CN103001120A - 阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法，包括如下步骤：设计制作出适于集成的阵列波导光栅芯片；在阵列波导光栅芯片上制作出定位区域；在阵列波导光栅芯片上的定位区域制作出对准标记；在阵列波导光栅芯片上的定位区域制作出电极；将半导体放大器芯片的对准标记同定位区域的对准标记对准后，将半导体放大器芯片倒装焊在阵列波导光栅芯片的定位区域上；采用本发明提供的方法可以使SOA芯片集成在AWG芯片的衬底上，提高了器件的可靠性，同时简化了集成工艺，提高了集成效率。

Description

阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法

 

技术领域

本发明涉及一种有源器件与无源器件混合集成的工艺方法，具体涉及阵列波导光栅（AWG  Arrayed Waveguide Grating）芯片与半导体光放大器（SOA Semiconductor Optical Amplifier）芯片倒装集成的方法,本发明属于通信领域。

 

背景技术

在波分复用(WDM)系统中，多波长激光器和可调谐激光器有着极其重要的作用。在各种形式的多波长或可调谐半导体激光器中，将硅基二氧化硅材料的阵列波导光栅与若干半导体光放大器集成，AWG作为谐振腔，半导体光放大器作为发光源，是一种较为常见的实现方案。这种方案有很多优点，首先是可以连续高效的在同一波导内输出所有指定波长的光信号；其次硅基二氧化硅AWG是一种无源器件，因此可以长时间稳定输出谐振腔选定的波长；最后相对于通过改变注入电流来调节波长的调谐方式，这种方案的波长调节原理更为简单可靠。

实现上述方案的一个关键步骤在于AWG与SOA高效可靠的混合集成。尤其当所需波长数量较大，AWG通道数较多的时候，多个SOA与单个AWG的集成尤为重要。为了将AWG波导与SOA芯层耦合对准，可以使用有源对准和无源对准两种技术。目前在混合集成领域，大量使用了有源对准技术。有源对准技术虽然可以实现最高的耦合效率，但在实现过程中需要反复调整波导光路的各个部分，需要一定的时间；当SOA的数量较多时，集成效率会非常低下。使用无源对准技术，根据预先设计和加工的各种定位结构进行耦合，虽然比有源对准的耦合效率低一些，但在满足器件耦合效率的前提要求下、将耦合容差控制在一定范围内，可以明显提高混合集成的效率。

倒装焊技术作为无源对准耦合技术中的一种重要方式，是将光芯片以相反的姿态安装在定位区域，其优点主要在于能够减轻芯片安装过程中的应力损伤、减少光电子器件中芯片和外封装电极连接的寄生电感和寄生电容，实现对光电子器件高度的控制等。对于AWG芯片与SOA芯片的混合集成方法，目前报道中常见的一种方式是分别将两种芯片固定在同一块预先制作好的基板或衬底上来实现无源对准，这种方法成本较高，工艺流程更为复杂。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种将硅基二氧化硅AWG芯片与SOA芯片倒装集成的方法，用来实现AWG芯片与SOA芯片的混合集成。

本发明所采用的技术方案是：

阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法，包括下列步骤：步骤1：设计阵列波导光栅芯片版图,版图中的输出波导输出一侧预留有倒装半导体光放大器芯片的定位区域,所述阵列波导光栅芯片中的输出波导延伸至该预留定位区域的边缘，采用阵列波导光栅芯片版图在硅基衬底上制作出阵列波导光栅芯片；步骤2：在阵列波导光栅芯片上制作出定位区域的图形且刻蚀暴露定位区域的图形，然后对阵列波导光栅芯片的上包层、芯层和部分下包层进行深刻蚀制作出定位区域；步骤3：在步骤2制作出的包括定位区域的整个AWG芯片上表面旋涂光刻胶，根据半导体光放大器上的定位对准标记，在阵列波导光栅芯片上的定位区域制作出相对应匹配的对准标记的图形；步骤4：在阵列波导光栅芯片上的定位区域制作出电极；步骤5：将半导体放大器芯片的对准标记同定位区域的对准标记对准后 ，将半导体放大器芯片倒装焊在阵列波导光栅芯片的定位区域上。 

所述步骤1中的阵列波导光栅芯片是采用硅基二氧化硅平面光波导工艺制作。

所述步骤2中的在阵列波导光栅芯片上制作出定位区域的图形且刻蚀暴露定位区域的图形采用的方法是在步骤1制作的阵列波导芯片表面生长一层多晶硅作为掩模，然后在多晶硅掩模上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出定位区域的图形，然后通过反应离子刻蚀工艺刻蚀多晶硅掩模暴露出定位区域图形。　

所述步骤3中在定位区域制作出对准标记的具体方法是在步骤2制作的包括定位区域的阵列波导光栅芯片上旋涂光刻胶，利用光刻的方法在定位区域制作出对准标记的图形，然后通过感应耦合等离子体刻蚀工艺进行刻蚀，制作出对准标记。

所述步骤 4中在的定位区域制作出电极的具体方法是在包括定位区域的阵列波导光栅芯片上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出电极的图形，然后通过磁控溅射工艺制作出电极，然后将光刻胶剥离。

本发明具有以下优点和积极效果：

相对于现有技术采用的硅基二氧化硅AWG与SOA的集成方法，本发明提供的方法可以使SOA芯片集成在AWG芯片的衬底上，提高了器件的可靠性，同时简化了集成工艺，提高了集成效率。

 

附图说明

图1是此发明提供的阵列波导光栅（AWG）与半导体光放大器（SOA）倒装集成的方法流程图；

图2是本发明AWG芯片与SOA芯片倒装集成的平面示意图；

图3是本发明制作的AWG芯片的截面示意图；

图4A是本发明AWG芯片上高度定位区域的截面示意图；

图4B是本发明AWG芯片上高度定位区域的立体示意图；

图5A是本发明AWG芯片上制作的对准标记的截面示意图；

图5B是本发明AWG芯片上制作的对准标记的立体示意图；

图6A是本发明AWG芯片上制作的电极标记的截面示意图；

图6B是本发明AWG芯片上制作的电极标记的立体示意图；

图7是本发明AWG芯片与SOA倒装焊集成的截面示意图；

其中：

1、AWG芯片；                  2、输出波导；

3、定位区域；                 4、SOA芯片；

5、上包层；                   6、芯层；

7、下包层；                   8、硅基衬底；

9、AWG芯片对准标记；         10、电极；

11、SOA芯片有源层；          12、SOA芯片对准标记；

具体实施方式

下面结合具体实施例，并参照附图，做出进一步的详细说明。

本发明提供的这种将硅基二氧化硅AWG芯片与SOA芯片倒装集成的方法，本发明的工作原理是首先设计制作适合此集成的硅基二氧化硅AWG芯片，然后依次在AWG芯片上制作出定位区域、对准标记和电极,最后将SOA芯片对准倒装集成在AWG芯片上。

如图1所示，图1是本发明提供的这种将硅基二氧化硅AWG芯片与SOA芯片倒装集成的方法流程图，包括如下步骤：

第一步：设计和制作出适于集成的AWG芯片

其具体过程是：在进行AWG芯片版图设计的时候，如图2所示，需要在AWG输出波导2的右侧输出侧预留足够的区域作为倒装集成SOA芯片的定位区域3；同时输出波导2需要延伸到其和定位区域3边缘接触的位置；然后利于硅基二氧化硅平面光波导（PLC）工艺在硅基衬底上制作出AWG芯片1。采用本步骤制作的AWG芯片截面结构如图3所示，由上至下分别包括上包层5、芯层6、下包层7和硅基衬底8。

第二步：在阵列波导光栅芯片上制作出定位区域

其具体过程是：首先是在第一步骤制作的AWG芯片表面生长一层多晶硅作为掩模，然后在多晶硅掩膜上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出定位区域的图形，定位区域的图形同步骤1中在AWG输出波导2的右侧预留足够的区域相对应,然后通过反应离子刻蚀工艺（RIE）刻蚀多晶硅的掩模，暴露出定位区域的图形，再通过感应耦合等离子体刻蚀工艺（ICP）对定位区域的图形部分进行深刻蚀，需要一次性刻蚀AWG芯片的上包层、芯层和部分下包层制作出定位区域。采用本步骤制作定位区域的AWG芯片结构如图4A和4B所示，在AWG芯片右边的预留区域通过刻蚀的方法制作出了定位区域3，定位区域3刻蚀深度达到了AWG芯片的下包层7的部分区域,该下包层部分区域下面是硅基衬底8。此步骤的阵列波导光栅芯片中定位区域3的左侧区域未进行深刻蚀,包括上包层5、芯层6、下包层7和硅基衬底8。

第三步：在AWG芯片上的定位区域制作对准标记

其具体过程是：在包括步骤2制作出的包括定位区域的整个AWG芯片上表面旋涂光刻胶，根据半导体光放大器上的定位对准标记，在阵列波导光栅芯片上的定位区域，利用光刻的方法制作出相应匹配的对准标记的图形，然后通过感应耦合等离子体刻蚀工艺（ICP）进行刻蚀，制作出对准标记。采用本步骤的AWG芯片上的对准标记如图5A和5B所示，根据半导体放大器芯片上的对准标记，在第二步骤中制作AWG芯片的定位区域上制作与半导体放大器芯片相匹配的对准标记，如图5B中定位区域3上的十字标记处为AWG芯片对准标记9的位置，对准标记的具体形状根据半导体放大器的形状来决定。通过步骤2可以发现，本发明的定位区域就是在AWG芯片上制作出来的，这个区域实际上和AWG芯片是一个整体，在AWG芯片上涂光刻胶实际也包括在定位区域涂光刻胶；再利用刻蚀工艺制作AWG芯片对准标记。

第四步：在AWG芯片上的定位区域制作电极

其具体过程是：在定位区域制作电极，首先是在包括定位区域的整个AWG芯片上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出电极的图形，然后通过磁控溅射工艺制作出电极，然后将光刻胶剥离。采用本步骤的AWG芯片上制作电极结构示意图如图6A和6B所示，电极10制作在第二步制作好的定位区域3上，电极10与步骤3制作的AWG芯片对准标记9在同一个平面上。

第五步：将SOA芯片倒装焊在AWG芯片上

其具体过程是将：SOA芯片倒装焊在AWG芯片上，是在AWG芯片上的定位区域，根据倒装上下对准原理，将定位区域的AWG芯片对准标记与SOA芯片上的对准标记对准后，再将SOA芯片倒装焊在AWG芯片的定位区域上；此时由于定位区域的约束，SOA芯片的有源层与AWG的芯层在垂直方向上对准，通过AWG芯片对准标记在水平位置的相对分布使SOA芯片的有源层与处于芯层的AWG波导在水平方向上对准。采用本步骤后的AWG芯片与SOA芯片倒装焊集后的结构如图7所示，SOA芯片倒装集成在步骤二制作AWG芯片的定位区域上，其上的SOA芯片对准位标记12与AWG芯片定位区域上的AWG芯片对准标记9对准，当AWG芯片和SOA芯片两者的对准标记配合好以后，SOA芯片受到定位区域和AWG芯片 、SOA芯片的对准标记的共同约束，其SOA芯片有源层11与AWG的芯层6对准，然后被倒装焊在AWG芯片上的定位区域。

现有技术采用无源对准技术方面，一般是需要另准备一块基板或衬底，将对准的器件都固定在这块基板或衬底上；而本发明是将制作好的AWG芯片作为固定的基板，在AWG芯片上直接倒装集成SOA芯片。图2是将AWG芯片与SOA芯片倒装集成后的平面示意图。其中定位区域3在AWG芯片1的右侧，SOA芯片4通过倒装焊的方法集成在定位区域3上，SOA芯片与AWG芯片中的输出波导2相耦合。

以上实施的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何参改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法，其特征在于:包括下列步骤：

步骤1：设计阵列波导光栅芯片版图,版图中的输出波导输出一侧预留有倒装半导体光放大器芯片的定位区域,所述阵列波导光栅芯片中的输出波导延伸至该预留定位区域的边缘，采用阵列波导光栅芯片版图在硅基衬底上制作出阵列波导光栅芯片；

步骤2：在阵列波导光栅芯片上制作出定位区域的图形且刻蚀暴露定位区域的图形，然后对阵列波导光栅芯片的上包层、芯层和部分下包层进行深刻蚀制作出定位区域；

步骤3：在步骤2制作出的包括定位区域的整个AWG芯片上表面旋涂光刻胶，根据半导体光放大器上的定位对准标记，在阵列波导光栅芯片上的定位区域制作出相对应匹配的对准标记的图形；

步骤4：在阵列波导光栅芯片上的定位区域制作出电极；

步骤5：将半导体放大器芯片的对准标记同定位区域的对准标记对准后 ，将半导体放大器芯片倒装焊在阵列波导光栅芯片的定位区域上。

2.根据权利要求1所述的阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法，其特征在于:所述步骤1中的阵列波导光栅芯片是采用硅基二氧化硅平面光波导工艺制作。

3.根据权利要求1所述的阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法，其特征在于： 所述步骤2中的在阵列波导光栅芯片上制作出定位区域的图形且刻蚀暴露定位区域的图形采用的方法是在步骤1制作的阵列波导芯片表面生长一层多晶硅作为掩模，然后在多晶硅掩模上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出定位区域的图形，然后通过反应离子刻蚀工艺刻蚀多晶硅掩模暴露出定位区域图形。

4.根据权利要求1所述的阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法，其特征在于：所述步骤3中在定位区域制作出对准标记的具体方法是在步骤2制作的包括定位区域的阵列波导光栅芯片上旋涂光刻胶，利用光刻的方法在定位区域制作出对准标记的图形，然后通过感应耦合等离子体刻蚀工艺进行刻蚀，制作出对准标记。

5.根据权利要求1所述的阵列波导光栅芯片与半导体光放大器芯片倒装集成的方法，其特征在于：所述步骤 4中在的定位区域制作出电极的具体方法是在包括定位区域的阵列波导光栅芯片上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出电极的图形，然后通过磁控溅射工艺制作出电极，然后将光刻胶剥离。

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