電子敏感玻璃基板和光學電路,以及其中形成的微型結構的製作方法

2023-05-14 09:41:11 1

電子敏感玻璃基板和光學電路,以及其中形成的微型結構的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種電子敏感玻璃基板和基於該電子敏感玻璃基板且具有多個光波導的光學電路，以及該電子敏感玻璃基板中形成的微型結構。微型結構是由電子束照射在電子敏感玻璃上的所選區域並經高溫熱處理和化學蝕刻形成的，而光波導的形成則是由電子束照射在電子敏感玻璃基板上經一個較低溫度熱處理而成。
【專利說明】電子敏感玻璃基板和光學電路，W及其中形成的微型結構

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種可感電子玻璃或叫電子敏感玻璃和微流控的微型結構，微機電系 統MEMS，W及在電子敏感玻璃中通過電子束直寫而形成的集成光學的光波導。

【背景技術】
[0002] 在生物、醫學、化學的研究與應用中，微型化的微流控設備是被用於組建晶片實驗 室（1油-on-a-chip)單元。此外，更理想的情況是集成微光學、微機械或微電子設備W實現 完整的晶片實驗室單元。該些設備大多使用玻璃製造W實現長期的穩定性，耐化學性和惰 性。另外，嵌在透明基板中的光波導對組建集成光學電路和模塊是必要的。
[0003] 光敏玻璃（Photodefin油Ie Glass) 主體和表面微加工的玻璃製造技術包括各向同性化學蝕刻，雷射微加工，機械切割，噴 砂，熱成型和圖形構成。當玻璃溼蝕刻是各向同性的，各向異性幹蝕刻的速率通常都慢，因 此人們研製了光敏玻璃。光敏玻璃的主要組成成分的含量為；Si〇2 65-85%, Li^O 7-19%, KgO 2-6%, AI2O3 3-9%,化2〇 1-3%,化0 0-2%,訊2〇3 0. 03-〇. 4%, AggO 0. 05-〇. 15%, Ce〇2 0.01-0. 050/0。山 光敏玻璃的傳統光束加工（photo structuring)包括W下流程；（I)受紫外光照射， 通過光罩曝光得到想要的圖案，（2)兩步退火熱處理，先後在500°C和600°C各保溫1小 時，目的是允許還原的銀原子在紫外光照射區域聚集成核，並在成核處生長出偏娃酸裡 (LisSiOs)晶體，（3)採用稀釋5-10%氨氣酸（HF)溶液的溼法蝕刻，由於照射區域的蝕刻速 度大約是未照射區域的30倍左右，紫外光照射區域的微晶玻璃陶瓷（ceramic)將被選擇性 地去除，因此在光敏玻璃上形成了幾千微米深度的微圖案結構。
[0004] 每個加工步驟的反應和機制都可W根據T. R. Dietrich et al描述如下： A、 在烙化過程中，Ce+3離子的形成和穩定的訊2化感光劑： 2 Ce+4 + 訊巧 e, 2 Ce" + 訊巧 Q) B、 當被紫外光照射，Ce+3光子吸收和返回到更穩定的Ce W形式： Ce"+ h V a Ce+4+ e -1 似 Ag離子接收釋放的電子並還原它成為Ag原子： Ag"+ e、Ag 做 C、 當溫度加熱到約500°C，在紫外光照射區域還原的Ag原子聚集成核。當進一步加熱 到溫度約600°C時，在Ag原子成核周圍形成偏娃酸裡（LisSiOs);具有1微米到10微米範圍 內的微晶尺寸。
[0005] 、在稀釋的氨氣酸溶液（5% - 10% HF)中蝕刻時，紫外線照射區域的玻璃陶瓷的 蝕刻速度將W比未照射區域快約2030倍： Si〇2+ 4 HFdiSiF* + 2&0 (4) 在紫外線照射區域的蝕刻速度可W達到10帕/分鐘，使微結構的深度達到500化，而 且使在該些光敏玻璃的縱橫比（aspect ratio)達到10。用於照射的紫外線光源的波長應 選擇小於330納米，W便獲得足夠的用來還原Ag的光子吸收巧]。
[0006] 由於在光敏玻璃中光傳播或者吸收的變化，J/cm2的最佳劑量取決于波長和所需 蝕刻速率。在文獻巧]，在Apex?中已報到的對於不同深度的蝕刻在280 nm波長中的最佳 劑量，Apex?從0. 〇48J/cm2到9. 6J/cm2蝕刻深度範圍從IOMm到2, OOOMm。
[0007] 使用光束曝光在光敏玻璃上加工微型結構，垂直於光束方向（Z方向）平面的尺寸 和形狀是由光照射區域的尺寸和形狀確定的。然而，與光束的方向平行的尺寸很難控制，因 為光敏玻璃上光吸收較小和長時間曝光所致。該是由於小的光學吸收係數和在近紫外區域 有相對較大的傳播。
[0008] 因此，在照射區域W Z方向的距離吸收的光子總量的變化是漸進的，而不是突變 的。因此，在隨後的化學蝕刻中，蝕刻腔體的深度會隨著蝕刻時間的增長而增加。因此，為 了實現想達到的腔體深度，需要不同深度的精確蝕刻數據和蝕刻時間控制。此外，需要不同 深度的多種腔體結構是非常困難的。
[0009] 此外，還可W使用紫外光源的脈衝雷射器在基板表面上加工圖案和結構，從355nm 到SOOnm不同波長的脈衝雷射器已經用於加工3D結構或嵌入在光敏玻璃表面或者內部的 結構[4][引。使用波長大於350皿的雷射時，光敏玻璃對光子的吸收較小。光敏作用只發 生在光強足夠大而能激發Ce 3+吸收大量光子的焦點區域。
[0010] Ce"'+ nh V a Ce+*+ e 妨 Ce3+吸收光子變成Ce+4而釋放出的自由電子e^i將被Ag+離子接收，使Ag+離子還原成 Ag原子。在焦點外，光強很小而不足W在隨後的退火熱處理中析出晶體。例如，使用SOOnm 波長的雷射脈衝，製作寬度約100微米、高度為100微米的稜鏡陣列[6]。
[0011] 電子和固體之間的相互作用 當電子束加速到一定能量E。併入射固體祀時，半經驗理論[7]可用來描述隨後發生的 事件。半經驗理論經常被用來理解電子探針顯微分析、掃描電子顯微鏡和電子束直寫的原 理。當電子穿透到固體祀時，入射電子會受到祀中原子的彈性散射或非彈性散射。入射電 子與祀中原子核外的電子發生非彈性碰撞，該碰撞使原子電離或激發，從而造成入射電子 的能量損失稱為電子阻止。電子阻止還可能是由於入射電子與固體祀中原子核產生彈性碰 撞，發生了入射電子能量和動量的轉移產生的。
[0012] 因此，入射電子在穿透固體祀時，與祀中電子碰撞使其能量損失，與祀中原子核碰 撞使其方向偏轉。入射電子的運動軌跡能通過一個擴散模型進行描述，見圖1 (a)。
[0013] 電子束120被加速到能量E。從基板100的基板頂面105T入射，基板具有基板厚 度110和基板底面105B (見圖1(a))。在電子束120中的入射電子將直射入基板並且到達 被稱為電子擴散中也130的點。由於與基板中電子和原子核的相互作用，入射電子的運動 軌跡在圖1 (a)中由分段的路徑136表示。從電子擴散中也130到每個路徑末端的距離表 示該電子可運動的最大距離。
[0014] 因此，入射電子的分布可W由電子擴散中也130來描述，電子擴散半徑155決定了 一個電子的擴散範圍和擴散深度Xd 150。
[0015] 電子沿電子束120入射方向運動的最大距離被稱為電子穿透深度R160。在電子 擴散球體140內，入射電子損失能量，並可被基板100的材料吸收。圖1 (a)中，在基板頂 面105T下，基板頂面到電子擴散球體最短的距離記為170。電子擴散深度Xd150和電子穿 透深度R160是由加速電壓V或電子能量E。，W及基板材料的原子序數（Z)來確定的。
[0016] 在過去幾十年裡，在具有不同原子序數的不同基板上對加速電壓和電子射程的關 系進行了大量研究。圖1 (b)展示了原子序數Z為6的碳（C)和原子序數Z為13的鉛 (Al)兩種材料隨電子能量E。或加速電壓V增加，質量-射程乘積PR變化的關係圖。該裡 P是基板材料的密度。在W後的描述中，擴散中也表示電子的擴散中也，擴散半徑表示電子 的擴散半徑，擴散範圍表示電子的擴散範圍，擴散深度表示電子的擴散深度，而穿透深度或 射程表示電子射程的深度。
[0017] 當E。的值從10 keV升到100 keV的時候，P R的值則提升約30倍。因此，P R的 值與E。是不成正比的，而且由下面的等式得出結論[7]: P R =5. 025 X 10-12 A E05/3 / 入曰 Z?/。 化） 該裡A(g)是基板材料的原子重量，A S是按經驗確定的常量。針對在本發明中公開的 電子敏感玻璃，主要材料是Si〇2, (Si 2=14，0 Z=8)與一小部分其他金屬氧化物。為簡化 描述和考慮，光敏玻璃的平均原子數取10。
[001引對具有能量E。電子束而言，其電子擴散深度Xd150與電子穿透深度R160的比值 Xd/R不是恆定的常數，而是隨基板材料的原子數量而改變。為使Xd/R = 0.5,則需要電子 的擴散深度150與電子擴散半徑155相等，那麼電子擴散球體140剛好達到基板頂面105T。 當Xd/R < 0. 5時，電子擴散球體140的上部分則會出現在基板頂面105T。在該種情況下， 電子擴散球體在基板材料內部則不會形成一個完整的球形。
[0019] 相反，當Xd/R〉0. 5時，在基板頂面105T下方會形成完整電子擴散球體140。在 此條件下，電子擴散球體在基板材料內部則會形成一個完整的球形和一個有限的距離：從 基板頂面105T到電子擴散球體140之間的最短距離170。
[0020] 基於文獻[7]的模型12 / (Z +8)，計算Xd/R與Z的關係如圖1 (C)所示，隨著Z 的增加，Xd/R的比值則持續下降，如果基板材料的Z值小於18,則Xd/R大於0. 5,如果Z大 於18,則Xd/R小於0. 5。對主要成分是Si化的光敏玻璃來說，平均的原子序數為10 (= (14+8+8)/3)，因此，圖Uc )中光敏玻璃的Xd/R值可取為0.7。
[00川光波導 在光通信中，更快和更高數據傳輸的需求刺激了集成光學和更複雜功能的光學電路的 研究與發展。進一步的研究與發展已導致了各種微型光學元件的出現，如光學開關，禪合 器，波導，平面基板的濾波器等。為製造集成光路器件，製造在基板上或內的光波導。
[0022] 光波導通常是由雜質擴散或離子交換、沉積和蝕刻等方法製造。但是，對尺寸的要 求使得W傳統方式製造的光纖通訊很昂貴。
[0023] 圖2展示了光波導或光纖（200)的剖面示意圖。該裡，210是纖芯，它具有纖芯 折射率ne"e和一個芯直徑cLre 220,有厚度（240)的包層（230)和包層折射率rieiadding。為 了實現入射光束250進入纖芯210並在纖芯中傳播(入射角度為0 260,其對應的波導軸向 為270)，入射角度0 260必須滿足下麵條件： Sin 0 < NA =的。巧-AiaddiJ 1/2 (7) 該裡，NA是數值孔徑。傳播後，輸出光束280將離開光纖纖芯。假設纖芯210的折射 率為1.50,為使得入射光束能禪合到不同包層折射率的波導中，NA的值和接收角度0 (最 大輸入角度）見表1。值得注意的是，隨著包層折射率減小該接收角度要增大。
[0024] 表I相對摺射率差和數值孔徑之間的關係(纖芯折射率為I. 50)

【權利要求】
1. 一種電子敏感玻璃的基板，其特徵在於：該電子敏感玻璃基板對電子束中的電子 照射敏感，該基板包含至少以下幾個主要組成成分：Si0 2，Li20，K20，A1203，Na 20，ZnO， Ag20，以製作具有多個光波導和微腔結構的集成光學電路。
2. 根據權利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特徵在於：所述基板的每個主要組成 成分的含量是：Si02 :60-90%，Li20 :5-20%，K20 :2-6%，A1203 :2-8%，Na20 :1-4%，ZnO :0-2. 5%， Ag20 :0. 05-0. 5%。
3. 根據權利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特徵在於：所述基板的電子能量的選 擇範圍從lOKeV到IMeV，以能在電子照射區域實現改變和控制所述電子的穿透深度。
4. 根據權利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特徵在於：所述的電子束的面劑量從 5nC/cm2 到 5000nC/cm2。
5. 根據權利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特徵在於：所述的電子束的面劑量從 10nC/cm2 到 100nC/cm2。
6. 根據權利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特徵在於：所述的基板，其包括附加的 組成成分：Sb20 3和Ce02，其中所述的Sb203含量少於0. 5%，Ce02的含量少於0. 05%。
7. -種具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：該光學電路在對電子束中的電子照 射敏感的電子敏感玻璃基板上，為實現光波導折射率的增加，該電子敏感玻璃基板至少包 含以下主要組成成分：Si0 2, Li20, K20, A1203, Na20, ZnO, Ag20。
8. 根據權利要求7所述的具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：每個光波導都有 纖芯直徑或者半徑，電子擴散深度由所述電子束的電子能量的選擇來調節。
9. 根據權利要求8所述的具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：所述的電子能量 的選擇範圍是從lOKeV至IMeV。
10. 根據權利要求7所述的具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：所述的電子束中 的面劑量選擇範圍是從10nC/cm2到100nC/cm 2。
11. 根據權利要求7所述的具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：所述的光波導是 由至少一個所述的電子束掃描而成。
12. 根據權利要求7所述的具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：所述的電子敏感 玻璃基板有基板折射率ns，而所述光波導有一個波導折射率n g，這要受至少一個電子束和 一低溫熱處理的照射影響，因此ns〈 ng。
13. 根據權利要求7所述的具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：所述的光學電路 還包括一個折射率為np的表面限制層沉積在所述電子敏感玻璃基板的頂面上，以減少所述 光波導中光束的損失，該電子敏感玻璃基板的折射率為n s，該光波導的折射率為ng，選擇表 面限制層的材料使得np?n s〈ng。
14. 根據權利要求7所述的具有多個光波導的光學電路，其特徵在於：所述的光學電 路，還包括附加組成成分：Sb20 3和Ce02，其中所述的Sb203的含量少於0. 5%，Ce02的含量少 於 0· 05%。
15. -種具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：該微型結構在一個如權利要求1所述 的電子敏感玻璃基板上，所述的電子敏感玻璃基板對電子束中的電子照射敏感，為實現光 學折射率和所述腔體結構的改變，以便於製作所述腔體，該電子敏感玻璃基板應該至少包 括以下主要組成成分：Si0 2, Li20, K20, A1203, Na20, ZnO, Ag20。
16. 根據權利要求15所述的具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：每一個所述的腔 體都有一個腔體深度，該深度的值由被用來製作所述腔體的電子束的電子能量所控制。
17. 根據權利要求15所述的具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：每一個所述的腔 體的材料都受到電子照射，並經受高溫熱處理和化學蝕刻。
18. 根據權利要求15所述的具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：所述的電子敏感 玻璃基板還包括附加組成成分：Sb20 3和Ce02，其中，所述的Sb203含量少於0. 5%，Ce02的含 量少於0. 05%。
19. 根據權利要求15所述的具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：所述的電子束的 電子能量的選擇範圍是從10keV到IMeV。
20. 根據權利要求15所述的具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：所述的電子束的 面劑量選擇範圍是從5nC/cm2到5000nC/cm 2。
21. 根據權利要求15所述的具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：所述的電子束的 面劑量選擇範圍是從10nC/cm2到100nC/cm 2。
22. 根據權利要求15所述的具有多個腔體的微型結構，其特徵在於：每個所述的腔體 是由多個所述的電子束掃描而形成的。
【文檔編號】C03C3/085GK104261673SQ201410443636
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】石以瑄, 韓露, 邱樹農, 吳傑欣, 邱星星, 石宇琦 申請人:石以瑄, 韓露, 邱樹農, 邱星星, 石宇琦