基于紫外灰阶光刻制备光波导球形凹面镜的方法与流程

本发明涉及一种光波导制备方法，特别是涉及一种制备光波导球形凹面镜的方法，应用于光背板互连技术领域。

背景技术：

近年来，光背板互连技术成为高端设备信息互连的研究热点，它具有高带宽、低能耗、低成本等优势，将广泛应用于宽带通信、超级计算机及大数据中心等领域。

高效的光纤-光波导垂直耦合技术是光背板互连领域的关键技术之一，它能够充分利用设备空间、设计灵活度高、便于集成光电器件等优势。而提高光纤-光波导垂直耦合效率的方式主要是采用凹面镜汇聚的方式来实现的，它不仅可以使光束汇聚进而提高耦合器件之间的数值孔径(na)的匹配性，而且还能减小输入光的模场直径从而增强模场耦合的匹配性。截止目前，发展了许多方法来制备凹面镜，如：化学腐蚀法(专利公开号：cn1272182a)、利用水分子不侵性的工艺制备方法(专利公开号：cn103395739a)、激光环形刻蚀法(专利申请号：201710076388.7)及深质子写入(deepprotonwriting，dpw)法(文献：designandfabricationofembeddedmicro-mirrorinsertsforout-of-planecouplinginpcblevelopticalinterconnections)等。但上述凹面镜的制备方法都有各自的缺点，化学腐蚀法具有精度低、工艺复杂、难以控制凹面形状等缺点；利用水分子不侵性的工艺制备方法以液滴为模具，利用材料的致密性获得凹面，存在工艺复杂、精度不高的弊端，很难移植到光背板中实现；激光环形刻蚀法是在光背板制备后采用的激光刻蚀而获得凹面镜，是一种激光冷加工的方法，但获得的凹面粗糙度较大，对光波导的传输性能造成一定影响，需要后处理对粗糙度进行降低；dpw法是在光波导制备时加工凹面镜，但工艺异常复杂，精度很难控制，难以批量生产。采用光刻法制备光波导的一般工艺流程如图1所示，从图1(a)～图1(f)可知，紫外光刻法制备光波导的一般工艺流程主要包括：基底1的清洗、旋涂下包层胶2、旋涂芯层胶3、采用掩模板5进行紫外曝光4、显影后形成波导芯层6、旋涂上包层胶7，通常采用的掩模板5是无灰阶分布的，这种掩模板使得所透射的光强相同，因此无法使芯层胶形成曲面结构，为了获得曲面结构，还需要辅助其他手段，因此增加了凹面镜制备的步骤和工艺流程的复杂程度。有鉴于此，发展一种更为简单有效、切实可行、且适用于大工业生产的凹面镜制备方法势在必行。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于紫外灰阶光刻制备光波导球形凹面镜的方法，显著提高光纤-光波导的垂直耦合效率，本发明具有操作简单，可控性好，兼容光波导制备工艺流程的优点。

为了达到上述发明目的，本发明创造采用如下发明构思：

一种基于紫外灰阶制备光波导球形凹面镜的方法，主要通过可生成掩模图形的光刻机紫外曝光所制备的，而这生成的掩模图形带有灰阶分布的半圆形，灰阶是指掩模图案中不同区域的灰度值呈阶梯分布从而使得不同区域所透射的光强不同；光刻机按照所生成的掩模图形进行曝光，在灰阶分布的半圆形区域，其透射光强具有沿径向从圆心至边缘按函数递减的规律变化，因此对芯层胶半圆形区域具有规律性的光强分布照射，经显影后，生成球形凹面。

利用带有灰阶分布的半圆形的掩模图形，在光波导上直接制备凹面镜的工作机理为：

掩模图形实际上是由一长条形和一紧接的半圆形组成，长条形区域无灰阶分布，透过的紫外光强各区域相同，半圆形区域具有灰阶分布，透过的紫外光强沿径向按函数递减的规律变化；当紫外光照射时，在长条形区域，其芯层胶得到充分照射，经显影后形成光波导芯层，在半圆形区域，由于光强照射的灰阶分布规律，某些区域的芯层胶只有上半部分得到充分照射，整体上，所获得的紫外光照射的芯层胶厚度具有沿径从圆心至边缘按函数递减的规律分布，经显影后形成球形凹面；灰阶分布函数可由以下流程确定，根据所制备的球形凹面区域各点的刻蚀深度，确定各点光刻所需的紫外光强，其灰阶分布函数具有灰度值从圆心沿径向边缘递减的特点；仅对获得的球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，完成光波导球形凹面镜制备的工艺流程。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于紫外灰阶光刻制备光波导球形凹面镜的方法，主要通过能生成掩模图形的光刻机，并利用紫外曝光方法制备光波导球形凹面镜，所述掩模图形带有灰阶分布的半圆形掩模部分，所述灰阶分布是指掩模图案中不同区域的灰度值呈阶梯分布从而使得半圆形掩模的不同区域所透射的光强不同，最后实现透射光强沿着半圆形掩模径向进行递减变化；光刻机按照所述掩模图形进行曝光，在灰阶分布的掩模半圆形区域，其光强具有沿径向从圆心至边缘按函数递减的规律变化，在紫外光刻法制备光波导的工艺流程中，使芯层胶半圆形区域经灰阶分布的光强照射，再经显影后，生成球形凹面或凸面；然后仅对获得的球形凹面或凸面镀金属膜或介质高反射膜，然后旋涂包层胶，完成在光波导上制备球形凹面反射镜的工艺流程。为了使得半圆形掩模的不同区域所透射的光强不同，本发明灰阶分布采用的图像灰度值沿半圆形掩模径向方向呈阶梯变化分布。

作为本发明优选的技术方案，所述掩模图形是由长条形和紧接的半圆形组成；掩模的长条形区域无灰阶分布，透过掩模的紫外光强各区域相同；半圆形区域具有灰阶分布，其半径大于长条形的宽度，透过掩模的紫外光强沿半圆形区域的径向从圆心至边缘按函数递减的规律变化。本发明的半圆形区域具有灰阶分布，其半径大于长条形的宽度，透过掩模的紫外光强沿半圆形区域的径向按函数递减的规律进行调制。

作为本发明优选的技术方案，掩模的长条形区域完全不透光或者完全透光。

作为本发明一种特别优选的技术方案，当采用芯层正性胶制备光波导球形凹面结构时，当紫外光照射掩模时，在长条形区域，使芯层胶得到充分照射，显影后去除经紫外光照射的芯层胶，留下未被照射的芯层胶，形成光波导芯层；在半圆形区域，按照紫外光强的灰阶分布规律，部分区域的芯层胶只有上半部分得到充分照射，所获得的芯层胶厚度沿半圆形区域的径向由圆心至边缘按函数递增的规律变化，显影后仅留下未被充分照射的芯层胶下半部分，使掩模半圆形区域对应的芯层形成凹面；然后仅对获得的球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，再旋涂包层胶，完成在光波导上制备球形凹面反射镜的工艺流程。

作为本发明另一种特别优选的技术方案，当采用芯层负性胶制备光波导球形凹面结构时，当紫外光照射掩模时，在长条形区域，使芯层胶得到充分照射，显影后去除未经紫外光照射的芯层胶，留下被照射的芯层胶，形成光波导芯层；在半圆形区域，按照紫外光强的灰阶分布规律，部分区域的芯层胶只有上半部分得到充分照射，所获得的芯层胶厚度沿半圆形区域的径向按函数递减的规律变化，显影后仅留下被充分照射的芯层胶上半部分，使掩模半圆形区域对应的芯层形成凸面，凸面反向在芯层中也形成凹面；然后仅对获得的球形凸面镀金属膜或介质高反射膜，再旋涂包层胶，完成在光波导上制备球形凹面反射镜的工艺流程。

作为本发明优选的技术方案，掩模的半圆形区域的对应的光强灰阶函数控制流程如下：

在相同光刻时间下，根据所制备的球形凹面区域各点的刻蚀深度，确定各点光刻所需的紫外光强，从而确定掩模的圆形区域的光强灰阶分布函数，由于球形凹面具有圆对称性，其掩模的圆形区域的光强灰阶分布函数具有从圆心向径向边缘灰度值递减的分布规则。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.由于技术的限制，现有凹面镜的制备方法大多具有工艺复杂、精度不高、凹面粗糙度较大、难以移植到或很难兼容光波导的制备工艺流程等缺点，而本发明方法提出一种基于紫外灰阶光刻制备光波导球形凹面镜的方法，主要通过带有灰阶分布规律的半圆形的掩模图形、采用紫外光刻的方式获得球形凹面，此种方法不仅工艺简单、精度高、凹面粗糙度很小的优点，而且能够兼容光波导的制备工艺，可大工业批量生产；

2.本发明方法兼容紫外光刻法制备光波导的一般工艺流程，在紫外曝光阶段有机融合了凹面的制备工艺，而凹面的制备主要通过一种特殊设计的带有紫外灰阶的半圆形的掩模图形来实现，与成熟的紫外光刻法制备光波导工艺兼容性好，设备改造成本低，易于实现。

附图说明

图1为现有技术采用光刻法制备光波导的一般工艺流程结构示意图。

图2为本发明实施例一针对芯层正性胶所采用的带有灰阶分布的半圆形的掩模图形。

图3为本发明实施例一针对芯层正性胶所制备的球形凹面而确定灰阶分布函数关系的结构示意图。

图4为本发明实施例一针对芯层正性胶、采用光刻法制备球形凹面且兼容光波导制备的工艺流程结构示意图。

图5为本发明实施例一针对芯层负性胶所采用的带有灰阶分布的半圆形的掩模图形。

图6为本发明实施例一针对芯层负性胶、采用光刻法制备球形凹面且兼容光波导制备的工艺流程结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图2～图4，一种基于紫外灰阶光刻制备光波导球形凹面镜的方法，通过能生成掩模图形的光刻机，来实施紫外曝光方法制备光波导球形凹面镜，所述掩模图形带有灰阶分布的半圆形掩模部分，所述灰阶分布是指掩模图案中不同区域的灰度值呈阶梯分布，从而使得半圆形掩模的不同区域所透射的光强沿径向从圆心到边缘呈递减变化；光刻机按照所述掩模图形进行曝光，在灰阶分布的掩模半圆形区域，其光强具有沿径向按函数递减的规律变化，在紫外光刻法制备光波导的工艺流程中，使芯层胶半圆形区域经灰阶分布的光强照射，再经显影后，生成球形凹面；然后仅对获得的球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，然后旋涂包层胶，完成在光波导上制备球形凹面反射镜的工艺流程。

在本实施例中，所述掩模图形是由长条形8和紧接的半圆形9组成，掩模的长条形8区域完全不透光；掩模的长条形8区域无光强灰阶分布，透过掩模的紫外光强各区域相同；半圆形9区域具有光强灰阶分布，其半径大于长条形的宽度，透过掩模的紫外光强沿半圆形9区域的径向按函数递减的规律变化。

在本实施例中，参见图2～图4，当采用芯层正性胶制备光波导球形凹面结构时，当紫外光照射掩模时，在长条形8区域，使芯层胶得到充分照射，显影后去除经紫外光照射的芯层胶，留下未被照射的芯层胶，形成光波导芯层；在半圆形9区域，按照紫外光强的灰阶分布规律，部分区域的芯层胶只有上半部分得到充分照射，所获得的芯层胶厚度沿半圆形9区域的径向按函数递增的规律变化，显影后仅留下未被充分照射的芯层胶下半部分，使掩模半圆形9区域对应的芯层形成凹面；然后仅对获得的球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，再旋涂包层胶，完成在光波导上制备球形凹面反射镜的工艺流程。

在本实施例中，参见图2～图4，掩模的半圆形区域的对应的光强灰阶函数控制流程如下：

在本实施例中，在相同光刻时间下，根据所制备的球形凹面区域各点的刻蚀深度，确定各点光刻所需的紫外光强，从而确定掩模的圆形区域的光强灰阶分布函数，由于球形凹面具有圆对称性，其掩模的圆形区域的光强灰阶分布函数具有灰度值从圆心向径向边缘递减的规则。本实施例基于紫外灰阶制备光波导球形凹面镜的方法，仅对获得的球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。

在本实施例中，参见图2，光刻机生成的特殊设计的掩模图形由一无灰阶分布的长条形8和一紧接的、具有函数灰阶分布的半圆形9组成。长条形8区域完全不透光，半圆形9区域灰阶分布具有灰度值从圆心向径向边缘递减的分布，其透光性能具有从圆心向径向边缘递减的特点，掩模图形其他区域10完全透光。参见图3，灰阶分布函数可以由以下方法获得：拟在光波导上制备一个半径为r的1/4球形凹面11，半圆形区域各点具有圆对称性，因此只要确定径向线上各点的深度即可。以球形凹面径向线上o点、a点及b点为例，o点为圆心，需要刻蚀的深度分别为ho＝r、ha及hb，ho＝r，在刻蚀时间t下，所刻蚀o点的光强为io，即o点完全透光，可以达到刻蚀深度ho，灰度值为g0；同理，获得半圆形区域a及b点的灰度值分别为ga及gb；以此类推，获得半圆形区域各点的灰度值。参见图4的图4(a)～图4(d)，对于芯层正性胶来说，显影后去除芯层胶被照射的部分，长条形8区域芯层胶没有得到紫外光照射而留下，半圆形9区域得到灰阶分布的紫外光照射，显影后形成球形凹面。对凹面进行镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面镜12。旋涂上包层后，完成光波导球形凹面镜的制备工艺流程。

在本实施例中，参见图1，本实施例基于紫外灰阶制备光波导球形凹面镜的方法，目的是获得严格规则的球形凹面，相对现有凹面镜的制备方法，本发明方法具有工艺简单、精度高、获得的凹面粗糙度很小、兼容光波导的制备工艺、可批量生产等优势。如图1所示，现有技术紫外光刻法制备光波导的一般工艺流程主要包括：基底1清洗、旋涂下包层胶2、旋涂芯层胶3、采用掩模板5进行紫外曝光4、显影后形成波导芯层6、旋涂上包层胶7。而本实施例工艺方法兼容此光波导的制备工艺，在紫外曝光阶段有机融合了凹面的制备工艺，而凹面的制备主要通过一种带有灰阶的半圆形的掩模图形来实现的。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，当采用芯层负性胶制备光波导球形凹面结构时，当紫外光照射掩模时，在长条形区域，使芯层胶得到充分照射，显影后去除未经紫外光照射的芯层胶，留下被照射的芯层胶，形成光波导芯层；在半圆形区域，按照紫外光强的灰阶分布规律，部分区域的芯层胶只有上半部分得到充分照射，所获得的芯层胶厚度沿半圆形区域的径向按函数递减的规律变化，显影后仅留下被充分照射的芯层胶上半部分，使掩模半圆形区域对应的芯层形成凸面，凸面反向在芯层中也形成凹面；然后仅对获得的球形凸面镀金属膜或介质高反射膜，再旋涂包层胶，完成在光波导上制备球形凹面反射镜的工艺流程。

参见图5、图6，本实施例针对芯层负性胶来制备光波导球形凹面镜，其中参见图5，光刻机生成的特殊设计的掩模图形由一无灰阶分布的长条形13和一紧接的具有函数灰阶分布的半圆形14组成。长条形区域完全透光，半圆形区域灰阶分布具有灰度值从圆心向径向边缘递减的变化特点，其透光性能具有从圆心向径向边缘递减的特点，掩模图形其他区域15完全不透光。灰阶分布函数的获得与实施例一相同。参见图6(a)～图6(d)，对于芯层负性胶，紫外曝光且显影后形成球形凸面16。对凸面进行镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面镜12。旋涂上包层后，完成光波导球形凹面镜的制备工艺流程。

参见图5和图6，本实施例基于紫外灰阶制备光波导球形凹面镜的方法，针对芯层负性胶，当紫外光照射时，在无灰阶分布的长条形13区域，其芯层胶得到充分照射，经显影后，去除未经紫外光照射的芯层胶，留下被照射的芯层胶，形成光波导芯层；在具有函数灰阶分布的半圆形14区域，由于紫外光强的灰阶分布规律，某些区域的芯层胶只有上半部分得到充分照射，所得到紫外光照射的芯层胶厚度沿径向按函数递减的规律变化，显影后仅留下被照射的芯层胶上半部分，整体上半圆形区域形成凸面。本实施例基于紫外灰阶制备光波导球形凹面镜的方法，灰阶分布函数精确控制流程如下：在相同光刻时间下，根据所制备的球形凹面区域各点的刻蚀深度，确定各点光刻所需的紫外光强，从而确定圆形区域灰阶分布函数，由于球形凹面具有圆对称性，其灰阶分布函数具有灰度值从圆心向径向边缘递减的分布特点。本实施例基于紫外灰阶制备光波导球形凹面镜的方法，仅对获得的球形凸面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，对于当采用芯层正性胶制备光波导球形凹面结构时，掩模的所述长条形区域完全透光或者当采用芯层负性胶制备光波导球形凹面结构时，掩模的所述长条形区域完全不透光的情形，仍然能完成在光波导上制备球形凹面反射镜。

综上所述，本发明上述实施例基于紫外灰阶光刻制备光波导球形凹面镜的方法，其核心部件主要是由一种特殊设计的长条形及紧接的半圆形组成的掩模图形；长条形区域无灰阶分布，透过的紫外光强各区域相同，半圆形区域具有灰阶分布，透过的紫外光强由圆心沿径向按特定函数分布规律变化；对于长条形区域，芯层胶通过掩模板的紫外光照射，显影后形成光波导芯层，在半圆形区域，根据紫外光强灰阶分布规律，某些区域的芯层胶仅有上部分得到充分照射，经显影后，对于正性芯层胶来说，厚度由圆心沿径向呈递增分布规律变化，对于负性芯层胶来说，厚度由圆心沿径向呈递减分布规律变化，从而整体形成光波导球形凹面或凸面；对球形凹面或凸面进行镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面镜。本发明具有操作简单，可控性好，兼容光波导制备工艺流程的优点。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于紫外灰阶光刻制备光波导球形凹面镜的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。