形成气密密封光纤到芯片连接的方法.pdf

本发明揭示在光纤与芯片的光元件之间提供气密密封光连接的方法及使用此类方法制造的光子集成芯片。所述方法需要在等离子体中活化所述光纤的端表面以生成悬键，从而所述悬键促进与所述芯片的表面的耦合。

1.  一种制备用于耦合的光纤的方法，其包括：
在等离子体中活化所述光纤的端表面以在所述光纤的所述端表面上生成悬键，从 而所述悬键促进与芯片的表面的耦合。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述等离子体生成自含有氧气、氢气、氮气、氨 气或氩气的气体种类。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中所述活化步骤是使用生成自所述气体种类的反应 性离子蚀刻等离子体或微波自由基来执行。

4.  根据权利要求1所述的方法，其进一步包括使所述光纤的所述端表面的一部分斜 切。

5.  根据权利要求4所述的方法，其进一步包括活化所述光纤的所述端表面的所述斜切 部分。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中所述斜切步骤是在活化所述端表面的所述斜切部 分的步骤之前执行。

7.  一种光装置制造工艺，其包括：
在等离子体中预活化至少一光纤的端表面以在所述光纤的所述端表面上生成悬 键；及
将所述至少一光纤的所述预活化端表面连接到芯片的表面。

8.  根据权利要求7所述的工艺，其中所述等离子体生成自含有氧气、氢气或氩气的气 体种类。

9.  根据权利要求7所述的工艺，其进一步包括在至少200℃的温度下将所述芯片退火 的步骤，其中所述退火步骤是在所述连接步骤之后执行。

10.  根据权利要求7所述的工艺，其进一步包括使所述至少一光纤的所述端表面的一部 分斜切，其中所述斜切步骤是在所述预活化步骤之前执行。

11.  根据权利要求10所述的工艺，其进一步包括使所述芯片的所述表面斜切，使得所 述芯片的所述斜切表面与所述至少一光纤的所述斜切端表面对准。

12.  根据权利要求7所述的工艺，其中所述预活化步骤是在多个光纤上执行，且所述连 接步骤是在所述预活化步骤后的两小时内发生。

13.  一种光装置，其包括：
光子集成芯片，其上形成光波导；及
光纤组合件，其包括具有端表面的光纤，所述端表面是在等离子体中预活化以生 成促进与所述光波导的耦合的悬键，所述光纤的所述端表面提供到形成在所述光子 集成芯片中的所述光波导的气密密封光连接。

14.  根据权利要求13所述的光装置，其中所述光纤是使用倒置锥形连接到所述光波导。

15.  根据权利要求13所述的光装置，其中使所述光纤的所述端表面的一部分斜切，且 所述光纤的所述斜切端表面与所述光子集成芯片的对应斜切侧对准。

16.  根据权利要求15所述的光装置，其中所述光子集成芯片的所述对应斜切侧是在所 述等离子体中预活化。

形成气密密封光纤到芯片连接的方法
技术领域
本发明的实施例涉及用于芯片到芯片及芯片内通信的光互连，且具体来说涉及在光 纤与基于硅的光子集成芯片之间形成气密密封连接的方法。
背景技术
光传输可用作一种用于在单独集成电路芯片之间(芯片间连接)及在相同芯片上的组 件内(芯片内连接)通信的手段。在经由光互连的芯片到芯片通信过程中，电路板上的每 个芯片与收发器光电子芯片连接，且两个光电子芯片经由平面电介质波导或光纤连接。 同样地，光波导可用来连接芯片内的组件(例如，在集成光源与检测器之间)。集成光波 导为使用平版印刷处理形成在电介质衬底上或电介质衬底内(例如，氧化物涂覆硅衬底) 的光路径。波导可由具有高于芯片衬底的折射率的无机晶体或半导体材料制成以沿波导 引导光信号。
单模光纤到集成光波导的耦合(且反之亦然)为半导体光子学包装中最昂贵且耗时的 制造工艺中的一者。已提出对耦合问题的各种解决方案，包含使用横向倒置锥形结构或 垂直绕射光栅结构。
另一挑战为气密密封连接到光子集成芯片的光纤或导线，因为光子元件的性能可受 例如湿气及污染物等环境条件的不利影响。因此，芯片中的光子元件的环境隔绝成为设 计挑战。图1A展示通过馈通120连接到光纤110的常规光子集成芯片包装100。馈通 120在光纤110与芯片包装100之间提供气密密封。图1B展示气密光纤馈通120的横截 面图。馈通120包住光纤110的端剥除部分130。光纤110的端剥除部分130被玻璃焊 剂140材料(例如，硼酸铅玻璃)围绕。玻璃焊剂140堆叠在玻璃套管150与光纤110之 间，从而在光纤110与玻璃套管150之间形成基本上无孔隙的结合。玻璃套管150被玻 璃焊剂160材料(例如，硼酸铅玻璃)包住，玻璃焊剂160材料继而被外部套管170围绕。 外部套管170是由金属、金属合金、陶瓷或玻璃制成。气密密封光纤110的端面180耦 合到光子集成芯片包装100。
然而，上文所描述的常规方法是昂贵的且不支持大量制造。需要一种将光纤气密密 封到光子集成芯片的改进的方法。所述方法需为低成本且在极端周围条件下提供具有高 可靠度的气密密封连接。此外，所述方法需支持大量制造工艺及低处理温度。
附图说明
图1A及图1B展示常规气密密封光纤到芯片连接；
图2为根据所揭示实施例的光装置的俯视图；
图3A及图3B分别为根据所揭示实施例的光纤的俯视图及横截面图；
图3C为根据所揭示实施例的光纤的另一横截面图；
图4A及4B分别为根据所揭示实施例的光子集成芯片的俯视图及横截面图；及
图5为根据所揭示实施例的集成光装置制造工艺的流程图。
具体实施方式
在下文详细描述中，参考附图，附图形成所述描述的一部分且其中通过说明方式展 示可实践的具体实施例。应了解，贯穿图式，相同参考数字表示相同元件。充分详细地 描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够制作及使用所述实施例，且应了解，可对 所揭示具体实施例作出结构、材料、电学及程序方面的变更，下文仅详细论述其中的一 些变更。
本文中描述一种制备用于与例如光子集成芯片耦合的光纤的方法。所述方法包含在 等离子体中活化光纤的端表面以在光纤的端表面上生成悬键，从而悬键促进与光子集成 芯片的表面的耦合。还描述一种光装置制造工艺，其包含以下步骤：在生成自含有氧气、 氮气、氩气、氢气或氨气的气体种类的等离子体中预活化至少一光纤的端表面；及将所 述至少一光纤的预活化端表面连接到例如光子集成芯片。所揭示方法可用来制造具有气 密密封光纤到芯片连接的集成光装置。
图2为根据所揭示实施例的光装置260的俯视图。光装置260具有耦合到光纤组合 件300的光子集成芯片200。光装置260使用光子元件270(例如波导、光放大器、调制 器、滤波器、光源及检测器)将多个光子功能集成在光子集成芯片200上。芯片200具有 可用来将多个光子元件270(例如在集成光源与检测器之间)连接到彼此的光波导230。如 图2中所示，光波导230还可用来将光子元件270连接到光纤组合件300。
光装置260具有定位在芯片200的侧表面240上的气密密封光纤到芯片连接250。 自对准机械接口280用于使用倒置锥形耦合(但可利用其它已知耦合机构)来帮助引导光 纤300到芯片连接250。如图2中所示，例如，在420a及420b处使定位在芯片200的 侧表面240上的自对准机械接口280斜切以与光纤组合件300的斜切端表面310机械地 对准。尽管图2展示具有斜切接口的光纤到芯片连接250，但应了解，光纤到芯片连接 250可基于任何适合形状及配置，只要光纤组合件300可与芯片200上的光波导230对 准且耦合到芯片200上的光波导230以用于光通信即可。
图3A为光纤组合件300的俯视图。光纤组合件300可为具有芯220的单模光纤， 芯220被具有低于所述芯220的折射率的包层210材料围绕。在此实施例中，芯220是 由硅石及锗制成，且包层210是由二氧化硅制成。图3B展示光纤组合件300的横截面 A-A′图。光纤组合件300的一端具有斜切表面320a、320b。如图3A中所示，斜切表面 320a、320b可具有相对于光纤芯220的中心轴330测得的任何角α，例如45°。如图3C 中所示，斜切表面320a、320b可为环状。通常，在与芯片200连接之前，剥离端表面 310及斜切表面320a、320b的任何缓冲层及涂层。
为保证光纤组合件300与芯片200之间的良好密封及粘附，在生成自含有氧气或氢 气的气体种类的等离子体中预活化光纤组合件300的端表面310。当在等离子体中活化 二氧化硅包层210(图2)及硅芯220(图2)时，在光纤组合件300的端表面310上生成悬键。 硅原子需要四个键以使其价电子层完全饱和。在结晶硅中，每个硅原子键结到四个其它 硅原子。然而，在硅芯220的表面处，硅原子可能具有过少键以致无法满足其价电子层。 表面220硅原子可键结到仅三个硅原子，留下一个非饱和价键(也被称为悬键)。二氧化 硅包层210的表面还具有具非饱和价键或悬键的硅原子。为获得足够电子以填充其价， 在端表面310上具有悬键的硅原子促成与形成在光子集成芯片200的光波导230的侧表 面240(图2)处的硅原子形成共价键。在等离子体中预活化二氧化硅及硅端表面310以生 成悬键，因此促进光纤组合件300与光子集成芯片200之间的非常稳固键结。可在等离 子体中预活化光纤组合件300的整个端表面310或其一部分。还可在用于预活化光纤组 合件300的端表面310的等离子体中预活化斜切表面320a、320b。
含有例如氮气、氩气及氨气的其它适合气体种类可用来生成等离子体。可使用包含 但不限于生成自气体种类的反应性离子蚀刻等离子体及微波自由基的任何适合工艺生 成等离子体。在使端表面310与光子集成芯片200键结之前，光纤组合件300的端表面 310的表面活化具有无需用来在光纤组合件300与芯片200之间产生良好密封及粘附的 中间层(例如粘附剂)或步骤的优点。
图4A为光子集成芯片200的俯视图。图4B展示光子集成芯片200的横截面B-B′ 图。芯片200包含形成在电介质衬底(例如，氧化物涂覆硅衬底400)上的光波导230。波 导230将光子元件270(例如，光源、检测器等)连接到另一光子元件，或与光纤300对 准以将来自输入光纤300的光信号引导到芯片上的光子元件。芯片200的一侧240具有 斜切表面420a、420b。斜切表面420a、420b具有对应于光纤组合件300上的斜切表面 320a、320b(图3A)的角α的角，使得光纤组合件300的预活化端表面310对准且耦合到 连接芯片200的两个斜切表面420a、420b的表面410。如图4A中所示，斜切表面420a、 420b具有从芯片的表面410到侧表面240测得的高度d。
图4B展示硅衬底400在表面410下方延伸，其中光纤300耦合到芯片200。然而， 应了解在例如硅衬底400为具有约50μm的厚度h的复合结构且单模光纤(例如SMF-28) 的直径为125μm的情况中，光纤300可在硅衬底400下方延伸。
在组装光纤300并将其对准到芯片200的任何常规方法之后，光纤300的预活化端 表面310形成气密密封连接250。尽管图4A及4B展示使用倒置锥形耦合将光纤组合件 300对准到芯片，但应了解，实施例可经修改以使用垂直锥形耦合或光纤到芯片的任何 其它适合耦合。气密密封连接250展现极佳拒水性。例如在至少200℃的温度下持续至 少两小时的用于芯片包装流程的标准低温退火可在将光纤组合件300气密密封到芯片 200时提供进一步改进。
尽管可通过仅预活化光纤组合件300的端表面310而产生良好密封，但可在来自含 有氧气、氢气、氮气、氩气或氨气的气体种类的等离子体(例如用来预活化光纤组合件 300的端表面310的等离子体)中预活化芯片200的表面410。芯片200的预活化表面410 的悬键生成与光纤组合件300的预活化端表面310的更强的共价键。还可使用相同等离 子体预活化芯片200的斜切表面420a、420b。
图5为根据所揭示实施例的集成光装置制造工艺的流程图。所示工艺将至少一输入 光纤气密密封到光子集成芯片的表面。在工艺的步骤500处，例如如图3A及图3B中所 示使将耦合到芯片200的光纤300的端表面310斜切。在步骤510处，例如如图4A及 图4B中所示使将气密连接到光纤300的芯片200的表面斜切。在步骤520处，在等离 子体中预活化光纤300的端表面310以在端表面310上生成悬键(或自由硅键)。如果在 批处理中多个光纤300将耦合到芯片200，那么可在等离子体中同时预活化多个光纤300 的端表面310。将预活化端表面310连接到芯片200上的对应表面410。连接步骤应在 预定时间内(例如在预活化步骤后的两小时内)发生以保证光纤保持预活化。为使键结过 程加速，在步骤530处，还可在等离子体中预活化芯片200的表面410以在芯片200的 表面410上生成悬键。芯片表面410的预活化可在光纤300的预活化之前、之后或与之 同时发生。在步骤540处，如图2中所示将预活化光纤300连接到芯片200。可施加例 如1.5MPa压力以保证在光纤300与芯片200之间不形成间隙。在步骤550处，将光纤 300连接到芯片200之后，芯片200可在至少200℃的温度下退火以进一步增加光纤到 芯片的密封。
尽管已详细描述所揭示实施例，但应容易了解，本发明不限于所揭示实施例。而是， 所揭示实施例可经修改以并入有在此之前未描述的任何数目的变动、更改、替换或等效 布置。