CN1436387A - 与微光学器件和电子集成电路集成在一起的顶部照明光电子器件 - Google Patents

Abstract

一种光电子集成电路器件，包括处在衬底上的一些顶部发射体/检测体器件。所述顶部发射体/检测体器件具有顶面和底面。所述顶部发射体/检测体器件能从所述顶面发射和检测光束，并具有处在所述顶面上的一些接触垫。一光学透明覆盖层被连接到所述顶面上。可以把透镜等微光学元件连在所述覆盖层上。将一些接触垫连接到一集成电路芯片的匹配垫上，以制成光电子集成电路。

Description

与微光学器件和电子集成电路集成在一起的 顶部照明光电子器件

                    发明背景

光学互联技术已成功地用于远距离通信、本地区域网通信系统、计算机之间以及交通工具之间的互相联络。集成电路器件(如微处理器)的复杂性和速度正在不断以高速度增长。但由于目前在这些器件的电子封装方面的限制，这些器件的输入/输出(I/O)能力并未以同样的速度增长。另外，目前将大的光电器件阵列与集成电路器件相集成的技术要求从底面发射/检测光束，而且这套方法通常是不与晶片尺度的制造和/或发射体及检测器的集成成比例的。

因此，需要有一种与晶片尺度制造成比例的将光电器件和集成电路器件封装在一起的方法，而且与此同时给集成电路器件提供大规模的I/O能力。

                      发明概要

本发明的上述和其它方面、优点和特征将在下面进行说明，同时对于本领域技术人员来说，从下面对照附图对本发明的描述，或者通过实践本发明这些可在某种程度上得到了解。本发明的各个方面、优点和特征是通过后面的权利要求书及其等效物具体指出的装置、方法及其各种组合而实现和得到的。

根据本发明的一个方面，一种封装光电子集成电路的方法包括在衬底上形成一顶部发射体/检测体装置，使得在所述顶部发射器/检测器装置的顶面上具有许多顶接触垫，其中顶面设在衬底的对面，而且衬底有一个底面，它处于顶部发射体/检测体器件顶面的对面。一个光学上透明的覆盖层被置于顶部发射体/检测体器件的顶面上，使得该光学透明的覆盖层有一个顶部表面处在顶部发射体/检测体器件顶面的对面。顶部接触垫暴露于衬底的底面。底部接触垫形成于底面上且与顶部接触垫相连，以使顶部接触垫与底面相连。底面接触垫与一个集成电路器件的匹配垫结合在一起，以在集成电路器件上形成一个具有高密度光学I/O的光电子集成电路器件。

本发明的其它方面可从下面对发明的详细描述及参看作为发明一部分的附图而得以了解。

                       附图简介

附图中相似的数字在各个视图中表示基本相似的元件。带字母下标的相似数字代表基本相似的元件的不同情况。

图1是按本发明封装的器件的一种封装方法的实施例的剖面图。

图2是举例说明按照本发明封装器件的方法的流程框图。

                       详细描述

下面的详细描述中参考了构成本发明一部分的附图，图中例举了可以实施本发明的一些具体实施例。对这些装置进行足够详细的描述是为让本领域技术人员能够实施本发明。应当指出，可以把这些实施装置结合起来，也可以采用其它的实施例，而且可以在结构上、逻辑上和电气上进行改变而不偏离本发明的构思和范围。因此，下面的详细描述不应理解为限制，本发明的范围将由后面的权利要求书及其等效物来界定。

在本文中顶部发射器件是指垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)或从衬底发射光的类似器件，而顶部检测器件是指一个金属-半导体-金属光检测器(PD)或类似的器件。本文中顶面是指衬底上的顶部发射体/检测体器件的增长面，而底面是指衬底上顶面对面的一个面。光电子器件是指顶面上包含顶部发射体/检测体器件的一个衬底，而且在顶部发射体/检测体器件上还包含一个透明覆盖层。顶部发射体/检测体是指由发射体/检测体器件顶面发射和检测光的器件。覆盖层是指一个光学透明材料晶片，它处于包含一些顶部发射体和顶部检测体器件的半导体衬底上。同样，顶部表面是指顶面对面的透明覆盖层上的一个表面，而底部表面是指暴露顶部发射体/检测体器件的表面，也可理解为处在顶部表面对过的表面。

图1是按本发明封装光电子集成电路器件100的一个实施例的前剖面图，其只是作为一个说明的例子，而不是只限定于此。在此装置中，在减薄的衬底110上形成了一些顶部发射体/检测体器件，使得这些顶部发射体/检测体器件有一个顶面117和减薄的衬底110相对。在此实施例中，减薄的衬底有一个底面115在顶面117的对过。顶部发射体/检测体器件110发射并检测离开减薄衬底110的光线。顶部发射体/检测体器件在顶面117上有一些顶接触垫113。在一个具体实施装置中，这个减薄的衬底是一个砷化镓晶片。在此实施例中，砷化镓晶片包含一些顶部发射体/检测体器件。顶部发射体器件是一个垂直腔体表面发射激光(VCSEL)器件，它能发射离开衬底的平面表面的光线，而顶部检测体器件是一个金属-半导体-金属光检测体器件。在此实施例中，在减薄衬底110上的顶部发射体/检测体器件能发射并检测波长为850纳米的光。

一个光学上透明的覆盖层120与减薄衬底110上的顶部发射体/检测体器件的顶面117相连，使得光学透明覆盖层120处在底面115的对过。光学透明覆盖层120有一个顶面125处于顶面117的对过。在本例中，光学透明覆盖层120是用一个蓝宝石晶片制成的。在另一实施装置中，光学透明覆盖层是一个玻璃晶片。在另一实施例中，光学透明覆盖层120和减薄的衬底110上的顶部发射体/检测体器件所用的材料具有相似的热性能，使得它们能承受后续处理和封装中经历的快速热变化。可以将光学透明覆盖层粘接到顶部发射体/检测体器件110上。在本实施例中，粘接用的粘接剂也和光学透明覆盖层及顶部发射体/检测体器件有相似的热性能。光学透明覆盖层对850纳米波长的光是透明的。光学透明覆盖层120的厚度足以将机械力传递给包括顶部发射体/检测体器件110的减薄衬底。

光电子集成电路器件100还可以包括微光学器件130，后者与光学透明覆盖层120的顶部表面125相连。在该实施例中，微光学器件130与顶部发射体/检测体器件110对准，以给减薄衬底110上的顶部发射体/检测体器件提供光学处理的能力。在一个实施例中，光学处理包括为顶部发射体/检测体器件110形成光束。

顶部发射体/检测体器件110的顶面接触垫通过一个贯穿通路金属层122与底面接触垫相连。有一个集成电路器件150和顶部发射体/检测体器件110相连接。减薄衬底110上的顶部发射体/检测体器件的底面接触垫140可以用焊料球160块冲击接合(bump bond)在集成电路器件150的匹配垫124上，为集成电路器件150提供高容量的光学I/O能力。

图2的流程框图大致说明将一个具有高密度I/O能力的光电子器件封装到电子集成电路器件上的方法200的一个实施例。该方法200包括在衬底顶面上形成顶部发射体/检测体器件，见框210。在这个实施例中，顶部发射体/检测体器件在顶面上有一些顶面接触垫。衬底包括一个处于顶面对过的背面。顶部发射体/检测体器件的顶面上还包括一个刻蚀停止层。顶部发射体器件包括一个能发射远离衬底的光的VCSEL，顶部检测器件包括一个金属-半导体-金属PD。衬底上的顶部发射体/检测体器件的形成包括在晶片上形成2维VCSEL/PD器件阵列，晶片可以是砷化镓。顶部发射体/检测体器件的节距为50微米或更小，砷化镓晶片的厚度大约为625μm。需要的话这时可以对衬底上的顶部发射体/检测体器件进行测试并使之合格。

该过程的下一步200是将光学透明覆盖层120连在顶部发射体/检测体器件的顶面上，使光学透明覆盖层的顶部表面处于衬底110的顶面对过。光学透明覆盖层可以采用对波长850纳米的光透明的材料如蓝宝石或玻璃制造。它的厚度足以为外露的顶部发射体/检测体器件提供机械支撑。光学透明覆盖层和顶部发射体/检测体器件可以用具有类似热性能的材料制成，以承受后续处理和封装过程中出现的热变化。

该过程的下一步230是将顶部接触垫暴露于底面115。这个步骤可以通过从衬底的背面将衬底减薄使得顶部接触垫暴露于底面来完成。减薄步骤还可以包括从减薄的底面在衬底内形成通路，以使顶部接触垫暴露于底面。通路可通过用化学方法将减薄衬底的底面刻蚀至刻蚀停止层来形成，从而使顶部接触垫暴露于底面。或者，也可以对减薄衬底的底面机械钻孔形成通路，从而使顶部接触垫暴露于底面。减薄的方法可以采用机械研磨砷化镓衬底的底面至大约50微米的厚度。暴露步骤还可以包括将衬底除去以使顶部接触垫暴露于底面。

工艺中的步骤240包括将底部接触垫形成于底面上。下一个步骤250包括将底部接触垫和顶部接触垫连在一起，使顶部接触垫与底面连接以形成一个光电子器件。这可以通过将底部接触垫电镀来实现，以使顶部接触垫与底面连接。电镀可以包括形成贯穿通路金属，以使顶部接触垫与底面连接。这样做的好处是可以让集成电路器件的背面接触垫和匹配垫处在同一平面内，从而可以容易地进一步将光电器件接合到集成电路器件上，使集成电路器件具有高密度的I/O能力。另外，由于集成电路器件的背面接触垫和匹配垫处于同一平面，有利于将前面接触垫置于任何需要的位置，例如可避免和发射体/检测体器件的位置发生冲突。

过程中的步骤260是将一个微光学器件130晶片集成到光学透明覆盖层120的顶部表面上，使得微光学器件与相应的顶部发射体/检测体器件260对准，以给后者提供光学处理能力。光学处理包括光束成形、光束聚焦、光束过滤和光束倾斜等。微光学器件晶片可以先在一个单独的衬底上加工，然后在将它集成到光电子器件之前进行测试并使其合格。可以把微光学器件晶处接合到光学透明覆盖层的顶部表面上。

过程中的步骤270是将光电子器件接合到集成电路上。这包括将包含微光学器件的光电子器件切成小块，以产生光电子芯片。然后把光电子芯片的背面接触垫与集成电路器件的匹配垫块冲击接合起来，以产生在集成电路器件上有高密度光学I/O的光电子集成电路器件。

                         结论

上述方法可提供诸如在光学范围内具有高I/O能力的集成电路器件。这个高I/O能力是通过在衬底顶面上形成顶部发射体/检测体器件来实现的，其中衬底的顶面对过有一个底面。顶部发射体/检测体器件发射并检测顶面上的光线。顶部发射体/检测体在顶面上有顶部接触垫。通过将顶部接触垫与底部接触垫连在一起可把顶部接触垫连接到背面。在顶部发射体/检测体器件的顶面上连接一个光学透明覆盖层，使得该光学透明覆盖层处于底面的对过，同时在顶面对过有一个顶部表面，从而形成一个光电子器件。可将微光学器件置于透明衬底的顶部表面，使得微光学器件具有光学处理能力。然后把一个集成电路器件连到衬底的底面，使得底部接触垫与集成电路的匹配垫相接触，从而形成一个具有高I/O能力的光电子集成电路器件。

应该理解，上面的描述只是用于示例，并不意味着限制于此。本领域技术人员看到上面的描述后可以知道许多其它的具体实施方案。因此，应参照下面的权利要求书以及由权利要求书赋予权利的等效物来的全部范围确定本发明的范围。

Claims (46)

1.一种封装光电子器件的方法，包括：

在衬底上形成顶部发射体/检测体器件，其中所述顶部发射体/检测体器件具有一些顶部接触垫，以及位于顶部接触垫上并处于衬底对过的顶面，衬底具有处于顶面对过的底面；

将一光学透明的覆盖层置于该顶部发射体/检测体器件的顶面上，使得此光学透明覆盖层有一个处于衬底顶面对过的顶部表面；

使顶部接触垫暴露于底面；

在底面上形成底部接触垫；

使底部接触垫与顶部接触垫相连。

2.如权利要求1所述的方法，其中顶部发射体和顶部检测体器件包含一些用于光电子芯片的顶部发射体/检测体器件。

3.如权利要求1所述的方法，其中顶部发射体器件是垂直腔体表面发射激光器件，它能发射远离衬底的光。

4.如权利要求1所述的方法，其中顶部检测体器件是金属-半导体-金属光检测器。

5.如权利要求1所述的方法，其中顶部发射体/检测体器件包括一些能分别发射和检测波长为850纳米的光束的顶部发射体/检测体器件。

6.如权利要求1所述的方法，其中衬底是一个砷化镓晶片。

7.如权利要求6所述的方法，还包括测试包含顶部发射体/检测体器件的砷化镓衬底晶片，以使加工过的砷化镓衬底晶片上的顶部发射体/检测体器件合格。

8.如权利要求6所述的方法，其中砷化镓衬底晶片的厚度约为625纳米。

9.如权利要求1所述的方法，其中使顶部接触垫暴露于底面还包括：

把衬底从底面减薄至一个预定的厚度；以及

从减薄的底面在衬底内形成通路，以使顶部接触垫暴露于底面。

10.如权利要求9所述的方法，其中形成通路包括对减薄的衬底的底面进行化学刻蚀以使顶部接触垫暴露于底面。

11.如权利要求9所述的方法，其中形成通路包括对减薄衬底的底面进行机械钻孔，以使顶部接触暴露于底面。

12.如权利要求9所述的方法，其中使底部接触垫和顶部接触垫相连还包括形成通过通路金属，以将底部接触垫与顶部接触垫连接起来。

13.如权利要求1所述的方法，其中使顶部接触垫暴露于底面还包括将衬底从底面除去，以使顶部接触垫暴露于底面。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述光学透明覆盖层是由对波长850纳米的光线透明的材料制成的。

15.如权利要求1所述的方法，其中顶部发射体、顶部检测体和光学透明覆盖层具有相似的热性质，以承受后续处理和封装过程中的热变化。

16.如权利要求1所述的方法，其中光学透明覆盖层是由蓝宝石晶片制成的。

17.如权利要求1所述的方法，其中光学透明覆盖层是用玻璃晶片制成的。

18.如权利要求1所述的方法，还包括将微光学器件集成到光学透明覆盖层的顶部表面上，以便给顶部发射体和顶部检测体器件提供光学处理能力。

19.如权利要求18所述的方法，其中光学处理包括光束成形。

20.如权利要求18所述的方法，其中光束成形包括光束聚焦。

21.如权利要求18所述的方法，其中光束成形包括光束过滤。

22.如权利要求18所述的方法，其中光束成形包括光束倾斜。

23.如权利要求18所述的方法，其中微光学器件包括微光学器件晶片。

24.如权利要求23所述的方法，还包括将底部接触垫与集成电路器件的匹配垫冲击接合在一起，以在集成电路器件上产生具有高密度I/O能力的光电子集成电路器件。

25.一种封装集成电路器件上的具有高密度输入/输出能力的光电子器件方法，包括：

在一砷化镓衬底晶片上形成多个具有顶部接触垫的顶部发射体/检测体器件，其中所述多个顶部发射体/检测体器件具有处于顶部接触垫上并位于砷化镓衬底晶片的对过的顶面，所述衬底具有处于顶面的对过的底面；

将光学透明覆盖层晶片连接到所述多个顶部发射体/检测体器件的顶面上，使得所述光学透明覆盖层晶片具有位于所述顶面对过的顶部表面；

使顶面接触垫暴露于衬底晶片的底面；

在衬底晶片的底面上形成底部接触垫；

连接底部接触垫和顶部接触垫以形成一些光电子器件；

将微光学器件晶片集成到光学透明覆盖层顶部表面上，使得微光学器件给所述多个顶部发射体/检测体器件提供光学处理能力；

将包含微光学器件的多个光电子器件切成小块以制成光电子芯片；

将光电子芯片的底部接触垫与集成电路器件的匹配垫冲击接合在一起，以形成位于集成电路器件上的具有高密度光输入/输出能力的光电子集成电路器件。

26.一种光电子器件，包括：

衬底；

多个顶部发射体/检测体器件，其中所述顶部发射体/检测体器件形成在所述衬底上，从而所述顶部发射体/检测体器件具有一顶面，并能从所述顶面发射和检测光，所述衬底具有位于顶面对过的底面，所述顶部发射体/检测体器件还具有一些位于所述顶面上的接触垫，所述底面包括多个底面接触垫，其中底面接触垫与顶面接触垫相连，从而使顶面接触垫和底面相连；

光学透明覆盖层，它被连接到顶部发射体/检测体器件的顶面上，从而所述光学透明覆盖层处于所述底面的对过，其具有处于顶面对过的顶部表面。

27.如权利要求26所述的器件，其中所述顶部发射体/检测体器件是多个顶部发射体/检测体器件。

28.如权利要求26所述的器件，其中所述顶部发射体器件是垂直腔体表面发射激光器件，它能发射远离衬底的光。

29.如权利要求26所述的器件，其中所述顶部检测体器件是金属-半导体-金属光学检测器。

30.如权利要求26所述的器件，其中所述顶部发射体/检测体器件能发射和检测波长850纳米的光束。

31.如权利要求26所述的器件，其中所述衬底是砷化镓晶片。

32.如权利要求26所述的器件，其中所述光学透明覆盖层是由对850纳米波长的光束透明的材料制成的。

33.如权利要求26所述的器件，还包括一些微光学器件，它们被连接到光学透明覆盖层的顶部表面，使得微光学器件能处理光束。

34.如权利要求26所述的器件，其中所述顶部发射体/检测体器件和光学透明覆盖层具有相似的热性质。

35.如权利要求26所述的器件，其中所述光学透明覆盖层是用蓝宝石制成的。

36.如权利要求26所述的器件，其中所述光学透明覆盖层是用玻璃制成的。

37.如权利要求26所述的器件，还包括集成电路器件，其中所述底面接触垫被连接到集成电路的匹配垫上，以给集成电路器件提供高容量光学输入/输出能力。

38.一种光电子集成电路器件，包括：

衬底；

一些顶部发射体/检测体器件，它们被形成于衬底上，使得所述顶部发射体/检测体器件具有一顶面，所述顶部发射体/检测体器件从顶面发射和检测光，其中所述衬底具有一处于所述顶面对过的底面，所述顶部发射体/检测体器件在顶面上还具有一些顶部接触垫，所述底面包括底面接触垫，所述底面接触垫被连接到所述顶面接触垫，从而使得顶面接触垫与所述底面相连；

光学透明覆盖层，其被连接到所述顶部发射体/检测体器件的顶面，使得所述光学透明覆盖层处于所述底面的对过，所述光学覆盖层具有处于所述顶面对过的顶部表面；

一些微光学器件，其被连接到所述光学透明覆盖层的顶部表面上，使得它们可为顶部发射体/检测体器件提供光学处理；

集成电路器件，其被连接到所述衬底的底面上，使得所述底部接触垫与所述集成电路器件的匹配垫相接触，从而使集成电路器件具有高容量的光学输入/输出。

39.如权利要求38所述的器件，其中所述顶部发射体/检测体器件是一些顶部发射体/检测体器件。

40.如权利要求3 8所述的器件，其中所述顶部发射体器件是垂直腔体表面发射激光器件，它能发射远离衬底的光。

41.如权利要求38所述的器件，其中所述顶部检测体器件是金属-半导体-金属光检测器。

42.如权利要求38所述的器件，其中所述顶部发射体/检测体器件能发射和检测波长为850纳米的光束。

43.如权利要求38所述的器件，其中所述光学透明覆盖层是由对波长为850纳米的光束透明的材料制成的。

44.如权利要求38所述的器件，其中所述顶部发射体/检测体器件和光学透明覆盖层具有相似的热性质。

45.如权利要求38所述的器件，其中所述光学透明覆盖层是用蓝宝石制成的。

46.如权利要求38所述的器件，其中所述光学透明覆盖层是用玻璃制成的。

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