CN105336795A - 一种基于光栅接口的光子芯片封装结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光栅接口的光子芯片封装结构及其制作方法，其特征在于，所述光子芯片封装结构包括：光电子芯片；互连介质，与所述光电子芯片相背表面设置有凸块；和光纤耦合结构，固定于所述光电子芯片之上，用以与所述光电子芯片上所述背向反射光栅耦合。通过设置多层介质层，并在多层介质层上开设过孔，在过孔内设置互连金属，采用了该成熟的再布线技术，工艺简单，实现输入输出接口的引出，可根据后续集成的需要，灵活的分配输入输出接口，从而实现了层间互连，且避免了采用硅通孔技术，保证了光子芯片的性能，另外，将所述光电子芯片设置于所述互连介质和所述基底的同一侧，即使得所述光电子芯片使用倒扣互连，不仅提高传输速率，而且提高了散热效果。
Description
技术领域
本发明涉及光电集成技术领域，尤其涉及一种基于光栅接口的光子芯片封装结构及其制作方法。
背景技术
硅基光子器件与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容、尺寸小、通讯波段透明、大带宽、低延迟、低能耗、低串扰等优势，能和微电子芯片进行混合或者单片集成。目前，硅光电子单片集成电路已经实现高度集成，调制器、以及相应的驱动、波导器件、探测器、以及相应的接收放大电路均可实现单片集成。由于硅本身是间接带隙半导体，发光效率未能达到高速通行需求，但集成激光器的很多方法已经得到验证。硅光子单片集成电路在光通信、光互连等领域得到了快速的发展，目前硅光电子单片集成电路使用SOI衬底，采用CMOS工艺进行加工。
为了实现硅光光电子单片与CPU以及Memory或者其余的ASIC的集成。光电子SiP(systeminpackage)的概念更广泛提出，但如何实现两者的集成，目前有很多的解决方案，最近提的较多的是3D光电集成技术。
但目前的3D光电集成技术存在以下问题：一、在硅光芯片上使用硅通孔(TSV)技术集成微电子芯片，需要很多的硅通孔孔，但目前硅通孔技术并不成熟，影响光子芯片性能；二、为保证微电子芯片的正常的工作，需要多层的RDL(redistributionlayer)，综合来看工艺复杂，同时光电子器件对温度比较敏感，在光子芯片上集成微电子芯片，散热也是难题。
发明内容
本申请提供一种基于光栅接口的光子芯片封装结构及其制作方法，解决了现有技术中的集成技术导致光子芯片的性能差、工艺复杂且散热性能差的技术问题。
本申请提供一种基于光栅接口的光子芯片封装结构，所述光子芯片封装结构包括：
光电子芯片，包括光电子器件、埋氧层、顶层硅和设置于所述顶层硅上的背向反射光栅；
互连介质，包括多层介质层、开设于所述介质层上的过孔和设置于所述介质层内用于连接所述多层介质层的互连金属，以及增强光栅反射的金属，所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置有凸块；和
光纤耦合结构，固定于所述光电子芯片之上，用以与所述光电子芯片上所述背向反射光栅耦合。
优选地，所述光纤耦合结构包括光纤、玻璃基底、覆盖层、设置于所述玻璃基底内的平面波导，所述平面波导上覆盖层盖片，所述平面波导的端部为45度的反射端面，在所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上时，所述平面波导的端部的45度端面与所述背向反射光栅的衍射方向平行。
优选地，所述光纤耦合结构包括光纤和光波导器件，所述光纤的端部为30度～45度的反射端面，在所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上时，所述平面波导的反射端面与所述埋氧层贴合，且所述光纤的延伸方向与反射端面反射光线方向平行。
优选地，所述光子芯片封装结构还包括基板，所述基板设置有元器件。
本申请还提供一种基于光栅接口的光子芯片封装结构的制作方法，用于制作所述的光子芯片封装结构，所述制作方法包括：
获得所述光电子芯片，并在所述光电子器件的埋氧层上设置衬底硅；
在所述顶层硅上设置所述多层介质层，并在每层介质层上开设所述过孔，并在所述过孔内设置所述互连金属，且在所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置所述凸块；
在所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置临时键合载片；
去除所述衬底硅，并在所述埋氧层上设置临时键合1载片；
去除所述互连介质上的所述临时键合载片，并清洗；
通过所述凸块将所述互连介质固定于所述基板，并去除临时键合1载片；
将所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上，与所述背向反射光栅耦合，获得所述基于光栅接口的光子芯片封装结构。
本申请有益效果如下：
本申请的基于光栅接口的光子芯片封装结构通过设置多层介质层，并在多层介质层上开设过孔，在过孔内设置互连金属，采用了该成熟的再布线技术，工艺简单，实现输入输出接口的引出，可根据后续集成的需要，灵活的分配输入输出接口，从而实现了层间互连，且避免了采用硅通孔技术，保证了光子芯片的性能，另外，将所述光电子芯片设置于所述互连介质和所述基底的同一侧，即使得所述光电子芯片使用倒扣互连，不仅提高传输速率，而且提高了散热效果，解决了现有技术中的集成技术导致光子芯片的性能差、工艺复杂且散热性能差的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为本申请较佳实施方式一种基于光栅接口的光子芯片封装结构的示意图；
图2为本申请另一较佳实施方式一种基于光栅接口的光子芯片封装结构的制造方法的流程图；
图3-图14为图2中的制作方法流程示意图；
图15为本申请另一较佳实施方式一种基于光栅接口的光子芯片封装结构的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种基于光栅接口的光子芯片封装结构及其制作方法，解决了现有技术中的集成技术导致光子芯片的性能差、工艺复杂且散热性能差的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种基于光栅接口的光子芯片封装结构，所述光子芯片封装结构包括：光电子芯片，包括光电子器件、埋氧层、顶层硅和设置于所述顶层硅上的背向反射光栅；互连介质，包括多层介质层、开设于所述介质层上的过孔和设置于所述介质层内用于连接所述多层介质层的互连金属，以及增强光栅反射的金属，所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置有凸块；和光纤耦合结构，固定于所述光电子芯片之上，用以与所述光电子芯片上所述背向反射光栅耦合。
本申请的基于光栅接口的光子芯片封装结构通过设置多层介质层，并在多层介质层上开设过孔，在过孔内设置互连金属，采用了该成熟的再布线技术，工艺简单，实现输入输出接口的引出，可根据后续集成的需要，灵活的分配输入输出接口，从而实现了层间互连，且避免了采用硅通孔技术，保证了光子芯片的性能，另外，将所述光电子芯片设置于所述互连介质和所述基底的同一侧，即使得所述光电子芯片使用倒扣互连，不仅提高传输速率，而且提高了散热效果，解决了现有技术中的集成技术导致光子芯片的性能差、工艺复杂且散热性能差的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
为了解决现有技术中的集成技术导致光子芯片的性能差、工艺复杂且散热性能差的技术问题，本申请提供一种基于光栅接口的光子芯片封装结构。如图1所示，所述基于光栅接口的光子芯片封装结构包括：光电子芯片、互连介质、基板301和光纤耦合结构。
光电子芯片包括光电子器件(光调制器、探测器等)108、埋氧层102、顶层硅103和设置于顶层硅103上的背向反射光栅101。
所述互连介质包括多层介质层107和设置于介质层107内用于连接所述多层介质层107的互连金属105。具体地，在本实施方式中，所述多层介质层107上开设有过孔104，所述互联金属105设置于所述过孔104内。所述增强光栅反射金属109位于多层介质层107内，所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置有凸块106。金属互联以及突块实现光电子芯片与外界的电气互联。
所述基板301可以设置有元器件302。
具体地，所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上，用以与所述背向反射光栅耦合。所述光纤耦合结构可以有两种结构。
第一种：所述光纤耦合结构包括玻璃基底203、覆盖层204、设置于所述玻璃基底203和所述覆盖层204之间的平面波导202，所述平面波导202的端部为30度～45度的反射端面201，在所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上时，所述平面波导202的反射端面201与所述背向反射光栅101的衍射方向平行。所述光纤耦合结构还包括光纤205，在本实施方式中，所述光纤205为单模光纤。通过将所述平面波导202的端部设置为30度～45度的反射端面201，以满足不同的背向反射光栅101的衍射角度。
第二种：如图15所示，所述光纤耦合结构包括光纤401和光纤夹具402，所述光纤402的端部为30度～45度的反射端面，在所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上时，所述平面波导202的反射端面与所述埋氧层102贴合，且所述光纤401的延伸方向与反射端面反射光线方向平行。通过将所述平面波导202的端部设置为30度～45度的反射端面201，以满足不同的背向反射光栅101的衍射角度。
本申请的基于光栅接口的光子芯片封装结构通过设置多层介质层107，并在多层介质层107上开设过孔104，在过孔104内设置互连金属105，采用了该成熟的再布线技术，工艺简单，实现输入输出接口的引出，可根据后续集成的需要，灵活的分配输入输出接口，从而实现了层间互连，且避免了采用硅通孔技术，保证了光子芯片的性能，另外，将所述光电子芯片设置于所述互连介质和所述基底的同一侧，即使得所述光电子芯片使用倒扣互连，不仅提高传输速率，而且提高了散热效果，解决了现有技术中的集成技术导致光子芯片的性能差、工艺复杂且散热性能差的技术问题。
实施例二
基于同样的发明构思，本申请还提供一种基于光栅接口的光子芯片封装结构的制作方法，所述制造方法用于制作实施例一中的基于光栅接口的光子芯片封装结构。如图2所示，所述制作方法包括以下步骤：
步骤S110，如图3所示，获得所述光电子芯片，并在所述光电子芯片的埋氧层上设置衬底硅108。光电子芯片包括埋氧层102、顶层硅103和设置于顶层硅103上的背向反射光栅101以及光电子器件。
步骤S120，如图4-图7，在所述顶层硅103上设置多层介质层107，并在每层介质层107上开设所述过孔104，并在所述过孔104内设置所述互连金属105，所述增强光栅反射金属109位于多层介质层107内，且在所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置有凸块106，实现器件的输入输出。具体地，在设置所述多层介质107时，需要先在顶层硅103上设置第一层介质层，并在第一层介质层上开设所述过孔104，并在所述过孔104内设置所述互连金属105后，再设置第二层介质层。
步骤S130，如图8所示，在所述互连介质上与所述光电子器件相背的表面设置临时键合载片。
步骤S140，如图9和图10所示，去除所述衬底硅108，并在所述埋氧层102上设置临时键合1载片。
步骤S150，如图11所示，去除所述互连介质上的所述临时键合载片，并清洗。
步骤S160，如图12和13所示，通过所述凸块106将所述互连介质固定于所述基板301，并去除临时键合1载片。具体在执行时，可以先去除临时键合1载片，也可以后去除临时键合1载片。
步骤S170，如图14所示，将所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上，以与所述背向反射光栅耦合，获得所述基于光栅接口的光子芯片封装结构。
本申请的基于光栅接口的光子芯片封装结构的制造方法，通过设置多层介质层107，并在多层介质层107上开设过孔104，在过孔104内设置互连金属105，增强光栅反射金属109位于多层介质层107内，采用了该成熟的再布线技术，工艺简单，实现输入输出接口的引出，可根据后续集成的需要，灵活的分配输入输出接口，从而实现了层间互连，且避免了采用硅通孔技术，保证了光子芯片的性能，另外，将所述光电子芯片设置于所述互连介质和所述基底的同一侧，即使得所述光电子芯片使用倒扣互连，不仅提高传输速率，而且提高了散热效果，解决了现有技术中的集成技术导致光子芯片的性能差、工艺复杂且散热性能差的技术问题。
由于硅通孔本身的高频性能并不好，原因在于硅是半导体，对硅通孔内部的高频信号损耗很大，使用该输入输出再分布技术，选用低损耗的介质层，能保证输入输出引脚互连的高频性能。另外，将衬底硅去除，有利于调制器性能的提高，因为高速的调制器电磁场会透过埋氧层，和衬底硅耦合，
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种基于光栅接口的光子芯片封装结构，其特征在于，所述光子芯片封装结构包括：
光电子芯片，包括光电子器件、埋氧层、顶层硅和设置于所述顶层硅上的背向反射光栅；
互连介质，包括多层介质层、开设于所述介质层上的过孔和设置于所述介质层内用于连接所述多层介质层的互连金属，以及增强光栅反射的金属，所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置有凸块；和
光纤耦合结构，固定于所述光电子芯片之上，用以与所述光电子芯片上所述背向反射光栅耦合。
2.如权利要求1所述的光子芯片封装结构，其特征在于，所述光纤耦合结构包括光纤、玻璃基底、覆盖层、设置于所述玻璃基底内的平面波导，所述平面波导上覆盖层盖片，所述平面波导的端部为45度的反射端面，在所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上时，所述平面波导的端部的45度端面与所述背向反射光栅的衍射方向平行。
3.如权利要求1所述的光子芯片封装结构，其特征在于，所述光纤耦合结构包括光纤和光波导器件，所述光纤的端部为30度～45度的反射端面，在所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上时，所述平面波导的反射端面与所述埋氧层贴合，且所述光纤的延伸方向与反射端面反射光线方向平行。
4.如权利要求1所述的光子芯片封装结构，其特征在于，所述光子芯片封装结构还包括基板，所述基板设置有元器件。
5.一种基于光栅接口的光子芯片封装结构的制作方法，用于制作如权利要求1-4中任一权利要求所述的光子芯片封装结构，其特征在于，所述制作方法包括：
获得所述光电子芯片，并在所述光电子器件的埋氧层上设置衬底硅；
在所述顶层硅上设置所述多层介质层，并在每层介质层上开设所述过孔，并在所述过孔内设置所述互连金属，且在所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置所述凸块；
在所述互连介质上与所述光电子芯片相背的表面设置临时键合载片；
去除所述衬底硅，并在所述埋氧层上设置临时键合1载片；
去除所述互连介质上的所述临时键合载片，并清洗；
通过所述凸块将所述互连介质固定于所述基板，并去除临时键合1载片；
将所述光纤耦合结构固定于所述光电子芯片之上，与所述背向反射光栅耦合，获得所述基于光栅接口的光子芯片封装结构。
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