专利名称：具有集成透镜的垂直腔表面发射激光器的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及激光器，更具体地，涉及具有透镜的激光器光学器件以及制造具有透镜的激光器光学器件的工艺。
背景技术：
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是可以使用公知晶片处理技术制造的半导体激光二极管。通常，这些技术在单个晶片上制造较大量的VCSEL。晶片然后被锯割、划片或者以其他方式被分割成管芯，每个管芯上含有至少一个VCSEL以及形成在晶片上的可能的其他集成电路。管芯然后被封装以便使用。
VCSEL的一种普通用途在于生成用于在光纤上传播的光信号。在这种应用中，来自VCSEL的光信号通常经由光耦合器或端口进入光纤。为了将来自VCSEL的光能有效地耦合到光纤中，VCSEL和光纤必须被对准，使得VCSEL的束强度分布主要位于光纤的芯上。可以使用在VCSEL与光纤之间的光学系统来改善耦合效率和提高VCSEL与光纤的对准公差。具体地说，用于这种用途的普通光学系统包括一个或多个光学元件，这些光学元件聚焦和/或操控光束的分布到光纤的一端上。在下面的讨论中，透镜是指能够操控光束的分布的任何光学元件，并且可以是折射或反射元件。
直接在VCSEL的发射区域上形成透镜通常不能获得足够的光学性能，因为难于使得透镜具有足够短的焦距以适当地使束聚焦或者使其准直。因此，在透镜与VCSEL的发光区域之间一般需要气隙或者间隔，用于处理光信号。此外，VCSEL的活性区域上的透镜材料可能由于引入界面应力而损害VCSEL的可靠性。在VCSEL的前刻面上的透镜材料也可能改变VCSEL的前镜的发射率，这要求VCSEL的重新设计。
将透镜作为含有VCSEL的封装件或者组件的一部分允许使用具有气隙的较长焦距的透镜元件。但是，利用在VCSEL与光纤之间的透镜的光学封装件或者组件的一个缺点是需要对准VCSEL、透镜和光纤。将透镜对准到管芯上的VCSEL通常需要精密仪器，并且可能是耗费时间的，并因此是昂贵的工艺。因而要寻求降低了有关将VCSEL与透镜相结合的成本的结构和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，晶片级器件制造工艺在晶片上的多个VCSEL上形成凸立结构。凸立结构可以被成形以保持球透镜或者其他用于各自的VCSEL的光学元件，并且对准至在晶片处理所达到的精度。例如，光刻工艺可以形成诸如光刻胶的聚合物材料、绝缘材料、半导体材料或金属的凸立结构。可以在芯片级封装工艺或者在晶片级工艺期间，将球透镜安置在凸立结构上。可以在球透镜被安置在凸立结构上之前或者之后，对凸立结构应用粘接剂。粘接剂然后可以被固化。
根据本发明的另一个方面，晶片级器件制造工艺在晶片上形成包括透镜的结构。晶片级工艺从而精确地将透镜与激光二极管对准。一种晶片级工艺将透镜晶片附接到激光器晶片上的凸立结构或支座上。可以在将透镜晶片接合到激光器晶片之前或者之后，在透镜晶片上形成折射或衍射透镜。另一种晶片级工艺形成覆盖在激光二极管的发射区域上方的支座结构，并在支座结构上形成折射或衍射透镜。可以使用牺牲层在透镜下方提供气隙。具体地说，牺牲层可以被形成到激光二极管的发射区域之上，然后在透镜形成之后被去除，以建立在激光二极管与上面的透镜之间的间隙。可以使用多种技术在激光晶片上形成透镜，这些技术包括但不限于模塑(molding)或者复制工艺、印刷方法以及在通过光刻形成的区域的回流过程中的表面张力。
本发明的一种具体实施例是一种器件，包括含有激光二极管的管芯；被附接到管芯上并围绕发射区域的凸立结构，其中来自激光二极管的光束通过所述发射区域从管芯发出；和被附接到凸立结构上并至少部分地驻留在由凸立结构界定的腔中的球透镜。
本发明的另一种实施例是一种器件，包括含有激光二极管的衬底；被附接到衬底上的凸立结构；和被形成在凸立结构上并覆盖在发射区域上方的透镜，其中来自激光二极管的光束通过所述发射区域从衬底发出。衬底可以是被划分为独立的管芯之前的晶片，也可以是分割之后的管芯。
本发明的另一种实施例是用于制造具有透镜的激光二极管的工艺。该工艺包括在晶片上制造多个激光二极管；在晶片上形成凸立结构，其中凸立结构界定了多个腔，所述多个腔以激光二极管的各自的发射区域为中心；以及将透镜附接到凸立结构上。透镜中的每个至少部分地驻留在所述腔中的相应的一个中，并因此被自对准到相应的激光器。
根据本发明另一种实施例的工艺包括在一个晶片上制造多个激光二极管；在该晶片上形成凸立结构；以及制造覆盖在凸立结构上方的透镜。
图1示出了根据本发明实施例的含有具有用于透镜的凸立结构的多个半导体激光器的晶片的一部分。
图2示出了根据本发明实施例的具有所附接的球透镜的半导体激光器芯片的立体图。
图3图示了根据本发明实施例的系统，该系统使准直或调节光信号的束分布，以改善用于将光信号耦合到光纤端口中的对准公差。
图4A、4B、4C和4D图示了根据本发明实施例的在透镜晶片上形成透镜阵列的工艺，其中所述透镜晶片被附接到在含有激光二极管的晶片上的凸立结构上。
图5A、5B和5C图示了根据本发明实施例的在覆盖于激光二极管上面的支座上形成透镜的晶片级工艺。
图6A、6B、6C和6D图示了根据本发明实施例的去除牺牲层以在激光器晶片与通过复制工艺形成的透镜之间建立气隙的晶片级工艺。
图7A、7B和7C图示了根据本发明实施例的去除牺牲层以在激光器晶片与通过喷墨印刷形成的透镜之间建立气隙的晶片级工艺。
图8A、8B和8C图示了根据本发明实施例的去除牺牲层以在激光器晶片与通过回流工艺形成的透镜之间建立气隙的晶片级工艺。
在不同的附图中使用相同的参考标号指示类似或者等同的项目。
具体实施例方式
根据本发明的一个方面，用于制造半导体激光二极管的晶片级工艺可以建立用于对准光学元件的结构。光学元件可以在晶片级或者管芯级上被附接到独立的激光二极管或者形成到独立的激光二极管上方。
图1图示了本发明的一个实施例，其中已经在晶片100中和晶片100上形成了多个激光二极管110。在本发明的示例实施例中，各个激光二极管100是可以使用公知的半导体处理技术形成的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。例如，题为“High Speed VCSEL”的美国专利No.6,658,040描述了适合的激光二极管的一个具体示例，但是更一般地，本发明的各方面可以被应用于从晶片表面发射光束的任何激光二极管结构。
每个激光二极管110包括用于电连接的接合焊盘112和通过其发出光束的发光区域114。划片线102分隔激光二极管110，并允许将晶片100切割成独立的管芯的锯割、划片或者其他处理，而不破坏激光二极管110。
凸立结构120A、120B、120C和120D(这里总称为结构120)围绕将要被提供透镜的每个激光二极管110的各自的发光区域114。凸立结构120A、120B、120C和120D在图1中是互相不同的，以便图示结构120的一些适合的几何结构，但是更一般地，对于制造基本同样的器件的工艺，晶片100上的全部结构120可以都是相同的。
图1中的凸立结构120A是环形的，并以相应的激光二极管110的发射区域114为中心。凸立结构120A的内径、宽度和高度一般将依赖于要被附接到激光二极管110上方的透镜的尺寸和光学特性，并且可能还依赖于凸立结构120A中所使用的材料，以及依赖于形成到激光二极管110的电连接的技术和结构。在其中透镜是直径300μm的球透镜的本发明的示例实施例中，凸立结构120A可以由诸如聚酰亚胺、cyclotene、环氧树脂或者光刻胶之类的聚合物材料制成，并且具有约60到80μm的内径，约20到40μm的宽度，以及约20到60μm的高度或厚度。适合的聚合物材料的一个例子是由Arch Chemical制造的Durimide 7520。另一种可能的聚合物材料是MicroChem公司的SU-8。两种聚合物材料都可以通过旋涂被施用，并通过光刻方法被图案化。
凸立结构120B、120C和120D类似于凸立结构120A，但是具有穿过各自的环形壁而形成的一个或多个开口122。在用粘接剂将透镜附接到结构120上的实施例中的开口122可以帮助控制空气/粘接剂的流动。具体地说，一种附接工艺在将球透镜安置在结构120上之前，在结构120上涂覆光学透明的粘接剂。为了最佳的光学性能，诸如不规则空气-粘接剂界面之类的不均匀性应从激光束的光路中排除。因此，在球透镜与激光二极管110之间的结构120中所形成的腔优选地用空气或者用透明粘接剂填充，并且当粘接剂处于光路中时，应当避免粘接剂中的气泡。开口122有助于用粘接剂填充结构120中的腔，而不截留空气或者气泡。在填充腔的粘接剂直接在激光二极管110的活性表面上的实施例中，优选的是不引入明显的界面应力的诸如硅酮的粘接剂。
在激光器110与透镜之间提供气隙的另一种附接工艺中，开口122防止被截留的空气的热膨胀破坏透镜附接。结构120中的开口122的尺寸和数量可以被选择为最适合于所使用的具体附接工艺。
如上所述的被图示的凸立结构120主要是环形的，当球透镜被安置在这样的结构120上时，球透镜的就座提供了球透镜到下方的激光二极管110的自动对准。当连同形状适合于配合在凸立结构120所建立的开口中球透镜或者另外的光学元件使用时，凸立结构120的其他几何结构也可以提供自动对准。例如，距激光二极管110的发光区域114距离相等的等高的三个或更多个柱可以将球透镜保持在适当的对准中，并且这样的柱可以具有多种形状，包括但不限于图1中所示的环的段。
如上面所提及的，凸立结构120可以从多种材料形成，包括聚合物、金属和绝缘体。在使用诸如光刻胶的聚合物的本发明的实施例中，凸立结构120的制造首先是在已经在其上制造了激光二极管110的晶片上旋涂一层诸如SU-8的光刻胶。光刻胶层的厚度根据凸立结构120的希望的高度来选择，并对于本发明的示例实施例，可以是大约20到60μm。然后，传统的光刻工艺可以将光刻胶层曝光给适当波长的光图案，然后对光刻胶显影，以留下形成凸立结构120的光刻胶区域。如果希望的话，光刻胶区域可以被烘干或者以其他方式硬化，以提高凸立结构120的耐久度。
凸立结构120的另外的实施例可以含有聚合物之外的其他材料。具体地说，可以使用电镀工艺形成金属凸立结构120。对于这样的工艺，可以在晶片100上沉积包括铬的粘接层以及金的顶层的种子涂层。在种子层上随后形成的光刻胶模塑层包括开口，这些开口暴露了与凸立结构120相对应的区域中的种子层。然后，电镀工艺可以用诸如镍的金属将被暴露的区域镀至希望的厚度，例如20和60μm之间。然后，光刻胶层和种子层的未被镀的部分被去除，以留下金属凸立结构120。
图2示出了按照本发明实施例的附接有球透镜230的器件200。器件200包括与图1的晶片100上的激光二极管110中的一个相对应的管芯210。球透镜230可以是诸如塑料、玻璃或蓝宝石的光学材料的球体，其具有某个直径和折射率，该直径和折射率被优选地选择以使准直或聚焦来自下方的激光二极管的输出光束。可以在安置球透镜230之前，使用传统的引线接合技术，将用于电连接的引线250附接到接合焊盘112上。然而，低轮廓(low profile)或矮环(short loop)引线接合是优选的，以防止接合引线250干扰球透镜230的放置。例如，在球透镜230具有约300μm的直径，并且凸立结构120具有约38.5μm的高度和约65μm的内径的实施例中，接合引线250优选地在球透镜230之下的管芯21的表面上方延伸小于150μm。
球透镜230依靠在凸立结构120上，并且可以用诸如硅酮的粘接剂被胶合到位。如上面所提到的，光学透明的粘接剂可以填充球透镜230与下方的激光二极管之间的腔。或者，粘接剂(未示出)可以围绕球透镜230和/或盖在凸立结构120顶上，留出在球透镜230与下方的激光二极管之间的气隙。
另一种可替换的附接工艺首先用聚酰亚胺涂覆晶片100，然后用诸如由Shipley制造的Microposi S1822之类的正性抗蚀剂涂覆。聚酰亚胺层从而可以是非可光成像的。光刻工艺然后图案化光刻胶层，以形成掩模，并使用光刻胶掩模图案化聚酰亚胺。得到的凸立结构120包括被光刻胶盖在顶上的聚酰亚胺基底。然后在晶片100被切割成管芯之前或者之后，球透镜230被放入到凸立结构120中，并且在聚酰亚胺顶上保留的光刻胶被加热以回流，并永久地将球透镜230保持或附接到凸立结构120上。
上述用于将球透镜230附接到相应的凸立结构120上的工艺通常可以在晶片级或者管芯级上进行。当应用粘接剂时，引线接合之后的管芯级附接工艺可以是优选的，以防止过量的粘接剂干扰引线接合。当用光刻胶的回流附接透镜时，晶片级工艺可以是优选的，除非所附接的透镜将干扰管芯分隔或者引线接合工艺。
界定凸立结构120的形状和位置的光刻工艺将凸立结构120对准到激光二极管110，并且球透镜230在凸立结构120的腔中的配合将球透镜230对准到凸立结构120。此外，球透镜230的球对称免除了控制球透镜230的方向的需要。从而，该附接工艺相对简单并廉价，并且提供了高精度的对准(例如以小于约4μm的公差对准)图3图示了系统300，其中来自根据本发明实施例的光源310的光信号被耦合到与光端口320相关联的光纤326中。系统300例如可以是用于在光纤网络上传输数据的通信系统的一部分，或者CD或DVD播放器或驱动器的一部分。
光学系统310包括被附接到头312上的VCSEL管芯210。头312可以是印刷电路板或者机械支撑结构。接合引线或者其他结构(未示出)可以将VCSEL管芯210电连接到头310或者其他电路系统(未示出)上。粘接剂240将球透镜230附接到围绕管芯2l0上的激光二极管的发射区域的凸立结构120。来自激光二极管的输出光束通常以作为激光二极管特性的一个角度发散。球透镜230降低了输出光束的发散，并优选地具有使得输出光束变得准直的光学特性(例如，焦距)。球透镜230与激光二极管的发光区域的间隔被控制以影响准直光束或适当的聚焦距离。
在所图示的实施例中，光端口320包括诸如玻璃板322的光学元件，在其上例如通过聚合物区域的回流、喷墨印刷或模塑，形成有汇聚透镜324。汇聚透镜324将来自球透镜230的准直光束聚焦到光纤326的一端。或者，玻璃322和透镜324可以被去除，并且球透镜230可以将光束聚焦到光纤326上。
从源310的发散的降低(或者理想地被准直)放宽了系统300中的公差。具体地说，可以在源310与端口320之间的间隔的更广的范围上获得来自源310的光能的有效耦合。
根据本发明的另一个方面，透镜可以被形成在激光二极管的上方，而不是被分别地形成并附接到激光器晶片上。可以使用多种透镜形成技术来形成晶片激光器上方的透镜，这些技术例如有模塑或复制工艺、印刷方法以及在通过光刻形成的区域的回流期间的表面张力。这样的透镜通常当气隙或者其他间隔是在激光二极管与各自的透镜之间时能够最佳地工作。
图4A、4B和4C图示了图4D中所图示的器件460的制造工艺。器件460包括半导体管芯405中的激光二极管410的发射区域上方的透镜450。支座430和透明板445支撑透镜450，并在激光二极管410与透镜450之间提供间隔。该间隔包含在激光二极管410与板445之间的气隙，并因此避免了可能与在激光二极管410前刻面处的材料界面相关联的可靠性的问题。该间隔还使得可以使用具有更容易获得的焦距的透镜450，并得到了其后到焊盘420的引线接合的空间。
器件460的制造工艺可以开始于如图4A所图示的含有多个激光二极管410的晶片400的制造。在本发明的示例实施例中，各个激光二极管410是VCSEL，具有与VCSEL的发射区域相邻近的接合焊盘420。可以使用用于制造VCSEL的公知的晶片处理技术来制造晶片400。
光刻工艺可以在晶片400上形成支座430，如图4B所示。在示例实施例中，支座430由可光成像的聚酰亚胺或者诸如SU-8的光刻胶材料制成，但是也可以使用其他材料，例如金属、半导体或者绝缘体。为了形成支座，可以在晶片400上将希望的材料沉积到根据支座430的希望高度选择的厚度，例如在10到100μm的范围内。在曝光给希望的光图案并显影之后，支座430围绕将被提供透镜450的每个激光二极管410。支座430可以具有图1的凸立结构120的任何构造，或者可以简单地是接近激光二极管410的任何形状的柱。
透镜晶片440被接合到支座430的顶部，如图4C所示。透镜晶片440优选地是薄晶片(例如，大约0.5mm到1.5mm厚)，其材料是诸如玻璃或石英之类的对从激光二极管410发射的光的波长透明的材料。透镜晶片440可以通过旋涂涂覆透明粘接剂材料到透明晶片表面上而被接合到支座430上。
在将透镜晶片440接合到支座430上之前或者之后，透镜450被形成在透镜晶片440上。如果透镜450在晶片接合之前被形成在透镜晶片440上，则需要对准的晶片接合工艺将透镜晶片440上的透镜450对准到激光器晶片400上的各自的激光二极管410。
多种技术可以被用于在透镜晶片440上制造透镜450。一种技术通过光刻图案化光刻胶层以建立在各自的激光二极管410上方的光刻胶区域，并加热这些光刻胶区域，直到这些区域充分地融化，使得表面张力建立弯曲的透镜表面，这样来形成透镜450。或者，印刷工艺(例如，喷墨印刷)或模塑工艺(例如，如M.Gale，“Replicated Diffractive Optics andMicro-Optics”，Optics & Photonics News，2003年8月所描述的)可以在透镜晶片440上形成透镜450。也可以通过由C.David，“Fabrication OfStair-Case Profiles With High Aspect Rations For Blazed Diffractive OpticalElements”，Microelectronic Engineering 53(2000)677～680以及美国专利No.6,670,105所描述的方法形成衍射透镜。
除了在激光器410与各自的透镜450之间建立气隙之外，支座430还提供了空间，该空间允许沿着划片线442锯割透镜晶片440以及沿着划片线402锯割激光器晶片410。如图4D所示的如此分隔的各个器件460上的接合焊盘420可以用于引线接合。
图5A、5B和5C图示了用于制造根据本发明另一个实施例的器件560(图5C)的工艺。该制造工艺开始于图4A的激光器晶片400，并直接在各自的激光二极管410上形成支座530。传统的光刻工艺可以形成诸如聚酰亚胺或SU-8之类的光学透明材料的支座530，其厚度足以提供在激光二极管410与透镜550之间的希望的间隔。透镜制造工艺直接在支座530上形成折射或衍射透镜550，如图5B所示，使得不需要透镜晶片的接合。在示例实施例中，非接触喷墨印刷方法可以被用于形成透镜550。在该方法中，液体UV(紫外线)可固化材料可以被喷射到凸立结构530的顶部。液体将流过凸立结构530的顶部，但是被表面张力保持在凸立结构530的边缘。表面张力还将建立UV可固化材料的球形表面。液体材料的固化形成了固体折射透镜550。在透镜形成之后，晶片400的锯割分离出如图5C所图示的单个的器件560。
图5A到图5C的支座530与图4B的支座430的不同在于支座530在激光二极管410的前刻面上方，并且具有至少与透镜一样大的面积。因此，器件560不具有在激光二极管410的前刻面之上的气隙。通过选择使应力最小化的支座材料和/或使用激光二极管410的较低的工作温度，与激光二极管前刻面处的界面应力相关的担忧可以被解决。
图6A到图6D图示了使用牺牲层630的制造工艺，该牺牲层630可以被去除以在激光二极管410与各自的透镜640之间建立气隙。如图6A所图示，该制造工艺开始于在图4A的激光器晶片400上形成被图案化的牺牲层630。牺牲层630可以由具有对于支座的高度所希望的厚度的光刻胶材料形成，并在希望有支座的区域具有开口632。
诸如UV可固化环氧树脂的材料的透镜层640被沉积，以填充牺牲层630中的开口632，并进一步填充至到牺牲层630上方的足够用于模塑工艺的厚度，例如大约200μm厚。如图6B所示，透镜层被图案化以建立在各自的激光二极管410上方的间隔区域，并暴露牺牲层630的在激光二极管410的电触点420上方的部分。透镜层640的伸进开口632的部分将形成透镜的支座。
然后，复制工艺可以按照要求模塑透镜层640的上表面，以形成折射或者衍射透镜。如图6B所示，晶片大小的模板(mold)650可以应用于透镜层640，以按照要求对透镜层640成形，以形成希望的透镜表面。通常，复制工艺可以使用多种技术来在透镜层640上印制希望的轮廓。一种技术是热模压工艺，其将模板650加热到足够透镜层640形变的温度，然后将透镜层640冷却，以保留所模压的形状。或者，可以当透镜层640处于可塑的未固化状态时应用模板650，并当模板650到位时，通过固化(例如，使用UV固化)固化透镜层640。图6C示出了移除模板650之后的结构。
选择性刻蚀可以去除牺牲层630，并留下包括支座642和透镜体644的透镜层640，如图6D所示。图6A到图6D的工艺是在透镜层640上形成透镜表面之后去除牺牲层630，但是处理步骤的顺序可以变化。从透镜层640的在开口632中的部分形成的支座642支撑透镜体644，同时提供了在激光二极管410与各自的透镜体644之间的气隙。传统的锯割或其他工艺可以将激光器晶片400切割成单个的管芯(未示出)。
图7A到图7C图示了另一种工艺，该工艺在透镜制造期间使用牺牲层630用于支撑，并去除牺牲层630以建立气隙。图7A到图7C的工艺可以开始于图6A的结构，该结构包括在其上已经如上所述地形成了牺牲层630的激光器晶片400。然后，透镜支撑层740被沉积，以填充牺牲层630中的开口632，并在牺牲层630上方伸出希望的高度。透镜支撑层740可以由聚酰亚胺、SU-8或者这样的任何其他材料制成，这些材料光学透明，并允许选择性地刻蚀去除牺牲层630而透镜支撑层740基本上保持完好。如图7A所示，透镜支撑层740可以被图案化以暴露牺牲层630的用于随后的去除牺牲层630的选择性刻蚀工艺的部分。图7B示出了在去除牺牲层630之后剩余的透镜支撑层740，包括支座742和支撑区域744。
透镜形成工艺在透镜支撑层740的顶部上形成透镜750，如图7C所示。在本发明的示例实施例中，诸如喷墨印刷的印刷操作按照要求在支撑区域744上沉积透镜材料，以建造透镜750。UV可固化材料的喷墨印刷可以如上面关于图5A到图5C的工艺所描述的那样进行。由于印刷工艺并不对支撑区域744施加显著的热量或者压力，所以可以在去除牺牲层630之后使用这种技术来制造折射透镜750。然而，处理步骤的其他顺序也是可以的。
图8A到图8C图示了使用牺牲层630的另一种器件制造工艺。本发明的该实施例可以开始于如图6A所示的上面具有牺牲层630的激光器晶片400的制造。然后，诸如聚酰亚胺或SU-8之类的材料的透镜支撑层840被沉积，以填充牺牲层630中的开口632，并覆盖在牺牲层630上方。如图8A所示，透镜支撑层840可以使用光刻胶掩模850被图案化，以暴露牺牲层630的一些部分。同样的工艺可以被用于图案化图7A的透镜支撑层740，但是对于图8A到图8C的工艺，在透镜支撑层840的暴露部分被去除之后，光刻胶掩模850被留在透镜支撑层840上，而不是被剥离。
如图8B所示，牺牲层630被去除，以留下掩模850和包括支座842与透镜支撑区域844的透镜支撑层840。形成掩模850的光刻胶材料应与形成牺牲层630的光刻胶材料不同，以避免在去除牺牲层630的过程中掩模850被去除。本发明的一个实施例使用诸如来自Futurex的NR9-8000P的负性抗蚀剂材料作为牺牲层630，使用来自Arch Chemical的Durimide100作为支座材料840。诸如来自Shipley的S1822的正性光刻胶可以被用作掩模850，以图案化和显影支座材料840。在支座材料840被图案化之后，来自Futurex的负性抗蚀剂的剥离剂RR4可以去除牺牲层630。
在去除牺牲层630之后，可以通过将掩模850加热到掩模850的区域液化的温度，在透镜支撑区域844上形成透镜855。然后，表面张力建立了凸透镜轮廓，该轮廓在掩模850冷却之后被保留下来。
虽然已经参考具体实施例描述了本发明，但是这些描述仅是本发明的应用的示例，而并不应被看作是限制。具体地说，使用图4A到图4D、图5A到图5C、图6A到图6D、图7A到图7C或图8A到图8C的任何方法制造的光束源都可以被用来代替图3中的光束源310，并用在更高级别的系统中，诸如用在光通信系统、CD或DVD驱动器或播放器或者其他使用光信号或激光束的系统中。所公开的实施例的特征的各种其他的改变和组合组在由所附权利要求所定义的本发明的范围内。
权利要求
1.一种器件，包括含有激光二极管的管芯；凸立结构，所述凸立结构被附接到所述管芯上并围绕发射区域，来自所述激光二极管的光束通过所述发射区域从所述管芯发出；和球透镜，所述球透镜被附接到所述凸立结构上，并至少部分地驻留在由所述凸立结构界定的腔中。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述激光二极管被制造在所述管芯的前面上，并且所述凸立结构在所述管芯的所述前面上。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，气隙驻留在所述球透镜与所述发射区域之间的腔中。
4.根据权利要求1所述的器件，还包括将所述球透镜附接到所述凸立结构上的粘接剂。
5.根据权利要求4所述的器件，其中，所述粘接剂填充所述球透镜与所述发射区域之间的所述腔。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述凸立结构包括基本上是环形的壁。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，所述壁包括一个或多个开口。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述凸立结构与所述球透镜的接触表面基本上是圆形的，使得将所述球透镜自对准到所述激光二极管的所述发光区域。
9.根据权利要求1所述的器件，其中，所述凸立结构包括聚合物。
10.根据权利要求1所述的器件，还包括光纤，所述光纤被定位以在所述球透镜聚焦所述光束之后接收来自所述激光二极管的所述光束。
11.一种器件，包括含有激光二极管的衬底；被附接到所述衬底上的凸立结构；和透镜，所述透镜被形成在所述凸立结构上，并覆盖在发射区域上方，来自所述激光二极管的光束通过所述发射区域从所述衬底发出。
12.根据权利要求11所述的器件，还包括多个在所述衬底中的激光二极管，和多个被附接到所述衬底上的凸立结构；和多个被形成在所述凸立结构上的透镜，所述透镜的每个覆盖在发射区域上方，来自所述激光二极管中的相应的一个的光束通过所述发射区域从所述衬底发出。
13.根据权利要求11所述的器件，其中，所述衬底包括从晶片切割的管芯。
14.根据权利要求11所述的器件，其中，所述凸立结构包括被附接到所述衬底上的支座；和平台，所述透镜驻留在所述平台上，所述平台被所述支座支撑。
15.根据权利要求14所述的器件，其中，所述平台包括第一材料的板，所述支座包括第二材料的支柱。
16.根据权利要求15所述的器件，其中，所述第一材料是玻璃，所述第二材料是聚合物。
17.根据权利要求14所述的器件，其中，所述平台和所述支座是一体的结构的多个部分，并由共同的材料形成。
18.根据权利要求14所述的器件，其中，所述凸立结构提供了在所述激光二极管的所述发射区域与所述平台之间的气隙。
19.根据权利要求11所述的器件，其中，所述凸立结构包括被形成在所述激光二极管的所述发射区域上的支柱，所述平台包括所述支柱的顶面。
20.根据权利要求11所述的器件，其中，所述透镜具有通过模塑而成形的光学表面。
21.根据权利要求11所述的器件，其中，所述透镜具有当所述透镜中的材料是液体时被成形的光学表面。
22.根据权利要求21所述的器件，其中，所述透镜元件包括通过曝光给紫外光而被固化的材料。
23.根据权利要求23所述的器件，还包括光纤，所述光纤被定位以在所述透镜聚焦所述光束之后接收来自所述激光二极管的所述光束。
24.一种工艺，包括在晶片上制造多个激光二极管；在所述晶片上形成凸立结构，其中，所述凸立结构界定了多个腔，所述多个腔以所述激光二极管的各自的发射区域为中心；以及将透镜附接到所述凸立结构上，其中，所述透镜的每个至少部分地驻留在所述腔中的相应的一个中。
25.根据权利要求24所述的工艺，其中，每个凸立结构包括基本上是环形的壁。
26.根据权利要求25所述的工艺，其中，每个壁包括一个或多个开口。
27.根据权利要求24所述的工艺，其中，形成所述凸立结构的步骤包括沉积材料层；以及图案化所述层。
28.根据权利要求27所述的工艺，其中，所述材料是从由聚酰亚胺、环氧树脂和cyclotene组成的组中选择的。
29.根据权利要求24所述的工艺，其中，所述透镜的每个包括球透镜。
30.根据权利要求24所述的工艺，其中，附接所述透镜的步骤包括将粘接剂应用到所述凸立结构上；以及将所述透镜安置在所述凸立结构上。
31.根据权利要求30所述的工艺，其中，应用所述粘接剂的步骤包括填充所述腔。
32.根据权利要求24所述的工艺，其中，附接所述透镜的步骤包括将所述透镜安置在所述凸立结构上；以及将所述凸立结构加热到一个温度，在所述温度，所述凸立结构中的材料粘接到所述透镜上。
33.根据权利要求24所述的工艺，还包括切割晶片以分离多个管芯，每个管芯包括所述激光二极管中的至少一个和所述凸立结构中的至少一个。
34.根据权利要求33所述的工艺，其中，附接所述透镜步骤在所述晶片的切割之后进行。
35.一种工艺，包括在第一晶片上制造多个激光二极管；在所述第一晶片上形成凸立结构；以及制造覆盖在所述凸立结构上方的透镜。
36.根据权利要求35所述的工艺，还包括将第二晶片附接到所述凸立结构的顶面，其中，所述透镜被制造在所述第二晶片上。
37.根据权利要求35所述的工艺，其中，气隙驻留在所述激光二极管与所述第二晶片之间。
38.根据权利要求35所述的工艺，其中，形成所述凸立结构的步骤包括在所述第一晶片上形成第一层，其中，所述第一层包括多个开口；沉积第二层，所述第二层填充所述第一层中的所述开口，并覆盖在所述底层的顶面上方；以及去除所述第一层，以留下所述第一层的形成所述凸立结构的部分。
39.根据权利要求38所述的工艺，其中，每个凸立结构包括覆盖在所述激光二极管的相应的一个的发射区域上方的透镜支撑区域；和支座，所述支座支撑所述透镜支撑区域，并邻近所述发射区域在所述第一晶片上。
40.根据权利要求35所述的工艺，其中，每个凸立结构包括覆盖在所述激光二极管的相应的一个的发射区域上方的透镜支撑区域；和支座，所述支座支撑所述透镜支撑区域，并邻近所述发射区域在所述第一晶片上。
41.根据权利要求40所述的工艺，其中，制造所述透镜的步骤包括在所述透镜支撑区域上形成所述透镜。
42.根据权利要求35所述的工艺，其中，形成所述凸立结构的步骤包括形成覆盖在所述激光二极管的发射区域上的支柱，其中，所述透镜被制造在所述支柱的顶面上。
43.根据权利要求35所述的工艺，其中，制造所述透镜的步骤包括沉积透镜材料层；以及对所述层应用模板，以将所述模板的表面复制到所述层上。
44.根据权利要求43所述的工艺，还包括将所述模板加热到一个温度，所述温度使得所述层与所述模板的轮廓一致。
45.根据权利要求43所述的工艺，其中，应用所述模板的步骤包括当所述层处于未固化状态时对所述层应用所述模板，并且所述工艺还包括固化所述层，使得所述层保留了所述模板的所述表面。
46.根据权利要求45所述的工艺，其中，所述固化包括紫外线固化。
47.根据权利要求35所述的工艺，其中，制造所述透镜的步骤包括光可固化聚合物的喷墨印刷。
48.根据权利要求35所述的工艺，其中，制造所述透镜的步骤包括在覆盖在所述激光二极管的发射区域上方的表面上形成透镜材料区域；以及将区域加热到一个温度，在所述温度，所述透镜材料的表面张力建立了弯曲表面。
全文摘要
本发明提供了一种具有集成透镜的垂直腔表面发射激光器和制造工艺。晶片级器件制造工艺形成围绕多个VCSEL的发射区域的凸立结构。凸立结构可以被成形以保持球透镜或者其他用于各自的VCSEL的光学元件，或者可以包括在其上形成光学元件的平台。在芯片级或者晶片级工艺中被附接到凸立结构上的球透镜配合到凸立结构中，并被自动对准。光学元件的晶片级制造可以以与光刻工艺相关的精确度对准光学元件。可以使用模塑或者复制工艺、印刷方法或者在通过光刻形成的区域的回流过程中的表面张力，形成光学元件。
文档编号H01S5/00GK1722553SQ200510051600
公开日2006年1月18日 申请日期2005年3月7日 优先权日2004年3月5日
发明者达·库·王, 弗兰克·Z·Y·胡, 安妮特·G·格罗特 申请人:安捷伦科技有限公司