一种提高光电元件耦合容忍度的方法技术

一种提高光电元件耦合容忍度的方法，其通过半导体制作工艺，如微影、沉积、镀着、蚀刻等，在光电元件晶粒上形成一定位及固定用之微球透镜嵌座（Ｍｉｃｒｏ　　Ｂａｌｌ－ｌｅｎｓ　　Ｓｏｃｋｅｔ），嵌座中心对应光电元件晶粒的光耦合或输出中心；将微球透镜嵌入晶粒上之微球透镜嵌座后，微球透镜即自动对准晶粒的光耦合或输出中心；通过整合适当之微球透镜，光电元件的后续封装光学耦合容忍度可扩大数倍，甚至可在无特性监测、不倚赖光学对准之状况下，完成光学耦合，达到高精度被动封装的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其是涉及到一种可使光电元件的后续封装光学耦合容忍度可扩大数倍，甚至可在无特性监测、不倚赖光学对准之状况下，完成光学耦合，达到高精度被动封装目的的方法。
技术介绍
随着信息流量的大幅增长，通讯用的光电模块其需求频宽因此提高，致使光电元件主动区尺寸日益缩减，光学耦合的精度要求随之趋于严格。尤其在单模光纤应用的环境下，更加凸显光学耦合所面临的困难。以光纤通讯用之面耦合型检光器为例，2.5Gb/s的位速率下，检光器的光耦合孔直径约可有100微米，对应单模光纤，可有数十微米的耦合容忍度。然而当位传输速率提升至10Gb/s时，光耦合孔直径将小至40微米以下，大大缩减了耦合容忍度。传统动态监测对准封装为获得良好耦合的必要方法，然而利用动态监测对准封装，高耦合效率需要高精度的设备与较长的调整时间，反应在成本时效上，限制了高速光电模块的产能与价格。U.S.Pat.No.5,963,694及U.S.Pat.No.6,053,641中揭露的引线式(Pigtail type)封装，其程序都是先完成光电元件晶粒的金属座(TO-header)与金属外罩(Cap)封装(此金属外罩上具有一球型透镜)，再将已插在不锈钢光纤套筒的光纤引线与光电元件进行光轴对准，辅以同轴激光焊接搭配自动对准追迹程序完成动态光轴对准与焊接固定等动作。U.S.Pat.No.6,340,831则另揭露一接头式(Receptacle-type)封装，其亦为利用动态光轴对准与焊接固定完成封装。上述“主动”封装技术从光电元件晶粒以至模块封装完成皆需经历至少2到3次的动态监测光轴对准，因此必然限制生产时效。而通过改善耦合容忍度以加速动态监测对准封装为提高生产时效性的重要手段之一，上述专利皆在封装结构中引入额外的光学器件(如透镜等)以达此目的，然而形成额外的成本负担。相较于上述“晶粒”级封装技术，U.S.Pat.No.5,500,540提出一光电元件的“晶圆”级封装技术，其通过半导体制作工艺将封装时所需的光学元件(如微透镜)，直接整批形成在晶圆上，除加速后续封装速度外，亦降低封装成本；但通过半导体制作工艺形成的光学元件(如微透镜)，尺寸上则受到限制，数百微米尺寸的微透镜或焦距对制作工艺而言是一大考验，也因此有效光学孔径不能大幅提升。相对于主动型式封装，被动型式的封装就是说毋须动态监测光轴，通过适当导引机制即可获得适当的耦合效率，因此可加速封装的进行。U.S.Pat.No.4,339,689中揭露一个适合被动封装的发光二极管(LED)晶粒结构，该晶粒具有利用半导体微影、蚀刻、与沉积等制作工艺形成的半圆透镜与对准于该透镜的光纤插孔(Through hole)，此光纤插孔为利用晶圆背面的深蚀刻制作工艺所形成，制作工艺上较为繁复。U.S.Pat.No.4,355,321及U.S.Pat.No.4,727,649亦利用光纤插孔做为导引光纤对准的机制，其差异在于光纤插孔并非直接形成在光电元件上，而是先形成在另一基板上，再利用对准锡焊键合方法与光电元件结合，供后续封装光纤导引之用。U.S.Pat.No.5,175,783中则利用压模成型将球型透镜与光电元件基座一并封装，并直接形成一光纤插孔以利光纤导引，提升封装效率。上述前案当应用在高速光电元件的被动封装时，所采用的技术皆将面临精度上的考验。由此可见，上述现有技术仍有许多缺失和不足，有待加以改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，是通过整合适当的微球透镜，光电元件的后续封装光学耦合容忍度可扩大数倍，甚至可在无特性监测、不倚赖光学对准的状况下，完成光学耦合，达到高精度被动封装的目的，简而言之，通过本专利技术，传统晶粒级主动封装时所需的精密耦合可通过半导体制作工艺在晶圆上形成整批可嵌入微球透镜的嵌座，将后续元件封装简化成低精度形式或被动形式，提高生产时效。本专利技术的另一目的在于提供，是通过施加光学胶在嵌座内，可达到固定微球透镜及折射率匹配的目的，提高结构稳定度并提高耦合效率。本专利技术的另一目的在于提供，是通过在微球透镜嵌座侧壁保留的间隙，可避免气泡陷存在嵌座内或允许光学胶循此间隙填入微球透镜与光电元件的耦合接口。本专利技术的又一目的在于提供，为利于引导微球透镜嵌入，微球透镜嵌座上缘亦可形成导角结构。本专利技术的再一目的在于提供，因半导体制作工艺整批处理的特性，本专利技术亦可应用在阵列晶粒上，通过微球透镜嵌座阵列，整合微球透镜阵列，简化阵列晶粒的对准与封装。本专利技术通过以下技术方案达到上述专利技术目的提供，其通过半导体制作工艺，如微影、沉积、镀着、蚀刻等，在光电元件晶粒上形成一定位及固定用的微球透镜嵌座(Micro Ball-lens Socket)，嵌座中心对应于光电元件晶粒的光耦合或输出中心，其精度因采用半导体制作工艺而可控制在1微米以下；将微球透镜嵌入晶粒上的微球透镜嵌座后，微球透镜即自动对准于晶粒的光耦合或输出中心。本专利技术所提供的具有可靠性以及完整性的，与其它现有技术及前案相互比较时，更具备下列优点1.本专利技术是可通过整合适当的微球透镜，使光电元件的后续封装光学耦合容忍度可扩大数倍，甚至可在无特性监测、不倚赖光学对准的状况下，完成光学耦合，达到高精度被动封装的目的。2.通过本专利技术，可将传统晶粒级主动封装时所需的精密耦合，通过半导体制作工艺在晶圆上形成整批可嵌入微球透镜的嵌座，将后续元件封装简化成低精度形式或被动形式，提高生产时效。3.本专利技术可通过施加光学胶在嵌座内，达到固定微球透镜及折射率匹配的目的，提高结构稳定度并提高耦合效率。4.本专利技术可通过在微球透镜嵌座侧壁保留的间隙，可避免气泡陷存在嵌座内或允许光学胶循此间隙填入微球透镜与光电元件的耦合接口。5.本专利技术为利于引导微球透镜嵌入，可在微球透镜嵌座上缘形成一导角结构。6.本专利技术可因半导体制作工艺整批处理的特性，将其应用于阵列晶粒上，通过微球透镜嵌座阵列，整合微球透镜阵列，简化阵列晶粒的对准与封装。附图说明图1A和图1B是具微球透镜嵌座的光电元件晶粒示意图，其中微球透镜尚未嵌入。图2A和图2B是具微球透镜嵌座的光电元件晶粒的示意图，其中微球透镜已嵌入；图3A至图3F是光电元件晶粒上微球透镜嵌座的俯视图。图4为具微球透镜嵌座阵列的光电元件阵列晶粒示意图，其中微球透镜阵列已嵌入。图5A和图5B是本专利技术第一实施例的制作步骤示意图。图6A至图6C是本专利技术第二实施例的制作步骤示意图。图7A至图7C是本专利技术第三实施例的制作步骤示意图。图8A至图8B是本专利技术第四实施例的制作步骤示意图。具体实施方法本专利技术揭露一种提高光电元件(如面射型激光晶粒或检光器晶粒等)耦合容忍度的方法。如图1A所示，在光电元件晶粒10上形成电极11、12后，再利用半导体制作工艺在晶粒上形成中心对准于元件光输出或耦合中心13的微球透镜嵌座14。此嵌座的功能在于后续单一晶粒或阵列晶粒封装过程中，通过将微球透镜15嵌入微球透镜嵌座14中，如图2A所示，即可完成晶粒与微球透镜的光轴对准，提高后续封装光学耦合的偏差容忍度，甚至将动态监测对准简化为被动对准，同时保持高耦合效率。图1B及2B为分别对应图1A及2A的横向剖面图，其中D为微球透镜嵌座的孔径，T为嵌座壁厚，H则为微球透镜嵌座高度。必须强调的是，本专利技术的技术方案应广义认定为利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高光电元件耦合容忍度的方法，其特征在于，其通过在光电元件上形成微球透镜嵌座，并将微球透镜嵌入固定在此嵌座中。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何充隆，刘一鸣，林恭政，洪朝基，黄雍勋，杨智超，林佳儒，何文章，廖枝旺，
申请(专利权)人：中华电信股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]