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頂面活性光學器件裝置和方法

文檔序號:6980000閱讀:210來源:國知局
專利名稱:頂面活性光學器件裝置和方法
相關申請的交叉引用本申請根據(jù)35 USC 119(e)(1)要求對申請于2002年3月19日的系列號為No.60/365,988和NO.60/366,032的美國臨時專利的優(yōu)先權。
本申請也是2001年6月29日的系列號為Nos.09/896,189,09/897,160,09/896,983,09/897,158和09/896,655的共同轉(zhuǎn)讓美國專利申請的部分繼續(xù)。
背景技術
在這里事先設定,參考標示用#1-#2標識,這里#1是圖的標號,#2是該圖中的項目號。例如23-114指圖23中的114項。
頂面發(fā)射/處理器件是其取向朝向離開器件在其上形成(即包含這些光學器件)的晶片襯底的光學器件。底面(或背面)發(fā)射/處理器件有其取向朝向襯底的光學器件本身。
頂面發(fā)射/接收器件是工業(yè)用的普通器件配置,因此是可更方便地使用,更容易地得到,被更廣泛理解和特色化的器件。
而且,頂面發(fā)射激光器、接收探測器或反射或吸收調(diào)制器可以很容易被制作成在對用于光學器件的襯底不透明的波長上工作,因為這些類型的器件不需要光穿過襯底。
另外。頂面發(fā)射/接收/處理器件在與電子器件集成前比底面器件更容易測試,因為接觸點和光學接近進路在晶片的同一面(頂面)。
這些器件的驅(qū)動和控制電路由硅電路最普通地制作。電接觸點也在驅(qū)動和控制電路硅晶片的前表面(即頂面)。該處光學器件以及驅(qū)動和控制電路芯片頂面上的接觸點很難被連接到一起。將頂面光學器件翻轉(zhuǎn)可以允許向驅(qū)動和控制電路的相互電氣連接,但是會妨礙正確的光學功能,在電驅(qū)動芯片中缺乏一個孔。
他人曾作過使頂面發(fā)射器件與電子器件集成的其他方法的嘗試。圖1是用于這個目的的一個方案。在圖1的工藝中,工藝從晶片1-100開始。一個或多個隔離孔,溝或槽1-102制作在外延層1-04中,接觸點1-106,1-108形成在頂表面1-110上。為了強度覆蓋層1-112附著于上表面1-110。然后晶片1-100的襯底1-114被完全除去。于是在外延層1-104上限定了光學器件。然后通道或其它開口1-116從底面(也叫“背面”)1-118開始制作,它們穿過外延層1-104到達下面接觸點1-106,1-108。在確保不發(fā)生電氣短路必須的將一個絕緣體(沒有表示出)施加于通道1-116后,導電層1-120,1-122在通道1-116的側(cè)面上形成,實際上通過導電層1-120,1-122以及形成在底面1-118上的接觸點1-124,1-126,在底面1-118上提供了連接到電接觸點1-116,1-108的能力。然后應用焊接將頂面發(fā)射器件連接到例如在線路板1-132或其它晶片上的電接觸點1-130上。
這個方案的復雜性,覆蓋層附著以及在高于操作溫度的循環(huán)中保持覆蓋層的堅固性的困難性以及獲得合理的產(chǎn)量的困難性,使這個方案在商業(yè)應用上不受歡迎。
因此,對工藝存在這樣一個需求,該工藝能制造出能與電子器件集成而不產(chǎn)生上述形式的問題的頂面光學器件。

發(fā)明內(nèi)容
事先在這里說明,為清楚起見,圖中的項目以#-#形式標出,其中,破折號之前數(shù)字是指該圖的標號,破折號后面數(shù)字是指該圖中的項目。
同時,為了避免先有技術中與覆蓋層相聯(lián)系的熱問題,可以考慮采用一個不使用覆蓋層,使刻蝕穿過襯底的相類似方案調(diào)整該先有技術,如圖2所示。
在圖2的工藝中,晶片2-200經(jīng)刻蝕和摻雜形成光學器件2-202.。在器件上形成接觸點2-204,2-206。襯底2-208被減薄到允許通道刻蝕。然后通道2-210被刻蝕成穿過襯底2-208到達器件頂部上的接觸點2-204,2-206。在通道壁上制作一個電介質(zhì)涂層(沒有顯示),然后將導電材料加入孔中,在電介質(zhì)層頂形成從背面延伸至頂面接觸點2-204,2-206的接觸點2-212,2-214。然后可以將焊料或其它電連接材料2-216加在這些接觸點上用于將該器件與其它器件相連接。
然而,雖然圖2的工藝處理了先有技術中存在的問題,特別是覆蓋層引起的問題,但是該工藝沒有糾正先有技術中的其它問題。例如,還必須進行在晶片兩面的圖形之間的對準,因此還存在損害光學器件的危險,特別是當每片芯片上器件密度提高的時候。
因此,我們開發(fā)了用于產(chǎn)生諸如VCSELS、探測器或調(diào)制器等的能與電子電路緊密集成的頂面發(fā)射/接收/調(diào)制結構的制造技術。這項技術允許對準依賴的過程只在光學器件的頂面上發(fā)生,因此,如果不根除也會減少對在晶片兩面的精密元件必須相互對準的背面對準的需要。
因為新VCSEL的開發(fā)首先在頂面發(fā)射器件上實施,我們的方案允許使用最新技術,如現(xiàn)在的1310微米波長VCSEL技術或1500微米波長VCSEL技術。
另外,通過本發(fā)明原理的應用,費用會降低,因為不必制造特殊目的的器件,這些器件可作為“庫存可用”產(chǎn)品項目從多方面賣主購買。
由于在各個制造步驟中應用工業(yè)標準半導體工藝技術,我們的方案還可以改進產(chǎn)品壽命和提高總產(chǎn)量。
通過本發(fā)明原理的應用,就可能達到更高的相互連接密度。結果,在一些實施應用上,本發(fā)明允許更緊密互連間隔,例如,緊密程度現(xiàn)在技術可達到20微米間距,將來可以更小。
另外,通過襯底形成相互連接,相互連接點不限于芯片外圍。全部其他沒有使用過的表面也可以用于潛在的相互連接。
通過本發(fā)明原理的應用,可制作驅(qū)動電路和光學器件之間更直接的互相連接。這會降低相互連接的電阻、電容和自感。結果,寄生現(xiàn)象降低,實現(xiàn)器件更低的功耗和驅(qū)動要求,提高了器件速度。
而且,因為無論光學器件處于芯片還是晶片的形式都可以建立相互連接,因而制造能力得到提高。而且,在任何情況下,相互連接都可以在芯片或晶片中同時建立。或者,在替代的變型中,類似技術可以用于這些情況,光學器件和電子芯片均是各別的芯片,光學器件是芯片并將連接到驅(qū)動電路晶片,或者光學器件和驅(qū)動電路都是晶片形式。
另一個優(yōu)點是,用于形成連接的通道能在光學器件制造時同時構造。另外,可簡單地除去襯底,在襯底除去時工藝不需要額外過程。
另一個優(yōu)點是,本工藝可直接用于聲、熱、光、機械傳感器和活性器件等的不同組合部件的集成或兩個、三個或更多器件/晶片/芯片的組合。
因為VCSEL的散熱通過驅(qū)動器或控制電路進行,應用本發(fā)明原理可得到的另一個好處是頂面發(fā)射VCSEL有更好的的熱性能處理。
應用本發(fā)明原理可得到的還有一個好處是,在制造工藝中可以提供光學耦合器、面板、MEMS探測器,光學合成儀,分光器、透鏡、微透鏡、或其它光學、電子器件的結合。
應該理解的是,本發(fā)明還有一個優(yōu)點是本發(fā)明對光發(fā)射和光探測器件的可應用性。
這里描述的優(yōu)點和特征僅僅是本發(fā)明所體現(xiàn)的眾多優(yōu)點和特征中的一部分,呈現(xiàn)在這里只是為了幫助理解本發(fā)明??梢岳斫獾氖?,這些優(yōu)點和特征不應被認為是如由權利要求限定的對本發(fā)明的限制,或?qū)嗬蟮牡韧锏南拗?。例如,那些?yōu)點中有些是相互矛盾的,它們不能同時存在于一個單獨的實施例中。類似地,一些優(yōu)點可適用于本發(fā)明的一個實施例,而不能適用于其它實施例。因此,本對特征和優(yōu)點的概述在確定等效性時不應被認為是否定的。在下文的描述中,從附圖和權利要求中本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征會更加明顯。


圖1是將頂面活性器件與電子元件集成的先有技術;圖2是將頂面活性器件與電子元件集成的一個示范方法的實例;圖3是根據(jù)本發(fā)明的原理形成頂面活性光學器件的工藝的一個實例;圖4A是根據(jù)本發(fā)明的圖3的變型加工的器件晶片的一部分的側(cè)剖面圖;圖4B表示的是圖3的工藝的一個替代變型;圖5是根據(jù)本發(fā)明的原理形成頂面活性光學器件的工藝的一個替代變型的實例;圖6A至6G是可以應用根據(jù)本發(fā)明的原理形成的器件制造的單元的配置的實例;圖7說明的是用于先有技術附著多個底發(fā)射器件以形成集成電光學芯片的方案;圖8說明的是用于先有技術附著多個底發(fā)射器件以形成集成電光學芯片的方案;圖9說明一個帶有放置在由其制造者指定的位置上的接觸鍵合區(qū)的單個光學器件和帶有在由其制造者指定的位置上的接觸鍵合區(qū)的電子芯片的一部分;圖10說明一個帶有放置在由其制造者指定的位置上的接觸鍵合區(qū)的單個光學器件和帶有在由其制造者指定的位置上的但每一個都不對準的接觸鍵合區(qū)的電子芯片的一部分;圖11說明一個根據(jù)本發(fā)明原理的示范方法的簡化高水平概圖;圖12和13說明數(shù)個光學接近進路變型的例子;圖14說明一個光學陣列,陣列中光纖由襯底支持;圖15說明一個容納一個微透鏡陣列的光學陣列;
圖16說明一個根據(jù)所描述技術制造電光學芯片變型的工藝的實例;圖17說明一個根據(jù)所描述技術制造電光學芯片變型的工藝的實例;圖18說明一個根據(jù)所描述技術制造電光學芯片變型的工藝的實例;圖19說明一個根據(jù)所描述技術制造電光學芯片變型的工藝的實例;圖20說明另一個用類似圖16-18器件的方式制造的光電子器件;圖21說明一個可用于底活性器件的工藝;圖22A說明一個可用于頂面活性器件的工藝;圖22B說明一個工藝,其中接觸孔被涂覆,但沒有填充,并能幫助對準;圖22C顯示一個帶有其接觸點通過在襯底上形成電跡線圖形而重定路線以匹配另一芯片上的接觸點的光學芯片;圖22D表示在電子芯片上的接觸點通過在襯底上形成電跡線圖形而重定路線以匹配光學芯片上的接觸點;圖23說明一個除了沒有使用載體以外類似于圖16A所示的工藝;圖24說明一個用于連接不同器件的連接芯片或適配器芯片;圖25說明另一個替代實施,是一個可用于頂面活性器件的適配器芯片或連接芯片變型的進一步變型;圖26A說明采用根據(jù)本發(fā)明的技術之一對兩個或更多個器件的堆疊;圖26B所示的是一個采用根據(jù)本發(fā)明的技術之一堆疊在激光器頂部上的調(diào)制器;圖27說明采用根據(jù)本發(fā)明的技術之一制造的例如一百個激光器的陣列;圖28說明采用根據(jù)本發(fā)明的技術之一制造一個用于DWDM用途的陣列的步驟;圖29由頂視圖說明圖22的工藝;圖30是根據(jù)本發(fā)明的示范工藝的流程圖;圖31顯示根據(jù)圖30的工藝連接的各種元件;圖32是根據(jù)本發(fā)明的另一個示范工藝的流程圖;圖33A-33D表示一個根據(jù)本文所描述原理根據(jù)本發(fā)明構造的示范裝配件;圖34是一個調(diào)制器陣列的簡化描述,該調(diào)制器陣列在一個激光器陣列頂部,該激光器陣列在一個電子集成電路頂部;
圖35顯示一個有連接區(qū)的調(diào)制器,這些連接區(qū)為了與一個示范集成激光器器件上的連接區(qū)緊密配合而形成,該示范集成激光器器件預先與一個電子芯片集成在一起;圖36顯示的是一種有連接區(qū)的替代調(diào)制器,這些連接區(qū)為了與用一個背面工藝的激光器件上的連接區(qū)緊密配合而形成的;圖37表示的是與分離的冗余激光器或一個有冗余活性區(qū)域的單個激光器一起使用的調(diào)制器單元;圖38A所示的是一種先有技術的邊緣發(fā)射DFB;圖38B所示的是一種先有技術的邊緣發(fā)射DFB;圖39所示的是在一維(即線性)陣列中通過一次一個的方式集成器件形成的平行收發(fā)器;圖40A所示的是一個向上或“頂”發(fā)射光柵耦合激光器;圖40B所示的是一個向下或“底”發(fā)射光柵耦合激光器;圖40C所示的是一個向上或“頂”發(fā)射微透鏡耦合激光器;圖40D所示的是一個向下或“底”發(fā)射微透鏡耦合激光器;圖41所示的是一個二維陣列,陣列與驅(qū)動電子電路緊密集成,該驅(qū)動電路存在于其安裝在上的集成電路中;圖42所示的是一個應用本發(fā)明的原理由與調(diào)制器集成的光柵耦合DBR激光器的二維陣列和一個電子集成電路組成的一個集成單元的一部分的側(cè)視圖。
具體實施例方式
全部申請于2001年6月21日,系列號為No.09/896,189,09/897,160,09/896,983,09/897,158和09/896,665的共同轉(zhuǎn)讓美國專利通過引用而結合在本文中。均申請于2002年3月19日,系列號為NO.60/365,998的共同轉(zhuǎn)讓美國臨時專利申請和系列號為No.60/366,032的美國臨時專利申請也通過引用而結合在本文中。
為了完整起見,涉及本發(fā)明的不同實施例和變型的具體細節(jié)在下面題為“光電子器件集成”,“多器件工藝和產(chǎn)品的連續(xù)集成”和“在電子元件上的調(diào)制器和激光器的集成陣列”章節(jié)中闡述。
我們開發(fā)了一個工藝,用該工藝可以制作頂面發(fā)射激光器,頂面接收探測器或頂面處理調(diào)制器(集中稱為“頂面光學器件”),因此它們能容易地集成在電子芯片上。
總體來說,根據(jù)本發(fā)明,形成能與電子器件集成,并沒有先有技術的問題的頂面器件的工藝包括從頂面向下到包含晶片的器件襯底的深溝刻蝕,在深溝壁上形成電介質(zhì)和導電體的圖形,因而導電體可以一直延伸到溝底。然后將襯底減薄至僅僅向下到溝中導電體區(qū)域底暴露或減薄到一個小孔將襯底被減薄的面連接到該溝,同時保留足夠的保留襯底以保護頂面光學器件不受應力傷害。
總體上講,一個根據(jù)本發(fā)明的原理的用于形成頂面光學器件的全面示范工藝將參考圖3詳盡展現(xiàn)。
如圖3所示,在襯底3-304上含有外延層3-302的晶片3-300是本例有意義的起始點(步驟3-3000)光學器件3-306(僅顯示一個)被用例如摻雜、形成圖形、刻蝕、氧化和金屬化(步驟3-3002,3-3004)的組合確定。
深溝3-308從晶片頂面一直刻蝕深入到襯底內(nèi)部如約20微米或150微米或更多之間,或者這樣深入襯底,保證溝槽輪廓對保持隨后淀積的導電體的良好覆蓋有良好的外形(例如使壁有一個垂直或朝內(nèi)的成錐形的斜度(從頂面看)而不是向外的錐形)。
如果關注短路問題,淀積介電材料(沒有顯示)和導電體3-310,3-312以形成頂面光學器件的正或負器件接觸點3-314,3-316(其中一個在圖3中不明顯)。在一個替代的變型中,襯底可用作一個接觸點,這種情況下只需要刻一個深溝。類似地,如果制作三到四個終端器件如激光器-探測器、激光器-調(diào)制器或激光器-調(diào)制器-探測器的組合,應制作足夠的通道或溝槽3-308,允許為在頂面光學器件上所有合適點形成接觸點(如四個終端結構需要四個或更少的溝槽,這取決于是否將襯底用作接觸點或是否可能在一單個溝槽中結合幾個接觸點)。
下一步,將襯底3-304減薄到溝槽底導電體暴露的所在點處,因而形成接觸點3-318,3-320,或?qū)⒔佑|點置于晶片底部。
在這一點,頂面光器件3-322可與如帶有驅(qū)動電路和控制電路的電子芯片3-324緊密集成。
然后在一些點上,頂面光器件3-322和電子芯片3-324的連接形成一個集成光學單元。
在一些變型中,在制作接觸點或連接之后將諸如聚酰亞胺的聚合物或編織玻璃添加到溝槽中以強化溝槽或防止損害接觸點。
在另一個替代變型中,除了到達導電層時襯底減薄不停止,而是持續(xù)到導電層有一個孔時停止之外,工藝過程與上述同樣進行。這種將該變型的方案與圖3方案對照的差異在圖4A和圖4B中說明。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的圖3變型制作的器件晶片的一部分的側(cè)剖視圖。在圖4A中,將孔4-400制作成一個帶有錐形壁4-402的孔,添加絕緣電介質(zhì)4-404和導電體4-406。然后將襯底4-408減薄。然而,如圖4A所示,減薄停止點在導電體4-406被暴露的點和破壞導電體內(nèi)表面4-410之前的點之間。
相對比,如圖4B所示,減薄一直持續(xù)到導電體4-406內(nèi)表面4-410(以及任何可以在表面上存在的電介質(zhì))中有一個實際的開口為止。
由根據(jù)這個變型的工藝,當使頂面光學器件4-412與在一個電子芯片4-418的配對接觸點4-416上的焊料4-414相接觸,并且焊料4-414被熔化時,毛細作用會將被熔化的焊料4-414向上吸入腔4-400中。
這至少有兩個好處。首先,焊料進入孔的通過會傾向于將兩者互相朝對方拉并拉成對準。因此,某種程度上這個變型是自我對準的。其次,將焊料拉入孔中有助于確保兩個器件之間建立良好的導電連接。
圖5是一個除了是一個應用圖4B的技術的一個變型的實例外類似于圖3的工藝的全面工藝的實例。
圖6A到6L表示的是能根據(jù)本發(fā)明形成的包含有頂面光學器件的各種器件的許多配置中的一部分,例如,這些頂面光學器件有頂面活性激光器6-600,頂面活性探測器6-602或頂面處理調(diào)制器6-604,根據(jù)本發(fā)明,與和頂面光學器件的襯底6-612相關的其它激光器6-606,探測器6-608或調(diào)節(jié)器6-610相結合。
光電子器件集成圖7和圖8說明用在先有技術中用于附接多個底發(fā)射(或探測)(也可稱作“背面發(fā)射(或探測)”)器件以形成集成電光學芯片的方案。
根據(jù)圖7的方案,多個激光器按照傳統(tǒng)方法形成在晶片襯底7-102上,多個探測器(這里可交換地稱作光探測器)形成在自己的或與激光器共同的晶片襯底上。通常,襯底7-102與在光學器件7-106、7-108和襯底7-702之間的連接處最靠近的部分7-104由對光學器件工作的波長光學透明的材料制成。然后器件7-106、7-108用傳統(tǒng)的技術加工,如用濕法或干法刻蝕沿器件7-106、7-108形成溝槽7-112,該溝槽將它們分離成一系列獨立分離的激光器7-106或探測器7-108器件。取決于所用的具體技術,刻蝕的溝槽7-112可以在到達襯底7-102之前停止或部分深入襯底7-102中。刻蝕以后,襯底7-102和它們相關的器件被翻轉(zhuǎn),在硅電子芯片7-114上面對準到合適位置,用傳統(tǒng)的倒裝片鍵合技術將它們鍵合到硅電子芯片7-114上。鍵合以后,整個襯底7-102用傳統(tǒng)的機械研磨方法、傳統(tǒng)的刻蝕技術或其某些組合減薄到極薄,達5微米或更低的數(shù)量級,以允許對器件達到緊密的光學接近,并制作集成電光學晶片7-116。
可選擇地,然后對集成電光學芯片7-116用傳統(tǒng)的技術形成圖形來保護各個激光器,而各個探測器被涂覆一層抗反射(AR)涂層7-118。
圖8所示的是與圖7技術相關的替代方案。在這個方案中,激光器和探測器用上述方法制作。然而,當應用圖8的技術時,溝槽8-112被刻入襯底8-102中。然后襯底8-102和與其相關的器件被翻轉(zhuǎn),在硅電子晶片8-114的上面對準到合適位置,并用傳統(tǒng)的倒裝片鍵合技術將它們鍵合到硅電子芯片8-114上。鍵合以后,襯底8-102用傳統(tǒng)的機械研磨技術、傳統(tǒng)的刻蝕技術或它們的某些組合完全除去,以允許對器件達到緊密的光學接近,并制作集成電光學晶片8-116。
然后,可選擇地,對集成電光學晶片8-116形成圖形來保護各個激光器,而各個探測器被涂覆一層抗反射(AR)涂層。
圖7和圖8的技術使得光纖或光學透鏡能足夠接近器件而捕獲適當?shù)墓饩€,不允許光來自鄰近器件或傳向鄰近器件而影響任何這些鄰近器件,發(fā)生被稱為“串話”的問題。通常,這要求在器件和光纖或光學微透鏡之間的分離距離小于100微米。
另外,這兩種技術確保在器件活性區(qū)的上面沒有會阻止光逃逸的明顯的吸收層,因為圖7的減薄技術將整個襯底7-102厚度減少到約5微米或更小,而圖8的方法完全除去襯底8-102,留下多個完全獨立的光學器件。
然而,這兩種技術有特征地產(chǎn)生的光電子芯片在使用過程中都有熱消散問題并導致各個器件對制造過程中產(chǎn)生的熱和機械應力更敏感,因而減少各個器件的壽命,相應地,降低了產(chǎn)量并減少整個芯片的壽命。
而且,對于圖7的方案(襯底被極度減薄)和圖8的方案(襯底被完全除去),器件經(jīng)受的應力主要被轉(zhuǎn)移到非常薄的光學器件層,這里是器件結構上最薄弱的部位。
因此,需要一種制造對制作和/或使用過程中產(chǎn)生的熱和結構應力不敏感的集成光電子芯片的方法。
另外,光電器件制造商有兩種方法獲得光學和電子芯片。他們可以自己制造其中之一或兩種都制造,或可從第三方獲得其中之一或兩種都獲得。通過光學器件(也可互換地簡稱為“光學芯片”)和電子晶片(也可互換地簡稱為“電子芯片”)的制造,制造者能夠采取措施以確保各個器件上的鍵合區(qū)正確放置,而且當光學芯片放置在電子芯片上面時,鍵合區(qū)能相互對準。然而,即使電子和光學芯片在同一組織內(nèi)設計和制造,通常它們也不在同時設計。因此,即使對單個制造者,除非在該組織內(nèi)對光學和電子芯片設計有密切配合,否則每種芯片上的接觸鍵合區(qū)之間的缺乏一致性的情況很容易發(fā)生,特別是當其中一種或兩種在計劃中都是設計后要賣給第三方,或計劃中就要用由其它來源途徑獲得的器件集成時更是如此。而且,其中之一的后繼設計上的改進或改變必定會改變接觸鍵合區(qū)的位置,因此在原先不存在不對準的地方也會導致鍵合區(qū)的不對準。
更嚴重的是,如果電子芯片設計為與各種不同光學芯片一起使用,但光學芯片是從第三方獲得的批量生產(chǎn)分配給多個不相關的使用者的庫存(如芯片包括頂面發(fā)射垂直腔激光器,底發(fā)射垂直腔激光器,分布反饋(DFB)激光器或分布布拉格反射儀(DBR)激光器(每種對長程應用都有較好的線性調(diào)頻脈沖和線寬特征),頂面接收探測器或底接收探測器),即使它們在其他方面與電子芯片相兼容,光學器件上的鍵合區(qū)也不大可能被定位于相同位置。
例如,如圖9所示,一個單個的光學器件9-300含有置于其制造者指定位置的接觸鍵合區(qū)9-302,9-304,電子晶片9-306的一部分也含有光學器件能被連接到其上的放置在由其制造者指定的位置上的接觸鍵合區(qū)9-308,9-310。如果光學器件翻轉(zhuǎn),進行與電子晶片的倒裝片類型的鍵合,如圖10所示,每個芯片的接觸鍵合區(qū)9-302,9-304,9-308,9-310將不對準。
這樣就出現(xiàn)一個問題,這會限制“混合和匹配”器件的能力。而且,如果計劃中一個芯片被設計與其它特定芯片連接,但隨后工作產(chǎn)生一個使用帶有不同接觸點位置的不同元件的需求,為原器件進行的計劃和配合工作就與新器件不適用。
因此,對工藝就有一個進一步需求,以促進混合和匹配器件的能力而不需任何一種芯片的設計者之間有任何協(xié)調(diào)或使用一個標準或通用的接觸點位置方案。
另外,一些情況下,有時在一些器件特別是探測器上涂覆一層抗反射涂層是很理想的。
抗反射涂層阻止光撞擊探測器元件表面并由于折射率不同在探測器一空氣界面被反射。這對探測器很重要,因為反射光是那些沒有進入探測器本身的光,這部分光因此不能轉(zhuǎn)換成電信號(即如從系統(tǒng)觀點來看它是“損失光”)。因此抗反射涂層因為阻止光在界面的反射而可以優(yōu)化探測器的收集效率。
然而,激光器的工作需要一個高反射率頂面鏡。激光器表面的抗反射涂層會改變頂面鏡的反射率。結果,即使沒有完全阻止激光產(chǎn)生,至少它也會對激光器發(fā)射激光的作用產(chǎn)生有害影響。
如果晶片在一個陣列上同時有激光器和探測器,為了使抗反射涂層只涂覆在探測器上,傳統(tǒng)的智慧將要求在晶片上形成特殊圖形以在淀積抗反射涂層時用于保護激光器,確保激光器器件不被抗反射涂層覆蓋。
在晶片上各種不同器件的保護處理或完全不同的處理需要額外的工藝步驟,這花費時間,因此提高了工藝成本。也導致產(chǎn)生損害被保護元件的可能性。最后,它迫使電接觸鍵合區(qū)也要被保護。
而且,工藝必須在相同區(qū)域有電接觸鍵合區(qū)的芯片上進行時,各器件完全不同的處理程序會導致其它工藝問題。例如,如果一個芯片在器件附近有電接觸點,用電鍍、化學鍍、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)或濺射技術在接觸鍵合區(qū)上安置焊料,產(chǎn)生的結果焊料塊的高度使保護激光器不被抗反射涂層涂覆而進行的區(qū)域形成圖形困難,因為焊料塊比光學器件高許多。
先有技術缺乏根除當整個晶片(即激光器和探測器)被抗反射涂覆時需要在激光器上面形成保護層圖形的方法。
因此,存在一種進一步的技術要求,允許在一個電子芯片上集成多種類型的器件,使任何如抗反射涂覆等附加工藝能在同一時間在整個晶片上進行,不需要集成后形成特殊的圖形。
我們在一些變型中創(chuàng)立了有一種或多種如下所述的優(yōu)點的光學一電子芯片允許使用低工作電流,因此減少功率消耗和熱量的產(chǎn)生;提供更好的所產(chǎn)生熱的發(fā)散,允許激光器在較低溫度下工作從而提高它們的使用壽命和/或提供更好的波長控制;和/或有更高的結構完整性,因此而減少缺陷,提高器件壽命。
我們進一步設計了一種方法來將光學和電子芯片集成為集成光一電子器件,不用考慮元器件是否用協(xié)調(diào)方式制造或有相容匹配的電接觸點。
更進一步,我們設計了用來創(chuàng)立一種集成光電子器件的方法,這種方法允許有完全不同器件的整個晶片進行抗反射涂覆,不需要特殊工藝來保護激光器或不會影響它們的發(fā)射激光的能力。
當光學器件與電子芯片密切集成時,四種屬性對創(chuàng)立可靠的集成光學器件是合乎要求的。
首先,必須使光纖或光學透鏡能足夠靠近,沒有串話地捕獲光。第二,在器件活性區(qū)上面必須沒有會阻止光逃離或進入特殊器件的吸收層。第三,應該給器件附接足夠大的散熱區(qū),使器件有足夠的熱發(fā)散效率。第四,工藝過程必須使器件保持結構完整性,因此器件受到的應力或張力不會影響器件性能。
如上所述,圖7和圖8的方案可以滿足第一和第二條屬性要求,但因為沒有一種方案向器件上附接大散熱區(qū)(即器件襯底)或在器件上減少應力,因此沒有一種方案滿足第三或第四條屬性。
雖然本申請人沒有意識到任何這樣的情況存在于先有技術,但圖7的方案可通過在器件上留下較厚一層襯底而使其潛在滿足第四條屬性。然而,這只有在特殊器件的工作波長對器件以前工作的波長非常透明的情況下才能完成。而且,在許多情況下,這如果不破壞也會減少滿足第一條屬性的能力,而且也可能對激光器器件的工作產(chǎn)生有害影響,除非激光器被重新設計成將激光射入一種半導體材料而不是射入空氣。另外,如果留下較厚襯底,對結構必須進行抗反射涂覆以阻止光反饋到激光器中。另外,這種方案也許會排除使用市售的預制半導體光學器件,如大部分第三方提供的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSELs),分布反饋(DFB)激光器和分布布拉格反射儀(DBR)激光器。
總而言之,我們設計了一種緊密集成光學和電子芯片創(chuàng)立一種能滿足所有四種屬性的光一電子芯片的方法。而且需要時,我們可以使用從第三方得到的器件來這樣作。更進一步,我們可以以低成本、高產(chǎn)量、高壽命提供優(yōu)于先有技術的優(yōu)點。
圖11所示的是根據(jù)本發(fā)明原理的實例的高水平簡化概圖。這個方案克服了先有技術的缺點,同時允許緊密的光學接近、去除吸收區(qū)、提供高結構完整性并有更好的熱發(fā)散特性。
在圖11的方案中,獲得用傳統(tǒng)技術制造或從合適的第三方購買的激光器芯片11-502(由激光器與襯底11-102集成構成)和探測器芯片11-504(由探測器與襯底11-102集成構成)?;蛘?,制造或購買由激光器和探測器以另外的圖形或分組與共同襯底集成的一種混合芯片。
溝槽11-506經(jīng)刻蝕后將晶片加工成分離的器件(通過刻蝕進入襯底)或在在一些情況下加工成合適的器件組,例如,就象在和本文一起申請的題為冗余器件陣列的申請中(該申請通過引用而結合在本文中)所示的那樣,在一些地方將刻蝕進入襯底,而在其他地方刻蝕在到達襯底之前停止。
或者,因為本發(fā)明不制造光學芯片本身,(即制造芯片、制造器件、或經(jīng)刻蝕制造分離的器件)如果光學器件晶片是購買而不是制造,則這些步驟將可以完全跳過。
然后光學器件晶片被翻轉(zhuǎn)和在電子芯片508上面對準,并用如傳統(tǒng)的倒裝片鍵合技術或其它合適的專用技術鍵合到電子晶片11-508上,以合適和可靠的方式完成將光學晶片鍵合到電子晶片上去。
或者,在一些情況下有利的是,進行對襯底11-102的進一步加工,如下文所描述的那樣,可以或者在將光學晶片鍵合到電子晶片之前完成,或者可在鍵合之后完成,只要在將該器件放在以后可能會有的由器件的工作引起的器件極端工作溫度之上循環(huán)之前完成就可以。這種工藝對前面所描述的和圖7和圖8有關的先有技術不合適,因為如果使用該工藝,如果襯底完全被除去,,需要將每一個分散器件各別鍵合,使器件制作費用大幅度升高,或當襯底很薄時由于應力或/和張力問題大幅度減少產(chǎn)量。
取決于所用的具體晶片和光學器件,不同的工藝變型是可能的。
在第一種變型中,襯底被減薄到超過50微米的厚度,通常減薄到密切光學接近所要求的厚度在約50微米到100微米之間的范圍。
第二種變型中,襯底被減薄到約100微米和約相應于晶片的光學器件部分的厚度之間的厚度。
第三種變型中,襯底被減薄到約20微米到約50微米之間。
第四個變型中,襯底厚度與晶片的光學器件厚度基本相等,減薄不需要。
第五種變型中,襯底被減薄到大約等于晶片的光學器件部分的厚度。
正如通過下面的描述將明了的,根據(jù)本發(fā)明,全部襯底的厚度可以保持得比緊密的光學接近所必須的厚度更厚,例如,建立的光學接近進路(下面敘述)允許將光纖或微透鏡插入光學接近進路中,和該器件的分隔間隔在緊密的光學接近進路的范圍中。然而,這樣的情況希望是非典型的。
以溝槽或小孔形式的光學接近進路11-510也用如傳統(tǒng)的刻蝕或打孔技術刻蝕或鉆在光被發(fā)射或探測的光學器件部分上面的襯底中,同時最好留下一些完整的保留襯底。取決于具體的襯底和器件,能使用包括激光打孔、刻蝕或由此的一些組合技術的不同的技術。另外,取決于所使用的具體技術,光學接近進路可以有直的側(cè)壁、斜的側(cè)壁或由此的一些組合。
例如,為了制作在襯底外表面附近有直側(cè)壁、在襯底與元件相遇處附近有斜側(cè)壁的光學接近進路11-510,在帶有一種混合到ASIC(集中稱作“樣品”)中的(砷化鋁鎵)AlGaAs阻擋層(支持如VCSELs和/或光探測器(這里也可交換地稱作探測器))的砷化鎵(GaAs)襯底中,可以采用下述方案首先,在襯底上形成光學接近進路11-510的抗蝕劑圖形。
然后樣品被裝入13.56MHz平行板反應離子刻蝕器(RIE)中,然后,為了減少或除去殘余水,在引入進動氣體之前抽真空到壓力低于3×10-5Torr。一旦達到這個基礎壓力,刻蝕的第一部分按表1的工藝條件開始。
表1

這會制造一個由襯底表面延伸進入襯底中朝器件方向一定距離的直側(cè)壁。
然后優(yōu)化工藝條件以制造光學接近進路11-510含有斜側(cè)壁的部分,本例情況下,GaAs到AlGaAs選擇性地接近無窮,有最小的器件損傷。表2顯示具體的工藝條件。
表2

然后優(yōu)化工藝條件使殘余Cl從AlGaAs阻擋層中排除。這會在樣品由處理室中取出后阻止HCl的形成(即進行濕法刻蝕)。這部分工藝的工藝條件在表3中闡明。
表3

最簡單情況下,光學接近進路盡可能小,以使留在器件上的襯底量盡可能多。保留的襯底提供一種剛性骨架,防止獨個器件不經(jīng)受在將芯片附著到電子晶片過程中產(chǎn)生的應力影響。但取決于具體器件和使用的襯底,還可以進一步額外進行除去襯底的工作,例如,這項工作可在光學接近進路制作時進行,或者可以通過在某一時刻,例如將芯片附著到電子晶片上以后對襯底形成圖形而進行。
然而,應該指出,如果除去額外襯底的工作沒有被適當?shù)匾?guī)劃,隨著襯底的除去,熱發(fā)散的優(yōu)點會降低甚至消失。還有,取決于額外襯底除去多少和/或在哪里除去,芯片承受應力和張力的能力會降低。然而,可以理解的是,在某些情況下,通過選擇性地除去襯底,由于不犧牲太多的結構優(yōu)點,如果有的話,增加襯底整體的表面積還可以改進熱發(fā)散。因此,應該可以理解的是,襯底除去的重點是在器件上留下足夠襯底以確保達到所需要的熱學的和結構的特性。
而且,取決于所使用的具體技術,在一些情況下,光學接近進路的設置可以有利地在鍵合工作進行之前或之后進行,例如在分離單個器件的溝槽被刻蝕之后,之前或之中進行。
可任選地,如果需要,抗反射涂層可以施加于探測器。
取決于究竟使用上述三種變型中的哪一個,將發(fā)生不同的過程。圖12和圖13所示的是數(shù)個不同的光學接近進路的實例。例如,如果用第一種變型,光學接近進路的延伸可完全穿過襯底(如圖12a,12b,13a,13c,13e所示)。或者,光學接近進路可以從襯底的外表面延伸到一個深度,該深度上直接保留在光被發(fā)射或探測的光學器件部分上面的襯底被減少,但沒有完全除去,例如如圖12c,12d,13b,13d,13f所示。一般而言,直接在光被發(fā)射或探測的光學器件部分上面保留的襯底的厚度將被減少到100微米或更少,以能達到通向器件的緊密的光學接近進路。在其它情況下,厚度可減少到50微米或更少,雖然典型厚度在20微米到50微米之間,有時也可以為20微米或更少。
另外,取決于所建立的具體光學接近進路,光學接近進路可以進一步有利地用于容納如圖12a,12c,13b所示的光纖或如圖12b,12d,13a,13c所示的微透鏡。
因此,通過使用一種上述方案,能創(chuàng)立如圖14所示的由襯底支撐光纖終端的光學陣列,能創(chuàng)立如圖12b,12d,13a,13c,13e所示的容納由襯底支撐的一個或多個單獨放置的微透鏡的光纖陣列,或能創(chuàng)建如圖15所示的容納一種微透鏡陣列的光纖陣列。
如上所述,襯底也能通過形成圖形而粗糙化襯底表面和使暴露的襯底表面積提高來改善散熱性能。
應該理解的是,通過使用本文敘述的即留下附著的襯底的技術,應力基本上不會傳遞到光學器件,而是由連接介質(zhì)或電子芯片吸收,這兩者都能較好地承受這樣的應力。
圖16-19是根據(jù)上述技術制造電光學芯片變型的制造工藝的實例示意圖。
圖16a是一個單個底表面發(fā)射激光器器件16-1002的簡化示意圖,這個激光器是激光器器件陣列的一部分,剩余部分沒有顯示。
器件16-1002由隔離槽16-1004與相鄰器件隔離,支撐于由合適材料如硅、鍺化硅(SiGe)、砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP)制成的襯底16-1006上。雖然使用的具體材料可能由獨立于本發(fā)明的因素確定,值得提出的是由于熱因素產(chǎn)生的應力能通過使光學器件襯底的膨脹系數(shù)與電子晶片的膨脹系數(shù)匹配而盡可能地接近來減少。理想地,兩者由相同材料組成,使兩者膨脹系數(shù)相同。
用于激光激發(fā)和控制的電接觸點16-1008,16-1010各自被裝在支撐體16-1012,16-1014上。每個電接觸點的一端16-1016,16-1018用作激光器器件的電極,另一端是鍵合區(qū)16-1020,16-1022,導電材料16-1024如一種焊料被淀積于其上,用于將器件16-1022鍵合到電子晶片上。
圖16b所示的是在激光器陣列被翻轉(zhuǎn)并放置在相應的電子晶片16-1030的鍵合區(qū)16-1026,16-1028上之后的圖16a的激光器件16-1002。
圖16c所示的是在器件通過在各自的鍵合區(qū)16-1020,16-1022,16-1026,16-1028之間的焊料鍵合16-1032附著于電子晶片16-1030之后的激光器件16-1002。
圖16d所示的是在襯底減薄到20微米到50微米之間后的激光器件。
圖16e所示的是在光學接近進路16-1034在襯底16-1006內(nèi)建立后的器件,這種情況中用刻蝕替代打孔。本例值得一提的是光學接近進路從襯底16-1036的表面延伸到器件覆蓋層16-1038。
圖16f所示的是可選擇的熱導材料16-1040被施加于器件后的圖16e的器件,熱導材料諸如在固化后有良好熱導率的低黏度(因此能良好地流動而形成良好的履蓋)熱環(huán)氧膠。
雖然上述是參照激光器器件來說明,除了探測器器件也可以涂覆抗反射涂層外對于對探測器型器件的制作工藝相同。
圖17a-17f所示的是用類似于圖16a-16f中所示的方法制造的另一種光電子器件,除了這種激光器件用器件的半導體材料作為支撐體17-1102,17-1104。
圖18a-18f所示的是用類似于上述器件制作的方法制造的另一種光電子器件。如圖所述,這種器件是器件半導體材料不用作支撐體的器件類型。另外,這個光電子器件的激光器被分組,因而它們能以冗余方式使用。如上所述,有冗余激光器的陣列的建立參考標題為冗余光學器件陣列的專利申請敘述。特別地,圖19所示的是這種陣列中兩個鄰近的激光器,除了建立光學接近進路19-1034以外,分組溝191302,19-1304在保留的襯底19-1006上用已知的刻蝕技術刻蝕到使分組溝191302,19-1304與一些隔離溝19-1004相連接的深度。用這種方式,能安排兩個或多個激光器分享一個共用光纖,一個或多個激光器被用作備用激光器,如在題為冗余光學器件陣列的共同轉(zhuǎn)讓申請中敘述的那樣,該申請通過引用而結合在本文中。
用這種方式分組激光器帶來的一個好處是單個晶片產(chǎn)量提高,這是因為例如對于一對分組的激光器,如果其中一個損壞,另一個可代替它而使用。這樣作的另外一個潛在好處是能提高光電子器件的壽命。例如,當一對激光器中的一個最終損壞時,如果激光器是外部獨立可選,則第二個激光器可被選擇以代替損壞的那個工作。
另一個可獲得的好處是減少獲得上述優(yōu)點的一個或兩個的費用。因為在一個晶片上增加激光器數(shù)目增加的費用可忽略不計,實質(zhì)上是免費改進產(chǎn)量和/或可靠性/延長壽命。
圖19也表示一個用圖18a-18f的技術制造的一個示范陣列19-1306的功能性描述。從器件的頂面圖解說明陣列19-1306,因此在各自激光器上的光學接近進路19-1034和保留襯底19-1006清晰可見。如圖19所示,激光器分成四個一組,由分組溝19-1302,19-1304限定組19-1308,分組溝確保在組19-1308中的相鄰激光器之間沒有通過導電的襯底19-1006的電流路徑。為了圖解目的,圖中顯示了一些隔離溝槽19-1004,雖然在這個觀察點實際上沒有一個是可見的。
圖20a-20f所示的是用類似從圖16至圖18的器件的方法制造的另一種光電子器件。正如所示的那樣,這是器件半導體材料用作支撐體20-1402,20-1404的器件類型。另外,這種光電子器件的激光器也用圖18和圖19的方式分組,但它們用成對(其中一個沒有顯示)方式進行,從分組溝來看這是明顯的。
如上所述,上面描述的器件類型的制造商們有兩種獲得光學器件的方法-他們可以自己制造,或者從第三方獲得。通過制造光學器件(這里以后簡稱為“光學芯片”)和電子晶片(這里以后簡稱為“電子芯片”),制造商能通過采取措施來確保每一種上的鍵合區(qū)正確放置,使得當光學芯片定位在電子芯片上時相互對準。然而,即使在同一組織內(nèi)設計制造,通常光學芯片和電子芯片也沒有同時設計。因此,即使對單個制造者,除非在該組織內(nèi)對于光學和電子芯片設計有密切配合,每種芯片上的接觸鍵合區(qū)之間的缺乏一致性的情況很容易發(fā)生一特別是當其中一種或兩種都被設計成要賣給第三方或計劃中用由其它來源途徑獲得的器件集成時更是如此。而且,任何一種的后繼設計上的改進或改變都可能需要改變接觸鍵合區(qū)的位置,因此即使在同一組織內(nèi)也會在先前不存在不對準的地方引起鍵合區(qū)的不對準。
更嚴重的是,如果電子芯片設計為與不同種類的光學芯片一起使用,但光學芯片是從第三方獲得的批量生產(chǎn)用于分配給多個不相關的使用者的庫存(如芯片包括頂面發(fā)射腔激光器,底發(fā)射腔激光器,DFB激光器或DBR激光器,頂面接收探測器或底接收探測器),即使它們在其他方面與電子芯片兼容,也不大可能光學器件的鍵合區(qū)會全部位于相同的位置上。
例如,如圖9所示,單個光學器件有放置在由其制造者指定的位置上的接觸鍵合區(qū),電子芯片也有放置在由其制造者指定的位置上的光學器件可連接到其上的接觸鍵合區(qū)。當光學器件為與電子晶片進行倒裝片型的鍵合被翻轉(zhuǎn)時,每個器件的接觸鍵合區(qū)都將不對準。然而,通過改變上述技術,本發(fā)明也能和直到現(xiàn)在的所有例子涉及的底發(fā)射激光器以外的激光器一起采用,也能和有不同接觸鍵合區(qū)排列的底發(fā)射激光器、頂面或底接收探測器一起采用。
有利的是,這樣做允許選擇和使用有對應用而言最好的各自性能的品種最好的芯片,并避免排除僅僅因為不能或不大可能符合電接觸點位置要求或標準的賣主。
一般來說,取決于光學器件是底發(fā)射/接收還是頂面發(fā)射/接收,采用兩種工藝。
為了說明的方便,將使用術語“底活性”來涉及底發(fā)射器件(激光器)和底接收器件(探測器)。類似地,使用“頂活性”或“頂面活性”來涉及頂面發(fā)射激光器頂面接收探測器。
底活性器件工藝現(xiàn)在將參照圖21解釋用于底發(fā)射/接收器件(即底活性器件)的工藝。為方便解釋,應該假設將光學晶片21-1502制成如上面所討論的光學芯片21-1504。或者,光學芯片21-1504也可從一些第三方獲得。
首先,用已知技術將一個絕緣層21-1506添加到光學芯片21-1504的表面上。
然后在絕緣層21-1506中建立開口或通道21-1508,以允許接近到光學芯片的接觸鍵合區(qū)。這個目的再次用激光打孔或刻蝕例如以在下面標題為“多根光纖光學元件和制造技術”的章節(jié)中所描述的用于在晶片上建立通孔的方式實現(xiàn)。
或者,如果例如事先知道接觸鍵合區(qū)的位置,開口或通道21-1508就能先于附著前在絕緣層中預先形成。
然后,通過向開口或通道的側(cè)壁(該側(cè)壁可以任選地事先涂覆絕緣材料)施加導電材料21-1510或用材料21-1510填充開口或通道的方法使開口或通道21-1508導電。
有利的是,如果開口或通道沒有被填滿,它們就能被用來幫助對準。這可以這樣做,如果開口或通道足夠?qū)?,允許其他芯片上的焊料堆“納入”到孔中,因而在兩者之間提供了初步對準。而且,在某些情況下,毛細作用會導致焊料在熔化時部分被吸入開口或通道中,因而產(chǎn)生更好的連接和進一步有助于對準。
可選擇地,如果開口或通道在附著前預先形成,開口或通道的涂覆或填充(根據(jù)需要)也能先于將絕緣層附著到光學芯片之前進行。
下一步,在絕緣體的暴露面上形成電跡線21-1512的圖形來建立從(現(xiàn)在已涂覆或填充的)開口或通道到絕緣體表面的一個位置的導電路徑,該位置將和在電子芯片上的接觸鍵合區(qū)的位置對準。任選地,如果可能有多個排列,取決于光學芯片將與其緊密配合的電子芯片,一個單個的電跡線能建立兩個或更多可選擇的連接點,如果將要被緊密配合的接觸點相互間有輕微偏移但還在可處理的控制范圍內(nèi),則該單個的電跡線可建立一個連接區(qū)域。
在上述一個變型中,如果光學芯片將被連接的是電子芯片(而不是如一個調(diào)節(jié)器,或另一個光學芯片對其光學透明的激光器),電跡線就能在電子芯片上形成圖形,因為一般來說大多數(shù)電子芯片已經(jīng)有可以將其用來進行接觸點重定路線的絕緣層。
一旦這些完成,工藝就如上所述地進行,連接兩個芯片21-1514(在本例中用倒裝片技術)后面根據(jù)具體情況是襯底減薄、去除全部襯底或按它原來厚度保留襯底。然后,按要求或需要完成建立光學接近進路21-1516,在芯片襯底上形成圖形,導熱體流動,或抗反射涂層的施加。
頂面活性器件工藝現(xiàn)在將參照圖22解釋用于頂面發(fā)射/接收器件(即頂面活性器件)的工藝。為方便解釋,應該假設光學芯片從一些第三方獲得,制造電子芯片本身的工藝與本發(fā)明不相關。
另外,在工藝開始之前,可任選步驟的一步或兩步可事先完成。第一步,光學芯片頂面表面附著一個載體。該載體可由任何一種材料組成,僅僅用來在后續(xù)工藝中剛強化并支撐光學芯片。第二步,包括減薄光學芯片襯底。這將減少必須被刻蝕或打孔穿透而到達光學芯片正面的接觸點的材料量。
在這點上,工藝用類似于圖21描述的工藝的方式進行如下。
孔或通道被刻蝕或打孔穿過光學芯片襯底到光學芯片正面的接觸點。
然后孔或通道用導電材料進行涂覆或填充(導電材料下面可以有一個絕緣涂層),使接觸點向外出現(xiàn)在光學芯片的背面。
或者,例如如果接觸點片是這樣定位,通道直接從芯片背面穿過襯底會損壞芯片或出現(xiàn)其它問題。就在合適位置刻蝕或者打孔或通道,將一種導電體添加到正面,將接觸鍵合區(qū)和涂覆或填充通道或孔的導電體連接起來。
有利的是,如果開口或通道沒有被填滿,它們就能用于幫助對準。這可以這樣做,如果開口或通道足夠?qū)?,允許另一個芯片上的焊料堆“進入”孔中(圖22B),因而在兩者之間提供初步對準。而且,在某些情況下,焊料熔化時毛細作用會使焊料部分被吸入開口或通道中,因而產(chǎn)生更好的連接和進一步的對準。
或者,如果通道或孔的定位使其與用來與電子芯片對準緊密配合的合適位置重疊,也能完成那些工作,并且通道或孔可用傳統(tǒng)技術連接到正面的接觸鍵合區(qū)。
如背發(fā)射/接收器件的集成工藝那樣,如果通道或孔不與電子芯片上的接觸鍵合區(qū)重疊,電跡線的圖形被形成在光學晶片(圖22C)或別的芯片,在本情況下是電子芯片(圖22D)的襯底上,提供在通道或孔與在其它芯片上的接觸點位置之間的連接。
在這點上,如上所述,芯片就能被聚合到一起并連接起來。
如果進行添加載體的任選步驟,載體現(xiàn)在可被除去。如果載體過厚導致光接近問題,或有不利地影響激光通過載體的傳輸?shù)牟幌嗳莸膹碗s折射率,載體就應該被除去。在替代的變型中,通過在載體中形成光學接近進路的圖形或通孔,,最好在附著到光學芯片之前完成,即使載體會導致光接近問題或有不相容的復雜折射率,載體仍可以被留下。
另外,如果需要,一個或更多附加的光學元件諸如微透鏡或光波導能被放置在載體的頂部上。
圖23所示的是除了不用載體外與圖22所示相類似的工藝。
連接或適配器芯片選擇在一種可用的替代變型中,例如,當光學芯片和其它芯片兩者都從其它地方購買或考慮使用兩個或多個不同芯片并且它們有不同的接觸鍵合區(qū)位置但是已經(jīng)知道各自接觸鍵合區(qū)的位置時,就能直接地應用本文的原理容易地制造一種“適配器”或連接芯片,因此設計和/或制造仍然能進行。
參考圖24,它說明的是一種用于連接不同芯片的連接芯片或適配器芯片,形成共用芯片24-1800的頂面21-1802和底面24-1804的圖形,因此在每個面上從每個芯片的規(guī)定接觸鍵合區(qū)位置24-1812,24-1824,24-1816,24-1818到各自的一些共同點建立電跡線24-1806,24-1808,24-1810。
然后形成通孔并裝進或填充導電材料,以便連接相應的一對,例如,要將兩者連接在一起時,連接一個在頂面的接觸點與在底面的其合適的接觸點。
圖25所示的是另一種可選實施方案,這是適配器或連接芯片變型的另一個變型,能用于頂面活性器件。如圖所示,適配器或連接芯片25-1902僅在一面有電接觸點25-1904,用來通過連接鍵合區(qū)25-1908直接連接到光學芯片25-1906,并通過如支架25-1912、跳接線、導線、導線帶或別的已知的附接器件連接到電子芯片25-1910。在這種安排中,因為器件是頂面發(fā)射/接收并且適配器置于頂面,在適配器中也提供“光學通道”25-1914允許光線進入。
然后光學芯片能被置于電子芯片頂上,連接芯片放置在兩個芯片頂上,提供光學芯片和電子芯片之間的連接。
如在一側(cè)注釋的那樣,雖然所述有關光學芯片與電子芯片的緊密配合,同樣的基本工藝(即用連接芯片或適當形成圖形的絕緣層或襯底來補償鍵合區(qū)失配)也能以直接的方式適用于補償在任何光、電、電子或機電晶片的任何組合之間的鍵合區(qū)不對準。
進一步的變型如上所述,一些情況下,有時對一些器件特別是探測器涂覆抗反射涂層是很理想的。然而上述的光電子芯片由兩種(可能會更多種)類型不相似的光學器件組成,并且抗反射涂層對激光器件產(chǎn)生有害影響是不能接受的。
有利的是,在上述工藝的一個進一步的變型中,需要抗反射涂覆的器件不必與不需要抗反射涂覆的器件區(qū)分。
這個工藝很大程度上跟隨與圖11相關聯(lián)的工藝流程,在圖11的工藝中產(chǎn)生激光器芯片和探測器芯片,采用倒裝片技術將芯片翻轉(zhuǎn)并附著到電子芯片上。
然后襯底被減薄,但對于激光器襯底,僅僅減薄到襯底相對于激光器腔的厚度仍可被認為是厚的程度。雖然不同激光器件需要不同的具體厚度,但在DFB和DBR的情況中,襯底厚度應至少是激光器腔厚度的數(shù)倍,在VCSEL的情況中,襯底厚度應至少是鏡間距離的數(shù)倍。因為不同器件之間的精確距離會改變,一種經(jīng)驗規(guī)則是采用一個10×激光器腔厚度的因子。然而,如果厚度能精確控制,它能夠低于10×的因子,具體的最小厚度靠經(jīng)驗確定為在該厚度上抗反射涂層不影響激光器的激光發(fā)射能力的最小厚度。
一種類似的方案能用于頂面活性激光器。在頂面活性激光器情況下,一個襯底(可以是上述載體,襯底,或如果接觸點重定路線不需要進行或在其他芯片上進行,它可以是在載體除去后貼上去的一個分立的襯底而不是載體)被附著到激光器的頂面上。襯底在貼加后被減薄到上述厚度,或者減薄到貼加之前的厚度。一旦這些完成,激光器和探測器能同時進行抗反射涂覆。因此,就不需要形成特殊的圖形,或在抗反射涂覆過程中另外區(qū)分激光器和探測器。
因此,可以理解上述工藝可以用于各種不同的器件。例如,應用本發(fā)明的原理,可以進行將調(diào)制器以陣列相協(xié)調(diào)方式堆疊在激光器的頂部。事實上調(diào)制器在激光器頂部或底下都能做到。而且,無論這兩個(或多個)器件是否產(chǎn)生于單一外延步驟中這些均可做到。類似地,可以進行將頂面活性器件堆疊在頂面或背面活性器件頂部,就象如圖26A所示的將背面活性器件堆疊在頂面或背面活性器件頂部,和如圖25B更詳盡地所示的將調(diào)制器安裝在一個背面發(fā)射激光器的上面。
能類似地堆疊有格點失配的器件而不考慮各自器件執(zhí)行的功能。
在進一步的應用中,來自不同外延晶片的器件能以晶片規(guī)模的水平集成在一個共同晶片上。因此,為用于如圖27所示那樣的雙波長分路多路復用技術(DWDM)或多波長分路多路復用技術(MWDM)的用途,不同波長的激光器能互相混合。
圖27所示的是一種一百個不同波長激光器的陣列,全部以晶片規(guī)模集成在一個共同的晶片上。通過這樣作,并使每個激光器可選擇,就能選擇一個特定波長(或特定波長的組合)。因此可排除對可調(diào)激光器的需要,而該可調(diào)激光器取決于實體零部件的模擬運動,或表現(xiàn)出熱變化和熱效應,速度被限制在微秒量級而且精度有限。
而且,能以輸送數(shù)據(jù)相同的速率轉(zhuǎn)換波長,以此構建在不同波長以該比特率多路復用不同數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)。因此轉(zhuǎn)換能達到約100皮秒(數(shù)十個gigabit/sec)的速率。
另外,不同種類的不同器件(即不同種類的激光器,激光器和探測器等)能被混合,如圖28的側(cè)剖視圖所示。
如圖28所示,形成兩個不同波長的激光器帶28-2202,28-2206,兩個不同的互補波長的光探測器帶28-2204,28-2208也一樣形成。第一個器件帶(以激光器28-2202(λ1)表示)用本文描述的工藝附接。以類似方式附接另一個器件帶(以探測器28-2204(λ1)表示)。然后以類似方式附接第三個器件帶(以探測器28-2206(λ2)表示)。最后,以類似方式附接最后一個器件帶(以探測器28-2208(λ2)表示)。
取決于具體情況,襯底或載體能立即從所有器件除去或減薄,例如,如果它們不妨礙后面器件的集成,或者它們也可以在每組器件附接后被除去或減薄。
圖29所示的是從頂視圖看的圖28的器件的集成。如圖所示,所有第一波長的激光器被附接。然后,所有第一波長的光探測器被附接。然后所有第二波長的激光器被附接,隨后附接所有第二波長的光探測器,以至于最后結果是完全集成的二波長收發(fā)器芯片。圖29右邊顯示的是它的一部分的放大形式。
當然,雖然前述例子用兩個激光器和兩個探測器,但不考慮不同器件的數(shù)量,不管它們是頂面或底活性,是否分組,全部是激光器,全部是探測器等,工藝基本相同,因為這個工藝的一個優(yōu)點是混合和匹配的能力-特別是在晶片規(guī)模上。
在這些情況下,集成能容易地以單個器件(或器件類型)的基礎上進行,或在帶(如圖所示)上或通過組的形式進行,根據(jù)帶29-2202,29-2204,29-2206,29-2208或器件組的限定來保留襯底。
更進一步,通過將一種波長的冗余激光器組與其它波長的激光器集成,一種極端可靠的DWDM或MWDM模塊就能低成本地制造出來。
因此,因為DWDM系統(tǒng)的單器件,集成的發(fā)射器陣列在先有技術中是沒有的,通過在單個芯片上集成大量的激光器,能減少封裝尺寸。通過將十個或更多個兩種或多種不同波長的激光器的陣列集成在單個芯片上,并且應用例如光纖基合成器/反轉(zhuǎn)分離器,一個全息透鏡陣列,或者題為多片光纖光學組件和制造技術的通過引用而結合的申請的技術,將它們中的一組耦合入一單個光纖中,多波長的多路復用技術可在輸出光纖中實現(xiàn),在一些情況下不需要光學機寫或電光學元件來作轉(zhuǎn)換工作(光學交錯連接)。
在本技術的進一步應用中,能構建在不同時間或同時用作泵浦激光器和通信激光器的大型陣列。
多器件工藝和產(chǎn)品的相繼集成當在組成一個光電子模塊的芯片,封裝和電路板中建立電子連接時,通常使用由焊接到一個或多個芯片、封裝和電路板的短引線組成的引線鍵合。引線鍵合受限制于由于其較長的長度導致的頻率響應以及因此而有的高電容和高電感。
因此,用引線鍵合制造高速光電子模塊是不理想的。
在另一種情況下,即使不用引線鍵合,基于“由內(nèi)到外”的集成工藝形成模塊,憑此組合了最里面的器件(以及那些能平行地完成的較外面的器件),隨后這些組合的器件相互集成或與一個或多個線路板等集成,直到全部模塊完成。多數(shù)情況下,這樣的一個工藝基于在模塊中的元件位置而通常不考慮整個模塊建立的過程,或集成一個元件對另一個元件上(導致減少壽命)或其連接上(提高電容和/或電阻)產(chǎn)生的影響。因此,本技術可產(chǎn)生一個不太可靠或低性能的產(chǎn)品,因為對一個較早集成的元件,一個元件的集成可能會削弱一個連接,提高連接的電容和/或電阻,提高對熱和/或連接的物理應力的敏感性。
因此,即使這里不用引線鍵合連接,使用的具體工藝仍會對最后生產(chǎn)的全部產(chǎn)品的可靠性和/或性能有不希望的以及不利的影響。
我們開發(fā)了一種允許制造由一定數(shù)量的元件組成的模塊并不用引線鍵合連接元件的工藝。我們進一步開發(fā)了一種不會導致隨后元件的集成對先前集成的元件有不利影響的工藝。結果,我們的工藝制造出一種比根據(jù)先有技術制作的完全一樣的產(chǎn)品更可靠的產(chǎn)品。
特別是,通過應用分級附著工藝,我們創(chuàng)建了一種封裝技術,這項技術允許光學器件附著到電子芯片上,電子芯片附著到封裝上,封裝附著到印刷電路板上,全部不用引線鍵合。這通常允許可能的最高頻率響應連接(即速度僅僅受元件性能限制,而不受元件間的引線連接限制)。另外,允許有更可靠的終端產(chǎn)品。
總體來看,我們認識到,通過使用不同的焊接材料,有不同的熔點和附著溫度,并采用一種與使用的附著材料而不是被附著的元件相關的具體附著順序,該工藝沒有先有技術出現(xiàn)的問題。而且,我們的工藝非常適合于制造非光的電子模塊,并且特別適合于制造高性能的光電組件,這些光電組件對電容、電感和電阻的減小特別關注。
根據(jù)本發(fā)明,我們使用的一種有序工藝至少有B.一種有第一熔點和第一附著溫度的焊接材料用來將第一組元件,例如將光學器件一起附著到電子芯片;C.一種有第二熔點和第二附著溫度的第二焊接材料用來將先前連接的元件附著到另一元件,例如將一個或多個電子芯片附著到封裝上;D.一種有第三熔點和第三附著溫度的第三焊接材料用來將一個或多個在ii)中制造的元件附著到另一元件,例如將封裝附著到印刷電路板上。
通過直接的材料選擇和與上述相同的方式的工藝的延續(xù),本工藝可延續(xù)到四個或更多個附著水平。
用于三個或更多不同附著工藝的材料被特別挑選中,因為它們有更好的熱相容。換句話說,通過實例的方法,從芯片到封裝連接的集成條件被設計成不影響在芯片到封裝附著前進行的光學元件到芯片的連接。
特別地,對于給定的附著,焊料的熔點通常要選擇成高于工藝中后續(xù)步驟所用的焊料的熔點。
換句話說,第一附著步驟的焊料有最高的熔點。用于第二附著步驟的焊料的熔點低于用于第一附著步驟的焊料的熔點。用于第三附著步驟的焊料的熔點低于前兩個附著步驟使用的焊料的熔點。取決于具體的實施,可包括第四或更多的附著步驟。
如果任何步驟中含有熱敏感粘合劑而不是焊料,可應用相同的程序。也就是其熔化溫度也必須如此,即加熱粘合劑到其熔點不能導致溫度超過先前全部連接中所用的材料的熔點。
雖然小總是,但也是典型的是附著溫度互相關聯(lián),即,對一個給定步驟的附著溫度將比任何后續(xù)步驟所使用的材料的附著溫度要高。
在一些變型中,使用相同材料是可能的,相應地,對所有步驟有相同的熔點和附著溫度,條件是在后續(xù)連接點測量的溫度不超過該熔化溫度。
可指出的是,在相同情況下,某一步的附著溫度可比先前步驟的熔點高。然而,這不是一個問題,因為由于密封材料的使用或所包含的具體元件的間隔,在接觸的點上,先前連接好的元件不會達到產(chǎn)生不利影響的足夠高的溫度。
用通常方式描述了我們的工藝,現(xiàn)在用兩個例子再來描述這個工藝。在第一個例子中,制作了一個光電子收發(fā)器模塊產(chǎn)品。這個產(chǎn)品由與一個電子芯片集成的數(shù)個激光器(一種光學芯片)和與另外一個電子芯片集成的數(shù)個光探測器(一種第二光學芯片)構成。這兩個電子芯片集成到一個封裝中,這個封裝集成在一個印刷電路板上。
第二個例子建立一個類似的收發(fā)器,除了兩個光學芯片(即激光器芯片和光探測器芯片)分享一個共同的電子芯片,并用一種熱活性膠水的方法將一個用來將光纖和光學器件對準的附加元件附著到電子芯片上以外。
例1這個例子中,工藝部分,連接材料的組合(如焊料金屬),熔點和附著溫度如表4所示表4

這個例子中,工藝的第一部分隨著光學器件附著到集成電路(IC)開始。這由具有最高熔點的材料來進行(本例中為熔點為280℃的Au20%/Sn80%)。將相互連接的連接點放到一起,溫度升高到超過熔點使焊料熔化。然后被連接的元件降溫到熔點以下使焊料完全固化。
然后用熔點低于先前焊料熔點的焊料將帶有激光器的集成光電子IC和帶有探測器的集成光電子IC附著到IC封裝上以制造一個光電子模塊封裝。在這種情況下使用Sn95%/Sb5%(熔點溫度240℃)。每一個激光器IC和探測器IC的接觸點被與其各自在IC封裝上的連接位置放在一起。然后加熱元件到溫度超過240℃但低于280℃,使先前連接的焊料不熔化。然后該連接的部分降溫到焊料熔點以下使新連接點固化。
溫度敏感的鍵合工藝的最后部分包括將模塊封裝附著到印刷電路板以制造模塊。這用一種熔點低于前面使用的兩種焊料的任意一種的熔點的焊接材料來完成。在這個情況中,用熔點為180℃的Sn63%/Pb37%。被連接部分的接觸點被放到一起并被加熱到在180℃到240℃之間的溫度。然后這個模塊降溫到焊料熔點以下使新連接點固化。
因此,因為每個后繼附著過程包括一個低于先前附著過程溫度的溫度,附著不會干擾或破壞事前的連接。
例2這個例子中,使用類似的工藝制造類似的收發(fā)器,除了兩個光學芯片(即激光器芯片和光探測器芯片)分享一個共同芯片,并用一個熱活性沒有導電性的熔化溫度為230℃固化溫度為230℃的膠水將一個用來將光纖和光學器件對準的附加元件附著到電子芯片上以外。結果這個工藝被改變,使需要粘合劑的元件的附著步驟在模塊附著到印刷電路板之前進行。過程中包括的步驟和材料如表5所示。
表5

工藝如上述進行。首先,光學IC都連接到電子IC。然后在高于240℃但低于280℃的溫度熔化焊料將光電子IC附著到封裝上。然后用230℃到240℃之間的溫度將對準片粘合到封裝上。最后,用180℃到230℃之間的溫度將封裝附著到印刷電路板上。
眾所周知存在大量不同的焊料,從純金到合金和金屬共晶諸如銀、鉛、錫、銻、鉍或其它金屬。表6所示的僅是許多現(xiàn)在市售的焊料中的幾種和它們各自大致的熔點。
表6



類似地,存在不導電的熱活性膠水,并能根據(jù)本文描述的技術結合上述焊料一起使用。
而且,可進一步理解的是,用于一個特定步驟的材料的熔點能高于用于先前步驟中使用的材料的熔點,條件是在前面連接點處的溫度處在其連接材料熔點以下的溫度。例如,參照上面例1,如果光電子IC用一種將光電子IC絕熱到某種程度的密封材料涂覆,溫度可能升高到高于將光學IC鍵合到電子IC的材料的熔點,因為由于密封材料,連接點的溫度不會超過熔點。另外或可選擇地,如果被連接的元件被充分隔開一個間隔或有熱屏障或散熱片,只要在先前連接點的熔化溫度未超過,新連接點就可以超過這個溫度。因此在例2中,如果一個熱屏障放在先前已鍵合好的元件和對準片之間或熱屏障與先前的連接點充分隔開,對準片連接點的局部溫度能超過240℃,條件是先前連接點的溫度不超過240℃。
即使表6的焊料組合已經(jīng)受到限制,但可以認識到各種具體的潛在組合數(shù)目還是巨大到不能被列舉。應該理解的是,根據(jù)本文所述的技術使用不同材料的組合(例如從列于表6中的材料挑選出的和/或本文鑒定的焊料)會直接產(chǎn)生為數(shù)極多根據(jù)本發(fā)明的變型。重點不是具體的材料,而是在工藝中每個連續(xù)步驟中使用的材料的熔點間的關系。換句話說,只要焊料適用于特定目的并且各種元件在連續(xù)步驟中被連接,這里每個相繼的連接包括一種在不需要超過在先前連接點處的熔化溫度就能被熔化的焊料,制造工藝就可以工作。
最后,應該意識到,上述參考工藝不需要用于一個特定組裝件的所有元件。例如,基于例1,光電子收發(fā)器可以是一個組裝件的一部分,這個組裝件進一步包括一個機殼、一個或多個風扇、連接器、電纜等。相似地,一個特定組裝件可由多個模塊制成,其中一些模塊用本文描述的工藝制造,如例2的模塊,其它的模塊用先有技術制造,或某個模塊根據(jù)工藝的一個變型(即三個特定材料)制造,另一個模塊根據(jù)工藝的另一個變型(即至少一種材料和第一模塊中使用的特定材料不同)制造。
在電子元件上的調(diào)制器和激光器的集成陣列外部調(diào)制器被用于一些一個或多個邊緣發(fā)射激光器以線性方式排列而應用的半導體激光器系統(tǒng)中。單頻道使用在一個封裝中帶有邊緣發(fā)射激光器的調(diào)制器因此也是可行的。然而,目前,在先有技術中沒有邊緣發(fā)射半導體激光器的二維陣列,因此在先有技術中將調(diào)制器和這樣的激光器集成是不可能的。而且,在先有技術中,能與垂直發(fā)射格式激光器陣列特別是垂直發(fā)射腔、分布反饋(DFB)激光器以及分布Bragg反射儀(DBR)激光器集成的調(diào)制器是沒有的。
如圖34所示,在集成在電子器件34-104(一個或多個芯片)頂部的激光器陣列34-102的頂部我們集成了垂直腔調(diào)制器陣列34-100。通過本發(fā)明技術的應用,我們制造了大規(guī)模激光器陣列,在陣列中每個激光器能夠以恒定的光輸出方式工作,通過在激光器陣列頂部集成的調(diào)制器陣列的外部調(diào)制,輸出能非??焖俚剞D(zhuǎn)換開和關。結果我們能獲得一定量的優(yōu)點,這些優(yōu)點包括在二維半導體激光器陣列中的以低速率和超過10Gb/s的速率工作的轉(zhuǎn)換激光器。
本文的技術能不考慮它們是頂面發(fā)射還是底/背面發(fā)射而用于光學器件與電子器件的集成,形成大規(guī)模光學器件陣列,這些光學器件包括但不限于垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)、分布反饋(DBF)激光器以及分布Bragg反射儀(DBR)激光器,并用于制造結合結果的集成光電子芯片的模塊。
在高數(shù)據(jù)速率,例如約10Gb/s或更高,通過激光器的直接調(diào)制來實現(xiàn)激光器足夠迅速地開關以完成數(shù)據(jù)傳輸是困難的。這是因為直接調(diào)制激光器時,在轉(zhuǎn)換開關過程中,為了產(chǎn)生光然后被引出激光器以關掉光,電子必須被饋入激光器。然而由于激光器的基礎物理性質(zhì)如在激光器的活性區(qū)域中器件的電容和電子的衰減時間常數(shù),這個過程需要一個時間和能量的最小值來進行。
隨著速度的升高,需要的轉(zhuǎn)換開關速率接近甚至會超過所需要這樣做的最小時間。結果,隨著速度的升高,工藝變得極困難(甚至是不可能)進行。
結果,在更高速度時,光學數(shù)據(jù)傳輸通常用稱為“外部調(diào)制”的方式來完成,在“外部調(diào)制”方式中,激光器保持一直“開”,用激光器外的一種器件來控制光輸出。在一種外部調(diào)制類型中,在激光器輸出部分和外界之間放置一個稱為“調(diào)制器”的器件。調(diào)制器將光開或關來產(chǎn)生激光器開或關的效果。調(diào)制器用數(shù)種機制實現(xiàn)相對于外界的對光的開或關。例如,調(diào)制器可以在一種狀態(tài)下透明而在另一種狀態(tài)下吸收,調(diào)制器可以在一種狀態(tài)下透明而在另一種狀態(tài)下反射,調(diào)制器能通過折射率的改變來移動激光器的諧振波長,使諧振腔波長不再在增益區(qū),或調(diào)制器能夠先對激光器的光學性能不相干,然后又是破壞性的(例如改變激光器的一個鏡子在轉(zhuǎn)換方式中的有效反射率)。
我們上述被結合的申請描述了也能被用于使大規(guī)模調(diào)制器陣列與活性光學器件陣列集成在一個電子芯片上的工藝。
這里我們特別描述一些先前方案調(diào)制器的具體方面來確保要使調(diào)制器與本文敘述的垂直發(fā)射激光器協(xié)調(diào)一致,確保要使調(diào)制器與已經(jīng)包含激光器的電子芯片電接觸協(xié)調(diào)一致。
圖35至圖37表示的是一個單個調(diào)制器在調(diào)制器陣列中的集成的示范格式,可以理解的是,這個工藝能以相同方式在單個器件或晶片規(guī)模的基礎上進行。
圖35所示的是帶有連接區(qū)35-202,35-204的一個調(diào)制器35-200,該連接區(qū)是為和一個事先與一個在本情況中是一個VCSEL的電子芯片35-212集成的集成激光器件實例35-210的連接區(qū)35-206,35-208緊密配合而形成的。在圖35中,調(diào)制器的連接區(qū)用一種通過引用而結合的頂面工藝制造。在圖35下半部,器件在接觸點緊密配合后被鍵合。
圖36所示的是帶有連接區(qū)36-302,36-304的一個替代調(diào)制器36-300,該連接區(qū)是為和圖35的激光器35-210的連接區(qū)35-206,35-208緊密配合,用通過引用結合在本文中的申請的背面工藝而形成的,在圖36下半部,器件在接觸點緊密配合后被鍵合。
圖37所示的是一個調(diào)制器單元37-400,這個單元與分離的冗余激光器37-402,37-404或有冗余活性區(qū)域的單個激光器(這里沒有顯示)一起使用。在這種結構中,分離的支架37-406,37-408被用來將電子芯片37-412的接觸點37-410實體升高到調(diào)制器單元的接觸點37-414能與被升高的接觸點37-416緊密配合的位置。圖中下半部分所示的是在被定位在與電子芯片37-412集成的激光器37-402,37-404上面后的調(diào)制器37-400。另外,如圖37下半部分所示,透鏡37-418被安裝在調(diào)制器頂部,使從激光器發(fā)射的光束與共同光纖或其它元件(沒有顯示)耦合。
如在通過引用而結合的申請中指出的,制備和集成工藝會略有不同,這取決于激光器(或探測器)和調(diào)制器是否為光發(fā)射自/光進入各自器件的頂部或底部(即背面)而被優(yōu)化,取決于光是否通過襯底。
根據(jù)通過引用而結合的申請的工藝形成的三個代表性的替代實施例提供在一個調(diào)制器和一個激光器之間的互相連接。代表性的三個實施例在圖35至圖37中顯示,通過這些技術的應用也能產(chǎn)生在本文顯示的實施例以外的其它實施例。
基本方案包括將大規(guī)模陣列的激光器集成在電子芯片上。如通過引用而結合的申請中所敘述的,集成可以用兩種方式完成,a)對于底發(fā)射激光器,一個漏斗形或其它的開口被刻蝕入襯底,襯底被部分或全部除去以達到光學接近,或者如果襯底對激光器波長是光學透明的,可不除去襯底;b)對于頂面發(fā)射激光器(即不朝向襯底發(fā)射激光)。
確使激光器有“穿過接觸點”,這種接觸方式允許通過激光器晶片的頂部和調(diào)制器晶片的底部之間的接觸點在激光器晶片的頂部和調(diào)制器晶片的底部之間建立電氣連接,沒有電接觸點影響激光器本身性能發(fā)生。換句話說,接觸點允許調(diào)制器通過插入激光器晶片方式電氣連接到電子晶片。
建立一個調(diào)制器陣列,該陣列允許進出器件的光學接近,并且其所有的電接觸點在晶片的同一面,這些接觸點離激光器最近并構成一種和在激光器晶片上“穿過接觸點”的配置緊密配合的配置。
用與激光器用陣列方式集成到電子芯片上的相似方式將調(diào)制器與激光器晶片集成。
在通過引用而結合的申請中敘述了一定數(shù)量的用于建立穿過區(qū)域并格式化光學器件(調(diào)制器或激光器)的方案,如在本文中敘述的一樣。
應該理解的是,調(diào)制器也能有一個襯底附著于其上。取決于具體的實施,用一種我們的技術(或一些其它技術)在襯底上建立一個漏斗形的或其它開口,該襯底能被減薄,如果襯底對激光透明,也可以留下襯底。而且,取決于具體調(diào)制器和它的襯底位置(例如頂面或背面),漏斗形或其它開口可朝向激光器或朝向外界。
雖然其它人已經(jīng)用平行DFB激光器提出了收發(fā)器,但通常它們被嚴格考慮并用作邊緣發(fā)射器件(即輸出平行于晶片平面)。圖38A所示的是先有技術中的一種邊緣發(fā)射DFB,圖38B所示的是先有技術中的一種邊緣發(fā)射DBR。因此通過一次一個地以一維(即線性)陣列方式集成器件已經(jīng)構建出應用這些邊緣發(fā)射器件的平行收發(fā)器。這些在圖39中說明。圖39中,電路板39-600有沿著它的邊緣39-604安裝的激光器39-602的各個邊緣發(fā)射陣列。含有激光器39-602的驅(qū)動電路的集成電路芯片39-606通過經(jīng)由電路板39-600的一系列引線鍵合39-608被連接到激光器39-602。
如上所述,因為我們的技術可與朝上或朝下發(fā)射(或接收)的器件一起使用,我們認識到我們的發(fā)明也能與光柵耦合的或成角微鏡耦合的DFB或DBR一起使用,例如,由于光柵或微鏡導致其發(fā)射光束垂直于晶片平面?zhèn)鬏?,這種“頂”或“底”發(fā)射器件已經(jīng)由其它人用先有技術制造出來,用來促進這些器件在晶片上的測試。圖40A所示的是一種先有技術的朝上或“頂”發(fā)射光柵耦合激光器,圖40B所示的是一種先有技術的朝下或“底”發(fā)射光柵耦合激光器。類似地,圖40C所示的是一種先有技術的朝上或“頂”發(fā)射微鏡耦合激光器,圖40D所示的是一種先有技術的朝下或“底”發(fā)射微鏡耦合激光器。
結果,我們的方案使那些垂直發(fā)射的DFB或DBR以二維陣列方式配置并與集成電路中存在的被安裝在該集成電路上的驅(qū)動電子器件緊密集成成為可能,這些如圖41所示。
如我們所述,有利的是,調(diào)制器與激光器的集成對于各種激光器同樣有效,條件是來自這些激光器的光最后垂直發(fā)射。因此,例如,一個諸如與鏡子耦合的光柵耦合DFB或DBR這樣的表面發(fā)射DFB或DBR能被應用而產(chǎn)生同等于或大于用VCSEL所帶來的效果和/或好處。正如上述在通過引用而結合的申請中所敘述的那樣,通過本文所描述的本發(fā)明的技術,能制造出帶有VCSEL、DFB或DBR激光器和電子器件的大規(guī)格二維發(fā)射器或收發(fā)器陣列。
雖然VCSEL作為更成熟和實用的技術有許多優(yōu)點,但同時也有一定的局限。它們能提供的輸出功率有限。較長波長如1.3微米或更長波長的VCSEL的成熟性少于較短波長VCSEL的成熟程度,線性調(diào)頻脈沖參數(shù)(由在開關轉(zhuǎn)換過程中波長散布或輸出波相位改變所表征)趨向于很高。這些特征限制VCSEL對較長距離數(shù)據(jù)以超高速傳輸?shù)膶嵱眯?。DFB激光器有較好的特性,允許更長距離的高速數(shù)據(jù)傳輸。因此對長距離速度超過10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸,DFB激光器優(yōu)于VCSEL。
對比于應用VCSEL,采用我們的用DFB或DBR的方案,允許大量高功率、窄線寬、低線性調(diào)頻脈沖、長波長激光器可以在一個電子芯片上集成到一起。這樣作,可得到極大的帶寬(相對于用VCSEL獲得的帶寬),因為阻抗損失和/或電容延遲被降至最小。因此,高平行(無論是空間上還是波長上)、低成本、智能化的發(fā)射器或收發(fā)器能被制造出來,它們能將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)十千米外,這比用其它激光器技術如VCSEL傳輸?shù)酶h。
然而,象VCSEL一樣,在一些點,更快傳輸速度的要求意味著DFB為開關轉(zhuǎn)換所需時間會比數(shù)據(jù)比特率傳輸時間周期更長。因此,我們也可以直接構造在頂部帶有緊密集成的調(diào)制器的大規(guī)模DFB激光器陣列,以能獲得比用VCSEL得到的更多的益處。
總體來看,將DFB或DBR與電子器件集成的工藝和在通過引用而結合的申請中所述的對VCSEL實例的描述的相同。工藝開始于包含大量表面發(fā)射DFB或DBR的激光器晶片。因為在其輸出位置附近有一個元件如光柵或微鏡來耦合與晶片表面垂直的光(或者離開襯底或者進入襯底),因此這些激光器是表面發(fā)射的。
然后,取決于器件配置成離開襯底發(fā)射(即“頂”發(fā)射)或朝向襯底發(fā)射(即“底”發(fā)射)而進行適當?shù)墓に嚕拖笤谕ㄟ^引用而結合的申請中詳細描述以及在下面簡要重復的那樣。
如果器件是頂面發(fā)射器件激光器晶片被附著到載體;如果需要,激光器晶片襯底被減??;在激光器晶片背面在一種圖形中進行接觸點圖形刻蝕,因此該接觸點將與包含驅(qū)動電路的電子晶片的接觸點匹配;如果需要,一種密封材料可任選地在激光器和電子晶片之間流動;以及激光器晶片和電子晶片的接觸點相互附著。
如果器件是底發(fā)射器件,在激光器晶片頂面進行接觸點圖形刻蝕因此來與包含驅(qū)動電路的電子晶片的接觸點匹配;然后激光器晶片被附著到電子晶片上。任選地,如頂面發(fā)射器件工藝那樣,如果必要或需要,一種密封材料可以在晶片之間流動和/或激光器襯底可以被減薄。
這些工藝結果產(chǎn)生含有各種和電子器件集成的光柵耦合DFB激光器的集成器件。雖然這種方案沒有它們也能完成,但與半導體制造和刻蝕技術相一致,制造那些邊緣發(fā)射型激光器結構以使它們含有刻蝕層和刻蝕阻擋層以有助于接觸層構造并可能有助于襯底減薄工藝,這樣做對商用規(guī)模的生產(chǎn)有利。
圖41用總結方式所示的是工藝的各步驟和工藝的最終結果,這些可用作在陣列中的激光器頂部集成調(diào)制器或探測器的類似工藝的起始點。
圖42所示的是集成單元42-900的一部分的側(cè)視圖,這個集成單元應用在結合的申請和本文中描述的本發(fā)明的原理由一個與調(diào)制器42-904和電子集成電路42-906集成的光柵耦合DBR激光器二維陣列42-902組成。
在根據(jù)本發(fā)明的原理建立的另一種變型中,調(diào)制器能被探測器取代,探測器幾乎對激光器波長光學透明并用類似方式在激光器頂部集成?;蛘?,調(diào)制器能用作探測器工作,當光通過它們時,來吸收一定量由激光器來的光。在另一變型中,調(diào)制器和探測器或兩個調(diào)制器能用相同的程序堆疊在激光器上面。
在這些情況下,于是探測器或調(diào)制器就能夠提供一個從激光器來的輸出功率的取樣。被吸收的光會產(chǎn)生一個按路線發(fā)送到集成電路并測量的電流。如果由于例如溫度變化或隨著時間推移激光器的退化而使激光器功率變化,吸收電流會按比例變化。結果電子芯片會給激光器注入更多電流以保持輸出功率恒定,或如果設置冗余,一個激光器或者不能發(fā)出足夠功率(即該激光器實際上損壞)或壞死,則一個備用激光器能在它的位置上打開。
取決于具體實施和需求,固定探測器會被用來吸收少量的光,讓大部分光通過,這種情況下激光器將被直接調(diào)制。
另一種實施中,激光器能被外部調(diào)制,調(diào)制方式是通過用一個作為調(diào)制器的上部器件,然后用一個下部調(diào)制器對輸出功率用吸收一些光的方式取樣,取在“開”的狀態(tài)或“關”的狀態(tài)的樣或二者的加權平均,例如,一個調(diào)制器在“開”的狀態(tài)是發(fā)送的而在“關”的狀態(tài)是吸收的;這意味著調(diào)制器能在“開”的狀態(tài)讓光通過在“關”的狀態(tài)阻擋光。然而,在實際操作中,由于物理法則和器件性質(zhì),即使在“開”的狀態(tài),一些光也會被正常吸收。結果在實際操作中,能使用在“開”或“關”狀態(tài)產(chǎn)生的電流或一些平均值,取決于在具體設計中哪種狀態(tài)工作最好。在還有一個另外的實施中,器件被安排成按不同順序堆疊,例如a)電子器件,探測器,激光器,調(diào)制器;b)電子器件,激光器,探測器,調(diào)制器;或c)電子器件,激光器,調(diào)制器,探測器。
應該理解的是,上述敘述僅僅是對說明性實施例的描述。為使讀者方便,上述陳述集中在所有可能的實施例的一個有代表性的實例,一個說明本發(fā)明原理的一個實例。這個陳述沒有試圖窮舉所有可能的變化。可能對于本發(fā)明的一個特定部分某個替代實施例沒有出現(xiàn),對某個部分可得到其他沒有描述的替代實施例,這些并不應被認為是放棄對那些替代實施例的權利。一個普通的熟練人員將理解,許多沒有陳述的實施例也結合了本發(fā)明的相同的原理,其他的也等同如此。
權利要求
1.一種將在頂面上帶有電接觸點的頂面光學器件與在連接面上帶有電接觸點的電子芯片集成的方法,這種方法包括形成從帶有頂面光學器件的一個晶片的頂面到晶片的襯底內(nèi)的由壁限定的溝槽;通過將導電材料施加到該壁部分使這部分壁導電;和減薄襯底使導電材料暴露。
2.一種能與另一種器件連接的自對準頂面光學器件的制造方法,它包括形成從晶片頂面到晶片襯底內(nèi)的由晶片上的頂面光學器件中的壁限定的溝槽,該頂面光學器件在頂面上有電接觸點;通過將導電材料施加到該壁部分使這部分壁導電;和減薄襯底的一個外表面直到在導電材料中形成一個使外表面與溝槽連接的開口。
3.一種器件,包括用權利要求1或2中任一種方法形成的一種頂面光學器件。
4.一種集成器件包括在一個晶片上形成的一個頂面活性光學器件,這個晶片包括一個襯底,在頂面活性光學器件形成時襯底有一個第一厚度,這個頂面活性光學器件在頂面有電接觸點;一個電子芯片,該電子芯片在一個連接面上有電接觸點;一個壁,限定一個從包含頂面活性光學器件的晶片的頂面延伸到晶片襯底內(nèi)的溝槽;壁的一部分上的一種導電材料,該導電材料從頂面上的電接觸點延伸到電子芯片的連接面上的一個接觸點,在兩者間建立導電路徑,并且其中導電路徑建立時集成器件的襯底有一個比第一厚度更薄的集成厚度。
5.與另一種器件集成的一種自對準頂面光學器件包括一個壁,其用于限定在有頂面光學器件的一個晶片中的溝槽,頂面光學器件在頂面上有電接觸點,溝槽從晶片頂面延伸穿過晶片襯底以便在襯底外表面上限定一個開口;位于壁的至少一部分上的一種導電材料,當在其它器件上的一個器件接觸點有一種焊接材料在上面,并且在該焊接材料被帶到與開口接觸且焊接材料被軟化時,至少一些焊料將流入開口并將開口和接觸點對準并在電接觸點和器件接觸點之間形成一個導電路徑。
全文摘要
將在頂面有電接觸點的頂面光學器件與在一個連接面有電接觸點的電子芯片(324)集成的一種方法,包括形成一個由壁限定的溝槽(308),該溝槽從含有頂面光學器件的晶片的頂面延伸到晶片襯底(304)內(nèi),通過將導電材料施加到壁的一部分使該部分導電;并將襯底減薄到暴露該導電材料。
文檔編號H01S5/02GK1636263SQ02813185
公開日2005年7月6日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權日2001年6月29日
發(fā)明者湯姆·發(fā)斯卡, 格雷格·杜德夫 申請人:美莎諾普有限公司
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