專利名稱：具有集成光學元件和對準柱的表面發(fā)射激光器封裝件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及光電子器件封裝技術，更具體地，涉及具有集成光學元件和對準柱的表面發(fā)射激光器封裝件。
背景技術：
諸如用于光收發(fā)器的激光二極管之類的光電子器件可以使用晶片加工技術被高效地制造。通常，晶片加工技術在晶片上同時形成大量的(例如幾千個)器件。然后，晶片被鋸開或者切割以分開單獨的芯片。同時制造大量芯片使得每個芯片的成本低廉，但是每個單獨的芯片必須被封裝和/或裝配到一個系統(tǒng)中，該系統(tǒng)保護芯片，并提供電接口和光接口兩者，以便芯片上的器件的使用。
因為需要將多個光學部件與半導體器件對準，所以含有光電子器件的封裝件或系統(tǒng)的裝配經(jīng)常是高成本的。舉例來說，光收發(fā)器芯片的發(fā)送側可以包括在垂直于VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)表面的方向上發(fā)射光信號的VCSEL。通常需要透鏡或者其他的光學元件來聚焦或者改變來自激光器的光信號，改善光信號到外部光纖中的耦合。激光器、透鏡和光纖可以在生產(chǎn)光學子組件(OSA)的裝配過程中被對準。對準過程可能是一個耗費時間/代價高的過程，其包括在測量耦合到光纖中的光功率的同時，調(diào)整激光器的相對位置。一旦光耦合效率達到最大或者可接受的水平，激光器、透鏡和光纖的相對位置就被鎖定。用于調(diào)整和鎖定激光器相對位置的機構會增加OSA的成本和復雜度。另外，對準和裝配處理通常必須對每個封裝件分別地進行。
晶片級的封裝是一種用來減小光電子器件封裝尺寸和成本的有前途的技術。利用晶片級封裝，傳統(tǒng)上被分別形成和固定的部件被改為制造在對應于多個封裝件的一個晶片上。得到的結構可以被鋸開或者切割以分開單獨的封裝件。人們在尋求能夠減小被封裝的光電子組件的尺寸和/或成本的封裝技術和結構。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個方面，含有表面發(fā)射激光器或者VCSEL的封裝件包括具有例如透鏡的集成光學元件的頂罩。該頂罩可以具有兩片結構，包括間隔環(huán)和頂蓋襯底，其中間隔環(huán)具有定義了腔的開口，頂蓋襯底包括集成光學元件。
頂罩可以固定到提供了對激光器的電連接的底座上，以便形成保護激光器不受環(huán)境破壞的密閉地密封腔。對準柱可以在光信號穿過頂罩的地方被固定到頂罩上(例如膠合或者用用環(huán)氧樹脂粘合)。然后可以通過將對準柱配合到相匹配的套筒的一端中并將光纖套管配合到套筒的另一端中，來進一步裝配該光學子組件(OSA)。套管容納了光纖。在光纖抵靠著對準柱的情況下，套筒將套管保持在適當位置上，以有效地將光信號耦合到光纖中。
本發(fā)明的一個示例性實施例是包括表面發(fā)射激光器、底座和頂罩的組件。激光器從其頂面發(fā)射光信號。底座包括被電連接到激光器的跡線。頂罩被固定到底座上，以便形成封閉激光器的腔(優(yōu)選為密閉密封腔)，并且頂罩包括在光信號路徑中的光學元件。底座中的跡線一般將內(nèi)部接合焊盤電連接到腔外可連接的端子上，所述內(nèi)部接合焊盤位于腔內(nèi)并被連接到芯片上。
頂罩的一個實施例包括被固定到底座上的間隔環(huán)和被固定到間隔環(huán)上的板。間隔環(huán)可以由硅襯底形成，其可以是對光信號不透明的，而所述板由玻璃或者對光信號透明的其它材料構成。光學元件可以被集成在或者被固定到板上。對準柱可以在與穿過頂罩的光信號的路徑相對準的位置被固定到頂罩上。
本發(fā)明的另一特定實施例是封裝工藝。封裝工藝包括將芯片各自電連接到第一晶片的多個底座區(qū)域。每個芯片從其頂面發(fā)射光信號。頂罩被接合到第一晶片上。每個頂罩可以包括間隔件和板，其中所述間隔件具有孔，所述板對光信號透明并且結合有光學元件。頂罩可以是第二晶片的分別的區(qū)域，使得將頂罩接合到底座上對應于將第二晶片接合到第一晶片上。然后芯片被封閉在第一晶片和相應的頂罩之間的相應的腔中，并且對于每個芯片，對應的頂罩中的光學元件被定位，以接收來自芯片的光信號。然后可能鋸開或者切割得到的結構，以分開含有芯片的獨立封裝件。
頂罩可以通過以下步驟制造在半導體襯底上形成刻蝕停止層頂面；在刻蝕停止層上面形成多個光學元件；在光學元件上面固定透明板；以及在光學元件之下形成穿透半導體襯底的孔。


圖1示出了按照本發(fā)明的實施例，在光電子器件的晶片級封裝處理過程中所形成的結構的一部分的橫截面，其中采用引線接合來進行電連接。
圖2示出了按照本發(fā)明的實施例，在半導體光學器件的晶片級封裝處理過程中所形成的結構的一部分的橫截面，其中采用倒裝芯片結構來進行電連接。
圖3示出了按照本發(fā)明實施例的用于半導體光學器件組件的底座的橫截面。
圖4是按照本發(fā)明另一實施例的用于半導體光學器件封裝件的頂罩的立體圖。
圖5A、5B和5C示出了按照本發(fā)明實施例的用于制造頂罩的處理。
圖6示出了包含有表面發(fā)射激光器和頂罩的光學子組件(OSA)的橫截面，該頂罩具有集成光學元件和對準柱。
圖7示出了包含有圖6的OSA的光學組件。
在不同的圖形中使用相同的標號表示類似或相同的項目。
具體實施例方式
按照本發(fā)明的一個方面，含有光電子器件的封裝件包括底座和頂罩，該頂罩具有用于來自光電子器件的光信號的集成光學元件。底座和頂罩可以使用晶片加工技術形成，頂罩可以包括被加工以包括光學元件的頂蓋襯底。光學元件聚焦來自光電子器件的光信號，用于將其耦合到另外的光學器件或者光纖中。
用于這些封裝件的晶片級制造工藝將第一晶片固定到第二晶片上，第一晶片包括多個頂罩，第二晶片包括多個底座。光電子器件存在于通過晶片的接合而形成的多個腔中。這些腔可以被密閉密封以保護封入的光電子器件。包括被接合的晶片的結構被鋸開或者切割以分開單獨的封裝件。
圖1示出了按照本發(fā)明的一個實施例，在晶片級封裝處理過程中所產(chǎn)生的結構100。結構100包括多個垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)110。激光器110可以是常規(guī)設計并且是使用本領域公知的技術制造的。在一個特定實施例中，每個激光器110具有包括表面發(fā)射激光器的發(fā)送部分。
各激光器110在形成于底座晶片120和頂罩晶片130之間的腔140的一個中。在圖1的實施例中，激光器110被固定和電連接到底座晶片120上，但是激光器110或者也可以被固定到頂罩晶片130上。激光器110可以使用傳統(tǒng)的管芯粘接(die attach)設備被膠合或者以其他方式固定在所需的位置。在結構100中，使用引線接合將激光器110上的接合焊盤115連接到底座晶片120上的內(nèi)部接合焊盤122。
底座晶片120包括電路元件，例如將激光器110連接到外部端子124的接合焊盤122和導電跡線或者過孔(沒有示出)。圖1示出了外部端子124位于底座晶片120的頂面上的實施例，但是或者，外部端子也可以被設置在底座晶片的底面上。另外，可以在底座晶片120中結合例如晶體管、放大器、光電二極管或者監(jiān)測器/傳感器之類的有源器件(沒有示出)。
頂罩晶片130被制造成在對應于底座晶片120上的激光器110的區(qū)域中包括凹入部分或者腔140。晶片130可以由硅、石英或者適于形成腔140并且對光信號透明的任何材料制成。腔140可以以多種方式被形成，包括但不限于成形、模壓、超聲波加工和(各向同性、各向異性或等離子體)刻蝕。
諸如透鏡或棱鏡之類的光學元件160可以沿著來自激光器110的光信號的路徑被固定到或者被集成到頂罩晶片130上。在圖1中，光學元件160是被固定到晶片130上的透鏡，用來聚焦光信號，以便更好地耦合到光纖或者在圖1中沒有示出的其他光學器件之中。題為“具有放寬的對準公差的光纖耦合器(Optical Fiber Coupler Having a Relaxed AlignmentTolerance)”的美國專利申請No.10/210,598公開了當希望將光信號耦合到光纖中的時候適合于光學元件160的雙焦點衍射透鏡。
底座晶片120和頂罩晶片130被對準并接合在一起。多種晶片接合技術是公知的并且可以被用來固定晶片120和130，這些技術包括但不限于焊接、熱壓接合或者用粘合劑接合。在本發(fā)明的示例性實施例中，使用金/錫共晶焊料將晶片120和130彼此連接，并密閉地密封腔140。對腔140的密閉密封保護了被封閉的激光器110不受環(huán)境的損害。
晶片120和130被接合之后，結構100可以被鋸開或者切割以產(chǎn)生單獨的封裝件，每個封裝件包括一個被密閉地密封在腔140中的激光器110。如圖1所示，可以在頂罩晶片140中形成鋸槽142，以允許在外部端子124上方鋸開晶片130，而不損壞外部端子124。底座晶片120然后可以被切割以分開單獨的封裝件。
圖2示出了按照本發(fā)明另一實施例的結構200，其使用倒裝芯片結構來將芯片210固定到底座晶片220上。對于倒裝芯片封裝，芯片210上的接合焊盤215被定位以接觸底座晶片220上的導電柱或凸起225。凸起225通常含有可以被回流以在物理和電氣上將芯片210固定到晶片220上的焊料。也可以使用底層填料(沒有示出)來提高激光器210和底座晶片220之間的機械完整性。除了用于將芯片210固定和電連接到底座晶片220上的方法之外，結構200基本上與上面參考圖1所描述的結構100相同。
雖然圖1和圖2示出了在一種晶片級封裝工藝中所形成的結構，但是所公開的工藝的許多變化都是可能的。具體地說，代替將頂罩晶片130固定到底座晶片120或者220上，可以形成分開的頂罩并固定于底座晶片上。當外部端子124位于底座晶片120的正面或者頂面時，這避免了對切割外部端子124上方的頂罩晶片130的需要。另外，代替晶片級工藝，對單個封裝件可以使用類似的技術，其中激光器被封閉在底座和具有至少一個集成光學元件的頂罩之間的腔內(nèi)。
圖3示出了按照本發(fā)明示例性實施例的用于光學器件封裝件的底座300的橫截面。對于晶片級封裝工藝，底座300將是底座晶片的一部分，并且僅在如上面所描述的接合底座晶片之后與其他類似的底座分開?；蛘?，對于單個封裝件的制造，可以在光學器件被固定到底座300上之前，將底座300與其他類似的底座分開。
底座300可以使用晶片加工技術來制造，例如在共同提交的題為“集成光學器件和電子學器件(Integrated Optics And Electronics)”、代理卷號為10030566-1的美國專利申請中所描述的那些技術。在所示的實施例中，底座300可以是經(jīng)處理的或者未經(jīng)處理的硅襯底，并且可以結合無源和/或有源電路部件。
在硅襯底310上形成有經(jīng)平坦化的絕緣層330，以提供在其上可以對敷金屬進行圖案化的平坦表面。如果希望對被集成在襯底310中的電路元件進行電連接，則可以在絕緣層330中形成開口。在本發(fā)明的示例實施例中，層330是大約10,000埃厚的TEOS(四乙基原硅酸鹽)層。
可以從例如10,000埃厚的TiW/AlCu/TiW疊層的金屬層圖案化得到導電跡線340和345。在示例性的實施例中，一種形成跡線340和345的處理包括蒸鍍金屬，以及用于去除多余金屬的剝落(lift-off)處理?？梢猿练e絕緣層330(例如，另一大約10,000埃厚的TEOS層)，以掩埋和絕緣跡線340和345。以這種方式可以構建任何數(shù)量的被掩埋的跡線層。可以在最上面的絕緣層上形成相對較硬并且抗化學腐蝕的材料的鈍化層350，例如大約4500埃厚的一層氮化硅，以保護在下面的結構?？梢源┻^層350和330形成開口370，以暴露出用于電連接到光電子器件的跡線340的選定區(qū)域(例如接合焊盤)。
為了與頂罩接合/焊接，在鈍化層350上形成金屬層360(例如，大約5,000埃厚的鈦/鉑/金疊層)。
圖4示出了適合于固定到圖3的底座300上的頂罩400的立體圖。頂罩400可以使用標準晶片加工技術來制造。在本發(fā)明的示例性實施例中，對硅襯底410的各向異性刻蝕形成了腔420，其在硅晶體結構的<111>面上具有非常光滑的刻面430。在腔420中可以形成例如透鏡的光學元件。
圖5A示出按照本發(fā)明另一實施例的頂罩500的橫截面視圖。頂罩500具有兩部分結構，包括支架環(huán)(standoff ring)512和背襯板520。頂罩500的一個優(yōu)點是兩個層512和520可以被不同地處理，和/或由不同的材料構成。具體地說，支架環(huán)512可以使用標準硅晶片工藝來制造，而板520可以由例如玻璃的對所需的光波長透明的材料構成。這是非常重要的，因為目前的VCSEL通常產(chǎn)生具有硅吸收的波長(例如，850納米)的光，由例如玻璃(例如包含鈉)的材料構成的晶片可能不適合于許多硅晶片制造裝置。
圖5B示出了在光學元件530的制造過程中所形成的結構。制造工藝從薄硅襯底512(例如275微米厚的硅晶片)開始。形成大約0.5微米厚的二氧化硅(SiO2)或者能夠起到刻蝕停止作用的材料的刻蝕停止層514。
然后在刻蝕停止層514上沉積薄多晶硅層516(例如約1微米或者更薄)。多晶硅層516用作形成光學元件530的基礎，但是薄得足夠?qū)谋环庋b的激光器所發(fā)射的光的波長是透明的。在一個示例中，例如通過構建交替的多晶硅和氧化物層以獲得衍射或折射透鏡的希望的形狀或特性，來在層516上形成透鏡530。共同提交的題為“制造衍射光學元件的方法(Methods to Make Diffractive Optical Elements)”、代理卷號為10030769-1的美國專利申請描述了一些適于制造透鏡530的工藝。
例如TEOS的材料的經(jīng)平坦化的透明層518被沉積在透鏡530上，以提供用于接合到玻璃背襯板520的平坦表面。如圖5C所示，例如通過當背襯板520是鈉玻璃板時的陽極接合，將背襯板520接合到層518。最后，襯底512背面的一部分被刻蝕直到刻蝕停止層514，以形成腔540，如圖5A所示。在腔540上方剩余的硅的厚度很薄，允許希望波長的光穿過光學元件530。
板520的接合以及對襯底512的刻蝕通常在晶片級別完成，其中同時形成了大量的頂罩500。然后可以在接合到底座之前或者之后，從被接合的晶片切割出單獨的頂罩500。
為了裝配使用底座300和頂罩400或500的光學器件封裝件，使用傳統(tǒng)的管芯粘接和引線接合工藝，或者使用倒裝芯片封裝工藝，將光電子器件安裝在底座300上。對底座300上的跡線340的電連接可以向芯片提供電源，并向芯片傳送數(shù)據(jù)信號或者傳送來自芯片的數(shù)據(jù)信號。在芯片被固定之后，頂罩400或500固定到底座300上。這可以在如上面所描述的晶片級別或者在單個封裝件的級別進行。密閉密封可以通過以下方法來實現(xiàn)在底座300或頂罩400或500上圖案化AuSn(或其他焊料)，使得在將晶片放到一起時，焊料回流過程形成保護所封激光器的密閉密封。
圖6示出了按照本發(fā)明實施例的光學子組件(OSA)600。OSA 600包括表面發(fā)射激光器610。激光器610被安裝并電連接到底座620上，并當頂罩630被接合到底座620上的時候，優(yōu)選地被密閉地密封在腔640中。圖6示出了一個實施例，其中，倒裝芯片技術將芯片610的接合焊盤612電連接到底座620上相應的導電凸起622。或者，如上所述的引線接合可以被用來將VCSEL連接到底座。
底座620是一個襯底，該襯底被處理為包含用于外部電連接至激光器610的外部端子624。在一個實施例中，底座620包括如圖3所示的跡線，該跡線提供了導電凸起622和外部接合焊盤624之間的直接電連接?；蛘撸鬃?20還可以包括和激光器610或者可能被包括在同一封裝件中的其他芯片(例如，接收器或者監(jiān)測器光電二極管)一起使用的有源電路。
頂罩630可以使用上面所描述的任何一種技術被接合到底座620上，在一個示例性的實施例中，使用焊料將頂罩630接合到底座620上。結果，激光器610可以被密閉地密封在頂罩630和底座620之間的腔640中。
如圖6所示，頂罩630是包括了間隔環(huán)632和例如上面參考圖5所描述的蓋板634的多層結構。光學器件650被集成到板634中。激光器610導引光信號直接穿過光學器件650和頂罩630。在本發(fā)明的示例性實施例中，光學器件650是衍射或者折射透鏡(例如，雙焦點衍射透鏡)，其聚焦光信號來耦合到光纖中。
柱660在光出射頂罩630的地方被固定(例如，用環(huán)氧樹脂粘合或者膠合)到頂罩630上。柱660起到對準功能元件的作用，其將從光電子器件610所發(fā)射的光與光纖對準。在本發(fā)明的一個實施例中，柱660是內(nèi)徑大于光束外形的中空圓柱體。因而，柱660可以由任何合適的耐用材料，例如金屬構成?；蛘?，柱660可以是由光學透明材料構成的例如圓柱體或者球體的實心結構。在共同提交的題為“由圓柱桿、管、球或類似特征構成的用于光學子組件的對準柱(Alignment Post for Optical SubassembliesMade With Cylindrical Rods，Tubes，Spheres，or Similar Features)”、代理卷號為10030442-1的美國專利中進一步描述了用于含有光學器件的封裝件的對準柱。
圖7示出了包含OSA 600的光學組件700。組件700包括套筒710，該套筒710圍繞容納了光纖730的套管720。套管720和光纖730可以是在圖7中僅被局部示出的傳統(tǒng)光纖連接器的一部分。套筒710基本上是由金屬或者其他適合的耐用材料構成的中空圓柱體，并且具有接納封裝件600的柱660以及套管720兩者的膛。
柱660的頂面用作光纖限位器，控制光纖730相對于光學發(fā)送器(即，VCSEL 610)的“z”向位置。柱660的外徑限定了套筒710在x-y平面中的位置。以這種方式，套管720中的光纖730在x-y平面中相對于柱660被對中，從而從芯片610所發(fā)射的光線被對中到光纖上。因此，在制造封裝件600過程中對具有希望長度的柱660的正確定位簡化了光纖720的對準，用于有效地耦合光信號。
本發(fā)明涉及以下共同提交的美國專利申請序列號未知，題為“Alignment Post for Optical Subassemblies Made With Cylindrical Rods，Tubes，Spheres，or Similar Features”，代理人案卷No.10030442-1；序列號未知，題為“Wafer-Level Packaging of Optoelectronic Devices”，代理人案卷No.10030489-1；序列號未知，題為“Integrated Optics andElectronics”，代理人案卷No.10030566-1；序列號未知，題為“Methodsto Make Diffractive Optical Elements”，代理人案卷No.10030769-1；序列號未知，題為“Optoelectronic Device Packaging With Hermetically SealedCavity and Integrated Optical Element”，代理人案卷No.10030386-1；序列號未知，題為“Optical Device Package With Turning Mirror and AlignmentPost”，代理人案卷No.10030768-1；序列號未知，題為“Optical ReceiverPackage”，代理人案卷No.10030808-1。以上專利申請通過全文引用被結合于此。
雖然已經(jīng)參考特定的實施例描述了本發(fā)明，但是這些描述僅是本發(fā)明的應用的示例，并且不應被視作限定。所公開的實施例的特征的各種改變和組合都落入如所附權利要求所定義的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種結構，包括從其頂面發(fā)射光信號的器件；含有電跡線的底座，所述電跡線被電連接到所述器件；和頂罩，所述頂罩被固定到所述底座上以便形成封閉了所述器件的腔，其中所述頂罩包括在所述光信號的路徑中的光學元件。
2.根據(jù)權利要求1所述的結構，其中，所述底座還包括位于所述腔內(nèi)并被連接到所述器件的內(nèi)部接合焊盤；和被電連接到所述內(nèi)部接合焊盤并且在所述腔的外部是可連接的外部端子。
3.根據(jù)權利要求1所述的結構，其中，所述頂罩與所述底座的接合密閉地密封了所述腔。
4.根據(jù)權利要求1所述的結構，其中，所述頂罩包括被固定到所述底座上的間隔環(huán)；和被固定到所述間隔環(huán)上的板。
5.根據(jù)權利要求4所述的結構，其中，所述光學元件被形成在所述板上。
6.根據(jù)權利要求4所述的結構，其中，所述間隔環(huán)包括硅襯底，所述硅襯底具有穿透所述硅襯底而形成的孔。
7.根據(jù)權利要求6所述的結構，其中，所述板包括玻璃板。
8.根據(jù)權利要求4所述的結構，其中，所述板包括玻璃板。
9.根據(jù)權利要求1所述的結構，還包括在所述光信號從所述頂罩射出的位置被固定到所述頂罩上的柱。
10.一種封裝方法，包括將多個器件各自電連接到第一晶片的多個底座區(qū)域上，其中，每個器件從所述器件的頂面發(fā)射光信號；制造多個頂罩，每個頂罩包括間隔件、板和光學元件，其中所述間隔件具有穿透所述間隔件的孔，所述板對所述光信號透明；將所述頂罩接合到所述第一晶片上，其中，所述器件被封閉在所述第一晶片和相應的所述頂罩之間的相應的腔中，并且對于所述器件中的每一個，對應的所述頂罩中的所述光學元件被定位以接收來自所述器件的所述光信號；以及分割所述第一晶片以分開含有所述器件的多個封裝件。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述頂罩包括第二晶片的分別的區(qū)域，并且將所述頂罩接合到所述第一晶片上的步驟包括將所述第二晶片接合到所述第一晶片上。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，制造所述頂罩的步驟包括在襯底上形成刻蝕停止層頂面；在所述刻蝕停止層上面形成多個光學元件；以及分別在所述光學元件之下形成穿透所述襯底的孔。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，形成所述孔的步驟包括刻蝕所述襯底的背面。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，還包括在所述光學元件上面固定透明板。
15.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，所述襯底由半導體構成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于表面發(fā)射激光器的封裝件，該封裝件將管芯封閉在底座和頂罩之間。所述底座和頂罩可以使用允許晶片級封裝工藝的晶片加工技術而形成，所述晶片級封裝工藝將多個管芯粘接到底座晶片上，將頂罩單獨地或者作為頂罩晶片的一部分固定到底座晶片上，并且對結構進行切割以分開獨立的封裝件。所述頂罩包括透明板，所述透明板可以被處理成結合有例如透鏡的光學元件。被固定到頂罩上的對準柱指示了來自激光器的光信號的位置，并貼合地配合到套筒的一端中，同時光纖連接器配合到套筒的另一端中。
文檔編號H01L29/22GK1599159SQ20041003479
公開日2005年3月23日 申請日期2004年5月17日 優(yōu)先權日2003年9月19日
發(fā)明者肯德拉·蓋洛普, 布倫頓·A·鮑, 羅伯特·E·威爾遜, 詹姆斯·A·馬修斯, 詹姆斯·H·威廉斯, 達·庫·王 申請人:安捷倫科技有限公司