TW201830685A - 具有光子中介層的光電系統 - Google Patents
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Abstract
在一個實施例中，一光電系統可包括一光子中介層，其具有一基板及形成在基板上的一功能性中介層結構，複數個通道將電訊號傳遞通過基板及功能性中介層結構，複數條導線將電訊號傳遞至功能性中介層結構的不同區域，系統可進一步包括一個或多個光子元件，整體形成於功能性中介層結構中，以及一個或多個預製構件，附接於功能性中介層結構。
Description
相關申請的交叉引用 本申請主張於2016年11月23日提交的美國臨時申請案第62/426,100號的「具有光子中介層的光電系統」的優先權，其整體内容茲以提述方式納入。本申請亦主張於2017年10月27日提交的美國非臨時申請案第15/975,349號的「具有光子中介層的光電系統」的優先權，其整體内容茲以提述方式納入。
政府權利聲明 本發明是根據合約號FA8650-15-2-5220於美國國防部的政府支持下進行的。政府可能在本發明中具有某些權利。
本發明大體上相關於光子，特別是相關於光子結構及製造的過程。
市售的光子積體電路被製造在像是本體矽晶圓（bulk silicon wafer）或絕緣層上矽晶圓（silicon-on-insulator wafers）。市售的預製光子積體電路晶片可包括用以在一預製光子積體電路晶片的不同區域之間傳遞光訊號的波導構件。市售的波導構件為矩形或脊形幾何形狀，且以矽（單晶或多晶）或氮化矽製成。市售的光子積體電路晶片可使用在具有設置在一印刷電路板上的一光子積體電路晶片的系統上。
透過在一個方面中的光子結構的提供，現有技術的缺點係被克服，並提供額外的優點。
在一個實施例中，一光電系統可包括一光子中介層，其具有一基板及形成於該基板上之一功能性中介層結構，複數個通道延伸通過該基板及該功能性中介層結構而傳遞電訊號，複數條導線係將電訊號傳遞至該功能性中介層結構的不同區域。該系統可進一步包括一個或多個光子元件，整體形成於該功能性中介層結構中；以及一個或多個預製構件，附接於該功能性中介層結構。
附加的特徵及優點係透過本發明的技術而被予以了解。
本發明的各方面及其一些特徵、優點及細節參照以下附圖中所示的非限制性實施例而被更徹底地解釋。公知的材料、製造工具、處理技術等描述係被予以省略以避免於細節上模糊本發明。然而，應當理解的是，雖然詳細的描述及具體的例子係指出本發明的各個方面，但其僅做為示例提出而非限制。根據本公開內容，在本發明的基本發明概念的精神及/或範圍內的各種置換、修飾、添加及/或排列對於本領域之技術人員而言是顯而易見的。
參照第1圖的示意圖，其示出一光電系統10的一實施例。一光電系統10可包括一光子中介層100，其具有一基板110及形成在基板110之上的一功能性中介層結構120，複數個通道130延伸通過基板110。光電系統10可包括：一個或多個預製構件160，附接於功能性中介層結構120；以及一個或多個光子元件150，形成於功能性中介層結構120中。
一個或多個預製構件160可包括選自一預製雷射晶粒晶片、一預製光子積體電路晶片及一預製半導體晶片所組成之群組中的一個或多個預製構件。一預製半導體晶片可為具有主動及/或被動電子裝置（互補式金屬氧化物半導體、射頻元件、微機電系統、離散式元件）的一晶片。
整體形成於功能性中介層結構120中的一個或多個光子元件可例如包括一個或多個光子元件，例如：一個或多個波導、光偵測器、耦合器、調制器、偏振器、分路器或共振器。
在一個實施例中用以製造一光電系統10的一方法係搭配第2~6圖進行描述。
參照第2圖，其示出在一製造的初步階段的一光電系統10。光電系統10可包括一基板110及一功能性中介層結構120。基板110能以各種替代性材料形成，例如矽、二氧化矽、玻璃、或藍寶石。功能性中介層結構120可使用多個中介層材料層透過適當沉積及圖形化被製造而出，這些層可界定功能性中介層結構120的一主體122。界定功能性中介層結構120的主體122的中介層材料層可包括，例如：矽、二氧化矽或具有這種材料之層的組合。
功能性中介層結構120可包括一個或多個形成特徵的層，例如一個或多個金屬化層、硬停止層、或光子裝置，例如波導材料層，以在形成在功能性中介層結構120中的多個功能性特徵之間的區域中形成功能性特徵及中介層材料層。界定功能性中介層結構120的主體122的功能性特徵的中介層材料中間體可提供例如一個或多個電絕緣、光絕緣、結構完整性或結構間距。界定由介電材料形成的功能性中介層結構120的中介層材料層可被視為光子中介層100的介電層。
在一個實施例中，如第2圖所示，功能性中介層結構120可為一多層結構，具有界定有各種特徵的層。延伸通過基板110及功能性中介層結構120的通道130可透過適當地圖形化而形成，例如沉積中介層材料層至高度202之後進行光罩、進行蝕刻以界定出通道溝槽、於沉積金屬化層1404之前以導電性材料填充通道溝槽及平坦化至高度202。延伸通過功能性中介層結構120的通道134可透過適當地圖形化而形成，例如在一個或多個中介層材料層沉積至高度202（用於較低的通孔）或高度204（用於較高的通孔）之後進行光罩、進行蝕刻以界定出通道溝槽、於金屬化層1404（用於較低的通孔）或金屬化層1406（用於較高的通孔）沉積之前以導電性材料填充通道溝槽以及平坦化至高度202（用於較低的通孔）或高度204（用於較高的通孔）。
金屬化層1402、1404、1406界定複數條導線140。由金屬化層1402、1404、1406所界定的複數條導線140可水平地延伸通過功能性中介層結構120的複數個區域。金屬化層1402、1404、1406通常可透過：將一個或多個中介層材料層沉積至相應的金屬化層1402、1404、1406的至少頂部高度、蝕刻以界定出用於容納導電性材料的凹穴、以導電性材料填充凹穴以及平坦化至相應的金屬化層1402、1404、1406的該頂部高度而形成。金屬化層1402、1404、1406亦通常可透過沉積厚度均勻的金屬化層然後光罩及蝕刻以自不需要的區域去除層材而形成。金屬化層1402、1404、1406亦可由金屬或其他導電性材料形成。由金屬化層1402界定的導線140可電連接至一個或多個通道130，用以將一個或多個控制邏輯及/或功率訊號垂直地及水平地分配至功能性中介層結構120的不同區域。由金屬化層1404界定的導線140可電連接至一個或多個通道134，用以將一個或多個電控制、邏輯及/或功率訊號水平地分配至功能性中介層結構120的不同區域。由金屬化層1406界定的導線140可電連接至一個或多個通道134，用以將一個或多個控制、邏輯及/或功率訊號水平地分配至功能性中介層結構120的不同區域。
功能性中介層結構120可於其中形成有由一硬停止材料層提供的一對齊構件210以對齊一預製構件。由本實施例可知，透過提供精確對齊可實現預製構件操作方面的改善。在第2圖的實施例中，對齊構件210可由沉積於一中介層材料層上的一硬停止材料層提供。由一硬停止材料層提供的對齊構件210可沉積在功能性中介層結構120的一精確抬昇位置以提供如本說明書所述用於將預製構件附接至功能性中介層結構120的一預製構件的精確垂直對齊。精確的抬昇控制可以減少在數個光子元件之間的邊緣耦合損耗。由一硬停止材料層提供的對齊構件210可由具有相對於界定有功能性中介層結構120的主體122的一材料層的不同的蝕刻選擇性的一材料形成。由一硬停止材料層提供的對齊構件210可被沉積至約10 nm至200 nm的厚度，且在一個實施例中，至約20 nm至80 nm之間的厚度。為了製造對齊構件210，中介層材料可被沉積在界定對齊構件210的一硬停止材料層上，然後可被回蝕以形成凹穴402以顯露對齊構件210。在一個實施例中，在主體122由二氧化矽形成的情況下，對齊構件210可由具有與二氧化矽相區分的蝕刻選擇性的材料，例如氮化鈦、碳氮化矽或非晶矽而形成。
參照第2圖的中間製造階段所示的附加特徵，光電系統10可包括由金屬層疊提供的對齊構件220。第2圖的製造中間階段視圖所示的金屬層疊提供的對齊構件220可包括金屬柱221、阻障層222及構造420（如第4圖的後面階段視圖所示）。由金屬層疊提供的對齊構件220可提供沿著平行於參考座標系15的z軸的一軸線而垂直對齊，以精確地垂直對齊於一預製構件以附接至功能性中介層結構120，使得預製構件的高度可被精確地建立。精確的抬昇控制可以減少數個光子元件之間的邊緣耦合損耗。由金屬層疊提供的對齊構件220可被製造成具有在小公差內的預定總厚度，使得金屬化層1404與界定對齊構件220的金屬層疊的頂部高度之間的距離可被精確地建立。一般而言，頂部高度形成構造420，例如形成為金屬凸塊結構或電鍍結構（第4圖），可經加熱及迴焊以將一預製構件連接至其上。頂部高度形成構造420的分佈及體積以及加熱參數可被控制，使得界定對齊構件220的金屬層疊的高度不會意外地受頂部高度形成構造420的迴焊影響（第4圖）。
參照第2圖的中間製造階段視圖所示的附加特徵，光電系統10可包括與該功能性中介層結構120整體形成的一個或多個光子元件。如第2圖所示，與該功能性中介層結構120整體形成的一個或多個光子元件可包括由波導材料層1502界定的波導150A。在一個實施例中，波導150A可透過沉積波導材料層1502、光罩及蝕刻以去除波導材料層1502的不需要區域、以及在波導材料層的剩餘部分上沉積中介層材料層而被予以製造。界定波導150A的波導材料層1502可包括例如單晶矽、多晶矽、非晶矽、氮化矽、或氮氧化矽。在功能性中介層結構120內不同材料所製成的波導可使用在執行不同的功能。例如，由矽形成的波導可被選擇來製造包括在例如光偵測器或調制器等主動裝置中的波導。介電波導，例如以氮化矽形成，可適用在將光訊號傳輸至更遠的距離。其他材料，例如非晶矽，可能被選擇用於強調電流傳導特性與光傳導特性之平衡的應用。波導150A的圖形化可包括界定波導150的材料的圖形化以及圍繞波導150A的材料的圖形化，該材料的折射率不同於波導150A的材料的折射率。波導150A的圖形化可包括圖形化以界定不同的替代幾何形狀。
功能性中介層結構120可包括一個或多個整體成形的光子元件，其做為一個或多個波導（例如波導150）的補充或替代。例如，功能性中介層結構120可包括一個或多個積體光子區域，例如光子區域240，其可形成在例如：形成於基板110上的位置A、或形成於光子中介層100的一基板110上方的高度處的功能性中介層結構120中的位置B。如第7圖所示，積體光子區域240可包括一個或多個界定功能性中介層結構120的層，該界定功能性中介層結構120的層經圖形化而界定一光子元件150B，亦即光偵測器。如第8圖所示，積體光子區域240可包括一個或多個界定功能性中介層結構120的層，該界定有功能性中介層結構120的層經圖形化而界定不同尺寸、材料及形狀的波導，亦即光子元件150C、150D、150E。如第9圖所示，積體光子區域240可包括一個或多個界定有功能性中介層結構120的層，該界定有功能性中介層結構120的層經圖形化而界定一光子元件150F，亦即光柵耦合器。如第10圖所示，積體光子區域240可包括一個或多個界定功能性中介層結構120的層，該界定有功能性中介層結構120的層經圖形化而界定一光子元件150G，亦即調制器。在一個實施例中，光子中介層100可包括光子區域240，其分佈於整個光子中介層100中，以及光子中介層100可包括參照第7-10圖所述的各個積體光子元件150B-150G。在一個實施例中，光子區域240代表一個經製造而用以界定一個或多個偏振鏡、分光鏡、或共振器的光子區域。
在一些實施例中，用以形成光子元件的材料，例如單晶矽、多晶矽、鍺可磊晶成長。於此實施例可了解到，厚矽層可容納磊晶成長的同時，得到的光子元件可能透過該厚矽層而呈現光損失。在一個實施例中，為了容納磊晶成長材料的磊晶成長，可提供在一絕緣體上具有矽晶種層（矽模板）的結構。為了提供具有矽晶種層的結構，絕緣體上矽（SOI）晶圓（具有在主體矽基材上的一薄氧化物層及在該氧化物上的一薄矽層）可被選擇用來製造基板110。在一絕緣體上矽晶圓用於製造光子中介層100的一個實施例中，基板110由一絕緣體上矽晶圓的一主體矽基材提供。
磊晶成長也可以透過在玻璃上形成的矽晶種層上的磊晶成長來進行。因此，用以製造基板110的玻璃晶圓（具有一薄矽層形成在一主體矽基材上）上的矽的選擇可容納磊晶成長材料的磊晶成長以及由磊晶成長材料（例如單晶矽、多晶矽或鍺）形成的光子元件的製造。在玻璃晶片上的矽使用於製造光子中介層100的一個實施例中，基板110由玻璃晶圓上的矽的一玻璃基板提供。
在一個實施例中，功能性中介層結構120可被製造為包括在基板110之上的一高度處的一絕緣層上矽介面。例如，在基板110上的一頂部高度之上的厚矽層，例如在由矽形成的一基板110上的磊晶成長，可以透過局部或非局部注入氧（SIMOX）的處理而進行分離，以界定一薄矽層及該薄矽層之下的埋入氧化物層。
利用適當的製造方法，由不同波導材料的波導提供或具有不同波導材料的波導的光子元件可被製造在功能性中介層結構120的任意高度處。在一個實施例中，磊晶成長的光子元件可被製造在功能性中介層結構120的基板位置上，且由沉積材料，例如沉積的氮化矽或氮氧化矽形成的光子元件，可形成在功能性中介層結構120的基板高度處之上。功能性中介層結構120可被製造成透過在不同高度處的各個波導之間的漸逝波耦合（evanescent coupling）在各個高度處之間傳導光。
可執行各種處理以修改可製造各種光子元件的一材料層的晶粒結構。在一個實施例中，一材料層可由多晶矽組成。在一個實施例中，可執行離子注入以修改一材料層的矽晶體結構。在修改中，多晶矽材料可轉變成非多晶矽材料。離子注入物種可包括一個或多個矽、氬（例如Ar或Ar+
）、氙（例如Xe或Xe+
）、或鍺。另一方面，可進行退火處理，例如再結晶退火處理，以進一步改善一材料層的一晶粒結構。在一個實施例中，在有無離子注入的情況下，一材料層可進行退火以修改一晶粒結構。
為了增強功能性中介層結構120中整體形成的光子元件的性能，光子中介層100可包括用以減少在整體形成的光子元件與基板110之間的耦合的特徵。在一個實施例中，基板110可由玻璃形成以減少耦合。在一個實施例中，基板110可包括在有整體形成的光子元件的光子中介層100的區域中的深溝槽絕緣特徵。
第3圖示出於隨後的製造中間階段中的第2圖的光電系統10。參照第3圖，基板110可經研磨以露出通道130的導電材料，並且額外的圖形化可被執行以形成再分佈層導線170。舉例而言，一中介層材料層，例如材料為界定主體122的中介層材料層，可在對如第2圖所示階段中經平坦化至通道130的一底部高度的基板進行研磨後被沉積在基板110上，然後沉積再分佈層1702、進行光罩及蝕刻以去除再分佈層1702的不需要的材料，以界定再分佈層導線170以及沉積另外一個或多個中介層材料層，然後對該一個或多個中介層材料層進行凹陷以容納凸塊底層金屬結構。在另一實施例中，一個或多個中介層材料層，例如材料為界定主體122的中介層材料層，可進行沉積、蝕刻以界定用以容納導電性材料的凹穴，且該凹穴可填充有導電性材料以界定再分佈層1702，然後沉積另外一個或多個中介層材料層，並對該一個或多個中介層材料層進行凹陷以容納凸塊底層金屬結構。在一個實施例中，一光阻模板可經塗覆及填充導電性材料以形成再分佈層1702。
通道130、134可在功能性中介層結構120及中介層100的背面之間分佈控制訊號、邏輯訊號及/或功率訊號。通道130、134及導線140、170可有助於扇出電控制及功率訊號。在一個例子中，金屬化層1402、1404、1406可具有奈米尺度間距，以及再分佈層1702可具有微米尺度間距。用於製造再分佈層1702及金屬化層1402、1404、1406的材料可以包括金屬（例如銅、銀、金、鎢或其它導電材料）或其它導電材料（例如適當地摻雜有半導體材料的導電材料）。
在形成包括再分佈層1702的背面特徵的製造加工之前，透過使用具有附著層182的一般結構的附著層，具有處理晶圓180之一般結構的一正面處理晶圓（未示）可暫時地被附著至光子中介層100的正面（具有功能性中介層結構120的光子中介層100的正面）。這種正面處理晶圓允許光子中介層100定位在背面朝上的方向，用於形成包括再分佈層1702的背面特徵的製造加工。在形成包括再分佈層1702的背面特徵的製造加工之後，一背面處理晶圓180，例如結合使用附著層182，可暫時地被附著至光子中介層100，如第3圖所示，且該正面處理晶圓可被移除。如第3圖所示，背面處理晶圓180允許光子中介層100定位在正面朝上的方向，以製造加工另外的特徵，例如區域302的特徵的形成、凹穴402、404的形成、以及預製構件的附接。
通道130、134可以垂直地延伸。在一個實施例中，通道130可延伸通過基板，並且也可以延伸通過功能性中介層結構120。在一個實施例中，通道130可透過完全地延伸通過基板110而延伸通過基板110，並且可透過部分地延伸通過基板110而延伸通過功能性中介層結構120。在一個實施例中，通道134可透過部分地延伸通過功能性中介層結構120而延伸通過功能性中介層結構120。
參照第3圖的其他方面，可於區域302處執行另外的製造加工以適用於一預製構件的附接。在該預製構件為一具有錫鉛凸塊的預製的半導體晶片的實施例中，於區域302的加工可包括製造凸塊底層金屬（under bump metallization, UBM）構造。
第4圖示出於隨後的製造中間階段中的第3圖的光電系統10。參照第4圖，可形成凹穴402以容納由一預製雷射晶粒晶片160A（第5圖）提供的一預製構件，以及可形成凹穴404以容納由一預製光子積體電路晶片160B（第5圖）提供的一預製構件。凹穴402中可形成構造410，以便於將導線140的電及機械耦合至一預製構件，以及阻障層222上的凹穴402中可形成構造420，以便於將導線140的電及機械耦合至一預製構件。構造420可完成由第3圖的製造中間階段所示的金屬堆疊提供的對齊構件220的製造。構造410可形成在阻障層222上，其中該阻障層222可形成在金屬化層上。構造420可形成在阻障層222上。阻障層222可形成在金屬柱221中，其中該金屬柱221可形成在金屬化層1404上。阻障層212、222可形成為一阻障以抑制可能因相應預製構件，例如預製雷射晶粒晶片160A或預製光子積體電路晶片160B的接觸件160AC、160BC的金或錫接觸金屬化層1404或金屬柱221的反應。
在一個實施例中，構造410及/或構造420可由錫鉛凸塊形成。在一個實施例中，構造410及/或構造420可由透過無電解鍍或電鍍所產生的薄相干金屬塗層（例如：無電鍍形成物或電鍍形成物）形成。根據一個實施例，無電解鍍可由化學或非電力自催化鍍提供，其涉及在無需外部電源的水溶液中的反應。在實施無電解鍍的一個實施例中，氫可透過一還原劑而釋放以在一表面上產生負電荷。無電解鍍可包括，例如無電鍍鎳、無電鍍銀、無電鍍金或無電鍍銅。根據電鍍的一個實施例，可使用電流以還原溶解金屬陽離子，使得它們可在一電極上形成一薄金屬塗層。在一個實施例中，可使用電鍍（例如：無電解鍍或電鍍）以精確控制材料構造410及/或材料構造420的數量及分佈，進而減少因材料構造410及/或材料構造420的迴焊導致的厚度變化。
在如第4圖所示的另一方面中，預製半導體晶片160C可附接於區域430。預製半導體晶片160C可以是具有主動元件或被動元件（互補式金屬氧化物半導體、射頻元件、微機電系統或離散式元件）的晶片。區域430的處理可包括將預製半導體晶片160C的凸塊焊接至凸塊底層金屬構造的處理。預製半導體晶片160C可以是具有主動元件及/或被動元件（互補式金屬氧化物半導體、靜態隨機存取記憶體、邏輯、特殊應用積體電路、射頻元件、微機電系統或離散式元件）的晶片。
第5圖示出於隨後的製造中間階段中的第4圖的光電系統10。參照第5圖，預製雷射晶粒晶片160A可附接至凹穴402內的功能性中介層結構120，以及預製光子積體電路晶片160B可附接至凹穴404內的功能性中介層結構120。
為了附接預製雷射晶粒晶片160A，可向下降低預製雷射晶粒晶片160A直到相鄰於預製雷射晶粒晶片160A的接觸件160AC的預製雷射晶粒晶片160A的底部凸起接觸對齊構件210。當預製雷射晶粒晶片160A接觸對齊構件210，可藉由雷射加熱工具對構造410局部雷射加熱，以將預製雷射晶粒晶片160A電連接及機械連接至功能性中介層結構120。局部雷射加熱可使得構造410迴焊，並且可建立於金屬化層1404與預製雷射晶粒晶片160A的接觸件160AC之間的電及機械耦合。預製雷射晶粒晶片160A可發射預定波長或可變波長的雷射光。預製雷射晶粒晶片160A可以結合一種或多種雷射光發射技術，例如：分佈回饋式雷射、法布里-博羅（Fabry-Perot）及波長分波多工（Wavelength Division Multiplexer, WDM）。
為了將預製光子積體電路晶片160B附接至功能性中介層結構120，可向下降低預製光子積體電路晶片160B直到預製光子積體電路晶片160B的接觸件160BC接觸於由具有金屬柱221、阻障層222及構造420的金屬堆疊提供的對齊構件220。如圖所示，用以將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404的附接構件可根據由金屬堆疊提供的對齊構件220的受控厚度，使得垂直對齊可基於接觸於構造420的預製光子積體電路晶片160B的接觸件而被提供，使得預製光子積體電路晶片160B位於當構造420迴焊後實質上仍可保持的特定高度處。當預製光子積體電路晶片160B的接觸件160BC接觸對齊構件220，構造420可藉由雷射加熱工具而被局部雷射加熱。隨著預製光子積體電路晶片160B接觸由金屬堆疊提供的對齊構件220，局部雷射加熱可使得構造420迴焊，並且可建立於金屬化層1404與預製光子積體電路晶片160B的接觸件160BC之間的電及機械耦合。
預製光子積體電路晶片160B可以是用於各種應用的預製光子積體電路晶片，例如生物醫學、波長分波多工、數據通訊、類比射頻、行動、光達及光纖網路等等。預製光子積體電路晶片160B可包括一個或多個光子元件，例如波導150A及/或參照第7-10圖所述製造的光子區域240的一個或多個光子元件150B-150G，一個或多個光子元件例如：波導、光偵測器、耦合器、調制器、偏振器、分路器或共振器。
為了將預製雷射晶粒晶片160A及預製光子積體電路晶片160B附接至功能性中介層結構120，預製雷射晶粒晶片160A及預製光子積體電路晶片160B可藉由具有機器視覺功能的一晶片接合工具定位在它們相應的凹穴402及凹穴404中。對齊構件210、220可提供垂直對齊（於平行於關聯於光子中介層100之圖式整個所示的參考座標系15的z軸的方向），使得預製雷射晶粒晶片160A及預製光子積體電路晶片的高度可被精確建立。可識別圖形可包括在光子中介層100中，以便於預製雷射晶粒晶片160A及預製光子積體電路晶片160B在沿著平行於參考座標系15的y軸的軸線的方向上及沿著平行於參考座標系15的x軸的軸線的方向上而對齊。透過機器視覺圖形辨識而可識別的圖形可透過由金屬化層1402及或金屬化層1404界定的圖形而被方便地製造出。
可操作以垂直對齊及建立預製雷射晶粒晶片160A的精準高度的對齊構件210可相隔及獨立於用於預製雷射晶粒晶片160A及功能性中介層結構120的電連接的特徵。因此用以定位及提供用於電連接目的之導電材料的要求可預期對預製雷射晶粒晶片160A的垂直對齊具有較小的影響。用於將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404的附接組件可以獨立於對齊構件210進行操作，並且可自設計配置的對齊構件210移除。
雖然用以將一預製雷射晶粒晶片160A附接在凹穴402以及將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404的附接組件於第4圖的特定實施例中顯示為不同的附接組件，然而，通用的附接組件可替代地被使用。舉例而言，用以將預製雷射晶粒晶片160A附接在凹穴402的附接組件可用於將預製雷射晶粒晶片160A附接在凹穴402，並且將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404。在另一實施例中示出的用以將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404的附接組件可用於將預製雷射晶粒晶片160A附接在凹穴402，並且將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404。在一替代的實施例中示出的用以將預製雷射晶粒晶片160A附接在凹穴402的附接組件可用於將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404，以及用以將預製光子積體電路晶片160B附接在凹穴404的附接組件可用於將預製雷射晶粒晶片160A附接在凹穴402。
如第5圖所示，藉由預製雷射晶粒晶片160A附接至功能性中介層結構120，預製雷射晶粒晶片160A可垂直地對齊（在平行於參考座標系15的z軸的方向上）於整體形成在功能性中介層結構120中的波導150A，使得預製雷射晶粒晶片160A的一發光層160AL為垂直對齊於波導150A。預製雷射晶粒晶片160A可以是對齊於z軸，且x軸及y軸對齊於整體形成的波導150A（在平行於參考座標系15的x軸及y軸的方向上）。在預製雷射晶粒晶片160A及波導150A如此對齊情況下，預製雷射晶粒晶片160A與波導150A可以彼此邊緣耦合。根據一個實施例，預製雷射晶粒晶片160A與波導150A之間的邊緣耦合可包括經降低的插入損耗的光耦合，導致增強的系統及訊號完整性。邊緣耦合可包括錐形光接收波導150A，以進一步減少光損失。
如第4-5圖所示，藉由預製光子積體電路晶片160B附接至功能性中介層結構120，預製光子積體電路晶片160B可垂直地對齊（在平行於參考座標系15的z軸的方向上）以及x軸及y軸對齊（在平行於參考座標系15的x軸及y軸的方向上）於整體形成在功能性中介層結構120中的波導150A，使得預製光子積體電路晶片160B的波導160BW為對齊於波導150A，並相應的在與波導150A共同的高度上。在預製光子積體電路晶片160B及波導150A如此對齊情況下，預製光子積體電路晶片160B與波導150A可以彼此邊緣耦合。根據一個實施例，預製光子積體電路晶片160B與波導150A之間的邊緣耦合可包括經降低的插入損耗的光耦合，導致增強的系統及訊號完整性。邊緣耦合可包括錐形光接收波導160BW，以進一步減少光損失。
如第5圖所示，藉由預製雷射晶粒晶片160A及預製光子積體電路晶片160B附接至功能性中介層結構120，預製雷射晶粒晶片160A的發光層160AL、整體形成在功能性中介層結構120中的波導150A及預製光子積體電路晶片160B的波導160BW可沿著一共同的水平軸線502對齊，並且可設置在共同高度處。在一個實施例中，預製雷射晶粒晶片160A的發光層160AL、整體形成於功能性中介層結構120中的波導150A及波導160BW可各自由具有各自軸線504、506、508的直線形結構提供，其中該軸線504、506、508延伸平行於參考座標系15的x軸。如所述般的對準預製雷射晶粒晶片160A的發光層160AL、整體形成在功能性中介層結構120中的波導150A及預製光子積體電路晶片160B的波導160BW可減少光傳輸損失，例如因功能性中介層結構120的內部構件的衍射或反射導致的光傳輸損失。
在參照第5圖的製造視圖解釋的另一方面中，光子中介層100可經配置使得通道130提供散熱功能以去除由預製雷射晶粒晶片160A及預製光子積體電路晶片160B的熱生成構件所產生的熱。在基板110由導熱材料例如矽形成之情況下，光子中介層100可經配置而使得通過通道130傳導的熱可藉由基板及再分佈層1702傳導以移除來自光子中介層100的熱。在基板110由絕熱材料例如二氧化矽或玻璃形成之情況下，光子中介層100可經配置而使得通過通道130傳導的熱可主要由再分佈層1702傳導以移除來自光子中介層100的熱。
對於進一步的製造處理，如第6圖所示的凸塊底層金屬構造176可形成在光子中介層100的背側上的再分佈層1702的暴露區域上（暴露區域是在圍繞再分佈層1702的中介層材料的位置，如所示凹陷處）。這種凸塊底層金屬構造176可適於接受光子中介層100可附接到的子結構的錫鉛凸塊。一處理晶圓（圖未示）可經由黏著劑暫時地附接至功能性中介層結構120，以允許光電系統10在一子結構例如一印刷電路板或中介層的處理及安裝。
第6圖示出透過光子中介層100的錫鉛凸塊192連接至凸塊底層金屬構造176而安裝在子結構190上的光電系統10。所示的印刷電路板子結構190可以由例如一球柵陣列或一中介層所替代。如第6圖所示的在製造階段中的光子中介層100可包括用於將預製雷射晶粒晶片160A的一電極打線接合至功能性中介層結構120的暴露的電壓端的一銲線188。可替代地，功能性中介層結構120的構造410的區域可經配置而界定電絕緣的正電壓端子及負電壓端子，且具有底部電極如所示經配置為分離的正極端子電極和負極端子電極的一預製雷射晶粒晶片160A可附接至相應的構造410的區域中的正電極端子及負電極端子。外部雷射光可耦合至功能性中介層結構120。例如，自外部（中介層外）源（圖未示）傳輸光的一光纖電纜196可耦合至整體形成在功能性中介層結構120中的積體波導150H。光接收波導150H可為錐形以減少光損失。為了將光子中介層100電連接及機械連接至子結構，光子中介層100的凸塊底層金屬構造176可焊接至子結構190的對應的錫鉛凸塊192，並以密封劑194密封。
文中使用的術語僅用於描述特定實施例之目的而非意在限制。除非上下文另有明確說明，否則如本說明書所使用的單數形式「一」及「該」旨在亦包括複數形式。應當進一步理解的是，術語「包含」（以及任何形式的包含）、「具有」（以及任何形式的具有）、「包括」（以及任何形式的包括）及「含有」（以及任何形式的含有）皆為開放式連接動詞。因此，「具有」、「包括」或「含有」一個或多個步驟或元件的一方法或一裝置為具備該一個或多個步驟或元件，但不限於僅具備該一個或多個步驟或元件。類似地，「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一個或多個特徵的一方法的一步驟或一裝置的一元件為具備該一個或多個特徵，但不限於僅具備該一個或多個特徵。術語「由……界定」的形式包含元件被部分界定及元件被完全界定的關係。文中的數字標識，例如「第一」及「第二」是任意的術語，用於指定不同的元件而不指定元件的順序。此外，以某種方式配置的系統方法或裝置為至少以該方法配置，然而亦可以透過未列出的方式配置。此外，闡述為具有特定數量的元件的系統方法或裝置可透過小於或大於該特定數量的元件而實踐。
以下申請專利範圍中所有結合功能元件的裝置或步驟的相應結構、材料、行為及等同物（倘若有）旨在包括用於表現結合於其他具體請求聲明的元件的該功能的任何結構、材料或行為。本發明的描述已經出於說明及描述之目的而呈現出，然而並非旨在窮舉或限制於本發明所公開的形式。在不脫離本發明的範圍及精神的情況下，許多修改及變化對於本領域的通常技術人員將是顯而易見的。經選擇及描述的實施例是為了最佳地解釋本發明的一個或多個方面的原理及實際應用，並且使得本領域的其他通常技術人員能夠理解本發明的用以針對具有適合於預期的特定用途的各種修改的各種實施例的一個或多個方面。
10‧‧‧光電系統
100‧‧‧光子中介層
110‧‧‧基板
120‧‧‧功能性中介層結構
122‧‧‧主體
130、134‧‧‧通道
140、170‧‧‧導線
1402、1404、1406‧‧‧金屬化層
15‧‧‧參考座標系
150、150A、150H、160BW‧‧‧波導
150B-150G‧‧‧光子元件
1502‧‧‧波導材料層
160‧‧‧預製構件
160A‧‧‧預製雷射晶粒晶片
160AC、160BC‧‧‧接觸件
160AL‧‧‧發光層
160B‧‧‧預製光子積體電路晶片
160C‧‧‧預製半導體晶片
1702‧‧‧再分佈層
176‧‧‧凸塊底層金屬構造
180‧‧‧處理晶片
182‧‧‧附著層
188‧‧‧銲線
190‧‧‧子結構
192‧‧‧錫鉛凸塊
194‧‧‧密封劑
196‧‧‧光纖電纜
202、204‧‧‧高度
210、220‧‧‧對齊構件
212、222‧‧‧阻障層
221‧‧‧金屬柱
240‧‧‧光子區域
302、430‧‧‧區域
402、404‧‧‧凹穴
410、420‧‧‧構造
502‧‧‧水平軸線
504、506、508‧‧‧軸線
在說明書結尾處的申請專利範圍中特別指出並清楚地要求保護本發明的一個或多個方面。從以下結合附圖的詳細描述中，本發明的上述及其它目的、特徵及優點是顯而易見的，其中：
第1圖為一光電系統的剖視示意圖，該光電系統具有一中介層、一個或多個經附接的預製構件及一個或多個經整合的光子元件；
第2圖為處於製造中間階段的一光電系統的剖視示意圖；
第3圖為於製造一重分佈層之後的製造中間階段中的一光電系統的剖視示意圖；
第4圖為於製造用以容納一個或多個預製構件之後的製造中間階段中的一光電系統的剖視示意圖；
第5圖為於附接一個或多個預製構件之後的製造中間階段中的一光電系統的剖視示意圖；
第6圖為安裝在一底部構造的一光電系統的剖視示意圖；以及
第7-10圖示出可整體形成於一功能性中介層結構中的光子元件的替代性實施例。
Claims (14)
- 一種光電系統，包含： 一光子中介層，具有一基板、複數個通道以及複數條導線，其中該基板之上形成有一功能性中介層結構，該複數個通道係將電訊號傳遞通過該基板及該功能性中介層結構，該複數條導線係將電訊號傳遞至該功能性中介層結構的不同區域； 一個或多個光子元件，整體形成於該功能性中介層結構中；以及 一個或多個預製構件，附接於該功能性中介層結構。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中該一個或多個預製構件包括選自一預製雷射晶粒晶片、一預製光子積體電路晶片及一預製半導體晶片所組成之群組中之一構件。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中該一個或多個預製構件包括選自一預製雷射晶粒晶片及一預製光子積體電路晶片所組成之群組中之一預製構件。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中該中介層包括一金屬化層以及一凹穴，其中該一個或多個預製構件包括一預製雷射晶粒晶片，電性連接於該金屬化層且設置於該凹穴中。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中該中介層包括一金屬化層以及一凹穴，其中該一個或多個預製構件包括一預製光子積體電路晶片，電性連接於該金屬化層且設置於凹穴中。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中該一個或多個光子元件包括選自一被動光子元件及一主動光子元件所組成之群組中之一光子元件。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中該一個或多個光子元件包括選自一波導、一光偵測器、一光柵耦合器、一調制器、一偏振器及一共振器所組成之群組中之一光子元件。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中該功能性中介層結構的材料包括選自矽、二氧化矽及氮化矽所組成之群組中之材料，以及其中該基板的材料包括選自玻璃、藍寶石及矽所組成之群組中之材料。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中整體形成於該功能性中介層結構中之該一個或多個光子元件包括一整體形成細長波導，於該功能性中介層結構中水平延伸。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中整體形成於該功能性中介層結構中之該一個或多個光子元件包括一整體形成細長波導，於該功能性中介層結構中水平延伸，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製雷射晶粒晶片，附接在該功能性中介層結構之一凹穴，其中該預製雷射晶粒晶片具有一水平延伸發光層，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中整體形成於該功能性中介層結構中之該一個或多個光子元件包括一整體形成細長波導，於該功能性中介層結構中水平延伸，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製光子積體電路晶片，附接在該功能性中介層結構之一凹穴，該預製光子積體電路晶片具有一細長水平延伸波導，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中整體形成於該功能性中介層結構中之該一個或多個光子元件包括一整體形成細長波導，於該功能性中介層結構中水平延伸，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製雷射晶粒晶片，附接在該功能性中介層結構之一第一凹穴，其中該預製雷射晶粒晶片具有一水平延伸發光層，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製光子積體電路晶片，附接在該功能性中介層結構之一第二凹穴，該預製光子積體電路晶片具有一細長水平延伸波導，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中整體形成於該功能性中介層結構中之該一個或多個光子元件包括一整體形成細長波導，於該功能性中介層結構中水平延伸，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製雷射晶粒晶片，附接在該功能性中介層結構之一第一凹穴，其中該預製雷射晶粒晶片具有一水平延伸發光層，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製光子積體電路晶片，附接在該功能性中介層結構之一第二凹穴，該預製光子積體電路晶片具有一細長水平延伸波導，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導，以及其中該光子中介層安裝於一次結構，該次結構係選自一印刷電路板、一球柵陣列封裝及一插入物所組成之群組中之一次結構。
- 如申請專利範圍第1項之光電系統，其中整體形成於該功能性中介層結構中之該一個或多個光子元件包括一整體形成細長波導，於該功能性中介層結構中水平延伸，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製雷射晶粒晶片，附接在該功能性中介層結構之一第一凹穴，其中該預製雷射晶粒晶片具有一水平延伸發光層，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導，以及其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製光子積體電路晶片，附接在該功能性中介層結構之一第二凹穴，該預製光子積體電路晶片具有一細長水平延伸波導，對齊於該功能性中介層結構中水平延伸之該整體形成細長波導，其中附接於該功能性中介層結構之該一個或多個預製構件包括一預製半導體晶片，以及其中該光子中介層安裝於一印刷電路板，以及其中該預製半導體晶片係選自一互補式金屬氧化物半導體晶片、一射頻構件晶片、一微機電晶片及一離散構件晶片所組成之群組中之一晶片。
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