CN1599159A - 具有集成光学元件和对准柱的表面发射激光器封装件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于表面发射激光器的封装件，该封装件将管芯封闭在底座和顶罩之间。所述底座和顶罩可以使用允许晶片级封装工艺的晶片加工技术而形成，所述晶片级封装工艺将多个管芯粘接到底座晶片上，将顶罩单独地或者作为顶罩晶片的一部分固定到底座晶片上，并且对结构进行切割以分开独立的封装件。所述顶罩包括透明板，所述透明板可以被处理成结合有例如透镜的光学元件。被固定到顶罩上的对准柱指示了来自激光器的光信号的位置，并贴合地配合到套筒的一端中，同时光纤连接器配合到套筒的另一端中。

Description

具有集成光学元件和对准柱的表面发射激光器封装件
技术领域
本发明一般地涉及光电子器件封装技术，更具体地，涉及具有集成光学元件和对准柱的表面发射激光器封装件。
背景技术
诸如用于光收发器的激光二极管之类的光电子器件可以使用晶片加工技术被高效地制造。通常，晶片加工技术在晶片上同时形成大量的(例如几千个)器件。然后，晶片被锯开或者切割以分开单独的芯片。同时制造大量芯片使得每个芯片的成本低廉，但是每个单独的芯片必须被封装和/或装配到一个系统中，该系统保护芯片，并提供电接口和光接口两者，以便芯片上的器件的使用。
因为需要将多个光学部件与半导体器件对准，所以含有光电子器件的封装件或系统的装配经常是高成本的。举例来说，光收发器芯片的发送侧可以包括在垂直于VCSEL(垂直腔表面发射激光器)表面的方向上发射光信号的VCSEL。通常需要透镜或者其他的光学元件来聚焦或者改变来自激光器的光信号，改善光信号到外部光纤中的耦合。激光器、透镜和光纤可以在生产光学子组件(OSA)的装配过程中被对准。对准过程可能是一个耗费时间/代价高的过程，其包括在测量耦合到光纤中的光功率的同时，调整激光器的相对位置。一旦光耦合效率达到最大或者可接受的水平，激光器、透镜和光纤的相对位置就被锁定。用于调整和锁定激光器相对位置的机构会增加OSA的成本和复杂度。另外，对准和装配处理通常必须对每个封装件分别地进行。
晶片级的封装是一种用来减小光电子器件封装尺寸和成本的有前途的技术。利用晶片级封装，传统上被分别形成和固定的部件被改为制造在对应于多个封装件的一个晶片上。得到的结构可以被锯开或者切割以分开单独的封装件。人们在寻求能够减小被封装的光电子组件的尺寸和/或成本的封装技术和结构。
发明内容
按照本发明的一个方面，含有表面发射激光器或者VCSEL的封装件包括具有例如透镜的集成光学元件的顶罩。该顶罩可以具有两片结构，包括间隔环和顶盖衬底，其中间隔环具有定义了腔的开口，顶盖衬底包括集成光学元件。
顶罩可以固定到提供了对激光器的电连接的底座上，以便形成保护激光器不受环境破坏的密闭地密封腔。对准柱可以在光信号穿过顶罩的地方被固定到顶罩上(例如胶合或者用用环氧树脂粘合)。然后可以通过将对准柱配合到相匹配的套筒的一端中并将光纤套管配合到套筒的另一端中，来进一步装配该光学子组件(OSA)。套管容纳了光纤。在光纤抵靠着对准柱的情况下，套筒将套管保持在适当位置上，以有效地将光信号耦合到光纤中。
本发明的一个示例性实施例是包括表面发射激光器、底座和顶罩的组件。激光器从其顶面发射光信号。底座包括被电连接到激光器的迹线。顶罩被固定到底座上，以便形成封闭激光器的腔(优选为密闭密封腔)，并且顶罩包括在光信号路径中的光学元件。底座中的迹线一般将内部接合焊盘电连接到腔外可连接的端子上，所述内部接合焊盘位于腔内并被连接到芯片上。
顶罩的一个实施例包括被固定到底座上的间隔环和被固定到间隔环上的板。间隔环可以由硅衬底形成，其可以是对光信号不透明的，而所述板由玻璃或者对光信号透明的其它材料构成。光学元件可以被集成在或者被固定到板上。对准柱可以在与穿过顶罩的光信号的路径相对准的位置被固定到顶罩上。
本发明的另一特定实施例是封装工艺。封装工艺包括将芯片各自电连接到第一晶片的多个底座区域。每个芯片从其顶面发射光信号。顶罩被接合到第一晶片上。每个顶罩可以包括间隔件和板，其中所述间隔件具有孔，所述板对光信号透明并且结合有光学元件。顶罩可以是第二晶片的分别的区域，使得将顶罩接合到底座上对应于将第二晶片接合到第一晶片上。然后芯片被封闭在第一晶片和相应的顶罩之间的相应的腔中，并且对于每个芯片，对应的顶罩中的光学元件被定位，以接收来自芯片的光信号。然后可能锯开或者切割得到的结构，以分开含有芯片的独立封装件。
顶罩可以通过以下步骤制造：在半导体衬底上形成刻蚀停止层顶面；在刻蚀停止层上面形成多个光学元件；在光学元件上面固定透明板；以及在光学元件之下形成穿透半导体衬底的孔。
附图说明
图1示出了按照本发明的实施例，在光电子器件的晶片级封装处理过程中所形成的结构的一部分的横截面，其中采用引线接合来进行电连接。
图2示出了按照本发明的实施例，在半导体光学器件的晶片级封装处理过程中所形成的结构的一部分的横截面，其中采用倒装芯片结构来进行电连接。
图3示出了按照本发明实施例的用于半导体光学器件组件的底座的横截面。
图4是按照本发明另一实施例的用于半导体光学器件封装件的顶罩的立体图。
图5A、5B和5C示出了按照本发明实施例的用于制造顶罩的处理。
图6示出了包含有表面发射激光器和顶罩的光学子组件(OSA)的横截面，该顶罩具有集成光学元件和对准柱。
图7示出了包含有图6的OSA的光学组件。
在不同的图形中使用相同的标号表示类似或相同的项目。
具体实施方式
按照本发明的一个方面，含有光电子器件的封装件包括底座和顶罩，该顶罩具有用于来自光电子器件的光信号的集成光学元件。底座和顶罩可以使用晶片加工技术形成，顶罩可以包括被加工以包括光学元件的顶盖衬底。光学元件聚焦来自光电子器件的光信号，用于将其耦合到另外的光学器件或者光纤中。
用于这些封装件的晶片级制造工艺将第一晶片固定到第二晶片上，第一晶片包括多个顶罩，第二晶片包括多个底座。光电子器件存在于通过晶片的接合而形成的多个腔中。这些腔可以被密闭密封以保护封入的光电子器件。包括被接合的晶片的结构被锯开或者切割以分开单独的封装件。
图1示出了按照本发明的一个实施例，在晶片级封装处理过程中所产生的结构100。结构100包括多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)110。激光器110可以是常规设计并且是使用本领域公知的技术制造的。在一个特定实施例中，每个激光器110具有包括表面发射激光器的发送部分。
各激光器110在形成于底座晶片120和顶罩晶片130之间的腔140的一个中。在图1的实施例中，激光器110被固定和电连接到底座晶片120上，但是激光器110或者也可以被固定到顶罩晶片130上。激光器110可以使用传统的管芯粘接(die attach)设备被胶合或者以其他方式固定在所需的位置。在结构100中，使用引线接合将激光器110上的接合焊盘115连接到底座晶片120上的内部接合焊盘122。
底座晶片120包括电路元件，例如将激光器110连接到外部端子124的接合焊盘122和导电迹线或者过孔(没有示出)。图1示出了外部端子124位于底座晶片120的顶面上的实施例，但是或者，外部端子也可以被设置在底座晶片的底面上。另外，可以在底座晶片120中结合例如晶体管、放大器、光电二极管或者监测器/传感器之类的有源器件(没有示出)。
顶罩晶片130被制造成在对应于底座晶片120上的激光器110的区域中包括凹入部分或者腔140。晶片130可以由硅、石英或者适于形成腔140并且对光信号透明的任何材料制成。腔140可以以多种方式被形成，包括但不限于成形、模压、超声波加工和(各向同性、各向异性或等离子体)刻蚀。
诸如透镜或棱镜之类的光学元件160可以沿着来自激光器110的光信号的路径被固定到或者被集成到顶罩晶片130上。在图1中，光学元件160是被固定到晶片130上的透镜，用来聚焦光信号，以便更好地耦合到光纤或者在图1中没有示出的其他光学器件之中。题为“具有放宽的对准公差的光纤耦合器(Optical Fiber Coupler Having a Relaxed AlignmentTolerance)”的美国专利申请No.10/210,598公开了当希望将光信号耦合到光纤中的时候适合于光学元件160的双焦点衍射透镜。
底座晶片120和顶罩晶片130被对准并接合在一起。多种晶片接合技术是公知的并且可以被用来固定晶片120和130，这些技术包括但不限于焊接、热压接合或者用粘合剂接合。在本发明的示例性实施例中，使用金/锡共晶焊料将晶片120和130彼此连接，并密闭地密封腔140。对腔140的密闭密封保护了被封闭的激光器110不受环境的损害。
晶片120和130被接合之后，结构100可以被锯开或者切割以产生单独的封装件，每个封装件包括一个被密闭地密封在腔140中的激光器110。如图1所示，可以在顶罩晶片140中形成锯槽142，以允许在外部端子124上方锯开晶片130，而不损坏外部端子124。底座晶片120然后可以被切割以分开单独的封装件。
图2示出了按照本发明另一实施例的结构200，其使用倒装芯片结构来将芯片210固定到底座晶片220上。对于倒装芯片封装，芯片210上的接合焊盘215被定位以接触底座晶片220上的导电柱或凸起225。凸起225通常含有可以被回流以在物理和电气上将芯片210固定到晶片220上的焊料。也可以使用底层填料(没有示出)来提高激光器210和底座晶片220之间的机械完整性。除了用于将芯片210固定和电连接到底座晶片220上的方法之外，结构200基本上与上面参考图1所描述的结构100相同。
虽然图1和图2示出了在一种晶片级封装工艺中所形成的结构，但是所公开的工艺的许多变化都是可能的。具体地说，代替将顶罩晶片130固定到底座晶片120或者220上，可以形成分开的顶罩并固定于底座晶片上。当外部端子124位于底座晶片120的正面或者顶面时，这避免了对切割外部端子124上方的顶罩晶片130的需要。另外，代替晶片级工艺，对单个封装件可以使用类似的技术，其中激光器被封闭在底座和具有至少一个集成光学元件的顶罩之间的腔内。
图3示出了按照本发明示例性实施例的用于光学器件封装件的底座300的横截面。对于晶片级封装工艺，底座300将是底座晶片的一部分，并且仅在如上面所描述的接合底座晶片之后与其他类似的底座分开。或者，对于单个封装件的制造，可以在光学器件被固定到底座300上之前，将底座300与其他类似的底座分开。
底座300可以使用晶片加工技术来制造，例如在共同提交的题为“集成光学器件和电子学器件(Integrated Optics And Electronics)”、代理卷号为10030566-1的美国专利申请中所描述的那些技术。在所示的实施例中，底座300可以是经处理的或者未经处理的硅衬底，并且可以结合无源和/或有源电路部件。
在硅衬底310上形成有经平坦化的绝缘层330，以提供在其上可以对敷金属进行图案化的平坦表面。如果希望对被集成在衬底310中的电路元件进行电连接，则可以在绝缘层330中形成开口。在本发明的示例实施例中，层330是大约10,000埃厚的TEOS(四乙基原硅酸盐)层。
可以从例如10,000埃厚的TiW/AlCu/TiW叠层的金属层图案化得到导电迹线340和345。在示例性的实施例中，一种形成迹线340和345的处理包括蒸镀金属，以及用于去除多余金属的剥落(lift-off)处理。可以沉积绝缘层330(例如，另一大约10,000埃厚的TEOS层)，以掩埋和绝缘迹线340和345。以这种方式可以构建任何数量的被掩埋的迹线层。可以在最上面的绝缘层上形成相对较硬并且抗化学腐蚀的材料的钝化层350，例如大约4500埃厚的一层氮化硅，以保护在下面的结构。可以穿过层350和330形成开口370，以暴露出用于电连接到光电子器件的迹线340的选定区域(例如接合焊盘)。
为了与顶罩接合/焊接，在钝化层350上形成金属层360(例如，大约5,000埃厚的钛/铂/金叠层)。
图4示出了适合于固定到图3的底座300上的顶罩400的立体图。顶罩400可以使用标准晶片加工技术来制造。在本发明的示例性实施例中，对硅衬底410的各向异性刻蚀形成了腔420，其在硅晶体结构的<111>面上具有非常光滑的刻面430。在腔420中可以形成例如透镜的光学元件。
图5A示出按照本发明另一实施例的顶罩500的横截面视图。顶罩500具有两部分结构，包括支架环(standoff ring)512和背衬板520。顶罩500的一个优点是两个层512和520可以被不同地处理，和/或由不同的材料构成。具体地说，支架环512可以使用标准硅晶片工艺来制造，而板520可以由例如玻璃的对所需的光波长透明的材料构成。这是非常重要的，因为目前的VCSEL通常产生具有硅吸收的波长(例如，850纳米)的光，由例如玻璃(例如包含钠)的材料构成的晶片可能不适合于许多硅晶片制造装置。
图5B示出了在光学元件530的制造过程中所形成的结构。制造工艺从薄硅衬底512(例如275微米厚的硅晶片)开始。形成大约0.5微米厚的二氧化硅(SiO2)或者能够起到刻蚀停止作用的材料的刻蚀停止层514。
然后在刻蚀停止层514上沉积薄多晶硅层516(例如约1微米或者更薄)。多晶硅层516用作形成光学元件530的基础，但是薄得足够对从被封装的激光器所发射的光的波长是透明的。在一个示例中，例如通过构建交替的多晶硅和氧化物层以获得衍射或折射透镜的希望的形状或特性，来在层516上形成透镜530。共同提交的题为“制造衍射光学元件的方法(Methods to Make Diffractive Optical Elements)”、代理卷号为10030769-1的美国专利申请描述了一些适于制造透镜530的工艺。
例如TEOS的材料的经平坦化的透明层518被沉积在透镜530上，以提供用于接合到玻璃背衬板520的平坦表面。如图5C所示，例如通过当背衬板520是钠玻璃板时的阳极接合，将背衬板520接合到层518。最后，衬底512背面的一部分被刻蚀直到刻蚀停止层514，以形成腔540，如图5A所示。在腔540上方剩余的硅的厚度很薄，允许希望波长的光穿过光学元件530。
板520的接合以及对衬底512的刻蚀通常在晶片级别完成，其中同时形成了大量的顶罩500。然后可以在接合到底座之前或者之后，从被接合的晶片切割出单独的顶罩500。
为了装配使用底座300和顶罩400或500的光学器件封装件，使用传统的管芯粘接和引线接合工艺，或者使用倒装芯片封装工艺，将光电子器件安装在底座300上。对底座300上的迹线340的电连接可以向芯片提供电源，并向芯片传送数据信号或者传送来自芯片的数据信号。在芯片被固定之后，顶罩400或500固定到底座300上。这可以在如上面所描述的晶片级别或者在单个封装件的级别进行。密闭密封可以通过以下方法来实现：在底座300或顶罩400或500上图案化AuSn(或其他焊料)，使得在将晶片放到一起时，焊料回流过程形成保护所封激光器的密闭密封。
图6示出了按照本发明实施例的光学子组件(OSA)600。OSA 600包括表面发射激光器610。激光器610被安装并电连接到底座620上，并当顶罩630被接合到底座620上的时候，优选地被密闭地密封在腔640中。图6示出了一个实施例，其中，倒装芯片技术将芯片610的接合焊盘612电连接到底座620上相应的导电凸起622。或者，如上所述的引线接合可以被用来将VCSEL连接到底座。
底座620是一个衬底，该衬底被处理为包含用于外部电连接至激光器610的外部端子624。在一个实施例中，底座620包括如图3所示的迹线，该迹线提供了导电凸起622和外部接合焊盘624之间的直接电连接。或者，底座620还可以包括和激光器610或者可能被包括在同一封装件中的其他芯片(例如，接收器或者监测器光电二极管)一起使用的有源电路。
顶罩630可以使用上面所描述的任何一种技术被接合到底座620上，在一个示例性的实施例中，使用焊料将顶罩630接合到底座620上。结果，激光器610可以被密闭地密封在顶罩630和底座620之间的腔640中。
如图6所示，顶罩630是包括了间隔环632和例如上面参考图5所描述的盖板634的多层结构。光学器件650被集成到板634中。激光器610导引光信号直接穿过光学器件650和顶罩630。在本发明的示例性实施例中，光学器件650是衍射或者折射透镜(例如，双焦点衍射透镜)，其聚焦光信号来耦合到光纤中。
柱660在光出射顶罩630的地方被固定(例如，用环氧树脂粘合或者胶合)到顶罩630上。柱660起到对准功能元件的作用，其将从光电子器件610所发射的光与光纤对准。在本发明的一个实施例中，柱660是内径大于光束外形的中空圆柱体。因而，柱660可以由任何合适的耐用材料，例如金属构成。或者，柱660可以是由光学透明材料构成的例如圆柱体或者球体的实心结构。在共同提交的题为“由圆柱杆、管、球或类似特征构成的用于光学子组件的对准柱(Alignment Post for Optical SubassembliesMade With Cylindrical Rods，Tubes，Spheres，or Similar Features)”、代理卷号为10030442-1的美国专利中进一步描述了用于含有光学器件的封装件的对准柱。
图7示出了包含OSA 600的光学组件700。组件700包括套筒710，该套筒710围绕容纳了光纤730的套管720。套管720和光纤730可以是在图7中仅被局部示出的传统光纤连接器的一部分。套筒710基本上是由金属或者其他适合的耐用材料构成的中空圆柱体，并且具有接纳封装件600的柱660以及套管720两者的膛。
柱660的顶面用作光纤限位器，控制光纤730相对于光学发送器(即，VCSEL 610)的“z”向位置。柱660的外径限定了套筒710在x-y平面中的位置。以这种方式，套管720中的光纤730在x-y平面中相对于柱660被对中，从而从芯片610所发射的光线被对中到光纤上。因此，在制造封装件600过程中对具有希望长度的柱660的正确定位简化了光纤720的对准，用于有效地耦合光信号。
本发明涉及以下共同提交的美国专利申请：序列号未知，题为“Alignment Post for Optical Subassemblies Made With Cylindrical Rods，Tubes，Spheres，or Similar Features”，代理人案卷No.10030442-1；序列号未知，题为“Wafer-Level Packaging of Optoelectronic Devices”，代理人案卷No.10030489-1；序列号未知，题为“Integrated Optics andElectronics”，代理人案卷No.10030566-1；序列号未知，题为“Methodsto Make Diffractive Optical Elements”，代理人案卷No.10030769-1；序列号未知，题为“Optoelectronic Device Packaging With Hermetically SealedCavity and Integrated Optical Element”，代理人案卷No.10030386-1；序列号未知，题为“Optical Device Package With Turning Mirror and AlignmentPost”，代理人案卷No.10030768-1；序列号未知，题为“Optical ReceiverPackage”，代理人案卷No.10030808-1。以上专利申请通过全文引用被结合于此。
虽然已经参考特定的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，并且不应被视作限定。所公开的实施例的特征的各种改变和组合都落入如所附权利要求所定义的本发明的范围之内。

Claims (15)

1.一种结构，包括：
从其顶面发射光信号的器件；
含有电迹线的底座，所述电迹线被电连接到所述器件；和
顶罩，所述顶罩被固定到所述底座上以便形成封闭了所述器件的腔，其中所述顶罩包括在所述光信号的路径中的光学元件。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述底座还包括：
位于所述腔内并被连接到所述器件的内部接合焊盘；和
被电连接到所述内部接合焊盘并且在所述腔的外部是可连接的外部端子。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述顶罩与所述底座的接合密闭地密封了所述腔。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述顶罩包括：
被固定到所述底座上的间隔环；和
被固定到所述间隔环上的板。
5.根据权利要求4所述的结构，其中，所述光学元件被形成在所述板上。
6.根据权利要求4所述的结构，其中，所述间隔环包括硅衬底，所述硅衬底具有穿透所述硅衬底而形成的孔。
7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述板包括玻璃板。
8.根据权利要求4所述的结构，其中，所述板包括玻璃板。
9.根据权利要求1所述的结构，还包括在所述光信号从所述顶罩射出的位置被固定到所述顶罩上的柱。
10.一种封装方法，包括：
将多个器件各自电连接到第一晶片的多个底座区域上，其中，每个器件从所述器件的顶面发射光信号；
制造多个顶罩，每个顶罩包括间隔件、板和光学元件，其中所述间隔件具有穿透所述间隔件的孔，所述板对所述光信号透明；
将所述顶罩接合到所述第一晶片上，其中，所述器件被封闭在所述第一晶片和相应的所述顶罩之间的相应的腔中，并且对于所述器件中的每一个，对应的所述顶罩中的所述光学元件被定位以接收来自所述器件的所述光信号；以及
分割所述第一晶片以分开含有所述器件的多个封装件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述顶罩包括第二晶片的分别的区域，并且将所述顶罩接合到所述第一晶片上的步骤包括将所述第二晶片接合到所述第一晶片上。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，制造所述顶罩的步骤包括：
在衬底上形成刻蚀停止层顶面；
在所述刻蚀停止层上面形成多个光学元件；以及
分别在所述光学元件之下形成穿透所述衬底的孔。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，形成所述孔的步骤包括刻蚀所述衬底的背面。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述光学元件上面固定透明板。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述衬底由半导体构成。
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