引言

研究了用于制造聚合物光波導的旋涂聚合物粘合薄膜在硅襯底上的界面粘合。通過使用光刻工藝在硅襯底上制造粘合劑剪切按鈕，并用D2400剪切測試儀測量界面粘合。在同一樣品的不同部分發現不同的粘合強度。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度。在沉積和固化的粘合劑層受熱后也測量粘合強度，以評估粘合劑膜的耐熱性。在熱暴露之后，由于熱降解，粘附強度從基底的所有位置顯著降低。同樣，對于不同的等離子體處理的基底條件測量粘附力。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。對于所有等離子體處理的基材，甚至對于較高的表面粗糙度，都意外地觀察到較低的粘合強度。剪切試驗后的斷裂表面也用光學顯微鏡進行了表征。這項完整的研究為制造性能更好的光子器件聚合物光波導提供了重要的指示。

關鍵詞:高分子材料、光波導、界面粘合、等離子體表面處理、熱處理

介紹

與無機材料相比，電光聚合物由于其光學非線性系數大、響應時間快、介電常數低、制造工藝簡單、易于制造多層結構等優點，對光學器件非常有吸引力。例如，聚合環氧粘合劑可用作光波導的包層材料，提供可集成的光子器件，以滿足重要的行業需求.1圖1顯示了單個倒肋聚合光波導的典型橫截面示意圖。該圖顯示聚合物光波導制造的關鍵要求包括簡單直接的薄膜沉積工藝。薄膜可以通過各種不同的技術來沉積輸入復雜性和適用性。沉積技術的選擇取決于材料的物理化學性質、薄膜質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，這在很大程度上受到聚合物鏈取向和聚集體狀態的影響。將薄膜涂在晶片上最簡單也是最常見的技術之一是旋涂。這種技術被認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雜性，對于旋涂過程中出現的快速流體流動和對流驅動蒸發的情況，應該理解混合溶液的行為。

圖。1.單倒肋聚合物光波導典型截面示意圖。

實驗

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基材清潔和表面處理

實驗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超聲清洗，去除硅覆蓋表面上的有機殘留物。在整個研究過程中，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稱，這種不對稱會在旋涂聚合物薄膜上造成較大的拐角堆積效應.經過標準清洗后，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)進行等離子蝕刻。蝕刻是在反應離子蝕刻等離子體室中進行的。

薄膜沉積

所有樣品都在100級潔凈室中處理和加工。環境溫度恒定在20℃，相對濕度保持在60%。將粘合劑從冰箱中取出，并在加工前加熱至室溫。用精密旋轉涂布機在手套箱中沉積旋涂膜。沉積過程包括將流體分配到靜止或緩慢旋轉的基底上。過量的流體用于防止在流體到達晶片邊緣之前由流體前端干燥引起的涂層不連續性。旋轉速度和時間分別為3000轉/分和30秒。所有沉積的薄膜然后在相同的固化曲線下通過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顯示了使用苯并環丁烷(BCB)作為纖芯，環氧樹脂作為包層材料制造倒棱形聚合物光波導的典型光刻工藝概述。在該應用中，在沉積初始包層之后，在制造波導器件的后續步驟中需要額外的加熱步驟。因此，聚合物材料應該足夠可靠，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為了評估這種聚合物光波導的旋涂下包層的可靠性，對未處理襯底(樣品2)中固化和沉積的薄粘合劑膜進行耐熱性測試。考慮到后續BCB芯層在高溫下的固化，測試在250℃下進行30分鐘。在真空室中，類似于BCB固化曲線。

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

討論

早期的研究發現，旋涂環氧膠粘劑的固化反應速率比不旋涂的固化反應速率慢得多。旋涂粘合劑膜中心(位置1)的反應速率也高于其他位置。較慢的反應速率主要是由于紡絲過程中材料性質的變化.3在另一項研究中，由于紡絲過程中發生的快速流體流動和對流驅動的蒸發，也觀察到了旋涂粘合劑較低的熱穩定性和化學穩定性。在旋涂聚合物層的邊界側也較低，這是因為那里經受的旋轉力最高，空隙數量較多，并且交聯密度低。另一方面，在襯底的中心，由于最低，觀察到較高的穩定性

應力、缺少空隙和更高的交聯密度。這些研究的結果清楚地表明，在紡絲過程中，旋涂粘合劑發生了旋誘導降解。

不同位置的粘合強度不同

粘合性能完全取決于固化反應的交聯程度。在固化過程中，聚合物鏈鎖定在一起，因此它們的運動受到一些限制。交聯的聚合物鏈也化學結合在一起，形成三維的“雞絲”分子結構或化學網絡.3固化程度越高，化學鍵越強，在粘合劑界面的粘合強度越好。因為粘合劑的固化度和穩定性在中心較高，在邊界側較低，因此，3，5，在旋涂粘合劑的中心粘合強度也較高，在邊界側較低。

圖。12.受熱樣品(樣品2)的常見斷裂表面。

結論

使用Dage D2400剪切測試儀測量環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現不同的粘合強度。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度。在熱暴露之后，基底的所有位置的粘合強度都顯著降低。根據這項研究，建議不要使用在基材不同部分表現出不同粘合強度的粘合劑。設備中產生的內應力可能會損壞這些系統的功能。Tg低于波導芯材料固化溫度的粘合材料也不應用作光波導的下包層。發現經等離子體處理以提高粘合力的硅襯底在提高粘合強度方面效率低下。甚至對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。作者的實驗室仍在對等離子體處理和未處理表面進行x射線光電子能譜測試，以跟蹤硅片化學結構的變化，并將在即將出版的出版物中進行描述。