CN110361819B - 有源芯片与无源光波导芯片的三维对准方法及结构 - Google Patents
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Abstract
一种有源芯片与无源波导芯片的三维对准方法及结构，该三维对准方法包括：在无源光波导芯片上设置刻蚀槽，并在刻蚀槽内设置用于水平方向定位的定位单元；在刻蚀槽内制作出电极图形，并在刻蚀槽内的电极图形上设置高度可调节的塑性电极；将有源芯片与定位单元以及有源芯片上的电极图形与刻蚀槽内的电极图形均对准后倒放在刻蚀槽内，并使有源芯片的有源区与无源光波导芯片的波导区对准后固定，实现有源芯片与无源光波导芯片的三维对准。本发明能够实现有源芯片与无源光波导芯片的高精度高效率三维耦合，实现有源芯片在无源光波导芯片上的混合集成。
Description
技术领域
本公开属于光子集成领域，更具体地涉及一种有源芯片与无源波导芯片的三维对准方法及结构。
背景技术
在光通信领域，目前主流的光通信系统仍然是分立的功能器件的集成，但光通信系统中的光电子器件种类繁多，包括激光器、调制器、放大器、滤波器耦合器、复用器等不同设计的功能器件，因此光电子器件的集成难度远远大于传统的微电子芯片，需要精确对准及复杂的封装，器件数量受限，导致光通信系统成本很高，一直制约其大规模的应用。随着社会进入数字化时代，人们对更高带宽的需求使得光通信需要连接至家家户户，我国实施的“国家宽带战略”，迫切需要大规模的低成本器件来实现光纤到户。所以光通信系统的发展趋势是逐渐集成在光电子芯片上。目前光发射、放大及接收等有源光电子芯片主要基于三五族材料，无源光波导芯片一般为三五族或硅基材料，而非同一芯片衬底上的有源芯片与其他功能芯片在某些应用场景下进行倒装高精度耦合集成非常重要，目前的倒装设备无法监测芯片耦合时的垂直(Z方向)高度并对准。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种有源芯片与无源波导芯片的三维对准方法及结构，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种有源芯片与无源光波导芯片的三维对准方法，包括如下步骤：
(1)在无源光波导芯片上设置刻蚀槽，并在刻蚀槽内设置用于水平方向定位的定位单元；
(2)在刻蚀槽内制作出电极图形，并在刻蚀槽内的电极图形上设置高度可调节的塑性电极；
(3)将有源芯片与步骤(1)中定位单元以及有源芯片上的电极图形与步骤(2)中刻蚀槽内的电极图形均对准后倒放在刻蚀槽内，并使有源芯片的有源区与无源光波导芯片的波导区对准后固定，实现有源芯片与无源光波导芯片的三维对准。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种采用如上所述的三维对准方法得到的有源芯片与无源光波导芯片的三维对准结构。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种光电子器件，内含有如上所述的三维对准结构。
基于上述技术方案可知，本发明的有源芯片与无源波导芯片的三维对准方法及结构相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本公开的结构中无源光波导芯片刻蚀槽四周制备刻蚀槽四周制备有凸起的结构，比如凸起的长方体立柱，其内外边界形成的封闭图形尺寸与芯片尺寸相同，可以限制倒装芯片，耦合过程中通过电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)对准水平面电极图形(XY平面)；
2、本公开的结构中无源光波导芯片的电极图形上植入了“可塑性”电极球/柱(塑性电极)，这种“可塑性”电极球/柱可能由多种金属组成，其随温度和压力增加会有可塑性，从而可以调节有源芯片的高度，实现有源区与光波导纵向的精确对准，最大化芯片之间光耦合的效率；
3、本公开的结构能够实现有源芯片与无源光波导芯片的高精度高效率三维耦合，实现有源芯片在无源光波导芯片上的混合集成。
附图说明
图1是本公开一实施例的有源芯片与无源光波导芯片三维对准结构的主视方向结构示意图；
图2是本公开一实施例的无源光波导芯片刻蚀槽的俯视方向结构示意图；
图3是本公开一实施例的有源芯片与无源光波导芯片三维对准过程的结构示意图。
上图中，附图标记含义如下：
1-波导区；2-无源光波导芯片；3-有源区；4-有源芯片；5-凸起；6-塑性电极；7-电极图形。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种有源芯片与无源光波导芯片的三维对准方法，包括如下步骤：
(1)在无源光波导芯片上设置刻蚀槽，并在刻蚀槽内设置用于水平方向定位的定位单元；
(2)在刻蚀槽内制作出电极图形，并在刻蚀槽内的电极图形上设置高度可调节的塑性电极；
(3)将有源芯片与步骤(1)中定位单元以及有源芯片上的电极图形与步骤(2)中刻蚀槽内的电极图形均对准后倒放在刻蚀槽内，并使有源芯片的有源区与无源光波导芯片的波导区对准后同定，实现有源芯片与无源光波导芯片的三维对准。
其中，步骤(1)中所述刻蚀槽的高度是通过有源芯片的有源区高度和无源光波导芯片上波导区的高度来确定的；
其中，步骤(1)中所述刻蚀槽的长度和宽度均大于有源芯片的长度和宽度。
其中，步骤(1)中所述定位单元包括若干凸起；
其中，步骤(1)中所述凸起的形状包括长方体或圆柱；
其中，步骤(1)中若干所述凸起的外边界连线形成的封闭图形与和有源芯片的俯视图投影图形相同；
其中，步骤(1)中所述凸起的制备方法包括通过光刻胶工艺制备。
其中，步骤(2)中刻蚀槽内所述电极图形与有源芯片倒装面上的电极图形相同。
其中，步骤(2)中调节所述塑性电极高度的方法包括通过调节塑性电极的温度和/或压力来实现的。
其中，步骤(3)中所述有源芯片包括激光器芯片或放大器芯片；
其中，步骤(3)中所述有源芯片的电极采用的材料包括镍或金。
其中，步骤(3)中有源芯片与步骤(1)中的定位单元、有源芯片上的电极图形与步骤(2)中刻蚀槽内的电极图形对准后倒放在刻蚀槽内中所述对准步骤是通过有源芯片按照定位单元的标记在电荷耦合器件的监控定位下放入刻蚀槽中实现的。
其中，步骤(3)中使有源芯片的有源区与无源光波导芯片的波导区对准后固定步骤中所述对准后固定步骤的具体方法包括：对有源芯片和无源光波导芯片加热并加压，实时通过探测器监测波导出光端面的功率，当功率达到最大值时降温降压；
其中，所述探测器的光敏面的直径为5-10mm。
本发明还公开了一种采用如上所述的三维对准方法得到的有源芯片与无源光波导芯片的三维对准结构。
本发明还公开了一种光电子器件，内含有如上所述的三维对准结构。
在一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种有源芯片与无源光波导芯片倒装耦合三维对准的结构，包括有源芯片(比如激光器芯片、放大器芯片等)，无源光波导芯片，“可塑性”电极球/柱，无源光波导芯片刻蚀区上的凸起结构。所述倒装耦合结构中无源光波导芯片上需要倒装有源芯片的区域刻蚀出槽(刻蚀区)，且制备和有源芯片倒装面一样的电极图形，刻蚀区上的凸起结构用于有源芯片和无源光波导芯片刻蚀槽中对应图形的平面对准(一般为XY方向对准)，无源光波导芯片电极图形上植上“可塑性”电极球/柱，其在加热加压的条件下可微形变调整高度。
在另一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种有源芯片与无源光波导芯片倒装耦合结构，包括有源芯片，无源光波导芯片，“可塑性”电极球/柱，无源光波导芯片刻蚀区的凸起结构；
其中，所述的有源芯片为工作时需要外部加电的芯片，包括激光器芯片或者半导体光放大器芯片；
其中，所述的有源芯片要倒装到无源光波导芯片中，无源光波导芯片散热性良好，且需要在有源芯片倒装的地方刻蚀出槽，刻蚀深度由有源芯片有源区与无源光波导芯片的波导区对的高度差决定；
其中，所述的无源光波导芯片刻蚀槽部分需要做和有源芯片倒装面一样的电极图形，除电极图形外，根据有源芯片尺寸及其与电极图形的相对位置在刻蚀槽四周制备凸起的结构，比如凸起的长方体立柱，使其外边界形成的封闭图形尺寸与芯片尺寸相同，用于倒装有源芯片在刻蚀槽的水平方向对准(X方向和Y方向)，且立柱高度要小于电极球/柱的高度；
其中，所述的无源光波导芯片刻蚀区的电极图形上需要植入“可塑性”电极球/柱(塑性电极)，这种“可塑性”电极球/柱可以由多种金属组成，其随温度和压力增加会有可塑性，从而调节有源芯片的高度，使芯片有源区与波导区精确对准，实现有源芯片的有源区与无源光波导芯片的波导区纵向高精度对准(Z方向)。
在一个优选实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种有源芯片与无源光波导芯片倒装耦合的结构，包括有源芯片(比如激光器芯片、放大器芯片等)，无源光波导芯片，“可塑性”电极球/柱，大面积探测器，无源光波导芯片刻蚀区的凸起结构，其中：
在本公开的一些实施例中，上述有源芯片为可以有光出射的芯片，包括激光器芯片或者半导体光放大器芯片；
在本公开的一些实施例中，上述有源芯片要倒装到无源光波导芯片中，无源光波导芯片散热性良好，且需要在有源芯片倒装的地方刻蚀出槽，刻蚀深度由有源芯片有源区与无源光波导芯片光波导对的高度差决定；
在本公开的一些实施例中，上述无源光波导芯片刻蚀槽部分需要做和有源芯片倒装面一样的电极图形，除电极图形外，根据有源芯片尺寸及其与电极图形的相对位置在刻蚀槽四周制备凸起的结构，比如凸起的长方体立柱，使其内边界形成的封闭图形尺寸与芯片尺寸相当，用于倒装芯片在刻蚀槽的水平面对准，且立柱高度要小于电极球/柱的高度；
在本公开的一些实施例中，上述无源光波导芯片的电极图形上需要植入“可塑性”电极球/柱，这种“可塑性”电极球/柱可能由多种金属组成，其随温度和压力增加会有可塑性，从而调节有源芯片的高度，使其有源区与光波导精确对准，实现芯片间的纵向对准；
在本公开的一些实施例中，上述有源芯片与无源光波导芯片耦合时，光波导输出端需要用大面积探测器(直径例如为9mm)实时监测光功率，当达到最大值时降压降温使结构固定，实现有源芯片与无源光波导芯片的最大效率的光耦合。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
实施例
如图1-3所示，本实施例提供了一种有源芯片4与无源光波导芯片2倒装耦合的结构，该结构包括有源芯片4(比如激光器芯片、放大器芯片等)，无源光波导芯片2，塑性电极(“可塑性”电极球/柱)6，无源光波导芯片刻蚀区的凸起5结构。以下为实施步骤。
步骤一，按照常规工艺制作好有源芯片4，在有源芯片4上做好电极，芯片上的电极可以采用不同的金属，比如镍、金，芯片的形状可以是任意多边形，芯片的厚度可以随意；
步骤二，根据有源芯片4的几何尺寸(长宽高)和芯片有源区3、无源光波导芯片波导区1的对准高度差来确定在无源光波导芯片2需要倒装有源芯片4区域刻蚀槽的尺寸，包括长度、宽度和刻蚀深度，然后在刻蚀槽中制作凸起5的结构，比如图1中的长方体柱，其分布位置在多边形顶点处，外边界连线形成和有源芯片4一样尺寸的封闭图形，起到在水平面定位的作用，这种凸起5的柱结构可以用光刻胶来做；
步骤三，在刻蚀槽需要放置有源芯片4的区域制作出金属电极图形7(不限于矩形，图中仅示意)，电极图形7的位置和形状与有源芯片倒装面的电极图形一致，电极可以采用不同的金属，且在电极图形上植入“可塑性”电极球/柱6，如图1所示，这种“可塑性”电极球/柱可以由多种金属组成，其随温度和压力的增加会有可塑性，从而可以调节有源芯片4的高度，有利于实现有源芯片4的有源区3与光波导芯片2的波导区1纵向高度的对准；
步骤四，将步骤一中的有源芯片4按照凸起5的标记在CCD监控定位下放入刻蚀槽中，刻蚀槽平面俯视图参见图2，然后通过热板对整个芯片加热并加压，如图3所示，实时监测波导出光端面的功率，当功率达到最大值时降温降压，之前的加热温度和压力已经将有源芯片和无源光波导芯片结合在一起，此时实现了最佳位置的固定，如图3所示(电极球/柱通过微形变实现了纵向的对准)，实现了两芯片在倒装耦合过程中的三维对准。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种有源芯片与无源光波导芯片的三维对准方法，包括如下步骤：
(1)在无源光波导芯片上设置刻蚀槽，并在刻蚀槽内设置用于水平方向定位的定位单元；其中，所述定位单元包括若干凸起，若干所述凸起的外边界连线形成的封闭图形与和有源芯片的俯视图投影图形相同；
(2)在刻蚀槽内制作出电极图形，并在刻蚀槽内的电极图形上设置高度可调节的塑性电极；其中，调节所述塑性电极高度的方法包括通过调节塑性电极的温度和/或压力来实现的；
(3)将有源芯片与步骤(1)中定位单元以及有源芯片上的电极图形与步骤(2)中刻蚀槽内的电极图形均对准后倒放在刻蚀槽内，并使有源芯片的有源区与无源光波导芯片的波导区对准后固定，实现有源芯片与无源光波导芯片的三维对准。
2.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(1)中所述刻蚀槽的高度是通过有源芯片的有源区高度和无源光波导芯片上波导区的高度来确定的。
3.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(1)中所述刻蚀槽的长度和宽度均大于有源芯片的长度和宽度。
4.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(1)中所述凸起的形状包括长方体或圆柱。
5.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(1)中所述凸起的制备方法包括通过光刻胶工艺制备。
6.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(2)中刻蚀槽内所述电极图形与有源芯片倒装面上的电极图形相同。
7.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(3)中所述有源芯片包括激光器芯片或放大器芯片。
8.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(3)中所述有源芯片的电极采用的材料包括镍或金。
9.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(3)中有源芯片与步骤(1)中的定位单元、有源芯片上的电极图形与步骤(2)中刻蚀槽内的电极图形对准后倒放在刻蚀槽内中所述对准步骤是通过有源芯片按照定位单元的标记在电荷耦合器件的监控定位下放入刻蚀槽中实现的。
10.根据权利要求1所述的三维对准方法，其特征在于，
步骤(3)中使有源芯片的有源区与无源光波导芯片的波导区对准后固定步骤中所述对准后固定步骤的具体方法包括：对有源芯片和无源光波导芯片加热并加压，实时通过探测器监测波导出光端面的功率，当功率达到最大值时降温降压。
11.根据权利要求10所述的三维对准方法，其特征在于，
所述探测器的光敏面的直径为5-10mm。
12.一种采用如权利要求1-11任一项所述的三维对准方法得到的有源芯片与无源光波导芯片的三维对准结构。
13.一种光电子器件，其特征在于，内含有如权利要求12所述的三维对准结构。
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