JP2005266636A - コア層中に回折格子を有するポリイミド光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリイミド樹脂からなるコア層の上にオーバークラッド層を形成した後、オーバークラッド層の屈折率を変化させることなく、コア層内においてのみ、屈折率を周期的に変化させることらなる、コア層内に回折格子を有するポリイミド樹脂光導波路の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によれば、
（ａ）基板上に所定のパターンを有するポリイミド樹脂からなるコア層を形成し、
（ｂ）このコア層を形成した基板上にポリイミド樹脂からなるオーバークラッド層を形成し、
（ｃ）次いで、多光束干渉法によって上記オーバークラッド層側から上記コア層にパルスレーザーを集束して周期的に照射して、ポリイミド樹脂の屈折率をそのレーザー集束領域において周期的に変化させて回折格子を形成することを特徴とする、コア層中に回折格子を有するポリイミド光導波路の製造方法が提供される。
【選択図】なし

Description

本発明は、コア層中に回折格子を有するポリイミド光導波路の製造方法に関する。

ポリイミド樹脂からなる光導波路、特に、ポリイミド樹脂からなるコア層とこれを被覆するオーバークラッド層とを備えた光導波路は既に知られている（例えば、特許文献１参照）。また、コア層内に回折格子を形成した光導波路も種々知られている（例えば、特許文献２参照）。

このような光導波路の製造において、そのコア層内に屈折率を周期的に変化させて、回折格子を炊き込む、即ち、形成する場合、オーバークラッド層の屈折率を変化させないためには、コア層に回折格子を形成した後、そのコア層の上にオーバークラッド層を形成せざるを得ない。しかし、このような方法によれば、オーバークラッド層を形成する前は、コア層が露出しているので、コア層形成工程からオーバークラッド層形成工程への搬送の際にコア層の表面に異物が付着して不良品が発生するおそれがあり、そのような不良品が発生すれば、前工程での回折格子の形成が無駄になり、延いては、生産性を低め、製品価格を高める要因となる。
特開２００３−２４８３１１号公報 特開平０６−２３５８０８号公報

本発明は、ポリイミド樹脂からなるコア層とこれを被覆するオーバークラッド層とを備えていると共に、このコア層に回折格子を有する光導波路の製造において、コア層内に回折格子を形成する際の上述した問題を解決するためになされたものであって、ポリイミド樹脂からなるコア層の上にオーバークラッド層を形成した後、オーバークラッド層の屈折率を変化させることなく、コア層内においてのみ、屈折率を周期的に変化させることからなる、コア層内に回折格子を有するポリイミド樹脂光導波路の製造方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、
（ａ）基板上に所定のパターンを有するポリイミド樹脂からなるコア層を形成し、
（ｂ）このコア層を形成した基板上にポリイミド樹脂からなるオーバークラッド層を形成し、
（ｃ）次いで、多光束干渉法によって上記オーバークラッド層側から上記コア層にパルスレーザーを集束して周期的に照射して、ポリイミド樹脂の屈折率をそのレーザー集束領域において周期的に変化させて回折格子を形成することを特徴とする、コア層中に回折格子を有するポリイミド光導波路の製造方法が提供される。

本発明の方法によれば、コア層上にオーバークラッド層を形成した後、上記コア層に回折格子を形成することができる。このような方法によれば、コア層に回折格子を形成した後、オーバークラッド層を形成する前の不具合によって不良品が生じる等の問題がない。

本発明によれば、先ず、工程（ａ）として、基板上に所定のパターンを有するポリイミド樹脂からなるコア層を形成する。用いる基板に応じて、必要な場合に、その基板上にアンダークラッド層を形成し、このアンダークラッド層上にコア層を形成する。必ずしも限定されるものではないが、基板上にアンダークラッド層を形成する場合には、アンダークラッド層もポリイミドから形成することが好ましい。コア層の寸法は、その内部に回折格子を形成するためには、通常、幅５〜１０μｍ、厚み５〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。

上記基板としては、石英ガラス基板、シリコンウエハ、金属箔、プラスチックフィルム等を用いることができる。基板として、石英ガラス基板を用いる場合は、アンダークラッド層は必ずしも必要ではないが、シリコンウエハ、金属箔、プラスチックフィルムを用いる場合は、アンダークラッド層を形成することが好ましい。また、本発明によれば、フレキシブル配線回路基板を基板として用いることもできる。この場合には、電気配線と本発明の方法による光導波路を同じ基板上に形成することができる。

本発明において、ポリイミド樹脂からなるコア層を形成する手段、方法は、特に、限定されるものではなく、ウェットエッチング、ドライエッチング等、適宜の方法によってよいが、例えば、既に知られているように、１，４−ジヒドロピリジン誘導体を感光剤としてポリアミド酸に配合してなる感光性ポリアミド酸を用いて、ウェットエッチングにてコア層を形成することができる。同様に、ポリイミドからなるアンダークラッド層やオーバークラッド層を形成する手段、方法も、特に、限定されるものではないが、好ましくは、ポリアミド酸を用いるウェットプロセスによればよい。

ポリアミド酸は、既によく知られているように、適宜の有機溶媒中、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド中、テトラカルボン酸二無水物とジアミンとを等モル比にて反応させることによって、溶液として得ることができる。テトラカルボン酸二無水物としては、例えば、ピロメリット酸二無水物、３，３' ，４，４' −ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，２−ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン二無水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン二無水物、３，３' ，４，４' −ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エーテル二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルホン酸二無水物等を挙げることができる。

他方、ジアミンとしては、例えば、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、３，４' −ジアミノジフェニルエーテル、４，４' −ジアミノジフェニルエーテル、４，４' −ジアミノジフェニルスルホン、３，３' −ジアミノジフェニルスルホン、２，２−ビス（４−アミノフェノキシフェニル）プロパン、２，２−ビス（４−アミノフェノキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、２，４−ジアミノトルエン、２，６−ジアミノトルエン、ジアミノジフェニルメタン、４，４' −ジアミノ−２，２−ジメチルビフェニル、２，２−ビス（トリフルオロメチル）−４，４' −ジアミノビフェニル等を挙げることができる。

このようなポリアミド酸の溶液に感光剤として、１，４−じヒドロピリジン誘導体を混合、溶解させることによって、感光性ポリアミド酸を溶液組成物として得ることができる。上記１，４−じヒドロピリジン誘導体としては、例えば、１−エチル−３，５−ジメトキシカルボニル−４−（２−ニトロフェニル）−１，４−ジヒドロピリジン、１−メチル−３，５−ジメトキシカルボニル−４−（２−ニトロフェニル）−１，４−ジヒドロピリジン、１−プロピル−３，５−ジメトキシカルボニル−４−（２−ニトロフェニル）−１，４−ジヒドロピリジン、１−プロピル−３，５−ジエトキシカルボニル−４−（２−ニトロフェニル）−１，４−ジヒドロピリジン等を挙げることができる。このような１，４−ジヒドロピリジン誘導体は、ポリアミド酸１００重量部に対して、通常、０．５〜３０重量部、好ましくは、１〜２０重量部の範囲で用いられる。

本発明によれば、必要に応じて、感光性ポリアミド酸に更にポリエチレングリコールを配合してもよい。ポリエチレングリコールを配合することによって、感光性ポリアミド酸を紫外線に露光させ、露光後加熱した後、アルカリ水溶液からなる現像剤による現像速度を著しく速めることができる。ポリエチレングリコールとしては、通常、２００〜２０００の重量平均分子量を有するものがポリアミド酸１００重量部に対して５〜４０重量部の範囲で用いられる。

感光性ポリアミド酸を用いて、所定のパターンを有するコア層を形成するには、前述したように、感光性ポリアミド酸を得、これを、例えば、スピンコート法によって基材上に塗布し、乾燥させて、被膜とし、次いで、この被膜をフォトマスクを介して露光させた後、通常、１２０〜１９０℃の温度に２〜１０分間程度、加熱（露光後加熱）する。本発明において用いる感光性ポリアミド酸は、この露光後加熱によって、露光部の被膜の現像剤に対する溶解性が非露光部に比べて低下するので、露光後、ネガ型潜像を有する被膜を形成する。そこで、このようなネガ型潜像を有する被膜をアルカリ水溶液で処理して、非露光部を溶解、除去、即ち、現像すれば、ネガ型画像を得ることができる。この後、このネガ型画像を窒素のような不活性ガス雰囲気下か、又は真空下に高温に加熱して、ネガ型画像を形成しているポリアミド酸を閉環、イミド化させると共に、ネガ型画像中の感光剤１，４−ジヒドロピリジン誘導体を熱分解し、揮散させることによって、ポリイミド樹脂からなる所定のパターンを有するコア層を形成することができる。

上記感光性ポリアミド酸からなる被膜を露光させるには、紫外線や電子線等の活性光線を用いることができる。紫外線を用いて露光させるには、露光波長は、通常、３００〜５００ｎｍ、好ましくは、３５０〜４５０ｎｍの範囲であり、露光積算量は、通常、１０〜１０００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは、５０〜５００ｍＪ／ｃｍ² の範囲である。

現像液としてのアルカリ水溶液には、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の無機アルカリ水溶液や、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド等の有機アルカリ水溶液を用いることができる。但し、半導体を汚染しないためには、有機アルカリ水溶液を用いることが望ましい。また、現像液には必要に応じて、アルコール等の溶解調整剤を加えてもよい。現像方法としては、浸漬法、スプレー法、パドル法等によることができる。現像温度は室温でもよく、必要に応じて、加温してもよい。

上記ポリイミド化のための加熱温度は、通常、２５０〜４５０℃の範囲である。ポリイミド化のための加熱温度が２５０℃よりも低いときは、前記１，４−ジヒドロピリジン誘導体がポリイミド被膜中に残存して、得られるポリイミド被膜が望ましい物性をもたないおそれがあり、他方、４５０℃を越えるときは、ポリイミド自体が劣化するおそれがある。上記ポリイミド化のための加熱温度は、好ましくは、３００〜４００℃の範囲である。

前述したように、基板上にポリイミド樹脂からなるアンダークラッド層を形成する場合には、ポリアミド酸の溶液を基板上に、例えば、スピンコート法によって塗布し、乾燥させて、被膜とした後、上述したように、不活性ガス雰囲気下か、又は真空下に高温に加熱して、ポリアミド酸を閉環、イミド化させればよい。

次いで、本発明によれば、工程（ｂ）として、上記コア層を形成した基板上にポリイミド樹脂からなるオーバークラッド層を形成する。このオーバークラッド層の厚みは、通常、１０〜３０μｍの範囲にあることが好ましい。このようなオーバークラッド層を形成する手段、方法も、特に、限定されるものではないが、前述したように、例えば、コア層上にポリアミド酸を塗布し、乾燥し、加熱して、ポリアミド酸をイミド化すればよい。

本発明によれば、このようにして、基板上に所定のパターンを有するポリイミド樹脂からなるコア層を形成し、このコア層を形成した基板上にポリイミド樹脂からなるオーバークラッド層を形成した後、上記オーバークラッド層側から上記コア層に多光束干渉法によってパルスレーザーを照射して、コア層内のレーザー集束領域においてポリイミド樹脂の屈折率を周期的に変化させて回折格子を書き込む。

上記多光束干渉法は、既に知られており（特開２００３−０８４１５８号公報）、１つのレーザービームを回折光学素子で分割し、レンズで平行光線として、干渉に必要な本数を遮弊板を通して取り出し、これらをレンズで目的とする集束領域に集束して干渉させる方法である。

パルスレーザーとしては、チタン・サファイア結晶を媒体とするレーザーや色素レーザーを再生、増幅して得られたパルスレーザー等が好ましく用いられる。パルス幅は１０^-12 秒以下、波長は可視光領域の４００ｎｍから１．２μｍの範囲が好ましく、周波数は、通常、１Ｈｚから８０ＭＨｚの範囲である。パルスエネルギーは、通常、０．０１ｎＪ／パルスから５００ｍＪ／パルスの範囲であり、好ましくは、１０ｎＪ／パルスから１００ｍＪ／パルスの範囲であり、最も好ましくは、０．０１〜１００μＪ／パルスの範囲である。

本発明によれば、コア層内にパルスレーザーを集束して周期的に照射し、そのレーザー集束領域にてポリイミド樹脂の屈折率を周期的に変化させることによって、回折格子をコア層内に書き込む。即ち、本発明によれば、形状寸法を同じくするレーザー集束領域、即ち、回折格子要素は、例えば、球状乃至粒状か、又はコア層の厚み方向に伸びる円柱状、平板状等であり、コア層内にそれぞれ所定のピッチで周期的に三次元的に構造形成されている。即ち、コア層の長さ方向をＸ軸、幅方向をＹ軸、厚み方向をＺ軸とすれば、回折格子要素はＸＹＺ方向にそれぞれ所定のピッチで周期的に三次元的に構造形成されている。従って、コア層の横断面において、回折格子要素は複数の列に形成されていてもよく、同様に、回折格子は、コア層内に多層に形成されていてもよい。

本発明によるコア層の一例を図１に示す。コア層１は、横断面が縦横それぞれ１０μｍ、長さ５ｃｍの直方体形状を有し、その長さ方向の中央部に長さｄ（例えば、８０μｍ）にわたって回折格子２が形成されている。この回折格子は、例えば、図２に示すように、コア層１内に三次元的に周期的に形成された２層の平板状の回折格子要素３からなる。

回折格子の形状寸法は、レーザー光の照射時間、焦点位置の移動方向やその速度、レーザー光のパルス幅の大きさや照射エネルギーの大きさ、レーザーの焦点を調整するためのレンズの開口数や倍率等によって、適宜に変更し、調整することができる。

以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。

実施例１
２，２’−ビス（トリフルオロメチル）−４，４’−ジアミノビフェニル１６．０ｇ（０．０５モル）をＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド１５２．８ｇに溶解させた。攪拌しながら、このジアミン溶液に２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物２２．２ｇ（０．０５モル）を加えた後、室温で２４時間攪拌して、ポリアミド酸溶液Ａを調製した。

このポリアミド酸溶液Ａに感光剤として１−エチル−３，５−ジメトキシカルボニル−４−（２−ニトロフェニル）−１，４−ジヒドロピリジン１．３ｇ（ポリアミド酸溶液中のポリアミド酸（固形分）１００重量部に対して４．０重量部）を加えて、感光性ポリアミド酸溶液Ｂを調製した。

この感光性ポリアミド酸溶液Ｂを厚み１．０ｍｍの合成石英ガラス基板上にスピンコート法にて塗布し、９０℃で約１５分間乾燥させて、基板上に乾燥厚み３０μｍの感光性ポリアミド酸被膜を形成した。

この感光性ポリアミド酸被膜にフォトマスクを介して、形成すべきコア層に対応して紫外線を露光させて、光導波路のコア層をネガ型潜像として形成し、１７０℃で１０分間露光後加熱した。次いで、上記潜像をアルカリ水溶液を現像剤として用いて現像した後、真空雰囲気下、３６０℃で２時間加熱して、ポリアミド酸のイミド化を完結させ、かくして、光導波路のコア層（幅１０μｍ、厚み１０μｍ）を形成した。

この後、上記コア層を有するポリイミド被膜上にスピンコート法にて前記ポリアミド酸溶液Ａを塗布、乾燥させた後、真空雰囲気下、３６０℃で２時間加熱して、ポリアミド酸をイミド化させて、上記コア層上にオーバークラッド層（厚み１０μｍ）を形成し、かくして、光導波路を得た。

次いで、この光導波路のコア層の長さ方向のほぼ中央部に８０μｍの長さにわたって、パルスレーザー（波長７８０ｎｍ、パルス幅１５０フェムト秒、周波数１ｋＨｚのチタン・サファイア・フェムト秒パルスレーザー）を用いる５光束干渉露光法にて、オーバークラッド層の上から下記の条件にて、約１μｍの大きさの球状の回折格子要素がＸＹＺ方向にそれぞれ２μｍのピッチで三次元的に周期的に形成されてなる回折格子を形成した。照射量は、１５μＪ／パルスで５分間照射とした。

このようにして得た光導波路の両端を回折格子の形成部分が長さ方向の中心になるようにダイシング装置によって切断した後端面加工を行って、長さ方向の中央部に回折格子を有する長さ５ｃｍの光導波路を得た。１本のシングルモードファイバを通して、異なる波長が混在した光（波長１５３０〜１５５０ｎｍ）をこの光導波路に入射したところ、目的とする光の波長（波長１５５０ｎｍ）のみを取り出すことができた。即ち、上記光導波路は導波長フィルターとしての機能を有するものであった。

コア層の一例を示す斜視図である。 コア層内に所定のピッチで周期的に形成された回折格子要素の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１…コア層
２…回折格子
３…回折格子要素

Claims (1)

1. （ａ）基板上に所定のパターンを有するポリイミド樹脂からなるコア層を形成し、
   （ｂ）このコア層を形成した基板上にポリイミド樹脂からなるオーバークラッド層を形成し、
   （ｃ）次いで、多光束干渉法によって上記オーバークラッド層側から上記コア層にパルスレーザーを集束して周期的に照射して、ポリイミド樹脂の屈折率をそのレーザー集束領域において周期的に変化させて回折格子を形成することを特徴とする、コア層中に回折格子を有するポリイミド光導波路の製造方法。
   
   

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