專利名稱：一種光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)及其互連方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子、微電子封裝領(lǐng)域，特別還涉及一種光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)及其互連方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，三維集成技術(shù)可以有效縮短芯片間互連線長度并提供異質(zhì)集成能力， 是當(dāng)前微電子封裝領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)之一。而光傳輸具有傳輸速度快、功耗低以及不受互連長度、扇入/扇出、互連I/O密度限制等優(yōu)勢。因此ITRS將系統(tǒng)級封裝中芯片內(nèi)光傳輸與芯片間光傳輸作為微電子技術(shù)重要的發(fā)展方向。具體來說，為提高三維光電封裝效率以及集成度，縮小封裝尺寸，改善高頻特性以及熱可靠性，可以利用垂直方向?qū)⒂性?無源以及光子、電子芯片直接集成在光電混合轉(zhuǎn)接板上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)的垂直互連，并實(shí)現(xiàn)光鏈路的裕量優(yōu)化和高效耦合。上述技術(shù)可以在大型計(jì)算機(jī)內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心、通訊基站等需高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊洗罅渴褂谩?br>
在過去的幾年中，為了更多地了解3D光電集成在各類封裝和應(yīng)用中的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，研究人員做了大量的工作，同時(shí)不斷尋找工藝和集成解決方案，加速該技術(shù)的順利應(yīng)用。對于傳統(tǒng)的光通孔的制作和填充方式，一般包括=DRIE刻蝕TSV盲孔，熱氧化或CVD法生長包層，最后通填充波導(dǎo)材料。此方式不但成本高，而且可靠性能差。為了降低制作成本， 提高可靠性，眾多研究者嘗試和改進(jìn)了各種制孔和填充技術(shù)。在國際上，一些著名公司和研究單位已經(jīng)開展了三維光電集成技術(shù)方面的研究，取得了一定進(jìn)展。美國IBM公司針對超級計(jì)算機(jī)內(nèi)部太位級(TeraBits)高速數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用，在制作穿透硅通孔(TSV)的轉(zhuǎn)接板上集成激光器、探測器、激光驅(qū)動(dòng)器、接收放大電路等器件，以轉(zhuǎn)接板上刻蝕通孔作為光通路， 實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的垂直互連，與基板上平面光波導(dǎo)耦合后，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸。使用這種方式，IBM 初步實(shí)現(xiàn)了 300(ib/S的并行數(shù)據(jù)傳輸，單通道的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到15(ib/S。日本東北大學(xué)采用電學(xué)轉(zhuǎn)接板與光學(xué)轉(zhuǎn)接板分開制作并堆疊的方式，初步實(shí)現(xiàn)了光電混合集成演示。但以上光互連技術(shù)并沒有在同一基板上形成垂直以及水平互連的完整結(jié)構(gòu)，并在應(yīng)用方面存在的主要問題仍是集成成本?，F(xiàn)有文獻(xiàn)公開了在基板上打孔后插入光纖等，此種方法效率低，而且精度和可靠性存在一定的問題。同時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)還公開了有機(jī)基板刻蝕聚合物材料，填充光通孔以及透鏡耦合，這種方式存在的問題在于有機(jī)基板集成水平波導(dǎo)難度大，而且和當(dāng)前的三維集成硅工藝的轉(zhuǎn)接板兼容性不強(qiáng)。發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的制作成本高、工藝復(fù)雜等問題，本發(fā)明提供了一種可以有效的降低制作成本、簡化工藝步驟和提高良率的新的光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)及其互連方法。
具體技術(shù)方案由如下步驟實(shí)現(xiàn)
一種光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一基板、一垂直光波導(dǎo)，一水平光波導(dǎo)和一光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，所述基板下表面有一光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，所述基板上表面與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相對的位置設(shè)有一孔，所述孔穿過所述基板與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相連，所述垂直光波導(dǎo)位于所述孔內(nèi)，所述水平光波導(dǎo)通過所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與所述垂直光波導(dǎo)光路相通。
優(yōu)選地，所述的基板材料為S0I、硅、有機(jī)基板或玻璃中的一種。
優(yōu)選地，所述的波導(dǎo)材料為空氣、光纖、Ge-Si02、SiC、硅或聚合物的一種。
優(yōu)選地，所述的光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是反射鏡或光柵。
一種光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)的互連方法，包括如下步驟
A在基板下表面依次制作水平光波導(dǎo)和光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，并使所述水平光波導(dǎo)與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)光路相通；
B在所述基板上表面對著所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的位置打孔，并在孔內(nèi)填充波導(dǎo)材料， 最終在所述孔內(nèi)形成垂直光波導(dǎo)；
C將所述孔與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相連，所述孔通過所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與所述水平光波導(dǎo)垂直互連。
優(yōu)選地，所述的打孔前在基板上用臨時(shí)鍵合膠鍵合承載板，減薄拋光并平整，在填充波導(dǎo)材料后拆鍵合臨時(shí)鍵合承載板即得。
優(yōu)選地，所述的打孔方法為干法刻蝕、濕法刻蝕或者激光鉆孔三種的任一一種。
優(yōu)選地，所述的填充波導(dǎo)材料的方法為蒸發(fā)、濺射或灌封。
優(yōu)選地，所述的基板材料為S0I、硅、有機(jī)基板或玻璃中的一種。
優(yōu)選地，所述的波導(dǎo)材料為空氣、光纖、Ge-Si02、SiC、硅或聚合物的一種。
優(yōu)選地，所述的光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是反射鏡或光柵。
本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種光學(xué)垂直互連轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有垂直光波導(dǎo)位于轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的下方，但不穿過基板的特征。本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種通過刻蝕的方法在基板上制孔，孔不穿過基板，到達(dá)光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的下方，然后填充波導(dǎo)材料完成光學(xué)垂直互連的制作方法。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，用于實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的方法工藝簡單，成本低廉，便于操作，效率高。可以有效的改善制作金屬垂直互連結(jié)構(gòu)時(shí)制孔和填孔困難，可靠性和良率低等問題。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的波導(dǎo)垂直互連以及水平互連結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是本發(fā)明另外一實(shí)施例提供實(shí)現(xiàn)垂直互連方法的流程圖。
101、基板102、水平光波導(dǎo)103、光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) 104、垂直光波導(dǎo)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述，給出的實(shí)施例僅為了闡明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
如圖1所示，本實(shí)施例提供的垂直互連結(jié)構(gòu)，在一個(gè)基板101的上表面制作光學(xué)轉(zhuǎn)向水平互連結(jié)構(gòu)，包括水平光波導(dǎo)102，光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)103。一個(gè)垂直光波導(dǎo)104穿過基板 101，與光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)103相連接，水平光波導(dǎo)102通過光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)103與垂直光波導(dǎo)104 光路相通。
實(shí)施例2
如圖2所示，本實(shí)施例提供的垂直互連方法，包括以下步驟
步驟SOl，基板選擇4寸硅102/玻璃101晶圓，晶圓厚度選擇500微米。
步驟S02，在基板的硅上制作水平光波導(dǎo)以及反射鏡，水平光波導(dǎo)是脊形波導(dǎo)，波導(dǎo)的上表面覆蓋包層。
步驟S03，在基板上，用臨時(shí)鍵合膠鍵合承載板。在本實(shí)施例中，臨時(shí)鍵合承載板選擇4寸玻璃晶圓，臨時(shí)鍵合膠選擇BCB有機(jī)聚合物。
步驟S04，在硅基板上未臨時(shí)鍵合玻璃的一面進(jìn)行減薄并拋光，使硅基板減薄到 200微米。在本實(shí)施例中，減薄硅基板采用化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備。
步驟S05，在硅基板上制作孔。在本實(shí)施例中，為了節(jié)約加工成本，采用激光鉆孔的方法制作孔，在本實(shí)施例中，孔徑選擇150微米。
步驟S06，用旋涂的方法在孔中填充聚合物材料。在本實(shí)施例中，填充的聚合物材料選擇PDMS (聚二甲基硅氧烷)。旋涂時(shí)，硅基板表面的厚度要求大于5微米，這樣可以有效的改善制作金屬垂直互連結(jié)構(gòu)時(shí)制孔和填孔困難。
步驟S07，進(jìn)行激光鉆孔操作，制作孔，鉆孔的深度要求完全刻穿PDMS。要求側(cè)壁保留10微米的PDMS。
步驟S08，填充材料PMMA 805 (聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱有機(jī)玻璃)。
步驟S09，表面平整化操作，拋光表面，此時(shí)基板的孔內(nèi)所填充的PMMA805形成垂直光波導(dǎo)。在本實(shí)施例中，采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行平整化操作。
步驟S10，拆鍵合臨時(shí)鍵合玻璃晶圓。
步驟S04，S05, S06可以視情況省略，直接從S03進(jìn)行到S07。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，用于實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的方法工藝簡單，成本低廉，便于操作，效率高， 可靠性和良率均好。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提供的垂直互連方法，包括以下步驟
步驟SOl，基板選擇4寸硅102/玻璃101晶圓，晶圓厚度選擇500微米。
步驟S02，在基板的硅上制作水平光波導(dǎo)以及光柵，水平硅波導(dǎo)是條形波導(dǎo)。
步驟S03，在基板上，用臨時(shí)鍵合膠鍵合承載板。在本實(shí)施例中，臨時(shí)鍵合承載板選擇4寸玻璃晶圓，臨時(shí)鍵合膠選擇BCB有機(jī)聚合物。
步驟S07，進(jìn)行干法刻蝕操作孔，刻蝕時(shí)要刻到硅材料上轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的下方，孔的深度要求完全刻穿PDMS。要求側(cè)壁保留10微米的PDMS。
步驟S08，填充材料PMMA 805,形成垂直光波導(dǎo)。
步驟S09，表面平整化操作，拋光表面，此時(shí)基板的孔內(nèi)所填充的PMMA805形成垂直光波導(dǎo)。在本實(shí)施例中，采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法進(jìn)行平整化操作。
步驟S10，拆鍵合臨時(shí)鍵合玻璃晶圓。
以上所述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，故凡依本發(fā)明專利申請范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一基板、一垂直光波導(dǎo)，一水平光波導(dǎo)和一光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，所述基板下表面有一光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，所述基板上表面與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相對的位置設(shè)有一孔，所述孔穿過所述基板與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相連，所述垂直光波導(dǎo)位于所述孔內(nèi)，所述水平光波導(dǎo)通過所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與所述垂直光波導(dǎo)光路相通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基板材料為S0I、硅、有機(jī)基板或玻璃中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述波導(dǎo)材料為空氣、光纖、Ge-SiO2、SiC、硅或聚合物的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是反射鏡或光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的一種光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)的互連方法，其特征在于，包括如下步驟A在基板下表面依次制作水平光波導(dǎo)和光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，并使所述水平光波導(dǎo)與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)光路相通；B在所述基板上表面對著所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的位置打孔，并在孔內(nèi)填充波導(dǎo)材料，最終在所述孔內(nèi)形成垂直光波導(dǎo)；C將所述孔與所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)相連，所述孔通過所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)與所述水平光波導(dǎo)垂直互連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述在所述基板下表面對著所述光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的位置打孔前，在所述基板上用臨時(shí)鍵合膠鍵合承載板，所述基板上未臨時(shí)鍵合膠鍵合承載板的一面進(jìn)行減薄拋光并平整，在所述孔內(nèi)填充波導(dǎo)材料并進(jìn)行平整后拆鍵合臨時(shí)鍵合承載板。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述打孔方法為干法刻蝕、濕法刻蝕或者激光鉆孔三種的任一一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述填充波導(dǎo)材料的方法為蒸發(fā)、濺射或灌封。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可以有效的降低制作成本、簡化工藝步驟和提高良率的新的光學(xué)垂直互連結(jié)構(gòu)及其制作方法，包括一基板、基板表面有光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，基板下對著轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的位置有一孔，該孔內(nèi)填充波導(dǎo)材料。本發(fā)明提供了一種通過刻蝕的方法在基板上制孔，孔不穿過基板，到達(dá)光學(xué)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的下方，然后填充波導(dǎo)材料完成光學(xué)垂直互連的制作方法。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，用于實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的方法工藝簡單，成本低廉，便于操作，效率高。可以有效的改善制作金屬垂直互連結(jié)構(gòu)時(shí)制孔和填孔困難，可靠性和良率低等問題。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102495445SQ20111042184
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者萬里兮, 劉豐滿 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所