JP2007279237A

JP2007279237A - 光導波路の製法

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Publication number: JP2007279237A
Application number: JP2006103399A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Shimizu; 裕介清水
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-10-25
Also published as: KR20070099467A; CN101051102A; US20070227193A1; KR100944841B1; CN100575995C; EP1843178A1

Abstract

【課題】コア層自身あるいはコア層とアンダークラッド層の界面にクラックが生じず、光損失の少ない光導波路を作製することのできる光導波路の製法を提供する。
【解決手段】基板１面に形成されたアンダークラッド層２上に感光性樹脂組成物層を形成し、この感光性樹脂組成物層面に対して、所定パターンのフォトマスクを介して紫外線を照射して露光する。ついで、上記感光性樹脂組成物層の未露光部分を現像液を用いて溶解除去することによりコア層３を形成した後、上記コア層３上にオーバークラッド層４を形成することにより、光導波路を製造する方法である。そして、上記現像液として、濃度１０〜９９重量％のγ−ブチロラクトン水溶液を用いる。
【選択図】図５

Description

本発明は、光通信，光情報処理，その他一般光学で広く用いられる光導波路の製法に関するものである。

光導波路は、光導波路デバイス、光集積回路、光配線基板に組み込まれており、光通信、光情報処理、その他一般光学の分野で広く用いられている。そして、このような光導波路としては、近年、紫外線硬化性樹脂等の感光性樹脂を用いて製造することが実施されている。例えば、基板上に下部のクラッド層（アンダークラッド層）を形成した後、このクラッド層上に感光性樹脂層を形成して光を照射して露光し、露光部分を現像液を用いて現像・除去することにより所定パターンのコア層を形成し、さらにこのコア層上に上部のクラッド層（オーバークラッド層）を形成して光導波路を作製する方法があげられる。このような光導波路の製造工程での、上記感光性樹脂層の露光部分を現像・除去する際に用いられる現像液としては、例えば、アセトンが用いられている（特許文献１参照）。
特開２０００−３５６７２０号公報

しかしながら、上記コア層の形成に際して現像液としてアセトンを用いると、このアセトンの作用により、コア層自身あるいはコア層と下部のクラッド層（アンダークラッド層）の界面にクラックが発生し、光導波路の機能が低下するという問題が生じていた。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、コア層自身あるいはコア層とアンダークラッド層の界面にクラックが生じず、光損失の少ない光導波路を作製することのできる光導波路の製法の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の光導波路の製法は、基板面にアンダークラッド層を形成する工程と、上記アンダークラッド層上に感光性樹脂組成物層を形成する工程と、上記感光性樹脂組成物層面に対して、所定パターンのフォトマスクを介して紫外線を照射して露光する工程と、上記露光後に感光性樹脂組成物層の未露光部分を現像液を用いて溶解除去することによりコア層を形成する工程と、上記コア層上にオーバークラッド層を形成する工程とを備えた光導波路の製法であって、上記現像液として、濃度１０〜９９重量％のγ−ブチロラクトン水溶液を用いるという構成をとる。

すなわち、本発明者は、上記コア層部分のクラックの発生を抑制して光損失の少ない良質な光導波路を得るために、コア層あるいはコア層とアンダークラッド層の界面に生じるクラックの発生原因について研究を重ねた。その研究の過程において、クラックの発生原因の一つとして、コア層となるパターン形成の際に用いる現像液が関係するという知見を得た。この知見に基づき、コア層あるいはコア層とアンダークラッド層の界面にクラックが生じず、良好なコア層パターンを形成することのできる現像液を得るべく鋭意検討を重ねた。その結果、コア層の形成に際して使用する現像液として、従来全く使用されていなかった、γ−ブチロラクトンを用いることを想起し、さらに研究を重ね、特定の濃度のγ−ブチロラクトン水溶液を用いると、所期の目的が達成されることを見出し本発明に到達した。

このように、本発明は、基板面に形成されたアンダークラッド層上に感光性樹脂組成物層を形成し、この感光性樹脂組成物層面に対して、所定パターンのフォトマスクを介して紫外線を照射して露光した後、上記露光後に感光性樹脂組成物層の未露光部分を現像液を用いて溶解除去することによりコア層を形成した後、上記コア層上にオーバークラッド層を形成することにより光導波路を製造する方法である。そして、上記現像液として、特定の濃度のγ−ブチロラクトン水溶液を用いる。このため、コア層のパターン形成時において、コア層部分にクラックが生じず、高精度のパターンにコア層を形成することができ、その結果、光損失の小さい信頼性に優れた光導波路を効率良く製造することが可能となる。

そして、上記γ−ブチロラクトン水溶液の濃度を７５〜８５重量％とすると、例えば、コア層形成材料である感光性樹脂組成物として、光硬化性エポキシ樹脂組成物を用いた場合、パターンの解像度が向上してより一層精密なコア層パターンが得られるようになる。

本発明の光導波路の製法により得られる光導波路の一例として、図５に示す層構成のものがあげられる。この光導波路は、基板１上にアンダークラッド層２が積層形成され、さらに上記アンダークラッド層２上に所定パターンのコア層３が形成され、このコア層３を包含するようオーバークラッド層４が形成されている。

上記基板１材料としては、特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、石英ガラス板、シリコンウエハ、セラミック基板、ガラスエポキシ樹脂基板、ポリイミドフィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、銅箔やステンレス箔等の金属箔等があげられる。その厚みも、適宜に設定されるが、通常、１０μｍ〜５ｍｍの範囲に設定される。

上記基板１上に積層形成されるアンダークラッド層２形成材料としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等各種高分子材料が用いられるが、上記コア層３形成材料より屈折率が小さいことが必要である。具体的には、コア層３とアンダークラッド層２との屈折率の差は、０．１〜５％程度になるよう設計することが好ましい。

このような上記アンダークラッド層２の形成材料として、具体的には、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂前駆体等があげられる。そして、コア層３の形成材料に用いられる感光性樹脂組成物との接着力が良好なものを選択し用いることが好ましく、このような観点から、例えば、コア層３の形成材料として紫外線硬化型のエポキシ樹脂組成物を用いる場合は、アンダークラッド層２の形成材料としても同様にエポキシ樹脂組成物を用いることが好ましい。

例えば、３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３，４−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート、３，４−エポキシシクロヘキセニルエチル−３，４−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート等の脂環式エポキシ化合物、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、脂肪族エポキシ樹脂、フッ素化エポキシ樹脂等のエポキシ化合物があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いることができる。なかでも、透明性，耐熱性が高いという観点から、脂環式エポキシ化合物を用いることが好ましい。

そして、通常、上記エポキシ樹脂に紫外線硬化性を付与するために光重合開始剤が用いられる。上記光重合開始剤としては、特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、芳香族ジアゾニウム塩、芳香族スルホニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホキソニウム塩、メタロセン化合物、鉄アレーン系化合物等があげられる。その中でも、光硬化性という観点から、芳香族スルホニウム塩を用いることが好ましく、特に、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネート等の芳香族スルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート化合物、芳香族スルホニウム・ヘキサフルオロホスホニウム化合物、またはその両者の併用が、硬化性および接着性等の観点から好ましい。また、上記光重合開始剤以外に、光増感剤や酸増殖剤等の添加剤を必要に応じて適宜添加することができる。

上記光重合開始剤の配合量は、エポキシ樹脂成分１００重量部に対して０．１〜１０重量部、より好ましくは１〜５重量部の範囲に設定することが好ましい。

さらに、上記アンダークラッド層２の形成材料においては、必要に応じて接着性を高めるために、シラン系あるいはチタン系のカップリング剤、オレフィン系オリゴマーやノルボルネン系ポリマー等のシクロオレフィン系オリゴマーやポリマー、合成ゴム、シリコーン化合物等の可撓性付与剤等の化合物、あるいは酸化防止剤、消泡剤等を添加することもできる。

上記アンダークラッド層２上に所定パターンに形成されるコア層３形成材料としては、感光性樹脂組成物が用いられ、例えば、光硬化性エポキシ樹脂組成物が用いられる。そして、上記コア層３形成材料としては、硬化後、光信号として用いられる波長（例えば、８５０ｎｍ、１３００ｎｍ等）に対して透明であることが要求される。

上記光硬化性エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂とともに、紫外線硬化性を付与するために光重合開始剤が用いられる。

上記エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノキシエタノールフルオレンジグリシジルエーテル、ビスフェノールフルオレングリシジルグリシジルエーテル等のフルオレン誘導体、３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３，４−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート、３，４−エポキシシクロヘキセニルエチル−３，４−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート等の脂環式エポキシ化合物、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、脂肪族エポキシ樹脂、フッ素化エポキシ樹脂等のエポキシ化合物があげられる。これらは単独でもしくは２種以上併せて用いられる。なかでも、高屈折率で透明性，溶解性が良好であるという観点から、ビスフェノキシエタノールフルオレンジグリシジルエーテル、脂環式エポキシ化合物を用いることが好ましい。

上記光重合開始剤としては、先に述べたと同様、特に限定するものではなく従来公知のもの、例えば、芳香族ジアゾニウム塩、芳香族スルホニウム塩、芳香族ヨードニウム塩、芳香族スルホキソニウム塩、メタロセン化合物、鉄アレーン系化合物等があげられる。その中でも、光硬化性という観点から、芳香族スルホニウム塩を用いることが好ましく、特に、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネート等の芳香族スルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート化合物、芳香族スルホニウム・ヘキサフルオロホスホニウム化合物、またはその両者の併用が、硬化性および接着性等の観点から好ましい。さらに、上記光重合開始剤以外に、光増感剤や酸増殖剤等の添加剤を必要に応じて適宜添加することができる。

さらに、上記感光性樹脂組成物においては、必要に応じて接着性を高めるために、シラン系あるいはチタン系のカップリング剤、オレフィン系オリゴマーやノルボルネン系ポリマー等のシクロオレフィン系オリゴマーやポリマー、合成ゴム、シリコーン化合物等の可撓性付与剤等の化合物、あるいは酸化防止剤、消泡剤等を添加することもできる。

つぎに、上記所定パターンに形成されたコア層３を包含するオーバークラッド層４形成材料としては、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等各種高分子材料が用いられるが、好ましくは前記アンダークラッド層２形成材料と同様のものが用いられる。

つぎに、上記基板および各層形成材料を用いた、本発明の光導波路の製造方法について、一例をあげて説明する。

まず、図１に示すように、基板１上に、アンダークラッド層形成材料を用いて、乾燥後の膜厚が好ましくは５〜１００μｍとなるよう塗布し、乾燥させることによりアンダークラッド層２を形成する。また、上記アンダークラッド層形成材料が紫外線硬化型樹脂組成物の場合は、紫外線照射を行うことによりアンダークラッド層２を形成する。そして、乾燥後あるいは紫外線照射後、さらに必要に応じて加熱等のキュアを行なう。

上記アンダークラッド層形成材料を用いての塗布方法としては、スピンコート、コーター、円コーター、バーコーター等の塗工による方法や、スクリーン印刷、スペーサを用いてギャップを形成し、そのなかに毛細管現象により注入する方法、マルチコーター等の塗工機によりロール・トゥ・ロール（roll to roll）で連続的に塗工する方法等を用いることができる。

なお、上記アンダークラッド層２と基板１との密着性を向上させるために、基板１のアンダークラッド層２形成面をシランカップリング剤やアルミニウムキレート剤を用いて表面処理してもよい。

つぎに、図２に示すように、上記アンダークラッド層２上に、感光性樹脂組成物を用いて樹脂層５を形成する。この樹脂層５の形成方法としては、上記アンダークラッド層形成材料を用いた場合の塗布方法と同様の方法があげられる。

そして、図３に示すように、上記樹脂層５に対して、所定パターンのマスク６を介して紫外線露光等の光照射を行う。上記露光に際しては、特に限定するものではなく、コンタクト露光、マスク６を樹脂層５から僅かに離して行うプロキシミティ露光、投影露光法等があげられるが、より精度の向上を図る点から、コンタクト露光やプロキシミティ露光を採用することが好ましい。また、上記紫外線の露光に際しては、フィルター等を使用して平行光を用いることが好ましい。

また、上記コア層形成材料である感光性樹脂組成物が、マスク６表面に付着して汚染するのを防止するため、露光時に樹脂層５上に保護層を設けることが好ましい。上記保護層形成材料としては、光透過率の高い成分としては、ＰＥＴフィルム、ガラス等があげられる。そして、上記保護層の厚みは、特に制限するものではないが、３０〜２００μｍの範囲が好ましい。すなわち、３０μｍ未満のように薄過ぎると上記材料が撓みやすく、逆に２００μｍを超えて厚みが厚いと、紫外線透過率が低下する傾向がみられるからである。さらに、上記保護層の樹脂層５側の表面には離型処理を行ってもよい。この表面処理方法としては、前述の基板１とアンダークラッド層２との密着性向上のために表面処理と同様のものがあげられる。

つぎに、露光した後、前記特定の濃度のγ−ブチロラクトン水溶液（現像液）を用いて、樹脂層５の未露光部分を溶解して現像を行なうことによって、図４に示すように所定パターンのコア層３を形成する。上記現像法としては、パドル現像、ディップ法、スプレー法等の公知の技術を用いることができる。なお、現像を行った後、必要により、さらに洗浄を行ってもよい。上記洗浄には、例えば、イソプロピルアルコール等のアルコールや蒸留水等を用いることができる。さらに、形成されたコア層３の硬化をより完全とするために加熱等によるポストキュアを行ってもよい。

上記現像液として用いられるγ−ブチロラクトン水溶液としては、その濃度を１０〜９９重量％の範囲に設定する必要がある。特に、濃度を７５〜８５重量％と設定することが好ましく、例えば、コア層３の形成材料である感光性樹脂組成物として、光硬化性エポキシ樹脂組成物を用いる場合、上記濃度に設定することによりコア層３のパターン解像度が向上して、一層精密なコア層パターンが得られるようになる。すなわち、γ−ブチロラクトン水溶液の濃度が低過ぎると、現像が不充分となり、所望のパターンを形成することができず、逆に濃度が高過ぎると、コア層３にクラックが発生したり、コア層パターンが歪んだり、倒れたりするからである。このように、上記コア層形成材料である感光性樹脂組成物の種類に応じて、上記γ−ブチロラクトン水溶液の濃度を上記範囲内で適宜調整して、現像速度を制御することが可能となる。

ついで、図５に示すように、上記所定パターンのコア層３が形成されたアンダークラッド層２上に、前述のオーバークラッド層形成材料を用いてオーバークラッド層４を形成する。上記オーバークラッド層４の形成方法としては、先に述べたアンダークラッド層２の形成方法と同様の方法があげられる。また、上記オーバークラッド層４形成材料とアンダークラッド層２形成材料とは同じ材料を用いることが好ましい。このようにして、基板１上にアンダークラッド層２が積層形成され、さらに上記アンダークラッド層２上に所定パターンのコア層３が形成され、このコア層３を包含するようオーバークラッド層４が形成された光導波路が製造される。

このようにして得られた光導波路としては、例えば、直線光導波路、曲がり光導波路、交差光導波路、Ｙ分岐光導波路、スラブ光導波路、マッハツエンダー型光導波路、ＡＷＧ型光導波路、グレーティング、光導波路レンズ等があげられる。そして、これら光導波路を用いた光素子としては、波長フィルタ，光スイッチ，光分岐器，光合波器，光合分波器，光アンプ，波長変換器，波長分割器，光スプリッタ，方向性結合器、さらにはレーザダイオードやフォトダイオードをハイブリッド集積した、光伝送モジュール等があげられる。

つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。ただし、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

〔コア層形成材料の調製〕
エポキシ樹脂として、ビスフェノキシエタノールフルオレンジグリシジルエーテル１００重量部、光酸発生剤（光重合開始剤）として、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネート１重量部を混合することにより光硬化性エポキシ樹脂組成物を調製した。

〔アンダークラッド層およびオーバークラッド層形成材料の調製〕
エポキシ樹脂として、３，４−エポキシシクロヘキセニルメチル−３，４−エポキシシクロヘキセンカルボキシレート１００重量部、光酸発生剤（光重合開始剤）として、４，４−ビス〔ジ（β−ヒドロキシエトキシ）フェニルスルフィニオ〕フェニルスルフィド−ビス−ヘキサフルオロアンチモネート１重量部を混合することにより光硬化性エポキシ組成物を調製した。

〔アンダークラッド層の形成〕
ガラス基板（１２ｃｍ×１２ｃｍ×厚み１．１ｍｍ）を準備し、その表面に、スピンコータを用いて５００ｒｐｍ×１０秒間＋１０００ｒｐｍ×１５秒間の条件で、上記調製したアンダークラッド層形成材料を塗布した。その後、高圧水銀ランプを光源とする露光機を用いて、２０００ｍＪ／ｃｍ²の全面露光を行った後、１００℃×６０分間加熱処理をして硬化させることにより、図１に示すように、ガラス基板１上にアンダークラッド層２を形成した。得られたアンダークラッド層２の厚みは２０μｍであった。

〔コア層の形成〕
つぎに、図２に示すように、上記アンダークラッド層２上に、上記調製したコア層形成材料をスピンコーターを用いて５００ｒｐｍ×１０秒間＋１５００ｒｐｍ×１５秒間の条件で塗布し樹脂層５を形成した。ついで、図３に示すように、この樹脂層５上に、幅５０μｍ×長さ１０ｃｍの直線光導波路パターンが描画された合成石英系のクロムマスク６を設置し、上記クロムマスク６を介してコンタクト露光を行った。露光条件は、３０００ｍＪ／ｃｍ²であった。露光後の樹脂層５の膜厚は５０μｍを保っていた。続いて、１００℃×６０分間加熱処理をして露光部分のみを硬化させた。

つぎに、加熱処理したものを、濃度７０重量％のγ−ブチロラクトン水溶液中に６０秒間浸漬して所定のパターンを現像する（ディップ法）ことにより、図４に示すように、アンダークラッド層２上にコア層３を形成した。このコア層３の断面形状は、厚み５０μｍ、パターン幅５０μｍであった。

〔オーバークラッド層の形成〕
つぎに、所定のパターンに形成された上記コア層３上に、上記調製したオーバークラッド層形成材料を塗布し、上記と同様、２０００ｍＪ／ｃｍ²の全面露光を行なった後、１００℃×６０分間加熱処理をして硬化させることにより、図５に示すように、オーバークラッド層４を形成した。上記コア層３上部のオーバークラッド層の厚みを測定したところ、２０μｍであった。このようにして、図５に示す構造からなる光導波路を作製した。

〔実施例２〜４、比較例〕
現像液として用いる、γ−ブチロラクトン水溶液の濃度を後記の表１に示す濃度に変えた。それ以外は実施例１と同様にして光導波路を作製した。

〔評価〕
このようにして得られた光導波路のコア層３部分を顕微鏡を用いて目視により、下記の評価を行なった。すなわち、（１）コア層３におけるクラックの有無、および、（２）コア層３パターン周囲の現像残りの有無（コア層３パターンの解像度）をそれぞれ観察した。これらの評価結果を下記の表１に示す。

上記結果から、現像液として特定の濃度範囲をγ−ブチロラクトン水溶液を用いた実施例品は、コア層３パターンの解像度も特に問題無く、しかもコア層３にクラックは全く発生しなかった。特に、濃度７５重量％および８５重量％のγ−ブチロラクトン水溶液を用いた実施例２，３品は、コア層３のパターンの解像度も良好であり、かつコア層３にクラックも生じず非常に優れた結果が得られた。

これに対して、濃度１００重量％のγ−ブチロラクトン溶液を用いた比較例品は、コア層３にクラックの発生が確認された。

本発明の光導波路の製法により得られる光導波路としては、例えば、直線光導波路、曲がり光導波路、交差光導波路、Ｙ分岐光導波路、スラブ光導波路、マッハツエンダー型光導波路、ＡＷＧ型光導波路、グレーティング、光導波路レンズ等があげられる。そして、上記光導波路を用いてなる光素子としては、波長フィルタ，光スイッチ，光分岐器，光合波器，光合分波器，光アンプ，波長変換器，波長分割器，光スプリッタ，方向性結合器、さらにはレーザダイオードやフォトダイオードをハイブリッド集積した、光伝送モジュール等があげられる。

本発明の光導波路の製造工程を示す横断面図である。本発明の光導波路の製造工程を示す横断面図である。本発明の光導波路の製造工程を示す横断面図である。本発明の光導波路の製造工程を示す横断面図である。本発明の光導波路の製法により得られる光導波路の構造を示す横断面図である。

符号の説明

１基板
２アンダークラッド層
３コア層
４オーバークラッド層
５樹脂層
６マスク

Claims

基板面にアンダークラッド層を形成する工程と、上記アンダークラッド層上に感光性樹脂組成物層を形成する工程と、上記感光性樹脂組成物層面に対して、所定パターンのフォトマスクを介して紫外線を照射して露光する工程と、上記露光後に感光性樹脂組成物層の未露光部分を現像液を用いて溶解除去することによりコア層を形成する工程と、上記コア層上にオーバークラッド層を形成する工程とを備えた光導波路の製法であって、上記現像液として、濃度１０〜９９重量％のγ−ブチロラクトン水溶液を用いることを特徴とする光導波路の製法。
上記γ−ブチロラクトン水溶液の濃度が、７５〜８５重量％である請求項１記載の光導波路の製法。