JP3681947B2 - Manufacturing method of optical waveguide - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応力に起因するクラックや剥離を防止し得る光導波路の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高分子材料を用いた光導波路は、光学ガラス材料や無機光学結晶材料を用いた光導波路と比較して、超高真空装置を用いることなくスピンコータでの塗布およびたかだか200℃乃至400℃程度の比較的低温での焼成により硬化させることによって光学膜形成が可能であることや、酸素プラズマ等により容易に加工できる等の利点があり、低価格で高機能の光導波路部品への応用が期待され、検討が進められている。
【0003】
ところが、利点ばかりが強調されてはいるものの、解決すべき課題も多い。中でも、高分子材料と基板材料との熱膨張係数の差に伴い、焼成・硬化後、室温まで冷却した際には、ほとんどの場合、高分子膜に強い引っ張り応力が生じ、その応力のためにその後の導波路作製プロセスや部品化プロセスにおいて、高分子膜にクラックや剥離が発生するという問題には、今のところ根本的な解決法は見いだされていない。
【0004】
高分子光導波路の作製は、理想的には、図1に示す、以下のような工程で行われる。
【0005】
まず、シリコンやガラスの基板11上に、高分子光学膜となるべき材料を溶剤等に溶解した溶液や、熱あるいは光照射により重合して高分子光学膜となる液状の材料を、例えばスピンコータにより塗布する。しかる後、オーブン中での加熱や光照射等により、溶剤を蒸発させたり、重合させることにより硬化させて、光導波路の下部クラッドとなるべき第1の高分子光学膜12(以下、高分子膜あるいは光学膜と称する。)とする(図1(a))。
【0006】
次に、下部クラッドとなるべき第1の光学膜12を形成した基板11上に、硬化後には前記下部クラッドよりもわずかに屈折率が大きい光学膜となるように調整された溶液をスピンコータにより塗布し、第1の光学膜と同様にしてオーブン中での加熱や光照射等により硬化させて、光導波路のコアとなるべき第2の光学膜13を形成する(図1(b))。
【0007】
次に、第2の光学膜13上に金属膜やレジスト膜等を形成し、フォト工程およびエッチング等により、チャンネル導波路のコア以外の部分の金属膜やレジスト膜を除去する。しかる後、金属膜やレジスト膜等14をマスクにして、第2の光学膜13をエッチング等により加工し、チャンネル導波路のコア15を得る(図1(c))。
【0008】
最後に、チャンネル導波路のコア15上に残存する金属膜やレジスト膜等14を除去し、下部クラッドと同等の屈折率を有する上部クラッドとなるべき第3の光学膜16を、第1あるいは第2の光学膜と同様の手法により形成して高分子光導波路の作製を終了する(図1(d))。
【0009】
ここで、図1は、あくまで理想的な工程の模式図であって、応力に伴う基板や膜の反りおよびクラックや剥離の発生等を全く考慮していないことを認識すべきである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
基板材料であるシリコンやガラスの熱膨張係数が10-6/℃あるいは10-7/℃台であるのに対して、高分子材料の熱膨張係数は10-5/℃あるいは10-4/℃台と大きい。このような高分子材料からなる光学膜を、特に300℃程度の加熱により硬化させた後、室温まで冷却すると、1%程度のミスマッチが基板との間に生ずることになる。
【0011】
このミスマッチのために、高分子膜には引っ張り応力が生じ、それを少しでも緩和しようとして基板を圧縮する形で高分子膜を形成した側に凹状に反らせることとなる。即ち、焼成直後の温度が高い状態では、基板と高分子膜とは殆ど反っていることはないが、室温まで冷却すると、反りが生ずる。図2はこれを模式的に示す。図2(a)中の17は焼成直後の高分子膜、図2(b)中の18は焼成後、室温まで冷却した高分子膜である。
【0012】
また、加熱による重合・硬化だけでなく、例えば光照射により重合・硬化させた場合にも、重合反応により高分子膜は収縮するため、同様に基板との間に応力が生じ、高分子膜は引っ張り応力を受け、基板は圧縮応力を受けることを認識すべきである。
【0013】
前述した従来の高分子光導波路の構造において、第2の高分子膜まで形成・硬化させて室温まで冷却した段階(光照射による重合・硬化においては、重合反応終了後)では、図3(a)に示すように、実際には上述のように基板11の高分子膜を形成した側では、下部クラッドとなる第1の高分子膜12および加工後にコアとなる第2の高分子膜13の両者から圧縮応力を受けて凹状に反っている。
【0014】
従来、チャンネル導波路のコア15以外の第2の高分子膜13は、マーカ等を除いて殆どが不要な部分であるとして除去されていた。即ち、コアを含めて、加工後に残存する第2の高分子膜の面積の、加工前の面積に対する割合は、高々数%以下程度であった。この不要とされる部分を除去することにより、基板11への圧縮応力は緩和され、図3(b)に示すように、基板11の反りは小さくなる。
【0015】
基板の反りが小さくなるということは、高分子膜側から見れば、より強い引っ張り応力が生ずることを意味する。加工後の第1の高分子膜12は加工前に比較して、さらに伸ばされることになる。さらに伸ばされることに抗しきれず、図3(c)に示すように、応力の集中するコア15の下部と下部クラッド12の境目周辺にクラック19や剥離が発生することがしばしばある。
【0016】
クラックは、コアを加工する間にも、加工後にも、さらには導波路作製を終わった後においても発生することがある。クラックが発生すると、導波路の伝搬損失の増加や光の閉じ込め不良、さらには信頼性の低下という問題にも至る。図3(d)はクラックの発生した導波路の断面構造を模式的に示すものである。また、剥離は下部クラッドと基板との間で発生することも多い。
【0017】
本発明の目的は、このようなクラックや剥離の発生という問題点に鑑み、光導波路材料への応力の増加を押さえることにより、クラックや剥離の発生を防止し、もって低損失で信頼性の高い光導波路の製造方法を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、上述の光導波路におけるクラックや剥離の発生という問題点を解決するため、光導波路を形成するための基板上のコアを含むコア近傍のごく一部の下部クラッド層のみを残して基板面上の殆どの下部クラッド層を除去し、前記の基板上にごく一部だけ残された下部クラッド層上の一部にコアを形成し、かつ前記残された下部クラッド層上に前記コアを覆うように上部クラッド層を形成することにより、下部クラッド、コアおよび上部クラッドと基板との間の応力をできる限り解放し、もって導波路におけるクラックや剥離の発生を防止するものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の光導波路の製造方法の実施の形態を図4を参照しながら説明する。
【0020】
まず、例えば基板と光学膜との接着性が不良である場合には、基板上の下部クラッドを残したい部分(コアが形成されるべき部位およびその近傍)に選択的に下部クラッド層との接着性を改善した領域(接着性改良部)を形成する。この接着性の改善は、接着剤の塗布でも良いし、プラズマ等による表面処理でも良い。あるいは基板と光学膜との接着性が良好である場合には、前記基板上の下部クラッドを残したくない部分(剥離部)に選択的に下部クラッドを剥離するための表面処理を施しておく。剥離のための表面処理は、例えば化学的エッチングで選択的に除去可能な金属膜や誘電体膜の形成でも、もともと基板との接着性の不良なフッ素化樹脂や誘電体等の膜の形成でも良い。
【0021】
また、選択的に接着性改良部あるいは剥離部を形成する方法としては、例えばフォトプロセスによりレジスト膜のマスクを形成してマスクで覆われていない部分の接着剤を除去したり、マスクで覆われていない部分をプラズマで処理したり、マスクで覆われていない部分に剥離のための処理を行ったりして、しかる後にレジストマスクを除去することが適用できるであろう。
【0022】
このようにして接着性改良部22あるいは剥離部23を形成した基板21(図4(a))上に、下部クラッドとして機能する光学膜となるべき材料を溶剤等に溶解した溶液や、熱あるいは光照射により重合して光学膜となる液状の材料を例えばスピンコータにより塗布し、オーブン中での加熱や光照射等により、溶剤を蒸発させたり、重合させることにより硬化させて、図4(b)に示すように、光導波路の下部クラッド層膜24とする。
【0023】
ここで、たとえ接着性が悪い領域が大部分を閉めていたとしても、剥離のきっかけを与えない限り、下部クラッド層膜24が焼成温度から室温まで冷却される間に収縮して基板21に凹状の反りが生ずること、即ち下部クラッド層膜24には引っ張り応力が加わることに留意すべきである。
【0024】
次に、下部クラッド層膜24の一部に傷をつけたり、あるいは一部にドライエッチングを施すなどして剥離のきっかけを与えるか、あるいは接着性改良部22以外の下部クラッド層24をドライエッチングで除去するか、剥離のための処理が、剥離されるべき下部クラッド層24の下地層の金属膜の化学的エッチングによる除去である場合にはそれを行って、図4(c)に示すように、基板上の所望の一部の領域、即ち接着性改良部22上にのみ下部クラッド25が残るようにする。
【0025】
この下部クラッド25は基板1上のごく一部の面積を占めているだけであり、基板1の反りは殆ど解消している。さらに、基板の反りがなくなることにより下部クラッド25への引っ張り応力は一見強くなるように思われるが、剥離の際には下部クラッド層25は接着性改良部22に向かって収縮するために、応力は若干緩和されるものと考えて良い。
【0026】
また、クラッド材料に、例えば光硬化性樹脂(LTV硬化樹脂等)を用いる場合には、接着性が改善された部分にのみマスクを通して光を照射して、接着性が不良の領域の樹脂は溶剤で除去する方法も考えられる。
【0027】
次に、下部クラッド25まで形成した基板上に、基板と光学膜との接着性が不良である場合にはそのまま、硬化後には前記下部クラッドよりもわずかに屈折率が大きい光学膜となるように調整された溶液をスピンコータにより塗布して、下部クラッド層と同様にしてオーブン中での加熱や光照射等により硬化させて、図4(d)に示すように、光導波路のコアとなるべきコア層膜26を形成する。なお、基板と光学膜との接着性が良好である場合には、下部クラッド25以外の領域に剥離のための処理を施してからコア層膜を形成する。
【0028】
次に、図4(e)に示すように、下部クラッド25以外の領域のコア層膜を予め下部クラッドと同様に剥離させると、コアへの応力が緩和されることは、下部クラッドの場合と同様である。
【0029】
その後、残されたコア層膜27上に金属膜やレジスト膜等を形成して、フォト工程およびエッチング等により、チャンネル導波路のコア以外の金属膜やレジスト膜を除去する。しかる後、金属膜やレジスト膜をマスクにして、コア層膜をエッチング等により加工して、図4(f)に示すように、チャンネル導波路のコア(コアリッジ部)28を得る。
【0030】
次に、コア28まで形成した基板上に、基板と光学膜との接着性が不良である場合にはそのまま、硬化後には前記下部クラッドと同等の屈折率を有する光学膜となるように調整された溶液をスピンコータにより塗布して、下部クラッド層と同様にしてオーブン中での加熱や光照射等により硬化させて、図4(g)に示すように、光導波路の上部クラッドとなるべき上部クラッド層膜29を形成する。なお、基板と光学膜との接着性が良好である場合には、下部クラッド25以外の領域に剥離のための処理を施してから上部クラッド層膜を形成する。
【0031】
最後に、図4(h)に示すように、下部クラッド25以外の領域の上部クラッド層膜29を下部クラッドと同様に剥離させると、上部クラッド30への応力が緩和されることは、下部クラッドの場合と同様である。上部クラッド30の加工は、このように単に剥離のみによってもいいし、必要であれば、残された上部クラッドの一部をエッチングによりトリミングすることもあって良い。
【0032】
本発明の光導波路においては、コア層膜に対してのみコアリッジ部およびマーカ等、ごく一部を残して殆どの部分を除去するという従来の構造と相違して、下部クラッド層膜および上部クラッド層膜に対しても、意図的な剥離により必要最小限度の領域の下部クラッドおよび上部クラッドのみを残存し、剥離の際の光学膜の接着部に向かっての収縮を利用して、光導波路への応力増加を緩和できるため、導波路での剥離やクラックの発生を防止できるという利点がある。
【0033】
上記構造において、どのような下部クラッドを残すかに関しては、導波路コアからの光の漏れ出しがなければ、基本的にはできるだけ狭い面積にのみ残すことが好ましい。また、本発明の光導波路は、特に高分子導波路においては、クラックの発生や剥離を防止するという利点が最も大きいが、応力の増加を押さえることから、応力に伴う偏波依存損失の改善に資することを忘れてはならない。これは、例えば石英導波路に対しても言えることである。
【0034】
【実施例】
片面研磨でおよそ0.5μmの厚さの熱酸化膜のついた0.5mm厚の4インチシリコン基板((100)方位)を用意し、本発明に基づくフッ素化ポリイミドからなる3次元埋め込み型光導波路の作製を行った。フッ素化ポリイミドと熱酸化シリコン膜との密着性は大変悪いので、まず、下部クラッドを形成すべき領域に対して熱酸化膜表面をプラズマ等により改質し、あるいはシランカップリング材やポリイミドワニス等の接着剤の塗布およびキュアにより、フッ素化ポリイミドとの接着性の改善を行っておかなければならない。
【0035】
プラズマによる処理を行う場合には、予め選択された領域以外をフォトレジスト等で覆っておくことが必要である。また、ワニス等の塗布を行う場合には、キュア後、フォトプロセスおよびエッチングにより不要な部分のワニス等を除去しておかなければならない。
【0036】
このように選択的に接着性が改善された領域を有する基板に対して、フッ素化ポリアミド酸溶液をおよそ7μmの厚さにスピンコータにより上記シリコン基板上に塗布し、オーブン中で加熱することにより下部クラッド層膜とした。加熱温度はポリアミド酸が重合してポリイミドとなるのに十分な300℃以上とするのが好ましく、また、できれば、窒素等の不活性ガスを導入しながら行うとさらに好ましい。下部クラッド層の厚さは、特に7μmである必要はなく、光の閉じ込めに必要にして十分な厚さであれば問題はない。例えば、5μm程度でも、また10μm以上あっても良い。
【0037】
このようにして形成した下部クラッド層膜に対して、外周歯やレーザートリミングの装置を用いて、接着性改良部と接着性不良部との境界近傍、例えば境界ののわずか外側に若干の切り込みを入れておいて、基板の端部の数ヵ所から鋭利なカッターナイフで傷をつけ、これによって剥離した部分の膜をピンセットでつまんで持ち上げることにより、下部クラッド層は容易に剥離でき、予め選択された接着性改良部以外の下部クラッド層膜を除去した。
【0038】
なお、剥離による除去の後、下部クラッドの端部のトリミングのためにエッチングを行うことには何らの問題もない。また、傷をつけての剥離以外に通常のフォトプロセスおよびエッチングにより、接着性改良部の下部クラッド層膜のみを残す検討も行ったが、両者に差異は見られなかった。曲線導波路等に対しては、エッチングによる方法が下部クラッドの占有面積の制御が容易であることは当然である。
【0039】
次に、選択的に形成された下部クラッド上に、加熱重合の後には下部クラッドと比較して通信波長領域(1.31乃至1.55μm波長)においてわずかに屈折率が大きくなるように調整されたフッ素化ポリアミド酸溶液を、およそ7μmの厚さにスピンコートし、オーブン中で加熱・キュアしてコア層膜とした。コア層膜の膜厚はクラッドとの屈折率差を勘案して決める必要があることは言うまでもない。
【0040】
このようにして形成したコア層膜に対して、下部クラッドと同様にして、下部クラッド領域のわずか外側に切り込みを入れておいて、基板端部にナイフで傷をつけての剥離を行い、さらに下部クラッド上に残されたコア層膜の上にコアリッジ部を加工するための金属マスクを形成した。金属マスクの材料はポリイミド材料とのドライエッチングの選択比が大きいものであればどのようなものでも良く、金属マスクそのものがドライエッチングにより容易に加工できるチタン、ニオブ、モリブデン、タンタル等が特に好ましいが、鋼、クロム、アルミニウム、マグネシウム、金、銀、白金等でも問題はない。
【0041】
金属マスクの加工は、フォトプロセスにより金属膜上にレジストパターンを形成しておいて、そのレジストパターンをマスクとして金属膜を反応性イオンエッチングやイオンビームエッチング等により不要な部分を除去することにより行うことができる。
【0042】
このようにして形成した金属マスクを用いてエッチングによりコアリッジ部の加工を行った。なお、コア層膜と下部クラッドとの密着性は良好であるため、特に接着性の改善を行う必要はないが、プラズマで下部クラッドの表面を処理しておくことには何らの問題もない。
【0043】
ところで、本願発明においては、図4に示したように、コア28の周辺のみの下部クラッド25を残すが、コアと下部クラッドの端部との距離は、導波路のコアとクラッドとの屈折率差によりその最小値は異なるものとなるが、少なくともコアからクラッドの外側への導波光の漏れ出しがないことをもとにできるだけ小さい値に決定すれば良い。これを満足できれば、膜への応力を緩和するには距離は小さいことが好ましく、クラックの防止が困難な高分子材料に関してはできることなら5μm以下まで小さくすべきである。
【0044】
しかし、現実的には、技術と歩留まり、マスク合わせ等の観点から、さらには高分子膜への応力の緩和の効果が十分でありさえすれば10μm以上、例えば50μm程度あるいはそれ以上であっても問題はない。また、言うまでもないことであるが、上記距離は導波路チップ上で一様である必要はない。例えばコア同士を近接させるところでは、それを優先しなければならない。
【0045】
その後、コアリッジ部上の金属マスクを除去してから下部クラッドと同等の屈折率となるフッ素化ポリアミド酸溶液を用いてスピンコート、加熱により、およそ10μm程度の厚さの上部クラッド層膜を形成した。このようにして形成した上部クラッド層膜に対し、下部クラッドと同様にして、下部クラッド領域のわずか外側に切り込みを入れておいて、基板端部にナイフで傷をつけての剥離を行い、残った部分を上部クラッドとして、本願発明の光導波路を作製した。
【0046】
このようにして作製した導波路には、クラックや剥離は全く生じなかった。一方、下部クラッドや上部クラッドがほぼ基板の全面に存在する従来の構造の光導波路を、基板全面に対して接着性改善の処理を行うことと、剥離のプロセスを行わないこと以外は同一にして作製したところ、コア下部と下部クラッドとの間にクラックが発生している箇所が多数見られ、さらに導波路チップの端部から膜の剥離も生じた。
【0047】
この他に、フッ素化ポリイミド以外の各種高分子材料、例えばシリコーン樹脂、PMMA、UV硬化や剥離の発生は見られず、従来の構造については、複数の箇所でクラックや剥離の発生が見られた。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路におけるクラックや剥離の発生という問題点を解決するために、光導波路を形成するための基板上のコアを含むコア近傍のごく一部の下部クラッド層のみを残して基板面上の殆どの下部クラッド層を除去し、前記の基板上にごく一部だけ残された下部クラッド層上の一部にコアを形成し、かつ前記残された下部クラッド層上に前記コアを覆うように上部クラッド層を形成することにより、下部クラッド、コアおよび上部クラッドと基板との間の応力をできる限り解放し、これによって導波路におけるクラックや剥離の発生を防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の光導波路の製造方法の一例を示す工程図
【図2】基板と光学膜とのミスマッチによる基板の反りの発生を示す模式図
【図3】応力に伴うクラックの発生を示す模式図
【図4】 本発明の光導波路の製造方法の実施の形態の一例を示す工程図
【符号の説明】
21:基板、22:接着性改良部、23:剥離部、24:下部クラッド層膜、25:下部クラッド、26:コア層膜、27:剥離後に残されたコア層膜、28:コア、29:上部クラッド層膜、30:上部クラッド。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing method of the optical waveguide path capable of preventing cracks and peeling due to stress.
[0002]
[Prior art]
Compared to optical waveguides using optical glass materials and inorganic optical crystal materials, optical waveguides using polymer materials are coated with a spin coater and compared to about 200 ° C to 400 ° C at the most without using an ultra-high vacuum device. There are advantages such as being able to form an optical film by being cured by baking at a low temperature and being easily processed by oxygen plasma, etc., and expected to be applied to low-cost and high-performance optical waveguide components, Consideration is ongoing.
[0003]
However, although only the benefits are emphasized, there are many problems to be solved. In particular, due to the difference in thermal expansion coefficient between the polymer material and the substrate material, a strong tensile stress is generated in the polymer film in most cases when it is cooled to room temperature after firing and curing. At present, no fundamental solution has been found for the problem that cracks and peeling occur in the polymer film in the subsequent waveguide fabrication process and component fabrication process.
[0004]
The production of the polymer optical waveguide is ideally performed by the following steps shown in FIG.
[0005]
First, on a silicon or glass substrate 11, a solution in which a material to be a polymer optical film is dissolved in a solvent or the like, or a liquid material that is polymerized by heat or light irradiation to become a polymer optical film is formed by, for example, a spin coater. Apply. Thereafter, the first polymer optical film 12 (hereinafter referred to as polymer film) to be cured by evaporating or polymerizing the solvent by heating in an oven, light irradiation, or the like to be the lower clad of the optical waveguide. Alternatively, it is referred to as an optical film) (FIG. 1A).
[0006]
Next, on the substrate 11 on which the first optical film 12 to be the lower clad is formed, a solution adjusted so as to become an optical film having a slightly higher refractive index than the lower clad after coating is applied by a spin coater. Then, similarly to the first optical film, the second optical film 13 to be the core of the optical waveguide is formed by being cured by heating in an oven, light irradiation, or the like (FIG. 1B).
[0007]
Next, a metal film, a resist film, or the like is formed on the second optical film 13, and the metal film or the resist film other than the core of the channel waveguide is removed by a photo process, etching, or the like. Thereafter, the second optical film 13 is processed by etching or the like using the metal film or resist film 14 as a mask to obtain the core 15 of the channel waveguide (FIG. 1C).
[0008]
Finally, the metal film or resist film 14 remaining on the core 15 of the channel waveguide is removed, and the third optical film 16 to be the upper cladding having the same refractive index as the lower cladding is replaced with the first or first optical film. 2 is completed by the same method as the optical film 2 (FIG. 1D).
[0009]
Here, FIG. 1 is a schematic diagram of an ideal process, and it should be recognized that warpage of a substrate and a film due to stress, occurrence of cracks and peeling, and the like are not taken into consideration at all.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The thermal expansion coefficient of silicon or glass as the substrate material is in the order of 10 −6 / ° C. or 10 −7 / ° C., whereas the thermal expansion coefficient of the polymer material is 10 −5 / ° C. or 10 −4 / ° C. Big with stand. When an optical film made of such a polymer material is cured by heating at about 300 ° C. and then cooled to room temperature, a mismatch of about 1% occurs between the substrate and the substrate.
[0011]
Due to this mismatch, a tensile stress is generated in the polymer film, and the substrate is compressed in a form of compressing the substrate in an attempt to alleviate the stress, and the polymer film is warped concavely. That is, the substrate and the polymer film hardly warp at a high temperature immediately after firing, but warp occurs when cooled to room temperature. FIG. 2 schematically illustrates this. 2 in FIG. 2A is a polymer film immediately after baking, and 18 in FIG. 2B is a polymer film cooled to room temperature after baking.
[0012]
Also, not only polymerization / curing by heating, but also when polymerizing / curing by light irradiation, for example, the polymer film contracts due to the polymerization reaction. It should be appreciated that under tensile stress, the substrate is subjected to compressive stress.
[0013]
In the structure of the conventional polymer optical waveguide described above, at the stage where the second polymer film is formed and cured and cooled to room temperature (in the polymerization and curing by light irradiation, after the completion of the polymerization reaction), FIG. As shown in FIG. 4, in fact, on the side of the substrate 11 on which the polymer film is formed as described above, the first polymer film 12 serving as the lower cladding and the second polymer film 13 serving as the core after processing are formed. It receives a compressive stress from both and warps in a concave shape.
[0014]
Conventionally, the second polymer film 13 other than the core 15 of the channel waveguide has been removed as being an unnecessary part except for a marker or the like. That is, the ratio of the area of the second polymer film remaining after processing, including the core, to the area before processing was at most several percent or less. By removing this unnecessary portion, the compressive stress on the substrate 11 is relieved, and the warpage of the substrate 11 is reduced as shown in FIG.
[0015]
When the warpage of the substrate is reduced, it means that a stronger tensile stress is generated when viewed from the polymer film side. The first polymer film 12 after processing is further stretched compared to before processing. As shown in FIG. 3C, cracks 19 and peeling often occur at the boundary between the lower part of the core 15 where stress is concentrated and the lower clad 12 as shown in FIG.
[0016]
Cracks may occur during processing of the core, after processing, and even after the fabrication of the waveguide. When a crack occurs, problems such as an increase in propagation loss of the waveguide, an optical confinement defect, and a decrease in reliability are also caused. FIG. 3D schematically shows the cross-sectional structure of the waveguide in which cracks occur. In addition, peeling often occurs between the lower cladding and the substrate.
[0017]
The object of the present invention is to prevent the occurrence of cracks and delamination by suppressing the increase in stress on the optical waveguide material in view of the problem of the occurrence of such cracks and delamination, and thus has low loss and high reliability. and to provide a manufacturing method of the optical waveguide path.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The gist of the present invention is to solve the problem of occurrence of cracks and peeling in the optical waveguide described above, leaving only a small part of the lower cladding layer near the core including the core on the substrate for forming the optical waveguide. Most of the lower clad layer on the substrate surface is removed, a core is formed on a part of the lower clad layer that is only partially left on the substrate, and the lower clad layer is left on the remaining lower clad layer. By forming the upper clad layer so as to cover the core, the stress between the lower clad, the core and the upper clad and the substrate is released as much as possible, thereby preventing the occurrence of cracks and peeling in the waveguide.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The embodiment of the manufacturing method of the optical waveguide path of the present invention will be described with reference to FIG.
[0020]
First, for example, when the adhesion between the substrate and the optical film is poor, the adhesion to the lower clad layer is selectively performed on the portion where the lower clad is to be left on the substrate (the portion where the core is to be formed and its vicinity). A region with improved properties (adhesion improving portion) is formed. This improvement in adhesiveness may be performed by applying an adhesive or by surface treatment with plasma or the like. Or when the adhesiveness of a board | substrate and an optical film is favorable, the surface treatment for peeling a lower clad selectively is performed to the part (peeling part) which does not leave the lower clad on the said board | substrate. The surface treatment for peeling can be performed by, for example, forming a metal film or a dielectric film that can be selectively removed by chemical etching, or forming a film such as a fluorinated resin or a dielectric that originally has poor adhesion to the substrate. good.
[0021]
In addition, as a method for selectively forming the adhesion improving portion or the peeling portion, for example, a resist film mask is formed by a photo process to remove the adhesive that is not covered with the mask, or the mask is covered with the mask. It may be applicable to remove the resist mask by treating the unexposed portion with plasma or subjecting the non-covered portion to treatment for peeling.
[0022]
On the substrate 21 (FIG. 4A) on which the adhesion improving portion 22 or the peeling portion 23 is formed in this way, a solution in which a material to be an optical film functioning as a lower clad is dissolved in a solvent, A liquid material that is polymerized by light irradiation to form an optical film is applied by, for example, a spin coater, and cured by evaporating the solvent or polymerizing by heating in an oven, light irradiation, etc. As shown in FIG. 2, the lower cladding layer film 24 of the optical waveguide is used.
[0023]
Here, even if the region having poor adhesion is mostly closed, the lower clad layer film 24 shrinks while being cooled from the firing temperature to room temperature and is concaved on the substrate 21 as long as it does not trigger peeling. It should be noted that this warpage occurs, that is, tensile stress is applied to the lower cladding layer film 24.
[0024]
Next, a part of the lower clad layer film 24 is scratched, or a part of the lower clad layer 24 is dry-etched, for example, to cause peeling, or the lower clad layer 24 other than the adhesion improving portion 22 is dry-etched. If the removal or removal treatment is removal by chemical etching of the metal film of the underlying layer of the lower cladding layer 24 to be peeled off, as shown in FIG. The lower clad 25 is left only on a desired part of the substrate, that is, on the adhesion improving portion 22.
[0025]
The lower clad 25 occupies a very small area on the substrate 1, and the warpage of the substrate 1 is almost eliminated. Furthermore, it seems that the tensile stress to the lower clad 25 is seemingly stronger due to the disappearance of the substrate warp. However, the lower clad layer 25 contracts toward the adhesion improving portion 22 at the time of peeling, so that the stress is reduced. Can be considered to be slightly relaxed.
[0026]
Further, when using, for example, a photo-curing resin (LTV curable resin or the like) as the cladding material, light is irradiated through the mask only to the portion where the adhesion is improved, and the resin in the region where the adhesion is poor is a solvent. The method of removing by is also considered.
[0027]
Next, when the adhesion between the substrate and the optical film is poor on the substrate formed up to the lower cladding 25, the optical film having a refractive index slightly higher than that of the lower cladding after curing is left as it is. The prepared solution is applied by a spin coater and cured by heating in the oven, light irradiation, or the like in the same manner as the lower clad layer, and as shown in FIG. A layer film 26 is formed. When the adhesion between the substrate and the optical film is good, the core layer film is formed after performing a peeling process on the region other than the lower clad 25.
[0028]
Next, as shown in FIG. 4E, if the core layer film in the region other than the lower clad 25 is peeled in advance in the same manner as the lower clad, the stress on the core is relieved as in the case of the lower clad. It is the same.
[0029]
Thereafter, a metal film, a resist film, or the like is formed on the remaining core layer film 27, and the metal film or the resist film other than the core of the channel waveguide is removed by a photo process and etching. Thereafter, using the metal film or resist film as a mask, the core layer film is processed by etching or the like to obtain the core (core ridge portion) 28 of the channel waveguide as shown in FIG.
[0030]
Next, on the substrate formed up to the core 28, when the adhesion between the substrate and the optical film is poor, the optical film having the same refractive index as that of the lower clad after the curing is adjusted as it is. The upper clad to be the upper clad of the optical waveguide, as shown in FIG. 4 (g), is applied by a spin coater and cured by heating in the oven, light irradiation or the like in the same manner as the lower clad layer. A layer film 29 is formed. If the adhesion between the substrate and the optical film is good, the upper clad layer film is formed after a treatment for peeling is performed on a region other than the lower clad 25.
[0031]
Finally, as shown in FIG. 4H, when the upper cladding layer film 29 in the region other than the lower cladding 25 is peeled in the same manner as the lower cladding, the stress on the upper cladding 30 is relieved. It is the same as the case of. The upper clad 30 may be processed simply by peeling as described above. If necessary, a part of the remaining upper clad may be trimmed by etching.
[0032]
In the optical waveguide of the present invention, the lower cladding layer film and the upper cladding layer differ from the conventional structure in which only a part of the core ridge portion and the marker are removed from the core layer film while leaving only a part of the optical waveguide. Even for the film, only the lower and upper clads in the minimum necessary area remain by intentional peeling, and the shrinkage toward the adhesive part of the optical film during peeling is used to remove the film into the optical waveguide. Since the increase in stress can be mitigated, there is an advantage that peeling and cracking in the waveguide can be prevented.
[0033]
In the above structure, as to what kind of lower clad is to be left, it is basically preferable to leave it only in the smallest possible area as long as no light leaks from the waveguide core. The optical waveguide of the present invention has the greatest advantage of preventing the occurrence of cracks and peeling, particularly in polymer waveguides. However, since the increase in stress is suppressed, the polarization dependent loss associated with stress can be improved. Don't forget to contribute. This is also true for, for example, a quartz waveguide.
[0034]
【Example】
A three-dimensional embedded light made of fluorinated polyimide based on the present invention was prepared by preparing a 0.5 mm thick 4-inch silicon substrate ((100) orientation) with a thermal oxide film of about 0.5 μm thickness by single-side polishing. A waveguide was produced. The adhesion between the fluorinated polyimide and the thermally oxidized silicon film is very poor. First, the surface of the thermally oxidized film is modified by plasma or the like for the region where the lower cladding is to be formed, or the silane coupling material, polyimide varnish, etc. The adhesiveness with the fluorinated polyimide must be improved by applying and curing the adhesive.
[0035]
When plasma processing is performed, it is necessary to cover a region other than a preselected region with a photoresist or the like. In addition, when applying varnish or the like, it is necessary to remove unnecessary varnish or the like after curing by a photo process and etching.
[0036]
For the substrate having such a region having improved adhesiveness selectively, a fluorinated polyamic acid solution is applied on the silicon substrate by a spin coater to a thickness of about 7 μm and heated in an oven to form a lower portion. A clad layer film was obtained. The heating temperature is preferably 300 ° C. or higher, sufficient for polymerizing the polyamic acid to form a polyimide, and more preferably, while introducing an inert gas such as nitrogen. The thickness of the lower clad layer is not particularly required to be 7 μm, and there is no problem as long as the thickness is sufficient to confine light. For example, it may be about 5 μm or 10 μm or more.
[0037]
For the lower clad layer film formed in this way, use a peripheral tooth or a laser trimming device to make a slight cut near the boundary between the adhesive improvement portion and the poor adhesion portion, for example, slightly outside the boundary. The lower clad layer can be easily peeled off by pre-selected by scratching with a sharp cutter knife from several places on the edge of the substrate and picking up the peeled film with tweezers and lifting it. The lower clad layer film other than the adhesive improvement part was removed.
[0038]
Note that there is no problem in performing etching for trimming the end portion of the lower clad after removal by peeling. Further, in addition to the peeling with scratches, an investigation was made to leave only the lower clad layer film of the adhesion improved portion by a normal photo process and etching, but there was no difference between the two. For curved waveguides and the like, it is natural that the etching method can easily control the area occupied by the lower cladding.
[0039]
Next, on the selectively formed lower clad, the refractive index is adjusted to be slightly higher in the communication wavelength region (1.31 to 1.55 μm wavelength) than the lower clad after heat polymerization. The fluorinated polyamic acid solution was spin-coated to a thickness of about 7 μm and heated and cured in an oven to form a core layer film. Needless to say, the thickness of the core layer film must be determined in consideration of the difference in refractive index from the cladding.
[0040]
For the core layer film thus formed, in the same manner as the lower clad, a cut is made slightly outside the lower clad region, the substrate end is peeled off with a knife, and further, A metal mask for processing the core ridge portion was formed on the core layer film left on the lower clad. The metal mask material may be any material as long as the selection ratio of the dry etching with the polyimide material is large, and titanium, niobium, molybdenum, tantalum, etc. are particularly preferable because the metal mask itself can be easily processed by dry etching. Steel, chrome, aluminum, magnesium, gold, silver, platinum, etc. have no problem.
[0041]
The metal mask is processed by forming a resist pattern on the metal film by a photo process, and removing unnecessary portions of the metal film by reactive ion etching or ion beam etching using the resist pattern as a mask. be able to.
[0042]
The core ridge portion was processed by etching using the metal mask thus formed. Since the adhesion between the core layer film and the lower clad is good, there is no need to improve the adhesion, but there is no problem in treating the surface of the lower clad with plasma.
[0043]
By the way, in the present invention, as shown in FIG. 4, the lower clad 25 is left only around the core 28, but the distance between the core and the end of the lower clad is the refractive index between the core and the clad of the waveguide. The minimum value differs depending on the difference, but it should be determined to be as small as possible based on at least no leakage of guided light from the core to the outside of the cladding. If this can be satisfied, it is preferable that the distance is small in order to relieve the stress on the film, and if it is possible to prevent the cracking of the polymer material, it should be as small as 5 μm or less.
[0044]
However, in reality, from the viewpoints of technology and yield, mask alignment, etc., and even if the effect of relaxing the stress on the polymer film is sufficient, it may be 10 μm or more, for example, about 50 μm or more. No problem. Needless to say, the distance need not be uniform on the waveguide chip. For example, where the cores are brought close to each other, priority must be given.
[0045]
Then, after removing the metal mask on the core ridge, an upper clad layer film having a thickness of about 10 μm was formed by spin coating and heating using a fluorinated polyamic acid solution having a refractive index equivalent to that of the lower clad. . In the same way as the lower cladding, the upper cladding layer film formed in this way is cut slightly outside the lower cladding region, and the substrate edge is peeled off with a knife and left. An optical waveguide according to the present invention was produced using the above-mentioned portion as an upper cladding.
[0046]
In the waveguide thus produced, no cracks or peeling occurred. On the other hand, an optical waveguide having a conventional structure in which the lower clad and the upper clad are present almost on the entire surface of the substrate is the same except that the adhesive improvement treatment is performed on the entire surface of the substrate and the peeling process is not performed. As a result, many cracks were observed between the core lower part and the lower clad, and film peeling occurred from the end of the waveguide chip.
[0047]
In addition to this, various polymer materials other than fluorinated polyimide, such as silicone resin, PMMA, UV curing and peeling were not observed, and cracks and peeling were observed at multiple locations for the conventional structure. .
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in order to solve the problem of occurrence of cracks and peeling in the optical waveguide, a very small portion near the core including the core on the substrate for forming the optical waveguide. Most of the lower clad layer on the substrate surface is removed, leaving only the clad layer, a core is formed on a part of the lower clad layer that is left on the substrate, and the remaining lower part is formed. By forming the upper clad layer on the clad layer so as to cover the core, the stress between the lower clad, the core and the upper clad and the substrate is released as much as possible, thereby preventing the occurrence of cracks and delamination in the waveguide. There is an effect that can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram showing an example of a conventional method of manufacturing an optical waveguide. FIG. 2 is a schematic diagram showing the occurrence of warpage of a substrate due to a mismatch between the substrate and an optical film. FIG. process diagram showing an example of embodiment of the manufacturing method of the optical waveguide path of the schematic diagram FIG. 4 the invention [description of symbols]
21: substrate, 22: adhesion improving part, 23: peeling part, 24: lower cladding layer film, 25: lower cladding, 26: core layer film, 27: core layer film left after peeling, 28: core, 29 : Upper clad layer film, 30: upper clad.

Claims (5)

基板上に下部クラッド、コアおよび上部クラッドを備えた光導波路を形成する光導波路の製造方法において、
基板表面のうち、コアが形成されるべき領域およびその近傍のみを光導波路材料との接着性が良好な領域となし、かつそれ以外の領域を接着性が不良な領域となし、
前記基板上に下部クラッド層を形成し、
前記形成された下部クラッド層のうち、前記光導波路材料との接着性が良好な領域上の下部クラッド層のみを残すように前記接着性が不良な領域上の下部クラッド層を除去して下部クラッドを形成し、
前記下部クラッドが形成された基板上にコア層を形成し、
前記形成されたコア層のうち、前記下部クラッド上のみを残してそれ以外の部分を除去し、
前記残されたコア層のうち選択された部分のみをコアとして加工し、
前記下部クラッドおよびコアが形成された基板上に上部クラッド層を形成し、
前記形成された上部クラッド層のうち、コアを含む下部クラッド上のみを残すように前記接着性が不良な領域上の上部クラッド層を除去して上部クラッドを形成した
ことを特徴とする光導波路の製造方法。
In an optical waveguide manufacturing method for forming an optical waveguide having a lower clad, a core and an upper clad on a substrate,
Of the surface of the substrate, only the region where the core is to be formed and the vicinity thereof is a region having good adhesion to the optical waveguide material, and the other region is a region having poor adhesion,
Forming a lower cladding layer on the substrate;
Of the formed lower cladding layer, the lower cladding layer is removed by removing the lower cladding layer on the poorly adhesive region so as to leave only the lower cladding layer on the region having good adhesiveness with the optical waveguide material. Form the
Forming a core layer on the substrate on which the lower cladding is formed;
Of the core layer thus formed, the remaining part is removed except for only the lower cladding,
Only the selected portion of the remaining core layer is processed as a core,
Forming an upper cladding layer on the substrate on which the lower cladding and the core are formed;
An upper clad is formed by removing the upper clad layer on the region having poor adhesion so as to leave only the lower clad including the core among the formed upper clad layer. Production method.
基板表面自体と光導波路材料との接着性が不良な場合、基板表面のうち、コアが形成されるべき領域およびその近傍のみを表面処理することにより、光導波路材料との接着性が良好な領域を形成す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。  In the case where the adhesion between the substrate surface itself and the optical waveguide material is poor, the region on the substrate surface where the core is to be formed and the vicinity thereof are surface-treated so that the adhesion with the optical waveguide material is good. The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 1, wherein: 基板表面自体と光導波路材料との接着性が良好な場合、基板表面のうち、コアが形成されるべき領域およびその近傍以外を表面処理することにより、光導波路材料との接着性が不良な領域を形成す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。  When the adhesion between the substrate surface itself and the optical waveguide material is good, the region of the substrate surface that has poor adhesion to the optical waveguide material by surface treatment other than the region where the core is to be formed and the vicinity thereof The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 1, wherein: 基板としてシリコンまたはガラス基板を用い、光導波路材料として高分子材料を用いたことを特徴とする1乃至3いずれか記載の光導波路の製造方法。  4. The method of manufacturing an optical waveguide according to any one of claims 1 to 3, wherein a silicon or glass substrate is used as the substrate and a polymer material is used as the optical waveguide material. 下部クラッド層、コア層および上部クラッド層の除去のうちの少なくとも1つは、除去すべき領域と残すべき領域との境界近傍に切り込みを入れ、除去すべき領域を剥離することにより行うことを特徴とする請求項4記載の光導波路の製造方法。  At least one of the removal of the lower clad layer, the core layer, and the upper clad layer is performed by making a cut near the boundary between the area to be removed and the area to be removed, and peeling the area to be removed. The method for producing an optical waveguide according to claim 4.
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