[發明專利]一種雙模式濾模器及其制備方法

有效

• 申請號: 202210953876.2
• 申請日: 2022-08-10
• 公開（公告）號: CN115308835B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 王希斌;孫雪晴;廉天航;孫士杰;車遠華;朱穆;張大明
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/13
• 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

1.一種基于聚合物和金屬混合波導的雙模式濾模器，其特征在于：用來濾除E11模式和E12模式，整個器件為矩形直波導結構，由硅片襯底（11）、聚合物波導包層（12）、聚合物直波導芯層（13）、金屬直波導芯層（14）組成，金屬直波導芯層（14）被包覆在聚合物直波導芯層（13）之中，聚合物直波導芯層（13）被包覆在聚合物波導包層（12）之中；聚合物波導包層（12）位于硅片襯底（11）之上，金屬直波導芯層（14）位于聚合物直波導芯層（13）內底面的中間位置；聚合物直波導芯層（13）的截面為矩形，寬度w為3~14?μm，厚度h為6~16μm；金屬直波導芯層（14）的截面為正方形，邊長m為100~200?nm；位于聚合物直波導芯層（13）之上和之下的聚合物波導包層的厚度相等，為10~20?μm；聚合物直波導芯層材料的折射率高于聚合物包層材料的折射率。

2.一種基于聚合物和金屬混合波導的雙模式濾模器，其特征在于：用來濾除E11模式和E21模式，整個器件為矩形直波導結構，由硅片襯底（21）、聚合物波導包層（22）、聚合物直波導芯層（23）、金屬直波導芯層（24）組成，金屬直波導芯層（24）被包覆在聚合物直波導芯層（23）之中，聚合物直波導芯層（23）被包覆在聚合物波導包層（22）之中；聚合物波導包層（22）位于硅片襯底（21）之上，金屬直波導芯層（24）位于聚合物直波導芯層（23）左或右內側面的中間位置；聚合物直波導芯層（23）的截面為矩形，寬度w為3~14?μm，厚度h為6~16μm；金屬直波導芯層（24）的截面為正方形，邊長m為100~200?nm；位于聚合物直波導芯層（23）之上和之下的聚合物波導包層的厚度相等，為10~20?μm；聚合物直波導芯層材料的折射率高于聚合物包層材料的折射率。

3.如權利要求1或2所述的一種基于聚合物和金屬混合波導的雙模式濾模器，其特征在于：聚合物波導包層材料為聚甲基丙烯酸甲酯或EpoClad；聚合物直波導芯層材料為SU-82002、SU-8?2005、EpoCore或EpoClad；金屬直波導芯層的材料為金、鋁、銅或銀。

4.權利要求1或3所述的一種基于聚合物和金屬混合波導的雙模式濾模器的制備方法，其步驟如下：

A：基片的清潔處理

用沾有丙酮的棉球橫向單向多次擦拭硅片襯底（11），再用沾有乙醇的棉球橫向單向多次擦拭硅片襯底（11），然后用去離子水沖洗干凈，最后用氮氣吹干后，再在90~120?℃條件下烘烤1~2小時去除水氣；

B：聚合物波導下包層的制備

采用旋涂工藝將聚合物波導包層材料旋涂在清洗干凈的硅片襯底（11）上，旋涂轉速為2000~6000?轉/分鐘，然后在120~150?℃條件下加熱30~60分鐘，加熱完畢后靜置1~2小時降至室溫，制得厚度為10~20?μm的聚合物波導下包層；

C：金屬直波導芯層（14）的制備

在聚合物波導下包層上，采用蒸鍍工藝蒸鍍上一層厚度為100~200?nm?的金屬薄膜，然后旋涂一層正性光刻膠，在100~200?℃條件下前烘1~3分鐘；將器件放入電子束光刻設備艙中，并移動到預先設置的掃描位置，然后導入設計好的版圖文件對器件進行掃描，在器件表面的特定位置形成與需要制備的金屬直波導芯層14結構相同的波導圖形，然后對波導圖形之外的光刻膠進行電子束光刻，電子束的加速電壓為10~20?kV，束流為50~150?pA；電子束光刻完成后，將器件從電子束光刻設備艙中取出，使用專用顯影液進行浸泡去除電子束光刻后的光刻膠，時長為5~10分鐘，用去離子水清洗并吹干，再使用金屬溶解溶液對未被光刻膠覆蓋的金屬薄膜進行溶解；最后，將器件放紫外燈下進行整體曝光，取出后用專用顯影液清洗掉剩余的光刻膠，得到截面為正方形結構的金屬直波導芯層（14）；

D：聚合物直波導芯層（13）的制備

采用旋涂工藝將具有負熱光系數的聚合物直波導芯層材料旋涂在聚合物波導下包層和金屬直波導芯層（14）上形成聚合物直波導芯層，旋涂速度為2000~6000?轉/分鐘；然后采用階梯升溫的方法，在60℃~100℃條件下處理5~30分鐘進行前烘，然后在紫外燈下曝光0~20秒，最后在75~100?℃條件下處理10~30分鐘，加熱完畢后靜置1~2小時降溫至室溫，制得厚度為6~16?μm的聚合物直波導芯層；

降溫完成后，在波長為350~400nm的紫外光下對聚合物直波導芯層進行對版光刻，掩膜版為與需要制備的聚合物直波導芯層（13）互補的結構，曝光時間為5~40秒；光刻完成后從光刻機上取下，在50℃~100℃加熱10~30分鐘，然后在80℃~100℃溫度下加熱20~30分鐘進行中烘，加熱完畢后在室溫下降溫處理1~2小時；降溫完畢后進行顯影，先在聚合物直波導芯層材料對應的顯影液中濕法刻蝕15~40秒，將未被曝光的聚合物直波導芯層去除，然后放入異丙醇溶液中洗去硅片表面殘留的聚合物直波導芯層材料和顯影液，再用去離子水反復沖洗，去除硅片表面的異丙醇，最后用氮氣吹干；最后，在120℃~150℃加熱30~60分鐘進行后烘堅膜，加熱完畢后在室溫下降溫處理1~2小時，制得聚合物直波導芯層（13）；

E：聚合物波導上包層的制備

采用旋涂工藝將與步驟B相同的聚合物波導包層材料旋涂在聚合物直波導芯層（13）和聚合物波導下包層之上，旋涂轉速為2000~5000轉/分鐘，然后在120℃~150℃條件下加熱30~60分鐘，位于聚合物直波導芯層（13）之上的聚合物波導上包層厚度為10~20?μm，聚合物波導下包層和聚合物波導上包層合稱為聚合物波導包層（12）；從而制備得到所述的濾除E11模式和E12模式的雙模式濾波器。

5.權利要求2或3所述的一種基于聚合物和金屬混合波導的雙模式濾模器的制備方法，其步驟如下：

A：基片的清潔處理

用沾有丙酮的棉球橫向單向多次擦拭硅片襯底（21），再用沾有乙醇的棉球橫向單向多次擦拭硅片襯底（21），然后用去離子水沖洗干凈，最后用氮氣吹干后，再在90~120?℃條件下烘烤1~2小時去除水氣；

B：聚合物波導下包層的制備

采用旋涂工藝將聚合物波導包層材料旋涂在清洗干凈的硅片襯底（21）上，旋涂轉速為2000~6000?轉/分鐘，然后在120~150?℃條件下加熱30~60分鐘，加熱完畢后靜置1~2小時降至室溫，制得厚度為10~20?μm的聚合物波導下包層；

C：下半部分聚合物直波導芯層的制備

采用旋涂工藝將聚合物直波導芯層材料旋涂在聚合物波導下包層上形成薄膜，旋涂轉速為2000~6000?轉/分鐘；然后采用階梯升溫的方法，在60~100?℃條件下處理5~30分鐘進行前烘，再在紫外燈下曝光0~20秒，最后在75~100?℃條件下處理10~30分鐘，加熱完畢后靜置1~2小時降溫至室溫，制得厚度為3~8?μm的下半部分聚合物直波導芯層；

D：金屬直波導芯層（24）的制備

在下半部分聚合物直波導芯層上，采用蒸鍍工藝蒸鍍上一層厚度為100~200?nm?的金屬薄膜，然后旋涂一層正性光刻膠，在100~200?℃條件下前烘1~3分鐘；將器件放入電子束光刻設備艙中，并移動到預先設置的掃描位置，然后導入設計好的版圖文件對器件進行掃描，在器件表面的特定位置形成與需要制備的金屬直波導芯層（24）結構相同的波導圖形，然后對波導圖形之外的光刻膠進行電子束光刻，電子束的加速電壓為10~20?kV，束流為50~150?pA；電子束光刻完成后，將器件從電子束光刻設備艙中取出，使用專用顯影液進行浸泡去除電子束光刻后的光刻膠，時長為5~10分鐘，用去離子水清洗并吹干，再使用金屬溶解溶液對未被光刻膠覆蓋的金屬薄膜進行溶解；最后，將器件放紫外燈下進行整體曝光，取出后用專用顯影液清洗掉剩余的光刻膠，得到截面為正方形結構的金屬直波導芯層（24）；

E：上半部分聚合物直波導芯層的制備

采用旋涂工藝將與步驟C相同的聚合物直波導芯層材料旋涂在下半部分聚合物直波導芯層和金屬直波導芯層（24）上形成薄膜，旋涂速度為2000~6000?轉/分鐘；然后采用階梯升溫的方法，在60℃~100℃條件下處理5~30分鐘進行前烘，再在紫外燈下曝光0~20秒，最后在75~100?℃條件下處理10~30分鐘，加熱完畢后靜置1~2小時降溫至室溫，制備得到厚度3~8μm的上半部分聚合物直波導芯層；

F：聚合物直波導芯層（23）的制備

在上半部分聚合物直波導芯層上蒸鍍一層厚度為100~200?nm的Al掩膜，采用旋涂工藝在Al掩膜上旋涂一層正性光刻膠，在80~100?℃條件下前烘15~30分鐘；然后，在光刻機上，將其與波導掩膜版緊密接觸進行對版光刻，波導掩膜版上具有與需要制備的聚合物直波導芯層結構相同的波導圖形，曝光時間為5~10秒；除去波導掩膜版，經過專用顯影液顯影去除未曝光的光刻膠，再在80~120?℃條件下烘烤10分鐘，從而在Al掩膜上得到與需要制備的聚合物直波導芯層結構相同的光刻膠圖形；再次，將其放在濃度為3~10‰的NaOH溶液中進行溶解，以去除未被光刻膠掩蓋的Al掩膜；然后將器件放在感應耦合等離子體刻蝕機中對無Al掩膜覆蓋的下半部分和上半部分聚合物直波導芯層進行干法刻蝕，刻蝕的射頻功率為300~500?mW，偏置功率為20~80?W，氧氣流量為20~60?sccm，刻蝕時間為50~250?s；最后，將刻蝕完成的器件放在光刻機下充分曝光，使剩余的Al掩膜之上的正性光刻膠全部曝光，并用濃度為3~10‰的NaOH溶液去除光刻膠及由其覆蓋的Al掩膜，再用去離子水沖洗干凈后用氮氣吹干，從而制得了截面為矩形結構的聚合物直波導芯層（23）；并使金屬直波導芯層（24）位于聚合物直波導芯層（23）左或右內側面的中間位置；

G：聚合物波導上包層的制備

采用旋涂工藝將與步驟B相同的聚合物波導包層材料旋涂在聚合物直波導芯層（23）和聚合物波導下包層之上，旋涂轉速為2000~5000轉/分鐘，然后在120℃~150℃條件下加熱30~60分鐘，位于聚合物直波導芯層（23）之上的聚合物波導上包層的厚度為10~20?μm，聚合物波導下包層和聚合物波導上包層合稱為聚合物波導包層（22）；從而制備得到所述的濾除E11模式和E21模式的雙模式濾波器。