JP2006171078A

JP2006171078A - ３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2006171078A
Application number: JP2004359731A
Authority: JP
Inventors: Yukio Abe; 由起雄阿部; Koichi Maru; 浩一丸
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】制御性、再現性が良好で、生産効率に優れ、層全体の材質が均一で所望の特性が得られる、３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】基板１上にコア２を形成後、反応性イオンエッチングによりコア２の一部のエッチングを行い、エッチング面２ａを形成すると共に、エッチングされていないコア２の表面に溝３を形成する。溝３は、同じ大きさで同じ形状の溝をエッチング面２ａ方向に向かって徐々に間隔を狭める配置となるように平行に形成する。更に、７００〜１４００℃の温度でアニールを行ない、コア２自体のリフローによりコア２の形状を変化させてテーパ面５を有するテーパ構造を実現する。最後に、フォトリソグラフィにより回路パターンを形成し、反応性イオンエッチングでコア２をエッチングすることにより、三次元テーパ面７を有する素子を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、コアの膜厚が基板面の位置により連続的に変化する、いわゆる３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法に関するものである。

図５に、従来の３次元テーパ構造を有する光導波路デバイスの製造方法を示す。
この方法は、基板５１上にコア膜５２をスパッタリング等により形成する際に、基板５１から少し離した位置にシャドーマスク５５を配置し、基板５１上にコア材料５６が届きにくい場所を作る、即ち、基板面の位置により堆積速度を変えるという方法である。
しかし、この方法では、製造中に基板５１に対するシャドーマスク５５の位置がずれることがあり、膜厚の制御が困難で、細かいパターンの製造が難しく、大量生産には不向きであった。しかも、実現できないパターンがあるという課題があった。

一方、２次元テーパを高さ方向に重ねることにより３次元テーパと同様の効果を得るものがある（例えば、特許文献１参照）。
この例では、図６に示すように、基板６１上に、順に、２次元テーパの下層コア膜６７、上層コア膜６８が形成された構造となっている。この場合、膜厚の変化は階段状であるが、各層を形成する際の精度はフォトリソグラフィの際のあわせの精度により決まるため、コア形状を制御しやすく、複雑な回路構成も可能である。しかし、コアの形状が階段状であり、なめらかな変化ではないため、損失が大きくなるなど所望の特性が得られにくい場合が多かった。

そこで、熱処理によるリフローによってコアを滑らかなテーパ状に形成して、３次元テーパを形成することが検討されている。
例えば、コアの一部を除去して段差を形成した後、段差上に薄膜を堆積して段差を滑らかな斜面に成形して光導波路を形成する方法がある（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
特開平６−１７４９８２号公報特開２０００−１３７１２９号公報特開２００２−３０３７５２号公報

しかしながら、特許文献２記載の方法では、コア形成の途中に金属膜を形成する必要がある。この場合、コア形成を３回、金属膜形成を３回と非常に多くの工程が必要となり、生産性が悪い。また、金属膜の合わせ精度はかなり良くなければならない。
また、この方法では、コアの一部にリフローさせる材料を後から形成しているため、コア膜とリフロー膜との間で材質の均一性に劣るものとなる。

他方、特許文献３記載の方法では、コア形成は１回であるが、コアをテーパ状に形成するための付加層（平坦化層）の形成が必要である。平坦化層が石英系の場合、実質２回の膜形成が必要となる。また、エッチングの回数は、コアの前処理エッチング、平坦化層とコアとの同時エッチング、横方向のコア形成のエッチングと３回必要となってしまう。

更に、前述のようにシャドーマスクを使用する場合には、マスクのあわせ精度など制御性が悪く、再現性が得られにくいという問題があり、また、階段状の３次元テーパの場合には、高さ方向の変化が急であるため、所望の特性が得られにくいという問題があった。

従って、本発明の目的は、前記事情に鑑みてなされたものであり、制御性、再現性が良好で、生産効率に優れ、層全体の材質が均一で所望の特性が得られる、３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法は、基板上にコアを所定の厚さに形成する第１工程と、前記コアの一方の側に所定の深さまでエッチングを行ってエッチング面を形成すると共に、前記エッチング面以外のコアの表面に、前記エッチング面に近づくに従ってその比率が高くなるように空隙部分を設ける第２工程と、７００〜１４００℃の温度でアニールを行い、コア自体のリフローによりコアの形状を変化させる第３工程と、フォトリソグラフィにより回路パターンを形成してコアをエッチングする第４工程と、を備えることを特徴とする。

前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、溝をエッチング面方向に向かって徐々に間隔を狭める配置となるように平行に複数設けることができる。

前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、円柱体をエッチング面方向に向かって徐々にその径が小さくなるように複数設けることを特徴とする請求項１記載の３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法。

前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、エッチング面側に突起部を有するくさび体を複数設けることができる。

前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、円柱孔をエッチング面方向に向かって徐々にその径及び深さが大きくなるように複数設けることができる。

本発明によれば、層全体の材質が均一で所望の特性を有する３次元テーパ構造を制御性、再現性良く提供することができる。また、３次元テーパの形状を任意かつ簡易に変化できると共に、生産効率に優れたものとなる。

以下、図面を参照して、本発明に係る３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法の実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
図１に、第１の実施形態の製造方法を示す。
まず、基板１上にコア２を所定の厚さ（Ｔ_１）となるように形成する（図１（ａ）)。この形成膜厚Ｔ_１は、３次元テーパ完成時に一番厚い部分の膜厚となる。

次に、フォトリソグラフィで高さ方向のテーパ形状を形成するためのパターンを形成するため、反応性イオンエッチングによりコアの一部のエッチングを行い、エッチング面２ａを形成する（図１（ｂ））。この際、エッチング面２ａは、エッチングした部分のコア２の膜厚が３次元テーパ完成時に一番薄くなる部分の膜厚となるようにコントロールする。更に、エッチングされていないコア２の表面に、溝３を形成する。溝３は、同じ大きさで同じ形状の溝をエッチング面２ａ方向に向かって徐々に間隔を狭める配置となるように平行に形成する（図１（ｂ））。

次に、７００〜１４００℃の温度でアニールを行う。このアニール処理により、コア２自体のリフローによりコア２の形状を変化させ、テーパ面５を有するテーパ構造を実現する（図１（ｃ））。この際、コア２のテーパ面５の最上面の高さＴ_２は、最初にコア２を堆積させた際の高さＴ_１（図１（ａ））の８０〜１００％程度となる。

アニール温度は、コア２中のドーパントの種類やドーパント量により最適値が変化する。ドーパントの種類としては、まず、比屈折率差Δを上げかつ融点を下げるＧｅが挙げられる。また、ボロンやリンを加えると比屈折率差Δは変化させないで融点だけを下げることができる。このため、Ｇｅに加え、ボロンやリンを添加することで融点を下げ、リフローしやすくすることができる。
本実施形態では、コア２自体をリフローさせるため、Ｇｅのドーパント量を２０〜４０％と増やし、７００〜１４００℃の範囲の温度、例えば１３４０℃の温度で１０分〜２４時間アニール処理を行うことにより連続な膜を得ることができる。

最後に、従来のコアパターン形状を形成する際と同様に、フォトリソグラフィにより回路パターンを形成し、反応性イオンエッチングでコア２をエッチングすることにより、三次元テーパ面７を有する素子が得られる（図１（ｄ）)。

このような素子を用いて光導波路デバイスを製造する場合は、コア２としてＧｅをドープした石英とし、クラッド材料との比屈折率差Δを０．２〜４．５％とすることが好ましい。また、コア２を２層以上とし、各層が異なる材料もしくは異なる屈折率とすることもできる。

本実施形態では、三次元テーパ面７を形成する際の元となるパターンとして、図１（ｂ）のようにエッチング面２ａ方向に向かって徐々に間隔を狭める配置となる平行な溝３を形成したが、これ以外に、図２に示すようなパターンを用いることもできる。

図２（ａ）は、基板２１上に形成されたコア２２において、円柱体２３を図中右側へ行くに従って径が小さく形成されるように円柱体２３を残してエッチングし、エッチング面２２ａとしたものである。

また、図２（ｂ）は、基板３１上に形成されたコア３２において、くさび形状を連続したくさび体３３を残してエッチングし、エッチング面３２ａとしたものである。

更に、図２（ｃ）は、基板４１上に形成されたコア４２において、円柱孔４３を図中右側へ行くに従って径が大きくなるようにコア４２をエッチングし、さらに図中右側の部分にエッチング面４２ａを設けたものである。

［第２の実施形態］
図３に、三次元テーパ面７を形成する際の元となるパターンとして、図２（ｂ）のようなくさび体３３を用いた場合のもう一つの製造方法を説明する。
まず、基板３１上にコア３２を形成した後、くさび体３３を残してエッチングし、エッチング面３２ａを形成する。
する（図３（ａ））。

次に、ＡｒガスもしくはＡｒガスを含むプラズマ中でスパッタエッチングを行う。
エッチングにより、くさび体３３は、矩形状の断面の上部２点の角から一定の角度でエッチングされる。エッチングを続けていくと、断面形状は三角形となり、この三角形の大きさは当初の矩形状断面の幅の長さに比例する（相似形）。更に、くさび体３３の全ての断面形状が三角形になるまでエッチングすることにより、図３（ｂ）に示す三次元くさび体３５が得られる。この三次元くさび体３５の断面構造は、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、高さ方向にもなめらかな傾斜を有する構造となっている。

このようなエッチング工程を行った後、第１の実施形態と同様にしてアニールによりリフローさせることにより、第１の実施形態と比較してより凹凸の小さいテーパ形状が形成できる。

［第３の実施形態］
図４に、三次元テーパ面７を形成する際の元となるパターンとして、図２（ｃ）のように円柱孔４３を用いた場合のもう一つの製造方法を説明する。
まず、基板４１上にコア４２を形成した後、通常条件の反応性イオンエッチングにより図中右側へ行くに従い径が大きくなるような円柱孔４３を形成し、さらに図中右側の部分にエッチング面４２ａを設ける（図４（ａ））。この円柱孔４３は、図４（ｂ）に示すように、径は異なっているが、深さは皆同じである。

ここで、反応性イオンエッチングの圧力などの条件を変更して、エッチストップの起こりやすい条件にすることにより、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように径のパターンの大きさに依存した深さまでエッチングを行うことができ、高さ方向に溝の深さの異なる構造の段状円柱孔４５を作ることが出来る。

第１〜第３の実施形態によれば下記の効果が得られる。
（１）コア形成は１回、エッチングはコアの前処理エッチングと横方向のコア形成エッチングの２回で済み、工程が簡略で、生産性が良い。
（２）コア自体をリフローさせるため、コア材全体の材質が均一である。このため、コア材の位置により、材質が異なったり不均一になったりすることがない。
（３）垂直方向のテーパ形成と、横方向のテーパ形成とに分けて行うため、フォトリソグラフィの合わせ精度はそれほど厳密性を要求されない。
（４）準備段階のコアのエッチングでは、垂直方向の階段構造は特に必要がなく、リフローにより容易に垂直方向のテーパを実現することが可能である。

本発明に係る製造方法の第１の実施形態を示す説明図である。三次元テーパ面を形成する際の元となるパターンを示す概略図であり、（ａ）は円柱体を形成したもの、（ｂ）はくさび体を形成したもの、（ｃ）は円柱孔を形成したものである。本発明に係る製造方法の第２の実施形態を示す説明図である。本発明に係る製造方法の第３の実施形態を示す説明図である。従来の３次元テーパ構造を有する光導波路デバイスの製造方法を示す説明図である。従来の他の３次元テーパ構造を有する光導波路デバイスの製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１、２１、３１、４１基板
２、２２、３２、４２コア
２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａエッチング面
３溝
５テーパ面
７三次元テーパ面
２３円柱体
３３くさび体
３５三次元くさび体
４３円柱孔
４５段状円柱孔
５１、６１基板
５２コア膜
５５シャドーマスク
５６コア材料
６７下層コア膜
６８上層コア膜

Claims

基板上にコアを所定の厚さに形成する第１工程と、
前記コアの一方の側に所定の深さまでエッチングを行ってエッチング面を形成すると共に、前記エッチング面以外のコアの表面に、前記エッチング面に近づくに従ってその比率が高くなるように空隙部分を設ける第２工程と、
７００〜１４００℃の温度でアニールを行い、コア自体のリフローによりコアの形状を変化させる第３工程と、
フォトリソグラフィにより回路パターンを形成してコアをエッチングする第４工程と、を備えることを特徴とする３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法。
前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、溝をエッチング面方向に向かって徐々に間隔を狭める配置となるように平行に複数設けることを特徴とする請求項１記載の３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法。
前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、円柱体をエッチング面方向に向かって徐々にその径が小さくなるように複数設けることを特徴とする請求項１記載の３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法。
前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、エッチング面側に突起部を有するくさび体を複数設けることを特徴とする請求項１記載の３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法。
前記第２工程は、前記エッチング面以外のコアの表面に、円柱孔をエッチング面方向に向かって徐々にその径及び深さが大きくなるように複数設けることを特徴とする請求項１記載の３次元テーパ構造を有するデバイスの製造方法。