JPS6365407A - 微小光学部品材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光集積回路などに使用される薄膜導波路、マ
イクロレンズ、マイクロプリズムなどの微小光学部品に
好適な光学材料に関する。

〔従来の技術〕

従来、レンズ、プリズム、薄膜導波路などに用いられる
材料は、Ｔｉ、Ｖ又はＮｉを拡散したＬｉＮｂ○、〔ア
ール・ブイ・シュミット、アイ・ビー・カミノフ：アプ
ライド・フィジックス・レターズ、第２５巻（１９７４
）第４５８頁（Ｒ、Ｖ　、　Ｓ　ｃｈｍｉｄｔ　ａｎｄ
Ｉ　、　Ｐ　、　Ｋａｍｉｎｏｗ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈ
ｙｓ、　Ｌｅｔｔｓ、　２５（１９７４）ｐ、４５８参
照）、スパッタリングにより堆積したＺｎ○〔ピー・ケ
ー・ティエン：アプライド・オプティックス、第１０巻
（１９７１）第２３９５頁（Ｐ、Ｋ。

Ｔｉｅｎ、　Ａｐｐｌ、　Ｏｐｔ、１０（１９７１）ｐ
、２３９５参照〕やポリメチルメタアクリレート（ＰＭ
ＭＡ）などが用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来材料に関する技術は、無機系材料については、
薄膜形成およびマイクロパターン形成に。

蒸着やスパッタ等の真空技術が必要であった。これらの
、いわゆるドライプロセスは、高価な装置と煩雑な操作
を必要とする上、膜形成に時間がかかり、生産性も充分
でないという問題があった。

一方、有機高分子材料については、簡便で安価な湿式塗
布法により均一で良好な塗膜を得ることができるため、
広く検討されてきたが、光学特性が不安定で、経時変化
も大きいという問題があった。

そのため、安定性にすぐれた無機材料で、屈折率が高く
、紫外より長波長の光に対する透光性が著しく大きい微
小光学部品に好適な光学材料が強く望まれていた。さら
に、この材料が真空技術を用いることなく、例えば簡便
な塗布法で作成できることが強く望まれていた。

本発明の目的は、簡便で安価な湿式塗布法によって、上
記のような優れた光学特性をもった均一な膜を、さらに
は、この膜を加工することにより、薄膜導波路、マイク
ロレンズやマイクロプリズムなどの光学部品を提供する
ことにある。

〔問題を解決するための手段〕

上記目的は、ペルオキソ構造を有するポリタングステン
酸を湿式塗布して均一な薄膜を形成し、これを加工する
ことにより達成される。

すなわち、ペルオキソ構造を有するポリタングステン酸
は、タングステン金属を過酸化水素水溶液に溶解させる
と黄色の水溶液になり、この水溶液を室温において蒸発
乾固させて水分を除去すると、例えば、Ｈｌｏ　ＣＷ、
２０３７　（ＯＸ）３　（Ｏ２）３（ＯＯＨ）４〕　’
ｎ　Ｈ、○なる分子式の無定形の固体であるポリタング
ステン酸を得ることができる。ここで、（０２−）はペ
ルオキソであり、（ＯＯＨ−）は過酸化水素（Ｈ２０２
）からＨ＋を除いた陰イオン、ｎは約２０である。

本発明のペルオキソ構造を有するポリタングステン酸は
、以下に示す特性を有する。

（１）水に溶解し易く、湿式塗布法（スピン塗布、スプ
レ塗布など）によって、平坦かつ機械的強度の大きい良
質の薄膜を形成させることができる。

（２）紫外線、電子線、Ｘ線に感光して不溶化反応を起
す（特願昭６０−１１４０８１号参照）。

（３）屈折率（ｎ）が大きい（ｎ　６３２１Ａ＞　２　
）。

（４）可視光より長波長の光に対し透明で、紫外線を強
く吸収する。

以上の特徴を利用すると、作成手法の容易な塗布法を用
い、屈折率が高く、かつ著しく透明な（光の伝搬損失の
小さい）薄膜を形成することができる。さらに、本材料
の紫外光、Ｘ線、電子線照射による不溶化反応を利用す
ると、サブミクロンサイズの導波路やレンズなどを任意
の基板上に１００℃以下の低温で精度よく作成すること
ができ、本発明の目的を達成することができる。

以上と同様な結果は、ペルオキソ構造を有し、かつ炭素
をペテロ原子として含むポリタングステン酸についても
得られる。

〔作用〕

本発明は、光学部品用の材料として、ペルオキソ構造を
有するポリタングステン酸を使用しているので、湿式塗
布法によって、平坦、均質で、屈折率が大きく、著しく
透明で、光伝搬損失が小さい薄膜を得ることができる。

そして、この薄膜を加工することにより、基板上に微細
に配置された　　゛特性良好な先導波路、レンズ、プリ
ズムなどの光学部品を作成することができる。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例　１０ タングステン（Ｗ）金属粉末４ｇをビー力に採取し、こ
れに１５重量％の過酸化水素（Ｈ２０２）水溶液５０ｒ
ｎＱを加える。Ｈ２０□はＷ金属粉末表面で徐々に分解
され、酸素（０２）の発生が起る。約５分後、急激に反
応が速くなり、液温が上昇する。その後、約２分で液は
黄色透明となる。つぎに、過剰のＨ２Ｏ２の大部分を白
金網にて分解除去した後、室温で蒸発乾固すると淡黄色
の固体が得られる。この固体につき元素分析、酸化還元
滴定および熱重量分析を行なった結果、一般式ＷＯ１・
ｘＨ２Ｏ，・ｙＩ（、Ｏて示される化合物であり、ここ
で、０．４≦ｘ≦０．７．２≦ｙ≦３であることが判明
した。ここで、Ｘおよびｙの値が上記のように一定値を
示さないのは、液中の過剰のＨ２Ｏ２の除去の仕方。

大気の湿度の変化などの影響によるものと考えられる。

このようにして得られたベルオキソを含むポリタングス
テン酸３重量部を水２重量部に溶かして塗布液を作製し
た。この塗布液を、ガラス基板、ガリウム・ヒ素ウェー
ハやシリコンウェーハ上に回転塗布し、乾燥して厚さ約
１．８−の塗布膜を形成した。この膜の屈折率は、１．
７（λ＝６３３ｎｎ＋）であった。続いて、この膜を１
１０℃で加熱処理すると屈折率は２．２となった。この
薄膜を導波路とし、レーザー光（λ＝　５３３ｎｍ）の
伝搬損失を測定した結果、０．５ｄ　Ｂ　／　ａｍ以下
と著しく低損失であった。

実施例２Ｏ 炭素をペテロ原子とし、ベルオキソを含有するポリタン
グステン酸を以下に示す方法で合成した。

１６ｇの炭化タングステンを１５重量％過酸化水素水２
００ｍｆｌに溶解した後、不溶および未溶成分をろ過に
よって取り除き、黄色水溶液を得た。この水溶液から過
剰の過酸化水素を白金網で除いた後、室温〜５０℃の温
度で乾燥させ、黄色無定形固体を得た。本物質は、組成
分析、酸化還元滴定および熱重量分析によって、一般式
ＷＯ３・ｘＣＯ□・Ｙ　Ｈ２０ｚ・ＺＨ２ｏで示される
化合物であり、ここで、ｘ、ｙ、ｚがそれぞれ０．０８
≦ｘ≦０．２５．０．０５≦ｙ≦１．０．２≦ｚ≦３で
あることがわかった。

ｘ、ｙ、ｚにはばが見られるのは、黄色水溶液を得ると
きの過酸化水素水の加え方や、過剰の過酸化水素の除去
のし方、そして大気の湿度の変化等によるものと考えて
いる。

以上のようにして得られたベキオキソを含むポリタング
ステン酸３重量部を水２重量部に溶かして塗布液とした
。これをガラス基板や半導体ウェーハ上に回転塗布し、
乾燥して厚さ約２．０−の薄膜を得た。続いて、この薄
膜を８０℃で３０分間ベークした後、６００Ｗキヤノン
水銀灯を用いて、クロムマスクを介して、水銀灯から５
０ａ＋＋の距離だけ離して１分間露光した。この薄膜は
感光部が不溶化するため、露光後、ｐＨ２の硫酸水溶液
を用いて現像し、第１図に示すような導波路パターン（
導波路幅５〜１０１００ＩＩを作成した。図において、
１は基板、２１ま導波路である。この感光部である導波
路２の屈折率は約２．０であった。この導波路を用いて
、伝搬損失を測定した結果、０．２ｄＢ／ｃｍ以下と非
常に良好であった。

また、本薄膜は、紫外光だけでなく、電子線やｘｍにも
感光し、解像度０．１−のパターンを形成することが可
能である。

実施例３゜ 実施例２で導波路パターンを形成したのと同様にして、
第２図に示すように、基板１の上にマイクロレンズ３や
マイクロプリズム４を作成した。

マイクロレンズに関しては、口径２■のレンズの場合、
ＮＡ（開口数）が０．１〜０．５の任意のものを作成す
ることができた。またビーム径１ｎ＋ｍの光（波長８０
０ｎｍ）を３ｐ径以下のスポットにしぼり込むことも可
能であった。

さらに、上記レンズのうち、ＮＡが０．５のものを用い
、半導体レーザの光を光フアイバ中へ挿入することも容
易であった。半導体レーザからの出射光を平行光とする
ことも、ＮＡが０．１程度のレンズを用いることにより
可能である。

マイクロプリズムについては、直角プリズムを使い、光
の進路を直角に曲げたり、プリズム分光器を作り、いく
つかの異なる波長のレーザ光を分光することも可能であ
った。

実施例４゜ ＷＣ（炭化タングステン）の代りに、その一部（１〜４
０％）を、ＭｏＣ，Ｔｉ、ＮｂＣとして過酸化水素に溶
かし、実施例２と同様の方法により塗布液をつくり、薄
膜を作成した。この薄膜も同様に感光特性を有し、微小
光学部品を容易に形成することができた。

〔発明の効果〕 本発明によれば、２以上の屈折率を有するポリタングス
テン酸薄膜を１回転塗布のような低コストプロセスで容
易に作成することができ、かつ低伝搬損失の微小光学部
品材料をリソグラフィ技術で高精度に作成できるので、
光ＩＣ用材料、マイクロ光学部品用材料を高性能化でき
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は、本発明による微小光学部品を示す斜
視図である。 図において。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ペルオキソ（Ｏ＾２＾−＿２）構造を有するポリタ
   ングステン酸からなることを特徴とする光学部品材料。 ２、特許請求の範囲第１項記載の光学部品材料において
   、前記ペルオキソ構造を有するポリタングステン酸が、
   一般式ＷＯ＿３・＿ｘＨ＿２Ｏ＿２・＿ｙＨ＿２Ｏ（た
   だし、ｘ、ｙはそれぞれ、０．４≦ｘ≦０．７、２≦ｙ
   ≦３である。）で示される化合物であることを特徴とす
   る光学部品材料。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項記載の光学部品
   材料において、前記ペルオキソ構造を有するポリタング
   ステン酸が、分子式Ｈ＿１＿０〔Ｗ＿１＿２０＿３＿７
   （Ｏ＿２）＿３（ＯＯＨ）＿４〕・＿ｎＨ＿２Ｏ（式中
   、ｎは１０〜４０の範囲にある。）で示される化合物で
   あることを特徴とする光学部品材料。 ４、特許請求の範囲第１項記載の光学部品材料において
   、前記ペルオキソ構造を有するポリタングステン酸が炭
   素をヘテロ原子として含むことを特徴とする光学部品材
   料。 ５、特許請求の範囲第４項記載の光学部品材料において
   、前記ペルオキソ構造を有し、炭素をヘテロ原子として
   含むポリタングステン酸が、一般式ＷＯ＿３・＿ｘＣＯ
   ＿２・＿ｙＨ＿２Ｏ＿２・＿ｚＨ＿２Ｏ（ただし、ｘ、
   ｙ、ｚはそれぞれ０．０８≦ｘ≦０．２５、０．０５≦
   ｙ≦１、２≦ｚ≦３である。）で示される化合物である
   ことを特徴とする光学部品材料。 ６、特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項ま
   たは第５項記載の光学部品材料において、前記ポリタン
   グステン酸がＷの一部をＮｂ、Ｔｉ、Ｍｏのうちから選
   んだ少なくとも１種の元素により１〜４０原子％の範囲
   で置換された化合物であることを特徴とする光学部品材
   料。