電子敏感玻璃基板和光學(xué)電路,以及其中形成的微型結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種電子敏感玻璃基板和基于該電子敏感玻璃基板且具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，以及該電子敏感玻璃基板中形成的微型結(jié)構(gòu)。微型結(jié)構(gòu)是由電子束照射在電子敏感玻璃上的所選區(qū)域并經(jīng)高溫?zé)崽幚砗突瘜W(xué)蝕刻形成的，而光波導(dǎo)的形成則是由電子束照射在電子敏感玻璃基板上經(jīng)一個(gè)較低溫度熱處理而成。
【專(zhuān)利說(shuō)明】電子敏感玻璃基板和光學(xué)電路，W及其中形成的微型結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(jié)構(gòu)，微機(jī)電系 統(tǒng)MEMS，W及在電子敏感玻璃中通過(guò)電子束直寫(xiě)而形成的集成光學(xué)的光波導(dǎo)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)的研究與應(yīng)用中，微型化的微流控設(shè)備是被用于組建芯片實(shí)驗(yàn) 室（1油-on-a-chip)單元。此外，更理想的情況是集成微光學(xué)、微機(jī)械或微電子設(shè)備W實(shí)現(xiàn) 完整的芯片實(shí)驗(yàn)室單元。該些設(shè)備大多使用玻璃制造W實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，耐化學(xué)性和惰 性。另外，嵌在透明基板中的光波導(dǎo)對(duì)組建集成光學(xué)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制造技術(shù)包括各向同性化學(xué)蝕刻，激光微加工，機(jī)械切割，噴 砂，熱成型和圖形構(gòu)成。當(dāng)玻璃濕蝕刻是各向同性的，各向異性干蝕刻的速率通常都慢，因 此人們研制了光敏玻璃。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(tǒng)光束加工（photo structuring)包括W下流程；（I)受紫外光照射， 通過(guò)光罩曝光得到想要的圖案，（2)兩步退火熱處理，先后在500°C和600°C各保溫1小 時(shí)，目的是允許還原的銀原子在紫外光照射區(qū)域聚集成核，并在成核處生長(zhǎng)出偏娃酸裡 (LisSiOs)晶體，（3)采用稀釋5-10%氨氣酸（HF)溶液的濕法蝕刻，由于照射區(qū)域的蝕刻速 度大約是未照射區(qū)域的30倍左右，紫外光照射區(qū)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(jié)構(gòu)。
[0004] 每個(gè)加工步驟的反應(yīng)和機(jī)制都可W根據(jù)T. R. Dietrich et al描述如下： A、 在烙化過(guò)程中，Ce+3離子的形成和穩(wěn)定的訊2化感光劑： 2 Ce+4 + 訊巧 e, 2 Ce" + 訊巧 Q) B、 當(dāng)被紫外光照射，Ce+3光子吸收和返回到更穩(wěn)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并還原它成為Ag原子： Ag"+ e、Ag 做 C、 當(dāng)溫度加熱到約500°C，在紫外光照射區(qū)域還原的Ag原子聚集成核。當(dāng)進(jìn)一步加熱 到溫度約600°C時(shí)，在Ag原子成核周?chē)纬善匏嵫e（LisSiOs);具有1微米到10微米范圍 內(nèi)的微晶尺寸。
[0005] 、在稀釋的氨氣酸溶液（5% - 10% HF)中蝕刻時(shí)，紫外線照射區(qū)域的玻璃陶瓷的 蝕刻速度將W比未照射區(qū)域快約2030倍： Si〇2+ 4 HFdiSiF* + 2&0 (4) 在紫外線照射區(qū)域的蝕刻速度可W達(dá)到10帕/分鐘，使微結(jié)構(gòu)的深度達(dá)到500化，而 且使在該些光敏玻璃的縱橫比（aspect ratio)達(dá)到10。用于照射的紫外線光源的波長(zhǎng)應(yīng) 選擇小于330納米，W便獲得足夠的用來(lái)還原Ag的光子吸收巧]。
[0006] 由于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(zhǎng)和所需 蝕刻速率。在文獻(xiàn)巧]，在Apex?中已報(bào)到的對(duì)于不同深度的蝕刻在280 nm波長(zhǎng)中的最佳 劑量，Apex?從0. 〇48J/cm2到9. 6J/cm2蝕刻深度范圍從IOMm到2, OOOMm。
[0007] 使用光束曝光在光敏玻璃上加工微型結(jié)構(gòu)，垂直于光束方向（Z方向）平面的尺寸 和形狀是由光照射區(qū)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(zhǎng)時(shí)間曝光所致。該是由于小的光學(xué)吸收系數(shù)和在近紫外區(qū)域 有相對(duì)較大的傳播。
[0008] 因此，在照射區(qū)域W Z方向的距離吸收的光子總量的變化是漸進(jìn)的，而不是突變 的。因此，在隨后的化學(xué)蝕刻中，蝕刻腔體的深度會(huì)隨著蝕刻時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。因此，為 了實(shí)現(xiàn)想達(dá)到的腔體深度，需要不同深度的精確蝕刻數(shù)據(jù)和蝕刻時(shí)間控制。此外，需要不同 深度的多種腔體結(jié)構(gòu)是非常困難的。
[0009] 此外，還可W使用紫外光源的脈沖激光器在基板表面上加工圖案和結(jié)構(gòu)，從355nm 到SOOnm不同波長(zhǎng)的脈沖激光器已經(jīng)用于加工3D結(jié)構(gòu)或嵌入在光敏玻璃表面或者內(nèi)部的 結(jié)構(gòu)[4][引。使用波長(zhǎng)大于350皿的激光時(shí)，光敏玻璃對(duì)光子的吸收較小。光敏作用只發(fā) 生在光強(qiáng)足夠大而能激發(fā)Ce 3+吸收大量光子的焦點(diǎn)區(qū)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(diǎn)外，光強(qiáng)很小而不足W在隨后的退火熱處理中析出晶體。例如，使用SOOnm 波長(zhǎng)的激光脈沖，制作寬度約100微米、高度為100微米的棱鏡陣列[6]。
[0011] 電子和固體之間的相互作用 當(dāng)電子束加速到一定能量E。并入射固體祀時(shí)，半經(jīng)驗(yàn)理論[7]可用來(lái)描述隨后發(fā)生的 事件。半經(jīng)驗(yàn)理論經(jīng)常被用來(lái)理解電子探針顯微分析、掃描電子顯微鏡和電子束直寫(xiě)的原 理。當(dāng)電子穿透到固體祀時(shí)，入射電子會(huì)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(fā)生非彈性碰撞，該碰撞使原子電離或激發(fā)，從而造成入射電子 的能量損失稱(chēng)為電子阻止。電子阻止還可能是由于入射電子與固體祀中原子核產(chǎn)生彈性碰 撞，發(fā)生了入射電子能量和動(dòng)量的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的。
[0012] 因此，入射電子在穿透固體祀時(shí)，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(zhuǎn)。入射電子的運(yùn)動(dòng)軌跡能通過(guò)一個(gè)擴(kuò)散模型進(jìn)行描述，見(jiàn)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(jiàn)圖1(a))。在電子束120中的入射電子將直射入基板并且到達(dá) 被稱(chēng)為電子擴(kuò)散中也130的點(diǎn)。由于與基板中電子和原子核的相互作用，入射電子的運(yùn)動(dòng) 軌跡在圖1 (a)中由分段的路徑136表示。從電子擴(kuò)散中也130到每個(gè)路徑末端的距離表 示該電子可運(yùn)動(dòng)的最大距離。
[0014] 因此，入射電子的分布可W由電子擴(kuò)散中也130來(lái)描述，電子擴(kuò)散半徑155決定了 一個(gè)電子的擴(kuò)散范圍和擴(kuò)散深度Xd 150。
[0015] 電子沿電子束120入射方向運(yùn)動(dòng)的最大距離被稱(chēng)為電子穿透深度R160。在電子 擴(kuò)散球體140內(nèi)，入射電子損失能量，并可被基板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(kuò)散球體最短的距離記為170。電子擴(kuò)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(shù)（Z)來(lái)確定的。
[0016] 在過(guò)去幾十年里，在具有不同原子序數(shù)的不同基板上對(duì)加速電壓和電子射程的關(guān) 系進(jìn)行了大量研究。圖1 (b)展示了原子序數(shù)Z為6的碳（C)和原子序數(shù)Z為13的鉛 (Al)兩種材料隨電子能量E?；蚣铀匐妷篤增加，質(zhì)量-射程乘積PR變化的關(guān)系圖。該里 P是基板材料的密度。在W后的描述中，擴(kuò)散中也表示電子的擴(kuò)散中也，擴(kuò)散半徑表示電子 的擴(kuò)散半徑，擴(kuò)散范圍表示電子的擴(kuò)散范圍，擴(kuò)散深度表示電子的擴(kuò)散深度，而穿透深度或 射程表示電子射程的深度。
[0017] 當(dāng)E。的值從10 keV升到100 keV的時(shí)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(jié)論[7]: P R =5. 025 X 10-12 A E05/3 / 入曰 Z?/。 化） 該里A(g)是基板材料的原子重量，A S是按經(jīng)驗(yàn)確定的常量。針對(duì)在本發(fā)明中公開(kāi)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(jiǎn)化 描述和考慮，光敏玻璃的平均原子數(shù)取10。
[001引對(duì)具有能量E。電子束而言，其電子擴(kuò)散深度Xd150與電子穿透深度R160的比值 Xd/R不是恒定的常數(shù)，而是隨基板材料的原子數(shù)量而改變。為使Xd/R = 0.5,則需要電子 的擴(kuò)散深度150與電子擴(kuò)散半徑155相等，那么電子擴(kuò)散球體140剛好達(dá)到基板頂面105T。 當(dāng)Xd/R < 0. 5時(shí)，電子擴(kuò)散球體140的上部分則會(huì)出現(xiàn)在基板頂面105T。在該種情況下， 電子擴(kuò)散球體在基板材料內(nèi)部則不會(huì)形成一個(gè)完整的球形。
[0019] 相反，當(dāng)Xd/R〉0. 5時(shí)，在基板頂面105T下方會(huì)形成完整電子擴(kuò)散球體140。在 此條件下，電子擴(kuò)散球體在基板材料內(nèi)部則會(huì)形成一個(gè)完整的球形和一個(gè)有限的距離：從 基板頂面105T到電子擴(kuò)散球體140之間的最短距離170。
[0020] 基于文獻(xiàn)[7]的模型12 / (Z +8)，計(jì)算Xd/R與Z的關(guān)系如圖1 (C)所示，隨著Z 的增加，Xd/R的比值則持續(xù)下降，如果基板材料的Z值小于18,則Xd/R大于0. 5,如果Z大 于18,則Xd/R小于0. 5。對(duì)主要成分是Si化的光敏玻璃來(lái)說(shuō)，平均的原子序數(shù)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(dǎo) 在光通信中，更快和更高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟠碳ち思晒鈱W(xué)和更復(fù)雜功能的光學(xué)電路的 研究與發(fā)展。進(jìn)一步的研究與發(fā)展已導(dǎo)致了各種微型光學(xué)元件的出現(xiàn)，如光學(xué)開(kāi)關(guān)，禪合 器，波導(dǎo)，平面基板的濾波器等。為制造集成光路器件，制造在基板上或內(nèi)的光波導(dǎo)。
[0022] 光波導(dǎo)通常是由雜質(zhì)擴(kuò)散或離子交換、沉積和蝕刻等方法制造。但是，對(duì)尺寸的要 求使得W傳統(tǒng)方式制造的光纖通訊很昂貴。
[0023] 圖2展示了光波導(dǎo)或光纖（200)的剖面示意圖。該里，210是纖芯，它具有纖芯 折射率ne"e和一個(gè)芯直徑cLre 220,有厚度（240)的包層（230)和包層折射率rieiadding。為 了實(shí)現(xiàn)入射光束250進(jìn)入纖芯210并在纖芯中傳播(入射角度為0 260,其對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)軸向 為270)，入射角度0 260必須滿足下面條件： Sin 0 < NA =的。巧-AiaddiJ 1/2 (7) 該里，NA是數(shù)值孔徑。傳播后，輸出光束280將離開(kāi)光纖纖芯。假設(shè)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(dǎo)中，NA的值和接收角度0 (最 大輸入角度）見(jiàn)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(duì)折射率差和數(shù)值孔徑之間的關(guān)系(纖芯折射率為I. 50)

【權(quán)利要求】
1. 一種電子敏感玻璃的基板，其特征在于：該電子敏感玻璃基板對(duì)電子束中的電子 照射敏感，該基板包含至少以下幾個(gè)主要組成成分：Si0 2，Li20，K20，A1203，Na 20，ZnO， Ag20，以制作具有多個(gè)光波導(dǎo)和微腔結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特征在于：所述基板的每個(gè)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(jù)權(quán)利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特征在于：所述基板的電子能量的選 擇范圍從lOKeV到IMeV，以能在電子照射區(qū)域?qū)崿F(xiàn)改變和控制所述電子的穿透深度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的電子束的面劑量從 5nC/cm2 到 5000nC/cm2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的電子束的面劑量從 10nC/cm2 到 100nC/cm2。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子敏感玻璃基板，其特征在于：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含量少于0. 5%，Ce02的含量少于0. 05%。
7. -種具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：該光學(xué)電路在對(duì)電子束中的電子照 射敏感的電子敏感玻璃基板上，為實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求7所述的具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：每個(gè)光波導(dǎo)都有 纖芯直徑或者半徑，電子擴(kuò)散深度由所述電子束的電子能量的選擇來(lái)調(diào)節(jié)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：所述的電子能量 的選擇范圍是從lOKeV至IMeV。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：所述的電子束中 的面劑量選擇范圍是從10nC/cm2到100nC/cm 2。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：所述的光波導(dǎo)是 由至少一個(gè)所述的電子束掃描而成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：所述的電子敏感 玻璃基板有基板折射率ns，而所述光波導(dǎo)有一個(gè)波導(dǎo)折射率n g，這要受至少一個(gè)電子束和 一低溫?zé)崽幚淼恼丈溆绊?，因此ns〈 ng。
13. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：所述的光學(xué)電路 還包括一個(gè)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(dǎo)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(dǎo)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(jù)權(quán)利要求7所述的具有多個(gè)光波導(dǎo)的光學(xué)電路，其特征在于：所述的光學(xué)電 路，還包括附加組成成分：Sb20 3和Ce02，其中所述的Sb203的含量少于0. 5%，Ce02的含量少 于 0· 05%。
15. -種具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：該微型結(jié)構(gòu)在一個(gè)如權(quán)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(duì)電子束中的電子照射敏感，為實(shí)現(xiàn)光 學(xué)折射率和所述腔體結(jié)構(gòu)的改變，以便于制作所述腔體，該電子敏感玻璃基板應(yīng)該至少包 括以下主要組成成分：Si0 2, Li20, K20, A1203, Na20, ZnO, Ag20。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：每一個(gè)所述的腔 體都有一個(gè)腔體深度，該深度的值由被用來(lái)制作所述腔體的電子束的電子能量所控制。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：每一個(gè)所述的腔 體的材料都受到電子照射，并經(jīng)受高溫?zé)崽幚砗突瘜W(xué)蝕刻。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：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含量少于0. 5%，Ce02的含 量少于0. 05%。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的電子束的 電子能量的選擇范圍是從10keV到IMeV。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的電子束的 面劑量選擇范圍是從5nC/cm2到5000nC/cm 2。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述的電子束的 面劑量選擇范圍是從10nC/cm2到100nC/cm 2。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的具有多個(gè)腔體的微型結(jié)構(gòu)，其特征在于：每個(gè)所述的腔體 是由多個(gè)所述的電子束掃描而形成的。
【文檔編號(hào)】C03C3/085GK104261673SQ201410443636
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】石以瑄, 韓露, 邱樹(shù)農(nóng), 吳杰欣, 邱星星, 石宇琦 申請(qǐng)人:石以瑄, 韓露, 邱樹(shù)農(nóng), 邱星星, 石宇琦