一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法

2023-06-24 12:45:36

專利名稱：一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法
技術領域：
本發明屬於光電子器件的製造方法，具體涉及一種製備聚矽氧烷光波導的方法。
背景技術：
由於計算機在超並行、大容量的數據和圖像的快速計算和實時處理中存在「電子 瓶頸」，光互連代替傳統電互連成為了研究的熱點。尤其在晶片光互連中，聚合物波導以其 低成本、簡單工藝、能大規模生產和集成度高的優勢，在光電印製電路板中得到了廣泛的應 用。尋求低損耗以及用於晶片間光互連的波導材料和相應的製造工藝一直為人們所關心。傳統的光集成和光電集成是做在鈮酸鋰(LiNbO3)和矽基半導體材料上的。近年 來，人們開始關注有機聚合物光波導材料的開發研究。與傳統的無機光波導材料相比，有機 聚合物光波導材料具有較高的電光耦合係數、較低的介電常數、較小的響應時間和較小的 熱損耗等特點。而且，用聚合物材料製作光波導還有這些優點製作高質量的聚合物波導材 料相對容易，同時波導材料的折射率易於調整；器件製作工藝簡單，並與傳統的半導體工藝 相容，有利於大規模的生產，成本低。材料製作在許多類型的基底上，有利於與其它的光電 子器件集成。材料種類多，因而可選擇傳輸損耗低、價格低廉的材料來製作器件。光電集成器件的熔結溫度一般在260°C，PCB版層壓工藝集成器件需承受的溫度 不低於180°C。另一方面，在使用過程中也要求材料有一定的熱穩定性。目前部分用於光波 導製備研究的有機聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等)玻璃化溫度低和熱穩定性 差，不適宜用作晶片間光互連。為滿足以上需求，材料的選擇上必須選取玻璃化溫度高、熱 穩定性好的有機聚合物。聚矽氧烷(PDMS)和聚酞亞胺(PI)及其衍生物具有這方面的良好 特性。在製備工藝方面，傳統的聚合物波導製備工藝是基於傳統的半導體製備工藝。首 先用旋塗法在基底上製備聚合物薄膜，所需的微圖形通過傳統的光刻技術轉移到金屬保護 膜上，光刻完畢後就進行ICP刻蝕。在ICP刻蝕中受光刻膠保護留下的的金屬微圖形膜被 用作掩膜層，未被保護的聚合物在等離子體的轟擊下去掉，形成所需要的聚合物微結構層， 再採用腐蝕劑將金屬微圖形膜腐蝕掉，剩下的具有微圖形結構的聚合物即成為波導材料的 芯層。最後在製作好的波導芯層上旋塗聚合物上包層，加熱處理使上包層固化，就形成了光 波導層。上述傳統的光波導製備方法工藝穩定，所製備的光波導層質量高，在大規模生產 中具有較大的優勢。不足之處在於目前實驗室中普遍使用的光刻機紫外光均勻區有限，刻 蝕設備中離子束均勻區有限，不可能用旋塗法獲得大面積均勻薄膜，因此用傳統光波導制 備方法製備長度大於15cm的光波導有困難，而長度大於15cm的光波導才能滿足晶片間光 互連的要求，因此為了製備滿足晶片間光互連要求的光波導必須探索新的方法。1990年以來，人們開發了各種直寫技術(Direct Writing)，如微細筆直寫、金剛石刀具直寫、雷射直寫、雷射微細熔覆直寫等。具有代表性的方法是微細筆直寫電子元器件方 法。它主要是採用特殊設計的微細筆，利用工作檯的CAD/CAM功能，直接將電子漿料置放於基板表面的指定位置，形成線路板或者功能元器件。關於Micropen直寫布線的具體設計方 法見美國專利『『Carl Ε,Drumheller. Inking System for Producing CircuitPatterns. US Patent4485387,1984. 」；國內具有代表性的是華中科技大學的專利「一種具備聚合物的方 法及其專用直寫裝置，申請號200610019923. 7」。該裝置通過控制施壓氣管中氣流的通斷和 調節氣壓的大小，並向微細筆的儲料腔中漿料提供所需的壓力來製備波導。直寫技術一般具有CAD/CAM功能，無需掩膜就可實現柔性化製造，加工精度高，無 汙染。不足之處在於直寫裝置昂貴、製作成本高且生產周期長。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法， 採用該方法可製備長度大於20cm，且成本低、工藝簡單、易於操作。本發明的技術方案是第一步，採用計算機輔助設計工具設計橫截面與多模光纖的芯徑相匹配、長度滿 足晶片間光互聯要求的光波導圖樣，將光波導圖樣提交給專業製版公司製得模板。第二步，將聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解於二甲乙醯胺即DMA溶劑中，PVDF粉末 與DMA溶劑的質量比為1 8。室溫下混合攪拌，然後將溫度升至50°C回流半小時，可得到 半透明狀的PVDF溶液。第三步，將PVDF溶液塗覆在已製備好的模版上，控制PVDF溶液的厚度為1 1. 5mm0在室溫下讓PVDF溶液中的DMA溶劑充分揮發，固化後的PVDF薄膜從模版上脫模即得到模板的翻版。翻版中有凹槽，將在下一步中用來製作波導的芯層。第四步，把苯基甲基環矽氧烷溶液與其配套固化劑溶液按質量比1 1的比例混 合，得到粘度為4，OOOmPa · s，折射率為1. 543的苯基甲基環矽氧烷混合液。用苯基甲基環 矽氧烷混合液填充翻版中的凹槽，在100°C 105°C溫度下烘烤一小時，苯基甲基環矽氧烷 混合液固化後成為脊型波導的芯層。第五步，把四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷溶液與其配套固化劑溶液按質量比 10 1的比例混合，得到粘度為4，OOOmPa · s，折射率為1. 41的四(三甲基甲矽烷氧基) 矽烷混合液。四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液放在密閉容器中抽真空，再用超聲波振 蕩以去除四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液中的氣泡。用流涎法把四(三甲基甲矽烷氧 基)矽烷混合液塗覆在填充了苯基甲基環矽氧烷混合液的翻版上，將四(三甲基甲矽烷氧 基)矽烷和翻版一起在80°C 90°C溫度下烘烤一小時，使四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混 合液發生交聯反應固化，形成四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜。第六步，將翻版從四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜上剝離，四(三甲基甲矽烷氧 基)矽烷薄膜形成下包層，留在四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜上的苯基甲基環矽氧烷 形成芯層。對於下包層和芯層上可能殘留的PVDF可用丙酮溶去，初步形成以空氣為上包層 的脊形波導。第七步，將四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液塗覆在第六步製備的以空氣為上 包層的脊形波導上，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液固化，形成聚合物上包層。得到以 苯基甲基環矽氧烷為芯層，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷為上包層和下包層的脊型波導。
採用本發明可以達到以下技術效果1.由於本發明第一步設計的光波導圖樣的長度滿足晶片間光互聯要求，模板的制 備是成熟技術，長度根據光波導圖樣的長度製得，因此採用本發明能製備長度滿足任何芯 片間光互聯要求的光波導，使得製備長度大於20cm的光波導變得很容易。2.因為用作芯層的苯基甲基環矽氧烷和包層的四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷玻璃化溫度高、熱穩定性好，所以本發明製備的光波導可用於基於層壓工藝的PCB板上的光互 連。3.由於採用本發明製備光波導時芯層和上下包層的材料均為聚矽氧烷，所以製備 出的光波導傳輸損耗低，低於0. 14dB/cm。4.本發明工藝簡單，易於操作。


圖1為本發明的總體流程圖；圖2是採用本發明製備光波導時光波導各組件的變化示意圖。
具體實施例方式圖1是本發明的總體流程圖，圖2是採用本發明製備光波導時光波導各組件的變 化示意圖。如圖2(a)_(e)所示，本發明的步驟為(1)採用計算機輔助設計工具設計橫截面與多模光纖的芯徑相匹配、長度滿足芯 片間光互聯要求的光波導圖樣，將光波導圖樣提交給專業製版公司製得模板1，如圖2(a) 所示。(2)將聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解於二甲乙醯胺DMA溶劑中，兩者的質量比為 1 8。室溫下混合攪拌，然後將溫度升至50°C回流半小時，得到半透明狀的PVDF溶液。(3)用PVDF溶液塗覆在模版1上，控制PVDF溶液的厚度為1 1. 5mm。在室溫 下讓PVDF溶液中的DMA溶劑充分揮發，固化後PVDF薄膜脫模即得到模板1的翻版2，如圖 2(b)所示。(4)把苯基甲基環矽氧烷溶液與其配套固化劑溶液按質量比1 1的比例混合，得 到苯基甲基環矽氧烷混合液，用苯基甲基環矽氧烷混合液填充翻版2中的凹槽，在100°C 105°C溫度下烘烤一小時，苯基甲基環矽氧烷混合液固化後得到的芯層3，如圖2(c)所示。(5)把四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷溶液與其配套固化劑溶液按質量比10 1 的比例混合，得到四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液。四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混 合液放在密閉容器中抽真空，再用超聲波振蕩以去除四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液 中的氣泡。用流涎法把四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液塗覆在填充了芯層3的翻版2 上，將四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷和翻版2—起在80°C 90°C烘烤一小時，使四(三甲 基甲矽烷氧基)矽烷混合液發生交聯反應固化，形成四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜4， 如圖2(d)所示。(6)將翻版2從四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜4上剝離，四(三甲基甲矽烷氧 基)矽烷薄膜4形成下包層5，留在四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜4上的苯基甲基環矽氧烷形成芯層3，如圖2(e)所示。對於下包層5和芯層3上可能殘留的PVDF可用丙酮溶 去，初步形成以空氣為上包層的脊形波導。 (7)將四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液塗覆在第(6)步製備的以空氣為上包層的脊形波導上，固化形成聚合物上包層6，如圖2(f)所示。得到苯基甲基環矽氧烷為芯層 3，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷為上包層6、下包層5的脊型波導。
權利要求
一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法，其特徵在於包括以下步驟第一步，採用計算機輔助設計工具設計橫截面與多模光纖的芯徑相匹配、長度滿足晶片間光互聯要求的光波導圖樣，將光波導圖樣提交給專業製版公司製得模板；第二步，將聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解於二甲乙醯胺即DMA溶劑中，PVDF粉末與DMA溶劑的質量比為1∶8，室溫下混合攪拌，然後將溫度升至50℃回流半小時，得到半透明狀的PVDF溶液；第三步，將PVDF溶液塗覆在已製備好的模版(1)上，在室溫下讓PVDF溶液中的DMA溶劑充分揮發，固化後的PVDF薄膜從模版(1)上脫模即得到模板的翻版(2)；第四步，把苯基甲基環矽氧烷溶液與其配套固化劑溶液按質量比1∶1的比例混合，得到苯基甲基環矽氧烷混合液；用苯基甲基環矽氧烷混合液填充翻版(2)中的凹槽，在100℃～105℃溫度下烘烤一小時，苯基甲基環矽氧烷混合液固化後成為脊型波導的芯層(3)；第五步，把四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷溶液與其配套固化劑溶液按質量比10∶1的比例混合，得到四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液。四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液放在密閉容器中抽真空，再用超聲波振蕩以去除四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液中的氣泡；用流涎法把四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液塗覆在填充了苯基甲基環矽氧烷混合液的翻版(2)上，將四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷和翻版(2)一起在80℃～90℃溫度下烘烤一小時，使四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液發生交聯反應固化，形成四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜(4)；第六步，將翻版(2)從四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜(4)上剝離，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜(4)形成下包層(5)，留在四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜(4)上的苯基甲基環矽氧烷形成芯層(3)，初步形成以空氣為上包層的脊形波導；第七步，將四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液塗覆在第六步製備的以空氣為上包層的脊形波導上，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液固化，形成聚合物上包層(6)，得到以苯基甲基環矽氧烷為芯層(3)，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷為上包層(6)和下包層(5)的脊型波導。
2.如權利要求1所述的一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法，其特徵在於將 PVDF溶液塗覆在已製備好的模版(1)上時控制PVDF溶液的厚度為1 1. 5mm。
3.如權利要求1所述的一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法，其特徵在於所 述苯基甲基環矽氧烷混合液粘度為4，OOOmPa · s，折射率為1. 543。
4.如權利要求1所述的一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法，其特徵在於所 述四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液粘度為4，OOOmPa · s，折射率為1.41。
5.如權利要求1所述的一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法，其特徵在於第 六步所述下包層(5)和芯層(3)上可能殘留的PVDF用丙酮溶去。
全文摘要
本發明公開了一種用於光互連的聚矽氧烷光波導的製備方法，目的是提供一種製備長度大於20cm，成本低的用於光互連的光波導製備方法。技術方案是設計光波導圖樣，製得模板；將PVDF溶液塗覆在模版上，脫模得到翻版；用苯基甲基環矽氧烷混合液填充翻版中的凹槽，苯基甲基環矽氧烷混合液固化後成為脊型波導的芯層；把四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液塗覆在翻版上，烘烤後形成四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜；將翻版從四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜上剝離，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷薄膜形成下包層；將四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液塗覆在脊形波導上，四(三甲基甲矽烷氧基)矽烷混合液固化，形成聚合物上包層。採用本發明可以製備長度滿足任何晶片間光互聯要求的光波導，且工藝簡單，成本低。
文檔編號C08L83/04GK101819296SQ201010117909
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月5日 優先權日2010年3月5日
發明者馮向華, 季家鎔, 宋豔生, 溫昌禮, 竇文華 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學