CN104765080A - 一种透镜阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种透镜阵列的制备方法，解决了现有技术所形成的透镜阵列存在定位误差，以及表面粗糙的问题。本发明一实施例提供了一种透镜阵列的制备方法包括：在基板上形成定位孔阵列；将所述定位孔阵列的端面与熔融的透镜材料相接触，使熔融的透镜材料在毛细作用下进入定位孔内形成半球状；将所述熔融的透镜材料固化。

Description

一种透镜阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及光电通信技术领域，特别涉及一种透镜阵列的制备方法。

技术背景

现有光通信模块中的芯片需承载在一个载板上，并通过载板上的电气互连线路和光纤通孔来实现光电信号的传输和互连。然而，由于现有的TSV(硅通孔)和Flip Chip(倒装芯片)的工艺容差较小(5微米)，而光纤芯径也较小(单模光纤芯径为8微米～10微米)，因此芯片与光纤之间直接耦合的效率较低、对准容差小，这就需要在载板的光纤通孔中引入透镜来增大对准容差、改善芯片与光纤的耦合效率。

现有芯片载板上透镜阵列的制备方法为：提前制成透镜或透镜阵列，然后再将该透镜或透镜阵列对准装配在耦合光路中，然而该对准装配步骤会引入装配误差，这会恶化芯片载板中光路的耦合性能。

目前透镜或透镜阵列的材料主要有玻璃透镜和有机材料透镜两种，其制作方法按照加工工艺区分主要包括：表面微加工、反应离子束刻蚀、光刻胶回流、激光直接写入、热压模成型法、离子交换法、微喷打印法、掩模移动法或光敏玻璃热成形法等。但这些现有的透镜阵列的制备方法制得的透镜的并不适于耦合要求较高的微透镜。例如，光刻胶回流方法是在掩模上用光刻胶定义透镜图形之后，再将光刻胶加温以实现表面流动，通过表面张力的作用形成透镜，但是由于光刻胶本身的化学性能和机械性能较差，传输光学性能也不好，所制成的透镜表面无法满足较高的耦合要求；热压模成型法是需要首先在一个模具上设计好透镜阵列尺寸，再采用热压成型技术形成透镜阵列。然而，由于热压成型技术的加工精度较低，所形成的单模透镜直径和曲率精度在5um量级，而且热压成型所形成的透镜表面粗糙，需要额外镀膜才能使用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种透镜阵列的制备方法，解决了现有技术所形成的透镜阵列存在定位误差，以及表面粗糙的问题。

本发明一实施例提供了一种透镜阵列的制备方法，包括：

在基板上形成定位孔阵列；

将所述定位孔阵列的端面与熔融的透镜材料相接触，使熔融的透镜材料在毛细作用下进入定位孔内形成半球状；

将所述熔融的透镜材料固化。

本发明一实施例还提供了一种具备透镜阵列的芯片载板制备方法，包括：

在基板上形成定位孔阵列；

将所述定位孔阵列的端面与熔融的透镜材料相接触，使熔融的透镜材料在毛细作用下进入定位孔内形成半球状；

将所述熔融的透镜材料固化；

在所述透镜材料表面上设置电气互连线路。

本发明一实施例还提供了一种具备透镜阵列的芯片载板，包括：硅载板和透镜载板；所述透镜载板贴合于所述硅载板上；所述透镜载板表面设置有电气互连线路；

其中，所述透镜载板上设有透镜阵列，所述硅载板上设有定位孔阵列；所述透镜阵列的每个透镜嵌入一个所述定位阵列的定位孔中。

本发明实施例提供的一种透镜阵列的制备方法，所形成的透镜阵列在定位孔内利用毛细作用形成，透镜的定位精度取决于定位孔阵列的加工精度，而定位孔阵列的加工工艺属于标准的半导体工艺，精度可以到亚微米量级，从而避免了现有技术中透镜阵列装配时引入的装配误差；此外，由液体表面张力作用形成的透镜表面光滑，不需要额外镀膜就可直接使用。

附图说明

图1是本发明一实施例所提供的透镜阵列的制备方法流程示意图。

图2a～2d是本发明一实施例所提供的具备透镜阵列的芯片载板的制备流程的分解示意图。

图3是本发明一实施例所提供的具备透镜阵列的芯片载板的使用原理示意图。

图4是本发明一实施例所提供的具备透镜阵列的芯片载板的制备方法流程示意图。

图5a～5g是本发明一实施例所提供的具备透镜阵列的芯片载板的制备流程的分解示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明一实施例所提供的透镜阵列的制备方法流程示意图。如图1所示，该制备方法包括：

步骤101：在基板1上形成定位孔阵列2，具体如图2a所示。所形成的定位孔阵列2用于后续利用毛细作用形成透镜阵列；此外，提前在基板1上形成定位孔阵列2也为后续形成透镜阵列起到了定位作用。当所要形成的透镜阵列应用于光通信模块的芯片载板上时，该定位孔阵列2还作为该芯片载板的光纤通孔，用于插入光纤形成光学通路。

在本发明一实施例中，为了提高透镜阵列的定位准确度，可在基板1上采用光刻刻蚀法形成定位孔阵列2。在本发明另一实施例中，基板1采用硅材料制成，此时可在该硅基板上采用TSV工艺形成该定位孔阵列2。

本领域技术人员可以理解，操作者还可以根据基板材料和定位的精度要求选择不同的工艺形成该定位孔阵列2。

步骤102：将所述定位孔阵列2的端面与熔融的透镜材料3相接触(如图2b所示)，使熔融的透镜材料3在毛细作用下进入定位孔内形成半球状(如图2c所示)。

当将定位孔阵列2的定位孔插入熔融的透镜材料3时，液态的透镜材料3在毛细作用下沿着定位孔内壁上升，并在表面张力的作用下形成半球状的液面，该半球状的液面即为所要形成的透镜表面。由于是在液体的表面张力作用下自然形成，而并非由模具表面压制而成，该自然形成的半球状透镜表面十分光滑，所形成的透镜不用额外镀膜就可直接使用。

在本发明一实施例中，透镜材料3采用透明的聚合物材料。在本发明另一实施例中，透镜材料3也可采用满足可熔融、可透光条件的任何其他材料，本发明对透镜材料3的具体种类不做限定。

步骤103：将所述熔融的透镜材料3固化(如图2d所示)。由此便形成了表面光滑，并且经过定位孔定位的透镜阵列。

在本发明一实施例中，如图2b和2c所示，由于透镜材料3在熔融状态时盛放在一个槽型模具4中，这样当该透镜材料3固化后，需要将固化的透镜材料与所述槽型模具脱离。

本领域技术人员可以理解，根据透镜材料3的性质不同，可采用不同的方法使得熔融的透镜材料固化。例如，当该透镜材料3对温度敏感时，可采用冷却处理的方法使透镜材料固化。当该透镜材料3对紫外线敏感时，可采用紫外线照射的方法使透镜材料固化。本发明对固化熔融透镜材料的方法不做限定。

由上述方法形成的透镜阵列可用于制备一种光通信模块的芯片载板，以改善光通信模块中芯片和光纤之间的耦合效率。具体而言，在该透镜阵列的透镜材料表面上设置电气互连线路即可作为芯片载板使用，由此便直接实现了透镜阵列在芯片载板中的三维集成。其中的电子互连线路用于与芯片形成电路连接；定位孔作为光纤通孔，用于插入光纤以形成芯片与光纤之间的光学通路。由于电气互连线路设置在由玻璃或者其他有机材料制成的透镜材料上，电学传输损耗较小，有利于高速信号互连。

在本发明一实施例中，基板上的定位孔为盲孔，此时为了将光纤插入定位孔以形成光学通路，还需减薄基板直至打通定位孔阵列的底面。

图3是本发明一实施例所提供的具备透镜阵列的芯片载板的使用原理示意图。如图3所示，该芯片载板包括：硅载板31和透镜载板32；透镜载板32位于硅载板31上；透镜载板32表面设置有电气互连线路7；其中，透镜载板32上设有透镜阵列33，硅载板31上设有定位孔阵列2；透镜阵列33的每个透镜嵌入一个定位孔阵列2的定位孔中。该芯片载板在使用时，将芯片8贴装在透镜材料3上即可与电气互连线路7形成电路连接，在定位孔阵列2中插入光纤9即可形成光学通路。

本领域技术人员可以理解，芯片8可以是垂直腔激光器(VCSEL)芯片，或者光栅耦合调制器芯片，也可以是光探测器(PD)的芯片，还可以是任何其他类型的需要光学通路的芯片或者是其他需要电气互连的芯片。本发明对芯片载板可应用的芯片8的种类不做限定。

在本发明一实施例中，如图3所示，当将光纤9插入定位孔阵列2之前，还可以通过研磨或腐蚀光纤头部10，使光纤头部10成为半球状。这样就在透镜阵列2的下方又引入了一组由半球状光纤头部10构成的辅助透镜阵列，进一步改善了芯片8和光纤9之间的光学对准效果，提高了耦合效率。

在本发明另一实施例中，由于透镜的引入改善了光学通路耦合效果、降低了工艺对准难度，光纤9可采用单模光纤，从而避免了现有的多模光纤的传输带来的模间色散等缺点，可以实现远距离的长波长传输。

在本发明一实施例中，为了提高芯片载板的制备效率，可以在晶圆级尺寸上实现芯片载板的批量制备，下面通过一个实施例进行详细说明。

图4是本发明一实施例所提供的具备透镜阵列的芯片载板的制备方法流程示意图。如图4所示，该芯片载板的制备方法包括：

步骤401：在硅晶圆5(Si wafer)上形成定位孔阵列2，并划定至少一个芯片载板区域6(如图5a所示)。所划定的芯片载板区域6将在利用其中的定位孔形成透镜阵列后切割成芯片载板。

本领域技术人员可以理解，在硅晶圆5上划定芯片载板区域6的数量可由所要制备芯片载板的尺寸而定。每个芯片载板区域6中定位孔的数量也可根据实际需要而定。本发明对一个硅晶圆5上划定芯片载板区域6的数量、以及每个芯片载板区域6中定位孔的数量均不做限定。

然而，为了便于理解芯片载板的后续制备过程，步骤402～405将以一个包含4个定位孔的芯片载板区域6为例进行说明。本领域技术人员可以理解，当一个硅晶圆5上划定了多个芯片载板区域6时，每个芯片载板区域6的后续处理是同步进行的。

步骤402：将所述定位孔阵列2的端面与熔融的透镜材料3相接触(如图5b所示)，使熔融的透镜材料3在毛细作用下进入定位孔内形成半球状，如图5c所示。

步骤403：将所述熔融的透镜材料2固化(如图5d所示)。

在本发明一实施例中，用于盛放熔融透镜材料的槽型模具4比较深，这样固化后的透镜材料3的厚度也较厚，不满足后续使用需求，因此还需要对固化后的透镜材料进行减薄，减薄后的透镜材料如图5e所示。

步骤404：在所述透镜材料3表面上对应每个芯片载板区域6设置电气互连线路7(如图5f所示)。所形成的电气互连线路7用于与芯片形成电路连接，每个芯片载板区域6可独立设置电气互连线路7。

步骤405：减薄所述硅晶圆5直至打通所述定位孔阵列2的底面(如图5g所示)。打通底面后的定位孔阵列2可作为光纤通孔，用于插入光纤以形成芯片和光纤之间的光学通路。

步骤406：将带有所述透镜材料3的硅晶圆5按照所述至少一个芯片载板区域6切割成至少一个芯片载板。由此便实现了在晶圆尺度上芯片载板的批量制备，提供了芯片载板的制备效率。每个切割而成的芯片载板的使用原理如图3所示。

本发明实施例提供的一种透镜阵列的制备方法，首先在基板上形成定位孔，再利用熔融透镜材料的毛细作用形成透镜的半球形表面。所形成的透镜阵列不仅定位准确，且由液体表面张力作用形成的透镜表面光滑，不需要额外镀膜就可直接使用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括：

在基板上形成定位孔阵列；

将所述定位孔阵列的端面与熔融的透镜材料相接触，使熔融的透镜材料在毛细作用下进入定位孔内形成半球状；

将所述熔融的透镜材料固化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在基板上形成定位孔阵列包括：

采用光刻刻蚀法在所述基板上形成定位孔阵列。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述熔融的透镜材料固化包括：

根据所述透镜材料的性质选择对所述熔融的透镜材料进行固化处理的方式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述固化处理的方式包括：冷却处理或紫外线照射处理。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔融的透镜材料盛放在一个槽型模具中；则

在将所述熔融的透镜材料固化后，所述方法进一步包括：

将固化的透镜材料与所述槽型模具脱离。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透镜材料为透明聚合物材料。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板为硅基板。

8.一种具备透镜阵列的芯片载板制备方法，其特征在于，包括：

在基板上形成定位孔阵列；

将所述定位孔阵列的端面与熔融的透镜材料相接触，使熔融的透镜材料在毛细作用下进入定位孔内形成半球状；

将所述熔融的透镜材料固化；

在所述透镜材料表面上设置电气互连线路。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括：

减薄所述基板直至打通所述定位孔阵列的底面。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，批量制备所述芯片载板，则所述方法包括：

在硅晶圆上形成定位孔阵列，并划定至少一个芯片载板区域；

将所述定位孔阵列的端面与熔融的透镜材料相接触，使熔融的透镜材料在毛细作用下进入定位孔内形成半球状；

将所述熔融的透镜材料固化；

在所述透镜材料表面上对应每个芯片载板区域设置电气互连线路；

将带有所述透镜材料的硅晶圆按照所述至少一个芯片载板区域切割成至少一个芯片载板。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括：

减薄所述硅晶圆直至打通所述定位孔阵列的底面。

12.根据权利要求8至11中所述的方法，其特征在于，在将所述熔融的透镜材料固化后进一步包括：

减薄所述固化的透镜材料。

13.根据权利要求8至11中任一所述的方法，其特征在于，进一步包括：

将光纤插入所述定位孔阵列；

研磨或腐蚀光纤头部，使所述光纤头部成为半球状。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光纤为单模光纤。

15.一种具备透镜阵列的芯片载板，其特征在于，包括：硅载板和透镜载板；所述透镜载板贴合于所述硅载板上；所述透镜载板表面设置有电气互连线路；

其中，所述透镜载板上设有利用权利要求1至7任一方法制定的透镜阵列，所述硅载板上设有定位孔阵列；所述透镜阵列的每个透镜嵌入一个所述定位阵列的定位孔中。