(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマを有機溶剤に溶かしたポリマ溶液を被塗膜部材の表面上に塗布する工程と、前記塗布したポリマ化合物溶液を加熱する工程とを有するポリマ膜の製造方法において、
前記加熱する工程が、塩素系ガス雰囲気においてヒータにより加熱すると共に、マイクロ波の照射より加熱する工程を含むことを特徴とするポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法。
【請求項２】
前記ポリマ膜に、無機材料、半導体材料、磁性体材料、金属材料を少なくとも一種類含ませる請求項１に記載のポリマ光導波路用ポリマ膜中の脱水酸基化処理方法。
【請求項３】
前記ポリマ膜の加熱温度を３００℃以下８０℃以上とする請求項１または２に記載のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法。
【請求項４】
前記塩素系ガスをヘリウムを含むガスで供給する請求項１〜３に記載のポリマ光導波路用ポリマ膜の製造方法。
【請求項５】
前記ポリマ膜を基板上に少なくとも１層形成する請求項１から４のいずれかに記載のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法。
【請求項６】
前記ポリマ膜をマイクロ波オーブン内に設けられた塩素系ガスの導入排気機構付きの誘電体容器内で行う請求項１から５のいずれかに記載のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法。
【請求項７】
ポリマ光導波路用のクラッド層と、前記クラッド層の中に埋め込まれ、ポリマ材料からなり前記クラッド層より屈折率の高いコア層とからなるポリマ光導波路において、少なくとも前記コア層が請求項１から６のいずれかに記載の脱水酸基化処理が施されていることを特徴とするポリマ光導波路。
【請求項８】
前記クラッド層の上表面を吸湿膜か、あるいは水蒸気を通しにくい膜で覆った請求項７に記載のポリマ光導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマ光導波路用のポリマ膜の脱水酸基化処理方法及びそれを用いたポリマ光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信、特に波長多重通信の普及に伴い、ガラス導波路型光部品が大量に使用されるようになってきた。これと共に、低価格な導波路型光部品の要求が高まってきている。この低価格の導波路型光部品としてポリマ材料を用いたものが注目されてきている。
【０００３】
図６は従来のポリマ光導波路に用いられるポリマ膜の断面図である。図７は図６に示したポリマ膜の製造フローである。
【０００４】
この種のポリマ材料を用いた導波路型光部品を実現するためには、図６及び図７に示すように、被塗膜部材１の表面上に透明ポリマ膜２を形成しなければならない。
【０００５】
この透明ポリマ膜２を形成する方法として、スピンコーティング、押し出しコーティング等を用いて有機溶剤に溶かしたポリマ化合物溶液を被塗膜部材の表面上に塗布する（工程Ｐ１）。
【０００６】
次いで百数十℃の温度で加熱（プリベーク）することによって膜中の有機溶剤を気化、蒸発させる（工程Ｐ２）。
【０００７】
その後、上記加熱温度よりも高い温度（２００℃〜２６０℃）でポストベークして硬いポリマ膜を得る（工程Ｐ３）。このような成膜工程を少なくとも２回行い、また膜のパターニング（フォトリソグラフィ、ドライエッチング工程等）を経てポリマ導波路型光部品が実現される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術でポリマ導波路型光部品を製造しても、以下に示すような問題があるため、ガラス導波路型光部品の性能よりも劣る点が多く、本格的に実用化するまでに至っていない。
(1) 図８に示すように、有機溶剤（この例ではトルエン）、有機溶剤に溶けたポリマ化合物溶液の分光特性には波長１１５０ｎｍ帯及び１３９０ｎｍ帯に大きな吸収損失がある。１１５０ｎｍ帯の吸収損失はＣＨ基により、１３９０ｎｍ帯の吸収損失ははＯＨ基によるものである。
【０００９】
尚、図８はポリシラン溶液及びトルエンの分光特性図であり、横軸は波長軸を示し、縦軸は光透過率軸を示す。
【００１０】
このような液体を用いて図６、図７に示すような透明ポリマ膜を形成しても吸収損失は存在する。特に、ＯＨ基による吸収損失は、通信波長帯（１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯）にまで裾を引いて通信波長帯での損失を増大させている。
(2) (1) に示した吸収損失を減少させるため、フッ素を多量に添加したポリマ膜を用いることが検討されているが、耐熱性が低下したり、加工性が悪くなったりする等の問題点が生じる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、吸収損失が少ないポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法及びそれを用いたポリマ光導波路を提供することにある。
【００１２】
【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のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法は、ポリマを有機溶剤に溶かしたポリマ溶液を被塗膜部材の表面上に塗布する工程と、前記塗布したポリマ化合物溶液を加熱する工程とを有するポリマ膜の製造方法において、前記加熱する工程が、塩素系ガス雰囲気においてヒータにより加熱すると共に、マイクロ波の照射より加熱する工程を含むものである。
【００１３】
上記構成に加え本発明のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法は、ポリマ膜に、無機材料、半導体材料、磁性体材料、金属材料を少なくとも一種類含ませるものである。
【００１５】
上記構成に加え本発明のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法は、ポリマ膜の加熱温度を３００℃以下８０℃以上とするのが好ましい。
【００１６】
上記構成に加え本発明のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法は、塩素系ガスをヘリウムを含むガスで供給するのが好ましい。
【００１７】
上記構成に加え本発明のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法は、ポリマ膜を基板上に少なくとも１層形成するのが好ましい。
【００１８】
上記構成に加え本発明のポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法は、ポリマ膜をマイクロ波オーブン内に設けられた塩素系ガスの導入排気機構付きの誘電体容器内で行うのが好ましい。
【００１９】
本発明の光導波路は、ポリマ光導波路用のクラッド層と、前記クラッド層の中に埋め込まれ、ポリマ材料からなり前記クラッド層より屈折率の高いコア層とからなるポリマ光導波路において、少なくとも前記コア層が上記いずれかの脱水酸基化処理が施されているものである。
【００２１】
上記構成に加え本発明のポリマ光導波路は、クラッド層の上表面を吸湿膜か、あるいは水蒸気を通しにくい膜で覆うのが好ましい。
【００２２】
本発明によれば、ポリマ光導波路用のポリマ膜を加熱すると共に、マイクロ波を照射することによりポリマ膜が表面及び内部から発熱するので、ポリマ膜に十分な脱水酸基化処理が施され、吸収損失が減少する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２４】
図１は本発明のポリマ膜中の脱水酸基化処理方法を適用した処理装置の一実施の形態を示す概念図である。
【００２５】
この処理装置は、マイクロ波オーブン（発振周波数、例えば２４５０ＭＨｚ）１０からなり、マイクロ波オーブン１０内で塩素系ガス雰囲気に保ってポリマを含有する透明膜（以下「ポリマ膜」という。）２の中の脱水酸基化処理を施す装置である。
【００２６】
この処理装置は、主に筐体１１と、筐体１１内に設けられキャリアガスの導入排気管１２を有するガラス容器１３と、ガラス容器１３内を加熱するヒータ１４と、筐体１１内にマイクロ波を放射するためのマグネトロン発振器（発振周波数２４５０ＭＨｚ帯）１５と、マグネトロン発振器１５で発生したマイクロ波を筐体１１内に伝播させる導波管１６と、導波管１６の出射口に設けられたアンテナ（例えば電磁ホーン）１７とで構成されている。
【００２７】
マイクロ波オーブン１０内にはマグネトロン発振器１５からのマイクロ波が導波管１６内を伝播してアンテナ１７からマイクロ波オーブン１０内に放射される。
【００２８】
マイクロ波オーブン１０内には金属製の試料台１８が設けられ、試料台１８の上にはガラス製容器１３が配置されている。ガラス製容器１３内にポリマ膜２が形成された被塗膜部材（Ｓｉ、ガラス、セラミックス、プラスチック等の基板、あるいはこれらの複合基板）１が収容されている。ガラス製容器１３内には外部から塩素系ガスを含むキャリアガス（キャリアガスとしては、例えばＨｅ、Ａｒ、Ｎ2 、Ｏ2 等が用いられる。）１９が導入され、余分なキャリアガスは排気管２０を通って矢印２１方向に排気ガスとして排気される。試料台１８の下に設けられたヒータ１４に通電加熱して、ポリマ膜２のプリベーク及びポストベークを行いながら、脱ＯＨ基化処理を共用することができる。すなわち、図７に示したプリベーク工程と共用して脱ＯＨ基化処理を施すことにより、ポリマ膜２中に含まれている有機溶剤の蒸発気化時に塩素系ガスをポリマ膜２中に拡散浸入させることが容易にできるので、ポリマ膜２中の脱ＯＨ基化及び脱ＣＨ基化を行うことができる。キャリアガスとして、Ｈｅを用いることにより、ポリマ膜２中への塩素系ガスの混入を行わせることができる。
【００２９】
次に、その後のポストベーク工程でも引き続き塩素系ガスを流しながら加熱硬化を行うことにより、さらに脱ＯＨ基化及び脱ＣＨ基化を促進させることができる。すなわち、ポリマ膜２に周波数ｆ、電界Ｅのマイクロ波を照射させることにより、ポリマ膜２の形成された被塗膜部材１に吸収されて熱に変わる高周波エネルギーＰは数１式で表される。
【００３０】
【数１】
Ｐ〜ｆＥ2 εｔａｎδ×１０-12 ／１．８
ポリマ膜２及び被塗膜部材１に吸収される高周波エネルギーＰは、電界Ｅ、周波数ｆ及びポリマ膜２及び被塗膜部材１の誘電体損失εｔａｎδ（ε：誘電率、ｔａｎδ：誘電体損失角）が大きいほど大きくなる。ポリマ膜２中に水が含まれているほど、さらにはＣＨ基化が多い程、誘電体損失εｔａｎδは大きくてマイクロ波はポリマ膜２の中に効率よく吸収されて熱に変わる。また、塩素系ガスと反応してＨ2 ＯやＨＣｌのように反応してポリマ膜２の外に放出される。マイクロ波は数ｃｍから数十ｃｍの厚さのポリマ膜２中にまで容易の拡散侵入し、また、それと共に塩素系ガスもより効率的に拡散浸入するので、脱ＯＨ基化、脱ＣＨ基化、均一加熱が促進される。また、ポリマ膜２中への加熱時のクラックや歪の発生が大幅に抑圧される。例として、石英基板（厚さ１ｍｍ、直径１０１．６ｍｍ（４インチ））上に、ポリシランとシリコーンとをトルエン溶剤で溶解したポリマ溶液を塗布し、スピンコート（４００ｒｐｍで２０秒回転程度）により、約３０μｍの厚さのポリマ溶液を形成したものを図１のようにマイクロ波オーブン１０内に配置し、周波数２４５０ＭＨｚ帯、出力６００Ｗ程度のマイクロ波をアンテナ１７から放射させ、かつ、塩素ガスを含んだＨｅガスをキャリアガス１９として２００ｃｃ／ｍｉｎの流量で導入し、さらにヒータ１４の温度を１２０℃に保ち、約１分間マイクロ波加熱した。その結果、ポリマ溶液は硬化してポリマ膜２になった。
【００３１】
ここで、従来技術としてのヒータ１４だけの加熱では２０分程度の硬化時間が必要であった。さらに、９分間マイクロ波加熱した結果、非常に硬くてクラックの全く無いポリマ膜２を得ることができた。その後、ヒータ１４の温度を２００℃に上げ、マイクロ波加熱を１０分間行ったが、全くクラックが発生することもなく、透明なポリマ膜２を得ることができた。このポリマ膜２上に、上記工程を４回繰り返して約１００μｍの厚さのポリマ膜２を形成して光透過率を評価した。その結果を図２に示す。
【００３２】
図２はポリマ膜の光透過率と波長との関係を示す図であり、横軸が波長軸であり、縦軸が光透過率軸である。尚、同図は波長８００ｎｍから１６００ｎｍでのポリマ膜の光透過率を長さ１ｃｍ当りで換算した値として示したものである。
【００３３】
同図において、従来の特性を示す曲線Ｌ３はマイクロ波加熱及び塩素系ガス雰囲気でも処理を行わない、図７に示した方法で作製したポリマ膜の光透過率特性であり、１１５０ｎｍ帯及び１３９０ｎｍ帯にＣＨ基及びＯＨ基による大きな吸収帯があることを意味している。
【００３４】
本発明による特性曲線Ｌ１は、マイクロ波加熱及びヒータ加熱を共用し、塩素ガスを流さないで作製したポリマ膜の光透過率特性であり、１１５０ｎｍ帯及び１３９０ｎｍ帯の吸収が低減されていることが分かる。本発明による特性曲線Ｌ２は、マイクロ波加熱、ヒータ加熱及び塩素系ガスを流して処理したポリマ膜の光透過特性を示したものである。１１５０ｎｍ帯及び１３９０ｎｍ帯の吸収が大幅に低減され、高い光透過率特性を実現することができることが分かった。
【００３５】
図３から図５は本発明のポリマ膜を用いた光部品の一実施の形態を示す断面図である。
【００３６】
図３に示す光部品は被塗膜部材１上に脱ＯＨ基処理を施したポリマ膜２２を形成したものである。ポリマ膜２２としては、アクリル系、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系、ポリシラン系あるいはポリマ系を少なくとも１種類混合したもの、ポリマにガラス微粒子や金属微粒子や半導体微粒子アドを添加したもの、さらには光増感剤や重合開始剤等を添加したもの等を用いることができる。また、ポリマ膜中に超微細な空隙をもたせたものを用いてもよい。
【００３７】
図４はポリマ膜を２２−１、２２−２のように二層に形成したものである。さらに３層以上の多層状に形成してもよい。図３、図４は、例えば光学用フィルタ膜、光学用保護膜、光学用反射膜、紫外線カット膜、ディスプレイ用反射膜付きガラス基板等として用いることができる。
【００３８】
図５はポリマ導波路に適用した例である。
【００３９】
このポリマ導波路において、２３は高屈折率の略矩形断面形状のコア用ポリマ層であり、脱ＯＨ基化処理されている。２４は低屈折率のクラッド層であり、ポリマ、ガラス等で構成され、脱ＯＨ基化処理を施したポリマを用いれば、より低損失な導波路を形成することができる。２５は水分を吸収する吸湿膜（あるいは水蒸気を通しにくい膜）であり、ポリマや無機材料を用いる。
【００４０】
本発明は上記実施の形態に限定されない。
【００４１】
図１に示したガラス製容器の代わりにプラスチック容器や磁性体容器を用いてもよい。図１において、塩素を含むキャリアガスの導入口とその排気口とを設けずに予めガラス製容器内に塩素を含むキャリアガスを充満させて密閉しておきヒータ加熱とマイクロ波加熱とを共用してもよい。この場合には試料台はターンテーブルのように回転させるとより効果的にマイクロ波加熱を行うことができる。
【００４２】
図１に示したヒータによる加熱温度の上限は３００℃程度が好ましく、下限は８０℃程度が好ましい。尚、ヒータ加熱は、最初にマイクロ波加熱のみを行い、その後でヒータ加熱するようにしてもよい。このようにすると、クラックや歪の発生をより一層抑えることができる。マグネトロン発振器の出力値は高い程、短時間でマイクロ波加熱を終了させることができ、その発振周波数は２４５０ＭＨｚ帯以外に、９１５ＭＨｚ帯（厳密には極超短波ではあるが、高い周波数の極超短波にはマイクロ波と同様の効果がある。）、５８００ＭＨｚ帯（５．８ＧＨｚ帯）、２２１２５ＭＨｚ帯（２２ＧＨｚ帯）を用いてもよい。ポリマを溶かすために用いる有機溶剤としては、誘電体損失εｔａｎδの大きいトルエン、キシレン、アルコール類等がよい。
【００４３】
本発明のポリマ膜中の脱ＯＨ基化処理方法及びそれを用いた光導波路は次のような効果を得ることができる。
(1) ポリマ膜中に存在する１１５０ｎｍ帯及び１３９０ｎｍ帯の吸収を大幅に低減させることができる。これにより、光通信用波長帯である１３００ｎｍ帯１５５０ｎｍ帯での光透過率を大幅に向上させることができる。
(2) 有機溶剤に溶けたポリマ溶液を硬化させる方法として、従来のヒータ加熱に、マイクロ波加熱を付加して共用加熱を図り、塩素系ガス雰囲気下で加熱を行うことにより、クラックや歪の発生のない、透明なポリマを含有する硬化膜を実現することができる。特に厚いポリマ膜を実現しようとすると、従来のようなヒータ加熱のみではクラックや歪が入ったり、ポリマ膜中にＣＨ基に付随した有機物が残留したりしていたが、本発明の方法を用いれば、このような問題を解決することができる。
(3) マイクロ波加熱を共用することにより、マイクロ波加熱による温度上昇があるので、ヒータ加熱温度を従来よりも低く設定することができる。しかもマイクロ波加熱は、ポリマを含有する溶液及びポリマ膜中のεｔａｎδ、すなわちＨ2 ＯやＣＨ基に強く吸収が生じ、瞬時にこれらを蒸発、気化させ、また、塩素を含むガスをポリマ膜中に高速で拡散させることができる。
(4) ポリイミド系、エポキシ系、ポリシラン系等の耐熱性ポリマ膜を用いても低ＯＨ基及び低ＣＨ基化したものを得ることができるので、電子部品や光部品をポリマ導波路上に半田実装することが可能となる。これにより、光・電気複合ハイブリッドデバイスの実現が可能となる。
【００４４】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４５】
吸収損失が少ないポリマ光導波路用ポリマ膜の脱水酸基化処理方法及びそれを用いたポリマ光導波路の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポリマ膜中の脱水酸基化処理方法を適用した処理装置の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】ポリマ膜の光透過率と波長との関係を示す図である。
【図３】本発明のポリマ膜を用いた光部品の一実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明のポリマ膜を用いた光部品の他の実施の形態を示す断面図である。
【図５】本発明のポリマ膜を用いた光部品の他の実施の形態を示す断面図である。
【図６】従来のポリマ光導波路に用いられるポリマ膜の断面図である。
【図７】図６に示したポリマ膜の製造フローである。
【図８】ポリシラン溶液及びトルエンの分光特性図である。
【符号の説明】
１  被塗膜部材
２  ポリマ膜
１０  マイクロ波オーブン
１１  筐体
１３  ガラス製容器
１４  ヒータ
１５  マグネトロン発振器
１７  アンテナ
１８  試料台
【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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