[发明专利]在基片上组装元件的方法

说明书

发明领域

本发明广义地涉及在基片上组装元件的方法，在基片上结合元件的组件，传感器结构和制造该传感器结构的方法，以及发光装置和制造该发光装置的方法。

背景技术

从单独的微型元件产生集成光学器件在过去是耗时的，并且经常需要人工密集型方法。减少这些困难的尝试已经出现了一些更机械化的工艺，这些工艺集中在借助于流体自组装(fluidic self-assembly)或基于晶片-晶片传送的方法的组件。所有这些工艺的关键点是作为与光学元件配套的带有精确的蚀刻孔的专门制备的“受体”的基片，或需要同等严格的光刻对准(photolithographic alignment)和/或掩蔽(masking)的基片。目前用于集成光学元件的工艺受到相容基片(例如硅、二氧化硅、砷化镓)的有限数目的约束。

理想地，光学设计者不应该受到制造工艺的限制。例如，应该能够将III-V族光源和检测器，与Si基光子晶体、调制器和/或微反射镜，与SiO₂波导，以及非线性光学器件集成在任何基片上。光集成电路的功能和/或复杂性应该不会受基片的约束。

“应变层外延(Strained layer epitaxy)”用来集成具有相异晶格结构的半导体，诸如在硅上生长砷化镓，或在硅上生长硅锗合金。然而，该技术仅在各层厚度比一般极薄的临界厚度还薄时才可能应用。另外，该技术仅用于结晶材料，不能用于集成诸如塑料和玻璃的非晶材料。也可采用使用微电子技术将机械元件、传感器等与电子器件集成在硅基片上的MEMS(微机电系统)(Micro-Electro-Mechanical Systems)的应用。该工艺依赖于诸如微反射镜、波导、悬臂等的器件，这些器件是基于硅(和SiO₂)的并且被显微机械加工至Si中。此方法也受到Si和SiO₂的限制，并且也不能用于集成诸如GaAs、电光材料等的其他材料。

有许多其他的技术，它们被分为“自顶向下(top-down)”和“自底向上(bottom-up)”方法。自顶向下法包括将一块材料加工成所需形状和工作单元。在自底向上制造中，小的构件(通常为纳米尺度，因为该术语来源于纳米技术)连接在一起以制造功能部件。

目前用于在基片上集成光学结构的自顶向下法典型地包括流体组装为基片中的规定孔，光刻图案化(lithographic patterning)，然后蚀刻或晶片-晶片转移。这些是非常复杂的步骤，缺少很容易地被放大规模的能力，并一般受制于低的制造成功率。

另一方面，尽管有许多潜在的自底向上策略用于在不同的材料上制造光学结构，但目前还未证明有在任意的基片上装配高质量的光学器件(预制)的方法。还没有充分地认识到如何以足够的控制来组装分子构件以产生高质量材料(即，与现有微电子学技术水平相当)。

近年来，对于器件的装配和制造，在US 6652808中已经提出了用于作为构件的官能化DNA链的电场辅助自组装的方法。然而，该文件中公开的方法主要集中于基于DNA的构件的控制和化学性质以用于元件与基片的结合，而非提供关于与基片结合的器件的特性或功能性的任何教导。此外，公开了用于建立光子带隙结构的方法，其中光子带隙结构是由显示磁性的金属珠装配而成的。光子带隙结构在基片上通过下列的工艺形成，即，其中金属珠借助于DNA键而相互连接的工艺。在该文件中没有提供具有这种生长的光子带隙结构的光学特性。

此外，在该文件中没有提供这样的教导，即，验证在金属珠之间的对准精度是否实际上足以达到光子晶体效应，并且是否在基片上或哪种类型的基片上。在该文件中还公开了用于对准10-100微米数量级的“较大”结构的技术，其使用选择性衍生化，使器件的不同DNA序列在基片上定位和取向。然而，没有提供关于处理较大器件的教导，由此该提出的方法限于如下的技术，即，其中被连接的器件小于约100微米，并且需要向基片施加该尺寸范围内的单个器件以装配。该小尺寸范围内的自支撑器件的制备可构成整个装配过程中的主要难题，尤其是考虑到器件在各种基片上装配的大规模生产。