CN1932564A - 一种制备聚合物光波导的方法及其专用直写装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直写聚合物光波导的方法及其专用直写装置。首先在Si衬底上旋涂折射率为1.4－1.6聚合物材料作为下包层，或者生长5－8μm的SiO2作为下包层；再采用专用直写装置将折射率大于下包层的聚合物材料直写在下包层上，然后加热使其发生交联反应固化形成芯层；最后采用空气为上包层，或以折射率低于芯层的材料在芯层上旋涂形成上包层。专用直写装置为：气源通过气管与压力控制装置相连，压力控制装置通过施压气管与微细笔相连，用于控制施压气管中气流的通断和调节气压大小，并向微细笔的储料腔中的浆料提供所需的压力。本发明方法工艺简单，制作过程简单方便；本发明装置可缩短制作周期，降低制造成本。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件的制造领域，具体涉及一种制备聚合物光波导的方法及其专用直写装置。
背景技术
平板与条形光波导是光学系统小型化、集成化需求下的产物。每年都有大量有关波导材料、器件原理与结构设计、工艺方法与测试技术以及系统应用等方面的新成果研究报道，寻求低损耗以及用于单片集成的波导材料和相应的制造工艺一直为人们所关心。
传统的SiO2平面波导制备技术具有损耗低、稳定性好的优点，一直作为制备光波导的主流材料之一。但是，由于制备过程中高温工艺引起的材料双折射，使得SiO2基器件通常具有大的偏振依赖性。同时，SiO2的热光系数较小，无法制作数字热光开关，更不能制作电光调制器件等。新型聚合物材料是目前平面波导技术研究和发展的一个方向。与SiO2相比，聚合物材料通常具有较大的热光系数和电光系数，可以制作低串扰、低偏振依赖性、带宽大的数字光开关等。
与传统的无机光波导材料相比，有机聚合物光波导材料具有较高的电光耦合系数、较低的介电常数、较短的响应时间和较小的热损耗等特点。而且，用聚合物材料来制作光波导，加工工艺简单，无须高温加热处理，只要通过匀胶、光刻等工艺即可制得复杂结构的光电集成器件，且所制备的器件轻巧、机械性能好，适用于制作大型光学器件和挠性器件。聚酰亚胺(PI)是目前电子材料中最有发展前途的有机高分子材料之一(见“含氟聚酰亚胺高分子光波导工艺的研究”，梁东波，陈抱雪，袁一方上海理工大学学报Vol25 No3 2003)，其优异的综合性能可满足微电子工业对材料的苛刻要求，因此受到工业界与科技界的广泛重视。
在聚合物光波导的制作工艺方面，传统的聚合物光波导制备工艺是先在干净的硅片上旋涂一层聚合物薄膜，高温处理使薄膜固化，然后采用磁控溅射技术在制备好的聚合物薄膜上沉积一层金属膜。所需的微图形通过传统的光刻技术转移到金属膜上，具体的光刻工艺包括前处理、匀胶、前烘、对准、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等众多步骤。光刻完毕后就进行ICP(感应耦合等离子体)刻蚀。在ICP刻蚀中受光刻胶保护留下的金属微图形膜被用作掩膜层，保护其下的聚合物层免受等离子体的轰击。未被保护的聚合物在等离子体的轰击下去掉，形成所需要的聚合物微结构层(同时注意控制ICP刻蚀时间，以免等离子体轰击破坏下包层)，再采用腐蚀剂将金属微图形膜腐蚀掉，剩下的具有微图形结构的聚合物层即成为波导材料的芯层。最后在制作好的波导芯层上旋涂聚合物上包层，加热处理使上包层固化，就形成了光波导层。
上述传统的光波导制备技术工艺稳定，所制备的光波导层质量高，在大规模生产中具有较大的优势。不足之处在于：所需要的装备昂贵、制造工序多、贵重材料浪费多、环境污染大、柔性化程度低、制作周期长和成本高等。特别是对于小批量生产而言，上述过程显然导致制造成本的大幅度上升。
为了弥补现有传统光波导制造技术的不足，1990年以来，人们开发了各种直写技术(Direct Writing)，如微细笔直写、金刚石刀具直写、激光直写、激光微细熔覆直写等。由于直写技术一般具有CAD/CAM功能，无需掩膜就可实现柔性化制造，且加工精度高，速度快，无污染，成本低。并且，直写技术能够使得设计人员足不出户就可以在数小时内将软件设计图形加工成实际的产品，满足小批量、多品种的电子产品制造要求，因此在微机械、微器件与生物芯片的制造、材料原位合成等领域逐渐实现了工业化应用。
在上述直写技术中，具有代表性的技术是微细笔直写电子元器件技术。它主要是采用特殊设计的微细笔，利用工作台的CAD/CAM功能，直接将电子浆料置放于基板表面的指定位置，形成线路板或者功能元器件的过程。关于Micropen直写布线的具体设计方法详见美国专利：“Carl E，Drumheller.Inking System for Producing Circuit Patterns.US Patent4485387，1984.”
发明内容
本发明的目的是提供一种直写聚合物光波导的方法，该方法工艺简单，制作过程简单方便；本发明还提供了实现该方法的专用直写装置。
本发明提供的一种直写聚合物光波导的方法，其步骤包括：
(1)在Si衬底上旋涂厚度为5-8μm的聚合物材料作为下包层，或者在Si衬底上生长厚度为5-8μm的SiO2作为下包层，聚合物材料的折射率为1.4-1.6；
(2)采用专用直写装置根据所设计的芯层图案按照轨迹将另一种聚合物材料直写在下包层上；
(3)在真空条件下，将该聚合物材料加热使其发生交联反应，固化形成芯层；该聚合物材料的粘度范围为2Pa·s～200Pa·s，其折射大于下包层材料的折射率；
(4)采用空气作为上包层，或以折射率低于芯层的材料在芯层上旋涂形成上包层。
用于制备聚合物光波导的专用直写装置，其特征在于：气源通过气管与压力控制装置相连，压力控制装置通过施压气管与微细笔相连，用于控制施压气管中气流的通断和调节气压大小，并向微细笔的储料腔中的浆料提供所需的压力。
上述微细笔的结构为：减压装置位于笔帽内，并与位于笔帽顶部的施压气管相连，笔帽的下端与笔筒的上端螺纹连接并实现密封，构成储料腔，储料腔用于储存料液，笔筒的下端为笔尖。压力控制装置由调压阀、压力表和电磁阀串联构成。
本发明采用专门设计的直写装置在已有的整体下包层上直写芯层。它具有工艺简单(不需要制作掩模-光刻等复杂的工艺)，设备造价低、效率高，制作周期短等特点。而且，利用Si作为衬底材料，便于将直写技术与现有的半导体工艺相容，如制备掩埋型的聚合物光波导器件的工艺与IC工艺相容，有利于实现光电器件的集成制造。
本发明装置采用专门设计的微细笔装置直写波导芯层，以替代传统工艺中的光刻工艺，以达到简化工艺、缩短制作周期、降低制造成本的目的。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图；
图2为本发明装置所采用的微细笔的结构示意图；
图3为本发明装置的原理示意图；
图4为本发明装置的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1(a)-(d)所示，本发明方法的步骤为：
(1)在Si衬底1上旋涂厚度为5-8μm的聚合物材料作为下包层2，或者在Si衬底1上采用化学气相沉积生长一层厚度为5-8μm的SiO2作为下包层2。聚合物材料的折射率介于1.4-1.6，如氟化聚酰亚胺。
(2)采用专用直写装置根据所设计的芯层图案按照轨迹将聚合物材料直写在下包层2上；
(3)在真空条件下，将聚合物材料加热使其发生交联反应，固化形成芯层3。
制备芯层3的聚合物材料的粘度范围为2Pa·s～200Pa·s，其折射大于下包层材料的折射率，如折射率高的氟化聚酰亚胺材料。
(4)本发明可以采用空气作为上包层，或以折射率低于芯层的材料在芯层3上旋涂形成上包层4，如折射率低的氟化聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。
本发明制备芯层和上包层所使用的聚合物材料的成分没有特殊的要求，可以采用现有技术中制备光波导所使用的各种材料。
上述步骤(2)所使用的专用直写装置的结构示意图如图2所示，气源5通过气管6与压力控制装置7相连。压力控制装置7通过施压气管8与微细笔9相连，用于控制施压气管8中气流的通断和调节气压大小，并向微细笔9的储料腔中的浆料提供所需的压力。在通常情况下，笔筒内施压气压的压力范围为0.001MPa-0.50MPa。微细笔9的结构如图3所示，减压装置12位于笔帽13内，并与位于笔帽13顶部的施压气管8相连，笔帽13的下端与笔筒16的上端螺纹连接并实现密封，构成储料腔14，储料腔14用于储存待沉积的聚合物材料15，笔筒16的下端为笔尖17。减压装置12的作用在于使气压比较平缓地加到储料腔14内，施加压力的大小是影响线宽的一个因素。另外笔尖17内径的大小也是影响线宽的主要因素之一，通常情况下，笔尖17的内径为20μm--200μm，外径为120μm--260μm，具体根据所需要写的线条宽度以及施加气压的大小予以选择。
压力控制装置7接通时，向微细笔的笔筒内施压，使浆料从笔尖17流出；断开时泄掉微细笔笔筒内的压力，由于笔尖的毛细作用而使浆料及时停止流出。当微细笔在基板上移动时，笔尖17便可在基板上写下所需图案和线宽的光波导。
实例1
如图4所示，第二调压阀23、第三压力表24和电磁阀25串联构成压力控制装置7。压缩氮气源18依次经过气源开关19、第一压力表20、第一调压阀21和第二压力表22与第二调压阀23相连。当电磁阀25开通时，气流依次通过各部件后经施压气管8进入微细笔9。微细笔9装在工作台26上，基板10固定于工作台26上，控制器27通过电机控制微细笔9的运动。微细笔9中笔尖17的内径为60μm，外径为120μm。
使用时首先打开气源开关19，压缩氮气源18便供给一定压力的气体，其压力由第一压力表20测定，第一调压阀21调节输出压力，输出压力由监测输出气压的第二压力表22测定。监测施压气压的第二压力表24监测第二调压阀23调节后的压力，以保证通过电磁阀25供给恒定压力的气流，此气流通过施压气管8进入微细笔9内。第一电磁阀25由控制器27通过控制芯片控制其通断。
控制器27一方面控制电磁阀25的通断，以保证微细笔15正常工作，另一方面也通过电机控制工作台的滑块运动，从而使固定于滑块上的微细笔9运动。基板10固定在工作台上，这样微细笔可在基板10上运动，基板10到微细笔9的高度可调，并且此高度直接影响到线宽的大小。
采用该装置按照下述工艺步骤进行制作光波导：
(1)清洗Si衬底，在洁净Si片的上采用化学气相沉积法(CVD)沉积SiO2，厚度为7μm。
(2)直写芯层。根据波导结构要求，芯层材料的折射率大于包层，故采用含氟量较高的氟化聚酰亚胺为芯层材料，其折射率为1.565。将氟化聚酰亚胺材料用四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺按体积比2∶1配比的混合溶剂配成浓度为1.0g/ml的溶液，将该溶液装入微细笔中，打开气源，调整气体压力为0.006～0.010Mpa，调整微细笔尖到基片(已有下包层的基片)的高度，启动微型计算机并设定波导图形，启动数控机床，直写速度设定为2mm/s，这样便可在基片上快速直写出波导芯层。所得芯层宽度为110μm。写好后热处理芯层，在真空烘箱中，每隔4小时升温50℃，升到350℃恒温24小时即可。
本实施例中以空气作上包层，也就是不用旋涂上包层。用这种工艺方法所制备的光波导，其损耗可以低于0.5dB/cm。
实例2
(1)在洁净Si片的上采用化学气相沉积法(CVD)沉积SiO2，厚度为7μm。
(2)直写芯层。根据波导结构要求，芯层材料的折射率大于包层，故采用含氟量较高的氟化聚酰亚胺为芯层材料，其折射率为1.565。将氟化聚酰亚胺材料用四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺按体积比2∶1配比的混合溶剂配成浓度为1.0g/ml的溶液，将该溶液装入微细笔中，打开气源，调整气体压力为0.001Mpa，调整微细笔尖到基片(已有下包层的基片)的高度，启动微型计算机并设定波导图形，启动数控机床，直写速度设定为3mm/s，这样便可在基片上快速直写出波导芯层。所得芯层宽度为80μm。写好后热处理芯层，在真空烘箱中，每隔4小时升温50℃，升到350℃恒温24小时即可。
(3)旋涂上包层，用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作上包层材料，旋涂时欲转600r/min，时间为6s；高速旋转800r/min，时间为20s，得到上包层膜，膜厚为8μm。涂好后作热处理，30℃烘干20分钟，使上包层里的溶剂挥发完全。用这种工艺方法所制备的光波导，其损耗可以低于0.5dB/cm。
实例3
(1)在清洗洁净的Si衬底旋涂含氟量较高的氟化聚酰亚胺薄膜，其折射率：1.565，厚度为5-8μm。
(2)直写芯层。根据波导结构要求，芯层材料的折射率大于包层，采用含氟量较低的氟化聚酰亚胺为芯层材料，其折射率1.578。将此材料用四氢呋喃和N，N-二甲基甲酰胺按体积比2∶1配比的混合溶剂配成浓度为1.0g/ml的溶液。将该溶液装入微细笔中，打开气源，调整气体压力为0.001Mpa，调整微细笔尖到基片(已有下包层的基片)的高度，启动微型计算机并设定波导图形，启动数控机床，直写速度设定为3mm/s，这样便可在基片上快速直写出波导芯层。所得芯层宽度为80μm。写好后热处理芯层，在真空烘箱中，每隔4小时升温50℃，升到350℃恒温24小时即可。
本实施例中以空气作上包层，也就是不用旋涂上包层。用这种工艺方法所制备的光波导，其损耗可以低于0.5dB/cm。
Claims (4)
1、一种制备聚合物光波导的方法，其步骤包括：
(1)在Si衬底上旋涂厚度为5-8μm的聚合物材料作为下包层，或者在Si衬底上生长一层厚度为5-8μm的SiO2作为下包层，聚合物材料的折射率为1.4-1.6；
(2)采用专用直写装置根据所设计的芯层图案按照轨迹将另一种聚合物材料直写在下包层上；
(3)在真空条件下，将该聚合物材料加热使其发生交联反应，固化形成芯层；该聚合物材料的粘度范围为2Pa·s～200Pa·s，其折射大于下包层材料的折射率；
(4)采用空气作为上包层，或以折射率低于芯层的材料在芯层上旋涂形成上包层。
2、一种用于制备聚合物光波导的专用直写装置，其特征在于：气源(5)通过气管(6)与压力控制装置(7)相连，压力控制装置(7)通过施压气管(8)与微细笔(9)相连，用于控制施压气管(8)中气流的通断和调节气压大小，并向微细笔(9)的储料腔中的浆料提供所需的压力。
3、根据权利要求2所述的专用直写装置，其特征在于：微细笔(9)的结构为：减压装置(12)位于笔帽(13)内，并与位于笔帽(13)顶部的施压气管(8)相连，笔帽(13)的下端与笔筒(16)的上端螺纹连接并实现密封，构成储料腔(14)，储料腔(14)用于储存待沉积的聚合物材料，笔筒(16)的下端为笔尖(17)。
4、根据权利要求2所述的专用直写装置，其特征在于：压力控制装置(7)由调压阀、压力表和电磁阀串联构成。
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