CN1122186C - 聚合物光波导器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚合物光波导器件及其制造方法,该聚合物光波导器件含有一种由聚合物形成的核芯,该聚合物基于聚合物的总重量含有12-37%(重量)的氟化物(F),并且具有至少两个-C(=O)-N-C(=O)功能基团或至少四个-N-C(=O)-功能基团的重复单元;和一个与该核芯接触的并且由聚合物形成的外包层,该聚合物的折射率低于形成核芯的聚合物的折射率。本发明的光波导器件可降低光散射损失。本发明的制造聚合物光波导器件的方法可用于聚合物光波导器件的大量生产。
Description
本发明涉及一种聚合物光波导器件及其制造方法,具体地说,本发明涉及一种通过改善蚀刻速率、蚀刻平面的均一性和垂直的剖面,降低对光波导器件损坏的聚合物光波导器件,以及制造这种聚合物光波导器件的方法。
在含有近红外区域的光通信波长区域中,在由光聚合物形成的具有低的光损失的光波导器件中,在核芯和外包层之间的界面处需要降低光散射损失。为了降低光散射损失,当对光波导器件进行蚀刻时,必需适当地控制例如蚀刻的光波导器件的侧壁的均一性,蚀刻的光波导器件的侧壁的垂直剖面和蚀刻速率等特征。由于这些特征在蚀刻过程中直接受等离子体浓度和离子能量影响,并在相反的条件下进行优化,等离子体浓度和离子能量必需单独地进行控制。特别是,在对由含有卤素原子的聚合物形成的光波导器件进行蚀刻的情况下,通过提高蚀刻速率,降低对等离子体的暴露,从而降低光波导器件的损伤是非常重要的。因而,需要单独控制等离子体浓度和离子能量。
下文将描述制造光波导器件的总的方法。
首先,一个下外包层在基底上形成,然后一个核芯层在该下外包层上形成。然后,一个光刻胶层在该核芯层上形成,然后曝光和显影,形成光刻胶图形。使用该光刻胶图形对核芯层进行蚀刻然后形成图形。然后,在形成图形的核芯层上形成一个上外包层,完成光波导器件。
作为核芯层的蚀刻方法,考虑到加工稳定性,精确性和产率,广泛使用的是一种活性离子蚀刻(RIE)。
但是,按照RIE方法,蚀刻速率很低,即不大于500纳米/分钟,这造成基底长时间暴露于等离子体,造成损害。除了对蚀刻平面的损害,其垂直剖面不是均一的。并且,在为了提高蚀刻速率而提高等离子体浓度的情况下,离子能量提高,从而造成蚀刻平面的损坏。再者,在为了降低对蚀刻平面损害而降低等离子体浓度的情况下,蚀刻速率降低,基底长时间暴露于等离子体,造成膜损坏。
为解决上述问题,本发明的一个目的是提供一种聚合物光波导器件,它通过改善蚀刻速率,均一性,蚀刻率和光波导器件蚀刻平面的垂直剖面,可降低对光波导器件的损害,及其制造方法。
为了达到上述目的,本发明提供了一种聚合物光波导器件,它含有一种由聚合物形成的核芯,该聚合物基于聚合物的总重量含有12-37%(重量)的氟化物(F),并且具有至少两个-C(=O)-N-C(=O)功能基团或至少四个-N-C(=O)-功能基团的重复单元;和
一个与该核芯接触的并且由聚合物形成的外包层,该聚合物的折射率低于形成核芯的聚合物的折射率。
本发明另一方面提供了一种用于制造聚合物光波导器件的方法,包括如下步骤:在一个基底上形成一个下外包层;在该下外包层上形成一个核芯层;通过以预先确定的图形蚀刻该核芯层使核芯层形成图形;在形成图形的核芯层上形成一个上外包层,其中核芯层的蚀刻是通过电感耦合等离子体(ICP)方法进行的,其条件是ICP功率和RF插接功率(RF chuck power)分别为170-750瓦和20-34瓦,并且核芯层是由一种聚合物形成的,该聚合物基于聚合物的总重量含有12-37%(重量)的氟化物(F),并且具有至少两个-C(=O)-N-C(=O)功能基团或至少四个-N-C(=O)-功能基团的重复单元。
附图简要说明
通过参照附图对优选实施方案的详细描述,本发明的上述目的和优点将显而易见,其中:
图1是用于本发明的电感耦等离子体(ICP)蚀刻装置的概念图。
图2和4描述的是按照本发明的优选实施方案,根据聚合物的ICP功率蚀刻速率和离子能量(DC-偏压)的变化。
图3和5描述的是按照本发明的优选实施方案,根据聚合物的RF插接功率蚀刻速率和离子能量(DC-偏置)的变化。
实施本发明的最好方式
本发明的聚合物光波导器件包括一个核芯和一个与核芯接触的外包层。该核芯是由聚合物形成的,该聚合物基于聚合物的总重量含有12-37%(重量)的氟化物(F),并且具有至少两个-C(=O)-N-C(=O)功能基团或至少四个-N-C(=O)-功能基团的重复单元。这里,该外包层是由聚合物形成的,该聚合物的折射率低于形成核芯的聚合物的折射率。在具有上述结构的光波导器件中,在含有近红外区域的光通信波长区域中光损失降低,并且在核芯和外包层之间的界面处光散射损失降低。
优选形成核芯的聚合物是由式1或2表示的化合物:其中,n1是一个在10和500之间的整数,n2是一个在10和500之间的整数。
下文将参照附图对本发明的制造聚合物光波导器件的方法进行详细描述。
本发明的制造聚合物光波导器件的方法的特征在于在预先确定的ICP功率和RF插接功率的条件下通过电感等离子体(ICP)蚀刻过程对核芯层进行蚀刻。结果,蚀刻速率至少是常规的蚀刻核芯层的方法中蚀刻速率的三倍。而且,包括蚀刻平面的均一性和蚀刻平面的垂直剖面的蚀刻特性得到改善。
按照电感耦等离子体(ICP)蚀刻方法,通过惰性气体流中放置的线圈中的电流产生一个非极性的排放等离子体,放置在该气体中的物体被蚀刻。按照这一方法,由于等离子体浓度和离子能量分别通过使用两个RF电源控制,从而改善光波导器件的垂直剖面,蚀刻速率和蚀刻平面的均一性。而且,作为蚀刻气体,可使用一种气体,即氧气。在使用与氧气组合的惰性气体例如氦,氩或氮气的情况下,蚀刻速率可更容易地控制。
作为用于本发明的聚合物光波导器件的聚合物,可使用在光通信波长区域具有低的光损失的光聚合物。优选使用具有聚酰亚胺,聚醚酰亚胺,聚酯酰亚胺,聚砜酰亚胺(polysulfoneimide),或聚酰胺酰亚胺作为基本单元,基于该聚合物的总重量它含有12-37%(重量)的氟化物(F),并且具有至少两个-C(=O)-N-C(=O)功能基团或至少四个-N-C(=O)-功能基团的重复单元。这里,F含量在上述范围内,根据聚合物中的F含量,光损失略微变化。
换句话说,当聚合物中F含量低时,即大于或等于12%(重量)并小于25%(重量),ICP功率为170-1000瓦,优选500±150瓦,并且RF插接功率为30-310瓦,优选180±80瓦。如果光波导器件在这一条件下蚀刻,蚀刻速率大于或等于500纳米/分钟,特别是大于或等于1500纳米/分钟,并且在水平和垂直方向上可得到均一的蚀刻平面。
当聚合物中F含量低大于或等于25%(重量)并小于37%(重量),ICP功率为190-750瓦,优选440±180瓦,并且RF插接功率为20-340瓦,优选200±60瓦。如果光波导器件在这一条件下蚀刻,蚀刻速率大于或等于500纳米/分钟,特别是大于或等于2000纳米/分钟,并且在水平和垂直方向上可得到均一的蚀刻平面。
室压和蚀刻气体的流速不论聚合物中的F含量如何均相同。室压和蚀刻气体流量优选被分别控制在2-20毫托和15-50标准立方厘米/分。而且,蚀刻速率被优选控制在大于或等于500纳米/分钟。
图1是用于本发明的电感耦等离子体(ICP)蚀刻装置的概念图。
参照图1,两个RF电源被用于ICP蚀刻装置,即RF插接电源12和ICP电源13。
从图1可以看出,RF1被施加在插头10上,其上放置从RF插接电源12的物品,和RF2被施加在从ICP电源13的RF线圈14上。
如果一个电压从ICP电源13被施加在FR线圈上,沿电流被诱导出一个磁场。这样诱导出的磁场改变等离子体中电子的运动。电子产生线性运动和螺旋运动。因而,电子,原子和离子之间更经常地发生碰撞。由于电子之间的碰撞等离子体密度提高,等离子体中粒子的数量,原子团(中性原子)和电子提高。
下文将描述按照本发明优选实施方案的聚合物光波导器件的蚀刻过程。
使用ICP蚀刻方法对由式1表示的聚酰亚胺(F含量:25%重量)形成的光波导器件进行蚀刻。这里,氧被用作蚀刻气体。观察根据RF插接功率,ICP功率,室压,蚀刻气体的流速变化对光波导器件的蚀刻特性的改变。结果显示,RF插接功率和ICP功率极大地影响了光波导器件的蚀刻特性,但室压和流速影响很小。其中n1是一个50和300之间的整数。
首先,为了观察ICP功率对光波导器件的蚀刻特性的改变,改变ICP功率,同时将RF插接功率,室压,氧气流速分别保持在150瓦,5毫托和40标准立方厘米/分。观察依赖ICP功率变化的蚀刻速率的变化()和离子能量(DC-偏压)的变化(○),结果示于图2。
参照图2,当ICP功率从0提高至750瓦,蚀刻速率从450纳米/分种至2160纳米/分钟线性提高。另一方面,DC-偏压从551V降低至220V。
对在各种条件下蚀刻的光波导器件的观察显示,当ICP功率为500瓦时可得到具有良好的蚀刻平面的均一性和垂直剖面的光波导器件。
其次,为了观察基于RF插接功率的光波导器件蚀刻特性的改变,改变RF插接功率,而将ICP功率,室压,氧气的流速分别保持在500瓦,5毫托和40标准立方厘米/分。观察依赖RF插接功率变化的蚀刻速率的变化()和离子能量(DC-偏压)的变化(○),结果示于图3。
参照图3,当RF插接功率从0提高至50瓦,150瓦,250瓦和350瓦时,蚀刻速率分别从30纳米/分种线性提高至1060纳米/分钟,1500纳米/分钟,1735纳米/分钟和1950纳米/分钟。DC-偏压从0V线性提高至500V。
对在各种条件下蚀刻的光波导器件的状态进行的观察显示,当RF插接功率大于或等于150瓦时可得到具有良好的蚀刻平面的均一性和垂直剖面的光波导器件。
下文将描述按照本发明另一个优选实施方案的聚合物光波导器件的蚀刻过程。
使用ICP蚀刻方法对由式2表示的聚酰亚胺(F含量:37%重量)形成的光波导器件进行蚀刻。这里,氧被用作蚀刻气体。观察根据RF插接功率,ICP功率,室压,蚀刻气体的流速变化对光波导器件的蚀刻特性的改变。结果显示,RF插接功率和ICP功率极大地影响了光波导器件的蚀刻特性,但室压和流速影响很小。其中n2是一个40和200之间的整数。
首先,为了观察ICP功率对光波导器件的蚀刻特性的改变,改变ICP功率,同时将RF插接功率,室压,氧气流速分别保持在150瓦,5毫托和40标准立方厘米/分。观察依赖ICP功率变化的蚀刻速率的变化()和离子能量(DC-偏压)的变化(○),结果示于图4。
参照图4,当ICP功率从0提高至750瓦,蚀刻速率从540纳米/分种至2030纳米/分钟线性提高。另一方面,DC-偏压从550V降低至220V。
对在各种条件下蚀刻的光波导器件的观察显示,当ICP功率为500瓦时可得到具有良好的蚀刻平面的均一性和垂直剖面的光波导器件。
因而,可以得出结论,当ICP功率提高,离子能量降低,而蚀刻速率提高。当离子能力(DC-偏压)很大时,光波导器件的蚀刻特性差,其原因是大的离子能量(DC-偏压)造成的光波导器件的损坏。
其次,为了观察基于RF插接功率的光波导器件蚀刻特性的改变,改变RF插接功率,而将ICP功率,室压,氧气的流速分别保持在500瓦,5毫托和40标准立方厘米/分。观察依赖RF插接功率变化的蚀刻速率的变化()和离子能量(DC-偏压)的变化(○),结果示于图5。
参照图5,当RF插接功率从0提高至50瓦,150瓦,250瓦和350瓦时,蚀刻速率分别从30纳米/分种线性提高至980纳米/分钟,1530纳米/分钟,1620纳米/分钟和1870纳米/分钟。DC-偏压从0V线性提高至500V。
对在各种条件下蚀刻的光波导器件的状态进行的观察显示,当RF插接功率大于或等于150瓦时可得到具有良好的蚀刻平面的均一性和垂直剖面的光波导器件。
从上述结果可以发现,由式1或2表示的聚合物形成的光波导器件是在ICP功率为500瓦和RF插接功率为150-300瓦的蚀刻速率为1500-2000纳米/分钟的条件下进行蚀刻。这里,对光波导器件的损伤很小,蚀刻平面的均一性良好。
上述实施方案只是以举例的方式对本发明进行说明,不是为了限定其范围。
如果按照本发明的ICP蚀刻方法对核芯层进行蚀刻,蚀刻速率至少是常规的RIE蚀刻方法的蚀刻速率的三倍。而且,包括蚀刻平面的均一性和蚀刻平面的垂直剖面得到改善,从而降低对光波导器件的损害。因而,可降低光波导器件的光散射损失。
本发明的制造聚合物光波导器件的方法可用于聚合物光波导器件的大量生产。
本发明的聚合物光波导器件可被用于制造光通信装置,例如塑料光纤,多芯片模件或杂合集成装置。
Claims (9)
1.一种聚合物光波导器件,它含有一种由聚合物形成的核芯,该聚合物基于聚合物的总重量含有12-37%重量的氟化物,并且具有至少两个-C(=O)-N-C(=O)功能基团或至少四个-N-C(=O)-功能基团的重复单元;和
一个与该核芯接触的并且由聚合物形成的外包层,该聚合物的折射率低于形成核芯的聚合物的折射率。
3.一种用于制造聚合物光波导器件的方法,包括如下步骤:
在一个基底上形成一个下外包层;
在该下外包层上形成一个核芯层;
通过以预先确定的图形蚀刻该核芯层使核芯层形成图形;
在形成图形的核芯层上形成一个上外包层,
其中核芯层的蚀刻是通过电感耦合等离子体,即ICP,方法进行的,其条件是ICP功率和RF插接功率分别为170-750瓦和20-34瓦,并且核芯层是由一种聚合物形成的,该聚合物基于聚合物的总重量含有12-37%重量的用F表示的氟化物,并且具有至少两个-C(=O)-N-C(=O)功能基团或至少四个-N-C(=O)-功能基团的重复单元。
4.按照权利要求3所述的方法,其中,聚合物中F含量为大于或等于12%重量并小于25%重量,ICP功率和RF插接功率分别被控制在190-750瓦和20-340瓦。
5.按照权利要求3所述的方法,其中,聚合物中F含量为大于或等于25%重量并小于37%重量,ICP功率和RF插接功率分别被控制在170-1000瓦和30-310瓦。
6.按照权利要求3所述的方法,其中,在ICP蚀刻过程中室压被控制在2-20毫托。
7.按照权利要求3所述的方法,其中,在ICP蚀刻过程中蚀刻气体流量被保持在15-50标准立方厘米/分。
8.按照权利要求3所述的方法,其中,在ICP蚀刻过程中,蚀刻气体是选自氩,氦,氮气和氧气中的至少一种。
9.按照权利要求3所述的方法,其中,蚀刻速率为大于或等于500纳米/分钟。
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |