CN1215480A - 至少一个光电元件与波导的混合集成工艺及集成光电器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在基片(13)上提供至少一个光电元件(9)和波导(14)的混合集成工艺,在此工艺中一个或多个光电元件提供于连接片(6)上而连接片(6)安放于基片(13)上并前移至与连接片(6)的形状完全或大部分互补的波导(14)的边缘以及当连接片(6)紧靠波导的边缘时它在基片(13)平面内只有一个自由度。本工艺提供了制造光电集成器件的容易的方法。

Description

至少一个光电元件与波导的混合 集成工艺及集成光电器件

本发明涉及在基片上混合集成至少一个光电元件与波导的工艺。

此工艺由EP0617303A1已知。该专利说明书描述了怎样从由基片、底偏转层、芯层及顶偏转层构成的平面波导上去除材料。在由此产生的空腔中安置借助于被称为外延剥离的工艺获得的半导体元件。

此工艺可用于使诸如发光二极管，激光二极管，VCSEL(垂直腔表面发射激光二极管)等半导体元件以及探测器加入包含聚合物或玻璃(光在其中传输和被随意调制)的集成结构。这些集成结构在光通信(例如激光二极管发射光的外调制，互连网络路径选择，光放大，信号检测，波分复用等)，计算机(光底板)中的高速互联，光传感器等领域中有许多重要应用，并较由分立的非集成元件组成的光电结构更易于使用和处理。此结构的其它优点包括可能使单个光电器件中加入广泛的功能以及改进光耦合进入和离开波导的效率。

在EP0617303A1中借助于小心选择堆叠半导体元件的高度来获得半导体元件和波导结构的切向(即垂直于波导基片的方向，也称为Z方向)对准，而借助于在安置半导体元件以后才确定波导沟道来获得横向对准(即平行于波导边的方向)。借助于用于安置半导体元件的夹放设备的准确性来确定纵向对准(即垂直于其它二个方向的方向)。

仍需要使光电元件与波导结构更容易准确对准的方法。最好对在对准中不同加工步骤尽可能使用常规的因而是可靠的工艺。

本发明利用在开始段落中描述的工艺可达到此目的，在连接片上提供一个或多个光电元件，连接片安放在基片上并前移至波导的边缘，波导的形状和连接片的形状完全或大部分互补，而当连接片紧靠波导的边缘时在基片的平面中只有一个自由度。

当连接片安放在基片上时，在基片的平面中它有三个自由度(一个旋转和二个平移)。由于其互补，清晰的形状，当连接片紧靠波导时只能以单一方向移动，即直线离开波导。由于此互补，清晰的形状，连接片可容易地前移至波导的边缘占据其正确的预计位置。该形状允许无源(因而廉价和快速)对准。

而且，连接片使在选择为获得集成光电器件所需的各种加工步骤的次序时有较大的自由度。例如，连接片在与波导发生耦合前可在其上提供一个或多个光电元件。这样产生了易于前移紧靠波导并安装的预制组件。作为变通，可以在连接片前移紧靠波导边缘后在连接片上安装光电元件。

最好利用所谓的倒装片技术(为本工艺熟练人员所熟知)将光电元件安装在连接片上，因为该工艺能使芯片对连接片面对面地准确定位。倒装片工艺的例子是焊料突点倒装和Au-Au热压。当使用该工艺时，提供的连接片具有反射表面使之能将由波导发射的光信号耦合进入一个或多个光电元件(当光电元件为探测器)，或由光电元件发射的光信号耦合进入波导(当光电元件为光源)。

当利用上述工艺之一在连接片已紧靠波导边缘放置后将光电元件安放在连接片上时，最好选择具有良好热导的材料用于连接片。那样，为使光电元件与连接片之间连接的非常局部的加热能很快传遍整个连接片并在需要的时候转移至基片(基片即起热沉的作用)。这样避免了波导材料受热的影响。

当提供具有良好热导的材料时，由光电元件产生的任何热能很快地消散。

波导可以取平面状，最好为聚合物波导；作为变通，它可以由一排安放在基片的沟槽中的平行光纤(纤维条)组成。

平面波导通常由提供于基片上的一层或多层聚合物材料组成。波导可以是完全波导，此情况通常包括底偏转层，芯层(波导沟道限定于其中)和顶偏转层，但同样也可以是仅由底偏转层和芯层制成的不完全结构。

可以将聚合材料以聚合物溶液的形式提供于基片上，最好用旋转涂布随后蒸发溶剂的方法。根据聚合物的特性也可以采用已知的其它加工工艺对聚合物铸模，注入成模或浇铸。

合适的基片包括硅片或例如以增强或非增强环氧树脂为基础的合成层状材料。合适的基片是为本工艺熟练人员熟知的。基片对于执行本发明的工艺来说并不是主要的。

优选平面波导(在纤维条上方)，这是因为其边缘(至少在与连接片互补之处)可借助于去除波导材料容易地与互连片形成互补。在光纤上方的平面波导的进一步优点在于其延伸的方向，平面波导中的波导沟道与在其上提供波导的基片无关。与此相反，光纤通常固定在V形沟槽中，而几乎固定地由湿法化学腐蚀获得的该V形沟道的方向是由基片(一般为硅)的晶格指定的。

可利用例如制造集成电路所熟知的任何合适的腐蚀工艺去除波导材料(至少与连接片互补的所在处的材料)。在此情况下的已知工艺为例如利用有机溶剂或强碱的湿化学腐蚀工艺。然而，最好是诸如溅射刻蚀(非反应等离子刻蚀)，激光烧蚀，反应离子刻蚀(RIE)或反应等离子刻蚀等光刻刻蚀工艺。这些工艺为该领域熟练人员所熟知而无需在此进一步说明。作为变通，可以是借助于磨，削，铣或通过诸如氧化铝，氧化硅，特别是浮石等砂粒的轰击而提供的机械刻蚀。该领域熟练技术人员无需进行不必要的实验即可为涉及的聚合物选择适当的刻蚀剂。

特别有关的是借助于刻蚀去除聚合材料从而获得光滑的表面(小平面)。而且，被刻蚀的表面不呈现任何外来材料或粗糙度。

当采用非机械腐蚀工艺去除聚合物的希望除去的部分时应用掩模以覆盖聚合物避免与腐蚀剂接触的部分。这些掩模的主要先决条件为抗腐蚀剂，特别是抗来自集成电路工艺的熟知的腐蚀剂的作用。此掩模可由金属或合成材料制成；作为变通，可应用光敏树脂(光刻胶)并按所需图形相继对所述树脂曝光和显影而制成。

当采用平面波导时，尤其可依靠湿法化学腐蚀或干法刻蚀工艺去除部分平直的波导并将具有较低折射率的材料填充由此形成的空腔来提供波导沟道(由此形成周围由偏转材层材料包围的由芯层材料构成的沟道)。作为变通，可以采用辐照后可显影的光敏材料，例如负光刻胶，即为辐照后抗特殊溶剂(显影液)的材料。在此情况，显影液可用来去除未被辐照的材料。另一方面，对于正光刻胶的情况，由显影液去除被辐照的部分。

按照本发明，也可以不用腐蚀去除任何材料而制成在其中可提供波导图形的芯材料。例如，芯层材料是受热，光或紫外辐照而化学转变为具有不同折射率的材料。对于折射率增大的情况，处理过的材料可用作芯材料。采取使用掩模的方式来进行处理，掩模中的孔等同于所需的波导图形。另一方面，如果是折射率减小，处理过的材料适合于用作包覆材料。在此情况或许可使用其封闭部分等同于所需波导图形的掩模来进行处理。

可采用其芯层由辐照影响下可漂白的聚合物组成的平面波导。这是一种特殊类型的光或紫外敏感的芯层材料。可能由于化学重排反应，辐照(通常最好使用蓝光)使该材料折射率减小而基本不影响其余的物理和机械性能。最好提供具有覆盖所需沟道图形的掩模的平直波导，因此周围的芯层材料可具有利用辐照而被减小的折射率(“被漂白”)。从而波导沟道制作成所希望的那样，其所有侧面被具有较低折射率的材料所包围(顶部和底部偏转层及周围被漂白的芯层材料)。此可漂白的聚合物已在EP358476中描述过。

理论上，可以在连接片与波导连接之前也可以在连接片与波导连接之后确定沟道。然而在实际应用中，在连接片与波导连接之前最容易确定沟道。

各波导沟道(在平面波导或光纤中)的端面最好与所述波导沟道的光轴成一角度。这就显著降低了待要耦合输入或输出的信号的背反射。此背反射对例如反复终止于激光二极管的“激光腔”中的信号有十分有害的作用。发现当角度大于8°时背反射的降低特别显著。

当使用平面波导时，倾斜角与连接至连接片的波导边缘的形状可用光刻同时确定。在此情况下单一的掩模满足了双方的目的。

一种为使其适用于本发明工艺的十分有效的连接片成形方法是在其中腐蚀矩形孔。当连接片由单晶制成时，将形成具有三个倾斜边缘的孔。如果愿意，在光电元件提供于连接片上的实施例中这些边缘中之一可以作为上述的反射表面。

由此获得的反射表面的一个附加优点是它扩展了连接片的整个高度。这意味着无需横向或Z方向对准。

借助于在晶片中腐蚀正方形或矩形孔并解理晶片可以从单一晶片同时制备多个连接片。此工艺将在举例中详述。

本发明还涉及借助于以上描述的另外的工艺可获得集成光电器件。一个或多个光电元件最好安装在连接片顶部，而连接片包含能将来自一个或多个光电元件的光信号耦合进入波导和将来自波导的光信号耦合进入光电元件的镜面。

由于采用了镜面，本发明不限于横向探测或发射的元件，而且也允许用于表面探测(发射)的探测器(和光源)。

当镜面与波导的基片的角度小于40°或大于50°时，在波导端面上或在光电元件表面上的背反射可降低或避免。

另外，本发明涉及由适用于本发明的连接片与安装于其上至少一个的光电元件组成的组件和涉及连接片本身。最好在连接片的下侧面上提供一个或多个沟槽(此实施例将在下面举例中详细讨论)。

还注意到EP420029A1公开了用于反射和聚焦由激光芯片发射的光的器件。光被耦合进入硅体内并从体内有角度的表面向聚焦器件的方向反射。没有对待要对准的硅体和激光芯片进行叙述。

而且，EP607524描述了由具有其中放置光纤的沟槽的硅体组成的器件。由光纤发射的光被耦合进入硅体内并从体内有角度的表面向接收器元件方向反射。该文件未描述光电元件与基片上的波导的集成。

关于这点，本发明优先考虑光在连接片上反射而不是耦合进入连接片的实施例。首先，这样的耦合进入导致附加的损失和反射。其次，在只是被限定的波长范围内，连接片材料(例如硅)是经常透明的。

本发明将参照示于图中的实施例在下面作进一步说明。不用说，本发明不限于所述例子。

图1示出其中已腐蚀出一些方形孔的硅片顶视图。

图2示出本发明集成光电器件剖面的侧视图。

图3示出其上已安装探测器阵列的连接片与平面波导集成的顶视图。

图4示出本发明实施例的透视图。

图5同样示出本发明实施例的透视图。

用PECVD(等离子体增强化学汽相淀积)方法在双面抛光Si片1(硅的晶体类型为(100))的两面覆盖SiNx层(厚度250nm)。在晶片1的一面提供金属(金)图形(电通路7；图3)。用电解淀积方法加厚金属图形，此后在所述金属图形上面覆盖第二层SiNx。接着，与孔2和线4和5相一致的地方去除(利用RIE)SiNx。将晶片1浸入热的KOH-IPA溶液，借助于腐蚀各向异性去除暴露的硅。一旦硅被去除达到足够的程度(从位置2完全消失)，晶片1从浴中取出并彻底冲洗。在电通路7要与其它元件连接的地点，利用RIE去除SiNx。

中央侧壁3(由于Si(100)晶体的特征与晶片1的底面成54.7°的角度)覆盖一层金以优化其反射特性(金是对于红外光的良好反射体)。

然后，利用熟练技术人员熟知的焊料突点(8)倒装片工艺将由8个探测器组成的探测器阵列9安装在连接片6上，而各探测器10电连接于通路7之一。通路7的其余端点可通过载带自动键合连接至其它元件。

最后，其中存在连接片6的晶片1沿着线4和5开裂以形成小的连接片个体。

制造连接片6的同时，在提供于基片13上由二个偏转层11和一个芯层12组成的平面波导结构中以熟知的方法实现大量波导沟道14。接着，利用RIE工艺去除平面波导的一部分使在波导边缘上提供与连接片6的形状互补的部分。各波导沟道14的端面被确定为与所述沟道的光轴成10°的角度。波导沟道14以微小的角度通过平面波导。由于所述10°的角度，光信号在出口处偏转极小。可以利用波导沟道本身以一个角度伸展来进行弥补。

然后，提供组件(带有阵列9的连接片6)于波导的基片13上，与波导平滑地吻合，用胶加以固定。

图5示出本发明器件的特殊实施例，其中在连接片15的下侧面上提供有沟槽16(例如通过切割或腐蚀)以便让波导沟道17通过。波导沟道17有分支18，它通到波导结构中的空腔19与连接片15的下侧面在沟槽16之间的区域相匹配。此外，波导结构有较大的腔20，使连接片15的下侧面的剩余部分吻合于其中。最好腔(19和20)的表面积略大于连接于15的下侧面的表面积，以便容易和快速地插入连接片。

行进经过波导沟道17之一的部分信号通过相应的分支18到达连接片15并反射至光电元件(未示出)。在此方法中，本发明的连接片可用于监控一个或多个波导的状态，因此快速地发现损坏并使损坏局域化。结果大大提高了光学元件或以此元件作为其一部分的光学网络的价值。这样的控制机制对于高级元件和网络(可能对于将来所有的网络)是十分理想的。

Claims (14)

1．在基片上提供至少一个光电元件和波导的混合集成工艺，其特征是在连接片上提供一个或多个光电元件，连接片安放在基片上并前移至波导的边缘，波导的形状和连接片的形状完全或大部分互补，当连接片紧靠波导的边缘时它在基片平面内只有一个自由度。

2．权利要求1的工艺，其特征是波导为平面波导。

3．权利要求2的工艺，其特征是波导的边缘，至少是与连接片互补的位置处是用光刻确定的。

4．权利要求2或3的工艺，其中波导配备有一个或多个波导沟道，其特征是每个这些沟道的端面被确定为与所述沟道的光轴成一个角度。

5．权利要求4的工艺，其特征是所述角度大于8°。

6．前述权利要求中任意一个的工艺，其特征是在波导紧靠连接片的侧面上腐蚀有孔。

7．前述权利要求中任意一个的工艺，其特征是连接片由单晶制成。

8．前述权利要求中任意一个的工艺，其特征是在连接片的下侧面上至少提供一个沟槽。

9．集成光电器件，可用前述权利要求中任意一个的工艺获得。

10．权利要求9的集成光电器件，其特征是光电元件安装在连接片顶部，连接片包含能将来自一个或多个光电元件的光信号耦合进入波导和将来自波导的光信号耦合进入光电元件的镜面。

11．权利要求10的集成光电器件，其特征是镜面与其上提供有波导的基片所成的角度小于40°或大于50°。

12．组件，包括适用于权利要求1-8中任意一个的工艺的连接片，该连接片上安装有至少一个光电元件。

13．适用于权利要求1-8中任意一个的工艺的连接片。

14．权利要求13的连接片，其特征是在连接片的下侧面上提供一个或多个沟槽。

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