光组件的制作方法

本发明涉及光组件和制造光组件的方法。

背景技术：

例如在美国专利8,168,939b2中公开了一种光组件。光组件支持直接耦合到光子启用的互补金属氧化物半导体(cmos)芯片。该组件包括激光器、微透镜、转向镜、可逆和/或不可逆偏振旋转器以及光平台。

发明目的

本发明的目的是提供一种可以可靠地制造的光组件。更具体地，目的是实现关于光组件的部件之间的光束路径的光学调节的小公差。

本发明的另一个目的是提供一种制造光组件的方法，该光组件关于光组件的部件之间的光学调节具有小的公差。

技术实现要素：

本发明的实施例涉及一种光组件，该光组件包括：被配置为产生光辐射束的光发射器；保持该光发射器的盖单元；包括耦合器的光子芯片；以及布置在该盖单元与该光子芯片之间的中间芯片。其中盖单元包括具有底部部分和侧壁的凹部，其中光发射器安装在该凹部的底部部分上，其中侧壁的一部分形成相对于底部部分成角度并且被配置为将所述光辐射束朝着耦合器反射的镜部分，并且其中，中间芯片包括在面对盖单元的中间芯片表面的透镜部分处形成的透镜，所述透镜被配置为将反射的光束朝着耦合器聚焦。

光发射器优选是边缘发射激光器。

透镜可包括第一轴和垂直于第一轴的第二轴。

透镜沿着第一轴的曲率半径优选地不同于沿着第二轴的曲率半径。

光发射器的发射方向优选地对应于第一轴的方向。

沿着第一轴的曲率半径优选地比沿着第二轴的半径大2％到15％之间。

根据优选的实施例，中介层芯片布置在中间芯片和光子芯片之间。

中介层芯片可以具有面对中间芯片的前表面和面对光子芯片的后侧表面。后侧表面优选地包括孔，该孔位于透镜和耦合器之间的光束路径中。

该孔可以是从中介层芯片的前表面延伸到后侧表面的通孔。

旋转器优选地布置在所述孔内。

替代地或附加地，相对于光辐射的波长的λ/2波片可以布置在所述孔内。

替代地或附加地，可以在所述孔内布置偏振器。

中介层芯片和中间芯片优选地通过掩埋的氧化物层键合在一起。

该孔优选地从中介层芯片的后侧表面延伸穿过中介层芯片并且穿过掩埋的氧化物层到达中间芯片。

中介层芯片、中间芯片和掩埋的氧化物层可以由soi芯片形成或由soi芯片构成。

此外，盖单元优选地包括具有硅顶层、掩埋的氧化物层和底部层的soi芯片。

凹部优选地从硅顶层的外表面延伸至掩埋的氧化物层或穿过掩埋的氧化物层至底部层。凹部的底部优选地由掩埋的氧化物层的部分或底部层的部分形成。

盖单元优选地包括半导体衬底，该半导体衬底具有在其中形成有凹部的前侧。形成有所述透镜的中间芯片的表面优选地包括至少一个键合部分，盖单元的前侧键合在该键合部分上。

(盖单元的)半导体衬底优选是(110)-取向的衬底，其前侧由(110)表面形成。

镜部分优选是(111)表面。

根据另一优选实施例，光发射器的第一电接触连接至盖单元的导电层。

盖单元的导电层优选地从凹部的底部部分延伸到盖单元的第一键合部分。

盖单元的第一键合部分优选位于凹部的外部，并键合至中间芯片的第一键合部分。

光发射器的第二电接触优选直接键合在中间芯片的第二键合部分上。

盖单元的导电层优选在光发射器所位于的接触区域中比在该接触区域之外更厚。

盖单元的导电层优选在接触区域中由两个或更多个子层组成。

替代地或另外地，导电垫可以位于光发射器和导电层之间。

导电层优选在镜部分上形成反射涂层。

导电层优选在凹部的底部部分与盖单元的第一键合部分之间形成电连接部分。

中间芯片优选地包括第一导电层、第二导电层和隔离层。

隔离层优选地布置在第一导电层和第二导电层之间并且使第一导电层和第二导电层彼此绝缘。

中间芯片的隔离层优选形成用于透镜的抗反射层。

散热器优选安装在盖单元的后侧上，该后侧与形成凹部的前侧相对。

本发明的另一个实施例涉及一种制造光组件的方法，该方法包括以下步骤：

-制造盖单元并在其上安装光发射器，该光发射器被配置为产生光辐射束，其中形成盖单元的所述步骤包括蚀刻具有底部部分和侧壁的凹部，并在凹部的底部部分上安装光发射器，

-形成包括耦合器的光子芯片，

-形成包括透镜的中间芯片，并将该中间芯片布置在盖单元和光子芯片之间，

-其中侧壁的一部分形成镜部分，该镜部分相对于底部部分成角度，并被配置为将所述光辐射束朝向耦合器反射，并且

-其中透镜形成在面对盖单元的中间芯片表面的透镜部分上，所述透镜被配置为将所反射的光束朝向耦合器聚焦。

所述制造盖单元的步骤优选地进一步包括沉积导电层，

-其中，导电层从凹部的底部部分延伸到位于凹部外侧的盖单元的第一键合部分，并形成电连接部分，以及

-其中，导电层还形成在镜部分上的反射涂层。

导电层的厚度优选在光发射器所位于的接触区域中比在该接触区域之外更厚。

所述制造盖单元的步骤可以进一步包括在将光发射器安装在凹部的底部部分上之前将焊料沉积在凹部的底部部分上。

所述制造盖单元的步骤可以进一步包括在凹部的底部部分与镜部分之间提供阻焊剂。

所述制造盖单元的步骤可以进一步包括提供完全包围镜部分的阻焊剂。

凹部优选地比光发射器的厚度深。

盖单元优选地包括soi芯片，其具有(110)硅顶层、掩埋的氧化物层和底部层。

凹部优选从硅顶层的外表面各向异性地蚀刻到掩埋的氧化物层，或者穿过掩埋的氧化物层至底部层。

凹部的底部优选地由掩埋的氧化物层的部分或底部层的部分形成。

镜部分优选地由蚀刻的凹部的(111)-表面提供。

形成中间芯片的步骤优选地包括在中间芯片的一侧上蚀刻透镜。

形成中间芯片的步骤可以包括在中间芯片的另一侧上沉积抗反射涂层。

形成中间芯片的步骤优选地包括在透镜上沉积抗反射涂层。

所述制造中间芯片的步骤优选包括沉积第一导电层、隔离层和第二导电层，其中隔离层布置在第一和第二导电层之间并且使第一和第二导电层彼此绝缘。

中间芯片的隔离层优选地在透镜上形成抗反射层。

凹部或至少镜部分优选地使用koh或tmah蚀刻。

此外，该方法可以包括以下步骤：制造中介层芯片，并且将中介层芯片布置在中间芯片和光子芯片之间。

根据优选实施例，该方法可以进一步包括以下步骤：在中介层芯片的后侧表面上蚀刻孔，并且将该孔定位在透镜和耦合器之间的光束路径中。

所述蚀刻孔的步骤可以包括蚀刻从中介层芯片的前表面延伸到后侧表面的通孔。

所述蚀刻凹部的步骤可以包括蚀刻对准标记，所述对准标记有助于将硅盖以预定位置安装到中间芯片上。

根据另一优选实施例，中介层芯片可以包括具有硅衬底、掩埋的氧化物层和顶部硅层的soi材料。所述蚀刻孔的步骤可以包括蚀刻从后侧表面延伸至掩埋的氧化物层的盲孔。

根据另一优选实施例，该方法可以包括以下步骤：蚀刻中介层芯片中的孔，以及键合中介层芯片和中间芯片。

可以在键合中介层芯片和中间芯片之后或之前在中间芯片中形成透镜。

根据另一个优选实施例，该方法可以包括以下步骤：经由中间氧化物层将中介层芯片和中间芯片键合并形成夹层，使用中间氧化物层作为蚀刻停止层，蚀刻中介层芯片中的通孔，并去除孔中的蚀刻停止层并形成罐孔，该罐孔的底部由中间芯片形成。

中间芯片和中介层芯片可各自具有约500μm的厚度。

凹部的深度可以是大约120μm。

光束落到耦合器上的角度最好约为19.5°。

可以在芯片级或晶片级上执行上述方法步骤。在后一种情况下，多个芯片被同时处理，并在整个制造过程的后期相互分离。

附图说明

为了容易理解获得本发明的上述和其他优点的方式，将通过参考在附图中示出的本发明的特定实施例来对以上简要描述的本发明进行更具体的描述。应当理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明范围的限制，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和说明本发明，其中

图1-5、12、22示出了根据本发明的光组件的示例性实施例，

图6-8示出了图1-5和12的示例性实施例的部分，

图9-11示出了透镜的示例性实施例，

图13-16示出了根据本发明的方法步骤的示例性实施例，

图17-21是光组件的盖单元中的凹部和标记的示例性实施例，

图23是外部磁化旋转器的示例性实施例，以及

图24-25示出了根据本发明的方法步骤的进一步的示例性实施例。

具体实施方式

参照附图将最好地理解本发明的优选实施例。容易理解的是，如本文附图中一般描述和说明的，本发明可以在很宽的范围内变化。因此，如附图所示，对本发明的示例性实施例的以下更详细的描述并非旨在限制所要求保护的本发明的范围，而仅是本发明的当前优选实施例的代表。

图1示出了根据本发明的光组件10的第一示例性实施例。光组件10包括能够产生光辐射束b的光发射器20。当光束b离开光发射器20时，其定向成平行于图1中的空间坐标x。盖单元30承载光发射器20。

光组件10还包括光子芯片40、中间芯片50和中介层芯片60。中间芯片50布置在盖单元30和光子芯片40之间。中介层芯片60布置在中间芯片50和光子芯片40之间。

盖单元30包括具有底部部分71和侧壁72的凹部70。光发射器20安装在凹部70的底部部分71上。侧壁72的部分形成相对于底部部分71成角度的镜部分80，并被配置为将光辐射束b朝光子芯片40的耦合器41反射。耦合器连接到波导42，该波导在图1中的空间坐标x中延伸，并且因此在光束b被镜部分80反射之前在与光束b相同的方向上延伸。

盖单元30优选地包括(110)取向的半导体衬底，在其中凹部70优选地被蚀刻。如果通过各向异性蚀刻来制造凹部70，则镜部分80由(111)取向的表面形成。在(110)取向的半导体衬底中，(111)取向的镜部分80相对于图1中的空间坐标z具有54.75°的角度，并且相对于图1中的空间坐标x具有35.25°的角度。

为了提高镜部分80与耦合器41之间的耦合效率，中间芯片50可以包括透镜51。透镜51形成在面对盖单元30的中间芯片的表面的透镜部分处。透镜51被配置为将反射光束b朝向耦合器41聚焦。

中介层芯片60具有面对中间芯片50的前表面和面对光子芯片40的后侧表面。在后侧表面中，已经制造了孔90。孔90位于透镜51和耦合器41之间的光束路径中。

孔90可以是从中介层芯片60的前表面延伸到后侧表面的通孔。孔90可以是空的，如图1所示。

盖单元30的前侧可以键合在中间芯片50的外表面上，即形成透镜51的表面上。键合部分在图1中用附图标记vi标记，并且将参照图6进一步详细说明。

图1还示出了光发射器20的第一电接触21连接至盖单元30的导电层31。导电层31从凹部70的底部部分71延伸至键合部分vi。第一电接触21和导电层31的一部分在图1中由附图标记vii标记，并且将参考图7进一步详细说明。

图1还示出了盖单元30的导电层31可以覆盖侧壁72并形成镜部分80。导电层31的一部分在图1中由附图标记viii标记，并且将参考图8进一步详细说明。

图1的实施例的优点在于，垂直夹层结构与集成透镜组合以低的制造成本提供了高的耦合效率。

图2示出了根据本发明的光组件10的第二示例性实施例。在该实施例中，旋转器110布置在中介层芯片60的孔90内。旋转器110优选地将光辐射的偏振旋转45°，并且可以减小到光发射器20中的辐射的反馈。

图3示出了根据本发明的光组件10的第三示例性实施例。在该实施例中，在中介层芯片60的孔90内布置有旋转器110和λ/2波片111。旋转器110优选将光辐射的偏振旋转45°。旋转器110和λ/2波片111可以减少进入光发射器20的辐射的反馈。

图4示出了根据本发明的光组件10的第四示例性实施例。在该实施例中，旋转器110、偏振器112和λ/2波片111布置在中介层芯片60的孔90内。旋转器110优选地将光辐射的偏振旋转45°。旋转器110、偏振器112和λ/2波片111可以减少进入光发射器20的辐射的反馈。

在图2、3和4的实施例中，旋转器110可以是自磁化的或外部磁化的。如图23所示，旋转器110可以位于微封装110a的内部，并且一个或多个外部磁体110b可以放置在微封装110a的外部。在后一种情况下，优选地，两个外部磁体110b优选地粘合到彼此相对的微封装110a的外侧壁上。

图5示出了根据本发明的光组件10的另一示例性实施例。在该实施例中，中间芯片50和中介层芯片60通过中间氧化物层120键合在一起。因此，中介层芯片60、中间芯片50和中间氧化物层120可以由单个预处理的soi-芯片(夹层)形成。孔90可以是被蚀刻到预处理的soi芯片中的盲孔。

孔90可以从中介层芯片60的后侧表面延伸穿过中介层芯片60并且穿过中间氧化物层120到达中间芯片50。孔90可以至少部分地填充有如图2所示的旋转器110、如图3所示的旋转器110和λ/2波片111、或如图4所示的旋转器110、偏振器112和λ/2波片111。

图6更详细地示出了图1的键合部分vi。在图6的实施例中，中间芯片50包括第一导电层501、第二导电层502、隔离层503和硅衬底504。隔离层503布置在第一和第二导电层501、502之间，并且使第一和第二导电层501、502彼此绝缘。中间芯片50的隔离层503可以在透镜51的顶部上形成抗反射层。

第一导电层501经由焊料150与盖单元30的导电层31键合，并且因此与光发射器20的第一电接触21电连接。

第二导电层502可以与光发射器20的第二电接触22电连接(见图1)。

图7更详细地示出了图1的部分vii。导电层31连接至光发射器20的第一电接触21。

为了提供用于光发射器20的平台，盖单元30的导电层31在光发射器20所处的接触区域中可以比在该接触区域之外更厚。为此，盖单元30的导电层31可以在所示的接触区域中由两个或更多个子层31a、31b组成。附加地或可替代地，导电垫可以位于光发射器20和导电层31之间。

图8更详细地示出了图1的部分viii。在制造期间的阻焊剂避免了焊料150填充镜部分80和光发射器20的第一电接触21之间的间隙160。导电层31在镜部分80上形成反射涂层。

在图9、10和11中更详细地描绘了图1的透镜51的示例性实施例。

图9示出了透镜51的俯视图。透镜51包括平行于空间坐标x的第一轴a1和垂直于第一轴a1并且平行于空间坐标y的第二轴a2。第一轴的方向对应于光发射器20的发射方向。

在图10和11中，分别在空间坐标x和y上示出了透镜51的高度h。沿着第一轴a1的透镜51的曲率半径r1不同于沿着第二轴a2的曲率半径r2。优选地，沿着第一轴a1的曲率半径r1比沿着第二轴a2的半径r2大5％和15％之间。

以下参数被认为是有利的：

250μm≤r2≤310μm

250μm≤r1≤330μm

1.02≤a1/a2≤1.15

图12示出了根据本发明的光组件10的另一示例性实施例。在该实施例中，散热器180安装在盖单元30的后侧。后侧位于形成有凹部70的前侧的相反侧。

图13示出了允许制造光组件10的零件的工艺流程的示例性实施例。根据图13的方法是指晶片级工艺，其中在蚀刻孔90之前，中间晶片(也称为透镜晶片)和中介层晶片被键合。根据图13的方法包括以下步骤：

-通过中间氧化物层120键合中间晶片(用于将来的中间芯片50)和中介层晶片(用于将来的中介层芯片60)(步骤1001)，

-在中间晶片上蚀刻孔90(步骤1002)，

-在中间晶片的后侧上提供抗反射涂层(步骤1003)，

-在中间晶片的外侧表面上蚀刻透镜51(步骤1004)，

-在中间晶片的外侧表面上沉积第二导电层502(用于光发射器20的n-接触)(步骤1005)，

-在第二导电层502的顶部上沉积隔离层503(步骤1006)，

-在隔离层503的顶部上沉积第一导电层501(用于光发射器20的p-接触)(步骤1007)，

-在第一导电层501的顶部上沉积焊料150(步骤1008)，

-掩蔽盖晶片(步骤2001)，

-将凹部70蚀刻到盖晶片中(步骤2002)，

-沉积导电层31(步骤2003)，

-为光发射器20提供平台(步骤2004)，

-在镜部分80附近沉积阻焊剂(步骤2005)，

-沉积焊料150(步骤2006)，

-将光发射器20(例如激光器)安装在凹部70中，并形成承载光发射器20的盖单元30(步骤2007)，

-将盖晶片安装在中间晶片上(步骤2008)，

-针对微封装分离得到的复合物(步骤2009)，

-可选地安装旋转器110(步骤2010)。

图14示出了允许制造光组件10的零件的工艺流程的另一示例性实施例。根据图14的方法涉及芯片级工艺，其中，在蚀刻孔90之前，中间晶片(也称为透镜晶片)和中介层晶片被键合。根据图14的方法包括以下步骤：

-通过中间氧化物层120键合中间晶片(用于将来的中间芯片50)和中介层晶片(用于将来的中介层芯片60)(步骤1001)，

-在中间晶片上蚀刻孔90(步骤1002)，

-在中间晶片的后侧上提供抗反射涂层(步骤1003)，

-在中间晶片的外侧表面上蚀刻透镜51(步骤1004)，

在中间晶片的外侧表面上沉积第二导电层502(用于光发射器20的n-接触)(步骤1005)，

在第二导电层502的顶部上沉积隔离层503(步骤1006)，

在隔离层503的顶部上沉积第一导电层501(用于光发射器20的p-接触)(步骤1007)，

-在第一导电层501的顶部上沉积焊料150(步骤1008)，

-分离中间晶片以形成分离的基本单元(步骤1009)，

-掩蔽盖晶片(步骤2001)，

-将凹部70蚀刻到盖晶片中(步骤2002)，

-沉积导电层31(步骤2003)，

-为光发射器20提供平台(步骤2004)，

-在镜部分80附近沉积阻焊剂(步骤2005)，

-沉积焊料150(步骤2006)，

-将光发射器20(例如激光器)安装在凹部70中，并形成承载光发射器20的盖单元30(步骤2007)，

-分离所得的盖晶片以形成分离的盖单元30(步骤3000)，

-将步骤3000的盖单元30安装在步骤1009的基本单元上(步骤3001)，

-可选地安装旋转器110(步骤2010)。

图15示出了用于制造光组件10的零件的晶片级工艺的另一示例性实施例。根据图15的方法在很大程度上对应于图13的晶片级工艺。与图13相反，步骤1002在1001之前执行。换句话说，在蚀刻孔90之后，键合中间晶片和中介层晶片。

图16示出了用于制造光组件10的部件的芯片级工艺的另一示例性实施例。根据图16的方法在很大程度上对应于图14的芯片级工艺。与图14相反，步骤1002在1001之前执行。换句话说，在蚀刻孔90之后，键合中间晶片和中介层晶片。

上面参考图13和15描述的晶片级制造允许根据本发明的光组件的成本有效的大量生产。

图17示出了由(110)-材料组成的硅盖晶片200的示例性实施例。在没有蚀刻停止层的情况下各向异性地蚀刻凹部70。镜部分80由(111)-平面形成。

图18示出了由soi材料组成的硅盖晶片200的示例性实施例，该soi材料具有硅顶层201，氧化物层202和底部层203。至少硅顶层201由(110)-材料组成。凹部70被各向异性地蚀刻。氧化物层202用作蚀刻停止层。同样，镜部分80由(111)-平面形成。

图19和20示出了在施加阻焊剂161之后的凹部70。在图19中，阻焊剂161布置在凹部70的底部与镜部分80之间。在图20中，阻焊剂161围绕着镜部分80。

图21示出了在硅盖晶片200的(110)表面中蚀刻的标记210的示例性实施例。标记210由(111)取向的表面界定。标记210有助于将盖单元30相对于中介层芯片60的安装。标记210优选地位于凹部70附近。

图22示出了根据本发明的光组件10的另一示例性实施例。在该实施例中，整个透镜51被嵌入在中间芯片50的外表面中的凹部51a中。透镜51由凹部51a的底部形成并且位于第二导电层502的平面下方。

如上面参考图1-22所述的光组件的示例性实施例的优点在于，垂直夹层结构将光发射器20与光子芯片40热分离。因此，光发射器20对光子芯片40的热冲击非常小。如参照图12所说明的，可以通过散热器180进一步减小热冲击。

图24示出了用于制造光组件10的零件的部分芯片级和部分晶片级工艺的示例性实施例。根据图24的方法在很大程度上对应于图13的晶片级工艺。与图13相反，在执行将透镜安装在盖晶片上的步骤2008a之前，引入分离透镜的步骤1009a。换句话说，在分离激光器微封装之前，将透镜分离并焊接到盖晶片上。

图25示出了用于制造光组件10的零件的部分芯片级和部分晶片级工艺的示例性实施例。根据图25的方法在很大程度上对应于图13的晶片级工艺。与图13相反，在执行将盖安装在透镜晶片上的步骤2008b之前，引入盖分离的步骤3000a。换句话说，在分离激光器微封装之前，将盖分离并焊接到透镜晶片上。

不仅要按照本说明书中具体描述的顺序和上下文来理解本文公开的本发明的各种实施例和实施例的方面，还应理解为包括任何顺序及其任何组合。每当上下文需要时，以单数形式使用的所有单词均应视为包括复数形式，反之亦然。每当上下文需要时，用单词“和”列出的所有选项均应视为包括单词“或”，反之亦然，以及它们的任何组合。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的多个实施例。申请人希望强调，每个实施例的每个特征可以与任何其他实施例组合或添加到其他实施例，以便修改相应的实施例并创建附加的实施例。这些附加的实施例构成了本公开的一部分，因此，申请人可以在审查的稍后阶段就这些额外的实施例提交进一步的专利权利要求。

此外，申请人想强调的是，以下从属权利要求中的每一个的每个特征可以与本独立权利要求中的任何一个以及与本从属权利要求中的任何其他(一个或多个)组合(与当前的权利要求结构无关)。因此，申请人可以在审查的稍后阶段将进一步的专利权利要求指向其他权利要求组合。

参考标记

10光组件

20光发射器

21第一电接触

22第二电接触

30盖单元

31导电层

31a子层

31b子层

40光子芯片

41耦合器

42波导

50中间芯片

51透镜

51a凹部

60中介层芯片

70凹部

71底部部分

72侧壁

80镜部分

90孔

110旋转器

110a微封装

110b外部磁体

111λ/2波片

112偏振器

120中间氧化物层

150焊料

160间隙

161阻焊剂

180散热器

200硅盖晶片

201硅顶层

202氧化物层

203底部层

210标记

501第一导电层

502第二导电层

503隔离层

504衬底

a1第一轴

a2第二轴

r1半径

r2半径

b光辐射束

x空间坐标

y空间坐标

z空间坐标