CN111175898A - 二氧化硅-聚合物三维mzi波导热光开关及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种采用三维集成技术制备的垂直集成的二氧化硅‑聚合物三维MZI波导热光开关及其制备方法，属于聚合物‑二氧化硅光波导集成芯片制备技术领域。是在Si/SiO2衬底上沉积生长一层掺锗的高折射率SiO2层；然后制备第一掩膜层，等离子体刻蚀SiO2层，得到以掺锗的SiO2为芯层的波导结构；去除掩模层后，继续生长SiO2层，作为下层波导的上包层和上层波导的下包层；再制备第二掩膜层，等离子体刻蚀SiO2层得到凹槽；旋涂PMMA层，旋涂后得到倒脊形的波导芯层；旋涂一层低折射率NOA系列光敏材料作为上包层；最后制备铝电极。本发明的MZI结构解决了现有垂直X结结构开关功耗大的问题，使开关的响应速度更快。

Description

二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关及其制备方法
技术领域
本发明属于聚合物-二氧化硅光波导集成芯片制备技术领域，具体涉及一种采用三维集成技术制备的垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关及其制备方法。
背景技术
热光开关在光通信系统中起着光路切换、保护等作用，具有开关体积小、稳定性好、可扩性强等优势。现有开关结构主要包括无机热光开关、有机热光开关和有机无机混合集成光开关。无机材料相比于有机聚合物材料具有更高的导热系数，但是其热光系数较低。因此，无机热光开关具有更快的开关速度，但是其功耗相对较高；全聚合物热光开关功耗是无机热光开关的五分之一到十分之一，然而，有机热光开关在开关速度方面受到限制。利用聚合物材料的高热光系数和无机材料的高导热系数，有机-无机混合集成的MZI型热光开关可实现低功耗和高响应速度。
有机无机混合热光开关主要有平面型光开关和垂直光路切换光开关。平面型混合集成光开关在平面内实现光路切换，采用无机材料作为衬底结构，有机材料作为芯层和上包层结构，实现平面内光路的切换。多层光子集成芯片是光子集成芯片的发展方向，具备集成度高，光学、电学连接点多，材料选择丰富等特点。垂直光路切换光开关主要应用于多层光子集成芯片的光路在层间的切换。现阶段，垂直热光开关结构主要采用X结结构，其主要问题是开关切换的功耗过高。为了解决开关功耗问题，我们提出垂直的有机无机混合集成垂直MZI型波导结构光开关，垂直MZI型波导结构光开关少有报道，主要难点在于：1、垂直方向上的对版和上下层折射率不同时候的两个波导的尺寸和耦合距离的精确控制困难；2、多层器件在制备过程中，采用的半导体制备工艺会导致无机层的表面不平整，从而影响波导的耦合；3、对于不同的聚合物材料，其透明度不同，会导致下层波导在对版过程中有看不清的情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导光开关及其制备方法，解决光路在多层芯片中切换功耗高的问题。MZI热光开关结构相比于X结结构具备更低的开关功耗，有机无机混合集成兼具开关时间快和功耗低的优势。本发明首先制作无机波导芯层和包层，并采用包层刻蚀凹槽的方式，解决了双层器件制备过程中聚合物材料透明度影响对版的问题，通过无机材料刻蚀可精确控制波导尺寸和耦合距离。
本发明具体包括在Si/SiO2衬底的SiO2层上，采用化学气相沉积(CVD)方法生长一层掺锗的高折射率SiO2层；然后制备第一掩膜层，等离子体刻蚀SiO2层，得到以掺锗的SiO2为芯层的波导结构；去除掩模层后，继续生长一层SiO2层，作为下层波导的上包层和上层波导的下包层；再制备第二掩膜层，等离子体刻蚀SiO2层得到凹槽；旋涂PMMA层，旋涂后得到倒脊形的波导芯层；旋涂一层低折射率NOA系列光敏材料作为上包层；最后采用真空镀铝的方法蒸镀一层铝，通过湿法刻蚀制备铝电极，去光刻胶解离后得到本发明所述的垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导光开关。
本发明所述的一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其步骤如下：如图1、图2、图3、图4所示，
1)选取及清洗衬底1：以Si/SiO2晶片(在Si片上生长一层5～10μm厚的SiO2层)为衬底1，为了确保所制备的器件表面平整，需要对衬底表面进行清洁处理：首先将衬底用丙酮溶液清洗以去除衬底表面的有机杂质，然后使用乙醇溶液清洗衬底以去除残留的丙酮溶液，最后使用去离子水反复冲洗衬底，去除表面的乙醇溶液，最后使用洗耳球吹掉衬底表面的去离子水；
2)利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在衬底1的SiO2层上生长一层掺锗的二氧化硅层(硅烷的流量为10～100sccm，锗烷的流量为2～10sccm，氢气的流量为0～500sccm，温度为250～450℃，气压值为5～20torr)，厚度为2～6μm，折射率为1.45～1.51，然后高温退火(温度为900～1100℃，退火时间为60～120min)，使掺锗的二氧化硅层均匀致密；
3)制备第一掩膜层：在掺锗的SiO2层上制备第一掩膜层3，掩膜层材料可以是Al或氮化硅等，第一掩膜层3的厚度为50～150nm；然后，使用旋涂机在第一掩膜层3上旋涂正性光刻胶(如BP212、BP218等)，旋涂的转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s，之后在60～90℃下固化30～60min，得到2～10μm厚的第一光刻胶薄膜4；采用MZI型波导结构的第一光刻掩模版5对第一光刻胶薄膜4进行掩膜紫外曝光(曝光的汞灯波长为300～400nm，曝光强度10～50mW/cm2，曝光时间为2～4s)，第一光刻掩模板5的结构是MZI型波导结构，它由输入和输出区(a)、输入和输出区S-bend(b)、耦合区(c)及干涉臂(d)组成；输入和输出区(a)为直波导，长度为1～2cm；输入和输出S-bend区(b)的两个分支臂为相同的余弦形函数曲线波导(余弦形函数曲线波导的传输损耗和弯曲损耗较低)，分支臂函数的曲线方程为y＝(1-cosπx/L)·h，其中x为余弦形函数曲线沿波导方向的坐标，y为余弦形函数曲线沿垂直波导方向的坐标，如图5所示，h＝10～50μm为整个余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影长度；L＝1～400mm为整个余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影长度；耦合区(c)为直波导，其长度为100～10000μm；干涉臂(d)为直波导，其长度为0.5～2cm；未被第一光刻掩模版5覆盖区域的光刻胶被曝光，去掉第一光刻掩模版5后置于光刻胶显影液中显影，显影后用去离子水冲洗，曝光的光刻胶被去除，从而在第一掩膜层3上得到MZI型波导结构的光刻胶波导图形；采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为60～100℃，后烘时间为30～60min，而后置于掩膜层3去除剂中(Al掩膜层的去除剂为质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液，氮化硅掩膜层的去除剂为质量分数3％～50％的氢氟酸)去除未被光刻胶覆盖的第一掩膜层3，露出其下面覆盖的掺锗的SiO2层，后烘后在掺锗的二氧化硅层上得到MZI型波导结构的光刻胶图形及第一掩膜层3图形；
4)制备下波导芯层：采用C4F8、CHF3或者CF4气体，对MZI型波导结构的光刻胶图形及第一掩膜层3图形和未被MZI型波导结构的第一掩膜层3覆盖的掺锗的SiO2层进行感应耦合等离子体刻蚀，由于等离子体对光刻胶的刻蚀速率是对第一掩膜层刻蚀速率的数倍，第一掩膜层3上的光刻胶全部被刻蚀掉，露出MZI型波导结构的第一掩膜层3；未被MZI型波导结构的第一掩膜层3覆盖的掺锗的SiO2层同时被刻蚀，直至露出SiO2层；刻蚀结束后，用掩模层3去除剂中(Al掩膜层的去除剂为质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液，氮化硅掩膜层的去除剂为质量分数3％～50％的氢氟酸)去除MZI型波导结构的第一掩膜层3，从而得到MZI型波导结构的掺锗的SiO2波导芯层2，波导芯层的截面尺寸为(2～6)μm×(2～6)μm，波导芯层的高度为2～6μm；
5)生长上包层：利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在MZI型波导结构的掺锗的SiO2波导芯层2及步骤4)露出的SiO2层上生长SiO2作为上包层6，然后进行高温退火(温度为900～1100℃，退火时间为60～120min)，上包层6的厚度为4～15μm；
6)制备第二掩膜层：在上包层6上制备第二掩膜层，第二掩膜层的厚度为50～150nm，掩膜层可以是Al或氮化硅等；然后，使用旋涂机在第二掩膜层上旋涂正性光刻胶(如BP212、BP218等)，旋涂的转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s；之后在60～90℃下固化30～60min，得到2～10μm厚的第二光刻胶薄膜8；利用湿法刻蚀方法，采用第二光刻掩模版9对第二光刻胶薄膜8进行掩膜曝光(第二光刻掩模版9与第一光刻掩模版5关于输入和输出区(a)直波导图形左右对称，透光和不透光结构互补)，未被第二光刻掩模版9覆盖区域的光刻胶被曝光，去掉第二光刻掩模版9后置于光刻胶显影液中显影，显影后用去离子水冲洗，曝光的光刻胶被去除，即在第二掩膜层上得到与MZI型波导结构互补的光刻胶波导图形；采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为60～100℃，后烘时间为30～60min，而后置于掩膜层去除剂(Al掩膜层的去除剂为质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液，氮化硅掩膜层的去除剂为质量分数3％～50％的氢氟酸)中去除未被光刻胶覆盖的第二掩膜层，露出MZI型波导结构的上包层6，而其余区域的上包层6则被与MZI型波导结构互补的第二掩膜层7和上面的光刻胶覆盖；
7)制备上波导芯层：对露出的MZI型波导结构的上包层6和与MZI型波导结构互补的第二掩膜层7进行感应耦合等离子体刻蚀，由于等离子体对光刻胶的刻蚀速率是对第二掩膜层刻蚀速率的数倍，第二掩膜层上的光刻胶全部被刻蚀掉，露出与MZI型波导结构互补的第二掩膜层7；露出的MZI型波导结构的上包层6被同时刻蚀，刻蚀深度为2～10μm；刻蚀结束后，用去除剂去除第二掩膜层7，由此在上包层6上得到MZI型波导结构的凹槽，凹槽深度为2～10μm(凹槽的底部与波导芯层上表面的距离为1～5μm)，凹槽宽度为2～6μm；然后旋涂聚合物甲基丙烯酸甲酯溶液，先预涂，转速为300～600r/min，旋涂时间为4～6s；再正式旋涂，转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s；再在60～90℃下固化30～60min，从而得到甲基丙烯酸甲酯倒脊形上波导芯层10，如图6，脊高2～10μm，平板层厚度为0.2～5μm；
8)制备上包层：将NOA系列的光敏材料(如NOA133，NOA144等)滴到上波导芯层10上，然后在300～600r/min下旋涂4～6s进行预涂，再在2000～5000r/min下旋涂20～60s进行正式旋涂，旋涂之后进行光固化，光固化波长360～370nm，光固化时间4～300秒，固化光强度20～200mW/cm2，固化之后得到厚度为2～5μm的上包层11；
9)制备电极：在上包层11上真空蒸镀厚度为20～200nm的铝电极膜，再在铝电极膜上旋涂光刻胶，在300～600r/min下旋涂4～6s进行预涂，再在2000～5000r/min下旋涂20～60s进行正式旋涂；然后在60～90℃下固化30～60min，得到第三光刻胶薄膜13；再采用电极掩模版14对第三光刻胶薄膜13进行对版曝光，对版后进行光刻而后显影；显影后在铝电极膜上得到与需要制备铝电极12结构相同的光刻胶图形；如图7，铝电极12为三段式结构，由有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分组成，其中金属加热电极引脚区为二个，输入和输出区与有效加热区相垂直，输入区、金属加热电极引脚区、有效加热区、金属加热电极引脚区、输出区依次连接；输入和输出区位于有效加热区的同侧，有效加热区的长度L1为1～3cm、宽度W1为10～50μm；输入和输出区的长度L2为0.3～1cm、宽度W2为50～200μm；金属加热电极引脚区的长度L3为500～1500μm、宽度W3为2000～5000μm；最后，采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为60～100℃，后烘时间为30～60min；再在质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶电极图形覆盖的铝电极膜，最后整体紫外曝光(曝光波长为300～400nm，曝光强度30～50mW/cm2，曝光时间为2～4s)，然后放入乙醇溶液中洗掉铝电极上的第三光刻胶薄膜13，得到铝电极12，从而完成本发明所述的热光开光的制备；
10)采用光纤耦合测试系统对开关器件进行测试：输入光纤可以从上层波导或者下层波导将光耦合进入器件，输出光纤在与之相反的下层或者上层波导将器件的光耦合输出。在电极两端用探针或者焊接的方式，施加电压，电极发热即可实现波导开关的输出光强变化。
与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
1)垂直MZI结构解决了现有垂直X结结构开关功耗大的问题(相差3～10倍)；
2)有机物和无机物混合集成，响应速度快(相比全聚合物材料，开关时间降低一半以上)；
3)采用填充凹槽的工艺，解决了上层聚合物透明度引起的对版的问题和聚合物材料刻蚀的粗糙度问题。同时该结构可应用于不能刻蚀的聚合物材料(如掺杂稀土的放大器材料)，尤其适用于混合集成和功能集成(如放大器材料填充后的损耗补偿功能)。
附图说明
图1：制备波导下芯层的工艺流程图；
图2：制备波导上芯层的工艺流程图；
图3：制备电极的工艺流程图；
图4：波导结构示意图；
图5：第一波导结构示意图；
图6：第二波导结构示意图；
图7：电极结构示意图；
图8：器件的相应速度测试结果。
本发明制备的具有顶电极的光波导器件，由于电极的上部为导热系数较差的空气，因此电极加热所产生的热量能更加集中地在波导中进行扩散。顶电极能提供更高的热效能，且能形成更高效的温度梯度。本发明的具有顶电极的光波导器件可用于制备垂直耦合结构的热光开关。
具体实施方式
实施例1
电极厚度为0.1μm，芯层PMMA和锗掺杂的SiO2，矩形波导，包层NOA。
具体工艺步骤如下：
1)选取及清洗衬底1；以Si/SiO2晶片(在硅片上生长一层5μm厚的二氧化硅)，衬底1，为了确保所制备的器件表面平整，需要对衬底表面进行清洁处理。首先将衬底用丙酮溶液清洗以去除衬底表面的有机杂质，然后使用乙醇溶液清洗衬底以去除残留的丙酮溶液，最后使用去离子水反复冲洗衬底，去除表面的乙醇溶液，最后使用洗耳球吹掉衬底表面的去离子水。
2)利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在衬底1的SiO2层上生长一层掺锗的二氧化硅2(硅烷的流量为20sccm，锗烷的流量为2sccm，氢气的流量为200sccm，温度为350℃，气压值为10torr)，厚度为3μm，折射率为1.48，然后进行高温退火(温度为1100℃，退火时间为100min)，使掺锗的二氧化硅层均匀致密；
3)制备第一掩膜层：在掺锗的SiO2层上制备第一掩膜层3，掩膜层材料为Al，第一掩膜层3的厚度为100nm。然后，使用旋涂机在第一掩膜层3上旋涂光刻胶BP212。旋涂的转速为3000r/min，旋涂时间为30s，之后放在恒温平台上固化，固化温度为87℃，固化时间为30min，固化后得到4μm厚的第一光刻胶薄膜4。利用湿法刻蚀方法，采用光刻掩模版5，对第一光刻胶薄膜4进行掩膜紫外曝光(对版光刻的汞灯波长为365nm，曝光强度40mW/cm2，曝光时间为2s)，光刻掩模板结构是MZI型波导结构，它由输入和输出区(a)、输入和输出区S-bend(b)、耦合区(c)及干涉臂(d)组成。输入和输出区(a)为直波导，长度为1.5cm；输入和输出S-bend区(b)的两个分支臂为相同的余弦形函数曲线波导(余弦形函数曲线波导的传输损耗和弯曲损耗较低)，分支臂函数的曲线方程为：y＝(1-cosπx/L)·h，其中x为余弦形函数曲线沿波导方向的坐标，y为余弦形函数曲线沿垂直波导方向的坐标，h＝15μm为余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影长度；L＝3.5mm为余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影长度；耦合区(c)的长度为2.049mm及干涉臂直波导区(d)的长度为1cm。然后整体置于光刻胶显影液中显影，显影后用去离子水冲洗，即在第一掩膜层3上得到MZI型波导结构的光刻胶波导图形；采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为95℃，后烘时间为30min，而后置于质量分数为5‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶覆盖的第一掩膜层3，在掺锗的二氧化硅2上得到MZI型波导结构的光刻胶图形及第一掩膜层3图形；
4)制备下波导芯层：采用C4F气体，对MZI型波导结构的光刻胶图形及第一掩膜层3图形和未被MZI型波导结构的第一掩膜层3覆盖的掺锗的SiO2层进行感应耦合等离子体刻蚀，由于等离子体对光刻胶的刻蚀速率是对第一掩膜层刻蚀速率的数倍，第一掩膜层3上的光刻胶全部被刻蚀掉，露出MZI型波导结构的第一掩膜层3；未被MZI型波导结构的第一掩膜层3覆盖的掺锗的SiO2层也刻蚀，直至露出SiO2层；刻蚀结束后，用掩模层3对应的去除剂(Al掩膜层的去除剂为质量分数5‰的氢氧化钠溶液)去除MZI型波导结构的第一掩膜层3，从而得到MZI型波导结构的掺锗的SiO2波导芯层2，波导芯层的截面尺寸为3μm×3μm，波导芯层的高度为3μm
5)生长上包层：利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在MZI型波导结构的掺锗的SiO2波导芯层2及步骤4)露出的SiO2层上继续生长SiO2作为上包层6，生长厚度为6.6μm。然后进行高温退火(温度为1100℃，退火时间为100min)，使生长的SiO2层均匀致密。
6)制备第二掩膜层：在上包层6上制作第二掩膜层，掩膜层的材料是Al，第二掩模版的厚度为100nm。然后，使用旋涂机在第二掩膜层上旋涂BP212光刻胶。旋涂的转速为3000r/min，旋涂时间为30s，然后将其放在恒温平台上固化，固化温度为87℃，固化时间为30min。固化后得到4μm厚的第二光刻胶薄膜8。利用湿法刻蚀方法，采用光刻掩模版9对第二光刻胶薄膜8进行掩膜曝光，然后整体置于光刻胶显影液中显影，显影后用去离子水冲洗，即在第二掩膜层上得到与MZI型波导结构互补的光刻胶波导图形；采用热板对光刻胶进行后烘，后烘温度为95℃，后烘时间为30min，而后置于质量分数为5‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶覆盖的第二掩膜层，从而露出MZI型波导结构的上包层6，而其余区域的上包层6则被与MZI型波导结构互补的第二掩膜层7和上面的光刻胶覆盖；
7)制备上波导芯层：对露出的MZI型波导结构的上包层6和与MZI型波导结构互补的第二掩膜层7进行感应耦合等离子体刻蚀，由于等离子体对光刻胶的刻蚀速率是对第二掩膜层刻蚀速率的数倍，第二掩膜层上的光刻胶全部被刻蚀掉，露出与MZI型波导结构互补的第二掩膜层7；露出的MZI型波导结构的上包层6同时被刻蚀，刻蚀深度为3μm；刻蚀结束后，用去除剂去除第二掩膜层7，由此在上包层6上得到MZI型波导结构的凹槽，凹槽深度为3μm(凹槽的底部与波导芯层上表面的距离为1μm)，凹槽宽度为3μm；旋涂聚合物甲基丙烯酸甲酯溶液，预匀转速为600r/min，旋涂时间为6s，然后转速为3000r/min，旋涂时间为30s，然后将其放在恒温平台上固化，固化温度为90℃，固化时间为30min。固化后形成甲基丙烯酸甲酯倒脊形波导芯层10，如图6，脊高3μm，平板层厚度为0.4μm。
8)制备上包层：将与SiO2折射率相同的NOA系列的光敏材料NOA133滴到上波导芯层上，将样片放到旋涂机平台上，预匀速度600r/min的条件下旋涂6s，然后转速为3000r/min，旋涂时间为60s，旋涂之后进行光固化，光固固化波长365nm，固化时间30秒，固化光强度40mW/cm2，固化之后得到厚度为3μm的上包层11。
9)制备电极：在上包层11上真空蒸镀厚度为100nm的铝电极膜12，再在铝电极膜12上旋涂BP212光刻胶，预匀转速为600r/min，旋涂时间为6s，然后转速为3000r/min，旋涂时间为30s，然后将其放在恒温平台上固化，固化温度为87℃，固化时间为30min，固化后得到第三光刻胶薄膜13；再采用电极掩模版14对第三光刻胶薄膜13进行对版曝光，对版后进行光刻而后显影；显影后在铝电极膜12上得到电极图形的光刻胶，如图7所示，铝电极12为三段式结构，由有效加热区、输入和输出区和金属加热电极引脚区三部分组成，其中金属加热电极引脚区为二个，输入和输出区与有效加热区相垂直，输入区、金属加热电极引脚区、有效加热区、金属加热电极引脚区、输出区依次连接；输入和输出区在加热区同侧，有效加热区的长度L1为1cm、宽度W1为15μm；输入和输出区的长度L2为0.3cm、宽度W2为50μm；金属加热电极引脚区的长度L3为1000μm、宽度W3为3000μm。采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为95℃，后烘时间为30min。再在质量分数5‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶电极图形覆盖的铝电极膜，最后整体紫外曝光(曝光波长为365nm，曝光强度40mW/cm2，曝光时间为2s)，然后放入乙醇溶液中洗掉铝电极上的光刻胶薄膜13，得到铝电极12，完成光开光的制备。
10)采用光纤耦合测试系统对开关器件进行测试，如图8所示。光纤从下层波导输入，上层波导输出，上下层光路切换时，消光比12dB，功耗8mW，开关上升时间为190μs，下降时间为130μs。

Claims (8)

1.一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其步骤如下：
1)选取及清洗衬底(1)：以Si/SiO2晶片为衬底(1)，首先将衬底用丙酮溶液清洗以去除衬底表面的有机杂质，然后使用乙醇溶液清洗衬底以去除残留的丙酮溶液，最后使用去离子水反复冲洗衬底，去除表面的乙醇溶液，最后使用洗耳球吹掉衬底表面的去离子水；
2)利用等离子体增强化学气相沉积法在衬底(1)的SiO2层上生长一层掺锗的二氧化硅层，厚度为2～6μm，折射率为1.45～1.51，然后高温退火，使掺锗的二氧化硅层均匀致密；
3)制备第一掩膜层：在掺锗的SiO2层上制备第一掩膜层(3)，第一掩膜层(3)的厚度为50～150nm；然后，使用旋涂机在第一掩膜层(3)上旋涂正性光刻胶，旋涂的转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s，之后在60～90℃下固化30～60min，得到2～10μm厚的第一光刻胶薄膜(4)；采用MZI型波导结构的第一光刻掩模版(5)对第一光刻胶薄膜(4)进行掩膜紫外曝光；未被第一光刻掩模版(5)覆盖区域的光刻胶被曝光，去掉第一光刻掩模版(5)后置于光刻胶显影液中显影，显影后用去离子水冲洗，曝光的光刻胶被去除，从而在第一掩膜层(3)上得到MZI型波导结构的光刻胶波导图形；采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为60～100℃，后烘时间为30～60min，而后置于掩膜层(3)去除剂中去除未被光刻胶覆盖的第一掩膜层(3)，露出其下面覆盖的掺锗的SiO2层，后烘后在掺锗的二氧化硅层上得到MZI型波导结构的光刻胶图形及第一掩膜层(3)图形；
4)制备下波导芯层：采用C4F8、CHF3或者CF4气体，对MZI型波导结构的光刻胶图形及第一掩膜层(3)图形和未被MZI型波导结构的第一掩膜层(3)覆盖的掺锗的SiO2层进行感应耦合等离子体刻蚀，由于等离子体对光刻胶的刻蚀速率是对第一掩膜层刻蚀速率的数倍，第一掩膜层(3)上的光刻胶全部被刻蚀掉，露出MZI型波导结构的第一掩膜层(3)；未被MZI型波导结构的第一掩膜层(3)覆盖的掺锗的SiO2层同时被刻蚀，直至露出SiO2层；刻蚀结束后，用掩模层(3)去除剂中去除MZI型波导结构的第一掩膜层(3)，从而得到MZI型波导结构的掺锗的SiO2波导芯层(2)，波导芯层的截面尺寸为(2～6)μm×(2～6)μm，波导芯层的高度为2～6μm；
5)生长上包层：利用等离子体增强化学气相沉积法在MZI型波导结构的掺锗的SiO2波导芯层(2)及步骤4)露出的SiO2层上生长SiO2作为上包层(6)，然后进行高温退火，上包层(6)的厚度为4～15μm；
6)制备第二掩膜层：在上包层(6)上制备第二掩膜层，第二掩膜层的厚度为50～150nm；然后，使用旋涂机在第二掩膜层上旋涂正性光刻胶，旋涂的转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s；之后在60～90℃下固化30～60min，得到2～10μm厚的第二光刻胶薄膜(8)；利用湿法刻蚀方法，采用第二光刻掩模版(9)对第二光刻胶薄膜(8)进行掩膜曝光；第二光刻掩模版(9)与第一光刻掩模版(5)关于MZI结构的输入和输出区(a)直波导图形左右对称，透光和不透光结构互补；未被第二光刻掩模版(9)覆盖区域的光刻胶被曝光，去掉第二光刻掩模版(9)后置于光刻胶显影液中显影，显影后用去离子水冲洗，曝光的光刻胶被去除，即在第二掩膜层上得到与MZI型波导结构互补的光刻胶波导图形；采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为60～100℃，后烘时间为30～60min，而后置于掩膜层去除剂中去除未被光刻胶覆盖的第二掩膜层，从而露出MZI型波导结构的上包层(6)，而其余区域的上包层(6)则被与MZI型波导结构互补的第二掩膜层(7)和上面的光刻胶覆盖；
7)制备上波导芯层：对露出的MZI型波导结构的上包层(6)和与MZI型波导结构互补的第二掩膜层(7)进行感应耦合等离子体刻蚀，由于等离子体对光刻胶的刻蚀速率是对第二掩膜层刻蚀速率的数倍，第二掩膜层上的光刻胶全部被刻蚀掉，露出与MZI型波导结构互补的第二掩膜层(7)；露出的MZI型波导结构的上包层(6)被同时刻蚀，刻蚀深度为2～10μm；刻蚀结束后，用去除剂去除第二掩膜层(7)，由此在上包层(6)上得到MZI型波导结构的凹槽，凹槽深度为2～10μm，凹槽的底部与波导芯层上表面的距离为1～5μm，凹槽宽度为2～6μm；然后旋涂聚合物甲基丙烯酸甲酯溶液，先预涂，转速为300～600r/min，旋涂时间为4～6s；再正式旋涂，转速为2000～5000r/min，旋涂时间为20～60s；再在60～90℃下固化30～60min，从而得到甲基丙烯酸甲酯倒脊形上波导芯层(10)，脊高2～10μm，平板层厚度为0.2～5μm；
8)制备上包层：将NOA系列的光敏材料滴到上波导芯层(10)上，然后在300～600r/min下旋涂4～6s进行预涂，再在2000～5000r/min下旋涂20～60s进行正式旋涂，旋涂之后进行光固化，光固化波长360～370nm，光固化时间4～300秒，固化光强度20～200mW/cm2，固化之后得到厚度为2～5μm的上包层(11)；
9)制备电极：在上包层(11)上真空蒸镀厚度为20～200nm的铝电极膜，再在铝电极膜上旋涂光刻胶，在300～600r/min下旋涂4～6s进行预涂，再在2000～5000r/min下旋涂20～60s进行正式旋涂；然后在60～90℃下固化30～60min，得到第三光刻胶薄膜(13)；再采用电极掩模版(14)对第三光刻胶薄膜(13)进行对版曝光，对版后进行光刻而后显影；显影后在铝电极膜上得到与需要制备铝电极(12)结构相同的光刻胶图形；最后，采用热板或烘箱对光刻胶进行后烘，后烘温度为60～100℃，后烘时间为30～60min；再在质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液中去除未被光刻胶电极图形覆盖的铝电极膜，最后整体紫外曝光，然后放入乙醇溶液中洗掉铝电极上的第三光刻胶薄膜(13)，得到铝电极(12)，从而制备得到垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关。
2.如权利要求1所述的一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其特征在于：步骤(3)中第一光刻掩模板(5)的结构是MZI型波导结构，它由输入和输出区(a)、输入和输出区S-bend(b)、耦合区(c)及干涉臂(d)组成；输入和输出区(a)为直波导，长度为1～2cm；输入和输出S-bend区(b)的两个分支臂为相同的余弦形函数曲线波导(余弦形函数曲线波导的传输损耗和弯曲损耗较低)，分支臂函数的曲线方程为y＝(1-cosπx/L)·h，其中x为余弦形函数曲线沿波导方向的坐标，y为余弦形函数曲线沿垂直波导方向的坐标，如图5所示，h＝10～50μm为整个余弦弯曲结构在光刻板表面垂直于直波导方向上的投影长度；L＝1～400mm为整个余弦弯曲结构在光刻板表面平行于直波导方向上的投影长度；耦合区(c)为直波导，其长度为100～10000μm；干涉臂(d)为直波导，其长度为0.5～2cm。
3.如权利要求1所述的一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其特征在于：步骤(9)中铝电极(12)为三段式结构，由有效加热区、输入和输出区、金属加热电极引脚区三部分组成，其中金属加热电极引脚区为二个，输入和输出区与有效加热区相垂直，输入区、金属加热电极引脚区、有效加热区、金属加热电极引脚区、输出区依次连接；输入和输出区位于有效加热区的同侧，有效加热区的长度L1为1～3cm、宽度W1为10～50μm；输入和输出区的长度L2为0.3～1cm、宽度W2为50～200μm；金属加热电极引脚区的长度L3为500～1500μm、宽度W3为2000～5000μm。
4.如权利要求1所述的一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其特征在于：步骤(1)中Si/SiO2晶片是在Si片上生长一层5～10μm厚的SiO2层。
5.如权利要求1所述的一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其特征在于：高温退火的温度为900～1100℃，退火时间为60～120min。
6.如权利要求1所述的一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其特征在于：掩膜层材料是Al或氮化硅，Al掩膜层的去除剂为质量分数4‰～10‰的氢氧化钠溶液，氮化硅掩膜层的去除剂为质量分数3％～50％的氢氟酸。
7.如权利要求1所述的一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关的制备方法，其特征在于：曝光的汞灯波长为300～400nm，曝光强度30～50mW/cm2，曝光时间为2～4s。
8.一种垂直集成的二氧化硅-聚合物三维MZI波导热光开关，其特征在于：是由权利要求1～7任何一项所述的方法制备得到。
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