速率。在其他範例中，光柵的高度可以通過使光柵本身的上表面凹陷來改變，這也可以使用多個罩幕和多個蝕刻步驟來實現。

圖2D繪示出在包括一組光柵212的單層光柵結構211的單材料層209的表面上形成第二包覆層225。第二包覆層225可以由含氧化物的材料組成物所構成，例如氧化矽(SiO₂)。第二包覆層225還可以由氮化矽、氧化鍺、氮化鍺及其組合所構成。第二包覆層225可以使用化學氣相沉積(CVD)製程來沉積。應注意，化學氣相沉積(CVD)只是適合形成第二包覆層225的沉積製程的範例。在其他範例中，第二包覆層225可以使用諸如原子層沉積(ALD)或物理氣相沉積(PVD)的沉積製程來形成。

圖2E繪示出在第二包覆層225上形成接收反射層265。在一些實施例中，接收反射層265包括用於接收光訊號到至少單層光柵結構211的開口270。接收反射層265是雙層金屬反射層的元件，雙層金屬反射層可增加光學元件接收的光訊號的反射次數。包括雙層金屬反射層和光柵結構的光學元件提供了能夠有效限制和集中光訊號的光柵耦合器。例如，穿過接收反射層265的開口270(也稱為孔結構)可以有效地將光訊號集中在光柵耦合器的光柵結構部分的入口處，從而提高光訊號的耦合和收集效率。附加地，在一些實施例中，通過使用多次反射的機制，可以將背側反射層260反射的底部反射光訊號導回並耦合到光柵耦合器中，進一步增強耦合效率。接收反射層265也可以稱為鏡面層，例如接收鏡面層。接收反射層265可以是分散式布拉格反射器。

在一些實施例中，接收反射層265可以由含金屬組成物材料所構成。例如，接收反射層265可以由例如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、鋁(Al)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉑(Pt)的金屬及其合金構成。在一些實施例中，形成接收反射層265可以從沉積種子層開始。例如，種子層可包括銅層。取決於所需的材料，可以使用諸如濺鍍、蒸鍍或電漿增強化學氣相沉積等製程來沉積種子層。然後可以將接收反射層265鍍在種子層上。接收反射層265的電鍍金屬可以通過諸如電鍍或化學鍍的電鍍製程沉積在種子層上方。應注意，接收反射層265的方法組成物和組成物僅出於說明性目的而提供，並且不旨在將本揭露僅限於上述材料和方法。接收反射層265的其他組成物和方法也在本揭露的範圍內，只要所形成的接收反射層265是光訊號反射結構即可。

在形成接收反射層265的材料層之後，可以形成穿過接收反射層265的開口270，以用於接收光訊號，例如從光纖發送到單層光柵結構211中的光訊號。在一些實施例中，形成開口270可包括光刻和蝕刻製程。

在一些實施例中，為了在用於形成開口270的蝕刻製程期間保護接收反射層265的金屬層的部分，可以沉積並圖案化光阻層以提供罩幕結構，罩幕結構暴露出金屬層中形成有開口270的部分。在一些實施例中，光阻罩幕可以與硬罩幕結合使用，硬罩幕可以由介電材料(例如氧化物及/或氮化物)組成。

在形成蝕刻罩幕之後，可以使用蝕刻製程來去除金屬層的暴露部分，以提供穿過接收反射層265的開口270。在製程流程的這一階段所使用的蝕刻製程可以是非等向性蝕刻，例如反應離子蝕刻(RIE)。在一些實施例中，用於形成穿過接收反射層265的開口270的蝕刻製程可包括對第二包覆層225有選擇性的蝕刻化學物質。在形成開口270之後，可以去除蝕刻罩幕。例如，可以使用化學剝離方法去除蝕刻罩幕。

在一些實施例中，穿過接收反射層265的開口270被定位為存在於光柵耦合器204的第一側上，用於接收來自光纖905(參見圖9)的光訊號。在一些實施例中，光柵結構204中開口270所在的第一側相對於光柵結構204中可包括波導介面部分的第二側。

圖2F是進一步繪示出穿過接收反射層265的開口270的俯視圖。在一個範例中，開口270可以具有從1微米到50微米的範圍的寬度W1，並且長度L1可以從1微米到50微米的範圍。圖2F也繪示出單層光柵結構211包括光柵，光柵具有朝向光柵耦合器204的波導接合部分215減少的錐形寬度。圖2F也繪示出在一些實施例中，單層光柵結構211中的一組光柵212的光柵的幾何形狀可包括曲率。

現在回到圖2E，進一步繪示出通過使用雙向反射器，例如背面反射層260和接收反射層265，從光纖接收的接收光訊號271可以有效耦合到光柵204的單層光柵結構211中，以增強光訊號的耦合和收集效率。首先，從光纖發射的接收光訊號271穿過接收反射層265中的開口270進入光柵耦合器204的單層光柵結構211。光訊號271的一部分最初由單層光柵結構211耦合。然而，光訊號271的一部分不與單層光柵結構211耦合並且朝向背面反射層260穿過單層光柵結構211。背面反射層260可以第一次反射光訊號的非耦合部分，並將光訊號的非耦合部分作為第一反射光訊號272反射向接收反射層265。第一反射光訊號272穿過單層光柵結構211，其中光訊號的另一部分與單層光柵結構211耦合。光訊號的另一非耦合部分可以朝向接收反射層265穿過單層光柵結構211。接收反射層265可以通過將光訊號反射回背面反射層260來增加光柵耦合器204中光訊號反射的數量。例如，來自第一反射光訊號272的非耦合訊號可以作為具有朝向背面反射層260的方向的第二反射光訊號273從接收反射層265的下表面反射。在一些實施例中，由接收反射層265和背面反射層260的組合提供的雙層金屬反射的特性可以有效地限制和集中光訊號作為向光柵耦合器204的波導介面部分15行進的耦合光訊號274，進一步增強了光學元件的耦合和收集效率。

圖2G至圖21繪示出光柵耦合器204的實施例，光柵耦合器204包括單層光柵結構211，單層光柵結構211具有雙向光柵，例如，具有第一方向D1的第一組光柵212和具有第二方向D2的第二組光柵214，其中第一方向D1和第二方向D2是相反的(見圖2I)。第一組光柵212是形成在單層光柵結構211的單材料層209的上表面上。在一些實施例中，第二組光柵214存在於單層光柵結構211的單材料層209的相對的下表面上。在單層光柵結構211的單材料層209的上表面上的第一組光柵212可以類似圖2C至圖2E所描繪的一組光柵212。在圖2G至圖2I中描繪的光柵耦合器部分205的處理期間，中介物100中包括第一光學構件203的剩餘部分可以由一個或多個塊罩幕及/或硬罩幕保護。

圖2G繪示出可用於製程流程的初始結構，製程流提供雙向反射器(例如接收反射層265和背面反射層260)以及包括雙向光柵的單層光柵結構211。圖2G所描繪的初始結構包括第一基板101、背面反射層260和第一包覆層103A。上面已參考圖2至圖2F描述了這些元件中的每一個。這些元件的上述描述適用於圖2G 中具有相同附圖標記的元件。

圖2G也繪示出在第一包覆層103A中蝕刻溝渠216，並沉積單層光柵結構211的單材料層209。在這個實施例中，填充溝渠216的材料提供了沿第二方向D2延伸的第二組光柵214。在一些實施例中，在第一包覆層103A中形成溝渠216包括形成蝕刻罩幕(未繪示)。蝕刻罩幕保護第一包覆層103A的一部分而形成溝渠216。在一些實施例中，用於形成溝渠216的蝕刻製程可以是定向蝕刻，例如反應離子蝕刻(RIE)。在第一包覆層103A中形成的溝渠216隨後被來自隨後形成的單層光柵結構211的單材料層209的材料填充。在一些實施例中，用單材料層209的材料填充溝渠216提供了第二組光柵214。在一些實施例中，溝渠216可以被圖案化為具有帶曲率和錐形寬度的幾何形狀，使得當填充單材料層209的材料時可以提供具有朝波導接合部分215具有曲率和錐形寬度的幾何形狀的第二組光柵214，其與圖2F所描繪的光柵212的幾何形狀相似。

圖2G也繪示出在形成溝渠216之後在第一包覆層103A上形成單材料層209的一個實施例。在圖2G至圖2I所示的實施例中，單層光柵結構211的單材料層209由使用單一沉積步驟沉積的材料層提供。在一些實施例中，單材料層209可以由含半導體材料所構成，例如含矽材料，例如矽(Si)。在一些實施例中，單材料層209可以由介電材料所構成，例如含氮化物材料，例如氮化矽(Si₃N₄)。

在一些實施例中，可以使用化學氣相沉積(CVD)製程來沉積單材料層209，其中選擇沉積參數以至少用單材料層209的材料填充溝渠216。在一個範例中，化學氣相沉積(CVD)製程可以是電漿增強化學氣相沉積(PECVD)。在其他範例中，可以使用高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)、原子層沉積(ALD)或物理氣相沉積(PVD)來沉積單材料層209。

圖2H繪示出在單層光柵結構211的單材料層209中蝕刻溝渠210的實施例，以形成沿第一方向D1延伸的第一組光柵212。圖2H中所示形成的溝渠210與圖2C所示形成的溝渠210類似。因此，以上參考圖2C所提供的形成溝渠210的描述適合於描述在限定圖2H中所示的第一組光柵212的單材料層209中形成溝渠210。總結來說，在一些實施例中，形成溝渠210可包括光刻和蝕刻方法。

在一些實施例中，可以調整溝渠210的深度以在第一組光柵內提供不同光柵高度，以與不同波長的光耦合。在一些範例中，可以通過改變溝渠210的蝕刻深度來改變第一組光柵212的高度。為了改變溝渠210的蝕刻深度，可以應用一個或多個蝕刻罩幕和蝕刻製程，其中改變蝕刻時間以改變不同的蝕刻深度。在另外實施例中，蝕刻製程可以伴隨離子植入，離子植入可以改變被蝕刻的材料的蝕刻速率。在其他範例中，光柵的高度可以通過使光柵本身的上表面凹陷來改變，這也可以使用多個罩幕和蝕刻步驟來實現。

圖2H也繪示出在單層光柵結構211頂部上形成第二包覆層225。第二包覆層225可以由含氧化物材料組成物所構成，例如氧化矽(SiO₂)。第二包覆層225還可以由氮化矽、氧化鍺、氮化鍺及其組合所構成。第二包覆層225可以使用化學氣相沉積(CVD) 製程來沉積。應注意，化學氣相沉積(CVD)只是適合形成第二包覆層225的沉積製程的範例。在其他範例中，第二包覆層225可以使用諸如原子層沉積(ALD)或物理氣相沉積(PVD)的沉積製程來形成。

圖2I繪示出在第二包覆層225上形成接收反射層265的實施例。在一些實施例中，接收反射層265包括開口270，開口270用於將光訊號接收到至少單層光柵結構211，單層光柵結構211包括雙向光柵，例如，沿第一方向D1延伸的第一組光柵212，以及沿第二方向D2延伸的第二組光柵214。接收反射層265也可以稱為鏡面層，例如接收鏡面層。接收反射層265也可以稱為分佈式布拉格反射器。

圖2I中描繪的接收反射層265類似於圖2E和圖2I中所描繪的接收反射層265。因此，圖2E和圖2I中所描繪的接收反射層265的上述描述適合於描述圖2M中所描繪的接收反射層265的至少一個實施例。

在一些實施例中，接收反射層265可以由含金屬組成物材料所構成。例如，接收反射層265可以由例如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、鋁(Al)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉑(Pt)的金屬及其合金構成。

在一些實施例中，可以形成穿過接收反射層265的開口270，以用於接收光訊號，例如從光纖發送到單層光柵結構211中的光訊號。在一些實施例中，形成開口270可包括光刻和蝕刻製程。

在一些實施例中，穿過接收反射層265的開口270被定位為存在於光柵耦合器204的第一側上，以用於接收來自光纖905(參見圖9)的光訊號。在一些實施例中，光柵結構204中開口270所在的第一側相對於光柵結構204的第二側，其中光柵結構204的第二側可包括光柵耦合器的波導介面部分。

參考圖2I，除了雙向反射器(例如，背面反射層260和接收反射層265)提供的優點之外，當光訊號穿過光柵耦合器204朝向波導接合部分215時提供光訊號的多次反射，雙向光柵可以允許耦合不同波長的光。例如，對於不同波長的耦合，可以調整第一組光柵212和第二組光柵214中的光柵的高度，以提供低損耗設計。在一個範例中，第一組光柵212和第二組光柵214中的每一者可以具有不同尺寸的光柵，以提供第一組光柵212和第二組光柵214被最佳化以在低損耗設計中與不同波長的光耦合。

在又一些範例中，對於具有不同波長的光的耦合，相鄰定位的光柵分開的距離也可以增加和減少。例如，第二組光柵214中相鄰定位的光柵分開的距離可以大於第一組光柵212中相鄰定位的光柵分開的距離。在一些範例中，這可以使得第二組光柵214適合比第一組光柵212被配置用於耦合的光的波長更寬的頻寬的耦合光。

圖2J至圖2M繪示出光柵耦合器204的實施例，光柵耦合器204包括雙向反射器(例如接收反射層265和背面反射層260)以及可以是多層結構的光柵層。在一些實施例中，多層結構提供雙向光柵，例如，具有第一方向D1的第一多層組光柵212和具有第二方向D2的第二多層組光柵214，其中第一方向D1和第二方向D2彼此相對。在又一實施例中，光柵層的多層結構可提供至少三個單獨的光柵組，例如第一多層組光柵240、第二多層組光柵235和第三多層組光柵230。在如圖2J至圖2M所示的光柵耦合器部分205的處理期間，中介物100中包括第一光學構件203的剩餘部分可以由一個或多個塊罩幕及/或硬罩幕保護。

圖2J繪示出可用於製程流程的初始結構，其提供雙向反射器(例如接收反射層265和背面反射層260)以及包括雙向光柵的多層光柵結構280(如圖2K所示)。圖2J所描繪的初始結構包括第一基板101、背面反射層260和第一包覆層103A。這些元件中的每一個已經在上面參考圖2至圖2F進行了描述。這些元件的上述描述適用於圖2J中具有相同附圖標記的元件。

圖2J也繪示出第一包覆層103A的上表面已被蝕刻以提供多個溝渠216。圖2J所描繪的溝渠216類似圖2G所描繪的第一包覆層103A的上表面中存在的溝渠216。因此，上述圖2G所示的溝渠216的描述適合於描述形成圖2J所示的第一包覆層103A的上表面中的溝渠216的至少一個實施例。

圖2J也繪示出在第一包覆層103A上形成多層光柵結構280的第一光柵層221。在一些實施例中，第一光柵層221可以由含半導體材料所構成，例如矽(Si)。在一些實施例中，第一光柵層221可以由含氮化物材料所構成，例如氮化矽(Si₃N₄)。另外，第一光柵層221的材料填充第一包覆層103A的上表面中的溝渠216。可以使用化學氣相沉積(CVD)製程來沉積材料第一光柵層221的，其中選擇沉積參數以至少填充溝渠216。在一個實例中，化學氣相沉積(CVD)製程可以是電漿增強化學氣相沉積(PECVD)。填充溝渠216的第一光柵層221的材料提供了第三多層組光柵230。

圖2K繪示出在多層光柵結構280的第一光柵層221中形成溝渠234以及在第一光柵層231上形成多層光柵結構280的第二光柵層223。在一些實施例中，第二光柵層223中的材料填充第一光柵層221中的溝渠234，以提供第二多層組光柵235。因此，在一些實施例中，因為溝渠234的幾何形狀決定光柵的幾何形狀，所以溝渠234可以被蝕刻為具有曲率和錐形寬度，錐形寬度具有最大寬度到最窄寬度，最大寬度在多個光柵的光訊號進入點處，最窄寬度在多個光柵的波導介面部分處。可以使用光刻(例如，光阻蝕刻罩幕形成)和蝕刻製程(例如，反應離子蝕刻(RIE))來形成溝渠234。

圖2K也繪示出在第一光柵層221上沉積第二光柵層223以形成第二多層組光柵235的實施例。在一些實施例中，第二光柵層223可以由含半導體材料所構成，例如含矽材料，例如矽。在一些實施例中，第二光柵層223可以由介電材料所構成，例如含氮化物材料，例如氮化矽。可以使用化學氣相沉積(CVD)製程來沉積第二光柵層223，其中選擇沉積參數以至少填充溝渠234。在一個實例中，化學氣相沉積(CVD)製程可以是電漿增強化學氣相沉積(PECVD)。

第二光柵層223的材料填充溝渠234，而提供第二多層組光柵235。第二多層組光柵235存在於第一光柵層221和第二光柵層223的介面處。第二多層組光柵235具有高度，高度沿第二方向D2延伸到形成在第一光柵層221中的溝渠234中。

圖2L繪示出在多層光柵結構280的第二光柵層223中形成溝渠239以形成第一多層組光柵240。在一些實施例中，在第二光柵層223的上表面中形成第一多層組光柵240可包括形成蝕刻罩幕(未繪示)，蝕刻罩幕被圖案化以暴露第二光柵層233的待蝕刻的部分以形成溝渠239。蝕刻罩幕可以是使用光刻形成的光阻罩幕。溝渠239可以使用非等向性蝕刻製程形成，例如反應離子蝕刻(RIE)。第二光柵層223中存在於每組溝渠239之間的部分提供了第一多層組光柵的光柵240。在蝕刻製程之後，可以使用化學剝離製程來去除蝕刻罩幕。

第一多層組光柵240可以具有與圖2F所示的俯視圖中描繪的光柵幾何形狀類似的帶有曲率和錐形寬度的幾何形狀。第一多層組光柵240存在於第二光柵層223的上表面中並且具有沿第一方向D1延伸的高度。

第一多層組光柵240的第一方向D1相對於第二多層組光柵235和第三多層組光柵230的第二方向D2。在一些實施例中，第一多層組光柵240的第一方向D1相對於第二多層組光柵235和第三多層組光柵230的第二方向D2提供了雙向多層光柵耦合器結構280。存在於第二光柵層223的上表面中的第一多層組光柵240垂直偏移於存在於第一光柵層221和第二光柵層223的介面處的第二多層組光柵235。第三多層組光柵230和第二多層組光柵235也垂直偏移於存在於第一光柵層221的下表面處的第一多層組光柵240。在一些實施例中，第三多層組光柵230垂直偏移於第二多層組光柵235和第一多層組光柵240可以提高光柵耦合器204的耦合效率。例如，通過偏移光柵的方向和中心位置，可以提高耦合效率，同時減少插入損耗和反射損耗。

在又一些其他實施例中，對於具有不同波長的光的耦合，可以選擇(例如，增加及/或減少)第一多層組光柵240、第二多層組光柵235和第三多層組光柵230中分開相鄰定位的光柵的距離。例如，第三多層組光柵230中分開相鄰定位的光柵的距離可以大於第一多層組光柵240和第二多層組光柵235中分開相鄰定位的光柵的距離，以提供第三多層組光柵230被配置用於耦合寬頻光。例如，第三多層組光柵230的寬頻設計可以與比第一多層組光柵240和第二多層組光柵235的耦合的光更寬頻的光耦合。

圖2M繪示出在多層光柵結構280頂部上形成第二包覆層225。第二包覆層225可以由含氧化物材料組成物所構成，例如氧化矽(SiO₂)。第二包覆層225還可以由氮化矽、氧化鍺、氮化鍺及其組合所構成。第二包覆層225可以使用化學氣相沉積(CVD)製程來沉積。應注意，化學氣相沉積(CVD)只是適合形成第二包覆層225的沉積製程的範例。在其他範例中，第二包覆層225可以使用諸如原子層沉積(ALD)或物理氣相沉積(PVD)的沉積製程來形成。

圖2M也繪示出在第二包覆層225上形成接收反射層265，其中接收反射層265包括用於接收光訊號到至少多層光柵結構280的開口270。圖2M中描繪的接收反射層265類似於圖2E和圖2I中所描繪的接收反射層265。因此，圖2E和圖2I中所描繪的接收反射層265的上述描述適合於描述圖2M中所描繪的接收反射層265的至少一個實施例。在一些實施例中，接收反射層265包括用於接收光訊號到至少多層光柵結構280的開口270。此外，在一些實施例中，接收反射層265可以是分佈式布拉格反射器。

在一些實施例中，開口270可以形成為穿過接收反射層265，以接收光訊號，例如從光纖發送的光訊號進入多層光柵結構280。在一些實施例中，形成開口270可包括光刻和蝕刻製程。

在一些實施例中，穿過接收反射層265的開口270被定位為存在於光柵耦合器204的第一側上，以用於接收來自光纖905(參見圖9)的光訊號。在一些實施例中，光柵結構204中開口270所在的第一側相對於光柵結構204的第二側，其中光柵耦合器204的第二側可包括光柵耦合器204的波導介面部分。

圖2M繪示出與雙向多層光柵結構280耦合的雙向反射鏡(例如背面反射層260和接收反射層265)的一個實施例，可以有效增強光柵耦合器204的耦合效率。在一些實施例中，從光纖接收的接收光訊號271可以有效耦合到光柵耦合器204的多層光柵結構280中，以增強光訊號的耦合和收集效率。首先，從光纖發射的接收光訊號光束271穿過接收反射層265中的開口270進入光柵耦合器204的多層光柵結構280。光訊號光束271的一部分與多層光柵結構280耦合，光訊號光束271的一部分穿過多層光柵結構280。背面反射層260可以第一次反射光訊號並將光訊號作為第一反射光訊號272反射向接收反射層265。第一反射光訊號272穿過多層光柵結構280，其中第一反射光訊號272的一部分與多層光柵結構280耦合。第一反射光訊號272的一部分不與多層光柵結構280耦合且朝向接收反射層265延伸。接收反射層265可以通過將光訊號反射回背面反射層260來增加光柵耦合器204中光訊號反射的數量。例如，第一反射光訊號272中不與多層光柵結構280耦合的光訊號可以作為具有朝向背面反射層260的方向的第二反射光訊號273從接收反射層265的下表面反射。在一些實施例中，由接收反射層265和背面反射層260的組合提供的雙層金屬反射的特性可以有效地限制和集中光訊號作為朝光柵耦合器204的波導介面部分行進的耦合光訊號274，進一步增強了光學元件的耦合和收集效率。光柵的層(例如第三多層組光柵230、第二多層組光柵235和第一多層組光柵240)也可以有效地將來自多次反射的反射光訊號耦合到波導中，顯著提高耦合效率。此外，設計寬頻光柵和高耦合效率光柵，並將它們與鏡子結合可以增加頻寬和耦合效率。雙設計可以大幅增加寬頻和高耦合效率效果。

圖3至圖9繪示出整合如上方參考圖2A至圖2M所描述的光柵耦合器204的光學封裝件的形成。圖2A至圖2M中描繪的每個實施例可以整合到參考圖3至圖9所描述的光學封裝件中。為了簡單起見，圖2A至圖2M中所描繪的光柵耦合器的不同實施例可以由圖3至圖9中具有附圖標記“204”的結構共同描繪。在一些實施例中，在將光柵耦合器204整合到光學封裝件中的處理之前，可以在形成光柵耦合器204期間移除用於隔離中介物100的光柵耦合器部分205的任何罩幕結構，例如硬罩幕及/或光阻罩幕。

圖3繪示出，對於那些利用進一步製造製程的構件，例如利用電阻加熱元件的馬赫曾德矽光子開關，可以在對第一主動層201的材料進行圖案化以形成第一光學構件之前或之後進行額外的處理及/或在形成光柵耦合器204之前或之後。例如，可以利用植入製程、額外的沉積和針對不同材料的圖案化製程(例如，電阻加熱元件、針對轉換器的III-V材料)、所有這些製程的組合等，以幫助進一步製造各種所需的第一光學構件203。在特定的實施例中，並且如圖3中具體繪示出的，在一些實施例中，可以在第一主動層201的材料105的圖案化部分上執行諸如鍺(例如用於電/光訊號調製和轉換)的半導體材料301的磊晶沉積。在這樣的實施例中，可以磊晶生長半導體材料301以便幫助製造，例如用於光電轉換器的光電二極體。可以製造所有這樣的製造製程和所有合適的第一光學構件203，並且所有這樣的組合完全旨在被包括在實施例的範圍內。

圖4繪示出，一旦形成光柵耦合器204和第一光學構件203，就可以沉積第二絕緣體層401以覆蓋光柵耦合器204和第一光學構件203。第二絕緣體層401可以提供附加的包層材料。在實施例中，第二絕緣體層401可以是介電層，其將第一主動層201的各個構件彼此分離並且將各個構件與上方的結構分離，並且還可以額外用作圍繞第一光學構件203和光柵耦合器204的包層材料的另一部分。在實施例中，第二絕緣體層401可以是使用諸如化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、這些的組合等的沉積方法形成的氧化矽、氮化矽、氧化鍺、氮化鍺、這些的組合等。一旦沉積了第二絕緣體層401的材料，就可以使用例如化學機械拋光製程來平坦化材料，以便使第二絕緣體層401的頂面(在第二絕緣體層401旨在完全覆蓋第一光學構件203和光柵耦合器204的實施例中)平坦化或使第一光學構件203和光柵耦合器204兩者的頂面與第二絕緣體層401平坦化。然而，可以使用任何合適的材料和製造方法。

圖5繪示出一旦製造了第一光學構件203和光柵耦合器204並且形成了第二絕緣體層401，就形成第一金屬化層501，以便將光柵耦合器204和第一光學構件203的第一主動層201電連接到控制電路，彼此電連接，以及電連接到隨後附接的元件(圖5中未繪示，但以下參考圖6進一步繪示出和描述)。在實施例中，第一金屬化層501由介電和導電材料的交替層形成，並且可以通過任何適當的製程(例如沉積、鑲嵌、雙鑲嵌等)形成。在具體實施例中，可以存在用於內連線各個第一光學構件203以及光柵耦合器204的多層金屬化層，但是第一金屬化層501的精確數量取決於光學中介物100的設計。

另外，在第一金屬化層501的製造期間，一個或多個第二光學構件503可以形成為第一金屬化層501的一部分。在一些實施例中，第一金屬化層501的第二光學構件503可包括諸如用於連接到外部訊號的耦合器(例如，邊緣耦合器、光柵耦合器等)、光波導(例如，脊形波導、肋形波導、埋入通道波導、擴散波導等)、光調變器(例如，馬赫曾德矽光子開關、微機電開關、微環諧振器等)、放大器、多工器、解復用器、光電轉換器(例如PN接面)、電光轉換器、雷射、這些的組合等構件。然而，任何合適的光學元件可用於一個或多個第二光學元件503。在實施例中，一個或多個第二光學構件503可以通過最初沉積用於一個或多個第二光學構件503的材料來形成。在實施例中，一個或多個第二光學構件503的材料可以是介電材料，例如氮化矽、氧化矽、這些的組合等，或者是半導體材料，例如矽，使用諸如化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、這些的組合等沉積方法沉積。然而，可以利用任何合適的材料和任何合適的沉積方法。

一旦沉積或形成用於一個或多個第二光學構件503的材料，可以將材料圖案化為一個或多個第二光學構件503的期望形狀。在實施例中，一個或多個第二光學元件503的材料可以使用例如一種或多種光刻罩幕和蝕刻製程來圖案化。然而，可以使用將一個或多個第二光學構件503的材料圖案化的任何合適方法。

對於一個或多個第二光學元件503中的一些，例如波導或邊緣耦合器，圖案化製程可以是用於形成這些構件的全部或至少大部分製造。另外，對於利用進一步製造製程的那些構件，例如利用電阻加熱元件的馬赫曾德矽光子開關，可以在對一個或多個第二光學構件503的材料進行圖案化之前或之後執行附加處理。例如，植入製程、額外的沉積和針對不同材料的圖案化製程、所有這些製程的組合等，可以用來幫助進一步製造各種期望的一個或多個第二光學零件503。可以製造所有這樣的製造製程和所有合適的一個或多個第二光學構件503，並且所有這樣的組合完全旨在被包括在實施例的範圍內。

一旦製造了第一金屬化層501的一個或多個第二光學構件503，就在第一金屬化層501上方形成第一接合層505。在實施例中，第一接合層505可用於介電對介電和金屬對金屬的接合。根據一些實施例，第一接合層505是由諸如氧化矽、氮化矽等的第一介電材料509形成。可以使用任何適當的方法沉積第一介電材料509，例如CVD、高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)、PVD、原子層沉積(ALD)等。然而，可以利用任何合適的材料和沈積製程。

一旦形成第一介電材料509，就形成第一介電材料509中的第一開口以暴露下層的導電部分，為在第一接合層505內形成第一接合墊507做準備。一旦在第一介電材料509內形成第一開口，就可以用晶種層和電鍍金屬填充第一開口以在第一介電材料509內形成第一接合墊507。晶種層可以覆蓋沉積在第一介電材料509的頂面、下層的暴露的導電部分、開口和第二開口的側壁之上。種子層可包括銅層。取決於所需的材料，可以使用諸如濺鍍、蒸鍍、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)等製程來沉積種子層。可以通過諸如電鍍或化學鍍的電鍍製程將電鍍金屬沉積在種子層上。電鍍金屬可包括銅、銅合金等。電鍍金屬可以是填充物材料。阻障層(未單獨繪示出)可以在種子層之前覆蓋沉積在第一介電材料509的頂面以及開口和第二開口的側壁之上。阻障層可以包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭等。

在填充第一開口之後，執行諸如CMP的平坦化製程以去除種子層和電鍍金屬的多餘部分，從而在第一接合層505內形成第一接合墊507。在一些實施例中，接合墊通孔(未單獨繪示出)也可用於將第一接合墊507與下方的導電部分連接，並且通過下方的導電部分將第一接合墊507與第一金屬化層501連接。

另外，第一接合層505還可包括併入第一接合層505內的一個或多個第三光學構件511。在這樣的實施例中，在第一介電材料509的沉積之前，可以使用與一個或多個第二光學構件503(如上所述)類似的方法和類似的材料來製造一個或多個第三光學構件511，例如通過至少部分通過沉積和圖案化製程形成的波導和其他結構。然而，可以利用任何合適的結構、材料和任何合適的製造方法。

圖6繪示出將第一半導體元件601接合到光學中介物100的第一接合層505。在一些實施例中，第一半導體元件601是電子積體電路(EIC，例如，沒有光學元件的元件)，並且可能具有半導體基板603、一層主動元件605、上方的內連線結構607、第二接合層609和相關的第三接合墊611。在實施例中，半導體基板603可以類似於第一基板101(例如，半導體材料，例如矽或矽鍺)，主動元件605可以是形成在半導體基板603上方的電晶體、電容、電阻器等，內連線結構607可以類似於第一金屬化層501(沒有光學構件)，第二接合層609可以類似於第一接合層505，且第三接合墊611可以類似於第一接合墊507。然而，可以利用任何合適的元件。

在實施例中，第一半導體元件601可以被配置為與光學中介物100一起工作以實現期望的功能。在一些實施例中，第一半導體元件601可以是高頻寬記憶體(HBM)模組、xPU、邏輯晶粒、3DIC晶粒、CPU、GPU、SoC晶粒、MEMS晶粒、這些的組合等。可以使用具有任何合適功能的任何合適元件，並且所有此類元件完全旨在包括在實施例的範圍內。

在實施例中，第一半導體元件601和第一接合層505可以使用介電對介電和金屬對金屬接合製程來接合。在使用介電對介電和金屬對金屬接合製程的特定實施例中，可以通過活化第二接合層609的表面和第一接合層505的表面來啟動製程。活化第一接合層505和第二接合層609的頂面可包括例如乾式處理、濕式處理、電漿處理、暴露於惰性氣體電漿、暴露於H₂、暴露於N₂、暴露於O₂、其組合等。在使用濕式處理的實施例中，例如可以使用RCA清洗。在另一個實施例中，活化製程可包括其他類型的處理。活化製程輔助第一接合層505和第二接合層609的接合。

在活化製程之後，可以使用例如化學沖洗來清潔光學中介物100和第一半導體元件601，然後將第一半導體元件601對準並放置為與光學中介物100實體接觸。對光學中介物100和第一半導體元件601進行熱處理和接觸壓力，以接合光學中介物100和第一半導體元件601。例如，光學中介物100和第一半導體元件601可以經受大約200kPa或更小的壓力以及大約25℃和大約250℃之間的溫度，以熔合光學中介物100和第一半導體元件601。然後，光學中介物100和第一半導體元件601可以經受處於或高於第一接合墊507和第三接合墊611的材料的共晶點的溫度，例如，在約150℃和約650℃之間，以熔化金屬。以這種方式，光學中介物100和第一半導體元件601形成介電對介電以及金屬對金屬接合的裝置。在一些實施例中，接合的晶粒隨後被烘烤、退火、壓製或以其他方式處理以加強或最終確定接合。

另外，雖然已經描述了特定的製程來啟動和增強接合，但是這些描述旨在說明性的並且不旨在限制實施例。相反，可以利用烘烤、退火、壓制的任何合適的組合或製程的組合。所有此類製程都完全包括在實施例的範圍內。

圖6也繪示出，一旦接合第一半導體元件601，就沉積第二間隙填充材料613，以填充第一半導體元件601周圍的空間並提供額外的支撐。在實施例中，第二間隙填充材料613可以是諸如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、這些的組合等的材料，其沉積以填充和過度填充第一半導體元件601周圍的空間。然而，可以利用任何合適的材料和沉積方法。

一旦沉積了第二間隙填充材料613，就可以平坦化第二間隙填充材料613以便暴露第一半導體元件601。在實施例中，平坦化製程可以是化學機械平坦化製程、研磨製程等。然而，可以利用任何合適的平坦化製程。

圖7繪示出將支撐基板701附接到第一半導體元件601以及第二間隙填充材料613。在實施例中，支撐基板701可以是對期望使用的光的波長透明的支撐件材料，例如矽，並且可以使用例如黏著件(圖7中未單獨繪示出)來附接。然而，在其他實施例中，支撐基板701可以使用例如接合製程接合到第一半導體元件601和第二間隙填充材料613。可以使用任何適當的附接支撐基板701的方法。

圖7也繪示出支撐基板701包括耦合透鏡703，耦合透鏡703被定位成促進從光纖905(圖7中未繪示，但在下面關於圖9進一步繪示出和描述)到光柵耦合器204、第一金屬化層501的第二光學構件503或第三光學構件511的移動。在實施例中，耦合透鏡703可以通過使用罩幕和蝕刻製程對支撐基板的材料(例如，矽)進行成形來形成。然而，可以利用任何合適的製程。

圖8繪示出第一基板101和可選的第一絕緣體層103的去除，從而暴露第一光學構件203的第一主動層201和光柵耦合器204。在實施例中，可以使用諸如化學機械拋光製程的平坦化製程、研磨製程、一種或多種蝕刻製程、這些製程的組合等去除第一基板101和第一絕緣體層103。然而，可以使用任何合適的方法來除去第一基板101及/或第一絕緣體層103。

一旦移除了第一基板101和第一絕緣體層103，就可以在第一主動層201的背面上形成第四光學構件803的第二主動層801。在實施例中，第四光學構件803的第二主動層801可以使用與第一金屬化層501的第二光學構件503相似的材料和相似的製程來形成(上面參考圖5描述)。例如，第四光學構件803的第二主動層801可以由使用沉積和圖案化製程形成的諸如氧化矽的包覆材料和諸如氮化矽的芯材料的交替層形成，以便形成諸如波導等的光學構件。

圖9繪示出第一元件通孔(through device vias，TDV)901的形成、第三接合層903的形成以及光纖905的放置以形成第一光學封裝件900。在實施例中，第一元件通孔901延伸穿過第二主動層801和第一主動層201，以便提供穿過光學中介物100的電力、數據和接地的快速通道。在實施例中，第一元件通孔901可以通過先將元件通孔開口形成到光學中介物100中來形成。可以通過施加並顯影適當的光阻(未繪示)並去除第二主動層801和光學中介物100的暴露部分來形成元件通孔開口。

一旦在光學中介物100內形成了元件通孔開口，就可以用襯裡對元件通孔開口進行加襯。襯墊可以是例如由原矽酸四乙酯(TEOS)或氮化矽形成的氧化物，但是也可以替代地使用任何合適的介電材料。襯裡可以使用電漿增強化學氣相沉積(PECVD)製程形成，但也可以使用其他合適的製程，例如物理氣相沉積或熱製程。

一旦沿著元件通孔開口的側壁和底部形成襯墊，就可以形成阻障層(也沒有獨立繪示出)，並且元件通孔開口的其餘部分可以用第一導電材料填充。第一導電材料可包括銅，但也可使用其他適當的材料，如鋁、合金、摻雜多晶矽、其組合等。可以將銅電鍍到種子層(未繪示)上、填充和過填充元件通孔開口來形成第一導電材料。一旦已經填充了元件通孔開口，則可以通過諸如化學機械拋光(CMP)的平坦化製程來去除元件通孔開口外部的多餘襯墊、阻障層、種子層和第一導電材料，但可以使用任何合適的去除製程。

可選地，在一些實施例中，一旦形成第一元件通孔901，就可以形成與第一元件通孔901電連接的第二金屬化層(圖9中未單獨繪示出)。在實施例中，第二金屬化層可以如上文相對於第一金屬化層501所描述的那樣形成，例如使用鑲嵌製程、雙鑲嵌製程等形成介電和導電材料的交替層。在其他實施例中，可以使用電鍍製程形成第二金屬化層以形成並成形導電材料，然後用介電材料覆蓋導電材料。然而，可以利用任何合適的結構和製造方法。

形成第三接合層903是為了提供光學中介物100和隨後附接的元件之間的電連接。在實施例中，第三接合層903可以類似於第一接合層505，例如具有第三接合墊909(類似於第一接合墊507)甚至第五光學構件911(類似於第三光學構件511)。然而，可以利用任何合適的元件。

可選地，在製程中的此刻，可以附接光纖905。在實施例中，光纖905被用作光學中介物100的光學輸入/輸出端口。在實施例中，光纖905被放置成將光纖905和諸如光柵耦合器(圖9中未單獨繪示出)的光學輸入進行光學耦合，光柵耦合器是第一光學構件203、第二光學構件503或第三光學構件511的部分。通過如此定位光纖905，離開光纖905的光訊號被引導向例如第一光學構件203的第一主動層201和光柵耦合器204。類似地，光纖905被定位成使得離開第一光學構件203的第一主動層201的光訊號被引導向光纖905中以進行傳輸。然而，可以利用任何合適的位置。

光纖905可以使用例如光學膠(未繪示)固定就位。在一些實施例中，光學膠包括聚合物材料，例如環氧丙烯酸酯低聚物，並且可以具有約1至約3之間的折射率。然而，可以利用任何合適的材料。

另外，雖然光纖905被繪示為在製造過程中的此時附接，但這旨在是說明性的而不是旨在進行限制。相反，光纖905可以附接在製程中的任何合適的點處。可以利用任何合適的附接點，並且製程中任何點處的所有此類附接都完全旨在包括在實施例的範圍內。

通過利用本文提出的結構和方法，雙向反射器可以應用於可以整合到矽光子平台中的光柵耦合器，其中光柵耦合器可以實現更高的耦合效率。另外，雙向反射器，例如背面反射層260和接收反射層265，可以提供光能的有效限制和集中。例如，通過利用雙層金屬反射器(例如，背面反射層260和接收反射層265)的特性，可以有效地限制和集中光束，使光束更加聚焦和強大。雙向反射器，例如背面反射層260和接收反射層265，可以提供可以提高光柵耦合器204的耦合和收集效率的多次反射。通過背面反射層260的多次反射機制，可以重新利用從底部反射的光訊號，以提高光訊號的耦合和收集效率，從而獲得更高的光訊號收集和耦合效率。此外，雙向反射器，例如背面反射層260和接收反射層265，可以在光通訊系統中提供改進的效率。在一些實施例中，本文所述的光通訊系統可以使用雙層金屬反射器，例如背面反射層260和接收反射層265，以有效地將光訊號光束聚焦到光柵耦合器的入口，從而改善光訊號的耦合效率和收集效率，進而提高光接收器和發射器的效率。這可以帶來更高的傳輸速率並適合用於更長的傳輸距離。雙層金屬反射器的使用不僅限於光柵耦合器，還可以廣泛應用於其他光學構件。

在一些實施例中，形成光學元件的方法包括：形成第一反射層；在第一反射層上形成包覆層；在包覆層上形成光柵層；以及在包覆層上形成第二反射層，其中第二反射層包括開口，用於接收光訊號到至少光柵層。在實施例中，形成第二反射層包括：在光柵層上方沉積金屬層；在金屬層上形成蝕刻罩幕，蝕刻罩幕經圖案化以暴露金屬層的開口部分；以及蝕刻金屬層的開口部分，以形成用於接收光訊號到至少光柵層的開口。在實施例中，第二反射層的開口存在於光學元件的光柵耦合器的第一側，用於接收來自光纖的光訊號，光柵耦合器的第一側相對於光柵耦合器的第二側，其中光柵耦合器的第二側包括波導介面部分，且光柵耦合器的第二側具有比光柵耦合器的第一側更窄的寬度。在實施例中，光柵層是單材料層。在實施例中，提供光柵層的單材料層包括雙向光柵。在實施例中，光柵層是多層結構。在實施例中，多層結構包括存在於包覆層上的第一光柵層和存在於第一光柵層上的第二光柵層，第一光柵層包括寬頻組光柵，寬頻組光柵具有高度，高度延伸進形成在包覆層中的溝渠，第二光柵層具有沿第一方向延伸的第一組光柵以及沿不同於第一方向的第二方向延伸的第二組光柵。

在另一個實施例中，光學元件包括：背面反射層；在背面反射層上的包覆層；在包覆層上的光柵結構；以及在光柵結構上的接收反射層，其中接收反射層包括開口，用於接收光訊號到至少光柵結構。在實施例中，接收反射層中的開口存在於光學元件的光柵耦合器的第一側，用於接收來自光纖的光訊號，光柵耦合器的第一側相對於光柵耦合器的第二側，光柵耦合器的第二側包括波導介面部分。在一些實施例中，光柵耦合器的第二側的寬度比光柵耦合器的第一側更窄。在實施例中，背面反射層上的包覆層是第一包覆結構，其中第二包覆結構存在於接收反射層和光柵結構之間。在實施例中，光柵結構是包括單組光柵的單層，單組光柵具有高度朝向接收反射層延伸的高度。在實施例中，光柵結構是單層，單層包括沿第一方向延伸的第一組光柵和在光柵結構的第二部分中沿第二方向延伸的第二組光柵。在實施例中，光柵結構是單層，單層包括光柵，光柵具有朝向波導接合部分減少的錐形寬度。在一個實施例中，光柵結構包括兩層。

在另一個實施例中，光學元件包括：背面反射層；在背面反射層上的包覆層；在包覆層上的多層光柵結構；以及在多層光柵結構上的接收反射層，其中接收反射層包括開口，用於將光訊號接收到至少單層光柵層。在一些實施例中，接收反射層中的開口存在於光學元件的光柵耦合器的第一側，用於接收來自光纖的光訊號，光柵耦合器的第一側相對於光柵耦合器的第二側，光柵耦合器的第二側包括波導介面部分。在一些實施例中，光柵耦合器的第二側的寬度比光柵耦合器的第一側更窄。在實施例中，背面反射層上的包覆層是第一包覆結構，其中第二包覆結構存在於接收反射層和單層光柵結構之間。在實施例中，多層光柵結構包括：存在於包覆層上的第一光柵層，第一光柵層具有多個溝渠；存在於第一光柵層上的第二光柵層，第二光柵層具有在第二光柵層的上表面上的第一組光柵以及在與第一光柵層交界的第二光柵層的下表面上的第二組光柵，其中第一組光柵具有沿第一方向延伸的高度，且第二組光柵沿著第二方向延伸進第一光柵層中的多個溝渠中。在實施例中，光學元件還包括在第一光柵層與包覆層的交界處的第三組光柵。在實施例中，多層光柵結構具有朝向波導接合減少的錐形寬度。

以上概述了幾個實施例的特徵，以便本領域具有通常知識者更能理解本發明的方面。本領域具有通常知識者應理解，他們可以輕鬆地使用本揭露作為設計或修改其他製程和結構的基礎，以實現與本文介紹的實施例相同的目的及/或實現相同的優點。本領域具有通常知識者也應當認識到，這樣的等同構造並不脫離本揭露的精神和範圍，並且他們可以在不脫離本揭露的精神和範圍的情況下做出各種改變、替換和改變。