一种制备任意截面聚合物波导的方法

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111168237A(43)申请公布日2020.05.19(21)申请号202010045435.3(22)申请日2020.01.16(71)申请人吉林大学地址130012吉林省长春市前进大街2699号(72)发明人孙洪波　侯智善　陈岐岱　(74)专利代理机构长春吉大专利代理有限责任公司22201代理人刘世纯(51)Int.Cl.B23K26/082(2014.01)B23K26/064(2014.01)B23K26/142(2014.01)B23K26/70(2014.01)B08B3/08(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称一种制备任意截面聚合物波导的(57)摘要本发明公开了一种制备任意截面聚合物波导的方法，属于集成光学芯片波导技术领域，利用飞秒激光和紫外光源对波导壳体和内芯进行分步曝光，实现对具有复杂截面的微米级别波导的加工。在分步曝光中，先利用飞秒激光直写扫描波导结构表层，通过显影便可实现对波导壳体的快速定型；由于所形成的致密波导壳体对内芯未交联的聚合物单体形成了严密包覆，显影后内芯的聚合物单体仍保持未交联状态；再对波导结构进行整体紫外曝光，使得波导内芯均匀交联，形成折射率均一的介质，从而实现对整个波导结构的加工。本发明的方法在不牺牲长程波导外部精细度的前提下，实现了快速制备复杂长程片上聚合物基波导的目标，解决了现有技术中精细与耗时难以兼顾的问。CN111168237ACN111168237A权　利　要　求　书1/2页1.一种制备任意截面聚合物波导的方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一：样品调平；首先，在硅片上旋涂聚合物平膜；然后将待加工样品固定到带有调节装置的移动台上；然后，打开加工光路中的光闸，激光被高倍物镜聚焦，通过调节移动台高度，使飞秒激光聚焦于聚合物/硅交界面；然后，控制移动台沿样品片长轴方向水平运动2cm，通过调节移动台的调节装置，使移动台移动时激光焦点始终聚焦于该交界面而不发生相对移动且光点形貌不变；然后，控制移动台沿样品片面短轴方向水平运动2cm，通过调节移动台的调节装置，使移动台移动时激光焦点始终聚焦于该交界面而不发生相对移动且光点形貌不变；此时，待加工移动台已调平；步骤二、飞秒激光扫描待加工样品制备波导壳体；具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光经第一凸透镜L1和光闸G后经第二凸透镜L2扩束，将光斑扩大，而后依次经第一全反镜M1,第二全反镜M2，第三凸透镜L3和第四凸透镜L4进行光束整形，并依次经衰减片S，第一半反半透镜M3和物镜聚焦后入射至待加工样品；然后利用飞秒激光按照的波导的壳面轮廓对待加工样品进行逐点扫描，即将波导壳体沿纵向分割成多个等间距截面，间距为10-2000nm，截面个数为100-200000，沿每个截面轮廓线进行逐个扫描，以实现壳体的整体扫描；随后，将扫描完毕的样品片置于平板热台上进行后烘，先于65℃下烘2min-15min，再于90-120℃下烘5-15min，此时，激光扫描过的区域产生的强酸会促进该处SU-8光刻胶实现分子内和分子间交联；待样品冷却至室温后，将样品置于丙酮溶液中浸泡显影，所用时间为30-120s；随后分别用乙醇和去离子水进行冲洗，以分别去除残留的丙酮和乙醇，并用洗耳球轻轻吹干，完成对波导壳体的整体定型制备；步骤三、紫外曝光波导壳体制备波导内芯；具体步骤为：首先，将步骤二得到的波导壳体置于紫外灯下曝光；然后将曝光后的片上波导壳体置于平板热台上进行后烘，在90-120℃下烘10-20min；随后，将扫描完毕的样品片置于平板热台上进行后烘，先于65℃下烘2min-15min，再于90-120℃下烘5-15min；待样品冷却至室温后，将样品置于丙酮溶液中浸泡显影，所用时间为30-120s；随后分别用乙醇和去离子水进行冲洗，以分别去除残留的丙酮和乙醇，并用洗耳球轻轻吹干，获得所需波导结构。2.如权利要求1所述的一种制备任意截面聚合物波导的方法，其特征在于，步骤一所述待加工样品为旋涂有聚合物薄膜的硅片；所述调节装置为改装的带两个旋钮的可调节镜架；所述固定方式为将硅片用双面胶带平贴在盖玻片上，再将盖玻片朝下安装在带有夹具的镜架上；所述移动平台为组合式三轴ABL1500直线电机驱动空气轴承平台，行程50mm x50mm x50mm；所述旋涂的聚合物为SU-8，PDMS,NOA胶，厚度为2-20μm，具体步骤为：将剂量为2ml的聚合物溶液旋涂于清洁的硅片上，旋涂转速为500-3000r/min，匀胶时间为30-60s，前烘温度为95℃-120℃，时间为30-120min。3.如权利要求1所述的一种制备任意截面聚合物波导的方法，其特征在于，步骤一所述交界面位置利用过度曝光方法定位：具体地，首先调节光路中衰减片角度，打开光闸，使得到达样品片上的功率为40mW；然后，控制样品片沿竖直方向运动，使样品与物镜距离小于物镜焦距，即激光焦点在硅片内；然后，以10μm步长升高样品高度，直到局域爆炸现象出现；在上升过程中，激光焦点从硅片内移动到光刻胶中，出现局域爆炸现象是因为激光能量过高2CN111168237A权　利　要　求　书2/2页导致地光刻胶瞬间升温气化，局域爆炸的出现表明激光焦点已经移动到光刻胶中；停止上升，关闭光闸，沿样品片长轴方向水平移动10μm；然后样品片竖直方向下降100nm，打开光闸，观察是否有爆炸现象；若仍有爆炸现象产生，继续重复以上步骤，即，关闭光闸，沿样品片水平面长轴方向移动10μm，样品片竖直方向下降100nm，打开光闸，观察现象；若爆炸现象消失，则此时光点能量主要分布于硅片中，将样品片沿竖直方向上升100nm，此处即为交界面位置。4.如权利要求1所述的一种制备任意截面聚合物波导的方法，其特征在于，步骤二所述的波导结构为圆形、棱形、星形或猫头鹰形。5.如权利要求1所述的一种制备任意截面聚合物波导的方法，其特征在于，所述的飞秒激光连续光源波长范围为780-810nm；所用激光扫描功率为17-25mW；波导扫描的速度为0.05-0.5mm/s；所用加工物镜为20×-100×镜头。6.如权利要求1所述的一种制备任意截面聚合物波导的方法，其特征在于，步骤三所述紫外曝光功率为100-300W，曝光时间为30-120s；所加工的波导长度为0.1-2cm，直径为2-10μm。3CN111168237A说　明　书1/5页一种制备任意截面聚合物波导的方法技术领域[0001]本发明属于集成光学芯片波导技术领域，具体涉及可集成可拓展的片上长程具有任意截面聚合物基波导的制备，利用飞秒激光双光子聚合精确定制波导壳体结构及空间构型，定型后辅助紫外光刻方法对器件整体进行曝光，实现介质内部均匀稳定排布，以实现片上长程波导的快速制备。背景技术[0002]随着电子器件的不断变小，集成电路的密度不断增大，量子隧穿，散热等问题变得尤为突出，人们开始致力于利用光子进行信息计算和交流。目前仍处于实验阶段的光子芯片仅需要老旧的微米级工艺就可达到大幅超越既有半导体芯片的计算能力，也因此未来工艺微缩空间极大。而凭借芯片密度的增加，性能还能大幅成长，甚至有机会彻底改写摩尔定律的限制。然而目前集成光子芯片的主流仍然是基于集成电子芯片土壤孕育的硅光芯片，同时基于玻璃、聚合物等其他非半导体体系光子芯片的制备工艺仍然是以光刻为主，这极大的限制了光子芯片的立体构建以及三维功能拓展。[0003]光刻工艺制备的微纳器件由于工艺限制，截面形貌基本为矩形，对器件的表面形貌控制能力极差。同时飞秒激光直写是利用高能脉冲直接作用于材料，能够实现三维的、深纳米尺度分辨率和任意结构设计的无掩模加工。然而，由于飞秒激光直写是由点成线的逐点扫描，将其直接应用到片上器件制备的话就会面临加工耗时的问题。发明内容[0004]针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种快速制备任意截面聚合物波导的方法。利用飞秒激光和紫外光源对波导壳体和内芯进行分步曝光，从而实现对具有复杂截面的微米级别波导的快速加工。在分步曝光中，先利用飞秒激光直写扫描波导结构表层，通过显影便可实现对波导壳体的快速定型；同时，由于所形成的致密波导壳体对内芯未交联的聚合物单体形成了严密包覆，显影后内芯的聚合物单体仍保持未交联状态；然后，再对波导结构进行整体紫外曝光，使得波导内芯均匀交联，形成折射率均一的介质，从而最终实现对整个波导结构的加工。本发明的方法在不牺牲长程波导外部精细度(表面粗糙度、截面复杂度)的前提下，实现了快速制备复杂长程片上聚合物基波导的目标，解决了现有技术中精细与耗时难以兼顾的问题。[0005]本发明通过如下技术实现：[0006]一种制备任意截面聚合物波导的方法，具体步骤如下：[0007]步骤一：样品调平；[0008]首先，在硅片上旋涂聚合物平膜；然后将待加工样品固定到带有调节装置的移动台上；然后，打开加工光路中的光闸，激光被高倍物镜聚焦，通过调节移动台高度，使飞秒激光聚焦于聚合物/硅交界面；然后，控制移动台沿样品片长轴方向水平运动2cm，通过调节移动台的调节装置，使移动台移动时激光焦点始终聚焦于该交界面而不发生相对移动且光点4CN111168237A说　明　书2/5页形貌不变；然后，控制移动台沿样品片面短轴方向水平运动2cm，通过调节样品台的调节装置，使移动台移动时激光焦点始终聚焦于该交界面而不发生相对移动且光点形貌不变；此时，待加工样品台已调平；[0009]步骤二、飞秒激光扫描待加工样品制备波导壳体；[0010]具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光经第一凸透镜L1和光闸G后经第二凸透镜L2扩束，将光斑扩大，而后依次经第一全反镜M1,第二全反镜M2，第三凸透镜L3和第四凸透镜L4进行光束整形，并依次经衰减片S，第一半反半透镜M3和物镜聚焦后入射至待加工样品；然后利用飞秒激光按照设计的波导的壳面轮廓对待加工样品进行逐点扫描，即将波导壳体沿纵向分割成多个等间距截面，间距为10-2000nm，截面个数为100-200000，沿每个截面轮廓线进行逐个扫描，以实现壳体的整体扫描；随后，将扫描完毕的样品片置于平板热台上进行后烘，先于65℃下烘2min-15min，再于90-120℃下烘5-15min，此时，激光扫描过的区域产生的强酸会促进该处SU-8光刻胶实现分子内和分子间交联；待样品冷却至室温后，将样品置于丙酮溶液中浸泡显影，所用时间为30-120s；随后分别用乙醇和去离子水进行冲洗，以分别去除残留的丙酮和乙醇，并用洗耳球轻轻吹干，完成对波导壳体的整体定型制备；[0011]步骤三、紫外曝光波导壳体制备波导内芯；[0012]具体步骤为：首先，将步骤二得到的波导壳体置于紫外灯下曝光；然后将曝光后的片上波导壳体置于平板热台上进行后烘，在90-120℃下烘10-20min；随后，将扫描完毕的样品片置于平板热台上进行后烘，先于65℃下烘2min-15min，再于90-120℃下烘5-15min；待样品冷却至室温后，将样品置于丙酮溶液中浸泡显影，所用时间为30-120s；随后分别用乙醇和去离子水进行冲洗，以分别去除残留的丙酮和乙醇，并用洗耳球轻轻吹干，获得所需波导结构。[0013]进一步地，步骤一所述待加工样品为旋涂有聚合物薄膜的硅片；所述调节装置为改装的带两个旋钮的可调节镜架；所述固定方式为将硅片用双面胶带平贴在盖玻片上，再将盖玻片朝下安装在带有夹具的镜架上；所述移动平台为组合式三轴ABL1500直线电机驱动空气轴承平台，行程50mm x50mm x50mm；所述旋涂的聚合物为SU-8，PDMS,NOA胶，厚度为2-20μm，具体步骤为：将剂量为2ml的聚合物溶液旋涂于清洁的硅片上，旋涂转速为500-3000r/min，匀胶时间为30-60s，前烘温度为95℃-120℃，时间为30-120min。[0014]进一步地，步骤一所述交界面位置利用过度曝光方法定位：具体地，首先调节光路中衰减片角度，打开光闸，使得到达样品片上的功率为40mW；然后，控制样品片沿竖直方向运动，使样品与物镜距离小于物镜焦距，即激光焦点在硅片内；然后，以10μm步长升高样品高度，直到局域爆炸现象出现；在上升过程中，激光焦点从硅片内移动到光刻胶中，出现局域爆炸现象是因为激光能量过高导致地光刻胶瞬间升温气化，局域爆炸的出现表明激光焦点已经移动到光刻胶中；停止上升，关闭光闸，沿样品片长轴方向水平移动10μm；然后样品片竖直方向下降100nm，打开光闸，观察是否有爆炸现象；若仍有爆炸现象产生，继续重复以上步骤，即，关闭光闸，沿样品片水平面长轴方向移动10μm，样品片竖直方向下降100nm，打开光闸，观察现象；若爆炸现象消失，则此时光点能量主要分布于硅片中，将样品片沿竖直方向上升100nm，此处即为交界面位置。[0015]进一步地，步骤二所述的波导结构为任意截面形状，如圆形、棱形、星形或其它不5CN111168237A说　明　书3/5页规则形状。[0016]进一步地，所述的飞秒激光连续光源波长范围为780-810nm；所用激光扫描功率为17-25mW；波导扫描的速度为0.05-0.5mm/s；所用加工物镜为20×-100×镜头。[0017]进一步地，步骤三所述紫外曝光功率为100-300W，曝光时间为30-120s；所加工的波导长度为0.1-2cm，直径为2-10μm。[0018]与现有技术相比，本发明的优点如下：[0019](1)、与光刻工艺相比，无需掩膜的飞秒激光双光子聚合技术被用于制备波导壳体，可以超高精度实现复杂形貌的波导截面，如圆形、菱形、星形等光刻方法难以实现的方案。[0020](2)、与飞秒激光直写相比，波导内芯采用壳体束缚下整体曝光的方法，能够显著提高波导制备效率，同时，由于芯体内部介质高度统一、均匀，波导的光学性能如传输损耗具有很大的提高。[0021](3)、从可拓展性来说，本发明能够应用到大部分基于光敏材料的三维微结构的加工制备，兼顾高精度和高效率。附图说明[0022]图1为本发明的一种快速制备具有任意截面聚合物波导的方法的飞秒激光加工光路示意图；其中L1-L6分别为第一到第六凸透镜，G-光闸，S-光衰减片，M1-第一全反镜，M2-第二全反镜，M3-第一半反半透镜，M4-第二半反半透镜，M5-第三全反镜，CCD-照相机；[0023]图2为本发明的一种快速制备具有任意截面聚合物波导的方法整体流程图；[0024]图3为本发明的一种快速制备具有任意截面聚合物波导的方法的波导快速成型原理示意图；[0025]图4为本发明的一种快速制备具有任意截面聚合物波导的方法制备的圆形截面波导的整体扫描电镜图；[0026]图5为本发明的一种快速制备具有任意截面聚合物波导的方法制备的圆形截面波导的截面细节扫描电镜图；[0027]其中：a为圆形，b为猫头鹰形；[0028]图6为本发明的一种快速制备具有任意截面聚合物波导的方法制备的圆形截面波导与基于飞秒激光直写制备的圆形截面波导的传输损耗对比图。具体实施方式[0029]下面结合实施例对本发明做进一步地说明。[0030]实施例1[0031]通过紫外光刻辅助飞秒激光直写快速制备圆形截面波导。[0032]由图1所示，激光器出射飞秒激光经由第一凸透镜L1和第二凸透镜L2进行扩束，将光斑扩大4倍，并在共焦处放置机械光闸G；然后，光束依次经由第一全反镜M1和第二全反镜M2后，经由第三凸透镜L3和第四凸透镜L4进行缩束；随后，光束经由衰减片S后经由第一半反半透镜M3到达物镜处；另外，照明光源依次经由第六凸透镜L6，第三全反镜M5，第二半反半透镜M4和第一半反半透镜M3到达物镜处；最后，由样品片反射的照明光依次经由第一半反半透6CN111168237A说　明　书4/5页镜M3，第二半反半透镜M4后，经过第五凸透镜L5到达CCD中。[0033]一种快速制备任意截面聚合物波导的方法，具体步骤如下：[0034](1)、样品调平；[0035]首先，将前烘完毕的样品片用双面胶带平贴在盖玻片上，再将盖玻片朝下安装在带有夹具的样品台上；然后，打开激光光闸，通过控制移动台调节样品台高度，使得可以在CCD中观察到样品上光点形貌；然后，控制移动台沿样品片短轴方向水平运动2cm，通过调节样品台左侧旋钮控制片子倾角，直至移动时激光焦点始终聚焦于该交界面而不发生相对移动且光点形貌不变；然后，控制移动台沿样品片长轴方向水平运动2cm，通过调节样品台右侧旋钮控制片子倾角，直至移动时激光焦点始终聚焦于该交界面而不发生相对移动且光点形貌不变。至此，加工台已调平。[0036]其中，准备待加工样品片的具体步骤为：首先，取一具有5μm氧化膜的<100>切向的硅片用玻璃刀按照切向切割成20x20mm2，用镊子分别取出浸泡有丙酮、乙醇的脱脂棉对硅片进行擦拭，然后用去离子水进行冲洗，并用氮气吹干待用；然后，将商用SU-8-2005与环戊酮有机溶剂按照质量比1:2混合均匀，并静置2h以去除气泡；然后，用胶头滴管取出2ml溶液滴到硅片上，然后把片子置于转台上旋涂，所用转速为1000r/min，时间为30s；最后，将旋涂完毕的片子置于热台上进行前烘，分别是65℃下5min，95℃下120min，最终得到膜厚约为10μm的待加工样品片；[0037](2)、飞秒激光扫描待加工样品制备波导壳体；[0038]首先，旋转光路中衰减片，使得到达样品片上的功率为40mW；然后，利用电脑控制移动台Z轴运动，使样品片紧贴物镜但并不接触；然后，缓慢升高样品片竖直方向高度，使交界面缓慢接近焦点；通过CCD观察到光刻胶在上升到一定高度时发生气化；确定该位置即为光刻胶/衬底交界面，也就是加工起始面；控制沿样品片短轴方向和长轴方向水平移动到片子的一角，启动加工程序，激光焦点保持不动的同时，样品片按照设计结构实现长程连续移动，最终在样品片上完成了整个圆形截面波导壳体的扫描。飞秒激光波长为810nm，重复频率120Mhz，加工功率为25mW，扫描速度为0.2mm/s，所用加工物镜为40x镜头，壳体设计截面为9*9μm2，长度为10mm。[0039]随后，将扫描完毕的样品片置于平板热台上进行后烘，65℃下5min，95℃下10min；然后，关闭热台，待样品自然冷却至室温后，取一培养皿倒入20ml丙酮，将样品置于丙酮溶液中浸泡30s后取出；迅速用乙醇溶液冲洗片子5s，然后用去离子水进行冲洗5s，最后用洗耳球轻轻吹干样品片。[0040](3)、紫外曝光波导壳体制备波导内芯；[0041]首先，将样品片整体放置在300W紫外灯下曝光30s，样品片与灯泡距离0.3m；将曝光后的样品片置于平板热台上进行后烘，95℃下15min；然后，关闭热台，待样品自然冷却至室温后，取一培养皿倒入20ml丙酮，将样品置于丙酮溶液中浸泡30s后取出；迅速用乙醇溶液冲洗片子5s，然后用去离子水进行冲洗5s，最后用洗耳球轻轻吹干样品片，最终获得所需聚合物基圆形截面长程波导。[0042]常见的紫外光刻加工是一种典型的平面加工工艺，所制备的波导一般为矩形。这就限制了片上波导的三维功能，如操纵集成光路中光子偏振态或是偏振无依赖波导。而利用本专利中的方法，可以方便快捷地制备圆形截面即偏振无依赖波导。而波导内芯采用壳7CN111168237A说　明　书5/5页体束缚下整体曝光的方法，能够显著提高波导制备效率，与纯粹使用飞秒激光双光子聚合直写波导相比，效率为波导尺寸的3次方倍。同时，由于芯体内部介质高度统一、均匀。[0043]由图3可知，飞秒激光按照截面递进的方式直写波导壳体，继而通过紫外曝光制备波导芯体。[0044]由图4可知，利用紫外光刻辅助飞秒激光直写快速制备圆形截面波导的加工方法，可以制备长度较长的波导样品(200um-2cm)，该长度仅受限于位移台范围。[0045]由图5可知，利用本发明方法，可以制备圆形、猫头鹰形乃至其他特殊截面形状的波导。其中，猫头鹰形波导系利用本发明方法在NOA61胶体制备，证明了该方法的可拓展性。[0046]由图6可知，利用本发明方法，使得芯体内部介质高度统一、均匀，波导的传输损耗从飞秒直写的9.9dB/cm降低到6.4dB/cm。8CN111168237A说　明　书　附　图1/4页图19CN111168237A说　明　书　附　图2/4页图2图310CN111168237A说　明　书　附　图3/4页图4图511CN111168237A说　明　书　附　图4/4页图612