CN103592721B - 一种全聚合物平面光路的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全聚合物平面光路的制作方法，包括步骤：（1）利用紫外光刻与深刻蚀工艺获得初始原模，之后用电化学沉积的方法复制金属镍模具，然后采用微型模塑的方法制作聚合物微结构零件；（2）采用热退火工艺对零件进行分段处理，降低侧壁的粗糙度，减小光波传输中的散射损耗;（3）涂布填充聚合物介质材料，固化后形成平面光路的核心结构；（4）用聚合物胶层作为元件的束缚层，然后将束缚层与光学聚合物基片结合在一起，实现掩埋脊型聚合物平面光路的制备。本发明相比传统聚合物平面光路制备方法，降低了成本，工艺对材料的通用性强。

Description

一种全聚合物平面光路的制作方法

技术领域

本发明属于光学元件制造技术领域，具体涉及一种全聚合物平面光路的制作方法。

背景技术

光波导按介质材料划分，通常可分为无机光波导和有机光波导；早期出现的是无机光波导，其介质材料为无机物，如石英玻璃；与传统的无机光波导相比，有机光波导采用了有机材料作为介质，如聚合物；有机光波导比无机光波导的加工工艺相对简单。在聚合物光波导的制作工艺方面，依据图形化波导芯层的制作方案，先后诞生了几种主要的工艺方法。

在这些方法中，较早选用的方法是在硅片上旋涂聚合物薄膜，高温固化成膜后，采用磁控溅射技术在制备好的聚合物薄膜上沉积金属膜。然后通过传统的光刻技术转移波导图形。光刻结束后，进行ICP(感应耦合等离子体)刻蚀。ICP刻蚀中以金属图形为掩膜，刻蚀聚合物材料。带刻蚀结束，腐蚀掉金属微图形后，最终形成所需要的聚合物波导芯层。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，形成整个波导结构。但这种工艺需要的设备昂贵，器件加工成本高，传统光刻获得图形线宽尺寸有限。

之后为了简化波导制备工艺，研究人员开发了专门用于波导芯层的光刻胶有机材料。目前，研究人员普遍使用的SU-8就是一种紫外负性光刻胶，主要成分为SU-8单体，有机溶剂和光引发剂。这种材料成膜性好，材料在近紫外波段的光吸收小，所以直接可以用作波导，不需要金属蒸发、干法刻蚀等工艺，只需要通过光刻、显影就能获得形貌良好的波导，大大简化了工艺步骤。这种工艺相比上面的工艺而言，工艺步骤有所简化，降低了成本，但可用的波导材料有限，毒性大，加工尺寸同样存在问题。

紧接着，为了弥补现有传统光波导制造技术的不足，1990年以来，人们开发了各种直写技术，如微细笔直写、金刚石刀具直写、激光直写等。由于直写技术一般具有CAD/CAM功能，无需掩膜就可实现柔性化制造，且加工精度高，速度快，无污染。所以，从成本的角度讲，可以满足小批量、多品种的电子产品的制造要求，但如果从大规模生产的角度来讲，这种工艺就会存在一定的局限性。

为了进一步降低聚合物波导制作的成本，实现大批量规模化的生产。近些年来，研究人员提出了微纳米压印的制备方法。纳米压印技术是一种低成本，高精度，高效率的新技术，主要包括热压印，紫外压印和微接触压印，其中紫外压印技术不需要高温高压，尤其适用于紫外固化聚合物材料。CN201210192287.9公开了“一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法”，特别提到了热压印技术制备聚甲基硅氧烷微纳光学结构的方法。尽管这项技术已经显示出它在超高精度工业化产品生产方面的优势，但在制作高深宽比的聚合物波导图形方面，仍然存在一些技术问题。特别是在热固型材料的复杂深槽结构压印的脱模问题方面，还面临很大的技术挑战。

随着微加工复制技术的发展，在微电子机械系统MEMS器件以及微全分析系统uTAS的制造过程中，研究人员报到了一种基于LIGA技术的制备方法。LIGA是德文光刻、电铸与注塑的缩写。但这种技术需要昂贵的同步辐射X光光源与X光掩膜板，这无疑限制了LIGA技术的开发应用。近年来，研究人员也开发出了多种替代工艺，如用紫外光刻的UV-LIGA，用激光烧蚀的Laser-LIGA,用硅深刻蚀工艺的Si-LIGA和DEM技术等。这项技术结合了体硅微加工与LIGA技术的优点，从而缩短了加工周期，降低了成本，具有很大的应用前景。然而由于MEMS与uTAS的器件深宽比较大，选用Si-LIGA和DEM技术，利用Bosch工艺刻蚀结构，不可避免的会造成侧壁圆形的锯齿状，这对于光波导器件而言，会增大器件的散射损耗，不利于高性能光波导器件的制备，无疑限制其使用范围。

发明内容

本发明目的在于为解决上述问题，提出一种全聚合物平面光路的制作方法，具有生产成本低，效率高，适合批量生产的特点。

为实现本发明的目的所采用的技术方案为：

一种全聚合物平面光路的制作方法，至少包括以下步骤：

步骤一、制作光刻胶掩膜：在基片表面上旋涂光刻胶，将光刻板上的版图通过曝光的方式转移到光刻胶上；对光刻胶进行显影后获得具有所述光刻板版图的光刻胶掩膜；

步骤二、制作原模：使用深槽刻蚀设备对具有光刻胶掩膜的基片进行刻蚀，在基片上刻蚀出与掩膜图形对应的凹槽版图，刻蚀结束后将光刻胶掩膜去除，获得基片原模；

步骤三、制作硬质模具：以原模作为模板，使用电化学沉积的方法，在原模的凹槽版图上沉淀成型金属模具，然后脱模；

步骤四、制作光学零件：以金属模具作为微成型的模板，模塑成型出具有微纳结构的聚合物零件，然后脱模；获得的光学零件上具有与原模相同的凹槽版图；

步骤五、制作光路芯层：将光学介质材料填充到零件上表面的凹槽内，然后固化介质材料，获得裸露的光学结构；

步骤六、平面光路雏形：制作光路的束缚层，将该束缚层与裸露的光学结构基片键合连接。

作为进一步的改进，所述步骤四中，还包括对零件进行表面去糙处理的步骤：

Step a、退火处理：将零件暴露于高于Tg点1-15℃的温度下1-15min，然后自然冷却；所述Tg点为聚合物材料的玻璃化温度；

Step b、真空烘烤：在低于所述Tg点5-30℃的温度下，真空烘烤下包层10-50min。

本改进方案中为了进一步降低波导结构侧壁的粗糙度，将模塑获得的零件放入真空烘箱进行分步退火，从而获得侧壁光滑的聚合物光学零件。

作为进一步的改进，在步骤一之前，还包括确定最佳光刻板版图尺寸的步骤：

Step A、获取聚合物材料的折射率；

Step B、依据上述光学参数，利用麦克斯韦方程进行模式分析和传播特性模拟，获得光波在单模或多模传输状态下的截面尺寸，即截面的宽度和高度尺寸；

Step C、依据上述的宽度尺寸，结合工艺的加工容差，绘制光刻板版图结构。

作为进一步的改进，所述步骤二中，制作原模时使用深槽刻蚀设备的非Bosch工艺刻蚀基片；对于非Bosch工艺，它相比MEMS与微流体器件的制备中选用的Bosch工艺而言，能获得侧壁粗糙度低的光滑端面。因为结构侧壁的粗糙度是影响光波散射损耗的重要因素，这是非Bosch工艺使用所需要考虑和解决的一个难点。

作为进一步的改进，所述步骤五中，固化填充结构材料后，对零件基片的上表面进行刮饰或滚压，以降低零件基片表面的粗糙度和减小填充基片表面残留层的厚度。

作为进一步的改进，所述步骤四中，模塑的方式包括注塑或压印，所述步骤五中，固化的方式包括热固化或紫外辐照固化。

作为进一步的改进，所述步骤六中，键合的方式包括热压键合、超声波键合、层压键合、紫外固化键合、等离子体氧化键合或胶粘键合。

作为进一步的改进，所述用于基片，由导电或绝缘的材料制成；所述导电材料为单晶硅、金属铜、镍、铝、钛或模具钢，所述绝缘材料为石英、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚环烯烃或聚硅氧烷；如果所述基片材料为绝缘的，则在步骤三中，先对原模进行表面导电化处理，然后再进行电化学沉淀操作。

作为进一步的改进，所述表面导电化处理的方法包括化学镀膜或真空镀膜，镀膜材料为以下材料中的任一种或两种以上的组合：铝、金、铜、镍、钛、银、铂、锌、铬和钛钨。

作为进一步的改进，根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述光学介质材料为聚甲基硅氧烷、聚倍半硅氧烷、SU-8、聚四氟乙烯、含氟聚酰亚胺，改性含氟光学级聚合物，稀土元素掺杂的聚合物或量子点掺杂的聚合物；

所述束缚层的材料为下列材料中的任一种或两种以上的组合：聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚环烯烃、聚丙烯、聚苯乙烯、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚醚和聚倍半硅氧烷。

上述方案中，聚硅氧烷和聚倍半硅氧烷是特性优异的光学聚合物材料，从化学的角度讲，其主链是Si-O键，所以侧链会因为增加了其他官能团而影响到材料的光吸收特性，具有很大的改性空间。所述SU-8是一种聚合物材料，为市面可买到的产品，主要为美国MicroChem公司制造的产品。

作为进一步的改进，重复步骤四至步骤六。

本发明中，制得的金属模具可重复利用，在后续生产中，可通过不断重复步骤四至步骤六获得持续生产的能力。

与现有技术相比，采用本发明可以达到的效果：

1，由于本发明采用金属模具注塑光学零件，相比传统的光刻工艺，具有工序简单，器件成本低的优势。而且，作为金属材质的模具，其拥有较好的刚性和韧性等特性，更适合用来作为生产的模具，模造的产品质量较优，脱模时能够较好地保证良率。

2，由于本发明可以选用聚硅氧烷，这种材料相比传统的环氧树脂，甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯等光学材料而言，热稳定性好，透光率高以及耐候性强，所以制备出的光学元件会更加可靠稳定，满足不同环境条件下的需要。

3，本发明将DEM的工艺引入聚合物光学元件的复制，并完善了聚合物平面光路的制备工艺。采用本发明可以高效地制备出光学微结构组件，提高了生产效率。光学微结构组件不仅可以用于平面光子器件的制作，还可以用于微透镜，衍射面等微光学元件的开发。

4，本发明公开的技术方法适用于多种光学聚合物材料，包括热塑性与热固型聚合物，同时对传统波导制备中选用的材料也具有很强的兼容性。

5，本发明工艺实用性强，复制成本优势大，可拓展通用性佳。

附图说明

图1为本发明实施例中光刻结束后光刻胶掩膜的图形结构

图2为本发明实施例中通过深刻蚀获得的原模

图3为本发明实施例中通过电化学沉积获得的反转金属模具

图4为本发明实施例中通过模塑获得的聚合物图形零件

图5为本发明实施例中模塑光路芯层聚合物后的光学零件结构

图6为本发明实施例中完成束缚层结合后获得的全聚合物平面光路

图7为本发明实施例制作方法的流程框图

图8为本发明采用深硅刻蚀获得的原模截面的电子显微镜扫描图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例一

如图1到7所示，一种全聚合物平面光路的制作方法，其中，图7为本实施例的流程框图，具体步骤如下：

步骤(1)、测试聚合物材料31、41、51的光学特性，利用麦克斯韦方程的波导理论进行模式分析与器件传播特性模拟。获得光波单模或者多模传输状态下器件结构。然后根据器件的模拟参数，使用计算机辅助设计工具绘制器件的掩膜版图，标记规划器件的分布，加工制作光刻用的掩膜版。

步骤(2)、在导电的硅片10上旋涂AZ5214的光刻胶01，采用配置宽带光源的Suss MA6进行光刻，首先选择曝光模式，编辑曝光时间，之后进行接触式曝光。显影后去除曝光部分的光刻胶，最后在光刻胶01上获得掩膜版图的图形结构。如图1所示，硅片10上留下了具有掩膜版图形的光刻胶01。

步骤(3)、以硅片10上留下的光刻胶01作为掩膜，采用深硅刻蚀设备STS(深硅刻蚀设备对应于深槽刻蚀设备，其仅能刻蚀硅片)中的非Bosch工艺对硅片进行刻蚀操作。所述非Bosch工艺为：同时通入钝化气体C₄F₈与刻蚀气体SF₆；并设置深槽刻蚀设备的线圈功率为200-800W，射频功率为20-100W，钝化气体C₄F₈的流速为20-150±5sccm，刻蚀气体SF₆的流速为20-300±5sccm，OxygenO₂的流速为2-30±5sccm，反应腔体的压强为2-50mT。刻蚀结束后，用丙酮超声去除光刻胶，即可获得用于电化学沉积的初始原模11。如图2所示，光刻胶的版图已经通过蚀刻工艺转移到了硅片上。如图8所示，为采用深硅刻蚀设备制作获得的原模截面扫描电子显微镜SEM图，图中显示了一种原模通过电子显微镜放大后的结构。

步骤(4)、对原模11进行了电化学沉积，将导电处理后的硅原模11放入电解池中作为阴极，采用镍金属作为阳极进行沉积。沉积结束后，进行机械加工，消除由于边缘效应造成的电铸件变形的影响，脱模分离组件获得金属模具21，具体如图3所示。

步骤(5)、对金属模具21进行模塑：将金属模具21作为注塑模芯，组装成模具后装配到注塑机上。选用聚合物材料31进行注塑，脱模可以获得由聚合物31成型的图形衬底，或者称为光学零件31，具体见图4。

步骤(6)、利用聚合物材料中大分子侧链在玻璃化温度(亦称为Tg点温度)附近开始发生运动，分子结构发生局部移动的机理，可以进一步减小由于应力集中造成的表面粗糙的问题。于是将模塑获得的零件31放入真空烘箱进行分步退火。第一步在高于Tg点1-15℃的条件下，退火处理1-30min，待至自然冷却；第二步在低于Tg点5-30℃的条件下，真空烘烤10-50min，冷却后获得粗糙度低的零件31。

步骤(7)、将介质聚合物材料41滴到有图形的光学零件31的一面上，填充好光路芯层介质后，用刮刀尽量减少残留的厚度，分段加热后固化1-40min，获得填充后的光学结构，如图5所示。最后，将束缚层材料51与填充好介质材料后的光学结构结合在一起，构成掩埋脊型的平面光路，如图6所示。

本实施方式中，AZ5214是光刻胶的一种型号，为市面上常用的一种产品，由美国科莱恩Clariant公司生产；Suss MA6为本领域常用的一种光刻设备，设备的制造单位是美国苏斯公司；

实施例二

本实施例的全聚合物平面光路的制作方法，仍然采用图1至图7作为说明，具体步骤如下：

步骤(1)、测试获得环烯烃类材料E48R(聚合物材料31)在1550nm下的折射率为1.518，聚硅氧烷材料OE-6550(聚合物材料41)在1550nm波长下的折射率为1.532。选用E48R作为覆盖层51，OE-6550作为光传输介质。经过模拟计算，单模传输的结构尺寸为W＝H＝5um，即以OE-6550作为电介质传输波长为1550nm的电磁波时，其单模传输的芯层截面尺寸中宽和高均为5um。

步骤(2)、在硅片10上旋涂AZ5214的光刻胶01，旋涂转速为4000rpm,时间为30s，前烘温度95度，时间90s，曝光时间6.8s，显影45s后将未发生交联反应的光刻胶在显影液中去除，最后在光胶01上获得掩膜版的图形结构。

步骤(3)、在110度的温度下坚膜90s，放入STS的深硅刻蚀设备中进行干法刻蚀，然后用丙酮超声清洗去除光刻胶。

步骤(4)、将导电的硅原模放入电解池中作为阴极，化学沉积金属镍。沉积结束后，进行机械加工，脱模获得金属模具21。

步骤(5)、将金属模具21作为注塑模芯，组装好后装配到注塑机上。调整熔融圆桶第一段的温度为280-290度，第二段为260-280，第三段为240-280度，模具温度为100-120度，注射压强为1200kgf/cm²，保持压强为1300kgf/cm²，背面压强为80kgf/cm²，注射速率为35cm³/sec,螺杆转速为25rpm，保压20s，脱模后获得E48R材料的图形包层零件。

步骤(6)、将模塑获得的光学零件放入真空烘箱进行分步退火。第一步在100-130℃的条件下，退火处理5min，待至自然冷却；第二步在100-108℃的条件下，真空烘烤30min，冷却后获得包层零件31。

步骤(7)、将介质聚合物材料OE-6550滴到零件31的表面，并用刮刀尽量减少残留层的厚度。之后分两段加热固化，第一段温度为60-80度，加热固化20min，第二段温度为80-105度，固化10min获得填充介质后的光学结构。最后将E48R的束缚层51与填充好的结构基片胶粘键合在一起，构成掩埋脊型的平面光路。

本实施方式中，STS深硅刻蚀设备是一种常用的刻蚀设备，由英国表面技术系统有限公司STS制造。

实施例三

步骤(1)、测试获得聚甲基丙烯酸酯PMMA(聚合物材料31)在1550nm下的折射率为1.479，聚硅氧烷材料OE-6550(聚合物材料41)在1550nm波长下的折射率为1.532。选用PMMA作为上反射层51，OE-6550作为光波传输介质。经过模拟计算，单模传输的结构尺寸为W＝H＝3um。

步骤(2)、在硅片上10上旋涂AZ5214的光刻胶01，旋涂转速为4000rpm,时间为30s，前烘温度95度，时间90s，曝光时间6.8s，显影45s后将未发生交联反应的光刻胶在显影液中去除，最后在光胶01上获得掩膜的图形结构。

步骤(3)、在110度的温度下坚膜90s，放入STS的深硅刻蚀设备中进行干法刻蚀，然后用丙酮超声清洗10min去胶。

步骤(4)、将导电的硅原模放入电解池中作为阴极，电化学沉积金属镍。沉积结束后，进行机械加工，脱模获得金属模具21。

步骤(5)、将金属模具21作为注塑模芯，组装好后装配到注塑机上。调整熔融圆桶第一段的温度为280-290度，第二段为260-280，第三段为240-280度，模具温度为100-120度，注射压强为1200kgf/cm²，保持压强为1300kgf/cm²，背面压强为80kgf/cm²，注射速率为35cm³/sec,螺杆转速为25rpm，保压20s，脱模后获得E48R材料的图形包层零件。

步骤(6)、将模塑获得的光学零件放入真空烘箱进行分步退火。第一步在100-130℃的条件下，退火处理6min，待至自然冷却；第二步在100-108℃的条件下，真空烘烤40min，冷却后获得包层零件31。

步骤(7)、将介质聚合物材料OE-6550滴到零件31的表面，并用刮刀尽量减少残留层的厚度。之后分两段加热固化，第一段温度为60-80度，加热固化20min，第二段温度为80-105度，固化10min获得填充介质后的光学结构。最后将E48R的束缚层51与填充好的结构基片热压键合在一起，构成掩埋脊型的平面光路。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (9)

1.一种全聚合物平面光路的制作方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

步骤一、制作光刻胶掩膜：在基片表面上旋涂光刻胶，将光刻板上的版图通过曝光的方式转移到光刻胶上；对光刻胶进行显影后获得具有所述光刻板版图的光刻胶掩膜；

步骤二、制作原模：使用深槽刻蚀设备对具有光刻胶掩膜的基片进行刻蚀，在基片上刻蚀出与掩膜图形对应的凹槽版图，刻蚀结束后将光刻胶掩膜去除，获得基片原模；

步骤三、制作硬质模具：以原模作为模板，使用电化学沉积的方法，在原模的凹槽版图上沉淀成型金属模具，然后脱模；

步骤四、制作光学零件：以金属模具作为微成型的模板，模塑成型出具有微纳结构的聚合物零件，然后脱模；获得的光学零件上具有与原模相同的凹槽版图；

步骤五、制作光路芯层：将光学介质材料填充到零件上表面的凹槽内，然后固化介质材料，获得裸露的光学结构；

步骤六、平面光路雏形：制作光路的束缚层，将该束缚层与裸露的光学结构基片键合连接；

所述步骤四中，还包括对零件进行表面去糙处理的步骤：

Step a、退火处理：将具有微纳结构的零件暴露于高于Tg点1-15℃的温度下1-15min，然后自然冷却；所述Tg点为聚合物材料的玻璃化温度；

Step b、真空烘烤：在低于所述Tg点5-30℃的温度下，真空烘烤聚合物零件10-50min。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤二中，制作原模时使用深槽刻蚀设备的非Bosch工艺刻蚀基片。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤五中，固化填充材料后，对零件基片的上表面进行刮饰或滚压，以降低零件基片表面的粗糙度和减小填充基片表面残留层的厚度。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤四中，模塑的方式包括注塑或压印，所述步骤五中，固化的方式包括热固化或紫外辐照固化。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤六中，键合的方式包括热压键合、超声波键合、层压键合、紫外固化键合、等离子体氧化键合或胶粘键合。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述基片，由导电或绝缘的材料制成；所述导电材料为单晶硅、金属铜、镍、铝、钛或模具钢，所述绝缘材料为石英、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚环烯烃或聚硅氧烷；如果所述基片材料为绝缘的，则在步骤三中，先对原模进行表面导电化处理，然后再进行电化学沉淀操作。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述表面导电化处理的方法包括化学镀膜或真空镀膜，镀膜材料为以下材料中的任一种或两种以上的组合：铝、金、铜、镍、钛、银、铂、锌、铬和钛钨。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述光学介质材料为聚甲基硅氧烷、聚倍半硅氧烷、SU-8、聚四氟乙烯、含氟聚酰亚胺、改性含氟光学级聚合物、稀土元素掺杂的聚合物或量子点掺杂的聚合物；

所述束缚层的材料为下列材料中的任一种或两种以上的组合：聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚环烯烃、聚丙烯、聚苯乙烯、聚硅氧烷、聚酰亚胺、聚醚和聚倍半硅氧烷。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，重复步骤四至步骤六。