帶有微反射鏡的硅基v型槽制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硅的濕法刻蝕及原子層沉積技術(shù)應(yīng)用于VCSEL模塊耦合封裝定位槽的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進(jìn)步，在雷達(dá)信號傳輸，高清音視頻光傳輸?shù)阮I(lǐng)域都需要高頻、高速率的信號傳輸。高頻信號在電纜傳輸中會存在衰減與信號之間的竄擾等不可避免的問題，由此發(fā)展光纖通信勢在必行。在發(fā)光模塊的制作過程中，當(dāng)光纖與波導(dǎo)器件耦合時，波導(dǎo)的橫截面與光纖芯面的匹配情況一般是固定的，將光纖與波導(dǎo)準(zhǔn)確對準(zhǔn)是實際工作中的最大問題。因為單模光纖的芯徑和波導(dǎo)端面的尺寸都在微米量級，所以精確對準(zhǔn)是很困難的。如果能夠?qū)崿F(xiàn)精密對準(zhǔn)則可實現(xiàn)高效耦合。因此，設(shè)計并制造出質(zhì)量很好的具有高精度定位功能的硅V型槽及其陣列將十分重要，用它制成的光纖陣列成為重要的光無源器件。而用硅V型槽陣列研制成的光纖陣列，成為與多通道波導(dǎo)型器件耦合的最佳器件。
[0003]現(xiàn)有硅基V型槽設(shè)計原理是利用硅上原子排列的不同展現(xiàn)出在Κ0Η水溶液中的各向異性，在硅的(100)面上腐蝕，沿(111)面形成夾角為54.74°的V型槽。
[0004]1979年，東京工業(yè)大學(xué)的Iga提出了垂直腔面發(fā)射激光器的思想，并于1988年研制出首枚VCSEL器件。自誕生之日起，其優(yōu)異的性能就獲得了人們的青睞。與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器不同的結(jié)構(gòu)帶來了許多優(yōu)勢:小的發(fā)散角和圓形對稱的遠(yuǎn)、近場分布使其與光纖的耦合效率大大提高；光腔長度極短，導(dǎo)致其縱模間距拉大，可在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)單縱模工作，動態(tài)調(diào)制頻率高；腔體積減小使得其自發(fā)輻射因子較普通端面發(fā)射激光器高幾個數(shù)量級，這導(dǎo)致許多物理特性大為改善；可以在片測試，極大地降低了開發(fā)成本；出光方向垂直襯底，可以很容易地實現(xiàn)高密度二維面陣的集成，實現(xiàn)更高功率輸出，并且因為在垂直于襯底的方向上可并行排列著多個激光器，所以非常適合應(yīng)用在并行光傳輸以及并行光互連等領(lǐng)域。
[0005]由于結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致出光方向的不同情況下原有的V型槽在耦合時會造成光纖的彎曲，從而導(dǎo)致光損耗較大。根據(jù)硅的原子排列差異及添加IPA入Κ0Η溶液中時由于各晶面吸附程度的差異調(diào)節(jié)(100)和(110)面的刻蝕速率使其達(dá)到速率比為1形成45°面的微反射鏡，同時由(101)及(10-1)形成與(100)面夾角為45°的V型槽。
[0006]磁控濺射鍍膜利用帶電荷的粒子在電場中加速后具有一定動能的特點，將離子引向欲被濺射的物質(zhì)制成的靶電極(陰極)，并將靶材原子濺射出來使其沿著一定的方向運動到襯底并最終在襯底上沉積成膜的方法。磁控濺射是把磁控原理與普通濺射技術(shù)相結(jié)合利用磁場的特殊分布控制電場中的電子運動軌跡，以此改進(jìn)濺射的工藝，使得鍍膜厚度及均勻性可控，且制備的薄膜致密性好、粘結(jié)力強及純凈度高、沉積速度快、基材溫升低、對膜層的損傷小等優(yōu)點。
[0007]在波長為850nm時硅的折射率η為3.6780，二氧化硅的折射率η為1.4721，其折射率的特性與材料本身價格低廉容易成膜特點，以及考慮V型槽基底為硅材料，所以在高反膜系的設(shè)定上取Si/Si02膜系。
[0008]本發(fā)明涉及一種硅基V型槽制備方法，該方法包括:模擬:根據(jù)硅在Κ0Η刻蝕液中的各向異性特征使用 Anisotropic crystalline etching simulat1n (ACES)軟件進(jìn)行模擬找出了產(chǎn)生V型槽及微反射鏡的特定刻蝕晶向；硅刻蝕:根據(jù)S1、Si02在Κ0Η刻蝕液中的選擇比及它們的熱膨脹系數(shù)確定了實用的掩膜，調(diào)整Κ0Η、ΙΡΑ、水的配比及刻蝕反映溫度刻蝕出V型槽及45ο的微反射鏡；鍍膜:使用鍍膜軟件TFC找到經(jīng)濟實用的Si/Si02高反膜，利用PECVD沉積薄膜，減少刻蝕形成的損傷提高微反射鏡的反射率。本發(fā)明可適用于垂直腔面激光器(VCSEL)與尾纖的耦合，或者其他需要折轉(zhuǎn)光路的耦合情形，有效的提高了激光器與光線的耦合效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決垂直強激光器(VCSEL)陣列與光纖陣列的耦合問題，提出了一種帶有45°微反射鏡的硅基V型槽，采用了熱氧化、快速熱退火、硅的各向異性刻蝕、PECVD鍍膜等技術(shù)制備出帶有極高反射率的反射鏡的硅基V型槽，有效的提高了 VCSEL陣列與光纖陣列的耦合效率。
[0010]熱氧化產(chǎn)生致密度高，平整的二氧化硅。
[0011]快速熱退火可以有效熱氧化過程中材料表面產(chǎn)生的損傷缺陷，同時，退火過程中硅表面覆蓋的多余雜質(zhì)層揮發(fā)，或被氮氣帶出退火爐。
[0012]采用磁控濺射技術(shù)在硅片上制備致密的高反射率薄膜，可以對硅片濕法刻蝕過程中的缺陷進(jìn)行修復(fù)同時能夠使硅表面與空氣隔絕，防止空氣中的氧氣再次硅，能夠有效保護V型槽及微反射鏡，提高器件的性能及壽命。
【具體實施方式】
[0013]本發(fā)明所述的帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，其包括以下步驟:
1)用丙酮、乙醇-超聲波對Si片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗；
2)將Si片在HF水溶液中浸泡1?2分鐘；
3)去離子水沖洗，使用氮氣吹干Si片并移入熱氧化爐中進(jìn)行濕氧熱氧化；
4)氧化完成后取出Si片放入快速熱退火爐中，對Si片進(jìn)行快速熱退火；
5)進(jìn)行光刻、顯影；
6)顯影完成的Si片，用氮氣吹干后，用HF溶液對Si02進(jìn)行腐蝕；
7)使用Κ0Η水溶液對Si進(jìn)行腐蝕；
8)使用磁控濺射對腐蝕完成的V型槽及微反射鏡進(jìn)行鍍膜，高反膜及增透膜(保護膜)。
[0014]上述步驟1)的過程為:依次用丙酮、乙醇-超聲波、去離子水清洗硅片5-10分鐘。
[0015]上述步驟2)中HF水溶液的摩爾比為HF: (NH4) F:H20=3:6:10,反應(yīng)溫度為常溫。
[0016]上述步驟3)中氧化爐溫度為1200°C，水蒸氣條件下進(jìn)行，時間為45min，達(dá)到目標(biāo)厚度lum。
[0017]上述步驟4)中快速熱退火是在N2條件下進(jìn)行的，快速升溫20s，達(dá)到目標(biāo)溫度(400°C ~1200°C )，進(jìn)行退火80s，再迅速降至室溫。
[0018]上述步驟5)中所用光刻膠為AZ5214，105°C熱板前烘lOmin，利用紫外光刻機對樣品進(jìn)行曝光，曝光時間4.3s,顯影時間為30 s,顯影后將樣品放在120°C熱板上堅膜20min。
[0019]上述步驟6)中HF水溶液的摩爾比為HF: (NH4) F:H20=3:6:10,反應(yīng)溫度為常溫。
[0020]上述步驟7)中KOH水溶液的質(zhì)量比為KOH:IPA:H20=2:1:10，反應(yīng)溫度為75°C。[0021 ] 上述步驟8)中使用磁控濺射對微反射鏡鍍膜，交替生長Si02厚度144nm，Si厚度57 nm三對即Si02/Si/Si02/Si/Si02/Si，此時高反膜的反射率接近100%，然后鍍一層5丨02作為增透膜以及防止Si氧化的保護膜。
[0022]【附圖說明】:圖1為帶有微反射鏡的硅基V型槽制備工藝流程圖。
[0023]【附圖說明】:圖2為采用ACES軟件模擬出的帶有微反射鏡側(cè)壁的梯形槽以及V型槽。
[0024]【附圖說明】:圖3為刻蝕硅片得到的梯形槽以及45°微反射鏡側(cè)壁的臺階儀檢測圖。
[0025]【附圖說明】:圖4為針對850nm波長的VCSEL所設(shè)定的高反射率膜，模擬得到其反射率接近100%。
【主權(quán)項】
1.一種帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)用丙酮、乙醇-超聲波對Si片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗； 2)將Si片在HF水溶液中浸泡1?2分鐘； 3)去離子水沖洗，使用氮氣吹干Si片并移入熱氧化爐中進(jìn)行濕氧氧化； 4)氧化完成后取出Si片放入快速熱退火爐中，對Si片進(jìn)行快速熱退火； 5)進(jìn)行光刻、顯影； 6)顯影完成的Si片，用氮氣吹干后，用HF溶液對Si02進(jìn)行腐蝕； 7)使用KOH水溶液對Si進(jìn)行腐蝕； 8)使用磁控濺射技術(shù)對腐蝕完成的V型槽及微反射鏡進(jìn)行鍍膜。2.根據(jù)專利要求1所述的帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，其特征在于，步驟2)及7)中HF水溶液的摩爾比為:HF: (NH4) F:Η20=3:6:10ο3.根據(jù)專利要求1所述的帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，其特征在于，步驟3)氧化爐溫度為1200°C，水蒸氣條件下進(jìn)行，時間為45min，達(dá)到目標(biāo)厚度lum。4.根據(jù)專利要求1所述的帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，其特征在于，步驟4)的過程為:在氮氣條件下進(jìn)行，快速升溫20秒，達(dá)到目標(biāo)溫度(400°C?1200°C)，進(jìn)行退火80秒，然后再迅速降至室溫。5.根據(jù)專利要求1所述的帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，其特征在于，步驟7)中KOH水溶液的質(zhì)量比為KOH:IPA:H20=2:1:10。6.根據(jù)專利要求1帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，其特征在于，步驟8)中沉積反射薄膜的反應(yīng)源分別是二氧化硅和硅，薄膜厚度通過原子層反應(yīng)循環(huán)的周期次數(shù)調(diào)節(jié)。交替生長Si02厚度144nm，Si厚度57 nm三對即Si02/Si/Si02/Si/Si02/Si，此時高反膜的反射率接近100%，然后鍍一層Si02作為增透膜以及防止Si氧化的保護膜。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶有微反射鏡的硅基V型槽制備方法，該方法包括：模擬：根據(jù)硅在KOH刻蝕液中的各向異性特征使用Anisotropic？crystalline？etching？simulation（ACES）軟件進(jìn)行模擬找出了產(chǎn)生V型槽及微反射鏡的特定刻蝕晶向；硅刻蝕：根據(jù)Si、SiO2在KOH刻蝕液中的選擇比及它們的熱膨脹系數(shù)確定了實用的掩膜，調(diào)整KOH、IPA、水的配比及刻蝕反映溫度刻蝕出V型槽及45o的微反射鏡；鍍膜：使用鍍膜軟件TFC找到經(jīng)濟實用的Si/SiO2系高反膜，利用磁控濺射技術(shù)沉積薄膜，減少刻蝕形成的損傷提高微反射鏡的反射率。本發(fā)明可適用于垂直腔面激光器（VCSEL）與尾纖的耦合，或者其他需要折轉(zhuǎn)光路的耦合情形，有效的提高了激光器與光纖的耦合效率。
【IPC分類】C23C14/35, G03F7/20, G02B6/36, G02B6/43
【公開號】CN105278042
【申請?zhí)枴緾N201410347308
【發(fā)明人】劉鵬程, 劉國軍, 李洪雨, 魏志鵬, 馮源, 郝永芹, 安寧, 陳芳, 何斌太, 劉超, 王清桃, 席文星
【申請人】長春理工大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2014年7月21日