專利名稱：用于整體封裝光電子裝置、ic芯片、和光傳輸線的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于封裝光通信裝置的設(shè)備和方法。
更具體說，本發(fā)明涉及光學(xué)基座結(jié)構(gòu)，如硅光學(xué)基座(SiOB)，用于封裝光電子(OE)芯片及驅(qū)動電路，和用光學(xué)基座把光傳輸線(如光纖、波導(dǎo)等等)直接耦合至OE芯片。
背景技術(shù)：
小型、高效的光傳輸線，如光纖的發(fā)展，導(dǎo)致光通信廣泛用于要求長距離、高數(shù)據(jù)速率通信，如遠(yuǎn)程通信的許多應(yīng)用中。光纖通常包括透明的纖心，周圍包以透明的、折射率比纖心低的包層材料。光纖光傳輸線提供低價格的、緊湊的、低EMI(electromagneticinterference，電磁干擾)的、和在非常大的距離上的高速傳輸。
一般說，光通信裝置能用光學(xué)基座構(gòu)建，或用SiOB(silicon-optical bench，硅光學(xué)基座)結(jié)構(gòu)把光纖耦合至例如光電子部件(發(fā)射器和/或接收器)和相關(guān)的驅(qū)動/控制集成電路(IC)芯片。例如，光電子發(fā)射器組件，包括用于與光纖對接的連接器的發(fā)射器(光發(fā)射器)。一般說，發(fā)射器包括上有光源的半導(dǎo)體管芯，該光源響應(yīng)電信號而發(fā)射光信號，然后，光信號通過與之耦合的光纖發(fā)送。
光電子發(fā)射器裝置，可以采用各種發(fā)光二極管(LED)和激光器之一作為光源。例如，豎直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種專用激光器二極管，專為在光纖中提供改進(jìn)的效率和增加的數(shù)據(jù)速度而開發(fā)的。由于VCSEL的低功耗和能制成陣列或矩陣形式，是建立并行光通信模塊的優(yōu)秀候選者。VCSEL沿垂直于晶片表面方向發(fā)射光。
此外，光電子接收器組件一般包括，用于與光纖對接的連接器的接收器(光檢測器)。接收器包括上有光檢測器(如光電二極管)的半導(dǎo)體管芯，光檢測器從光纖接收光信號，并把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。另外，例如，可以用光學(xué)基座構(gòu)建光電子收發(fā)器組件，組件包括與與光纖對接的發(fā)射器和接收器。
當(dāng)用OE接收器和/或發(fā)射器芯片，設(shè)計光通信模塊和系統(tǒng)時，一般需要使光纖和光電子芯片平行于PCB(印刷電路板)或光學(xué)基座精確定位。此時，例如，多個PCB(其上安裝了光纖和裝置)可能需要相互平行地緊靠一起。
但是，當(dāng)光纖平行于光電子芯片表面放置時，光電子芯片是垂直于晶片表面發(fā)射光或接收光的(從而垂直于光纖的纖心軸)，此時在光纖和光源或光檢測器之間耦合光，有各種耦合技術(shù)可供采用。
一種耦合技術(shù)是在光纖中提供90度彎曲，于是光纖末端能夠有效地對著光源或檢測器。這種方法，由于例如光纖大的最小彎曲半徑，要求PCB間有大的間隔，并導(dǎo)致光損耗的增加，對于各種應(yīng)用可能是不可接受的。
另一種方法，是用軟線連接。例如，可以把VCSEL條粘結(jié)在柔性的電連接器(軟線)上，該連接器被彎曲90度，以便與光纖的光耦合。軟線連接器包括埋在聚酰亞胺膜中的金屬導(dǎo)體。由于軟線材料的機械性質(zhì)，要獲得90度彎曲，需要不小于一厘米的彎曲半徑，使軟線上的導(dǎo)線太長，難以與高速信號適應(yīng)。此外，VCSEL到光纖的耦合需要附加的光學(xué)部件(如透鏡)，因而不能使光纖充分接近VCSEL。
其他的耦合技術(shù)包括“側(cè)耦合”方法，其中，光纖的端部放在光源/檢測器鄰近，且其中從光源發(fā)射的光，垂直于纖心軸，利用放在光纖末端附近的平面反射鏡結(jié)構(gòu)，使光耦合進(jìn)光纖，或者，其中從光纖發(fā)出的光，垂直于檢測器光接收表面，利用平面反射鏡耦合進(jìn)檢測器。在其他的實施例中，可以在光纖末端形成帶角度的小面，用作反射表面(或者用在其中形成的反射材料，或者通過TIR(內(nèi)全反射)，使帶角度的光纖末端與對準(zhǔn)它的OE裝置之間的光，實現(xiàn)耦合。
例如，圖1a和1b畫出常規(guī)的側(cè)耦合方法，借助沿光纖末端提供的銳角切割，使光經(jīng)過光纖的側(cè)面，耦合進(jìn)光纖或從光纖耦合出來。如圖1a和1b所示，由纖心(2)及包圍它的透明的包層材料(3)構(gòu)成的光纖(1)，包括形成在光纖的末端的反射的銳角小面(4)，該小面(4)用作平面反射鏡，把側(cè)耦合的光耦合進(jìn)光電子裝置(5)(如頂表面或底表面的發(fā)射器光源、檢測器)和/或從光電子裝置(5)耦合出來。光纖(1)被帶到平行于光電子裝置(5)的表面(或平行于模塊、芯片、光學(xué)基座，包括裝置(5)等等的表面)，該表面基本上平行于光纖軸(6)，以便使光電子裝置(5)對準(zhǔn)光纖(1)側(cè)面附近，對著反射小面(4)向內(nèi)的表面。反射材料淀積在小面(4)的外表面。
利用圖1a和1b所示的側(cè)耦合方法，垂直于光纖中心軸(6)發(fā)射的光，最好基本上平行于光纖中心軸(6)反射進(jìn)纖心(2)。再有，光纖內(nèi)平行于光纖軸(6)向著反射角切割面(4)傳播的光，被反射出纖心(2)，通過包層(3)到達(dá)檢測器。如圖1a所示，呈曲面的光纖光學(xué)包層材料(3)，位于光電子裝置(5)和纖心(2)切割端(4)內(nèi)表面之間，該包層材料(3)起柱面透鏡的作用，使來自光源的光部分地準(zhǔn)直，進(jìn)入纖心(2)，同時縮小從光纖向著檢測器(5)傳播的光的發(fā)散度。
在光學(xué)基座上使用光學(xué)平面反射鏡，或在光纖上形成反射小面，會增加光電子組件制作的時間、成本、和復(fù)雜性。此外，例如使用諸如平面反射鏡這樣的附加部件，更會使降低OE裝置和光纖對準(zhǔn)精度的因素增加，難以提供足夠的耦合光并增加光學(xué)串?dāng)_。
隨著光通信系統(tǒng)操作速度的增加，要求有較低的光耦合損耗。因此，非常需要開發(fā)用于封裝光電子裝置和光纖的裝置和方法，這些裝置和方法提供有效和精確的對準(zhǔn)，便于OE裝置和光纖的直接耦合，以及為高速運轉(zhuǎn)和空間的有效利用，提供緊湊的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明示范性的實施例，一般包括用于封裝光通信裝置的設(shè)備及方法。示范性的實施例還包括光學(xué)基座結(jié)構(gòu)，如硅光學(xué)基座(SiOB)，用于封裝光電子(OE)芯片和驅(qū)動電路，并用該光學(xué)基座直接把光傳輸線(諸如光纖、波導(dǎo)，等等)耦合到OE芯片。
在本發(fā)明的一個示范性實施例中，提供的一種光通信設(shè)備，包括在其上形成電變向通路的基片。光電子(OE)芯片和集成電路(IC)芯片安裝在光學(xué)基座上，并用該電變向通路實現(xiàn)電連接。該電變向通路沿與基片表面垂直方向及橫向方向兩個方向上伸延，以便能夠在垂直于光學(xué)基座表面上，以非常緊湊的方式安裝OE芯片和IC芯片，并用電變向通路實現(xiàn)電連接。更準(zhǔn)確地說，OE芯片和IC芯片安裝在光學(xué)基座上，使OE芯片的光發(fā)射表面或光接收表面，基本上垂直于有觸點的IC芯片表面，并使平行于基片表面安裝的光傳輸線，能夠直接與OE芯片耦合。
在本發(fā)明的另一個示范性實施例中，提供一種光學(xué)基座，包括有第一表面、第二表面、和第三表面的基片，和形成在基片內(nèi)的導(dǎo)電通路，其中的第一和第二表面定義兩個基本上平行的平面，而其中的第三表面定義的平面，基本上垂直于第一和第二表面定義的平面。該導(dǎo)電通路包括露出在第三表面上的第一端部，和露出在第二表面上的第二端部。
在另一個示范性實施例中，光學(xué)基座包括一空腔，空腔有由第三表面定義的側(cè)壁。當(dāng)OE芯片安裝到光學(xué)基座上時，該空腔側(cè)壁與第一表面定義了OE芯片止推對準(zhǔn)的邊緣。當(dāng)OE芯片安裝到光學(xué)基座上時，該空腔側(cè)壁表面用于OE芯片的止推對準(zhǔn)。此外，光學(xué)基座包括靠近該邊緣的表面上形成的對準(zhǔn)標(biāo)記。
在又一個實施例中，光學(xué)基座包括光傳輸線，例如，在基片第一表面蝕刻的V形槽溝道中安裝的光纖，或在第一表面上形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。光學(xué)基座能夠裝填一個或多個OE芯片和IC芯片，以便封裝成光電子發(fā)射器、光電子接收器、或光電子收發(fā)器。
在本發(fā)明的另一個實施例中，提供一種用于制作光學(xué)基座的方法，包括提供有第一表面、第二表面、和第三表面的基片，該第一和第二表面定義兩個基本上平行的平面；蝕刻一通路孔，在該第一和第二表面之間穿過基片；在第一表面蝕刻第一空腔，其中，該第一空腔與露出在第一表面上的通路孔的第一端部重疊；以導(dǎo)體填充該通路孔和第一空腔，形成導(dǎo)電通路。
本發(fā)明的這些和其他示范性實施例、特征、方面、和優(yōu)點，下面將加以說明，并將從下面示范性實施例的詳細(xì)說明中變得更明顯，這些實施例應(yīng)結(jié)合附圖閱讀。


圖1a和1b是示意圖，畫出光纖和光電子裝置之間光的側(cè)耦合的常規(guī)方法。
圖2按照本發(fā)明的一個示范性實施例，畫出一種光學(xué)設(shè)備的示意圖，圖上表明已裝填的光學(xué)基座，在該光學(xué)基座上有一根或多根光傳輸線、一個或多個光電子裝置、和一片或多片IC。
圖3按照本發(fā)明的一個示范性實施例，示意畫出一種光學(xué)基座的三維透視圖。
圖4A按照本發(fā)明的一個示范性實施例，示意畫出一種光電子裝置的頂視圖，該裝置有對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)光電子裝置與光學(xué)基座的被動對準(zhǔn)。
圖4B畫出圖4A的光電子裝置的截面?zhèn)纫晥D，取自圖4A的AB線。
圖5示意畫出圖2光學(xué)設(shè)備的三維透視圖。
圖6A-6F是示意圖，按照本發(fā)明的一個示范性實施例，畫出制作光學(xué)基座的方法，其中圖6A是截面?zhèn)纫晥D，表明硅基片中形成的貫通的通路圖6B是圖6A的截面?zhèn)纫晥D，表明在基片表面蝕刻了空腔之后，通路的頂端和下端；圖6C是圖6B在通路和空腔填充了金屬后的截面?zhèn)纫晥D；圖6D是圖6C在基片表面上部和下部淀積了絕緣層后的截面?zhèn)纫晥D；
圖6E是圖6D在蝕刻容納OE裝置的空腔，和蝕刻安裝光纖的V形槽后的截面?zhèn)纫晥D；和圖6F是圖6E在金屬填充的空腔露出部分涂敷焊料凸塊后的截面?zhèn)纫晥D。
圖7按照本發(fā)明另一個示范性實施例，示意畫出光學(xué)基座的三維透視圖。
圖8按照本發(fā)明另一個示范性實施例，示意畫出光學(xué)基座的側(cè)視圖。
圖9按照本發(fā)明另一個示范性實施例，示意畫出一種光電子裝置的頂視圖，該光電子裝置有對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)該光電子裝置與圖8示范性光學(xué)基座的被動對準(zhǔn)。
具體實施例方式
本發(fā)明示范性的實施例，包括用于封裝光通信裝置的設(shè)備及方法，特別是光學(xué)基座，如硅光學(xué)基座(SiOB)的結(jié)構(gòu)，用于封裝光電子(OE)芯片和驅(qū)動電路，并用該光學(xué)基座直接把光傳輸線(諸如光纖、波導(dǎo)，等等)耦合到OE芯片，這些實施例將參照圖2-9詳細(xì)說明，其中，用相同的參考數(shù)字表示相同的或類似的結(jié)構(gòu)。
圖2按照本發(fā)明一個示范性實施例，畫出一種光學(xué)設(shè)備的示意圖。一般說，該光學(xué)設(shè)備包括光學(xué)基座(10)，用于封裝多種光學(xué)部件，包括光電子裝置，諸如VCSEL條(20)；一片或多片控制/支持IC芯片，諸如驅(qū)動VCSEL的LDD(激光二極管驅(qū)動器)IC芯片(30)；和一根或多根光傳輸線，諸如以光信號形式傳輸光數(shù)據(jù)的光纖(40)，光信號例如從VCSEL條(20)接收。在圖2的示范性實施例中，VCSEL(20)包括有突沿部分(21a)的膜層(21)，形成在VCSEL的光發(fā)射表面上，當(dāng)VCSEL(20)安裝到光學(xué)基座(10)上時，該突沿提供止推被動對準(zhǔn)機構(gòu)，下面還要說明。
按照本發(fā)明的光學(xué)基座結(jié)構(gòu)，如圖1的示范性光學(xué)基座(10)，能實現(xiàn)OE芯片如VCSEL(20)與光傳輸線如光纖(40)的直接耦合，從而消除側(cè)耦合必須的常規(guī)軟線連接或反射鏡。此外，該示范性光學(xué)基座(10)的結(jié)構(gòu)，能使VCSEL(20)比常規(guī)結(jié)構(gòu)更靠近LDD IC芯片(30)，在常規(guī)結(jié)構(gòu)中，VCSEL芯片(20)和LDD(30)是倒裝的，并相互鄰接地粘結(jié)。還有，該示范性光學(xué)基座(10)包括對準(zhǔn)機構(gòu)，例如能使光纖(40)精確對準(zhǔn)(被動的和主動的)VCSEL(20)。
現(xiàn)在將參照圖3和圖5，詳細(xì)討論圖2畫出的示范性光學(xué)基座(10)，圖3示意畫出光學(xué)基座(10)的三維透視圖，圖5示意畫出圖2已裝填的光學(xué)基座(10)的三維透視圖。在一個示范性實施例中，該光學(xué)基座(10)是SiOB(硅光學(xué)基座)，包括經(jīng)過多個制作過程，在其上形成一個或多個電變向通路(12)的硅基片(11)；在基片(11)的頂部和底部的絕緣層(13)；容納OE裝置(例如VCSEL條(20))的空腔(14)；蝕刻在基片(11)中的一條或多條V形槽溝道(15)，用于安裝光纖(40)；及在絕緣層(13)蝕刻的開孔中形成的一塊或多塊涂敷的焊料凸塊(18)，用于把變向通路(12)連接到LDD(30)。此外，涂敷的焊料凸塊，形成在光學(xué)基座(10)豎直側(cè)壁(14b)的通路(12)的露出部分，用于把變向通路(12)連接到VCSEL條(20)。下面將參照例如圖6A-6F，討論按照一個示范性實施例的制作光學(xué)基座(10)的方法。
光學(xué)基座(10)包括一條或多條導(dǎo)電的變向通路(12)，在LDDIC(30)和VCSEL條(20)之間提供電連接，LDD IC(30)安裝在光學(xué)基座(10)的下表面，VCSEL條(20)安裝在基片(11)蝕刻的空腔(14)中。變向通路(12)包括豎直部分(12a)及水平部分(12a)和(12c)(或“彎曲觸點”)，豎直部分(12a)豎直地從硅基片(11)的底部伸延至頂部(即，沿垂直于基片(11)下表面和上表面平面的z軸)，水平部分(12a)和(12c)彎曲90度，從豎直部分(12a)沿橫向伸延，基本上平行于基片(11)下表面和上表面定義的平面。換句話說，彎曲的觸點(12a)和(12c)本質(zhì)上是豎直通路部分(12a)的橫向伸延。
在一個如圖3所示的示范性實施例中，一條或多條變向通路(12)上部彎曲觸點(12a)的側(cè)面部分，露出在基片(10)的豎直側(cè)壁(14b)上，該豎直側(cè)壁(14b)定義了蝕刻的空腔(14)。露出的上部彎曲觸點(12a)部分，在其上涂敷了焊料凸塊，用于VCSEL條(20)與變向通路(12)之間的電連接。例如，為了說明的目的，圖3的示范性實施例，畫出兩對變向通路(12)，上部彎曲觸點(12a)露出在豎直側(cè)壁(14b)上。圖4A示意畫出VCSEL條(20)的頂(光發(fā)射)表面(22)，有兩個VCSEL(激光二極管)(24)及對應(yīng)的兩對P/N接觸襯墊(25)。圖4A中的VCSEL條(20)能夠安裝在光學(xué)基座(10)的空腔(14)中，然后對準(zhǔn)(使用本文說明的機構(gòu))，使VCSEL(24)的每一對P/N接觸襯墊(25)，能夠連接至露出在側(cè)壁(14b)上對應(yīng)的一對上部彎曲觸點(12a)部分。
此外，如圖2所示，變向通路(12)下部彎曲觸點(12c)，有形成于其上的焊料凸塊(18)，用于與LDD IC芯片(30)的接觸襯墊實現(xiàn)電連接。在一個示范性實施例中，彎曲觸點(12a)和(12c)要盡可能短，使變向通路(12)的長度與基片(11)的厚度相近，例如約500微米。如此短的引線，為從LDD(30)到VCSEL條(20)傳送驅(qū)動信號，提供非常高速的電特性。
應(yīng)當(dāng)指出，例如圖2和3畫出的變向通路(12)，僅作為一個示范性實施例的舉例，因此，與應(yīng)用及設(shè)計有關(guān)，可以形成各種類型的變向通路。例如，某些變向通路(12)可以沒有底部彎曲觸點(12c)，比如在不需要布線且豎直部分(12b)的底部直接與芯片襯墊連接的情形。底部彎曲觸點(12c)能實現(xiàn)LDD(30)的安裝，使它從VCSEL條(20)偏移(就是說，不直接在空腔(14)下面)，為了防止VCSEL條(20)受LDD IC芯片(30)熱耗散的影響，這樣做是需要的。無論如何，最好使LDD(30)與VCSEL條(20)盡可能近，以減小連接該兩種部件的變向通路(12)的長度。
還有，變向通路(12)可以包括LDD(30)發(fā)送數(shù)據(jù)信號的通路，以便驅(qū)動VCSEL條(20)的光發(fā)射VCSEL(24)，或提供功率和/或接地連接。此外，在另一個示范性實施例中，可以在基片(11)每一對饋電給VCSEL的變向通路之間形成屏蔽通路(或接地通路)，據(jù)此實現(xiàn)每一VCSEL與其近鄰的電屏蔽，并減小溝道間的電串?dāng)_。
例如，再參考圖2、3和5，形成在基片(11)中的空腔(14)，用于容納VCSEL條(20)(或其他類型的OE裝置)?？涨?14)由底面(14a)和豎直側(cè)面(14b)定義。從基片(11)上表面以下到空腔(14)底面(14a)，空腔(14)蝕刻至需要的深度(d)。此外，在基片(11)中蝕刻V形槽陣列(15)，以便在其中安裝光纖(40)。
例如，如圖2所示的示范性實施例，VCSEL條(20)和光纖(40)安裝在光學(xué)基座(10)之上，使VCSEL條(20)的上表面(22)(即光發(fā)射表面)面對光纖(40)的端部(就是說，VCSEL條(20)的上表面(22)，基本上垂直于纖心的縱軸安裝)。據(jù)此，垂直于VCSEL條(20)上表面(22)從VCSEL(24)發(fā)射的光，直接耦合進(jìn)光纖(40)的纖心(假定已適當(dāng)對準(zhǔn))。
光學(xué)基座(10)結(jié)構(gòu)，能使光纖(40)端部精確定位，非常接近VCSEL(24)，在光從VCSEL(24)傳播至纖心時，能以最小光發(fā)散度實現(xiàn)光的直接耦合。
按照本發(fā)明各示范性實施例，提供了各種對準(zhǔn)機構(gòu)，提供OE裝置與安裝在光學(xué)基座上的光傳輸線精確的三維對準(zhǔn)，本文記為Z方向、Y方向、和X方向。例如，如圖3和5所示，Z方向由垂直于基片(11)上下表面的軸定義，并沿豎直方向伸延，X方向由平行于基片(11)表面的軸定義，并沿例如橫跨V形槽溝道(15)的方向伸延，Y方向由平行于基片(11)表面的軸定義，并沿V形槽溝道(15)的縱向伸延。
例如，參照示范性實施例2-5，光學(xué)基座(10)包括多個用作止停的表面，當(dāng)VCSEL條(20)被放進(jìn)空腔(14)時，提供Z和Y方向的被動(止推)對準(zhǔn)。例如，光學(xué)基座(10)的上表面(即上部絕緣層(13)的上表面)與豎直側(cè)壁(14b)會合，形成沿X方向伸延的邊緣。當(dāng)VCSEL條(20)從側(cè)面安裝進(jìn)光學(xué)基座(10)的空腔(14)時(即，VCSEL條(20)的上表面(22)，垂直于基片表面上下平面)，通過使止推膜(21)的下突沿部分(21a)與光學(xué)基座(10)的上表面順著邊緣接觸，能夠獲得光纖(40)與VCSEL條(20)VCSEL(24)沿Z方向的被動(止推)對準(zhǔn)。
事實上，例如，如圖4A和4B所示，從止推薄膜(21)的下突沿部分(21a)到VCSEL(24)的中心軸的距離“z”，能夠用光刻方法在VCSEL條(20)的表面(22)上形成的膜(21)精確定義。因此，當(dāng)止推膜(21)的下突沿部分(21a)順著邊緣靠在光學(xué)基座(10)的上表面時，VCSEL發(fā)射區(qū)(24)中心將是在該上表面之上的距離“z”。知道了這一距離及采用的光纖直徑，能夠形成有給定深度的V形槽溝道，當(dāng)光纖安裝在V形槽溝道中時，纖心的中心沿Z對準(zhǔn)VCSEL(24)的中心，就是說，纖心的中心是在上表面距離“z”之上。
此外，光學(xué)基座(10)提供一種沿Y方向被動(止推)對準(zhǔn)的機構(gòu)，以便把光纖(40)端部放在離VCSEL(24)預(yù)定的需要的距離。在一個示范性實施例中，當(dāng)VCSEL條(22)的上表面(22)與豎直側(cè)壁(14b)接觸時，沿Y方向的對準(zhǔn)，借助用作止停平面的空腔(14)豎直側(cè)壁(14b)獲得。光纖(40)端部到VCSEL(24)的距離，將隨各種因素變化，諸如V形槽的寬度(對給定的溝道，它限制這些槽是否能在基片(11)中對應(yīng)的上部彎曲觸點之間形成；膜(21)的厚度(它應(yīng)足夠厚，以便形成有足夠的結(jié)構(gòu)尺寸及完整的突沿(21a)，以便止推對準(zhǔn))；變向通路(12)的厚度；等等。
再有，在另一個示范性實施例中，沿X方向的對準(zhǔn)，可以用適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)工具，在VCSEL條(20)靠在邊緣上時，沿X方向滑移VCSEL條(20)，主動地把形成在VCSEL條(20)上或止推膜(21)(圖4A)上的對準(zhǔn)標(biāo)記，對準(zhǔn)蝕刻在表面(17)中的對準(zhǔn)標(biāo)記獲得。在該示范性實施例中，雖然有絕緣層(13)形成在基片表面(17)上，但對準(zhǔn)標(biāo)記(16)仍然可用于對準(zhǔn)識別。例如，絕緣層(13)可以用透明材料構(gòu)成。如果絕緣層是不透明的，那么蝕刻的對準(zhǔn)標(biāo)記結(jié)構(gòu)依然能傳遞到絕緣層(13)的表面，從而能識別該標(biāo)記(16)。在一個示范性實施例中，對準(zhǔn)標(biāo)記(16)是與V形槽(15)共同蝕刻的，以便提供精確的標(biāo)志。
圖5示意畫出圖2光學(xué)設(shè)備的三維透視圖。圖5畫出的SiOB(10)裝填了直接耦合至并對準(zhǔn)光纖(40)的VCSEL條(20)，還把激光二極管驅(qū)動器(LDD)芯片(30)安裝在SiOB(10)的底部并經(jīng)過變向通路(12)連接至VCSEL條(20)。VCSEL條(20)與光纖(40)的對準(zhǔn)，是當(dāng)把上部彎曲觸點(12a)的露出部分焊接到PN接觸襯墊上時，使用焊料牽引(被動對準(zhǔn))獲得的。
雖然圖5的示范性實施例，畫出的是安裝了光纖的光電子發(fā)射器組件，其中的LDD IC芯片(30)產(chǎn)生控制信號，驅(qū)動VCSEL條(20)產(chǎn)生光數(shù)據(jù)信號，從VCSEL條(20)發(fā)射并耦合進(jìn)光纖(40)，以便傳輸至接收器，但是應(yīng)當(dāng)指出，該實施例僅僅是舉例，因此，本領(lǐng)域熟練人員容易根據(jù)本文的教導(dǎo)，想像出各種光通信組件的實施例。
例如，類似于圖2和5實施例的光通信設(shè)備，可以用V形槽溝道形成，但在其中不安裝光纖。在該實施例中，該設(shè)備可以與另一個安裝了光纖的有相匹配V形槽陣列的基片連接。
再有，可以實施用于構(gòu)建光電子接收器組件的光學(xué)基座(10)，其中的OE裝置包括光電二極管陣列，而支持/控制電路包括光電二極管放大器IC芯片(如TIA(互阻抗放大器))。在該實施例中，光電二極管陣列把從光纖(40)接收的光信號，轉(zhuǎn)換為電信號，隨后通過與光電二極管輸出端連接的變向通路(12)，發(fā)送至放大器IC芯片(安裝在光學(xué)基座(10)的底部)。在另一個實施例中，可以實施用于構(gòu)建集成收發(fā)器組件的光學(xué)基座(10)，該組件中有發(fā)射器和接收器OE裝置，以及支持控制/驅(qū)動器/放大器的電路。
在本發(fā)明的又一個示范性實施例中，光纖(40)可以用其他類型的光傳輸線代替，例如硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。作為例子，波導(dǎo)可以在基片上部淀積適當(dāng)?shù)难趸锖凸鑼?，整體地形成在光學(xué)基座的基片之上。在本發(fā)明再一個示范性實施例中，光纖(40)可以用其他類型的光傳輸線代替，例如聚合物波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。作為例子，波導(dǎo)可以在基片上部淀積適當(dāng)?shù)木酆衔锇鼘雍途酆衔锏男牟牧希w地形成在光學(xué)基座的基片之上。按照本發(fā)明，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)基座的各種示范性實施例，將在下面參照例如圖7-8所示示范性結(jié)構(gòu)，加以說明。
現(xiàn)在參照圖6A-6F，圖上畫出按照一個示范性實施例的構(gòu)建光學(xué)基座的方法。為說明的目的，6A-6F所示的示范性方法，例如將涉及構(gòu)建圖2-5所示的光學(xué)基座(10)。但是，應(yīng)當(dāng)指出，本領(lǐng)域的一般人員，容易利用6A-6F所示的示范性方法，根據(jù)指定的應(yīng)用，想像出其他的光學(xué)基座結(jié)構(gòu)/設(shè)計。
首先參照圖6A，圖上畫出在常規(guī)的基片(51)，如硅基片上，用本領(lǐng)域一般人員熟知的方法，形成一條或多條豎直貫通的通路(50)。這些豎直貫通通路(50)，用于構(gòu)成如上所述的變向通路(12)的豎直部分(12a)。如上面所指出，變向通路可以為各種用途而形成，諸如接地、功率、和數(shù)據(jù)信號。此外，如上面所指出，為減小溝道間的串?dāng)_，可以形成附加的接地通路，以便與鄰近的VCSEL實現(xiàn)電屏蔽。
在一個示范性實施例中，基片(51)的厚度t約為500μm。雖然為保持OE裝置與支持芯片盡量靠近，使基片(51)的厚度成為最小，并使變向通路長度成為最小，是最理想的，但是，正如本領(lǐng)域一般人員所知，基片的厚度，依賴于諸如基片結(jié)構(gòu)的整體性、和用流行的現(xiàn)有技術(shù)可以獲得的貫通通路(50)需要的縱橫比等因素。
下面參照圖6B，空腔(53)用本領(lǐng)域一般人員所知的適當(dāng)?shù)难谀：臀g刻技術(shù)，形成在基片(51)的上表面和下表面，與露出在基片表面的通路(50)末端重疊。如上所述，空腔(53)用于形成變向通路(12)的90度彎曲的觸點。事實上，形成的空腔是用于沿橫越基片表面的方向，橫向伸延通路(50)。通路(50)和空腔(53)的表面用適當(dāng)材料，如二氧化硅、氮化硅等等鑲襯，形成絕緣層。
其次，如圖6C所示，通路(50)和空腔(53)用熟知的技術(shù)填充金屬，形成有豎直部分(54b)和上部及下部彎曲觸點(54a)和(54c)的電變向通路(54)。例如，通路(50)和空腔(53)可以用金屬涂敷填充，接著用化學(xué)機械拋光(CMP)，從基片的上表面和下表面除去任何過量金屬。
在本發(fā)明的另一個實施例中，通路(50)可以用蝕刻然后填充金屬(用涂敷和CMP)形成。然后，在基片(51)的上表面和下表面，平行于基片表面形成兩根粗的金屬線。每一粗金屬線的末端與通路金屬連接。粗金屬線與填充空腔輪廓的金屬相配。該處理過程免除了必須蝕刻空腔(53)，代價是因粗金屬線產(chǎn)生的表面形態(tài)問題。
下面參照圖6D，絕緣膜(55a)和(55b)用熟知的技術(shù)，分別形成在基片(51)的上表面和下表面。絕緣膜(55a)和(55b)可以包括介電材料，如氧化物或氮化物。
下面參照圖6E，在基片(51)的上表面的一部分，蝕刻一條或多條V形槽(56)，并使V形槽溝道開槽的表面鈍化?？梢杂眠m當(dāng)?shù)难谀?，通過對硅基片(51)進(jìn)行各向異性濕蝕刻，形成V形槽(56)。更準(zhǔn)確地說，用熱KOH(氫氧化鉀)或TMAH(氫氧化四甲基銨)和水溶液，進(jìn)行初始的各向異性濕蝕刻處理。例如，開始時用[100]取向的單晶硅基片，槽的掩模邊緣與(100)方向?qū)R，使各向異性濕蝕刻產(chǎn)生受(111)平面限制的V形槽，該(111)平面形成向內(nèi)傾斜的壁，與晶片表面成54.75°。對KOH和水，可以用氮化硅層作掩模層，對TMAH和水的蝕刻溶液，可以用氧化硅或氮化硅層作掩模層。V形槽的寬度，由掩模層的開孔尺寸和掩模的任何基蝕(under cutting)確定，假定掩模平行或垂直于(100)方向，那么在各向異性蝕刻時會出現(xiàn)基蝕。V形槽的深度，由定義V形槽的掩模層開孔的寬度確定，因為當(dāng)111平面露出時，蝕刻自行終止。當(dāng)把光纖安裝進(jìn)V形槽中時，知道了V形槽溝道與光纖直徑之間的幾何關(guān)系，根據(jù)光纖直徑、V形槽溝傾斜的側(cè)壁、和溝的寬度，可以確定纖心的中心軸超出基片表面的距離“z”。
此外，如上所述，用于指示纖心中心的X軸的對準(zhǔn)標(biāo)記(如圖3中的標(biāo)記16)，可以與V形槽共同蝕刻。
再有，容納OE裝置(如VCSEL條20)的空腔(57)，是在基片(51)中蝕刻的，例如，在基片上形成掩模圖形，再用RIE(反應(yīng)離子蝕刻)，在基片表面下蝕刻出需要的深度(或絕緣層(55a)的上表面。蝕刻過程產(chǎn)生豎直側(cè)壁(57a)底部表面(57a)，其中，彎曲觸點(54a)的側(cè)壁部分露出在空腔側(cè)壁(57b)之上。此外，用適當(dāng)技術(shù)，使底部絕緣層(55b)形成圖形，形成通向彎曲觸點(54c)的開孔，以便涂敷底部觸點。
現(xiàn)在參照圖6F，之后，在彎曲觸點(54a)和(54c)露出的金屬上，涂敷焊料，分別形成焊料凸塊(59)和(60)。露出的金屬用作涂敷的金屬的種子。這樣能使涂敷的焊料與金屬的露出部分自行對準(zhǔn)。
現(xiàn)在參照圖7，圖上按照本發(fā)明的另一個示范性實施例，示意畫出光學(xué)基座的三維透視圖。圖7畫出的示范性光學(xué)基座(70)，除了包括在其上形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而不是安裝光纖的V形槽溝道陣列之外，與例如圖3畫出的示范性光學(xué)基座(10)類似。特別是光學(xué)基座(70)包括一個或多個波導(dǎo)心(71)，被波導(dǎo)包層(72)包圍。如圖7所示，在光學(xué)基座(70)上使用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能使波導(dǎo)心(71)末端基本上對著OE裝置(如VCSEL)。
可以采用本領(lǐng)域一般人員熟知的各種技術(shù)，在按照本發(fā)明的光學(xué)基座(70)上整體地形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。例如，可以通過淀積和處理薄膜，應(yīng)用層疊的層，等等，形成波導(dǎo)。更具體地說，作為例子，圖7畫出的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一般可以通過在基片(11)表面淀積氧化物層，接著淀積心材料并對心材料(如硅、氮化物)刻圖，形成心(71)，然后再淀積另一層氧化物，覆蓋心(71)，并封裝心(71)，形成包層(72)。如在本領(lǐng)域所熟知，可以使用的心材料類型，將視光的波長而變化。還有，心材料必須比包層材料有更高的折射率。
此外，在其他的示范性實施例中，心(71)可以先淀積一層氧化物，然后在氧化物上刻出定義心的掩模圖形，并用掩模進(jìn)行離子注入，把離子(如鍺)注入氧化物中一定深度，從而在氧化物層內(nèi)形成波導(dǎo)的心，接著淀積另一層氧化物，覆蓋已注入離子的波導(dǎo)心的第一層氧化物。
圖8按照本發(fā)明另一個示范性實施例，示意畫出一種光學(xué)基座的結(jié)構(gòu)。具體說，圖8是光學(xué)基座(80)一部分的側(cè)視圖，畫出開槽空腔的豎直側(cè)壁(81)，空腔有變向通路的上部彎曲觸點(82)的露出部分，和包含多個波導(dǎo)心(83)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)心(83)以交替的深度形成在波導(dǎo)包層(84)之內(nèi)。圖8示范性實施例畫出的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，是用兩層波導(dǎo)形成的，本領(lǐng)域一般人員是清楚的。交替的心的深度，能實現(xiàn)更高的密度和更緊湊的陣列。應(yīng)當(dāng)指出，可以用光纖以交替的V形槽深度，例如使V形槽溝道深淺交替變化，獲得與圖8所示類似的光學(xué)基座結(jié)構(gòu)。
圖9按照本發(fā)明另一個示范性實施例，示意畫出一種光電子裝置的頂視圖，該光電子裝置有對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)光電子裝置對光學(xué)基座裝置的被動對準(zhǔn)。更準(zhǔn)確地說，圖9畫出VCSEL條(90)上表面的視圖，該VCSEL條能用于與圖8的示范性光學(xué)基座(80)對接。VCSEL條(90)的光發(fā)射表面(93)包括多個VCSEL(91)，各有P/N接觸襯墊(92)與圖8所示露出的觸點(82)接觸。VCSEL陣列的VCSEL布局，能實現(xiàn)更密的陣列，本領(lǐng)域一般人員是清楚的。此外，光發(fā)射表面(93)包括止推薄膜(94)，它能使VCSEL與波導(dǎo)心(83)沿Z方向?qū)?zhǔn)，同時，對準(zhǔn)VCSEL(91)中心的對準(zhǔn)標(biāo)記(95)，能以上述相同方式，實現(xiàn)X方向?qū)?zhǔn)。
雖然已經(jīng)參照附圖，說明舉出的各實施例，但是，應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明不受那些準(zhǔn)確的實施例的限制，本領(lǐng)域熟練人員在不偏離本發(fā)明的范圍或精神下，能夠作出各種其他的變化和修改。所有這類變化和修改，都將被認(rèn)為包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，本發(fā)明的范圍由后面的權(quán)利要求書定義。
權(quán)利要求
1.一種光通信設(shè)備，包括包含基片的光學(xué)基座，基片有形成于其內(nèi)的電變向通路；光電子(OE)芯片；和集成電路(IC)芯片，其中OE芯片和IC芯片安裝在光學(xué)基座上，并用電變向通路實現(xiàn)電連接。
2.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中OE芯片包括豎直腔表面發(fā)射激光器條(VCSEL)。
3.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中IC芯片包括激光器驅(qū)動器。
4.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中OE芯片包括光電檢測器陣列。
5.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中IC芯片包括放大器。
6.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中設(shè)備包括OE接收器組件、OE發(fā)射器組件、或OE收發(fā)器組件。
7.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中基片包括硅基片。
8.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括安裝在或形成在光學(xué)基座上的光傳輸線。
9.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其中OE芯片和光傳輸線放置在光學(xué)基座上，使光傳輸線的中心軸基本上垂直于OE芯片的光發(fā)射或光接收表面。
10.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其中光學(xué)基座包括蝕刻在基片上的對準(zhǔn)標(biāo)記，用于使OE芯片對準(zhǔn)光傳輸線。
11.按照權(quán)利要求10的設(shè)備，其中OE芯片包括與基片中蝕刻的對準(zhǔn)標(biāo)記相配的對準(zhǔn)標(biāo)記。
12.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其中光傳輸線包括安裝在光學(xué)基座上的光纖。
13.按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其中光傳輸線包括形成在基片表面的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
14.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中光學(xué)基座還包括用于安裝光纖的蝕刻在基片中的V形槽溝道，和隨V形槽溝道共同蝕刻的對準(zhǔn)標(biāo)記。
15.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中OE芯片包括在其表面上的突沿結(jié)構(gòu)，用于在安裝到光學(xué)基座上時，提供止推對準(zhǔn)。
16.按照權(quán)利要求15的設(shè)備，其中光學(xué)基座還包括蝕刻的空腔，用于可安裝地安放OE芯片，該蝕刻空腔包括與OE芯片突沿結(jié)構(gòu)接觸的臺階結(jié)構(gòu)。
17.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中電變向通路以焊料凸塊終接。
18.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中電變向通路包括至少一個90度的彎曲。
19.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中電變向通路，有第一端部露出在基片第一表面，和第二端部露出在基片第二表面，該第一和第二表面定義基本上垂直的兩個平面。
20.按照權(quán)利要求1的設(shè)備，其中OE芯片和IC芯片，安裝在光學(xué)基座上，使OE芯片的光發(fā)射或光接收表面，基本上垂直于有觸點的IC芯片表面。
21.一種光學(xué)基座，包括有第一表面、第二表面、和第三表面的基片，其中第一和第二表面定義兩個基本上平行的平面，而其中第三表面定義的平面基本上垂直于第一和第二表面定義的平面；和形成在基片內(nèi)的導(dǎo)電通路，該導(dǎo)電通路有第一端部露出在該第三表面上，和第二端部露出在該第二表面上。
22.按照權(quán)利要求21的光學(xué)基座，還包括形成在該第一表面上的第一絕緣層，和形成在該第二表面上的第二絕緣層，其中第二絕緣層有一開孔到露出在該第二表面上的導(dǎo)電通路的第二端部。
23.按照權(quán)利要求21的光學(xué)基座，其中光學(xué)基座包括一空腔，該空腔有由第三表面定義的側(cè)壁。
24.按照權(quán)利要求23的光學(xué)基座，其中空腔側(cè)壁和第一表面定義一邊緣。
25.按照權(quán)利要求24的光學(xué)基座，其中當(dāng)把OE芯片安裝在光學(xué)基座上時，所述邊緣用于該OE芯片的止推對準(zhǔn)。
26.按照權(quán)利要求23的光學(xué)基座，其中對準(zhǔn)標(biāo)記形成在光學(xué)基座上，靠近該邊緣。
27.按照權(quán)利要求23的光學(xué)基座，其中當(dāng)把OE芯片安裝在光學(xué)基座上時，空腔側(cè)壁用于該OE芯片的止推對準(zhǔn)。
28.按照權(quán)利要求21的光學(xué)基座，還包括蝕刻在該第一表面中的V形槽溝道，和對應(yīng)的共同蝕刻的對準(zhǔn)標(biāo)記。
29.按照權(quán)利要求21的光學(xué)基座，還包括形成在第一表面上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
30.按照權(quán)利要求21的光學(xué)基座，其中該光學(xué)基座的結(jié)構(gòu)，適于封裝光電子發(fā)射器、光電子接收器、或光電子收發(fā)器。
31.一種制作光學(xué)基座的方法，包括如下步驟提供有第一表面和第二表面的基片，該第一和第二表面定義基本上平行的兩個平面；蝕刻一通路孔，在該第一和第二表面之間貫通基片；在第一表面蝕刻第一空腔，其中該第一空腔與露出在第一表面上的通路孔第一端部重疊；以導(dǎo)體填充該通路孔和第一空腔，形成導(dǎo)電通路。
32.按照權(quán)利要求31的方法，還包括在第二表面蝕刻第二空腔，其中該第二空腔與露出在第二表面上的通路孔第二端部重疊，并以導(dǎo)體填充該第二空腔。
33.按照權(quán)利要求31的方法，還包括在基片第一表面下蝕刻一空腔，露出第一空腔中該空腔側(cè)壁的一部分導(dǎo)體，該空腔側(cè)壁基本上垂直于該第一和第二表面。
34.按照權(quán)利要求33的方法，還包括在第一空腔露出的導(dǎo)體部分上形成一焊料凸塊。
35.按照權(quán)利要求31的方法，還包括在基片的第一和第二表面上，形成絕緣層；在該第二表面的絕緣層中形成一開孔，露出基片第二表面上導(dǎo)電通路的第二端部；和在露出的導(dǎo)電通路的第二端部上形成焊料凸塊。
36.按照權(quán)利要求31的方法，還包括在基片第一表面中，蝕刻一V形槽，以便容納光纖；和在基片第一表面中，蝕刻一對準(zhǔn)標(biāo)記，與該蝕刻的V形槽對應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開用于封裝光通信裝置的設(shè)備和方法，該光通信裝置包括光學(xué)基座結(jié)構(gòu)，如硅光學(xué)基座(SiOB)。一種光通信設(shè)備，包括有形成于其中的電變向通路的基片。光電子(OE)芯片和集成電路(IC)芯片安裝在該光學(xué)基座上，并用該電變向通路實現(xiàn)電連接。該電變向通路沿與基片表面垂直方向及橫向方向兩個方向上伸延，以便能夠在垂直于光學(xué)基座表面上，以非常緊湊的方式安裝OE芯片和IC芯片，并用電變向通路實現(xiàn)電連接。更準(zhǔn)確地說，OE芯片和IC芯片安裝在光學(xué)基座上，使OE芯片的光發(fā)射表面或光接收表面，基本上垂直于有觸點的IC芯片表面，并使平行于基片表面安裝的光傳輸線，能夠直接與OE芯片耦合。
文檔編號H04B10/00GK1601313SQ200410078798
公開日2005年3月30日 申請日期2004年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月24日
發(fā)明者蓋伊·莫施·科恩, 法阿德·伊萊亞斯·多阿尼, 珍寧·M·特拉維拉 申請人:國際商業(yè)機器公司