CN111538119B - 一种三维光电互联基板的制备方法 - Google Patents

一种三维光电互联基板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三维光电互联基板的制备方法，步骤是：在玻璃基板上通过激光刻蚀，形成电互联通孔，并嵌入导电部分；在玻璃基板上沉积氮化硅器件层；通过光刻、刻蚀得到氮化硅波导芯层，使氮化硅波导芯层不覆盖电互联通孔；在玻璃基板上电互联通孔与氮化硅波导芯层之间的位置进行激光刻蚀，得到光互联通孔；在得到的器件上沉积聚合物，从而在表面形成聚合物芯层器件层；通过光刻、显影工艺，得到聚合物波导芯层；继续在器件表面旋涂，形成聚合物上包层；通过光刻、显影工艺，去除覆盖在电互联通孔上方的上包层。此种方法可以实现包含光通讯波段在内的较宽波段光信号的低损耗传输，并能在复合基板上实现多种光波导之间的三维光互联。

Description

一种三维光电互联基板的制备方法
技术领域
本发明属于集成光电封装技术领域，特别涉及一种三维光电互联基板的制备方法。
背景技术
与三维电互联类似，三维光互联技术可以实现平面与垂直方向光信号的传输，在光芯片设计与制造层面可以有效提升光器件集成度，在光电集成封装层面利用三维光互联技术可以降低用于系统级封装的光电互联转接板的光传输损耗，降低封装尺寸。
氮化硅波导凭借超宽的透明光谱，低传输损耗以及适中的芯层尺寸及弯曲损耗，使其成为SOI硅波导后新的硅光器件和平面集成光波导器件的研究方向。同时，氮化硅波导相对适中的折射率使其十分适用于在光电混合封装基板上低成本实现低损耗高集成度的光互联。
目前已有报道的氮化硅波导之间垂直光互联的方案为在氮化硅波导的末端制备倒锥形结构，利用锥形结构降低氮化硅芯层对光场限制，使得光信号能够在垂直距离很近的两个氮化硅波导之间实现倏逝场耦合从而实现氮化硅波导的三维互联，但是，这种方案需要上层硅光波导与下层硅光波导之间的垂直距离足够近，通常在亚微米尺度范围内，不适用于大厚度的两层波导之间的垂直光互连。
综上，目前主要存在如下问题：
(1)现有玻璃基板上光互联方案集成度及可靠性不足；
(2)现有方案无法实现用于三维光互联基板的氮化硅波导间较大纵向间距的垂直耦合。
为了解决以上问题，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种三维光电互联基板的制备方法，其可以实现包含光通讯波段在内的较宽波段光信号的低损耗传输，并能在复合基板上实现多种光波导之间的三维光互联。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种三维光电互联基板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，在玻璃基板上通过激光刻蚀，形成电互联通孔，并在所述电互联通孔内嵌入导电部分；
步骤2，在玻璃基板上沉积氮化硅器件层；
步骤3，通过光刻、刻蚀得到氮化硅波导芯层，使氮化硅波导芯层不覆盖电互联通孔；
步骤4，在玻璃基板上垂直光互联的位置进行激光刻蚀，得到光互联通孔；
步骤5，在步骤4得到的器件上沉积聚合物，从而在表面形成聚合物芯层器件层；
步骤6，通过光刻、显影工艺，得到聚合物波导芯层，所述聚合物波导芯层的一端包含氮化硅波导芯层的末端，另一端呈45度斜边，覆盖光互联通孔，且端部位于光互联通孔的边界；
步骤7，继续在步骤6得到的器件表面旋涂，形成聚合物上包层；
步骤8，通过光刻、显影工艺，去除覆盖在电互联通孔上方的上包层。
上述步骤1中，玻璃基板采用硼硅酸盐玻璃。
上述步骤1中，玻璃基板的厚度为50μm-1mm。
上述步骤1中，嵌入的导电部分材质为因瓦合金、超因瓦合金或金属玻璃。
上述步骤2中，在玻璃基板的一个表面或两个表面沉积氮化硅器件层。
上述步骤2中，氮化硅器件层的材质为氮化硅和聚合物的混合物。
上述步骤7中，聚合物上包层的厚度大于聚合物波导芯层的厚度。
上述步骤7中，聚合物上包层的材质为聚合物和玻璃的混合物，或者氧化硅和玻璃的混合物。
采用上述方案后，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用氮化硅波导实现玻璃基板上平面光互联，极大增强了玻璃基板光互联的集成度与性能；
(2)本发明实现了基板上氮化硅波导与氮化硅波导之间的三维光互联，增强了基于氮化硅波导光互联的玻璃基板的集成度与性能；
(3)因瓦合金、超因瓦合金或金属玻璃中的一种作为嵌入导电部分的材料，这几种材料导电性良好，且与玻璃部分和硅部分的热膨胀系数匹配或相差不大，相比于采用铜材料，此复合型基板的可靠性大大增强。
附图说明
图1是三维光电互连基板结构示意图；
图2是玻璃基板上下平面氮化硅波导垂直光互联示意图；
图3是玻璃基板氮化硅波导与用于光纤耦合的聚合物波导的垂直光互联示意图；
图4是氮化硅模场耦合器俯视图；
图5a-图5m是具体实施例1制备步骤图；
图6a-图6j是具体实施例2制备步骤图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种三维光电互联基板100的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，通过激光在玻璃基板上制备高深宽比通孔；
步骤二，在玻璃基板上加工嵌入导电部分；
步骤三，在玻璃基板上沉积氮化硅器件层；
步骤四，通过光刻，刻蚀形成氮化硅芯层；
步骤五，在玻璃基板上沉积聚合物；
步骤六，通过光刻，刻蚀形成聚合物芯层；
步骤七，在复合基板上沉积包层；
步骤八，通过光刻，刻蚀包层露出所需电互联部分。
得到的结构如图1所示，包括玻璃部分、嵌入导电部分和三维光互联部分，其中，基板的主体为玻璃部分，基板的厚度范围为50μm-1mm。
所述玻璃部分的材质为硼硅酸盐玻璃；嵌入导电部分120的材质为因瓦合金、超因瓦合金或金属玻璃中的一种；三维光互联部分由芯层及包层组成，其中芯层的材质为氮化硅和聚合物，包层材质为聚合物和玻璃或氧化硅和玻璃中的一种；聚合物芯层与包层组成的聚合物波导140的作用是为实现氮化硅波导之间的垂直光互联，实现复合基板与光纤或光纤阵列的无源耦合；氮化硅芯层与包层组成的氮化硅波导130提供低损耗高集成度的水平光互联。
如图5a-5m所示，是本发明实施例1所提供的三维光电互联基板的制备方法，其步骤如下：
第一步(图5a)，根据需封装在基板上的集成器件的引脚确定通孔位置，通过激光刻蚀在4英寸Pyrex7740玻璃圆片110的相应位置打孔，得到直径40μm 的电互联通孔160；
第二步(图5b)，通过电镀因瓦合金121填满电互联通孔160；
第三步(图5c)，在玻璃圆片110的两面分别PECVD沉积150nm氮化硅器件层131，沉积厚度取决于氮化硅波导芯层的尺寸，本实施例中，设计沉积厚度为150nm。
第四步(图5d)，分别对上下两面的氮化硅器件层进行光刻，ICP-RIE刻蚀，得到氮化硅波导芯层130，刻蚀后的氮化硅波导芯层130不覆盖电互联通孔160。
第四步(图5e)，通过激光刻蚀得到垂直光通孔170，通孔直径10μm，光互联通孔170需与电互联通孔160不重合且间隔一段距离。
第五步(图5f)，通过旋涂负性光敏聚合物在玻璃圆片110上的其中一面上形成聚合物芯层器件层141。
第六步(图5g)，通过光刻、显影工艺，去除覆盖于氮化硅波导芯层130首端的负性光敏聚合物，并去除覆盖在电互联通孔160上方的负性光敏聚合物，得到聚合物波导芯层142，具体来说，所述聚合物波导芯层142的一端包含氮化硅波导芯层130的末端，二者的耦合长度可根据实际需求计算得到，所述聚合物波导芯层142的另一端呈45度斜边，覆盖光互联通孔170，且端部位于光互联通孔170的边界；
第七步(图5h)，在第六步得到器件的上表面旋涂，形成聚合物上包层151，使聚合物上包层151的厚度大于聚合物波导芯层142的厚度，以确保光信号的倏逝波在聚合物包层151中传输；
第八步(图5i)，通过光刻、显影去除覆盖在电互联通孔160上方的上包层。
第九步(图5j)，通过旋涂在玻璃圆片110的另一面上形成聚合物芯层器件层141。
第十步(图5k)，通过光刻、显影工艺得到另一面的聚合物波导芯层142。
第十一步(图5l)，通过旋涂在玻璃圆片110的另一面上形成聚合物上包层 151。
第十二步(图5m)，通过光刻、显影去除另一面覆盖在电互联通孔160上方的上包层。
实施例1制作而成的三维光电互联基板结构如图2所示，包括玻璃部分110、氮化硅波导芯层130、聚合物芯层142，为方便展示本实施例结构，因瓦合金121、聚合物上包层151在图中被省略；其中，玻璃部分的材质为硼硅酸盐玻璃；聚合物芯层142和上包层151的材质为负性光刻胶，其中芯层的折射率大于上包层折射率，聚合物芯层与包层的折射率差可以支持1550nm波长光信号在聚合物波导中的单模传输。本实施例制备的结构可以实现玻璃基板上下面氮化硅波导的垂直光互联。
图4表示氮化硅波导通过倒锥形结构将光信号耦合至聚合物波导，其中， 132为氮化硅锥形波导。
实施例2提供一种三维光电互联基板的制备方法，所含有的部分与实施例1 相同，与实施例1区别在于基板一面的聚合物波导延伸至基板边缘，从而实现设置在基板一面的氮化硅波导至设置在基板另一面的单模光纤的耦合，本实施例的三维结构如图3所示。
如图6a-6j所示，本实施例所提供的三维光互联基板，其步骤如下：
第一步及第二步与实施例1制备步骤第一步及第二步相同，为方便阐述本实施例的制备方案，图中因瓦合金121被省略；
第三步(图6a)，在玻璃圆片110的其中一面通过PECVD沉积150nm氮化硅器件层131。
第四步(图6b)，对氮化硅器件层进行光刻，刻蚀，得到氮化硅波导芯层130。
第五步(图6c)，通过旋涂在玻璃圆片110的设置有氮化硅波导芯层的一面上形成聚合物芯层器件层141。
第六步(图6d)，通过光刻、显影工艺得到聚合物波导芯层142。
第七步(图6e)，通过旋涂在玻璃圆片110的设置有氮化硅波导芯层的一面上形成聚合物上包层151。
第八步(图6f)，通过光刻，显影去除覆盖电互联通孔160上方的上包层。
第九步(图6g)，通过旋涂在玻璃圆片110的另一面上形成聚合物芯层器件层141。
第十步(图6h)，通过光刻、显影工艺得到另一面的聚合物波导芯层142。
第十一步(图6i)，通过旋涂在玻璃圆片110的另一面上形成聚合物上包层 151。
第十二步(图6j)，通过光刻、显影去除另一面上包层151中覆盖在电互联通孔160上方的上包层。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维光电互联基板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，在玻璃基板上通过激光刻蚀，形成电互联通孔，并在所述电互联通孔内嵌入导电部分；
步骤2，在玻璃基板上沉积氮化硅器件层；
步骤3，通过光刻、刻蚀得到氮化硅波导芯层，使氮化硅波导芯层不覆盖电互联通孔；
步骤4，在玻璃基板上进行激光刻蚀，得到光互联通孔，且光互联通孔垂直于玻璃基板；
步骤5，在步骤4得到的器件两个表面沉积聚合物，从而在器件两个表面形成聚合物芯层器件层；
步骤6，通过光刻、显影工艺，得到聚合物波导芯层，所述聚合物波导芯层的一端包含氮化硅波导芯层的末端，另一端呈45度斜边，覆盖光互联通孔，且端部位于与之同面的光互联通孔的边界；
步骤7，继续在步骤6得到的器件表面旋涂，形成聚合物上包层；
步骤8，通过光刻、显影工艺，去除覆盖在电互联通孔上方的上包层。
2.如权利要求1所述的三维光电互联基板的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，玻璃基板采用硼硅酸盐玻璃。
3.如权利要求1所述的三维光电互联基板的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，玻璃基板的厚度为50μm-1mm。
4.如权利要求1所述的三维光电互联基板的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，嵌入的导电部分材质为因瓦合金、超因瓦合金或金属玻璃。
5.如权利要求1所述的三维光电互联基板的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，在玻璃基板的一个表面或两个表面沉积氮化硅器件层。
6.如权利要求1所述的三维光电互联基板的制备方法，其特征在于：所述步骤7中，聚合物上包层的厚度大于聚合物波导芯层的厚度。
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