文章來源：先進制造

原文作者：LAM新媒體

雙光子光刻技術(shù)能夠精確制備三維結(jié)構(gòu)，并將其精準集成在光電芯片上，能夠在光纖-芯片以及芯片-芯片之間，構(gòu)建大帶寬、低損耗的光信號鏈路，實現(xiàn)光信號的高效互連，降低封裝過程的對準精度，給光學芯片的封裝過程帶來了全新的機遇。

光電芯片作為半導體行業(yè)的后起之秀，在光互連、光計算、光傳感、激光雷達等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，成為各界的關(guān)注焦點，為后摩爾定律時代的發(fā)展開辟了新賽道。受益于成熟的半導體CMOS工藝，光電芯片的制備能力已經(jīng)得到快速發(fā)展。

然而光電芯片的封裝工藝仍然存在關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。光電芯片的封裝過程，除了我們所熟知的電信號的互連，還需考慮到光信號在不同模塊之間的耦合，這就需要解決光纖-芯片、芯片-芯片之間的光學互連問題。主要有以下兩大挑戰(zhàn)：

1、光學芯片涉及多種材料體系和結(jié)構(gòu)，不同光束模場的尺寸和分布均存在較大差異，巧妙解決封裝過程中的模場失配問題，才能實現(xiàn)多種材料體系與結(jié)構(gòu)間的高效耦合。

2、芯片上波導中光束尺寸在微米量級，需要高精度的對準才能得到高效耦合，對封裝過程的對準精度提出了更高的要求。

圖1：光電芯片封裝示意圖

基于雙光子吸收過程的雙光子光刻技術(shù)，作為一種微納尺寸下的三維打印工藝，可以高精度地制備任意的三維結(jié)構(gòu)，有望解決光電芯片封裝過程的瓶頸。

一方面，可以在芯片上集成三維曲面或漸變波導結(jié)構(gòu)，通過反射或者絕熱壓縮的方式進行光束整形，實現(xiàn)超寬波段的模場變換;

另一方面，三維結(jié)構(gòu)的形貌具有很高的幾何自由度，增加了對片上模場操控的靈活性，從而實現(xiàn)更高效的耦合互連。

此外，雙光子光刻還可以在子模塊組裝完成之后再制備連接結(jié)構(gòu)，有效降低了封裝過程中的對準精度要求。

因而，在光電芯片的封裝中，雙光子光刻技術(shù)有著重要的應(yīng)用價值，也得到了廣泛的探索，目前主要有三種技術(shù)路線。

基于雙光子光刻的光學封裝方法

1. 光子引線鍵合

借鑒自微電子中廣泛應(yīng)用的引線鍵合，光子引線鍵合技術(shù)，采用雙光子光刻工藝，在待連接波導之間直接打印聚合物波導。通過波導截面的漸變，完成模場的絕熱變換，從而實現(xiàn)不同波導之間的高效互連。該方法已經(jīng)在光互連和相干通信中得到了驗證，適用于光纖-芯片、芯片-芯片等多種應(yīng)用場景。

2. 微型自由曲面

在波導端面打印微型的光學自由曲面，以反射或者折射的形式，對波導出射光場進行整形，調(diào)控模場分布和傳播方向，從而完成模場變換。所采用的結(jié)構(gòu)色散小，對波長不敏感，目前已經(jīng)驗證了從可見到近紅外的超寬帶耦合，同時兼容晶圓級測試和封裝，可以實現(xiàn)高密度的互連封裝。

3. 機械對準引導結(jié)構(gòu)

雙光子光刻技術(shù)也可以用于打印機械對準引導結(jié)構(gòu)，輔助實現(xiàn)耦合過程的高精度對準。在光柵耦合區(qū)域上打印倒錐結(jié)構(gòu)，引導光纖的對準過程，在不引入顯著額外損耗的前提下，可以實現(xiàn)亞微米級的對準精度，有望在可插拔器件中得到應(yīng)用。

圖2： (a)，雙光子光刻示意圖。(b)，光子引線。(c)，自由曲面。(d)，對準引導結(jié)構(gòu)。

圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

商業(yè)化探索

隨著光電子芯片的逐步走向市場，基于雙光子光刻的封裝技術(shù)也開始了商業(yè)化探索。大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，除了關(guān)注帶寬、插損等耦合特性之外，還需要考慮更多因素。例如，雙光子光刻是否可以穩(wěn)定可靠地制備高質(zhì)量的三維結(jié)構(gòu)，是否能夠滿足業(yè)界的加工速度和精度要求，是否具備用戶友好的易用性和維護性。

圖3：三種切片方式：均勻切片、自適應(yīng)切片和智能切片。

圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

未來展望

基于雙光子光刻工藝的封裝方法，經(jīng)過十數(shù)年的探索，已經(jīng)取得諸多進展，得到了各界廣泛的認可。但機遇始終與挑戰(zhàn)并存，在通信容量爆炸式增長的時代下，雙光子光刻工藝在光電芯片封裝中能否占據(jù)重要地位，需要判斷其能否滿足未來的大規(guī)模應(yīng)用需求。基于此，作者也梳理了該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。

1. 大幅提高制備效率

目前的逐點掃描方式，制備速度慢，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的效率要求。一方面，可以通過多光束、逐層等新型雙光子曝光方式，提升制備速度。另一方面，也可以探索其他的制備工藝，例如納米壓印，則可以將串行的加工方式升級為并行，從而滿足晶圓級的制備需求。

圖4：三種曝光方式：逐點、逐層和多光束曝光。

圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

2. 開發(fā)多類型光刻材料

雙光子光刻多數(shù)作用于光敏聚合物材料。相比于常規(guī)的半導體或介質(zhì)材料，聚合物材料的熱膨脹系數(shù)大，折射率選擇范圍有限，長期穩(wěn)定性較差。同時聚合物在交聯(lián)過程的收縮，也對三維結(jié)構(gòu)的形貌控制帶來了一定的挑戰(zhàn)。探索有機-無機雜化的復合型光敏材料，能在一定程度上解決上述問題。

3. 優(yōu)化設(shè)計建模方式

三維結(jié)構(gòu)的幾何自由度高，給波前調(diào)控帶來了很大的便利。但設(shè)計所調(diào)控的參數(shù)多，給仿真設(shè)計過程帶來了很大的壓力。需結(jié)合幾何光學與波動光學方法進行計算探索，構(gòu)建新型建模方式。而數(shù)據(jù)驅(qū)動和物理驅(qū)動的機器學習方法，在三維微型光學結(jié)構(gòu)的設(shè)計和表征過程，也能發(fā)揮重要的作用。

4. 開發(fā)結(jié)構(gòu)表征新方法

微型三維光學結(jié)構(gòu)，尺度介于宏觀與微觀之間，結(jié)構(gòu)小，曲率大，常規(guī)測量方法，如白光干涉、電子顯微、原子力顯微等，難以進行有效的測量，亟需新型的表征手段。基于多象限的電子顯微三維重構(gòu)，有望實現(xiàn)微型自由曲面形貌的精確測量。而X射線顯微斷層掃描，也是一種有潛力的表征方法。

總結(jié)

雙光子光刻技術(shù)能夠精確制備三維結(jié)構(gòu)，并將其精準集成在光電芯片上，能夠在光纖-芯片以及芯片-芯片之間，構(gòu)建大帶寬、低損耗的光信號鏈路，實現(xiàn)光信號的高效互連，降低封裝過程的對準精度，給光學芯片的封裝過程帶來了全新的機遇。隨著技術(shù)的迭代演進和行業(yè)的進一步發(fā)展，我們預期基于雙光子光刻的光電芯片封裝架構(gòu)，將會得到大規(guī)模應(yīng)用，解決光電芯片的封裝難題。

審核編輯：湯梓紅