CN1402035A - 光学模件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种光学模件，其中其上安装有多个光纤或光学部件的一个或多个槽以不同的深度形成，并制造止动孔，以防止钝角现象，从而光轴被准确的对准，还提供了其制造方法。该制造光学模件的方法包括第一蚀刻，以在晶片的第一表面上形成一个或多个槽；以及第二蚀刻，以形成一个或多个止动孔，从而晶片的第二表面被蚀刻而贯通该晶片。该光学模件在基板上具有一个或多个用于安装一个或多个光学部件的槽，包括通过与槽中预定区域相对应的中心区域的底表面贯通而形成的止动孔。

Description

光学模件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学模件及其制造方法，尤其涉及这样一种光学模件，在该光学模件中有一个或多个形成的不同深度的槽，在槽中安装有多个光纤或光学部件，并且制造有止动孔(stopper hole)，此止动孔是为了防止钝角现象，以使得光轴被精确地调校，并且还涉及其制造方法。
背景技术
近年来，随着光通讯网络中传输数据的增加，光通讯系统中的传输方法已经被波分复用(WDM)传输方法所取代。因为在WDM系统中需要网络之间的连接，因此光学交叉连接器(optical crossing connector)(OXC)即光学模件就成为基本元件。
参照图1A，光学模件包括：微反射镜10；调节器15，用于驱动微反射镜10；输入光纤20，用于向调节器15周围的微反射镜10传输光信号；输出光纤22，用于接收微反射镜所反射的光信号并传输该光信号；和光学模件30，其中对准以聚焦光线的球面透镜25和27被设置在输入光纤20和输出光纤22与微反射镜10之间。输入光纤20和输出光纤22设置在V形槽35中，球面透镜25和27设置在与V形槽35相通的微坑40中。光纤20和22、球面透镜25以及微反射镜10都调校的与光轴重合。
在具有上述结构的光学模件中，从输入光纤20传输的光信号穿过球面透镜25，被微反射镜10所反射，然后穿过球面透镜27，经输出光纤22输出，并传输至预定位置。球面透镜25和27聚焦光信号，以减少光损耗并将光路减至最短。
如图1B所示，在用于安装调节器15的孔17与微坑40连接并且微坑40与V形槽35连接的部分形成钝角45。由于调节器15、球面透镜25和27以及光纤20和22的尺寸不同，因此用于容纳这些元件的孔17、V形槽35以及微坑40的深度就必须有不同，以将它们的中心对准在光轴上。
但是，当通过蚀刻来制造具有上述结构的光学模件时，根据要被蚀刻的槽的宽度或深度，进行蚀刻的最佳条件例如时间或温度是不同的。换句话说，由于孔17、V形槽35以及微坑40的宽度和深度不同，就必须对孔17、V形槽35以及微坑40在不同的条件下进行蚀刻。但是在现有技术中，蚀刻在仅仅是对孔17、V形槽35以及微坑40的其中之一来说是理想的条件下、或者是在对孔17、V形槽35以及微坑40的平均理想条件通过一次图案成形来进行的。因此在这种情况下，当将槽作为标准时，用于蚀刻的条件对于槽以外的其他区域来说就是不适合的，并且不能按照所形成的图案进行蚀刻；即使是在平均条件下也会产生蚀刻缺陷。
尤其是在微坑40或孔17的钝角45中，发生了微坑40或孔17的形状没有被精确的蚀刻并且它们的图案形状被损坏的钝角现象。图1B表示蚀刻之前的钝角45的图案在蚀刻之后被极大地损坏。由于钝角45的损坏，就不能获得所设计的正确尺寸标准，因此光学元件例如光纤20和22或球面透镜25和27的布局就发生改变。结果，元件的光轴没有对准，光信号不能被精确的传输，从而导致光损耗。
因此，为了防止钝角效应导致的图案损坏，需要如图2所示特定的角补偿图案50和52。即，考虑到钝角效应，在蚀刻掩模65上形成用于补角用的补偿图案，从而抑制了蚀刻过程中的这种现象，使光学模件得以按照理想的形状制造。在此，附图标记17’和40’分别表示在蚀刻掩模65上形成的孔区域和微坑区域。
下面说明采用角补偿图案50和52制造光学模件的方法。
如图3A和3B所示，二氧化硅(SiO2)63覆着在(100的)上硅片60上，该上硅片60的两个表面被磨光，采用低压化学气相沉积(LPCVD)方法在上硅片60的两个表面上沉积氮化硅(Si3N4)65，从而二氧化硅63可以作为上硅片60上的硅蚀刻掩模。
接下来，如图3C所示，上硅片60两个表面上的氮化硅(Si3N4)层65采用活性离子蚀刻(RIE)方法来形成图案。角补偿图案50和52加在氮化硅(Si3N4)层65上，从而图案形状不会在蚀刻过程中被钝角效应而损坏。
如图4A和4B所示，在下硅片70上分别沉积氧化硅(SiO)72和氮化硅(Si3N4)75，并采用RIE方法来形成图案，如图4C所示。
然后采用KOH水溶液，对上硅片60和下硅片70进行各向异性的湿法蚀刻，由此形成V形槽区域67、微坑区域68和孔区域69以及69’，如图3D和4D所示。上硅片60和下硅片70粘合在一起，如图5A和5B所示。
微反射镜的调节器15安装在光学模件的孔17内，光纤20和22以及球面透镜25和27分别安装在V形槽35和微坑40中，与光轴对准。
现在，采用上述制造方法，利用角补偿图案50和52，制造光学模件。但是，只有当V形槽35和微坑40的深度相差较小，并且它们的长度是蚀刻深度的3倍时，角补偿图案50和52才是适合的。角补偿图案50和52使用于制造光学模件的整个图案变得复杂并使其变大。
另外，如果光轴的位置改变，蚀刻深度必须也改变，就需要新的补偿图案。换句话说，必须根据微坑40或孔17的宽度或深度来设计角补偿图案50和52。因此无论光轴何时发生变化，都需要制备新的补偿图案。
特别是，由于在光纤的输入/输出终端相邻之处或在显著发生钝角效应之处补偿图案50和52变得复杂，光路不能被最小化，因此由于光路差异会导致光损耗。另外，随着光学模件的通道数量增加，难以形成补偿图案，即使使用补偿图案，钝角45’部分也可能被损坏，如图6的照片所示，因此不能满足光学元件小型化的需要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种光学模件，该模件中包括一个或多个不同深度的槽以防止没有补偿图案时的钝角效应，并且基板穿过该槽或被蚀刻成预定的深度以形成止动孔，本发明还提供其制造方法。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种制造光学模件的方法。该方法包括如下步骤：第一蚀刻，以在晶片的第一表面上形成一个或多个槽；以及第二蚀刻，以形成一个或多个止动孔，从而对晶片的第二表面进行蚀刻以贯通该晶片。
该方法还包括：在晶片的第一和第二表面上沉积第一蚀刻掩模层的步骤，在晶片的第一表面上的第一蚀刻掩模层上制作一个或多个槽区域图案，以形成第一图案，从晶片的第一表面根据第一图案进行第一图案的第一蚀刻，在晶片的第二表面上沉积第二蚀刻掩模层并制作至少一个止动孔区域图案以形成第二图案，进行第二图案的第二蚀刻，使得晶片的第二表面根据第二图案蚀刻以贯穿该晶片。
在制作图案以形成第一图案的步骤中，由于制作图案，用于安装光纤的V形槽区域、用于安装光学部件的微坑区域、以及用于装配调节器的孔区域根据图案曝光。
在第一蚀刻步骤，V形槽区域、微坑区域、以及孔区域被蚀刻至不同深度。
第一蚀刻掩模层由二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)形成。
第二蚀刻掩模层由二氧化硅(SiO2)、铝(Al)或光致抗蚀剂形成。
第一蚀刻是选择采用KOH、NH4OH或(CH3)4NOH的湿法蚀刻。
第二蚀刻是通过选自干法刻蚀、喷砂和激光打孔的一种或多种方法来进行的。
在第二蚀刻掩模层上再沉积湿法蚀刻掩模层。
该方法还包括：在第二蚀刻之前，在晶片的第一表面上沉积Al或氧化物或光致抗蚀剂。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种制造光学模件的方法。该方法包括如下步骤：第一蚀刻，以在晶片的第一表面上形成一个或多个槽；第二蚀刻，以形成一个或多个止动孔，从而晶片的第一表面被蚀刻而贯通该晶片或被蚀刻至预定深度。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种光学模件，该模件具有基板、用于在基板上安装光纤的V形槽、用于安装光学部件的微坑以及用于装配调节器的孔。该光学模件包括形成为与V形槽和微坑相通的第一止动孔，基板在其中沿竖直方向贯穿，以及包括形成为与微坑和孔相通的第二止动孔，基板在其中沿竖直方向贯穿。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种光学模件，具有一个或多个用于在基板上安装一个或多个光学部件的槽。该光学模件包括与槽中预定区域相对应的贯通基板底表面而形成的止动孔。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种制造光学模件的方法。该方法包括如下步骤：第一蚀刻，以形成一个或多个止动孔，使得晶片的底表面被蚀刻而贯通该晶片，以及第二蚀刻，以形成一个或多个用于在晶片的顶表面上安装光学元件的槽。
附图说明
本发明的上述目的和优点将从以下结合附图的优选实施例详细说明中了解得更加清楚。
图1A表示传统光学模件的示意图；
图1B比较了传统光学模件在蚀刻前后的状态；
图2表示在传统光学模件制造过程中形成钝角补偿图案的情况；
图3A-3D表示传统光学模件的制造过程；
图4A-4D表示传统光学模件的制造过程；
图5A-5B表示传统光学模件的制造过程；
图6为显示传统光学模件钝角损坏的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图7表示本发明光学模件的局部剖面图；
图8A、8B和8D参照图7I-I、III-III和V-V剖面图表示本发明第一实施例的光学模件的制造过程；
图8C和8E参照图7II-II、IV-IV和V-V剖面图表示本发明第一实施例的光学模件的制造过程；
图9A、9B和9D参照图7I-I、III-III和V-V剖面图表示本发明第二实施例的光学模件的制造过程；
图9C和9E参照图7II-II、IV-IV和V-V剖面图表示本发明第二实施例的光学模件的制造过程；
图10A和10B参照图7II-II、IV-IV和V-V剖面图表示本发明第三实施例的光学模件的制造过程；
图11是本发明光学模件的光具座的SEM照片。
具体实施方式
图7表示本发明光学模件的局部剖面图。参照图7，该光学模件在基板中包括一个或多个具有不同深度的槽。该槽包括例如用于在基板101上安装光纤100的V形槽105、用于在基板101上安装光学部件110例如格林透镜(greenlens)和球面透镜的微坑115、以及其中安装了调节器(未显示)的孔。
在V形槽105和微坑115之间形成宽度小于V形槽105的第一止动孔107。在微坑115和孔125之间形成宽度小于微坑115的第二止动孔117。第一止动孔107和第二止动孔117应当被稳定的安装，而不会使得光纤105和光学部件例如格林透镜和球面透镜移动。而且V形槽105、微坑115和孔125彼此通过第一止动孔107和第二止动孔117相通。因此通过装在V形槽105内的光纤100传输的光学信号就通过了第一止动孔107的上部、并通过微坑115中的光学部件110，然后没有任何障碍的通过第二止动孔117而传输至调节器(未显示)。
以下说明本发明优选实施例的光学模件的制造方法。
图8A、8B和8D参照图7I-I、III-III和V-V剖面图表示本发明第一实施例的光学模件的制造过程。图8C和8E参照图7II-II、IV-IV和V-V剖面图表示本发明第一实施例的光学模件的制造过程。
根据本发明第一实施例制造光学模件的方法包括在晶片128的第一和第二表面上覆着第一蚀刻掩模层130和140的步骤，如图8A所示。晶片128的第一和第二表面分别代表晶片128的顶表面和底表面。采用氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)的硅湿法蚀刻掩模层130可以沉积在晶片128的顶表面上，采用SiO2、铝或光致抗蚀层的干法蚀刻掩模层140可以沉积在晶片128的底表面上。或者湿法蚀刻掩模层可以沉积在晶片的顶表面和底表面上。
然后晶片128顶表面上的第一蚀刻掩模层130经曝光程序和活性离子蚀刻(RIE)程序而进行第一图案制作，如图8B所示。用于安装光纤的V形槽区域132、用于安装光学部件例如格林透镜和球面透镜的微坑区域是134、以及用于装配调节器的孔区域136被形成为第一图案。如图8C所示，对晶片128底表面上的第一蚀刻掩模层140进行第二图案制作，由此形成第一止动孔区域152、第二止动孔区域154和孔区域156，然后在第一止动孔区域152、第二止动孔区域154和孔区域156上沉积湿法蚀刻掩模层150作为第二蚀刻掩模层。
如图8B所示的被按第一图案曝光的表面132、134和136进行第一蚀刻。例如利用KOH、NH4OH或(CH3)4NOH的水溶液进行湿法蚀刻，由此形成V形槽105、微坑115和孔125a。根据光学部件110例如格林透镜和球面透镜的直径以及光学轴C的位置来确定蚀刻深度。然后，根据V形槽105的宽度确定其蚀刻深度，由此将V形槽105蚀刻至预定深度，并且将其宽度大于V形槽105的用于安装光学部件的微坑115被连续蚀刻至比V形槽105深的深度。
然后如图8C所示，利用第二图案152、154和156，通过选自干法刻蚀、喷砂和激光打孔的一种或多种方法进行第二蚀刻。干法蚀刻可以是例如RIE方法。如图8E所示，晶片128的底表面被进行第一蚀刻以贯通晶片128的顶表面，由此形成第一止动孔107、第二止动孔117和用于装配调节器的孔125。
此处可以改变第一蚀刻和第二蚀刻步骤的次序。即在晶片128的底表面被首先蚀刻而贯通晶片128的顶表面、并形成第一止动孔107和第二止动孔117之后，可以形成用于在晶片128顶表面安装光学部件的一个或多个槽。
以下说明根据本发明第二实施例制造光学模件的方法。
图9A、9B和9D参照图7I-I、III-III和V-V剖面图表示本发明第二实施例的光学模件的制造过程。图9C和9E参照图7II-II、IV-IV和V-V剖面图表示本发明第二实施例的光学模件的制造过程。
如图9A和9B所示，分别在晶片155的顶表面和底表面上沉积第一蚀刻掩模层160和170，然后在晶片155底表面上的第一蚀刻掩模层170上覆着第二蚀刻掩模层180。第一蚀刻掩模层160和170是湿法蚀刻掩模层，第二蚀刻掩模层180是用于深度活性离子蚀刻(DRIE)的掩模层。
然后，对晶片155顶表面上的第一蚀刻掩模层160制作图案，通过曝光程序和RIE程序形成第一图案，由此形成V形槽区域162、微坑区域164和孔区域166。然后对晶片155底表面上的第二蚀刻掩模层180制作图案，以形成第二图案，由此形成第一止动孔182、第二止动孔184和孔区域186。
如图9C所示，在晶片155的底表面的第二图案上沉积第三蚀刻掩模层185。该第三蚀刻掩模层185是湿法蚀刻掩模层。如图9D所示，根据第一图案在晶片155的顶表面上进行湿法蚀刻，由此形成V形槽105和微坑115。然后如图9C所示，除去第三蚀刻掩模层185，通过深度活性离子蚀刻法(DRIE)蚀刻第二图案，从晶片128的底表面至顶表面贯通。结果，就形成了用于装配调节器的第一止动孔109、第二止动孔119和孔125。
此处晶片155的顶表面上的第一蚀刻掩模层160可以由SiO2或SixNy，例如Si3N4形成，作为硅干法蚀刻过程的蚀刻掩模的第二蚀刻掩模层180可以由SiO2、Al或光致抗蚀剂形成。
同时，在第一和第二实施例中，在第一蚀刻时，即在硅湿法蚀刻时，可以在晶片128和155的底表面上覆着保护夹具(protective jig)或钝化材料，来代替湿法蚀刻掩模层150和180。
根据本发明第三实施例制造光学模件的方法包括：制作用于在晶片顶表面上安装光纤的V形槽区域的图案和用于安装光学部件的微坑区域图案的步骤，以形成第一图案和进行第一蚀刻，制作用于在晶片顶表面上装配调节器的孔的第一和第二止动孔区域及孔的图案，以形成第二图案和进行第二蚀刻。第一图案制作和第一蚀刻的步骤类似第一和第二实施例进行，因此省略了第一图案制作和第一蚀刻的详细描述。
图10A和10B参照图7II-II、IV-IV和V-V剖面图表示本发明第三实施例的光学模件的制造过程。在晶片128’的顶表面和底表面上分别沉积第一蚀刻掩模层130’和140’。对第一蚀刻掩模层130’和140’进行第一蚀刻之后，在晶片128’顶表面上的第一蚀刻掩模层130’上沉积第二蚀刻掩模层150’。然后如图10A所示，对第二蚀刻掩模层150’进行第二蚀刻，由此形成第一止动孔152’和第二止动孔154’以及孔区域156’。第二蚀刻掩模层150’是利用干法蚀刻过程从晶片128’的顶表面根据第二图案进行蚀刻的，由此形成第一止动孔109和第二止动孔119。
第一止动孔109和第二止动孔119贯通晶片128’。而且在从晶片128’顶表面进行第二蚀刻的情况下，晶片128’可以只蚀刻至预定深度而不是贯通。因此如图7所示，当光学信号通过光纤100传输至光学部件110例如格林透镜和球面透镜内时，或从光学部件110传输至调节器(未显示)内时，光学信号能够不被第一止动孔107和第二止动孔117阻止或扰乱而进行传输。
而且，在第一、第二和第三实施例中，在第二蚀刻之前，用于制造光学模件的方法还包括在晶片128和155顶表面上沉积铝(Al)、氧化物或光致抗蚀剂的步骤，由此防止被深度活性离子气体蚀刻的晶片顶表面上的槽105或微坑115的损坏，其中当从晶片底表面进行第二蚀刻即进行深度活性离子蚀刻(DRIE)时，晶片的部分顶表面被贯穿。
而且在第一、第二和第三实施例中，作为湿法蚀刻的第一蚀刻和作为干法蚀刻的第二蚀刻的步骤次序可以改变。即为了实现本发明的光传输，在从晶片的顶表面或底表面通过干法蚀刻预形成了止动孔之后，可以通过湿法蚀刻形成V形槽区域、微坑区域和孔区域。
止动孔包括在V形槽和微坑之间形成的至少第一止动孔，以及在微坑和孔之间形成的第二止动孔。每个止动孔用于固定光学部件，并使得光传输顺畅。
如上所述，在本发明的光学模件及其制造方法中，第一图案制作、第二图案制作、以及第一和第二蚀刻是单独进行的，因此不会发生钝角现象。类似地，不需要掩模补偿图案来补偿钝角效应，由此将光输入/输出终端的光路减少到最短。结果，光损耗可以最小化，可以形成多个输入/输出通道，并且可以集成输入/输出通道。而且可以形成V形槽和用于安装光学部件的微坑，从而即使在不能施加补偿图案处的复杂钝角中也不会发生钝角现象，因此对应用范围没有限制。
而且湿法刻蚀过程的数量减少至一次，避免了因掩模层定位而导致的光学性能误差，改善了光信号的传输可靠性。
图11是本发明光学模件的光具座的SEM照片。以止动孔为中心的钝角图案按照设计准确的形成。附图标记105、107和115分别表示V形槽、第一止动孔和微坑。
尽管已经参照优选实施例而显示和描述了本发明，但是可以理解，通过本领域的技术可以容易的对形式和细节作各种改变，而不会脱离如所附权利要求限定的本发明的精神实质和范围。

Claims (14)

1.一种制造光学模件的方法，包括以下步骤：
第一蚀刻，以在晶片的第一表面上形成一个或多个槽；以及
第二蚀刻，以形成一个或多个止动孔，从而晶片的第二表面被蚀刻而贯通该晶片。
2.根据权利要求1所述的制造光学模件的方法，还包括以下步骤：
在晶片的第一和第二表面上沉积第一蚀刻掩模层；
在晶片的第一表面上的第一蚀刻掩模层上制作一个或多个槽区域图案，以形成第一图案；
从晶片的第一表面根据第一图案进行第一图案的第一蚀刻；
在晶片的第二表面上沉积第二蚀刻掩模层并制作至少一个止动孔区域图案以形成第二图案；以及
进行第二图案的第二蚀刻，从而晶片的第二表面根据第二图案被蚀刻以贯穿该晶片。
3.根据权利要求2所述的制造光学模件的方法，其中在制作图案以形成第一图案的步骤中，使得用于安装光纤的V形槽区域、用于安装光学部件的微坑区域以及用于装配调节器的孔区域通过构图而暴露。
4.根据权利要求3所述的制造光学模件的方法，其中在第一蚀刻步骤，V形槽区域、微坑区域以及孔区域被蚀刻至不同深度。
5.根据权利要求2至4之一所述的制造光学模件的方法，其中第一蚀刻掩模层由二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)形成。
6.根据权利要求2至4之一所述的制造光学模件的方法，其中第二蚀刻掩模层由二氧化硅(SiO2)、铝(Al)或光致抗蚀剂形成。
7.根据权利要求1至2所述的制造光学模件的方法，其中第一蚀刻是选择采用KOH、NH4OH或(CH3)4NOH的湿法蚀刻。
8.根据权利要求7所述的制造光学模件的方法，其中第二蚀刻是通过选自干法刻蚀、喷砂和激光打孔的一种或多种方法来进行的。
9.根据权利要求2所述的制造光学模件的方法，其中在第二蚀刻掩模层上再沉积湿法蚀刻掩模层。
10.根据权利要求2所述的制造光学模件的方法，还包括，在第二蚀刻之前，在晶片的第一表面上沉积Al或氧化物或光致抗蚀剂的步骤。
11.一种光学模件的制造方法，包括以下步骤：
第一蚀刻，以在晶片的第一表面上形成一个或多个槽；以及
第二蚀刻，以形成一个或多个止动孔，从而晶片的第一表面被蚀刻而被贯通或被蚀刻至预定深度。
12.一种光学模件，具有基板、用于在基板上安装光纤的V形槽、用于安装光学部件的微坑以及用于装配调节器的孔，该光学模件包括：
第一止动孔，形成为与V形槽和微坑相通，基板在其中沿竖直方向贯穿；以及
第二止动孔，形成为与微坑和孔相通，基板在其中沿竖直方向贯穿。
13.一种光学模件，具有在基板上用于安装一个或多个光学部件的至少一个或多个的槽，其中该光学模件包括通过与槽中预定区域相对应的基板底表面贯通而形成的止动孔。
14.一种制造光学模件的方法，包括以下步骤：
第一蚀刻，以形成一个或多个止动孔，从而晶片的底表面被蚀刻而贯通该晶片；以及
第二蚀刻，以形成一个或多个用于在晶片的顶表面上安装光学元件的槽。
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