JP5914647B2 - ダイ内に微細加工されたアライメントフィーチャを用いて取り付けられる光フレーム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、モノリシックに一体化される光学部品（集積光コンポーネント（integrated optical component）；ＩＯＣ）の分野にあり、より具体的には、外付け光インターコネクトをチップに結合するための光フレームのチップ又はダイへの取り付けに関する。

通信ネットワークは、カバレッジの広さ及びデータ密度において成長し続けている。この継続的な成長を可能にする重要な技術は、光（オプティカル、フォトニック）コンポーネントのますますの一体化である。例えば、メトロポリタンエリアネットワーク及びワイドエリアネットワークは現在、波長選択フィルタを用いてチャネルをアド／ドロップする波長分割多重（ＷＤＭ）を用いて配備されており、該波長選択フィルタは、超大規模集積（ＶＬＳＩ）製造技術を用いてシリコン基板又はその他の半導体基板上に集積されている。

特定の用途、例えば、ＩＯＣチップが光トランシーバである用途において、レンズ又はその他の光インターコネクト（例えば、光ファイバ）がＩＯＣチップ上に取り付けられる。レンズが取り付けられると、例えば光ファイバを有する光リンクといった光リンクを作り出すために、ジャンパーコネクタ又は同様の機械的カップリングが取り付けられ得る。

部品配置、接合（ボンディング）、レンズアライメント及び取り付けは、各々が製造公差を伴った、時間のかかる面倒な処理である。例えば、従来の一手法においては、ＩＯＣチップが基板上に配置され、その後、視覚的なアライメントシステムを備えたピックアンドプレース機を用いて、チップ上に機械的カップリングがアライメントされて配置される。

従来の組み立て技術では、機械的カップリングとＩＯＣチップとの間に有意量の位置バラつき（例えば、公差の積み上げ）が存在する。位置バラつきは、性能問題を誘起し、さらには、パッケージングされたＩＯＣを動作不能にし得るものであり、フォトニックデバイスアセンブリ（組立体）の再加工又はスクラップを要する。どちらの技術においても、アライメントフレームのバラつき、プレーシング能力（ＩＯＣチップ及び／又はアライメントフレーム）、及び機械的カップリングのバラつきは全て、位置バラつきに寄与してしまう。

一部の態様において、フォトニックデバイスアセンブリ、及びその製造方法が提供される。

一実施形態において、フォトニックデバイスアセンブリを製造する方法は、モノリシックに集積されたフォトニックデバイスを有するチップ基板内に物理的なアライメントフィーチャを微細加工することと、フレームファセットを前記物理的なアライメントフィーチャの相補的なファセットに接触させることによって、外部の光学レンズ又は光インターコネクトと更に結合することになるフレームを前記チップ基板に接合することと、前記フレームと前記チップ基板との間に接着剤を塗布することとを含む。

以下の図を含む添付図面の図に、限定ではなく例として、本発明の実施形態を示す。
一実施形態に従った、光フレームをＩＯＣチップに取り付ける方法を示すフロー図である。 一実施形態に従った、その中にアライメントフィーチャが微細加工される複数のＩＯＣチップを含んだ基板を示す上面図である。 一実施形態に従った、図２Ａに示した基板の断面図である。 図２Ｂに示した１つのＩＯＣチップの拡大断面図である。 一実施形態に従った、図１に示した方法における代表的な処理を示す断面図である。 一実施形態に従った、図１に示した方法における代表的な処理を示す断面図である。 一実施形態に従った光フレームを示す等角図である。 一実施形態に従った、図４に示した光フレームをＩＯＣチップにエッジマウントするための、図１に示した方法における代表的な処理を示す断面図である。 一実施形態に従った、図４に示した光フレームをＩＯＣチップにエッジマウントするための、図１に示した方法における代表的な処理を示す断面図である。 一実施形態に従った、図４に示した光フレームをＩＯＣチップにエッジマウントするための、図１に示した方法における代表的な処理を示す断面図である。 一実施形態に従った、図４に示した光フレームをＩＯＣチップにエッジマウントするための、図１に示した方法における代表的な処理を示す断面図である。 一実施形態に従った、図４に示した光フレームに取り付けられたＩＯＣチップを使用するシステムを示す平面図である。 一実施形態に従った、ＩＯＣチップへの光フレームの頂面マウントを示す等角図である。 一実施形態に従った頂面マウント用の光フレームを示す平面図である。 一実施形態に従った、微細加工されたアライメントフィーチャを有するＩＯＣチップを例示する図である。 一実施形態に従った、微細加工されたアライメントフィーチャを有する他のＩＯＣチップを例示する図である。 一実施形態に従った、微細加工されたアライメントフィーチャを有する他のＩＯＣチップを例示する図である。 一実施形態に従った、微細加工されたアライメントフィーチャを有する他のＩＯＣチップを例示する図である。 一実施形態に従った、図８Ａに示した光フレームの側面図を例示する図である。 一実施形態に従った、図８Ａに示した光フレームの側面図を例示する図である。 一実施形態に従った、図１０Ａ及び図１０Ｂに示した光フレームの底面を示す平面図である。 一実施形態に従った、図１０Ａ−１０Ｃに示した光フレームの等角図である。 一実施形態に従った、光フレームに取り付けられたバーティカル結合型フォトニックデバイスを備えるＩＯＣチップを使用するシステムを示す平面図である。

光フレームと、微細加工されたアライメントフィーチャ（造形部）を有するＩＯＣチップに光フレームを取り付ける方法と、を説明する。以下の説明においては、本発明の例示実施形態を記述するために、例えば材料及び処理技術などの多数の具体的詳細事項が説明される。しかしながら、当業者に明らかなように、本発明の実施形態は、これらの具体的詳細事項を用いずに実施されてもよい。また、本発明の実施形態をいたずらに不明瞭にすることがないよう、例えばＩＯＣチップ製造、基板薄層化、バンプ接続、パッケージングなどの周知の観点については詳細に説明しないこととする。本明細書の全体を通して、“一実施形態”への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の機構、構造、材料、又は特徴が、本発明の少なくとも１つの実装形態に含まれることを意味する。故に、本明細書全体の様々な箇所で“一実施形態において”という言い回しが現れることは、必ずしも本発明の同一の実施形態に言及しているわけではない。また、それら特定の機構、構造、材料、又は特徴は、１つ又は複数の実施形態において好適に組み合わされ得る。また、理解されるように、図示される様々な例示の実施形態は、単なる例示的な代表例であり、また、必ずしも縮尺通りに描かれていない。

用語“結合される”及び“接続される”は、これらの派生語とともに、ここでは、コンポーネント間の構造的関係を記述するために使用され得る。理解されるべきことには、これらの用語は互いに同義であることを意図したものではない。むしろ、特定の実施形態において、“接続される”は、２つ以上の要素が物理的あるいは電気的に相互に直接コンタクトしていることを指し示すために使用されることがある。“結合される”は、２つ以上の要素が、物理的、電気的あるいは光学的に、直接的あるいは間接的（それらの間に他の介在要素を有する）の何れかで相互にコンタクトしていること、及び／又は２つ以上の要素が相互に協働あるいはインタラクトする（例えば、原因と結果の関係においてのよう）ことを指し示すために使用されることがある。

用語“上方”、“下方”、“間”、及び“表面上”は。ここでは、他のコンポーネントに対する１つのコンポーネントの相対的な位置を云うものである。従って、例えば、他のコンポーネントの上方あるいは下方に配置された１つのコンポーネントは、該他のコンポーネントと直接的に接触していてもよいし、１つ以上の介在コンポーネントを有していてもよい。また、２つのコンポーネント間に配置された１つのコンポーネントは、該２つのコンポーネントと直接的に接触していてもよいし、１つ以上の介在コンポーネントを有していてもよい。対照的に、第２のコンポーネントの“表面上”の第１のコンポーネントは、該第２のコンポーネントと接触している。また、他のコンポーネントに対する１つのコンポーネントの相対的な位置は、基準基板の絶対的な向きを考慮することなく、処理が基準基板に対して実行されるという想定の下で与えられるものである。

実施形態において、ここでは“光フレーム”又は単純に“フレーム”とも称する機械的カップリングが、ＩＯＣチップ自体に微細加工されたファセット（小平面）を光フレームの相補的なファセットと嵌め合わせることによって、ＩＯＣチップに固定される。例えばチップパッケージングプロセスの部分としての、篏合し合うファセットの機械的なつなぎ合わせにより、後に光学レンズ又は光インターコネクト（例えば、光ファイバ）が取り付けられ得る（例えば、光フレームに挿入される）外部インタフェースがフレームによって提供されるフォトニックデバイスアセンブリ（組立体）が形成される。ＩＯＣチップに取り付けられた後、光フレームは、ＩＯＣチップ内に製造された光デバイス（例えば、導波路）にアライメントして外付け光学レンズ又はその他の光インターコネクトを位置付けて、信頼性ある光接続が為され得るようにする橋渡しとして機能する。ここに記載されるように、ＩＯＣへの光フレームの取り付けは、基準マーク及び視覚的アライメントシステムの何れもが必要でなく、それにより、付随するアライメント誤差が低減され得るように、ＩＯＣチップに機械加工された機械的なアライメントフィーチャに基づいて行われ得る。

図１は、一実施形態に従った、光フレームをＩＯＣチップに取り付ける方法１００のフロー図である。概して、方法１００は、エッジ（端面）結合型及びバーティカル（縦方向）結合型のフォトニックデバイスを含む如何なるＩＯＣチップにも適用可能である。図２Ａ−７は、例示的なエッジ結合型の実施形態を示し、図８Ａ−１１は、例示的なバーティカル結合型の実施形態を示している。処理１０１で開始して、ＩＯＣチップが用意される。実施形態において、ＩＯＣチップは、商業的に入手可能な何らかの基板上に製造された、技術的に知られた、エッジ結合型又はバーティカル結合型の何らかのフォトニックデバイスを含んでいる。代表的なフォトニックデバイスは、受動導波路及び能動導波路、縦方向レーザ及び横方向レーザ（分布帰還（ＤＦＢ）、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）など）、フォトダイオード（ＰｉＮなど）、光変調器（マッハツェンダ（ＭＺ）など）、光アド−ドロップマルチプレクサ（ＯＡＤＭ）、及びこれらに類するもの、のうちの１つ以上を含む。代表的なチップ基板は、以下に限られないが、例えば以下に限られないが単結晶シリコン、ゲルマニウム若しくはシリコン／ゲルマニウムなどのＩＶ族ベースの材料、例えばＧａＡｓ若しくはＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族材料、又は、例えばサファイア、ガラス、ポリマーなどのハンドリング基板上に成長、接合あるいはその他の方法で固定された、ＩＶ族及び／又はＩＩＩ−Ｖ族を含む混成エピタキシャル構造を含む。

処理１１０にて、チップ基板内にアライメントフィーチャが微細加工される。このようなアライメントフィーチャは、チップレベルで作製されてもよいが、有利には、チップ基板のダイシングに先立つバックエンド処理、又は該ダイシングの部分として、複数のＩＯＣチップに対して同時にウェーハレベルで形成される。図２Ａは、一実施形態に従った、ダイシングに先立ってその中にアライメントフィーチャ２０５が微細加工されるＩＯＣチップ２５０を含んだウェーハ２００の平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示した基板の直線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図である。

実施形態において、アライメントフィーチャはチップ基板内に形成される。図２Ａ及び２Ｂに示すように、ウェーハ２００は複数のＩＯＣチップを含んでおり、図示したＩＯＣチップ２５０は、チップ基板２６０のデバイス層側に形成されたエッジ結合型の導波路２５７を含んでいる。デバイス層２５５の指定は、ここでは単に、読者にとって都合の良い枠組みとして特定されたものであり、デバイス層２５５とチップ基板２６０との区別は本発明にとってあまり重要でない。図示した実施形態において、アライメントフィーチャ２０５は、デバイス層２５５の側でチップ基板２６０内に形成されているが、他の実施形態においては、アライメントフィーチャはチップ基板２６０の裏面側（デバイス層２５５の反対側）に形成され、さらには、（バーティカル結合型の実施形態によって例示されるように）チップ基板２６０の厚さ全体を貫いて形成されてもよい。

一実施形態において、処理１１０で形成されるアライメントフィーチャは、フレームの篏合提供物を少なくとも１つの次元で機械的にアライメントするための少なくとも２つのファセットを生成する。図２Ａに示す実施形態において、アライメントフィーチャ２０５は、Ｙ次元に沿って走る複数の溝であり、従って、少なくともＸ次元での機械的なアライメントを提供することになる。他の実施形態において、アライメントフィーチャ２０５は、少なくとも第２の次元（Ｙ次元又はＺ次元）での機械的なアライメントを提供する。例えば、図８Ａに示して別の箇所で説明するアライメントフィーチャ２０５Ａ、Ｂは、別のファセットが第３（Ｚ）次元での機械的アライメントを提供しながら、Ｘ及びＹの双方の次元での機械的アライメントを提供する。

一実施形態において、アライメントフィーチャは、スクライブラインと一致して微細加工される。例えば、図２Ａにおいて、直線Ｘ−Ｘ’は第１のスクライブライン（エッジ結合型導波路２５７と交差する）を表し、直線Ｙ−Ｙ’は、アライメントフィーチャ２０５と一致してＩＯＣチップ２５０の２つの側面を隣接チップから切り離すための、直交する第２のスクライブラインを表している。図２Ｃは、直線Ｘ−Ｘ’に沿って取られた、図２Ｂにて円で囲った領域２８０内の拡大断面図２８０である。図示のように、チップ基板２６０内まで微細加工されたアライメントフィーチャ２０５は、スクライブライン２７０（図２Ａの直線Ｙ−Ｙ’に平行）と一致しており、すなわち、それと一列に揃えて配置されている。従って、アライメントフィーチャの作製は、スクライビングプロセス（例えば、ダイシングソーを用いる）の第１の部分として行われ得る。他の例では、アライメントフィーチャによって形成されたパターンにアライメントして後続のスクライビングプロセスを実行することで、ＩＯＣチップ２５０及び隣接チップとの双方にアライメントファセットを生成してもよい。

一実施形態において、ＩＯＣチップの両端の位置でチップ基板内に第１及び第２のアライメントフィーチャが作製される。図２Ｃに例示するように、隣接し合うスクライブライン２７０が、Ｘ次元でのチップ基板２６０の両端面を定める。一実施形態において、アライメントフィーチャ２０５は、ダイシングブレードを用いて作製される。ソーイングに加えて、あるいは代えて、以下に限られないが例えばプラズマエッチング及び湿式化学エッチングなどの、その他の微細加工技術も使用され得る。例えば、チップ基板２６０がシリコンである一実施形態では、技術的に知られたディープシリコンプラズマエッチング（ＳＦ_６ベースのものなど）を使用して、シリコン内にトレンチ又は溝を形成し得る。実施形態に応じて、第１及び第２のアライメントフィーチャは、これらのアライメントフィーチャ２０５とフォトニックデバイスとの間に最小のアライメント誤差が存在するよう、デバイス層２５５内のフィーチャにアライメントして作製される。例えば、一実施形態において、アライメントフィーチャ２０５のうちの第１及び第２のものは、エッジ結合される導波路２５７にアライメントされたエッチングマスクを用いて作製される。他の一例として、アライメントフィーチャ２０５は、ストリート上でのソーイングプロセス中に行われる光学的なアライメントによって、エッジ結合される導波路２５７にアライメントされる。他の例では、アライメントフィーチャ２０５のうちの第１及び第２のものは、エッジ結合型導波路２５７を作製するのに使用されるのと同じマスク及びエッチングプロセスを用いて作製される。

図３Ａ及び３Ｂは、個片化されたＩＯＣチップ２５０を例示する断面図である。図示のように、第１及び第２のアライメントフィーチャ２０５は、チップ基板２６０の互いに反対の端面２７１に配設された第１及び第２の側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂを形成するよう、ダイシングプロセスによって二分される。個片化されたチップはほぼどのような寸法を有していてもよいが、一例として、相対する端面２７１は、４ｍｍ−６ｍｍ程度であるチップ長Ｌ_１だけ離隔される。典型的なエッジ結合型導波路２５７は、０．３μｍと２５μｍとの間の幅Ｌ_２（及び、およそ０．２μｍと２０μｍとの間のリブ高さ）を有し、このような導波路の配列が２５０μｍ以上の幅に広がる。アライメントフィーチャ２０５の深さ、故に、側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂの深さＴ_２は、実装及び基板厚とともに広範囲で変わり得る。チップ基板２６０の厚さＴ_１は、例えば０．１ｍｍ（１００μｍ）と０．５ｍｍとの間とすることができ、アライメントフィーチャ２０５は、Ｔ_１のうちの２５−３０％から貫通ビア／トレンチまでの範囲にされ得る。図３Ａに示す例示の実施形態において、Ｔ_１は０．３５ｍｍと０．５ｍｍとの間であり、Ｔ_２は約０．１ｍｍと０．３５ｍｍとの間である。

アライメントフィーチャ２０５がｖ字溝である特定の実施形態では、側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂは、互いに対して傾斜され、あるいは角度を付けられ、デバイス層２５５の名目上平面の表面に対して直交しない。別の箇所で説明するように、両側の傾斜／角度付き側壁ファセットは有利なことに、ＩＯＣチップ２５０に（すなわち、導波路２５７に）機械的にアライメントする手段を提供する。特定のこのような実施形態において、ｖ字溝の下の両端面２７１はデバイス層２５５に実質的に直交する。側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂは、デバイス層２５５に対して、３０°と６０°との間（例えば、典型的な実施形態は４５°）だけ角度を付けられ得る（すなわち、正の非凹角傾斜）。例示の実施形態において、ｖ字ブレードを備えたスクライビングソーが利用される。他の例では、所与の基板材料に対して傾斜又は角度を付けられた側壁を形成可能であると技術的に知られた数多くのプラズマエッチングプロセスや湿式化学エッチングプロセスなどのうちの何れが利用されてもよい。

図１に戻るに、処理１２０にて、ＩＯＣチップがパッケージ基板上に取り付けられる。例えば、図３Ａ及び３Ｂに更に示すように、デバイス層２５５とパッケージ基板２７５との間の電気結合を形成するボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）２８５を用いて、個片化されたＩＯＣチップ２５０がパッケージ基板２７５上に配置される。例示の実施形態において、従来からのＣ４型又はフリップチップ型の構成においてのように、エッジ結合型導波路２５７を含んだデバイス層がパッケージ基板２７５に面している。他の例では、例えばワイヤボンディングパッケージ技術において、エッジ結合型導波路２５７は、パッケージ基板２７５に面する側とは反対の表面にあってもよい。パッケージ基板２７５へのＩＯＣチップ２５０のアライメントは、技術的に知られた如何なる手法で行われてもよい。

実施形態において、ＩＯＣチップは、当該ＩＯＣチップがパッケージ基板から張り出して（オーバーハングして）第１及び第２の側壁ファセットがパッケージ基板のエッジの外側まで延在するように、パッケージ基板２７５上に取り付けられる。図３Ｂに示すように、Ｙ次元に沿って、ＩＯＣチップ２５０はパッケージ基板２７５から大きさＤ_１だけ張り出している。故に、側壁ファセット２０５Ｂ及び２０５Ａ（図示せず）も、パッケージ基板２７５から大きさＤ_１だけ張り出している。図３Ｂに更に示すように、エッジ結合型導波路２５７はチップオーバーハングの端面で露出されている。

パッケージ基板上に取り付けられたＩＯＣチップに対して、光フレームが組み込まれる。図１を参照するに、処理１３０にて、チップアライメントフィーチャのファセットが、光フレームのファセットに接合される。図４は、一実施形態に従った光フレーム４００の等角図である。概して、光フレーム４００は、ＩＯＣチップ基板に作製されたファセットに対して相補的なファセットを有するようにモールドあるいは機械加工される。例示的な一実施形態において、光フレーム４００はプラスチック（例えば、射出成形されたプラスチック）である。プラスチックフレームは有利なことに、ＩＯＣチップ（例えば、シリコン）より柔らかくされることができ、それによりチップ破損及び粒子生成が抑制されるが、以下に限られないが例えば金属（例えば、アルミニウム）、結晶半導体材料（例えば、シリコン）及びガラスなどの、より硬いその他の材料も使用され得る。

例示的な一実施形態において、光フレーム４００は、横方向で反対側にある第１及び第２のフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂを含んでいる。第１及び第２のフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂは、横方向で反対側にある第１及び第２の側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂと篏合するものである。図示のように、両側のフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂは、例えば３０°と６０°との間で、垂直から角度を付けられており、且つ、両側のチップ端面２７１間の距離Ｌ_１より大きい最大距離Ｌ_３で互いに離隔されている。斯くして、組立中に光フレーム４００がＺ軸に沿って移動されるとき、ＩＯＣチップ２５０は、両側のフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂの間の最大開口内に納まる。光フレーム４００は更に、ＩＯＣチップ２５０からの縦方向（Ｚ軸）のフレームスタンドオフを機械的に定める水平ファセット４５５を含んでいる。故に、先ずＩＯＣチップをＺ軸に沿って移動させ、両側のフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂとの干渉によって、ＩＯＣチップ２５０又は光フレーム４００がＸ軸に沿ってずれて、ＩＯＣチップ２５０が横方向でフレーム間の中心に置かれることを可能にし、パッケージ基板２７５に接触するまで光フレーム４００をＹ軸に沿って移動させ、且つ水平ファセット４５５に接触するまでＩＯＣチップ２５０をＺ軸に沿って更に移動させる、ことによって取り付けが進む。

図４に更に示すように、更なるアライメントフィーチャ４９０及び４９１が、その後のレンズ又は光インターコネクトの光フレーム４００への直接的な機械的アライメントを提供する。例えば、角度を付けられたファセット４９１が、光フレーム４００に対してレンズがＹ軸に沿って移動されるときに、光フレーム４００へのレンズのＸ軸に沿った機械的アライメントを提供し得る。さらに、窪み（リセス）４９０が、光フレーム４００に挿入されるレンズ又は光インターコネクト（ジャンパ）内の相補的な突起部を受け入れるように機能し得る。なお、横方向の両側の第１及び第２のフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂは、光フレーム４００の取り付け中のＩＯＣチップ２５０の引っ張り歪みを回避するために、（窪み４９０のような閉じた凹部ではなく）開いたエッジである。しかしながら、光フレーム４００が、フレームの引っ張り歪みが結晶材料のチップに対する問題とならない例えばプラスチックなど材料である場合、フレームの窪み４９０は問題をもたらさない。

図５Ａ及び５Ｂは、一実施形態に従った、光フレーム４００をＩＯＣチップ２５０にエッジマウントする処理１３０を例示する断面図である。図５Ａは、Ｘ軸に沿った断面図を示しており、光フレーム４００をＩＯＣチップ２５０に対して移動させて、横方向の両側のフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂを、それぞれ、相補的な（近似的に平行な）第１及び第２の側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂに隣接させることによって、横方向で光フレーム４００をチップ基板に対してアライメントすることを描いている。対向するフレームファセット４０５Ａ及び４０５Ｂの突出部に対して実質的に平行にリセス化された（窪まされた）ファセット２０５Ａ、２０５Ｂにより、Ｚ軸に沿った光フレーム４００の移動は、両側のチップ端面２７１と光フレーム４００との間の水平方向のクリアランス（隙間）５２０が機械的なセンタリング（求心）力によって設定されるように、Ｘ軸に沿って（横方向に）光フレーム４００をＩＯＣチップ２５０に機械的にアライメントする。図５Ｂに更に示すように、光フレーム４００のＺ軸移動は、水平ファセット４５５がデバイス層２５５の平行な表面に接触することによって停止される（すなわち、両側のチップ端面の位置でＩＯＣチップ２５０と光フレーム４００との間に縦方向のクリアランス５１５が残る）。実施形態において、縦方向のアライメントを担う複数の水平ファセット４５５は、デバイス層２５５内のフォトニックデバイスとの物理的な接触を回避するように離間される。換言すれば、水平ファセット４５５は、（第１及び第２の側壁ファセット２０５Ａ、Ｂによって横方向でアライメントされるときに）フォトニックデバイス同士の間のフィールド領域と接触する。例えば、エッジ結合型導波路２５７は、水平ファセット４５５同士の間の間隙を通り抜け得る。

故に、対向するフレームファセット４０５Ａ、４０５Ｂ及び４５５をつがわせることは、横方向（Ｘ軸）及び縦方向（Ｚ軸）の双方で光フレーム４００を機械的にアライメントする。Ｙ軸に沿った断面図を例示する図６Ｂに更に示すように、Ｙ軸に沿った機械的アライメントのため、フレームファセット４６６がパッケージ基板２７５の端面と接触してオーバーハング距離Ｄ１が光フレーム４００によって完全に占有されるまで、光フレーム４００がＹ軸に沿って移動される。故に、処理１２０（図１）でのパッケージ基板２７５へのＩＯＣチップ２５０のアライメントは、ＩＯＣチップ２５０への光フレーム４００のアセンブリ中に使用される機械的なアライメントファセットのうちの１つを画定する。

図１に戻るに、フレームがＩＯＣチップに機械的にアライメントされて、方法１００は、接し合うファセットによって決定された位置にてフォトニックデバイスにフレームを恒久的に取り付けるため、処理１４０での接着剤の塗布に進む。概して、光フレーム４００の取り付けには如何なる接着剤も使用され得る。エポキシをプラスチックフレームの代表的な実施形態としながら、接着剤は光フレーム４００の材料に応じて異なり得る。図６Ａに示すように、接合し合うファセットによって画定される隙間６２０及び６１５内に接着剤６０５が塗布される。特定の実施形態において、図６Ｂに示すように、接着剤６０５はまた、ＩＯＣチップ２５０とパッケージ基板２７５との間のアンダーフィル６８５としても塗布される。従って、一実施形態において、接着剤６０５は、何らかの従来からのアンダーフィルエポキシである。除去部４５０（図６Ａ）が、フレームファセット４６６の位置のエポキシ塗布のため、及びＩＯＣチップ２５０とパッケージ基板２７５との間の領域６４７のチップアンダーフィルを完成させるためのアクセスを提供し得る。毛細管作用により、接着剤６０５は、ＢＧＡ２８５の半田ジョイント間、隙間６１５、６２０、及びフレームファセット４６６とパッケージ基板２７５との間の間隙を流れる。

図１に戻って参照するに、接着剤６０５の硬化後、フォトニックデバイスのアセンブリは実質的に完了する。処理１５０にて、完成したパッケージは、例えば、光フレーム４００にレンズをアライメント（例えば、アライメントフィーチャ４９０、４９１に基づく）して、更に処理されてもよい。特定の実施形態において、パッケージ基板が印刷回路基板（ＰＣＢ）に半田付けされる場合、高いリフロー温度（例えば、２６０℃又はそれ以上）でレンズを損傷しないよう、完成パッケージは、光フレーム４００にレンズを取り付ける前に半田を付けられて半田リフローされる。

図７は、一実施形態に従った、光フレーム４００に取り付けられたＩＯＣチップ２５０を使用するプラットフォーム７９０を含む光システム７５１の平面図である。ＩＯＣチップ２５０を覆うか、その表面にあるか、あるいはその中にある受動半導体層に結合された、電気的にポンピングされるハイブリッド半導体エバネセントレーザのアレイ７０１がＩＯＣチップ２５０上にある。一実施形態において、レーザアレイ７０１の複数のレーザの各々は、電気的にポンピングされるハイブリッドシリコンエバネセントレーザとし得る。他の一実施形態において、レーザアレイ７０１は、分布ブラッグ反射鏡型（ＤＢＲ）レーザ及び分布帰還型（ＤＦＢ）レーザのうちの何れか又は双方を含む。図示した例において、ＩＯＣチップ２５０は複数の光導波路７０５Ａ−７０５Ｎを含んでおり、それらの上方に、単一の棒状の利得媒質材料７２３が接合されて、回折格子７０９Ａ−７０９Ｎとともに、複数の光導波路７０５Ａ−７０５Ｎ内に複数の光ビーム７１９Ａ−７１９Ｎをそれぞれ生成するレーザアレイが作り出されている。複数の光ビーム７１９Ａ−７１９Ｎは、変調器７１３Ａ−７１３Ｎによって変調され、そして、複数の光ビーム７１９Ａ−７１９Ｎのうちの選択された波長が光アド−ドロップマルチプレクサ７１７と結合されることで、エッジ結合型導波路２５７を通って光ビームが出力される。エッジ結合型導波路２５７は、光フレーム４００を介して、単一の光ファイバ７５３及び例えば光受信器７５７などの外部シンクへと結合されている。

一実施形態において、ＩＯＣチップ２５０は、１Ｔｂ／ｓを超える速度で単一の光ファイバ７５３上で複数の波長のデータを送信することが可能な光トランシーバである。例示の光システム７５１において、ＩＯＣチップ２５０はまた、光フレーム４００によってＩＯＣチップ２５０にアライメントされた単一の光ファイバ７５５を介して、例えば光送信器７５９などの外部ソースからの光ビームをエッジ結合型導波路２５７を用いて受信するように結合され得る。光受信器７５７も光送信器７５９も同じ遠隔位置７６１にあるかのように図示されているが、認識されるように、光受信器７５７及び光送信器７５９は、単にプラットフォーム７９０の外部にあるということであり、別々のプラットフォームや位置などに設けられてもよい。図示した実施形態において、ＩＯＣチップ２５０の受信器側は、受信した光ビームを複数の光ビーム７２０Ａ−７２０Ｎへと分離する光アド／ドロップデマルチプレクサ７１８を含んでいる。例示的な一実施形態において、複数の光ビーム７２０Ａ−７２０Ｎは、光デマルチプレクサ７１８内の１つ以上の回折格子によってそれらそれぞれの波長に従って分離され、複数の光導波路７０６Ａ−７０６Ｎを通るように方向付けられる。一例として、光検出器７６３Ａ−７６３Ｎの各々はＳｉＧｅベースの光検出器又はこれに類するものである。他の一実施形態において、やはり図７に示すように、複数の光導波路７０６Ａ−７０６Ｎに光学的に結合された光検出器のアレイを形成するよう、単一の棒状の半導体材料７２４が複数の光導波路７０６Ａ−７０６Ｎを横切って接合され得る。一例として、単一の棒状の半導体材料７２４は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料を含んでＩＩＩ−Ｖ族光検出器を作り出す。図示のように複数の光導波路７０６Ａ−７０６Ｎに光学的に結合されたＳｉＧｅ及びＩＩＩ−Ｖ族ベースの光検出器により、複数の光ビーム７２０Ａ−７２０Ｎの多様な波長が検出され得る。

制御／ポンプ回路も、ＩＯＣチップ２５０上には含められるか集積されるかし得る。ＩＯＣチップ２５０がシリコン層（例えば、ＳＯＩ基板）を含む一実施形態において、制御回路７６２はシリコン内に直接的に集積され得る。一例において、制御回路７６２は、多波長レーザアレイ７０１内の複数のレーザ、複数の光変調器７１３Ａ−７１３Ｎ、光検出器（例えば、７６３Ａ−７６３Ｎ）のアレイ、又はＩＯＣチップ２５０上に配置されたその他のデバイス若しくは構造物のうちの何れかを制御し、監視し、且つ／或いは電気的にポンピングするように電気的に結合され得る。

図７に更に示すように、例えばプラットフォーム７９０がスマートフォン、タブレットＰＣ又はその他のモバイルコンピューティング装置である場合、プラットフォーム７９０は更に無線トランシーバ２５１を含む。無線トランシーバ２５１は、アンテナ２５２とＩＯＣチップ２５０とに結合されて、単一プラットフォーム７９０上で無線から光及び光から無線へのトランシーバ機能を実現し得る。他の例では、例えばモバイルコンピューティング装置がディスプレイにコンテンツを提供する（例えば、ストリーミング又はその他の既知のプロトコルによる）とともに無線通信機能（例えば、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）及び同様の周知のプロトコルによる）を提供するためにＩＯＣチップ２５０への光カップリングを介して表示装置に光学的に結合され得る場合、プラットフォーム７９０は無線通信と光通信との双方を独立に行うように構成され得る。

図８Ａ−８Ｂは、縦方向に結合されるＩＯＣチップへの方法１００の適用を例示している。図８Ａは、一実施形態に従った、ＩＯＣチップ２５０への光フレーム８００の頂面マウントを示す等角図である。先述のように、ＩＯＣチップ２５０は、光フレーム８００に取り付けるのに先立って、パッケージ基板２７５に取り付けられる。一実施形態において、パッケージ基板２７５は、モジュールプラグ着脱可能なランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）として構成され、また、ＩＯＣチップ２５０に電気的に結合された追加のチップ２７６を更に含み得る。縦方向に結合される実施形態において、ＩＯＣチップ２５０は、以下に限られないが例えば垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）又は光検出器などの、１つ以上のバーティカル結合型のフォトニックデバイス２５６を含む。

一実施形態において、ＩＯＣチップ内に作製されるアライメントフィーチャは貫通ビアである。図８Ａに示すように、ＩＯＣチップ２５０は、ＩＯＣチップ２５０の互いに反対側の端面に側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂを備えたアライメントフィーチャを含んでいる。側壁ファセット２０５Ａ及び２０５Ｂは、この例示的な実施形態において、ＩＯＣチップ２５０の厚さ全体を貫いて延在している。側壁ファセット２０５Ａ、Ｂは実質的に、例えば、フィーチャをディープ反応性イオン（プラズマ）エッチング、湿式化学エッチング、あるいは超音波加工して、別の箇所に記載されるようにして作製され得る。好適な実施形態において、閉じたフィーチャが誘起し得る引っ張り歪みを回避しながら機械的アライメントを達成し得るように、作製されたフィーチャがダイシングプロセスを用いて二分されることで、これらフィーチャは、十分に制御されたピッチを有し且つアセンブリ中に対応するフレームアライメントフィーチャ８０５Ａ、Ｂによって圧縮力が印可されることが可能なファセット２０５Ａ及び２０５へと開かれる。

図９Ａ、９Ｂ、９Ｃ及び９Ｄは、例示的な微細加工された貫通ビアを有するＩＯＣチップの平面図を示している。図９Ａにおいては、スクライビングプロセスによって二分された貫通ビアは、ＩＯＣチップの一方の端面の第１の対の複数の交差し合うファセット２０５Ａと、反対側の端面の第２の対の複数の交差し合うファセット２０５Ｂとをもたらしている。図９Ｂにおいては、ＩＯＣチップの両側の端面に３つの側壁ファセット２０６Ａ及び３つの側壁ファセット２０６Ｂが形成されている。図９Ｃ、９Ｄにおいては、それぞれ、４つの側壁ファセット２０７Ａ及び４つの側壁ファセット２０７Ｂ、円形の側壁ファセット２０８Ａ及び２０８Ｂが示されている。図９Ａ−９Ｄに示した実施形態の何れにおいても、光フレーム８００がＩＯＣチップのデバイス層２５５の方に移動されるときに横方向の移動を行わせるように、側壁ファセットが更に、Ｚ方向に沿って角度を付けられ得る。他の例では、同様にＸ及び／又はＹの次元での機械的アライメントを達成するために、フレームアライメントファセット８０５Ａ、ＢがＺ方向に角度を付けられてもよい（すなわち、先を尖らされる）。

図８Ｂは、一実施形態に従った、光フレーム８００がＩＯＣチップ２５０の頂面にマウントされたフォトニックデバイスアセンブリ８５０の平面図である。破線によって示されるように、側壁ファセット２０５Ａが、Ｘ及びＹの次元の機械的アライメントを達成するよう、対応するフレームアライメントファセット８０５Ａと篏合している（同様に、反対側の側壁ファセット２０５Ｂが、対応するフレームアライメントファセット８０５Ｂと篏合している）。アライメントに続いて、機械的にアライメントされたフレームをＩＯＣチップに固定するため、エッジ結合型の実施形態に関して説明したのと実質的に同様にして、接着剤が塗布される。

更に図示されるように、光フレーム８００は、バーティカル結合型フォトニックデバイス２５６に面する光入力８５６Ａと、該フォトニックデバイスの表面とは平行でない（例えば、垂直である）光出力８５６Ｂとの間の光の経路を提供するレンズ８６０を含んでいる。なお、光フレーム８００にレンズ８６０が埋め込まれる実施形態では、プラグ着脱可能ＬＧＡ技術は有利なことに、高温の半田リフロー温度にレンズ８６０を晒すことを回避する。代替的に、フォトニックデバイスアセンブリ８５０が形成された後の半田リフローが望ましい場合には、その組立後に、光フレーム８００のその他のアライメントフィーチャへの物理的アライメントを用いて、レンズ８６０を光フレーム８００に嵌めこんでもよい。

図１０Ａ及び１０Ｂは、図８Ａ及び８Ｂに示した光フレームの側面図を示しており、図１０Ｃは、一実施形態に従った、図１０Ａ及び図１０Ｂに示した光フレーム８００の底面の平面図である。図１０Ｄは、図１０Ａ−１０Ｃに示した光フレームの等角図である。図１０Ａ、１０Ｃ及び１０Ｄに示すように、光フレーム８００の底面は、デバイス層の表面と接することになるファセット８５５を含んでおり、これが、スタンドオフ高さを定めることによって、ＩＯＣチップ２５０への光フレーム８００のＺ軸方向のアライメントを設定する。従って、エッジ結合型の実施形態と同様に、フレーム上に少なくとも３つの別個のアライメントファセット（横方向のアライメント用の２つの両側の側壁ファセット（８０５Ａ、Ｂ）、及び縦方向のアライメント用の少なくとも１つの水平なアライメントファセット（８５５））が設けられる。

図１１は、一実施形態に従ったフォトニックデバイスアセンブリ８５０を使用する光システム１１５１の平面図である。例示の実施形態において、ＰＣＢ１１００に複数のモジュールアセンブリ（例えば、プラグ脱着可能ＬＧＡ）が含まれており、それらのうちの第１のものが、パッケージ基板２７５に結合されたＩＯＣチップと光フレーム８００とを含んだフォトニックデバイスアセンブリ８５０である。ＩＯＣチップに、光フレーム８００を介して、光マルチプレクサ７１９を含んだ光デマルチプレクサモジュール７１８が光学的に結合されている。光マルチプレクサ７１９は、フォトニックデバイスアセンブリ８５０のＩＯＣチップとは別の基板上に作製されている。光デマルチプレクサモジュール７１８は更に、例えば遠隔位置７６１の光受信器７５７に接続するＰＣＢ１１００の外部の単一の光ファイバ７５３に結合されている。フォトニックデバイスアセンブリ８５０と光デマルチプレクサモジュール７１８との間に、複数の光ファイバ７０５Ａ−７０５Ｎにより、ＰＣＢ１１００にオンボードのローカル光インターコネクトが設けられている。フォトニックデバイスアセンブリ８５０には更に、（例えば、マイクロプロセッサ１１７０を介して）アンテナ２５２を含んだ無線トランシーバ２５１である第２のモジュールが結合されており、従って、光システム１１５１は、単一のプラットフォーム上で無線から光及び光から無線へのトランシーバ機能を提供し得る。

例示的な一実施形態として、ＰＣＢ１１００はスマートフォン又はタブレットＰＣ内に配置される。スマートフォン又はタブレットＰＣは、無線から光への変換及び光から無線への変換を実行するよう構成され、且つ／或いは、例えばスマートフォン又はタブレットＰＣがディスプレイにコンテンツを提供する（例えば、ストリーミング又はその他の既知のプロトコルによる）とともに無線通信機能（例えば、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）及び同様の周知のプロトコルによる）を提供するためにＰＣＢ１１００への光カップリングを介して表示装置に光学的に結合され得る場合に、無線通信と光通信との双方を独立に行うように構成され得る。

理解されるように、以上の説明は、例示を意図したものであって、限定を意図したものではない。例えば、図面中のフロー図は、本発明の特定の実施形態によって実行される特定の順序の処理を示しているが、理解されるように、そのような順序は必要とされるものではない（例えば、他の実施形態は、それらの処理を異なる順序で実行したり、特定の処理を結合したり、特定の処理を重ね合わせたり、等々してもよい）。また、以上の説明を読んで理解することで、その他の数多くの実施形態が当業者に明らかになる。本発明は特定の代表的な実施形態を参照して説明されているが、認識されるように、本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の精神及び範囲の中で変更あるいは改変して実施されることができるものである。故に、本発明の範囲は、添付の請求項を参照して、それら請求項に与えられるものと均等な範囲全体を伴って決定されるべきである。

Claims (19)

1. フォトニックデバイスアセンブリを製造する方法であって、
   モノリシックに集積されたフォトニックデバイスを有するチップ内に物理的なアライメントフィーチャを微細加工することと、
   前記チップをパッケージ基板に取り付けることで、前記チップを前記パッケージ基板に電気的に結合することであり、前記チップの前記アライメントフィーチャを前記パッケージ基板のエッジの外側まで張り出させることを含む、結合することと、
   フレームファセットを前記物理的なアライメントフィーチャの相補的なファセットに接触させることによって、外部の光学レンズ又は光インターコネクトと更に結合することになるフレームを前記チップに接合することと、
   前記フレームと前記チップとの間に接着剤を塗布することと、
   を有する方法。
2. 前記物理的なアライメントフィーチャを微細加工することは更に、
   前記チップの互いに反対側の端部で第１及び第２のフィーチャをエッチングあるいはソーイングすることと、
   前記第１及び第２のフィーチャを二分して、前記チップを隣接チップから個片化することと
   を有し、前記個片化されたチップは、反対側のチップ端面に配置された、前記第１及び第２のフィーチャの各々からの側壁ファセットを有する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記物理的なアライメントフィーチャは、前記チップ内に形成されたｖ字溝であり、前記ｖ字溝は、前記個片化を受けて、前記チップの角度を付けられた端面を形成する、請求項２に記載の方法。
4. 前記フレームファセットを前記物理的なアライメントフィーチャのファセットに接合することは更に、
   横方向の両側の第１及び第２のフレームファセットを、前記チップの端面の第１及び第２の側壁ファセットに接触させることによって、横方向で前記フレームを前記チップにアライメントすること
   を有する、請求項２に記載の方法。
5. 前記フレームファセットを前記物理的なアライメントフィーチャのファセットに接合することは更に、水平なフレームファセットを前記チップのデバイス面に対して接触させることによって、縦方向で前記フレームを前記チップにアライメントすることを有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記フレームを前記チップに接合することは、前記フレームを前記パッケージ基板の端面に接触させることを含む、
   請求項１に記載の方法。
7. 前記接着剤は、接合されたファセットによって画定される隙間内に塗布され、且つ前記チップと前記パッケージ基板との間のアンダーフィルとして塗布される、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記光学レンズ又は光インターコネクトは光学レンズを有し、当該方法は更に、該レンズを前記フレーム上のアライメントフィーチャにアライメントすることを有する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法。
9. チップ上に作製されたフォトニックデバイスであり、当該フォトニックデバイスのチップは、該チップ内に作製された物理的なアライメントフィーチャを有する、フォトニックデバイスと、
   前記フォトニックデバイスに電気的に結合されたパッケージ基板であり、前記チップが、前記アライメントフィーチャを該パッケージ基板のエッジの外側まで張り出させて、該パッケージ基板上に配置される、パッケージ基板と、
   外部の光インターコネクトを前記フォトニックデバイスに結合することになるフレームであり、前記物理的なアライメントフィーチャのファセットに接触されたフレームファセットを有するフレームと、
   前記接触されたファセットによってアライメントされたまま前記フレームを前記フォトニックデバイスに恒久的に取り付ける接着剤と、
   を有するフォトニックデバイスアセンブリ。
10. 前記物理的なアライメントフィーチャは、前記チップの互いに反対側の端面の位置の、横方向の両側の第１及び第２の側壁ファセットを有し、前記フレームファセットは、前記横方向の両側の第１及び第２の側壁ファセットと篏合している横方向の両側の第１及び第２のフレームファセットを有する、請求項９に記載のフォトニックデバイスアセンブリ。
11. 前記フレームは、前記パッケージ基板の端面に接触している、
    請求項９又は１０に記載のフォトニックデバイスアセンブリ。
12. 接合されたファセットによって画定される隙間内に配置され、且つ前記チップと前記パッケージ基板との間の半田付けされていない接合部をアンダーフィルする接着剤、
    を更に有する請求項９乃至１１の何れか一項に記載のフォトニックデバイスアセンブリ。
13. 前記横方向の両側の第１及び第２の側壁ファセットは、前記チップのデバイス層から３０°と６０°との間の角度だけ傾斜されている、請求項１０に記載のフォトニックデバイスアセンブリ。
14. 前記フレームは更に、機械的なフィーチャを有し、前記外部の光インターコネクトは、該機械的なフィーチャにより、前記フォトニックデバイス内に作製された導波路、フォトダイオード又はレーザの少なくとも１つにアライメントされる、請求項９乃至１３の何れか一項に記載のフォトニックデバイスアセンブリ。
15. 前記チップは単結晶シリコンであり、前記フレームはプラスチックである、請求項９乃至１４の何れか一項に記載のフォトニックデバイスアセンブリ。
16. チップ上に作製された集積フォトニックデバイスと、
    前記集積フォトニックデバイスを当該システムの外部の光シンク又は光源に光学的に結合する光ファイバと、
    前記光ファイバを前記フォトニックデバイスに機械的に結合するフレームであり、前記チップ内に作製された相補的な物理的アライメントフィーチャに接触されるフレームファセットを有するフレームと、
    前記集積フォトニックデバイスに電気的に結合されたパッケージ基板であり、前記チップが、前記物理的アライメントフィーチャを該パッケージ基板のエッジの外側まで張り出させて、該パッケージ基板上に配置される、パッケージ基板と、
    を有するシステム。
17. 前記フォトニックデバイスによって受信されたデータを無線送信するため、あるいは前記フォトニックデバイスによる送信用のデータを無線受信するために、前記フォトニックデバイスに通信的に結合された無線トランシーバ、を更に有する請求項１６に記載のシステム。
18. 当該システムは更に、前記チップとは別個の基板上に作製された光マルチプレクサを有し、前記光ファイバは、前記フォトニックデバイスを前記光マルチプレクサに結合する複数の光ファイバのうちの１つである、請求項１６に記載のシステム。
19. 前記フォトニックデバイスは、複数の面発光型レーザ又は端面発光型レーザを有する、請求項１６に記載のシステム。

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