JP2007128105A - 光導波路デバイスの製造方法及び光導波路デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】下部クラッド層を備えた基板上に、第1の樹脂膜を形成する第1の工程と、前記第1の樹脂膜を光導波路形状にパターニングしてコア層を形成する第2の工程と、前記下部クラッド層及び前記コア層表面に、第2の樹脂膜の材料溶液を、乾燥膜厚が、下部クラッド層上面からコア層の厚みの3〜10倍となるようにスピンコート法により塗布、乾燥して第2の樹脂膜を形成する第3の工程と、前記第2の樹脂膜を、下部クラッド層の上面から前記コア層の厚みの3倍未満となるように除去して、第2の樹脂膜を上部クラッド層とする第4の工程とを有し、前記第3の工程において、第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段を設けたことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
【選択図】図3
Description
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、これを所望の光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、装置及び工程が簡単であるという利点がある。
このようなポリマー光導波路は、例えば、シリコン等の基板上に、下部クラッド層を形成し、この下部クラッド層上に、第1の樹脂膜を形成し、この第1の樹脂膜を光導波路形状にパターニングしてコア層を形成し、下部クラッド層及びコア層表面に、第2の樹脂膜の材料溶液をスピンコート法により塗布、乾燥して第2の樹脂膜からなる上部クラッド層を形成することにより製造される。
このように、樹脂によりコア層及びクラッド層を形成することにより、簡単な製造工程で樹脂製光導波路を製造することができるが、Y分岐を有する光導波路の分岐部分のように、2以上の光導波路の間隔が非常に狭い部分では、コア層と上部クラッド層との境界や上部クラッド層の内部に気泡が生じることがある。このように気泡が生じると、光導波路の伝搬効率に悪影響を及ぼす。
本発明の他の目的は、分岐部を有する樹脂製光導波路デバイスであって、分岐部に、光導波路の伝搬効率に悪影響を及ぼす気泡のない樹脂製光導波路デバイスを提供することである。
1.下部クラッド層を備えた基板上に、第1の樹脂膜を形成する第1の工程と、
前記第1の樹脂膜を光導波路形状にパターニングしてコア層を形成する第2の工程と、
前記下部クラッド層及び前記コア層表面に、第2の樹脂膜の材料溶液を、乾燥膜厚が、下部クラッド層上面からコア層の厚みの3〜10倍となるようにスピンコート法により塗布、乾燥して第2の樹脂膜を形成する第3の工程を有し、
前記第3の工程において、第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段を設けたことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
2.第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段が、スピンコーターのローターに取り付けられた回転カップと同一円周上に設けられた液溜めの内周壁に設けられた排液孔と、溶媒塗布面とその周囲雰囲気との相対速度をゼロにする手段とである上記1記載の光導波路デバイスの製造方法。
3.第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段が、スピンコーターの回転カップの同一円周上に設けられた液溜めに投入された溶媒である上記1又は2記載の光導波路デバイスの製造方法。
4.第2の工程と第3の工程の間にコア層と下部クラッド層の上面に、ぬれ性を向上させるための溶媒を付着させる工程を有する上記l〜3のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
5.前記第2の樹脂膜を、下部クラッド層の上面から前記コア層の厚みの3倍未満となるように除去して、第2の樹脂膜を上部クラッド層とする第4の工程を有する上記1〜4のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
6.第2の樹脂膜をコア層の厚みの3倍未満となるように除去する手段がドライエッチング、ウェットエッチング、又は研磨剤による研磨である上記l〜5のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
7.第2の樹脂膜をコア層の厚みの2〜3倍未満となるように除去する上記l〜6のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
8.分岐部を有する樹脂製光導波路デバイスであって、該分岐部に、光導波路の伝搬効率に悪影響を及ぼす気泡を含まない樹脂製光導波路。
9.第2の樹脂膜がフッ素化ポリイミド樹脂である上記8記載の光導波路デバイス。
まず、本発明の光導波路デバイス100の構成を図3及び図4を用いて説明する。本発明の光導波路デバイス100は、シリコンウエハ基板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等が配置された構成を有する。
光導波路積層体10は、シリコンウエハ基板1の上に形成された下部クラッド層3と、その上に搭載されたY分岐形状のリッジ型光導波路のコア層4と、コア層4を埋め込む上部クラッド層5と、保護層9とを備えている。
下部クラッド層3及び上部クラッド層5は、いずれも、第1のポリイミド樹脂膜で形成され、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3の表面から約12μmである。コア層4は、第2のポリイミド樹脂膜で形成され、その膜厚は約6μmであり、幅は約6μmである。保護層9は、第3のポリイミド樹脂膜で形成され、その膜厚は、コア層4から離れた端部で約5μmである。電極部7は、発光素子や受光素子を搭載するための電極である。
本発明の光導波路デバイスのコア層(光導波路)4は、図5に示すように、コア層4aと、コア層4aが2方向に分岐したコア層4b及び4cからなるY分岐の部分52を有する。このコア層4aの幅は約6μmである。
本発明の特徴の一つは、下部クラッド層3及びコア層4の表面に、第2の樹脂膜の材料溶液をスピンコート法により塗布、乾燥して第2の樹脂膜を形成する第3の工程において、第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段を設けたことにある。
第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段としては、(1)スピンコーターのローター200に取り付けられた回転カップ400と同一円周上に設けられた液溜め430の内周壁420に設けられた排液孔440と、溶媒塗布面とその周囲雰囲気との相対速度をゼロにする手段との組合せ、(2)液溜め430に、溶媒、好ましくは材料溶液の溶媒と同一の溶媒を投入して回転カップ400内の溶媒の分圧を高くすること、及びこれらの2種以上の組合せが挙げられる。これらの抑制手段にさらに、第2の工程と第3の工程の間に、コア層と下部クラッド層の上面に、ぬれ性を向上させるための溶媒を付着させる工程を設けることも好ましい。
この抑制効果は、液溜め430に、予め溶媒、好ましくは第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒と同一の溶媒、例えばN,N−ジメチルアセトアミドを投入しておくことによりさらに顕著なものとなる。投入量は、2〜10ml程度で充分である。
以下、上記手段(1)を設けた本発明の光導波路デバイスの製造方法について、図3(1)〜(9)を用いてさらに詳細に説明する。
まず、シリコン基板lの上面(図3(1))全体に、第1のポリイミド前駆体溶液を、図1に示すような構造を有するスピンコーターにより塗布して材料溶液膜を形成し、これを加熱乾燥して溶媒を蒸発させ、続いてさらに高温で加熱して樹脂を硬化させ、第1のポリイミド樹脂膜からなる下部クラッド層3を形成する(図3(2))。
この下部クラッド層3の上に、第2のポリイミド前駆体溶液をスピンコーターにより塗布して材料溶液膜を形成し、これを加熱乾燥して溶媒を蒸発させ、続いてさらに高温で加熱して樹脂を硬化させ、コア層4となる第2のポリイミド樹脂膜4を形成する(図3(3))。
この第2のポリイミド樹脂膜4の上にレジストをスピンコーターにより塗布し、乾燥後、露光、現像することにより、レジストパターン層6を形成する。このレジストパターン層6は、第2のポリイミド樹脂膜4をY分岐のコア層(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(図3(4))。
このレジストパターン層6をマスクとして、第2のポリイミド樹脂膜4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、分岐型のコア層4を得ることができる(図3(5))。
その後、レジストパターン層6を剥離する(図3(6))。
しかし本発明では、第1のポリイミド前駆体溶液(第2の樹脂膜の材料溶液)の溶媒の蒸発速度を抑制する手段を設けているため、例えば、図1に示すような構造を有するスピンコーターを使用した場合には、溶媒の蒸発速度が抑制される結果、第1のポリイミド樹脂膜5の厚み(乾燥後)を従来の方法と比較して薄くすることができる。このため、無気泡良品率を95%以上にするには、第1のポリイミド樹脂膜5の厚み(乾燥後)を下部クラッド層3の上面からコア層4の膜厚の3.5倍以上、例えば、約22μm以上となるようにすれば充分であり、後述の上部クラッド層5の除去量を少なくすることができる。
この際、液溜め430に予め溶媒、好ましくは第1のポリイミド前駆体溶液の溶媒と同一の溶媒、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド等を2〜10ml程度投入しておくとさらに好ましい。
さらに、上部クラッド層5となる第1のポリイミド樹脂膜を下部クラッド層3の上面からコア層4の厚みの3倍未満となるように除去し、第1のポリイミド樹脂膜からなる上部クラッド層5を形成する(図3(8))。
第1のポリイミド樹脂膜5をコア層4の厚みの3倍未満となるように除去する手段の例としては、ドライエッチング、ウェットエッチング、及び研磨剤による研磨が挙げられる。
ドライエッチングの例としては、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、反応性スパッタエッチング、イオンビームエッチング等が挙げられ、異方性エッチングが可能なことから反応性イオンエッチングが好ましい。これらは、ガス組成、圧力、温度、周波数、出力などが制御因子であり、目的に適した条件を適宜選択すればよい。
本発明では、ポリイミド樹脂を用いているので、水酸化カリウムや水酸化ナトリウムの水溶液、ヒドラジンとイソプロピルアルコールの混合液、エチレンジアミンとピロカテコールの混合水溶液などを加温して用いることができる。
研磨剤による研磨には、コロイダルシリカ、炭酸バリウム、酸化鉄、炭酸カルシウム、シリカ、酸化セリウム、ダイヤモンド等の研磨剤が用いられ、機械的研磨やメカノケミカル研磨方式が利用される。この方法は表面が均一に研磨されるので好ましいが、研磨傷が付かないように注意する必要がある。
次に、保護層9、上部クラッド層5、コア層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保護層9から下部クラッド層3までを、基板l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4に示した形状の一部となり、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。
露出された電極部7には、所望の形状の金属合金層を形成しても良い。
その後、ウエハ状の基板1をダイシングにより切り出し、側面を研磨して光導波路デバイス100を完成させる。
本発明は、下部クラッド層3及びコア層4の表面に、第2の樹脂膜の材料溶液をスピンコート法により塗布、乾燥して第2の樹脂膜を形成する第3の工程において、第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段を設けることにより、分岐部分における気泡の発生を防止することを特徴とするものであるが、本発明においてはさらに、上部クラッド層5の材料溶液を塗布する際に、そのぬれ性を向上させることにより気泡を低減する方法を組み合わせてもよい。
以下、この方法について説明する。
図3(1)〜図3(6)の工程により、同様に、基板l上にコア層4を形成する。次いで、上部クラッド層5を形成する工程の前に、上部クラッド層5の材料溶液に対するぬれ性を向上させるための処理を、下部クラッド層3の上面とコア層4の側面及び上面に対して行う。この処理は、下部クラッド層3の上面とコア層4の側面を含む上面に対して、上部クラッド層5の材料溶液に用いられる溶媒もしくは、表面張力を低下させる溶媒を塗布する処理である。ここでは、上部クラッド層5の材料溶液に用いられる溶媒のN,N−ジメチルアセトアミドを塗布する。塗布の方法としては、スピン塗布法や、ディッブ法(溶媒中に浸す)、ホイラー法(溶媒の霧を吹く)等を用いることができる。また、塗布に代えて、溶媒の蒸気を満たした容器内に基板1を配置することにより、溶媒蒸気を基板1の処理すべき面に付着させる方法を用いることもできる。なお、容器内に蒸気を満たすために、溶媒の蒸気圧を考慮して、必要であれば容器内を減圧するか、もしくは溶媒を加熱する手法をとることができる。
以降の工程は、第1の実施態様と同様にして光導波路デバイスを完成させる。
この実施の形態では、下部クラッド層3及びコア層4の上面のぬれ性を改善する処理を行ってから上部クラッド層5の材料溶液を塗布しているため、Y分岐を有するコア層4の分岐部において材料溶液の埋め込み不全が発生しにくく、かつ、材料溶液が濡れ広がる際に気泡を巻き込みにくい。これにより、上部クラッド層5に気泡が生じるのを低減することができる。
なお、ぬれ性改善のための処理で用いる溶媒もしくは表面張力低下溶媒としては、上述の溶媒に限られるものではなく、他の溶媒や溶媒を用いることができる。例えば、N−メチルピロリドン等を用いることができる。
第1の実施態様に従い、直径125mmのシリコン基板を用いて光導波路デバイスを製造した。スピンコーターとして、図1(密閉回転カップ)及び図2(B)(開放型)記載のものを使用し、下部クラッド層3とコア層4の表面に塗布する第1のポリイミド前駆体溶液の量を変えて、種々の厚みの上部クラッド層5を製造し、これを下部クラッド層3の上面からコア層4の厚みの3倍未満となるように除去し、上部クラッド層5とし、さらに保護層9を設けた。使用した各層の成分及び乾燥、硬化処理条件は以下のとおりである。
下部クラッド層3及び上部クラッド層5:第1のポリイミド前駆体(日立化成工業株式会社製OPI−N1005(商品名))を用いて形成したポリイミド膜(100℃で30分、次いで、200℃で30分加熱して溶媒を蒸発させ、370℃(上部クラッド層5のときは350℃)で60分加熱して硬化させたもの)(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、表1を参照)
保護層9:第3のポリイミド前駆体(日立化成デュポンマイクロシステムズ株式会社製PIX−6400(商品名))を用いて形成したポリイミド膜(100℃で30分、200℃で30分加熱して溶媒を蒸発させ、次いで、350℃で60分加熱して硬化させたもの)(膜厚は、コア層4から離れた端部の部分で約5μm)
光導波路デバイス100のコア層(光導波路)4の分岐部52を顕微鏡観察し、コア層(光導波路)4bとコア層(光導波路)4c(図5参照)との間隙に気泡51が含まれているかどうかを検査した。上部クラッド層5の塗布条件、乾燥膜厚及び無気泡良品率を表1に示す。ここで、無気泡良品率とは、1枚のウエハ基板上に多数形成された光導波路デバイスの総個数に対するY分岐部に気泡が発生していない光導波路デバイスの個数の百分率である。
表1に示したとおり、従来の開放型のローターを用いた塗布方法(図2(B))では、無気泡良品率95%以上を達成するためには、上部クラッド層形成時の塗布膜厚を約30μm以上にする必要があった。これに対して、溶媒の蒸発速度抑制手段を備えた図1のスピンコーターを用いることにより、無気泡良品率95%以上を達成するためには、上部クラッド層形成時の塗布膜厚を約22μm以上にすれば足り、所望膜厚の上部クラッド層5を得るのに必要なエッチバック量が少なくなり、時間短縮が可能となる。
図5に示すように、気泡51は、分岐部の根元52から約50μm先までの部分で主に生じており、これは、コア層(光導波路)4bとコア層(光導波路)4cの間隙が、分岐部の根元52で行き止まりになっているため、上部クラッド層5の材料溶液が十分に入り込めず、埋め込みが不完全になったためであると推測される。
また、上述の実施の形態では、ポリイミド膜により下部クラッド層3から保護層9までの各層を形成しているが、保護層9は、樹脂に限らず、例えばSiO2等の無機材料により形成することもできる。無機膜として保護層9を形成する場合には、保護層9をCVD法、蒸着法などの公知の成膜方法により形成することができる。また、SOGのように溶液塗布法によっても形成することができる。
この実施例は、上部クラッド層5の材料溶液を塗布する際のぬれ性を向上させることにより気泡を低減するものである。
図3(1)〜図3(6)の工程により、実施例1と同様に、基板l上にコア層4を形成する。
次に、上部クラッド層5を形成する工程の前に、下部クラッド層3の上面とコア層4の側面及び上面に、上部クラッド層5の材料溶液に用いられる溶媒であるN,N−ジメチルアセトアミドを用いて下記の処理を行った。図1のスピンコーターを用いたスピン塗布(10ml/ウエハ1枚)、蒸気を満たし静置(23℃で2時間)、蒸気を満たし減圧して静置(23℃、0.05MPaで2時間)。
コア層4及び下部クラッド層3が溶媒で濡れた状態のまま、上部クラッド層5の材料溶液のOPI−N1005を、乾燥膜圧が下部クラッド層3の上面からコア層4の厚みの3.9倍となるようにスピン塗布した。次に、乾燥器で100℃で30分、次いで、200℃で30分加熱して材料溶液膜の溶媒を蒸発させ、350℃で60分加熱することによりポリイミド樹脂膜の上部クラッド層5を形成した(図3(7))。以降の工程は、第1の実施の形態の製造方法と同様にして光導波路デバイスを完成させた。無気泡良品率を顕微鏡を用いて調べた。
その結果、無処理と比較して、スピン塗布、蒸気(静置)、蒸気(減圧)処理した場合にはいずれも無気泡良品率が向上した。
本発明は、上部クラッド層5を所望の厚みよりも厚く形成することにより、分岐部近傍の気泡の発生を防止するとともに、その過剰塗布量を従来の方法よりも少なくしたことを特徴とする。従って、過剰の上部クラッド層5をエッチバックして所望の厚みとする処理の時間を短縮できる。また、本発明では、上部クラッド層5を厚く形成し、それを下部クラッド層3の上面からコア層4の厚みの3.5倍未満となるように除去するので、上部クラッド層5の上面が、より平滑となる。RIEを利用してエッチバックした場合、従来法ではコア層上面の中央部と端部では3〜4μmの高低差があったが、本発明では、l〜1.5μmと1/3以下になった。このため、保護層9や上部クラッド層5の表面が平滑でさらに多層化する際に有利で、保護層9の厚みを薄くできる効果がある。上部クラッド層5は、コア層4の厚みの2倍程度あれば十分な伝搬効率を示すので第2の樹脂膜5はコア層4の厚みの2〜3.5倍未満となるように除去するのが好ましい。
このように本発明によれば分岐部を有する樹脂製光導波路デバイスであって、分岐部に気泡を生じにくい樹脂製光導波路デバイスを提供することができる。
3 下部クラッド層
4 コア層
5 上部クラッド層
6 マスク
7 電極部
9 保護層
10 光導波路積層体
51 気泡
52 分岐部の根元
100 光導波路デバイス
200 ローター
300 上方開放の円形容器
310 液溜め
320 排液孔
400 回転カップ
410 外周壁
420 内周壁
430 液溜め
440 排液孔
500 塗布液
600 密閉用蓋
700 ウエハ吸着用真空排気装置
Claims (9)
- 下部クラッド層を備えた基板上に、第1の樹脂膜を形成する第1の工程と、
前記第1の樹脂膜を光導波路形状にパターニングしてコア層を形成する第2の工程と、
前記下部クラッド層及び前記コア層表面に、第2の樹脂膜の材料溶液を、乾燥膜厚が、下部クラッド層上面からコア層の厚みの3〜10倍となるようにスピンコート法により塗布、乾燥して第2の樹脂膜を形成する第3の工程を有し、
前記第3の工程において、第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段を設けたことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。 - 第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段が、スピンコーターのローターに取り付けられた回転カップと同一円周上に設けられた液溜めの内周壁に設けられた排液孔と、溶媒塗布面とその周囲雰囲気との相対速度をゼロにする手段とである請求項1記載の光導波路デバイスの製造方法。
- 第2の樹脂膜の材料溶液の溶媒の蒸発速度を抑制する手段が、スピンコーターの回転カップの同一円周上に設けられた液溜めに投入された溶媒である請求項1又は2記載の光導波路デバイスの製造方法。
- 第2の工程と第3の工程の間にコア層と下部クラッド層の上面に、ぬれ性を向上させるための溶媒を付着させる工程を有する請求項l〜3のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
- 前記第2の樹脂膜を、下部クラッド層の上面から前記コア層の厚みの3倍未満となるように除去して、第2の樹脂膜を上部クラッド層とする第4の工程を有する請求項1〜4のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
- 第2の樹脂膜をコア層の厚みの3倍未満となるように除去する手段がドライエッチング、ウェットエッチング、又は研磨剤による研磨である請求項l〜5のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
- 第2の樹脂膜をコア層の厚みの2〜3倍未満となるように除去する請求項l〜6のいずれか1項記載の光導波路デバイスの製造方法。
- 分岐部を有する樹脂製光導波路デバイスであって、該分岐部に、光導波路の伝搬効率に悪影響を及ぼす気泡を含まない樹脂製光導波路。
- 第2の樹脂膜がフッ素化ポリイミド樹脂である請求項8記載の光導波路デバイス。
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