CN113555449B - 半导体器件及其制备方法和通信设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种半导体器件及其制备方法和通信设备。所述半导体器件包括半导体基板及设于所述半导体基板上的光电器件和传导件，所述光电器件和所述传导件耦合对准，所述半导体基板的安装面设有至少三个限位支撑柱，其中至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域，所述光电器件包括与所述限位支撑柱一一对应的限位槽，所述限位支撑柱远离所述安装面的端部收容在所述限位槽内，通过与所述限位槽的内壁接触以支撑及限位所述光电器件。本申请的半导体器件用以避免有源芯片在高温焊接下会产生位移，导致焊接后的有源芯片与无源器件的耦合对准精度较差的问题。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体器件及其制备方法和通信设备。
背景技术
在光电与硅光混合集成技术中，有源芯片(如：激光器、放大器等等)通过倒装键合，被贴到硅基光学工作台(Silicon Optical Bench，SiOB)，与硅基进行焊接，而光路从有源芯片耦合到硅基工作台上的波导。有源芯片倒装键合到硅基光学工作台之后，与无源器件耦合对准的对准精度决定了封装后器件的光损耗。目前的键合精度主要取决于键合设备的机械精度。目前高精度设备的放置精度最好为0.5微米级，但这与焊接后精度却有差异，因为键合后的有源芯片在高温焊接下会产生位移，导致焊接后的有源芯片与无源器件的耦合对准精度较差。
发明内容
本申请提供一种半导体器件，用以保证有源芯片在高温焊接时的焊接精度，并避免有源芯片在高温焊接下会产生位移，导致焊接后的有源芯片与无源器件的耦合对准精度较差的问题。
本申请还提供一种半导体器件的制备方法和通信设备。
本申请所述半导体器件包括半导体基板及设于所述半导体基板上的光电器件和传导件，所述光电器件和所述传导件耦合对准，即所述光电器件的光路与所述传导件的光路对准。所述半导体基板的安装面设有至少三个限位支撑柱，其中所述至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域，所述光电器件包括与所述限位支撑柱一一对应的限位槽，所述限位支撑柱远离所述安装面的端部收容在所述限位槽内，通过与所述限位槽的内壁接触以支撑及限位所述光电器件。
本申请实施例所述的半导体器件通过在所述半导体基板的安装面设置至少三个限位支撑柱，其中所述至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域，可以理解的是，至少有三个所述限位支撑柱并未位于同一直线上，而是围设形成一个平面，进而当所述限位支撑柱收容在其对应的光电器件的所述限位槽内时，能通过与所述限位槽的内壁接触限位所述光电器件在平面上的位移，也就是能二维限位所述光电器件，同时，所述限位支撑柱的本身的高度用于限位所述光电器件在垂直方向的位置，起到三维限制所述光电器件的位置，以大大提高所述光电器件与所述传导件的耦合精度，进而有效降低所述半导体器件的插损，免除键合工艺受到高成本倒装键合设备的限制。
一些实施例中，所述光电器件为光发射器，所述传导件为波导器件，光发射器发射的光通过波导器件传导，以将光信息传导到其他模块。
一些实施例中，所述光电器件为半导体光放大器，所述传导件为波导器件，所述半导体光放大器将光放大后通过波导器件传导，以将光信息转换后传导到其他模块。
一些实施例中，所述限位支撑柱和所述半导体基板为一体成型的一体结构，从而能确保所述限位支撑柱的高度精度，也就是说，避免了将所述限位支撑柱连接在所述半导体基板上产生的连接公差，保证了所述限位支撑柱的高度精度更准确，从而有效保证通过所述限位支撑柱限位的所述光电器件与所述传导件在垂直方向上的耦合对准精度。
一些实施例中，所述安装面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第二方向与所述光电器件的光轴平行，所述限位支撑柱包括第一限位支撑柱、第二限位支撑柱和第三限位支撑柱，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱在所述第一方向间隔设置，用于在所述第一方向上限位所述光电器件，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱在所述第二方向间隔设置，用于在所述第二方向上限位所述光电器件。也就是说，本申请通过将所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱设置于所述第一方向上，通过将所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱设置于第二方向上，从而在所述第一方向和所述第二方向上限定所述光电器件，以限位所述光电器件在平面上的偏移，保证所述光电器件与所述传导件在平面上的耦合对准精度。
一些实施例中，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱相对设置于所述光电器件的光轴的两侧，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱背向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽形成第一空隙，朝向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽接触，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱靠近所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽形成第二空隙，远离所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽接触。所述第一空隙和所述第二空隙用于在所述光电器件与所述半导体基板键合时提供一定位移空间以使所述光电器件和所述半导体基板在键合过程中通过镕金的拉扯在一定范围移动以实现自动对准。所述第一空隙和所述第二空隙还便于所述限制支撑柱收容在所述限位槽内时伸入所述限位槽中，以实现对所述光电器件的限位。所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱朝向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽接触，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱远离所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽接触，通过接触限位达到限位所述光电器件的作用，避免光电器件在后续键合工艺中产生过大的位移偏差。
一些实施例中，所述半导体基板包括承载面，所述传导件的端部设于所述承载面上，所述承载面与所述限位支撑柱远离所述安装面的端面平齐，所述限位支撑柱与所述光电器件的光轴的距离等于所述承载面与所述传导件的光轴的距离，从而保证所述光电器件的光轴和所述传导件的光轴在垂直方向上对准，保证了所述光电器件和所述半导体基板在垂直方向上的耦合对准精度。
一些实施例中，所述安装面设有平衡支撑柱，所述光电器件包括与所述平衡支撑柱对应的平衡槽，所述平衡支撑柱远离所述安装面的端部位于所述平衡槽内，所述平衡支撑柱用于与所述限位支撑柱配合维持所述光电器件的平衡。也就是说，所述平衡支撑柱和三个所述限位支撑柱配合以使所述光电器件在水平方向上保持平衡。
一些实施例中，所述光电器件包括第一电连接部，所述限位槽位于所述第一电连接部的外围，所述安装面设有与所述第一电连接部对应的第二电连接部，所述第一电连接部和所述第二电连接部电连接。所述光电器件和所述半导体基板分别通过所述第一电连接部与所述第二电连接部实现电连接。
一些实施例中，所述第二电连接部包括导电层和与所述导电层连接的焊接柱，所述导电层设于所述安装面上，所述焊接柱与所述第一电连接部连接。所述焊接柱便于与所述第一电连接部进行倒装键合，所述导电层用于实现所述光电器件的电连接，以实现对光电器件的控制。
一些实施例中，所述半导体器件还包括光电探测器(Monitoring Photodetector，MPD)，所述光电探测器设于所述半导体基板上，用于检测所述光电器件的出光功率，进而便于对所述光电器件的出光功率进行调控。
一些实施例中，所述半导体器件还包括波导器件，所述波导器件设于所述半导体基板上，并与所述传导件分别位于所述光电器件的相对两侧，所述波导器件用于实现与所述光电器件之间的光信息传递。光从所述波导器件传递到所述光电器件，经过光电器件转换后通过所述传导件传导出其他模块，或者光从所述传导件递到所述光电器件，经过光电器件转换后通过所述波导器件导出其他模块，以实现对光信息的转换。
本申请实施例所述的通信设备，包括光纤和上述的半导体器件。所述光纤和所述半导体器件之间能够传送光信号。本实施例中的通信设备具有很低的插损，以保证光信号的传输质量。
本申请实施例所述的半导体器件的制备方法，包括：
提供半导体基板，其中，所述半导体基板上形成有传导件；
在所述半导体基板上形成至少三个限位支撑柱，其中，所述至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域；
在光电器件上形成与所述限位支撑柱一一对应的限位槽；
将所述限位支撑柱收容在所述限位槽内，键合所述光电器件和所述半导体基板，以使所述光电器件与所述传导件耦合对准，即所述光电器件的光路与所述传导件的光路对准。
本申请实施例提供的半导体器件的制备方法通过在所述半导体基板上形成至少三个限位支撑柱，在光电器件上形成与所述限位支撑柱一一对应的限位槽，然后将半导体基板上的所述限位支撑柱收容在与其对应的所述光电器件的所述限位槽内，键合所述光电器件和所述半导体基板，以使所述光电器件与所述传导件耦合对准。本申请中的所述至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域，也即，至少有三个限位支撑柱围设的区域形成一个平面，进而当所述限位支撑柱收容在其对应的光电器件的所述限位槽内时，通过与所述限位槽的内壁接触能限位所述光电器件在平面上的位移，也就是能二维限位所述光电器件，同时，所述限位支撑柱的本身的高度用于限位所述光电器件在垂直方向的位置，起到三维限制所述光电器件的位置，以大大提高所述光电器件与所述传导件的耦合精度，进而有效降低所述半导体器件的插损。
一些实施例中，形成所述至少三个限位支撑柱具体包括在第一方向上形成间隔的第一限位支撑柱和第二限位支撑柱，在与所述第一方向垂直的第二方向上形成与所述第二限位支撑柱在所述第二方向上共线的第三限位支撑柱。本申请通过将所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱设置于所述第一方向上，通过将所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱设置于第二方向上，从而在所述第一方向和所述第二方向上限定所述光电器件，以限位所述光电器件在平面上的偏移，保证所述光电器件与所述传导件在平面上的耦合对准精度。
一些实施例中，在将所述限位支撑收容在所述限位槽内之前，在所述半导体基板上形成与所述光电器件的第一电连接部对应的第二电连接部；所述将所述限位支撑收容在所述限位槽内，键合所述光电器件和所述半导体基板具体包括：
将所述限位槽的槽底壁与与其对应的所述限位支撑柱抵持，其中，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱背向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽侧壁靠近，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱靠近所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁靠近，所述第一电连接部与所述第二电连接部的焊接柱错位相对；
加热所述半导体基板，以使所述焊接柱融化，所述焊接柱与所述第一电连接部通过所述焊接柱的镕金张力实现对准固定，以使所述光电器件与所述传导件对准；其中，所述焊接柱和所述第一电连接部对准时，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱朝向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁抵持，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱远离所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁抵持。
本实施例的制备方法通过先将所述限位支撑收容在所述限位槽内，其中，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱背向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽侧壁靠近，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱靠近所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁靠近，也就是说，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱朝向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽侧壁间隔一定空隙，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱远离所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁间隔一定空隙，以为后续部分融化的所述焊接柱与所述第一电连接部发生拉扯作用提供位移空间，以使所述光电器件和所述半导体基板在键合过程中通过镕金的拉扯在一定范围移动以实现自动对准。
一些实施例中，所述传导件部分形成于所述半导体基板的主体部分上，部分形成于设于所述主体部分的凸块上，形成所述限位支撑柱的具体工艺为蚀刻所述凸块形成凹槽和位于所述凹槽中的所述限位支撑柱。通过该方法形成的限位支撑柱与所述半导体基板为一体结构，形成方法简单，提高制备效率。同时该方法避免了将所述限位支撑柱连接在所述半导体基板上产生的连接公差，保证了所述限位支撑柱的高度精度更准确，从而有效保证通过所述限位支撑柱限位的所述光电器件与所述传导件在垂直方向上的耦合对准精度。
一些实施例中，在形成所述限位支撑柱的同时在所述半导体基板上形成平衡支撑柱；在形成所述限位槽的同时，在所述光电器件上形成与所述平衡支撑柱对应的平衡槽，在所述限位支撑柱收容在其对应的所述限位槽内时，所述平衡支撑柱收容在所述平衡槽内。所述平衡支撑柱用于与三个所述限位支撑柱配合以使所述光电器件在水平方向上保持平衡。
本申请实施例所述的半导体器件通过在所述半导体基板的安装面设置至少三个限位支撑柱，其中所述至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域，可以理解的是，至少有三个所述限位支撑柱并未位于同一直线上，而是围设形成一个平面，进而当所述限位支撑柱收容在其对应的光电器件的所述限位槽内时，能通过与所述限位槽的内壁接触限位所述光电器件在平面上的位移，也就是能二维限位所述光电器件，同时，所述限位支撑柱的本身的高度用于限位所述光电器件在垂直方向的位置，起到三维限制所述光电器件的位置，以大大提高所述光电器件与所述传导件的耦合精度，进而有效降低所述半导体器件的插损，免除键合工艺受到高成本倒装键合设备的限制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1是本申请实施例提供的一种通信设备的结构示意图。
图2是图1提供的通信设备的半导体器件的结构示意图。
图3是图2提供的半导体器件的俯视结构示意图。
图4是图3提供的半导体器件的部分结构示意图。
图5是图3提供的半导体器件的光电器件的结构示意图。
图6是图3提供的半导体器件的另一实施例的结构示意图。
图7是图3提供的半导体器件的另一实施例的结构示意图。
图8是本申请实施例提供的一种半导体器件的制备方法的流程示意图。
图9-图16是图8所述的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种通信设备100的结构示意图。通信设备100例如可以是路由器、交换机、调制解调器等设备。通信设备100包括半导体器件10和光纤20，光纤20和半导体器件10之间能够传送光信号。本申请的半导体器件10具有很低的插损，具有本申请提供的半导体器件10的通信设备100的光信号传输质量具有了显著提升。
请参阅图2和图3，图2是图1提供的通信设备100的半导体器件10的结构示意图。图3是图2提供的半导体器件10的俯视结构示意图。半导体器件10包括半导体基板11及设于半导体基板11上的光电器件12和传导件13，光电器件12和传导件13耦合对准，即所述光电器件12的光路与所述传导件13的光路对准。传导件13位于光电器件12和传导件13之间，以将光电器件12的光信号传递给光纤20，并通过光纤20将光信号传输到外部组件。半导体基板11的安装面111设有至少三个限位支撑柱112，其中至少三个限位支撑柱112围设形成至少一个三角形区域，光电器件12包括与限位支撑柱112一一对应的限位槽121，限位支撑柱112远离安装面111的端部收容在限位槽121内，通过与所述限位槽121的内壁接触以支撑及限位光电器件12。
本申请实施例的半导体器件10通过在半导体基板11的安装面111设置至少三个限位支撑柱112，其中至少三个限位支撑柱112围设形成至少一个三角形区域，可以理解的是，至少有三个限位支撑柱112并未位于同一直线上，而是围设形成一个平面，进而当限位支撑柱112收容在其对应的光电器件12的限位槽121内时，能通过与所述限位槽121的内壁接触限位光电器件12在平面上的位移，也就是能二维限位光电器件12。同时，限位支撑柱112的本身的高度用于限位光电器件12在垂直方向的位置，起到三维限制光电器件12的位置，以大大提高光电器件12与传导件13的耦合精度，进而有效降低半导体器件10的插损，免除键合工艺受到高成本倒装键合设备的限制。当然，其他实施例中，多个限位支撑柱112可以形成多个三角形区域，从而能更好的限位光电器件12。
半导体基板11例如为硅基板(Si sub-mount)，是作为硅基光学工作台。半导体基板11除了可以作为驱动集成电路、转阻放大器(Driver IC/TIA)、或垂直共振腔表面发射激光器、光检测器(VCSEL/PD)的次封装平台(sub-mount)之外，还可整合其它逻辑组件(logicdevice)、内存(memory)或整合被动组件(Integrated Passive Devices,IPD)等组件于其上，还可以整合处理芯片、中央处理单元芯片、影像芯片、音效芯片或数据芯片。
半导体基板11包括主体部分113和设于主体部分113的凸块114，凸块114背向主体部分113的表面为承载面1141，承载面1141上设有凹槽1142，凹槽1142露出主体部分113，凹槽1142的底壁为安装面111，安装面111即为用于安装限位支撑柱112的面。传导件13部分位于主体部分113上，部分位于凸块114的承载面1141上。本实施例中，承载面1141与限位支撑柱112远离安装面111的端面平齐，限位支撑柱112与光电器件12的光轴122的距离等于承载面1141与传导件13的光轴131的距离，光电器件12的光轴122即为光电器件12的光路的光轴122，传导件13的131光轴即为传导件13的光路的光轴131，从而保证光电器件12的光轴122和传导件13的光轴131在垂直方向上对准，保证了光电器件12和半导体基板11在垂直方向上的耦合对准精度。当然，在其他实施例中，半导体基板11为板体，也就是说半导体基板11没有凸块114部分，限位支撑柱112和传导件13均直接形成于半导体基板11的主体部分113上，光电器件12的光轴122与传导件13的光轴131对准。
本实施例中，限位支撑柱112和半导体基板11为一体成型的一体结构，从而能确保限位支撑柱112的高度精度，也就是说，避免了将限位支撑柱112连接在半导体基板11上产生的连接公差，保证了限位支撑柱112的高度精度更准确，从而有效保证通过限位支撑柱112限位的光电器件12与传导件13在垂直方向上的耦合对准精度。当然，在其他实施例中，限位支撑柱112还可以通过粘接、卡接或焊接等其他方式设于安装面111上。
请参阅图3和图4，图4是图3所示的半导体器件10的部分结构示意图。安装面111包括相互垂直的第一方向Y和第二方向X，第二方向X与光电器件12的光轴122平行，限位支撑柱112包括第一限位支撑柱112a、第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b在第一方向Y间隔设置且相对设置于光电器件12的光轴122的两侧，用于在第一方向Y上限位光电器件12，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c在第二方向X间隔设置，用于在第二方向X上限位光电器件12。也就是说，本申请通过将第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b设置于第一方向Y上，通过将第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c设置于第二方向X上，从而在第一方向Y和第二方向X上限定光电器件12，以限位光电器件12在平面上的偏移，保证光电器件12与传导件13在平面上的耦合对准精度。当然，在其他实施例中，第一限位支撑柱112a、第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c只要不位于同一方向，以保证三者能围设形成三角形区域，即能保证三者能在平面上限位光电器件12即可。限位支撑柱112的数量还可以为三个以上。
本实施例中，限位支撑柱112为方形柱体，限位支撑柱112包括依次连接的第一侧1121、第二侧1122、第三侧1123和第四侧1124，即，第一限位支撑柱112a第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c均包括依次连接的第一侧1121、第二侧1122、第三侧1123和第四侧1124。第一侧1121和第三侧1123在第二方向X上相对设置，第二侧1122和第四侧1124分别连接在第一侧1121和第三侧1123之间。第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b背向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121形成第一空隙a，朝向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121接触，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c靠近光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽121形成第二空隙b，远离光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽122接触。换言之，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b的第三侧1123分别与其对应的限位槽121形成第一空隙a，两者的第一侧1121分别与其对应的限位槽121接触，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c的第二侧1122分别与其对应的限位槽121形成第二空隙b，两者的第四侧1124分别与其对应的所述限位槽121接触。第一空隙a和第二空隙b用于在光电器件12与半导体基板11键合时提供一定位移空间以使光电器件12和半导体基板11在键合过程中通过镕金的拉扯在一定范围移动以实现自动对准。第一空隙a和第二空隙b还便于限制支撑柱112收容在限位槽121内时伸入限位槽121中，以实现对所述光电器件12的限位。第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b的第一侧1121在第一方向Y上限位光电器件12，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c的第四侧1124在第二方向X上限位光电器件12，以避免光电器件12在后续键合工艺中产生过大的位移偏差。当然，在其他实施例中，限位支撑柱112还可以是圆形、三角形等其他形状的柱体。
本实施例中，第一空隙a的宽度与光电器件12的第一电连接部123在第二方向X的宽度相关，第二空隙b的宽度与光电器件12的第一电连接部123在第一方向Y的宽度相关。具体的，第一空隙a的宽度小于第一电连接部123在第二方向X的宽度，第二空隙b的宽度小于第一电连接部123在第一方向Y的宽度，从而使得光电器件12和半导体基板11在镕金的作用力的情况下不会过度移位，保证了光电器件12和半导体基板11的耦合对准精度。当然，在其他实施例中，第一空隙a的宽度和第二空隙b的宽度可根据不同的光电器件12的对准误差范围来确定。
如图3所示，安装面111设有平衡支撑柱115，平衡支撑柱115与第一限位支撑柱112a在第二方向X间隔设置，与第三限位支撑柱112c在第一方向Y间隔设置，也就是说，第一限位支撑柱112a、第二限位支撑柱112b、第三限位支撑柱112c和平衡支撑柱115分别围设形成四边形，两两相对。平衡支撑柱115远离安装面111的端部与光电器件12配合，平衡支撑柱115用于与限位支撑柱112配合维持光电器件12的平衡。也就是说，平衡支撑柱115和三个限位支撑柱112配合以使光电器件12在水平方向上保持平衡，更便于光电器件12与传导件13的耦合对准。本实施例中，平衡支撑柱115与限位支撑柱112的形状和尺寸相同，便于加工。当然，在其他实施例中，平衡支撑柱115与限位支撑柱112的形状和尺寸可以不同。
如图3所示，安装面111设有第二电连接部116。具体的，第二电连接部116设于第一限位支撑柱112a、第二限位支撑柱112b、第三限位支撑柱112c和平衡支撑柱115分别围设形成四边形区域内。第二电连接部116用于与光电器件12上的相关部分电连接。第二电连接部116包括导电层1161和与导电层1161连接的焊接柱1162，导电层1161设于安装面111上，焊接柱1162与光电器件12上的相关部分电连接，焊接柱1162便于与光电器件12上的相关部分进行倒装键合，导电层1161用于实现光电器件12的电连接，以实现对光电器件12的控制。本实施例中，导电层1161和安装面111之间还设有绝缘层1163，用于防止导电层1161和半导体基板11之间电导通。当然，其他实施例中，可根据实际需要设置或不设置绝缘层1163。
本实施例中，光电器件12为光发射器，例如为激光器、垂直共振腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)或发光二极管。传导件13为波导器件，光发射器发射的光通过波导器件传导，以将光信息传导到其他模块。当然，在其他实施例中，光电器件12还可以是光接收器件或光放大器，例如为光检测器(Photo Detector，PD)，光信息通过传导件13传递给光电器件12以实现光信息的接收。传导件13还可以为其他能传导光信息的器件。
请参阅图3和图5，图5是图3所示的半导体器件10的光电器件12的结构示意图。光电器件12包括正面120，正面120设有第一电连接部123和平衡槽124，平衡槽124和间隔限位槽121设于该正面120的边缘，第一电连接部123位于限位槽121和平衡槽124围设的区域内。焊接柱1162与第一电连接部123连接，也就是说，光电器件12和半导体基板11分别通过第一电连接部123与第二电连接部116实现电连接，以实现光电器件12和半导体基板11的键合。本实施例中，焊接柱1162与第一电连接部123通过共晶方式连接。平衡槽124与平衡支撑柱115对应，平衡支撑柱115远离安装面111的端部位于平衡槽124内，用于维持光电器件12的平衡。也就是说，平衡支撑柱115和三个限位支撑柱112配合以使光电器件12在水平方向上保持平衡。本实施例中，平衡槽124的尺寸大于或等于限位槽121的尺寸，以避免影响光电器件12和传导件13的二维耦合对准。第一电连接部123为一个。本实施例中限位槽121和平衡槽124的形状分别与限位支撑柱112和平衡支撑柱115的形状对应。当然，其他实施例中，限位槽121还可设于除正面120的边缘的其他位置，如设于正面120的中部。只要保证限位槽121和限位支撑柱112对准即可。第一电连接部123为多个，多个第一电连接部123间隔排列于正面120的中部或其他位置。第二电连接部116与第一连接部123连接的部分不是焊接柱，第二电连接部116与第一电连接部123还可以通过其他方式连接，例如胶粘或机械卡紧等方式。
请参阅图6，图6是图3提供的半导体器件10的另一实施例的结构示意图。本实施例中的半导体器件10的结构和上一实施例的结构大体相同，不同在于，半导体器件10还包括光电探测器14，光电探测器14设于半导体基板11上，并与传导件13分别位于光电器件12的相对两侧。光电检测器的焊接柱141与设于半导体基板11上的线路电连接，以实现连接。光电器件12中的光信号一方面通过传导件13传递到外部器件，一方面传递到光电探测器14，光电探测器14用于检测光电器件12的出光功率，进而便于对光电器件12的出光功率进行调控。
请参阅图7，图7是图3提供的半导体器件10的另一实施例的结构示意图。实施例中的半导体器件10的结构和第一实施例的结构大体相同，不同在于，本实施例中的光电器件12为半导体光放大器，传导件13为波导器件，半导体光放大器将光放大后通过波导器件传导，以将光信息转换后传导到其他模块。
半导体器件10还包括波导器件15，波导器件15设于半导体基板11上，并与传导件13分别位于光电器件12的相对两侧，所述波导器件15用于实现与所述光电器件12之间的光信息传递。也就是说，本实施例具有两个波导器件，光从波导器件15传递到光电器件12，经过光电器件12转换后通过传导件13传导出其他模块，或者光从传导件13递到光电器件12，经过光电器件12转换后通过波导器件15导出其他模块，以实现对光信息的转换。
本申请实施例的半导体器件10通过在半导体基板11的安装面111设置至少三个限位支撑柱112，其中至少三个限位支撑柱112围设形成至少一个三角形区域，可以理解的是，至少有三个限位支撑柱112并未位于同一直线上，而是围设形成一个平面，进而当限位支撑柱112收容在其对应的光电器件12的限位槽121内时，能通过与所述限位槽121的内壁接触限位光电器件12在平面上的位移，也就是能二维限位光电器件12，同时，限位支撑柱112的本身的高度用于限位光电器件12在垂直方向的位置，起到三维限制光电器件12的位置，以大大提高光电器件12与传导件13的耦合精度，进而有效降低半导体器件10的插损。
请参阅图8，图8是本申请实施例提供的一种半导体器件的制备方法的流程示意图。该制备方法用于制备上述的半导体器件10。如图6所示，半导体器件10的制备方法包括如下的S110～S140。
S110：提供半导体基板11，其中，半导体基板11上形成有传导件13。
具体的，请参阅图9，半导体基板11例如为硅基板(Si sub-mount)，是作为硅基光学工作台。半导体基板11包括主体部分113和设于主体部分113上的凸块114，传导件13部分形成于半导体基板11的主体部分113上，部分形成于凸块114上。传导件13为波导器件，用于传递光信息。当然，在其他实施例中，半导体基板11还可以只具有主体部分113，传导件13直接形成在主体部分113上。半导体基板11除了可以作为驱动集成电路、转阻放大器(DriverIC/TIA)、或垂直共振腔表面发射激光器(VCSEL)、光检测器(PD)的次封装平台(sub-mount)之外，还可整合其它逻辑组件(logic device)、内存(memory)或整合被动组件(IntegratedPassive Devices,IPD)等组件于其上，还可以整合处理芯片、中央处理单元芯片、影像芯片、音效芯片或数据芯片。传导件13还可以为其他能传导光信息的器件。
S120：在半导体基板11上形成至少三个限位支撑柱112，其中，所述至少三个限位支撑柱112围设形成至少一个三角形区域。
具体的，请参阅图10-图11，形成限位支撑柱112的具体工艺为蚀刻凸块114形成凹槽1142和位于凹槽1142中的限位支撑柱112。可以理解的，凹槽1142的底壁为安装面111，安装面111即为用于安装限位支撑柱112的面。也就是说，限位支撑柱112为蚀刻之后留下的凸块114的部分，通过该方法形成的限位支撑柱112与半导体基板11为一体结构，形成方法简单，提高制备效率。同时该方法避免了将限位支撑柱112连接在半导体基板11上产生的连接公差，保证了限位支撑柱112的高度精度更准确，从而有效保证通过限位支撑柱112限位的光电器件12与传导件13在垂直方向上的耦合对准精度。本实施例中，限位支撑柱112为方形柱体，当然，在其他实施例中，限位支撑柱112还可以是圆形、三角形等其他形状的柱体。限位支撑柱112还可以直接形成于主体部分113上。
形成至少三个限位支撑柱112具体包括在第一方向Y上形成间隔的第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b，在与第一方向Y垂直的第二方向X上形成与第二限位支撑柱112b在第二方向X上共线的第三限位支撑柱112c。本申请通过将第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b设置于第一方向Y上，通过将第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c设置于第二方向X上，从而在第一方向Y和第二方向X上限定光电器件12，以限位光电器件12在平面上的偏移，保证光电器件12与传导件13在平面上的耦合对准精度。当然，在其他实施例中，还可形成三个以上限位支撑柱，且多个限位支撑柱的排布方式可以根据实际需要设计，且多个限位支撑柱可形成多个三角形区域，从而能更好的限位光电器件12。
在形成限位支撑柱112的同时在半导体基板11上形成平衡支撑柱115，平衡支撑柱115与第一限位支撑柱112a在第二方向X间隔设置，与第三限位支撑柱112c在第一方向Y间隔设置。也就是说，第一限位支撑柱112a、第二限位支撑柱112b、第三限位支撑柱112c和平衡支撑柱115分别围设形成四边形，两两相对。平衡支撑柱115远离安装面111的端部用于与光电器件12配合，平衡支撑柱115用于与限位支撑柱112配合维持光电器件12的平衡。也就是说，平衡支撑柱115和三个限位支撑柱112配合以使光电器件12在水平方向上保持平衡，更便于光电器件12与传导件13的耦合对准。本实施例中，平衡支撑柱115与限位支撑柱112的形状和尺寸相同，便于加工。当然，在其他实施例中，平衡支撑柱115与限位支撑柱112的形状和尺寸可以不同。
请参阅图12，然后在半导体基板11上形成与光电器件12的相关部分对应的第二电连接部116。具体的，第二连接部连接形成于安装面111上，并位于第一限位支撑柱112a、第二限位支撑柱112b、第三限位支撑柱112c和平衡支撑柱115围成的区域内，安装面111即为凹槽1142的底壁。具体的，第二电连接部116包括导电层1161和与导电层1161连接的焊接柱1162，导电层1161设于安装面111上，焊接柱1162与光电器件12上的相关部分电连接，焊接柱1162便于与光电器件12上的相关部分进行倒装键合，导电层1161用于实现光电器件12的电连接，以实现对光电器件12的控制。本实施例中，还在导电层1161和安装面111之间形成绝缘层1163，用于防止导电层1161和半导体基板11之间电导通。当然，其他实施例中，可根据实际需要设置或不设置绝缘层1163。
S130：在光电器件12上形成与限位支撑柱112一一对应的限位槽121。
具体的，请参阅图13，光电器件12为光发射器，例如为激光器、垂直共振腔表面发射激光器(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)或发光二极管。光发射器发射的光通过传导件13传导，以将光信息传导到其他模块。光电器件12包括正面120，正面120设有与第二连接部对应的第一电连接部123。在第一电连接部123的周缘形成与限位支撑柱112一一对应的限位槽121及与平衡支撑柱115对应的平衡槽124。其中，与第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b对应的限位槽124分别相对设置于光电器件12的光轴122的两侧，本实施例中，第一电连接部123为一个。限位槽121和平衡槽124的形状分别与限位支撑柱112和平衡支撑柱115的形状对应。本实施例中，平衡槽124的尺寸大于或等于限位槽121的尺寸，以避免影响光电器件12和传导件13的二维耦合对准。当然，其他实施例中，光电器件12还可以是光接收器件或光放大器，例如为光检测器(Photo Detector)，光信息通过传导件13传递给光电器件12以实现光信息的接收。限位槽121还可设于除正面120的边缘的其他位置，如设于正面120的中部。只要保证限位槽121和限位支撑柱112对准即可。第一电连接部123为多个，多个第一电连接部123间隔排列于正面120的中部或其他位置。
S140：将限位支撑柱112收容在限位槽121内，键合光电器件12和半导体基板11，以使光电器件12与传导件13耦合对准，即所述光电器件12的光路与所述传导件13的光路对准。
具体的，请参阅图14-图15，将限位槽121的槽底壁与与其对应的限位支撑柱112抵持，其中，限位支撑柱112包括依次连接的第一侧1121、第二侧1122、第三侧1123和第四侧1124，第一侧1121和第三侧1123在第二方向X上相对设置，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b背向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121侧壁靠近，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c靠近光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽121的侧壁靠近，换言之，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b的第三侧1123分别与其对应的限位槽121侧壁靠近，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c的第二侧1122分别与其对应的限位槽121侧壁靠近。第一电连接部123与第二电连接部116的焊接柱1162错位相对。
本实施例中，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b背向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121侧壁的距离为第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b朝向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121侧壁的距离的1/2倍，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c靠近光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽121的侧壁的距离是第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c远离光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽121的侧壁的距离的1/2倍，以便于在后续第一电连接部123与第二电连接部116键合时，将所述光电器件12朝向传导件13和远离光电器件12的光轴122的方向拉扯，以使第一电连接部123与第二电连接部116对准。当然，在其他实施例中，限位支撑柱112和限位槽121之间的对准误差可根据键合过程中的位移以及限位支撑柱112和限位槽121的初始位置等因素设置，以保证通过键合步骤后光电器件12的光轴122和传导件13的光轴131对准即可。
请参阅图16，然后加热半导体基板11，以使焊接柱1162融化，焊接柱1162与第一电连接部123通过焊接柱1162的镕金张力实现对准固定，以使光电器件12与传导件13对准。其中，焊接柱1162和第一电连接部123对准时，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b朝向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121的侧壁抵持，也就是说，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b的第一侧1121分别与其对应的限位槽121的侧壁抵持，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b的第三侧1123分别与其对应的限位槽121的侧壁形成第一空隙a，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c远离光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽121的侧壁抵持，也就是说，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c的第四侧1124分别与其对应的限位槽121的侧壁抵持，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c的第二侧1122分别与其对应的限位槽121的侧壁形成第二空隙b。安装面111与光电器件12的光轴122的距离等于安装面111与传导件13的光轴131的距离，光电器件12的光轴122即为光电器件12的光路的光轴122，传导件13的131光轴即为传导件13的光路的光轴131，从而保证光电器件12的光轴122和传导件13的光轴131在垂直方向上对准，保证了光电器件12和半导体基板11在垂直方向上的耦合对准精度。当然，在其他实施例中，第二电连接部116与第一连接部123连接的部分不是焊接柱，直接将限位槽121与其对应的限位支撑柱112对准，然后将第二电连接部与第一电连接部123通过其他方式连接，例如胶粘或机械卡紧等方式。
由于一开始很难将限位支撑柱112和其对应的限位槽121对准，且光电器件12还会在后续高温焊接的作用下，发生拉扯，在限位支撑柱112和其对应的限位槽121之间的空隙中产生很小的位移，这也会在一定情况下影响光电器件12和传导件13的对准精度。鉴于此，本实施例的制备方法通过先将限位支撑柱112收容在限位槽121内，其中第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b背向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121侧壁靠近，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c靠近光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽121的侧壁靠近，也就是说，第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b朝向传导件13的一侧分别与其对应的限位槽121侧壁间隔一定空隙，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c远离光电器件12的光轴122一侧分别与其对应的限位槽121的侧壁间隔一定空隙，以为后续部分融化的焊接柱1162与第一电连接部123发生拉扯作用提供位移空间，以使光电器件12和半导体基板11在键合过程中通过镕金的拉扯在一定范围移动以实现自动对准。同时，通过第一限位支撑柱112a和第二限位支撑柱112b的第一侧1121分别与其对应的限位槽121的侧壁抵持，第二限位支撑柱112b和第三限位支撑柱112c的第四侧1124分别与其对应的限位槽121的侧壁抵持，通过接触限位达到限位所述光电器件12的作用，避免光电器件12在键合工艺中产生过大的位移偏差，保证了光电器件12和传导件13的耦合对准。
第一空隙a和第二空隙b用于在光电器件12与半导体基板11键合时提供一定位移空间以使光电器件12和半导体基板11在键合过程中通过镕金的拉扯在一定范围移动以实现自动对准。第一空隙a和第二空隙b还便于限制支撑柱112收容在限位槽121内时伸入限位槽121中，以实现对所述光电器件12的限位。本实施例中，第一空隙a的宽度与光电器件12的第一电连接部123在第二方向X的宽度相关，第二空隙b的宽度与光电器件12的第一电连接部123在第一方向Y的宽度相关。具体的，第一空隙a的宽度小于第一电连接部123在第二方向X的宽度，第二空隙b的宽度小于第一电连接部123在第一方向Y的宽度，从而使得光电器件12和半导体基板11在镕金的作用力的情况下不会过度移位，保证了光电器件12和半导体基板11的耦合对准精度。当然，在其他实施例中，第一空隙a的宽度和第二空隙b的宽度可根据不用光电器件12的对准误差范围来确定。
在限位支撑柱112收容在其对应的限位槽121内时，平衡支撑柱115收容在平衡槽124内。平衡支撑柱115用于与三个限位支撑柱112配合以使光电器件12在水平方向上保持平衡。
当然，在其他实施例中，当光电器件12为光发射器时，还可以在半导体基板11上形成光电探测器，光电探测器设于半导体基板11上并与光电器件12相对设置，光电探测器用于检测光电器件12的出光功率，进而便于对光电器件12的出光功率进行调控。当光电器件12为半导体光放大器，还可以在安装面111上形成波导器件，其与传导件13分别位于光电器件12的相对两侧，所述波导器件用于实现与所述光电器件12之间的光信息传递。也就是说，本实施例具有两个波导器件，光从波导器件传递到光电器件12，经过光电器件12转换后通过传导件13传导出其他模块，或者光从传导件13递到光电器件12，经过光电器件12转换后通过波导器件导出其他模块，以实现对光信息的转换。
本申请实施例提供的半导体器件10的制备方法通过在半导体基板11上形成至少三个限位支撑柱112，在光电器件12上形成与限位支撑柱112一一对应的限位槽121，然后将半导体基板11上的限位支撑柱112收容在光电器件12的限位槽121内，键合光电器件12和半导体基板11，以使光电器件12与传导件13耦合对准。本申请中的其中至少三个限位支撑柱112围设形成至少一个三角形区域，也即，至少有三个限位支撑柱112围设形成一个平面，进而当限位支撑柱112收容在其对应的光电器件12的限位槽121内时，能通过与所述限位槽121的内壁接触限位光电器件12在平面上的位移，也就是能二维限位光电器件12，同时，限位支撑柱112的本身的高度用于限位光电器件12在垂直方向的位置，起到三维限制光电器件12的位置，以大大提高光电器件12与传导件13的耦合精度，进而有效降低半导体器件10的插损，免除键合工艺受到高成本倒装键合设备的限制。
以上，仅为本申请的部分实施例和实施方式，本申请的保护范围不局限于此，任何熟知本领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种半导体器件，其特征在于，包括半导体基板及设于所述半导体基板上的光电器件和传导件，所述光电器件和所述传导件耦合对准，所述半导体基板的安装面设有至少三个限位支撑柱，其中所述至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域，所述光电器件包括与所述限位支撑柱一一对应的限位槽，所述限位支撑柱远离所述安装面的端部收容在所述限位槽内，通过与所述限位槽的内壁接触以支撑及限位所述光电器件；所述光电器件包括第一电连接部，所述限位槽位于所述第一电连接部的外围，所述安装面设有与所述第一电连接部对应的第二电连接部，所述第一电连接部和所述第二电连接部电连接。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述安装面包括相互垂直的第一方向和第二方向，所述第二方向与所述光电器件的光轴平行，所述限位支撑柱包括第一限位支撑柱、第二限位支撑柱和第三限位支撑柱，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱在所述第一方向间隔设置，用于在所述第一方向上限位所述光电器件，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱在所述第二方向间隔设置，用于在所述第二方向上限位所述光电器件。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱相对设置于所述光电器件的光轴的两侧，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱背向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽形成第一空隙，朝向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽接触，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱靠近所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽形成第二空隙，远离所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽接触。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体基板包括承载面，所述传导件的端部设于所述承载面上，所述承载面与所述限位支撑柱远离所述安装面的端面平齐，所述限位支撑柱与所述光电器件的光轴的距离等于所述承载面与所述传导件的光轴的距离。
5.根据权利要求4所述的半导体器件，其特征在于，所述安装面设有平衡支撑柱，所述光电器件包括与所述平衡支撑柱对应的平衡槽，所述平衡支撑柱远离所述安装面的端部位于所述平衡槽内，所述平衡支撑柱用于与所述限位支撑柱配合维持所述光电器件的平衡。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述第二电连接部包括导电层和与所述导电层连接的焊接柱，所述导电层设于所述安装面上，所述焊接柱与所述第一电连接部连接。
7.根据权利要求1-5任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还包括光电探测器，所述光电探测器设于所述半导体基板上，用于检测所述光电器件的出光功率。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件还包括波导器件，所述波导器件设于所述半导体基板上，并与所述传导件分别位于所述光电器件的相对两侧，所述波导器件用于实现与所述光电器件之间的光信息传递。
9.一种通信设备，其特征在于，所述通信设备包括权利要求1-8任一项所述的半导体器件。
10.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供半导体基板，其中，所述半导体基板上形成有传导件，其中，所述传导件部分形成于所述半导体基板的主体部分上，部分形成于设于所述主体部分的凸块上；
在所述半导体基板上形成至少三个限位支撑柱，其中，所述至少三个限位支撑柱围设形成至少一个三角形区域，形成所述限位支撑柱的具体工艺为蚀刻所述凸块形成凹槽和位于所述凹槽中的所述限位支撑柱；
在光电器件上形成与所述限位支撑柱一一对应的限位槽；
将所述限位支撑收容在所述限位槽内，键合所述光电器件和所述半导体基板，以使所述光电器件与所述传导件耦合对准。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，形成所述至少三个限位支撑柱具体包括在第一方向上形成间隔的第一限位支撑柱和第二限位支撑柱，在与所述第一方向垂直的第二方向上形成与所述第二限位支撑柱在所述第二方向上共线的第三限位支撑柱。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在将所述限位支撑收容在所述限位槽内之前，在所述半导体基板上形成与所述光电器件的第一电连接部对应的第二电连接部；所述将所述限位支撑收容在所述限位槽内，键合所述光电器件和所述半导体基板具体包括：
将所述限位槽的槽底壁与与其对应的所述限位支撑柱抵持，其中，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱背向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽侧壁靠近，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱靠近所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁靠近，所述第一电连接部与所述第二电连接部的焊接柱错位相对；
加热所述半导体基板，以使所述焊接柱融化，所述焊接柱与所述第一电连接部通过所述焊接柱的镕金张力实现对准固定，以使所述光电器件与所述传导件对准；其中，所述焊接柱和所述第一电连接部对准时，所述第一限位支撑柱和所述第二限位支撑柱朝向所述传导件的一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁抵持，所述第二限位支撑柱和所述第三限位支撑柱远离所述光电器件的光轴一侧分别与其对应的所述限位槽的侧壁抵持。
13.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，在形成所述限位支撑柱的同时在所述半导体基板上形成平衡支撑柱；在形成所述限位槽的同时，在所述光电器件上形成与所述平衡支撑柱对应的平衡槽，在所述限位支撑柱收容在其对应的所述限位槽内时，所述平衡支撑柱收容在所述平衡槽内。
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