KR20190136007A - 밀폐식으로 밀봉된 커버 캡을 갖는 임플란트 가능한 광학 센서 - Google Patents

밀폐식으로 밀봉된 커버 캡을 갖는 임플란트 가능한 광학 센서 Download PDF

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KR20190136007A
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쿤라드 반 슐렌베르크
다나에 델베케
파올로 카딜
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인디고 다이어비티스 엔.브이.
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Abstract

임플란트 가능한 광학 센서는 기판(2)과, 기판(2)과 통합되는 광학 미세 구조(3)를 포함하는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit)를 포함한다. 광학 미세 구조는 기판(2)의 표면(5)의 일부 상에 노출된 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정된다. 커버 캡(6)은 광학적 상호 작용 영역(4)에 인접한 기판(2)의 일부 상으로 웨이퍼간 본딩 기술 또는 다른 웨이퍼 레벨 밀폐 패키징 기술에 의해 밀봉된다. 적어도 하나의 능동 부품(8)이 표면(5)과 커버 캡(6) 사이에 형성된 밀봉된 캐비티(9) 내에 위치 설정된다. 기판(2)은 밀봉된 캐비티(9)로부터 광학적 상호 작용 영역(4)으로 연장하는 매립된 도파관인 적어도 하나의 광학 피드스루(10)를 포함한다.

Description

밀폐식으로 밀봉된 커버 캡을 갖는 임플란트 가능한 광학 센서
본 발명은 광학 어셈블리, 예를 들어, 기판 및 기판과 통합된 광학 미세 구조를 포함하는 임플란트 가능한 광학 센서에 관한 것으로, 광학 미세 구조는 기판의 표면의 일부 상에 광학적 상호 작용 영역을 형성하도록 위치 설정된다. 다른 양태에서, 본 발명은 광학 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것으로, 방법은 광학적 상호 작용 영역을 형성하는 통합된 광학 미세 구조를 기판에 제공하는 단계를 포함한다.
국제 특허 출원 공보 WO2016/137444는 센서와 살아 있는 동물 내의 매질 내의 피분석물을 측정하기 위한 방법을 개시한다. 센서는 유도성 요소, 전하 저장 장치 및 메모리를 포함한다. 센서는 외부 장치로부터 수신된 전력을 이용하여 외부 장치에 의해 개시되는 피분석물 측정을 수행하고, 유도성 요소를 이용하여 외부 장치로 피분석물 측정값을 전달한다. 센서는 유리 캡슐 내에 완전히 밀봉된다.
미국 특허 공보 US 6,981,806 B2는 광학 장치를 미세 밀폐식으로(micro-hermetic) 패키징하기 위한 방법을 개시한다. 방법은 기판 상에 미세 밀폐식 캐비티를 형성하는 단계, 기판 상에 전송 광학 도파관을 제공하는 단계 및 미세 밀폐 캐비티 내의 광학 장치를 밀봉하는 단계를 포함한다. 제1 기판으로부터 분리된 뚜껑이 밀봉 프로세스를 위하여 채용되거나, 미세 밀폐식 캐비티가 뚜껑 상에 제공되어 제1 표면을 상으로 밀봉된다. 광학 장치는 광학 도파관을 이용하여 광학 파워 전송을 위하여 캐비티 내에 위치 설정될 수 있다.
US 2004/0245425 A1은, 베어 칩(bare chip)의 국지적인 밀폐 보호를 필요로 하는, 레이저 소스, 광 검출기 다이오드, LED와 같은 광전자 부품을 위한 실장(mounting) 위치를 정의하는 부분을 갖는 하이브리드 전기-광학 장치를 개시한다. 기판 상에 형성된 평면 광파 회로(PLC(planar lightwave circuit)) 도파관 구조는 장치를 위한 광 신호 피드스루(feed-through)를 정의하기 위하여 실장 위치로 연장한다. 적어도 하나의 전극이 평면 광파 회로 도파관 구조와 연관되고, 장치를 위한 전기 신호 피드스루를 정의하기 위하여 상기 실장 위치로 연장한다. 링형(ring-like) 구조가 상기 실장 위치를 연속으로 둘러싸고 연속 커버 부재가 그 상에 솔더링되어, 실장 위치를 덮어 밀폐식으로 밀봉한다. 금속 림(rim)인 이 링형 구조 때문에, 장치는 웨이퍼 스케일 제조에 적합하지 않다.
광학 어셈블리를 보호하기 위하여 사용되는 업계에서의 잘 알려진 접근 방식은 예를 들어 티타늄 박스를 사용하는 것이다. 그러나, 이 접근 방식은 웨이퍼 스케일 프로세스가 아니라는 단점을 가지며, 각각의 장치는 개별적으로 가공될 필요가 있어, 이 접근 방식을 값비싸게 한다. 광학 측정이 광학 어셈블리에서 수행될 필요가 있다면, 피드스루가 예측될 필요가 있다; 이는 표준이 아니다. 다른 접근 방식은 파릴렌(parylene) 코팅을 이용하는 것이지만, 이는 성공적인 밀폐 패키징을 위한 장치를 시험하는 것은 가능하지 않다. 예를 들어, 전기 통신(telecommunications) 및 데이터 통신(data communications) 애플리케이션에서 사용되는 다른 접근 방식은, 피드스루가 웨이퍼 스케일 캡을 통해 이루어지는 웨이퍼 스케일 캐핑(capping)을 이용하는 것이다. 이 피드스루는 특히 원하는 긴 수명과 관련되어 고려될 때 약점이다.
본 발명은 가혹한 환경과 광학적으로 상호 작용하는데 특히 적합한 광학 어셈블리, 예를 들어, 임플란트 가능한 광학 센서를 제공하고자 한다. 더욱 상세하게는, 신뢰성 있고 안전하게 작동하는 광학 어셈블리를 가지도록, 본 발명은 체액과 같은 유체에 대한 노출을 제공하기 위한 광학적 상호 작용 영역과, 유체로부터 밀봉된 연관된 추가 능동 부품을 갖는 광학 어셈블리를 제공하고자 한다. 또한, 본 발명은 웨이퍼 스케일 공정에 의해 생산될 수 있는 광학 어셈블리를 제공하고자 한다.
본 발명에 따르면, 광학적 상호 작용 영역에 인접한 기판의 부분 상에 커버 캡(cover cap)을 더 포함하는 위에서 정의된 바와 같은 광학 어셈블리가 제공된다. 적어도 하나의 능동 부품은 표면과 커버 캡 사이에 형성된 밀봉된 캐비티 내에 위치 설정된다. 기판은 밀봉된 캐비티로부터 광학적 상호 작용 영역으로 연장하는 적어도 하나의 광학 피드스루를 포함한다. 그 결과, 밀봉된 캐비티 내에서 전자 부품과 통신하거나 인터페이싱하기 때문에 커버 캡을 돌출시킬 필요가 없다. 이것은, 광학 어셈블리의 광학적 특성 및 측정 능력에 영향을 미치지 않으면서, 사용하는 동안 전자 부품, 더욱 구체적으로는, 광학 어셈블리의 전기 부품을 유체와의 접촉으로부터 효율적으로 차폐한다. 또한, 밀봉된 캐비티 내의 능동 부품(들)로부터 광학 미세 구조(기판 상에 있음)로의 광학적 통신 그리고 그 반대로의 광학적 통신이 가능하다.
커버 캡은 웨이퍼간 본딩 기술 또는 다른 웨이퍼 레벨 밀폐 패키징 기술에 의해 상기 기판 부분에 밀폐식으로 밀봉된다. 결과에 따른 장치는 커버 캡을 기판에 밀봉하기 위하여 기판을 준비하도록 US 2004/0245425 A1에 설명된 바와 같은 임의의 금속 림 또는 링형 구조가 없는 것, 커버 캡과 기판 사이에 재료를 솔더링하지 않는 것, 즉 캡의 하부 에지가 기판의 표면과 직접 접촉할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 결과에 따른 장치는 커버 캡의 하부 에지에 플랜지가 없는 것, 즉 캡을 기판 상으로 밀봉하기 위하여 사용되는 기술이 이러한 플랜지를 필요로 하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 위에서 정의된 바와 같은 광학 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것으로, 방법은 광학적 상호 작용 영역에 인접한 표면 상에 적어도 하나의 능동 부품을 제공하는 단계와, 적어도 하나의 능동 부품이 위치 설정되는 밀봉된 캐비티를 형성하기 위하여 기판의 부분 상에 커버 캡을 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 웨이퍼간 본딩 기술 또는 다른 웨이퍼 레벨 밀폐 패키징 기술에 의해 커버 캡을 기판에 밀봉하는 단계와, 밀봉된 캐비티로부터 광학적 상호 작용 영역으로 연장하는(즉, 캡을 돌출시키지 않고) 적어도 하나의 광학 피드스루를 제공하는 단계를 포함한다. 방법이 광학 어셈블리의 다른 요소를 위한 제조 단계들과 양립 가능한 기술을 이용하기 때문에, 방법은 효과적이고 비용 효율적인 제조 방법으로서 구현될 수 있다.
본 발명은 다음의 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 논의될 것이다:
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 어셈블리의 개략적인 단면도를 도시한다;
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 어셈블리의 개략적인 단면도를 도시한다;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 어셈블리의 개략적인 단면도를 도시한다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 어셈블리의 개략적인 상면도를 도시한다; 그리고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 어셈블리의 개략적인 단면도를 도시한다.
임플란트 가능한(또는 (부분적으로) 침습되는) 광학 센서로서 의도된 용도를 갖는 광학 어셈블리는 대부분 전자 및/또는 광전자 부품의 형태의 부피가 큰 부품을 가진다. 이는 자신의 작동을 위한 전력 공급을 필요로 하는 전자 회로부를 포함할 수 있고, 이 회로부는 완전하게 밀봉되어 어떠한 습기로부터도 보호되어야 한다. 회로부가 작동 동안 광학 어셈블리의 환경에 노출될 때, 이의 기능은 액체 또는 증기 형태의 물의 존재에 의해 심각하게 영향을 받을 수 있다. 금속 와이어 본드에 불량이 발생할 수 있고, 금속 라인이 부식되거나 손상될 수 있으며, 유체와의 상호 작용은 부품의 기능을 바로 정지시킬 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 광학 어셈블리의 적용예의 일부는 혈액이나 간질액과 갖는 체액과, 발효 탱크 또는 석유 화학 탱크와 같은 화학 공정에서의 유체를 감지하는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이러한 광학 어셈블리는 종종 적대적인 환경(예를 들어, 부식 환경)과의 감지 표면의 직접적인 그리고/또는 장기간의 상호 작용을 가진다. 적대적인 환경의 장기간의 상호 작용 또는 심지어 단기간의 상호 작용은 광학 어셈블리에서의 전자 및 광전자 부품의 성능과 기능을 실질적으로 열화시킬 수 있다. 따라서, 광학 어셈블리의 일부인 전자 및 광전자 부품은 이러한 원하지 않는 환경에 대한 직접적인 노출을 제거하기 위하여 적절히 패키징될 필요가 있다. 본 발명의 실시예는, 매우 넓은 의미에서, 부피가 큰 DC 전력이 공급되는 광전자 부품을 갖는 광학 어셈블리에 밀폐식 광학(그리고 필요하다면 전기) 피드스루를 제공함으로써 이러한 문제점들을 해결한다. 주요 문제점은 (부식성) 유체에 노출되어 직접 접촉하는 광학적 상호 작용 영역과, 예를 들어, 밀폐식으로 밀봉된 광전자 부품의 구현예로서의 판독 IC 사이에 광학(및 전기) 피드스루를 갖는 광학 어셈블리를 제공함으로써 해결된다. 활성화되기 위하여 전력을 필요로 하는 본 발명의 광학 어셈블리 실시예의 모든 전자 및 광자(photonics) 부품은 신뢰성 있고 안전하게 작동하는 장치를 성취하기 위하여 밀폐 커버 캡(cover cap) 아래 위치 설정된다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 어셈블리(1)의 제1 실시예의 개략적인 단면도를 도시한다. 광학 어셈블리(1)는 기판(2)과, 기판(2)과 통합된 광학 미세 구조(3)를 포함한다. 광학 미세 구조(3)는 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정된다(즉, 기판(2) 내에 전부 또는 일부 매립되거나, 통합되거나, 패터닝될 수 있다). 광학 미세 구조(3)는, 예를 들어, 통합된 도파관, 격자(grating), 광자 크리스탈(photonic crystal), 캐비티, 마이크로 링 공진기, 커플러, 스플리터, 필터 및 다른 광학 (튜닝 가능) 요소와 같은 복수의 통합된 광학 부품 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 광학 미세 구조(3)는 능동적(active)이거나 수동적(passive)일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 기판(2) 내의 매립된 도파관이다. 이 실시예에서와 같이, 광학 어셈블리(1)는 광학적 상호 작용 영역(4)에 인접한 기판(2)의 일부 상에 커버 캡(6)을 더 포함하고, 광학적 상호 작용 영역(4)에 인접한 기판(2)의 일부는 커버 캡(6)과 기판(2)의 표면(5) 사이에 밀봉된다. 또한, (예를 들어, 능동 부품을 기판(2)의 표면(5)에 고정하거나 본딩함으로써) 기판(2)에 연결되는 적어도 하나의 능동 부품(8)이 존재한다. 능동 부품(8)은, 예를 들어, 신호 프로세서, 광 검출기, 광원, 배터리 등과 같은, 예를 들어, 전자 부품, 광전자 부품 또는 광학 부품이다. 능동 부품(8)은 표면(5)과 커버 캡(6) 사이에 형성된 밀봉된 캐비티(9) 내에 위치 설정된다. 대안적인 실시예들은, 표면(5)에 직접적으로 가열 밀봉될 수 있는 커버 캡(6)을 위한 적합한 재료를 이용한다. 기판(2)은 밀봉된 캐비티(9)로부터 광학적 상호 작용 영역(4)으로 연장하는 적어도 하나의 광학 피드스루(10)를 더 포함한다.
광학 미세 구조(3)는 예를 들어 도파관(14) 및/또는 커플러(13)인 광학 피드스루(10)에 광학적으로 연결될 수 있고, 커플러(13)는 예를 들어 방사선의 능동 부품(8) 내외에서의 커플링과 디커플링을 위하여 사용된다. 커플러(13)의 일례는 온칩(on-chip) 수직 격자 커플러(vertical grating coupler(VGC))(13)이다. 도 1에 도시된 실시예에 따른 광학 어셈블리(1)는 밀폐식으로 밀봉된 캐비티(9) 내부로부터 노출된 광학적 상호 작용 영역(4)으로 그리고 그 반대로 광학적 통신을 허용하는 광학 피드스루(10)를 포함한다. 광학 피드스루(10)는 광학 어셈블리(1)로부터, 예를 들어, 기판(2)의 상부 표면으로부터 또는 기판(2)의 하부 표면으로부터, 외부에서 광학적으로 액세스할 수 있도록 배열될 수 있다. 일 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 예를 들어 추가의 매립된 도파관인 광학 피드스루(10)에 연결되는 통합된 도파관일 수 있다. 이 실시예에서, 통합된 도파관으로서의 광학 미세 구조(3)는 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하기 위하여 국지적으로 에칭되어 개방되는 광학적 피드스루(10)의 일부일 수 있다.
다른 실시예에서, 적어도 하나의 능동 부품(8)이, 예를 들어, 언더 범프 금속화부(12)를 이용하는 이 실시예에서 도시된 바와 같이, 밀봉된 캐비티(9) 내에 있는 기판(2)의 표면(5)(의 일부)에 부착된다. 적어도 하나의 능동 부품(8)이 다른 배치에서, 예를 들어, 다른 종류의 하이브리드 통합 기술을 이용하여, 표면(5)에 부착될 수 있다는 것이 명백할 것이다.
광학 미세 구조(3)에서, 빛의 대부분이 안내층(guiding layer)(예를 들어, 도파관으로서 구현됨) 내에 제한되지만, 에바네센트 필드(evanescent field)라 불리는 작은 부분이 외부 매체(예를 들어, 기판(2) 재료 및/또는 광학적 상호 작용 영역(4)) 내로 연장한다. 이 에바네센트 필드는 도파관 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 지수적으로 감소한다. 에바네센트 필드는 광학적인 트래핑(trapping), 감지(sensing) 및 여기(exciting)를 위하여 환경과 상호 작용하는데 사용된다. 본 발명의 실시예들 중 하나에서, 광학 미세 구조(3)가 이의 상부 클래딩(cladding)으로서 (주변) 공기를 갖고, 광학적 상호 작용 영역(4) 내의 연장하는 에바네센트 필드는 감지 목적으로 활용된다. 또 다른 실시예에서, 광학적 상호 작용 영역(4)은 감지 영역이다. 광학 미세 구조(3)는 광학 센서로서, 예를 들어, 에바네센트 필드 광학 센서로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 대안적으로 예를 들어 이미징(imaging), OCT(Optical Coherence Tomography) 또는 LDV(Laser Doppler Velocimetry) 적용예를 위하여 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 광전 회로를 제조하기 위하여 사용되는 다양한 형태와 재료를 나타내는 광자 집적 회로(Photonic Integrated Circuit(PIC))이다. 이 실시예에서, 광학 피드스루(10)는 매립된 도파관일 수 있다. 이것은, 예를 들어, 낮은 지수의(low-index) 콘트라스트 도파관 플랫폼(예를 들어, 폴리머 도파관, 유리/실리카 도파관, AlxGa1 - xAs 도파관, InxGa1 - xASyP1 -y 도파관), 높은 지수의(high-index) 콘트라스트 도파관 플랫폼(예를 들어, SOI(Silicon-on-Insulator), 반도체 멤브레인), 플라스몬(plasmonic) 도파관(예를 들어, 금속층 또는 금속 나노 입자를 가짐) 등을 포함한다. 광학 미세 구조(3)는 실리콘(Si), 실리콘 산화물(SiOx), 실리콘 질화물(SiN, 실리콘이 풍부하거나 화학량론적인 실리콘)과 같은 재료 또는 III-V 족 또는 II-VI 족 재료로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 본 발명은 광학 어셈블리(1)가 실리콘 광자 시스템이라고도 하는 SiN 또는 SOI 재료 구현예인 실시예에 관한 것이다. 실리콘 광자는 이의 높은 지수의 콘트라스트와 CMOS 제조 기술과의 양립 가능성으로 인하여 PIC를 제조하기 위한 다른 재료 시스템에 비하여 많은 이점을 가진다. CMOS 산업 덕택에, 실리콘 광자 기술은 성능, 재생산 가능성 및 스루풋의 측면에서 몇 자릿수 더 큰 크기만큼 어떠한 다른 평면 칩 제조 기술을 능가하는 성숙 수준에 도달하였다. 실리콘 광자 IC는 재생산 가능하고 양호하게 제어되는 웨이퍼 스케일 공정으로 제조될 수 있으며, 이는 웨이퍼(통상적으로 200 mm 또는 300 mm 직경)가 많은 개수의 광자 집적 회로를 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 상대적으로 적정한 비용으로 대형 웨이퍼의 상업적 이용 가능성과 결합한다면, 이것은 광학 어셈블리(1) 당 가격이 매우 낮을 수 있다는 것을 의미한다. 광학 미세 구조(3)는 기판에 패터닝되거나 매립된 성형된 반도체 도파관일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광학 미세 구조(3)는 컴팩트한 파장 선택형 장치인 마이크로 링 공진기(micro-ring resonator(MRR))이다. MRR의 공진 파장은 이를 이용하기 위하여, 예를 들어, 생화학적 적용예를 위한 강력한 광학 센서로서 활용되는 주변 매체의 굴절률에서의 변화에 의해 많은 영향을 받는다. 본 출원에서 광학 미세 구조(3)에 대한 언급은 이의 안내층(예를 들어, SOI 광학 도파관의 경우에 패터닝된 소자층(Si))에서의 패터닝된 구조를 말한다.
광학 미세 구조(3)는, 기판(2)에 매립되거나, 통합되거나 또는 패터닝된, 통합된 광학 캐비티, 통합된 광학 공진기, 통합된 광학 간섭계, 통합된 광학 커플러, 광학 도파관, 테이퍼(taper), 튜닝 가능한(tuneable) 필터, 위상 시프터, 격자, 광자 크리스탈, 변조기, 검출기, 소스, 멀티플렉서, 디멀티플렉서 또는 이들의 조합과 같은 통합된 광학 부품일 수 있다. 광학 미세 구조(3)의 제조는, 전자빔 기술을 이용하거나, 포토리소그래피 공정을 사용하거나, CMOS 기술을 이용하거나 또는 이들의 조합을 이용하는 것과 같이, 다양한 기술을 사용하여 실행될 수 있다. 이것은 반도체 에칭 단계 및 당해 업계에서의 통상의 기술자에게 알려진 플립 치핑(flip-chipping), 본딩, 금속화(metallisation)와 같은 백-엔드 공정 단계를 포함할 수 있다.
추가적인 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 밀봉된 캐비티(9)로부터 밀봉된 캐비티(9) 외부에 있는 기판(2)의 영역으로 연장하는 적어도 하나의 전기 피드스루(20)를 더 포함한다. 전기 피드스루(20)는 밀봉된 캐비티(9) 내에 통합된 전기 부품 또는 광전자 부품으로부터 밀봉된 캐비티(9)의 외부 영역으로의 전력 전송을 허용한다. 도 2는 본 발명의 이러한 추가적인 실시예에 따른 광학 어셈블리(1)의 개략적인 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 적어도 하나의 능동 부품(8)(예를 들어, 광학 처리 칩) 옆에, 추가 전자 또는 광전자 부품(16, 17)이 밀폐식으로 밀봉된 캐비티(9) 내의 표면(5)에 연결된다. 추가 전자 부품(16, 17)은, 예를 들어, 전원 유닛(16) 또는 인터페이스 회로(17)를 포함한다. 전기 피드스루(20)는, 예를 들어, 효율적으로는, 공격적인(aggressive) 유체와 접촉하는 것에 의해 영향을 받지 않는 마감(또는 도금) 금속으로 이루어진다. 이러한 금속 층들은, 예를 들어, 금, 플래티넘 또는 팔라듐 층과 같이 어떠한 유체에 의해서도 손상되지 않을 것이다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 전기 피드스루(20)는 밀폐식으로 밀봉된 캐비티(9)의 외부에 위치 설정된 안테나(15)에 연결된다. 더욱 일반적으로는, 다른 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 안테나(15)를 포함한다. 특정 실시예에서의 안테나(15)는, 예를 들어, 도 2의 예시적인 실시예에서 도시된 바와 같이 전기 피드스루(20)를 통해 능동 부품(8)에 연결된다. 안테나(15)는 대안적인 다른 실시예에서 커브 캡(6) 상에 배치될 수 있다. 밀봉된 캐비티(9) 내부에서, 전기 피드스루(20)는 (전자 패키징 기술에서 알려진 바와 같이) 본딩 와이어(18)에 의해 추가 전자 부품(16, 17)에 연결된다. 적합한 선택과 구현에 의해, 안테나(15)는, 예를 들어, 밀봉된 캐비티(9) 내의 (광)전자 부품(8, 16, 17)에 대한 전력 및 데이터 인터페이스를 위하여 사용될 수 있다. 안테나(15)는, 의도된 기능, 동작 주파수 및 사용된 변조 종류에 따라, 멀티 루프(multi-loop) 안테나 또는 다른 종류의 안테나일 수 있다.
대안적이거나 추가적인 실시예에서, 전기 피드스루(20)는 밀봉된 캐비티(9)로부터 커브 캡(6)의 반대 측에 있는 기판(2)의 표면으로 연장할 수 있다. 이러한 비아형(via like) 전기 피드스루(20)는 밀봉된 캐비티(9) 내로부터 외부로, 예를 들어, 연결 단자로 전기적 연결을 제공한다. 전기 피드스루(20)는 광학 감지 어셈블리(1)의 표면(5) 내로 매립되거나, 패터닝되거나, 통합될 수 있다. 이러한 전기 피드스루(20)를 제조하기 위한 예시적인 방법은 예를 들어 구리를 위한 금속의 TSV(Through-Silicon Via)라 불리는 방법에 의한다. TSV는 에칭 단계, 절연체의 부착(deposition) 단계, 배리어 및 시드층의 부착 단계 및 전기 화학 도금 단계와 같은 단계들을 포함하는 제조 방법이다. 적용예에 따라, TSV 구조는 크기, 종횡비, 밀도, 재료 및 기술에 있어서 상이하다. TSV는 예를 들어, RIE 프로세스의 확장인 DRIE(deep reactive ion etching), 기판 내에서 직선형 에칭 프로파일, 가파른 트렌치 또는 홀(hole)을 생성하는데 사용되는 고이방성 에칭 프로세스(highly anisotropic etch process)에 의해 광범위하게 제조된다. TSV는 유체, 예를 들어, 물에 대해 밀폐되는 것으로 입증되었다.
도 3은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 광학 어셈블리(1)의 개략적인 단면도를 도시한다. TSV 방법에 의해 제조된 전기 피드스루(20)가 밀봉된 캐비티(9)로부터 이 실시예에서는 커브 캡(6)이 부착되는 표면(5)의 반대 측에 있는 기판(2)의 표면에 위치된 안테나(15)로의 전기적 연결을 형성하기 위하여 사용된다.
환경 내의 전자기장으로부터의 전자기 간섭(Electro Magnetic Interference(EMI))은 밀봉된 캐비티(9) 내의 전자 및 광전자 부품(8, 16, 17)의 기능에 영향을 미칠 수 있다. 이것은 도 2의 실시예에서 도시된 바와 같이 전자기 차폐층(19)을 제공함으로써 방지될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 커브 캡(6)은 패러데이 케이지형 차폐와 같은 역할을 하는 전자기 차폐층(19)을 포함한다. 금속층은, 유효 전자기 차폐층, 완전 금속(full metal) 시트 또는 메시층으로서 당해 기술 분야에서 알려진 재료 중 하나이다. 도 2의 실시예는 커브 캡(6)의 내부 측을 완전히 덮는 보호층(19)에 의해 밀봉된 캐비티(9)가 외부 간섭으로부터 차폐되는 광학 어셈블리(1)의 단면도를 도시한다. 보호층(19)을 위한 다른 대안적인 재료는 예를 들어 전도성 폴리머 합성물 또는 전도성 폴리머 나노-합성물이다.
일부 적용예는 광학 어셈블리(1)의 광학적 상호 작용 영역(4)이 유체 환경에 노출되는 것을 요구한다. 커브 캡(6)은 밀봉된 캐비티(9) 내의 전자 및 광전자 부품(8, 16, 17)을 이 유체 환경으로부터 밀폐식으로 차폐한다. 따라서, 커브 캡(6)은 다른 실시예에서 유체 밀봉 재료로 이루어진다. 커브 캡(6)은 노출된 광학적 상호 작용 영역(4)의 감지 특성에 영향을 미치지 않을 방식으로 동작한다. 이러한 유체 밀봉 재료는 유리, 금속, 실리콘, 폴리머 등일 수 있다. 금속은, 예를 들어, 티타늄 또는 금일 수 있다. 유체 차폐 커브 캡(6)은 웨이퍼간 기술, 다이-웨이퍼간 기술 또는 다이간 기술로, 예를 들어, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 솔더링층(11)을 이용하여, 표면(5)에 본딩될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 광학 어셈블리(1)의 상면도의 개략적인 표현을 도시하며, 멀티 루프 안테나(15)가 표면(5)의 주변 영역에 배치된다. 즉, 광학적 상호 작용 영역(4) 및 커버 캡(6)의 외부에 있는 둘레를 갖는다. 이 실시예에서, 안테나(15)는 기판(2)의 둘레에 위치 설정된다. 이것은 데이터 및 전력 교환 능력을 향상시키는 안테나(가능하게는 멀티 루프 안테나)(15)의 표면 영역을 최대화하게 한다. 멀티 루프 안테나(15)는 상부 측(도 2의 실시예 참조) 또는 기판(2)의 하부 측(도 3의 실시예 참조)에 마련될 수 있다. 안테나(15)는 수집된 센서 데이터를 외부로 전송하기 위하여 그리고/또는 전력을 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 안테나(15)는 적합한 방법을 이용하여, 예를 들어, 전도층(들)을 기판(2)에 부착하여 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 광학 어셈블리(1)의 또 다른 실시예의 단면도를 도시한다. 이 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 식물이나 동물 또는 인간과 같은 생명체의 몸체에 도입될 수 있는 능동 장치인 능동 임플란트 가능 의료 장치(active implantable medical device(AIMD))이다. 이러한 적용예에서, AIMD는 혈액, 간질액, 타액, 수양액(aqueous humour), 양수 등과 같은 체액과 직접 접촉하도록 마련된다. 일부 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 글루코오스 또는 대안적으로/추가로 소변, 젖산, 크레아티닌, 트리글리세이드, 단백질, 콜레스테롤, 에탄올, 케톤 및 호르몬과 같은 다른 물질을 감지하기 위한 광학 센서로서 마련된다. 생명체의 몸체에 사용되는 임플란트는, 내상(internal injury)을 발생시킬 수 있기 때문에, 어떠한 날카로운 가장자리나 모서리도 가지지 않는다. 이 다른 실시예에서, 광학 어셈블리(1)는 광학 어셈블리(1) 주위의(즉, 이를 둘러싸는) 보호층(25)을 포함한다. 선택적으로, 광학적 상호 작용 영역(4)을 위한 어퍼처(aperture)가 제공된다. 보호층(25)은, 예를 들어, 미세 구조 표면 또는 매끄럽고 둥근 외부 표면을 가질 수 있다. 보호층(25)은, 예를 들어, 광학 어셈블리(1)의 밀폐식 밀봉 후에 코팅될 수 있는 폴리머층일 수 있다. 보호층(25)은 감지 환경에 직접 노출되도록 광학적 상호 작용 영역(4)이 개방 상태로 유지되는 방식으로 효율적으로 설계되어 적용될 수 있다. 선택적으로, 광학적 상호 작용 영역(4)에는 감지에 영향을 미치지 않도록 미리 정해진 두께를 가지며 SiC(Silicon Carbide), DLC(Diamond Like Carbon), TiO2 또는 Al2O3의 그룹으로부터의 하나 이상의 재료인 얇은 내부식성 상부층이 제공될 수 있다.
광학 어셈블리(1)의 소형화를 가능하게 한다는 것이 이 실시예의 이점이다. 소형화는 어셈블리(1)가 컴팩트하게 될 수 있어, 예를 들어, 생명체에 존재하는 체액의 자연적인 흐름 또는 물질의 자연적인 확산이 물질의 감지 및 연속 모니터링을 위한 가능성을 허락한다. 감지는, 예를 들어, 시약 또는 다른 보조 물질을 필요로 하지 않는 광학적 특징화 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 이러한 이점은 사용자의 상당한 간섭에 대한 필요성 없이 신뢰성 있고 장기적으로 사용 가능한 광학 어셈블리(1)를 제공한다.
대안적이거나 추가적인 실시예에서, 광학 마이크로 시스템 어셈블리(1)는 밀폐식으로 밀봉된 캐비티(9) 내에 위치 설정되는 에너지 공급 장치(16)를 더 포함한다. 에너지 공급 장치는 전술된 다양한 실시예를 참조하여 논의된 바와 같은 광학 어셈블리(1)의 모든 (광)전자 부품(8, 16, 17)을 위한 필요한 에너지를 공급하기 위하여 사용된다. 에너지 공급 장치(16)는 하나의 특정 실시예에서 에너지 스토리지, 예를 들어, 마이크로 배터리이거나, 다른 특정 실시예에서 에너지 수확 장치이다. 마이크로 배터리는 마이크로 배터리의 크기 및 (광)전자 부품(8, 16, 17)의 에너지 수요에 따라 제한된 수명으로 고정된 에너지 밀도를 공급한다. 다른 특정 실시예에서, 광학 어셈블리(1)의 해당하는 전력 요구 부품(8, 16, 17)은 더 긴 수명을 가지며 종래의 장치에 비교하여 더 편안하고 안전할 수 있는 에너지 수확 장치를 사용한다. 에너지 수확 장치는 직접 에너지 변환을 통해 주변으로부터 전기 에너지를 생성한다; 예를 들어, 적외선 방사 에너지, 열 에너지(태양열, 온도의 지열 경사, 연소), 운동 에너지(바람, 중력, 진동), 무선 전송 에너지 및 RF 방사 에너지(예를 들어, 도 2, 3 및 4에서 도시된 실시예들을 참조하여 전술된 안테나(15)를 이용한 유도성 및 용량성 커플링). 본 발명의 실시예에서, 광학 피드스루(10)는 대안적으로 또는 추가적으로 외부로부터 밀봉된 캐비티(9) 내부의 광전자 부품으로 광 에너지를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 인간으로부터의 에너지 수확 또는 환경적 소스는, 예를 들어, 몸체 운동으로부터의 운동 에너지를 이용하여, 임플란트된 어셈블리(1)의 경우에 효율적인 대안을 제공한다.
도 1 내지 5를 참조하여 전술된 실시예에서, 능동 부품(8)은 방사선이 예를 들어 물질을 감지하기 위하여 사용되는 방사선 소스일 수 있다. 광원은 하나 이상의 광대역 소스(LED, SLED), 단일 협대역 소스(예를 들어, VCSEL, DFB 레이저, DBR 레이저와 같은 레이저) 또는 협대역 소스들의 앙상블일 수 있다. 본 설명에서의 광 또는 방사선에 대한 언급은 소정의 전자기 방사를 나타낸다. 구상 중의 광은 소정의 물질을 감지하기에 적합한 파장 또는 파장 범위를 갖는 방사선이다. 일부 실시예에서, 사용되는 광은 적외선 방사, 예를 들어 가시광선 방사, 근적외선 또는 중간 적외선 방사일 것이다. 실리콘 광자를 위한 제조 및 통합 기술은 본 발명의 광학 어셈블리(1)의 쉽고, 신뢰성 있고, 비용 효율적인 제조로 관심 파장 범위로 연장하기 위하여 이용될 수 있는 통신 파장(1310 nm, 1550 nm)에서 잘 개발되어 있다.
추가적으로, 광 검출기가 밀폐식으로 밀봉된 커브 캡(6)에 의해 제공되는 밀봉된 캐비티(9) 내의 표면(5) 상에 통합될 수 있다. 광 검출기는 광 신호를 전기 신호로 변환하는데 사용된다. 광 검출기는 포토 다이오드나 포토 컨덕터, 또는 이러한 요소들의 앙상블일 수 있다. 모니터 포토 다이오드, 무선 모듈 또는 심지어 증폭기와 같은 밀폐식 밀봉 내에 통합된 추가 전자 부품(16, 17)이 있을 수 있다.
종종 전술된 부피가 나가는 전자 및 광전자 부품(8, 16, 17)이 기판(2)에 통합되어 표면(5) 상의 금속 본드 패드에 전기적으로 연결된다. 부품(8, 16, 17)의 통합은 예를 들어, 모놀리식 방식으로(monolithically), 혼성으로(heterogeneously) 또는 하이브리드 방법에 의해 이루어진다. 모놀리식 통합은 잠재적으로 상이한 재료, 예를 들어, 실리콘 광자 IC 내의 통합된 게르마늄 검출기를 이용하여 다양한 부품을 처리하기 위하여 단일 처리 플로우를 사용하는 통합 기술이다. 혼성 통합은, 예를 들어, BCB 본딩, 웨이퍼 본딩 및 다른 본딩 스킴, 3D 통합인, 다이 또는 웨이퍼 레벨로 통합되는 개별 처리 플로우에서 부품이 처리되는 통합 기술이다. 하이브리드 통합은, 예를 들어, 검출기의 플립 치핑, 범핑, 접합, 와이어 본딩, 공동 패킹 등인, 처리된 광자 집적 플랫폼에서의 부품 또는 재료의 통합이다.
다른 양태에서의 본 발명은 광학 어셈블리, 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 실시예들 중 임의의 하나에 따른 광학 어셈블리(1)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 기판(2)에 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하는 통합 광학 미세 구조(3)를 제공하는 단계와, 광학적 상호 작용 영역(4)에 인접한 표면(5) 상에 적어도 하나의 능동 부품(8)을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 적어도 하나의 능동 부품(8)이 위치 설정되는 밀봉된 캐비티(9)를 형성하기 위하여 기판(2)의 일부 상에 커버 캡(6)을 제공하는 단계를 더 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 광학 어셈블리(1)를 제조하는 방법은 밀봉된 캐비티(9)로부터 노출된 광학적 상호 작용 영역(4)으로 연장하는 적어도 하나의 광학 피드스루(10)를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 마이크로 시스템 어셈블리(1)를 제조하는 방법은 밀봉된 캐비티(9) 내부로부터 기판(2) 내의 밀봉된 캐비티(9) 외부에 있는 영역까지 연장하는 적어도 하나의 전기 피드스루(10)를 제공하는 단계를 더 포함한다. 도 5에 도시된 실시예를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 광학 마이크로 시스템 어셈블리(1)를 제조하는 방법은 광학 어셈블리(1) 주위에, 가능하게는 광학적 상호 작용 영역(4)을 위한 어퍼처를 갖는, 보호층(25)을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명된 광학 어셈블리(1) 실시예의 밀폐식 밀봉은 다이 또는 웨이퍼 레벨로 수행될 수 있다. 다이 레벨 밀봉은 각각의 다이 및 광학 어셈블리(1)를 위한 개별 처리를 필요로 하며, 이는 패키징 비용과 노동 시간을 증가시키고 처리 수율과 신뢰성을 감소시킨다. 한편, 웨이퍼 레벨 밀폐식 밀봉은, 박막 캡슐화 또는 웨이퍼간 본딩과 같은 잘 알려진 기술을 이용함으로써 모든 상술한 양태에서 더 나은 해결 방안을 제공하여, 저비용의 패키징 해결 방안을 제공한다. 웨이퍼간 본딩에 의한 밀폐식 밀봉은 밀봉 목적으로 개별 캡 웨이퍼를 채용하여, 센서의 보호를 위한 완벽한 기계적 강성(robustness)을 제공한다. 대안적이거나 추가적인 실시예에서, 광학 마이크로 시스템 어셈블리(1)를 제조하는 방법은 웨이퍼 레벨 패키징(wafer-level packaging(WLP)) 기술에 의해 커버 캡(6)을 기판(2)으로 밀봉하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 바와 같은 다수의 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었다. 일부 부분 또는 요소의 수정 및 대안적인 구현이 가능하며, 첨부된 청구범위에서 정의된 보호 범위 내에 포함된다.

Claims (17)

  1. 기판(2)과, 상기 기판(2)과 통합된 광학 미세 구조(3)를 포함하는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit)를 포함하는 임플란트 가능한 광학 센서에 있어서,
    상기 광학 미세 구조(3)는 상기 기판(2)의 표면(5)의 일부 상에 노출된 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정되고,
    상기 광자 집적 회로(1)는 상기 광학적 상호 작용 영역(4)에 인접한 기판(2)의 일부 상에서 웨이퍼간 본딩 기술 또는 다른 웨이퍼 레벨 밀폐 패키징 기술에 의해 상기 기판에 밀폐식으로 밀봉된 커버 캡(cover cap)(6) 및 상기 표면(5)과 상기 커버 캡(6) 사이에 형성된 밀봉된 캐비티(9) 내에 위치 설정된 적어도 하나의 능동 부품(8)을 더 포함하고,
    상기 기판(2)은 상기 밀봉된 캐비티(9)로부터 상기 광학적 상호 작용 영역(4)으로 연장하는 적어도 하나의 광학 피드스루(feederthrough)(10)를 포함하고, 상기 광학 피드스루(10)는 상기 기판 내의 매립된 도파관인,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉된 캐비티(9)로부터 상기 밀봉된 캐비티(9) 외부에 있는 상기 기판(2)의 영역으로 연장하는 적어도 하나의 전기 피드스루(20)를 더 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 전기 피드스루(20)는 상기 밀봉된 캐비티(9)로부터 상기 커버 캡(6)의 반대 측에 있는 상기 기판(2)의 표면으로 연장하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버 캡(6)은 유리 밀봉 재료, 예를 들어, 유리, 금속, 실리콘, 폴리머 또는 이들의 조합으로 이루어지는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버 캡(6)은 전자기 차폐층(19)을 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    내상(internal injury)을 방지하기 위하여 상기 광학 어셈블리 주위로 보호층(25)을 더 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보호층(25)은 상기 노출된 광학적 상호 작용 영역을 위한 어퍼처(aperture)를 갖는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉된 캐비티(9) 내에 위치 설정된 에너지 공급 장치(16)를 더 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 능동 부품(8)은 상기 밀봉된 캐비티(9) 내에서 상기 표면(5)에 부착되는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    안테나(15)를 더 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학적 상호 작용 영역(4)은 감지 영역인,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버 캡이 상기 기판에 밀폐식으로 밀봉되게 하는 상기 커버 캡(6)의 하부 에지는 플랜지가 없고(flangeless) 상기 기판(2)의 상기 표면(5)과 직접 접촉하는,
    임플란트 가능한 광학 센서.
  13. 임플란트 가능한 광학 센서, 예를 들어, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 센서를 제조하는 방법에 있어서,
    - 노출된 광학적 상호 작용 영역(4)을 형성하도록 위치 설정된 통합된 광학 미세 구조(3)와, 상기 광학적 상호 작용 영역(4)으로부터 상기 광학적 상호 작용 영역(4)에 인접한 상기 기판의 일부로 연장하는 적어도 하나의 광학 피드스루(10)를 갖는 기판(2)을 포함하는 광자 집적 회로(photonic integrated circuit)를 제공하는 단계로서, 상기 광학 피드스루(10)는 상기 기판 내의 매립된 도파관인 단계;
    - 상기 광학적 상호 작용 영역(4)에 인접한 일부 상의 상기 표면(5) 상에 적어도 하나의 능동 부품(8)을 제공하는 단계;
    - 상기 적어도 하나의 능동 부품(8)이 위치 설정되는 밀봉된 캐비티(9)를 형성하기 위하여 상기 기판(2)의 상기 일부에 커버 캡(6)을 제공하는 단계; 및
    - 상기 커버 캡(6)을 상기 기판(2)에 밀봉하는 단계로서, 상기 커버 캡은 웨이퍼간 본딩 기술 또는 다른 웨이퍼 레벨 밀폐 패키징 기술에 의해 상기 기판에 밀폐식으로 밀봉되는 단계
    를 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 밀봉된 캐비티(9)로부터 상기 밀봉된 캐비티(9) 외부에 있는 상기 기판(2)의 영역으로 연장하는 적어도 하나의 전기 피드스루(20)를 제공하는 단계를 더 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 광학 어셈블리(1) 주위로 보호층(25)을 제공하고, 상기 광학적 상호 작용 영역(4)을 위한 어퍼처(aperture)를 남기는 단계를 더 포함하는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버 캡은 레이저 본딩 또는 애노딕(anodic) 본딩에 의해 상기 기판에 밀폐식으로 밀봉되는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
  17. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커버 캡이 상기 기판에 밀폐식으로 밀봉되게 하는 상기 커버 캡(6)의 하부 에지는 플랜지가 없고(flangeless), 상기 밀봉하는 단계 전에, 상기 하부 에지는 상기 기판(2)의 상기 표면(5)과 직접 접촉하게 되는,
    임플란트 가능한 광학 센서를 제조하는 방법.
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