JP4296550B2 - 光学用ポリイミド基板の製造方法。 - Google Patents

Description

本発明は、ポリイミド導波路などの高分子導波路用あるいは高分子薄膜用の光学用ポリイミド基板の製造方法に関する。

低損失光ファイバの開発による光通信システムの実用化に伴い、種々の光通信用部品の開発が望まれている。また、これら光部品を高密度に実装する光配線技術、特に光導波路技術の確立が望まれている。

一般に、光導波路材料には、光損失が小さいこと、光導波路の作製が容易なこと、コアとクラッドの屈折率差を制御できること、耐熱性に優れていること、等の条件が要求される。また最近は、光通信システムが幹線系からメトロ系、アクセス系、さらにはLAN（ローカルエリアネッワーク）に普及・拡大されるに従い、低価格な導波路材料ならびに導波路デバイスに対する要求が高まりつつある。

光導波路材料として、これまでに最も精力的に検討されているのが石英系材料である。光ファイバで実証済のように、石英は光透過性がきわめて良好であるため、光導波路とした場合も、波長が１．３μｍにおいて０．１ｄＢ／ｃｍ以下の低光損失化が達成されている。しかし、その光導波路には、作製に長時間を必要とする、作製時に高温が必要である、大面積化が困難で有るなど、製造上の問題がある。

これに対して、ポリイミドの化学構造を検討することにより、耐熱性と光透過性に優れたポリイミド光学材料が光透過性に優れたフッ素化ポリイミドが明らかにされている（特許文献１参照）。さらに、このフッ素化ポリイミドを共重合することにより、例えば、光導波路の形成に必要な屈折率制御が可能で有ることが知られている（特許文献２参照）。また、このフッ素化ポリイミドを用いた光導波路についても知られている（特許文献３、４、５参照）。このように光透過性に優れたポリイミドで耐熱性に優れたプラスッチク光導波路が実現されている。ポリイミド導波路は、３００℃以上の耐熱性を有し、またスピンコート等の方法で容易に導波路が作製できるため、抜本的に低価格な導波路デバイスを提供するものとして期待されている。

しかしながら、ポリイミド光導波路においても、幾つかの問題がある。例えばポリイミドは耐熱性に優れている反面、化学構造中の芳香族環が配向し易いと言う面も持っている。これは、光学材料としてみた場合、複屈折を発現し易いと言える。実際にシリコン基板を用いて、その上にポリイミド導波路を作製すると、導波路複屈折として１×１０^-2 程度の値になる。この値はシリコン基板上に作製された石英系導波路に比較すると、約１００倍大きい。通常、導波路複屈折は、使用した基板と導波路の線膨張係数の違いによって生じる。上記のようにポリイミド導波路が大きな複屈折を示す理由は、シリコン基板とポリイミド導波路材料の線膨張係数が大きく異なり、ポリイミド導波路がシリコン上で熱処理されて作製されるためである。

このような大きな複屈折は、導波路内を伝搬する光の速度が、その偏波方向により著しく異なることを意味し、従って伝搬波形が劣化し、通信特性に悪影響を与える。また、熱線膨張係数の違いに基づき導波路複屈折が生じるということは、作製された導波路内に歪みが存在する事でもある。導波路の内部歪みは導波路の内部歪みは導波路、特に導波路コアに複雑な影響を与え、その結果光透過損失のばらつきの原因となる。この影響は、一般的には基板に平行方向に偏波した光（TE偏波光と呼ぶ）の伝搬損失と基板に垂直方向に偏波した光（TM偏派光と呼ぶ）の伝搬損失野馳外となって現れる。この伝搬損失のばらつきは、光通信システムを構築する上で大きな問題となる。望ましくはTEならびにTM偏波光の損失が等しいことが要求される。

ポリイミド導波路における導波路複屈折の低減は、基板の線膨張係数をポリイミドの膨張係数に一致させることにより達成できる。つまり３００℃以上の温度で基板上にポリイミド導波路を作製した場合、線膨張係数を一致させることによりその降温過程における基板と導波路の線膨張係数をあわせること、すなわち、基板として線膨張係数がシリコンより大きいポリイミド基板を用いることにより低複屈折ポリイミド導波路が実現できることが知られている（特許文献６参照）。また、導波路複屈折として、シリコン基板上のポリイミド導波路に比較して少なくとも一桁以上改善できることが明らかにされている。
特開平３−７２５２８号公報 特開平４−８７３４号公報 特開平４−９８０７号公報 特開平４−２３５５０６号公報 特開平４−２３５５０５号公報 特開２００３−１０３７３８号公報

ところで、前述のポリイミド基板には、以下のような問題点が有ることが明らかになった。すなわち、ポリイミド基板上にポリイミド導波路を作製することにより複屈折は改善できるが、TE偏波光とTM偏波光の伝搬損失差（TE／TM伝搬損失差と呼ぶ）は期待した程改善されないことであった。すなわち、シリコン基板上に作製したポリイミド光導波路では、ポリイミド導波路材料にも依存するがTE/TM伝搬損失差として通常０．１〜０．２ｄＢ／ｃｍ程度が発現する。したがって、ポリイミド基板上に作製されたポリイミド導波路では、上記TE/TM伝搬損失差が大幅に改善されることが期待できる。しかしながら、実際には、多少の改善があるものの、抜本的にTE/TM伝搬損失差を低減するに至らなかった。また、ポリイミド基板を熱処理した際、室温放置時の吸湿とポリイミド基板のイミド化反応に伴う脱水水によって金属板間または金属板上にて熱処理を実施した場合加熱処理時に発生した水蒸気がポリイミド基板と金属板に界面で行き場を失った水蒸気がポリイミド基板を押し上げ熱変形により凹凸を発現させる外観不良を起こしてしまう。プラスチック基板の熱処理方法としてプラスチック基板の下にプラスチックシートを配置して反りや変形が発生することのない基板の熱処理方法が知られているがこのプラスチックシートを使用しても水蒸気透過性が低いことまた処理温度が２５０℃以上で処理することもあり抜本的に表面平滑性の高いポリイミド基板を得ることは出来なかった。

したがって、本発明の目的は、小さなTE/TM伝搬損失差を有する表面平滑性の高分子導波路を作製するための光学用ポリイミド基板の製造方法を提供することにある。

本発明の光学用ポリイミド基板の製造方法は、平面基台の上に耐熱性かつガス透過性の多孔質基板を載置し、さらにその上にポリイミド基板を載置して、これを２５０℃以上の温度で少なくとも１回熱処理することを特徴とする。

また、ポリイミド基板が、２種類以上のポリイミドフィルムを複数層積層するとともに加熱圧着したものであること、ポリイミド基板の厚みが０．１ｍｍ〜５．０ｍｍであること、熱処理が、ポリイミド基板に熱履歴を与えるアニール処理であること、多孔質基板が金属フェルトであること、多孔質基板が金属焼結体プレートであることは好ましい態様である。

本発明の方法によって得られる光学用ポリイミド基板はポリイミド基板に凹凸が少ない。

以下、本発明を具体的に説明する。

本発明の光学用ポリイミド基板は、作製方法ならびに基板として用いるポリイミドの種類のいかんにかかわらず、公知の基板を使用することができる。

しかし、好ましくは２種類以上のポリイミドフィルムを複数層積層するとともに加熱圧着したもので、厚みが０．１ｍｍ〜５．０ｍｍであることが好ましい。

通常、ポリイミド基板を作製する場合、１種類のポリイミド板を成形して基板を作製する方法、ならびに１種類あるいは２種類以上のポリイミドフィルムを複数層積層するとともに加熱圧着して基板を作製する方法がある。どちらの方法においても、その作製過程において基板として成形する過程で、なんらかの熱歪みあるいは物理的歪みが作用する。この基板に加えられた歪みは、該基板上に高分子導波路を作製する過程で解放される。たとえばポリイミド導波路を作製する場合には、通常300℃以上の温度で導波路形成に必要なクラッド層ならびにコア層を作製する。したがって、この導波路を作製工程において基板の歪みが解放され、常温に降温する過程でその影響が現れる。この導波路の作製に伴う歪みの解放は、基板に複雑な形態上の変化を与えることが熱処理前後の基板の形状を詳細に評価する事により明らかになった。最も一般的な変化は基板の寸法変化である。直径１０cm程度の熱膨張係数の大きいポリイミド基板においては、適切な熱処理を実施すると、１mm程度直径が小さくなる、すなわち収縮する。また歪み解放が一様でなく、熱処理後のポリイミド基板に反りが発生する場合もある。したがって、ポリイミド基板を熱処理することなく、その基板上にポリイミド導波路等を作製した場合、導波路形成段階でポリイミド基板の歪みが解放され、その結果、導波路自体に前述の歪みが作用することになる。この歪みは、すでに前述したように導波路の光学特性に影響を与え、特にTE/TM伝搬損失差に顕著に現れることが明らかになった。つまり、適切な熱処理を行ったポリイミド基板を用いて、その上にポリイミド導波路等を作製すると、光損失のみならずTE/TM伝搬損失差が著しく改善できことを見出した。またポリイミド基板の熱処理自体の熱安定性を高めることにもなり、ポリイミド基板上に作製された高分子導波路の歩留まり向上にも好影響を与えることが明らかになった。

その際の平面性の良好なポリイミド基板の熱処理方法として詳細に検討したところ、金属板に変えて多孔質基材上で熱処理を実施した場合非常に好適であることが判明した。その際多孔質基材の気孔率が７４％以下では、１〜２０μｍの深さ、直径φ０．３〜２ｍｍの微小凹凸が発生し、表面が平滑な基板が得られにくい。また単に金属板上で熱処理をした場合は、深さ２〜２０μｍ程度の微小凹凸がポリイミド基板の裏表に多数発生する。好ましいのは、気孔率９０％以上の多孔質基材、さらに好ましくは金属フェルト上で処理することである。

以下実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。

[参考例１]
３種類のポリアミック酸を任意の厚みで積層出来る共押し出し口金を使用して、非熱可塑性ポリイミドを生成するポリアミック酸を中心層に、熱可塑性ポリイミドを生成するポリアミック酸を両表層に用いて、３層ポリアミック酸溶液を支持体にキャストして自己支持性のポリアミック酸フィルムを得た後、前記ポリアミック酸を加熱イミド化することによって３層ポリイミドフィルムを得た。このとき、中心層に用いるポリアミック酸が４０μｍのポリイミドフィルムになるように調整した。この３層ポリイミドフィルムを７枚積層し、３７５℃で加熱、１０．２Mpaで加圧して４００mm×４００mm、０．５ｍｍ厚のポリイミド基板を得た。

ここで中心層に用いる非熱可塑性ポリアミック酸は、１，３ビス−（４アミノフェノキシ）ベンゼンと２，２−ビス[４−（４−アミノフェノキシ）フェニル]プロパンのジアミンとピロメリット酸を窒素気流下、室温で反応させて得たものである。

また、両表層用の熱可塑性ポリアミック酸は、１，３ビス−（４アミノフェノキシ）ベンゼンとピロメリット酸二無水物と、４，４’−オキシジフタル酸二無水物を窒素気流下、室温で反応させて得たものである。

[実施例１]
参考例１で得られたポリイミド基板をアルミ基台上に金属フェルト（ナスロン８−５−１５００：日本精線製）を配置した上で３５０℃、２時間の熱処理を実施し外観検査を行った。結果を表１に示す。

[実施例２]
参考例１で得られたポリイミド基板を用いて金属フェルトを金属焼結体に変更し（セルメット＃７：気孔率９２〜９５％、比表面積７５００m²/m、住友電工製）実施例１と同じ実験を行った。結果を表１に示す。

[実施例３]
参考例１で得られたポリイミド基板を金属フェルト２枚の間に挟み、これをアルミ基台上に配置して実施例1と同様の実験を行った。結果を表１に示す。

[比較例１]
アルミ基台上に“カプトン５００Ｈ”（東レ・デュポン株式会社製）を乗せ、その上に参考例１で得られたポリイミド基板を置いて実施例１と同様の実験を行った。結果を表１に示す。

[比較例２]
参考例１で得られたポリイミド基板をアルミ基台上に置き、で実施例１と同様の実験を行った。結果を表１に示す。

本発明で得られるポリイミド基板は、表面が平滑な高分子導波路の作成に利用可能である。

Claims (6)

1. 平面基台の上に耐熱性かつガス透過性の多孔質基板を載置し、さらにその上にポリイミド基板を載置して、これを２５０℃以上の温度で少なくとも１回熱処理することを特徴とする光学用ポリイミド基板の製造方法。
2. 前記ポリイミド基板が、２種類以上のポリイミドフィルムを複数層積層するとともに加熱圧着したものであることを特徴とする請求項１記載の光学用ポリイミド基板の製造方法。
3. 前記ポリイミド基板の厚みが０．１ｍｍ〜５．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載の光学用ポリイミド基板の製造方法。
4. 前記熱処理が、前記ポリイミド基板に熱履歴を与えるアニール処理であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光学用ポリイミド基板の製造方法。
5. 前記多孔質基板が金属フェルトであることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の光学用ポリイミド基板の製造方法。
6. 前記多孔質基板が金属焼結体プレートであることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光学用ポリイミド基板の製造方法。