JP4457399B2

JP4457399B2 - 光導波路デバイスの製造方法、および、光導波路デバイス

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Publication number: JP4457399B2
Application number: JP2000208579A
Authority: JP
Inventors: 保宏桑名; 宏増田; 信生宮寺; 茂林田
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2020-07-10
Also published as: JP2002022992A

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、無機材料基板の上に搭載された樹脂製の光導波路に関する。
【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必要がある。
【０００３】
光導波路の材料としては、ガラスや半導体材料等の無機材料と、樹脂が知られている。無機材料により光導波路を製造する場合には、真空蒸着装置やスパッタ装置等の成膜装置により無機材料膜を成膜し、これを所望の導波路形状にエッチングすることにより製造する方法が用いられる。しかしながら、真空蒸着装置やスパッタ装置は、真空排気設備が必要であるため、装置が大型で高価である。また、真空排気工程が必要であるため工程が複雑になる。これに対し、樹脂によって光導波路を製造する場合には、成膜工程を、塗布と加熱により大気圧中で行うことができるため、装置および工程が簡単であるという利点がある。
【０００４】
また、光導波路ならびにクラッド層を構成する樹脂としては、種々のものが知られているが、ガラス転移温度（Ｔｇ）が高く、耐熱性に優れるポリイミドが特に期待されている。ポリイミドにより光導波路およびクラッド層を形成した場合、長期信頼性が期待でき、半田付けにも耐えることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
樹脂製の光導波路は、一般的には、基板上に、樹脂製の下部クラッド層、光導波路層および上部クラッド層を積層することにより構成される。このとき、基板は、精度良く平滑な面を有するものが入手しやすいという点で、Ｓｉ基板、石英基板、ガラス基板等の無機材料基板が用いられることが多い。しかしながら無機材料の基板は、樹脂膜と比較して熱膨張率が一桁小さいため、基板上に下部クラッド層、光導波路層および上部クラッド層を、材料溶液の塗布と加熱を繰り返すことにより積層していくと、基板と樹脂層との熱膨張率の差によって応力が残存し、基板に反りが生じてしまう。特に、基板としてウエハ状等の大きなのものを用い、多数の光導波路を基板上に配列して一度に形成し、最終工程で基板を切断して所望の光導波路デバイスを量産する場合には、ウエハ状の基板の反りが大きな問題となる。というのは、一般的には、基板上の樹脂膜を導波路形状にパターニングするためにフォトリソグラフィの手法を用いるため、露光の工程で焦点深度以上に基板が反っていると、基板の一部分にマスクパターン像を合焦させても、基板の他の部分は焦点からずれ、その部分にはマスクパターン像にぼけが生じる。このため、基板全面に、微細な導波路形状を精度良くパターニングすることができない。この基板の反りの問題は、基板が大きくなるほど顕著になるため、光導波路デバイスを大量生産する場合の障害になる。
【０００６】
本発明は、無機材料基板上に樹脂製光導波路を搭載した光導波路デバイスの製造方法であって、基板の反りを抑制して精度良く光導波路をパターニングすることのできる光導波路デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【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デバイスの製造方法が提供される。
【０００８】
すなわち、基板の上面に、下部クラッド層を樹脂により形成する第１の工程と、
前記下部クラッド層の上に光導波路用樹脂層をさらに積層する第２の工程と、
前記第２の工程で形成した光導波路用樹脂層を所望の光導波路の形状にパターニングするためにフォトリソグラフィを行う第３の工程とを有する光導波路デバイスの製造方法であって、
前記基板として無機材料からなる基板を用い、前記第１の工程の前、または、第１の工程後で第２の工程の前、もしくは、第２の工程後で第３の工程前に、前記下部クラッド層および前記光導波路用樹脂層が前記基板に与える応力をうち消すための樹脂層を前記基板の裏面に形成する裏面樹脂層形成工程を含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について説明する。
【００１０】
まず、本実施の形態の製造方法により製造される光導波路デバイス１００の構成を図３を用いて説明する。光導波路デバイス１００は、Ｓｉ基板１の上に、光導波路積層体１０を備え、光導波路積層体１０が配置されていない領域に電極部７が配置された構成である。
【００１１】
光導波路積層体１０は、シリコン基板１の上に配置された下部クラッド層３と、その上に搭載された光導波路４と、光導波路４を埋め込む上部クラッド層５とを含んでいる。
【００１２】
下部クラッド層３および上部クラッド層５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からなる。下部クラッド層３の膜厚は、約６μｍ、上部クラッド層５の膜厚は、下部クラッド層表面から約１２μｍである。光導波路４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からなり、その膜厚は約６μｍで、光導波路４の幅は約６μｍである。
【００１３】
電極部７は、シリコン基板１の上に配置されている。電極７は、発光素子、発光素子の出力をモニタする受光素子、受光素子等を搭載するための電極である。
【００１４】
つぎに、本実施の形態の光導波路デバイスの製造方法について、図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ｄ）、（ｅ）を用いて説明する。
ここでは、基板１として直径約１２．７ｃｍのシリコンウエハを用意し、この基板１の上に図３の構造を多数配列して形成し、後の工程でダイシングにより切り離して、多数の図３の光導波路デバイス１００を一度に製造する。なお、図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ｄ），（ｅ）は、図示の都合上、ウエハ状の基板１のうち、一つの光導波路デバイス１００となる一部分のみを切り出した状態で図示している。また、成膜やパターニング等は、ウエハ状の基板１全体で一度に行う。
【００１５】
まず、ウエハ状の基板１の上に金属膜を成膜してパターニングすることにより、図１（ａ）のように電極部７を形成する。つぎに、基板１の裏面に、下部クラッド層３の材料溶液と同じＯＰＩ−Ｎ１００５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させ、厚さ１２μｍの裏面樹脂層３０を形成する。この裏面樹脂層３０は、基板１に対して裏面側から引っ張り応力を与えるために形成される。裏面樹脂層３０の応力は、この後の工程で基板１の上面に形成される下部クラッド層３および光導波路４を形成するポリイミド層が基板１に与える応力とつりあうことが望ましい。このため、裏面樹脂層３０の厚さを、上面クラッド層３と光導波路４の厚さの合計と同じになるように形成する。
【００１６】
つぎに、基板１の全体に前述のＯＰＩ−Ｎ１００５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させ、厚さ６μｍの下部クラッド層３を形成する（図１（ｂ））。
【００１７】
この下部クラッド層３の上に、前述のＯＰＩ−Ｎ３２０５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、光導波路４となる厚さ６μｍのポリイミド膜を形成する。
【００１８】
この時点で、基板１の上面には、下部クラッド層３と光導波路４となるポリイミド層が合計１２μｍの厚さで形成され、基板１の裏面側には、厚さ１２μｍの下部クラッド層３と同じ材質の裏面樹脂層３０が形成されている。よって、基板１の上面側のポリイミド層が基板１に与える応力と、基板１の裏面側のポリイミド層が基板１に与える応力とはほぼつり合うため、この時点の基板１の反りは、直径約１２．７ｃｍのウエハで３〜７．５μｍ程度に抑えることができる（図４（ａ））。これに対し、比較例として、裏面樹脂層３０を形成しなかった場合には、基板１の反りは直径約１２．７ｃｍのウエハで１６〜２０μｍにも達していた。このように、本実施の形態では、裏面樹脂層３０を設けたことにより、基板１の反りを数μｍに抑制することができるため、光導波路４をパターニングするためのフォトリソグラフィの露光工程で、基板１の反りが焦点深度以内に収まり、直径約１２．７ｃｍの基板１の全面にマスク像を合焦させることができる。これにより、基板１の全面に光導波路４のパターンを高精度に形成することができる。
【００１９】
フォトリソグラフィの具体的な工程を説明する。まず、光導波路４となるポリイミド層の上にレジストをスピン塗布し、乾燥後、水銀ランプでマスク像を露光する。上述のように本実施の形態では基板１の反りが少ないため、ウエハ状の基板１の全体にマスク像を合焦させて露光することができる。つぎに、レジストを現像し、レジストパターン層を形成する。このレジストパターン層は、前述のポリイミド膜を光導波路４の形状に加工するためのマスクとして用いられる。このレジストパターン層をマスクとして、前述のポリイミド層を酸素でリアクティブイオンエッチング（Ｏ₂−Ｒ１Ｅ）することにより、光導波路４を基板１上に多数配列して形成することができる（図１（ｃ））。その後、レジストパターン層を剥離する。
【００２０】
レジストの現像および剥離の工程を利用してポリイミド層３０を剥離することができる。これにより、基板１には上面側の下部クラッド層３および光導波路４の応力のみが働くことになり、基板１には反りが生じるが、この後の工程には、光導波路４をパターニングする際に必要とされるほど精密なパターニングの工程はないため、基板１が反っていても問題とならない。
【００２１】
つぎに、光導波路４および下部クラッド層３を覆うように、ＯＰＩ−Ｎ１００５をスピン塗布する。得られた材料溶液膜を、乾燥器で１００℃で３０分、次いで、２００℃で３０分加熱して材料溶液膜中の溶媒を蒸発させ、３５０℃で６０分加熱することによりポリイミド膜の上部クラッド層５を形成する（図２（ｄ））。
【００２２】
つぎに上部クラッド層５、光導波路４、下部クラッド層３の積層膜に対してダイシングにより膜厚方向に切り込みを入れ、電極部７の領域に形成されている上部クラッド層５から下部クラッド層３までを、基板１上から剥がして除去する。これにより、光導波路積層体１０は図２（ｅ）の形状となり、基板１上の電極部７の領域では、電極部７とシリコン基板１が露出される。
【００２３】
つぎに、露出された電極部７に、所望の形状のＡｕ／Ｓｎはんだ層を形成する。
【００２４】
その後、ウエハ状の基板１をダイシングにより図５（ａ）のように短冊状に切り出す。短冊状のまま、側面１１に研磨処理を施す（図５（ｂ））。その後、短冊状基板をさらにダイシングにより切り出し、光導波路デバイス１００を完成させる（図５（ｃ）、（ｄ））。
【００２５】
このように、本実施の形態の光導波路デバイス１００の製造方法は、光導波路４をパターニングする際の基板１の反りを低減するために、基板１の裏面に裏面樹脂層３０を形成している。これにより、ウエハ状の基板１の全体にマスク像を合焦させて露光することができ、光導波路４を高精度にパターニングすることができる。よって、光導波路４の形状のばらつきが少なく、設計通りの光学特性を有する高性能な光導波路デバイスを製造することができる。
【００２６】
また、本実施の形態では、基板１と下部クラッド３の間に例えば耐熱性のポリイミド樹脂からなる接着層を設け、基板１と裏面樹脂層３０の間には接着層を設けない構成にすると、接着層を形成していないため、裏面樹脂層３０を容易に剥離することができる。
【００２７】
なお、本実施の形態では、下部クラッド層３と同じ材質で裏面樹脂層３０を形成しているが、裏面樹脂層３０は、基板に与える応力が、下部クラッド層３およびパターニング前の光導波路４を構成するポリイミド膜が基板に与える応力とほぼつり合うような膜であればよく、材質は自由に選択することができる。たとえば、裏面樹脂層３０を光導波路４と同じＯＰＩ−Ｎ３２０５で形成することができる。この場合、ＯＰＩ−Ｎ３２０５から形成したポリイミドは、応力の大きさが下部クラッド層３のポリイミドと同程度であるので、裏面樹脂層３０の膜厚は上述の実施の形態と同様にする。また、裏面樹脂層３０を、応力が強く、しかも、より剥離のしやすい性質を有するポリイミドとすることにより形成することもできる。このポリイミドを裏面樹脂層３０として用いる場合には、応力が強いため、膜厚を上述の実施の形態よりも薄くすることができる。
【００２８】
また、上述の実施の形態では、裏面樹脂層３０を下部クラッド層３を形成する前に形成しているが、裏面樹脂層３０は、光導波路４のパターニングための露光工程よりも前に形成されていれば良い。よって、下部クラッド層３を形成した後で裏面樹脂層３０を形成する工程にすることもできる。
【００２９】
また、裏面樹脂層３０の本実施の形態では、光導波路４のパターニングの工程で基板から剥離しているが、剥離はこれ以降の工程で行ってもよい。例えば、上部クラッド層５を形成した後で剥離することができる。
【００３０】
また、裏面樹脂層３０を基板１から剥離しない工程にすることもできる。この場合、図３の光導波路デバイス１００の基板１の裏面に、裏面樹脂層３０が形成されたままの製品となる。この裏面樹脂層３０は、光導波路デバイス１００を電気回路基板に搭載して用いる際に光導波路デバイス１００と電気回路基板とを絶縁する絶縁層として利用することができる。
【００３１】
また、裏面樹脂層３０を基板１から剥離しない場合、裏面樹脂層３０を接着性のある樹脂で形成しておくことにより、光導波路デバイス１００を電気回路基板に搭載して用いる際に、光導波路デバイス１００を電気回路基板に接着する接着層として利用することもできる。例えば、裏面樹脂層として加熱により接着性を示す樹脂により形成しておくことにより、光導波路デバイス１００を電気回路基板に搭載して加熱することにより両者を固定することができる。
【００３２】
また、裏面樹脂層３０を基板１から剥離しない場合、光導波路デバイス１００にレーザーダイオードのような光源が搭載されている構成のときには、裏面樹脂層３０を熱伝導性のある樹脂で形成しておくことにより、その熱を電気回路基板に伝導させて逃がすことができるため好ましい。裏面樹脂層３０を構成する熱伝導性の高い樹脂としては、例えば、銀、Ｓｉ、ダイヤモンド等の粒子がフィラーとして加えられた樹脂を用いることができる。
【００３３】
また、裏面樹脂層３０を製造工程で剥離しない場合、図５（ｃ）で短冊状の基板１を光導波路デバイス１００の個片にダイシングする工程において、裏面樹脂層３０のみを残してダイシングするようにすることができる。これにより、複数の光導波路デバイス１００が、連続した１枚の裏面樹脂層３０により短冊状に連なった形状で完成品となるため、流通時や光導波路デバイス１００を装置に搭載する工程等での取り扱いが容易になるという効果が得られる。また、ダイシングの際に基板１の裏面に別途ダイシング用テープを貼る必要がないという利点もある。このように連なった形状で完成品とする場合、短冊状に連なった光導波路デバイス１００から、個々の光導波路デバイスを切り離す際には、隣り合う光導波路デバイス１００の境で裏面樹脂層３０を切り離すことにより、裏面樹脂層３０が裏面に付いた光導波路デバイス１００の個片が得られる。よって、裏面樹脂層３０を軟らかい樹脂で形成しておくことにより、個々の光導波路デバイス１００に小さな力で切り離すことができる。また、裏面樹脂層３０として基板１からの剥離性のよい樹脂を用いておき、短冊状に連なった光導波路デバイス１００の裏面樹脂層３０から個々の光導波路デバイス１００を剥がして使うようにすることもできる。
【００３４】
上述してきた本実施の形態で製造した光導波路デバイスは、下部クラッド層３から上部クラッド層５まで全ての層をポリイミドで形成しているため、Ｔｇが高く、耐熱性にすぐれている。よって、本実施の形態の光導波路デバイスは、高温になっても伝搬特性を維持できる。また、ポリイミドは、半田付け等の高温工程にも耐えることができるため、光導波路デバイスの上にさらに別の光導波路デバイスや電気回路素子や受発光素子をはんだ付けすることも可能である。なお、裏面樹脂層３０を剥離しないで上述のように接着層や絶縁層等として利用する構成にする場合には、裏面樹脂層３０を構成する材料の樹脂成分として、耐熱性に優れたポリイミドを用いることが望ましい。
【００３５】
本実施の形態の光導波路デバイス１００は、光導波路４のパターニングの際に、基板１の反りを抑制して露光を行っているため、無機基板１の上に樹脂製の光導波路を搭載した構成でありながら、光導波路４の形状の誤差が小さく、設計通りに優れた光学特性を有する光導波路デバイスを量産することができる。よって、光通信装置に本実施の形態の光導波路デバイス１００を用いることにより高性能な光通信装置を安価に製造することができる。また、裏面樹脂層３０を熱伝導性が高くしかも接着性のある樹脂、例えば銀のフィラーを加えたポリイミドで形成しておき、裏面樹脂層３０を剥がさない構成にすることにより、光導波路デバイス１００を電気回路基板に固定する際の接着剤として利用でき、工程が簡略化できる。また、レーザーダイオードの熱が裏面樹脂層３０を伝導して電気回路基板に逃げるため、電気回路基板を介して放熱できるという利点も得られる。
【００３６】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、無機材料基板上に樹脂製光導波路を搭載した光導波路デバイスの製造方法であって、基板の反りを抑制して精度良く光導波路をパターニングすることのできる光導波路デバイスの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態の模式化された光導波路デバイスの製造方法を示す切り欠き斜視図である。
【図２】（ｄ）、（ｅ）は、本発明の一実施の形態の模式化された光導波路デバイスの製造方法を示す切り欠き斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態の製造方法で製造した模式化された光導波路デバイスの構成を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は、図１（ｃ）の工程で光導波路４をパターニングする前の基板１の反りを示す断面図である。（ｂ）は、比較例として裏面樹脂層３０を形成しなかった場合の基板１の反りを示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態の光導波路デバイスの製造方法においてダイシングの工程を示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・シリコン基板
３・・・下部クラッド層
４・・・光導波路
５・・・上部クラッド層
７・・・電極部
１０・・・光導波路積層体
３０・・・裏面樹脂層
１００・・・光導波路デバイス

Claims

基板の上面に、下部クラッド層を樹脂により形成する第１の工程と、
前記下部クラッド層の上に光導波路用樹脂層をさらに積層する第２の工程と、
前記第２の工程で形成した光導波路用樹脂層を所望の光導波路の形状にパターニングするためにフォトリソグラフィを行う第３の工程とを有する光導波路デバイスの製造方法であって、
前記基板として無機材料からなる基板を用い、前記第１の工程の前、または、第１の工程後で第２の工程の前、または、第２の工程後で第３の工程前に、前記下部クラッド層および前記光導波路用樹脂層が前記基板に与える応力をうち消すための加熱により接着性を示し、かつ樹脂中に熱伝導性材料の粒子が分散された熱伝導性を示す樹脂層を、前記基板の裏面に形成する裏面樹脂層形成工程を含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
請求項１において、裏面樹脂層形成工程が、第１の工程の前に行われる光導波路デバイスの製造方法。
請求項１又は２において、熱伝導性を示す樹脂として、ポリイミド樹脂中に、銀、Si、ダイヤモンドからなる群より選択される熱伝導性材料の粒子が分散されたものを用いる光導波路デバイスの製造方法。
請求項１乃至３の何れかにおいて、基板として光導波路が複数個形成できる大きさのものを用い、第１、第２、第３および裏面樹脂層形成工程を前記基板全体に対して施すことにより、前記光導波路を前記基板上に複数個形成し、前記第３の工程の後に、前記光導波路ごとに前記基板を切り分ける切断工程を有し、該切断工程において前記基板裏面の樹脂層を残して前記基板を切り分けることにより、前記樹脂層により複数の前記光導波路デバイスが連なった形状で完成させることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
無機材料基板と、前記基板の上面に配置された、樹脂製の光導波路と、樹脂製のクラッド層とを有し、前記基板の裏面には、前記樹脂製の光導波路と前記樹脂製のクラッド層とが前記基板に与える応力をうち消すための樹脂層であって、加熱により接着性を示し、かつ樹脂中に熱伝導性材料の粒子が分散された熱伝導性を示す裏面樹脂層が配置されていることを特徴とする光導波路デバイス。
請求項５において、熱伝導性を示す樹脂が、ポリイミド樹脂中に銀、Si、ダイヤモンドからなる群より選択される熱伝導性材料の粒子が分散されたものである光導波路デバイス。