CN104261673A

CN104261673A - 电子敏感玻璃基板和光学电路,以及其中形成的微型结构

Info

Publication number: CN104261673A
Application number: CN201410443636.3A
Authority: CN
Inventors: 石以瑄; 韩露; 邱树农; 吴杰欣; 邱星星; 石宇琦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2015-01-07

Abstract

本发明涉及一种电子敏感玻璃基板和基于该电子敏感玻璃基板且具有多个光波导的光学电路，以及该电子敏感玻璃基板中形成的微型结构。微型结构是由电子束照射在电子敏感玻璃上的所选区域并经高温热处理和化学蚀刻形成的，而光波导的形成则是由电子束照射在电子敏感玻璃基板上经一个较低温度热处理而成。

Description

电子敏感玻璃基板和光学电路,以及其中形成的微型结构

技术领域

本发明涉及一种可感电子玻璃或叫电子敏感玻璃和微流控的微型结构，微机电系统MEMS，以及在电子敏感玻璃中通过电子束直写而形成的集成光学的光波导。

背景技术

在生物、医学、化学的研究与应用中，微型化的微流控设备是被用于组建芯片实验室（lab-on-a-chip）单元。此外，更理想的情况是集成微光学、微机械或微电子设备以实现完整的芯片实验室单元。这些设备大多使用玻璃制造以实现长期的稳定性，耐化学性和惰性。另外，嵌在透明基板中的光波导对组建集成光学电路和模块是必要的。

光敏玻璃（Photodefinable Glass）

主体和表面微加工的玻璃制造技术包括各向同性化学蚀刻，激光微加工，机械切割，喷砂，热成型和图形构成。当玻璃湿蚀刻是各向同性的，各向异性干蚀刻的速率通常都慢，因此人们研制了光敏玻璃。光敏玻璃的主要组成成分的含量为：SiO₂ 65-85%，Li₂O 7-19%，K₂O 2-6%，Al₂O₃3-9%，Na₂O 1-3%，ZnO 0-2%，Sb₂O₃0.03-0.4%，Ag₂O 0.05-0.15%，CeO₂ 0.01-0.05%。[1]

光敏玻璃的传统光束加工（photo structuring）包括以下流程：（1）受紫外光照射，通过光罩曝光得到想要的图案，（2）两步退火热处理，先后在500^oC和600^oC各保温1小时，目的是允许还原的银原子在紫外光照射区域聚集成核，并在成核处生长出偏硅酸锂（Li₂SiO₃）晶体，（3）采用稀释5-10％氢氟酸（HF）溶液的湿法蚀刻，由于照射区域的蚀刻速度大约是未照射区域的30倍左右，紫外光照射区域的微晶玻璃陶瓷（ceramic）将被选择性地去除，因此在光敏玻璃上形成了几千微米深度的微图案结构。

每个加工步骤的反应和机制都可以根据T.R. Dietrich et al描述如下：

A、在熔化过程中，Ce⁺³离子的形成和稳定的Sb₂O₃感光剂：

2 Ce⁺⁴+ Sb⁺³à 2 Ce⁺³+ Sb⁺⁵ (1)

B 、当被紫外光照射，Ce⁺³光子吸收和返回到更稳定的Ce ⁺⁴ 形式：

Ce⁺³+ hνà Ce⁺⁴+ e ^-1 (2)

Ag离子接收释放的电子并还原它成为Ag原子：

Ag⁺¹+ e^-1àAg (3)

C 、当温度加热到约500^oC，在紫外光照射区域还原的Ag原子聚集成核。当进一步加热到温度约600^oC时，在Ag原子成核周围形成偏硅酸锂（Li₂SiO₃）：具有1微米到10微米范围内的微晶尺寸。

、在稀释的氢氟酸溶液（5％- 10％HF）中蚀刻时，紫外线照射区域的玻璃陶瓷的蚀刻速度将以比未照射区域快约2030倍：

SiO₂+ 4 HFàSiF₄+ 2H₂O (4)

在紫外线照射区域的蚀刻速度可以达到10 μm/分钟，使微结构的深度达到500 μm，而且使在这些光敏玻璃的纵横比（aspect ratio）达到10。用于照射的紫外线光源的波长应选择小于330纳米，以便获得足够的用来还原Ag的光子吸收 [2]。

由于在光敏玻璃中光传播或者吸收的变化，J/cm²的最佳剂量取决于波长和所需蚀刻速率。在文献 [3]，在Apex^TM中已报到的对于不同深度的蚀刻在280 nm波长中的最佳剂量，Apex^TM从0.048J/cm²到9.6J/cm²蚀刻深度范围从10μm到2,000μm。

使用光束曝光在光敏玻璃上加工微型结构，垂直于光束方向（Z方向）平面的尺寸和形状是由光照射区域的尺寸和形状确定的。然而，与光束的方向平行的尺寸很难控制，因为光敏玻璃上光吸收较小和长时间曝光所致。这是由于小的光学吸收系数和在近紫外区域有相对较大的传播。

因此，在照射区域以Z方向的距离吸收的光子总量的变化是渐进的, 而不是突变的。因此，在随后的化学蚀刻中，蚀刻腔体的深度会随着蚀刻时间的增长而增加。因此，为了实现想达到的腔体深度，需要不同深度的精确蚀刻数据和蚀刻时间控制。此外，需要不同深度的多种腔体结构是非常困难的。

此外，还可以使用紫外光源的脉冲激光器在基板表面上加工图案和结构，从355nm到800nm不同波长的脉冲激光器已经用于加工3D结构或嵌入在光敏玻璃表面或者内部的结构[4][5]。使用波长大于350nm的激光时，光敏玻璃对光子的吸收较小。光敏作用只发生在光强足够大而能激发Ce³⁺吸收大量光子的焦点区域。

Ce⁺³+ nhνà Ce⁺⁴+ e ^-1 (5)

Ce³⁺吸收光子变成Ce⁺⁴而释放出的自由电子e^-1将被Ag⁺离子接收，使Ag⁺离子还原成Ag原子。在焦点外，光强很小而不足以在随后的退火热处理中析出晶体。例如，使用800nm波长的激光脉冲，制作宽度约100微米、高度为100微米的棱镜阵列[6]。

电子和固体之间的相互作用

当电子束加速到一定能量E_o并入射固体靶时，半经验理论[7]可用来描述随后发生的事件。半经验理论经常被用来理解电子探针显微分析、扫描电子显微镜和电子束直写的原理。当电子穿透到固体靶时，入射电子会受到靶中原子的弹性散射或非弹性散射。入射电子与靶中原子核外的电子发生非弹性碰撞，该碰撞使原子电离或激发，从而造成入射电子的能量损失称为电子阻止。电子阻止还可能是由于入射电子与固体靶中原子核产生弹性碰撞，发生了入射电子能量和动量的转移产生的。

因此，入射电子在穿透固体靶时，与靶中电子碰撞使其能量损失，与靶中原子核碰撞使其方向偏转。入射电子的运动轨迹能通过一个扩散模型进行描述，见图 1（a）。

电子束120被加速到能量E_o从基板100的基板顶面105T入射，基板具有基板厚度110和基板底面105B（见图1(a)）。在电子束120中的入射电子将直射入基板并且到达被称为电子扩散中心130的点。由于与基板中电子和原子核的相互作用，入射电子的运动轨迹在图1（a）中由分段的路径136表示。从电子扩散中心130到每个路径末端的距离表示该电子可运动的最大距离。

因此，入射电子的分布可以由电子扩散中心130来描述，电子扩散半径155决定了一个电子的扩散范围和扩散深度x_D150。

电子沿电子束120入射方向运动的最大距离被称为电子穿透深度R160。在电子扩散球体140内，入射电子损失能量，并可被基板100的材料吸收。图 1（a）中，在基板顶面105T下，基板顶面到电子扩散球体最短的距离记为170。电子扩散深度x_D150和电子穿透深度R160是由加速电压V或电子能量E_o，以及基板材料的原子序数（Z）来确定的。

在过去几十年里，在具有不同原子序数的不同基板上对加速电压和电子射程的关系进行了大量研究。图 1（b）展示了原子序数Z 为6的碳（C）和原子序数Z 为13的铝（Al）两种材料随电子能量E_o或加速电压V增加，质量-射程乘积ρR变化的关系图。这里ρ是基板材料的密度。在以后的描述中，扩散中心表示电子的扩散中心，扩散半径表示电子的扩散半径，扩散范围表示电子的扩散范围，扩散深度表示电子的扩散深度，而穿透深度或射程表示电子射程的深度。

当E_o的值从10 keV升到100 keV的时候，ρR的值则提升约30倍。因此，ρR的值与E_o是不成正比的，而且由下面的等式得出结论[7]:

ρR =5.025 x 10^-12 A E_o ^5/3 / λ_s Z^8/9 (6)

这里A(g)是基板材料的原子重量，λ_s是按经验确定的常量。针对在本发明中公开的电子敏感玻璃，主要材料是SiO_2，(Si Z=14, O Z=8)与一小部分其他金属氧化物。为简化描述和考虑，光敏玻璃的平均原子数取10。

对具有能量E_o电子束而言，其电子扩散深度x_D150与电子穿透深度R160的比值x_D/R 不是恒定的常数，而是随基板材料的原子数量而改变。为使x_D/R = 0.5，则需要电子的扩散深度150与电子扩散半径155相等，那么电子扩散球体140刚好达到基板顶面105T。当x_D/R < 0.5时，电子扩散球体140的上部分则会出现在基板顶面105T。在这种情况下，电子扩散球体在基板材料内部则不会形成一个完整的球形。

相反，当x_D/R > 0.5时，在基板顶面105T下方会形成完整电子扩散球体140。在此条件下，电子扩散球体在基板材料内部则会形成一个完整的球形和一个有限的距离：从基板顶面105T到电子扩散球体140之间的最短距离170。

基于文献[7]的模型12 /（Z +8），计算x_D/R与Z的关系如图1（c）所示，随着Z的增加，x_D/R的比值则持续下降，如果基板材料的Z值小于18，则x_D/R大于0.5，如果Z大于18，则x_D/R小于0.5。对主要成分是SiO₂的光敏玻璃来说，平均的原子序数为10 (= (14+8+8)/3)，因此，图1(c )中光敏玻璃的x_D/R值可取为0.7。

光波导

在光通信中，更快和更高数据传输的需求刺激了集成光学和更复杂功能的光学电路的研究与发展。进一步的研究与发展已导致了各种微型光学元件的出现，如光学开关，耦合器，波导，平面基板的滤波器等。为制造集成光路器件，制造在基板上或内的光波导。

光波导通常是由杂质扩散或离子交换、沉积和蚀刻等方法制造。但是，对尺寸的要求使得以传统方式制造的光纤通讯很昂贵。

图 2展示了光波导或光纤(200)的剖面示意图。这里，210是纤芯,它具有纤芯折射率n_core和一个芯直径d_core220，有厚度(240)的包层(230)和包层折射率n_cladding。为了实现入射光束250进入纤芯210并在纤芯中传播（入射角度为θ260，其对应的波导轴向为270），入射角度θ260必须满足下面条件：

sin θ < NA = [n² _core – n² _cladding]^1/2 (7)

这里，NA是数值孔径。传播后，输出光束280将离开光纤纤芯。假设纤芯210的折射率为1.50，为使得入射光束能耦合到不同包层折射率的波导中，NA的值和接收角度θ（最大输入角度）见表1。值得注意的是，随着包层折射率减小该接收角度要增大。

表1 相对折射率差和数值孔径之间的关系（纤芯折射率为1.50）

相对折射率差	包层折射率	数值孔径NA	接受角度θ
				0.22%	1.497	0.10	6^o
0.40%	1.494	0.13	8^o
				0.80%	1.488	0.19	11^o
1.00%	1.485	0.21	12^o
				1.50%	1.478	0.26	15^o

这非常明显，为了制作光波导, 纤芯的折射率应大于包层的折射率，这样光束才能在纤芯内传播。

光波导芯径（Core diameter of Optical Waveguides）

为支持光传播所需的模式，需要控制光波导或者光纤的纤芯直径d_core220。典型的尺寸或直径为6～10微米，而包层240的厚度优选0.5微米或以上。制造波导或者光线需要不同的扩散方法。

据[文献8]报道，使用飞秒激光器在光敏玻璃上已制作了光波导。

由照射光源在光敏玻璃中制作波导，这导致在照射区域的折射率增加。受到照射或热处理的区域里，相比在没有照射的光敏玻璃的周围区域，照射区域的折射率在增加。波导纵横比大到2至6.5。

本发明提出一种制作微型结构和在光敏玻璃中使用电子束曝光产生光波导的方法。

发明内容

本发明的目的是给出一种电子敏感玻璃基板和基于该电子敏感玻璃基板且具有多个光波导的光学电路，以及该电子敏感玻璃基板中形成的微型结构。

本发明涉及下述专有名词：

electron definable 电子敏感；

glass substrate玻璃基板；

an electron beam电子束；

integrated optical circuits集成光学电路；

an optical circuit光学电路；

optical waveguides光波导；

MEMS微机电系统；

photo definable glass光敏玻璃；

confinement layer 约束层；

cavities 腔体；

lab-on-a-chip 芯片实验室；

microfluidic 微流控；

mask光罩；

photo structuring 光束加工；

electron range 电子射程；

line dose 线剂量；

area dose 面剂量；

electron beam exposure 电子束曝光；

atom electrons原子的电子；

surface-to-electron diffusion sphere distance 基板顶面到电子扩散球体最短距离；

electron diffusion sphere 电子扩散球体；

electron diffusion cylinder 电子扩散圆柱。

为实现上述目的，本发明提供如下所述的技术方案：

一种电子敏感玻璃基板，其对电子束中的电子照射敏感，该基板包含至少以下几个主要组成成分：SiO₂, Li₂O, K₂O, Al₂O₃, Na₂O, ZnO, Ag₂O, 以制作具有多个光波导和微腔结构的集成光学电路。

上述对电子束中的电子照射敏感的电子敏感玻璃基板，其每个主要组成成分的含量是：SiO₂：60-90%，Li₂O：5-20%，K₂O：2-6%，Al₂O₃：2-8%，Na₂O：1-4%，ZnO：0-2.5%，Ag₂O：0.05-0.5%。

上述对电子束中的电子照射敏感的电子敏感玻璃基板，其电子能量的选择范围从10KeV到1MeV，以能在电子照射区域实现改变和控制所述电子的穿透深度。

优选的电子束的面剂量从5nC/cm²到5000nC/cm²，而更优选的面剂量从10nC/cm²到100nC/cm²。

所述的一种对电子束中的电子照射敏感的电子敏感玻璃基板，其包括附加的组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中所述的Sb₂O₃含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。

实现本发明目的的技术方案还在于：给出一种具有多个光波导的光学电路，该光学电路在所述的对电子束中的电子照射敏感的电子敏感玻璃基板上，为实现光波导折射率的增加，该电子敏感玻璃基板至少包含以下主要组成成分： SiO₂，Li₂O，K₂O，Al₂O₃，Na₂O，ZnO，Ag₂O。

所述的具有多个光波导的光学电路，每个光波导都有纤芯直径（半径），电子扩散深度由所述电子能量的选择来调节。

所述的具有多个光波导的光学电路，其中所述的在电子束中的电子能量的选择范围是从10 KeV至1MeV。

所述的具有多个光波导的光学电路，其中优选的电子束中的面剂量选择范围是从10nC/cm²到100nC/cm²。

所述的具有多个光波导的光学电路，该光波导是由至少一个所述的电子束扫描而成。

所述的具有多个光波导的光学电路，该电子敏感玻璃基板有基板折射率n_s，而所述光波导有一个波导折射率n_g，这要受至少一个电子束和一低温热处理的照射影响，因此n_s< n_g。

权12所述的具有多个光波导的光学电路，该光学电路还包括一个表面限制层（折射率为n_p）沉积在所述电子敏感玻璃基板（折射率为n_s）的顶面上，以减少所述光波导（折射率为n_g）中光束的损失，选择表面限制层的材料使得n_p~ n_s< n_g。

所述的具有多个光波导的光学电路，还包括附加组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中所述的Sb₂O₃的含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。

实现本发明目的的再一个技术方案在于：给出一个具有多个腔体的微型结构，该微型结构在一个如上所述的电子敏感玻璃基板上，所述的电子敏感玻璃基板对电子束中的电子照射敏感，为实现光学折射率和所述腔体结构的改变，以便于制作所述腔体，该电子敏感玻璃基板应该至少包括以下主要组成成分：SiO₂，Li₂O，K₂O，Al₂O₃，Na₂O，ZnO，Ag₂O。

所述的具有多个腔体的微型结构，其中每一个所述的腔体都有一个腔体深度，该深度的值由被用来制作所述腔体的电子束的电子能量所控制。

所述的具有多个腔体的微型结构，其中每一个所述腔体的材料都受到电子照射，并经受高温热处理和化学蚀刻。

所述的具有多个腔体的微型结构，其中所述的电子敏感玻璃的基板还包括附加组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中，所述的Sb₂O₃含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。

所述的具有多个腔体的微型结构，其中所述电子束的电子能量的选择范围是从10keV 到1MeV。

所述的具有多个腔体的微型结构，其中所述的电子束的面剂量选择范围是从5nC/cm²到5000nC/cm²，更优选的范围是从10nC/cm²到100nC/cm²。

所述的具有多个腔体的微型结构，每个所述腔体是由多个所述的电子束扫描而形成的。

本发明提供的电子敏感玻璃基板，具有微型结构和在其中形成的光波导，微型结构是由电子束照射在电子敏感玻璃上的所选区域并经高温热处理和化学蚀刻形成的，而光波导的形成则是由电子束照射在电子敏感玻璃上经一个较低温度热处理而成，该电子敏感玻璃上光波导的折射率得到增加，使用该种电子敏感玻璃制造的设备具有长期的稳定性，耐化学性和惰性。

附图说明

图1(a)剖面示意图展示了在固体基板100中，由入射电子束120的电子分段路径136定义的电子扩散中心130和电子扩散球体140；

图1(b)展示了碳C(Z=6)and铝Al(Z=13)的质量射程乘积ρR与电子能量Eo（加速电压V）的关系图，数据取自[文献7]；

图1(c)固体基板的原子序数与xD/R的关系图；

图2是光波导或光纤200示意图；

图3(a)剖面示意图展示了经过电子束320照射和热处理后电子扩散球体340及其球形区域345，电子扩散球体折射率n_e比基板折射率n_s大；

图3(b)所示为制作光波导，电子敏感玻璃基板300被电子束320从起点S到终点E沿着电子扫描方向325扫描，形成了一个的电子扩散圆柱380。在电子扩散圆柱380区域，由于电子照射和热处理，电子扩散圆柱折射率n_c从基板折射率n_s增加了；

图3(c)电子敏感玻璃基板300的顶面示意图，展示了热处理之后的电子扩散圆柱380区域，具有一个电子扩散圆柱直径340D，一个电子扩散圆柱轴330L，电子扩散圆柱折射率n_c大于基板折射率n_s；

图3(d)取自波导电子扩散圆柱轴的方向做剖视图，图中有多个电子扩散圆柱(340-1，…，340-N)，每个都由一个电子束(320-1，…，320-N)扫描形成，通过的增量距离Δs展示并形成一个组合电子扩散圆柱，为方便光束传输，它的宽度340DM远远大于电子扩散圆柱直径340D；

图4(a)是用电子束制作在电子敏感玻璃基板400上的光分束器400I顶面示意图，其中包含有一个由AB段电子扩散圆柱420构成的输入电子分支和由BD段电子扩散圆柱430、 BC段电子扩散圆柱440构成的两个输出电子分支；

图4(b)是用电子束制作在电子敏感玻璃基板上的光合束器470I的顶面示意图，其中包含由BD段电子扩散圆柱430、BC段电子扩散圆柱440构成的两个输入电子分支和一个由AB段电子扩散圆柱420构成的输出电子分支；

图5(a)是取自图3(c)中沿G1-G2的剖面示意图，展示了用作光波导的电子扩散圆柱340，其中表面限制层580的沉积厚度585，并且有比电子扩散圆柱折射率n_e小的折射率n_CL，而且n_C最好不要大于基板折射率n_s；

图5(b)展示了电子加速电压20,40和60keV在固体SiO2中深度ρx与每单位质量厚度的电子吸收比例的关系。这里ρ为基板材料密度。要注意的是每单位质量厚度的电子吸收比例以距离为x进行高斯分布；

图5(c)在电子扩散球体或者电子扩散圆柱的折射率随着直径方向距离的变化而变化。值得注意的是折射率的增加在电子扩散球体中心和电子扩散圆柱轴的中心达到峰值。横轴上的零点为电子扩散中心或者电子扩散圆柱轴；

图6(a)是电子敏感玻璃的剖面示意图，其中有三个扫描区域(615,625,635)，每个都被一个加速电压和电子能量的电子束(610,620,630)照射。注意不同的电子穿透深度(616,626,636)；

图6(b)为在图6(a)的电子敏感玻璃的顶面示意图，展示了三个扫描区域(615,625,635)的扫描路径；

图6(c)为取自图6(b)中沿H1-H2截断的剖面示意图，展示了通过电子束(610,620,630)照射和蚀刻电子敏感玻璃(605)材料后形成的三个腔体(615c,625c,635c)，每个腔体深度(616d,626d,636d)都由电子穿透深度控制，电子穿透深度则是通过加速电压或者电子能量进一步控制；

图7(a)是经过电子照射后的电子敏感玻璃的顶面示意图，最终目的是制作微流控结构：使第一、第二个电子扫描区域(715, 725)形成流体输入通道，使第三个电子扫描区域（735）形成一个混合室，使第四个电子扫描区域745形成一个流体输出通道；

图7(b)是取自图7(a)中I1-I2电子敏感玻璃的剖面示意图，它经过电子束的电子照射，热处理和一系列化学蚀刻后形成了微流控结构：第一、第二个腔体(715c, 725c，725c在图上未标出)作为流体输入通道，第三个腔体735c作为一个混合室，第四个腔体745c作为一个流体输出通道。

附图标记说明

100-固体基板，

105B-基板底面，105T-基板顶面，

110-基板厚度，120-电子束，130-电子扩散中心，136-电子分段路径，140-电子扩散球体，150-电子扩散深度，155-电子扩散半径，160-电子穿透深度，170-基板顶面到电子扩散球体最短的距离，

200-光波导或光纤，

210-纤芯，220-芯直径，230-包层，240-厚度，250-入射光束，260-入射角度，270-波导轴向，280-输出光束，

300-电子敏感玻璃基板，

300B-基板底面，300T-基板顶面，305B-基板底面，305T-基板顶面，

310-基板厚度，

320-电子束，325-扫描方向，325V-扫描速度，

330-电子扩散中心，330L-电子扩散圆柱轴，

340-电子扩散球体，340B-电子扩散球体底部边缘，340D-电子扩散圆柱直径，340DM-波导宽度，340T-电子扩散球体顶部边缘，345-球形区域，

350-电子扩散深度，355-电子扩散半径，

360-电子穿透深度，

370-基板顶面到电子扩散球体的最短距离，

380-电子扩散圆柱，385-第一个耦合面，387-第二个耦合面，

390-输入光束，395-输出光束，

400-电子敏感玻璃基板，401-电子束，405-左边缘，406-右边缘，

420-AB段电子扩散圆柱，425-AB段电子扩散圆柱轴，427-AB段电子扩散圆柱直径，

430-BD段电子扩散圆柱，435-BD段电子扩散圆柱轴，437-BD段电子扩散圆柱直径，

440-BC段电子扩散圆柱，445-BC段电子扩散圆柱轴，447-BC段电子扩散圆柱直径，

400I-光分束器， 470I-光合束器，

450-第一个输入光束，460-第二个输出光束，465-第一个输出光束，475，476，…47N-输入光束，480-输出光束，

530T-电子扩散圆柱顶面边缘，530B-电子扩散圆柱底面边缘，

570-基板顶面至电子扩散圆柱顶面边缘的距离，

580-表面限制层，585-表面限制层沉积厚度，

600-微流控装置，600E-微流控结构，

605-电子敏感玻璃基板，

610-第一个入射电子束，615-第一个电子扫描区域，615c-第一个腔体，615L-第一个电子扫描区域长度，615W-第一个电子扫描区域宽度，616-第一个电子穿透深度，616d-第一个电子能量E₁控制的腔体深度，

620-第二个入射电子束，625-第二个电子扫描区域，625c-第二个腔体，625L-第二个电子扫描区域长度，625W-第二个电子扫描区域宽度，626-第二个电子穿透深度，626d-第二个电子能量E₂控制的腔体深度，

630-第三个入射电子束，635-第三个电子扫描区域，635c-第三个腔体，635L-第三个电子扫描区域长度，635W-第三个电子扫描区域宽度，636-第三个电子穿透深度，636d-第三个电子能量E₃控制的腔体深度，

700-电子敏感玻璃基板，

715-第一个电子扫描区域，715c-第一个腔体，716 c -第一个腔体深度，

725-第二个电子扫描区域，725c-第二个腔体，726c-第二个腔体深度，

735-第三个电子扫描区域，735c-第三个腔体，736c-第三个腔体深度，

745-第四个电子扫描区域，745c-第四个腔体，746c-第四个腔体深度，

750-玻璃盖，755-玻璃盖厚度，

761-第一个电子束，762-第二个电子束，763-第三个电子束，764-第四个电子束。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进一步加以描述：

根据本发明的一个实例，一种电子敏感玻璃基板，它对电子束中的电子照射敏感，根据本发明所述的电子敏感玻璃基板，有至少以下几个主要组成成分：SiO₂ 60-90%, Li₂O 5-20%, K₂O 2-6%, Al₂O₃ 2-8%, Na₂O 1-4%, ZnO 0-2.5%, Ag₂O 0.05-0.5%。玻璃如果含有上述组成部分，则该玻璃对电子束敏感。含有的其他金属和金属氧化物也可能对光学和机械性能有所提高。在随后的描述中，术语“电子敏感玻璃”（electron sensitive glass）可用来表示“可感电子的玻璃”（ electron definable glass）。

下面的描述提出了在光敏玻璃中制作微型结构或光波导的示例。值得注意的是，该描述是以说明为目的，而不是限于本发明的描述范围。

当玻璃与上述成分混合经熔化和凝固后，电子敏感玻璃就形成了。根据本发明，电子敏感玻璃的二氧化硅中掺入了Ag⁺离子，而所述电子敏感玻璃是被电子束的电子改变和影响，实现制作微型结构或器件。

根据本发明，当电子束照射到电子敏感玻璃上时，入射电子束中的电子e^-1将穿透电子敏感玻璃并在一定的距离内形成电子扩散区域，电子在电子扩散区域内与Ag⁺银离子相互作用，而使Ag⁺银离子还原成Ag银原子。

因此，根据本发明，不同于传统的光敏玻璃，在等式（1）和（2）中描述的Ce⁺⁴，Sb⁺³，和Ce⁺³离子对电子敏感玻璃来说是不需要的。根据本发明，入射电子束的电子在电子敏感玻璃中可使Ag⁺¹银离子快速地还原为Ag 银原子。

根据本发明，当电子敏感玻璃经过电子束照射会发生以下情况：

Ag⁺¹+ e^-1àAg (8)

根据本发明，电子敏感玻璃的电子束从电子敏感玻璃的顶面入射并穿透到一定距离，该距离叫电子穿透深度。

入射电子束中的电子与Ag⁺银离子相互作用，即被Ag⁺银离子接收并还原成Ag原子。此外，入射电子还会与原子中的电子相互作用，引起更多的自由电子e^-1的激发，这又使更多的Ag⁺银离子接收电子而还原：Ag⁺¹+ e^-1àAg。

因此， Ag ⁺还原是由入射电子直接实现的。不像在光束曝光中，光吸收系数很小，所以每单位距离光子吸收的量要随着与玻璃的距离逐渐变化，在玻璃中的电子吸收呈高斯形状，并已明确定义了电子穿透范围。

电子穿透深度是由电子能量，原子序数和电子敏感玻璃的密度确定的。电子穿透范围可以通过选择从10keV到1MeV的入射电子能量，被控制在1μm到 1,000μm的范围内。

根据本发明，电子敏感玻璃中的微型结构的深度可通过选择在照射电子束的电子的能量或加速电压来控制。

在电子照射后，其中一些Ag⁺银离子被还原成Ag银原子。然后随后的热处理选择温度为450^oC到520^oC，在5至120分钟时间段内，允许还原的银原子聚集成核。

Ag银原子的形成和随后的热处理以及聚集成核会引起折射率Δn的增加，对比周围的玻璃基板的区域，经过电子照射的玻璃材料的电子照射折射率为n_e，它的基板折射率为n_s。根据本发明的实例，光波导在电子照射区域中形成，其中根据基板折射率n_s的值，折射率Δn会增加。

在电子照射后，当玻璃经过5到240分钟550^oC到620^oC的高温处理后，Ag原子核周围玻璃结晶会形成偏硅酸锂：Li₂SiO₃，微晶尺寸从1μm到10μm。在电子照射区域的材料变成玻璃陶瓷。根据本发明的另实例，高温处理后的电子照射区域将形成玻璃陶瓷而且此蚀刻速度比未经照射的玻璃蚀刻速度快10倍，化学蚀刻溶液中有2%到15%的HF。由于蚀刻速度的大差异，对电子敏感玻璃中特定区域进行电子曝光，将有助于微型腔体和微型结构的制造。

如上所述，根据本发明的实例，经过450^oC到550^oC温度的热处理之后（没有在550^oC至620^oC的进一步高温加热的步骤），电子照射区域有折射率n_e = n_s + Δn，并且照射区域的材料主要是无定形的，所述电子照射区域形成具有折射率n_c的波导纤芯，n_c=n_e，而周围的玻璃基板（折射率n_s）形成所述波导纤芯的包层，这有利于限制光束在电子照射区域内传输。

当在稀释的HF溶液中进行蚀刻时（HF浓度2％-15％），由电子照射和经过大约600^oC的进一步加热处理形成的玻璃陶瓷将被比在未曝光的区域的蚀刻速度快约2030倍：

SiO₂+ 4 HF à SiF₄+ 2 H₂O (9)

在电子照射区域的蚀刻速率可高达10μm/分钟，使微型结构的深度达到500μm，而且使在这些电子敏感玻璃的纵横比大到30。

值得注意的是，根据本发明，蚀刻结构的深度是由电子穿透深度决定的，而电子穿透深度仅由电子能量或加速电压决定。因此，微型结构的蚀刻深度仅由电子能量决定，电子能量决定电子穿透的深度。相比光束曝光的光敏玻璃，对于蚀刻微型结构深度的控制是有利的。因为对于光敏玻璃，蚀刻微型结构的深度由光剂量，蚀刻剂和蚀刻时间决定，对这些因素的控制更难实现。

为了使Ag⁺还原为Ag获得足够的电子穿透深度，电子的能量或加速电压应选临界值大于1keV或1 kV的。由于在一定位置或距离的光敏玻璃的传输变化或电子吸收，需要以J/cm² 的最佳剂量来保持有足够Ag ⁺银离子的还原，来实现在所需要的蚀刻速率的折射率的充分增长。

根据本发明，优选电子束的线剂量为1pC/cm 到1000pC/cm，而对能量为10keV到1MeV的电子而言，电子束的面剂量为5nC/cm²到5000nC/cm²，为达到2μm～1,000μm的电子穿透深度，更优选为10nC/cm²到 100nC/cm²。

根据本发明的另一实例和图3(a)描绘所述，经电子束320的电子从电子敏感玻璃基板300的顶面305T照射后，电子敏感玻璃基板300有基板厚度310和基板底面305B，电子将被散射在电子扩散中心330周围，电子扩散中心330距基板顶面305T的距离为一个电子扩散深度350并且按电子扩散半径355保持在一个电子扩散球体340内。电子扩散球体340中的电子将被材料吸收，并将导致Ag⁺银离子还原成Ag银原子。此外，入射电子可与原子的电子相互作用，引起自由电子e^-1的激发，进一步与Ag⁺银离子相互作用，由Ag⁺银离子接收自由电子使得Ag⁺被还原成Ag银原子。

在电子照射后，将电子敏感玻璃基板300放入加热炉中进行热处理。这个热处理所选温度为400^oC到620^oC（450^oC到550^oC更佳），处理时间为5至240分钟。热处理使得Ag银原子重新分布，从而使在电子扩散球体340的折射率n_e由原始基板折射率n_s增加，如图3(a)所示。

因此，根据本发明的实例，在用电子束照射和热处理后，将形成如图3(a)所示的一个球形区域 345，该球形区域内的折射率n_e是由基板折射率n_s增加得到的。

电子扩散球体340具有位于距基板顶面305T一个电子穿透深度360距离的电子扩散球体底部边缘340B和位于距基板顶面305T一个“顶面到电子扩散球体最短距离”370的电子球体顶部边缘340T。根据本发明后面的实施例，在基板折射率为n_s的电子敏感玻璃基板300中，可通过形成具有球形区域折射率为n_e的电子扩散球体340来得到各种各样的光学器件。

根据本发明在图3(b )中所示的另一个实例，对加速电压进行控制以得到电子能量值为E_o的电子束320从基板厚度为310的电子敏感玻璃基板300入射，电子敏感玻璃基板300具有基板顶面300T和基板底面300B。电子束以扫描速度325V和扫描方向325扫描到电子敏感玻璃基板300上，以得到多个电子扩散球体(340-1 ··· N)，每个球体都有一个被控制的电子扩散深度350，一个电子穿透深度360和一个被控制的电子扩散半径355，所述电子束扫描是从基板顶面305T的起始位置S开始到一个末端位置E结束，以实现被控制的电子束线剂量或面剂量，因此所述电子束的电子会照射在第一个位置P1，P1位置的电子将被吸收和形成第一个电子扩散球体340-1。电子束的电子会照射在第二个位置P2，P2比第一位置P1有Δs的增量距离，P2的电子也将被吸收并形成第二个电子扩散球体340-2。电子束的电子会照射在第三个位置P3，P3比第二位置P2有Δs的增量距离，P3的电子也将被吸收并形成第三个电子扩散球体340-3。以此类推，直到所述的电子束到达所述基板的尾部E形成最后一个电子扩散球体340-N。

根据本发明，电子扩散深度350，电子穿透深度360和电子扩散半径355的值是通过电子能量E_o控制的，而电子能量E_o是由电子加速电压V确定的，这个值为10keV到1MeV。连续扫描后，所有扫描的电子扩散球体(340-1 N)将形成一个电子扩散圆柱380，电子扩散圆柱380有电子扩散圆柱轴330L，电子扩散圆柱直径340D，基板顶面到电子扩散圆柱的最短距离370。在所述电子扩散圆柱380，电子扩散圆柱折射率n_c比基板折射率n_s有了较大的增长。

所述电子扩散圆柱380形成了嵌在所述电子敏感玻璃基板300的光波导，所述电子扩散圆柱直径340D等于所述电子扩散半径355的两倍，这由调整所述电子束的加速电压V来控制，即电子能量E_o。为进一步增加电子扩散圆柱折射率n_c，需要将所述电子敏感玻璃基板300做进一步的加热处理，热处理温度为400^oC到620^oC，处理时间为5至240分钟，更佳的热处理温度为450^o到550^oC。当在过高的温度下做热处理时，折射率变化会很大，但由于光吸收系数的增加，光衰减也可能会增加。

根据本发明的另一实例，从起始位置S到终点位置E的电子束320的扫描可重复多次以提高电子束剂量并改善扫描电子的一致性。此外，经过上述多次扫描，在电子敏感玻璃基板300上可以与电子束入射的垂直方向以增量距离Δs移位，所选的增量距离Δs的值比电子扩散半径355小很多，以增加电子扫描区域的宽度，即以增加电子扩散圆柱380的宽度来增加所述波导宽度。

应当指出的是，图3(b)中所述多个电子扩散球体的示意图只是用于解释说明。在实际制造中，电子束320可以以最小的增量步长 Δs和恒定的扫描速度325V扫描，这样相邻的电子扩散球体之间的距离将是最小的。这种方式中，多个电子扩散球体(340-1 --- 340-N)将形成具有光滑的表面(340T，340B)的电子扩散圆柱380。

根据本发明，在图3(c)中，电子敏感玻璃基板300经电子束320扫描和随后的热处理后，电子扩散圆柱380有电子扩散圆柱折射率n_e，这比基板折射率n_s大很多，电子扩散圆柱380有电子扩散圆柱直径340D和电子扩散圆柱轴330L。电子扩散圆柱380有用于接收和传输输入光束390的第一个耦合面385和第二个耦合面387，这样输出光束395可从第二个耦合面387输出。

所述电子扩散圆柱直径340D的值是通过所述电子束的加速电压控制的，单模传播直径为5μm到10μm，这取决于传播光束的波长。用于多模式光传播时，电子扩散圆柱直径340D可以大于10μm。电子扩散圆柱直径的增加可以通过采用具有较大能量E_o的电子束实现，或通过多倍的电子束或多次扫描电子扩散圆柱区域，每个电子束中心都按增量距离Δs来展示，所选的Δs 比电子扩散圆柱直径340D少很多，更优选为Δs<0.5D，这样多次扫描电子扩散圆柱将获得更均匀和完整的电子剂量。

值得注意的是，增量距离Δs与电子扩散圆柱轴330L方向平行。当一个波导是由多次扫描形成，波导宽度，图3(d)中的340DM，比单次扫描的电子扩散圆柱直径340D大。这里，第一个电子扩散圆柱轴330-L1由第一个电子扫描光束320-1创建的，而第二个电子扩散圆柱轴330-L2是由第二个电子扫描光束320-2创建的。因此，根据本发明，经过电子束照射到电子敏感玻璃基板和随后的热处理，嵌入在电子敏感玻璃基板的光波导就能获得了。

为得到含有光波导的光学器件，需要更复杂的结构。根据本发明如图4(a) 所示，在电子敏感玻璃基板400中制作的光分束器400I含有至少一个左边缘405和至少一个右边缘406。

经过电子束401由A点到B点的扫描形成了第一个输入波导段，即AB段电子扩散圆柱420，其具有AB段电子扩散圆柱直径427；

经过电子束401由B点到D点的扫描形成了第一个输出波导段，即BD段电子扩散圆柱430，其有BD段电子扩散圆柱直径437；

经过电子束401由B点到C点的扫描形成了第二个输出波导段，即BC段电子扩散圆柱440，其有BC段电子扩散圆柱直径447。

一束入射到AB段电子扩散圆柱420的输入光束450，该输入光束450将沿AB段电子扩散圆柱420传播，当输入光束450达到B点时，将被大致分成同等的两半光束，每半光束将继续沿BD段电子扩散圆柱430和BC段电子扩散圆柱440传播，最终输入光束450分离为第一个输出光束465和第二个输出光束460。

本领域技术人员很容易理解：两个以上的输出电子扩散圆柱或N个输出电子扩散圆柱(N>2)，可连接和集成到第一个电子扩散圆柱420，所以输入光束450将被分为N个部分并且以N个输出光束形式分离。

类似地，光合束器470I可通过反向的输入光束(475，476，···47N)的多个光束(475，476，···，47N)在电子敏感玻璃基板(400)上实现，输出光束为 480，如图4（b）所示。第一个输入光束475被耦合到所述第一个输入电子扩散圆柱430，第二个输入光束476被耦合到第二个输入电子扩散圆柱440，两个输入光束传播并在B点合并，然后继续到达第一个输出电子扩散圆柱420并形成第一个输出光束480。

本领域技术人员很容易理解，两个以上的输入电子扩散圆柱或N个输出电子扩散圆柱，可连接和集成到第一个电子扩散圆柱420，使得多个输入光束(475, 475,···N)或N个输入光束将被合并成单一的输出光束480。

现在参见剖视图图5(a)，它是沿着图3(c)中G1-G2制成，有电子扩散圆柱380与电子扩散圆柱中心330，以及电子扩散半径355，电子扩散深度350，以及电子穿透深度360，电子扩散圆柱顶面边缘530T，电子扩散圆柱底面边缘530B，基板顶面至电子扩散圆柱顶面边缘的距离570。

见图5（a），由于有限的电子扩散深度350，和有限扩散半径355，基板顶面至电子扩散圆柱顶面边缘的距离570，即所述电子敏感基板300的基板顶面300T与电子扩散圆柱340的电子扩散圆柱顶面层边缘530T之间的距离，这是个很小的值，有时候小到0.5微米。当基板顶面至电子扩散圆柱顶面边缘的距离570太小的时候，一些沿着由电子扩散圆柱340(见图3)形成的波导中进行传播的光束，有可能不能被限制在电子扩散圆柱里，可能逃出电子扩散圆柱而形成一个损耗。

为了减少光束不必要的损耗，根据本发明，在所述电子敏感基板300的顶面沉积了一个表面限制层580，它有一个表面限制层沉积厚度585，表面限制层折射率n_cf，其中，所述表面限制层的沉积厚度585的值所取范围为0.2μm到200μm，所述表面限制层折射率n_cf的取值比电子扩散圆柱区域折射率n_e更小而且最好不要大于基板折射率n_sh。

根据本发明在前面对优选实例的描述，在电子敏感玻璃基板中形成的电子扩散圆柱在基板中被保留并用于引导光束。因此，根据本发明，电子敏感玻璃基板，对电子束的电子照射敏感，包括至少以下主要组成成分：SiO₂, Li₂O, K₂O, Al₂O₃, Na₂O, ZnO, Ag₂O，这些成分为了制作具有多个光学波导和微型结构的集成光学电路。而每个在电子敏感玻璃基板中的所述主要组成成分的含量为：SiO₂60-90%，Li₂O 5-20%，K₂O 2-6%，Al₂O₃2-8%，Na₂O 1-4%，ZnO 0-2.5%，Ag₂O 0.05-0.5%。

根据本发明，在所述电子束中的电子能量选取范围为10keV至1MeV，以便改变和控制电子照射区域的电子穿透深度，所述电子束的线剂量为1pC/cm至1000pC/cm，和所述电子束的面剂量为5nC/cm²和5000nC/cm²，更优选为10nC/cm²和100nC/cm²，包括附加组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中所述Sb₂O₃的含量小于0.5%，CeO₂的含量小于0.05％。

因此，根据本发明另一实例，一种具有多个光波导的光学电路在电子敏感玻璃的基板中，其中所述电子敏感玻璃的基板对电子束的电子照射敏感，为实现在所述电子敏感玻璃的基板中所述光波导的光折射率的增加，包括至少以下主要组成成分：SiO₂，Li₂O，K₂O，Al₂O₃，Na₂O，ZnO，Ag₂O，所述的每个光波导都有纤芯直径（半径），电子扩散深度通过选取所述的电子能量调节。

此外，所述电子敏感玻璃基板有一个基板折射率n_s，所述光波导有一个波导折射率n_g，n_g受到电子束和低温热处理的影响，因此n_s< n_g。所述光学电路还包括一个折射率为n_p的表面限制层或叫保护层沉积在所述折射率为n_s的电子敏感玻璃基板顶面，该表面限制层可以减少光波导中光束的损耗，光波导有折射率n_g，选择表面限制层的材料使得n_p～n_s< n_g。

根据本发明另一实例，所述电子敏感玻璃，包括附加组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中所述的Sb₂O₃含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。

根据本发明另一实例，电子敏感玻璃在被具有加速电压或电子能量的电子束照射后还有一个蚀刻步骤，以形成多个电子曝光区来制作多个具有不同尺寸和深度的微型结构，而每一个电子曝光区的深度通过控制所述电子束的加速电压或电子能量来控制。

如前所述，对于给定的加速电压或电子能量，在Z=10的固体靶的电子吸收量为高斯分布，如图5(b)所示三个电子能量值。值得注意的是，电子扩散中心(330-1，330-2，330-3)和电子穿透深度(360-1，360-2，360-3)随着能量的增大而增加。因此，波导直径是随着电子能量增加而增大的电子扩散圆柱直径。由于电子吸收的性质，所得的折射率分布约为高斯分布，如图5(c)所示两个不同电子能量随着电子扩散圆柱轴距离所测的折射率的定量分布。

根据本发明，一个微流控装置600（见图6(a))可以通过电子束沿电子扩散圆柱轴的重复扫描来制作，因为每一个新的扫描按某个增量距离移位。如图6(b)所示，通过电子束沿电子扩散圆柱轴的重复扫描来制作，因为每一个新的扫描都按增量距离Δd沿着轴向移位，Δd=Δd₁，Δd₂，Δd₃，并且所述增量距离Δd值等于或者小于所述电子扩散半径355 (图5(a))。第一个电子扫描区域615被创建，如横截面图6(a)所示。加速电压V₁所选范围为10keV到1 MeV，使得所述第一个电子扫描区域615有第一个电子能量E₁。在第一个电子扫描区域615内，入射电子束610中的电子数量通过控制第一个电子束电流I₂来控制，第一个扫描速度为V_s1，第一个递增距离为Δd₁。在第一电子扫描区域内每单位面积(cm²)入射电子束610的电子数量和作为第一个电子束的面剂量的D_EA1相关。因此，控制第一个电子束的面剂量到某个常量，对所述第一个电子扫描区域615而言是有利的。选取的加速电压V₁使得第一个电子扫描区域615的电子照射具有第一个电子能量E₁。由于用于第一个电子扫描区域的扫描的入射电子能量是个常数E₁，便有了第一个电子穿透深度616，并且可以从公式(6)估算。还应该指出，第一个电子扫描区域615有第一个电子扫描区域宽度615W和第一个电子扫描区域长度615L。

此后，如图6(a)所示第二个电子扫描区域625被制作。选取的第二个电子束的第二个加速电压V₂范围为10keV到1MeV，这使得所述第二个电子扫描区域625的电子照射具有第二个电子能量E₂。在该第二个电子扫描区域625内，入射电子束620的电子的数量也是通过控制第二个电子束电流I₂。第二个扫描速度V_s2和第二个增量距离量Δd₂。第二个电子扫描的区域中每单位面积(cm²)入射电子束620的电子数量与作为第二个电子扫描区域剂量的D_EA2相关。因此，控制第二个电子束的面剂量到一个常量对所述第二个电子扫描区域625而言是有利的。选取的加速电压V₂使得第二个电子扫描区域625的电子照射具有第二个电子能量E₂。由于用于第二个电子扫描区域的扫描的入射电子能量是个常数E₂，便有了第二个电子穿透深度626，并且可以从公式(6)估算。还应该指出，第二个电子扫描区域有第二个电子扫描区域宽度625W和第二个电子扫描区域长度625L。

更多的电子扫描区域可通过电子束直写生成。例如，如图6(a)所示第三个电子扫描的区域635被制作。选取的第三个电子束630的第三个加速电压V₃的范围为10keV到1MeV，这使选取的所述第三个电子扫描区域635的电子照射具有第三个电子能量E₃。在第三个电子扫描区域635中，入射电子束630的电子数量也是通过控制第三个电子束电流I₃，第三个扫描速度V_s3和第三个增量距离量Δd来控制。第三个电子扫描的区域中每单位面积(cm²)入射电子束630的电子数量与作为第三个电子扫描区域剂量的D_EA3相关。因此，控制第三个电子束的面剂量到一个常量对所述第三个电子扫描区域635而言或许是有利的。选取的加速电压V₃使得第三个电子扫描区域635的电子照射具有第三个电子能量E₃。由于用于第三个电子扫描区域635的扫描的入射电子能量是个常数E₃，便有了第三个电子穿透深度636，并且可以从公式(6)估算。

电子束的线剂量为1pC/cm到1000pC/cm，电子束的面剂量为5nC/cm²到5000nC/cm²，而对能量为10keV到1MeV的电子而言，为达到电子穿透深度从2μm到约1,000μm，更优选为10nC/cm²到100nC/cm²。还应当注意，第三个电子扫描区域635具有第三个电子扫描区域宽度635W和第三个电子扫描区域长度635L。最后指出的是，加速电压的值的选取导致V₁< V₃< V₂，以实现图6(a)所示不同的电子穿透深度。

图6(c)是一个取自图6(b)中线H1-H2的微流控结构600E的横截面示意图，它经过蚀刻电子敏感玻璃基板605后形成第一个腔体，第二个腔体和第三个腔体，其中第一个腔体含有第一个由所述第一个电子能量E₁控制的腔体深度616d，第二个腔体含有第二个由所述第二个电子能量E₂控制的腔体深度626d，第三个腔体含有第三个由所述第三个电子能量E₃控制的腔体深度636d。在上面的例子中，E₁<E₃<E₂，因此616d < 636d < 626d。很清楚的是根据本发明电子照射和蚀刻后的腔体深度是由电子穿透深度和由此产生的电子能量决定的。

图7(a)、（b）是本发明中用于另一种流体混合器结构例子的示意图。第一个电子束761以第一个电子束能量E₁照射到所述电子敏感玻璃基板700的第一个电子扫描区域715，第二个电子束762以第二个电子束能量E₂照射到所述电子敏感玻璃基板700的第二个电子扫描区域725，第三个电子束763以第三个电子束能量E₃照射到所述电子敏感玻璃基板700的第三个电子扫描区域735，第四个电子束764以第四个电子束能量E₄照射到所述电子敏感玻璃基板700的第四个电子扫描区域745。所述的四个电子扫描区域(715，725，735，745)都具有各自的电子穿透深度R₁，R₂，R₃，R₄。在上述扫描中，第一个电子能量E₁，第二个电子能量E₂和第四个电子能量E₄都为20keV，而选取的第三个电子能量E₃为40keV。因此E₃> E₁= E₂= E₄。所以根据图1（b）展示的ρR和照射电子能量之间的关系(ρ为基板材料的密度，R是电子穿透深度)，可得到R₃>R₁=R₂=R₄。即由于在第一个电子扫描区域715，第二个电子扫描区域725和第四个电子扫描区域745，照射的电子能量都为20keV，因此它们的电子穿透深度R也是相同的，约等于4μm。在第三个电子扫描区域735中，由于照射的电子能量是40keV，所以其电子穿透深度R₃的值会大于其余三个，约为10μm左右。

因此，如图7(b)所示，电子敏感玻璃基板700在经过上述电子束的电子照射、热处理以及化学蚀刻后，四个电子扫描区域将形成四个彼此连接的腔体：第一个腔体715c，第二个腔体725c（图中未标出），第三个腔体735c和第四个腔体745c。图7(b)是取自图7(a)中沿I1~I2横断的剖面图，并且包含一个额外的玻璃盖750的电子敏感玻璃横断面图，所述玻璃盖750有一玻璃盖厚度755并且通过热压缩过程与电子敏感玻璃基板700相连接。

所述第一个腔体715c与第二个腔体725c等效，其中第一个腔体715c中的第一个腔体深度716c和第二个腔体725c中的第二个腔体深度726c相同，并且可被用作输入流体通道，第三个腔体735c有第三个腔体深度736c，它比第一个腔体深度716c大并被用来作为一个混合室，而第四个腔体745c具有第四个腔体深度746c，它与所述第一个腔体深度716c和第二个腔体深度726c是相同的并且用作输出流体通道。从上面的描述显然可见，对电子照射敏感的电子敏感玻璃，可方便地用来制造用于化学和生物设备及应用的微流控结构。

因此，根据本发明，在电子敏感玻璃的基板上有多个腔体的微型结构，其中所述的电子敏感玻璃基板上，包括至少以下主要构成成分：SiO₂，Li₂O，K₂O，Al₂O₃，Na₂O，ZnO，和Ag₂O，对电子束的电子照射敏感，以实现在所述的电子敏感玻璃基板上增加光波导的折射率，其中，每个所述腔体有腔体深度值，该值由制造腔体的电子束的电子能量来控制。而每个在电子敏感玻璃基板中的所述主要组成成分的含量为：SiO₂60-90%, Li₂O 5-20%, K₂O 2-6%, Al₂O₃2-8%, Na₂O 1-4%, ZnO 0-2.5%, Ag₂O 0.05-0.5%。

其中每一个所述腔体的材料都有受到电子照射、高温热处理和化学蚀刻。根据本发明的另一实例，在电子敏感玻璃基板上有多个腔体的微型结构包括至少以下主要组成成分：SiO₂, Li₂O, K₂O, Al₂O₃, Na₂O, ZnO, Ag₂O, Sb₂O₃和CeO₂，其中所述的Sb₂O₃含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。电子敏感玻璃基板，对电子束的电子照射敏感，其中所述微型结构包括多个腔体，每个腔体都通过一定电子能量和穿透深度的电子束照射形成，包含至少以下组成成分：SiO₂，Li₂O，K₂O，Al₂O₃，Na₂O，ZnO，Ag₂O来制作具有多个光学波导和微腔结构的集成光学电路。

参考文献

[1]迪特里希，恩尔佛德，拉其尔，克莱默和斯佩特，使用光蚀刻玻璃的微系统制造技术，微电子工程，（1996）第30卷，第497-504页。

[2] 坦塔维，瓦德尔和威廉姆斯，Apex^TM和Forturan^TM光敏玻璃结构和成分分析，文献材料科学，（2013）卷。 48，第5316-5323页。

[3] 坦塔维，奥茨，可马力，贝格斯和威廉姆斯，阿佩克斯光敏玻璃光滑透明侧壁结构的处理，微机电杂志，（2011年），第21卷，第017001-6页。

[4] 增田，杉冈，华城，北青木，河内，石河山，丰田，黑瓦健，绿川，用飞秒激光在光敏玻璃内部的三维微加工，应用物理，2003年，第76卷，第 857-860页。

[5] 黑瓦健，福库，汉森，贾森，激光加工在超小型卫星微推进器的应用，理化学研究所评论，2001年，第32期，第57-63页。

[6] 林正祥，肖海，陳顯禎和蔡海龙，光敏玻璃微透镜阵列的飞秒激光直写，应用物理A，（2009），第97卷，第751-757页。

[7] 金谷，冈山，电子在固体靶中的穿透和能量损失理论，物理学学报D辑，（1972年）第5卷，第43-58页。

[8] Z.L.李等人，用飞秒激光在福图然光敏玻璃制作波导，激光应用杂志，（2006），18卷，第320–324页。

Claims

1.一种电子敏感玻璃的基板，其特征在于：该电子敏感玻璃基板对电子束中的电子照射敏感，该基板包含至少以下几个主要组成成分：SiO₂, Li₂O, K₂O, Al₂O₃, Na₂O, ZnO, Ag₂O, 以制作具有多个光波导和微腔结构的集成光学电路。

2.根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述基板的每个主要组成成分的含量是：SiO₂：60-90%，Li₂O：5-20%，K₂O：2-6%，Al₂O₃：2-8%，Na₂O：1-4%，ZnO：0-2.5%，Ag₂O：0.05-0.5%。

3.根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述基板的电子能量的选择范围从10KeV到1MeV，以能在电子照射区域实现改变和控制所述电子的穿透深度。

4.根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的电子束的面剂量从5nC/cm²到5000nC/cm²。

5.根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的电子束的面剂量从10nC/cm²到100nC/cm²。

6.根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的基板，其包括附加的组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中所述的Sb₂O₃含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。

7.一种具有多个光波导的光学电路，其特征在于：该光学电路在对电子束中的电子照射敏感的电子敏感玻璃基板上，为实现光波导折射率的增加，该电子敏感玻璃基板至少包含以下主要组成成分： SiO₂，Li₂O，K₂O，Al₂O₃，Na₂O，ZnO，Ag₂O。

8.根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：每个光波导都有纤芯直径或者半径，电子扩散深度由所述电子束的电子能量的选择来调节。

9.根据权利要求8所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的电子能量的选择范围是从10KeV至1MeV。

10.根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的电子束中的面剂量选择范围是从10nC/cm²到100nC/cm²。

11.根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的光波导是由至少一个所述的电子束扫描而成。

12.根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的电子敏感玻璃基板有基板折射率n_s，而所述光波导有一个波导折射率n_g，这要受至少一个电子束和一低温热处理的照射影响，因此n_s< n_g。

13.根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的光学电路还包括一个折射率为n_p的表面限制层沉积在所述电子敏感玻璃基板的顶面上，以减少所述光波导中光束的损失，该电子敏感玻璃基板的折射率为n_s，该光波导的折射率为n_g，选择表面限制层的材料使得n_p～n_s<n_g。

14.根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的光学电路，还包括附加组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中所述的Sb₂O₃的含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。

15.一种具有多个腔体的微型结构，其特征在于：该微型结构在一个如权利要求1所述的电子敏感玻璃基板上，所述的电子敏感玻璃基板对电子束中的电子照射敏感，为实现光学折射率和所述腔体结构的改变，以便于制作所述腔体，该电子敏感玻璃基板应该至少包括以下主要组成成分：SiO₂，Li₂O，K₂O，Al₂O₃，Na₂O，ZnO，Ag₂O。

16.根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：每一个所述的腔体都有一个腔体深度，该深度的值由被用来制作所述腔体的电子束的电子能量所控制。

17.根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：每一个所述的腔体的材料都受到电子照射，并经受高温热处理和化学蚀刻。

18.根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子敏感玻璃基板还包括附加组成成分：Sb₂O₃和CeO₂，其中，所述的Sb₂O₃含量少于0.5％，CeO₂的含量少于0.05％。

19.根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子束的电子能量的选择范围是从10keV 到1MeV。

20.根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子束的面剂量选择范围是从5nC/cm²到5000nC/cm²。

21.根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子束的面剂量选择范围是从10nC/cm²到100nC/cm²。

22.根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：每个所述的腔体是由多个所述的电子束扫描而形成的。