JP4420264B2

JP4420264B2 - 光導波路の形成方法

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Publication number: JP4420264B2
Application number: JP2000345925A
Authority: JP
Inventors: 孝西
Original assignee: 孝西
Priority date: 2000-10-07
Filing date: 2000-10-07
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2020-10-07
Also published as: JP2002116335A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体光導波路の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路素子は光通信および光情報記録の分野で用いられている。シリコン、インジウムリンなどの半導体、または石英ガラス、酸化アルミニウム等の誘電体基板上にＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ３等の無機材料またはポリイミド等の有機材料を用いて形成される。
【０００３】
従来の技術では、以下のような問題点がある。一つの基板上に混載されているレーザ、変調素子、結合素子、フォトダイオードなどの光集積回路素子は光導波路を介して光結合している。しかし各素子の構造は互いに異なるため、光の伝送損失が生じる。また光集積回路と光ファイバーとの間においても同様に損失が生じる。このような光の損失を低減するため図９（特開平５−１７３０３６号公報）および図１０（特開２０００−１８０６４８号公報）のようなコアの形状の導波路構造が提案されている。
【０００４】
図９はＩｎＰ基板１上にＩｎＰ下部クラッド層２および厚みと幅がテーパー状に形成された断面が矩形状のＩｎＰＡｓＰコア層３の斜視図である。さらにこの後にＩｎＰ上部クラッド層及び遮光膜がこの上に形成される。図１０は基板１上に有機ポリマのバッファ層２、その上にバッファ層２よりも屈折率の高い有機ポリマを楕円形状または略半円形状に加工したコア層３の斜視図である。さらにこの後コア層よりも屈折率の低い有機ポリマのオーバークラッド層５及び遮光膜がこの上に形成される。
【００５】
【課題が解決しようとする課題】
特開平５−１７３０３６号公報には基板に対して縦方向および横方向にテーパー状を有した導波路コアを形成する方法が示されている。しかしこの方法では、導波路の断面形状は矩形のままであり、たとえば断面が円形の光ファイバとの間ではやはり伝送損失が生じる。また特開２０００−１８０６４８号公報では、上記の問題を解決するために、コア層を所望の断面形状の光導波路パターンに加工するためにレーザビーム照射を用いることを提案している。しかしこの方法では導波路コアの断面形状を微細に調節しようとすると、レーザービームの径を小さくして走査しなければばらず、精度を上げようとすると処理時間が長くなってしまうという問題が生じる。またこの作成方法では導波路の断面が上半円の形状の構造しか形成できない。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、導波路コアの断面形状を真円形状や素子に適合した任意の形状に形成することで集積回路上の各素子間の光結合効率を高め、さらに光ファイバとの伝送効率を良好にすることにある。さらに導波路素子の引き回しの方法、例えば基板上に配置された光素子から、その上に積層された層に配置されている光素子へ接続する導波路などの形成方法についても提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る光導波路の形成方法は、次の（ア）〜（サ）の工程を有することを特徴としている。
【００１０】
（ア）基板表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、所望のクラッドの真円形状を上半円と下半円に２分割したときの下半円に対応する第１の半円形状に加工し、
（イ）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第１の半円形状を基板表面に転写する転写エッチングを行い、基板表面に前記第１の半円形状の溝を形成し、
（ウ）次に、下部クラッド層となる材料を、前記第１の半円形状の溝を完全に埋めるように基板上に堆積し、
（エ）次に、下部クラッド層表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、所望のコアの真円形状を上半円と下半円に２分割したときの下半円に対応する第２の半円形状に加工し、
（オ）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第２の半円形状を下部クラッド層表面に転写する転写エッチングを行い、下部クラッド層表面に前記第２の半円形状の溝を形成し、
（カ）次に、コア層となる材料を、前記第２の半円形状の溝を完全に埋めるように基板および下部クラッド層上に堆積し、その際、前記第２の半円形状の溝の底からコア材料層表面までの膜厚を、前記所望のコアの真円形状の直径と一致させ、
（キ）次に、コア層表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、前記所望のコアの真円形状を前記上半円と下半円に２分割したときの上半円に対応する第３の半円形状に加工し、
（ク）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第３の半円形状をコア層表面に転写する転写エッチングを行い、コア層表面に前記第３の半円形状を転写することにより、前記第２の半円形状と第３の半円形状とを上下に合体させてなる前記所望の真円形状を有する光導波路コアを形成し、
（ケ）次に、光導波路コア、下部クラッド層および基板上に、上部クラッド層となる材料を堆積し、その際、前記第１の半円形状の溝の底から上部クラッド層表面までの厚さを、前記所望のクラッドの真円形状の直径と一致させ、
（コ）次に、上部クラッド層表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、前記所望のクラッドの真円形状を前記上半円と下半円に２分割したときの上半円に対応する第４の半円形状に加工し、
（サ）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第４の半円形状を上部クラッド層表面に転写する転写エッチングを行い、上部クラッド層表面に前記第４の半円形状を転写することにより、前記第１の半円形状と前記第４の半円形状とを上下に合体させてなる前記所望の真円形状を有するクラッドを形成する。
【００１１】
以下に本提案の実施例を示すが、フォトリソ工程においては透過露光装置を用いて説明する。図１ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは本発明の第１の実施例を説明する図である。基板１上に形成された下部クラッド層２、およびコア層３、上部クラッド層４である。５はレジストである。この導波路の形成は以下のとおりである。
（１）図１ａに示すように、基板１上に下部クラッド層となる材料を堆積する。次にレジストを堆積し、光制御用マスクを用いて露光・現像し、下半円形状を形成する。
（２）エッチング工程にて断面が下半円形状のレジストの３次元形状を下部クラッド層に転写エッチングして下部クラッド層に図１ｂのような半円形状の溝を形成する。
（３）コア層の材料を堆積する。図１ｃでは溝の底からコアの表面までの膜厚を形成しようとする断面の円の直径になるようにする。
（４）リソグラフィ工程にてレジストを塗布し、光制御用マスクを用いて露光、現像し、図１ｄのような上半円形状を形成する。
（５）エッチング工程にて（２）と同様に転写エッチングして図１ｅのような断面が真円形状の導波路コアが形成される。
（６）さらに図１ｆのように上部クラッド層を堆積する。必要に応じて金属遮光膜をその上に形成する。
【００１２】
図２ａは上記工程（２）の斜視図である。図２ｂは上記工程（６）の斜視図を示している。図３は先端が細く、後端が太い導波路の工程の斜視図である。作成方法は図１と同じ方法で作成できる。基板に対して垂直方向と水平方向が共に傾斜した形状も光制御用マスクおよび転写エッチングを適用することにより工程数も増えずに形成できる。図１においてレジストの膜厚と下地材料の膜厚が等しくなるようにして転写エッチングするように説明したが、図３のような形状の導波路を形成するときには当然この比率も位置により異なる。この場合導波路の断面の直径が最大になる位置に合わせた条件で形成するのが望ましい。
【００１３】
図４は段差の上に導波路を形成する方法の斜視図を示してある。ここでは全てのフォトリソ工程において光制御用マスクをおよび転写エッチングを用いている。
（１）図４ａは下部クラッド層２を堆積し、傾斜部を加工形成する。
（２）図４ｂは図２ａ，図３ａと同様に下半円形状の溝を形成する。
（３）図４ｃは図２ｂ、図３ｂと同様にコア層を堆積、断面が真円形状の導波路コアを形成する。
ここでは（１）の傾斜部と（２）の溝部を別工程で形成しているが、光制御用マスクに（１）のパターンと（２）のパターンを合成することで１つの工程に短縮できる。
【００１４】
図５はクラッドの形状をコアの形状と同様に真円形状に形成する工程を示している。ここでは全てのフォトリソ工程において光制御用マスクを用いている。
（１）図５ａに示すように、基板にレジストを塗布し、露光・現像してレジストに半円形状の溝を形成する。
（２）転写エッチングを行い、基板に半円形状の溝を転写、形成したのが図５ｂである。
（３）下部クラッド層となる材料を溝を完全に埋めるように基板上に堆積する。次にフォトリソ工程にてレジストに下半円形状の溝を図５ｃのように形成する。
（４）転写エッチング後図５ｄのように下半円形状の下部クラッド層とコア部となる下半円形状の溝を転写、形成する。
（５）基板上にコア層となる材料を堆積し、フォトリソ工程にて図５ｅのような上半円形状のレジストを形成する。
（６）転写エッチングにて図５ｆのように真円形状のコアを形成する。
（７）基板上に上部クラッド層となる材料を堆積し、フォトリソ工程にて図５ｇのような上半円形状のレジストを形成する。
（８）転写エッチングを行うと図５ｈのようなクラッドもコアも真円形状に形成できる。
【００１５】
図６は薄いクラッド層もし〈は金属で覆ったコア層の形成方法を示してある。この方法ではフォトリソ工程において、光制御用マスクと通常のマスクを併用している。
（１）図６ａに示すように、基板にレジストを塗布し、露光・現像して半円形状の溝を形成する。
（２）転写エッチングを行い、基板に半円形状の溝を転写、形成したのが図６ｂである。
（３）次に、下部クラッド層となる材料を基板上に堆積する。通常のフォトリソ工程にて図６ｃのようにレジストが溝を覆うようにパターニングする。
（４）エッチングで露出している下部クラッド層を除去した後、レジストを除去すると図６ｄのような溝の表面に下部クラッド層が残る。
（５）基板上にコア層となる材料を堆積し、フォトリソ工程にて図６ｅのような上半円形状のレジストを形成する。
（６）転写エッチングにて図６ｆのように真円形状のコアを転写、形成する。
（７）基板上に上部クラッド層となる材料を堆積し、フ通常のォトリソ工程にて図６ｇのようにコア上部を覆うようにレジストをパターニングする。
（８）エッチングで上部クラッド層の露出部分を除去した後、レジストを除去すると図６ｈのようなクラッドもコアも真円形状に形成できる。
【００１６】
次に、図７に基板に水平な導波路と垂直な導波路を接続する方法を示す。
Ａ．基板に対して水平な導波路を作成する。
（１）まず最初に上に下層クラッド層を堆積し、フォトリソ工程において光制御用マスクを用いて露光し、エッチング工程では転写エッチングを行い図７ａのような断面が下半円形状の溝を形成する。
（２）次に、溝の部分にコア層を堆積、フォトリソ（光制御用マスク）および転写エッチングで水平な導波路を形成する。
Ｂ．基板に対して垂直な導波路を形成する。
（３）所望の高さまで上部クラッド層を堆積する。
（４）フォトリソ工程で上部が大きな円形で下方向では小さな円形（横方向の断面形状の大きさに等しい）のすり鉢型になるように光制御用マスクおよび転写エッチングを用いて形成する。すり鉢型の空洞の底の部分は横方向の導波路の一端と接続している。最後にこの空洞の部分にコア層となる材料を堆積、整形して完成する。
【００１７】
図７のような構造の導波路は、基板に対して断面の大きさが垂直な導波路のほうが水平な導波路よりも制約が少なく大きくできる利点があるので、例えば光ファイバと同じ大きさの入力端または出力端として利用できる。図８は光制御用マスクおよび転写エッチングを用いて作成できる一例としてソレノイド構造の導波路を示している。図７ａは基板に対して垂直なコイルの断面図、図７ｃは基板に対して水平なコイルの断面図である。この他にも様々な形状の導波路が形成できることを示唆しておくとともに必要に応じて、断面の上半分または下半分、さらに右半分、左半分だけを形成することもできる。また断面が非対称な形状も形成できることを記しておく。また上記に提案した導波路の断面形状は真円形状を示しているが、この他にも任意の多角形状や楕円形状も形成できることも記しておく。また導波路の引き回し形状も水平方向、垂直方向および斜め方向の任意の方向に形成できることも言及しておく。また、露光制御用マスクを用いた露光装置だけでなく、例えば電子線露光装置などのマスクを用いずに基板に直接描画露光する装置を代用することもできる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、ファイバとのモードマッチング特性が良好で、良好な光伝播特性を有する真円形状の光導波路の構造が可能である。また部分的もしくは全体に回折格子を有する光導波路の構造も可能である。またレーザ、変調素子、結合素子、フォトダイオードなど構造の異なる各素子に合わせた真円形状を形成できるので光結合の効率も増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光半導体素子を作成する第１の実施例の作成工程図である。
【図２】第１の実施例の作成工程を示す光導波路素子の斜視図である。
【図３】第１の実施例の作成工程を示す光導波路素子の斜視図である。
【図４】傾斜した面に第１の実施例の作成工程で形成した光導波路素子の斜視図である。
【図５】本発明の光半導体素子を作成する第２の実施例の作成工程図である。
【図６】本発明の光半導体素子を作成する第３の実施例の作成工程図である。
【図７】水平な導波路と垂直な導波路を組み合わせた作成工程を示す斜視図である。
【図８】垂直なコイル構造および水平なコイル構造の導波路の断面図を示す。
【図９】従来の導波路の斜視図である。
【図１０】従来の導波路の斜視図である。
【符号の説明】
１…基板
２…下部クラッド層
３…コア層
４…上部クラッド層
５…レジスト

Claims

（ア）基板表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、所望のクラッドの真円形状を上半円と下半円に２分割したときの下半円に対応する第１の半円形状に加工し、
（イ）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第１の半円形状を基板表面に転写する転写エッチングを行い、基板表面に前記第１の半円形状の溝を形成し、
（ウ）次に、下部クラッド層となる材料を、前記第１の半円形状の溝を完全に埋めるように基板上に堆積し、
（エ）次に、下部クラッド層表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、所望のコアの真円形状を上半円と下半円に２分割したときの下半円に対応する第２の半円形状に加工し、
（オ）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第２の半円形状を下部クラッド層表面に転写する転写エッチングを行い、下部クラッド層表面に前記第２の半円形状の溝を形成し、
（カ）次に、コア層となる材料を、前記第２の半円形状の溝を完全に埋めるように基板および下部クラッド層上に堆積し、その際、前記第２の半円形状の溝の底からコア材料層表面までの膜厚を、前記所望のコアの真円形状の直径と一致させ、
（キ）次に、コア層表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、前記所望のコアの真円形状を前記上半円と下半円に２分割したときの上半円に対応する第３の半円形状に加工し、
（ク）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第３の半円形状をコア層表面に転写する転写エッチングを行い、コア層表面に前記第３の半円形状を転写することにより、前記第２の半円形状と第３の半円形状とを上下に合体させてなる前記所望の真円形状を有する光導波路コアを形成し、
（ケ）次に、光導波路コア、下部クラッド層および基板上に、上部クラッド層となる材料を堆積し、その際、前記第１の半円形状の溝の底から上部クラッド層表面までの厚さを、前記所望のクラッドの真円形状の直径と一致させ、
（コ）次に、上部クラッド層表面にレジストを堆積し、露光量が位置により連続的に変化するように制御する光制御用マスクを用いて露光・現像を行うことにより、前記レジストを、前記所望のクラッドの真円形状を前記上半円と下半円に２分割したときの上半円に対応する第４の半円形状に加工し、
（サ）次に、エッチング工程で前記レジストに形成された前記第４の半円形状を上部クラッド層表面に転写する転写エッチングを行い、上部クラッド層表面に前記第４の半円形状を転写することにより、前記第１の半円形状と前記第４の半円形状とを上下に合体させてなる前記所望の真円形状を有するクラッドを形成することを特徴とする光導波路の形成方法。