浅析MEMS硅光芯片晶圆级的气密封装技术

这篇笔记介绍MEMS型硅光芯片封装的一则最新进展，瑞典皇家理工学院KTH研究组联合洛桑联邦理工学院EPFL、爱尔兰的Tyndall、IMEC等多个机构，共同开发了MEMS硅光芯片晶圆级的气密封装技术(hermetic sealing)。

MEMS型悬臂光波导(suspended waveguide)的SiO2包覆层会被刻蚀掉，因此它对空气的扰动、灰尘等非常敏感。如果想推动MEMS型硅光芯片的商用化，必须想办法解决该问题，克服环境扰动对光器件的影响，采用气密封装可以解决该问题。

该研究进展中采用IMEC iSiPP50G工艺平台的硅光芯片，在波导附近已经做了一部分local undercut工艺。在此基础上，采用HF进一步进行刻蚀，形成vacuum cavity，形成悬臂型波导和MEMS器件，如下图所示。

在另外一片直径100mm的SOI晶圆上加工出25um厚的Si作为密封盖(sealing cap)，并沉积2um厚的金层。而在硅光芯片上利用顶层金属加工出相匹配的金属图案，然后作为密封盖的SOI晶圆bonding到硅光芯片上(利用各自的金属层)，最后去除handle wafer, 在需要保护的MEMS波导区域形成所需的硅密封盖。整个工艺流程如下图所示，

密封后的芯片截面图如下图所示，

硅密封盖可以根据需要，设计合适的尺寸，将要保护的MEMS波导区域覆盖住，如下图所示。对于grating coupler和金属pad, 为了方便测试，不需要进行保护，因此在sealing cap区域之外。

研究人员对密封前后的非对称型MZI进行了表征，光谱未发生明显的变化，其峰值与参考波导的光谱结果接近。此外比较了四种长度与稳定性不一的MZI设计, 通过光谱的ER测试结果，可以发现悬臂设计最为脆弱的MZI发生了损坏(下图中的B)，而其他三种类型仍然可以得到较大的ER值。测试结果如下图所示，

密封后的相移器，其相位的稳定性得到大幅提高，3dB带宽从213KHz提高到776KHz，如下图所示，在36V直流电压驱动下，可实现pi/2的相位变化。

为了表征密封盖的气密性，研究人员采用光学表面光度计(optical profilometer)测量Si盖板的弯曲程度，密封盖中心区域偏移最大，为0.63um，该结果对应密封盖内的气压为几毫巴(mbar), 测试结果如下图所示，

对于来自4颗die(2颗在wafer中心，2颗在wafer边缘)的128个cavity，115个通过了密封性测试，良率接近90%。将该wafer放置21天后重新测试，气密性依然满足要求。此外在wafer切割后，气密性没有发生变化。以上的这些验证试验，都证实了该密封方法的可靠性。

密封盖的形状也可以根据需要进行灵活设计，不局限于矩形，可以为L型、三角形等。下图为甜甜圈型盖板的设计，盖板两侧放置了金属pad进行电学特性的测试。

由于硅盖板只有25um高，而一般的bump高度为50um左右，因此可以在密封好的MEMS硅光芯片上flip-chip其它芯片。下图为glass interposer倒装在该硅光芯片的示意图，芯片中共包含599个bump。

简单总结一些，KTH研究组通过金属bonding的方法，给MEMS光波导戴上了帽子，形成密封盖，使得悬臂波导不再受空气扰动的影响，稳定性与良率大大提高，涉及到的工艺步骤也相对简单，非常巧妙。

通过一系列的可靠性验证试验，也证实了该方法的鲁棒性。MEMS型相移器的优势是尺寸短，没有静态功耗，虽然带宽只有几百kHz, 但它仍然是大规模集成光路中有潜力的基础元器件。

Lightmatter公司此前在hotchips 2019上展示了其基于MEMS型光波导的光计算系统，业界当时对其封装方案和系统的可靠性存在一些质疑。KTH的这一晶圆级气密封装方案无疑为MEMS型硅光芯片的实用化打开了一扇大门，下一步应该会验证电芯片flip-chip到气密封装后的MEMS硅光芯片。