(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射しない部分をコア層とし、光を照射した部分をクラッド層として光導波路を形成する光導波路形成用材料であって、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体、および光酸発生剤を含むことを特徴とする光導波路形成用材料。
【請求項２】
前記脂環式骨格がアダマンタン骨格であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路形成用材料。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光導波路形成用材料を用いた光導波路。
【請求項４】
請求項３記載の光導波路を形成されてなる半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光導波路形成用材料、および当該材料を用いた光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネット等が急速に普及した現在、情報をさらに高速・大量に伝達するための通信インフラの整備が急務とされている。具体的には、銅などの金属配線から、光導波路を用いた光インターコネクションへの移行が進められている。従来、このような光導波路は石英ガラス等の無機ガラス材料を用いて製造されていたが、その製造においては高温での熱処理が必要とされるため、基板上に直接そのような回路を形成することは極めて困難であった。
【０００３】
高温での処理を必要としない光導波路用の材料としては、近年ではポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）等の高分子材料を用いたものが提案されている。高分子材料を用いることにより、上記、高温での熱処理が不要となるだけでなく、大面積化やフィルム化等の加工が容易であるという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、光導波路は、屈折率の高いコア層と屈折率の低いクラッド層から構成される。高分子材料を用いてこのような屈折率差を得る方法としては、例えば、単量体の共重合比を変えた高分子材料を用いる方法、異なる高分子材料を用いる方法などが知られている。しかしながら、このような方法で光導波路を形成する場合には、組成（屈折率）の異なる２種以上の高分子材料を用意せねばならず、また、製造工程においても各々の高分子材料について塗布・硬化等させる必要があり、製造工程が複雑になるという欠点があった。さらにＰＭＭＡ等の（メタ）アクリル酸エステル系の高分子材料は、光学的特性に優れるものの、一般に耐熱性が低いという欠点も有する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記問題点を解決すべく研究を進め、未露光部分と露光部分との間に生じる溶剤に対する溶解度の差を利用してパターニングを行う材料である化学増幅型フォトレジストとして実用化されている、ある種のポリ（メタ）アクリル酸エステルおよび光酸発生剤からなる材料が、露光によりその組成に変化を生じることに着目、このポリ（メタ）アクリル酸エステルの構造と組成変化により生ずる屈折率差、耐熱性等につき種々検討した結果、本発明を完成した。
【０００６】
即ち、本発明は、光を照射しない部分をコア層とし、光を照射した部分をクラッド層として光導波路を形成する光導波路形成用材料であって、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体、および光酸発生剤を含むことを特徴とする光導波路形成用材料である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
【０００８】
本発明においては、光導波路形成用材料として脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体を使用する。
【０００９】
脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体を用いることにより、光導波路において信号伝達用に使用される可視光又は近赤外光に対して透明性の高いものとすることができ、さらに得られる光導波路が高い耐熱性を有するものとなる。
【００１０】
当該脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体は、後述する光酸発生剤に光を照射することにより発生する酸によって該エステル部分が開裂し、ポリ（メタ）アクリル酸とエステル開裂生成物とに変化する。なお当該エステル開裂生成物は脂環式骨格を有するアルコール又はその誘導体である。このエステルの開裂によって生じるポリ（メタ）アクリル酸とエステル開裂生成物との混合物は、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体に比して屈折率が低くなるため、光照射しない部分（未露光部分）は、高い屈折率を有するコア層と、光照射した部分（露光部分）は相対的に低い屈折率を有するクラッド層とすることができ、フォトマスク等を用いて光照射することにより任意のパターンを有す光導波路を形成することができる。
【００１１】
脂環式骨格を有するアルコールとしては特に制限されず公知のいかなる化合物であってもよく、具体的には、シクロヘキサノール、１−メチルヘキサノール、２−メチルシクロヘキサノール、３−メチルシクロヘキサノール、４−メチルシクロヘキノール等の単環の脂環式骨格を有するアルコール；ボルニルアルコール、１−ノルボルニルアルコール、２−ノルボルニルアルコール、１−アダマンタノール、２−アダマンタノール、２−メチル−２−アダマンタノール、２−エチル−２−アダマンタノール等の多環の脂環式骨格を有するアルコール等が挙げられる。
【００１２】
上記脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位としては、具体的には、（メタ）アクリル酸シクロヘキシル、（メタ）アクリル酸１−メチルシクロヘキシル、（メタ）アクリル酸２−メチルシクロヘキシル、（メタ）アクリル酸３−メチルシクロヘキシル、（メタ）アクリル酸４−メチルシクロヘキシル等の単環の脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位；（メタ）アクリル酸ボルニル、（メタ）アクリル酸１−ノルボルニル、（メタ）アクリル酸２−ノルボルニル、（メタ）アクリル酸１−アダマンチル、（メタ）アクリル酸２−アダマンチル、（メタ）アクリル酸２−メチル−２−アダマンチル、（メタ）アクリル酸２−エチル−２−アダマンチル等の多環の脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位等が挙げられる。
【００１３】
本発明における重合体は上記の単量体単位いずれか一つのみからなる重合体であっても良いし、異なる複数の単量体単位を含むものであっても良い。
【００１４】
さらに本発明における重合体は、本発明の効果を損なわない範囲において、上記の脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位に加えて、その他の単量体単位を含むものであっても良い。
【００１５】
このようなその他の単量体単位としては特に制限されるものではないが、紫外〜近赤外領域において透明なものが好ましく、具体的には（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸プロピル、（メタ）アクリル酸ヘキシル、（メタ）アクリル酸２−エチルヘキシル、（メタ）アクリルアミド、（メタ）アクリロニトリル、酢酸ビニル等から得られる単量体単位等が挙げられる。
【００１６】
本発明における重合体は、重合体中に脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位が含まれるのであれば特に制限されず、任意の単量体単位比で組み合わさっていて良いが、耐熱性が優れており、また光照射後に得られる屈折率差が大きい等の点で、重合体中、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位とその他の単量体単位が、モル比で１：０〜１：１００であることが好ましく、１：０〜１：１０であることがより好ましい。
【００１７】
さらに、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位における脂環式骨格が、多環の脂環式骨格であることが、コア層、クラッド層共に耐熱性に優れ、また、エステル開裂生成物の安定性も大きく、さらには生じる屈折率差も大きい等の利点があり、結果として各種物性に優れる光導波路が得られるという点で特に好ましく、当該多環の脂環式骨格がアダマンタン骨格であることが最も好ましい。
【００１８】
また、重合体を製造する際に多種の単量体を計量、混合する必要がなく、特別な注意を払わずとも常に一定の屈折率の重合体が得られる点で、重合体を構成する単量体単位が実質的に単一である重合体であることが好ましく、前記、多環の脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位のいずれか一つのみからなる重合体が最も好ましい。
【００１９】
また、その重合体の重合度は耐熱性や成形性等の点から、１００〜２００，０００であることが好ましく、１，０００〜５０，０００であることが好ましい。
【００２０】
上記重合体はその製造方法を特に制限されず、公知のいかなる方法で製造されたものであってもよいが、一般的には、各単量体単位に対応する単量体（脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステル）に対し、ラジカル重合開始剤を適量配合し、加熱、光照射等で重合させることにより得られる。
【００２１】
本発明の光導波路形成用材料の第二の成分は光酸発生剤である。なお、光酸発生剤とは、光を照射することによって結合が開裂するなどして、酸を発生するものとして定義される。
【００２２】
前述の通り、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体、および光酸発生剤を含む光導波路形成用材料の一部に光を照射すると、露光部分では酸が発生し、当該酸によりエステルが開裂、ポリ（メタ）アクリル酸とエステル開裂生成物を生じる。同時に、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体からなる未露光部分と比較して、屈折率が低下する。その結果、未露光部分を高屈折率層（コア層）とし、露光部分を低屈折率層（クラッド層）とする光導波路を得ることができる。この場合、光照射量や光酸発生剤の添加量等の調整により、すべてのエステルの開裂を引き起こさず、生成するポリ（メタ）アクリル酸が、脂環式骨格を有するアルコール部分をエステル側鎖として部分的に有したものとすることが可能であり、これにより目的に応じて屈折率を調整することも可能である。なお、光導波路におけるコア層とクラッド層の屈折率差は０．０１以上であることが好ましく、０．０３以上であることがより好ましい。
【００２３】
具体的には、例えばメタクリル酸２−メチル−２−アダマンチルの単独重合体を本発明における重合体として用いた場合、光照射によりエステルが開裂し、ポリ（メタ）アクリル酸とメチレンアダマンタン（エステル開裂生成物）とが生じる。エステルの開裂がほぼ完全に進んだ場合、光照射前の屈折率は約１．５４、光照射後の屈折率は約１．４９（５８９．３ｎｍでの値）となり、約０．０５の屈折率差を生じる。
【００２４】
当該光酸発生剤は前述の通り、光を照射することによって酸を発生する化合物であれば特に限定されず、公知の化合物をなんら制限なく使用できるが、光導波路において信号伝達用に主に使用される可視光又は近赤外光に対して透明な（感受性がない）化合物、即ち、紫外光により酸を発生する化合物であるのが好ましく、具体的には、アリールジアゾニウム塩、ジアリールヨードニウム塩、トリアリールスルホニウム塩、トリアリールホスホニウム塩などオニウム塩のテトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ヘキサフルオロアルセネート、ヘキサフルオロアンチモネート；スルホン酸の２−ニトロベンジルエステル、イミノスルホナート、１−オキソ−２−ジアゾナフトキノン−４−スルホナート誘導体、Ｎ−ヒドロキシイミド＝スルホナート、トリ（メタンスルホニルオキシ）ベンゼン誘導体；カルボン酸ｏ−ニトロベンジルエステル、１−オキソ−２−ジアゾナフトキノン−５−アリールスルホナート；トリアリールリン酸エステル誘導体などが例示される。これら光酸発生剤は単独で用いても良いし、複数の種類のものを併用しても良い。
【００２５】
脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体に対する光酸発生剤の配合割合は特に制限されるものではないが、十分なエステルの開裂を生じさせ、これにより屈折率差の制御を容易なものとするためには多い方が好ましく、一方得られる光導波路において散乱による光損失を少ないものとするためには少ないほうが好ましいため、一般には当該重合体１００重量部に対し０．１〜１５重量部とすることが好ましい。
【００２６】
また、本発明における光導波路形成用材料には、必要に応じて、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体、および光酸発生剤に加えて、その他の重合体や安定剤等を本発明の効果を損なわない範囲で配合しても良い。
【００２７】
次に、本発明の光導波路形成用材料を用いた光導波路の具体的な製造方法の一例を図１を用いて説明する。
【００２８】
まず、脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体をクロロホルム等の有機溶剤に溶解し、さらに所定量の光酸発生剤を加えて均一な溶液とする。このときの重合体濃度は得ようとする膜厚や重合体の重合度に応じて適宜選択すればよく、一般には１〜５０重量％程度となるようにすれば良い。続いて、光導波路を形成しようとする基板２上に当該溶液をスピンコーティング、ディップコーティング等で塗布、有機溶剤を揮発・留去することにより薄膜１を得る（図１のａ）。次に、所定のパターンのマスク孔を有するフォトマスク３を介して、紫外光を照射する（図１のｂ）。これにより、未露光部分（脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体からなる）からなる高屈折率層（コア層；４）と、露光部分（ポリ（メタ）アクリル酸とエステル開裂生成物とからなる）からなる低屈折率層（クラッド層；５）とを得ることができ、前記フォトマスクのパターンに応じた光導波路が得られる（図１のｃ）。
【００２９】
こうして得られた光導波路はさらに必要に応じて各種重合体により更に被覆することも可能である。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３１】
実施例１ポリメタクリル酸２−メチル−２−アダマンチル１０重量部、光酸発生剤４−フェニルチオフェニルジフェニルスルホニウムのヘキサフルオロアンチモネート０．１重量部をクロロホルム９０重量部に溶解した。これをガラス基板上にスピンコーティングした後、常温で真空乾燥することによりクロロホルムを留去して薄膜を得た。幅４〜２０μｍの光導波路パターンを刻んだフォトマスクを用いて、波長３１３ｎｍ、照度２００ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を照射した。
【００３２】
得られた光導波路の屈折率を、波長５８９．３ｎｍ、２０℃で測定した結果、コア層（未露光部）の屈折率は１．５３７、クラッド層（露光部）の屈折率は１．４９１であった。
【００３３】
また、この光導波路は、１００℃においても軟化、溶融等は見られず、耐熱性に優れていることが明らかであった。
【００３４】
実施例２
ポリメタクリル酸１−メチルシクロヘキシル１０重量部、光酸発生剤４−フェニルチオフェニルジフェニルスルホニウムのヘキサフルオロアンチモネート０．１重量部をクロロホルム９０重量部に溶解した。これをガラス基板上にスピンコーティングした後、常温で真空乾燥することによりクロロホルムを留去して薄膜を得た。幅４〜２０μｍの光導波路パターンを刻んだフォトマスクを用いて、波長３１３ｎｍ、照度２００ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を照射した。
【００３５】
得られた光導波路の屈折率を、波長５８９．３ｎｍ、２０℃で測定した結果、コア層（未露光部）の屈折率は１．５１１、クラッド層（露光部）の屈折率は１．４９１であり、当該波長において０．０２の屈折率差を生じた。また、この光導波路の軟化温度は約９０℃であった。
【００３６】
比較例１
ポリメタクリル酸エチル１０重量部、光酸発生剤４−フェニルチオフェニルジフェニルスルホニウムのヘキサフルオロアンチモネート０．１重量部をクロロホルム９０重量部に溶解した。これをガラス基板上にスピンコーティングした後、常温で真空乾燥することによりクロロホルムを留去して薄膜を得た。幅４〜２０μｍの光導波路パターンを刻んだフォトマスクを用いて、波長３１３ｎｍ、照度２００ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を照射した。
【００３７】
得られた光導波路の屈折率を、波長５８９．３ｎｍ、２０℃で測定した結果、コア層（未露光部）の屈折率は１．４８９、クラッド層（露光部）の屈折率は１．４９１であり、当該波長において十分な屈折率差は得られなかった。またこの場合には、８０℃まで加熱したところ光導波路の軟化が見られた。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、高屈折率（コア）層と低屈折率（クラッド）層を、同一の組成の材料からなる皮膜に対し光照射を行なうことにより簡便に生成させることが可能であり、またフォトマスクを用いた光照射という高精度の方法により、優れた光導波路を形成することができる。さらに、得られる光導波路は耐熱性に優れており、さらには、用いる重合体の単量体単位の組み合わせや光照射条件等を適宜選択することにより屈折率を調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光導波路形成用材料よりなる薄膜から光導波路を形成する工程の模式図。
【符号の説明】
１．脂環式骨格を有するアルコールと（メタ）アクリル酸とのエステルに基づく単量体単位を含む重合体および光酸発生剤からなる膜。
２．基板
３．フォトマスク
４．コア（高屈折率）層
５．クラッド（低屈折率）層
【図１】
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