CN101501543A - 晶片等级的光学组件对准 - Google Patents

Abstract

本发明揭示制造一光学组件的方法。在一光学材料板的第一表面附近或之上置放一主动式光学组件。于该板的一第二表面上形成一被动式光学组件，该第二表面是大致平行于该第一表面。使用一种微影对准工艺，将该被动式光学组件的光轴对准于该被动光学组件及该主动式光学组件的主动区之间的光学路径。

Description

晶片等级的光学组件对准

技术领域

本申请大致是关于光学组件的对准方法。更明确地说，本申请是关于使用微影方法对准光学组件。

背景技术

在许多应用中需要对准光学组件。其中受到关注者是激光及侦测器光学次组件，包括传输光学次组件(transmit optical subassembly，「TOSA」)及反射光学次组件(reflect optical subassembly，「ROSA」)，其通常需要高对准精确度。激光发射器通常需要特别高的定位精确度(公差(tolerance)远小于1微米)以获得高耦合效率。此是因为波导式边射型激光二极管(waveguide-based edge emitting laser diode)及某些发光二极管，通常具有发光直径为1微米高乘以3微米宽量级的主动区(active region)。此种光源相应地需要更准确地成像至一光学组件(诸如，一透镜、纤维或其它光学结构)，其精确度为次微米级。其它激光光源，例如垂直共振腔面射型激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，「VCSEL」)，其光束为5微米量级，仍然需要精确对准。

不同实体部件的对准可能是一昂贵工艺，在以高效率将光耦合至或耦合出一光学组件时，必须考虑许多不同问题。该光束必须高效地形成以匹配即将耦合部件之间的光束形状。为获得高效率耦合而以高准确度机械对准所述部件，经常需要穿过该部件的光束的主动反馈以正确量测对准位置。上述步骤通常需要一或多个光学组件(供以能量)以发射或侦测光线，且当对准时固定它们。如果将激活的部件是操作用以达成对准的部件，则上述的电力开启式(power-on)主动对准工艺是难以达成。为采用此等方式来达到对准，通常亦需要提供一种刚性结构，其在时间、温度及外部应力下保持高精确度的稳定性。

因此该技术领域需要对准光学组件的方法，其可有效地解决此等问题。

发明内容

本发明的具体实施例提供制造光学组件的方法，其可有效地以一被动式光学组件光学对准一主动式光学组件。但未使用主动次微米级对准分离的主动式及被动式光学组件，而是采用一种制造方法，该方法将光学微影(photolithographic)对准与至少被动式光学组件的制造相结合，还可能与该主动式光学组件的制造相结合。该被动式光学组件可直接制造于该主动式光学组件的相同基板上，也可制造于另一基板上，已经通过晶片接合或熟悉此项技术者所习知的其它技术将该另一基板黏接至该主动式组件基板。

上述的技术产生一种可高度有效地匹配该主动式及被动式光学组件之间光线的结构，且提供一种刚性结构，其在时间、温度及外部应力下能够保持稳定。该主动式光学组件通常包括一光侦测器或一光源，其实例包括激光二极管、发光二极管及垂直共振腔面射型激光等。该被动式光学组件有时包括一准直组件(collimation element)，例如一反射式、折射式及/或绕射式透镜，但在不同实施例中也可包括其它光学被动结构。

制造与微影对准的结合可实现优于其它技术的许多优点。

图式简单说明

参考本说明书的其余部分以及图式可以进一步理解本发明的本质及优点，在所述图式中，类似组件符号在多个图式中表示类似组件。在一些实例中，一子标记连结于一组件符号且被放在括号内，以代表多个类似组件其中之一。在引用一组件符号但未指明现有子标记时，其是希望引用所有上述的多个类似组件。

图1是一流程图，其总结根据本发明的具体实施例制造光学组件的方法；

图2是一示意图，其说明可利用图1的方法制造的第一结构；

图3是一示意图，其说明可利用图1的方法制造的第二结构；

图4是一示意图，其说明可利用图1的方法制造的第三结构；

图5是一示意图，其说明可利用图1的方法制造的第四结构；

图6是一示意图，其说明可利用图1的方法制造的第五结构；

图7是一示意图，其说明可利用图1的方法制造的第六结构；以及

图8是一示意图，其说明可利用图1的方法制造的第七结构。

主要组件符号说明

204、304、404、504、604、704、804  光学材料板

208、308、408、508、728、828  第二表面

212、312、412、512、724、832  第一表面

216、316、708  边射型激光

220  外部反射镜

224、324、424、620、712、820、824  透镜

228、328、428、528、624  光

320  外耦接器

416、616、836  垂直共振腔面射型激光

516  光侦测器                           524  被动光学组件

608  背面                               612  正面

716-1、716-2、716-3  柱部               720  晶片基板

808  光学耦合器                         812  光学纤维

816  环

具体实施方式

本发明的实施例提供制造一光学组件的方法，其以有效对准分离的光学组件解决上述各种问题。上述的实施例利用晶片微影技术以实现组件非常准确的重叠，其公差值一般超过0.5微米。所述实施例描述成用于制造一光学组件，其包括一主动式光学组件及一被动式光学组件，利用一光学材料板对准所述光学组件。该光学材料板通常具有一正面及一背面，其定义为该板的外表面。尽管所述外表面通常最好是大致平行，但这不是本发明的必要条件，在其它具体实施例中，它们可以为非平行的。

该正面通常包括一直接半导体材料，其可以是诸如硅或锗的类的元素材料，也可以是诸如III-V、II-VI甚至是I-VII半导体材料的一化合物。在一些实例中，该正面包括上述直接半导体材料的合金。该正面也可作为单一材料层(或可包括不同实施例中的数个层)，有时包括奈米微粒及/或量子点(quantum dot)，或者其它可用于有效产生光的结构。

在许多实施例中，该背面可包括与正面相同的材料，但这不是本发明的必要条件，且许多其它实施例中该背面包括的材料不同于正面所包含的材料。与正面类似，该背面可作为单一材料层或可包括数个层。在至少一实施例中，单一光学材料层作为正面及背面。但在包括不同层的实施例中，该光学材料板的正面及背面可经由沉积、接合或熟悉此项技术者已知的其它黏接层技术相互黏接。可在特定实施例中用作背面材料的实例包括氮化硅、氧化硅、石英、蓝宝石、硅等材料。

该主动式光学组件可包括一光源，诸如一激光二极管、一发光二极管、一垂直共振腔面射型激光等光源；或可包括一光侦测器。在不同实施例中，该被动式光学组件可包括一透镜、一光栅、一棱镜、一棱镜光栅(grism)、一镜子或其它反射表面，或者任意其它非主动式光学组件。在某些特定实施例中，该被动式光学组件包括一准直组件。

因此，图1的流程图提供制造该光学组件的方法的一般概述。尽管该流程图提出特定步骤且以特定顺序提供此等步骤，但其无意进行限制。在某些实施例中，有时可另外执行未明确指出的其它步骤，有时可省略某些步骤，执行所述步骤的顺序可以有所改变。举例而言，文字块104指出一主动式光学组件置放于该光学材料板的第一表面上或附近，而文字块108指出一被动式光学组件形成于该光学材料板的一第二表面上。尽管某些实施例在形成被动式光学组件前置放该主动式光学组件，但其它实施例可以采用相反顺序执行所述步骤，或同时执行它们。

此外，对「第一」及「第二」表面的引用是一般性的。即，在某些实施例中，该主动式光学组件置放在该板正面上，该正面作为「第一」表面，而该被动式光学组件形成于该背面上，该背面作为「第二」表面。但在其它实施例中，该第一及第二表面均是该光学材料板的正面，所以该主动式及被动式光学组件提供于同一面上。上述的实施例尤其适用于覆晶(flip-chip)安装应用。有时亦需要该第一及第二表面为「平行的」。此术语意欲包含该第一及第二表面为同一表面的情况；即自然认为一表面与其自身是「平行的」。

图1的文字块112指出该被动式光学组件的光轴对准于来自该主动式光学组件的主动区的光学路径。可使用晶片微影技术执行上述的对准。举例而言，可在该第一及第二表面上产生基板对准标记，且作为制造该主动式及被动式光学组件的参考。如果该光学组件制造于相对面上，可使用背侧对准或贯穿晶片式(through-wafer)对准技术。上述的技术允许将主要对准标记置放在该其中之一表面，且其以高准确度将该辅助对准标记置放在另一表面上。如果该光学组件制造于同一面上，即该第一及第二表面是同一表面时，则有可能使用单一组对准标记达成所欲的对准。

在第一表面与第二表面不同的实施例中，其它可用微影方法包括利用晶片接合技术。举例而言，在上述的一实施例中，在文字块104中，该主动式光学组件置放在一第一基板的第一表面上，而该被动式光学组件形成于一分离的第二基板的第二表面上。接着使用高精确度对准的晶片接合将该光学组件相互对准。相对于本文所述的某些其它技术，此种方法通常更难且准确性较差。

另一技术包括在一分离的第二基板的第二表面上制造对准标记，且将该第二表面接合至该第一基板。可以不包括光学组件最终对准的较差精确度执行上述的接合。通过描述该第一、第二表面间的偏移特征，并将所述特征作为相互放置所述光学组件的校正因子，可接着在该第二表面上制造相对于该第一表面精确对准的光学组件。

在此等实施例(其正面及背面包含于单一基板)中可使用又一对准技术。该基板是高度平行，此为硅晶片制造中的常见方式。在上述的实施例中，对应于该正面、背面的第一及第二表面的自然平行性质允许自它们反射，以近一步简化剩余轴或焦点的对准。

图1文字块104至112形成的结构产生一种结构，其中该主动式光学组件准确对准于该被动式光学组件。举例而言，当该主动式光学组件包括一光源而该被动式光学组件包含一准直组件时，该结构可产生一准直扩展光束。其余需要关注的是将该准直光束与于其上置放构成组件的晶片进行角度对准。将该组件黏在该晶片上需要应用黏着剂，且需确保黏着剂中没有气泡。可通过以下方法实现：使用过量胶水且从缝隙中挤出过量部分。但是，上述的挤出操作使得难以控制该主动式光学组件及晶片之间的对准，且存在一种风险，即该被动式光学组件碰到该晶片而产生一枢转点(pivotpoint)，从而使得实现所欲的角度精确度变得复杂。

如图1的文字块116所示解决该些问题，其通过在该光学材料板的第二表面上形成至少三个柱部。于是上述的柱部界定出一平面，且高于该被动光学组件而产生。在文字块120置放黏着剂以将所述柱部黏于该晶片基板上，并因而将该光学组件黏在该晶片基板上时，有可能接着用力施压于该光学组件上，直到所述柱部接触该晶片基板为止。该黏着剂容易地由缝隙中流出而可实现大致无空隙的密封。因为所述柱部界定一大致与该第二表面平行的平面，所以可将该主动式光学组件相对于该晶片基板进行角度对准。且因为所述柱部的高度高于该被动光学组件的高度，所以该被动式光学组件受到保护，而不会与晶片基板表面接触从而受到破坏。

许多技术可用于制造上述的柱部。一种方法在制造该被动式光学组件的同时将该柱部蚀刻至第二表面。可使用美国临时专利申请第60/805,010号中所述的回焊方法达成此工艺，该专利申请的名称为「Method ofPatterning 3D Features in Silicon for Optoelectronic Applications」，该专利申请的全部揭示内容以参考资料的方式并入本文中，用于各种目的。在第二表面上沉积阻剂并接着导致回焊，以生成被动式光学组件且生成所述柱部。为该被动式光学组件选择一直径且为所述柱部的各者选择一较大直径，导致该阻剂回焊高于该被动式光学组件。大致同时蚀刻所述结构，因此首先完成该被动式光学组件且一接着的过度蚀刻完成所述支柱。在一些实施例中，所述柱部本身生成为被动式光学组件，其光学功能类似于该被动式光学组件，尽管所述光学特性未应用于产生的结构中。

在其它实施例中，在回焊该阻剂之前以及同时蚀刻所述柱部及被动光学组件之前，通过图样化蚀刻(patterned etch)使得将于其中制造该被动式光学组件的区域凹陷。这样在柱部至光学组件高度偏移方面获得更宽的容限，使该工艺易于控制。另一种替代方式包括在一小图样介电质上制造所述柱部，而以蚀刻速度远慢于形成该被动式光学组件的材料的方式挑选该介电质。得到的结构仍然包括高于该被动式光学组件的柱部，同时解耦不同直径阻剂的回焊特性与所述柱部相对于该被动式光学组件的最终高度。

图2至图8中，说明许多可使用通常结合图1所述方法生成的结构实例。在该主动式光学组件包括一光源且该被动式光学组件包括一准直组件的实施例中，在上述结构的一般特性上进行标记是值得的。该结构组织于该光学材料板(其具有两个表面)周围。在该第一表面生成的光源发出一光束，其指向该第二表面，是直接或透过与其它光学组件的交互作用而实现。举例而言，一反射镜、透镜、光栅或可根据需要将该光束指向该第二表面的其它光学结构，而上述对准用以确保该光束准确地指向该准直组件的光轴。

由该光源产生的光束通常是发散的，所以该准直组件用于准直该第一表面发出的光线。第二表面上的光学组件因此形成一大于该第一表面发出的光束，从而结合穿过该光学路径及由该准直组件操作的组合效果产生一经扩展的准直光束。

因为光束的较大尺寸，极大地简化取放功能，较大尺寸的光束允许使用被动置放策略的标准取放工具中存在公差。该较大光束的角度容差对于单一模式应用更为严格。但是，该第二表面适以提供一高品质被动参考平面以用于机械置放，特别是用于将一平面零件与另一平行平面零件接触。

因此，得到的光学组件组态解决了以上关于将光有效耦合至(或耦合出)一光学组件所产生的许多问题。首先，可形成有效地匹配部件之间光束形状的该光束。尤其，可根据需要设计第一、第二表面上的光学组件，以产生较佳匹配大小、发散度及准直角度的光束。

其次，可采用机械方式以高精确度对准所述部件以用于高效耦合，其通常需要穿过该结构的光束的主动反馈，来正确量测该对准位置。上述的步骤通常需要一或多个光学组件(供以能量)以发射或侦测光线，且当对准时固定它们。上述的电力开启式主动对准工艺很困难，但使用高精确度微影方法以高对准精确度来制造该主动式及被动式光学组件可产生一经扩展光束，该光束可容忍一被动式取放工具的机械精确度。上述的工具仅查看作为该微影制备的一部分而形成于所述表面上的标记，不需要拥有在对准步骤中需要激活的光学部件。

第三，可得到一种刚性结构，其在时间、温度及外部应力下以高精确度保持稳定。尤其，平面表面的配合在时间、温度及应力下可以非常准确、稳定。

图2说明一种结构，其中已经利用图1的方法使用一光学材料板204制造一光学组件，该光学材料板204具有一对应于一正面的第一表面212及对应于一背面的第二表面208。尽管板204显示为单一结构，但在其它实施例中，其可包括数个层，例如，包括晶片接合层或由另一机制相互黏接的层。该主动光学组件包括一形成于该第一表面212的边射型激光216。该被动式光学组件包括一制造于该第二表面208上的透镜224。使用一外部反射镜220将该边射型激光216发出的光228由该第一表面212指向该第二表面208，微影对准该外部反射镜220与该透镜224的光轴，以适当方式引导光228。该成形光束自该板204经由透镜224作为一大致准直光束发出。

图3说明一种结构，其中已经利用图1的方法使用一光学材料板304制造一光学组件，该光学材料板204具有一对应于一正面的第一表面312及对应于一背面的第二表面308。出于说明目的，该板304显示为单层，但在其它实施例中其可包括数个层。在上述的实施例中，可使用晶片接合及熟悉此项技术者所习知的其它技术黏接所述层。该主动光学组件包括一边射型激光，其具有一形成于该第一表面312的内部绕射光栅外耦接器(outcoupler)320。该被动式光学组件包括一制造于该第二表面308上的透镜324。该边射型激光316发出的光328经由该内部绕射光栅外耦合器320指向直接经由板304向透镜324传播。得到的光束是一成形光束，其通过透镜324而大致上准直发射。

图4标出一种结构，其中已经利用图1的方法使用一光学材料板404制造一光学组件，该光学材料板204具有一对应于一正面的第一表面412及对应于一背面的第二表面408。该板404可包括单一材料层，或者可包括数个层，其经由晶片接合或熟悉此项技术者所习知的另一技术相互黏接。在此实例中的主动式光学组件416包括一垂直共振腔面射型激光，已经将其微影对准背面上对应于该被动式光学组件的透镜424。由垂直共振腔面射型激光416发出的光428直接穿过光学材料板传播，将由透镜424进行准直，且由该结构以成形光束发出。

图5提供一种实例，其中一光学组件使用一光侦测器作为主动组件。图5中示出的结构大致类似于图4中示出的结构，但使用相反方向上传播的光。该结构可使用图1的方法以一光学材料板504制造，该光学材料板504包括一对应于正面的第一表面512及对应于一背面的第二表面508。如同其它实例中般，该板504可包括单一材料层或包括数个层，该数个层通过晶片接合或某一其它黏接方法黏接。在此实例中，该被动式光学组件524包括一透镜，其用于将该准直光528聚焦指向作为主动式光学组件的光侦测器516。

图6说明一种使用图1的方法制造的结构，其中单一表面作为该第一、第二两者表面。该结构是使用一光学材料板604制造而成，该光学材料板604具有作为第一、第二表面的正面612，及作为一第三表面的背面608。在此实例中，该主动式光学组件包括一垂直共振腔面射型激光616而该被动式光学组件包括一透镜620。该结构的运转方式类似于图4，其中该垂直共振腔面射型激光产生的光传输到透镜620，且经准直以从该结构中作为成形光束发出。该光不是直接穿过该板604传播，而是在该第三表面背面经历一次反射，该第三表面作为后续光学路径的一部分。在上述的实施例中，相对于该激光发射点侧向实现该透镜的对准。根据该透镜的位置，该激光束不能垂直地直接指向，如图式中所示。值得注意的是在上述的实施例中，如果该背面大致为平面且以一已知角度相对于该正面，则该背面不需要对准。反的，对准主要取决于所述光学组件的正面位置。为正确准直光624，应当适当地确定板604的厚度，以横向置放该光轴。

图7标出一实施例，其利用至少三个柱部以将该光学组件与一晶片基板黏接在一起。该光学组件的结构大致类似于图2，一边射型激光708作为其产生的光从作为正面的第一表面724经由一光学材料板704传送至作为该背面的第二表面728上的透镜712。该图式示出三个使用上述其中之一方法形成的柱部716。尽管其它实施例中有时可使用更多数目的柱部，但使用三个柱部足以界定一平面。该图式示出柱部716在该第二表面上的高度高于该透镜712，使该晶片基板720黏接在所述柱部716上，而不会损坏透镜712，如上所述。在一些实施例中，所述柱部大体上具有一球状外形。

图8提供另一实例，其中使用一光学耦合器以高精确度将该光学组件产生的准直光束对准于一光学纤维。在此图式中，该光学结构大致类似图4中的结构，一垂直共振腔面射型激光836作为该主动式光学组件，其产生的光从作为正面的第一表面832经由一光学材料板804传送至作为该背面的第二表面828上的透镜824。由透镜824发出的光传播至一表面安装的光学耦合器808，其将自该光学组件接收的光耦合至一光学纤维812。该光学耦合器808包括本身的透镜820及一反射表面822，以将来自该光学组件的光指向该光学纤维812。该光学耦合器808相对于该准直表面的平面的适当角度被确定，且可通过使用诸如该光学耦合器上的柱部或较大直径环816等组件来界定该平面，所述组件相对于配对的光学组件背面界定一参考平面。

现在已经完整地描述本发明的若干具体实施例，熟悉此项技术者应了解本发明的许多其它等意义或替代实施例。因此，不应参考上述描述确定本发明的范围，而应参考随附权利要求及其等意义内容的完全范围来确定本发明的范围。

Claims (16)

1.一种制造光学组件的方法，该方法包括：

在光学材料板的第一表面附近或之上置放主动式光学组件；

在该光学材料板的第二表面上形成一被动式光学组件，其中该第二表面是大致平行于该第一表面；以及

使用一种微影对准工艺，将该被动式光学组件的光轴对准于该被动光学组件及该主动式光学组件的主动区之间的光学路径。

2.如权利要求1所述的方法，其中该第二表面是该第一表面。

3.如权利要求2所述的方法，其中该光学路径包括来自平行于该第一表面且与其相间隔的第三表面的反射。

4.如权利要求1所述的方法，其中该第二表面与该第一表面彼此相间隔。

5.如权利要求4所述的方法，其中该光学路径包括穿过该光学材料板的路径。

6.如权利要求1所述的方法，其中该主动式光学组件包括光源。

7.如权利要求1所述的方法，其中该主动式光学组件包括光侦测器。

8.如权利要求1所述的方法，其更包括在该光学材料板之上或的内形成反射表面，其中该光学路径包括穿过该光学材料板的路径，且包括自该反射表面的反射。

9.如权利要求1所述的方法，其中该被动式光学组件包括透镜。

10.如权利要求1所述的方法，其更包括：

在该第二表面上形成至少三个柱部以界定一平面；以及

将所述柱部黏接至基板。

11.如权利要求10所述的方法，其中该平面是大致平行于该第二表面。

12.如权利要求10所述的方法，其中形成该被动式光学组件及形成该至少三柱部的步骤包括：

在该第二表面上沉积一阻剂层；

在该被动式光学组件及该至少三柱部的位置蚀刻该阻剂层；以及

回焊该阻剂以形成该被动式光学组件及该至少三柱部。

13.如权利要求12所述的方法，其中在该被动式光学组件及该至少三柱部的位置蚀刻该阻剂层的步骤是大致上同时执行。

14.如权利要求12所述的方法，其中在该被动式光学组件及该至少三柱部的位置蚀刻该阻剂层的步骤包括在该至少三柱部的位置蚀刻该阻剂层之前在该被动光学组件的位置蚀刻该阻剂层。

15.如权利要求10所述的方法，其中：

形成该被动式光学组件的步骤包括：

在位于该被动式光学组件的位置的该第二表面上沉积第一材料的图案；以及

蚀刻该第一材料图案；以及

形成该至少三支柱的步骤包括：

在位于该至少三柱部的位置的该第二表面上沉积第二材料的图案，该第二材料的蚀刻特性慢于该第一材料；以及

蚀刻该第二材料图案。

16.如权利要求15所述的方法，其中：

该第一材料包括阻剂；以及

该第二材料包括介电质。

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