光波导制造工艺的制作方法

光波导制造工艺
相关申请的交叉引用
1.本技术要求于2019年12月20日提交的名称为“光波导制造工艺”的美国实用专利申请16/723,679的优先权，其内容通过引用全文纳入本文。
技术领域
2.本公开列明的示例涉及制造工艺，包括用于制造光波导的工艺。更具体地说，本公开描述了用于强化和处理光波导基板的方法，但不限于此。


背景技术：

3.光波导是在光谱中引导电磁波的结构。光子器件利用光波导引导、耦合、切换、分割、复用和解复用光信号。光波导可使用各种方法制造。
附图说明
4.参考附图，根据以下具体实施方式很容易理解所公开的各种实施方式的特征。在说明书和附图的几个视图中，每个元件对应一个参考数字。当存在多个相似的元件时，可将单个参考数字分配给相似的元件，增加小写字母表示特定的元件。
5.除非另有说明，否则图中所示的各种元件并非按比例绘制。为清楚起见，各种元件的尺寸可放大或缩小。几个附图示出了一种或多种实施方式，其旨在提供示例，不具备限制性。附图包括：
6.图1是一个示例性基板的示意图。
7.图2a是图1中基板的剖视图。
8.图2b是示例性基板的剖视图，显示单元的第一排列。
9.图2c是分离后单个单元的剖视图。
10.图2d是层压到示例基板上的图2c中单个单元的剖视图。
11.图2e是按照各个示例进行处理后的单元的剖视图。
12.图3是一个流程图，它说明了与本公开一致的一个示例方法。
具体实施方式
13.参考实施例描述了各种实施方式和细节。这些示例包括通过提供具有定义排列的多个单元的基板并将基板的多个单元分离以生产单片化单元来制造波导模块的方法。用药剂处理单片化单元，对其进行强化，以生产经处理的单片化单元，将其层压到载体基板上处理，并从载体晶片上分层，并且随意进行进一步处理。
14.以下具体实施方式包括本次披露中示例的系统、方法、技术、指令序列和计算机程序产品。为提供对所披露主题及其相关教学内容的透彻理解，采纳了许多细节和示例。而相关领域的技术人员可了解如何在没有这些细节的情况下应用相关教学内容。因为可以各种方式应用或实践相关教学内容，所以所披露主题的各方面不限于所描述的具体设备、系统
和方法。本文中使用的术语和命名法仅旨在描述特定的方面，无限制性。一般来说，不一定会详细展示众所周知的指令实例、协议、结构和技术。
15.下文的说明书将部分阐述出示例的其他目的、优点和新特征。该等其他目的、优点和新特征对于查阅下文和附图后的本领域的技术人员而言显而易见，或可通过制作或操作示例来领会和掌握。本主题的目的和优点可以通过所附权利要求中特别指出的方法、手段和组合来实现和获得。
16.现详细参照附图中示出并在下文讨论的示例。
17.图1是基板10的顶部平面图，其显示了可以从基板10切割的单元14所需要的第一排列12。在一些示例中，合适的基板包括任何光学透明材料，其中包括非晶无定形材料，例如：玻璃、晶体(如蓝宝石)、多晶陶瓷(如尖晶石和氧化锆)塑料、聚合物、电介质、金属氧化物、金属氮化物材料等。
18.在基板材料为玻璃的一些示例中，其可包括氧化铝、bk7、硼硅酸盐、陶瓷、铜、熔融石英、砷化镓、磷化镓、锗、微晶玻璃、磷化铟、铌酸锂、其他、聚乙烯、派莱克斯耐高温玻璃、石英(熔融石英)、石英(单晶)、蓝宝石、硅、碳化硅、硅锗、绝缘体上的硅、蓝宝石上的硅或其组合。在一些示例中，基板的折射率范围为大约1.5至大约2.2。在一些方面，折射率范围为大约1.5至大约1.7。在一些示例中，折射率为大约1.5，大约1.6，大约1.7，大约1.8，大约1.9，大约2.0，大约2.1，或大约2.2。
19.基板的厚度可小于或等于大约3mm，例如，其范围为大约0.1mm至大约2.5mm、大约0.3mm至大约2mm、大约0.7mm至大约1.5mm或大约1mm至大约1.2mm，包括其中的所有范围和子范围。在一些示例中，基板包括有第一表面和第二反面的一个玻璃板。在一些示例中，表面可能平坦或基本平坦，例如，基本平坦和/或水平。在一些示例中，基板还可以围绕大约至少一个曲率半径弯曲，例如，凸面或凹面基板等三维基板。在各种示例中，第一和第二表面可能平行或基本平行。基板还可以再包括至少一个边缘，例如，至少两个边缘、至少三个边缘或至少四个边缘。虽然设想了其他形状和配置，并且打算归入本发明的范围，但通过非限制性示例，基板可以包括具有四个边缘的矩形或方形板。
20.图2a-2e在示意图和剖视图中描绘了一种可用于制造波导模块的工艺，其显示了该工艺中涉及的各种组件，例如基板、单片化单元、层压到载体基板以进行处理的经处理的单片化单元和分层处理单元，以及它们之间的关系。图3是一个流程图，其说明了制造波导模块的示例方法300。
21.参见图2a，基板10具有第一表面16和第二表面18，以及在它们之间延伸的厚度，通过该厚度，基板10可以沿着图1中的预定边界14(统称为第一排列12)和图2b中的剖面进行分离，进而产生图2c中的单片化单元20。
22.在图3的操作302处，基板切割是将单元从基板(或晶片)分离成一个或多个单元的过程。用于切割基板的各种方法包括，例如，机械锯切、蚀刻、激光切割、隐形激光切割、等离子等。可减少或最小化所需间距区域，同时可避免或减少基板损坏的技术或许适宜。一些分离方法可能会对基板，特别是薄基板，造成损坏，以及侧壁剥落等其它损坏。
23.在切割过程中，基板通常安装在切割带上，该切割带具有一个粘合衬背，将晶片固定在薄金属板框架上。切割带具有不同的特性，具体视切割用途而定。uv固化膜用于较小尺寸，非uv固化膜用于较大的单片化单元尺寸。每个单片化单元的大小可以在0.1到35平方毫
米之间，且所形成的单元可以是由直线形成的任何形状，并且通常是矩形或方形，它们可以是其他形状，具体视使用的切割方法而定。全切激光器具有以各种形状进行切割和分离的能力。在先切割后减薄(dbg)切割工艺中，可在预备步骤中处理基板，以便从正面去除切口区域(锯切、蚀刻等)中的材料，例如，至少达到规定芯片厚度的深度。随后，可通过研磨工艺从背面切割此类基板。
24.在图3的操作304处，单片化单元使用一种药剂进行强化(见图2c)，以提供经处理的单元。如本文所用，术语“经处理的单元”指已经强化的单片化单元。相反，本文所用的“未经处理的单元”是指未暴露于强化剂的单片化单元。单片化单元可以通过各种方法进行处理。在一些示例中，单片化单元可以进行化学处理。化学处理的一个示例包括使用较大离子与基板表面较小离子进行离子交换的方法。在一种化学强化单片化单元的方法中，单元可以在高温(例如约300℃)下浸入含有钾盐(例如硝酸钾)的槽中。基板可通过浸泡在约425℃至约475℃之间的硝酸钠槽中进行预处理，以在将基板浸入钾盐槽中之前使表面有丰富的钠离子，从而提供更多的钠离子，以供钾离子随后置换。如果钠以外的其他离子是置换的目标离子，可以使用其他置换离子。在其他方面，可在化学处理过程之前和/或期间使用电场、超声处理或微波辅助离子交换应用。
25.在一些示例中，化学强化的单片化单元，即经处理的单元，能够耐受至少约750mpa、至少约775mpa、至少约800mpa、至少约825mpa、至少约850mpa、至少约875mpa和/或至少约880mpa的压应力。
26.压应力层深度(dol)是针对化学强化玻璃的玻璃抗压强度的测量结果，并可测量引入压应力的玻璃表面的深度。其定义为从物理表面到玻璃内部零应力点的距离。根据一些示例，经处理的单元的压应力层深度大于50μm。根据一些其他示例，经处理的单元的压应力层深度范围为大约50μm至大约150μm、大约50μm至大约75μm、大约75μm至大约100μm、大约100μm至大约125μm以及大约125μm至大约150μm。在一些方面，经处理的单元的压应力层深度大于大约75μm、大约80μm、大约85μm、大约90μm、大约95μm、大约100μm、大约105μm、大约110μm、大约115μm、大约120μm、大约125μm、大约130μm、大约135μm、大约140μm、大约145μm和大约150μm。
27.在其他示例中，可以使用其他强化方法，例如热强化、热回火，或利用基板各部分之间的热膨胀系数不匹配来产生压应力和中心拉伸区域，形成强化基板。
28.在评估经处理的单元的强化水平时，主要的测量方法为冲击试验、断裂模量(mor)、努氏硬度值(khn)和杨氏模量(e)。断裂模量可测量经处理的单片化单元的弯曲强度，并通过根据astm-c-58进行的特定试验测定，试验中的基板材料为玻璃。
29.在一些示例中，一个或多个经处理的单元或一批单元的测量值(例如，冲击试验、断裂模量、努氏硬度值、杨氏模量和/或压应力层深度)存在平均差异，与相同数量的未经处理的单元相比，其强度至少大0.3％。在一个方面，样品包括至少一批。在另一方面，样品包括五个或更多批次在一些方面，一批包含至少10个经处理的单元。根据一些示例，经处理的单元的断裂模量大于900mpa。
30.根据一些示例，经处理的单元具有杨氏模量e(kn/mm2)，其范围为约60至大约90、大约60至大约70、大约70至大约80以及大约80至大约90。在其他方面，经处理的单元的杨氏模量e的范围为大约60至大约65、约65至大约70、大约70至大约75、大约75至大约80以及大
约85至大约90。
31.根据一些示例，khn(hk＝0.1/20)至少为400，范围为大约400至大约550、大约400至约425、大约425至大约450、大约450至大约475、大约475至大约500以及大约500至大约525。在一些方面，努氏硬度值从大约1％增加到大约20％，从大约1％增加到大约5％，从1％增加到大约10％，从大约1％增加到大约15％。在一些方面，努氏硬度值为大约1％，大约2％，大约3％，大约4％，大约5％，大约6％，大约7％，大约8％，大约9％，大约10％，大约11％，大约12％，大约13％，大约14％，大约15％，大约16％，大约17％，大约18％，大约19％，或大约20％。
32.在图3的步骤306中，如图2d所示，通过基本对应于第一排列12的层压层24，将一个或多个经处理的单元临时且可释放地层压到载体基板22表面上的预定位置，以提供一个或多个叠层单元。特别是，层压层24粘贴到载体基板22的顶面26和经处理的单元的底面28。层压层具有第一表面30和第二表面32。
33.层压材料可以通过适当的方式进行应用，包括旋涂、溶液浇铸、喷墨和喷涂。在一个示例中，层压层的涂覆厚度为大约5μm至大约100μm、大约5μm至大约50μm和大约10μm至大约30μm。
34.层压层24通常由包含分散或溶解在溶剂系统中的单体、低聚物和/或聚合物的材料形成。如果将通过旋涂涂覆填充层，则该材料的固体含量首选为大约1％重量百分比至约50％重量百分比，优选的大约5％重量百分比至大约40％重量百分比，更优选的大约10％至约30％重量百分比。合适的单体、低聚物和/或聚合物的示例包括环烯烃聚合物和共聚物以及具有高原子氟含量(大于约30％重量百分比)的无定形氟聚合物，例如氟化硅氧烷聚合物、氟化乙丙共聚物、具有全氟烷氧基的聚合物，以及四氟乙烯和2,2-双三氟甲基-4,5-二氟-1,3-二恶英的共聚物。应注意的是，这些材料的粘结强度将取决于其特定的化学结构以及用于涂覆它们的涂层和烘烤条件。
35.在另一示例中，层压层24还可以由包含分散纳米颗粒的聚合物材料形成。合适的纳米颗粒材料包括从氧化铝、氧化铈、二氧化硅、氧化锆、石墨及其混合物构成的类别中选择的材料。
36.层压材料应在约150℃至约350℃的温度下保持稳定。此外，该材料应在其将受到的特定背面处理中遇到的化学暴露条件下保持稳定。在这些条件下，层压层不应分解(即重量损失小于约1％)，或以其他方式失去其机械完整性，例如通过熔化。
37.在此示例中，层压层24优选地不形成强粘合(即，粘合强度低)以便随后可从载体基板22取下。因此，附着力强度小于约50psig、优选的小于约35psig、更优选的约1psig至约30psig的材料都适合用作层压层。如本文所用，粘合强度根据astm d4541/d7234确定。
38.层压层24可包括树脂，例如合成树脂，例如烯烃共聚物(例如甲基戊烯共聚物)、环烯烃共聚物(例如降冰片烯共聚物、双环戊二烯共聚物、四环十二烯共聚物)、酚醛树脂、酚醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、脲树脂、不饱和聚酯树脂、醇酸树脂、聚氨酯树脂、溶剂溶性聚酰亚胺树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚醋酸乙烯酯树脂、ptfe树脂、pfa树脂、fep树脂、乙烯tfe共聚物树脂、pvdf树脂、pctfe树脂、乙烯ctfe树脂、tfe全氟二甲基二氧唑共聚物树脂、pvf树脂、abs树脂、as树脂、丙烯酸树脂、纤维素树脂、聚酰胺、聚缩醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、环状聚烯烃、聚苯
硫醚、聚砜、聚醚砜树脂、聚苯并咪唑树脂、聚芳醚树脂和聚醚酮树脂；以及天然橡胶等天然树脂。其中，ptfe树脂、pfa树脂、fep树脂、乙烯tfe共聚物树脂、pvdf树脂、pctfe树脂、乙烯ctfe树脂、tfe-全氟二甲基二恶英共聚物树脂、pvf树脂、聚醚砜树脂、溶剂溶性聚酰亚胺树脂、聚酯树脂、聚苯并咪唑树脂、聚苯醚树脂和聚醚酮树脂为首选，pfa树脂，tfe-全氟二甲基二恶英共聚物树脂、pvf树脂、聚醚砜树脂、溶剂溶性聚酰亚胺树脂、聚酯树脂、聚苯并咪唑树脂、聚苯醚树脂和聚醚酮树脂优选，尤其是聚醚砜树脂、溶剂溶性聚酰亚胺树脂、聚酯树脂、聚苯并咪唑树脂、聚苯醚树脂，聚醚酮树脂优选。
39.根据各种示例，载体基板22以及本文所述的任何其他载体可以用任何合适的材料制成，并且可以配置为刚性载体。例如，载体基板22可以由包括硅(例如，空白器件晶片)、玻璃、石墨、丙烯酸玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯；pmma)、陶瓷、各种金属和塑料在内的材料制成。载体基板可以是方形或矩形，但更常见的是圆形，并且其尺寸与波导模块匹配，并且至少能够接收与第一排列12相对应的排列中的单片化单元。
40.在图3的操作308中，叠层单元可进行额外处理，例如在一个或多个叠层单元上沉积第二层34(例如，波导层)，如图2e所示。波导层也用光学透明材料制成。例如，可以利用旋装玻璃材料或溶胶凝胶材料来制造波导层，并且可以选择具有第二折射率的材料。在一个示例中，可选择用于波导层的材料，使第二折射率与基板材料的第一折射率基本匹配。通过使用与空气折射率(1.0)相比折射率介于大约1.5和大约2.2之间的材料，可实现全内反射或至少较高的内反射，以促进光传播。在一些示例中，波导层的第二折射率为至少大约1.5，大约1.5至大约2.2，以及大约1.5至大约1.7。根据一些示例，第二折射率为大约1.5、大约1.6、大约1.7、大约1.8、大约1.9、大约2.0、大约2.1或大约2.2。通过匹配用于制造基板和波导层的材料的折射率，可以实现穿过基板和波导层的光传播，且基板和波导层之间的界面处不会出现大量的光折射。
41.在沉积第二层之后，可以通过诸如纳米压印光刻、化学蚀刻、激光蚀刻、光刻和电子束光刻等各种工艺，形成第二层34(例如，波导层)的图案。如果是纳米压印光刻，纳米压印光刻工艺利用一种图章，以所需形貌压印旋涂玻璃或溶胶，然后固化用于制造第二层的材料。
42.再次参见图2d，处理包括：涂覆叠层单元暴露的第一表面30或第二(例如，波导)层34的暴露表面，如适用，以提供包含所需材料的涂层，例如具有高折射率的材料。通常，如本文所用，“高折射率”是大约2.2以上的折射率。第二层的折射率范围为大约2.0至大约3.0。在一些示例中，第二层的折射率大约为2.5。选择金属氧化物材料作为高折射率材料。金属氧化物的一个示例包括tio2材料。在一些示例中，高折射率材料通过物理气相沉积工艺定向沉积在波导层的暴露表面上。
43.在图3的操作310处，在分层步骤中移除了层压层24，以提供经处理(即，分层)的单元。这可以通过可移除所需的数量且不损坏载体基板或处理单元的任何方式来实现，包括使用一种溶剂来溶解层压层24，该溶剂已知是形成层压层的材料的良好溶剂。此类溶剂的示例包括各种脂肪族溶剂、己烷、庚烷、乙酸乙酯、丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、1,4-二氧六环、四氢呋喃、1-甲氧基-2-丙醇、2-乙酰氧基-1-甲氧基丙烷、乙腈、甲基乙基酮、环己酮、甲苯、二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、n-甲基-2-吡咯烷酮、n-乙基-2-吡咯烷酮、氯仿、二氯甲烷、苯甲醚、二甲苯和氟碳化合物溶剂。
44.如果已形成封边，可使用激光烧蚀、等离子蚀刻、水喷射或其他可有效蚀刻或分解封边的高能技术，通过首先机械中断或破坏封边的连续性来分离经处理的单元。它也适用于首先锯切或切断封边，或通过一些等效方法切割封边。无论使用上述哪种方法，低机械力(例如手指压力、轻轻楔入)足以将经处理的单片化单元与载体基板分开。
45.在图3的操作312处，在分层之后，经处理的单元可以进行二次处理。例如，单元可以粘合。可以使用各种粘合技术，例如直接粘合、阳极粘合和粘合剂粘合等。在某些应用中，首选直接粘合。在直接键合中，两个表面之间的粘着力是由于两个表面的分子之间建立了化学键而产生的。通常，在室温下(由范德瓦尔斯力介导)粘着力较弱，通过高温热退火将弱键转化为共价键，可达到最大粘合强度。
46.在一些示例中，单元采用粘合剂粘合。su-8适合。它是一种以环氧树脂、γ-丁内酯和三芳基磺酸盐为基料的三组分紫外光敏负性光刻胶粘合剂。
47.在一些示例中，当单元包含高含量的碱性氧化物时，可以使用阳极键合连接单元。当两片晶片接触后受热并施加电场时，就会发生键合。在一定温度下，根据玻璃成分，氧化物离解，碱离子被电场驱动进入玻璃，在硅-玻璃界面形成富氧层。
48.根据各种示例，采用文所述方法生产的经处理的单元用于眼戴设备电子装置中。
49.除上述内容外，所述和所示内容无意也不应被解释成导致任何部件、步骤、功能、目标、益处、优点或等同物专属于公众，无论其是否记载在权利要求中。
50.应了解的是，除非本文另行规定具体含义，否则本文使用的术语和表达具有相对于该等术语和表达各自的相应调查研究领域所赋予该等术语和表达的一般含义。诸如“第一”和“第二”等关系术语可仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区别开，而不必要求或暗示该等实体或动作之间存在任何实际的该等关系或顺序。术语“包括”、“包含”、“含有”、“包括在内”或其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括或包含一系列要素或步骤的过程、方法、物品或装置，不仅包括这些要素或步骤，还可以包括未明确列出的或该等过程、方法、物品或装置固有的其他要素或步骤。在没有进一步限制的情况下，前面带有“一个”的要素并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或装置中存在其他相同要素。
51.除非另有说明，否则本说明书(包括随后的权利要求书)中所述的任何和所有测量值、数值、额定值、位置、量级、尺寸等规格均为近似值，而非精确值。此类数量意在具有与其涉及的功能相符并且与其所属的本领域中的惯例相符的合理范围。例如，除非另有明确说明，否则参数值等可能与规定量相差
±
10％。
52.范围在本文可以表示为从“大约”一个特殊值，和/或到“大约”另一个特殊值。当表示这种范围时，示例包括从一个特殊值到另一个特殊值。同样，当值表示为近似值时，通过使用先行词“大约”，可以理解为特殊值形成了另一个方面。将进一步理解为，每个范围的端点相对于另一端点而言是重要的，并且独立于另一端点。
53.本文使用的术语“基本的”、“基本”及其变体旨在说明所描述的特征等于或近似等于一个值或一个描述。例如，“基本平坦”的曲面旨在表示平坦或近似平坦的曲面。此外，如上所述，“基本相似”旨在表示两个值相等或近似相等。在一些示例中，“基本相似”可表示在相互大约10％的范围内的值，例如在相互大约5％的范围内，或在相互大约2％的范围内。
54.本文中使用了“示例性”一词来表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例
性”的任何示例或设计不一定被解释为优于其他示例或设计。
55.术语“至少一个”和“一个或多个”可以理解为包括大于或等于一的任何整数，即一、二、三、四等。
56.术语“复数”可以理解为包括大于或等于二的任何整数，即二、三、四、五等。
[0057]“在”一词在本文中用于描述形成一个特征，例如：层。“在”侧面或表面可用于表示该特征，例如层可“直接在”，例如直接接触所暗示的侧面或表面上形成。“在”一词在本文中用于描述形成一个特征，例如层。“在”侧面或表面可用于表示该特征，例如层可“间接在”所暗指的侧面或表面上形成，且一个或多个附加层排列在暗指的侧面或表面与形成的层之间。
[0058]
术语“连接”可包括间接“连接”和直接“连接”。
[0059]
此外，在前述具体实施方式中，可以看出，各种特征在各种示例中被安排在一起，以精简本公开。这种公开方法不应被解释为反映如下意图，即要求保护的示例要求具有比每项权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，正如以下权利要求书所反映的，要保护的主题不在于任何单个公开示例的全部特征。因此，特此将以下权利要求书并入具体实施方式，每项权利要求作为单独要求保护的主题独立存在。
[0060]
尽管前述内容描述了被认为是最佳的方式和其他示例，但可以理解的是，在该等方式和示例中可以进行各种修改，本文公开的主题可以以各种形式和示例实现，并且该等方式和示例可以应用于多种应用，本文仅描述了其中一些应用。以下权利要求旨在要求保护属于本概念真正范围内的任何以及所有修改和变化。