本文來自論文作者團(tuán)隊(duì)投稿

導(dǎo)讀

之江實(shí)驗(yàn)室虞紹良博士團(tuán)隊(duì)和麻省理工學(xué)院合作者在Light: Advanced Manufacturing發(fā)表綜述文章，題為Two-photon lithography for integrated photonic packaging。

光電芯片作為半導(dǎo)體行業(yè)的后起之秀，在光互連、光計(jì)算、光傳感、激光雷達(dá)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，成為各界的關(guān)注焦點(diǎn)，為后摩爾定律時(shí)代的發(fā)展開辟了新賽道。受益于成熟的半導(dǎo)體CMOS工藝，光電芯片的制備能力已經(jīng)得到快速發(fā)展。

然而光電芯片的封裝工藝仍然存在關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。光電芯片的封裝過程，除了我們所熟知的電信號(hào)的互連，還需考慮到光信號(hào)在不同模塊之間的耦合，這就需要解決光纖-芯片、芯片-芯片之間的光學(xué)互連問題。主要有以下兩大挑戰(zhàn)：

1、光學(xué)芯片涉及多種材料體系和結(jié)構(gòu)，不同光束模場(chǎng)的尺寸和分布均存在較大差異，巧妙解決封裝過程中的模場(chǎng)失配問題，才能實(shí)現(xiàn)多種材料體系與結(jié)構(gòu)間的高效耦合。

2、芯片上波導(dǎo)中光束尺寸在微米量級(jí)，需要高精度的對(duì)準(zhǔn)才能得到高效耦合，對(duì)封裝過程的對(duì)準(zhǔn)精度提出了更高的要求。

圖1：光電芯片封裝示意圖
圖源：課題組

基于雙光子吸收過程的雙光子光刻技術(shù)，作為一種微納尺寸下的三維打印工藝，可以高精度地制備任意的三維結(jié)構(gòu)，有望解決光電芯片封裝過程的瓶頸。

一方面，可以在芯片上集成三維曲面或漸變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過反射或者絕熱壓縮的方式進(jìn)行光束整形，實(shí)現(xiàn)超寬波段的模場(chǎng)變換；

另一方面，三維結(jié)構(gòu)的形貌具有很高的幾何自由度，增加了對(duì)片上模場(chǎng)操控的靈活性，從而實(shí)現(xiàn)更高效的耦合互連。

此外，雙光子光刻還可以在子模塊組裝完成之后再制備連接結(jié)構(gòu)，有效降低了封裝過程中的對(duì)準(zhǔn)精度要求。

因而，在光電芯片的封裝中，雙光子光刻技術(shù)有著重要的應(yīng)用價(jià)值，也得到了廣泛的探索，目前主要有三種技術(shù)路線。

基于雙光子光刻的光學(xué)封裝方法

1 光子引線鍵合

借鑒自微電子中廣泛應(yīng)用的引線鍵合，光子引線鍵合技術(shù)，采用雙光子光刻工藝，在待連接波導(dǎo)之間直接打印聚合物波導(dǎo)。通過波導(dǎo)截面的漸變，完成模場(chǎng)的絕熱變換，從而實(shí)現(xiàn)不同波導(dǎo)之間的高效互連。該方法已經(jīng)在光互連和相干通信中得到了驗(yàn)證，適用于光纖-芯片、芯片-芯片等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

2 微型自由曲面

在波導(dǎo)端面打印微型的光學(xué)自由曲面，以反射或者折射的形式，對(duì)波導(dǎo)出射光場(chǎng)進(jìn)行整形，調(diào)控模場(chǎng)分布和傳播方向，從而完成模場(chǎng)變換。所采用的結(jié)構(gòu)色散小，對(duì)波長(zhǎng)不敏感，目前已經(jīng)驗(yàn)證了從可見到近紅外的超寬帶耦合，同時(shí)兼容晶圓級(jí)測(cè)試和封裝，可以實(shí)現(xiàn)高密度的互連封裝。

3 機(jī)械對(duì)準(zhǔn)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)

雙光子光刻技術(shù)也可以用于打印機(jī)械對(duì)準(zhǔn)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，輔助實(shí)現(xiàn)耦合過程的高精度對(duì)準(zhǔn)。在光柵耦合區(qū)域上打印倒錐結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)光纖的對(duì)準(zhǔn)過程，在不引入顯著額外損耗的前提下，可以實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的對(duì)準(zhǔn)精度，有望在可插拔器件中得到應(yīng)用。

圖2： (a)，雙光子光刻示意圖。(b)，光子引線。(c)，自由曲面。(d)，對(duì)準(zhǔn)引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

商業(yè)化探索

隨著光電子芯片的逐步走向市場(chǎng)，基于雙光子光刻的封裝技術(shù)也開始了商業(yè)化探索。大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，除了關(guān)注帶寬、插損等耦合特性之外，還需要考慮更多因素。例如，雙光子光刻是否可以穩(wěn)定可靠地制備高質(zhì)量的三維結(jié)構(gòu)，是否能夠滿足業(yè)界的加工速度和精度要求，是否具備用戶友好的易用性和維護(hù)性。

目前，已經(jīng)有多個(gè)公司開拓了雙光子光刻的商業(yè)市場(chǎng)。NanoScribe、Vanguard、Heidelberg等公司已經(jīng)推出了商用的雙光子光刻設(shè)備，在掃描速度、加工精度、對(duì)準(zhǔn)精度等方面，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而Dream Photonics、PHIX等則以工藝服務(wù)為主，可以直接對(duì)外提供基于雙光子光刻的封裝服務(wù)。雙光子光刻技術(shù)在光電子芯片封裝中的應(yīng)用，已向大規(guī)模商業(yè)化的發(fā)展踏出了堅(jiān)實(shí)的一步。

圖3：三種切片方式：均勻切片、自適應(yīng)切片和智能切片。
圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

未來展望

基于雙光子光刻工藝的封裝方法，經(jīng)過十?dāng)?shù)年的探索，已經(jīng)取得諸多進(jìn)展，得到了各界廣泛的認(rèn)可。但機(jī)遇始終與挑戰(zhàn)并存，在通信容量爆炸式增長(zhǎng)的時(shí)代下，雙光子光刻工藝在光電芯片封裝中能否占據(jù)重要地位，需要判斷其能否滿足未來的大規(guī)模應(yīng)用需求。基于此，作者也梳理了該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢(shì)。

1 大幅提高制備效率

目前的逐點(diǎn)掃描方式，制備速度慢，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的效率要求。一方面，可以通過多光束、逐層等新型雙光子曝光方式，提升制備速度。另一方面，也可以探索其他的制備工藝，例如納米壓印，則可以將串行的加工方式升級(jí)為并行，從而滿足晶圓級(jí)的制備需求。

圖4：三種曝光方式：逐點(diǎn)、逐層和多光束曝光。
圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

2 開發(fā)多類型光刻材料

雙光子光刻多數(shù)作用于光敏聚合物材料。相比于常規(guī)的半導(dǎo)體或介質(zhì)材料，聚合物材料的熱膨脹系數(shù)大，折射率選擇范圍有限，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。同時(shí)聚合物在交聯(lián)過程的收縮，也對(duì)三維結(jié)構(gòu)的形貌控制帶來了一定的挑戰(zhàn)。探索有機(jī)-無機(jī)雜化的復(fù)合型光敏材料，能在一定程度上解決上述問題。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)建模方式

三維結(jié)構(gòu)的幾何自由度高，給波前調(diào)控帶來了很大的便利。但設(shè)計(jì)所調(diào)控的參數(shù)多，給仿真設(shè)計(jì)過程帶來了很大的壓力。需結(jié)合幾何光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算探索，構(gòu)建新型建模方式。而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，在三維微型光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和表征過程，也能發(fā)揮重要的作用。

4 開發(fā)結(jié)構(gòu)表征新方法

微型三維光學(xué)結(jié)構(gòu)，尺度介于宏觀與微觀之間，結(jié)構(gòu)小，曲率大，常規(guī)測(cè)量方法，如白光干涉、電子顯微、原子力顯微等，難以進(jìn)行有效的測(cè)量，亟需新型的表征手段。基于多象限的電子顯微三維重構(gòu)，有望實(shí)現(xiàn)微型自由曲面形貌的精確測(cè)量。而X射線顯微斷層掃描，也是一種有潛力的表征方法。

總結(jié)

雙光子光刻技術(shù)能夠精確制備三維結(jié)構(gòu)，并將其精準(zhǔn)集成在光電芯片上，能夠在光纖-芯片以及芯片-芯片之間，構(gòu)建大帶寬、低損耗的光信號(hào)鏈路，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高效互連，降低封裝過程的對(duì)準(zhǔn)精度，給光學(xué)芯片的封裝過程帶來了全新的機(jī)遇。隨著技術(shù)的迭代演進(jìn)和行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，我們預(yù)期基于雙光子光刻的光電芯片封裝架構(gòu)，將會(huì)得到大規(guī)模應(yīng)用，解決光電芯片的封裝難題。

論文信息

Shaoliang Yu, Qingyang Du, Cleber Renato Mendonca, Luigi Ranno, Tian Gu, Juejun Hu. Two-photon lithography for integrated photonic packaging[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023). doi: 10.37188/lam.2023.032

https://doi.org/10.37188/lam.2023.032

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