(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリシランからなる光学材料に対し、前記光学材料の溶融温度を超えない温度に加熱しながら光照射し、照射部位のポリシランの分子量を低下させた後、前記分子量の低下したポリシランを洗浄により除去することを特徴とする光学材料の微細加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の微細加工方法において、洗浄に用いる液体が、イソプロピルアルコール、へキサン、エタノールであることを特徴とする光学材料の微細加工方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の微細加工方法において、照射する光の波長が２５６〜３５５ｎｍであることを特徴とする光学材料の微細加工方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の微細加工方法において、照射する光の強度が２０〜８０ｍＷ／ｃｍ2であることを特徴とする光学材料の微細加工方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか記載の微細加工方法において、ポリシランが、（化１）で表されるポリメチルフェニルシラン、ポリジフェニルシラン、ポリジビフェニルシラン、またはポリアルキルナフチルシランから選ばれる一以上であることを特徴とする光学材料の微細加工方法。
【化１】
0003961322.tif 000006
上記（化１）において、（Ｒ1、Ｒ2）＝（メチル基、フェニル基）、（フェニル基、フェニル基）、（ビフェニル基、ビフェニル基）、または（ナフチル基、アルキル基）である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学材料の微細加工方法に関する。さらに詳しくは、光導波路、光回折格子などの各種光学デバイスを製造する際に利用できる光学材料の微細加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光導波路や光回折格子等の光学デバイスを構成する有機材料の一つとして、ポリシランが注目されている。ポリシランは、十分な透明性を有し、また、他の樹脂に比べて高い耐熱性を有するので、安定性・耐久性に優れた光デバイスを得ることが可能である。
【０００３】
上記ポリシラン材料をデバイス化するに当たっては、材料中の光学特性を微細に制御する必要があるが、従来は、ポリシランに紫外線等の光を照射して屈折率変化を誘起する方法により専ら行われていた。
【０００４】
例えば、特開平７−９２３１３号公報には、ポリシランからなるコアを具備した光ファイバー構造をなし、光の照射により前記コアに周期的な屈折率変化を与えることによって、光ファイバー型回折格子（ファイバグレーティング）を作製する技術が開示されている。また、特開平６−２２２２３４号公報には、直鎖状のポリシランのコアに該当する箇所にマスクを施し、前記ポリシランに光を照射して前記マスクを施していない箇所をクラッドとして屈折率を変化させる光導波路の製造方法が開示されている。さらに、特開平１１−２８７９１６号公報は、光導波路のコアを横切るように切り込み溝を形成し、その切り込み溝内にアモルファス状有機ポリシランを充填し、そのポリシランに光照射して屈折率を変化させることにより、非対称マッハツェンダー型干渉計の位相調整を行うものである。
【０００５】
また、特開平５−２５２８２号公報には、メチルフェニルジクロロシランに対してモル分率でフェニルトリクロロシランを０．０１から０．５０を存在させ、金属ナトリウム存在下脱塩縮合して有機シリコン高分子共重合体を製造し、その共重合体からなる薄膜に紫外線を照射して光導波路を作製する技術が開示されている。さらに、特開平５−６５３５１号公報には、ポリメチルフェニルシランをポリエチレン中に０．１〜１０重量％含有し、厚みが１０〜１０００μｍであることを特徴とする有機シリコン高分子含有ポリエチレン膜が記載されており、実施例３では、この膜に紫外線を照射して光学回路（光導波路）を作製する技術が開示されている。
【０００６】
以上のように、従来のポリシランの光学デバイスは、専ら紫外線による屈折率変化を利用して製造されている。そのため、得られる屈折率差に限界があり（０．１程度）、光導波路を作製した場合に、コアの光の閉じ込め効果を大きくできないという問題があった。したがって、小さな曲率半径の導波路や正確な結合長を持つ方向性結合器を作製することが困難であった。
また、導波路パターンをより微細化することも望まれていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、紫外線による屈折率変化を利用することなく、ポリシランからなる光学材料をより微細なパターンで加工でき、また、小さな曲率半径の導波路や正確な結合長を持つ方向性結合器等の製造に好適に応用できる新規な光学材料の微細加工方法を提供するものである。
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る光学材料の微細加工方法は、請求項１として、ポリシランからなる光学材料に対し、前記光学材料の溶融温度を超えない温度に加熱しながら光照射し、照射部位のポリシランの分子量を低下させた後、前記分子量の低下したポリシランを洗浄により除去することを特徴とする。
【０００９】
上記手段によれば、照射部位のポリシランがその他の部位に比べて溶解し易くなるので、洗浄により優先的に除去され、微細に加工される。
【００１２】
また、請求項２は、請求項１記載の微細加工方法において、洗浄に用いる液体が、イソプロピルアルコール、へキサン、エタノールであることを特徴とする。
【００１３】
上記手段によれば、照射部位のポリシランの溶解性と、その他の部位のポリシランの溶解性とのバランスを考慮して、シャープに加工するための洗浄液の種類が特定される。
【００１４】
また、請求項３は、請求項１又は２記載の微細加工方法において、照射する光の波長が２５６〜３５５ｎｍであることを特徴とする。
【００１５】
上記手段によれば、ポリシランの結合を効率的に開裂させる観点から、光の照射条件が最適化される。
【００１６】
また、請求項４は、請求項１〜３のいずれか記載の微細加工方法において、照射する光の強度が２０〜８０ｍＷ／ｃｍ2であることを特徴とする。
【００１７】
上記手段によれば、光導波路の製造等に利用することを考慮して、微細加工のための光の強度が最適化される。
【００１８】
また、請求項５は、請求項１〜４のいずれか記載の微細加工方法において、ポリシランが、上記（化１）で表されるポリメチルフェニルシラン、ポリジフェニルシラン、ポリジビフェニルシラン、またはポリアルキルナフチルシランから選ばれる一以上であることを特徴とする。すなわち、上記（化１）において、（Ｒ1、Ｒ2）＝（メチル基、フェニル基）、（フェニル基、フェニル基）、（ビフェニル基、ビフェニル基）、または（ナフチル基、アルキル基）である。
【００１９】
上記手段によれば、材料の透明性、耐熱性などの観点から、ポリシランの具体的な構造が最適化される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の微細加工方法は、ポリシランからなる光学材料に対し、光照射し、照射部位の分子量を低下させた後、その分子量の低下したポリシランを洗浄により除去する方法である。
【００２３】
まず、ポリシラン（ポリシリン）は、主鎖がSi-Si結合から構成されたポリマーであり、上記（化１）の一般式で表される。なお、ポリシランは、直鎖状、枝分かれ状のいずれも適用可能であるが、成形性を考慮して枝分かれ状の方がより好ましい。また、ポリシランのガラス転移温度Ｔｇは、得られる光学材料が高温条件下でも安定した光学特性を維持できるように、１００〜１５０℃程度であることが好ましい。
【００２４】
上記（化１）において、置換基Ｒ1、およびＲ2は、特に限定されるものではないが、透明性に優れたものが好ましく用いられる。具体例として、メチル基、エチル基、n-プロピル基、i-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-へキシル基、c-へキシル基、n-へプチル基、n-オクチル基、n-デシル基、n-テトラデシル基、n-ドデシル基、2-（3-シクロヘキセニル）エチル基、フェニル基、フェニルエチレン基、p-t-ブチルフェニル基、2,4,5-トリメチルフェニル基、ベンジル基、p-メトキシフェニル基、p-n-オクトキシフェニル基、p-ジメチルアミノフェニル基、3-ヒドロフェニルメチルエチレン基、p-メトキシフェニルプロピル基、β-ナフチル基、p-ビフェニル基、p-トシル基、トリメチルシリル基、p-トリメチルシリルフェニル基、p-（トリメチルシリル）メチルフェニル基、などを挙げることができる。その中でも特に、Ｒ1、Ｒ2がそれぞれメチル基、フェニル基であるポリメチルフェニルシラン、フェニル基、フェニル基であるポリジフェニルシラン、ビフェニル基、ビフェニル基であるポリジビフェニルシラン、アルキル基、ナフチル基であるポリアルキルナフチルシランは、透明性、Ｔｇともに高く、光導波路等の光学デバイスとして適しているため好ましく用いられる。さらに、その他の適用可能なポリシランとして下記の（化２）〜（化５）に示す物質を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。また、ポリシランはコスト等の観点からホモポリマーであることが望ましいが、場合によっては複数種のシランモノマーからなる共重合体を用いることもできる。
【００２５】
【化２】
0003961322.tif 000002
【化３】
0003961322.tif 000003
【化４】
0003961322.tif 000004
【化５】
0003961322.tif 000005
【００２６】
ポリシランの分子量は、小さ過ぎると、十分な力学特性が得られないため、ひび割れが起こりやすく、デバイス化ができない。またポリシランを洗浄により除去したときに光の照射部位以外の部位も溶解してしまい、加工面のエッジがシャープにならない場合がある。逆に分子量が大き過ぎると、成形性や透明性が低下する。したがって、これらのバランスを考慮して適宜設定される。具体的には、重量平均分子量で５×１０3〜１×１０5程度が適当であり、好ましくは１×１０4〜８×１０4である。
【００２７】
上記ポリシランを合成するに際しては、上述のような種々の構造を有するモノマーを原料として、従来知られた方法を適宜採用して行われる。具体例としては、アルカリ金属の存在下にクロロシラン類を脱塩素重縮合させる方法（キッピング法）、電極還元によりクロロシラン類を脱塩素重縮合させる方法、金属触媒の存在下にヒドロシラン類を脱水素重縮合させる方法、ビフェニルなどで架橋されたジシレンのアニオン重合による方法、環状シラン類の開環重合による方法などを挙げることができる。
【００２８】
上記ポリシランから光学材料を成形するにあたっては、種々の方法により成形することができる。例えば、ポリシランを適当な溶媒に溶かして溶液を作製し、その溶液からスピンコート、キャスティングなどの方法によりフィルム状の光学材料に成形することができる。その際、ポリシランの溶媒として、トルエン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、キシレン、またはベンゼンを用いると、成形体の透明性が特に優れるため好ましい。これは、ポリシランがこれらの溶媒に良く溶けて均一に分散するためと考えられる。
【００２９】
また、ポリシランを原料として、射出成形、溶融押出、プレス成形などの種々の方法により、ファイバ状、板状、シート状、フィルム状等の各種形状の光学材料を得ることができる。成形する際に原料を軟化させる温度は、ポリシランの構造や、分子量によっても異なり一概には決まらないが、一般的に、２８０〜３３０℃程度とすると、得られる光学材料の透明性が良いため好ましい。
【００３０】
次に、上記のポリシランから構成された光学材料に対し、特定の条件下で光照射する。光源としては、ポリシランの結合を開裂させて分子量を低下させることができるものであれば特に限定されないが、具体例としては、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ、エキシマレーザ等の紫外線レーザなどを挙げることができる。また、照射光の波長は、ポリシランの分子構造によっても異なるが、一般に２５６〜５３２ｎｍ、就中２５６〜３５５ｎｍとすることが好ましい。さらに、照射するに当たっては、特定の波長を照射するために、波長フィルタを用いることができる。また、レンズ等により集光してエネルギーを集中させても良い。
【００３１】
照射する光の強度は、小さ過ぎるとポリシランの光化学反応を誘起することができず、したがって分子量を低下させることができないため不適であり、逆に強度が大き過ぎると、照射部位の近傍も反応してしまう場合があるため、これらのバランスを考慮して適宜設定する。具体的には、照射する波長や、ポリシランの分子量、加工する深さによっても異なるが、材料表面のポリシランの分子量を１０００以下程度に低下させる強度が適当であり、具体的には、２０〜８０ｍＷ／ｃｍ2程度、就中３０〜８０ｍＷ／ｃｍ2程度とすることが好ましい。
【００３２】
また、光を照射するに当たっては、光学材料の温度を高くして行うことができる。これにより、ポリシランの反応性が高まり、分子量をより効率的に低下させることができる。具体的な温度は、光学材料の溶融温度を超えない範囲で適宜設定することができるが、例えばポリメチルフェニルシランからなる光学材料の場合、約５０〜８０℃が適当である。
【００３３】
続いて、上記の光照射により分子量が低下したポリシランを、洗浄することによって除去する。この洗浄工程は、例えば、洗浄液中に光照射済みのポリシラン材料を浸漬したり、ポリシラン材料に洗浄液をスプレーする等の手段により行われる。この工程により、分子量の低下したポリシランは除去され、それ以外の部位のポリシランは洗浄液に溶解しないか又は微少量しか溶解しないため、結果として微細なパターンを形成することができる。
【００３４】
また、特に、ポリシランを洗浄・除去する方法として、超音波洗浄が好ましく用いられる。超音波を加えることにより、微細な部位のポリシランを効率的に溶解させることができる。この理由は、洗浄液中に無数の真空に近い微小空洞（キャビティー）が発生しこれが破壊するときの強力な衝撃力と、超音波による微小振動（重力加速度の１０００〜１０万倍）がポリシランに作用するためと考えられる。
【００３５】
超音波の周波数は、特に限定されるものではないが、より高い周波数に設定した方が微細な部位のポリシランを溶解させ易いため好ましい。具体的には、２０〜１０００ｋＨｚ程度、就中２００〜８００ｋＨｚ程度とすることが好ましい。
【００３６】
洗浄液は、分子量が低下したポリシランの部位を優先的に溶解できるものであれば特に限定されず用いることができる。具体的には、イソプロピルアルコール、ヘキサン、エタノール等が好適に用いられる。その他の洗浄液、例えばトルエンは、光を照射する前のポリシランの分子量等によっても異なり、一概に言えないが、光の照射部位以外の部位のポリシランも溶解してしまうため好ましくない場合がある。
【００３７】
以上の微細加工方法を利用することにより、光導波路、光回折格子などの種々の光デバイスを作製することができる。具体的には、例えば、クラッドとなる基板上に、ポリシランからなる膜を形成し、その基板にマスクを介して紫外線を照射し、ポリシランの光化学反応を誘起して分子量を低下させ、その後、基板をイソプロピルアルコール等の洗浄液に浸漬しつつ超音波を加えることによって照射部位のポリシランのみを除去し、図１に示すようなリッジ型の光導波路１を得ることができる。図１において、１０はクラッドであり、１１はポリシランからなるコアである。また、図２に示すように、基板状のクラッド２０に上述の方法でポリシランのコア２１を形成し、さらにクラッド２２を積層することによって埋め込み型の光導波路２を得ることができる。さらに、光を干渉縞の状態で照射すれば、材料表面を周期的なパターンに微細加工でき、光回折格子を作製することもできる。
本発明に係る光導波路は、コアとクラッドを別材料で構成することができるので、従来の紫外線照射による屈折率変化を利用する場合に比べて、コアの光閉じ込め効果を大きくすることができ、したがって、小さな曲率半径の導波路等を作製し易くなる。また、ポリシランは耐熱性に優れるので、例えば自動車内に設置する光集積回路等に好適に利用できる。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。
（実施例１）
ナトリウムをトルエンに溶かしてからジクロロメチルフェニルシランを滴下し、６時間還流してポリメチルフェニルシランを合成した。重量平均分子量は３×１０4であった。このポリシラン１０ｇを、トルエン５０ｍｌに溶解させ、攪拌して溶液を作製した。この溶液からスピンコートにより、クラッドとなる石英ガラス基板上に厚さ８μｍの膜を形成させた。
次に、得られた膜状の光学材料に対し、光源として高圧水銀ランプを用い、マスクを介して波長３５５ｎｍの紫外線を５秒間照射した。照射強度は、膜の表面において５０ｍＷ／ｃｍ2であった。その後、照射済みの材料をイソプロピルアルコール中に浸漬し、２００ｋＨｚの超音波を加えながら０．５分間洗浄を行った。その結果、その結果、コアの幅が１２０μｍ、深さ１μｍのリッジ型光導波路を得ることができた。また、光を導波させたところ、伝送損失が０．１２ｄＢ／ｃｍであった。
【００３９】
（比較例１）
超音波洗浄に用いる液体として、イソプロピルアルコールの代わりにメタノールを採用した以外は、上記実施例１と同様にして、光導波路の作製を試みた。
その結果、光照射した部位のみならず、ポリシラン膜の光照射していない部位まで溶解・除去されてしまい、目的の光導波路を得ることはできなかった。
【００４０】
【発明の効果】
以上、本発明に係る光学材料の微細加工方法は、ポリシラン材料に光照射し、照射部位のポリシランの分子量を低下させた上でその部位のポリシランを洗浄により除去するので、従来の紫外線による屈折率変化を利用する場合に比べて、光の閉じ込め効果を大きくすることができ、小さな曲率半径の導波路や正確な結合長を持つ方向性結合器等の製造に好適に応用することができる。
また、照射部位を洗浄する際に超音波を用いることにより、シャープでかつ効率的な微細加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る光導波路を模式的に示す図である。
【図２】  本発明に係る光導波路を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１    光導波路
１０  クラッド
１１  コア
２    光導波路
２０  クラッド
２１  コア
２２  クラッド
【図１】
0003961322.tif 000007
【図２】
0003961322.tif 000008