集成光电子器件的制作方法

专利名称：集成光电子器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子器件的晶片级封装，更具体地涉及光电子器件的晶片级底座。
背景技术：
光电子(OE)器件一般封装为单个管芯(die)。这种组装方式通常费时而且是劳动密集型的，从而导致更高的生产成本。这样，需要一种改善OE器件的封装的方法。

发明内容
在本发明的一个实施例中，光电子器件包括底座(submount)和盖板(lid)。底座包括位于衬底上的透镜和激光器。盖板限定出一个空腔体，其具有涂覆有反射材料以形成45度反射镜的表面。反射镜将来自激光器的光反射到透镜，然后所述光穿过底座而离开光电子器件。


图1是本发明一个实施例中的用于制造包括底座、盖板和对准柱的光电子器件的方法10的流程图。
图2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13图示了由本发明一个实施例中的方法10而形成的底座的横截面。
图14图示了由本发明一个实施例中的方法10而形成的底座的俯视图。
图15图示了本发明一个实施例中的光电子器件的分解视图。
图16图示了本发明一个实施例中的光电子器件的组装图。
图17和18图示了传统的光学子组件(OSA)和传统的LC连接器。
图19图示了本发明一个实施例中的光电子芯片封装(optoelectronicchip enclosure，OECE)与传统OSA中相应元件之间的比较。
图20A和20B图示了本发明一个实施例中利用对准柱的OSA。
图21图示了本发明一个实施例中图20A和20B的OSA与光纤连接器的对准。
图22A和22B图示了本发明一个实施例中在对准端口上使用对准柱的优点。
图23图示了本发明一个实施例中具有插入套管内的圆柱型对准柱的OSA的横截面。
图24图示了本发明一个实施例中具有插入套管内的实心对准柱的OSA的横截面。
图25图示了本发明一个实施例中具有插入套管内的实心对准球的OSA的横截面。
不同图中使用同一标号表示类似或相同的项。截面图未按比例绘制，仅起说明的作用。
具体实施例方式
光电子封装可包括底座晶片、与所述底座晶片连结的环状晶片及与所述环状晶片连结的盖板晶片。盖板晶片一般包括集成透镜。底座晶片一般包括边缘发射型激光器及为激光器提供电力的互连(interconnect)。一般利用RIE蚀刻处理环状晶片以形成直壁。具有45度表面的附加组件放置在环内的激光器旁边。这个组件作为反射镜而将来自激光器的光反射向上穿过盖板中的透镜。或者，处理环状晶片以形成集成的45度反射镜，其将来自激光器的光反射向上穿过盖板中的透镜。
光电子封装要求两种气密密封一种在环状晶片和盖板晶片之间，而另一种在环状晶片和底座晶片之间。在具有附加反射镜组件的情况下，也必须将组件对准并安装。光电子封装还要求处理三种晶片。另外，为保持正确的路径长度，必须使用两块薄晶片(例如275微米)作为环状晶片和盖板/透镜晶片。这样，就需要一种装置来解决这种光电子封装的这些缺点。
集成光电子器件图1是本发明一个实施例中的用于制造包括激光底座80和盖板130的光电子芯片封装(OECE)150(图16)的方法10的流程图。
在步骤12，如图2所示的，光学透镜52在底座80的衬底54的顶上形成。在一个实施例中，衬底54是标准厚度(例如，675微米)的硅晶片，其可透过1310纳米(nm)的光。或者，衬底54可以是石英、硼硅酸钠盐玻璃(例如，Pyrex)、蓝宝石、砷化镓、碳化硅、或磷化镓。在一个实施例中，透镜52是由相位移动透镜层的叠层经图案化而形成所需透镜形状的衍射光学元件(DOE)。叠层中相邻的相位移动层被一层蚀刻终止层隔开。相位移动层可以是无定形硅(α-Si)，而蚀刻终止层可以是二氧化硅(SiO2)。或者，相位移动层的无定形硅可替换为氮化硅(Si3N4)。
为形成叠层，首先在衬底54上形成无定形硅层。无定形硅层可以是通过550℃下的低压化学气相沉积法(LPCVD)或通过等离子增强化学气相沉积法(PECVD)而沉积的。无定形硅层的厚度可由下式确定t=λN(Δni).]]>上式中，t是相位移动透镜层，λ是目标波长，N是相位移动透镜层数，而Δni是相位移动透镜材料及其周围材料之间的折射率(ni)差。在λ为1310nm、N为8、无定形硅的ni为3.6以及二氧化硅的ni为1.46的一个实施例中，无定形硅层的典型厚度为765埃。
接着在无定形硅层上形成二氧化硅(SiO2)层。二氧化硅层可以是在550℃下的蒸汽中在无定形硅层上热生长的。或者，二氧化硅层可以是通过PECVD而沉积的。二氧化硅层的典型厚度为50埃。重复沉积无定形硅及低温热氧化无定形硅的工艺来形成所需数目的相位移动层。
一旦叠层形成，对每层进行掩蔽(mask)和蚀刻来形成所需的衍射透镜。首先用稀释的水/氢氟酸(HF)溶液(通常50∶1)浸渍除去最上面无定形硅层上的二氧化硅层。接着在无定形硅层上旋涂光刻胶，并使其曝光、显影。然后向下等离子蚀刻无定形硅层，至下面相邻的二氧化硅层为止，二氧化硅层起蚀刻终止的作用。对余下的相位移动层重复掩蔽和蚀刻的工艺过程。
在一个实施例中，透镜52是双焦点衍射透镜，其将激光转化为在一个空间内均匀传播的小角度分布。相对于光纤输入面的大小，所述空间的尺寸较大，所以组件较易对齐。双焦点衍射透镜有一带有隆起的表面，其提供了两个焦距f1和f2。双焦点衍射透镜的设计工艺可从确定第一相位函数开始，这个函数为具有焦距f1的传统衍射透镜定义了表面轮廓。任意传统的衍射透镜设计技术都可使用。尤其是例如应用光学研究公司(AppliedOptics Research，Inc.)的GLAD或MM研究公司(MM Research，Inc.)的DIFFRACT之类的商用软件可分析衍射元件的相位函数。类似地生成第二相位函数，其中第二相位函数是这样的如果第二相位函数与第一相位函数一起复合，其组合将提供具有第二焦距f2的衍射透镜。然后按比例改变第二相位函数以提供局部有效的衍射透镜，这种透镜将某一百分比(例如，50％)的入射光聚焦，而让其余的(例如，50％)入射光无扰动地穿过。第一相位函数和按比例改变的第二相位函数复合而形成最终的双焦点透镜设计。
在另一个实施例中，透镜52是衍射/折射混合元件。如上所述，衍射/折射混合元件传播来自一个空间的光来扩大光纤的容许对准偏差(alignment tolerance)。衍射/折射混合透镜至少有一个具有弧度的表面来产生一个焦距，例如f2。另外，将局部有效的衍射透镜的衍射特征添加到衍射/折射混合透镜的一个或两个表面上，以使这种组合为入射光的各个部分提供两个焦距f1和f2。
在步骤14，如图3中所示的，在衬底54和透镜52上形成氧化物层56。在一个实施例中，氧化物层56是通过PECVD沉积的二氧化硅，典型厚度为1微米。随后将氧化物层56平坦化来提供光通过的平面。这一步可在形成金属层之后的工艺结束时完成。
在步骤16，如图4-6中所示的，在氧化物层56上形成金属层1，然后将其图案化。在一个实施例中，金属层1(图4)是通过溅射而沉积的钛-钨(TiW)、铝-铜(AlCu)和TiW金属的叠层。TiW合金层通常每层0.1微米厚，而AlCu合金层通常0.8微米厚。将金属层1图案化以形成互连。在一个实施例中，旋涂光刻胶，并将其曝光、显影，以形成蚀刻掩模60(图5)，其限定出蚀刻窗口62(图5)。然后将蚀刻窗口62所暴露的金属层1的部分蚀刻来形成互连1A(图6)。随后将掩模60从互连1A上除去。
在步骤20，如图7和8中所示的，在氧化物层56和互连1A上形成介电层64，然后将其平坦化。介电层64使互连1A与其他导电层绝缘。在一个实施例中，介电层64是通过PECVD由原硅酸四乙酯(TEOS)制得的二氧化硅，并通过化学机械抛光(CMP)将其平坦化。介电层64的厚度一般为1微米。
在步骤22，如图9和10中所示的，形成了至互连1A的接触窗口或通孔70。在一个实施例中，旋涂光刻胶，并将其曝光、显影，以形成蚀刻掩模66(图9)，其限定出蚀刻窗口68(图9)。然后将蚀刻窗口68所暴露出的一部分介电层64蚀刻以形成接触窗口/通孔70(图10)。随后从互连1A上去除掩模66。可在通孔70中沉积金属以形成至互连1A的插塞。
在步骤24，如图11-13中所示，在介电层64上形成金属层2。在一个实施例中，金属层2是通过蒸发而沉积的钛-铂-金(TiPtAu)序列。钛层的厚度一般为0.1微米，铂层的厚度一般为0.1微米，且金层的厚度一般为0.5微米。形成金属层2是为形成接触垫和焊垫。在一个实施例中，旋涂光刻胶，并将其曝光、显影，以形成掀除(liftoff)掩模72(图11)，其限定出沉积窗口73(图11)。金属层(图12)然后沉积在抬起掩模72上，并经过窗口73沉积到介电层64上。随后除去掩模72，从而掀除了沉积在掩模72上的金属层2，留下接触垫或焊垫2A(图13)。
可将金属层1和2图案化来形成2个互连平面。位于这两个平面之间的插塞可连接这两个平面。图14示出了按一个实施例中方法10的这一点而形成的底座80的俯视图。底座80包括密封环106，其形成为围绕透镜52和接触垫82、84、86和88的周边。密封环106用来连结底座80和盖板，所述盖板封装着透镜52、激光器管芯122(图15)和监控光电二极管管芯124(图15)。密封环106是在步骤24中所形成的并被图案化的金属层2的一部分。密封环106与焊垫108和110耦合，这样提供了接地连接。当随后将密封环106与金属覆盖板130电耦合时，金属将起电磁干扰(EMI)屏蔽的作用，以使电磁干扰不可能穿过盖板130出去。
接触垫82和84提供了与激光器管芯122的电连接。嵌入式迹线(buried traces)90和92分别将接触垫82和84连接到位于密封环106外的各个接触垫94和96。接触垫82和84是在步骤24中所形成的并被图案化的金属层2的一部分。迹线90和92是在步骤16中所形成的并被图案化的金属层1的一部分。
接触垫86和88提供了与监控光电二极管管芯124的电连接。嵌入式迹线98和100分别将接触垫86和88连接到位于密封环106外的各个接触垫102和104。接触垫86和88是在步骤24中所形成的并被图案化的金属层2的一部分。迹线98和100是在步骤16中所形成的并被图案化的金属层1的一部分。
在步骤28，如图15中所示的，将激光器管芯122与接触垫82对齐并连结。激光器管芯122也可通过引线连结(wire bond)与接触垫84电连接(图14)。在一个实施例中，激光器管芯122是边缘发射型Fabry Perot激光器。类似地，将监控光电二极管管芯124与接触垫86对齐并连结。监控光电二极管管芯124也可通过引线连结与接触垫88电连接。连上激光器管芯122和光电二极管管芯124之后，可在透镜52的表面上涂覆抗反射涂层(未示出)，使得当光离开底座80时，减少其反射。
在步骤30，如图15中所示的，形成盖板130。盖板130限定出了腔体131，其具有被反射材料134所覆盖的表面132。腔体131提供了用来容纳底座80上的各管芯的必要空间。表面132上的反射材料134形成45度反射镜135，其将来自激光器管芯122的光反射到透镜52。盖板130边缘处的反射材料134也作为密封环136。当通过密封环136以及接触垫108和110将腔体131上的反射材料134接地时，反射材料134还起电磁干扰屏蔽的作用。在一个实施例中，反射材料134是通过蒸发而沉积的钛-铂-金(TiPtAu)序列。钛层的厚度一般为0.1微米，铂层的厚度一般为0.1微米，且金层的厚度一般为0.1微米。在一个实施例中，盖板130是可透过1310nm的光的标准厚度(例如675微米)的硅晶片。
在一个实施例中，盖板130具有偏离主表面1389.74度的<100>平面。盖板130是湿法蚀刻的，以使表面132沿着硅衬底的<111>平面而形成。由于盖板130的<100>平面偏离主表面1389.74度，则<111>平面和反射镜135定向为偏离主表面13845度处。
在步骤32，如图16中所示的，将盖板130与底座80的顶面对齐并连结以形成OECE 150。在一个实施例中，盖板130的密封环136和底座80的密封环106通过焊料焊接。或者，盖板130的密封环136和底座80的密封环106通过冷焊而连结。
如所看到的，光152(例如1310nm)由激光器管芯122发射出。反射镜135将光152反射向下至透镜52。透镜52然后使光152聚焦，所以规定位置处的光纤可接收到光152。由于绝缘层64、氧化物层56和衬底54都可透过光152，所以光152可通过底座80而离开光电子器件150。
在步骤34，如图16中所示的，将对准柱140与底座80的背面对齐并连结。对准柱140使得OECE 150可与插芯(ferrule)中的光纤对齐。
本领域的技术人员可以理解，上述工艺可在晶片级上进行，使得同时形成多个OECE 150。然后分开(singulate)这些OECE 150来形成单个封装。
OECE 150提供了优于传统的光电子封装的几个优点。首先，仅需两个晶片来制造OECE 150，代替了传统封装中所需的三个晶片。第二，晶片可以具有标准厚度(例如675微米)，代替了传统封装中的两个薄晶片。第三，盖板130和底座80之间仅需一个气密密封，代替了传统封装中的两个气密密封。
用于光学子组件的对准柱图17图示了传统的光学子组件(Optical Subassembly，OSA)212，它是光纤(FO)收发器制备中常见的构建模块。OSA 212将电信号转换为光信号，并将这些光脉冲送入例如光纤的光波导214内(图18)。一般地，光纤214装在被包含在连接器体218中的陶瓷插芯216中。连接器体218可以是小型(SFF)FO连接器，例如由Lucent Technologies开发的通称为LC连接器的Lucent连接器。其他类型的FO连接器也可使用，例如SC连接器、ST连接器和FC连接器。
图18图示了OSA 212的细节。通常OSA 212包括需要光学对齐的三个元件(1)光电子(OE)器件220，(2)透镜222，和(3)接受含有光纤214的插芯216的端口224。一般地，OE器件220安装在TO(Transistor Outline，晶体管轮廓)头226上，并封装在开有窗口的TO容器228内。端口224是接收TO容器228和透镜222的物体的一部分。这三个元件通常在它们理想位置处必须以几微米以内的精度彼此对齐。
OSA 212直到它的元件已对齐并固定在它们合适的位置处才是完整并可检测的。这种对齐通常是通过给OE器件220提供电力并在X、Y和Z方向上相对于端口224移动TO而实现的。然后一般用聚合物粘合剂或通过激光焊接方法来“固定”这种对齐。
OSA设计根据产品的不同而变化很大，但是它们通常包括被封装器件(例如OE器件220)、透镜(例如透镜222)和光纤对准部件(例如端口224)。光纤对准部件通常是由注射成型塑料或陶瓷制成的精密孔以接受陶瓷插芯(例如插芯216)。
制备更小型、更廉价的OSA一直是人们所追求的。对小型OSA的需求存在许多成本、质量和性能方面的原因。但是，小型OSA直至它包括对准部件才是完整的。因而，需要这种用于小型OSA的对准部件。
图19图示了与传统OSA 212中的对应部分相比较的OECE 302。OECE 302需要一种既廉价、尺寸又适于封装的对准部件。一种方法是将OECE 302对准并装到具有精密孔的部件上(例如端口)。但是，由于端口必须远大于OECE 302，且可检测的、对准的OSA也远大于OECE302，所以这种方案有严重的缺陷。
图20A和20B示出了本发明一个实施例中具有对准柱304的OECE302。对准柱304是对准并装到OECE 302的前“窗口”的圆柱型管。从而得到完全对准并可检测的OSA 306。通过将对准柱304装入OECE 302的前窗口中，在OECE 302的引脚(footprint)内可创建完全对准的OSA306。
图21图示了本发明一个实施例中OSA 306和FO连接器307的装配。FO连接器307可以是LC连接器、SC连接器、ST连接器、FC连接器或其他类似的FO连接器。将完全对准的OSA 306上的对准柱304插入由塑料、金属或陶瓷制成的套管308的一端内。OSA 306和套管308的这种子组件形成了光纤模组的一部分，它将与用户提供的光纤光缆紧密配合，例如FO连接器307的光纤312。将携有光纤312的陶瓷插芯310插入套管308的另一端内。套管308制成具有适当的内径以接受对准柱304和插芯310的外径。OSA 306插入套管308内是完全无源的，因此是低成本的操作。
有必要注意到，虽然对准柱304可能看起来类似传统OSA 212(图18)上的端口224(图18)，但由于对准柱304上的对准特征是外径(OD)，而端口224上的对准特征是内径(ID)，所以这是根本不同的。参照图17，端口224的内径通常比相配合的插芯216的外径大几微米。端口224可具有1.255mm的内径，以与具有1.249mm的外径的插芯216相配合。参照图21，对准柱304具有与插芯310相同或相近的外径(例如1.25mm)。OECE 302的透镜311与光纤312之间的光学距离可设定为对准柱304的长度。对准柱304中间的孔并非用来对准，而仅用来通过光316。因而，孔的大小不是关键的。上述尺寸对于将光射入多模式光纤内是典型的。所述概念也适于将光射入单模式光纤内的OSA，但单模式光纤所需的容许偏差可能比多模式发射所要求的更严格。
与外径(即与柱)对准的概念只是略微不同于与内径(即与孔)的对准，但是却提供了两个关键的优点成本和尺寸。
成本——制备具有精密直径的柱是很容易且很经济的。这是因为通过磨削外径可制造出较长的杆，然后简单地将杆切割成多个部分，可制造许多部件。制造可能具有一微米或两微米偏差的精密部件的成本对于使OSA306的成本最小化是很重要的。可制造的最廉价的精密部件是球形(例如球型轴承)，第二廉价的精密部件可能就是圆柱型。
尺寸——OECE 302可制成二维阵列的部件。这种制备方法可生产成百上千或甚至成千上万的仅缺乏对准部件的OSA 306。理想情况是对准部件在OSA 306还是阵列形式时即被装上，但这仅在对准部件小于OECE 302的引脚时才是可能的。
图22A图示了对准柱304可对齐并装到(单个地或成组地)OECE 302的阵列上。对准柱304足够小，所以其可装在OECE 302的前窗口上。另一方面，图22B图示了没有增加间距从而未增加OECE 302的尺寸(以及成本)情况下，端口224不能对齐并装到OECE 302的阵列上。
图23图示了在一个实施例中插入套管308内的OSA 306的横截面。将每个OSA插入套管308或任意更大的物体内之前，可能需要分割开OSA 306阵列。但是，此处的分割并非OSA 306制备中的缺点，这是因为对准柱304已对准并装到阵列形式的OECE 302上了。
小型OSA 306的另一个优点在于可将它与另一个OSA 306更靠近地对准在一起以配合新型更小的FO连接器。实际上，双工连接器(例如双工LC连接器)具有目前的尺寸的一个历史原因可追溯到两个TO容器可对准到端口内多近。OSA 306因而适于更小的连接器和更小的收发器。
图24图示了OSA 306A的横截面，其中圆柱型对准柱304替换为由例如玻璃的透明材料制成的实心对准柱304A。对准柱304B的外径作为对准特征，而光316通过对准柱304A传输。
图25图示了本发明一个实施例中OSA 306B的横截面。OSA 306B中将圆柱型对准柱304替换为由例如玻璃的透明材料制成的部分球体304B。部分球体304B的周线作为对准特征，同时光316穿过部分球体304B传输。
对所公开实施例的特征进行的各种其他调整和组合都在本发明的范围内。例如，底座80可包括另外的有源电路和无源电路。具体地，底座80可加工形成例如电阻和电容的无源电路，及例如晶体管的有源电路。底座也可加工成包括双极型CMOS(BiCMOS)集成电路。所附的权利要求覆盖了许多实施例。
权利要求
1.一种激光器底座，包括衬底；所述衬底上的透镜；及所述衬底上的激光器。
2.如权利要求1所述的激光器底座，其中所述衬底选自硅、石英、硼硅酸钠盐玻璃、蓝宝石、砷化镓、碳化硅和磷化镓。
3.如权利要求1所述的激光器底座，还包括覆盖所述透镜的平坦化层；及所述平坦化层上的互连层。
4.如权利要求3所述的激光器底座，其中所述平坦化层是氧化物层。
5.如权利要求3所述的激光器底座，还包括所述互连层上的介电层；及所述介电层上的接触垫，其中所述激光器与所述接触垫电连接。
6.如权利要求5所述的激光器底座，还包括在所述介电层上并包围所述接触垫和所述激光器的密封环。
7.如权利要求1所述的激光器底座，还包括无源集成电路和有源集成电路中的至少一个。
8.一种形成激光器底座的方法，包括如下步骤在衬底上形成透镜；以及将激光器装到所述衬底上的所述激光器底座上。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述衬底选自硅、石英、硼硅酸钠盐玻璃、蓝宝石、砷化镓、碳化硅和磷化镓。
10.如权利要求8所述的方法，在所述安装激光器的步骤之前、所述形成透镜的步骤之后，还包括如下步骤形成覆盖所述透镜的平坦化层；以及在所述平坦化层上形成互连层。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述平坦化层是氧化物层。
12.如权利要求10所述的方法，在所述安装激光器的步骤之前、所述形成互连层的步骤之后，还包括如下步骤形成覆盖所述互连层的介电层；以及在所述介电层上形成接触垫，其中所述激光器与所述接触垫电连接。
13.如权利要求12所述的方法，在所述安装激光器的步骤之前、所述形成介电层的步骤之后，还包括如下步骤在所述介电层上形成包围所述接触垫和所述激光器的密封环。
14.如权利要求8所述的方法，还包括在所述衬底上形成无源集成电路和有源集成电路中的至少一个。
全文摘要
本发明公开了包括底座和盖板的光电子器件。所述底座包括衬底和位于衬底上的透镜和激光器。所述盖板限定出一个腔体，其具有涂有反射材料的表面以形成45度反射镜。反射镜将来自激光器的光反射到透镜，然后所述光穿过底座而离开光电子器件。
文档编号H04J14/08GK1595741SQ200410045558
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月7日 优先权日2003年9月19日
发明者肯德拉·J·盖洛普, 詹姆斯·艾伯特·马修斯 申请人:安捷伦科技有限公司