[发明专利]硅基光电子芯片端面耦合封装结构及其形成方法

说明书

本发明公开了用于光波导和单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法。所述封装结构包括所述硅基光电子芯片的封装侧壁和位于埋氧层的波导端面倒锥结构，所述封装侧壁包括倾斜耦合端面和与其连接的台阶型侧壁，所述台阶型侧壁位于所述倾斜耦合端面的向下延伸面下方，所述台阶型侧壁包括依次相连的上垂直侧壁面、台阶平面和下垂直侧壁面，所述波导端面倒锥结构通过倾斜耦合端面与单模光纤实现端面耦合。这样可以在无需对下方台阶进行端面磨抛的情况下使用带有斜面封装头的单模光纤无阻挡的靠近波导端面倒锥结构的封装面实现高效率的耦合封装。

技术领域

本发明涉及光纤与硅基光电子芯片封装技术领域，更为具体来说，本发明涉及单模光纤与硅基光电子芯片封装结构及其形成方法。

背景技术

近年来，硅基光电子学得到长足的发展，这是因为硅基集成光器件的制作工艺与微电子工艺完全兼容，且硅基光电子芯片中传输的载波光波又是频率极高、能够为信号的传输提供极大带宽的电磁波。但是，由于硅基光电子芯片端面波导中光场的模斑直径约为0.3μm，一般使用波导端面倒锥结构来实现模斑的放大以匹配单模光纤中的模场，模场放大结构需要精确（微米级别）控制倒锥尖端到芯片端面的距离，常规使用刻蚀工艺可以完成该项指标，但是刻蚀经并经过划片后会形成台阶，会阻挡该结构与外部耦合，特别是和阵列光纤面的耦合。通常会采用端面磨抛工艺来消除端面台阶，目前的磨抛工艺精度较低，这是限制硅基光电子芯片端面封装的最大瓶颈。

因此，如何能够有效解决阵列光纤与硅基光电子芯片端面封装的难题，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为了解决阵列光纤与硅基光电子芯片端面的现有耦合封装方法存在的损耗过大成品率低等问题，本发明创新提供了基于晶圆刻蚀工艺的硅光芯片端面免磨抛封装结构，通过设计刻蚀工艺步骤，制备特殊结构的刻蚀面结构，能够使光纤阵列与硅基光电子芯片端面倒锥结构进行有效匹配，避免了成品率较低的端面磨抛工艺步骤，而且本发明还具有耦合反射低且易于封装并可在晶圆级进行大规模制备等优点，在半导体封装领域有着广泛的工程化应用前景。

本发明涉及用于光波导与光纤耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法，更为具体来说，本发明涉及用于光波导与单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构及其形成方法。

本发明的一个实施例涉及用于光波导与单模光纤端面耦合的硅基光电子芯片封装结构，其特征在于：该结构包括位于埋氧层上表面的波导端面倒锥结构和所述硅基光电子芯片的封装侧壁，所述封装侧壁包括倾斜耦合端面和与其相连的下方台阶型侧壁，所述台阶型侧壁包括自上而下依次相连的上垂直侧壁面、台阶平面和下垂直侧壁面，所述波导端面倒锥结构通过所述倾斜耦合端面与单模光纤实现端面耦合，所述台阶型侧壁位于所述倾斜耦合端面的向下延伸面下方。

本发明的另一个实施例涉及一种硅基光电子芯片封装结构的形成方法，其特征在于，包括：提供埋氧层制备有波导端面倒锥结构的晶圆；利用硅衬底作为第一刻蚀停止层对埋氧层和上包层进行第一刻蚀以形成倾斜耦合端面；对硅衬底进行第二刻蚀以形成上垂直侧壁面和第二刻蚀停止面；在第二刻蚀停止面上选定的划片位置对晶圆划片形成台阶平面和下垂直侧壁面，其中，所述划片位置位于倾斜耦合端面的向下延伸面与第二刻蚀停止面交线以内。

与现有技术相比，本发明利用斜面刻蚀工艺和深硅刻蚀工艺相结合的方法提高了划片冗余度，在后续的端面倒锥封装面与斜面阵列光纤头的封装过程中，减少了芯片端面磨抛工艺步骤，以彻底解决现有的对硅光芯片端面倒锥结构进行封装必须要进行高精度的磨抛的问题，本发明在晶圆流片阶段实现波导端面倒锥免磨抛封装结构的制备，具有大规模生产、较低的耦合反射、耦合效率高以及易于封装等突出优点，具有广泛的工程应用前景。

通过参考以下描述并附图，本发明的所述及其他优点和特征将得以明确。此外，应当理解，本公开描述的各种实施例的特征不是互相排斥的，并且可以以各种组合和排列存在。

附图说明