LAM | 双光子光刻：突破光电芯片的封装瓶颈

本文来自论文作者团队投稿

导读

之江实验室虞绍良博士团队和麻省理工学院合作者在Light: Advanced Manufacturing发表综述文章，题为Two-photon lithography for integrated photonic packaging。

光电芯片作为半导体行业的后起之秀，在光互连、光计算、光传感、激光雷达等领域有着重要的应用前景，成为各界的关注焦点，为后摩尔定律时代的发展开辟了新赛道。受益于成熟的半导体CMOS工艺，光电芯片的制备能力已经得到快速发展。

然而光电芯片的封装工艺仍然存在关键技术瓶颈。光电芯片的封装过程，除了我们所熟知的电信号的互连，还需考虑到光信号在不同模块之间的耦合，这就需要解决光纤-芯片、芯片-芯片之间的光学互连问题。主要有以下两大挑战：

1、光学芯片涉及多种材料体系和结构，不同光束模场的尺寸和分布均存在较大差异，巧妙解决封装过程中的模场失配问题，才能实现多种材料体系与结构间的高效耦合。

2、芯片上波导中光束尺寸在微米量级，需要高精度的对准才能得到高效耦合，对封装过程的对准精度提出了更高的要求。

图1：光电芯片封装示意图
图源：课题组

基于双光子吸收过程的双光子光刻技术，作为一种微纳尺寸下的三维打印工艺，可以高精度地制备任意的三维结构，有望解决光电芯片封装过程的瓶颈。

一方面，可以在芯片上集成三维曲面或渐变波导结构，通过反射或者绝热压缩的方式进行光束整形，实现超宽波段的模场变换；

另一方面，三维结构的形貌具有很高的几何自由度，增加了对片上模场操控的灵活性，从而实现更高效的耦合互连。

此外，双光子光刻还可以在子模块组装完成之后再制备连接结构，有效降低了封装过程中的对准精度要求。

因而，在光电芯片的封装中，双光子光刻技术有着重要的应用价值，也得到了广泛的探索，目前主要有三种技术路线。

基于双光子光刻的光学封装方法

1 光子引线键合

借鉴自微电子中广泛应用的引线键合，光子引线键合技术，采用双光子光刻工艺，在待连接波导之间直接打印聚合物波导。通过波导截面的渐变，完成模场的绝热变换，从而实现不同波导之间的高效互连。该方法已经在光互连和相干通信中得到了验证，适用于光纤-芯片、芯片-芯片等多种应用场景。

2 微型自由曲面

在波导端面打印微型的光学自由曲面，以反射或者折射的形式，对波导出射光场进行整形，调控模场分布和传播方向，从而完成模场变换。所采用的结构色散小，对波长不敏感，目前已经验证了从可见到近红外的超宽带耦合，同时兼容晶圆级测试和封装，可以实现高密度的互连封装。

3 机械对准引导结构

双光子光刻技术也可以用于打印机械对准引导结构，辅助实现耦合过程的高精度对准。在光栅耦合区域上打印倒锥结构，引导光纤的对准过程，在不引入显著额外损耗的前提下，可以实现亚微米级的对准精度，有望在可插拔器件中得到应用。

图2： (a)，双光子光刻示意图。(b)，光子引线。(c)，自由曲面。(d)，对准引导结构。
图源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

商业化探索

随着光电子芯片的逐步走向市场，基于双光子光刻的封装技术也开始了商业化探索。大规模的商业应用，除了关注带宽、插损等耦合特性之外，还需要考虑更多因素。例如，双光子光刻是否可以稳定可靠地制备高质量的三维结构，是否能够满足业界的加工速度和精度要求，是否具备用户友好的易用性和维护性。

目前，已经有多个公司开拓了双光子光刻的商业市场。NanoScribe、Vanguard、Heidelberg等公司已经推出了商用的双光子光刻设备，在扫描速度、加工精度、对准精度等方面，取得了长足的进步，而Dream Photonics、PHIX等则以工艺服务为主，可以直接对外提供基于双光子光刻的封装服务。双光子光刻技术在光电子芯片封装中的应用，已向大规模商业化的发展踏出了坚实的一步。

图3：三种切片方式：均匀切片、自适应切片和智能切片。
图源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

未来展望

基于双光子光刻工艺的封装方法，经过十数年的探索，已经取得诸多进展，得到了各界广泛的认可。但机遇始终与挑战并存，在通信容量爆炸式增长的时代下，双光子光刻工艺在光电芯片封装中能否占据重要地位，需要判断其能否满足未来的大规模应用需求。基于此，作者也梳理了该领域的未来发展趋势。

1 大幅提高制备效率

目前的逐点扫描方式，制备速度慢，难以满足大规模生产的效率要求。一方面，可以通过多光束、逐层等新型双光子曝光方式，提升制备速度。另一方面，也可以探索其他的制备工艺，例如纳米压印，则可以将串行的加工方式升级为并行，从而满足晶圆级的制备需求。

图4：三种曝光方式：逐点、逐层和多光束曝光。
图源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

2 开发多类型光刻材料

双光子光刻多数作用于光敏聚合物材料。相比于常规的半导体或介质材料，聚合物材料的热膨胀系数大，折射率选择范围有限，长期稳定性较差。同时聚合物在交联过程的收缩，也对三维结构的形貌控制带来了一定的挑战。探索有机-无机杂化的复合型光敏材料，能在一定程度上解决上述问题。

3 优化设计建模方式

三维结构的几何自由度高，给波前调控带来了很大的便利。但设计所调控的参数多，给仿真设计过程带来了很大的压力。需结合几何光学与波动光学方法进行计算探索，构建新型建模方式。而数据驱动和物理驱动的机器学习方法，在三维微型光学结构的设计和表征过程，也能发挥重要的作用。

4 开发结构表征新方法

微型三维光学结构，尺度介于宏观与微观之间，结构小，曲率大，常规测量方法，如白光干涉、电子显微、原子力显微等，难以进行有效的测量，亟需新型的表征手段。基于多象限的电子显微三维重构，有望实现微型自由曲面形貌的精确测量。而X射线显微断层扫描，也是一种有潜力的表征方法。

总结

双光子光刻技术能够精确制备三维结构，并将其精准集成在光电芯片上，能够在光纤-芯片以及芯片-芯片之间，构建大带宽、低损耗的光信号链路，实现光信号的高效互连，降低封装过程的对准精度，给光学芯片的封装过程带来了全新的机遇。随着技术的迭代演进和行业的进一步发展，我们预期基于双光子光刻的光电芯片封装架构，将会得到大规模应用，解决光电芯片的封装难题。

论文信息

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

阅读原文