DE4434321C2

DE4434321C2 - Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE4434321C2
Application number: DE4434321A
Authority: DE
Inventors: Katsuyuki Imoto
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1994-09-26
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: GB9419094D0; GB2282237A; DE4434321A1; GB2282237B; US5497445A; JPH0792337A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Struktur eines optischen Wellenlei ters, der einen geringen Verlust aufweist und stabil ist, unter Verwen dung einer Polymersubstanz als Kern des optischen Wellenleiters und dessen Herstellungsverfahren.

Um eine hohe Leistungsfähigkeit, eine hohe Integration und niedrige Kosten einer optischen Vorrichtung bzw eines optischen Bauelements zu erreichen, ist die Erforschung und Entwicklung von optischen Vorrichtun gen, die die Struktur eines optischen Wellenleiters aufweisen, aktiv durchgeführt worden.

Als Substanzen für einen optischen Wellenleiter sind die folgenden Substanzen auf ihre Verwendung hin untersucht worden: Halbleiter (Si, GaAs, InP usw.), dielektrische Substanzen (ferroelektrische Substanzen wie LiNbO₃, LiTaO₃; Gläser, wie die SiO₂-Glasgruppe, die Verbundglas gruppe usw.; Polymere wie Polymethacrylsäuremethylester, Polystyrol, Polycarbonat, Polyimid usw.). Beispielsweise wird SiO₂ in der japani schen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnr. 3-158802 (1991) als Sub stanz für einen optischen Wellenleiter verwendet, und ein Polymer wie ein Polyimid wird in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenle gungsnr. 3-188402 (1991) oder in der japanischen Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 4-9807 (1992) als Substanz für einen optischen Wellenleiter verwendet.

Aus der Zeitschrift Electronics Letters, 1993, Vol. 29, Nr. 12, Seiten 1123- 1124 ist ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters bekannt, bei dem auf einer Trägersubstanz eine aus einem SiO_xN_yH_z-Film bestehende Pufferschicht und danach mit Hilfe eines photolithographischen Prozesses und eines Ätzprozesses ein Wellenleiterkern und eine Überzugsschicht aufgebracht werden. Der auf diese Weise gebildete Wellenleiterkern besteht ebenfalls aus einem SiO_xN_yH_z-Material.

Unter den oben erwähnten optischen Wellenleitern hat ein optischer Wellenleiter, der aus einem Polymer hergestellt ist, kürzlich großes Interesse gefunden, da er durch ein einfaches Verfahren und bei gerin gen Kosten hergestellt werden kann. Daher haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein in der Fig. 8 dargestelltes Verfahren unter sucht, um ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren optischen Wellenleiters zu entwickeln.

Zuerst wird eine aus einer Polymersubstanz bestehende Pufferschicht 2, die einen niedrigen Brechungsindex (n_b) aufweist, auf einer Si-Trägersub stanz 1 bzw eines Si-Substrates, wie in Fig. 8(a) dargestellt ist, gebildet.

Danach wird eine aus einer Polymersubstanz hergestellte Kernschicht 3 (Brechungsindex n_w, n_w < n_b) auf der Polymer-Pufferschicht 2, wie in Fig. 8(b) dargestellt, gebildet.

Die Pufferschicht und die Kernschicht, die oben beschrieben sind, werden gebildet, indem man die in einem Lösungsmittel gelösten Polymere mit einem Rotationsbeschichtungsverfahren aufträgt.

Danach wird ein Photoresistfilm auf die Polymerkernschicht 3, wie in Fig. 8(c) dargestellt, aufgetragen. Nach Erhitzen des Photoresistfilms wird durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht durch eine Maske ein Maskenmuster auf dem Photoresist erzeugt.

Als nächstes wird ein Photoresistmuster 4 auf der Polymerkernschicht 3 durch Entwicklung, Reinigung und Trocknung gebildet.

Danach wird die Polymerkernschicht 3 in einer annähernd rechteckigen Form, wie in Fig. 8(d) dargestellt, durch ein Trockenätzverfahren gebil det.

Das Trockenätzverfahren wird unter Verwendung von O₂-Gas oder von O₂-Gas, das mit einer kleinen Menge CF₄ als Ätzgas gemischt ist, durchgeführt.

Abschließend wird der in Fig. 8(e) dargestellte optische Wellenleiter hergestellt, indem man eine Polymerüberzugsschicht 5 mit einem Bre chungsindex von n_c (n_c = n_b) auf der gesamten Oberfläche der Polymer kernschicht 3 bildet.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die folgenden Probleme bei der Herstellung eines polymeren optischen Wellenleiters nach dem in Fig. 8 dargestellten Verfahren auftreten.

1. Um den in Fig. 8(e) dargestellten optischen Wellenleiter zu bilden, ist eine Dicke der Polymerpufferschicht 2 von mehr als 8 µm not wendig. Weiterhin ist eine Dicke des Polymerkerns 3 von einigen µm bis einigen zehn µm bei einem Einzelmode-Wellenleiter, und von zehn µm bis dutzende µm bei einem Multimode-Wellenleiter notwendig. Bei dem in Fig. 8(b) dargestellten Verfahren wird jedoch nach Bildung der Polymerpufferschicht 2, die aus einem Polyimid besteht und eine Dicke von mehr als 8 µm besitzt, die Polymerlösung (Polymer, gelöst in einem Lösungsmittel) zur Bildung einer Polyimid-Polymerkernschicht 3 mit einer Dicke von mehr als 4 µm aufgetragen und 30 Minuten bei einer Temperatur von 90°C erhitzt, und das verbleibende Lösungsmittel wird entfernt. Wenn bei dem nächsten Schritt die Polymerlösung 30 Minuten bei einer Tem peratur von 200°C erhitzt wird, tritt eine Rißbildung in der Polymerkernschicht auf. Es wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, wobei die Erhitzungsdauer und die Erhitzungstemperatur verändert wurde. Eine Rißbildung trat in jedem Fall auf, wobei es Unterschiede in der Menge der gebildeten Risse gab. Eine Untersuchung der Ursache ergab, daß, [1] da die Substanzen der Polymerpufferschicht 2 und der Polymerkernschicht 3 gleich sind und folglich die Adhäsion zwischen ihnen stark ist, die Stärke der Kontraktion der Polymerkernschicht 3 in radialer Richtung die Stärke der Kontraktion in Richtung der Dicke überschreitet, wodurch die Rißbildung hervorgerufen wird; [2] da die Dicke der Polymerkernschicht zu groß ist, die verbleibende Spannung zu groß wird, wodurch die Rißbildung hervorgerufen wird; [3] da das Lösungsmittel in dem Polymerkern 3 in die Polymerpufferschicht 2 eindringt, eine Rißbildung auf der Oberfläche oder im Inneren der Polymerpufferschicht 2 und außerdem im Inneren des Polymerkerns 3 hervorgerufen wird.
2. Optische Wellenleiter sind durch die Verfahren (c), (d) und (e) der Fig. 8 unter Verwendung des Polymerkerns, der die oben beschriebene Rißbildung aufwies, hergestellt worden. Das Resultat besteht darin, daß die optischen Wellenleiter einen hohen Streuverlust aufgrund ihrer ungleichmäßigen Struktur aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Wellenleiter mit einem Polymerkern bereitzustellen, dessen für den Kern, d. h. für den Teil, durch den das Licht übertragen wird, verwendetes Polymer, keine Rißbildung aufweist, gleichförmig ist, einen geringen Verlust aufweist und einen niedrigen Polarisationsgrad besitzt, wobei in dem optischen Wellenleiter eine verbleibende extrem niedrige mechanische Spannung herrschen soll, um eine entsprechend niedrige Polarisationscharakteristik zu erreichen, so daß die Lichtausbreitung in dem Polymerkern nicht zusätzlich durch Polarisationseffekte belastet wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, zwei Verfahren zur Herstellung von Lichtleitern einerseits auf einem Substrat und andererseits in einer Nut eines Substrats anzugeben, wobei die Herstellungsverfahren die Kantenbildung des Wellenleiters verbessern sollen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 10 bzw. im Anspruch 11 angegebenen Maß nahmen gelöst.

Erfindungsgemäß ist der Polymerkern zwischen einer Pufferschicht und einer Überzugsschicht, die aus SiO_xN_yH_z-Filmen bestehen, eingeschoben. Da die Polymerschichten nicht in Form einer dicken, vielschichtigen Schicht wie bei üblichen Polymerschichten ausgebildet sind, tritt eine Rißbildung in dem Polymerkern nicht auf. Sogar wenn Si als Trägersub stanz verwendet wird und darauf eine aus einem SiO_xN_yH_z-Film beste hende Pufferschicht mit einer Dicke von mehreren µm bis mehreren zehn µm gebildet wird, ist die Spannung in der Si-Trägersubstanz extrem niedrig in der erfindungsgemäßen Struktur. Es tritt keine Rißbildung in einer solchen, auf der Pufferschicht gebildeten Kernschicht auf. Der Grund dafür ist im folgenden beschrieben. Wenn eine Polymerschicht auf eine Polymerschicht laminiert wird, besteht eine ausgezeichnete Adhäsion zwischen diesen Schichten und die Kontraktion in radialer Richtung aufgrund der Verdampfung des Lösungsmittels beim Erhitzen ist groß, wodurch eine Rißbildung verursacht wird. Wenn auf der anderen Seite eine SiO_xN_yH_z-Schicht an eine Polymerschicht adhäriert wird, wird keine Rißbildung hervorgerufen, da die Adhäsion nicht so stark wie in dem oben genannten Fall ist, und da die Spannungen nicht in der SiO_xN_yH_z-Schicht und in der Si-Schicht bleiben, weil der Film mit dem Plasma-CVD-Verfahren gebildet wird.

Der Brechungsindex des SiO_xN_yH_z-Films kann in Abhängigkeit von der Menge des N-Gehaltes, wie in Fig. 2 dargestellt, leicht von 1,46 bis nahezu 1,60 variiert werden. Das hier in der Fig. 2 dargestellte Ergeb nis ist aufgrund eines Versuches erhalten worden, der von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde. Da die Brechungsindizes der meisten Polymere (z. B. Polyimid) in dem Bereich von 1,48 bis 1,62 liegen, liegt der Brechungsindex von SiO_xN_yH_z innerhalb eines geeigneten Bereiches, wenn die Differenz der spezifischen Brechungsindizes als Verhältniswerte von einigen zehntel-Prozent zu einigen Prozent eingestellt werden. Das heißt, wenn ein SiO_xN_yH_z-Film für die Überzugs-(Puffer)- Schicht für den Fall verwendet wird, daß ein Polymer als Kern ver wendet wird, stellt SiO_xN_yH_z eine der am besten geeigneten Substanzen für einen optischen Wellenleiter dar.

Weiterhin ist es schwierig, die Kante des Kerns zu schneiden und zu polieren, wenn ein Polymer als Kern verwendet wird, weil das Polymer weich ist. Wenn der Polymerkern auf der anderen Seite zwischen den SiO_xN_yH_z-Schichten aus einer harten Substanz angeordnet wird, wird es leicht, seine Kante zu schneiden und zu polieren und ihn mit einer hohen Maßgenauigkeit zu bearbeiten.

Daneben kann die SiO_xN_yH_z-Schicht leicht mit Hilfe des Plasma-CVD- Verfahrens bei niedriger Temperatur (unterhalb von 300°C) gebildet werden. Im anderen Fall wird eine zurückgesetzt ausgebildete Nut auf einer Si-Trägersubstanz gebildet, und eine aus einem SiO_xN_yH_z-Film bestehende Pufferschicht wird auf der Oberfläche der zurückgesetzt ausgebildeten Nut mit Hilfe des Plasma-CVD-Verfahrens gebildet. Danach wird eine Polymerlösung in die zurückgesetzt ausgebildete Nut gegossen, wodurch die zurückgesetzt ausgebildete Nut gefüllt wird. Danach erhitzt man zur Härtung und um eine Polymerkernschicht 3 zu bilden. Es ist daher erkennbar, daß man eine Polymerkernschicht mit einer Kante von extrem niedriger Rauhigkeit erhält. Dies ist wirkungs voll zur Verringerung des Verlustes in einem optischen Wellenleiter.

Da die Polymerkernschicht nicht die gesamte Oberfläche der SiO_xN_yH_z- Pufferschicht bedeckt, kann zusätzlich dazu der optische Wellenleiter in einem Zustand niedriger Spannung hergestellt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung tritt eine Rißbildung, die auf das Bestehen einer Spannung zurückzuführen ist, kaum auf, da sich die Kontaktoberfläche zwischen der Polymerkernschicht und der Polymerüberzugsschicht nur auf der oberen Oberfläche der Polymerkernschicht befindet. Weiterhin tritt eine Rißbildung, die auf eine Spannung zurückzuführen ist, nicht auf, da der größte Teil der Polymerüberzugsschicht im Kontakt mit der SiO_xN_yH_z-Pufferschicht steht.

Gemäß einem noch weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es möglich, verschiedene Arten von Polymersubstanzen zu verwenden, wie z. B. Polyimid, Polycarbonat, Polymethacrylsäuremethylester, Polystyrol usw., da der SiO_xN_yH_z-Film ausreichend in der Lage ist, den Bereich der Brechungsindizes der Polymere, die für die Pufferschicht und für die Überzugsschicht verwendet werden, abzudecken.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch Verwendung einer geraden Linie, einer gekrümmten Linie, einer S-förmigen gekrümmten Linie, einer ringförmigen Linie und par allelen Linien als Kernmuster optische Schaltungen für eine optische Verzweigungs-/Zusammenführungs-Schaltung, einen optischen Sternkoppler, eine optische Multi-/Demultiplex-Schaltung, einen optischen Filter, eine optische Abzweigung usw zu erzeugen. Wenn, wie oben beschrieben, ein Polymer für den Kern und ein SiO_xN_yH_z-Film für die Überzugsschicht verwendet wird, ist es möglich, die Größe des Wellenleiters klein zu halten, weil der Unterschied der spezifischen Brechungsindizes auf einen großen Wert eingestellt werden kann. Mit einem Wellenleiter, der eine geringe Größe besitzt, kann eine hochintegrierte optische Schaltung auf einer einzigen Trägersubstanz realisiert werden. Da die Größe des Wellenleiters klein gehalten werden kann, verringert sich weiterhin der Übertragungsverlust des Wellenleiters und die Herstellungskosten können erniedrigt werden, indem man die Menge der zu verwendenden Sub stanzen verringert.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es mög lich, verschiedene Arten von Trägersubstanzen zu verwenden, da der SiO_xN_yH_z-Pufferfilm, der für die Pufferschicht und für die Überzugs schicht verwendet wird, kompatibel mit Substanzen wie Halbleitern, dielektrischen Substanzen, magnetischen Substanzen usw. ist. Damit ist es möglich, optische Wellenleiterschaltungen zu realisieren, die nicht nur passive optische Schaltungen, sondern auch aktive optische Schaltungen enthalten, wie einen Halbleiter-Laser, ein optisches Empfängerelement, einen optischen Verstärker, einen optischen Modulator, einen optischen Schalter usw.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, nämlich der Bildung einer zweiten Überzugsschicht auf der Überzugsschicht, die aus einer Substanz besteht, die ausgewählt ist unter SiO₂, und SiO₂, das wenigstens eine Sorte von Additiven zum Steuern des Brechungsindex enthält, dient die zweite Überzugsschicht als Schutzschicht, um die Erhö hung des Verlustes in dem optischen Wellenleiter zu unterdrücken, sowie als Schutzschicht gegen eine Deformation der Kante des Polymerkerns aufgrund seiner Weichheit, wenn der optische Wellenleiter an der Kante geschnitten und poliert wird. Da der Polymerkern mit harten Substanzen der Trägersubstanz an der Unterseite und in der zweiten Überzugsschicht geschützt ist, ist es leicht, die Kante des Polymerkerns zu schneiden und zu polieren. Somit ist es möglich, die senkrechte Stellung der Kante des optischen Wellenleiters reproduzierbar zu erzeugen.

Einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Herstellungsver fahren eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern dar. Dieses Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt ein Ver fahren zur Bildung von Schichten auf der Oberfläche einer Trägersubstanz in der Reihenfolge einer Pufferschicht aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03, einer Polymerschicht aus einer Polymersubstanz zur Bildung des Polymerkerns und einer Masken schicht aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03, ein Verfahren zur Bildung eines Photoresistmusters auf der Maskenschicht mittels eines Photolithographieverfahrens, ein Verfahren, um die Maskenschicht unter Verwendung des Photoresistmusters als Maske mittels eines Trockenätzverfahrens mit einem Muster zu versehen, ein Verfahren zur Ätzung der Polymerschicht unter Verwendung des Maskenmu sters als Maske mittels eines Trockenätzverfahrens und ein Verfahren zur Bedeckung der Oberfläche des aus der Polymerschicht trocken geätzten Polymerkerns mit einer Überzugsschicht.

Gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung dient die SiO_xN_yH_z-Maskenschicht als Maske, wenn die Polymerkernschicht trocken geätzt wird, wodurch ein annähernd rechteckig-geformter Kern gebildet wird, sowie als Schutzschicht, um eine Erhöhung des Verlustes aufgrund einer Kontamination der Polymerkernschicht und der Rauhigkeit der Polymerkernschicht zu unterdrücken. Weiterhin kann der Polymerkern in einer ausgezeichneten senkrechten Stellung und mit einer hohen Maß genauigkeit gebildet werden, da die Polymerkernschicht mit einem hohen Selektivitätsverhältnis (Verhältnis der Ätzrate der Polymerkernschicht zur Ätzrate der SiO_xN_yH_z-Maske) geätzt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen den Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeich nung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines polymeren optischen Wellenleiters erläutert.

Fig. 2 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der Stickstoff-Konzentration in dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten SiO_xN_yH_z-Film zeigt (das Ergebnis, das von den Erfindern der vorliegenden Erfindung experimentell erhalten wurde).

Fig. 3 eine Ansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines polymeren optischen Wellenleiters erläutert.

Fig. 4 eine Ansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines polymeren optischen Wellenleiters erläutert.

Fig. 5 eine Ansicht, die eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines polymeren optischen Wellenleiters erläutert.

Fig. 6(a) bis (g) eine Ansicht, die ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines polymeren optischen Wellenleiters erläutert.

Fig. 7 ein Diagramm, das erfindungsgemäße Beispiele von Kernmustern in dem optischen Wellenleiter mit einem Polymerkern zeigt.

Fig. 8(a) bis (e) eine Ansicht, die ein übliches Herstellungsverfahren eines poly meren optischen Wellenleiters, das von den Erfindern der vor liegenden Erfindung untersucht wurde, erläutert.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, genau beschrieben.

Fig. 1 zeigt die erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines polymeren optischen Wellenleiters.

Als Substanzen für die Trägersubstanz 1 können die folgenden Substan zen verwendet werden: Halbleiter (Si, GaAs, InP usw.), dielektrische Substanzen (ferroelektrische Substanzen wie LiNbO₃, LiTaO₃, Gläser wie die SiO₂-Glasgruppe, die Verbundglasgruppe usw.; Polymere wie ein Epoxyharz, Polycarbonat, Polyimid, Teflon usw.). In der Ausführungsform wird jedoch eine Si-Trägersubstanz verwendet. Eine aus einem SiO_x N_yH_z-Film bestehende Pufferschicht 6 wird auf der Oberfläche der Si- Trägersubstanz 1 gebildet. Die SiO_xN_yH_z-Pufferschicht 6 wird mit dem Plasma-CVD-Verfahren gebildet. Anders ausgedrückt werden eine obere Elektrode und eine untere Elektrode in eine Reaktionskammer gebracht, die zur Erzeugung eines Vakuums evakuiert wird, die Si-Trägersubstanz 1 wird auf der unteren Elektrode plaziert und auf etwa 270°C erhitzt, eine elektrische Hochfrequenzleistung wird den beiden Elektroden zu geführt, wodurch ein Plasma hergestellt wird, und der SiO_xN_yH_z-Film wird gebildet, indem man ein Gasgemisch aus SiH₄, N₂O und N₂ in die Plasmaumgebung fließen läßt. Der SiO_xN_yH_z-Film wird so gebildet, daß er eine Dicke von etwa 8 µm aufweist, und der Stickstoff-Gehalt wird so gesteuert, daß er 18 Atom-% beträgt, so daß der Brechungsindex (der Wert bei einer Wellenlänge von 0,63 µm) 1,5415 beträgt.

Da das Herstellungsverfahren dieses SiO_xN_yH_z-Films detailliert in jeder der folgenden Veröffentlichungen von einem Erfinder der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist: TECHNICAL REPORT OF IEICE OQE92-110 (1992-10) unter Bezugnahme auf Fig. 5 auf Seite 11, und Materials in Microelectronic and Optoelectronic Packaging, Bd. 33 (1992- 11) unter Bezugnahme auf Fig. 13 auf Seite 52, wird die Erläuterung davon hier weggelassen.

Die Verwölbung der Si-Trägersubstanz, auf der der SiO_xN_yH_z-Film gebildet wird, beträgt weniger als 7 µm für eine Trägersubstanz mit einem Durchmesser von 3 Inch. Die Verwölbung weist einen sehr kleinen Wert auf. Ein Polyimid wird für die Polymerkernschicht 3 auf der Pufferschicht verwendet. Die Polymerkernschicht 3 dieser Ausfüh rungsform wird für einen Einzelmode-Kern und für eine Lichtwellenlänge von 0,83 µm eingesetzt und besitzt einen Brechungsindex von 1,5560 (bei einer Wellenlänge von 0,63 µm), eine Kernbreite von 5 µm und eine Kerndicke von 3 µm. Das oben genannte Polyimid wird gebildet, indem man PIQ-W100 und PIQ-W200, gelöst in einem Dimethylacetamid-Lö sungsmittel, auf die Pufferschicht mit Hilfe eines Rotationsbeschichtungs verfahrens aufträgt und danach 30 Minuten bei 90°C, 30 Minuten bei 200°C und eine Stunde bei 350°C erhitzt. Danach wird ein Photoresist muster auf der Polyimidkernschicht mit Hilfe eines Photolithographie- Verfahrens gebildet. Danach wird mit einem Trockenätzverfahren die Trockenätzung in einer Plasmaumgebung unter Verwendung von O₂-Gas als Ätzgas (reaktive Ionenätzung) durchgeführt, um eine annähernd recht eckig-geformte Polymerkernschicht 3 zu erhalten. Abschließend wird eine SiO_xN_yH_z-Überzugsschicht 7 auf der Oberfläche unter Verwendung des oben beschriebenen Plasma-CVD-Verfahrens gebildet, wodurch man einen optischen Wellenleiter erhält. Die Dicke der SiO_xN_yH_z-Überzugsschicht 7 beträgt 8 µm, und der Brechungsindex ist der gleiche wie der der Pufferschicht.

Aufgrund des oben beschriebenen Verfahrens weist der Wellenleiter mit einem Polymerkern keine Rißbildung auf. Das heißt, daß sich die Verwölbung der Si-Trägersubstanz nach dem Schritt der Bildung der Polyimidkernschicht kaum erhöht hat im Vergleich zum Schritt der Bildung der SiO_xN_yH_z-Überzugsschicht 7.

Fig. 3 zeigt die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern. Bei dieser Ausführungsform wird ein zurückgesetzt ausgebildeter Abschnitt 8 zur Einbettung eines Kernmu sters auf der Oberfläche der Si-Trägersubstanz 1 vorher bereitgestellt. Nach Bildung einer SiO_xN_yH_z-Pufferschicht 6 auf der Oberfläche der Si- Trägersubstanz mit dem zurückgesetzt ausgebildeten Abschnitt 8 wird eine Polyimidlösung in den zurückgesetzt ausgebildeten Abschnitt 8 gegossen und erhitzt, wodurch ein Polyimid gebildet wird, das in die Nut des zurückgesetzt ausgebildeten Abschnitts 8 eingebettet ist. Das Merk mal dieses optischen Wellenleiters ist, daß die Rauhigkeit der seitlichen Oberfläche des Kerns sehr klein gehalten werden kann, da kein Bedarf besteht, die Polyimidkernschicht in annähernd rechtwinkliger Form durch eine Trockenätzung zu bilden. Dadurch wird der Streuverlust des opti schen Wellenleiters klein. Weiterhin besteht kein Bedarf, die gesamte Oberfläche der SiO_xN_yH_z-Pufferschicht mit der Polyimidkernschicht zu bedecken, um die rechtwinklig-geformte Polymerkernschicht 3 zu erhalten. Daher kann das Auftreten einer Spannung unterdrückt werden.

Weiterhin zeigt Fig. 4 die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern. Bei dieser Ausführungs form wird eine Polymerüberzugsschicht 5 anstelle der in der Fig. 3 verwendeten SiO_xN_yH_z-Überzugsschicht verwendet. Bei diesem Aufbau findet eine Rißbildung, die auf das Auftreten einer Spannung zurückzu führen ist, kaum statt, da die Polymerkernschicht 3 und die Polymerüber zugsschicht 5 nicht weitflächig miteinander in Kontakt stehen.

Weiterhin zeigt Fig. 5 die vierte erfindungsgemäße Ausführungsform eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern. Bei dieser Ausführungs form wird, wie oben beschrieben, eine zweite Überzugsschicht, die aus einer Substanz besteht, die ausgewählt ist unter SiO₂ und SiO₂, das wenigstens eine Sorte von Additiven zur Steuerung des Brechungsindex enthält, auf der Überzugsschicht gebildet, wobei die zweite Überzugs schicht als Schutzschicht, um eine Erhöhung des Verlustes in dem opti schen Wellenleiter zu unterdrücken, sowie als Schutzschicht gegen eine Deformation an der Kante des Polymerkerns, die aufgrund seiner Weich heit auftritt, wenn der optische Wellenleiter an der Kante geschnitten und poliert wird, dient. Da der Polymerkern durch harte Substanzteile der Trägersubstanz an der Unterseite und durch die zweite Überzugs schicht geschützt ist, ist es einfach, die Kante des Polymerkerns zu schneiden und zu polieren. Somit ist es möglich, eine senkrechte Struk tur an der Kante des optischen Wellenleiter reproduzierbar zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Brechungsindex der zweiten Überzugsschicht 9 gleich oder kleiner als der Brechungsindex der Polymerüberzugsschicht 5. Die zweite Überzugsschicht 9 kann eine Glasplatte sein. In diesem Fall körnen die Polymerüberzugsschicht 5 und die oben genannte Glasplatte unter Verwendung eines Klebstoffs aneinander befestigt werden.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Herstellungs verfahrens für einen optischen Wellenleiter mit einem Polymerkern. Das Merkmal des Herstellungsverfahrens besteht darin, daß die SiO_xN_yH_z- Maskenschicht als Maske, wenn die Polymerkernschicht unter Verwendung einer Trockenätzung geätzt wird, wodurch ein annähernd rechtwinklig geformter Kern gebildet wird, sowie als Schutzschicht dient, um eine Erhöhung des Verlustes, der aufgrund einer Kontamination der Polymer kernschicht auftritt zu unterdrücken. Da die Polymerkernschicht mit einem hohen Selektivitätsverhältnis geätzt werden kann, kann der Poly merkern außerdem ausgezeichnet senkrecht und mit einer hohen Maß genauigkeit gebildet werden. Das Herstellungsverfahren wird unter Bezugnahme auf die Figur im folgenden beschrieben. Wie in Fig. 6(a) dargestellt ist, wird zunächst eine Pufferschicht 6 aus einem SiO_xN_yH_z- Film auf der Oberfläche einer Trägersubstanz 1 gebildet. Diese SiO_x N_yH_z-Pufferschicht 6 kann mit Hilfe des Plasma-CVD-Verfahrens unter Verwendung einer Metall-Alkoxid-Flüssigkeit (z. B. Si(OC₂H₅)₄), N₂O und N₂ oder mit Hilfe eines Elektronenstrahl-Aufdampf-Verfahrens unter Verwendung eines Tablettengemisches von SiO₂ und Si₃N₄, oder mit Hilfe eines anderen Verfahrens als dem Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung des Gasgemisches aus SiH₄, N₂O und N₂, wie oben be schrieben, hergestellt werden. Wie in Fig. 6(b) dargestellt ist, wird danach eine Polymerkernschicht 3 auf der SiO_xN_yH_z-Pufferschicht 6 gebildet. Wie in Fig. 6(c) dargestellt ist, wird danach eine SiO_xN_yH_z- Maskenschicht 10 auf der Polymerkernschicht 3 gebildet. Die SiO_xN_yH_z- Maskenschicht 10 dient später als Teil einer Überzugsschicht. Der Brechungsindex der SiO_xN_yH_z-Maskenschicht 10 wird gleich oder kleiner als der Brechungsindex der SiO_xN_yH_z-Überzugsschicht 7, die später gebildet wird, gewählt. Die SiO_xN_yH_z-Maskenschicht 10 wird auch mit Hilfe des Plasma-CVD-Verfahrens bei niedriger Temperatur (niedriger als 300°C) gebildet. Auf dieser SiO_xN_yH_z-Maskenschicht 10 wird ein Photo resistmuster 4 mit Hilfe eines Photolithographie-Verfahrens, wie in Fig. 6(d) dargestellt, gebildet. Im folgenden wird auf der SiO_xN_yH_z-Masken schicht 10 unter Verwendung des Photoresistmusters 4 mit Hilfe eines Trockenätzverfahrens ein Muster erzeugt, wie in Fig. 6(e) dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird CHF₃-Gas als Ätzgas verwendet, wobei die Ätzung unter einem niedrigen Gasdruck von 0,05 bis 0,01 Torr durchge führt wird. Danach wird die Trockenätzung der Polymerkernschicht 3 unter Verwendung der SiO_xN_yH_z-Maskenschicht 10, wie in Fig. 6(f) dargestellt ist, durchgeführt, um eine annähernd rechteckige Form zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt wird O₂-Gas oder CF₄-Gas, dem O₂ zugesetzt worden ist, als Ätzgas verwendet. Abschließend wird die in Fig. 6(f) dargestellte gesamte, trocken geätzte Oberfläche mit einer SiO_x N_yH_z-Überzugsschicht 7 bedeckt, wie in Fig. 6(g) dargestellt. Auf diese Weise ist ein optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern hergestellt worden.

Obwohl Si als Trägersubstanz in der oben beschriebenen Ausführungs form verwendet worden ist, ist die Substanz nicht auf Si beschränkt, und es können verschiedene Sorten von Substanzen als Trägersubstanz, wie oben beschrieben, verwendet werden. Weiterhin können verschiedene Sorten von Polymersubstanzen, und zwar andere als ein Polyimid, als Substanz für die Polymerkernschicht 3 verwendet werden.

Es ist klar, daß das in Fig. 6 dargestellte Herstellungsverfahren für einen Polymerkern auf die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsformen angewendet werden kann.

Fig. 7 zeigt Beispiele für Kernmuster bei dem erfindungsgemäßen Wel lenleiter mit einem Polymerkern. Wie in der Figur dargestellt ist, ist es möglich, durch Verwendung einer geraden Linie, einer gekrümmten Linie, einer S-förmigen gekrümmten Linie, einer ringförmigen Linie und par allelen Linien als Kernmuster optische Schaltungen für eine optische Verzweigungs-/Zusammenführungs-Schaltung, einen optischen Sternkoppler, eine optische Multi-/Demultiplex-Schaltung, einen optischen Filter, eine optische Abzweigung usw. zu erzeugen. Da bei dem erfindungsgemäßen Wellenleiter mit einem Polymerkern ein SiO_xN_yH_z-Film als Überzugs schicht verwendet wird, ist es möglich, die Größe des Wellenleiters klein zu halten, weil der Unterschied der spezifischen Brechungsindizes groß gewählt werden kann. Mit einem Wellenleiter von geringer Größe kann eine hochintegrierte optische Schaltung auf einer einzigen Trägersubstanz erzeugt werden. Da die Größe des Wellenleiters klein gehalten werden kann, verringert sich außerdem der Übertragungsverlust des Wellenleiters, und die Herstellungskosten können durch Verringerung der verwendeten Substanzmenge erniedrigt werden.

Da der für die Pufferschicht und die Überzugsschicht verwendete SiO_x N_yH_z-Film kompatibel mit Substanzen wie Halbleitern, dielektrischen Substanzen, magnetischen Substanzen usw. ist, ist es möglich, verschiede ne Sorten von Trägersubstanzen (Halbleiter, dielektrische Substanzen, magnetische Substanzen usw.) zu verwenden. Somit ist es möglich, optische Wellenleiterschaltungen zu erzeugen, die nicht nur passive optische Schaltungen, sondern auch aktive optische Schaltungen, wie einen Halbleiterlaser, ein optisches Empfängerelement, einen optischen Verstärker, einen optischen Modulator, einen optischen Schalter usw. beinhalten.

Wie oben beschrieben weisen der erfindungsgemäße optische Wellenleiter mit einem Polymerkern und das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren die folgenden Effekte auf.

1. Es ist möglich, einen optischen Wellenleiter mit einem Polymerkern zu erhalten, dessen für den Kern, d. h. für den Teil, durch den das Licht übertragen wird, verwendetes Polymer keine Rißbildung auf weist und gleichmäßig ist.
2. Es ist möglich, einen optischen Wellenleiter zu erhalten, der einen geringen Verlust und eine niedrige Polarisierungscharakteristik auf weist, da die in dem optischen Wellenleiter verbleibende Spannung extrem niedrig ist.
3. Da der SiO_xN_yH_z-Film, der ausreichend geeignet ist zur Abdeckung des Brechungsindexbereiches der Polymere, für die Überzugsschicht (die Pufferschicht) verwendet wird, ist es möglich, verschiedene Sorten von Polymersubstanzen zu verwenden. Da der SiO_xN_yH_z- Film im Vergleich zu den Polymersubstanzen eine harte Substanz ist, und da der Polymerkern von den harten Substanzen geschützt ist, ist es leicht die Kante des Polymerkerns mit einer hohen Maßgenau igkeit zu schneiden und zu polieren.
4. Da nach der Bildung eines zurückgesetzt ausgebildeten Abschnitts auf einer Trägersubstanz und der Bildung eines SiO_xN_yH_z-Films auf dem zurückgesetzt ausgebildeten Abschnitt eine Polymerlösung in die Nut des zurückgesetzt ausgebildeten Abschnitts 8 gegossen wird, wodurch ein rechteckig-geformter Polymerkern gebildet wird, kann die Rauhigkeit der seitlichen Oberfläche des Kerns klein gehalten werden. Es ist möglich, den Streuverlust des optischen Wellenleiters gering zu halten.
5. Die auf der Überzugsschicht gebildete zweite Überzugsschicht, die aus einer Substanz besteht, die ausgewählt ist unter SiO₂ und SiO₂, das wenigstens eine Sorte von Additiven zur Steuerung des Bre chungsindex enthält, dient als Schutzschicht, um eine Erhöhung des Verlustes in dem optischen Wellenleiter zu unterdrücken, sowie als Schutzschicht gegen eine Deformation der Kante des Polymerkerns, die aufgrund seiner Weichheit auftritt, wenn der optische Wellenlei ter an der Kante geschnitten und poliert wird. Da der Polymerkern von den harten Substanzen der Trägersubstanz an der Unterseite und von der zweiten Überzugsschicht geschützt ist, ist es einfach, die Kante des Polymerkerns zu schneiden und zu polieren. Somit ist es möglich, eine Senkrechtheit an der Kante des optischen Wel lenleiters reproduzierbar zu erzeugen.
6. Die SiO_xN_yH_z-Maskenschicht dient als Maske, wenn die Polymer kernschicht durch eine Trockenätzung geätzt wird, wodurch ein annä hernd rechteckig-geformter Kern gebildet wird, sowie als Schutz schicht, um eine Erhöhung des Verlustes, die aufgrund einer Kon tamination der Polymerkernschicht hervorgerufen wird, zu unterdrüc ken. Außerdem kann der Polymerkern ausgezeichnet senkrecht und mit einer hohen Maßgenauigkeit gebildet werden, da der Polymer kern mit einem großen Selektivitätsverhältnis geätzt werden kann.

Claims

1. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern, wobei der Wellenleiter umfaßt:

1. eine Trägersubstanz (1),
2. eine auf der Oberfläche der Trägersubstanz (1) gebildete Pufferschicht (6), die aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03 einer bestimmten Dicke mit einem Brechungsindex n_b besteht,
3. den auf der Pufferschicht (6) gebildeten, annähernd rechtwinklig geformten Polymerkern (3), der aus einer Polymersubstanz mit einem Brechungsindex n_w mit n_w < n_b besteht, und
4. eine die Oberflächen der Pufferschicht (6) und des Polymerkerns (3) bedeckende Überzugsschicht (5; 7) mit einem Brechungsindex n_c mit n_c < n_w.

2. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschicht (7) aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03 besteht.

3. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschicht (7) aus einer Polymersubstanz besteht.

4. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03 zwischen der oberen Oberfläche des Polymerkerns (3) und der Überzugsschicht (7) gebildet ist.

5. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein nutförmig ausgebildeter Abschnitt (8) an der Oberfläche der Trägersubstanz (1) gebildet ist, eine Pufferschicht (6) aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03 auf der Oberfläche der Trägersubstanz gebildet (1) gebildet ist, und der Polymerkern (3) in den nutförmig ausgebildeten Abschnitt der Pufferschicht (6) eingebettet ist.

6. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerkern (3) aus einer Polymersubstanz besteht, die ausgewählt ist unter Polyimid, Polycarbonat, Polymethacrylsäuremethylester und Polystyrol.

7. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerkern (3) wenigstens eines der Kernmuster aufweist, die ausgewählt sind unter einer geraden Linie, einer gekrümmten Linie, einer S-förmigen gekrümmten Linie, einer ringförmigen Linie und parallelen Linien.

8. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Trägersubstanz (1) aus einer Substanz besteht, die ausgewählt ist unter einem Halbleiter, einer dielektrischen Substanz und einer magnetischen Substanz.

9. Optischer Wellenleiter mit einem Polymerkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine zweite Überzugsschicht (9) auf der Überzugsschicht (5), bestehend aus einer Substanz, die ausgewählt ist unter SiO₂-Glas und SiO₂-Glas, das wenigstens eine Sorte von Zusätzen zur Steuerung des Brechungsindexes enthält.

10. Herstellungsverfahren eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern, das umfaßt:

1. ein Verfahren zur Bildung von Schichten auf der Oberfläche einer Trägersubstanz in der Reihenfolge einer Pufferschicht (6) aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03, einer Polymerschicht aus einer Polymersubstanz zur Bildung des Polymerkerns (3) und einer Maskenschicht (10) aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03,
2. ein Verfahren zur Bildung eines Photoresistmusters auf der Maskenschicht (10) mittels eines Photolithographieverfahrens,
3. ein Verfahren, um die Maskenschicht (10) unter Verwendung des Photoresistmusters als Maske mittels eines Trockenätzverfahrens mit einem Muster zu versehen,
4. ein Verfahren zur Ätzung der Polymerschicht unter Verwendung des Maskenmusters als Maske mittels eines Trockenätzverfahrens, und
5. ein Verfahren zur Bedeckung der Oberfläche des aus der Polymerschicht trocken geätzten Polymerkerns (3) mit einer Überzugsschicht (7).

11. Herstellungsverfahren eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern, das umfaßt:

1. ein Verfahren zur Bildung eines nutförmig ausgebildeten Abschnitts auf der Oberfläche einer Trägersubstanz (1),
2. ein Verfahren zur Bildung einer Pufferschicht (6) aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03 auf der Trägersubstanz,
3. ein Verfahren zur Bildung einer Polymerschicht aus einer Polymersubstanz in dem nutförmig ausgebildeten Abschnitt, der einem nutförmig ausgebildeten Abschnitt der Pufferschicht (6) entspricht,
4. ein Verfahren zur Bildung einer Maskenschicht aus einem SiO_xN_yH_z-Film mit 0,72 ≦ x < 1, 0 < y ≦ 0,25 und 0 < z ≦ 0,03 auf der Pufferschicht (6) und der Oberfläche der Polymerschicht, wobei die Maskenschicht als Teil einer Überzugsschicht dient,
5. ein Verfahren zur Bildung eines Photoresistmusters auf der Maskenschicht mittels eines Photolithographieverfahrens,
6. ein Verfahren, um die Maskenschicht unter Verwendung des Photoresistmusters als Maske mittels eines Trockenätzverfahrens mit einem Muster zu versehen,
7. ein Verfahren zur Ätzung der Polymerschicht unter Verwendung des Maskenmusters als Maske mittels eines Trockenätzverfahrens, und
8. ein Verfahren zur Bedeckung der Oberfläche des aus der Polymerschicht gebildeten, trocken geätzten Polymerkerns (3) mit einer Überzugsschicht.

12. Herstellungsverfahren eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern gemäß Anspruch 10 oder 11, das ein Verfahren zur Bildung einer zweiten Überzugsschicht auf der Überzugsschicht umfaßt, wobei die zweite Überzugsschicht aus einer Substanz besteht, die ausgewählt ist unter SiO₂ und SiO₂, das wenigstens eine Sorte von Zusätzen zur Steuerung des Brechungsindex enthält.

13. Herstellungsverfahren eines optischen Wellenleiters mit einem Polymerkern gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerkern (3) wenigstens eines der Kernmuster aufweist, die ausgewählt sind unter einer geraden Linie, einer gekrümmten Linie, einer S-förmig gekrümmten Linie, einer ringförmigen Linie und parallelen Linien.