专利名称：硅溶胶－凝胶光波导的制作方法
技术领域：
本发明为一种光波导制作工艺，特别是指一种硅溶胶-凝胶(sol-gel)光波导的制作工艺。
在从多以平面光波导技术为主的光电元件中，硅玻璃(silica)长久以来一直以较佳环境忍受度与光学特性，与半导体制作工艺匹配，而一般制作硅玻璃平面光波导材料传统上以火焰水解沉积法(FlameHydrolysis Deposition；FHD)、离子交换法(Ion Exchange)、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition；CVD)与硅溶胶-凝胶(sol-gel)为主。
而火焰水解沉积法与化学气相沉积法须使用昂贵的半导体设备，耗费成本较高；而硅溶胶-凝胶(sol-gel)的优点在于无需使用昂贵的导半体设备，仅使用旋镀(spinning)或浸镀(dipping)方式制作即可，制作成本上比其他平面光波导制作方法低。
以单/多模平面光波导制作而言，近年来发表的文献有加拿大的Ecole Polytechnique,QPS、法国Universite de MontpellierⅡ，美国PhysicalOptical Cooperation等研究。其中以感光(photosensitive)硅溶胶-凝胶(sol-gel)制作平面光波导，成本比传统采高温制作工艺技术低，并具有紫外线感光定影(UV imprinting/Curing)和折射率可调整等优点，尤其适合制作光波导元件。
由于单模平面光波导需要有6-8μm的核心层(core layer)厚度，而多模平面光波导需要有大于50μm的核心层厚度，使用硅基板元件亦需要大于l0μm的缓冲层(buffer layer)厚度。若使用上述火焰水解沉积法与或化学气相沉积法须使用昂贵特殊的半导体设备，更加大了制作成本，所以采用硅溶胶-凝胶(sol-gel)制作工艺为可行又节省成本的方式。
然而，依据美国专利第5,130,397号名称为“Hybrid sol-gel opticalmaterials”所揭露的技术，仅能一次制作厚度小于10μm的薄膜。目前技术上仅对单模光波导元件使用感光(photosensitive)硅溶胶-凝胶(sol-gel)制作方式有所研究，对于多模平面光波导需要大于50μm核心层厚度，与使用硅基板元件大于10μm缓冲层厚度，则无法满足其制作的厚度要求。
本发明所揭露的硅溶胶-凝胶光波导的制作工艺，主要目的在于解决仅能一次制作厚度小于10μm的薄膜且会产生龟裂现象的问题，且满足多模平面光波导需要大于50μm核心层厚度与使用硅基板元件需大于10μm的缓冲层厚度的制作需求。
依据本发明的硅溶胶-凝胶光波导的制作工艺包含下列步骤硅溶胶-凝胶材料配方的制备；光波导光阻模组制作；硅溶胶-凝胶旋镀；及光波导光阻模组加热烘烤等步骤，最后形成硅溶胶-凝胶平面光波导。
以下结合附图描述本发明的详细内容及技术。在附图中
图1为本发明的硅溶胶-凝胶光波导的制作流程图；图2A-图2I为本发明的硅溶胶-凝胶光波导的每一制作工艺步骤示意图；且图3为本发明与公知技术的UV光谱比较示意图。
本发明的硅溶胶-凝胶(sol-gel)光波导的制作工艺包含溶液配置、光波导光阻模组制作工艺及光波导浇铸烧结成形等三个步骤。请参考图1，本发明所述的硅溶胶-凝胶光波导的制作流程图，首先调配硅溶胶-凝胶材料配方(步骤10)；接着进行光波导光阻模组制作(步骤20)；再将硅溶胶-凝胶旋镀(步骤30)及光波导光阻模组加热烘烤(步骤40)等步骤，最后形成硅溶胶-凝胶平面光波导(步骤50)。
现就整个硅溶胶-凝胶光波导的制作工艺步骤，以一较佳实施例说明如下首先，在溶液配置步骤中，先加入约1-10克分子量(摩尔)的水及约5-50克分子量(摩尔)的酒精于烧杯中形成一醇溶液，再将调整此醇溶液的酸碱值小于PH5，再制备约1-5克分子量(摩尔)的四氧基乙硅(tetraethyl ortho silicate；TEOS)倒入一圆底烧瓶，用滴管将部份溶液慢慢加入四氧基乙硅中，在室温下搅拌约1小时再加入另一半的醇溶液，再搅拌约1小时后，以酒精稀释到适当的粘滞度，最后将调配的溶液静置18小时以上备用，而以静置24小时为较佳。
接着请参考图2A-图2I，它们是本发明所述的硅溶胶-凝胶光波导的每一制作工艺步骤示意图。
在光波导光阻模组制作工艺步骤中，将硅晶圆60以一旋转器(图未显示)涂布一层第一光阻层(约10-100μm)70，如图2A所示，经软烤后以具光波导案的光罩作接触式紫外光曝光，泡在显影液中，用去离子水洗净并经氮气枪吹干后，再硬烤而完成制作光波导图案的厚光阻模组。
接着参考图2B，在光波导浇铸烧结成形步骤中，将上述具光波导图案的第一光阻层70模组的硅晶圆60，将该硅晶圆60放置在一水平面上，利用类似旋转吸头(Spin Chuck)的旋转支撑体(图未显示)，将该硅晶圆60固定在支撑平台上，并以真空吸附或其他固定方式，进行高速旋转，再用滴管吸出上述调配制成的适量溶液，滴在硅晶圆60上旋转，以500-2600转/分钟的速度加以旋镀(spinning)，接着进行加热处理，温度从室温25℃升到800℃烧结温度，烧结后等硅晶圆60自然降至室温时，再放至烧杯中，倒入丙酮放到超音波振荡约20分钟，再用去离子水洗净，经氮气枪吹干后，去除第一光阻层70，形成一层有结构的光波导缓冲层(buffer)80，此步骤包含一次完成的去水固化(condensation)、去光波导光阻模组层与烧结(sintering)等步骤，请参考图2C所示。
依据相同步骤，制作核心层(core)100在硅晶圆60与缓冲层80上方涂布一层第二光阻层90，并定义光阻波导核心层范围，如图2D至图2E所示，接着同样以滴管吸出上述调配制成的适量溶液，滴在定义光阻波导核心层100范围内，完成填充步骤，同样经上述烧结过程，并去除第二光阻层90，形成一层有结构的光波导核心层100，此步骤亦包含一次完成的去水固化、去光波导光阻模组层与烧结等步骤，请参考图2F所示。
再依据相同步骤，制作被覆层(cladding)120在硅晶圆60、缓冲层80与核心层(core)100上方涂布一层第三光阻层110，并定义光阻波导被覆层范围，如图2G至图2H所示，接着同样以滴管吸出上述调配制成的适量溶液，滴在定义光阻波导被覆层120范围内，完成填充步骤，同样经上述烧结过程，并去除第三光阻层110，形成一层有结构的光波导被覆层120，此步骤亦包含去水固化、去光波导光阻模组层与烧结等步骤一次完成，最后完成硅溶胶-凝胶光波导的制作工艺，如图2I所示。
本发明的优点(1)本发明所述的硅溶胶-凝胶光波导的制作工艺步骤少、制作工艺简单，成本较传统火焰水解沉积法、离子交换法及化学气相沉积法低。
(2)可制作比离子交换法与最新低成本的感光硅溶胶-凝胶(sol-gel)法制作方式所无法得到的厚度。
(3)本发明所调配的配方比感光硅溶胶-凝胶(sol-gel)法简单，且无需要求加入感光材料。
(4)本发明所产生的二氧化硅材料的UV光谱图如附件1所示，图中显示以Fused silica与用本发明所产出材料，与PECVD所制作的silica比较可以看出，本发明的UV吸收截止频率非常接近纯Fused silica，而较PECVD所制作的silica材质方面更接近Fused silica，呈现出本发明的可行性与优越性。
虽然结合前述的较佳实施例对本发明作了如上披露，然其并非用以限定本发明，且本领域的任何技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可对其进行更动与修正，因此本发明的保护范围当以所附权利要求书为准。
权利要求
1.一种硅溶胶-凝胶光波导的制作方法，该方法至少包含下列步骤调配该硅胶-凝胶溶液，包含下列步骤调配1-10克分子量(摩尔)的水及5-50克分子量(摩尔)的酒精形成醇溶液，并调整该醇溶液的酸碱值至小于PH5，将该醇溶液加入1-5克分子量(摩尔)的四氧基乙硅(TEOS)中，经搅拌均匀，以调配完成该硅胶-凝胶溶液；把一第一光阻层涂布于一硅晶圆上，并定义波导范围；把该硅溶胶-凝胶溶液填充于该定义波导范围内并烧结；去除该第一光阻层，在该硅晶圆上方形成一缓冲层；把一第二光阻层涂布于该硅晶圆与该缓冲层上，并定义波导核心层范围；把该硅溶胶-凝胶溶液填充于该定义波导核心层范围内并进行烧结；去除该第二光阻层，在该缓冲层上形成该核心层；把一第三光阻层涂布于该硅晶圆、该缓冲层与该核心层上，并定义波导被覆层范围；把该硅溶胶-凝胶溶液填充于该定义波导被覆层范围内并进行烧结；及去除该第三光阻层，在该缓冲层与该核心层上方形成该被覆层。
2.如权利要求1所述的硅溶胶-凝胶光波导的制作方法，其中所述调配完成的该硅溶胶-凝胶溶液需静置18小时以上备用。
3.如权利要求1所述的硅溶胶-凝胶光波导的制作方法，其中所述该第一光阻层、该第二光阻层、该第三光阻层是经软烤、曝光、显影等步骤，并用去离子水洗净并经氮气枪吹干后，再硬烤完成制作。
4.如权利要求1所述的硅溶胶-凝胶光波导的制作方法，其中所述该缓冲层、该核心层、该被覆层是以旋镀进行处理。
5.如权利要求1所述的硅溶胶-凝胶光波导的制作方法，其中所述的烧结步骤进一步包含-去水固化步骤。
6.如权利要求1所述的硅溶胶-凝胶光波导的制作方法，其中所述的去除该第一光阻层、去除该第二光阻层、去除该第三光阻层的步骤是以倒入丙酮并放到超音波振荡器中振荡，再用该去离子水洗净，经该氮气枪吹干而完成的。
全文摘要
一种硅溶胶－凝胶(sol－gel)光波导的制作方法,包含溶液配置、光波导光阻模组制作及光波导浇铸烧结成形三个步骤。该溶液配置是以水及酒精混合,再以经调整酸碱值的醇溶液与四氧基乙硅在室温下搅拌而成;该光波导光阻模组制作工艺是经软烤、曝光、显影,并用去离子水洗净经氮气枪吹干后,再硬烤完成制作;该光波导浇铸烧结成形是经旋镀处理、加热烧结,去除光阻模组等步骤,以完成一硅溶胶－凝胶光波导制作工艺。
文档编号B32B1/00GK1318761SQ0010568
公开日2001年10月24日 申请日期2000年4月17日 优先权日2000年4月17日
发明者苏忠杰, 高建纲, 林谕男, 蔡春鸿, 齐正中, 刘容生 申请人:财团法人工业技术研究院