CN103633551A - 用于片上光互连的激光器封装方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于片上光互连的激光器封装方法，包括采用CMOS工艺在SOI基片上制作光栅及波导器件结构、覆盖层及第一金属电极层；在过渡块上制作第二金属电极层和凹槽，将激光器贴装在过渡块平台预定位置；将过渡块放置在光栅结构上方；利用互连金线将激光器电极与第一、二金属电极层连接；将准直透镜放在过渡块凹槽，经调节后通过填充固化胶固化、密封在凹槽上，之后在凹槽上放置反射镜，调节反射镜，保证激光器通电发出的光经准直透镜、反射镜及光栅区域后使波导器件结构获得最大输出光，将反射镜与过渡块凹槽间、过渡块与SOI基片间填充固化胶固化、密封即可。本发明以SOI基片上的光栅结构作为光接口与激光器实现垂直耦合，封装过程简单。

Description

用于片上光互连的激光器封装方法
技术领域
本发明涉及光子集成器件技术领域，特别是指一种用于片上光互连的激光器封装方法。
背景技术
随着微纳加工技术的不断发展，芯片的集成度越来越高，器件的尺寸不断减小，而器件的工作速率则在不断提高。硅基光互连技术采用成熟的CMOS工艺（指互补金属氧化物PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺）技术生产开发硅光子器件，方便与微电子集成电路混合集成，是实现高速光互连最有潜力的技术。硅材料特别是绝缘体上硅（SOI）材料具有在光通信波段透明、高折射率差、与CMOS工艺兼容，易于与微电子器件集成等优点，成为最有前景的光电子集成平台。
近年来，SOI基光子器件的研究已经在耦合器、复用/解复用器、调制器、探测器等基本光互连器件上取得了显著进展。但是由于硅是间接带隙材料，难以制作发光器件，缺少有效的硅基光源，成为光电子器件集成的一大障碍。而基于Ⅲ-Ⅴ族材料（如InP、GaAs等）的激光器已经大批量生产，其封装器件作为成熟光源已经大量应用于光通信等光电领域。
随着未来光互连技术的发展，将Ⅲ-Ⅴ族激光器同SOI基光子器件集成在同一芯片上，成为集成光电子芯片发展的必然选择。用于传输光信号的SOI波导尺寸越来越小，甚至缩小到亚微米尺度，波导尺寸与Ⅲ-Ⅴ族激光器输出光斑失配严重，因此Ⅲ-Ⅴ族激光器与SOI基光波导的耦合问题是片上光互连的一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于片上光互连的激光器封装方法，该方法以SOI基片上的光栅结构作为光接口可以与激光器实现垂直耦合，且其耦合效率高，封装过程简单。
为了实现上述目的，本发明提供一种用于片上光互连的激光器封装方法，包括如下步骤：
（1）采用CMOS工艺在SOI基片上制作光栅及波导器件结构、覆盖层及第一金属电极层；
（2）在一过渡块上制作第二金属电极层，采用刻蚀工艺在过渡块上制作凹槽，将激光器贴装在过渡块平台表面的预定位置；
（3）将贴装激光器的过渡块放置在SOI基片上的光栅结构上方；
（4）利用互连金线将激光器下表面的电极与SOI基片上的第一金属电极层、过渡块上的第二金属电极层相连接；
（5）将准直透镜和反射镜放置在过渡块的凹槽上，准直透镜经调节后通过填充固化胶固化、密封在凹槽上，之后调节反射镜，保证激光器通电发出的光经准直透镜、反射镜及SOI基片上的光栅区域后使波导器件结构获得最大输出光时，将反射镜与过渡块凹槽之间、过渡块与SOI基片之间分别填充固化胶固化、密封，完成器件的封装。
所述步骤（1）中的SOI基片包括限制层和顶硅层，所述顶硅层设置于限制层的上表面，所述光栅及波导器件结构制作于顶硅层上，所述覆盖层设置于顶硅层的上表面，所述覆盖层表面设置有第一金属电极层。
所述顶硅层的厚度为0.1-5μm，所述限制层的厚度大于1μm，所述覆盖层的厚度为0.2-3μm，所述第一金属电极层厚度为0.1-3μm。
所述步骤（1）中的波导器件结构为集成的硅基光波导功能器件。
所述步骤（2）中的过渡块为双面抛光，其对红外波段在780nm-1650nm的光透明，所述过渡块的厚度为0.2-3mm，所述过渡块的凹槽刻蚀深度为50-1000μm，其上的第二金属电极层的厚度为0.1-3μm。
所述第一金属电极层包括第一共面传输线电极结构和第一对准标记，所述第二金属电极层包括第二共面传输线电极结构和第二对准标记，所述激光器下面的电极与第二共面传输线电极结构连接，所述激光器上面的电极通过互连金线与第二共面传输线电极结构连接，所述第二共面传输线电极结构通过互连金线与第一共面传输线电极结构连接。
所述过渡块上与SOI基片上的光栅结构背离的抛光面对准所述光栅区域。
所述步骤（5）中的固化胶为紫外固化胶。
采用上述方案后，本发明用于片上光互连的激光器封装方法通过上述步骤，当激光器通电发光经过准直透镜水平射在反射镜上，之后光通过反光镜垂直透过过渡块垂直射在SOI基片上的光栅区域，当波导器件结构获得最大输出光时，也是实现了激光器与SOI基片上光栅结构的垂直高效耦合，其耦合效率高，封装过程简单。
本发明的进一步有益效果是：将过渡块设计为双面抛光过渡块，能让激光器发出的光更好的透明传输到SOI基片表面的光栅区域。
本发明的进一步有益效果是：将过渡块上与光栅结构背离的抛光面对准光栅区域，这样设计能让激光器发出的光更好的透明传输到SOI基片上。
本发明的进一步有益效果是：固化胶采用紫外固化胶，其具有高的透光性，其除了用于固定芯片外，还用于补偿不同材料之间的热膨胀系数的差异，同时密封芯片，避免外界对封装后的芯片产生侵蚀，而且保护互连金线不折损。
附图说明
图1为本发明用于片上光互连的激光器封装的立体结构示意图；
图2为本发明的过渡块上的主视连接结构示意图；
图3为本发明的光栅及波导器件结构的示意图。
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。
如图1至图3所示，本发明用于片上光互连的激光器封装方法，包括如下步骤：
（1）在SOI基片1上采用CMOS工艺制作光栅5及波导器件结构6、SiO2覆盖层4及第一金属电极层7：SOI基片1包括限制层2和顶硅层3，顶硅层3设置于限制层2的上表面，光栅5及波导器件结构6制作于顶硅层3上，SiO2覆盖层4设置于顶硅层3的上表面，SiO2覆盖层4表面设置有第一金属电极层7。顶硅层3的厚度为0.1-5μm，限制层2的厚度大于1μm，SiO2覆盖层4的厚度为0.2-3μm，第一金属电极层7的厚度为0.1-3μm，第一金属电极层7包括第一共面传输线电极结构和第一对准标记，光栅5结构是作为SOI基片上波导器件结构6的输入端接收来自垂直方向的光，而波导器件结构6为硅基光波导功能器件，如调制器等，光信号在波导器件结构6中实现传输、复用、调制、探测等，制作工艺采用标准的CMOS工艺，易于实现高可靠性、低成本的大规模生产；
（2）在过渡块8的平台9上制作第二金属电极层10，该第二金属电极层10的厚度为0.1-3μm，过渡块8为高电阻率的双面抛光过渡块，厚度为0.2-3μm，其对红外波段在780nm-1650nm的光透明，利用刻蚀工艺在过渡块8上制作凹槽11，凹槽11的刻蚀深度为50-1000μm；第二金属电极层10包括第二共面传输线电极结构和第二对准标记，用于与激光器12贴装，激光器12为波导型的Ⅲ-Ⅴ族激光器，其上表面和下表面分别有电极和对准标记，中部有出光波导。在过渡块8的平台9的第二金属电极层10上用焊料，利用贴片机的吸头将激光器12拾取，与过渡块8上的第二共面传输线电极结构和对准标记分别对准，精确贴装在过渡块平台9上的预定位置，其中激光器12下表面的电极与过渡块平台9上的第二金属电极层10的第二共面传输线电极结构直接连接；
（3）通过SOI基片1上的第一对准标记，将贴装了激光器12的过渡块8放置在SOI基片1上的光栅5区域上方，光栅5区域在过渡块8的凹槽11平面下，用于将竖直方向的光耦合进入波导器件结构6中，其中过渡块8上与SOI基片1上的光栅5结构背离的抛光面对准光栅5区域，双面抛光的过渡块8能让激光器12发出的光更好的透明传输到SOI基片1上；
（4）利用引线键合技术，将互连金线把激光器12上表面的电极与过渡块8上的第二共面传输线电极结构连接，然后将过渡块8上的第二共面传输线电极结构通过互连金线与SOI基片1上的第一共面传输线电极结构连接；
（5）将准直透镜13放置在过渡块8的凹槽11上，激光器12通电发光经过准直透镜13，通过对输出光的测试，调节准直透镜13的位置实现激光器12发出的光准直。准直透镜13和过渡块凹槽11之间填充紫外固化胶固化、密封；结合图2所示，将反射镜14放置在过渡块凹槽11上且位于准直透镜13的右侧，反射镜14将准直透镜13沿水平方向的光反射经过过渡块8后，沿垂直方向到达SOI基片1上的光栅5区域，调节反射镜14和过渡块8的位置，通过对SOI基片1上波导器件结构6输出光的测量，获得最大输出光的时侯也是实现了激光器12与SOI基片1上光栅5结构的垂直高效耦合，之后在反射镜14与过渡块凹槽11之间、过渡块8与SOI基片1之间填充紫外固化胶固化、密封，完成器件的封装；其中紫外固化胶可以保证高的透光性，其除了用于固定芯片外，还用于补偿不同材料之间的热膨胀系数的差异，同时密封芯片，避免外界对封装后的芯片产生侵蚀，而且保护互连金线不折损。
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 (8)

1. 一种用于片上光互连的激光器封装方法，包括如下步骤：
（1）采用CMOS工艺在SOI基片上制作光栅及波导器件结构、覆盖层及第一金属电极层；
（2）在一过渡块上制作第二金属电极层，采用刻蚀工艺在过渡块上制作凹槽，将激光器贴装在过渡块平台表面的预定位置；
（3）将贴装激光器的过渡块放置在SOI基片上的光栅结构上方；
（4）利用互连金线将激光器下表面的电极与SOI基片上的第一金属电极层、过渡块上的第二金属电极层相连接；
（5）将准直透镜和反射镜放置在过渡块的凹槽上，准直透镜经调节后通过填充固化胶固化、密封在凹槽上，之后调节反射镜，保证激光器通电发出的光经准直透镜、反射镜及SOI基片上的光栅区域后使波导器件结构获得最大输出光时，将反射镜与过渡块凹槽之间、过渡块与SOI基片之间分别填充固化胶固化、密封，完成器件的封装。
2. 根据权利要求1所述的用于片上光互连的激光器封装方法，其特征在于：所述步骤（1）中的SOI基片包括限制层和顶硅层，所述顶硅层设置于限制层的上表面，所述光栅及波导器件结构制作于顶硅层上，所述覆盖层设置于顶硅层的上表面，所述覆盖层表面设置有第一金属电极层。
3. 根据权利要求2所述的用于片上光互连的激光器封装方法，其特征在于：所述顶硅层的厚度为0.1-5μm，所述限制层的厚度大于1μm，所述覆盖层的厚度为0.2-3μm，所述第一金属电极层厚度为0.1-3μm。
4. 根据权利要求1所述的用于片上光互连的激光器封装方法，其特征在于：所述步骤（1）中的波导器件结构为集成的硅基光波导功能器件。
5. 根据权利要求1所述的用于片上光互连的激光器封装方法，其特征在于：所述步骤（2）中的过渡块为双面抛光，其对红外波段在780nm-1650nm的光透明，所述过渡块的厚度为0.2-3mm，所述过渡块的凹槽刻蚀深度为50-1000μm，其上的第二金属电极层的厚度为0.1-3μm。
6. 根据权利要求1所述的用于片上光互连的激光器封装方法，其特征在于：所述第一金属电极层包括第一共面传输线电极结构和第一对准标记，所述第二金属电极层包括第二共面传输线电极结构和第二对准标记，所述激光器下面的电极与第二共面传输线电极结构连接，所述激光器上面的电极通过互连金线与第二共面传输线电极结构连接，所述第二共面传输线电极结构通过互连金线与第一共面传输线电极结构连接。
7. 根据权利要求1所述的用于片上光互连的激光器封装方法，其特征在于：所述过渡块上与SOI基片上的光栅结构背离的抛光面对准所述光栅区域。
8. 根据权利要求1所述的用于片上光互连的激光器封装方法，其特征在于：所述步骤（5）中的固化胶为紫外固化胶。
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