CN100399080C - 金属基微机械光纤定位夹的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种属于光学技术领域的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，本发明在单晶硅片上开出光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，采用平面掩膜微电铸工艺，在光纤定位槽掩膜窗口及光纤定位槽掩膜窗口两侧的上方制备金属基微机械光纤定位夹，定位夹的底面紧贴光纤定位槽掩膜窗口和光纤定位槽掩膜所在平面，然后再采用单晶硅湿法各向异性刻蚀工艺加工出光纤定位槽，构成光纤定位夹的金属层在湿法刻蚀后保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉，使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位槽表面。本发明制备成本低，高性能，降低光纤耦合过程的难度，为集成光学器件的大批量生产、应用提供可行的技术途径。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种定位夹的制备方法，特别是一种金属基微机械光纤定位夹的制备方法，属于光学技术领域。
背景技术
目前，被动定位(passive alignment)技术已成为集成光学器件制备中降低封装成本最为关键的技术之一。其主要思想是利用单晶硅上制备的V型槽实现光纤与光纤，光纤与激光二极管管芯等部件的精确对准。目前，如何在完成对准后将光纤固定在V型槽内是亟待解决的一大难题，现有工艺主要采用胶粘或金属化封装，前者由于胶水在固化过程中会发生蠕变，或者由于热膨胀系数的不同的原因，使光纤在固化的过程中偏离初始对准位置，使得耦合效率有可能远低于初始值。而后者则需要对耦合的光纤做金属化处理，且需要激光点焊机专用处理设备，大大增加了封装成本。为了解决上述问题，人们开始考虑利用近年来出现的微电子机械系统的原理与方法。
经对现有技术的文献检索发现，Carola Strandman等人在《JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS》(微电子机械系统学报)VOL.6，NO.1，MARCH1997，pp35~40上撰文“Bulk Silicon Holding Structures for Mounting of OpticalFibers in V-Grooves(将光纤安装在V型槽内的体硅固定结构)”，该文介绍了一种利用电化学腐蚀方法制备微机械光纤定位夹：在n型硅片上，利用离子注入或扩散方法形成光伏效应PN结，再在硅片背面生长铂金属层，以便利用光照下产生的电势差，实现硅片上的选择性湿法刻蚀，加工出所要求的光纤定位夹微结构。其不足之处是：硅材料经过掺杂处理后，韧性明显降低、脆性大大增加，所构成的光纤定位夹难以满足封装工艺的可靠性要求，且需要涉及多道离子注入或扩散半导体工序，制备工艺较为复杂，加工成本较高、且光纤定位夹的制备会降低V型槽的对准精度、因此目前还不能满足单模光纤对准的要求，而只能用于多模光纤的对准。在实用化方面还存在较大困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种金属基微机械光纤定位夹的制备方法，使其基于掩膜平面微电铸工艺和单晶硅的非电化学湿法刻蚀工艺来制备低成本、高性能的金属基微机械光纤定位夹，以降低光纤耦合过程的难度，为集成光学器件的大批量生产、应用提供可行的技术途径。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在单晶硅片上开出光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，采用平面掩膜微电铸工艺，在光纤定位槽掩膜窗口及光纤定位槽掩膜窗口两侧的上方制备金属基微机械光纤定位夹，定位夹的底面紧贴光纤定位槽掩膜窗口和光纤定位槽掩膜所在平面，然后再采用单晶硅湿法各向异性刻蚀工艺加工出光纤定位槽，构成光纤定位夹的金属层在湿法刻蚀后保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉，使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位槽表面。
本发明具体步骤如下：
1.在单晶硅片上开出加工光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，在硅片表面溅射铬铜或坡莫合金或钛铜种子层。
2.在溅射了金属种子层的硅片上旋涂上一层光刻胶，经过光刻，从而在光纤定位槽掩膜窗口及光纤定位槽掩膜窗口两侧的上方形成电铸光纤定位夹的掩膜窗口。
3.在光刻胶构成的掩膜窗口中电铸金属镍或铜或坡莫合金，从而构成金属基光纤定位夹。
4.将硅片置入分析纯丙酮中超声去胶，用腐蚀液或溅射刻蚀方法去除硅片表面的种子层。从而使加工光纤定位槽的掩膜窗口暴露出来，而步骤3中电铸的金属基光纤定位夹仍然保留。
5.将除去种子层的硅片放入氢氧化钾溶液中，将掩膜窗口中暴露出的单晶硅沿<111>晶面腐蚀掉，构成光纤定位夹的电铸金属层在湿法刻蚀后仍能够保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉，从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位槽表面。
所述的步骤1中的溅射，其工艺条件为：本底真空2×10-4帕～4×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压5×10-1帕～8×10-1帕，功率500～700瓦，种子层厚度90～120纳米。
所述的光刻胶，其厚度10微米至25微米。
所述的光刻，其曝光功率12毫焦/平方厘米，曝光时间80秒至250秒。
所述的电铸，其厚度为5微米至20微米。
所述的电铸，其电流密度为0.1～2安培每平方分米，电解液的酸碱度为3.2～4.2。
所述的电铸，是指如使用电铸镍，其电解液每升含氨基磺酸镍270～330克，硼酸30至45克，氯化镍湿润剂15至30克；如使用电铸铜，其电解液中每升含150克硫酸铜、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖；如使用电铸坡莫合金，其电解液每升含硫酸镍180克、氯化镍40克、氯化纳20克、硼酸50克、硫酸亚铁38克、柠檬酸钠15克、苯亚磺酸钠0.3克、十二烷基硫酸钠0.1克。
所述的步骤4中的溅射，其工艺条件为：本底真空为1.4×10-4帕，氩气流量为70立方厘米每秒，溅射功率为500瓦。
所述的步骤4中的腐蚀液，是指如使用铬腐蚀液，为1000毫升的去离子水中加42毫升浓度为70％的高氯酸再加165克硝酸铈铵；如使用铜腐蚀液，为10％的三氯化铁溶液；如使用钛腐蚀液，组成及其体积百分比：水∶溶度为30％的双氧水∶溶度为49％的氢氟酸为20∶1∶1；如使用坡莫合金腐蚀液，为溶度为15％的稀盐酸。
所述的氢氧化钾溶液，其浓度为44％，温度为80摄氏度。
本发明的工作原理是：步骤1中，所溅射的种子层一方面可以增加随后旋涂上的光刻胶或电铸的金属与硅片的附着力，另一方面可以作为电铸过程中的导电层，常用铬铜、坡莫合金，钛铜作为制备种子层的材料。步骤2中，光刻工艺结束后所构成的掩膜窗口，其底部为暴露出来的种子层，侧壁为没有显影掉的光刻胶，在电铸过程中，金属只电铸在暴露出的种子层表面，从而实现金属在硅片表面的选择性电铸。改变掩膜窗口的平面图案，就可以改变所制备的光纤定位夹的平面图案。由于采用光刻法制备微电铸光纤定位夹的掩膜，很容易将光纤定位夹与光纤定位槽的对准精度及光纤定位夹的成型精度控制在微米量级。步骤3中所采用的电铸工艺与电镀工艺的区别在于，电镀的微结构的深宽比远小于1，而电铸所制备的微结构较大，最高达20∶1。目前电铸金属选择镍、铜、坡莫合金，因为这些金属很难和硅湿法腐蚀液发生化学反应。而电铸金属的厚度取决于金属的弹性模量和所需要产生的夹紧力，金属弹性模量越大、需要的夹紧力越小，则电铸金属的厚度越小。由于本发明中所电铸的金属很薄，电铸引起的内应力很小，采用标准的电铸工艺即可完成。步骤4中可以根据所采用的种子层的材料选购对应的腐蚀液。因为构成光纤定位夹的金属层厚度远大于种子层的厚度，因此即使采用腐蚀液去除种子层，对构成光纤夹的金属层影响也很小。溅射刻蚀方法由于是物理刻蚀，加工精度优于采用腐蚀液的方法，但因为要使用溅射机，不如采用腐蚀液的方法简便易行。步骤5中，因为构成光纤定位夹的金属材料对硅湿法腐蚀液不敏感，在湿法刻蚀硅片后仍能够保留下来。光纤定位夹虽然覆盖在光纤定位槽掩膜窗口中一部分暴露出的硅片上方，但由于光纤定位夹的平面图案为人字形或三角形或梯形或平行四边形这些带有凸角的结构，根据单晶硅的各向异性湿法刻蚀特性，与111晶面相邻的凸角处会出现其他高腐蚀速率的晶面，因而使光纤定位夹的凸角结构下的硅受到钻蚀，因此光纤定位夹下方的单晶硅仍然能被掏蚀掉，从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位槽表面。
本发明的有益效果是：首先本发明对加工条件的要求较低。由于采用掩膜微电铸方法制备光纤定位夹微结构，只需要光刻、溅射、电铸、湿法刻蚀这些基本的平面微加工设备即可完成、不需要复杂、昂贵的扩散或离子注入设备。其次本发明的实施步骤与现有的硅基光纤定位槽加工工艺兼容性好，只需要在现有工艺的实施过程中插入步骤1、2，3、4即可，不需对现有硅基光纤定位槽加工工艺作大的调整和改动。再次，由于采用金属制备光纤定位夹，与掺杂硅与氮化硅相比，具有弹性模量大、脆性低、韧性高的优点，更符合集成光学器件对可靠性的要求。最后，由于本发明中采用的微电铸方法所引起的内应力远小于采用氮化硅或掺杂硅方案，由应力释放导致的变形极小，因此加工难度远低于采用氮化硅或掺杂硅的方案。
具体实施方式
实施例1
1.《100》晶向的单晶硅片上沿《110》晶向开出光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，在硅片表面用溅射的方法先沉积一层厚度为10纳米的铬、再沉积一层80纳米的铜从而构成种子层。溅射工艺条件为：本底真空4×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压5×10-1帕，功率500瓦。
2.在溅射了种子层的硅片上旋涂上一层光刻胶，其厚度为25微米。经过光刻，曝光功率12毫焦/平方厘米，曝光时间250秒，从而在光纤定位槽上方形成含人字形图案的窗口，作为随后电铸光纤定位夹的模具。
3.在光刻胶构成的模具中电铸12微米的金属镍，从而构成金属基光纤定位夹的微结构。所使用的电铸镍的电解液每升含氨基磺酸镍270克，硼酸30克，氯化镍湿润剂15克，电解液的酸碱度为3.2，电流密度2安培每平方分米。
4.电铸结束后，将硅片浸入分析纯丙酮中利用超声波去胶，用铬、铜腐蚀液去除硅片表面的种子层。从而使加工光纤定位槽的掩膜窗口暴露出来，而步骤3中电铸的金属基光纤定位夹微结构仍然保留。铬腐蚀液为1000毫升的去离子水中加42毫升浓度为70％的高氯酸再加165克硝酸铈铵，铜腐蚀液为10％的三氯化铁溶液。
5.将除去种子层的硅片放入溶度为44％，温度为80摄氏度的氢氧化钾溶液中，利用硅的湿法各向异性腐蚀特性，将掩膜窗口中暴露出的单晶硅沿《111》晶面腐蚀掉。构成光纤定位夹的电铸金属层在湿法刻蚀后仍能够保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉。从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位V型槽表面。
实施例2
1.《110》晶向的单晶硅片上沿着与切边参考面平行的《111》晶向开出光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，在硅片表面用溅射的方法先沉积一层厚度为10纳米的钛、再沉积一层90纳米的铜从而构成种子层。溅射工艺条件为：本底真空3×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压6×10-1帕，功率600瓦。
2.在溅射了种子层的硅片上旋涂上一层光刻胶，其厚度为25微米。经过光刻，曝光功率12毫焦/平方厘米，曝光时间250秒，从而在光纤定位槽上方形成含三角形图案的窗口，作为随后电铸光纤定位夹的模具。
3.在光刻胶构成的模具中电铸20微米的金属铜，从而构成金属基光纤定位夹的微结构。电铸铜的电解液中每升含150克硫酸铜、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖，电流密度为0.1安培每平方分米。
4.电铸结束后，将硅片浸入分析纯丙酮中利用超声波去胶，用钛、铜腐蚀液去除硅片表面的种子层。从而使加工光纤定位槽的掩膜窗口暴露出来，而步骤3中电铸的金属基光纤定位夹微结构仍然保留。铜腐蚀液为10％的三氯化铁溶液。钛腐蚀液为(水∶溶度为30％的双氧水∶溶度为49％的氢氟酸为20∶1∶1，体积百分比)。
5.将除去种子层的硅片放入溶度为44％，温度为80摄氏度的氢氧化钾溶液中，利用硅的湿法各向异性腐蚀特性，将掩膜窗口中暴露出的单晶硅沿《111》晶面腐蚀掉。构成光纤定位夹的电铸金属层在湿法刻蚀后仍能够保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉。从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位矩型槽表面。
实施例3
1.《100》晶向的单晶硅片上沿《110》晶向开出光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，在硅片表面用溅射的方法先沉积一层厚度为120纳米的坡莫合金从而构成种子层。溅射工艺条件为：本底真空2×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压8×10-2帕，功率700瓦。
2.在溅射了种子层的硅片上旋涂上一层光刻胶，其厚度为15微米。经过光刻，曝光功率12毫焦/平方厘米，曝光时间130秒，从而在光纤定位槽上方形成含平行四边形图案的窗口，作为随后电铸光纤定位夹的模具。
3.在光刻胶构成的模具中电铸10微米的坡莫合金，从而构成金属基光纤定位夹的微结构。电铸坡莫合金的电解液每升含硫酸镍180克、氯化镍40克、氯化纳20克、硼酸50克、硫酸亚铁38克、柠檬酸钠15克、苯亚磺酸钠0.3克、十二烷基硫酸钠0.1克，酸碱度为3.9，电流密度为1安培每平方分米。
4.电铸结束后，将硅片浸入分析纯丙酮中利用超声波去胶，用溶度为15％的稀盐酸去除硅片表面的坡莫合金种子层。从而使加工光纤定位槽的掩膜窗口暴露出来，而步骤3中电铸的金属基光纤定位夹微结构仍然保留。
5.将除去种子层的硅片放入溶度为44％，温度为80摄氏度的氢氧化钾溶液中，利用硅的湿法各向异性腐蚀特性，将掩膜窗口中暴露出的单晶硅沿《111》晶面腐蚀掉。构成光纤定位夹的电铸金属层在湿法刻蚀后仍能够保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉。从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位V型槽表面。
实施例4
1.《110》晶向的单晶硅片上沿与切边参考面夹角为54.7度的《111》晶向开出光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，在硅片表面用溅射的方法先沉积一层厚度100纳米的坡莫合金从而构成种子层。溅射工艺条件为：本底真空2×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压8×10-1帕，功率700瓦。
2.在溅射了种子层的硅片上旋涂上一层光刻胶，其厚度为10微米。经过光刻，曝光功率12毫焦/平方厘米，曝光时间80秒，从而在光纤定位槽上方形成含梯形图案的窗口，作为随后电铸光纤定位夹的模具。
3.在光刻胶构成的模具中电铸5微米的镍，从而构成金属基光纤定位夹的微结构。所使用的电铸镍的电解液每升含氨基磺酸镍330克，硼酸45克，氯化镍湿润剂30克。电解液的酸碱度为4.2，电流密度1.5安培每平方分米。
4.电铸结束后，将硅片浸入分析纯丙酮中利用超声波去胶，用溅射刻蚀方法去除硅片表面的种子层。从而使加工光纤定位槽的掩膜窗口暴露出来，而步骤3中电铸的金属基光纤定位夹微结构仍然保留。溅射刻蚀的本底真空为1.4×10-4帕，氩气流量为70立方厘米每秒，溅射功率为500瓦。
5.将除去种子层的硅片放入溶度为44％，温度为80摄氏度的氢氧化钾溶液中，利用硅的湿法各向异性腐蚀特性，将掩膜窗口中暴露出的单晶硅沿《111》晶面腐蚀掉。构成光纤定位夹的电铸金属层在湿法刻蚀后仍能够保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉。从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位V型槽表面。
实施例5
1.《100》晶向的单晶硅片上沿《110》晶向开出光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，在硅片表面用溅射的方法先沉积一层厚度为10纳米的铬、再沉积一层80纳米的铜从而构成种子层。溅射工艺条件为：本底真空4×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压5×10-1帕，功率500瓦。
2.在溅射了种子层的硅片上旋涂上一层光刻胶，其厚度为10微米。经过光刻，曝光功率12毫焦/平方厘米，曝光时间80秒，从而在光纤定位槽上方形成三角形图案的窗口，作为随后电铸光纤定位夹的模具。
3.在光刻胶构成的模具中电铸8微米的镍，从而构成金属基光纤定位夹的微结构。所使用的电铸镍的电解液每升含氨基磺酸镍300克，硼酸40克，氯化镍湿润剂20克。电解液的酸碱度为3.7，电流密度1安培每平方分米。
4.电铸结束后，将硅片浸入分析纯丙酮中利用超声波去胶，用溅射刻蚀方法去除硅片表面的种子层。从而使加工光纤定位槽的掩膜窗口暴露出来，而步骤3中电铸的金属基光纤定位夹微结构仍然保留。溅射刻蚀的本底真空为1.4×10-4帕，氩气流量为70立方厘米每秒，溅射功率为500瓦。
5.将除去种子层的硅片放入溶度为44％，温度为80摄氏度的氢氧化钾溶液中，利用硅的湿法各向异性腐蚀特性，将掩膜窗口中暴露出的单晶硅沿《111》晶面腐蚀掉。构成光纤定位夹的电铸金属层在湿法刻蚀后仍能够保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉。从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位V型槽表面。
Claims (10)
1.一种金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在单晶硅片上开出加工光纤定位槽的湿法刻蚀掩膜窗口后，在硅片表面溅射铬铜或坡莫合金或钛铜种子层；
(2)在溅射了金属种子层的硅片上旋涂上一层光刻胶，经过光刻，从而在光纤定位槽掩膜窗口及光纤定位槽掩膜窗口两侧的上方形成电铸光纤定位夹的掩膜窗口；
(3)在光刻胶构成的掩膜窗口中电铸金属镍或铜或坡莫合金，从而构成金属基光纤定位夹；
(4)将硅片置入分析纯丙酮中超声去胶，用腐蚀液或溅射刻蚀方法去除硅片表面的种子层，从而使加工光纤定位槽的掩膜窗口暴露出来，而步骤3中电铸的金属基光纤定位夹仍然保留；
(5)将除去种子层的硅片放入氢氧化钾溶液中，将掩膜窗口中暴露出的单晶硅沿<111>晶面腐蚀掉，构成光纤定位夹的电铸金属层在湿法刻蚀后仍能够保留下来，光纤定位夹下方的单晶硅被掏蚀掉，从而使光纤定位夹悬空，在光纤定位夹下方形成光滑、连续的光纤定位槽表面。
2.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的步骤1中的溅射，其工艺条件为：本底真空2×10-4帕～4×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压5×10-1帕～8×10-1帕，功率500～700瓦，种子层厚度90～120纳米。
3.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的光刻胶，其厚度10微米至25微米。
4.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的光刻，其曝光功率12毫焦/平方厘米，曝光时间80秒至250秒。
5.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的电铸，其厚度为5微米至20微米。
6.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的电铸，其电流密度为0.1～2安培每平方分米，电解液的酸碱度为3.2～4.2。
7.根据权利要求1或6所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的电铸，是指如使用电铸镍，其电解液每升含氨基磺酸镍270～330克，硼酸30至45克，氯化镍湿润剂15至30克；如使用电铸铜，其电解液中每升含150克硫酸铜、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖；如使用电铸坡莫合金，其电解液每升含硫酸镍180克、氯化镍40克、氯化纳20克、硼酸50克、硫酸亚铁38克、柠檬酸钠15克、苯亚磺酸钠0.3克、十二烷基硫酸钠0.1克。
8.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的步骤4中的溅射，其工艺条件为：本底真空为1.4×10-4帕，氩气流量为70立方厘米每秒，溅射功率为500瓦。
9.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的步骤4中的腐蚀液，是指如使用铬腐蚀液，为1000毫升的去离子水中加42毫升浓度为70％的高氯酸再加165克硝酸铈铵；如使用铜腐蚀液，为10％的三氯化铁溶液；如使用钛腐蚀液，组成及其体积百分比：水∶溶度为30％的双氧水∶溶度为49％的氢氟酸为20∶1∶1；如使用坡莫合金腐蚀液，为溶度为15％的稀盐酸。
10.根据权利要求1所述的金属基微机械光纤定位夹的制备方法，其特征是，所述的氢氧化钾溶液，其浓度为44％，温度为80摄氏度。
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