专利名称：一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法
技术领域：
本发明属于光电子器件的制造方法，具体涉及一种制备聚硅氧烷光波导的方法。
背景技术：
由于计算机在超并行、大容量的数据和图像的快速计算和实时处理中存在“电子 瓶颈”，光互连代替传统电互连成为了研究的热点。尤其在芯片光互连中，聚合物波导以其 低成本、简单工艺、能大规模生产和集成度高的优势，在光电印制电路板中得到了广泛的应 用。寻求低损耗以及用于芯片间光互连的波导材料和相应的制造工艺一直为人们所关心。传统的光集成和光电集成是做在铌酸锂(LiNbO3)和硅基半导体材料上的。近年 来，人们开始关注有机聚合物光波导材料的开发研究。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、较小的响应时间和较小的 热损耗等特点。而且，用聚合物材料制作光波导还有这些优点制作高质量的聚合物波导材 料相对容易，同时波导材料的折射率易于调整；器件制作工艺简单，并与传统的半导体工艺 相容，有利于大规模的生产，成本低。材料制作在许多类型的基底上，有利于与其它的光电 子器件集成。材料种类多，因而可选择传输损耗低、价格低廉的材料来制作器件。光电集成器件的熔结温度一般在260°C，PCB版层压工艺集成器件需承受的温度 不低于180°C。另一方面，在使用过程中也要求材料有一定的热稳定性。目前部分用于光波 导制备研究的有机聚合物(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯等)玻璃化温度低和热稳定性 差，不适宜用作芯片间光互连。为满足以上需求，材料的选择上必须选取玻璃化温度高、热 稳定性好的有机聚合物。聚硅氧烷(PDMS)和聚酞亚胺(PI)及其衍生物具有这方面的良好 特性。在制备工艺方面，传统的聚合物波导制备工艺是基于传统的半导体制备工艺。首 先用旋涂法在基底上制备聚合物薄膜，所需的微图形通过传统的光刻技术转移到金属保护 膜上，光刻完毕后就进行ICP刻蚀。在ICP刻蚀中受光刻胶保护留下的的金属微图形膜被 用作掩膜层，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， 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方法工艺稳定，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。不足之处在于目前实验室中普遍使用的光刻机紫外光均勻区有限，刻 蚀设备中离子束均勻区有限，不可能用旋涂法获得大面积均勻薄膜，因此用传统光波导制 备方法制备长度大于15cm的光波导有困难，而长度大于15cm的光波导才能满足芯片间光 互连的要求，因此为了制备满足芯片间光互连要求的光波导必须探索新的方法。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。具有代表性的方法是微细笔直写电子元器件方 法。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。关于Micropen直写布线的具体设计方 法见美国专利‘‘Carl Ε,Drumheller. Inking System for Producing CircuitPatterns. US Patent4485387,1984. ”；国内具有代表性的是华中科技大学的专利“一种具备聚合物的方 法及其专用直写装置，申请号200610019923. 7”。该装置通过控制施压气管中气流的通断和 调节气压的大小，并向微细笔的储料腔中浆料提供所需的压力来制备波导。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，加工精度高，无 污染。不足之处在于直写装置昂贵、制作成本高且生产周期长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法， 采用该方法可制备长度大于20cm，且成本低、工艺简单、易于操作。本发明的技术方案是第一步，采用计算机辅助设计工具设计横截面与多模光纤的芯径相匹配、长度满 足芯片间光互联要求的光波导图样，将光波导图样提交给专业制版公司制得模板。第二步，将聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解于二甲乙醯胺即DMA溶剂中，PVDF粉末 与DMA溶剂的质量比为1 8。室温下混合搅拌，然后将温度升至50°C回流半小时，可得到 半透明状的PVDF溶液。第三步，将PVDF溶液涂覆在已制备好的模版上，控制PVDF溶液的厚度为1 1. 5mm0在室温下让PVDF溶液中的DMA溶剂充分挥发，固化后的PVDF薄膜从模版上脱模即得到模板的翻版。翻版中有凹槽，将在下一步中用来制作波导的芯层。第四步，把苯基甲基环硅氧烷溶液与其配套固化剂溶液按质量比1 1的比例混 合，得到粘度为4，OOOmPa · s，折射率为1. 543的苯基甲基环硅氧烷混合液。用苯基甲基环 硅氧烷混合液填充翻版中的凹槽，在100°C 105°C温度下烘烤一小时，苯基甲基环硅氧烷 混合液固化后成为脊型波导的芯层。第五步，把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷溶液与其配套固化剂溶液按质量比 10 1的比例混合，得到粘度为4，OOOmPa · s，折射率为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)硅烷混合液放在密闭容器中抽真空，再用超声波振 荡以去除四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液中的气泡。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环硅氧烷混合液的翻版上，将四(三甲基甲硅烷氧 基)硅烷和翻版一起在80°C 90°C温度下烘烤一小时，使四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混 合液发生交联反应固化，形成四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜。第六步，将翻版从四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜上剥离，四(三甲基甲硅烷氧 基)硅烷薄膜形成下包层，留在四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜上的苯基甲基环硅氧烷 形成芯层。对于下包层和芯层上可能残留的PVDF可用丙酮溶去，初步形成以空气为上包层 的脊形波导。第七步，将四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在第六步制备的以空气为上 包层的脊形波导上，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液固化，形成聚合物上包层。得到以 苯基甲基环硅氧烷为芯层，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷为上包层和下包层的脊型波导。
采用本发明可以达到以下技术效果1.由于本发明第一步设计的光波导图样的长度满足芯片间光互联要求，模板的制 备是成熟技术，长度根据光波导图样的长度制得，因此采用本发明能制备长度满足任何芯 片间光互联要求的光波导，使得制备长度大于20cm的光波导变得很容易。2.因为用作芯层的苯基甲基环硅氧烷和包层的四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷玻璃化温度高、热稳定性好，所以本发明制备的光波导可用于基于层压工艺的PCB板上的光互 连。3.由于采用本发明制备光波导时芯层和上下包层的材料均为聚硅氧烷，所以制备 出的光波导传输损耗低，低于0. 14dB/cm。4.本发明工艺简单，易于操作。
图1为本发明的总体流程图；图2是采用本发明制备光波导时光波导各组件的变化示意图。
具体实施例方式图1是本发明的总体流程图，图2是采用本发明制备光波导时光波导各组件的变 化示意图。如图2(a)_(e)所示，本发明的步骤为(1)采用计算机辅助设计工具设计横截面与多模光纤的芯径相匹配、长度满足芯 片间光互联要求的光波导图样，将光波导图样提交给专业制版公司制得模板1，如图2(a) 所示。(2)将聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解于二甲乙醯胺DMA溶剂中，两者的质量比为 1 8。室温下混合搅拌，然后将温度升至50°C回流半小时，得到半透明状的PVDF溶液。(3)用PVDF溶液涂覆在模版1上，控制PVDF溶液的厚度为1 1. 5mm。在室温 下让PVDF溶液中的DMA溶剂充分挥发，固化后PVDF薄膜脱模即得到模板1的翻版2，如图 2(b)所示。(4)把苯基甲基环硅氧烷溶液与其配套固化剂溶液按质量比1 1的比例混合，得 到苯基甲基环硅氧烷混合液，用苯基甲基环硅氧烷混合液填充翻版2中的凹槽，在100°C 105°C温度下烘烤一小时，苯基甲基环硅氧烷混合液固化后得到的芯层3，如图2(c)所示。(5)把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷溶液与其配套固化剂溶液按质量比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 合液放在密闭容器中抽真空，再用超声波振荡以去除四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液 中的气泡。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层3的翻版2 上，将四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷和翻版2—起在80°C 90°C烘烤一小时，使四(三甲 基甲硅烷氧基)硅烷混合液发生交联反应固化，形成四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜4， 如图2(d)所示。(6)将翻版2从四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜4上剥离，四(三甲基甲硅烷氧 基)硅烷薄膜4形成下包层5，留在四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜4上的苯基甲基环硅氧烷形成芯层3，如图2(e)所示。对于下包层5和芯层3上可能残留的PVDF可用丙酮溶 去，初步形成以空气为上包层的脊形波导。 (7)将四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在第(6)步制备的以空气为上包层的脊形波导上，固化形成聚合物上包层6，如图2(f)所示。得到苯基甲基环硅氧烷为芯层 3，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷为上包层6、下包层5的脊型波导。
权利要求
一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法，其特征在于包括以下步骤第一步，采用计算机辅助设计工具设计横截面与多模光纤的芯径相匹配、长度满足芯片间光互联要求的光波导图样，将光波导图样提交给专业制版公司制得模板；第二步，将聚偏二氟乙烯即PVDF粉末溶解于二甲乙醯胺即DMA溶剂中，PVDF粉末与DMA溶剂的质量比为1∶8，室温下混合搅拌，然后将温度升至50℃回流半小时，得到半透明状的PVDF溶液；第三步，将PVDF溶液涂覆在已制备好的模版(1)上，在室温下让PVDF溶液中的DMA溶剂充分挥发，固化后的PVDF薄膜从模版(1)上脱模即得到模板的翻版(2)；第四步，把苯基甲基环硅氧烷溶液与其配套固化剂溶液按质量比1∶1的比例混合，得到苯基甲基环硅氧烷混合液；用苯基甲基环硅氧烷混合液填充翻版(2)中的凹槽，在100℃～105℃温度下烘烤一小时，苯基甲基环硅氧烷混合液固化后成为脊型波导的芯层(3)；第五步，把四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷溶液与其配套固化剂溶液按质量比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)硅烷混合液放在密闭容器中抽真空，再用超声波振荡以去除四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液中的气泡；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环硅氧烷混合液的翻版(2)上，将四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷和翻版(2)一起在80℃～90℃温度下烘烤一小时，使四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液发生交联反应固化，形成四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)；第六步，将翻版(2)从四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)上剥离，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)形成下包层(5)，留在四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜(4)上的苯基甲基环硅氧烷形成芯层(3)，初步形成以空气为上包层的脊形波导；第七步，将四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在第六步制备的以空气为上包层的脊形波导上，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液固化，形成聚合物上包层(6)，得到以苯基甲基环硅氧烷为芯层(3)，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷为上包层(6)和下包层(5)的脊型波导。
2.如权利要求1所述的一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法，其特征在于将 PVDF溶液涂覆在已制备好的模版(1)上时控制PVDF溶液的厚度为1 1. 5mm。
3.如权利要求1所述的一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法，其特征在于所 述苯基甲基环硅氧烷混合液粘度为4，OOOmPa · s，折射率为1. 543。
4.如权利要求1所述的一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法，其特征在于所 述四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液粘度为4，OOOmPa · s，折射率为1.41。
5.如权利要求1所述的一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法，其特征在于第 六步所述下包层(5)和芯层(3)上可能残留的PVDF用丙酮溶去。
全文摘要
本发明公开了一种用于光互连的聚硅氧烷光波导的制备方法，目的是提供一种制备长度大于20cm，成本低的用于光互连的光波导制备方法。技术方案是设计光波导图样，制得模板；将PVDF溶液涂覆在模版上，脱模得到翻版；用苯基甲基环硅氧烷混合液填充翻版中的凹槽，苯基甲基环硅氧烷混合液固化后成为脊型波导的芯层；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；将翻版从四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜上剥离，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷薄膜形成下包层；将四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液涂覆在脊形波导上，四(三甲基甲硅烷氧基)硅烷混合液固化，形成聚合物上包层。采用本发明可以制备长度满足任何芯片间光互联要求的光波导，且工艺简单，成本低。
文档编号C08L83/04GK101819296SQ201010117909
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者冯向华, 季家镕, 宋艳生, 温昌礼, 窦文华 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学