專利名稱：一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子器件的制造方法，具體涉及一種制備聚硅氧烷光波導(dǎo)的方法。
背景技術(shù)：
由于計(jì)算機(jī)在超并行、大容量的數(shù)據(jù)和圖像的快速計(jì)算和實(shí)時(shí)處理中存在“電子 瓶頸”，光互連代替?zhèn)鹘y(tǒng)電互連成為了研究的熱點(diǎn)。尤其在芯片光互連中，聚合物波導(dǎo)以其 低成本、簡(jiǎn)單工藝、能大規(guī)模生產(chǎn)和集成度高的優(yōu)勢(shì)，在光電印制電路板中得到了廣泛的應(yīng) 用。尋求低損耗以及用于芯片間光互連的波導(dǎo)材料和相應(yīng)的制造工藝一直為人們所關(guān)心。傳統(tǒng)的光集成和光電集成是做在鈮酸鋰(LiNbO3)和硅基半導(dǎo)體材料上的。近年 來，人們開始關(guān)注有機(jī)聚合物光波導(dǎo)材料的開發(fā)研究。與傳統(tǒng)的無機(jī)光波導(dǎo)材料相比，有機(jī) 聚合物光波導(dǎo)材料具有較高的電光耦合系數(shù)、較低的介電常數(shù)、較小的響應(yīng)時(shí)間和較小的 熱損耗等特點(diǎn)。而且，用聚合物材料制作光波導(dǎo)還有這些優(yōu)點(diǎn)制作高質(zhì)量的聚合物波導(dǎo)材 料相對(duì)容易，同時(shí)波導(dǎo)材料的折射率易于調(diào)整；器件制作工藝簡(jiǎn)單，并與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝 相容，有利于大規(guī)模的生產(chǎn)，成本低。材料制作在許多類型的基底上，有利于與其它的光電 子器件集成。材料種類多，因而可選擇傳輸損耗低、價(jià)格低廉的材料來制作器件。光電集成器件的熔結(jié)溫度一般在260°C，PCB版層壓工藝集成器件需承受的溫度 不低于180°C。另一方面，在使用過程中也要求材料有一定的熱穩(wěn)定性。目前部分用于光波 導(dǎo)制備研究的有機(jī)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(wěn)定性 差，不適宜用作芯片間光互連。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(wěn)定性好的有機(jī)聚合物。聚硅氧烷(PDMS)和聚酞亞胺(PI)及其衍生物具有這方面的良好 特性。在制備工藝方面，傳統(tǒng)的聚合物波導(dǎo)制備工藝是基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制備工藝。首 先用旋涂法在基底上制備聚合物薄膜，所需的微圖形通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)轉(zhuǎn)移到金屬保護(hù) 膜上，光刻完畢后就進(jìn)行ICP刻蝕。在ICP刻蝕中受光刻膠保護(hù)留下的的金屬微圖形膜被 用作掩膜層，未被保護(hù)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(jié)構(gòu)層， 再采用腐蝕劑將金屬微圖形膜腐蝕掉，剩下的具有微圖形結(jié)構(gòu)的聚合物即成為波導(dǎo)材料的 芯層。最后在制作好的波導(dǎo)芯層上旋涂聚合物上包層，加熱處理使上包層固化，就形成了光 波導(dǎo)層。上述傳統(tǒng)的光波導(dǎo)制備方法工藝穩(wěn)定，所制備的光波導(dǎo)層質(zhì)量高，在大規(guī)模生產(chǎn) 中具有較大的優(yōu)勢(shì)。不足之處在于目前實(shí)驗(yàn)室中普遍使用的光刻機(jī)紫外光均勻區(qū)有限，刻 蝕設(shè)備中離子束均勻區(qū)有限，不可能用旋涂法獲得大面積均勻薄膜，因此用傳統(tǒng)光波導(dǎo)制 備方法制備長(zhǎng)度大于15cm的光波導(dǎo)有困難，而長(zhǎng)度大于15cm的光波導(dǎo)才能滿足芯片間光 互連的要求，因此為了制備滿足芯片間光互連要求的光波導(dǎo)必須探索新的方法。1990年以來，人們開發(fā)了各種直寫技術(shù)(Direct Writing)，如微細(xì)筆直寫、金剛石刀具直寫、激光直寫、激光微細(xì)熔覆直寫等。具有代表性的方法是微細(xì)筆直寫電子元器件方 法。它主要是采用特殊設(shè)計(jì)的微細(xì)筆，利用工作臺(tái)的CAD/CAM功能，直接將電子漿料置放于基板表面的指定位置，形成線路板或者功能元器件。關(guān)于Micropen直寫布線的具體設(shè)計(jì)方 法見美國(guó)專利‘‘Carl Ε,Drumheller. Inking System for Producing CircuitPatterns. US Patent4485387,1984. ”；國(guó)內(nèi)具有代表性的是華中科技大學(xué)的專利“一種具備聚合物的方 法及其專用直寫裝置，申請(qǐng)?zhí)?00610019923. 7”。該裝置通過控制施壓氣管中氣流的通斷和 調(diào)節(jié)氣壓的大小，并向微細(xì)筆的儲(chǔ)料腔中漿料提供所需的壓力來制備波導(dǎo)。直寫技術(shù)一般具有CAD/CAM功能，無需掩膜就可實(shí)現(xiàn)柔性化制造，加工精度高，無 污染。不足之處在于直寫裝置昂貴、制作成本高且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法， 采用該方法可制備長(zhǎng)度大于20cm，且成本低、工藝簡(jiǎn)單、易于操作。本發(fā)明的技術(shù)方案是第一步，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)橫截面與多模光纖的芯徑相匹配、長(zhǎng)度滿 足芯片間光互聯(lián)要求的光波導(dǎo)圖樣，將光波導(dǎo)圖樣提交給專業(yè)制版公司制得模板。第二步，將聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解于二甲乙醯胺即DMA溶劑中，PVDF粉末 與DMA溶劑的質(zhì)量比為1 8。室溫下混合攪拌，然后將溫度升至50°C回流半小時(shí)，可得到 半透明狀的PVDF溶液。第三步，將PVDF溶液涂覆在已制備好的模版上，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(fā)，固化后的PVDF薄膜從模版上脫模即得到模板的翻版。翻版中有凹槽，將在下一步中用來制作波導(dǎo)的芯層。第四步，把苯基甲基環(huán)硅氧烷溶液與其配套固化劑溶液按質(zhì)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(huán)硅氧烷混合液。用苯基甲基環(huán) 硅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(shí)，苯基甲基環(huán)硅氧烷 混合液固化后成為脊型波導(dǎo)的芯層。第五步，把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷溶液與其配套固化劑溶液按質(zhì)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(三甲基甲硅烷氧基) 硅烷混合液。四(三甲基甲硅烷氧基)硅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(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液中的氣泡。用流涎法把四(三甲基甲硅烷氧 基)硅烷混合液涂覆在填充了苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液的翻版上，將四(三甲基甲硅烷氧 基)硅烷和翻版一起在80°C 90°C溫度下烘烤一小時(shí)，使四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混 合液發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化，形成四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜。第六步，將翻版從四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜上剝離，四(三甲基甲硅烷氧 基)硅烷薄膜形成下包層，留在四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜上的苯基甲基環(huán)硅氧烷 形成芯層。對(duì)于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(dǎo)。第七步，將四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在第六步制備的以空氣為上 包層的脊形波導(dǎo)上，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液固化，形成聚合物上包層。得到以 苯基甲基環(huán)硅氧烷為芯層，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷為上包層和下包層的脊型波導(dǎo)。
采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果1.由于本發(fā)明第一步設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)圖樣的長(zhǎng)度滿足芯片間光互聯(lián)要求，模板的制 備是成熟技術(shù)，長(zhǎng)度根據(jù)光波導(dǎo)圖樣的長(zhǎng)度制得，因此采用本發(fā)明能制備長(zhǎng)度滿足任何芯 片間光互聯(lián)要求的光波導(dǎo)，使得制備長(zhǎng)度大于20cm的光波導(dǎo)變得很容易。2.因?yàn)橛米餍緦拥谋交谆h(huán)硅氧烷和包層的四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷玻璃化溫度高、熱穩(wěn)定性好，所以本發(fā)明制備的光波導(dǎo)可用于基于層壓工藝的PCB板上的光互 連。3.由于采用本發(fā)明制備光波導(dǎo)時(shí)芯層和上下包層的材料均為聚硅氧烷，所以制備 出的光波導(dǎo)傳輸損耗低，低于0. 14dB/cm。4.本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，易于操作。


圖1為本發(fā)明的總體流程圖；圖2是采用本發(fā)明制備光波導(dǎo)時(shí)光波導(dǎo)各組件的變化示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明的總體流程圖，圖2是采用本發(fā)明制備光波導(dǎo)時(shí)光波導(dǎo)各組件的變 化示意圖。如圖2(a)_(e)所示，本發(fā)明的步驟為(1)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)橫截面與多模光纖的芯徑相匹配、長(zhǎng)度滿足芯 片間光互聯(lián)要求的光波導(dǎo)圖樣，將光波導(dǎo)圖樣提交給專業(yè)制版公司制得模板1，如圖2(a) 所示。(2)將聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解于二甲乙醯胺DMA溶劑中，兩者的質(zhì)量比為 1 8。室溫下混合攪拌，然后將溫度升至50°C回流半小時(shí)，得到半透明狀的PVDF溶液。(3)用PVDF溶液涂覆在模版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(fā)，固化后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(huán)硅氧烷溶液與其配套固化劑溶液按質(zhì)量比1 1的比例混合，得 到苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液，用苯基甲基環(huán)硅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(shí)，苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液固化后得到的芯層3，如圖2(c)所示。(5)把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷溶液與其配套固化劑溶液按質(zhì)量比10 1 的比例混合，得到四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液。四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混 合液放在密閉容器中抽真空，再用超聲波振蕩以去除四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液 中的氣泡。用流涎法把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在填充了芯層3的翻版2 上，將四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷和翻版2—起在80°C 90°C烘烤一小時(shí)，使四(三甲 基甲硅烷氧基)硅烷混合液發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化，形成四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜4， 如圖2(d)所示。(6)將翻版2從四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜4上剝離，四(三甲基甲硅烷氧 基)硅烷薄膜4形成下包層5，留在四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜4上的苯基甲基環(huán)硅氧烷形成芯層3，如圖2(e)所示。對(duì)于下包層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(dǎo)。 (7)將四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在第(6)步制備的以空氣為上包層的脊形波導(dǎo)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(huán)硅氧烷為芯層 3，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷為上包層6、下包層5的脊型波導(dǎo)。
權(quán)利要求
一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于包括以下步驟第一步，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)橫截面與多模光纖的芯徑相匹配、長(zhǎng)度滿足芯片間光互聯(lián)要求的光波導(dǎo)圖樣，將光波導(dǎo)圖樣提交給專業(yè)制版公司制得模板；第二步，將聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解于二甲乙醯胺即DMA溶劑中，PVDF粉末與DMA溶劑的質(zhì)量比為1∶8，室溫下混合攪拌，然后將溫度升至50℃回流半小時(shí)，得到半透明狀的PVDF溶液；第三步，將PVDF溶液涂覆在已制備好的模版(1)上，在室溫下讓PVDF溶液中的DMA溶劑充分揮發(fā)，固化后的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(huán)硅氧烷溶液與其配套固化劑溶液按質(zhì)量比1∶1的比例混合，得到苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液；用苯基甲基環(huán)硅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(shí)，苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液固化后成為脊型波導(dǎo)的芯層(3)；第五步，把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷溶液與其配套固化劑溶液按質(zhì)量比10∶1的比例混合，得到四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液。四(三甲基甲硅烷氧基)硅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(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液中的氣泡；用流涎法把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在填充了苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液的翻版(2)上，將四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷和翻版(2)一起在80℃～90℃溫度下烘烤一小時(shí)，使四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)固化，形成四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)；第六步，將翻版(2)從四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)上剝離，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)形成下包層(5)，留在四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)上的苯基甲基環(huán)硅氧烷形成芯層(3)，初步形成以空氣為上包層的脊形波導(dǎo)；第七步，將四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在第六步制備的以空氣為上包層的脊形波導(dǎo)上，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液固化，形成聚合物上包層(6)，得到以苯基甲基環(huán)硅氧烷為芯層(3)，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷為上包層(6)和下包層(5)的脊型波導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于將 PVDF溶液涂覆在已制備好的模版(1)上時(shí)控制PVDF溶液的厚度為1 1. 5mm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于所 述苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液粘度為4，OOOmPa · s，折射率為1. 543。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于所 述四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液粘度為4，OOOmPa · s，折射率為1.41。
5.如權(quán)利要求1所述的一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法，其特征在于第 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(fā)明公開了一種用于光互連的聚硅氧烷光波導(dǎo)的制備方法，目的是提供一種制備長(zhǎng)度大于20cm，成本低的用于光互連的光波導(dǎo)制備方法。技術(shù)方案是設(shè)計(jì)光波導(dǎo)圖樣，制得模板；將PVDF溶液涂覆在模版上，脫模得到翻版；用苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液填充翻版中的凹槽，苯基甲基環(huán)硅氧烷混合液固化后成為脊型波導(dǎo)的芯層；把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在翻版上，烘烤后形成四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜；將翻版從四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜上剝離，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜形成下包層；將四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在脊形波導(dǎo)上，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液固化，形成聚合物上包層。采用本發(fā)明可以制備長(zhǎng)度滿足任何芯片間光互聯(lián)要求的光波導(dǎo)，且工藝簡(jiǎn)單，成本低。
文檔編號(hào)C08L83/04GK101819296SQ201010117909
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者馮向華, 季家镕, 宋艷生, 溫昌禮, 竇文華 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)