JP2004286959A - 光導波路の製造方法および光導波路 - Google Patents
光導波路の製造方法および光導波路 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成できる製造方法を提供する。
【解決手段】基板１１上に下部クラッド層１２、コア層１３、メタルマスク層１４、フォトレジスト膜１５を順次形成する工程と、フォトマスク１６を用いてフォトレジスト膜１５をパターニングする工程と、パターニングされたフォトレジスト膜１５を用いてメタルマスク層１４を所望の幅のコアよりも幅広くパターニングした後にフォトレジスト膜１５を除去する工程と、パターニングされたメタルマスク層１４を用いてコア層１３をパターニングしてコア１３ａを形成した後にメタルマスク層１４を除去する工程と、パターニングされたコア１３ａを被覆するようにして下部クラッド層１２上に上部クラッド層１７を形成する工程により光導波路を形成する。
【選択図】 図１０
【解決手段】基板１１上に下部クラッド層１２、コア層１３、メタルマスク層１４、フォトレジスト膜１５を順次形成する工程と、フォトマスク１６を用いてフォトレジスト膜１５をパターニングする工程と、パターニングされたフォトレジスト膜１５を用いてメタルマスク層１４を所望の幅のコアよりも幅広くパターニングした後にフォトレジスト膜１５を除去する工程と、パターニングされたメタルマスク層１４を用いてコア層１３をパターニングしてコア１３ａを形成した後にメタルマスク層１４を除去する工程と、パターニングされたコア１３ａを被覆するようにして下部クラッド層１２上に上部クラッド層１７を形成する工程により光導波路を形成する。
【選択図】 図１０
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路の製造方法に関し、特に光導波路を構成するコアの形成に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの発展に伴い、光部品の集積化、高機能化が求められているなか、プレーナプロセスを用いて製造される導波路型の光部品は上記要求を低価格で実現するものとして期待されている。なかでも、石英系材料を用いた光導波路は、高信頼性および低損失性を備えること、同じく石英で作製される光ファイバとの相性が良いことから、広く用いられている。
【０００３】
光導波路は、基板上に形成された屈折率が相対的に高いコアと、それを取り囲む屈折率の低い領域であるクラッドとからなり、光は両者の屈折率の違いによってコア中に閉じこめられて伝搬される。なお、コアとクラッドの屈折率差およびコアの大きさは、コアの伝搬光が光ファイバの光が低損失で結合されるように設計される。
【０００４】
ここで、一般的な石英系導波路の作製方法は、石英基板あるいはシリコン基板上に火炎堆積法（ＦＨＤ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタ法などの方法で、下部クラッド層とコア層をこの順に全面に成膜する。次に、メタルマスクを上記の成膜方法で、さらにその上にフォトレジストを塗布などの方法で作製する。
【０００５】
そして、フォトリソグラフィの技術に従い、フォトマスクを用いてフォトレジストを露光、現像してフォトレジストの導波路パターンを形成する。次に、コア層のみを所望のレイアウトにパターニングするために、まずフォトレジストをエッチングマスクとしてメタルマスクをエッチングした後にフォトレジストを除去し、次いでメタルマスクをエッチングマスクとしてコア層をエッチングし、断面が略矩形の導波路コアを作製する。これらエッチングには反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの方法を用いることができる。最後に上部クラッド層を全面に成膜し、導波路構造とする。そして、上記プロセス中に膜中に含まれる水分や内部応力を除去するために、熱処理が加えられて光導波路が完成する。
【０００６】
光導波路を伝搬する光はコア近傍の屈折率分布に大きく影響される。たとえば、前述した導波路の作製プロセスでのコア形成時にエッチングによる残渣が付着すると伝搬損失が大きくなることから、これを極力抑制するように決められる。
【０００７】
ここで、光導波路の製造方法として、特開平７−７７６１９号公報には、所定パターンのチャネル導波路を火炎堆積法で上部クラッド層に埋め込むに先立ち、チャネル導波路に加熱処理を施して、フォトリソグラフィとエッチング時に発生した側面の微細凹凸や変質層を消滅させ、光の伝搬損失を低減する技術が開示されている。
【０００８】
また、光導波路の他の製造方法として、特開２０００−７５１５７号公報には回折格子形成領域上とそれ以外の領域上でコア幅を等しくする技術が、特開平１０−１０３４７号公報にはエッチング条件によりコア幅を制御する技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−７７６１９号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−７５１５７号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開平１０−１０３４７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
エッチングのメカニズムは、アルゴンなどの不活性イオンをエッチング対象物に衝突させ吹き飛ばす「物理的エッチング」と呼ばれるものと、エッチング対象物を反応ガスの化学反応を用いて気化させる「化学的エッチング」と呼ばれる２種類に大別される。物理的エッチングでは衝突するイオン束の方向が比較的揃っていることから、エッチング時には基板面に垂直な方向にはエッチングが大きく進み、平行な方向にはあまり進まない、つまり異方性が大きいが、その分吹き飛ばした残渣がエッチング対象物の周囲に付着しやすいという問題がある。
【００１３】
また、前記イオン束のエネルギーが大きいため、エッチングでのマスキング層の耐性も問題になり、例えばパターンされたマスキング層の垂直性が悪く台形状であるとエッチング終了時でのマスキング層の幅が小さくなり、その下にあるパターン幅も必然的に小さくなる。
【００１４】
反面、化学的エッチングでは残渣は付着しにくいが、エッチングの異方性が小さいために、エッチングの深さが深くなるとその分だけ横方向のエッチングも進んでしまう。なお、本明細書において深さ方向とは積層方向を指し、横方向とはこの積層方向に直交する方向を指す。
【００１５】
光導波路作製においては、エッチング残渣の付着を抑制するために、化学的エッチングが優勢となるような条件でエッチングを行うことが好ましいものの、横方向のエッチング量が比較的大きくなることから、コアのパターニングに際してコア幅が予想したよりも細くなって設計した導波路形状で作製されず、結合損失が大きくなって所期の光学特性が得られないという問題があった。
【００１６】
そして、チャネル導波路つまりコアの側面の微細凹凸等を除去して伝搬損失を低減する特開平７−７７６１９号公報に記載の技術では、コア幅の細りによる結合損失の増加に対する配慮はなされていない。また、コアの幅をその形成領域を問わず等しく形成する特開２０００−７５１５７号公報に記載の技術では、コア幅を設計値通りにするための考察はなされていない。さらに、特開平１０−１０３４７号公報に記載のようなエッチング条件によりコア幅を制御する技術より簡便にコア幅を制御できれば、製造が容易になって望ましい。
【００１７】
ここで、本発明者によって、コア形成時における横方向および深さ方向のエッチング量はエッチングを行う領域の大きさに依存して変化することが見出された。つまり、ギャップを挟んで隣接した２つのコアが存在するような導波路では、コアのギャップ側と反対側とでエッチング深さと横方向へのエッチング量が異なってしまい、設計した導波路形状で作製されず、予定した光学特性が得られないという問題があった。
【００１８】
そこで、本発明は、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することでのできる光導波路の製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路の製造方法は、基板上または第１のクラッド層上にコア層を形成する工程と、前記コア層上にマスキング層を形成する工程と、前記マスキング層上にフォトレジスト膜を形成する工程と、フォトマスクを用いて前記フォトレジスト膜をパターニングする工程と、パターニングされた前記フォトレジスト膜を用いて前記マスキング層を所望のコアの幅よりも幅広くパターニングする工程と、パターニングされた前記マスキング層を用いて前記コア層をパターニングしてコアを形成した後に前記マスキング層を除去する工程と、パターニングされた前記コアを被覆するようにして前記第１のクラッド層上に第２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
このような発明によれば、マスキング層を所望のコア幅よりも広く形成してエッチングによるコア幅の細りを補正しているので、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２１】
本発明の好ましい形態において、パターニングされた前記マスキング層の幅は、このマスキング層を用いて前記コアを形成したときに細くなった当該コアの幅が所望のコアの幅となる幅である。
【００２２】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２３】
本発明のさらに好ましい形態において、前記コアがギャップを挟んで配置されている場合においては、前記パターニングされたマスキング層の幅の中心位置が前記コアの幅の中心位置よりも前記ギャップから遠くなるように前記マスキング層をパターニングする。
【００２４】
これにより、ギャップを挟んで隣接した２つのコアが存在する場合でも、エッチング残渣を抑制しつつコア幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２５】
本発明のさらに好ましい形態において、前記マスキング層は、前記フォトレジスト膜をパターニングする際に用いるフォトマスクのマスクパターン、前記フォトレジスト膜をパターニングする際のパターン形成条件、または前記マスキング層をパターニングする際のパターン形成条件、の少なくとも何れか１つの条件で前記所望のコアの幅よりも幅広くパターニングされる。
【００２６】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２７】
本発明のさらに好ましい形態において、前記マスキング層および前記コア層のパターニングは反応ガスの化学反応を用いた反応性イオンエッチングにより行われる。
【００２８】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２９】
本発明のさらに好ましい形態において、前記所望のコアの幅は、比屈折率差が０．３％のときには８μｍ、比屈折率差が０．４％のときには７μｍ、比屈折率差が０．７％のときには６μｍ、比屈折率差が１．０％のときには５μｍである。
【００３０】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３１】
本発明のさらに好ましい形態において、前記マスキング層の幅は、前記所望のコアの幅が７〜８μｍのときにはこの幅よりも１．２〜１．４μｍ広くした幅である。
【００３２】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３３】
上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路は、少なくともコアとクラッドからなる光導波路であって、前記コアはフォトマスクを用いてパターニングされ、前記フォトマスクの前記コアに対応する部分のパターン幅は前記コアの幅よりも大きいことを特徴とする。
【００３４】
このような発明によれば、エッチングによるコア幅の細りがフォトマスクで補正されるので、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３５】
本発明の好ましい形態において、前記パターン幅は前記コア幅よりも０．５μｍ以上大きくなっている。
【００３６】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３７】
上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路は、少なくともコアとクラッドからなる光導波路であって、前記コアの屈折率をｎｃｏｒｅ、前記クラッドの屈折率をｎｃｌａｄとし、導波路のカットオフ波長をλとしたとき、前記コアの幅ｄが、ｄ＜１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））であり、かつ前記コアをパターニングするマスキング層の対応する部分の幅Ｍが、Ｍ＞１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））であることを特徴とする。
【００３８】
このような発明によれば、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３９】
本発明の好ましい形態において、前記カットオフ波長は使用波長の８０％〜９０％である。
【００４０】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。
【００４２】
図１は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の一工程を示す断面図、図２は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図１に続く工程を示す断面図、図３は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図２に続く工程を示す断面図、図４は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図３に続く工程を示す断面図、図５は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図４に続く工程を示す断面図、図６は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図５に続く工程を示す断面図、図７は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図６に続く工程を示す断面図、図８は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図７に続く工程を示す断面図、図９は本発明者が検討対象としたマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図、図１０は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図、図１１は２つのコアにより形成されるギャップとコアの線幅との関係を示すグラフ、図１２は分岐したコアとマスキング層との関係を示す説明図、図１３は本発明の他の実施形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図、図１４は２種類のカットオフ波長に対する比屈折率差とコアの幅・高さとの関係を示すグラフ、図１５は３次元チャンネル光導波路の分散特性を示すグラフである。
【００４３】
先ず、本実施の形態における光導波路製造方法の一連のプロセスについて、石英系の光導波路を例にとって説明する。但し、基板としては石英ではなくシリコンなど他のものを用いることもできる。
【００４４】
先ず、石英の基板１１上にノンドープの石英ガラスからなる下部クラッド層（第１のクラッド層）１２をＣＶＤにて５μｍの厚さ（シリコン基板の場合は１５μｍの厚さ）に成膜する。ここでの反応原料には、ＴＥＯＳ（テトラエトキシオルソシリケート）と酸素の混合ガスが用いられる。次に、この混合ガスにＴＭＧ（テトラメトキシボレート）が加えられてゲルマニウムがドープされたコア層１３を７μｍの厚さに成膜した後、１１００℃、３時間の熱処理を行う。さらにその上に、パターニング用のメタルマスク層（マスキング層）１４としてＷＳｉ（タングステンシリサイド）をスパッタリングで７００ｎｍの厚さに成膜した後、フォトレジストを塗布してフォトレジスト膜１５を形成する。これにより、図１に示す積層体が形成される。
【００４５】
次に、図２に示すように、フォトリソグラフィ技術により、フォトマスク１６を用いて紫外光で露光した後に現像して、図３に示すフォトレジスト膜１５のパターニングを行なう。なお、図示する場合には、ポジ型のフォトレジストが用いられているが、ネガ型を用いてもよい。
【００４６】
先ずＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で、エッチングガスとしてＣＦ４とＳＦ６ を使用し、図４に示すように、パターニングされたフォトレジスト膜１５を用いてメタルマスク層１４をパターニングする。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）は常に物理的、化学的エッチング反応が共存しており、作製条件によって両者のバランスを変えることで最適化を図ることが可能である。そして、メタルマスク層１４のパターニング後、図５に示すように、酸素プラズマアッシングでフォトレジスト膜１５を除去する。
【００４７】
次に、パターニングされたメタルマスク層１４により、ＲＩＥにてＣＨＦ３ とＣＨ４ との混合ガスを用いてコア層１３をエッチングでパターニングしてコア１３ａを形成し（図６）、その後ＳＦ６ ガスを用いてメタルマスク層１４を除去する（図７）。
【００４８】
最後に、図８に示すように、パターニングされたコア１３ａを被覆するようにして下部クラッド層１２上に上部クラッド層（第２のクラッド層）１７を形成し、光導波路が完成する。なお、上部クラッド層１７には、相互に隣接したコアパターンでのクラッドの埋め込み被覆性を良好にするために、ノンドープの石英よりも低温で軟化可能なＢＰＳＧ（ボロンと燐がドープされた石英ガラス）が用いられる。そして、これを成膜するために、ＣＶＤ装置にて、ＴＥＯＳと酸素ガスの他にＴＭＢ（テトラメトキシボロン）、ＴＭＰ（テトラメトキシ燐）を加えて、ＢＰＳＧを３０μｍの厚さに堆積した後、最後に軟化リフローおよび応力緩和などの目的で１１００℃、２４時間の熱処理を行う。
【００４９】
さて、以上説明したように、本実施の形態では、反応ガスを用いた化学的エッチングにより光導波路が製造される。なお、図９、図１０、図１３において、エッチング前の状態のコア層１３およびメタルマスク層１４を破線で示し、エッチング後のコア１３ａおよびメタルマスク層１４をハッチング付きの実線で示している。前述のように、化学的エッチングでは異方性が抑制されてエッチング残渣の付着が少ないという利点があるものの、図９に示すように、エッチングの深さが深くなるとその分だけ横方向のエッチングも進んでしまうことから、パターニングされたコア１３ａの幅が、図９において一点鎖線で示す設計上のコア幅よりも細くなってしまう。具体的には、エッチング深さが７〜８μｍでは横方向に１．２〜１．４μｍ程度、エッチング深さが２８μｍでは横方向に７．０〜８．８μｍ程度、エッチング深さが４０μｍでは横方向に９．８〜１１．０μｍ程度エッチングが進む。
【００５０】
そこで、パターニングされたフォトレジスト膜１５を用いてメタルマスク層１４をパターニングする際、メタルマスク層１４の幅を設計上のつまり所望のコア幅と等しくするのではなく、図１０に示すように、所望の幅のコアよりも幅広くパターニングする。具体的には、例えば所望のコアの断面寸法が７〜８μｍ角、つまりコア幅が７〜８μｍの場合には、前述のように横方向に１．２〜１．４μｍ程度エッチングが進むことから、メタルマスク層１４の幅を８．２〜８．４μｍ（コア幅７μｍ）または９．２〜９．４μｍ（コア幅８μｍ）にパターニングする。同様に、所望のコア幅が２８μｍ角の場合には３５．０〜３６．８μｍに、所望のコア幅が４０μｍのときには４９．８〜５１．０μｍにパターニングする。つまり、メタルマスク層１４の幅は、所望のコアの幅に対して１．０μｍ以上大きいことが好ましく、実際の製造精度つまり寸法誤差等を考慮すると０．５μｍ以上大きいことがより好ましい。
【００５１】
なお、以下に説明する場合を含め、メタルマスク層１４の幅は、フォトマスク１６のマスクパターンにより前述の幅にパターニングすることができる。但し、フォトレジスト膜１５をパターニングする際のパターン形成条件やメタルマスク層１４をパターニングする際のパターン形成条件を制御して前述の幅にパターニングしてもよく、これら３つの条件の内の２つあるいは全部を併用してパターニングしてもよい。
【００５２】
このようにメタルマスク層１４の幅を所望のコア幅よりも広くパターニングすることにより、当該メタルマスク層１４を用いてコア層１３をパターニングすれば、図示するように、所望の幅（例えばメタルマスク層１４の幅を８．２〜８．４μｍとして７μｍ幅）のコア１３ａを形成することができる。
【００５３】
次に、本明細書でいう「所望のコア幅」について説明する。光導波路の伝搬特性は、コア１３ａとクラッド１２，１７の屈折率差（あるいは比屈折率差Δ＝（ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄ）／ｎｃｌａｄ）およびコア１３ａの大きさ（幅方向の断面における高さと幅）によって決まる。
【００５４】
そして、通常のシングルモード光ファイバに接続して使用される光導波路では、接続の際の結合損失を考慮して光導波路もシングルモードとなるように設計される。屈折率差が大きい場合、シングルモードとなるためにはコア１３ａのサイズを小さくする必要があるが、あまり小さくしすぎると光ファイバとの接続性が悪くなるという問題が生じる。一方、コア１３ａの曲がり部分での伝搬損失は屈折率差を小さくすると増加してしまうので、導波路デバイスの小型化のためにパターンの最小曲率半径を小さくすればするほど損失が大きくなる。
【００５５】
そこで、矩形型のチャンネル導波路の場合、これらの関係を考慮し、コア寸法と屈折率差を表１に示す組み合わせとすることが多い。
【表１】
【００５６】
これらは、各々の場合で、結合損失や許容曲げ半径が異なりメリット・デメリットがあるが特性的には概ね許容できる範囲とされる。したがって、比屈折率差により設計上のコア幅が分かる。つまり、コア１３ａとクラッド１２，１７とから算出される比屈折率差が０．３％のときには設計上のコア幅は８μｍ、１．０のときには５μｍとなる。そこで、本明細書でいう「所望のコア幅」とは比屈折率差から導き出された表１に例示されるようなコア幅をいう。
【００５７】
このように、本実施の形態によれば、メタルマスク層１４を所望のコア幅よりも広く形成してエッチングによるコア幅の細りを補正しているので、光導波路のコア１３ａを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。そして、これにより、光の伝搬損失および結合損失の双方を低減することができる。
【００５８】
ここで、２つのコアにより形成されるギャップとコアの線幅との関係を図１１に示す。
【００５９】
図１１に示すように、コアの線細りは１．０〜１．８μｍであり、ギャップ幅が小さいほど線細りの量は小さくなることがわかる。
【００６０】
一般的な光導波路のレイアウトにおいては、ギャップを挟んで隣接したコアパターンは分岐部分や隣接した導波路の結合を利用したりする場合にのみ用いられる。そして、孤立したコアパターンは図中のギャップ８μｍ以上に相当し、この場合の線細りは１μｍ以上となっている。また、ギャップ部分の幅は作製再現性やコア形成後に上部クラッド１７で埋め込む必要があるために最小でも２μｍ程度とする必要がある。この場合の線細りは０〜０．６μｍである。
【００６１】
そこで、図１２および図１３に示すように、コア１３ａの分岐点においては、メタルマスク層１４の幅方向の中心位置Ｃ１がコア１３ａの幅方向の中心位置Ｃ２よりも２つのコア１３ａで形成されるギャップＧから遠くなるようにして（図１２に示す場合には、中心位置Ｃ１と中心位置Ｃ２との距離が０．２μｍになるようにして）、メタルマスク層１４をパターニングする。
【００６２】
これにより、図１３に示すように、ギャップＧを挟んで隣接した２つのコア１３ａが存在する場合でも、エッチング残渣を抑制しつつコア幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００６３】
なお、図１２に示す数値は一例であり、本発明がこれに限定されるものではないことはもちろんである。
【００６４】
さて、３次元チャンネル導波路のシングルモード条件は、よく知られた規格化周波数と規格化伝搬定数のグラフより導き出すことができ、コアの形状が略正方形である場合、２ｄ／λ・（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ））＜１．４５となる。λは１次モードのカットオフ波長である。そして、コアｎｃｏｒｅとクラッドｎｃｌａｄの屈折率とカットオフ波長から、コアの幅ｄ（正方形形状のコアとしている場合には幅ｄ＝高さ）が求まる。２種類のカットオフ波長に対する計算結果に基づいた比屈折率差とコアの幅・高さとの関係を図１４に示す。
【００６５】
ここで、３次元チャンネル光導波路の分散特性を図１５に示す。図中のｎ１ 、ｎ２ は各々コア、クラッドであって、Ｅｉｊは導波路中を伝搬する各モードを表している。
【００６６】
横軸は次式で与えられる規格化周波数Ｖをπで除した数である。
【００６７】
Ｖ＝２πｄ√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）／λ
【００６８】
また、縦軸は、モードの伝搬定数をβとしたとき、次式で与えられる規格化伝搬定数Ｂである。
【００６９】
Ｂ＝（β２ −ｎｃｌａｄ ２ ｋ２ ）／（ｎｃｏｒｅ ２ ｋ２ −ｎｃｌａｄ ２ ｋ２ ）
【００７０】
図中の線は、ある周波数での導波路を伝搬するモードの伝搬定数がいくつであるかを計算した図であって、実線、破線などの違いは、モード計算での種々の近似での値を示している。ｘ，ｙの添え字は偏波面の違いであって、図のように周囲のクラッドが対称で略正方形形状のコアの場合にはｘ，ｙの曲線はほぼ一致する。
【００７１】
伝搬定数が０となる周波数のことをカットオフ周波数と呼び、これより下の周波数ではそのモードは伝搬できない。そして、シングルモード導波路であるためには０次のモードのみが伝搬する状態であるので、１次のモードがカットオフとなるＶ／π＝１．４〜１．６（Ｔｙｐ：１．４５）以下である必要がある。よって、前述のように、３次元チャンネル導波路のシングルモード条件が、２ｄ／λ・（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ））＜１．４５と導かれる。
【００７２】
したがって、コア１３ａが所望の幅ｄとなるには、上式より、ｄ＜１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））を満たせばよい。また、コア１３ａをパターニングするメタルマスク層１４の対応する部分の幅Ｍはコア幅ｄよりも広くなることから、Ｍ＞１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））となる。
【００７３】
なお、光導波路がシングルモードとなるためには、カットオフ波長が使用する波長よりも小さくなる必要があり、実際の製造プロセスのばらつきを考慮すると使用波長の８０％〜９０％となるようにするのが好ましい。比屈折率差は大きいほど導波路の最小許容曲げ半径が小さくなるため好ましく、また幅・高さはファイバとの結合損失を考えると６〜８μｍ程度が好ましい。
【００７４】
これらの関係から、使用波長１３１０ｎｍのときコアの高さ・幅と比屈折率差の組み合わせは、例えば前述した表１のようになる。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００７６】
すなわち、マスキング層を所望のコア幅よりも広く形成してエッチングによるコア幅の細りを補正しているので、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００７７】
このようにエッチング残渣を抑制しつつコア幅を所望の寸法に形成できることから、光の伝搬損失および結合損失の双方を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図１に続く工程を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図２に続く工程を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図３に続く工程を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図４に続く工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図５に続く工程を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図６に続く工程を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図７に続く工程を示す断面図である。
【図９】本発明者が検討対象としたマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図である。
【図１１】２つのコアにより形成されるギャップとコアの線幅との関係を示すグラフである。
【図１２】光導波路の分岐パターンとマスキング層との関係を示す説明図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図である。
【図１４】２種類のカットオフ波長に対する比屈折率差とコアの幅・高さとの関係を示すグラフである。
【図１５】３次元チャンネル光導波路の分散特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ 下部クラッド層（第１のクラッド層）
１３ コア層
１３ａ コア
１４ メタルマスク層（マスキング層）
１５ フォトレジスト膜
１６ フォトマスク
１７ 上部クラッド層（第２のクラッド層）
Ｃ１ 中心位置
Ｃ２ 中心位置
Ｇ ギャップ
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路の製造方法に関し、特に光導波路を構成するコアの形成に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの発展に伴い、光部品の集積化、高機能化が求められているなか、プレーナプロセスを用いて製造される導波路型の光部品は上記要求を低価格で実現するものとして期待されている。なかでも、石英系材料を用いた光導波路は、高信頼性および低損失性を備えること、同じく石英で作製される光ファイバとの相性が良いことから、広く用いられている。
【０００３】
光導波路は、基板上に形成された屈折率が相対的に高いコアと、それを取り囲む屈折率の低い領域であるクラッドとからなり、光は両者の屈折率の違いによってコア中に閉じこめられて伝搬される。なお、コアとクラッドの屈折率差およびコアの大きさは、コアの伝搬光が光ファイバの光が低損失で結合されるように設計される。
【０００４】
ここで、一般的な石英系導波路の作製方法は、石英基板あるいはシリコン基板上に火炎堆積法（ＦＨＤ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、スパッタ法などの方法で、下部クラッド層とコア層をこの順に全面に成膜する。次に、メタルマスクを上記の成膜方法で、さらにその上にフォトレジストを塗布などの方法で作製する。
【０００５】
そして、フォトリソグラフィの技術に従い、フォトマスクを用いてフォトレジストを露光、現像してフォトレジストの導波路パターンを形成する。次に、コア層のみを所望のレイアウトにパターニングするために、まずフォトレジストをエッチングマスクとしてメタルマスクをエッチングした後にフォトレジストを除去し、次いでメタルマスクをエッチングマスクとしてコア層をエッチングし、断面が略矩形の導波路コアを作製する。これらエッチングには反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの方法を用いることができる。最後に上部クラッド層を全面に成膜し、導波路構造とする。そして、上記プロセス中に膜中に含まれる水分や内部応力を除去するために、熱処理が加えられて光導波路が完成する。
【０００６】
光導波路を伝搬する光はコア近傍の屈折率分布に大きく影響される。たとえば、前述した導波路の作製プロセスでのコア形成時にエッチングによる残渣が付着すると伝搬損失が大きくなることから、これを極力抑制するように決められる。
【０００７】
ここで、光導波路の製造方法として、特開平７−７７６１９号公報には、所定パターンのチャネル導波路を火炎堆積法で上部クラッド層に埋め込むに先立ち、チャネル導波路に加熱処理を施して、フォトリソグラフィとエッチング時に発生した側面の微細凹凸や変質層を消滅させ、光の伝搬損失を低減する技術が開示されている。
【０００８】
また、光導波路の他の製造方法として、特開２０００−７５１５７号公報には回折格子形成領域上とそれ以外の領域上でコア幅を等しくする技術が、特開平１０−１０３４７号公報にはエッチング条件によりコア幅を制御する技術が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−７７６１９号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２０００−７５１５７号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開平１０−１０３４７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
エッチングのメカニズムは、アルゴンなどの不活性イオンをエッチング対象物に衝突させ吹き飛ばす「物理的エッチング」と呼ばれるものと、エッチング対象物を反応ガスの化学反応を用いて気化させる「化学的エッチング」と呼ばれる２種類に大別される。物理的エッチングでは衝突するイオン束の方向が比較的揃っていることから、エッチング時には基板面に垂直な方向にはエッチングが大きく進み、平行な方向にはあまり進まない、つまり異方性が大きいが、その分吹き飛ばした残渣がエッチング対象物の周囲に付着しやすいという問題がある。
【００１３】
また、前記イオン束のエネルギーが大きいため、エッチングでのマスキング層の耐性も問題になり、例えばパターンされたマスキング層の垂直性が悪く台形状であるとエッチング終了時でのマスキング層の幅が小さくなり、その下にあるパターン幅も必然的に小さくなる。
【００１４】
反面、化学的エッチングでは残渣は付着しにくいが、エッチングの異方性が小さいために、エッチングの深さが深くなるとその分だけ横方向のエッチングも進んでしまう。なお、本明細書において深さ方向とは積層方向を指し、横方向とはこの積層方向に直交する方向を指す。
【００１５】
光導波路作製においては、エッチング残渣の付着を抑制するために、化学的エッチングが優勢となるような条件でエッチングを行うことが好ましいものの、横方向のエッチング量が比較的大きくなることから、コアのパターニングに際してコア幅が予想したよりも細くなって設計した導波路形状で作製されず、結合損失が大きくなって所期の光学特性が得られないという問題があった。
【００１６】
そして、チャネル導波路つまりコアの側面の微細凹凸等を除去して伝搬損失を低減する特開平７−７７６１９号公報に記載の技術では、コア幅の細りによる結合損失の増加に対する配慮はなされていない。また、コアの幅をその形成領域を問わず等しく形成する特開２０００−７５１５７号公報に記載の技術では、コア幅を設計値通りにするための考察はなされていない。さらに、特開平１０−１０３４７号公報に記載のようなエッチング条件によりコア幅を制御する技術より簡便にコア幅を制御できれば、製造が容易になって望ましい。
【００１７】
ここで、本発明者によって、コア形成時における横方向および深さ方向のエッチング量はエッチングを行う領域の大きさに依存して変化することが見出された。つまり、ギャップを挟んで隣接した２つのコアが存在するような導波路では、コアのギャップ側と反対側とでエッチング深さと横方向へのエッチング量が異なってしまい、設計した導波路形状で作製されず、予定した光学特性が得られないという問題があった。
【００１８】
そこで、本発明は、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することでのできる光導波路の製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路の製造方法は、基板上または第１のクラッド層上にコア層を形成する工程と、前記コア層上にマスキング層を形成する工程と、前記マスキング層上にフォトレジスト膜を形成する工程と、フォトマスクを用いて前記フォトレジスト膜をパターニングする工程と、パターニングされた前記フォトレジスト膜を用いて前記マスキング層を所望のコアの幅よりも幅広くパターニングする工程と、パターニングされた前記マスキング層を用いて前記コア層をパターニングしてコアを形成した後に前記マスキング層を除去する工程と、パターニングされた前記コアを被覆するようにして前記第１のクラッド層上に第２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
このような発明によれば、マスキング層を所望のコア幅よりも広く形成してエッチングによるコア幅の細りを補正しているので、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２１】
本発明の好ましい形態において、パターニングされた前記マスキング層の幅は、このマスキング層を用いて前記コアを形成したときに細くなった当該コアの幅が所望のコアの幅となる幅である。
【００２２】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２３】
本発明のさらに好ましい形態において、前記コアがギャップを挟んで配置されている場合においては、前記パターニングされたマスキング層の幅の中心位置が前記コアの幅の中心位置よりも前記ギャップから遠くなるように前記マスキング層をパターニングする。
【００２４】
これにより、ギャップを挟んで隣接した２つのコアが存在する場合でも、エッチング残渣を抑制しつつコア幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２５】
本発明のさらに好ましい形態において、前記マスキング層は、前記フォトレジスト膜をパターニングする際に用いるフォトマスクのマスクパターン、前記フォトレジスト膜をパターニングする際のパターン形成条件、または前記マスキング層をパターニングする際のパターン形成条件、の少なくとも何れか１つの条件で前記所望のコアの幅よりも幅広くパターニングされる。
【００２６】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２７】
本発明のさらに好ましい形態において、前記マスキング層および前記コア層のパターニングは反応ガスの化学反応を用いた反応性イオンエッチングにより行われる。
【００２８】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００２９】
本発明のさらに好ましい形態において、前記所望のコアの幅は、比屈折率差が０．３％のときには８μｍ、比屈折率差が０．４％のときには７μｍ、比屈折率差が０．７％のときには６μｍ、比屈折率差が１．０％のときには５μｍである。
【００３０】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３１】
本発明のさらに好ましい形態において、前記マスキング層の幅は、前記所望のコアの幅が７〜８μｍのときにはこの幅よりも１．２〜１．４μｍ広くした幅である。
【００３２】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３３】
上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路は、少なくともコアとクラッドからなる光導波路であって、前記コアはフォトマスクを用いてパターニングされ、前記フォトマスクの前記コアに対応する部分のパターン幅は前記コアの幅よりも大きいことを特徴とする。
【００３４】
このような発明によれば、エッチングによるコア幅の細りがフォトマスクで補正されるので、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３５】
本発明の好ましい形態において、前記パターン幅は前記コア幅よりも０．５μｍ以上大きくなっている。
【００３６】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３７】
上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路は、少なくともコアとクラッドからなる光導波路であって、前記コアの屈折率をｎｃｏｒｅ、前記クラッドの屈折率をｎｃｌａｄとし、導波路のカットオフ波長をλとしたとき、前記コアの幅ｄが、ｄ＜１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））であり、かつ前記コアをパターニングするマスキング層の対応する部分の幅Ｍが、Ｍ＞１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））であることを特徴とする。
【００３８】
このような発明によれば、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００３９】
本発明の好ましい形態において、前記カットオフ波長は使用波長の８０％〜９０％である。
【００４０】
これにより、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつさらに具体的に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、発明の実施の形態は、本発明が実施される特に有用な形態としてのものであり、本発明がその実施の形態に限定されるものではない。
【００４２】
図１は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の一工程を示す断面図、図２は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図１に続く工程を示す断面図、図３は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図２に続く工程を示す断面図、図４は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図３に続く工程を示す断面図、図５は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図４に続く工程を示す断面図、図６は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図５に続く工程を示す断面図、図７は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図６に続く工程を示す断面図、図８は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図７に続く工程を示す断面図、図９は本発明者が検討対象としたマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図、図１０は本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図、図１１は２つのコアにより形成されるギャップとコアの線幅との関係を示すグラフ、図１２は分岐したコアとマスキング層との関係を示す説明図、図１３は本発明の他の実施形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図、図１４は２種類のカットオフ波長に対する比屈折率差とコアの幅・高さとの関係を示すグラフ、図１５は３次元チャンネル光導波路の分散特性を示すグラフである。
【００４３】
先ず、本実施の形態における光導波路製造方法の一連のプロセスについて、石英系の光導波路を例にとって説明する。但し、基板としては石英ではなくシリコンなど他のものを用いることもできる。
【００４４】
先ず、石英の基板１１上にノンドープの石英ガラスからなる下部クラッド層（第１のクラッド層）１２をＣＶＤにて５μｍの厚さ（シリコン基板の場合は１５μｍの厚さ）に成膜する。ここでの反応原料には、ＴＥＯＳ（テトラエトキシオルソシリケート）と酸素の混合ガスが用いられる。次に、この混合ガスにＴＭＧ（テトラメトキシボレート）が加えられてゲルマニウムがドープされたコア層１３を７μｍの厚さに成膜した後、１１００℃、３時間の熱処理を行う。さらにその上に、パターニング用のメタルマスク層（マスキング層）１４としてＷＳｉ（タングステンシリサイド）をスパッタリングで７００ｎｍの厚さに成膜した後、フォトレジストを塗布してフォトレジスト膜１５を形成する。これにより、図１に示す積層体が形成される。
【００４５】
次に、図２に示すように、フォトリソグラフィ技術により、フォトマスク１６を用いて紫外光で露光した後に現像して、図３に示すフォトレジスト膜１５のパターニングを行なう。なお、図示する場合には、ポジ型のフォトレジストが用いられているが、ネガ型を用いてもよい。
【００４６】
先ずＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で、エッチングガスとしてＣＦ４とＳＦ６ を使用し、図４に示すように、パターニングされたフォトレジスト膜１５を用いてメタルマスク層１４をパターニングする。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）は常に物理的、化学的エッチング反応が共存しており、作製条件によって両者のバランスを変えることで最適化を図ることが可能である。そして、メタルマスク層１４のパターニング後、図５に示すように、酸素プラズマアッシングでフォトレジスト膜１５を除去する。
【００４７】
次に、パターニングされたメタルマスク層１４により、ＲＩＥにてＣＨＦ３ とＣＨ４ との混合ガスを用いてコア層１３をエッチングでパターニングしてコア１３ａを形成し（図６）、その後ＳＦ６ ガスを用いてメタルマスク層１４を除去する（図７）。
【００４８】
最後に、図８に示すように、パターニングされたコア１３ａを被覆するようにして下部クラッド層１２上に上部クラッド層（第２のクラッド層）１７を形成し、光導波路が完成する。なお、上部クラッド層１７には、相互に隣接したコアパターンでのクラッドの埋め込み被覆性を良好にするために、ノンドープの石英よりも低温で軟化可能なＢＰＳＧ（ボロンと燐がドープされた石英ガラス）が用いられる。そして、これを成膜するために、ＣＶＤ装置にて、ＴＥＯＳと酸素ガスの他にＴＭＢ（テトラメトキシボロン）、ＴＭＰ（テトラメトキシ燐）を加えて、ＢＰＳＧを３０μｍの厚さに堆積した後、最後に軟化リフローおよび応力緩和などの目的で１１００℃、２４時間の熱処理を行う。
【００４９】
さて、以上説明したように、本実施の形態では、反応ガスを用いた化学的エッチングにより光導波路が製造される。なお、図９、図１０、図１３において、エッチング前の状態のコア層１３およびメタルマスク層１４を破線で示し、エッチング後のコア１３ａおよびメタルマスク層１４をハッチング付きの実線で示している。前述のように、化学的エッチングでは異方性が抑制されてエッチング残渣の付着が少ないという利点があるものの、図９に示すように、エッチングの深さが深くなるとその分だけ横方向のエッチングも進んでしまうことから、パターニングされたコア１３ａの幅が、図９において一点鎖線で示す設計上のコア幅よりも細くなってしまう。具体的には、エッチング深さが７〜８μｍでは横方向に１．２〜１．４μｍ程度、エッチング深さが２８μｍでは横方向に７．０〜８．８μｍ程度、エッチング深さが４０μｍでは横方向に９．８〜１１．０μｍ程度エッチングが進む。
【００５０】
そこで、パターニングされたフォトレジスト膜１５を用いてメタルマスク層１４をパターニングする際、メタルマスク層１４の幅を設計上のつまり所望のコア幅と等しくするのではなく、図１０に示すように、所望の幅のコアよりも幅広くパターニングする。具体的には、例えば所望のコアの断面寸法が７〜８μｍ角、つまりコア幅が７〜８μｍの場合には、前述のように横方向に１．２〜１．４μｍ程度エッチングが進むことから、メタルマスク層１４の幅を８．２〜８．４μｍ（コア幅７μｍ）または９．２〜９．４μｍ（コア幅８μｍ）にパターニングする。同様に、所望のコア幅が２８μｍ角の場合には３５．０〜３６．８μｍに、所望のコア幅が４０μｍのときには４９．８〜５１．０μｍにパターニングする。つまり、メタルマスク層１４の幅は、所望のコアの幅に対して１．０μｍ以上大きいことが好ましく、実際の製造精度つまり寸法誤差等を考慮すると０．５μｍ以上大きいことがより好ましい。
【００５１】
なお、以下に説明する場合を含め、メタルマスク層１４の幅は、フォトマスク１６のマスクパターンにより前述の幅にパターニングすることができる。但し、フォトレジスト膜１５をパターニングする際のパターン形成条件やメタルマスク層１４をパターニングする際のパターン形成条件を制御して前述の幅にパターニングしてもよく、これら３つの条件の内の２つあるいは全部を併用してパターニングしてもよい。
【００５２】
このようにメタルマスク層１４の幅を所望のコア幅よりも広くパターニングすることにより、当該メタルマスク層１４を用いてコア層１３をパターニングすれば、図示するように、所望の幅（例えばメタルマスク層１４の幅を８．２〜８．４μｍとして７μｍ幅）のコア１３ａを形成することができる。
【００５３】
次に、本明細書でいう「所望のコア幅」について説明する。光導波路の伝搬特性は、コア１３ａとクラッド１２，１７の屈折率差（あるいは比屈折率差Δ＝（ｎｃｏｒｅ−ｎｃｌａｄ）／ｎｃｌａｄ）およびコア１３ａの大きさ（幅方向の断面における高さと幅）によって決まる。
【００５４】
そして、通常のシングルモード光ファイバに接続して使用される光導波路では、接続の際の結合損失を考慮して光導波路もシングルモードとなるように設計される。屈折率差が大きい場合、シングルモードとなるためにはコア１３ａのサイズを小さくする必要があるが、あまり小さくしすぎると光ファイバとの接続性が悪くなるという問題が生じる。一方、コア１３ａの曲がり部分での伝搬損失は屈折率差を小さくすると増加してしまうので、導波路デバイスの小型化のためにパターンの最小曲率半径を小さくすればするほど損失が大きくなる。
【００５５】
そこで、矩形型のチャンネル導波路の場合、これらの関係を考慮し、コア寸法と屈折率差を表１に示す組み合わせとすることが多い。
【表１】
これらは、各々の場合で、結合損失や許容曲げ半径が異なりメリット・デメリットがあるが特性的には概ね許容できる範囲とされる。したがって、比屈折率差により設計上のコア幅が分かる。つまり、コア１３ａとクラッド１２，１７とから算出される比屈折率差が０．３％のときには設計上のコア幅は８μｍ、１．０のときには５μｍとなる。そこで、本明細書でいう「所望のコア幅」とは比屈折率差から導き出された表１に例示されるようなコア幅をいう。
【００５７】
このように、本実施の形態によれば、メタルマスク層１４を所望のコア幅よりも広く形成してエッチングによるコア幅の細りを補正しているので、光導波路のコア１３ａを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。そして、これにより、光の伝搬損失および結合損失の双方を低減することができる。
【００５８】
ここで、２つのコアにより形成されるギャップとコアの線幅との関係を図１１に示す。
【００５９】
図１１に示すように、コアの線細りは１．０〜１．８μｍであり、ギャップ幅が小さいほど線細りの量は小さくなることがわかる。
【００６０】
一般的な光導波路のレイアウトにおいては、ギャップを挟んで隣接したコアパターンは分岐部分や隣接した導波路の結合を利用したりする場合にのみ用いられる。そして、孤立したコアパターンは図中のギャップ８μｍ以上に相当し、この場合の線細りは１μｍ以上となっている。また、ギャップ部分の幅は作製再現性やコア形成後に上部クラッド１７で埋め込む必要があるために最小でも２μｍ程度とする必要がある。この場合の線細りは０〜０．６μｍである。
【００６１】
そこで、図１２および図１３に示すように、コア１３ａの分岐点においては、メタルマスク層１４の幅方向の中心位置Ｃ１がコア１３ａの幅方向の中心位置Ｃ２よりも２つのコア１３ａで形成されるギャップＧから遠くなるようにして（図１２に示す場合には、中心位置Ｃ１と中心位置Ｃ２との距離が０．２μｍになるようにして）、メタルマスク層１４をパターニングする。
【００６２】
これにより、図１３に示すように、ギャップＧを挟んで隣接した２つのコア１３ａが存在する場合でも、エッチング残渣を抑制しつつコア幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００６３】
なお、図１２に示す数値は一例であり、本発明がこれに限定されるものではないことはもちろんである。
【００６４】
さて、３次元チャンネル導波路のシングルモード条件は、よく知られた規格化周波数と規格化伝搬定数のグラフより導き出すことができ、コアの形状が略正方形である場合、２ｄ／λ・（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ））＜１．４５となる。λは１次モードのカットオフ波長である。そして、コアｎｃｏｒｅとクラッドｎｃｌａｄの屈折率とカットオフ波長から、コアの幅ｄ（正方形形状のコアとしている場合には幅ｄ＝高さ）が求まる。２種類のカットオフ波長に対する計算結果に基づいた比屈折率差とコアの幅・高さとの関係を図１４に示す。
【００６５】
ここで、３次元チャンネル光導波路の分散特性を図１５に示す。図中のｎ１ 、ｎ２ は各々コア、クラッドであって、Ｅｉｊは導波路中を伝搬する各モードを表している。
【００６６】
横軸は次式で与えられる規格化周波数Ｖをπで除した数である。
【００６７】
Ｖ＝２πｄ√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）／λ
【００６８】
また、縦軸は、モードの伝搬定数をβとしたとき、次式で与えられる規格化伝搬定数Ｂである。
【００６９】
Ｂ＝（β２ −ｎｃｌａｄ ２ ｋ２ ）／（ｎｃｏｒｅ ２ ｋ２ −ｎｃｌａｄ ２ ｋ２ ）
【００７０】
図中の線は、ある周波数での導波路を伝搬するモードの伝搬定数がいくつであるかを計算した図であって、実線、破線などの違いは、モード計算での種々の近似での値を示している。ｘ，ｙの添え字は偏波面の違いであって、図のように周囲のクラッドが対称で略正方形形状のコアの場合にはｘ，ｙの曲線はほぼ一致する。
【００７１】
伝搬定数が０となる周波数のことをカットオフ周波数と呼び、これより下の周波数ではそのモードは伝搬できない。そして、シングルモード導波路であるためには０次のモードのみが伝搬する状態であるので、１次のモードがカットオフとなるＶ／π＝１．４〜１．６（Ｔｙｐ：１．４５）以下である必要がある。よって、前述のように、３次元チャンネル導波路のシングルモード条件が、２ｄ／λ・（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ））＜１．４５と導かれる。
【００７２】
したがって、コア１３ａが所望の幅ｄとなるには、上式より、ｄ＜１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））を満たせばよい。また、コア１３ａをパターニングするメタルマスク層１４の対応する部分の幅Ｍはコア幅ｄよりも広くなることから、Ｍ＞１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））となる。
【００７３】
なお、光導波路がシングルモードとなるためには、カットオフ波長が使用する波長よりも小さくなる必要があり、実際の製造プロセスのばらつきを考慮すると使用波長の８０％〜９０％となるようにするのが好ましい。比屈折率差は大きいほど導波路の最小許容曲げ半径が小さくなるため好ましく、また幅・高さはファイバとの結合損失を考えると６〜８μｍ程度が好ましい。
【００７４】
これらの関係から、使用波長１３１０ｎｍのときコアの高さ・幅と比屈折率差の組み合わせは、例えば前述した表１のようになる。
【００７５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の効果を奏することができる。
【００７６】
すなわち、マスキング層を所望のコア幅よりも広く形成してエッチングによるコア幅の細りを補正しているので、光導波路のコアを、エッチング残渣を抑制しつつその幅を所望の寸法に形成することが可能になる。
【００７７】
このようにエッチング残渣を抑制しつつコア幅を所望の寸法に形成できることから、光の伝搬損失および結合損失の双方を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図１に続く工程を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図２に続く工程を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図３に続く工程を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図４に続く工程を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図５に続く工程を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図６に続く工程を示す断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法の図７に続く工程を示す断面図である。
【図９】本発明者が検討対象としたマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図である。
【図１１】２つのコアにより形成されるギャップとコアの線幅との関係を示すグラフである。
【図１２】光導波路の分岐パターンとマスキング層との関係を示す説明図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態である光導波路の製造方法におけるマスキング層とこれによりエッチングされたコアとを示す断面図である。
【図１４】２種類のカットオフ波長に対する比屈折率差とコアの幅・高さとの関係を示すグラフである。
【図１５】３次元チャンネル光導波路の分散特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ 基板
１２ 下部クラッド層（第１のクラッド層）
１３ コア層
１３ａ コア
１４ メタルマスク層（マスキング層）
１５ フォトレジスト膜
１６ フォトマスク
１７ 上部クラッド層（第２のクラッド層）
Ｃ１ 中心位置
Ｃ２ 中心位置
Ｇ ギャップ
Claims (11)
- 基板上または第１のクラッド層上にコア層を形成する工程と、
前記コア層上にマスキング層を形成する工程と、
前記マスキング層上にフォトレジスト膜を形成する工程と、
フォトマスクを用いて前記フォトレジスト膜をパターニングする工程と、
パターニングされた前記フォトレジスト膜を用いて前記マスキング層を所望のコアの幅よりも幅広くパターニングする工程と、
パターニングされた前記マスキング層を用いて前記コア層をパターニングしてコアを形成した後に前記マスキング層を除去する工程と、
パターニングされた前記コアを被覆するようにして前記第１のクラッド層上に第２のクラッド層を形成する工程とを有することを特徴とする光導波路の製造方法。 - パターニングされた前記マスキング層の幅は、このマスキング層を用いて前記コアを形成したときに細くなった当該コアの幅が所望のコアの幅となる幅であることを特徴とする請求項１記載の光導波路の製造方法。
- 前記コアがギャップを挟んで配置されている場合においては、前記パターニングされたマスキング層の幅の中心位置が前記コアの幅の中心位置よりも前記ギャップから遠くなるように前記マスキング層をパターニングすることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路の製造方法。
- 前記マスキング層は、前記フォトレジスト膜をパターニングする際に用いるフォトマスクのマスクパターン、前記フォトレジスト膜をパターニングする際のパターン形成条件、または前記マスキング層をパターニングする際のパターン形成条件、の少なくとも何れか１つの条件で前記所望のコアの幅よりも幅広くパターニングされることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
- 前記マスキング層および前記コア層のパターニングは反応ガスの化学反応を用いた反応性イオンエッチングにより行われることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
- 前記所望のコアの幅は、比屈折率差が０．３％のときには８μｍ、比屈折率差が０．４％のときには７μｍ、比屈折率差が０．７％のときには６μｍ、比屈折率差が１．０％のときには５μｍであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
- 前記マスキング層の幅は、前記所望のコアの幅が７〜８μｍのときにはこの幅よりも１．２〜１．４μｍ広くした幅であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光導波路の製造方法。
- 少なくともコアとクラッドからなる光導波路であって、
前記コアはフォトマスクを用いてパターニングされ、
前記フォトマスクの前記コアに対応する部分のパターン幅は前記コアの幅よりも大きいことを特徴とする光導波路。 - 前記パターン幅は前記コア幅よりも０．５μｍ以上大きいことを特徴とする請求項８記載の光導波路。
- 少なくともコアとクラッドからなる光導波路であって、
前記コアの屈折率をｎｃｏｒｅ、前記クラッドの屈折率をｎｃｌａｄとし、導波路のカットオフ波長をλとしたとき、
前記コアの幅ｄが、
ｄ＜１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））
であり、
かつ前記コアをパターニングするマスキング層の対応する部分の幅Ｍが、
Ｍ＞１．４５λ／（２（√（ｎｃｏｒｅ ２ −ｎｃｌａｄ ２ ）））
であることを特徴とする光導波路。 - 前記カットオフ波長は使用波長の８０％〜９０％であることを特徴とする請求項１０記載の光導波路。
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