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CN104635300A - 一种环氧树脂多模光波导的制备方法 - Google Patents

一种环氧树脂多模光波导的制备方法 Download PDF

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CN104635300A
CN104635300A CN201510077752.2A CN201510077752A CN104635300A CN 104635300 A CN104635300 A CN 104635300A CN 201510077752 A CN201510077752 A CN 201510077752A CN 104635300 A CN104635300 A CN 104635300A
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CN
China
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optical waveguide
epoxy resin
preparation
bubble
exposure
Prior art date
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Application number
CN201510077752.2A
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English (en)
Inventor
王书荣
刘涛
蒋志
李志山
杨敏
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Yunnan Normal University
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Yunnan Normal University
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method

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Abstract

本发明公开了环氧树脂多模光波导的制备方法，以日本NTT生产的环氧树脂为材料采用非接触式光刻法制备环氧树脂多模光波导，该制备发法简单易行、成本很低，并与印刷电路板制备工艺相兼容，适用于光电印刷电路板的大规模工业化生产。本发明进一步公开了制备过程中所使用的有效显影剂。

Description

一种环氧树脂多模光波导的制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型、简便、低成本环氧树脂多模光波导的制备方法，属于光互连通信领域。
背景技术
紫外光固化环氧树脂(UV-cured Epoxy Resin)具有高的热稳定性(玻璃转化温度为200℃左右)、低光传输损耗(0.10dB/cm850nm)以及折射率可控范围大(1.48-1.60)等优点，比较适合用于光互连中。从理论上来讲，可采用光刻法但又不能像秒U-8那样进行接触曝光，只能采用近距离曝光(非接触曝光)；加之，较难找到一种有效的有机溶剂做显影剂。尚未见到以非接触式光刻法制备环氧树脂多模光波导的研究报道。本发明的发明人在以非接触式光刻法制备环氧树脂多模光波导的研制过程中，探索出以非接触式光刻法制作环氧树脂多模光波导的一整套完备的制备工艺，并找到一种有效的显影剂。
发明内容
本发明提出以非接触式光刻法制作环氧树脂多模光波导的制备方法及一种适用于制备环氧树脂多模光波导的有效显影剂—无水酒精与丙酮按体积比1:2进行混合的溶液。
以非接触式光刻法制作环氧树脂多模光波导的制备方法，包括以下步骤：
(1) 清洗FR4基片：依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗5分钟、10分钟、5分钟，然后用氮气吹干，在放入真空干燥箱中备用。
(2) 制作光波导下包层；
 在FR4基片上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷过程中尽量避免膜层中产生残留气泡，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂有包层环氧树脂并除去气泡后的样品，放置于匀胶机的承片台上；根据环境温湿度，设计匀胶机旋涂工艺，制成具有一定厚度的均匀下包层环氧树脂薄膜，并使用紫外光刻机曝光固化，曝光固化时间为10分钟；90℃烘烤进一步硬化时间为10分钟，最终制成表面光滑平整的光波导下包层；
(3) 制作光波导芯层；
 在光波导下包层上涂敷折射率为1.52±0.005的芯层环氧树脂，涂敷过程中尽量避免膜层中产生残留气泡，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂敷后并除去气泡的样品置于匀胶机的承片台上；根据环境温度和湿度设计匀胶机旋涂工艺：即转速和旋转时间，制备出具有一定膜厚的均匀芯层环氧树脂薄膜；接着使用光刻机通过非接触式光刻法对芯层曝光，曝光时间为4分钟左右；曝光后90℃的高温烘烤箱中进行前烘烤，烘烤时间为5分钟；
 前烘烤完成后，对样品进行显影，所用的显影剂为特别配制的有机溶剂；显影后便得到表面光滑、侧壁笔直、具有一定几何形状的脊形光波导，且其横截面尺寸为50μm×50μm；
 对脊形光波导进行紫外曝光进一步固化脊形光波导；最后再烘烤10分钟。
(4) 制作光波导上包层；
 在已经制作脊形光波导的样品上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂敷后并除去气泡的样品置于匀胶机的承片台上；根据环境温度设计匀胶机旋涂工艺，旋涂制备出具有一定膜厚的均匀上包层环氧树脂薄膜；并使用紫外光刻机曝光固化，制成表面光滑平整的光波导上包层；
 对样品进行后烘烤。
本发明的有益效果
(1) 该制备方法简单易行、成本很低，并与印刷电路板制备工艺相兼容，适用于光电印刷电路板的大规模工业化生产；
(2) 使用该方法所制得的环氧树脂多模光波导性能优良；
(3) 可广泛应用于光电印刷电路板的低损耗光互连通信中。
附图说明
图1为环氧树脂多模光波导的制备工艺流程图；
图2为无上包层的脊形光波导表面扫描电子显微镜图；
图3为光波导芯层厚度；
图4为光波导芯层宽度；
图5为环氧树脂多模光波导的传输损耗图；
图6为环氧树脂多模光波导的热稳定性图。
具体实施方式
实施例一
此实施例按以下步骤进行：
(1) 清洗FR4基片：依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗5分钟、10分钟、5分钟，然后用氮气吹干，在放入真空干燥箱中备用。
(2) 制作光波导下包层；
 在FR4基片上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷过程中尽量避免膜层中产生残留气泡，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂有包层环氧树脂并除去气泡后的样品，放置于匀胶机的承片台上；环境温度为23—25℃、湿度为50%条件下；旋涂条件：首先，以低速挡转速510RPM，旋转2次，每次12秒；最后，低速挡转速510RPM，时间6秒，高速挡转速1500RPM，时间10秒，低速—高速连续旋转3次；以曝光光强为15mw/cm2、曝光时间为10分钟为条件进行曝光固化，制成表面光滑平整的光波导下包层；制成均匀平整厚度为50um左右的下包层环氧树脂薄膜。
(3) 制作光波导芯层；
 在光波导下包层上涂敷折射率为1.52±0.005的芯层环氧树脂，涂敷过程中尽量避免膜层中产生残留气泡，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂敷后并除去气泡的样品置于匀胶机的承片台上；温度为23—25℃、湿度为45%―50%条件下；旋涂条件：首先，以转速为510RPM，旋转时间为9秒，进行2次低速旋转；最后，以低转速510RPM，其旋转时间为9秒，高转速1810RPM，其旋转时间为12秒，进行2次低速—高速连续旋涂；每次旋涂停止除去膜层中的气泡再进行下次旋涂；以光刻掩模版透光部份的宽度为40um、光刻掩模版与基片之间的间距为300um、曝光光强为15mw/cm2、曝光时间为2分钟作为非接触式光刻条件进行光刻；光刻后以烘烤温度90℃、烘烤时间3分钟进行前烘烤；
 前烘烤完成后，对样品进行显影4分钟，显影后放于无水酒精中清洗50秒，取出吹干，制成表面光滑、侧壁笔直、光波导横截面积大约为50um×50um的脊形光波导；
 对脊形光波导以曝光光强为15mw/cm2、曝光时间6分钟进行紫外曝光进一步固化光波导。
(4) 制作光波导上包层；
 在已经制作脊形光波导的样品上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂敷后并除去气泡的样品置于匀胶机的承片台上；环境温度为23—25℃、湿度为45%―50%条件下；首先，以低速挡转速510RPM，旋转2次，每次9秒；最后，低速挡转速510RPM，时间6秒，高速挡转速1200RPM左右，时间6秒，低速—高速连续旋转6次；以曝光光强为15mw/cm2、曝光时间为18分钟为条件进行曝光固化；制成均匀平整厚度为81um的上包层环氧树脂薄膜；
 对样品以烘烤温度为90℃、烘烤时间为30分钟进行后烘烤。
实施例2
(1) 清洗FR4基片：依次使用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗5分钟、10分钟、5分钟，然后用氮气吹干，在放入真空干燥箱中备用。
(2) 制作光波导下包层；
 在FR4基片上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷过程中尽量避免膜层中产生残留气泡，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂有包层环氧树脂并除去气泡后的样品，放置于匀胶机的承片台上；环境温度为23—25℃、湿度为45%―50%条件下；首先，低速挡转速510RPM，旋转2次，每次12秒；最后，低速挡转速510RPM，时间6秒，高速挡转速1500RPM，时间15秒，低速—高速连续旋转2次；以曝光光强为15mw/cm2、曝光时间为20分钟进行曝光固化；制成均匀平整厚度为50um左右的下包层环氧树脂薄膜。
(3) 制作光波导芯层；
 在光波导下包层上涂敷折射率为1.52±0.005的芯层环氧树脂，涂敷过程中尽量避免膜层中产生残留气泡，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂敷后并除去气泡的样品置于匀胶机的承片台上；温度为23—25℃、湿度为40%―50%条件下，旋涂条件：首先，以转速为510RPM，旋转时间为9秒，进行2次低速旋转；最后，以低转速510RPM，其旋转时间为9秒，高转速1810RPM，其旋转时间为15秒，进行2次低速—高速连续旋涂；每次旋涂停止除去膜层中的气泡再进行下次旋涂；以光刻掩模版透光部份的宽度为40um、光刻掩模版与基片之间的间距为300um、曝光光强为15mw/cm2、曝光时间为90秒作为非接触式光刻条件进行光刻；光刻后以烘烤温度90℃、烘烤时间60秒进行前烘烤；
 前烘烤完成后，对样品进行显影2分钟，显影后放于无水酒精中清洗50秒，取出吹干，制成表面光滑、侧壁笔直、光波导横截面积为大约为50um×50 um的脊形光波导；
 对脊形光波导以曝光光强为15mw/cm2、曝光时10分钟进行紫外曝光进一步固化脊形光波导。
(4) 制作光波导上包层；
 在已经制作脊形光波导的样品上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 将涂敷后并除去气泡的样品置于匀胶机的承片台上；环境温度为23—25℃、湿度为40%―50%条件下；首先，以低速挡转速510RPM，旋转2次，每次9秒；最后，低速挡转速510RPM，时间6秒，高速挡转速1000RPM，时间6秒以低速—高速连续旋转4次；以曝光光强为15mw/cm2、曝光时间为20分钟进行曝光固化；制成均匀平整厚度为80um左右的上包层环氧树脂薄膜；
 对样品以烘烤温度90℃、烘烤时间20分钟进行后烘烤。

Claims (4)

1.一种环氧树脂多模光波导的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 清洗FR4基片；
(2) 制作光波导下包层；
 在FR4基片上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 除去气泡后利用匀胶机制成具有一定厚度的均匀下包层薄膜，并使用紫外光刻机曝光固化，制成表面光滑平整的光波导下包层；
(3)光波导芯层的制作；
 在光波导下包层上涂敷折射率为1.52±0.005的芯层环氧树脂，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 除去气泡后用匀胶机旋涂制成具有一定厚度的均匀芯层薄膜，使用光刻机采用非接触式光刻法对芯层薄膜曝光，曝光后进行前烘烤；
 前烘烤完成后，采用一种特别配制的有机溶剂对样品进行显影，最后制成表面光滑、侧壁笔直、具有一定几何形状的脊形光波导；且其横截面尺寸为50μm×50μm；
 对脊形光波导芯层再进行紫外曝光以便进一步固化脊形光波导；
(4) 制作光波导上包层；
 在已经制作脊形光波导的样品上涂敷折射率为1.50±0.005的包层环氧树脂，涂敷完成后将其放于高真空环境中除去残留气泡；
 除去气泡后利用匀胶机旋涂制成具有一定厚度的均匀上包层薄膜，该薄膜的厚度确保完全覆盖波导芯层，使用紫外光刻机对上包层进行曝光固化，制成表面光滑平整的光波导上包层；
 对样品进行后烘烤。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)、(3)、(4)中的上包层厚度、芯层厚度、下包层厚度，取决于使用匀胶机旋涂过程中的环境温度、湿度、转速、旋转时间等工艺条件。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，光波导芯层的宽度取决于光刻掩模版透光部份的宽度、光刻掩模版与基片之间的间距、曝光光强、曝光时间等工艺条件；其中光刻过程中曝光光强应该大于10mw/cm2。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，特别配制的有效显影剂为：无水酒精与丙酮按照体积比1:2进行混合的溶液；显影过程为：先在显影剂中显影3-4分钟，再在无水酒精中清洗50s，最后用氮气吹干。
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