通過噴射工藝在光學有源器件之上形成微透鏡的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及光學裝置，例如光電探測器和垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，并且具體地說涉及一種通過噴射工藝在光學有源器件之上形成微透鏡的方法。
【背景技術】
[0002]光學裝置被用在光學領域發(fā)射與接收信號。某些光學裝置，例如光電探測器，被用于從外部設備接收光信號并且將它們轉換成電信號。其他光學裝置，例如垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL)，被用于接收電信號并且將它們轉換成用于發(fā)射至外部設備的光信號。
[0003]使用光電探測器的情況下，將來自外部設備的光信號耦合至光學裝置的效率取決于有多少光能穿透光電探測器的PN結。類似地，使用VCSEL的情況下，將來自光學裝置的光信號耦合到外部設備的效率取決于有多少光能被外部設備接收。
[0004]為了提高耦合效率，小透鏡，通常被稱為微透鏡，可以被形成在光學裝置之上。在光電探測器的情況下，微透鏡被用來將光能會聚在裝置的PN結上，用以提高光耦合。在VCSEL的情況下，微透鏡被用來使VCSEL發(fā)射的光能準直，以提高與外部設備的耦合。
[0005]通常，光刻法被用作在光學裝置之上形成微透鏡的主要技術。然而，光刻法具有許多缺點。典型地，光刻工藝包括透鏡形成材料的沉積，材料的熱回流以提高均勻性，以及隨后的刻蝕過程。因此，這種工藝相對復雜，增加了晶片處理時間，并且增加了生產晶片的成本。
[0006]由此，需要一種在光學有源器件之上形成微透鏡的改進方法。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的一個方面涉及一種形成光學裝置的方法，例如光電二極管或者垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。該方法包括在基板內形成有源器件，以及噴射微透鏡材料以在有源器件之上形成微透鏡，使得有源器件能夠經由微透鏡接收或者發(fā)射光信號。
[0008]本發(fā)明的另一個方面，該方法進一步包括在微透鏡和有源器件之間形成表面活性劑層。表面活性劑層可以形成在有源器件的孔結構之上。在又一個方面，表面活性劑層包括表面活性劑單分子層，例如全氟辛基三氯硅烷。
[0009]在本發(fā)明的另一個方面，微透鏡材料包括雜化聚合物，例如溶膠-凝膠或者環(huán)氧樹月旨。在另一個方面，該方法進一步包括向微透鏡材料增加溶劑以實現用于微透鏡材料的規(guī)定粘性。在又一個方面，該方法進一步包括確定待噴射來形成微透鏡的微透鏡材料的體積。
[0010]在本發(fā)明的另一個方面，微透鏡的形成進一步包括固化已噴射的微透鏡材料。在另一個方面，固化已噴射的微透鏡材料包括:使已噴射的微透鏡材料經受第一烘烤處理，在第一烘烤處理之后使已噴射的微透鏡材料經受紫外線(UV)整片曝光，并且在UV整片曝光之后使已噴射的微透鏡材料經受第二烘烤處理。在又一個方面，第一烘烤處理包括使已噴射的微透鏡材料經受80攝氏度溫度大約30分鐘。在又一個方面，第二烘烤處理包括使已噴射的微透鏡材料經受150攝氏度溫度大約25分鐘。
[0011]從以下本發(fā)明的詳細說明中，當結合附圖考慮時，本發(fā)明的其他方面，優(yōu)點和新穎設計將變得明顯。
【附圖說明】
[0012]圖1A所示的是根據本發(fā)明一個方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關的某一階段的示意性光學裝置的側視圖。
[0013]圖1B所示的是根據本發(fā)明另一個方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關的后續(xù)階段的示意性光學裝置的側視圖。
[0014]圖1C所示的是根據本發(fā)明另一個方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關的另一后續(xù)階段的示意性光學裝置的側視圖。
[0015]圖1D所示的是根據本發(fā)明又一個方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關的又一后續(xù)階段的示意性光學裝置的側視圖。
[0016]圖2所示的是根據本發(fā)明的另一個方面，從外部設備接收光信號的示意性光接收裝置的側視圖。
[0017]圖3所示的是根據本發(fā)明的另一個方面，向外部設備發(fā)射光信號的示意性光發(fā)射裝置的側視圖。
[0018]圖4A所示的是根據本發(fā)明另一個方面，與在有源器件之上形成微透鏡的另一個示意性方法有關的某一個階段的示意性光學裝置的側視圖。
[0019]圖4B所示的是根據本發(fā)明另一個方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關的后續(xù)階段的示意性光學裝置的側視圖。
[0020]圖4C所示的是根據本發(fā)明另一個方面，與在有源器件之上形成微透鏡的示意性方法有關的另一后續(xù)階段的示意性光學裝置的側視圖。
[0021]圖5所示的是根據本發(fā)明的另一個方面，向外部設備發(fā)射光信號或者從外部設備接收光信號的示意性光學裝置的側視圖。
【具體實施方式】
[0022]圖1A所示的是根據本發(fā)明一個方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關的某一階段的示意性光學裝置100的側視圖。在這一階段，光學裝置100的有源器件104已經被形成。有源器件104可以包括光電探測器、VCSEL，或者其它類型的光學有源器件。在這一例子中，有源器件104被形成在基板或者晶片102之內和之上，例如半導體基板或者晶片(例如，砷化鎵半導體基板或者晶片)。另外，在這一例子中，有源器件104包括孔結構106，其限定光信號被接收或者發(fā)射要穿過的窗口。
[0023]盡管示出一個有源器件104，應當理解的是在基板或者晶片102上可以形成多個有源器件104。包括該有源器件104或者多個有源器件的基板或者晶片102可以進行表面清洗工藝以將其制備為用于如下論述的后續(xù)工藝。
[0024]圖1B所示的是根據本發(fā)明另一個方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關的后續(xù)階段的示意性光學裝置100的側視圖。根據該方法，表面活性劑材料層110被至少沉淀在有源器件104的孔結構106之上，并且可以被沉淀在基板或者晶片102的大體上整個表面之上。表面活性劑材料110用來改變基板或者晶片102的表面能以使隨后沉淀的微透鏡材料與晶片表面具有期望的接觸角從而形成期望的微透鏡形狀。表面活性劑材料110也可以有助于微透鏡在基板或者晶片102上的粘附。作為一個例子，表面活性劑材料可以是表面活性劑單分子層，例如全氟辛基三氯硅烷，其可被用于基板或者晶片102的表面的親水性處理。
[0025]圖1C所示的是根據本發(fā)明另一個方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關的另一后續(xù)階段的示意性光學裝置100的側視圖。根據該方法，噴射工具150被設置在有源器件104的孔結構106之上，并且微透鏡材料120被噴射在表面活性劑覆蓋的有源器件104之上。微透鏡材料120可以是雜化聚合物，例如溶膠-凝膠材料或者環(huán)氧樹脂基材料，其粘度可通過溶劑添加劑來調整。微透鏡120的形狀主要通過表面張力來形成。
[0026]微透鏡120的形狀和尺寸可以通過噴射力、液滴的體積、以及表面活性劑單分子層110的類型而被靈活地調整。噴射工具150可以是商業(yè)化的噴墨式材料印刷機，其可以實現基板或者晶片102上限定的微透鏡圖案的精確定位(大約I微米(μπι)或者更小的精度)。噴墨式印刷機被用于在有源器件上印刷或者噴射微透鏡材料以形成微透鏡。噴射力可以根據需要被調整以產生穩(wěn)定的單個液滴，而不會產生濺起的附屬物。液滴體積可以通過微型機電系統(MEMS)芯片驅動的印刷頭而被精確地控制，以實現微透鏡120的規(guī)定尺寸。
[0027]圖1D所示的是根據本發(fā)明又一個方面，與在有源器件104之上形成微透鏡的示意性方法有關的又另一后續(xù)階段的示意性光學裝置100的側視圖。在形成微透鏡液滴120之后，光學裝置100經受固化工藝。固化工藝被執(zhí)行以實現微透鏡120期望的機械和光學性質。作為一個例子，固化工藝可以包括使光學裝置100經受例如80攝氏度溫度的預烘烤處理持續(xù)大約30分鐘(例如，根據烘烤設備的容差)。在預烘烤處理之后，光學裝置100可以經受紫外線整片曝光160，隨后是例如150攝氏度持續(xù)25分鐘(例如，根據烘焙設備的容差)的最終的烘烤處理。通過該固化工藝，可以實現微透鏡120期望的折射率和光學透明度。作為一個例子，通過上述的工藝可以實現對于800至1600納米(nm)范圍內的波長的期望折射率和光學透明度。
[0028]圖2所示的是根據本發(fā)明的另一個方面，從外部設備280接收光信號270的示意性光接收裝置200的側視圖。光接收裝置200具有基板或者晶片202，有源器件204形成在其中。在這一例子中，有源器件204可以是光電探測器，其被配置成經由孔206接