專利名稱：陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源器件與無源器件混合集成的工藝方法，具體涉及陣列波導(dǎo)光柵(AWG Arrayed Waveguide Grating)芯片與半導(dǎo)體光放大器(SOA Semiconductor Optical Amplifier)芯片倒裝集成的方法，本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域。
技術(shù)背景
在波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中，多波長激光器和可調(diào)諧激光器有著極其重要的作用。 在各種形式的多波長或可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器中，將硅基二氧化硅材料的陣列波導(dǎo)光柵與若干半導(dǎo)體光放大器集成，AffG作為諧振腔，半導(dǎo)體光放大器作為發(fā)光源，是一種較為常見的實(shí)現(xiàn)方案。這種方案有很多優(yōu)點(diǎn)，首先是可以連續(xù)高效的在同一波導(dǎo)內(nèi)輸出所有指定波長的光信號；其次硅基二氧化硅AWG是一種無源器件，因此可以長時(shí)間穩(wěn)定輸出諧振腔選定的波長；最后相對于通過改變注入電流來調(diào)節(jié)波長的調(diào)諧方式，這種方案的波長調(diào)節(jié)原理更為簡單可靠。
實(shí)現(xiàn)上述方案的一個(gè)關(guān)鍵步驟在于AWG與SOA高效可靠的混合集成。尤其當(dāng)所需波長數(shù)量較大，AWG通道數(shù)較多的時(shí)候，多個(gè)SOA與單個(gè)AWG的集成尤為重要。為了將AWG 波導(dǎo)與SOA芯層耦合對準(zhǔn)，可以使用有源對準(zhǔn)和無源對準(zhǔn)兩種技術(shù)。目前在混合集成領(lǐng)域， 大量使用了有源對準(zhǔn)技術(shù)。有源對準(zhǔn)技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)最高的耦合效率，但在實(shí)現(xiàn)過程中需要反復(fù)調(diào)整波導(dǎo)光路的 各個(gè)部分，需要一定的時(shí)間；當(dāng)SOA的數(shù)量較多時(shí)，集成效率會(huì)非常低下。使用無源對準(zhǔn)技術(shù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)和加工的各種定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合，雖然比有源對準(zhǔn)的耦合效率低一些，但在滿足器件耦合效率的前提要求下、將耦合容差控制在一定范圍內(nèi)，可以明顯提聞混合集成的效率。
倒裝焊技術(shù)作為無源對準(zhǔn)耦合技術(shù)中的一種重要方式，是將光芯片以相反的姿態(tài)安裝在定位區(qū)域，其優(yōu)點(diǎn)主要在于能夠減輕芯片安裝過程中的應(yīng)力損傷、減少光電子器件中芯片和外封裝電極連接的寄生電感和寄生電容，實(shí)現(xiàn)對光電子器件高度的控制等。對于 AffG芯片與SOA芯片的混合集成方法，目前報(bào)道中常見的一種方式是分別將兩種芯片固定在同一塊預(yù)先制作好的基板或襯底上來實(shí)現(xiàn)無源對準(zhǔn)，這種方法成本較高，工藝流程更為復(fù)雜。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種將硅基二氧化硅AWG芯片與 SOA芯片倒裝集成的方法，用來實(shí)現(xiàn)AWG芯片與SOA芯片的混合集成。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法，包括下列步驟步驟1:設(shè)計(jì)陣列波導(dǎo)光柵芯片版圖，版圖中的輸出波導(dǎo)輸出一側(cè)預(yù)留有倒裝半導(dǎo)體光放大器芯片的定位區(qū)域，所述陣列波導(dǎo)光柵芯片中的輸出波導(dǎo)延伸至該預(yù)留定位區(qū)域的邊緣，采用陣列波導(dǎo)光柵芯片版圖在硅基襯底上制作出陣列波導(dǎo)光柵芯片；步驟2 :在陣列波導(dǎo)光柵芯片上制作出定位區(qū)域的圖形且刻蝕暴露定位區(qū)域的圖形，然后對陣列波導(dǎo)光柵芯片的上包層、芯層和部分下包層進(jìn)行深刻蝕制作出定位區(qū)域；步驟3 :在步驟2制作出的包括定位區(qū)域的整個(gè)AWG芯片上表面旋涂光刻膠，根據(jù)半導(dǎo)體光放大器上的定位對準(zhǔn)標(biāo)記，在陣列波導(dǎo)光柵芯片上的定位區(qū)域制作出相對應(yīng)匹配的對準(zhǔn)標(biāo)記的圖形；步驟4 :在陣列波導(dǎo)光柵芯片上的定位區(qū)域制作出電極；步驟5 :將半導(dǎo)體放大器芯片的對準(zhǔn)標(biāo)記同定位區(qū)域的對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)后，將半導(dǎo)體放大器芯片倒裝焊在陣列波導(dǎo)光柵芯片的定位區(qū)域上。所述步驟I中的陣列波導(dǎo)光柵芯片是采用硅基二氧化硅平面光波導(dǎo)工藝制作。所述步驟2中的在陣列波導(dǎo)光柵芯片上制作出定位區(qū)域的圖形且刻蝕暴露定位區(qū)域的圖形采用的方法是在步驟I制作的陣列波導(dǎo)芯片表面生長一層多晶硅作為掩模，然后在多晶硅掩模上旋涂光刻膠，利用光刻的方法制作出定位區(qū)域的圖形，然后通過反應(yīng)離
子刻蝕工藝刻蝕多晶硅掩模暴露出定位區(qū)域圖形。
所述步驟3中在定位區(qū)域制作出對準(zhǔn)標(biāo)記的具體方法是在步驟2制作的包括定位區(qū)域的陣列波導(dǎo)光柵芯片上旋涂光刻膠，利用光刻的方法在定位區(qū)域制作出對準(zhǔn)標(biāo)記的圖形，然后通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕，制作出對準(zhǔn)標(biāo)記。所述步驟4中在的定位區(qū)域制作出電極的具體方法是在包括定位區(qū)域的陣列波導(dǎo)光柵芯片上旋涂光刻膠，利用光刻的方法制作出電極的圖形，然后通過磁控濺射工藝制作出電極，然后將光刻膠剝離。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
相對于現(xiàn)有技術(shù)采用的硅基二氧化硅AWG與SOA的集成方法，本發(fā)明提供的方法可以使SOA芯片集成在AWG芯片的襯底上，提高了器件的可靠性，同時(shí)簡化了集成工藝，提高了集成效率。


圖1是此發(fā)明提供的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)與半導(dǎo)體光放大器(SOA)倒裝集成的方法流程 圖2是本發(fā)明AWG芯片與SOA芯片倒裝集成的平面示意 圖3是本發(fā)明制作的AWG芯片的截面示意 圖4A是本發(fā)明AWG芯片上高度定位區(qū)域的截面示意 圖4B是本發(fā)明AWG芯片上高度定位區(qū)域的立體示意 圖5A是本發(fā)明AWG芯片上制作的對準(zhǔn)標(biāo)記的截面示意 圖5B是本發(fā)明AWG芯片上制作的對準(zhǔn)標(biāo)記的立體示意 圖6A是本發(fā)明AWG芯片上制作的電極標(biāo)記的截面示意 圖6B是本發(fā)明AWG芯片上制作的電極標(biāo)記的立體示意 圖7是本發(fā)明AWG芯片與SOA倒裝焊集成的截面示意 其中1、AWG芯片；2、輸出波導(dǎo)；3、定位區(qū)域；4、SOA芯片；5、上包層；6、芯層；7、下包層；8、娃基襯底；9、AffG芯片對準(zhǔn)標(biāo)記；10、電極；I1、SOA芯片有源層；12、SOA芯片對準(zhǔn)標(biāo)記；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，做出進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明提供的這種將硅基二氧化硅AWG芯片與SOA芯片倒裝集成的方法，本發(fā)明的工作原理是首先設(shè)計(jì)制作適合此集成的硅基二氧化硅AWG芯片，然后依次在AWG芯片上制作出定位區(qū)域、對準(zhǔn)標(biāo)記和電極，最后將SOA芯片對準(zhǔn)倒裝集成在AWG芯片上。
如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的這種將硅基二氧化硅AWG芯片與SOA芯片倒裝集成的方法流程圖，包括如下步驟第一步設(shè)計(jì)和制作出適于集成的AWG芯片其具體過程是在進(jìn)行AWG芯片版圖設(shè)計(jì)的時(shí)候，如圖2所示，需要在AWG輸出波導(dǎo)2 的右側(cè)輸出側(cè)預(yù)留足夠的區(qū)域作為倒裝集成SOA芯片的定位區(qū)域3 ;同時(shí)輸出波導(dǎo)2需要延伸到其和定位區(qū)域3邊緣接觸的位置；然后利于硅基二氧化硅平面光波導(dǎo)(PLC)工藝在硅基襯底上制作出AWG芯片I。采用本步驟制作的AWG芯片截面結(jié)構(gòu)如圖3所示，由上至下分別包括上包層5、芯層6、下包層7和娃基襯底8。
第二步在陣列波導(dǎo)光柵芯片上制作出定位區(qū)域其具體過程是首先是在第一步驟制作的AWG芯片表面生長一層多晶硅作為掩模，然后在多晶硅掩膜上旋涂光刻膠，利用光刻的方法制作出定位區(qū)域的圖形，定位區(qū)域的圖形同步驟I中在AWG輸出波導(dǎo)2的右側(cè)預(yù)留足夠的區(qū)域相對應(yīng)，然后通過反應(yīng)離子刻蝕工藝(RIE)刻蝕多晶硅的掩模，暴露出定位區(qū)域的圖形，再通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝 (ICP)對定位區(qū)域的圖形部分進(jìn)行深刻蝕，需要一次性刻蝕AWG芯片的上包層、芯層和部分下包層制作出定位區(qū)域。采用本步驟制作定位區(qū)域的AWG芯片結(jié)構(gòu)如圖4A和4B所示，在 AffG芯片右邊的預(yù)留區(qū)域通過刻蝕的方法制作出了定位區(qū)域3，定位區(qū)域3刻蝕深度達(dá)到了 AWG芯片的下包層7的部分區(qū)域，該下包層部分區(qū)域下面是硅基襯底8。此步驟的陣列波導(dǎo)光柵芯片中定位區(qū)域3的左側(cè)區(qū)域未進(jìn)行深刻蝕，包括上包層5、芯層6、下包層7和硅基襯底8。
第三步在AWG芯片上的定位區(qū)域制作對準(zhǔn)標(biāo)記其具體過程是在包括步驟2制作出的包括定位區(qū)域的整個(gè)AWG芯片上表面旋涂光刻膠，根據(jù)半導(dǎo)體光放大器上的定位對準(zhǔn)標(biāo)記，在陣列波導(dǎo)光柵芯片上的定位區(qū)域，利用光刻的方法制作出相應(yīng)匹配的對準(zhǔn)標(biāo)記的圖形，然后通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝(ICP)進(jìn)行刻蝕，制作出對準(zhǔn)標(biāo)記。采用本步驟的AWG芯片上的對準(zhǔn)標(biāo)記如圖5A和5B所示，根據(jù)半導(dǎo)體放大器芯片上的對準(zhǔn)標(biāo)記，在第二步驟中制作AWG芯片的定位區(qū)域上制作與半導(dǎo)體放大器芯片相匹配的對準(zhǔn)標(biāo)記，如圖5B中定位區(qū)域3上的十字標(biāo)記處為AWG芯片對準(zhǔn)標(biāo)記9 的位置，對準(zhǔn)標(biāo)記的具體形狀根據(jù)半導(dǎo)體放大器的形狀來決定。通過步驟2可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的定位區(qū)域就是在AWG芯片上制作出來的，這個(gè)區(qū)域?qū)嶋H上和AWG芯片是一個(gè)整體，在AffG芯片上涂光刻膠實(shí)際也包括在定位區(qū)域涂光刻膠；再利用刻蝕工藝制作AWG芯片對準(zhǔn)
T 己 O第四步在AffG芯片上的定位區(qū)域制作電極
其具體過程是在定位區(qū)域制作電極，首先是在包括定位區(qū)域的整個(gè)AWG芯片上旋涂光刻膠，利用光刻的方法制作出電極的圖形，然后通過磁控濺射工藝制作出電極，然后將光刻膠剝離。采用本步驟的AWG芯片上制作電極結(jié)構(gòu)示意圖如圖6A和6B所示，電極10制作在第二步制作好的定位區(qū)域3上，電極10與步驟3制作的AWG芯片對準(zhǔn)標(biāo)記9在同一個(gè)平面上。第五步將SOA芯片倒裝焊在AWG芯片上 其具體過程是將S0A芯片倒裝焊在AWG芯片上，是在AWG芯片上的定位區(qū)域，根據(jù)倒裝上下對準(zhǔn)原理，將定位區(qū)域的AWG芯片對準(zhǔn)標(biāo)記與SOA芯片上的對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)后，再將SOA芯片倒裝焊在AWG芯片的定位區(qū)域上；此時(shí)由于定位區(qū)域的約束，SOA芯片的有源層與AffG的芯層在垂直方向上對準(zhǔn)，通過AWG芯片對準(zhǔn)標(biāo)記在水平位置的相對分布使SOA芯片的有源層與處于芯層的AWG波導(dǎo)在水平方向上對準(zhǔn)。采用本步驟后的AWG芯片與SOA芯片倒裝焊集后的結(jié)構(gòu)如圖7所示，SOA芯片倒裝集成在步驟二制作AWG芯片的定位區(qū)域上，其上的SOA芯片對準(zhǔn)位標(biāo)記12與AWG芯片定位區(qū)域上的AWG芯片對準(zhǔn)標(biāo)記9對準(zhǔn)，當(dāng)AWG芯片和SOA芯片兩者的對準(zhǔn)標(biāo)記配合好以后，SOA芯片受到定位區(qū)域和AWG芯片、S0A芯片的對準(zhǔn)標(biāo)記的共同約束，其SOA芯片有源層11與AWG的芯層6對準(zhǔn)，然后被倒裝焊在AWG芯片上的定位區(qū)域?，F(xiàn)有技術(shù)采用無源對準(zhǔn)技術(shù)方面，一般是需要另準(zhǔn)備一塊基板或襯底，將對準(zhǔn)的器件都固定在這塊基板或襯底上；而本發(fā)明是將制作好的AWG芯片作為固定的基板，在AWG芯片上直接倒裝集成SOA芯片。圖2是將AWG芯片與SOA芯片倒裝集成后的平面示意圖。其中定位區(qū)域3在AWG芯片I的右側(cè)，SOA芯片4通過倒裝焊的方法集成在定位區(qū)域3上，SOA芯片與AWG芯片中的輸出波導(dǎo)2相耦合。以上實(shí)施的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何參改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法，其特征在于包括下列步驟步驟1:設(shè)計(jì)陣列波導(dǎo)光柵芯片版圖，版圖中的輸出波導(dǎo)輸出一側(cè)預(yù)留有倒裝半導(dǎo)體光放大器芯片的定位區(qū)域，所述陣列波導(dǎo)光柵芯片中的輸出波導(dǎo)延伸至該預(yù)留定位區(qū)域的邊緣，采用陣列波導(dǎo)光柵芯片版圖在硅基襯底上制作出陣列波導(dǎo)光柵芯片；步驟2 :在陣列波導(dǎo)光柵芯片上制作出定位區(qū)域的圖形且刻蝕暴露定位區(qū)域的圖形， 然后對陣列波導(dǎo)光柵芯片的上包層、芯層和部分下包層進(jìn)行深刻蝕制作出定位區(qū)域；步驟3 :在步驟2制作出的包括定位區(qū)域的整個(gè)AWG芯片上表面旋涂光刻膠，根據(jù)半導(dǎo)體光放大器上的定位對準(zhǔn)標(biāo)記，在陣列波導(dǎo)光柵芯片上的定位區(qū)域制作出相對應(yīng)匹配的對準(zhǔn)標(biāo)記的圖形；步驟4 :在陣列波導(dǎo)光柵芯片上的定位區(qū)域制作出電極；步驟5 :將半導(dǎo)體放大器芯片的對準(zhǔn)標(biāo)記同定位區(qū)域的對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)后，將半導(dǎo)體放大器芯片倒裝焊在陣列波導(dǎo)光柵芯片的定位區(qū)域上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法， 其特征在于所述步驟I中的陣列波導(dǎo)光柵芯片是采用硅基二氧化硅平面光波導(dǎo)工藝制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法， 其特征在于所述步驟2中的在陣列波導(dǎo)光柵芯片上制作出定位區(qū)域的圖形且刻蝕暴露定位區(qū)域的圖形采用的方法是在步驟I制作的陣列波導(dǎo)芯片表面生長一層多晶硅作為掩模，然后在多晶硅掩模上旋涂光刻膠，利用光刻的方法制作出定位區(qū)域的圖形，然后通過反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕多晶硅掩模暴露出定位區(qū)域圖形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法， 其特征在于所述步驟3中在定位區(qū)域制作出對準(zhǔn)標(biāo)記的具體方法是在步驟2制作的包括定位區(qū)域的陣列波導(dǎo)光柵芯片上旋涂光刻膠，利用光刻的方法在定位區(qū)域制作出對準(zhǔn)標(biāo)記的圖形，然后通過感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕，制作出對準(zhǔn)標(biāo)記。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法， 其特征在于所述步驟4中在的定位區(qū)域制作出電極的具體方法是在包括定位區(qū)域的陣列波導(dǎo)光柵芯片上旋涂光刻膠，利用光刻的方法制作出電極的圖形，然后通過磁控濺射工藝制作出電極，然后將光刻膠剝離。
全文摘要
本發(fā)明公開了陣列波導(dǎo)光柵芯片與半導(dǎo)體光放大器芯片倒裝集成的方法，包括如下步驟設(shè)計(jì)制作出適于集成的陣列波導(dǎo)光柵芯片；在陣列波導(dǎo)光柵芯片上制作出定位區(qū)域；在陣列波導(dǎo)光柵芯片上的定位區(qū)域制作出對準(zhǔn)標(biāo)記；在陣列波導(dǎo)光柵芯片上的定位區(qū)域制作出電極；將半導(dǎo)體放大器芯片的對準(zhǔn)標(biāo)記同定位區(qū)域的對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)后，將半導(dǎo)體放大器芯片倒裝焊在陣列波導(dǎo)光柵芯片的定位區(qū)域上；采用本發(fā)明提供的方法可以使SOA芯片集成在AWG芯片的襯底上，提高了器件的可靠性，同時(shí)簡化了集成工藝，提高了集成效率。
文檔編號H01S5/026GK103001120SQ20121054178
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者馬衛(wèi)東, 丁麗, 李迪, 趙建宜, 朱虎, 陳昊, 王寧 申請人:武漢光迅科技股份有限公司