CN110196474B - 光子集成电路封装及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了具有改进的集成的光子集成电路封装以及制造这样的光子集成电路封装的方法。作为示例，光子集成电路封装可以包括基板、在基板上的第一绝缘层、在第一绝缘层上的光子芯层以及在光子芯层上的第二绝缘层。光子耦合器件可以在光子芯层中，并且可以例如是光栅耦合器和光电探测器中的至少一个。凹面镜可以延伸到至少第二绝缘层中。在一些实施方式中，凹面镜可以延伸穿过第二绝缘层并延伸到第一绝缘层中。

Description

光子集成电路封装及其制造方法
技术领域
本公开涉及光子集成电路封装及其制造方法。
背景技术
对在电子装置中高速传输和接收大量数据的需求正在增加。因此，已经对由采用光子信号的信号传输方法部分或完全地替代采用通过金属布线传输的信号的信号传输方法进行了一些研究。在采用光子信号的信号传输方法中，会需要具有光子集成电路封装，其中布置光子信号传输部件。期望在这样的光子集成电路封装中的部件之间的准确光传输的有效布置。
发明内容
这里公开的发明构思的一些方面提供一种具有改进的集成的光子集成电路封装及其制造方法。
根据本发明构思的一些方面，一种光子集成电路封装可以包括基板、在基板上的第一绝缘层、在第一绝缘层上的光子芯层、以及在光子芯层上的第二绝缘层。光子耦合器件可以在光子芯层中。凹面镜可以延伸到至少第二绝缘层中。
根据本发明构思的一些方面，一种光子集成电路封装可以包括光子集成电路基板，该光子集成电路基板包括绝缘层和光子芯层。光子耦合器件可以被包括在光子芯层中，并且反射单元可以从光子集成电路基板的一个表面延伸到光子集成电路基板中。反射单元可以与光子耦合器件横向地间隔开。
根据本发明构思的一些方面，一种光子集成电路封装可以包括光子集成电路基板，该光子集成电路基板包括顺序堆叠的基底基板、第一绝缘层、光子芯层和第二绝缘层。光子耦合器件可以被包括在光子芯层中。光子集成电路封装可以包括在光子集成电路基板上的电光器件以及从光子集成电路基板的上表面延伸到至少第二绝缘层中的凹面镜。
根据本发明构思的一些方面，一种制造光子集成电路封装的方法可以包括：制备基底基板以及顺序地堆叠在基底基板上的第一绝缘层和光子芯层的堆叠结构。光子芯层可以包括半导体材料。该方法还可以包括：在光子芯层中形成包括光子耦合器件的光子器件；通过在光子芯层上形成第二绝缘层而形成光子集成电路基板；通过在与光子耦合器件横向地间隔开的区域中去除第二绝缘层的一部分，形成凹陷区域；在光子芯层上形成电连接到光子器件中的至少一个的布线层；以及通过在凹陷区域中形成反射层而形成反射单元。
附图说明
从以下结合附图的详细描述，本公开的以上和其它的方面、特征和优点将被更清楚地理解，附图中：
图1是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性框图；
图2是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性平面图；
图3是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性剖视图，并且是沿着图2的线X-X'截取的剖视图；
图4是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的局部放大图，并且是图3的区域A的放大图；
图5是示出根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的一部分的剖视图；
图6A至图6C是示出根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的反射单元的剖视图；
图7和图8是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性平面图；
图9至图12是示出根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的部分的剖视图；
图13和图14是示出根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的部分的剖视图；
图15A至图15E是示出根据实施方式的一些示例的制造光子集成电路封装的方法的视图；
图16是示出根据实施方式的一些示例的包括光子集成电路封装的光子集成电路系统的图；以及
图17是根据实施方式的一些示例的包括光子集成电路封装的计算机系统的框图。
具体实施方式
在下文，将参照附图描述本发明构思的实施方式的一些示例。
图1是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性框图。
参照图1，光子集成电路封装10可以是光子信号发送/接收装置，并可以包括光子集成电路30和光子纤维阵列40。在光子集成电路封装10中，光子集成电路30可以将光子信号转换为电信号，或者可以将电信号转换为光子信号。光子信号可以通过光子纤维阵列40输出或输入。
光子集成电路30可以包括光子器件，具体地，可以包括激光二极管(LD)32、光子调制器(MOD)34和光电探测器(PD)36。光子集成电路30还可以包括电集成电路器件(EIC)38。光子集成电路30还可以包括有源光子器件诸如波分复用(WDM)器件、和/或无源光子器件诸如光子波导、光栅耦合器、反射器等。
根据实施方式的一些示例，激光二极管32可以是配置为产生光的光源的示例，并可以用各种类型的电光转换器件诸如发光二极管(LED)替换。
光子调制器34可以配置为调制从激光二极管32接收的光子信号，并可以是例如电吸收调制器或干涉测量调制器。例如，光子调制器34可以是马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉测量调制器，其中光被分成两个或更多个路径，光的相位在所述路径中的至少一个中被调制，并且光使用被相位调制的光和没有被相位调制的光(例如，相位保持的光)之间的相消和相长干涉来调制。
光电探测器36可以是配置为将光子信号转换为电信号的光电转换器件。光电探测器36可以输出通过转换光子信号产生的电信号，并可以将产生的电信号发送到电集成电路器件38。
电集成电路器件38可以从外部装置接收数据DATA，并可以基于接收的数据DATA将电信号发送到光子调制器34。电集成电路器件38还可以接收通过转换来自光电探测器36的光子信号而获得的电信号，并可以将该电信号输出到外部装置。
光子纤维阵列40可以包括至少一个光子纤维。光子纤维阵列40可以光子连接到光子集成电路30中的光子器件。
光子集成电路封装10中的光子信号发送过程可以如下进行。激光二极管32中产生的光子信号可以通过光子波导传输到光子调制器34，并可以通过光子纤维阵列40向外发送。另一方面，通过光子纤维阵列40从外部接收的光子信号可以被发送到光电探测器36，并且接收的信号可以由光电探测器36转换成电信号并可以通过电集成电路器件38向外发送。
光子集成电路30以及其激光二极管32、光子调制器34、光电探测器36和电集成电路器件38可以布置在一个基板(例如公共基板)上，但是本公开不限于此。例如，激光二极管32和/或电集成电路器件38可以在与用于其它部件的基板不同的基板上。根据实施方式的一些示例，包括激光二极管32的光子发射器和包括光电探测器36的光子接收器可以分开以形成各自的光子集成电路。光子纤维阵列40可以布置或结合在光子集成电路30的一个表面或一侧上。
图2是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性平面图。
图3是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性剖视图。图3是沿着图2的线X-X'截取的剖视图。
图4是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的局部放大图，并且是图3的区域A的放大图。
参照图2和图3，光子集成电路封装100可以包括光子集成电路基板110、光源120、电集成电路器件130和反射单元150。在光子集成电路封装100中，光子集成电路基板110可以安装在封装基板190上，并且光源120和电集成电路器件130可以安装在光子集成电路基板110上。光子集成电路封装100还可以包括位于光子集成电路基板110的至少一部分上的对准标记170和在封装基板190的下表面上的连接端子195。
光子集成电路基板110可以包括顺序堆叠的基底基板111、第一绝缘层112、其中设置光子器件的光子芯层113以及第二绝缘层114。光子集成电路基板110可以通过布线180电连接到封装基板190，并可以交换电信号。
基底基板111和光子芯层113可以包括半导体材料，诸如IV族半导体材料，诸如硅、锗或硅锗。基底基板111可以被提供为体晶片或外延层，并且光子芯层113也可以被提供为外延层。第一绝缘层112和第二绝缘层114可以由绝缘材料形成，例如硅氧化物。具体地，第二绝缘层114可以由具有比光子芯层113的折射率低的折射率的材料形成。在实施方式的一些示例中，基底基板111、第一绝缘层112和光子芯层113可以构成绝缘体上硅(SOI)基板。
光子芯层113可以提供有包括光子耦合器件的各种光子器件。具体地，光子波导118、第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B以及光子调制器116可以被包括在光子芯层113中。第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B以及光子调制器116可以通过光子波导118彼此连接。第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B可以分别用于光的输入和输出。第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B可以使光子集成电路基板110中的水平行进的光能够在朝向上部的垂直方向上或在从垂直方向倾斜预定角度的方向上耦合。因此，具体地，第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B可以在这里与下面将描述的光电探测器160(见图13)一起被称为光子耦合器件。光子调制器116可以在第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B之间，并可以通过改变光的强度、相位等来产生光子信号。光子波导118可以在第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B与光子调制器116之间，以连接第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B以及光子调制器116，并可以是光通过其传播的通道。根据实施方式的一些示例，诸如光电探测器的光电转换器件可以被包括在未示出的区域中的光子芯层113中。
光源120可以安装在光子集成电路基板110的上表面上，并可以朝向光子芯层113(具体地，第一光栅耦合器115A)发射光。光源120可以是电光转换器件，例如激光二极管或发光二极管。根据实施方式的一些示例，光源120可以不安装在光子集成电路基板110上，而是可以在上部结构上。
电集成电路器件130可以安装在光子集成电路基板110的上表面上，并可以将电信号传输到光子调制器116和/或光电探测器。
反射单元150可以将从上方发送的光子信号反射回其上部。因此，包括反射器的光子结构可以耦合到反射单元150的上部。光子结构可以是例如包括光子纤维(诸如图1的光子纤维阵列40)的光子接口。根据实施方式的一些示例，光子结构的耦合方法可以是各种各样的。例如，光子结构可以直接耦合到光子集成电路基板110的上表面，可以耦合到上部以与光子集成电路基板110的上表面间隔开，或者可以在光子集成电路基板110的一侧。光子结构可以包括反射器，以将第二光栅耦合器115B的已经向上传输的光子信号传输回反射单元150。反射单元150可以再次反射光子信号以将信号传输到光子结构。
参照图4，反射单元150可以在第二绝缘层114的凹陷区域R中，并可以是凹面镜。反射单元150可以包括金属层155作为第二绝缘层114的凹陷表面上的反射层RL。因此，反射单元150可以延伸到第二绝缘层114中。金属层155可以包括具有高反射特性的金属，并可以包括例如铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)和银(Ag)中的至少一种。
反射单元150可以与包括在光子芯层113中的光子耦合器件(例如第二光栅耦合器115B)横向地间隔开第一距离D1。第一距离D1可以是例如几微米至几十微米。光子耦合器件可以不在光子芯层113的在反射单元150下面的部分中。光子耦合器件和反射单元150可以不垂直地重叠。在实施方式的一些示例中，除了光子耦合器件之外的光子器件可以在光子芯层113的在反射单元150下面的部分中。在实施方式的一些示例中，光子芯层113的在反射单元150下面的部分可以被提供为虚设光子芯层。反射单元150的直径D2可以在例如50μm至200μm的范围内。从光子集成电路基板110的上表面测量的反射单元150的深度D3可以是几微米至几十微米，并可以根据第二绝缘层114的厚度、反射单元150的曲率等而改变。下面将参照图5至图8描述反射单元150的各种结构。
对准标记170可以在光子集成电路基板110的上表面的一部分上，如图2所示。当上述光子结构耦合时，对准标记170可以是用于对准光子结构和光子集成电路基板110的标记。例如，通过使用对准标记170限定具有由距反射单元150的中心的距离表示的坐标值的位置，可以对准光子结构和光子集成电路基板110。
封装基板190可以通过封装基板190的下表面上的导电连接端子195安装在板级器件上，并可以电连接到外部装置。
如图3中的箭头所示，光源120中产生的光子信号可以被传输到光子集成电路基板110中的光子芯层113。第一光栅耦合器115A可以从光源120接收光子信号，并可以将接收的光子信号在水平方向上(例如在X方向上)通过光子波导118发送到光子调制器116。光子调制器116可以从电集成电路器件130接收电信号，可以基于该电信号调制光子信号。所产生的光子信号可以通过反射单元150和光子结构(诸如光子接口)向外输出。
如图2所示，在实施方式的一些示例中，可以提供发射不同波长的光的多个光源120(其可以在这里被统称为光源120)，并且多个光子调制器116和多个电集成电路器件130可以被提供并以阵列形式布置。光子调制器116和电集成电路器件130中的一些可以配置为改变来自光源120中的相应光源的光的强度、相位等。还可以提供多个反射单元150(其可以在这里被统称为反射单元150)以对应于各个光源120。
分别从所述多个光源120接收的由所述多个光子调制器116产生的多个光子信号可以发送不同的数据和信息。光子结构可以包括多个光子纤维，并且光子信号可以通过所述多个光子纤维输出而没有干涉。根据实施方式的一些示例，可以不同地修改光源120、光子调制器116、电集成电路器件130和反射单元150的数量和布置。
图5是示出根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的一部分的剖视图，并示出与图4对应的区域。
参照图5，反射单元150a可以在光子集成电路基板110a的凹陷区域R中，其中反射单元150a延伸穿过第二绝缘层114并延伸到第一绝缘层112的凹陷部分中。在一些实施方式中，光子芯层113a可以不朝向反射单元150a的下部延伸，而是可以仅延伸到与反射单元150a间隔开的区域。本公开不限于此。根据实施方式的一些示例，光子芯层113a的一部分可以延伸到反射单元150a的下部，使得光子芯层113a和反射单元150a的至少部分垂直地重叠。
在反射单元150a下面的第一绝缘层112的厚度D4可以大于零。反射单元150a的中心部分可以位于与基底基板111的上表面相同的垂直高度上，或者位于比基底基板111的上表面更高的垂直高度上。例如，在反射单元150a的最深点处，如从第二绝缘层114的上表面测量的，反射单元150a可以与基底基板111接触。
图6A至图6C是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的反射单元的剖视图。
参照图6A，反射单元150b可以具有在其表面上具有阶梯形状的精细台阶。
如图6A所示，反射单元150b可以在其上表面和下表面上具有台阶。所述台阶可以在反射单元150b的上表面和下表面上具有相同或不同的深度和角度。所述台阶可以通过使用灰度级光刻方法形成掩模层并使用该掩模层蚀刻如图4所示的光子集成电路基板110以在其表面上形成具有台阶的凹陷区域R以及通过在凹陷区域R上形成金属层155以沿着该台阶沉积在其上而形成。
参照图6B，反射单元150c可以包括金属层155和在金属层155上的电介质层157，作为反射层RLa。
电介质层157可以是防止或减少金属层155的氧化并保护金属层155的层。电介质层157可以包括相对于要被反射的波长带的光具有相对低的光子损失的电介质材料。电介质层157可以包括例如硅氧化物(SiO2)、硅氮化物(Si3N4)、硅氮氧化物(SiON)、高k电介质材料或其组合。
参照图6C，反射单元150d可以包括交替堆叠为反射层RLb并具有不同的折射率的第一布拉格层151和第二布拉格层152。
第一布拉格层151和第二布拉格层152可以形成分布式布拉格反射器(DBR)。例如，第一布拉格层151可以包括低或更低折射率层，第二布拉格层152可以包括高或更高折射率层。第一布拉格层151和第二布拉格层152可以由电介质材料形成。第一布拉格层151可以包括例如SiO2(折射率：约1.46)、Al2O3(折射率：约1.68)和MgO(折射率：约1.7)中的至少一种，第二布拉格层152可以包括例如TiO2(折射率：约2.3)、Ta2O5(折射率：约1.8)、ITO(折射率：约2.0)、ZrO2(折射率：约2.05)和Si3N4(折射率：约2.02)中的至少一种。第一布拉格层151和第二布拉格层152可以具有相同或不同的厚度。
图7和图8是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的示意性平面图。
参照图7，在光子集成电路封装100b中，构成反射单元150的反射层155a可以具有比反射单元150的区域大的区域。例如，反射层155a可以从图4的凹陷区域R向外延伸，并可以围绕具有凹面镜形式的反射单元150。在实施方式的一些示例中，反射层155a可以延伸超出凹面镜的外边缘，并可以在平行于第二绝缘层114的上表面的平面中延伸。反射层155a或其部分可以在如图7所示的平面上具有四边形形状，但是本公开不限于此。
参照图8，在光子集成电路封装100c中，构成反射单元150的反射层155b可以具有比反射单元150的区域更宽的区域。反射层155b可以在平面上除了其中布置光子器件的区域之外的区域中。具体地，反射层155b可以不覆盖光子耦合器件诸如第一光栅耦合器115A和第二光栅耦合器115B。在实施方式的一些示例中，反射层155b可以延伸到一区域或多个区域中，只要光子信号的传输不被干扰。例如，反射层155b可以延伸到除了提供光子路径的区域之外的区域中，并且其中形成反射层155b的区域可以进行各种变化。
图9至图12是示出根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的一部分的剖视图。
图9示出光子调制器116、第二光栅耦合器115B、光子波导118和反射单元150可以提供在光子集成电路基板110b中。如图9中在垂直方向上沿着线Y-Y'截取的放大图所示，光子调制器116可以在光子芯层113中包括在光子波导118的两侧的两个杂质区域116D或者从光子波导118延伸的光子信号传输区域，所述两个杂质区域116D具有不同的导电类型杂质。光子集成电路基板110b还可以包括在杂质区域116D上以与其连接的接触插塞CP以及在接触插塞CP上的布线层ML。
构成反射单元150的作为反射层RL的金属层155可以具有与布线层ML位于相同水平面的部分。例如，边缘区域中的金属层155的高度可以与布线层ML的高度基本上相同或相似。根据实施方式的一些示例，金属层155可以在至少一个区域中具有与布线层ML的厚度相同的厚度。这样的结构可以通过在同一工艺中将布线层ML和金属层155一起形成来获得。
图10示出光子调制器116、第二光栅耦合器115B、光子波导118和反射单元150a可以提供在光子集成电路基板110c中。光子调制器116可以具有与以上参照图9描述的相同的结构，而多个第一至第三布线层MLa、MLb和MLc可以在光子调制器116之上且在不同水平面上。下部的第一布线层MLa可以在接触插塞CP上，并可以通过通路插塞VA连接到上部的第二布线层MLb。第二布线层MLb和第三布线层MLc也可以通过通路插塞VA连接。
构成反射单元150a的作为反射层RL的金属层155的至少一部分可以位于与布线层ML中的至少一个相同的高度。例如，边缘区域中的金属层155的高度可以与第一布线层MLa基本上相同或相似。或者，边缘区域中的金属层155的高度可以与第二布线层MLb或第三布线层MLc基本上相同或相似。根据实施方式的一些示例，金属层155的至少一部分可以具有与布线层ML中的至少一个的厚度相同的厚度。这样的结构可以通过在同一工艺中将布线层ML之一和金属层155一起形成来获得。
图11示出光调制器116、第二光栅耦合器115B、光子波导118和反射单元150e可以提供在光子集成电路基板110d中。构成反射单元150e的作为反射层RL的金属层155的至少一部分可以位于与布线层ML相同的水平面上。光子集成电路基板110d还可以包括从第一绝缘层112延伸到基底基板111中的绝缘区域112'。
绝缘区域112'可以位于与反射单元150e的中心部分对应的区域中，并可以通过在基底基板111中形成空腔并用绝缘材料填充该空腔来形成。反射单元150e可以位于凹陷区域R中，该凹陷区域R从上方延伸穿过或进入第二绝缘层114、第一绝缘层112和绝缘区域112'。
在实施方式的一些示例中，例如，当布线层ML处于相对低的高度并且因此期望凹陷区域R中的反射单元150e凹陷到第一绝缘层112的下部中时，反射单元150e可以在基底基板111中形成绝缘区域112'之后形成。
图12示出光调制器116、第二光栅耦合器115B、光子波导118和反射单元150f可以提供在光子集成电路基板110e中。反射单元150f可以位于光子集成电路基板110e的后表面或下表面上。具体地，反射单元150f可以在基底基板111的第一表面上，第一表面与其上设置光子芯层113的第二表面相对，光子芯层113提供有位于其中的光子器件。反射单元150f可以位于通过使基底基板111凹陷而形成的凹陷区域R中。在实施方式的一些示例中，反射单元150f还可以与光子耦合器件诸如第二光栅耦合器115B横向地间隔开。
在实施方式的一些示例中，光子信号可以通过穿过光子集成电路基板110e、第二光栅耦合器115B和反射单元150f下面的单独光子结构当中的基底基板111来发送和接收。根据实施方式的一些示例，抗反射层也可以在基底基板111的其中光子信号或光穿过基底基板111的区域中。
图13和图14是根据实施方式的一些示例的光子集成电路封装的部分的剖视图。
图13示出光电探测器160、光栅耦合器115、光子波导118和反射单元150a可以提供在光子集成电路基板110f中。光电探测器160可以与反射单元150a横向地间隔开。
如图13中沿着线Y-Y'截取的放大图所示，光电探测器160可以包括具有不同导电性的两个杂质区域160D，其在光子芯层113中并位于光子波导118的上部和下部上或者位于从其中传输光子信号的部分延伸的区域的上部和下部上。光子集成电路基板110f还可以包括在杂质区域160D上以与其连接的接触插塞CP以及在接触插塞CP上的布线层ML。
构成反射单元150a的作为反射层RL的金属层155的至少一部分可以位于与布线层ML相同的水平面上。例如，从基底基板111的上表面测量的金属层155的边缘部分的高度可以与布线层ML的高度基本上相同或相似。根据实施方式的一些示例，金属层155的至少一部分可以具有与布线层ML的厚度相同的厚度，其结构可以当布线层ML和金属层155在同一工艺中形成时获得。
图14示出光电探测器160a和反射单元150a可以提供在光子集成电路基板110g中。光电探测器160a可以以不同于图13所示的示例实施方式的方式位于基底基板111上而不是光子芯层113中。在实施方式的一些示例中，光电探测器160a也可以与反射单元150a间隔开。
光电探测器160a可以接收从反射单元150a向上反射、然后直接从上方重新传输而不经过光栅耦合器115的光子信号。
图15A至图15E是示出根据实施方式的一些示例的制造光子集成电路封装的方法的视图。图15A至图15E示出制造包括图9的光子集成电路基板110b的光子集成电路封装的方法中的主要工艺。
参照图15A，可以制备其中基底基板111、第一绝缘层112和包括半导体材料的光子芯层113顺序堆叠的堆叠结构。该堆叠结构可以使用SOI基板制备。
参照图15B，光子器件诸如光子调制器116、光子波导118和第二光栅耦合器115B可以形成在光子芯层113中，第二绝缘层114可以形成在光子芯层113上。
因此，可以制造包括基底基板111、第一绝缘层112、光子器件位于其中的光子芯层113以及第二绝缘层114的光子集成电路基板110b。
在此操作中，除了光子调制器116、光子波导118和第二光栅耦合器115B之外，诸如光电探测器、波分复用器等的各种光子器件可以形成在光子芯层113中。光子器件可以通过执行半导体工艺诸如光刻工艺、离子注入工艺、蚀刻工艺、沉积工艺等来形成。
例如，在其中反射单元150a以类似于图5的方式向下延伸到在第二绝缘层114下面的第一绝缘层112的实施方式的示例中，在此操作中，光子芯层113的一部分可以首先从其中将形成反射单元150a的区域去除，然后可以形成第二绝缘层114。
参照图15C，用于蚀刻工艺的掩模层GM可以形成在光子集成电路基板110b上。
在其中将形成凹陷区域R的区域中，第二绝缘层114可以具有平坦的上表面。如果第二绝缘层114在其中将形成凹陷区域R的区域中不是平坦的，则可以在形成掩模层GM之前进一步执行平坦化工艺。
如图15C所示，掩模层GM可以是光致抗蚀剂层，并可以通过使用灰度光子掩模执行光刻工艺而在其中将形成凹陷区域R的区域中形成为具有凹入形状的三维图案层。然而，用于形成凹陷区域R的掩模层GM的形式不限于此。例如，取决于后续蚀刻工艺的类型，暴露其中将形成凹陷区域R的区域的掩模层的形式也可以应用到其。
参照图15D，可以部分地去除第二绝缘层114以形成具有凹入形状的凹陷区域R。
凹陷区域R可以是与凹面镜对应的区域，其中在后续工艺中形成反射单元150。通过对图15C的掩模层GM和第二绝缘层114执行蚀刻工艺，凹陷区域R可以形成为具有掩模层GM的形状被转印的形状。
在光子调制器116上，用于形成接触插塞CP的接触孔CH可以通过部分地去除第二绝缘层114来形成。根据实施方式的一些示例，用于形成接触孔CH的蚀刻工艺和用于形成凹陷区域R的蚀刻工艺可以至少部分地一起执行。
在实施方式的一些示例中，例如，在凹陷区域R使用具有暴露其中将形成凹陷区域R的区域的形式的掩模层而不是使用灰度级掩模层形成的情况下，可以执行湿蚀刻工艺或类似工艺以在掩模层下面形成底切区域，从而形成具有凹入形状的凹陷区域R。
参照图15E，可以形成电连接到光子调制器116的布线层ML和反射层RL。
首先，接触插塞CP可以通过在光子调制器116上用导电材料填充接触孔CH来形成。
接下来，布线层ML和反射层RL可以通过在第二绝缘层114的上表面上沉积金属并图案化沉积的金属来形成。例如，连接到光子器件诸如光子调制器116的布线层ML和形成反射单元150的金属层155可以在单个工艺中一起形成。在实施方式的一些示例中，金属的沉积工艺和图案化工艺中的至少一个可以执行为单个工艺。取决于在图案化工艺中去除的金属的范围，可以形成诸如图7和图8的实施方式的一些示例的金属层155a和155b的金属层。
对准标记170(见图2)也可以使用例如用于形成布线层ML和/或反射层RL的图案化工艺而形成在第二绝缘层114的上表面上。
图16是示出根据实施方式的一些示例的包括光子集成电路封装的光子集成电路系统的图。
参照图16，光子集成电路系统10A可以包括光子集成电路封装或光子集成电路基板，如以上参照图2至图14所述。光子集成电路系统10A可以包括多个电集成电路器件(EIC)39_1至39_n、多个光子调制器(MOD)34_1至34_n、多个光电转换器件(PD)36_1至36_n、对准器件51和52以及接收连接器61和62。在光子集成电路系统10A中，为了便于描述，没有示出电光转换器件。
对准器件51和52可以包括光子信号多路复用器(MUX)51和光子信号多路分配器(DEMUX)52。基于分别从所述多个电集成电路器件39_1至39_n接收的电传输信号MI_1至MI_n，所述多个光子调制器34_1至34_n可以产生已经被调制的光子传输信号LT_1至LT_n。此时，被调制的光子传输信号LT_1至LT_n可以分别是具有不同波长的光子信号。
包括在对准器件51和52中的光子信号多路复用器51可以使用被调制的光子传输信号LT_1至LT_n产生多路复用的光子信号，并可以经由接收连接器61和62将多路复用的光子信号输出到外部装置或封装电路基板。
多路复用的光子信号可以经由接收连接器61和62从外部装置发送，并可以被提供到对准器件51和52中包括的光子信号多路分配器52。光子信号多路分配器52可以将从接收连接器61和62接收的多路复用的光子信号多路分配为调制的光子接收信号LR_1至LR_n。此时，调制的光子接收信号LR_1至LR_n可以分别是具有不同波长的光子信号。
所述多个光电转换器件36_1至36_n可以分别基于调制的光子接收信号LR_1至LR_n产生调制的电接收信号MO_1至MO_n，并可以将调制的电接收信号MO_1至MO_n提供到多个电集成电路器件39_1至39_n。
图17是包括根据这里提供的本发明构思的实施方式的一些示例的光子集成电路封装的计算机系统的框图。
参照图17，计算机系统1000可以包括信号处理系统、显示系统、通信系统和/或可通过其光子地发送信号的系统。计算机系统1000可以包括处理器1100、半导体存储装置1200、用户接口1300、电源1400和光子总线1500。
处理器1100可以使用光子总线1500与其它元件通信。处理器1100可以包括以上参照图2至图14描述的光子集成电路封装(1120)或光子集成电路基板。
半导体存储装置1200可以耦合到光子总线1500。半导体存储装置1200可以包括以上参照图2至图14描述的光子集成电路封装(1220)或光子集成电路基板。因此，半导体存储装置1200可以经由光子总线1500与其它元件通信。
电源1400可以通过光子总线1500与其它元件通信。
用户接口1300可以提供从用户的输入/到用户的输出。
如这里所述，根据本发明构思的实施方式的示例，通过在光子集成电路基板中有效地设置光子耦合器件和反射单元，可以提供具有改进的集成的光子集成电路封装。
制造光子集成电路封装的方法可以通过将光子器件的制造工艺和反射单元的制造工艺结合来执行，从而表现出提高的制造效率。
尽管这里已经示出和描述了实施方式的示例，但是对于本领域技术人员将是明显的，可以进行修改和变化，而没有脱离由所附权利要求书限定的本公开的范围。
本申请要求于2018年2月27日在美国专利和商标局(USPTO)提交的美国临时申请第62/635,819号以及于2018年6月4日在韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请第10-2018-0064070号的优先权，其公开内容通过引用整体地结合于此。

Claims (25)

1.一种光子集成电路封装，包括：
基板；
在所述基板上的第一绝缘层；
在所述第一绝缘层上的光子芯层；
在所述光子芯层中的光子耦合器件；
在所述光子芯层上的第二绝缘层，所述第二绝缘层具有第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；
凹面镜，在所述第二绝缘层的所述第一表面上并朝向所述第二绝缘层的所述第二表面上的所述基板凹陷到至少所述第二绝缘层中；以及
光子结构，耦合到所述凹面镜的上部，
其中所述光子结构将来自所述光子耦合器件的光子信号传输回所述凹面镜，所述凹面镜将由所述光子结构从上方发送的所述光子信号反射回所述光子结构。
2.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，其中所述凹面镜与所述光子耦合器件间隔开。
3.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，其中所述凹面镜延伸穿过所述第二绝缘层并延伸到所述第一绝缘层的至少一部分中。
4.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，其中所述光子芯层在垂直方向上与所述凹面镜部分地重叠。
5.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，其中所述凹面镜的中心部分位于与所述基板的上表面相同的垂直高度或比所述基板的上表面更高的垂直高度上。
6.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，其中所述凹面镜包括在所述凹面镜的表面上的反射层。
7.根据权利要求6所述的光子集成电路封装，其中所述反射层包括金属层。
8.根据权利要求7所述的光子集成电路封装，还包括电连接到所述光子耦合器件的至少一个布线层，
其中所述反射层的至少一部分位于与所述至少一个布线层的高度相同的垂直高度上。
9.根据权利要求7所述的光子集成电路封装，其中所述反射层还包括在所述金属层上的电介质层。
10.根据权利要求6所述的光子集成电路封装，其中所述反射层包括交替堆叠并具有不同折射率的第一布拉格层和第二布拉格层。
11.根据权利要求6所述的光子集成电路封装，其中所述反射层延伸超出所述凹面镜的外边缘，并且其中所述反射层在平行于所述第二绝缘层的上表面的平面中延伸。
12.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，其中所述凹面镜在所述凹面镜的表面上具有台阶，该台阶具有阶梯形状。
13.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，其中所述光子耦合器件包括光栅耦合器和光电探测器中的至少一个。
14.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，还包括绝缘区域，所述绝缘区域从所述第一绝缘层的下表面延伸到所述基板中的凹陷中，其中所述凹面镜延伸到所述绝缘区域中。
15.根据权利要求14所述的光子集成电路封装，还包括在所述第二绝缘层上的电光转换器件，其中所述电光转换器件配置为产生光子信号，其中所述光子芯层包括配置为将所述光子信号传送到所述光子耦合器件的光子波导，其中所述光子耦合器件配置为朝向所述第二绝缘层的上部提供所述光子信号，其中所述第二绝缘层的所述上部配置为将所述光子信号朝向所述凹面镜引导，其中所述凹面镜配置为将所述光子信号朝向所述第二绝缘层的所述上部引导。
16.根据权利要求1所述的光子集成电路封装，还包括在所述第二绝缘层上的电集成电路器件。
17.一种光子集成电路封装，包括：
光子集成电路基板，包括绝缘层和光子芯层；
在所述光子芯层中的光子耦合器件；
凹面镜，从所述光子集成电路基板的一个表面凹陷到所述光子集成电路基板的一部分中，并与所述光子耦合器件横向地间隔开；和
光子结构，耦合到所述凹面镜的上部，
其中所述凹面镜的外周边在所述光子集成电路基板的所述一个表面上，并且所述凹面镜的凹陷下端在所述绝缘层内，
其中所述光子结构将来自所述光子耦合器件的光子信号传输回所述凹面镜，所述凹面镜将由所述光子结构从上方发送的所述光子信号反射回所述光子结构。
18.根据权利要求17所述的光子集成电路封装，其中所述绝缘层在所述光子芯层上方，并且其中所述凹面镜不延伸到所述光子集成电路基板的所述光子芯层中。
19.根据权利要求17所述的光子集成电路封装，其中所述光子集成电路基板的所述一个表面与所述光子集成电路基板的其上设置所述光子芯层的表面相对。
20.一种光子集成电路封装，包括：
光子集成电路基板，包括顺序堆叠的基底基板、第一绝缘层、光子芯层和第二绝缘层；
在所述光子芯层中的光子耦合器件；
在所述光子集成电路基板上的电光转换器件；
凹面镜，从所述光子集成电路基板的上表面朝向所述基底基板凹陷到至少所述第二绝缘层中；以及
光子结构，耦合到所述凹面镜的上部，
其中所述光子结构将来自所述光子耦合器件的光子信号传输回所述凹面镜，所述凹面镜将由所述光子结构从上方发送的所述光子信号反射回所述光子结构。
21.一种制造光子集成电路封装的方法，该方法包括：
制备基底基板以及顺序堆叠在所述基底基板上的第一绝缘层和光子芯层的堆叠结构，所述光子芯层包括半导体材料；
在所述光子芯层中形成包括光子耦合器件的光子器件；
通过在所述光子芯层上形成第二绝缘层来形成光子集成电路基板；
通过在与所述光子耦合器件横向地间隔开的区域中去除所述第二绝缘层的一部分来形成朝向所述基底基板凹陷的凹陷区域；
在所述光子芯层上形成电连接到所述光子器件中的至少一个的布线层；
通过在所述凹陷区域中形成反射层来形成朝向所述基底基板凹陷的反射单元；以及
将光子结构耦合到所述反射单元的上部，
其中所述光子结构将来自所述光子耦合器件的光子信号传输回所述反射单元，所述反射单元将由所述光子结构从上方发送的所述光子信号反射回所述光子结构。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述布线层和所述反射层在单个沉积工艺中被一起沉积。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述布线层和所述反射层在单个图案化工艺中被一起图案化。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括通过蚀刻所述第二绝缘层以暴露所述光子器件的一部分来形成接触孔，
其中所述接触孔和所述凹陷区域通过在单个蚀刻工艺中被一起蚀刻而形成。
25.根据权利要求21所述的方法，其中所述反射层形成为向外延伸超出所述凹陷区域的外边缘，其中所述反射层在平行于所述第二绝缘层的上表面的平面中延伸。
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