CN103197377A - 一种制备脊形聚合物光波导的方法 - Google Patents

一种制备脊形聚合物光波导的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备脊形聚合物光波导的方法，本发明具体包括如下步骤：步骤1.采用等离子体增强型化学气相沉积在硅衬底上生长6～8μm的二氧化硅作为波导下包层；步骤2.利用旋涂工艺获得聚合物薄膜，调整旋涂转速控制聚合物薄膜的厚度；步骤3.利用光刻工艺对整个聚合物薄膜进行空曝光，通过交联反应固化形成的脊形波导平板层；步骤4.利用旋涂工艺在脊形波导平板层3上表面获得第二层聚合物薄膜，调整旋涂转速控制该层聚合物薄膜的厚度；步骤5.利用光刻工艺，通过光刻掩膜版对第二层聚合物薄膜曝光形成聚合物脊形波导脊结构部分。本发明制作工艺简单，仅用到旋涂、光刻这些常规工艺，不需要干法刻蚀等复杂的工艺即可制备脊形聚合物光波导。

Description

一种制备脊形聚合物光波导的方法
技术领域
本发明属于聚合物光波导制作技术领域，特别是涉及一种制备脊形聚合物光波导的方法，该方法是一种直接利用光刻技术的脊形聚合物光波导的制作方法。
背景技术
传统的光波导材料主要是硅、二氧化硅、化合物半导体等无机材料。基于这些材料制作的光波导器件具有光学性能稳定、低损耗等特点，但其制备需要昂贵的大型设备且制备工艺过程复杂、成本高。聚合物材料在过去的几十年里由于其在光电及电光器件方面的巨大潜在应用而引起人们极大兴趣。聚合物具有质量轻、厚度薄、机械力学性能好、能耗低等性能,并成为制备轻便的光学、光电子器件的重要基体材料。聚合物材料在可见光到近红外光范围内保持透明,同时又具有制备方法简单、常温下即可制备的特点。
与传统掩埋型聚合物波导相比，脊形光波导具有可以通过调节脊高和脊宽实现单模条件，降低波导制作难度，同时可以减小与单模光纤耦合时产生的损耗等优点。传统掩埋型聚合物波导可以通过直写【200810092900.8 一种制备聚合物光波导的方法】等方案制作，而对于脊形波导来讲，无法通过单步直写完成，通常需要采用干法刻蚀【聚合物光波导的等离子体刻蚀工艺研究 光子学报 40(S1), 2011】或者利用在基底刻槽来实现【200410053794.4 基于硅衬底的聚合物光波导器件的制作方法】，整个制作过程复杂。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种制备脊形聚合物光波导的方法，该方法直接利用光刻技术，无需其他复杂工艺制备脊形聚合物光波导。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1.采用等离子体增强型化学气相沉积在硅衬底上生长6～8μm的二氧化硅作为波导下包层。 
步骤2.利用旋涂工艺获得聚合物薄膜，调整旋涂转速控制聚合物薄膜的厚度；
步骤3.利用光刻工艺对整个聚合物薄膜进行空曝光，通过交联反应固化形成的脊形波导平板层。
所述的脊形波导平板层的厚度即为聚合物薄膜的厚度，为1.5～2μm；
步骤4.利用旋涂工艺在脊形波导平板层上表面获得第二层聚合物薄膜，调整旋涂转速控制该层聚合物薄膜的厚度；
所述的步骤2、步骤4的旋涂转速为2000～4000 rpm；
步骤5.利用光刻工艺，通过光刻掩膜版对第二层聚合物薄膜曝光形成聚合物脊形波导脊结构部分；
所述的聚合物脊形波导脊结构部分的厚度，即为第二层聚合物薄膜的厚度，为1.5～2μm。
本发明有益效果如下：
本发明制作工艺简单，仅用到旋涂、光刻这些常规工艺，不需要干法刻蚀等复杂的工艺，即可以实现脊形聚合物光波导的制作，通过对旋涂转速的选择可以方便控制脊形波导的结构参数。
附图说明
图1给出了本发明的工艺流程图；
图中：1、硅衬底，2、二氧化硅下包层，3、聚合物脊形波导平板层，4、聚合物脊形波导脊结构部分。
具体实施方式
   下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
   如图1所示，一种制备脊形聚合物光波导的方法，具体包括如下步骤：
步骤1.采用等离子体增强型化学气相沉积在硅衬底1上生长6～8μm的二氧化硅作为波导下包层2。 
生长二氧化硅具体工艺条件如下：
反应压强 250～350mT，上极板温度为250～300゜C，、下极板温度200～300゜C，气体流量SiH4 15～20sccm，N2O 1500～2500sccm，反应功率600～800W，生长时间35～50分钟，得到二氧化硅厚度为6～8μm，折射率1.455；
步骤2.利用旋涂工艺获得聚合物薄膜，调整旋涂转速控制聚合物薄膜的厚度；
具体工艺条件为：采用MicroChem公司的SU-8 2005 (浓度26%)，匀胶转速2000～4000rpm，20～35s，获得厚度为1～2μm聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上60～70度烘10～30分钟，温度升到90～100度再烘10～30分钟，使溶剂完全挥发。
步骤3.利用光刻工艺对整个聚合物薄膜进行空曝光，通过交联反应固化形成的脊形波导平板层3。
曝光剂量为35mW/cm2 时间2～3s，通过交联反应聚合物薄膜将固化形成脊形波导平板层3，之后在热板上90～100度烘4～7min使已固化部分更加稳定。
步骤4.利用旋涂工艺在脊形波导平板层3上表面再获得一层聚合物薄膜，调整旋涂转速控制该层聚合物薄膜的厚度；
具体工艺条件为：采用MicroChem公司的SU-8 2005 (浓度33%)，匀胶转速3000～5000rpm，25～35s，获得厚度为1～2μm聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上60～70度烘10～30分钟，温度升到90～100度再烘10～30分钟，使溶剂完全挥发。
步骤5.利用光刻工艺，通过光刻掩膜版对第二层聚合物薄膜曝光形成聚合物脊形波导脊结构部分4；
曝光剂量为35mW/cm2 时间2～3s，通过交联反应第二层聚合物薄膜将固化形成脊形波导的脊部分，曝光完毕后用丙二醇单甲醚乙酸酯（SU-8显影液）进行显影，显影时间为30s；掩膜版遮盖部分因未发生交联反应而溶于显影液，从而形成SU-8脊形波导的脊部分。
实施例1
    步骤1.在清洁的硅衬底1上采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)生长厚度为6μm厚的二氧化硅作为波导下包层2。 
生长二氧化硅具体工艺条件如下：
反应压强 300mT，上、下极板温度300/250゜C，气体流量SiH4 17sccm，N2O 2000sccm，反应功率700W，生长时间35分钟，得到二氧化硅厚度为6μm，折射率 1.455；
步骤2.利用旋涂工艺在波导下包层2上获得SU-8聚合物薄膜，
具体工艺条件为：采用MicroChem公司的SU-8 2005 (浓度26%)，匀胶转速3000rpm，29s，获得厚度为1μm聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上65度烘20分钟，温度升到95度再烘20分钟，使溶剂完全挥发。
步骤3.利用光刻工艺对聚合物薄膜进行空曝光，曝光剂量为35mW/cm2 时间2.7s，通过交联反应聚合物薄膜将固化形成脊形波导平板层3，之后在热板上95度烘5min使已固化部分更加稳定。
步骤4.利用旋涂工艺在已固化的脊形波导平板层3上表面获得另外一层SU-8聚合物薄膜，具体工艺条件为：匀胶转速3500rpm（33%的浓度）， 29s，获得厚度为1.7μm的聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上65度烘20分钟，温度升到95度再烘20分钟，使溶剂完全挥发。
步骤5.利用具有波导图案的掩膜版对第二层聚合物薄膜进行光刻曝光，曝光剂量为35mW/cm2 时间2.7s，通过交联反应第二层聚合物薄膜将固化形成脊形波导的脊部分，曝光完毕后用丙二醇单甲醚乙酸酯（SU-8显影液）进行显影，显影时间为30s；掩膜版遮盖部分因未发生交联反应而溶于显影液，从而形成SU-8脊形波导的脊部分。
本设计实例中制作的SU-8脊形波导，损耗可以小于1dB/cm。
实施例2
    步骤1.在清洁的硅衬底1上采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)生长厚度为7μm厚的二氧化硅作为波导下包层2。 
生长二氧化硅具体工艺条件如下：
反应压强 250mT，上、下极板温度250/200゜C，气体流量SiH4 15sccm，N2O 1500sccm，反应功率600W，生长时间50分钟，得到二氧化硅厚度为7μm，折射率 1.455；
步骤2.利用旋涂工艺在波导下包层2上获得SU-8聚合物薄膜，
具体工艺条件为：采用MicroChem公司的SU-8 2005 (浓度26%)，匀胶转速2000rpm，25s，获得厚度为2μm聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上60度烘10分钟，温度升到90度再烘10分钟，使溶剂完全挥发。
步骤3.利用光刻工艺对聚合物薄膜进行空曝光，曝光剂量为35mW/cm2 时间3s，通过交联反应聚合物薄膜将固化形成脊形波导平板层3，之后在热板上90度烘4min使已固化部分更加稳定。
步骤4.利用旋涂工艺在已固化的脊形波导平板层3上表面获得另外一层SU-8聚合物薄膜，具体工艺条件为：匀胶转速5000rpm（33%的浓度）， 25s，获得厚度为1μm的聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上60度烘10分钟，温度升到90度再烘10分钟，使溶剂完全挥发。
步骤5.利用具有波导图案的掩膜版对第二层聚合物薄膜进行光刻曝光，曝光剂量为35mW/cm2 时间2s，通过交联反应第二层聚合物薄膜将固化形成脊形波导的脊部分，曝光完毕后用丙二醇单甲醚乙酸酯（SU-8显影液）进行显影，显影时间为30s；掩膜版遮盖部分因未发生交联反应而溶于显影液，从而形成SU-8脊形波导的脊部分。
实施例3
    步骤1.在清洁的硅衬底1上采用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)生长厚度为8μm厚的二氧化硅作为波导下包层2。 
生长二氧化硅具体工艺条件如下：
反应压强 350mT，上、下极板温度275/300゜C，气体流量SiH4 20sccm，N2O 2500sccm，反应功率1000W，生长时间40分钟，得到二氧化硅厚度为8μm，折射率 1.455；
步骤2.利用旋涂工艺在波导下包层2上获得SU-8聚合物薄膜，
具体工艺条件为：采用MicroChem公司的SU-8 2005 (浓度26%)，匀胶转速2000rpm，35s，获得厚度为2μm聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上70度烘30分钟，温度升到100度再烘30分钟，使溶剂完全挥发。
步骤3.利用光刻工艺对聚合物薄膜进行空曝光，曝光剂量为35mW/cm2 时间3s，通过交联反应聚合物薄膜将固化形成脊形波导平板层3，之后在热板上100度烘7min使已固化部分更加稳定。
步骤4.利用旋涂工艺在已固化的脊形波导平板层3上表面获得另外一层SU-8聚合物薄膜，具体工艺条件为：匀胶转速3000rpm（33%的浓度）， 35s，获得厚度为2μm的聚合物薄膜；旋涂好后进行前烘，热板上70度烘30分钟，温度升到100度再烘30分钟，使溶剂完全挥发。
步骤5.利用具有波导图案的掩膜版对第二层聚合物薄膜进行光刻曝光，曝光剂量为35mW/cm2 时间3s，通过交联反应第二层聚合物薄膜将固化形成脊形波导的脊部分，曝光完毕后用丙二醇单甲醚乙酸酯（SU-8显影液）进行显影，显影时间为30s；掩膜版遮盖部分因未发生交联反应而溶于显影液，从而形成SU-8脊形波导的脊部分。

Claims (1)

1. 一种制备脊形聚合物光波导的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1.采用等离子体增强型化学气相沉积在硅衬底上生长6～8μm的二氧化硅作为波导下包层; 
步骤2.利用旋涂工艺获得聚合物薄膜，调整旋涂转速控制聚合物薄膜的厚度；
步骤3.利用光刻工艺对整个聚合物薄膜进行空曝光，通过交联反应固化形成的脊形波导平板层;
所述的脊形波导平板层的厚度即为聚合物薄膜的厚度，为1.5～2μm；
步骤4.利用旋涂工艺在脊形波导平板层上表面获得第二层聚合物薄膜，调整旋涂转速控制该层聚合物薄膜的厚度；
所述的步骤2、步骤4的旋涂转速为2000～4000 rpm；
步骤5.利用光刻工艺，通过光刻掩膜版对第二层聚合物薄膜曝光形成聚合物脊形波导脊结构部分；
所述的聚合物脊形波导脊结构部分的厚度，即为第二层聚合物薄膜的厚度，为1.5～2μm。
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