這篇筆記介紹MEMS型硅光芯片封裝的一則最新進展，瑞典皇家理工學院KTH研究組聯合洛桑聯邦理工學院EPFL、愛爾蘭的Tyndall、IMEC等多個機構，共同開發了MEMS硅光芯片晶圓級的氣密封裝技術(hermetic sealing)。

MEMS型懸臂光波導(suspended waveguide)的SiO2包覆層會被刻蝕掉，因此它對空氣的擾動、灰塵等非常敏感。如果想推動MEMS型硅光芯片的商用化，必須想辦法解決該問題，克服環境擾動對光器件的影響，采用氣密封裝可以解決該問題。

該研究進展中采用IMEC iSiPP50G工藝平臺的硅光芯片，在波導附近已經做了一部分local undercut工藝。在此基礎上，采用HF進一步進行刻蝕，形成vacuum cavity，形成懸臂型波導和MEMS器件，如下圖所示。

在另外一片直徑100mm的SOI晶圓上加工出25um厚的Si作為密封蓋(sealing cap)，并沉積2um厚的金層。而在硅光芯片上利用頂層金屬加工出相匹配的金屬圖案，然后作為密封蓋的SOI晶圓bonding到硅光芯片上(利用各自的金屬層)，最后去除handle wafer, 在需要保護的MEMS波導區域形成所需的硅密封蓋。整個工藝流程如下圖所示，

密封后的芯片截面圖如下圖所示，

硅密封蓋可以根據需要，設計合適的尺寸，將要保護的MEMS波導區域覆蓋住，如下圖所示。對于grating coupler和金屬pad, 為了方便測試，不需要進行保護，因此在sealing cap區域之外。

研究人員對密封前后的非對稱型MZI進行了表征，光譜未發生明顯的變化，其峰值與參考波導的光譜結果接近。此外比較了四種長度與穩定性不一的MZI設計, 通過光譜的ER測試結果，可以發現懸臂設計最為脆弱的MZI發生了損壞(下圖中的B)，而其他三種類型仍然可以得到較大的ER值。測試結果如下圖所示，

密封后的相移器，其相位的穩定性得到大幅提高，3dB帶寬從213KHz提高到776KHz，如下圖所示，在36V直流電壓驅動下，可實現pi/2的相位變化。

為了表征密封蓋的氣密性，研究人員采用光學表面光度計(optical profilometer)測量Si蓋板的彎曲程度，密封蓋中心區域偏移最大，為0.63um，該結果對應密封蓋內的氣壓為幾毫巴(mbar), 測試結果如下圖所示，

對于來自4顆die(2顆在wafer中心，2顆在wafer邊緣)的128個cavity，115個通過了密封性測試，良率接近90%。將該wafer放置21天后重新測試，氣密性依然滿足要求。此外在wafer切割后，氣密性沒有發生變化。以上的這些驗證試驗，都證實了該密封方法的可靠性。

密封蓋的形狀也可以根據需要進行靈活設計，不局限于矩形，可以為L型、三角形等。下圖為甜甜圈型蓋板的設計，蓋板兩側放置了金屬pad進行電學特性的測試。

由于硅蓋板只有25um高，而一般的bump高度為50um左右，因此可以在密封好的MEMS硅光芯片上flip-chip其它芯片。下圖為glass interposer倒裝在該硅光芯片的示意圖，芯片中共包含599個bump。

簡單總結一些，KTH研究組通過金屬bonding的方法，給MEMS光波導戴上了帽子，形成密封蓋，使得懸臂波導不再受空氣擾動的影響，穩定性與良率大大提高，涉及到的工藝步驟也相對簡單，非常巧妙。

通過一系列的可靠性驗證試驗，也證實了該方法的魯棒性。MEMS型相移器的優勢是尺寸短，沒有靜態功耗，雖然帶寬只有幾百kHz, 但它仍然是大規模集成光路中有潛力的基礎元器件。

Lightmatter公司此前在hotchips 2019上展示了其基于MEMS型光波導的光計算系統，業界當時對其封裝方案和系統的可靠性存在一些質疑。KTH的這一晶圓級氣密封裝方案無疑為MEMS型硅光芯片的實用化打開了一扇大門，下一步應該會驗證電芯片flip-chip到氣密封裝后的MEMS硅光芯片。