TWI693439B - 形成具有伽瑪溝槽的裝置之方法 - Google Patents

Abstract

所揭示的是具有伽瑪(γ)溝槽之裝置。該等γ溝槽可用於形成光纖陣列。可藉由修改蝕刻遮罩之阻劑特徵，使用諸如RIE之乾蝕刻來形成該等γ溝槽，以具有凸形彎曲側壁。藉由該乾蝕刻將該等阻劑特徵之輪廓轉移至該基板，以形成該等γ溝槽。該等γ溝槽未利用含K蝕刻劑形成，不僅避免程序工具之K⁺離子污染，也避免因處理含鹼裝置所造成的健康問題。

Description

形成具有伽瑪溝槽的裝置之方法

本揭露大體上係關於具有伽瑪溝槽(groove)之裝置。伽瑪溝槽可在光纖陣列中用於使光纖維持在預定位置。

纖維陣列係用於各種類型的應用，諸如矽光子(SiPh)系統，包括用於通訊之光交換以及運用空間光學資料之感測應用，諸如DNA定序、天文學及核研究。纖維陣列之光纖端部係使用具有溝槽或通道之纖維陣列塊來維持在固定位置。光纖對準光學系統之其它組件，諸如其它光纖、平面型波導或光電裝置。

習用的纖維陣列塊運用v形槽來固定光纖之位置。v形槽係藉由濕化學蝕刻技術所形成，其需要使用含有KOH之鹼性溶液。然而，此類KOH溶液通常造成污染問題。特別的是，K⁺離子是擴散極快之鹼金屬離子，其不利於金屬氧化物半導體(MOS)裝置。再者，處理受K⁺離子污染之纖維陣列會造成健康問題，使其成為安全性危害。

已對U型槽纖維陣列塊進行研究。U型槽係藉由準分子雷射剝蝕技術所形成。然而，雷射剝蝕不能精確地控制因雷射光束尺寸大(一般約數平方公分)所致之小芯距。這可能導致光纖鬆散地裝配到u形槽內，對耦合效率有不利影響。另外，由於光束尺寸小導致處理時間長，雷射剝蝕對於製造商用纖維陣列並不可行。

本揭露係針對纖維陣列塊及纖維陣列。

具體實施例大體上係關於具有伽瑪溝槽之裝置。在一項具體實施例中，揭示一種形成裝置之方法。提供基板(substrate)。在該基板上形成圖型化光阻蝕刻遮罩。該圖型化光阻蝕刻遮罩包括具有凸形彎曲光阻側壁之第一與第二細長球形光阻特徵。該等第一與第二細長球形光阻特徵係藉由使基板表面曝露之空間來分開。乾蝕刻係使用該圖型化光阻蝕刻遮罩來進行。該蝕刻將該基板之該曝露表面蝕刻，以形成具有凸形彎曲溝槽側壁之伽瑪(γ)溝槽。

在另一項具體實施例中，揭示一種裝置。該裝置包括基板。在該基板上布置伽瑪(γ)溝槽。該γ溝槽包括凸形溝槽側壁。

在又另一具體實施例中，揭露一種形成裝置之方法。提供基板。在該基板上形成圖型化光阻蝕刻遮罩。該圖型化光阻蝕刻遮罩包括具有凸形彎曲光阻側壁之複數個細長球形光阻特徵。相鄰之細長球形光阻特徵係藉 由使基板表面曝露之空間來分開。乾蝕刻係使用該圖型化光阻蝕刻遮罩來進行。該蝕刻將該基板之該曝露表面蝕刻，以形成具有凸形彎曲溝槽側壁之伽瑪(γ)溝槽陣列。

本文中所揭示之具體實施例的這些及其它優點及特徵，透過參考以下說明及所附圖式會變為顯而易見。再者，要了解的是，本文中所述之各項具體實施例的特徵並不互斥，並且可用各種組合及排列呈現。

100‧‧‧裝置、纖維陣列塊

101‧‧‧基板

150‧‧‧細長構件

160‧‧‧γ溝槽

160a‧‧‧側壁

160b‧‧‧側壁

200‧‧‧裝置

280‧‧‧光纖

282‧‧‧光纖芯

284‧‧‧纖維外殼

290‧‧‧罩蓋

300‧‧‧程序

301‧‧‧基板

320‧‧‧光阻層

322‧‧‧圖型化光阻層、蝕刻遮罩

325‧‧‧細長阻劑特徵

327‧‧‧空間

342‧‧‧球形表面輪廓

344‧‧‧空間

350‧‧‧細長構件

360‧‧‧γ溝槽

400‧‧‧程序

401‧‧‧基板

422‧‧‧圖型化光阻遮罩

442‧‧‧球形細長光阻特徵

450‧‧‧細長構件

460‧‧‧γ溝槽

560‧‧‧γ溝槽

590‧‧‧光纖

w‧‧‧寬度

h‧‧‧高度

c‧‧‧曲率

d‧‧‧距離、芯距

D‧‧‧直徑

在圖式中，不同視圖中相似的元件符號大體上係指相同的零件。此外，圖式不必然有依照比例繪示，而是在繪示本揭露的原理時，大體上可能會出現重點描述的情況。在以下說明中，本揭露之各項具體實施例係參照以下圖式來說明，其中：第1a圖展示具有伽瑪(γ)溝槽之裝置之一具體實施例的三維視圖；第1b圖展示具有γ溝槽之裝置之一具體實施例的截面圖；第2圖展示具有γ溝槽之纖維陣列的截面圖；第3a至3f圖展示形成具有γ溝槽之裝置用之程序之一具體實施例的截面圖；第4a至4d圖展示形成γ溝槽之各個階段的SEM影像；以及第5圖展示γ溝槽陣列及光纖的SEM影像。

具體實施例大體上係關於裝置。更特別的是，具體實施例係關於包括伽瑪(γ)溝槽之裝置。γ溝槽可用於不同目的。在一項具體實施例中，該等裝置包括具有γ溝槽之纖維陣列，用於使光纖端部置於固定的預定位置。舉例而言，可將該等纖維陣列併入各種類型的SiPh系統，諸如光纖通訊系統、以及運用空間光學資料之感測系統，諸如DNA定序、天文學及核研究。

第1a至1b圖展示裝置100之一具體實施例的各種視圖。特別的是，第1a圖展示裝置100的簡化3維視圖，而第1b圖展示裝置100沿x方向的截面圖。請參閱第1a至1b圖，該裝置包括基板101。該裝置可以是用於使纖維陣列之纖維維持在適當位置之纖維陣列塊。其它類型的裝置也可有作用。在一項具體實施例中，此基板為矽基板。提供其它類型的基板也可有作用。矽基板可以是矽(100)基板。亦可運用具有其它結晶取向之基板。該基板舉例而言，可為約1000μm厚。其它厚度也可有作用。

該基板包括至少一個γ溝槽160。該γ溝槽係布置在相鄰的細長構件150之間。如圖所示，該基板包括複數個γ溝槽及細長構件。溝槽之側壁160a至160b為凸形側壁，導致γ溝槽。該等溝槽如圖所示，係沿著y方向布置。該或該等γ槽可用於安置纖維陣列之光纖端部。為其它目的提供γ溝槽也可有作用。

如圖所示，該基板為上有形成γ溝槽之裸基 板。在一些具體實施例中，該基板可包括裝置層(圖中未展示)。該裝置層可作用為上有形成γ溝槽之層件。舉例而言，該裝置層可厚到足以容納該等γ溝槽。該裝置層舉例而言，可以是氧化矽層。諸如聚合物層等其它類型的裝置層也可作用為裝置層。

在一較佳具體實施例中，該纖維陣列塊之該等γ溝槽有對稱。舉例而言，該等溝槽之寬度w、該等凸形側壁之高度h與曲率c有對稱，形成對稱的γ溝槽。至於纖維陣列，選擇寬度w之尺寸以能夠準確且精確地安置具有所欲直徑之光纖。纖維直徑舉例而言，包括外殼及纖維芯。該等纖維之直徑應該大於w。由於γ溝槽具有凸形彎曲側壁，所以可將該等纖維精確地固定到該等γ溝槽中之位置。再者，由於凸形彎曲側壁的關係，該等γ溝槽可配適纖維寬度的寬廣範圍。提供不對稱溝槽也可有作用。舉例而言，可為具有不同直徑之纖維提供不對稱溝槽。

舉一實施例來說，該等溝槽之高度h可約為80μm，而寬度w可約為100μm。其它高度與寬度也可有作用。該等高度與寬度可取決於該等纖維之直徑。舉例而言，寬度w應足以容納該等纖維。隨著該等光纖之直徑增大，該等溝槽之寬度w可能增大，反之亦然。

在一項具體實施例中，該纖維陣列塊之γ溝槽具有對稱間距。舉例而言，介於相鄰溝槽之間的距離d對於該陣列塊之溝槽是相同的。距離d可稱為芯距。舉例而言，d為介於相鄰光纖之核心之間的距離。距離d可 約為125μm。提供具有其它芯距或不對稱間距之γ溝槽也可有作用。該陣列之芯距可取決於光學耦合裝置之應用。舉例而言，該陣列的芯距取決於矽光子(SiPh)裝置之諸光柵的間距。該等γ溝槽之數目舉例而言，決定用於容納光纖之通道數目。

在一項具體實施例中，細長構件係使用遮罩與蝕刻技巧來建立，而未利用含有蝕刻劑之K⁺離子。在一項具體實施例中，使用圖型化蝕刻遮罩之乾蝕刻係用於形成細長構件。該乾蝕刻舉例而言，包括電漿蝕刻、反應性離子蝕刻或離子碾壓。下面表1展示用以形成細長構件之K⁺無離子乾蝕刻之例示性配方：

據了解，表1之配方為例示性，而其它乾蝕刻配方也可有作用。

該遮罩包括圖型化光阻遮罩。舉例而言，該圖型化光阻遮罩係使用光微影來圖型化，諸如藉由使用 具有所欲圖型之分劃板以曝照源曝照阻劑層。在顯影後，將該分劃板之圖型轉移至該阻劑層，使基板之待蝕刻區域曝露。該圖型化光阻遮罩之特徵具有均勻厚度。將該圖型化光阻遮罩塑形以形成彎曲型或γ特徵。這有助於在該基板上形成γ溝槽。至於間距均勻之γ溝槽，該等圖型化光阻遮罩特徵係均勻隔開。替代地，間距非均勻之γ溝槽可藉由改變諸圖型化光阻遮罩特徵之間的距離來形成。

如所述，該等γ溝槽未利用含有蝕刻劑之K⁺離子來建立。這避免與K⁺離子污染有關的MOS裝置可靠度問題，也避免與處理形成此類裝置之鹼有關的安全性或健康問題。另外，可實現具有精確安置而使用遮罩與蝕刻技巧、高通量及低成本纖維陣列來建立γ溝槽的能力。

第2圖展示裝置200之一具體實施例的截面圖。如圖所示，該裝置為纖維陣列。其它類型的裝置也可有作用。該纖維陣列包括纖維陣列塊100，如第1a至1b圖所述。共通的元件可不作說明或詳細說明。該纖維陣列塊包括用於容納具有直徑D之光纖280的複數個γ溝槽。光纖如圖所示，包括圍繞或包覆光纖芯282之纖維外殼284。γ溝槽160係布置在具有凸形側壁之諸細長構件150之間。γ溝槽作用為纖維陣列之通道。如圖所示，該纖維陣列塊包括N個溝槽，形成N通道纖維陣列。如圖所示，該纖維陣列塊之γ溝槽包括均勻芯距d。提供具有不均勻芯距之陣列塊也可有作用。

諸如矽蓋之罩蓋290係布置在纖維陣列塊 上方。其它類型的罩蓋也可有作用。該罩蓋使該等纖維緊固在該等γ溝槽中之適當位置。該罩蓋可藉由例如夾鉗或罩殼(圖中未展示)予以緊固在纖維陣列塊上方。藉由其它技巧使該罩蓋緊固，諸如藉由使用黏著劑來緊固，也可有作用。

第3a至3f圖展示用於形成裝置之程序300之一具體實施例的截面圖。該裝置可以是光學耦合裝置。舉例而言，該裝置可以是纖維陣列。其它類型的裝置也可有作用。請參閱第3a圖，提供基板301。該基板舉例而言，作用為用於纖維陣列塊之基板。該基板可以是矽基板。矽基板可以是矽(100)基板。提供具有其它結晶取向之矽基板也可有作用。其它類型的基板也可有作用。該基板之厚度應足以作用為纖維陣列塊。舉例而言，該基板可約為1000μm厚。其它厚度也可有作用。

在基板301上形成光阻層320。該光阻層舉例而言，可藉由旋轉塗佈來形成。在該基板上形成光阻層之其它方法也可有作用。在一項具體實施例中，該光阻層為正光阻層。該光阻層之厚度應足以作用為用於隨後形成該等γ溝槽之蝕刻遮罩。該光阻層之厚度舉例而言，可為1μm至100μm。其它厚度也可有作用。該光阻層之厚度均勻度可約為±2%之等級。

可將該光阻層預烘培。舉例而言，可在約80℃至90℃之溫度下將該光阻層預烘培約1小時。在將該光阻層預烘焙之後，透過具有所欲圖型之分劃板，用諸如 UV曝照源之曝照源將其曝照。

將受曝露光阻層顯影，使該分劃板之圖型轉移至該光阻層，如圖3b所示。舉例而言，圖型化光阻層322包括藉由與後續形成γ溝槽之位置對應的空間327分開之細長阻劑特徵325。舉例而言，該圖型化阻劑層包括藉由空間分開之細長阻劑特徵陣列。該等空間之寬度可界定γ溝槽之開口之寬度，而該等細長阻劑特徵之寬度則大約界定γ溝槽之間距。

較佳的是，該等空間可具有均勻寬度以產生具有均勻寬度之γ溝槽。提供不均勻空間以產生具有不同寬度之γ溝槽也可有作用。舉例而言，可裁製不同γ溝槽寬度以容納具有不同直徑之不同纖維。該等γ溝槽亦可具有均勻間距。舉例而言，該間距可約為125μm。其它γ溝槽間距也可有作用。該間距舉例而言，可取決於SiPh裝置之諸光柵的間距。該間距可藉由改變該等細長光阻特徵之寬度來控制。在其它具體實施例中，該等γ溝槽具有不均勻間距，其可藉由提供具有不同寬度之細長光阻特徵來實現。

請參閱第3c圖，處理該基板以將該等細長光阻特徵之垂直側壁轉化成凸形彎曲側壁。舉例而言，將細長光阻特徵從具有矩形表面輪廓之特徵轉化成具有球形表面輪廓342之特徵。在一項具體實施例中，該基板之處理包括回焊程序，以形成具有球形輪廓之細長光阻特徵。該回焊程序舉例而言，可以是氮氣(N₂)環境中之熱程序。 回焊溫度可在約80℃至90℃下持續約1小時。以其它溫度與持續時間進行回焊程序也可有作用。

該回焊程序將該細長光阻特徵加熱到高於其軟化點(例如，玻璃電晶體溫度)。該阻劑熔化，將該等光阻特徵之矩形輪廓轉化成球形輪廓。舉例而言，表面張力造成該等光阻特徵之輪廓變成球形輪廓。該阻劑特徵之最終輪廓可取決於回焊程序配方及該等光阻特徵之截面尺寸，諸如厚度與寬度。

再者，該回焊程序造成底座處細長光阻特徵之寬度擴展，使諸特徵之間的空間344縮減。若要容納該擴展，該等細長光阻特徵之間的間隔應該將該擴展列入考量，用以避免諸特徵合併，並且用以產生具有所欲寬度之γ溝槽。若要避免合併，該等阻劑特徵之厚度與間隔或間隙之比率應該約為10：1。其它厚度對間隙的比率也可有作用。

在第3d圖中，隨後將該等光阻特徵當作蝕刻遮罩用來蝕刻該基板。在一項具體實施例中，該蝕刻為異向性乾蝕刻。該乾蝕刻未運用K⁺離子蝕刻劑。舉例而言，該蝕刻為無K或無鹼蝕刻。該乾蝕刻舉例而言，可以是電漿蝕刻、RIE或離子碾壓。乾蝕刻配方舉例而言，可如先前在表1中所述。其它無K乾蝕刻配方也可有作用。該蝕刻雖然使用該蝕刻遮罩將該基板異向性蝕刻，但仍然侵蝕到蝕刻遮罩322。由於球形輪廓，光阻特徵342之邊緣受到侵蝕，使該基板曝露，如第3e圖所示。隨著該蝕刻 繼續進行，該等光阻特徵愈來愈受到侵蝕，使該基板愈來愈曝露。這在下伏基板或裝置層中產生具有凸形彎曲輪廓之細長構件350，以形成γ溝槽360。

該等細長構件或溝槽之輪廓可藉由該等細長光阻特徵之輪廓、以及該蝕刻之長度來控制。一旦實現該等溝槽之所欲輪廓，該蝕刻便可終止。如果該等光阻特徵有留下，則可藉由例如灰化將其移除，如第3f圖所示。在一些情況下，該蝕刻可將該等光阻特徵完全侵蝕。再者，在完全移除該等光阻特徵之後，該蝕刻可繼續進行。這將產生具有更陡曲線輪廓之側壁。舉例而言，隨著該蝕刻繼續進行，該等溝槽之側壁將具有更線性的特性。再者，這使該等γ溝槽之開口之大小增大，能夠於其中安置更大直徑之纖維。

第4a至4d圖展示用於形成γ溝槽之程序400之不同階段的掃描式電子顯徵鏡(SEM)影像。在第4a圖中，所示為具有圖型化光阻遮罩422之基板401，該圖型化光阻遮罩具有球形細長光阻特徵442。使用RIE將該基板蝕刻，以在細長構件450的陣列之間形成溝槽或γ溝槽460。該等溝槽之頂端之開口約為50μm，而該等溝槽之深度約為54μm。芯距(例如相鄰溝槽底端之間的距離)約為125μm。於此處理階段，該等細長構件類似具有球形輪廓之半圓柱體，各具有陡峭且彎曲的側壁、以及平坦的頂峰或頂端表面。

隨著該蝕刻繼續進行，愈來愈多該等阻劑 特徵受到侵蝕。請參閱第4b圖，該蝕刻完全侵蝕該等細長構件頂部之光阻特徵。於該蝕刻的這個階段，該等溝槽之開口增大到約73μm，而該等溝槽之深度增大到約66μm。該芯距如圖所示，在約125μm處維持相同。進一步蝕刻的結果，該等細長構件或半圓柱體結構具備銳化頂峰或頂端表面、以及向外彎曲之側壁。

在第4c圖中，在完全侵蝕該等光阻特徵之後，進一步蝕刻該基板，並導致具有更寬開口之更深溝槽。如圖所示，該等溝槽之開口增大到約92μm，而該等溝槽之深度增大到約77μm。該芯距如圖所示，在約125μm處維持相同。再者，該蝕刻進一步銳化該半圓柱體結構之頂端表面。

請參閱第4d圖，進一步蝕刻對開口寬度比對溝槽之深度有更大影響。這是因RIE滯後效應所致，其中深溝槽之底端正在經歷蝕刻離子之耗盡。如圖所示，該等溝槽之深度約為78μm，而該開口寬度約為102μm。該芯距在約125μm處維持相同。該蝕刻亦進一步銳化該半圓柱體結構之頂端表面。

第5圖展示如前述固定在光學裝置之γ溝槽560中之光纖590的SEM影像。該光纖具有約125±0.5μm之直徑。該γ溝槽之開口如圖所示，窄到足以容納該光纖。如圖所示，該光纖正停在該γ溝槽之開口之拐角上。該光學裝置亦適用於具有更小直徑之光纖。在這種情況下，該γ溝槽大到足以藉由允許該光纖停在該γ溝槽內的深處來 容納該光纖。

該等具體實施例可體現成其它特定形式而不會脫離其精神或主要特性。因此，前述具體實施例在所有層面都要視為說明性，而不是限制本文中所述之發明。本發明之範疇從而由隨附申請專利範圍指出，而不是由前述說明指出，而且均等於申請專利範圍之意義及範圍內的所有變更全都意欲囊括於其中。

100‧‧‧裝置、纖維陣列塊

101‧‧‧基板

150‧‧‧細長構件

160‧‧‧γ溝槽

160a‧‧‧側壁

160b‧‧‧側壁

w‧‧‧寬度

h‧‧‧高度

c‧‧‧曲率

d‧‧‧距離、芯距

Claims (16)

1. 一種形成具有伽瑪(γ)溝槽的裝置之方法，包含：提供基板；在該基板上形成圖型化光阻蝕刻遮罩，其中，該圖型化光阻蝕刻遮罩包含具有凸形彎曲光阻側壁之第一與第二細長半圓柱體光阻特徵，該第一與第二細長半圓柱體光阻特徵係藉由使該基板表面曝露之空間來分開；以及使用該圖型化光阻蝕刻遮罩進行乾蝕刻，其中，該蝕刻將該基板之已曝露的該表面蝕刻，以形成具有凸形彎曲溝槽側壁之該伽瑪(γ)溝槽。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：形成該圖型化光阻蝕刻遮罩使藉由空間來分開之細長半圓柱體光阻特徵的陣列形成，其中，該細長半圓柱體光阻特徵包含凸形彎曲光阻側壁；以及進行該乾蝕刻使介於該細長半圓柱體光阻特徵之間的該空間中形成位在該基板中之γ溝槽的陣列，其中，該γ溝槽包含凸形彎曲溝槽側壁。
3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該γ溝槽的該陣列之間距為均勻。
4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該γ溝槽的該陣列之間距為不均勻。
5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該γ溝槽的該陣列之溝槽開口為大小均勻之溝槽開口。
6. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該γ溝槽的該陣列之溝槽開口大小全都不均勻。
7. 如申請專利範圍第2項所述之方法，包含：將光纖之端部置於該γ溝槽的該陣列上；以及在該光纖置於該γ溝槽的該陣列上之該基板上安裝罩蓋，以形成光纖陣列。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，在該基板上形成該圖型化光阻蝕刻遮罩包含：在該基板上形成光阻層；將該光阻層圖型化，以形成具有藉由初始間隙分開之矩形截面的第一與第二圖型化細長光阻特徵；以及熔化該第一與第二圖型化細長光阻特徵，以形成該第一與第二細長半圓柱體光阻特徵。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該熔化使該初始間隙之寬度縮減，以在該第一與第二細長半圓柱體光阻特徵之間產生該空間。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該熔化包含進行熱回焊程序。
11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該乾蝕刻隨著繼續進行蝕刻，而侵蝕該細長半圓柱體光阻特徵之愈來愈多側邊，以形成該γ溝槽。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中：在將該細長半圓柱體光阻特徵完全侵蝕之後，該 乾蝕刻繼續蝕刻該基板；以及該γ溝槽之該凸形彎曲溝槽側壁變為更陡。
13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該基板包含矽基板。
14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：該基板包含裝置層；以及該γ溝槽係形成於該裝置層中。
15. 一種形成具有伽瑪(γ)溝槽的裝置之方法，包含：提供基板；在該基板上形成圖型化光阻蝕刻遮罩，其中，該圖型化光阻蝕刻遮罩包含具有凸形彎曲光阻側壁之複數個細長半圓柱體光阻特徵，其中，相鄰之細長半圓柱體光阻特徵係藉由使該基板表面曝露之空間來分開；以及使用該圖型化光阻蝕刻遮罩進行乾蝕刻，其中，該蝕刻將該基板之已曝露的該表面蝕刻，以形成具有凸形彎曲溝槽側壁之該伽瑪(γ)溝槽的陣列。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中，在該基板上形成該圖型化光阻蝕刻遮罩包含：在該基板上形成光阻層；將該光阻層圖型化，以形成具有藉由初始間隙分開之矩形截面的複數個圖型化細長光阻特徵；以及熔化該複數個圖型化細長光阻特徵，以形成該複數個細長半圓柱體光阻特徵。

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