(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、下部クラッド層、コア層を順に積層する第１の工程と、
前記コア層の上に、第１の樹脂材料溶液を塗布し、乾燥、硬化させて、樹脂膜からなる上部クラッド層を形成する第２の工程と、
前記上部クラッド層の上に、第２の樹脂材料溶液を塗布し、乾燥、硬化させて、樹脂膜からなる保護層を形成する第３の工程とを有し、
前記第２の工程で形成される前記上部クラッド層は、フッ素を含み、前記第３の工程では、前記上部クラッド層よりもフッ素の含有量が少ないか、もしくは、フッ素を含有しない材料により前記保護層を形成すること、
前記上部クラッド層を構成する樹脂および前記保護層を構成する材料は、いずれもポリイミドであること、
前記第１の樹脂材料として、硬化後の前記樹脂膜のフッ素含有量が１４ｍｏｌ％以上１９ｍｏｌ％以下となる材料を用いること、
前記保護層を構成する樹脂は、前記上部クラッド層を構成する樹脂よりも、ガラス転移温度が低いこと、
前記第２の樹脂材料中の樹脂分濃度が、前記第１の樹脂材料中の樹脂分濃度より高いこと
を特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路の製造方法において、前記第２の樹脂材料として、硬化後の前記樹脂膜のフッ素含有量が１１ｍｏｌ％以下となる材料を用いることを特徴とする光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路に関し、特に、クラッドおよびコアが樹脂製の光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のパソコンやインターネットの普及に伴い、情報伝送需要が急激に増大している。このため、伝送速度の速い光伝送を、パソコン等の末端の情報処理装置まで普及させることが望まれている。これを実現するには、光インターコネクション用に、高性能な光導波路を、安価かつ大量に製造することが必要がある。
【０００３】
光導波路の材料としては、ガラスや半導体材料等の無機材料と、ポリマ材料が知られている。無機材料により光導波路を製造する場合には、真空蒸着装置やスパッタ装置等の成膜装置により無機材料膜を成膜し、これを所望の導波路形状にエッチングすることにより製造する方法が用いられる。しかしながら、真空蒸着装置やスパッタ装置は、真空排気設備が必要であるため、装置が大型で高価である。また、真空排気工程が必要であるため工程が複雑になる。
【０００４】
これに対し、ポリマ材料によって光導波路を製造する場合には、成膜工程を、塗布と加熱により大気圧で行うことができるため、装置および工程が簡単であるという利点がある。例えば、特開平９−４０７７４号公報には、ポリイミドにより光導波路を製造する方法が開示されている。
【０００５】
上記公報に記載されている光導波路の製造方法は、まず、シリコン等の基板の上に、ポリアミド酸溶液をスピン塗布し、これを加熱して乾燥・硬化させることにより、ポリイミド膜を得て、これを下部クラッド層とする。つぎに、同様の手順で、下部クラッドよりも屈折率の高いポリイミド膜を形成し、これをコア層とする。このコア層の上に、レジストにより所定のマスクを形成して、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等により、所望のコアの形状に加工する。つぎに、このコアの上にさらに、ポリアミド酸溶液をスピン塗布し、これを加熱乾燥させた後、さらに加熱して硬化させることにより、コアよりも屈折率の低いポリイミド膜を得て、これを上部クラッド層とする。
【０００６】
また、光導波路のコア層やクラッド層を構成する光学ポリマとしては、従来よりポリメチルメタクリレートが用いられているが、ガラス転移温度（Ｔｇ）が比較的低いため、信頼性に不安がある。また、Ｔｇが低いため、高温工程に耐えることができず、光導波路上に電気回路を半田付けする等ができない。そのため、Ｔｇが高く、耐熱性に優れるポリイミドが光導波路用のポリマ材料として期待されている。ポリイミドにより光導波路を形成した場合、長期信頼性が期待でき、半田付けにも耐えることができる。しかしながら、ポリイミドは化学構造に芳香環を含むために屈折率が高く、屈折率が比較的低い光ファイバと高効率で結合することのできる光導波路を得にくい。また、ポリイミドは、光の吸収端が長波長側にシフトしているため、吸収による伝搬損失が大きい。そこで、フッ素原子を導入することにより、屈折率を下げ、かつ、吸収端を短波長側にシフトさせたポリイミドが開発されている。例えば、特開平４−２３９０３７号公報、特開平４−３２８５０４号公報、特開平４−３２８１２７号公報、特開平９−４０７７４号公報等にフッ素を導入したポリイミドが開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、フッ素を導入したポリイミドは、屈折率が低く、吸収端も短いいため、光学的には高性能で、光ファイバと結合しやすい光導波路を形成可能である。しかしながら、フッ素を導入したポリイミドは、耐溶剤性が低く、信頼性に問題が生じる。また、フッ素を導入したポリイミドは、フッ素の特性により接着性が低く、光導波路の上に他の光学部品等を接着するのが難しいという問題もある。
【０００８】
本発明は、低屈折率のポリイミド製上部クラッドを有しながら、耐溶剤性の高い光導波路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような光導波路が提供される。すなわち、
基板と、前記基板上に順に積層された、下部クラッド層とコア層と上部クラッド層と、前記上部クラッド層の上に配置された保護層とを有し、
前記上部クラッド層は、フッ素を含む樹脂からなり、前記保護層は、前記上部クラッド層よりもフッ素の含有量が少ないか、もしくは、フッ素を含有していない材料からなることを特徴とする光導波路である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態の光導波路について、図面を用いて説明する。
【００１１】
本実施の形態の光導波路は、図４（ｏ）のように、シリコンウエハ基板１４の上に、下部クラッド層１５を備え、下部クラッド層１５の上にはパターニングされたコア層１６が配置されている。コア層１６は、上部クラッド層２０により覆われている。上部クラッド層２０の上面は、保護層２４により覆われている。下部クラッド層１５および上部クラッド層２０は、光ファイバとの結合効率を高めるために、光ファイバと同程度の屈折率を有する、フッ素を導入したポリイミドから構成されている。一方、保護層２４は、フッ素を含有していないポリイミドから形成されている。
【００１２】
具体的には、下部クラッド層１５および上部クラッド層２０は、いずれも、日立化成工業株式会社製ＯＰＩ−Ｎ１００５（商品名）を用いて形成したポリイミド膜である。このポリイミドは、フッ素を含有しており、その含有量は、約１９ｍｏｌ％である。下部クラッド層１５および上部クラッド層２０の屈折率は、１．５２〜１．５３である。下部クラッド層１５の膜厚は、約７μｍ、上部クラッド層２０の膜厚は、約１５μｍである。コア層１６は、日立化成工業株式会社製ＯＰＩ−Ｎ３２０５（商品名）を用いて形成したポリイミド膜であり、膜厚は約８μｍであり、幅も約８μｍにパターニングされている。コア層１６の屈折率は、下部および上部クラッド層１５、２０よりも約０．５％大きい。
【００１３】
保護層２４は、日立化成デュポンマイクロシステムズ株式会社製ＰＩＸ−６４００（商品名）を用いて形成したポリイミド膜である。このポリイミドは、フッ素を含有していない。膜厚は、コア層１６から離れた端部の部分で約７μｍである。
【００１４】
つぎに、図４（ｏ）の光導波路の製造方法について説明する。
【００１５】
まず、図１（ａ）のシリコンウエハ基板１４の上面に、下部クラッド層１５との接着性を高めるための極薄い接着層（不図示）を形成する。その上に、上述のＯＰＩ−Ｎ１００５（樹脂分濃度１５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜を形成する。その後、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱することにより溶媒を蒸発させ、続けて３７０℃で６０分加熱することにより硬化を行い、膜厚約７μｍのポリイミド膜を形成した。これにより、下部クラッド層１５を形成した。
【００１６】
この下部クラッド層１５の上に、上述のＯＰＩ−Ｎ３２０５（樹脂分濃度１５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜を形成する。その後、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱することにより溶媒を蒸発させ、続けて３５０℃で６０分加熱することにより硬化を行い、膜厚約８μｍのポリイミド膜を形成し、コア層１６を形成した（図１（ｂ））。
【００１７】
次に、コア層１６の上にレジストとして、ＲＵ−１６００Ｐ（日立化成工業株式会社製）をスピン塗布し、１００℃で乾燥後、水銀ランプで露光、現像することにより、レジストパターン層１７を形成した（図１（ｃ））。このレジストパターン層１７を、マスクとして、酸素でリアクティブイオンエッチング（０２−Ｒ１Ｅ）を行い、コア層１６を所望の光導波路の形状にパターニングした。（図１（ｄ））。その後、レジストを剥離した（図１（ｅ））。
【００１８】
さらに、この上に、上述のＯＰＩ−Ｎ１００５（樹脂分濃度２５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜１８を形成した（図２（ｆ））。この材料溶液膜１８の上面は、図２（ｆ）のように平坦であったが、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱して溶媒を蒸発させ、前駆体膜１９にしたところ、膜厚がほぼ一定の縮小率で縮小したために、前駆体膜１９の上面は、コア層１６の形状に沿った凸形状になった（図２（ｇ））。この乾燥工程に続けて、３５０℃で６０分加熱することにより前駆体膜１９中のポリアミド酸をイミド化させることにより、硬化させ、厚さ１５μｍのポリイミド膜の上部クラッド層２０を形成した（図２（ｈ））。上部クラッド層２０は、前駆体膜１９の形状をほぼ維持しており、上面がコア層１６の形状に沿った凸形状であった。
【００１９】
つぎに、本実施の形態では、上部クラッド層２０の上面に、フッ素を含有していないポリイミド膜の保護層２４を形成する。
【００２０】
まず、上部クラッド層２０の上に、上述のＰＩＸ−６４００（樹脂分濃度３５．５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜２１を形成した（図２（ｉ））。材料溶液膜２１の上面は、スピン塗布のため、図２（ｉ）のように平坦であった。その後、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱し、溶媒を蒸発させ前駆体膜２３を得たところ、前駆体膜２３の形状は、上部クラッド層２０の上面形状に沿った凸形状になった（図３（ｊ））。しかしながら、この乾燥工程に続けて、３５０℃で６０分加熱して、前駆体膜２３中のポリアミド酸をイミド化して硬化させたところ、図３（ｋ）のように上面がほぼ平坦な、厚さ７μｍのポリイミド膜の保護層２４が得られた。
【００２１】
つぎに、保護層２４の上に、スピンオングラス（ＳＯＧ）工程により酸化珪素膜２５を形成する（図３（ｌ））。次に、レジスト膜として、日立化成工業株式会社製ＲＵ−１６００Ｐをスピン塗布し、１００℃で乾燥後、水銀ランプで露光、現像を行い、レジストパターン層２６を形成した（図４（ｍ））。このレジストパターン層２６をマスクとして、フッ素ガスでリアクティブイオンエッチング（Ｆ−ＲＩＥ）を行い、酸化珪素膜２５をパターニングした（図４（ｎ））。さらに、この酸化珪素膜２５をマスクとして酸素でリアクティブイオンエッチング（Ｏ２−ＲｌＥ）を行い、下部および上部クラッド層２０、１５および保護層２４を所望の形状に加工した。その後、酸化珪素膜２５を除去した（図４（ｏ））。これにより、本実施の形態の保護層２４を備えた光導波路（図４（ｏ））が得られた。
【００２２】
このように、本実施の形態の光導波路は、フッ素を含有しない保護層２４を備えているため、保護層２４により上部クラッド層２０の上面を被覆することができる。これにより、フッ素を含有する低接着性および低耐溶剤性の上部クラッド層２０が上面に露出されないため、溶媒を使った接着剤等で、強い接着強度で上部に光部品を接着することができる。また、上部クラッド層２０が外部に曝されないため、耐食性が向上し、光導波路の信頼性が高まる。
【００２３】
一方で、上部および下部クラッド層２０、１５には、フッ素を含有するポリイミドを用いているため、屈折率を１．５２〜１．５３と低くでき、光ファイバ並みの開口数等の入出射特性を実現できる。よって、本実施の形態の光導波路は、光ファイバと高効率で結合可能である。また、上部および下部クラッド層２０、１５として、フッ素を含有するポリイミドを用いているため、吸収端が４００ｎｍ付近と非常に短く、可視光から赤外まで広い波長範囲にわたって透過率が高い。よって、広い波長範囲で伝搬損失の低い光導波路を提供できる。
【００２４】
また、本実施の形態の光導波路は、下部クラッド層１５から保護層２４まで全ての層をポリイミドで形成しているため、ポリメチルメタクリレート等と比較してＴｇが高く、半田付け等の高温工程にも耐えることができる。また、本実施の形態の光導波路は、上部および下部クラッド２０、１５とコア層１６の光の伝搬に関わる層を、Ｔｇが２７０℃以上のポリイミドで形成している。このため、これらは特に耐熱性にすぐれ、高温になっても伝搬特性を維持できる。
【００２５】
また、上述の製造工程では、図４（ｏ）のように上部クラッド層２０および下部クラッド層１５をエッチングしているが、エッチングせずに、図５のようにコア層１６を平板状のクラッド層２０、１５で埋め込んだ平板状の光導波路として用いることができる。この平板状の光導波路の場合、上部クラッド層２０の上面の面積が大きいが、図５の構成では、高耐溶剤性および高接着性の保護層２４で上部クラッド層２０を覆うことができるため、高耐溶剤性および高接着性の光導波路となる。また、図４（ｏ）の構成の場合、上部および下部クラッド２０、１５の上面のみならず側面も保護膜２４が覆う形状にすることもできる。この場合、保護膜２４が、側面からも上部および下部クラッド２０、１５を保護できるため、光導波路の耐溶剤性がより一層向上する。
【００２６】
また、上部クラッド層２０のポリイミドと保護層２４のポリイミドは、接着性がよいため、上部クラッド層２０がフッ素を含んでいても保護層２４に膜剥がれを生じにくい。ただし、上部クラッド層２０としてフッ素含有量が１９ｍｏｌ％を越えるポリイミドを用いると、ポリイミドの耐溶剤性が低くなりすぎ、上記図２（ｉ）の工程で保護層２４の材料溶液膜２１を形成する際に、材料溶液膜２１中の溶媒で上部クラッド層２０が溶解てしまう。このため、上部クラッド層２０のフッ素含有量は、１９ｍｏｌ％以下であることが望ましい。
【００２７】
また、本実施の形態では、保護層２４としてフッ素を含有しないポリイミドを用いているが、保護層２４のポリイミドは、上部クラッド層２０よりもフッ素含有量が小さければ、保護層２４としての機能を果たす。しかしながら、実用的な耐溶剤性、接着性を考慮すると、保護層２４のフッ素含有量が１１ｍｏｌ％を越えると、実用的な保護層２４としては十分ではないため、保護層２４を構成するポリイミドとしてはフッ素含有量１１ｍｏｌ％以下のものを用いることが望ましい。一方、上部クラッド層２０を構成するポリイミドは、フッ素含有量が多いほど屈折率が小さく抑制できる。よって、屈折率を光ファイバ並みに抑え、光吸収による損失を低下させるために、フッ素含有量１４ｍｏｌ％以上のものを用いることが望ましい。したがって、上部クラッド層２０のフッ素含有量の好ましい範囲は、１４ｍｏｌ％以上１９ｍｏｌ％以下である。
【００２８】
また、本実施の形態の光導波路は、図４（ｏ）、図５のように、保護層２４が、上部クラッド２０の凸形状を埋め込んで、上面が平坦な形状になっている。これにより、保護層２４上に、光部品を接着したり、他の光導波路を積層したり、配線パターンを形成する場合に、平面基板と同様に扱うことができる。これにより、良好な接着特性が得られ、また、積層する光導波路を良好に成膜できる。また、段差により、配線パターンに断線等を生じさせる恐れもない。なお、本実施の形態の保護層２４の表面段差を接触段差計で測定したところ１μｍ以下であった。
【００２９】
このように上面が平坦な保護層２４が得られたのは、次のような理由による。上部クラッド層２０も保護層２４も、ポリイミドであるが両者は構造式が異なり、ＯＰＩ−Ｎ１００５から形成した上部クラッド層２０のポリイミドは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が３２５℃であるのに対し、ＰＩＸ−６４００から形成した保護層２４は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２７０℃と、上部クラッド層２０よりも低い。本実施の形態の製造工程では、上部クラッド層２０の前駆体膜１９を硬化させてポリイミド膜にする際も、保護層２４の前駆体膜２３を硬化させてポリイミド膜にする際も、加熱温度は同じ３５０℃にしている。よって、上部クラッド層２０は、ポリイミド膜がガラス転移温度（Ｔｇ）＋２５℃で加熱されるのに対し、保護層２４は、ポリイミド膜がガラス転移温度（Ｔｇ）＋８０℃に加熱される。一般的に、ポリイミド等の樹脂は、ガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度で流動性をもち、ガラス転移温度との温度差が大きくなるほど流動性が高くなる。そのため、同じ３５０℃に加熱された場合、上部クラッド層２０よりも、保護層２４の方が流動性が高く流れやすくなるために、盛り上がった部分からより低い部分に流れ、上面が平坦になる。
【００３０】
また、保護層２４の流動性が大きい理由は、ガラス転移温度（Ｔｇ）と加熱温度との温度差のみではなく、ＰＩＸ−６４００から形成したポリイミドと、ＯＰＩ−Ｎ１００５から形成したポリイミドとの化学構成の違いも影響していると考えられる。
【００３１】
また、保護層２４は、材料溶液であるＰＩＸ−６４００の樹脂分濃度が３５．５重量％であり、上部クラッド層２０の材料溶液のＯＰＩ−Ｎ１００５（樹脂分濃度２５重量％）よりも濃度が高い。このため、保護層２４の材料溶液膜２１が乾燥により前駆体膜２３に変化する際の縮小の度合いは、上部クラッド層２０の材料溶液膜１８が前駆体膜１９に変化の際の縮小の度合いほど大きくない。したがって、前駆体膜２３が形成された時点で、その段差は、上部クラッド層２０の上面の段差よりも小さくなっている。このように、材料溶液の濃度が上部クラッド層２０よりも大きい材料を保護層２４に用いていることも、効果的に上部クラッド層２０の段差を低減できる要因になっていると思われる。
【００３２】
なお、本実施の形態の図４（ｏ）の光導波路や図５の光導波路は、光モジュールと光ファイバとの間を接続する光インターコネクション用光部品として用いることが可能である。また、本実施の形態の光導波路のコア層１６のパターン形状を所定の形状にすることにより、光路変換素子、光路分岐素子、方向性結合器等の光部品を構成することができる。
【００３３】
また、本実施の形態の光導波路の製造方法では、下部クラッド層１５、コア層１６、上部クラッド層２０および保護層２４の全ての層を、スピン塗布と乾燥・硬化という簡単な工程で大気圧で成膜できるため、安価に大量に光導波路を製造する方法として適している。また、この光導波路の構成では、保護層２４は、コア層１６の光の伝搬には、ほとんど影響を与えないため、屈折率等を考慮することなく、フッ素含有量から材料を選択することができる。
【００３４】
なお、上述の実施の形態では、図４（ｏ）の工程で酸化珪素膜２５を除去しているが、酸化珪素膜２５は光の伝搬に影響を与えないため、そのまま残しておくことも可能である。
【００３５】
また、上述の実施の形態では、上部クラッド層２０を硬化させるための加熱温度と、保護層２４を硬化させるための加熱温度とを同じ温度にしているが、必ず同じ温度にしなければならないわけではない。加熱時の樹脂の流動性を考慮して、加熱温度を定めることができる。
【００３６】
また、上述の実施の形態では、上述したように構造の異なるポリイミド膜により、コア層１６、上部および下部クラッド層１５、２０、保護層２４を形成したが、本実施の形態の光導波路に用いることのできる材料は、ポリイミドに限定されるものではない。ポリイミドに限らず、フッ素を導入したポリマは、導入していないポリマよりも低耐溶剤性、低接着性となる傾向にある。したがって、保護層２４の材料としては、上部クラッド層２０よりもフッ素含有量が少ないか、もしくはフッ素を含有しないポリマを用いることができる。例えば、上部クラッド層２０をフッ素化ポリイミドにより形成し、保護層２４をフッ素を含有しない樹脂（例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネイト、ポリスチレン、スチレン共重合体、スチレン・アクリロニトリル共重合体、塩化ビニル、エポキシ樹脂、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリウレタン、シリコーン樹脂、ポリアミド、脂環式アクリル樹脂を含むアクリル樹脂、脂環式オレフィン樹脂を含むオレフィン樹脂）等により形成することができる。
【００３７】
なお、保護層２４は、上述してきた樹脂に限らず、例えばＳｉＯ２等の無機材料により形成することもできる。無機膜として保護層２４を形成する場合には、保護層２４をＣＶＤ法、蒸着法などの公知の成膜方法により形成することができる。また、ＳＯＧのように溶液塗布法によっても形成することができる。
【００３８】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、低屈折率のポリイミド製上部クラッドを有しながら、耐溶剤性の高い光導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）本発明の一実施の形態の光導波路を製造する工程を示す断面図。
【図２】（ｆ）〜（ｉ）本発明の一実施の形態の光導波路を製造する工程を示す断面図。
【図３】（ｊ）〜（ｌ）本発明の一実施の形態の光導波路を製造する工程を示す断面図。
【図４】（ｍ）〜（ｎ）本発明の一実施の形態の光導波路を製造する工程を示す断面図、（ｏ）本発明の一実施の形態の光導波路の断面図。
【図５】本発明の一実施の形態の、上部および下部クラッド２０、１５を加工しない場合の光導波路の形状を示す断面図。
【符号の説明】
１４・・・シリコンウエハ基板、１５・・・下部クラッド層、１６・・・コア層、１７・・・レジストパターン層、１８・・・材料溶液膜、１９・・・前駆体膜、２０・・・上部クラッド層、２１・・・材料溶液膜、２３・・・前駆体膜、２４・・・保護層、２５・・・酸化珪素膜、２６・・・レジストパターン層。
【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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