[发明专利]一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：从下至上由以下6部分组成：

1)硅衬底(11)；

2)在硅衬底(11)上制备的二氧化硅下包层(121)；

3)在二氧化硅下包层(121)上制备的掺锗的二氧化硅芯层波导，沿光的传播方向，二氧化硅芯层波导由彼此分立的掺锗的二氧化硅输入波导单元(131)、掺锗的二氧化硅调制臂(132)和掺锗的二氧化硅输出波导单元(133)组成；

4)在二氧化硅下包层(121)上制备的掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)；

5)在掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)上制备的聚合物芯层波导；沿光的传播方向，聚合物芯层波导由聚合物输入波导单元(151)、基于垂直多模干涉器结构的第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、基于垂直多模干涉器结构的第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)组成；

6)在掺硼和磷的二氧化硅上包层(122)上及聚合物芯层上制备的聚合物包层(16)；

聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的下表面与二氧化硅上包层的上表面位于同一平面；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)的下表面与二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)和二氧化硅输出波导单元(133)的下表面位于同一平面，该平面为二氧化硅下包层(121)的上表面；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)的上表面和聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的上表面位于同一平面；

二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)的宽度相同；二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度相同；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)从二氧化硅下包层之上延伸入聚合物包层之中，其高度大于二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度；

聚合物芯层材料为SU-8 2002、SU-8 2005或EpoCore。

2.如权利要求1所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：掺硼和磷的二氧化硅上包层和掺锗的二氧化硅芯层间的折射率差为0.36％～2％，其计算公式见式(I)，二氧化硅芯层折射率为n₁，二氧化硅上包层折射率为n₂，二氧化硅芯层的折射率大于二氧化硅上包层的折射率；

3.如权利要求1所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：聚合物包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯或EpoClad。

4.如权利要求1所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器，其特征在于：二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)的宽度相同，为3～5μm；二氧化硅输入波导单元(131)、二氧化硅调制臂(132)、二氧化硅输出波导单元(133)、聚合物输入波导单元(151)、聚合物调制臂(152)和聚合物输出波导单元(153)的高度相同，为3～5μm；第一聚合物3dB分束器(141)和第二聚合物3dB分束器(142)从二氧化硅下包层之上延伸入聚合物包层之中，其高度H_MMI为10～15μm。

5.权利要求1～4任何一项所述的一种有机无机混合集成的聚合物温度传感器的制备方法，其步骤如下：

步骤①：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层；

步骤②：然后在二氧化硅下包层上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积得到3.5～6.5μm厚的掺锗的二氧化硅芯层；其中，PECVD设备的腔室气压为300～800mTorr，衬底温度为300～350℃，上电极低频射频功率为200～700W，上电极高频射频功率为300～800W，硅烷气体流量为15～30sccm，一氧化氮气体流量为1800～2000sccm，锗烷气体流量为1.3～2.4sccm，沉积速率为180～230nm/min；

步骤③：在掺锗的二氧化硅芯层上旋涂光刻胶层Ⅰ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅰ上与需要制备的条形波导结构相同或互补的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过ICP刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到条形结构的二氧化硅芯层波导；然后再去掉二氧化硅芯波导上的光刻胶层I；

步骤④：在条形结构的二氧化硅芯层波导上通过PECVD法沉积得到3～5μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层，二氧化硅上包层与步骤①制备的二氧化硅下包层统称为二氧化硅包层；其中PECVD设备的腔室气压为2000～3000mTorr，衬底温度为335～365℃，下电极射频功率为1600～2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100～140sccm，硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；磷烷和氮气混合气体流量为20～45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％～10％；

步骤⑤：在二氧化硅上包层上，再次旋涂形成光刻胶层Ⅱ，前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的聚合物3dB分束器结构互补或相同的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，再通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅上包层里刻蚀出与聚合物3dB分束器结构相同的两个窗口；沿光的传输方向，第一个窗口位于二氧化硅输入波导单元和二氧化硅调制臂之间的位置，第二个窗口位于二氧化硅调制臂和二氧化硅输出波导单元之间的位置；两个窗口的底面与二氧化硅芯层波导的底面位于同一平面；两个窗口的宽度都与条形结构的二氧化硅芯层波导的宽度相同，两个窗口的长度都为L_MMI；然后再去掉二氧化硅包层上的光刻胶层Ⅱ；

步骤⑥：在二氧化硅包层上旋涂聚合物芯层材料，该材料具有自平整性，无需进行抛光处理，除了步骤⑤所述的两个窗口会被聚合物芯层材料填充满之外，还会在二氧化硅包层之上形成一层聚合物薄层，通过控制转速、旋涂时间，形成4～6μm厚的聚合物薄膜；

步骤⑦：将得到的聚合物薄膜前烘处理后自然降温固化，再通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板III上与需要制备的聚合物芯层波导结构相同或互补的图形转移到聚合物薄膜上，然后放入与聚合物对应的显影液中显影，再放入漂洗液中漂洗除去聚合物芯层波导构之外的聚合物材料，用去离子水洗净反应液，最后坚膜20～40分钟，得到聚合物芯层波导；沿光的传播方向，聚合物芯层波导由聚合物输入波导单元(151)、基于垂直结构多模干涉器的第一聚合物3dB分束器(141)、聚合物调制臂(152)、基于垂直结构多模干涉器的第二聚合物3dB分束器(142)和聚合物输出波导单元(153)组成；

步骤⑧：在聚合物芯层波导上旋涂聚合物包层材料，通过控制旋涂转速、旋涂时间，形成5～7μm厚的聚合物包层材料薄膜，放入烘箱中，110～130℃加热1.5～3.0小时，自然冷却至室温，得到聚合物包层；二氧化硅包层、条形结构的聚合物3dB分束器、聚合物包层，从而制备得到基于垂直AMZI结构的有机无机混合集成的温度传感器。