[发明专利]负性含氟光刻胶组合物及在聚合物光波导器件中的应用

说明书

技术领域

本发明属于光波导器件领域，具体涉及一种可作为聚合物光波导材料的负性含氟光刻胶组合物及该组合物在制备聚合物光波导器件中的应用。

技术背景

光刻胶目前主要应用于微平版印刷、制造微电子器件及光化学器件等。基本的制作过程是，首先将光刻胶涂覆于衬底材料上，然后进行前烘以蒸除溶剂，再通过掩模板使光刻胶层在活化辐射源下曝光，活化辐射源使光刻胶层发生光致化学变化，最后将其显影就可以得到相应的图案。

光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶。当正性光刻胶受到光照时发生分解反应，显影后得到正图形，而当负性光刻胶受到光照时发生交联反应，显影后得到负图形，可根据不同的需要进行选择。

用于光刻的光源主要为紫外光(350～450nm)、远紫外光(200～300nm)、电子束(＜0.1nm)和X射线(0.4～5nm)，其中电子束光刻效率低，X光光刻设备昂贵，而紫外光刻方面不断取得突破，保持了在光刻中的主导地位。

光刻胶的分辨率是制作高密度、小尺寸、侧壁陡直的微图案的关键。提高分辨率的方法主要包括a)使用新的短波光源提高曝光效率，b)增加光刻胶在曝光波长下的透明性。目前，在紫外厚胶光刻中人们越来越青睐于负性光刻胶SU-8系列，它在近紫外光范围内光吸收度低，故整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致，可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形。此种光刻胶组合物至少包括酸敏环氧树脂、光致产酸物及溶剂，已有文献报道用其制作光波导器件(B.et al/Optics Communications 230(2004)91-94)。这种方法与传统聚合物光波导的制作方法相比，减少了蒸镀金属膜层、离子刻蚀及除去金属膜层等过程，即可以缩短制作过程又可以减少制作费用，更重要的是还可以得到侧壁更加陡直的光波导。

直接作为主体材料用于光通讯领域的光刻胶，除了可以制得具有规整结构的微图案外还应具备有机聚合物光波导材料的特点，如好的热稳定性，低的吸收光损。SU-8系列光刻胶交联后的Tg可达到200℃以上，完全能够满足要求，但是在光通讯波段(1310和1550nm处)的光损耗较大。在1300～1600nm范围内，吸收主要来自分子的泛频吸收，其中C-H的泛频吸收，在光通讯窗口是比较高的，而C-F键吸收很小。所以用C-F取代C-H后会增加材料在光通讯波段的光学透明性，降低吸收光损。

因此，在光通讯领域中需要一种部分或全部氟取代的负性光刻胶，来减少传统聚合物光波导的制作步骤，缩短制作周期，在此基础上能得到侧壁陡直、表面平整、低光损的聚合物光波导。

发明内容

本发明的目的是提供一种负性含氟光刻胶组合物，它适合于聚合物光波导的制作。其包括含氟树脂、光致产酸物和溶剂。

负性含氟光刻胶组合物按重量计，含有5.0～7.0wt％的光致产酸物、50.0～75.0wt％的如式(1)所示的含氟环氧树脂和20.0～45.0wt％的溶剂。

该光刻胶组合物在紫外波长200～400nm范围内曝光并成像制作光波导器件，可以通过改变光致产酸物的种类来调整曝光波长。

该含氟环氧树脂的结构如(1)所示：

其中，R为氯化(CCl₂)或未氯化(CH₂)的甲基，n值为1～8，优选n值为2～6，最优选n为4。

在负性含氟光刻胶组合物中，作为优选的实施方式，可进一步用环氧树脂的数均分子量(Mn)的取值范围来限定式(1)所示环氧树脂的结构，环氧树脂数均分子量(Mn)较优选范围为500～2000，进一步的优选范围为1000～2000，更优选为1900，分散度(Mw/Mn)可以在1.5～3.0范围内。其分子量可以通过凝胶渗透色谱(GPC)测定。该树脂中的环氧基团可以在引发剂(光致产酸物)的作用下发生开环交联，交联后聚合物的玻璃化转变温度(Tg)大于200℃，具有良好的热稳定性，最重要的是此含氟环氧树脂在光通讯波段(1310nm和1550nm处)没有吸收(如图1)，这样就保证了此种材料较低的吸收光损。

负性含氟光刻胶组合物中的溶剂为二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、苯、甲苯、丙二醇单烷基醚、丙二醇烷基醚乙酸酯、环戊酮、乙酸丁酯、甲基异丁基酮、正丁酮2-戊酮、4-甲基-2-戊酮、环己酮、2-庚酮、γ-丁内酯、乙二醇单乙醚乙酸酯、乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、乙二醇单甲醚乙酸酯、丁内酯或N，N-二甲基甲酰胺。当光刻胶组合物涂覆在衬底上，经过前烘溶剂可以基本除去。