JP2002022992A - 光導波路デバイスの製造方法、および、光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無機材料基板上に樹脂製光導波路を搭載した
光導波路デバイスの製造方法であって、基板の反りを抑
制して精度良く光導波路をパターニングすることのでき
る製造方法を提供する。 【解決手段】 第１の工程として、無機材料基板１の上
面に下部クラッド層３を樹脂により形成する。第２の工
程として、下部クラッド層３の上に光導波路用樹脂層を
さらに積層する。第３の工程として、光導波路用樹脂層
を所望の光導波路４の形状にパターニングする。第１の
工程の前、または、第１の工程後で第２の工程の前、も
しくは、第２の工程後で第３の工程前に、下部クラッド
層３および光導波路用樹脂層が基板１に与える応力をう
ち消すための裏面樹脂層３０を基板の裏面に形成する。

Description

【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、無機材料基板の上に搭載された樹脂製の光導波路
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、樹脂が知られている。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。これに対し、樹脂によって光導波
路を製造する場合には、成膜工程を、塗布と加熱により
大気圧中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。

【０００４】また、光導波路ならびにクラッド層を構成
する樹脂としては、種々のものが知られているが、ガラ
ス転移温度（Ｔｇ）が高く、耐熱性に優れるポリイミド
が特に期待されている。ポリイミドにより光導波路およ
びクラッド層を形成した場合、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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】樹脂製の光導波路は、
一般的には、基板上に、樹脂製の下部クラッド層、光導
波路層および上部クラッド層を積層することにより構成
される。このとき、基板は、精度良く平滑な面を有する
ものが入手しやすいという点で、Ｓｉ基板、石英基板、
ガラス基板等の無機材料基板が用いられることが多い。
しかしながら無機材料の基板は、樹脂膜と比較して熱膨
張率が一桁小さいため、基板上に下部クラッド層、光導
波路層および上部クラッド層を、材料溶液の塗布と加熱
を繰り返すことにより積層していくと、基板と樹脂層と
の熱膨張率の差によって応力が残存し、基板に反りが生
じてしまう。特に、基板としてウエハ状等の大きなのも
のを用い、多数の光導波路を基板上に配列して一度に形
成し、最終工程で基板を切断して所望の光導波路デバイ
スを量産する場合には、ウエハ状の基板の反りが大きな
問題となる。というのは、一般的には、基板上の樹脂膜
を導波路形状にパターニングするためにフォトリソグラ
フィの手法を用いるため、露光の工程で焦点深度以上に
基板が反っていると、基板の一部分にマスクパターン像
を合焦させても、基板の他の部分は焦点からずれ、その
部分にはマスクパターン像にぼけが生じる。このため、
基板全面に、微細な導波路形状を精度良くパターニング
することができない。この基板の反りの問題は、基板が
大きくなるほど顕著になるため、光導波路デバイスを大
量生産する場合の障害になる。

【０００６】本発明は、無機材料基板上に樹脂製光導波
路を搭載した光導波路デバイスの製造方法であって、基
板の反りを抑制して精度良く光導波路をパターニングす
ることのできる光導波路デバイスの製造方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【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デバイスの
製造方法が提供される。

【０００８】すなわち、基板の上面に、下部クラッド層
を樹脂により形成する第１の工程と、前記下部クラッド
層の上に光導波路用樹脂層をさらに積層する第２の工程
と、前記第２の工程で形成した光導波路用樹脂層を所望
の光導波路の形状にパターニングするためにフォトリソ
グラフィを行う第３の工程とを有する光導波路デバイス
の製造方法であって、前記基板として無機材料からなる
基板を用い、前記第１の工程の前、または、第１の工程
後で第２の工程の前、もしくは、第２の工程後で第３の
工程前に、前記下部クラッド層および前記光導波路用樹
脂層が前記基板に与える応力をうち消すための樹脂層を
前記基板の裏面に形成する裏面樹脂層形成工程を含むこ
とを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について説
明する。

【００１０】まず、本実施の形態の製造方法により製造
される光導波路デバイス１００の構成を図３を用いて説
明する。光導波路デバイス１００は、Ｓｉ基板１の上
に、光導波路積層体１０を備え、光導波路積層体１０が
配置されていない領域に電極部７が配置された構成であ
る。

【００１１】光導波路積層体１０は、シリコン基板１の
上に配置された下部クラッド層３と、その上に搭載され
た光導波路４と、光導波路４を埋め込む上部クラッド層
５とを含んでいる。

【００１２】下部クラッド層３および上部クラッド層５
は、いずれも、日立化成工業株式会社製ＯＰＩ−Ｎ１０
０５（商品名）を用いて形成したポリイミド膜からな
る。下部クラッド層３の膜厚は、約６μｍ、上部クラッ
ド層５の膜厚は、下部クラッド層表面から約１２μｍで
ある。光導波路４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か
らなり、その膜厚は約６μｍで、光導波路４の幅は約６
μｍである。

【００１３】電極部７は、シリコン基板１の上に配置さ
れている。電極７は、発光素子、発光素子の出力をモニ
タする受光素子、受光素子等を搭載するための電極であ
る。

【００１４】つぎに、本実施の形態の光導波路デバイス
の製造方法について、図１（ａ）〜（ｃ）、図２
（ｄ）、（ｅ）を用いて説明する。ここでは、基板１と
して直径約１２．７ｃｍのシリコンウエハを用意し、こ
の基板１の上に図３の構造を多数配列して形成し、後の
工程でダイシングにより切り離して、多数の図３の光導
波路デバイス１００を一度に製造する。なお、図１
（ａ）〜（ｃ）および図２（ｄ），（ｅ）は、図示の都
合上、ウエハ状の基板１のうち、一つの光導波路デバイ
ス１００となる一部分のみを切り出した状態で図示して
いる。また、成膜やパターニング等は、ウエハ状の基板
１全体で一度に行う。

【００１５】まず、ウエハ状の基板１の上に金属膜を成
膜してパターニングすることにより、図１（ａ）のよう
に電極部７を形成する。つぎに、基板１の裏面に、下部
クラッド層３の材料溶液と同じＯＰＩ−Ｎ１００５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させ、厚さ１２μｍの裏面樹脂層
３０を形成する。この裏面樹脂層３０は、基板１に対し
て裏面側から引っ張り応力を与えるために形成される。
裏面樹脂層３０の応力は、この後の工程で基板１の上面
に形成される下部クラッド層３および光導波路４を形成
するポリイミド層が基板１に与える応力とつりあうこと
が望ましい。このため、裏面樹脂層３０の厚さを、上面
クラッド層３と光導波路４の厚さの合計と同じになるよ
うに形成する。

【００１６】つぎに、基板１の全体に前述のＯＰＩ−Ｎ
１００５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３
０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させ、厚さ６μｍの
下部クラッド層３を形成する（図１（ｂ））。

【００１７】この下部クラッド層３の上に、前述のＯＰ
Ｉ−Ｎ３２０５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、２０
０℃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、光
導波路４となる厚さ６μｍのポリイミド膜を形成する。

【００１８】この時点で、基板１の上面には、下部クラ
ッド層３と光導波路４となるポリイミド層が合計１２μ
ｍの厚さで形成され、基板１の裏面側には、厚さ１２μ
ｍの下部クラッド層３と同じ材質の裏面樹脂層３０が形
成されている。よって、基板１の上面側のポリイミド層
が基板１に与える応力と、基板１の裏面側のポリイミド
層が基板１に与える応力とはほぼつり合うため、この時
点の基板１の反りは、直径約１２．７ｃｍのウエハで３
〜７．５μｍ程度に抑えることができる（図４
（ａ））。これに対し、比較例として、裏面樹脂層３０
を形成しなかった場合には、基板１の反りは直径約１
２．７ｃｍのウエハで１６〜２０μｍにも達していた。
このように、本実施の形態では、裏面樹脂層３０を設け
たことにより、基板１の反りを数μｍに抑制することが
できるため、光導波路４をパターニングするためのフォ
トリソグラフィの露光工程で、基板１の反りが焦点深度
以内に収まり、直径約１２．７ｃｍの基板１の全面にマ
スク像を合焦させることができる。これにより、基板１
の全面に光導波路４のパターンを高精度に形成すること
ができる。

【００１９】フォトリソグラフィの具体的な工程を説明
する。まず、光導波路４となるポリイミド層の上にレジ
ストをスピン塗布し、乾燥後、水銀ランプでマスク像を
露光する。上述のように本実施の形態では基板１の反り
が少ないため、ウエハ状の基板１の全体にマスク像を合
焦させて露光することができる。つぎに、レジストを現
像し、レジストパターン層を形成する。このレジストパ
ターン層は、前述のポリイミド膜を光導波路４の形状に
加工するためのマスクとして用いられる。このレジスト
パターン層をマスクとして、前述のポリイミド層を酸素
でリアクティブイオンエッチング（Ｏ₂−Ｒ１Ｅ）する
ことにより、光導波路４を基板１上に多数配列して形成
することができる（図１（ｃ））。その後、レジストパ
ターン層を剥離する。

【００２０】レジストの現像および剥離の工程を利用し
てポリイミド層３０を剥離することができる。これによ
り、基板１には上面側の下部クラッド層３および光導波
路４の応力のみが働くことになり、基板１には反りが生
じるが、この後の工程には、光導波路４をパターニング
する際に必要とされるほど精密なパターニングの工程は
ないため、基板１が反っていても問題とならない。

【００２１】つぎに、光導波路４および下部クラッド層
３を覆うように、ＯＰＩ−Ｎ１００５をスピン塗布す
る。得られた材料溶液膜を、乾燥器で１００℃で３０
分、次いで、２００℃で３０分加熱して材料溶液膜中の
溶媒を蒸発させ、３５０℃で６０分加熱することにより
ポリイミド膜の上部クラッド層５を形成する（図２
（ｄ））。

【００２２】つぎに上部クラッド層５、光導波路４、下
部クラッド層３の積層膜に対してダイシングにより膜厚
方向に切り込みを入れ、電極部７の領域に形成されてい
る上部クラッド層５から下部クラッド層３までを、基板
１上から剥がして除去する。これにより、光導波路積層
体１０は図２（ｅ）の形状となり、基板１上の電極部７
の領域では、電極部７とシリコン基板１が露出される。

【００２３】つぎに、露出された電極部７に、所望の形
状のＡｕ／Ｓｎはんだ層を形成する。

【００２４】その後、ウエハ状の基板１をダイシングに
より図５（ａ）のように短冊状に切り出す。短冊状のま
ま、側面１１に研磨処理を施す（図５（ｂ））。その
後、短冊状基板をさらにダイシングにより切り出し、光
導波路デバイス１００を完成させる（図５（ｃ）、
（ｄ））。

【００２５】このように、本実施の形態の光導波路デバ
イス１００の製造方法は、光導波路４をパターニングす
る際の基板１の反りを低減するために、基板１の裏面に
裏面樹脂層３０を形成している。これにより、ウエハ状
の基板１の全体にマスク像を合焦させて露光することが
でき、光導波路４を高精度にパターニングすることがで
きる。よって、光導波路４の形状のばらつきが少なく、
設計通りの光学特性を有する高性能な光導波路デバイス
を製造することができる。

【００２６】また、本実施の形態では、基板１と下部ク
ラッド３の間に例えば耐熱性のポリイミド樹脂からなる
接着層を設け、基板１と裏面樹脂層３０の間には接着層
を設けない構成にすると、接着層を形成していないた
め、裏面樹脂層３０を容易に剥離することができる。

【００２７】なお、本実施の形態では、下部クラッド層
３と同じ材質で裏面樹脂層３０を形成しているが、裏面
樹脂層３０は、基板に与える応力が、下部クラッド層３
およびパターニング前の光導波路４を構成するポリイミ
ド膜が基板に与える応力とほぼつり合うような膜であれ
ばよく、材質は自由に選択することができる。たとえ
ば、裏面樹脂層３０を光導波路４と同じＯＰＩ−Ｎ３２
０５で形成することができる。この場合、ＯＰＩ−Ｎ３
２０５から形成したポリイミドは、応力の大きさが下部
クラッド層３のポリイミドと同程度であるので、裏面樹
脂層３０の膜厚は上述の実施の形態と同様にする。ま
た、裏面樹脂層３０を、応力が強く、しかも、より剥離
のしやすい性質を有するポリイミドとすることにより形
成することもできる。このポリイミドを裏面樹脂層３０
として用いる場合には、応力が強いため、膜厚を上述の
実施の形態よりも薄くすることができる。

【００２８】また、上述の実施の形態では、裏面樹脂層
３０を下部クラッド層３を形成する前に形成している
が、裏面樹脂層３０は、光導波路４のパターニングため
の露光工程よりも前に形成されていれば良い。よって、
下部クラッド層３を形成した後で裏面樹脂層３０を形成
する工程にすることもできる。

【００２９】また、裏面樹脂層３０の本実施の形態で
は、光導波路４のパターニングの工程で基板から剥離し
ているが、剥離はこれ以降の工程で行ってもよい。例え
ば、上部クラッド層５を形成した後で剥離することがで
きる。

【００３０】また、裏面樹脂層３０を基板１から剥離し
ない工程にすることもできる。この場合、図３の光導波
路デバイス１００の基板１の裏面に、裏面樹脂層３０が
形成されたままの製品となる。この裏面樹脂層３０は、
光導波路デバイス１００を電気回路基板に搭載して用い
る際に光導波路デバイス１００と電気回路基板とを絶縁
する絶縁層として利用することができる。

【００３１】また、裏面樹脂層３０を基板１から剥離し
ない場合、裏面樹脂層３０を接着性のある樹脂で形成し
ておくことにより、光導波路デバイス１００を電気回路
基板に搭載して用いる際に、光導波路デバイス１００を
電気回路基板に接着する接着層として利用することもで
きる。例えば、裏面樹脂層として加熱により接着性を示
す樹脂により形成しておくことにより、光導波路デバイ
ス１００を電気回路基板に搭載して加熱することにより
両者を固定することができる。

【００３２】また、裏面樹脂層３０を基板１から剥離し
ない場合、光導波路デバイス１００にレーザーダイオー
ドのような光源が搭載されている構成のときには、裏面
樹脂層３０を熱伝導性のある樹脂で形成しておくことに
より、その熱を電気回路基板に伝導させて逃がすことが
できるため好ましい。裏面樹脂層３０を構成する熱伝導
性の高い樹脂としては、例えば、銀、Ｓｉ、ダイヤモン
ド等の粒子がフィラーとして加えられた樹脂を用いるこ
とができる。

【００３３】また、裏面樹脂層３０を製造工程で剥離し
ない場合、図５（ｃ）で短冊状の基板１を光導波路デバ
イス１００の個片にダイシングする工程において、裏面
樹脂層３０のみを残してダイシングするようにすること
ができる。これにより、複数の光導波路デバイス１００
が、連続した１枚の裏面樹脂層３０により短冊状に連な
った形状で完成品となるため、流通時や光導波路デバイ
ス１００を装置に搭載する工程等での取り扱いが容易に
なるという効果が得られる。また、ダイシングの際に基
板１の裏面に別途ダイシング用テープを貼る必要がない
という利点もある。このように連なった形状で完成品と
する場合、短冊状に連なった光導波路デバイス１００か
ら、個々の光導波路デバイスを切り離す際には、隣り合
う光導波路デバイス１００の境で裏面樹脂層３０を切り
離すことにより、裏面樹脂層３０が裏面に付いた光導波
路デバイス１００の個片が得られる。よって、裏面樹脂
層３０を軟らかい樹脂で形成しておくことにより、個々
の光導波路デバイス１００に小さな力で切り離すことが
できる。また、裏面樹脂層３０として基板１からの剥離
性のよい樹脂を用いておき、短冊状に連なった光導波路
デバイス１００の裏面樹脂層３０から個々の光導波路デ
バイス１００を剥がして使うようにすることもできる。

【００３４】上述してきた本実施の形態で製造した光導
波路デバイスは、下部クラッド層３から上部クラッド層
５まで全ての層をポリイミドで形成しているため、Ｔｇ
が高く、耐熱性にすぐれている。よって、本実施の形態
の光導波路デバイスは、高温になっても伝搬特性を維持
できる。また、ポリイミドは、半田付け等の高温工程に
も耐えることができるため、光導波路デバイスの上にさ
らに別の光導波路デバイスや電気回路素子や受発光素子
をはんだ付けすることも可能である。なお、裏面樹脂層
３０を剥離しないで上述のように接着層や絶縁層等とし
て利用する構成にする場合には、裏面樹脂層３０を構成
する材料の樹脂成分として、耐熱性に優れたポリイミド
を用いることが望ましい。

【００３５】本実施の形態の光導波路デバイス１００
は、光導波路４のパターニングの際に、基板１の反りを
抑制して露光を行っているため、無機基板１の上に樹脂
製の光導波路を搭載した構成でありながら、光導波路４
の形状の誤差が小さく、設計通りに優れた光学特性を有
する光導波路デバイスを量産することができる。よっ
て、光通信装置に本実施の形態の光導波路デバイス１０
０を用いることにより高性能な光通信装置を安価に製造
することができる。また、裏面樹脂層３０を熱伝導性が
高くしかも接着性のある樹脂、例えば銀のフィラーを加
えたポリイミドで形成しておき、裏面樹脂層３０を剥が
さない構成にすることにより、光導波路デバイス１００
を電気回路基板に固定する際の接着剤として利用でき、
工程が簡略化できる。また、レーザーダイオードの熱が
裏面樹脂層３０を伝導して電気回路基板に逃げるため、
電気回路基板を介して放熱できるという利点も得られ
る。

【００３６】

【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば、
無機材料基板上に樹脂製光導波路を搭載した光導波路デ
バイスの製造方法であって、基板の反りを抑制して精度
良く光導波路をパターニングすることのできる光導波路
デバイスの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態の
模式化された光導波路デバイスの製造方法を示す切り欠
き斜視図である。

【図２】 （ｄ）、（ｅ）は、本発明の一実施の形態の
模式化された光導波路デバイスの製造方法を示す切り欠
き斜視図である。

【図３】 本発明の一実施の形態の製造方法で製造した
模式化された光導波路デバイスの構成を示す斜視図であ
る。

【図４】 （ａ）は、図１（ｃ）の工程で光導波路４を
パターニングする前の基板１の反りを示す断面図であ
る。（ｂ）は、比較例として裏面樹脂層３０を形成しな
かった場合の基板１の反りを示す断面図である。

【図５】 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態の
光導波路デバイスの製造方法においてダイシングの工程
を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・・シリコン基板 ３・・・下部クラッド層 ４・・・光導波路 ５・・・上部クラッド層 ７・・・電極部 １０・・・光導波路積層体 ３０・・・裏面樹脂層 １００・・・光導波路デバイス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮寺 信生 茨城県つくば市和台48 日立化成工業株式 会社総合研究所内 (72)発明者 林田 茂 茨城県つくば市和台48 日立化成工業株式 会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 2H047 KA03 MA07 PA28 QA05 QA07 TA00

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の上面に、下部クラッド層を樹脂に
   より形成する第１の工程と、 前記下部クラッド層の上に光導波路用樹脂層をさらに積
   層する第２の工程と、 前記第２の工程で形成した光導波路用樹脂層を所望の光
   導波路の形状にパターニングするためにフォトリソグラ
   フィを行う第３の工程とを有する光導波路デバイスの製
   造方法であって、 前記基板として無機材料からなる基板を用い、前記第１
   の工程の前、または、第１の工程後で第２の工程の前、
   または、第２の工程後で第３の工程前に、前記下部クラ
   ッド層および前記光導波路用樹脂層が前記基板に与える
   応力をうち消すための樹脂層を、前記基板の裏面に形成
   する裏面樹脂層形成工程を含むことを特徴とする光導波
   路デバイスの製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光導波路デバイスの製
   造方法において、前記第３の工程の後に、前記基板の裏
   面の前記樹脂層を剥離する工程を有することを特徴とす
   る光導波路デバイスの製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光導波路デバイスの製
   造方法において、前記基板の裏面の前記樹脂層を熱伝導
   性樹脂により形成し、前記基板の裏面の前記樹脂層を剥
   離しないまま完成させることを特徴とする光導波路デバ
   イスの製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の光導波路デバイスの製
   造方法において、前記熱伝導性樹脂として、樹脂中に熱
   伝導性材料の粒子が分散されたものを用いることを特徴
   とする光導波路デバイスの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項１または３に記載の光導波路デバ
   イスの製造方法において、前記基板として前記光導波路
   が複数個形成できる大きさのものを用い、前記第１、第
   ２、第３および裏面樹脂層形成工程を前記基板全体に対
   して施すことにより、前記光導波路を前記基板上に複数
   個形成し、前記第３の工程の後に、前記光導波路ごとに
   前記基板を切り分ける切断工程を有し、 該切断工程において前記基板裏面の樹脂層を残して前記
   基板を切り分けることにより、前記樹脂層により複数の
   前記光導波路デバイスが連なった形状で完成させること
   を特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
6. 【請求項６】 無機材料基板と、前記基板の上面に配置
   された、樹脂製の光導波路と、樹脂製のクラッド層とを
   有し、 前記基板の裏面には、前記樹脂製の光導波路と前記樹脂
   製のクラッド層とが前記基板に与える応力をうち消すた
   めの裏面樹脂層が配置されていることを特徴とする光導
   波路デバイス。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の光導波路デバイスにお
   いて、前記裏面樹脂層は、熱伝導性樹脂からなることを
   特徴とする光導波路デバイス。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の光導波路デバイスにお
   いて、前記熱伝導性樹脂として、樹脂中に熱伝導性材料
   の粒子が分散されたものを用いることを特徴とする光導
   波路デバイス。