TWI572918B - 光波導及其製造方法 - Google Patents

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Description

光波導及其製造方法
本發明涉及一種光波導及其製造方法。
光波導作為光電元件中較為常見之元件可以有效傳遞光信號。惟一般平面光波導中，因為鈦擴散區域較廣，往往折射率對比較不明顯，所以容易使得光於傳輸時容易有損耗產生。所以後來又提出了脊型式光波導，這種光波導結構就係屬於立體之光波導結構，因為脊型之結構，使得光波導之上側左側及右側都係與空氣接觸，空氣折射率為1，而一般平面光波導只有上側之部分為空氣，所以相對起來光波導之折射率對比較為明顯，所以脊型之光波導較比平面光波導之光損耗小而被廣泛使用。但係由於被製造出來之脊型之光波導之脊型頂面及兩側不平整，光遇到亦會被散射，並且由於脊型之結構，使得脊型之光波導之下側並未與空氣接觸而係與基底相連，折射率對比較不明顯，從而無法將光損耗降到更低。
有鑒於此，有必要提供一種有效降低光損耗之光波導及其製造方法。
一種光波導，其包括一個基底，所述基底內部形成有氬離子改性 層；於所述基底之頂面上垂直於所述頂面開設有一個第一凹槽及一個第二凹槽；所述第一凹槽之延伸方向與所述第二凹槽之延伸方向互相平行；所述第一凹槽包括相通之第一窄徑段及第一寬徑段，所述第一窄徑段靠近所述頂面，第一寬徑段遠離所述頂面；所述第二凹槽包括相通之第二窄徑段及第二寬徑段，所述第二窄徑段靠近所述頂面，第二寬徑段遠離所述頂面；所述第一寬徑段及第二寬徑段均貫穿所述氬離子改性層；所述第一凹槽與所述第二凹槽之間形成一個突起部；所述突起部之下底面位於所述氬離子改性層；所述突起部擴散有鈦金屬。
一種上述之光波導之製造方法，其包括以下步驟：提供一個基底；於所述基底內部布植氬離子，從而於所述基底之內部形成一層氬離子改性層；於所述基底上垂直於所述基底之頂面切割出第一槽體及第二槽體，所述第一槽體及第二槽體均貫穿所述氬離子改性層，所述第一槽體及第二槽體之間形成一個凸柱；蝕刻所述第一槽體及第二槽體之側壁，將所述第一槽體製作形成所述第一凹槽，將所述第二槽體製作形成所述第二凹槽，從而將所述凸柱製作形成一個凸起結構；所述第一凹槽包括相通之第一窄徑段及第一寬徑段，所述第一窄徑段靠近所述頂面，第一寬徑段遠離所述頂面；所述第二凹槽包括相通之第二窄徑段及第二寬徑段，所述第二窄徑段靠近所述頂面，第二寬徑段遠離所述頂面；所述第一寬徑段及第二寬徑段均貫穿所述氬離子改性層；所述凸起結構形成於所述第一凹槽與所述第二凹槽之間，所述凸起結構與所述光波導之突起部之形狀尺寸相同，所述凸起結構之底面位於所述氬離子改性層；於所述凸起結構之頂面鍍一個鈦金屬層；及對所述鈦金屬層進行高溫擴散，使所述鈦金屬層擴散到凸起結構內，從 而將所述凸起結構製作形成所述突起部，從而形成所述光波導。
本發明之光波導及其製造方法，藉由於基底內部布植氬離子，之後再進行蝕刻及進行鈦金屬層之擴散，從而可以形成與空氣接觸面積較大之突起部，使折射率對比較明顯，從而將光損耗降到更低；另，藉由切割、蝕刻及鈦金屬擴散得到之突起部之側面更加平整，光遇到不容易被散射掉，提高了光之利用率。
100‧‧‧光波導
10‧‧‧基底
20‧‧‧氬離子改性層
11‧‧‧頂面
12‧‧‧第一凹槽
13‧‧‧第二凹槽
14‧‧‧突起部
121‧‧‧第一窄徑段
122‧‧‧第一寬徑段
131‧‧‧第二窄徑段
132‧‧‧第二寬徑段
141‧‧‧上頂面
144‧‧‧下底面
142‧‧‧第一側面
143‧‧‧第二側面
145‧‧‧第三側面
146‧‧‧第四側面
110‧‧‧保護膜
15‧‧‧第一槽體
16‧‧‧第二槽體
17‧‧‧凸柱
151‧‧‧第一底面
161‧‧‧第二底面
120‧‧‧蝕刻阻抗層
18‧‧‧凸起結構
130‧‧‧光阻層
30‧‧‧鈦金屬層
圖1為本發明提供之光波導之結構示意圖。
圖2-3為本發明提供之光波導之製造方法之製程示意圖。
圖4為本發明提供之光波導之製造方法之流程圖。
下面將結合附圖對本技術方案實施方式作進一步之詳細說明。
請參閱圖1，為本技術方案提供之光波導100，其包括一個基底10，所述基底10之材料採用鈮酸鋰晶體。
所述基底10內部形成有氬離子改性層20。
於所述基底10之頂面11上垂直於所述頂面11開設有一個第一凹槽12及一個第二凹槽13。於與所述頂面11平行之方向上，所述第一凹槽12之延伸方向與所述第二凹槽13之延伸方向互相平行，此方向亦即本技術方案之光波導100之延伸方向。於與所述頂面11垂直之方向上，所述第一凹槽12之延伸方向與所述第二凹槽13之延伸方向亦互相平行。
所述第一凹槽12包括相通之第一窄徑段121及第一寬徑段122，所 述第一窄徑段121靠近所述頂面11，第一寬徑段122遠離所述頂面11，所述第一寬徑段122貫穿所述氬離子改性層20。所述第一窄徑段121之與所述光波導100之延伸方向垂直之橫截面之形狀為方形，所述第一寬徑段122之與所述光波導100之延伸方向垂直之橫截面之形狀為六邊形。所述第二凹槽13包括相通之第二窄徑段131及第二寬徑段132，所述第二窄徑段131靠近所述頂面11，第二寬徑段132遠離所述頂面11，所述第二寬徑段132貫穿所述氬離子改性層20。所述第二窄徑段131之與所述光波導100之延伸方向垂直之橫截面之形狀為方形，所述第二寬徑段132之與所述光波導100之延伸方向垂直之橫截面之形狀為六邊形。
從所述基底10之頂面11到所述第一凹槽12之底部之距離與從所述基底10之頂面11到所述第二凹槽13之底部之距離相等，且所述距離越深越好，本實施方式中，所述距離為30微米。所述第一凹槽12與所述第二凹槽13之間之距離亦可以根據不同種類不同光長之光具體設定，本實施方式中，採用光長小於9微米之單模光，所述第一凹槽12與所述第二凹槽13之間之距離為9微米。
所述第一凹槽12與所述第二凹槽13之間形成一個突起部14，所述突起部14上擴散有鈦金屬。由於所述第一凹槽12及所述第二凹槽13之形狀，從而使所述突起部14為上寬下窄之形狀，且所述突起部14包括相平行之上頂面141、下底面144以及連接於所述上頂面141和下底面144之間之第一側面142、第三側面145、第四側面146及第二側面143，所述突起部14之下底面144與所述基底10相連，所述上頂面141及四個側面與空氣相接觸，所述上頂面141尺寸大於所述下底面144之尺寸。所述下底面144位於所述氬離子改 性層20。所述第一側面142對應於所述第一窄徑段121，第二側面143對應於所述第二窄徑段131，第三側面145對應於所述第一寬徑段122，第四側面146對應於所述第二寬徑段132。所述第一側面142與所述第二側面143平行且均與所述上頂面141垂直相連。所述第三側面145及所述第四側面146與所述下底面144相連。
本技術方案之光波導100之突起部14之側面更加平整，光遇到不容易被散射掉，提高了光之利用率；且本技術方案之光波導100之突起部14相較於傳統之脊型結構之光波導之突起部多了兩個與空氣接觸之面，即第三側面145及第四側面146，亦即減少了光波導100之突起部14與基底10之接觸面積，使折射率對比較明顯，從而將光損耗降到更低。
請一併參閱圖2至圖4，本技術方案實施方式提供之光波導100之製造方法，其包括以下步驟：
S10：提供一個基底10。
所述基底10呈矩形，所述基底10具有頂面11。由於鈮酸鋰(LiNbO3)晶體(LN)具有較高之反應速度，而且鈮酸鋰擴散金屬鈦(單質)可以形成折射率漸變型之載入光波導，故，所述基底10之材料採用鈮酸鋰晶體。
S12：於所述基底10內部布植氬離子，從而於所述基底10之內部形成一層與所述基底10之頂面11平行之氬離子改性層20。
其中，於所述頂面11上形成保護膜110以保護不需要布植氬離子之區域。藉由環形加速器對所述氬離子進行加速從而於所述基底10之內部布植氬離子。氬離子布植至所述基底10之內部從而破壞 所述鈮酸鋰晶體之晶格結構，控制加速能量及加速時間以控制氬離子布植之深度，從而於所述基底10之內部預定深度形成一層與所述基底10之頂面11平行之氬離子改性層20。參考第一實施例，本實施方式最終形成之第一凹槽12及所述第二凹槽13之底部至所述頂面11之距離為30微米，故，本實施方式中形成之氬離子改性層20至所述頂面11之距離小於30微米。
S14：去除所述保護膜110，於所述基底10上垂直於所述基底10之頂面11切割出第一槽體15及第二槽體16，所述第一槽體15及所述第二槽體16之間形成一個凸柱17。
其中，切割時採用晶圓切割機，並採用精密之切割砂輪。所述第一槽體15、所述第二槽體16及所述凸柱17均為方形。所述第一槽體15及所述第二槽體16深度相同。所述第一槽體15具有第一底面151，所述第二槽體16具有第二底面161。本實施方式中，所述第一底面151及所述第二底面161至所述頂面11之距離為30微米，即所述第一槽體15及所述第二槽體16均貫穿所述氬離子改性層20，從而所述凸柱17靠近底部之位置包括一層氬離子改性層20。所述第一槽體15及所述第二槽體16之間之距離為9微米。
S16：將經過切割後之基底10進行清洗。
S18：於形成了第一槽體15及第二槽體16之基底10上鍍一個蝕刻阻抗層120。
其中，所述蝕刻阻抗層120鍍設於所述基底10之頂面11、第一底面151及第二底面161上。本實施方式中，所述蝕刻阻抗層120採用鉻金屬。
S20：將設置有所述蝕刻阻抗層120之基底10浸入第一種蝕刻液中進行濕式蝕刻形成一個凸起結構18。
由於所述基底10為鈮酸鋰晶體，則所述第一種蝕刻液為氫氟酸。於蝕刻過程中，由於所述氬離子改性層20處之晶格結構被氬離子破壞，故所述第一種蝕刻液於所述氬離子改性層20處之蝕刻速率大於其他部位之蝕刻速率，即，所述第一槽體15及第二槽體16之靠近其開口段之側壁處之蝕刻速率最小，所述第一槽體15及第二槽體16之側壁之氬離子改性層20所於之位置蝕刻速率最大，所述氬離子改性層20所在之位置兩側之蝕刻速率較所述氬離子改性層20所在之位置之蝕刻速率遞減。所述第一槽體15之靠近其開口段之側壁少量被第一蝕刻液蝕刻形成第一窄徑段121，所述第二槽體16之靠近其開口段之側壁少量被第一蝕刻液蝕刻形成第二窄徑段131，所述第一窄徑段121之寬度略大於所述第一槽體15之寬度，所述第二窄徑段131之寬度略大於所述第二槽體16之寬度，所述第一槽體15及第二槽體16之遠離開口段之側壁分別被第一蝕刻液蝕刻成截面為六邊形之第一寬徑段122及第二寬徑段132，所述六邊形有兩個對角位於所述氬離子改性層20之靠中間位置，所述第一窄徑段121與所述第一寬徑段122相通，即形成所述第一凹槽12，所述第二窄徑段131與所述第二寬徑段132相通，即形成所述第二凹槽13。亦即，所述第一凹槽12包括相通之第一窄徑段121及第一寬徑段122，所述第一窄徑段121靠近所述頂面11，第一寬徑段122遠離所述頂面11，所述第一寬徑段122貫穿所述氬離子改性層20。所述第二凹槽13包括相通之第二窄徑段131及第二寬徑段132，所述第二窄徑段131靠近所述頂面11，第二寬徑段132遠離所述頂面11，所述第二寬徑段132貫穿所述氬離子改性層20。 所述凸柱17被第一蝕刻液蝕刻從而形成凸起結構18，所述凸起結構18與所述突起部14之形狀尺寸相同。
S22：去掉所述蝕刻阻抗層120。
具體係將蝕刻阻抗層120浸入第二種蝕刻液中，從而去掉所述蝕刻阻抗層120，暴露出所述第一凹槽12、第二凹槽13及所述凸起結構18。本實施方式中，所述第二種蝕刻液為含有硝酸之鉻蝕刻液。
S24：於所述基底10之頂面11、所述第一凹槽12與所述第二凹槽13內以及所述凸起結構18之上頂面141形成光阻層130。
形成光阻層130之方式為高速旋轉塗布，轉速優選6000轉以上。
S26：藉由曝光及顯影製程去除所述凸起結構18之上頂面141之光阻層130。
S28：於所述凸起結構18之上頂面141及所述光阻層130表面鍍上一層鈦金屬層30。
S30：去除所述光阻層130，從而於所述凸起結構18之上頂面141形成鈦金屬層30。
S32：對所述鈦金屬層30進行高溫擴散，使所述鈦金屬層30擴散到凸起結構18內，從而將所述凸起結構18製作形成所述突起部14，從而形成所述光波導100。
其中，擴散時之溫度為1020度。
上述光波導之製造方法，藉由於基底10內部布植氬離子，之後再進行濕蝕刻，最後進行鈦金屬層30之擴散，從而可以形成與空氣 接觸面積較大之突起部14，使折射率對比較明顯，從而將光損耗降到更低；另，藉由切割、濕蝕刻及鈦金屬擴散得到之突起部14之側面更加平整，光遇到不容易被散射掉，提高了光之利用率。
惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧光波導
10‧‧‧基底
20‧‧‧氬離子改性層
11‧‧‧頂面
12‧‧‧第一凹槽
13‧‧‧第二凹槽
14‧‧‧突起部
121‧‧‧第一窄徑段
122‧‧‧第一寬徑段
131‧‧‧第二窄徑段
132‧‧‧第二寬徑段
141‧‧‧上頂面
144‧‧‧下底面
142‧‧‧第一側面
143‧‧‧第二側面
145‧‧‧第三側面
146‧‧‧第四側面

Claims (10)

  1. 一種光波導，其包括一個基底，所述基底內部形成有氬離子改性層；於所述基底之頂面上垂直於所述頂面開設有一個第一凹槽及一個第二凹槽；所述第一凹槽之延伸方向與所述第二凹槽之延伸方向互相平行；所述第一凹槽包括相通之第一窄徑段及第一寬徑段，所述第一窄徑段靠近所述頂面，第一寬徑段遠離所述頂面；所述第二凹槽包括相通之第二窄徑段及第二寬徑段，所述第二窄徑段靠近所述頂面，第二寬徑段遠離所述頂面；所述第一寬徑段及第二寬徑段均貫穿所述氬離子改性層；所述第一凹槽與所述第二凹槽之間形成一個突起部；所述突起部之下底面位於所述氬離子改性層；所述突起部擴散有鈦金屬。
  2. 如請求項第1項所述之光波導，其中，所述基底之材料採用鈮酸鋰晶體。
  3. 如請求項第1項所述之光波導，其中，所述突起部包括相平行之上頂面和底面以及連接於所述上頂面和下底面之間之第一側面、第三側面、第四側面及第二側面，所述第一側面對應於所述第一窄徑段，第二側面對應於所述第二窄徑段，第三側面對應於所述第一寬徑段，第四側面對應於所述第二寬徑段，所述下底面與所述基底相連，所述上頂面及四個側面與空氣相接觸，所述上頂面尺寸大於所述下底面之尺寸，所述第一側面與所述第二側面平行且均與所述上頂面垂直相連。
  4. 如請求項第3項所述之光波導，其中，所述第一凹槽與所述第二凹槽之間之距離為9微米。
  5. 一種光波導之製造方法，其包括以下步驟：提供一個基底；於所述基底內部布植氬離子，從而於所述基底之內部形成一層氬離子改 性層；於所述基底上垂直於所述基底之頂面切割出第一槽體及第二槽體，所述第一槽體及第二槽體均貫穿所述氬離子改性層，所述第一槽體及第二槽體之間形成一個凸柱；蝕刻所述第一槽體及第二槽體之側壁，將所述第一槽體製作形成所述第一凹槽，將所述第二槽體製作形成所述第二凹槽，從而將所述凸柱製作形成一個凸起結構；所述第一凹槽包括相通之第一窄徑段及第一寬徑段，所述第一窄徑段靠近所述頂面，第一寬徑段遠離所述頂面；所述第二凹槽包括相通之第二窄徑段及第二寬徑段，所述第二窄徑段靠近所述頂面，第二寬徑段遠離所述頂面；所述第一寬徑段及第二寬徑段均貫穿所述氬離子改性層；所述凸起結構形成於所述第一凹槽與所述第二凹槽之間，所述凸起結構與所述光波導之突起部之形狀尺寸相同，所述凸起結構之下底面位於所述氬離子改性層；於所述凸起結構之上頂面鍍一個鈦金屬層；及對所述鈦金屬層進行高溫擴散，使所述鈦金屬層擴散到凸起結構內，從而將所述凸起結構製作形成所述突起部，從而形成所述光波導。
  6. 如請求項第5項所述之光波導之製造方法，其中，於所述基底內部布植氬離子步驟前，還包含於所述頂面部分區域形成保護膜之步驟，於所述基底內部布植氬離子步驟之後及於所述基底上垂直於所述基底之頂面切割出第一槽體及第二槽體之前，還包含去除所述保護膜之步驟。
  7. 如請求項第5項所述之光波導之製造方法，其中，藉由環形加速器對所述氬離子進行加速從而於所述基底內部布植氬離子，其中，控制加速能量及加速時間以控制氬離子布植之深度，從而於所述基底之內部預定深度形成所述氬離子改性層。
  8. 如請求項第5項所述之光波導之製造方法，其中，所述第一槽體具有第一 底面，所述第二槽體具有第二底面，於蝕刻所述第一槽體及第二槽體之側壁之前，還包括於所述基底之頂面以及所述第一底面及第二底面鍍一個蝕刻阻抗層之步驟；於所述凸起結構之頂面鍍一個鈦金屬層之前，還包括去掉所述蝕刻阻抗層之步驟。
  9. 如請求項第8項所述之光波導之製造方法，其中，所述蝕刻阻抗層為鉻金屬，藉由含有硝酸之鉻蝕刻液蝕刻去掉所述蝕刻阻抗層。
  10. 如請求項第5項所述之光波導之製造方法，其中，於所述凸起結構之頂面鍍一個鈦金屬層之步驟包括：於所述基底之頂面、所述第一凹槽與所述第二凹槽內以及所述凸起結構之上頂面形成光阻層；藉由曝光及顯影製程去除所述凸起結構之上頂面之光阻層；於所述凸起結構之上頂面及所述光阻層表面鍍上一層鈦金屬層；以及去除所述光阻層，從而於所述凸起結構之上頂面形成鈦金屬層。
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