具有光学波导和二维偏转的MEMS梁的集成制造技术

本公开涉及具有光学波导和二维偏转的MEMS梁的集成。描述了高密度、低功耗、高性能信息系统、方法和装置，在其中，集成电路装置包括多个位于每片芯边缘的可偏转MEMS光束波导(例如，190)，它们分别由被波导梁结构(194)包封以延伸到偏转腔(198)的光梁结构(193)并且被多个设置在偏转腔(198)的壁上的偏转电极(195-197)周围以提供每可偏转MEMS光束波导的二维偏转控制以响应于一个或多个偏转电压的应用以提供不同的片芯之间的光学通信(例如，184)形成的。

【技术实现步骤摘要】
具有光学波导和二维偏转的MEMS梁的集成光束波导
本专利技术通常针对半导体器件及其制造方法。一方面，本专利技术涉及具有光学微机电系统(MEMS)电路和器件的半导体装置或集成电路的制造。
技术介绍
在信息系统中，通过使用不同的类型的信号连接，数字信号信息在装置和电路之间通信。利用基于电导体的连接，例如传统的导线或穿通硅的通孔(TSV)，就会有这种基于导体的连接的电源要求和物理限制所施加的电源和带宽限定。例如，堆叠片芯模块已提出提供高密度信息系统，但是用于通过使用基于导体的连接在堆叠片芯模块之间传递数字信号的功耗和相关联的散热要求可以限制可实现的密度。此外，这种堆叠片芯模块的带宽受到这种片芯堆叠的TSV数量和电感以及其它基于导体的连接的限制。为了克服这种限制，光学通信系统已发展成为在较高的带宽以减小的功率进行通信的方式。有了这种光学通信系统，单色的、定向的以及一致的激光束被调制以编码传输到系统的其它装置或电路的信息，通常是通过沿着光学纤维或波导路径传输调制光学信号。不幸的是，在成本、复杂性以及控制要求方面，使用光学波导在系统中的不同的集成电路(IC)片芯之间传输光学信息存在对准的挑战。这些挑战是由期望的以满足信息传输要求和在装置操作期间可以破坏对准的其它使用因素的严格对准公差引起的。已经尝试通过外反光镜或偏转器来穿过不同的IC片芯之间的自由空间光学地传输信息来克服这些挑战，但是这些解决方案呈现自身的困难、成本和控制要求。例如，光学发射器、偏转器结构以及光学接收器不但强加了附加成本和复杂性，而且还必须被对准以确保信息传输的所需水平。此外，对准误差可以通过系统组装工艺、振动(例如，沉降)或使用期间的温度引入。例如，如果移动电话或笔记本电脑掉在表面上，光学链路可能变得不对准。此外，设计和组装被精确对准的组装的成本可能是成本高昂的。最后，控制电路和外部信号偏转结构可以增加整个系统的复杂性，从而减小了不同的IC片芯之间的信号带宽。结果，用于沿着光学波导路径并且在不同的IC片芯之间传输调制的光学信号的现有解决方案使高带宽光学互连的实施在实用水平极其困难。概述根据本公开的一个实施例，提供了一种装置，包括：可偏转MEMS光束波导，其形成于集成电路中；以及多个偏转电极，其与所述可偏转MEMS光束波导相关地设置，以响应于一个或多个偏转电压的施加提供对于所述可偏转MEMS光束波导的二维偏转控制。根据本公开另一实施例，提供了一种半导体制造工艺，包括：处理晶片，所述晶片包括形成于衬底层之上的光梁层和一个或多个第一波导层；选择性地蚀刻所述晶片以至少形成第一蚀刻开口，其限定MEMS光束波导和在所述MEMS光束波导的每一侧上的多个偏转电极，所述多个偏转电极彼此间隔开并且与所述MEMS光束波导间隔开；形成牺牲层以填充所述第一蚀刻开口并至少覆盖所述MEMS光束波导到预定厚度；在所述牺牲层上和至少所述MEMS光束波导之之上选择性地形成一个或多个顶偏转电极结构；以及移除所述牺牲层以形成围绕所述MEMS光束波导的偏转腔，从而限定悬臂式光梁结构，其设置有所述多个偏转电极结构和一个或多个顶偏转电极结构，以响应于一个或多个偏转电压的施加提供所述悬臂式光梁结构的二维偏转控制。根据本公开又一实施例，提供了一种使用可偏转集成电路MEMS光束波导的方法，包括：给相应的多个偏转电极提供多个偏转电压，以响应于所述多个偏转电压的施加提供所述可偏转集成电路MEMS光束波导的二维偏转控制。附图说明当结合附图考虑以下详细说明书的时候，可以更好地理解本专利技术以及其多个目的、特征以及所获得的优点，在附图中：图1示出了示出了通信系统的平面图，其中并排的处理器片芯堆叠和存储器片芯堆叠模块通过光学信号连接并且被布置为在电路板上形成多个子系统；图2示出了在旋转和附连之前的带有光学互连的并排片芯堆叠系统的透视图，其中处理器片芯堆叠模块与一个或多个存储器片芯堆叠模块垂直地定向；图3示出了在旋转并与用于连接到系统板的焊料球阵列对准之后的图2中的带有光学互连的并排片芯堆叠系统的透视图；图4示出了在用焊料球或倒装芯片导体将片芯堆叠系统附连到系统板之后的图3中的并排片芯堆叠系统的透视图，以说明如何利用点对点光学通信是来在片芯堆叠系统中的各处理器片芯和存储器片芯之间通信的；图5示出了图4的片芯堆叠系统中的选择的处理器片芯和存储器片芯的透视图，以说明点对点光束在处理器-存储器接口处的光学交叉对准；图6示出了带有多个偏转电极以为点对点光学互联的对准提供二维偏转的MEMS光束波导的放大透视图；图7示出了带有用于附连到系统板的光学互联的多个并排片芯堆叠系统的透视图，以说明点对点光学通信是如何被用于在所述多个并排片芯堆叠系统中的单个片芯之间通信的；图8-图17示出了根据本公开的第一示例实施例的、在生产包括MEMS光束波导的集成电路片芯的不同阶段的部分平面和剖视侧视图，其中多个偏转电极被放置在MEMS光束波导周围；图18-图23示出了根据本公开的第二示例实施例、在生产包括MEMS光束波导的集成电路片芯的不同阶段的部分平面和剖视侧视图，其中多个偏转电极被放置在MEMS光束波导上及其周围；图24-图31示出了根据本公开的第三示例实施例、在生产包括MEMS光束波导的集成电路片芯的不同阶段的部分平面和剖视侧视图，其中多个偏转电极被放置在MEMS光束波导上及其周围；图32示出了偏置驱动器的示例电路图，其中该偏置驱动器用于生成MEMS光束波导的多个不同的偏转电极的单独偏转偏置电压；图33示出了偏置驱动器的示例电路图，其中该偏置驱动器用于生成MEMS光束波导的垂直和横向偏转电极的MEMS梁板电压；图34示出了带有二维偏转的MEMS光梁在两个片芯之间通信而没有外部偏转的第一应用；图35示出了带有二维偏转的MEMS光梁在片芯内提供光学波导交叉的第二应用；图36示出了带有二维偏转的MEMS光梁在片芯内提供光学冗余的第三应用；图37示出了光学冗余电路，其用于用冗余的光学电路替代有缺陷的光学电路；图38示出了用于用冗余的光学MEMS束偏转器电路替代有缺陷的光学MEMS束偏转器电路的第一片芯边缘光学冗余电路；图39示出了用于用备用光学MEMS束偏转器电路轮替有缺陷的光学MEMS束偏转器电路的第二片芯边缘光学冗余电路；图40示出了根据本公开选择的实施例的、用于制造和使用多个片芯堆叠的工艺的简化流程图，其中所述片芯堆叠利用光学通信相连以形成系统。应了解，为了简单和清楚地说明起见，附图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为了促进和提高清楚性和理解，一些元件的尺寸相对于其它元件被夸大。此外，在认为适当的时候，参考符号在附图中被重复以表示相应或类似的元件。具体实施方式在本公开中，描述了改善的高密度、低功耗、高性能的信息系统、方法和装置，它们解决了现有技术中的多种问题，其中在参照这里所提供的附图和详细说明纵览本申请的剩余部分之后，常规解决方案和技术的各种局限性和缺点对本领域技术人员来说将变得显而易见。在所选的实施例，描述了高密度、低功耗、高性能的信息系统、方法和装置，其中通过提供带有二维对准和受控的反馈以调整束对准的MEMS光束波导，在堆叠半导体片芯装置中以及之间提供集成光学通信。在本公开的背景下，“光束”指未调制的光束(直接来自光源(例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：可偏转MEMS光束波导，其形成于集成电路中；以及多个偏转电极，其与所述可偏转MEMS光束波导相关地设置，以响应于一个或多个偏转电压的施加提供对于所述可偏转MEMS光束波导的二维偏转控制。

【技术特征摘要】
2013.06.10 US 13/914,0891.一种装置，包括：可偏转MEMS光束波导，其形成于集成电路中；以及多个偏转电极，设置在所述可偏转MEMS光束波导的周围，以响应于一个或多个偏转电压的施加提供对于所述可偏转MEMS光束波导的二维偏转控制。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个偏转电极包括至少两个横向偏转电极，其被横向地设置到所述可偏转MEMS光束波导的一侧，其中所述至少两个横向偏转电极中每一个能够连接到单独的偏转电压以提供单独的横向偏转力。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个偏转电极包括被设置在所述可偏转MEMS光束波导上方的第一垂直偏转电极和第二垂直偏转电极，其中所述第一垂直偏转电极和第二垂直偏转电极每一个能够连接到单独的偏转电压以提供单独的垂直偏转力。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个偏转电极包括：第一横向偏转电极，被横向设置到所述可偏转MEMS光束波导的一侧，其中所述第一横向偏转电极能够连接到第一偏转电压以提供横向偏转力；以及第一垂直偏转电极，被设置在所述可偏转MEMS光束波导上方，其中所述第一垂直偏转电极能够连接到第二偏转电压以提供垂直偏转力。5.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个偏转电极包括：第一横向偏转电极，被横向设置到所述可偏转MEMS光束波导的第一侧；第二横向偏转电极，被横向设置到所述可偏转MEMS光束波导的相对的第二侧；第一垂直偏转电极，被设置在所述可偏转MEMS光束波导上方；以及第二垂直偏转电极，被设置在所述可偏转MEMS光束波导下方，其中所述第一横向偏转电极、第二横向偏转电极、第一垂直偏转电极、第二垂直偏转电极每一个能够连接到单独的偏转电压以对所述可偏转MEMS光束波导提供单独的偏转力。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述可偏转MEMS光束波导包括包含硅的悬臂式光梁结构，其被包含氧化物的波导梁结构包封，以限制光从所述悬臂式光梁结构散逸。7.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个偏转电极包括硅化物层。8.根据权利要求1所述的装置，还包括：形成于所述可偏转MEMS光束波导上的多个顶电极和侧电极，其中在所述可偏转MEMS光束波导中形成有多个导电层，以提供所述可偏转MEMS光束波导的二维偏转控制。9.根据权利要求1所述的装置，其中每一个可偏转MEMS光束波导包括包含二氧化硅悬臂式光梁结构，其被包含硅的波导梁结构包封，以限制光从所述悬臂式光梁结构散逸。10.根据权利要求1所述的装置，还包括光电路，其中，激光发射器生成用信号信息调制的激光束以生成光学信号信息，所述光学信号信息在光束波导上传输到处于片芯边缘处的所述可偏转MEMS光束波导。11.根据权利要求1所述的装置，其中所述可偏转MEMS光束波导形成有被波导梁结构包封的悬臂式光梁结构，以延伸到形成于所述集成电路中的偏转腔中，其中所述多个偏转电极被设置在所述偏转腔的壁上。12.根据权利要求1所述的装置，其中所述可偏转MEMS光束波导延伸到所述集成电路的片芯边缘侧表面。13.一种半导体制造工艺，包括：处理晶片，所述晶片包括形成于衬底层之上的光梁层和一个或多个第一波导层；选择性地蚀刻所述晶片以至少形成第一蚀刻开口，其限定MEMS光束波导和在所述MEMS光束波导的每一侧上的多个偏转电极，所述多个偏转电极彼此间隔开并且与所述MEMS光束波导间隔开；形成牺牲层以填充所述第一蚀刻开口并至少覆盖所述MEMS光束波导到预定厚度；在所述MEMS光束波导的周围选择性地形成一个或多个顶偏转电极结构；以及移除所述牺牲层以形成围绕所述MEMS光束波导的偏转腔，从而限定悬臂式光梁结构，其设置有所述多个偏转电极结构和一个或多个顶偏转电极结构，以响应于一个或多个偏转电压的施加提供所述悬臂式光梁结构对于所述MEMS光束波导的二维偏转控制。14....

【专利技术属性】
技术研发人员：T·A·斯蒂芬，P·H·派雷，M·B·迈克沙尼，
申请(专利权)人：飞思卡尔半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US