Meta XR专利提出可用作光波导的纳米光子止裂结构

小编刘卫华 | 分类：专利 | 发布日期 2023年10月10日

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止裂结构

（映维网Nweon 2023年10月10日）止裂结构是沿模具外围存在的关键结构，它主要用于防止裂纹扩展到模具中。这种结构的存在可以为内部的敏感结构提供急需的保护。传统设计的缺点是它占用了宝贵的空间，例如在模具的每侧占据约35微米至100微米。所以，当半导体芯片需要小形状参数时，传统的止裂结构就会显得相对较大和笨重。

传统的止裂方法是采用光刻或激光超声技术在基板嵌入抗裂导电和聚合物层。在名为“Nanophotonic crack stop design”的专利申请，Meta提出用于半导体止裂设计的方法可以使用夹在低折射率材料中的高折射率材料，而这种结构可以用作光波导。在一个示例中，半导体芯片可以包括内部或外部止裂结构结构，以及沿着半导体芯片的周长引导光的波导。

图1A示出传统半导体芯片101，其突出显示角区域111和触点垫区域121。

图1B则示出放大的角区域111。角区域111包括内裂纹止点112、周界缝结构113或外裂纹止点114。图1C示出与角面积111相关联的示例性截面110。

如图1C所示，在底座处可能存在硅117、多条金属线116以及相关的内裂纹止点112、周长缝结构113、外裂纹止点114或模边115。内裂纹止点112、周界缝结构113或外裂纹止点114的宽度均可约为10微米，因此总共为30微米至50微米。

在常规设计中，常规止裂器设计为抗裂纹，它们由导电和体积层堆栈制成，并通过光刻工艺和使用诸如激光超声技术的技术将其图案化到基材中。

图2描述了Meta提出的设计。其中，可采用夹在低折射率材料之间的高折射率材料。这家公司指出，低折射率和高折射率的结合确保了光在具有高折射率的材料中大量传播。例如，高折射率区域的折射率至少约为3.48，而低折射率区域的折射率最多约为1.46。

可以使用许多不同的结构来提供一类波导结构。根据设计，可以将高折射率材料设置到半导体芯片中以充当与传统结构相反的通道。波导相对于周围材料应该有较高的折射率值。

参考图1C，图1C示出了裂纹止裂的示例性横截面，传统的止裂结构可以认为是围绕芯片外围引入的金属壁。裂纹止点可以是防止裂纹在半导体芯片101内部传播的保护屏障。在一个示例中，裂纹可能在制造过程中形成。其他事件或过程同样可以产生裂纹，如激光建造过程、封装过程、测试、甚至正常使用等。

图1D示出示例性放大接触垫区域121。接触垫区域121包括接触垫123、内裂纹止点112、周界缝结构113或外裂纹止点114。

图1E示出与接触垫区域121相关联的示例性截面125。图1F示出与接触垫区域121相关联的示例性截面127。每个接触垫123可以约为50微米× 50微米。

传统上，每个半导体芯片101可能相对较大，例如40毫米乘40毫米，所以有人认为在边缘占据50到60微米没有问题。但当半导体芯片101显着更小，例如5毫米乘5毫米或甚至更小时，特别是对于AR/VR等先进产品，使用50到60微米的空间可能特别重要。

因此，当半导体芯片101需要小形状参数时，传统的止裂结构相对较大和笨重。

图2示出了Meta提出的设计，亦即利用夹在低折射率材料之间的高折射率材料结构。波导143可以是纳米光子传感器，其将光从输入端传输到输出端，而输出端可以与可与光栅区域151中的半导体芯片131连接的光电探测器或类似物耦合。

波导143可位于半导体芯片131的周长附近，位于内纳米空腔阵列142和外纳米活性阵列144之间。波导143可以使用光而不是电脉冲在纳米光子裂纹停止结构中形成连接并作为信号连接。

图2B示出放大的角区域141。角区域141包括内部纳米活性阵列142、波导143或外部纳米活性阵列144。

图2C示出与角面积141相关联的示例性截面140。如图2C所示，在底部可能有硅衬底147，具有ULK的线 146的后端，以及相关的内纳米活性阵列142、波导143、外纳米活性阵列144或芯片边缘145。内部纳米活性阵列142、波导143或外部纳米活性阵列144总共可约为2微米至5微米的宽度。

纳米空腔区域可用于包含波导143内的光。内部纳米活性阵列142或外部纳米活性阵列144可以是添加在波导143两侧的小沟槽，并且它们可以以这种方式构建用于光遏制或作为止裂纹。

在所述纳米空腔设计的示例场景中，当裂纹从芯片边缘145开始传播到半导体芯片131的内层时，一旦传播裂纹碰到空腔，它就停止进一步传播，因为空腔耗散了传播能量。当裂纹弯曲时，纳米空腔区域的交错模式有助于阻止裂纹扩展，这是使用这种类型的纳米空腔设计的优点。

图2D示出示例性放大波导光栅区域151。波导光栅区域151包括波导光栅153、内部纳米活性阵列142、波导143或外部纳米活性阵列144。

对于Meta描述的纳米光子半导体设计，波导143可以在纳米范围内。波导光栅153可以是5微米乘7微米的尺寸，这明显小于传统的接触垫123。

图2E示出了一个示例性的放大波导光栅区域151，但没有接触垫。图2E的波导光栅区域151包括波导143，波导143指向模边145，模边145中可以有边缘耦合155，边缘耦合155与可以传输光的装置连接。

图2E包括内纳米活性阵列142、波导143或外纳米活性阵列144。在本例中，波导143转向芯片边缘145和边缘耦合155。边缘耦合155可以将光引导到或通过波导143或可添加在半导体芯片131的侧壁或其他位置上的外部装置。

参考图2D或图2E，边缘耦合155或波导光栅153可以接收来自激光或其他光源的光。所述结构定向到模具边缘，并用于光输入和检测器输出的对接耦合。

在一个实施例中，在波导光栅153处可以有输入光源，在波导光栅157处可以有光的输出。对通过波导143通道的光的变化进行分析可以帮助确定半导体芯片131的条件，例如测试裂纹扩展、电连续性和湿度等。这种分析可以基于定期发生的内置自检。

Meta指出，与具有多个过孔、多个金属衬垫和基于光刻的传统结构相比，发明描述的纳米光子结构允许更简单的电路和结构。

另外，传统的止裂材料的考虑可能是基于减少或消除热膨胀系数CTE不匹配。每种材料在一定温度下都有一定的膨胀量CTE，例如铜具有第一CTE值，硅具有第二CTE值。CTE不匹配可能是一个重要的问题，因为它可能导致半导体芯片内部的固有残余应力101。

因此，需要考虑尽可能减少这种不匹配。Meta描述的纳米光子设计同时可以解决CTE不匹配问题，特别是对于通常受CTE不匹配显著影响的半导体芯片101的角落或边缘。这是由于发明描述的材料可以在介电材料附近或附近具有CTE，因此可以更容易地管理CTE不匹配。

另外，Meta描述的纳米光子设计允许使用传统的半导体器件制造工艺或器件，例如用于半导体图案化的标准光刻工艺或器件。

图3示出了由与纳米光子半导体设计相关联的电子设备执行的示例性方法。

在步骤202中，光可以以第一频率或第一波长引导到半导体芯片131的波导143中。

在步骤204中，与第一频率或第一波长相比，可以检测到光在波导光栅157处存在时光频率或光波长的变化。

在步骤206，将步骤204的改变与预定阈值进行比较。

在步骤208，基于步骤206的比较，可以确定半导体芯片131的状况。

在步骤210，可以发送关于半导体芯片131的状况的指示。这种情况可能与裂纹扩展或电连续性等因素有关。

在步骤212，基于步骤210的指示，可以改变半导体芯片131的使用，例如限制电源，关闭半导体芯片131。这种方法可以是迭代的，可以不断地比较光线的变化。

图4示出用于创建使用光子学的半导体芯片的示例性方法，例如发明描述的纳米光子设计。

在步骤222中，在半导体晶圆上创建内部裂纹止点。内部裂纹止点可以是交错沟槽的内部纳米空腔阵列142。裂纹止点可通过在切屑边缘附近的切割通道中产生介电层厚度的不连续来形成。这种不连续性可能导致介电层厚度的增加或减少。止裂纹可以用低折射率的材料制成。

在步骤224中，在半导体芯片131上创建外部裂纹止点。外裂纹止点可以是交错沟槽的外纳米空腔阵列144。所述外裂纹止点可可由具有低折射率的材料制成。

在步骤226中，在内部裂纹止点和外部裂纹止点之间创建波导143。与所述部裂纹止点和外部裂纹止点材料相比，波导143可由折射率相对较高的材料制成。

在步骤228中，在波导143放置一个耦合连接。所述耦合连接可以是波导光栅153或边缘耦合155，并且可以用于向波导143注入光或从波导143接收光。

传统的止裂方法是采用光刻或激光超声技术在基板上嵌入抗裂导电和聚合物层。纳米光子半导体设计可以使用高折射率材料夹在低折射率材料中，从而可以创建作为光波导的结构。低折射率和高折射率的结合确保了光在具有高折射率的材料中大量传播。根据设计，可以将高折射率材料设置到半导体中以充当通道，这与传统的半导体设计不同。

止裂材料的选择可以显著减少常规设计中观察到的CTE不匹配，减少可靠性故障。波导周围的通气孔可以容纳光，并可以阻止裂纹的传播。通过波导的光使BIST内置自检能够验证芯片的完整性。