TWI628754B - 具晶圓接合微透鏡之光子中介體 - Google Patents

Abstract

一矽光子(SiPh)封裝總成包括一SiPh中介體及一晶圓。該SiPh中介體具有設置其上的一或多個光柵用以耦合橫過該晶圓的一光信號。該晶圓接合至該中介體，該晶圓包括一或多個微透鏡，各個微透鏡對齊一個別光柵且經設計以於一期望角度導向該光信號橫過該晶圓。

Description

具晶圓接合微透鏡之光子中介體

本發明係有關於具晶圓接合微透鏡之光子中介體。

發明背景

矽光子學(SiPh)乃使用矽作為光學媒體的光子系統之研究與應用。矽通常在電路板或裝置上精密製作圖樣成為微光子組件因而達成期望的功能。一中介體用作為一電路板或其它裝置的多個連結間之一電氣介面路徑安排。與網路化組件通訊中，一耦合器可用以連結一中介體到光纖系統用以發射與接收信號。

依據本發明之一實施例，係特地提出一種矽光子(SiPh)封裝總成，其包含：一矽中介體具有設置於該中介體上的一或多個光柵用以耦合一光信號；及一晶圓接合至該中介體，該晶圓包含一或多個微透鏡，各個微透鏡相對於一光柵為對齊且經設計以於一期望角度導向該光信號橫過該晶圓。

100、200‧‧‧矽光子(SiPh)中介體總成

110、210、310、410、510、610、710、910‧‧‧晶圓

112、142、212、312、412、912‧‧‧透鏡

120、220、320、420、520、620、720‧‧‧SiPh中介體

122、322‧‧‧絕緣層

124、324‧‧‧主動矽層

126、226、326、426‧‧‧光柵

128‧‧‧矽層

130、132‧‧‧信號、光信號

140、240、340、440、540、640、740‧‧‧光纖連接器

144、146、330、332‧‧‧光纖

234、434‧‧‧空腔

236、436‧‧‧抗反射塗層

300、400、900‧‧‧SiPh中介體平台

328‧‧‧基底矽層

350、450‧‧‧計算晶片、積體電路(IC)晶片

352、452‧‧‧散熱座

354‧‧‧球柵陣列(BGA)

356‧‧‧微球

560‧‧‧柱

562、660、760‧‧‧孔

662、762‧‧‧接腳

800‧‧‧方法

810-840‧‧‧方塊

912‧‧‧微透鏡

920‧‧‧SiPh基體

950‧‧‧裝置

960‧‧‧機械對齊特性件、配對特性件

圖1例示SiPh中介體總成之一實例。

圖2例示SiPh中介體總成之另一實例。

圖3例示具有相關聯組件之SiPh中介體總成之一實例。

圖4例示具有相關聯組件之SiPh中介體總成之另一實例。

圖5-7例示配對用於SiPh中介體總成之特性件之實例。

圖8例示製造一SiPh中介體總成之方法之一實例。

圖9例示SiPh中介體總成之一實例的透視圖。

較佳實施例之詳細說明

本文揭示係有關於一種具有微透鏡及光學連接器配對特性件的可作焊料回焊的矽光子(SiPh)中介體總成及其製造方法。該等微透鏡係製造在能夠以晶圓級接合至SiPh中介體的玻璃、玻璃陶瓷、或矽晶圓上。進出SiPh中介體的光信號使用光柵耦合器而耦合至該晶圓。該晶圓的該等微透鏡用來準直與聚焦進出該光柵耦合器的該等光信號，及耦合該等信號至擴延束光纖連接器。藉由槓桿運用在矽積體電路及微機電系統(MEMS)代工廠中可用的對齊能力，可製作一SiPh中介體封裝平台用來以高精度及有利的對齊公差而耦合自相關聯裝置的光信號至一光纖連接器。

圖1例示一SiPh中介體總成100，其包括接合一SiPh中介體120的一晶圓110，及一光纖連接器140。於圖之實施例中，晶圓110可自實質透明玻璃材料製造，該玻璃材料具有一熱膨脹係數(CTE)匹配矽以便例如加熱用於接合過程時，輔助精密接合到SiPh中介體120。晶圓110可包括一或多個透鏡112，其在接合之前可於晶圓110表面被蝕刻。一抗反射塗層也可施用至透鏡112，於該處晶圓110介接一氣隙，藉此減少光信號的反射。SiPh中介體120可包括一主動矽層124用以介接晶圓110表面。SiPh中介體120可以是層狀基體，主動矽層124藉一絕緣層122而與一矽層128分開而導致一絕緣體上矽(SOI)基體。被動及主動光學元件，諸如但非僅限於波導、調諧器、及光檢測器，可製造於SiPh中介體上用以分別路徑安排、調諧、及檢測光信號。

一或多個光柵126可形成於主動矽層124上用以發射及/或接收光信號130、132自/至SiPh中介體120中的光波導。雖然圖1顯示光柵126為凸塊，但光柵126另外可以是蝕刻入主動矽層124內部的一維或二維光柵圖樣。一或多個透鏡112形成於晶圓110，使得當接合到主動矽層124時，橫過透鏡112的信號130、132以預定最佳化信號擷取的角度由光柵126發射及/或接收。如圖顯示，信號130以相對於晶圓110/主動矽層124介面的鈍角而傳播通過晶圓110。然而，當信號130傳播通過分開透鏡112與光纖連接器140之一透鏡142的一氣隙時，信號130對齊透鏡112的光軸且正交於介面表面。如此，透鏡112用以準直及傾斜信號130用以放鬆於 三維在SiPh中介體120與外部擴延束光纖連接器140間之對齊公差。此點係經由將晶圓110及微透鏡112整合於SiPh中介體120上用以傾斜與聚焦進入中介體的信號132，及準直離開中介體的信號130。雖然信號130係取向遠離光柵126而信號132係取向朝向光柵126，但該方法僅係用於例示目的。兩個信號可於單一方向，方向性可交換，或取決於期望的功能角度可有不同。

光纖連接器140進一步包括一或多個光纖144、146對齊一142用以發射及/或接收信號130、132。光纖144、146可用於光纖通訊，於該處比較電阻纜線，信號可傳輸較長距離及於較高頻寬(例如，資料率)。再者，光纖144、146比金屬導線更適合用於發射信號歷經長距離，原因在於沿該等光纖行進的信號較少信號降級且對電磁干擾免疫。藉由利用MEMS製造技術，用於光纖連接器140的機械對齊及配對特性件可精準地對齊微透鏡112。如此，晶圓110及形成於其上的微透鏡112係對齊罩在光纖連接器140內的光纖144、146，結果導致進出SiPh中介體120的信號之期望的定向及完整性。此處描述之特性件協力以消除主動對齊多個光學元件而達成期望的信號之定向及完整性的需要，其改進了效能與縮短組裝時間及複雜度。

圖2例示另一SiPh中介體總成200，於該處一晶圓210以及形成其上的透鏡212係從矽製成。如同圖1之實例，晶圓210也接合到一SiPh中介體220，但因使用矽晶圓210故CTE實質上相等。雖然矽晶圓210為實質透明，但約為3.4 的矽之折射率係遠高於玻璃(約1.5)或空氣(約1.0)的折射率。一空腔234可於晶圓210內蝕刻於環繞一或多個光柵226的一區。如此，該空腔234可以流體諸如空氣、較低折射固體諸如玻璃填補，或可以是真空。如此，進出由矽所形成的光柵之信號從高指數材料(矽)變遷至空腔內的低指數材料。此外，抗反射塗層236可施用至信號進出晶圓210的置，例如，空氣/晶圓介面及空腔/晶圓介面，用以減少信號降級。又復，取決於期望的應用，額外透鏡可形成於空腔/晶圓介面上。結果為SiPh中介體總成200以改良的對齊公差而與一光纖連接器240配對。

圖3例示一SiPh中介體平台300。平台300包括一SiPh中介體320具有一基底矽層328、一絕緣層322及一主動矽層324。矽可用作為積體電路的基體以及用以形成混成裝置，於該處光學組件及電子組件整合於單一平台上。據此，SiPh中介體320用作為一平台，於其上可覆晶安裝一積體電路(IC)晶片350用以改良IC 350與SiPh中介體320中之主動光學元件間之電氣信號的完好。一或多個晶圓310係配合一或多個透鏡312製成且接合到SiPh中介體320以便耦合光信號至及自罩於光纖連接器340內的光纖。

SiPh中介體平台300可連接至一球柵陣列(BGA)354用於表面安裝到更大的印刷電路板或金屬板上用以附接至一電氣連接器。透過製造及蝕刻製程包括微影術，SiPh中介體平台300可以大批次在單一矽晶圓上製造。然後該平台可分拆成多塊，各自含有例如SiPh中介體平台 300之一複本。BGA 354乃各種電路的一型表面安裝封裝，用於持久性安裝裝置及相關聯的組件到大型印刷電路板上。比較能夠置於一客製化平台上者，BGA 354能提供多個互連接腳。如此，除了沿周邊連接之外，平台的底面也可用於連接。比較只運用周邊連接的裝置，BGA 354的使用也許可較短的線跡長度，結果以提高速度導致改良效能。

安裝於SiPh中介體320之與BGA反側上者可以是多個金屬襯墊、銅柱、或微球356以提供連接性給計算晶片350。經由矽通孔及重新分配層，提供微球356與BGA 354間之連接性。計算晶片350可以是例如積體電路晶片或單片式積體電路(又稱IC或微晶片)。也可採用特定應用積體電路(ASIC)。舉例言之，ASIC乃一型IC，其已經針對一特定用途而予客製化，相較於通用晶片減低了複雜度及成本。光柵326可用以協助信號330、332之發射與接收至及自計算晶片350。舉例言之，光柵326可連接到收發器，其包含一發射器及一接收器兩者以分享共用電路或單一殼體。為了讓光信號330、332中繼資訊通過罩在光纖連接器340內的光纖，信號330、332經調諧而以光脈衝形式編碼資料，或信號330、332可經檢測及轉換成可剖析資料。舉例言之，出射的光信號(例如330)可經調諧以將數位資訊傳遞通過一傳輸媒體，諸如光纖。此處描述之總成能夠執行調諧及檢測操作兩者。再者，輸入信號(例如332)可藉光檢測器接收、檢測與轉換成電子資料，其然後可藉計算晶片350處理。

由計算晶片350需要的處理產生了熱量，若允許 其聚積，則可能降級信號完整性或組件。如此，一散熱座352可設置成與計算晶片350作熱連通。散熱座352可以是被動式熱交換器，藉由耗散熱量進入周圍環境而冷卻組件。散熱座352經設計以最大化其與相對涼快環境諸如開放空氣接觸的表面積。

再者，如此處描述，SiPh中介體平台300可運用一經修改的光纖連接器，其可經由光學旋轉而發射一光信號。藉由使用一轉向鏡(圖中未顯示)可導入光學旋轉。於此一實施例中，藉由使用擴延束光學連接器配合整合式轉向鏡，也可達成較低輪廓SiPh中介體平台。另外，光纖可經彎折以將一角度導入光信號。

圖4例示SiPh中介體平台400之另一實例。SiPh中介體平台400包含具有一或多個透鏡412的一或多個矽晶圓410。晶圓410形成有一空腔434。晶圓410接合至SiPh中介體420，使得空腔434包封形成於SiPh中介體420上的光柵426。一抗反射塗層436可施用於空腔434/晶圓436及透鏡412/空氣介面。此外，由於圖4之實施例中晶圓410的導熱率相當高故，晶圓410可減少SiPh中介體420與散熱座452間之有效熱阻。散熱座452可與晶圓410及一計算晶片450兩者呈熱連通。

圖5-7例示如此處描述，機械對齊特性件用以輔助一光纖連接器附接到SiPh中介體平台的玻璃或矽晶圓。該晶圓的機械對齊特性件係製成為與光纖連接器的對應機械對齊特性件配對，用以確保信號移轉組件(例如，光柵耦 合器及光纖線纜)的期望的對齊。如圖5顯示，晶圓510包含玻璃材料且接合至SiPh中介體520。晶圓510可製成有在一配對表面的相對兩端上的一或多個柱560用以與光纖連接器540的孔562配對。柱560可由一種材料製成，例如聚合物、電鍍金屬、或矽，其適用以耐受於光纖連接器540之施用期間在該平台上的應力。柱可具有去角端或圓化端。

於圖6之實施例中，晶圓610可包含玻璃或矽材料。如圖顯示，晶圓610包含矽，且形成有一空腔，如關聯圖2之晶圓210解釋。晶圓610可接合到SiPh中介體620。晶圓610可形成兩個孔660在晶圓610之配對表面的相對兩端上，以與在光纖640之配對表面的各端上的兩個接腳662配對。各個接腳662經形成為與二孔660對齊使得機械式對齊與固定光纖連接器640至晶圓610。

圖7例示包含矽且形成於一SiPh中介體720上的一晶圓710。晶圓710形成有一矽層，其可經蝕刻以便在晶圓710的配對表面上形成一或多個孔760。一接腳762可對準而與於矽孔760蝕刻期間形成的一空間配對，以給光纖連接器740及晶圓710提供穩定度及對齊。該孔760可以是去角或錐形。

須瞭解額外的及/或替代的特性件，諸如圖5-7中描述的機械對齊特性件可在各種實例上具體實施，帶有適合期望應用或替代應用的修改。

有鑑於前文描述的前述結構及功能特徵，參考圖8將更明白瞭解製造一SiPh中介體平台(例如，圖3之SiPh中 介體平台300及圖4之SiPh中介體平台400)的方法實例。於圖8之實施例中，根據應用要求及製造的結構及用於此等製造之材料，各型製程參數可運用於各個步驟。為求解釋上的簡明，雖然圖8之方法係以串列執行顯示及描述，但該等方法係不受例示的順序所限，原因在於於其它實例中有些動作可以此處顯示的及描述的不同順序進行及/或同時進行。

圖8提供一種製造矽光子(SiPh)中介體平台之方法800。於810，該方法包括在一晶圓的一給定表面上蝕刻一或多個微透鏡。於820，SiPh中介體係藉在一基體上製造一絕緣體形成。一主動層也可製造在與基體相對的絕緣體之另一表面上。此外，一或多個光柵係在主動層的與絕緣體相對的一表面上蝕刻。於830，晶圓接合至主動層，使得一或多個微透鏡相對於基體上的光柵為對齊。於840，一光纖連接器的一或多個光纖係對齊晶圓的一或多個微透鏡。

圖8描述之方法可藉多種技術形成組件。舉例言之，可利用矽CMOS製程及MEMS代工廠以製造SiPh中介體平台。CMOS乃建構積體電路及矽組件的技術，諸如微處理器、微控制器、記憶體組件、及其它電路。CMOS技術也用於數種類比電路，諸如資料轉換器及收發器，諸如可配合此處描述之總成及平台使用。

再者，MEMS代工廠採用製程以製造晶圓級的組件。該等製程將包括晶圓接合及各種蝕刻技術。晶圓接合及其類可被採用以製造一或多個主動結構或組件的額外層。製造例如可藉施用適當沈積及/或蝕刻技術到材料(例 如，III-V半導體化合物材料)之一堆疊進行，但描述之實例並不限於此等技術。舉例言之，製造可包括磊晶生長材料(例如，III-V半導體化合物材料)之一堆疊。磊晶生長乃可用以製造各種電子及光學裝置的技術。此等裝置可具有複雜構造，其可從具有各種組成的多個薄層製成。製造例如可包括利用微影術在結構中製作具有預定變化的圖樣。

於微影術製程期間，一光阻或其它遮罩材料可用以界定特定組件的維度。一光阻可透過習知旋轉塗覆或旋轉澆鑄沈積技術而形成於各種層上方。舉例言之，圖樣化光阻可用作為蝕刻遮罩層，用於處理或蝕刻下方矽基體，諸如藉採用反應離子蝕刻(RIE)。矽基體可使用一或多種電漿氣體，諸如含氟離子的四氟化碳(CF₄)，於商業上可得的蝕刻器，諸如平行板RIE設備，或另外，電子迴旋加速器共振(ECR)電漿反應器而各向異性蝕刻用以複製圖樣化光阻層的遮罩圖樣。可進行層狀材料的沈積用以鈍化蝕刻介面以製造高效能光子組件及積體電路。

在蝕刻處理之後，晶圓可藉接合劑接合至SiPh中介體，結果導致一層狀結構。優異地，藉由利用此處描述之SiPh封裝總成，無需電氣連接器。如此，焊料回焊技術可用以接合組件以給一SiPh中介體總成提供以可卸式對齊公差光學連接器。回焊焊接乃一種方法，其中焊料被用以將電氣組件附接至一電路板上的接點，隨後整個總成接受熱源。施熱係用來將焊料熔解而持久地接合該等組件。如此，藉回焊焊接而接合組件比起其它製造技術更低成本 且遠更少損害。回焊處理可於熔解焊料與加熱毗鄰表面的溫度實施，而未過熱與損壞相關聯的電氣組件。一ASIC可經焊料回焊及底部填充到SiPh中介體總成。轉而SiPh中介體總成可藉焊料回焊到更大型PCB。又復，一散熱座可分開附接至晶片、晶圓、或兩者。晶圓接合法可包括，但非限制性，熔接、陽離子性、黏著劑、金屬接合等。

進一步舉例言之，圖9提供已經以與此處描述之實例一致之方法形成的一SiPh中介體平台900之透視圖。圖9之平台900示範有一晶圓910接合其上的一SiPh基體920。於晶圓910上蝕刻多個微透鏡912及一或多個機械對齊特性件960。如圖顯示，一3x8網格之微透鏡912係設於晶圓910之暴露表面上。微透鏡912各自，相對於在晶圓910之與微透鏡912對側表面的介面，形成於SiPh基體920上的一光柵對齊。再者，各個微透鏡912藉由與具有配對特性件960，如此處描述，的一光纖連接器配對而能對齊一光纖。此外，雖然顯示晶圓910的兩個表面有一網格的微透鏡912，晶圓910的一個表面或多於兩個表面可形成有微透鏡912。一或多個裝置可形成於與微透鏡912通訊的SiPh基體920上。如圖顯示，一裝置950，諸如計算晶片，覆晶在實質上由晶圓910包封的SiPh基體920上。如此，如圖3-7之描述，圖9提出SiPh中介體平台之一實例的例示。

又復，用以描述此處例示的附圖之結構特性件的相對術語，諸如上方及下方、上及下、第一及第二、近及遠等，絕非限制可構思之實施例。例如，當以符合所描述 之附圖的術語描述此處描述之結構實例時，真正的結構可從不同觀點觀看，使得上方及下方可予顛倒，例如下方及上方，或置於一側上，例如左及右等。此等替代例係由此處提供的圖式及詳細說明部分完整涵蓋及解釋。

前文描述者為實例。當然不可能描述每個可想到的組件或方法之組合，但熟諳技藝人士將瞭解許多進一步組合及置換係屬可能。據此，本發明意圖涵蓋落入於本案之範圍內，包括隨附之申請專利範圍內的全部此等變化、修改、及變異。此外，當本文揭示或申請專利範圍引述「一(a)」、「一(an)」、「一第一」、或「另一」元件或其相當術語時，須解讀為包括一個或多於一個此種元件，既不要求也不排除二或多個此等元件。如此處使用，「包括」一詞表示包括但非限制性，「包括有」一詞表示包括有但非限制性。「基於」一詞表示至少部分基於。

Claims (15)

1. 一種矽光子(SiPh)封裝總成，其包含：一矽中介體，其具有設置於該中介體上的一或多個光柵用以耦合一光信號；及一晶圓，其接合至該中介體，該晶圓包含一或多個微透鏡，各個微透鏡相對於一光柵對齊且經設計而以一被要求的角度導引該光信號橫越該晶圓。
2. 如請求項1之總成，其中該等晶圓及微透鏡包含具有一熱膨脹係數(CTE)實質上等於矽的一光學玻璃或光學玻璃陶瓷。
3. 如請求項1之總成，其中該等晶圓及微透鏡包含矽。
4. 如請求項3之總成，其中該晶圓進一步包含一空腔以一低折射率材料填補用以包封環繞該等一或多個光柵之一區。
5. 如請求項4之總成，其中該晶圓進一步包含一給定表面及另一表面，該給定表面具有形成於其上的一或多個微透鏡，及該另一表面形成該空腔的一表面，而與其上設置有該等一或多個光柵之該中介體之一表面相對且平行，其中該給定表面及該另一表面具有一抗反射塗層以防止信號損耗。
6. 如請求項1之總成，其中該等微透鏡包含一抗反射塗層，其係在介接空氣的一表面上用以防止信號損耗。
7. 如請求項1之總成，其進一步包含一光學連接器，該光學連接器包含一給定機械對齊特性件，該給定機械對齊特性件經設定以與該晶圓的另一機械對齊特性件配對，該光學連接器包含與一或多個光纖對齊的一或多個透鏡，各個透鏡對應於該晶圓的一個別微透鏡。
8. 如請求項7之總成，其中該給定機械對齊特性件為經設計用以接合形成於該另一機械對齊特性件上的一孔的一接腳。
9. 如請求項1之總成，其進一步包含設置於該中介體上的一積體晶片(IC)及與該積體晶片及該晶圓中之至少一者呈熱連通的一或多個散熱座。
10. 一種製造一矽光子(SiPh)中介體總成之方法，其包含：在一晶圓之一給定表面上蝕刻一或多個微透鏡；形成一SiPh中介體，包含：在一基體之一給定表面上形成一絕緣體；在與該基體相對之該絕緣體的另一表面上形成一主動層；在與該絕緣體相對之該主動層的一給定表面上蝕刻一或多個光柵；及接合該晶圓的另一表面至該主動層的該給定表面，其中該晶圓的該另一表面係與該主動層的該給定表面相對且平行；及對齊該等一或多個微透鏡與該等一或多個光柵來以一被要求的角度導引一光信號橫越該晶圓。
11. 如請求項10之方法，其中該IC及該SiPh中介體係藉一焊料回焊技術接合。
12. 如請求項10之方法，其進一步包含從包含一聚合物、一電鍍金屬、玻璃、及矽中之一者的一材料在該晶圓的該給定表面上形成一或多個機械對齊特性件。
13. 如請求項10之方法，其中該晶圓包含矽，該方法進一步包含於該晶圓中形成一空腔以具有正交該晶圓的另一表面之二或多個側壁，該另一表面係與該主動層的該給定表面相對且平行，用以包封環繞該等一或多個光柵的一區。
14. 如請求項13之方法，其進一步包含施用一抗反射塗層給該晶圓的該給定表面及該另一表面以防止信號損耗。
15. 一種矽光子(SiPh)封裝總成，其包含：一矽中介體，包含：在一基體之一給定表面上的一絕緣體；在該絕緣體之另一表面上與該基體相對的一主動層，其中與該絕緣體相對的該主動層的一給定表面包含一或多個光柵；及一晶圓包含：一給定表面，包含：蝕刻入該晶圓內的一或多個微透鏡；一或多個機械對齊特性件，用以與一光纖連接器配對；該等機械對齊特性件係從包括一聚合物、一電鍍金屬、玻璃、及矽中之一者的一材料製成；及與該晶圓之該給定表面相對且平行的另一表面，該另一表面係接合至該主動層的該給定表面且對齊來以一被要求的角度導引一光信號橫越該晶圓到該一或多個光柵。