聚合物光波導(dǎo)制備用于硅基板上的自旋涂層薄膜的界面粘合

引言

研究了用于制造聚合物光波導(dǎo)的旋涂聚合物粘合薄膜在硅襯底上的界面粘合。通過(guò)使用光刻工藝在硅襯底上制造粘合劑剪切按鈕，并用D2400剪切測(cè)試儀測(cè)量界面粘合。在同一樣品的不同部分發(fā)現(xiàn)不同的粘合強(qiáng)度。在基材的中心觀察到比旋涂粘合膜的其他位置更高的粘合強(qiáng)度。在沉積和固化的粘合劑層受熱后也測(cè)量粘合強(qiáng)度，以評(píng)估粘合劑膜的耐熱性。在熱暴露之后，由于熱降解，粘附強(qiáng)度從基底的所有位置顯著降低。同樣，對(duì)于不同的等離子體處理的基底條件測(cè)量粘附力。用原子力顯微鏡表征了沉積前等離子體處理和未處理的硅襯底的表面形貌。對(duì)于所有等離子體處理的基材，甚至對(duì)于較高的表面粗糙度，都意外地觀察到較低的粘合強(qiáng)度。剪切試驗(yàn)后的斷裂表面也用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了表征。這項(xiàng)完整的研究為制造性能更好的光子器件聚合物光波導(dǎo)提供了重要的指示。

關(guān)鍵詞:高分子材料、光波導(dǎo)、界面粘合、等離子體表面處理、熱處理

介紹

與無(wú)機(jī)材料相比，電光聚合物由于其光學(xué)非線性系數(shù)大、響應(yīng)時(shí)間快、介電常數(shù)低、制造工藝簡(jiǎn)單、易于制造多層結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)光學(xué)器件非常有吸引力。例如，聚合環(huán)氧粘合劑可用作光波導(dǎo)的包層材料，提供可集成的光子器件，以滿足重要的行業(yè)需求.1圖1顯示了單個(gè)倒肋聚合光波導(dǎo)的典型橫截面示意圖。該圖顯示聚合物光波導(dǎo)制造的關(guān)鍵要求包括簡(jiǎn)單直接的薄膜沉積工藝。薄膜可以通過(guò)各種不同的技術(shù)來(lái)沉積輸入復(fù)雜性和適用性。沉積技術(shù)的選擇取決于材料的物理化學(xué)性質(zhì)、薄膜質(zhì)量要求和被涂覆的基材。這些薄膜的最終性能還取決于它們的形態(tài)，這在很大程度上受到聚合物鏈取向和聚集體狀態(tài)的影響。將薄膜涂在晶片上最簡(jiǎn)單也是最常見的技術(shù)之一是旋涂。這種技術(shù)被認(rèn)為可以得到厚度控制良好的非常均勻的薄膜.2由于普通旋涂溶液的復(fù)雜性，對(duì)于旋涂過(guò)程中出現(xiàn)的快速流體流動(dòng)和對(duì)流驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)的情況，應(yīng)該理解混合溶液的行為。

圖。1.單倒肋聚合物光波導(dǎo)典型截面示意圖。

實(shí)驗(yàn)

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基材清潔和表面處理

實(shí)驗(yàn)中使用的襯底被高度拋光。定向p型硼化硅片。用丙酮、酒精和去離子水連續(xù)超聲清洗，去除硅覆蓋表面上的有機(jī)殘留物。在整個(gè)研究過(guò)程中，使用了2 cm 3 2 cm的方形邊緣硅片，以避免矩形襯底中的徑向不對(duì)稱，這種不對(duì)稱會(huì)在旋涂聚合物薄膜上造成較大的拐角堆積效應(yīng).經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)清洗后，樣品類型3–5用六氟化硫(SF6)和工藝氣體的氧氣混合物(SF6 1 O2)進(jìn)行等離子蝕刻。蝕刻是在反應(yīng)離子蝕刻等離子體室中進(jìn)行的。

薄膜沉積

所有樣品都在100級(jí)潔凈室中處理和加工。環(huán)境溫度恒定在20℃，相對(duì)濕度保持在60%。將粘合劑從冰箱中取出，并在加工前加熱至室溫。用精密旋轉(zhuǎn)涂布機(jī)在手套箱中沉積旋涂膜。沉積過(guò)程包括將流體分配到靜止或緩慢旋轉(zhuǎn)的基底上。過(guò)量的流體用于防止在流體到達(dá)晶片邊緣之前由流體前端干燥引起的涂層不連續(xù)性。旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間分別為3000轉(zhuǎn)/分和30秒。所有沉積的薄膜然后在相同的固化曲線下通過(guò)典型的紫外光源固化(10分鐘。4000毫瓦/平方厘米的紫外線照射)和后加熱(10分鐘。在120℃下)在熱板上固化。

固化粘合膜的熱暴露

圖3顯示了使用苯并環(huán)丁烷(BCB)作為纖芯，環(huán)氧樹脂作為包層材料制造倒棱形聚合物光波導(dǎo)的典型光刻工藝概述。在該應(yīng)用中，在沉積初始包層之后，在制造波導(dǎo)器件的后續(xù)步驟中需要額外的加熱步驟。因此，聚合物材料應(yīng)該足夠可靠，能夠承受典型的制造工藝和操作條件，并具有良好的性能.5為了評(píng)估這種聚合物光波導(dǎo)的旋涂下包層的可靠性，對(duì)未處理襯底(樣品2)中固化和沉積的薄粘合劑膜進(jìn)行耐熱性測(cè)試。考慮到后續(xù)BCB芯層在高溫下的固化，測(cè)試在250℃下進(jìn)行30分鐘。在真空室中，類似于BCB固化曲線。

圖。3.以苯并環(huán)丁烷(BCB)為芯，環(huán)氧樹脂為包層材料，制造倒棱形聚合物光波導(dǎo)的一種光刻工藝概述。

討論

早期的研究發(fā)現(xiàn)，旋涂環(huán)氧膠粘劑的固化反應(yīng)速率比不旋涂的固化反應(yīng)速率慢得多。旋涂粘合劑膜中心(位置1)的反應(yīng)速率也高于其他位置。較慢的反應(yīng)速率主要是由于紡絲過(guò)程中材料性質(zhì)的變化.3在另一項(xiàng)研究中，由于紡絲過(guò)程中發(fā)生的快速流體流動(dòng)和對(duì)流驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)，也觀察到了旋涂粘合劑較低的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。在旋涂聚合物層的邊界側(cè)也較低，這是因?yàn)槟抢锝?jīng)受的旋轉(zhuǎn)力最高，空隙數(shù)量較多，并且交聯(lián)密度低。另一方面，在襯底的中心，由于最低，觀察到較高的穩(wěn)定性

應(yīng)力、缺少空隙和更高的交聯(lián)密度。這些研究的結(jié)果清楚地表明，在紡絲過(guò)程中，旋涂粘合劑發(fā)生了旋誘導(dǎo)降解。

不同位置的粘合強(qiáng)度不同

粘合性能完全取決于固化反應(yīng)的交聯(lián)程度。在固化過(guò)程中，聚合物鏈鎖定在一起，因此它們的運(yùn)動(dòng)受到一些限制。交聯(lián)的聚合物鏈也化學(xué)結(jié)合在一起，形成三維的“雞絲”分子結(jié)構(gòu)或化學(xué)網(wǎng)絡(luò).3固化程度越高，化學(xué)鍵越強(qiáng)，在粘合劑界面的粘合強(qiáng)度越好。因?yàn)檎澈蟿┑墓袒群头€(wěn)定性在中心較高，在邊界側(cè)較低，因此，3，5，在旋涂粘合劑的中心粘合強(qiáng)度也較高，在邊界側(cè)較低。

圖。12.受熱樣品(樣品2)的常見斷裂表面。

結(jié)論

使用Dage D2400剪切測(cè)試儀測(cè)量環(huán)氧樹脂層的界面附著力。使用光刻在硅晶片襯底上用粘合劑制成剪切按鈕。研究的樣品沒(méi)有(a)表面處理或熱暴露，(b)固化層的熱暴露，和(c)等離子體表面處理。在同一樣品的不同部分發(fā)現(xiàn)不同的粘合強(qiáng)度。與旋涂粘合劑膜的其他位置相比，在基材的中心觀察到更高的粘合強(qiáng)度。在熱暴露之后，基底的所有位置的粘合強(qiáng)度都顯著降低。根據(jù)這項(xiàng)研究，建議不要使用在基材不同部分表現(xiàn)出不同粘合強(qiáng)度的粘合劑。設(shè)備中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力可能會(huì)損壞這些系統(tǒng)的功能。Tg低于波導(dǎo)芯材料固化溫度的粘合材料也不應(yīng)用作光波導(dǎo)的下包層。發(fā)現(xiàn)經(jīng)等離子體處理以提高粘合力的硅襯底在提高粘合強(qiáng)度方面效率低下。甚至對(duì)于更高的表面粗糙度，在等離子體處理后意外地觀察到更低的粘附強(qiáng)度。由硅晶片表面的等離子體蝕刻引起的變化還不清楚。作者的實(shí)驗(yàn)室仍在對(duì)等離子體處理和未處理表面進(jìn)行x射線光電子能譜測(cè)試，以跟蹤硅片化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，并將在即將出版的出版物中進(jìn)行描述。