作者:虞绍良等 来源:《光:先进制造》 发布时间:2023/11/17 10:05:25
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双光子光刻:突破光电芯片的封装瓶颈

 

之江实验室虞绍良博士团队和麻省理工学院合作者在Light: Advanced Manufacturing发表综述文章,题为Two-photon lithography for integrated photonic packaging。

光电芯片作为半导体行业的后起之秀,在光互连、光计算、光传感、激光雷达等领域有着重要的应用前景,成为各界的关注焦点,为后摩尔定律时代的发展开辟了新赛道。受益于成熟的半导体CMOS工艺,光电芯片的制备能力已经得到快速发展。

然而光电芯片的封装工艺仍然存在关键技术瓶颈。光电芯片的封装过程,除了我们所熟知的电信号的互连,还需考虑到光信号在不同模块之间的耦合,这就需要解决光纤-芯片、芯片-芯片之间的光学互连问题。主要有以下两大挑战:

1、光学芯片涉及多种材料体系和结构,不同光束模场的尺寸和分布均存在较大差异,巧妙解决封装过程中的模场失配问题,才能实现多种材料体系与结构间的高效耦合。

2、芯片上波导中光束尺寸在微米量级,需要高精度的对准才能得到高效耦合,对封装过程的对准精度提出了更高的要求。

图1:光电芯片封装示意图。图源:课题组

基于双光子吸收过程的双光子光刻技术,作为一种微纳尺寸下的三维打印工艺,可以高精度地制备任意的三维结构,有望解决光电芯片封装过程的瓶颈。

一方面,可以在芯片上集成三维曲面或渐变波导结构,通过反射或者绝热压缩的方式进行光束整形,实现超宽波段的模场变换;

另一方面,三维结构的形貌具有很高的几何自由度,增加了对片上模场操控的灵活性,从而实现更高效的耦合互连。

此外,双光子光刻还可以在子模块组装完成之后再制备连接结构,有效降低了封装过程中的对准精度要求。

因而,在光电芯片的封装中,双光子光刻技术有着重要的应用价值,也得到了广泛的探索,目前主要有三种技术路线。

基于双光子光刻的光学封装方法

1,光子引线键合

借鉴自微电子中广泛应用的引线键合,光子引线键合技术,采用双光子光刻工艺,在待连接波导之间直接打印聚合物波导。通过波导截面的渐变,完成模场的绝热变换,从而实现不同波导之间的高效互连。该方法已经在光互连和相干通信中得到了验证,适用于光纤-芯片、芯片-芯片等多种应用场景。

2,微型自由曲面

在波导端面打印微型的光学自由曲面,以反射或者折射的形式,对波导出射光场进行整形,调控模场分布和传播方向,从而完成模场变换。所采用的结构色散小,对波长不敏感,目前已经验证了从可见到近红外的超宽带耦合,同时兼容晶圆级测试和封装,可以实现高密度的互连封装。

3,机械对准引导结构

双光子光刻技术也可以用于打印机械对准引导结构,辅助实现耦合过程的高精度对准。在光栅耦合区域上打印倒锥结构,引导光纤的对准过程,在不引入显著额外损耗的前提下,可以实现亚微米级的对准精度,有望在可插拔器件中得到应用。

图片图2: (a),双光子光刻示意图。(b),光子引线。(c),自由曲面。(d),对准引导结构。图源:Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

商业化探索

随着光电子芯片的逐步走向市场,基于双光子光刻的封装技术也开始了商业化探索。大规模的商业应用,除了关注带宽、插损等耦合特性之外,还需要考虑更多因素。例如,双光子光刻是否可以稳定可靠地制备高质量的三维结构,是否能够满足业界的加工速度和精度要求,是否具备用户友好的易用性和维护性。

目前,已经有多个公司开拓了双光子光刻的商业市场。NanoScribe、Vanguard、Heidelberg等公司已经推出了商用的双光子光刻设备,在扫描速度、加工精度、对准精度等方面,取得了长足的进步,而Dream Photonics、PHIX等则以工艺服务为主,可以直接对外提供基于双光子光刻的封装服务。双光子光刻技术在光电子芯片封装中的应用,已向大规模商业化的发展踏出了坚实的一步。

图3:三种切片方式:均匀切片、自适应切片和智能切片。图源:Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

未来展望

基于双光子光刻工艺的封装方法,经过十数年的探索,已经取得诸多进展,得到了各界广泛的认可。但机遇始终与挑战并存,在通信容量爆炸式增长的时代下,双光子光刻工艺在光电芯片封装中能否占据重要地位,需要判断其能否满足未来的大规模应用需求。基于此,作者也梳理了该领域的未来发展趋势。

1,大幅提高制备效率

目前的逐点扫描方式,制备速度慢,难以满足大规模生产的效率要求。一方面,可以通过多光束、逐层等新型双光子曝光方式,提升制备速度。另一方面,也可以探索其他的制备工艺,例如纳米压印,则可以将串行的加工方式升级为并行,从而满足晶圆级的制备需求。

图4:三种曝光方式:逐点、逐层和多光束曝光。图源:Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

2,开发多类型光刻材料

双光子光刻多数作用于光敏聚合物材料。相比于常规的半导体或介质材料,聚合物材料的热膨胀系数大,折射率选择范围有限,长期稳定性较差。同时聚合物在交联过程的收缩,也对三维结构的形貌控制带来了一定的挑战。探索有机-无机杂化的复合型光敏材料,能在一定程度上解决上述问题。

3,优化设计建模方式

三维结构的几何自由度高,给波前调控带来了很大的便利。但设计所调控的参数多,给仿真设计过程带来了很大的压力。需结合几何光学与波动光学方法进行计算探索,构建新型建模方式。而数据驱动和物理驱动的机器学习方法,在三维微型光学结构的设计和表征过程,也能发挥重要的作用。

4,开发结构表征新方法

微型三维光学结构,尺度介于宏观与微观之间,结构小,曲率大,常规测量方法,如白光干涉、电子显微、原子力显微等,难以进行有效的测量,亟需新型的表征手段。基于多象限的电子显微三维重构,有望实现微型自由曲面形貌的精确测量。而X射线显微断层扫描,也是一种有潜力的表征方法。

总结

双光子光刻技术能够精确制备三维结构,并将其精准集成在光电芯片上,能够在光纤-芯片以及芯片-芯片之间,构建大带宽、低损耗的光信号链路,实现光信号的高效互连,降低封装过程的对准精度,给光学芯片的封装过程带来了全新的机遇。随着技术的迭代演进和行业的进一步发展,我们预期基于双光子光刻的光电芯片封装架构,将会得到大规模应用,解决光电芯片的封装难题。(来源:先进制造微信公众号)

相关论文信息:https://doi.org/10.37188/lam.2023.032

 
 
 
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