[發明專利]二氧化硅-聚合物三維MZI波導熱光開關及其制備方法

在審

• 申請號: 202010077558.5
• 申請日: 2020-01-30
• 公開（公告）號: CN111175898A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 衣云驥;呂佳文;曹悅;林柏竹;楊悅;張永博;張大明;王菲
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B6/138
• 分類號: G02B6/138;G02B6/13;G02B6/136;G02B6/122;G02F1/01;G02F1/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

1.一種垂直集成的二氧化硅-聚合物三維MZI波導熱光開關的制備方法，其步驟如下：

1)選取及清洗襯底(1)：以Si/SiO₂晶片為襯底(1)，首先將襯底用丙酮溶液清洗以去除襯底表面的有機雜質，然后使用乙醇溶液清洗襯底以去除殘留的丙酮溶液，最后使用去離子水反復沖洗襯底，去除表面的乙醇溶液，最后使用洗耳球吹掉襯底表面的去離子水；

2)利用等離子體增強化學氣相沉積法在襯底(1)的SiO₂層上生長一層摻鍺的二氧化硅層，厚度為2～6μm，折射率為1.45～1.51，然后高溫退火，使摻鍺的二氧化硅層均勻致密；

3)制備第一掩膜層：在摻鍺的SiO₂層上制備第一掩膜層(3)，第一掩膜層(3)的厚度為50～150nm；然后，使用旋涂機在第一掩膜層(3)上旋涂正性光刻膠，旋涂的轉速為2000～5000r/min，旋涂時間為20～60s，之后在60～90℃下固化30～60min，得到2～10μm厚的第一光刻膠薄膜(4)；采用MZI型波導結構的第一光刻掩模版(5)對第一光刻膠薄膜(4)進行掩膜紫外曝光；未被第一光刻掩模版(5)覆蓋區域的光刻膠被曝光，去掉第一光刻掩模版(5)后置于光刻膠顯影液中顯影，顯影后用去離子水沖洗，曝光的光刻膠被去除，從而在第一掩膜層(3)上得到MZI型波導結構的光刻膠波導圖形；采用熱板或烘箱對光刻膠進行后烘，后烘溫度為60～100℃，后烘時間為30～60min，而后置于掩膜層(3)去除劑中去除未被光刻膠覆蓋的第一掩膜層(3)，露出其下面覆蓋的摻鍺的SiO₂層，后烘后在摻鍺的二氧化硅層上得到MZI型波導結構的光刻膠圖形及第一掩膜層(3)圖形；

4)制備下波導芯層：采用C₄F₈、CHF₃或者CF₄氣體，對MZI型波導結構的光刻膠圖形及第一掩膜層(3)圖形和未被MZI型波導結構的第一掩膜層(3)覆蓋的摻鍺的SiO₂層進行感應耦合等離子體刻蝕，由于等離子體對光刻膠的刻蝕速率是對第一掩膜層刻蝕速率的數倍，第一掩膜層(3)上的光刻膠全部被刻蝕掉，露出MZI型波導結構的第一掩膜層(3)；未被MZI型波導結構的第一掩膜層(3)覆蓋的摻鍺的SiO₂層同時被刻蝕，直至露出SiO₂層；刻蝕結束后，用掩模層(3)去除劑中去除MZI型波導結構的第一掩膜層(3)，從而得到MZI型波導結構的摻鍺的SiO₂波導芯層(2)，波導芯層的截面尺寸為(2～6)μm×(2～6)μm，波導芯層的高度為2～6μm；

5)生長上包層：利用等離子體增強化學氣相沉積法在MZI型波導結構的摻鍺的SiO₂波導芯層(2)及步驟4)露出的SiO₂層上生長SiO₂作為上包層(6)，然后進行高溫退火，上包層(6)的厚度為4～15μm；

6)制備第二掩膜層：在上包層(6)上制備第二掩膜層，第二掩膜層的厚度為50～150nm；然后，使用旋涂機在第二掩膜層上旋涂正性光刻膠，旋涂的轉速為2000～5000r/min，旋涂時間為20～60s；之后在60～90℃下固化30～60min，得到2～10μm厚的第二光刻膠薄膜(8)；利用濕法刻蝕方法，采用第二光刻掩模版(9)對第二光刻膠薄膜(8)進行掩膜曝光；第二光刻掩模版(9)與第一光刻掩模版(5)關于MZI結構的輸入和輸出區(a)直波導圖形左右對稱，透光和不透光結構互補；未被第二光刻掩模版(9)覆蓋區域的光刻膠被曝光，去掉第二光刻掩模版(9)后置于光刻膠顯影液中顯影，顯影后用去離子水沖洗，曝光的光刻膠被去除，即在第二掩膜層上得到與MZI型波導結構互補的光刻膠波導圖形；采用熱板或烘箱對光刻膠進行后烘，后烘溫度為60～100℃，后烘時間為30～60min，而后置于掩膜層去除劑中去除未被光刻膠覆蓋的第二掩膜層，從而露出MZI型波導結構的上包層(6)，而其余區域的上包層(6)則被與MZI型波導結構互補的第二掩膜層(7)和上面的光刻膠覆蓋；

7)制備上波導芯層：對露出的MZI型波導結構的上包層(6)和與MZI型波導結構互補的第二掩膜層(7)進行感應耦合等離子體刻蝕，由于等離子體對光刻膠的刻蝕速率是對第二掩膜層刻蝕速率的數倍，第二掩膜層上的光刻膠全部被刻蝕掉，露出與MZI型波導結構互補的第二掩膜層(7)；露出的MZI型波導結構的上包層(6)被同時刻蝕，刻蝕深度為2～10μm；刻蝕結束后，用去除劑去除第二掩膜層(7)，由此在上包層(6)上得到MZI型波導結構的凹槽，凹槽深度為2～10μm，凹槽的底部與波導芯層上表面的距離為1～5μm，凹槽寬度為2～6μm；然后旋涂聚合物甲基丙烯酸甲酯溶液，先預涂，轉速為300～600r/min，旋涂時間為4～6s；再正式旋涂，轉速為2000～5000r/min，旋涂時間為20～60s；再在60～90℃下固化30～60min，從而得到甲基丙烯酸甲酯倒脊形上波導芯層(10)，脊高2～10μm，平板層厚度為0.2～5μm；

8)制備上包層：將NOA系列的光敏材料滴到上波導芯層(10)上，然后在300～600r/min下旋涂4～6s進行預涂，再在2000～5000r/min下旋涂20～60s進行正式旋涂，旋涂之后進行光固化，光固化波長360～370nm，光固化時間4～300秒，固化光強度20～200mW/cm²，固化之后得到厚度為2～5μm的上包層(11)；

9)制備電極：在上包層(11)上真空蒸鍍厚度為20～200nm的鋁電極膜，再在鋁電極膜上旋涂光刻膠，在300～600r/min下旋涂4～6s進行預涂，再在2000～5000r/min下旋涂20～60s進行正式旋涂；然后在60～90℃下固化30～60min，得到第三光刻膠薄膜(13)；再采用電極掩模版(14)對第三光刻膠薄膜(13)進行對版曝光，對版后進行光刻而后顯影；顯影后在鋁電極膜上得到與需要制備鋁電極(12)結構相同的光刻膠圖形；最后，采用熱板或烘箱對光刻膠進行后烘，后烘溫度為60～100℃，后烘時間為30～60min；再在質量分數4‰～10‰的氫氧化鈉溶液中去除未被光刻膠電極圖形覆蓋的鋁電極膜，最后整體紫外曝光，然后放入乙醇溶液中洗掉鋁電極上的第三光刻膠薄膜(13)，得到鋁電極(12)，從而制備得到垂直集成的二氧化硅-聚合物三維MZI波導熱光開關。