电子敏感玻璃基板和光学电路,以及其中形成的微型结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电子敏感玻璃基板和基于该电子敏感玻璃基板且具有多个光波导的光学电路，以及该电子敏感玻璃基板中形成的微型结构。微型结构是由电子束照射在电子敏感玻璃上的所选区域并经高温热处理和化学蚀刻形成的，而光波导的形成则是由电子束照射在电子敏感玻璃基板上经一个较低温度热处理而成。
【专利说明】电子敏感玻璃基板和光学电路，W及其中形成的微型结构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可感电子玻璃或叫电子敏感玻璃和微流控的微型结构，微机电系 统MEMS，W及在电子敏感玻璃中通过电子束直写而形成的集成光学的光波导。
【背景技术】
[0002] 在生物、医学、化学的研究与应用中，微型化的微流控设备是被用于组建芯片实验 室（1油-on-a-chip)单元。此外，更理想的情况是集成微光学、微机械或微电子设备W实现 完整的芯片实验室单元。该些设备大多使用玻璃制造W实现长期的稳定性，耐化学性和惰 性。另外，嵌在透明基板中的光波导对组建集成光学电路和模块是必要的。
[0003] 光敏玻璃（Photodefin油Ie Glass) 主体和表面微加工的玻璃制造技术包括各向同性化学蚀刻，激光微加工，机械切割，喷 砂，热成型和图形构成。当玻璃湿蚀刻是各向同性的，各向异性干蚀刻的速率通常都慢，因 此人们研制了光敏玻璃。光敏玻璃的主要组成成分的含量为；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 光敏玻璃的传统光束加工（photo structuring)包括W下流程；（I)受紫外光照射， 通过光罩曝光得到想要的图案，（2)两步退火热处理，先后在500°C和600°C各保温1小 时，目的是允许还原的银原子在紫外光照射区域聚集成核，并在成核处生长出偏娃酸裡 (LisSiOs)晶体，（3)采用稀释5-10%氨氣酸（HF)溶液的湿法蚀刻，由于照射区域的蚀刻速 度大约是未照射区域的30倍左右，紫外光照射区域的微晶玻璃陶瓷（ceramic)将被选择性 地去除，因此在光敏玻璃上形成了几千微米深度的微图案结构。
[0004] 每个加工步骤的反应和机制都可W根据T. R. Dietrich et al描述如下： A、 在烙化过程中，Ce+3离子的形成和稳定的訊2化感光剂： 2 Ce+4 + 訊巧 e, 2 Ce" + 訊巧 Q) B、 当被紫外光照射，Ce+3光子吸收和返回到更稳定的Ce W形式： Ce"+ h V a Ce+4+ e -1 似 Ag离子接收释放的电子并还原它成为Ag原子： Ag"+ e、Ag 做 C、 当温度加热到约500°C，在紫外光照射区域还原的Ag原子聚集成核。当进一步加热 到温度约600°C时，在Ag原子成核周围形成偏娃酸裡（LisSiOs);具有1微米到10微米范围 内的微晶尺寸。
[0005] 、在稀释的氨氣酸溶液（5% - 10% HF)中蚀刻时，紫外线照射区域的玻璃陶瓷的 蚀刻速度将W比未照射区域快约2030倍： Si〇2+ 4 HFdiSiF* + 2&0 (4) 在紫外线照射区域的蚀刻速度可W达到10帕/分钟，使微结构的深度达到500化，而 且使在该些光敏玻璃的纵横比（aspect ratio)达到10。用于照射的紫外线光源的波长应 选择小于330纳米，W便获得足够的用来还原Ag的光子吸收巧]。
[0006] 由于在光敏玻璃中光传播或者吸收的变化，J/cm2的最佳剂量取决于波长和所需 蚀刻速率。在文献巧]，在Apex?中已报到的对于不同深度的蚀刻在280 nm波长中的最佳 剂量，Apex?从0. 〇48J/cm2到9. 6J/cm2蚀刻深度范围从IOMm到2, OOOMm。
[0007] 使用光束曝光在光敏玻璃上加工微型结构，垂直于光束方向（Z方向）平面的尺寸 和形状是由光照射区域的尺寸和形状确定的。然而，与光束的方向平行的尺寸很难控制，因 为光敏玻璃上光吸收较小和长时间曝光所致。该是由于小的光学吸收系数和在近紫外区域 有相对较大的传播。
[0008] 因此，在照射区域W Z方向的距离吸收的光子总量的变化是渐进的，而不是突变 的。因此，在随后的化学蚀刻中，蚀刻腔体的深度会随着蚀刻时间的增长而增加。因此，为 了实现想达到的腔体深度，需要不同深度的精确蚀刻数据和蚀刻时间控制。此外，需要不同 深度的多种腔体结构是非常困难的。
[0009] 此外，还可W使用紫外光源的脉冲激光器在基板表面上加工图案和结构，从355nm 到SOOnm不同波长的脉冲激光器已经用于加工3D结构或嵌入在光敏玻璃表面或者内部的 结构[4][引。使用波长大于350皿的激光时，光敏玻璃对光子的吸收较小。光敏作用只发 生在光强足够大而能激发Ce 3+吸收大量光子的焦点区域。
[0010] Ce"'+ nh V a Ce+*+ e 妨 Ce3+吸收光子变成Ce+4而释放出的自由电子e^i将被Ag+离子接收，使Ag+离子还原成 Ag原子。在焦点外，光强很小而不足W在随后的退火热处理中析出晶体。例如，使用SOOnm 波长的激光脉冲，制作宽度约100微米、高度为100微米的棱镜阵列[6]。
[0011] 电子和固体之间的相互作用 当电子束加速到一定能量E。并入射固体祀时，半经验理论[7]可用来描述随后发生的 事件。半经验理论经常被用来理解电子探针显微分析、扫描电子显微镜和电子束直写的原 理。当电子穿透到固体祀时，入射电子会受到祀中原子的弹性散射或非弹性散射。入射电 子与祀中原子核外的电子发生非弹性碰撞，该碰撞使原子电离或激发，从而造成入射电子 的能量损失称为电子阻止。电子阻止还可能是由于入射电子与固体祀中原子核产生弹性碰 撞，发生了入射电子能量和动量的转移产生的。
[0012] 因此，入射电子在穿透固体祀时，与祀中电子碰撞使其能量损失，与祀中原子核碰 撞使其方向偏转。入射电子的运动轨迹能通过一个扩散模型进行描述，见图1 (a)。
[0013] 电子束120被加速到能量E。从基板100的基板顶面105T入射，基板具有基板厚 度110和基板底面105B (见图1(a))。在电子束120中的入射电子将直射入基板并且到达 被称为电子扩散中也130的点。由于与基板中电子和原子核的相互作用，入射电子的运动 轨迹在图1 (a)中由分段的路径136表示。从电子扩散中也130到每个路径末端的距离表 示该电子可运动的最大距离。
[0014] 因此，入射电子的分布可W由电子扩散中也130来描述，电子扩散半径155决定了 一个电子的扩散范围和扩散深度Xd 150。
[0015] 电子沿电子束120入射方向运动的最大距离被称为电子穿透深度R160。在电子 扩散球体140内，入射电子损失能量，并可被基板100的材料吸收。图1 (a)中，在基板顶 面105T下，基板顶面到电子扩散球体最短的距离记为170。电子扩散深度Xd150和电子穿 透深度R160是由加速电压V或电子能量E。，W及基板材料的原子序数（Z)来确定的。
[0016] 在过去几十年里，在具有不同原子序数的不同基板上对加速电压和电子射程的关 系进行了大量研究。图1 (b)展示了原子序数Z为6的碳（C)和原子序数Z为13的铅 (Al)两种材料随电子能量E。或加速电压V增加，质量-射程乘积PR变化的关系图。该里 P是基板材料的密度。在W后的描述中，扩散中也表示电子的扩散中也，扩散半径表示电子 的扩散半径，扩散范围表示电子的扩散范围，扩散深度表示电子的扩散深度，而穿透深度或 射程表示电子射程的深度。
[0017] 当E。的值从10 keV升到100 keV的时候，P R的值则提升约30倍。因此，P R的 值与E。是不成正比的，而且由下面的等式得出结论[7]: P R =5. 025 X 10-12 A E05/3 / 入曰 Z?/。 化） 该里A(g)是基板材料的原子重量，A S是按经验确定的常量。针对在本发明中公开的 电子敏感玻璃，主要材料是Si〇2, (Si 2=14，0 Z=8)与一小部分其他金属氧化物。为简化 描述和考虑，光敏玻璃的平均原子数取10。
[001引对具有能量E。电子束而言，其电子扩散深度Xd150与电子穿透深度R160的比值 Xd/R不是恒定的常数，而是随基板材料的原子数量而改变。为使Xd/R = 0.5,则需要电子 的扩散深度150与电子扩散半径155相等，那么电子扩散球体140刚好达到基板顶面105T。 当Xd/R < 0. 5时，电子扩散球体140的上部分则会出现在基板顶面105T。在该种情况下， 电子扩散球体在基板材料内部则不会形成一个完整的球形。
[0019] 相反，当Xd/R〉0. 5时，在基板顶面105T下方会形成完整电子扩散球体140。在 此条件下，电子扩散球体在基板材料内部则会形成一个完整的球形和一个有限的距离：从 基板顶面105T到电子扩散球体140之间的最短距离170。
[0020] 基于文献[7]的模型12 / (Z +8)，计算Xd/R与Z的关系如图1 (C)所示，随着Z 的增加，Xd/R的比值则持续下降，如果基板材料的Z值小于18,则Xd/R大于0. 5,如果Z大 于18,则Xd/R小于0. 5。对主要成分是Si化的光敏玻璃来说，平均的原子序数为10 (= (14+8+8)/3)，因此，图Uc )中光敏玻璃的Xd/R值可取为0.7。
[00川光波导 在光通信中，更快和更高数据传输的需求刺激了集成光学和更复杂功能的光学电路的 研究与发展。进一步的研究与发展已导致了各种微型光学元件的出现，如光学开关，禪合 器，波导，平面基板的滤波器等。为制造集成光路器件，制造在基板上或内的光波导。
[0022] 光波导通常是由杂质扩散或离子交换、沉积和蚀刻等方法制造。但是，对尺寸的要 求使得W传统方式制造的光纤通讯很昂贵。
[0023] 图2展示了光波导或光纤（200)的剖面示意图。该里，210是纤芯，它具有纤芯 折射率ne"e和一个芯直径cLre 220,有厚度（240)的包层（230)和包层折射率rieiadding。为 了实现入射光束250进入纤芯210并在纤芯中传播(入射角度为0 260,其对应的波导轴向 为270)，入射角度0 260必须满足下面条件： Sin 0 < NA =的。巧-AiaddiJ 1/2 (7) 该里，NA是数值孔径。传播后，输出光束280将离开光纤纤芯。假设纤芯210的折射 率为1.50,为使得入射光束能禪合到不同包层折射率的波导中，NA的值和接收角度0 (最 大输入角度）见表1。值得注意的是，随着包层折射率减小该接收角度要增大。
[0024] 表I相对折射率差和数值孔径之间的关系(纤芯折射率为I. 50)
【权利要求】
1. 一种电子敏感玻璃的基板，其特征在于：该电子敏感玻璃基板对电子束中的电子 照射敏感，该基板包含至少以下几个主要组成成分：Si0 2，Li20，K20，A1203，Na 20，ZnO， Ag20，以制作具有多个光波导和微腔结构的集成光学电路。
2. 根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述基板的每个主要组成 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. 根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述基板的电子能量的选 择范围从lOKeV到IMeV，以能在电子照射区域实现改变和控制所述电子的穿透深度。
4. 根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的电子束的面剂量从 5nC/cm2 到 5000nC/cm2。
5. 根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的电子束的面剂量从 10nC/cm2 到 100nC/cm2。
6. 根据权利要求1所述的电子敏感玻璃基板，其特征在于：所述的基板，其包括附加的 组成成分：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. -种具有多个光波导的光学电路，其特征在于：该光学电路在对电子束中的电子照 射敏感的电子敏感玻璃基板上，为实现光波导折射率的增加，该电子敏感玻璃基板至少包 含以下主要组成成分：Si0 2, Li20, K20, A1203, Na20, ZnO, Ag20。
8. 根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：每个光波导都有 纤芯直径或者半径，电子扩散深度由所述电子束的电子能量的选择来调节。
9. 根据权利要求8所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的电子能量 的选择范围是从lOKeV至IMeV。
10. 根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的电子束中 的面剂量选择范围是从10nC/cm2到100nC/cm 2。
11. 根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的光波导是 由至少一个所述的电子束扫描而成。
12. 根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的电子敏感 玻璃基板有基板折射率ns，而所述光波导有一个波导折射率n g，这要受至少一个电子束和 一低温热处理的照射影响，因此ns〈 ng。
13. 根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的光学电路 还包括一个折射率为np的表面限制层沉积在所述电子敏感玻璃基板的顶面上，以减少所述 光波导中光束的损失，该电子敏感玻璃基板的折射率为n s，该光波导的折射率为ng，选择表 面限制层的材料使得np?n s〈ng。
14. 根据权利要求7所述的具有多个光波导的光学电路，其特征在于：所述的光学电 路，还包括附加组成成分：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. -种具有多个腔体的微型结构，其特征在于：该微型结构在一个如权利要求1所述 的电子敏感玻璃基板上，所述的电子敏感玻璃基板对电子束中的电子照射敏感，为实现光 学折射率和所述腔体结构的改变，以便于制作所述腔体，该电子敏感玻璃基板应该至少包 括以下主要组成成分：Si0 2, Li20, K20, A1203, Na20, ZnO, Ag20。
16. 根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：每一个所述的腔 体都有一个腔体深度，该深度的值由被用来制作所述腔体的电子束的电子能量所控制。
17. 根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：每一个所述的腔 体的材料都受到电子照射，并经受高温热处理和化学蚀刻。
18. 根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子敏感 玻璃基板还包括附加组成成分：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. 根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子束的 电子能量的选择范围是从10keV到IMeV。
20. 根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子束的 面剂量选择范围是从5nC/cm2到5000nC/cm 2。
21. 根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：所述的电子束的 面剂量选择范围是从10nC/cm2到100nC/cm 2。
22. 根据权利要求15所述的具有多个腔体的微型结构，其特征在于：每个所述的腔体 是由多个所述的电子束扫描而形成的。
【文档编号】C03C3/085GK104261673SQ201410443636
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】石以瑄, 韩露, 邱树农, 吴杰欣, 邱星星, 石宇琦 申请人:石以瑄, 韩露, 邱树农, 邱星星, 石宇琦