CN101528781A - 光波导用组合物糊和使用其的光波导 - Google Patents
光波导用组合物糊和使用其的光波导 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供可在较短时间内固化的、显影性优异的光波导用组合物糊。本发明提供了一种光波导用组合物糊,含有:(A)平均粒径为1~50nm的硫酸钡粒子,(B)具有聚合性基和羧基的化合物、或具有聚合性基的磷酸酯化合物,和(C)有机溶剂。
Description
技术领域
本发明涉及光波导用组合物糊。更详细地说,涉及在有机物质中分散有硫酸钡粒子的光波导用组合物糊和使用其的光波导。
背景技术
现在通过将无机粒子分散到树脂等的有机物质中而得的组合物糊、由组合物糊固化得到的固化物广泛在印刷用涂料、润滑剂、化妆品、接合剂、脱模剂、或显示器、组装基板的构成材料等中使用。作为使无机粒子分散在树脂中的目的,可以列举出,可以得到热机械特性、电磁特性、光学特性等仅用树脂不能得到的优异特性,在使用昂贵的树脂的情况中,减少该树脂的含量从而抑制生产成本,等等。近年来,为了提高材料的表面平滑性和光透射性,另外为了适应半导体等的微小加工,在各技术领域尝试着使用分散的无机粒子的粒径为几十~几个纳米的微小粒子。其中,在光布线技术领域中,为了抑制光波导的折射率、尺寸随温度的变化,并且确保材料的光透射性,研究了将粒径为几十~几个纳米的无机粒子分散在树脂中的技术。
作为将无机粒子分散到树脂中的方法之一,有下述方法:首先制造将无机粒子良好地分散到有机溶剂中的分散液,接着使该分散液与树脂混合的方法。市售的平均粒径为几十个~几个纳米的无机粒子大多情况是作为各粒子(初级粒子)适度凝聚而成的、平均粒径为几十个微米的粉末状粒子(2次粒子)供应的。因此,为了制造平均粒径为几十个~几个纳米的无机粒子的分散液,需要使在有机溶剂中的这些2次粒子的凝聚打开,制造初级粒子稳定分散的分散液。但在初级粒子的平均粒径小于50nm等情况中,相对于粒子体积的表面积的比例非常大,所以一度分散开的粒子再次凝聚的频率高,很多情况中分散难以进行。
于是公开了下述方法,即,添加末端具有官能团等的被称作“分散剂”的有机物,使该分散剂的官能团与无机粒子的表面配位,通过妨害无机粒子彼此接近,来抑制初级粒子再次凝聚,提高分散性。作为这样的例子,已提出了含有平均粒径20~40nm的镍胶体粒子、非极性高分子颜料分散剂、和有机溶剂的镍胶体溶液。(参照例如专利文献1)。另外,还公开了使用分散剂使硫酸钡粒子分散在有机溶剂中的方法(参照例如专利文献2)。
但是,在将使用了以往公知的分散剂的无机粒子的分散液与树脂混合来制造组合物糊,然后使其固化制造分散有无机粒子的固化物的情况中,有时通过光照射、加热引起的树脂的固化反应比没有使用无机粒子的情况不充分。因此,有时得到的固化物的热机械特性等劣化。另外,在使用含有无机粒子和经光照射固化的树脂的组合物糊制作膜,对膜利用光刻法进行图案加工的情况中,有时因曝光部的固化不充分导致显影时组合物溶出,图案形状不清晰,或未曝光部的溶解性降低,显影时产生组合物糊的残渣。因此,有时利用光刻法制造的光波导的光传输损耗大。
另外,已知在使树脂固化时,如果添加含有聚合性基的磷酸酯单体,则可以得到固化物的防静电性、阻燃性提高,在树脂中分散的颜料(粒子)的分散性提高等的效果(参照专利文献3)。
一般来说,颜料(粒子)的分散性,不仅因使用颜料是有机物还是无机物而大大不同,即使是同样的无机物颜料,例如对于硫酸钡粒子和氧化铝粒子来说,表面电位、表面平滑性等大大不同,所以对于一者来说具有提高分散性的效果的添加剂,有时对于另一者会使分散性降低。在专利文献3中仅记载了可以使用无机颜料,但并没有具体公开上述说明那样的影响分散性的无机粒子的种类。
专利文献1:特开2004-124237号公报(权利要求,实施例)
专利文献2:特开2006-106708号公报(第18页)
专利文献3:特开2003-146992号公报(第2页)
发明内容
如上所述,在将平均粒径为1~50nm的硫酸钡粒子作为光波导用组合物糊中的构成物质之一时,如果含有以粒子分散为目的而使用的以往公知的分散剂,则通过光照射、加热进行的组合物糊的固化反应变得不充分,在利用光刻法对使用该组合物糊形成的膜进行图案加工时,有时显影困难。
本发明鉴于上述现有技术的课题,其目的在于提供可切实固化的,且显影性优异的光波导用组合物糊。
本发明是一种光波导用组合物糊,含有:(A)平均粒径为1~50nm的硫酸钡粒子,(B)具有聚合性基和羧基的化合物、或具有聚合性基的磷酸酯化合物,和(C)有机溶剂。另外,本发明还是该光波导用组合物糊固化而成的光波导。
本发明的光波导用组合物糊,可通过光照射或加热切实固化。另外,在利用光刻法进行图案加工的情况中,曝光部的固化性和未曝光部的显影性非常好。通过使用本发明的光波导用组合物糊,可以得到温度引起的折射率变化率小、线膨胀率小、且光传输损耗小的光波导。
具体实施方式
本发明的光波导用组合物糊(下面称作“组合物糊”)含有(A)硫酸钡粒子、(B)具有聚合性基和羧基的化合物或具有聚合性基的磷酸酯化合物、和(C)有机溶剂。下面只要没有特殊说明,就把具有聚合性基和羧基的化合物或具有聚合性基的磷酸酯化合物称为“化合物A”。
本发明的组合物糊中,化合物A具有使硫酸钡粒子分散的作用。通过化合物A中的羧基或磷酸酯键合部位与硫酸钡粒子相互作用,化合物A被覆在硫酸钡粒子的表面上。因而可以认为,被覆硫酸钡粒子表面的化合物A的聚合性基朝向硫酸钡粒子的外侧,与组合物糊中的有机溶剂、其它化合物等进行亲和作用,从而使硫酸钡粒子稳定分散。
化合物A中的聚合性基是可通过光或热进行加成反应、自由基反应等,从而进行聚合的有机基团。本发明的组合物糊,由于化合物A与聚合相关,所以可迅速且切实地进行固化。
本发明中,化合物A本身受光、热作用而聚合,成为固化物中的基质树脂。因而本发明中使用的化合物A同时具有作为硫酸钡粒子的分散剂的作用和作为基质树脂的作用。可以认为,在借助不具有聚合性基的分散剂将硫酸钡分散在用于形成基质的具有聚合性基的树脂中的情况,在基质树脂聚合时,硫酸钡粒子移动聚集,从而分散性降低。而在本发明的组合物糊中,由于化合物A以捕获到硫酸钡粒子的状态聚合,所以即使在固化物中也可以保持硫酸钡粒子良好的分散性。因此,固化物的光透射性、表面平坦性良好。
进而,通过使组合物糊中的化合物A受光作用而固化,可以使用光刻法进行图案加工。在这种场合,由于在曝光部化合物A以捕获到硫酸钡粒子的状态聚合,所以形成了以硫酸钡粒子为起点的牢固的网络,抑制了显影时的曝光部的膨胀、溶解,所以可以实现清晰的图案形状。
化合物A的聚合性基,为了使硫酸钡粒子分散良好,优选与组合物糊中含有的有机溶剂、其它化合物的亲和性良好的聚合性基。作为此类基团,可以列举出乙烯基、丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯基、环氧丙烯酸酯基、环氧甲基丙烯酸酯基、环氧基等。
化合物A同时具有上述聚合性基和羧基。通过化合物A的羧基与硫酸钡粒子相互作用,可以使化合物A覆盖硫酸钡粒子表面,使硫酸钡粒子分散。另外,在经光作用而使本发明的组合物糊中的化合物A固化,并利用光刻法进行图案加工的情况中,由于化合物A具有极性高的羧基,所以可以在显影液中迅速溶解,减少未曝光部中的显影时的残渣。
本发明中使用的化合物A优选是下述通式(1)所示的化合物。
通式(1)中,R1表示氢原子或甲基,R2表示下述通式(2)~(4)的任一个所示的2价基团。
通式(2)~(4)中,n和m分别是1~3的整数。
通式(1)中的聚合性基,在R1是氢原子时为丙烯酸酯基,在R1是甲基时为甲基丙烯酸酯基。丙烯酸酯基或甲基丙烯酸酯基具有不饱和键,可以经光照射、加热进行自由基聚合。在通过光进行自由基聚合时,可以使用介由光掩模照射光的光刻法来形成布线图案等。R1是氢原子的丙烯酸酯基的情况聚合性更好,所以优选。
通式(2)~(4)中的n和m,当该数值小时,单位重量的聚合性基和羧基的数量多,所以聚合性变得更好,且硫酸钡粒子的分散性提高。另一方面,当n和m的数值大时,化合物A在与硫酸钡粒子配位时的成为立体阻碍的效果变大,所以分散性提高。因而,优选n和m为碳原子数2的亚乙基。
在通式(1)所示的化合物中,优选R1为氢原子、R2为通式(4)所示的2价基团的化合物,此时,基于上述原因,更优选n为2。当使用该化合物时,聚合性和显影性变得更好。另外,由于可以进一步改进硫酸钡粒子的分散性,进一步缩小分散后的硫酸钡的平均粒径,所以由组合物糊得到的固化物的光透射性提高。因此,可以得到光传输损耗小的光波导。
作为本发明中使用的通式(1)所示的化合物A的具体例,可以列举出共荣社化学(株)制的“HOA-MS”(商品名,为通式(1)中R1为氢原子,R2为通式(2)所示的化合物,n、m均为2。)、“HOA-HH”(商品名,为通式(1)中R1为氢原子,R2为通式(3)所示的化合物,n为2。)、“HOA-MPL”(商品名,为通式(1)中R1为氢原子,R2为通式(4)所示的化合物,n为2。)
另外,还优选使用下述通式(5)所示的化合物A。
上述通式(5)中,R3~R5表示下述通式(6)~(10)的任一个所示的1价基团或氢原子,R3~R5可相同也可不同,但R3~R5不能都是氢原子,
上述通式(6)~(10)中,R6~R9表示氢原子或甲基。R10~R11表示碳原子数为1~10的2价基团,优选为碳原子数为1~10的2价烃基,更优选为碳原子数为2个的烷基。R12是具有羟基的碳原子数1~10的2价基团,优选下述通式(13)~(15)所示的有机基团。
通式(5)所示的化合物A,R3~R5的任两个是氢原子的磷酸单酯比R3~R5的任一个是氢原子的磷酸二酯,更能提高硫酸钡粒子的分散性,所以优选。另外,磷酸二酯比R3~R5均不包括氢原子的磷酸三酯更能提高硫酸钡粒子的分散性,所以优选。
通式(6)~(9)所示的一价基团具有丙烯酸酯基或甲基丙烯酸酯基,可经光照射、加热进行自由基聚合。R6~R9是氢原子的丙烯酸酯基的情况,聚合性更好,所以优选。
通式(8)~(10)的R10~R12中的碳原子数,数量越少,则单位重量的聚合性基和磷酸酯键合部位的数量越多,所以聚合性更好,且硫酸钡粒子的分散性提高。另外,当R10~R12中的碳原子数多时,化合物A在与硫酸钡粒子配位时变为立体阻碍的效果变大,所以分散性提高。因此,R10~R12的碳原子数优选为1~4。
特别是,在通式(5)所示的化合物中,优选R3~R5的至少一个是通式(8)所示的1价基团,此情况中更优选R10是碳原子数为1~3的2价烃基。另外,优选通式(5)的R3~R5的至少一个是通式(9)所示的1价基团,通式(9)的R12是具有羟基的碳原子数为2~3的2价烃基。
作为本发明中使用的通式(5)所示的化合物A的具体例,可以列举出共荣社化学(株)制的“ライトアクリレ一トP-1A”(商品名,具有丙烯酸酯基的磷酸单酯)、共荣社化学(株)制的“ライトエステルP-1M”(商品名,具有甲基丙烯酸酯基的磷酸单酯)、“ライトエステル P-2M”(商品名,具有甲基丙烯酸酯基的磷酸二酯)、ダイセル·サイテツク(株)制的RDX63182(具有环氧丙烯酸酯基的磷酸二酯)。本发明中使用的化合物A可以使用1种,也可以使用多种。
另外,由本发明的组合物糊得到的固化物,其物性相对于温度的变化微小,例如,温度引起的折射率的变化率、线膨胀率小。用于提高无机粒子的分散性的分散剂有时会使固化物的特性劣化,如会妨害组合物糊中的树脂的固化反应,使从组合物糊得到的固化物的温度引起的折射率的变化率、线膨胀率增大,等等。因此,优选使分散剂的含量尽可能少。在本发明中,由于有助于硫酸钡粒子的分散性的化合物A自身聚合、固化,或由于化合物A与后述的树脂的聚合相关,所以可以抑制温度引起的折射率变化率、线膨胀率增大等的固化物的特性劣化。
如上所述,本发明的组合物糊,化合物A聚合而形成固化物中的基质,但也可以含有其它的用于形成基质的树脂。作为此时使用的树脂,可以列举出聚酰胺酸、乙烯基树脂、降冰片烯树脂、环氧树脂、丙烯酸酯树脂、甲基丙烯酸酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂、环氧甲基丙烯酸酯树脂、异氰酸酯树脂、双马来酰亚胺-三嗪树脂、苯并环丁烯树脂、硅氧烷树脂等、具有聚合性基的热固化型或UV固化型树脂。另外,还可以列举出芳族聚酰胺树脂、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺、聚苯醚、热塑性聚酰亚胺等热塑性树脂。这些树脂可以单独使用,也可以将多种按照合适的比例使用。
在工序中要求耐热性等的用途中,在上述树脂中优选热固化型树脂、UV固化型树脂等具有聚合性基的树脂。另外,在将由组合物糊得到的固化物在要求透光性的光波导用材料中使用的情况中,优选使用环氧树脂、丙烯酸酯树脂、甲基丙烯酸酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂、环氧甲基丙烯酸酯树脂、硅氧烷树脂等。特别是,如果在这些树脂中选定UV固化型的树脂,则可以使用光刻法实现光波导的构图,所以优选。
在本发明中,可以使热固化型树脂或UV固化型树脂具有的聚合性基彼此聚合,或也可以使这些树脂具有的聚合性基与化合物A的聚合性基聚合。在本发明的固化物中形成的聚合物包括:(a)由化合物A形成的聚合物、(b)化合物A与树脂的聚合物、或(c)仅由树脂形成的聚合物、这些各种形态的聚合物,在这些聚合物中具有以分散状态存在的硫酸钡粒子。另外,只要没有特别说明,就将在由组合物糊得到的固化物中存在的上述(a)~(c)的各聚合物简称为“聚合物”。
根据组合物糊中含有的化合物A、树脂、聚合促进剂等的组成的不同,由组合物糊得到的固化物中的聚合物是上述(a)~(c)中的任一种形态,或它们混合存在的形态。
例如,在化合物A的聚合性基是丙烯酸酯基,树脂的聚合性基也是丙烯酸酯基的情况中,由于在硫酸钡粒子附近存在大量的化合物A,所以聚合物(a)多,在远离硫酸钡粒子的区域聚合物(c)多,在它们的中间区域存在聚合物(b)。另外,作为另一例,由含有聚合性基是丙烯酸酯基的化合物A和聚合性基是环氧基的树脂的组合物糊可以制造含有聚合物(a)和聚合物(c)的固化物。另外,在使用多种树脂的情况中,例如使用聚合性基是丙烯酸酯基的化合物A、聚合性基是环氧丙烯酸酯基的树脂、以及聚合性基是环氧基的树脂,并使这3种成分共聚,也可以得到聚合物(b)。
如果本发明的固化物中的聚合物与硫酸钡粒子的折射率接近,则入射到固化物中的光的瑞利(rayleigh)散射小,所以固化物的光透射性增加。因而,在光学材料那样的要求光透射性的情况中,优选以得到具有希望的折射率的聚合物的方式设定化合物A和树脂的种类、以及混合比。由于硫酸钡的折射率为1.6,因而为了提高光透射性,优选所得的聚合物的折射率接近1.6,更优选聚合物的折射率为1.6。
聚合物含有分散剂、树脂等组合物糊中含有的硫酸钡粒子以外的物质,所以优选以得到的聚合物的折射率接近1.6的方式来决定各物质的种类和混合量。但在通过将折射率不同的多种物质混合来形成具有一定折射率的聚合物的情况中,各种物质的折射率均接近目标折射率的方法容易得到折射率不均匀少的聚合物,所以优选。
前面列举的化合物A的折射率,“HOA-MS”为1.46,“HOA-HH”为1.48,“HOA-MPL”为1.52。另外,“ライトアクリレ一トP-1A”为1.47,“ライトエステルP-1M”为1.47,“ライトエステル P-2M”为1.47,RDX63182为1.54。在光波导等的光学材料用途中,使用与硫酸钡的折射率接近的“HOA-MPL”、RDX63182时,由组合物糊得到的固化物的光透射性容易变得良好,所以优选。
在将由本发明的组合物糊得到的固化物在要求耐热性和光透射性的光波导材料中使用的情况中,作为上述热固化型树脂或UV固化型树脂所具有的聚合性基优选环氧基、丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯基、环氧丙烯酸酯基、环氧甲基丙烯酸酯基等。但在使环氧树脂等进行阳离子聚合的情况,有时阳离子活性种源会吸附在硫酸钡粒子上,聚合反应变慢。因此,优选适于自由基聚合的丙烯酸酯树脂、甲基丙烯酸酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂、环氧甲基丙烯酸酯树脂。作为光布线材料,优选上述那样的与硫酸钡粒子折射率接近的材料,可以列举出例如下述式(11)所示的丙烯酸酯树脂(折射率:1.55)、或下述式(12)所示的环氧丙烯酸酯树脂(折射率:1.56)等。在使用组合物糊利用光刻法进行图案加工的情况中,若作为树脂选择下述式(11)所示的树脂,则可以减少显影时的未曝光部的残渣,所以优选。另一方面,若作为树脂选择下述式(12)所示的树脂时,则可以减小由组合物糊得到的固化物的折射率的温度依赖性、线膨胀率,所以优选。
在本发明的组合物糊中,化合物A的含量优选相对于硫酸钡粒子100重量份为5~20重量份。如果化合物A相对于硫酸钡粒子的含量为5重量份以上,则可以提高硫酸钡粒子的分散性,减小硫酸钡粒子的分散粒径,所以由本发明的组合物糊得到的固化物的光透射性提高。因此,可以得到光传输损耗小的光波导。另一方面,如果考虑化合物A和硫酸钡的折射率差,则在化合物A相对于硫酸钡粒子的含量为20重量份以下时,可以提高由组合物糊得到的固化物的光透射性。因此,可以得到光传输损耗小的光波导。
另外,在本发明的组合物糊中,化合物A相对于组合物糊整体的优选含量,固化得到的聚合物仅由化合物A形成的情况,与由化合物A和树脂形成的情况不同。例如,在固化物中的聚合物仅是化合物A单独聚合固化的形态(a)的情况中,化合物A的含量没有特殊限定,但相对于组合物糊中的除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分优选为20~70重量%。当化合物A的含量相对于组合物糊中的除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分为20重量%以上时,所得的固化物的耐破裂性、与基板的接合性提高,对凝聚破损的抗性提高。当化合物A的含量相对于组合物糊中的除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分为30重量%以上时,这些效果进一步提高,所以更加优选。当化合物A的含量相对于组合物糊中的除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分为70重量%以下时,可以进一步减小所得的固化物的温度引起的折射率变化率、线膨胀率。当化合物A的含量相对于组合物糊中的除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分为50重量%以下时,可以进一步提高这些效果。
另一方面,在固化物的聚合物包含形态(b)、(c)的场合,相对于组合物糊中的除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分,化合物A和树脂的含量之和优选为20重量%以上,更优选为30重量%以上。另外,相对于组合物糊中的除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分,化合物A和树脂的含量之和优选为70重量%以下,更优选为50重量%以下。如果在该范围,则优选,原因与在上述形态(a)中的原因同样。化合物A与树脂的混合比例可以按照要制造的化合物A与树脂的聚合物的组成比来任意设定,但化合物A的含量相对于硫酸钡粒子为1重量%以上时,能够提高硫酸钡粒子的分散性,所以优选。
另外,在使用具有聚合性基的树脂的情况中,优选考虑化合物A和树脂的聚合特性来设定它们的混合比。即,在下述情况中化合物A与具有聚合性基的树脂的混合比不同:(b1)化合物A和具有聚合性基的树脂分别单独聚合的情况,(b2)以1个化合物A为起点、与具有聚合性基的树脂链状聚合的情况,(b3)化合物A与具有聚合性基的树脂交替聚合的情况。例如,在上述形态(b3)的一例、聚合性基是环氧丙烯酸酯基的化合物A与环氧树脂交替聚合的情况中,优选两者的聚合性基数量相同。
本发明的组合物糊,为了促进化合物A、树脂的聚合,还可以含有能够产生自由基、阳离子、阴离子等活性种源的聚合促进剂。作为聚合促进剂,有经光照射、加热处理会活化的,可以按照用途来区分使用。在将组合物糊形成膜状,使用光刻法进行构图的情况中,使用经光照射而活化的聚合促进剂。作为经UV光照射产生自由基的聚合促进剂,可以列举出肟系、二苯甲酮系、三嗪系、苯并三唑系等。另外,作为经UV光照射会产生阳离子的聚合促进剂,可以列举出鏻系、锍系、碘鎓系等。
本发明的组合物糊含有平均粒径1nm~50nm的硫酸钡。另外,本发明中的平均粒径是指数平均粒径。组合物糊中的硫酸钡粒子,有凝聚完全解开后的初级粒子状态、和多个初级粒子凝聚后的状态。这里,组合物糊中的硫酸钡粒子的粒径,对于没有凝聚的初级粒子是该粒子的粒径,对于初级粒子凝聚后的状态是该凝聚体的粒径。为了制造分散的硫酸钡粒子的平均粒径为50nm以下的组合物糊,使用的硫酸钡粒子的初级粒子的平均粒径需要为50nm以下。作为满足该条件的硫酸钡粒子可以列举出例如堺化学工业(株)制的BF-40(平均初级粒径为10nm)。作为组合物糊中的硫酸钡粒子的平均粒径的测定方法,可以列举出使用SEM(扫描电镜)、TEM(透射电镜)直接观察粒子,然后计算数均粒径的方法。当组合物糊中的硫酸钡粒子的平均粒径为50nm以下时,对于组合物糊和固化物的各形态而言,由于均质性提高,并且硫酸钡粒子导致的光的瑞利散射减少,所以光透射性变高。使用这样的组合物糊,可以得到光传输损耗小的光波导。进而,如果在组合物糊中分散的硫酸钡粒子的平均粒径为30nm以下,则在由该组合物糊得到的固化物中,硫酸钡粒子引起的光的瑞利散射变得非常小,显示出与不含有硫酸钡粒子的固化物的情况基本同等的光透射性。使用这样的材料时,可以得到光传输损耗非常小的光波导。另一方面,当硫酸钡粒子的粒径为1nm以上时,比表面积相对于粒子的体积变得非常小,粒子的分散性变得良好。
本发明中,组合物糊中的硫酸钡粒子的含量相对于除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分优选为30重量%~80重量%。当硫酸钡粒子的含量相对于组合物糊中的固体成分为30重量%以上时,由组合物糊得到的固化物的温度引起的折射率变化率、线膨胀率降低。硫酸钡粒子相对于组合物糊中的固体成分的含量更优选为50重量%以上。当相对于组合物糊中的固体成分,硫酸钡粒子的含量为80重量%以下时,抗破裂性、与基板的接合性提高,对凝聚破坏的抗性也变高。另外,由于使用这样的材料可以得到光透射性优异的固化物,所以可以得到光传输损耗小的光波导。另外,在使用光刻法进行图案加工的情况中,为了减少显影时未曝光部的残渣,更优选相对于组合物糊中的固体成分、硫酸钡粒子的含量为70重量%以下。
本发明的组合物糊含有有机溶剂。作为有机溶剂,可以列举出N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基咪唑烷酮、二甲亚砜、γ-丁内酯、乳酸乙酯、1-甲氧基-2-丙醇、1-乙氧基-2-丙醇、乙二醇单正丙醚、双丙酮醇、四氢糠醇等。
本发明的组合物糊优选含有硅烷偶联剂。通过含有硅烷偶联剂,在使用光刻法加工图案时可以减轻曝光部的图案变细、剥离,抑制破裂的发生,可以实现清楚的图案形状。另外,还可以进一步减少未曝光部的残渣。一般,已知硅烷偶联剂具有提高无机材料和有机材料的接合性的效果。在本发明中,可以期待下述效果:提高组合物中的树脂成分和无机成分的接合性、提高组合物中的树脂成分与硅晶片等无机基板的接合性,减轻使用光刻法进行图案加工时曝光部的图案变细、剥离,抑制破裂发生。另一方面,关于减轻使用光刻法进行图案加工时未曝光部的残渣的效果,可以认为有以下原因。当显影液与未曝光部接触时,树脂、化合物A等溶出,另外,化合物A所捕获到的硫酸钡粒子也溶出。如果显影时化合物A从硫酸钡粒子脱离,则表面露出的硫酸钡粒子彼此凝聚,其附近的树脂等也凝聚,成为显影残渣。但当存在硅烷偶联剂时,硅烷偶联剂使无机成分硫酸钡粒子和有机成分化合物A的结合力更加牢固,所以显影时的硫酸钡粒子的分散性得到保持,组合物迅速溶出,难以产生残渣。
作为硅烷偶联剂,优选3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷、3-环氧丙氧基丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、N-2(氨基乙基)3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-2(氨基乙基)3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷、3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷等。另外,组合物糊中的硅烷偶联剂的含量,相对于除了有机溶剂等挥发成分以外的固体成分,优选为0.1重量%~10重量%。当相对于组合物糊中的固体成分,硅烷偶联剂的含量为0.1重量%以上时,则可以由上述硅烷偶联剂得到充分效果。另外,以上述列举出的化合物为首的一般的硅烷偶联剂,折射率为1.45以下,与硫酸钡粒子的折射率差别大。因此,当相对于组合物糊中的固体成分、硅烷偶联剂的含量为10重量%以下时,可以降低瑞利散射,提高光透射性,所以优选。
另外,本发明的组合物糊,还可以含有化合物A以外的分散剂。化合物A以外的分散剂的含量相对于硫酸钡粒子100重量份,优选为5重量份~20重量份。化合物A以外的分散剂的含量如果是5重量份以上,则硫酸钡粒子的分散性的提高效果显著,如果为20重量份以下,则由组合物糊得到的固化物的温度引起的折射率变化率、线膨胀率变小。
下面,对本发明的组合物糊的制造方法进行具体说明。首先,示出了将硫酸钡粒子分散在有机溶剂中来制造分散液的方法。
将平均初级粒子粒径为50nm以下的硫酸钡粒子(包含2次粒子、凝聚状态的粒子)、化合物A、有机溶剂、和根据需要添加的其他树脂、pH调节剂、聚合禁止剂等以规定的分量混合、搅拌。刚混合后,由于硫酸钡粒子的表面被覆有空气层,所以硫酸钡粒子与有机溶剂的润湿不充分,有时粘度增加。此时,优选用旋转叶片等花时间搅拌至硫酸钡粒子与有机溶剂完全润湿。
在与硫酸钡粒子混合时,为了制造目标的固化物,可以加入需要树脂的全部量,或其部分。与在分散处理后加入树脂的情况相比,在分散处理前加入树脂的情况能够均匀地混合树脂和硫酸钡粒子。另一方面,有时分散液的粘度升高,分散处理的效率变差,或分散处理后的分散液的保存稳定性变差,等等。关于化合物A,可以在分散处理前加入必需量的全部,也可以在分散处理前加入必需量的一部分,并在分散处理后加入剩余量。另外,还可以一边测定分散处理中的分散液的粘度等性状,一边慢慢地加入化合物A、其它物质。
另外,为了制造目标固化物,需要添加必要的聚合促进剂、消泡剂、抗氧化剂、增塑剂、硅烷偶联剂等。但从分散液的保存稳定性的观点来看,聚合促进剂等优选在即将制造组合物糊前添加。
在将硫酸钡粒子(包含2次粒子、凝聚状态的粒子)、化合物A、有机溶剂、和其他必要物质混合搅拌后,用分散装置进行硫酸钡粒子的分散处理。
作为分散装置,可以列举出例如,寿工业(株)制的“ウルトラアペツクスミル”(商品名)、アシザワ·フアインテツク(株)制的“スタ一ミル”(商品名)等珠磨机。珠磨机使用的珠子的平均粒径优选为0.01~0.5mm。在珠子的平均粒径为0.5mm以下的情况中,由于在珠磨机内硫酸钡粒子与珠子的接触频率高,所以可以得到充分的分散效果。另一方面,在珠子的平均粒径为0.01mm以上的情况中,各珠子具有的运动量大,所以可以得到用于使凝聚的硫酸钡粒子分散开的充分的剪切力。
作为珠子,可以使用陶瓷、玻璃、金属制的珠子等。作为珠子的材质,可以列举出例如,钠玻璃、石英、氧化钛、氮化硅、碳化硅、氧化铝、二氧化锆、硅酸锆、钢、不锈等。其中特别优选硬度高的二氧化锆珠。
使用珠磨机进行分散,可以使用较小的珠子在一次处理中进行,也可以分阶段改变珠子的尺寸进行。例如,首先使用粒径为0.5mm的珠子进行分散处理直至硫酸钡粒子的分散粒径为100nm左右,然后使用更微小的珠子进行分散处理。
分散处理中花费的时间根据硫酸钡粒子、化合物A、有机溶剂等构成分散液的物质的种类、组成比来适当设定。另外,隔一定时间就对分散液取样,测定分散液中硫酸钡粒子的平均粒径,这样可以把握分散状态的经时变化,可以判断分散处理的完成,所以优选。作为分散液中的硫酸钡粒子的粒径的测定装置,可以列举出作为动态光散射方式的シスメツクス(株)制“ぜ一タサイザ一ナノZS”(商品名)。下面对将按照上述方法得到的分散液与树脂等混合,制造组合物糊的方法进行说明。但在制造分散液时将用于制造目标固化物的必需物质的全部都混合的情况中,由上述方法得到的分散液就成为本发明的组合物糊。
在将树脂与硫酸钡粒子的分散液混合的情况中,按照分散液中的化合物A等的组成来选定要混合的树脂的种类、混合量。在使用本发明得到的分散有硫酸钡粒子的组合物糊来制造光波导的情况中,在从化合物A和树脂得到的聚合物的折射率是接近硫酸钡粒子的折射率(1.6)的值时,光波导的光传输损耗降低,所以优选。在将上述分散液与树脂混合时,可以向树脂中注入分散液至规定量,也可以向分散液中注入树脂至规定量。在制造组合物糊时还可以进一步加入化合物A来调节组成。
为了使通过混合规定量的分散液和树脂等而得到的组合物糊进一步均质化,可以使用珠磨机、辊磨机进行处理。另外,在经混合处理而在组合物糊中混入了气泡的情况中,如果通过静置、在减压下放置、或使用搅拌脱泡机等来除去气泡,则可以避免使用组合物糊制造的固化物中混入气泡。
为了调节组合物糊的粘度,还可以添加有机溶剂,或通过加热、减压来除去适量的有机溶剂。另外,也可以经加热处理、光照射适度进行化合物A、树脂的聚合反应。
可以将上述那样制造的组合物糊固化,在聚合物中分散硫酸钡粒子,从而制造固化物。
下面对使本发明的组合物糊固化的方法的例子进行说明。首先,通过将组合物糊涂布在基板上、拉伸成膜状或丝状、或注入到模具中等等方法进行成型,然后通过加热处理来除去组合物糊中的有机溶剂。作为除去有机溶剂的方法,可以列举出通过烘箱、电热板进行加热干燥,以及真空干燥、利用红外线、微波等电磁波进行加热等。这里,在有机溶剂除去不充分的情况中,通过后续的固化处理得到的组合物有时为未固化状态、热机械特性不良。
在除去有机溶剂之后,根据使用的组合物糊中的化合物A或树脂的固化机理,来通过加热处理、光照射等进行组合物糊的固化反应。此种情况,也可以在光照射后进行加热处理等,为了使固化进行完全而组合多种处理。另外,在100℃以上的环境下进行加热处理的情况中,如果在氮气等惰性气体下进行处理,则可以抑制聚合物的氧化,所以优选。另外,以使用能够产生通过氧气会导致失活的自由基的聚合促进剂的组成,在经光照射进行固化的情况中如果在氮气等惰性气体下进行处理,则不妨害聚合,所以优选。
在利用光刻法进行图案加工的情况中,首先将组合物糊涂布在基板上,除去有机溶剂,然后通过介由以光仅能通过图案所对应的必要部分的方式设计的掩模,照射组合物糊的固化波长带域所对应的光。作为光源,可以列举出超高压汞灯、金属卤灯、卤灯、氦-氖激光器、YAG激光器等。作为曝光装置,可以列举出超高压汞灯曝光装置PEM-6M(ユニオン光学(株)制)等。在组合物糊的固化机理是自由基聚合的情况中,为了防止自由基反应种源因氧化而失活,优选在氮气气氛下进行曝光处理。另外,为了提高图像的分辨率,优选提高曝光装置的照射光的平行度,进而为了为了降低掩模产生的衍射光的影响,优选使掩模与基板接触,或减小掩模与基板的间隙。
有时曝光时的照射光在干燥后的组合物糊内部散射会导致图案边缘变形。此时,如果在组合物糊中预先添加紫外线吸收剂,则紫外线吸收剂会吸收从曝光部漏出的微弱光,抑制散射,因此可以保持图案边缘尖锐,所以优选。干燥后的组合物糊内部的散射大多是由于硫酸钡粒子产生的瑞利散射导致的,光波长越短,其散射越大。因而,可以优选使用选择性吸收短波长的光的紫外线吸收剂。另外,通过在光源和掩模之间插入去除短波长的光的滤光器,也可以抑制散射。
为了在曝光后进一步进行固化反应,也可以将基板在室温下保存一定时间来进行热处理。
曝光处理后,将基板浸渍在显影液中,除去没有曝光部分的组合物糊,将形成有固化物的图案的基板洗净并干燥。为了进行固化反应,还可以进一步进行加热处理。
本发明的组合物糊、固化物优选在光波导中使用。光波导是在电子仪器等电路基板上形成的,具有传送在基板上安装的IC间的光信号的作用。光波导由用于传送光信号的芯部、和包围芯部的、比芯部的折射率低的包覆部构成。信道型(channel)光波导的结构如图1所示,平板(slab)型光波导的结果如图2所示。信道型光波导具有包覆部2包围线状的芯部1的周围的结构。平板型光波导具有层状的包覆部2覆盖层状的芯部1的上下的结构。本发明的组合物糊可以用于芯部和包覆部两者,也可以仅用于任一者。
本发明的组合物糊经光照射可形成图案,当在作为芯部形成用材料使用时,容易制造各种形状的光波导,所以优选。另外,芯部和包覆部的折射率差大的情况,传送光的封闭效果好,所以优选。
光波导的包覆部和芯部的折射率、厚度,可以根据设计的光波导来任意选择。在多模光波导的情况中,适合增大芯部和包覆部的折射率差,增加芯部的厚度。在单模光波导的情况中,减小芯部和包覆部的折射率差,减薄芯部,以实现单模传送。
在制造信道型光波导的方法中,例如有以下方法。在玻璃、硅晶片、玻璃环氧基板、塑料膜等的基板上涂布下包覆部用组合物糊,并使之干燥固化,形成下包覆部。进而在下包覆部上涂布芯部用组合物糊,干燥,形成膜状的芯部。接着,将膜状的芯部加工成波导路图案。在芯部用组合物糊经光照射聚合的情况中,可以利用光刻法进行图案形成。另外,在芯部组合物糊受热聚合的情况中,可以利用反应性离子蚀刻等进行图案形成。接着,在芯部上涂布上包覆部用组合物糊,使之干燥、固化,形成上包覆部。
作为形成涂膜的方法没有特殊限定,可以列举出使用例如旋涂器、丝网印刷器、刮刀涂布器、模涂器等装置的方法。
实施例
下面对本发明的实施例予以说明,但本发明并不以此为限。另外,实施例使用的化合物中的使用缩写的化学物表示如下。
DMAc:N,N-二甲基乙酰胺
THFA:四氢糠醇
由硫酸钡粒子的分散液、组合物糊得到的固化物、和光波导的各特性的测定方法如下所述。
<由组合物糊得到的固化物的折射率的测定方法>
使用メトリコン社制的棱镜耦合装置2010和专用的P-1棱镜,设定波长为850nm、温度25℃,求出制成膜状的由组合物糊得到的固化物的折射率。另外,用同一装置测定在40℃、60℃、80℃、和100℃下的折射率,通过最小平方法来求出这4点的斜率,计算出折射率相对于温度的变化(折射率温度依赖性)。
<光波导的光传输损耗的测定方法>
依照JPCA规定(JPCA-PE02-05-01S-2004),用减少法测定。入射侧和出射侧的光纤维使用芯径50μm、开口数为0.28的多模型。测定温度为23℃,测定光源的波长为850nm。
<在制造分散液前已凝聚的原料硫酸钡粒子的平均粒径的测定方法>
使用下面的光学显微镜进行测定。将粒子放置在玻璃等的透明板上,将载有粒子的透明板放置在光学显微镜的观察台上。从透明板的下侧照射光,替代光学显微镜的目镜部,将该透射光像介由安装的CCD相机ADP-240M((株)フロ一ベル制)以数字图像的方式存储到计算机中,用图像处理软件FlvFs((株)フロ一ベル制),对观察到的任意的100个粒子求出近似球形时的粒径,计算数平均粒径。
<分散液中的硫酸钡粒子的平均粒径的测定方法>
在已进行碳蒸镀的胶棉膜上滴加分散液,干燥除去有机溶剂,然后用透射电镜H-7100FA(日立制作所制(株)制)观察硫酸钡粒子。加速电压设定为100kV。将观察到的像作为数字图像存储到计算机中,用图像处理软件FlvFs((株)フロ一ベル制),对观察到的任意的100个粒子求出近似球形时的粒径,计算数平均粒径。另外,在初级粒子凝聚存在的情况中,测定作为凝聚体的粒径。
<组合物糊中的硫酸钡粒子的平均粒径的测定方法>
在已进行碳蒸镀的胶棉膜上滴加组合物糊,干燥除去有机溶剂,然后用透射电镜H-7100FA(日立制作所制(株)制)观察硫酸钡粒子。加速电压设定为100kV。将观察到的图像作为数字图像存储到计算机中,用图像处理软件FlvFs((株)フロ一ベル制),对观察到的任意的100个粒子求出近似球形时的粒径,计算数平均粒径。另外,在初级粒子凝聚存在的情况中,测定作为凝聚体的粒径。
<从组合物糊得到的固化物的线膨胀率的测定方法>
使用エスアイアイ·ナノテクノロジ一(株)制的TMA测定装置TAM/SS6100,在氮气气氛中从室温升温至120℃,然后再降温至室温,以挤压荷重50mN测定此时的由组合物糊得到的固化物的尺寸的位置变化,计算出从50℃至70℃升降温的平均线膨胀率。为了消除线膨胀率的温度痕迹,连续重复2次升降温,使用第2次的测定结果作为位置变化值。
<分散液的制造>
如下那样制造分散液A-P。将硫酸钡2次粒子BF-40(堺化学工业(株)制),平均2次粒径15μm,平均初级粒径10nm)、和分散剂、有机溶剂按照表1所示的各混合量混合,使用均质机“エクセルオ一ト”(商品名,(株)日本精机制作所制),以旋转刀前端的圆周速度5m/秒处理1小时,使硫酸钡粒子分散。
然后,将使用均质机处理过的上述分散液使用珠磨机“ウルトラアペツクスミルUAM-015”(商品名)(寿工业(株)制)进行分散处理。珠子材质为二氧化锆,平均粒径为0.05mm(ニツカト一(株)制,YTZ球),加入量设为400g。另外,珠磨机转子的圆周速度设定为9.5m/秒,送液压力设为0.1MPa。分散处理时间,分散液A~O为10小时,P为1小时,分散处理结束后回收液体,从而得到硫酸钡粒子的分散液。分散结束时的分散液中的硫酸钡粒子的平均粒径如表1所示。
表1中,作为分散液使用的“HOA-MPL”(商品名)、“HOA-HH”(商品名)是共荣社化学(株)制的、具有聚合性基和羧基的化合物。另外,“ライトエステルP-1M”(商品名,共荣社化学(株)制)和RDX63182(商品名,ダイセル·サイテツク(株)制)是具有聚合性基的磷酸酯化合物。另外,“Disperbyk-111”(商品名,ビツクケミ一·ジヤパン(株)制)是不具有聚合性基的磷酸酯化合物。
实施例1
将9.8g分散液A、上述式(11)所示的树脂5g、肟系UV活性型聚合促进剂OXE02(チバ·スペシヤリテイ·ケミカルズ(株)制)0.1g、硅烷偶联剂“KBM403”(商品名,信越化学工业(株)制,化学名:3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷)0.2g使用珠磨机进行混合,制造组合物糊。另外,该组合物糊中的除了有机溶剂以外的固体成分中的硫酸钡粒子的含量为40重量%。另外,组合物糊中的硫酸钡粒子的平均粒径为26nm。使用旋涂器将上述组合物糊涂布在石英基板上,在大气中使用烘箱在80℃下干燥1小时,然后作为组合物糊的固化处理,使用超高压汞灯曝光装置(ユニオン光学(株)制)、PEM-6M),用50mJ/cm2的紫外线曝光,制造厚度10μm的膜状固化物。波长850nm、温度25℃下的该膜状固化物的折射率为1.556,折射率的温度变化率为51ppm/℃。
另一方面,使用组合物糊如下那样制造线膨胀率评价用的固化物。在Φ4英寸的硅晶片上贴合10mm×10mm的“特氟隆(注册商标)”胶带,在其上放置切成5mm长的内径8mm的“特氟隆(注册商标)”管,在“特氟隆(注册商标)”管内注入上述得到的组合物糊使液高为1mm。接着,在大气中使用烘箱在80℃下干燥1小时,然后作为组合物糊的固化处理,使用超高压汞灯曝光装置(ユニオン光学(株)制)、PEM-6M),用50mJ/cm2的紫外线曝光,制造底面直径8mm、厚度1mm的固化物。将所得的固化物从“特氟隆(注册商标)”管内取出,测定厚度方向的线膨胀率,结果为44ppm/℃。
另一方面,使用组合物糊如下那样制造光波导。首先,使用旋涂器在Φ4英寸的硅晶片上涂布液态环氧树脂(エポテツク社制#314),在大气中使用烘箱在80℃下干燥1小时,然后为了固化在氮气中150℃下加热1小时,形成厚度5μm的下包覆部。测定下包覆部在波长850nm、温度25℃下的折射率,结果为1.502。接着,使用旋涂器将上述组合物糊涂布在在石英基板上形成的下包覆部上,在大气中使用烘箱在80℃下干燥1小时,得到厚度50μm的组合物糊的干燥膜。对得到的膜使用超高压汞灯曝光装置(ユニオン光学(株)制)、PEM-6M),介由石英制的掩模用50mJ/cm2的紫外线曝光。石英制掩模具有宽50μm、长9cm的窄缝部,窄缝部以外的部分是遮光的。将曝光后的基板浸渍在显影液P-7G(东京应化工业(株)制)中5分钟,除去未曝光部的膜,形成具有宽50μm、长9cm形状的芯部。显影后的图案是清晰的矩形,无破裂发生,未曝光部也没发现残渣,显影性良好。
进而,在上面使用旋涂器涂布与下包覆部相同的材料,在80℃下干燥1小时,然后为了固化在氮气中150℃下加热1小时,形成厚度5μm的上包覆部,从而得到光波导。
使用切块装置连同基板一起切断光波导的两端,求出光传输损耗,结果为0.3dB/cm。
实施例3~290
用与实施例1相同的方法制造表2~31所示组成的组合物糊,使用它们制造物性值评价用固化物和光波导。另外,在实施例209~226中,在制造组合物糊时不加树脂,而在制造分散液时追加使用的化合物A,从而添加。评价结果示于表2~31中。这里,树脂A是上述式(11)所示的化合物,树脂B是上述式(12)所示的化合物,另外,硅烷偶联剂“KBM503”(商品名)是信越化学工业(株)制的,化学名为3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
另外,对于在制造光波导时,显影后的未曝光部的基板表面上存在薄膜状的残渣的实施例,在表2~31的显影性的栏目中记作“未曝光部有残渣”。另外,对于在制造光波导时,发现了在显影后的芯部存在破裂的部位的实施例,在表2~31的显影性的栏目中记作“芯部出现破裂”。
表2
表3
表4
表5
表6
表7
表8
表9
表10
表11
表12
表13
表14
表15
表16
表17
表18
表19
表20
表21
表22
表23
表24
表25
表26
表27
表28
表29
表30
表31
比较例1~2
用与实施例1相同的方法制造表32~33所示组成的组合物糊,使用它们制造物性值评价用固化物和光波导。评价结果示于表32~33中。所得的固化物聚合不充分,柔软,不能评价折射率和线膨胀率。另外,在制造光波导时的显影时未曝光部白化,用5分钟的浸渍时间不能除去,通过晃动基板20分钟除去了未曝光部。在未曝光部的基板表面上存在薄膜状的残渣。另外,曝光部的光波导图案是坡度缓的山形。尝试测定光传输损耗,但损耗过大,传送光强度在检测界限以下,不能测定。
比较例3~4
用与实施例1相同的方法制造表32~33所示组成的组合物糊,使用它们制造物性值评价用固化物和光波导。评价结果示于表32~33中。折射率的温度依赖性、线膨胀率均为较大的值。在制造光波导时的显影时未曝光部白化,即使在显影液中晃动基板20分钟在未曝光部仍然残留几个μm厚度的膜。尝试测定光传输损耗,但损耗过大,传送光强度在检测界限以下,不能测定。
比较例5~10
用与实施例1相同的方法制造表32~33所示组成的组合物糊,使用它们制造物性值评价用固化物和光波导。评价结果示于表32~33中。
表32
表33
附图说明
图1是表示信道型光波导的结构的示意图。
图2是表示平板型光波导的结构的示意图。
产业可利用性
本发明的光波导用组合物糊,可以在计算机、硬盘刻录机、DVD刻录机、游戏机、便携电话等进行高速信号传送的信息机器中使用的布线基板内的、进行LSI间的情报传送的光布线等中理想使用。
符号说明
1芯部
2包覆部
3光信号
Claims (9)
1.一种光波导用组合物糊,含有:(A)平均粒径为1~50nm的硫酸钡粒子,(B)具有聚合性基和羧基的化合物、或具有聚合性基的磷酸酯化合物,和(C)有机溶剂。
3.根据权利要求2所述的光波导用组合物糊,上述通式(1)中的R1是氢原子,R2是通式(4)所示的2价基团,n是2。
5.根据权利要求4所述的光波导用组合物糊,上述通式(5)中的R3~R5的至少一个是上述通式(8)所示的1价基团。
6.根据权利要求1~5的任一项所述的光波导用组合物糊,还含有具有聚合性基的树脂。
8.根据权利要求1~7的任一项所述的光波导用组合物糊,还含有硅烷偶联剂。
9.一种光波导,是使权利要求1~8的任一项所述的光波导用组合物糊固化而成的。
Applications Claiming Priority (5)
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