光學耦合至ic芯片的制作方法

文檔序號：2725774閱讀：366來源：國知局

專利名稱：光學耦合至ic芯片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及一種光信號的耦合入與耦合出IC芯片。
技術背景半導體的制造技術朝向找出能在同一芯片中結合電信號與光信號的方式發(fā)展。組合該兩項技術的推力部分是因為光信號本身相較于電信號較有先天的優(yōu)勢，這是就將信息分布于整個IC芯片以及就芯片之間溝通而言。可能是一些早期商業(yè)實施中的"種應用包括利用光信號來分布時鐘信號于一個非常大的IC芯片中，例如一微處理器。這是「大]為光信號的典型特征在于具有一較小的歪斜(skew)，且其較不能接受顫動以及其它電信號所要變換成的信號的失真，尤其是在現(xiàn)今考慮作為IC芯片設計的納米等級。以一種商業(yè)可用且涉及具有競爭性的制造成本的方式來將光信號送入或送出IC芯片乃是該產業(yè)如今所面對的一種挑戰(zhàn)。在此所述的一些實施例將提出一些對于此項挑戰(zhàn)的解決方案。發(fā)明內容整體而言，在一方案中，本發(fā)明的特征在于一光電電路，其包括一 IC 芯片，其包含一基材，且基材中制作有一光波導與一鏡子，且該基材上具有一第一鏡片形成于其上，其中該鏡子與該光波導相對準，且該第一鏡片(lens) 與該鏡子相對準，以形成一連接該第一鏡片、該鏡子、以及該光波導的光路徑;以及一光耦合器，其包括一第二鏡片，且該光耦合器被固定至基材上，且被定位成使該第二鏡片與該第一鏡片相對準，以將一光信號耦合入或耦合出該IC 芯片內的光波導。
其它實施例包括下列特征的其中之一或多者。該基材也包括一制造于其中的微電子電路。該光耦合器由一相對于該光信號的波長透明的材料所制成。該第二鏡片為該光耦合器整個形成的一部分。該微電子電路被制造在該基材中的一第一層，而該光波導與該鏡子被制造在該基材中的一第二層，且第二層在該基材內而位于該第一層下方。該基材具有一背側，且該第一鏡片形成在該基材的該背側上。該光耦合器被固定至該基材的背側或前側?；蛘撸摰谝荤R片形成在該基材的前側上。在該例中，該IC芯片還包括一反射區(qū)，其形成在該基材的該背側上，該第一鏡片、該反射區(qū)以及在該光波導中的該鏡子，沿著該光路徑而相對準，且該反射表面位于該第一鏡片與該鏡子之間。該光電電路也包括一連接至該光耦合器的光纖，其中該光耦合器、在該基材的背側上的第一鏡片、以及該鏡子一起光學地耦合該光纖與該光波導。一些其它實施例也包括一或多個以下特征。該第一與第二鏡片界定一光軸，且其中該光耦合器包括一鏡子與一耦合表面，該耦合表面抵接該光纖，且其中該光纖橫向對準該光軸。該耦合器包括一具角度的表面與一沉積在該具角度表面上的金屬膜，以形成該在該光耦合器中的鏡子。該光耦合器包括一安裝結構。該安裝結構包含-管狀延伸物，其環(huán)繞并遠離該在該光耦合器中的第二鏡片而延伸，且其末端界定有一平坦表面抵靠IC芯片的平坦表面。包括一體成形的第一鏡片的該光耦合器由玻璃(例如模制玻璃)或模制塑料所制成。該光電電路還包含一環(huán)氧樹脂或一金屬化物，用以將該光耦合器黏結至該基材。該基材由硅制成。該基材還包含一基座，其遠離該背側而延伸，且在基座的一末端上形成該第一鏡片。該光電電路還包含一芯片載架和/或一 AR膜，該IC 芯片以倒裝芯片方式裝設在該芯片載架上該AR膜沉積在該光耦合器中的該第二鏡片上。該光電電路還包含一AR膜，此膜沉積在該第一鏡片上。一些其它實施例還包括一或多個以下特征。其中該光耦合器包括一圓柱形延伸部，且該耦合表面位于該圓柱形延伸部的其中一端。該光纖呈熔融迭接在該耦合表面上。該第一鏡片經由蝕刻該基材而形成。該鏡子定向成相對于光軸約45度角。該第一鏡片為一對焦鏡片，其定位成將所接收到的已準直光束，對焦至該光波導中。該第二鏡片為一準直鏡片，其用以將所收到的光束加以準直，并將己準直的光束送至該第一鏡片。該光耦合器包括一整合式光源。該光源包含一激光，其產生該光信號，還有一轉向鏡，其將來自該激光的該光信號
轉向至該第二鏡片?？蛇x地，該光電電路還包含一光源，其裝設在該光耦合器上，其中在操作期間，該光源會產生該光信號。大體上，在另一方面，本發(fā)明特征在于一種光電電路，其包含一IC芯片，其包含一基材，基材中制作有一光波導陣列與一鏡子陣列，且該基材具有一第一鏡片系統(tǒng)形成于其上，其中該鏡子陣列的每一鏡子與該光波導陣列的一相對應的不同光波導相對準，且該第一鏡片系統(tǒng)與該鏡子陣列相對準，以形成一連接該第一鏡片系統(tǒng)、該鏡子陣列以及該光波導陣列的光路徑陣列；以及一光耦合器，其包括一第二鏡片系統(tǒng)，且該光耦合器被固定至基材上，且被定位成使該第二鏡片系統(tǒng)與該第一鏡片系統(tǒng)相對準，以將一光信號耦合入或耦合出該位于該IC芯片中的光波導陣列。其它實施例包括一或多個以下特征。該第一鏡片系統(tǒng)為一第一鏡片組件陣列，該第二鏡片系統(tǒng)為一第二鏡片組件陣列。該第一鏡片組件陣列的每一鏡片組件與該第二鏡片組件陣列的一相對應不同鏡片組件相對準。該第二鏡片組件陣列為該光耦合器整個形成的一部分。該基材具有一背側，該第一鏡片組件陣列形成在該基材的該背側上。該光耦合器被固定在該基材的該背側。在此所述的光耦合組態(tài)包括在IC結構外部以及整合至IC結構兩者的光組件。其提供一由光源或光纖至該IC波導的光耦合。同樣地，相同光耦合組態(tài)用以提供一由IC波導至一外部波導或不同IC的波導的光耦合?？梢灾圃煲环N包括一接引有光纖的準直鏡片安裝結構次組合的光耦合組態(tài)，也稱之為"表面安裝光耦合器(Surface Mount Optical Coupler)"或"SMOC"，其成本相當?shù)?，且可調整尺寸以供對IC制造的高容量光耦合，且可與光學設計兼容以耦合至具有本揭露所述IC耦合光學的IC波導上。在此所述的一些觀念可用來設計該光耦合對準與附接程序，其與利用倒裝芯片自動組裝設備的表面安裝組合的電子工業(yè)自動化組裝程序設備兼容。同樣地，有些SMOC的特定實施例有可能在次組合的光耦合上作各種變更，其可以大大地補償該SMOC相對于IC背側鏡片的橫向位移。這樣的補償需要該光束在該SMOC的輸出上并沒有完美地準直，因而在光纖與波導處的圖像部位的光束傾角與定位誤差，可以經由SMOC的橫向位移而受到補償。愈小準直的光束，SMOC所需要的用以補償該光學系統(tǒng)的其它組件中的橫向傾斜與定位誤差的位移就愈小。因而需要作一仔細的分析，用以決定一吻合該系統(tǒng)所要的
容忍度范圍的最佳非準直或光束分散/收斂。在該例子中，該SMOC的設計與組裝處理方法可以確保不會發(fā)生該SMOC相對于IC光學的傾斜而降低光耦合之事。這些在此所述的優(yōu)點，當組合在一起時，即可得到一就光耦合至IC而言為高容量的生產解決方案。利用兩個鏡片，其中之一在耦合器上且另一個在IC上，將因為較大的光束直徑而可以有較大的定位容忍度，也即介于在進入IC波導的"對焦鏡片" 與來自光纖的"準直用鏡片"之間的該多個已準直或假準直光束。光耦合對準容忍度就400pm光束直徑而言約20nm，且可預期得到就100nm光束而言，將是5jam。此外，通過在晶圓級制造中將對焦鏡片整合至IC，將可以減少材料單(Bill of Materials, BOM)和這鏡片的組合對準及附接成本。選擇一具有較小直徑的準直光束，將可以得到一較短的光列長度，以及較小的IC背側散熱座(heat sink)上所占面積。這樣從光學觀點來看也具優(yōu)點，因為該對焦鏡片相對于IC波導有較近的接近(部份是因為IC晶圓薄化因素)，而這也產生了一小于一般(傳統(tǒng)光電裝置是400 80(Vm)的已準直光束直徑。至少在此公開的一些所述實施例提供一種用以光耦合至位于整合芯片中的光波導的手段，其具有低的組件制造成本，且具有一兼容于高容量生產組裝的組合。對于一些這些系統(tǒng)而言，理論上的光耦合效率為96%。所揭露的各種設計特征一在生產環(huán)境中將可以實現(xiàn)高光耦合效率。至少一些所述系統(tǒng)的光耦合不會對光的偏極化狀態(tài)或光的波長有所敏感。因此，偏極化依附損失(polarization dependent loss, PDL)以及偏極化模式分布(polarization mode dispersion, PMD)將不會是一些所述光耦合系統(tǒng)的限制因素。同樣地，至少一些所述光耦合系統(tǒng)的性能也不會敏感于光通訊中任何波分復用(wavelength division multiplexing, WDM)組態(tài)中所用的牛寺定波長。應了解的是，用在一種至平面型波導的非平面耦合用的具競爭性光耦合組態(tài)，其中該平面型波導是基于衍射光柵或光子結晶耦合技法，將非常敏感于偏極化狀態(tài)與光的波長。該光耦合的偏極化狀態(tài)及波長依附關系，將損壞所完成的光耦合系統(tǒng)的性能。本發(fā)明的一或多個實施例的細節(jié)，將在附圖與以下的說明中作描述。至于本發(fā)明的其它特征、目的、以及優(yōu)點將由該說明與附圖以及權利要求書而相當明顯。

圖1為一被裝在IC芯片背側的SMOC的其中一實施例的示意圖；圖2為一被裝在IC芯片背側的SMOC的另一實施例的示意圖；圖3為一被裝在IC芯片背側的SMOC的另一實施例的示意圖；圖4A和4B分別顯示一 SMOC的示意圖的側視與仰視圖；圖5A為一與一 IC鏡片組和IC波導相對齊且經由環(huán)氧樹脂附著至IC、背側的塑料SMOC的截面圖；圖5B與5C顯示出圖5A中所述塑料SMOC的兩個透視圖；圖6為一通過硅一微機工藝序被制造在硅當中的SMOC;圖7A—E圖表示一用以制造光波導中的鏡片的程序的流程圖；圖8A—C顯示出另一種將光信號耦合入或耦合出IC芯片中的光波導的幾何配置；圖9為一被固定至-一 SMOC的光信號源的示意圖；圖10A圖為一用以將光耦合至該IC波導、光纖、或其它波導的激光源的 "零準位封裝"示意圖；圖10B圖為一用以將光耦合至該IC波導、光纖、或其它波導的激光源的 "零準位封裝"的另一實施例的示意圖；圖11顯示出一其中多個激光源經由一單鏡片系統(tǒng)而被耦合至該IC芯片中的多個不同光波導的實施例；圖12顯示出-一其中一陣列光源經由一相對應的單鏡片系統(tǒng)陣列而被耦合至該IC芯片中的多個不同光波導的實施例；圖13繪示一利用一衍射光柵作為轉折鏡的自由空間光學復用；圖14圖解地繪示一供光纖到戶(FTTH)被動光學網絡(PON)使用的 SMOC雙向性復用器(multiplexer)組態(tài)；圖15描繪一真空取放工具頭，其用以將該SMOC平板壓向IC的背側以進行對齊與附著處理的具有一球端致動器。
具體實施方式
結構本文描述一些實施例，其代表各種用以將光信號耦合至各已經被制造在 IC芯片上或其中的光波導的結構。大體上，在這些實施例中，對IC波導的光耦合經由將一光束(可以是一發(fā)散光束、一收斂光束、或一準直(collimated) 光束)導向至一些被制造在且整合在IC芯片(也即硅基材)的背側的硅鏡片而達成。在至少一些所述實施例中，該光束將是一實質準直的光束。接著，該多個硅鏡片會經由一位于該IC波導上的45°鏡子而將這些光束聚焦在該IC 波導中。位于該外部光學與IC光學之間的準直光束會通過干燥空氣。該準直用鏡片與該硅聚焦用鏡片兩者都具有一抗反射(anti-reflection, AR)涂層，用以使光耦合損失降低。其中一實施例被繪示在圖1中，其顯示出一IC芯片IO，此芯片經由一球狀柵格陣列(ball grid array, BGA) 14而被倒裝芯片式地裝設在一芯片載架12 上。通過使用已知的技術，例如使用一揭露在標題為"Optical Ready Wafers (光妥適晶圓)"的U.S.S.N. 10/280492中的技術，一光波導16能夠被制造在該芯片的前側。波導16可以被制造在該芯片中與其它也被制造在該芯片的前側的微電子(例如CMOS)電路(未顯示)同層的位置中；也可以是被制造在一位于該微電子電路所在層下方的一層當中。光波導16表示一種光信號分布網絡，其用以將光時鐘信號或其它光信號分布至該微電子電路，或分布來自該微電子電路的光時鐘信號或其它光信號。為簡略起見，此一光信號分布網絡被顯示成一單一光波導，然而實際i:其較可能是一用以分布該多個光信號的復雜排列光波導。在光波導16的其中一端，有-一鏡子18被制造在該波導中。鏡子18用以將一來自該芯片的背側的光信號重新導向至該波導，或者將來自該光波導的光信號重新導向出該芯片的背側。在芯片10的背側上，有一聚焦鏡片20，其被制造成一整合于該芯片的一部分。鏡片20與鏡子18相對齊。固定至芯片10的背側且與鏡片20相對齊的是一準直鏡片次組合或是表面安裝光耦合器(surface mount optical coupler, SMOC) 22。其為整合式制造而成的結構，包括有一準直鏡24; —與準直鏡24的光軸28呈45度角的鏡表面26; —短且棒狀的延伸部30，其具有一位于暴露端的平坦光表面32;以及一圓柱狀支撐或管狀延伸部34，其相對于該芯片10的背側而支撐并對齊該次組合。與該延伸部30的平坦光表面相抵接的是一光纖柔引線(pigtail) 38，其特征在于包含有一光纖芯40，且圍繞該光纖芯40的是一光纖包蓋42，此光纖包蓋42再為一保護該內結構的光纖緩沖層44所圍繞。一聚合物筒靴部(boot)46環(huán)繞該光纖柔引線38的端部以及部分延伸部30，用以提供將該組合錨定至芯片載架12的一延伸臂50的工具，并用以保護該光纖避免其在手持時受到損壞。聚合物筒靴部46經由低系數(shù)黏著物而被固定于該芯片載架的側壁。當鏡片次組合22被裝在芯片10的背側時，其準直鏡24與聚焦鏡20相對齊，且隔著一分隔彼此的中間空隙39而彼此維持一預定距離。該在IC背側上的準直鏡組合的所占面積可以維持在小到0.5至l.Omm直徑，其小到足以對該IC散熱座冷卻與局部熱控需求產生一可接受的小沖擊。在所述的實施例中，該管狀延伸部34的壁部厚到足以(例如150jim或更大)提供足夠的機械穩(wěn)定度，以穩(wěn)固地容納該光列(optical train)。該鏡片次組合安裝面為該管部34的平坦端，其是抵接該IC芯片10的背側的一環(huán)狀表面，并且共圓心地與該IC芯片背側的硅鏡片20相對齊且環(huán)繞之。在該管狀延伸部34的內側壁與硅鏡片20的外周緣之間的距離設計成允許有最佳的光耦合對齊。該管狀延伸部的平坦端，也即安裝表面，適于以環(huán)氧樹脂黏著于IC背側或是適于金屬黏著(若兩表面皆被金屬化時)。該鏡片次組合在該IC背側上的安裝占據面積緣于光學設計的本質而相當小。一來自光纖柔引線38的分散光束，會經由延伸部30的光表面32而進入準直次組合22，并觸及角鏡表面26，此角鏡表面26將該光束改向向下至準直鏡24。來自鏡片24的經準直之后的光(或實質上準直的光)會經過空隙39 并進入聚焦鏡20，聚焦鏡20經由鏡子18而將該準直光束對焦至光波導16，鏡子18將聚焦后的光束改向至光波導16。換句話說，來自光纖柔引線38的經調變的光信號，會進入該IC耦合光學 (例如鏡片20)而成為一準直光束。此一準直光束的大小被選擇成恰好其定位容忍度相對于IC光學，在可用的標準電子自動組合設備諸如倒裝芯片的定位容忍度范圍之內。例如，一直徑100^mi的準直光束在高光耦合至IC波導時會有5pm至10pm的定位容忍度。該準直光束也被選擇成小到足以最小化對 IC散熱座的影響。由于該耦合光束(也即該由準直鏡片24通到聚焦鏡片20的光束)被準直，且該光耦合對該鏡片次組合的Z軸對準(垂直于該IC背側)并不敏感，因此在該IC背側上的硅鏡片20頂部，與該準直鏡片24的表面之間，僅需要一最小的機械性間隙距離。此外，對該準直鏡片安裝結構中的光束改向90度，如
圖1所示，也減少了IC芯片背側上供光纖柔引線所需的間隙高度。在此所述實施例中，在該IC芯片背側上的鏡片組合的總高度小于2mm。當然，若鏡片24所產生的光束并不是真的準直至在一些條件下所想要的，則對于該鏡片的Z軸對準則有一些敏感。而且，如果該改向鏡26沒有使用，而是經由將該光纖柔引線38垂直定位而使來自光纖的光束直下導向準直鏡片 24的話，則將需要一大于20mm的間隙高度，以容納光纖的最小彎曲半徑。供將這些光學組件安裝至該IC上的構造被設計成一整合的組合，以減少次組合的BOM成本與組合成本。介于該鏡片次組合管狀安裝壁與該IC背側之間的黏接，提供了一介于該硅鏡片20的曝露光表面與該準直鏡片24之間的密封，進而避免其受到一些會降低光耦合的環(huán)境污染(例如灰塵、濕氣、可壓縮件、散熱座熱增加等)。若該安裝結構是模制玻璃，則其附接至IC的方法可以是一金屬性黏結，此方式可以產生一也為一密閉密封的準直光徑的環(huán)境性密封。然而，其它黏結方法也可被使用且可能更好。例如，可以使用環(huán)氧樹脂，其可避免在金屬化過程中的較高成本，且可以避免一因金屬性黏結至一薄且易碎的IC晶圓時所產生的彎曲應力所致破壞IC的危險。這些應力是因金屬接合的高模數(shù)以及在金屬融合溫度下金屬相對于IC晶圓的硅的不同收縮所造成的。在所述實施例中，準直鏡片組合22，包括鏡片24與安裝管34，由玻璃制成。玻璃有一些想要的特性，其有好的光傳輸性，其尺寸穩(wěn)定，且可使用熔合接合以銜接光纖柔引線，其可接受一抗反射涂層在其鏡片表面，且若想要金屬黏結至IC背側時可以在安裝表面上使用金屬化。此外，IC基材與準直鏡片安裝結構之間的熱膨脹差異(例如硼硅玻璃的熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion, CTE)約為3.2ppm/。C，而硅的CTE則為2.6-3.3ppm/°C )可以通過標準的電子組裝黏結程序與光電組裝程序而被調和。準直鏡片次組合22通過使用一模塑程序來被制造，以產生一更清楚地顯示于圖4A與4B圖中的形狀。模塑玻璃鏡片是一種常用的制造方法，且可以達成本實施例中的光耦合容忍度，且可改變大小以達成大量制造的較低成本需求。光纖柔引線38通過熔化接合而被附接在該模制玻璃準直鏡片與安裝組合上。熔化接合程序為一種常用的光纖處理方法，其便宜且可以達到非常低的光耦合損失(通常對于單模光纖(Single Mode Fiber, SMF)對SMF接合而言約 0.03dB插入損失)，且可以與自動化組裝程序相整合。在所述實施例中，該準直鏡片安裝結構與柔引線(也即桿延伸部30)的銜接接口與柔引線中的光纖的包層外徑有相同的直徑，且其突出該安裝結構的一側邊一足夠的距離，其允許熔合電弧熱可以觸及該熔合接口。一標準的SMF包層外徑為125i_un，其決定了圖4A—4B中所示熔合表面的直徑(也即平坦光表面32的直徑)。除玻璃外的另一種材料，例如一塑料或聚合物，也可以用來作為該準直鏡片與安裝結構。塑料具有一優(yōu)點，也即其可以更容易且更便宜地模塑成所要的形狀。圖5A—5C顯示一種與IC背側鏡片相對齊的柔引線化塑料SMOC 500。 SMOC 500最好通過塑料射出微成型技術所制成。在這些圖中，圖5A顯示出 SMOC 500的一截面圖，其繪示出一與芯片10的背側上的聚焦鏡片20相對準的光耦合路徑。SMOC 500包含被硬的止動圓柱(或間隔環(huán))510所環(huán)繞的準直鏡片518。與該鏡片518相對齊且從SMOC 500的反側延伸至SMOC 500內的是一插入式穴部520，其具有一涂覆有一反射材質(例如鋁或其它金屬)以形成一鏡子的角度底部(45度)。另一插入用穴部(也即光纖插入用穴部506) 形成于SMOC 500的…,'j壁上，且透過鏡子522與鏡片20相對準。光纖502 被固定在光纖插入用穴部506中。來自光纖502的光信號會被鏡子522所反射，并通過準直鏡片518，經過聚焦鏡片20而進入IC芯片的背側(當然，光信號也可行經相反方向，若適合的話)。用以制造SMOC 500的塑料材料可以是聚碳酸酯、例如Ulten^的聚醚酰亞胺(polyetherimide,PEI)，或是其它可射出成型塑料或熱固型塑料。這些材料都相容于薄膜蒸發(fā)與濺鍍程序，其施加一抗反射涂層于該SMOC鏡片表面；或是薄膜蒸發(fā)、濺鍍、與電鍍程序，其在SMOC轉向鏡上進行金屬化，以防止該鏡子的總內反射(total internal reflection, TIR)低落，使其免于一些例如灰塵微粒與熱油脂等的環(huán)境污染；以及其在該SMOC上作金屬化以供金屬黏結至該IC表面。在整個施加環(huán)境暴露期間，這些涂層的黏著至該塑料 SMOC以一般過程控制來確保。塑料SMOC 500相對于公知用以光耦合至單模光纖(single mode fiber, SMF)502的方法，結合了--些改進。在該SMF芯(通常為9pm直徑)對SMOC 鏡片的光軸的對準可以達到O.lpm至2pm的側向與縱深軸精準度，這是通過順從式插入該SMOC光纖插入用穴部506中而達成。在此一程序中，一特定量的具有UV固化與二次加熱固化性質的指數(shù)相匹配環(huán)氧樹脂，從一分配注射器被射入該SMOC光纖插入穴部506中。一具有125pm包層直徑的典型SMF 被剝掉護套的保護性緩沖外層涂層，且被剝開成玻璃纖維包層有一預設的突出物突出該護套。微粒與殘礫(debris)在該光纖插入SMOC之前，通過超聲波溶劑清洗而被移離該剝開光纖頭。該光纖頭被插入SMOC中的斜光纖插入穴部506中，直到該光纖頭接觸到該光纖插入穴部506的硬停止端508。隨著該光纖頭移入SMOC的斜光纖插入穴部506中，該指數(shù)相匹配的環(huán)氧樹脂504 也會流入光纖包層的側邊，而使光纖頭完全通過光纖插入穴部506的硬停止端 508。該硬停止端508與該光纖頭可以稍微有角度，例如8度，以減少光系統(tǒng) 中的光逆反射。指數(shù)相匹配的環(huán)氧樹脂504用以將該光纖包層、光纖緩沖器以及保護性光纖靴部(未顯示)固定至該塑料SMOC上，而形成一光纖接線的 SMOC。此一光纖插入程序被設計成一種順應式對準程序，其不需要該已組合且己接線的SMOC的光學測試，或是任何主動回饋裝置來達成該光纖的光學對準。由于該塑料SMOC的精密斜光纖插入穴部的配合，以及維持該光纖插入穴部容忍度的制造方法，容忍度有可能達成微米或次微米級的容忍度。這可通過利用一在該射出成型模中的精密鉆石旋入物來形成該斜光纖插入穴部而達成。通過此方法可以達成1irni至2pm的光纖插入直徑容忍度；相反地，現(xiàn)今的射出成型在最理想狀況下頂多僅可以維持5pm至10pm的容忍度。該光纖的精密對準通過將該SMOC光纖插入穴部的壁面，與該光纖包層的外徑作三點接觸而達成。此一在光纖插入程序中供環(huán)氧樹脂流過該光纖包層的三點接觸與間隙，由一鉆石旋轉所制造出的"三葉(tri-lobal)"形狀所形成。此三葉形狀的短軸可以依所要的塑料壓縮適性，而稍大于或稍小于該光纖包層的外徑，而長軸則直徑約155pm以允許有一 30pm的間隙供環(huán)氧樹脂流經該光纖包層。此一 SMOC光纖耦合方法相較于現(xiàn)今方法可以減少裝置耦合成本至少一個級數(shù)。為達成無傾斜插入，必須使該三葉形區(qū)域的長度長到足以確保該光纖芯對準該SMOC的光軸且無傾斜(例如100pm的長度提供該光纖的無傾斜插入至
該SMOC)。而且，若該光纖插入穴部的喉部夠寬，則可以完全地包住該光纖的保護緩沖層，這將防止玻璃纖維因彎曲與銜接插入SMOC而破裂。例如，一直徑446^m的光纖插入穴喉部，將可容得下一具有245pm緩沖直徑的標準光纖。此外，通過將光纖插入穴部由該喉部向該三葉精準非傾斜長度擴口，光纖將不會受到阻礙，且可以避免在光纖插入時與該SMOC光軸被動地對準。SMOC 500的最佳光耦合至IC波導有可能通過在SMOC鏡片518外圍設一個精密結合的硬停止圓柱(或間隔環(huán))510而達成。此一硬停止圓柱510并不僅作為SMOC鏡片518與IC芯片上的硅鏡片20之間的光束光徑的保護性屏壁，也可消除SMOC對IC的組合傾斜。SMOC的黏結硬止擋(hard stop) 510是制造來將一 550pm的圓柱端的平坦度維持在lpm的容忍度。此一平坦度因為使用精密鉆石旋轉(turning)程序來制造該鏡片以及在射出成型模中的硬止擋插入物。圖5所示的實施例被最佳化，以供環(huán)氧樹脂附接至IC背側。在對準該IC 背側鏡片之前，環(huán)氧樹脂可以在定量與定位之下被施加于該鏡片硬止擋510 周圍，但不會黏著于硬止擋內側。此有一優(yōu)點在于不會耗掉一昂貴的倒裝芯片自動化組裝站的循環(huán)時間。至于施加方法則可以是通過注射筒分配、級黏著、墨水噴射式分配、或其它等。若使用墨水噴射分配技術，墨水噴射分配程序將被修改以供選擇環(huán)氧樹脂附著。此一修改可以包括使用額外的調配劑，例如供執(zhí)行墨水噴射分配的溶劑，尤其是該等額外調配劑在環(huán)氧樹脂UV固化之前為蒸發(fā)掉?；蛘?，該黏結黏著劑可以在SMOC 500與IC鏡片20對準之后才施加，如圖5A的組態(tài)所示。在此一組態(tài)中，SMOC 500是"干"地與IC鏡片20相對準，其相對于IC芯片10的背側被壓平以消除SMOC 500與光波導之間的光耦合的傾斜。黏著劑由一位于凹處開口 519的注射器被分散而滲入位于SMOC 底部與IC背側之間環(huán)繞該硬止擋圓柱510的間隙空間。當SMOC 500被推向 IC背側時，沒有黏著劑會滲在SMOC硬止擋底下，或遮掩一介于SMOC鏡片與IC鏡片之間的光束路徑?？蛇x擇具有快速滲透力的黏著劑以進行較快速的黏著劑分散。若是要在該加上柔引線的SMOC已與該IC背側對準之后才作環(huán)氧樹脂配散的話，配散時間將相當重要，因為其會增加一昂貴的倒裝芯片自動化組裝站的循環(huán)時間。一些用以以對稱且重復的量來快速配散環(huán)氧樹脂的技術包括有設一射出流放口 519 (如圖5A)于SMOC下側端部；設一環(huán)形倒置壕溝523 于該硬止擋周圍，供環(huán)氧樹脂通過毛細管流動而充填；設一曲狀表面于SMOC 硬止擋與倒置環(huán)形壕溝的界面處，以促進快速毛細管流動；利用一接近SMOC 側部射出口的微注射器，來分送一重復量的環(huán)氧樹脂至該射出口；利用一低黏性的環(huán)氧樹脂；以及利用一球壓法來確保SMOC已被壓平于該IC背側，進而確保不會有環(huán)氧樹脂流入該硬止擋底下或該SMOC鏡片上。圖5A中所示SMOC硬止擋間隙環(huán)的周遭形狀被最佳化，其供黏著劑的毛細作用可以完全地、快速地、與對稱地濕潤該SMOC硬止擋。然后，黏著劑在原位通過一被導向SMOC與IC背側間的間隙的高亮度紫外線(UV)照射所黏著，同時SMOC被緊緊地固持在其最佳對準位置。在完成該環(huán)氧樹脂的一 "快閃(snap)"固化之下，環(huán)氧樹脂將會固持該光耦合對準，然后加于 SMOC上的固持壓力會被釋放，且該光耦合后的IC/SMOC組合被移離該自動化組裝站。可用該黏結用黏著劑的二次熱固化，來固化一些被避開UV光的環(huán) 氧樹脂，以增加黏著強度。快速的SMOC對IC的黏結時間是相當重要的，其符合一因該倒裝芯片自動化組裝設置的高攤還比率所致的光耦合至IC應用的低成本需求。對于環(huán)氧樹脂快速"快閃"，通過高亮度UV曝光、較薄的黏結截面以及最小化的受遮黏著劑最佳化圖5A所示的黏著劑黏結型態(tài)被最佳化。本型態(tài)可以達到一快達 5至10秒的黏著劑固化時間。在一表面黏著組裝環(huán)境中，達成一可重復的對IC的光耦合的主要特征是 SMOC 500中位于45度轉向鏡522之上的穴部520。此一插入穴部的中心被定于該SMOC鏡片軸上，且被定于該SMOC硬止擋間隔環(huán)的中心上。該倒裝芯片致動臂的端部被安裝有一適當大小的金屬球(sphere)或滾珠(ball) 513，用以在該SMOC對IC的對準與銜接程序當中，按壓于該SMOC鏡子插入物上。該倒裝芯片自動化組裝站的機械視覺可以將此金屬球定位在該SMOC鏡片光軸的lOnm范圍內。通過將該SMOC硬止擋間隔換固定地壓向IC背側，此金屬滾球的施壓于該位于SMOC頂部的環(huán)狀鏡子插入物上，會使該SMOC 座落于該IC背側平面上，且在光耦合上沒有傾斜。該IC背側平面會因為一與光耦合容忍度有關的不同芯片載架尺寸，以及因為一黏結至芯片載架的球狀柵
陣列焊料所成的芯片殘薄片(warpage)，而依組裝的不同而變?？梢詫⒁徽婵帐叭」ぞ吲c一球壓工具相結合，其在組裝對準與黏接程序中，只需要一個致動工具頭。使用一個致動工具頭，而不是兩個，將可以產生一較快的組裝程序循環(huán)時間。一結合有真空拾取部的球壓工具頭顯示于圖15 中。其包含一個球狀的圓化末梢工作端，且在其中間部位有-貫穿通道，供施加真空(以一向上的箭號表示)來拾取該SMOC，并在對其定位時將其拿住，再將其按壓至該IC晶圓的背側。圖5A所示的塑料SMOC形狀可以為了射出成型程序而被最佳化，也即通過適當?shù)卦O定側傾斜(draft)角、退出梢、退出滑軌位置、射出入型口位置、以及側容量溢流口。該塑料SMOC的形狀被設計成盡可能對稱，以減少一因模子冷卻產生的塑料殘薄片，并在整個對IC的黏結程序中、熱循環(huán)中、濕氣曝露、以及其它環(huán)境曝露中維持尺寸上的穩(wěn)定性。射出成型桿可以作為該光纖插入程序中的抓持工具。由于SMOC很小，將需要復雜的工具夾具，來相對于該光纖尖端定位該SMOC，以作正確的插入，且正確到被動性對準下的x,y,z軸的最小容忍度。通過大很多的射出成型桿，其附著至在射出口上的SMOC上，該SMOC與光纖頭將可以被固持，被對準并緊壓在一起，不管是手動或通過自動化取放設備。圖6顯示一由硅微機械所制造的SMOC 600的實施例。此一硅SMOC與塑料SMOC具有相同的功能性特征，包含一準直鏡片606 (具有AR涂層)；一環(huán)繞該鏡片606的精密平坦硬止擋間隔環(huán)610; —精密的斜狀光纖插入穴部 602，供將一光纖芯被動性地對準該準直鏡片606的軸；一45度轉向鏡604; 以及一在SMOC 600頂部且中心定位于該鏡片606的光軸上的精密袋部 (pocket) 608，用以接收倒裝芯片致動部的臂部金屬球607，以將SMOC壓向該IC背側。圖6也顯示一 SMOC對IC的金屬黏結組態(tài)，其中在SMOC 600 的底側以及硬止擋間隔環(huán)610的外側有一焊墊612。 SMOC 600是由一上晶圓 620所組成，該上晶圓620具有一斜光纖插入V型槽630，此槽是蝕刻成的，且此上晶圓黏結至一下晶圓622的平坦上表面。環(huán)氧樹脂628將光纖固持在穴部602中。制造出此結構的步驟進一步描述如下。圖6所示的組態(tài)可以用來將SMOC金屬黏結至IC上，其需要焊料與一快速局部熱源。焊料可利用一焊料預成形定位法、一焊料糊分配或篩選法、一焊
料薄膜沉積法、一焊料電鍍法而定量與定位地施加。焊料的快速局部化加熱可以通過電阻性加熱達成，例如厚膜或薄膜電阻組件，或是圖案化于硅微機械化SMOC底側或IC背側上的電阻組件。在此例子中，在SMOC對IC的附著過程中，對這些電阻式加熱組件需要用到電性探針接觸。對焦后的紅外線激光束的接觸式加熱方法，以及金屬化的感應式射頻(radio frequency, RF)加熱法不適用，因為有可能損壞IC晶體管以及IC電路路徑。圖6所示硅SMOC 600的制造涉及下述程序1) 以離開<100〉平面為9.4度角切掉晶圓620，并沉積一 SiN覆毯 (blanket)掩模；以KOH測試非等方向性蝕刻，用以將晶體平面決定至比晶圓平坦邊緣缺口更小的容忍度；2) 在水溶液KOH中對該上晶圓的頂側作圖案非等方向性蝕刻，以形成一精密的袋部608，其中心與SMOC鏡片606的光軸相同，供接收倒裝芯片致動器的臂部金屬推球。3) 在水溶液KOH中對該上晶圓620的底(內)側作圖案非等方向性蝕刻，以形成一供光纖插入用的斜角V形槽630、一沿該硅<111〉平面的45度角轉向鏡604、以及一光纖插入止擋。這需要晶圓的前側與背側的對準。4) 將該匕晶圓620的底(內)側的一45度角表面上，進行圖案金屬化，以形成轉向鏡604。5) 在一水溶液KOH中對該下晶圓622的頂內側進行圖案非等方向性蝕刻，以形成一光纖緩沖V形槽墻。6) 圖案化該上晶圓下的底側頂(內)側45度轉向鏡的抗反射(AR)涂層(硅對環(huán)氧樹脂)。7) 利用一供硅對硅晶圓熔合程序用的內對準標記，來將上晶圓熔合至下晶圓上。這一程序需要從該上晶圓620與下晶圓622的內表面將SiN蝕刻止擋材料除離。8) 圖案化在該下晶圓622的底側上的光阻，以形成SMOC鏡片的阻劑圓(resist circle)。這需要晶圓的前側與背側的對準，熱性重流阻劑以形成球形，干蝕刻阻劑以形成硅鏡片與硬止擋間隔環(huán)。使用SiN蝕刻止擋(stop)以使硅鏡片的形狀被蝕刻成一在該晶圓表面下的凹狀結構。9) 圖案化該鏡片606的底側的抗反射(AR)涂層。10) 對該下晶圓622的底側作圖案金屬化，以形成一環(huán)繞SMOC下側的硬止擋間隔環(huán)610的焊墊612。11) 通過粒狀切割，而從該熔合的晶圓堆棧中單分出SMOC，而曝露斜光纖插入。此一硅微機械化SMOC實施例相較于一射出成型塑料SMOC實施例的好處是(1) SMOC與IC硅芯片間的熱膨脹的匹配；(2)在SMOC與IC光學組件間提供一密封的光路徑的能力。這兩個實施例在SMOC對IC的附著上都可以使用金屬黏結或黏著劑黏結。將準直鏡片結合入安裝表面，與分別制造兩種組件相較，可以減少制造成本，且完全消除一必須將鏡片組合至安裝結構上的成本，因為后者需要一些供硅光支路(Silicon Optical Bench, SOB)光電封裝程序中所使用的現(xiàn)今技術方法，例如一具有V形槽、小凹洞、與座臺的SOB。另一實施例顯示在圖2中。其基本上與圖l所示者相同，只差兩個方面。第一，鏡片20是位于--延伸于IC芯片10的背側上的柱部；第二，準直鏡片次組合22'的圓柱形管狀支撐物34'比前面所述的實施例還長，以容納該鏡片在芯片背側上方的高度。至于其它特征則都與前面所述者相同，因而標以一相同于圖1的組件符號。在圖1所示的結構中，硅鏡片在晶圓薄化程序之后形成；然而，在圖2 所示的安排中，硅鏡片在該晶圓薄化程序之前形成。圖1的結構并不限制晶圓薄化所能用的方法，因而允許使用較低成本的化學機械平坦化(Chemical Mechanical Planarization, CMP)晶圓薄化技術，再接著用大氣下游等離子體 (Atmospheric Downstream Plasma, ADP)干化學蝕亥(j (Dry Chemical Etching, DCE)來除掉CMP制造中的微裂痕。相反地，圖2的結構則限制晶圓薄化所能使用的制造方法。只有那些可以維持一適當?shù)墓桤R片座臺側壁的方法可以使用，例如Bosch型工藝，或一連續(xù)式SF6/CxFy等方向性蝕刻。還有另一實施例顯示于圖3。其基本上與圖1所示者相同，只差在一方面。也即鏡片20凹入于IC晶圓背側下，且SMOC鏡片24位于IC背側10上方。此一凹處在一同于形成硅鏡片20的蝕刻程序中，通過增加一例如SiN蝕刻硬停止層(止擋)于IC背側10上且圖案化成環(huán)繞該鏡片20，而同時形成的。該鏡片20的凹處可以保護鏡片表面，避免其在晶圓處理與CMP程序中受到損
害。該鏡片凹處也可以充填低折射率的材料，例如二氧化硅，且通過晶圓級沉積再接著平坦化。在此例中，鏡片的光學特性將因此而被調整，介于硅鏡片表面與二氧化硅凹處填充物之間的抗反射(AR)涂層也同。此外也需要一額外的AR涂層在該二氧化硅對空氣的表面上。其它所有特征則與前面所述一樣，因而給予相同于圖1的組件符號。圖1所示的光學設計可以容納一較短的對焦距離至該IC波導的45度鏡，也即通過一更彎曲而具有更短焦聚長度的硅鏡片，及/或一對于模式傳播具有較寬可接收角的較小IC波導。然而，使用具有較短聚焦長度的硅鏡片，將轉化成使用一較小的準直光束于該IC與該耦合光學組件之間，這將增加這些有關于該光耦合用IC波導光學組件等光學組件的定位容忍度。一個具400pm的硅鏡片聚焦K度與2.5pm乘3.(^mlC波導模式尺寸的一般設計，相當于在IC 硅鏡片外的100pm準直光束直徑，這又對應于一對IC耦合光學的外部耦合光學而言的5pm至10pm定位容忍度。標準的電子自動化組裝倒裝芯片設備具有一 5jiim的定位容忍度，若以更高成本則可以獲得一降至0.5Mm的較高容忍度?？捎酶鞣N方法來增加IC波導喉部(也即波導的開口)的數(shù)值口徑，或是對f傳播耦合光的接收角，這是通過增加波導喉部附近的波導橫截面，并隔熱地將該波導錐化(tapered)至一較小的尺寸，以分布在該光可行基材(ready substrate)。光對準容忍度是直接地正比于波導喉部橫截面的尺寸，且較大的波導喉部允許較寬的各耦合光學組件的定位容忍度。IC制造的波導對于波導的錐化在尺寸上并不會被橫向限制，這是因為橫向尺寸被光刻術所界定，但縱向波導的錐化則因沉積制造而受到限制。用以增加波導喉部尺寸的方法，將因為如上所述供IC轉向鏡與IC鏡片制造時所用選擇性蝕刻工藝以及通過縱向波導之間的纖細耦合，而涉及已錐化的光阻重流中的三種尺寸特征的轉換。監(jiān)視一由SMOC至IC的光耦合再參考圖1與圖2，為了有助于對準與附著程序，有一監(jiān)視器光偵測件70 被制造在該波導中。光偵測件70由已知的各技術所制成，一種例子描述在美國申請案10/856127號案中，標題為"Impurity-Based Waveguide Detector System(雜質為底的波導檢測器系統(tǒng))"，其在此一并結合作為參考。該檢測器對光信號波長會吸收，且其也會部分傳送，因而其存在會導致一通到其它光學分布
網絡的信號的一小衰減，或是該波導對一終端光偵測件的抽頭分光(tap split)。該芯片載架的接出腳(未顯示)當中的兩支接腳被電性連接至該檢測器與供該光偵測件用的選擇性集成電路放大器，因而可以被用來監(jiān)視該檢測器信號。通過將此信號送入一自動化組裝移動控制器，即可在該上耦合單元永久地附著至該晶圓的背側之前被理想地定位。這些檢測器的接出腳也可以被結合至系統(tǒng)自我監(jiān)視功能，而提供一對于現(xiàn)場解決問題與診斷的進行。另一種測量該由SMOC的光纖至該IC波導間的光學對準的方法是使用另一種位于波導末端的轉向鏡，或是一種在IC中位在該末端鏡上方結合有準直鏡的波導抽頭(tap)。耦合至該IC波導的光線會從IC背側(一般組態(tài))的 IC波導末端出去。離開IC背側的光線易于利用一位于該出口準直鏡片上的廣域光偵測件來監(jiān)視之。這種監(jiān)視該由SMOC至IC波導間的光耦合的方法，并不需要使用IC的電輸入/輸出(I/O)接腳，這點對于現(xiàn)行IC技術中的IC以及芯片載架接出腳具有相當高的價值。在這兩種用以監(jiān)視一由SMOC至IC的光耦合的組態(tài)中，光耦合信號可以被送至自動化組裝移動控制器中，用以理想化該在將SMOC對準與附著至IC 時的光耦合。調變后的光信號可以被用來改進這個回饋信號的噪聲比。制造大體上，制造一具有光耦合的IC芯片的制造，包括以下階段。參考圖7A，一光波導200的網絡首先被制造在一硅基材202中，然后一層外延硅204長在基材表面，以覆蓋住該光波導200網絡(圖7A)。用以制造這些埋入式光波導的已知技術例如在美國專利申請?zhí)?0/280492中所述著，標題為"Optical Ready Wafers (光可行晶圓)"，在此引入其全文作為參考。在此次，光檢測器區(qū)域也被制造入該波導中，利用的是例如先前所述描述于美國專利申請案 10/856127號案中的技術，標題為"Impurity-Based Waveguide Detector System (以雜質為底的波導檢測器系統(tǒng))"。所產生出的結構包含一光波導網絡，其被設于一覆蓋在上的硅層的表面上或被埋入該層下方，該硅層則具有充分的質量來允許稍后利用傳統(tǒng)的制造技術來制造微電子電路于其中。參考圖7B，一氮化硅屏蔽層208接著被沉積在晶圓上，且被圖案化以界定開口210，開口上是供制造波導鏡。一旦開口界定完成，利用干蝕刻來形成一些在硅中且位于開口部位的溝槽220 (圖7C)，這些溝槽被蝕刻向下至低于該多個波導。在此例中，干蝕刻程序是一種連續(xù)式SF6/CxFy等離子體蝕刻或其它蝕刻化學，例如但不限于CVHBr蝕刻，其會切開屏蔽且形成一具有角度的壁部的溝槽。通過適當?shù)剡x擇蝕刻程序參數(shù)以及該結晶硅基材的定向，將可以控制所產生的壁部的角度。至于蝕刻化學與蝕刻程序的選擇則要能在鏡子上留T一光平坦表面，也即小于20nm的Ra表面粗糙度。在形成溝槽220之后，蝕刻屏蔽208被除掉，且該多個溝槽以一低指數(shù)材料222回填，例如SiOx(圖7D)。最后，晶圓的前端被平坦化，以除掉一微電子將要被制造的區(qū)域中的氧化硅(圖7E)。所產生的填有氧化硅的溝槽即于光波導的末端界定了具角度的壁部，其將作為鏡子來發(fā)射。在光波導鏡制好之后，利用公知技術，例如CMOS制造技術，將微電子電路制造于該晶圓頂側。之后，利用標準的接線后端(back end of line, BEOL) 工藝，來互連該等被制造在晶圓頂側的裝置。在此時，積體化的硅鏡片通過任何一種已知的技術而被制造在該晶圓的背側。其中一種是利用灰階光刻技術加上晶圓薄化。硅鏡片相對于IC波導中的光組件(例如45度鏡)而被定位，且在光學設計x-y-z軸容忍度范圍之內。通常，IC背側的光刻圖案化，需要通過一看穿基材法或其它對準程序法則，來對準IC前側的標準點。紅外線光刻為一種在該IC背側制版對IC前側標準點的對準中，達成所需要的對準容忍度的方式。為了縮小鏡片衍射特性其有較高的純折射鏡片的光耦合效率，可以減少灰階光刻的步驟數(shù)。用以減少鏡片灰階步驟的方法包含光阻重流或其它方法。若蝕刻深度受到限制，鏡片將是一衍射性Fresnd鏡片設計。另一種在IC硅中制造這些鏡片的方法是通過光阻圓形柱(circularpost)的光刻圖案化來達成，之后這些柱再被熱重流而形成一在IC上的圓結構，且具有光學平坦表面。鏡片的形狀之后通過如上所述的蝕刻工藝，而由重流之后的光阻被轉移至硅晶圓，而在硅中留下具有所要光學特性與質量的鏡片結構，例如光學平坦度、沒有光像差。如先前所述，光學組件的制造可以在IC基材薄化之前或之后進行，IC基材的薄化量隨著應用的不同而變，且在此所述的技術，允許進行光設計來容納不同的IC厚度，并達成光耦合要求。IC基材被薄化基于供熱傳導之用與3D 堆棧之用，將從最初的基材厚度在400mhi至750pm之間薄化至50pm至300pm之間。在制造完鏡片之后，作--晶圓級的光學測試。此涉及將一寬且亮的光束照在晶圓上的背側鏡片上，同時探測該晶圓前側，以檢測光信號。假設晶圓通過光學測試，晶圓之后即被分成各個IC芯片。每一IC芯片之后利用一球狀柵陣列而被裝在一芯片載架上，以對芯片上的各接墊作電性接觸。有需要時，也可以在芯片的背側上裝設一具有一開口且此開口對準該積體化背側鏡片的散熱槽。最后，將SMOC準直鏡片次組合與該鏡片相對準，并利用一適當?shù)酿そY 技術而將其固定至背側上，例如環(huán)氧樹脂或金屬黏結。在此一程序中，可利用一由受偏壓的IC監(jiān)視器光偵測件所產生的測得電流信號的主動回饋，來適當地對準該次組合。另一幾何配置對于圖1與圖2的實施例而言，來自耦合器的已準直光信號，是直接通到一形成于芯片背側的聚焦鏡片。之后聚焦鏡片再將光信號聚焦至一被埋入且位于IC芯片的前側附近的光波導中。然而，也可使用圖8A—C所示的其它組態(tài)。在圖8A與8C中，整個聚焦鏡片20被形成在IC芯片的前側，而不是如前所述的背側。在圖8A的組態(tài)中，該準直用鏡片次組合(未示)被裝設在IC 芯片的前側，且與聚焦鏡片20相對準。已準直光束會通過該聚焦鏡片，此鏡片將光束導向一形成于背側的反射部(或鏡子)。該鏡子將光束反射回IC芯片的前側，至一光波導中的鏡子所在之處。就此組態(tài)而言，聚焦鏡片的聚焦長度約為IC芯片的厚度的兩倍。在圖8C的組態(tài)中，準直用鏡片次組合(未示)被裝設在IC芯片的前側，且聚焦鏡片20被形成在芯片的前側。鏡片20涂覆有一反射膜(例如金屬沉積膜)，其在反射模式中作用。在芯片的背側上，有另一反射膜，其形成一鏡子 150。來自鏡片次組合的已準直光束會通過該背側，并經該芯片而進入位于該芯片的另一側上的鏡片20。鏡片20、背側鏡子150以及波導鏡子18都是對準的，所以鏡片20會將所反射的已準直光束，經由波導鏡子18而聚焦至光波導上。在這組態(tài)中，聚焦鏡片的聚焦長度約為IC芯片厚度的兩倍。在圖8B所示的第三組態(tài)中，聚焦鏡片20位于芯片的背側，而準直鏡片次組合(未示)則被固定在芯片的前側。如同圖8C中的組態(tài)，鏡片20被涂覆有一層反射膜(例如金屬沉積膜)，其在反射模式下作用。來自該鏡片次組合的已準直光束，會通過該芯片的前側，穿經該芯片而進入位于芯片另一側上的鏡片20。鏡片20與波導鏡子18相對準，其使鏡片20將反射的已準直光束，經由波導鏡子而聚焦在光波導中。在此組態(tài)中的聚焦鏡片20的聚焦長度，與在圖1所示組態(tài)中的鏡片20所需要的聚焦長度相當。光源圖9繪示一實施例，其中有一光源被制造在一準直用鏡片次組合122上。在一類似于前面所述的方式中，次組合122會附著至IC芯片(未示)的背側。次組合122包括一準直鏡片124與一環(huán)繞鏡片124且具有一平坦表面125的圓柱形壁部134，該平坦表面上面供IC芯片的背側安裝。然而，在此例子中，并沒有一光纖所要連接的延伸部，次組合124具有一平坦表面127，其上供一光源組合130固定于其上。光源組合130由一硅光學長條(silicon optical bench, SOB) 132所制成，長條中帶有一蝕刻入其中而形成一 SOB穴部135的溝槽。溝槽通過執(zhí)行例如一非等方向性側壁硅KOH蝕刻而形成的。在此所述實施例中，蝕刻會產生一斜側壁，此壁具有一54.7度的角度。在該具角度的側壁138 的其中的一上沉積有^金屬膜(例如鋁)，以形成一鏡子136。在溝槽的底部，則有一光源140 (例如一邊緣發(fā)射激光二極管)被固定在一平臺142的頂部，此平臺定位該光源140，俾使從其而來的光線可以被鏡子所轉向至次組合122 的準直鏡124中。在此所述實施例中的所以使用一邊緣發(fā)射器(edge emitter)激光二極管，是因為邊緣發(fā)射器通常會比其它光源提供更多的光能量。然而，并不限制可被使用的光源型式。若使用的是一垂直表面穴部發(fā)射激光器(vertical surface cavity emitter laser, VCSEL)，則其將被直接定位在準直鏡片底下，且在操作期間，該光束會由VCSEL射向準直鏡片的焦點。在此一例子中，將不需要在該穴部側壁鏡子上有一反射表面或鏡子。其它可易于被此一封裝組態(tài)所用的光源有Fabry-Perot激光、分布式回饋(Distributed Feedback, DFB)激光、DFB 一EAM激光、CW激光、發(fā)光二極管、VCSEL及其它等。光源140與平臺142通過金屬性黏結，而被黏結至SOB穴部135的基底 (或壁部)。其它構件，例如監(jiān)視器光二極管、鏡子、調變器、光隔離器、電阻抗匹配器電路、靜電放電(electro-static-discharge, ESD)保護組件、例如熱電冷卻器(thermo-electric cooler, TEC)及加熱器與熱阻器等熱控組件、以及其它功能性組件等，都可被包入該SOB穴部中。例如，圖9顯示出一監(jiān)視器光二極管131，其與光源140相對準，用以監(jiān)視該光源的輸出。作為一 SOB穴部135的窗口的準直鏡片次組合122通過金屬性黏結或其它型式的黏結而被密封至SOB132上。要形成一個緊密密封的穴部，著重在一些潛在的光源在穴部中有可能無法緊密密封的可靠度顧慮上。然而，當然也可使用一些非緊密密封的穴部，代價是該光源的潛在較低可靠度。電性饋通144延伸入SOB的穴部135，并提供電性連接給光源組合140。這是通過硅晶圓穿透蝕刻法制造而成，再以電鍍、薄膜濺鍍或蒸鍍法、厚膜工藝或其它方法加以填平。這些電性饋通也可對SOB穴部形成一緊密密封。實務的實施不限于硅光學條狀(silicon-optical-bench)物質或SOB工藝。制造此一光源封裝的替代性材料與工藝包含具有單或多層的厚膜工藝、包括微機電系統(tǒng)(micro-electromechanical-system, MEMS)工藝方法在內的微機械工藝、低溫共火陶瓷(low temperature co-fired ceramic, LTCC)工藝、以及其它方法及材料。雖然圖9所示的實施例顯示出準直鏡片124是次組合122整體的一部分，但其也可以是一分離構件，并且裝設至該結構的一作為--窗口與一抵接IC芯片背側的安裝面的部位上。一種制造次組合122的方法是通過玻璃成型?；蛘撸?其它方法包括通過晶圓級蝕刻方法而在玻璃基材上形成鏡片陣列，此包括但不限定于灰階光刻與燒結重流工藝，或是通過其它方法。其它可作為窗口、鏡片、以及安裝結構的材料有硅、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、硒化鋅(ZnSe)、氯化鈉(NaCl)以及其它結晶材料；有機材料，例如聚合物、鑄造聚合物、黏結劑、及其它有機物質；以及非有機材料，例如石英、熔融硅石、陶瓷以及其它材料等。應注意的是，有其它可以對圖9所示的實施例進行的修改。例如，提供一機構來主動式地對準該準直光束，此時鏡子136可以是一 3D的MEMS傾斜鏡，其會響應于一些用以對該IC波導有最佳光學耦合或用以作光學切換以耦合至不同IC波導的控制信號，來使該光束轉向，其中所謂不同IC波導的組態(tài) 是指如圖ll所示，在同一IC鏡片的下有數(shù)個接收波導。 "零準位封裝"用光源以及對IC的光耦合上述觀念、制造技術、以及工藝也可應用至光源上以進行如圖10A與圖 IOB所示的"零準位封裝"。這將使一由單模激光波導穴部至IC中的單模光波導間的光耦合，或是至單?；蚨嗄９饫w，以及至其它光波導間的光耦合變得可行，且在一較低成本的表面裝著界面之下。該激光穴部或LED光源被緊密密封著，而隔離外側環(huán)境，且在其與外界相交的處的光通量密度相當?shù)停洳?會限制光源的可靠度。通常，激光可靠度會受其琢面的反射性涂層的磁化系數(shù) (susceptibility)因高光通量密度跨越小面積(通常是數(shù)微米平方)所致的損害所影響，尤其是在有有機化合物靠近該激光琢面時。在圖IOA與圖IOB所示的組態(tài)中，光耦合界面通常在50|im至500pm直徑之間，這將產生一比邊緣發(fā)光型激光琢面低約一 400至40000的系數(shù)的光能通量密度。因溫度增加所致激光可靠度的損失，也會因該光耦合組態(tài)中主要故障機制其中之一的移除而降低。在涉及一 "零準位封裝"用光源的實施例中，有一轉向鏡被制造在該激光波導的路徑中，用以將光束導經該晶圓，且有一準直或假準直鏡片被形成在晶圓中，以有效地使光源成為一 "表面安裝式光耦器(Surface Mount Optical Coupler, SMOC)"。該轉向鏡與該準直鏡片都是以如上所述晶圓級批次制造方法所制成。該轉向鏡的標稱設計值是45度。該用以維持光對準的光耦合界面與安裝附接結構針對自動化表面安裝拾取與放置附接工藝而設計。光源使用 m-v族半導體材料制成，且該用以形成轉向鏡與準直鏡片的方法，同于上述方法的相同選擇，也即以不同的最佳化蝕刻率、蝕刻選擇性、以及因應砷化鎵、磷化銦及其它光源材料的不同折射率的光學設計等。有兩種組態(tài)被顯示。在圖10A中，顯示出一含有一位于一激光腔202外部的轉向鏡201的DFB激光源芯片200，且該激光腔202由兩個沿一波導206 的軸線制造而成的激光腔反射器204a和204b (例如Bragg光柵)所形成。該等激光可例如一沒有邊緣琢面反射器涂層的Fabry-Perot激光。該激光若直接被模塊化的話會提供零準位封裝的整個激光源。這樣的封裝組態(tài)可以沿著激光波導且在轉向鏡的前良好地整合激光源與電吸收調節(jié)器(electro-absorption modulator, EAM)，以提供一經外部調節(jié)的零準位封裝激光源。由反射器204a與204b所形成的腔部所發(fā)出的激光束，會為轉向鏡201所
反射，且被導向下至形成在激光源芯片200的相反側上的準直鏡208上。來自準直鏡208的準直光束會通過一被蝕刻入IC芯片218的背側中的對焦鏡210，且在該芯片218上，以一同于前面所述的方式，直接黏結有激光源芯片200。來自對焦鏡210的經對焦后的光束，接著為一第二反射鏡212所反射，并進入一光信號分布網絡其中之--光波導214，該網絡則形成在靠近一光可用(optical ready)基材218 (或IC芯片)的前側。如同先前的光可用基材218，其前側已形成有微電子電路(未示)的基材裝設在一芯片載架219上。電性連接217(例如，線、電路軌跡等)將該激光源芯片200電性連接至芯片載架219的側壁。激光源芯片200也可包括一整合式背琢面(back-facet)功率監(jiān)視二極管(未示)，用以監(jiān)視及/或控制激光的輸出。在圖10B中，其顯示一激光源芯片220透過一表面安裝結構224而裝設在一IC芯片222 (例如光可用基材)的背側，且有一轉向鏡228形成于激光源芯片220中而在激光腔本身中。此一"外腔激光(external cavity laser, ECL)" 的激光腔會結合一形成在一光波導230中的激光腔反射器226 (例如Bragg光柵)、一轉向鏡220、一準直鏡片232、以及一位于準直鏡片232下方但在該表面安裝結構224的表面上的第二激光腔反射器234。在此一特殊實施例中，該用以作成激光的基材由III-V族半導體材料或一些其它支持激光進行的材料所制成。由于該在激光源芯片220與IC芯片222之間的平坦表面安裝結構，因而使用一凹的對焦鏡片210'，其被蝕刻入該IC芯片222的背側。也可以結合一 ECL用的平面型反射器，其有較低成本的制造與組裝。該外部反射器可以是-一薄膜反射器，一析光器(etalon)或其它反射器。這些反射器可以被調整，其選擇性地反射不同的波長，而這可通過一些手段，例如熱控、硅薄膜制成的可調析光器(etalon)的局部加熱、液晶格、微變(vernier) 共振多光柵或濾波器及其它手段來達成。外部反射器的調整會調整光源的波長。AR涂層層可以施加在準直鏡片232上，與平坦反射器結構234的兩側上。由于光源會產生熱，該"零準位封裝"式光源應具有直接的熱冷卻，其有更可靠的操作。如同圖10A與圖10B所示，激光源結構直接耦合至IC背側，且該IC散熱座積極地冷卻該光源。對于一高功率的激光應用，可以在激光源上方增設一些直接冷卻途徑，以增加該組合的超出該IC散熱座可得冷卻責任以上的冷卻能力。散熱管、TEC、以及其它方法都可用以冷卻該"零準位封裝"光源。若光源被直接調變，此"零準位封裝"將結合一激光源的所有所需要者。若需要光隔離，其在光耦合路徑中有光回射時，保留該光源的性能，則可在該外部反射器結構，也即激光腔的外側，制造一平面式光隔離器。平面式光隔離器進年來已被NanoOpto公司所導入市場，其通過在一 Garnet晶圓兩側上施加一由納米壓印制造技術所形成的偏光器而成。然而，納米印壓而成的平面偏光器的成本，就應用在光耦合至IC上而言，有可能太高。另一種可能性是利用半導體工藝設備來制造光隔離器。一在光偏極化上切成90度法拉第旋轉的 Garnet晶圓，被金屬化成在晶圓上100nm厚度。金屬的選擇包括鈦、鎢、鉑及其它。一類似厚度的光阻被施加至晶圓上，且利用投射制版而被曝光于一線柵圖案，以形成寬100nm且間隔和間距l(xiāng)OOnm的金屬線，這些線將產生一具有不同旋轉角度的線柵偏光器于該Garnet晶圓上，而形成光隔離器。這些尺寸對于激光源而言，可以確保一大于40dB的光隔離。外部反射器以Garnet 晶圓的其中一側放在一例如氧化硅的填充層的頂部上，也即在該金屬線柵的頂上。接著，利用表面裝著工藝以及環(huán)氧樹脂或金屬黏結，晶圓被單粒化成裝置形成因素，并被組裝。上述激光源封裝方法可以達到1) 大大地降低光源成本，低于所有替代方案，包括VCSEL。2) 具相當成本的邊緣琢面反射器沉積工藝的消除，取而代之的是低成本的制造在平面基材上的反射器，以及以低成本的自動化表面裝著組合工藝來進行組裝。3) 消除在封裝光源中典型的構件高成本。4) 大大地減少光源所占面積，這是因為消除了激光外部封裝(通常是指密封金屬結構，例如TO—Can、 DIL、蝶形且更小的成形因子硅一光一條形(SOB)封裝)。5) 晶圓級送電的激光測試，以在激光或激光陣列單顆化之前決定已知的好顆粒(die) (KGD).6) 利用既存的自動化組裝設備，而以低成本的表面裝著準對與附接工藝來作整合。7) 通過調變ECL外部反射器，可作光源的波長調變。
8)由一非選擇性的激光塊來作激光陣列的選擇性調變。該零準位封裝的觀念可應用于所有的激光封裝應用，包括通訊、數(shù)據傳輸、醫(yī)療、傳感器、工業(yè)激光與動力切削激光、光數(shù)據儲存激光、顯示激光、與其它應用等。芯片間的互連其它可整合至SOB腔的外側的組件包括電性連接線、熱控組件以及其它組件。在所述實施例中，電性連接線是可撓纜線，連接于SOB背側至相鄰的芯片載架側壁或電路板安裝上。熱控可通過使用以下組件而達成散熱管或其它連接至IC背側散熱座的熱連接；在SOB背側上的TEC，用以透過該SOB 腔壁來積極地冷卻光源(注意的是SOB腔的背側厚度基于熱控制考慮而薄化)；以及其它手段。光也可耦合于呈相迭芯片組態(tài)的兩IC上。在這樣的組態(tài)中，兩個在IC波導上具有背側硅對焦鏡片與45度鏡的IC是背側與背側相疊，且中間有一間隔物于兩IC之間。該間隔物提供了一安裝結構，用以附著該兩IC，并防止背側的硅鏡片相互碰觸。這可以提供一種供多芯CPU處理器與并列處理器用的方式，其通過光耦合而相互連通，并與其內存芯片相連通。位于兩IC之間的光束是一種經準直的光束。位于兩IC之間的光耦合不會受Z軸定位所影響，也即兩IC的分開距離。對IC的陣列式光耦合對IC應用的光耦合可能需要將一個以上的SMOC、波導、光源或光纖光耦合至其它IC上。組態(tài)范圍從一單一光耦合，到一耦合入IC與一耦合出IC，以及一IC的多耦合入與耦合出的任何排列組合。光時鐘信號分布應用可以限制于一光耦合入至IC，以及信號回路的兩耦合入至相串連的IC。然而，光信號的芯片間與芯片內間的通訊應用，很可能需要一較大的光回路網絡，包括對IC的陣列式光耦合。對IC進行陣列式光耦合其產生一波長劃分的多任務組態(tài) 的這種光耦合，需要符合下一代計算機的相當高的通訊速率，例如10Gbps至 100Tbps。為了將大量的光波長，例如32信道且信道間隔為2nm，耦合至陣列式光耦合封裝，其解決方案將需要符合這些應用的低成本需求。所以，將需要一種對IC的陣列式光耦合解決方案。在此所述對IC的光耦合是直接應用至對IC的陣列式耦合。多個光路徑可
以被整合在一起在一單一SMOC中，這包括多個光纖、多個SMOC鏡片以及多個IC鏡片、轉向鏡、以及波導。在這樣的一陣列式組態(tài)中，有關SMOC的光耦合所需的對準與附著工藝，是同于單一光耦合。至于組裝成本的節(jié)省則除了陣列式耦合所致較低的材料單(bill-of-materials, BOM)成本外，還因為射出成型塑料SMOC的本質、批次制造的硅微機械化SMOC、 IC鏡片的硅晶圓級制造、轉向鏡、以及波導等。圖11為一利用一單鏡片系統(tǒng)的例子，該系統(tǒng)包括一準直鏡片300與-一相對應的對焦鏡片302，以將激光束由兩個DFB激光腔304a與304b，經相對應的轉向鏡308a與308b，耦合入IC芯片308中的兩不同硅化鍺光波導306a與 306b。此一鏡片系統(tǒng)(包括準直鏡片300與對焦鏡片302)，會把來自激光源芯片的每一轉向鏡的激光束，映入IC芯片中的相對應不同轉向鏡。雖然這例子顯示出只有兩種光源與兩個光波導，然應了解的是這些光源陣列與波導陣列，在每一種陣列中，可以包括兩個以上組件。對于陣列式光源的陣列式光耦合(例如，分離式封裝、整合成陣列的封裝、整合成分離式SOB的封裝、整合成陣列式SOB的封裝、整合成分離式SOB 與SMOC的封裝、整合成陣列式SOB與SMOC的封裝、整合成分離式零準位 SMCO的封裝或是整合成陣列式零準位SMOC的封裝)，對于具成本效益的通道波長多任務是有需要的。在此所述的光耦合解決方案可應用于對分離式 IC芯片的耦合、或對陣列式并列與串行IC芯片的耦合，或應用至一對于例如平面陣列式波導光柵(planar arrayed waveguide grating, AWG)復用器的光多任務與解多任務芯片的耦合，其中的AWG復用器被形成于一硅上的氧化硅中、于有機波導中、于光可用硅基材中、于III-V族半導體基材中、于射出成型薄膜濾波器波長復用器與解復用器組合中、于布拉格(Bragg)光柵與光纖布拉格光柵(fiberBragg grating, FBG)波長復用器與解復用器組合中、于自由空間光柵波長復用器與解復用器組合中、波導混合器中、以及分光器及其它任何組態(tài)或這些組態(tài)的組合等。圖12為一利用一鏡片陣列系統(tǒng)(每一個包括一準直鏡片陣列400，與一相對應的對焦鏡片陣列402)來將三個來自激光源的激光束(經由一轉向鏡陣列404)，經由一相對應的轉向鏡陣列408，而耦合入IC芯片406中的三個不同硅化鍺光波導的例子。在鏡片系統(tǒng)陣列中的每一鏡片系統(tǒng)(包括一對相對應
的準直鏡片與對焦鏡片)，會把來自激光源芯片中的每一轉向鏡的激光束，投映入IC芯片中的相對應不同轉向鏡。如先前所述，雖然此僅涉及三個光源及三個光波導，然應了解的是該光源陣列與該波導陣列中，每一個陣列可以包括少于三個或多于三個組件。
硅晶圓的抗反射(anti-reflection, AR)涂層
現(xiàn)行技術中用以將一抗反射涂層施加至基材上的方法，是利用一在真空室中的介電質薄膜蒸鍍法，以得到可控制的厚度與均勻度。這些操作通常是以批次的模式進行，且包括將基材手動加載旋轉星盤上、將星盤手動加載一單一真空室中、在沉積之前先作長時間的腔室泵浦降壓、在沉積當中作操作監(jiān)視、以及手動的腔室卸載與腔室準備。此一AR涂層方法不特別適用于硅晶圓的AR 涂層，來以作為對IC應用的光耦合，這是因為每晶圓所需要的成本約略低于現(xiàn)行技術方法的一或二階次方，而因晶圓破損(起因于手動處理、加載與卸載等)所致良率成本的損失則太高，尤其是對于高附加價值的已完成有CMOS 與BEOL工藝的300mm直徑硅晶圓.，因此，一旦對IC的光耦合解決方案可為半導體工業(yè)中用以進行計算機與CPU產品的生產所接受，批次蒸鍍室AR 涂層手法應不能符合產出率要求。
利用加載腔氣鎖、卸載腔氣鎖、自動化晶圓處理、腔與腔間的轉移、以及卸載與自動化工藝等來以介電質濺鍍法進行硅晶圓的AR涂層，對于對IC作光耦合的應用的追求低成本與高產出率需求是有需要的。半導體在線濺鍍設備可以重新規(guī)劃，以符合此一對IC作光耦合的解決方案的AR涂層需求。在這樣的組態(tài)中，多個介電質濺鍍標靶位于一濺鍍腔內，且以氣流隔板來分隔沉積用等離子體，并允許自動化的晶圓于沉積腔前后轉移，以進行序列連續(xù)式AR 沉積。在每一腔中的沉積厚度與均勻度監(jiān)視器，可以達成該AR涂層的連續(xù)式工藝控制與質量確保。該AR涂層的沉積層通常包括氧化硅、金屬氧化物、金屬氮化物、其它介電質以及硅。重新規(guī)劃應用材料公司的Endura自動化序列濺鍍工藝設備是相當理想地適合這些應用所需。
對IC的MUX/DEMUX SMOC光耦合
圖13與圖14所繪示的實例是將對IC的光耦合延伸至對光波長多任務與解多任務的光耦合。此--對IC的DEMUX SMOC光耦合組態(tài)的特殊市場應用包括-.1 )光纖到戶(Fiber-To-The-Home, FTTH)的被動式光網絡(Passive Optical Network, PON)，與千兆位以太網絡GPON應用。在FTTH PON應用中，一"三工(triplexer)"應答器將一 1310nm的傳輸光，耦合至一單模光纖(SMF)，從此光纖以M90nm及1550nm兩波長來載送數(shù)據與影視信號給應答器接收站。介于這些三波長之間的光隔離，決定了應答器的光電封裝組態(tài)。
2) 供局域網絡(Local Area Networks, LAN)用的粗波長劃分多任務化 (Coarse Wavelength Division Multiplexed, CWDM)應答器。通常，具20nm
分隔的四波長從一傳輸用4X1的VCSEL陣列而來并被多任務化，且利用一串級的薄膜濾波器而被解多任務化，送入一在一塑料射出成型封裝的4X1接腳的光檢測器陣列中。
3) 供作為翼部與板部間的計算機服務器溝通用的高數(shù)據速率應答器。此一浮現(xiàn)中的市場需要相當大的低成本整合應答器。
如上所述，圖5所示的SMOC被最佳化成供射出成型制造用，通過使用 -一衍射光柵作為45度轉向鏡，此一結構將易于使用于多任務化應用中。圖13 顯示成一自由空間的概要式表示，其使用一衍射光柵700，來達成光多任務化。衍射光柵700在空間上將光波長分成不同的衍射角。不同的波長都會經過同一 SMOC假準直鏡24，與IC背側的硅對焦鏡片20。每一波長會對焦在IC 10內的同--硅化鍺波導平面的不同x-y部位上。在此一例子中，波長l對焦在波導平面的其中一部位，而另一波長2對焦在該波導平面的不同部位上。兩個45 度轉向鏡702a與702b (各相對于兩波長所在的兩部位)會將每一波長耦合至不同的相對應兩硅化鍺波導704a與704b其中之一。
光隔離是通過在每一硅化鍺波導上的對焦波長的空間分隔而達成。在所述實施例中，波長范圍在1280 1300nm之間，而硅化鍺波導的尺寸范圍則在 1.5 3mm之間，且具有一帶有0.02A折射率的硅包覆(n==3.51)。波導的被分離是超脫光的纖細領域。對于一具有l(wèi)Omm的波導分離而言，這對應于一介于衍射光柵與SMOC鏡片的分離角約為(10/500) =1.1度反切角的500mm 厚硅IC。注意到該SMOC鏡片與硅鏡片開口可作成大到足以順應市場應用時的波長多任務范圍。
該光柵被最佳化成使一來自一單模光纖(single mode fiber, SMF)的分散光束產生衍射，其開口數(shù)值為NA二0.14，成45度，以將光束有效地衍射90
度，并具有少許衍射角角度變動，此變動是依硅化鍺波導針對特定光學設計的波長與分隔距離而定。
衍射光柵可以插入SMOC轉向鏡片空中，作為一分隔件，或是整合入SMOC射出成型程序。
若采取前者方法，則一形成在玻璃上的衍射光柵被切粒成一小的芯片，約0.5mmX0.5mm (或更小)，且其邊緣角朝向該光柵的定向。該光柵芯片被黏結至該塑料轉向鏡表面，并且被動地定向至該轉向鏡的凹袋部的邊緣。一指數(shù) 匹配的環(huán)氧樹脂被用以將該光柵芯片黏結至該SMOC轉向鏡。此--方法可用來例如將衍射光柵整合至硅微機制SMOC上。
制造該衍射光柵的另一種方法是將一衍射光柵并入該射出成型模的鏡對插入銷的轉向鏡表面上。此方法已被廣泛使用于在塑料成型件中，形成可見光用的衍射光柵。該衍射光柵結構通常被形成在玻璃中，且被結合至射出成型模。之后該SMOC轉向鏡被金屬化，通過濺鍍沉積工藝形成金。該金的濺鍍沉積可以改進衍射光柵的效率，此一方法具優(yōu)點在于可以產生一較低的整合成本。
在波長多任務中導入該衍射光柵，導致該SMOC相對于該IC的旋轉性對準需求。該SMOC的該球端致動器與模黏結環(huán)組態(tài)間的尖端"n"接口被設計成符合此一需求。應了解的是，該SMOC相對于該IC的主動光學對準現(xiàn)在即需要監(jiān)視多個光耦合。該SMOC復用器的光學設計可以是只需要兩個對稱設計的光學信道監(jiān)視器。
圖14顯示一應用在光纖到戶(Fiber-To-The-Home，F(xiàn)TTH)被動光纖網絡 (Passive Optical Network, PON)下的概略SMOC復用器組態(tài)。其支援雙向發(fā) 訊。通過兩個光纖744，將有兩個下游光信號，一個波長1490nm，另一個波長1550nm，并有一個上游信號，波長1310nm。兩個下游光信號經衍射光柵而衍射成角，此角度依其波長而定。兩個經衍射的光信號都通過假準直鏡片24，且所產生的"已準直"光束被送至IC芯片10背側的對焦鏡片20。對焦鏡片 20將已準直光束對焦在平面上的兩不同位置，也即分別制有光波導714a與 714b的位置。波長為1550nm的光信號被對焦在一第一轉向鏡712a，此鏡將該光信號反射至光波導714a;而波長1490nm的光信號則被對焦在一第二轉向鏡712b上，此鏡將該光信號反射至光波導714b。有兩個光檢測器716a和716b，各與相對應的不同光波導714a和714b相對準。
上游的光信號經由另一光纖746而被送至IC芯片。其被耦合入IC芯片中的一光波導750，方法同于先前圖1所示者(包括一 45度轉向鏡760、一 "假" 準直鏡片724、一對焦鏡片720以及另一45度轉向鏡762)。該上游光信號的電路也選擇性地包含一以硅或硅化鍺為基礎的調變器，位于光波導750內。該上游信號經由鏡子712c、鏡片20、鏡片24以及衍射光柵700，而被多任務化至PON光纖744。同樣類型的組態(tài)可應用至CDWM應用上，其中會有四個下游光信號被依波長解多任務至四個波導與四個光檢測器。四個波長被由外部光源經該IC而被耦合至SMOC。傳輸用的光信號可以被多任務化至一位于SMOC衍射光柵的輸出的單一光纖，或至一由硅化鍺波導方向性耦合器而成的單一波導，或在耦合入該IC波導之前即在IC外部被多任務化。供高數(shù)據速率服務器應答器用的組態(tài)，同于該CDWM組態(tài)，但更強調IC芯片中的高度整合，以及外部光源對該芯片的整合。應注意的是光源可以被整合在SMOC組態(tài)中，以通過下述已詳細敘述于上的選擇來減少成本1) 光源可以被整合至硅微機制的SMOC。2) 陣列化光源，例如陣列式VCSEL，可被整合至硅微機制的SMOC。3) 在SMOC光組態(tài)中的"零準位封裝"的光源為一單一光源，或呈一陣列式光源。其它實施例都在以下的申請專利范圍中，例如，各種材料與特征可以以不同方式被結合，以產生不同的裝置與結構。所有這些不同的組合都在以下權利要求書的范圍內。此外，雖然在SMOC中的鏡片所描述的是準直鏡片或實質上準直的鏡片，但若使這些鏡片產生一非準直的光束(例如分散或收斂的光束) 也有優(yōu)點。一非準直的光束允許一接近波導或光纖的焦聚的橫向傾斜與位置誤差，其更易于以這些鏡片的小移動來作補償。此外，在此所述的光耦合解決方案，是同樣有效，且或許還更有商業(yè)價值，尤其是要將一將半導體激光波導光耦合至一光纖時。在此例下，該IC芯片將是半導體基材，其有一激光光源，此光源將光經由一光波導而送至一轉向鏡(或衍射光柵)，此鏡再將光反射回經鏡片20與鏡片24，再經由另一轉向鏡(或衍射光柵)而進入一光纖。
權利要求
1. 一種光電電路，其包含一IC芯片，其包含一基材，基材中制作有一光波導與一鏡子，且該基材上并具有一第一鏡片形成于其上，其中該鏡子與該光波導相對準，且該第一l竟片與該鏡子相對準，以形成一連接該第一鏡片、該鏡子、以及該光波導的光路徑；以及一光耦合器，其包括一第二鏡片，且該光耦合器被固定至基材上，且被定位成使該第二鏡片與該第一鏡片相對準，以將--光信號耦合入或耦合出位于該 IC芯片中的該光波導。
2. 根據權利要求1所述的光電電路，其特征在于，該基材也包括-一制造于其中的微電子電路。
3. 根據權利要求2所述的光電電路，其特征在于，該光耦合器由-4目對于該光信號的波長是透明的材料所制成。
4. 根據權利要求3所述的光電電路，其特征在于，該第二鏡片為該光耦合器整個形成的一部分。
5. 根據權利要求4所述的光電電路，在該基材屮的一第一層，而該光波導與該1 該第二層在該基材內而位于該第一層下方c
6. 根據權利要求4所述的光電電路，且該第一鏡片形成在該基材的該背側上。
7. 根據權利要求6所述的光電電路，該基材的該背惻。
8. 根據權利要求6所述的光電電路，該基材的前側。
9. 根據權利要求4所述的光電電路，基材的前側上。
10. 根據權利要求9所述的光電電路，其特征在于，該微電子電路被制造 l子被制造在該基材中的一第二層，其特征在于，該基材具有一背側，其特征在于，該光耦合器被固定至其特征在于，該光耦合器被固定至其特征在于，該第一鏡片形成在該其特征在于，該IC芯片還包括一反射區(qū)，其形成在該基材的該背側上，且其中該第一鏡片、該反射區(qū)、以及在該光波導中的該鏡子沿著該光路徑而相對準，且該反射表面位于該第一鏡片與該鏡子之間。
11. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，還包含一連接至該光耦合器的光纖，其中該光耦合器、在該基材的背側上的第一鏡片、以及該鏡子，相結合而光學地耦合該光纖與該光波導。
12. 根據權利要求11所述的光電電路，其特征在于，該第一與第二鏡片界定一光軸，且其中該光耦合器包括一鏡子與一耦合表面，該耦合表面抵接該光纖，且其中該光纖橫向對準該光軸。
13. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該耦合器包括一衍射光柵，此光柵在操作期間會使該光信號改向。
14. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該耦合器包括一具角度的表面與一沉積在該具角度表面上的金屬膜，以形成該在該光耦合器中的鏡子。
15. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該光耦合器包括一安裝結構。
16. 根據權利要求15所述的光電電路，其特征在于，該安裝結構包含一管狀延伸物，其環(huán)繞并遠離該在該光耦合器中的第二鏡片而延伸，且其末端界定有一平坦表面抵靠IC芯片的背側。
17. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，包括一體成形的第一鏡片的該光耦合器是由模制玻璃所制成。
18. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，包括一體成形的第一鏡片的該光耦合器是由模制塑料所制成。
19. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，還包含一環(huán)氧樹脂，用以將該光耦合器黏結至該基材。
20. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，還包含一金屬化物，用以將該光耦合器黏結至該基材。
21. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該基材包含硅。
22. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該基材還包含一基座，其遠離該背側而延伸，且在該基座的一末端上形成該第一鏡片。
23. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，還包含一芯片載架，且該IC芯片以倒裝芯片方式裝設在該芯片載架上。
24. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，還包含一AR膜，其沉積在該光耦合器中的該第二鏡片上。
25. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，還包含一AR膜，其沉積在該第一鏡片上。
26. 根據權利要求12所述的光電電路，其特征在于，該光耦合器包括一圓柱形延伸部，且該耦合表面位于該圓柱形延伸部的其中一端。
27. 根據權利要求26所述的光電電路，其特征在于，該光纖呈熔融迭接在該耦合表面上。
28. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該第一鏡片通過蝕刻該基材而形成。
29. 根據權利要求12所述的光電電路，其特征在于，該鏡子定向成相對于光軸約45度角。
30. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該第一鏡片為一對焦鏡片，其定位成將所接收到的已準,[光束，對焦至該光波導中。
31. 根據權利要求4所述的光電電路，其特征在于，該第一鏡片為一對焦鏡片，其定位成將所收到的一非準直光束，對焦至該光波導中。
32. 根據權利要求30所述的光電電路，其特征在于，該第二鏡片為一準直鏡片，其用以將所收到的光束加以準直，并將已準直的光束送至該第一鏡片。
33. 根據權利要求1所述的光電電路，其特征在于，該光耦合器包括一整合式光源。
34. 根據權利要求33所述的光電電路，其特征在于，該光源包含一激光，其產生該光信號，還有一轉向鏡，其將來自該激光的該光信號轉向至該第二鏡片。
35. 根據權利要求l所述的光電電路，其特征在于，還包含一光源，其裝設在該光耦合器上，其中在操作期間，該光源會產生該光信號。
36. —種光電電路，包含一IC芯片，其包含一基材，基材中制作有一光波導陣列與一鏡子陣列，且該基材上并具有一第一鏡片系統(tǒng)形成于其上，其中該鏡子陣列的每一鏡子與該光波導陣列的一相對應的不同光波導相對準，且該第一鏡片系統(tǒng)與該鏡子陣列相對準，以形成一連接該第一鏡片系統(tǒng)、該鏡子陣列以及該光波導陣列的光路徑陣列；以及一光耦合器，其包括一第二鏡片系統(tǒng)，且該光耦合器被固定至基材上，且被定位成使該第二鏡片系統(tǒng)與該第一鏡片系統(tǒng)相對準，以將一光信號耦合入或耦合出位于該IC芯片中的該光波導陣列。
37. 根據權利要求36所述的光電電路，其特征在于，該第一鏡片系統(tǒng)為一第一鏡片組件陣列，該第二鏡片系統(tǒng)為一第二鏡片組件陣列。
38. 根據權利要求37所述的光電電路，其特征在于，該第一鏡片組件陣列的每一鏡片組件，與該第二鏡片組件陣列的一相對應不同鏡片組件相對準。
39. 根據權利要求37所述的光電電路，其特征在于，該第二鏡片組件陣列為該光耦合器整個形成的-部分。
40. 根據權利要求37所述的光電電路，其特征在于，該基材具有一背側，且該第一鏡片組件陣列形成在該基材的該背側上。
41. 根據權利要求37所述的光電電路，其特征在于，該光耦合器被固定在該基材的該背側。
42. 根據權利要求37所述的光電電路，其特征在于，該第一鏡片組件陣列的每-it片組件，是--對焦鏡片，且其定位成將接收到的一已準直光束對焦至該光波導中。
43. 根據權利要求42所述的光電電路，其特征在于，該第二鏡片組件陣列的每一鏡片組件，是一準直鏡片，且其將所收到的光束加以準直，并將已準直光束送至該第一鏡片組件陣列的一相對應鏡片組件上。
全文摘要
一光電電路，包括一IC芯片，其由一基材制成，且基材中制作有一光波導與一鏡子，且該基材具有一第一鏡片形成于其上，其中該鏡子與該光波導相對準，且該第一鏡片與該鏡子相對準，以形成一連接該第一鏡片、該鏡子、以及該光波導的光路徑；以及一光耦合器，其包括一第二鏡片，且該光耦合器被固定至基材上，且被定位成使該第二鏡片與該第一鏡片相對準，以將一光信號耦合入或耦合出位于該IC芯片中的該光波導。
文檔編號G02B6/12GK101147088SQ200680009101
公開日2008年3月19日申請日期2006年2月14日優(yōu)先權日2005年2月16日
發(fā)明者勞倫斯·C·韋斯特, 格雷戈里·L·沃杰西克, 愛德華·J·佩倫申請人:應用材料股份有限公司

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