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晶圆级气密封装的MEMS型硅光芯片最新进展

2022-05-09 光学小豆芽 阅读:
苏黎世理工学院ETH Zurich研究组联合洛桑联邦理工学院EPFL、爱尔兰的Tyndall、IMEC等多个机构,共同开发了MEMS硅光芯片晶圆级的气密封装技术(hermetic sealing)。

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MEMS型悬臂光波导(suspended waveguide)的SiO2包覆层会被刻蚀掉,因此它对空气的扰动、灰尘等非常敏感。如果想推动MEMS型硅光芯片的商用化,必须想办法解决该问题,克服环境扰动对光器件的影响,采用气密封装可以解决该问题。关于MEMS型光波导,可以参看这篇笔记基于MEMS的硅基32x32光开关阵列。iV9ednc

该研究进展中采用IMEC iSiPP50G工艺平台的硅光芯片,在波导附近已经做了一部分local undercut工艺。在此基础上,采用HF进一步进行刻蚀,形成vacuum cavity,形成悬臂型波导和MEMS器件,如下图所示。iV9ednc

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(图片来自文献1)iV9ednc

在另外一片直径100mm的SOI晶圆上加工出25um厚的Si作为密封盖(sealing cap),并沉积2um厚的金层。而在硅光芯片上利用顶层金属加工出相匹配的金属图案,然后作为密封盖的SOI晶圆bonding到硅光芯片上(利用各自的金属层),最后去除handle wafer, 在需要保护的MEMS波导区域形成所需的硅密封盖。整个工艺流程如下图所示,iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

密封后的芯片截面图如下图所示,iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

硅密封盖可以根据需要,设计合适的尺寸,将要保护的MEMS波导区域覆盖住,如下图所示。对于grating coupler和金属pad, 为了方便测试,不需要进行保护,因此在sealing cap区域之外。iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

研究人员对密封前后的非对称型MZI进行了表征,光谱未发生明显的变化,其峰值与参考波导的光谱结果接近。此外比较了四种长度与稳定性不一的MZI设计, 通过光谱的ER测试结果,可以发现悬臂设计最为脆弱的MZI发生了损坏(下图中的B),而其他三种类型仍然可以得到较大的ER值。测试结果如下图所示,iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

密封后的相移器,其相位的稳定性得到大幅提高,3dB带宽从213KHz提高到776KHz,如下图所示,在36V直流电压驱动下,可实现pi/2的相位变化。iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

为了表征密封盖的气密性,研究人员采用光学表面光度计(optical profilometer)测量Si盖板的弯曲程度,密封盖中心区域偏移最大,为0.63um,该结果对应密封盖内的气压为几毫巴(mbar), 测试结果如下图所示,iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

对于来自4颗die(2颗在wafer中心,2颗在wafer边缘)的128个cavity,115个通过了密封性测试,良率接近90%。将该wafer放置21天后重新测试,气密性依然满足要求。此外在wafer切割后,气密性没有发生变化。以上的这些验证试验,都证实了该密封方法的可靠性iV9ednc

密封盖的形状也可以根据需要进行灵活设计,不局限于矩形,可以为L型、三角形等。下图为甜甜圈型盖板的设计,盖板两侧放置了金属pad进行电学特性的测试。iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

由于硅盖板只有25um高,而一般的bump高度为50um左右,因此可以在密封好的MEMS硅光芯片上flip-chip其它芯片。下图为glass interposer倒装在该硅光芯片的示意图,芯片中共包含599个bump。iV9ednc

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(图片来自文献2)iV9ednc

简单总结一些,ETH研究组通过金属bonding的方法,给MEMS光波导戴上了帽子,形成密封盖,使得悬臂波导不再受空气扰动的影响,稳定性与良率大大提高,涉及到的工艺步骤也相对简单,非常巧妙。通过一系列的可靠性验证试验,也证实了该方法的鲁棒性。MEMS型相移器的优势是尺寸短,没有静态功耗,虽然带宽只有几百kHz, 但它仍然是大规模集成光路中有潜力的基础元器件。Lightmatter公司此前在hotchips 2019上展示了其基于MEMS型光波导的光计算系统,业界当时对其封装方案和系统的可靠性存在一些质疑。ETH的这一晶圆级气密封装方案无疑为MEMS型硅光芯片的实用化打开了一扇大门,下一步应该会验证电芯片flip-chip到气密封装后的MEMS硅光芯片。iV9ednc

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参考文献:iV9ednc

1. P. Edinter, et. al., "Silicon photonic microelectromechanical phase shifters for scalable programmable photonics", Opt. Lett. 46,5671(2021)iV9ednc

2. G. Jo, et.al., "Wafer-level hermetically sealed silicon photonic MEMS", Photonics Research 10, A14(2022)iV9ednc

责编:Admin
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