(57)【要約】【課題】汎用的な露光装置をベースにしたＵＶ露光により比較的狭い線幅（例えば１０μｍ以下、数μｍ）を持つポリマーコアを有するシングルモードポリマー光導波路を提供する。【解決手段】本発明の光導波路の製造方法は、基板上に第１クラッド層を形成するステップと、第１クラッド層上にポリマーからなるコア層を形成するステップと、コア層をパターン化して所定サイズのコアを形成するステップと、第１クラッド層とコアを覆う第２クラッド層を形成するステップと、を含む。さらに、所定サイズのコアを形成するステップは、酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気中で、コア層をマスクを介して紫外線で露光するステップと、露光されたコア層を現像するステップと、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路の製造方法であって、
基板上に第１クラッド層を形成するステップと、
第１クラッド層上にポリマーからなるコア層を形成するステップと、
コア層をパターン化して所定サイズのコアを形成するステップと、
第１クラッド層とコアを覆う第２クラッド層を形成するステップと、を含み、
前記所定サイズのコアを形成するステップは、
酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気中で、前記コア層をマスクを介して紫外線で露光するステップと、
露光された前記コア層を現像するステップと、を含む製造方法。
【請求項２】
前記コア層を露光するステップは、真空中または不活性ガス中で前記コア層をマスクを介して紫外線で露光するステップを含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、窒素及びアルゴンのいずれか一方または双方を含む、請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記マスクは遮光領域中の１０μｍ以下の幅の複数の透明領域を含み、前記コア層を現像するステップは、露光された１０μｍ以下の幅のコア層を残して他を除去することを含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層は、前記コア層のポリマーの屈折率よりも小さい屈折率を有するポリマーからなる、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記コアの断面は四角形を有する、請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記コア層はシリコンを含むポリマーからなる、請求項５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路の製造方法に関し、より具体的には、ポリマーを用いたシングルモード光導波路の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーの場合と同様に、光導波路にもシングルモードとマルチモードがある。シングルモード光導波路にはスラブ型、もしくは埋め込み型の構造が必要である。その構造は、マルチモード光導波路に比べてサイズが小さいので、その作製において微細な寸法制御が求められる。
【０００３】
従来から一般的に高分子の有機化合物からなるポリマー（重合体）を用いたシングルモード光導波路（以下、「シングルモードポリマー光導波路」と呼ぶ）がある。埋め込み型のシングルモードポリマー光導波路は、基板上のポリマーからなるクラッドの中に屈折率の大きなポリマーからなるコアを埋め込む形で形成される。その形成の際に、コアとなるポリマーを所定のサイズ（幅、長さ）に加工する必要がある。その加工には、従来からマスクを用いた露光、現像が用いられている。その露光には、例えば紫外線（ＵＶ）露光が用いられるが、従来の汎用的な露光装置（マスクアライナー）を用いたＵＶ露光では、微細は線幅（例えば１０μｍ以下、数μｍ）を持つポリマーコアを精度よく形成することが難しかった。
【０００４】
非特許文献１は、ＵＶレーザを用いた直接露光により５.５μｍ幅のポリマーコアを形成する方法及び装置を開示する。しかし、そのＵＶレーザを用いた露光装置は、構成が複雑な特殊な装置であり、汎用的な露光装置を用いたＵＶ露光を用いるものではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】E. Zgraggen, et al.”Laser Direct Writing of Single-Mode polysiloxane Optical Waveguides and Devices” JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 32, NO. 17, SEPTEMBER 1, 2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来からある汎用的な露光装置をベースにしたＵＶ露光により比較的狭い線幅（例えば１０μｍ以下、数μｍ）を持つポリマーコアを有するシングルモードポリマー光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、光導波路の製造方法であって、（ａ）基板上に第１クラッド層を形成するステップと、（ｂ）第１クラッド層上にポリマーからなるコア層を形成するステップと、（ｃ）コア層をパターン化して所定サイズのコアを形成するステップと、（ｄ）第１クラッド層とコアを覆う第２クラッド層を形成するステップとを含む。さらに、（ｃ）所定サイズのコアを形成するステップは、（ｃ１）酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気中で、コア層をマスクを介して紫外線で露光するステップと、（ｃ２）露光されたコア層を現像するステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ポリマーからなるコア層を酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気中でマスクを介して紫外線で露光するステップを含むので、露光中にコア層のポリマーが雰囲気中の酸素と結合して露光によるポリマーの硬化を阻害してしまう事態を防ぐことができる。その結果、露光後の現像工程において、マスクパターンの幅（透明幅）に近い比較的狭い（例えば１０μｍ以下、数μｍ）ライン幅を有するコア（光導波路）を精度良く得ることができる。また、その露光工程において、従来の大気中での露光に比べてＵＶ露光（照射）時間を大幅に短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の光導波路の製造工程のフローを示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の光導波路の製造工程の一部を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の光導波路の製造工程の一部を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の光導波路の製造工程の一部を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の光導波路の製造工程の一部を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の光導波路の製造工程の一部を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態の露光装置の構成（断面）を示す図である。
【図８】本発明の一実施例の光導波路の断面の一部を示す図である。
【図９】マスクパターン幅と光導波路幅の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態の光導波路の製造工程のフローを示す図である。図２〜図６は、図１の工程の各ステップに対応した断面図である。図１のステップＳ１において、図２に示すように、基板１上に第１クラッド層２を形成する。第１クラッド層２は、後から形成されるコアの下側のクラッド層となる。基板１は、例えば石英基板、シリコン基板（Ｓｉウェハ）、あるいはプリント配線基板（例えば、ＦＲ４基板）などの基板を光導波路の用途に応じて選択的に使用することができる。
【００１１】
第１クラッド層２は、例えばポリマー（重合体）を含む樹脂（以下、単に「ポリマー」とも呼ぶ）からなる。ポリマーとしては、例えば、シロキサン結合を含むポリシロキサン、シリコーン、ハイブリットシリコーンと呼ばれる材料を使用することができる。ポリマーからなる第１クラッド層２は、従来からあるスピンコータを用いて基板１上に塗布することができる。塗布後の第１クラッド層２は、使用する材料に対応した所定の温度でベーキング（キュア）される。
【００１２】
ステップＳ２において、図３に示すように、第１クラッド層２上にコア層３を形成する。コア層３は、第１クラッド層２と同様に、ポリマー、例えば、シロキサン結合を含むポリシロキサン、シリコーン、ハイブリットシリコーンと呼ばれる材料を使用することができる。その際、後からパターン化してコアとするために、紫外線（ＵＶ）で変質（硬化）可能な性質（いわゆるネガ型）を有するポリマーを選択する。さらに、コア層３としては、第１クラッド層２のポリマーの屈折率ｎ１よりも大きな屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）を有するポリマーを選択する。コア層３は、従来からあるスピンコータを用いて第１クラッド層２上に塗布することができる。塗布後のコア層３は、使用する材料に対応した所定の温度でベーキング（キュア）される。
【００１３】
ステップＳ３において、図４に示すように、マスク４を用いてコア層３を紫外線（ＵＶ）で露光する。マスク４は、コア層中のコアとなる領域を露光するための透明領域（開口部）４４とその周囲の遮光部４２を含む、いわゆるネガ型のマスクを用いる。透明領域（開口部）４４のサイズ（幅と長さ）は、作製するコアのサイズに応じて設定することができる。シングルモード光導波路のコアを形成するための透明領域（開口部）４４の幅は、例えば１０μｍ以下、数μｍの任意の値に設定することができる。使用する紫外線（ＵＶ）は、例えば、従来からある低圧水銀ＵＶランプ（１８５〜２５４ｎｍ用）あるいは高圧水銀ＵＶランプ（３６５ｎｍ用）などによって供給される、コア層３を露光可能な紫外線を用いることができる。
【００１４】
図７は、本発明の一実施形態の露光装置の構成（断面）を示す図である。支持台（サンプルホルダ）１０上に基板１３、すなわち図３の第１クラッド層２上にコア層３が形成された状態の基板が載置される。支持台（サンプルホルダ）１０上にマスク１２が支柱（封止機構）１１によって固定されている。基板１３とマスク１２の間にはスペース３０がある。スペース３０は密封された状態となっている。本発明の一実施形態では、このような構成の露光装置において、基板１３とマスク１２の間のスペース３０を酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気にした後にＵＶ露光を行う。酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気とは、酸素が測定器で実質的に計測不能な雰囲気または計測可能ではあるが相当に低い酸素濃度、例えば１％以下、好ましくは数百ｐｐｍ以下、より好ましくは数ｐｐｍ以下の酸素濃度であるような雰囲気を意味する。
【００１５】
上述した雰囲気を作るべく、支持台（サンプルホルダ）１０には、ガス供給用の開口１４、ガス排気用の開口１５、及び真空引き用の開口１６、１７、１８が予め設けられている。なお、図示された開口１４〜１８はあくまで一部の例示であって、さらに同様な目的で複数の開口を含むことができる。ガス供給用の開口１４はガス供給源（ボンベ）に接続され、ガス排気用の開口１５は排気手段（ポンプ）に接続され、真空引き用の開口１６、１７、１８は真空ポンプにそれぞれ接続される。なお、真空引き用の開口１６、１７、１８は、図７では基板１３とマスク１２の間のスペース３０を真空引きするために加えて、基板１３を支持台（サンプルホルダ）１０上に固定（吸着）させるためにも用いられる。
【００１６】
基板１３上のスペース３０を酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気にするために、本発明の一実施形態では、ステップＳ３の露光に先立ち、基板１３上のスペース３０を真空引き用の開口１６、１７、１８を介して真空引きして真空状態にする。その真空状態を保持しながらＵＶ露光を行う。別の実施形態としては、真空状態のスペース３０にガス供給用の開口１４を介して不活性ガスを注入した後にＵＶ露光を行う。不活性ガスは、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム、及びネオンのいずれか１つあるいは２以上を含む。好ましくは、不活性ガスは、その取扱いが容易な汎用的なガスである、窒素及びアルゴンのいずれか一方または双方を含む。使用する不活性ガスは、含有する酸素の濃度が低いガス、すなわち、上述した１％以下、好ましくは数百ｐｐｍ以下、より好ましくは数ｐｐｍ以下の酸素濃度のガスを用いる。
【００１７】
このように基板１３とマスク１２の間のスペース３０を酸素を含まないまたは酸素が希薄な雰囲気にした後に、ＵＶ露光を行うのは、以下の理由による。すなわち、従来の大気中でのＵＶ露光では、ポリマーが紫外線照射によって大気中の酸素と反応（結合）して、酸素がポリマー中に取り込まれてしまう。その結果、露光後のポリマーの硬化（変質）が阻害され不十分な硬化状態となり、マスクパターン通りの露光幅（コア幅）を得ることができない。したがって、所定のパターン幅を得るために、さらにＵＶの照射量（ｍＷ／ｃｍ２）を増やす、露光（照射）時間を長くする、あるいはマスクパターン幅を大きくする必要が生ずる。その結果、微細な線幅のコア（光導波路）を形成することが難しくなる。本発明では、この問題を酸素を含まないまたは酸素が希薄な状態（雰囲気）にした後にＵＶ露光を行うことで回避／改善する。すなわち、従来の大気中でのＵＶ露光に比べて、例えば小さなＵＶ照射量、あるいは短い露光時間で、より微細な線幅のコアを形成することを可能にする。
【００１８】
図１のステップＳ４において、露光後のコア層３を現像液を用いて現像して、すなわち、コア層３の露光された領域を残して他を除去することにより、図５に示すように、パターン化されたコア５を形成する。コア５は、光導波路、例えばシングルモードの光導波路を構成する。現像液は、従来からあるネガレジスト現像用の有機溶剤を用いることができる。コア５のサイズ（幅、長さ）は、マスク４の透明領域（開口）４４のサイズで規定されるサイズと同等あるいはそれ以下のサイズを有する。コア５は、使用する材料に対応した所定の温度でベーキング（キュア）される。
【００１９】
図１のステップＳ５において、図６に示すように、第１クラッド層２とコア５の上に第２クラッド層６を形成する。第２クラッド層６は、コア５の上側のクラッド層となる。第２クラッド層６は、上述した第１クラッド層２と同様なポリマー材料をスピンコートして形成することができる。すなわち、例えば第２クラッド層６を構成するポリマーの屈折率ｎ３は、コア層の屈折率ｎ１よりも小さい（ｎ３＜ｎ１）必要がある。形成された第２クラッド層６は、第１クラッド層２の場合と同様に、使用する材料に対応した所定の温度でベーキング（キュア）される。その結果、２つのクラッド層２、６で囲まれたコア５からなる光導波路、すなわち、シングルモードポリマー光導波路を得ることができる。
【実施例】
【００２０】
図１の工程を用いて、実際にシングルモードポリマー光導波路を製作した結果を図８に示す。図８（ａ）は、パターン幅９μｍのマスクを用いてポリマー光導波路を作製した場合の例である。図８（ｂ）は、パターン幅６μｍのマスクを用いてポリマー光導波路を作製した場合の例である。いずれの場合も、クラッド層の材料には、ハイブリッドシリコーンＮＰ２０９（日産化学工業製）を用い、コア材料には、ハイブリッドシリコーンＮＰ００７（日産化学工業製）を用いている。また、現像液にはメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）を用いている。使用した各ポリマー（ハイブリッドシリコーン）のベーキング温度は、約５０度で数分間（例えば３分）であった。
【００２１】
図８（ａ）では、比較例として、従来の大気中でのＵＶ露光の場合の結果を併記している。本発明の実施例では、窒素中でＵＶ露光を行っている。２つの図から明らかなように、本発明では、マスクのパターン幅９μｍとほぼ同様の（より正確には少し狭い）８.５８μｍの幅を有するポリマーコア（破線で囲まれた領域）２３がクラッド層２２中に形成されているのに対して、従来の大気中でのＵＶ露光を用いた場合は、１２.６５μｍと大きな線幅のコア２１がクラッド層２０中に形成されている。図８（ｂ）のパターン幅６μｍのマスクの実施例では、クラッド層２４中の線幅４.９８μｍ、厚さ２.３２μｍのコア（破線で囲まれた領域）２５を得ることができた。
【００２２】
図示はしていないが、本発明の製造方法では、同様な材料を用いて、真空中あるいは他の不活性ガス（アルゴンガス）中で、複数のマスク（パターン幅：例えば９、８、７μｍなど）を用いて露光した場合にも、同様にマスクのパターン幅と同様あるいはそれ以下の狭い線幅のコア（光導波路）を形成することができることを確認した。その結果、図９に示すように、本発明の方法を用いた場合(ラインＢ）、マスクパターン幅に応じた、すなわちマスク幅と同等あるいはそれ以下の狭い幅（最小で〜２μｍ程度）の光導波路を得ることができることがわかった。
【００２３】
一方、従来の大気中での露光を含む方法の場合（図９のラインＡ）は、発明者が実際にマスクのパター幅を変えて（例えば７、５、３μｍなど）作製した結果から、マスクパターン幅を狭くして１μｍ程度にしたとしてもせいぜい６μｍ程度の幅の光導波路を得ることが限界であることがわかった。また、本発明の方法ではマスクパターン幅に関わらず断面がほぼ一定な四角形（例えば長方形、正方形）の形状を有するが、従来の方法では断面が先細り（山形）の形状となり、マスクパターン幅が小さくなるにつれてその先細り傾向が顕著になってしまうことがわかった。
【００２４】
本発明の上述した実施例によれば、真空中あるいは窒素等の不活性ガス中でのマスクを用いたＵＶ露光により、２μｍ程度の狭い光導波路を形成することができ、これは従来の大気中でのマスクを用いたＵＶ露光による６μｍ程度の幅の光導波路に比べて線幅を三分の一程度に小さくすることができる。また、例えば、同一のマスクパターを用いて照射量２５（ｍＷ／ｃｍ2）でＵＶ露光をした場合、従来の露光方法では１２０秒の露光時間が必要であるのに対して、本発明の露光方法では２秒の露光時間で済み、露光時間を大幅に短縮することができる。なお、作製したシングルモードポリマー光導波路の光伝搬特性（光伝搬損失）を調べたところ、例えば７.２μｍ幅で、通信波長が１.３μｍで０.５ｄＢ／ｃｍ、１.５５μｍで０.９ｄＢ／ｃｍであった。
【００２５】
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の光導波路は、光通信用のシングルモードポリマー光導波路として、各種光通信用デバイス、光集積回路等の一部として、広く利用することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１、１３：基板
２：第１クラッド層
３：コア層
４、１２：マスク
５、２１、２３、２５：コア（光導波路）
６：第２クラッド層
１０：支持台（サンプルホルダ）
１１：支柱（封止機構）
１４、１５、１６、１７、１８：開口
２０、２２、２４：クラッド層
３０：スペース
４２：遮光部
４４：透明領域（開口部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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