JP2004029422A

JP2004029422A - 平滑なコア端面を有するポリマー光導波路及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004029422A
Application number: JP2002186174A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Kuroda; 黒田　敏裕; Shigeyuki Yagi; 八木　成行
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】平滑なコア端面を有する光導波路及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】コア端面を有するポリマー光導波路において、該コア端面の表面粗さＲａが０．０１〜０．０６μｍであることを特徴とするポリマー光導波路、及びポリマー光導波路のコアの中間位置にダイシングにより切り込みを形成することを特徴とする上記ポリマー光導波路の製造方法。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリマー光導波路及びその製造方法に関し、特に、平滑なコア端面を有するポリマー光導波路及びその製造方法に関する。
【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や、樹脂が知られている。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、装置及び工程が簡単であるという利点がある。光導波路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。
【０００４】
樹脂製の光導波路デバイスは、一般的には、基板上に、光ファイバ搭載用のＶ溝を設け、さらに樹脂製の下部クラッド、コア（光導波路）及び上部クラッドを含む光導波路積層体を積層することにより製造される。さらに、図２に示すように、光導波路積層体上に搭載される光学素子との間で光の入出射を可能とするため、基板表面に対してある一定の角度を持ち、コアを切断する切り込みがダイシング技術等を用いて形成される。この切り込みとコアとの２つの境界面のうち、基板表面と鋭角をなす境界面が反射面とされ、この反射面が光を反射することによってコアと光導波路積層体上に搭載される光学素子との間で光の入出射が可能とされる。
【０００５】
このような樹脂製の光導波路は、例えば、基板として直径約１２．７ｃｍのシリコンウエハを用意し、この基板の上に光導波路を縦横に多数配列して形成し、次いで、基板裏面にダイシングテープを貼付し、ブレードによりダイシングして、個々の光導波路に分離する。これにより、多数の光導波路を量産することができる。
このように生産される光導波路のコア端面は、光の端面反射減衰量を低下しないように鏡面仕上げ加工される。この鏡面加工には、ベルト研磨、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等が利用されている。しかし、ベルト研磨は、端面がコアの中間位置に配置されている場合には利用できない。また、ＲＩＥでは、端面の表面粗さＲａが０．１μｍ程度の粗いものしか得られないという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、平滑なコア端面を有するポリマー光導波路を提供することである。
本発明の他の目的は、平滑なコア端面を有するポリマー光導波路の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コア端面を有するポリマー光導波路において、該コア端面の表面粗さＲａが０．０１〜０．０６μｍであることを特徴とするポリマー光導波路を提供するものである。
本発明において好ましくは、端面がコアの中間位置に配置されている。
端面の表面粗さＲａは好ましくは０．０１〜０．０２μｍである。
本発明はさらに、ポリマー光導波路のコアにダイシングにより切り込みを形成することを特徴とする上記ポリマー光導波路の製造方法を提供するものである。本発明においてダイシングは、メタルレジン系砥粒又はダイヤモンド砥粒を用いたブレードにより行うことが好ましい。
この明細書において表面粗さＲａとは、本発明
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の平滑なコア端面を有するポリマー光導波路は、例えば、以下の方法により製造することができる。しかし、本発明はこれらの実施態様に限定されるものではない。
以下、本発明のポリマー光導波路１００の構成を図１及び図２を用いて説明する。
本発明のポリマー光導波路に使用される基板としては種々のものが挙げられるが、最も代表的なものは、シリコン基板である。
基板１の上面には、基板１を保護し、屈折率を調整するための二酸化珪素層２が備えられ、光導波路積層体１０は、二酸化珪素層２の上に形成されている。光導波路積層体１０は、二酸化珪素層２の上に、順に積層された、有機ジルコニウム化合物層（図示されていない）と、フッ素を含まない樹脂層（図示されていない）と、下部クラッド３と、コア４と、コア４を埋め込む上部クラッド５と、保護層（図示されていない）とを含んでいる。下部クラッド３、コア４及び上部クラッド５は、いずれもフッ素を含むポリイミド樹脂により形成されている。なお、有機ジルコニウム化合物層及びフッ素を含まない樹脂層は、基板１と下部クラッド３との接着性を高めるために配置されている。
【０００９】
下部クラッド３及び上部クラッド５は、いずれも、第１のポリイミド樹脂膜からなる。下部クラッド３の膜厚は、約６μｍ、上部クラッド５の膜厚は、コア４の直上で約１０μｍ、他の部分で約１５μｍである。コア４は、第２のポリイミド樹脂膜からなり、その膜厚は約６．５μｍである。保護層は、第３のポリイミド樹脂膜であり、その膜厚は、コア４から離れた端部で約５μｍである。
【００１０】
光導波路積層体１０には、図１及び２に示すようにコア４を横切って切り込み２７が形成されている。
この切り込み２７は、基板１の法線方向に対して、好ましくは５°〜５０°の範囲の所望の角度αで傾斜している。この実施態様ではαは３０°としてある。切り込み２７がコア４を横切る面、すなわち切り込み２７の切断面はコア４の伝搬光が散乱するのを防ぐために光学的に滑らかな面に形成する必要がある。
本発明は、この切り込みの形成をダイシングにより行うことを特徴とするものである。
【００１１】
この切り込み２７には、コア４を伝搬する光の一部を上向きに反射させる反射フィルム等所望の光学素子を挿入することができる。例えば、反射フィルムとして、波長を選択して一部波長の光を反射し、残りを透過するダイクロイックミラーフィルムや、特定の偏光を反射し、残りを透過する偏光ミラーフィルム等のフィルム状光学素子を挿入することができる。なお、切り込み２７の間隙の幅ｔは、挿入する光学素子の厚さに対して広過ぎると光のロスが生じるため、挿入する光学素子の厚さに合わせた大きさにすることが望ましい。一般にに切り込みの幅ｔは１５〜５０μｍにすることが望ましい。
光導波路積層体１０の上面には電極１０７が配置されている。電極１０７は、例えば、切り込み２７とコア４との境界面又は切り込み２７に挿入された反射部材により、上方に向けて反射された光を受光する受光素子を搭載するために使用できる。
【００１２】
基板１上の領域２０に配置されたＶ溝２１は、光ファイバを搭載するためのものである。Ｖ溝２１は、予め定められた径の光ファイバを搭載した場合、コア４とアライメン卜した状態となるよう、その深さ及び幅が設計されている。従って、例えば、電極７上に発光素子を搭載した場合には、発光素子から発せられた光は、コア４に入射して、これを伝搬し、コア４から出射され、Ｖ溝２１に搭載された光ファイバに高効率で入射する。また、電極１０７上に受光素子を搭載した場合には、光ファイバを伝搬してきた光が、光ファイバから出射されると高効率でコア４に入射して、これを伝搬し、切り込み２７とコア４との境界面又は切り込み２７に挿入された反射部材により、上方に向けて反射され、受光素子で受光される。
【００１３】
Ｖ溝２１は、シリコン単結晶の基板１を異方性エッチングすることにより形成された深さ約１００μｍの溝であり、断面はＶ字型である。Ｖ溝２１が配置された領域２０と光導波路積層体１０との境界には、図１及び図２に示すように光導波路積層体１０の端面を切断する際に形成された切り込み２５が存在している。同様に、電極７の領域３０と光導波路積層体１０との境界にも切り込み２６が存在している。
【００１４】
実施例
次に、本発明のポリマー光導波路の製造方法をさらに具体的に説明する。
基板上に光ファイバ搭載用のＶ溝を形成する工程
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１の構造を縦横に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、個々のポリマー光導波路１００に分離する。これにより、多数の図１のポリマー光導波路１００を量産することができる。よって、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。
まず、ウエハ状の基板１の上面全体に、二酸化珪素層を熱酸化法や気相堆積法等により形成した後、フォトリソグラフィとシリコン単結晶の異方性を利用したウエットエッチングにより、Ｖ溝２１を配列して形成する。
【００１５】
このウエハ状の基板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の電極７を形成する。これにより、ウエハ状の基板１には、Ｖ溝２１と電極７とが多数配列されて形成される。
次に、ウエハ状の基板１の全体に有機ジルコニウム化合物層を形成する。この有機ジルコニウム化合物層の上に、フッ素を含まない樹脂層形成用組成物をスピンコートで塗布し、得られた塗膜を加熱して溶媒を蒸発させ、さらに加熱して硬化させることにより、フッ素を含まない樹脂層を形成する。フッ素を含まない樹脂層の厚さは、０．２３μｍとなるようにスピンコートの条件を制御する。
次に、ウエハ状の基板１の上面のうち、完成後のポリマー光導波路で光導波路積層体１０が配置されていない領域２０、３０となる部分について、フッ素を含まない樹脂層と、有機ジルコニウム化合物層を除去する。ウエハ状の基板１にはポリマー光導波路を縦横に配列して製造しているため、ウエハ状の基板１の上面のうち、領域２０及び領域３０は、光導波路積層体１０の両脇の帯状の部分である。この帯状の部分からフッ素を含まない樹脂層と有機ジルコニウム化合物層とを除去しておくことにより、下部クラッド３がこの帯状部分では基板１から剥がれやすくなるため、後述の工程で、基板１の領域２０、３０の部分から光導波路積層体１０を帯状に剥がして除去することが可能になる。
【００１６】
基板１上の領域２０、３０からフッ素を含まない樹脂層と有機ジルコニウム化合物層とを除去する方法について、具体的に説明する。
まず、ウエハ状の基板１の全面にレジスト液をスピンコートし、１００℃で乾燥することによりレジスト膜を形成する。この後、水銀ランプでフォトマスクの像を露光する。フォトマスクは、光導波路積層体１０を形成すべき部分にのみレジスト膜が残るように形成されている。その後、レジスト膜を現像する。これによりレジスト膜のみならず、フッ素を含まない樹脂層もウエットエッチングされ、両者をほぼ除去することができる。
この後、フッ酸を用いたウエットエッチングまたは反応性イオンエッチングにより、有機ジルコニウム化合物層を除去する。有機ジルコニウム化合物層は、膜厚が非常に薄いため、Ｖ溝２１の内部の層もウエットエッチングまたは反応性イオンエッチングにより除去することができる。　最後に、　レジスト膜を除去する。
【００１７】
基板上に下部クラッド３を形成する工程
次に、ウエハ状の基板１の上面全体に前述の第１のポリイミド樹脂膜形成用組成物（すなわち、下部クラッド３形成用組成物）をスピンコートして材料溶液膜を形成する。これを加熱硬化させ、厚さ６μｍの下部クラッド３を形成する。
【００１８】
下部クラッド３上にコア４を形成する工程
この下部クラッド３の上に、コア用の前述の第２のポリイミド樹脂膜形成用組成物をスピンコートして材料溶液膜を形成する。これを加熱硬化させ、コア４となる厚さ６．５μｍの第２のポリイミド樹脂膜を形成する。
【００１９】
次に、第２のポリイミド樹脂膜（即ち、コア４となる層）上に、シリコン含有レジスト層（通常は膜厚約１μｍ程度）を設け、該レジスト層を所望のコア４のパターンを有するフォトマスクを介して露光、現像してレジストパターンを形成する。
該レジストパターンをエッチングマスクとして、コア４となる樹脂層をエッチングして、所望のコア４を形成する。エッチングは、レジストパターンをエッチングマスクとして、酸素イオンを用いた反応性イオンエッチング（Ｏ_２−ＲＩＥ）により行う。これにより、基板１上に多数のポリマー光導波路を配列して一度に形成することができる。
【００２０】
上部クラッド５及び保護層を形成する工程
次に、コア４及び下部クラッド３を覆うように、第１のポリイミド樹脂膜形成用組成物をスピンコートする。得られた材料溶液膜を、加熱硬化させ第１のポリイミド樹脂膜の上部クラツド５を形成する。さらに、上部クラッド５の上面に、フッ素を含まないポリイミド樹脂膜形成用組成物をスピンコートし、加熱硬化させて、上面がほぼ平坦でコア４から離れた端部の部分の厚さが約５μｍのフッ素を含まないポリイミド樹脂膜の保護層を得る。
【００２１】
次に、下部クラッド３から保護層までの各層は、これらが不要な領域２０及び３０にも配置されているため、これを剥がして除去する。すなわち、領域２０と光導波路積層体１０との境界、及び、光導波路積層体１０と領域３０との境界にそれぞれダイシングブレード（砥粒を表面に付着させたディスク形状の研削工具）を用いたダイシングにより切り込み２５、２６を入れ、下部クラッド３から保護層９までの各層を切断する。このとき、ダイシングによる切り込みの深さは、光導波路積層体１０は切断されるが、基板１は切り離されない深さにする。先の工程で、領域２０及び領域３０の基板１の上面からは、有機ジルコニウム化合物層とフッ素を含まない樹脂層が除去されているため、領域２０及び領域３０では下部クラッド３と基板１との密着力は小さい。したがって、領域２０及び領域３０の上に搭載されている下部クラッド３から保護層間での各層は、切り込み２５、２６を入れたことにより、ウエハ状の基板１から帯状に容易に剥がすことができる。これにより、ウエハ状の基板１において、領域２０及び領域３０では基板上面（二酸化珪素層）が露出される。
【００２２】
切り込み２５、２６を形成するためのダイシングは、複数回に分けて行うことが望ましい。ダイシングの回数を多くすると表面粗さＲａの小さい平滑な切断面が得られ、端部の欠けの発生も少なくなるが、回数に比例して加工時間が長くなるので、通常は２回に分けることが望ましい。例えば、１回目のダイシングで樹脂層（約３０μｍ厚）を切断し、２回目のダイシングで基板層（約１００μｍ厚）まで切り込みを入れる。
他のダイシング条件は通常の方法と同じであり、ダイシングの際には、ブレードクーラー水を１．０〜２．０Ｌ／分、シャワー水を０．５〜２．０Ｌ／分程度供給する。ブレードの刃厚は５０〜２００μｍ程度、加工速度は１〜１０ｍｍ／秒程度、さらに好ましくは１〜５ｍｍ／秒程度、ブレード回転数は、直径５３ｍｍのブレードの場合２００００〜３００００ｒｐｍ程度が適当である。
【００２３】
切り込み２７を形成する工程
次に、ウエハ状の基板１のまま、光導波路積層体１０にダイシングブレードを斜め方向（基板１の法線方向に対して３０°）に切り込み、切り込み２７を形成する。
切り込み２７の形成に使用するダイシングブレードの粗さは、レジン砥粒を用いたブレードではＪＩＳ規格相当品で１０００番以上３０００番以下、好ましくは１５００〜１７００番が望ましく、ダイヤモンド砥粒を用いたブレードではＪＩＳ規格相当品で３０００番以上７０００番以下、好ましくは３０００番以上４５００番以下が望ましい。ブレードの粗さが粗過ぎると切り込み２７の切削面、すなわちコアの端面が粗い面となり、コア４の伝搬光を散乱する。一方、ブレードの粗さが細か過ぎると、ダイシングブレードが目詰まりし易く、光導波路積層体１０が基板１から剥がれるおそれがある。
【００２４】
ダイシングブレードの外径は５１ｍｍ、厚さは２０μｍであり、回転数は２００００〜３００００ｒｐｍが適当である。ダイシングブレードの送り速度は１ｍｍ／ｓ〜５ｍｍ／ｓが望ましい。この範囲の送り速度は、半導体素子製造時のダイシングブレードの送り速度の約１／１０である。このようにゆっくりした送り速度でダイシングブレードを、ポリイミド樹脂製の光導波路積層体１０に切り込むことにより、切削面、すなわち、端面を研磨面と同程度に光学的に滑らかな面に形成することができる。また形成された切り込み２７の形状は、先端部（底部）から開口部まで間隙の幅ｔが２３μｍで一定であり、高精度に形成されていた。また、切削面が光学的に滑らかであるため、仕上げのための研磨等は不要である。
【００２５】
各種のブレードを用いて、回転数２００００ｒｐｍ、送り速度２．０ｍｍ／ｓでダイシングし、コアの中間位置に切り込み２７を入れた際に得られた端面（１０サンプル）の表面粗さＲａの最大値及び最小値を表１に示す。
なお、切り込み２５、２６により形成された光導波路積層体のコア端面の表面粗さＲａは０．０２μｍであった。
比較例１〜４
実施例１において、切り込み２５を基板１の底部まで入れて領域２０を切断除去したものの切り込み２５切断面を、セリウム系、ジルコニア系又はダイヤモンド系砥粒を用い、ベルト研磨した。この際に得られた端面（１０サンプル）の表面粗さＲａ（μｍ）の最大値及び最小値を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
上記結果は、ダイシングにより、ベルト研磨による仕上げと同等ないしそれ以上の平滑性を有する端面を形成できることを示している。
なお、この明細書において「表面粗さＲａ」は、ＪＩＳ−Ｂ０６０１−１９９４に準拠して測定されたものであり、具体的条件は以下の通りである。
測定装置：
ミツトヨ製サーフテストＳＶ−４０２
測定条件：
１）カットオフ値：０．２５ｍｍ
２）評価長さ：１．２５ｍｍ
試験片作成及び測定方法：
１）２回目のダイシングで基板の底部まで切り込みを入れて切断。
２）金属顕微鏡上に、上記試験片と測定装置（ポータブルタイプ）を置き、コアの切断面（ポリマー断面）に測定プローブをあわせて測定。
【００２８】
ポリマー光導波路１００を形成する工程
次に、ウエハ状の基板１をダイシングにより切断することにより、短冊状に切り出し、この短冊状の基板１をダイシングにより、個々のポリマー光導波路１００に切り出し、ポリマー光導波路１００を完成させる。なお、基板１を切断するダイシング工程の手順は、この手順に限られるものではなく、縦横にメッシュ状にダイシングしてポリマー光導波路１００を形成することも可能である。
この実施態様の光導波路積層体のコア４は直線形状であるが、光導波路積層体１０のコア４の形状は、ポリマー光導波路として必要とされる機能に合わせて直線形状に限らずｙ分岐やｘ型等の所望の形状にすることができる。また、コアの形状に合わせて、Ｖ溝２１や、電極７、電極１０７を複数個備える構成にすることも可能である。
【００２９】
また、こうして製造されるポリマー光導波路１００は、下部クラッド３から上部クラッド５まで全ての層をポリイミド樹脂で形成しているため、Ｔｇが高く、耐熱性に優れている。よって、本実施の形態のポリマー光導波路１００は、高温になっても伝搬特性を維持できる。また、ポリイミド樹脂は、半田付け等の高温工程にも耐えることができるため、ポリマー光導波路の上にさらに別のポリマー光導波路や電気回路素子や発光素子を半田付けすることも可能である。
【００３０】
本発明のポリマー光導波路１００を用いて、光通信装置を製造することにより、光ファイバとコア４とのアライメントが容易で、結合効率の高い高性能な光通信装置を安価に製造することができる。
なお、本発明においてポリマー光導波路とは、基板として、ガラス、石英等の無機材料、シリコン、ガリウムヒ素、アルミニウム、チタン等の半導体や、金属材料、ポリイミド、ポリアミド等の高分子材料、またはこれらの材料を複合化した材料を用いて、これら基板の上に、光導波路を設けたもの、及びさらに、光合波器、光分波路、光減衰器、光回折器、光増幅器、光干渉器、光フィルタ、光スイッチ、波長変換器、発光素子、受光素子あるいはこれらが複合化されたものなどを形成したものを指す。上記の基板上には、発光ダイオード、フォトダイオード等の半導体装置や金属膜を形成することもあり、更に基板の保護や屈折率調整などのために、基板上に、上述のとおり二酸化珪素被膜を形成したり、あるいは、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化タンタルなどの被膜を形成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のポリマー光導波路は、端面の表面粗さが小さく伝搬光の反射減衰が少ない。このため、本発明のポリマー光導波路は、切り込みにミラーを設置した光スイッチ部品や、分光フィルタを配置した分光部品を、端面の表面粗さによる反射減衰のない光デバイスとして提供することができる。
また、本発明方法によれば、鏡面研磨加工した際に得られるような表面粗さの平滑端面を有する切り込みをコアの中間位置にも形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の模式化したポリマー光導波路１００を示す斜視図である。
【図２】図１のポリマー光導波路のＡ−Ａ´断面図である。
【符号の説明】
１：シリコン基板、２：二酸化珪素層、３：下部クラッド、４：コア、５：上部クラッド、７及び１０７：電極、１０：光導波路積層体、２０：光ファイバ搭載領域、２１：Ｖ溝、２５〜２７：切り込み、３０：電極搭載領域

Claims

コア端面を有するポリマー光導波路において、該コア端面の表面粗さＲａが０．０１〜０．０６μｍであることを特徴とするポリマー光導波路。
端面がコアの中間位置に配置されている請求項１記載のポリマー光導波路。
端面の表面粗さＲａが０．０１〜０．０２μｍである請求項２記載のポリマー光導波路。
ポリマー光導波路のコアにダイシングにより切り込みを形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のポリマー光導波路の製造方法。
コアの中間位置に切り込みを形成することを特徴とする請求項４記載のポリマー光導波路の製造方法。
ダイシングを、メタルレジン系砥粒又はダイヤモンド砥粒を用いたブレードにより行う請求項４又は５記載の方法。