CN114660721A - 硅基光电子芯片端面耦合封装结构及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于光波导和单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法。所述封装结构包括所述硅基光电子芯片的封装侧壁和位于埋氧层的波导端面倒锥结构，所述封装侧壁包括倾斜耦合端面和与其连接的台阶型侧壁，所述台阶型侧壁位于所述倾斜耦合端面的向下延伸面下方，所述台阶型侧壁包括依次相连的上垂直侧壁面、台阶平面和下垂直侧壁面，所述波导端面倒锥结构通过倾斜耦合端面与单模光纤实现端面耦合。这样可以在无需对下方台阶进行端面磨抛的情况下使用带有斜面封装头的单模光纤无阻挡的靠近波导端面倒锥结构的封装面实现高效率的耦合封装。
Description
技术领域
本发明涉及光纤与硅基光电子芯片封装技术领域，更为具体来说，本发明涉及单模光纤与硅基光电子芯片封装结构及其形成方法。
背景技术
近年来，硅基光电子学得到长足的发展，这是因为硅基集成光器件的制作工艺与微电子工艺完全兼容，且硅基光电子芯片中传输的载波光波又是频率极高、能够为信号的传输提供极大带宽的电磁波。但是，由于硅基光电子芯片端面波导中光场的模斑直径约为0.3μm，一般使用波导端面倒锥结构来实现模斑的放大以匹配单模光纤中的模场，模场放大结构需要精确（微米级别）控制倒锥尖端到芯片端面的距离，常规使用刻蚀工艺可以完成该项指标，但是刻蚀经并经过划片后会形成台阶，会阻挡该结构与外部耦合，特别是和阵列光纤面的耦合。通常会采用端面磨抛工艺来消除端面台阶，目前的磨抛工艺精度较低，这是限制硅基光电子芯片端面封装的最大瓶颈。
因此，如何能够有效解决阵列光纤与硅基光电子芯片端面封装的难题，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为了解决阵列光纤与硅基光电子芯片端面的现有耦合封装方法存在的损耗过大成品率低等问题，本发明创新提供了基于晶圆刻蚀工艺的硅光芯片端面免磨抛封装结构，通过设计刻蚀工艺步骤，制备特殊结构的刻蚀面结构，能够使光纤阵列与硅基光电子芯片端面倒锥结构进行有效匹配，避免了成品率较低的端面磨抛工艺步骤，而且本发明还具有耦合反射低且易于封装并可在晶圆级进行大规模制备等优点，在半导体封装领域有着广泛的工程化应用前景。
本发明涉及用于光波导与光纤耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法，更为具体来说，本发明涉及用于光波导与单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法。
本发明的一个实施例涉及用于光波导与单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构，其特征在于：该结构包括位于埋氧层上表面的波导端面倒锥结构和所述硅基光电子芯片的封装侧壁，所述封装侧壁包括倾斜耦合端面和与其相连的下方台阶型侧壁，所述台阶型侧壁包括自上而下依次相连的上垂直侧壁面、台阶平面和下垂直侧壁面，所述波导端面倒锥结构通过所述倾斜耦合端面与单模光纤实现端面耦合，所述台阶型侧壁位于所述倾斜耦合端面的向下延伸面下方。
本发明的另一个实施例涉及一种硅基光电子芯片封装结构的形成方法，其特征在于，包括：提供埋氧层制备有波导端面倒锥结构的晶圆；利用硅衬底作为第一刻蚀停止层对埋氧层和上包层进行第一刻蚀以形成倾斜耦合端面；对硅衬底进行第二刻蚀以形成上垂直侧壁面和第二刻蚀停止面；在第二刻蚀停止面上选定的划片位置对晶圆划片形成台阶平面和下垂直侧壁面，其中，所述划片位置位于倾斜耦合端面的向下延伸面与第二刻蚀停止面交线以内。
与现有技术相比，本发明利用斜面刻蚀工艺和深硅刻蚀工艺相结合的方法提高了划片冗余度，在后续的端面倒锥封装面与斜面阵列光纤头的封装过程中，减少了芯片端面磨抛工艺步骤，以彻底解决现有的对硅光芯片端面倒锥结构进行封装必须要进行高精度的磨抛的问题，本发明在晶圆流片阶段实现波导端面倒锥免磨抛封装结构的制备，具有大规模生产、较低的耦合反射、耦合效率高以及易于封装等突出优点，具有广泛的工程应用前景。
通过参考以下描述并附图，本发明的所述及其他优点和特征将得以明确。此外，应当理解，本公开描述的各种实施例的特征不是互相排斥的，并且可以以各种组合和排列存在。
附图说明
在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记通常指代相同的部分。 另外，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明各个实施例的原理上。 在以下描述中，参考以下内容描述了本公开的各个实施例，其中：
图1为晶圆划片道俯视图及其局部放大透视图；
图2a-2b为波导端面倒锥结构放大图；
图3a为晶圆划片道横截面视图，图3b为硅基光电子芯片封装结构横截面视图；
图4为刻蚀步骤示意图；
图5为封装结构通过倾斜耦合端面与阵列光纤封装头封装透视图。
附图标记：波导端面倒锥结构-1，倾斜耦合端面-2，深刻蚀沟槽-3，上垂直侧壁面-4，台阶平面-5，下垂直侧壁面-6，硅光芯片端面免磨抛封装结构-7，斜面阵列光纤封装头-8。
具体实施例
实施例涉及一种用于光波导与单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法，具体地，涉及一种光波导与阵列光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法。所述硅基光电子芯片具有形成于埋氧层上表面的波导端面倒锥结构。在一个实施例中，所述封装结构具有倾斜耦合端面以与单模光纤实现端面耦合。在一个实施例中，所述波导端面倒锥结构通过等离子体刻蚀形成。进一步地，所述封装结构还包括位于倾斜耦合端面下方且与其相连的台阶型侧壁。所述台阶型侧壁位于倾斜耦合端面的向下延伸面下方。在一个实施例中，所述台阶型侧壁通过深硅刻蚀后在选定的划片位置进行晶圆划片形成。所述深硅刻蚀形成上垂直侧壁面和深硅刻蚀停止面。所述选定的划片位置位于倾斜耦合端面的向下延伸面与所述深硅刻蚀停止面交线以内。在一个实施例中，所述深硅刻蚀为Bosch刻蚀。
参照图1，示出了半导体晶圆的俯视图和局部放大图。所述半导体晶圆为其上形成有光波导的硅基晶圆。例如，所述硅基晶圆为绝缘衬底上的薄膜硅（silicon-on-insulator，SOI），例如Si/SiO2/Si结构。也可以采用其他类型的SOI晶圆。所述硅基晶圆通过在硅衬底上沿制备若干光电子器件形成。所述光电子器件具有光波导，用于与光纤实现耦合。例如，光波导为在SOI晶圆上对硅材料进行刻蚀形成特定厚度和宽度的可稳定传输光场的结构。例如，所述光波导具有波导端面以与光纤实现端面耦合。在一个实施例中，所述光电子器件还具有波导端面倒锥结构以与单模光纤实现模场匹配。所述波导端面倒锥结构，例如，在传输硅波导与端面出射端之间制备宽度逐渐收窄的结构形成倒锥样波导结构。所述波导端面倒锥结构通过硅基光电子芯片封装结构的侧壁与单模光纤实现端面耦合。在一个实施例中，所述波导端面倒锥结构通过倾斜耦合端面与单模光纤实现端面耦合。所述单模光纤，例如为多通道的阵列光纤。使用单通道的单模光纤也可以。
在一个实施例中，硅基光电子芯片封装结构通过在所述硅基晶圆上沿分割线制备划片道后划片形成。所述划片道的轮廓由相邻的硅基光电子芯片封装结构的部分侧壁形成。例如，相邻的第一硅基光电子芯片封装结构的第一部分侧壁和第二硅基光电子芯片封装结构的第二部分侧壁形成所述划片道。在一个实施例中，所述相邻的第一和第二硅基光电子芯片封装结构具有对称结构。所述对称结构指所述第一和第二硅基光电子芯片封装结构分别具有的第一和第二波导端面倒锥结构和相应的第一和第二倾斜耦合端面呈对称结构。此时，如图1的局部放大透视图所示，所述划片道包括第一部分沟槽和下方的第二部分沟槽。所述第一部分沟槽轮廓呈倒置梯形，所述第二部分沟槽呈垂直轮廓。所述第一部分沟槽轮廓由相邻硅基光电子芯片封装结构的倾斜耦合端面形成，所述第二部分沟槽轮廓由相邻硅基光电子芯片封装结构的部分垂直侧壁形成。所述第一部分沟槽，例如由相邻的关于竖直方向对称的第一倾斜耦合端面和第二倾斜耦合端面形成。所述第一倾斜耦合端面可以指第一硅基光电子芯片封装结构的倾斜耦合端面，所述第二倾斜耦合端面可以指第二硅基光电子芯片封装结构的倾斜耦合端面。所述第二部分沟槽，例如，由相邻的关于竖直方向对称的第一部分垂直侧壁和第二部分垂直侧壁形成。所述第一部分垂直侧壁可以指第一硅基光电子芯片封装结构的部分垂直侧壁，所述第二部分垂直侧壁可以指第二硅基光电子芯片封装结构的部分垂直侧壁。也可以设置非对称结构的相邻的硅基光电子芯片封装结构的部分侧壁形成所述划片道。例如，划片道两侧相邻的倾斜耦合端面可不呈对称结构。
在一个实施例中，所述第一部分沟槽利用硅衬底作为刻蚀停止层通过第一刻蚀形成。具体地，通过所述第一刻蚀形成所述倾斜耦合端面和第一刻蚀停止面。在一个实施例中，所述第一刻蚀为等离子体刻蚀。优选地，所述等离子体刻蚀为低功率高密度等离子体刻蚀，用于实现较大斜面的刻蚀。也可采用其他类型的第一刻蚀。其后，通过第二刻蚀对硅衬底进行刻蚀形成所述第二部分沟槽。具体地，所述第二刻蚀形成所述部分垂直侧壁和第二刻蚀停止面。在一个实施例中，所述第二刻蚀为深硅刻蚀。例如，所述深硅刻蚀为Bosch刻蚀。也可以采用其他类型的深硅刻蚀。
如图2a-2b所示，在一个实施例中，所述光电子芯片具有波导端面倒锥结构1。所述波导端面倒锥结构1与图1局部放大透视图中所示的波导端面倒锥结构相同。相同元素不再描述或详细描述。所述波导端面倒锥结构用于实现模斑放大以匹配单模光纤中的模场。所述波导端面倒锥结构具有第一端面和第二端面。例如，所述第一端面可以指倒锥结构尖端的端面，所述第二端面可以指与光波导耦合的端面。例如，如图2a所示，所述波导端面倒锥结构具有第一端面直径W1和第二端面直径W2。所述第一端面和第二端面之间具有距离L0，所述距离L0为波导端面倒锥结构的长度。
进一步地，所述波导端面倒锥结构的第二端面与所述硅基光电子芯片倾斜耦合端面具有距离L1。所述距离L0+L1用于光波导的模斑放大，实现模场匹配。设计特定参数的波导结构可以使得特定波长的光场在波导内稳定传输。通过设计宽度逐渐收窄的波导（即倒锥结构波导），可以使得原波导中的光场泄露到波导以外，实现光场模斑的扩大。设计L0和L1的长度可得到理想情况下的不同模斑大小,最后实现硅光芯片端面与外部光纤的模斑匹配。因此，需要精确控制倒锥结构的第二端面到硅基光电子芯片端面的距离。在一个实施例中，所述倒锥结构的第二端面到硅基光电子芯片端面的距离为所述倒锥结构第二端面上的最低点到硅基光电子芯片斜面刻蚀端面的水平连线的长度。此时，所述距离L1优选为2μm。将所述距离设置为其他连线的长度也可以。此时，所述距离的优选长度也将随连线的选取而发生变化。
在图3a-b中示出了硅基光电子芯片端面耦合封装结构的横截面视图。所述硅基光电子芯片封装结构图1所示晶圆划片道的放大透视图中所示结构相似。相同元素将不再描述或相似描述。图1中的晶圆划片道包括第一部分沟槽和下方的第二部分沟槽。所述第一部分沟槽的轮廓由相邻的倾斜耦合端面形成，所述第二部分沟槽的轮廓由相邻的部分垂直侧壁面形成。在一个实施例中，所述第一部分沟槽利用硅衬底作为刻蚀停止层通过第一刻蚀形成，其后，通过第二刻蚀对硅衬底进行刻蚀形成所述第二部分沟槽。
如图3b，其示出了对所述划片道完成划片后形成的第一硅基光电子芯片封装结构和第二硅基光电子芯片封装结构。在一个实施例中，所述第一硅基光电子芯片封装结构通过在所述划片道的第一划片位置划片形成，所述第二硅基光电子芯片封装结构通过在所述划片道的第二划片位置划片形成。例如，先在第一划片位置划片形成第一硅基光电子芯片封装结构，而后在第二划片位置划片形成第二硅基光电子芯片封装结构。也可以先在第二划片位置划片，而后在第一位置划片。优选地，所述第一划片位置和第二划片位置为同一划片位置。在这种情况下，所述第一硅基光电子芯片封装结构和所述第二硅基光电子芯片封装结构通过在所述划片道的所述同一划片位置进行划片后即可同时形成。
如前所述，所述第一和第二硅基光电子芯片封装结构分别包括第一和第二波导端面倒锥结构，用于实现光波导与单模光纤的模场匹配。进一步地，所述第一和第二硅基光电子芯片封装结构分别包括第一和第二倾斜耦合端面，用于与单模光纤实现端面耦合。例如，所述单模光纤为阵列光纤。所述单模光纤也可设置为单通道的单模光纤。
在一个实施例中，所述第一硅基光电子芯片封装结构具有第一封装侧壁。所述第一封装侧壁呈阶梯型轮廓。所述第一封装侧壁包括第一倾斜耦合端面和与其相连的第一台阶型侧壁。所述第一台阶型侧壁位于第一倾斜耦合端面下方。所述第一台阶型侧壁包括自上而下依次相连的第一上垂直侧壁面，第一台阶平面和第一下垂直侧壁面。
所述第一倾斜耦合端面，在一个实施例中，利用硅衬底作为刻蚀停止层对埋氧层进行第一刻蚀形成。所述埋氧层包括上表面和下表面。所述第一倾斜耦合端面包括上边缘和下边缘。所述第一倾斜耦合端面的上、下边缘分别位于上包层的上表面和埋氧层的下表面。所述第一倾斜耦合端面与竖直方向呈大小为Ɵ的夹角。所述夹角Ɵ与埋氧层和上包层厚度h1、上垂直侧壁面高度h2、台阶平面与倾斜刻蚀面延长线交线距离L2有关。例如，所述夹角Ɵ与埋氧层和上包层厚度h1、上垂直侧壁面高度h2及台阶平面与倾斜刻蚀面延长线交线距离L2存在函数关系tgƟ = （h1*tgƟ+L2）/（h1+h2）。所述夹角Ɵ也可采用其他参数表示。优选地，所述夹角Ɵ为7到13度。也可设置其他合适的角度。
所述第一台阶型侧壁，在一个实施例中，对硅衬底进行第二刻蚀，而后晶圆划片形成。例如，经过第二刻蚀后形成具有高度h2的第一上垂直侧壁面，而后，在选定的第一划片位置处经过划片后形成具有第一宽度L2的第一台阶平面。所述第一划片位置为距离上垂直侧壁面L2处。在一个实施例中，所述第一台阶平面的第一宽度L2设置为L2 < h2*tgƟ。相应地，所述第一划片位置对应地设置在距离第一上垂直侧壁面L2 < h2*tgƟ处。此时，所述第一台阶型侧壁处在所述第一倾斜耦合端面的向下延伸面下方。相应地，所述第一划片位置处于所述第一倾斜耦合端面的向下延伸面与刻蚀停止面的交线以内。
如图3b，在划片道一侧形成所述具有第一宽度L2的第一台阶平面的同时，另一侧还形成具有第二宽度L3的第二台阶平面。所述第二台阶平面指所述第二硅基光电子芯片封装结构的封装侧壁的台阶平面。如前所述，为了提高划片效率，所述第一划片位置和所述第二划片位置优选为同一划片位置。此时，第二部分沟槽的总宽度为第一宽度和第二宽度之和L2+L3。在一个实施例中，所述第二硅基光电子芯片封装结构具有与所述第一硅基光电子芯片封装结构对称的结构。此时，所述第二宽度L3大小与第一宽度L2相同。则所述第二部分沟槽的总宽度为L2+L3=2*L2。例如，为了形成宽度 < h2*tgƟ的第一和第二台阶平面，所述第二部分沟槽可设置为具有总宽度<2*h2*tgƟ。所述第二硅基光电子芯片封装结构也可具有与所述第一硅基光电子芯片封装结构不对称的结构，例如，第二宽度L3与第一宽度L2可为大小不同的取值。
图4示出了形成图3b中第一和第二硅基光电子芯片封装结构过程的一个实施例。在该实施例中，所述硅基光电子芯片封装结构主要通过斜面刻蚀工艺结合深硅刻蚀工艺形成。具体参照图4，在执行斜面刻蚀工艺前，例如，在埋氧层上方形成开窗的光阻层。所述开窗的光阻层的形成过程为先在埋氧层上方旋涂光刻胶形成光阻层，而后采用掩模版对光阻层进行曝光显影形成窗口。所述窗口，例如，沿晶圆表面预先形成的划片道轮廓形成。而后，利用硅衬底作为刻蚀停止层采用斜面刻蚀工艺对埋氧层进行第一刻蚀以形成倾斜耦合端面。在一个实施例中，所述斜面刻蚀工艺为等离子体刻蚀工艺。所述等离子体刻蚀优选低功率高密度等离子体刻蚀，以实现较大斜面的刻蚀。也可使用其他可形成倾斜耦合端面的合适的刻蚀工艺。在形成倾斜耦合端面后，对硅衬底进行第二刻蚀。例如，所述第二刻蚀为深硅刻蚀。在一个实施例中，所述深硅刻蚀为Bosch刻蚀。通过Bosch刻蚀对硅衬底反复进行刻蚀钝化后形成第二部分沟槽。例如，刻蚀气体可为SF6，钝化气体可为C4F8。也可采用其他合适的刻蚀气体和钝化气体形成第二部分沟槽。而后，在确定的划片位置处对晶圆进行划片以分割晶圆并形成下垂直侧壁，从而形成台阶型侧壁。在一个实施例中，所述确定的划片位置为单一划片位置。此时，经过一次划片即可形成两个台阶型侧壁。所述划片，例如，可采用划片刀进行机械切割实现。也可采用其他划片方法，例如激光切割。晶圆分割后，去除光阻层以形成图3b所示的所述第一和第二硅基光电子芯片封装结构。也可以深硅刻蚀后先去除光阻层而后进行晶圆分割，从而形成图3b所示的第一和第二硅基光电子芯片封装结构。所述光阻层的去除，例如，可采用湿法去除。所述湿法去除可采用有机溶剂或无机溶剂执行去除过程。也可采用其他合适的方法，例如等离子体等干法去除，去除光阻层。
通常，在采用Bosch刻蚀完成深硅刻蚀后，由于刻蚀过程中存在波纹效应，深硅刻蚀垂直侧壁面存在刻蚀痕迹。可选地，可进行化学湿法抛光腐蚀以去除刻蚀痕迹。例如，将刻蚀样品放入KOH+IPA混合腐蚀液中短暂时间。也可采用其他合适的方法去除刻蚀痕迹。去除刻蚀痕迹的过程可选择在深硅刻蚀后或划片后进行。如前所述，所述硅基光电子芯片的波导端面倒锥结构通过硅基光电子芯片封装结构的倾斜耦合端面与单模光纤进行端面耦合。因此，也可不执行去除刻蚀痕迹的过程。
图5示出了硅基光电子芯片封装结构与单模光纤端面耦合的示意图。所述硅基光电子芯片封装结构与图1-4中所示相同。共同元素将不再描述或详细描述。所述硅基光电子芯片的波导端面倒锥结构通过倾斜耦合端面与单模光纤进行端面耦合，参照图5。在一个实施例中，所述单模光纤为阵列光纤。所述阵列光纤封装在斜面封装头中。也可以采用单通道的单模光纤。所述倾斜耦合端面与所述斜面封装头之间，例如利用固化胶通过粘接实现端面耦合。优选地，所述固化胶选择为折射率与光波导相匹配，以有效降低反射。所述倾斜耦合端面与所述斜面封装头之间也可采用其他合适的方法实现端面耦合。端面耦合后，所述倾斜耦合端面与所述斜面封装头可紧密贴合，且所述斜面封装头不与所述台阶型侧壁产生干涉。
在不脱离本公开的精神或实质特点的情况下，本公开可以其他具体形式实施。因此，前述实施例应考虑为示例性的，而不是限制所描述的发明。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是前述说明书指示，并且所有等同权利要求的含义和范围之内的改变旨在包含于本文中。
Claims (14)
1.一种用于光波导和单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构，其特征在于：该结构包括所述硅基光电子芯片的封装侧壁和位于埋氧层上表面的波导端面倒锥结构，所述封装侧壁包括倾斜耦合端面和与其相连的台阶型侧壁，所述台阶型侧壁位于所述倾斜耦合端面的向下延伸面下方，所述台阶型侧壁包括自上而下依次相连的上垂直侧壁面、台阶平面和下垂直侧壁面，所述波导端面倒锥结构通过所述倾斜耦合端面与单模光纤实现端面耦合。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：所述倾斜耦合端面的上、下边缘分别位于上包层的上表面和埋氧层的下表面。
3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：所述倾斜耦合端面与波导端面倒锥结构具有距离L1，所述距离L1用于实现光波导和单模光纤的模场匹配。
4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于：所述倾斜耦合端面与竖直方向具有夹角，所述夹角优选为7至13度。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的封装结构，其特征在于：所述单模光纤封装在斜面封装头内。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的封装结构，其特征在于：所述单模光纤为阵列光纤。
7.用于光波导和单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供埋氧层上表面制备有波导端面倒锥结构的晶圆；
利用硅衬底作为第一刻蚀停止层对埋氧层和上包层进行第一刻蚀形成倾斜耦合端面，其中，所述波导端面倒锥结构通过倾斜耦合端面与单模光纤实现端面耦合；
对硅衬底进行第二刻蚀形成上垂直侧壁面和第二刻蚀停止面；
在第二刻蚀停止面上选定的划片位置对晶圆划片形成台阶平面和下垂直侧壁面，其中，所述划片位置位于倾斜耦合端面的向下延伸面与第二刻蚀停止面交线以内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第一刻蚀控制所述波导端面倒锥结构与所述倾斜耦合端面的距离，以实现单模光纤与光波导的模场匹配。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第一刻蚀为等离子体刻蚀。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第二刻蚀为深硅刻蚀。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述深硅刻蚀为Bosch刻蚀。
12.根据权利要求7-11中任一项所述的方法，其特征在于：所述单模光纤封装在斜面封装头内。
13.根据权利要求12中所述的方法，其特征在于：所述倾斜耦合端面与斜面封装头之间通过折射率与光波导相匹配的固化胶粘接实现耦合。
14.根据权利要求7-11中任一项所述的方法，其特征在于：所述单模光纤为阵列光纤。
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