專利名稱:利用光感應(yīng)性SiO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及SiO2薄膜微細圖形化技術(shù)的一種感光性溶膠、凝膠薄膜及其制備方法，進一步涉及一種利用光感應(yīng)性SiO2凝膠薄膜制作微細圖形的方法，可應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域中的光學(xué)衍射元器件如光柵、分光器的制作，或應(yīng)用于微電子和光電子領(lǐng)域中的溝槽類基板的制作等。
背景技術(shù)：
隨著光通訊事業(yè)的急速發(fā)展，對用于光的分束合束、波分復(fù)用等集成光學(xué)元件提出了更高的要求，而SiO2薄膜由于具有良好的透光性和低的光損耗性能，成為集成光學(xué)中最重要的光學(xué)薄膜之一。但在具體集成光路中，常常需要把SiO2薄膜制成條形波導(dǎo)或特定的薄膜圖形。除此之外，薄膜的微細圖形化也是微電子和光電子領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
現(xiàn)有的SiO2薄膜微細圖形化技術(shù)是采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)[1，2，3]、或離子刻蝕技術(shù)[4]。光刻法制備微細圖形要通過制膜，涂光刻膠，曝光，顯影，HF酸腐蝕，除膠等工序。工序繁多，工藝過程復(fù)雜，除此之外，由于還需要使用腐蝕性介質(zhì)，一方面造成環(huán)境污染，另一方面也會腐蝕基板，難以得到高質(zhì)量的微細圖形。離子刻蝕技術(shù)所用設(shè)備昂貴，刻蝕效率低下，由于離子束的轟擊，易造成圖形邊緣塌陷，難以得到邊緣規(guī)整的圖形[4]。
結(jié)合溶膠-凝膠制膜技術(shù)制備SiO2薄膜微細圖形的研究也有報道，主要有模壓和澆注法。模壓法首先在溶膠中加入有機物制備軟凝膠，再用模具壓制出微細圖形，最后經(jīng)過熱處理除去有機物。這一方法所需的微細圖形模具制備就很困難，而且有機物含量過高，熱處理過程中易于導(dǎo)致薄膜開裂[5]。而澆注法不能在特定的基板上制備薄膜[6]，對于制備微細圖形幾乎沒有實用價值。
近年也有用紫外激光或高能粒子束誘導(dǎo)離子交換玻璃薄膜[7]或離子交換玻璃[8]形成微細波導(dǎo)的方法及用分子組裝技術(shù)制備SiO2薄膜微細圖形的方法[9]。這些方法技術(shù)難度大，在實際應(yīng)用中有很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
SiO2薄膜微細圖形化技術(shù)在光通訊、微電子、光電子領(lǐng)域有十分重要的應(yīng)用，而目前制備SiO2薄膜微細圖形的技術(shù)都存在不同程度的缺陷，有很多科學(xué)家目前仍致力于這方面的研究。因而，開發(fā)一種無需光刻膠、無需腐蝕性介質(zhì)的腐蝕、而又能簡單、高效地制備SiO2薄膜及高質(zhì)量微細圖形化技術(shù)具有重要的實用價值。
本發(fā)明綜合考慮了SiO2薄膜的制作和微細加工過程。采用溶膠-凝膠法結(jié)合化學(xué)修飾的方法制備出了光感應(yīng)性的SiO2凝膠薄膜，并采用紫外光照等方法可以低價而又高質(zhì)量地獲得SiO2薄膜及其微細圖形。
還可以利用本項發(fā)明的感光性溶膠，制備出感光性SiO2凝膠薄膜，紫外光通過掩模照射感光性SiO2凝膠薄膜，再施以適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可以在薄膜?nèi)形成不同的折射率區(qū)域，利用這一原理可制備出折射率變調(diào)形光柵。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是溶膠-凝膠與化學(xué)修飾相結(jié)合的方法，制備光感應(yīng)性溶膠、利用這種凝膠在各種基板如硅板或石英基板上制備光感應(yīng)性SiO2凝膠薄膜，進一步通過光照、有機溶洗、熱處理等過程獲得薄膜的微細圖形。或通過光照及熱處理獲得折射率變調(diào)型微細圖形。
具體過程按以下方法進行(1)感光性SiO2溶膠制備首先采用化學(xué)修飾法制備感光性溶膠，其溶膠的組分和配比如下TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶(2-4)∶(0.05-0.2)∶(10-40)∶(0.5-2)TEOS表示正硅酸乙酯，其分子式為Si(OC2H5)4，是生成SiO2的基本原料；EeOH表示乙醇，其分子式為C2H5OH， 溶劑Ph表示菲羅林，其分子式為C12H8N2，是形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑；
H2O表示水，是與TEOS進行加水反應(yīng)的基本原料；HCl表示鹽酸，是加速反應(yīng)的觸媒；將以上組分的化學(xué)試劑混合攪拌4h后，就可得到均勻透明的感光性SiO2溶膠；(2)SiO2薄膜制備及微細圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制成SiO2凝膠薄膜，用這種方法制備的薄膜在274nm附近有較強的吸收峰，用相應(yīng)的紫外光照射時，吸收峰減弱并逐漸消失，用紫外線照射前這種薄膜在有機溶劑如乙醇中可溶解，照射后不能溶解，依據(jù)這一現(xiàn)象，紫外光通過掩膜照射這種感光性凝膠薄膜，然后將其在有機溶劑中浸泡后片刻取出，未被光照的地方被溶解，而光照的地方保留下來，得到SiO2凝膠薄膜的微細圖形；進一步進行500℃-600℃的熱處理20min，使薄膜中殘留的有機物揮發(fā)去除后就可得到SiO2薄膜的微細圖形；或使用(1)的溶膠制備薄膜，光照以后薄膜中的螯合物發(fā)生分解，使得熱處理過程中殘留有機物的變化不同于未光照的薄膜。當(dāng)紫外光通過掩?；蚣す飧缮娣ㄕ丈浔∧ぃ偈┮?00-450℃的熱處理，就會在薄膜中而造成光照區(qū)域與未照區(qū)域折射率的差別；利用這種現(xiàn)象可制備折射率變調(diào)型光柵或折射率變調(diào)型微細圖形。
用本發(fā)明制備SiO2微細圖形，無需貴重設(shè)備，無需腐蝕性介質(zhì)，減少了工藝環(huán)節(jié)，是微細圖形的制備工藝大為簡化，同時可以制備高質(zhì)量的微細圖形，可以應(yīng)用于溝槽類基板，衍射元器件如溝槽類光柵，分光器等。
用本發(fā)明制備折射率變調(diào)型微細圖形，工藝簡單，成本低廉，可應(yīng)用于折射率變調(diào)型光柵等衍射類元器件的制備。
四、


圖1是SiO2凝膠薄膜的紫外光譜以及隨紫外線照時的變化圖；
圖2是利用感光性SiO2薄膜制備SiO2薄膜微細圖形化過程的示意圖；圖3是薄膜的紫外線照射區(qū)域和未照射區(qū)域的折射率隨熱處理溫度的變化圖；圖4是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2微細圖形的光學(xué)顯微照片；圖5是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2微細溝槽的光學(xué)顯微照片；圖6是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2波導(dǎo)光柵的光學(xué)顯微照片；圖7是根據(jù)圖3的原理在硅基板上制備的折射率變調(diào)型微細圖形的光學(xué)顯微照片。
五具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。發(fā)明人給出了以下實施例，但本發(fā)明不限于這些實施例。
實施例1參見圖1～3，本發(fā)明的光感應(yīng)性SiO2凝膠薄膜制備及其微細圖形制作方法，按以下方法進行(1)感光性SiO2溶膠制備首先采用化學(xué)修飾法制備感光性溶膠，其溶膠的組分和配比如下TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶4∶0.05∶20∶0.5TEOS---正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4) 生成SiO2的基本原料EeOH----乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph---菲羅林(C12H8N2) 形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O---水 與TEOS進行加水反應(yīng)的基本原料HCl---鹽酸 加速反應(yīng)的觸媒。
將以上組分的化學(xué)試劑混合攪拌4h后，就可得到均勻透明的溶膠。
(2)SiO2薄膜制備及微細圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制膜，用這種方法制備的薄膜在274nm附近有較強的吸收峰如圖1所示，用相應(yīng)的紫外光照射時，吸收峰減弱并逐漸消失，用紫外線照射前這種薄膜在有機溶劑如乙醇中可溶解，照射后不能溶解，依據(jù)這一現(xiàn)象，紫外光通過掩膜照射這種感光性凝膠薄膜，然后將其在有機溶劑中浸泡片刻后取出，未被光照的地方被溶解，而光照的地方保留下來，得到SiO2凝膠薄膜的微細圖形。進一步進行500-600℃的熱處理，使有機物揮發(fā)去除后就可得到SiO2薄膜的微細圖形，整個薄膜微細圖形制備過程如圖2所示。
圖1中274nm的吸收峰與菲羅林(C12H8N2)的β′吸收峰(264nm)相比，紅移了10nm，說明菲羅林(C12H8N2)與Si發(fā)生了螯合反應(yīng)，隨著紫外光的照射，274nm處的吸收峰下降直至消失，說明含Si感光性螯合物發(fā)生分解，薄膜表現(xiàn)出了明顯的感光特性性。
圖2是利用感光性SiO2薄膜制備SiO2微細圖形的示意圖。
紫外光通過掩模照射感光性凝膠薄膜，對于0.6μm厚的薄膜，用200W/cm2的球形高壓汞燈照射約30min(圖2a)，將經(jīng)過圖2a照射過的薄膜放入無水乙醇中浸泡30sec后取出，吹干殘液，就可得到SiO2凝膠薄膜的微細圖形(圖2b)，進一步在600℃下熱處理20min，薄膜中殘留的有機物消失，就可得到SiO2薄膜的微細圖形(圖2c)。
(3)折射率變調(diào)型微細圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制成SiO2薄膜，經(jīng)光照以后螯合物分解，使隨后的熱處理過程中殘留的有機物變化不同于未光照的部分，從而造成在光照與未照區(qū)域光折射率的差別。如圖3所示。由圖3可知，在200℃-450℃之間進行熱處理，光照區(qū)域與未照區(qū)域的折射率有明顯差別，利用這一現(xiàn)象可以制備折射率變調(diào)型光柵。紫外光通過掩膜照射這種感光性凝膠薄膜，然后將其在450℃熱處理，就會在薄膜中造成折射率較高和較低的區(qū)域，圖7是在硅基板上制備的折射率變調(diào)型微細圖形的光學(xué)顯微照片，圖中的淺色矩形條紋是經(jīng)過光照的折射率(折射率1.531)較高的部分，深色部分是未經(jīng)光照的折射率(折射率1.355)較低的部分。這一折射率變調(diào)型微細圖形和所使用的掩模圖形完全一致。本實施例可以應(yīng)用于折射率變調(diào)類光柵等衍射類元器件的制備。
實施例2本實施例與1所不同的是，-感光性SiO2溶膠制備時其溶膠的組分和配比有所變化，即TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶3∶0.1∶30∶1TEOS---正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4) 生成SiO2的基本原料EeOH----乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph---菲羅林(C12H8N2) 形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O---水 與TEOS進行加水反應(yīng)的基本原料HCl---鹽酸 加速反應(yīng)的觸媒。
其它均同實施例1，同樣可以達到實施例1的目的。
實施例3本實施例與1所不同的是，感光性SiO2溶膠制備時其溶膠的組分和配比有所變化，即TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶2∶0.2∶40∶2TEOS---正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4) 生成SiO2的基本原料EeOH--乙醇(C2H5OH) 溶劑Ph---菲羅林(C12H8N2) 形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑H2O---水 與TEOS進行加水反應(yīng)生成原料HCl--鹽酸 加速反應(yīng)的觸媒。
其它均同實施例1，同樣可以達到實施例1的目的。
當(dāng)然，還可以調(diào)整其溶膠的組分和配比，如TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶2.5∶0.15∶25∶1.5或TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶3.5∶0.2∶40∶1，………，在技術(shù)方案所述的范圍內(nèi)，都可以達到實施例1的目的。
圖4是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2微細圖形的光學(xué)顯微照片，圖中的深色矩形條紋是SiO2薄膜，淺色部分是硅基板，由照片可以看出用本發(fā)明制備的微細圖形非常規(guī)整。最細的條紋寬度約3μm。
圖5是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2微細溝槽的光學(xué)顯微照片，圖中的深色矩形條紋是SiO2薄膜，淺色部分是硅基板。這一技術(shù)可應(yīng)用與硬盤基板、等離子電視機基板等溝槽類基板的制作。
圖6是用本發(fā)明在硅基板上制備的SiO2波導(dǎo)光柵的光學(xué)顯微照片，圖中的深色矩形條紋是SiO2薄膜，淺色部分是硅基板。
圖7是根據(jù)圖3的原理在硅基板上制備的折射率變調(diào)型微細圖形的光學(xué)顯微照片，圖中的淺色矩形條紋是經(jīng)過光照的折射率(折射率1.531)較高的部分，深色部分是未經(jīng)光照的折射率(折射率1.355)較低的部分。試樣經(jīng)過450℃熱處理。
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權(quán)利要求
1.一種利用光感應(yīng)性SiO2凝膠薄膜制作微細圖形的方法，其特征在于，按以下步驟進行(1)感光性SiO2溶膠制備采用化學(xué)修飾法制備感光性溶膠，其溶膠的組分和配比如下TEOS∶H2O∶HCl∶EeOH∶Ph＝1∶(2-4)∶(0.05-0.2)∶(10-40)∶(0.5-2)TEOS表示正硅酸乙酯，其分子式為Si(OC2H5)4，是生成SiO2的基本原料；EeOH表示乙醇，其分子式為C2H5OH，溶劑；Ph表示菲羅林，其分子式為C12H8N2，是形成感光性螯合物的化學(xué)修飾劑；H2O表示水，是與TEOS進行加水反應(yīng)的基本原料；HCl表示鹽酸，是加速反應(yīng)的觸媒；將以上組分的化學(xué)試劑混合攪拌4h后，就可得到均勻透明的感光性SiO2溶膠；(2)SiO2薄膜制備及微細圖形制備使用(1)制備的溶膠，用提拉法可在各種玻璃或硅基板上制成SiO2薄膜，用這種方法制備的薄膜在274nm附近有較強的吸收峰，用相應(yīng)的紫外光照射時，吸收峰減弱并逐漸消失，用紫外線照射前這種薄膜在乙醇中可溶解，照射后不能溶解；經(jīng)紫外線掩膜照射后，在乙醇中浸泡后取出，未被光照的地方被溶解，而光照的地方保留下來，得到SiO2凝膠薄膜的微細圖形；進一步進行500℃-600℃的熱處理20min，使薄膜中殘留的有機物揮發(fā)去除后就可得到SiO2薄膜的微細圖形；或使用(1)的溶膠制備薄膜，光照以后薄膜中的螯合物發(fā)生分解，使得熱處理過程中殘留有機物的變化不同于未光照的薄膜；當(dāng)紫外光通過掩?；蚣す飧缮娣ㄕ丈浔∧?，再施以200-450℃的熱處理，就會在薄膜中而造成光照區(qū)域與未照區(qū)域折射率的差別；可制備折射率變調(diào)型光柵或折射率變調(diào)型微細圖形。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種利用光感應(yīng)性SiO
文檔編號G03F7/16GKCN1175318SQ01145262
公開日2004年11月10日 申請日期2001年12月28日
發(fā)明者趙高揚, 趙桂榮, 胡雄偉 申請人:西安理工大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan