平面光波导及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及一种平面光波导及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着光纤通信的投资方向由通信干线、局域网、专用网等向fttp(fibre to the home)方向发展，fttp的核心光器件—光分路器市场的春天也随之到来，市场需求不断扩大，国内外器件厂家一致看到这一市场。目前有两种类型光分路器可以满足分光的需要：一种是传统光器件厂家利用传统的拉锥耦合器工艺生产的熔融拉锥式光纤分路器(fused fiber splitter)，一种是基于光学集成技术生产的平面光波导(plc)分路器。plc分路器是当今国内外研究的热点，具有很好的应用前景。
3.plc光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂(linbo3)、
ⅲ‑ⅴ
族半导体化合物、二氧化硅(sio2)、soi(silicon
‑
on
‑
insulator，绝缘体上硅)、聚合物(polymer)和玻璃。以上六种常用的plc光波导材料中，inp波导、二氧化硅波导、soi波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作。
4.而在上述工艺中通常会用到刻蚀(icp/rie)和化学腐蚀等工艺，这些工艺不仅复杂，而且会产生大量的有毒有害物质。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供一种平面光波导及其制备方法，该平面光波导通过在基板上设置纳米热压印胶层，并在纳米热压印胶层上形成波导芯层，能够避免使用刻蚀和离子扩散等传统工艺，降低工艺成本，减少污染，进一步推进plc光器件产业的发展。
6.为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种平面光波导。
7.该平面光波导包括由下至上依次层叠的基板、纳米热压印胶层、第一包层、波导芯层和第二包层；其中，
8.所述纳米热压印胶层的表面形成有多个凹槽；所述第一包层形成于所述凹槽的侧壁、底壁和所述纳米热压印胶层的上表面；所述波导芯层填充所述凹槽，并且与所述纳米热压印胶层之间由所述第一包层间隔开；所述第二包层作为所述平面光波导的外表面覆盖所述第一包层和所述波导芯层。
9.为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种平面光波导的制备方法。
10.该平面光波导的制备方法包括以下步骤：
11.提供基板；
12.在所述基板上涂覆纳米热压印胶层；
13.利用纳米热压印法在所述纳米热压印胶层表面压印形成多个凹槽；
14.在所述凹槽的侧壁、底壁和所述纳米热压印胶层的上表面形成第一包层，并且不完全填充所述凹槽；
15.在所述凹槽内填充芯层材料形成波导芯层；
16.形成第二包层，所述第二包层覆盖所述波导芯层和所述第一包层。
17.进一步的，所述纳米压印胶为sio2微粉和聚酰亚胺溶液形成的混合物；其中，所述sio2微粉的重量占所述sio2微粉和所述聚酰亚胺溶液总重量的60～80％。
18.进一步的，所述纳米热压印法的工艺条件为：首先在压力15～20kpa，温度为110～150℃下保压20～30min；然后在压力20～25kpa，温度为260～280℃下保压20～30min完成固化压印；最后脱模得到所述多个凹槽。
19.进一步的，在所述凹槽内填充芯层材料形成波导芯层包括：
20.利用等离子化学气相沉积工艺在所述多个凹槽内填充芯层材料形成波导芯层；
21.对所述波导芯层进行抛光处理，以使位于所述凹槽结构内的所述波导芯层的上表面与覆盖在所述纳米热压印胶层的上表面的所述第一包层平齐。
22.进一步的，所述波导芯层所采用的等离子化学气相沉积的工艺条件为：在生长温度为250～400℃，气体流量为1000～2000sccm，混合气体中各组分的体积比为geh4：sih4：n2o＝(15～20)：(20～30)：(200～500)，射频功率为600～750w，压强为200～400mtoor。
23.进一步的，利用等离子化学气相沉积工艺形成所述第一包层；
24.利用等离子化学气相沉积工艺形成所述第二包层。
25.进一步的，所述第一包层和所述第二包层所采用的等离子化学气相沉积的工艺条件均为：在生长温度为250～400℃，气体流量为1000～2000sccm，混合气体中各组分的体积比为b2h6：pocl3：sih4：n2o＝(5～10)：(5～10)：(20～30)：(200～500)，射频功率为600～750w，压强为200～400mtoor。
26.进一步的，所述芯层材料为掺杂锗的sio2，所述第一包层和所述第二包层的材料均为磷和硼离子掺杂的sio2；
27.所述波导芯层与所述第一包层的相对折射率差
△
，以及所述波导芯层与所述第二包层的相对折射率差
△
均为0～0.5％。
28.进一步的，所述基板的材料为金属、陶瓷、玻璃、单晶硅片中的一种。
29.本发明所选热压印胶具有热固性特征，其中，聚酰亚胺在高温聚合后能够耐400℃以上高温，具有很好的耐温特性；另外，sio2微粉的加入能够进一步提高复合材料的致密性、耐温性以及化学稳定性，最高耐温可达到600℃以上。
30.相比传统的平面光波导制备方法，本发明具有如下优点：
31.第一、无需光刻、刻蚀(icp/rie)和化学腐蚀工艺等复杂工艺，制备方法更加简单，避免产生大量的有毒有害物质。
32.第二、基板不直接参与光波导芯片信号的传输，仅作为纳米压印图案的支撑材料，可选择金属、陶瓷、玻璃、单晶si片中的任意一种，避免了光波导设计时的局限性。
33.第三、采用sio2微粉和聚酰亚胺复合材料作为纳米热压印图案基材，具有致密性高、耐温性好以及良好的化学稳定性，能够耐600℃以上高温，有利于后续芯层及包层的化学气相沉积。
34.第四，采用纳米热压印与气相沉积技术相结合的方法制备平面光波导，不仅制备方法更加简单，而且也兼顾了各自的优势，对于进一步推进plc光器件产业的发展具有重要意义。
附图说明
35.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
36.图1～图7为本发明实施例中平面光波导制备方法的流程示意图。
37.图中：
38.1、基板；2、纳米压印胶层；3、第一包层；4、波导芯层；5、第二包层。
具体实施方式
39.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
40.图7示出了本发明实施方式中平面光波导的纵截面示意图。
41.如图7所示，该平面光波导中沿垂直基板1的平面方向向上依次设置有纳米热压印胶层2、第一包层3、波导芯层4和第二包层5；其中，纳米热压印胶层2的表面形成有多个凹槽，第一包层3形成于凹槽的侧壁、底壁和纳米热压印胶层2的上表面；波导芯层4填充凹槽，并且波导芯层4与纳米热压印胶层2之间由第一包层3间隔开；第二包层5作为平面光波导的外表面覆盖第一包层3和波导芯层4。
42.根据本发明的实施方式，提供一种平面光波导的制备方法，包括如下步骤：
43.第一步，在如图1所示的基板1的上表面均匀的涂覆纳米压印胶，得到纳米压印胶层2，形成如图2所示的结构。
44.其中，纳米压印胶的制备过程是：将sio2微粉和聚酰亚胺溶液在常温负压下进行混合均匀；纳米压印胶层2的厚度可以根据实际需要进行选择。
45.其中，sio2微粉的重量占sio2微粉和聚酰亚胺溶液总重量的60～80％。
46.基板1可以为单晶si基板、玻璃基板或金属基板。
47.第二步，利用纳米热压印机将预设的图案压印在纳米压印胶层2上，得到如图3所示的多个凹槽。
48.其中，利用纳米热压印机进行图案压印的具体工艺如下：首先在压力15～20kpa，温度为110～150℃下保压时间20～30min；再在压力20～25kpa，温度为260～280℃下保压时间20～30min完成固化压印；最后脱模得到所需的多个凹槽。
49.第三步，在低温下利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺覆盖纳米压印胶层2的表面形成如图4所示的第一包层3，以作为波导下包层。
50.其中，第一包层3覆盖在凹槽的侧壁、底壁和纳米热压印胶层2的上表面，并且第一包层3不完全填充凹槽，
51.第一包层3所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺如下：生长温度为250～400℃，气体流量为1000～2000sccm，混合气体体积组成比例为b2h6：pocl3：sih4：n2o＝(5～10)：(5～10)：(20～30)：(200～500)，射频功率为600～750w，压强为200～400mtoor，沉积时间10～20min。
52.其中，第一包层3的材料可以为磷和硼离子掺杂的sio2。当然本领域技术人员也可以根据实际需要进行掺杂离子的具体选择。
53.第四步，在低温下利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺在多个凹槽内填充芯层材料，形成如图5所示的波导芯层4。其中，芯层材料完全填充凹槽且溢出凹槽外部。
54.波导芯层4所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺如下：生长温度为250～400℃，气体流量为1000～2000sccm，混合气体中各组分的体积比为geh4：sih4：n2o＝(15～20)：(20～30)：(200～500)，射频功率为600～750w，沉积腔压强为200～400mtoor，沉积时间30～50min。
55.其中，芯层材料可以为锗离子掺杂的sio2。
56.第五步，将波导芯层4进行抛光处理，以去除溢出凹槽外部的多余芯层材料，得到如图6所示的波导芯层4，即得到掩埋矩形平面光波导结构。
57.其中，位于凹槽结构内的波导芯层4的上表面与覆盖在纳米热压印胶层2的上表面的第一包层3平齐。
58.所采用抛光工艺为行业内常规抛光方法。
59.第六步，在低温下利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺覆盖波导芯层4的上表面以及第一包层3的上表面形成如图7所示的第二包层5，以作为波导上包层。
60.其中，第二包层5所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)的工艺条件与第一包层3所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)的工艺条件相同：生长温度为250～400℃，气体流量为1000～2000sccm，混合气体中各组分的体积比为b2h6：pocl3：sih4：n2o＝(5～10)：(5～10)：(20～30)：(200～500)，射频功率为600～750w，压强为200～400mtoor，沉积时间10～20min。
61.其中，第二包层5的材料可以为磷和硼离子掺杂的sio2。当然本领域技术人员也可以根据实际需要进行掺杂离子的具体选择。
62.需要说明的是，第一包层3、第二包层5以及波导芯层4的材料中离子掺杂量是本领域常规的。
63.本发明中，相对折射率差
△
由以下方程式定义：相对折射率差
△
＝[(n
12
‑
n
22
)/2n
12
]；其中，n2为第一包层3或第二包层5的折射率，n1为波导芯层4的折射率。
[0064]
作为本发明的一种实施方式，波导芯层4与第一包层3的相对折射率差
△
为0～0.5％；波导芯层4与第二包层5的相对折射率差
△
为0～0.5％。
[0065]
以下将通过具体实施例对本发明中的平面光波导制备方法进行详细说明。
[0066]
实施例1：
[0067]
制备如图7所示结构的平面光波导：
[0068]
制备纳米压印胶。将sio2微粉和聚酰亚胺溶液在常温下进行混合均匀。其中，sio2微粉的重量占sio2微粉和聚酰亚胺溶液总重量的80％。
[0069]
将纳米压印胶均匀的涂覆在单晶si基板上，形成纳米压印胶层2，然后通过纳米热压印机将预设的图案压印在纳米压印胶层2上，形成多个凹槽。纳米热压印机的工艺步骤如下：首先在压力15kpa，温度为150℃下保压时间20min；再在压力25kpa，温度为260℃下保压时间20min完成固化压印；最后脱模得到所需的多个凹槽。
[0070]
在纳米压印胶层2的上表面利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺形成一层磷和
硼离子掺杂的sio2层(作为波导下包层)。所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺如下：生长温度为250℃，气体流量为2000sccm，混合气体中各组分的体积比为b2h6：pocl3：sih4：n2o＝10：5：30：200，射频功率为600w，沉积腔压强为400mtoor，沉积时间20min。
[0071]
采用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺在多个凹槽内填充锗离子掺杂的sio2，形成波导芯层4。所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺如下：生长温度为250℃，气体流量为2000sccm，混合气体中各组分的体积比为geh4：sih4：n2o＝15：30：200，射频功率为600w，沉积腔压强为400mtoor，沉积时间50min。
[0072]
将波导芯层4进行抛光处理，去除溢出凹槽外部多余的锗离子掺杂的sio2，得到掩埋矩形平面光波导结构。所采用抛光工艺为行业内常规抛光方法。
[0073]
利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺在波导芯层4和波导下包层的上表面形成一层磷、硼离子掺杂的sio2层(作为波导上包层)，所采用的制备工艺和材料与波导下包层相同。其中，波导芯层4与第一包层3的相对折射率差
△
为0.2％，波导芯层4与第二包层5的相对折射率差
△
为0.2％。
[0074]
如图7所示的一种平面光波导制备完成。
[0075]
实施例2：
[0076]
制备如图7所示结构的平面光波导：
[0077]
制备纳米压印胶。将sio2微粉和聚酰亚胺溶液在常温下进行混合均匀。其中，sio2微粉的重量占sio2微粉和聚酰亚胺溶液总重量的60％。
[0078]
将纳米压印胶均匀的涂覆在玻璃基板上，形成纳米压印胶层2，然后通过纳米热压印机将预设的图案压印在纳米压印胶层2上，形成多个凹槽。纳米热压印机的工艺步骤如下：首先在压力15kpa，温度为110℃下保压时间20min；再在压力20kpa，温度为280℃下保压时间30min完成固化压印；最后脱模得到所需的多个凹槽。
[0079]
在纳米压印胶层2的上表面利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺形成一层磷和硼离子掺杂的sio2层(作为波导下包层)。所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺如下：生长温度为400℃，气体流量为1000sccm，混合气体中各组分的体积比为b2h6：pocl3：sih4：n2o＝5：10：20：500，射频功率为750w，沉积腔压强为200mtoor，沉积时间10min。
[0080]
利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺在多个凹槽内填充锗离子掺杂的sio2，形成波导芯层4。所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺条件如下：生长温度为400℃，气体流量为1000sccm，混合气体中各组分的体积比为geh4：sih4：n2o＝20：20：500，射频功率为750w，沉积腔压强为200mtoor，沉积时间30min。
[0081]
将波导芯层4进行抛光处理，去除溢出凹槽外部多余的锗离子掺杂的sio2，得到掩埋矩形平面光波导结构。所采用抛光工艺为行业内常规抛光方法。
[0082]
利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺在波导芯层4和波导下包层的上表面形成一层磷、硼离子掺杂的sio2层(作为波导上包层)，所采用的制备工艺和材料与波导下包层相同。其中，波导芯层4与第一包层3的相对折射率差
△
为0.4％，波导芯层4与第二包层5的相对折射率差
△
为0.4％。
[0083]
如图7所示的一种平面光波导制备完成。
[0084]
实施例3：
[0085]
制备如图7所示结构的平面光波导：
[0086]
制备纳米压印胶。将sio2微粉和聚酰亚胺溶液在常温下进行混合均匀，其中sio2微粉的重量占sio2微粉和聚酰亚胺溶液总重量的70％。
[0087]
将纳米压印胶均匀的涂覆在金属基板上，形成纳米压印胶层2，然后通过纳米热压印机将预设的图案压印在纳米压印胶层2上，形成多个凹槽。纳米热压印机的工艺步骤如下：首先在压力17kpa，温度为130℃下保压时间25min；再在压力22kpa，温度为270℃下保压时间25min完成固化压印；最后脱模得到所需的多个凹槽。
[0088]
在纳米压印胶层2的上表面利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺形成一层磷和硼离子掺杂的sio2层(作为波导下包层)。所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺如下：生长温度为350℃，气体流量为1500sccm，混合气体中各组分的体积比为b2h6：pocl3：sih4：n2o＝8：8：25：350，射频功率为700w，沉积腔压强为300mtoor，沉积时间15min。
[0089]
采用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺在多个凹槽内填充锗离子掺杂的sio2，形成波导芯层4。所采用的等离子化学气相沉积(pecvd)工艺条件如下：生长温度为350℃，气体流量为1500sccm，混合气体中各组分的体积比为geh4：sih4：n2o＝18：25：350，射频功率为700w，沉积腔压强为300mtoor，沉积时间45min。
[0090]
将波导芯层4进行抛光处理，去除溢出凹槽外部多余的锗离子掺杂的sio2，得到掩埋矩形平面光波导结构。所采用抛光工艺为行业内常规抛光方法。
[0091]
利用等离子化学气相沉积(pecvd)工艺在波导芯层4和波导下包层的上表面形成一层磷、硼离子掺杂的sio2层(作为波导上包层)，所采用的制备工艺和材料与波导下包层相同。其中，波导芯层4与第一包层3的相对折射率差
△
为0.3％，波导芯层4与第二包层5的相对折射率差
△
为0.3％。
[0092]
如图7所示的一种平面光波导制备完成。
[0093]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。