JP4253828B2

JP4253828B2 - コア位置を顕現化する被覆層を備えた光導波路、その製造方法および光部品

Info

Publication number: JP4253828B2
Application number: JP29141099A
Authority: JP
Inventors: 亨高橋; 信生宮寺; 敏裕黒田
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1999-09-05
Filing date: 1999-09-05
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2019-09-05
Also published as: JP2001074961A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路に関し、特に、チャネル型光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のパソコンやインターネットの普及に伴い、情報伝送需要が急激に増大している。このため、伝送速度の速い光伝送を、パソコン等の末端の情報処理装置まで普及させることが望まれている。これを実現するには、光インターコネクション用に、高性能な光導波路を、安価かつ大量に製造することが必要がある。
【０００３】
光導波路の材料としては、ガラスや半導体材料等の無機材料と、ポリマ材料が知られている。無機材料により光導波路を製造する場合には、真空蒸着装置やスパッタ装置等の成膜装置により無機材料膜を成膜し、これを所望の導波路形状にエッチングすることにより製造する方法が用いられる。
【０００４】
これに対し、ポリマ材料によって光導波路を製造する場合には、成膜工程を、塗布と加熱により大気圧で行うことができるため、装置および工程が簡単であるという利点がある。例えば、特開平９−４０７７４号公報には、ポリイミドにより光導波路を製造する方法が開示されている。
【０００５】
上記公報に記載されている光導波路の製造方法は、まず、シリコン等の基板の上に、ポリアミド酸溶液をスピン塗布し、これを加熱して乾燥・硬化させることにより、ポリイミド膜を得て、これを下部クラッド層とする。つぎに、同様の手順で、下部クラッドよりも屈折率の高いポリイミド膜を形成し、これをコア層とする。このコア層の上に、レジストにより所定のマスクを形成して、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等により、所望のコアの形状に加工する。つぎに、このコアの上にさらに、ポリアミド酸溶液をスピン塗布し、これを加熱して乾燥・硬化させることにより、コアよりも屈折率の低いポリイミド膜を得て、これを上部クラッド層とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
下部クラッド層の一部のみにコア層を配置したチャネル型光導波路は、コア層が上部クラッド層と下部クラッド層との間に挟み込まれてしまうため、コア層の位置を確認する場合には、クラッド層を通してコア層を観察するか、端面を観察するか、もしくは、光をコア層に導波させて導波光を観察するか等の手段を取る必要があり、コア層の位置を確認するのは容易ではない。特に、シングルモードの光導波路のようにコア層の幅が狭い場合に、目視ではコア層の位置を確認することは非常に難しい。また、顕微鏡でコア層を確認する際に、広い基板上のどこにコア層があるかが全くわからない場合、どこを拡大観察すべきか検討をつけられない。また、クラッド層の可視光透過率が低い場合には、目視観察や可視光による顕微鏡観察は、ほとんどできない。このようにコア層の確認が困難であるのは、ポリマ製の光導波路であっても無機材料製の光導波路であっても共通している。
【０００７】
また、ユーザが、光導波路と光ファイバとを結合させる場合、コアの位置がわからないと非常に位置あわせが難しくなる。
【０００８】
本発明は、チャネル型光導波路であって、コアの位置を容易に確認することのできる光導波路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような光導波路が提供される。すなわち、
基板と、前記基板上に配置された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上の一部に配置されたコア層と、前記コア層を覆う上部クラッド層と、上部クラッド層の上面を覆う被覆層とを有し、
前記上部クラッド層は、前記コア層の形状に沿って上面が凸形状であり、前記被覆層は、前記凸形状を埋め込み、
前記被覆層を構成する材料は、前記上部クラッド層を構成する材料よりも光の透過率が低いことを特徴とする光導波路である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態の光導波路について、図面を用いて説明する。
【００１１】
本実施の形態の光導波路は、図４（ａ）のように、シリコンウエハ基板１４の上に、下部クラッド層１５を備え、下部クラッド層１５の上にパターニングされたコア層１６が配置されている。コア層１６は、上部クラッド層２０により覆われている。また、上部クラッド層２０は、コア層１６に沿わせるように配置している。これにより、コア層１６の上部部分７１で、上部クラッド層２０の上面は凸形状になる。そして、上部クラッド層２０の上に、この凸形状を埋めるように被覆層２４を配置して凸形状を埋め込み、かつ、被覆層２４の上面がほぼ平面になるように形成している。このような構成にしたことにより、被覆層２４は、膜厚が、コア層１６の上部部分７１で薄く、他の部分では一様に厚くなっている。
【００１２】
また、上部および下部クラッド２０、１５は、可視光のうち少なくとも赤色光を透過する樹脂により形成されている。また、被覆層２４としては、赤色光の透過率が、上部および下部クラッド層２０、１５よりも小さい樹脂により形成している。なお、本発明で使用できる光源は、可視光に限定されるものではなく、検査で使用する光源の波長領域において透過率のコントラストが得られるものであればよい。
【００１３】
このような構成の本実施の形態の光導波路では、上部および下部クラッド層２０、１５に照明光を照射し、図４（ｂ）のように上面から観察すると、コア層１６の位置が明るい線として観察できる。これにより、どの位置にコア層１６が存在するのかを容易に観察することができる。このように、コア層１６の位置が明るい線に見えるのは、被覆層２４の光透過率が、上部クラッド層２０の透過率よりも低いため、被覆層２４の厚さが厚い部分からは少ししか照明光が上面に透過してこないが、薄い部分７１からは、照明光が多く透過するからである。このため、薄い部分７１が明るい線として観察できる。厚さの薄い部分７１の幅は、コア層１６の幅よりも広いので、コア層１６の幅が狭い場合であっても、コア層１６の形状を容易に確認することができる。
【００１４】
また、この光導波路を端面から観察した場合には、透過率の低い被覆層２４と透過率の高い上部クラッド層２０との境界が、はっきり見えるため、この境界が凸形状に盛り上がっている部分７１をすぐに見つけることができる。
【００１５】
よって、上面から観察した場合にも、端面を観察した場合にも、部分７１を容易に見つけることができるため、部分７１付近をさらに観察することにより、コア層１６の位置を確認できる。すなわち、被覆層２４がコア層１６の位置を顕現化する層として作用する。このように、コア層１６の位置を観察で確認することができるため、光導波路のユーザが光ファイバと光導波路とを結合させる時等に、位置あわせの目印となり容易に位置合わせができる。
【００１６】
なお、本実施の形態では、下部クラッド層１５および上部クラッド層２０は、いずれも、日立化成工業株式会社製ＯＰＩ−Ｎ１００５（商品名）を用いて形成したポリイミド膜であり、屈折率は１．５２〜１．５３である。下部クラッド層１５の膜厚は、約７μｍ、上部クラッド層２０の膜厚は、約１５μｍである。コア層１６は、日立化成工業株式会社製ＯＰＩ−Ｎ３２０５（商品名）を用いて形成したポリイミド膜であり、膜厚は約８μｍである。コア層１６の幅は、約８μｍにパターニングされている。コア層１６の屈折率は、下部および上部クラッド層１５、２０よりも約０．５％大きい。
【００１７】
被覆層２４は、日立化成デュポンマイクロシステムズ株式会社製ＰＩＸ−６４００（商品名）を用いて形成したポリイミド膜であり、膜厚は、コア層１６から離れた端部の部分で約７μｍである。
【００１８】
つぎに、図４（ａ）の光導波路の製造方法について説明する。
【００１９】
まず、図１（ａ）のシリコンウエハ基板１４の上面に、下部クラッド層１５との接着性を高めるための極薄い接着層（不図示）を形成する。その上に、上述のＯＰＩ−Ｎ１００５（樹脂分濃度１５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜を形成する。その後、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱することにより溶媒を蒸発させ、続けて３７０℃で６０分加熱することにより硬化を行い、膜厚約７μｍのポリイミド膜を形成した。これにより、下部クラッド層１５を形成した。
【００２０】
この下部クラッド層１５の上に、上述のＯＰＩ−Ｎ３２０５（樹脂分濃度１５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜を形成する。その後、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱することにより溶媒を蒸発させ、続けて３５０℃で６０分加熱することにより硬化を行い、膜厚約８μｍのポリイミド膜を形成し、コア層１６を形成した（図１（ｂ））。
【００２１】
次に、コア層１６の上にレジストとして、ＲＵ−１６００Ｐ（日立化成工業株式会社製）をスピン塗布し、１００℃で乾燥後、水銀ランプで露光、現像することにより、レジストパターン層１７を形成した（図１（ｃ））。このレジストパターン層１７を、マスクとして、酸素でリアクティブイオンエッチング（Ｏ_２−Ｒ１Ｅ）を行い、コア層１６を所望の光導波路の形状にパターニングした。（図１（ｄ））。その後、レジストを剥離した（図１（ｅ））。
【００２２】
さらに、この上に、上述のＯＰＩ−Ｎ１００５（樹脂分濃度２５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜１８を形成した（図２（ｆ））。この材料溶液膜１８の上面は、図２（ｆ）のように平坦であったが、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱して溶媒を蒸発させ、前駆体膜１９にしたところ、膜厚がほぼ一定の縮小率で縮小したために、前駆体膜１９の上面は、コア層１６の形状に沿った凸形状になった（図２（ｇ））。この乾燥工程に続けて、３５０℃で６０分加熱することにより前駆体膜１９中のポリアミド酸をイミド化させることにより、硬化させ、厚さ１５μｍのポリイミド膜の上部クラッド層２０を形成した（図２（ｈ））。上部クラッド層２０は、前駆体膜１９の形状をほぼ維持しており、上面がコア層１６の形状に沿った凸形状であった。
【００２３】
つぎに、上部クラッド層２０の上に、上述のＰＩＸ−６４００（樹脂分濃度３５．５重量％）をスピン塗布して材料溶液膜２１を形成した（図２（ｉ））。材料溶液膜２１の上面は、スピン塗布のため、図２（ｉ）のように平坦であった。その後、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱し、溶媒を蒸発させ前駆体膜２３を得たところ、前駆体膜２３の形状は、上部クラッド層２０の上面形状に沿った凸形状であった（図３（ｊ））。しかしながら、この乾燥工程に続けて、３５０℃で６０分加熱して、前駆体膜２３中のポリアミド酸をイミド化して硬化させたところ、図３（ｋ）のように上面がほぼ平坦な、厚さ７μｍのポリイミド膜の被覆層２４が得られた。これにより、図４（ａ）の本実施の形態の光導波路が得られた。また、被覆層２４の表面段差を接触段差計で測定したところ１μｍ以下であった。
【００２４】
このように上面が平坦な被覆層２４が得られたのは、次のような理由による。
上部クラッド層２０も被覆層２４も、ポリイミドであるが両者は構造式が異なる。このため、ＯＰＩ−Ｎ１００５から形成した上部クラッド層２０のポリイミドは、ガラス転移温度（Ｔｇ）が３２５℃であるのに対し、ＰＩＸ−６４００から形成した被覆層２４は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が２７０℃と、上部クラッド層２０よりも低い。本実施の形態の製造工程では、上部クラッド層２０の前駆体膜１９を硬化させてポリイミド膜にする際も、被覆層２４の前駆体膜２３を硬化させてポリイミド膜にする際も、加熱温度は同じ３５０℃にしている。よって、上部クラッド層２０は、ポリイミド膜がガラス転移温度（Ｔｇ）＋２５℃で加熱されるのに対し、被覆層２４は、ポリイミド膜がガラス転移温度（Ｔｇ）＋８０℃にも加熱される。一般的に、ポリイミド等の樹脂は、ガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度で流動性をもち、ガラス転移温度との温度差が大きくなるほど流動性が高くなる。そのため、同じ３５０℃に加熱された場合、上部クラッド層２０よりも、被覆層２４の方が流動性が高く流れやすくなるために、盛り上がった部分からより低い部分に流れ、上面が平坦になる。
【００２５】
また、被覆層２４の流動性が大きい理由は、ガラス転移温度（Ｔｇ）と加熱温度との温度差のみではなく、ＰＩＸ−６４００から形成したポリイミドと、ＯＰＩ−Ｎ１００５から形成したポリイミドとの化学構造の違いも影響していると考えられる。
【００２６】
また、被覆層２４は、材料溶液であるＰＩＸ−６４００の樹脂分濃度が３５．５重量％であり、上部クラッド層２０の材料溶液のＯＰＩ−Ｎ１００５（樹脂分濃度２５重量％）よりも濃度が高い。このため、被覆層２４の材料溶液膜２１が乾燥により前駆体膜２３に変化する際の縮小の度合いは、上部クラッド層２０の材料溶液膜１８が前駆体膜１９に変化の際の縮小の度合いほど大きくない。したがって、前駆体膜２３が形成された時点で、その段差は、上部クラッド層２０の上面の段差よりも小さくなっている。このように、材料溶液の濃度が上部クラッド層２０よりも大きい材料を被覆層２４に用いていることも、効果的に上部クラッド層２０の段差を低減できる要因になっていると思われる。
【００２７】
このように、本実施の形態の光導波路は、上部クラッド層２０をコア層１６に沿う形状に形成することにより、コア層１６の形状を上部クラッド層２０の上面に反映させ、この上に、上面が平坦な被覆層２４を備えることにより、被覆層２４がコア層１６の位置を上面に顕現化する層として作用する。
【００２８】
また、本実施の形態では、上部クラッド層２０の上に、被覆層２４を上面に配置することにより、上面が平坦な光導波路を得ることができる。よって、この光導波路の上にさらに光導波路を形成したり、配線パターンを形成する場合にも、上の光導波路を良好に成膜でき、また、配線パターンに断線等を生じさせる恐れがない。
【００２９】
本実施の形態の光導波路は、光モジュールと光ファイバとの間を接続する光インターコネクション用光部品として用いることが可能である。また、本実施の形態の光導波路のコア層１６のパターン形状を所定の形状にすることにより、光路変換素子、光路分岐素子、方向性結合器等の光部品を構成することができる。
【００３０】
また、本実施の形態の光導波路の製造方法では、下部クラッド層１５、コア層１６、上部クラッド層２０および被覆層２４の全ての層を、スピン塗布と乾燥・硬化という簡単な工程で大気圧で成膜できるため、安価に大量に光導波路を製造する方法として適している。また、この光導波路の構成では、被覆層２４は、コア層１６の光の伝搬には、ほとんど影響を与えないため、屈折率等を考慮することなく、材料を選択することができる。
【００３１】
ただし、本実施の形態の光導波路は、全ての層が樹脂からなる構成に限定されるものではない。被覆層２４は、樹脂で形成することにより、上面を平坦にすることが可能であるため、樹脂製にすることが望ましいが、上部クラッド層２０は、真空蒸着やスパッタ法等の気相成長法によってコア層１６に沿う形状に形成できるため、無機材料で形成することも可能である。
【００３２】
また、光導波路の上部クラッド層２０を樹脂で形成する場合には、低屈折率化および低伝搬損失化のために、上述のＯＰＩ−Ｎ１００５のようにフッ素を含むポリイミドを用いることが多い。しかしながら、フッ素を含むポリイミドは、耐溶剤性があまり高くなく、他のものとの接着性が低いという性質がある。このため、上部クラッド層２０がそのまま外部に曝されると耐食性が悪くなったり、上部クラッド層２０の上に何か光部品等を接着しようとしても、接着しにくいという問題が生じやすい。本実施の形態では、被覆層２４により上部クラッド層２０を被覆することができるため、被覆層２４としてフッ素含有量が低い材料もしくはフッ素を含有しない材料を用いることにより、光導波路の耐食性、接着性を向上させることができるという効果も得られる。なお、上部クラッド層２０と被覆層２４とは、同じポリイミド同士であるため、接着性は良好である。
【００３３】
また、上述の実施の形態では、上部クラッド層２０を硬化させるための加熱温度と、被覆層２４を硬化させるための加熱温度とを同じ温度にしているが、必ず同じ温度にしなければならないわけではない。加熱時の樹脂の流動性を考慮して、加熱温度を定めることができる。
【００３４】
また、上述の実施の形態では、上述したように構造の異なるポリイミド膜により、コア層１６、上部および下部クラッド層１５、２０、被覆層２４を形成したが、本実施の形態の光導波路に用いることのできる材料は、上記した材料に限定されるものではない。被覆層２４の透過率が、上部クラッド層２０の透過率よりも小さく、しかも、加熱硬化時の流動性により被覆層２４の上面を平坦にできる材料であればよい。例えば、上部クラッド層２０および被覆層２４の材料を、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネイト、ポリスチレン、スチレン共重合体、スチレン・アクリロニトリル共重合体、塩化ビニル、エポキシ樹脂の中から、上記条件を満たす材料を選択して用いることができる。
【００３５】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、チャネル型光導波路であって、コアの位置を容易に確認することのできる光導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）本発明の一実施の形態の光導波路を製造する工程を示す断面図。
【図２】（ｆ）〜（ｉ）本発明の一実施の形態の光導波路を製造する工程を示す断面図。
【図３】（ｊ）〜（ｋ）本発明の一実施の形態の光導波路を製造する工程を示す断面図。
【図４】本発明の一実施の形態の光導波路の形状を示す（ａ）断面図、（ｂ）上面図。
【符号の説明】
１４・・・シリコンウエハ基板、１５・・・下部クラッド層、１６・・・コア層、１７・・・レジストパターン層、１８・・・材料溶液膜、１９・・・前駆体膜、２０・・・上部クラッド層、２１・・・材料溶液膜、２３・・・前駆体膜、２４・・・被覆層。

Claims

基板と、前記基板上に配置された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上の一部に配置されたコア層と、前記コア層を覆う上部クラッド層と、上部クラッド層の上面を覆う被覆層とを有し、
前記上部クラッド層は、前記コア層の形状に沿って上面が凸形状であり、
前記被覆層は、前記凸形状を埋め込み、前記被覆層の上面は、ほぼ平面になるように形成され、前記被覆層は、膜厚が、前記コア層の上部部分で薄く、他の部分では一様に厚くなっており、
前記被覆層を構成する材料は、前記上部クラッド層を構成する材料よりも光の透過率が低いことを特徴とする光導波路。
請求項１に記載の光導波路において、前記被覆層は、樹脂により構成されていることを特徴とする光導波路。
請求項２に記載の光導波路において、前記下部クラッド層は、樹脂により構成され、前記被覆層を構成する前記樹脂は、前記上部クラッド層を構成する前記樹脂よりもガラス転移温度が低いことを特徴とする光導波路。
請求項３に記載の光導波路において、前記上部クラッド層および被覆層を構成する樹脂は、ポリイミドであり、前記上部クラッド層を構成するポリイミドは、フッ素を含み、前記被覆層を構成するポリイミドは、前記上部クラッド層のポリイミドよりもフッ素の含有量が少ないか、もしくは、フッ素を含有していないことを特徴とする光導波路。
請求項１、２、３または４に記載の光導波路を用いた光部品。
基板上に下部クラッド層を形成し、前記下部クラッド層上の一部にコア層を形成する第１の工程と、前記コア層の上に、前記コア層の形状に沿わせて上部クラッド層を形成する第２の工程と、前記上部クラッド層の上に、樹脂材料溶液を塗布し、乾燥させた後、予め定めた温度まで加熱して硬化させ樹脂膜とすることにより、被覆層を形成する第３の工程とを有し、
前記上部クラッド層は、前記コア層の形状に沿って上面が凸形状であり、前記被覆層は、前記凸形状を埋め込み、前記被覆層の上面は、ほぼ平面になるように形成され、前記被覆層は、膜厚が、前記コア層の上部部分で薄く、他の部分では一様に厚くなっており、
前記第３の工程の樹脂材料として、前記上部クラッド層よりも光透過率の小さい前記樹脂膜を形成できる材料を用い、前記第３の工程で、前記樹脂のガラス転移温度よりも高い前記予め定めた温度まで加熱して前記樹脂の流動性を高めることにより、前記樹脂膜の上面を平坦にさせることを特徴とする光導波路の製造方法。