波導組合物及由其形成的波導的制作方法

專利名稱：波導組合物及由其形成的波導的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及波導領域。具體地，本發明涉及適用于形成柔性光波導的組合物。本發明還涉及柔性光波導的形成方法。本發明還涉及柔性光波導及包括柔性光波導的電子器件。
背景技術：
在高速通信中利用脈沖序列光傳輸信號變得越來越重要。例如，集成光路(OICs)對于高帶寬光學互連的重要性逐漸增加。因此，波導、濾光器、光學互連、透鏡、和衍射光柵等光學元件的集成變得越來越重要。
光波導通常是用包層包圍芯材構造的。由于包層的折射指數比芯材低，所以光輻射在芯材內傳播。波導可單獨使用或以陣列形式負載于基質之上。波導通常用光輻射執行無源操作。例如，分配器將一個波導內的光信號分配給兩或多個波導；耦合器將來自兩或多個波導的光信號加給更少數量的波導；波分復用(“WDM”)結構通常利用相控陣設計或光柵將輸入光信號分成光譜不連續的輸出信號，每個輸出信號都與單獨的波導相連。所述波導中可加入光譜過濾器、偏振器、和隔離器。波導還可包含有源功能，其中通過與第二光或電信號相互作用使輸入信號改變。有源功能的例子包括放大和轉換如用電-光、熱-光或聲-光裝置。
波導基質包括例如用于服務設備的硅晶片和電路底板。希望能在芯材和/或包層材料中無裂紋缺陷的情況下操作波導。龜裂性通常是因涂層材料的脆性所致。許多有機聚合物基波導如聚酰亞胺是柔性的，但有其它缺點如吸濕、損耗和費用高。解決了有機聚合物體系的各種缺點的硅基體系通常是脆性的，操作時產生裂紋缺陷。
已提出可光致成像的波導芯，其中使部分涂料溶于有機溶劑產生所要結構。此技術的缺點在于使用難以處置、廢物處理和/或包含在封閉環境中的有機溶劑。因而希望有利用含水顯影劑由可光致成像涂料產生波導結構的方案。
已提出解決了微電路用層間介電涂層尤其是成孔組合物的脆性問題的硅-碳混合聚合物體系。例如，Chandross等US6251486公開一種用作低介電材料的改性甲基硅倍半氧烷組合物。所述甲基硅倍半氧烷包括二甲基和苯基側基以提供比所有甲基硅倍半氧烷更好的抗裂性。這樣，通過在涂布之前在聚合物中引入所述側基使涂布制品獲得抗裂性。側基的選擇和數量有限。因而希望利用與被涂組合物中的聚合物分離的組分改善柔性，因為這樣可增加適用材料的選擇和數量。因此本領域需要適用于制造光波導的組合物，該組合物具有有益的柔性而且可在含水顯影液中顯影。本領域還需要由這些組合物形成的波導、此波導的形成方法、和包括此波導的電子器件。

發明內容
一方面，本發明提供適用于制造柔性光波導的組合物。該組合物包括有式(RSiO1.5)單元的聚合物，其中R為取代和/或未取代的有機基團，該聚合物有多個官能端基；用于改變活化時干態組合物溶解度的第一組分；和包含多個選自羥基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羥甲基甲基、甲硅烷基醚、及其組合的官能團的第二組分。所述第二組分以改善活化前后干態組合物柔性的有效量存在。該組分活化時所述組合物在干態的溶解度可改變以致所述組合物可在顯影液中顯影。
第二方面，本發明提供一種柔性光波導。所述波導有芯和包層，其中所述芯和/或包層由組合物形成，所述組合物包括有式(RSiO1.5)單元的聚合物，其中R為取代和/或未取代的有機基團，該聚合物有多個官能端基；用于改變活化時干態組合物溶解度的第一組分；和包含多個選自羥基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羥甲基甲基、甲硅烷基醚、及其組合的官能團的第二組分。所述第二組分以改善活化前后干態組合物柔性的有效量存在。該組分活化時所述組合物在干態的溶解度可改變以致所述組合物可在顯影液中顯影。
第三方面，本發明提供一種包括上述柔性光波導的電子器件。
第四方面，本發明提供一種柔性光波導的形成方法。所述方法涉及(a)由組合物在基質上形成層，所述組合物包括有式(RSiO1.5)的聚合單元的聚合物，其中R為取代和/或未取代的有機基團，該聚合物有多個官能端基；用于改變活化時干態組合物溶解度的第一組分；和包含多個選自羥基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羥甲基甲基、甲硅烷基醚、及其組合的官能團的第二組分；其中所述第二組分以改善活化前后干態組合物柔性的有效量存在；該組分活化時所述組合物在干態的溶解度可改變以致所述組合物可在顯影液中顯影；和(b)使所述層的至少一部分活化，其中所述層為芯或包層。


結合以下附圖論述本發明，其中相同的標記代表相同的特征，其中圖1(a)-(e)以橫截面示出根據本發明一方面的在其不同形成階段的光波導；和圖2示出根據本發明一方面的典型電子器件。
具體實施例方式
本發明提供適用于形成柔性光波導的組合物。除非另有說明，所述組合物的組分含量均基于不含任何溶劑的組合物以重量％給出。本文所用術語“聚合物”包括低聚物、二聚物、三聚物、和四聚物等，包括均聚物和更高級的聚合物，即由兩或多種不同單體單元形成的聚合物和雜聚物。術語“烷基”意指直鏈、支鏈和環烷基，為取代或未取代的，鏈中或鏈上可包括雜原子。術語“芳族”意指芳基，為取代或未取代的，可包括雜環。術語“一種”意指“一或多種”。
術語“干態”意指包含10wt％或更少溶劑(基于總組合物)的組合物。術語“所述組合物在干態的溶解度可改變”意指對于10wt％或更低范圍內的任何(未必每個)溶劑含量而言所述組合物的溶解度都可改變。
術語“可在含水顯影劑中顯影”意指在負性材料的情況下所述組合物(i)涂于硅晶片上以干態達8μm厚、(ii)然后置于2N NaOH顯影液、2N KOH顯影液或2N TMAH顯影液、或其1N溶液、或其0.7N溶液、或其0.26N溶液中在70至180°F(21至82.2℃)的溫度下靜止顯影或在40psi碰撞射流下噴霧顯影時在10分鐘內、或在2分鐘內、或在1分鐘內、或者甚至在30秒內完全溶解。所述組合物還能或二者擇一地能在有機溶劑中顯影。
術語“柔性的”或“柔性”涉及所述光波導時意指所述組合物涂于銅箔之上并以干態繞錐形芯棒彎曲而無破裂或龜裂的能力。錐形芯棒試驗的詳情為涂料工業公知例如ASTM D522-93a(2001年重新核準的)。
所述組合物包括有式(RSiO1.5)的聚合單元的聚合物，其中R為取代或未取代的有機基團，該聚合物有多個官能端基。所述組合物還包括用于改變活化時所述組合物的溶解度的組分。所述組合物還包括改善活化前后干態組合物柔性的有效量的含有多個選自羥基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羥甲基甲基、甲硅烷基醚、及其組合的官能團的組分。該組分活化時所述組合物在干態的溶解度可改變以致所述組合物可在含水顯影液中顯影。
適用于本發明的聚合物包括例如硅氧烷、硅倍半氧烷、和籠型硅氧烷及其組合。該聚合物在所述組合物中的存在量為1至99.5wt％、例如60至98.5wt％。作為R的典型有機基團包括取代和未取代的烷基、芳基和雜環基。所述烷基可以是直鏈、支鏈或環狀的，有例如1至20個碳原子、典型地有1至20個碳原子，如甲基、乙基、丙基、異丙基、叔丁基、叔戊基、辛基、癸基、十二烷基、鯨蠟基、硬脂基、環己基、和2-乙基己基。例如，所述烷基可被所述烷基鏈中和/或之上的雜原子取代，或者可以是非芳族環狀基團如環戊基、環己基、降冰片基、金剛烷基、哌啶基、四氫呋喃基和四氫噻吩基。典型的芳基包括有6至20個碳原子、例如6至15個碳原子的那些，如苯基、甲苯基、芐基、1-萘基、2-萘基和2-菲基，可被雜原子取代。雜環基可以是芳族的，例如噻吩、吡啶、嘧啶、吡咯、phosphole、arsole、和呋喃。
典型的R為取代和未取代的甲基、乙基、丙基、環戊基、環己基、芐基、苯基、金剛烷基、及其組合。
所述聚合物可為共聚物或更高級的聚合物，為無規或嵌段共聚物。所述聚合物可包括例如一或多個其它含硅單元，各單元的比例基于所述聚合物在1至85wt％、例如15至80wt％或25至60wt％、或25至50wt％的范圍內。所述其它單元可表示為例如硅氧烷、硅倍半氧烷、和籠型硅氧烷和/或其組合。例如，所述聚合物可還包括式(R1SiO1.5)的聚合單元，其中R1為前面針對R所述的取代或未取代的有機基團。例如，R和R1之一可選自取代或未取代的烷基，R和R1之另一選自取代或未取代的芳基。
所述聚合物可以是例如烷基硅聚合物如包含甲基硅倍半氧烷單元和丁基硅倍半氧烷單元的共聚物；芳基硅聚合物如包含苯基硅倍半氧烷單元和三氟甲基苯基-硅倍半氧烷單元的共聚物；或芳烷基硅共聚物如包含甲基和苯基硅倍半氧烷單元的共聚物。
如前面所述，所述聚合物的側鏈基團可任選地被取代。“取代”意指所述側鏈基團上的一或多個氫原子被另一取代基例如氘、鹵素(如氟、溴、和氯)、(C1-C6)烷基、(C1-C6)鹵代烷基、(C1-C10)烷氧基、(C1-C10)烷基羰基、(C1-C10)烷氧基羰基、(C1-C10)烷基酰基、烷基胺、含烷基硫的物質等取代。所述聚合物可包含寬范圍的重復單元，無規或嵌段的。適用于本發明的聚合物單元可有例如5至150個重復單元、典型地約10至35個重復單元；適用于本發明的硅氧烷單元可有例如5至150個重復單元、典型地約7至25個重復單元。因此，所述聚合物的分子量可在寬范圍內改變。典型地，所述聚合物的重均分子量(Mw)為約500至15000、更典型地為約1000至10000、甚至更典型地為約1000至5000。已發現本發明組合物在含水顯影劑中的溶解速度隨重均分子量Mw和數均分子量Mn的增加而降低。
所述聚合物還包括可發生縮聚的兩或多個官能端基。此端基可以是例如羥基；烷氧基如乙氧基、丙氧基、異丙氧基；羧酯、氨基、酰氨基、環氧基、亞氨基、羧酸、酐、烯屬的、丙烯酸類、縮醛、原酸酯、乙烯基醚、及其組合。其中，羥基是典型的。所述聚合物中官能端基的含量取決于例如所要改善柔性組分的摻入量。官能端基的含量可為例如基于所述聚合物約0.5至35wt％、例如約1至10wt％、或約2至5wt％。
所述聚合物還可任選地包括一或多個硅氧烷單元，例如苯基或甲基取代的硅氧烷。
所述聚合物材料可通過已知方法用易得到的原料制備。例如，含50∶50甲基-苯基硅的共聚物可通過50wt％甲基三乙氧基硅烷與50wt％苯基三乙氧基硅烷的縮合反應合成。
用于改變干態組合物溶解度的第一組分可以是存在于所述組合物中使所述組合物在顯影劑中的溶解度可改變的活性組分。在負性材料的情況下，據信該活性組分催化所述聚合物組合物曝光部分的偶聯，使所述偶聯部分不溶于含水顯影劑。活化時該活性組分典型地產生酸或堿。許多種活性組分可用于本發明，包括但不限于光致產酸劑、光致產堿劑、熱致產酸劑和熱致產堿劑。其中活化時產生酸的光致產酸劑和熱致產酸劑組分是典型的。
適用于本發明的光致產酸劑可以是曝光時產生酸的任何化合物。適用的光致產酸劑是已知的，包括但不限于鹵代三嗪、鎓鹽、磺化酯、取代的羥基酰亞胺、取代的羥基亞胺、氮化物、萘醌如重氮萘醌、重氮化合物、及其組合。
特別適用的鹵代三嗪包括例如鹵代烷基三嗪如三鹵代甲基-s-三嗪。所述s-三嗪化合物是某些甲基-三鹵代甲基-s-三嗪與某些醛或醛衍生物的縮合反應產物。此類s-三嗪化合物可按US3954475和Wakabayashi et al.，Bulletin of the Chemical Society of Japan，42，2924-30(1969)中公開的方法制備。適用于本發明的其它三嗪型光致產酸劑公開在例如US5366846中。
有弱親核陰離子的鎓鹽特別適合用作為本發明中的光致產酸劑。此類陰離子的例子是二價至七價金屬或非金屬例如銻、錫、鐵、鉍、鋁、鎵、銦、鈦、鋯、鈧、鉻、鉿、銅、硼、磷和砷的鹵素配位陰離子。適合鎓鹽的例子包括但不限于重氮鎓鹽如二芳基重氮鎓鹽和周期表第VA和B、IIA和B和I族的鎓鹽，例如鹵鎓鹽如碘鎓鹽、季銨、磷鎓和砷鎓鹽、锍鹽如芳族锍鹽、氧化锍鹽或硒鹽。適合鎓鹽的例子公開在例如US4442197、4603101和4624912中。锍鹽如六氟磷酸三苯基锍及其混合物是優選的。
適合在本發明中作為光致產酸劑的磺化酯包括例如磺酰氧基酮。適合的磺化酯包括但不限于苯偶姻甲苯磺酸酯、α-(對甲苯磺酰氧基)乙酸叔丁苯酯、甲苯磺酸2，6-二硝基芐酯、和α-(對甲苯磺酰氧基)乙酸叔丁酯。此類磺化酯公開在例如Journal of Photopolymer Science andTechnology，vol.4，No.3，337-340(1991)中。
可使用的取代的羥基酰亞胺包括例如n-三氟甲磺酰氧基-2，3-二苯基馬來酰亞胺和2-三氟甲苯磺酰氧基-2，3-二苯基馬來酰亞胺。適用的取代的羥基亞胺包括例如2-(次氮基-2-甲基亞芐基)-(5-羥基亞氨基丁磺酰)-噻吩。適用于本發明的氮化物包括例如2，6-(4-疊氮亞芐基)環己酮。萘醌可包括例如2，3，4-三羥二苯酮的2，1-重氮萘醌-4-磺酸酯。所述重氮化合物中，可使用1，7-二(4-氯磺酰苯基)-4-重氮-3，5-庚二酮。
適用于本發明的光致產堿劑可以是曝光時釋放堿的任何化合物。適用的光致產堿劑包括但不限于氨基甲酸芐酯、苯偶姻氨基甲酸酯、O-氨基甲酰羥胺、O-氨基甲酰肟、芳族磺酰胺、α-內酰胺、N-(2-烯丙基乙烯基)酰胺、芳基疊氮化合物、N-芳基甲酰胺、4-(鄰硝基苯基)二氫吡啶、及其組合。
適用于本發明的熱致產酸劑可以是熱活化時產生酸的任何化合物。所述熱量可通過間接法如對流加熱或通過直接加熱法如激光加熱技術提供。
適用的熱致產酸劑是已知的，包括但不限于鹵代三嗪、酸的銨鹽、鎓鹽、磺化酯、取代的羥基酰亞胺、取代的羥基亞胺、疊氮化物、萘醌如重氮萘醌、重氮化合物、及其組合。
在負性材料的情況下，適用于本發明的改變溶解度的組分的用量是受到光化輻射或加熱時足以催化所述含硅聚合物的偶聯使偶聯部分不溶于含水顯影劑的任何量。所述活性組分在組合物中的存在量為0.1至25wt％、例如0.1至12wt％。
所述組合物中存在一或多種用于改善活化前后干態組合物柔性的組分。這些改善柔性的材料包含多個選自羥基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羥甲基甲基、甲硅烷基醚、及其組合的官能團。所述改善柔性的材料中，所述官能團與主鏈材料相連。典型的主鏈材料包括取代和未取代的烷基和芳基烴、醚、丙烯酸酯、酚醛清漆樹脂、聚酰亞胺、聚氨酯、聚酯、聚砜、聚酮、富勒烯、POSS硅、納米粒子、及其組合。所述官能團可作為端基位于主鏈之上和/或沿主鏈的一或多個位置。
雖然不依附于理論，但相信所述官能化組分與所述聚合物混合影響與涂層脆性有關的結晶度。所述活化步驟期間，位于端部或整個主鏈上的官能團與所述聚合物的官能端基反應產生與所述組合物活化部分的增韌鍵合。
增韌組分的例子是式R2(OH)x的多元醇，其中R2為選自取代或未取代的(C2-C25)烷基、(C7-C25)芳基、(C8-C25)芳烷基、(C6-C25)環烷基及其組合的有機基團，x為2或更多而且不超過碳原子數。x為2時，所述增韌組分的例子包括二醇即1，2-二醇，如HOCH2-CHOH-(CH2)y-CH3，其中y可為例如0至22，如1，2-丙二醇和1，2-丁二醇。其它例子包括α，ω-二醇如HO-(CH2)z-OH，其中z為例如2至25，如乙二醇、1，3-丙二醇和1，4-丁二醇。x為3時，例子包括甘油和三羥甲基丙烷。
R2還可以是式-O-(CR32)w-的聚醚，其中w為例如1至13，R3相同或不同，可以是例如H、或取代或未取代的式C1-C12烷基、芳基、芳烷基或環烷基的有機基團。增韌組分的例子包括聚環氧乙烷、聚環氧丙烷、聚環氧丁烷、和聚四氫呋喃的聚醚二醇。
所述改善柔性的組分可有例如62至5000、例如62至2000的重均分子量。該組分以改善活化前后干態組合物柔性的有效量存在。具體量取決于例如所述改善柔性的組分的主鏈和官能團的類型和數量。該組分在所述組合物中的存在量可為例如0.5至35wt％、例如2至20wt％。
本發明組合物中可任選地存在其它添加劑，包括但不限于表面均化劑、濕潤劑、消泡劑、增粘劑、和觸變劑等。此類添加劑為涂料組合物領域公知。本發明組合物中可使用表面均化劑，例如硅氧烷-基油如來自Dow Chemical Company的SILWET L-7604硅氧烷-基油。顯然本發明組合物中可混入多于一種添加劑。例如，可使濕潤劑與觸變劑組合。此類可選的添加劑可從許多來源商購。此類可選添加劑在本發明組合物中的用量取決于具體的添加劑和所要效果，本領域技術人員能夠確定。此類其它添加劑在本發明組合物中的存在量典型地低于5wt％、例如低于2.5wt％。
本發明組合物可任選地包含一或多種有機交聯劑。交聯劑包括例如以三維方式連接所述組合物的組分的物質。與所述含硅聚合物反應的芳族或脂族交聯劑適用于本發明。此類有機交聯劑將固化而與所述含硅聚合物形成聚合網絡，并降低在顯影液中的溶解度。此類有機交聯劑可以是單體或聚合物。交聯劑的組合可成功地用于本發明對于本領域技術人員來說是顯而易見的。
適用于本發明的有機交聯劑包括但不限于含胺的化合物、含環氧基的物質、含至少兩個乙烯醚基團的化合物、烯丙基取代的芳族化合物及其組合。典型的交聯劑包括含胺的化合物和含環氧基的物質。
適合在本發明中用作交聯劑的含胺化合物包括但不限于蜜胺單體、蜜胺聚合物、羥烷基甲基蜜胺、苯并胍胺樹脂、苯并胍胺-甲醛樹脂、脲-甲醛樹脂、甘脲-甲醛樹脂及其組合。
適合的有機交聯劑濃度將隨交聯劑的反應性和所述組合物的具體應用等因素改變對于本領域技術人員來說是顯而易見的。使用時，交聯劑在所述組合物中的存在量典型地為0.1至50wt％、例如0.5至25wt％或1至20wt％。
本發明組合物可任選地包含一或多種溶劑。這些溶劑有助于配制本發明組合物和將本發明組合物涂于基質之上。可使用各種各樣的溶劑。適合的溶劑包括但不限于二醇醚如乙二醇單甲醚、丙二醇單甲醚、二丙二醇單甲醚；酯如甲基溶纖劑乙酸酯、乙基溶纖劑乙酸酯、丙二醇單甲醚乙酸酯、二丙二醇單甲醚乙酸酯；二元酸酯；碳酸酯如碳酸亞丙酯；γ-丁內酯；酯如乳酸乙酯、乙酸正戊酯和乙酸正丁酯；醇如正丙醇和異丙醇；酮如環己酮、甲基異丁基酮、二異丁酮和2-庚酮；內酯如γ-丁內酯和γ-己內酯；醚如二苯醚和茴香醚；烴如1，3，5-三甲基苯、甲苯和二甲苯；和雜環化合物如N-甲基-2-吡咯烷酮、N，N’-二甲基亞丙基脲，或其混合物。
本發明組合物可通過所述含硅聚合物、所述催化組分、和其它可選組分以任何次序混合制備。
本發明組合物特別適用于制造柔性光波導。光波導可用于形成光-電裝置，包括但不限于分配器、耦合器、光譜過濾器、偏振器、隔離器、多路復用器如波分復用結構、放大器、衰減器、和轉換開關等，或更大規模地用于電子器件如印刷線路板、集成電路、和互連等。本發明光可限定組合物還特別適用于制造顯示設備包括透鏡以及諸如鏡子、棱鏡和連接器等光學元件。本文所用術語電子器件打算包括光電裝置例如前面所述的那些以及上述包括光電裝置的更大規模的器件。
本發明波導可制成單波導或波導陣列。用本發明組合物制備波導的方法涉及(a)由上述組合物在基質上形成層，和(b)使所述層的至少一部分活化，其中所述層為包層或芯層。本發明組合物適用于形成波導包層和/或芯結構。僅作為例子描述有由本發明組合物形成的包層和芯結構的柔性光波導的形成方法。通過沉積芯層和第一及第二包層形成波導。最終結構的包層有比芯層更低的折光指數。特別有用的波導包括折光指數為1.4至1.7的芯層和折光指數為1.3至1.69的包層。
參見圖1，適用于承載波導的任何基質2都可與本發明組合物和構造一起使用。適合的基質包括但不限于用于制造電子器件如印刷線路板和集成電路的基質。特別適用的基質包括銅復合板的層壓面和銅表面、銅箔、印刷線路板內層和外層、用于制造集成電路的晶片如硅、砷化鎵和磷化銦晶片、玻璃基質包括但不限于液晶顯示(“LCD”)玻璃基質、和包括介電涂層和包層等的基質。
可在基質表面2上形成第一包層4。所述第一包層4(以及所述其它波導層)可通過任何技術包括但不限于絲網印刷、簾式淋涂、輥涂、縫模涂布、旋涂、流涂、靜電噴吹、噴涂、或浸涂由本發明組合物形成。噴涂本發明組合物和構造時，可任選地使用熱噴槍。可用粘度調節劑、觸變劑、和填料等調節組合物的粘度以滿足各種涂布方法的要求。所述第一包層沉積至干態厚度為約1至100μm、例如約10至50μm。
根據第一包層組合物中活性組分的類型可利用例如熱或光解使第一包層4固化。熱固化溫度為90至300℃、例如90至220℃。此類固化典型地在5秒至1小時內完成。可通過在烘箱或加熱板上加熱所述基質實現此固化。或者使所述波導包層泛光曝光例如用1至2J/cm2的光化輻射然后在90至300℃、例如90至220℃下熱固化。
在由本發明組合物形成的第一包層上形成芯層6。所述芯層涂至厚約1至100μm、例如約8至60μm。然后使涂布基質軟固化(例如通過烘烤)除去涂料中的溶劑。此固化可在不同溫度下進行，取決于所選溶劑。適合的溫度為足以基本上除去所存在的任何溶劑的任何溫度。所述軟固化可在室溫(25℃)至300℃的任何溫度，取決于例如基質和熱預算。此固化可在烘箱內或加熱板上經過例如5秒至60分鐘實現。
固化后，可通過暴露于光化輻射使本發明組合物層成像。此方法包括例如接觸成像、投影成像、和激光直接書寫成像，包括通過多光子吸收的激光直接書寫成像。需要時，可用多光子吸收在層內形成三維結構。曝光圖案(例如圖1中掩模8所限定的)限定芯波導的幾何圖形，典型地(但未必)為約幾厘米至幾米長、幾微米至幾百微米寬。曝光后，可使所述組合物進行曝光后固化，典型地在40至170℃下進行。固化時間可改變，但一般為約30秒至約1小時。雖然不想受理論束縛，但相信在負性材料的情況下暴露于光化輻射時所述含硅聚合物偶聯，使曝光區域比未曝光區域更不易溶于顯影液。
可除去未曝光區域，例如通過與適合的顯影劑接觸，使基質上僅留下已曝光區域，從而形成圖1中的芯結構6。所述組合物可在含水顯影液中顯影。適合的含水顯影劑包括例如堿金屬氫氧化物如氫氧化鈉和氫氧化鉀的水溶液、以及氫氧化四烷基銨如氫氧化四甲銨的水溶液。此顯影劑典型地以0.1至2N、例如0.15至1N、或0.26至0.7N的濃度使用。所述顯影液可任選地包括一或多種已知表面活性劑如聚乙二醇、烷基磺酸鹽、和本領域公知的其它表面活性劑。所述表面活性劑典型地以0.01至3wt％的量存在于顯影劑內。所述顯影劑還利于包含消泡劑。
也可通過與非含水顯影劑接觸除去未曝光區域使基質上僅留下已曝光區域。適合的非含水顯影劑包括例如酮類例如丙酮、甲乙酮、甲基異丁基酮、環己酮、2-辛酮、2-庚酮和甲基異戊基酮；醇類如乙醇、異丙醇、正丙醇、正丁醇、異丁醇和戊醇；酯類如乙酸乙酯、丙酸乙酯和乳酸乙酯；二醇醚如乙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇甲醚；二醇醚酯如乙二醇單甲醚乙酸酯和丙二醇單甲醚乙酸酯；芳烴如甲苯、二甲苯、氯苯、和二氯苯等，及其組合。
也可使用半含水顯影劑，即上述含水顯影劑與上述非含水顯影劑的結合物。
此顯影可在各種溫度如室溫至約65℃、例如21至49℃下進行。在侵蝕性攪拌下顯影時間在10分鐘以內、例如在5分鐘以內、在2分鐘以內、在1分鐘以內、或在30秒以內。顯影可在例如靜止顯影室內或噴射顯影劑時在傳送帶平臺上進行。噴射壓力可在5至40psi、例如10至25psi的范圍內。
顯影后，本發明波導可經最終固化步驟。所述固化可包括例如泛光曝光，例如用1至2J/cm2的光化輻射。此外或擇一地，可使所述波導在約130至300℃的溫度下在空氣或惰性氣氛如氮氣或氬氣中加熱。接著，如前面所述在第一包層4和芯結構6’上形成第二包層10。所述第二包層可與第一包層相同或不同。可如前面針對第一包層所述使第二包層熱活化和/或光活化提供波導結構。所述第二包層典型地沉積至厚約1至100μm、例如約10至50μm。
本發明光波導在各種波長下具有極好的透明性。因此，本發明光波導可在例如600至1700nm下使用。顯然本發明光波導可有利地在其它波長下使用。因此，本發明光波導特別適用于數據通信和電信應用。
圖2示出根據本發明另一方面的典型電子器件。所述電子器件是分光器，包括在波導包層4上形成的波導芯6。輸入的信號波長λ在Y接合處12分成兩個等波長但功率減小的光信號λ‘。
以下實施例是要進一步說明本發明的各方面，但不在任何方面限制本發明的范圍。實施例中所用wt％是基于包括溶劑的全部組合物。
實施例1使40.74wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、53.76wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(49∶49∶2wt％基于聚合物)、5.38wt％聚四氫呋喃、0.11wt％全氟丁磺酸二苯基萘基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。用80號壓延棒將所述組合物涂于用浮石磨洗過的覆銅薄層壓板之上。使所述涂布層壓板在烘箱內于90℃干燥30分鐘。將限定所要波導的原圖直接置于所述組合物之上。所述原圖包括形成各種尺寸和形狀的波導的圖案，如長度在2和14cm之間、寬15至50μm的線形、枝狀、和曲線形波導。使所述涂布層壓板在500mJ下曝光，在90℃的烘箱中放置15分鐘。然后使曝光后的層壓板在37.8℃(100°F)的0.7N氫氧化鈉顯影液中浸漬30秒。然后將所述層壓板在去離子水中漂洗和干燥。在烘箱中將所述層壓板加熱至200℃持續60分鐘。在1/16英寸直徑的芯棒上使所述波導彎曲。基于目視觀察可見基底層壓板破裂而涂層未破裂。
實施例2使50wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、42wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(60∶40wt％基于聚合物)、5wt％二羥基封端的聚環氧乙烷、2.99wt％六氟磷酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達60μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥45分鐘。將如實施例1中所述但線寬為40至200μm的原圖直接置于所述組合物之上。給所述結構施加1000mJ/cm2的光化輻射，然后在90℃、空氣中進行30分鐘的曝光后烘烤。然后將所述曝光后的結構放在37.8℃(100°F)的含0.7N氫氧化鈉顯影液的噴射顯影劑中總計120秒。將所述層壓板在去離子水中漂洗和干燥。用2000mJ/cm2的光化輻射使所得波導泛光曝光，然后在對流烘箱內于180℃、空氣中硬固化120分鐘。預計形成柔性光波導。
實施例3使45wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、25wt％三氟甲基-苯基-硅倍半氧烷(10∶90wt％基于聚合物)、15wt％聚四氫呋喃、4.95wt％苯偶姻甲苯磺酸酯和0.05wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。將所述組合物以2500rpm旋涂在6in.二氧化硅涂布的硅晶片上并在加熱板上于90℃、空氣中軟烤2分鐘，達8μm厚。將如實施例1中所述的原圖直接置于所述組合物之上。給所述結構施加2000mJ/cm2的光化輻射，然后在90℃、空氣中進行2分鐘的曝光后烘烤。然后使曝光后的晶片在37.8℃(100°F)的丙二醇單甲醚乙酸酯顯影液中浸漬30秒。然后將所述晶片在去離子水中漂洗和干燥。將所述晶片在加熱板上于空氣中加熱至200℃10分鐘。預計形成柔性光波導。
實施例4使37wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、47.99wt％甲基-苯基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10wt％聚乙烯基苯酚、5wt％三氟甲磺酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達60μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥45分鐘。將如實施例1中所述但線寬為40至200μm的原圖直接置于所述組合物之上。給所述結構施加1000mJ/cm2的光化輻射，然后在90℃、空氣中進行30分鐘的曝光后烘烤。然后將所述曝光后的結構放在37.8℃(100°F)的含0.7N氫氧化鈉顯影液的噴射顯影劑中總計120秒。將所述層壓板在去離子水中漂洗和干燥。用2000mJ/cm2的光化輻射使所得波導泛光曝光，然后在對流烘箱內于180℃、空氣中硬固化120分鐘。預計形成柔性光波導。
實施例5使30wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、54.99wt％甲基-苯基硅倍半氧烷(40∶60wt％基于聚合物)、10wt％二醇封端的聚(己二酸1，4-亞丁酯)、5wt％三氟甲磺酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達50μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥30分鐘。將如實施例1中所述但線寬為40至200μm的原圖直接置于所述組合物之上。給所述結構施加800mJ/cm2的光化輻射，然后在90℃、空氣中進行30分鐘的曝光后烘烤。然后將所述曝光后的結構放在37.8℃(100°F)的含0.7N氫氧化鈉顯影液的噴射顯影劑中總計120秒。將所述層壓板在去離子水中漂洗和干燥。使所得波導在對流烘箱內于180℃、空氣中硬固化120分鐘。預計形成柔性光波導。
實施例6使40wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、49.99wt％甲基-苯基硅倍半氧烷(40∶60wt％基于聚合物)、5wt％聚己內酯三醇、5wt％三氟甲磺酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達50μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥30分鐘。將如實施例1中所述但線寬為40至200μm的原圖直接置于所述組合物之上。給所述結構施加800mJ/cm2的光化輻射，然后在90℃、空氣中進行30分鐘的曝光后烘烤。然后將所述曝光后的結構放在37.8℃(100°F)的含0.7N氫氧化鈉顯影液的噴射顯影劑中總計120秒。將所述層壓板在去離子水中漂洗和干燥。使所得波導在對流烘箱內于180℃、空氣中硬固化120分鐘。預計形成柔性光波導。
實施例7包層使40.61wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、53.47wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(49∶49∶2wt％基于聚合物)、5.35wt％聚四氫呋喃、0.56wt％胺保護的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成包層組合物。用80號壓延棒將所述組合物涂于機械磨洗過的銅層壓板之上。使所述層壓板在烘箱內于90℃干燥30分鐘，然后在烘箱內于180℃硬烘烤1小時。
芯用35.75wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、56.44wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(49∶49∶2wt％基于聚合物)、6.24wt％聚四氫呋喃、1.56wt％全氟丁磺酸二苯基萘基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成的芯組合物涂布所述包層。使所述涂布層壓板在烘箱內于90℃干燥30分鐘。將限定所要波導的原圖直接置于所述組合物之上。所述原圖包括形成各種尺寸和形狀的波導的圖案，如長度在2和14cm之間、寬15至50μm的線形、枝狀、和曲線形波導。使所述涂布的層壓板在500mJ下曝光，在90℃的烘箱中放置15分鐘。然后使所述涂布的層壓板在37.8℃(100°F)的0.7N氫氧化鈉顯影液中浸漬30秒。然后將所述涂布的層壓板在去離子水中漂洗和干燥。在烘箱中將所述涂布的層壓板加熱至200℃持續60分鐘。在1/16英寸直徑的芯棒上使所述波導彎曲。基于目視觀察可見基底層壓板破裂而所述包層和芯層未破裂。
實施例8包(1)層使39wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、48.5wt％苯基-甲基-二甲基硅倍半氧烷(35∶65wt％基于聚合物)、7.5wt％二羥基封端的聚環氧乙烷、4.99wt％胺保護的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包層組合物。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達50μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥45分鐘。將所述涂布第一包層的基質在180℃加熱1.5小時。
芯用實施例2的芯組合物涂布所述第一包層并如實施例2中所述形成圖案和固化。
包(2)層用與形成第一包層相同的組合物和方法在組成圖案的芯和第一包層上形成第二包層組合物，但軟烘烤后第二包層的厚度為60μm。預計形成柔性光波導。
實施例9包(1)層使50wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、40.99wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(40∶60wt％基于聚合物)、4wt％聚四氫呋喃、5wt％三氟甲基硫酸三苯基锍和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包層組合物。將所述組合物以2000rpm旋涂在6in.二氧化硅涂布的硅晶片上并在加熱板上于90℃、空氣中軟烘烤2分鐘，達8μm厚。使所述組合物受到800mJ的輻射，在加熱板上于90℃加熱2分鐘。然后在加熱板上于200℃、空氣中硬烘烤該組合物10分鐘。
芯用實施例3的芯組合物涂布所述第一包層并如實施例3中所述形成圖案和固化。
包(2)層用與形成第一包層相同的組合物和方法在組成圖案的芯和第一包層上形成第二包層組合物，但軟烘烤后第二包層的厚度為10μm。預計形成柔性光波導。
實施例10包(1)層使39wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、56wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10％二羥基封端的聚丙二醇、4.99wt％胺保護的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包層組合物。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達50μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥45分鐘。將所述涂布第一包層的基質在180℃加熱1小時。
芯用實施例4的芯組合物涂布所述第一包層并如實施例4中所述形成圖案和固化。
包(2)層用與形成第一包層相同的組合物和方法在組成圖案的芯和第一包層上形成第二包層組合物，但軟烘烤后第二包層的厚度為60μm。預計形成柔性光波導。
實施例11包(1)層使39wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、56wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10％二羥基封端的聚丙二醇、4.99wt％胺保護的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包層組合物。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達50μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥45分鐘。將所述涂布第一包層的基質在180℃加熱1小時。
芯用實施例5的芯組合物涂布所述第一包層并如實施例5中所述形成圖案和固化。
包(2)層用與形成第一包層相同的組合物和方法在組成圖案的芯和第一包層上形成第二包層組合物，但軟烘烤后第二包層的厚度為60μm。預計形成柔性光波導。
實施例12包(1)層使39wt％丙二醇單甲醚乙酸酯、56wt％苯基-甲基硅倍半氧烷(50∶50wt％基于聚合物)、10％二羥基封端的聚丙二醇、4.99wt％胺保護的十二烷基苯基硫酸酯和0.01wt％DOW SILWET L-7604硅氧烷-基油混合形成第一包層組合物。將所述組合物輥涂在24in.×36in.(61cm×91.4cm)的環氧層壓板(如印刷線路板制造中常用的)之上達50μm厚。然后使所述組合物在對流烘箱內于90℃、空氣中干燥45分鐘。將所述涂布第一包層的基質在180℃加熱1小時。
芯用實施例6的芯組合物涂布所述第一包層并如實施例6中所述形成圖案和固化。
包(2)層用與形成第一包層相同的組合物和方法在組成圖案的芯和第一包層上形成第二包層組合物，但軟烘烤后第二包層的厚度為60μm。預計形成柔性光波導。
雖然已結合其具體實施方案詳細地描述了本發明，但在不背離權利要求范圍的情況下可做各種改變和修改及使用等同物對本領域技術人員來說是顯而易見的。
權利要求
1.一種組合物，包括一種聚合物，包含式(RSiO1.5)的單元和多個官能端基，其中R為取代或未取代的有機基團；用于改變活化時干態組合物溶解度的第一組分；和包含多個選自羥基、氨基、硫醇、磺酸酯、羧酸酯、甲硅烷基酯、酐、氮丙啶、羥甲基甲基、甲硅烷基醚、及其組合的官能團的第二組分，其中所述第二組分以改善活化前后干態組合物柔性的有效量存在。
2.權利要求1的組合物，其中所述聚合物還包含式(R1SiO1.5)的單元，其中R1為取代或未取代的有機基團，而且與R不同。
3.權利要求1或2的組合物，其中所述第二組分包含選自取代和未取代的烷基和芳基烴、醚、丙烯酸酯、酚醛清漆樹脂、納米粒子、聚酰亞胺、聚氨酯、聚酯、聚砜、聚酮、富勒烯、POSS硅、及其組合的材料。
4.權利要求1或2的組合物，其中所述第二組分為多元醇。
5.權利要求1或2的組合物，其中所述第二組分為聚醚二醇。
6.權利要求1-5之任一的組合物，其中所述組合物在干態可在含水顯影劑中顯影。
7.一種柔性光波導，包括芯和包層，其中所述芯和/或包層由權利要求1-6之任一的組合物形成。
8.一種包括芯和包層的柔性光波導的形成方法，所述方法包括(a)由權利要求1-6之任一的組合物在基質上形成層；和(b)使所述層的至少一部分活化，其中所述層為芯或包層。
9.權利要求8的方法，其中所述層為芯層，其中(b)包括使所述芯層的一部分活化，還包括(c)使所述芯層顯影形成芯結構。
10.權利要求8的方法，其中所述層為第一包層，還包括(c)由與(a)的組合物相同或不同的由(a)中所定義的第二組合物在所述包層上形成芯層；(d)使所述芯層的一部分活化；(e)使所述芯層顯影形成芯結構；和(f)由與(a)和/或(c)的組合物相同或不同的由(a)中所定義的第三組合物在所述芯結構上形成第二包層。
全文摘要
提供適用于形成柔性光波導的組合物。所述組合物包括一種聚合物，有式(RSiO
文檔編號H01L21/31GK1773313SQ200410095048
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月24日 優先權日2003年11月25日
發明者J·G·舍納特, N·普格里亞諾, M·L·莫尼漢, H·B·鄭, D·E·蘭迪, N·帕洛夫斯基 申請人:羅姆和哈斯電子材料有限責任公司