CN1167094A - 补偿翘曲和形变的玻璃基片处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成基本平坦的平面光波光路的方法，该光路具有基本平坦的平面二氧化硅基片和在二氧化硅基片上的烧结玻璃化光导层。该结构在高温下后处理一段时间，以使所述结构变平，补偿形变。另一方面，可以对二氧化硅基片进行加热，并把它预下垂到一预定程度，以补偿在后续步骤中产生的形变或翘曲。
Description
本发明涉及一种处理基片以补偿翘曲和形变的方法，尤其涉及一种对具有紧密接触在一起的多个玻璃层的多层光学和电子器件内的翘曲进行补偿的方法。
当把两层热膨胀系数(CTE)不同的玻璃紧密接触在一起时会产生应力。例如，在二氧化硅基片上形成平面波导玻璃层以制作光波光路(LOC)，二氧化硅与波导层以及该层与上覆盖层之间CTE的差别会使基片产生不能接受的形变。而且，波导图形会影响基片的形态。翘曲的基片会在后续的照相制版和蚀刻步骤期间导致差的分辨率，或者可能由于波导变形或者弯曲造成损耗，并使其它的光学特性变差。
由于不同CTE的玻璃层组成多层光学和电子结构所引起的翘曲问题在现有技术中没有特别引起注意，也没有得到解决。提到该问题的少数一些公开文章之一是S.Suzuki等人的Polarisation-insensitive Arrayed-Waveguide gratingMultiplexer with SiO2-on-SiO5 Structure，发表在1994年4月14日的电子快报(Electronics Letter)第30卷第8号第642-643页上。在Suzuki等的这篇文章中，建议的解决这一问题的一种方法是用硅代替SiO2作为基片，为了能使用较高的凝固温度，并且凝固时基片不会产生形变或翘曲。该方法多少受到限制，当必须使用SiO2基片时仍不能解决问题。
因此，从上述可以看出，在形成诸如用作光路的平面波导玻璃层等混合玻璃结构时，S.Suzuki等建议的方法严重限制了能用于制造具有多层紧密接触在一起的不同玻璃层的平面光学和电子器件的处理工艺和材料选择。
在EPO专利申请EP0 697 605A2、名称为“具有热匹配界面的基片和波导结构的光学器件”中讲授的另一种已有技术中，申请人讲授了一种具有匹配的热界面的光学器件和波导结构，它是通过对每一层适当掺杂以使基片和波导层的热膨胀系数匹配。这种方法提高了成本、并需要花费额外的时间进行处理。
因此本发明的目的在于提供一种处理玻璃基片的方法，以克服上述已有技术的形变和翘曲问题。
本发明涉及一种对基片进行处理以补偿由于两种或两种以上紧密接触在一起的、并且热膨胀系数(CTE)不同的玻璃而导致平面型器件光学和电性能畸变的翘曲。
在本发明的一个实施例中，在二氧化硅基片上形成平面波导玻璃层，制作光波光路(LOC)。二氧化硅、波导层与上覆盖玻璃层之间CTE的差别会使基片产生不能接受的形变。另外形成波导光路或者波导图形还可能影响基片的形态。
在本发明的一个实施例中，进行后加热(post-haet)处理以校正在二氧化硅基片上形成波导玻璃层所产生的翘曲。在该实施例中，把含有波导玻璃层的二氧化硅基片放在光滑的表面上，根据所用的支撑板在元氧或大气环境下在退火温度与二氧化硅层的软化点之间的温度下，和一段足以使翘曲的基片变平的时间内进行加热。
在另一个实施例中，对未涂层的二氧化硅基片进行预加热或者使其凹陷，以补偿在二氧化硅基片上形成烧结波导层期间预期会产生的翘曲。
上述第一实施例的进一步还可包含跟在上覆盖玻璃波导层之后的加热处理，上覆盖处理紧跟在在波导层上形成合适的光路的普通照相制版和蚀刻步骤之后。普通的照相制版和蚀刻技术是公众所周知的。W.M.Moreau撰写的，PlenumPress于1988出版的Semiconductor Lithography Principle，practices and Materials一书讲授了可使用的适当的步骤，援引在此，以作参考。
为了更全面地理解本发明的性质和目的，应参照下面对本发明较佳实践方式的详细描述，并结合附图。其中：
图1示出了穿越本发明基片样品上的测量轨迹。
图2示出了本发明处理的涂层基片的侧视图。
图3示出了本发明处理的第二涂层基片的侧视图。
图4示出了本发明已处理过的涂层基片的侧视图。
图5示出了本发明处理过的无涂层基片的透视图。
图6是沿图5的6-6线的视图。
图7是图2的放大图。
图8是图3的放大图。
后热处理
适用本发明的基片也称为晶片或者波导玻璃层圆盘，它由二氧化硅(SiO2)制成。它们通常是直径为10厘米厚为1毫米的正圆柱体。基片上表面和下表面平滑(通常在10厘米范围内小于5微米)，并经仔细研磨，边缘倾斜。5微米的偏差为总糙度，或者是对完整平面的最大偏差。首先用火焰水解形成煤烟氧化层，随后烧结煤烟层，以在基片上形成氧化玻璃层。这样在基片上形成一般厚为5-7微米的光波导层。在一个实施例中，波导或核心玻璃层是四元素的GeO2-B2O3-P2O5-SiO2，以实现高百分比的Δ。应当理解，任何传统的玻璃成分都可以用来制作波导玻璃层。
美国专利5,043,002和5,154,744说明了可以用来在二氧化硅基片上形成玻璃波导层的火焰水解和燃烧或者烧结方法，把它们援引在此，以作参考。该波导层还可以用其它传统技术，诸如等离子增强CVD；低压CVD；电子束沉积和离子交换技术等来形成，这些技术容易实现。
在本发明的一个实施例中，使用高纯熔融石英制成的直径为10厘米、厚为1毫米的平面二氧化硅基片，这可以从General Electric公司买到，定名为GE124。用火焰水解在二氧化硅基片上形成煤烟层，其中GeO2占13.9％，B2O3占3.4％，P2O5占1.4％，SiO2占81.3％(所有都为重量百分比)。然后把氧化煤烟层在1290℃下进行烧结，形成厚约为5-7微米的玻璃层。用相同方法制另外三个样品。应当理解，也可以用其它合适的二氧化硅基片。例如，也可以使用Corning公司的高纯熔融石英制成的二氧化硅基片，代码为7980和7940。在制作完整的器件时，紧接着用上述传统的技术形成光路，然后用折射率与二氧化硅基片匹配的玻璃层覆盖经蚀刻的器件。对于这种应用，合适的覆盖玻璃组分包含8.6％的B2O3，4.6％的P2O5和86.8％的SiO2(所有都为重量百分比)。
如图2和3所示，二氧化硅基片10含有如上形成的经烧结的玻璃层12，它如图2和3所示，分别向上或向下翘曲。测量和记录每个样品翘曲的最大高度或距离d。图7和8分别是图2和3的放大图，它们示出了该距离d。
用Taylor-Hobson验平仪测量翘曲。在穿越样品的三个轨迹(A至B，C至D，E至F)上进行边缘到边缘的测量，图1以图的形式示出了这些测量轨迹。
然后对四个样品进行热处理，热量足以使基片变形，但不足以损坏玻璃层。该处理的合适温度范围约在1200至1300℃之间，时间约为15分钟至7小时。把这些样品以每分钟约10-17℃加热到处理温度，然后是以每分种17℃的速度冷却。把基片或圆片支撑在用玻璃化炭黑制成的支撑板上；把该材料研磨到极其光滑的程度(至少与二氧化硅基片一样平)。石墨板需要无氧燃烧气氛。发现1290℃处理1小时对于这种材料组合较合适。具有不同组合和构造的玻璃层可以要求其它不同的热处理条件。
下面是上述在石墨板上热处理(在1290℃He气氛下热处理1小时)的4个涂层圆片例子。在穿越每个样品的三个轨迹(A-B，C-D，E-F)上进行三次测量(参见图1)。表中处理前后的翘曲数据以微米为单位。
表1
例1 A-B C-D E-F 平均值
原始 166.0 146.2 134.6 148.9
热处理后 37.0 29.6 64.1 43.6
例2
原始 132.8 126.9 125.8 128.5
热处理后 39.0 42.5 54.2 45.2
例3
原始 130.3 132.5 121.4 128.1
热处理后 51.1 34.0 42.2 42.4
例4
原始 127.8 137.9 127.6 131.1
热处理后 23.5 42.4 49.7 38.5
正如从上面的数据可以看到的，这些样品已成功地平整到约40微米的目标范围内，这是光学应用和处理名义上所容许的最大形变值。随着各种玻璃层，即基片、光导层和覆盖层CTE的一致或接近，或者在基片上形成光路或图形的影响，在需要校正时热处理步骤的时间可以随之变化。例如，在形成光导玻璃层后、在蚀刻形成光路或者形成覆盖层之后，进行单步热处理步骤，以使基片变平。可选择地，如果在一步处理步骤之后基片仍有不能容许的翘曲，则可以进行多于一步的加热步骤。
在另一实施例中，把已经处理的未涂层二氧化硅圆片(GE124)放在二氧化硅环16上(见图5和图6)。热处理以每分钟约10-17℃的升温速度从室温加热到最高温度1210℃，在该最高温度下保持给定的时间，以通常约为17℃/分钟的冷却速度在炉中进行冷却。在热处理前后测量基片的平坦度。穿过每个样品(A-B，C-D，E-F)进行三次测量。翘曲的数据d以微米为单位。
表2热处理 例1 A-B C-D E-F 平均值
原始 0.3 1.4 0.8 0.81200℃/0.5小时 热处理后 19.4 5.7 10.9 12.0
例2
原始 0.6 0.3 0.8 0.61200℃/0.75小时 热处理后 0.8 23.3 1.3 8.5
例3
原始 1.4 0.9 1.1 1.11200℃/0.5小时 热处理后 19.7 4.4 12.1 12.1
基片在这些热处理期间重又下垂(向下)，但翘曲的幅度较小。上述的数据证明这些样品可以在煤烟沉积/凝固中使用，以后在二氧化硅基片上形成烧结玻璃层产生的应力补偿了这原始的翘曲。
虽然本发明的较佳应用涉及二氧化硅(SiO2)，但应当理解，它还可以应用其它基片，例如硅(Si)和蓝宝石(Al2O3)。虽然参照附图示出的较佳方式描述了本发明，但该技术领域的熟练人员应理解，可以不脱离如权利要求书所限定的本发明的精神和范围，在细节上可以产生种种变化。
Claims (10)
1、一种形成基本平坦的平面光波光路的方法，其特征在于，包含：
a.提供基本平坦的平面二氧化硅基片；
b.在所述基片上形成多氧化物层；
c.烧结所述氧化层，在所述二氧化硅基片上形成玻璃化光导层；
d.把在上述步骤(c)中形成的结构加热到高温并保持足以使所述结构变平的时间；
e.用普通的照相制版和蚀刻方法把光路形成到所述玻璃化层上；以及
f.用折射率基本上与基片相等的玻璃层覆盖在步骤(e)形成的表面上。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在加热步骤(d)期间，该结构支撑在平坦的石墨上。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(f)后重复加热步骤(d)。
4、一种形成基本平坦的平面光波路的方法，其特征在于，包含：
a.提供基本平坦的平面二氧化硅基片；
b.通过把所述基片加热到高温使基片预下垂到预定的程度，以补偿在基片上形成其它玻璃层时产生的进一步的翘曲
c.在所述基片上形成多种氧化物层；
d.烧结所述氧化层，在所述二氧化硅基片上形成玻璃化光导层；
e.把光路形成到所述玻璃化层上；以及
f.在步骤(e)形成的表面上形成覆盖玻璃层。
5、如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤(b)的氧化层由氧化煤烟形成。
6、如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，煤烟包含GeO2-B2O3-P2O5-SiO2混合物。
7、如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，基片包含圆片。
8、一种形成基本平坦的平面光波光路的方法，其特征在于，包含：
a.提供基本平坦的平面二氧化硅基片；
b.在所述基片上形成多种氧化物层；
c.烧结所述氧化层，在所述二氧化硅基片上形成玻璃化光导层；
d.用普通的照相制版方法把光电路形成到所述玻璃化层上；
e.用折射率基本上与基片相等的玻璃层覆盖在步骤(d)形成的表面上，以及
f.把在步骤(e)形成的结构加热到高温，并保持足以使所述结构变平的时间。
9、一种形成基本平坦的平面光波光路的方法，其特征在于，包含：
a.提供基本平坦的平面二氧化硅基片；
b.在所述基片上形成多种氧化物层；
c.烧结所述氧化层，在所述二氧化硅基片上形成玻璃化光导层；
d.用普通的照相制版方法把光路形成到所述玻璃化层上；
e.把在上述(d)中形成的结构加热到高温并保持足以使所述结构变平的时间，并克服由于形成光路所产生的形变；以及
f.用折射率基本上与基片相等的玻璃层覆盖在步骤(e)形成的表面上，
g.重复加热步骤(e)。
10、一种补偿由于平面结构的热膨胀系数差别而产生的翘曲和/或形变的方法，该平面结构至少具有两种紧密接触或者熔化在一起的玻璃层，其特征在于，所述方法包含把所述结构加热到高温，并保持足以使至少一层玻璃层软化并变平的时间，克服所述翘曲或形变，所述玻璃层之一可选择二氧化硅。
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