CN103345018B - 一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法及其切割用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法,包括如下步骤:在条状硅晶芯片中的单个阵列光栅芯片表面外围制作凹槽，该凹槽是一个连接整体凹槽体，或者是由多个排列紧密的凹槽单体组成的凹槽体；本发明方法采用夹具包括上底板夹具和基板夹具，所述基板夹具上设置有一个凸台，上底板夹具上表面开有凹台，该凹台区域包括中部凹台区域和边缘凹台区域，中部凹台区域同条状硅晶芯片的形状相匹配，边缘凹台区域是上底板夹具的边缘且同中部凹台区域相通的相隔设置的第二凹槽，上底板夹具底部间隔设置有多个第一凹槽，基板夹具的凸台宽度因与第一凹槽尺寸相匹配；采用本发明方法和夹具可以实现切割后的波导光栅芯片具有较小的体积，节约了成本。

Description

一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法及其切割用夹具

技术领域

本发明涉及光通信用波分复用/解复用器的切割方法，更具体地是涉及一种曲线型阵列波导光栅芯片的分割方法以及切割用夹具，本发明属于通信领域。

背景技术

阵列波导光栅（AWG）是实现多通道密集波分复用（DWDM）光网络的最理想器件。1988年，荷兰Delft大学的Smit首先提出AWG 的概念，它的基本功能是进行波长的合波/分波，凭借其通道数多、体积小、易于与其它器件集成、价格低的优势已经取代传统的TFF的密集波分复用/解复用器，在骨干网和城域网中得到了广泛的商用多年；另外，AWG能灵活地与其它光器件构成多功能器件和模块，如波长路由器、光分插复用器、多波长光源、光波长选择器（OWS）、多波长接收器、多信道均衡器等。AWG器件是以光集成技术为基础的平面波导型器件，具有高稳定性及好的性价比，适宜于批量生产，重复性好，尺寸小，插入损耗均匀性较好，易于与其它器件集成等特点，是目前DWDM系统中商用的主流复用/解复用器。

AWG的波导制作材料主要有SiO2、InGaAsP、Polymer和Si，其中硅基二氧化硅光波导集成技术由于具有成熟的半导体工艺技术基础、与光纤耦合效率好、成本低廉等优势，已经成为AWG芯片生产厂家普遍采用的主流技术。

光通信用器件的价格每年约降低10%，成本是每个器件供应商必须考虑的重要因素。尤其对已经商用多年的AWG芯片，许多研究者已经提出了多种方案来降低成本，其中，减小芯片尺寸是一种有效的降低成本的手段。目前已报道的专利文献，减小芯片尺寸的方案主要有两种：提高波导的折射率差、优化AWG结构本身图案。优化结构图案有个极限、提高折射率差对设计及工艺都需要重大技术突破。目前AWG芯片的外形轮廓都是方形，针对这种问题，本发明提出了一种简单的曲线切割方案来减小AWG芯片的尺寸，切割后的AWG芯片的外形轮廓为曲线型，并且芯片的性能指标、稳定性与方形芯片完全相同。

如图1所示，阵列波导光栅由N个输入波导、M个输出波导和两个波导星形耦合器及一个相邻波导间具有恒定路径长度差的波导阵列组成。输入光从第一个星形耦合器的输入端同一输入波导输入，该耦合器把光功率分配到每一个阵列波导中，由于波导阵列中的波导长度不等，产生不同的相位延迟，在输出星型耦合波导中相干叠加, 从而表现出光栅的功能和特性,输出端口与波长有一一对应的关系。不同光波长组成的入射光束经阵列波导光栅传输后，依波长的不同出现在不同的波导端口上。精确设计阵列波导的长度差，可以使不同波长的信号从不同的输出端口输出，从而起到解复用器的作用。

以圆形的阵列波导光栅晶圆片为基底，在其上依次通过热氧化、下包层沉积、波导芯层沉积、光刻、刻蚀和上包层沉积、表面钝化、退火等工艺，在整个阵列波导光栅晶圆片上一次性制作出多个AWG芯片；然后将包含有多个AWG的阵列波导光栅晶圆片用切割设备切割成单个的芯片。受限于采用的切割技术，目前已知的切割技术是采用机械运动的方式进行切割，只能进行直线切割，因此阵列波导光栅晶圆片上的多个AWG只能低密度地分开排放，见图1，AWG芯片包括输入波导2、阵列波导3、输出波导4、平板波导5。直线切割后的AWG芯片只能是方形的轮廓，见图2，如果AWG芯片的外形轮廓为方形，那么单个衬底基片可以排放的芯片总个数有限，这种直线切割技术浪费了大量可用空间。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种曲线型阵列波导光栅芯片的分割方法以及切割用夹具，采用本发明方法可以能大大减小芯片尺寸，进一步降低芯片成本。

本发明所采用的技术方案是：

一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法,阵列波导光栅芯片位于阵列波导光栅圆晶，包括如下步骤:

步骤1：沿阵列波导光栅芯片输入端和输出端侧面将阵列波导光栅晶圆分切成条状硅晶芯片；

步骤2：在条状硅晶芯片中的单个阵列光栅芯片表面外围制作凹槽，该凹槽是一个连接整体凹槽体，或者是由多个排列紧密的凹槽单体组成的凹槽体；

步骤3：对暴露在外的条状硅晶芯片表面进行保护处理；

步骤4：采用夹具将条状硅晶芯片固定于切割台；

步骤5：沿着条状硅晶芯片的阵列光栅芯片外围凹槽的曲线方向进行激光划片。

所述步骤1和步骤2之间有步骤A：在条状硅晶芯片有图形一面沿步骤1切割后的边沿，将盖片平行对齐粘贴在条状硅晶芯片的输入以及输出端两侧；

所述步骤A中盖片粘接位置需要考虑盖片8°角或15°角的抛光距离，且盖片突出于条状硅晶芯片边缘表面1～2mm。

所述步骤2中的凹槽的槽体是U槽或者V槽或者矩形槽。

所述凹槽槽体宽度为100-600 um，其深度<500um。

所述步骤3的保护处理方式采用在条状硅晶芯片表面表面涂胶的化学方式处理。

所述步骤3的保护处理方式可以采用在条状硅晶芯片正表面粘贴耐热胶带纸，耐热胶带纸覆盖盖片之外的区域。

所述步骤5中激光划片采用红外光频段波长进行切割，功率为80~120W,脉冲释放时间控制在2～8us之间。

所述方法使用的夹具，所述夹具包括上底板夹具和基板夹具，所述基板夹具上设置有一个凸台，上底板夹具上表面开有凹台，该凹台区域包括中部凹台区域和边缘凹台区域，中部凹台区域同条状硅晶芯片的形状相匹配，边缘凹台区域是上底板夹具的边缘且同中部凹台区域相通的相隔设置的第二凹槽，上底板夹具底部间隔设置有多个第一凹槽，基板夹具的凸台宽度因与第一凹槽尺寸相匹配。

所述第二凹槽宽度小于上底板夹具底部的第一凹槽之间距离。

所述中部凹台区域由间隔分布的凹台组成。

本发明具有如下特点：

1、本发明的曲线型阵列波导光栅芯片及其切割方法，是采用激光切割、Water-Jet水切割或线切割的曲线切割技术，而激光切割方案又根据激光器不同又分为光纤激光切割方案，半导体固体激光切割方案以及LED激光方案等等，本发明采用激光切割中的半导体固体激光切割方案将含有多个阵列波导光栅芯片切割成单个的芯片，从而实现切割后的阵列波导光栅芯片具有曲线型的外形轮廓，减小芯片尺寸，降低成本；

2、本发明采用激光切割、Water-Jet水切割或线切割的曲线切割技术，实现针对阵列波导光栅芯片种类多样化的低成本，高效率的实施方案；

3、本发明采用预切割的方式，可以最大程度减少传统固体激光切割过程中高温气化以及热应力带来对芯片指标的影响。

附图说明

图1是现有技术采用直线切割技术AWG芯片排放示意图；

图2是现有技术的直线切割后的方形AWG芯片示意图；

图3是本发明阵列波导光栅晶圆片上AWG的密集排放示意图；

图4是本发明采用直线切割处理后的条状硅晶片示意图；

图5-1A是本发明条状硅晶片上覆盖第一种结构盖板的示意图；

图5-1B是本发明条状硅晶片上覆盖第一种结构盖板的放大图；

图5-2A是本发明本发明条状硅晶片上覆盖第二种结构盖板的示意图；

图5-2B是本发明本发明条状硅晶片上覆盖第二种结构盖板的示意图；

图6是本发明处理之后的条状硅晶片侧视图；

图7-1是本发明采用的夹具的上底俯视示意图；

图7-2是本发明采用的夹具的第二种上底俯视示意图；

图8是是本发明采用的上底板夹具侧视视示意图。

图9是本发明采用的基板夹具的俯视示意图；

图10是本发明采用的基板夹具的侧视示意图。

图11是本发明采用的夹具装配示意图

图12 是根据不同制作要求部分沿着阵列波导光栅图案的边缘切割后的曲线型芯片示意图。

其中：

1：阵列波导光栅晶圆片； 2：输入波导；

3：阵列波导； 4：输出波导；

5：平板波导； 6：条状硅晶芯片

7：盖片； 8：凹槽；

9：耐热胶带纸； 10：中部凹台区域；

11：边缘凹台区域； 12：夹具；

13：上底板夹具； 14：基板夹具；

15：第一凹槽； 16：凸台；

17：第二凹槽；

A：上底板夹具底部的第一凹槽15之间的距离；

B：第二凹槽17的宽度；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的曲线型阵列波导光栅芯片及其切割方法做出详细说明。

步骤1：采用传统机械切片设备沿芯片输入端和输出端侧面将如图3所示的阵列波导光栅晶圆片1分切成条状的条状硅晶芯片6，一般分切为2条到3条，这样处理后的条状硅晶芯片可以方便于之后的阵列波导光栅芯片条的芯片指标测试以及激光外型曲线切割。经过该步骤处理后的条状硅晶芯片结构如图4所示；

步骤2、粘贴条状盖片7。在条状硅晶芯片有图形一面，沿步骤1切割后的边沿，将盖片7平行对齐粘贴在条状硅晶芯片的正表面之上，位于条状硅晶芯片的输入以及输出端两侧。盖片粘接位置需要考虑盖片8°角或15°角或其他特殊角度的抛光距离，盖片7一般突出于条状硅晶芯片边缘表面1～2mm。

盖片7可采用高硼硅玻璃、石英以及硅材料等。预先粘贴盖片工艺，便于芯片在之后工艺过程中起到更好的对准定位，也起到了保护输入输出波导端，减少芯片切割过程中清洗清洁的步骤。

所述盖片7粘接用于阵列波导光栅芯片与光纤阵列的芯片指标测试以及之后的耦合工艺步骤，同时便于曲线切割后的单个阵列波导光栅芯片与热敏电阻或者金属底板或者其他材料的粘接定位。如图5-1A、图5-1B中盖片7覆盖波导图形部分。盖片7宽度尺寸根据抛光工艺决定。厚度尺寸一般为1～1.5mm。若使用多段等长度短条盖片7，盖片与盖片之间留有一定距离，跟据盖片7尺寸大小，距离可为500～1500um。如图5-2A、图5-2B所示，也可采用粘接整条盖片7的工艺完全覆盖条状硅晶芯片边缘，但需要采用传统机械切片设备在单个阵列波导光栅芯片之间位置开出一定宽度以及深度的凹槽，凹槽不宜太浅，否则之后所用的激光切割方式无法将其切透。

步骤3、凹槽8处理：在条状硅晶芯片表面，沿着条状硅晶芯片上单个阵列波导光栅芯片波导图形外围制造一个的凹槽8轮廓，凹槽的形状可以是U槽，V槽或者是矩形槽。槽体为一连续整体，但考虑到固体激光器采用脉冲模式对硅晶芯片表面进行切割，也可以制作为由小段凹槽体组成的凹槽8，用于定位激光切割路径以及达到芯片减薄。可以在前工艺，掩膜板制作的过程中，通过光刻,刻蚀的方法完成；也可以通过激光器、金刚石刀片或其他切割方式完成。

所述凹槽8的深度、宽度可以根据芯片之间相互摆放的不同而设定，为保证在条状硅晶芯片上最大限度的摆放阵列波导光栅芯片，凹槽8不宜太宽，最佳宽度是L，100<L<600um，凹槽8的深度为D，最佳深度控制在D<500um。凹槽8的宽度过宽或过窄都可能导致芯片在正表面激光切割过程中造成芯片划伤。凹槽8的深度过深容易在正表面激光切割过程中出现崩裂或者崩坏。

步骤4、对条状硅晶芯片 6表面进行保护处理。如图6所示在条状硅晶芯片6正表面粘贴耐热胶带纸9，并确保耐热胶带纸覆盖到除盖片7之外的所有阵列波导光栅芯片正表面。

耐热胶带纸9用以防止激光切割过程中，材料部分熔融体硅屑附着在芯片边缘以及表面而难以清除。在清洗工艺环节中，容易造成对芯片正表面划伤。另一方面在一定程度上耐热胶带纸9起到隔热效果，降低芯片在瞬时高温下发生的物理化学性质的变化而导致的指标影响。所述耐热胶带纸9厚度为N，厚度根据芯片本身厚度有所调整。对于0.5~0.7mm厚度芯片，选取N1=0.06mm；对于0.7~1.0 mm厚度芯片，选取N2=0.08mm；对于1.0~1.5mm厚度芯片，选取N3=0.1mm 。贴耐胶带纸尺寸厚度过薄，容易过薄或者过厚都容易对芯片切割质量造成影响。并可以在激光切割完毕后采用紫外灯照射、酒精浸泡超声等方式去除耐热胶带纸。

本步骤也可以通过在条状硅晶芯片表面涂胶的化学方式处理完成。

步骤5、将如图4所示的条状硅晶芯片6使用夹具固定于切割台。本发明一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法使用的夹具12总体分为上底板夹具13以及基板夹具14两部分。夹具12的装配结构如图11所示。基板夹具14如图7-1、图7-2、图8所示，基板夹具14是平板上设置有一个凸台16，基板夹具14固定于激光设备切割工作平台上，并需确保基板夹具本身不与平台发生相对的位置变化。上底板夹具13如图7-1所示，上底板夹具的上表面开有凹台，凹台区域包括中部凹台区域10和边缘凹台区域11，中部凹台区域10同条状硅晶芯片6的形状相匹配，条状硅晶芯片6可以放置并且固定于上底板夹具上表面的中部凹台区域10内，边缘凹台区域11是中部凹台区域10相通的相隔凹槽区域，位于上底板夹具的边缘，边缘凹台区域11中的凹槽宽度为条状硅晶芯片6上的单个阵列波导光栅芯片的宽度。图7-1和图7-2中的上底板夹具的边缘凹台区域11是用于切割前后阵列波导光栅芯片取放以及条状硅晶芯片6的定位。上底板夹具上的边缘凹台区域11中的第二凹槽17的宽度B，应保证B<A，并确保有足够位置便于左右施力同时拿取激光切割完后的单个曲线型阵列波导光栅芯片。上底板夹具中部凹台区域10内与条状硅晶芯片6之间需要有较高的匹配程度，并确保条状硅晶芯片6一侧与上底板夹具一边对齐，稳定的固定于上底板夹具13的中部凹台区域10内。

针对于不同大小尺寸的条状硅晶芯片来设计夹具上的中部凹台区域10的尺寸外型。并可以根据要求，在上底板夹具上放置多条条状硅晶芯片，如图7-2中夹具上的中部凹台区域10由间隔分布的凹台组成，不同尺寸的条状硅晶芯片分布对应固定放置于各自匹配凹台内。

上底板夹具的底部间隔设置有多个第一凹槽15，基板夹具14的凸台16宽度因与上底板夹具底部的第一凹槽15尺寸一致，并能完美的放置在一起，再将表面处理好后的条状硅晶芯片正表面朝上的放置在图7-1、图7-2的上底板夹具的中部凹台区域10的凹台位置，也可以通过吸附等其他的方式对条状硅晶芯片6进行固定。夹具本身也需要有较好的热传导性能 ，材料可以是硅片或者玻璃片或者陶瓷片或者金属片。

图7-1和图7-2中上底板夹具底部的第一凹槽15之间的距离A为条状硅晶芯片中各阵列波导光栅芯片之间的距离，这样确保了通过红外光源校准第一条激光切割路径，即：沿着凹槽8的路途位置之后，仅通过平移上底板夹具，达到快速找寻下条凹槽8位置切割路径的方法。若条状硅晶芯片上含有多种类型芯片，而带来的芯片间距有差异的情况，也可以根据其要求改变上底板第一凹槽15间隔A的尺寸，由于曲线切割采用脉冲高温气化材料的方式，而且芯片材料可能与上底板材料不一致，因而热传导能力不同，很容易引起切割后的单个芯片粘合在夹具表面。

所示芯片固定的夹具如图7-1、图7-2、图8所示，目前使用的阵列波导光栅芯片是利用掩膜版通过光刻方法进行制作，故可以实现切割的阵列波导光栅芯片尺寸的规范性。在掩模版前工艺时可以根据要求来调节芯片与芯片之间的间距，也可以配合采用微调架或电机控制步进长度来达到高效快速批量生产。

步骤6、芯片曲线切割：将激光起始聚焦点，调节至芯片上表面凹槽8的位置上，并调节激光光束，采用连续脉冲激光切割方式沿芯片凹槽的曲线方向进行激光划片。

激光划片采用红外光频段波长进行切割，功率一般在80~120W之间,脉冲释放时间在控制在2～8us之间。功率过大以及脉冲时间过长会产生大量热应力并很容易导致硅晶芯片断裂，功率过小以及脉冲时间过短会无法切断或达到切割目的。

采用激光切割、Water-Jet水切割或线切割的曲线切割技术，切割后的单个阵列波导芯片具有曲线型的切割边缘轮廓，具有最小的外形尺寸，切割后的芯片外形轮廓具有“∧”形。曲线型的切割边缘轮廓可以是全部沿着沿阵列波导光栅图案的边缘，也可以是部分地沿着阵列波导光栅图案的边缘。

本步骤可以采用激光切割、Water-Jet水切割或线切割的曲线切割方法，切割边缘位于凹槽8之上，并与阵列波导光栅芯片图案边缘保留有大于200微米的安全距离，保证切割后不会破坏波导部分。由于采用凹槽8的特殊处理后，硅晶芯片局部厚度减薄，同时提高了切割后的芯片边缘平滑度，另外采用了表面处理后的芯片。

本发明实施例中以硅基二氧化硅材料为例来说明，但不只局限于此材料，还包括InGaAsP、Polymer和Si等本领域技术人员公知的其它波导材料。激光切割模式采用连续切割模式，降低一般采用分段切割模式带来的热应力影响，减少降低原本采用分段切割模式带来的激光与芯片接触面可能发生的特性变化。减少由于局部温度过高而带来的热量分散不均匀带来的应力影响。

AWG阵列波导光栅结构图案本身具有弯曲的轮廓，因此，为了进一步减小芯片尺寸，降低成本，本发明提出通过激光光束、水注、电流注可以沿任意路径进行切割的特点，采用激光切割、Water-Jet水切割或线切割的方法进行阵列波导光栅晶圆片的切割，来取代传统机械切割法。采用曲线切割技术，阵列波导光栅晶圆片上的多个AWG可以密集排放，见图3，曲线切割后的AWG阵列波导光栅芯片为曲线型的外形轮廓，这种曲线型的外形轮廓可以是全部沿着沿阵列波导光栅图案的边缘，也可以是部分地沿着阵列波导光栅图案的边缘，见图12所示，这种非接触式的曲线切割技术最大程度地利用了可用空间，极大增加了阵列波导光栅晶圆片上可排放的阵列波导光栅芯片个数，从而大降低了阵列波导光栅芯片成本。

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 (9)

1.一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法,阵列波导光栅芯片位于阵列波导光栅圆晶(1)，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：沿阵列波导光栅芯片输入端和输出端侧面将阵列波导光栅圆晶(1)分切成条状硅晶芯片(6)；

步骤2：在条状硅晶芯片中的单个阵列光栅芯片表面外围制作凹槽(8)，该凹槽(8)是一个连接整体凹槽体，或者是由多个排列紧密的凹槽单体组成的凹槽体；所述凹槽(8)槽体宽度为100-600微米，其深度<500微米；

步骤3：对暴露在外的条状硅晶芯片表面进行保护处理；

步骤4：采用夹具(12)将条状硅晶芯片固定于切割台；

步骤5：沿着条状硅晶芯片的阵列光栅芯片外围凹槽(8)的曲线方向进行激光划片。

2.如权利要求1所述的一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法,其特征在于:所述步骤1和步骤2之间有步骤A：在条状硅晶芯片(6)有图形一面沿步骤1切割后的边沿，采用盖片(7)平行对齐粘贴在条状硅晶芯片(6)的输入以及输出端两侧。

3.如权利要求2所述的一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法，其特征在于：

所述步骤A中盖片(7)粘接位置需要考虑盖片8°角或15°角的抛光距离，且盖片(7)突出于条状硅晶芯片边缘表面1～2mm。

4.如权利要求1或2所述的一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法，其特征在于：所述步骤2中的凹槽(8)的槽体是U槽或者V槽或者矩形槽。

5.如权利要求1或2所述的一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法，其特征在于：所述步骤3的保护处理方式采用在条状硅晶芯片表面表面涂胶的化学方式处理。

6.如权利要求2所述的一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法，其特征在于：所述步骤3的保护处理方式可以采用在条状硅晶芯片正表面粘贴耐热胶带纸(9)，耐热胶带纸(9)覆盖盖片(7)之外的区域。

7.如权利要求1或2所述的一种曲线型阵列波导光栅芯片的切割方法，其特征在于：所述步骤5中激光划片采用红外光频段波长进行切割，功率为80～120W,脉冲释放时间控制在2～8微秒之间。

8.一种实现权利要求1所述方法的夹具，其特征在于：所述夹具(12)包括上底板夹具(13)和基板夹具(14)，所述基板夹具(14)上设置有一个凸台(16)，上底板夹具(13)上表面开有凹台，该凹台区域包括中部凹台区域(10)和边缘凹台区域(11)，中部凹台区域(10)同条状硅晶芯片(6)的形状相匹配，边缘凹台区域(11)是上底板夹具的边缘且同中部凹台区域(10)相通的相隔设置的第二凹槽(17)，上底板夹具(13)底部间隔设置有多个第一凹槽(15)，基板夹具(14)的凸台(16)宽度因与第一凹槽(15)尺寸相匹配。

9.如权利要求8所述的夹具，其特征在于：所述第二凹槽(17)宽度小于上底板夹具底部的第一凹槽(15)之间距离。