微系統(tǒng)三維集成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)（二）

２   光集成微系統(tǒng)

       光集成微系統(tǒng)具有多樣性，具有異構(gòu)集成的光互連、百萬(wàn)級(jí)可動(dòng)微鏡的可控和低寄生互連等特點(diǎn)，在３Ｄ混合集成、ＭＥＭＳ空間光調(diào)制器和電子學(xué)－光子學(xué)異構(gòu)集成等方面均有長(zhǎng)足進(jìn)步，在芯片級(jí)光相控陣列的創(chuàng)新制造方面進(jìn)步突出。采用電學(xué)和光學(xué)插入器精密鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)由ＣＭＯＳ、ＭＥＭＳ和光子電路等技術(shù)的３Ｄ混合集成的光電異構(gòu)集成系統(tǒng)；采用與ＣＭＯＳ兼容的低溫鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有１００萬(wàn)個(gè)單晶硅傾斜微鏡的大規(guī)模異構(gòu)集成的高 分辨率空間光調(diào)制器；采用低寄生微焊料凸點(diǎn)鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)１０Ｇｂ／ｓ低功耗光收發(fā)電路；采用晶圓間鍵合和具有低寄生電容的穿過(guò)氧化層通道的技術(shù)實(shí)現(xiàn)光子學(xué)和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成以及芯片級(jí)全光互連；采用氧等離子處理、在片激光技術(shù)等低溫鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)ＩＩＩ－Ｖ有源器件和低損耗的硅光子學(xué)的異構(gòu)光子集成；采用ＴＳＶ技術(shù)實(shí)現(xiàn)光子學(xué)和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成以及光電微系統(tǒng)中相當(dāng)具有創(chuàng)新代 表性的單芯片光相控陣。

       為適應(yīng)智能汽車系統(tǒng)的需求，２０１１年，Ｋ．Ｗ．Ｌｅｅ等人［１４］開(kāi)發(fā)了由ＣＭＯＳ、ＭＥＭＳ和光子電路等技術(shù)構(gòu)成的３Ｄ混合集成的光電異構(gòu)集成系統(tǒng)。幅移鍵控的ＬＳＩ電子芯片、無(wú)源元件和ＭＥＭＳ壓力傳感被安裝到具有ＴＳＶ與微流體通道的硅電學(xué)插入器表面，厚度為１００μｍ的ＬＳＩ和無(wú)源元件芯片通過(guò)其Ｃｕ側(cè)壁進(jìn)行互連，厚度為３００μｍ的ＭＥＭＳ芯片通過(guò)包含有ＣｕＴＳＶ梁式引線互連的腔芯片來(lái)連接。垂直腔面發(fā)射激光器和光敏二極管的光電芯片嵌入具有ＴＳＶ的光學(xué)插入器，光電芯片的電學(xué)連接由ＣｕＴＳＶ和梁式引線實(shí)現(xiàn)，其光學(xué)連接由光學(xué)插入器背面的微鏡和光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。電學(xué)和光學(xué)插入器精密鍵合在一起就形成一個(gè)三維光電多芯片模塊。

       光電和電子的器件可以通過(guò)ＴＳＶ通信。光電器件可以通過(guò)光波導(dǎo)連接到光學(xué)插入器。采用晶圓間直接鍵合技術(shù)形成電學(xué)插入器中的微流控通道，以用于高功率大規(guī)模集成電路散熱的熱沉。該３Ｄ混合集成的光電異構(gòu)集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各芯片的功能，但ＭＥＭＳ壓力傳感器由于連接腔芯片的銀漿電極的較高電阻導(dǎo)致壓力靈敏度退化。

       ＭＥＭＳ空間光調(diào)制器（ＳＬＭ）在２０世紀(jì)９０年代末已進(jìn)入視頻投影應(yīng)用，并在激光脈沖整形、相位畸變校正、波前控 制、光學(xué)開(kāi)關(guān)、高性能掩?？虒懞蜔o(wú)掩模的光刻等方面開(kāi)展應(yīng)用研究。在ＳＬＭ中有大量的獨(dú)立的微鏡需和其ＣＭＯＳ控 制電路實(shí)現(xiàn)接近的集成，大規(guī)模異構(gòu)集成是一種ＳＬＭ制造方法，克服了后ＣＭＯＳ工藝的熱限制和允許在ＣＭＯＳ電路上集成任何固體材料的ＭＯＭＥＳ器件。２０１１年，Ｆ．Ｚｉｍｍｅｒ等人［１５］報(bào)道了大規(guī)模異構(gòu)集成的高 分辨率空間光調(diào)制器芯片，其在模擬高 壓ＣＭＯＳ驅(qū)動(dòng)電路上具有１００萬(wàn)個(gè)單晶硅傾斜微鏡。采用與ＣＭＯＳ兼容的低溫鍵合技術(shù)將包含３４０ｎｍ厚的單晶硅層的在同一傳輸速率，接收機(jī)功耗為３．９５ｍＷ。芯片上具有２３１－１序列的偽隨機(jī)位序列產(chǎn)生器，其誤碼率優(yōu)于１０－１２。為了實(shí)現(xiàn)互連網(wǎng)絡(luò)的全光鏈接，高速度和低功率光發(fā)射機(jī)以及高帶寬和高靈敏度的光接 收器是必需的；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)電子學(xué)和光電器件之間小的寄生電容，需要兩者緊密集成。此外，光子組件和ＣＭＯＳ電路兩個(gè)晶圓的解決方案需要分別單獨(dú)優(yōu)化性能。２０１５年，Ｋ．Ｔ．Ｓｅｔｔａｌｕｒｉ等人［１７］報(bào)道了采用晶圓間鍵合和具有低寄生電容的穿過(guò)氧化層通道的技術(shù)實(shí)現(xiàn)光子學(xué)和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成。集成的光子芯片包含１０００個(gè)光的部件，其包含垂直結(jié)耗盡型微 盤形調(diào)節(jié)器、異質(zhì)外延的鍺光敏二極管和晶體硅低損耗波導(dǎo)。集成的具有１６Ｍ個(gè)晶體管的電子芯片包含３２個(gè)多單元的子任務(wù)模塊，能完成鏈接中調(diào)節(jié)器和接 收器的完整的自測(cè)試。每一個(gè)多單元的子任務(wù)模塊具有８?jìng)€(gè)接收和發(fā)射宏單元，可原位測(cè)試光子器件較寬范圍的性能變化。該３Ｄ集成能形成在圓片級(jí)異構(gòu)平臺(tái)中芯片到芯片的全光互連。

       ＳＯＩ和具有ＳｉＯ２犧牲層的ＣＭＯＳ電路鍵合在一起，單獨(dú)可控的微鏡的大陣列的制備采用了高性能的直寫掩膜系統(tǒng)和高吞吐量深紫外無(wú)掩模光刻系統(tǒng)、金屬淀積、反應(yīng)離子刻蝕、氧等離子和ＨＦ蒸氣等設(shè)備和工藝。測(cè)試結(jié)果表明，微鏡展示了優(yōu)良的表面性質(zhì)，表面粗糙度低于１ｎｍ均方根，被驅(qū)動(dòng)的微鏡無(wú)記憶行為和無(wú)漂移。

       用于宏芯片上的光互連需要低功耗的光收發(fā)電路。２０１２年，Ｆ．Ｙ．Ｌｉｕ等人［１６］報(bào)道了基于４０ｎｍ工藝的ＣＭＯＳ技術(shù)的１０Ｇｂ／ｓ單端光學(xué)鏈接的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路。采用低寄生微焊料凸點(diǎn)把該電路和１３０ｎｍＳＯＩ平臺(tái)制備的硅光子器件鍵合在一起。發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)器的橢圓形諧振環(huán)調(diào)節(jié)器具有２Ｖ?jǐn)[幅并采用靜態(tài)熱調(diào)諧器以補(bǔ)償光學(xué)器件工藝的變化。接收機(jī)基于具有４ｋΩ跨阻增益和設(shè)計(jì)輸入功率為－１５ｄＢｍ的跨阻抗放大器、響應(yīng)率為０．７Ａ／Ｗ的光電二極管和輸入消光比為６ｄＢ的接收支路。它擁有一對(duì)交叉時(shí)鐘檢測(cè)放大器用于電壓限幅和使用具有相位調(diào)整的延遲鎖相環(huán)（ＤＬＬ）使數(shù)據(jù)眼圖中的時(shí)鐘中心對(duì)齊。定期校準(zhǔn)允許調(diào)整電壓和時(shí)間的容限。在１０Ｇｂ／ｓ時(shí)發(fā)射機(jī)消光比超過(guò)７ｄＢ，除熱調(diào)優(yōu)和激光功率，其功耗為１．３５ｍＷ。

       ＤＡＲＰＡ的電子學(xué)－光子學(xué)異構(gòu)集成項(xiàng)目的進(jìn)展，從十年前開(kāi)始發(fā)展電子學(xué)－光子學(xué)的集成電路到近幾年開(kāi)展的電子學(xué)－光子學(xué)異構(gòu)集成的項(xiàng)目。采用具有先進(jìn)ＣＭＯＳ的硅光子學(xué)、ＲＦ電子學(xué)和ＩＩＩ－Ｖ光學(xué)源和探測(cè)器的異構(gòu)集成可以使復(fù)雜器件的功能超過(guò)自然材料，在一些情況下，其性能超過(guò)了大型組件而且集成為復(fù)雜的電光微系統(tǒng)。該項(xiàng)目在異構(gòu)光電子集成領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了通過(guò)氧等離子處理工藝，獨(dú)特高 效的片上激光工藝，使ＩＩＩ－Ｖ芯片和硅光子學(xué)圓片之間實(shí)現(xiàn)低工作溫度鍵合，ＩＩＩ－Ｖ有源器件和低損耗的硅光子學(xué)的共集成能產(chǎn)生系列性能創(chuàng)記錄的光集成部件，如線寬小于１ｋＨｚ的超低線寬的半導(dǎo)體激光器，低線寬、低噪聲在Ｏ波段覆蓋４５ｎｍ波長(zhǎng)的可調(diào)諧激光器，在１０ＧＨｚ和３０ＧＨｚ下輸出功率分別為１６．６ｄＢｍ和１３．５ｄＢｍ的高功率、高頻率光電二極管和光子學(xué)中的低損耗無(wú)源結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目在異構(gòu)電子學(xué)－光電子集成領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了用于緊湊封裝的ＴＳＶ工藝，具有低寄生電容的穿過(guò)氧化層通道的技術(shù)實(shí)現(xiàn)光子學(xué)和ＣＭＯＳ芯片的３Ｄ集成。該項(xiàng)目相當(dāng)具有代 表性的光電微系統(tǒng)范例是光相控陣，采用體光學(xué)方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，在光學(xué)波長(zhǎng)范圍、在微尺度上實(shí)現(xiàn)包含光移相器、孔徑和控 制電子學(xué)的光相控陣，離開(kāi)集成的方法是不可能的。采用單芯片上的集成光子電路技術(shù)研發(fā)了具有６４×６４發(fā)射源的靜態(tài)光相控陣列，具有快 速、寬角束流控 制的Ｓｉ上芯片級(jí)光相控陣列，采用ＴＳＶ技術(shù)使１８０ｎｍＣＭＯＳ芯片和２５０ｎｍＳｉ光子學(xué)芯片相集成，構(gòu)建頻率調(diào)制連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)。為了適應(yīng)美國(guó)制造創(chuàng)新的要求，該項(xiàng)目建立了“ＡＩＭ光子學(xué)”以實(shí)施“ＩＰ－創(chuàng)新制造”的愿景，使這些設(shè)計(jì)、制造和封裝的工具具有廣 泛的可用性，這將使一批新的設(shè)計(jì)師利用光子學(xué)開(kāi)發(fā)市場(chǎng)和顛覆性的應(yīng)用。

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