CN110192136A - 光学中介层光电装置 - Google Patents
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Abstract
在一种实施方式中，光电系统可以包括光学中介层，该光学中介层具有基板和在基板上形成的功能中介层结构、延伸穿过基板和功能中介层结构的传输电气信号的多个贯穿过孔、以及传输信号到功能中介层结构的不同区域的多个线。该系统还可以包括在功能中介层结构中一体形成的一个或多个光子装置、以及附接至功能中介层结构的一个或多个预制部件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月23日提交的名称为“Photonics InterposerOptoelectronics”的美国临时专利申请No.:62/426,100的优先权，该专利申请的全部内容通过引用其整体的方式并入本文。本申请还要求于2017年10月27日提交的名称为“Photonics Interposer Optoelectronics”的美国非临时专利申请No.:15/975,349的优先权，该专利申请的全部内容通过引用其整体的方式并入本文。
政府权力声明
本发明是在美国国防部(DOD)的政府支持下以拨款合同号FA8650-15-2-5220进行的。政府可以在本发明中享有一定的权利。
技术领域
本公开总体涉及光学，并且具体涉及光学结构和制造方法。
背景技术
市售的光学集成电路是在晶片上制造的，例如体硅或绝缘体上硅晶片。市售的预制光学集成电路芯片可以包括波导，该波导用于在预制光学集成电路芯片的不同区域之间传输光信号。市售的波导具有矩形或脊的几何形状，并且用硅(单晶或多晶)或氮化硅制造。市售的光学集成电路芯片可以用于具有设置在印刷电路板上的光学集成电路芯片的系统。
发明内容
在一个方面，通过提供光学结构，克服了现有技术的缺点，并提供了附加的优点。
在一种实施方式中，光电系统可以包括光学中介层，该光学中介层具有基板和在基板上形成的功能中介层结构、延伸穿过基板和功能中介层结构的传输电气信号的多个贯穿过孔、以及传输信号到功能中介层结构的不同区域的的多个线。该系统还可以包括在功能中介层结构中一体形成的一个或多个光学装置；以及附接至功能中介层结构的一个或多个预制部件。
通过本公开的技术实现了附加特征和优点。
附图说明
在说明书结论处的权利要求中，特别地作为示例指出并清楚地要求保护本公开的一个或多个方面。从以下结合随附附图的详细描述中，本公开的前述和其他目的、特征和优点是显而易见的，其中：
图1是光电系统的截面示意图，该光电系统具有中介层、一个或多个附接的预制部件、以及一个或多个集成的光学装置；
图2是制造的中间阶段的光电系统的截面示意图；
图3是在制造再分布层之后制造的中间阶段的光电系统的截面示意图；
图4是在制造用于容纳一个或多个预制部件之后的制造的中间阶段的光电系统的截面示意图；
图5是在一个或多个预制部件的附接之后制造的中间阶段的光电系统的截面示意图；
图6是安装在子结构上的光电系统的截面示意图；以及
图7-10示出了光学装置的替代实施方式，该电子装置可以在中介层功能结构中一体形成。
具体实施方式
下面参考随附附图中所示的非限制性示例更全面地解释本公开的各方面及其某些特征、优点和细节。省略对众所周知的材料、制造工具、处理技术等的描述，以免不必要地使本公开的细节难以理解。然而，应该理解的是，详细描述和具体示例虽然指出了本公开的多个方面，但是仅以说明而非限制的方式给出。本领域技术人员根据本公开将清楚在下面的发明构思的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加和/或布置。
参考图1的示意图，示出了光电系统10的实施方式。光电系统10可以包括光学中介层100，该光学中介层100具有基板110和在基板110上形成的功能中介层结构120，多个贯穿过孔130延伸穿过基板110。光电系统10可以包括附接至功能中介层结构100的一个或多个预制部件160，以及在功能中介层结构120中形成的一个或多个光学装置150。
一个或多个预制部件160可以包括从包含预制激光裸片芯片、预制光学集成电路芯片或预制半导体芯片的组中选择的一个或多个预制部件。预制半导体芯片可以是具有有源和/或无源电气装置(CMOS、RF部件、MEMs、离散部件)的芯片。
与功能插入结构120一体形成的一个或多个光学装置可以包括例如一个或多个光学装置，例如，波导、光电探测器、耦合器、调制器、偏振器、分离器或谐振器中的一者或多者。
参照图2-6描述在一种实施方式中制造光电系统10的方法。
参考图2，示出了处于制造的初始阶段的光电系统10。光电系统10可以包括基板110和功能中介层结构120。基板110可以由各种替代材料形成，这些替代材料例如Si、SiO2、玻璃或蓝宝石。功能中介层结构120可以通过使用多个中介层材料层的适当沉积和图案化来制造，这些材料层可以限定功能中介层结构120的主体。限定功能中介层结构120的主体122的中介层材料层可以包括例如Si、SiO2或具有这些材料的层的组合。
功能中介层结构120可以包括一个或多个用于在功能中介层结构120中形成的功能特征之间的区域中形成功能特征和中介层材料层的特征形成层(例如，一个或多个金属化层、硬阻层或光学装置，例如波导材料层)。对功能中介层结构120的主体122进行限定的功能特征的中介层材料中间体可以提供例如电气隔离、光学隔离、结构完整性或结构间隔中的一者或多者。对由介电材料形成的功能中介层结构120进行限定的中介层材料层可以被称为中介层100的“介电堆”。
在一种实施方式中，如图2所示，功能中介层结构120可以是其中可以定义有各种特征的多个层的多层结构。延伸穿过基板110和功能中介层结构120的贯穿过孔130可以通过适当的图案化形成，例如在将中介层材料层沉积至高度202之后进行掩模，蚀刻以限定贯穿过孔沟槽，在沉积金属化层1404之前用导电材料填充贯穿过孔沟槽并摊平至高度202。延伸穿过功能中介层结构120的过孔134可以通过适当的图案化形成，例如在将一个或多个中介层材料层沉积至高度202(针对较低高度过孔)或高度204(针对较高高度过孔)之后对过孔进行掩模，蚀刻以限定过孔沟槽，在沉积金属化层1404(针对较低高度过孔)或金属化层1406(针对较高高度过孔)之前用导电材料填充过孔沟槽并摊平至高度202(针对较低高度过孔)或204(针对较高高度过孔)。
金属化层1402和金属化层1404和金属化层1406限定线140。由金属化层1402、1404和1406限定的线140可以水平地延伸穿过功能中介层结构120的区域。金属化层1402、1404和1406通常可以通过以下步骤来形成：将一个或多个中介层材料层沉积至对应的金属化层1402、1404或1406的至少顶部高度，蚀刻以限定用于接纳导电材料的腔，用导电材料填充这些腔，以及然后摊平至对应的金属化层1402、1404或1406的顶部高度。金属化层1402、1404和1406通常也可以通过沉积均匀厚度的金属化层、并且然后掩模和蚀刻以从不需要的区域移除层材料来形成。金属化层1402、1404和1406可以由金属或其他导电材料形成。由金属化层1402限定的线140可以电连接至一个或多个过孔130，用于将一个或多个控制逻辑和/或功率信号竖向地和水平地分配至功能中介层结构120的不同区域。由金属化层1404限定的线140可以电连接至过孔134中的一个或多个过孔，以在功能中介层结构120的不同区域之间水平地分配电气控制、逻辑和/或功率信号中的一者或多者。由金属化层1406限定的线140可以电连接至一个或多个过孔134，以将控制、逻辑和/或功率信号中的一者或多者水平地分配至功能中介层结构120的不同区域。
功能中介层结构120可以在其中形成由硬阻材料层提供的对齐特征部210，用于对预制部件进行对齐。本文的实施方式认识到，预制部件的改进操作方面可以通过提供精确的对齐来实现。在图2的实施方式中，对齐特征部210可以由沉积在中介层材料层上的硬阻材料层提供。由硬阻材料层提供的对齐特征部210可以沉积在功能中介层结构120的精确高度处，以提供如本文所述的预制部件的精确竖向对齐，用于将预制部件附接至功能中介层结构120。精确高度控制可以允许减少在光学装置之间耦接的损耗边缘。由硬阻材料层提供的对齐特征部210可以由具有相对于对功能中介层结构120的主体122进行限定的材料层而言的不同蚀刻选择性的材料形成。通过硬阻材料层提供的对齐特征部210可以沉积至约10nm到约200nm的厚度，并且在一种实施方式中沉积至约20nm到80nm之间的厚度。为了制造对齐特征部210，中介层材料可以沉积在限定对齐特征部210的硬阻材料层上，并且然后可以蚀刻回来形成腔402以显示对齐特征部210。在一种实施方式中，其中主体122由SiO2形成，对齐特征部210可以由具有与SiO2不同的蚀刻选择性的材料形成，例如氮化钛、碳氮化硅或无定形硅。
参考图2的中间制造阶段视图所示的附加特征部，系统10可以包括由金属叠置件提供的对齐特征部220。对齐特征部220提供的金属叠置件在图2中的制造中间阶段中示出，金属叠置件可以包括金属柱221，阻挡层222和构造420(图4的随后阶段视图中所示)。金属叠置件提供的对齐特征部220可以沿着与参考坐标系15的z轴平行延伸的轴线提供竖向对齐，以将预制部件精确地竖向对齐以附接至功能中介层结构120，从而可以精确地建立预制部件的高度。精度高度控制可以允许减少在光学装置之间耦合的损耗边缘。由金属叠置件提供的对齐特征部220可以制造成具有在小公差内的预定总厚度，使得可以精确地建立金属化层1404与限定对齐特征部220的金属叠置件的顶部高度之间的距离。通常，顶部高度构造420(例如由金属凸块构造或镀覆构造形成)(图4)可以经受加热和回流以将预制部件与其连接。可以控制构造420的分布和体积以及加热参数，以便对对齐特征部220进行限定的金属叠置件的高度不会意外地受到构造420(图4)的回流的影响。
参考图2的中间制造阶段视图中所示的附加特征部，系统10可以包括与功能中介层结构120一体形成的一个或多个光学装置。如图2所示，与功能中介层结构120一体形成的一个或多个光学装置可以包括由波导材料层1502限定的波导150A。在一种实施方式中，波导150A可以通过沉积波导材料层1502、掩模和蚀刻以移除波导材料层1502的不希望的区域、以及在波导材料层的剩余部分上沉积中介层材料层来制造。限定波导150A的波导材料层1502可以包括例如单晶硅、多晶硅、无定形硅、氮化硅或氮氧化硅。由功能中介层结构120内的不同材料制造的波导可以用于执行不同的功能。例如，可以选择由硅形成的波导来制造包括在有源装置中的波导，该有源装置诸如光电探测器或调制器。(例如由氮化硅形的)介电波导可以适于将光信号传输到更长的距离。可以选择诸如无定形硅之类的其他材料来用于加强电流传导特性与光传导特性平衡的应用。波导150A的图案化可以包括限定波导150的材料的图案化以及环绕波导150A的材料的图案化，环绕波导150A的材料具有与波导150A的材料的折射率不同的折射率。波导150A的图案化可以包括用于限定不同可选择的几何形状的图案化。
功能中介层结构120可以包括一个或多个一体形成的光学装置，作为一个或多个波导(诸如波导150)的补充或替换。例如，功能中介层结构120可以包括一个或多个集成光学区域(诸如光学区域240)，该光学区域可以例如在基板110上形成的位置A处或在功能中介层结构120中形成的位置B处、在中介层100的基板110上方的高度处形成。如图7所示，集成光学区域240可以包括限定功能中介层结构120的一个或多个层，该功能中介层结构120被图案化以限定光电探测器150B。如图8所示，集成光学区域240可以包括限定功能中介层结构120的一个或多个层，该一个或多个层被图案化以限定不同尺寸、形状和材料的波导150C、150D、150E。如图9所示，集成光学区域240可以包括限定功能中介层结构120的一个或多个层，该一个或多个层被图案化以限定光栅耦合器150F。如图10所示，集成光学区域240可以包括限定功能中间层结构120的一个或多个层，该层被图案化以限定调制器150G。在一种实施方式中，中介层100可以包括遍及中介层100的光学区域240，并且中介层100可以包括参考图7-10描述的集成光学装置150B-150G中的每个集成光学装置。在一种实施方式中，光学区域240表示制造用于限定偏振器、分束器或谐振器中的一者或多者的光学区域。
在一些实施方式中，形成光学装置的材料(例如单晶硅、多晶硅、锗)可以外延生长。本文的实施方式认识到，虽然厚的硅层可以适应外延生长，但是所得到的光学装置可以通过厚硅层表现出光损耗。在一种实施方式中，为了适应外延生长材料的外延生长，可以提供在绝缘体上具有硅种子层(硅模板)的结构。为了提供具有硅种子层的结构，可以选择绝缘体上硅(SOI)晶片(在体硅基板上具有氧化物薄层并且在氧化物上具有硅薄层)以用于制造基板110。在SOI晶片用于制造中介层100的一种实施方式中，基板110由SOI晶片的体硅基板提供。
外延生长也可以通过在玻璃上形成的硅的种子层上外延生长来进行。因此，用于制造基板110的玻璃晶片上的硅(具有在体玻璃替代物上形成的薄硅层)的选择可以适应外延生长材料的外延生长并且制造由外延生长的材料(诸如单晶硅、多晶硅或锗)形成的光学装置。在玻璃晶片上硅用于制造中介层100的一种实施方式中，基板110由玻璃晶片上硅的玻璃基板提供。
在一种实施方式中，功能中介层结构120可以制造成在基板110上方的高度处包括绝缘体上硅。例如，在基板110的顶部高度上方的厚硅层(例如在由硅形成的基板110上外延生长)可以通过局部或非局部注氧隔离(SIMOX)处理来在薄硅层下方限定薄硅层和埋氧层。
利用适当的制造方法，可以在功能中介层结构120的任何高度处制造具有不同波导材料的波导的光学装置或由不同波导材料的波导提供的光学装置。在一种实施方式中，外延生长的光学装置可以在功能中介层结构120的基板位置上制造，并且由沉积材料形成(例如由沉积的氮化硅或氮氧化硅形成)的光学装置可以在功能中介层结构120的基板高度上方形成。功能中介层结构120可以制造成通过不同高度处的波导之间的消散波耦合而在这些高度之间传导光。
可以执行各种工艺来从制造各种光学装置的材料层改变该材料层的晶粒结构。在一种实施方式中，材料层可以由多晶的硅(多晶硅)形成。在一种实施方式中，可以进行离子注入以改变材料层的硅晶体结构。在改变时，多晶硅材料可以转变成无定形多晶硅材料。离子植入种类可以包括硅、氩(例如Ar或Ar+)、氙(例如Xe或Xe+)或锗中的一者或多者。在另一方面，可以进行退火过程(例如再结晶退火过程)以进一步改善材料层的晶粒结构。在一种实施方式中，在有或没有离子注入的情况下，可以对材料层进行退火以改变晶粒结构。
为了提高中介层功能结构120中一体形成的光学装置的性能，中介层100可以包括用于减少一体制造的光学装置与基板110之间的耦接的特征部。在一种实施方式中，基板110可以由玻璃形成以减少耦接。在一种实施方式中，基板110可以包括在中介层100的区域中的深沟槽隔离特征部，其中光学装置是一体形成的。
图3示出了处于制造的后续中间阶段的图2的光电系统10。参照图3，可以研磨基板110以暴露贯穿过孔130的导电材料，并且可以执行附加图案化以形成再分布层布线170。例如，在对摊平至图2所示的阶段中贯穿过孔130的底部高度的基板进行研磨、然后沉积再分布层1702、掩模和蚀刻以移除再分布层1702的不需要的材料从而限定再分布层布线170并沉积另一层或多层中介层材料、然后使该区域中的一层或多层凹入以适应底部凸块金属化构造之后，可以将中介材料层(例如限定主体122的材料)沉积在基板110上。在另一实施方式中，一个或多个中介层材料层(例如限定主体122的材料)可以沉积、蚀刻以限定用于接纳导电材料的腔，并且可以用导电材料填充这样的腔以限定再分布层1702，然后沉积附加的一个或多个中介层材料层，并且凹入所描述的区域以容纳底部凸块金属化构造。在一种实施方式中，可以施加光刻胶模板并用导电材料填充，以构造再分布层1702。
贯穿过孔130和过孔134可以分配在中介层100与中介层功能结构120的后侧之间的控制、逻辑和/或功率信号。贯穿过孔130和过孔134、线140和布线170可以促进传播发散电气控制信号和功率信号。在一个示例中，金属化层1402、1404和1406可以在对应的纳米级上具有间距，并且再分布层1702可以具有微米级的间距。用于制造再分布层1702和金属化层1402、1404和1406的材料可以包括金属，例如铜、银、金、钨或其他导电材料，例如适当掺杂的半导体材料。
在用于形成包括再分布层1702的后侧特征部的形成处理之前，具有操作晶片180的一般构造的前侧操作晶片(未示出)可以使用具有粘合剂层182的一般构造的粘合剂层临时附接至中介层100的前侧(中介层100的前侧具有功能中介层结构120)。这种前侧操作晶片允许中介层100以后侧向取向来取向，以用于形成包括再分布层1702的后侧特征部的制造处理。在用于形成包括再分布层1702的后侧特征部的制造处理之后，(例如使用粘合剂层182的)后侧操作晶片180可以暂时附接至如图3所示的中介层100，并且可以移除前侧操作晶片。后侧操作晶片180允许中介层100以前侧向上取向来取向，如图3所示，用于附加特征部的制造处理，例如，形成区域302的特征部、形成腔402和404、以及预制部件160A、160B和160B的附接。
贯穿过孔130和过孔134可以竖向地延伸。在一种实施方式中，贯穿过孔130可以延伸穿过基板110并且也可以延伸穿过功能中介层结构120。在一种实施方式中，贯穿过孔130可以延伸穿过基板110直至全部(完全)延伸穿过基板110，并且可以延伸穿过功能中介层结构120直至部分地延伸穿过基板110。在一种实施方式中，过孔134可以延伸穿过功能中介层结构120直至部分地延伸穿过功能中介层结构120。
参考另外图3的方面，可以在区域302处执行附加制造处理以适应预制部件的附接。在一种实施方式中，预制部件是预制半导体芯片，该芯片在区域302处具有焊接凸块处理，该实施方式可以包括制造处理以制造底部凸块金属化(UBM)构造。
图4示出了处于制造的后续中间阶段的图3的光电系统10。参照图4，可以形成用于容纳由预制激光裸片芯片160A(图5)提供的预制部件的腔402，并且可以形成用于容纳由预制光学集成电路芯片160B(图5)提供的预制部件的腔404。构造410可以在腔402中形成，以便于线140与预制部件的电气耦接和机械耦接，并且构造420可以在阻挡层222上的腔404中形成，以便于线140与预制部件的电气耦接和机械耦接。构造420可以完成由图3中制造的中间阶段所示的金属叠置件所提供的对齐特征部220的制造。构造410可以在阻挡层212上形成，该阻挡层212可以在金属化层上形成。构造420可以在阻挡层222上形成。阻挡层222又可以在金属柱221中形成，该金属柱221可以在金属化层1404上形成。阻挡层212和阻挡层222可以形成屏障以抑制可能由对应的预制部件的金或锡的触点160AC和160BC产生的反应，该预制部件诸如与金属化层1404或柱211接触的预制激光裸片芯片160A和预制光学集成电路芯片160B。
在一种实施方式中，构造410和/或构造420可以由焊接凸块形成。在一种实施方式中，构造410和/或构造420可以由使用无电镀工艺或电镀工艺产生的薄的相干金属涂层(例如，无电镀构造或电镀构造)形成。根据一种实施方式，可以通过化学或自动催化非电化过程来提供无电镀工艺，该工艺涉及在不使用外接电源的情况下在水溶液中的反应。在用于无电镀的性能的一种实施方式中，氢可以通过还原剂释放以在表面上产生负电荷。无电镀可以包括例如无电镀镍、无电镀银、无电镀金或无电镀铜。根据电镀工艺的一种实施方式，可以使用电流来减少溶解金属阳离子，使得它们在电极上形成薄金属涂层。在一种实施方式中，镀覆工艺(例如无电镀或电镀工艺)可以用于精确控制形成构造410和/或构造420的材料的量和分布，从而降低由形成构造410和/或构造420的材料的回流导致的厚度变化。
在如图4所示的另一方面，预制半导体芯片160C可以在区域430处附接。预制半导体芯片160C可以是具有有源或无源电气装置(CMOS、RF部件、MEMs、离散部件)的半导体芯片。区域430处的处理可以包括将预制半导体芯片160C的凸块焊接至底部凸块金属化构造(UBM)的处理。预制半导体芯片160C可以是具有有源和/或无源电气装置(CMOS、SRAM、逻辑、ASIC、RF部件、MEMs、离散部件)的芯片。
图5示出了处于制造的后续中间阶段的图4的光电系统10。参照图5，预制激光裸片芯片160A可以附接至腔402内的功能中介层结构120，并且预制光学集成电路芯片160B可以附接至腔404内的功能中介层结构120。
为了附接预制激光裸片芯片160A，预制激光裸片芯片160A可以向下降低，直到预制激光裸片芯片160A的底部高度到达预制激光裸片芯片160A的触点160AC接触对齐特征部210的位置附近的区域处。当预制激光裸片芯片160A接触对齐特征部210时，构造410可以受到使用激光加热工具的局部激光加热，以将预制激光裸片芯片160A电气和机械连接至功能中介层结构120。局部激光加热可以使构造410回流并且可以建立金属化层1404与预制激光裸片芯片160A的触点160AC之间的电气和机械耦接。预制激光裸片芯片160A可以发出预定或可变波长的激光。预制激光裸片芯片160A可以结合一个或多个激光发射技术，例如，DFB、法布里-珀罗(Fabry-Perot)、WDM。
为了将预制光学集成电路芯片160B附接至功能中介层结构120，可以向下按压预制光学集成电路芯片160B，直到预制光学集成电路芯片160B的触点160BC接触由金属叠置件提供的对齐特征部220，该对齐特征部220具有金属柱221、阻挡层222和构造420。如所示出的用于在腔404处的附接芯片160B的附接组件可以依赖于由金属叠置件提供的对齐特征部220的受控厚度，使得可以基于与构造420接触的预制光学集成电路芯片160B来提供竖向对齐，使得芯片处于芯片160B在构造420的回流之后基本上可以维持的某一高度处。当预制光学集成电路芯片160B的触点160BC接触对齐特征部220时，构造420可以受到使用激光加热工具的局部激光加热。与由金属叠置件提供的对齐特征部220接触的预制光学集成电路芯片160B的局部激光加热可以使构造420回流，并且可以建立在金属化层1404与预制激光裸片芯片160B的触点160BC之间的电气和机械耦接。
预制光学集成电路芯片160B可以是用于各种应用的预制光学集成电路芯片，这些应用例如生物医学、WDM、数据通信、模拟RF、手机、LIDAR、光网络等。预制光学集成电路芯片160B可以包括一个或多个光学装置，例如，根据本文参考图7-10的阐述而制造的光学区域240的波导150A和/或一个或多个光学装置150B-150G，例如诸如波导、光电探测器、耦合器、调制器、偏振器、分离器或谐振器之类的一个或多个光学装置。
为了将预制激光裸片芯片160A和预制光学集成电路芯片160B附接至功能中介层结构120，可以使用具有机器视觉功能的芯片粘接工具将预制激光裸片芯片160A和预制光学集成电路芯片160B定位在它们的对应的腔402和腔404中。对齐特征部210和对齐特征部220可以提供竖向对齐(在所有与中介层100关联的视图中显示为与参考坐标系15的z轴平行的方向)，使得可以精确地建立预制激光裸片芯片160A和预制光学集成电路芯片的高度。可识别的图案可以包含在中介层100中，以便于在沿着与参考坐标系15的y轴平行延伸的方向上以及在沿着与参考坐标系15的x轴平行延伸的方向上将预制激光裸片芯片160A以及预制光学集成电路芯片160B进行对齐。通过机器视觉图案识别的可识别图案可以方便地用由金属化层1402和/或金属化层1404限定的图案来制造。
可以操作以竖向对齐并建立预制激光裸片芯片160A的精确高度的对齐特征部210可以与用于将裸片芯片160A与功能中介层结构120电气连接的特征部隔开和独立。这样，为了电气连接而定位和提供导电材料的要求可以预期具有对芯片160A的竖向对齐具有较小的影响。将预制光学集成电路芯片160B附接在腔404处的附接组件可以独立于对齐特征部210操作，并且可以从设计构造对齐特征部210移除。
虽然将预接激光裸片芯片160A附接在腔402处的附接组件和将预制光学集成电路芯片160B附接在腔404处的附接组件在图4的具体实施方式中示出为不同的附接组件，但是也可以替代地使用共同附接组件。例如用于将预制激光裸片芯片160A附接在腔402处的附接组件可以用于将预制激光裸片芯片160A附接在腔402处并用于将预制光学集成电路芯片160B附接在腔404处。在另一实施方式中，示出用于将预制光学集成电路芯片160B附接在腔404处的附接组件可以用于将预制激光裸片芯片160A附接在腔402处并且将预制光学集成电路芯片160B附接在腔404处。在替代实施方式中，示出用于将预制激光裸片芯片160A附接在腔402处的附接组件可以用于将预制光学集成电路芯片160B附接在腔404处，并且用于将预制光电集成电路芯片160B附接腔404处的附接组件可以用于将预制激光裸片芯片160A附接在腔402处。
在预制激光裸片芯片160A附接至功能中介层结构120的情况下，如图5所示，预制激光裸片芯片160A可以竖向对齐(在与参考坐标系15的z轴平行延伸的方向上)至在功能中介层结构120中一体形成的波导150A，使得芯片160A的光发射层160AL与波导150A竖向对齐。预制激光裸片芯片160A可以是z轴对齐也可以是x轴和y轴对齐至一体形成的波导150(在与参考坐标系15的x轴和y轴平行延伸的方向上)。在芯片160A和波导150A这样对齐的情况下，预制激光裸片芯片160A和波导150A可以彼此边缘耦接。根据一种实施方式，预制激光裸片芯片160A与波导150A之间的边缘耦接可以包括减小插入损耗的光学耦合，从而增强系统和信号完整性。边缘耦接可以包括光接纳波导150A，该光接纳波导150A是锥形以进一步减少光损耗。
如图4所示，在预制光学集成电路芯片160B附接至功能中介层结构120的情况下，预制光学集成电路芯片160B可以与在功能中介层结构120中一体形成的波导150A竖向对齐(在与参考坐标系15的z轴平行延伸的方向上)以及x轴和y轴对齐(在与参考坐标系15的x轴和y轴平行延伸的方向上)，使得预制光学集成电路芯片160B的波导160BW与波导150A对齐，并且因此与波导150A在共同高度处。在芯片160B与波导150A如此对齐的情况下，预制光学集成电路芯片160B与波导150可以彼此边缘耦接。根据一种实施方式，预制光学集成电路芯片160B与波导150之间的边缘耦接可以包括减小插入损耗的光学耦合，从而增强系统和信号完整性。边缘耦接可以包括光接收波导160BW，该光接收波导160BW是锥形的以进一步降低光损耗。
如图5所示，在预制激光裸片芯片160A和预制光学集成电路芯片160B附接至功能中介层结构120的情况下，预制激光裸片芯片160A的光发射层160AL，一体形成在功能中介层结构120中的一体形成的波导150A，以及预制光学集成电路芯片160B的波导160BW可以沿着共同的水平轴线502对齐并且可以设置在共同的高度处。在一种实施方式中，预制激光裸片芯片160A的光发射层160AL、在功能中介层结构120中一体形成的一体形成波导150、以及波导160BW，均可以由具有与参考坐标系15的x轴平行延伸的对应轴线504、506和508的直线形结构提供。将如所述的预制激光裸片芯片160A的光发射层160AL、在功能中介层结构120中一体形成的一体形成波导150A、以及预制光学集成电路芯片160B的波导160BW对齐可以降低可能例如由于功能中介层结构120的内部部件的衍射或反射造成的光传输损耗，。
在参考图5的制造视图说明的另一方面中，中介层100可以被构造为使得贯穿过孔130提供散热功能以移除由预热激光裸片芯片160A和预制光学集成电路芯片160B的热生成特征部生成的热。其中基板110由热导电材料(例如硅)形成，中介层100可以构造成使得由贯穿过孔130传导的热可以通过基板和再分布层1702传导，以从中介层100移除热。在基板110由热隔离材料(例如SiO2或玻璃)形成的情况下，中介层100可以构造成使得由贯穿过孔130传导的热可以主要通过再分布层1702传导，以从中介层100移除热。
为了进一步制造处理，如图6所示的底部凸块金属化(UBM)构造176可以在中介层100后侧的再分布层1702的暴露区域上形成(暴露区域是环绕再分布层1702的中介层材料显示为凹入的位置)。这种UBM构造176可以适用于容纳中介层100可以附接的子结构的焊接凸块。操作晶片(未示出)可以经由粘合剂临时附接至功能中介层结构120，以允许在子结构(诸如印刷电路板或中介层)上进行光电系统10的处理和安装。
图6示出了通过将中介层100的焊接凸块192连接至UBM构造176来安装在子结构190上的系统10。如由印刷电路板提供所示出的那样，子结构190可以替代地例如由球栅阵列或中介层提供。在制造阶段，如图6所示的中介层100可以包括用于将预制激光裸片芯片160A的电极线与功能中介层结构120的暴露电压端子结合的线键合188。可替代地，功能中介层结构120的构造410的区域可以构成为对电隔离的正负电压端子进行限定，并且具有被示出构造为分离的正负端子电极的底部电极预制激光裸片芯片160A可以附接至构造410的区域中的相应的正负电压端子。外部激光可以与功能中介层结构120耦合。例如，从外部离开中介层源(未示出)的传输光的纤维光缆线196可以与在功能中介层结构120中一体形成的集成波导150H耦接。光接纳波导150H可以是锥形以减少光损耗。为了将中介层100与子结构180电气和机械连接，中介层100的UBM构造176可以焊接至子结构190的相应的焊接凸块192，并用密封剂194密封。
这里使用的术语仅用于描述特定的实施方式，并且不是限制性的。如本文所用，单数形式“一种”、“一”和“该”旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。另外，将理解的是，术语“包括”(以及任何形式的包括，诸如“包括”和“包括有”)、“具有”(以及任何形式的具有，诸如“有”和“具有”)、“包含”(以及任何形式的包含，诸如“包含”和“包含有”)以及“含有”(以及任何形式的含有，诸如“含”以及“含有”)均为开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个步骤或元件的方法或装置具有那些一个或多个步骤或元件，但不限于仅具有那些一个或多个步骤或元件。同样地，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个特征的方法的步骤或装置的元件具有那些一个或多个特征，但不限于仅具有那些一个或多个特征。术语“由...限定”的形式包括元件部分地由...限定的关系，以及元件全部由...限定的关系。这里的数字标识，例如“第一”和“第二”是指定不同元件而不指定元件的排序的任意术语。此外，以某种方式构造的系统方法或设备是至少以该方式构造的，但也可以是以未列出的方式构造的。此外，可以用小于或大于特定数量的元件来实践阐述为具有一定数量的元件的系统方法或设备。
以下权利要求中的所有设备或步骤附加的功能元件的相应的结构、材料、动作和等同物(如果有的话)旨在包括用于结合如具体要求保护的其他要求保护的元件来执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本发明的描述，但是并不旨在穷举或限于所公开形式的本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述该实施方式以便最好地解释本发明以及实际应用的一个或多个方面的原理，并且使本领域普通技术人员能够理解针对具有如适于预期的特定用途的各种修改各种实施方式的本发明的一个或多个方面的。
Claims (14)
1.一种光电系统，包括：
光学中介层，所述光学中介层具有基板和在所述基板上形成的功能中介层结构、延伸穿过所述基板和所述功能中介层结构的传输电气信号的多个贯穿过孔、以及传输电气信号到所述功能中介层结构的不同区域的多个线；
一个或多个光学装置，所述一个或多个光学装置在所述功能中介层结构中一体形成；以及
一个或多个预制部件，所述一个或多个预制部件附接至所述功能中介层结构。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个预制部件包括从由预制激光裸片芯片、预制光学集成电路芯片或预制半导体芯片组成的组中选择的部件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个预制部件包括从由预制激光裸片芯片和预制光学集成电路芯片组成的组中选择的预制部件。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中介层包括金属化层、以及腔，并且其中，所述一个或多个预制部件包括电连接至所述金属化层且设置在所述腔中的预制激光裸片芯片。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中介层包括金属化层、以及腔，并且其中，所述一个或多个预制部件包括电连接至所述金属化层且设置在所述腔中的预制光学集成电路芯片。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学装置包括从由无源光学装置和有源光学装置组成的组中选择的光学装置。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学装置包括从由波导、光电探测器、光栅耦合器、调制器、偏振器和谐振器组成的组中选择的光学装置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述功能中介层结构包括从由硅、二氧化硅、氮化硅组成的组中选择的材料，并且其中，所述基板包括从由玻璃、蓝宝石和硅组成的组中选择的材料。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述功能中介层结构中一体形成的所述一个或多个光学装置包括在所述中介层功能结构中水平延伸的一体形成的长型波导。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述功能中介层结构中一体形成的所述一个或多个光学装置包括在所述中介层功能结构中水平延伸的一体形成的长型波导，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的腔处的预制激光裸片芯片，其中，所述预制激光裸片芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的水平延伸的发射层。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述功能中介层结构中一体形成的所述一个或多个光学装置包括在所述中介层功能结构中水平延伸的一体形成的长型波导，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的腔处的预制光学集成电路芯片，所述预制光学集成电路芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的长型的水平延伸波导，。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述功能中介层结构中一体形成的所述一个或多个光学装置包括在所述中介层功能结构中水平延伸的一体形成的长型波导，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的第一腔处的预制激光裸片芯片，其中，所述预制激光裸片芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的水平延伸的发射层，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的第二腔处的预制光学集成电路芯片，所述预制光学集成电路芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的长型的水平延伸波导。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述功能中介层结构中一体形成的所述一个或多个光学装置包括在所述中介层功能结构中水平延伸的一体形成的长型波导，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的第一腔处的预制激光裸片芯片，其中，所述预制激光裸片芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的水平延伸的发射层，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的第二腔处的预制光学集成电路芯片，所述预制光学集成电路芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的长型的水平延伸波导，并且其中，所述光学中介层安装至子结构，所述子结构是从由印刷电路板、球栅阵列封装和中介层组成的组中选择的子结构。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述功能中介层结构中一体形成的所述一个或多个光学装置包括在所述中介层功能结构中水平延伸的一体形成的长型波导，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的第一腔处的预制激光裸片芯片，其中，所述预制激光裸片芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的水平延伸的发射层，并且其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括附接在所述功能中介层结构的第二腔处的预制光学集成电路芯片，所述预制光学集成电路芯片具有与在所述中介层功能结构中水平延伸的所述一体形成的长型波导对齐的长型的水平延伸波导，其中，附接至所述功能中介层结构的所述一个或多个预制部件包括预制半导体芯片，并且其中，所述光学中介层安装至印刷电路板，并且其中，所述预制半导体芯片是从由CMOS芯片、RF部件芯片、MEMs芯片和离散部件芯片组成的组中选择的芯片。
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