JP2008020715A - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の反りが大きく軟化温度の高いクラッドについて、応力を低減することによってクラッドの厚膜化を実現するデバイス構造および製造方法を提供する。
【解決手段】平板状のＳｉ基板１１と、基板１１上に設けられるリッジ形状を有するシリカガラスの下クラッド１２と、下クラッド１２のリッジ上に配置されるコア１３とで少なくとも構成される光導波路であって、下クラッド１２のリッジ幅について、コア１３中心からリッジ端までの距離Ｌ／２がコア１３直下の下クラッド１２の厚さｄ以上である。リッジの高さｈは下クラッド１２の厚さｄと同じであるか、下クラッド１２の厚さｄの半分以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面型コア・クラッド導波路形状を有する光導波路およびその製造方法に関し、特にそのウェハの反りを低減する構造をもった光導波路およびその製造方法に関する。

近年の通信技術の発展に伴い、光通信システムを構成する光回路について、多種多様な開発が行われている。平面型光導波路は高機能化・小型化・低コスト化の点で優れていることから、光導波路デバイスに対する期待も高まっている。

光導波路デバイスにおいて、偏波依存性を低減する技術、および他デバイスと高効率に結合させる技術は重要である。

高効率に導波路デバイスとシングルモードファイバなどを結合させるときに、一例として、導波路の入出力端にスポットサイズ変換器を適用する方法がある。

このスポットサイズ変換器は、導波路幅を徐々に細く変化させることにより、導波路に閉じ込めていた光のモードフィールドを広げ、ファイバのモードフィールドと一致させ、結合損失を低減するものである。この方法では、スポットサイズ変換器で光のモードフィールドを広げるため、十分な厚さのクラッドが必要となる。厚さが不十分であると、基板部に光のモードフィールドがかかってしまい、ＴＭ偏光成分の過剰損失を生み、ＴＥ／ＴＭの偏光依存性の原因となるからである。

しかしながら、クラッドの厚さは、厚ければ厚いほどいいというわけではない。基板に下クラッドを成膜・アニールすると、基板との熱膨張係数の違いから応力が生じ、基板の反りに繋がる。例えば、Ｓｉ基板の場合には、熱膨張係数の小さい材料を下クラッドに用いている場合に反りが大きくなる。この応力は膜厚が厚いほど大きくなり、応力が大きくなりすぎると、プロセス時に基板の搬送エラーが起きたり、膜にクラックが入ったりしてしまう。

よって、応力を低減しつつ、十分に厚いクラッドを形成する方法が求められる。

厚いクラッドを成膜する方法として、従来、基板と熱膨張係数が近くなるような材料が用いられてきた。例えば、基板がＳｉ基板の場合には、Ｓｉの熱膨張係数に近づけるために、石英にボロンとリンを高濃度に添加したＢＰＳＧ（ボロン燐シリケートガラス）などの熱膨張係数の大きい材料が用いられてきた。基板との熱膨張係数が近いほど、応力は低減できるため、このようにＳｉ基板の場合にはクラッドの材質としてＢＰＳＧなどが優れている。

図４は、例えば特許文献１（図６）に開示された、従来の光導波路の概略構成を示す図である。

この光導波路は、Ｓｉ基板１１１上に、下クラッド１１２を成膜し、コア１１３を形成し、最後に上クラッド１１４で覆うという方法で製造される。
特許第３４２３２９７号公報

しかしながら、Ｓｉ基板上のＢＰＳＧなどは、熱膨張係数が大きいが、軟化温度が低いため、下クラッドに用いると、コアおよび上クラッドを作製していく過程のアニールなどの熱の影響で、形状変化が起こりやすい。その結果、導波路コアが沈み込んでしまうなどの問題が生じてしまう。コアが沈み込むと、例えば方向性結合器では結合度が大きく変わり、精度が得られない。

そこで、コアおよびクラッドの作製過程を考慮すると、コアやクラッドの形状変化を防ぐために、すべての工程の熱履歴をうける下クラッドには、軟化温度が高く、熱膨張係数の小さい材料が最も適していることになる。

ＮＳＧ（ノンドープシリケートガラス）などは軟化温度も高く、アニールなどで熱がかかってもコアが沈みこんでしまうこともなく下クラッドに適している。しかしながら、下クラッドにおけるＮＳＧなどの材料は、熱膨張係数が小さいために、基板の反りが大きくなるという当初の問題が解決されない。

図４に示した従来の光導波路ではこのような問題が生じる。

一方、コアに作用する応力を調整しようとするためのリッジ構造を持った光導波路は知られている。

図５は、同じく特許文献１（図１）に開示された、リッジ構造を持った光導波路の概略構成を示す図である。

この光導波路は、Ｓｉ基板１１１、下クラッド１１２、コア１１３、上クラッド１１４から成り、下クラッド１１２はリッジ１１２−１を有し、偏波依存性をなくすようなリッジ形状にする。構造複屈折がゼロの場合、コアに作用する水平応力と垂直応力が等しくなるようなリッジの高さとしている。そして、平面基板の材質をＳｉ、光導波路の材質を石英系ガラスとしている。しかし、応力がコア側へ影響を与えてしまい、高精度な細線導波路作製プロセスには適さないものであった。

［発明の目的］
このように、クラッドの膜の応力を低減しつつ厚膜化する方法が要求される。本発明の目的は、基板の反りが大きい軟化温度の高いクラッドにおいて、コアへは影響を与えずに、応力を低減することによって厚膜クラッドを実現するデバイス構造の光導波路およびその製造方法を提供することである。

さらに、高精度な細線導波路作製プロセスにも適応する光導波路の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る光導波路は、平板状のＳｉ基板と、前記基板上に設けられるリッジ形状を有するシリカガラスの下クラッドと、前記下クラッドのリッジ上に配置されるコアとで少なくとも構成される光導波路であって、前記下クラッドのリッジ幅について、前記コア中心から前記リッジ端までの距離が前記コア直下の下クラッドの厚さ以上であることを特徴としている。

また、本発明に係る光導波路の製造方法は、平板状のＳｉ基板と、前記基板上に設けられ、リッジ形状を有するシリカガラスの下クラッドと、前記下クラッドのリッジ上に配置されるコアとで少なくとも構成される光導波路の製造方法であって、平板状のＳｉ基板上にシリカガラスの下クラッド膜を形成する工程と、前記下クラッド膜の上面に、該下クラッド膜より屈折率の大きいコア膜を形成する工程と、前記コア膜を、光を導波させる部分のみを残して除去してコアを形成する工程と、前記下クラッド膜に、前記コア中心から前記リッジ端までの距離が前記コア直下の下クラッドの厚さ以上となる幅を有するリッジを形成する工程とを含むことを特徴としている。

本発明の光導波路において、Ｓｉ基板上にリッジ形状を有するシリカガラスの下クラッドを設け、コア中心からリッジ端までの距離がコア直下の下クラッドの厚さ以上としている。それにより、コアの沈み込みや基板の反りを抑えながら、下クラッドの応力を低減し、コア直下の下クラッドの厚膜化を実現できる。

また、上記本発明の光導波路を製造する方法では、コアを作製した後にリッジ形状を作製する順番とすることにより、細線導波路の高精度なパターニングを、リッジ形状をもつデバイス構造上でも実現可能となる。

＜実施形態の概要＞
既に述べたように、スポットサイズ変換器などで、偏波依存性や過剰損失を発生させないためには、十分なクラッドの厚さは必要である。一方で、基板全面に厚い下クラッドが成膜され、軟化温度は高いが熱膨張係数の小さい材料を選択すると、ウェハの反りが大きくなり、搬送時に装置のエラーが起こったり、膜にクラックが発生したりする。

これらを防ぐためには応力の低減が重要である。応力を低減しつつ、十分に厚いクラッドを形成した光導波路が求められる。

本発明の光導波路では、平板状のＳｉ基板上に少なくとも下クラッドとコアから構成され、下クラッドには軟化温度は高いが熱膨張係数の小さい材料としてシリカガラスを用いることを前提としている。さらに、下クラッドのコア中心から十分に離れ、光の伝搬に影響を与えない領域をエッチングで除去して、特定のリッジ形状を形成している。それにより下クラッドの応力は低減され、コア直下の下クラッドの厚膜化を実現できる。

特に、リッジの幅について、少なくともコア中心からリッジ端までの距離をコア直下の下クラッドの厚さ以上にすることにより、コアの光の伝搬に影響を与えることなく応力を低減することができる。リッジ幅が狭くなると、コアにかかる応力を調整する効果が大きくなり、コアの光の伝搬に影響を与えてしまう。

方向性結合器やマッハツェンダ干渉計を用いた光回路などは、その特性がコアにかかる応力に敏感に依存する。

光導波路作製トレランスに左右されずに応力低減を図るためには、コア中心から影響のない範囲まで十分に幅をとって下クラッドをエッチングして除去することが重要である。

さらに、リッジの幅について、スポットサイズ変換器として用いる場合に代表されるように、光を広げるときには基板に垂直方向だけではなく水平方向にも広がる。すなわち、下クラッドとして必要な厚さと同じだけの横幅も、過剰損失を生じさせないためには必要である。よって、リッジの両端はそれぞれコア中心からコア直下の下クラッドの厚さ以上離れていることが重要となる。

また、リッジの高さについて、上クラッドの埋め込み時、リッジの高さが高いと、リフローが不十分になり、ボイドが発生する可能性がある。本発明では、コアに対して十分離れた距離にリッジ端があるため、たとえ上クラッドの埋め込み時にボイドなどの光の散乱要因が発生しても、その影響がコアの光の伝搬に損失を与えることはない。

また、本発明の光導波路を製造する方法では、コアを作製した後にリッジ形状を作製するという順番の工程にしている。この製造方法をとることにより、細線導波路の高精度なパターニングを、リッジ形状をもつデバイス構造上でも実現可能となる。

なぜならば、先にクラッドをエッチングしてリッジを形成してからコアを形成しようとすると、下クラッドの段差があるところにコアパターニングを行って、コア形成を行うことになるからである。段差があるところへのパターニングは、レジスト塗布時にムラができたり、パターニング時の位置合わせでズレが大きくなったりして、高精度のパターニングには適していない。

本発明では、コアを平坦なクラッド膜の上に形成した後、再度パターニングを行って下クラッドのリッジ形状を作製する。リッジ形状作製時には高精度なパターニングは必要としないため、コアの高さ分の段差があってもリッジ形成には影響を与えない。

＜第１の実施形態＞
次に、本発明の具体的な例である第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

［構成の説明］
図１は、本発明の第１の実施形態における光導波路の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。

この光導波路は、平板状のＳｉ基板１１上に形成された下クラッド１２、コア１３、上クラッド１４から構成されている。

下クラッド１２および上クラッド１４にはシリカガラスを用いており、それぞれの厚さは１５μｍである。

コア１３は、例えばシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）を用い、３μｍ角であり、屈折率は下クラッド１２及び上クラッド１４よりも大きく、Ｓｉ基板１１平面に平行な方向に延在している。

コア１３と、上クラッド１４および下クラッド１２の屈折率は、それぞれｎ_１，ｎ_２とするとｎ_１＞ｎ_２であり、その比屈折率差Δは２％としている。

下クラッド１２はリッジ形状を有している。図１に示すようにコア１３の中心からリッジの幅方向の端までの距離Ｌ／２は、コア１３直下の下クラッド１２の厚さをｄとしたとき、そのｄと等しい。このとき、リッジの全幅をＬとすると、Ｌ＝２ｄ＝３０μｍとなる。リッジ幅は、Ｌ＝２ｄに限らず、コアに影響を与えずに応力を低減できるＬ≧２ｄであればよい。リッジの高さをｈとすると、ここではｈ＝ｄ＝１５μｍで、エッチング箇所の下クラッドはすべて除去している。

［製法の説明］
次に、第１の実施形態における光導波路の製造方法を説明する。

図２は、光導波路の断面構成により、第１の実施形態における光導波路の製造方法の各工程を示す図である。

まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１上に下クラッド膜２２として１５μｍの厚さの石英（ＮＳＧ）を、ＣＶＤ法を用いて成膜し、さらにコア膜２３として下クラッド膜２２よりも屈折率の高い膜をＣＶＤ法で３μｍの厚さだけ成膜する。

続いて、図２（ｂ）に示すように、コア膜２３の上にレジスト１５を塗布し、露光する。ここで、リッジ形成前にコア形成を行うので、段差のないところへ平坦にレジスト１５の塗布ができ、高精度のパターニングが実現できる。

続いて、図２（ｃ）に示すように、現像を行ってレジスト１５のパターンを形成する。

続いて、図２（ｄ）に示すように、レジスト１５のパターンをマスクにドライエッチングでコア膜２３をエッチングし、コア１３を形成する。

次に図２（ｅ）に示すように、レジスト１６を塗布し、露光する。

続いて、図２（ｆ）に示すように、現像を行ってレジスト１６のパターンを形成する。

続いて、図２（ｇ）に示すように、レジスト１６のパターンをマスクにドライエッチングで下クラッド膜２２をエッチングし、リッジ形状の下クラッド１２を形成する。

最後に、図２（ｈ）に示すように上クラッド１４をＣＶＤ法で成膜して導波路が完成する。

図４に示した従来の光導波路の製造方法と本発明の製造方法とを比較して、本発明では、クラッドをリッジ形状にすることにより、リッジ形成のための工程は増加するが、応力を低減して、図４の構造では実現できなかった下クラッドの厚膜化を実現することができる。

上述の本実施の形態では、上クラッド１４および下クラッド膜２２とコア膜２３をすべてＣＶＤ法で成膜したが、他の方法としてスパッタ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、イオンプレーティング法など各種の方法を用いることができる。

このような構成で作製した導波路は、下クラッド１２の膜厚を厚くすることができ、リッジ構造のない導波路では下クラッド厚１３μｍでウェハにクラックが入り、搬送時にも反りの影響でエラーが生じたのに対し、下クラッド厚１５μｍ以上でもクラックもエラーも発生することなく作製でき、さらなる厚膜化も可能であることを実証した。

なお、コアを覆うように上クラッドを形成したが、上クラッドを形成せず省略した光導波路とすることもできる。この場合、コアに接する空気が低屈折率の層である。また、上クラッドを形成した場合、リッジ上部以外の上クラッドをエッチングで除去してもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明における第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

［構成の説明］
図３は、第２の実施形態における光導波路の構成例を概略的に示す模式的な断面図である。

基本的な構成は第１の実施形態と同じであるが、この第２の実施形態では、下クラッドのリッジの高さｈが異なる。ここでは、図３に示すように、Ｌ＝３０μｍ、ｄ＝１５μｍ、ｈ＝１０μｍである。第１の実施形態に比べ、リッジの高さｈが低いが、この実施形態においても、応力を解放し、ウェハの反りを低減する目的は達成している。

ここでも、コア１３の中心からリッジ端までの距離は、それぞれコア１３直下の下クラッド１２の厚さｄと等しく、リッジの全幅ＬはＬ＝２ｄとなる。

なお、Ｌ＝２ｄに限らず、コアに影響を与えずに応力を低減できるＬ≧２ｄであればよい。Ｌをコアの光の伝搬に影響を与えない程度に十分大きくとっていれば、リッジ形成のためのパターニングの際に、例え目合わせなどで１〜２μｍのずれが生じても、リッジ幅が十分あるためにコアへ影響を与えることはない。

さらに、リッジの高さについても、ｈ≧ｄ／２であれば応力低減の効果は得られる。

［製法の説明］
この第２の実施形態の製造方法については、基本的には第１の実施形態の製造方法と同じである。

第１の実施形態と異なる部分は、図２（ｇ）で、下クラッド膜２２をエッチングしてリッジを形成する際に、エッチング高さｈが下クラッド厚さｄの半分以上（ｈ≧ｄ／２）になっている。下クラッド１２をリッジ形状にすることにより、応力を低減して、下クラッド１２の厚膜化を実現することができる。

なお、この実施形態では、上クラッド１４および下クラッド膜２２とコア膜２３をすべてＣＶＤ法で成膜したが、他の方法としてスパッタ法、減圧ＣＶＤ法、常圧ＣＶＤ法、イオンプレーティング法など各種の方法を用いることができる。

このような構成で作製した導波路は、下クラッド１２の厚膜を厚くすることができ、リッジ構造のない導波路では下クラッド厚１３μｍでウェハにクラックが入り、搬送時にも反りの影響でエラーがでるのに対し、下クラッド厚１５μｍでもクラックもエラーも発生することなく作製でき、さらなる厚膜化も可能であることを実証した。

本発明の第１の実施形態における光導波路の概略構成を示す図 （ａ）〜（ｈ）は、光導波路の断面構成により、本発明の第１の実施形態における光導波路の製造方法の各工程を示す図 本発明の第２の実施形態における光導波路の概略構成を示す図 特許文献１に開示された、光導波路の概略構成を示す図 特許文献１に開示された、リッジ構造を持った光導波路の概略構成を示す図

符号の説明

１１…基板
１２…下クラッド
１３…コア
１４…上クラッド
１５…レジスト
１６…レジスト
２２…下クラッド膜
２３…コア膜

Claims (8)

1. 平板状のＳｉ基板と、前記基板上に設けられ、リッジ形状を有するシリカガラスの下クラッドと、前記下クラッドのリッジ上に配置されるコアとで少なくとも構成される光導波路であって、前記下クラッドのリッジ幅について、前記コア中心から前記リッジ端までの距離が前記コア直下の下クラッドの厚さ以上であることを特徴とする光導波路。
2. 前記コアを覆うように上クラッドが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記リッジの高さが前記下クラッドの厚さと同じであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
4. 前記リッジの高さが前記下クラッドの厚さの半分以上であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
5. 前記リッジ上部以外の前記上クラッドの少なくとも一部が除去されていることを特徴とする請求項２に記載の光導波路。
6. 平板状のＳｉ基板と、前記基板上に設けられ、リッジ形状を有するシリカガラスの下クラッドと、前記下クラッドのリッジ上に配置されるコアとで少なくとも構成される光導波路の製造方法であって、
   平板状のＳｉ基板上にシリカガラスの下クラッド膜を形成する工程と、
   前記下クラッド膜の上面に、該下クラッド膜より屈折率の大きいコア膜を形成する工程と、
   前記コア膜を、光を導波させる部分のみを残して除去してコアを形成する工程と、
   前記下クラッド膜に、前記コア中心から前記リッジ端までの距離が前記コア直下の下クラッドの厚さ以上となる幅を有するリッジを形成する工程と
   を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。
7. 前記リッジを形成後に、前記コアを覆うように上クラッドを形成する工程
   をさらに有することを特徴とする請求項６に記載の光導波路の製造方法。
8. 前記上クラッドを形成後に、前記リッジ上部以外の上クラッドを除去する工程
   をさらに有することを特徴とする請求項７に記載の光導波路の製造方法。

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