JP2010230919A - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングや真空プロセスを用いることなくコア材料の余剰分を除去してコア形状の整った光導波路を形成する上で有利な光導波路の製造方法を提供する。
【解決手段】コアを形成するための溝部４が型面に開口している型１を用意し、型１の型面にカバー層３を形成する。カバー層３の上から溝部２にコア材料４を充填する。コア材料４が硬化することで溝部２にコアが形成された後、カバー層４を型１から除去することで溝部２にコアを残存させる。この際、コア余剰分はカバー層３と共に除去される。型面およびコア上部を覆うように未硬化のクラッド材料５を塗布しこのクラッド材料５を硬化させ型１からコアおよび硬化したクラッド材料５を剥離し逆さ向きにする。クラッド材料５の反対面にもクラッド材料５を塗布・硬化することでクラッド層を形成する。これにより、コアがクラッド層に埋め込まれ、光導波路が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は光導波路の製造方法に関する。

電子機器においては、従来、電気配線が主として用いられてきた。しかしながら、情報処理装置の高性能化の要求に対応するため、近年では高周波伝送の必要性が高まっている。このような高周波信号を伝送する手段として、光配線による伝送についても検討が行われている。
光配線としては光ファイバの他に、光導波路が用いられる場合もある。光導波路は光ファイバと同様、光を伝搬するコアと、コアに比べ屈折率が低い材料でコア周辺を覆っているクラッドの要素から形成されている。

伝播損失値が低い高性能の光導波路を形成するためには、コア表面の平坦性を確保することが重要である。これは、コア表面の荒れが大きい場合、コア表面での光の散乱により、コア内部を伝播している光がコア外部へ漏れるためである。

また、コア形状を一定の形状に保つことも必要である。特に、コアを形成する際に、コア材料の余剰分が残渣として残ると、光の伝播の際に光がコア余剰分層を通じて漏れる不良が発生する。

こうした問題を解消するため、これまでにも様々な光導波路の作製方法が提案されている。主な光導波路のコア作製方法としては、有機溶剤現像が可能なコア材料のパターニングが挙げられる。しかし、この様なフォトリソグラフィ法の多くの場合には、多量の有機溶剤を使用する必要があり、現状の揮発性物質の使用を抑制される場合にはこの方法を採ることができない。また、コアの形状を均一に整えるために条件の調整が困難な点が欠点として挙げられる。

この問題の解決策として、特許文献１では、コア余剰分を除去するための方法として次のような方法を挙げている。まず、光非線形高分子から成るコアと親和性の低い高分子を用いてクラッド溝にカバー層を形成する。その後コア材料を充填・硬化し、カバー層を可溶な溶剤で溶解して除去する。このような操作を行うことで、コアの余剰分層をカバー層と共に除去することができる。
しかし、この方法においては、カバー層を形成した後にRIEなどのドライエッチングにより型の溝形状を形成するため、真空プロセスを用いる必要があり、量産には適さない。また、ドライエッチングにより溝形状を形成するため、溝の底面・側面が荒れる懸念がある。
また、この方法では、溶剤や水によりカバー層を除去する必要がある。このため、溶剤によりコア表面が荒れる恐れがある。さらに、溶剤に浸すことでコアやクラッドが溶剤分や水分を吸収し、伝搬損失が低下する懸念がある。加えて、カバー層を剥離可能で、且つ、コア・クラッドを溶解しない溶剤が必要となり、使用できる材料はかなり限定されるという欠点がある。

また、特許文献２では、溝形状を有する型においてアモルファスシリコン、クロム、金などのカバー層（犠牲層）を形成し、コア充填後にこのカバー層をアルカリ溶液により除去し、同時にコア充填時に発生するコア余剰分を除去している。この方法を用いれば、形成されたコアには余剰分が残らない。
但し、このプロセスには制限がある。まず、カバー層の除去を行うためにはアルカリ溶液に浸漬する必要がある。この場合、型として使用する材料はアルカリ溶液耐性を有する材料に制限される。また、高温にて平坦化を行う必要があり、導波路材料として樹脂を用いる場合には適さない。
さらに、型として金属材料等を用いる場合には、アモルファスシリコン、クロム、金との密着性が高すぎて、カバー層の剥離がうまくいかない場合が考えられる。
加えて、アモルファスシリコン、クロム、金のカバー層を形成するためには真空プロセスが必要であり、量産には適さないという欠点が挙げられる。

特開２００５−２５７８４３号公報 特開平６−６７２３０号公報

本発明は上記のような従来技術の問題点を考慮して行われたものであり、エッチングや真空プロセスを用いることなくコア材料の余剰分を除去することができ、コア形状の整った光導波路を形成する上で有利な光導波路の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、コアを形成するための溝部が型面に開口している型を用いてクラッド層の内部にコアが形成された光導波路の製造方法であって、前記型面にカバー層を形成し、前記カバー層の上から前記溝部にコア材料を充填し、前記コア材料が硬化することで前記溝部にコアが形成された後、前記カバー層を前記型から除去することで前記溝部に前記コアを残存させ、前記コアをクラッド層に埋め込むことで光導波路を形成することを特徴とする光導波路の製造方法である。
カバー層の形成は、コア材料の余剰分によるコア形状崩れの防止を目的として行う。
カバー層を形成し、コア充填後に剥離する場合、コア材料の充填量・充填方法を調整すれば、コア材料は型の溝内部と溝外部とに分離する。このような場合には本発明の方法により溝外部のコア余剰分を除去することで、矩形コアを形成できる。

また、請求項２に記載の発明は、前記カバー層は、紫外線照射あるいは加熱により剥離性を発現する材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路の製造方法である。

また、請求項３に記載の発明は、コアを形成するための溝部が型面に開口している型を用いてクラッド層の内部にコアが形成された光導波路の製造方法であって、前記型面に第１カバー層を形成し、前記第１カバー層の上から前記溝部にコア材料を充填し、前記コア材料が硬化することで前記溝部にコアが形成された後、第２カバー層を前記第１カバー層および前記コアを覆うように塗工して前記第１カバー層の上面に付着したコア余剰分を前記第２カバー層の内部に取り込み、前記第１カバー層および第２カバー層の双方を前記型から除去することで前記溝部に前記コアを残存させ、前記コアをクラッド層に埋め込むことで光導波路を形成することを特徴とする光導波路の製造方法である。
この方法も請求項１に示す方法と同様、溝外部のコア余剰分を除去することで、矩形コアを形成できる。
上記の方法においては、第１カバー層と第２カバー層を接着させると同時に、コア余剰分をこれらカバー層で包み込んで除去できる。加えて、第２カバー層を面全体でつなげることにより、第１・第２カバー層の剥離を一度に行うことができる。

また、請求項４に記載の発明は、前記第１、第２カバー層は、紫外線照射あるいは加熱により剥離性を発現する材料で形成されていることを特徴とする請求項３記載の光導波路の製造方法である。

また、請求項５に記載の発明は、コアを形成するための溝部が型面に開口している型を用いてクラッド層の内部にコアが形成された光導波路の製造方法であって、前記型面を覆うマスク板を前記型面に重ね合わせ、前記マスク板の上からコア材料を前記溝部に充填し、前記コア材料が硬化することで前記溝部にコアが形成された後、前記マスク板を前記型から除去することで前記溝部に前記コアを残存させ、前記コアをクラッド層に埋め込むことで光導波路を形成することを特徴とする光導波路の製造方法である。
この方法も請求項１に示す方法と同様、溝外部のコア余剰分を除去することで、矩形コアを形成できる。

また、請求項６に記載の発明は、前記溝部に充填された前記コア材料の表面形状が平坦面となるように前記溝部の表面の撥液性を調節したことを特徴とする請求項１乃至５に何れか１項記載の光導波路の製造方法である。

また、請求項７に記載の発明は、前記溝部に充填された前記コア材料が硬化に伴い該コア材料の表面に窪みが形成された場合に該窪みにさらにコア材料を充填し、該窪みに充填されたコア材料が硬化することで前記溝部に残存する前記コアの表面形状が平坦面となるようにしたことを特徴とする請求項１乃至６に何れか１項記載の光導波路の製造方法である。
この方法は、コアを型に対し充填した際にコア形状に窪みが生じるケースに対処するためのプロセスであり、矩形で窪み形状のないコアを形成することができる。

また、請求項８に記載の発明は、前記コアのクラッド層への埋め込みは、前記溝部から取り外した前記コアをクラッド層に埋め込むことでなされることを特徴とする請求項１乃至７に何れか１項記載の光導波路の製造方法である。

また、請求項９に記載の発明は、前記型がクラッド材料で形成され、前記コアのクラッド層への埋め込みは、前記コアと、前記型面とをクラッド材料で覆うことでなされることを特徴とする請求項１乃至７に何れか１項記載の光導波路の製造方法である。

本発明によれば、エッチングや真空プロセスを用いることなくコア材料の余剰分を除去することができ、コア形状の整った光導波路を形成することができる。
より詳細には、本発明によれば次の効果が奏される。
第１に、カバー層の形成やマスク板の使用により、溝外部のコア余剰分を除去し、形状の整ったコアを形成できる。

第２に、真空プロセスを使用せずに光導波路作製を行えるため、量産に適している。

第３に、エッチング法（物理的エッチング、化学的エッチング）を使用しないプロセスであるため、型の溝内部表面やコア表面をエッチングで荒らす心配がない。また、エッチング工程の手間が省けるため、量産に適したプロセスとなる。

第４に、請求項３に示す方法でカバー層を全面に形成する場合には、カバー層を一度に剥離することが可能であるため、簡便で量産に適している。

第５に、カバー層としてマスク板を用いる場合には、第１〜第３の効果に加えて、マスク板を何度も使用することが可能である。また、マスク板を一度に簡便に除去することが可能である。

第６に、型にコア材料を充填してコア形状を形成する方法であるため、矩形コアの表面を非常に平滑にでき、且つ、コア形状を崩さずに均一に保つことができる。このため、光損失の少ない、高性能の光導波路を作製可能である。

請求項１、実施例１に示す、カバー層をパターニング形成した場合の光導波路の製造方法の概略図である。 請求項３に示す、第１・第２カバー層を形成した場合の光導波路の製造方法の概略図である。 請求項５に示す、カバー層としてマスク板を使用した場合の光導波路の製造方法の概略図である。 請求項７に示す、コア材料の表面の窪みにコア材料を充填する場合の光導波路の製造方法の概略図である。 請求項６に示す、溝部の表面の撥液性を調整した場合の光導波路の製造方法の概略図である。 実施例２に示す、第１・第２カバー層を塗工で形成した場合の光導波路の製造方法の概略図である。

本発明の請求項１の光導波路の製造方法を図１−（１）〜図１−（７）に示した。

型１の材料としては、高分子材料、シリコーン材料、シリコンウエハ、金属材料、石英系材料、ガラス材料、無機材料等が使用できる。ただし、硬化後のコア材料からの剥離性と、カバー層材料からの剥離性が必要である。剥離性を良くするために、請求項６に記載の通り、型表面を処理することも可能である（図５に示す）。

また、クラッド硬化膜（クラッド材料）を型１として用いることもできる。この場合には、コアを剥離する必要がない。このため、コアと密着性の良いクラッド材料を用い、型として用いるクラッド硬化膜自体を光導波路の一部として使用できる。

カバー層３をパターニング塗工にて形成する場合には、硬化後に剥離が容易であることが必要である。このためには、カバー層３の材料として、コア材料と型材料の両方から剥離しやすい材料を選定することが必要である。現像が可能な材料としてはフィルム状レジストや液状レジスト等を使用できる。また、現像ができない材料としては、高分子材料、シリコーン材料、金属材料、石英系材料、ガラス材料、無機材料等の様々な材料が使用できる。但し、カバー層３に用いる材料はここに挙げるものに限定しない。

カバー層３のパターニング塗工の方法としては、フォトリソグラフィ法や、各種印刷によるパターニングが挙げられる。パターニング塗工の場合は、スクリーン印刷、スロットコート、インクジェットなどの方法が採用可能である。但し、塗工方法はここに挙げた方法に限定されない。

塗工したカバー層３を剥離する方法としては、溶剤や水による化学的な剥離手段の他に、手作業・装置による物理的な剥離方法を選択することもできる。
この場合、カバー層３を紫外線照射あるいは加熱により剥離性を発現する材料で形成すると、物理的な剥離を容易に行う上で有利となる。

請求項３に示すように（図２−（１）〜図２−（３）に示す。）第１・第２カバー層６、６´を両方形成する場合は、第２カバー層６´の材料は、型材料・コア材料とは剥離性が良く、第１カバー層６の材料とは接着性の良いものが望ましい。このため、第２カバー層６´の材料としては、第１カバー層６と全く同じ材料を用いることも可能である。
第２カバー層６´の塗工方法は、第１カバー層６と同じでも、異なっても構わない。
塗工した第１・第２カバー層６、６´を剥離する方法としては、溶剤や水による化学的な剥離手段の他に、手作業・装置による物理的な剥離方法を選択することもできる。
この場合、第１・第２カバー層６、６´を紫外線照射あるいは加熱により剥離性を発現する材料で形成すると、物理的な剥離を容易に行う上で有利となる。

請求項５に示すようにカバー層としてマスク板７を用いる場合（図３−（１）〜図３−（３）に示す。）は、マスク板７として使用できる材料としては、高分子材料、シリコーン材料、シリコンウエハ、金属材料、石英系材料、ガラス材料、積層板材料、無機材料等が使用できる。必要に応じて、マスク板表面に処理を施すこともできる。加えて、スクリーン版を用いることもできる。
より詳細に説明すると、図３−（１）に示すように、型１の型面を覆うマスク板７を型面に重ね合わせる。
次に、図３−（２）に示すように、マスク板７の上からコア材料４を溝部２に充填する。
次に、図３−（３）に示すように、コア材料４が硬化することで溝部２にコアが形成された後、マスク板７を型１から除去することで溝部２にコアを残存させる。
これ以降は、図１−（５）、（６）、（７）と同様の工程により、コアをクラッド層に埋め込むことで光導波路を形成する。

コア材料４を型１の溝部２に充填する方法としては、スクリーン印刷、スロットコート、ラミネート、インクジェット法などの方法が使用可能である。但し、コア材料の充填方法はここに挙げた方法に限定しない。

コア形状に窪みが発生している場合には、コア材料４を溝部２に充填した後に、充填したコア材料４をレベリングさせてから硬化する方法でも矩形コアを形成できる。

請求項５に示す方法で光導波路を作製する場合（図４−（１）〜図４−（２）に示す）には、コア材料４を溝部２に一度充填し硬化した後、コア材料４の凹み（窪み）が生じた部分を埋めるように再度コア材料４を充填し硬化する。この方法は、コアを型１の溝部２に対し充填した際にコア形状に窪みが生じるケースに対処するためのプロセスであり、矩形で窪み形状のないコアを形成することができる。
すなわち、請求項５に示す方法は、図４−（１）に示すように、溝部２に充填されたコア材料４が硬化に伴い該コア材料４の表面に窪みが形成された場合に、図４−（２）に示すように、この窪みにさらにコア材料４を充填し、窪みに充填されたコア材料４が硬化することで溝部２に残存するコアの表面形状が平坦面となるようにしたものである。

請求項６に示す方法で光導波路を作製する場合（図５に示す。）には、あらかじめ型に適度な撥液性を持たせておく必要がある。これにより、コア材料を型１の溝部２に充填した際に窪み形状が生じるのを防ぐことができる。
すなわち、請求項６に示す方法は、溝部２に充填されたコア材料４の表面形状が平坦面となるように溝部２の表面の撥液性を調節したものである。
溝部２の表面の撥液性を調節は、溝部２の表面、および、型面に型表面処理層８を形成することでなされる。

請求項８に示す方法でコアを形成してカバー層・マスク板とコア余剰分を除去した後、コア上部にクラッド材料５を塗布・硬化を行う。これを型材料から剥離して逆さ向きにし（図１−（５）〜図１−（６）に示す。）、反対面にもクラッド材料５を塗布・硬化することでクラッド層を形成する（図１−（７）に示す。）ことで、光導波路を形成できる。
また、請求項９に示す方法では、型１としてクラッド材料を用いているため、コアの上部からオーバークラッド（クラッド材料５）を塗工・硬化することで光導波路を形成できる（図６−（８）〜図６−（９）に示す）。

本発明で作製した光導波路の伝送モードとしては、シングルモード、マルチモード、シングルマルチ混合配線などの構成を採用できる。また、本発明の方法で自由な配線パターンを形成できる。

以下、本発明の実施例１を詳細に説明する。
工程の概略図を図１−（１）〜図１−（７）に示す。５０μｍ角の溝形状パターンを有する金属型（表面クロムめっき処理）に対し、フィルムレジストを１１０℃でラミネートし張り合わせる。次に、露光を行ってレジストの一部硬化させた後、アルカリ溶液によりパターニングを行う。続いて、光硬化性のコア材料を金属型に充填する。充填はスクリーン印刷機のスキージを用いて行い、塗工したコア材料は露光により硬化する。次に、フォトレジスト材料を剥離する。最後に、クラッド材料を塗工・硬化して金属型を剥離し、反対側の面にもクラッドを塗工・硬化して形成する。これにより、光導波路が形成される。

すなわち、実施例１は次の工程でクラッド層の内部にコアが形成された光導波路を製造する。
図１−（１）、（２）に示すように、コアを形成するための溝部４が型面に開口している型１を用意し、型１の型面にカバー層３を形成する。
次に、図１−（３）に示すように、カバー層３の上から溝部２にコア材料４を充填する。
次に、図１−（４）に示すように、コア材料４が硬化することで溝部２にコアが形成された後、カバー層４を型１から除去することで溝部２にコアを残存させる。この際、コア余剰分はカバー層３と共に除去されることになる。
次に、図１−（５）に示すように、型面およびコア上部を覆うように未硬化のクラッド材料５を塗布しこのクラッド材料５を硬化させ、図１−（６）に示すように、型１からコアおよび硬化したクラッド材料５を剥離し逆さ向きにする。
次に、図１−（７）に示すように、クラッド材料５の反対面、すなわち、コアがクラッド材料５から露出している面にもクラッド材料５を塗布・硬化することでクラッド層を形成する。
これにより、コアがクラッド層に埋め込まれ、光導波路が形成される。
言い換えると、コアのクラッド層への埋め込みは、溝部２から取り外したコアをクラッド層に埋め込むことでなされる。

工程の概略図を図６−（１）〜図６−（９）に示す。５０μｍ角の溝形状パターンを有するクラッド硬化型に対し、表面に離型剤処理を施したメタルマスクを、クラッド型の溝系上部をマスクするようにアライメントして設置する。次に、メタルマスク上からスキージでカバー用のシリコーンゴム材料を塗工して、硬化させ、メタルマスクを剥離する。続いて、光硬化性のコア材料をクラッド硬化型に充填する。充填はスクリーン印刷機のスキージを用いて行い、塗工したコア材料は露光により硬化する。次に、コア上面に対し再度シリコーン材料を塗工する。塗工はラミネート塗工により面内全体にシリコーンを塗工する。このとき、余剰コア材料はシリコーン膜で覆われる。シリコーンゴム材料を常温硬化・ポストベークを行い硬化した後、シリコーンゴム材料から成るカバー層を剥離することで、矩形コアを形成する。最後に、クラッド材料を塗工・硬化して形成する。これにより、光導波路が形成される。

すなわち、実施例２は次の工程でクラッド層の内部にコアが形成された光導波路を製造する。
図６−（１）、（２）に示すように、コアを形成するための溝部４が型面に開口しているクラッド材料で形成された型１０を用意し、型１０の溝部を覆いかつ型面を露出させるカバー層形成用のメタルマスク９を前記型面に重ね合わせる。
次に、図６−（３）、（４）に示すように、メタルマスク９の上から第１カバー層１１を形成するカバー材料を型面に塗工して硬化させ、メタルマスク９を剥離する。これにより型面に第１カバー層１１を形成する。
次に、図６−（５）に示すように、第１カバー層１１の上から溝部にコア材料１３を充填し、コア材料１３が硬化することで溝部にコアが形成される。
次に、図６−（６）に示すように、第２カバー層１１´を第１カバー層１１およびコアを覆うように塗工して第１カバー層１１の上面に付着したコア余剰分を第２カバー層１１´の内部に取り込む。
次に、図６−（７）、（８）に示すように、第１カバー層１１および第２カバー層１１´の双方を型１０から除去することで溝部にコアを残存させる。
次に、図６−（９）に示すように、型１０の型面およびコア上部を覆うように未硬化のクラッド材料１４を塗布しこのクラッド材料１４を硬化させることでクラッド層を形成する。
これにより、コアがクラッド層に埋め込まれ、光導波路が形成される。
言い換えると、コアのクラッド層への埋め込みは、コアと、型１０の型面とをクラッド材料１４で覆うことでなされる。

１・・・溝を有する型、２・・・溝部、３・・・カバー層、４・・・コア材料、５・・・クラッド材料、６・・・第１カバー層、６'・・・第２カバー層、７・・・マスク板、８・・・型表面処理層、９・・・カバー層パターニング用メタルマスク、１０・・・クラッド硬化型、１１・・・第１カバー層、１１'・・・第２カバー層、１２・・・スキージ、１３・・・コア材料、１４・・・クラッド材料。

Claims (9)

1. コアを形成するための溝部が型面に開口している型を用いてクラッド層の内部にコアが形成された光導波路の製造方法であって、
   前記型面にカバー層を形成し、
   前記カバー層の上から前記溝部にコア材料を充填し、
   前記コア材料が硬化することで前記溝部にコアが形成された後、前記カバー層を前記型から除去することで前記溝部に前記コアを残存させ、
   前記コアをクラッド層に埋め込むことで光導波路を形成する、
   ことを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 前記カバー層は、紫外線照射あるいは加熱により剥離性を発現する材料で形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の光導波路の製造方法。
3. コアを形成するための溝部が型面に開口している型を用いてクラッド層の内部にコアが形成された光導波路の製造方法であって、
   前記型面に第１カバー層を形成し、
   前記第１カバー層の上から前記溝部にコア材料を充填し、
   前記コア材料が硬化することで前記溝部にコアが形成された後、第２カバー層を前記第１カバー層および前記コアを覆うように塗工して前記第１カバー層の上面に付着したコア余剰分を前記第２カバー層の内部に取り込み、
   前記第１カバー層および第２カバー層の双方を前記型から除去することで前記溝部に前記コアを残存させ、
   前記コアをクラッド層に埋め込むことで光導波路を形成する、
   ことを特徴とする光導波路の製造方法。
4. 前記第１、第２カバー層は、紫外線照射あるいは加熱により剥離性を発現する材料で形成されている、
   ことを特徴とする請求項３記載の光導波路の製造方法。
5. コアを形成するための溝部が型面に開口している型を用いてクラッド層の内部にコアが形成された光導波路の製造方法であって、
   前記型面を覆うマスク板を前記型面に重ね合わせ、
   前記マスク板の上からコア材料を前記溝部に充填し、
   前記コア材料が硬化することで前記溝部にコアが形成された後、前記マスク板を前記型から除去することで前記溝部に前記コアを残存させ、
   前記コアをクラッド層に埋め込むことで光導波路を形成する、
   ことを特徴とする光導波路の製造方法。
6. 前記溝部に充填された前記コア材料の表面形状が平坦面となるように前記溝部の表面の撥液性を調節した、
   ことを特徴とする請求項１乃至５に何れか１項記載の光導波路の製造方法。
7. 前記溝部に充填された前記コア材料が硬化に伴い該コア材料の表面に窪みが形成された場合に該窪みにさらにコア材料を充填し、該窪みに充填されたコア材料が硬化することで前記溝部に残存する前記コアの表面形状が平坦面となるようにした、
   ことを特徴とする請求項１乃至６に何れか１項記載の光導波路の製造方法。
8. 前記コアのクラッド層への埋め込みは、
   前記溝部から取り外した前記コアをクラッド層に埋め込むことでなされる、
   ことを特徴とする請求項１乃至７に何れか１項記載の光導波路の製造方法。
9. 前記型がクラッド材料で形成され、
   前記コアのクラッド層への埋め込みは、
   前記コアと、前記型面とをクラッド材料で覆うことでなされる、
   ことを特徴とする請求項１乃至７に何れか１項記載の光導波路の製造方法。

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