二维双层光纤阵列及其制作方法.pdf

本发明是一种二维双层光纤阵列及其制作方法。在同一个硅片上制作二维双层光纤阵列，光纤阵列分为上下两层，每一层可以放置若干条光纤，每一层均用盖板固定、保护。该双层光纤阵列应用硅工艺里的双面光刻和各向异性刻蚀技术在硅片的上下两个底面分别制作一层光纤阵列，每一层光纤阵列由至少一个V型槽组成，光纤被安放及固定在V型槽内。采用该方案有效的提高了光纤阵列的密度，节约了空间。

1、  一种二维双层光纤阵列，其特征在于，包括上下两层光纤阵列，每一层光纤阵列由至少一个V型槽组成，光纤被安放在V型槽内，采用固化胶固定。

2、  根据权利要求1所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述两层光纤阵列是制作于同一块硅片上，且分布于硅片的上下两个表面。

3、  根据权利要求1所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述V型槽采用双面光刻和各向异性刻蚀技术制作。

4、  根据权利要求1所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述双层光纤阵列中的同一层相邻光纤间隔是均匀的。

5、  根据权利要求4所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述同一层相邻光纤间隔为127微米或250微米。

6、  根据权利要求1所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述双层光纤阵列中的不同层的光纤一一对齐或相互错开。

7、  根据权利要求6所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述相互错开间距为63.5微米或125微米。

8、  根据权利要求1所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述固化胶为紫外固化胶。

9、  根据权利要求1所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述二维双层光纤阵列的端头抛光角度为0°或8°。

10、  根据权利要求1所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述二维双层光纤阵列封装后的结构包括双层V型槽阵列、双层阵列光纤、上下两块盖板以及双层连接器。

11、  根据权利要求10所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述双层连接器带有光纤接口，用于根据需要制作用于连接不同型号光纤的光纤接口。

12、  根据权利要求10所述的二维双层光纤阵列，其特征在于，所述上下两块盖板均为V槽阵列，两块盖板制作时均采用与制作光纤阵列时相同的光刻掩膜板对硅片进行光刻，并进行各向异性腐蚀。

13、  一种采用V型槽法，其特征在于，包括：
采用(100)单晶硅片作基底，对硅片进行热氧化，在上下两面分别生长二氧化硅层；
在硅片上下两面分别涂覆光刻胶层，采用双面光刻机中进行光刻；
经过煎烘，坚膜和显影得到光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩膜，采用反应离子刻蚀去除腐蚀窗口的二氧化硅层；
去除光刻胶层，以剩余的二氧化硅层为掩膜，采用各向异性腐蚀剂通过湿法刻蚀在硅片的上下底面腐蚀出V型槽；
去除二氧化硅层，将光纤逐个放入两面的V型槽内，用紫外胶固化。

14、  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为200纳米至500纳米。

15、  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述各向异性腐蚀剂为碱性金属的氢氧化物腐蚀液。

16、  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述光刻胶图形为等间距的矩形，矩形宽度为36微米至45微米，相邻矩形的间距为250微米。

17、  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述双面光刻的精度达到1微米或亚微米量级。

18、  根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述V型槽的槽侧面(111)面与基片上表面(100)面的夹角为54.74°。

二维双层光纤阵列及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种二维双层光纤阵列及其制作方法。
背景技术
集成光学器件已在许多领域得到了广泛的应用，在器件的制作工艺中，尾纤与芯片之间的耦合是关键技术之一。因为光纤很细，所以光纤与芯片耦合时，必须有能起夹持、定位作用的夹具，在耦合时，夹具与光纤作为一个整体和芯片粘接起来，同时可增加粘接面积，提高器件的可靠性。夹具尺寸很小，精度要求也在微米量级。Si单晶材料因其特殊的微观机理，特别是便于用半导体工艺进行微细加工，而被广泛采用。光纤阵列是带状光纤与器件连接的重要部件，作用类似连接器，是光通讯中的基础器件。主要应用在DWDM(密集波分复用系统)、OXC(光交叉连接)、OADM(光分插复用器)、光路由器、光开关等器件与光纤的连接上。近年来，光纤阵列作为一种重要的光学器件得到了广泛重视。例如，在光通信领域，由于光器件中光纤与芯片耦合的对准精度要求十分严格，因此大量采用光纤阵列实现光学元件的精确连接。光纤阵列也应用在光纤传像器件中，与传统的光学成像系统相比，光纤传像器件具有柔性传像、使用空间自由度大、易实现细长结构、重量轻等特点，广泛应用在医学、工业、科研、军事等众多领域。此外，在太阳系外的行星的探测中，Jian Ge，Dan McDavitt等将光纤阵列运用到陆地行星探测器中，以实现有效消除残余恒星泄散射的影响。因此，对用于各个领域中不同结构要求的光纤阵列的制作方法和可靠性进行研究具有重要意义。
国内外研制光纤阵列的方法主要有钻孔法、光通道密排法和V型槽法等。钻孔法是在一定厚度的基片上制作定位孔阵列，将光纤插入后注胶固化、研磨。光纤间距可由需要确定，位移误差较小，但不适于密排光纤阵列，且角偏差较大。光通道密排法是在平面度很高的槽内，将光纤紧密排放并固定。该方法可扩展性好，但不能任意调整光纤通道间距，只适合于制作密排列光纤阵列，并且累积误差较大。V型槽法是在高平面度的基片上刻V型槽，将光纤排列并固定在V型槽内。如果采用单晶硅作基底，所制作的V型槽具有结构精确，一致性好等优点，对于分离型及密排列的光纤阵列均适用。
目前制作的光纤阵列以一维阵列为主，光纤数量通常在8-32个，相邻光纤的间距为127微米或250微米。随着光纤阵列数量的不断增加，光纤阵列在横向上的长度将相当可观，这将增加制作和封装的难度，在一定程度上限制了光纤阵列的规模，限制了光纤阵列的应用范围。
发明内容
为了克服以上技术缺陷，本发明提出一种二维双层光纤阵列，包括上下两层光纤阵列，每一层光纤阵列由至少一个V型槽组成，光纤被安放并固定在V型槽内，采用固化胶固定。
进一步，所述两层光纤阵列是制作于同一块硅片上，且分布于硅片的上下两个表面。
进一步，所述V型槽采用双面光刻和各向异性刻蚀技术制作。
进一步，所述双层光纤阵列中的同一层相邻光纤间隔是均匀的，间隔为127微米或250微米。
进一步，所述双层光纤阵列中的不同层的光纤一一对齐或相互错开，互错开间距为63.5微米或125微米。
进一步，所述固化胶为紫外固化胶。
进一步，所述二维双层光纤阵列的端头抛光角度为0°或8°。
进一步，所述二维双层光纤阵列封装后的结构包括双层V型槽阵列、双层阵列光纤、上下两块盖板以及双层连接器。
进一步，所述双层连接器带有光纤接口，用于根据需要制作用于连接不同型号光纤的光纤接口。
进一步，所述上下两块盖板均为V槽阵列，两块盖板制作时均采用与制作光纤阵列时相同的光刻掩膜板对硅片进行光刻，并进行各向异性腐蚀。
根据本发明的另外一个方面，提供一种采用V型槽法，包括：
采用(100)单晶硅片作基底，对硅片进行热氧化，在上下两面分别生长二氧化硅层；
在硅片上下两面分别涂覆光刻胶层，采用双面光刻机中进行光刻；
经过煎烘，坚膜和显影得到光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩膜，采用反应离子刻蚀去除腐蚀窗口的二氧化硅层；
去除光刻胶层，以剩余的二氧化硅层为掩膜，采用各向异性腐蚀剂通过湿法刻蚀在硅片的上下底面腐蚀出V型槽；
去除二氧化硅层，将光纤逐个放入两面的V型槽内，用紫外胶固化。
进一步，所述二氧化硅层的厚度为200纳米至500纳米。
进一步，所述各向异性腐蚀剂为碱性金属的氢氧化物腐蚀液。
进一步，所述光刻胶图形为一系列等间距的矩形，矩形宽度为36微米至45微米，相邻矩形的间距为250微米。
进一步，所述双面光刻的精度达到1微米或亚微米量级。
进一步，所述V型槽的槽侧面(111)面与基片上表面(10O)面的夹角为54.74°。
二维双层光纤在封装上与一维单层光纤阵列区别不大，没有增加工艺和封装难度，在硅基板面积相同的情况下，二维双层光纤阵列的通道数量比一维单层光纤阵列的通道数量增加了一倍，有效的提高了光纤阵列的密度，节约了空间，可以适应不同领域对光纤阵列应用的不同要求，提高了光纤阵列的实用性。
附图说明
图1为双层光纤阵列的截面示意图；
图2为硅(100)晶向刻蚀结构示意图；
图3(a)至图3(j)为双层光纤阵列主要制作工艺流程示意图，包括了封装过程；
图4(a)为封装后的一维单层光纤阵列外观示意图；
图4(b)为封装后的二维双层光纤阵列外观示意图；
图4(c)为A1-A2截面示意图；
图4(d)为B1-B2截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明提出的双层光纤阵列的截面示意图。如图1所示，双层光纤阵列的两列V型槽分别位于同一硅片的上下两个表面，V型槽的底部角度为70.52°，两组光纤阵列分别放置在两列V型槽内，上下两列V型槽的位置可以一一对应，也可以错开一定的距离，如62.5微米。每个V型槽内安放一根光纤，二维双层光纤阵列的端头抛光角度为0°或8°。用紫外固化胶固定。
本发明还提出了采用V型槽法制备双层二维光纤阵列的方法。用(100)单晶硅片作基底，用各向异性湿法腐蚀技术制作V型槽。在单晶硅的各向异性腐蚀中，(111)晶面的腐蚀速度最慢，因此，暴露出来的槽侧面为(111)面。在(100)面上沿(110)晶向光刻线条，腐蚀出的结构即为V型槽，槽侧面(111)面与基片上表面(100)面的夹角为54.74°。KOH、NaOH、CeOH等碱性金属的氢氧化物均可作为硅的各向异性腐蚀剂。基本反应为：
Si+2OH^-+2H₂O→[SiO₂(OH)₂]^2-+2H₂
在各向异性腐蚀过程中，沟槽的形状首先呈现以(111)为侧面，(100)为底的倒梯型槽，(111)晶面与(100)晶面的夹角为54.74°。由于腐蚀液对(100)晶面的刻蚀速率较对(111)晶面的刻蚀速率高，随着深度继续增加，(100)底面不断收缩，当腐蚀到适当深度时，底面收缩成一条直线，形成V型槽结构，如图2中A槽。槽的形状由槽深和开口尺寸决定。
图3(a)至图3(j)为双层光纤阵列主要制作工艺流程示意图，包括了封装过程。
(a)选用双面均研磨、抛光后的且平行度和平面度良好的(100)硅片进行清洁处理，得到待处理的硅片1
(b)对硅片1进行热氧化，在上下两面生长200nm至500nm厚的二氧化硅层2和3，2和3作为硅腐蚀的掩膜。
(c)在经过热氧化的硅片的两面都均匀涂覆光刻胶层4和光刻胶层5，对光刻胶层4和光刻胶层5煎烘，坚膜，并在双面光刻机中用紫外光机将光刻版的线条方向与硅片的参考边调至平行，先对光刻胶层4曝光，然后利用对准标记，将光刻胶层5与光刻胶层4的图形进行对准，对准精度达到1微米或亚微米，对光刻胶层5曝光。
(d)在显影液中对光刻胶层4和光刻胶层5显影形成光刻胶图形，光刻胶图形为一系列等间距的矩形，矩形宽度为36微米至45微米，相邻矩形的间距为250微米。
(e)以光刻胶层4和光刻胶层5的剩余部分为掩膜，采用反应离子刻蚀去除腐蚀窗口的二氧化硅层2和二氧化硅层3。
(f)去除光刻胶层4和光刻胶层5的剩余部分。
(g)以二氧化硅层2和二氧化硅层3的剩余部分为掩膜，用KOH腐蚀液在70℃条件下在硅片的上下底面腐蚀V型槽，刻蚀深度为45微米至50微米，得到V型槽6和V型槽7。
(h)去除二氧化硅层2和二氧化硅层3。
(i)将光纤组8逐个放入V型槽6内，用紫外胶固化，盖上带V型槽10的盖子9，用紫外胶固化。
(j)将光纤组11逐个放入V型槽7内，用紫外胶固化，盖上带V型槽12的盖子13，用紫外胶固化，完成二维双层光纤阵列器件的制作。
图4(a)为封装后的一维单层光纤阵列外观示意图；图4(b)为封装后的二维双层光纤阵列外观示意图。一维单层光纤阵列封装后包括盖板14，衬底15，单层V槽阵列16，单层阵列光纤17和单层连接器18；二维双层光纤阵列封装后包括上盖板9和下盖板13，双层V槽阵列19，双层阵列光纤20和双层连接器21。
二维双层光纤在封装上与一维单层光纤阵列区别不大，没有增加工艺和封装难度。但是，在硅基板面积相同的情况下，二维双层光纤阵列的通道数量比一维单层光纤阵列的通道数量增加了一倍，有效的提高了光纤阵列的密度，节约了空间，可以适应不同领域对光纤阵列应用的不同要求，提高了光纤阵列的实用性。
虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。