CN100575995C - 生产光波导的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产光波导的方法，其包括在基材表面上形成下覆层；在该下覆层上形成光敏树脂组合物层；用紫外线通过具有给定图案的光掩膜辐照该光敏树脂组合物层的表面以进行曝光；在曝光之后，通过用显影液溶解该光敏树脂组合物层的未曝光区域而除去该层的未曝光区域，从而形成芯层；以及在该芯层上形成上覆层，其中所述的显影液是浓度为10-99重量%的γ-丁内酯水溶液。根据该方法，可以得到其中芯层本身以及所述芯层与所述下覆层之间的界面均不裂缝且具有小的光损失的光波导。

Description

生产光波导的方法

技术领域

本发明涉及生产广泛用于光通信、光信息处理和其他一般光学领域中的光波导的方法。

背景技术

光波导可用于光波导装置、集成光路和光缆板中且广泛用于光通信、光信息处理和其他一般光学领域中。近年来，使用光敏树脂如可紫外固化树脂生产这种光波导的技术正逐渐被应用。其实例包括如下方法，其包括：在基材上形成下部覆层(下覆层)，之后在该覆层上形成光敏树脂层，用光辐照该树脂层使其曝光，随后用显影液使该树脂层显影以除去未曝光区域从而形成具有给定图案的芯层，然后在该芯层上形成上部覆层(上覆层)，从而生产出光波导。在生产光波导的这些步骤中，用于使光敏树脂层显影并除去该层的未曝光区域的显影液例如为丙酮(参见专利文献1)。

专利文献1：JP-A-2000-356720

发明内容

然而，在芯层形成中使用丙酮作为显影液的问题在于：由于丙酮的作用，所述芯层本身或所述芯层与所述下部覆层(下覆层)之间的界面产生裂缝，从而损害了光波导的功能。

在如此情况下实现了本发明。本发明的目的是提供生产光波导的方法，该方法能够获得其中芯层本身以及所述芯层与所述下覆层之间的界面均不裂缝且具有小的光损失的光波导。

附图说明

图1是说明本发明的光波导生产方法的一个实施方案中的步骤的横截面视图。

图2是说明本发明的光波导生产方法的该实施方案中的另一步骤的横截面视图。

图3是说明本发明的光波导生产方法的该实施方案中的又一步骤的横截面视图。

图4是说明本发明的光波导生产方法的该实施方案中的再一步骤的横截面视图。

图5是说明通过本发明的光波导生产方法的该实施方案获得的光波导的结构的横截面视图。

参考标记的说明

1基材

2下覆层

3芯层

4上覆层

5树脂层

6掩膜

具体实施方式

也就是说，本发明涉及如下内容。

(1)生产光波导的方法，其包括：

在基材表面上形成下覆层；

在该下覆层上形成光敏树脂组合物层；

用紫外线通过具有给定图案的光掩膜辐照该光敏树脂组合物层的表面以进行曝光；

在曝光之后，通过用显影液溶解所述光敏树脂组合物层的未曝光区域而除去该层的未曝光区域，从而形成芯层；以及

在该芯层上形成上覆层，

其中所述的显影液是浓度为10-99重量％的γ-丁内酯水溶液。

(2)根据(1)的生产光波导的方法，其中所述的γ-丁内酯水溶液的浓度为75-85重量％。

(3)根据(1)的生产光波导的方法，其中所述的下覆层包含热固性树脂或热塑性树脂。

(4)根据(1)的生产光波导的方法，其中所述的下覆层包含环氧树脂组合物。

(5)根据(1)的生产光波导的方法，其中所述的光敏树脂组合物层包含可光固化环氧树脂组合物。

(6)根据(1)的生产光波导的方法，其中所述的上覆层包含热固性树脂或热塑性树脂。

(7)根据(1)的生产光波导的方法，其中所述的上覆层包含环氧树脂组合物。

本发明的发明人研究了在所述芯层中或在所述芯层与所述下覆层之间的界面上出现裂缝的原因，以抑制芯层部分形成裂缝，从而获得令人满意的在光损失方面减小的光波导。在研究过程中，已经发现导致裂缝的一个原因与用于形成成为芯层的图案的显影液有关。基于这个发现，本发明的发明人进行了深入地研究以获得不会导致在所述芯层中或在所述芯层与所述下覆层之间的界面上出现裂缝并且能够形成令人满意的芯层图案的显影液。因此，本发明的发明人想到将迄今为止从未使用过的γ-丁内酯作为显影液用于形成芯层。本发明的发明人进行了进一步研究，并且因此发现，当使用具有特定浓度的γ-丁内酯水溶液时实现了该目的。由此实现了本发明。

也就是说，本发明的方法包括：在于基材表面上形成的下覆层上形成光敏树脂组合物层，用紫外线通过具有给定图案的光掩膜辐照该光敏树脂组合物层的表面以进行曝光，在曝光之后，通过用显影液溶解该光敏树脂组合物层的未曝光区域而除去该区域，从而形成芯层，然后在该芯层上形成上覆层，从而生产出光波导。使用具有特定浓度的γ-丁内酯水溶液作为显影液。因此，在芯层图案的形成中，芯层没有裂缝，而且可以形成具有高精度图案的芯层。因此，高效地生产出具有小的光损失和优异的可靠性的光波导。

当将γ-丁内酯水溶液的浓度调节至75-85重量％且例如将可光固化环氧树脂组合物用作作为芯层形成材料的光敏树脂组合物时，可改进图案的辨析率且可以获得更精确的芯层图案。

可通过本发明的光波导生产方法得到的光波导的一个实例具有图5所示的层构造。该光波导包括基材1、位于基材1上的下覆层2、位于下覆层2上且具有给定图案的芯层3和为覆盖芯层3而形成的上覆层4。

对基材1的材料没有特别限制。其实例包括常规材料，如石英玻璃板、硅片、陶瓷基材、玻璃-环氧树脂基材、聚酰亚胺膜、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)膜以及金属箔(包括铜箔和不锈钢箔)。可适当选择基材厚度，所述厚度一般在10μm-5mm的范围内。

为了在基材1上形成下覆层2，可以使用多种聚合物材料的任意材料，如热固性树脂和热塑性树脂。然而，构成下覆层2的材料必须应具有比构成芯层3的材料更低的折射率。特别地，优选设计各层以使芯层3的折射率和下覆层2的折射率之差约为0.1-5％。

用于形成下覆层2的该类材料的实例包括环氧树脂和聚酰亚胺树脂前体。优选选择使用对所述光敏树脂组合物具有足够粘附性的材料作为形成芯层3的材料。就此而言，当例如使用可紫外固化环氧树脂组合物作为形成芯层3的材料时，还优选使用环氧树脂组合物作为形成下覆层2的材料。

上述材料的实例包括环氧化合物，如脂环族环氧化合物，包括3，4-环氧环己烯甲酸3，4-环氧环己烯基甲酯和3，4-环氧环己烯甲酸3，4-环氧环己烯基乙酯，双酚A环氧树脂，双酚F环氧树脂，氢化双酚A环氧树脂，氢化双酚F环氧树脂，萘环氧树脂，脂族环氧树脂和氟化环氧树脂。这些化合物可以单独使用或两种或更多种组合使用。在那些环氧化合物中，优选使用脂环族环氧化合物，这是因为它们得到透明度高且耐热性高的树脂。

通常在环氧树脂中使用光聚合引发剂以赋予可紫外固化性。对光聚合引发剂并没有特别限制。其实例包括常规的那些，如芳族重氮盐、芳族锍盐、芳族碘鎓盐、芳族氧化锍盐、茂金属化合物和铁-芳烃化合物。就可光固化性而言，其中优选使用芳族锍盐。就可固化性、粘附性等而言，尤其优选芳族锍六氟锑酸盐化合物，如4，4-双[二(β-羟基乙氧基)苯基锍(sulfinio)]苯基硫化物双六氟锑酸盐，芳族锍六氟化鏻化合物或它们的组合。除了光聚合引发剂外，还可以根据需要适当添加诸如光敏剂和酸增效剂(acid multiplier)的添加剂。

待掺入的光聚合引发剂的量相对于100重量份环氧树脂成分而言，优选为0.1-10重量份，更优选1-5重量份。

此外，为了增强粘附性，可根据需要向形成下覆层2的材料中添加如下化合物：例如，硅烷或钛酸盐偶联剂；柔韧性赋予剂，如烯烃低聚物、环烯烃低聚物或诸如降冰片烯聚合物、合成橡胶或聚硅氧烷化合物的聚合物；以及其他成分，包括抗氧化剂和消泡剂。

为了在下覆层2上形成具有给定图案的芯层3，使用光敏树脂组合物，并且例如使用可光固化环氧树脂组合物。要求用于形成芯层3的材料在固化后在要用于光信号的波长(例如850nm或1300nm)下是透明的。

除了环氧树脂外，还在可光固化环氧树脂组合物中使用光聚合引发剂以赋予可紫外固化性。

环氧树脂的实例包括环氧化合物，例如，芴衍生物，其包括二苯氧基乙醇芴二环氧甘油醚和双酚芴二环氧甘油醚，脂环族环氧化合物，其包括3，4-环氧环己烯甲酸3，4-环氧环己烯基甲酯和3，4-环氧环己烯甲酸3，4-环氧环己烯基乙酯，双酚A环氧树脂，双酚F环氧树脂，氢化双酚A环氧树脂，氢化双酚F环氧树脂，萘环氧树脂，脂族环氧树脂和氟化环氧树脂。这些化合物可以单独使用或两种或更多种组合使用。在那些环氧化合物中，优选使用二苯氧基乙醇芴二环氧甘油醚或脂环族环氧化合物，这是因为它们得到具有高折射率和令人满意的透明度和令人满意的溶解度的固化树脂。

对光聚合引发剂并没有特别限制。其实例包括常规的那些，如芳族重氮盐、芳族锍盐、芳族碘鎓盐、芳族氧化锍盐、茂金属化合物和铁-芳烃化合物。就可光固化性而言，其中优选使用芳族锍盐。就可固化性、粘附性等而言，尤其优选芳族锍六氟锑酸盐化合物，如4，4-双[二(β-羟基乙氧基)苯基锍]苯基硫醚双六氟锑酸盐，芳族锍六氟化鏻化合物或它们的组合。除了光聚合引发剂外，还可以根据需要适当添加诸如光敏剂和酸增效剂的添加剂。

待掺入的光聚合引发剂的量相对于100重量份环氧树脂成分而言，优选为0.1-10重量份，更优选1-5重量份。

此外，为了增强粘附性，可根据需要向光敏树脂组合物中添加如下化合物：例如硅烷或钛酸盐偶联剂；柔韧性赋予剂，如烯烃低聚物、环烯烃低聚物或诸如降冰片烯聚合物、合成橡胶或聚硅氧烷化合物的聚合物；以及其他成分，包括抗氧化剂和消泡剂。

为了在所形成的具有给定图案的芯层3上形成上覆层4，可以使用多种聚合物材料中的任意材料，如热固性树脂和热塑性树脂。然而，优选使用与用于形成下覆层2的材料相同的材料。

下面说明本发明的光波导生产方法的一个实施方案，其中使用上述基材和形成层的材料。

首先，将用于形成下覆层的材料施加在基材1上，使其干燥后具有5-100μm的厚度，然后将涂层干燥，形成如图1所示的下覆层2。在用于形成下覆层的材料为可紫外固化树脂组合物的情况下，用紫外线辐照所述涂层，形成下覆层2。在干燥或紫外辐照后，可根据需要通过加热等固化该层。

为了施加用于形成下覆层的材料，例如可以利用使用旋涂机、涂覆机、环涂机、棒涂机等的涂覆技术，丝网印刷，其中利用间隔形成缝隙并通过毛细现象将材料注入缝隙中的方法，或者其中用诸如多重涂覆机的涂覆机械以辊至辊的方式连续涂覆基材的方法。

为了改进下覆层2和基材1之间的粘附，可以用硅烷偶联剂或铝螯合剂对要在其上形成下覆层2的基材1的一面进行表面处理。

随后，使用光敏树脂组合物如图2所示的在下覆层2上形成树脂层5。用于形成树脂层5的方法的实例包括与可用于施加用于形成下覆层的材料的技术相同的涂覆技术。

之后，如图3所示，通过具有给定图案的掩膜6对树脂层5进行光辐照，例如暴露于紫外线。对该曝光没有特别限制，其实例包括接触式曝光，接近式曝光(其中在进行曝光时掩膜6和树脂层5相互略微间隔)以及投影式曝光。从进一步改进精度的观点出发，优选使用接触式曝光或接近式曝光。还优选的是，在暴露于紫外线时，通过使用滤光器等使用平行射线。

此外，优选在曝光之前在树脂层5上设置保护层以防止作为用于形成芯层的材料的光敏树脂组合物粘附于掩膜6表面并使其积垢。构成该保护层的材料的实例包括透光性高的材料，如PET膜和玻璃。虽然对保护层的厚度没有特别限制，但优选其在30-200μm范围内。原因如下。当所述材料具有小于30μm的太小厚度时，其易于弯曲。另一方面，当所述材料具有超过200μm的太大厚度时，其倾向于具有降低的紫外线透过性。可对在树脂层5这面上的保护层进行赋予防粘性的处理。可用于该表面处理的方法的实例包括与上述用于改进基材1和下覆层2之间的粘附性的处理相同的表面处理技术。

在曝光后，使用具有特定浓度的γ-丁内酯水溶液(显影液)溶解掉树脂层5的未曝光区域进行显影。这样，形成如图4所示的具有给定图案的芯层3。对于显影，可以使用常规技术，如桨式显影、浸渍和喷涂。在显影之后，可以根据需要进行洗涤。对于洗涤，例如可以使用诸如异丙醇的醇、蒸馏水等。可以进一步进行后固化以使形成的芯层3更完全固化。

应调节要用作显影液的γ-丁内酯水溶液以使其浓度在10-99重量％范围内。特别地，优选将其浓度调节至75-85重量％。当例如使用可光固化环氧树脂组合物作为用于形成芯层3的材料的光敏树脂组合物时，通过将浓度调节至所述值改进了芯层3的图案的辨析率并可获得更精确的芯层图案。当γ-丁内酯水溶液的浓度太低时，显影不充分且不能形成理想的图案。另一方面，当浓度太高时，导致在芯层3中形成裂缝和芯层图案的变形或崩塌。因此，可根据作为用于形成芯层的材料的光敏树脂组合物的类型在所述范围内适当调节γ-丁内酯水溶液的浓度，从而调节显影速率。

随后，如图5所示，使用上述用于形成上覆层的材料，在其上已经形成具有给定图案的芯层3的下覆层2上形成上覆层4。可用于形成上覆层4的方法的实例包括与如上所述用于形成下覆层2的方法相同的方法。优选的是，用于形成上覆层4的材料与用于形成下覆层2的材料相同。由此，生产出这样的光波导，其包括基材1、位于基材1上的下覆层2、位于下覆层2上的具有给定图案的芯层3和用于覆盖芯层3而形成的上覆层4。

如此得到的光波导的实例包括直型光波导、弯曲光波导、交叉光波导、Y-分支光波导、片型光波导、Mach-Zehender型光波导、AWG型光波导、栅格型光波导和光波导透镜。使用该类光波导的光学元件的实例包括波长过滤器、光学开关、光分支单元、光学多路器、光学多路器/分用器、光放大器、波长调节器、波长分割多路器、分光器、定向耦合器以及具有激光二极管或与之混和集成的光电二极管的透光模块。

下面参考实施例和对比例说明本发明。然而，本发明并不限于这些实施例。

实施例1

制备用于形成芯层的材料

将100重量份作为环氧树脂的二苯氧基乙醇芴二环氧甘油醚与作为光酸产生剂(光聚合引发剂)的1重量份4，4-双[二(β-羟基乙氧基)苯基锍]苯基硫醚双六氟锑酸盐混合以制备可光固化环氧树脂组合物。

制备用于形成下覆层和形成上覆层的材料

将作为环氧树脂的3，4-环氧环己烯甲酸3，4-环氧环己烯基甲酯与1重量份作为光酸产生剂(光聚合引发剂)的1重量份4，4-双[二(β-羟基乙氧基)苯基锍]苯基硫醚双六氟锑酸盐混合以制备可光固化环氧树脂组合物。

形成下覆层

准备玻璃基材(12cm×12cm×1.1cm(厚度))。用旋涂机在500rpm×10秒+1000rpm×15秒的条件下将如上制备的用于形成下覆层的材料施加于基材表面上。之后，使用利用高压汞灯作为光源的曝光设备以2000mJ/cm²的曝光剂量进行全曝光。然后，通过在100℃下加热60分钟进行固化，从而形成如图1所示的在玻璃基材1上的下覆层2。如此得到的下覆层2的厚度为20μm。

形成芯层

随后，用旋涂机在500rpm×10秒+1500rpm×15秒的条件下将如上制备的用于形成芯层的材料施加于下覆层2上，形成如图2所示的树脂层5。接着，如图3所示，将基于合成石英的铬掩膜6置于树脂层5上以通过铬掩膜6进行接触式曝光，其中所述铬掩膜6上已绘制了线宽为50μm且长度为10cm的线性光波导图案。曝光条件包括3000mJ/cm²的曝光剂量。曝光后，使树脂层5的厚度保持在50μm。然后在100℃下对树脂层5进行加热处理60分钟，从而仅固化曝光区域。

随后，将已经受热处理的结构体在浓度为70重量％的γ-丁内酯水溶液中浸没60秒，从而显影给定的图案(浸渍法)。这样，如图4所示在下覆层2上形成芯层3。该芯层3的截面形状具有50μm的厚度和50μm的线宽度。

形成上覆层

然后，将如上制备的用于形成上覆层的材料施加在所形成的具有给定图案的芯层3上，并以与如上所述相同的模式，以2000mJ/cm²的曝光剂量进行全曝光。之后，通过在100℃下加热60分钟固化该涂层，形成如图5所示的上覆层4。测量位于芯层3上的上覆层部分的厚度，结果为20μm。这样，生产出具有如图5所示结构的光波导。

实施例2-4和对比例

以与实施例1相同的模式生产光波导，不同之处是，如在后的表1所示改变要用作显影液的γ-丁内酯水溶液的浓度。

评价

用显微镜目测如此得到的各光波导的芯层3部分，进行下列评价。也就是说，在如下方面检测芯层3：(1)芯层3是否具有裂缝和(2)在芯层3图案周围是否存在显影残留(芯层3的图案辨析率)。这些评价的结果列在下表1中。

表1

上述结果表明如下事实。其中使用了具有在特定范围内的浓度的γ-丁内酯水溶液的实施例的光波导不具有有关芯层3的图案辨析率的特别的问题，且在芯层3中完全不存在裂缝。特别地，其中分别使用了浓度为75-85重量％的γ-丁内酯水溶液的实施例2和3的光波导在芯层3的图案辨析率上令人满意，且在芯层3中没有裂缝。这两种光波导得到非常好的结果。

相反，发现其中使用了浓度为100重量％的γ-丁内酯水溶液的对比例的光波导在芯层3中具有裂缝。

可通过本发明的光波导生产方法获得的光波导的实例包括直型光波导、弯曲光波导、交叉光波导、Y-分支光波导、片型光波导、Mach-Zehender型光波导、AWG型光波导、栅格型光波导和光波导透镜。使用该类光波导的光学元件的实例包括波长过滤器、光学开关、光分支单元、光学多路器、光学多路器/分用器、光放大器、波长调节器、波长分割多路器、分光器、定向耦合器以及具有激光二极管或与之混和集成的光电二极管的透光模块。

尽管已详细地且参考了特定实施方案描述了本发明，但对本领域熟练技术人员显而易见的是，可在不偏离本发明范围的情况下在本发明内进行多种改变和修正。

本申请以2006年4月4日提交的日本专利申请第2006-103399号为基础，在此通过引用并入其全部内容。

此外，在此通过引用并入本文所述的所有文件。

Claims (7)

1.生产光波导的方法，其包括：

在基材表面上形成下覆层；

在所述下覆层上形成光敏树脂组合物层；

用紫外线通过具有给定图案的光掩膜辐照所述光敏树脂组合物层的表面以进行曝光；

在曝光之后，通过用显影液溶解所述光敏树脂组合物层的未曝光区域而除去该层的未曝光区域，从而形成芯层；以及

在所述芯层上形成上覆层，

其中所述的显影液是浓度为10-99重量％的γ-丁内酯水溶液。

2.根据权利要求1的生产光波导的方法，其中所述的γ-丁内酯水溶液浓度为75-85重量％。

3.根据权利要求1的生产光波导的方法，其中所述的下覆层包含热固性树脂或热塑性树脂。

4.根据权利要求1的生产光波导的方法，其中所述的下覆层包含环氧树脂组合物。

5.根据权利要求1的生产光波导的方法，其中所述的光敏树脂组合物层包含可光固化环氧树脂组合物。

6.根据权利要求1的生产光波导的方法，其中所述的上覆层包含热固性树脂或热塑性树脂。

7.根据权利要求1的生产光波导的方法，其中所述的上覆层包含环氧树脂组合物。

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