JP3870411B2

JP3870411B2 - 光導波路構造

Info

Publication number: JP3870411B2
Application number: JP2002018422A
Authority: JP
Inventors: 正利山口; 亨高橋
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2022-01-28
Also published as: JP2003215368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アライメントマークを有する光導波路構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のパソコンやインターネットの普及に伴い、情報伝送需要が急激に増大している。このため、伝送速度の速い光伝送を、パソコン等の末端の情報処理装置まで普及させることが望まれている。これを実現するには、光インターコネクション用に、高性能な光導波路を、安価かつ大量に製造する必要がある。
【０００３】
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。また、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。
【０００４】
また、コアならびにクラッド層を構成する樹脂としては、種々のものが知られているが、ガラス転移温度（Ｔｇ）が高く、耐熱性に優れるポリイミドが特に期待されている。ポリイミドによりコアおよびクラッド層を形成した場合、長期信頼性が期待でき、半田付けにも耐えることができる。このポリイミドの中でも透過率、屈折率特性から通常フッ素を含むポリイミドが適用されている。
【０００５】
通常、基板にはシリコンウエハが用いられ、ウエハに多面取りできるようにレイアウトされる。これを、それぞれのチップにダイシングを用いて切断する。また、導波路の種類によっては、フィルタを挿入するための溝をダイシングにより形成する。このフィルタの位置は導波路の種類によっては位置ずれが数μm以内の高精度に収める必要がある。
【０００６】
ダイシングの際の位置決め用として、アライメントマークを形成するが、一般的には基板に予め金属マークを形成し、そのマークを利用してコアのフォトリソを行う。別のマークとして、シリコンの異方性エッチングを利用したＶ溝を用いることもできる。そして、ダイシングの際に基板上の金属のマークを用いて位置合わせを行う。位置精度が要求されるのは、コアとダイシング位置の位置関係であり、基板上の金属を間接的に利用するため、誤差として基板上金属とコアの位置ずれが加味されてしまい、高い精度が得にくいという問題があった。高精度の位置合わせをするには、アライメントマークをコア材料を用いてコアのフォトリソの際、同時に形成すれば良い。この方法であれば、コアとアライメントマークの位置関係はフォトマスクの精度で決まり、高い精度が得られるはずである。しかし、光導波路デバイスに使用されるコアとクラッド材料は伝搬損失などの光特性を維持する必要があるため、屈折率差を小さく設定している。そのため、低倍率の顕微鏡観察では、アライメントマークが観察できるが、高倍率にした場合には見えにくくなってしまい、結果的に精度を確保できないという問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、従来の問題であったアライメント精度を向上させることができる光導波路構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コアと、クラッドと、位置合わせ用のアライメントマークを有する光導波路構造において、前記アライメントマークが前記コアと同一の材料で構成されていること、及び前記アライメントマークの周辺に前記コア材料及び前記クラッド材料よりも光透過率の低い材料で構成され、前記コアの厚み以下の厚みを有するコントラスト領域が設けられていることを特徴とする光導波路構造を提供するものである。
本発明の好ましい実施態様において、前記コア材料及びクラッド材料は、石英又はポリマーである。ポリマーとして好ましいものは、フッ素を含有するポリイミドである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の光導波路構造は、基板上に形成された形態であっても良く、あるいは、基板上に形成された後、基板から分離されたポリマー光導波路フィルムの形態であっても良い。基板の例としては、ガラス、石英、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化タンタル、ガリウムヒ素等の無機材料基板が挙げられる。
【００１０】
本発明の光導波路構造は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の被膜（厚みは好ましくは０．５〜１０μｍ）を形成したシリコン基板上に、必要により接着層（例えば、有機ジルコニウム化合物層、又はこの層の上にさらに設けられた非フッ素化ポリイミド系樹脂層）を設ける工程、下部クラッド（厚みは好ましくは５〜３０μｍ）を設ける工程、下部クラッドの上にコア（厚みは好ましくは４〜１５μｍ）及びアライメントマーク（厚みは好ましくはコアと同じ４〜１５μｍ）を設ける工程、前記アライメントマークの周辺に前記コア材料及び前記クラッド材料よりも光透過率の低い材料で構成され、前記コアの厚み以下の厚みを有するコントラスト領域（幅が好ましくは５μｍ以上）を設ける工程、前記コア、前記下部クラッド、前記アライメントマーク、及び前記コントラスト領域を覆うように上部クラッド（厚みは好ましくは５〜３０μｍ）を設ける工程、及び必要により上部クラッドの上に保護層（厚みは好ましくは０．５〜１０μｍ）を設ける工程をこの順に実施することにより製造される。
【００１１】
アライメントマークは、コアを形成する際に使用するコア作成用マスクに形成されており、コアのパターニングの際にコアと同一の材料を用いて同時に形成することが望ましい。アライメントマークの形状は特に限定されず、円形、楕円形、三角形、四角形等の多角形、十字、Ｌ字、口の字、田の字のように中央部を欠失させたもの等任意の形状で良い。大きさは、３０〜１００μｍ程度が適当である。
アライメントマークは、ダイシングの際の切り出し位置及び切り出し方向の決定に使用する位置合わせマークであり、ウエハ１枚当たり最低２箇所設けておくことが必要であるが、光導波路の各ユニット（デバイス）毎に２〜４箇所設けておくことが便利である。
【００１２】
本発明の光導波路構造においては、アライメントマークの周辺に、前記コア材料及び前記クラッド材料よりも光透過率の低い材料で構成された、前記コアの厚み以下の厚みを有するコントラスト領域が設けられている。
コントラスト領域を構成する材料としては、前記コア材料及び前記クラッド材料よりも光透過率の低い材料であれば特に制限はなく、例えば、フォトレジスト樹脂、例えば、ノボラック樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等；アルミニウム、銅、クロム、チタン等の金属；セラミックス；グラファイト、カーボンブラック等の顔料；染料；及びこれらの２種以上の組合せから成る材料が挙げられる。
コントラスト領域の幅は５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、さらに好ましくは１０〜５０μｍが望ましい。コントラスト領域の厚みは、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上であり、最大コアの厚み以下である。
【００１３】
コントラスト領域の形成方法も特に限定されず、塗布、印刷（例えば、スクリーン印刷）、ディスペンサー、蒸着等が使用できる。また、ブラウン管のブラックマトリクスを形成する際適用される方法や、グラファイトやカーボンブラック等の分散液をスピン塗布又はパドル塗布などで塗布する方法も利用できる。
例えば、コア及びアライメントマークを形成した後、フォトレジスト樹脂を塗布し、必要によりプリベークし、アライメントマーク及びその周辺のパターンを有するマスクを介して露光、現像し、アライメントマーク及びその周辺の上部に残存するレジスト樹脂を加熱処理して炭化することにより、容易に形成することができる。レジスト樹脂の塗布量を調整することにより、アライメントマーク上部のレジスト樹脂は周辺領域より膜厚が薄くなり、現像及び加熱処理工程で殆ど消失させることができ、炭化物で構成されたコントラスト領域をアライメントマーク周辺にのみ形成することができる。この際、必要により、コアの周辺に同時に炭化物で構成されたコントラスト領域を形成すると、この領域はクロストーク低減手段として機能する。
【００１４】
また、コア及びアライメントマークを形成した後、ポジ型レジスト樹脂を塗布し、アライメントマーク周辺領域のパターンを有するマスクを介して露光、現像し、アライメントマーク周辺領域のみを露出させ、この露出部位に、前記コア材料及び前記クラッド材料よりも光透過率の低い材料を、蒸着、塗布、印刷その他の手段により付着させ、コントラスト領域を形成することができる。この際、必要により、コアの周辺に同時にコントラスト領域を形成すると、この領域はクロストーク低減手段として機能する。
【００１５】
【実施例】
本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
（実施例１）
基板１として直径７６ｍｍのシリコンウエハを用意し、この基板１の上に図１の構造を備える構成単位を多数配列して形成した後、当該構成単位毎にダイシングにより切り離すことで、多数の図１の光導波路デバイス１００を一度に製造した。この実施例では、成膜やパターニング等は、ウエハ状の基板１全体で一度に行った。
【００１６】
（１）下部クラッド３の形成工程
シリコン基板１の上面全体にフッ素含有ポリイミド樹脂（ＯＰＩ−Ｎ１００５：日立化成工業株式会社製商品名）をスピン塗布して材料溶液膜を形成した。その後、乾燥器を用い１００℃で３０分間、次いで２００℃で３０分間加熱することにより溶媒を蒸発させ、続けて３７０℃で６０分加熱することにより樹脂を硬化させて、厚さ６μｍの下部クラッド３を形成した。
【００１７】
（２）コア４及びアライメントマーク６の形成工程
この下部クラッド３の上に、フッ素含有ポリイミド樹脂（ＯＰＩ−Ｎ３２０５：日立化成工業株式会社製商品名）をスピン塗布して材料溶液膜を形成した。その後、乾燥器を用い１００℃で３０分間、次いで２００℃で３０分間加熱することにより溶媒を蒸発させ、続けて３５０℃で６０分加熱することにより樹脂を硬化させて、コア４及びアライメントマーク６となる厚さ６μｍのポリイミド膜を形成した。
【００１８】
得られたポリイミド膜を、フォトリソグラフィによりコア４及びアライメントマーク６の形状にパターニングした。具体的には、コア４及びアライメントマーク６となるポリイミド膜の上にフォトレジスト（ＲＵ−１６００Ｐ；日立化成工業株式会社製商品名）を乾燥膜厚２μｍとなるようにスピン塗布し、１００℃で乾燥後、コア４及びアライメントマーク６の形状のパターンを有するマスクを介して水銀ランプで露光、現像して、レジストパターン層を形成した。このレジストパターン層をマスクとして前述のポリイミド膜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、基板１上にコア４及びアライメントマーク６を多数配列して形成した。その後、レジストパターン層を剥離した。
【００１９】
（３）コントラスト領域７の形成工程
次に、フォトレジスト（ＯＦＰＲ８００：東京応化製）をスピンコータで乾燥膜厚約１μｍとなるように塗布し、９０℃で５分間プリベークした後、アライメントマーク６全体（及びコア４、もしくはアライメントマーク６、コア４、及び下部クラッド３の全体）及びアライメントマーク６の外縁から少なくとも２０μｍ以上外側までの領域（コントラスト領域７となる部分）が覆われるように、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストをパターニングした。次いで、ホットプレートにより、３５０℃３０分加熱し、フォトレジストを熱分解して炭化した。こうして形成されるコントラスト領域７とアライメントマーク６の位置精度は、それほど高くする必要はない。図１に示すように、コントラスト領域７の幅Ｌは少なくとも５μｍ以上となるようにすれば良い。
【００２０】
フォトレジストの膜厚が厚すぎると、光がコア４も透過せず、アライメントマーク７のエッジのみを検出することになる。しかし、フォトレジストの膜厚が、約２μｍ以下であれば、アライメントマーク６上のフォトレジストの膜厚は薄く、また現像液により若干現像除去されるため、アライメントマーク６上には、フォトレジストが実質的に残らない。そのため、光がアライメントマーク６は透過するが、コントラスト領域７は透過しないため、アライメントマーク６のエッジが明瞭に視認されることとなる。
【００２１】
（４）上部クラッド５の形成工程
次に、コア４、下部クラッド３、アライメントマーク６及びコントラスト領域７の全体を覆うように、フッ素含有ポリイミド樹脂（ＯＰＩ−Ｎ１００５：日立化成工業株式会社製商品名）をスピン塗布した。得られた材料溶液膜を、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱して材料溶液膜中の溶媒を蒸発させ、３５０℃で６０分加熱することによりポリイミド膜の上部クラッド５を形成した。コントラスト領域７は炭化しているため、上部クラッド５の溶剤であるジメチルアセトアミドに溶解することなく、コントラスト向上膜としての役割を果たす。コントラスト領域７の炭化が不足している場合、上部クラッド５の形成の際に上部クラッド５の溶剤で溶解してしまうため、不具合が生ずる。このため、コントラスト領域７の炭化処理は充分に行う必要がある。
【００２２】
（５）ダイシング工程
その後、ウエハ状の基板１をダイシングにより切り出し、多数の光導波路デバイス１００を完成させた。
ダイシングの位置精度は、コントラスト領域を設けない場合には約±１０μｍであったが、コントラスト領域を設けた本発明の実験例では、±５μｍに低減できた。
【００２３】
（実施例２）
基板１として直径７６ｍｍのシリコンウエハを用意し、この基板１の上に図１の構造を備える構成単位を多数配列して形成した後、当該構成単位毎にダイシングにより切り離すことで、多数の図１の光導波路デバイス１００を一度に製造した。この実施例では、成膜やパターニング等は、ウエハ状の基板１全体で一度に行った。
【００２４】
（１）下部クラッド３の形成工程
基板１の上面全体にフッ素含有ポリイミド樹脂（ＯＰＩ−Ｎ１００５：日立化成工業株式会社製商品名）をスピン塗布して材料溶液膜を形成した。その後、乾燥器を用い１００℃で３０分間、次いで２００℃で３０分間加熱することにより溶媒を蒸発させ、続けて３７０℃で６０分加熱することにより樹脂を硬化させて、厚さ６μｍの下部クラッド３を形成した。
【００２５】
（２）コア４及びアライメントマーク６の形成工程
この下部クラッド３の上に、フッ素含有ポリイミド樹脂（ＯＰＩ−Ｎ３２０５：日立化成工業株式会社製商品名）をスピン塗布して材料溶液膜を形成した。その後、乾燥器を用い１００℃で３０分間、次いで２００℃で３０分間加熱することにより溶媒を蒸発させ、続いて３５０℃で６０分加熱することにより樹脂を硬化させて、コア４及びアライメントマーク６となる厚さ６μｍのポリイミド膜を形成した。
【００２６】
得られたポリイミド膜は、フォトリソグラフィによりコア４及びアライメントマーク６の形状にパターニングした。具体的には、コア４及びアライメントマーク６となるポリイミド層の上にレジスト（ＲＵ−１６００Ｐ；日立化成工業株式会社製商品名）をスピン塗布し、１００℃で乾燥後、コア４及びアライメントマーク６の形状のパターンを有するマスクを介して水銀ランプで露光、現像して、レジストパターン層を形成した。このレジストパターン層をマスクとして前述のポリイミド膜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、基板１上にコア４及びアライメントマーク６を多数配列して形成した。その後、レジストパターン層を剥離した。
【００２７】
（３）コントラスト領域７の形成工程
次に、フォトレジスト（フェノールノボラック；ＯＦＰＲ８００：東京応化製商品名）を塗布し、９０℃で５分間プリベークした後、アライメントマーク６の周囲のコントラスト領域７となる部分全体が開口するパターンを有するマスクを介して、フォトレジストを露光、現像した。次に、露出した、アライメントマーク６の周囲のコントラスト領域７となる部分全体に、真空蒸着法によりクロムを０．０５μｍ成膜した。次に、フォトレジストを除去して、蒸着クロムからなるコントラスト領域７を形成した。
【００２８】
（４）上部クラッド５の形成工程
次に、コア４、下部クラッド３、アライメントマーク６及びコントラスト領域７を覆うように、フッ素含有ポリイミド樹脂（ＯＰＩ−Ｎ１００５：日立化成工業株式会社製商品名）をスピン塗布した。得られた材料溶液膜を、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱して材料溶液膜中の溶媒を蒸発させ、３５０℃で６０分加熱することによりポリイミド膜の上部クラッド５を形成した。
【００２９】
（５）ダイシング工程
その後、ウエハ状の基板１をダイシングにより図１の形状に切り出し光導波路デバイス１００を完成させた。
ダイシングの位置精度は、コントラスト領域を設けない場合には約±１０μｍであったが、コントラスト領域を設けた本発明の実験例では、±５μｍに低減できた。
【００３０】
【発明の効果】
コアの厚みは通常１０μｍ程度あり、ＲＩＥでエッチングするため、コアの側壁面に垂直性があり、コアそのもの自体は高倍率の顕微鏡で観察した場合、良く視認できる。しかし、その上部が屈折率の非常に近いクラッド材料で覆われてしまうために、視認性が悪くなる。
本発明の光導波路構造は、アライメントマークの周辺に前記コア材料及び前記クラッド材料よりも光透過率の低い材料で構成され、前記コアの厚み以下の厚みを有するコントラスト領域が設けられている。従って、光がアライメントマークは通過し、周辺のコントラスト領域は通過しないため、アライメントマークを明瞭に視認することができ、ダイシングの際の位置決めを精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a)は本発明の光導波路構造の一例を示す断面図であり、(b)は図(a) のＡ−Ａ線切断端面図である。
【符号の説明】
１：基板、３：下部クラッド、４：コア、５：上部クラッド、６：アライメントマーク、７：コントラスト領域

Claims

コアと、クラッドと、位置合わせ用のアライメントマークを有する光導波路構造において、前記アライメントマークが前記コアと同一の材料で構成されていること、及び前記アライメントマークの周辺に前記コア材料及び前記クラッド材料よりも光透過率の低い材料で構成され、前記コアの厚み以下の厚みを有するコントラスト領域が設けられていることを特徴とする光導波路構造。
前記コアと前記アライメントマークが同一工程で作製されている請求項１記載の光導波路構造。
前記コア材料及びクラッド材料が石英又はポリマーである請求項１又は２記載の光導波路構造。
前記ポリマーが、フッ素を含有するポリイミドである請求項３記載の光導波路構造。
コントラスト領域が、樹脂レジスト又はその加熱分解物により構成されている請求項１〜４のいずれか１項記載の光導波路構造。