光波導及其製造方法
2023-04-30 02:01:31 2
專利名稱：光波導及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種光波導及光波導的製造方法，特別是涉及一種包含下包層、在下包層上形成的纖芯區、以及覆蓋此下包層和纖芯區形成的上包層的光波導和製造這種光波導的方法。
在半導體器件領域，一直在努力提高運行速度和增加集成度。比如，進行了大量的開發工作來提高微處理器的性能和加大存儲器的容量。為了進一步加速上述的開發工作，就需要沿信號互連的運行速度更高，信號互連的配置密度更大和改進沿電布線的信號延遲，並且採取適當的措施來解決由於提高運行速度和加大信號互連的排列密度而引起的電磁幹擾也是重要的。為此，研究了光學互連作為解決上述問題的對策。光學互連可考慮在各種條件下使用，通常是用於裝置之間，裝置中的電路板之間或電路板上的晶片之間。特別是可以認為採用光波導作為傳輸通道的光學傳輸/通信設備適合較短距離，比如在晶片之間的信號傳輸。為了使採用光波導的光學傳輸/通信設備獲得廣泛的應用，重要的是要建立製造光波導的工藝。
這種光波導需要具有很小的光傳播損失並可通過簡單的製造工序製造。關於光傳播損失，可以考慮採用光傳播損失小的材料，如石英來製造光波導。正如在應用於光纖的場合所證明，石英具有良好的光傳輸性能，並且採用石英製造的光波導表現出0.1dB/cm或以下的很低的傳播損失。然而，採用石英製造的光波導的問題是要求大量的製造工序，特別是溫度達800℃或更高的熱處理工序，以及難於確保得到大面積的光波導。由於這一原因，光波導一直採用可以在低溫下處理的高分子聚合物材料，如聚甲基丙烯酸甲酯或聚醯亞胺來製造。下面將參考附圖3A～3D對由高聚物形成的纖芯區是形成於襯底上的有關技術的光波導進行描述，其中各附圖是示出光波導的製造工序的示意圖。
首先，如圖3A所示，在矽或玻璃襯底1上通過旋塗和必要的熱處理形成下包層2。在下包層2上，如圖3B所示，形成折射率比下包層2大的纖芯層3。
纖芯層3，如圖3C所示，通過光刻和刻蝕，如反應離子刻蝕，進行圖形化以形成矩形纖芯區3a作為光波導圖形。
最後，如圖3D所示，通過旋塗和必要的熱處理形成上包層4來覆蓋纖芯區3a和下包層2，從而得到埋置通道型光波導。
如果纖芯區3a是通過示於圖3的工序中幹法刻蝕，如反應離子刻蝕形成的，則幹法刻蝕通常是在氧氣氣氛中施行。在這種幹法刻蝕中，如射頻功率很大，則每個纖芯區3a的表面粗糙度變大，如氣體壓力變小，則纖芯區3a的表面粗糙度變小，但纖芯區3a的側壁常常會受到刻蝕。因此，為了形成具有小粗糙度並且具有高精確度的矩形形狀的纖芯區3a，就需要在小射頻功率和最佳氣壓下施行幹法刻蝕。
然而，如果在上述用來形成用作光波導的纖芯區3a的幹法刻蝕中將射頻功率設定為很小的數值，雖然纖芯區3a的厚度為幾μm到10μm的單模光波導的製造工序數目不會變得很大，但會出現纖芯區3a的厚度為幾十μm到幾百μm的多模光波導的製造工序數目很大的問題，並且每個纖芯區3a和下包層2的側壁表面粗糙度都會變大，從而增加光通過組成光波導的纖芯區3a時的傳播損失。
本發明的一個目的是提供一種無需大量製造工序來製造具有表面粗糙度小並且高度準確的矩形形狀的纖芯區的光波導的方法，以及提供一種光傳播損失很小的光波導。
為達到上述目的，根據本發明的第一方面提供了一種光波導，其構成包括襯底；在襯底上形成的下包層；在下包層上形成的纖芯區；以及覆蓋下包層及纖芯區形成的上包層；其中襯底由對具有特定波長的光線透明的材料製作，而纖芯區由受到具有特定波長的光線輻照時會硬化的材料製作。如上述的具有特定波長的光線是紫外光，則襯底可由對紫外光透明的材料，比如石英或玻璃製作，並且纖芯區可由受紫外光輻照而硬化的材料，比如紫外硬化型樹脂製作。
根據本發明的第二方面提供了一種柔性光波導，其構成包括下包層；在下包層上形成的纖芯區；以及覆蓋下包層及纖芯區形成的上包層；其中襯底由對具有特定波長的光線透明的材料製作，而纖芯區由受到具有特定波長的光線輻照時會硬化的材料製作。如上述的具有特定波長的光線是紫外光，則襯底可由對紫外光透明的材料，比如石英或玻璃製作，並且纖芯區可由受紫外光輻照而硬化的材料，比如紫外硬化型樹脂製作。
根據本發明的第三方面提供了一種製造光波導的方法，其構成工序包括在由對具有特定波長的光線透明的材料製作的襯底上形成下包層；在下包層上形成使具有特定波長的光線截止的光截止膜；使光截止膜圖形化形成帶有開口的圖形；在光截止膜上形成由受具有特定波長的光線輻照而硬化的材料製作的纖芯層；從襯底側用具有特定波長的光線輻照纖芯層以使纖芯層上位於光截止膜開口處的部分硬化；去除纖芯層上未硬化部分使硬化部分留下成為纖芯區；去除光截止膜；並且形成上包層來覆蓋下包層和纖芯區。如上述具有特定波長的光線是紫外光，則襯底可由對紫外光透明的材料，比如石英或玻璃製作；光截止膜可由金屬，如鉻膜製作；並且纖芯區可由受紫外光輻照而硬化的材料，比如紫外硬化型樹脂製作。此外，為了形成具有小粗糙度並且也具有高精確度的矩形形狀的纖芯區，從襯底側進入的具有特定波長的光線最好是調節成為在輻照方向上具有均勻能量分布的準直光束。
根據本發明的第四方面提供了一種製造柔性光波導的方法，其構成工序包括在對具有特定波長的光線透明的襯底上形成分離膜；在分離膜上形成下包層；在下包層上形成使具有特定波長的光線截止的光截止膜；使截止膜圖形化形成帶有開口的圖形；在光截止膜上形成由受具有特定波長的光線輻照而硬化的材料製作的纖芯層；從襯底側用具有特定波長的光線輻照纖芯層以使纖芯層上位於光截止膜開口處的部分硬化；去除纖芯層上未硬化部分使硬化部分留下成為纖芯區；去除光截止膜；形成上包層來覆蓋下包層和纖芯區；並且去除分離膜以使在分離膜上形成的下包層、纖芯區圖形及上包層整體與襯底分離。如上述具有特定波長的光線是紫外光，則襯底可由對紫外光透明的材料，比如石英或玻璃製作；分離膜可由通常溶解於弱氫氟酸中的材料製作；光截止膜可由金屬，如鉻膜製作；並且纖芯區可由受紫外光輻照而硬化的材料，比如紫外硬化型樹脂製作。此外，為了形成具有小粗糙度並且也具有高精確度的矩形形狀的纖芯區，從襯底側進入的具有特定波長的光線最好是調節成為在輻照方向上具有均勻能量分布的準直光束。
根據具有如上構成的本發明可以形成具有小粗糙度並且也具有與光截止膜的開口形狀相同的高精確度的矩形形狀的纖芯區，從而可很容易地提供無需大量製造工序的光傳播損失很小的光波導。
圖1A至圖1G為示出根據本發明的第一實施例的光波導的製造工序的示意圖；圖2A至圖2H為示出根據本發明的第二實施例的柔性光波導的製造工序的示意圖；圖3A至圖3D為示出現有技術的光波導的製造工序的示意圖。
本發明可應用於其構成包括下包層，在下包層上形成的纖芯區，以及為覆蓋下包層及纖芯區而形成的上包層，還可應用於光波導的製造方法。下面，將參考附圖1A至1G和圖2A至2H描述本發明的實施例。在這些附圖中，與在相關技術中所描述的部件相對應的部件採用同樣的標號。
第一實施例在此實施例中，應用本發明的光波導的構成包括襯底；在襯底上形成的下包層；在下包層上形成的纖芯區；以及為覆蓋下包層及纖芯區而形成的上包層。下面，將參考示意地示出光波導的製造工序的附圖1A至1G描述製造這樣一種光波導的方法。
首先，如圖1A所示，在襯底1上形成下包層2。
下包層2可利用普通的厚度均勻的膜形成方法，如旋塗法、噴塗法或預形成薄膜疊層法形成。在這一工序中，如利用旋塗法或噴塗法在襯底1上塗敷的是可藉助光輻照而硬化的材料來形成下包層2，則這樣塗敷的材料就可利用光輻照進行硬化。同時，如利用旋塗法或噴塗法在襯底1上塗敷的材料是可通過加熱而硬化的材料來形成下包層2，則這樣塗敷的材料就可利用高溫加熱進行硬化。
如圖1B所示，在下包層2上形成光截止膜5並進行圖形化以便在光截止膜5上以後要形成纖芯區3a的位置形成開口區。就是說，在要形成纖芯區3a的位置具有開口的光截止膜5的圖形是纖芯區3a的負圖形。光截止膜5採用普通的圖形化方法圖形化，比如可採用光刻技術在光截止膜5上形成抗蝕劑圖形並利用此抗蝕劑圖形作為掩模對光截止膜5進行刻蝕的方法，或者採用預先在下包層2上形成抗蝕劑圖形，在其上形成光截止膜5並通過剝離使光截止膜5圖形化的方法。光截止膜5是由可用來使在後續工序使纖芯區3a硬化的具有特定波長的光線6截止的材料製作的，並且對下包層2具有良好的粘附性。這種材料的具體例子可以包括金屬，如鉻和鉭，及有機材料。如光截止膜5由鉻製作，期望其形成厚度為10-8m或以上以便足以能使纖芯區3a硬化的具有特定波長的光線6截止，並且考慮到後續的光截止膜5去除工序更期望其形成厚度大約為10-7m。
之後，如圖1C所示，形成纖芯層3覆蓋光截止膜5和下包層2。纖芯層3可以採用通常的能夠形成具有均勻厚度薄膜的方法形成，比如可採用旋塗法和噴塗法。此外，纖芯層3可由受具有特定波長的光線6輻照會硬化的材料，比如受紫外光輻照而硬化的紫外硬化型樹脂來製作。
其次，如圖1D所示，從襯底1側利用具有特定波長的光線6輻照纖芯層3以使位於光截止膜5的圖形開口處的區域硬化。說得更具體些，具有特定波長的光線6從襯底1側進入並通過襯底1和下包層2。之後光線6受到光截止膜5固態部分的截止，但卻可通過光截止膜5的開口。就是說，使光線6入射到纖芯層3上在光截止膜5的開口處形成的將要用作纖芯區3a的部分使纖芯層3的這些將要用作纖芯區3a的部分硬化，從而形成具有與光截止膜5的開口形狀相同的纖芯區3a。在這種場合，為了形成具有表面粗糙度小的側壁並且也具有與光截止膜5的圖形開口形狀相同的高精確度的矩形形狀的纖芯區3a，期望具有特定波長的光線6是調節成為在輻照方向上具有均勻能量分布的準直光束。
如圖1E所示，纖芯層3上未對具有特定波長的光線6曝光的部分被去除以形成具有與光截止膜5的圖形開口形狀相同的高精確度的矩形形狀的纖芯區3a。利用有機溶劑可以很容易將纖芯層3上未對具有特定波長的光線6曝光的部分去除。如纖芯層3是由紫外硬化型環氧樹脂製作的，可使用乙醇作有機溶劑。於是通過具有特定波長的光線6輻照而形成的纖芯區3a就具有表面粗糙度小的側壁並且也具有與襯底1的主平面垂直的平面的高精確度的矩形形狀。
如圖1F所示，去除保留在下包層2上的光截止膜5。如光截止膜5是鉻制薄膜，可以很容易地利用鹽酸等去除。在這種場合，重要的是去除光截止膜5時不能對纖芯區3a和下包層2造成損傷。
最後，如圖1G所示，形成用來覆蓋纖芯區3a和下包層2的上包層4，從而獲得其纖芯區3a圖形高度精確並且光傳輸損失很小的光波導。此外，上包層4可利用普通的可形成具有均勻厚度薄膜的方法，如旋塗法、噴塗法或預形成薄膜疊層法形成。在這一工序中，如利用旋塗法或噴塗法在纖芯區3a和下包層2上塗敷的是可藉助光輻照而硬化的材料來形成上包層4，則這樣塗敷的材料就可利用光輻照進行硬化；而如利用旋塗法或噴塗法在纖芯區3a和下包層2上塗敷的材料是可通過加熱而硬化的材料來形成上包層4，則這樣塗敷的材料就可利用高溫加熱進行硬化。
第二實施例在此實施例中，應用本發明的柔性光波導的構成包括在襯底上形成的下包層；在下包層上形成的纖芯區；以及為覆蓋下包層及纖芯區而形成的上包層。下面，參考示意地示出柔性光波導的製造工序的附圖2A至2H描述製造這樣一種柔性光波導的方法。
首先，如圖2A所示，在襯底1上形成分離膜7，並在分離膜7上形成下包層2。與第一實施例類似，襯底1由對具有特定波長的光線6透明的材料，如石英或像BK-7這樣的玻璃製作。分離膜7也是由對具有特定波長的光線6透明的材料，如氧化矽這樣的介質膜或由有機材料製作的薄膜製作。另外，下包層2利用普通的可形成具有均勻厚度薄膜的方法，如旋塗法、噴塗法或預形成薄膜疊層法形成。在這一工序中，如利用旋塗法或噴塗法在分離膜7上塗敷的是可藉助光輻照而硬化的材料來形成下包層2，則這樣塗敷的材料就可利用光輻照進行硬化。同時，如利用旋塗法或噴塗法在分離膜7上塗敷的材料是可通過加熱而硬化的材料來形成下包層2，則這樣塗敷的材料就可利用高溫加熱進行硬化。
圖2B至圖2F的後續工序與圖1B至圖1F相同，因此相同的描述不贅述。
之後，如2G所示，形成上包層4來覆蓋纖芯區3a和下包層2。此外，上包層4可以採用通常的能夠形成具有均勻厚度薄膜的方法形成，比如可採用旋塗法、噴塗法或預形成薄膜疊層法。在這一工序中，如利用旋塗法或噴塗法在纖芯區3a和下包層2上塗敷的是可藉助光輻照而硬化的材料來形成上包層4，則這樣塗敷的材料就可利用光輻照進行硬化；如利用旋塗法或噴塗法在纖芯區3a和下包層2上塗敷的材料是可通過加熱而硬化的材料來形成上包層4，則這樣塗敷的材料就可利用高溫加熱進行硬化。
最後，如圖2H所示，通過去除分離膜7以使在分離膜7上形成的下包層2、纖芯區3a及上包層4整體與襯底1分離以獲得其構成包括高度精確地圖形化並且光傳播損失很小的纖芯區3a的柔性光波導。此外，重要的是去除分離膜7時不能對纖芯區3a、下包層2和上包層4造成損傷。如分離膜7是由氧化矽製作的，可以利用分離液，如弱氫氟酸去除。
雖然用具體條件描述了本發明的優選實施例，但這種描述僅僅是為了示例目的，所以應當理解，不脫離下面的權利要求書的精神和範圍可以提出各種修改和變化。
權利要求
1.一種光波導，其構成包括襯底；在所述襯底上形成的下包層；在所述下包層上形成的纖芯區；以及覆蓋所述下包層及所述纖芯區形成的上包層；其中所述襯底由對具有特定波長的光線透明的材料製作，所述纖芯區由受到具有特定波長的所述光線輻照時會硬化的材料製作。
2.如權利要求1的光波導，其中所述襯底可由通過具有特定波長的所述光線輻照而硬化的材料製作。
3.一種光波導，其構成包括下包層；在所述下包層上形成的纖芯區；以及覆蓋所述下包層及所述纖芯區形成的上包層；其中所述襯底由對具有特定波長的光線透明的材料製作，而所述纖芯區由受到具有特定波長的所述光線輻照時會硬化的材料製作。
4.一種光波導的製造方法，其構成工序包括在由對具有特定波長的光線透明的材料製作的襯底上形成下包層；在所述下包層上形成使具有特定波長的所述光線截止的光截止膜；使所述光截止膜圖形化形成帶有開口的圖形；在所述光截止膜上形成由受具有特定波長的所述光線輻照而硬化的材料製作的纖芯層；從所述襯底側用具有特定波長的所述光線輻照所述纖芯層以使所述纖芯層上位於所述光截止膜所述開口處的部分硬化；去除所述纖芯層上未硬化部分使所述硬化部分留下成為纖芯區；去除所述光截止膜；並且形成上包層來覆蓋所述下包層和所述纖芯區。
5.一種光波導的製造方法，其構成工序包括在對具有特定波長的光線透明的襯底上形成分離膜；在所述分離膜上形成下包層；在所述下包層上形成使具有特定波長的所述光線截止的光截止膜；使所述光截止膜圖形化形成帶有開口的圖形；在所述光截止膜上形成由受具有特定波長的所述光線輻照而硬化的材料製作的纖芯層；從所述襯底側用具有特定波長的所述光線輻照所述纖芯層以使所述纖芯層上位於所述光截止膜所述開口處的部分硬化；去除所述纖芯層上未硬化部分使所述硬化部分留下成為纖芯區；去除所述光截止膜；形成上包層來覆蓋所述下包層和所述纖芯區；並且去除所述分離膜以使在所述分離膜上形成的所述下包層、所述纖芯區圖形及所述上包層整體與所述襯底分離。
6.如權利要求4或5的光波導的製造方法，其中所述襯底由石英或玻璃製作，並且所述纖芯區由紫外硬化型樹脂製作。
7.如權利要求4或5的光波導的製造方法，其中所述光截止膜是金屬膜。
全文摘要
具有表面粗糙度小並且具有高度準確的矩形形狀的纖芯區的光波導的製造方法以及光傳播損失很小的光波導。包括:襯底;在襯底上形成的下包層;在下包層上形成的纖芯區;以及覆蓋下包層及纖芯區形成的上包層;其中襯底由對具有特定波長的光線透明的材料製作,而纖芯區由受到具有特定波長的光線輻照時會硬化的材料製作。如上述的具有特定波長的光線是紫外光,則襯底可由對紫外光透明的材料,比如石英或玻璃製作。
文檔編號G02B6/12GK1243256SQ9911051
公開日2000年2月2日 申請日期1999年7月21日 優先權日1999年7月21日
發明者小川剛 申請人:索尼株式會社