JP2006171625A - 光導波路及び電気配線混載回路、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 デバイスの微細化を目指し、導波路材料を限定して比屈折率差を大きくしなくとも光損失を抑えるようにした。
【解決手段】 基板上に光導波路２と電気配線１とが形成された混載回路にあって、上記光導波路２の屈曲部に屈曲に応じて光を上記光導波路内に反射させる反射鏡３を光導波路２と同一平面内に形成した。反射鏡３と同一のインクジェット装置にて、光導波路２及び電気配線１を形成した。反射鏡３の材料は、電気配線１の材料と同一の材料である。
【選択図】 図１

Description

例えば屈曲部を有する光導波路と電気配線とを同一基板表面上に形成した混載回路とその製造方法に関する。

従来、微細加工技術を利用して、半導体集積回路あるいは基板上の光導波路を形成することができ、最近では光導波路（光回路）・電気配線（電気回路）を混載したデバイスも出現している。このようなデバイスにあって、微細加工を実施するための種々の技術が開発され、従来におけるこのような技術としては、特許文献１〜４に示すものがある。ここで、特許文献１には，光・電気配線基板にあって、コア材料の無駄を極力なくすため、例えばポリシロキサン等の透明なポリマー材料をインクジェット法にて吐出させて光導波路のコアパターンを形成する技術が開示され，特許文献２には、半導体集積回路上に光集積回路を形成するため、基板上にインクジェット法により薄膜光導波路を形成する方法が開示され、また、特許文献３には、光分岐比を任意に設定するため、光導波路の合分岐部にあって、光導波路同士が交わる傾斜部分に銀薄膜よりなる全反射ミラーを蒸着にて形成する技術が開示され、特許文献４には、光集積回路にあって光を多方向に伝搬・出射させるため、導波路層の端面をエッチング処理することにより反射ミラーを形成することが開示されている。
特開２００２−１４２５０号公報 特開平６−１５１６０２号公報 特開平５−３２３１４６号公報 特開平６−９４９３１号公報

上記特許文献１〜４は、微細加工技術であるため、本来更なる小型化あるいは微細化を目指すものである。ここにおいて、光導波路を見るとき，この導波路は、直線のパターンのみならず屈曲しあるいは湾曲したパターンが存在し，屈曲あるいは湾曲の程度によっては、その箇所にて無視できない光の損失が生ずる。光の損失を抑えるべく、例えばシングルモード光導波路にあってクラッドとコアの屈折率の差異に基づく値である比屈折率差を０．５％程度，９０度の光路変更での屈曲や湾曲による光損失を０．１ｄＢ以内と設定した場合、シミュレーションによれば曲率半径は１２ｍｍ以上と算出され、微細加工技術が目指す小型化・微細化は到底無理である。

このため、クラッドとコアの比屈折率差を大きくし、光の封じ込め具合を大きくして、曲率半径を小さくすることも可能である。ところが、今度は所望の比屈折率差を得るためには、コアあるいはクラッドの導波路材料を限定して使用する必要がある。
本発明は、上述の問題に鑑み発明されたもので、デバイスの微細化を目指し、導波路材料を限定して比屈折率差を大きくしなくとも光損失を抑えるようにした光導波路及び電気配線混載回路、及びその製造方法の提供を目的とする。

上述の目的を達成するために本発明は、基板上に光導波路と電気配線とが形成された混載回路において、上記光導波路の屈曲部にこの光導波路上の光をその屈曲と対応して反射させる反射鏡を上記光導波路と同一基板上に形成したことを特徴とする。

この発明によれば、光導波路と電気配線との混載回路にあって、光導波路の屈曲部に反射鏡を形成することで、同一基板上での微細回路の形成を前提として導波路材料を限定することなく光損失を抑えることができる。

以下、図を参照して本発明の実施形態を説明する。
〔実施形態〕
図１は、本発明の実施形態を示すもので、基板上に形成された電気配線１及び光導波路２を施して電気回路及び光回路を混載した構成を示したものである。ここで、図１中光導波路２は、そのコアのみを示すものであり、アンダークラッド及びオーバクラッドは図視省略する。従って、ここで基板は、アンダークラッドを施した基板あるいは，基板そのものがアンダークラッドの機能を有してコアと屈折率の異なる材料の例えばフレキシブル配線基板としてのフィルムを指す。基板としての耐熱フィルムの例としては、Ａｌ、ＰＥＴ、ポリイミドからなる各基板が挙げられる。

図１においては、細線は電気配線１を示し、太線は光導波路２を示す。この光導波路２の屈曲部（図１では９０度あるいは１３５度の屈曲部を示す）にあって光を受ける角部にはこの光を屈曲後の光導波路２に反射させるように反射鏡３が備えられている。そして、この反射鏡３は光導波路２と同一基板上に形成される。すなわち、反射鏡３は、最小の形としてはコアと同一基板上に形成されコアよりの高さが高いものとして形成することができる。図２は、図１の一部にあってこの反射鏡３の構成を拡大したもので、光導波路２を進んでくる光が反射鏡３にて反射されて、屈曲された光導波路２内を進むように構成される。このように屈曲部にて光を受ける角部に反射鏡３を備えたことにより、光の損失が最小限に抑えられる。図１の構成では、反射鏡３の設置位置を屈曲（折れ曲がり）部としたが、この反射鏡３は曲げにより光が外部に発散し損失が増大する箇所に設置することになるので、ここで屈曲部は、湾曲（弓なりの曲がり）部をも含む概念である。曲率半径が小さい湾曲部での反射鏡３の設置についても光損失を抑える上で有効である。

この図１、図２に示す混載回路は、微細回路である。例えば、線間隔を５００μｍ、光導波路２（コア）の線幅を８０〜２００μｍのような寸法を有しており、本実施形態ではインクジェット法により電気配線１、光導波路２及び反射鏡３が形成される。この場合、インク材料の例としては、電気配線１用として金属ナノ粒子分散インク、光導波路２用として有機系インクが使用され、更に反射鏡３のインク材料として電気配線１と同じ鏡となり得る金属ナノ粒子分散インクが使用される。なお、インク材料によっては、透明材料で十分コアとなり得る屈折率を有ししかも導電性材料よりなるものも存在する。この場合は、電気配線１と光導波路２とを同じインク材料にて形成することができる反面、反射鏡３のインク材料は、鏡となり得る金属ナノ粒子分散インクが使用されることになる。なお、電気配線について従来法をみた場合、μｍオーダの銀粒子をバインダ成分中に分散した材料を使用してスクリーン印刷を行う方法があるが、配線だれが生じたり、バインダ成分により配線の比抵抗値が高いという問題があり、また銅箔付基板をエッチングして配線を形成する方法を採った場合には、コスト高という問題がある。本実施形態でのインク材料を用いてインクジェット法にて電気配線を形成することは、これらの問題を解決するものである。

こうして、インクジェット法により電気配線１及び光導波路２を形成し、更に反射鏡３を形成することにより、電気回路と光回路との混載した微細回路を形成することができ、しかも屈曲部での光損失を抑えることができる。更に、設計上屈曲や湾曲を自由に行うことができると共に、光導波路２のインク材料を比屈折率差を殊に大きな材料に限定する必要はなく、材料に細かな制約は必要なくなる。
またインクジェット法により電気配線１、光導波路２及び反射鏡３を形成するにあたり、単一ヘッドのインクジェット装置では、各材料ごとにインクを滴下することで電気配線１、光導波路２及び反射鏡３をそれぞれ形成することができるが、マルチヘッドのインクジェット装置を用い、複数ヘッドに同一のインクを用いることで同一基板上の形状パターンを同時に形成することができる。また、複数のヘッドにそれぞれ異なるインクを用いることにより、例えば同時に基板上の電気配線１と光動波路２とを同時に形成することができる。以上の点から、マルチヘッドのインクジェット装置を用いることで製作時間の短縮及び回路形成プロセス技術の簡素化につながる。

インクジェット法によるインク滴下にあっては、基板への着滴後インクが広がり厚みが薄くなる。具体例として、例えばヘッドの中心点の移動距離を７２０ｄｐｉ（３５．３μｍ程度）とした時、５０ｐｌ（ピコリットル）の滴下にて、直径１００μｍ、厚さ０．５μｍの着滴ドットを形成することができるが、反射鏡３においては光導波路の端面を遮る光反射体となるので図２に示すように同一部分に例えば４０回滴下することにより、着滴厚さを増大させることができる。この場合、同じ部分での滴下はインクの凝集にて同じ広がりで厚さを増やすことになるので、４０回の重ね塗りにて２０μｍ厚さの反射鏡３を形成することができる。この場合、反射鏡３の平坦度は、光の使用波長、例えば通信用光波長１．３μｍよりも小さいことが望ましい。もっとも、マルチモード導波路の場合は、数μｍオーダの平坦度でも大きな支障はない。本実施形態では、これらの要望を満たすものである。

基板上でのインクジェット法による描画に際しては、予めＣＡＤにより混載回路の設計をすることになるが、この設計に基づきインクジェット法によるインクの滴下を施す部分を露光させるマスク（反転マスク）を形成することにより、例えばＵＶ照射にて電気配線１あるいは光導波路２あるいは反射鏡３の形成部分を改質させて濡れ性（親水性）を増大させることが可能である。従って、この電気配線１あるいは光導波路２あるいは反射鏡３あるいはこれらの組合せ部分の反転マスクを形成し、その部分をＵＶ照射にて改質させ、その後改質部分をインクジェット法によりインクを滴下して電気配線１あるいは光導波路２あるいは反射鏡３あるいはこれらの組合せ部分を形成する。この場合、改質部分は、親水性を有するので滴下の広がりの位置ずれを防止することができ、更には仮に位置ずれが生じても滴下したインクが改質部分に引きずられるように収まることができる。また、前述の反射鏡３の重ね塗りについても滴下したインクが改質部分上に位置ずれなく乗り、このインク上に重ね塗りが施されるので後の滴下のインクが凝集して改質されない場合よりも更に位置ずれが補正され、反射鏡３として良好な光反射面を得ることができる。

以下、実施例１について述べる。
回路が形成されるＰＥＴ基板としてＰＥＴフィルムを用い、電気回路、光回路及び反射鏡の形成はインクジェット装置を用い、光導波路用インクは有機高分子系インク、電気配線及び反射鏡用インクは銀ナノ粒子拡散インクであり、光導波路用インクはＰＥＴフィルムより高屈折率である。電気配線及び反射鏡用インクは、この他、酸化銀ナノ粒子インク、有機銀ナノ粒子インク、金ナノ粒子インク、銅ナノ粒子インクが挙げられる。これは他の実施例でも同じである。

まず、電気回路及び光回路を混載した回路をＣＡＤにより設計し、インクジェット描画用データとしてビットマップデータを作成する。
インクジェット法による回路の形成に当たり、ＰＥＴ基板をインクジェット装置のステージに設置し、電気配線１及び反射鏡３を形成する銀ナノ粒子拡散インクを用い図３（Ａ）に示す電気回路の描画データに沿い描画する。ここでは、ノズルの中心点の移動距離（ドット間距離とする）を７２０ｄｐｉ（３５．３μｍ）に設定し、描画後インクジェット装置のステージ上で１５０℃にて１時間乾燥させて銀ナノ粒子を基板に融着させた。この融着により事前実験の通り直径１００μｍで厚さ０．５μｍの配線を形成することができた。そして、４回の重ね塗りで厚さ２μｍの配線とした。また、反射鏡の設置部位では、後程形成される光導波路を通る信号光を効率良く反射させるべく光導波路の厚さ２０μｍと同じ又はそれ以上の厚さとなるようにインクを連続滴下し４０回重ね塗りを行い反射鏡を形成した。こうして、この図３（Ａ）の工程では、電気配線１と共に反射鏡３を形成することができた。

この後、インクジェット装置のステージ上の同ＰＥＴ基板に有機系インク（ポリシロキサン系インク）を用い図３（Ｂ）に示す描画データに沿って描画する。ここでも、ドット間距離を７２０ｄｐｉ（３５．３μｍ）に設定し、事前実験の通り直径１００μｍで厚さ０．５μｍの光導波路２を形成することができ、４０回の重ね塗りを行った。描画後１７０℃にて２時間乾燥させて基板（アンダークラッド）上にポリシロキサンの光導波路２を形成することができた。この光導波路の膜厚は、２０μｍ、幅１００μｍであった。
この後、基板上に形成した電気配線１、光導波路２及び反射鏡３を外部から保護するため、端子部以外の部分をレジストにて覆うようにスクリーン印刷した。この場合、レジスト材料の屈折率は、光導波路材料よりも小さく、オーバクラッドの役目を果す。

以上の工程によって、作成された電気配線及び光導波路の混載回路は、次のような測定結果が得られた。すなわち、光源と受光器との間に何もない時の透過率を１００％とした時、図１のような形状で長さがおよそ２００ｍｍの光導波路２の一端面にて光の入射を行い他端面にて受光した場合、損失測定の結果によれば光の透過率は８０％以上の値を示した。また、銀配線の評価を行った結果、銀配線の抵抗率は１０μΩ・ｃｍ程度であり、配線間の絶縁抵抗は１００ＭΩ以上であった。この抵抗率及び絶縁抵抗の値は、この種回路の規格上満足するものであった。

上述では端子部以外の部分をレジストにて覆うようにスクリーン印刷したのであるが、変形例として、この印刷の代わりにレジスト材料インクを用いてインクジェット装置にて回路を覆うようにした。スクリーン印刷の代わりにインクジェット法にてレジストを形成した場合にも、上述の説明と全て同様な構造を有し、また測定結果を得た。

次に、実施例２について述べる。
回路が形成されるＰＥＴ基板としてＰＥＴフィルムを用い、電気回路及び光回路の形成はインクジェット装置を用い、電気配線及び光導波路用インクは導電性高分子系インク、反射鏡用インクは銀ナノ粒子拡散インクであり、導電性高分子系インクはＰＥＴフィルムより高屈折率である。
まず、電気回路及び光回路を混載した回路をＣＡＤにより設計し、インクジェット描画用データとしてビットマップデータを作成する。

次に、インクジェット法による回路の形成に当たり、ＰＥＴ基板をインクジェット装置のステージに設置し、反射鏡３を形成する銀ナノ粒子拡散インクを用い図３（Ｃ）に示す反射鏡位置の描画データに沿い描画する。ここでは、ドット間距離を７２０ｄｐｉ（３５．３μｍ）に設定し、描画後インクジェット装置のステージ上で１５０℃にて１時間乾燥させて銀ナノ粒子を基板に融着させ反射鏡３を形成した。この場合、後程形成される光導波路を通る信号光を効率良く反射させるべく光導波路の厚さ２０μｍと同じ厚さとなるようにインクを連続滴下し４０回重ね塗りを行い反射鏡３を形成した。

この後、インクジェット装置のステージ上の同一基板上に導電性高分子系インクを用い図３（Ｄ）に示す描画データに沿って描画する。ここでも、ドット間距離を７２０ｄｐｉ（３５．３μｍ）に設定し、事前実験の通り直径１００μｍで厚さ０．５μｍの電気配線１及び光導波路２を形成することができ、電気配線は４回重ね塗りで２μｍ、光導波路２については４０回の重ね塗りを行い、２０μｍの膜厚で、幅は共に１００μｍとした。描画の後、１２０℃にて１時間乾燥させて基板上に電気配線１と光導波路２を形成した。こうして、電気配線１と光導波路２は同一材料により形成された。

以上の工程によって、作成された電気配線及び光導波路の混載回路は、次のような測定結果が得られた。すなわち、光源と受光器との間に何もない時の透過率を１００％とした時、図３（A）のような形状で長さがおよそ２００ｍｍの光導波路の一端面にて光の入射を行い他端面にて受光した場合、損失測定の結果によれば光の透過率は８０％以上の値を示した。また、銀配線の評価を行った結果、銀配線の抵抗率は０．０５Ω・ｃｍ程度であり、配線間の絶縁抵抗は１００ＭΩ以上であった。この抵抗率及び絶縁抵抗の値は、この種回路の規格上満足するものであった。

次に、基板表面の一部を表面改質する実施例３について述べる。
まず、電気回路及び光回路を混載した回路をＣＡＤにより設計し、インクジェット描画用データとしてビットマップデータを作成する。また、同設計を反転させた光導波路及び／又は電気配線を露光する露光用マスクを作成した。この露光用マスクは設計に係る元の描画用のマスクを反転させたマスクであり、マスク形成の手間を省くことができる。このことは微細回路の形成に当たり、簡素化させる工程は非常に有効である。
次いで、ＰＥＴ基板及び露光用マスクを位置合わせて密着後、ＵＶ照射を行った。この照射の結果、ＰＥＴ基板の表面において露光用マスク越しにＵＶ照射された部分のみ表面が改質され、親水性を示した。ＵＶ照射部分での接触角は、８°、非照射部分での接触角は２５°であり、親水性の改質効果を確認できた。

インクジェット法による回路の形成に当たり、同ＰＥＴ基板をインクジェット装置のステージに設置し、電気配線を形成する銀ナノ粒子拡散インクを用い図３（Ａ）に示す電気回路の描画データに沿い描画する。ここでは、描画データに沿う描画は、表面改質部分に沿い描画する。事前実験では表面改質が行われない状態では着滴の位置ずれは±５μｍ程度であるが、表面改質によって着滴に多少の位置ずれが生じても改質された親水性部分に着滴したインクが引きずられ改質部分に収まることが確認された。
ここでのドット間距離を２８８０ｄｐｉ（８μｍ）に設定し、所定の厚さにするために重ね塗りを行う場合、最初の着滴に対して位置ずれが生じても乾燥前では後の液滴が凝集して位置ずれが補正された。描画後１５０℃にて１時間乾燥させて銀ナノ粒子を基板に融着させた。この融着により幅１０μｍで厚さ２μｍの電気回路を形成することができた。また、反射鏡３設置部位では、後程形成される光導波路２を通る信号光を効率良く反射させるべく光導波路の厚さ１０μｍと同じ厚さとなるようにインクを連続滴下し幅１０μｍ厚さ１０μｍの反射鏡３を形成することができた。

この後、ＰＥＴ基板を位置合わせしてインクジェット装置のステ−ジに再度設置し、有機系インク（ポリシロキサン系インク）を用い図３（Ｂ）に示す描画データに沿って描画する。ここでも、ドット間距離を２８８０ｄｐｉ（８μｍ）に設定し、所定の厚さにするために重ね塗りを行う場合、最初の着滴に対して位置ずれが生じても乾燥前では後の液滴が凝集して位置ずれが補正された。描画後１７０℃にて１時間乾燥させて基板（アンダークラッド）上にポリシロキサンの光導波路２を形成することができた。この光導波路２の膜厚は、１０μｍ、幅１０μｍであった。

この後、基板上に形成した光導波路（コア）を覆うように、オ−バクラッド用のポリシロキサン系インクをインクジェット法にて滴下しオ−バクラッドを形成した。
以上の工程によって、作成された電気配線及び光導波路の混載回路は、次のような測定結果が得られた。すなわち、光源と受光器との間に何もない時の透過率を１００％とした時、図３（A）のような形状で長さがおよそ２００ｍｍの光導波路の一端面にて露光を行い他端面にて受光した場合、損失測定の結果によれば光の透過率は８０％以上の値を示した。光導波路のモードはシングルモードを示した。また、銀配線の評価を行った結果、銀配線の低効率は１０μΩ・ｃｍ程度であり、配線間の絶縁抵抗は１００ＭΩ以上であった。この低効率及び絶縁抵抗の値は、この種回路の規格上満足するものであった。

更に、インク材料の条件により次の変形例を得る。ここでは、単一ヘッドノズルを念頭において説明してきたこれまでの実施例の応用としてマルチヘッドノズル（ここでは２ヘッド）のインクジェット装置を用いて、電気配線及び光導波路を形成する場合を述べる。ノズルより滴下されるインク量は、単位ノズル当たり、サブ・フェムトリットル程度であり、この量により線幅１０μｍのものができる。光導波路（コア）を形成するインクはＰＥＴ基板より高屈折率を有し、このインクはオーバクラッド用のインクよりも高屈折率のものである。このコア用インクとクラッド用インクとの比屈折率差は０．２％程度の材料を選定した。

以下、実施例４を説明する。
この実施例では、表面改質と共に光導波路を形成した後反射鏡を形成する工程を例示する。すなわち、図４（Ａ）に示すように基板上の光導波路を形成する部分にたとえばＵＶ照射により表面改質処理を行いこの部分の濡れ性を向上させる。次いで、図４（Ｂ）に示すように表面改質部分にインクジェット法にて光導波路２を形成するインクを滴下し、濡れ性が向上する改質部分に沿い光導波路パターンを形成する。次いで、図４（Ｃ）に示すように乾燥して光導波路を形成する。この後、図４（Ｄ）に示すように光導波路パターンの屈曲した角部にて反射鏡３を形成するインクを滴下し、反射鏡を形成する。かかる工程により図４（Ｄ）の切断図である図４（Ｅ）のように光導波路２の角部端面が反射鏡３のインクにて覆われることになるので、反射効率のよい反射鏡を形成することができる。

本発明の混載回路装置の回路パターンを示す構成図である。 図１の一部拡大図である。 電気配線及び光導波路の形成工程を示すためのパターン構成図である。 実施例４の説明図である。

Claims (5)

1. 基板上に光導波路と電気配線とが形成された混載回路において、
   上記光導波路の屈曲部にこの光導波路上の光をその屈曲と対応して反射させる反射鏡を上記光導波路と同一基板上に形成したことを特徴とする光導波路及び電気配線混載回路。
2. 上記反射鏡、光導波路及び電気配線の少なくとも二つの形成部分は同一のインクジェット装置にて形成したことを特徴とする請求項１に記載の光導波路及び電気配線混載回路。
3. 上記反射鏡の材料は、電気配線の材料と同一の材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路及び電気配線混載回路。
4. 光導波路、電気配線、及び上記光導波路の屈曲部にこの光導波路上の光をその屈曲と対応して反射させる反射鏡をインクジェット法にて基板表面に同時に形成することを特徴とする光導波路及び電気配線混載回路の製造方法。
5. 光導波路、電気配線、あるいは反射鏡の少なくとも一つの形成部分を基板表面上に形成する前に、基板表面の上記対象形成領域の改質を行うことを特徴とする請求項４に記載の光導波路及び電気配線混載回路の製造方法。
   

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