有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝綜述

劉 濤，李志山，蔣 志，楊 敏，王書(shū)榮

(云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省農(nóng)村能源重點(diǎn)工程實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650500)

1 引言

信息時(shí)代下，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能的要求越來(lái)越高。在長(zhǎng)距離有線通信領(lǐng)域，光纖通信技術(shù)能夠滿足這種高性能需求，然而在短距離信息傳輸方面，因成本要求，目前仍然以電互連為主。但電互連存在固有的電磁干擾、高損耗和低帶寬等缺點(diǎn)，限制了數(shù)據(jù)傳輸性能的進(jìn)一步提升。光波導(dǎo)作為光信號(hào)通道，其較之電信通道具有高帶寬、抗電磁干擾、低損耗、低能耗、低串?dāng)_、小物理尺寸等優(yōu)點(diǎn)，使光互連成為解決高速電信號(hào)互連瓶頸的一個(gè)有效方法［1－2］，早已成為關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。

目前認(rèn)為光電印刷電路板(OPCB)之間的互連采用光纖帶比較好，而在OPCB內(nèi)各模塊之間的互聯(lián)采用嵌入式光波導(dǎo)互連很有前途，且光波導(dǎo)是芯片間光互連的必然選擇［3－5］。雖然傳統(tǒng)的有機(jī)聚合物光波導(dǎo)在通信波長(zhǎng)(1.31 μm 和 1.55 μm)傳輸損耗高、溫度穩(wěn)定性差，但其光學(xué)特性、熱學(xué)特性、柔韌性可以通過(guò)熱處理及合成過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)［6－7］;且新型有機(jī)聚合物作為一類光波導(dǎo)材料通常有大的透明窗口、柔韌性好、通信波段損耗低、易于加工等優(yōu)點(diǎn)［8］，其優(yōu)越的綜合性能使其成為加工制作光通信元件的首選材料。隨著聚合物光通信的蓬勃發(fā)展，其在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景日益顯著;將OPCB集成于超級(jí)計(jì)算機(jī)中，可使其計(jì)算速度提高1000倍以上［2，9］。加之，高帶寬聚合物多模光波導(dǎo)能否在光互連中大規(guī)模應(yīng)用，主要取決于其損耗特性、熱特性和成本，而光波導(dǎo)制作工藝對(duì)光波導(dǎo)性能和成本有重大影響，因此本文著重對(duì)目前光波導(dǎo)的光損耗特性和各種制作工藝進(jìn)行較全面的綜述，同時(shí)也指出未來(lái)聚合物多模光波導(dǎo)的研發(fā)方向。

2 有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的性能和應(yīng)用要求

有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的性能主要是光損耗特性和熱特性，而光波導(dǎo)的光損耗主要取決于散射損耗;其中散射損耗包括表面散射損耗和體散射損耗。光波導(dǎo)芯層表面會(huì)有一定的粗糙度，這會(huì)引起一定程度的表面散射損耗。體散射損耗主要是由材料中各種雜質(zhì)，以及成型光波導(dǎo)中的結(jié)構(gòu)缺陷、裂紋、折射率不均勻等各種缺陷引起;為了最小化體散射損耗，光波導(dǎo)材料必須為高純材料，盡量減少波導(dǎo)中的缺陷并保證芯層表面光滑，且制作過(guò)程中必須在嚴(yán)格清潔的超凈室完成［10］。因此，有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝對(duì)光波導(dǎo)的光損耗性能有重要影響。有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的熱特性主要是熱穩(wěn)定性、熱老化特性，及光損耗和波導(dǎo)折射率與溫度的變化關(guān)系，有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝對(duì)光波導(dǎo)的熱特性也有決定性的意義。

聚合物多模光波導(dǎo)光互連的應(yīng)用需要滿足如下基本要求［11］:①在通信波長(zhǎng) 850 nm、1310 nm、1550 nm等附近的傳輸損耗低;②有較高的光電非線性系數(shù)與熱穩(wěn)定性(Td＞250℃，能經(jīng)受集成光電裝置時(shí)的熱焊接過(guò)程)，較低的介電常數(shù)與熱損耗系數(shù);③其制作工藝簡(jiǎn)單、與電子加工技術(shù)相兼容、重復(fù)性好、成本低，且所制備的光波導(dǎo)散射損耗小、尺寸穩(wěn)定、柔韌性好;④芯層比包層的折射率至少大0.8%，各層之間粘附性好，且具有匹配的熱膨脹系數(shù);⑤光波導(dǎo)各接觸層之間不相溶，后續(xù)層的固化溫度應(yīng)該小于前一層的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg，即下包層固化溫度＞芯層固化溫度＞上包層固化溫。

3 有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝

3.1 光刻法

(1)平板影印(Photolithography)技術(shù)，一般的平板影印工序［12］如圖1所示，其中烘干是為了增加膠膜的耐磨性及層間的粘附性;曝光是為了讓膠膜充分吸收光能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，其關(guān)鍵控制參數(shù)是曝光時(shí)間、曝光波長(zhǎng)及曝光量:E=It(其中，I為光強(qiáng)，t為曝光時(shí)間)。對(duì)于以紫外光固化材料作為芯層及包層材料，并用平板影印技術(shù)加工制作光波導(dǎo)，其制作工序可以省略熱固化過(guò)程［13］。這種技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單且與PCB加工工藝兼容性高、可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)，其缺點(diǎn)在于需要嚴(yán)格控制側(cè)蝕，制作符合尺寸要求的光波導(dǎo)，材料需為光敏材料［14］。

圖1 一般的平板影印工序

對(duì)于光致抗蝕劑(Photoresist)，若曝光部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)顯影后，曝光部分保留下來(lái)而未曝光部分被除掉，稱其為負(fù)性光致抗蝕劑，反之則稱為正性光致抗蝕劑。選擇光致抗蝕劑時(shí)不但要考慮其是否滿足作為光波導(dǎo)材料的基本要求，還要考慮其涂布的均勻性、對(duì)光源的靈敏度、圖形的分辨率以及對(duì)蝕刻工藝的耐腐蝕性等因素［15］。若以正性光致抗蝕劑作為光波導(dǎo)芯層材料，則在使用過(guò)程中芯層可能會(huì)因?yàn)榫徛毓舛凵渎拾l(fā)生改變進(jìn)而失去傳輸光信號(hào)的能力，故通常選擇負(fù)性光致抗蝕劑作為光波導(dǎo)材料。

(2)光漂白(Photo－bleaching)技術(shù)，光漂白技術(shù)制作聚合物光波導(dǎo)的工序如圖2所示。

圖2 不同芯層材料(上/下面為曝光部分折射率變大/小)的光波導(dǎo)光漂白工序

其原理是利用某些聚合物材料所特有的光敏性，在光照下曝光部分發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)控制曝光時(shí)間和曝光光強(qiáng)，控制曝光部分薄膜的折射率，最終在曝光部分與未曝光部分形成折射率差，同時(shí)避免了其他制備方法中物理作用、化學(xué)作用對(duì)器件的損傷［16］。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單、效率高、折射率易控、對(duì)器件損傷小，缺點(diǎn)在于要求材料為特殊光敏材料［17］。此外光漂白技術(shù)可以制作低散射損耗、低串?dāng)_的漸變折射率圓芯光波導(dǎo)［18］。

(3)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)技術(shù)，對(duì)于不同的材料以反應(yīng)離子蝕刻工序制作光波導(dǎo)，其工序不盡相同;以紫外固化環(huán)氧樹(shù)脂(UV Cured Epoxy Resins)為材料制作光波導(dǎo)為例［19］，工序如圖3所示。

圖3 反應(yīng)離子蝕刻工序(以紫外固化環(huán)氧樹(shù)脂為材料制作光波導(dǎo)為例)

而對(duì)于以聚硅氧烷為包層材料，以氘化聚硅氧烷為芯層材料制作光波導(dǎo)時(shí)，其固化過(guò)程為熱固化過(guò)程［20］。反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)屬于干法刻蝕技術(shù)，是利用高能量等離子體轟擊及化學(xué)反應(yīng)來(lái)達(dá)到蝕刻的一項(xiàng)技術(shù)［6］。因?yàn)槲g刻過(guò)程中，工藝參量對(duì)被蝕刻元件的質(zhì)量有決定性影響，這些工藝參量主要包括:射頻功率、腔室壓強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)的抽速、反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合比等。這些參量之間既獨(dú)立可調(diào)又相互影響，因而蝕刻工藝有相當(dāng)大的靈活性。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝成熟、與傳統(tǒng)集成電路工藝相兼容、無(wú)材料限制、對(duì)器件損傷小;缺點(diǎn)在于工藝復(fù)雜、加工效率低、側(cè)壁粗糙度大、造價(jià)較高。

3.2 模板復(fù)制法

(1)加熱模壓(Hot Embossing)技術(shù)，其制作工序如圖4所示。

圖4 兩種加熱模壓制造光波導(dǎo)過(guò)程(上面為凹槽填充法;下面為脊形覆蓋法)

用此方法制作光波導(dǎo)，首先需根據(jù)所需制作光波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)及間距，設(shè)計(jì)制作滿足需求且表面光滑的高精度壓膜模板。該方法工藝簡(jiǎn)單成本較低，可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)［21－22］，但其對(duì)模板要求高，且加熱模壓過(guò)程中會(huì)對(duì)膜層產(chǎn)生損傷致使傳輸損耗較大。對(duì)于凹槽填充法，若填充的芯層材料過(guò)多(對(duì)于脊形覆蓋法，若加熱模壓過(guò)程不充分)，光波導(dǎo)之間下包層上有芯層薄膜殘留，將會(huì)增加信道間串?dāng)_。根據(jù)壓膜模板材料的不同，加熱模壓工藝分為金屬模壓工藝和橡膠模壓工藝［22］。

(2)軟光刻(Soft Lithography)技術(shù)，其特點(diǎn)是用彈性模代替加熱模壓中使用的硬模，其優(yōu)點(diǎn)在于軟光刻靈活性更高、不受材料限制、可以在非平面內(nèi)制作光波導(dǎo)，并能用于制作三維結(jié)構(gòu)，折射率漸變圓芯光波導(dǎo)，且沒(méi)有光散射、衍射帶來(lái)的精度限制［23］，其缺點(diǎn)在于對(duì)原始母板及柔性印模的高精度要求。軟光刻過(guò)程中控制彈性模的形變量是獲得高質(zhì)量光波導(dǎo)的關(guān)鍵。用此工藝制作光波導(dǎo)前，首先要根據(jù)需求制作原始母板，然后以原始母板用再鑄模法制作柔性印模［24］。用于制作柔性印模的材料有聚氨酯(Polyurethanes)、聚酰亞胺(Polyimides)和Novolac樹(shù)脂等，但是相對(duì)而言聚二甲基硅氧烷(Poly－dimethyl－siloxane，PDMS)的綜合性能高，是軟刻蝕技術(shù)中最常用的印模材料。最后以柔性印模制作光波導(dǎo)，主要有再鑄模法、微傳遞成模、毛細(xì)管成模、溶劑輔助成模四種不同的方法［18］。

3.3 其他方法

除以上介紹的聚合物光波導(dǎo)加工工藝外，還有多種其他加工工藝，如表1所示。

表1 部分聚合物光波導(dǎo)加工方法對(duì)比

4 不同材料及光波導(dǎo)加工工藝傳輸損耗對(duì)比

表2 光波導(dǎo)傳輸損耗比較

從表2可以看出，一般來(lái)說(shuō)，相同條件下較之其他工藝，平板影印工藝制作的光波導(dǎo)的損耗較低;對(duì)于聚硅氧烷光敏化材料，采用平板影印工藝制作的多模光波導(dǎo)，在850 m通信窗口，其最低損耗為0.03 B/cm，這是目前得到的較好結(jié)果。盡管采用軟光刻法制作的PMMA多模光波導(dǎo)，在850 m通信窗口，其傳輸損耗最低為0.027 dB/cm，但是以PMMA材料制作的光波導(dǎo)熱穩(wěn)定特性較差;采用激光直寫(xiě)或激光燒蝕法制作的聚合物多模光波導(dǎo)，雖然也可獲得較低的光損耗，但制作成本較高;SU－8光波導(dǎo)材料雖然廉價(jià)，但光傳輸損耗較大;丙烯酸酯類光波導(dǎo)的傳輸損耗低，但熱穩(wěn)定性差。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)有機(jī)聚合物光波導(dǎo)光通信的相關(guān)研究已取得一定的成果，但仍然需要從材料、加工工藝、光耦合技術(shù)、光互連技術(shù)、集成光學(xué)等相關(guān)方面進(jìn)行研發(fā)。就加工工藝而言，目前存在多種優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同的聚合物光波導(dǎo)制作工藝，結(jié)合我們對(duì)聚合物光波導(dǎo)的研制經(jīng)歷，認(rèn)為對(duì)于紫外光可固化聚合物光波導(dǎo)材料，較之其他工藝，平板影印工藝制作的光波導(dǎo)的綜合性能優(yōu)良，且適用于工業(yè)化生產(chǎn)，是一種實(shí)用性強(qiáng)的工藝。對(duì)于這種工藝，重點(diǎn)研究曝光光強(qiáng)及烘烤溫度對(duì)光波導(dǎo)特性的影響。再者，未來(lái)研發(fā)的方向主要是研制新型低成本紫外光敏化聚合物材料，且要求該材料的光傳輸特性和熱穩(wěn)定性較好，只有達(dá)到此結(jié)果，才能早日實(shí)現(xiàn)低成本低損耗聚合物多模光波導(dǎo)短距離光互連的目標(biāo)。

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