CN111381327A - 光学模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学模块及其制造方法，该光学模块包括：光学半导体芯片，其具有第一表面，该第一表面包括激光束照射区域和解理区域；光纤，其光学耦合至所述第一表面；和支撑构件，其具有结合至所述第一表面的第二表面，并被构造成支撑所述光纤。所述光学半导体芯片具有位于解理区域中的光学信号输入和输出部分，并且所述第二表面在所述解理区域内结合至所述第一表面。
Description
技术领域
本文中讨论的实施方式涉及光学模块及其制造方法。
背景技术
作为从半导体晶圆切出多个半导体芯片的方法，存在将激光束照射在半导体晶圆的待切割部分上的已知方法，例如隐形切割技术。根据该已知方法，与切割方法相比，可以减少切割半导体晶圆所需的时间。
然而，通过照射激光束的已知方法获得的半导体芯片的切割表面比通过切割方法获得的半导体芯片的切割表面更粗糙。为此，当使用该已知方法从半导体晶圆切出半导体芯片并且借助对接接头将光纤连接至切割表面时，因为光纤与半导体芯片的输入和输出部分分开与切割表面的粗糙度相对应的量，所以光学信号容易衰减。换句话说，在对接接头处的光耦合损耗变大。
例如，日本特开2002-192370号公报(现日本专利3408805号)和日本特开2006-068816号公报(现日本专利4197693号)中描述了激光束加工的实施例。
发明内容
因此，实施方式的一个方面的目的是提供一种光学模块及其制造方法，其能够减少对接接头处的光耦合损失。
根据实施方式的一个方面，一种光学模块包括：光学半导体芯片，其具有第一表面，该第一表面包括激光束照射区域和解理区域；光纤，其光学耦合至所述第一表面；和支撑构件，其具有结合至所述第一表面的第二表面，并被构造成支撑所述光纤，其中，所述光学半导体芯片具有位于解理区域中的光学信号输入和输出部分，并且其中所述第二表面在所述解理区域内结合至所述第一表面。
本发明的目的和优点将借助于权利要求中特别指出的要素和组合来实现和获得。
应当理解，如所声称的，前面的总体描述和下面的详细描述都是示例性和说明性的，并且不限制本发明。
附图说明
图1是示出根据一个实施方式的光学模块的结构的立体图。
图2是示出根据一个实施方式的光学模块的结构的分解立体图。
图3是示出模式直径为4μm的情况下的公差的实施例的图。
图4是示出解理区域内的变形区域的图。
图5是示出支撑构件的另一实施例的立体图。
图6是示出支撑构件的又一实施例的立体图。
图7是示出剪切强度的分布的图。
图8A是用于说明根据一个实施方式的光学模块的制造方法的平面图。
图8B是用于说明根据一个实施方式的光学模块的制造方法的平面图。
图8C是用于说明根据一个实施方式的光学模块的制造方法的平面图。
图9是示出隐形切割之前的半导体晶圆的立体图。
具体实施方式
将参考附图描述本发明的优选实施方式。
现在将根据本发明的每个实施方式描述光学模块及其制造方法。在附图中，功能上相同的那些部分由相同的附图标记表示，并且可以省略对功能相同的部分的重复描述。
光学模块的结构
首先，将描述根据一个实施方式的光学模块的结构。图1是示出根据一个实施方式的光学模块的结构的立体图。图2是示出根据一个实施方式的光学模块的结构的分解立体图。
如图1和图2中所示，根据一个实施例的光学模块1包括光学半导体芯片101、光纤210和支撑构件201。光纤210的数量没有特别限制，并且可以是一个或多个。
光学半导体芯片101包括例如形成在硅(Si)基板110上的光学波导111和光学装置112。光学装置112包括光电二极管、偏转分束器、调制器、混合器等。硅基板110例如具有矩形的平面形状，并且光学波导111的输入和输出部分设置在硅基板110的一个侧表面102上。侧表面102是第一表面的实施例。
光学半导体芯片101是利用隐形切割技术从半导体晶圆切出的。侧表面102包括激光束照射区域102A和解理区域102B。隐形切割技术使用的激光束的多个焦点设置在激光束照射区域102A中。通过将激光束聚焦在每个焦点而形成的微凹陷成为断裂起点。在扫描激光束以从硅基板110的表面聚焦在特定深度处的情况下，激光束照射区域102A中的微凹陷形成为近似特定深度的带状。另外，在多次扫描激光束以聚焦在不同深度处的情况下，激光照射区域102A中的微凹陷形成为近似每个不同深度的带状。换句话说，激光照射区域102A中的微凹陷形成为形成多个带。尽管取决于诸如激光束的照射能量之类的激光束照射条件，但是侧表面102的激光束照射区域102A中的表面粗糙度Rp例如可以为3.5μm至5μm。
解理区域102B包括通过解理形成的裂缝，并且在解理区域102B中未设置由隐形切割技术使用的激光束的焦点。因此，与激光束照射区域102A不同，解理区域102B中未形成通过将激光束聚焦在每个焦点而形成的微凹陷。侧表面102的解理区域102B中的表面粗糙度Rp例如可以为0.7μm至2μm。光学半导体芯片101的光学信号输入和输出部分设置在解理区域102B中。例如，光学波导111的输入和输出部分设置在解理区域102B中。解理区域102B例如沿着光学半导体芯片101的厚度方向上的一端设置。
光学半导体芯片101的其他三个侧表面(例如与侧表面102连接的侧表面103)整体形成为激光束照射区域。换句话说，由隐形切割技术使用的激光束的多个焦点设置在整个侧表面103上。例如，形成微凹陷以在整个侧表面103上形成多个带，并且侧表面103的表面粗糙度Rp例如可以为3.5μm至5μm。光学半导体芯片101的其余两个侧表面具有与侧表面103相似的构造。
光纤210由支撑构件201支撑。如图1和图2中所示，支撑构件201具有结合至侧表面102的表面202。光纤210的端表面在表面202处暴露。此外，表面202在解理区域102B内结合至侧表面102，并且光纤210光学耦合到光学半导体芯片101的输入和输出部分。换句话说，光纤210借助对接接头连接到光学半导体芯片101。表面202是第二表面的实施例。
例如，支撑构件201借助紫外线固化粘合剂结合至光学半导体芯片101。粘合剂的折射率优选与光纤210的折射率大致相同。支撑构件201所使用的材料没有特别限定，但支撑构件201优选由透射紫外线的材料制成，以使粘合剂能够有效固化。
在根据一个实施方式的光学模块1中，支撑构件201的表面202在解理区域102B内结合至侧表面102，并且光纤210光学地耦合至光学半导体芯片101的输入和输出部分。例如，使用隐形切割技术将光学半导体芯片101从半导体晶圆切出，但是解理区域102B中未设置激光束的焦点，并且与激光束照射区域102A的表面粗糙度Rp相比，解理区域102B的表面粗糙度Rp相当小。因此，光纤210的端表面可以布置在与光学半导体芯片101的光学信号的输入和输出部分紧密接近的位置，以减少对接接头处的光耦合损失。
例如，在硅光子学中，从容易制造的观点出发，由模式转换器获得的模式直径优选为3μm或更大。图3是示出模式直径为4μm的情况下的公差的实施例的图。在图3中，横坐标表示光纤210与光学半导体芯片101的输入和输出部分之间的间隙(μm)，纵坐标表示过量损失(dB)。如图3中所示，在模式直径为4μm的情况下，当间隙为4.5μm或更小时，过量损失能够减小到0.5dB以内的可容许水平。当过量损失减少到可容许水平时，不太可能发生过量损失的不良后果。因为侧表面102的激光束照射区域102A中的表面粗糙度Rp例如为3.5μm至5μm，所以在光纤210结合至激光束照射区域102A内的侧表面102的情况下，间隙可能超过4.5μm。另一方面，侧表面102在解理区域102B中的表面粗糙度Rp例如为0.7μm至2μm。因此，如在本实施方式中，在光纤210在解理区域102B内结合至侧表面102的情况下，能够确定使间隙减小至4.5μm或更小。
根据本实施方式，光纤210的端表面可以布置成与光学半导体芯片101的光学信号输入和输出部分充分地紧密接近，以减小对接接头处的光耦合损失。
图4是示出解理区域内的变形区域的图。如图4中所示，在使用隐形切割技术的解理过程中，可以在解理区域102B和激光束照射区域102A之间的边界附近形成包括从断裂起点产生的变形的变形区域102C。因为变形区域102C内可能存在晶体紊乱，所以可能发生光学信号的损失。因此，光学半导体芯片101的光学信号输入和输出部分优选设置在变形区域102C的内侧，并且支撑构件201的表面202优选结合至变形区域102C的内侧上的侧表面102。在这种情况下，当在垂直于侧表面102的方向上观察时，激光束照射区域102A经由变形区域102C位于表面202的外侧的位置。变形区域102C是缓冲区域的实施例。换句话说，解理区域102B包括布置在解理区域102B的结合至支撑构件201的表面202的区域与激光束照射区域102A之间的变形区域(缓冲区域)102C。
用于光学半导体芯片101的材料不受特别限制。例如，可以使用磷化铟(InP)基板等代替硅基板110。此外，光学半导体芯片101的形状不受特别限制。光学半导体芯片101可以具有例如六边形的平面形状。此外，对设置有解理区域102B的侧表面102的米勒指数没有特别限制，但是，侧表面102优选为容易形成解理的表面。例如，在用于光学半导体芯片101的材料包括硅(Si)的情况下，侧表面102的米勒指数优选为(110)。在用于光学半导体芯片101的材料包括磷化铟(InP)的情况下，侧表面102的米勒指数优选为(110)。光学半导体芯片101的侧表面102可以由折射率与光纤210的折射率大致相同的材料覆盖。
另外，由于隐形切割技术的特性，可以沿着光学半导体芯片101的厚度方向的一端设置解理区域102B。切割区域102B的尺寸不受特别限制，但是解理区域102B越大就越难从半导体晶圆获得单个光学半导体芯片101。本发明人通过实验证实，当解理区域102B在硅基板110中在垂直于厚度方向上的尺寸为2.0mm或更小时，可以获得具有足够小的表面粗糙度Rp的解理区域102B。此外，在光学半导体芯片101的厚度方向上，优选不沿着整个厚度方向形成解理区域102B，并且优选沿着整个厚度方向部分地形成激光束照射区域102A。在这种情况下，可以使用隐形切割技术容易地从半导体晶圆获得各个光学半导体芯片101。
支撑构件201的形状没有特别限制。图5是示出支撑构件的另一实施例的立体图。例如可以使用图5中所示的支撑构件301代替支撑构件201。支撑构件301包括：具有平坦表面的块301A；具有与块301A的平坦表面接触的平坦表面的块301B；以及V形槽302，V形槽302形成在块301A的与块301B的平坦表面接触的平坦表面中。在这种情况下，光纤210容纳在V形槽302中。
图6是示出支撑构件的又一实施例的立体图。例如可以使用图6中所示的支撑构件401代替支撑构件201。支撑构件401具有圆柱形形状，并且包括圆柱形开口402。在这种情况下，光纤210容纳在圆柱形开口402中。
接下来，将描述本发明人进行的与强度有关的实验。通过复制图6中所示的圆柱形支撑构件401，使用直径为1mm的玻璃支撑构件进行实验。使用紫外线固化粘合剂将玻璃支撑构件的端表面结合至解理区域102B，并且通过在玻璃支撑构件上施加剪切应力来测量剪切强度。图7是示出作为该测量结果而获得的剪切强度的分布的图。在图7中，横坐标表示剪切强度(gf)，纵坐标表示分布(σ)。通常，需要500gf的剪切强度，但是如图7中所示，证实：由直径为1mm的玻璃支撑构件可获得足够大的剪切强度。
因此，通过考虑大约10％的变化，支撑构件在与光学半导体芯片101的厚度方向垂直的方向上的尺寸(宽度)优选在0.8mm至2mm的范围内。
光学模块的制造方法
接下来，将描述根据一个实施方式的光学模块的制造方法。图8A至图8C是用于说明制造根据一个实施方式的光学模块的方法的平面图。另外，图9是示出隐形切割之前的半导体晶圆的立体图。
首先，如图8A和图9中所示，具有以阵列布置的多个芯片区域11的半导体晶圆22被夹在柔性切割片21和23之间。多个芯片区域11是形成光学半导体芯片101的区域。在图8A至图8C中，为方便起见，省略了切割片23的图示。半导体晶圆22具有在主平面内竖直和水平延伸的切割区域12，以限定芯片区域11。
接下来，如图8B中所示，通过使激光束聚焦在半导体晶圆22上并使焦点在切割区域12内移动而使激光束在切割区域12内扫描，从而利用隐形切割技术在半导体晶圆22上形成重整区域13。重整区域13形成在半导体晶圆22的多个深度处。然而，在形成有解理区域102B的区域14中，激光束未聚焦在形成有解理区域102B的深度处，从而避免形成重整区域13。
之后，拉伸切割片21和24以及夹在其间的半导体晶圆22。结果，从激光束的每个焦点开始断裂，这成为断裂的起点。因此，如图8C中所示，沿着切割区域12形成的边界将半导体晶圆22分离成芯片区域11的单个片，以形成多个光学半导体芯片101。在每个光学半导体芯片101中，在与重整区域13相对应的部分处形成激光束照射区域102A，并且在与区域14相对应的部分处形成解理区域102B。
与形成光学半导体芯片101分开地制备由支撑构件201支撑的光纤210。
然后，将支撑构件201的表面202在解理区域102B内结合至侧表面102，并且将光纤210光学地耦合至侧表面102。在这种状态下，支撑构件201的表面202优选结合至解理区域102B内的变形区域102C的内侧的侧表面102。换句话说，当沿垂直于侧表面102的方向观察时，支撑构件201和光学半导体芯片101优选地定位成使得激光束照射区域102A经由变形区域102C位于表面202的外侧的位置处。
根据每个实施方式，能够减少对接接头处的光耦合损失。
本文列举的所有实施例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解发明人为进一步发展本领域所做出的本发明和构思，并且应解释为不限于这种具体列举的实施例和条件，也不限于说明书中这样的实施例的与本发明的优先和次后展示有关的组织。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应当理解，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。
Claims (8)
1.一种光学模块，该光学模块包括：
光学半导体芯片，其具有第一表面，该第一表面包括激光束照射区域和解理区域；
光纤，其光学耦合至所述第一表面；和
支撑构件，其具有结合至所述第一表面的第二表面，并被构造成支撑所述光纤，
其中，所述光学半导体芯片具有位于所述解理区域中的光学信号输入和输出部分，并且
其中，所述第二表面在所述解理区域内结合至所述第一表面。
2.根据权利要求1所述的光学模块，其中，当沿垂直于所述第一表面的方向观察时，所述激光束照射区域位于所述第二表面的外侧的位置处。
3.根据权利要求1所述的光学模块，其中，所述解理区域包括布置在所述解理区域的结合至所述第二表面的区域与所述激光束照射区域之间的缓冲区域。
4.根据权利要求1所述的光学模块，其中，所述解理区域沿着所述光学半导体芯片的厚度方向上的一端设置。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学模块，其中，
所述支撑构件借助紫外线固化粘合剂结合至所述光学半导体芯片，并且
所述支撑构件透射紫外线。
6.一种制造光学模块的制造方法，该制造方法包括以下步骤：
制备具有第一表面的光学半导体芯片，该第一表面包括激光束照射区域和解理区域；
制备由支撑构件支撑的光纤，所述支撑构件具有第二表面；以及
在所述解理区域内将所述第二表面结合至所述第一表面，以将所述光纤光学耦合至所述第一表面。
7.根据权利要求6所述的制造光学模块的制造方法，其中，制备所述光学半导体芯片的步骤包括：
将激光束聚焦在晶圆的形成所述激光束照射区域的第一区域内的多个位置处，同时避免将激光束聚焦在所述晶圆的形成解理区域的第二区域内，并且
使用所述多个位置作为断裂起点在所述晶圆上进行解理处理，以在所述第一表面上形成所述激光束照射区域和所述解理区域。
8.根据权利要求6所述的制造光学模块的制造方法，该制造方法还包括：
当沿垂直于所述第一表面的方向观察时，将所述激光束照射区域布置在所述第二表面的外侧的位置处。
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