CN103698855B

CN103698855B - 自对准硅基光纤夹具及制造方法

Info

Publication number: CN103698855B
Application number: CN201210367056.1A
Authority: CN
Inventors: 王雷; 刘鹏
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN103698855A

Abstract

本发明公开了一种自对准硅基光纤夹具及制造方法，夹具单元本体材料为硅；单个夹具单元厚度为200至700微米；夹具由导向孔和限位孔组成，导向孔大于限位孔。本发明使用成熟的半导体制造工艺，使用常用的硅片作为基板进行自对准硅基光纤夹具的制造，同时利用光刻设备对其尺寸和距离等物理尺寸进行严格控制，可以实现亚微米级的限位精度，远高于目前常用的机械加工方式。同时通过超大规模集成半导体工艺，单片硅片上可以大批量产生规格相同，严格受控的夹具单元，大大降低了单个夹具单元的成本，和传统的机械加工方式比，具有明显的成本优势。

Description

自对准硅基光纤夹具及制造方法

技术领域

本发明涉及一种电子芯片制造领域中的半导体器件及制造方法。

背景技术

光信号相比电信号其载体频率更高，因此载波宽度更大，可以携带的信息量更多，因此对于大容量信息传输，光通信是主要的技术手段。

对于光通信设备，光纤是最常用的光传输设备和接入设备，用以传输光信号和连接不同的光信号处理模块。和传统的电信号连接不同，光纤之间的连接需要两个光纤之间有严格平行的切面、紧密的接触及中心准直性，以保证光信号可以低损耗的从一个光纤通过接面传输到另一个光纤。

由于光信号频率极高，波长很短，因此光纤的内径比传统电线细很多，以单模光纤为例，其直径只有125微米，因此本身不具备很强的刚性。同时为了保证其接面光滑，平整、紧密结合且中心准直，必须使用光纤夹具对光纤进行限位和定位，通过光纤夹具进行两个光纤接口的对接。

目前常用的光纤夹具材料一般为金属、塑料、陶瓷、玻璃等，通过模具或物理切割、打磨、钻孔等加工方法进行制造，一般为先用模具产生夹具单元的本体，然后采用机械打孔设备进行开孔，无法大规模成批量量产，同时其限位精度受加工机床或模具的限制，加工精度通常都在几十到几百微米之间，因此需要使用一些其它辅助设备来提高其定位精度。或者使用超精密机械加工设备，从而导致其生产成本极高。因此目前光通信相关设备及部件的价格长期居高不下。同时由于各部件间的加工误差、单个夹具内开孔尺寸的误差、不同光纤限位孔之间的误差，导致实际使用时，光纤对接一次成功率不高，容易造成光纤与夹具损坏，运营维护成本也很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自对准硅基光纤夹具，它可以降低单个光纤夹具的制造成本，提高光纤夹具的精度，降低运营维护成本。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种自对准硅基光纤夹具，夹具单元本体材料为硅；单个夹具单元厚度为200至700微米；夹具由导向孔和限位孔组成，导向孔大于限位孔。

本发明的有益效果在于：使用成熟的半导体制造工艺，使用常用的硅片作为基板进行自对准硅基光纤夹具的制造，同时利用光刻设备对其尺寸和距离等物理尺寸进行严格控制，可以实现亚微米级的限位精度，远高于目前常用的机械加工方式。同时通过超大规模集成半导体工艺，单片硅片上可以大批量产生规格相同，严格受控的夹具单元，大大降低了单个夹具单元的成本，和传统的机械加工方式比，具有明显的成本优势。

单个夹具单元厚度为200至800微米，典型的为350至550微米。

其导向孔深度为20至150微米。

其导向孔倾斜度为20至60度。

优选的，其导向孔倾斜为35至55度。

其导向孔底部尺寸为限位孔+0.4至8微米。

优选的，导向孔底部尺寸为限位孔+0.4至1.6微米。

其限位孔深度为250至500微米，尺寸为光纤特征尺寸+0.1至10微米。

优选的，限位孔尺寸为光纤特征尺寸为+0.5至2微米。

相邻两限位孔中心之间的间距其尺寸与设计尺寸偏离为0.1至10微米。

优选的，相邻两限位孔中心之间的间距其尺寸与设计尺寸偏离为+/-0.5至2微米。

可以由单个夹具单元组合形成夹具组合体。

本发明还提供了一种自对准硅基光纤夹具的制造方法，其工艺步骤为：

步骤1、在硅基板上旋涂光刻胶，进行导向孔图形光刻；

步骤2、以光刻胶为掩模，刻蚀硅基板形成导向孔，其深度为20至150微米，控制其底部尺寸为最终的限位孔尺寸+硬掩模侧墙厚度；

步骤3、去胶后在已经刻蚀出导向孔的硅衬底上全面沉积硬掩模层，厚度为0.5至10微米；

步骤4、旋涂负性光刻胶进行填充；并通过曝光去除导向孔区域的光刻胶。只对导向孔以外的区域进行曝光，并在后续的显影中被保留，而导向孔区域不曝光，该区域的负性光刻胶可以自然被显影去除；

步骤5、以光刻胶为掩模，进行硬掩模层回刻，在导向孔侧壁形成硬掩模层侧墙，同时去除底部硬掩模层，同时在其他非导向孔区域的硬掩模层被光刻胶保护；

步骤6、然后再用硬掩模层为掩模刻蚀硅基板，自对准形成限位孔，其深度为250至500微米，硅基板剩余未刻蚀层厚度为50至250微米；

步骤7、硅片背面研磨减薄露出限位孔。

导向孔的产生也可以采用硬掩模作为掩模层，将步骤1、2采用以下步骤：步骤1、在硅基板上沉积硬掩模层，厚度为0.5-50微米；步骤2、旋涂光刻胶，进行导向孔图形光刻；步骤3、以光刻胶为掩模，刻蚀硬掩模层，再利用硬掩模层作为掩模层刻蚀硅基板形成导向孔，其深度为20至150微米。

步骤3中其硬掩模层材料为SiO₂。

所述导向孔刻蚀也可以采用硬掩模为中间阻挡层。

步骤4的负胶旋涂使用光刻胶量为2毫升至20毫升，优选的步骤4的负胶旋涂使用光刻胶量为4至8毫升。步骤4的负胶旋涂可以采用多次旋涂。因为本工艺流程中，导向孔的深度极深（20～150um），远远超过普通半导体加工工艺中的台阶高度（<10um），因此普通的涂胶工艺包括多次旋涂工艺均无法满足需求。其主要需要通过吐出量的增加，配合转速的控制（匀胶步骤转速约800rpm～1500rpm），先在前1～2次使光刻胶填入导向孔内，在后几步中在硅片表面形成一定厚度的光刻胶。

步骤5回刻后，导向孔内光刻胶与衬底间台阶差小于5微米。

步骤3沉积硬掩模层厚度为0.5至2微米。

步骤4的负胶旋涂的多次旋涂工艺其各步骤为：1）吐出量为1～10毫升，转速500-1200rpm，旋转2-15秒后静止0.5-5秒再重复上述步骤，通过1～5次循环完成；2）重复步骤1)1~3次；3）吐出量为0.2～5毫升，转速800rpm-1500rpm，旋转2-15秒；4）重复步骤3）1～3次。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是光纤对接示意图；

图2是本发明的光纤夹具单元示意图；

图3a-b是多个夹具单元组合使用示意图；

图4a-f是本发明所述制造方法示意图。

图中附图标记说明：

1衬底，2光刻胶，3硬掩模，4负性光刻胶。

具体实施方式

本发明同时采用两步法分别形成导向孔和限位孔，此时在导向孔形成后，光刻胶需要填满限位孔，且曝光需要在导向孔图形内形成限位孔，因此必须使用负性光刻胶，利用其不曝光可以被去除的特性，使其在限位孔图形区不被曝光，从而去除，保证该区域光刻胶可以被充分去除，形成限位孔图形。

如果此处使用正性光刻胶，则需要通过曝光才能去除，而此时导向孔深度达20至150微米，现有光刻设备无法实现均匀可控的如此深度的光刻工艺，因此必须采用负性光刻胶。

如图4所示，选取常用的725微米厚，200mm直径的8英寸硅片为基片为例：

1)在硅基板上旋涂光刻胶，进行导向孔图形光刻。

2)以光刻胶为掩模，刻蚀硅基板形成导向孔，其深度为20至150微米，控制其底部尺寸为最终的限位孔尺寸+硬掩模侧墙厚度。比如以125微米单模光纤夹具为例，限位孔尺寸为125.5至126.5微米，沉积硬掩模层厚度为1.5微米，其台阶覆盖率为80%，则侧墙厚度为1.2微米，因此导向孔底部尺寸为125.5+1.2至126.5+1.2微米。

3)沉积硬掩模层，厚度为0.5至10微米，典型的为0.5至2微米。

4)旋涂负性光刻胶进行填充。为了保证填充效果，光刻胶旋涂时吐出量需大于2毫升，典型的为4至8毫升。其旋涂方法可以采用以下方式：

1）吐出量为1～10毫升，转速500-1200rpm，旋转2-15秒后静止0.5-5秒再重复上述步骤，通过1～5次循环完成；

2）重复步骤1)1~3次；

3）吐出量为0.2～5毫升，转速800rpm-1500rpm，旋转2-15秒；

4）重复步骤3）1～3次。

5)以光刻胶为掩模，进行硬掩模层回刻，在导向孔侧壁形成硬掩模层侧墙，同时去除底部硬掩模层，同时用光刻胶保护限位孔以外区域硬掩模层不被去除。

6)利用硬掩模层为掩模刻蚀硅基板，自对准形成限位孔，其深度为250至500微米，硅基板剩余未刻蚀层厚度为50至250微米。

7)硅片背面研磨减薄露出限位孔。

如图3所示，当多个光纤夹具单元合用时，可以有两种组合方式：

1．平面型，适合多个光纤使用同一个夹具，如图3a所表示，可以在制造中在一个夹具芯片中放置多个夹具单元，其相邻限位孔之间的距离由光刻制版所决定，因此其精度很高，可以控制在0.1至1微米，远高于常用的机械加工方法。

2．垂直型，适合夹具具有一定厚度要求时，可以将减薄划片后多个夹具单元在垂直方向进行堆叠，达到一定的厚度。

本发明使用成熟的半导体制造工艺，使用常用的硅片作为基板进行自对准硅基光纤夹具的制造，同时利用光刻设备对其尺寸和距离等物理尺寸进行严格控制，可以实现亚微米级的限位精度，远高于目前常用的机械加工方式。同时通过超大规模集成半导体工艺，单片硅片上可以大批量产生规格相同，严格受控的夹具单元，大大降低了单个夹具单元的成本，和传统的机械加工方式比，具有明显的成本优势。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims

1.一种自对准硅基光纤夹具的制造方法，其特征在于，其工艺步骤为：

步骤1、在硅基板上旋涂光刻胶，进行导向孔图形光刻；

步骤2、以光刻胶为掩模，刻蚀硅基板形成导向孔，其深度为20至150微米，控制其底部尺寸为最终的限位孔尺寸与硬掩模侧墙厚度之和；

步骤4、旋涂负性光刻胶进行填充；

步骤5、以负性光刻胶为掩模，进行硬掩模层回刻，在导向孔侧壁形成硬掩模层侧墙，同时去除底部硬掩模层，光刻胶光刻后的开口要大于限位孔的开口同时小于导向孔的开口；

步骤7、硅片背面研磨减薄露出限位孔。

2.根据权利要求1所述的自对准硅基光纤夹具的制造方法，其特征在于，导向孔的产生也可以采用硬掩模作为掩模层，将步骤1、2采用以下步骤：

步骤1、在硅基板上沉积硬掩模层，厚度为0.5-50微米；

步骤2、旋涂光刻胶，进行导向孔图形光刻；

步骤3、以光刻胶为掩模，刻蚀硬掩模层，再利用硬掩模层作为掩模层刻蚀硅基板形成导向孔，其深度为20至150微米。

3.如权利要求1所述的自对准硅基光纤夹具的制造方法，其特征在于，步骤3中其硬掩模层材料为SiO₂；所述导向孔刻蚀也可以采用硬掩模为中间阻挡层；步骤4的负胶旋涂使用光刻胶量为2毫升至20毫升。

4.如权利要求1所述的自对准硅基光纤夹具的制造方法，其特征在于，步骤4的负胶旋涂可以采用多次旋涂。

5.如权利要求4所述的自对准硅基光纤夹具的制造方法，其特征在于，步骤4的负胶旋涂的多次旋涂工艺其各步骤特征为：

1)吐出量为1～10毫升，转速500-1200rpm，旋转2-15秒后静止0.5-5秒再重复上述步骤，通过1～5次循环完成；

2)重复步骤1)1～3次；

3)吐出量为0.2～5毫升，转速800rpm-1500rpm，旋转2-15秒；

4)重复步骤3)1～3次。

6.如权利要求1所述的自对准硅基光纤夹具的制造方法，其特征在于，步骤5回刻后，导向孔内光刻胶与衬底间台阶差小于5微米；步骤3沉积硬掩模层厚度为0.5至2微米。