CN110837157B - 光学装置封装及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种光学装置封装包含半导体衬底和光学装置。所述半导体衬底具有第一表面、在与所述第一表面不同的正视图中的第二表面，以及将所述第一表面连接到所述第二表面的轮廓。所述轮廓的表面粗糙度大于所述第二表面的表面粗糙度。所述光学装置安置在所述第二表面上并且由所述轮廓围绕。

Description

光学装置封装及其制造方法

技术领域

本发明涉及光学装置封装及其制造方法，且更确切地说，涉及包含具有用于安置光学装置的垂直侧壁轮廓的凹槽的光学装置封装及其制造方法。

背景技术

光学通信装置使用具有V形凹槽的衬底来安置光纤。然而，V形凹槽需要在衬底的表面中的较大孔口尺寸以及在衬底中的较大深度。V形凹槽占据大量的衬底，这阻碍了光学通信装置趋向于小型化。

发明内容

在一些实施例中，光学装置封装包含半导体衬底和光学装置。半导体衬底具有第一表面、在与第一表面不同的正视图中的第二表面，以及将第一表面连接到第二表面的轮廓。轮廓的表面粗糙度大于第二表面的表面粗糙度。光学装置安置在第二表面上并且由轮廓围绕。

在一些实施例中，光学装置封装包含半导体衬底、间隔物和光学装置。半导体衬底具有第一表面和连接到第一表面的第二表面。第二表面是相对于第一表面倾斜的。间隔物安置成邻近于第二表面。间隔物具有大体上垂直于半导体衬底的第一表面的第一边缘。光学装置由间隔物的第一边缘围绕。

在一些实施例中，提供用于制造光学装置封装的方法。接收半导体衬底。半导体衬底经图案化以在半导体衬底中形成凹槽。经图案化的牺牲层形成于半导体衬底上方，其中经图案化的牺牲层覆盖半导体衬底的一部分、填充在沟槽中，并且暴露半导体衬底的另一部分。从经图案化的牺牲层中暴露的半导体衬底被部分地移除以在半导体衬底中形成凹槽。经图案化的牺牲层被从半导体衬底中移除。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述最好地理解本发明的一些实施例的方面。各种结构可能未按比例绘制，且各种结构的尺寸可出于论述的清楚起见任意增大或减小。

图1是根据本发明的一些实施例的光学装置封装的截面图。

图1A是根据本发明的一些实施例的光学装置封装的俯视图。

图1B、图1C、图1D、图1E、图1F和图1G是说明根据本发明的一些其它实施例的光学装置封装的示意图。

图2A、图2B、图2C、图2D和图2E是说明根据本发明的一些实施例的制造光学装置封装的方法的示意图。

图3是根据本发明的一些实施例的光学装置封装的截面图。

图4A、图4B、图4C和图4D是说明根据本发明的一些实施例的制造光学装置封装的方法的示意图。

图5是说明根据本发明的一些其它实施例的光学装置封装的示意图。

图6是根据本发明的一些实施例的光学装置封装100的截面图。

图7A、图7B和图7C是说明根据本发明的一些实施例的制造光学装置封装的方法的示意图。

图8是根据本发明的一些实施例的光学装置封装的截面图。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实施所提供的标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的具体实例来阐释本发明的某些方面。当然，这些只是实例且并不意图为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征上方或第二特征上的形成可包含第一特征和第二特征直接接触地形成或安置的实施例，并且还可包含额外特征在第一特征与第二特征之间形成或安置，使得第一特征和第二特征不直接接触的实施例。另外，本发明可能在各个实例中重复参考标号和/或字母。此重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不指示所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。

除非另外规定，否则例如“上方”、“下方”、“上”、“左”、“右”、“下”、“顶部”、“底部”、“垂直”、“水平”、“侧面”、“高于”、“低于”、“上部”、“在……上”、“在……下”等等的空间描述是相对于图中所示的定向来指示的。应理解，本文中所使用的空间描述仅是出于说明的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，其限制条件为此类布置并不偏离本发明的实施例的优点。

图1是根据本发明的一些实施例的光学装置封装1的截面图，并且图1A是根据本发明的一些实施例的光学装置封装1的俯视图。如图1和图1A中所示，光学装置封装1包含半导体衬底10和光学装置20。半导体衬底10可以包含硅衬底或由其它半导电材料制成的衬底。半导体衬底10具有第一表面101、在正视图中与第一表面101不同的第二表面102，以及将第一表面101连接到第二表面102的轮廓103。在一些实施例中，第二表面102低于第一表面101，并且第一表面101、第二表面102和轮廓103一起形成用于安置光学装置20的凹槽10V。在一些实施例中，第一表面101和第二表面102可大体上彼此平行。在一些实施例中，保护层12可以安置在第一表面101上。保护层12可经配置为掩模层(例如，硬掩模层)以保护半导体衬底10。保护层12的材料可以包含氧化硅、氮化硅或其它合适的无机和/或有机材料。

如图1所示，半导体衬底10的轮廓103可以包含第一侧表面1031、第二侧表面1032和第三表面1033。第一侧表面1031连接到第一表面101。第二侧表面1032连接到第二表面102。第三表面1033安置在第一侧表面1031与第二侧表面1032之间且连接到第一侧表面1031和第二侧表面1032。在一些实施例中，第二表面102高于第三表面1033。第三表面1033可大体上平行于第二表面102。第一侧表面1031和第二侧表面1032可大体上垂直于第三表面1033。

光学装置20安置在第二表面102上并且由轮廓103围绕。在一些实施例中，光学装置20可以包含管状光学装置，所述管状光学装置具有弧形外表面，并且沿方向D延伸，如图1A所示。举例来说，光学装置20可以包含光纤或类似物。在一些实施例中，光学装置20接触半导体衬底10的第二表面102。在一些实施例中，取决于光学装置20的高度，光学装置20可部分或完全由轮廓103围绕。在一些实施例中，光学装置20接触半导体衬底10的轮廓103。举例来说，光学装置20可以接触轮廓103的第一侧表面1031。在一些实施例中，第一侧表面1031可相对于半导体衬底10的第一表面101大体上垂直。在一些实施例中，半导体衬底10的第一侧表面1031与第一表面101之间的夹角大体上在大约88°到大约92°的范围内，例如，大约90°。通过垂直的第一侧表面1031，接近第一表面101的凹槽10V的尺寸和接近第二表面102的凹槽10V的尺寸大体上相同。相应地，凹槽10V的总体空间可以减小，这有助于光学装置封装1的小型化。另外，光学装置20可以安全地紧固在凹槽10V中。

图2A、图2B、图2C、图2D和图2E是说明根据本发明的一些实施例的制造光学装置封装的方法的示意图。如图2A所示，接收到半导体衬底10。在一些实施例中，保护层12形成于半导体衬底10的第一表面101上。保护层12可经配置为硬掩模层，部分地覆盖第一表面101。如图2B所示，经图案化的牺牲层14(例如，光致抗蚀剂层)形成于半导体衬底10上方。经图案化的牺牲层14包含暴露第一表面101的一部分的开口14H。

如图2C所示，半导体衬底10经图案化以在半导体衬底10中形成沟槽10T。在一些实施例中，半导体衬底10通过各向异性蚀刻(例如，干式蚀刻)经图案化穿过经图案化的牺牲层14的开口14H。举例来说，干式蚀刻可以包含等离子蚀刻或类似物。选择各向异性蚀刻以形成沟槽10T使得沟槽10T的侧壁的垂直度可以得到维持，具体地说当沟槽10T的深度较大时。在一些实施例中，沟槽10T的深度大于200微米(um)，例如，250um。在一些实施例中，沟槽10T的侧壁与半导体衬底10的第一表面101之间的夹角大体上在大约88°到大约92°的范围内，例如，大约90°。在一些实施例中，当沟槽10T通过各向异性蚀刻形成时沟槽10T的底部和侧壁具有粗糙表面。在一些实施例中，在形成沟槽10T之后，从半导体衬底10中移除经图案化的牺牲层14。

如图2D所示，另一经图案化的牺牲层16(例如，光致抗蚀剂层)形成于半导体衬底10上方。经图案化的牺牲层16可覆盖半导体衬底10的一部分并且填充沟槽10T。经图案化的牺牲层16包含暴露半导体衬底10的另一部分的开口16H，例如，在沟槽10T之间的半导体衬底10的部分。

如图2E所示，从经图案化的牺牲层16中暴露的半导体衬底10被部分地移除以在半导体衬底10中形成凹槽10V。在一些实施例中，通过各向同性蚀刻(例如，湿式蚀刻)半导体衬底10穿过经图案化的牺牲层16的开口16H被部分地移除。选择各向同性蚀刻以形成凹槽10V，以便移除在凹槽10V的底部的瑕疵和残余。在凹槽10V的形成期间，沟槽10T的侧壁由经图案化的牺牲层16覆盖和保护。相应地，可以维持沟槽10T的侧壁的垂直度而不被各向同性蚀刻的蚀刻剂破坏。与通过各向异性蚀刻形成的沟槽10T的底部和侧壁相比，通过各向同性蚀刻形成的凹槽10V的底部的表面是较平的，并且因此可以增大凹槽10V的均一性。

如图1和图1A中所示，将经图案化的牺牲层16从半导体衬底10中移除。在移除经图案化的牺牲层16之后，半导体衬底10具有第一表面101、在正视图中比第一表面101更低的第二表面102，以及将第一表面101连接到第二表面102的轮廓103。轮廓103包含第一侧表面1031、第二侧表面1032和第三表面1033。第一侧表面1031连接到第一表面101。第二侧表面1032连接到第二表面102。第三表面1033安置在第一侧表面1031与第二侧表面1032之间且连接到第一侧表面1031和第二侧表面1032。第三表面1033低于第二表面102。第三表面1033可大体上平行于第二表面102。第一侧表面1031和第二侧表面1032可大体上垂直于第三表面1033。光学装置20安置在凹槽10V中以形成光学装置封装1，如图1和图1A所说明。

凹槽10V可通过多级蚀刻形成以改进凹槽10V的侧壁的垂直度(第一侧表面1031)，并且改进凹槽10V的底部的均一性(第二表面102)。

通过本发明提供的光学装置封装不限于上文所描述的实施例，并且可以包含其它不同的实施例，例如，下文描述的那些实施例。为了简化描述且出于方便在本发明的实施例中的每一个之间进行比较，以下实施例中的每一个中的相同或类似组件标记有相同标号，且不过多地加以描述。

图1B、图1C、图1D、图1E、图1F和图1G是根据本发明的一些其它实施例说明光学装置封装2、3、4、5、6和7的示意图。如图1B所示，与图1的光学装置封装1相比，光学装置封装2的凹槽10V的第二表面102和轮廓103是粗糙的。在一些实施例中，轮廓103和第二表面102通过如先前描述的不同蚀刻过程形成，并且因此可具有不同的粗糙度。在一些实施例中，轮廓103的表面粗糙度大于第二表面102的表面粗糙度。举例来说，轮廓103的表面粗糙度与第二表面102的表面粗糙度的比率可大体上在大约10到大约40的范围内。表面粗糙度可就算术平均值粗糙度而言来测量。举例来说，轮廓103的算术平均值粗糙度Ra可大体上在大约100纳米(nm)到大约200nm的范围内，并且第二表面102的算术平均值粗糙度Ra可大体上在大约5nm到大约10nm的范围内。

如图1C所示，与图1B的光学装置封装2相比，光学装置封装3的凹槽10V的第二表面102可以是凹陷的和弧形的。凹陷的和弧形的第二表面102可适配在光学装置20的构形中，并且因此光学装置20可以安全地紧固在凹槽10V中。

如图1D所示，与图1B的光学装置封装2相比，光学装置封装4的凹槽10V更深，并且第二表面102可大体上与轮廓103的第三表面1033水平。

如图1E所示，与图1D的光学装置封装4相比，光学装置封装5的凹槽10V的第二表面102可以是凹陷的和弧形的。凹陷的和弧形的第二表面102可适配在光学装置20的构形中，并且因此光学装置20可以安全地紧固在凹槽10V中。

如图1F所示，与图1D的光学装置封装4相比，光学装置封装6的凹槽10V的第二表面102低于轮廓103的第三表面1033。

如图1G所示，与图1F的光学装置封装6相比，光学装置封装7的凹槽10V的第二表面102可以是凹陷的和弧形的。凹陷的和弧形的第二表面102可适配在光学装置20的构形中，并且因此光学装置20可以安全地紧固在凹槽10V中。

图3是根据本发明的一些实施例的光学装置封装8的截面图。如图3所示，光学装置封装8包含半导体衬底50、间隔物60和光学装置70。半导体衬底50可以包含硅衬底或由其它半导电材料制成的衬底。半导体衬底50具有第一表面501和连接到第一表面501的第二表面502。第二表面502是相对于第一表面501倾斜的。在一些实施例中，第二表面502相对于第一表面501朝内倾斜。半导体衬底50可进一步包含低于第一表面501且连接到第二表面502的第三表面503。

在一些实施例中，保护层52可以安置在第一表面501上。保护层52可经配置以保护半导体衬底10。保护层52的材料可以包含氧化硅、氮化硅或其它合适的无机和/或有机材料。

间隔物60安置成邻近于第二表面502。间隔物60具有大体上垂直于半导体衬底50的第一表面501的第一边缘601。在一些实施例中，间隔物60具有接触半导体衬底50的第二表面502的第二边缘602。在一些实施例中，间隔物60的材料可以包含光敏材料，其可以通过曝光和显影图案化。举例来说，间隔物60的材料可以包含光致抗蚀剂材料或类似物。在一些实施例中，第一表面501、第三表面503和间隔物60的第一边缘601一起形成用于安置光学装置70的凹槽50V。

光学装置70由间隔物60的第一边缘601围绕。在一些实施例中，光学装置70可以包含具有弧形外表面的管状光学装置。举例来说，光学装置70可以包含光纤或类似物。在一些实施例中，光学装置70接触第一边缘601。在一些实施例中，取决于光学装置70的高度，光学装置20可部分或完全由第一边缘601围绕。光学装置70可安置在半导体衬底50的第三表面503上并且由半导体衬底50的第三表面503支撑。间隔物60的第一边缘601可大体上相对于半导体衬底50的第一表面501垂直。通过垂直的第一边缘601，光学装置70可以安全地紧固在凹槽50V中，并且可以实现光学装置封装8的小型化。

图4A、图4B、图4C和图4D是说明根据本发明的一些实施例的制造光学装置封装的方法的示意图。如图4A所示，接收到半导体衬底50。在一些实施例中，保护层52形成于半导体衬底50的第一表面501上。保护层52可经配置为硬掩模层，部分地覆盖第一表面501。如图4B所示，经图案化的牺牲层54(例如，光致抗蚀剂层)形成于半导体衬底50上方。经图案化的牺牲层54包含暴露第一表面501的一部分的开口54H。半导体衬底50经图案化以在半导体衬底50中形成凹槽50V。在一些实施例中，通过各向同性蚀刻(例如，湿式蚀刻)半导体衬底50穿过经图案化的牺牲层54的开口54H经图案化。半导体衬底50的蚀刻受到控制使得第二表面502相对于第一表面501朝内倾斜。在一些实施例中，凹槽50V可具有梯形截面形状。

如图4C所示，在形成凹槽50V之后经图案化的牺牲层54被从半导体衬底50中移除。如图4D所示，间隔物60形成于半导体衬底50上方并且在凹槽50V中。在一些实施例中，间隔物60是通过涂覆光敏材料(例如，光致抗蚀剂)形成的。光敏材料可通过曝光和显影经图案化以形成间隔物60。间隔物60具有大体上垂直于半导体衬底50的第一表面501的第一边缘601和接触半导体衬底50的第二表面502的第二边缘602。

光学装置70安置在半导体衬底50的凹槽50V中以形成光学装置封装8，如图3所示。借助于具有垂直的第一边缘601的间隔物60，凹槽50V的侧壁的垂直度可以得到维持。相应地，凹槽50V的总体空间可以减小，这有助于光学装置封装8的小型化。另外，光学装置70可以安全地紧固在凹槽50V中。

图5是说明根据本发明的一些其它实施例的光学装置封装9的示意图。与图4的光学装置封装8相比，第二表面502相对于第一表面501朝外倾斜。间隔物60的第一边缘601大体上垂直于半导体衬底50的第一表面501，而间隔物60的第二边缘602接触半导体衬底50的第二表面502。在一些其它实施例中，凹槽50V可以通过激光钻孔、机械钻孔或其它合适的过程形成。在一些实施例中，半导体衬底50的凹槽50V可以通过蚀刻形成。在一些实施例中，凹槽50V可具有倒梯形截面形状。

图6是根据本发明的一些实施例的光学装置封装100的截面图。如图6所示，与图5的光学装置封装9相比，光学装置封装100的凹槽50V可具有三角形截面形状。

图7A、图7B和图7C是说明根据本发明的一些实施例的制造光学装置封装的方法的示意图。如图7A所示，接收例如硅衬底的半导体衬底50。在一些实施例中，保护层52形成于半导体衬底50的第一表面501上。保护层52可经配置为硬掩模层，部分地覆盖第一表面501。如图7B所示，半导体衬底50经图案化以在半导体衬底50中形成沟槽50V。在一些实施例中，凹槽50V具有三角形截面形状。在一些实施例中，凹槽50V可通过各向异性蚀刻形成。举例来说，例如氢氧化钾(KOH)溶液或氢氧化四甲基铵(TMAH)溶液的蚀刻溶液可用于蚀刻半导体衬底50。KOH溶液和TMAH溶液在半导体衬底50的不同结晶平面上具有不同的蚀刻速率，并且因此可用于形成三角形截面形状的凹槽50V。

如图7C所示，间隔物60形成于半导体衬底50上方并且在凹槽50V中。间隔物60具有大体上垂直于半导体衬底50的第一表面501的第一边缘601和接触半导体衬底50的第二表面502的第二边缘602。

光学装置70安置在半导体衬底50的凹槽50V中以形成光学装置封装100，如图6所示。借助于具有垂直的第一边缘601的间隔物60，凹槽50V的侧壁的垂直度可以得到维持。相应地，可减小凹槽50V的总体空间，这有助于光学装置封装8的小型化。另外，光学装置70可以安全地紧固在凹槽50V中。

图8是根据本发明的一些实施例的光学装置封装101的截面图。如图8所示，与图6的光学装置封装100相比，光学装置封装101可进一步包含安置在第二表面602与光学装置70之间的缓冲层62。缓冲层62可平面化凹槽50V的底部。在一些实施例中，缓冲层62可从间隔物60断开。在一些其它实施例中，缓冲层62可连接到间隔物60。缓冲层62和间隔物60可以包含相同的材料，例如，光致抗蚀剂材料，但是本发明不限于此。在一些实施例中，缓冲层62和间隔物60可通过例如相同的曝光和显影过程的相同过程形成。

通过垂直的第一侧表面1031，接近第一表面101的凹槽10V的尺寸和接近第二表面102的凹槽10V的尺寸大体上相同。相应地，可减小凹槽10V的总体空间，这有助于光学装置封装1的小型化。另外，光学装置20可以安全地紧固在凹槽10V中。

在本发明的一些实施例中，光学装置封装包含具有垂直侧壁的凹槽以安置光学装置。垂直侧壁可减小凹槽的总体空间，这有助于光学装置封装的小型化。垂直侧壁还允许光学装置牢固地紧固在凹槽中，提高光学装置与其它光学元件之间的对准精确度。

如本文中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一(a/an)”和“所述”可包含多个提及物。

如本文中所使用，术语“近似地”、“大体上”、“实质”和“大约”用于描述和解释小的变化。当与事件或情况结合使用时，所述术语可指事件或情况精确发生的例子以及事件或情况极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可以指小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差小于或等于所述值的平均值的±10％(例如，小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％，或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同或相等。举例来说，“大体上”平行可以指相对于0°的小于或等于±10°的角度变化范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°。举例来说，“大体上”垂直可以指相对于90°的小于或等于±10°的角度变化范围，例如，小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°，或小于或等于±0.05°。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此范围格式是为了便利和简洁而使用，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围极限的数值，而且包含涵盖于那个范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值和子范围一般。

尽管已参考本发明的特定实施例描述并说明本发明，但这些描述和说明并不限制本发明。所属领域的技术人员应理解，可在不脱离如由所附权利要求书界定的本发明的真实精神和范围的情况下，作出各种改变且取代等效物。说明可能未必按比例绘制。由于制造过程和公差，本发明中的艺术再现与实际设备之间可存在区别。可存在并未特定说明的本发明的其它实施例。应将本说明书和图式视为说明性而非限定性的。可进行修改，以使特定情形、材料、物质组成、方法或过程适应于本发明的目标、精神和范围。所有此类修改都意图在所附权利要求书的范围内。虽然本文中所公开的方法是参考按特定次序执行的特定操作描述的，但是应理解，这些操作可组合、细分或重新排序以形成等效方法而不脱离本发明的教示内容。相应地，除非本文中特别指示，否则操作的次序和分组并非本发明的限制。

Claims (7)

1.一种光学装置封装，其包括：

半导体衬底，其具有第一表面、在正视图中不同于所述第一表面的第二表面、及将所述第一表面连接到所述第二表面的轮廓，其中所述轮廓的表面粗糙度大于所述第二表面的表面粗糙度，所述轮廓包括连接到所述第一表面的第一侧表面、及连接所述第一侧表面和所述第二表面的第三表面，其中所述第一侧表面的斜率不同于所述第一表面的斜率，所述第三表面的斜率不同于所述第一侧表面的所述斜率，所述第二表面的斜率不同于所述第三表面的所述斜率，所述第一表面为所述半导体衬底的顶表面，且以所述第一表面为基准，所述第二表面的高度低于所述第三表面的高度；以及

光学装置，其安置在所述第二表面上并且由所述轮廓围绕。

2.根据权利要求1所述的光学装置封装，其中所述光学装置接触所述半导体衬底的所述第二表面，且所述第二表面适配于所述光学装置的构形。

3.根据权利要求1所述的光学装置封装，其中所述半导体衬底的所述轮廓的所述第二表面为弧形表面，所述光学装置具有弧形外表面，且所述光学装置的所述弧形外表面接触所述半导体衬底的所述轮廓的所述弧形表面。

4.根据权利要求1所述的光学装置封装，其中所述轮廓的所述第一侧表面与所述半导体衬底的所述第一表面大体上垂直。

5.根据权利要求1所述的光学装置封装，其中所述轮廓的所述第一侧表面与所述第三表面不垂直。

6.根据权利要求5所述的光学装置封装，其中所述第一侧表面与所述第三表面界定出钝角。

7.根据权利要求1所述的光学装置封装，其中所述第一表面、所述第二表面和所述轮廓一起形成用于安置所述光学装置的凹槽，且所述凹槽具有大体上均匀的宽度。