JP4045870B2 - Optical element manufacturing method, electrodeposition liquid used therefor, and optical element manufacturing apparatus - Google Patents

Optical element manufacturing method, electrodeposition liquid used therefor, and optical element manufacturing apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、μmオーダーでパターニングされる高分子薄膜の作製方法に関するものであり、特に、薄膜の平面内あるいは薄膜の膜厚方向において、色や屈折率等に分布を持たせた光学素子の作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、高分子薄膜をμmオーダーでパターニングする方法として、高分子薄膜材料として光硬化性樹脂をスピンコート等の手段により、平坦な基板上に塗布乾燥し、紫外光により露光した後、現像することによりパターニングする方法が知られている。また、高分子薄膜材料が光硬化性樹脂でない場合には、高分子膜材料の上にさらに光硬化性樹脂を同様に塗布し、露光・現像することによりパターニングする方法も知られている。
これらの方法では、高分子薄膜内に何らかの機能を持つ機能性材料、たとえば微粒子(顔料、高屈折材料等)、分子(染料等)、あるいは別の種類の高分子等を分散させて、均一な分散膜を作製することができる。しかし、高分子薄膜そのものは、たとえばスピンコート法により均一に形成されるため、薄膜の面内においてあるいは薄膜の膜厚方向ににおいて濃度分布を持たせたり、連続的に濃度を変化させることはできなかった。機能性材料の濃度が異なる高分子薄膜材料の塗布液を複数種類用意し、何回も塗布することにより膜厚方向に濃度分布を持たせた薄膜を作製することは可能であるが、この場合、濃度変化は階段状となり、連続的に濃度を変えることは難しい。
【0003】
一方、本発明者等は、先に着色材を含む電着材料を用い、低電圧印加で電着あるいは光電着させることにより、解像度に優れた画像形成方法およびカラーフィルターの製造方法を提供したが、これらは特開平10−119414号公報、特開平11−189899号公報、特開平11−15418号公報、特開平11−174790号公報、特開平11−133224号公報、特開平11−335894号公報等に詳細に開示されている。これらの画像形成方法およびカラーフィルターの製造方法は、簡易な方法で着色膜を解像度よく形成することを特長とするが、主として、液晶表示装置等の表示装置の分野において応用されている技術である。
【0004】
前記光電着法およびその関連技術では、(a)印可するバイアス電圧の強さ、(b)光照射の時間、(c)照射する光強度、のいずれか1つ以上を制御して、電着される膜厚を連続的に変化させることにより、その中に含まれる機能性材料の量を連続的に変化させることができる(すなわち膜厚が大きいところでは機能性材料が多く存在する)。したがって、この方法により、面内において機能性材料の連続的な階調を有する薄膜を得ることができる。しかし、一方、膜の平面性が損なわれることや、得られる高分子薄膜を他の面に転写すると、膜厚が厚すぎる部分が滲みやすいなどの問題が生ずる。また、この方法では、膜厚方向において、機能性材料の連続的な階調を有する薄膜を得ることができないことはいうまでもない。
【0005】
従来の技術において、高分子薄膜の内部の機能性材料の濃度などを変化させた階調を得る技術としては、特定波長の光を当てると色が変化したり、消失したりする分子を利用したフォトブリーチング法と呼ばれる方法がある。この方法を利用することにより、スピンコート膜のような均一内でもある程度の屈折率分布を得ることができる。しかし、フォトブリーチング法に適する材料が限られるため、技術の自由度は低く汎用的でない。
【0006】
このように、主成分が高分子材料である薄膜内部に、任意の機能性材料(顔料微粒子、染料、高屈折材料微粒子等)を含み、それが薄膜面内あるいは薄膜の膜厚方向において連続的な濃度分布(階調)を持たせた高分子薄膜を作製する方法、また、パターニングされた前記のごとき高分子薄膜を作製する方法は実現されていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記のごとき要請に基づきなされたものであり、その目的は、機能性材料を含む高分子薄膜の薄膜面内および/または薄膜の膜厚方向において、機能性材料の緩やかなあるいは連続的な濃度分布(階調)を持たせることが容易な光学素子の作製方法、それに用いるための電着液および光学素子製造装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の前記課題は、以下の光学素子作製方法および光学素子製造装置を提供することにより解決される。
(1)絶縁性基板上に導電性薄膜を設けた光学素子作製基板を、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液に、前記光学素子作製基板の少なくとも前記導電性薄膜が電着液に接触するように配置した状態で、前記導電性薄膜と対向電極の間に電圧を印加し、前記導電性薄膜の上に前記膜形成高分子材料および機能性材料を含む薄膜を析出形成させる工程を含む光学素子作製方法であって、電着液中において、該電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させ、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることにより、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製する工程を含む光学素子作製方法。
【0009】
(2)絶縁性基板上に導電性薄膜および光半導体薄膜をこの順に積層した光学素子作製基板を、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液に、前記光学素子作製基板の少なくとも前記光半導体薄膜が電着液に接触するように配置した状態で、前記光半導体薄膜の選択領域に光を照射することにより選択領域の光半導体薄膜と対向電極の間に電圧を印加し、前記半導体薄膜の選択領域に前記膜形成高分子材料および機能性材料を析出形成する工程を含む光学素子作製方法であって、電着液中において、該電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させ、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることにより、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製する工程を含む光学素子作製方法。
【0010】
(3)薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の膜厚方向において濃度階調を有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の光学素子作製方法。
(4)薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の面内方向において濃度階調を有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の光学素子作製方法。
)光学素子作製基板に向けて流出させる電着液の機能性材料濃度を経時的に変化させることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の光学素子作製方法。
)光学素子作製基板の上に形成されたすべての薄膜を他の基板に転写する工程を行なうことを特徴とする前記(1)または(2)に記載の光学素子作製方法。
)薄膜形成後、さらに薄膜を加熱処理する工程を行なうことを特徴とする前記(1)または(2)に記載の光学素子作製方法。
)光照射することなく光学素子作製基板の光半導体薄膜のもつショットキーバリアーを越える電圧を印加することにより前記基板の全面に薄膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする前記(2)に記載の光学素子作製方法。
【0012】
(9)絶縁性基板上に導電性薄膜および光半導体薄膜をこの順に積層した光学素子作製基板に光学素子を作製するための光学素子製造装置であって、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液を収容するための電着槽、電着槽の中に置かれ前記導電性薄膜と電気的に接続する対向電極、前記光学素子作製基板の光半導体薄膜に光を照射するための露光手段、および前記光学素子作製基板に対し、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および前記電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する水系の電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させる液流形成機構を少なくとも備えた、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製するための光学素子製造装置。
(10)さらに、導電性薄膜と対向電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段を備えることを特徴とする前記(9)に記載の光学素子製造装置。
【0013】
(11)絶縁性基板上に導電性薄膜を設けた光学素子作製基板に光学素子を作製するための光学素子製造装置であって、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液を収容するための電着槽、電着槽の中に置かれ導電性薄膜と電気的に接続する対向電極、導電性薄膜と対向電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段、および前記光学素子作製基板に対し、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および前記電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する水系の電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させる液流形成機構を少なくとも備えた、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製するための光学素子製造装置。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記特開平10−119414号公報、特開平11−189899号公報、特開平11−15418号公報、特開平11−174790号公報、特開平11−133224号公報、特開平11−335894号公報等に記載の電着法あるいは光電着法を用いて薄膜を析出形成させる技術を利用して光学素子を作製するもので、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることにより、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製することを特徴とする。なお、以下の説明において、光学素子として主として光導波路(クラッド層、コア層等)やレンズを例にとって説明するが、これらに限られるものではない。
本発明の光学素子作製方法により、薄膜中の機能性材料の濃度階調を作ることが容易に行え、しかも従来のようにステップ状の濃度変化ではなく、連続的な濃度階調を得ることができる。また、膜厚方向だけでなく膜の面内方向における濃度階調を作ることができ、さらにこれらを組み合わせて3次元的な濃度階調を得ることもできる。また、析出形成される薄膜自体は、前記濃度階調にかかわらず膜厚が均一(膜が平坦)であるため、転写が容易であり、滲みや欠陥が少ない。
【0015】
この電着法とは、基本的に、絶縁性基板上に導電性薄膜を設けた電着基板を、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料を含む水系の電着液に、少なくとも前記導電性薄膜が電着液に接触するように配置した状態で、前記導電性薄膜と対向電極の間に電圧を印加し、前記導電性薄膜の上に前記材料を析出させる方法である。
また、光電着法は、光半導体薄膜に生ずる光起電力を利用するもので、絶縁性基板上に導電性薄膜および光半導体薄膜をこの順に積層した光電着基板を、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料を含む水系の電着液に、少なくとも前記光半導体薄膜が電着液に接触するように配置した状態で、前記光半導体薄膜の選択領域に光を照射することにより選択領域の光半導体薄膜と対向電極の間に電圧を印加し、前記半導体薄膜の選択領域に前記材料を析出させる方法である。
【0016】
これらの電着法および光電着法を用いることにより、高電圧を印加することなく(5V以下)、微細なパターンを有する光学素子を精度よく形成することができる。また、従来の感光性樹脂を用いる光学素子の作製法では、基板に膜厚を精度よく制御して塗布する必要があり、またエッチングによりアルカリ廃液を出すなどの問題があったが、本発明によれば、光照射時間または電圧印加時間を調節することによって形成すべき薄膜の膜厚を容易に制御でき、また、パターン形成のためのエッチング処理も不用で環境に対する負荷も小さい。
【0017】
最初に、光電着法を用いて光学素子を作製する方法について説明する。この方法で用いる光学素子作製基板は、絶縁性基板上に導電性薄膜および光半導体薄膜をこの順に積層したもので、絶縁性基板としては、ガラス板、石英板、プラスチックフィルム、エポキシ基板等が、導電性薄膜としてはITO、酸化インジウム、ニッケル、アルミニウム等が、また、光半導体薄膜としては、以下で述べるような酸化チタン薄膜、酸化亜鉛薄膜等が用いられる。なお、絶縁性基板を通して光半導体薄膜に光照射する場合には、絶縁性基板および導電性薄膜は光透過性であることが必要である。ただし、電着液を通して光照射する場合はこの限りでない。
また、電着液は以下で述べる電着法と共通であるので、まとめて後述する。
【0018】
本発明において「選択領域」とは、光学素子作製基板の部分的領域だけでなく、全面領域をさすことがあり、たとえば、クラッド層を前記基板に対し全面に形成する場合には、全面に光照射することを意味する。
【0019】
本発明の方法により、クラッド層およびコア層を積層して光学素子を作製する場合であって、かつクラッド層を全面に形成するには、まず、クラッド形成用電着液を用い、前記光学素子作製基板の選択領域(全面)に光照射することにより、クラッド層を形成した後、形成したクラッド層を乾燥させることなく、コア形成用電着液を用い、選択領域(コア形成領域)に光照射することによりコア層を形成することができる。また、このようにして形成した、クラッド層およびコア層を乾燥させることなく、クラッド形成用電着液を用い、全面に光照射することにより、コア層の上にさらにクラッド層を形成することもできる(下部クラッド層−コア層−上部クラッド層)。
さらに、前記のクラッド層を形成する場合、光照射することなく、光学素子作製基板の光半導体薄膜がもつショットキーバリアーを超える電圧を印加することによって、クラッド層を電着形成することも可能である。この方法では露光工程を省くことができ、より簡易な方法となる。
【0020】
ここで、図を用いて本発明の光学素子作製方法について例を挙げて説明する。図1(A)ないし図1(D)は、コア層の膜厚方向に機能性材料(たとえば屈折率制御微粒子)が濃度階調を有し、コア層を挟んでクラッド層を基板の全面に形成した光導波路の作製工程を示す。
図1(A)は光学素子作製基板の一例を示し、10は光学素子作製基板、12は絶縁性基板、14は導電性膜、16は光半導体薄膜をそれぞれ示す。図1(B)は、光半導体薄膜の上にクラッド層用電着液を用い、全面光照射するか、あるいは光照射することなく前記光半導体薄膜がもつショットキーバリアーを超える電圧を印加することによってクラッド層18(未乾燥状態)を形成した状態を示す図である。
図1(C)は、未乾燥状態にあるクラッド層18の上に、コア層用電着液を用い、選択領域に光照射することにより、選択領域にコア層20を形成した状態を示す。この際、後述のように、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることにより、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有するコア層を作製する。機能性材料が屈折率制御微粒子の場合には、屈折率分布を有するコア層が形成される。この図では、コア層の膜厚方向において中間部分が機能性材料を多く含む態様が示されている。
また、図1(D)は、未乾燥状態のコア層20の上に、クラッド層用電着液を用い、全面光照射するか、あるいは光照射することなく前記光半導体薄膜がもつショットキーバリアーを超える電圧を印加することによってクラッド層22(未乾燥状態)を形成した状態を示す図である。この後、各層を乾燥させ光学素子とする。
前記の例では、コア層が濃度階調を有する例を示したが、クラッド層あるいはコア層とクラッド層に濃度階調が存在するものであってもよいことは勿論である。
【0021】
また、図2(A)および(B)は、薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の膜面内方向において濃度階調を有するような光学素子(たとえばレンズ)の一例を示す。図2(A)および(B)は、光学素子作製基板10の上に形成された平面形状が円形の薄膜24において、円の中心から周辺に向かい機能性材料の濃度が低下する状態を点の密度で示している。
【0022】
また、前記光電着法において、光学素子作製基板として、導電性基板の上に光半導体薄膜を設けたものを用いてもよい。導電性基板の材料としては、鉄及びその化合物、ニッケル及びその化合物、亜鉛及びその化合物、銅及びその化合物、チタン及びその化合物、及びこれらの混合材料より選択される少なくとも一種を用いることができる。導電性基板としては、このほかに導電性プラスチックフィルムを用いることもできる。
また、光半導体が酸化チタンあるいは酸化亜鉛の場合、後述のような方法で形成される他、金属チタンあるいは金属亜鉛の板の表面を酸化処理することによって板の表面に光半導体薄膜を形成することができる。この場合、光学素子作製基板あるいは着膜基板は、導電性基板およびその上の光半導体薄膜から構成されることになる。
酸化処理は、空気中での高温加熱処理、陽極酸化処理などの安価な方法を用いることができ、高価なスパッタリング法を用いることなく光透過性半導体薄膜を形成することが可能となる。なお、下地金属基板の酸化処理を行っていない部分は不要な電着膜形成を避けるため絶縁膜処理を行うことが望ましい。
【0023】
次に、電着法を用いて前記のごとき光学素子を作製する方法について説明する。この方法においては、絶縁性基板上に導電性薄膜またはパターン状の導電性薄膜を設けた光学素子作製基板を用い、これを、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料と機能性材料を含む水系の電着液に、少なくとも前記導電性薄膜が電着液に接触するように配置した状態で、前記導電性薄膜と対向電極の間に電圧を印加し、前記導電性薄膜の上に前記材料を析出させるもので、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることにより、その中に含まれる機能性材料が濃度諧調を有する薄膜を作製することができる。たとえば、この方法により光学素子作製基板の上に、機能性材料の濃度階調を有するコア層を形成することができる。
絶縁性基板としては光電着法の場合と同様のものが使用できる。また、パターン状の導電性薄膜は、導電性薄膜を常法によりパターン化するか、または、導電性基板に必要な部分だけ残して絶縁膜を塗布してパターン状の導電部分を露出される方法を用いてもよい。これらの基板を用いて、電着法によりクラッド層またはコア層を作製することができる。
【0024】
次に、前記のようにして形成した光学素子を他の基板に転写する方法について説明する。
まず、前記のごとき光電着法により作製した光学素子を光学素子用基板に転写する方法について説明する。光電着法により作製した光学素子、またはコア層単独あるいはクラッド層単独、あるいはクラッド層およびコア層を他の基板に転写することができる。この基板としてクラッド層としても機能する基板を用いることができる。このようにすることにより電着工程を含む全工程数を減らすことができる。ただし、コア層とクラッド層を別々に電着で作成し、転写を繰り返すことによって光学素子を形成する場合は、転写を繰り返すことになるので、コア層とクラッド層の界面の損失および導波路形状が崩れる可能性は若干増大する。
光学素子用基板としては、通常用いられるガラス基板やエポキシ基板を用いることができ、また、クラッド層としても機能する光学素子用基板としては、ポリエチレン等のポリオレフィンフィルム、ポリエステルフィルム、ポリカーボネートフィルム、アクリル樹脂フィルム、フッ素化ポリマーフィルム等を用いることができる。
【0025】
また、電着法により作製したクラッド層またはコア層を他の基板に転写することもでき、この際、該基板としてクラッド層の機能をもつものを用いることが有利である。
【0026】
前記光電着法等により作製した光学素子を他の基板に転写する場合には、光学素子作製基板にあらかじめ剥離層を設けると、光学素子を基板に転写する際、大きな熱や圧力を加える必要がなく、基板、光学素子等を損傷させることがない。剥離層は、臨界表面張力が30dyne/cm以下で、かつ電着電流に影響を与えないものが好ましい。具体的には、市販の防水用フッ素樹脂スプレー等が使用できる。またシリコン樹脂やシリコンオイルも使用できる。さらにオレイン酸などの不飽和脂肪酸などの薄膜も好適である。
【0027】
pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料としては、カルボキシル基やアミノ基などのように、液のpHが変わることにより、そのイオン解離性が変化する基(イオン性基)を分子中に有している物質を含むことが好ましい。しかし、前記材料は必ずしもイオン性基の存在が必須ではない。また、イオンの極性も問わない。
【0028】
pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料は、薄膜(光学素子)の機械的強度等の観点から、このような性質を有する高分子材料であることが好ましい。このような高分子材料としては、前記のようにイオン性基を有する高分子材料(イオン性高分子)が挙げられる。前記イオン性高分子は、水系液体(pH調節を行った水系液体を含む。)に対して十分な溶解性あるいは分散性を有していること、また光透過性を有していることが必要である。
【0029】
また、pHの変化により水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する機能をもたせるために、分子中に親水基と疎水基を有していることが好ましく、親水基として、カルボキシル基(アニオン性基)、アミノ基(カチオン性基)等のイオン化可能性基(以下、単に「イオン化基」という)が導入されていることが好ましい。たとえばカルボキシル基を有する高分子材料の場合、pHがアルカリ性領域においてはカルボキシル基が解離状態になって水性液体に溶解し、また酸性領域においては解離状態が消失し溶解度が低下し析出する。
【0030】
前記高分子材料における疎水基の存在により、前記のようなpHの変化によってイオン解離している基がイオン性を失うこととあいまって、瞬時に膜を析出させるという機能を高分子材料に付与している。また、この疎水基は、後述する本発明の光学素子作製方法において、屈折率制御微粒子を吸着する能力があり、重合体に良好な分散機能を付与する。また、親水基として、イオン化基の他にヒドロキシ基等を挙げることができる。
【0031】
疎水基と親水基を有する重合体中の疎水基の数が、親水基と疎水基の総数の30%から80%の範囲にあるものが好ましい。疎水基の数が親水基と疎水基の総数の30%未満のものは、形成された膜が再溶解し易く、膜の耐水性や膜強度が不足する場合があり、また疎水基数が親水基と疎水基の総数の80%より大きい場合は、水系液体への重合体の溶解性が不十分となるため、電着液が濁ったり、材料の沈殿物が生じたり、電着液の粘度が上昇しやすくなるので、前記の範囲にあることが望ましい。親水基と疎水基の総数に対する疎水基数は、より好ましくは55%から70%の範囲である。この範囲のものは、特に膜の析出効率が高く、電着液の液性も安定している。また、光起電力程度の低い電着電位で膜形成ができる。
【0032】
前記高分子材料としては、たとえば、親水基を有する重合性モノマー、疎水基を有する重合性モノマーを共重合させたものが挙げられる。
また、親水基を含む重合性モノマーとしては、メタクリル酸、アクリル酸、メタクリル酸ヒドロキシエチル、アクリルアミド、無水マレイン酸、フマル酸、プロピオル酸、イタコン酸、などおよびこれらの誘導体が用いられるが、これらに限定されるものではない。中でも特に、メタクリル酸、アクリル酸はpH変化による着膜効率が高く、有用な親水性モノマーである。
また、疎水基を含む重合性モノマー材料、アルケン、スチレン、α−メチルスチレン、α−エチルスチレン、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ブチル、アクリロニトリル、酢酸ビニル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸ラウリル、などおよびこれらの誘導体が用いられるが、これらに限定されるものではない。特に、スチレン、α−メチルスチレンは疎水性が強いために、再溶解に対するヒステリシス特性を得やすく有用な疎水性モノマーである。
本発明の光学素子作製方法において用いる高分子材料としては親水基含有モノマーとしてアクリル酸またはメタクリル酸を、疎水基含有モノマーとしてスチレンまたはα−メチルスチレンを用いる共重合体が好ましく用いられる。
【0033】
本発明の光学素子作製方法において利用される高分子材料は、このような親水基および疎水基をそれぞれ含む重合性モノマーを、好ましくは、高分子中の親水基と疎水基の数の割合が前記のごとき比率となるように共重合させた高分子材料であり、各親水基及び疎水基の種類は1種に限定されるものではない。
【0034】
本発明において用いられる機能性材料としては、屈折率制御微粒子や顔料微粒子、染料、導電性微粒子等が挙げられる。
屈折率制御微粒子としてはコア層に加える高屈折率の微粒子の他、クラッド層に加える低屈折率の微粒子が挙げられ、高屈折率微粒子としては酸化チタン、酸化亜鉛などが、また、低屈折率微粒子としては弗化マグネシウムに代表されるフッ素化合物が挙げられる。
前記微粒子の数平均粒子径としては、電着液への分散性及び電着膜の透明性の観点から、0.2〜150nmが好ましく、2〜20nmがより好ましい。前記数平均粒子径が、0.2nm未満であると、製造時のコストが高くなると共に、安定した品質が得られないことがあり、150nm(すなわち通信で使用する波長帯である1.5μmの1/10)を超えると、透明性の低下や内部の乱反射を招き、内部損失が増大する。
また、前記機能性材料として屈折率調整のために、膜形成高分子材料の1種として、主たる膜形成高分子材料とは屈折率の異なる高分子材料を用いることができる。
【0035】
本発明の光学素子作製方法において、光学素子作製基板の近傍(導電性薄膜あるいは光半導体薄膜の近傍である場合、およびすでに薄膜が形成されている場合はその薄膜の近傍の場合を含む、以下同じ)における電着液中の機能性材料の濃度を変化させる方法として、薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の膜厚方向において濃度階調を有するような薄膜を得るためには、電着液中において、その電着液とは機能性材料の濃度が異なる電着液を光学素子作製基板に向けて流出させる方法が用いられる。この場合、面内方向において均一な機能性材料濃度を達成するためには、光学素子作製基板の膜形成領域全域の近傍において電着液の機能性材料濃度に大きな偏りがないようにすればよい。このためには、膜形成領域に対応した形状を有する液流を流出させたり、膜形成領域に対して略均等に配置された小孔からの液流を流出させる方法が採用でき、たとえば、コア光導波路を作製するには、光学素子作製基板のコア形成領域に向けてコア形状に対応する形状のスリット状の液流、あるいは複数の小孔からの液流を流出させる方法が挙げられる。そして、液流を流出させながら、薄膜形成領域に電圧を印加すると、周囲に存在する電着液とは機能性材料の濃度が異なる電着液が光学素子作製基板に接触して、周囲に存在する電着液を用いて電着した場合とは機能性材料の濃度が異なる薄膜が電着形成される。
【0036】
したがって、クラッド層の上にコア層を形成する場合のように、既に膜形成を行なった後、その膜とは機能性材料濃度が異なる膜を形成させたい場合、電着槽の電着液をすべて入れ替えなくても(たとえばクラッド層用電着液からコア層用電着液に)、機能性材料濃度の異なる電着液を膜形成領域に向けて流出させることにより、既に形成した膜の上に機能性材料含有量の異なる薄膜を形成することができ、工程が簡略化されコストダウンに寄与する。
また、複数の機能性材料濃度が異なる電着液を用いて、光学素子作製基板に向けて流出させる電着液の機能性材料濃度を経時的に変化させることにより、形成される薄膜中に機能性材料の階調を持たせることができる。この場合、流出させる電着液の機能性材料濃度を連続的に変化させれば、薄膜中の機能性材料の含有量も連続階調に近いものを得ることができる。たとえばコア層を形成する際、前記複数の電着液における機能性材料濃度およびそれらの流出順序を適宜選択することにより、コア層の中央部においてより機能性材料濃度が大きい内部構造とすることができる。また、機能性材料の濃度がより高くなるように異なる電着液を連続的に流出させた後流出を止め、次にそのまま電圧を印加し続けると、電着される機能性材料の濃度が低下するので(最初に入っているクラッド層用電着液の機能性材料の濃度はコア層用に比べ低い)、この方法によっても、中央部における機能性材料濃度が高いコア層を形成することができる。
前記の液流の流速は、すでに着膜した部分を傷つけないことや、着膜速度に対応した濃度変調を実現する観点から0.1〜10mm/秒である。
【0037】
また、前記のごとき方法により析出形成される薄膜自体は、前記濃度階調にかかわらず膜厚が均一(膜が平坦)であるため、転写が容易であり、滲みや欠陥が少ない。
【0038】
また本発明の光学素子作製方法において、光学素子作製基板の近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させる方法の他の1つとして、薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の膜面内方向において濃度階調を有するような薄膜を得るためには、たとえば、電着液中において、薄膜形成領域の面内方向において機能性材料の濃度が変化するように液流を形成すればよい。たとえば、電着液中において、その電着液とは機能性材料の濃度が異なる電着液を光学素子作製基板の薄膜形成領域のある特定の箇所だけに向けて流出させると、基板にぶつかった後液流は基板に沿って周囲に流れ、元々存在する電着液中に拡散するので、基板近傍の電着液中の機能性材料の濃度は液流が基板に沿って流れる方向に向かって変化する。このほかに、複数の流出口から機能性材料の濃度がそれぞれ異なる電着液を光学素子作製基板に向けて流出させると、面内において機能性材料の含有量が変化する薄膜が得られる。
【0039】
さらに、前記のごとき機能性材料の膜厚方向における濃度階調を作る方法、機能性材料の膜の面内方向における濃度階調を作る方法を組み合わせることにより、3次元的な濃度階調を有する光学素子を形成することも可能となる。
【0040】
次に、本発明の光学素子作製方法について、用いる装置とともにさらに具体的に説明する。
図3は、光電着法により光学素子を作製するための装置の一例を示す。
電着槽80には電着液20が収納され、光学素子作製用基板10(光透過性絶縁性基板12、光透過性導電性膜14および光半導体薄膜16を積層したもの)の少なくとも光半導体薄膜16が接触するように電着液20に配置される。また、電着液面の上方には、第一の結像光学レンズ73とフォトマスク71と第2の結像光学レンズ72と光照射するための光源(図示せず)とが電着槽80側からこの順に設けられた露光手段(プロジェクション型露光装置)が備えられ、光源から照射された光70は、第2の結像光学レンズ72を通してフォトマスク71に結像され、フォトマスク71を介してパターン化された光とした後、更に第1の結像光学レンズ73を介して光半導体薄膜の表面に結像される。
【0041】
図3中、100は前記電着液20とは機能性材料の濃度が異なる電着液を制御された流速で流出させる流出プレート、102は流出プレートに設けられた流出口を示し、106は電着液を収納する容器、104は106内の電着液を制御された量で供給する加圧供給手段(ポンプ)を示し、これらにより液流形成機構が構成される。流出口から流出する電着液の流速は、ポンプを制御することにより調節される。前記のように液流を発生させるポンプの特性として、脈動が発生することがあるが、流速が前期範囲内であれば問題はないので、公知のものを適宜選択して用いることができる。流出プレート100の流出口102から、電着液20とは機能性材料の濃度が異なる電着液を流出させることにより、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることができる。また、流出口から光学素子作製基板の薄膜形成位置までの距離は、基板との接触の危険性を避けることや流速の均一化を考慮して、0.2〜10mm程度が適切である。
この態様においては、流出プレート100は対向電極91を兼ねており、ポテンショスタット等のバイアス電圧を印加できる電圧印加手段90と電気的に接続され、該電圧印加手段90は更に飽和カロメル電極等のリファレンス電極92と接続され、三極式に構成されている。また、電圧印加手段90は膜形成用基板の導電膜7と結線されている。なお、対向電極を流出プレートと兼用させず、電着槽80の中の適宜の位置に設けることができることは勿論である。なお、光起電力だけで水素イオン濃度を膜析出が生じるに充分変化させることができる場合には、電圧印加手段からのバイアス電圧の印加は不要であるので、電圧印加手段90から電圧を印加する必要はなく、あるいは電圧印加手段自体を設ける必要はないが、様々な膜形成用基板あるいは電着条件に対応させるために電圧印加手段を設けることは有用である。
なお、電着液中で電着液の液流を形成する技術については、本出願人による先の出願である特願2001−353725号明細書に記載の事項をすべて利用することができる。
【0042】
光学素子作製の一例として、図3に示すような光電着装置を用いて、基板全面にクラッド層(下部)を形成した後、膜厚方向において機能性材料(屈折率制御微粒子)の濃度階調を有するコア層と、さらにコア層の上にクラッド層(上部)を全面に形成する光導波路の作製方法について説明する。
まず、電着槽80に下部クラッド層形成用の電着液20を満たし、光照射を行なわず、光学素子作製基板の光半導体薄膜のもつショットキーバリアーを越える電圧を電圧印加手段90と対向電極91(流出プレート100)との間に印加することにより前記基板の全面に下部クラッド層を形成する。
次に、コア層用のフォトマスク(71)を図3のようにセットする。また電着液収納容器106に下部コア層用電着液を入れ、流出口102から該電着液を制御された速度で流出させる。その後、光半導体薄膜8の表面に光が結像するように選択領域に露光手段により露光するとともに、バイアス電圧を、光半導体薄膜に発生する光起電力とバイアス電圧を足した電圧が膜析出に必要な閾値電圧を越えるように、電圧印加手段90により印加すると、露光した選択領域の近傍の電着液の水素イオン濃度が大きく変化する。前記電着液は、水素イオン濃度の変化により水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する電着材料を含んでいるので、選択領域の電着液に対する溶解性が低下して選択領域の下部クラッド層表面に屈折率制御用微粒子を含む電着膜(下部コア層)が析出する。その後、光照射、電圧印加および液の流出を止める。次いで、電着液収納容器106に前記コア層用電着液とは屈折率制御用微粒子の濃度が異なる上部コア層用電着液を入れ替え、同様に流出口102から流出させるとともに、光照射、バイアス電圧印加を行ない薄膜(上部コア層)を形成する。膜厚方向に屈折率制御用微粒子の含有量に階調を有するコア層が形成される。なお、液流形成機構が、機能性材料の濃度が異なる電着液を連続して流出しうる機能を備えている場合には、前記のように下部コア層を形成した後、光照射等を停止して電着液収納容器に上部コア形成用電着液を入れ替えることなく、連続的に上部コア形成用電着液を流出させればよい。
次に、電解槽80の中の電着液を上部クラッド層用電着液に入れ替え、光照射することなく、下部クラッド層を形成する場合と同様にして全面に形成する。
【0043】
次に、光電着法により光学素子を作製するための他の装置を説明する。図4は近接露光型の露光装置を用いる他は図3に示す装置と同様な光学素子製造装置を示す概念図である。図4における装置はフォトマスクと光半導体薄膜を近接させる(絶縁性基板にフォトマスクを密着)ため、図3の装置におけるような結像光学系やミラー反射光学系を有する露光装置を用いることなく、解像度に優れたパターンが得られる。露光装置75としては平行光あるいは密着型の露光装置を採用することができる。照射光源としてはたとえば、Hg−Xeの均一照射光源を用いることができる。この場合、絶縁性基板を0.2mm以下にして光の回折を防ぐことが有効である。
この装置を用いて前記のごとき光学素子を作製するには、図3で示す装置を用いる場合と同様な操作が行なわれる。また、下部および上部クラッド層を作製する際、光学素子作製基板に全面に光照射して光電着することも可能である。
【0044】
また、図5は露光装置として走査型レーザー書き込み装置を用いる他は、図3に示す装置と同様な光学素子製造装置を示す概念図である。図5中、78はHe−Cdレーザ等のレーザ光照射のための走査型レーザー書き込み装置を示す。
【0045】
さらに、図6は、電着法により光学素子を作製する装置の概念図を示す。露光装置を持たない他は、図3ないし図5と同様な構成を有している。
【0046】
本発明の光学素子作製方法においては、すべての光学素子を形成した後に、少なくとも光学素子を加熱処理する工程を行うことが、好ましい。このような処理を行うことにより、光学素子の透過損失を低減させることができる。
ここで、「すべての光学素子」とは、光学素子を1つまたは複数形成する場合(たとえば1層以上のコア層および1層以上のクラッド層)において、1つまたは複数のすべての光学素子を指す。また「形成した後に」とは、光学素子作製基板に光学素子を(光)電着法により形成したものをそのまま光学素子として用いる光学素子作製方法においては、「光学素子を析出形成した後」を意味する。ただし、前記加熱処理は光学素子が含む水が除去された後に行うことが好ましいので、通常は、この水を除去する乾燥工程を経た後を意味する。また、転写法により光学素子用基板に転写を行う光学素子作製方法においては、「光学素子用基板に光学素子を転写した後」を意味する。
【0047】
(光)電着法により析出形成した光学素子は、通常水分が僅かに膜中に取り込まれており、そのため、析出形成後の光学素子を乾燥して膜中の水分を除去する工程が行われるが、水分が抜けることにより光学素子に膜欠陥(たとえばピンホール)が生じ、これが光学素子の透過損失を大きくしていると推定される。本発明におけるこの加熱処理により前記欠陥が修復され、さらに光学素子表面やコア/クラッド界面における面粗さが改善され、透過損失を低減させることが可能になると考えられる。
【0048】
前記加熱処理は、熱処理前に比べて熱処理後の光学素子の透過損失が低減するような加熱処理であればよく、加熱温度および加熱時間に特に制限はない。加熱温度は、膜形成高分子材料として用いる高分子材料のガラス転移温度、流動開始温度等を考慮することができる。
また、前記加熱処理を効率的に行うために、高分子材料の流動開始温度以上に加熱することが好ましい。前記流動開始温度とは、高分子材料試験法(「高分子工学講座」14,364〜369頁、高分子学会編集、(株)地人書館、昭和38年)に記載されている「流出開始温度」を意味する。本発明で用いる高分子材料の流動開始温度は、概ね50〜200℃の範囲に収るものであり、好ましくは80〜150℃、さらに好ましくは110〜130℃の範囲にあるものが望ましい。
また、加熱処理の際、光学素子に対して加圧を行うと、加熱時間を短くする、または加熱温度を低くすることが可能である。
【0049】
以上において説明した電着性高分子は、屈折率1.45〜1.6の範囲であり、析出状態で透明であり、光学素子に用いられる波長0.8〜1.6μmにおける吸収がないため、光学素子材料として好適である。
また電着液として水に溶解した状態でも紫外線を吸収しないため、電着液を通して光半導体に対してパターン紫外線を照射できる。さらに5V以下の低電位で電着できるため、光半導体による光起電力により電着パターンを形成することが可能である。
【0050】
【実施例】
以下に実施例を示し本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
実施例1
この例では、クラッド−コア−クラッド構造を有する光導波路の作製例を示す。(クラッド層を形成する場合には光照射をせず、光半導体のショットキーバリアーを超す電圧を印加する。)
(1) クラッド形成用電着液の調製
純水100gに、スチレン−アクリル酸共重合体(分子量13,000、スチレンとアクリル酸の共重合モル比65:35、酸価150)(以下、「電着性高分子材料A」と称する。)5gを分散混合しさらに180mmol/lの割合でジメチルアミノエタノール(水可溶で、沸点110℃以上かつ蒸気圧100mHg以下の液体)を加え、更にテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドおよび塩化アンモニウムを用いてpH7.8、導電率8mS/cmになるように調整し、これをクラッド形成用電着液とした。
(2) コア形成用電着液1の調製
純水100gに、前記電着性高分子材料A5gと、直径2nmの酸化チタン5gを分散混合し、さらに180mmol/lの割合でジメチルアミノエタノールを加え、更にテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドおよび塩化アンモニウムを用いてpH7.8、導電率8mS/cmになるように調整し、これをコア形成用電着液1とした。
(3) コア形成用電着液2の調製
前記コア形成用電着液1の調製において、酸化チタンを25gに増量する他はコア形成用電着液1の調製と同様にして、コア形成用電着液2を調製した。
(4) 光学素子作製基板の作製
厚さ0.5mmの無アルカリガラス基板(7059ガラス)にITOの透明導電膜をスパッタリング法で100nm製膜し、さらに200nmのTiO2をRFスパッタリング法で製膜した。
【0051】
(5) 光導波路の作製
図4で示すような電着液流出機構を有する光電着装置を用いた。流出プレートには形成すべきコアに対応するスリット状の流出口が形成されている。また、流出プレートを対向電極(白金で構成)として用い、飽和カロメル電極に対しTiO2電極を作用電極として利用した。また、フォトマスク(71)として形成すべきコアに相当する開口部を有するものを用い、露光装置として山下電装製近接型露光装置を用いた。そして、流出口から光学素子作製基板のコア形成位置までの距離は1mmとした。
最初に電着槽に前記クラッド形成用電着液を満たし、露光装置から光照射することなく、作用電極に印可するバイアス電圧を3.5Vとして10秒間印加したところ、TiO2表面全面に厚み5μmの下部クラッド層が形成された。
【0052】
次に、光学素子作製基板を電着槽から取り出すことなく、電着液流出プレートのスリット状流出口からコア形成位置に向けて、コア形成用電着液2の流出を0.1mm/秒の速度で開始した。流出開始から10秒後に、作用電極に印可するバイアス電圧を1.8Vにした状態で、前記露光装置により波長365nmの紫外線(光強度50mW/cm2)を15秒間照射すると、クラッド層表面の光が照射された領域だけに厚み5μm、幅10μmの下部コア層が形成された。
次いで光照射とバイアス電圧印加を停止し、流出電着液をコア形成用電着液1に入れ替え、スリット状の流出口からコア形成位置に向けて、0.1mm/秒の速度で流出を開始した。流出開始から10秒後に、作用電極に印可するバイアス電圧を1.8Vにした状態で、前記露光装置により波長365nmの紫外線(光強度50mW/cm2)を15秒間照射すると、下部コア層の上に厚み5μm、幅10μmの上部コア層が形成された。
【0053】
次に、電着槽内の電着液を、前記(1)のクラッド形成用電着液に入れ替え、露光装置から光照射することなく、作用電極に印可するバイアス電圧を4Vとして35秒間印加したところ、全面に厚み8μmの上部クラッド層が形成された。
【0054】
光学素子作製基板を電着槽から取り出し、純水中でディップ洗浄を3分間行うことにより、膜内にわずかに残る塩分を除去し、次いで、クリーンエアーで乾燥させて、光導波路基板を完成させた。
得られた光導波路を、ダイシングソーによって50mmの長さに切り出し挿入損失を測定したところ、波長0.85μmで5dB程度の透過損失であることがわかった。
【0055】
実施例2
実施例1で作製した光導波路を140℃で3分間加熱処理をした。その後実施例1と同様に透過損失を測定したところ、1.5dB程度の透過損失に改善されることが分かった。これは、光導波路膜内にわずかに残っていたピンホールが除去されたことによるものと推定される。
このような構造を持つことにより、膜厚方向のクラッド層が薄くても、光の閉じ込め効果が大きくなり、単純なステップインデックス型の構造にした場合に比べて透過損失が改善された。
【0056】
実施例3
(1)クラッド形成用電着液の調製
純水100gに、スチレンとアクリル酸の共重合体(スチレンとアクリル酸の共重合モル比20:80、酸価160、分子量12000)(以下、「電着性高分子材料B」と称する。)を5g分散混合し、さらに180mmol/lの割合でジメチルアミノエタノールを加え、更にテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドおよび塩化アンモニウムを用いてpH7.8、導電率8mS/cmになるように調整し、これをクラッド形成用電着液とした。
(2)コア形成用電着液1の調製
純水100gに、実施例1における電着性高分子材料A5gと、前記電着性高分子材料B5gを分散混合し、さらに180mmol/lの割合でジメチルアミノエタノールを加え、更にテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドおよび塩化アンモニウムを用いてpH7.8、導電率8mS/cmになるように調整し、これをコア形成用電着液1とした。
(3)コア形成用電着液2の調製
コア形成用電着液1の調製において、電着性高分子材料B5gを25gに変更する他は、コア形成用電着液1の調製と同様にして、コア形成用電着液2を調製した。
(4) 光学素子作製基板の作製
厚さ0.5mmの無アルカリガラス基板(7059ガラス)にITOの透明導電膜をスパッタリング法で100nm製膜し、さらに200nmのTiO2をRFスパッタリング法で製膜した。
【0057】
(5) 光導波路の作製
実施例1において用いた電着液流出機構を有する光電着装置を使用した。
最初に電着槽に前記(1)のクラッド形成用電着液を満たし、露光装置から光照射することなく、作用電極に印可するバイアス電圧を3.5Vとして10秒間印加したところ、TiO2表面全面に厚み5μmの下部クラッド層が形成された。
【0058】
次に、光学素子作製基板を電着槽から取り出すことなく、電着液流出プレートのスリット状流出口からコア形成位置に向けて、コア形成用電着液2の流出を0.1mm/秒の速度で開始した。流出開始から10秒後に、作用電極に印可するバイアス電圧を1.8Vにした状態で、前記露光装置により波長365nmの紫外線(光強度50mW/cm2)を15秒間照射すると、クラッド層表面の光が照射された領域だけに厚み5μm、幅10μmの下部コア層が形成された。
光照射とバイアス電圧印加を停止し、流出電着液を前記(2)のコア形成用電着液1に入れ替え、スリット状の流出口からコア形成位置に向けて、0.1mm/秒の速度で流出を開始した。流出開始から10秒後に、作用電極に印可するバイアス電圧を1.8Vにした状態で、前記露光装置により波長365nmの紫外線(光強度50mW/cm2)を15秒間照射すると、TiO2表面の光が照射された領域だけに厚み5μm、幅10μmの上部コア層が形成された。
【0059】
次いで、電着槽に前記(1)のクラッド形成用電着液を新たに入れ替え、露光装置から光照射することなく、作用電極に印可するバイアス電圧を4Vとして35秒間印加したところ、全面に厚み8μmの上部クラッド層が形成された。
【0060】
光学素子作製基板を電着槽から取り出し、純水中でディップ洗浄を3分間行うことにより、膜内にわずかに残る塩分を除去し、次いで、クリーンエアーで乾燥させて、光導波路基板を完成させた。
得られた光導波路を、ダイシングソーによって50mmの長さに切り出し挿入損失を測定したところ、波長0.85μmで4.5dB程度の透過損失であることがわかった。
【0061】
実施例4
実施例3で作製した光導波路を140℃で3分間加熱処理をした。その後実施例3と同様に透過損失を測定したところ、1.5dB程度の透過損失に改善されることが分かった。
このような構造を持つことにより、膜厚方向のクラッド層が薄くても、光の閉じ込め効果が大きくなり、単純なステップインデックス型の構造にした場合に比べて透過損失が改善された。
【0062】
実施例5
この例では、光学素子作製基板に、半径10mmの円形薄膜を形成した。
光学素子作製基板として実施例1と同様なものを用いた。また、光学素子製造装置として、図5で示すような走査型レーザー露光装置(He−Cdレーザー)を備えたものを用いた。He−Cdレーザーはスポット径が100μmになるようにし、毎秒0.05mmの速度で渦巻き状に光学素子作製基板の上を隙間なく走査できるように光学系を設定した。電着液流出プレートにおける流出口は、直径1mmの円形のものを用いた。そして、流出口から光学素子作製基板の薄膜形成位置までの距離は1mmとした。
電着槽に、実施例1で用いたクラッド形成用電着液を入れた。さらに、光学素子作製基板上において円形薄膜を形成すべき場所の円の中心に向けて、前記流出口から実施例1で用いたコア形成用電着液を0.1mm/秒の速度で流出させた。流出開始から10秒後、前記中心から10mm離れた点からHe−Cdレーザーを、前記中心に向かって渦巻き状に走査した。半径10mmで厚さ1μmの円形薄膜が形成された(図2参照)。
この薄膜は、中心部の屈折率が1.7で、周辺部は1.5となり、周辺から中心に向かって連続的に屈折率が変化し、レンズとして応用が可能である。
【0063】
実施例6
実施例5で作製した円形薄膜の上に、別途用意した厚み0.2mmのポリエチレンフィルムを載せ、これを2本のロール(ロール表面温度170℃、線圧300g/cm)の間を、線速度20mm/secで通して加熱加圧処理を行なった。ポリエチレンフィルム上に、屈折率分布を有する円形の高分子薄膜が形成された。実施例5で作製された円形薄膜は表面が極めて平坦なため、転写が容易であり形の崩れがなかった。
【0064】
【発明の効果】
本発明の光学素子作製方法を利用することにより、薄膜中の機能性材料の濃度階調を作ることが容易に行え、しかも従来のようにステップ状の濃度変化ではなく、緩やかなあるいは連続的な濃度階調を得ることができる。また、膜厚方向だけでなく膜の面内方向における濃度階調を作ることができ、さらにこれらを組み合わせて3次元的な濃度階調を得ることもできる。また、析出形成される薄膜自体は、前記濃度階調にかかわらず膜厚が均一(膜が平坦)であるため、転写が容易であり、滲みや欠陥が少ない。さらに、特開平8−160737号公報で示されているような、樹脂内部で無機導電性微粒子の分布に差を持たせる現像スリーブなども、より精密な分布特性を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の光学素子作製方法の1態様を示すプロセス図である。
【図2】 本発明の方法により得られる光学素子の一例を示す平面図および断面図である。
【図3】 プロジェクション露光装置を用いる光学素子製造装置を示す概念図である。
【図4】 近接型露光装置を用いる光学素子製造装置を示す概念図である。
【図5】 走査型レーザー露光装置を用いる光学素子製造装置を示す概念図である。
【図6】 電着による光学素子製造装置を示す概念図である。
【符号の説明】
10 光学素子作製基板
12 絶縁性基板
14 導電性薄膜
16 光半導体薄膜
18、22 クラッド層
20 コア層
71 フォトマスク
72、73 結像光学レンズ
75 Hg−Xe均一照射光源
78 走査型レーザー書き込み装置
100 流出プレート(対向電極)
102 流出口
104 電着液加圧供給手段
106 電着液容器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a polymer thin film patterned on the order of μm, and in particular, production of an optical element having a distribution in color, refractive index, etc. in the plane of the thin film or in the film thickness direction of the thin film. Regarding the method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method of patterning a polymer thin film on the order of μm, a photocurable resin as a polymer thin film material is applied and dried on a flat substrate by means such as spin coating, exposed to ultraviolet light, and then developed. A method of patterning is known. In addition, when the polymer thin film material is not a photocurable resin, a method of patterning by further applying a photocurable resin on the polymer film material in the same manner, and exposing and developing is also known.
In these methods, a functional material having a certain function in a polymer thin film, for example, fine particles (pigments, high refractive materials, etc.), molecules (dyes, etc.), or another kind of polymer, etc. are dispersed to form a uniform material. A dispersion film can be produced. However, since the polymer thin film itself is uniformly formed by, for example, spin coating, it is possible to have a concentration distribution within the surface of the thin film or in the thickness direction of the thin film, or to continuously change the concentration. There wasn't. It is possible to prepare a thin film with a concentration distribution in the film thickness direction by preparing multiple types of coating solutions of polymer thin film materials with different functional material concentrations and applying it several times. The concentration change is stepped and it is difficult to change the concentration continuously.
[0003]
On the other hand, the present inventors have provided an image forming method and a color filter manufacturing method excellent in resolution by using an electrodeposition material containing a colorant and performing electrodeposition or photo-deposition by applying a low voltage. These are disclosed in JP-A-10-119414, JP-A-11-189899, JP-A-11-15418, JP-A-11-174790, JP-A-11-133224, JP-A-11-335894. And the like. These image forming methods and color filter manufacturing methods are characterized by forming colored films with high resolution by a simple method, but are mainly applied in the field of display devices such as liquid crystal display devices. .
[0004]
In the photo-deposition method and related technology, one or more of (a) bias voltage intensity to be applied, (b) light irradiation time, and (c) light intensity to be applied are controlled to perform electrodeposition. By continuously changing the film thickness to be formed, the amount of the functional material contained therein can be continuously changed (that is, there are many functional materials where the film thickness is large). Therefore, by this method, a thin film having a continuous gradation of the functional material can be obtained in the plane. On the other hand, however, the flatness of the film is impaired, and when the obtained polymer thin film is transferred to another surface, problems such as easy bleeding of a portion having an excessively thick film thickness occur. Further, it is needless to say that this method cannot obtain a thin film having a continuous gradation of the functional material in the film thickness direction.
[0005]
In the conventional technology, as a technique for obtaining gradations by changing the concentration of the functional material inside the polymer thin film, a molecule whose color changes or disappears when irradiated with light of a specific wavelength is used. There is a method called a photo bleaching method. By utilizing this method, a certain degree of refractive index distribution can be obtained even within a uniform layer such as a spin coat film. However, since the materials suitable for the photo bleaching method are limited, the degree of freedom of the technique is low and it is not general.
[0006]
In this way, any functional material (pigment fine particles, dyes, high refractive material fine particles, etc.) is contained inside the thin film whose main component is a polymer material, and it is continuous in the thin film plane or in the film thickness direction of the thin film. A method for producing a polymer thin film having a proper concentration distribution (gradation) and a method for producing a patterned polymer thin film as described above have not been realized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made on the basis of the above-mentioned demands, and its object is to provide a gentle or continuous functional material in the thin film plane of the polymer thin film containing the functional material and / or in the film thickness direction of the thin film. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an optical element that can easily provide a typical concentration distribution (gradation), an electrodeposition liquid for use in the method, and an optical element manufacturing apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  The subject of the present invention is the following optical element manufacturing methodLawAnd an optical element manufacturing apparatus.
(1) An optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film is provided on an insulating substrate is a water-based material containing a film-forming polymer material and a functional material whose solubility or dispersibility in aqueous liquids is lowered by changing pH. A voltage is applied to the electrodeposition liquid between the conductive thin film and the counter electrode in a state where at least the conductive thin film of the optical element fabrication substrate is in contact with the electrodeposition liquid. An optical element manufacturing method comprising a step of depositing and forming a thin film containing the film-forming polymer material and the functional material on the top,In the electrodeposition liquid, an electrodeposition liquid having a functional material concentration different from the functional material concentration of the electrodeposition liquid is caused to flow toward the optical element manufacturing substrate at a rate of 0.1 to 10 mm / second,An optical element manufacturing method including a step of changing a concentration of a functional material in an electrodeposition liquid in the vicinity of an optical element manufacturing substrate to form a thin film in which the functional material contained therein has a density gradation.
[0009]
(2) Film-forming polymer material and function in which an optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film and an optical semiconductor thin film are laminated in this order on an insulating substrate is reduced in solubility or dispersibility in aqueous liquid due to pH change By irradiating a selected region of the optical semiconductor thin film with light in an aqueous electrodeposition liquid containing a conductive material in a state where at least the optical semiconductor thin film of the optical element fabrication substrate is in contact with the electrodeposition liquid A voltage is applied between the optical semiconductor thin film and the counter electrode in the selected region, and the selected region of the semiconductor thin film isFilm-forming polymerMaterial andFunctional materialsAn optical element manufacturing method including a step of forming a precipitate,In the electrodeposition liquid, an electrodeposition liquid having a functional material concentration different from the functional material concentration of the electrodeposition liquid is caused to flow toward the optical element manufacturing substrate at a rate of 0.1 to 10 mm / second,An optical element manufacturing method including a step of changing a concentration of a functional material in an electrodeposition liquid in the vicinity of an optical element manufacturing substrate to form a thin film in which the functional material contained therein has a density gradation.
[0010]
(3) The method for producing an optical element according to (1) or (2), wherein the functional material contained in the thin film has a density gradation in the film thickness direction of the thin film.
(4) The method for producing an optical element according to (1) or (2), wherein the functional material contained in the thin film has a density gradation in an in-plane direction of the thin film.
(5(2) The method for producing an optical element according to (1) or (2), wherein the functional material concentration of the electrodeposition liquid that flows out toward the optical element production substrate is changed over time.
(6(1) The method for producing an optical element according to (1) or (2), wherein a step of transferring all the thin films formed on the optical element production substrate to another substrate is performed.
(7(2) The method for producing an optical element as described in (1) or (2) above, further comprising a step of heat-treating the thin film after forming the thin film.
(8(2) further comprising the step of forming a thin film on the entire surface of the substrate by applying a voltage exceeding the Schottky barrier of the optical semiconductor thin film of the optical element fabrication substrate without irradiating light. The optical element manufacturing method of description.
[0012]
(9) An optical element manufacturing apparatus for manufacturing an optical element on an optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film and an optical semiconductor thin film are laminated in this order on an insulating substrate, and dissolving in an aqueous liquid by changing pH An electrodeposition tank for containing a water-based electrodeposition liquid containing a film-forming polymer material and a functional material that have reduced properties or dispersibility, and is placed in the electrodeposition tank and electrically connected to the conductive thin film A counter electrode, an exposure means for irradiating light to the optical semiconductor thin film of the optical element manufacturing substrate, and a film formation in which solubility or dispersibility in an aqueous liquid decreases due to pH change with respect to the optical element manufacturing substrate A water-based electrodeposition liquid having a functional material concentration different from the functional material concentration of the polymer material and the electrodeposition liquid is directed toward the optical element fabrication substrate.At a speed of 0.1 to 10 mm / secAn optical element manufacturing apparatus for manufacturing a thin film having at least a liquid flow forming mechanism for flowing out and in which a functional material contained therein has a density gradation.
(10) The optical element manufacturing apparatus according to (9), further including voltage applying means for applying a voltage between the conductive thin film and the counter electrode.
[0013]
(11) An optical element manufacturing apparatus for manufacturing an optical element on an optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film is provided on an insulating substrate, and the solubility or dispersibility in an aqueous liquid decreases due to pH change. An electrodeposition tank for containing an aqueous electrodeposition liquid containing a film-forming polymer material and a functional material, a counter electrode placed in the electrodeposition tank and electrically connected to the conductive thin film, a conductive thin film, A voltage applying means for applying a voltage to the counter electrode, and a film-forming polymer material whose solubility or dispersibility in an aqueous liquid is lowered due to a change in pH with respect to the optical element manufacturing substrate, and the electrode Aqueous electrodeposition liquid having a functional material concentration different from the functional material concentration of the landing liquid is directed toward the optical element fabrication substrate.At a speed of 0.1 to 10 mm / secAn optical element manufacturing apparatus for manufacturing a thin film having at least a liquid flow forming mechanism for flowing out and in which a functional material contained therein has a density gradation.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is disclosed in JP-A-10-119414, JP-A-11-189899, JP-A-11-15418, JP-A-11-174790, JP-A-11-133224, JP-A-11-335894. The optical element is produced by using a technique for depositing and forming a thin film by using the electrodeposition method or the photo-deposition method described in the Gazette and the like. The concentration of the functional material in the electrodeposition liquid in the vicinity of the optical element production substrate By changing the above, a thin film in which the functional material contained therein has a density gradation is produced. In the following description, an optical waveguide (cladding layer, core layer, etc.) or a lens will be mainly described as an optical element, but the present invention is not limited to these.
According to the optical element manufacturing method of the present invention, it is possible to easily make the density gradation of the functional material in the thin film, and it is possible to obtain a continuous density gradation instead of the step-like density change as in the prior art. it can. Further, it is possible to create density gradations not only in the film thickness direction but also in the in-plane direction of the film, and further to combine these to obtain a three-dimensional density gradation. In addition, the thin film itself formed by precipitation has a uniform film thickness (film is flat) regardless of the density gradation, so that transfer is easy, and there are few bleeding and defects.
[0015]
This electrodeposition method basically uses an electrodeposition substrate in which a conductive thin film is provided on an insulating substrate, and a film-forming polymer material whose solubility or dispersibility in an aqueous liquid is lowered by changing pH. A voltage is applied between the conductive thin film and the counter electrode in a state where at least the conductive thin film is placed in contact with the electrodeposition liquid in the aqueous electrodeposition liquid containing, This is a method for precipitating the material.
In addition, the photo-deposition method uses a photovoltaic force generated in a photo-semiconductor thin film, and a photo-deposition substrate in which a conductive thin film and a photo-semiconductor thin film are laminated in this order on an insulating substrate is changed into water-based by changing pH. A selected region of the optical semiconductor thin film in a water-based electrodeposition liquid containing a film-forming polymer material whose solubility or dispersibility in a liquid is reduced, at least in a state where the optical semiconductor thin film is in contact with the electrodeposition liquid In this method, a voltage is applied between the photo-semiconductor thin film in the selected region and the counter electrode by irradiating light onto the selected region, and the material is deposited in the selected region of the semiconductor thin film.
[0016]
By using these electrodeposition and photodeposition methods, an optical element having a fine pattern can be formed with high accuracy without applying a high voltage (5 V or less). In addition, in the conventional method for producing an optical element using a photosensitive resin, it is necessary to apply a film with a precisely controlled film thickness, and there is a problem that an alkaline waste liquid is discharged by etching. Therefore, the film thickness of the thin film to be formed can be easily controlled by adjusting the light irradiation time or the voltage application time, and the etching process for pattern formation is unnecessary and the burden on the environment is small.
[0017]
First, a method for manufacturing an optical element using a photo-deposition method will be described. The optical element manufacturing substrate used in this method is obtained by laminating a conductive thin film and an optical semiconductor thin film in this order on an insulating substrate. As the insulating substrate, a glass plate, a quartz plate, a plastic film, an epoxy substrate, etc. As the conductive thin film, ITO, indium oxide, nickel, aluminum or the like is used. As the optical semiconductor thin film, a titanium oxide thin film, a zinc oxide thin film or the like as described below is used. In the case where light is applied to the optical semiconductor thin film through the insulating substrate, the insulating substrate and the conductive thin film must be light transmissive. However, this does not apply when light is irradiated through the electrodeposition solution.
The electrodeposition liquid is common to the electrodeposition method described below, and will be described later.
[0018]
In the present invention, the “selected region” may refer not only to a partial region of the optical element manufacturing substrate but also to the entire surface region. For example, when the clad layer is formed on the entire surface of the substrate, the light is applied to the entire surface. It means to irradiate.
[0019]
In the case of producing an optical element by laminating a clad layer and a core layer by the method of the present invention, and in order to form the clad layer on the entire surface, first, an electrodeposition liquid for clad formation is used. After the clad layer is formed by irradiating the selected region (entire surface) of the manufacturing substrate with light, the core forming electrodeposition solution is used to dry the clad layer without drying the formed clad layer. The core layer can be formed by irradiation. Further, a clad layer can be further formed on the core layer by irradiating the entire surface with light using the electrodeposition liquid for clad formation without drying the clad layer and the core layer thus formed. (Lower cladding layer-core layer-upper cladding layer).
Furthermore, when forming the cladding layer, it is possible to electrodeposit the cladding layer by applying a voltage exceeding the Schottky barrier of the optical semiconductor thin film of the optical element fabrication substrate without irradiating light. is there. In this method, the exposure process can be omitted, and the method becomes simpler.
[0020]
Here, an example of the optical element manufacturing method of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1D, functional materials (for example, refractive index control fine particles) have a concentration gradation in the thickness direction of the core layer, and the cladding layer is placed on the entire surface of the substrate with the core layer interposed therebetween. The manufacturing process of the formed optical waveguide is shown.
FIG. 1A shows an example of an optical element manufacturing substrate, 10 is an optical element manufacturing substrate, 12 is an insulating substrate, 14 is a conductive film, and 16 is an optical semiconductor thin film. In FIG. 1B, an electrodeposition liquid for a cladding layer is used on an optical semiconductor thin film, and the entire surface is irradiated with light, or a voltage exceeding the Schottky barrier of the optical semiconductor thin film is applied without light irradiation. It is a figure which shows the state which formed the cladding layer 18 (undried state) by.
FIG. 1C shows a state in which the core layer 20 is formed in the selected region by irradiating the selected region with light using the core layer electrodeposition liquid on the undried clad layer 18. At this time, as described later, by changing the concentration of the functional material in the electrodeposition liquid in the vicinity of the optical element manufacturing substrate, a core layer in which the functional material contained therein has a density gradation is manufactured. When the functional material is refractive index control fine particles, a core layer having a refractive index distribution is formed. In this figure, the aspect in which the intermediate part contains a lot of functional materials in the film thickness direction of the core layer is shown.
FIG. 1D shows a Schottky barrier that the photo semiconductor thin film has on the undried core layer 20 using a clad layer electrodeposition solution or with or without light irradiation. It is a figure which shows the state which formed the clad layer 22 (undried state) by applying the voltage exceeding. Thereafter, each layer is dried to obtain an optical element.
In the above example, the core layer has a density gradation, but it goes without saying that the cladding layer or the core layer and the cladding layer may have density gradation.
[0021]
2A and 2B show an example of an optical element (for example, a lens) in which the functional material contained in the thin film has a density gradation in the in-plane direction of the thin film. 2A and 2B show a state in which the concentration of the functional material decreases from the center of the circle toward the periphery in the thin film 24 having a circular planar shape formed on the optical element manufacturing substrate 10. The density is shown.
[0022]
Moreover, in the said photoelectric deposition method, what provided the optical-semiconductor thin film on the electroconductive board | substrate may be used as an optical element production substrate. As a material for the conductive substrate, at least one selected from iron and its compounds, nickel and its compounds, zinc and its compounds, copper and its compounds, titanium and its compounds, and mixed materials thereof can be used. In addition to this, a conductive plastic film can also be used as the conductive substrate.
When the optical semiconductor is titanium oxide or zinc oxide, the optical semiconductor thin film is formed on the surface of the plate by oxidizing the surface of the metal titanium or metal zinc plate in addition to the method described below. Can do. In this case, the optical element manufacturing substrate or the deposition substrate is composed of a conductive substrate and an optical semiconductor thin film thereon.
For the oxidation treatment, an inexpensive method such as high-temperature heat treatment in air or anodization treatment can be used, and a light-transmitting semiconductor thin film can be formed without using an expensive sputtering method. It should be noted that it is desirable to perform an insulating film treatment on the portion of the base metal substrate that has not been oxidized to avoid unnecessary electrodeposition film formation.
[0023]
Next, a method for producing the optical element as described above by using an electrodeposition method will be described. In this method, an optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film or a patterned conductive thin film is provided on an insulating substrate is used, and this changes in solubility or dispersibility in aqueous liquid due to pH change. A voltage is applied between the conductive thin film and the counter electrode in an aqueous electrodeposition liquid containing a film-forming polymer material and a functional material so that at least the conductive thin film is in contact with the electrodeposition liquid. The material is deposited on the conductive thin film, and by changing the concentration of the functional material in the electrodeposition liquid in the vicinity of the optical element manufacturing substrate, the concentration of the functional material contained therein is adjusted. The thin film which has can be produced. For example, a core layer having a functional material density gradation can be formed on the optical element fabrication substrate by this method.
As the insulating substrate, the same one as in the case of the photoelectric deposition method can be used. The patterned conductive thin film is formed by patterning the conductive thin film by a conventional method, or by applying an insulating film leaving only a necessary portion on the conductive substrate and exposing the patterned conductive portion. May be used. Using these substrates, a clad layer or a core layer can be produced by an electrodeposition method.
[0024]
Next, a method for transferring the optical element formed as described above to another substrate will be described.
First, a method for transferring an optical element produced by the above-described photo-deposition method onto an optical element substrate will be described. An optical element produced by a photo-deposition method, a core layer alone or a clad layer alone, or a clad layer and a core layer can be transferred to another substrate. As this substrate, a substrate that also functions as a cladding layer can be used. By doing in this way, the total number of processes including an electrodeposition process can be reduced. However, when an optical element is formed by electrodepositing the core layer and the clad layer separately and repeating the transfer, the transfer is repeated, so the loss of the interface between the core layer and the clad layer and the waveguide shape The possibility of collapse is slightly increased.
As the optical element substrate, a commonly used glass substrate or epoxy substrate can be used, and as an optical element substrate that also functions as a cladding layer, a polyolefin film such as polyethylene, a polyester film, a polycarbonate film, an acrylic resin A film, a fluorinated polymer film, or the like can be used.
[0025]
Also, the clad layer or core layer produced by the electrodeposition method can be transferred to another substrate. At this time, it is advantageous to use a substrate having the function of a clad layer.
[0026]
When transferring an optical element produced by the above-mentioned photo-deposition method to another substrate, if a release layer is provided in advance on the optical element production substrate, it is necessary to apply large heat or pressure when transferring the optical element to the substrate. Without damaging the substrate, optical elements, and the like. The release layer preferably has a critical surface tension of 30 dyne / cm or less and does not affect the electrodeposition current. Specifically, a commercially available waterproof fluororesin spray can be used. Silicone resin or silicone oil can also be used. Furthermore, a thin film of unsaturated fatty acid such as oleic acid is also suitable.
[0027]
As a film-forming polymer material whose solubility or dispersibility in aqueous liquids is lowered by changing pH, the ion dissociation property is changed by changing the pH of the solution, such as carboxyl group and amino group. It is preferable to include a substance having a group (ionic group) in the molecule. However, the presence of an ionic group is not necessarily essential for the material. Further, the polarity of ions is not limited.
[0028]
The film-forming polymer material whose solubility or dispersibility in aqueous liquid is lowered by changing pH is a polymer material having such properties from the viewpoint of the mechanical strength of the thin film (optical element). Is preferred. Examples of such a polymer material include a polymer material having an ionic group (ionic polymer) as described above. The ionic polymer needs to have sufficient solubility or dispersibility with respect to an aqueous liquid (including an aqueous liquid whose pH is adjusted), and also needs to have optical transparency. It is.
[0029]
Further, in order to have a function of lowering solubility or dispersibility in aqueous liquid due to pH change, it is preferable that the molecule has a hydrophilic group and a hydrophobic group, and the hydrophilic group includes a carboxyl group (anionic group). ), An ionizable group (hereinafter simply referred to as “ionizable group”) such as an amino group (cationic group) is preferably introduced. For example, in the case of a polymer material having a carboxyl group, the carboxyl group becomes dissociated and dissolves in an aqueous liquid when the pH is in an alkaline region, and the dissociated state disappears and the solubility is lowered and precipitates in an acidic region.
[0030]
The presence of a hydrophobic group in the polymer material gives the polymer material the function of instantly depositing a film, in combination with the loss of ionicity of a group that has been ionically dissociated by a change in pH as described above. ing. Further, this hydrophobic group has the ability to adsorb refractive index control fine particles in the optical element manufacturing method of the present invention described later, and imparts a good dispersion function to the polymer. Moreover, as a hydrophilic group, a hydroxyl group etc. can be mentioned besides an ionization group.
[0031]
The number of hydrophobic groups in the polymer having hydrophobic groups and hydrophilic groups is preferably in the range of 30% to 80% of the total number of hydrophilic groups and hydrophobic groups. If the number of hydrophobic groups is less than 30% of the total number of hydrophilic groups and hydrophobic groups, the formed film may be easily redissolved, and the water resistance and strength of the film may be insufficient. And more than 80% of the total number of hydrophobic groups, the solubility of the polymer in the aqueous liquid becomes insufficient, so that the electrodeposition liquid becomes cloudy, material precipitates are formed, and the viscosity of the electrodeposition liquid is low. Since it becomes easy to raise, it is desirable that it exists in the said range. The number of hydrophobic groups relative to the total number of hydrophilic groups and hydrophobic groups is more preferably in the range of 55% to 70%. In this range, the film deposition efficiency is particularly high, and the liquidity of the electrodeposition liquid is also stable. In addition, a film can be formed with an electrodeposition potential as low as a photovoltaic force.
[0032]
Examples of the polymer material include those obtained by copolymerizing a polymerizable monomer having a hydrophilic group and a polymerizable monomer having a hydrophobic group.
Examples of the polymerizable monomer containing a hydrophilic group include methacrylic acid, acrylic acid, hydroxyethyl methacrylate, acrylamide, maleic anhydride, fumaric acid, propiolic acid, itaconic acid, and derivatives thereof. It is not limited. Among these, methacrylic acid and acrylic acid are useful hydrophilic monomers because of high film deposition efficiency due to pH change.
In addition, a polymerizable monomer material containing a hydrophobic group, alkene, styrene, α-methylstyrene, α-ethylstyrene, methyl methacrylate, butyl methacrylate, acrylonitrile, vinyl acetate, ethyl acrylate, butyl acrylate, lauryl methacrylate, Etc. and derivatives thereof are used, but not limited thereto. In particular, since styrene and α-methylstyrene are highly hydrophobic, they are useful hydrophobic monomers that are easy to obtain hysteresis characteristics against re-dissolution.
As the polymer material used in the optical element production method of the present invention, a copolymer using acrylic acid or methacrylic acid as a hydrophilic group-containing monomer and styrene or α-methylstyrene as a hydrophobic group-containing monomer is preferably used.
[0033]
The polymer material used in the optical element manufacturing method of the present invention is a polymerizable monomer containing each of such a hydrophilic group and a hydrophobic group, preferably the ratio of the number of hydrophilic groups to hydrophobic groups in the polymer is The polymer material is copolymerized so that the ratio is as follows, and the type of each hydrophilic group and hydrophobic group is not limited to one.
[0034]
Examples of the functional material used in the present invention include refractive index control fine particles, pigment fine particles, dyes, and conductive fine particles.
Examples of refractive index control fine particles include high refractive index fine particles added to the core layer, and low refractive index fine particles added to the cladding layer. Examples of high refractive index fine particles include titanium oxide and zinc oxide, and low refractive index. Examples of the fine particles include fluorine compounds typified by magnesium fluoride.
The number average particle diameter of the fine particles is preferably from 0.2 to 150 nm, more preferably from 2 to 20 nm, from the viewpoints of dispersibility in the electrodeposition liquid and transparency of the electrodeposition film. When the number average particle diameter is less than 0.2 nm, the production cost increases, and stable quality may not be obtained. 150 nm (that is, 1.5 μm which is a wavelength band used for communication) If it exceeds 1/10), transparency will be reduced and internal irregular reflection will be caused, and internal loss will increase.
Also, as the functional material, a polymer material having a refractive index different from that of the main film-forming polymer material can be used as one of the film-forming polymer materials for adjusting the refractive index.
[0035]
  In the optical element manufacturing method of the present invention, the vicinity of the optical element manufacturing substrate (including the case of the vicinity of the conductive thin film or the optical semiconductor thin film, and the case of the thin film already formed, including the case of the vicinity of the thin film, the same applies hereinafter. To change the concentration of the functional material in the electrodeposition solutionLaw andIn order to obtain a thin film in which the functional material contained in the thin film has a density gradation in the thickness direction of the thin film, ElectricThere is a method in which an electrodeposition liquid having a functional material concentration different from that of the electrodeposition liquid flows out toward the optical element manufacturing substrate.Used. In this case, in order to achieve a uniform functional material concentration in the in-plane direction, the functional material concentration of the electrodeposition liquid should not be largely biased in the vicinity of the entire film formation region of the optical element manufacturing substrate. . For this purpose, a liquid flow having a shape corresponding to the film formation region can be flowed out, or a liquid flow can be flown out from the small holes arranged substantially evenly with respect to the film formation region. In order to manufacture the optical waveguide, a slit-like liquid flow having a shape corresponding to the core shape or a liquid flow from a plurality of small holes is directed toward the core formation region of the optical element manufacturing substrate. When a voltage is applied to the thin film formation area while flowing the liquid flow, the electrodeposition liquid having a different functional material concentration from the surrounding electrodeposition liquid comes into contact with the optical element manufacturing substrate and exists in the surrounding area. Thus, a thin film having a different functional material concentration is electrodeposited.
[0036]
  Therefore, when a film having a functional material concentration different from that of the film has already been formed, as in the case of forming a core layer on the clad layer, the electrodeposition solution in the electrodeposition tank is used. Even if it is not completely replaced (for example, from the electrodeposition liquid for the cladding layer to the electrodeposition liquid for the core layer), the electrodeposition liquids having different functional material concentrations are allowed to flow toward the film formation region, so that In addition, thin films having different functional material contents can be formed, which simplifies the process and contributes to cost reduction.
  In addition, by using a plurality of electrodeposition liquids with different functional material concentrations, the functional material concentration of the electrodeposition liquid that flows out toward the optical element fabrication substrate is changed over time, so that the function can be achieved in the formed thin film. The tone of the material can be given. In this case, if the concentration of the functional material of the electrodeposition liquid to be discharged is continuously changed, the content of the functional material in the thin film can be close to continuous gradation. For example, when forming the core layer, by appropriately selecting the functional material concentration in the plurality of electrodeposition liquids and their outflow order, an internal structure having a higher functional material concentration in the central portion of the core layer can be obtained. it can. In addition, if different electrodeposition liquids are continuously flowed out so that the concentration of the functional material becomes higher and then the outflow is stopped and then the voltage is continuously applied as it is, the concentration of the functional material to be electrodeposited decreases. (The concentration of the functional material in the first electrodeposition liquid for the cladding layer is lower than that for the core layer). This method can also form a core layer having a high concentration of the functional material in the central portion. it can.
  The flow rate of the liquid flow is 0.1 to 10 mm / second from the viewpoint of not damaging the already deposited portion and realizing concentration modulation corresponding to the deposition rate.The
[0037]
Further, the thin film itself formed by the method as described above has a uniform film thickness (the film is flat) regardless of the density gradation, so that the transfer is easy, and there are few bleeding and defects.
[0038]
In the optical element manufacturing method of the present invention, as another method of changing the concentration of the functional material in the electrodeposition liquid in the vicinity of the optical element manufacturing substrate, the functional material contained in the thin film is a film surface of the thin film. In order to obtain a thin film having a concentration gradation in the inward direction, for example, a liquid flow may be formed in the electrodeposition liquid so that the concentration of the functional material changes in the in-plane direction of the thin film formation region. . For example, in an electrodeposition solution, if an electrodeposition solution having a functional material concentration different from that of the electrodeposition solution is allowed to flow out only to a specific portion of the thin film formation region of the optical element manufacturing substrate, it hits the substrate. Since the posterior liquid flow flows around the substrate and diffuses into the electrodeposition liquid that originally exists, the concentration of the functional material in the electrodeposition liquid in the vicinity of the substrate is directed toward the direction in which the liquid flow flows along the substrate. Change. In addition, when the electrodeposition liquids having different functional material concentrations are allowed to flow out from the plurality of outlets toward the optical element fabrication substrate, a thin film in which the content of the functional material changes in the plane is obtained.
[0039]
Further, a three-dimensional density gradation is obtained by combining the method for producing the density gradation in the film thickness direction of the functional material and the method for producing the density gradation in the in-plane direction of the functional material film as described above. An optical element can be formed.
[0040]
Next, the optical element manufacturing method of the present invention will be described more specifically together with the apparatus used.
FIG. 3 shows an example of an apparatus for producing an optical element by a photoelectric deposition method.
The electrodeposition bath 20 stores the electrodeposition liquid 20 and at least the optical semiconductor of the optical element manufacturing substrate 10 (a laminate of the light-transmitting insulating substrate 12, the light-transmitting conductive film 14, and the optical semiconductor thin film 16). It arrange | positions at the electrodeposition liquid 20 so that the thin film 16 may contact. Above the electrodeposition liquid surface, a first imaging optical lens 73, a photomask 71, a second imaging optical lens 72, and a light source (not shown) for irradiating light are electrodeposition tank 80. The exposure means (projection type exposure apparatus) provided in this order from the side is provided, and the light 70 irradiated from the light source is imaged on the photomask 71 through the second imaging optical lens 72, and passes through the photomask 71. Then, the light is patterned and then imaged on the surface of the optical semiconductor thin film via the first imaging optical lens 73.
[0041]
In FIG. 3, 100 indicates an outflow plate for allowing an electrodeposition solution having a functional material concentration different from that of the electrodeposition solution 20 to flow out at a controlled flow rate, 102 indicates an outflow port provided in the outflow plate, and 106 indicates an electrode. A container 104 for storing the landing liquid, and a pressure supply means (pump) for supplying the electrodeposition liquid in 106 in a controlled amount, constitute a liquid flow forming mechanism. The flow rate of the electrodeposition liquid flowing out from the outlet is adjusted by controlling the pump. As described above, pulsation may occur as a characteristic of a pump that generates a liquid flow. However, there is no problem as long as the flow rate is within the previous period, and a known one can be appropriately selected and used. The concentration of the functional material in the electrodeposition liquid in the vicinity of the optical element manufacturing substrate is changed by flowing out an electrodeposition liquid having a functional material concentration different from that of the electrodeposition liquid 20 from the outlet 102 of the outflow plate 100. be able to. In addition, the distance from the outlet to the thin film formation position of the optical element fabrication substrate is appropriately about 0.2 to 10 mm in consideration of avoiding the risk of contact with the substrate and equalizing the flow rate.
In this embodiment, the outflow plate 100 also serves as the counter electrode 91 and is electrically connected to a voltage applying unit 90 that can apply a bias voltage such as a potentiostat, and the voltage applying unit 90 further includes a reference such as a saturated calomel electrode. It is connected to the electrode 92 and configured in a three-pole system. The voltage applying means 90 is connected to the conductive film 7 of the film forming substrate. Needless to say, the counter electrode can be provided at an appropriate position in the electrodeposition tank 80 without being used also as the outflow plate. When the hydrogen ion concentration can be changed sufficiently to cause film deposition only by the photovoltaic force, it is not necessary to apply a bias voltage from the voltage applying means, and therefore, a voltage is applied from the voltage applying means 90. There is no need to provide the voltage application means itself, but it is useful to provide the voltage application means in order to cope with various film forming substrates or electrodeposition conditions.
In addition, about the technique which forms the liquid flow of an electrodeposition liquid in an electrodeposition liquid, all the matters as described in Japanese Patent Application No. 2001-353725 which is a previous application by this applicant can be utilized.
[0042]
As an example of optical element production, a photoconductive device as shown in FIG. 3 is used to form a clad layer (lower part) on the entire surface of the substrate, and then the density gradation of the functional material (refractive index control fine particles) in the film thickness direction. A method of manufacturing an optical waveguide in which a core layer having a core and a clad layer (upper part) over the entire core layer is formed will be described.
First, the electrodeposition bath 80 is filled with the electrodeposition solution 20 for forming the lower clad layer, light is not irradiated, and a voltage exceeding the Schottky barrier of the optical semiconductor thin film of the optical element fabrication substrate is applied to the voltage applying means 90 and the counter electrode. A lower clad layer is formed on the entire surface of the substrate by applying the voltage between the substrate 91 (outflow plate 100).
Next, the core layer photomask (71) is set as shown in FIG. Further, the electrodeposition liquid for the lower core layer is put into the electrodeposition liquid storage container 106, and the electrodeposition liquid is allowed to flow out from the outlet 102 at a controlled rate. Thereafter, exposure is performed on the selected region so that light is imaged on the surface of the optical semiconductor thin film 8, and the bias voltage is applied to the film deposition by adding the photovoltaic force generated in the optical semiconductor thin film and the bias voltage. When the voltage is applied by the voltage application means 90 so as to exceed the necessary threshold voltage, the hydrogen ion concentration of the electrodeposition liquid in the vicinity of the exposed selected region changes greatly. Since the electrodeposition liquid contains an electrodeposition material whose solubility or dispersibility in aqueous liquid is reduced due to a change in hydrogen ion concentration, the solubility in the electrodeposition liquid in the selected region is reduced, and the lower cladding in the selected region is reduced. An electrodeposited film (lower core layer) containing fine particles for refractive index control is deposited on the surface of the layer. Thereafter, light irradiation, voltage application, and liquid outflow are stopped. Next, the electrodeposition liquid storage container 106 is replaced with an electrodeposition liquid for the upper core layer in which the concentration of the fine particles for refractive index control is different from that of the core layer electrodeposition liquid. A thin film (upper core layer) is formed by applying a bias voltage. A core layer having gradation in the content of fine particles for refractive index control in the film thickness direction is formed. In addition, when the liquid flow forming mechanism has a function capable of continuously flowing out the electrodeposition liquids having different functional material concentrations, after forming the lower core layer as described above, light irradiation or the like is performed. The upper core forming electrodeposition liquid may be continuously discharged without stopping and replacing the upper core forming electrodeposition liquid in the electrodeposition liquid storage container.
Next, the electrodeposition liquid in the electrolytic cell 80 is replaced with the electrodeposition liquid for the upper clad layer, and it is formed on the entire surface in the same manner as in the case of forming the lower clad layer without light irradiation.
[0043]
Next, another apparatus for producing an optical element by a photoelectric deposition method will be described. FIG. 4 is a conceptual diagram showing an optical element manufacturing apparatus similar to the apparatus shown in FIG. 3 except that a proximity exposure type exposure apparatus is used. Since the apparatus in FIG. 4 brings the photomask and the optical semiconductor thin film close to each other (the photomask is in close contact with the insulating substrate), an exposure apparatus having an imaging optical system and a mirror reflection optical system as in the apparatus of FIG. 3 is not used. A pattern with excellent resolution can be obtained. As the exposure device 75, a parallel light or contact type exposure device can be employed. As the irradiation light source, for example, a uniform irradiation light source of Hg—Xe can be used. In this case, it is effective to prevent the diffraction of light by setting the insulating substrate to 0.2 mm or less.
In order to produce the optical element as described above using this apparatus, the same operation as in the case of using the apparatus shown in FIG. 3 is performed. Further, when the lower and upper clad layers are produced, the entire surface of the optical element production substrate can be irradiated with light and photo-deposited.
[0044]
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an optical element manufacturing apparatus similar to the apparatus shown in FIG. 3 except that a scanning laser writing apparatus is used as the exposure apparatus. In FIG. 5, reference numeral 78 denotes a scanning laser writing apparatus for laser beam irradiation such as He-Cd laser.
[0045]
Furthermore, FIG. 6 shows a conceptual diagram of an apparatus for producing an optical element by an electrodeposition method. Except not having an exposure apparatus, it has the same configuration as that shown in FIGS.
[0046]
In the optical element manufacturing method of the present invention, it is preferable to perform at least a step of heat-treating the optical element after forming all the optical elements. By performing such processing, the transmission loss of the optical element can be reduced.
Here, “all optical elements” means one or a plurality of all optical elements when one or a plurality of optical elements are formed (for example, one or more core layers and one or more cladding layers). Point to. “After forming” means “after depositing and forming the optical element” in the optical element manufacturing method using the optical element formed on the optical element manufacturing substrate by the (photo) electrodeposition method as it is. means. However, since the heat treatment is preferably performed after the water contained in the optical element is removed, it usually means after the drying process for removing the water. In addition, in the optical element manufacturing method in which the transfer is performed to the optical element substrate by the transfer method, it means “after the optical element is transferred to the optical element substrate”.
[0047]
The optical element deposited and formed by the (photo) electrodeposition method usually has a slight amount of moisture taken into the film, and therefore, a step of drying the optical element after the deposition and removing the moisture in the film is performed. However, it is presumed that a film defect (for example, a pinhole) occurs in the optical element due to the removal of moisture, which increases the transmission loss of the optical element. It is considered that this heat treatment in the present invention repairs the defects, further improves the surface roughness at the optical element surface and the core / cladding interface, and reduces transmission loss.
[0048]
The heat treatment may be any heat treatment that reduces the transmission loss of the optical element after the heat treatment as compared with that before the heat treatment, and the heating temperature and the heating time are not particularly limited. The heating temperature can take into consideration the glass transition temperature, flow start temperature, etc. of the polymer material used as the film-forming polymer material.
Moreover, in order to perform the said heat processing efficiently, it is preferable to heat more than the flow start temperature of a polymeric material. The above flow start temperature is described in “Polymer engineering course” 14, pages 364 to 369, edited by the Society of Polymer Science, Jijinshokan Co., Ltd., Showa 38). It means “temperature”. The flow starting temperature of the polymer material used in the present invention is generally within the range of 50 to 200 ° C, preferably 80 to 150 ° C, more preferably 110 to 130 ° C.
In addition, when pressure is applied to the optical element during the heat treatment, the heating time can be shortened or the heating temperature can be lowered.
[0049]
The electrodepositable polymer described above has a refractive index in the range of 1.45 to 1.6, is transparent in the deposited state, and has no absorption at wavelengths of 0.8 to 1.6 μm used for optical elements. It is suitable as an optical element material.
In addition, ultraviolet rays are not absorbed even when dissolved in water as an electrodeposition solution, so that the patterned semiconductor can be irradiated with pattern ultraviolet rays through the electrodeposition solution. Furthermore, since it can be electrodeposited at a low potential of 5 V or less, it is possible to form an electrodeposition pattern by photovoltaic power generated by an optical semiconductor.
[0050]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1
In this example, an example of manufacturing an optical waveguide having a clad-core-clad structure is shown. (When the clad layer is formed, light is not irradiated and a voltage exceeding the Schottky barrier of the optical semiconductor is applied.)
(1) Preparation of electrodeposition solution for clad formation
100 g of pure water, 5 g of styrene-acrylic acid copolymer (molecular weight 13,000, copolymerization molar ratio of styrene and acrylic acid 65:35, acid value 150) (hereinafter referred to as “electrodepositing polymer material A”) And dimethylaminoethanol (water-soluble, liquid having a boiling point of 110 ° C. or higher and a vapor pressure of 100 mHg or lower) at a rate of 180 mmol / l, and further pH 7.8 using tetramethylammonium hydroxide and ammonium chloride. The conductivity was adjusted to 8 mS / cm, and this was used as an electrodeposition solution for forming a clad.
(2) Preparation of electrodeposition liquid 1 for core formation
5 g of the electrodepositable polymer material A and 5 g of titanium oxide having a diameter of 2 nm are dispersed and mixed in 100 g of pure water, dimethylaminoethanol is further added at a rate of 180 mmol / l, and tetramethylammonium hydroxide and ammonium chloride are used. Thus, the pH was adjusted to 7.8 and the conductivity was adjusted to 8 mS / cm.
(3) Preparation of electrodeposition liquid 2 for core formation
In the preparation of the core-forming electrodeposition solution 1, a core-forming electrodeposition solution 2 was prepared in the same manner as the preparation of the core-forming electrodeposition solution 1, except that the amount of titanium oxide was increased to 25 g.
(4) Fabrication of optical element fabrication substrate
A transparent conductive film of ITO was formed to a thickness of 100 nm on a 0.5 mm-thick alkali-free glass substrate (7059 glass) by sputtering, and 200 nm of TiO2 was further formed.2Was formed by RF sputtering.
[0051]
(5) Fabrication of optical waveguide
A photodeposition apparatus having an electrodeposition liquid outflow mechanism as shown in FIG. 4 was used. The outflow plate is formed with a slit-shaped outlet corresponding to the core to be formed. In addition, using the outflow plate as a counter electrode (composed of platinum), TiO2The electrode was used as a working electrode. A photomask (71) having an opening corresponding to the core to be formed was used, and a proximity exposure apparatus manufactured by Yamashita Denso was used as the exposure apparatus. And the distance from an outflow port to the core formation position of an optical element production board | substrate was 1 mm.
First, the electrodeposition tank was filled with the clad-forming electrodeposition solution, and a bias voltage applied to the working electrode was applied for 3.5 seconds without irradiating light from an exposure apparatus.2A lower cladding layer having a thickness of 5 μm was formed on the entire surface.
[0052]
Next, without removing the optical element manufacturing substrate from the electrodeposition tank, the outflow of the core forming electrodeposition liquid 2 is 0.1 mm / second from the slit-shaped outlet of the electrodeposition liquid outflow plate toward the core formation position. Started with speed. Ten seconds after the start of outflow, with the bias voltage applied to the working electrode set at 1.8 V, the exposure apparatus used ultraviolet light having a wavelength of 365 nm (light intensity 50 mW / cm).2) For 15 seconds, a lower core layer having a thickness of 5 μm and a width of 10 μm was formed only in the region irradiated with light on the surface of the cladding layer.
Next, light irradiation and bias voltage application are stopped, the outflow electrodeposition liquid is replaced with the core forming electrodeposition liquid 1, and the outflow is started at a speed of 0.1 mm / sec from the slit-shaped outlet to the core forming position. did. Ten seconds after the start of outflow, with the bias voltage applied to the working electrode set at 1.8 V, the exposure apparatus used ultraviolet light having a wavelength of 365 nm (light intensity 50 mW / cm).2) For 15 seconds, an upper core layer having a thickness of 5 μm and a width of 10 μm was formed on the lower core layer.
[0053]
Next, the electrodeposition liquid in the electrodeposition tank was replaced with the electrodeposition liquid for clad formation described in (1) above, and a bias voltage applied to the working electrode was applied for 35 seconds without irradiating light from the exposure apparatus. However, an upper cladding layer having a thickness of 8 μm was formed on the entire surface.
[0054]
The optical element fabrication substrate is taken out from the electrodeposition bath, and dip cleaning is performed in pure water for 3 minutes to remove a slight amount of salt remaining in the film, and then drying with clean air to complete the optical waveguide substrate. It was.
When the obtained optical waveguide was cut into a length of 50 mm by a dicing saw and the insertion loss was measured, it was found that the transmission loss was about 5 dB at a wavelength of 0.85 μm.
[0055]
Example 2
The optical waveguide produced in Example 1 was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes. Thereafter, when the transmission loss was measured in the same manner as in Example 1, it was found that the transmission loss was improved to about 1.5 dB. This is presumably due to the removal of pinholes that remained slightly in the optical waveguide film.
By having such a structure, even if the cladding layer in the film thickness direction is thin, the light confinement effect is increased, and the transmission loss is improved as compared with a simple step index type structure.
[0056]
Example 3
(1) Preparation of electrodeposition solution for clad formation
To 100 g of pure water, a copolymer of styrene and acrylic acid (copolymerization molar ratio of styrene and acrylic acid 20:80, acid value 160, molecular weight 12000) (hereinafter referred to as “electrodeposition polymer material B”). 5 g is dispersed and mixed, dimethylaminoethanol is further added at a rate of 180 mmol / l, and further adjusted to pH 7.8 and conductivity 8 mS / cm using tetramethylammonium hydroxide and ammonium chloride. A forming electrodeposition liquid was used.
(2) Preparation of electrodeposition liquid 1 for core formation
In 100 g of pure water, 5 g of the electrodepositable polymer material A in Example 1 and 5 g of the electrodepositable polymer material B are dispersed and mixed, dimethylaminoethanol is added at a rate of 180 mmol / l, and tetramethylammonium hydroxide is further added. Using ammonium chloride, the pH was adjusted to 7.8 and the conductivity was adjusted to 8 mS / cm.
(3) Preparation of electrodeposition liquid 2 for core formation
In the preparation of the core-forming electrodeposition liquid 1, the core-forming electrodeposition liquid 2 was prepared in the same manner as the preparation of the core-forming electrodeposition liquid 1, except that 5 g of the electrodepositable polymer material B was changed to 25 g. .
(4) Fabrication of optical element fabrication substrate
A transparent conductive film of ITO was formed to a thickness of 100 nm on a 0.5 mm-thick alkali-free glass substrate (7059 glass) by sputtering, and 200 nm of TiO2 was further formed.2Was formed by RF sputtering.
[0057]
(5) Fabrication of optical waveguide
The photodeposition apparatus having the electrodeposition liquid outflow mechanism used in Example 1 was used.
First, the electrodeposition bath was filled with the electrodeposition solution for clad formation of (1), and a bias voltage applied to the working electrode was applied for 10 seconds without applying light from the exposure apparatus.2A lower cladding layer having a thickness of 5 μm was formed on the entire surface.
[0058]
Next, without removing the optical element manufacturing substrate from the electrodeposition tank, the outflow of the core forming electrodeposition liquid 2 is 0.1 mm / second from the slit-shaped outlet of the electrodeposition liquid outflow plate toward the core formation position. Started with speed. Ten seconds after the start of outflow, with the bias voltage applied to the working electrode set at 1.8 V, the exposure apparatus used ultraviolet light having a wavelength of 365 nm (light intensity 50 mW / cm).2) For 15 seconds, a lower core layer having a thickness of 5 μm and a width of 10 μm was formed only in the region irradiated with light on the surface of the cladding layer.
Light irradiation and bias voltage application are stopped, the effluent electrodeposition solution is replaced with the core formation electrodeposition solution 1 described in (2) above, and the velocity is 0.1 mm / sec from the slit-shaped outlet to the core formation position. The spill started at. Ten seconds after the start of outflow, with the bias voltage applied to the working electrode set at 1.8 V, the exposure apparatus used ultraviolet light having a wavelength of 365 nm (light intensity 50 mW / cm).2) For 15 seconds, TiO2An upper core layer having a thickness of 5 μm and a width of 10 μm was formed only in the region irradiated with light on the surface.
[0059]
Next, the electrodeposition solution for clad formation of (1) above was newly replaced in the electrodeposition bath, and the bias voltage applied to the working electrode was applied for 35 seconds without irradiating light from the exposure apparatus. An upper cladding layer of 8 μm was formed.
[0060]
The optical element fabrication substrate is taken out from the electrodeposition bath, and dip cleaning is performed in pure water for 3 minutes to remove a slight amount of salt remaining in the film, and then drying with clean air to complete the optical waveguide substrate. It was.
When the obtained optical waveguide was cut into a length of 50 mm by a dicing saw and the insertion loss was measured, it was found that the transmission loss was about 4.5 dB at a wavelength of 0.85 μm.
[0061]
Example 4
The optical waveguide produced in Example 3 was heat-treated at 140 ° C. for 3 minutes. Thereafter, when the transmission loss was measured in the same manner as in Example 3, it was found that the transmission loss was improved to about 1.5 dB.
By having such a structure, even if the cladding layer in the film thickness direction is thin, the light confinement effect is increased, and the transmission loss is improved as compared with a simple step index type structure.
[0062]
Example 5
In this example, a circular thin film having a radius of 10 mm was formed on the optical element manufacturing substrate.
The same optical element production substrate as that in Example 1 was used. Further, an optical element manufacturing apparatus having a scanning laser exposure apparatus (He-Cd laser) as shown in FIG. 5 was used. The spot diameter of the He—Cd laser was set to 100 μm, and the optical system was set so that the optical element fabrication substrate could be scanned in a spiral manner at a speed of 0.05 mm per second. A circular outlet having a diameter of 1 mm was used as the outlet in the electrodeposition liquid outlet plate. The distance from the outlet to the thin film formation position on the optical element fabrication substrate was 1 mm.
The electrodeposition liquid for clad formation used in Example 1 was put in the electrodeposition tank. Furthermore, the electrodeposition liquid for core formation used in Example 1 is caused to flow out at a speed of 0.1 mm / second from the outflow port toward the center of the circle where the circular thin film is to be formed on the optical element manufacturing substrate. It was. Ten seconds after the start of outflow, a He—Cd laser was scanned in a spiral toward the center from a point 10 mm away from the center. A circular thin film having a radius of 10 mm and a thickness of 1 μm was formed (see FIG. 2).
This thin film has a refractive index of 1.7 at the center and 1.5 at the periphery, and the refractive index continuously changes from the periphery toward the center, and can be applied as a lens.
[0063]
Example 6
A separately prepared polyethylene film having a thickness of 0.2 mm is placed on the circular thin film produced in Example 5, and the linear velocity is measured between two rolls (roll surface temperature 170 ° C., linear pressure 300 g / cm). Heating and pressing treatment was performed at 20 mm / sec. A circular polymer thin film having a refractive index distribution was formed on the polyethylene film. The circular thin film produced in Example 5 had an extremely flat surface, so that transfer was easy and the shape did not collapse.
[0064]
【The invention's effect】
By using the optical element manufacturing method of the present invention, it is possible to easily make the density gradation of the functional material in the thin film, and it is not a step-like density change as in the prior art, but a gradual or continuous process. A density gradation can be obtained. Further, it is possible to create density gradations not only in the film thickness direction but also in the in-plane direction of the film, and further to combine these to obtain a three-dimensional density gradation. In addition, the thin film itself formed by precipitation has a uniform film thickness (film is flat) regardless of the density gradation, so that transfer is easy, and there are few bleeding and defects. Further, a developing sleeve that has a difference in the distribution of the inorganic conductive fine particles inside the resin as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 8-160737 can also have more precise distribution characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram showing one embodiment of a method for producing an optical element of the present invention.
FIGS. 2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view showing an example of an optical element obtained by the method of the present invention. FIGS.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing an optical element manufacturing apparatus using a projection exposure apparatus.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an optical element manufacturing apparatus using a proximity exposure apparatus.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing an optical element manufacturing apparatus using a scanning laser exposure apparatus.
FIG. 6 is a conceptual diagram showing an optical element manufacturing apparatus by electrodeposition.
[Explanation of symbols]
10 Optical element fabrication substrate
12 Insulating substrate
14 Conductive thin film
16 Optical semiconductor thin film
18, 22 Clad layer
20 Core layer
71 photomask
72, 73 Imaging optical lens
75 Hg-Xe uniform irradiation light source
78 Scanning laser writing device
100 Outflow plate (counter electrode)
102 outlet
104 Electrodeposition liquid pressure supply means
106 Electrodeposition liquid container

Claims (16)

絶縁性基板上に導電性薄膜を設けた光学素子作製基板を、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液に、前記光学素子作製基板の少なくとも前記導電性薄膜が電着液に接触するように配置した状態で、前記導電性薄膜と対向電極の間に電圧を印加し、前記導電性薄膜の上に前記膜形成高分子材料および機能性材料を含む薄膜を析出形成させる工程を含む光学素子作製方法であって、電着液中において、該電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させ、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることにより、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製する工程を含む光学素子作製方法。An aqueous electrodeposition liquid containing a film-forming polymer material and a functional material, in which an optical element manufacturing substrate having a conductive thin film provided on an insulating substrate is reduced in solubility or dispersibility in an aqueous liquid by changing pH. In addition, a voltage is applied between the conductive thin film and the counter electrode in a state where at least the conductive thin film of the optical element manufacturing substrate is in contact with the electrodeposition liquid, and the above-mentioned conductive thin film is placed on the conductive thin film. An optical element manufacturing method including a step of depositing and forming a thin film containing a film-forming polymer material and a functional material, wherein the functional material concentration in the electrodeposition liquid is different from the functional material concentration of the electrodeposition liquid. By flowing the electrodeposition liquid having the electrodeposition liquid toward the optical element manufacturing substrate at a speed of 0.1 to 10 mm / second, and changing the concentration of the functional material in the electrodeposition liquid in the vicinity of the optical element manufacturing substrate, Included functionality An optical element manufacturing method comprising the step of fees to produce a thin film having a density gradation. 薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の膜厚方向において濃度階調を有することを特徴とする請求項1に記載の光学素子作製方法。  The method for producing an optical element according to claim 1, wherein the functional material contained in the thin film has a density gradation in the film thickness direction of the thin film. 薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の面内方向において濃度階調を有することを特徴とする請求項1に記載の光学素子作製方法。  2. The optical element manufacturing method according to claim 1, wherein the functional material contained in the thin film has a density gradation in an in-plane direction of the thin film. 光学素子作製基板に向けて流出させる電着液の機能性材料濃度を経時的に変化させることを特徴とする請求項に記載の光学素子作製方法。The method for producing an optical element according to claim 1 , wherein the functional material concentration of the electrodeposition liquid flowing out toward the optical element production substrate is changed over time. 光学素子作製基板の上に形成されたすべての薄膜を他の基板に転写する工程を行なうことを特徴とする請求項1に記載の光学素子作製方法。  The method for producing an optical element according to claim 1, wherein a step of transferring all the thin films formed on the optical element production substrate to another substrate is performed. 薄膜形成後、さらに薄膜を加熱処理する工程を行なうことを特徴とする請求項1に記載の光学素子作製方法。  2. The method of manufacturing an optical element according to claim 1, further comprising a step of heat-treating the thin film after forming the thin film. 絶縁性基板上に導電性薄膜および光半導体薄膜をこの順に積層した光学素子作製基板を、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液に、前記光学素子作製基板の少なくとも前記光半導体薄膜が電着液に接触するように配置した状態で、前記光半導体薄膜の選択領域に光を照射することにより選択領域の光半導体薄膜と対向電極の間に電圧を印加し、前記半導体薄膜の選択領域に前記膜形成高分子材料および機能性材料を析出形成する工程を含む光学素子作製方法であって、電着液中において、該電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させ、光学素子作製基板近傍における電着液中の機能性材料の濃度を変化させることにより、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製する工程を含む光学素子作製方法。An optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film and an optical semiconductor thin film are laminated in this order on an insulating substrate is a film-forming polymer material and a functional material whose solubility or dispersibility in an aqueous liquid is lowered by changing pH. The selected region of the optical semiconductor thin film is irradiated with light in a state where at least the optical semiconductor thin film of the optical element manufacturing substrate is in contact with the electrodeposition liquid in an aqueous electrodeposition liquid containing An optical element manufacturing method comprising a step of applying a voltage between an optical semiconductor thin film and a counter electrode, and depositing and forming the film-forming polymer material and the functional material in a selected region of the semiconductor thin film , in, the functional material concentration of the electrodeposition solution was drained at a rate of 0.1 to 10 mm / sec toward the electrodeposition solution has a different functional material concentration in the optical element formation substrate, an optical element formation substrate near By varying the concentration of the functional material in the electrodeposition solution in the optical device manufacturing method comprising the functional material contained therein to produce a thin film having a density gradation. 薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の膜厚方向において濃度階調を有することを特徴とする請求項に記載の光学素子作製方法。The optical element manufacturing method according to claim 7 , wherein the functional material contained in the thin film has a density gradation in the film thickness direction of the thin film. 薄膜に含まれる機能性材料が薄膜の面内方向において濃度階調を有することを特徴とする請求項に記載の光学素子作製方法。The optical element manufacturing method according to claim 7 , wherein the functional material contained in the thin film has a density gradation in an in-plane direction of the thin film. 光学素子作製基板に向けて流出させる電着液の機能性材料濃度を経時的に変化させることを特徴とする請求項に記載の光学素子作製方法。The method for producing an optical element according to claim 7 , wherein the functional material concentration of the electrodeposition liquid flowing out toward the optical element production substrate is changed over time. 光照射することなく光学素子作製基板の光半導体薄膜のもつショットキーバリアーを越える電圧を印加することにより前記基板の全面に薄膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項に記載の光学素子作製方法。8. The method according to claim 7 , further comprising a step of forming a thin film on the entire surface of the substrate by applying a voltage exceeding the Schottky barrier of the optical semiconductor thin film of the optical element fabrication substrate without irradiating light. Optical element manufacturing method. 光学素子作製基板の上に形成されたすべての薄膜を、他の基板に転写する工程を行なうことを特徴とする請求項に記載の光学素子作製方法。The optical element manufacturing method according to claim 7 , wherein a step of transferring all the thin films formed on the optical element manufacturing substrate to another substrate is performed. 薄膜形成後、さらに薄膜を加熱処理する工程を行なうことを特徴とする請求項に記載の光学素子作製方法。8. The method of manufacturing an optical element according to claim 7 , further comprising a step of heat-treating the thin film after forming the thin film. 絶縁性基板上に導電性薄膜および光半導体薄膜をこの順に積層した光学素子作製基板に光学素子を作製するための光学素子製造装置であって、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液を収容するための電着槽、電着槽の中に置かれ前記導電性薄膜と電気的に接続する対向電極、前記光学素子作製基板の光半導体薄膜に光を照射するための露光手段、および前記光学素子作製基板に対し、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および前記電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する水系の電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させる液流形成機構を少なくとも備えた、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製するための光学素子製造装置。An optical element manufacturing apparatus for manufacturing an optical element on an optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film and an optical semiconductor thin film are laminated in this order on an insulating substrate, and the solubility or dispersion in an aqueous liquid by changing pH An electrodeposition tank for containing a water-based electrodeposition liquid containing a film-forming polymer material and a functional material with reduced properties, a counter electrode placed in the electrodeposition tank and electrically connected to the conductive thin film, An exposure means for irradiating light to the optical semiconductor thin film of the optical element manufacturing substrate, and a film-forming polymer material whose solubility or dispersibility in an aqueous liquid decreases due to pH change with respect to the optical element manufacturing substrate and a liquid flow forming mechanism for flow out at a rate of 0.1 to 10 mm / sec toward the electrodeposition liquid aqueous with different functional material concentration and the functional material concentration of the electrodeposition liquid to the optical element formation substrate With even without an optical element manufacturing apparatus for functional material contained therein to produce a thin film having a density gradation. さらに、導電性薄膜と対向電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段を備えることを特徴とする請求項14に記載の光学素子製造装置。Furthermore, the optical element manufacturing apparatus of Claim 14 provided with the voltage application means for applying a voltage between an electroconductive thin film and a counter electrode. 絶縁性基板上に導電性薄膜を設けた光学素子作製基板に光学素子を作製するための光学素子製造装置であって、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および機能性材料を含む水系の電着液を収容するための電着槽、電着槽の中に置かれ導電性薄膜と電気的に接続する対向電極、導電性薄膜と対向電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段、および前記光学素子作製基板に対し、pHが変化することにより水性液体に対する溶解性ないし分散性が低下する膜形成高分子材料および前記電着液の機能性材料濃度とは異なる機能性材料濃度を有する水系の電着液を光学素子作製基板に向けて0.1〜10mm/秒の速度で流出させる液流形成機構を少なくとも備えた、その中に含まれる機能性材料が濃度階調を有する薄膜を作製するための光学素子製造装置。An optical element manufacturing apparatus for manufacturing an optical element on an optical element manufacturing substrate in which a conductive thin film is provided on an insulating substrate, and forming a film whose solubility or dispersibility with respect to an aqueous liquid decreases due to pH change An electrodeposition tank for containing an aqueous electrodeposition liquid containing a polymer material and a functional material, a counter electrode placed in the electrodeposition tank and electrically connected to the conductive thin film, the conductive thin film and the counter electrode Of the film-forming polymer material and the electrodeposition liquid in which the solubility or dispersibility with respect to the aqueous liquid decreases due to the change in pH with respect to the voltage application means for applying a voltage between At least a liquid flow forming mechanism for flowing an aqueous electrodeposition liquid having a functional material concentration different from the functional material concentration toward the optical element fabrication substrate at a speed of 0.1 to 10 mm / second , included Optical element manufacturing apparatus for potential material to produce a thin film having a density gradation.
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