JP2005010355A - 導波路型光デバイスの製造方法及び導波路型光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ポリマー導波路の作用部への電界強度を高めるためにポリマーコア層の膜厚が薄い導波路をドライエッチングで形成する場合でも、ポリマーコア層のエッチング終了時にエッチング残渣などを生じることなく、良好なドライエッチングを行うことが可能な導波路型光デバイスの製造方法の提供、及びこの製造方法により得られる、ＥＯ効果の高い導波路型光デバイスの提供である。
【解決手段】ポリマーからなるコア層を、ドライエッチングによってパターニングし光導波路とする導波路型光デバイスの製造方法であって、各工程に用いられる第１、第２、及び第３のエッチングガスが、それぞれ異なる組成であることを特徴とする導波路型光デバイスの製造方法である。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型光デバイスの製造方法等に関し、より詳細には、ポリマーからなるコア層を、ドライエッチングによってパターニングする導波路型光デバイスの製造方法、及び該製造方法により製造される導波路型光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ、以下「ＥＯ」と略す）効果で導波光を制御する導波路型光デバイスの開発が盛んに行われるようになってきた。導波路型光デバイスでは、様々なタイプの導波路構造が検討されており、それと同様に様々な導波路形成の方法が報告されている。
【０００３】
従来、上記導波路型光デバイスの光導波路の材料としては、大きなＥＯ効果を示すニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ランタン添加のチタン酸ジルコン酸鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、「ＰＬＺＴ」と略す）などの無機系材料が広く用いられている。しかしながら、これらの材料は、高誘電率のため応答速度が遅く、そのため適用できる周波数帯域が限定されていた。
【０００４】
一方、ポリマーは無機系材料に比べ誘電率が低く、マイクロ波との速度不整合の問題を大幅に改善できるため、光導波路材料として注目を集めている。このポリマーを光導波路とするための導波路形成方法としては、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が簡便であり、高精度の加工が可能なことから広く用いられている。
【０００５】
酸素ガスを用いたＲＩＥでは、ノボラック樹脂系レジストを用いた場合には、導波路とするポリマーとのエッチング選択比が小さいため、酸素プラズマに耐性のあるシリコン含有レジストを用いる方法が一般的である。しかしながら、フォトレジストを直接ポリマーコア層表面に塗布する方法は、フォトリソグラフィー工程で用いられる溶剤、例えばフォトレジスト溶剤や現像液などの薬液、とポリマーコア層との間でインターミキシングが発生し、クラックなどが発生しやすいという問題が生じていた。
【０００６】
以上の課題を解決する方法として、ポリマーコア層と薬液とが直接反応しないようにするため、無機材料などのエッチングマスクを用いる方法が検討されている。この方法は、ポリマーコア層表面にスパッタリングなどによって、無機材料からなるエッチングマスク層を形成し、それをパターニングしたエッチングマスクをマスクとしてポリマーコア層をエッチングするものである。そして、ポリマーコア層をエッチングした後、不要となったエッチングマスクは溶剤を用いて除去される。
【０００７】
上記エッチングマスクを用いてエッチングする方法に関して、そのエッチング工程を簡略化する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、同一チャンバ内で、ハードマスクのエッチング、ポリマーコア層のエッチング、及びエッチングマスクの除去を行うことを特徴としており、さらに、エッチングマスクをパターニングするためのフォトレジストを、ポリマーコア層と同時に除去することを特徴としている。
【０００８】
以上の方法においては、フォトレジストの膜厚に対して、ポリマーコア層の段差を充分高くするようにエッチングするため、ポリマーコア層のエッチング時にフォトレジストを完全に除去することが可能であった。しかしながら一方、ポリマーに電気光学（ＥＯ）特性を持たせて機能性光デバイスを作製する場合には、デバイス性能を向上させるために、ポリマー導波路の作用部の電界強度を高める必要があり、そのためポリマーコア層の膜厚を可能な限り薄くすることが望まれている。
【０００９】
本発明者等が検討した結果、前記の方法で、薄いポリマーコア層をエッチング加工した場合、ポリマーコア層のエッチング終了時点では、フォトレジストを完全に除去することが不可能であることが分かった。これは、ポリマーコア層エッチング時におけるフォトレジストとポリマーコア層とのエッチング選択比の関係から、フォトレジストの消滅前にポリマーコア層が所望の段差に到達してしまうためである。
【００１０】
エッチング終了後に残ったポリマーコア層表面のフォトレジストやエッチングマスクは、コアポリマー層に溶剤に対する耐性があれば、レジスト剥離液や酸などで除去することも可能であるが、試した溶剤では、コア層が溶解してしまうか、ポリマーコア層の下部（基板側）に形成された下部クラッド層から剥離してしまった。また、溶剤との接触により、コアを構成するポリマーのＥＯ特性に影響を与える可能性があるため、溶剤は極力用いないほうが好ましい。
【００１１】
以上のように、ハードマスクを用いてポリマーコア層をエッチング加工する場合、ポリマーコア層のエッチング終了時点で、フォトレジストを完全に除去しておく必要がある。その理由は、フォトレジストの除去が完全でないと、エッチング終了後にエッチングマスクの除去が不可能となるためである。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−２３１１６１号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は、ポリマー導波路の作用部への電界強度を高めるためにポリマーコア層の膜厚が薄い導波路をドライエッチングで形成する場合でも、ポリマーコア層のエッチング終了時にエッチング残渣などを生じることなく、良好なドライエッチングを行うことが可能な導波路型光デバイスの製造方法の提供を目的とする。また、この製造方法により得られる、ＥＯ効果の高い導波路型光デバイスの提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決するために、本発明者等が鋭意検討した結果、コアポリマー層のエッチング終了時点で、フォトレジストが完全に除去されるようにするためには、レジストを除去する工程をポリマーコア層のエッチング工程だけではなく、エッチングマスク層のエッチング工程でも行われるようにすれば良いことが見出された。
【００１５】
エッチングマスク層エッチング時におけるエッチング選択比は、エッチングするときのエッチングガスの組成比を制御することで調整することが可能である。そのため、エッチングマスク層のエッチング工程で、通常用いられるエッチングガスにフォトレジストをエッチングするようなエッチングガスを添加すればよい。
【００１６】
前述の方法では、エッチングマスク層のパターニング工程とエッチングマスクの除去工程とでは、同じ組成のガスが用いられていた。この方法で、ポリマーにＥＯ特性を持たせ機能性デバイスを作製すると、コアポリマー層のエッチング終了時点でエッチングマスクのパターニング用フォトレジストを完全に除去することが不可能である。
【００１７】
本発明では、エッチングマスクをパターニングするエッチングガスに酸素ガスを添加することで、エッチングマスクのエッチング工程においてフォトレジストのエッチングを行えば、ポリマーコア層のエッチング終了時点で不要なフォトレジストを完全に除去できることを見出した。
【００１８】
すなわち本発明は、
＜１＞ ポリマーからなるコア層を、ドライエッチングによってパターニングし光導波路とする導波路型光デバイスの製造方法であって、
前記コア層の表面にエッチングマスク層を形成する工程と、該エッチングマスク層表面にフォトレジストパターンを形成する工程と、第１のエッチングガスで前記エッチングマスク層をパターニングしてエッチングマスクとする工程と、該パターニングしたエッチングマスクをマスクとして第２のエッチングガスでコア層をパターニングし光導波路とする工程と、第３のエッチングガスで該光導波路表面のエッチングマスクを除去する工程、とを有し、
前記第１、第２、及び第３のエッチングガスが、それぞれ異なる組成であることを特徴とする導波路型光デバイスの製造方法である。
【００１９】
＜２＞ 前記コア層が、非線形光学ポリマーで形成されていることを特徴とする＜１＞に記載の導波路型光デバイスの製造方法である。
【００２０】
＜３＞ 前記第１のエッチングガスが、ハロゲンガスと酸素ガスとの混合ガスからなることを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載の導波路型光デバイスの製造方法である。
【００２１】
＜４＞ 前記コア層の表面にエッチングマスク層を形成する工程において、エッチングマスク層を形成する前に、プラズマで表面処理することを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の導波路型光デバイスの製造方法である。
【００２２】
＜５＞ 基板表面に、少なくとも下部クラッド層とコア層をパターニングした光導波路とを有する導波路型光デバイスであって、
＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の導波路型光デバイスの製造方法により製造されることを特徴とする導波路型光デバイスである。
【００２３】
＜６＞ 前記コア層の膜厚が、５μｍ以下であることを特徴とする＜５＞に記載の導波路型光デバイスである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の導波路型光デバイスの製造方法は、ポリマーからなるコア層を、ドライエッチングによってパターニングし光導波路とする導波路型光デバイスの製造方法であり、前記コア層の表面にエッチングマスク層を形成する工程と、該エッチングマスク層表面にフォトレジストパターンを形成する工程と、第１のエッチングガスで前記エッチングマスク層をパターニングしてエッチングマスクとする工程と、該パターニングしたエッチングマスクをマスクとして第２のエッチングガスでコア層をパターニングし光導波路とする工程と、第３のエッチングガスで該光導波路表面のエッチングマスクを除去する工程、とを有し、前記第１、第２、及び第３のエッチングガスが、それぞれ異なる組成であることを特徴とする。
【００２５】
導波路型光デバイスにおける光導波路が、上記製造方法により形成されることで、ドライエッチング法でコア層に微小段差の導波路部を形成する場合であっても、コア層のエッチング終了時点でフォトレジストを完全に除去することができ、光透過性、光制御性に優れた導波路型光デバイスを得ることができる。
【００２６】
本発明の導波路型光デバイスの製造方法により作製される導波路型光デバイスの構成としては、特に制限されず、種々の構成を採ることができるが、本発明においては、基板表面に、少なくとも下部クラッド層とコア層をパターニングした光導波路とを有する構成であることが必要である。
【００２７】
図１は、本発明の導波路型光デバイスの構成を示す概略断面図である。
図１に示す導波路型光デバイスでは、基板１０の表面に下部電極２０が設けられ、その表面に下部クラッド層３０、コア層４０、及び上部クラッド層５０が形成され、さらに上部クラッド層５０の表面に上部電極６０が設けられている。
【００２８】
上記導波路型光デバイスの製造は、まず基板１０の表面に、必要に応じて下部電極２０として金属材料を堆積する。
上記基板１０としては、各種金属基板（アルミニウム、金、鉄、ニッケル、クロム、ステンレスなど）、各種半導体基板（シリコン、酸化シリコン、酸化チタン、酸化亜鉛、ガリウム−ヒ素など）、ガラス基板、プラスチック基板（ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアセテート、ポリメチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリウレタン、ポリイミド、ポリスチレン、ポリアミドなど）、等を用いることができる。
【００２９】
これらの基板１０は厚く剛直でもよいし、薄く柔軟でもよい。半導体基板、ガラス基板、プラスチック基板の表面には、前記のように下部電極２０が形成される。下部電極２０の材料としては、Ａｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏなどの各種金属、各種酸化物（ＮＥＳＡ（酸化スズ）、酸化インジウム、ＩＴＯ（酸化スズ−酸化インジウム複合酸化物）や、各種有機導電体（ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリパラフェニレンビニレン、ポリアセチレン）などが用いられる。これらの導電膜は、蒸着、スパッタリング、塗布や電解析出法などにより形成され、必要に応じてパターンが形成されていてもよい。
【００３０】
なお、基板１０が金属基板の場合には下部電極２０を設ける必要はなく、このような導電性の基板１０、及び前記下部電極２０は、後述する非線形光学ポリマーに電界を印加する場合の電極として使用することができる。また、前記上部クラッド層５０の表面に必要により形成される上部電極６０も、同様の材料により構成される。
【００３１】
基板１０あるいは下部電極２０と後述する下部クラッド層３０との間、および上部クラッド層５０と上部電極６０との間には、必要に応じて他の層が形成されていてもよく、接着性を向上させるための接着層、表面の凹凸を平滑化するための下引層、あるいはこれらの機能を一括して提供する何らかの中間層、が形成されていてもよい。
【００３２】
このような層を形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル、メタクリル、ポリアミド、塩化ビニル、酢酸ビニル、フェノール、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリイミド、塩化ビニリデン、ポリビニルアセタール、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ニトロセルロース、カゼイン、ゼラチン、ポリグルタミン酸、澱粉、スターチアセテート、アミノ澱粉、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ジルコニウムキレート化合物、チタニルキレート化合物、チタニルアルコキシド化合物、有機チタニル化合物、シランカップリング剤等の公知の材料を用いることができる。
【００３３】
前記コア層４０と上下クラッド層の間には余計な層はなるべくない方がよいが、デバイス特性に影響のでない程度に、前記のような層をごく薄く形成してもよい。あるいは、下部クラッド層表面、コア層表面に、市販の界面活性剤などを処理することにより、上層との接着性、コーティング時のぬれ性、成膜性などを改善できる場合がある。
【００３４】
本発明の導波路型光デバイスにおいては、本来有する電気光学特性の機能に加えて、導波路であるコア層としての機能を兼有させるため、図１に示す各構成のように、コア層４０と基板１０との間に下部クラッド層３０が形成される。
【００３５】
上記下部クラッド層３０としては、コア層４０よりも屈折率の低い材料を堆積する。下部クラッド層３０に用いられる材料としては、コア層４０の形成時にインターミキシングを起こさない材料が好ましく、一般的に知られている熱硬化型の架橋樹脂、紫外線硬化型の架橋樹脂、無機材料、導電性高分子、フッ素化ポリマーなどを用いることができる。
【００３６】
前記熱硬化型の架橋樹脂としては、例えばポリイミド、ポリウレタン、ポリベンゾシクロロブテン、ポリアミドなどが挙げられ、前記紫外線硬化型の架橋樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。
【００３７】
下部クラッド層３０を形成する手段としては、高分子材料であれば、スピンコート法、ディップ法などの一般的な溶液塗布方法が用いられる。また、無機材料であれば、電子ビーム蒸着法、フラッシュ蒸着法、イオン・プレーティング法、ＲＦ（高周波）−マグネトロン・スパッタリング法、ＤＣ（直流）−マグネトロン・スパッタリング法、イオン・ビーム・スパッタリング法、レーザー・アブレーション法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル法）、ＣＶＤ（気相成長法）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（有機気相成長法）などより選ばれる気相成長法、またはゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスによって作製が可能であるが、これらに限られるわけではない。
【００３８】
なお、下部クラッド層３０の膜厚は、利用する光の波長やモードなど、導波路設計指針に依存するが、１〜２０μｍ程度の範囲が好ましく、１．５〜８．０μｍ程度の範囲とすることがより好ましい。
下部クラッド層３０の膜厚が厚い場合には、コア層４０にかかる実効電圧が低くなるため、充分なＥＯ効果が得られず、また、薄い場合には、下部電極２０による光吸収が増加するため、光損失が大きくなるという問題が生じる場合がある。
【００３９】
下部クラッド層３０を形成した後、非線形効果を付与したポリマー（非線形光学ポリマー）を積層しコア層４０とし、本発明におけるドライエッチング法でリッジを形成する。
ここで、非線形光学ポリマーとは、高分子マトリックス中に非線形光学特性を有する有機化合物を添加した有機非線形光学ポリマーや、高分子の主鎖あるいは側鎖に、非線形光学特性を有する構造（以下、「クロモフォア構造」という場合がある）を導入した主鎖型有機非線形光学ポリマーあるいは側鎖型有機非線形光学ポリマーなどをいう。
【００４０】
コア層４０の材料としては、光導波路が形成可能なものであり、下部クラッド層３０よりも屈折率の高い材料であれば、本発明の意図を損なうものではないが、前記非線形光学ポリマーを用いることが好ましく、前記のように、高分子の側鎖または主鎖に、ポリマーに非線形性を付与する目的でクロモフォア構造を導入したものを用いることができる。
【００４１】
上記高分子材料としては、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリシラン、ポリベンゾシクロブテンなどを用いることができる。
【００４２】
前記クロモフォア構造は、公知のものであれば特に限定されないが、下記の構造式（１）で表されるものが好ましい。
Ｄ−Ｐ−Ａ ・・・ 構造式（１）
【００４３】
構造式（１）中、Ｄは、電子供与性を有する原子団、Ｐは結合部、Ａは電子吸引性を有する原子団、を表す。
【００４４】
構造式（１）において、「Ｄ」で表される電子供与性を有する原子団としては、電子供与性を有するものであれば公知のものを用いることができるが、電子供与性置換基を有する、脂肪族不飽和結合、芳香環、ヘテロ芳香環、及びそれらの組み合わせからなるものであることが好ましい。
前記電子供与性置換基としては、電子供与性を有するものであれば特に限定されないが、アルキル基、アルコキシ基、アミノ基、などが望ましい。なお、前記アルキル基の一部がアルコキシ基やフェニル基で置換されてもよく、前記アルコキシ基の一部がアルコキシ基やフェニル基で置換されてもよく、また、前記アミノ基の一部がアルキル基やアルコキシ基、あるいはフェニル基で置換されてもよい。
【００４５】
一方、「Ａ」で表される電子吸引性を有する原子団としては、電子吸引性を有するものであれば公知のものいずれでも良いが、電子吸引性置換基を導入した、脂肪族不飽和結合、芳香環、ヘテロ芳香環、及びそれらの組み合わせ、などの構造が望ましい。
前記電子吸引性置換基としては、ハロゲン原子、ハロゲン置換されたアルキル基、シアノ基、ニトロ基、カルボニル基、などが望ましい。
【００４６】
また、「Ｐ」で表される結合部は、「Ｄ」と「Ａ」とを共有結合で結ぶものであれば如何なるものであっても良いが、電子を非局在化しうる共役結合を持つものが望ましく、例えばπ共役系で「Ｄ」と「Ａ」とを結びつけるような構造を有するものが望ましい。具体的には、脂肪族不飽和結合、芳香環、ヘテロ芳香環、及びそれらが互いに結合したものなどが望ましい。
【００４７】
構造式（１）の具体例としては、下式（１−１）〜（１−４）で表されるＤｉｓｐｅｒｓｅ Ｒｅｄ類やＤｉｓｐｅｒｓｅ Ｏｒａｎｇｅ類、下式（１−５）〜（１−１１）で表されるスチルベン化合物、あるいは、下式（１−１２）〜（１−１７）に示される構造を有する化合物などが挙げられる。なお、下式（１−１６）における「Ｂｕ」はブチル基を意味し、「Ｍｅ」はメチル基を意味する。
【００４８】
【化１】

【００４９】
【化２】

【００５０】
【化３】

【００５１】
コア層４０の形成は、前記クロモフォア構造を有する高分子材料、あるいはクロモフォア構造を有する有機化合物と高分子材料とを混合したものを、これらを溶解する溶剤に溶解しコーティング液を作製し、このコーティング液を前記下部クラッド層３０等の表面にコートすることにより行う。
【００５２】
コア層４０のコーティングは、スピンコート、スプレーコート、ブレードコート、ディップコート、など公知の方法を用いて行うことができる。溶剤の除去は、送風乾燥機などで加熱乾燥しても良いし、減圧（真空）乾燥機などで乾燥してもよい。
【００５３】
コア層４０の膜厚としては、ポリマー導波路の作用部に電界を効果的にかけるために、コア層４０の膜厚は薄いほうが好ましく、５．０μｍ以下が好ましく、３．５μｍ以下がより好ましい。膜厚が５．０μｍより厚いと、ポリマー導波路の作用部への電界印加が大きくなり、目的の低駆動電圧を達成することが不可能となる場合がある。なお、コア層４０の膜厚の下限は１．０μｍ程度である。
【００５４】
コア層４０を加工することにより、図１に示すようなリッジ型の光導波路を形成する。そして、上記光導波路の加工にはドライエッチングが用いられる。
【００５５】
光導波路のリッジパターンとしては、直線型、Ｓ字型、Ｙ分岐型、Ｘ交差型、あるいはそれらの組み合わせの導波路パターンが挙げられる。リッジ幅とリッジ高さは、導波路の屈折率と膜厚との組み合わせにより異なるが、リッジ高さ（段差）は一般的には５０〜２０００ｎｍの範囲が好ましく、５００〜１２００ｎｍの範囲がより好ましい。段差が５０ｎｍに満たないと、十分な屈折率差が得られず光の閉じ込めができなくなる場合がある。２０００ｎｍを越えると、マルチモードとなって目的とする素子の機能を十分に発揮できなくなる場合がある。
また、リッジ幅としては、１〜１０μｍの範囲が好ましく、３〜７μｍの範囲がより好ましい。
【００５６】
リッジを形成した後、上部クラッド層５０として、コア層４０よりも屈折率の低い材料で、コア層４０を覆う。上部クラッド層５０に用いられる材料としては、上部クラッド層５０形成時に、コア層４０とインターミキシングを起こさない材料が好ましく、前記下部クラッド層３０に用いた材料等を用いることができる。また、上部クラッド層５０を形成する手段としても、前記下部クラッド層３０の形成に用いた手段を同様に使用することができる。
なお、上部クラッド層５０の膜厚としては、１〜１０μｍの範囲が好ましく、１．５〜８．０μｍの範囲がより好ましい。
【００５７】
本発明のような導波路型光デバイスの場合には、通常、前記コア層４０の屈折率に比べ、クラッド層の屈折率を小さくする必要がある。コア層４０とクラッド層との屈折率の差は、どのような素子として用いるかによって異なるが、例えば、シングルモードの導波路として用いる場合には、上記コア層４０とクラッド層との屈折率の差は、０．０１〜３％の範囲であることが好ましい。
【００５８】
次いで、上部クラッド層５０の表面に、上部電極６０として金属材料を形成し、導波路型光デバイスを形成する。上部電極の材料としては、前述の下部電極２０に用いた材料が同様に使用できる。
【００５９】
これらの制御用電極（下部電極、上部電極）は、公知の方法、例えば、ＤＣマグネトロン・スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、電解メッキ法、フラッシュ蒸着法、イオン・プレーティング法、ＲＦマグネトロン・スパッタリング法、イオン・ビーム・スパッタリング法、レーザー・アブレーション法、ＭＢＥ法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ法などより選ばれる気相成長法、またはゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスによって、オーバークラッド層表面から薄膜成長を行うことができる。
【００６０】
上部電極６０を形成した後、ポーリング処理を行う。ここで該ポーリング処理とは、成膜した後に、ガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱した状態で電場を印加して配向処理することにより、前記非線形光学ポリマーの分極方向、あるいは、前記クロモフォアを有する非線形光学ポリマーのクロモフォア部分の分極方向、に配向させ、これを維持した状態で、Ｔｇ以下に温度を下げた後に電場を取り除く処理をいう。
【００６１】
このようなポーリング処理としては、電場の印加方法として、非線形光学ポリマーを２つ以上の電極で直接挟み込んで電場を印加する方法、非線形光学ポリマーと電極との間に液体などの媒体を介して電場を印加する方法、あるいは、コロナ放電により間接的な方法で非線形光学ポリマーに対して電場を印加する方法などが公知である。
【００６２】
ポーリング温度は、ガラス転移温度以上が好ましく、具体的には１００〜２００℃の範囲内に１〜１０時間程度保持することが望ましい。ポーリング温度を室温から最終的な温度まで段階的に上昇させる場合、各ステップの上昇温度は５〜５０℃程度の範囲、各ステップの時間は１０〜１２０分間程度が望ましく、それらは終始同じでも異なってもよい。連続的に上昇させる場合の昇温速度は、０．１〜２０℃／分程度とすることが望ましく、前記の段階的に温度を上昇させるステップと組み合わせてもよい。
【００６３】
前記コロナ放電法では、電極、グリッド、サンプル表面の位置関係はこの順であれば任意であるが、電極とサンプル表面との最短距離は５〜１００ｍｍ程度の範囲、グリッドとサンプル表面との最短距離は１〜３０ｍｍ程度の範囲とすることが好ましい。グリッドを使用することにより放電を安定化できる場合があり、さらにサンプル表面に必要以上のイオン流が流れ込むのを防止することができるため、表面へのダメージを低減する効果もあると考えられる。
【００６４】
ポーリングの際に電極やグリッドに印加する電圧は一定でもよいし、連続的あるいは段階的に変化させてもよく、温度上昇や下降のタイミングに合わせても合わせなくてもよい。例えば、コロナ電極に印加する電圧は１〜２０ｋＶ程度の範囲、グリッドを使用する場合のグリッド電圧は０．１〜２ｋＶ程度の範囲とするのが好ましい。
【００６５】
また、電極法の電極に印加する電圧としては、０．１〜２ｋＶ程度の範囲とするのが好ましい。電極の極性は正負どちらでもよいが、コロナ放電法の場合には、正電圧にした方がオゾンや窒素酸化物などの発生量が少なく、サンプルへのダメージを小さくすることが可能である。
なお、温度を下げる工程まで含んだポーリングの総時間は、２４時間以内程度とすることが好ましい。また、上記ポーリング処理は、コア層形成後に実施することも可能である。
【００６６】
次に、本発明の導波路型光デバイスの製造方法におけるエッチングプロセスについて、図２を用いて説明する。図２は、コア層形成からリッジ型光導波路が形成されるまでのプロセスを模式的に示したものである。
【００６７】
（エッチングマスク層を形成する工程）
まず、図２（Ａ）に示す基板１０に形成されたコア層４０の表面に、（Ｂ）に示すように、エッチングマスク層７０を形成する。エッチングマスク層７０としては、コア層４０のエッチングレートに対して、低いエッチングレートの材料が好ましく、シリコン、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ（ｘは１〜２の整数、ｙは１〜２の整数を表す）といったシリカ系材料、アルミニウム、チタン、タングステン、クロム、モリブデン、ニッケル、銅などの金属材料等を用いることができる。
【００６８】
上記エッチングマスク層７０の厚さは、５０〜５００ｎｍの範囲程度が好ましいが、本発明においては、コア層４０のパターニング時のみではなく、エッチングマスク層７０のパターニング時にもフォトレジストの除去を行うため、前記リッジ高さＨｒとエッチングマスク層７０の厚さＨｅとの比Ｈｒ／Ｈｅは２．０〜２０．０の範囲が好ましく、５．０〜１０．０の範囲がより好ましい。
【００６９】
（フォトレジストパターンを形成する工程）
次いで、図２（Ｃ）に示すように、エッチングマスク層７０の表面にフォトレジスト８０をコーティングする。フォトレジスト８０としてはノボラック樹脂系のレジストを用いることができ、コーティング膜厚は、７００〜３０００ｎｍの範囲程度が好ましい。また、コア層４０のパターニング終了時にフォトレジスト８０が完全に除去されることを考慮すると、フォトレジスト層８０の厚さＨｆとエッチングマスク層７０の厚さＨｅとの比Ｈｆ／Ｈｅは１．０〜３０．０の範囲が好ましく、５．０〜１５．０の範囲がより好ましい。さらに、フォトレジスト層８０の厚さＨｆとリッジ高さＨｒとの比Ｈｆ／Ｈｒは０．５〜１０．０の範囲が好ましく、１．０〜５．０の範囲がより好ましい。
【００７０】
続いて、図２（Ｄ）のように、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト８０を導波路パターン８１に形成する。この時、エッチングマスク層７０を形成する前に、同一のスパッタ装置内で、プラズマ処理を行うことにより、エッチングマスク層７０とポリマーのコア層４０との密着性が大幅に向上し、フォトリソグラフィー工程でのエッチングマスクのクラック発生を防止することが可能となる。プラズマ処理に用いられるガスとしては、アルゴンに代表される不活性ガスや、酸素ガス、窒素ガスを用いることができる。
【００７１】
（エッチングマスク層をパターニングする工程）
次に、図２（Ｅ）に示すように、エッチングマスク層７０表面に塗布された導波路パターン８１をマスクとして、第１のエッチングガス９１でエッチングマスク層７０を導波路パターン形状のエッチングマスク７１にエッチング加工する。
【００７２】
このとき、第１のエッチングガス９１としては特に制限はないが、例えばエッチングマスク層７０をエッチングするハロゲン系ガスに、フォトレジスト８０のエッチングレートを増加させる酸素ガスを混合させたものなどを用いることができる。上記ハロゲン系ガスとしては、エッチングマスク層７０がシリコン、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙといったシリカ系材料であれば、フッ素系のガス、例えばＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ＳＦ_６などを用いることができる。また、エッチングマスクがアルミニウム、チタン、タングステン、クロム、モリブデン、ニッケル、銅などの金属材料であれば、塩素系のガス、例えば、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４などを用いることができる。
【００７３】
エッチング時におけるエッチングマスク層のエッチング速度ａと、フォトレジスト８０のエッチング速度ｂとのエッチング選択比ａ／ｂは０．０５〜１．０の範囲とすることが好ましく、０．１〜０．７の範囲とすることがより好ましい。
【００７４】
また、エッチング選択比を上記好ましい範囲とするためには、ハロゲン系ガスと酸素との混合比（ハロゲン系ガス／酸素）は、２５／２．５ｓｃｃｍ〜２５／１５ｓｃｃｍの範囲とすることが好ましく、２５／５ｓｃｃｍ〜２５／１０ｓｃｃｍの範囲とすることがより好ましい。
【００７５】
続いて、このエッチングマスク７１をマスクとして、図２（Ｆ）に示すように、第２のエッチングガス９２を用いてポリマーコア層４０のエッチングを行う。このときのエッチングガスとしては、酸素ガスが好ましいが、非線形効果を付与する材料によってはハロゲン系ガスの添加なども行われるが、特にこれらに限定されるわけではない。ただし、上記ハロゲン系ガスの添加が行われた場合でも、そのガス組成は酸素ガスが主であり、前記第１のエッチングガスと同一組成となることはない。
【００７６】
また、このエッチング時におけるコア層４０のエッチング速度ｃと、フォトレジスト８０のエッチング速度ｂとのエッチング選択比ｃ／ｂは、０．５〜１．２の範囲とすることが好ましく、０．７〜１．０の範囲とすることがより好ましい。
【００７７】
最後に、図２（Ｇ）に示すように、第３のエッチングガス９３でエッチングマスク７１の除去を行い、ポリマーコア層４０にリッジ形状の転写が完了する。第３のエッチングガス９３としては、特に制限はないが、ポリマーコア層４０にダメージを与えずに、エッチングマスク７１の除去が可能であるエッチングガスを用いることができる。
【００７８】
例えばエッチングマスク７１がシリコン、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙといったシリカ系材料であれば、フッ素系のガス、例えばＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、ＳＦ_６などを用いることができる。また、エッチングマスク７１がアルミニウム、チタン、タングステン、クロム、モリブデン、ニッケル、銅などの金属材料であれば、塩素系のガス、例えば、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４などを用いることができる。
【００７９】
このように本発明においては、第１、第２、及び第３のエッチングガスが各々異なる組成のものを用いてエッチングを行うことを特徴とし、各エッチングガスの組成を異なるものとすることで、コア層４０に薄いリッジ型導波路を形成する場合でも、エッチング終了時にフォトレジスト８０を完全に除去することができる。
【００８０】
また、第１、第２、及び第３のエッチングガスとしては、前記のように、第３のエッチングガスとして用いるガス（例えばハロゲン系ガス）に、第２のエッチングガスとして用いるガス（例えば酸素ガス）を混合して第１のエッチングガスとする構成が、製造の効率化、製造コストの低減などの観点から好ましい。
【００８１】
ドライエッチング方法は、光導波路を形成するための一般的な装置、エッチングガスを用いることが可能である。例えば、装置としては、ダウンフローエッチング、平行平板型の反応性イオンエッチングやマグネトロン反応性イオンエッチグ、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチング、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）エッチング、イオンビームエッチング、スパッタエッチングなどが可能である。
【００８２】
これらの中では、プラズマエッチング法が好ましく、被加工層を高速及び平滑にエッチングできる観点から、ＩＣＰエッチングで特に好ましい。
また、一連のドライエッチングは、同一のドライエッチング装置で行ってもよいし、異なるドライエッチング装置を用いて行っても、何ら問題はない。
【００８３】
以上説明したような本発明の導波路型光デバイスの製造方法により作製される導波路型光デバイスは、非線形光学特性を利用する如何なる素子にも利用することが可能で、波長変換素子などにも適用できる。また、光導波路のコア層のように、非線形光学特性以外その他の特性を利用して、素子を構成する材料として用いてもよい。特にデバイスを意識した応用例として、非線形光学材料を基材表面に形成し、入力シグナル用の電極対で挟み込む構造を有する非線形光学素子として利用することが好ましい。
【００８４】
そして、例えば、チャネル型導波路を形成する際、導波路の形成方法によって、直線型、Ｙ分岐型、カップリング型、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型など公知のデバイス構造を構成することができ、光スイッチ（分岐、混合）、光変調素子、波面変換素子、など公知の各種光デバイスへの適用が可能である。
【００８５】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
＜実施例＞
（導波路型光デバイスの作製）
シリコン基板（直径：５０．８ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）表面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法により下部電極として厚さ０．３μｍの金電極を形成した。次に、この下部電極表面に、屈折率１．５４４のエポキシ樹脂ＮＯＡ７２（ノーランド社製）をスピンコート法により堆積し、ＵＶ照射により硬化を行い、厚さが５．０μｍの下部クラッド層とした。
【００８６】
次いで、ポリマーコア層の材料として、下記一般式で表されるポリカーボネート樹脂を、ＴＨＦ１質量部とシクロヘキサノン４質量部とを混合した溶媒中に溶解し、１５質量％の樹脂溶液を作製した。この樹脂溶液中に非線形光学特性を示す材料として、前記式（１−１）に示す有機非線形材料を固形分比として１０質量％となる量だけ添加して溶解し、塗布液とした。なお、下記一般式において、ｎ、ｍは１以上の整数であり、同一であっても異なっていてもよい。
【００８７】
【化４】

【００８８】
この溶液をスピンコート法により、前記下部クラッド層表面に堆積し、１２０℃に設定されたオーブン内で６０分間乾燥させ、厚さ２．５μｍの非線形光学ポリマーからなるコア層を形成した。このコア層の屈折率は１．５６０であった。
【００８９】
−エッチングマスク層形成工程−
上記ポリマーコア層まで形成されている基板表面に、ＤＣマグネトロンスパッタ法によりエッチングマスク層として、シリコン薄膜を約１２０ｎｍ堆積した。なお、このシリコン薄膜形成前に、同一のチャンバー内でコア層に表面処理を行った。表面処理方法としては、アルゴンガスを２０ｓｃｃｍ供給し、ＲＦ投入電力を１００Ｗとし、約３００秒間、プラズマ雰囲気中にポリマーコア層をさらした。その結果、ポリマーコア層と前記シリコン薄膜との密着性が大幅に向上していた。
【００９０】
−フォトレジストパターン形成工程−
次いで、前記エッチングマスク層の表面に、ノボラック樹脂系のフォトレジストを塗布し、露光機とフォトマスクを組み合わせ、導波路パターンを形成した。なお、上記フォトレジストの膜厚を０．８μｍとした。これ以下の膜厚にすると、フォトレジストにはピンホールなどが発生しやすくなり、これ以上膜厚を減らすことはできなかった。
【００９１】
また、前記のようにプラズマによりコア層の表面処理を実施しているため、フォトリソグラフィー工程でのシリコン薄膜の剥離やクラック発生などは見られなった。比較として、プラズマ処理を行わなかった場合には、フォトリソグラフィー終了後には、シリコン薄膜に無数のクラックや一部剥離が生じており、導波路パターンを形成することは不可能であった。
【００９２】
−エッチングマスク層パターニング工程−
上記導波路パターンのフォトレジストをマスクとして、第１のエッチングガスとして、ＣＦ_４ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いたプラズマにより前記エッチングマスク層をエッチングし、シリコン薄膜に導波路パターンを転写した。ドライエッチングは、誘導結合型プラズマエッチング装置を用い、エッチングガス供給量を、ＣＦ_４／酸素ガスの比率で２５ｓｃｃｍ／５ｓｃｃｍ（エッチング選択比ａ／ｂ：０．２）とし、ステージ温度を２０℃、プラズマ生成用ＲＦ電力を１００Ｗ、基板へのイオン引き込みＲＦ電力を１５Ｗ、エッチング圧力を０．６Ｐａ、エッチング時間を約３６０秒として行った。
【００９３】
−コア層パターニング工程−
ポリマーコア層のエッチングは、このパターニングされたシリコン薄膜をエッチングマスクとし、第２のエッチングガスとして酸素ガス（エッチング選択比ｃ／ｂ：０．９）を用い、プラズマエッチングにより行った。コア層に形成する段差は、波長１．５５μｍでシングルモードオペレーションさせるために、約０．８μｍ程度にした。ドライエッチングは、前記誘導結合型プラズマエッチング装置を用い、エッチングガスである酸素ガスの供給量を１５ｓｃｃｍとし、ステージ温度を２０℃、プラズマ生成用ＲＦ電力を１５０Ｗ、基板へのイオン引き込みＲＦ電力を５Ｗ、エッチング圧力を０．６Ｐａ、エッチング時間を約１５０秒として行った。
【００９４】
ポリマーコア層のエッチングが終了した時点で、顕微鏡でパターン観察を行ったところ、エッチングマスク表面のフォトレジスト（導波路パターン）は完全に除去されていることが確認された。
【００９５】
−エッチングマスク除去工程−
最後に、第３のエッチングガスとして、ＣＦ_４ガスを用いたプラズマによりエッチングマスクのシリコン薄膜を除去した。この除去は、誘導結合型プラズマエッチング装置を用い、エッチングガスであるＣＦ_４ガスの供給量を２５ｓｃｃｍとし、ステージ温度を２０℃、プラズマ生成用ＲＦ電力を１００Ｗ、基板へのイオン引き込みＲＦ電力を５Ｗ、エッチング圧力を０．６Ｐａ、エッチング時間を約３００秒として行った。
【００９６】
エッチング終了後、ポリマーコア層の観察を行ったところ、エッチングマスクが完全に除去されていることが確認された。また、垂直な導波路形状が得られ、また導波損失に大きな影響を与える導波路側壁の荒れも無視できる程度のものであった。
【００９７】
以上のようにしてリッジ形状の光導波路が形成されたポリマーコア層の表面に、ポリマーコア層よりも屈折率の低い紫外線硬化型樹脂ＮＯＡ７２（ノーランド社製、屈折率：１．５４４）をスピンコート法により堆積し、厚さが約３μｍの上部クラッド層を形成した。
【００９８】
最後に、上部クラッド層の表面に上部電極として厚さ約１．０μｍ金電極を形成し、導波路型光デバイスを得た。この導波路型光デバイスは、必要により下部電極、上部電極を作用電極として加熱、電圧印加してポーリングを行い、素子として使用される。
【００９９】
（導波路型光デバイスの評価）
次に、本発明の導波路型光デバイスの電気光学的な応答特性を評価した。該評価を行うため、前記と同様の導波路型光デバイスの製造方法により、マッハツェンダー変調器（ＭＺＭ：Ｍａｃｈ Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）型導波路を作製した。
【０１００】
ＭＺＭ素子の作製は、前記導波路型光デバイスの作製において、導波路作製プロセスは全く同様にして、導波路パターンのみを変更することによって行い、図３に示すような、基板１０の表面にＹ分岐型導波路を組み合わせた、約１．０μｍの段差を有するリッジ型導波路を形成した。なお、このリッジ型導波路の大きさは、図３に示した通りであり、分岐後のアーム間の間隔は２０μｍであった。
【０１０１】
上記導波路表面に同様に上部クラッド層を形成した後、図３のＣに示すように、作用部アーム上にリフトオフ法により長さ３５００μｍの金の作用電極を作製した。その後、１５０℃で、１時間７００Ｖの電圧を印加しポーリング処理を行い素子を作製した。
【０１０２】
このようにして作製された素子に対して、図３における光入出力用のファイバのＡ側を、波長１．５５μｍの半導体レーザ光源に接続し、Ｂ側を光出力測定用の光パワーメータに接続して、前記作用電極に４０Ｖの電圧を印加した時のＭＺＭの光出力強度特性を測定した。
【０１０３】
上記光出力強度特性より半波長電圧Ｖπは１７．５Ｖであり、これより求めたの電気光学係数ｒ_３３は５．０ｐｍ／Ｖであり、良好なＥＯ特性を示すことがわかった。
【０１０４】
＜比較例＞
実施例の導波路型光デバイスの作製において、第１のエッチングガスをＣＦ_４ガスのみ（第３のエッチングガスと同一組成）とした以外は実施例と同様にして、実施例と同一材料、同一条件で同一形状のＭＺＭ素子を作製した。なお、このＭＺＭ素子作製において、ポリマーコア層のエッチング終了時点で顕微鏡によりパターン観察を行ったところ、エッチングマスク表面にはフォトレジストが残っていた。
【０１０５】
上記ＭＺＭ素子について、実施例と同様にして光出力強度特性を測定したところ、エッチングマスク層による光損失の増大が見られ、挿入損失が２５ｄＢと非常に大きいものであった。また、電気光学係数ｒ_３３も２．０ｐｍ／Ｖとなり、所望の十分なＥＯ特性を得ることができなかった。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明によれば、ポリマーで構成される導波路の作用部への電界強度を高めるため、ポリマーコア層に形成される導波路の膜厚を薄くした場合であっても、エッチング残渣などを生じることなく、良好なドライエッチングを行うことが可能となる。このため、本発明の導波路型光デバイスの製造方法により、ＥＯ効果の高い導波路型光デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導波路型光デバイスの構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の導波路型光デバイスの製造方法の各プロセスを示す模式図である。
【図３】本発明の導波路型光デバイスの一例を示す正面図である。
【符号の説明】
１０ 基板
２０ 下部電極
３０ 下部クラッド層
４０ コア層
５０ 上部クラッド層
６０ 上部電極
７０ エッチングマスク層
７１ エッチングマスク
８０ フォトレジスト
８１ 導波路パターン
９１ 第１のエッチングガス
９２ 第２のエッチングガス
９３ 第３のエッチングガス

Claims (6)

1. ポリマーからなるコア層を、ドライエッチングによってパターニングし光導波路とする導波路型光デバイスの製造方法であって、
   前記コア層の表面にエッチングマスク層を形成する工程と、該エッチングマスク層表面にフォトレジストパターンを形成する工程と、第１のエッチングガスで前記エッチングマスク層をパターニングしてエッチングマスクとする工程と、該パターニングしたエッチングマスクをマスクとして第２のエッチングガスでコア層をパターニングし光導波路とする工程と、第３のエッチングガスで該光導波路表面のエッチングマスクを除去する工程、とを有し、
   前記第１、第２、及び第３のエッチングガスが、それぞれ異なる組成であることを特徴とする導波路型光デバイスの製造方法。
2. 前記コア層が、非線形光学ポリマーで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光デバイスの製造方法。
3. 前記第１のエッチングガスが、ハロゲンガスと酸素ガスとの混合ガスからなることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型光デバイスの製造方法。
4. 前記コア層の表面にエッチングマスク層を形成する工程において、エッチングマスク層を形成する前に、プラズマで表面処理することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の導波路型光デバイスの製造方法。
5. 基板表面に、少なくとも下部クラッド層とコア層をパターニングした光導波路とを有する導波路型光デバイスであって、
   請求項１〜４のいずれかに記載の導波路型光デバイスの製造方法により製造されることを特徴とする導波路型光デバイス。
6. 前記コア層の膜厚が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の導波路型光デバイス。

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