CN109633816A - 一种平面直光波导的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面直光波导的制备方法，包括以下步骤：(1)选取基片，在所述基片上设置光刻胶；(2)对步骤(1)中设置光刻胶的基片进行紫外激光干涉光刻，在所述光刻胶表面形成条形阵列波导图形；(3)利用掩膜对步骤(2)紫外激光干涉光刻过的基片进行紫外曝光，形成条形阵列波导图形中条形宽度渐变的平面直光波导图形；(4)对经过步骤(3)紫外曝光过的基片进行显影，获得宽度渐变的光刻胶型平面直光波导。该方法利用激光干涉光刻及紫外二次曝光实现了宽度渐变平面直光波导的制备，经济实惠、耗时短，可实现批量化生产。

Description

一种平面直光波导的制备方法
技术领域
本发明属于平面光波导器件技术领域，具体涉及一种平面直光波导的制备方法，尤其涉及一种利用紫外激光干涉光刻和紫外曝光二次曝光制备宽度渐变平面直光波导的方法。
背景技术
自1969年，贝尔实验室首次提出“集成光学”的概念以来，光纤通信器件的发展逐渐从原来的分立结构走向阵列结构，从体块型走向波导型，从离散化走向集成化，光纤通信产业也逐步走向高容量、高速率、高智能的集成器件的时代。类似于集成电路技术，集成光路技术将各类光学元件集成到同一光学衬底之上,通过光波导通道在一块小小的光学衬底上就实现了光波信号的产生、分配、过滤、检测等功能，该技术也称为平面光波导技术。
近年来，随着信息化世界的蓬勃发展，全社会对具有高集成度的平面光波导器件的微型化、民用化有了更迫切的需求。然而对于平面光波导器件的制备，特别是尺寸小于1μm的少模及单模波导的制备(例如最为常用的可将多模光信号压缩成少模及单模信号的带波导宽度渐变的平面直光波导)，主要采取电子束曝光(EBL)的方式刻写光刻胶掩膜来实现，然而这种技术要求的工艺设备相当昂贵，且在加工方式上均采用逐点扫描的方式，当结构面积较大时产出效率极低。另一方面，大型高端紫外光刻技术虽然可以实现线宽很窄的光刻胶图形，但是这类设备更加昂贵，而通常的接触式紫外光刻(如i线或g线光刻设备)由于衍射等效应的存在，一般难以实现小于1μm左右的线条宽度。
因此，需要寻找一种经济实惠、耗时短、可批量制备宽度渐变的平面直光波导的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平面直光波导的制备方法，该方法利用紫外干涉(紫外激光干涉光刻)和掩膜二次紫外曝光实现了宽度渐变的平面直光波导的制备，经济实惠、耗时短，可实现批量化生产。
本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种平面直光波导的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取基片，在所述基片上设置光刻胶；
(2)对步骤(1)中设置光刻胶的基片进行紫外激光干涉光刻，在所述光刻胶表面形成条形阵列波导图形；
(3)利用掩膜对步骤(2)紫外激光干涉光刻过的基片进行紫外曝光，形成条形阵列波导图形中条形宽度渐变的平面直光波导图形；
(4)对经过步骤(3)紫外曝光过的基片进行显影，获得宽度渐变的光刻胶型平面直光波导。
在上述平面直光波导的制备方法中：
进一步的，还包括步骤(5)：对显影后的基片进行刻蚀，然后去除光刻胶，使光刻胶图案转移至基片上，得宽度渐变的平面直光波导。
优选的，在步骤(5)的刻蚀步骤中，所述刻蚀为干法刻蚀，所述干法刻蚀为等离子体刻蚀，所述等离子体刻蚀为反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀(ICP)。
如果制备的是步骤(4)中的宽度渐变的光刻胶型平面直光波导，由于所述的光刻胶型平面直光波可以作为高分子聚合物波导直接使用，因此可以省去刻蚀步骤。
优选的，步骤(1)中所述基片可以为绝缘体上的硅(Silicon-on-Insulator,SOI)、玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP,GaAs等)、氮氧化硅(SiON)、高分子聚合物(Polymer)等可作为平面光波导的材料。
进一步的，所述基片使用前，需要经过清洗和疏水处理。
优选的，步骤(1)中所述光刻胶为正性光刻胶，如AR-P 3740光刻胶、Az5214e等，所述正性光刻胶的厚度为0.1μm～10μm。
步骤(2)中所述条形阵列波导图形中条形的宽度为0.2μm～100μm。
该条形阵列波导图形此时还处于未显影的状态，其条形周期主要由干涉角度决定，可按实际需求选择。其中干涉角度是指：对于两束光波干涉，条形间距或周期由(λ/2)/sin(θ/2)给出，其中λ为波长、θ为两束相干光波之间的夹角。条形宽度主要由曝光剂量决定。
为了制备宽度渐变的条形平面直光波导图形，掩膜的形式多样，例如掩膜可以为渐变的掩膜板，由疏密渐变的条纹组成，也可以是其它可形成紫外透射光能量渐变的图形，如疏密分布变化的点阵、透过率渐变的膜层等，较佳的，可以采用如图2(a)所示的一种条纹型渐变掩膜板，条纹宽度为几百纳米至几个微米不等。
优选的，步骤(3)中所述掩膜为狭缝掩膜板、疏密渐变的条形掩膜板、疏密分布变化的点阵掩膜板或透光率渐变的掩膜。
进一步的，作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(3)中所述掩膜为疏密渐变的条形掩膜板时，紫外激光干涉曝光过的基片与疏密渐变的条形掩膜板有一定的距离，为几百纳米至几十微米不等，且紫外激光干涉曝光过的基片上的条形阵列波导图形中的条形与所述疏密渐变的条形掩膜板相互垂直；即所述掩膜的长度方向与所述条形阵列波导图形中条形的长度方向相垂直。
但实际上，由于制备的平面直光波导的条形阵列的条形的宽度渐变不同，包括从宽向窄变化或由窄向宽变化以及二者的组合等各种情况，因此掩膜的具体结构以及排布方式可以具体结合平面直光波导的条形阵列的条形的宽度渐变的要求而定。
优选的，步骤(3)中所述曝光时曝光剂量越大，波导渐变得越窄。
优选的，步骤(4)中所述宽度渐变的光刻胶型平面直光波导为光刻胶型平面直光波导，属于高分子聚合物型平面直光波导中的一种。
优选的，步骤(4)中所述宽度渐变的光刻胶型平面直光波导与步骤(5)中所述宽度渐变的平面直光波导主要由宽波导、渐变区及窄波导组成。
该平面光波导是一种常用的可将多模光信号压缩成少模及单模信号的平面光波导，其在光集成技术领域中有重要的应用价值。
进一步的，其中所述窄波导的宽度比宽波导的宽度窄，优选的，所述窄波导的宽度为0.1μm～2μm。
其中所述条形宽度渐变是指沿着所述条形的长度方向所述条形的宽度渐变，该渐变包括从宽变窄或从窄变宽以及二者的组合等。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明方法首先利用紫外激光干涉光刻可以在光刻胶表面大面积快速高效制备条形阵列波导图形，其线条宽度可以低至百纳米的量级，但是难以实现条形的宽度渐变，本发明通过利用掩膜进行紫外曝光和显影(以及刻蚀)等，可以制得条形宽度渐变的平面直光波导；
(2)本发明方法实现了宽度渐变平面直光波导的制备，经济实惠、耗时短，可实现批量化生产。
附图说明
图1为实施例1、3-6中的平面直光波导的制备方法的具体步骤示意图；
图2是实施例1-6中用到的掩膜板示意图，其中(a)是实施例1-4中用到的条纹型渐变掩膜板示意图，(b)是实施例5、6中用到的狭缝型掩膜板示意图；
图3为实施例2中的平面直光波导的制备方法的具体步骤示意图；
图4是实施例1中制备出的带渐变区的光刻胶平面光波导阵列显微镜图；
图5是实施例2中制备出的带渐变区的SOI型平面光波导阵列显微镜图；
图6是实施例3中制备出的单根带渐变区的光刻胶平面光波导显微镜图；
图7是实施例4中制备出的渐变区更平缓的光刻胶平面光波导阵列显微镜图；
图8是实施例5中制备出的带两段渐变区的光刻胶平面光波导阵列显微镜图；
图9是实施例6中制备出的带三段渐变区的光刻胶平面光波导阵列显微镜图。
具体实施方式
下面结合实例具体进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的平面直光波导的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一片2cm×2cm大小的SOI片(绝缘体上的硅，Silicon-on-Insulator，SOI)清洗干净，去除其表面的油污、金属等杂质；
(2)使用HMDS(六甲基二硅胺，Hexamethyldisilazane)预处理系统处理清洗过的SOI片，使其表面呈疏水态；
(3)将处理过的硅片放入匀胶机中进行匀胶，所使用的是按AR-P 3740:AR300-12＝1:1的体积比稀释所得的光刻胶，光刻胶层的厚度约为300nm，如图1中a图所示；
(4)对匀好光刻胶的片子进行紫外干涉(即紫外干涉曝光或紫外激光干涉光刻)，曝光剂量约55mJ，形成周期约为20μm的条形阵列波导图形，条形阵列波导图形中条形的宽约10μm，如图1中b图所示。这里的紫外激光干涉光刻仪器由325nm氦镉激光器、反射镜、聚焦透镜、针孔、快门、洛埃镜、旋转台等组成，此处紫外激光干涉光刻采用的仪器可以购买成套设备，也可以根据现有设备自行组装，能进行紫外激光干涉光刻即可；
(5)准备好条纹型渐变掩膜板，主要由对称的两组条纹组成，条纹宽1μm，呈等差数列排布，如图2中(a)图所示，将渐变掩膜板设于基片上方一定的距离，如几百纳米至几十微米不等，并将渐变掩膜与基片上的条形阵列波导图形相互垂直放置，即掩膜的长度方向与条形阵列波导图形中条形的长度方向相垂直；
(6)利用渐变掩膜在普通光刻机中对紫外干涉过的基片进行第二次紫外曝光，曝光剂量约150mJ，其中光刻机波长含g线(436nm)及i线(365nm)，如图1中c图所示；
(7)使用AR 300-26:水＝1:8(体积比)的显影液显影30s，在SOI基片上获得光刻胶型平面直光波导，如图1中d图所示，至此，宽度渐变的工艺完成，其中宽度渐变的平面直光波导主要由宽波导、渐变区及窄波导组成，其中渐变区是指从宽波导到窄波导的宽度渐变区，从宽波导到窄波导，条形的宽度逐步变窄至窄波导，从图4的显微镜图中可以看到，实现了宽度渐变平面直光波导的光刻胶结构，可供后续继续进行ICP等通用刻蚀工艺将该宽度渐变图案转移至下方硅层。
实施例2
与实施例1不同的是，如图3所示，还包括步骤(5)：对显影后的基片进行刻蚀，如图3中e图所示，然后去除光刻胶，使光刻胶图案转移至基片(SOI)上，获得宽度渐变的硅基平面直光波导，如图5所示。
实施例3
与实施例1不同的是，获得的光刻胶平面直光波导是单根带渐变区的光刻胶平面光波导，如图6所示，是制得的宽度渐变平面直光波导显微镜图。
实施例4
与实施例1不同的是，采用范围更宽的条纹型渐变掩膜板，可得到渐变过程更加平缓的带渐变区的光刻胶平面光波导，以满足更低损耗的光信号传输要求，如图7所示。
实施例5
与实施例1不同的是，采用图2(b)所示的狭缝掩膜板进行步骤(4)，即第二次紫外曝光，并且将基片沿夹缝宽度方向移动一段距离后，重复一次步骤(4)，获得的光刻胶平面直光波导是带两段渐变区的光刻胶平面光波导阵列，如图8所示，是制得的宽度渐变平面直光波导显微镜图。
实施例6
与实施例4不同的是，重复步骤(4)三次获得带三段渐变区的光刻胶平面直光波导的结构如图9所示。
以上实施例中基片仅以绝缘体上的硅为例，除了绝缘体上的硅之外，采用其它基片如玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP,GaAs等)、氮氧化硅(SiON)、高分子聚合物(Polymer)等也可作为平面光波导的材料，并能制得类似的光刻胶平面直光波导或者平面光波导。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的是实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (9)

1.一种平面直光波导的制备方法，其特征是包括以下步骤：
(1)选取基片，在所述基片上设置光刻胶；
(2)对步骤(1)中设置光刻胶的基片进行紫外激光干涉光刻，在所述光刻胶表面形成条形阵列波导图形；
(3)利用掩膜对步骤(2)紫外激光干涉光刻过的基片进行紫外曝光，形成条形阵列波导图形中条形宽度渐变的平面直光波导图形；
(4)对经过步骤(3)紫外曝光过的基片进行显影，获得宽度渐变的光刻胶型平面直光波导。
2.根据权利要求1所述的平面直光波导的制备方法，其特征是还包括步骤(5)：对显影后的基片进行刻蚀，然后去除光刻胶，使光刻胶图案转移至基片上，获得宽度渐变的平面直光波导。
3.根据权利要求2所述的平面直光波导的制备方法，其特征是：所述刻蚀为干法刻蚀，所述干法刻蚀为等离子体刻蚀。
4.根据权利要求3所述的平面直光波导的制备方法，其特征是：所述等离子体刻蚀为反应离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀。
5.根据权利要求1或2所述的平面直光波导的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述基片为绝缘体上的硅、玻璃/二氧化硅、铌酸锂、III-V族半导体化合物、氮氧化硅或高分子聚合物。
6.根据权利要求1或2所述的平面直光波导的制备方法，其特征是：步骤(1)中所述光刻胶为正性光刻胶，所述正性光刻胶的厚度为0.1μm～10μm。
7.根据权利要求1或2所述的平面直光波导的制备方法，其特征是：步骤(2)中所述条形阵列波导图形中条形的宽度为0.2μm～100μm。
8.根据权利要求1或2所述的宽度渐变平面直光波导的制备方法，其特征是：步骤(3)中所述掩膜为狭缝掩膜板、疏密渐变的条形掩膜板、疏密分布变化的点阵掩膜板或透光率渐变的掩膜。
9.根据权利要求1或2所述的平面直光波导的制备方法，其特征是：步骤(4)中所述宽度渐变的光刻胶型平面直光波导与步骤(5)中所述宽度渐变的平面直光波导主要由宽波导、渐变区及窄波导组成。
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