CN116165852B - 自适应光纤曝光***及光纤-平面芯片纵向异构集成方法 - Google Patents

自适应光纤曝光***及光纤-平面芯片纵向异构集成方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自适应光纤曝光***及光纤‑平面芯片纵向异构集成方法，属于半导体器件制备的技术领域，该***包括光源、三维微动平台、旋转式光纤夹具、光纤适配器和载物台；三维微动平台包括Y轴移动平台、X轴移动平台和旋转平台。本发明在解决了光纤与平面芯片高精度（微米级）耦合的同时，开发了自适应光纤光刻工艺及热调控过盈配合侧面键合工艺，显著提高了光纤与芯片的刚性耦合强度，规避了常用有机胶固定连接结构所带来的温度限制、化学和蠕变稳定性以及刚性匹配等问题。该方法对于光纤端面无要求，平面、凸面、斜面均可实现需求图形的定量刻蚀以实现光纤与平面芯片异构集成。

Description

自适应光纤曝光***及光纤-平面芯片纵向异构集成方法
技术领域
本发明属于半导体器件制备的技术领域，具体公开了一种自适应光纤曝光***及光纤-平面芯片纵向异构集成方法。
背景技术
柱状纤维与平面芯片的集成结构在很多关键器件和***中存在，承担着机械振动信号传输和转化的功能。在光传输或处理***中，这种结构承担着光信号连接耦合的作用；在某些MEMS器件和光学仪器***中，这种结构是实现精密测量的关键。
光纤与芯片、光纤与光纤的对准精度是决定其耦合效率、***损耗等参数的关键因素，对准精度一般是在器件封装过程中，由精密的机械定位***实现。
王欣等人发表的“微型集成光波导电场传感器的设计”一文中提到，将刻有V型槽的硅片置于光纤底部支撑，能够避免光纤的横向位移，提高对准精度。但晶片和硅片由于热膨胀差异依然会造成一定位移，要实现微米级的定位精度，需要的机械***较为复杂，导致耗费较高的成本。
Jian. ZM等人发表的Research on "Cylinder-Four-Beam" MicrostructureImprovement of MEMS Bionic Vector Hydrophone一文中提到柱状纤维集成的MEMS传感器如矢量水听器的结构，尽管通过改变MEMS水听器的圆柱体结构或四束微结构梁上的最大应力和微结构的相关参数，可以提高其灵敏度，但是垂直对准精度也是影响电桥输出的零位和灵敏度很重要的因素之一，此外所使用的中间封装材料及构型会影响机械振动耦合的效果及水听器的频带，在恶劣环境下容易老化分解甚至脱落，导致信号衰减从而影响器件的可靠性。
在光纤类的力学传感器中，Pulliam W等人发表的High-Temperature, HighBandwidth, Fiber-Optic, MEMS Pressure Sensor Technology for Turbine EngineComponent Testing一文中提到美国 Luna 公司研制的碳化硅光纤法珀高温压力传感器，光纤与芯片的集成通常采用高温聚合物环氧树脂粘合或玻璃浆料烧结等方式实现，而这些连接材料在高温环境中会发生蠕变失效而影响力学传感器的性能。
对于某一类小型的光集成仪器***，利用光杠杆放大的原理来实现精密信号检测，W Noell等人发表的Applications of SOI-based optical MEMS一文中提到一种质量块移动引起V型镜两端出射光纤光强变化的光学加速度计的结构图。集成结构的刚性和化学/温度稳定性会影响其抗环境干扰能力以及长期稳定性。
张威等人发表的“半导体激光器组件封装中光纤的固定方法”一文中提到，在半导体激光器光纤耦合输出模块中，激光器芯片与光纤之间的耦合精度，对出光效率有着显著的影响，光纤的固定是其封装中的关键技术。如图1所示为激光熔焊方法固定光纤时的组件结构图。
以上均表明，柱状纤维（光纤）与平面（芯片）异构集成的精度（严丝合缝程度），对于器件及设备性能至关重要。
发明内容
本发明提供一种自适应光纤曝光***及光纤-平面芯片纵向异构集成方法，提高柱状纤维（光纤）与平面（芯片）异构集成的精度（严丝合缝程度）。
本发明提供一种自适应光纤曝光***，包括光源、三维微动平台、旋转式光纤夹具、光纤适配器和载物台；三维微动平台包括Y轴移动平台、X轴移动平台和旋转平台；Y轴移动平台滑动安装在载物台上；X轴移动平台滑动安装在Y轴移动平台上，移动方向与Y轴移动平台的移动方向垂直；旋转平台与X轴移动平台转动连接，旋转平台与载物台之间的角度可调，旋转平台上设置有夹具安装孔；旋转式光纤夹具的顶端安装在夹具安装孔中，底端与光纤适配器螺纹连接。
上述自适应光纤曝光***中，三维微动平台还包括燕尾导轨平台、Y轴调节螺栓、X轴调节螺栓、螺旋传动杆和固定螺母；燕尾导轨平台的底面固定在载物台上，顶面的燕尾导轨与Y轴移动平台底面的燕尾槽滑动配合，燕尾导轨平台上设置有光孔；Y轴移动平台上设置有螺纹孔；Y轴调节螺栓穿过燕尾导轨平台的光孔和Y轴移动平台的螺纹孔；X轴移动平台上沿X轴方向设置有条形槽；X轴调节螺栓穿过条形槽与Y轴移动平台螺纹连接；固定螺母固定在旋转平台上；螺旋传动杆与X轴移动平台固定连接，与固定螺母螺纹连接。
上述自适应光纤曝光***中，光源为EUV光源、DUV光源或汞灯光源。
本发明还提供一种光纤-平面芯片纵向异构集成方法，包括下述步骤：
S1，通过上述自适应光纤曝光***进行光刻工艺
将涂抹有光刻胶的待耦合平面芯片安装在载物台上，将待耦合光纤的第一端与光源连接，第二端穿过旋转式光纤夹具和光纤适配器送至贴近光刻胶处，利用待耦合光纤自身作为光刻掩膜，待耦合光纤第二端的形状作为曝光图形的预定目标，省略掩模版转移图形步骤，直接导入曝光光源，完成自适应光刻工艺；
其中，待耦合平面芯片不限于硅、碳化硅、石英、蓝宝石等基底，待耦合平面芯片上的耦合通孔与待耦合光纤的耦合面（待耦合光纤与耦合通孔侧壁接触的侧壁面，即上文中待耦合光纤第二端的侧壁面）为嵌套关系，待耦合光纤的端面及其余结构不限于实体、空腔、凹槽或异形结构；
具体过程为：通过移动Y轴移动平台、X轴移动平台调节待耦合光纤在水平方向的位置，使待耦合光纤的第二端对准待耦合平面芯片上预设的耦合通孔位置，通过转动旋转平台调节待耦合光纤第二端与待耦合平面芯片之间的角度，通过旋转光纤适配器调节待耦合光纤第二端与待耦合平面芯片之间的距离，通过控制光源功率、待耦合光纤芯径以及对待耦合光纤第二端实施磨砂工艺、待耦合光纤第一端实施镀膜工艺控制出射端面的光场分布；
S2，在待耦合平面芯片上刻蚀高精度耦合通孔
采用Bosch刻蚀工艺或低温刻蚀工艺或其他刻蚀工艺；
采用Bosch刻蚀工艺的DRIE模块，采用氟基气体作为刻蚀和钝化的气体，DRIE分为三个阶段：聚合物阻挡层沉积、阻挡层沉积、硅刻蚀三个独立阶段，三个阶段交替往复式工作；
采用Bosch刻蚀工艺后，待耦合平面芯片上耦合通孔的侧壁会形成波浪状的形貌，通过热氧化工艺或采用KOH和IPA处理改善侧壁粗糙度；
S3，通过热调控过盈配合实现待耦合光纤与待耦合平面芯片通孔的高强度集成
t1，经过步骤S1和S2，控制待耦合平面芯片上的耦合通孔尺寸与待耦合光纤的耦合面匹配精度达到亚微米量级；如果耦合通孔的实际尺寸大于待耦合光纤第二端的尺寸则采用侧壁薄膜沉积，通过在耦合通孔侧壁淀积中间层材料将耦合通孔缩小，中间层材料为易与待耦合光纤纤芯键合的纤芯同种材料（如二氧化硅、蓝宝石等）或回流性好的磷硅玻璃等填充键合材料；如果耦合通孔的实际尺寸小于待耦合光纤第二端的尺寸则通过湿法腐蚀方法将耦合通孔扩大；侧壁薄膜沉积和湿法腐蚀的尺寸控制在数十纳米精度，从而将耦合通孔尺寸与待耦合光纤耦合面的匹配精度控制在亚微米量级；
t2，将待耦合光纤的第二端嵌入耦合通孔中，施加温度载荷，利用待耦合光纤与待耦合平面芯片的热膨胀系数差异使二者膨胀配合，降温冷却后两者形成稳固连接；
S4，光纤集成多芯片纵向堆叠机械嵌套
通过对待耦合平面芯片周围设计机械嵌套结构，利用纳米压印、深刻蚀及侧壁键合实现光纤连接的多层平面芯片之间的机械结构配合，从而在MEMS工序中实现高精度定位耦合封装。
上述光纤-平面芯片纵向异构集成方法中，若步骤S2通过控制刻蚀工艺的角度使耦合通孔为梯形通孔；
则步骤t2中，待耦合光纤的第二端嵌入梯形通孔的窄端；
步骤S3还包括t3，在待耦合光纤与待耦合平面芯片降温冷却后，在待耦合光纤与梯形通孔侧壁之间的空隙填充高温材料，增强待耦合光纤与待耦合平面芯片之间的连接，高温材料与待耦合光纤纤芯为同种材料。
本发明具有以下有益效果：
1.可以实现柱状纤维（光纤）与平面芯片的高精度匹配（可达到微米级精度）；
2.可实现任意光纤端面形状的连接匹配；
3.省去中间掩膜版二次转移图形，进一步减小误差；
4.光纤仅需与平面芯片键合侧壁面为嵌套平面即可，光纤端面及其余结构不限于实体、空腔、凹槽、异形等结构；
5.采用热调控过盈配合侧面键合工艺实现光纤与芯片的高质量刚性连接，不受限于光纤纤芯材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为激光熔焊方法固定光纤时的组件结构图；
图2为自适应光纤曝光***的平面图；
图3为图2的立体图；
图4为光纤-平面芯片纵向异构集成方法的流程图；
图5为自适应光纤曝光图形实现技术路线图；
图6为不同曝光时间的曝光模式结果：（a）30s、（b）60s、（c）90s、（d）120s、（e）150s、（f）180s；
图7为不同曝光距离下的曝光模式结果：（a）0.05mm、（b）0.35mm、（c）0.7mm；
图8光纤形状和曝光模式结果的比较；
图9为高精度深孔图形转移实现技术路线图；
图10为Bosch刻蚀工艺过程图；
图11为热调控侧面载荷控制实现技术路线图；
图12为光纤与平面芯片集成侧壁键合工艺流程图。
图中：1-光源；2-旋转式光纤夹具；3-光纤适配器；4-载物台；5-Y轴移动平台；6-X轴移动平台；6.1-条形槽；7-旋转平台；8-燕尾导轨平台；9-Y轴调节螺栓；10-X轴调节螺栓；11-螺旋传动杆；12-固定螺母；
101-待耦合光纤；102-待耦合平面芯片；103-光刻胶；104-耦合通孔；105-二氧化硅；106-高温材料；107-SF6等离子体；108-C4F8等离子体；109-Bosch刻蚀形成的深孔；110-钝化层；
201-光纤；202-激光束；203-马鞍座；204-可伐平台；205-焊点；206-可伐基板；207-电热致冷器；208-热沉；209-激光器芯片；210-套筒。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2-3所示，本实施例提供一种自适应光纤曝光***，包括光源1、三维微动平台、旋转式光纤夹具2、光纤适配器3和载物台4；三维微动平台包括Y轴移动平台5、X轴移动平台6、旋转平台7；Y轴移动平台5滑动安装在载物台4上；X轴移动平台6滑动安装在Y轴移动平台5上，移动方向与Y轴移动平台5的移动方向垂直；旋转平台7与X轴移动平台6转动连接，旋转平台7与载物台4之间的角度可调，旋转平台7上设置有夹具安装孔；旋转式光纤夹具2的顶端安装在夹具安装孔中，底端与光纤适配器3螺纹连接。其中，旋转式光纤夹具2、光纤适配器3为现有产品。旋转式光纤夹具2通过转动调整内部法兰匹配待耦合光纤101尺寸，且有对准卡槽使其与光纤适配器3耦合固定，完成与待耦合光纤101、旋转平台7的刚性连接。光纤适配器3使待耦合光纤101最大限度地耦合到三维微动平台，在一定程度上，光纤适配器3保障了光传输***的可靠性和各项性能。
上述自适应光纤曝光***中，三维微动平台还包括燕尾导轨平台8、Y轴调节螺栓9、X轴调节螺栓10、螺旋传动杆11和固定螺母12；燕尾导轨平台8的底面固定在载物台4上，顶面的燕尾导轨与Y轴移动平台5底面的燕尾槽滑动配合，燕尾导轨平台8上设置有光孔；Y轴移动平台5上设置有螺纹孔；Y轴调节螺栓9穿过燕尾导轨平台8的光孔和Y轴移动平台5的螺纹孔，旋转Y轴调节螺栓9使Y轴移动平台5沿燕尾导轨移动；X轴移动平台6上沿X轴方向设置有条形槽6.1；X轴调节螺栓10穿过条形槽6.1与Y轴移动平台5螺纹连接，旋松X轴调节螺栓10，可推动X轴移动平台6移动，X轴移动平台6到达预设位置后，拧紧X轴调节螺栓10从而固定X轴移动平台6的位置；固定螺母12固定在旋转平台7上；螺旋传动杆11与X轴移动平台6固定连接，与固定螺母12螺纹连接，固定螺母12绕螺旋传动杆11旋转实现旋转平台7的旋转和固定。
上述自适应光纤曝光***中，光源1为EUV光源、DUV光源或汞灯光源。光源1的类型主要取决于其波长范围及工艺精度需求，整个曝光***适用于半导体光刻工艺，以实现光纤端面的图形转移。
实施例2
本实施例提供一种光纤-平面芯片纵向异构集成方法，待耦合平面芯片102为不限于硅、碳化硅、石英、蓝宝石等基底，后续说明以硅基为例。待耦合平面芯片102上的耦合通孔104与待耦合光纤101的耦合面为嵌套关系，待耦合光纤101的端面及其余结构不限于实体、空腔、凹槽或异形结构。如图4所示，包括下述步骤。
S1，通过上述自适应光纤曝光***进行光刻工艺
自适应光纤集成曝光精度控制原理及实现方法，如图5所示。
a）光纤传输机理与出射光场理论模型
以待耦合光纤101作为光的传输媒介，待耦合光纤101第二端作为曝光图形的预定目标。当待耦合光纤101第二端与待耦合平面芯片102距离、角度发生变化时，曝光后的定义图形也会产生相应变化。针对光纤传输机理建立光纤出射光场理论仿真模型，模拟光纤自适应曝光时外部自由空间中的光场分布，并分析光刻胶103厚度、待耦合光纤101第二端与光刻胶103的接近距离、角度等参数对曝光后形状的影响，对曝光精度提出工艺控制参数边界需求。
b）自适应光纤曝光***设计与光场控制方法
设计自适应光纤曝光***，在超净间中进行原位自适应曝光实验，验证原理的可行性。通过设计合理的定位控制***（三维微动平台、旋转式光纤夹具2）有效控制待耦合光纤101与光刻胶103的距离和角度参数；通过控制光源1功率、待耦合光纤101芯径以及待耦合光纤101第二端的磨砂工艺、待耦合光纤101第一端的镀膜工艺等控制出射端面的光场分布；通过曝光实验结果与待耦合光纤101第二端的尺寸匹配程度调整曝光时间、距离、角度、显影等工艺参数使曝光结果与待耦合光纤101第二端形状匹配精度达到后续工艺步骤需求。
c) 厚胶光刻过程中图形转移精度控制方法
待耦合光纤101第二端形状图形转移时的精度决定了最终待耦合光纤101与待耦合平面芯片102集成时的定位结构精度。光刻胶103是一种通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料，由感光树脂、增感剂和溶剂3种主要成分组成的对光敏感的混合液体，光刻胶103按其形成的图像分类有正性、负性两大类，是光刻工艺中实现图形化的关键材料。厚胶光刻中不同厚度胶层内衍射光场分布不均匀，导致光刻胶103上下表面成像产生偏差，通过合理控制光场在光刻胶103内的传播，控制曝光时间、距离、角度、显影时间等工艺参数，使待耦合光纤101第二端图形转移的精度达到后续工艺步骤需求。
如图6-8所示，通过光学模型仿真和自适应曝光***实验验证了这种高精度光刻方法。分析了曝光时间、曝光距离和角度对实验结果的影响。最后，将曝光图案与实际光纤端面形状进行比较，匹配精度可达到微米级。
S2，在待耦合平面芯片上刻蚀高精度耦合通孔
光纤端面形状自适应曝光后，光刻胶103作掩膜利用等离子刻蚀工艺将待耦合光纤101第二端图形转移至待耦合平面芯片102，其图形转移精度直接决定了待耦合光纤101与耦合通孔104的匹配程度。深硅刻蚀工艺很大程度决定了图形转移精度，通过研究Bosch刻蚀与低温刻蚀两种工艺方法中反应气体配比、腔室气压、刻蚀功率等工艺参数对图形传递偏差、侧壁角度及粗糙度的影响，对比分析两种刻蚀工艺的结果，选择最优工艺方法，如图9所示。
a）通孔深刻蚀侧壁粗糙度、角度控制及形貌修饰方法
为了实现待耦合光纤101与耦合通孔104良好的配合，需要考虑与刻蚀工艺的粗糙度与角度，例如通过控制刻蚀工艺的角度使耦合通孔104呈梯形，会更容易使光纤与其配合。通过对Bosch刻蚀与低温刻蚀两种工艺中侧壁粗糙度、角度控制及形貌修饰方法的研究，有效改善刻蚀深孔的侧壁粗糙度及角度，为后续侧壁键合提供良好的基础。
如图10所示，常规Bosch深刻蚀工艺侧壁会形成波浪状的形貌，需要通过热氧化等工艺改善侧壁粗糙度，但是这样的做法会牺牲刻蚀选择比，或者在Bosch刻蚀工艺之后用KOH和IPA处理同样可以将侧壁变得光滑。
深刻蚀工艺主要研究的是基于Bosch工艺的Deep Reactive Ion Etching（DRIE）模块，采用氟基气体作为刻蚀和钝化的气体，DRIE分为三个阶段：聚合物阻挡层沉积、阻挡层沉积、硅刻蚀三个独立阶段。通过这三个阶段交替往复式的工作，可以达到很大的深宽比。
DRIE工艺过程主要受到以下参数的影响：RF功率、腔室压力和气体流速三个方面。RF功率对刻蚀效果的影响是增加了各项异性腐蚀，但是降低了光刻胶103的选择比；腔室压力对刻蚀效果的影响是增大了刻蚀速率，加大了各向异性腐蚀。
低温刻蚀则通过液氮冷却腔体或者冷却载物台来降低被刻蚀表面温度，在侧壁表面实现一层阻蚀性薄膜以保护侧壁不被横向刻蚀，由此可得到完全纵向、侧壁光滑的刻蚀结果。
因此针对不同尺寸芯片及基底、光纤材质依据本方法确定合适的刻蚀工艺和匹配的最优工艺参数。
S3，通过热调控过盈配合实现待耦合光纤与待耦合平面芯片通孔的高强度集成，如图11所示。
a）平面芯片通孔与光纤端面形状高精度匹配方法
深刻蚀后的耦合通孔104与待耦合光纤101第二端形状的匹配程度达到亚微米量级才能利用材料的热膨胀系数差异来施加键合所需的应力载荷。经过曝光、刻蚀工艺的合理配合优化后，可使待耦合平面芯片102上的耦合通孔104尺寸与待耦合光纤101第二端匹配精度达到亚微米量级。
如果耦合通孔104的实际尺寸大于待耦合光纤101第二端的尺寸，如图12所示，可通过侧壁薄膜沉积，淀积中间层材料如易与光纤纤芯键合的纤芯同种材料（如二氧化硅105、蓝宝石等）或回流性好的磷硅玻璃等填充键合材料控制两者的匹配精度保持在亚微米量级。
如果耦合通孔104的实际尺寸小于待耦合光纤101第二端的尺寸，则通过湿法腐蚀方法将通孔扩大。
经过合理的工艺优化，侧壁薄膜沉积和腐蚀的尺寸都可控制在数十纳米精度。
b) 通孔侧壁应力载荷施加控制方法
利用键合工艺实现待耦合光纤101与耦合通孔104的高强度集成需要对侧壁界面同时施加温度与压力载荷，如何控制对非平面结构的应力施加是键合工艺能否成功的关键。本方法利用待耦合光纤101与待耦合平面芯片102的热膨胀系数差异使二者膨胀配合，降温冷却后两者形成稳固连接，利用两者匹配程度和热膨胀变化量计算模型确定施加温度范围，从而控制侧壁应力载荷施加的大小。
待耦合光纤101与待耦合平面芯片102的键合工艺是光纤异构集成实现的关键工艺，而键合工艺的实现需要两个关键条件：键合界面的低粗糙度与应力载荷的施加。侧壁粗糙度的降低能为键合提供前提条件，而应力载荷的施加控制可以有效弥补粗糙度不足对键合结果带来的影响，通过上述方法实现光纤与芯片的高精度异构键合。
如图12所示，待耦合平面芯片102上的耦合通孔104为梯形通孔时，在待耦合光纤101与待耦合平面芯片102降温冷却后，在待耦合光纤101与梯形通孔侧壁之间的空隙填充高温材料106增强待耦合光纤101与待耦合平面芯片102之间的连接，高温材料106与待耦合光纤102为同种材料。如图中待耦合光纤101为普通光纤，纤芯材料为二氧化硅，待耦合平面芯片102为硅基，则高温材料106采用与纤芯材料一致的二氧化硅玻璃，通过热调控过盈配合侧面键合工艺和实现硅-玻璃键合。若光纤纤芯材料为蓝宝石，则高温材料106也选择蓝宝石，通过采用蓝宝石直接键合工艺实现键合，完成光纤与芯片的刚性连接。甚至其他材料纤芯的光纤可采用玻璃套管等方法，同样实现高强度的键合。
S4，光纤集成多芯片纵向堆叠机械嵌套
为了使光学连接更为高效和可靠，在光纤集成的同时，通过对待耦合平面芯片102周围合理的机械嵌套结构的设计，利用纳米压印、深刻蚀及侧壁键合等高精度工艺来实现光纤连接的多层平面芯片之间的机械结构配合，从而可在MEMS工序中就实现高精度定位耦合封装。
S5，异构集成工艺验证及表征与测试技术
通过前述研究内容中对单项工艺过程的研究，完成整个工艺序列的兼容性集成。在此过程中，需要在光学显微、表面形貌、表面化学分析、局部应力以及键合强度测试平台的基础上建立合理的测试模型和方法，用以反馈和监控中间工艺结果。在此基础上将该工艺方法集成至MEMS矢量水听器与高温压力传感器芯片中，通过测试验证异构集成带来的器件性能改善。
综上所述，本方法在实现了光纤与平面芯片高精度（微米级）耦合的同时，开发了自适应光纤光刻工艺及热调控过盈配合侧面键合工艺，显著提高了光纤与芯片的刚性耦合强度，规避了常用有机胶固定连接结构所带来的温度限制、化学和蠕变稳定性以及刚性匹配等问题。该方法对于光纤端面无要求，平面、凸面、斜面均可实现需求图形的定量刻蚀以实现光纤与平面芯片异构集成。本方法可实现光纤与芯片的高精度、高强度纵向异构集成。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1，通过自适应光纤曝光***进行光刻工艺
所述自适应光纤曝光***，包括光源、三维微动平台、旋转式光纤夹具、光纤适配器和载物台；
所述三维微动平台包括Y轴移动平台、X轴移动平台和旋转平台；
所述Y轴移动平台滑动安装在载物台上；
所述X轴移动平台滑动安装在Y轴移动平台上，移动方向与Y轴移动平台的移动方向垂直；
所述旋转平台与X轴移动平台转动连接，旋转平台与载物台之间的角度可调，旋转平台上设置有夹具安装孔；
所述旋转式光纤夹具的顶端安装在夹具安装孔中，底端与光纤适配器螺纹连接；
将涂抹有光刻胶的待耦合平面芯片安装在载物台上，将待耦合光纤的第一端与光源连接，第二端穿过旋转式光纤夹具和光纤适配器送至贴近光刻胶处，利用待耦合光纤自身作为光刻掩膜，待耦合光纤第二端的形状作为曝光图形的预定目标，省略掩模版转移图形步骤，直接导入曝光光源，完成自适应光刻工艺；
S2，在待耦合平面芯片上刻蚀高精度耦合通孔
S3，通过热调控过盈配合实现待耦合光纤与待耦合平面芯片通孔的高强度集成
t1，经过步骤S1和S2，控制待耦合平面芯片上的耦合通孔尺寸与待耦合光纤的耦合面匹配精度达到亚微米量级；如果耦合通孔的实际尺寸大于待耦合光纤第二端的尺寸则采用侧壁薄膜沉积，通过在耦合通孔侧壁淀积中间层材料将耦合通孔缩小；如果耦合通孔的实际尺寸小于待耦合光纤第二端的尺寸则通过湿法腐蚀方法将耦合通孔扩大；侧壁薄膜沉积和湿法腐蚀的尺寸控制在数十纳米精度，从而将耦合通孔尺寸与待耦合光纤耦合面的匹配精度控制在亚微米量级；
t2，将待耦合光纤的第二端嵌入耦合通孔中，施加温度载荷，利用待耦合光纤与待耦合平面芯片的热膨胀系数差异使二者膨胀配合，降温冷却后两者形成稳固连接。
2.根据权利要求1所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，所述三维微动平台还包括燕尾导轨平台、Y轴调节螺栓、X轴调节螺栓、螺旋传动杆和固定螺母；
所述燕尾导轨平台的底面固定在载物台上，顶面的燕尾导轨与Y轴移动平台底面的燕尾槽滑动配合，燕尾导轨平台上设置有光孔；
所述Y轴移动平台上设置有螺纹孔；
所述Y轴调节螺栓穿过燕尾导轨平台的光孔和Y轴移动平台的螺纹孔；
所述X轴移动平台上沿X轴方向设置有条形槽；
所述X轴调节螺栓穿过条形槽与Y轴移动平台螺纹连接；
所述固定螺母固定在旋转平台上；
所述螺旋传动杆与X轴移动平台固定连接，与固定螺母螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，光源为EUV光源、DUV光源或汞灯光源。
4.根据权利要求1所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，待耦合平面芯片上的耦合通孔与待耦合光纤的耦合面为嵌套关系，待耦合光纤的端面及其余结构不限于实体、空腔、凹槽或异形结构。
5.根据权利要求1所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，步骤S1中，通过移动Y轴移动平台、X轴移动平台调节待耦合光纤在水平方向的位置，使待耦合光纤的第二端对准待耦合平面芯片上预设的耦合通孔位置，通过转动旋转平台调节待耦合光纤第二端与待耦合平面芯片之间的角度，通过旋转光纤适配器调节待耦合光纤第二端与待耦合平面芯片之间的距离，通过控制光源功率、待耦合光纤芯径以及对待耦合光纤第二端实施磨砂工艺、待耦合光纤第一端实施镀膜工艺控制出射端面的光场分布。
6.根据权利要求5所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，步骤S2采用Bosch刻蚀工艺或低温刻蚀工艺；
采用Bosch刻蚀工艺的DRIE模块，采用氟基气体作为刻蚀和钝化的气体，DRIE分为三个阶段：聚合物阻挡层沉积、阻挡层沉积、硅刻蚀三个独立阶段，三个阶段交替往复式工作；
采用Bosch刻蚀工艺后，待耦合平面芯片上耦合通孔的侧壁会形成波浪状的形貌，通过热氧化工艺或采用KOH和IPA处理改善侧壁粗糙度。
7.根据权利要求6所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，步骤S2中，通过控制刻蚀工艺的角度使待耦合平面芯片的耦合通孔为梯形通孔。
8.根据权利要求7所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，步骤t1中，中间层材料为易与待耦合光纤纤芯键合的纤芯同种材料或回流性好的磷硅玻璃；
步骤t2中，待耦合光纤的第二端嵌入梯形通孔的窄端；
步骤S3还包括t3，在待耦合光纤与待耦合平面芯片降温冷却后，在待耦合光纤与梯形通孔侧壁之间的空隙填充高温材料增强待耦合光纤与待耦合平面芯片之间的连接，高温材料与待耦合光纤纤芯为同种材料。
9.根据权利要求7所述的光纤-平面芯片纵向异构集成方法，其特征在于，还包括步骤S4，光纤集成多芯片纵向堆叠机械嵌套
通过对待耦合平面芯片周围设计机械嵌套结构，利用纳米压印、深刻蚀及侧壁键合实现光纤连接的多层平面芯片之间的机械结构配合，从而在MEMS工序中实现高精度定位耦合封装。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117191358B (zh) * 2023-09-21 2024-02-13 苏州猎奇智能设备有限公司 硅光芯片测试装置及其测试方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101655576A (zh) * 2009-07-14 2010-02-24 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种soi基三维楔形耦合器集成衬底结构的制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5075716A (en) * 1990-11-29 1991-12-24 Eastman Kodak Company Apparatus and method for precisely exposing radiation sensitive materials
US6328482B1 (en) * 1998-06-08 2001-12-11 Benjamin Bin Jian Multilayer optical fiber coupler
CN105181713B (zh) * 2015-07-19 2019-01-29 中北大学 一种用于光纤倒像器表面缺陷的检测装置
CN107272344B (zh) * 2016-04-08 2019-01-04 华邦电子股份有限公司 曝光方法、曝光设备及三维结构
CN109683258B (zh) * 2018-12-29 2020-06-23 中南大学 用于蝶形半导体激光器自动耦合封装的光纤夹具
CN211905789U (zh) * 2020-04-28 2020-11-10 天津蓝鳍科技有限公司 一种用于光子集成芯片测试的简易胶粘封装***
CN112764176A (zh) * 2021-02-03 2021-05-07 成都储翰科技股份有限公司 一种空间光路的透镜精准对准及固定一体耦合装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101655576A (zh) * 2009-07-14 2010-02-24 中国科学院上海微***与信息技术研究所 一种soi基三维楔形耦合器集成衬底结构的制备方法

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