專利名稱：制造光波導(dǎo)器件的晶片級方法和由此制得的波導(dǎo)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造光波導(dǎo)器件的晶片級方法，特別涉及脊形波導(dǎo)器件的制
造，和由此制得的改進(jìn)的脊形波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
光波導(dǎo)器件在光波導(dǎo)層的尺寸方面要求高度的準(zhǔn)確度。過去，在晶片級制造方 法中不可能實現(xiàn)平行度和均勻度而使橫跨晶片，以及從晶片到晶片實現(xiàn)足夠的產(chǎn)量。當(dāng) 光學(xué)透射材料晶片被變薄并拋光到大約l-10微米波導(dǎo)尺寸時，不具有被拋光或保持所期 望平面，甚至被無破壞的操作的尺寸穩(wěn)定性。為了在這種薄光學(xué)材料中實現(xiàn)所需要的平 行度，在載體基片晶片上必須設(shè)置主參考平面。本領(lǐng)域已知的是將晶片拋光到0.005微 米以內(nèi)的平行均勻度。然而，對于晶片級制造，由于固定波導(dǎo)層到載體基片的粘結(jié)層引 入的變化，這種精度不能轉(zhuǎn)移到薄波導(dǎo)層。諸如平面光波電路，電光調(diào)制器和脊形波導(dǎo) 器件的光學(xué)器件都是光波導(dǎo)器件的例子，對于這些光波導(dǎo)器件，尺寸均勻度是實現(xiàn)晶片 級制造不可缺少的。利用脊形波導(dǎo)器件的二次諧波產(chǎn)生應(yīng)用(倍頻)已經(jīng)被開發(fā)出來以產(chǎn)生用于許 多技術(shù)中的紫外光，可見光和紅外光波長譜的激光輸出。這些器件的要求是較高的。然 而，脊形波導(dǎo)器件的制造已經(jīng);故限制到單獨器件加工。用于二次諧波產(chǎn)生應(yīng)用的脊形波 導(dǎo)的制造中發(fā)生的一個問題是脊的尺寸控制。特別地，由于上變頻波長對脊的整個尺寸 的靈敏度的原因，脊形波導(dǎo)的厚度必須精確控制。橫向尺寸利用光刻方法控制，而垂直 尺寸通過蝕刻和拋光方法控制。在這種應(yīng)用中，用于二次諧波產(chǎn)生的脊形波導(dǎo)器件在波導(dǎo)中具有相位匹配泵浦 和輸出信號的周期性極化區(qū)域。支撐載體晶片和光學(xué)透射晶片的粘接組合是優(yōu)選的。為 了獲得足夠的產(chǎn)量，脊和平面板的厚度范圍必須控制在幾十微米以內(nèi)。為了實現(xiàn)橫跨晶 片和從晶片到晶片的這種級別的均勻度，透射晶片和載體晶片之間的粘接劑厚度必須控 制在這種相同的范圍內(nèi)。在現(xiàn)有技術(shù)中，晶片級制造的這種級別的控制還未被論證。松下電氣工業(yè)有P艮公司于2003年10月7日以Kiminori Mizuuchi等人名義公 開的US專利No.6,631,231中公開了 一種光波長轉(zhuǎn)換元件。在該專利中，利用非晶材料 的連續(xù)結(jié)合層將極化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)結(jié)合到基片層。盡管該公開認(rèn)識到一些重要的對粘接劑厚度的光限制，但是并沒有公開控制粘接劑厚度的方法。替代的，公開了重要定位組件的 精加工。這些是用于制造單獨器件的勞動密集方法。這種方法不能獲得高產(chǎn)量。此外， Mizuuchi的設(shè)計取決于粘結(jié)層的光學(xué)特性，這限制了設(shè)計選擇。粘結(jié)層間隔在各種光學(xué)工業(yè)中是已知的。例如US專利No.4，390,245公開了用 作LCD顯示屏層間的隔離物的玻璃光纖顆粒。公開了標(biāo)準(zhǔn)具的晶片級制造的US專利 No.6,896,949同樣利用小珠子來簡化多個組合標(biāo)準(zhǔn)具間的間隔，或多孔玻璃被以特定厚 度應(yīng)用并被加熱到其熔點來結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)具元件。US專利No.5,433,911中公開的圖像傳感器 同樣公開了單獨器件的裝配，利用通過抗圖案結(jié)構(gòu)構(gòu)造的隔離物以確保防護(hù)罩具有控制 的平行度。然而，這些公開中沒有一個提供適用于本申請的粘接組合的說明，本申請能 夠提供橫跨晶片和從晶片到晶片的晶片級生產(chǎn)控制所必須的精度級。工業(yè)中可利用的珠 子和隔離物不能提供確保橫跨晶片的公差控制所必須的0.1微米偏差內(nèi)的均勻度。光波導(dǎo)器件，并且特別是脊形波導(dǎo)器件的晶片級制造方法，在工業(yè)上仍然是非 ?？释玫降?。本發(fā)明的一個目的是提供具有次微米(sub micron)精度和高產(chǎn)量的生產(chǎn)光波導(dǎo) 器件的晶片級制造方法。本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供根據(jù)本發(fā)明的制造方法制造的脊形波導(dǎo)器件，所述 脊形波導(dǎo)器件包含處于精密尺寸的不連續(xù)粘結(jié)層內(nèi)的剛性間隔元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對光波導(dǎo)層的厚度實現(xiàn)次微米級控制的方法，通過尺寸穩(wěn)定 的晶片組合實現(xiàn)，粘接劑可以被引入到所述晶片組合而不改變晶片級制造中的載體晶片 和光透射晶片間的平面關(guān)系。本方法允許晶片級制造中脊形波導(dǎo)器件中的脊和板的所期
望的尺寸控制。更一^L地，本方法允許包含薄光學(xué)透射層的光波導(dǎo)器件的晶片級制造。
特別地，隔離物支座圖案通過沉積和回蝕(etch back)產(chǎn)生，或通過表面蝕刻方法準(zhǔn)確 地定位光學(xué)透射晶片的結(jié)合表面到載體晶片的結(jié)合表面，該載體晶片的結(jié)合表面必須平 行于該載體晶片的暴露表面，該載體晶片的暴露表面反過來被定位到可再用的主表面。 根據(jù)本方法可實現(xiàn)的公差提供橫跨晶片的一致產(chǎn)量。本方法還給完成的器件提供加強(qiáng)的 結(jié)構(gòu)完整性。因此，本發(fā)明提供的制造光波導(dǎo)器件的晶片級方法包括以下步驟 提供具有結(jié)合表面和外部表面的光學(xué)透射材料的透射晶片； 提供具有結(jié)合表面和與所述結(jié)合表面基本平行的外部表面的載體晶片； 在所述兩個晶片之一的結(jié)合表面上產(chǎn)生凹凸圖案，所述凹凸圖案包含具有基本均勻
高度的支座；
使所述支座和另 一個所述晶片的結(jié)合表面接觸并將粘接劑材料引入到由所述凹凸圖
案產(chǎn)生的空間；
拋光并使所述透射晶片變薄到預(yù)定的尺寸； 在所述透射晶片中產(chǎn)生波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 將所述組合晶片結(jié)構(gòu)切割成單獨波導(dǎo)器件。本發(fā)明包括如上所述的晶片級方法，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)選自由脊形波導(dǎo)，未擴(kuò) 散波導(dǎo)，和平面波導(dǎo)組成的組。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述載體晶片的結(jié)合表面和外部表面橫跨所述 晶片基本平行，具有0.5微米以內(nèi)的表面平行度。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述載體晶片的結(jié)合表面和外部表面橫跨所述 晶片基本平行，具有0.1微米以內(nèi)的表面平行度。本發(fā)明包括的晶片級方法，還包括拋光所述切割的單獨波導(dǎo)器件的輸入和輸出 端面的步驟。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所迷支座橫跨所述晶片具有在0.05微米以內(nèi)的 基本均勻的高度。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述支座橫跨所述晶片具有在0.01微米以內(nèi)的 基本均勻的高度。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述拋光的透射晶片橫跨所述晶片具有少于0.1 微米的厚度偏差。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述凹凸圖案適于毛細(xì)吸收所述透射晶片和所 述載體晶片間的粘接劑。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中使所述透射晶片變薄的步驟包括通過在感應(yīng)耦 合的等離子體中的反應(yīng)性離子蝕刻使其變薄。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述波導(dǎo)包括脊形波導(dǎo)，還包括在形成所述脊 形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之前在所述透射晶片上，至少在與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一致的區(qū)域中產(chǎn)生周期性極 化區(qū)域的步驟。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述光學(xué)脊形波導(dǎo)器件在每個100mm晶片內(nèi)
具有小于100nm的厚度偏差。本發(fā)明包括的晶片級方法，還包括在使所迷支座接觸另 一個所述晶片的結(jié)合表 面之前施加包層材料到所述透射晶片的結(jié)合表面的步驟。本發(fā)明包括的晶片級方法，還包括步驟在拋光和^吏所述透射晶片變薄的步驟 之后，在將所述組合晶片結(jié)構(gòu)切割成單獨波導(dǎo)器件之前，施加包層材料到所述透射晶片 的外部表面。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在所述透射晶片的結(jié)合表面上
產(chǎn)生的脊形波導(dǎo)，并且產(chǎn)生凹凸圖案的步驟包括步驟
在包括所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述透射晶片的結(jié)合表面上施加具有均勻厚度的包層；以及 蝕刻所述包層以產(chǎn)生等于所述包層厚度的支座而不從所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)移去所述包層。 [26]本發(fā)明包括的晶片級方法，還包括步驟在切割所述組合晶片結(jié)構(gòu)之前，施加
包層到所述透射晶片的拋光的和變薄的外部表面。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中劃片格線(dicing streets )限定在所述組合晶片
結(jié)構(gòu)上的波導(dǎo)器件之間，并且其中形成所述凹凸圖案的所述支座與所述劃片格線對準(zhǔn)，
以致當(dāng)切割后將該支座從完成的波導(dǎo)器件上移除。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中劃片格線限定在所述組合晶片結(jié)構(gòu)上的波導(dǎo)器
件之間，并且其中形成所述凹凸圖案的所述支座與所述劃片格線對準(zhǔn)，所述支座具有一
寬度以致于當(dāng)切割后所述支座的 一部分保留在完成的波導(dǎo)器件上。本發(fā)明包括的晶片級方法，其中劃片格線限定在所述組合晶片結(jié)構(gòu)上的波導(dǎo)器
件之間，并且其中將至少一個形成所述凹凸圖案的支座設(shè)置在劃片格線之間并在切割后
保留在完成的波導(dǎo)器件上。本發(fā)明包括一種制造光波導(dǎo)器件的方法，包括以下步驟
提供具有結(jié)合表面和外部表面的光學(xué)非線性透射材料的透射晶片；
提供具有結(jié)合表面和外部表面的載體晶片；
在所述光學(xué)透射晶片的結(jié)合表面上產(chǎn)生脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
施加包層到包括所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述光學(xué)透射晶片的所述結(jié)合表面上；
蝕刻所述結(jié)合表面的所述包層的一部分，而不移去所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的包層，以產(chǎn)生
適于結(jié)合表面之間粘接的凹凸圖案；
使所述包層和所述載體晶片的結(jié)合表面接觸，并將粘接劑引入到所述凹凸圖案產(chǎn)生
的空間；
拋光并使所述透射晶片的外部表面變薄； 將所述組合晶片結(jié)構(gòu)切割成單獨波導(dǎo)器件。本發(fā)明包括的制造光波導(dǎo)器件的方法還包括在所述透射晶片的結(jié)合表面上，至
少在與所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一致的位置上產(chǎn)生周期性極化區(qū)域的步驟。本發(fā)明包括的制造光波導(dǎo)器件的方法，其中在每個光波導(dǎo)器件內(nèi)的所述脊形波
導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括多個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，每個所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有不同的轉(zhuǎn)換波長。 [33]本發(fā)明還包括光波導(dǎo)器件，包括 具有基本上平行于外部表面的結(jié)合表面的載體基片； 光學(xué)透射基片，粘接地結(jié)合到其內(nèi)形成有波導(dǎo)的所述載體基片； 與所述載體基片的結(jié)合表面和所述透射基片的結(jié)合表面鄰接的多個剛性支座；以及 包圍所述支座并將所述載體基片的結(jié)合表面固定到所述透射基片的結(jié)合表面的不連
續(xù)的粘接劑層，所述粘接劑層具有由所述支座的高度限定的均勻的厚度。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，其中所述波導(dǎo)具有選自由脊形波導(dǎo)，未擴(kuò)散波導(dǎo)，和
平面波導(dǎo)組成的組的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，其中所述波導(dǎo)包括具有周期性極化晶體結(jié)構(gòu)的脊形波導(dǎo)。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，其中所述光波導(dǎo)器件包括多個形成在所述透射基片上
的脊形波導(dǎo)，所述多個脊形波導(dǎo)的每一個具有不同的轉(zhuǎn)換波長。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，還包括所述透射基片的結(jié)合表面上的包層。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，其中所述載體基片的熱膨脹系數(shù)基本匹配所述透射基
片的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，其中所述載體基片是鈮酸鋰且所述透射基片是鎂摻雜 的鈮酸鋰。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，還包括所述透射基片的外部表面上的包層。 [41]本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，其中所述透射基片的外部表面上的包層是導(dǎo)電的以驅(qū) 散熱電產(chǎn)生的電荷。本發(fā)明包括光波導(dǎo)器件，其中所述載體基片是導(dǎo)電的鈮酸鋰。


本發(fā)明將參考代表本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖作更加詳細(xì)的描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的脊形波導(dǎo)器件的截面圖，其中支座在從組合晶片結(jié)構(gòu)切割
之前沿著劃片格線設(shè)置在載體晶片上。圖2是本發(fā)明另 一實施例的一部分的放大截面圖，其中支座橫跨波導(dǎo)器件分布。 [46]圖3說明的是根據(jù)本發(fā)明的方法中的第一步驟，其中在載體晶片中蝕刻出溝槽
以形成支座；圖4說明的是方法中是比圖3更進(jìn)一步的步驟，其中在結(jié)合兩個晶片之前，施 加Si02包層到MgO摻雜的LN透射晶片；圖5說明的是方法中比圖4更進(jìn)一步的步驟，其中通過毛細(xì)吸收(wicking)將粘 接劑引到晶片間的空間；圖6說明的是方法中比圖5更進(jìn)一步的步驟，其中使MgO摻雜的LN透射晶 片變薄；圖7說明的是方法中比圖6更進(jìn)一步的步驟，其中在變薄的MgO摻雜的LN 晶片中蝕刻出溝槽以形成脊形波導(dǎo)；圖8說明的是方法中比圖7更進(jìn)一步的步驟，其中在蝕刻的MgO摻雜的LN 晶片上沉積Si02包層涂層；圖9是根據(jù)本發(fā)明的脊形波導(dǎo)器件的另一個實施例的截面圖，其中脊形波導(dǎo)形 成在透射晶片的結(jié)合表面上，在從組合晶片結(jié)構(gòu)上切割之前，載體晶片中的支座與劃片 格線上對準(zhǔn)。圖10是圖9的波導(dǎo)器件的一部分的截面圖；圖11是本發(fā)明波導(dǎo)器件的再一個實施例，其中透射晶片的結(jié)合表面上的Si02 支座被該器件的每個脊形波導(dǎo)包圍；圖12說明的是根據(jù)本發(fā)明的可替換方法的第一步驟，其中在MgO摻雜的LN 透射晶片的結(jié)合表面上蝕刻出溝槽以形成脊形波導(dǎo)；圖13說明的是該方法比圖12更進(jìn)一步的步驟，其中在透射晶片的結(jié)合表面上 沉積Si02包層；圖14說明的是該方法比圖13更進(jìn)一步的步驟，其中該Si02包層被回蝕而不從 脊形波導(dǎo)區(qū)域移除包層；圖15說明的是該方法比圖14更進(jìn)一步的步驟，其中透射晶片的結(jié)合表面被結(jié) 合到載體晶片的結(jié)合表面，示出了保留的Si02包層的支座形成的間隔；圖16說明的是該方法比圖15更進(jìn)一步的步驟，其中通過毛細(xì)吸收將粘接劑引
入間隔；圖17說明的是該方法比圖16更進(jìn)一步的步驟，其中使MgO摻雜的LN透射 晶片的外部表面變?。粓D18說明的是該方法比圖17更進(jìn)一步的步驟，其中在透射晶片的外部表面上 沉積Si02包層；圖19是包括載體晶片和透射晶片的組合晶片結(jié)構(gòu)的截面圖，其中載體晶片具 有被兩晶片間的粘接劑包圍的支座。
具體實施例方式
二次諧波產(chǎn)生通常是從長波長激光源中獲得短波長相干光的熟練技術(shù)。在非線 性方法中，光束，稱為泵浦光束，與光學(xué)非線性介質(zhì)相互影響，在這種情況下二次諧波 產(chǎn)生，以產(chǎn)生二次諧波光束，其中二次諧波的頻率是泵浦光束的兩倍。等價地，二次諧 波的自由空間波長是泵浦光束自由空間波長的一半。缺少鏡面對稱的任何材料都可用作 二次諧波產(chǎn)生的光學(xué)非線性介質(zhì)。通常利用的材料包括鈮酸鋰，MgO-摻雜鈮酸鋰和KTP (KTiOP04 )。 二次諧波產(chǎn)生是共同知道的非線性混頻方法中的一種，其使用相似的脊形 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生或放大來自輸入或泵浦的所期望波長的相干光。圖1是"^兌明根據(jù)本發(fā)明制造的完成的脊形波導(dǎo)組件10 (在從晶片上切割之前) 的截面圖。在該實施例中，多個脊形波導(dǎo)30，在這種情況下是11個，形成在單一芯片 上。每個波導(dǎo)30具有輕微不同的轉(zhuǎn)換波長，這增加了位于該器件內(nèi)的脊形波導(dǎo)30具有 正確的轉(zhuǎn)換波長的概率。該波導(dǎo)被設(shè)計成在特定激光輸入和輸出波長操作。該波導(dǎo)的接 收帶寬窄，且該波導(dǎo)尺寸的小偏差可能使操作中心波長(CWL)遠(yuǎn)離特定激光輸入波長。 由加工導(dǎo)致的尺寸變化可通過在一個器件上形成幾個相鄰波導(dǎo)補(bǔ)償。器件10內(nèi)的每個脊 形波導(dǎo)30可以具有輕微不同的橫向尺寸，或包括輕微不同周期的周期性極化區(qū)域。測量 每個脊形波導(dǎo)30的轉(zhuǎn)換波長，并識別合適的波導(dǎo)。因此，多個輕微不同的脊形波導(dǎo)30 的使用提高了產(chǎn)量。如圖l所示，脊形波導(dǎo)器件10包括載體晶片12和光學(xué)非線性材^)"的透射晶片 14,每個都具有由粘合劑層16固定的結(jié)合表面。如上所述的透射層14是諸如鈮酸鋰， MgO摻雜鈮酸鋰，或KTP的光學(xué)非線性材料。載體晶片12優(yōu)選為在所有方向都具有與 透射層14的熱膨脹系數(shù)(CTE)接近的熱膨脹系數(shù)的材料。拋光該載體晶片12成具有 0.005微米以內(nèi)的表面平行度。優(yōu)選的組合包括鈮酸鋰載體晶片12和MgO摻雜鈮酸鋰
透射層14。載體晶片12被蝕刻成具有寬溝槽18(參見圖3)，留下沿劃片格線的支座20。 支座20的頂部保留拋光的載體晶片12的基準(zhǔn)平面。支座20可以是窄的以致于它們可以 被切割機(jī)(dicing saw)移去，可替換地，它們足夠?qū)捯灾掠谥ёＡ粼谇懈詈蟮钠骷小?溝槽是深度大約是1微米。因此，1微米高的支座控制溝槽18中的粘接劑層16到該厚 度，同時載體晶片12的基準(zhǔn)平面上的支座20頂部支撐透射晶片14?？商鎿Q地，可更加 清楚地在圖2所示的實施例11的放大部分中看出，粘接劑層16被器件內(nèi)的多個支座20 中斷，該多個支座20沒有被通過切割移去。支座20由硬的，密致材料構(gòu)造，其形成固 體凹凸結(jié)構(gòu)直接與晶片12， 14接觸。粘接劑被引入到晶片12, 14間的間隔并包圍支座 20。支座20可通過光掩模從栽體晶片12的表面蝕刻溝槽18形成。可替換地，支座20 可通過在載體晶片12的結(jié)合表面13，或透射晶片14的結(jié)合表面15上沉積高度均勻的 薄層形成?；匚g這種沉積層以產(chǎn)生支座20的凹凸圖案，其中可通過例如毛細(xì)吸收或擠壓 將粘接劑引入。該沉積層通過遮光板或光刻掩模施加以產(chǎn)生支座20的凹凸圖案?？商鎿Q 地，支座20可通過在圖案化的光致抗蝕劑上的沉積和隨后的離地升空(lift-off)形成。優(yōu)選地，支座20由沉積層形成，該沉積層是選自與載體晶片不同蝕刻的材料。 例如，Si02或Ta20s層易于化學(xué)蝕刻而鈮酸鋰用作蝕刻阻擋層(etch stop )。此外，如果 沉積層是選自與粘接劑光學(xué)相似的材料是有優(yōu)點的，因為這簡化了厚度計量。多數(shù)的氧 化物電介質(zhì)是合適的，因為它們是耐用金屬，例如Cr, Ni和Ti/W。精確均勻?qū)涌赏ㄟ^ 物理氣相沉積(PVD)提供，例如，包括賊射，電子束，離子輔助或原子層沉積?；瘜W(xué) 氣相沉積(CVD)技術(shù)也是足夠的，例如等離子體增強(qiáng)CVD。對于制造公差，沉積的支 座20必須具有0.05微米以內(nèi)的高均勻度，最好是在0.01微米以內(nèi)。凹凸圖案優(yōu)選地產(chǎn)生在任一端開設(shè)有助于粘接劑毛細(xì)吸收的連續(xù)通道?？商鎿Q 地，粘接劑可在裝配之前引入到一個或兩個結(jié)合表面13， 15,隨后施加壓力以使結(jié)合表 面與支座20接觸。圖2示出了器件11的每個脊形波導(dǎo)30間的窄支座20，而圖l示出 了只位于器件10的周圍的寬支座20，其中切割機(jī)將切割該組件成單獨的器件。寬支座 被設(shè)計成可通過切割機(jī)完全移去，或保留在完成的器件中。此外，器件可包含窄支座或 寬支座或它們兩者。在最終的器件周圍保留支座的一個優(yōu)點是減少粘接劑的除氣速度。 這對氣密封裝的器件壽命是特別重要的。支座同樣有助于提供尺寸更穩(wěn)定的抗滑動結(jié)構(gòu)， 該滑動可能破壞波導(dǎo)隨著時間的對準(zhǔn)。結(jié)合表面的光學(xué)特性不影響波導(dǎo)器件的光學(xué)功能。粘接劑可以是非晶的或結(jié)晶 的，可以是透明的，散射或不透明的并可以具有任何折射率和吸收系數(shù)。優(yōu)選地粘接劑
是低粘度，顆粒自由，無放出氣體固化，具有低收縮，低應(yīng)力，能夠抵擋隨后的加工步 驟且是耐久的。優(yōu)選的粘接劑的例子包括MasterBond的UV15LV。與現(xiàn)有方法制造單個器件所花費的生產(chǎn)時間和能量消耗相同時，根據(jù)本發(fā)明的 晶片級方法才艮據(jù)波導(dǎo)設(shè)計可以在3英寸晶片上生產(chǎn)大約200個器件。此外，根據(jù)本發(fā)明 的晶片級方法制造的器件和上述現(xiàn)有技術(shù)相比具有多個優(yōu)點。圖3-8示出的是根據(jù)本發(fā)明的第一方法。在根據(jù)圖3所示的該第一方法中，拋 光鈮酸鋰載體晶片12成具有0.005微米以內(nèi)的表面均勻度，最好是具有0.001微米以內(nèi) 的表面均勻度。圖案化并蝕刻載體晶片12以在結(jié)合表面13中形成寬的淺溝槽18并在它 們之間留有支座20。溝槽18具有0.5微米和5微米之間的深度，優(yōu)選地是1.0微米的深 度。載體晶片12優(yōu)選地是與MgO摻雜的鈮酸鋰波導(dǎo)層具有相同定向的同成分鈮酸鋰 (congruent l池ium niobate)，比波導(dǎo)層更便宜的材料，并且可在各種尺寸的晶片上使用。支 座20可以位于每個脊形波導(dǎo)30之間或只位于每個器件IO的周邊，如圖1所示。在脊形 波導(dǎo)30之間添加支座20改善了波導(dǎo)層對準(zhǔn)載體晶片表面的控制。然而，增加支座20 的數(shù)量的確減少了粘接劑的表面積，降低了粘合接頭(adhesive bond)的強(qiáng)度。因此， 支座的凹凸圖案必須平衡這些因素。本發(fā)明的精度級是橫跨直達(dá)3英寸直徑的晶片控制， 并且可被用到更大的晶片。圖4中，厚的Mg摻雜鈮酸鋰晶片14,其表面涂覆有適當(dāng)包層材料22 (例如位 于結(jié)合表面15上的Si02),與載體晶片12的結(jié)合表面13接觸。表面必須是干凈和顆粒 自由的。優(yōu)選地，施加外部均勻的壓力。盡管Si02涂層可以提高組件的粘附力，但是如 果支座20不位于脊形波導(dǎo)30之下，Si02涂層可以除去。圖5中，粘接劑15通過毛細(xì)吸 收進(jìn)入支座20產(chǎn)生的間隙。包層22的使用消除了對于粘接劑材料的任何光學(xué)特性說明。圖6中，使MgO摻雜鈮酸鋰材料14變薄，優(yōu)選地通過光磨盤(optical lap )研 磨和拋光，但是可以通過諸如反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)的蝕刻使其變薄。在變薄之后，在 變薄的鈮酸鋰層14中形成溝槽28,如圖7所示。如，溝槽可通過反應(yīng)性離子蝕刻(RIE) 或激光銑削(laser milling)形成。保留在這些蝕刻的溝槽28之下的鈮酸鋰層被稱為平板區(qū) 域26。變薄和蝕刻的鈮酸鋰層14可被施加涂層24,如圖8所示。頂部涂層24是可選的。 其保護(hù)變薄的鈮酸鋰層14免受污染。頂部涂層14起到包層的作用，并且也減少了污染 對器件10的操作特性的影響。涂層24也可以包括一些導(dǎo)體，以驅(qū)散熱電產(chǎn)生的電荷。感應(yīng)耦合等離子體中的反應(yīng)性離子蝕刻(ICP-RIE)是蝕刻溝槽28的優(yōu)選方法。 其包括的方法在波導(dǎo)層14的表面上化學(xué)的施加外形改變。當(dāng)外形包括窄間隔的溝槽時，
通過移去窄脊兩側(cè)的材料形成波導(dǎo)30。當(dāng)脊在低包層22上形成必要的寬度和高度時， 脊變成波導(dǎo)30。 ICP-RJE不是機(jī)械加工方法。圖9-11示出了倍頻器件100的優(yōu)選實施例，其中脊形波導(dǎo)130是倒置的。平 板區(qū)域126位于脊130上方，而不是在其下方。載體晶片112仍舊位于脊130之下，如 其在圖1-8中所示。在圖9和10中，粘接劑層116是連續(xù)地位于所有脊130之下。如圖 1所示，蝕刻載體晶片112以產(chǎn)生由支座120隔開的寬溝槽118。如圖9所示，這些以劃 片格線為中心。因此，支座120沒有在圖IO所示的切割后的芯片中示出。圖ll示出了 倒置脊的第二版本，其中粘接劑層在橫跨器件寬度的方向不是連續(xù)的。對于該實施例， 在波導(dǎo)區(qū)域之外蝕刻Si02包層124，包括脊130和該溝槽128上的平板區(qū)域126,以形 成包括控制粘接劑厚度的支座120的凹凸圖案。在從包層124中形成支座120中實現(xiàn)了 附加的效率。圖12-18描述了該第二版本的倒置脊100的制造方法。在圖12中，在MgO摻 雜LN晶片114中蝕刻出溝槽128。在這種情況下，在結(jié)合表面115中。晶片114的定向 示出溝槽128位于底部上，簡化成與以下附圖一致。在圖13中，在溝槽128和脊130 上施加Si02涂層124。在圖14中，將特定區(qū)域的Si02涂層去除，形成控制粘接劑厚度 所必須的支座120。圖15中，將MgO摻雜的鈮酸鋰晶片114與載體晶片112接觸，優(yōu)選地是同成 分鈮酸鋰晶片。圖16中，將粘接劑116被引入由圖案化的Si02涂層支座120和溝槽128 產(chǎn)生的間隙，該支座和溝槽形成脊130。圖17中，通過拋光或蝕刻使MgO摻雜的鈮酸 鋰材料114變薄。圖18中，施加可選的Si02頂部涂層122。如前所述，頂部涂層122 起到包層的作用，保護(hù)變薄的LN層免受污染，并且其中可以包括一些導(dǎo)體，以驅(qū)散熱 電產(chǎn)生的電荷。本發(fā)明的實現(xiàn)橫跨4"晶片的晶片級生產(chǎn)方法中的公差必須在完成的器件中具 有0.5微米以內(nèi)的波導(dǎo)層的厚度變化，優(yōu)選地是具有0.1微米以內(nèi)的波導(dǎo)層的厚度變化。 為了獲得這種效果，載體晶片必須具有等于0.5微米或更好的完成公差的表面平行度， 并且沉積的支座高度必須具有0.05微米以內(nèi)的均勻度,或最好是0.01微米以內(nèi)的均勻度。在這個優(yōu)選的實施例中，通過導(dǎo)電的基片可以提高波導(dǎo)穩(wěn)定性和制造產(chǎn)量。為 了最佳匹配形成層和基片的波導(dǎo)的CTE,在先描述的波導(dǎo)器件利用鐵電材料作為波導(dǎo)(例 如鈮酸鋰)和實質(zhì)相同的材料作為基片。CTE匹配最小化或消除了波導(dǎo)中熱引入的應(yīng)變 (thermally induced strain),從而提高了其波長的穩(wěn)定性和長期可靠性。 —旦切割完成的晶片組件，將單獨的脊形波導(dǎo)器件的端面拋光成激光質(zhì)量級。 根據(jù)提高耦合效率的需要，可施加用于輸入和輸出波長的抗反射涂層。晶片級方法，如圖19的晶片組件所示，是一種粘接地將光學(xué)透射材料晶片14 固定到具有0.5微米以內(nèi)的，更優(yōu)選地具有0.1微米以內(nèi)的平行度的載體晶片12上，并 精確地將該表面信息轉(zhuǎn)移到透射晶片14的結(jié)合表面15的方法。因此，可以產(chǎn)生具有O.l 微米以內(nèi)厚度變化的非常薄的光波導(dǎo)層。這通過蝕刻載體晶片12的結(jié)合表面13以產(chǎn)生 包括空間18的凹凸圖案實現(xiàn)，當(dāng)放置透射晶片14與載體晶片12的基準(zhǔn)表面13直接接 觸時引導(dǎo)粘接劑進(jìn)入空間18?？商鎿Q地，通過遮光板或光刻掩模在載體晶片12或透射 晶片14的結(jié)合表面13, 15上沉積均勻?qū)赢a(chǎn)生凹凸圖案，或通過在圖案化的光致抗蝕劑 上沉積均勻?qū)硬㈦S后的離地升空產(chǎn)生凹凸圖案。在凹凸圖案中的支座20具有0.1微米內(nèi) 的均勻高度，其從載體晶片12轉(zhuǎn)移表面信息到透射晶片14的結(jié)合表面15。本發(fā)明可以應(yīng)用于具有高度均勻的尺寸的平面光波導(dǎo)電路(PLC)的晶片級制 造。作為選擇，本發(fā)明可以應(yīng)用于具有非常薄的非擴(kuò)散波導(dǎo)以減少所需電壓的電光波導(dǎo) 器件的晶片級制造。本發(fā)明上述實施例的目的只是作為示例。因此，本發(fā)明的范圍只在后附加的權(quán) 利要求的范圍限定。
權(quán)利要求
1、一種用于制造光波導(dǎo)器件的晶片級方法，包括以下步驟提供具有結(jié)合表面和外部表面的光學(xué)透射材料的透射晶片；提供具有結(jié)合表面和與所述結(jié)合表面基本平行的外部表面的載體晶片；在所述兩個晶片之一的結(jié)合表面上產(chǎn)生凹凸圖案，所述凹凸圖案包含具有基本均勻高度的支座；使所述支座和另一個所述晶片的結(jié)合表面接觸并將粘接劑材料引入到由所述凹凸圖案產(chǎn)生的空間；拋光并使所述透射晶片變薄到預(yù)定的尺寸；在所述透射晶片中產(chǎn)生波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；將所述組合晶片結(jié)構(gòu)切割成單獨波導(dǎo)器件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片級方法，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)選自由脊形波導(dǎo)，未擴(kuò)散 波導(dǎo)，和平面波導(dǎo)組成的組。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片級方法，其中所述載體晶片的結(jié)合表面和外部表面橫 跨所述晶片基本平行，具有0.5微米以內(nèi)的表面平行度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶片級方法，其中所述載體晶片的結(jié)合表面和外部表面橫 跨所述晶片基本平行，具有0.1微米以內(nèi)的表面平行度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片級方法，還包括拋光所述被切割的單獨波導(dǎo)器件的輸 入和輸出端面的步驟。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶片級方法，其中所述支座橫跨所述晶片具有在0.05微 米以內(nèi)的基本均勻的高度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶片級方法，其中所述支座橫跨所述晶片具有在0.01微 米以內(nèi)的基本均勻的高度。
8 、根據(jù)權(quán)利要求6所述的晶片級方法，其中所述拋光的透射晶片橫跨所述晶片具有 少于0.1微米的厚度偏差。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片級方法，其中所述凹凸圖案適于毛細(xì)吸收所述透射晶 片和所述載體晶片間的粘接劑。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶片級方法，其中使所述透射晶片變薄的步驟包括通過 在感應(yīng)耦合的等離子體中的反應(yīng)性離子蝕刻使其變薄。
11、 根據(jù)權(quán)利要求2所迷的晶片級方法，其中所述波導(dǎo)包括脊形波導(dǎo)，還包括在形 成所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之前在所述透射晶片上，至少在與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一致的區(qū)域中產(chǎn)生 周期性極化區(qū)域的步驟。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶片級方法，其中所述光學(xué)脊形波導(dǎo)器件在每個100mm 晶片內(nèi)具有小于lOOnm的厚度偏差。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶片級方法，還包括在使所述支座接觸另 一個所述晶片 的結(jié)合表面之前施加包層材料到所述透射晶片的結(jié)合表面的步驟。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的晶片級方法，還包括步驟在拋光和使所述透射晶片變 薄的步驟之后，在將所述組合晶片結(jié)構(gòu)切割成單獨波導(dǎo)器件之前，施加包層材料到所述 透射晶片的外部表面。 '
15、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶片級方法，其中所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在所述透射晶片的結(jié) 合表面上產(chǎn)生的脊形波導(dǎo)，并且產(chǎn)生凹凸圖案的步驟包括以下步驟在包括所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述透射晶片的結(jié)合表面上施加具有均勻厚度的包層；以及 蝕刻所述包層以產(chǎn)生等于所述包層厚度的支座而不從所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)移去所述包層。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的晶片級方法，還包括步驟在切割所述組合晶片結(jié)構(gòu)之 前，施加包層到所述透射晶片的拋光的和變薄的外部表面。
17、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶片級方法，其中劃片格線限定在所述組合晶片結(jié)構(gòu)上 的波導(dǎo)器件之間，并且其中形成所述凹凸圖案的所述支座與所述劃片^^線對準(zhǔn)，以致當(dāng) 切割后將該支座從完成的波導(dǎo)器件上移除。
18、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶片級方法，其中劃片格線限定在所述組合晶片結(jié)構(gòu)上 的波導(dǎo)器件之間，并且其中形成所述凹凸圖案的所述支座與所述劃片格線對準(zhǔn)，所述支 座具有一寬度以致于當(dāng)切割后所述支座的一部分保留在完成的波導(dǎo)器件上。
19、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的晶片級方法，其中劃片格線限定在所述組合晶片結(jié)構(gòu)上 的波導(dǎo)器件之間，并且其中將至少一個形成所述凹凸圖案的支座設(shè)置在劃片格線之間并 在切割后保留在完成的波導(dǎo)器件上。
20、 一種制造光波導(dǎo)器件的方法，包括以下步驟提供具有結(jié)合表面和外部表面的光學(xué)非線性透射材料的透射晶片； 提供具有結(jié)合表面和外部表面的載體晶片； 在所述光學(xué)透射晶片的結(jié)合表面上產(chǎn)生脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 施加包層到包括所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述光學(xué)透射晶片的結(jié)合表面上； 蝕刻所述結(jié)合表面的所述包層的一部分，而不移去所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上的包層，以產(chǎn)生 適于結(jié)合表面之間粘接的凹凸圖案； 使所述包層和所述栽體晶片的結(jié)合表面接觸，并將粘接劑引入到所述凹凸圖案產(chǎn)生 的空間；拋光并使所述透射晶片的外部表面變薄；將所述組合晶片結(jié)構(gòu)切割成單獨波導(dǎo)器件。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的制造光波導(dǎo)器件的方法，還包括在所述透射晶片的結(jié)合 表面上，至少在與所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一致的位置上產(chǎn)生周期性極化區(qū)域的步驟。
22、 根據(jù)權(quán)利要求21所述的制造光波導(dǎo)器件的方法，其中在每個所述光波導(dǎo)器件內(nèi) 的所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括多個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，每個所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有不同的轉(zhuǎn)換波長。
23、 一種光波導(dǎo)器件，包括載體基片，其具有基本上平行于外部表面的結(jié)合表面； 光學(xué)透射基片，粘接地結(jié)合到其內(nèi)形成有波導(dǎo)的所述載體基片； 與所述載體基片的結(jié)合表面和所述透射基片的結(jié)合表面鄰接的多個剛性支座；以及 包圍所述支座并將所述載體基片的結(jié)合表面固定到所述透射基片的結(jié)合表面的不連 續(xù)的粘接劑層，所述粘接劑層具有由所述支座的高度限定的均勻的厚度。
24、 根據(jù)權(quán)利要求23所述的光波導(dǎo)器件，其中所述波導(dǎo)具有選自由脊形波導(dǎo)，未擴(kuò) 散波導(dǎo)，和平面波導(dǎo)組成的組的結(jié)構(gòu)。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的光波導(dǎo)器件，其中所述波導(dǎo)包括具有周期性極化晶體結(jié) 構(gòu)的脊形波導(dǎo)。
26、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的光波導(dǎo)器件，其中所述光波導(dǎo)器件包括多個形成在所迷 透射基片上的脊形波導(dǎo)，所述多個脊形波導(dǎo)的每一個具有不同的轉(zhuǎn)換波長。
27、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的光波導(dǎo)器件，還包括所述透射基片的結(jié)合表面上的包層。
28、 根據(jù)權(quán)利要求25所述的光波導(dǎo)器件，其中所述載體基片的熱膨脹系數(shù)基本匹配 所迷透射基片的熱膨脹系數(shù)。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的光波導(dǎo)器件，其中所述載體基片是鈮酸鋰且所述透射基 片是鎂摻雜的鈮酸鋰。
30、 根據(jù)權(quán)利要求29所述的光波導(dǎo)器件，還包括所述透射基片的外部表面上的包層。
31、 根據(jù)權(quán)利要求30所述的光波導(dǎo)器件，其中所述透射基片的外部表面上的包層是 導(dǎo)電的以驅(qū)散熱電產(chǎn)生的電荷。
32、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的光波導(dǎo)器件，其中所述載體基片是導(dǎo)電的鈮酸鋰。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造光波導(dǎo)器件的晶片級方法，特別涉及脊形波導(dǎo)器件的制造，和由此制得的改進(jìn)的脊形波導(dǎo)。本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對光波導(dǎo)層的厚度實現(xiàn)次微米級的控制的方法，其通過尺寸穩(wěn)定的晶片組合實現(xiàn)，其中粘接劑被引入而不改變晶片級制造的載體晶片和光透射晶片間的平面關(guān)系。本方法允許晶片級制造的脊形波導(dǎo)器件中的脊和板的所期望的尺寸控制。更一般地，本方法允許包含薄光學(xué)透射層的光波導(dǎo)器件的晶片級制造。特別地，隔離物支座圖案通過沉積和回蝕產(chǎn)生，或通過表面蝕刻方法產(chǎn)生以準(zhǔn)確地將來自主表面的表面信息轉(zhuǎn)到載體晶片到薄的光學(xué)透射晶片。根據(jù)該方法可實現(xiàn)的公差提供橫跨晶片的一致產(chǎn)量。該方法還為完成的器件提供加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)完整性。
文檔編號G02B6/10GK101097275SQ20071012307
公開日2008年1月2日 申請日期2007年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
發(fā)明者卡爾·基薩, 哈苒·V.·沙阿, 唐納德·M.·弗里德, 威廉·J.·明福特, 本杰明·F.·卡欽斯, 朱莉亞·鄧肯, 查爾斯·安迪·許爾斯, 格倫·德雷克, 詹森·家詹·許, 詹森·里德, 雅羅斯瓦夫·贊巴, 馬克·K.·范·貢滕 申請人:Jds尤尼弗思公司