TW201335648A - 基底上的光學平台及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之實施例提供基底上的光學平台及其形成方法，基底上的光學平台包含基底及形成在基底內部的溝槽，溝槽具有傾斜側邊，反射層形成在傾斜側邊之上，光學元件固定在基底之上，反射層係配置成反射電磁波至光學元件或反射來自光學元件的電磁波。

Description

基底上的光學平台及其形成方法
本發明係有關於積體電路，特別有關於基底上的光學平台及其形成方法。
多晶片模組(multi-chip module；MCM)封裝技術將不同功能以及由不同製程所製造的多個晶片整合在一起，其中有一些多晶片模組使用的基底材料為陶瓷或有機高分子，在特定狀態下，這些基底材料的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion；CTE)與半導體晶片的熱膨脹係數之匹配能力可能不夠，以及/或這些基底材料的散熱性質可能也不足，此現象會對以第三-五族(III-V)半導體材料為基質的光電晶片以及/或高功率放大器造成潛在的信賴性問題。
依據一實施例，提供基底上的光學平台，此基底上的光學平台包含基底以及形成在基底內部的溝槽，此溝槽具有傾斜側邊，反射層形成在傾斜側邊之上，光學元件固定在基底之上，反射層係配置成反射電磁波至光學元件或反射來自光學元件的電磁波。
依據另一實施例，提供基底上的光學平台的形成方法，此方法包含在基底內部形成溝槽，此溝槽具有傾斜側邊；在傾斜側邊之上形成反射層；將光學元件固定在基底之上，其中反射層係配置成將電磁波反射至光學元件或反射來自光學元件的電磁波。
為了讓本發明之上述目的、特徵、及優點能更明顯易 懂，以下配合所附圖式，作詳細說明如下：
以下詳細討論各種實施例的製造與使用，可以理解的是，本揭示內容提供了許多可應用的發明概念，其可以在各種特定背景中實施，在此所討論的特定實施例僅用於說明製造與使用本揭示的特定方式，並非用於限定本揭示的範圍。
此外，在本揭示的各種例子中可能會重複出現參考標號以及/或字母，此重複出現的參考標號以及/或字母的目的在於讓本揭示的表達方式更加簡化及清楚，並非用於限定各種實施例以及/或所討論的各種狀態之間的關係。此外，在本揭示中所描述之一特徵形成在另一特徵上、一特徵連接以及/或耦接至另一特徵可包含這些特徵直接接觸的實施例，也可包含額外的特徵形成在這些特徵之間，而使得這些特徵不會直接接觸的實施例。另外，與空間有關的用語，例如”較低”、”較高”、”水平”、”垂直”、”上方”、”下方”、”向上”、”向下”、”頂端”、”底部”等，以及這些用語衍生的詞語係用於讓本揭示的一特徵與另一特徵的相對關係更容易理解，這些與空間有關的用語可以涵蓋包含這些特徵的裝置在各種不同方向的狀態。
第1圖顯示依據一些實施例，基底上的光學平台100之剖面示意圖，光學平台100包含固定在基底3上的雷射二極體1與光電二極體2，雷射二極體1與光電二極體2包括第III-V族半導體材料，而且在一些實施例中，雷射二極體1與光電二極體2在電磁波為450nm-1700nm的範圍 內操作。基底3可包括任何合適的材料，例如矽。蝕刻硬遮罩4包括SiN或SiO2，在一些實施例中，針對基底3可達到至少30μm的蝕刻深度，在溝槽21以及/或光學波導19區域上方的蝕刻硬遮罩4被移除。在一些例子中，蝕刻硬遮罩4包括厚度至少為30nm的SiN，在其他實施例中，蝕刻硬遮罩4包括厚度至少為100nm的SiO2。反射層5包括Al、Cu、Ag或Au的其中至少一個、多層介電質或任何其他合適的材料，反射層5對於所需的電磁波波長具有反射性質，在一些實施例中，反射層5對選擇的波長具有至少90%的反射率。
介電層6可包括SiO2或其他低介電常數的介電材料，例如多孔的SiO2；有機高分子，例如聚亞醯胺或聚對二噁唑苯(polybenzobisoxazole；PBO)；或者混成的有機高分子，例如聚矽氧烷(polysiloxane)。為了在射頻(radio frequency；RF)及微波頻率達到高效能，在一些實施例中，對於高阻抗的矽基底(電阻率>3000 ohm-cm)，介電層6的厚度至少需為300nm。在一些實施例中，對於一般的晶圓(電阻率從1 ohm-cm至10 ohm-cm)，介電層6的厚度至少需為1μm。
在基底3之上形成的重分佈層(redistribution layer；RDL)7為晶片上的金屬層，其可以讓積體電路的輸入輸出(IO)墊設置在其他位置上。重分佈層7包括Al、Cu或任何其他合適的導電材料，在一些實施例中，對於超過2 Gbps的高速應用，重分佈層7的厚度為大於1μm。鈍態層(passivation layer)8包括SiO2、SiON、SiN、這些材料的多層堆疊，或任何其他合適的材料。在一些實施例中，針對 導電墊的保護作用而言，鈍態層8的厚度約為200nm-800nm。
在一些實施例中，底部包覆層(bottom cladding layer)9包括經由電漿增強型化學氣相沈積法(PECVD)形成的SiO2/SiON；在其他實施例中，也可使用旋轉塗佈(spin-on)介電層或高分子的方式形成底部包覆層9。在一些實施例中，底部包覆層9的厚度至少為500nm，藉此避免漏光。在一些實施例中，中心層(core layer)10包括經由電漿增強型化學氣相沈積法(PECVD)形成的SiON/SiN；在其他實施例中，也可使用旋轉塗佈介電層或高分子的方式形成中心層10。在一些實施例中，中心層10的厚度至少為15μm。在一些實施例中，頂端覆蓋層(top cover layer)11包括經由電漿增強型化學氣相沈積法(PECVD)形成的SiO2/SiON；在其他實施例中，也可使用旋轉塗佈介電層或高分子的方式形成頂端覆蓋層11。在一些實施例中，頂端覆蓋層11的厚度至少為500nm，藉此避免漏光。在一些實施例中，可在溝槽21內放置光纖作為波導19。
底部包覆層9、中心層10以及頂端覆蓋層11構成溝槽21內部的波導19，其係作為雷射二極體1以及/或光電二極體2使用的電磁波的光學連接介質(optical link medium)。中心層10的折射率高於底部包覆層9和頂端覆蓋層11的折射率，在一些實施例中，這些折射率的差異至少為0.02，以避免漏光。在一例子中，作為底部包覆層9、中心層10以及頂端覆蓋層11的三層高分子層藉由旋轉塗佈(spin on)製程進行沈積，然後使用微影製程定義出波導 19。光學路徑20顯示光(電磁波)從雷射二極體1發射，被反射層5的傾斜側邊反射，通過光學波導19，被反射層5的另一傾斜側邊反射，然後到達光電二極體2的示範性光學路徑。
凸塊下金屬層(under bump metallization；UBM)12包括任何合適的凸塊下金屬，例如Cu/Ni。在一些實施例中，焊料凸塊層13可包括無鉛焊料或金凸塊。在一些實施例中，焊料凸塊層13包括與半導體基質的光學與電性晶片進行覆晶接合的微凸塊(micro bump)。在一些實施例中，凸塊下金屬層12與焊料凸塊層13的整體厚度為1μm-15μm。穿過基底3而形成的貫穿基底的導通孔(through substrate vias；TSVs)14包括Cu或任何其他合適的導電材料，可使用TSVs 14提供背面的電性連接，並且可使用任何習知合適的方法與材料製造TSVs 14。
另一介電層15可包括SiO2或其他低介電常數的介電材料，例如多孔的SiO2；有機高分子，例如聚亞醯胺或聚對二噁唑苯(PBO)；或混成的有機高分子，例如聚矽氧烷(polysiloxane)。為了在射頻(RF)及微波頻率達到高效能，在一些實施例中，對於高阻抗的矽基底(電阻率>3000 ohm-cm)，介電層15的厚度至少需為300nm。在一些實施例中，對於一般的晶圓(電阻率從1 ohm-cm至10 ohm-cm)，介電層15的厚度至少需為1μm。背面重分佈層(RDL)16包括Al、Cu或任何其他合適的導電材料，在一些實施例中，對於超過2 Gbps的高速應用，重分佈層16的厚度為大於1μm。
溝槽21具有傾斜側邊，在一些實施例中，其傾斜角度θ的範圍從42°至48°，且其深度超過30μm，以容納從雷射二極體1，例如從垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser；VCSEL)離開的光束。一些雷射二極體1具有的光束分散角度約為20°-30°，以及光束尺寸約為10μm-15μm。
整合在基底上的光學平台100可以將從雷射二極體1發射出來的光耦接至反射層5，然後進入波導19，並且光學平台100還可引導從波導19出來的光線至反射層5，然後被光電二極體(偵測器二極體)2接收。基底上的光學平台100也可以使用線22的每一側上的一部分實施，例如，在一個或多個實施例中，光學平台100包含在線22的左側上的發射部分，且具有雷射二極體1作為發射器；在一個或多個實施例中，光學平台100包含在線22的右側上的接受部分，且具有光電二極體2作為接受器。針對超過晶片範圍的通訊，大的波導19尺寸(在一些實施例中大於15μm)也可以讓光線耦接至光纖以及從光纖出來。
相較於其他基底或中介層材料，例如陶瓷或有機高分子，當基底3包括半導體材料例如矽時，基底上的光學平台100的結構可提供較佳的熱膨脹係數之匹配以及/或對於光學元件，例如固定在基底3上的雷射二極體1及光電二極體2提供較佳的散熱。相較於一些使用分離的光學元件的其他組合，藉由基底上的光學平台100可以對使用矽微製造技術的光學元件達到更堅固以及更有經濟效率的整合。再者，使用光學波導19傳送安全資料，其在光學頻道 之間較少發生互相干擾。
此外，藉由將光學平台100配置成作為發射部分(例如在線22的左側部分，且具有雷射二極體1作為發射器)，或者配置成作為接收部分(例如在線22的右側部分，且具有光電二極體2作為接受器)，可以在封裝上增加光學輸入/輸出元件。藉由整合光學元件以及對於訊號輸入與輸出的光學選擇，基底平台上的光學平台100在封裝內部可提供更高的資料速度。
第2A-2E圖顯示依據一些實施例，形成第1圖之基底上的光學平台的一製程的各步驟之剖面示意圖。在第2A圖中，可藉由物理氣相沈積法(PVD)形成重分佈層(RDL)7於介電層6之上，以作為用在高速電性訊號傳送的金屬佈線與金屬導線，之後可藉由化學氣相沈積法(CVD)沈積鈍態層8(例如氮化矽或氧化矽)來保護金屬，然後從溝槽21預定形成的區域上方移除例如為氮化矽或氧化矽的鈍態層8、介電層6以及蝕刻硬遮罩4。
在第2B圖中，溝槽21(在一些實施例中具有至少30μm的深度)包含具有傾斜角度θ的傾斜側邊，可藉由使用KOH(aq)/異丙醇(isopropyl alcohol；IPA)或氫氧化四甲基銨(tetramethylammonium hydroxide；TMAH)溶液的濕蝕刻方式製造。可藉由使用KOH(25wt%-35wt%)以及不少於5wt%的IPA的量達成控制非等向性濕蝕刻的方法，在濕蝕刻期間，溫度保持在約60℃-70℃，藉此在濕蝕刻期間達到蝕刻速度為每分鐘0.2-0.6微米的合理蝕刻速度，並且避免過度的凸起(hillock)形成。
在溝槽21上形成反射層5，其具有傾斜角度θ(例如42°至48°)的傾斜側邊，此步驟可包含沈積黏著介電層，然後沈積阻障層/黏著金屬層，例如Ti或Cr，以及最後沈積高反射的金屬，例如Al、Cu、Ag或Au，在一些實施例中，反射層5的厚度大於50nm，藉此達到大於90%的反射率。上述沈積製程例如可藉由物理氣相沈積法(PVD)或電鍍方式進行，此外，也可使用任何其他合適的反射材料與方法。
在第2C圖中，於溝槽21內部形成用於光學路徑的波導19，例如為高分子，在一些實施例中，此步驟包含藉由化學氣相沈積法(CVD)或塗佈機(針對介電質或高分子)形成底部包覆層9(例如介電質或高分子)，然後形成中心層10(例如高分子)以及頂端覆蓋層11(例如介電質或高分子)，並且可利用蝕刻方式定義出波導19，而且反射層5不需要的部分也可以被移除。在其他實施例中，可在溝槽21內放置光纖的一部份作為波導19。
在第2D圖中，可藉由例如蒸鍍或濺鍍，或者藉由化學電鍍方式形成凸塊下金屬層(UBM)12，例如Cu/Ni。然後，在凸塊下金屬層(UBM)12上形成或放置焊料凸塊層13，可藉由許多方式，包含蒸鍍、電鍍、印刷、噴墨印刷、柱形凸塊植球(stud bumping)以及直接放置的方式形成焊料凸塊層13。
在第2E圖中，雷射二極體1和光電二極體2，以及其他驅動器或跨阻放大器(transimpedance amplifier；TIA)晶片一起以覆晶方式(以及/或所需的打線接合方式)固定在基 底3之上。在第2E圖中，線22的左側部分為如第2A-2D圖所示之光學平台的發射部分，而且線22的右側部分為接受部分，可使用如第2A-2D圖描述的相同或相似的製程流程製造。
第3A-3C圖顯示依據一些實施例，形成第1圖之基底上的光學平台的另一製程的各步驟之剖面示意圖。在第3A圖中，在基底3之上形成蝕刻硬遮罩4與介電層6，蝕刻硬遮罩4例如為氮化矽或氧化矽，並且從溝槽21預定形成的區域上方移除介電層6。
在第3B圖中，藉由蝕刻方式形成具有傾斜角度θ的溝槽21(如第1圖所示)，例如使用KOH(aq)/IPA或TMAH溶液。藉由使用KOH(25wt%-35wt%)與不少於5wt%的IPA的量達成控制非等向性濕蝕刻的方法，在濕蝕刻期間，溫度保持在約60℃-70℃，藉此在濕蝕刻期間達到每分鐘0.2-0.6微米的合理蝕刻速度，並且避免過度的凸起(hillock)形成。
在溝槽21的傾斜側邊上所形成的反射層5具有傾斜角度θ(例如42°至48°)，此步驟可包含沈積黏著介電層，然後沈積阻障層/黏著金屬層，例如Ti或Cr，以及最後沈積高反射的金屬，例如Al、Cu、Ag或Au，在一些實施例中，反射層5的厚度大於50nm，藉此達到大於90%的反射率。上述沈積製程例如可藉由物理氣相沈積法(PVD)或電鍍方式進行，此外，也可使用任何其他合適的反射材料或方法。在一些實施例中，可藉由微影製程移除不需要反射層的區域上的反射層5。
在第3C圖中，形成並定義重分佈層(RDL)7，以作為 用在高速電性訊號傳送的金屬佈線與金屬導線，如果需要也可形成用於電性隔絕的額外介電層以及微波限制(microwave confinement)。在第3C圖的步驟之後，可繼續進行製程流程，以形成鈍態層8(例如氮化矽或氧化矽)來保護金屬，如第2A圖所述，然後繼續進行如第2C-2E圖所述之步驟。
雖然本發明已揭露較佳實施例如上，然其並非用以限定本發明，在此技術領域中具有通常知識者當可瞭解，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
1‧‧‧雷射二極體
2‧‧‧光電二極體
3‧‧‧基底
4‧‧‧蝕刻硬遮罩
5‧‧‧反射層
6、15‧‧‧介電層
7‧‧‧重分佈層
8‧‧‧鈍態層
9‧‧‧底部包覆層
10‧‧‧中心層
11‧‧‧頂端覆蓋層
12‧‧‧凸塊下金屬層
13‧‧‧焊料凸塊層
14‧‧‧貫穿基底的導通孔
16‧‧‧背面重分佈層
19‧‧‧波導
20‧‧‧光學路徑
21‧‧‧溝槽
22‧‧‧區分光學平台左右側的線
100‧‧‧基底上的光學平台
第1圖係顯示依據一些實施例，基底上的光學平台之剖面示意圖。
第2A-2E圖係顯示依據一些實施例，形成第1圖之基底上的光學平台的一製程的各步驟之剖面示意圖。
第3A-3C圖係顯示依據一些實施例，形成第1圖之基底上的光學平台的另一製程的各步驟之剖面示意圖。
1‧‧‧雷射二極體
2‧‧‧光電二極體
3‧‧‧基底
4‧‧‧蝕刻硬遮罩
5‧‧‧反射層
6、15‧‧‧介電層
7‧‧‧重分佈層
8‧‧‧鈍態層
9‧‧‧底部包覆層
10‧‧‧中心層
11‧‧‧頂端覆蓋層
12‧‧‧凸塊下金屬層
13‧‧‧焊料凸塊層
14‧‧‧貫穿基底的導通孔
16‧‧‧背面重分佈層
19‧‧‧波導
20‧‧‧光學路徑
21‧‧‧溝槽
22‧‧‧區分光學平台左右側的線
100‧‧‧基底上的光學平台

Claims (10)

  1. 一種基底上的光學平台，包括：一基底；一溝槽，設置在該基底內部，且具有一傾斜側邊；一反射層，設置在該傾斜側邊之上；以及一光學元件，固定在該基底之上；其中該反射層係配置成反射一電磁波至該光學元件或反射來自該光學元件的一電磁波。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之基底上的光學平台，其中該基底包括矽。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之基底上的光學平台，其中該光學元件係以覆晶方式固定在該基底之上，且該光學元件為一雷射二極體或一光電二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之基底上的光學平台，更包括一波導設置在該溝槽內部，其中該波導係配置成引導該電磁波至該反射層或引導來自該反射層的該電磁波，該波導包括一光纖。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之基底上的光學平台，更包括：至少一貫穿基底的導通孔，貫穿該基底而設置；一重分佈層，設置在該基底之上；以及一介電層，設置在該重分佈層與該基底之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之基底上的光學平台，其中該傾斜側邊的一傾斜角度的範圍從42°至48°。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之基底上的光學平台， 其中該反射層包括Al、Cu、Ag或Au的其中至少一個。
  8. 一種基底上的光學平台的形成方法，包括：在一基底內部形成一溝槽，其中該基底包括矽，且該溝槽具有一傾斜側邊；在該傾斜側邊之上形成一反射層；以及將一光學元件固定在該基底之上；其中該反射層係配置成反射一電磁波至該光學元件或反射來自該光學元件的一電磁波。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之基底上的光學平台的形成方法，更包括在該溝槽內部形成一波導，其中該波導係配置成引導該電磁波至該反射層或引導來自該反射層的該電磁波，該波導包括高分子或光纖。
  10. 一種基底上的光學平台，包括：一矽基底；一溝槽，設置在該基底內部，且具有一傾斜側邊；一波導，設置在該溝槽內部；一雷射二極體，固定在該基底之上；一光電二極體，固定在該基底之上；以及一反射層，設置在該傾斜側邊之上，且配置成反射來自該雷射二極體發射的一電磁波至該波導，而該波導係配置成將該電磁波進一步耦接至該光電二極體。
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