一種集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地是涉及一種集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)全球工業(yè)界分析的最新報(bào)道，預(yù)計(jì)到2015年全球的傳感器市場(chǎng)份額將達(dá)到742億美元。目前，全球傳感器市場(chǎng)在持續(xù)變化中呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，傳感器作為獲取大量人類感官無(wú)法直接得到的信息載體而具有突出的地位。在世界范圍內(nèi)，傳感器技術(shù)將朝著微型化，集成化，智能化方向發(fā)展。
[0003]目前，基于回音壁模式光學(xué)微腔都是利用光纖耦合實(shí)現(xiàn)光能的輸入和輸出，光纖與回音壁光學(xué)微腔的耦合都是利用高精度的光學(xué)微臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)的局限性在于只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)光纖單個(gè)回音壁光學(xué)微腔，而面對(duì)復(fù)雜的分析體系急需尋求高通量、高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在提供一種具有高靈敏度、高密度回音壁模式的集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0007]S1:在硅基底上利用MEMS工藝制作出與單模光纖直徑匹配的V形槽，利用套刻技術(shù)在所述V形槽的槽底制作微孔，在所述V形槽的另一面通過(guò)蒸鍍或者電鍍技術(shù)實(shí)現(xiàn)絕熱膜，然后將單模光纖放置于所述V形槽中，形成陣列化單模光纖；
[0008]S2:利用熔融拉錐法對(duì)陣列化單模光纖進(jìn)行統(tǒng)一拉制，形成水平排列的陣列化錐形光纖，其中所拉制的陣列化錐形光纖的錐區(qū)中心定位于微孔正上方；
[0009]S3:利用逼近式光刻技術(shù)或者電子束直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)所述陣列化錐形光纖與圓形光學(xué)微腔的耦合距離的設(shè)定，并形成陣列化圓形光學(xué)微腔。
[0010]優(yōu)選地，所述步驟SI具體包括:
[0011]Sll:利用熱氧化法在3英寸本征硅襯底上生長(zhǎng)1um厚的二氧化硅層；
[0012]S12:在所述二氧化硅層表面涂覆光刻膠，前烘，在制作的掩膜圖形下依次進(jìn)行曝光，顯影，氮?dú)飧稍锊僮?，然后采用干法刻蝕的方法制備出V形槽；通過(guò)套刻技術(shù)在V形槽底部制作微孔，形成陣列化微孔；
[0013]S13:利用蒸鍍或者電鍍技術(shù)實(shí)現(xiàn)在V形槽的另一面制備絕熱膜。
[0014]優(yōu)選地，還包括:
[0015]S4:利用光刻膠或者金屬做掩膜，通過(guò)設(shè)置不同的抹平高度實(shí)現(xiàn)陣列化圓形光學(xué)微腔階梯式抹平減小表面粗糙度，而后利用激光回流的方法再次減小陣列化圓形光學(xué)微腔表面的粗糙度，使陣列化圓形光學(xué)微腔品質(zhì)因數(shù)不低于10的8次方。優(yōu)選地，所述步驟S3中逼近式光刻技術(shù)具體包括如下步驟:
[0016]S301:利用掩膜板標(biāo)記來(lái)確定所述錐形光纖與所述圓形光學(xué)微腔的逼近式耦合位置，通過(guò)系統(tǒng)耦合測(cè)量得到耦合工藝參數(shù)，經(jīng)顯影、氮?dú)飧稍锖笤?20°C下烘烤5min，實(shí)現(xiàn)圓形光學(xué)微腔表面形貌的裸露；
[0017]S302:利用干法刻蝕技術(shù)形成陣列化圓形光學(xué)微腔。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟S3中電子束直寫技術(shù)具體包括如下步驟:
[0019]S311:結(jié)合電子束直寫方法和剝離方法制作金屬或者非金屬掩膜，所制備的金屬或者非金屬掩膜其對(duì)準(zhǔn)精度小于或者等于50納米；
[0020]S312:通過(guò)干法刻蝕技術(shù)形成陣列化圓形光學(xué)微腔。采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少包括如下有益效果:
[0021]1.本發(fā)明所述的集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法，結(jié)合MEMS工藝采用V形槽先定域陣列化錐形光纖，利用逼近式光刻技術(shù)或者高靈敏度電子束直寫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)陣列化錐形光纖與圓形光學(xué)微腔的精準(zhǔn)耦合制造。并且該技術(shù)無(wú)需再用高精密、價(jià)格昂貴的光學(xué)微臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合，從而節(jié)省了成本，并且解決了基于光學(xué)微腔傳感器的批量化制造難題。并且利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)微腔傳感器制造兼容微流控技術(shù)工藝，從而真正上有利于陣列化溫度傳感、壓力計(jì)、加速度計(jì)、生物傳感器等開發(fā)。
[0022]2.本發(fā)明所述的集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法，通過(guò)先進(jìn)的耦合技術(shù)把熔融拉錐法制備的具有高重復(fù)性、高耦合效率的陣列化錐形光纖和具有高品質(zhì)因數(shù)的圓形光學(xué)微腔進(jìn)行陣列化傳感器芯片的集成，從而為實(shí)現(xiàn)高靈敏度、陣列化傳感器集成提供了可行方法。其利用離子束掃描或者激光回流的方法可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)回音壁光學(xué)微腔的制備，其品質(zhì)因數(shù)可達(dá)10的8次方以上。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明所述的集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，為符合本發(fā)明的一種集成光纖與光學(xué)微腔陣列化傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0026]S1:在硅基底上利用MEMS工藝制作出與單模光纖直徑匹配的V形槽，利用套刻技術(shù)在所述V形槽的槽底中的特定位置(該特定位置可以根據(jù)實(shí)際的使用需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，本實(shí)施例對(duì)此不做贅述)制作微孔，在所述V形槽的另一面通過(guò)蒸鍍或者電鍍技術(shù)實(shí)現(xiàn)耐高溫絕熱膜，然后將單模光纖放置于所述V形槽中，形成陣列化單模光纖。
[0027]所述MEMS工藝(Micro-Electro-Mechanical System)是下至納米尺度，上至毫米尺度微結(jié)構(gòu)加工工藝的通稱。其起源于半導(dǎo)體和微電子工藝，以光刻、外延、薄膜淀積、氧化、擴(kuò)散、注入、濺射、蒸鍍、刻蝕、劃片和封裝等為基本工藝步驟來(lái)制造復(fù)雜三維形體的微加工技術(shù)。所述套刻技術(shù)為一種較為成熟的加工技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，故此處不再贅述。
[0028]S2:利用熔融拉錐法實(shí)現(xiàn)陣列化單模光纖的統(tǒng)一拉制，形成水平排列的陣列化錐形光纖，其中所拉制的陣列化錐形光纖的錐區(qū)中心定位于微孔正上方，精準(zhǔn)定位光纖錐區(qū)與光學(xué)微腔最佳的耦合位置。所述熔融拉錐法是將兩根除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，然后置于高溫下加熱熔融，同時(shí)向光纖兩端拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錘形式的特殊波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)光纖耦合的一種方法。由于其為現(xiàn)有技術(shù)，故此處不再贅述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉。本實(shí)施例在拉錐過(guò)程中氫氧焰通過(guò)所述微孔對(duì)置于所述V形槽中的單模光纖的特定位置進(jìn)行加熱，從而保證了陣列化光纖錐區(qū)位置的一致性，同時(shí)也保證了放置于V形槽上的陣列化單模光纖實(shí)現(xiàn)集成拉制，有利于陣列化單模光纖實(shí)現(xiàn)光耦合的一致性。
[0029]S3:利用逼近式光刻技術(shù)或者電子束直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)所述陣列化錐形光纖與圓形光學(xué)微腔的最佳耦合距離的設(shè)定，并形成陣列化圓形光學(xué)微腔。通過(guò)以上的耦合技術(shù)把熔融拉錐法制備的高重復(fù)性、高耦合效率陣列化錐形光纖與高Q圓形光學(xué)微腔進(jìn)行陣列化傳感器芯片的集成，從而為實(shí)現(xiàn)高靈敏度、陣列化傳感器集成提供了可行方法。
[0030]本實(shí)施例結(jié)合MEMS工藝采用V形槽先定域陣列化錐形光纖，利用逼近式光刻技術(shù)或者高靈敏度電子束直寫技術(shù)可實(shí)現(xiàn)陣列化錐形光纖與圓形光學(xué)微腔的精準(zhǔn)耦合制造。并且該技術(shù)無(wú)需再用高精密、價(jià)格昂貴的光學(xué)微臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合，從而節(jié)省了成本，并且解決了基于光學(xué)微腔傳感器的批量化制造難題。并且利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)微腔傳感器制造兼容微流控技術(shù)工藝，從而真正上有利于陣列化溫度傳感、壓力計(jì)、加速度計(jì)、生物傳感器等開發(fā)。
[0031]進(jìn)一步地，所述步驟SI具體包括:
[0032]Sll:利用熱氧化法在3英寸本征硅襯底上生長(zhǎng)1um厚的二氧化硅層；
[0033]S12:在所述二氧化硅層表面涂覆光刻膠，前烘，在制作的掩膜圖形下依次進(jìn)行曝光，顯影，氮?dú)飧稍锊僮?，然后采用干法刻蝕的方法制備出V形槽；通過(guò)二次套刻技術(shù)在V形槽底部制作微孔，形成陣列化微孔；
[0034]S13:利用蒸鍍或者電鍍技術(shù)在V形槽的另一面制備絕熱膜。所述絕熱膜優(yōu)選為二氧化硅復(fù)合膜、氧化鋅復(fù)合膜、氮化硅復(fù)合膜或氮化鋁復(fù)合膜。
[0035]本實(shí)施例還包括:
[0036]S4:利用多次光刻技術(shù)、等離子體抹平技術(shù)、激光回流的方法改善陣列化圓形光學(xué)微腔的表面粗糙度，其主要途徑:利用光刻膠或者金屬做掩膜，通過(guò)設(shè)置不同的抹平高度實(shí)現(xiàn)陣列化光學(xué)微腔階梯式抹平減小表面粗糙度，而后利用激光回流的方法進(jìn)一步減小圓形光學(xué)微腔表面的粗糙度，使陣列化光學(xué)微腔品質(zhì)因數(shù)不低于10的8次方。所述激光回流優(yōu)選為0)2激光回流方式，由于所述光刻技術(shù)、等離子體抹平技術(shù)、激光回流的方法均為現(xiàn)有技術(shù)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，故此處不再贅述。
[0037]本實(shí)施例中通過(guò)以上的耦合技術(shù)把熔融拉錐法制備的具有高重