JP2005257843A - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より簡便に光導波路を製造する方法を提供する。
【解決手段】
導波路パターン１２ａが形成され、上部に導波路パターン膜１３ａを有する下部クラッド層１２上に、ＦＨＤ法により、コア層１４を成膜する（工程５）。ＲＩＥにより、コア層１４の一部をエッチングし、導波路パターン膜１３ａの一部を露出させ、導波路パターン膜１３ａ上に成膜したコア層の一部１４ｃと導波路コア１４ａとを分離する（工程６）。導波路パターン膜１３ａを侵食性物質で除去し、これにより、導波路パターン膜１３ａ上のコア層の一部１４ｃも除去する（工程７）。高温の熱処理を行い、導波路コア１４ａの表面を平坦化させ、導波路コア１４ａを完成させる（工程８）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光導波路の製造方法に関し、例えば、光通信または光情報処理の分野で用いられる。

インターネットが世界的に利用されるようになり、通信需要が増大している。このため、動画などの大容量データを効率的に伝達できる光波長多重（ＷＤＭ）通信システムの商用導入が世界中で進んでいる。これに伴い、光通信システムを構成する光デバイスの研究にも拍車がかかっている。

特に、ＬＳＩ微細加工技術を応用し、平面基板上に一括形成できるプレーナ型光導波回路は、集積性・量産性に優れていることから、高性能で複雑な光デバイスを実現できる手段として期待されている。その中でも、シリコン基板上に形成された石英系光導波回路は、信頼性に優れた実用的デバイスとして研究開発が進められている。

図５，６は、従来の凹型プロセスを用いた光導波路の製造方法（下記、非特許文献１を参照。）の概略を示す概略工程図である。図５に示すように、従来の光導波路の製造方法では、工程１において、火炎堆積（ＦＨＤ）法により、シリコン基板１上に石英系ガラスの微小粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、透明のガラス膜からなる下部クラッド層２を成膜する。

次に、工程２において、下部クラッド層２上にアモルファスシリコンの薄膜３を成膜する。工程３において、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、アモルファスシリコンの薄膜３に所望の導波路パターンを形成し、導波路パターン膜３ａとする。ここで、アモルファスシリコンの薄膜３において、後の工程で形成する導波路コアに対応する部分が除去される。

さらに、工程４において、再びＲＩＥにより、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜３ａのパターン形状を下部クラッド層２に転写し、下部クラッド層２に導波路パターン２ａを形成する。

次に、図６に示すように、工程５において、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜３ａを、アモルファスシリコンに対して侵食性を有する物質、たとえば水酸化カリウム水溶液などで除去する。

工程６において、ＦＨＤ法により、導波路パターン２ａを完全に埋めるように下部クラッド層２上に石英系ガラスの微粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、コア層４を成膜する。導波路パターン２ａ内に成膜されたガラス膜は、導波路コア４ａとなる。また、本工程で成膜したコア層４の表面には、工程４において形成した導波路パターン２ａに対応した凹パターン４ｂが存在する。

工程７において、コア層４の表面を研磨して平坦化させ、凹パターン４ｂを除去する。

工程８において、ＲＩＥにより、下部クラッド層２上のコア層４をエッチング除去する。この際に、導波路コア４ａである導波路パターン２ａ内に成膜されたガラス膜のみが残るように、エッチング除去する。

最後に、工程９において、ＦＨＤ法により、下部クラッド層２及び導波路コア４ａの上にガラス微粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、上部クラッド層５を成膜する。

阿部淳他、「凹加工型プロセスによる低損失石英系アレイ導波路格子波長合分波器」、電子情報通信学会、2003年総合大会、C-3-25

上述するように、従来の凹型プロセスによる光導波路の製造方法では、下部クラッド層上にコア層を堆積させる工程（図６の工程６を参照。）において、コア層の表面に導波路パターンに対応した凹パターンが転写される。

この凹パターンの転写については、ＦＨＤ法によりコア層を成膜した場合には比較的緩やかな凹パターンとなるが、特にその他の堆積方法、たとえば気相堆積法であるスパッタリング法、ＣＶＤ法などによる場合には、下部クラッド層に形成された導波路パターンが直接にコア層の表面に転写される。すなわち、導波路パターンの凹とほぼ同じ深さの凹パターンが転写されてしまう。さらに、転写される凹パターンは、導波路パターンの幅など、導波路パターンの平面的形状に依存する。

このように転写されてできた凹パターンに対して、研磨等による平坦化を施さずに、凹パターンが存在するコア層を直接にエッチング除去した場合には、凹パターンに依存して導波路コアの厚さが変化してしまう。これは、エッチング除去は、場所によらず均一な厚さで除去が進行するため、下部クラッド層上のコア層除去が完全に終了する前に、導波路コアにまでエッチングが進行してしまうためである。この結果、製造された光導波路は、光学特性が劣化したものとなるおそれがある。したがって、従来の光導波路の製造方法では、研磨工程（図６の工程７を参照。）が不可欠である。

また、近年、製品の歩留まりを向上させるために基板のサイズを大きくする傾向がある。しかしながら、大きな基板に対して高精度の研磨を施すことは難しく、従来の光導波路の製造方法では、例えば、研磨ムラが生じて凹パターンが完全に除去できない等のおそれがある。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、より簡便に、かつ大きな基板に対応可能な光導波路を製造する方法を提供することを目的とする。具体的には、従来の光導波路の製造方法における表面研磨工程（図６の工程７を参照。）を省いた光導波路の製造方法である。

上記課題を解決する本発明に係る光導波路の製造方法は、
クラッド層に導波路コアを形成してなる光導波路の製造方法であって、
前記クラッド層に犠牲層を成膜し、当該犠牲層に導波路パターンを形成し、当該犠牲層に形成した導波路パターンを用いて、前記クラッド層に導波路パターンを形成し、
前記クラッド層に形成した導波路パターンをも埋め込むように、前記犠牲層上にコア層を成膜した後、
前記犠牲層を除去することを特徴とする光導波路の製造方法である。

また、上記光導波路の製造方法において、
前記犠牲層上にコア層を成膜する工程は、
前記クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の部分と前記犠牲層上のコア層の部分とが、前記犠牲層の一部の露出により、分離した状態で、前記コア層を成膜することを特徴とする光導波路の製造方法である。

また、上記光導波路の製造方法において、
前記犠牲層上にコア層を成膜する工程は、
前記犠牲層の露出が完全になくなるように、前記クラッド層に形成した導波路パターン内および前記犠牲層上にコア層を成膜した後、
前記クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の部分と前記犠牲層上のコア層の部分とが、前記犠牲層の一部の露出により、分離した状態となるように、当該コア層の一部を除去して、
前記コア層を成膜することを特徴とする光導波路の製造方法である。

また、上記光導波路の製造方法において、
前記犠牲層を除去した後に、前記クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の表面を平坦化することを特徴とする光導波路の製造方法である。

上記課題を解決する本発明に係る他の光導波路の製造方法は、
基板上に下部クラッド層と、導波路コアと、上部クラッド層とを有する光導波路の製造方法であって、
前記基板上に前記下部クラッド層を成膜する第１工程と、
前記下部クラッド層に犠牲層を成膜する第２工程と、
当該犠牲層に導波路パターンを形成する第３工程と、
当該犠牲層に形成した導波路パターンを用いて、前記下部クラッド層に導波路パターンを形成する第４工程と、
前記犠牲層の露出が完全になくなるように、前記下部クラッド層に形成した導波路パターン内および前記犠牲層上にコア層を成膜する第５工程と、
前記下部クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の部分と前記犠牲層上のコア層の部分とが、前記犠牲層の一部の露出により、分離した状態となるように、当該コア層の一部を除去する第６工程と、
前記犠牲層を除去すると共に、前記犠牲層上のコア層の部分を除去する第７工程と、
前記下部クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の表面を平坦化して前記導波路コアとする第８工程と、
当該導波路コアが形成された下部クラッド層上に、前記上部クラッド層を成膜する第９工程とを有することを特徴とする光導波路の製造方法である。

また、上記光導波路の製造方法において、
前記犠牲層の除去は、
前記犠牲層に対しては侵食性である一方、前記クラッド層及び前記コア層に対しては非侵食性の物質により除去することを特徴とする光導波路の製造方法である。

また、上記光導波路の製造方法において、
前記クラッド層および前記導波路コアは、石英系材料により形成されることを特徴とする光導波路の製造方法である。

また、上記光導波路の製造方法において、
前記犠牲層は、アモルファスシリコン、クロムまたは金のいずれかであることを特徴とする光導波路の製造方法である。

また、上記光導波路の製造方法において、
前記犠牲層の厚みは、０．５μｍ〜４μｍであることを特徴とする光導波路の製造方法である。

犠牲層の厚みの下限については、０．５μｍ未満の成膜は難しいため、好ましくは０．５μｍ以上であり、より好ましくは１μｍ以上である。犠牲層の厚みの上限については、犠牲層を必要以上に厚くしてしまうと、犠牲層成膜後の工程においてコア層を導波路パターン内にまで成膜できないおそれがあるため４μｍ以下、好ましくは３μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下である。

上記本発明に係る光導波路の製造方法によれば、従来の製造方法で必要であったコア層成膜後の表面の研磨工程を省略することができ、製造プロセスを簡便なものとすることができる。また、クラッド層上の余分なコア層を除去する際に、研磨工程を行うことなく確実に除去することができるため、サイズの大きな基板に対しても対応することができる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１，２は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。これらの図において、同一機能を有するものには同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示すように、本実施形態に係る光導波路の製造方法では、工程１において、ＦＨＤ法により、シリコン基板１１上に石英系ガラスの微粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、透明のガラス膜からなる下部クラッド層１２を成膜する。

次に、工程２において、蒸着により、犠牲層であるアモルファスシリコンの薄膜１３（厚さ１μｍ）を成膜する。工程３において、フォトリソグラフィおよびＲＩＥにより、アモルファスシリコンの薄膜１３に所望の導波路パターンを形成し、導波路パターン膜１３ａとする。ここで、アモルファスシリコンの薄膜１３において、後の工程で形成する導波路コアに対応する部分が除去される。

さらに、工程４において、再びＲＩＥにより、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜１３ａのパターン形状を下部クラッド層１２に転写し、下部クラッド層１２に凹型の導波路パターン１２ａを形成する。ここで、導波路パターン１２ａのパターン溝の深さは６μｍである。

次に、図２に示すように、工程５において、ＦＨＤ法により、導波路パターン１２ａを完全に埋めるように石英系ガラスの微粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、コア層１４を成膜する。導波路パターン１２ａ内に成膜されたガラス膜は、導波路コア１４ａとなる。また、本工程で成膜したコア層１４の表面には、工程４において形成した導波路パターン１２ａに対応した凹パターン１４ｂが存在する。

ここで、コア層１４を成膜する際には、下部クラッド層１２と後の工程（下記、工程９を参照。）で成膜される上部クラッド層に対して適切な比屈折率差Δを与えるように、二酸化ゲルマニウムを添加する。また、コア層１４の成膜厚としては、下部クラッド層１２に形成された導波路パターン１２ａを十分埋没させる厚さ、例えば６．５μｍのコア層を堆積させる。

工程６において、ＲＩＥにより、コア層１４の一部をエッチングし、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜１３ａを露出させる。この結果、導波路パターン膜１３ａ上に堆積したコア層の一部１４ｃと、導波路コア１４ａとは分離される。

次に、工程７において、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜１３ａを、アモルファスシリコンに対して侵食性を有する物質、たとえば水酸化ナトリウム水溶液などで除去する。また、これに伴って、余分なガラス膜である、導波路パターン膜１３ａ上に堆積したコア層の一部１４ｃも除去される。

導波路パターン膜１３ａ及びコア層の一部１４ｃの除去方法としては、詳細には、リフトオフ法を用いる。工程６において、エッチングにより導波路パターン膜１３ａの一部を露出させているため、この露出箇所から侵食性物質である水酸化ナトリウム水溶液が滲入し、導波路パターン膜１３ａを侵食する。導波路パターン膜１３ａが完全に侵食されることにより、コア層の一部１４ｃと下部クラッド層１２との間が水酸化ナトリウム水溶液により満たされる。その後、純水などを用いて十分に洗浄することにより、コア層の一部１４ｃが除去される。

工程８において、1000℃以上の高温の熱処理を行い、導波路コア１４ａの表面を平坦化させる。この結果、同図に示すように、導波路パターン１２ａ内にのみガラス膜が残る形状となり、導波路コア１４ａが完成する。

最後に、工程９において、ＦＨＤ法により、下部クラッド層１２及び導波路コア１４ａの上にガラス微粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、上部クラッド層１５を成膜する。上述する全工程をへて、光導波路が製造される。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図３，４は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。これらの図において、同一機能を有するものには同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態では、基板としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いた。ＳＯＩ基板は、シリコン基板２１上に、熱酸化によりガラス（ＳｉＯ₂）膜２２を形成し、ガラス膜２２の上にアモルファスシリコンの薄膜２３を堆積させて作製する（工程１，２を参照。）。ＳＯＩ基板の絶縁層はガラス膜２２から構成され、当該ガラス膜２２が光導波路の下部クラッド層となる。また、アモルファスシリコンの薄膜２３は犠牲層となる。

工程３において、フォトリソグラフィおよびＲＩＥにより、アモルファスシリコンの薄膜２３に所望の導波路パターンを形成し、導波路パターン膜２３ａとする。ここで、アモルファスシリコンの薄膜２３において、後の工程で形成する導波路コアに対応する部分が除去される。

さらに、工程４において、再びＲＩＥにより、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜２３ａのパターン形状を下部クラッド層２２に転写し、下部クラッド層２２に凹型の導波路パターン２２ａを形成する。ここで、導波路パターン２２ａのパターン溝の深さは６μｍである。

次に、図４に示すように、工程５において、ＦＨＤ法により、導波路パターン２２ａを完全に埋めるように石英系ガラスの微粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、コア層２４を成膜する。導波路パターン２２ａ内に成膜されたガラス膜は、導波路コア２４ａとなる。また、本工程で成膜したコア層２４の表面には、工程４において形成した導波路パターン２２ａに対応した凹パターン２４ｂが存在する。

ここで、コア層２４を成膜する際には、下部クラッド層２２と後の工程（下記、工程９を参照。）で成膜される上部クラッド層に対して適切な比屈折率差Δを与えるように、二酸化ゲルマニウムを添加する。また、コア層２４の成膜厚としては、下部クラッド層２２に形成された導波路パターン２２ａを十分埋没させる厚さ、例えば６．５μｍのコア層を堆積させる。

工程６において、ＲＩＥにより、コア層２４の一部をエッチングし、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜２３ａを露出させる。この結果、導波路パターン膜２３ａ上に堆積したコア層の一部２４ｃと、導波路コア２４ａとは分離される。

次に、工程７において、アモルファスシリコンからなる導波路パターン膜２３ａを、アモルファスシリコンに対して侵食性を有する物質、たとえば水酸化ナトリウム水溶液などで除去する。また、これに伴って、余分なガラス膜である、導波路パターン膜２３ａ上に堆積したコア層の一部２４ｃも除去される。これらの除去は、上述するリフトオフ法による。

工程８において、1000℃以上の高温の熱処理を行い、導波路コア２４ａの表面を平坦化させる。この結果、同図に示すように、導波路パターン２２ａ内にのみガラス膜が残る形状となり、導波路コア２４ａが完成する。

最後に、工程９において、ＦＨＤ法により、下部クラッド層２２及び導波路コア２４ａの上にガラス微粒子を堆積させた後に1000℃以上の高温で溶融・固化することで、上部クラッド層２５を成膜する。上述する全工程をへて、光導波路が製造される。

なお、上述する第１及び第２の実施形態では、ＦＨＤ法を利用した成膜工程（下部クラッド層１２、コア層１４，２４、上部クラッド層１５，２５）について説明したが、その他の方法、たとえばスパッタリング法やＣＶＤ法により成膜してもよい。

また、上述する第１及び第２の実施形態では、反応性イオンエッチングを利用した導波路パターンの形成について説明したが、その他の方法、たとえばイオンミリングなどの方法により形成してもよい。

さらに、上述する第１及び第２の実施形態では、犠牲層としてアモルファスシリコンを、犠牲層に対する侵食性の物質として水酸化ナトリウム水溶液を用いる例について説明したが、シリコン系犠牲層に対する侵食性の物質としては、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性溶液等が挙げられる。また、犠牲層として金属クロムを、侵食性の物質として混酸クロムエッチング液の組み合わせ、犠牲層として金を、侵食性の物質として金エッチング液の組み合わせを用いてもよい。

また、上述する第１及び第２の実施形態では、工程５においてＦＨＤ法によりコア層を成膜し、工程６においてＲＩＥによりコア層の一部をエッチングして導波路パターン膜を露出させているが、工程５におけるコア層の成膜厚を精密に制御して、導波路パターン膜の露出を残すように成膜してもよい。

すなわち、コア層を成膜する際に、導波路パターン膜を完全に埋め込むまで成膜するのではなく、工程６に示すように、導波路パターン膜上に堆積したコア層の一部と、導波路コアとが分離されるような導波路パターン膜の露出部分を残すように成膜する。このような成膜方法とすることにより、工程６におけるコア層の一部除去の工程を省略することができる。

このような成膜方法の場合には、ＦＨＤ法よりも、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法により成膜する方がよい。しかしながら、ＦＨＤ法でも、ガラス微粒子の堆積による成膜厚の微調整、また、ガラス微粒子の導波路パターン膜の側壁への付着防止（導波路パターン膜の露出を残すような成膜）が可能であれば、用いることができる。

また、このような成膜方法の場合には、犠牲層の厚さを比較的大きくしておくと、導波路パターン膜（犠牲層）の露出部分を残すような成膜が容易に行える。

本発明の第１の実施形態に係る光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。 本発明の第１の実施形態に係る光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。 本発明の第２の実施形態に係る光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。 従来の凹型プロセスを用いた光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。 従来の凹型プロセスを用いた光導波路の製造方法の概略を示す概略工程図である。

符号の説明

１，１１，２１ シリコン基板
２，１２，２２ 下部クラッド層
２ａ，１２ａ，２２ａ 導波路パターン
３，１３ アモルファスシリコンの薄膜
３ａ，１３ａ，２３ａ 導波路パターン膜
４，１４，２４ コア層
４ａ，１４ａ，２４ａ 導波路コア
４ｂ，１４ｂ，２４ｂ 凹パターン
１４ｃ，２４ｃ コア層の一部
５，１５，２５ 上部クラッド層

Claims (9)

1. クラッド層に導波路コアを形成してなる光導波路の製造方法であって、
   前記クラッド層に犠牲層を成膜し、当該犠牲層に導波路パターンを形成し、当該犠牲層に形成した導波路パターンを用いて、前記クラッド層に導波路パターンを形成し、
   前記クラッド層に形成した導波路パターンをも埋め込むように、前記犠牲層上にコア層を成膜した後、
   前記犠牲層を除去することを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 請求項１に記載する光導波路の製造方法において、
   前記犠牲層上にコア層を成膜する工程は、
   前記クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の部分と前記犠牲層上のコア層の部分とが、前記犠牲層の一部の露出により、分離した状態で、前記コア層を成膜することを特徴とする光導波路の製造方法。
3. 請求項１に記載する光導波路の製造方法において、
   前記犠牲層上にコア層を成膜する工程は、
   前記犠牲層の露出が完全になくなるように、前記クラッド層に形成した導波路パターン内および前記犠牲層上にコア層を成膜した後、
   前記クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の部分と前記犠牲層上のコア層の部分とが、前記犠牲層の一部の露出により、分離した状態となるように、当該コア層の一部を除去して、
   前記コア層を成膜することを特徴とする光導波路の製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載する光導波路の製造方法において、
   前記犠牲層を除去した後に、前記クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の表面を平坦化することを特徴とする光導波路の製造方法。
5. 基板上に下部クラッド層と、導波路コアと、上部クラッド層とを有する光導波路の製造方法であって、
   前記基板上に前記下部クラッド層を成膜する第１工程と、
   前記下部クラッド層に犠牲層を成膜する第２工程と、
   当該犠牲層に導波路パターンを形成する第３工程と、
   当該犠牲層に形成した導波路パターンを用いて、前記下部クラッド層に導波路パターンを形成する第４工程と、
   前記犠牲層の露出が完全になくなるように、前記下部クラッド層に形成した導波路パターン内および前記犠牲層上にコア層を成膜する第５工程と、
   前記下部クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の部分と前記犠牲層上のコア層の部分とが、前記犠牲層の一部の露出により、分離した状態となるように、当該コア層の一部を除去する第６工程と、
   前記犠牲層を除去すると共に、前記犠牲層上のコア層の部分を除去する第７工程と、
   前記下部クラッド層に形成した導波路パターン内のコア層の表面を平坦化して前記導波路コアとする第８工程と、
   当該導波路コアが形成された下部クラッド層上に、前記上部クラッド層を成膜する第９工程とを有することを特徴とする光導波路の製造方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載する光導波路の製造方法において、
   前記犠牲層の除去は、
   前記犠牲層に対しては侵食性である一方、前記クラッド層及び前記コア層に対しては非侵食性の物質により除去することを特徴とする光導波路の製造方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載する光導波路の製造方法において、
   前記クラッド層および前記導波路コアは、石英系材料により形成されることを特徴とする光導波路の製造方法。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載する光導波路の製造方法において、
   前記犠牲層は、アモルファスシリコン、クロムまたは金のいずれかであることを特徴とする光導波路の製造方法。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載する光導波路の製造方法において、
   前記犠牲層の厚みは、０．５μｍ〜４μｍであることを特徴とする光導波路の製造方法。

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