실리콘에 레이저를 얹는 4가지 방법

실리콘 포토닉스로 많은 것을 만들 수 있지만 레이저는 그중 하나가 아닙니다.

광자 집적 회로, 단일 칩에 다양한 광전자 기능을 결합한 기술은 일상 생활에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 이는 IEEE Spectrum 웹 사이트를 제공하는 데 사용되는 것을 포함하여 데이터 센터의 서버 랙을 연결하는 고속 광 트랜시버, 자율 주행 자동차를 궤도에 유지하기 위한 LiDAR, 대기 중 화학 물질을 탐지하기 위한 분광계에 사용됩니다. 다른 많은 응용 프로그램. 이러한 모든 시스템은 대부분의 IC를 실리콘 제조 기술로 제작함으로써 비용이 저렴해졌으며 어떤 경우에는 경제적으로 실현 가능해졌습니다.

엔지니어들은 빛 방출을 제외하고 변조 및 감지의 필수 요소를 포함하여 거의 모든 중요한 광학 기능을 실리콘 광자 칩에 통합할 수 있었습니다. 실리콘 자체는 ​​그 일을 효율적으로 수행하지 못하기 때문에 주기율표의 구성 요소 이름을 따서 명명된 소위 III-V 재료로 만들어진 반도체는 일반적으로 빛을 생성하기 위해 별도로 포장된 부품을 만드는 데 사용됩니다.

설계에 외부 레이저 다이오드를 사용할 수 있다면 문제가 없습니다. 그러나 최근 엔지니어들이 레이저를 실리콘 포토닉스와 통합하도록 강요하는 몇 가지 요인이 있습니다. 예를 들어, 별도의 광원을 위한 공간이 없을 수 있습니다. 예를 들어 혈당 수준을 모니터링하기 위해 신체에 이식되는 작은 장치는 이러한 문제에 직면할 수 있습니다. 또는 애플리케이션 비용 때문에 더 긴밀한 통합이 필요할 수 있습니다. 단일 실리콘 웨이퍼에 수백 또는 수천 개의 레이저를 장착할 수 있으면 별도의 칩을 연결해야 할 때보다 비용이 더 저렴하고 안정성이 더 높은 경우가 많습니다.

레이저와 실리콘을 더욱 긴밀하게 통합하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 벨기에에 본사를 둔 나노전자공학 R&D 센터인 Imec에서 근무하면서 우리는 현재 플립칩 프로세싱, 마이크로트랜스퍼 프린팅, 웨이퍼 본딩, 모놀리식 통합이라는 네 가지 기본 전략을 추구하고 있습니다. 다음은 이러한 접근 방식의 작동 방식, 확장성 및 성숙도 수준, 장단점에 대한 가이드입니다.

플립칩 본딩에서는 레이저 다이[왼쪽]가 개별적으로 전송되어 실리콘 포토닉스 웨이퍼에 본딩됩니다.Emily Cooper

간단한 방법실리콘 웨이퍼에 레이저를 직접 통합하는 것은 플립칩 처리라고 불리는 칩 패키징 기술입니다.

칩의 전기 연결은 상호 연결의 최상층이 금속 패드에서 끝나는 상단에 있습니다. 플립칩 기술은 해당 패드에 부착된 납땜 볼에 의존합니다. 그런 다음 칩을 뒤집어서 솔더가 칩 패키지(또는 우리의 경우 다른 칩)의 해당 패드와 정렬되도록 합니다. 그런 다음 땜납을 녹여 칩을 패키지에 접착합니다.

개념은 유사하지만 레이저 칩을 실리콘 포토닉스 칩에 결합하려고 할 때 더 정확합니다. Edge-Emitting 레이저는 웨이퍼에서 완전히 처리되어 개별 칩으로 절단되고 공급업체에서 테스트됩니다. 그런 다음 개별 레이저 칩은 고정밀 버전의 플립칩 프로세스를 사용하여 한 번에 하나의 레이저 다이씩 대상 실리콘 포토닉 웨이퍼에 접착됩니다. 어려운 부분은 가장자리에서 방출되는 레이저 출력이 실리콘 포토닉스 칩의 입력과 일치하는지 확인하는 것입니다. 우리는 레이저가 실리콘의 오목한 부분에 배치되어 실리콘 포토닉스 도파관의 에칭된 면에 측면으로 접하는 맞대기 결합(Butt-Coupling)이라는 프로세스를 사용합니다.

이것이 작동하려면 플립칩 프로세스에 3차원 모두에서 마이크로미터 이하의 정렬 정밀도가 필요합니다. 이 작업을 수행하기 위해 지난 몇 년 동안 특수 플립칩 본딩 도구가 개발되었으며, 우리와 협력자, 개발 파트너는 이를 사용하여 조립 프로세스를 최적화했습니다. 머신 비전을 사용하여 정밀한 정렬을 유지하는 고급 픽 앤 플레이스 도구를 활용하면 단 몇 십 초 만에 500나노미터 이상의 정밀도로 레이저 장치를 배치하고 접합할 수 있습니다.