CN102116901A - 具有阶梯状v型槽结构的硅基光学基板及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板及其制作方法。该硅基光学基板由制作于单晶硅片上的具有不同宽度和深度的V型槽级连在一起构成的，该些V型槽通过一次各向异性湿法腐蚀完成，在光轴方向上严格准直并在对接处形成台阶结构。本发明的优点是便于实现在具有不同轴向尺寸的光学元件之间形成精密的对准定位和可靠的固定安装，且其制作方法简便，成本低廉。

Description

具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板及其制作方法。

背景技术

光纤通信技术是现代面向大容量、长距离、宽带宽的主流通信技术之一。它的传输媒质是光纤，通过光纤将信号传递到各个终端实现信息的传递。因此，一个光学组件或模块其内部各个光学器件之间的光信号耦合效率高低就成为了制约其性能和成本的重要因素。其中利用V型槽的定位固定功能，可以实现光学元器件在轴向上的精密对准。由于硅晶体本身在(111)晶向上具有自截止的腐蚀现象，使得在硅基片上通过各向异性湿法腐蚀形成的V型槽具有成型精确、制作简便的优点。所以，具有V型槽结构的硅基光学基板广泛的应用在光纤连接器、光纤与激光器、光波导、光栅等的耦合封装过程中。其主要作用是为光学元器件的精密安装提供载体，是许多光学组件中的基础组成部件。

随着光通信技术对高性能光学模块和组件性能要求的越来越高，需要精密定位的元器件已经不仅仅是光纤本身，这还包括越来越多的微型光透镜、光隔离器等。由于这些器件不同，标准不同，其外形很难保证在轴向上具有完全相同的尺寸。所以，在利用单一尺寸的V型槽基板安装固定时，由于器件形成的高度差使得对准光轴不再在同一个轴线上，这样V型槽基板制作方便、定位精确的优势将难以发挥。而即使单就光纤本身来说，因为越来越多的拉锥和楔形光纤在实际生产和生活中进行应用，同一根光纤本身在轴向上的尺寸也在发生着变化。这样在安装和固定时，单一尺寸的V型槽基板将不能在光纤的整个轴向上提供稳定的支撑，可靠性和稳定性势必受到影响，给实际的使用带来不便。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于克服这种因为轴向尺寸不同所引发的问题，提供一种具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板及其制作方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，该硅基光学基板由制作于单晶硅片上的具有不同宽度和深度的V型槽级连在一起构成的，该些V型槽通过一次各向异性湿法腐蚀完成，在光轴方向上严格准直并在对接处形成台阶结构。

上述方案中，所述V型槽不同的腐蚀深度是通过设计不同宽度的腐蚀窗口经各向异性的湿法腐蚀实现的。

上述方案中，所述V型槽在对接处有腐蚀隔离台面，腐蚀隔离台面用于对V型槽连接界面进行保护，腐蚀采用各向异性的湿法腐蚀，在腐蚀过程中通过控制腐蚀时间去除隔离台面，实现不同深度V型槽的贯通。

上述方案中，所述各向异性的湿法腐蚀是通过一次光刻一次腐蚀实现的。

上述方案中，所述V型槽在对接处形成的台阶结构是由两个或多个V型槽级连而成的。

上述方案中，该阶梯状V型槽结构是在一个硅基平台上制备成一维线阵列，形成具有阵列结构的阶梯状V型槽基板。

上述方案中，将具有相同结构的两块硅基光学基板倒扣安装在一起，形成具有上、下基板的固定结构。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板的方法，该方法包括：

选用(100)晶向单晶硅片作为腐蚀衬底，在正反两面生长氮化硅作为腐蚀阻挡层；

利用光刻版在腐蚀衬底上定义出所需要的腐蚀窗口；

利用干法或湿法刻蚀技术去除腐蚀窗口处的氮化硅阻挡层；

采用质量百分比浓度为50％的KOH水溶液，在70°水浴中进行静置腐蚀。

上述方案中，对于30度拉锥光纤，在利用光刻版在腐蚀衬底上定义出所需要的腐蚀窗口的步骤中，深槽宽度W1＝146μm，浅槽宽度W2＝70μm，隔离台面宽度G＝2μm。

上述方案中，所述采用质量百分比浓度为50％的KOH水溶液，在70°水浴中进行静置腐蚀，具体包括：当腐蚀进行了4小时后，浅槽已经腐蚀到底，但窗口宽度还没有达到所需的74μm，深槽腐蚀过半，隔离台面行将穿透，再继续腐蚀直至腐蚀结束，此时浅槽展宽达到设计需要的74μm，深槽腐蚀见底，隔离台面被穿透并被腐蚀下去，这样具有阶梯状的V型槽基板就制作完成。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下技术效果：

1、本发明提供的这种具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板及其制作方法，相对于普通单一尺寸的V型槽基板是在没有增加工艺步骤，也没有提高工艺难度的条件下制作完成的，因而它具有普通V型槽基板的所有优点。

2、采用本方法制作出的V型槽结构，在不同腐蚀深度上具备灵活的选择性，所以更加适合实际使用的需要。同时全部制作过程只需要通过一次光刻、一次腐蚀。这与单一尺寸的V型槽基板制作工艺相比，只是在光刻版图设计上略加变换，增加了腐蚀隔离台面，没有增加任何附加成本。所以采用本发明制作出的V型槽基板是在不增加任何额外成本的前提下完成的，大大拓宽了V型槽基板的实际应用范围。

附图说明

图1是单晶硅片各向异性腐蚀示意图；

图2是出光点高度与V型槽宽度关系示意图；

图3是阶梯状V型槽光刻掩模版图示意图；

图4是腐蚀过程中阶梯状V型槽的剖面示意图；

图5是腐蚀结束时台阶状V型槽的剖面示意图；

图6是阶梯状V型槽基板结构示意图；

图7是阶梯状V型槽基板应用示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明首先设计制造出具有不同宽度的腐蚀窗口，然后在腐蚀过程中形成具有不同深度的V型槽结构。在不同宽度的V型槽腐蚀窗口对接处设计适当尺寸的腐蚀隔离台面。设计腐蚀隔离台面的目的是保护对接处的V型槽形貌免受破坏。这是因为硅(111)晶面具有腐蚀自截止现象，而其它晶面腐蚀速度则相对较快，在不同腐蚀窗口对接处，存在着腐蚀凸角，在腐蚀过程中凸角部分因为没有晶向限制，将很快被破坏掉并且随着腐蚀时间的增加形貌破坏加剧。

腐蚀隔离台面设计规则是根据腐蚀速率和腐蚀结构需要，在腐蚀的恰当时间，使隔离台面被侧向腐蚀穿透并在剩余的腐蚀时间里被纵向腐蚀掉，这样具有不同高度的两个或是多个V型槽将被打通，因而在同一次腐蚀过程中形成了贯通的具有阶梯形状V型槽结构的硅基基板。

本发明提供的这种具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，由制作于单晶硅片上的具有不同宽度和深度的V型槽级连在一起构成的，该些V型槽通过一次各向异性湿法腐蚀完成，在光轴方向上严格准直并在对接处形成台阶结构。

V型槽不同的腐蚀深度是通过设计不同宽度的腐蚀窗口经各向异性的湿法腐蚀实现的。V型槽在对接处有腐蚀隔离台面，腐蚀隔离台面用于对V型槽连接界面进行保护，腐蚀采用各向异性的湿法腐蚀，在腐蚀过程中通过控制腐蚀时间去除隔离台面，实现不同深度V型槽的贯通。各向异性的湿法腐蚀是通过一次光刻一次腐蚀实现的。V型槽在对接处形成的台阶结构是由两个或多个V型槽级连而成的。

该阶梯状V型槽可以在一个硅基平台上制备成一维线阵列，形成具有阵列结构的阶梯状V型槽基板。将具有相同结构的两块硅基光学基板倒扣安装在一起，形成具有上、下基板的固定结构。

本发明提供了这种制作具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板的方法，该方法包括：

选用(100)晶向单晶硅片作为腐蚀衬底，在正反两面生长氮化硅作为腐蚀阻挡层；

利用光刻版在腐蚀衬底上定义出所需要的腐蚀窗口；

利用干法或湿法刻蚀技术去除腐蚀窗口处的氮化硅阻挡层；

采用质量百分比浓度为50％的KOH水溶液，在70°水浴中进行静置腐蚀。

下面结合附图进一步详细阐述本发明提供的这种制作具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板的方法。

步骤一：各向腐蚀速率的确定

碱性溶液对单晶硅片具有各向异性的腐蚀速率，即由于各种晶面上原子排列密度不同导致了硅单晶在(100)、(110)、(111)三个主晶向以及其它晶向上具有不同的腐蚀速率。其中(100)晶向最快，(111)晶向最慢。如图1所示：选用(100)晶向的单晶硅衬底101，沿垂直于主定位边方向开腐蚀窗口103，以氮化硅做腐蚀掩模102，进行各向异性的湿法腐蚀。经腐蚀后，硅衬底101上将形成V型槽104结构，其侧壁与底面夹角

 105为54.7°。其中不同的腐蚀溶液配比和腐蚀时温度的选择会对腐蚀速率造成一定的影响。本发明采用了质量百分比浓度为50％的KOH水溶液作为腐蚀液，采用(100)晶向的单晶硅片做腐蚀衬底，在70°水浴中静置腐蚀。经测定腐蚀速率为：(100)晶向即纵向腐蚀速率约为16μm/h，(111)晶向即侧向腐蚀速率约为0.25μm/h。

步骤二：腐蚀深度和腐蚀窗口宽度的确定：

以安放30度拉锥光纤为例进行说明，普通单模裸光纤直径约为125μm，拉锥角度30度，这意味在光纤端头有长约233μm的渐变段。为了减少光纤固定后端头的抖动，我们选择在光纤渐变段中部增加一个支撑点，即要在V型槽基板上形成一个台阶结构。如图2所示，出光点高度即光轴露出基板高度201与V型槽开口宽度202满足如下关系：

H＝R/cos54.7-(W*tan54.7)/2

其中：H是出光点高度，R是器件半径，W是腐蚀槽宽度，当H是正值时出光点在基板上侧，当H是负值时出光点在基板下侧。

如果选择出光点高度H为2μm，则可以计算出，用于固定光纤整体部分的V型槽宽度即深槽宽度约为150μm，用于提供光纤渐变段支撑的V型槽宽度即浅槽宽度约为74μm。由三角函数推知它们对应的V型槽腐蚀深度分别为106μm和52μm，根据纵向腐蚀速率16μm/h，完成两个槽的腐蚀时间约为6.6小时和3.25小时。因为存在晶向上的限制浅槽在达到腐蚀深度后，即形成所需V型槽结构后其深度将基本不在变化。考虑侧向腐蚀速率0.25μm/h，则经过6.6小时的腐蚀后腐蚀窗口将会展宽约3.3μm，再结合实际的容差需要，实际腐蚀窗口版图设计如图3所示，其中深槽所需腐蚀窗口303宽度W1＝146μm，浅槽所需腐蚀窗口301宽度W2＝70μm。

步骤三：腐蚀隔离台面宽度的确定：

不同宽度的腐蚀窗口如果直接级连在一起将会在连接处失去对腐蚀晶向的限制，造成V型槽结构的不规则和变形，随着腐蚀时间的增加这种变形将会不断加剧，乃至不能满足设计所需的结构要求。因此在不同腐蚀窗口之间需要增加腐蚀隔离台面，用来增加对腐蚀晶向的限制，减少对V型槽结构的破坏。这是实现台阶状V型槽基板结构的关键。隔离台面的宽度由侧向腐蚀速率、纵向腐蚀速率和V型槽深度共同决定。还以上述30度拉锥光纤为例，深槽303和浅槽301对应的腐蚀深度为分别为106μm和52μm。根据纵向腐蚀速率16μm/h，则52μm的深度需要3.25小时，而整个腐蚀时间由深槽决定需要6.6小时，即在这相差的3.35个小时内需要隔离台面提供腐蚀保护，减少由于其它晶向上腐蚀对设计图形的破坏。而根据侧向腐蚀速率0.25μm/h，可以计算出在3.35小时内侧向腐蚀将要吃进的宽度为1.675μm，在实际设计时，如图3所示，我们将腐蚀隔离台面302的宽度G定为2μm。

步骤四：台阶状V型槽基板的制作：

1、选用(100)晶向单晶硅片101做为腐蚀衬底，在正反两面生长氮化硅作为腐蚀阻挡层102。

2、利用如图3所示的光刻版在硅衬底101上定义出所需要的腐蚀窗口，光刻版上的特征尺寸可由上述三个步骤中计算得出。结合30度拉锥光纤实例，即深槽宽度W1＝146μm，浅槽宽度W2＝70μm，隔离台面宽度G＝2μm。

3、利用干法或湿法刻蚀技术去除腐蚀窗口处的氮化硅阻挡层102。

4、用质量百分比浓度为50％的KOH水溶液，在70°水浴中进行静置腐蚀。当腐蚀进行了约4小时后出现如图4所示的腐蚀剖面形貌，此时浅槽401已经腐蚀到底，但窗口宽度还没有达到所需的74μm，深槽403腐蚀过半，隔离台面402行将穿透，404是腐蚀掩模氮化硅。再继续腐蚀直至腐蚀结束，出现如图5所示的腐蚀剖面形貌，此时浅槽501展宽达到设计需要的74μm，深槽503腐蚀见底，隔离台面502被穿透并被腐蚀下去，504是腐蚀掩模氮化硅，这样具有阶梯状的V型槽基板就制作完成，其效果如图6所示，601是阶梯状V型槽硅基基板，602是拉锥光纤，603是光轴。

5、根据需要可选择保留或是去除腐蚀掩模氮化硅。

步骤五：如果需要进一步提高安装的可靠性和稳定性，可以将一块与上述同样结构的阶梯状V型槽基板倒扣安装在上述基板上，形成一个上固定基板，如图6所示。

图7给出了一种阶梯状V型槽基板的应用示意图，这是一个在长距离光信号传输中典型的光组件结构，其中701是一级透镜，702是隔离器，703是二级透镜，704是单模光纤，705是阶梯状V型槽硅基基板，706是主光轴。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，其特征在于，该硅基光学基板由制作于单晶硅片上的具有不同宽度和深度的V型槽级连在一起构成的，该些V型槽通过一次各向异性湿法腐蚀完成，在光轴方向上严格准直并在对接处形成台阶结构。

2.根据权利要求1所述的具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，其特征在于，所述V型槽不同的腐蚀深度是通过设计不同宽度的腐蚀窗口经各向异性的湿法腐蚀实现的。

3.根据权利要求1所述的具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，其特征在于，所述V型槽在对接处有腐蚀隔离台面，腐蚀隔离台面用于对V型槽连接界面进行保护，腐蚀采用各向异性的湿法腐蚀，在腐蚀过程中通过控制腐蚀时间去除隔离台面，实现不同深度V型槽的贯通。

4.根据权利要求2或3所述的具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，其特征在于，所述各向异性的湿法腐蚀是通过一次光刻一次腐蚀实现的。

5.根据权利要求1所述的具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，其特征在于，所述V型槽在对接处形成的台阶结构是由两个或多个V型槽级连而成的。

6.根据权利要求1所述的具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，其特征在于，该阶梯状V形槽结构是在一个硅基平台上制备成一维线阵列，形成具有阵列结构的阶梯状V型槽基板。

7.根据权利要求1所述的具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板，其特征在于，将具有相同结构的两块硅基光学基板倒扣安装在一起，形成具有上、下基板的固定结构。

8.一种制作具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板的方法，其特征在于，该方法包括：

选用(100)晶向单晶硅片作为腐蚀衬底，在正反两面生长氮化硅作为腐蚀阻挡层；

利用光刻版在腐蚀衬底上定义出所需要的腐蚀窗口；

利用干法或湿法刻蚀技术去除腐蚀窗口处的氮化硅阻挡层；

采用质量百分比浓度为50％的KOH水溶液，在70°水浴中进行静置腐蚀。

9.根据权利要求8所述的制作具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板的方法，其特征在于，对于30度拉锥光纤，在利用光刻版在腐蚀衬底上定义出所需要的腐蚀窗口的步骤中，深槽宽度W1＝146μm，浅槽宽度W2＝70μm，隔离台面宽度G＝2μm。

10.根据权利要求8所述的制作具有阶梯状V型槽结构的硅基光学基板的方法，其特征在于，所述采用质量百分比浓度为50％的KOH水溶液，在70°水浴中进行静置腐蚀，具体包括：

当腐蚀进行了4小时后，浅槽已经腐蚀到底，但窗口宽度还没有达到所需的74μm，深槽腐蚀过半，隔离台面行将穿透，再继续腐蚀直至腐蚀结束，此时浅槽展宽达到设计需要的74μm，深槽腐蚀见底，隔离台面被穿透并被腐蚀下去，这样具有阶梯状的V型槽基板就制作完成。

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