專利名稱：具有階梯狀v型槽結構的硅基光學基板及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光纖通信技術領域，尤其涉及一種具有階梯狀V型槽結構的硅基光學 基板及其制作方法。
背景技術：
光纖通信技術是現(xiàn)代面向大容量、長距離、寬帶寬的主流通信技術之一。它的傳輸 媒質是光纖，通過光纖將信號傳遞到各個終端實現(xiàn)信息的傳遞。因此，一個光學組件或模塊 其內部各個光學器件之間的光信號耦合效率高低就成為了制約其性能和成本的重要因素。 其中利用V型槽的定位固定功能，可以實現(xiàn)光學元器件在軸向上的精密對準。由于硅晶體 本身在(111)晶向上具有自截止的腐蝕現(xiàn)象，使得在硅基片上通過各向異性濕法腐蝕形成 的V型槽具有成型精確、制作簡便的優(yōu)點。所以，具有V型槽結構的硅基光學基板廣泛的應 用在光纖連接器、光纖與激光器、光波導、光柵等的耦合封裝過程中。其主要作用是為光學 元器件的精密安裝提供載體，是許多光學組件中的基礎組成部件。隨著光通信技術對高性能光學模塊和組件性能要求的越來越高，需要精密定位的 元器件已經不僅僅是光纖本身，這還包括越來越多的微型光透鏡、光隔離器等。由于這些器 件不同，標準不同，其外形很難保證在軸向上具有完全相同的尺寸。所以，在利用單一尺寸 的V型槽基板安裝固定時，由于器件形成的高度差使得對準光軸不再在同一個軸線上，這 樣V型槽基板制作方便、定位精確的優(yōu)勢將難以發(fā)揮。而即使單就光纖本身來說，因為越來 越多的拉錐和楔形光纖在實際生產和生活中進行應用，同一根光纖本身在軸向上的尺寸也 在發(fā)生著變化。這樣在安裝和固定時，單一尺寸的V型槽基板將不能在光纖的整個軸向上 提供穩(wěn)定的支撐，可靠性和穩(wěn)定性勢必受到影響，給實際的使用帶來不便。

發(fā)明內容
(一 )要解決的技術問題本發(fā)明的目的在于克服這種因為軸向尺寸不同所引發(fā)的問題，提供一種具有階梯 狀V型槽結構的硅基光學基板及其制作方法。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，該 硅基光學基板由制作于單晶硅片上的具有不同寬度和深度的V型槽級連在一起構成的，該 些V型槽通過一次各向異性濕法腐蝕完成，在光軸方向上嚴格準直并在對接處形成臺階結 構。上述方案中，所述V型槽不同的腐蝕深度是通過設計不同寬度的腐蝕窗口經各向 異性的濕法腐蝕實現(xiàn)的。上述方案中，所述V型槽在對接處有腐蝕隔離臺面，腐蝕隔離臺面用于對V型槽連 接界面進行保護，腐蝕采用各向異性的濕法腐蝕，在腐蝕過程中通過控制腐蝕時間去除隔 離臺面，實現(xiàn)不同深度V型槽的貫通。
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上述方案中，所述各向異性的濕法腐蝕是通過一次光刻一次腐蝕實現(xiàn)的。上述方案中，所述V型槽在對接處形成的臺階結構是由兩個或多個V型槽級連而 成的。上述方案中，該階梯狀V型槽結構是在一個硅基平臺上制備成一維線陣列，形成 具有陣列結構的階梯狀V型槽基板。上述方案中，將具有相同結構的兩塊硅基光學基板倒扣安裝在一起，形成具有上、 下基板的固定結構。為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種制作具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基 板的方法，該方法包括選用(100)晶向單晶硅片作為腐蝕襯底，在正反兩面生長氮化硅作為腐蝕阻擋 層；利用光刻版在腐蝕襯底上定義出所需要的腐蝕窗口 ；利用干法或濕法刻蝕技術去除腐蝕窗口處的氮化硅阻擋層；采用質量百分比濃度為50%的KOH水溶液，在70°水浴中進行靜置腐蝕。上述方案中，對于30度拉錐光纖，在利用光刻版在腐蝕襯底上定義出所需要的腐 蝕窗口的步驟中，深槽寬度Wl = 14611111，淺槽寬度12 = 70 μ m，隔離臺面寬度G = 2 μ m。上述方案中，所述采用質量百分比濃度為50%的KOH水溶液，在70°水浴中進行 靜置腐蝕，具體包括當腐蝕進行了 4小時后，淺槽已經腐蝕到底，但窗口寬度還沒有達到 所需的74 μ m，深槽腐蝕過半，隔離臺面行將穿透，再繼續(xù)腐蝕直至腐蝕結束，此時淺槽展寬 達到設計需要的74 μ m，深槽腐蝕見底，隔離臺面被穿透并被腐蝕下去，這樣具有階梯狀的 V型槽基板就制作完成。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下技術效果1、本發(fā)明提供的這種具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板及其制作方法，相對 于普通單一尺寸的V型槽基板是在沒有增加工藝步驟，也沒有提高工藝難度的條件下制作 完成的，因而它具有普通V型槽基板的所有優(yōu)點。2、采用本方法制作出的V型槽結構，在不同腐蝕深度上具備靈活的選擇性，所以 更加適合實際使用的需要。同時全部制作過程只需要通過一次光刻、一次腐蝕。這與單一 尺寸的V型槽基板制作工藝相比，只是在光刻版圖設計上略加變換，增加了腐蝕隔離臺面， 沒有增加任何附加成本。所以采用本發(fā)明制作出的V型槽基板是在不增加任何額外成本的 前提下完成的，大大拓寬了 V型槽基板的實際應用范圍。


圖1是單晶硅片各向異性腐蝕示意圖；圖2是出光點高度與V型槽寬度關系示意圖；圖3是階梯狀V型槽光刻掩模版圖示意圖；圖4是腐蝕過程中階梯狀V型槽的剖面示意圖；圖5是腐蝕結束時臺階狀V型槽的剖面示意圖；圖6是階梯狀V型槽基板結構示意圖7是階梯狀V型槽基板應用示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明首先設計制造出具有不同寬度的腐蝕窗口，然后在腐蝕過程中形成具有不 同深度的V型槽結構。在不同寬度的V型槽腐蝕窗口對接處設計適當尺寸的腐蝕隔離臺面。 設計腐蝕隔離臺面的目的是保護對接處的V型槽形貌免受破壞。這是因為硅(111)晶面具 有腐蝕自截止現(xiàn)象，而其它晶面腐蝕速度則相對較快，在不同腐蝕窗口對接處，存在著腐蝕 凸角，在腐蝕過程中凸角部分因為沒有晶向限制，將很快被破壞掉并且隨著腐蝕時間的增 加形貌破壞加劇。腐蝕隔離臺面設計規(guī)則是根據(jù)腐蝕速率和腐蝕結構需要，在腐蝕的恰當時間，使 隔離臺面被側向腐蝕穿透并在剩余的腐蝕時間里被縱向腐蝕掉，這樣具有不同高度的兩個 或是多個V型槽將被打通，因而在同一次腐蝕過程中形成了貫通的具有階梯形狀V型槽結 構的硅基基板。本發(fā)明提供的這種具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，由制作于單晶硅片上 的具有不同寬度和深度的V型槽級連在一起構成的，該些V型槽通過一次各向異性濕法腐 蝕完成，在光軸方向上嚴格準直并在對接處形成臺階結構。V型槽不同的腐蝕深度是通過設計不同寬度的腐蝕窗口經各向異性的濕法腐蝕實 現(xiàn)的。V型槽在對接處有腐蝕隔離臺面，腐蝕隔離臺面用于對V型槽連接界面進行保護，腐 蝕采用各向異性的濕法腐蝕，在腐蝕過程中通過控制腐蝕時間去除隔離臺面，實現(xiàn)不同深 度V型槽的貫通。各向異性的濕法腐蝕是通過一次光刻一次腐蝕實現(xiàn)的。V型槽在對接處 形成的臺階結構是由兩個或多個V型槽級連而成的。該階梯狀V型槽可以在一個硅基平臺上制備成一維線陣列，形成具有陣列結構的 階梯狀V型槽基板。將具有相同結構的兩塊硅基光學基板倒扣安裝在一起，形成具有上、下 基板的固定結構。本發(fā)明提供了這種制作具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板的方法，該方法包 括選用(100)晶向單晶硅片作為腐蝕襯底，在正反兩面生長氮化硅作為腐蝕阻擋 層；利用光刻版在腐蝕襯底上定義出所需要的腐蝕窗口 ；利用干法或濕法刻蝕技術去除腐蝕窗口處的氮化硅阻擋層；采用質量百分比濃度為50%的KOH水溶液，在70°水浴中進行靜置腐蝕。下面結合附圖進一步詳細闡述本發(fā)明提供的這種制作具有階梯狀V型槽結構的 硅基光學基板的方法。步驟一各向腐蝕速率的確定堿性溶液對單晶硅片具有各向異性的腐蝕速率，即由于各種晶面上原子排列密度 不同導致了硅單晶在(100)、(110)、(111)三個主晶向以及其它晶向上具有不同的腐蝕速 率。其中(100)晶向最快，(111)晶向最慢。如圖1所示選用(100)晶向的單晶硅襯底101，沿垂直于主定位邊方向開腐蝕窗口 103，以氮化硅做腐蝕掩模102，進行各向異性的濕法腐
蝕。經腐蝕后，硅襯底101上將形成V型槽104結構，其側壁與底面夾角φ 105為Μ. 7°。
其中不同的腐蝕溶液配比和腐蝕時溫度的選擇會對腐蝕速率造成一定的影響。本發(fā)明采用 了質量百分比濃度為50%的KOH水溶液作為腐蝕液，采用(100)晶向的單晶硅片做腐蝕襯 底，在70°水浴中靜置腐蝕。經測定腐蝕速率為(100)晶向即縱向腐蝕速率約為16μπι/ h，(111)晶向即側向腐蝕速率約為0.25 μ m/h。步驟二 腐蝕深度和腐蝕窗口寬度的確定以安放30度拉錐光纖為例進行說明，普通單模裸光纖直徑約為125 μ m,拉錐角度 30度，這意味在光纖端頭有長約233 μ m的漸變段。為了減少光纖固定后端頭的抖動，我們 選擇在光纖漸變段中部增加一個支撐點，即要在V型槽基板上形成一個臺階結構。如圖2 所示，出光點高度即光軸露出基板高度201與V型槽開口寬度202滿足如下關系H = R/cos54. 7_ (W*tan54. 7) /2其中H是出光點高度，R是器件半徑，W是腐蝕槽寬度，當H是正值時出光點在基 板上側，當H是負值時出光點在基板下側。如果選擇出光點高度H為2 μ m，則可以計算出，用于固定光纖整體部分的V型槽寬 度即深槽寬度約為150 μ m，用于提供光纖漸變段支撐的V型槽寬度即淺槽寬度約為74 μ m。 由三角函數(shù)推知它們對應的V型槽腐蝕深度分別為106 μ m和52 μ m，根據(jù)縱向腐蝕速率 16 μ m/h，完成兩個槽的腐蝕時間約為6. 6小時和3. 25小時。因為存在晶向上的限制淺槽 在達到腐蝕深度后，即形成所需V型槽結構后其深度將基本不在變化?？紤]側向腐蝕速率 0. 25 μ m/h,則經過6. 6小時的腐蝕后腐蝕窗口將會展寬約3. 3 μ m，再結合實際的容差需 要，實際腐蝕窗口版圖設計如圖3所示，其中深槽所需腐蝕窗口 303寬度Wl = 146μπι，淺槽 所需腐蝕窗口 301寬度W2 = 70 μ m。步驟三腐蝕隔離臺面寬度的確定不同寬度的腐蝕窗口如果直接級連在一起將會在連接處失去對腐蝕晶向的限制， 造成V型槽結構的不規(guī)則和變形，隨著腐蝕時間的增加這種變形將會不斷加劇，乃至不能 滿足設計所需的結構要求。因此在不同腐蝕窗口之間需要增加腐蝕隔離臺面，用來增加對 腐蝕晶向的限制，減少對V型槽結構的破壞。這是實現(xiàn)臺階狀V型槽基板結構的關鍵。隔 離臺面的寬度由側向腐蝕速率、縱向腐蝕速率和V型槽深度共同決定。還以上述30度拉錐 光纖為例，深槽303和淺槽301對應的腐蝕深度為分別為106 μ m和52 μ m。根據(jù)縱向腐蝕 速率16 μ m/h,則52 μ m的深度需要3. 25小時，而整個腐蝕時間由深槽決定需要6. 6小時， 即在這相差的3. 35個小時內需要隔離臺面提供腐蝕保護，減少由于其它晶向上腐蝕對設 計圖形的破壞。而根據(jù)側向腐蝕速率0. 25 μ m/h，可以計算出在3. 35小時內側向腐蝕將要 吃進的寬度為1.675 μ m，在實際設計時，如圖3所示，我們將腐蝕隔離臺面302的寬度G定 為 2 μ m0步驟四臺階狀V型槽基板的制作1、選用(100)晶向單晶硅片101做為腐蝕襯底，在正反兩面生長氮化硅作為腐蝕 阻擋層102。2、利用如圖3所示的光刻版在硅襯底101上定義出所需要的腐蝕窗口，光刻版上 的特征尺寸可由上述三個步驟中計算得出。結合30度拉錐光纖實例，即深槽寬度Wl =146 μ m，淺槽寬度W2 = 70 μ m，隔離臺面寬度G = 2 μ m。3、利用干法或濕法刻蝕技術去除腐蝕窗口處的氮化硅阻擋層102。4、用質量百分比濃度為50%的KOH水溶液，在70°水浴中進行靜置腐蝕。當腐蝕 進行了約4小時后出現(xiàn)如圖4所示的腐蝕剖面形貌，此時淺槽401已經腐蝕到底，但窗口寬 度還沒有達到所需的74 μ m,深槽403腐蝕過半，隔離臺面402行將穿透，404是腐蝕掩模氮 化硅。再繼續(xù)腐蝕直至腐蝕結束，出現(xiàn)如圖5所示的腐蝕剖面形貌，此時淺槽501展寬達到 設計需要的74 μ m,深槽503腐蝕見底，隔離臺面502被穿透并被腐蝕下去，504是腐蝕掩模 氮化硅，這樣具有階梯狀的V型槽基板就制作完成，其效果如圖6所示，601是階梯狀V型槽 硅基基板，602是拉錐光纖，603是光軸。5、根據(jù)需要可選擇保留或是去除腐蝕掩模氮化硅。步驟五如果需要進一步提高安裝的可靠性和穩(wěn)定性，可以將一塊與上述同樣結 構的階梯狀V型槽基板倒扣安裝在上述基板上，形成一個上固定基板，如圖6所示。圖7給出了一種階梯狀V型槽基板的應用示意圖，這是一個在長距離光信號傳輸 中典型的光組件結構，其中701是一級透鏡，702是隔離器，703是二級透鏡，704是單模光 纖，705是階梯狀V型槽硅基基板，706是主光軸。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
權利要求
1.一種具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，其特征在于，該硅基光學基板由制作 于單晶硅片上的具有不同寬度和深度的V型槽級連在一起構成的，該些V型槽通過一次各 向異性濕法腐蝕完成，在光軸方向上嚴格準直并在對接處形成臺階結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，其特征在于，所述V 型槽不同的腐蝕深度是通過設計不同寬度的腐蝕窗口經各向異性的濕法腐蝕實現(xiàn)的。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，其特征在于，所述 V型槽在對接處有腐蝕隔離臺面，腐蝕隔離臺面用于對V型槽連接界面進行保護，腐蝕采用 各向異性的濕法腐蝕，在腐蝕過程中通過控制腐蝕時間去除隔離臺面，實現(xiàn)不同深度V型 槽的貫通。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，其特征在于，所 述各向異性的濕法腐蝕是通過一次光刻一次腐蝕實現(xiàn)的。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，其特征在于，所述V 型槽在對接處形成的臺階結構是由兩個或多個V型槽級連而成的。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，其特征在于，該階梯 狀V形槽結構是在一個硅基平臺上制備成一維線陣列，形成具有陣列結構的階梯狀V型槽 基板。
7.根據(jù)權利要求1所述的具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板，其特征在于，將具有 相同結構的兩塊硅基光學基板倒扣安裝在一起，形成具有上、下基板的固定結構。
8. 一種制作具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板的方法，其特征在于，該方法包括選用(100)晶向單晶硅片作為腐蝕襯底，在正反兩面生長氮化硅作為腐蝕阻擋層；利用光刻版在腐蝕襯底上定義出所需要的腐蝕窗口；利用干法或濕法刻蝕技術去除腐蝕窗口處的氮化硅阻擋層；采用質量百分比濃度為50%的KOH水溶液，在70°水浴中進行靜置腐蝕。
9.根據(jù)權利要求8所述的制作具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板的方法，其特 征在于，對于30度拉錐光纖，在利用光刻版在腐蝕襯底上定義出所需要的腐蝕窗口的步驟 中，深槽寬度Wl = 14611111，淺槽寬度12 = 70 μ m，隔離臺面寬度G = 2 μ m。
10.根據(jù)權利要求8所述的制作具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板的方法，其特征 在于，所述采用質量百分比濃度為50 %的KOH水溶液，在70°水浴中進行靜置腐蝕，具體包 括當腐蝕進行了 4小時后，淺槽已經腐蝕到底，但窗口寬度還沒有達到所需的74 μ m，深 槽腐蝕過半，隔離臺面行將穿透，再繼續(xù)腐蝕直至腐蝕結束，此時淺槽展寬達到設計需要的 74 μ m，深槽腐蝕見底，隔離臺面被穿透并被腐蝕下去，這樣具有階梯狀的V型槽基板就制 作完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有階梯狀V型槽結構的硅基光學基板及其制作方法。該硅基光學基板由制作于單晶硅片上的具有不同寬度和深度的V型槽級連在一起構成的，該些V型槽通過一次各向異性濕法腐蝕完成，在光軸方向上嚴格準直并在對接處形成臺階結構。本發(fā)明的優(yōu)點是便于實現(xiàn)在具有不同軸向尺寸的光學元件之間形成精密的對準定位和可靠的固定安裝，且其制作方法簡便，成本低廉。
文檔編號G03F7/00GK102116901SQ20091024452
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權日2009年12月30日
發(fā)明者周靜濤, 張慧慧, 楊成樾, 申華軍 申請人:中國科學院微電子研究所