JP2001235646A

JP2001235646A - 微細パターン形成方法、光学素子の製造方法、光学素子および光伝送装置

Info

Publication number: JP2001235646A
Application number: JP2000049194A
Authority: JP
Inventors: Mikihiro Shimada; 幹大嶋田; Tsuguhiro Korenaga; 継博是永; Masanori Iida; 正憲飯田; Hiroyuki Asakura; 宏之朝倉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】微細で深くかつ表面に粗さのないパターン形
成方法を提供することによって、性能、量産性、低コス
ト性を兼ね備えた光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板１の一部に、少なくとも一対の列を
有するパターンのエッチングマスク２を形成する工程
と、基板１にエッチングマスク２を用いてエッチングを
行い、基板１上に少なくとも一対の断面凸型の列を有す
るパターンを形成する工程とを備え、前記一対の断面凸
型の列に挟まれた領域に、断面凹型の溝を形成すること
を特徴とする微細パターン形成方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用光導波路
等の光学素子における微細パターンの形成方法およびそ
れを用いた光学素子の製造方法、光学素子および光伝送
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信分野において、高度な光信号処理
を行うために、各種機能を持つ光集積回路の研究が盛ん
に行われている。光集積回路は光導波路を基本要素とし
ているが、光導波路は屈折率の高いコア領域を相対的に
屈折率の低いクラッド層で覆うことによってコア領域に
光を閉じこめて伝搬させるものであり、コアをパターン
化して配列することで、多種の機能を実現している。特
に石英系光導波路は低損失性、物理的・化学的安定性、
光ファイバとの整合性など数々のメリットを有してお
り、代表的な受動光導波路となっている。

【０００３】光導波路の製造方法としては、コア・クラ
ッド膜形成方法として火炎堆積法を用い、コアパターン
形成法として反応性イオンエッチング法を用いるものが
代表的である。コア・クラッドの形成方法としては、火
炎堆積法以外にＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタ法等も
提案されている。

【０００４】しかしながら、多くの提案がなされている
にも関わらず、未だに性能、量産性、低コスト性を兼ね
備えた光導波路の製造方法は皆無である。これは各種膜
形成方法が利点と欠点を併せ持っているためである。例
えば火炎堆積法やＣＶＤ法では良質なコアが作製できる
が、火炎堆積法は１０００℃以上の高温アニールが十数
時間、複数回必要であり、ＣＶＤ法は成膜エリアが狭い
等、量産面で難点がある。また電子ビーム蒸着やスパッ
タ法でも低損失な膜形成が可能であるが、膜の形成速度
が遅いために、通常１０〜数十μｍ程度の膜厚を必要と
する光導波路の製造プロセスとしてはコスト的に問題が
ある。

【０００５】このような光導波路の製造上の課題に対
し、下部クラッドとなる基板にコアパターンとなる溝を
形成し樹脂を充填すれば、コア・クラッド膜を形成する
必要が無く、短時間でコアを実現できるため、非常に有
望な光導波路プロセスと考えられる。

【０００６】最も代表的なフォトリソグラフィおよびド
ライエッチングによるパターニングは、半導体プロセス
として用いられているパターニング方法であり、微細な
パターンを高精度で加工できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような光
導波路プロセスにおいては、微細パターン形成に用いる
マスクが問題となる。

【０００８】コアはシングルモードの場合でも、少なく
とも４μｍ以上、１５μｍ以下の深さと幅が必要であ
り、溝をその形状に加工しなければならない。このよう
な溝を形成する場合、基板上に形成したマスク材料を少
なくとも４μｍ以上、１５μｍ以下の幅だけ除去し、ド
ライエッチングを行う必要がある。

【０００９】しかし、上記のような微細な溝に対して基
板の面積が広い場合、図６のようにパターン部分１０３
以外の基板１０１の全面にエッチングマスク１０２を残
してしまうと、ドライエッチング時にエッチングマスク
の材料である金属等がスパッタされ、新たにパターン部
分１０３をエッチングして形成されるはずの溝パターン
部分のエッチングマスクとして働いてしまうため、パタ
ーン部分１０３をエッチングした後に得られる溝パター
ン表面に凹凸が発生してしまい、このパターンを有する
基板を光学素子として用いることは、精度の点から困難
であった。

【００１０】本発明の目的は、従来の光学素子の製造方
法が有する上述した課題を考慮し、微細で深く、かつ表
面に粗さのないパターン形成方法を提供することによっ
て、性能、量産性、低コスト性を兼ね備えた微細パター
ンの形成方法およびそれを用いた光学素子の製造方法お
よび光学素子を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の本発明（請求項１に対応）は、基板の一部
に、少なくとも一対の列を有するパターンのエッチング
マスクを形成する工程と、前記基板に前記エッチングマ
スクを用いてエッチングを行い、前記基板上に少なくと
も一対の断面凸型の列を有するパターンを形成する工程
とを備え、前記一対の断面凸型の列に挟まれた領域に、
断面凹型の溝を形成することを特徴とする微細パターン
形成方法である。

【００１２】また、第２の本発明（請求項２に対応）
は、前記基板の主成分が石英系材料であることを特徴と
する上記本発明である。

【００１３】また、第３の本発明（請求項３に対応）
は、前記エッチングマスクの材料が金属であることを特
徴とする上記本発明である。

【００１４】また、第４の本発明（請求項４に対応）
は、前記断面凹型の溝を、光導波路のコア領域に用いる
ことを特徴とする上記本発明である。

【００１５】また、第５の本発明（請求項５に対応）
は、第１ないし第４のいずれかの本発明の微細パターン
形成方法に含まれる各工程と、前記断面凹型の溝に、前
記基板よりも高い屈折率を有する高屈折率材料を充填す
る工程とを備えたことを特徴とする光学素子の製造方法
である。

【００１６】また、第６の本発明（請求項６に対応）
は、前記断面凸型の列パターンの上面に、前記光屈折率
材料の屈折率よりも低い屈折率を有する第２の基板を接
合する工程をさらに備えたことを特徴とする上記本発明
である。

【００１７】また、第７の本発明（請求項７に対応）
は、基板と、前記基板上に形成された、少なくとも一対
の断面凸型の列を有するパターンと、前記一対の断面凸
型の列に挟まれた領域に形成された断面凹型の溝とを備
え、前記断面凹型の溝には、前記基板および前記第２の
基板の屈折率よりも高い屈折率を有する光屈折率材料が
充填されていることを特徴とする光学素子である。

【００１８】また、第８の本発明（請求項８に対応）
は、少なくとも前記一対の断面凸型の列の上面と接合す
る第２の基板をさらに備えたことを特徴とする上記本発
明である。

【００１９】また、第９の本発明（請求項９に対応）
は、前記断面凹型の溝の中心から、前記一対の断面凸型
の列のいずれか一方の前記断面凹型の溝を形成しないほ
うの側面までの差し渡しは、前記光学素子と少なくとも
光学的に結合する素子の基準となる寸法と略同一である
ことを特徴とする上記本発明である。

【００２０】また、第１０の本発明（請求項１０に対
応）は、前記一対の断面凸型の列のそれぞれの、前記断
面凹型の溝を形成しないほうの外側の少なくとも一方に
第２の断面凸型の列を備え、前記断面凹型の溝の中心か
ら前記第２の断面凸側の列側面までの差し渡しは、前記
光学素子と少なくとも光学的に結合する素子の基準とな
る寸法と略同一であることを特徴とする上記本発明であ
る。

【００２１】また、第１１の本発明（請求項１１に対
応）は、第７ないし第９のいずれかの本発明の光学素子
を用いたことを特徴とする光伝送装置である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の実施形態を説明する。なお、図面で同一番号を付し
た部品は同一のものを示す。

【００２３】（第１の実施の形態）図１は、本発明の微
細パターン形成方法の第１の実施の形態を示す図であ
る。本実施の形態における微細パターン形成方法は、光
導波路の溝パターン形成方法であり、基板１は石英系材
料を主成分とし、エッチングマスク２は金属であるとす
る。石英系材料は物理的・化学的安定性、易加工性など
の特徴がある。

【００２４】次に図２は、本発明の微細パターン形成方
法の工程を示す断面図である。以下、図２を参照して、
本発明の微細パターン形成方法を、各工程毎に説明す
る。

【００２５】最初に、基板１にＣｒなどの金属を堆積さ
せる（図２（ａ））。この金属が、後に基板パターニン
グの際のエッチングマスク２に用いられる。エッチング
マスク２の材料としては、パターニングの際エッチング
されにくいものであればよく、金属に特定されるもので
はない。

【００２６】次に金属上にフォトレジスト３を塗布し
（図２（ｂ））、ベーキング後、所望のパターンを持つ
フォトマスクを用いて露光し、現像することでフォトレ
ジスト３をパターニングする（図２（ｃ））。

【００２７】次に基板１ごと金属材料のエッチングを行
い、パターニングする。このときフォトレジスト３はマ
スクとして働き、金属が所望のパターンに残り、エッチ
ングマスク２となる（図２（ｄ））。

【００２８】フォトレジスト３を除去することにより、
基板１上にエッチングマスク２のみが残る（図２
（ｅ））。このエッチングマスク２が、エッチング後の
パターン表面の精度を決定する。

【００２９】本発明の微細パターン形成方法は、図２
（ｅ）に示すように、前記エッチングマスク２が、溝パ
ターン７を形成しようとするパターン部分６の両側にの
み位置し、すなわち基板の一部分にのみ存在することを
特徴としている。これにより、ドライエッチング時にエ
ッチングマスク２の材料である金属等がスパッタされて
も、新たにパターン部分６のエッチングマスクとして働
いてしまうほどの量にはならないため、エッチング後の
溝パターン７の表面を平滑にすることが可能となる。本
実施の形態の場合、基板１の主面全体に占めるエッチン
グマスク２の割合が５０％以下であれば、エッチング後
の溝パターン７の微細パターンの精度は、光学素子とし
て用いた場合の性能に影響を与えない。

【００３０】次に、フッ素系のガスを用いた反応性エッ
チングにより、基板１を所定の深さにまで加工し、溝パ
ターン７を形成する（図２（ｆ））。例えば、２０００
Å程度のＣｒマスクを用いて３時間程度エッチングを行
うことにより、基板１に形成する溝パターン７は約１０
μｍの深さに加工できる。

【００３１】最後にエッチングマスク２を除去すること
によって、製造しようとする溝パターン７が完成する
（図２（ｇ））。

【００３２】以上のような構成により、本実施の形態に
よれば、本発明のエッチングマスク２を用いることによ
り、基板１の表面は微細で深く、かつ高い平滑性を有す
るために、光学素子の部材として十分な性能を有し、実
用性も高い。

【００３３】（第２の実施の形態）図３（ａ）（ｂ）
（ｃ）は、本発明の微細パターン形成方法の第２の実施
の形態を示す図である。本実施の形態が上述した第１の
実施の形態と異なる点は、他の素子との位置あわせの基
準となる位置に前記エッチングマスクが形成されている
ことである。したがって、本実施の形態において、特に
説明のない各部の構成については、第１の実施の形態と
同じとする。本実施の形態における微細パターン形成方
法は、光導波路に用いられる溝パターンの形成方法であ
り、基板１は石英系材料を主成分とし、エッチングマス
ク２は金属であるとする。

【００３４】本実施の形態は、第１の実施の形態におい
てマスクパターンの寸法を限定したものであり、図２
（ｂ）は光ファイバとの接続例を示す。図中Ａにて示す
マスクパターンの幅（パターン部分６を含むエッチング
マスク２の両端の差し渡し）を、各種光ファイバの直径
と同じ寸法にし、接続を容易にしている。

【００３５】このとき、図２（ｃ）に示すように、光フ
ァイバが直径１２５μｍのものであるとすれば、エッチ
ングマスク２によって形成される凸部の一辺Ｃの大きさ
は少なくとも２０μｍ以上、光導波路が形成されるパタ
ーン部分６の底辺部の寸法Ｂは４μｍ〜１５μｍ、さら
に図中一点鎖線にて示す、光ファイバの中心かつパター
ン部分６の底辺部の寸法Ｂの中点である箇所から、凸部
の外壁部までの差し渡しは、６２．５μｍとするのが望
ましい。このとき、凸部は必ずしも左右対称である必要
はなく、どちらか一方の差し渡しが６４．５μｍとなる
ようにパターン成形が行われれば、接続を容易に行うこ
とができる。

【００３６】なお、本実施の形態においては光ファイバ
を例として説明したが、接続される素子はこの限りでは
なく、例えばフェレールで被覆された光ファイバや、レ
ーザ光を直接入力するようにしてもよく、こうした場合
は、フェレールを含む光ファイバの外径や、レーザ光の
入力面の直径に応じて、マスクパターンの幅ａも接続さ
れる素子により当然変化する。

【００３７】（第３の実施の形態）図４（ａ）（ｂ）
（ｃ）は、本発明の微細パターン形成方法の第３の実施
の形態を示す。本実施の形態が上述した第２の実施の形
態と異なる点は、第２の実施の形態に記載の前記エッチ
ングマスクの一部分に、金属が存在しない部分である、
パターン部分６と幅のみが異なる余剰パターン８を設け
るようにしたことである。したがって、本実施の形態に
おいて、特に説明のない各部の構成については、第２の
実施の形態と同じであり、図４（ｂ）に示す各部の寸法
も同様であるとする。

【００３８】また、本実施の形態においては、接続され
る素子との光学的結合を容易にするには、図４（ｃ）に
示すように、図中一点鎖線の、光ファイバの中心かつパ
ターン部分６の底辺部の寸法Ｂの中点である箇所から、
余剰パターン８の外部に形成される凸部の外壁部までの
差し渡しが、６２．５μｍとするのが望ましい。また、
第２の実施の形態と同様、凸部は必ずしも左右対称であ
る必要はなく、どちらか一方の差し渡しが６４．５μｍ
となるようにパターン成形が行われれば、接続を容易に
行うことができる。

【００３９】なお、この余剰パターン８の形状は、図で
は幅以外はパターン部分６と略同一であるとして示して
いるが、これに限定する必要はなく、幅、形状ともに、
エッチングマスク２が基板１の主面全面に展開されない
ようにすればよい。

【００４０】また、各実施の形態において位置あわせの
基準を光ファイバの直径としたが、基準は各素子の寸法
に限るものではなく、各素子に別途基準を設けたもので
もよい。第２の実施の形態にて説明したのと同様、例え
ばフェレールで被覆された光ファイバや、レーザ光を直
接入力する場合は、フェレールを含む光ファイバの外径
や、レーザ光の入力面の直径に応じて、マスクパターン
の幅Ａも接続される素子により当然変化する。

【００４１】（第４の実施の形態）図５（ａ）は、本発
明の実施の形態による光学素子の構成を示す。本実施の
形態による光学素子は、本実施の形態による微細パター
ン形成方法により形成した溝パターンを光導波路として
有するものである。

【００４２】最初に、基板１上に形成した、第１〜第３
の実施の形態にて説明した微細な溝パターン７に、高屈
折率材料４を充填する。

【００４３】次に上部クラッドとして別の平板基板５を
押しつけ、上下の基板を接着させることによって、光学
素子を得る。

【００４４】このとき、従来の方法で溝パターンを形成
した基板を用いて光学素子を作成すると、溝パターン部
分以外の基板の主面上の広い領域に力が均等に加わり、
接着層が厚く残ってしまう（図５（ｂ））。このため、
光導波路として用いた場合、接着層に光が漏れ、十分な
特性が得られない。

【００４５】これに対して、本発明の光学素子は、溝パ
ターン７を構成する凸型パターン９において、充填した
高屈折率材料に集中的に力が加わり、また、余分な高屈
折率材料は凸型パターン９の外側に排出されるため、接
着層を薄くすることが可能となる。凸型パターン９の幅
としては、シングルモードの光導波路として用いる場
合、２０μｍ以上であれば問題ない。また、凸型パター
ン９の外側に排出された余剰の高屈折率材料により上下
の基板の接着力を向上できる。したがって光導波路とし
て用いる場合、有効な製造方法となる。

【００４６】なお、本実施の形態において、微細パター
ン形成方法としてエッチング工程を例として説明した
が、これに限るものではなく、成形などにより形成する
ことができる。

【００４７】また、各実施の形態において、本発明の光
学素子として、光導波路を例として説明したが、これに
限るものでなく、微細なパターンを持つ各種光学素子、
例えば回折格子やマイクロオプティクス部品などに活用
することができる。

【００４８】なお、上記の各実施形態では基板１とし
て、石英系材料を使用しているが、他の材料、たとえば
ダイヤモンド、金属、樹脂などのエッチング加工が可能
な材料を用いてもよい。

【００４９】なお、上記の各実施形態ではエッチングマ
スク２の材料として金属（例えばＣｒ）を例にして説明
したが、他の材料を用いてもよく、プロセスと基板材料
により、適当なものを用いればよく、例えば、基板がシ
リコン系の材料のＳｉ０₂である場合は、エッチングマ
スクとしてアモルファスＳｉ、ＷＳ_x、Ａｌなどを用い
ればよい。基板がＳｉである場合はＡｌを用いればよ
い。

【００５０】また、上記の各実施形態ではエッチング工
程としてフッ素系のガスを用いた反応性イオンエッチン
グを用いた例を挙げたが、エッチング方法はこの限りで
はなく、他に反応性イオンビームエッチングやプラズマ
エッチング等、エッチングマスクと基板との反応性の差
を利用した加工法を用いてもよい。

【００５１】また、本発明の各実施の形態による光学素
子を光伝送装置に搭載することによって、簡便な構成で
低コストな光伝送装置が得られる。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、基板上
に微細で深くかつ表面の平坦な断面凹部のパターンを形
成することができる。さらに、性能、量産性、低コスト
性を兼ね備えた光学素子の製造方法によって製造された
光学素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による微細パターン
形成方法の図式的断面図

【図２】本発明の第１の実施の形態による微細パターン
形成方法の工程を示す断面図

【図３】本発明の第２の実施の形態による微細パターン
形成方法の図式的断面図

【図４】本発明の第３の実施の形態による微細パターン
形成方法の図式的断面図

【図５】本発明の光学素子の製造工程を示す図

【図６】従来の微細パターン形成方法の図式的断面図

【符号の説明】

１基板２エッチングマスク３フォトレジスト４高屈折率材料５平板基板６パターン部分７溝パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飯田正憲大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者朝倉宏之大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA03 PA24 PA28 QA04 QA05 TA43

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一部に、少なくとも一対の列を有
するパターンのエッチングマスクを形成する工程と、前記基板に前記エッチングマスクを用いてエッチングを
行い、前記基板上に少なくとも一対の断面凸型の列を有
するパターンを形成する工程とを備え、前記一対の断面凸型の列に挟まれた領域に、断面凹型の
溝を形成することを特徴とする微細パターン形成方法。
【請求項２】前記基板の主成分が石英系材料であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の微細パターン形成方
法。
【請求項３】前記エッチングマスクの材料が金属であ
ることを特徴とする請求項１に記載の微細パターン形成
方法。
【請求項４】前記断面凹型の溝を、光導波路のコア領
域に用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載の微細パターン形成方法。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の微
細パターン形成方法に含まれる各工程と、前記断面凹型の溝に、前記基板よりも高い屈折率を有す
る高屈折率材料を充填する工程とを備えたことを特徴と
する光学素子の製造方法。
【請求項６】前記断面凸型の列パターンの上面に、前
記光屈折率材料の屈折率よりも低い屈折率を有する第２
の基板を接合する工程をさらに備えたことを特徴とする
請求項５に記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】基板と、前記基板上に形成された、少なくとも一対の断面凸型の
列を有するパターンと、前記一対の断面凸型の列に挟まれた領域に形成された断
面凹型の溝とを備え、前記断面凹型の溝には、前記基板および前記第２の基板
の屈折率よりも高い屈折率を有する光屈折率材料が充填
されていることを特徴とする光学素子。
【請求項８】少なくとも前記一対の断面凸型の列の上
面と接合する第２の基板をさらに備えたことを特徴とす
る請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】前記断面凹型の溝の中心から、前記一対
の断面凸型の列のいずれか一方の前記断面凹型の溝を形
成しないほうの側面までの差し渡しは、前記光学素子と
少なくとも光学的に結合する素子の基準となる寸法と略
同一であることを特徴とする請求項７または８に記載の
光学素子。
【請求項１０】前記一対の断面凸型の列のそれぞれ
の、前記断面凹型の溝を形成しないほうの外側の少なく
とも一方に第２の断面凸型の列を備え、前記断面凹型の溝の中心から前記第２の断面凸側の列側
面までの差し渡しは、前記光学素子と少なくとも光学的に結合する素子の基準
となる寸法と略同一であることを特徴とする請求項７ま
たは８に記載の光学素子。
【請求項１１】請求項７ないし９のいずれかに記載の
光学素子を用いたことを特徴とする光伝送装置。