CN103066148A - 一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片及其制作方法，包括硅衬底，所述硅衬底表面具有平台、凸台和凹槽，凹槽中设置有二氧化硅波导元件，凸台凸出于平台表面，平台表面设置有不连续的金属电极层，所述金属电极层的表面设置有焊料凸点，所述的焊料凸点和凸台上方设置有有源光电子芯片。本发明采用了材料生长、热氧键合、倒装贴片和光刻对准等多步工艺，保证了不同材料波导器件间的高效光耦合，减少了波导端面间的光反射。在对准凸台间制作有高频电极，利用倒装焊工艺利于高频信号的传输，提高了器件间的集成度。同时该工艺的设计既可实现芯片级的探针测试，又可用于后续的金丝球焊或楔焊工艺，易于实现混合集成芯片的封装和量产。

Description

一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片及其制作方法
技术领域
本发明涉及光子集成器件技术领域，具体为一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片及其制作方法，本发明可应用于多个激光器输出光的合波或多波长光源的分光探测中。
背景技术
随着微纳光电集成技术的不断发展，芯片的集成度越来越高，器件的尺寸不断缩小，而器件的工作速率则不断提高。
在光有源器件方面，基于Ⅲ-Ⅴ族材料（如InP，GaAs等）的激光器以及集成的电吸收调制激光器已从芯片研究发展到大批量生产，其封装器件已作为成熟光源应用于光通信、光医疗等光电领域，速率可从几百兆比特每秒至几十千兆比特每秒。
与此同时，光无源器件中基于硅基的光波导器件，如光分束器、AWG等，由于其工艺简单、光传输损耗低、易于同光纤耦合等特点，早已实现商用化。无源波导材料包括二氧化硅、硅上二氧化硅、绝缘体上硅等多种材料。
随着未来光电子技术的发展，将Ⅲ-Ⅴ族的激光器同硅基的波导器件集成在一个芯片上，既降低了器件成本又利用了各元件的高性能，成为了集成光电子芯片的必然发展方向，其中在硅基波导材料上倒装焊光电子芯片是目前最可行的技术路线。这是由于硅材料不仅能从其上生长多种二氧化硅波导，而且其导热系数接近金属，是理想的激光器热沉材料。因此硅材料是激光器同硅基波导实现混合集成的理想衬底材料。
由于材料特性的不同，其混合集成存在多个难点，其中就包括激光器或探测器波导同二氧化硅波导的光耦合对准问题，激光器或探测器的高频信号加载或传输问题、工艺复杂且成本高以及集成器件的散热等。因此，急需一种工艺简单、有效、合理的混合集成芯片设计来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为提供一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片及其制作方法，该混合集成芯片利用成熟的硅基材料工艺，设计了硅衬底上的凸台、凹槽以及高折射率的二氧化硅波导结构，易于实现光的对准耦合。同时本发明在凸台下制作高频电极和倒装焊料凸点结构，使有源光电子芯片既能传输高频信号又能加载直流驱动信号，并能够实现精确对准。
本发明提供一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，包括硅衬底，所述硅衬底表面具有平台、凸台和凹槽，所述凹槽中设置有二氧化硅波导元件，所述凸台凸出于平台表面，所述平台表面设置有不连续的金属电极层，所述金属电极层的表面设置有焊料凸点，所述的焊料凸点和凸台上方设置有有源光电子芯片。
进一步地，二氧化硅波导元件的纵向依次包括二氧化硅衬底层、二氧化硅波导层和二氧化硅上包层；所述的二氧化硅波导层横向依次包括波导区、靠近有源光电子芯片的耦合区和靠近光纤的耦合区；靠近有源光电子芯片的耦合区的波导宽度为3μm-7μm；靠近光纤的耦合区的波导宽度为6μm-10μm。
进一步地，所述凸台包括水平对准凸台与垂直对准凸台，所述水平对准凸台与垂直对准凸台的高度相等，均为10μm ~100μm。
进一步地，所述水平对准凸台的个数与水平位置由有源光电子芯片上的对准标记、有源光电子芯片波导的相对位置决定，所述垂直对准凸台的高度由二氧化硅波导元件的二氧化硅波导层的垂直位置决定，所述垂直对准凸台位于有源光电子芯片的中部。
进一步地，所述金属电极层的厚度为0.2μm~3μm，所述金属电极层包括直流电极区、交流电极区、地线电极区和对准图形电极区；所述凸台处于直流电极区和交流电极区之间，所述直流电极区和交流电极区上方制作有焊料凸点，通过焊料凸点与有源光电子芯片的直流电极、交流电极接触；所述有源光电子芯片的正面对准标记与水平对准凸台或金属电极层的对准标记对准；所述的有源光电子芯片的背面电极与金属电极层的地线电极区连接。
进一步地，所述的二氧化硅波导元件具有与竖直方向倾斜5°~45°的外部端面。
本发明提供一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片的制作方法，包括以下几个步骤：
步骤一：制作硅衬底，并在硅衬底的凹槽中制作二氧化硅波导元件；
步骤二：在硅衬底上制作金属电极层；
步骤三：在金属电极层的直流电极区和交流电极区上方制作焊料凸点；
步骤四：在焊料凸点、垂直对准凸台上方焊接有源光电子芯片。
进一步地，所述的步骤一中制作二氧化硅波导元件采用二氧化硅热键合工艺或二氧化硅生长工艺。
进一步地，当采用二氧化硅热键合工艺制作二氧化硅波导元件时，步骤一包括以下几个步骤：
步骤1：硅衬底的表面制作凸台；
步骤2：在硅衬底的凸台的一侧制作凹槽；
步骤3：在凹槽的底部生长二氧化硅键合层，将二氧化硅波导元件采用二氧化硅热键合工艺制作到凹槽结构中，使键合层熔入二氧化硅波导元件的二氧化硅衬底层中，并使二氧化硅波导元件具有与竖直方向倾斜5°~45°的外部端面。
进一步地，当采用二氧化硅生长工艺制作二氧化硅波导元件时，步骤一包括以下几个步骤：
步骤1：在硅衬底表面生长二氧化硅衬底层和二氧化硅波导层，并将二氧化硅波导层刻蚀掉一部分，形成预留区；
步骤2：在保留的二氧化硅波导层上方生长上包层；
步骤3：在保留区刻蚀二氧化硅衬底层至硅衬底的表面，形成凸台。
本发明具有的优点在于：
本发明提供一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片及其制作方法，采用了材料生长、热氧键合、倒装贴片和光刻对准等多步工艺，保证了不同材料波导器件间的高效光耦合，减少了波导端面间的光反射。在水平和竖直对准凸台间制作有高频电极，利用倒装焊工艺利于高频信号的传输，提高了器件间的集成度。同时该工艺的设计既可实现芯片级的探针测试，又可用于后续的金丝球焊或楔焊工艺，易于实现混合集成芯片的封装和量产。
附图说明
图 1为本发明提供的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片的结构示意图；
图2a～图2c为本发明中采用二氧化硅键合工艺制作硅上二氧化硅波导元件的流程示意图；
图3a～图3e为本发明中采用二氧化硅生长工艺制作硅上二氧化硅波导流程示意图；
图 4 a和图4b 为制作硅上高频电极的结构侧视与俯视图；
图5 为高频电极上制作焊料凸点示意图；
图6 a为有源光电子芯片的正面结构示意图；
图6 b为有源光电子芯片的背面结构示意图； 
图6 c为有源光电子芯片的侧视结构示意图；
图7为有源光电子芯片与高频电极倒装焊接后的耦合对准及电极重叠示意图。
图中：1-硅衬底；2-二氧化硅波导元件；3-金属电极层；4-焊料凸点；5-有源光电子芯片；6-水平对准凸台；7-垂直对准凸台；8-平台；9-第一光刻胶层；10-凹槽；11-第二光刻胶层；12-二氧化硅键合层；13-二氧化硅衬底层；14-二氧化硅波导层；15-二氧化硅上包层；16-靠近有源光电子芯片的耦合区；17-一般波导区；18-靠近光纤的耦合区；19-外部端面；20-预留区；21-第三光刻胶层；22-第四光刻胶层；23-二氧化硅垂直对准凸台；24-二氧化硅水平对准凸台；25-直流电极区；26-交流电极区；27-地线电极区；28-对准图形电极区；29-直流电极；30-交流电极；31-对准标记；32-出光或入光波导；33-地线电极；34-正表面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，其结构包括：硅衬底1，该硅衬底1为硅基波导结构的硅衬底；该硅衬底1的表面具有平台8、凹槽10和多个凸台，其中凸台为凸出于平台8表面的凸台结构，凹槽为凹嵌于平台8下方的凹槽结构；二氧化硅波导元件2，位于硅衬底1的凹槽10中；金属电极层3，该金属电极层3制作于硅衬底1的平台8表面部分金属电极层3；焊料凸点4，该焊料凸点4制作在部分金属电极层3上方；有源光电子芯片5，该有源光电子芯片5位于焊料凸点4和凸台的上方。
所述的硅衬底1为高电阻率硅材料，制作金属电极层3后能实现低损耗的高频传输，同时还具有良好的热导系数。本发明在硅衬底1上制作有凸台、平台8和凹槽10。其中平台8为第一次硅刻蚀后制作出凸台后的硅底层，凹槽10为第二次硅刻蚀后制作出凹槽10底层。
所述的凸台包括有水平对准凸台6与垂直对准凸台7。水平对准凸台6与垂直对准凸台7的高度相同，均为10μm～100μm。在二氧化硅波导的制作过程中可以利用此水平对准凸台6的截面图形进行对准，用以实现二氧化硅波导层位置相对于水平对准凸台6的固定。在金属电极层3的光刻中，可利用此水平对准凸台6的截面图形实现与对准标记重叠，用以实现金属电极层3及其上的焊料凸点4位置与有源光电子芯片5的电极位置相重叠，方便实现电学互连。此外，在有源光电子芯片5的倒装贴片中，也可利用此对准图形与芯片表面的特殊图形实现对准。这样，通过水平对准凸台6在水平方向上，二氧化硅波导元件2与有源光电子芯片5波导能达到平行对准，实现高效耦合；在垂直方向上，焊料凸点4只需制作在金属电极层3的特定区域，具体为金属电极层3的直流电极区25和交流电极区26，即可保证贴片过程中与有源光电子芯片5的良好接触。
所述水平对准凸台6的截面图形与波导光刻版、金属电极层3和有源光电子芯片5上的对准标记相同或互补，作为光耦合及电互连的基准位置，如有源光电子芯片5上的对准标记截面为十字的对准标记，则相同的水平对准凸台6截面图形为十字，互补的截面图形为填补十字四角空白的四个方块。在用普通光刻制作二氧化硅波导元件2的结构时，可利用波导光刻版上的对准标记同此水平对准凸台6的截面图形进行对准，用以实现二氧化硅波导层位置相对于水平对准凸台6的固定。在用普通光刻制作金属电极层3时，利用波导光刻版上的对准标记同此水平对准凸台6的截面图形进行对准，用以实现金属电极层3位置相对于水平对准凸台6的固定，用以实现金属电极层3及其上的焊料凸点4位置与有源光电子芯片5的电极位置重叠，方便实现电学互连。此外，在有源光电子芯片5的倒装贴片中，也可利用此对准图形与有源光电子芯片5正面的对准图形实现对准。这样，通过水平对准凸台6，在水平方向上，二氧化硅波导层与有源光电子芯片5波导能达到平行对准，实现高效耦合；在垂直方向上，焊料凸点4只需制作在金属电极层3的直流电极区25和交流电极区26，即可保证有源光电子芯片5同金属电极层3间的良好电互联。因水平对准凸台6需同有源光电子芯片5上的对准标记对准，其水平位置由有源光电子芯片5上的对准标记同有源光电子芯片5波导的相对位置决定，个数由有源光电子芯片5上的对准标记个数决定。
所述垂直对准凸台7用于激光器或探测器波导同二氧化硅波导层在高度上的对齐由于采用材料生长和键合工艺，二氧化硅波导层的垂直位置相对于硅衬底1的平台8是固定的，因此二氧化硅波导层位置相对于垂直对准凸台7的垂直位置也固定。在有源光电子芯片5的贴片过程中，可将有源光电子芯片5的表面紧贴对准垂直对准凸台7，即可高精度的实现垂直方向上的波导间光耦合对准，避免了焊料凸点4高度的误差对光耦合的影响。垂直对准凸台7在水平相对位置上对应位于有源光电子芯片5的中部，对称分布于有源光电子芯片5的出光或入光波导的两侧，并不应与任何金属电极层3相连，垂直对准凸台7为多根圆柱或方柱等利于支撑芯片的结构，单个垂直对准凸台7的截面积100μm2~40000μm2，垂直对准凸台7个数有4~10个，具体个数由有源光电子芯片5的中部面积同单个凸台的截面积比例决定，垂直对准凸台7高度是由二氧化硅波导层的垂直位置决定的。
所述二氧化硅波导元件2包括二氧化硅衬底层13、二氧化硅波导层14和二氧化硅上包层15。二氧化硅波导层14位于二氧化硅衬底层13上方，二氧化硅波导层14包括一般波导区17、靠近有源光电子芯片的耦合区16和靠近光纤的耦合区18。二氧化硅波导层14为高折射率的二氧化硅，二氧化硅衬底层13与二氧化硅上包层15的材料的折射率相同，二氧化硅波导层14的材料的折射率与二氧化硅衬底层13、二氧化硅上包层15的折射率之间的折射率差为0.5%～2.5%。靠近有源光电子芯片的耦合区16的波导宽度比一般波导区窄，为3μm~7μm；靠近光纤的耦合区18的波导宽度比一般波导区宽，为6μm~10μm。
靠近有源光电子芯片的耦合区16具有较小的波导宽度，结合高的折射率差能保证靠近有源光电子芯片的耦合区16形成较小的光斑，用以实现与有源光电子芯片5的高效光耦合。靠近光纤的耦合区18具有较大的波导宽度，是为了增大光斑直径，用以实现与光纤的高效光耦合。靠近有源光电子芯片的耦合区16和靠近光纤的耦合区18的外部端面19均为5°～45°的倾斜端面，倾斜方向为垂直波导出光或入光中心轴的横向或纵向，用以减少波导端面反射对有源光电子芯片5的影响。二氧化硅波导元件2中靠近有源光电子芯片的耦合区16的外表面同有源光电子芯片5出光或入光波导的外部侧面之间的间距为无端面反射光进入有源光电子芯片5的最佳间距，该间距的选择原则为，二氧化硅波导元件2的靠近有源光电子芯片的耦合区16的外部侧面反射光的最大范围偏离有源光电子芯片5出光或入光波导端面，同时在该耦合区的外部侧面处有源光电子芯片5的近场光斑与靠近有源光电子芯片的耦合区16光斑尺寸一致或接近，有源光电子芯片5的远场发散角与靠近有源光电子芯片的耦合区16的最大入射角一致或接近，即可实现高耦合效率的同时，避免反射光对有源光电子芯片5性能的影响。
所述金属电极层3厚度为0.2μm~3μm，为多层金属结构，如Ti/Pt/Au层结构。该金属电极层3制作在硅衬底1的平台8上，金属电极层3的多层结构需同硅衬底1及焊料凸点4有良好的接触。该金属电极层3为特殊结构的金属电极，包括直流电极区25、交流电极区26、地线电极区27和对准图形电极区28，该四个区为横向分布的电极结构。直流电极区25和交流电极区26位于有源光电子芯片5的直流电极29及交流电极30的正下方，在所述的直流电极区25和交流电极区26上制作焊料凸点4，分别用于将直流和交流电信号加载到有源光电子芯片5上，直流电极区25和交流电极区26均有延长电极，延伸到平台8上远离凸台方向的末端，便于同芯片封装管壳间的金丝引线互连。地线电极区27位于平台8上远离硅凸台方向的末端，用金丝引线同有源光电子芯片5的背面电极连接。对准图形电极区28如前所述，同凸台中的水平对准凸台6对准。
所述焊料凸点层包括多个焊料凸点，选择以金属电极层3和Ⅲ-Ⅴ族激光器或探测器间之间的材料制备的金属过渡层，其材料为熔点低于400℃的易熔焊接且与电极金属有良好附着性的金属材料，如AuSn、PbSn、SnAgCu等材料，制作于金属电极层3上后，其厚度要求略高于凸台的表面，以便后期压制。焊料凸点4在制作时仅制作于金属电极层3的直流电极区25和交流电极区26上，个数由金属电极层3的面积和焊料凸点4的大小比例决定，可采用植球和回流工艺制作焊料凸点4，焊料凸点4在植球和回流工艺过程中，以及后续有源光电子芯片5贴片过程中，均不应溢出金属电极层3的直流电极区25和交流电极区26。
所述有源光电子芯片5为波导型的Ⅲ-Ⅴ族激光器或探测器，其正面有直流电极、交流电极和对准标记，背面有地电极，中部有出光或入光波导。正面的直流、交流电极区通过焊料凸点4与金属电极层3的直流电极区25、交流电极区26分别接触，接触到焊料凸点4后，将正面的对准标记同金属电极层3的对准标记或水平对准凸台6进行对准，采用热回流焊和倒装压焊的结合工艺，将有源光电子芯片5的正面直流和交流电极层同焊料凸点4间形成合金，并下压直至有源光电子芯片5的正面同硅垂直对准凸台7接触，既保证了低的接触电阻，又固定了有源光电子芯片5出光或入光波导的耦合位置。背面电极通过金丝球焊或楔焊连接到金属电极层3的地线电极区27上。
本发明提出的一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片可用于单路或多路激光器或探测器芯片同硅上二氧化硅波导器件（如分束器、合束器、AWG等）间的混合集成，用于多通道光收发集成化的TOSA或ROSA器件中。 该混合集成光电子芯片分别采用Ⅲ-Ⅴ族激光器或探测器芯片和硅基波导器件，利用了不同材料器件在有源和无源性能上的特点，具有单元芯片工艺成熟、性能优异的优势。
本发明还提供上述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片的制作方法，具体包括以下几个步骤：
    步骤一：制作硅衬底，并在硅衬底的凹槽10中制作二氧化硅波导元件。
因制作二氧化硅波导元件2可采用二氧化硅键合工艺或二氧化硅生长工艺，如已有制作完好的二氧化硅波导元件2，则制作中可采用二氧化硅键合工艺；如没有制作完好的二氧化硅波导元件2，则制作中可采用二氧化硅生长工艺。当采用二氧化硅键合工艺制作二氧化硅波导元件2时，具体制备步骤如下：
（一）采用二氧化硅键合工艺制作二氧化硅波导元件
步骤1：在硅衬底1表面，采用普通光刻和硅刻蚀工艺制作硅衬底1上的凸台，参看图2a，该凸台包括有水平对准凸台6与垂直对准凸台7，即进行第一次硅刻蚀，刻蚀深度为10μm ~100μm，也即刻蚀后形成的水平对准凸台6和垂直对准凸台7的高度为10μm ~100μm。该具体刻蚀深度由二氧化硅波导层和有源光电子芯片5的入光或出光波导相对于硅衬底1表面的高度关系决定，保证二氧化硅波导层和有源光电子芯片5的入光或出光波导的高度相平齐。第一次硅刻蚀后形成平整的平台8以及位于平台8上方的凸台，且凸台上方保留有第一次硅刻蚀残余的第一光刻胶层9。
水平对准凸台6的截面图形与波导光刻版、金属电极层3和有源光电子芯片5上的对准标记相同或互补，作为光耦合及电互连的基准位置，如有源光电子芯片5上的对准标记截面为十字的对准标记，则相同的水平对准凸台截面图形为十字，互补的截面图形为填补十字四角空白的四个方块。因水平对准凸台6需同光电子芯片上对准标记对准，其水平位置由光电子芯片上的对准标记同光电子芯片波导的相对位置决定，个数由光电子芯片上的对准标记个数决定。
垂直对准凸台7在水平相对位置上位于有源光电子芯片5的中部，对称分布于有源光电子芯片5出光或入光波导的两侧，并不应与任何金属电极层3相连，垂直对准凸台7为多根圆柱或方柱等利于支撑芯片的结构，单个垂直对准凸台的截面积100μm2~40000μm2，垂直对准凸台个数有4~10个，具体个数由有源光电子芯片5的中部面积（有源光电子芯片5的直流电极与交流电极中间的衬底区）同单个垂直对准凸台的截面积比例决定。
步骤2：在平台8表面制作凹槽10，此次制作凹槽10即为第二次硅刻蚀，参看图2b。首先去除第一次硅刻蚀残余的光刻胶9，在平台8以及凸台上方采用普通光刻制作第二光刻胶层11，该光刻胶层的厚度大于凸台的高度，以保护凸台区（6、7）并定义凹槽10边界，再采用硅刻蚀工艺在第二光刻胶层11和平台8的一侧制作凹槽10，刻蚀深度为100μm ~1500μm，该刻蚀深度大于第二光刻胶层11的厚度。保留第二次硅刻蚀后的第二光刻胶层11。凹槽10深度为100μm~1500μm，具体由二氧化硅波导层同二氧化硅元件底面的距离和二氧化硅波导层同硅平台8表面的距离共同决定。凹槽10为矩形凹槽，宽度和长度均大于二氧化硅波导元件2的宽度与长度，凹槽10中远离平台8的凹槽侧壁以及相邻该侧凹槽侧壁的另外两个凹槽侧壁均为划片预留区。在整个混合集成晶圆制作完成后划片工艺中，将去除该划片预留区，这样凹槽10将仅余靠近凸台6、平台8一侧的凹槽侧壁，如图3b所示。
步骤3：制作二氧化硅波导元件2，采用二氧化硅热键合工艺。在凹槽10的表面采用热氧化或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长二氧化硅键合层12，该键合层厚度为0.01μm~1μm，参看图2c。其次去除步骤2中的第二次硅刻蚀后的第二光刻胶层11，再次利用二氧化硅键合层12将制作完好的二氧化硅波导元件2采用高温热键合工艺制作到硅衬底1的凹槽10中, 使二氧化硅键合层12熔入二氧化硅衬底层13中。同时，移动二氧化硅波导元件2，直至二氧化硅波导元件2靠近设计的靠近有源光电子芯片的耦合区16端面紧贴凹槽10靠近凸台方向的凹槽侧壁。制作完好的二氧化硅波导元件2结构包括二氧化硅衬底层13、二氧化硅波导层14和二氧化硅上包层15，其中二氧化硅衬底层13位于凹槽10的底部，二氧化硅波导层14为垂直于凹槽10底部靠近凹槽侧壁的长条形结构。二氧化硅衬底层13的厚度为50μm~1000μm，二氧化硅波导层14的厚度为3μm~50μm，二氧化硅上包层15的厚度为50μm~1000μm。二氧化硅波导层14横向包括靠近有源光电子芯片的耦合区16、一般波导区17和靠近光纤的光纤耦合区18。二氧化硅波导层14为高折射率的二氧化硅，二氧化硅波导层14同二氧化硅衬底层13、二氧化硅上包层15的折射率差为0.5%~2.5%，二氧化硅衬底层13与二氧化硅上包层15的材料折射率相同。一般波导区17的波导宽度为6μm~9μm；靠近有源光电子芯片的耦合区16波导宽度比一般波导区17更窄，为3μm~7μm；靠近光纤的耦合区18波导宽度比一般波导区17更宽，为8μm~10μm。靠近有源光电子芯片的耦合区16和靠近光纤的耦合区18的外侧端面19均为与竖直方向呈5°至45°夹角的倾斜端面，且与垂直波导出光或入光中心轴相垂直。
（二）采用二氧化硅生长工艺制作二氧化硅波导元件
步骤1：制作二氧化硅波导元件2，如图3a。采用二氧化硅生长工艺，在整个硅衬底1上采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长二氧化硅衬底层13和二氧化硅波导层14，在生长时可采用同步注入锗烷等气体混合物进行波导掺杂制作掺杂二氧化硅波导层14。再利用普通光刻和二氧化硅刻蚀工艺制作出二氧化硅波导层14，二氧化硅刻蚀到二氧化硅衬底层13为止，且将二氧化硅波导出光面一侧的波导层也刻蚀到二氧化硅衬底层13为止，预留出长度为500μm ~1500μm的预留区20。二氧化硅波导层14为高折射率的二氧化硅，二氧化硅波导层14同二氧化硅衬底层13、二氧化硅上包层15的折射率差为0.5%~2.5%。二氧化硅波导层14包括靠近有源光电子芯片的耦合区16、一般波导区17和靠近光纤的耦合区18。一般波导区17的波导宽度为6μm ~9μm；靠近有源光电子芯片的耦合区16波导宽度比一般波导区17更窄，为3μm~7μm；靠近光纤的耦合区18波导宽度比一般波导区17更宽，为8μm~10μm。二氧化硅衬底层13的厚度为50μm~1000μm，二氧化硅波导层14的厚度为3μm~50μm。
步骤2：二氧化硅上包层与倾斜端面的制作。在二氧化硅波导层14和预留区20上方继续采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长二氧化硅上包层15，然后进行高温热退火，参看图3b。采用普通光刻保护二氧化硅波导层14上部的二氧化硅上包层15，而在预留区20上采用二氧化硅刻蚀工艺刻蚀掉部分上包层15，刻蚀至裸露出二氧化硅衬底层13为止，保留刻蚀后二氧化硅上包层15上方残余的第三光刻胶层21，参看图3c。再采用端面抛光工艺，在二氧化硅波导层14的两侧制作倾斜端面19。靠近光电子芯片耦合区16和靠近光纤的耦合区18外部端面19均为与竖直方向呈5°至45°的倾斜端面，且该外部端面与波导出光或入光中心轴垂直。二氧化硅包层15的厚度为50μm ~1000μm。
步骤3：制作水平对准凸台6和垂直对准凸台7。在二氧化硅预留区20上，用第四光刻胶层22保护上包层15及其下层波导结构并定义二氧化硅对准凸台的位置与形状，采用普通光刻和二氧化硅刻蚀工艺，刻蚀二氧化硅衬底层13直至硅衬底1的表面，制作出二氧化硅垂直对准凸台23和二氧化硅水平对准凸台24，参看图3d。二氧化硅水平对准凸台24与二氧化硅垂直对准凸台23的位置与形状与（一）采用二氧化硅键合工艺制作二氧化硅波导元件2中步骤1描述的水平对准凸台6、垂直对准凸台7的位置与形状一致。保留刻蚀后残余第四光刻胶层22，并改换硅刻蚀工艺继续对硅衬底1进行硅刻蚀，刻蚀深度为10μm~100μm，参看图3e。由于残余第四光刻胶层22的保护与自对准，在二氧化硅垂直对准凸台23与二氧化硅水平对准凸台24的下部将形成垂直对准凸台7、凸台水平对准6，该方法制作的二氧化硅垂直对准凸台23与二氧化硅水平对准凸台24位置、截面形状与垂直对准凸台7、凸台水平对准6一致，也同采用二氧化硅键合工艺制作二氧化硅波导元件2中步骤1中描述的垂直对准凸台7、凸台水平对准6的位置与截面形状一致。二氧化硅垂直对准凸台23与二氧化硅水平对准凸台24与垂直对准凸台7、凸台水平对准6的总高度为10μm ~100μm，具体高度由二氧化硅波导层14和有源光电子芯片5的入光或出光波导的相对于硅衬底1表面的高度关系决定，保证二氧化硅波导层14和有源光电子芯片5的入光或出光波导高度平齐。最后去除残余的第三光刻胶层21与第四光刻胶层22。
步骤二：制作金属电极层3。
在硅衬底1表面，用光刻胶保护二氧化硅波导区14并定义金属电极图形，利用水平对准凸台6同金属电极光刻版上的对准标记进行对准，采用普通光刻、金属溅射和蒸发以及金属剥离工艺，在平台8上制作金属电极层3，参看图4a和4b。金属电极层3厚度为0.2μm~3μm，为多层金属结构，如Ti/Pt/Au层结构。该金属电极层3制作在硅平台8上，金属电极层3的多层结构需同硅衬底1及焊料凸点4有良好的接触。该金属电极层3为特殊结构的金属电极，包括直流电极区25、交流电极区26、地线电极区27和对准图形电极区28。直流电极区25和交流电极区26位于光电子芯片的直流电极29及交流电极30的正下方，在直流电极区25和交流电极区26上制作焊料凸点4，分别用于将直流和交流电信号加载到有源光电子芯片5上，直流电极区25和交流电极区26均有延长电极，延伸到平台8上远离凸台方向的末端，便于同芯片封装管壳间的金丝引线互连。地线电极区27位于平台8上远离硅凸台方向的末端，用金丝引线同光电子芯片背面电极连接。对准图形电极区28如前所述，用于同水平对准凸台6对准。
步骤三：在金属电极层3上制作焊料凸点4，将金属电极对准标记28或硅水平对准凸台6同焊料凸点植球机的校准标记进行对准，采用植球和回流工艺制作焊料凸点4，参看图5。焊料凸点4仅制作于金属电极层3的直流电极区25和交流电极区26上，个数由金属电极面积和焊料凸点4大小比例决定，焊料凸点4在植球和回流工艺过程中，以及后续有源光电子芯片5贴片过程中，均不应溢出金属电极层3的直流电极区25和交流电极区26。
步骤四：焊接有源光电子芯片5。有源光电子芯片5为波导型的Ⅲ-Ⅴ族激光器或探测器，其正面有直流电极29、交流电极30和对准标记31，中部有出光或入光波导32，背面有地线电极33，正面电极下部即为正表面34，参看图6a～图6c。利用对准图形电极区28或水平对准凸台6同有源光电子芯片5上的对准标记31进行对准，采用热回流焊和倒装压焊的结合工艺，将有源光电子芯片5的金属电极层3制作在焊料凸点4上，参看图7。正面的直流电极29和交流电极30同金属电极层3的直流电极区25和交流电极区26焊料凸点4的上部分别接触。接触到焊料凸点4后，将正面的对准标记同对准图形电极区28对准标记或水平对准凸台6进行对准，采用热回流焊和倒装压焊的结合工艺，将有源光电子芯片5的正面直流电极29和交流电极30同焊料凸点4间形成合金，并下压直至有源光电子芯片5的正表面34同硅垂直对准凸台7接触，参看图1。
步骤:五：用金丝将有源光电子芯片5的背面地电极33与金属电极层3上的地线电极区27连接起来，如图1所示。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，其特征在于：包括硅衬底，所述硅衬底表面具有平台、凸台和凹槽，所述凹槽中设置有二氧化硅波导元件，所述凸台凸出于平台表面，所述平台表面设置有不连续的金属电极层，所述金属电极层的表面设置有焊料凸点，所述的焊料凸点和凸台上方设置有有源光电子芯片。
2.根据权利要求1所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，其特征在于：二氧化硅波导元件的纵向依次包括二氧化硅衬底层、二氧化硅波导层和二氧化硅上包层；所述的二氧化硅波导层横向依次包括波导区、靠近有源光电子芯片的耦合区和靠近光纤的耦合区；靠近有源光电子芯片的耦合区的波导宽度为3μm~7μm；靠近光纤的耦合区的波导宽度为6μm~10μm。
3.根据权利要求2所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，其特征在于：所述凸台包括水平对准凸台与垂直对准凸台，所述水平对准凸台与垂直对准凸台的高度相等，均为10μm ~100μm。
4.根据权利要求3所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，其特征在于：所述水平对准凸台的个数与水平位置由有源光电子芯片上的对准标记、有源光电子芯片波导的相对位置决定，所述垂直对准凸台的高度由二氧化硅波导元件的二氧化硅波导层的垂直位置决定，所述垂直对准凸台位于有源光电子芯片的中部。
5.根据权利要求3所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，其特征在于：所述金属电极层的厚度为0.2μm~3μm，所述金属电极层包括直流电极区、交流电极区、地线电极区和对准图形电极区；所述凸台处于直流电极区和交流电极区之间，所述直流电极区和交流电极区上方制作有焊料凸点，通过焊料凸点与有源光电子芯片的直流电极、交流电极接触；所述有源光电子芯片的正面对准标记与水平对准凸台或金属电极层的对准标记对准；所述的有源光电子芯片的背面电极与金属电极层的地线电极区连接。
6.根据权利要求1所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片，其特征在于：所述的二氧化硅波导元件具有与竖直方向倾斜5°~45°的外部端面。
7.一种硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片的制作方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：制作硅衬底，并在硅衬底的凹槽中制作二氧化硅波导元件；
步骤二：在硅衬底上制作金属电极层；
步骤三：在金属电极层的直流电极区和交流电极区上方制作焊料凸点；
步骤四：在焊料凸点、垂直对准凸台上方焊接有源光电子芯片。
8.根据权利要求7所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片的制作方法，其特征在于，所述的步骤一中制作二氧化硅波导元件采用二氧化硅热键合工艺或二氧化硅生长工艺。
9.根据权利要求8所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片的制作方法，其特征在于，当采用二氧化硅热键合工艺制作二氧化硅波导元件时，步骤一包括以下几个步骤：
步骤1：硅衬底的表面制作凸台；
步骤2：在硅衬底的凸台的一侧制作凹槽；
步骤3：在凹槽的底部生长二氧化硅键合层，将二氧化硅波导元件采用二氧化硅热键合工艺制作到凹槽结构中，使键合层熔入二氧化硅波导元件的二氧化硅衬底层中，并使二氧化硅波导元件具有与竖直方向倾斜5°~45°的外部端面。
10.根据权利要求8所述的硅上二氧化硅基的混合集成光电子芯片的制作方法，其特征在于，当采用二氧化硅生长工艺制作二氧化硅波导元件时，步骤一包括以下几个步骤：
步骤1：在硅衬底表面生长二氧化硅衬底层和二氧化硅波导层，并将二氧化硅波导层刻蚀掉一部分，形成预留区；
步骤2：在保留的二氧化硅波导层上方生长上包层；
步骤3：在保留区刻蚀二氧化硅衬底层至硅衬底的表面，形成凸台。
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