JPH10104453A - 高分子光導波路の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子線描画による導波路作製法における、導波
路断面形状および光導波部分の屈折率が同一である導波
路の再現性のよい作製手段の提供。 【解決手段】帯電防止膜を表面に製膜した高分子膜に電
子線を照射し、電子線照射部分の屈折率を上昇させ、電
子線照射部分を光導波部分とする光導波路作製方法で、
帯電防止膜が溶媒に可溶な導電性物質であって、かつ、
スピンコートによって高分子膜表面上に製膜することが
可能な導電性物質であることを特徴とする高分子光導波
路作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子光導波路を
製造する装置および方法に係り、特に、電子線描画法を
用いる光導波路の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムの高度化に伴い、光部品
の高密度者装技術、特に光導波路技術の確立が要求され
ている。０.１ｄＢ／cm 以下の低損失を実現する光導波
路として、すでに石英系光導波路が開発されている。し
かし、石英系導波路では、(１）作製温度が１０００℃
以上であること、（２）作製時間が長いこと、（３）大
面積化が困難なこと等が問題となっている。これらの問
題点を解決する導波路として注目を集めているのが、ポ
リマ光導波路である。ポリマは、スピンコート法という
簡便な方法によって製膜化することができ、また、大面
積化も容易である。作製温度も１００℃、あるいは高々
４００℃程度であり、石英の作製温度に比べ、はるかに
低温である。たとえば、特開平４−9807 号公報にある
ようなフッ素化ポリイミドは、耐熱性に優れ、かつ、光
損失が小さい導波路を実現する材料として、注目されて
いる。ここで、プロセスの簡易化を目的として、ポリマ
に電子線を照射して電子線照射部分の屈折率を上昇さ
せ、導波路を描画する方法が開発された。たとえば、特
開平6−51146号公報にあるように、フッ素化ポリイミド
に電子線を照射することによりフッ素化ポリイミドの屈
折率を上昇させ、屈折率上昇部分をコアとする光導波路
製造方法が報告されている。電子線照射による光導波路
作製方法は以下の通りである。シリコン基板上にフッ素
化ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸溶液をスピ
ンコートなどで塗布したのち、加熱してイミド化を行
い、厚さ２０μｍ程度のフッ素化ポリイミド膜を作製す
る。電子線照射に伴うチャージアップによって、電子ビ
ームがぶれることを防止するため、ポリイミド表面をア
ルミなどの導電性膜で覆う。次に導電性膜で覆ったポリ
イミド表面に電子線を照射する。電子線照射部分は屈折
率が上昇するために、照射部分を光が導波することにな
る。したがって、電子線を導波路形状に照射することに
よって、導波路を描画できる。導電性膜を取り除いた後
に、導波路を描画したポリイミド膜の上にポリアミック
酸溶液をスピンコートなどで塗布した後、加熱してイミ
ド化を行い、上層クラッドを形成することで埋込型導波
路を得ることができる。ここで、導波路断面形状におけ
る屈折率上昇領域の深さ方向の長さは照射電子線のエネ
ルギによって制御することができる。また、電子線照射
による屈折率上昇の大きさは照射電子量（Dose量）によ
ってコントロールされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、導波
路の重要なパラメータである、導波路の断面形状および
光導波路部分の屈折率の大きさは、照射電子線の加速エ
ネルギおよび照射電子量（Dose量）によって決まる。し
かしながら、得られる光導波路の断面形状や導波ビーム
の近視野像（Near Field Pattern）の大きさに再現性が
なく、設計通りの導波路を得ることができない場合があ
るという問題があった。極端なケースでは、設計通りに
屈折率上昇部分に光を閉じ込めることができず、光が導
波しなくなることもある。

【０００４】また、ポリマとしてフッ素化ポリイミドを
用いる場合には、次のような問題もある。電子線描画後
には、上層クラッドとしてのフッ素化ポリイミドを塗布
する前に、帯電防止膜を除去する必要がある。アルミが
帯電防止膜である場合には、電子線描画後に酸性溶液で
あるエッチング液中に浸し、これを除去しなければなら
ない。この際、電子線描画したポリイミド膜が酸性溶液
によって加水分解し、ポリイミド膜の表面層が変質する
場合があるという問題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、電子線描
画法により得られる導波路の断面形状や光導波部分の屈
折率の大きさに再現性がない原因が、帯電防止膜の膜厚
や種類などの仕様の違いであることを見出した。これ
は、導波路の断面形状の大きさや屈折率上昇幅に再現性
をもたせるためには、帯電防止膜の厚みを厳密に一定に
しなければならないということを意味している。

【０００６】本発明者らは電子線描画による導波路作製
法への適用を目指して、電子線照射前のポリマ表面への
種々の帯電防止膜作製法を検討した結果、以下に示す帯
電防止膜作製法を採用することにより、導波路断面形状
および導波部分の屈折率が同一である導波路を再現性よ
く作製できることを見出した。

【０００７】本発明は、帯電防止膜を表面に製膜した高
分子膜に電子線を照射し、電子線照射部分の屈折率を上
昇させ、電子線照射部分を光導波部分とする光導波路作
製方法で、上記帯電防止膜が溶媒に可溶な導電性物質で
あって、かつ、スピンコートによって高分子膜表面上に
製膜することが可能な導電性物質であることを特徴とす
る高分子光導波路作製方法を提案する。

【０００８】本発明は、また前記導電性物質が導電性ポ
リマであることを提案する。また、前記導電性ポリマが
水溶性であることを提案する。

【０００９】本発明は、また、導波路を形成する前記高
分子がフッ素化ポリイミドであることを特徴とする高分
子光導波路作製方法を提案する。

【００１０】本発明の高分子光導波路作製方法は、より
具体的に次のように説明される。

【００１１】本発明の高分子光導波路作製方法では、ス
ピンコートによりポリマ上に帯電防止膜を形成するた
め、導電性ポリマなどの導電性物質を含んだ溶液中の導
電性物質の濃度、あるいは前記溶液の粘度を一定値に規
定し、かつ、帯電防止膜を形成する際のスピンコートの
回転数を一定にすることによって、常に一定の厚さの帯
電防止膜をポリマ上に形成することができる。

【００１２】特にポリマとしてフッ素化ポリイミドを利
用する場合には、上記の導電性物質を溶解する溶媒は、
ポリイミド膜を溶解しない水などであることが望まし
い。電子線描画後に、上層クラッドとしてのフッ素化ポ
リイミドを塗布する前に、電子線描画により導波路を描
画した下層ポリイミド表面上の帯電防止膜を除去する必
要がある。帯電防止膜が水溶性であれば、電子線描画し
たポリイミド膜を、水に浸すことによって、帯電防止膜
を除去することができる。アルミが帯電防止膜である場
合には、酸性溶液であるエッチング液中により、これを
除去しなければならず、電子線描画したポリイミド膜が
酸性溶液によって加水分解する可能性がある。水により
帯電防止膜を除去できればこのような問題を解決でき
る。

【００１３】本発明に用いる高分子は電子線照射により
屈折率を制御できるすべての高分子を使用できる。例え
ばポリイミド，エポキシ樹脂，ポリエーテルスルホン，
ポリメチルメタクリレート，ポリカーボネート，シリコ
ン樹脂，ポリベンゾシクロブテン等が挙げられる。これ
ら高分子は一種類単独で又は数種類組合せて用いてもよ
い。また光導波路特性に悪影響を及ぼさない限り必要に
応じ種々の配合剤を添加してもよい。今後は高分子光導
波路には耐熱性が要求されるようになってくるため、耐
熱性に優れた高分子が好適である。上記の中ではポリイ
ミド，エポキシ樹脂，シリコン樹脂，ポリベンゾシクロ
ブテン等が耐熱性に優れている。

【００１４】本発明に用いるポリイミドは、電子線照射
により屈折率を制御できるすべてのポリイミドを使用で
きる。例えば以下に示すテトラカルボン酸又はその誘導
体とジアミンから製造することができる、ポリイミド単
体，ポリイミド共重合体，ポリイミド混合物、及びこれ
らに必要に応じて添加剤等を添加したものなどがある。

【００１５】テトラカルボン酸並びにその誘導体として
の酸無水物，酸塩化物，エステル化合物等は次のような
ものが挙げられる。（トリフルオロメチル）ピロメリッ
ト酸，ジ（トリフルオロメチル）ピロメリット酸，ジ
（ヘプタフルオロプロピル）ピロメリット酸，ペンタフ
ルオロエチルピロメリット酸、ビス｛３，５−ジ（トリ
フルオロメチル）フェノキシ｝ピロメリット酸、２，
３，３′，４′−ビフェニルテトラカルボン酸、３，
３′，４，４′−テトラカルボキシジフェニルエーテ
ル、２，３，３′，４′−テトラカルボキシジフェニル
エーテル、３，３′，４，４′−ベンゾフェノンテトラ
カルボン酸、２，３，６，７−テトラカルボキシナフタ
レン、１，４，５，７−テトラカルボキシナフタレン、
１，４，５，６−テトラカルボキシナフタレン、３，
３′，４，４′−テトラカルボキシジフェニルメタン、
３，３′，４，４′−テトラカルボキシジフェニルスル
ホン、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）
プロパン、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニ
ル）ヘキサフルオロプロパン、５，５′−ビス（トリフ
ルオロメチル）−３，３′，４，４′−テトラカルボキ
シビフェニル、２，２′，５，５′−テトラキス（トリ
フルオロメチル）−３，３′，４，４′−テトラカルボ
キシビフェニル、５，５′−ビス（トリフルオロメチ
ル）−３，３′，４，４′−テトラカルボキシジフェニ
ルエーテル、５，５′−ビス(トリフルオロメチル）−
３，３′，４，４′−テトラカルボキシベンゾフェノ
ン，ビス｛（トリフルオロメチル）ジカルボキシフェノ
キシ｝ベンゼン，ビス｛（トリフルオロメチル）ジカル
ボキシフェノキシ｝（トリフルオロメチル）ベンゼン，
ビス（ジカルボキシフェノキシ）（トリフルオロメチ
ル）ベンゼン，ビス（ジカルボキシフェノキシ）ビス
（トリフルオロメチル）ベンゼン，ビス（ジカルボキシ
フェノキシ）テトラキス（トリフルオロメチル）ベンゼ
ン、３，４，９，１０−テトラカルボキシペリレン、
２，２−ビス｛４−（３，４−ジカルボキシフェノキ
シ)フェニル｝プロパン，ブタンテトラカルボン酸，シ
クロペンタンテトラカルボン酸、２，２−ビス｛４−
（３，４−ジカルボキシフェノキシ）フェニル｝ヘキサ
フルオロプロパン，ビス｛（トリフルオロメチル）ジカ
ルボキシフェノキシ｝ビフェニル，ビス｛（トリフルオ
ロメチル）ジカルボキシフェノキシ｝ビス（トリフルオ
ロメチル）ビフェニル，ビス｛（トリフルオロメチル）
ジカルボキシフェノキシ｝ジフェニルエーテル、ビス
（ジカルボキシフェノキシ）ビス(トリフルオロメチル)
ビフェニル、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ジ
メチルシラン、１，３−ビス（３，４−ジカルボキシフ
ェニル）テトラメチルジシロキサン、ジフルオロピロメ
リット酸、１，４−ビス(３，４−ジカルボキシトリフ
ルオロフェノキシ)テトラフルオロベンゼン、１，４−
ビス（３，４−ジカルボキシトリフルオロフェノキシ）
オクタフルオロビフェニルなどである。

【００１６】ジアミンは、例えば次のものが挙げられ
る。ｍ−フェニレンジアミン、２，４−ジアミノトルエ
ン、２，４−ジアミノキシレン、２，４−ジアミノデュ
レン、４−（１Ｈ，１Ｈ，１１Ｈ−エイコサフルオロウ
ンデカノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−（１
Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−１−ブタノキシ）−１，３−
ジアミノベンゼン、４−（１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−
１−ヘプタノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、４−
(１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロ−１−オクタノキシ)−１，
３−ジアミノベンゼン、４−ペンタフルオロフェノキシ
−１，３−ジアミノベンゼン、４−（２，３，５，６−
テトラフルオロフェノキシ）−１，３−ジアミノベンゼ
ン、４−（４−フルオロフェノキシ）−１，３−ジアミ
ノベンゼン、４−（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフル
オロ−１−ヘキサノキシ）−１，３−ジアミノベンゼ
ン、４−（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロ−１
−ドデカノキシ）−１，３−ジアミノベンゼン、ｐ−フ
ェニレンジアミン、２，５−ジアミノトルエン、２，
３，５，６−テトラメチル−ｐ−フェニレンジアミン、
２，５−ジアミノベンゾトリフルオライド，ビス（トリ
フルオロメチル）フェニレンジアミン，ジアミノテトラ
（トリフルオロメチル）ベンゼン，ジアミノ（ペンタフ
ルオロエチル）ベンゼン、２，５−ジアミノ（パーフル
オロヘキシル）ベンゼン、２，５−ジアミノ（パーフル
オロブチル）ベンゼン、ベンジジン、２，２′−ジメチ
ルベンジジン、３，３′−ジメチルベンジジン、３，
３′−ジメトキシベンジジン、２，２′−ジメトキシベ
ンジジン、３，３′，５，５′−テトラメチルベンジジ
ン、３，３′−ジアセチルベンジジン、２，２′−ビス
（トリフルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニ
ル、オクタフルオロベンジジン、３，３′−ビス（トリ
フルオロメチル）−４，４′−ジアミノビフェニル、
４，４′ジアミノジフェニルエーテル、４，４′−ジア
ミノジフェニルメタン、４，４′−ジアミノジフェニル
スルホン、２，２−ビス（ｐ−アミノフェニル）プロパ
ン、３，３′−ジメチル−４，４′−ジアミノジフェニ
ルエーテル、３，３′−ジメチル−４，４′−ジアミノ
ジフェニルメタン、１，２−ビス（アニリノ）エタン、
２，２−ビス（ｐ−アミノフェニル）ヘキサフルオロプ
ロパン、１，３−ビス（アニリノ）ヘキサフルオロプロ
パン、１，４−ビス（アニリノ）オクタフルオロブタ
ン、１，５−ビス（アニリノ）デカフルオロペンタン、
１，７−ビス（アニリノ）テトラデカフルオロヘプタ
ン、２，２′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′
−ジアミノジフェニルエーテル、３，３′−ビス（トリ
フルオロメチル）−４，４′−ジアミノジフェニルエー
テル、３，３′，５，５′−テトラキス（トリフルオロ
メチル）−４，４′−ジアミノジフェニルエーテル、
３，３′−ビス（トリフルオロメチル）−４，４′−ジ
アミノベンゾフェノン、４，４″−ジアミノ−ｐ−テル
フェニル、１，４−ビス(ｐ−アミノフェニル)ベンゼ
ン、ｐ−ビス（４−アミノ−２−トリフルオロメチルフ
ェノキシ）ベンゼン，ビス（アミノフェノキシ）ビス
（トリフルオロメチル）ベンゼン，ビス（アミノフェノ
キシ）テトラキス（トリフルオロメチル）ベンゼン、
４，４′′′−ジアミノ−ｐ−クオーターフェニル、
４，４′−ビス（ｐ−アミノフェノキシ）ビフェニル、
２，２−ビス｛４−（ｐ−アミノフェノキシ）フェニ
ル｝プロパン、４，４′−ビス（３−アミノフェノキシ
フェニル）ジフェニルスルホン、２，２−ビス｛４−
（４−アミノフェノキシ）フェニル｝ヘキサフルオロプ
ロパン、２，２−ビス｛４−（３−アミノフェノキシ）
フェニル｝ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス｛４
−（２−アミノフェノキシ）フェニル｝ヘキサフルオロ
プロパン、２，２−ビス｛４−（４−アミノフェノキ
シ）−３，５−ジメチルフェニル｝ヘキサフルオロプロ
パン、２，２−ビス｛４−（４−アミノフェノキシ）−
３，５−ジトリフルオロメチルフェニル｝ヘキサフルオ
ロプロパン、４，４′−ビス（４−アミノ−２−トリフ
ルオロメチルフェノキシ）ビフェニル、４，４′−ビス
（４−アミノ−３−トリフルオロメチルフェノキシ）ビ
フェニル、４，４′−ビス（４−アミノ−２−トリフル
オロメチルフェノキシ）ジフェニルスルホン、４，４′
−ビス（３−アミノ−５−トリフルオロメチルフェノキ
シ）ジフェニルスルホン、２，２−ビス｛４−（４−ア
ミノ−３−トリフルオロメチルフェノキシ）フェニル｝
ヘキサフルオロプロパン、ビス｛(トリフルオロメチル)
アミノフェノキシ｝ビフェニル、ビス〔｛（トリフルオ
ロメチル）アミノフェノキシ｝フェニル〕ヘキサフルオ
ロプロパン、ジアミノアントラキノン、１，５−ジアミ
ノナフタレン、２，６−ジアミノナフタレン、ビス｛２
−〔（アミノフェノキシ）フェニル〕ヘキサフルオロイ
ソプロピル｝ベンゼン、ビス（２，３，５，６−テトラ
フルオロ−４−アミノフェニル）エーテル、ビス（２，
３，５，６−テトラフルオロ−４−アミノフェニル）ス
ルフィド、１，３−ビス（３−アミノプロピル）テトラ
メチルジシロキサン、１，４−ビス（３−アミノプロピ
ルジメチルシリル）ベンゼン、ビス（４−アミノフェニ
ル）ジエチルシラン、１，３−ジアミノテトラフルオロ
ベンゼン、１，４−ジアミノテトラフルオロベンゼン、
４，４′−ビス（テトラフルオロアミノフェノキシ）オ
クタフルオロビフェニル等がある。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明による光導波路作製
の実施例を説明する。

【００１８】≪実施例１≫表面が酸化シリコン層である
直径３インチのシリコンウェハに、化１

【００１９】

【化１】

【００２０】で表記されるポリイミドの前駆体であるポ
リアミック酸のジメチルアセトアミド１０ｗｔ％溶液
を、加熱後の膜厚が２０μｍになるようにスピンコート
法により塗布した後、１００℃で１時間さらに３５０℃
で３０分間ベークし、下部クラッド層を形成した、引き
続いてこの下部クラッド層の表面上に、水溶性であるポ
リ（イソチアナフテンジイル−スルホネート）系の導電
性高分子の水溶液を、導電性高分子膜の膜厚が１０ｎｍ
になるようにスピンコート法により塗布した。フッ素化
ポリイミド膜に対して、電子線を照射し、電子線照射部
分の屈折率を上昇させ、導波路を描画した。電子照射量
は２０００μＣ／cm²、加速エネルギは２５ｋｅＶ、照
射幅は８μｍ、照射領域の長さは３０mmで、直線パター
ンの導波路を描画した。描画したフッ素化ポリイミド膜
を蒸留水中で１分間かくはんし、帯電防止膜を除去し
た。１００℃のホットプレート上で２分間加熱しポリイ
ミド膜を乾燥した。その後、上記構造式１で表記される
ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸をスピンコー
ト法により塗布し、加熱によりイミド化して上層クラッ
ドを形成した。

【００２１】端面を切り出し、電子線照射部分に波長６
３２.８ｎｍ のレーザ光を導入し、反対の端面で導波光
の近視野像（Near Field Pattern）を観測した。同様の
手順で導波路作製を繰り返し、近視野像を観測したとこ
ろ、すべての導波路の近視野像は、同一であった。これ
は、導波路断面の形状および光導波部分の屈折率がどの
導波路でも同一であることを意味している。

【００２２】≪比較例１≫実施例１と同様にして下部ク
ラッド層を作製した。作製した２枚のフッ素化ポリイミ
ド膜Ａ，ＢにＡｌを蒸着した。Ａｌ蒸着膜の波長６３３
ｎｍにおける透過率は、試料Ａで１２.９％，試料Ｂで
２.５％であった。これらのフッ素化ポリイミド膜に対
して、電子線を照射し、電子線照射部分の屈折率を上昇
させ、導波路を描画した。電子照射量は２０００μＣ／
cm² 、加速エネルギは２５ｋｅＶ、照射幅は８μｍ、照
射領域の長さは３０mmで、直線パターンの導波路を描画
した。その後Ａｌ蒸着膜を酸性のエッチング液を用いて
取り除いた。その後、下層クラッドと同一のポリイミド
の前駆体であるポリアミック酸をスピンコート法により
塗布し、加熱によりイミド化して上層クラッドを形成し
た。試料Ａ，Ｂの端面を切り出し、電子線照射部分に波
長６３２.８ｎｍ のレーザ光を導入したところ、試料Ａ
では光の導波を確認したが、試料Ｂでは光が電子線照射
部分に閉じ込められず、光が導波しなかった。このよう
にＡｌの膜厚が異なると、導波路断面形状および光導波
部分の屈折率が同一の導波路を作製ができなくなること
がわかった。

【００２３】

【発明の効果】高分子膜に電子線を照射し、電子線照射
部分の屈折率を上昇させ、電子線照射部分を光導波部分
とする光導波路作製方法で、導波路断面の形状および光
導波部分の屈折率を再現よく作製することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤星 晴夫 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 上野 巧 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】帯電防止膜を表面に製膜した高分子膜に電
   子線を照射し、電子線照射部分の屈折率を上昇させ、上
   記電子線の照射部分を光導波部分とする光導波路作製方
   法において、 上記帯電防止膜が溶媒に可溶な導電性物質であって、ス
   ピンコートによって高分子膜表面上に製膜することが可
   能な導電性物質であることを特徴とする高分子光導波路
   の作製方法。
2. 【請求項２】請求項１において、上記導電性物質が導電
   性ポリマである高分子光導波路の作製方法。
3. 【請求項３】請求項２において、上記導電性ポリマが水
   溶性である高分子光導波路の作製方法。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、上記導波
   路を形成する高分子がフッ素化ポリイミドである高分子
   光導波路の作製方法。