TW201319170A - 在溶劑顯影期間增強膜保留和黏附之含有環氧官能化矽氧烷寡聚物的環氧官能化的可輻射固化組合物 - Google Patents

在溶劑顯影期間增強膜保留和黏附之含有環氧官能化矽氧烷寡聚物的環氧官能化的可輻射固化組合物 Download PDF

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Abstract

本發明提供了包括環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂和環氧官能化有機矽氧烷寡聚物的聚矽氧組合物，以及使用聚矽氧組合物製備光學波導的方法。本發明也提供了已固化的聚矽氧組合物以及包括已固化的聚矽氧組合物的光學波導。

Description

在溶劑顯影期間增强膜保留和黏附之含有環氧官能化矽氧烷寡聚物的環氧官能化的可輻射固化組合物
本發明係關於聚矽氧組合物、使用聚矽氧組合物之製備光學波導的方法以及自該方法製備之光學波導。
在許多技術領域中，光的受控傳輸是重要的。光波導是用於在多種距離內，具有最低的信號衰减的光的受控傳輸的裝置的例子。石英和玻璃是用於製造為光學通訊所需的可靠光傳輸材料的傳統材料。但是，使用這些無機材料進行的製造涉及使用複雜的且經常無效率的高溫方法。聚矽氧組合物可以是用於製造光傳輸材料的有利替換物。
含有聚矽氧芯的平面光學波導為本領域所熟知。例如，道康寧(Dow Corning)的美國專利第6,905,904 B2號和第6,907,176 B2號公開了包含聚矽氧芯的平面光學波導及其製備方法。這些方法應用光固化聚矽氧組合物，該光固化聚矽氧組合物包括每個分子平均具有至少兩個烯基的有機聚矽氧烷、每個分子平均具有至少兩個與矽結合的氫原子的有機聚矽氧化合物，和經光敏化之矽氫化催化劑。
此外，美國專利第7,771,794號(“’794專利”)和美國專利公開案第2008/0032061號(“‘061公開案”)公開了包含聚矽氧芯的平面光學波導以及光圖案化(photopatterning)的方法。聚矽氧芯是通過固化含有有機基團的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂所形成，該有機基團選自具有1至6個碳原子的單價脂肪族烴基、具有6至10 個碳原子的單價芳香族烴基，和含環氧樹脂的單價烴基。在含有環氧樹脂的有機聚矽氧烷中，D和T單元都被認為是必須的。
‘794專利也公開了能通過將聚矽氧材料從基材上剝落而生產膜類型光學波導。‘061公開案確認了‘794專利中的已固化的產品不足以黏附至基材上。‘061公開案教導了通過在含有樹脂的聚矽氧組合物中包括光敏劑或光自由基生成劑(photoradical generator)以提高黏附。
PCT專利申請案第PCT/US10/05784號公開了具有一種或多種包括聚矽氧組合物的層的平板光學波導組件，並且公開了製備該平面光學波導組件的方法。
WO 99/26112公開了能够或進行由酸生成劑產生的酸引發的陽離子聚合的環氧化物單體和寡聚物以用於全像記錄介質。
本發明提供了聚矽氧組合物以及使用聚矽氧組合物製備光學波導的方法。本發明也提供了已固化的聚矽氧組合物以及包括已固化的聚矽氧組合物的光學波導。當本發明的聚矽氧組合物已固化時，能够提供用於光學波導之聚矽氧芯，該光學波導顯示出出乎意料的增强的撓性。已固化的組合物對波導的覆層或者基材層具有增强的黏附。當本發明的組合物已固化時，其提供臨界尺寸(critical dimensions)的優異保留性，其可以通過接下來採用有機溶劑顯影而高膜保留來得以證明。因此，本發明的方法可以 將圖像和圖案從光罩轉移至基材上的聚矽氧膜而優異地保留臨界尺寸。
本發明提供聚矽氧組合物。聚矽氧組合物包括(A)環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂。環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂具有平均單元通式：(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)。
在通式(I)中，R1、R2、R3、R4、R5和R6是獨立選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價的環氧取代的有機基團的有機基團。在通式(I)中，要滿足下列條件：0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，並且a+b+c+d=1。環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂的數目平均分子量至少大約為2000。在樹脂中，至少大約15莫耳%的有機基團是C6至C10的單價芳香族烴基。另外，大約2莫耳%至大約50莫耳%的矽氧烷單元具有環氧取代的有機基團。聚矽氧組合物還包括(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物。環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代的有機基團。此外，寡聚物的分子量不高於大約1500。聚矽氧組合物還包括(C)陽離子光敏引發劑。此外，聚矽氧組合物包括(D)有機溶劑。
在一些實施方式中，聚矽氧組合物的成分(B)所具有的通式選自R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8(II)， 和R9Si(OSiR7 2R8)3(IV)。在通式(II)、(III)和(IV)中，R7是C1-8烷基。另外，R8是環氧取代的有機基團。此外，R9是R7或-OSiR7 2R8。並且，m是0或正整數，且n為3至10。在某些實施方式中，成分(B)具有下列分子通式： 其中R7是C1-8烷基。
在某些實施方式中，聚矽氧組合物能包括光敏劑。旨在將聚矽氧組合物固化，並且之後用作光學波導的光傳輸元件。可以使用輻射固化聚矽氧組合物。可以使用光固化聚矽氧組合物。可以使用紫外光固化聚矽氧組合物。可以使用加熱固化聚矽氧組合物。
本發明提供已固化的聚矽氧組合物。在預固化狀態下的已固化的聚矽氧組合物是本文中所述的本發明所提供的聚矽氧組合物。在某些實施方式中，已固化的聚矽氧組合物可以是膜。已固化的聚矽氧組合物可以是有撓性的。已固化的聚矽氧組合物可以進行光傳輸。已固化的聚矽氧組合物可以是光學波導的光傳輸元件。
本發明提供光學波導。該光學波導包括已固化的聚矽 氧組合物。已固化的聚矽氧組合物可以是光學波導的光傳輸元件。
本發明提供製備撓性平面光學波導組件的第一方法。該方法包括步驟(i)，將聚矽氧組合物應用至基材的表面。將聚矽氧組合物應用至基材的表面以形成第一聚矽氧膜。聚矽氧組合物包括本文中所述的本發明所提供的聚矽氧組合物。該方法還包括步驟(ii)，將第一聚矽氧膜至少一處已選區域曝光在輻射中。該輻射具有大約150nm至大約800nm的波長。曝光於輻射中生產部分曝光之膜，該部分曝光之膜具有至少一處已曝光區域以及至少一處未曝光區域。該方法還包括步驟(iii)，移除該部分曝光之膜的未曝光區域。用顯影劑移除該部分曝光之膜的未曝光區域。移除該部分曝光之膜的未曝光區域而形成了圖案化膜。該方法還包括步驟(iv)，加熱圖案化膜。將圖案化膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長大約589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率。基材具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。
本發明提供由本文中所述製備撓性光學波導組件的第一方法製備的撓性光學波導組件。
在某些實施方式中，第一方法還包括在曝光步驟(ii)和移除步驟(iii)之間加熱該部分曝光之膜。加熱係進行一段致使已曝光的區域在顯影劑中基本上不溶而未曝光的區域在顯影劑中可溶的時間。
在某些實施方式中，第一方法還包括步驟(v)，用第二 聚矽氧組合物覆蓋基材和聚矽氧芯。用第二聚矽氧組合物將基材和聚矽氧芯覆蓋，形成了第二聚矽氧膜。該方法還可以包括步驟(vi)，將第二聚矽氧膜固化。固化第二聚矽氧膜形成覆層。覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。在某些實施方式中，第二聚矽氧組合物包括本文中所述的本發明所提供的聚矽氧組合物。
本發明提供製備撓性平面光學波導組件的第二方法。該方法包括步驟(i)，將第一聚矽氧組合物應用至基材的表面。將第一聚矽氧組合物應用至基材的表面以形成第一聚矽氧膜。該方法還包括步驟(ii)，固化第一聚矽氧膜。將第一聚矽氧膜固化形成底覆層。該方法還包括步驟(iii)，將第二聚矽氧組合物應用至底覆層。將第二聚矽氧組合物應用於底覆層形成第二聚矽氧膜。該方法還包括步驟(iv)，將第二聚矽氧膜至少一處已選區域曝光在輻射中。該輻射具有大約150nm至大約800nm的波長。將第二聚矽氧膜的至少一處已選區域曝光在輻射中，以生產部分曝光之膜，該部分曝光之膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域。該方法還包括步驟(v)，用顯影劑將該部分曝光之膜的未曝光區域移除。移除該部分曝光之膜的未曝光區域形成了圖案化膜。該方法還包括步驟(vi)，將圖案化膜加熱一段時間。將圖案化膜加熱一段足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長大約589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率。底覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。第一聚矽氧組合物 和第二聚矽氧組合物中的至少一種包括本文中所述的本發明所提供的聚矽氧組合物。
本發明還提供由本文中所述製備撓性光學波導組件的第二方法製備的撓性光學波導組件。
在某些實施方式中，第二方法還包括在曝光步驟(iv)和移除步驟(v)之間加熱該部分已曝光膜曝光之膜。該部分曝光之膜的加熱係進行一段致使已曝光的區域在顯影劑中基本上不溶而未曝光的區域在顯影劑中可溶的時間。
在某些實施方式中，第二方法還包括步驟(vii)，用第三聚矽氧組合物覆蓋底覆層和聚矽氧芯。用第三聚矽氧組合物覆蓋底覆層和聚矽氧芯而形成上覆層。上覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。
現在詳細地討論已公開標的的特定的申請專利範圍，所述公開標的的實施例在圖式中闡述。同時已公開的標的將會與已列舉的申請專利範圍相結合，可以理解為該列舉的申請專利範圍並不旨在將公開主題限制於那些申請專利範圍中。相反，公開標的旨在覆蓋所有的替代方式、修正方式及等同方式，該替代方式、修正方式和等同方式可以包括在申請專利範圍所限定的目前已公開的標的中。
說明書中所討論的“一個實施方式”、“實施方式”、“具體實施方式”等表明所述的實施方式能够包括特定的特徵、結構或特性，但不是每個實施方式都必須包括特定的特徵、結構或特性。此外，這樣的短語沒必要參 考相同的實施方式。而且，當特定的特徵、結構或特性在相關的實施方式中討論時，可以理解為無論其在其他實施方式中是否被仔細討論過，在本領域技術人員的公知常識中，這也會影響與其他實施方式相關的該特徵、結構或特性。
在本申請文件中，術語“一(a)”或“一(an)”用於包括一個或多個，並且除非另有指出，術語“或”用於表示無排他性的“或”。另外，可以理解本文中應用的且沒有其他限定的措辭或術語，僅是出於說明的目的而沒有限制的目的。
在本文中所述製造的方法中，除非當明確地列舉了時間或操作順序，否則在不與本發明的原則悖離的情况下，可以按照任何順序進行步驟。在申請專利範圍中列舉的，首先進行一步，然後隨後進行其他步驟的效果應該理解為在其他任何步驟之前進行第一步，但是其他步驟可以按照任何適合順序進行，除非在其他步驟中進一步列舉了順序。例如，列舉“步驟A、步驟B、步驟C、步驟D和步驟E”的要求要素應該解釋為意思是首先進行A，最後進行E，並且B、C和D在步驟A和E之間以任何順序進行，並且該順序仍在所要求的方法的文字範圍內。也可以重複給定的步驟或步驟的子集(sub-set)。
而且，可以同時進行規定的步驟，除非有明確的要求語言詳述了分別進行該規定步驟。例如，所要求正在做X的步驟以及所要求正在做Y的步驟可以同時以單一操作進 行，並且所得方法會在所要求方法的文字範圍內。
本發明涉及聚矽氧組合物，該聚矽氧組合物包括環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂、環氧官能化有機矽氧烷寡聚物、陽離子光敏引發劑和有機溶劑。本發明還提供已固化的聚矽氧組合物。本發明涉及製備含有聚矽氧芯的撓性平面光學波導組件的方法，其中通過使用聚矽氧組合物的光圖案化方法形成該芯。波導能進一步包括至少一個覆層，該覆層包括環氧官能化有機聚矽氧烷。本發明還涉及根據該方法製備的撓性光學波導。
本發明的組合物和方法的意想不到的優點在於高解析度的特性，這意味著將圖像從光罩轉移至基材上的聚矽氧膜而優異地保留臨界尺寸的過程，其可以通過接下來採用有機溶劑顯影而保留高膜得以證明。正因如此，並且有利的是波導，包括頂端，能具有更加精確的自身裁定尺寸。
本發明另一個意想不到的優點是增加了已固化的組合物的撓性，這是隨著負載的聚矽氧組合物與有機矽氧烷寡聚物的增多而發生的。
此外，該方法生產意想不到地增加了韌性和對覆層和/或基材黏附的聚矽氧芯。
本發明聚矽氧組合物在高能射線(例如UV射線)的輻射中迅速地固化，即使在薄膜形態下，該聚矽氧組合物具有優異的形狀保留特性，並且其已固化的產品中不包含氣泡，且已固化的產品具有耐水解和耐溶劑。特別地，其有足够的撓性和硬度如此其不會輕易彎曲並且實際上不會扭 曲或開裂。另外，其對基材具有優異黏附性，該優異黏附性與固化方法有關。已固化的產品在通信波長段中具有高光學傳輸性和非常少的傳輸損失。與傳統組合物相比對折光率的控制更加容易，並且甚至即使當其暴露在高溫下，其光學傳輸和折光率的改變非常小。
相比於包括其他已知材料的波導，根據本文中所述的方法製備的光學波導組件，顯示出了高韌性、高耐開裂性和對聚合物基材的優異黏附性。相比於使用其他已知材料的波導組件或好於使用其他已知材料的波導組件，光學波導組件進一步顯示了在寬範圍的溫度下良好的熱穩定性和良好的環境耐性，特別是耐濕性。另外，波導組件顯示出低的雙折射和低傳輸損失，等於或好於使用其他已知材料的波導的相應的特性。因此，優異的韌性和耐開裂性無需以傳送損失為代價。
定義
除非上下文另有明確指示，說明書和附加申請專利範圍中所用的單數形式“一(a)”、“一(an)”或者“所述”包括複數指定物。
當涉及數值或數值範圍，本文中所用術語“大約”允許在可變程度的值或範圍內，例如，規定值或規定的限制範圍的10%或5%內。
術語“環氧取代的有機基團”是指單價有機基團，其中氧原子，環氧取代基直接連接碳鏈或環系的兩個毗鄰的碳原子上。
術語“有機基團”是指包含碳的任何基團。
術語“單價”是指取代基通過單鍵連接於被取代的分子上。
術語“數目平均分子量”是指獨立分子的分子量的通常的算術平均值或平均數。通過測量n個聚合物分子的分子量，將分子量求和並且除以n來確定所述的算術平均值或平均數。
術語“寡聚物”是指具有中間相對分子質量的分子，其結構基本上包括少量單體，該單體實際上或概念性地從較低相對分子質量的分子推導出。具有中間相對質量的分子能是具有隨著一個或少數單元的移除而改變的特性的分子。由一個或多個單元的移除所造成的特性的變化可以是明顯的變化。
術語“光學波導”是指在光譜中導向電磁波的物理結構。
術語“輻射”是指高能粒子穿過介質或空間。輻射的例子是可見光、紅外光、微波、無線電波、低頻波、超低頻波、熱輻射(加熱)以及黑體輻射。
術語“光”是指肉眼可見波長中的或者靠近肉眼可見波長的電磁輻射，並且“光”包括大約10nm至大約300,000nm波長的紫外光(UV)以及紅外光。
術語“UV光”是指紫外光，該紫外光是波長在大約10nm至大約400nm的電磁波輻射。
術語“紅外光”是指波長在大約0.7微米至大約300 微米之間的電磁波輻射。
術語“固化”是指以曝光於任何形式的輻射中，或者允許經過造成硬化或黏度增加的化學反應。
術語“膜”是指任何形態的塗層。
術語“折光率”是指在測定物質中的光速，並且其等於真空中的光速除以物體中的光速。
環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂，成分(A)
環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂，成分(A)，是本發明聚矽氧組合物的原料。其可以是本發明所提供的組合物的主要原料。環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂由平均矽氧烷單元通式所代表：(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)
其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是獨立選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價環氧取代的有機基團的有機基團，0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，a+b+c+d=1的有機基團，該樹脂具有至少大約2000的數目平均分子量，至少大約15莫耳%的有機基團是C6至C10的單價芳香族烴基，並且大約2莫耳%至大約50莫耳%的矽氧烷單元每個分子具有環氧取代的有機基團。由於其含有環氧基，樹脂能在(C)陽離子光敏引發劑存在下，在高能射線(例如UV射線、電子束或電離輻射)的輻射中迅速地固化。視需要地，光敏劑也可以存在於組合物中。當組合物與基材(例如矽基材)接觸時，用高能射線(例如UV射線、電子束或電離輻射)放射該組合物引起組合物 固化。已固化的組合物能堅固地黏附於基材。
在由平均矽氧烷單元通式(I)所代表的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)中，存在(R4R5SiO2/2)單元和(R6SiO3/2)單元，然後(R1R2R3SiO1/2)和(SiO4/2)單元是可選的構成單元。因此，可以成為環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂的包括以下單元：(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c；(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c；(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d；或(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d。
在平均單元通式(例如通式I)的說明中，脚標a、b、c和d是莫耳分數。脚標a之所以為0a<0.4，因為當有太多(R1R2R3SiO1/2)單元時，含環氧樹脂有機聚矽氧烷樹脂(A)的分子量下降，並且當引入(SiO4/2)時，環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)的已固化的產品的硬度明顯上升並且產品可以輕易地碎裂。由於這個原因，下標d是0d<0.4，較佳為0d<0.2，並且甚至更佳為d=0。另外，(R4R5SiO2/2)單元和(R6SiO3/2)單元的莫耳比例b/c不少於0.01並且不多於0.3。在製造環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)中該範圍的偏差會造成生成不可溶的副產物，造成由於韌性减少而生產的產品更易於開裂，或者造成產品强度和撓性的减少並且使其更易於磨損。b/c的莫耳比例較佳為範圍不少於0.01並且不多於0.25，並且甚至更較佳為範圍為不少於0.02並且不多於0.25。環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A) 含有(R4R5SiO2/2)單元和(R6SiO3/2)單元，並且因為b/c的莫耳比例不少於0.01並且不多於0.3，所以其分子結構大多數情况為網狀結構或三維結構。
可以認為本領域技術人員理解平均單元通式(I)中，變數R1、R2、R3、R4、R5和R6能在單獨的矽氧烷單元之間獨立地變化。或者，變數R1、R2、R3、R4、R5和R6能在單獨的矽氧烷單元之間獨立地相同。例如，平均單元通式(I)(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)
能够包括下列平均單元通式：(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6aSiO3/2)c1(R6bSiO3/2)c2(SiO4/2)d
其中脚標c1+c2=c，並且其中R6a不等於R6b。
類似地，例如平均單元通式(I)能包括下列平均單元通式：(R1R2R3SiO1/2)a(R4aR5aSiO2/2)b1(R4bR5bSiO2/2)b2(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d
其中脚標b1+b2=b，並且其中R4a不等於R4b，並且其中R5a不等於R5b。
成分(A)中的矽結合的C1-6單價脂肪烴基列舉為甲基、乙基、丙基、丁基、己基和其他的單價飽和脂肪烴基，以及乙烯基、丙烯基、己烯基和其他的單價不飽和烴基。另外，矽結合的C6-10單價脂肪烴基列舉為苯基、甲苯基、甲苄基和萘基。
通過改變單價烴基的類型來控制已固化的組合物的折光率，該折光率是重要的光學特徵。當甲基和其他單價脂 肪族烴基用作基本的取代基時，折光率旨在低於1.5，然而使用苯基和其他單價芳香族烴基作為基本的取代基團時，旨在得到1.5或更高的折光率。單價飽和脂肪族烴基較佳為甲基並且單價芳香族烴基較佳為苯基。當組合物含有單價不飽和脂肪族烴基時，較佳為乙烯基。
單價芳香族烴基較佳為地組成成分(A)中所有有機基團的不少於大約15莫耳%，更較佳為地不少於大約20莫耳%，並且最較佳為地不少於大約25莫耳%。這是由於當單價芳香族烴基低於範圍下限時，會减少通訊波段中本發明聚矽氧組合物的已固化的產品的光學傳輸，並且也是由於韌性降低，已固化的產品能變得易於開裂。
在成分(A)中，具有環氧官能單價烴基基團的矽氧烷單元組成所有矽氧烷單元的大約2莫耳%至大約50莫耳%，較佳為大約10莫耳%至大約40莫耳%，並且甚至更較佳為15莫耳%至40莫耳%。如果該矽氧烷單元少於2莫耳%，在固化期間的交聯密度是低的，其會使很難得到滿足於光學傳輸元件的硬度。另一方面，數量超過50莫耳%是不合適的，因為其會引起已固化的產品的光學傳輸和耐熱性的减少。在環氧官能化單價烴基中，環氧基較佳為通過伸烷基結合到矽原子上，如此這些環氧基不直接結合到矽原子上。這些基團列舉為3-(環氧丙氧基)丙基： 2-(環氧丙氧基羰基)丙基： 2-(3,4-環氧環己基)乙基： 和2-(4-甲基-3,4-環氧環己基)丙基： 其中-----代表連接取代基與被取代分子的鍵。
環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)的具體例子包括：包括(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)、(MeSiO3/2)和(E1SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Ph2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E1SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(MePhSiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E1SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E2SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E3SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E4SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(MeViSiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E3SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)、(MeSiO3/2)和(E3SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹 脂，包括(Ph2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E3SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(Ph2SiO2/2)和(E1SiO3/2)的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(Ph2SiO2/2)和(E3SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2ViSiO1/2)、(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E1SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me3SiO1/2)、(Ph2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E1SiO2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me3SiO1/2)、(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)和(E3SiO3/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)、(E3SiO3/2)和(SiO4/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me2SiO2/2)、(Ph2SiO2/2)、(E1SiO3/2)和(SiO4/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me3SiO1/2)、(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)、(E1SiO3/2)和(SiO4/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，包括(Me3SiO1/2)、(Me2SiO2/2)、(PhSiO3/2)、(E3SiO3/2)和(SiO4/2)單元的有機聚矽氧烷樹脂，其中Me代表甲基，Vi代表乙烯基，Ph代表苯基，E1代表3-(環氧丙氧基)丙基，E2代表2-(環氧丙氧基羰基)丙基，E3代表2-(3,4-環氧環己基)乙基，並且E4代表2-(4-甲基-3,4-環氧環己基)丙基。
已知的常規製造方法可以生產環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)，例如如JP6298940中公開的方法。例如，存在其中通式R4R5SiCl2的矽烷與通式R6SiCl3的矽烷經過共水解和縮合的方法；其中根據情况，通過將這些矽烷與單獨通式R1R2R3SiCl的矽烷結合、與單獨通式SiCl4的矽烷結合、或者與通式R1R2R3SiCl的矽烷和通式SiCl4的矽烷一起 結合，而進行共水解和縮合的方法；和其中使用由甲氧基或乙氧基取代本文中所述的矽烷的氯原子得到的矽烷進行共水解和縮合的方法，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基以及含環氧樹脂的單價烴基的有機基團。另外，存在其中通過二甲基二氯矽烷和苯基三氯矽烷或甲基二氯矽烷、甲基三氯矽烷和苯基三氯矽烷共水解和縮合製備含有矽醇的甲苯基聚矽氧烷樹脂，使反應系統中呈鹼性，並且然後通過加入含有環氧樹脂的有機三烷氧基矽烷(例如3-(環氧丙氧基)丙基三甲氧基矽烷)進行縮合反應來生產含有矽結合的環氧基(例如3-(環氧丙氧基)丙基)的甲苯基聚矽氧烷樹脂的方法。能够通過調整負載粗矽烷的量和他們的莫耳比例來調整平均單元通式(I)的下標a、b、c和d。
附加地，有機聚矽氧烷樹脂(成分(A))能够具有結合於矽原子的殘餘的羥基和烷氧基，這取决於製備方法和條件。因為取代基能够負面地影響有機聚矽氧烷樹脂的儲藏穩定性並且降低已固化的有機聚矽氧烷樹脂的耐熱性，所以應該盡可能减少該取代基的量。例如在微量的氫氧化鉀存在下，通過加熱有機聚矽氧烷樹脂進行脫水縮合反應或脫醇縮合反應，能够减少這些取代基的量。這些取代基的量的所需範圍較佳為不超過大約2莫耳%，並且甚至更較佳為為不超過大約1莫耳%。
雖然沒有關於環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)數目平均分子量的特別限制，但是如果考慮到已固化的產品的 韌性和其在有機溶劑中的溶解度，分子量較佳為不少於大約103並不多於大約106。在一個實施方式中，樹脂(A)包括兩種或更多類型的這樣的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂與不同含量和類型或不同分子量的含有環氧樹脂有機基團和單價烴基的結合物。
環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，成分(B)
本發明組合物包括環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，成分(B)。已經發現多種有機矽氧烷寡聚物用於本組合物和方法中。在一個實施方式中，成分(B)是環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代有機基團並且其分子量不高於大約1500。環氧官能化有機矽氧烷寡聚物能具有以下通式：R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8 (II)其中R7是C1-8烷基，R8是環氧取代的有機基團，並且m是0或者正整數。有機矽氧烷寡聚物中的環氧基團的類型較佳為為環氧環烷基，特別是環氧環己基基團，這是因為製備這類基團所需的試劑是在市場上容易買到的並且很便宜。特別較佳為的有機矽氧烷寡聚物的基團是其中連接於Si-O-Si基團的兩個環氧環己基基團的那些。該寡聚物的例子包括那些具有通式(II)的寡聚物，其中m是0並且R8是3,4-環氧環己基乙基，相應的通式如下：
其中每個基團R7是甲基的化合物是購自Polyset Corporation，Inc.，Mechanicsville，紐約，美國，商品名為PC-1000，並且該特殊化合物的製備特別地在美國專利第5,387,698號和第5,442,026號中進行描述。
環氧官能化有機矽氧烷寡聚物可以具有以下通式： 其中R7是C1-8烷基，R8為環氧取代的有機基團，R9是R7或-OSiR7 2R8，m是0或正整數，並且n是3至10。在另一個實施方式中，每個基團R7獨立地是單價取代或未取代的C1-12烷基、C1-12環烷基、芳烷基或芳基，每個基團R8獨立地是R7或具有2-10個碳原子的單價環氧官能團，條件是至少兩個基團R8是環氧官能化的；並且n是3-10。這些環狀化合物的製備特別地在美國專利第5,037,861號；第5,260,399號；第5,387,698號和第5,583,194號中進行描述。一個具體使用的該類型聚合物是1,3,5,7-四(2-(3,4-環氧環己基)乙基)-1,3,5,7-四甲基環四矽氧烷。
環氧官能化有機矽氧烷寡聚物可以具有以下通式：R9Si(OSiR7 2R8)3 (IV) 其中R7是C1-8烷基，R8是環氧取代的有機基團，R9是R7或-OSiR7 2R8，m是0或正整數，並且n從3至10。在一個實施方式中，R9是OSi(R7)2R8基團，或是單價取代或未取代的C1-12烷基、C1-12環烷基、芳烷基或芳基；每個基團R7獨立地是單價取代或未取代的C1-12烷基、C1-12環烷基、芳烷基或芳基；且每個基團R8獨立地是具有2-10個碳原子的單價環氧官能團，這類聚合物能被稱為“星型”寡聚物。該寡聚物的製備特別地在美國專利第5,169,962號；第5,260,399號；第5,387,698號和第5,442,026號中進行描述。一個在本方法中發現有用的具體的該類型寡聚物是其中R9是甲基或OSi(R7)2R8基團，每個基團R7為甲基，並且每個基團R8為2-(3,4-環氧環己基)乙基基團的寡聚物。
環氧官能化寡聚物能够具有以下平均單元通式：(RB6)3SiO[SiRB7RB8O]p[Si(RB7)2O]qSi(RB6)3 (V)
其中每個基團RB6獨立地是單價取代或未取代的C1-12烷基、C1-12環烷基或苯基；每個基團RB7獨立地是單價取代或未取代的C1-12烷基、C1-12環烷基、芳烷基或芳基；每個基團RB8獨立地是具有2至10個碳原子的環氧樹脂官能團，並且p和q是整數。能通過類似於美國專利第5,523,374號中所述的方法製備這些寡聚物，所述美國專利涉及使用鉑催化劑或者銠催化劑將相應的氫化矽烷與適當的烯氧化物進行矽氫化反應。本方法中發現可用的該類具體的寡聚物是其中每個基團RB6和RB7是烷基的寡聚物，並且這些較佳為的寡聚物是其中RB8為2-(3,4-環氧環己基)乙烷基並 且p和q大約相等的寡聚物。
陽離子光敏引發劑，成分(C)
陽離子光敏引發劑(C)用作環氧官能化有機聚矽氧烷的光敏引發劑。可以使用本領域技術人員所熟知的任何光敏引發劑，例如鋶鹽、碘鎓鹽、硒鹽、磷鎓鹽、重氮鹽、對甲苯磺酸鹽、三氯甲基-取代的三和三氯甲基取代的苯。通式Rc 3S+X-所代表的鹽較佳為鋶鹽。在通式中，Rc代表甲基、乙基、丙基、丁基和其它C1-6烷基；苯基、萘基、聯苯基、甲苯基、丙苯基、癸苯基、十二烷基苯基，和其它C1-24芳基或取代芳基，並且通式中X-代表SbF6 -、ASF6 -、PF6 -、BF4 -、B(C6F5)4 -、HSO4 -、ClO4 -、CF3SO3 -和其它非親核的非鹼性陰離子。通式Rc 2I+X-所代表的鹽較佳為碘鎓鹽，其中通式中的Rc和X-與本文中所述的Rc 3S+X-相同。通式Rc 3Se+X-所代表的鹽較佳為硒鹽，其中通式中的Rc和X-與本文中所述的Rc 3S+X-相同。通式Rc 4P+X-所代表的鹽較佳為磷鎓鹽，其中通式中的Rc和X-與上述的相同。通式RcN2 +X-所代表的鹽較佳為重氮鹽，其中通式中的Rc和X-與本文中所述的Rc 3S+X-相同。通式CH3C6H4SO3Rc1所代表的化合物較佳為為對甲苯磺酸鹽，其中通式中Rc1代表包括吸電子基團(例如苯甲醯苯甲基、鄰苯二甲醯亞胺等)的有機基團。[CCl3]2C3N3Rc2所代表的化合物較佳為為三氯甲基取代的三，其中通式中的Rc2代表苯基、取代或未取代的苯乙基、取代或未取代的呋喃基乙炔基，以及其它吸電子基團。CCl3C6H3RcRc3所代表的化合物較佳為為三氯甲基取代的 苯，其中通式中的Rc與本文中所述的Rc 3S+X-相同，並且Rc3代表鹵素基團、鹵素取代的烷基以及其它的含鹵素基團。
如果考慮到環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)的易購性和可混溶性，則建議較佳的光敏引發劑為三苯基鋶四氟硼酸鹽、三苯基鋶六氟銻酸鹽、三苯基鋶三氟甲磺酸鹽、三(對甲苯基)鋶六氟磷酸鹽、對第三丁基苯基二苯鋶六氟銻酸鹽、二苯基碘鎓四氟硼酸鹽、二苯基碘鎓六氟銻酸鹽、對第三丁基苯基二苯基碘鎓六氟銻酸鹽、二(對第三丁基苯基)碘鎓六氟銻酸鹽、雙(十二烷基苯基)碘鎓六氟銻酸鹽、四苯基硒四氟硼酸鹽、四苯基磷六氟銻酸鹽、對氯苯基重氮四氟硼酸鹽、苯甲醯苯甲基對甲苯磺酸鹽、雙三氯甲苯基三、雙三氯甲基呋喃基三和對雙三氯甲基苯。上述中，更較佳為三苯基鋶四氟硼酸鹽、二(對第三丁基苯基)碘鎓六氟銻酸鹽、雙(十二烷基苯基)碘鎓六氟銻酸鹽和對氯苯基重氮四氟硼酸鹽。
儘管衆所周知，含有羰基的芳香化合物可以用作光學光敏劑，但是只要這些化合物產生光敏效果就沒有關於這些化合物的特別限制。較佳為地，光敏劑能够與環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)相混溶，或者能够與環氧官能化有機矽氧烷寡聚物(B)相混溶，或者能够溶解於成分(D)。光敏劑特別地列舉為異丙基-9H-噻噸-9-酮，氧雜蒽酮、蒽、蒽酮、蒽醌、苯甲酮、4,4’-二(二甲氨基)苯甲酮、二乙氧基苯乙酮、2,2-二甲氧基1,2-二苯乙-1-酮、1-羥基環己基-苯基甲酮、2-羥基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮、2-甲基 -1-[4-(甲硫基)苯基]-2-嗎啉基丙-1-酮、1-[4-(2-羥基乙氧基)苯基]-2-羥基-2-甲基-1-丙-1-酮，2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-嗎啉基苯)丁-1-酮和雙(2,4,6-三甲基苄基)苯膦氧化物。上述中，更加較佳為異丙基-9H-噻噸-9-酮、蒽酮、1-羥基環己基-苯基甲酮和2-羥基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮。
有機溶劑，成分(D)
雖然有機溶劑(D)不是必需成分，但例如，如果在進行模製的溫度下成分(A)或成分(B)是固態或者是黏性液態，或者當成分(A)或成分(B)模製成膜時，可以使用有機溶劑。另外，當光敏引發劑(B)不溶於成分(A)或成分(B)時，可以使用溶劑以溶解光敏引發劑。較佳為可以溶解成分(A)、成分(B)和光敏引發劑(C)的溶劑。推薦沸點在大約80℃至大約200℃之間的溶劑。溶解特別列舉為異丙醇、第三丁基醇、甲基乙基酮、甲基異丁基酮、乙醯丙酮、苯甲醚、甲苯、二甲苯、三甲基苯、氯苯、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、二甘醇二甲醚、乙氧基-2-丙醇乙酸酯、甲氧基-2-丙醇乙酸酯、八甲基環四矽氧烷和六甲基二矽氧烷。該有機溶劑可以單獨使用溶劑或作為兩種或更多種溶劑的混合物使用。
組合物、以及使用該組合物於光傳輸元件
本發明提供了聚矽氧組合物，該組合物包括成分(A)環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂、成分(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物、成分(C)陽離子光敏引發劑和成分(D)有機溶 劑。通常，本文中的化學通式的表述是指未固化的組合物。但是，本發明也提供從本發明未固化聚矽氧組合物固化而得的已固化聚矽氧組合物。由於在固化期間(例如交聯)發生的化學反應對本領域技術人員來說是易於理解的，本發明已固化的組合物的分子相對於本發明未固化組合物的分子具有不同的分子通式。此外，不同類型的固化，例如加熱處理對比紫外線處理，可以造成分子通式的不同變化。任何由本發明未固化組合物固化而得的已固化的組合物均包含在本發明的實施方式中。
本發明聚矽氧組合物可以包括(A)大約100重量份的上述環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂、(B)大約0.01至大約100重量份的如下進而所述的環氧官能化有機矽氧烷寡聚物、(C)大約0.05至大約20重量份的光敏引發劑、(D)大約0至大約5,000重量份的有機溶劑。當成分(A)為液體，或者當成分(A)與成分(B)和成分(C)的可混溶性非常好時，視需要地加入成分(D)。當成分(C)的量少於大約0.05重量份時，固化會不充分，並且當成分(C)的量超過大約20重量份時，可能不適合，這是由於由殘留催化劑的存在導致的光學特徵的退化。另外，成分(D)加入的量超過5000重量份會不適合，是因為生產如下進而所述的光學傳輸元件期間，很難得到高質量的薄膜。雖然加入成分(D)的量依據成分(D)類型和成分(C)、成分(B)和成分(A)的溶解度和相容性而變化，但是通常加入成分(D)的量在大約1至大約1000重量份的範圍內並且較佳為在大約1至大約500重量 份的範圍內。可選的光敏劑的量可以在大約0.05至大約20重量份之間。當可選的光敏劑的量少於0.01重量份時，固化會不充分並且黏附差。另一方面，可選的光敏劑的量超過20重量份會不適合，這是由於由殘留催化劑的存在導致的光學特徵的退化。聚矽氧組合物的重量份總量可以包括最小量為大約100.06重量份的成分(A)、(B)、(C)和(D)，其由100重量份成分(A)、0.01重量份成分(B)、0.05重量份成分(C)以及0重量份成分(D)得到。聚矽氧組合物的重量份數總量可以包括最大量為大約5220重量份的成分(A)、(B)、(C)和(D)，其由100重量份成分(A)、100重量份成分(B)、20重量份成分(C)以及5000重量份成分(D)得到。
在某些實施方式中，聚矽氧組合物可以包括(A)大約100重量份上述環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂，(B)大約5至大約40重量份或大約1至大約80重量份或大約0.01至大約100重量份環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，(C)大約5至大約6重量份或大約3至大約8重量份或大約1至大約12重量份或大約0.05至大約20重量份光敏引發劑，(D)大約140至大約160重量份或大約100至大約250重量份或大約50至大約1000重量份或大約0至大約5000重量份有機溶劑。
當本發明的聚矽氧組合物用於生產已固化的膜或已固化的光學傳輸元件，該組合物較佳為在室溫下為液體，並且更較佳為在25℃下具有大約20至大約10,000mPa．s的 黏度。該範圍的偏差會引起加工性的下降並且會造成更難得到高光學質量的薄膜。
本發明的聚矽氧組合物也能包括附加的成分，只要附加的成分不會不利地影響本文中所述方法中的組合物的光圖案化或固化。附加成分的例子包括但幷不限於黏附促進劑、溶劑、無機填料、光敏劑和表面活性劑。
本發明的已固化的聚矽氧組合物的折光率可以先通過改變環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)中結合矽的基團(即，單價脂肪烴基(通常為甲基)和單價芳香烴基(通常為苯基))的莫耳比例來進行調整。增加單價芳香烴基的比例可以使折光率更高，並且當單價脂肪烴基的數量增加時，折光率會變更低。當用本發明的聚矽氧組合物製造光學波導時，用於芯的已固化的有機聚矽氧烷樹脂的折光率會比用於覆層的已固化的有機聚矽氧烷樹脂的折光率更高，這也是為什麽用於芯的有機聚矽氧烷樹脂組合物中的單價芳香烴基的量高於用於覆層的有機聚矽氧烷樹脂組合物。為了如此進行，有可能使用含有單價脂肪烴基與單價芳香烴基不同莫耳比的兩類有機聚矽氧烷樹脂，或者按照不同比例混合這兩類有機聚矽氧烷樹脂，以分別用於芯和鍍層。
在某些實施方式中，成分(B)能够以不同的比例在芯、覆層或光學波導任何其他部分中使用。
由本發明已固化的聚矽氧組合物製成的光學傳輸元件，即使在薄膜形態，也具有優秀的形狀保留特性。特別地，他們有足够的撓性和硬度使其不會輕易彎曲並且實際 上不會扭曲或斷裂。根據棱鏡耦合技術測定的折光率，該已固化的膜的雙折射小至可以忽視。在來自本發明組合物的實施方式中的基材(例如矽基材)上形成的光學傳輸元件可以優異地黏附於基材(例如矽基材)。
本發明的光學傳輸元件能够用於無源元件和有源元件。無源傳輸元件特別舉例為未分支的光學波導、分支的光學波導、多路轉接器/信號分離器、光學黏合劑等，並且有源傳輸元件舉例為波導管類型光學開關、波導類型光學調節器、光學衰减器、光學放大器等。
在下面給出了從本發明的組合物生產光學傳輸元件的方法的實施方式的例子。按照下述下列步驟1)和步驟2)生產光學傳輸元件。首先，1)在將本發明的聚矽氧組合物均勻地應用於基材之後，將有機溶劑(D)移除(如需要通過空氣乾燥或加熱)，從而生產均勻厚度的膜，該膜由環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A)、環氧官能化有機矽氧烷寡聚物(B)和光敏引發劑(C)組成。均勻厚度的膜可以為薄膜。用於製備基材的材料列舉為晶圓、玻璃、陶瓷以及耐熱塑料，該材料能具有平滑的表面並且對溶劑、用於固化的高能射線以及熱源穩定。旋塗技術可以用於塗層，其中隨後的加熱溫度較佳為在不低於30℃至不高於120℃的範圍內。隨後，2)通過採用高能射線放射所述膜以固化該膜。這種情况中所用的高能射線列舉為UV射線、電子束和電離輻射，其中從安全和裝備花費的角度較佳為UV射線。適合的UV射線源包括高壓汞燈、中壓汞燈、Xe-Hg燈和深UV燈。UV 射線的放射劑量較佳為在100至8000mJ/cm2。在某些實施方式中，可以單獨採用高能射線完成固化。單獨使用高能射線有時很難或不可能完成固化，這取决於所用的聚矽氧組合物類型。在該情况中，在用高能射線放射之後，可以通過加熱(在下稱為“後加熱”)膜而完成固化。該後加熱較佳為的溫度範圍為50℃至200℃。
因此，在一個實施方式中，在指定的波長範圍內，如下製造高傳輸的光學傳輸元件：1)將聚矽氧組合物應用於基材，2)用高能射線(例如UV射線)放射聚矽氧組合物，並且可視需要地或必須地後加熱該聚矽氧組合物。另外，典型的光學傳輸元件(例如光學波導)可以通過重複步驟1)和2)來製造。用於製備光學波導的本發明方法的實施方式的例子如下詳述。
製備波導組件的方法
本發明提供製備光學波導的方法。本發明也提供包括本發明已固化的組合物的光學波導組件。
根據本發明製備光學波導組件的方法的實施方式的例子能包括以下內容：首先，用於鍍層的聚矽氧組合物可以旋塗在基材上，並且通過採用高能射線放射以固化塗層，因此形成底端覆層。緊接著，用於芯的聚矽氧組合物可以在底端覆層上旋塗並且所得的塗層可以通過用高能射線放射所固化以形成芯層，如果模製需要，該芯層可以用作具有比覆層更高折光率的芯層。為了將給予芯層所需的形狀，換言之，將其圖案化，可以用高能射線穿過具有形狀 輪廓的光罩而放射芯層，並且如需要，使芯層經受上述後加熱，其中能够使用有機溶劑將未曝光部分溶解和移除。有機溶劑(C)可以用作此目的的有機溶劑。當用於鍍層的聚矽氧組合物應用至芯層的頂部時，換句話說應用在已圖案化的芯層的頂部和底端覆層時，可以得到包括覆層、芯層和其它覆層的光學波導。可以通過用高能射線放射來固化以形成頂端覆層。在上述製造的方法中，用於芯的已固化的聚矽氧組合物具有比用於覆層的已固化的聚矽氧組合物更高的折光率。在應用聚矽氧組合物期間，能够使用溶劑澆鑄技術代替旋轉塗技術。
在一個實施方式中，可以剝去一個或更多所得的塗層以形成膜類型光學波導。在一個實施例中，從基材上剝去一個或更多的塗層。在一個實施例中，可以從基材上剝去底覆層。在獨立的覆層上可以形成新的芯層，並且然後用上覆層塗覆該新的芯層，因此可以形成另一種膜類型光學波導。意圖用於芯的聚矽氧組合物的已固化體與那些由用於覆層的聚矽氧組合物生產而得的已固化體相比，應該具有更大的折光率。可以使用溶劑澆鑄技術代替旋轉而應用於組合物。
在本發明的一個實施方式中，製備撓性平面光學波導組件的第一方法包括：(i)將聚矽氧組合物應用於基材表面以形成第一聚矽氧膜，其中聚矽氧組合物包括：(A)具有以下平均單元通式的環氧官能化有機聚 矽氧烷樹脂
(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)
其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是獨立選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價環氧取代的有機基團的有機基團，0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，a+b+c+d=1，樹脂具有至少大約2000的數目平均分子量，至少大約15莫耳%的有機基團是C6至C10的單價芳香族烴基，並且大約2莫耳%至大約50莫耳%的矽氧烷單元具有環氧取代的有機基團，(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代的有機基團並且分子量不高於大約1500，(C)陽離子光敏引發劑，和(D)有機溶劑；(ii)將第一聚矽氧膜的至少一處已選區域曝光在具有波長大約150至大約800nm的輻射中以生產部分曝光的膜，該部分曝光的膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域；(iii)用顯影劑移除部分曝光的膜的未曝光區域以形成圖案化的膜；並且(iv)將圖案化的膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長大約589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率，其中該基材具有比聚 矽氧芯的折光率低的折光率。
在一個實施方式中，成分(B)是環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代有機基團並且其分子量不高於大約1500。環氧官能化有機矽氧烷寡聚物能具有選自以下的通式：R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8 (II)
和R9Si(OSiR7 2R8)3 (IV)
其中R7是C1-8烷基，R8是環氧取代的有機基團，R9是R7或-OSiR7 2R8，m是0或正整數並且n是3至10。在一個實施方式中，環氧官能化有機矽氧烷寡聚物能具有以下通式：R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8 (II)
其中m是0並且R8是3,4-環氧環己基乙基，其對應的通式如下：
在一個實施方式中，基材可以是硬性或撓性的材料。基材的例子包括但幷不限於，半導體材料(例如矽)、具有 二氧化矽表層的矽、和砷化鎵；石英；熔凝石英；氧化鋁；聚烯烴(例如聚乙烯和聚丙烯)；碳氟聚合物(例如聚四氟乙烯和聚氟乙烯)；聚苯乙烯；聚醯胺(例如尼龍)；聚醯亞胺；聚酯和丙烯酸系聚合物(例如聚(甲基丙烯酸甲酯))；環氧樹脂；聚碳酸酯；聚碸；聚醚碸；陶瓷和玻璃。
可以使用任何常規方法(例如旋塗、浸漬、噴霧、塗刷或網版印刷)將聚矽氧組合物應用於基材。可以通過在200rpm至5000rpm速度下旋塗5秒至60秒而應用組合物。可以調整聚矽氧組合物的旋轉速度、旋轉時間和黏度以便第一聚矽氧膜具有所需的厚度。
可以將第一聚矽氧膜的一處或更多處已選區域曝光在輻射中(該輻射具有大約150nm至大約800nm，或者大約250nm至大約450nm的波長)，以生產部分曝光膜，該部分曝光膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域。通常使用的光源為中壓汞弧燈。輻射劑量可以為大約0.1mJ/cm2至大約5,000mJ/cm2；或者大約250mJ/cm2至大約1,300mJ/cm2。可以將第一聚矽氧膜的已選區域通過具有成像圖案的光罩曝光在輻射中。
可以採用顯影劑移除部分曝光第一膜的未曝光區域以形成圖案化的膜。顯影劑可以包括有機溶劑，在該有機溶劑中，該部分曝光的膜的未曝光區域至少部分可溶並且已曝光區域基本上不可溶。已曝光區域可以立即基本上不溶解於顯影劑中或者需要上述的附加的加熱步驟以獲得基本上不溶解於顯影劑，這取决於用於形成聚矽氧芯的特別的 聚矽氧組合物。顯影劑每個分子可以具有3至20個碳原子。顯影劑的例子包括酮類(例如甲基異丁基甲酮和甲基戊基酮)；醚(例如正丁基醚和聚乙二醇單甲醚)；酯(例如乙酸乙酯和γ-丁內酯)；脂肪族烴類(例如壬烷、萘烷和十二烷)和芳香族烴類(例如三甲基苯、二甲苯和甲苯)。可以通過任何傳統方法應用顯影劑，包括噴霧、浸漬和聚集(pooling)。例如，可以通過在穩定基材上形成溶劑池，然後將基材離心乾燥來應用顯影劑。可以在室溫至100℃的溫度下使用顯影劑。使用特定溫度取决於，例如，溶劑的化學特性、溶劑的沸點、圖案形成所需的速率和光圖案化方法所需的解析度。
然後將圖案化膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長接近589nm的光具有大約1.45至大約1.60，或者大約1.30至大約1.70，或者大約1.45至大約1.55的折光率，只要至少一個聚矽氧芯的折光率高於基材的折光率。可以將圖案化的膜加熱一段足以得到聚矽氧中最大交聯密度而不會氧化或分解的時間。在大約50℃至大約300℃的溫度下將圖案化膜加熱大約1分鐘至大約300分鐘，或者在大約75℃至大約275℃溫度下加熱大約10分鐘至大約120分鐘，或者在大約200℃至大約250℃溫度下加熱大約20分鐘至大約60分鐘。可以使用常規裝置，例如電熱板或烘箱加熱圖案化的膜。聚矽氧芯通常具有大約1μm至大約100μm，或者大約5μm至大約50μm，或者大約8μm至大約20μm的厚度(高度)。
第1圖中示出了通過本發明的方法製備光學波導器組件的實施方式。光學波導器組件包括基材10和聚矽氧芯20，該聚矽氧芯20包括上述聚矽氧組合物並且覆蓋基材10的一部分。聚矽氧芯20在23℃下對波長589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率，並且聚矽氧芯20具有比基材10的折光率高的折光率。
製備光學波導組件的方法可以包括以下步驟：用第二聚矽氧組合物覆蓋基材和聚矽氧芯以形成第二膜；並且將第二膜固化以形成覆層，其中該覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。第二組合物可以為第二可固化聚合物組合物。在某些實施方式中，第二組合物可以為第二聚矽氧組合物。在某些實施方式中，第二組合物可以為本發明聚矽氧組合物的實施方式。
第二組合物可以為，例如，任何的聚矽氧組合物，該聚矽氧組合物可以在步驟(iv)中固化以形成覆層，該覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。沒有限制第二組合物的固化機制。可以通過例如縮合或加成反應來固化第二組合物。第二組合物的例子包括但不限於，可固化聚矽氧組合物(例如矽氫化-可固化聚矽氧組合物、縮合-可固化聚矽氧組合物和過氧化-可固化聚矽氧組合物)；可固化聚烯烴組合物(例如聚乙烯和聚丙烯組合物)；可固化聚醯胺組合物；可固化環氧樹脂組合物；可固化氨基樹脂組合物；可固化聚氨酯組合物；可固化聚醯亞胺組合物；可固化聚酯組合物和可固化丙烯酸系樹脂組合物。
可以使用任何傳統方法(例如旋塗、浸漬、噴霧、塗刷或網版印刷)將第二組合物應用於基材。通常可以通過在大約200rpm至大約5000rpm速度下旋塗大約5秒至60秒而應用第二組合物。可以調整可固化聚合物組合物的旋轉速度、旋轉時間和黏度以便第二聚矽氧膜具有所需的厚度。
在一個實施方式中，第二組合物可以為上述步驟(i)的聚矽氧組合物。在該實施方式中，可以選擇R1、R2、R3、R4、R5、R6、a、b、c和d中的至少一個使得在步驟(i)中被固化而形成聚矽氧芯的有機聚矽氧烷樹脂具有與被固化而形成覆層的第二聚矽氧組合物的化學結構不同的化學結構。
使用任何傳統方法(例如旋塗、浸漬、噴霧、塗刷或網版印刷)可以將第二組合物應用於覆蓋聚矽氧芯和基材。通常可以通過在200rpm至5000rpm速度下旋塗5秒至60秒而應用第二組合物。可以調整第二組合物的旋轉速度、旋轉時間和黏度以便覆層具有所需的厚度。
可以通過包括曝光於室溫或高溫、輻射和暴露於濕氧中的不同方法固化第二組合物，這取决於第二組合物的固化機理。
覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。聚矽氧芯和覆層之間的折光率的差異的大小取决於幾個因素，包括芯的厚度、傳播的光的波長和波傳播的模式(即單模或多模)。聚矽氧芯和覆層之間折光率的差異在大約0.0005至大約0.5，或者大約0.001至0.05，或者大約0.005至 0.02。例如，含有聚矽氧的波導(該聚矽氧芯具有12μm的厚度和1.5的折光率，其中波導能够支持在590nm波長下最先四個模式的傳播)，所具有的聚矽氧芯和基材之間折光率的差異大約為0.01。含有聚矽氧芯的波導(該聚矽氧芯具有7μm的厚度和1.5的折光率，其中波導僅能够支持在590nm波長下單模的傳播)，所具有的聚矽氧芯和基材之間折光率的差異大約為0.05。覆層通常具有5μm至200μm，或者15μm至50μm，或者20μm至35μm的厚度。
第2圖中示出了根據第一方法製備的光學波導組件的實施方式，包括形成和固化第二組合物形成覆層的步驟。光學波導組件包括基材10、聚矽氧芯20(該聚矽氧芯20包括上述聚矽氧組合物並且覆蓋基材10的一部分)、覆層30(該覆層30覆蓋聚矽氧芯20和未被聚矽氧芯20覆蓋的部分)。該聚矽氧芯20在23℃下對波長589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率，並且覆層30具有比聚矽氧芯20的折光率低的折光率。
在另一個實施方式中，製備具有或沒有上覆層的平面光學波導組件的方法可以包括步驟(ii)和步驟(iii)之間的附加步驟。在附加步驟中，加熱步驟(ii)中生產的部分曝光的膜。加熱可以進行一段足以使曝光於輻射中的區域(“曝光區域”)基本上不溶於步驟(iii)中使用的顯影劑的時間。但是即使在附加加熱步驟之後，在步驟(ii)中未曝光於輻射中的部分曝光膜的區域(“未曝光區域”)會溶於步驟(iii)中使用的顯影劑。術語“基本上不溶於”是指 通過溶解於顯影劑中並沒有將聚矽氧膜曝光區域移除至使基材的下表面暴露的程度。術語“可溶”是指通過溶解於顯影劑中，將聚矽氧膜未曝光區域移除至使基材的下表面暴露的程度。在大約50℃至大約250℃的溫度下能够將部分曝光的膜加熱大約0.1分鐘至大約10分鐘，或者在大約100℃至大約200℃溫度下加熱大約1分鐘至大約5分鐘，或者在大約135℃至大約165℃溫度下加熱大約2分鐘至大約4分鐘。可以使用傳統裝置(例如電熱板或烘箱)加熱部分已曝光的膜。在具體實施方式中，能够通過包括附加加熱步驟的方法製備例如第1圖和第2圖所描繪的實施方式的那些光學波導。
製備撓性平面光學波導組件的第二方法如下：(i)將第一組合物應用於基材的表面以形成第一膜；(ii)將第一聚矽氧膜固化以形成底覆層；(iii)將第二聚矽氧組合物應用於底覆層以形成第二膜；(iv)將第二膜的至少一處已選區域曝光在輻射中，該輻射具有大約150至大約800nm的波長，以生產部分曝光的膜，該部分曝光的膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域；(v)用顯影劑將部分已曝光之膜的未曝光區域移除以形成圖案化的膜；並且(vi)將圖案化的膜加熱足以形成至少一個芯的時間，該芯在大約23℃下對波長589nm的光具有大約1.45至大 約1.60的折光率；其中該底覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率；其中第一聚矽氧組合物和第二聚矽氧組合物中至少一種包括第一方法步驟(i)中所述的本發明的組合物。
第一組合物可以為第一可固化聚合物組合物。第二組合物可以為第二可固化聚合物組合物。在另一種製備撓性平面光學波導組件的方法中，第一組合物是第一聚矽氧組合物，並且第一膜相應地是第一聚矽氧膜。在另一個實施方式中，第二組合物是第二聚矽氧組合物，並且第二膜相應地是第二聚矽氧膜，並且芯相應地是聚矽氧芯。例如，製備撓性平面光學波導組件的第二方法可以包括：(i)將第一聚矽氧組合物應用於基材的表面以形成第一聚矽氧膜；(ii)將第一聚矽氧膜固化以形成底覆層；(iii)將第二聚矽氧組合物應用於底覆層以形成第二聚矽氧膜；(iv)將第二聚矽氧膜的至少一處已選區域曝光在輻射中，該輻射具有大約150至大約800nm的波長，以生產部分曝光的膜，該部分曝光的膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域；(v)用顯影劑將該部分曝光的膜的未曝光區域移除以形成圖案化的膜；並且(vi)將圖案化的膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長589nm的光具有大 約1.45至大約1.60的折光率；其中底覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率；其中第一聚矽氧組合物和第二聚矽氧組合物中至少一種包括第一方法步驟(i)中所述的本發明的組合物。
僅有第一組合物、僅有第二組合物，或者第一組合物和第二組合物都包括聚矽氧組合物，該聚矽氧組合物包括：(A)具有平均單元通式的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂
(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)
其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是獨立選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價環氧取代的有機基團的有機基團，0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，a+b+c+d=1，樹脂具有至少大約2000的數目平均分子量，至少大約15莫耳%的有機基團是C6至C10的單價芳香族烴基，並且大約2莫耳%至大約50莫耳%的矽氧烷單元具有環氧取代的有機基團；(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代的有機基團並且分子量不高於大約1500；(C)陽離子光敏引發劑；以及(D)有機溶劑。
基材可以為硬性或撓性的材料。基材的例子包括但幷不限於，半導體材料(例如矽)、具有二氧化矽表層的矽、和砷化鎵；石英；熔凝石英；氧化鋁；聚烯烴(例如聚乙烯 和聚丙烯)；碳氟聚合物(例如聚四氟乙烯和聚氟乙烯)；聚苯乙烯；聚醯胺(例如尼龍)；聚醯亞胺；聚酯和丙烯酸系聚合物(例如聚(甲基丙烯酸甲酯))；環氧樹脂；聚碳酸酯；聚碸；聚醚碸；陶瓷和玻璃。
各自獨立的第一和第二組合物可以為在步驟(ii)中固化以形成底覆層或者在步驟(vi)中固化形成芯的任何聚合物組合物，只要底覆層具有比聚合物芯的折光率低的折光率。
沒有限制組合物的固化機理。可以通過例如縮合或加成反應來固化組合物。可固化聚合物組合物的例子包括但不限於，可固化聚矽氧組合物(例如矽氫化-可固化聚矽氧組合物、縮合-可固化聚矽氧組合物和過氧化-可固化聚矽氧組合物)；可固化聚烯烴組合物(例如聚乙烯和聚丙烯組合物)；可固化聚烯烴組合物；可固化環氧樹脂組合物；可固化氨基樹脂組合物；可固化聚氨酯組合物；可固化聚醯亞胺組合物；可固化聚酯組合物和可固化丙烯酸系樹脂組合物。
在第一和第二組合物包括本發明的聚矽氧組合物的實施方式中，可以選擇R1、R2、R3、R4、R5、R6、a、b、c和d中的至少一個以使步驟(ii)中被固化成為底覆層的有機聚矽氧烷樹脂具有與被固化成為芯的有機聚矽氧烷樹脂的化學結構不同的化學結構。
使用傳統方法(例如旋塗、浸漬、噴霧、塗刷或網版印刷)可以將第一組合物應用於基材。通常可以通過在大約 200rpm至大約5000rpm速度下旋塗大約5秒至60秒而應用第一可固化聚合物組合物。可以調整第一可固化的聚合物組合物的旋轉速度、旋轉時間和黏度以便底覆層具有所需的厚度。當第一可固化的聚合物組合物包括溶劑時，該方法可以進一步包括將至少一部分溶劑從第一膜中移除。可以通過在大約50℃至大約150℃加熱大約1分鐘至大約5分鐘，或者在大約80℃至大約120℃加熱大約2分鐘至大約4分鐘移除溶劑。
在步驟(ii)中固化第一膜以形成底覆層。可以通過包括曝光於室溫或高溫、放射和暴露於濕氣中的不同方法固化第一聚合物膜，這取决於可固化聚合物組合物的固化機理。通常底覆層具有大約5μm至大約200μm，或者大約15μm至大約50μm，或者大約20μm至大約35μm的厚度。
使用任何傳統方法(例如旋塗、浸漬、噴霧、塗刷或網版印刷)可以將第二組合物應用於底覆層。通常可以通過在大約200rpm至大約5000rpm速度下旋塗大約5秒至60秒而應用第二組合物。可以調整第二組合物的旋轉速度、旋轉時間和黏度以便在步驟(vi)中生產的聚合物芯具有所需的厚度。通常第二膜具有大約1μm至大約100μm，或者大約5μm至大約50μm，或者大約8μm至大約20μm的厚度(高度)。
當第二組合物包括溶劑時，該方法可以進一步包括將至少一部分溶劑從第二聚合物膜中移除。通過在大約50℃至大約150℃加熱第二聚合物膜大約1分鐘至大約5分鐘， 或者在大約80℃至大約120℃加熱第二聚合物膜大約2分鐘至大約4分鐘可以移除溶劑。
芯具有比底覆層的折光率高的折光率。聚合物芯和底覆層之間的折光率的差異的大小如同上述根據第一方法生產的波導組件中的聚矽氧芯和覆層之間的折光率的差異。
第3圖中示出了通過第二方法製備光學波導組件的實施方式。光學波導組件包括基材10、底覆層20(該底覆層20包括覆蓋基材10表面的第一已固化的組合物)和芯30(該芯30包括第二已固化的組合物並且覆蓋底覆層20的一部分)。從包括上述聚矽氧組合物的可固化聚合物組合物得到底覆層20和聚合物芯30中的至少一種。芯30在大約23℃下對波長589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率，並且底覆層20具有比芯30的折光率低的折光率。
在某些實施方式中，製備平面光學波導組合物的第二方法可以包括以下進一步的步驟：用第三組合物覆蓋底覆層和聚合物芯以形成第三膜，並且將第三膜固化以形成上覆層，其中上覆層具有比芯的折光率低的折光率。第三組合物可以為第三可固化聚合物組合物。在某些實施方式中，第三組合物是第三聚矽氧組合物，並且相應地第三膜是第三聚矽氧膜。在某些實施方式中，第三組合物可以包含在形成光學波導組件的第一方法的步驟(i)中描述的聚矽氧組合物。
在包括底覆層、芯和上覆層的光學波導組件中，在一個較佳為的實施方式中，如果底覆層源自聚矽氧組合物， 上覆層也可源自聚矽氧組合物。當第一組合物和第三組合物都包括聚矽氧組合物時，第一和第三可固化聚合物組合物的基團R1、R2、R3、R4、R5、R6、a、b、c和d可以相同或不同。在一個實施方式中，第一組合物和第三可固化聚合物組合物都包括聚矽氧組合物，但是第二可固化組合物不包括聚矽氧組合物。在另一個實施方式中，只有第二組合物(固化以形成芯)包括聚矽氧組合物。
在另一個實施方式中，所有三種組合物都包括環氧官能化聚矽氧組合物。在組成聚矽氧組合物的有機聚矽氧烷樹脂中，可以選擇R1、R2、R3、R4、R5、R6、a、b、c和d中的至少一個以使第二聚矽氧組合物具有與第一聚矽氧組合物和第三聚矽氧組合物的化學結構不同的化學結構。第一和第三聚矽氧組合物中的基團R1、R2、R3、R4、R5、R6、a、b、c和d可以相同或不同，只要底覆層和上覆層具有都比聚合物芯的折光率低的折光率。
第4圖中示出了通過第二方法製備平面光學波導組件的實施方式，該實施方式包括以下步驟：用第三組合物覆蓋底覆層和聚合物芯以形成第三膜；並且將第三聚合物膜固化以形成上覆層，其中上覆層具有比芯的折光率低的的折光率。光學波導組件包括基材10、底覆層20(該底覆層20包括已固化的第一組合物並且該底覆層20覆蓋基材10的表面)、聚合物芯30(該聚合物芯30包括已固化的第二組合物並且該聚合物芯30覆蓋底覆層20的一部分)和上覆層40(該上覆層40包括已固化的第三組合物並且該上覆層 40覆蓋芯30和未被芯30覆蓋的底覆層20的部分)。聚合物芯30在23℃下對波長589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率。底覆層20和上覆層40各自具有比芯30的折光率低的折光率。僅有預處理狀態下的已固化的第二組合物(芯30)、僅有預處理狀態下的已固化的第一和第三組合物(分別為底覆層10和上覆層40)、或者所有預處理狀態下所有三種已固化的組合物(聚合物芯30和兩個覆層20、40)可以包括上述聚矽氧組合物。
根據製備光學波導組件的第一方法，製備具有或沒有上覆層的平面光學波導組件的第二方法可以包括步驟(iv)和步驟(v)之間的附加步驟。在附加步驟中，可以加熱步驟(iv)中所生產的部分已曝光的膜。加熱可以進行一段足以使曝光於輻射中的區域(“曝光區域”)基本上不溶於步驟(v)中使用的顯影劑的時間。但是甚至在附加的加熱步驟之後，未在步驟(iv)的輻射中曝光的區域(“未曝光區域”)會溶解在顯影劑中。通常在大約50℃至大約250℃的溫度下將該部分曝光的膜加熱大約0.1分鐘至大約10分鐘，或者在大約100℃至大約200℃溫度下加熱大約1分鐘至大約5分鐘，或者在大約135℃至大約165℃溫度下加熱大約2分鐘至大約4分鐘。可以使用傳統裝置(例如電熱板或烘箱)加熱該部分曝光的膜。在具體實施方式中，能够通過包括該附加加熱步驟的第二方法來製備如第3圖和第4圖所描繪的實施方式中的那些光學波導。
光學波導組件能够包括基材(該基材在23℃下對波長 大約589nm的光具有第一折射率)和至少一個聚合物芯(該聚合物芯置於基材的一部分上並且該聚合物芯包括第二已固化的聚合物組合物)，至少一個聚合物芯在23℃下對波長大約589nm的光具有大約1.45至1.60的第二折光率，只要第二折光率高於第一折光率)。
如上所述，在某些實施方式中，平面光學波導組件能包括鍍層。該鍍層可以包括底覆層、上覆層、或兩者。如果存在底覆層，該底覆層置於基材上且在至少一個聚合物芯下而且還包括已固化的第一組合物。另外，底覆層在23℃下對波長大約589nm的光具有第三折光率。第三折光率低於第二折光率。如果存在上覆層，該上覆層可以置於聚合物芯上。如果底覆層和上覆層都存在，上覆層可以置於聚合物芯和底覆層上。上覆層包括第三已固化的聚合物組合物，並且上覆層在23℃下對波長589nm的光具有第四折光率。第四折光率低於第二折光率。
本文中所述的方法可以成為可衡量的高產量的製造方法。該方法允許在單一基材上同時建造多重波導。此外，該方法應用傳統晶圓製造技術(例如塗覆、曝光、顯影、固化)和裝置。此外，該方法使用可曝光圖案化聚合物和聚矽氧組合物，因此省去了與非可曝光圖案化聚合物組合物的使用相結合的附加的方法步驟(例如應用光阻材料以及蝕刻)。最終，該方法具有高解析度，這意味著該方法將圖像從光罩傳輸至基材上的聚矽氧膜而很好地保留了臨界尺寸。
本文中公開的實施方式的光學波導組件可以用於製造光學積體電路組合物，例如衰减器、開關、分流器、路由器、濾波器和光栅。
實施例
本發明幷不限於本文中給出的實施例。採用13C NMR和29Si NMR測定法來確定實施例中所用的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂的結構。使用GPC基於聚苯乙烯標準品來計算環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂的數目平均分子量。通過29Si NMR測定矽醇和甲氧基含量。使用Tencor Alphastep 200確定膜厚度。另外，以下的平均矽氧烷單元通式中的Me、Ph、Vi和E3分別代表甲基、苯基、乙烯基和2-(3,4-環氧環己基)乙基。
實施例1
製備環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A1)。通過將苯基三氯矽烷(505g)和二甲基二氯矽烷(47g)的混合物在甲苯(50g)、2-丙醇(142g)和水(142g)的混合物中進行共水解和縮合，以製備含有矽醇的甲苯基聚矽氧烷樹脂溶液。溶液用碳酸氫鈉水溶液中和並且用水沖洗，然後在加熱下將水完全移除。將2-(3,4-環氧環己基)乙基三甲氧基矽烷(226g)和氫氧化鉀的50wt%水溶液(2g)加入到餘下溶液中，並且在加熱和攪拌下通過共沸脫水移除水、甲醇和甲苯。在本方法中，加入適量的甲苯以維持固體物質濃度在大約50wt%。在矽醇基團脫水縮合結束時，將溶液再回流幾個小時以完成平衡化反應。在冷却之後，通過用固體酸性吸附 劑中和反應系統且過濾掉吸附劑得到平均矽氧烷單元通式為[Me2SiO2/2]0.10PhSiO3/2]0.30[E3SiO3/2]0.25的含環氧的有機聚矽氧烷樹脂的甲苯溶液(固體物質含量：499g)。環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂的數目平均分子量為2500，苯基含量為59mol%且矽醇基團和甲氧基的總含量為0.8mol%。
實施例2
製備包含環氧樹脂的有機聚矽氧烷樹脂(A2)。除了使用苯基三氯矽烷(315g)、甲基三氯矽烷(191g)、二甲基二氯矽烷(55g)、和2-(3,4-環氧環己基)乙基三甲氧基矽烷(262g)作為初始原材料之外，通過以實施例1中相同方式進行反應而得到平均分子單元通式為[Me2SiO2/2]0.10[MeSiO3/2]0.30[PhSiO3/2]0.35[E3SiO3/2]0.25的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂的甲苯溶液(固體物質含量：490g)。環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂的數目平均分子量為3700，苯基含量為32mol%且矽醇基團和甲氧基的總含量為0.9 mol%。
實施例3
製備環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A3)。通過與實施例1相同的反應方法製備環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(平均單元通式：[Me2ViSiO1/2]0.10[Me2SiO2/2]0.05[PhSiO3/2]0.55[E3SiO3/2]0.30)的甲苯溶液(490g固體)，不同在於起始原材料由苯基三氯矽烷(423g)、二甲基二氯矽烷(23.5g)、三甲基氯矽烷(39.5g)和2-(3,4-環氧環己基)乙基三甲氧基矽烷(269g)組成。在所得的氧官能化有機聚矽氧烷樹脂中，數目平均分子量是1700，苯基含量為44莫耳%且矽醇基和 甲氧基的總含量為0.6莫耳%。
實施例4
製備環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A4)。通過與實施例1相同的反應方法製備環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(平均單元通式：[MeViSiO2/2]0.10[PhSiO3/2]0.65[E3SiO3/2]0.25)的甲苯溶液(499g固體)，不同在於起始原材料由苯基三氯矽烷(505g)、甲基乙烯基二氯矽烷(52g)和2-(3,4-環氧環己基)乙基三甲氧基矽烷(226g)組成。在所得的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂中，數目平均分子量是2600，苯基含量為59莫耳%且矽醇基和甲氧基的總含量為0.8莫耳%。
實施例5
製備環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(A5)。通過與實施例1相同的反應方法製備環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂(平均單元通式：[Me2SiO2/2]0.15[PhSiO3/2]0.50[E3SiO3/2]0.25[SiO4/2]0.10)的甲苯溶液(499g固體)，不同在於起始原材料由苯基三氯矽烷(424g)、二甲基二氯矽烷(77g)、四甲氧基矽烷(61g)和2-(3,4-環氧環己基)乙基三甲氧基矽烷(246g)組成。在所得的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂中，數目平均分子量是3900，苯基含量為48莫耳%且矽醇基和甲氧基的總含量為1.0莫耳%。
在實施例1至5中，在進一步處理樹脂之前可以在加熱、减壓或兩者共用下去除甲苯。
實施例6
製備具有以下組成的配方1至4：
OE4141溶液是30wt%的甲苯和70wt%具有平均單元通式為[Me2ViSiO2/2]0.1[PhSiO3/2]0.36[E3SiO3/2]0.54的樹脂。
UV9820是本領域技術人員所知的光致產酸劑，該UV9820是SbF6系的碘鎓光催化劑。
雙環氧樹脂具有以下結構：
OE4141溶液包括本文中所述的本發明的成分(A)。
通過使用500RPM/200(rpm/s)加速度而旋塗45秒，以使用每種配方在晶圓上製備膜。然後在110℃下將膜預焙3分鐘。在QuintelQ-7000 Mask Aligner上將該膜曝光於1.2J的紫外線中。然後在110℃下將膜加熱固化3分鐘。然後通過表面光度儀(Tencor Alphastep 500)測定膜厚度以給出初始厚度。然後將晶片在旋轉塗佈儀上，用三甲基苯靜態沖洗60秒，用三甲基苯和異丙醇在250rpm下漂洗10秒，緊接著在1500rpm下乾燥30秒以顯影。然後將晶 片在150℃下烘焙30分鐘，使其冷却至室溫，並且然後測定最終的厚度。
已經使用的術語和表述用作說明書的術語而並不作為限制，並且使用這些術語和表達也非旨在排除示出和所述的特徵或其部分特徵的任何均同形式，但是應該認識到各種修改也可能在所要求保護的發明的範圍內。因此，應該理解到雖然本發明已經通過較佳的實施方式和視需要的的特徵特別地公開，但是本文中公開的概念的修改和變化可以為本領域技術人員所得到，並且該修改和變化可以認為是在所附申請專利範圍限定的本發明的範疇內。
此外，在本申請文件所引用的所有公開物、專利和專利文件，如同單獨引入作為參考一樣，以其全部內容引入本文作為參考。在本申請文件和引入作為參考的文件之間的不一致用法中，引入的參考的用法應該考慮為對本申請文件的補充；對於不可調和的矛盾，以本申請文件中的用法為準。
附加施方式
本發明包括以下典型的實施方式：
實施方式1：一種聚矽氧組合物，其包括：(A)具有平均單元通式的環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂
(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)
其中R1、R2、R3、R4、R5、和R6是獨立選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價環氧取代的有機基團的有機基團，0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，a+b+c+d=1，樹脂具有至少大約2000的數目平均分子量，至少大約15莫耳%的有機基團是C6至C10的單價芳香族烴基，並且大約2莫耳%至大約50莫耳%的矽氧烷單元具有環氧取代的有機基團；(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代的有機基團並且分子量不高於大約1500；(C)陽離子光敏引發劑；和(D)有機溶劑。
實施方式2：如實施方式1中的聚矽氧組合物，其中環氧官能化有機矽氧烷寡聚物具有選自如下的通式R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8 (II)
和R9Si(OSiR7 2R8)3 (IV)
其中R7是C1-8烷基，R8是環氧取代的有機基團，R9是R7或-OSiR7 2R8，m是0或正整數並且n是3至10。
實施方式3：如實施方式1至2中任一者的聚矽氧組合物，其中環氧官能化有機矽氧烷寡聚物具有以下通式：R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8 (II)
其中m是0並且R8是3,4-環氧環己基乙基。
實施方式4：如實施方式1至3中任一者的聚矽氧組合物進一步包括光敏劑。
實施方式5：如實施方式1至4中任一者的聚矽氧組合物，其中組合物將被固化並且隨後用作為光學波導的光傳輸元件。
實施方式6：一種已固化的聚矽氧組合物，其包括經歷了固化方法的該實施方式1至5中任一者的聚矽氧組合物。
實施方式7：如實施方式6的已固化的聚矽氧組合物，其中使用輻射固化聚矽氧組合物。
實施方式8：如實施方式6至7中任一者之已固化的聚矽氧組合物，其中使用光固化聚矽氧組合物。
實施方式9：如實施方式6至8中任一者之已固化的聚矽氧組合物，其中使用紫外線固化聚矽氧組合物。
實施方式10：如實施方式6至9中任一者之已固化的聚矽氧組合物，其中使用加熱固化聚矽氧組合物。
實施方式11：如實施方式6至10中任一者之已固化的聚矽氧組合物，其中已固化的組合物是膜。
實施方式12：如實施方式6至11中任一者之已固化的聚矽氧組合物，其中已固化的組合物是撓性的。
實施方式13：如實施方式6至12中任一者之已固化的聚矽氧組合物，其中已固化的聚矽氧組合物是光傳輸的。
實施方式14：如實施方式6至13中任一者之已固化的聚矽氧組合物，其中已固化的聚矽氧組合物是光學波導的光傳輸組成分。
實施方式15：一種光學波導，包括如實施方式6至14中任一者之已固化的聚矽氧組合物。
實施方式16：一種製備撓性平面光學波導組件的方法，其包括以下步驟：(i)將聚矽氧組合物應用於基材表面以形成第一聚矽氧膜，其中聚矽氧組合物包括如實施方式1至5中任一者之聚矽氧組合物；(ii)將第一聚矽氧膜的至少一處已選區域曝光在輻射中，該輻射具有大約150至大約800nm的波長，以生產部分曝光的膜，該部分曝光的膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域；(iii)用顯影劑將該部分曝光的膜的未曝光區域移除以形成圖案化的膜；和(iv)將圖案化的膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長大約589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率，其中該基材具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。
實施方式17：如實施方式16的方法，其進一步包括曝光步驟(ii)之後且在移除步驟(iii)之前的：(ii-2)將該部分曝光的膜的加熱一段致使已曝光的區域在顯影劑中基本上不溶而未曝光的區域在顯影劑中可溶的時間。
實施方式18：如實施方式16至17種任一種方法，其進一步包括(v)用第二聚矽氧組合物覆蓋基材和聚矽氧芯以形成第二膜並且(vi)將第二膜固化以形成覆層，其中該覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率。
實施方式19：如實施方式18的方法，其中第二聚矽氧組合物包括實施方式1至5中任一者的聚矽氧組合物。
實施方式20：如根據實施方式16至19中任一者之方法所製備的撓性平面光學波導組件。
實施方式21：一種製備撓性平面光學波導組件的方法，其包括以下步驟：(i)將第一聚矽氧組合物應用於基材表面以形成第一聚矽氧膜；(ii)將第一聚矽氧膜固化以形成底覆層；(iii)將第二聚矽氧組合物應用於底覆層中以形成第二聚矽氧膜；(iv)將第二聚矽氧膜的至少一處已選區域曝光在輻射中，該輻射具有大約150至大約800nm的波長，以生產部分曝光的膜，該部分曝光的膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域； (v)用顯影劑將該部分曝光的膜的未曝光區域移除以形成圖案化的膜；和(vi)將圖案化的膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率；其中底覆層具有比聚矽氧芯的折光率低的折光率；其中第一聚矽氧組合物和第二聚矽氧組合物中的至少一種包括實施方式1至5中任一者聚矽氧組合物。
實施方式22：如實施方式21的方法，其進一步包括曝光步驟(iv)之後且移除步驟(v)之前的：(iv-2)將該部分曝光的膜的加熱一段致使已曝光的區域在顯影劑中基本上不溶而未曝光的區域在顯影劑中可溶的時間。
實施方式23：如實施方式21的方法，其進一步包括(vii)用第三組合物覆蓋底覆層和聚合物芯以形成第三膜和(viii)將第三膜固化以形成上覆層，其中上覆層具有比芯的折光率低的折光率。
實施方式24：如實施方式23的方法，其中第三聚矽氧組合物包括如實施方式1至5中任一者的聚矽氧組合物。
實施方式25：一種根據實施方式21至24中任一種方法所製備的撓性平面光學波導組件。
10‧‧‧材
20‧‧‧底覆層
30‧‧‧聚合物芯
40‧‧‧上覆層
在圖式中，不一定按照比例繪製，類似的元件符號用於描述幾個視圖中之基本上相同的元件。具有不同字母字 尾的類似的元件符號用於代表基本上相同元件的不同例子。通過舉例的方法，圖式廣泛地闡述了本申請文件中所討論的各種實施方式，但並不限於此。
第1圖闡述了根據本文中所述方法製備的本發明光學波導組件的一個實施方式的剖視圖。
第2圖闡述了根據本文中所述方法製備的本發明光學波導組件的一個實施方式的剖視圖。
第3圖闡述了根據本文中所述方法製備的本發明光學波導組件的一個實施方式的剖視圖。
第4圖闡述了根據本文中所述方法製備的本發明光學波導組件的一個實施方式的剖視圖。
10‧‧‧材
20‧‧‧底覆層
30‧‧‧聚合物芯
40‧‧‧上覆層

Claims (10)

  1. 一種聚矽氧組合物，其包含：(A)環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂，該環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂具有平均單元通式：(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是獨立選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價環氧取代的有機基團的有機基團，0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，a+b+c+d=1，該樹脂具有至少大約2000的數目平均分子量，至少大約15莫耳%的該有機基團是C6至C10單價芳香族烴基，並且大約2莫耳%至大約50莫耳%的該矽氧烷單元具有環氧取代的有機基團；(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代的有機基團並且分子量不高於大約1500；(C)陽離子光敏引發劑；和(D)視需要地，有機溶劑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的聚矽氧組合物，其中該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物具有選自如下的通式R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8 (II) 和R9Si(OSiR7 2R8)3 (IV)其中R7是C1-8烷基，R8是環氧取代的有機基團，R9是R7或-OSiR7 2R8，m是0或正整數並且n是3至10。
  3. 如申請專利範圍第1至2項中任一項所述的聚矽氧組合物，其中該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物具有通式：R8R7 2SiO(R7 2SiO)mSiR7 2R8 (II)其中m是0並且R8是3,4-環氧環己基乙基。
  4. 一種已固化的聚矽氧組合物，其包含經歷了固化方法的申請專利範圍第1至3項中任一項所述的聚矽氧組合物。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的已固化的聚矽氧組合物，其中該已固化的聚矽氧組合物是光學波導的光傳輸元件。
  6. 一種製備撓性平面光學波導組件的方法，其包括以下步驟：(i)將第一聚矽氧組合物應用至基材表面以形成第一聚矽氧膜，該第一聚矽氧組合物包括：(A)環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂，該環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂具有平均單元通式(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I) 其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是獨立選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價環氧取代的有機基團的有機基團，0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，a+b+c+d=1，該樹脂具有至少大約2000的數目平均分子量，至少大約15莫耳%的該有機基團是C6至C10單價芳香族烴基，並且大約2莫耳%至大約50莫耳%的該矽氧烷單元具有環氧取代的有機基團，(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化有機矽氧烷寡聚物每個分子平均具有至少兩個環氧取代的有機基團並且分子量不高於大約1500，(C)陽離子光敏引發劑，和(D)視需要地，有機溶劑；並且(ii)將該第一聚矽氧膜的至少一處已選區域曝光在輻射中，該輻射具有大約150至大約800nm的波長，以生產部分曝光的膜，該部分曝光的膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域；(iii)用顯影劑將該部分曝光的膜的該未曝光區域移除以形成圖案化的膜；(iv)將圖案化的膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃對波長大約589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率，其中該基材 具有比該聚矽氧芯的折光率低的折光率；(v)視需要地用第二聚矽氧組合物將該基材和該聚矽氧芯覆蓋，以形成第二聚矽氧膜；並且(vi)視需要地將該第二聚矽氧膜固化以形成覆層，其中該覆層具有比該聚矽氧芯的折光率更低的折光率。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其在曝光步驟(ii)之後且在移除步驟(iii)之前，進一步包含：(ii-2)將該部分曝光的膜加熱一段致使該已曝光區域在顯影劑中基本上不溶而未曝光區域在顯影劑中可溶的時間。
  8. 一種製備撓性平面光學波導組件的方法，其包括以下步驟：(i)將第一聚矽氧組合物應用至基材的表面以形成第一聚矽氧膜；(ii)將該第一聚矽氧膜固化以形成底覆層；(iii)將第二聚矽氧組合物應用至該底覆層以形成第二聚矽氧膜；(iv)將該第二聚矽氧膜的至少一處已選區域曝光在輻射中，該輻射具有大約150至大約800nm的波長，以生產部分曝光的膜，該部分曝光的膜具有至少一處已曝光區域和至少一處未曝光區域；(v)用顯影劑將該部分曝光的膜的未曝光區域移除以形成圖案化的膜； (vi)將圖案化的膜加熱足以形成至少一個聚矽氧芯的時間，該聚矽氧芯在大約23℃下對波長589nm的光具有大約1.45至大約1.60的折光率；其中該底覆層具有比該聚矽氧芯的折光率低的折光率；(vii)視需要地用第三聚矽氧組合物將該底覆層和該聚矽氧芯覆蓋，以形成第三聚矽氧膜；並且(viii)視需要地將該第三聚矽氧膜固化以形成上覆層，其中該上覆層具有比該聚矽氧芯的折光率低的折光率；其中該第一聚矽氧組合物和該第二聚矽氧組合物中的至少一種包含，以及該第三聚矽氧組合物視需要地包含：(A)環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂，該環氧官能化有機聚矽氧烷樹脂具有平均單元通式：(R1R2R3SiO1/2)a(R4R5SiO2/2)b(R6SiO3/2)c(SiO4/2)d (I)其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是獨立地選自C1-6單價脂肪族烴基、C6-10單價芳香族烴基和單價環氧取代的有機基團的有機基團，0a<0.4，0<b<0.5，0<c<1，0d<0.4，0.1b/c0.3，a+b+c+d=1，該樹脂具有至少大約2000的數目平均分子量，至少大約15莫耳%的該有機基團是C6至C10單價芳香族烴基，並且大約2莫耳%至大約50莫耳%的該矽氧烷單元具有環氧取代的有機基團，(B)環氧官能化有機矽氧烷寡聚物，該環氧官能化 有機矽氧烷寡聚物每個分子具有至少兩個環氧取代的有機基團並且分子量不高於大約1500，(C)陽離子光敏引發劑，以及(D)視需要地，有機溶劑。
  9. 如申請專利範圍第6至8項中任一項所述的方法，其中係進行了該視需要的覆蓋和固化步驟。
  10. 一種如申請專利範圍第6至9項中任一項所述的方法所製備的撓性平面光學波導組件。
TW101118293A 2011-05-25 2012-05-23 在溶劑顯影期間增強膜保留和黏附之含有環氧官能化矽氧烷寡聚物的環氧官能化的可輻射固化組合物 TW201319170A (zh)

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