專利名稱：光感應(yīng)性SiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及SiO2薄膜微細(xì)圖形化技術(shù)的一種感光性溶膠、凝膠薄膜及其制備方法，進(jìn)一步涉及一種可應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域中的光學(xué)衍射元器件如光柵、分光器的制作，或應(yīng)用于微電子和光電子領(lǐng)域中的溝槽類基板的制作等。
現(xiàn)有的SiO2薄膜微細(xì)圖形化技術(shù)是采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)[1，2，3]、或離子刻蝕技術(shù)[4]。光刻法制備微細(xì)圖形要通過(guò)制膜，涂光刻膠，曝光，顯影，HF酸腐蝕，除膠等工序。工序繁多，工藝過(guò)程復(fù)雜，除此之外，由于還需要使用腐蝕性介質(zhì)，一方面造成環(huán)境污染，另一方面也會(huì)腐蝕基板，難以得到高質(zhì)量的微細(xì)圖形。離子刻蝕技術(shù)所用設(shè)備昂貴，刻蝕效率低下，由于離子束的轟擊，易造成圖形邊緣塌陷，難以得到邊緣規(guī)整的圖形[4]。
結(jié)合溶膠-凝膠制膜技術(shù)制備SiO2薄膜微細(xì)圖形的研究也有報(bào)道，主要有模壓和澆注法。模壓法首先在溶膠中加入有機(jī)物制備軟凝膠，再用模具壓制出微細(xì)圖形，最后經(jīng)過(guò)熱處理除去有機(jī)物。這一方法所需的微細(xì)圖形模具制備就很困難，而且有機(jī)物含量過(guò)高，熱處理過(guò)程中易于導(dǎo)致薄膜開(kāi)裂[5]。而澆注法不能在特定的基板上制備薄膜[6]，對(duì)于制備微細(xì)圖形幾乎沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。
近年也有用紫外激光或高能粒子束誘導(dǎo)離子交換玻璃薄膜[7]或離子交換玻璃[8]形成微細(xì)波導(dǎo)的方法及用分子組裝技術(shù)制備SiO2薄膜微細(xì)圖形的方法[9]。這些方法技術(shù)難度大，在實(shí)際應(yīng)用中有很大困難。
本發(fā)明綜合考慮了SiO2薄膜的制作和微細(xì)加工過(guò)程。采用溶膠-凝膠法結(jié)合化學(xué)修飾的方法制備出了光感應(yīng)性的SiO2凝膠薄膜，并采用紫外光照等方法可以低價(jià)而又高質(zhì)量地獲得SiO2薄膜及其微細(xì)圖形。
還可以利用本項(xiàng)發(fā)明的感光性溶膠，制備出感光性SiO2凝膠薄膜，紫外光通過(guò)掩模照射感光性SiO2凝膠薄膜，再施以適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以在薄膜?nèi)形成不同的折射率區(qū)域，利用這一原理可制備出折射率變調(diào)形光柵。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是溶膠-凝膠與化學(xué)修飾相結(jié)合的方法，制備光感應(yīng)性溶膠、利用這種凝膠在各種基板如硅板或石英基板上制備光感應(yīng)性SiO2凝膠薄膜，進(jìn)一步通過(guò)光照、有機(jī)溶洗、熱處理等過(guò)程獲得薄膜的微細(xì)圖形。或通過(guò)光照及熱處理獲得折射率變調(diào)型微細(xì)圖形。
具體過(guò)程按以下方法進(jìn)行(1)感光性SiO2溶膠制備首先采用化學(xué)修飾法制備感光性溶膠，其溶膠的組分和配比如下
TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶(2-4)∶(0.05-0.2)∶(10-40)∶(0.5-2)TEOS------正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4) 生成SiO2的基本原料EeOH------乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph--------菲羅林(C12H8N2)形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O-------水 與TEOS進(jìn)行加水反應(yīng)的基本原料HCl-------鹽酸 加速反應(yīng)的觸媒將以上組分的化學(xué)試劑混合攪拌4h后，就可得到均勻透明的感光性SiO2溶膠；(2)SiO2薄膜制備及微細(xì)圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制成SiO2凝膠薄膜，用這種方法制備的薄膜在274nm附近有較強(qiáng)的吸收峰，用相應(yīng)的紫外光照射時(shí)，吸收峰減弱并逐漸消失，用紫外線照射前這種薄膜在有機(jī)溶劑如乙醇中可溶解，照射后不能溶解，依據(jù)這一現(xiàn)象，紫外光通過(guò)掩膜照射這種感光性凝膠薄膜，然后將其在有機(jī)溶劑中浸泡后片刻取出，未被光照的地方被溶解，而光照的地方保留下來(lái)，得到SiO2凝膠薄膜的微細(xì)圖形；(3)進(jìn)一步進(jìn)行500℃-600℃的熱處理20min，使薄膜中殘留的有機(jī)物揮發(fā)去除后就可得到SiO2薄膜的微細(xì)圖形；(4)折射率變調(diào)型微細(xì)圖形制備(4)使用(1)的溶膠制備薄膜，光照以后薄膜中的螯合物發(fā)生分解，使得熱處理過(guò)程中殘留有機(jī)物的變化不同于未光照的薄膜。當(dāng)紫外光通過(guò)掩?；蚣す飧缮娣ㄕ丈浔∧ぃ偈┮?00-450℃的熱處理，就會(huì)在薄膜中而造成光照區(qū)域與未照區(qū)域折射率的差別；利用這種現(xiàn)象可制備折射率變調(diào)型光柵或折射率變調(diào)型微細(xì)圖形。
用本發(fā)明制備SiO2微細(xì)圖形，無(wú)需貴重設(shè)備，無(wú)需腐蝕性介質(zhì)，減少了工藝環(huán)節(jié)，是微細(xì)圖形的制備工藝大為簡(jiǎn)化，同時(shí)可以制備高質(zhì)量的微細(xì)圖形，可以應(yīng)用于溝槽類基板，衍射元器件如溝槽類光柵，分光器等。
用本發(fā)明制備折射率變調(diào)型微細(xì)圖形，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，可應(yīng)用于折射率變調(diào)型光柵等衍射類元器件的制備。
實(shí)施例1參見(jiàn)

圖1～3，本發(fā)明的光感應(yīng)性SiO2凝膠薄膜制備及其微細(xì)圖形制作方法，按以下方法進(jìn)行(1)感光性SiO2溶膠制備首先采用化學(xué)修飾法制備感光性溶膠，其溶膠的組分和配比如下TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶4∶0.05∶20∶0.5
TEOS---正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4) 生成SiO2的基本原料EeOH----乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph---菲羅林(C12H8N2)形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O---水與TEOS進(jìn)行加水反應(yīng)的基本原料HCl---鹽酸加速反應(yīng)的觸媒。
將以上組分的化學(xué)試劑混合攪拌4h后，就可得到均勻透明的溶膠。(2)SiO2薄膜制備及微細(xì)圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制膜，用這種方法制備的薄膜在274nm附近有較強(qiáng)的吸收峰如圖1所示，用相應(yīng)的紫外光照射時(shí)，吸收峰減弱并逐漸消失，用紫外線照射前這種薄膜在有機(jī)溶劑如乙醇中可溶解，照射后不能溶解，依據(jù)這一現(xiàn)象，紫外光通過(guò)掩膜照射這種感光性凝膠薄膜，然后將其在有機(jī)溶劑中浸泡片刻后取出，未被光照的地方被溶解，而光照的地方保留下來(lái)，得到SiO2凝膠薄膜的微細(xì)圖形。進(jìn)一步進(jìn)行500-600℃的熱處理，使有機(jī)物揮發(fā)去除后就可得到SiO2薄膜的微細(xì)圖形，整個(gè)薄膜微細(xì)圖形制備過(guò)程如圖2所示。
圖1中274nm的吸收峰與菲羅林(C12H8N2)的β′吸收峰(264nm)相比，紅移了10nm，說(shuō)明菲羅林(C12H8N2)與Si發(fā)生了螯合反應(yīng)，隨著紫外光的照射，274nm處的吸收峰下降直至消失，說(shuō)明含Si感光性螯合物發(fā)生分解，薄膜表現(xiàn)出了明顯的感光特性性。
圖2是利用感光性SiO2薄膜制備SiO2微細(xì)圖形的示意圖。
紫外光通過(guò)掩模照射感光性凝膠薄膜，對(duì)于0.6μm厚的薄膜，用200W/cm2的球形高壓汞燈照射約30min(圖2a)，將經(jīng)過(guò)圖2a照射過(guò)的薄膜放入無(wú)水乙醇中浸泡30sec后取出，吹干殘液，就可得到SiO2凝膠薄膜的微細(xì)圖形(圖2b)，進(jìn)一步在600℃下熱處理20min，薄膜中殘留的有機(jī)物消失，就可得到SiO2薄膜的微細(xì)圖形(圖2c)。(3)折射率變調(diào)型微細(xì)圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制成SiO2薄膜，經(jīng)光照以后螯合物分解，使隨后的熱處理過(guò)程中殘留的有機(jī)物變化不同于未光照的部分，從而造成在光照與未照區(qū)域光折射率的差別。如圖3所示。由圖3可知，在200℃-450℃之間進(jìn)行熱處理，光照區(qū)域與未照區(qū)域的折射率有明顯差別，利用之一現(xiàn)象可以制備折射率變調(diào)型光柵。紫外光通過(guò)掩膜照射這種感光性凝膠薄膜，然后將其在450℃熱處理，就會(huì)在薄膜中造成折射率較高和較低的區(qū)域，圖7是在硅基板上制備的折射率變調(diào)型微細(xì)圖形的光學(xué)顯微照片，圖中的淺色矩形條紋是經(jīng)過(guò)光照的折射率(折射率1.531)較高的部分，深色部分是未經(jīng)光照的折射率(折射率1.355)較低的部分。這一折射率變調(diào)型微細(xì)圖形和所使用的掩模圖形完全一致。本實(shí)施例可以應(yīng)用于折射率變調(diào)類光柵等衍射類元器件的制備。
實(shí)施例2本實(shí)施例與1所不同的是，感光性SiO2溶膠制備時(shí)其溶膠的組分和配比有所變化，即TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶3∶0.1∶30∶1TEOS---正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4) 生成SiO2的基本原料EeOH----乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph---菲羅林(C12H8N2) 形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O---水 與TEOS進(jìn)行加水反應(yīng)的基本原料HCl---鹽酸 加速反應(yīng)的觸媒。
其它均同實(shí)施例1，同樣可以達(dá)到實(shí)施例1的目的。
實(shí)施例3本實(shí)施例與1所不同的是，感光性SiO2溶膠制備時(shí)其溶膠的組分和配比有所變化，即TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶2∶0.2∶40∶2TEOS---正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4)生成SiO2的基本原料EeOH----乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph---菲羅林(C12H8N2) 形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O---水 與TEOS進(jìn)行加水反應(yīng)生成原料HCl---鹽酸 加速反應(yīng)的觸媒。
其它均同實(shí)施例1，同樣可以達(dá)到實(shí)施例1的目的。
當(dāng)然，還可以調(diào)整其溶膠的組分和配比，如TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶2.5∶0.15∶25∶1.5或TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶3.5∶0.2∶40∶1，………，在技術(shù)方案所述的范圍內(nèi)，都可以達(dá)到實(shí)施例1的目的。
圖4是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2微細(xì)圖形的光學(xué)顯微照片，圖中的深色矩形條紋是SiO2薄膜，淺色部分是硅基板，由照片可以看出用本發(fā)明制備的微細(xì)圖形非常規(guī)整。最細(xì)的條紋寬度約3μm。
圖5是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2微細(xì)溝槽的光學(xué)顯微照片，圖中的深色矩形條紋是SiO2薄膜，淺色部分是硅基板。這一技術(shù)可應(yīng)用與硬盤基板、等離子電視機(jī)基板等溝槽類基板的制作。
圖6是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2波導(dǎo)光柵的光學(xué)顯微照片，圖中的深色矩形條紋是SiO2薄膜，淺色部分是硅基板。
圖7是根據(jù)圖3的原理在硅基板上制備的折射率變調(diào)型微細(xì)圖形的光學(xué)顯微照片，圖中的淺色矩形條紋是經(jīng)過(guò)光照的折射率(折射率1.531)較高的部分，深色部分是未經(jīng)光照的折射率(折射率1.355)較低的部分。試樣經(jīng)過(guò)450℃熱處理。
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權(quán)利要求
1.光感應(yīng)性SiO2凝膠薄膜制備及其微細(xì)圖形制作方法，按以下方法進(jìn)行(1)感光性SiO2溶膠制備首先采用化學(xué)修飾法制備感光性溶膠，其溶膠的組分和配比如下TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶(2-4)∶(0.05-0.2)∶(10-40)∶(0.5-2)TEOS------正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4) 生成SiO2的基本原料EeOH------乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph------菲羅林(C12H8N2)形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O------水 與TEOS進(jìn)行加水反應(yīng)的基本原料HCl------鹽酸 加速反應(yīng)的觸媒將以上組分的化學(xué)試劑混合攪拌4h后，就可得到均勻透明的感光性SiO2溶膠；(2)SiO2薄膜制備及微細(xì)圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制成SiO2薄膜，用這種方法制備的薄膜在274nm附近有較強(qiáng)的吸收峰，用相應(yīng)的紫外光照射時(shí)，吸收峰減弱并逐漸消失，用紫外線照射前這種薄膜在有機(jī)溶劑如乙醇中可溶解，照射后不能溶解，這種利用掩膜照射后，在有機(jī)溶劑中浸泡后取出，未被光照的地方被溶解，而光照的地方保留下來(lái)，得到SiO2凝膠薄膜的微細(xì)圖形；(3)進(jìn)一步進(jìn)行500℃-600℃的熱處理20min，使薄膜中殘留的有機(jī)物揮發(fā)去除后就可得到SiO2薄膜的微細(xì)圖形；(4)使用(1)的溶膠制備薄膜，光照以后薄膜中的螯合物發(fā)生分解，使得熱處理過(guò)程中殘留有機(jī)物的變化不同于未光照的薄膜。當(dāng)紫外光通過(guò)掩?；蚣す飧缮娣ㄕ丈浔∧?，再施以200-450℃的熱處理，就會(huì)在薄膜中而造成光照區(qū)域與未照區(qū)域折射率的差別；利用這種現(xiàn)象可制備折射率變調(diào)型光柵或折射率變調(diào)型微細(xì)圖形。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了光感應(yīng)性SiO
文檔編號(hào)G03F7/16GK1359032SQ0114526
公開(kāi)日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2001年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月28日
發(fā)明者趙高揚(yáng), 趙桂榮, 胡雄偉 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)