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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
dreidimensionalen optischen Polyimid-Wellenleiters. Noch spezieller
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum leichten Herstellen eines
dreidimensionalen optischen Polyimid-Wellenleiters ohne Einsatz
eines Trocken-Prozesses durch Bestrahlung eines innenseitigen Abschnitts
eines Polyamidsäure-Films,
der darin ein lichtempfindliches Mittel eingearbeitet aufweist,
mit einem Laserstrahl niedriger Energie unter relativem Bewegen
des Licht-Konvergenz-Punkts.
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Hintergrund der Erfindung
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Mit
dem Fortschreiten einer praktischen Anwendung optischer Kommunikations-Systeme durch die
Entwicklung optischer Fasern wurde die Entwicklung verschiedener
optischer Kommunikations-Vorrichtungen verlangt, die Gebrauch von
einer optischen Wellenleiter-Struktur machen. Allgemein schließen charakteristische
Eigenschaften, die für optische
Wellenleiter-Materialien erforderlich sind, einen geringen Licht-Fortpflanzungs-Verlust,
das Besitzen von Wärmebeständigkeit
und Feuchtigkeitsbeständigkeit
und die Steuerbarkeit des Brechungsindex und der Filmdicke ein.
In Bezug auf diese Erfordernisse wurden bis heute hauptsächlich Siliciumoxid-basierte
optische Wellenleiter untersucht.
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Jedoch
ist es bei der Konstruktion optischer Faser-Netzwerke, einschließlich einer
WDM-Kommunikation, essentiell, die Kosten für ein Herstellen verschiedener
Vorrichtungen zu reduzieren. Dementsprechend wurden mit dem Ziel,
Polymer-Materialien anzuwenden, die in Massen-Produktion hergestellt und
großflächigem Verarbeiten
zu optischen Wellenleiter-Materialien unterzogen werden können, in
den jüngst
zurückliegenden
Jahren organische Materialien einschließlich Polymethylmethacrylaten,
Polycarbonaten und Polystyrolen untersucht. Jedoch haben in dem
Fall, in dem solche Polymere einer Hybrid-Integration mit einer
Laser-Diode, einer Photo-Diode usw. unter zogen werden, diese den
Nachteil, dass der Bereich ihrer Anwendung sehr beschränkt ist,
da ihre Wärmebeständigkeit
in einem Lötmittel-Reflow-Schritt
nicht ausreichend ist. Aus einer Zahl von Polymer-Materialien haben
Materialien auf Polyimidharz-Basis die höchste Wärmebeständigkeit, so dass sie in jüngerer Zeit
eine ganze Menge Aufmerksamkeit als Materialien für optische
Wellenleiter auf sich gezogen haben.
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Optische
Schaltungen, die aus einem Polyamidharz hergestellt sind, wurden
bisher allgemein durch den folgenden Trocken-Prozess gebildet: Es wird
nämlich
eine Polyamidsäure
als Polyimidharz-Vorstufe zuerst in einem polaren Lösungsmittel
wie beispielsweise N,N-Dimethylacetamid oder N-Methyl-2-pyrrolidon
gelöst
und so ein Polyamidsäure-Lack
hergestellt, der durch Spin-Beschichten oder Gießen auf ein Substrat aufgebracht
und erwärmt
wird, um das Lösungsmittel
zu entfernen, und einen Ringschluss der Polyamidsäure zur
Imidierung einzugehen, wodurch ein Polyimidharz-Film gebildet wird.
Danach wird ein Muster durch reaktives Ionen-Ätzen (reactive ion etching;
RIE) unter Verwendung eines Sauerstoff-Plasmas usw. gebildet.
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Jedoch
dauert es in dem herkömmlichen Trocken-Prozess,
in dem der Polyimidharz-Film
einem Schritt des reaktiven Ionen-Ätzens unter Bildung eines Musters
unterzogen wird, wie dies oben beschrieben wurde, nicht nur eine
lange Zeit zur Bildung einer optischen Schaltung, sondern es ist
auch das Problem einer Verringerung der Kosten noch nicht gelöst, da der
Verarbeitungsbereich beschränkt ist.
Weiter ist gemäß einem
derartigen Trocken-Prozess die Wand-Oberfläche (Seiten-Oberfläche) des gebildeten
Musters nicht flach, so dass der Streuverlust während eines Wellenleitens von
Licht in die optische Schaltung groß wird.
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Von
dem für
den optischen Wellenleiter erforderlichen Verlust verschiedene charakteristische
Eigenschaften schließen
eine gute Verbindung zu optischen funktionellen Teilen und das Vermögen zur
Miniaturisierung ein. Im Bereich der optischen Anwendung wie beispielsweise
bei der optischen Kommunikation, der optischen Messung oder dem
optischen Aufzeichnen wurde eine Anzahl von optischen funktionellen
Teilen für
die Zwecke des Schaltens, des Abzweigens und der Verbindung optischer
Pfade verwendet, sowie für
eine Polarisierung, Verstärkung, Interferenz
und Beugung von Lichtwellen usw.. Was diese optischen funktionellen
Teile angeht, werden die jeweiligen Teile, denen unabhängig Funktionen gegeben
wurden, vorab hergestellt, und danach werden diese optischen funktionellen
Teile kombiniert und so ein gewünschtes
System konstruiert. Auch in einem derartigen Feld des Gebrauchs
im optischen Bereich wird – in ähnlicher
Weise zum Bereich der Verwendung in der Elektronik – vorausgesagt,
dass Entwicklungen in Richtung auf optische Vorrichtungen mit hoher
Dichte, hochgradig integrierte Systeme aufgrund dreidimensionaler
Laminierung, miniaturisierte Systeme usw. voranschreiten. Dementsprechend
wurde die Entwicklung von Verfahrensweisen zum Vereinheitlichen
oder Modularisieren der optischen funktionellen Teile verlangt.
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Die
optischen funktionellen Teile sind allgemein Präzisionsteile, die Materialien
wie beispielsweise anorganische Gläser, Metalloxide oder Kunststoff-Materialien
umfassen, so dass es erwünscht war,
dass Aktionen durch Einwirkung von Wärme, Druck, Reaktiv-Gas usw.,
wie sie in einem Vereinheitlichungs-Schritt und einem Modularisierungs-Schritt gegeben sind,
in Bezug auf Zeit und Raum in größtmöglichem
Umfang beschränkt
sind. Bearbeitungsverfahren unter Anwendung von Licht sind wesentlich
geeignete Mittel zum Bearbeiten an irgendwelchen Stellen, und es
besteht die Möglichkeit,
dass ein optisches Bearbeiten bei Verwendung von Polymer-Materialien
(Kunststoff-Materialien) leicht durchgeführt werden kann.
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Speziell
haben die Polymer-Materialien das Merkmal, dass ihre thermische
Leitfähigkeit
niedrig ist, so dass es in der Lage ist, leicht Hitze zu speichern.
Mit anderen Worten: In den Polymer-Materialien tritt leicht deren
thermische Bewegung auf, verglichen mit den anorganischen Glas-Materialien,
und nur eine kleine Menge Wärme
ist für
eine Bewegung oder Reaktion nötig.
Es besteht daher die Möglichkeit,
dass eine induzierte Struktur selbst bei relativ niedriger Bestrahlungs-Energie
gebildet wird, verglichen mit den anorganischen Glas-Materialien.
Dementsprechend hat die Bildung der induzierten Struktur der Polymer-Materialien
unter Verwendung eines ultrakurzen Puls-Lasers insbesondere den
Vorteil, dass sie an beliebigen Stellen und in-situ durch Bestrahlung
mit einem Laserstrahl niedrigerer Energie gebildet werden kann,
verglichen mit Materialien aus anorganischem Glas.
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Andererseits
sind in Bezug auf eine Miniaturisierung sogenannte dreidimensionale
optische Wellenleiter bekannt geworden, in denen die optischen Wellenleiter
dreidimensional hergestellt wurden. Als Verfahren zur Herstellung
der dreidimensionalen optischen Wellenleiter, die Polymer-Materialien
umfassen, ist ein Verfahren unter Verwendung einer Grau-Maske oder
einer Schatten-Maske und ein Verfahren unter Einbezug eines Laser-Strahls
bisher bekannt (siehe beispielsweise
JP-A 2002-14246 ).
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Jedoch
ist es in dem oben genannten Verfahren, in dem die Grau-Maske oder
die Schatten-Maske verwendet wird, nicht nur nötig, getrennt voneinander ein Überzugs-Material
und ein Kern-Material zu bilden, sondern es muss auch ein Reaktiv-Ionen-Ätz-Verfahren (RIE-Verfahren)
angewendet werden. Daher besteht das Problem niedriger Produktivität. Weiter
hat das oben genannte Verfahren unter Einsatz von Laserstrahlung
den Vorteil, dass das Verfahren selbst einfach ist und ein Kern
mit einem kreisförmigen
Querschnitt gebildet werden kann. Jedoch bei dem Ziel, das Polymer
selbst zu modifizieren, besteht die Beschränkung, dass ein Laser mit extrem hoher
Energie verwendet werden muss.
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Ein
weiterer Weg zum Schreiben optischer Wellenleiter in ein photodefinierbares
Polymer und Polyimide unter Verwendung einer Zwei-Photonen-Absorption
geeigneter Chromophore ist aus der Druckschrift
WO 01/96,915 bekannt. In diesem technischen
Gebiet ebenfalls bekannt sind photodefinierbare Polyimide, die Polyamidsäure und
ein 1,4-Dihydropyridin-Derivat umfassen (siehe
EP 1 205 804 ).
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um
die oben genannten Probleme bei der Bildung der herkömmlichen
optischen Polyimid-Wellenleiter zu lösen, insbesondere bei der Bildung
der dreidimensionalen optischen Polyimid-Wellenleiter, haben die
vorliegenden Erfinder extensive Untersuchun gen durchgeführt. Als
Ergebnis wurde herausgefunden, dass durch Bestrahlen eines Innenseiten-Abschnitts
eines Polyamidsäure-Films,
der darin eingearbeitet ein lichtempfindliches Mittel aufweist, mit
einem derartigen Laser-Strahl niedriger Energie, der gegenüber der
Polyamidsäure
nicht reaktiv ist, jedoch gegenüber
dem lichtempfindlichen Mittel reaktiv ist, wobei an einen Licht-Konvergenz-Punkt
davon relativ bewegt, gefolgt von einer Imidierung der Polyamidsäure, ein
effektiver Unterschied im Brechungsindex zwischen dem bestrahlten
Bereich und dem nicht-bestrahlten Bereich erreicht werden kann,
wodurch man in die Lage versetzt wird, leicht den dreidimensionalen
optischen Polyimid-Wellenleiter zu bilden. So wurde die Erfindung
zum Abschluss gebracht.
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum leichten Herstellen
eines dreidimensionalen optischen Polyimid-Wellenleiters ohne Anwendung
eines Trocken-Prozesses, jedoch durch Einstrahlen eines Laserstrahls
mit niedriger Energie bereitzustellen, während man den Laserstrahl auf
einen Innenseiten-Abschnitt eines Polyamidsäure-Films konvergiert, der
darin eingearbeitet ein lichtempfindliches Mittel enthält.
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Gemäß der Erfindung
wird bereitgestellt ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen optischen
Polyimid-Wellenleiters, welches umfasst:
- (I)
Bestrahlen eines Polyamidsäure-Films
mit einem Laserstrahl unter Konvergieren-Lassen des Laserstrahls an einem Innenabschnitt
des Films und relativem Bewegen des Licht-Konvergenz-Punkts, wobei
das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass der Polyamidsäure-Film enthält:
(a)
eine Polyamidsäure,
erhalten aus einem Tetracarbonsäuredianhydrid
und einem Diamin; und
(b) pro 100 Teile der Polyamidsäure 0,5
Gew.-Teile bis weniger als 10 Gew.-Teile eines 1,4-Dihydropyridin-Derivats,
wiedergegeben durch Formel (I): worin Ar steht für eine aromatische
Gruppe, die eine Nitro-Gruppe in einer ortho-Position in Bezug auf die Bindungsposition
mit dem 1,4-Dihydropyridin-Ring aufweist; R1 für ein Wasserstoff-Atom oder
eine Alkyl-Gruppe steht, die 1 bis 3 Kohlenstoff-Atome aufweist; und R2,
R3, R4 und R5 jeweils unabhängig voneinander stehen für ein Wasserstoff-Atom
oder eine Alkyl-Gruppe mit 1 oder 2 Kohlenstoff-Atomen; und dann
- (II) Aufheizen des Polyamidsäure-Films
unter Imidieren der Polyamidsäure,
wodurch man einen optischen Wellenleiter erhält, der einen kontinuierlichen
Kern-Bereich, in dem sich der Brechungs-Index geändert hat, in dem so gebildeten Polyimid-Film
aufweist.
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Kurze Beschreibung der Figur
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1 ist
eine schematische Ansicht, die ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung
eines dreidimensionalen optischen Polyimid-Wellenleiters gemäß der Erfindung
veranschaulicht.
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Die
Bezugszeichen, die in der Figur verwendet werden, richten sich jeweils
auf das Folgende:
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- 1
- Substrat
- 2
- lichtempfindlicher
Polyamidsäure-Film
- 3
- Präzisierungsstufe
- 4
- Linse
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Kern-Vorstufe
- 7
- Polyimid-Film
- 8
- Kern
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Im
Rahmen der Erfindung umfasst die lichtempfindliche Polyamidsäure:
- (i) eine Polyamidsäure, erhalten aus einem Tetracarbonsäuredianhydrid
und einem Diamin; und
- (ii) ein lichtempfindliches Mittel, das umfasst: ein 1,4-Dihydropyridin-Derivat,
das wiedergegeben wird durch Formel (I):
worin Ar steht für eine aromatische
Gruppe, die eine Nitro-Gruppe in einer ortho-Position in Bezug auf die Bindungs-Position
mit dem 1,4-Dihydropyridin-Ring aufweist; R1 für ein Wasserstoff-Atom
oder eine Alkyl-Gruppe steht, die 1 bis 3 Kohlenstoff-Atome aufweist;
und R2, R3, R4 und R5 jeweils
unabhängig
voneinander stehen für
ein Wasserstoff-Atom oder eine Alkyl-Gruppe mit 1 oder 2 Kohlenstoff-Atomen.
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Im
Rahmen der Erfindung ist das Tetracarbonsäuredianhydrid nicht in besonderer
Weise beschränkt,
und Beispiele davon schließen
ein: Pyromellitsäureanhydrid;
3,3',4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid; 2,2-Bis(2,3-dicarboxyphenyl-)propandi-anhydrid;
2,2-Bis(3,4-dicarboxyphenyl-)propandianhydrid; 3,3',4,4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid;
Bis(3,4-Dicarboxyphenyl-)etherdianhydrid; und Bis(3,4-dicarboxyphenyl-)sulfonsäuredianhydrid.
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Jedoch
ist es gemäß der Erfindung
besonders bevorzugt, dass das Tetracarbonsäuredianhydrid eines ist, das
ein Fluor-Atom in seinem Molekül enthält (nachfolgend
bezeichnet als „Fluor-substituiertes
Tetracarbonsäuredianhydrid"). Derartige Tetracarbonsäuredianhydride
schließen
beispielsweise ein: 2,2-Bis(3,4-dicarboxyphenyl-)hexafluorpropandianhydrid;
4,4-Bis(3,4-dicarboxytrifluorphenoxy-)tetrafluorbenzoldianhrpropandianhydrid; 4,4-Bis(3,4-dicarboxytrifluorphenoxy-)tetrafluorbenzoldianhydrid;
1,4-Bis(3,4-dicarboxytrifluorphenoxy-)tetrafluorbenzoldianhydrid;
(Trifluormethyl-)pyromellitsäuredianhydrid;
Di-(trifluormethyl-)pyromellitsäuredianhydrid;
und Di-(heptafluorpropyl-)pyromellitsäuredianhydrid.
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Andererseits
schließen
die Diamine beispielsweise ein: m-Phenylendiamin, p-Phenylendiamin, 3,4'-Diaminodiphenylether,
4,4'-Diaminodiphenylether,
4,4'-Diaminodiphenylsulfon,
3,3'-Diaminodiphenylsulfon,
2,2-Bis(4-aminophenoxyphenyl-) propan, 1,3-Bis(4-aminophenoxy-)benzol, 1,4-Bis(4-aminophenoxy-)benzol,
2,4-Diaminotoluol, 2,6-Diaminotoluol, 4,4'-Diaminodiphenylmethan und 4,4'-Diamino-2,2'-dimethylbiphenyl.
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Ähnlich wie
das Tetracarbonsäuredianhydrid ist
es gemäß der Erfindung
besonders bevorzugt, dass das Diamin eines ist, das ein Fluor-Atom
in seinem Molekül
enthält
(nachfolgend bezeichnet als „Fluor-substituiertes-Diamin"). Solche Diamine schließen beispielsweise
ein: 2,2'-Bis(trifluormethoxy-)4,4'-diaminobiphenyl
(TFMOB), 3,3'-Diamino-5,5'-bis(trifluormethyl-)biphenyl,
2,2-Bis(4-aminophenyl-)hexafluorpropan (BAAF), 2,2-Bis[4-(4-aminophenoxy-)phenyl-]hexafluorpropan
(HFBAPP), 2,2'-Bis(trifluormethyl-)4,4'-diaminobiphenyl
(TFMB), 2,2-Bis(3-amino-4-hydroxyphenyl-) hexafluorpropan (BIS-AP-AF),
2,2-Bis(3-amino-4-methylphenyl-)hexafluorpropan (BIS-AT-AF), 2,2'-Difluorbenzidin (FBZ),
4,4'-Bis(aminooctafluor-)biphenyl,
3,5-Diaminobenzotrifluorid
und 1,3-Diamino-2,4,5,6-tetrafluorbenzol.
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Gemäß der Erfindung
kann die Polyamidsäure
erhalten werden durch Umsetzen eines Tetracarbonsäuredianhydrids,
wie es oben beschrieben wurde, mit einem Diamin, wie es oben beschrieben wurde,
in Übereinstimmung
mit einem konventionellen Verfahren. Mit anderen Worten: Beispielsweise wird
eine Lösung,
in der ein Diamin in einem pas senden organischen Lösungsmittel
gelöst
wird, ein Tetracarbonsäuredianhydrid
in äquimolarer
Menge zu dem Diamin in einer Atmosphäre aus Stickstoff zugesetzt,
und die resultierende Mischung wird bei Raumtemperatur für etwa 5
bis etwa 20 Stunden gerührt, wodurch
die Polyamidsäure
in Form einer viskosen Lösung
erhalten werden kann.
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Das
Lösungsmittel
ist nicht in besonderer Weise beschränkt, so lange es bisher bereits
für die Produktion
von Polyamidsäuren
verwendet wurde. Beispielsweise werden vorzugsweise polare Lösungsmittel
wie N,N-Dimethylacetamid (DMAc) und N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) verwendet, und DMAc wird
besonders bevorzugt verwendet, da es nicht thermisch zerfällt und
eine exzellente Transparenz aufweist.
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Die
lichtempfindliche Polyamidsäure
zur Verwendung im Rahmen der Erfindung enthält als lichtempfindliches Mittel
das 1,4-Dihydropyridin-Derivat, das durch die oben genannte allgemeine
Formel (I) wiedergegeben wird, in einer Menge im Bereich von 0,5
Gew.-Teilen bis weniger als 10 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile der
Polyamidsäure.
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Spezielle
Beispiele der lichtempfindlichen Mittel schließen ein: 1-Ethyl-3,5-dimethoxycarbonyl-4-(2-nitrophenyl-)1,4-dihydropyridin;
1-Methyl-3,5-dimethoxycarbonyl-4-(2-nitrophenyl-)1,4-dihydropyridin;
1-Propyl-3,5-dimethoxycarbonyl-4-(2-nitrophenyl-)1,4-dihydropyridin; und
1-Propyl-3,5-diethoxycarbonyl-4-(2-nitrophenyl-)1,4-dihydropyridin.
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Gemäß der Erfindung
wird von den verschiedenen lichtempfindlichen Mitteln, die oben
beschrieben wurden, 1-Ethyl-3,5-dimethoxycarbonyl-4-(2-nitrophenyl-)1,4-dihydropyridin
(nachfolgend bezeichnet als „EDHP") besonders bevorzugt
verwendet aus Sicht niedriger Kosten und niedriger Licht-Absorption durch
die C-H-Bindung.
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Ein
derartiges 1,4-Dihydropyridin-Derivat kann beispielsweise erhalten
werden durch Umsetzen eines substituierten Benzaldehyds mit einem
Alkylpropionat (einem Alkylester von Propargylsäure) in molarer Menge von zweimal
der Menge des substituierten Benzaldehyds und einem entsprechenden primären Amin
in Eisessig unter Rückfluss
(Khim. Geterotsikl. Soed., Seiten 1067–1071, 1982).
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Gemäß der Erfindung
wird das lichtempfindliche Mittel innerhalb des Bereichs von 0,5
Gew.-Teilen bis weniger als 10 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teile der
Polyamidsäure
verwendet. Wenn die lichtempfindliche Polyamidsäure unter Verwendung des lichtempfindlichen
Mittels in einer Menge von 10 Gew.-Teilen oder mehr pro 100 Gew.-Teile
der Polyamidsäure
hergestellt wird, wird hervorgerufen, dass das resultierende Polyimid-Harz
Licht im nahen Infrarot-Bereich absorbiert. Andererseits kann dann, wenn
der Zumischanteil des lichtempfindlichen Mittels geringer ist als
0,5 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile der Polyamidsäure, ein Unterschied im Brechungsindex,
der die Bildung der optischen Wellenleiter-Struktur zwischen dem
Laserbestrahlten Bereich und dem nicht-bestrahlten Bereich ermöglicht,
nicht gegeben werden, selbst wenn die resultierende lichtempfindliche
Polyamidsäure
mit einem Laserstrahl zur Imidierung bestrahlt wird.
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Das
Verfahren zur Herstellung des dreidimensionalen optischen Polyimid-Wellenleiters
gemäß der Erfindung
unter Verwendung der lichtempfindlichen Polyamidsäure, wie
sie oben beschrieben wurde, wird nachfolgend beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt ist, wird als erstes ein lichtempfindlicher
Polyamidsäure-Film 2,
der auf einem geeigneten Substrat 1 gebildet wurde, auf
einer Präzisions-Stufe 3 platziert,
und die Innenseite des Polyamidsäure-Films
wird mit einem Laserstrahl 5 durch eine Linse 4 bestrahlt,
während
man den Laserstrahl auf eine vorbestimmte Stelle konvergiert und
relativ den Lichtkonvergenz-Punkt bewegt, wodurch ein Unterschied
im Brechungsindex dadurch hervorgerufen wird, dass man den Brechungsindex der
bestrahlten Stelle größer macht
als denjenigen der nicht-bestrahlten Stelle.
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Das
Substrat 1 ist nicht speziell beschränkt, und irgendein Material
wie beispielsweise ein Glassubstrat, ein Silicium-Wafer, ein Metallfilm,
ein Kunststoff-Film, ein Glas-Epoxy-Substrat,
eine gedruckte Leiterplatte oder ein flexibles Schaltungssubstrat kann verwendet
werden, so lange die lichtempfindliche Polyamidsäure beschichtungsmäßig darauf
aufgebracht werden kann. Jedoch ist in dem Fall, in dem ein Film
vorab hergestellt werden kann, der aus der lichtempfindlichen Polyamidsäure hergestellt
wird, das Substrat nicht notwendigerweise erforderlich.
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Das
Verfahren zum Aufbringen der lichtempfindlichen Polyamidsäure auf
die Oberfläche
des Substrats ist nicht in besonderer Weise beschränkt, und
es kann beispielsweise ein allgemeines Verfahren zur Filmbildung
wie beispielsweise ein Spin-Coating-Verfahren oder ein Gieß-Verfahren
verwendet werden. Nach dem beschichtungsmäßigen Aufbringen wird ein anfängliches
Trocknen bei einer Temperatur von etwa 60 bis etwa 120 °C unter Bildung
des lichtempfindlichen Polyamidsäure-Films
durchgeführt.
Obwohl die Dicke der Polyamidsäure
nicht besonders beschränkt
ist, ist es bevorzugt, dass sie üblicherweise
innerhalb des Bereichs von 3 bis 2.000 μm liegt, um den dreidimensionalen
optischen Wellenleiter auf deren Innenseite zu bilden.
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Der
Laser, der für
die Bearbeitung des lichtempfindlichen Polyamidsäure-Films verwendet wird, ist
nicht besonders beschränkt,
so lange es ein Laser ist, der gegenüber der Polyamidsäure nicht
reaktiv ist, gegenüber
dem jedoch das lichtempfindliche Mittel, das in dem lichtempfindlichen
Polyamidsäure-Film
enthalten ist, empfindlich ist. Beispielsweise kann ein Puls-Laser
mit einer Puls-Breite von 10–15 bis 10–12 Sekunden
(s) verwendet werden. Darunter ist ein Puls-Laser mit einer Puls-Breite
in der Größenordnung
von 10–15 s
bevorzugt, und noch spezieller ist ein Puls-Laser mit einer Puls-Breite
von 10 × 10–15 bis 500 × 10–15 s
geeignet, vorzugsweise von etwa 50 × 10–15 bis
etwa 300 × 10–15 s.
Der Puls-Laser mit einer Puls-Breite von 10–15 bis
10–12 s
kann beispielsweise erhalten werden durch Reproduzieren und Verstärken eines
Lasers unter Verwendung eines Titan-Saphir-Kristalls als Medium
oder mittels eines Farb-Lasers.
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In
dem Puls-Laser ist die Wiederholungs-Frequenz beispielsweise innerhalb
des Bereichs von 1 Hz bis 80 MHz und vorzugsweise innerhalb des
Bereichs von 10 Hz bis 500 kHz.
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Im
Rahmen der Erfindung ist der mittlere Ausstoß oder die Bestrahlungsenergie
des Puls-Lasers nicht in besonderer Weise beschränkt, und er/sie kann in passender
Weise gewählt
werden in Abhängigkeit
von der beabsichtigten Größe des Kerns,
der erforderlichen Differenz des Brechungsindex zwischen dem bestrahlten
Bereich (Kern) und dem nicht-bestrahlten Bereich (Hülle), usw.. Üblicherweise
liegt sie innerhalb des Bereichs von 1 bis 500 mW, vorzugsweise
innerhalb des Bereichs von 5 bis 300 mW und am meisten bevorzugt
innerhalb des Bereichs von 10 bis 100 mW. Wie oben beschrieben, kann
gemäß der Erfindung
die Bestrahlungsenergie eines Puls-Laser-Strahls niedrig sein.
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Insbesondere
kann gemäß der Erfindung
bevorzugt eine Zwei-Photonen-Absorption durch einen Titan-Saphir-Femtosekunden-Puls-Laser
mit einer Bestrahlungswellenlänge
von etwa 800 nm verwendet werden. Mit anderen Worten: Die Verwendung
einer Zwei-Photonen-Absorption
durch den Titan-Saphir-Femtosekunden-Puls-Laser kann in effizienter Weise
eine Wellenlängenenergie
nahe etwa 400 nm in der Nähe
eines Fokus des Laserstrahls erzeugen und kann damit ermöglichen,
dass nur das photoempfindliche Mittel in der Nähe des Fokus des Laserstrahls
reagiert. Andererseits wird das lichtempfindliche Mittel an anderer
Stelle als in der Nähe
des Fokus nicht beeinflusst. Damit kann eine thermische Wirkung
auf die Polyamidsäure
selbst durch die Bestrahlung des Puls-Laserstrahls inhibiert oder
verhindert werden, und damit ist die Verwendung der Zwei-Photonen-Absorption
bevorzugt.
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Weiter
ist gemäß der Erfindung
der Bestrahlungsspot-Durchmesser des Puls-Lasers nicht in besonderer
Weise beschränkt
und kann passend in Abhängigkeit
von der beabsichtigten Größe des Kerns, der
erforderlichen Differenz im Brechungsindex zwischen dem Kern und
dem nicht-bestrahlten Bereich (Hülle),
der Größe, der
numerischen Apertur oder Vergrößerung einer
Linse usw. gewählt
werden. Beispielsweise kann er aus dem Bereich von etwa 0,1 bis
etwa 10 μm
gewählt
werden.
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Gemäß der Erfindung
kann die Größe und Form
des Kerns und der Grad der Änderung
des Brechungsindex in passender Weise durch die Bestrahlungszeit
des Laserstrahls, die Bewegungsrichtung der Fokussierungsposition
des Laserstrahls und deren Geschwindigkeit, die Art des Kunststoff-Materials,
die Größe der Puls-Breite
und die Größe der Bestrahlungsenergie
des Laserstrahls, die numerische Apertur oder Vergrößerung der
Linse zum Einstellen des Fokus des Laserstrahls usw. eingestellt
werden.
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Wie
oben beschrieben, wird gemäß der Erfindung
der Licht-Konvergenz-Punkt relativ bewegt, während man den Puls-Laser-Strahl
auf eine vorbestimmte Stelle des Polyamidsäure-Films konvergiert und die
Stelle damit unter Verwendung der Linse bestrahlt, wodurch man in
der Lage ist, in dem Polyamidsäure-Film
einen kontinuierlichen Bereich (d. h. eine Kern-Vorstufe 6),
die eine vorbestimmte dreidimensionale Form aufweist und einen Brechungsindex
aufweist, der stärker
geändert
ist als die nicht-bestrahlte
Stelle, zu bilden.
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Die
Position des Licht-Konvergenz-Punkts (Brennpunkt, focal point) des
Lasers kann bewegt werden, indem man die relative Position des Polyamidsäure-Films
zu dem Laser und der Linse bewegt, beispielsweise durch Bewegen
des Lasers und der Linse und/oder des Polyamidsäure-Films. Speziell kann beispielsweise
eine derartige Änderung
des Brechungsindex, die einen Kern ergibt, der eine beabsichtigte
Form aufweist, kontinuierlich an irgendeiner Stelle des Polyamidsäure-Films
gebildet werden, indem man das zu belichtende Subjekt, das den Polyamidsäure-Film
aufweist, auf der Stufe platziert, die präzise in einer zweidimensionalen
oder dreidimensionalen Richtung bewegt werden kann, einen Puls-Laser-Generator
und eine Linse so fixiert, dass sie auf den Polyamidsäure-Film
fokussiert sind, und die Stufe unter Bewegung des Brennpunkts bewegt.
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Gemäß der Erfindung
sind die Form der Kern-Vorstufe einschließlich des Durchmessers, der Breite
und der Längsform
davon, sowie die Querschnittsform davon nicht in besonderer Weise
beschränkt.
Jedoch liegt beispielsweise der Durchmesser oder die Breite der
Kern-Vorstufe passenderweise im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1.000 μm, vorzugsweise
im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 100 μm und noch mehr bevorzugt im
Bereich von etwa 0,5 bis etwa 30 μm.
Andererseits kann die Längsform
der Kern- Vorstufe
entweder von linearer Form oder von gekrümmter oder gebeugter Form sein.
Weiter kann es eine kombinierte Form aus einer linearen Form und
einer gekrümmten
oder gebeugten Form sein. Die in Längsrichtung gesehene Länge der
Kern-Vorstufe ist ebenfalls nicht in besonderer Weise beschränkt. Weiter
kann die Querschnittsform der Kern-Vorstufe beispielsweise im Wesentlichen
kreisförmig
oder im Wesentlichen vieleckig sein (beispielsweise im Wesentlichen
viereckig).
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Gemäß der Erfindung
braucht die Größe und Form
der Kern-Vorstufe nicht dieselbe über die gesamte Kern-Vorstufe
zu sein, so lange die Kern-Vorstufe kontinuierlich gebildet wird.
Weiter ist in einer dreidimensionalen Wellenleiter-Struktur die
Zahl der Kern-Vorstufe nicht besonders beschränkt, und sie kann entweder
einfach oder vielfach sein. In einer Struktur, die eine Vielzahl
von Kern-Vorstufen in ihrem Inneren aufweist, ist es auch möglich, dass
dies eine laminierte Struktur ist, in der die Kern-Vorstufen in
geeignetem Abstand bzw. in geeigneten Abständen laminiert sind. Wenn die
Mehrzahl von Kern-Vorstufen im Inneren einer Struktur vorgesehen
ist, kann ihr Abstand voneinander willkürlich gewählt werden. Der Abstand der
Kern-Vorstufen beträgt
vorzugsweise 5 μm
oder mehr. Wenn die Entfernung der Kern-Vorstufen 6 voneinander,
die auf der Innenseite der Struktur vorgesehen werden, geringer
ist als 5 μm,
können
die Kern-Vorstufen
bei der Herstellung der optischen Wellenleiter miteinander verschmolzen werden,
was die Bildung einer Mehrzahl unabhängiger Wellenleiter nicht ermöglicht.
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Wie
oben beschrieben, kann gemäß der Erfindung
die bestrahlte Stelle, die hinsichtlich des Brechungsindex stärker erhöht ist als
die nicht-bestrahlte Stelle, als kontinuierlicher Bereich durch
einfache Verfahrensweise des relativen Bewegens der Brennpunkt-Position gebildet
werden, während
man einen Innenseiten-Abschnitt des lichtempfindlichen Polyamidsäure-Films
mit dem Puls-Laserstrahl derart bestrahlt, dass man dessen Fokus
schmaler macht. Damit kann die kontinuierliche dreidimensionale Kern-Vorstufe
leicht an jeder Stelle des Polyamidsäure-Films gebildet werden.
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Selbst
wenn der Polyamidsäure-Film
mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, während man ihn auf den Polyamidsäure-Film
unter Bildung der Kern-Vorstufe konvergiert, wie dies oben beschrieben
wurde, treten weder chemische noch physikalische Änderungen
des nicht-bestrahlten Bereichs des Polyamidsäure-Films auf, und dessen Brechungsindex
ist niedriger als derjenige des Bereichs, der mit dem Puls-Laserstrahl
bestrahlt wurde. Dementsprechend fungiert nach Imidierung der Polyamidsäure der nicht-bestrahlte
Bereich als Hülle
des optischen Wellenleiters.
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Wie
oben beschrieben wird nach dem Zeitpunkt, zu dem die Kern-Vorstufe
in dem Polyamidsäure-Film
gebildet wurde, die Polyamidsäure
zur Imidierung erhitzt, wodurch ein optischer Polyimid-Wellenleiter
erhalten werden kann, der einen dreidimensionalen Kern 8 in
einem Polyimidharz-Film aufweist, wie dies in 1 gezeigt
ist. Im Hinblick auf das Erhitzen der Polyamidsäure zur Imidierung kann diese üblicherweise
auf eine Temperatur erhitzt werden, die im Bereich von 300 bis 400 °C liegt,
und zwar unter Vakuum oder in einer Atmosphäre aus Stickstoff.
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Der
dreidimensionale optische Polyimid-Wellenleiter gemäß der Erfindung
kann beispielsweise an optische Schalt-Teile, optische Verzweigungs-Teile
und kombinierende Teile, Wellenlängen-Umwandlungsfilter,
Isolatoren, optische Zirkulatoren, optische Verbinder, optische
externe Modulatoren usw. zur Verwendung angeschlossen werden.
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Gemäß der Erfindung
wird während
des Konvergierens des Laserstrahls auf einen Innenseiten-Abschnitt
des lichtempfindlichen Polyamidsäure-Films,
der darin eingearbeitet die Polyamidsäure und das lichtempfindliche
Mittel aufweist, der Brennpunkt relativ bewegt, wodurch man in der
Lage ist, leicht den dreidimensionalen optischen Polyimid-Wellenleiter selbst
bei Laser-Bestrahlung mit niedriger Energie zu bilden.
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Beispiele
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Die
Erfindung wird nun weiter im Einzelnen unter Bezugnahme auf die
folgenden Beispiele veranschaulicht, jedoch sollte dies nicht so
verstanden werden, dass die Erfindung durch diese Beispiele beschränkt ist.
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Beispiel 1
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In
einem abnehmbaren 500 ml fassenden Kolben wurden 16,0 g (0,05 Mol)
2,2'-Bis(trifluormethyl-)4,4'-diaminobiphenyl
(TFMB) in 152,8 g N,N-Dimethylacetamid (DMAc) in einer Stickstoff-Atmosphäre gelöst und so
eine Lösung
hergestellt. Dieser Lösung
wurden 22,2 g (0,05 Mol) 2,2-Bis(3,4-dicarboxyphenyl-)hexafluorpropandianhydrid
(6FDA) unter Rühren
zugesetzt. Dem folgte ein Rühren
bei Raumtemperatur für
24 h unter Erhalt einer Polyamidsäure-Lösung. Weiter wurden 1,53 g
(4,0 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile des Polyamidsäure-Feststoff-Gehalts) eines
lichtempfindlichen Mittels (EDHP) dieser Polyamidsäure-Lösung unter
Herstellung einer lichtempfindlichen Polyamidsäure-Lösung zugesetzt (nachfolgend
bezeichnet als „lichtempfindlicher
Polyamidsäure-Lack").
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Der
photoempfindliche Polyamidsäure-Lack wurde
auf ein synthetisches Siliciumoxid-Glas-Substrat mit einer Dicke von 1,0
mm durch Spin-Coating aufgetragen und bei 90 °C für etwa 15 min unter Erhalt
eines Substrats auf einem zu belichtenden Gegenstand getrocknet,
der einen Polyamidsäure-Film von
30 μm, angegeben
als Dicke nach dem Trocknen aufwies.
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Der
zu belichtende Gegenstand wurde auf einer Stufe platziert, und während man
einen ultrakurzen Puls-Laserstrahl (Bestrahlungs-Wellenlänge 800
nm; Puls-Breite: 150 × 10–15 s;
Wiederholungsfrequenz: 200 kHz) unter Bedingungen einer Bestrahlungsenergie
(mittlerer Ausstoß von
30 mW und einem Bestrahlungs-Spot-Durchmesser von etwa 10 μm unter Verwendung
eines Titan-Saphir-Femtosekunden-Puls-Lasers und einer Objektiv-Linse
(10-fache Vergrößerung)
aufstrahlte und auf eine Position in einer Tiefe von etwa 10 μm von der
Oberfläche
des lichtempfindlichen Polyamidsäure-Films
fokussierte, wie dies in 1 gezeigt ist, wurde der zu
belichtende Gegenstand linear relativ in einer Richtung im rechten
Winkel zur Bestrahlungsrichtung des Laser-Strahls mit einer Bewegungs-Geschwindigkeit von
etwa 500 μm/s
für 20
s bewegt.
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Danach
wurde der mit dem Laserstrahl bestrahlte Polyamidsäure-Film
für 2 h
in einer Vakuum-Atmosphäre
auf 360 °C
erhitzt und so die Imidierung vervollständigt (Harten), wodurch man
einen optischen Wellenleiter mit einer Länge von 10 mm in dem Polyimid-Film
erhielt. Stellen, die 1 mm entfernt von beiden Enden dieses optischen
Wellenleiters lagen, wurden mit einer Schneide-Vorrichtung abgeschnitten
und einer Kanten-Bearbeitung unterzogen. Danach ließ man Licht
mit einer Wellenlänge
von 1.550 nm auf den Kern des optischen Wellenleiters durch eine
Einzel-Mode-Faser einstrahlen, und es wurde bestätigt, dass das Licht durch
den Kern fortgepflanzt wurde.
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Beispiel 2
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Der
lichtempfindliche Polyamidsäure-Lack, der
in Beispiel 1 hergestellt worden war, wurde auf ein synthetisches
Siliciumoxid-Glas-Substrat mit einer Dicke von 1,0 mm durch Spin-Coating
aufgebracht und für
etwa 15 min bei 90 °C
unter Erhalt des Substrats auf einem zu belichtenden Gegenstand
getrocknet, der einen Polyamidsäure-Film
50 μm, angegeben
als Dicke nach dem Trocknen, aufwies.
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Dieser
zu belichtende Gegenstand wurde auf einer Stufe platziert, und während man
einen ultrakurzen Puls-Laserstrahl (Bestrahlungs-Wellenlänge: 800
nm; Puls-Breite: 150 × 10–15 s;
Wiederholungsfrequenz: 200 kHz) unter Bedingung einer Bestrahlungsenergie
(mittlerer Ausstoß von
30 mW und einem Bestrahlungs-Spot-Durchmesser von etwa 10 μm unter Verwendung
eines Titan-Saphir-Femtosekunden-Puls-Lasers und einer Objektiv-Linse
(10-fache Vergrößerung)
einstrahlte und auf eine untere Fläche in einer Tiefe von etwa
40 μm von
der Oberfläche
des lichtempfindlichen Polyamidsäure-Films fokussierte,
wie dies in 1 gezeigt ist, wurde eine relative
Bewegungs-Operation
durchgeführt
und so der Brennpunkt derart bewegt, dass er in einer Dicken-Richtung mit einer
Steigung von etwa 10 Grad von der Ebene parallel zur Oberfläche des
Substrats mit einer relativen Bewegungs-Geschwindigkeit von etwa
500 μm/s
für 5 s
anstieg, und danach in einer Richtung parallel zur Oberfläche des
Substrats mit einer relativen Bewegungs-Geschwindigkeit von etwa 500 μm/s für 10 s bewegt
und weiter in der Weise bewegt, dass er in einer Dicken-Richtung
mit einer Steigung von etwa 10 Grad von der Ebene parallel zur Oberfläche des
Substrats mit einer relativen Bewegungs-Geschwindigkeit von etwa
500 μm/s
für 5 s
anstieg.
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Danach
wurde der Polyamidsäure-Film,
der mit dem Laserstrahl bestrahlt worden war, für 2 h in einer Vakuum-Atmosphäre auf 360 °C erhitzt
und so die Imidierung vervollständigt
(Harten), wodurch man einen optischen Wellenleiter erhielt, der
eine gebogene dreidimensionale Struktur in dem Polyimid-Film aufwies.
In derselben Weise wie in Beispiel 1 wurde ein Kanten-Bearbeiten
durchgeführt,
und danach ließ man
Licht mit einer Wellenlänge
von 1.550 nm auf den Kern des optischen Wellenleiters durch eine
Einzel-Mode-Faser einstrahlen, wodurch bestätigt wurde, dass das Licht
durch den Kern fortgepflanzt wurde.
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Vergleichsbeispiel 1
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Es
wurde versucht, einen optischen Wellenleiter in derselben Weise
wie in Beispiel 1 herzustellen, mit der Ausnahme, dass ein Polyamidsäure-Lack verwendet
wurde, der hergestellt worden war durch Weglassen der Zugabe des
lichtempfindlichen Mittels (EDHP). In diesem Fall traten jedoch
selbst nach dem Zeitpunkt, zu dem der Polyamidsäure-Film mit dem Laserstrahl
bestrahlt worden war, und selbst nach dem Zeitpunkt, nachdem die
Imidierung der Polyamidsäure
abgeschlossen worden war, keine Änderungen
des Brechungsindex an der mit Laser bestrahlten Stelle auf, was
dazu führte,
dass ein Kern (Vorstufe) nicht gebildet wurde.
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Diese
Anmeldung basiert auf der
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2002-341,565 , eingereicht am 25. November
2002.