CN104555901A - 一种集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，结合MEMS工艺采用V形槽先定域阵列化单模光纤，通过熔融拉锥法实现批量化锥形光纤的拉制，阵列化锥形光纤拉制技术可以实现所有耦合光纤的高度一致性。利用逼近式光刻技术或电子束直写技术实现阵列化锥形光纤与圆形光学微腔的精准耦合。并且其无需用高精密、价格昂贵的光学微台来实现耦合，节省了成本，解决了基于光学微腔传感器的批量化制造难题。通过耦合技术把熔融拉锥法制备的锥形光纤和圆形光学微腔进行阵列化传感器芯片的集成，为实现高灵敏度、阵列化传感器集成提供了可行方法。其利用离子束扫描或者激光回流的方法可以实现高品质因数回音壁光学微腔的制备。

Description

一种集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及微纳米科学技术领域，具体地是涉及一种集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法。

背景技术

根据全球工业界分析的最新报道，预计到2015年全球的传感器市场份额将达到742亿美元。目前，全球传感器市场在持续变化中呈现快速增长的趋势。在现代的科学技术发展中，传感器作为获取大量人类感官无法直接得到的信息载体而具有突出的地位。在世界范围内，传感器技术将朝着微型化，集成化，智能化方向发展。

目前，基于回音壁模式光学微腔都是利用光纤耦合实现光能的输入和输出，光纤与回音壁光学微腔的耦合都是利用高精度的光学微台来实现，这种技术的局限性在于只能实现单个光纤单个回音壁光学微腔，而面对复杂的分析体系急需寻求高通量、高灵敏度的检测技术。

发明内容

本发明旨在提供一种具有高灵敏度、高密度回音壁模式的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，包括如下步骤：

S1：在硅基底上利用MEMS工艺制作出与单模光纤直径匹配的V形槽，利用套刻技术在所述V形槽的槽底制作微孔，在所述V形槽的另一面通过蒸镀或者电镀技术实现绝热膜，然后将单模光纤放置于所述V形槽中，形成阵列化单模光纤；

S2：利用熔融拉锥法对阵列化单模光纤进行统一拉制，形成水平排列的阵列化锥形光纤，其中所拉制的阵列化锥形光纤的锥区中心定位于微孔正上方；

S3:利用逼近式光刻技术或者电子束直写技术实现所述阵列化锥形光纤与圆形光学微腔的耦合距离的设定，并形成阵列化圆形光学微腔。

优选地，所述步骤S1具体包括：

S11：利用热氧化法在3英寸本征硅衬底上生长10um厚的二氧化硅层；

S12：在所述二氧化硅层表面涂覆光刻胶，前烘，在制作的掩膜图形下依次进行曝光，显影，氮气干燥操作，然后采用干法刻蚀的方法制备出V形槽；通过套刻技术在V形槽底部制作微孔，形成阵列化微孔；

S13：利用蒸镀或者电镀技术实现在V形槽的另一面制备绝热膜。

优选地，还包括：

S4：利用光刻胶或者金属做掩膜，通过设置不同的抹平高度实现阵列化圆形光学微腔阶梯式抹平减小表面粗糙度，而后利用激光回流的方法再次减小阵列化圆形光学微腔表面的粗糙度，使阵列化圆形光学微腔品质因数不低于10的8次方。优选地，所述步骤S3中逼近式光刻技术具体包括如下步骤：

S301：利用掩膜板标记来确定所述锥形光纤与所述圆形光学微腔的逼近式耦合位置，通过系统耦合测量得到耦合工艺参数，经显影、氮气干燥后在120℃下烘烤5min，实现圆形光学微腔表面形貌的裸露；

S302：利用干法刻蚀技术形成阵列化圆形光学微腔。

优选地，所述步骤S3中电子束直写技术具体包括如下步骤：

S311：结合电子束直写方法和剥离方法制作金属或者非金属掩膜，所制备的金属或者非金属掩膜其对准精度小于或者等于50纳米；

S312：通过干法刻蚀技术形成阵列化圆形光学微腔。采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

1.本发明所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，结合MEMS工艺采用V形槽先定域阵列化锥形光纤，利用逼近式光刻技术或者高灵敏度电子束直写技术可实现阵列化锥形光纤与圆形光学微腔的精准耦合制造。并且该技术无需再用高精密、价格昂贵的光学微台来实现耦合，从而节省了成本，并且解决了基于光学微腔传感器的批量化制造难题。并且利用MEMS技术实现的光学微腔传感器制造兼容微流控技术工艺，从而真正上有利于阵列化温度传感、压力计、加速度计、生物传感器等开发。

2.本发明所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，通过先进的耦合技术把熔融拉锥法制备的具有高重复性、高耦合效率的阵列化锥形光纤和具有高品质因数的圆形光学微腔进行阵列化传感器芯片的集成，从而为实现高灵敏度、阵列化传感器集成提供了可行方法。其利用离子束扫描或者激光回流的方法可以实现高品质因数回音壁光学微腔的制备，其品质因数可达10的8次方以上。

附图说明

图1为本发明所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，为符合本发明的一种集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，包括如下步骤：

S1：在硅基底上利用MEMS工艺制作出与单模光纤直径匹配的V形槽，利用套刻技术在所述V形槽的槽底中的特定位置(该特定位置可以根据实际的使用需求进行相应的调整，本实施例对此不做赘述)制作微孔，在所述V形槽的另一面通过蒸镀或者电镀技术实现耐高温绝热膜，然后将单模光纤放置于所述V形槽中，形成阵列化单模光纤。

所述MEMS工艺(Micro-Electro-Mechanical System)是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称。其起源于半导体和微电子工艺，以光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。所述套刻技术为一种较为成熟的加工技术，本领域技术人员应当知晓，故此处不再赘述。

S2：利用熔融拉锥法实现阵列化单模光纤的统一拉制，形成水平排列的阵列化锥形光纤，其中所拉制的阵列化锥形光纤的锥区中心定位于微孔正上方，精准定位光纤锥区与光学微腔最佳的耦合位置。所述熔融拉锥法是将两根除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，然后置于高温下加热熔融，同时向光纤两端拉伸，最终在加热区形成双锤形式的特殊波导耦合结构，从而实现光纤耦合的一种方法。由于其为现有技术，故此处不再赘述，本领域技术人员应当知晓。本实施例在拉锥过程中氢氧焰通过所述微孔对置于所述V形槽中的单模光纤的特定位置进行加热，从而保证了阵列化光纤锥区位置的一致性，同时也保证了放置于V形槽上的阵列化单模光纤实现集成拉制，有利于阵列化单模光纤实现光耦合的一致性。

S3:利用逼近式光刻技术或者电子束直写技术实现所述阵列化锥形光纤与圆形光学微腔的最佳耦合距离的设定，并形成阵列化圆形光学微腔。通过以上的耦合技术把熔融拉锥法制备的高重复性、高耦合效率阵列化锥形光纤与高Q圆形光学微腔进行阵列化传感器芯片的集成，从而为实现高灵敏度、阵列化传感器集成提供了可行方法。

本实施例结合MEMS工艺采用V形槽先定域阵列化锥形光纤，利用逼近式光刻技术或者高灵敏度电子束直写技术可实现阵列化锥形光纤与圆形光学微腔的精准耦合制造。并且该技术无需再用高精密、价格昂贵的光学微台来实现耦合，从而节省了成本，并且解决了基于光学微腔传感器的批量化制造难题。并且利用MEMS技术实现的光学微腔传感器制造兼容微流控技术工艺，从而真正上有利于阵列化温度传感、压力计、加速度计、生物传感器等开发。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11：利用热氧化法在3英寸本征硅衬底上生长10um厚的二氧化硅层；

S12：在所述二氧化硅层表面涂覆光刻胶，前烘，在制作的掩膜图形下依次进行曝光，显影，氮气干燥操作，然后采用干法刻蚀的方法制备出V形槽；通过二次套刻技术在V形槽底部制作微孔，形成阵列化微孔；

S13：利用蒸镀或者电镀技术在V形槽的另一面制备绝热膜。所述绝热膜优选为二氧化硅复合膜、氧化锌复合膜、氮化硅复合膜或氮化铝复合膜。

本实施例还包括：

S4：利用多次光刻技术、等离子体抹平技术、激光回流的方法改善阵列化圆形光学微腔的表面粗糙度，其主要途径：利用光刻胶或者金属做掩膜，通过设置不同的抹平高度实现阵列化光学微腔阶梯式抹平减小表面粗糙度，而后利用激光回流的方法进一步减小圆形光学微腔表面的粗糙度，使阵列化光学微腔品质因数不低于10的8次方。所述激光回流优选为CO₂激光回流方式，由于所述光刻技术、等离子体抹平技术、激光回流的方法均为现有技术，本领域技术人员应当知晓，故此处不再赘述。

本实施例中通过以上的耦合技术把熔融拉锥法制备的具有高重复性、高耦合效率的锥形光纤和具有高品质因数的圆形光学微腔进行阵列化传感器芯片的集成，从而为实现高灵敏度、阵列化传感器集成提供了可行方法。其集成方法本领域技术人员结合本实施例所述的技术方案可以实现，故此处不再赘述。本实施例利用离子束扫描或者激光回流的方法可以实现高品质因数回音壁光学微腔的制备，其品质因数可达10的8次方以上。基于以上阵列化锥形光纤与光学微腔的耦合技术可以实现微流控技术的兼容，做制备的多通路阵列化传感器可以实现颗粒的检测用于环境监测，可以实现免疫分析、核酸动力学分析等生物领域，同时也可以用于陀螺仪、加速度计、量子力学等领域。

采用涂胶的方法在固定有阵列化锥形光纤的基底上喷涂光致抗蚀剂，然后利用对准标记实现光学微腔与锥形光纤的耦合间距的控制，最有效的方法即：利用逼近式光刻技术实现锥形光纤与光学微腔的最佳耦合。通过设置掩膜图形下与锥形光纤之间不同的耦合距离，则能实现最佳的耦合工艺参数。所述步骤S2中逼近式光刻技术具体包括如下步骤：

S301：在光刻过程中利用掩膜板标记来确定所述锥形光纤与所述圆形光学微腔的渐进式耦合位置，通过系统耦合测量得到最佳的耦合工艺参数，经显影、氮气干燥后在120℃下烘烤5min，实现圆形光学微腔表面形貌的裸露；该位置标记方法可以参见公开号为102866576A，名称为“一种掩膜板组及应用掩膜板组确定对位精度范围的方法”中所记载的步骤，也可以采用其他现有技术，本实施例对此不作限定。由于本领域技术人员已经知晓，故此处不再赘述。

S302：利用干法刻蚀技术形成阵列化圆形光学微腔，而后利用丙酮结合氧等离子体去除残余的光致抗蚀剂。所述干法刻蚀技术优选为使用六氟化硫或者氟化氙气体的干法刻蚀技术，由于其为本领域技术人员的常规技术手段，故此处不再赘述。

为了提高阵列化光纤与光学微腔集成化传感器的质量，很关键的一步就是利用离子束或者CO₂激光回流的方法改善阵列化圆形光学微腔的表面粗糙度。最终我们可以得到V形槽中排列的锥形光纤与圆形光学微腔的阵列是相对应的。考虑到实现更精确耦合间距(10纳米-100纳米)单模光纤与圆形光学微腔的偶合，可采用分辨率较高的电子束胶，利用电子束直写的方法实现。所述步骤S2中电子束直写技术包括如下步骤：

S311：结合电子束直写方法和剥离方法制作金属或者非金属掩膜，所制备的金属或者非金属掩膜其对准精度小于或者等于50纳米；其中所述金属掩膜利用磁控溅射技术制备；所述金属掩膜用以实现光学微腔边缘的保护(在干法刻蚀过程中刻蚀离子对光学微腔表面有损伤从而降低其品质因数)。所述磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法。由于其为本领域技术人员的常规技术手段，故此处不再赘述。

S312：通过干法刻蚀技术形成阵列化圆形光学微腔。此处所述干法刻蚀技术优选为ICP干法刻蚀技术，由于其为本领域技术人员的常规技术手段，故此处不再赘述。

在一优选实施例中，所述电子束直写的方法具体过程为：首先，一薄层的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)在以3000rpm的旋转速度旋转40s，旋涂厚度为100nm，所述PMMA层在180摄氏度下进行2分钟烘烤的热板上以使其膜平坦化并除去残余的溶剂，增强PMMA层和硅基底之间的粘附力。然后将该膜层冷却到室温。加速电压，光点尺寸，以及当前光束分别为20千伏，10纳米和0.279nA，写入场为100μm×100μm左右。曝光后，将PMMA层用1：3甲基异丁基酮显影，异丙醇(MIBK：IPA)停止显影，显影温度20℃，时间40秒，然后漂洗在纯异丙醇为30秒，最后用氮气干燥。接着采用剥离方法制作金属掩膜，最后用ICP干法刻蚀实现阵列化圆形光学微腔。

本实施例结合MEMS工艺采用V形槽先定域阵列化单模光纤，通过熔融拉锥法实现批量化锥形光纤的拉制，阵列化锥形光纤拉制技术可以实现所有耦合光纤的高度一致性。利用逼近式光刻技术或高灵敏度电子束直写技术实现阵列化锥形光纤与圆形光学微腔的精准耦合。并且其无需用高精密、价格昂贵的光学微台来实现耦合，从而节省了成本，解决了基于光学微腔传感器的批量化制造难题。并且兼容微流控技术工艺，有利于阵列化温度传感、压力计、加速度计、生物传感器等开发。通过上述耦合技术把熔融拉锥法制备的锥形光纤和圆形光学微腔进行阵列化传感器芯片的集成，为实现高灵敏度、阵列化传感器集成提供了可行方法。其利用离子束扫描或者激光回流的方法可以实现高品质因数回音壁光学微腔的制备。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的任何等同变化，均应仍处于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.一种集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在硅基底上利用MEMS工艺制作出与单模光纤直径匹配的V形槽，利用套刻技术在所述V形槽的槽底制作微孔，在所述V形槽的另一面通过蒸镀或者电镀技术实现绝热膜，然后将单模光纤放置于所述V形槽中，形成阵列化单模光纤；

S2：利用熔融拉锥法对阵列化单模光纤进行统一拉制，形成水平排列的阵列化锥形光纤，其中所拉制的阵列化锥形光纤的锥区中心定位于微孔正上方；

S3:利用逼近式光刻技术或者电子束直写技术实现所述阵列化锥形光纤与圆形光学微腔的耦合距离的设定，并形成阵列化圆形光学微腔。

2.如权利要求1所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11：利用热氧化法在3英寸本征硅衬底上生长10um厚的二氧化硅层；

S12：在所述二氧化硅层表面涂覆光刻胶，前烘，在制作的掩膜图形下依次进行曝光，显影，氮气干燥操作，然后采用干法刻蚀的方法制备出V形槽；通过套刻技术在V形槽底部制作微孔，形成阵列化微孔；

S13：利用蒸镀或者电镀技术在V形槽的另一面制备绝热膜。

3.如权利要求1或2所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，其特征在于还包括：

S4：利用光刻胶或者金属做掩膜，通过设置不同的抹平高度实现阵列化圆形光学微腔阶梯式抹平减小表面粗糙度，而后利用激光回流的方法再次减小阵列化圆形光学微腔表面的粗糙度，使阵列化圆形光学微腔品质因数不低于10的8次方。

4.如权利要求1-3任一所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中逼近式光刻技术具体包括如下步骤：

S301：利用掩膜板标记来确定所述锥形光纤与所述圆形光学微腔的逼近式耦合位置，通过系统耦合测量得到耦合工艺参数，经显影、氮气干燥后在120℃下烘烤5min，实现圆形光学微腔表面形貌的裸露；

S302：利用干法刻蚀技术形成阵列化圆形光学微腔。

5.如权利要求1-3任一所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，其特征在于，所述步骤S3中电子束直写技术具体包括如下步骤：

S311：结合电子束直写方法和剥离方法制作金属或者非金属掩膜，所制备的金属或者非金属掩膜其对准精度小于或者等于50纳米；

S312：通过干法刻蚀技术形成阵列化圆形光学微腔。

6.如权利要求1-5任一所述的集成光纤与光学微腔阵列化传感器的制造方法，其特征在于：所述绝热膜为二氧化硅复合膜、氧化锌复合膜、氮化硅复合膜或氮化铝复合膜。