JP3372746B2 - シロキサン系ポリマを用いた光導波路の製造方法 - Google Patents
シロキサン系ポリマを用いた光導波路の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一つの基板上にＯＥ
ＩＣ（光電集積回路）・光導波路・ＯＥＩＣ制御用ＬＳ
Ｉ・ＬＣおよび高周波電気回路を混在させる光電子混在
基板に好適な光導波路の製造方法に関し、特にシロキサ
ン系ポリマを用いた光導波路の製造方法に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】光通信システムやコンピュータにおける
情報処理の高速化の要求から、集積回路チップ間やそれ
らを搭載した基板間あるいは複数の回路基板を集積した
ボード間の信号伝送への光の使用が研究されているが、
信号伝送に光を使用する場合においても伝送される信号
の処理は電子部品が担うため、そのような光情報処理に
は光信号と電気信号の間の信号変換が必要となる。 【０００３】そのような光信号と電気信号の変換領域に
は光ファイバーもしくは光導波路からなる光の伝送路や
レーザダイオード・フォトダイオード等の光電子変換素
子が用いられ、光情報処理を行なうための回路には、そ
れら光の伝送路や光電子変換素子と、光電素子と電子回
路とを組み合わせた光電集積回路（ＯＥＩＣ）や光波の
みで情報処理をする光集積回路（光ＩＣ）・電子素子の
制御や電気信号の処理を行なうためのＬＳＩ（大規模集
積回路）・ＩＣ（集積回路）・電子部品を高速で駆動す
るための高周波電気回路等とが混在することとなる。 【０００４】これまでは光電子変換装置としては個別の
光部品および電子部品により組み立てられたモジュール
が用いられていた。また、光源システムとしては光源に
ガスレーザを用いてプリズム・レンズ・ミラーによる光
学系を組み合わせたものが用いられていたが、近年はレ
ーザダイオードとフォトダイオード・光ファイバー・ロ
ッドレンズ等を組み合わせた縮小光学系が用いられてい
る。そして現在では、光情報処理の回路基板としてさら
に縮小集積化を進めて、１つの基板上にＯＥＩＣ・光導
波路・ＯＥＩＣ制御用ＬＳＩ・高周波電気回路等を混在
させる光電子混在基板の実用化に向けて研究開発が進め
られている。 【０００５】このような光電子混在基板によれば、高密
度集積化により低電力化・高速化・高信頼性・量産性の
向上・組立の簡易化・組立後の安定性の向上などが図ら
れるが、光電子混在基板の実現にはセラミック基板上、
あるいはセラミック電気回路基板に積層して薄膜回路を
形成した基板上に光導波路を形成する技術が必要とな
る。 【０００６】この光導波路に対してはシングルモードの
光伝送を行なうために精密な屈折率制御が必要であり、
光導波路の形成においては特にコア部の加工とコア部と
クラッド部の屈折率の制御が必要である。例えば、シリ
カ系シングルモード導波路の場合の典型的な仕様はコア
サイズが７μｍ×７μｍ、コア部の屈折率とクラッド部
の屈折率との差が約0.25％というものである。 【０００７】光導波路の形成方法としては、適当な厚さ
の光学薄膜を形成した後にパターン加工を施してコア部
とする方法が一般的であり、光学薄膜の形成方法として
はＣＶＤ法や火炎堆積法・真空蒸着法・スパッタリング
法・ＳＯＧ（Spin On Glass）法等が知られている。中
でもＳＯＧ法は低コストであり、比較的低温かつ短時間
での薄膜形成が可能という点で注目されている。 【０００８】一方、光導波路用材料としてフッ化ポリイ
ミドを用いた光電子混在基板の提案がなされている。 【０００９】また、特開平５−66301 号公報には光導波
路用材料としてシロキサン系ポリマおよびそれを用いた
光学材料が提案され、シリコン元素と置換した他の元素
との組合せにより容易に屈折率制御ができることが開示
されている。これによれば、シロキサン系ポリマ中のシ
リコン元素を部分的にシリコン以外の４価の元素あるい
は希土類以外の３価の元素で置換し、未置換のポリマに
対して屈折率を変化させるというものであり、置換の方
法としてシラン塩化物とＡｌ等の置換の対象となる元素
の塩化物あるいはアルコラートとの加水分解・重合によ
り目的のシロキサン系ポリマを得るというものである。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＳＯＧ
法の一つであるアルコキシシランを出発物質とするゾル
−ゲル法は、ほぼ完全な無機シリカが得られるものの膜
堆積時の体積収縮が大きくクラックが生じやすいため数
μｍ以上の厚さの膜を得ることが困難であることから、
シリカ系シングルモード光導波路としてはコア部とクラ
ッド部を併せて少なくとも15μｍの厚さが必要であるの
で、光導波路の製造への適用が困難であるという問題点
があった。また、得られた膜の内部応力が大きいために
複屈折の原因となるという問題点もあった。 【００１１】これに対して、シリカ材料の他にポリイミ
ドやＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）・ポリカー
ボネート等の有機系の材料も成膜がしやすいことや低コ
ストであることから良く用いられるが、これら有機系の
材料は、シリカ系の材料と比較して屈折率が大きいため
に伝送損失や光ファイバーとの接続部での損失等か大き
くなるという問題点があった。また、ポリイミドを除い
ては吸湿性が大きい、耐熱性が低い、ガラス転移点が低
い等の問題点もあった。 【００１２】一方、光導波路用材料としてフッ化ポリイ
ミドを用いた場合は、フッ化ポリイミドの屈折率が1.53
程度であってシリカの屈折率1.44との差が大きいため、
シリカ系光ファイバーとの接続の際のフレネル反射損が
大きくなるという問題点があった。また、光伝送がマル
チモードであるためシリカ系シングルモード光ファイバ
ーとの接続が困難であるという問題点もあった。 【００１３】また、特開平５−66301 号公報の提案によ
っても、原料として反応性に富むもの同士を混合してい
るために反応の制御が困難であるという問題点があり、
そのため任意の混合比率で安定な混合物を生成するには
高度の技術力と高価な設備が必要であるという問題点が
あった。 【００１４】さらに、光導波路には一般に、光導波路の
コア部を形成するためには膜表面は平滑でなければなら
ず表面粗さ（Ｒａ）として少なくとも使用光源波長の１
／10以下であることが低伝搬損失とするためには望まし
いこと、光導波路を製造する場合には内部の屈折率を任
意の値に設定する必要があり特にシングルモード光導波
路の製造にはきめ細かな屈折率制御が必要であること、
薄膜回路基板上に光導波路を形成する場合には下地基板
表面の凹凸や表面粗さにかかわらず成膜後の平坦性に優
れていること、下地基板との密着性が必要であること、
光電子混在基板に形成する場合にはレーザダイオードや
フォトダイオード等の光デバイスやＬＳＩ等の電子デバ
イスを半田により実装する際の耐熱性も必要であること
などが要求されており、ＳＯＧ法によっても屈折率の制
御が容易でかつ簡単な設備で作製できる光導波路の製造
方法が望まれていた。 【００１５】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みて案出されたものであり、その目的は、シリカの屈折
率に近い屈折率を有するとともにその屈折率を安定して
容易に制御することができ、下地基板表面の凹凸や表面
粗さにかかわらず成膜後の表面粗さが小さくて平坦性に
優れ、下地基板との密着性に優れ、半田実装に対する十
分な耐熱性を有する、光電子混在基板への適用に好適な
シロキサン系ポリマから成る光導波路を簡単な設備で短
時間・低コストで作製できる製造方法を提供することに
ある。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明のシロキサン系ポ
リマを用いた光導波路の製造方法は、金属アルコキシド
を添加したシロキサン系ポリマ膜形成用溶液を基板上で
熱重合させて前記金属アルコキシドが金属酸化物となっ
てポリマ中に混在している部分と前記金属アルコキシド
の金属がポリマ内に取り込まれている部分とから成る構
造を有する金属含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導
波路を形成することを特徴とするものである。 【００１７】本発明の光導波路の製造方法によれば、光
導波路の材料として比較的安定なシロキサン系ポリマに
金属アルコキシドを添加することにより任意の混合比で
の混合が容易となるとともに、これを熱重合して得られ
る金属含有シロキサン系ポリマ膜が金属アルコキシドが
金属酸化物となってポリマ中に混在している部分と金属
アルコキシドの金属がポリマ内に取り込まれている部分
とから成る構造を有することから屈折率制御が容易とな
り、この金属含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波
路の屈折率の値を金属アルコキシドの添加量によって任
意の値に設定することが可能となることから、シングル
モード光導波路の製作においてきめ細かい屈折率制御が
可能となる。また、成膜時の熱プロセスによる体積収縮
が小さいことから得られる膜の内部応力が小さいので15
μｍ以上の膜厚でもクラックが生じることがなく、複屈
折の原因となることもない。さらにシリカの屈折率にほ
ぼ等しいシロキサン系ポリマを用いるのでシリカ系光フ
ァイバーとの結合係数が高い光導波路が得られる。その
結果、本発明の光導波路の製造方法を用いることによ
り、ＳＯＧ法によって短時間かつ低コストでしかも比較
的低温での膜形成が可能となるとともに、シリカ系シン
グルモード光ファイバーとの高効率接続が可能な光導波
路が得られる。 【００１８】また、製造方法として液体を基板上に塗布
するので、塗布された液表面は下地である基板表面の状
態によらず平坦になり、しかも熱硬化時の体積収縮が小
さいため、優れた平坦性を有する光導波路が得られる。 【００１９】また、本発明による光導波路はシロキサン
結合（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）を骨格としているため耐熱
性（熱安定性）に優れたものとなる。 【００２０】さらに本発明者は、金属アルコキシドとし
てエルビウム（Ｅｒ）を含有する金属アルコキシドを用
いた場合、きめ細かい屈折率の制御とともに導波光の増
幅作用が得られるという作用効果があることも知見し
た。 【００２１】 【発明の実施の形態】本発明の光導波路の製造方法に用
いるシロキサン系ポリマ膜形成用溶液としては、例えば
末端基にフェニル基あるいはメチル基を有するシロキサ
ン系ポリマやブチル基・プロピル基等のアルキル基、フ
ェニル基・トリル基等のアリール基、また一部がフッ素
で置換された官能基、水酸基等を末端基に有するシロキ
サン系ポリマと、プロピレングリコールモノメチルエー
テルや３メトキシ３メチル１ブタノール・エチレングリ
コールモノブチルエーテル等との混合溶液を用いるが、
中でも末端基にフェニル基あるいはメチル基を有するシ
ロキサン系ポリマとプロピレングリコールモノメチルエ
ーテルとの混合溶液を用いると好適である。 【００２２】また、シロキサン系ポリマ膜形成用溶液に
添加する金属アルコキシドとしては、例えばテトラ−ｎ
−ブトキシチタンやテトラメトキシチタン・テトラプロ
ポキシチタン・テトラメトキシゲルマニウム・テトラエ
トキシゲルマニウム・テトラプロポキシゲルマニウム・
テトラブトキシゲルマニウム・トリメトキシエルビウム
があり、中でも同じ金属種のアルコレートにおいてはＣ
（炭素）の数の多いアルコレートを用いると、化学的な
安定性がＣ数の少ないものよりも優れ、混合の際にゲル
化を起こしにくく容易に混合可能となって好適である。 【００２３】このようにシロキサン系ポリマ膜形成用溶
液に金属アルコキシドを添加することによって、従来提
案されていたようなモノマを直接反応させる方法よりも
安定した反応によって金属含有シロキサン系ポリマ膜を
形成することができ、シロキサン系ポリマ膜形成用溶液
に金属アルコキシドを任意の割合で添加混合させること
ができることから、光導波路の屈折率を精密に制御する
ことが可能となる。 【００２４】さらに、本発明により得られる金属含有シ
ロキサン系ポリマ膜は、その構造が金属アルコキシドが
金属酸化物となってそのまま混在している部分とポリマ
内に化学的に取り込まれている部分とから成ることが特
徴であり、特開平５−66301号公報に開示された方法に
よる膜の構造が金属がシロキサン系ポリマのＳｉ原子と
一部置換されたものとなるのに対して異なった構造を有
していることから、屈折率制御がより容易となるもので
ある。 【００２５】この金属アルコキシドの添加量としては、
前記原料のそれぞれの組合せによるシロキサン系ポリマ
膜形成用溶液に対して、金属アルコキシドの添加量に対
するポリマ膜の屈折率を予め測定しておき、それに基づ
いて所望の添加量に設定することが望ましい。 【００２６】また、添加する方法ならびに条件として
は、例えば十分な量のアルコールによりアルコレートを
希釈し、還流しながらシロキサン系ポリマ膜形成用溶液
に混合するとよい。なお、このときに用いるアルコール
はアルコレートのアルコキシに一致するものが良い。 【００２７】このシロキサン系ポリマ膜形成用溶液をス
ピンコート法やディップコート法・ローラコート法等の
塗布法により、銅ポリイミド基板やＳｉ基板・セラミッ
ク基板・多層セラミック電気回路基板・薄膜多層回路基
板・Ｓｉ回路基板等の基板上に塗布した後、例えばオー
ブンやホットプレート等により加熱処理を行なって熱重
合させることにより、シロキサン結合の架橋反応が進ん
でシリカ系のシロキサン系ポリマ被膜が得られる。 【００２８】ここで、熱重合させるための加熱処理温度
は270 ℃程度であり、本発明により光導波路を形成する
薄膜回路基板の絶縁層として一般的に用いられるポリイ
ミドの分解温度（典型的な値は約450 ℃である）より十
分低いため、薄膜回路基板等の下地基板に対して熱処理
によるダメージを与えることなく光導波路を形成するこ
とが可能である。 【００２９】光導波路を形成する下地基板としては前述
のように銅ポリイミド基板やＳｉ基板・セラミック基板
・多層セラミック電気回路基板・薄膜多層回路基板・Ｓ
ｉ回路基板等があるが、光導波路を形成する表面の状態
としては凹凸や表面粗さが光学的に平滑・平坦であって
も、また下地配線による凹凸や表面粗さが無視できない
程度であっても、熱硬化時の収縮が小さいためシロキサ
ン系ポリマ膜形成用溶液を塗布した時の平坦性が保たれ
ることから、それらにかかわらず平坦性に優れた光導波
路を形成することができる。 【００３０】これについては、例えば基板上に４μｍの
高さを有する20〜60μｍ幅およびピッチのラインパター
ンを形成してその上に本発明に係るシロキサン系ポリマ
膜を形成して平坦化の効果を調べたところ、４μｍの厚
さのシロキサン系ポリマ膜を形成した場合には膜表面の
凹凸高さが0.15μｍ以下となり、８μｍの厚さのシロキ
サン系ポリマ膜を形成した場合には膜表面の凹凸高さが
0.07μｍ以下となって、良好な改善（平坦化）効果があ
ることが確認できた。 【００３１】また、表面粗さが例えばＲａ＝0.23μｍの
アルミナ基板上に厚さ４μｍの本発明に係るシロキサン
系ポリマ膜を形成して、その膜表面の表面粗さを測定し
たところＲａ＝0.026 μｍとなり、優れた平坦化効果と
ともに良好な表面平滑性を併せ持つことも確認できた。 【００３２】これらにより、本発明の製造方法により得
られたシロキサン系ポリマ膜を用いれば、基板表面の状
態によらずに優れた平坦性を有する光導波路が得られる
ことが分かった。 【００３３】しかも、本発明者が実験的に確認した結果
によれば積層のための加工に十分な下地基板との密着性
を有していることから、下地基板との密着性に優れた光
導波路が得られる。 【００３４】 【実施例】以下、本発明の光導波路の製造方法について
具体例を述べる。 【００３５】〔例１：シロキサン系ポリマ膜の形成とそ
の特性〕シロキサン系ポリマとして末端基にフェニル基
とメチル基とを有するシロキサンポリマを用い、これを
プロピレングリコールモノメチルエーテルに40wt％混合
して、シリカ系被膜形成用のシロキサン系ポリマ溶液を
用意した。 【００３６】この溶液を表面粗さがＲａ＝３ｎｍのＳｉ
ウエハ基板上にスピンコート法により1,500 ｒｐｍ／15
秒間回転の条件で塗布した後、大気雰囲気中でバッチ式
オーブンにより85℃／30分＋270 ℃／30分の条件で加熱
処理を行ない、熱重合させて厚さ４μｍのシロキサン系
ポリマ膜を得た。 【００３７】この膜の屈折率をプリズムカップラーを利
用した屈折率測定装置を用いて測定したところ、波長63
2.8 ｎｍの光に対しては1.451 であり、波長1550ｎｍの
光に対しては1.441 であった。 【００３８】また、膜形成後の基板について反りの曲率
半径を測定して膜の内部応力を測定したところ20ＭＰａ
の引張応力であり、スパッタリング法によるＳｉＯ
2 （シリカ）膜における160 ＭＰａの圧縮応力やゾル−
ゲル法によるＳｉＯ2 膜における100 ＭＰａの引張応力
に比べて極めて小さいことが分かった。 【００３９】また、膜構造をＮＭＲ（核磁気共鳴）によ
り調べたところ、下記の化１で表わされる構造を持つこ
とが分かった。 【００４０】 【化１】 【００４１】なお、化１においてＲは−ＣＨ3 または−
Ｃ6 Ｈ5 であり、このシロキサン系ポリマ膜にはＳｉが
35.5wt％、ＣＨ3 が18.0wt％、Ｃ6 Ｈ5 が16.2wt％含ま
れていた。 【００４２】さらに、この膜の吸水率を測定したところ
シロキサン結合を骨格としているため吸水率は１％以下
と非常に小さい値であり、耐湿性の評価においても２ａ
ｔｍ、120 ℃、100 ％ＲＨ、100 時間の条件で外観・密
着性とも変化なしという結果を得た。 【００４３】また、このシロキサン系ポリマ膜の表面粗
さを測定したところＲａ＝４ｎｍであり、光導波路のコ
ア壁面の粗さとして十分小さい値であることが分かっ
た。 【００４４】さらにまた、この膜の熱安定性を熱重量測
定およびＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外吸収分光）によ
り評価したところ、400 ℃以上の熱安定性を有してお
り、光電子混在基板の光導波路に用いた場合でもチップ
素子実装時の半田温度に十分耐えられることも分かっ
た。 【００４５】そして、このシロキサン系ポリマ膜をポリ
イミド膜上に形成して、この膜上に形成した１ｍｍ×１
ｍｍのＣｕ／ＭｏドットパターンにＣｕワイヤを半田付
けし、ロードセルにより垂直上方向に引いて荷重を測定
することにより、それらの膜が界面で剥がれる時の荷重
を測定して界面の密着強度を求めたところ、平均で2.2
ｋｇｆ／ｍｍ2 の値が得られ、ポリイミド基板上に光導
波路を形成するのに十分な密着性を有することも確かめ
られた。 【００４６】以上により、光電子混在基板の光導波路用
材料としてシロキサン系ポリマが適当であることが確認
できた。 【００４７】〔例２：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜の
形成〕テトラ−ｎ−ブトキシチタン（Ｔｉ（Ｏ−Ｃ4 Ｈ
9 ）4 ）1.91ｇとｎ−ブタノール５ｍｌとの混合液と、
〔例１〕のシロキサン系ポリマ溶液５ｇ（固形分1.50
ｇ）とを混合攪拌して、透明なシロキサン系ポリマ膜形
成用溶液を得た。この溶液を４インチ径のＳｉウエハ上
にスピンコート法により200 ｒｐｍ／２秒＋1500ｒｐｍ
／10秒の条件で塗布し、次いで大気雰囲気中でバッチ式
オーブンにより85℃／30分＋300 ℃／30分の条件で加熱
処理を行なって熱重合させて、Ｔｉ含有シロキサン系ポ
リマから成る厚さ1.6 μｍの透明な被膜を得た。 【００４８】この金属含有シロキサン系ポリマ膜の屈折
率をプリズムカップラーを利用した屈折率測定装置を用
いて測定したところ、波長632.8 ｎｍの光に対して1.51
14であった。 【００４９】また、膜形成後の基板について反りの曲率
半径を測定してこの膜の内部応力を測定したところ20Ｍ
Ｐａの引張応力であり、極めて小さいことが分かった。 【００５０】さらに、〔例１〕と同様にこの膜の表面粗
さを測定したところＲａ＝２ｎｍと光導波路のコア壁面
の粗さとして十分小さい値であることが分かった。 【００５１】さらにまた、この膜の熱安定性を〔例１〕
と同様にして評価したところ、400℃以上の熱安定性を
有しており、光電子混在基板の光導波路に用いた場合の
チップ素子実装時の半田温度に十分耐えられることも分
かった。 【００５２】そして、この金属含有シロキサン系ポリマ
膜をポリイミド膜上に形成して〔例１〕と同様にしてそ
れらの膜の界面の密着強度を測定したところ、平均で2.
2 ｋｇｆ／ｍｍ2 の値が得られ、ポリイミド基板上に光
導波路を形成するのに十分な密着性を有することも確か
められた。 【００５３】以上により、本発明に係る金属含有シロキ
サン系ポリマは光電子混在基板の光導波路用材料として
好適であることが確認できた。 【００５４】〔例３：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜の
形成〕テトラ−ｎ−ブトキシチタン4.78ｇとブタノール
５ｍｌとの混合液と、〔例１〕のシロキサン系ポリマ溶
液５ｇ（固形分1.50ｇ）とを混合攪拌して、透明なシロ
キサン系ポリマ膜形成用溶液を得た。この溶液を４イン
チ径のＳｉウエハ上にスピンコート法により200 ｒｐｍ
／２秒＋1500ｒｐｍ／10秒の条件で塗布し、次いで大気
雰囲気中でバッチ式オーブンにより85℃／30分＋300 ℃
／30分の条件で加熱処理を行なって熱重合させて、Ｔｉ
含有シロキサン系ポリマから成る厚さ0.96μｍの透明な
被膜を得た。 【００５５】この金属含有シロキサン系ポリマ膜の屈折
率をプリズムカップラーを利用した屈折率測定装置を用
いて測定したところ、波長632.8 ｎｍの光に対して1.59
49であった。 【００５６】また、この膜の内部応力は20ＭＰａの引張
応力であり、吸水率は１％以下と非常に小さい値であ
り、膜の表面粗さはＲａ＝２ｎｍと光導波路のコア壁面
の粗さとして十分小さい値であった。 【００５７】さらに、この膜も熱安定性およびポリイミ
ド膜との界面の密着強度において〔例１〕ならびに〔例
２〕と同様の優れた結果が得られた。 【００５８】以上により、本発明に係る金属含有シロキ
サン系ポリマは光電子混在基板の光導波路用材料として
好適であることが確認できた。 【００５９】〔例４：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜に
おけるＴｉ含有量と屈折率〕〔例２〕および〔例３〕と
同様にしてテトラ−ｎ−ブトキシチタンの添加量を異な
らせたシロキサン系ポリマ膜成膜用溶液を調製していく
つかのＴｉ含有シロキサン系ポリマ膜を形成し、それぞ
れの膜について屈折率を測定した。 【００６０】その結果、テトラ−ｎ−ブトキシチタンと
シロキサン系ポリマ溶液の固形分との重量比と得られた
膜の屈折率との間には、図１の線図に示したような関係
があることが確認された。同図において下側の横軸はテ
トラ−ｎ−ブトキシチタン（Ｔｉ（Ｏ−Ｃ4 Ｈ9 ）4 ）
とシロキサン系ポリマ溶液の固形分との重量比ｘを、ま
た上側の横軸はそれに対応したＴｉとＳｉ（シリコン）
とのモル比を表わし、縦軸はそれらの膜形成用溶液から
得られたＴｉ含有シロキサン系ポリマ膜の屈折率ｎを表
わしている。また、図中の○ならびに点線は波長632.8
ｎｍの光に対する屈折率の測定値ならびにその特性曲線
を示し、●ならびに実線は波長1550ｎｍの光に対する屈
折率の測定値ならびにその特性曲線を示している。 【００６１】図１の結果より、テトラ−ｎ−ブトキシチ
タンとシロキサン系ポリマ溶液の固形分との重量比ｘと
膜の屈折率ｎとの間には線形の関係があることが分か
る。本例の結果によればｘとｎとの関係は、波長632.8
ｎｍの光に対してはｎ＝0.04436 ｘ＋1.451 で、波長15
50ｎｍの光に対してはｎ＝0.04406 ｘ＋1.439 で与えら
れることが分かった。 【００６２】〔例５：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜の
構造〕〔例２〕から〔例４〕で得られたシロキサン系ポ
リマ膜の構造を調べるため、〔例３〕のシロキサン系ポ
リマ膜形成用溶液を用いてＦＴ−ＩＲ測定を行なった。
その結果、−Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−結合に起因する吸収が確
認された。また、加熱処理によりその吸収が増大したこ
とも確かめられた。これは、シラノールとテトラ−ｎ−
ブトキシチタンとの間で脱アルコール重合が起きて−Ｓ
ｉ−Ｏ−Ｔｉ−結合が生じるものと考えられる。 【００６３】さらに、〔例３〕のＴｉ含有シロキサン系
ポリマ膜の構造をＮＭＲにより調査したところ、この被
膜は上記化１で表わされる構造（ただし、Ｒは−ＣＨ3
または−Ｃ6 Ｈ5 であり、〔例３〕のシロキサン系ポリ
マ膜ではＣＨ3 ／Ｃ6 Ｈ5 のモル比は5.7 であった）
と、下記化２で表わされる構造とを持つことが確認され
た。 【００６４】 【化２】 【００６５】なお、特開平５−66301 号公報のシロキサ
ン系ポリマ膜はモノマの合成から出発しており、Ｓｉ以
外のＡｌやＴｉ等の元素が分子内に取り込まれた構造と
なっているのに対し、本発明に係るシロキサン系ポリマ
膜はシロキサンポリマに金属アルコキシドを混合するの
で、その金属の一部はポリマ内に取り込まれるが、その
他は取り込まれずに単体の金属酸化物としてポリマ中に
混在しているものと思われる点で構造上の差違がある。 【００６６】〔例６：光導波路の形成〕図２に示す製造
プロセスにより、金属アルコキシドを添加したシロキサ
ン系ポリマ膜形成用溶液を基板上で熱重合させて金属含
有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波路を形成した。
図２（ａ）〜（ｄ）は、かかる製造プロセスの例を示す
断面図である。 【００６７】図２（ａ）において１は薄膜回路基板等の
基板であり、本例ではＳｉウエハを用いた。２は、この
基板１上に〔例１〕のシロキサン系ポリマ溶液を塗布
し、85℃／30分＋270 ℃／30分の条件で加熱処理を行な
って形成した、シロキサン系ポリマ膜から成るクラッド
層である。このクラッド層２の厚さは５μｍ、波長1550
ｎｍの光に対する屈折率は1.4405であった。 【００６８】３は、このクラッド層２の上にテトラ−ｎ
−ブトキシチタン／シロキサン系ポリマ固形分の重量比
を0.082 として調製した金属含有シロキサン系ポリマ膜
形成用溶液を用いて〔例２〕と同様にして形成した、金
属（Ｔｉ）含有シロキサン系ポリマ膜から成るコア層で
ある。このコア層３の厚さは７μｍであり、波長1550ｎ
ｍの光に対する屈折率は1.4437であった。 【００６９】また、４はコア層３の上にスパッタリング
法により形成した、コア層３の加工の際にマスクとなる
金属層４であり、厚さ0.5 μｍのＡｌ層を用いた。さら
に、５は金属層４の上にフォトリソグラフィの手法によ
り形成した、コア層３のパターンとなるライン幅１〜15
μｍのレジストパターンである。 【００７０】次に、Ｈ3 ＰＯ4 とＣＨ3 ＣＯＯＨとＨＮ
Ｏ3 との混合溶液によりＡｌ層４をエッチングして、図
２（ｂ）に示すように、レジストパターン５が転写され
たＡｌパターン６を得た。 【００７１】次に、レジストパターン５を除去した後、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりコア層３のパ
ターニングを行なった。ここで、ＲＩＥの条件はＯ2 流
量60ｓｃｃｍ、反応圧力５Ｐａ、ＲＦ出力600 Ｗとし
た。これにより、図２（ｃ）に示すように、サイドウォ
ールがほぼ垂直なコア７を形成した。 【００７２】その後、Ａｌパターン６を除去し、図２
（ｄ）に示すように、クラッド層２と同様にして第２の
クラッド層８を形成した。この第２のクラッド層８の厚
さは15μｍであり、波長1550ｎｍの光に対する屈折率は
1.451 であった。 【００７３】以上により、コア高さが７μｍ、波長1550
ｎｍの光に対するコア部の屈折率が1.4437であり、波長
1550ｎｍの光に対するクラッド部の屈折率が1.4405であ
る、埋め込み型光導波路を作製した。 【００７４】そして、以上と同様にして種々のコア幅の
光導波路を作製し、波長1550ｎｍの光を入射して出射光
の近視野像（ＮＦＰ）を観察したところ、コア幅が8.5
μｍ以下の光導波路において特に好適にシングルモード
で機能することが確認された。また、カットバック法に
よって伝搬損失の測定を行なったところ、いずれも0.5
ｄＢ／ｃｍと小さな値であった。 【００７５】以上により、本発明の製造方法により作製
した金属含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波路は
優れた特性を持つことが確認できた。 【００７６】〔例７：光電子混在基板の作製〕〔例６〕
と同様の工程により、銅ポリイミド薄膜多層回路基板上
に金属（Ｔｉ）含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導
波路を作製した。 【００７７】この光導波路の作製に当たっては、まず銅
ポリイミド薄膜多層回路基板上に〔例６〕のシロキサン
系ポリマ溶液を塗布し、85℃／30分＋270 ℃／30分の加
熱処理を行なって、厚さ５μｍのシロキサン系ポリマ膜
から成るクラッド層２（波長1550ｎｍの光に対する屈折
率1.4405）を形成した。 【００７８】次いで、クラッド層２の上に、テトラ−ｎ
−ブトキシチタン／シロキサン系ポリマ固形重量比＝0.
082 として調製したシロキサン系ポリマ膜形成用溶液を
用いて厚さ７μｍの金属（Ｔｉ）含有シロキサン系ポリ
マ膜から成るコア層３（波長1550ｎｍの光に対する屈折
率1.4437）を形成した。 【００７９】次に、コア層３の上に、厚さ0.5 μｍのＡ
ｌ層から成る金属層４をスパッタリング法により形成
し、さらに、ライン幅１〜15μｍのレジストパターン５
をフォトリソグラフィの手法により形成した。 【００８０】その後、Ｈ3 ＰＯ4 とＣＨ3 ＣＯＯＨとＨ
ＮＯ3 との混合溶液によりＡｌ層４をエッチングしてレ
ジストパターン５が転写されたＡｌパターン６を得、レ
ジストパターン５を除去した後、ＲＩＥ（条件：Ｏ2 流
量60ｓｃｃｍ、反応圧力５Ｐａ、ＲＦ出力600 Ｗ）によ
りコア層３のパターニングを行なって、サイドウォール
がほぼ垂直なコア７を形成した。 【００８１】そして、Ａｌパターン６を除去し、クラッ
ド層２と同様にして厚さ８μｍの第２のクラッド層８
（波長1550ｎｍの光に対する屈折率1.451 ）を形成し
て、コア高さが７μｍ、波長1550ｎｍの光に対するコア
部の屈折率が1.4437であり、波長1550ｎｍの光に対する
クラッド部の屈折率が1.4405である、埋め込み型光導波
路を作製した。 【００８２】以上のようにして作製した本発明に係るシ
ロキサン系ポリマ膜を用いた光導波路を形成した光電子
混在基板の例を図３に斜視図で示す。 【００８３】図３の光電子混在基板10において、11はセ
ラミックあるいは銅ポリイミド薄膜などから成る多層回
路基板、12は外部との光信号の入出力を行なうための光
ファイバー、13は光ファイバー12を多層回路基板11に接
続するためのカプラ、14は本発明に係るシロキサン系ポ
リマ膜を用いた光導波路であり、例えば前記のようにし
て形成したものである。この光導波路14により、光ファ
イバー12からの光信号はＯＥＩＣ15に入力され、あるい
はＯＥＩＣ15からの光信号が光ファイバー12へ出力され
る。また、16はＯＥＩＣ15を制御するＧａＡｓＩＣ、17
は演算処理用のＭＰＵであり、これらとＯＥＩＣ15とは
多層回路基板11上に実装されて電気伝送線路18や多層回
路基板11中の回路配線により接続されている。 【００８４】このような光電子混在基板10としたことに
より、屈折率が精密に制御されたシングルモードの光導
波路14で安定した低損失の光信号の伝送を行なうことが
できるとともに回路の高密度集積化ができ、光信号と電
気信号を用いた低電力・高速かつ高信頼性の光情報処理
を行なうことができた。 【００８５】なお、本発明は上述の実施例に何ら限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変更・改良などを加えることは何ら差し支えない。 【００８６】 【発明の効果】本発明のシロキサン系ポリマを用いた光
導波路の製造方法によれば、金属アルコキシドを添加し
たシロキサン系ポリマ膜形成用溶液を基板上で熱重合さ
せて金属含有シロキサン系ポリマ膜が金属アルコキシド
が金属酸化物となってポリマ中に混在している部分と金
属アルコキシドの金属がポリマ内に取り込まれている部
分とから成る構造を有する金属含有シロキサン系ポリマ
膜から成る光導波路を形成することにより、シリカの屈
折率に近い屈折率を有する光導波路を形成できるととも
にその屈折率を安定して容易にかつきめ細かく制御する
ことができた。 【００８７】また、本発明のシロキサン系ポリマを用い
た光導波路の製造方法によれば、下地基板表面の凹凸や
表面粗さにかかわらず成膜後の表面粗さが小さくて平坦
性に優れ、下地基板との密着性に優れ、半田実装に対す
る十分な耐熱性を有する、光電子混在基板への適用に好
適なシロキサン系ポリマから成る光導波路を、簡単な設
備で短時間・低コストで作製することができた。
ＩＣ（光電集積回路）・光導波路・ＯＥＩＣ制御用ＬＳ
Ｉ・ＬＣおよび高周波電気回路を混在させる光電子混在
基板に好適な光導波路の製造方法に関し、特にシロキサ
ン系ポリマを用いた光導波路の製造方法に関するもので
ある。 【０００２】 【従来の技術】光通信システムやコンピュータにおける
情報処理の高速化の要求から、集積回路チップ間やそれ
らを搭載した基板間あるいは複数の回路基板を集積した
ボード間の信号伝送への光の使用が研究されているが、
信号伝送に光を使用する場合においても伝送される信号
の処理は電子部品が担うため、そのような光情報処理に
は光信号と電気信号の間の信号変換が必要となる。 【０００３】そのような光信号と電気信号の変換領域に
は光ファイバーもしくは光導波路からなる光の伝送路や
レーザダイオード・フォトダイオード等の光電子変換素
子が用いられ、光情報処理を行なうための回路には、そ
れら光の伝送路や光電子変換素子と、光電素子と電子回
路とを組み合わせた光電集積回路（ＯＥＩＣ）や光波の
みで情報処理をする光集積回路（光ＩＣ）・電子素子の
制御や電気信号の処理を行なうためのＬＳＩ（大規模集
積回路）・ＩＣ（集積回路）・電子部品を高速で駆動す
るための高周波電気回路等とが混在することとなる。 【０００４】これまでは光電子変換装置としては個別の
光部品および電子部品により組み立てられたモジュール
が用いられていた。また、光源システムとしては光源に
ガスレーザを用いてプリズム・レンズ・ミラーによる光
学系を組み合わせたものが用いられていたが、近年はレ
ーザダイオードとフォトダイオード・光ファイバー・ロ
ッドレンズ等を組み合わせた縮小光学系が用いられてい
る。そして現在では、光情報処理の回路基板としてさら
に縮小集積化を進めて、１つの基板上にＯＥＩＣ・光導
波路・ＯＥＩＣ制御用ＬＳＩ・高周波電気回路等を混在
させる光電子混在基板の実用化に向けて研究開発が進め
られている。 【０００５】このような光電子混在基板によれば、高密
度集積化により低電力化・高速化・高信頼性・量産性の
向上・組立の簡易化・組立後の安定性の向上などが図ら
れるが、光電子混在基板の実現にはセラミック基板上、
あるいはセラミック電気回路基板に積層して薄膜回路を
形成した基板上に光導波路を形成する技術が必要とな
る。 【０００６】この光導波路に対してはシングルモードの
光伝送を行なうために精密な屈折率制御が必要であり、
光導波路の形成においては特にコア部の加工とコア部と
クラッド部の屈折率の制御が必要である。例えば、シリ
カ系シングルモード導波路の場合の典型的な仕様はコア
サイズが７μｍ×７μｍ、コア部の屈折率とクラッド部
の屈折率との差が約0.25％というものである。 【０００７】光導波路の形成方法としては、適当な厚さ
の光学薄膜を形成した後にパターン加工を施してコア部
とする方法が一般的であり、光学薄膜の形成方法として
はＣＶＤ法や火炎堆積法・真空蒸着法・スパッタリング
法・ＳＯＧ（Spin On Glass）法等が知られている。中
でもＳＯＧ法は低コストであり、比較的低温かつ短時間
での薄膜形成が可能という点で注目されている。 【０００８】一方、光導波路用材料としてフッ化ポリイ
ミドを用いた光電子混在基板の提案がなされている。 【０００９】また、特開平５−66301 号公報には光導波
路用材料としてシロキサン系ポリマおよびそれを用いた
光学材料が提案され、シリコン元素と置換した他の元素
との組合せにより容易に屈折率制御ができることが開示
されている。これによれば、シロキサン系ポリマ中のシ
リコン元素を部分的にシリコン以外の４価の元素あるい
は希土類以外の３価の元素で置換し、未置換のポリマに
対して屈折率を変化させるというものであり、置換の方
法としてシラン塩化物とＡｌ等の置換の対象となる元素
の塩化物あるいはアルコラートとの加水分解・重合によ
り目的のシロキサン系ポリマを得るというものである。 【００１０】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＳＯＧ
法の一つであるアルコキシシランを出発物質とするゾル
−ゲル法は、ほぼ完全な無機シリカが得られるものの膜
堆積時の体積収縮が大きくクラックが生じやすいため数
μｍ以上の厚さの膜を得ることが困難であることから、
シリカ系シングルモード光導波路としてはコア部とクラ
ッド部を併せて少なくとも15μｍの厚さが必要であるの
で、光導波路の製造への適用が困難であるという問題点
があった。また、得られた膜の内部応力が大きいために
複屈折の原因となるという問題点もあった。 【００１１】これに対して、シリカ材料の他にポリイミ
ドやＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）・ポリカー
ボネート等の有機系の材料も成膜がしやすいことや低コ
ストであることから良く用いられるが、これら有機系の
材料は、シリカ系の材料と比較して屈折率が大きいため
に伝送損失や光ファイバーとの接続部での損失等か大き
くなるという問題点があった。また、ポリイミドを除い
ては吸湿性が大きい、耐熱性が低い、ガラス転移点が低
い等の問題点もあった。 【００１２】一方、光導波路用材料としてフッ化ポリイ
ミドを用いた場合は、フッ化ポリイミドの屈折率が1.53
程度であってシリカの屈折率1.44との差が大きいため、
シリカ系光ファイバーとの接続の際のフレネル反射損が
大きくなるという問題点があった。また、光伝送がマル
チモードであるためシリカ系シングルモード光ファイバ
ーとの接続が困難であるという問題点もあった。 【００１３】また、特開平５−66301 号公報の提案によ
っても、原料として反応性に富むもの同士を混合してい
るために反応の制御が困難であるという問題点があり、
そのため任意の混合比率で安定な混合物を生成するには
高度の技術力と高価な設備が必要であるという問題点が
あった。 【００１４】さらに、光導波路には一般に、光導波路の
コア部を形成するためには膜表面は平滑でなければなら
ず表面粗さ（Ｒａ）として少なくとも使用光源波長の１
／10以下であることが低伝搬損失とするためには望まし
いこと、光導波路を製造する場合には内部の屈折率を任
意の値に設定する必要があり特にシングルモード光導波
路の製造にはきめ細かな屈折率制御が必要であること、
薄膜回路基板上に光導波路を形成する場合には下地基板
表面の凹凸や表面粗さにかかわらず成膜後の平坦性に優
れていること、下地基板との密着性が必要であること、
光電子混在基板に形成する場合にはレーザダイオードや
フォトダイオード等の光デバイスやＬＳＩ等の電子デバ
イスを半田により実装する際の耐熱性も必要であること
などが要求されており、ＳＯＧ法によっても屈折率の制
御が容易でかつ簡単な設備で作製できる光導波路の製造
方法が望まれていた。 【００１５】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みて案出されたものであり、その目的は、シリカの屈折
率に近い屈折率を有するとともにその屈折率を安定して
容易に制御することができ、下地基板表面の凹凸や表面
粗さにかかわらず成膜後の表面粗さが小さくて平坦性に
優れ、下地基板との密着性に優れ、半田実装に対する十
分な耐熱性を有する、光電子混在基板への適用に好適な
シロキサン系ポリマから成る光導波路を簡単な設備で短
時間・低コストで作製できる製造方法を提供することに
ある。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明のシロキサン系ポ
リマを用いた光導波路の製造方法は、金属アルコキシド
を添加したシロキサン系ポリマ膜形成用溶液を基板上で
熱重合させて前記金属アルコキシドが金属酸化物となっ
てポリマ中に混在している部分と前記金属アルコキシド
の金属がポリマ内に取り込まれている部分とから成る構
造を有する金属含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導
波路を形成することを特徴とするものである。 【００１７】本発明の光導波路の製造方法によれば、光
導波路の材料として比較的安定なシロキサン系ポリマに
金属アルコキシドを添加することにより任意の混合比で
の混合が容易となるとともに、これを熱重合して得られ
る金属含有シロキサン系ポリマ膜が金属アルコキシドが
金属酸化物となってポリマ中に混在している部分と金属
アルコキシドの金属がポリマ内に取り込まれている部分
とから成る構造を有することから屈折率制御が容易とな
り、この金属含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波
路の屈折率の値を金属アルコキシドの添加量によって任
意の値に設定することが可能となることから、シングル
モード光導波路の製作においてきめ細かい屈折率制御が
可能となる。また、成膜時の熱プロセスによる体積収縮
が小さいことから得られる膜の内部応力が小さいので15
μｍ以上の膜厚でもクラックが生じることがなく、複屈
折の原因となることもない。さらにシリカの屈折率にほ
ぼ等しいシロキサン系ポリマを用いるのでシリカ系光フ
ァイバーとの結合係数が高い光導波路が得られる。その
結果、本発明の光導波路の製造方法を用いることによ
り、ＳＯＧ法によって短時間かつ低コストでしかも比較
的低温での膜形成が可能となるとともに、シリカ系シン
グルモード光ファイバーとの高効率接続が可能な光導波
路が得られる。 【００１８】また、製造方法として液体を基板上に塗布
するので、塗布された液表面は下地である基板表面の状
態によらず平坦になり、しかも熱硬化時の体積収縮が小
さいため、優れた平坦性を有する光導波路が得られる。 【００１９】また、本発明による光導波路はシロキサン
結合（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）を骨格としているため耐熱
性（熱安定性）に優れたものとなる。 【００２０】さらに本発明者は、金属アルコキシドとし
てエルビウム（Ｅｒ）を含有する金属アルコキシドを用
いた場合、きめ細かい屈折率の制御とともに導波光の増
幅作用が得られるという作用効果があることも知見し
た。 【００２１】 【発明の実施の形態】本発明の光導波路の製造方法に用
いるシロキサン系ポリマ膜形成用溶液としては、例えば
末端基にフェニル基あるいはメチル基を有するシロキサ
ン系ポリマやブチル基・プロピル基等のアルキル基、フ
ェニル基・トリル基等のアリール基、また一部がフッ素
で置換された官能基、水酸基等を末端基に有するシロキ
サン系ポリマと、プロピレングリコールモノメチルエー
テルや３メトキシ３メチル１ブタノール・エチレングリ
コールモノブチルエーテル等との混合溶液を用いるが、
中でも末端基にフェニル基あるいはメチル基を有するシ
ロキサン系ポリマとプロピレングリコールモノメチルエ
ーテルとの混合溶液を用いると好適である。 【００２２】また、シロキサン系ポリマ膜形成用溶液に
添加する金属アルコキシドとしては、例えばテトラ−ｎ
−ブトキシチタンやテトラメトキシチタン・テトラプロ
ポキシチタン・テトラメトキシゲルマニウム・テトラエ
トキシゲルマニウム・テトラプロポキシゲルマニウム・
テトラブトキシゲルマニウム・トリメトキシエルビウム
があり、中でも同じ金属種のアルコレートにおいてはＣ
（炭素）の数の多いアルコレートを用いると、化学的な
安定性がＣ数の少ないものよりも優れ、混合の際にゲル
化を起こしにくく容易に混合可能となって好適である。 【００２３】このようにシロキサン系ポリマ膜形成用溶
液に金属アルコキシドを添加することによって、従来提
案されていたようなモノマを直接反応させる方法よりも
安定した反応によって金属含有シロキサン系ポリマ膜を
形成することができ、シロキサン系ポリマ膜形成用溶液
に金属アルコキシドを任意の割合で添加混合させること
ができることから、光導波路の屈折率を精密に制御する
ことが可能となる。 【００２４】さらに、本発明により得られる金属含有シ
ロキサン系ポリマ膜は、その構造が金属アルコキシドが
金属酸化物となってそのまま混在している部分とポリマ
内に化学的に取り込まれている部分とから成ることが特
徴であり、特開平５−66301号公報に開示された方法に
よる膜の構造が金属がシロキサン系ポリマのＳｉ原子と
一部置換されたものとなるのに対して異なった構造を有
していることから、屈折率制御がより容易となるもので
ある。 【００２５】この金属アルコキシドの添加量としては、
前記原料のそれぞれの組合せによるシロキサン系ポリマ
膜形成用溶液に対して、金属アルコキシドの添加量に対
するポリマ膜の屈折率を予め測定しておき、それに基づ
いて所望の添加量に設定することが望ましい。 【００２６】また、添加する方法ならびに条件として
は、例えば十分な量のアルコールによりアルコレートを
希釈し、還流しながらシロキサン系ポリマ膜形成用溶液
に混合するとよい。なお、このときに用いるアルコール
はアルコレートのアルコキシに一致するものが良い。 【００２７】このシロキサン系ポリマ膜形成用溶液をス
ピンコート法やディップコート法・ローラコート法等の
塗布法により、銅ポリイミド基板やＳｉ基板・セラミッ
ク基板・多層セラミック電気回路基板・薄膜多層回路基
板・Ｓｉ回路基板等の基板上に塗布した後、例えばオー
ブンやホットプレート等により加熱処理を行なって熱重
合させることにより、シロキサン結合の架橋反応が進ん
でシリカ系のシロキサン系ポリマ被膜が得られる。 【００２８】ここで、熱重合させるための加熱処理温度
は270 ℃程度であり、本発明により光導波路を形成する
薄膜回路基板の絶縁層として一般的に用いられるポリイ
ミドの分解温度（典型的な値は約450 ℃である）より十
分低いため、薄膜回路基板等の下地基板に対して熱処理
によるダメージを与えることなく光導波路を形成するこ
とが可能である。 【００２９】光導波路を形成する下地基板としては前述
のように銅ポリイミド基板やＳｉ基板・セラミック基板
・多層セラミック電気回路基板・薄膜多層回路基板・Ｓ
ｉ回路基板等があるが、光導波路を形成する表面の状態
としては凹凸や表面粗さが光学的に平滑・平坦であって
も、また下地配線による凹凸や表面粗さが無視できない
程度であっても、熱硬化時の収縮が小さいためシロキサ
ン系ポリマ膜形成用溶液を塗布した時の平坦性が保たれ
ることから、それらにかかわらず平坦性に優れた光導波
路を形成することができる。 【００３０】これについては、例えば基板上に４μｍの
高さを有する20〜60μｍ幅およびピッチのラインパター
ンを形成してその上に本発明に係るシロキサン系ポリマ
膜を形成して平坦化の効果を調べたところ、４μｍの厚
さのシロキサン系ポリマ膜を形成した場合には膜表面の
凹凸高さが0.15μｍ以下となり、８μｍの厚さのシロキ
サン系ポリマ膜を形成した場合には膜表面の凹凸高さが
0.07μｍ以下となって、良好な改善（平坦化）効果があ
ることが確認できた。 【００３１】また、表面粗さが例えばＲａ＝0.23μｍの
アルミナ基板上に厚さ４μｍの本発明に係るシロキサン
系ポリマ膜を形成して、その膜表面の表面粗さを測定し
たところＲａ＝0.026 μｍとなり、優れた平坦化効果と
ともに良好な表面平滑性を併せ持つことも確認できた。 【００３２】これらにより、本発明の製造方法により得
られたシロキサン系ポリマ膜を用いれば、基板表面の状
態によらずに優れた平坦性を有する光導波路が得られる
ことが分かった。 【００３３】しかも、本発明者が実験的に確認した結果
によれば積層のための加工に十分な下地基板との密着性
を有していることから、下地基板との密着性に優れた光
導波路が得られる。 【００３４】 【実施例】以下、本発明の光導波路の製造方法について
具体例を述べる。 【００３５】〔例１：シロキサン系ポリマ膜の形成とそ
の特性〕シロキサン系ポリマとして末端基にフェニル基
とメチル基とを有するシロキサンポリマを用い、これを
プロピレングリコールモノメチルエーテルに40wt％混合
して、シリカ系被膜形成用のシロキサン系ポリマ溶液を
用意した。 【００３６】この溶液を表面粗さがＲａ＝３ｎｍのＳｉ
ウエハ基板上にスピンコート法により1,500 ｒｐｍ／15
秒間回転の条件で塗布した後、大気雰囲気中でバッチ式
オーブンにより85℃／30分＋270 ℃／30分の条件で加熱
処理を行ない、熱重合させて厚さ４μｍのシロキサン系
ポリマ膜を得た。 【００３７】この膜の屈折率をプリズムカップラーを利
用した屈折率測定装置を用いて測定したところ、波長63
2.8 ｎｍの光に対しては1.451 であり、波長1550ｎｍの
光に対しては1.441 であった。 【００３８】また、膜形成後の基板について反りの曲率
半径を測定して膜の内部応力を測定したところ20ＭＰａ
の引張応力であり、スパッタリング法によるＳｉＯ
2 （シリカ）膜における160 ＭＰａの圧縮応力やゾル−
ゲル法によるＳｉＯ2 膜における100 ＭＰａの引張応力
に比べて極めて小さいことが分かった。 【００３９】また、膜構造をＮＭＲ（核磁気共鳴）によ
り調べたところ、下記の化１で表わされる構造を持つこ
とが分かった。 【００４０】 【化１】 【００４１】なお、化１においてＲは−ＣＨ3 または−
Ｃ6 Ｈ5 であり、このシロキサン系ポリマ膜にはＳｉが
35.5wt％、ＣＨ3 が18.0wt％、Ｃ6 Ｈ5 が16.2wt％含ま
れていた。 【００４２】さらに、この膜の吸水率を測定したところ
シロキサン結合を骨格としているため吸水率は１％以下
と非常に小さい値であり、耐湿性の評価においても２ａ
ｔｍ、120 ℃、100 ％ＲＨ、100 時間の条件で外観・密
着性とも変化なしという結果を得た。 【００４３】また、このシロキサン系ポリマ膜の表面粗
さを測定したところＲａ＝４ｎｍであり、光導波路のコ
ア壁面の粗さとして十分小さい値であることが分かっ
た。 【００４４】さらにまた、この膜の熱安定性を熱重量測
定およびＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外吸収分光）によ
り評価したところ、400 ℃以上の熱安定性を有してお
り、光電子混在基板の光導波路に用いた場合でもチップ
素子実装時の半田温度に十分耐えられることも分かっ
た。 【００４５】そして、このシロキサン系ポリマ膜をポリ
イミド膜上に形成して、この膜上に形成した１ｍｍ×１
ｍｍのＣｕ／ＭｏドットパターンにＣｕワイヤを半田付
けし、ロードセルにより垂直上方向に引いて荷重を測定
することにより、それらの膜が界面で剥がれる時の荷重
を測定して界面の密着強度を求めたところ、平均で2.2
ｋｇｆ／ｍｍ2 の値が得られ、ポリイミド基板上に光導
波路を形成するのに十分な密着性を有することも確かめ
られた。 【００４６】以上により、光電子混在基板の光導波路用
材料としてシロキサン系ポリマが適当であることが確認
できた。 【００４７】〔例２：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜の
形成〕テトラ−ｎ−ブトキシチタン（Ｔｉ（Ｏ−Ｃ4 Ｈ
9 ）4 ）1.91ｇとｎ−ブタノール５ｍｌとの混合液と、
〔例１〕のシロキサン系ポリマ溶液５ｇ（固形分1.50
ｇ）とを混合攪拌して、透明なシロキサン系ポリマ膜形
成用溶液を得た。この溶液を４インチ径のＳｉウエハ上
にスピンコート法により200 ｒｐｍ／２秒＋1500ｒｐｍ
／10秒の条件で塗布し、次いで大気雰囲気中でバッチ式
オーブンにより85℃／30分＋300 ℃／30分の条件で加熱
処理を行なって熱重合させて、Ｔｉ含有シロキサン系ポ
リマから成る厚さ1.6 μｍの透明な被膜を得た。 【００４８】この金属含有シロキサン系ポリマ膜の屈折
率をプリズムカップラーを利用した屈折率測定装置を用
いて測定したところ、波長632.8 ｎｍの光に対して1.51
14であった。 【００４９】また、膜形成後の基板について反りの曲率
半径を測定してこの膜の内部応力を測定したところ20Ｍ
Ｐａの引張応力であり、極めて小さいことが分かった。 【００５０】さらに、〔例１〕と同様にこの膜の表面粗
さを測定したところＲａ＝２ｎｍと光導波路のコア壁面
の粗さとして十分小さい値であることが分かった。 【００５１】さらにまた、この膜の熱安定性を〔例１〕
と同様にして評価したところ、400℃以上の熱安定性を
有しており、光電子混在基板の光導波路に用いた場合の
チップ素子実装時の半田温度に十分耐えられることも分
かった。 【００５２】そして、この金属含有シロキサン系ポリマ
膜をポリイミド膜上に形成して〔例１〕と同様にしてそ
れらの膜の界面の密着強度を測定したところ、平均で2.
2 ｋｇｆ／ｍｍ2 の値が得られ、ポリイミド基板上に光
導波路を形成するのに十分な密着性を有することも確か
められた。 【００５３】以上により、本発明に係る金属含有シロキ
サン系ポリマは光電子混在基板の光導波路用材料として
好適であることが確認できた。 【００５４】〔例３：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜の
形成〕テトラ−ｎ−ブトキシチタン4.78ｇとブタノール
５ｍｌとの混合液と、〔例１〕のシロキサン系ポリマ溶
液５ｇ（固形分1.50ｇ）とを混合攪拌して、透明なシロ
キサン系ポリマ膜形成用溶液を得た。この溶液を４イン
チ径のＳｉウエハ上にスピンコート法により200 ｒｐｍ
／２秒＋1500ｒｐｍ／10秒の条件で塗布し、次いで大気
雰囲気中でバッチ式オーブンにより85℃／30分＋300 ℃
／30分の条件で加熱処理を行なって熱重合させて、Ｔｉ
含有シロキサン系ポリマから成る厚さ0.96μｍの透明な
被膜を得た。 【００５５】この金属含有シロキサン系ポリマ膜の屈折
率をプリズムカップラーを利用した屈折率測定装置を用
いて測定したところ、波長632.8 ｎｍの光に対して1.59
49であった。 【００５６】また、この膜の内部応力は20ＭＰａの引張
応力であり、吸水率は１％以下と非常に小さい値であ
り、膜の表面粗さはＲａ＝２ｎｍと光導波路のコア壁面
の粗さとして十分小さい値であった。 【００５７】さらに、この膜も熱安定性およびポリイミ
ド膜との界面の密着強度において〔例１〕ならびに〔例
２〕と同様の優れた結果が得られた。 【００５８】以上により、本発明に係る金属含有シロキ
サン系ポリマは光電子混在基板の光導波路用材料として
好適であることが確認できた。 【００５９】〔例４：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜に
おけるＴｉ含有量と屈折率〕〔例２〕および〔例３〕と
同様にしてテトラ−ｎ−ブトキシチタンの添加量を異な
らせたシロキサン系ポリマ膜成膜用溶液を調製していく
つかのＴｉ含有シロキサン系ポリマ膜を形成し、それぞ
れの膜について屈折率を測定した。 【００６０】その結果、テトラ−ｎ−ブトキシチタンと
シロキサン系ポリマ溶液の固形分との重量比と得られた
膜の屈折率との間には、図１の線図に示したような関係
があることが確認された。同図において下側の横軸はテ
トラ−ｎ−ブトキシチタン（Ｔｉ（Ｏ−Ｃ4 Ｈ9 ）4 ）
とシロキサン系ポリマ溶液の固形分との重量比ｘを、ま
た上側の横軸はそれに対応したＴｉとＳｉ（シリコン）
とのモル比を表わし、縦軸はそれらの膜形成用溶液から
得られたＴｉ含有シロキサン系ポリマ膜の屈折率ｎを表
わしている。また、図中の○ならびに点線は波長632.8
ｎｍの光に対する屈折率の測定値ならびにその特性曲線
を示し、●ならびに実線は波長1550ｎｍの光に対する屈
折率の測定値ならびにその特性曲線を示している。 【００６１】図１の結果より、テトラ−ｎ−ブトキシチ
タンとシロキサン系ポリマ溶液の固形分との重量比ｘと
膜の屈折率ｎとの間には線形の関係があることが分か
る。本例の結果によればｘとｎとの関係は、波長632.8
ｎｍの光に対してはｎ＝0.04436 ｘ＋1.451 で、波長15
50ｎｍの光に対してはｎ＝0.04406 ｘ＋1.439 で与えら
れることが分かった。 【００６２】〔例５：Ｔｉ含有シロキサン系ポリマ膜の
構造〕〔例２〕から〔例４〕で得られたシロキサン系ポ
リマ膜の構造を調べるため、〔例３〕のシロキサン系ポ
リマ膜形成用溶液を用いてＦＴ−ＩＲ測定を行なった。
その結果、−Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−結合に起因する吸収が確
認された。また、加熱処理によりその吸収が増大したこ
とも確かめられた。これは、シラノールとテトラ−ｎ−
ブトキシチタンとの間で脱アルコール重合が起きて−Ｓ
ｉ−Ｏ−Ｔｉ−結合が生じるものと考えられる。 【００６３】さらに、〔例３〕のＴｉ含有シロキサン系
ポリマ膜の構造をＮＭＲにより調査したところ、この被
膜は上記化１で表わされる構造（ただし、Ｒは−ＣＨ3
または−Ｃ6 Ｈ5 であり、〔例３〕のシロキサン系ポリ
マ膜ではＣＨ3 ／Ｃ6 Ｈ5 のモル比は5.7 であった）
と、下記化２で表わされる構造とを持つことが確認され
た。 【００６４】 【化２】 【００６５】なお、特開平５−66301 号公報のシロキサ
ン系ポリマ膜はモノマの合成から出発しており、Ｓｉ以
外のＡｌやＴｉ等の元素が分子内に取り込まれた構造と
なっているのに対し、本発明に係るシロキサン系ポリマ
膜はシロキサンポリマに金属アルコキシドを混合するの
で、その金属の一部はポリマ内に取り込まれるが、その
他は取り込まれずに単体の金属酸化物としてポリマ中に
混在しているものと思われる点で構造上の差違がある。 【００６６】〔例６：光導波路の形成〕図２に示す製造
プロセスにより、金属アルコキシドを添加したシロキサ
ン系ポリマ膜形成用溶液を基板上で熱重合させて金属含
有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波路を形成した。
図２（ａ）〜（ｄ）は、かかる製造プロセスの例を示す
断面図である。 【００６７】図２（ａ）において１は薄膜回路基板等の
基板であり、本例ではＳｉウエハを用いた。２は、この
基板１上に〔例１〕のシロキサン系ポリマ溶液を塗布
し、85℃／30分＋270 ℃／30分の条件で加熱処理を行な
って形成した、シロキサン系ポリマ膜から成るクラッド
層である。このクラッド層２の厚さは５μｍ、波長1550
ｎｍの光に対する屈折率は1.4405であった。 【００６８】３は、このクラッド層２の上にテトラ−ｎ
−ブトキシチタン／シロキサン系ポリマ固形分の重量比
を0.082 として調製した金属含有シロキサン系ポリマ膜
形成用溶液を用いて〔例２〕と同様にして形成した、金
属（Ｔｉ）含有シロキサン系ポリマ膜から成るコア層で
ある。このコア層３の厚さは７μｍであり、波長1550ｎ
ｍの光に対する屈折率は1.4437であった。 【００６９】また、４はコア層３の上にスパッタリング
法により形成した、コア層３の加工の際にマスクとなる
金属層４であり、厚さ0.5 μｍのＡｌ層を用いた。さら
に、５は金属層４の上にフォトリソグラフィの手法によ
り形成した、コア層３のパターンとなるライン幅１〜15
μｍのレジストパターンである。 【００７０】次に、Ｈ3 ＰＯ4 とＣＨ3 ＣＯＯＨとＨＮ
Ｏ3 との混合溶液によりＡｌ層４をエッチングして、図
２（ｂ）に示すように、レジストパターン５が転写され
たＡｌパターン６を得た。 【００７１】次に、レジストパターン５を除去した後、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりコア層３のパ
ターニングを行なった。ここで、ＲＩＥの条件はＯ2 流
量60ｓｃｃｍ、反応圧力５Ｐａ、ＲＦ出力600 Ｗとし
た。これにより、図２（ｃ）に示すように、サイドウォ
ールがほぼ垂直なコア７を形成した。 【００７２】その後、Ａｌパターン６を除去し、図２
（ｄ）に示すように、クラッド層２と同様にして第２の
クラッド層８を形成した。この第２のクラッド層８の厚
さは15μｍであり、波長1550ｎｍの光に対する屈折率は
1.451 であった。 【００７３】以上により、コア高さが７μｍ、波長1550
ｎｍの光に対するコア部の屈折率が1.4437であり、波長
1550ｎｍの光に対するクラッド部の屈折率が1.4405であ
る、埋め込み型光導波路を作製した。 【００７４】そして、以上と同様にして種々のコア幅の
光導波路を作製し、波長1550ｎｍの光を入射して出射光
の近視野像（ＮＦＰ）を観察したところ、コア幅が8.5
μｍ以下の光導波路において特に好適にシングルモード
で機能することが確認された。また、カットバック法に
よって伝搬損失の測定を行なったところ、いずれも0.5
ｄＢ／ｃｍと小さな値であった。 【００７５】以上により、本発明の製造方法により作製
した金属含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波路は
優れた特性を持つことが確認できた。 【００７６】〔例７：光電子混在基板の作製〕〔例６〕
と同様の工程により、銅ポリイミド薄膜多層回路基板上
に金属（Ｔｉ）含有シロキサン系ポリマ膜から成る光導
波路を作製した。 【００７７】この光導波路の作製に当たっては、まず銅
ポリイミド薄膜多層回路基板上に〔例６〕のシロキサン
系ポリマ溶液を塗布し、85℃／30分＋270 ℃／30分の加
熱処理を行なって、厚さ５μｍのシロキサン系ポリマ膜
から成るクラッド層２（波長1550ｎｍの光に対する屈折
率1.4405）を形成した。 【００７８】次いで、クラッド層２の上に、テトラ−ｎ
−ブトキシチタン／シロキサン系ポリマ固形重量比＝0.
082 として調製したシロキサン系ポリマ膜形成用溶液を
用いて厚さ７μｍの金属（Ｔｉ）含有シロキサン系ポリ
マ膜から成るコア層３（波長1550ｎｍの光に対する屈折
率1.4437）を形成した。 【００７９】次に、コア層３の上に、厚さ0.5 μｍのＡ
ｌ層から成る金属層４をスパッタリング法により形成
し、さらに、ライン幅１〜15μｍのレジストパターン５
をフォトリソグラフィの手法により形成した。 【００８０】その後、Ｈ3 ＰＯ4 とＣＨ3 ＣＯＯＨとＨ
ＮＯ3 との混合溶液によりＡｌ層４をエッチングしてレ
ジストパターン５が転写されたＡｌパターン６を得、レ
ジストパターン５を除去した後、ＲＩＥ（条件：Ｏ2 流
量60ｓｃｃｍ、反応圧力５Ｐａ、ＲＦ出力600 Ｗ）によ
りコア層３のパターニングを行なって、サイドウォール
がほぼ垂直なコア７を形成した。 【００８１】そして、Ａｌパターン６を除去し、クラッ
ド層２と同様にして厚さ８μｍの第２のクラッド層８
（波長1550ｎｍの光に対する屈折率1.451 ）を形成し
て、コア高さが７μｍ、波長1550ｎｍの光に対するコア
部の屈折率が1.4437であり、波長1550ｎｍの光に対する
クラッド部の屈折率が1.4405である、埋め込み型光導波
路を作製した。 【００８２】以上のようにして作製した本発明に係るシ
ロキサン系ポリマ膜を用いた光導波路を形成した光電子
混在基板の例を図３に斜視図で示す。 【００８３】図３の光電子混在基板10において、11はセ
ラミックあるいは銅ポリイミド薄膜などから成る多層回
路基板、12は外部との光信号の入出力を行なうための光
ファイバー、13は光ファイバー12を多層回路基板11に接
続するためのカプラ、14は本発明に係るシロキサン系ポ
リマ膜を用いた光導波路であり、例えば前記のようにし
て形成したものである。この光導波路14により、光ファ
イバー12からの光信号はＯＥＩＣ15に入力され、あるい
はＯＥＩＣ15からの光信号が光ファイバー12へ出力され
る。また、16はＯＥＩＣ15を制御するＧａＡｓＩＣ、17
は演算処理用のＭＰＵであり、これらとＯＥＩＣ15とは
多層回路基板11上に実装されて電気伝送線路18や多層回
路基板11中の回路配線により接続されている。 【００８４】このような光電子混在基板10としたことに
より、屈折率が精密に制御されたシングルモードの光導
波路14で安定した低損失の光信号の伝送を行なうことが
できるとともに回路の高密度集積化ができ、光信号と電
気信号を用いた低電力・高速かつ高信頼性の光情報処理
を行なうことができた。 【００８５】なお、本発明は上述の実施例に何ら限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の変更・改良などを加えることは何ら差し支えない。 【００８６】 【発明の効果】本発明のシロキサン系ポリマを用いた光
導波路の製造方法によれば、金属アルコキシドを添加し
たシロキサン系ポリマ膜形成用溶液を基板上で熱重合さ
せて金属含有シロキサン系ポリマ膜が金属アルコキシド
が金属酸化物となってポリマ中に混在している部分と金
属アルコキシドの金属がポリマ内に取り込まれている部
分とから成る構造を有する金属含有シロキサン系ポリマ
膜から成る光導波路を形成することにより、シリカの屈
折率に近い屈折率を有する光導波路を形成できるととも
にその屈折率を安定して容易にかつきめ細かく制御する
ことができた。 【００８７】また、本発明のシロキサン系ポリマを用い
た光導波路の製造方法によれば、下地基板表面の凹凸や
表面粗さにかかわらず成膜後の表面粗さが小さくて平坦
性に優れ、下地基板との密着性に優れ、半田実装に対す
る十分な耐熱性を有する、光電子混在基板への適用に好
適なシロキサン系ポリマから成る光導波路を、簡単な設
備で短時間・低コストで作製することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属含有シロキサン系ポリマ膜に
おけるテトラ−ｎ−ブトキシチタンとシロキサン系ポリ
マ溶液の固形分との重量比と膜の屈折率との関係を示す
線図である。 【図２】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明に係る金属含
有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波路の製造プロセ
スの例を示す断面図である。 【図３】本発明に係るシロキサン系ポリマ膜を用いた光
導波路を形成した光電子混在基板の例を示す斜視図であ
る。 【符号の説明】 １・・・・・基板 ２・・・・・クラッド層 ３・・・・・コア層 ４・・・・・金属層 ５・・・・・レジストパターン ６・・・・・Ａｌパターン ７・・・・・コア ８・・・・・第２のクラッド層 10・・・・・光電子混在基板 11・・・・・多層回路基板 14・・・・・光導波路 15・・・・・ＯＥＩＣ（光電集積回路）
おけるテトラ−ｎ−ブトキシチタンとシロキサン系ポリ
マ溶液の固形分との重量比と膜の屈折率との関係を示す
線図である。 【図２】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明に係る金属含
有シロキサン系ポリマ膜から成る光導波路の製造プロセ
スの例を示す断面図である。 【図３】本発明に係るシロキサン系ポリマ膜を用いた光
導波路を形成した光電子混在基板の例を示す斜視図であ
る。 【符号の説明】 １・・・・・基板 ２・・・・・クラッド層 ３・・・・・コア層 ４・・・・・金属層 ５・・・・・レジストパターン ６・・・・・Ａｌパターン ７・・・・・コア ８・・・・・第２のクラッド層 10・・・・・光電子混在基板 11・・・・・多層回路基板 14・・・・・光導波路 15・・・・・ＯＥＩＣ（光電集積回路）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 6/13
C08G 77/04
C09D 183/04
G02B 6/12
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 金属アルコキシドを添加したシロキサン
系ポリマ膜形成用溶液を基板上で熱重合させて前記金属
アルコキシドが金属酸化物となってポリマ中に混在して
いる部分と前記金属アルコキシドの金属がポリマ内に取
り込まれている部分とから成る構造を有する金属含有シ
ロキサン系ポリマ膜から成る光導波路を形成することを
特徴とするシロキサン系ポリマを用いた光導波路の製造
方法。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| JP04252096A JP3372746B2 (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | シロキサン系ポリマを用いた光導波路の製造方法 |
| US08/807,620 US5972516A (en) | 1996-02-29 | 1997-02-27 | Method for manufacturing optical waveguide using siloxane polymer, and optoelectronic hybrid substrate using the optical waveguide |
| US09/346,002 US6088492A (en) | 1996-02-29 | 1999-07-01 | Method for manufacturing optical waveguide using siloxane polymer, and optoelectronic hybrid substrate using the optical waveguide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04252096A JP3372746B2 (ja) | 1996-02-29 | 1996-02-29 | シロキサン系ポリマを用いた光導波路の製造方法 |
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|---|---|---|---|
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-
1996
- 1996-02-29 JP JP04252096A patent/JP3372746B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH09236719A (ja) | 1997-09-09 |
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