CN110082862B - 一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法 - Google Patents

一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法，该装置包括转接板，转接板包括本体、第一连接部及第二连接部；第一连接部与激光器芯片连接、第二连接部与硅基光电子芯片连接；该方法包括：根据波导的位置信息，并利用激光器芯片和硅基光电子芯片工艺过程中的停止层精确确定待形成的凹槽的深度，在激光器芯片上刻蚀出第一凹槽、在硅基光电子芯片上刻蚀出第二凹槽；在转接板上刻蚀出第一凸起和第二凸起，将激光器芯片装配到转接板上，再将上述转接板装配到硅基光电子芯片上；本发明基于精密的微纳加工工艺保证了激光器芯片与硅基光电子芯片的精确对准，无需考虑后续的加电和散热等问题，极大降低了封装工艺难度。

Description

一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法
技术领域
本发明涉及硅基光电子器件封装技术领域，更为具体来说，本发明为一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法。
背景技术
硅是间接带隙半导体，其发光效率不高，所以，硅一直以来被认为不适合制作光源材料；因而对于硅基光电子技术来说，光源的引入便成为了一项非常重要的工作。
目前，硅基光电子技术的光源引入方式一般为：在硅基光电子芯片上直接贴装光源，一般通过倒装芯片(Flip chip)等方式将激光器芯片直接贴装于硅基光电子芯片上，然后通过端面耦合或者光栅耦合方式将激光器芯片的波导与硅基光电子芯片的波导进行耦合对准，比如，具体采用气密封装方案将光源光栅耦合进硅波导，或通过机械反复定位方案实现对准；显然地，现有技术必须要同时考虑固定、加电、散热、对准等问题，因而直接贴装激光器芯片的过程难以保证耦合精度，反复进行对准的过程导致了耦合工作效率过低的问题，高精密的设备带来了封装成本过高问题，据历史统计数据显示，集成光子芯片的耦合封装成本占据最终器件总成本的80％左右，而且，硅基光电子芯片的耦合相关损耗占据了整个器件总消耗的50％左右。
因此，如何显著地提高激光器芯片和硅基光电子芯片的耦合对准效率以及精度，并在保证耦合对准的可靠性的前提下有效降低耦合对准成本，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为了解决现有技术存在的激光器芯片和硅基光电子芯片的耦合对准效率低、精度低、成本高等问题，本发明创新地提供了一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法，基于对转接板结构的设计和连接结构的改进，本发明能够高效、高精度且低成本地完成激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准工作，而且本发明显著降低了加工工艺难度，从而较好地解决了现有技术存在的诸多问题。
为实现上述的技术目的，本发明公开了一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置，该装置包括转接板，所述转接板包括本体、第一连接部及第二连接部，所述第一连接部、所述第二连接部均与所述本体固定连接；所述第一连接部用于与激光器芯片上的第一配合部固定连接，所述第二连接部用于与硅基光电子芯片上的第二配合部固定连接，从而使激光器芯片的第一波导层光场与硅基光电子芯片的第二波导层光场耦合对准。
基于上述的技术方案，本发明创新地通过具有简易结构的转接板完成激光器芯片与硅基光电子芯片的自对准，而且可通过成熟的工艺完成连接结构的加工，具有效率高、精度高、成本低等优点。
进一步地，所述第一连接部为第一凸起，所述第一配合部为第一凹槽，所述第一凸起卡入所述第一凹槽中。
进一步地，所述第二连接部为第二凸起，所述第二配合部为第二凹槽，所述第二凸起卡入所述第二凹槽中。
进一步地，所述第一连接部和所述第二连接部均处于本体的下方，所述硅基光电子芯片上开设有用于放入所述激光器芯片的容纳仓。
基于上述改进的技术方案，本发明能够保证激光器芯片和硅基光电子芯片在六个维度上的自对准，从而极大地降低了激光器芯片和硅基光电子芯片的耦合对准难度。
进一步地，激光器芯片的底面与容纳仓的底面之间通过导热材料连接。
进一步地，第一连接部和/或第二连接部的横截面为多边形。
进一步地，所述本体、第一连接部及第二连接部为一体结构。
为实现上述技术目的，本发明还公开了一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准方法，该方法包括如下步骤；
步骤1，根据激光器芯片的第一停止层确定激光器芯片上的第一凹槽的深度，根据硅基光电子芯片的第二停止层确定硅基光电子芯片的第二凹槽的深度，并根据第一凹槽的深度和激光器芯片的第一波导层的高度确定待形成于转接板上的第一凸起的高度，以及根据第二凹槽的深度和硅基光电子芯片的第二波导层的高度确定待形成于转接板上的第二凸起的高度；
步骤2，在激光器芯片上刻蚀出用于耦合对准的多个第一凹槽，精确停止在第一停止层的上表面；在硅基光电子芯片上刻蚀出用于耦合对准的多个第二凹槽，精确停止在第二停止层的上表面；
步骤3，在转接板上刻蚀出在水平方向上与多个第一凹槽一一对应的多个第一凸起和在水平方向上与多个第二凹槽一一对应的多个第二凸起；其中，第一凸起数量与第一凹槽数量相同，第二凸起数量与第二凹槽数量相同，第一凸起的高度大于第一凹槽的深度，第二凸起的高度大于第二凹槽的深度；
步骤4，通过所述多个第一凹槽与所述多个第一凸起一一对应固定的方式将所述激光器芯片装配到所述转接板上；
步骤5，通过所述多个第二凸起与所述多个第二凹槽一一对应固定的方式将带有所述激光器芯片的转接板装配到所述硅基光电子芯片上，从而完成激光器芯片的第一波导层光场与硅基光电子芯片的第二波导层光场耦合对准。
基于上述的技术方案，本发明创新地通过具有简易结构的转接板完成激光器芯片与硅基光电子芯片的自对准流程，而且可通过成熟的刻蚀工艺完成连接结构的加工，具有效率高、精度高、成本低等优点。
进一步地，步骤4中，令各第一凸起的顶端面与各第一凹槽的底面一一对应贴合；步骤5中，令各第二凸起的顶端面与各第二凹槽的底面一一对应贴合。
进一步地，步骤2中，第一凹槽的底面为激光器芯片的第一停止层上表面，第二凹槽的底面为硅基光电子芯片的第二停止层上表面；
步骤3中，通过如下方式计算第一凸起的顶端面与第二凸起的顶端面的高度差；
Δh＝h1-h2-t1-0.5·t2+0.5·t3；
其中，Δh表示第一凸起的顶端面与第二凸起的顶端面的高度差，h1表示硅基光电子芯片的第二停止层中心与第二波导层中心之间的高度差，h2表示激光器芯片与硅基光电子芯片最佳耦合时第一波导层中心与第二波导层中心的高度差，t1表示激光器芯片的第一停止层厚度，t2表示激光器芯片的第一波导层厚度，t3表示硅基光电子芯片的第二停止层厚度。
本发明的有益效果为：本发明能够通过专门设计的转接板保证激光器芯片与硅基光电子芯片的自对准，从而极大降低两类芯片连接处的对准、加电、散热等要求，大大地降低了不同类芯片间耦合对准的工艺难度。
附图说明
图1为激光器芯片、硅基光电子芯片及转接板三者间装配关系的爆炸结构示意图。
图2为第一连接部、第二连接部的横截面均为方形的转接板的立体结构示意图。
图3为第一连接部、第二连接部的横截面均为方形的转接板的纵剖面结构示意图。
图4为横截面均呈三角形的第一连接部和第一配合部的连接结构示意图。
图5为横截面均呈多边形的第一连接部和第一配合部的连接结构示意图。
图6为具有第一凹槽的激光器芯片的立体结构示意图。
图7为具有第二凹槽和容纳仓的硅基光电子芯片的立体结构示意图。
图8为耦合对准后的激光器芯片、硅基光电子芯片及转接板三者间的装配关系示意图。
图9为图8中A-A向的截面结构示意图。
图10为激光器芯片与硅基光电子芯片的相对位置关系的示意图。
图11为激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准方法的流程示意图。
图中，
1、转接板；11、本体；12、第一连接部；13、第二连接部；
2、激光器芯片；21、第一配合部；22、第一波导层；23、第一停止层；
3、硅基光电子芯片；31、第二配合部；32、容纳仓；33、第二波导层；34、第二停止层。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法进行详细的解释和说明。
如图1-10所示，本实施例公开了一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置及方法，其是一种高精度、低成本、高效率的封装方案，该封装方案同时解决了激光器芯片的对准、固定、散热以及加电等问题，无需反复地对耦合位置进行微调，能够实现激光器芯片与硅基光电子芯片的高精度且自对准耦合；具体说明如下。
如图1、2、3、4、5所示，激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置包括转接板1，转接板1包括本体11、第一连接部12及第二连接部13，第一连接部12、第二连接部13均与本体11固定连接；本实施例中，第一连接部12为第一凸起，第一配合部21为第一凹槽，第一凸起卡入第一凹槽中。作为进一步改进或者并行实施的技术方案，本实施例中的第二连接部13为第二凸起，第二配合部31为第二凹槽，第二凸起卡入第二凹槽中；第一连接部12和/或第二连接部13的横截面为多边形(包括三角形、四边形、五边形……)，如图3、4、5所示，本实施例中的转接板为通过刻蚀方式得到的本体11、第一连接部12以及第二连接部13组成的一体结构。
如图8、7、6所示，本实施例中的激光器芯片2与转接板1相连接，硅基光电子芯片3也与转接板1相连接，通过转接板1完成激光器芯片2与硅基光电子芯片3之间的对准、定位及耦合；具体来说，第一连接部12用于与激光器芯片2上的第一配合部21固定连接，如图7、8所示，第二连接部13用于与硅基光电子芯片3上的第二配合部31固定连接，从而使激光器芯片2的第一波导层22光场、硅基光电子芯片3的第二波导层33光场进行波导耦合对准，本实施例完成了通过定位柱(即上述第一凸起和第二凸起)和定位槽(即上述第一凹槽和第二凹槽)的物理关系完成了激光器芯片与硅基光电子芯片在水平方向上的自对准，如图10所示，激光器芯片2的功能是作为光源、输出激光，硅基光电子芯片3的功能是功能光电子链路，转接板1的功能是实现激光器芯片2与硅基光电子芯片3之间的自对准。
在具体实施时，作为较佳的技术方案，第一连接部12和第二连接部13均处于本体11的下方，如图2～5所示，本实施例中，两个第二连接部13分别设置于本体11底面的左侧和右侧，两个第一连接部12在左右方向上均设置于两个第二连接部13之间，而且硅基光电子芯片3上开设有用于放入激光器芯片2的容纳仓32，容纳仓32处于用于与两个第二连接部13分别固定连接的两个第二配合部31之间(在左右方向上)。在本实施例中，如图9所示，激光器芯片2的底面与容纳仓32的底面之间通过导热材料连接，且没有电连接；如图6、7、8所示，本实施例选用了具有共面电极结构的激光器芯片2，即激光器芯片2的P级和N级在激光器芯片2的同一面上，更具体地，激光器芯片2的P级和N级均在激光器芯片2的上表面，如图8所示，激光器芯片2的P级和N级露出于转接板1，即转接板1在前后方向上使电极露出，以便于进行后续的电连接，与现有技术相比，本发明在实施过程中无需同时考虑后续工艺加电的问题，所以本发明的工艺难度得到极大地降低，如图8所示；且通过激光器芯片2的底面导热材料结构设计，本发明实施过程中还无需考虑后续工艺散热的问题，所以本发明的工艺难度得到进一步地降低。
作为具体实施的技术方案，本实施例还提供了一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准方法，该耦合对准方法与上述的耦合对准装置基于相同的发明构思，具体如图11所示，该方法包括如下步骤。
步骤1，根据激光器芯片2的第一停止层23确定激光器芯片2上的第一凹槽的深度，本实施例具体将第一凹槽向下刻蚀至第一停止层23上表面时停止，并根据硅基光电子芯片3的第二停止层34确定硅基光电子芯片3的第二凹槽的深度，本实施例具体将第二凹槽向下刻蚀至第二停止层34上表面时停止，且根据第一凹槽的深度和激光器芯片2的第一波导层22的高度确定待形成于转接板1上的第一凸起的高度，以及根据第二凹槽的深度和硅基光电子芯片3的第二波导层33的高度确定待形成于转接板1上的第二凸起的高度。
步骤2，在激光器芯片2上刻蚀出用于耦合对准的多个第一凹槽，精确停止在刻蚀停止层23的上表面，在硅基光电子芯片3上刻蚀出用于耦合对准的多个第二凹槽，精确停止在刻蚀停止层34的上表面，即在本步骤完成了在激光器芯片和硅基光电子芯片上刻蚀出对准槽(即上述第一凹槽或第二凹槽)，对准槽的深度根据激光器芯片的第一波导层22和硅基光电子芯片的第二波导层33在高度方向上的位置确定如图10所示，本实施例步骤2中，第一凹槽的底面为激光器芯片的第一停止层23上表面，第二凹槽的底面为硅基光电子芯片的第二停止层34上表面。应当理解，在激光器芯片的生产过程中，有源层上方通常有一层厚度为几十纳米的(刻蚀)停止层23，可通过干法刻蚀和湿法刻蚀的方式使定位槽(如第一、第二凹槽)底面精确地停留于停止层的表面；同理，在硅基光电子芯片的生产过程中，硅波导上方也会引入(刻蚀)停止层34，比如氮化硅或多晶硅等介质层。
步骤3，在对准槽刻蚀完成后，通过刻蚀方式制作转接板1，具体地，在转接板1上刻蚀出在水平方向上与多个第一凹槽一一对应的多个第一凸起和在水平方向上与多个第二凹槽一一对应的多个第二凸起，即：在本步骤完成了根据定位槽位置和深度在转接板上进行刻蚀、制备出转接板定位柱(即上述第一凸起和第二凸起)；更为具体来说，转接板1包括一体结构的本体11、第一连接部12及第二连接部13，第一连接部12、第二连接部13均与本体11固定连接；本实施例中，第一凸起作为第一连接部12，第一凹槽作为第一配合部21，第一凸起卡入第一凹槽中；其中，第一凸起数量与第一凹槽数量相同，第二凸起数量与第二凹槽数量相同，第一凸起的高度大于第一凹槽的深度，第二凸起的高度大于第二凹槽的深度。在本实施例的步骤3中，通过如下方式计算第一凸起的顶端面与第二凸起的顶端面的高度差(激光器芯片的波导层与停止层之间的距离一般为零)；
Δh＝h1-h2-t1-0.5·t2+0.5·t3；
本发明创新地通过停止层与激光器出光光斑以及硅波导的位置关系推算出两个凸起(定位柱)端部高度位置关系，并通过精密的微加工工艺实现高度上的自对准；其中，Δh表示第一凸起的顶端面与第二凸起的顶端面的高度差，h1表示硅基光电子芯片的第二停止层中心与第二波导层中心之间的高度差，h2表示激光器芯片与硅基光电子芯片最佳耦合时第一波导层中心与第二波导层中心的高度差，t1表示激光器芯片的第一停止层厚度，t2表示激光器芯片的第一波导层厚度，t3表示硅基光电子芯片的第二停止层厚度，t4表示硅基光电子芯片的第二波导层厚度。
步骤4，通过多个第一凹槽与多个第一凸起一一对应固定的方式将激光器芯片2装配到转接板1上，即将激光器芯片2贴装到转接板1上，在本步骤4中，令各第一凸起的顶端面与各第一凹槽的底面一一对应贴合。
步骤5，通过多个第二凸起与多个第二凹槽一一对应固定的方式将带有激光器芯片2的转接板1装配到硅基光电子芯片3上，即可将转接板1连带激光器芯片2贴装到硅基光电子芯片3上，基于前述的精密的微加工工艺流程，本实施例可完成激光器芯片2的第一波导层22光场与硅基光电子芯片3的第二波导层33光场耦合对准，从而解决现有技术存在的诸多问题，在本实施例步骤5中，令各第二凸起的顶端面与各第二凹槽的底面一一对应贴合。
在本实施例中，激光器芯片与硅基光电子芯片之间的对准槽/定位柱(或称为“对准柱”)至少为两对，保准两个芯片完全平行(不存在旋转角度)和高度方向的对准，对准槽/对准柱可采用多边形(包括三角形)等类似结构，对准时将对准柱向尖端方向推到底，保准了水平方向的对准。综合起来，本发明实现了x、y、z和三个旋转角度的自对准。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置，其特征在于：该装置包括转接板(1)，所述转接板(1)包括本体(11)、第一连接部(12)及第二连接部(13)，所述第一连接部(12)、所述第二连接部(13)均与所述本体(11)固定连接；所述第一连接部(12)用于与激光器芯片(2)上的第一配合部(21)固定连接，所述第一连接部(12)为第一凸起，所述第一配合部(21)为第一凹槽，所述第一凸起卡入所述第一凹槽中；所述第二连接部(13)用于与硅基光电子芯片(3)上的第二配合部(31)固定连接，所述第二连接部(13)为第二凸起，所述第二配合部(31)为第二凹槽，所述第二凸起卡入所述第二凹槽中；所述第一连接部(12)和所述第二连接部(13)均处于本体(11)的下方，所述硅基光电子芯片(3)上开设有用于放入所述激光器芯片(2)的容纳仓(32)，通过转接板(1)完成激光器芯片(2)与硅基光电子芯片(3)之间的对准、定位及耦合，从而使激光器芯片(2)的第一波导层(22)光场与硅基光电子芯片(3)的第二波导层(33)光场耦合对准，激光器芯片(2)具有共面电极，激光器芯片(2)的P级和N级露出于转接板(1)。
2.根据权利要求1所述的激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置，其特征在于：激光器芯片(2)的底面与容纳仓(32)的底面之间通过导热材料连接。
3.根据权利要求1所述的激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置，其特征在于：第一连接部(12)和/或第二连接部(13)的横截面为多边形。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准装置，其特征在于：所述本体(11)、第一连接部(12)及第二连接部(13)为一体结构。
5.一种激光器芯片与硅基光电子芯片的耦合对准方法，其特征在于：该方法包括如下步骤；
步骤1，根据激光器芯片的第一停止层确定激光器芯片上的第一凹槽的深度，根据硅基光电子芯片的第二停止层确定硅基光电子芯片的第二凹槽的深度，并根据第一凹槽的深度和激光器芯片的第一波导层的高度确定待形成于转接板上的第一凸起的高度，以及根据第二凹槽的深度和硅基光电子芯片的第二波导层的高度确定待形成于转接板上的第二凸起的高度；
步骤2，在激光器芯片上刻蚀出用于耦合对准的多个第一凹槽，精确停止在第一停止层的上表面，第一凹槽的底面为激光器芯片的第一停止层上表面；在硅基光电子芯片上刻蚀出用于耦合对准的多个第二凹槽，精确停止在第二停止层的上表面，第二凹槽的底面为硅基光电子芯片的第二停止层上表面；
步骤3，在转接板上刻蚀出在水平方向上与多个第一凹槽一一对应的多个第一凸起和在水平方向上与多个第二凹槽一一对应的多个第二凸起；其中，第一凸起数量与第一凹槽数量相同，第二凸起数量与第二凹槽数量相同，第一凸起的高度大于第一凹槽的深度，第二凸起的高度大于第二凹槽的深度；
通过如下方式计算第一凸起的顶端面与第二凸起的顶端面的高度差；
Δh＝h1-h2-t1-0.5·t2+0.5·t3；
其中，Δh表示第一凸起的顶端面与第二凸起的顶端面的高度差，h1表示硅基光电子芯片的第二停止层中心与第二波导层中心之间的高度差，h2表示激光器芯片与硅基光电子芯片最佳耦合时第一波导层中心与第二波导层中心的高度差，t1表示激光器芯片的第一停止层厚度，t2表示激光器芯片的第一波导层厚度，t3表示硅基光电子芯片的第二停止层厚度；
步骤4，通过所述多个第一凹槽与所述多个第一凸起一一对应固定的方式将所述激光器芯片装配到所述转接板上，令各第一凸起的顶端面与各第一凹槽的底面一一对应贴合；
步骤5，通过所述多个第二凸起与所述多个第二凹槽一一对应固定的方式将带有所述激光器芯片的转接板装配到所述硅基光电子芯片上，令各第二凸起的顶端面与各第二凹槽的底面一一对应贴合，从而完成激光器芯片的第一波导层光场与硅基光电子芯片的第二波导层光场耦合对准，激光器芯片具有共面电极，激光器芯片的P级和N级露出于转接板。
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