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    • 专利摘要:
    本發明揭露一種光學波長分光裝置，主要由一第一基板、一輸入單元、一光柵以及一第二基板所組成。該輸入單元形成於該第一基板上，並具有一狹縫以接收一光學訊號；該光柵形成於該第一基板上，可根據該光學訊號產生一輸出之第一光束。其中，該輸入單元以及該光柵係利用高能量光源對一光阻層進行曝光所形成。
    公开号:TW201321903A
    申请号:TW101131710
    申请日:2012-08-31
    公开日:2013-06-01
    发明作者:Cheng-Hao Ko
    申请人:Photon Chip Inc；
    IPC主号:G01J3-00
    专利说明:
    光學波長分光裝置及其製造方法
    本發明係關於一種波長分光裝置，尤指一種可縮小體積與降低成本的光學系統晶片(Optical System-on-Chip,SoC)之光波長分光裝置及其製造方法。
    按，光通訊乃一種利用光作為傳輸媒介的任何通信，而光通訊系統包含有一用以將訊息編碼成光訊號的發射器、一用來傳輸訊號的通道以及用來將接受到的光訊號再生成原訊息的接收器。該接收器包含一用以接收該光學訊號的輸入狹縫以及一使不同方向之該光學訊號分光繞射(Diffraction)後輸出的光柵(Diffraction Grating)。在其他的光學應用之中，如光譜儀或分光光度分析儀等等，光柵在這些應用中都扮演著相當重要的角色。
    由於矽的微加工具有各式各樣的衍生性，故最適合被當作先進技術來製造微電子機械學系統(MEMS)的裝置。然，很多微系統的應用中，都會有有關材料、空間幾何架構、寬深比、尺寸、形狀、微結構精確度等等問題，無法透過主流矽微加工科技來滿足應用上的需求。LIGA(Lithography,Electroplating,and Molding)，乃一種結合微影、電鍍以及製模的微製造程序，可令微結構於製造時具有高精確度，並令微結構的高度可達到數百甚至數千微米的厚度。由於光柵結構具有小間距的原因，故LIGA(Lithography,Electroplating,and Molding)的脫模過程良率是不足以滿足製造垂直光柵的要求。
    美國專利US7034935號揭示一種具有偵測陣列的高性能微小光譜儀，可光學耦合一厚光波導結構，於厚光波導結構之輸出面外部則有一聚焦平面。該偵測陣列係安裝於該厚光波導結構上，並與該聚焦平面間有著固定的距離。由於光譜儀是由很多元件所組合而成，因此很明顯的，美國專利US7034935號中的光譜儀會因為體積的關係而難以堪稱實用。
    美國專利US7485869號揭示一種用於真空紫外光範圍的光譜工具。由於該光譜工具是由很多元件所組合而成，因此很明顯的，美國專利US7485869號中的光譜工具會因為體積的關係而難以堪稱實用。
    美國專利US2010053611號揭示一種具有高密度溝槽的繞射光柵結構，包含一具有連續不斷凹陷特徵的梯形基板，以及配置於該基板上的多層堆疊材料。該繞射光柵雖然是透過半導體製程來成形，但其並非屬於光學系統晶片(Optical System-on-Chip,SoC)的結構。
    因此，能提供一種體積相對較小的光學系統單晶片之光處理裝置，為一刻不容緩的議題。
    本發明之一目的在於提供一種光學波長分光裝置，以達到縮小體積以及降低製造成本之功效。
    本發明之另一目的在於提供一種光學波長分光裝置，以利用高能量光源(High Energy Light Source)曝光光刻技術(Lithography)來達到SoC(系統單晶片)之製造功效。
    為達上述目的，本發明之實現技術如下：一種光學波長分光裝置，包含：一第一基板；一輸入單元，係形成於該第一基板上，並具有一狹縫，以接收一光學訊號；一光柵，係形成於該第一基板上，可根據該光學訊號產生輸出之一第一光束；以及一第二基板，係覆蓋於該輸入單元與該光柵上；其中，該輸入單元以及該光柵係利用一高能量光源對一光阻層進行曝光所形成，且該高能量光源的波長範圍介於係0.01奈米(nm)至100奈米之間。
    於上述的光學波長分光裝置中，其中，該高能量光源係為X光、軟X光(Soft X-ray)或超紫外光(Extreme Ultra Violate,EUV)中之任一者。
    於上述的光學波長分光裝置中，其中，該狹縫的寬度介於5微米(μm)至500微米之間。
    於上述的光學波長分光裝置中，其中，該光柵具有凹面、凸面或平面的整體輪廓(Profile)，且其光柵間距(Grating Pitch)表面形狀呈現高低二階式形態(Laminar Type)、鋸齒形態(Sawtooth Type)、閃耀角形態(Blaze Type)、正弦曲線形態(Sinusoidal Type)或上述之形態組合。
    於上述的光學波長分光裝置中，其中，該第一基板與該第二基板係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。
    於上述的光學波長分光裝置中，更包含一光學反射單元，係形成於該第一基板上，用以反射來自於該光柵的該第一光束。
    於上述的光學波長分光裝置中，其中，該光學反射單元利用該高能量光源對該光阻層進行曝光所形成。
    本發明之另一實施例，即在提供一種光學波長分光裝置之製造方法，該方法包含下列步驟：(a)提供一第一基板；(b)於該第一基板上形成一光阻層；(c)利用一高能量光源透過一高能量光源光罩對該光阻層進行曝光，且該高能量光源之波長範圍介於係0.01奈米至100奈米之間；(d)對該光阻層顯影(Development)，以形成一具有一狹縫之輸入單元與一光柵；(e)於該第一基板、該輸入單元與該光柵表面鍍上一反射層；以及(f)將一第二基板覆蓋於該輸入單元與該光柵上。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，其中，該高能量光源係為X光、軟X光或超紫外光中之任一者。
    於上述的光學波長分光裝置中，其中，該狹縫的寬度介於5微米至500微米之間。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，其中，該光柵具有凹面、凸面或平面的整體輪廓，且其光柵間距(Grating Pitch)表面形狀呈現高低二階式形態(Laminar Type)、鋸齒形態(Sawtooth Type)、閃耀角形態(Blaze Type)、正弦曲線形態(Sinusoidal Type)或上述之形態組合。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，其中，該第一基板與該第二基板係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，其中，該光阻層的厚度介於10微米至1000微米之間。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，其中，該高能量光源光罩包含一第三基板、一形成於該第三基板上之金屬層、形成於該金屬層上方之金屬光罩圖樣(Mask Pattern)層，以及一形成於該第三基板底面之矽(Silicon)層。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，其中，該高能量光源光罩之該第三基板材質為氮化矽(Si3N4)或碳化矽(SiC)，且該第三基板之厚度介於1微米至5微米之間。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，其中，該金屬層係為一厚度介於10奈米至200奈米之間的鈦(Titanium)層，且該金屬光罩圖樣層為一厚度介於1微米至10微米之間的金(Gold)光罩圖樣(Pattern)層。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，在步驟(c)之後，更包含將該高能量光源光罩與該第一基板旋轉一傾斜角度，以透過二次曝光來形成一光學反射單元的步驟。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，在步驟(c)之後，更包含透過一相對於該第一基板具有一傾斜角度之光罩體進行第二次曝光來形成一光學反射單元的步驟。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，更包含於100℃至200℃的溫度下，對該輸入單元、該光柵以及該光學反射單元進行硬烤(Hard Baking)的步驟。
    於上述的光學波長分光裝置之製造方法中，更包含於該第一基板、該輸入單元、該光柵以及該光學反射單元表面鍍上一高反射率鍍層的步驟。
    為使本發明之光學波長分光裝置及其製造方法與上述其他目的、特徵及功效能更明顯易懂，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明詳細說明如下。
    對光學通訊裝置來說，一些基本的元件，如光柵等，是可以透過半導體製程來製造出來，但某些則無法。因此，如何能將光學通訊裝置的所有元件都利用半導體製程而製造出來，實為一有意義的議題。
    第1(a)圖為本發明光學波長分光裝置之示意圖，如圖所示：本發明之光學波長分光裝置10主要由一第一基板11、一具有一狹縫121之輸入單元12、一光柵13、一輸出單元(圖未示)以及一第二基板(圖未示)所組成。該輸入單元12形成於該第一基板11上，並可經由該狹縫121接收一光學訊號，且該狹縫121的寬度介於5微米至500微米之間。該光柵13形成於該第一基板11上，可根據該光學訊號產生輸出之一第一光束(波長分光且聚焦之光束)，並將其射入該輸出單元(圖未示)。該光柵具有凹面、凸面或平面的整體輪廓，且其光柵間距(Grating Pitch)表面形狀呈現高低二階式形態(Laminar Type)、鋸齒形態(Sawtooth Type)、閃耀角形態(Blaze Type)、正弦曲線形態(Sinusoidal Type)或上述之形態組合。一般來說，不同波長的光學訊號會由不同的方向聚焦於該輸出單元的不同位置。該光柵13係用來達到波長分光、聚焦於輸出單元、以及增加特定繞射階數(Diffraction Order)的繞射效率(Diffraction Efficiency)等多重目的，最適當的光學訊號波長大約介於200奈米至2000奈米之間。該輸出單元(圖未示)係用以輸出來自該光柵13的該第一光束(波長分光且聚焦之光束)。外部感測器(圖未示)則接收來自於該輸出單元的該第一光束，以進行後續處理。該第二基板(圖未示)係覆蓋於該輸入單元12以及該光柵13上，因此，該第一基板11與該第二基板(圖未示)之間的空間即可視為一光學波導，用以接收與傳送光學訊號。
    此外，該輸入單元12與該光柵13係經由一高能量光源對一光阻層曝光而形成的。該高能量光源係為X光、軟X光或超紫外光中之任一者。X光的波長為0.01奈米至1奈米；軟X光的波長為0.1奈米至10奈米；超紫外光的波長則為10奈米至120奈米。該第一基板11與該第二基板(圖未示)係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。再者，於光通訊(Optical Communications)中，會因為光學元件表面粗糙度的關係，造成串音(Crosstalk)，影響訊號品質。為解決光學元件表面粗糙度造成的串音問題，故利用該高能量光源的短波長特性，以製造高品質平整度的光學表面。該高能量光源的波長介於0.1奈米至1奈米會比1奈米至100奈米來的恰當。
    第1(b)圖亦為本發明光學波長分光裝置之示意圖，如圖所示：該光學波長分光裝置10更包含有一形成於該第一基板11上之光學反射單元14，用以反射來自該光柵13的該第一光束。如此一來，外部感測器(圖未示)就能根據使用者的需求而放置於該光學波長分光裝置10的任何方向與位置(尤指上方或下方)，且該光學反射單元14亦經由該高能量光源對該光阻層曝光而形成的。
    第2(a)圖與第2(b)圖分別為本發明光柵13之俯視圖與側面剖視圖，如圖所示：於經過高能量光源曝光之後，光柵13表面相鄰的光柵線距(Grating Pitch)大約為3微米，且其表面粗糙度大約為5奈米至10奈米。因此，該光柵13即可適用於光通訊領域之應用。
    第3圖至第9圖為本發明光學波長分光裝置之製造過程示意圖，如圖所示：為製造光學波長分光裝置，首先，會提供一第一基板11，並於該第一基板11上形成一厚度為10微米至1000微米的光阻層111。該光學波長分光裝置中的所有元件都將透過該光阻層111才形成。該光阻層111的材質為SU-8或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。隨後，該光阻層111就會被一高能量光源30(如X光、軟X光或超紫外光等)透過一高能量光源光罩20進行曝光。該高能量光源光罩20包含一第三基板201，其材質為氮化矽(Si3N4)或碳化矽(SiC)，且其厚度介於1微米至5微米之間。該高能量光源光罩20更包含一形成於該第三基板201上且厚度介於10奈米至200奈米之鈦(Titanium)層204(金屬層)、一形成於該鈦層204上之金(Gold)光罩圖樣層203(金屬圖樣)以及一形成於該第三基板201底面之矽層202。部份的高能量光源30將被厚度介於1微米至10微米的金光罩圖樣層203遮蔽，且該高能量光源光罩20之該金光罩圖樣層203之圖樣會藉由該高能量光源的曝光，轉移到該光阻層111上。
    舉例來說，經過該高能量光源曝光之後，光阻層111上經過該高能量光源曝光的區域就會進行顯影。經過顯影之後，光阻層111上經過曝光的區域就會形成具有狹縫121的輸入單元12(示於第1(a)圖及第1(b)圖)以及光柵13。甚者，在顯影之前，可將該高能量光源光罩20與該第一基板11一同旋轉一傾斜角度(例如45度)，透過第二次曝光來形成光學反射單元14；亦或是透過一相對於該第一基板具有一傾斜角度之光罩體(圖未示)進行第二次曝光來形成該光學反射單元。此外，為增加輸入單元12、該光柵13以及該光學反射單元14的結構強度，可於100℃至200℃的溫度下，對該輸入單元12、該光柵13以及該光學反射單元14進行硬烤。
    由於該輸入單元12、該光柵13以及該光反射單元14均為利用高能量光源於該光阻層111曝光形成，也就是形成於該第一基板11上，故可達到製作出光學系統晶片(Optical SoC)的目的。
    為加強該第一基板11、該輸入單元12、該光柵13以及該光學反射單元14的反射率，故可增加於該第一基板11、該輸入單元12、該光柵13以及該光學反射單元14表面鍍上一高反射率鍍層(金或鋁)112的步驟。最後，再將一表面鍍有該高反射率鍍層(金或鋁)112的第二基板15覆蓋於該輸入單元12與該光柵13上。因此，於第9圖中，該第一基板11與該第二基板15之間的空間就可視為一光學波導，用以於該輸入單元12與感測器(圖未示)之間接收/傳送光學訊號。
    另，複數個第一連接單元(圖未示)係形成為該第一基板11上，以做為與該第二基板15結合的結構。透過複數個第一連接單元(圖未示)的結合，該光學波長分光裝置的結構穩固性會因此而增強。
    在詳細說明上述本發明的各項較佳實施例之後，熟悉該項技術人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下可進行各種變化與改變，亦不受限於說明書之實施例的實施方式。
    10‧‧‧光學波長分光裝置
    11‧‧‧第一基板
    12‧‧‧輸入單元
    121‧‧‧狹縫
    13‧‧‧光柵
    14‧‧‧光學反射單元
    15‧‧‧第二基板
    20‧‧‧高能量光源光罩
    201‧‧‧第三基板
    202‧‧‧矽層
    203‧‧‧金光罩圖樣層
    204‧‧‧金屬層
    30‧‧‧高能量光源
    第1(a)圖與第1(b)圖為本發明光學波長分光裝置之示意圖。
    第2(a)圖與第2(b)圖分別為本發明光柵之俯視圖與側面剖視圖。
    第3圖至第9圖為本發明光學波長分光裝置之製造過程示意圖。
    10‧‧‧光學波長分光裝置
    11‧‧‧第一基板
    12‧‧‧輸入單元
    121‧‧‧狹縫
    13‧‧‧光柵
    权利要求:
    Claims (20)
    [1] 一種光學波長分光裝置，包含：一第一基板；一輸入單元，係形成於該第一基板上，並具有一狹縫，以接收一光學訊號；一光柵，係形成於該第一基板上，可根據該光學訊號產生輸出之一第一光束；以及一第二基板，係覆蓋於該輸入單元與該光柵上；其中，該輸入單元以及該光柵係利用一高能量光源對一光阻層進行曝光所形成，且該高能量光源的波長範圍介於係0.01奈米至100奈米之間。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之光學波長分光裝置，其中，該高能量光源係為X光、軟X光或超紫外光中之任一者。
    [3] 如申請專利範圍第1項所述之光學波長分光裝置，其中，該狹縫的寬度介於5微米至500微米之間。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之光學波長分光裝置，其中，該光柵具有凹面、凸面或平面的整體輪廓，且其光柵間距(Grating Pitch)表面形狀呈現高低二階式形態(Laminar Type)、鋸齒形態(Sawtooth Type)、閃耀角形態(Blaze Type)、正弦曲線形態(Sinusoidal Type)或上述之形態組合。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之光學波長分光裝置，其中，該第一基板與該第二基板係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之光學波長分光裝置，更包含一光學反射單元，係形成於該第一基板上，用以反射來自於該光柵的該第一光束。
    [7] 如申請專利範圍第7項所述之光學波長分光裝置，其中，該光學反射單元利用該高能量光源對該光阻層進行曝光所形成。
    [8] 一種光學波長分光裝置之製造方法，該方法包含下列步驟：(a)提供一第一基板；(b)於該第一基板上形成一光阻層；(c)利用一高能量光源透過一高能量光源光罩對該光阻層進行曝光，且該高能量光源之波長範圍介於係0.01奈米至100奈米之間；(d)對該光阻層顯影，以形成一具有一狹縫之輸入單元與一光柵；(e)於該第一基板、該輸入單元與該光柵表面鍍上一反射層；以及(f)將一第二基板覆蓋於該輸入單元與該光柵上。
    [9] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該高能量光源係為X光、軟X光或超紫外光中之任一者。
    [10] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該狹縫的寬度介於5微米至500微米之間。
    [11] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該光柵具有凹面、凸面或平面的整體輪廓，且其光柵間距(Grating Pitch)表面形狀呈現高低二階式形態(Laminar Type)、鋸齒形態(Sawtooth Type)、閃耀角形態(Blaze Type)、正弦曲線形態(Sinusoidal Type)或上述之形態組合。
    [12] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該第一基板與該第二基板係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。
    [13] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該光阻層的厚度介於10微米至1000微米之間。
    [14] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該高能量光源光罩包含一第三基板、一形成於該第三基板上之金屬層、形成於該金屬層上方之金屬光罩圖樣層以及一形成於該第三基板底面之矽層。
    [15] 如申請專利範圍第14項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該高能量光源光罩之該第三基板材質為氮化矽(Si3N4)或碳化矽(SiC)，且該第三基板之厚度介於1微米至5微米之間。
    [16] 如申請專利範圍第14項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，該金屬層係為一厚度介於10奈米至200奈米之間的鈦層，且該金屬光罩圖樣層為一厚度介於1微米至10微米之間的金光罩圖樣層。
    [17] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，在步驟(c)之後，更包含將該高能量光源光罩與該第一基板旋轉一傾斜角度，以透過第二次曝光來形成一光學反射單元的步驟。
    [18] 如申請專利範圍第8項所述之光學波長分光裝置之製造方法，其中，在步驟(c)之後，更包含透過一相對於該第一基板具有一傾斜角度之光罩體進行第二次曝光來形成一光學反射單元的步驟。
    [19] 如申請專利範圍第17項所述之光學波長分光裝置之製造方法，更包含於100℃至200℃的溫度下，對該輸入單元、該光柵以及該光學反射單元進行硬烤的步驟。
    [20] 如申請專利範圍第17項所述之光學波長分光裝置之製造方法，更包含於該第一基板、該輸入單元、該光柵以及該光學反射單元表面鍍上一高反射率鍍層的步驟。
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    法律状态:
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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