CN102520482A - 使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法 - Google Patents

Abstract

一种使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，包括以下步骤：在基板上镀保护层；在保护层上涂布光刻胶；对光刻胶进行曝光；显影除去光刻胶中透光部分；除去保护层中不被光刻胶覆盖的部分；采用干法刻蚀工艺在基板上刻蚀U形槽；除去基板上残留的保护层，得到光纤阵列定位基板；在光纤阵列定位基板上排布光纤组成光纤带，封装得到光纤阵列。采用干法刻蚀工艺能够刻蚀出高精度的U形槽，利用U形槽定位光纤，提高了光纤的定位精度，大大减少了位移平均误差，制作的光纤阵列的精度达0.1微米，从而减小了光信号的损耗，提高了光信号的均匀性。

Description

使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法

【技术领域】

本发明涉及光纤阵列技术领域，特别是涉及一种使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法。

【背景技术】

随着光通信产业的复苏，光分路器的市场也日益火爆。平面光波导分路器(Plan Lightwave Circuit，PLC光分路器)是当今国内外研究的热点，具有很好的应用前景。PLC光分路器主要用在接入网无源光网络中，使中心局与多个用户相连，实现光纤到户。光纤阵列是PLC光分路器的核心组件，PLC光分路器的输出端采用光纤阵列的光纤带与PLC中每条输出光波导相互耦合。因此光纤阵列的光纤带的排列方式直接影响PLC光分路器的精度，进而影响光分路器耦合的差损，因此，光纤阵列的精度直接影响光分路器的质量。

目前，使用半导体工艺制作光纤阵列的关键技术方法通常有钻孔法、紧密排列法和V形槽定位法。采用钻孔法制作间距小的光纤阵列非常困难，且角发散问题也难以消除，光纤阵列精度低；紧密排列法的累积串长误差较大，一般达5.0微米，光纤阵列的精度较低；采用V形槽定位法制作多通道V形槽精度最高只能达1.0微米，仍然满足不了实际需求。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种精度较高的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法。

一种使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，包括以下步骤：

在基板上镀上保护层；

在所述保护层上涂布光刻胶；

对所述光刻胶进行曝光处理；

显影除去所述光刻胶中透光部分，将光纤阵列图像转移至所述光刻胶上；

除去所述保护层中不被所述光刻胶覆盖的部分；

采用干法刻蚀工艺刻蚀所述基板，在所述基板上刻蚀多个U形槽；

除去所述基板上残留的保护层，得到光纤阵列定位基板；

在所述光纤阵列定位基板上排布光纤组成光纤带，封装得到所述光纤阵列。

进一步地，在封装之前采用切片机切割所述光纤阵列定位基板成型，每个光纤定位基板可以切割成多个小光纤阵列定位基板。

进一步地，所述U形槽的深度为5～50微米。

进一步地，所述干法刻蚀工艺为等离子刻蚀法、反应离子刻蚀法、离子束刻蚀法或电感耦合等离子体刻蚀法。

进一步地，所述干法刻蚀工艺刻蚀过程中采用的刻蚀气体为CHF₃、SF₆、NF₃、PF₆、BF₃和CF₄中的一种或多种。

进一步地，所述光纤阵列的封装步骤进一步包括：

将光纤放入所述U形槽中组成光纤带后，将压盖板放置于所述光纤带上，在所述基板、所述压盖板及所述光纤带之间加入固化剂，使所述基板、所述压盖板及所述光纤带固定成型，其中所述光纤带的端部突出于所述基板端面和所述压盖板端面共同定义的平面；

对所述光纤带突出于所述基板端面和所述压盖板端面共同定义的平面的端面进行研磨，使所述光纤带的端面为倾角为45°的光学平面。

进一步地，所述固化剂为紫外固化胶或红外环氧胶。

进一步地，所述保护层为铬保护层，且通过真空镀膜或高温离子溅射法制作而成。

进一步地，所述除去所述保护层中不被光刻胶覆盖的部分和除去所述基板上残留的保护层的步骤均采用高氯酸和硝酸铈铵的混合液作为腐蚀液。

进一步地，所述基板为石英玻璃基板、硼硅玻璃基板或单晶硅基板。

上述使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，采用干法刻蚀工艺刻蚀U形槽，干法刻蚀工艺克服了传统湿法刻蚀工艺固有的各项同性，能够提高刻蚀精度，刻蚀出需要的高精度U形槽，利用U形槽定位光纤，提高了光纤的定位精度，大大减少了位移平均误差，制作的光纤阵列的精度达0.1微米，从而减小了光信号的损耗，提高了光信号的均匀性。

【附图说明】

图1为一实施方式的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法流程图；

图2为图1所示的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法示意图；

图3为图2所示的光纤与U形槽的位置关系图；

图4为图1所示的光纤阵列定位基板的结构示意；

图5为图1所示的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法所制作的光纤阵列的结构示意图。

【具体实施方式】

为了提高光纤阵列的精度，提出了一种精度较高的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法。以下结合附图和具体实施方式进行说明。

请参阅图1和图2，一实施方式的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，包括以下步骤：

步骤S110：在基板上镀上保护层。

基板可以为石英玻璃基板、硼硅玻璃基板或单晶硅基板。石英玻璃基板经精密机械加工制作，从可靠性的角度来说采用石英玻璃基板较好，且研磨的时候也不容易裂。本实施方式采用石英玻璃基板。

首先对基板表面进行研磨抛光处理，提高保护层在基板上的粘附性，以克服钻蚀问题。再进行清洁处理，以防止基板上的灰尘影响器件的精度。在清洁并干燥后的基板上镀上保护层。

金属铬在后续干法刻蚀工艺中，相对玻璃的刻蚀的选择比较小，也就是说相对于玻璃来说，铬层的刻蚀速度很慢，约为石英玻璃刻蚀速度的1/20，故可以采用铬层做干法刻蚀石英玻璃的保护层。可以采用真空蒸镀法或磁控溅射法镀上铬保护层。磁控溅射法所获得的保护层与基板的结合较好，且溅射工艺可重复性好，溅射层的厚度可控制，同时可以在大面积基板上获得厚度均匀的薄层。真空蒸镀法薄层的沉积速率较高，但是其膜层与基本的结合力较差。

铬的耐腐蚀性和耐刻蚀的能力都很强，铬保护层的作用一方面是防止光刻胶对基板的腐蚀，另一方面在刻蚀时，铬保护层可以防止基板不需要被刻蚀的部分被刻蚀。

步骤S120：在保护层上涂布光刻胶。

光刻胶的作用是形成光纤阵列图形。

光刻胶可以紫外光刻胶、X射线光刻胶、电子束胶或离子束胶。本实施方式采用紫外光刻胶。紫外光刻胶又可以为正性胶或负性胶。正性胶在光照后形成可溶物质，感光区域可被显影液去除，留下与掩膜板相同的胶体图形。负性胶在光照后形成不易溶物质，留下与掩膜板相补胶体图形。因正性胶分辨率高，本实施方式采用正性胶。

采用旋转法在铬保护层上涂布光刻胶。在离心力的作用，光刻胶在基板表面均匀地展开，多余的光刻胶被甩掉，获得一定厚度的光刻胶膜，光刻胶的膜厚是由光刻胶的粘度和甩胶的转速来控制。涂布完成后在90～120℃中烘干以除去光刻胶中的溶剂，使光刻胶的曝光特性固定。

步骤130：对光刻胶进行曝光处理。

本实施方式采用单面曝光机进行紫外曝光处理。首先在光刻胶上盖上掩膜板，然后再进行曝光。掩膜板上具有光纤阵列矩形定位槽图形。当光束照在掩膜板上时，图形区和非图形区对光刻光源发出的入射光有不同的吸收能力和透光能力。光从图形区投射过去，非图形区则将光吸收；或与之完全相反。根据所需的光纤阵列矩形定位槽的通道数选择合适的掩膜板。掩膜板根据需要事先设计制作。

可以理解，当采用X射线光刻胶、电子束胶或离子束胶时，曝光光源相应采用X射线光源、电子或离子。当光刻胶为电子束胶或离子束胶时，不需要掩膜板。

曝光的方式可以为接触式曝光、接近式曝光或投影式曝光。接触式曝光，掩膜板与光刻胶紧密接触，曝光对比度和精度较高，但掩膜板与光刻胶的接触可能会造成二者缺陷。接近式曝光时，掩膜板与光刻胶之间有10～50微米的距离，这种方式不会造成缺陷，而且掩膜板可再次利用。投影式曝光时，掩膜板与光刻胶之间有投影器，这种曝光方法具有高分辨率、低缺陷、对准精度高河曝光图形可缩小的优点，但曝光系统较复杂，成本较高。本实施方式采用接近式曝光，并使掩膜板和光刻胶之间保持合适的距离，以提高分辨率。距离越小，分辨率越高。

步骤S140：显影除去光刻胶中透光部分，光纤阵列图像转移至所述光刻胶上。

显影的作用是将未感光的负性胶或感光的正性胶溶解去除，以将掩膜板上的光纤阵列矩形定位槽图形复制至光刻胶上。

本实施方式将曝光后的光刻胶在显影液中进行溶解反应以将感光的正性胶溶解去除。显影液可以采用四甲基氢氧化铵溶液或氢氧化钾溶液。

显影后，图形的稳定性较差，见光后会消失，如果存于显影液中，则基板上无任何图形。因此显影后进行定影处理，以将光纤阵列矩形定位槽图形固定至光刻胶上，得到带光纤阵列定位图形的基板。

定影后的光刻胶发生了软化、膨胀，导致光刻胶与基板表面的粘附力下降。为了保证下一道刻蚀工序能顺利进行，必须进行坚膜处理，继续蒸发溶剂以固化光刻胶。在100～180℃下烘干，使光刻胶进一步硬化，使光刻胶能够持续、长久地保护基板，使刻蚀出的光纤阵列定位槽形状稳定，线条精密，有利于后续光纤的固定，提高精度和生产效率。

步骤S150：除去保护层中不被光刻胶覆盖的部分。

将带光纤阵列定位图形的基板放置于腐蚀液中除去未被光刻胶覆盖的保护层，以便在被保护层覆盖的基板上进行刻蚀。本实施方式中，腐蚀液为高氯酸和硝酸铈铵的混合液。被光刻胶覆盖的保护层被保留下来，暴露于腐蚀液的保护层被去除。最后用压缩空气吹干，并再次进行坚膜处理，以防止光刻胶从基板上脱落。

步骤S160：采用干法刻蚀工艺刻蚀带光纤阵列定位图形的基板，在带光纤阵列定位图形的基板上刻蚀多个U形槽。

干法刻蚀工艺可以为等离子刻蚀法(PE)、反应离子刻蚀法(RIE)、离子束刻蚀法(IE)或电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)。干法刻蚀工艺刻蚀的槽的精度与槽数无关，生产成本相对较低。U形槽的通道数根据掩膜板来确定，可以根据需要选择不同的掩膜板，制作2通道、4通道、8通道、16通道、32通道、64通道、128通道等多通道光纤阵列定位U形槽。

电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)的刻蚀速度快，刻蚀速度达250纳米/分，且刻蚀精度高，分辨率达0.1微米，同时兼具操作简单、成本低的优点，优选采用电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)。电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)对被刻蚀材料具有良好的各向异性刻蚀效果，刻蚀时只有垂直刻蚀，没有横向钻蚀，能够保证精确地在被刻蚀的基板上复制出与光刻胶上完全一致的几何图形，刻蚀均匀性好，精度高。

刻蚀过程中采用带有氟基的气体作为刻蚀气体。刻蚀气体可以为CHF₃、SF₆、NF₃、PF₆、BF₃和CF₄中的一种或多种。刻蚀气体的流量为20～100sccm。刻蚀功率为0～500W。

U形槽的深度根据光纤的半径确定。U形槽用于定位光纤，光纤必须同时有两点卡在U形槽的侧壁上，以确保光纤不会移动。为了能精确定位光纤，U形槽的尺寸必须满足一定要求。如图3所示，光纤半径为r，U形槽开口宽度为d，则利用直角三角形勾股定理，U形槽的最小深度

但是，U形槽的深度过大，则U形槽的两侧线之间的宽度成形的均匀性较差，光纤定位精度也较低。刻蚀深度即U形槽的深度为5～50微米。根据工艺需求控制刻蚀时间。

刻蚀过程中，残留的光刻胶也被刻蚀掉，省去了脱胶步骤，工艺简单。干法刻蚀工艺具有良好的刻蚀选择性，在刻蚀过程中，对光刻胶和处于光刻胶下的保护层的刻蚀速率都比被刻蚀基板的刻蚀速率小得多，以保证刻蚀过程不致发生因为过刻蚀而损坏基板。

步骤S170：去除基板表面残留的保护层。

刻蚀完成后，基板表面残留有保护层。因为铬保护层对光线完全不透明而可能影响光纤排布和耦合的精度，因此在光纤排布之前应先除去残留的铬保护层。再次采用高氯酸溶液和硝酸铈铵的混合液作为腐蚀液腐蚀掉基板表面的保护层。

基板表面残留的保护层去除后，得到光纤阵列定位基板。进一步采用切片机切割光纤阵列定位基板，得到需要尺寸和形状的光纤阵列定位基板。每个光纤阵列定位基板可以切割成多个小光纤阵列定位基板。如图4所示，光纤阵列定位基板110上平行分布有多个U形槽112。

步骤S180：在光纤阵列定位基板上排布光纤，封装得到光纤阵列。

在光纤阵列定位基板上排布光纤组成光纤带。U形槽用于对光纤进行定位。本实施方式中，U形槽相互平行。将一组光纤依次平行放入一个U形槽中，组成光纤带。在光纤带远离U形槽的另一侧盖上压盖板，压盖板的前端面与基板的前端面共面。本实施方式中，光纤带的端面突出于基板端面和压盖板端面共同定义的平面。在基板、压盖板和光纤带之间注入固化胶，使基板、压盖板和光纤带之间固定成型。固化胶可以为紫外固化胶或红外环氧胶。压盖板可以为石英玻璃盖板或单晶硅盖板。

本实施方式中，基板、压盖板和光纤带固定成型后，对光纤带突出于基板端面和压盖板端面共同定义的平面的端面进行研磨，使光纤带的端面为倾角为45°的光学平面，完成光纤阵列的制作。所制作的光纤阵列组件的结构如图5所示。光纤阵列100，包括基板110、压盖板120以及夹于基板110和压盖板120之间的光纤带130。基板110上设有多个U形槽(图未示)。光纤带130由依次放置于U形槽112的多根光纤132组成。在本实施方式中，光纤132靠近U形槽的一端剥离去除了涂覆层。

光纤带130端部经研磨加工成45°的光学平面，且其端部突出于基板110端面和压盖板120端面共同定义的平面。在进行平面光波导(Plan LightwaveCircuit，PLC)耦合时，没有上下两侧的基板110、压盖板120对激光束的阻挡，每一条光纤与PLC中每条输出光波导实现一对一对准，耦合的差损小、精度高，耦合效率高。

封装的环境要保持一定的洁净度，防止空气中的灰尘影响器件的精度。

上述使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，采用干法刻蚀工艺制作光纤定位槽，干法刻蚀工艺克服了传统湿法刻蚀工艺固有的各项同性，能够提高刻蚀精度，刻蚀出需要的高精度U形槽，利用U形槽定位光纤组成光纤带，提高了光纤的定位精度，大大减少了位移平均误差，精度达0.1微米，减小了光信号的损耗，提高了光信号的均匀性，成品率高。将该光纤阵列应用于PLC光分路器时，插入损耗低、可靠性高。且制备过程中，光纤阵列的精度不受U形槽的槽数影响，适合大规模生产。同时，该使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法无需采用价格昂贵的划片机进行刻蚀，且使用的化学制品少，可以大批量加工，控制容易，成本低，对环境污染少，适用于工业生产。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基板上镀上保护层；

在所述保护层上涂布光刻胶；

对所述光刻胶进行曝光处理；

显影除去所述光刻胶中透光部分，将光纤阵列图像转移至所述光刻胶上；

除去所述保护层中不被所述光刻胶覆盖的部分；

采用干法刻蚀工艺刻蚀所述基板，在所述基板上刻蚀多个U形槽；

除去所述基板上残留的保护层，得到光纤阵列定位基板；

在所述光纤阵列定位基板上排布光纤组成光纤带，封装得到所述光纤阵列。

2.根据权利要求1所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，在封装之前采用切片机切割所述光纤阵列定位基板成型，每个光纤定位基板可以切割成多个小光纤阵列定位基板。

3.根据权利要求1所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述U形槽的深度为5～50微米。

4.根据权利要求1所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述干法刻蚀工艺为等离子刻蚀法、反应离子刻蚀法、离子束刻蚀法或电感耦合等离子体刻蚀法。

5.根据权利要求4所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述干法刻蚀工艺刻蚀过程中采用的刻蚀气体为CHF₃、SF₆、NF₃、PF₆、BF₃和CF₄中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述光纤阵列的封装步骤进一步包括：

将光纤放入所述U形槽中组成光纤带后，将压盖板放置于所述光纤带上，在所述基板、所述压盖板及所述光纤带之间加入固化剂，使所述基板、所述压盖板及所述光纤带固定成型，其中所述光纤带的端部突出于所述基板端面和所述压盖板端面共同定义的平面；

对所述光纤带突出于所述基板端面和所述压盖板端面共同定义的平面的端面进行研磨，使所述光纤带的端面为倾角为45°的光学平面。

7.根据权利要求6所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述固化剂为紫外固化胶或红外环氧胶。

8.根据权利要求1所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述保护层为铬保护层，且通过真空镀膜或磁控溅射法制作而成。

9.根据权利要求1所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述除去所述保护层中不被光刻胶覆盖的部分和除去所述基板上残留的保护层的步骤均采用高氯酸和硝酸铈铵的混合液作为腐蚀液。

10.根据权利要求1所述的使用半导体工艺制作光纤阵列的关键方法，其特征在于，所述基板为石英玻璃基板、硼硅玻璃基板或单晶硅基板。

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