通過(guò)噴射工藝在光學(xué)有源器件之上形成微透鏡的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及光學(xué)裝置，例如光電探測(cè)器和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，并且具體地說(shuō)涉及一種通過(guò)噴射工藝在光學(xué)有源器件之上形成微透鏡的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)裝置被用在光學(xué)領(lǐng)域發(fā)射與接收信號(hào)。某些光學(xué)裝置，例如光電探測(cè)器，被用于從外部設(shè)備接收光信號(hào)并且將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。其他光學(xué)裝置，例如垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL)，被用于接收電信號(hào)并且將它們轉(zhuǎn)換成用于發(fā)射至外部設(shè)備的光信號(hào)。
[0003]使用光電探測(cè)器的情況下，將來(lái)自外部設(shè)備的光信號(hào)耦合至光學(xué)裝置的效率取決于有多少光能穿透光電探測(cè)器的PN結(jié)。類(lèi)似地，使用VCSEL的情況下，將來(lái)自光學(xué)裝置的光信號(hào)耦合到外部設(shè)備的效率取決于有多少光能被外部設(shè)備接收。
[0004]為了提高耦合效率，小透鏡，通常被稱(chēng)為微透鏡，可以被形成在光學(xué)裝置之上。在光電探測(cè)器的情況下，微透鏡被用來(lái)將光能會(huì)聚在裝置的PN結(jié)上，用以提高光耦合。在VCSEL的情況下，微透鏡被用來(lái)使VCSEL發(fā)射的光能準(zhǔn)直，以提高與外部設(shè)備的耦合。
[0005]通常，光刻法被用作在光學(xué)裝置之上形成微透鏡的主要技術(shù)。然而，光刻法具有許多缺點(diǎn)。典型地，光刻工藝包括透鏡形成材料的沉積，材料的熱回流以提高均勻性，以及隨后的刻蝕過(guò)程。因此，這種工藝相對(duì)復(fù)雜，增加了晶片處理時(shí)間，并且增加了生產(chǎn)晶片的成本。
[0006]由此，需要一種在光學(xué)有源器件之上形成微透鏡的改進(jìn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種形成光學(xué)裝置的方法，例如光電二極管或者垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。該方法包括在基板內(nèi)形成有源器件，以及噴射微透鏡材料以在有源器件之上形成微透鏡，使得有源器件能夠經(jīng)由微透鏡接收或者發(fā)射光信號(hào)。
[0008]本發(fā)明的另一個(gè)方面，該方法進(jìn)一步包括在微透鏡和有源器件之間形成表面活性劑層。表面活性劑層可以形成在有源器件的孔結(jié)構(gòu)之上。在又一個(gè)方面，表面活性劑層包括表面活性劑單分子層，例如全氟辛基三氯硅烷。
[0009]在本發(fā)明的另一個(gè)方面，微透鏡材料包括雜化聚合物，例如溶膠-凝膠或者環(huán)氧樹(shù)月旨。在另一個(gè)方面，該方法進(jìn)一步包括向微透鏡材料增加溶劑以實(shí)現(xiàn)用于微透鏡材料的規(guī)定粘性。在又一個(gè)方面，該方法進(jìn)一步包括確定待噴射來(lái)形成微透鏡的微透鏡材料的體積。
[0010]在本發(fā)明的另一個(gè)方面，微透鏡的形成進(jìn)一步包括固化已噴射的微透鏡材料。在另一個(gè)方面，固化已噴射的微透鏡材料包括:使已噴射的微透鏡材料經(jīng)受第一烘烤處理，在第一烘烤處理之后使已噴射的微透鏡材料經(jīng)受紫外線(UV)整片曝光，并且在UV整片曝光之后使已噴射的微透鏡材料經(jīng)受第二烘烤處理。在又一個(gè)方面，第一烘烤處理包括使已噴射的微透鏡材料經(jīng)受80攝氏度溫度大約30分鐘。在又一個(gè)方面，第二烘烤處理包括使已噴射的微透鏡材料經(jīng)受150攝氏度溫度大約25分鐘。
[0011]從以下本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明中，當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，本發(fā)明的其他方面，優(yōu)點(diǎn)和新穎設(shè)計(jì)將變得明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1A所示的是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的某一階段的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0013]圖1B所示的是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0014]圖1C所示的是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的另一后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0015]圖1D所示的是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的又一后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0016]圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，從外部設(shè)備接收光信號(hào)的示意性光接收裝置的側(cè)視圖。
[0017]圖3所示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，向外部設(shè)備發(fā)射光信號(hào)的示意性光發(fā)射裝置的側(cè)視圖。
[0018]圖4A所示的是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，與在有源器件之上形成微透鏡的另一個(gè)示意性方法有關(guān)的某一個(gè)階段的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0019]圖4B所示的是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0020]圖4C所示的是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的另一后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
[0021]圖5所示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，向外部設(shè)備發(fā)射光信號(hào)或者從外部設(shè)備接收光信號(hào)的示意性光學(xué)裝置的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]圖1A所示的是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的某一階段的示意性光學(xué)裝置100的側(cè)視圖。在這一階段，光學(xué)裝置100的有源器件104已經(jīng)被形成。有源器件104可以包括光電探測(cè)器、VCSEL，或者其它類(lèi)型的光學(xué)有源器件。在這一例子中，有源器件104被形成在基板或者晶片102之內(nèi)和之上，例如半導(dǎo)體基板或者晶片(例如，砷化鎵半導(dǎo)體基板或者晶片)。另外，在這一例子中，有源器件104包括孔結(jié)構(gòu)106，其限定光信號(hào)被接收或者發(fā)射要穿過(guò)的窗口。
[0023]盡管示出一個(gè)有源器件104，應(yīng)當(dāng)理解的是在基板或者晶片102上可以形成多個(gè)有源器件104。包括該有源器件104或者多個(gè)有源器件的基板或者晶片102可以進(jìn)行表面清洗工藝以將其制備為用于如下論述的后續(xù)工藝。
[0024]圖1B所示的是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置100的側(cè)視圖。根據(jù)該方法，表面活性劑材料層110被至少沉淀在有源器件104的孔結(jié)構(gòu)106之上，并且可以被沉淀在基板或者晶片102的大體上整個(gè)表面之上。表面活性劑材料110用來(lái)改變基板或者晶片102的表面能以使隨后沉淀的微透鏡材料與晶片表面具有期望的接觸角從而形成期望的微透鏡形狀。表面活性劑材料110也可以有助于微透鏡在基板或者晶片102上的粘附。作為一個(gè)例子，表面活性劑材料可以是表面活性劑單分子層，例如全氟辛基三氯硅烷，其可被用于基板或者晶片102的表面的親水性處理。
[0025]圖1C所示的是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的另一后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置100的側(cè)視圖。根據(jù)該方法，噴射工具150被設(shè)置在有源器件104的孔結(jié)構(gòu)106之上，并且微透鏡材料120被噴射在表面活性劑覆蓋的有源器件104之上。微透鏡材料120可以是雜化聚合物，例如溶膠-凝膠材料或者環(huán)氧樹(shù)脂基材料，其粘度可通過(guò)溶劑添加劑來(lái)調(diào)整。微透鏡120的形狀主要通過(guò)表面張力來(lái)形成。
[0026]微透鏡120的形狀和尺寸可以通過(guò)噴射力、液滴的體積、以及表面活性劑單分子層110的類(lèi)型而被靈活地調(diào)整。噴射工具150可以是商業(yè)化的噴墨式材料印刷機(jī)，其可以實(shí)現(xiàn)基板或者晶片102上限定的微透鏡圖案的精確定位(大約I微米(μπι)或者更小的精度)。噴墨式印刷機(jī)被用于在有源器件上印刷或者噴射微透鏡材料以形成微透鏡。噴射力可以根據(jù)需要被調(diào)整以產(chǎn)生穩(wěn)定的單個(gè)液滴，而不會(huì)產(chǎn)生濺起的附屬物。液滴體積可以通過(guò)微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)芯片驅(qū)動(dòng)的印刷頭而被精確地控制，以實(shí)現(xiàn)微透鏡120的規(guī)定尺寸。
[0027]圖1D所示的是根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關(guān)的又另一后續(xù)階段的示意性光學(xué)裝置100的側(cè)視圖。在形成微透鏡液滴120之后，光學(xué)裝置100經(jīng)受固化工藝。固化工藝被執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)微透鏡120期望的機(jī)械和光學(xué)性質(zhì)。作為一個(gè)例子，固化工藝可以包括使光學(xué)裝置100經(jīng)受例如80攝氏度溫度的預(yù)烘烤處理持續(xù)大約30分鐘(例如，根據(jù)烘烤設(shè)備的容差)。在預(yù)烘烤處理之后，光學(xué)裝置100可以經(jīng)受紫外線整片曝光160，隨后是例如150攝氏度持續(xù)25分鐘(例如，根據(jù)烘焙設(shè)備的容差)的最終的烘烤處理。通過(guò)該固化工藝，可以實(shí)現(xiàn)微透鏡120期望的折射率和光學(xué)透明度。作為一個(gè)例子，通過(guò)上述的工藝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于800至1600納米(nm)范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的期望折射率和光學(xué)透明度。
[0028]圖2所示的是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，從外部設(shè)備280接收光信號(hào)270的示意性光接收裝置200的側(cè)視圖。光接收裝置200具有基板或者晶片202，有源器件204形成在其中。在這一例子中，有源器件204可以是光電探測(cè)器，其被配置成經(jīng)由孔206接