JP2010230982A

JP2010230982A - スポットサイズ変換素子の作製方法

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Publication number: JP2010230982A
Application number: JP2009078581A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Nishi; 英隆西; Yasushi Tsuchizawa; 泰土澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP5006360B2

Abstract

【課題】幅方向に加えて膜厚方向にも寸法が漸次変化するテーパ形状のシリコンコアが、容易に形成できるようにする。
【解決手段】シリコンコア１０３が延在している方向の幅が、テーパ部の細くなる先端部に行くほど広くなる開口部１４１をレジスト膜１０４に形成し、公知の反応性イオンエッチングにより、例えば、フッ化炭素系ガスおよび炭化水素系ガスをエッチングガスとしたドライエッチングにより、開口部１４１に露出したシリコンコア１０３を加工する。この処理では、レジスト膜１０４もエッチングされる。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明は、コアの断面寸法が徐々に小さくなるテーパ形状のコアを備えるスポットサイズ変換素子の作製方法に関するものである。

近年、ＳＯＩ基板などを用いて作製されたシリコンコアよりなる光導波路を用い、様々な光素子をモノリシックに集積した光デバイスの開発が進められている。この光導波路のシリコンコアは、断面の幅および高さがサブミクロンオーダーとされている。これに対し、光情報通信網を構成しているシングルモード光ファイバのコアは、直径が９μｍ程度であり、上述した光導波路のシリコンコアとは、コア径が大きく異なっている。このため、光情報通信網に上述したシリコンコアよりなる光導波路を用いた光デバイスを導入する場合、異なるコア径を整合させた光の透過効率のよい結合が求められる。このような、高い効率の光結合を実現するために、スポットサイズ変換素子が用いられている。

スポットサイズ変換素子では、図４の斜視図に示すように、下部クラッド層４０１の上に、径の小さいシリコンコア４０２と、シリコンコア４０２の先端部を覆うように形成された径の大きいコア４０３とを備えるようにしている（特許文献１参照）。コア４０３の光入出射端に光ファイバが接して用いられる。また、コア４０３に覆われているシリコンコア４０２の先端部は、幅が徐々に先細りとなるテーパ状に形成されている。なお、上部クラッドは図示せず省略している。これらの構成により、導波する光のスポットサイズを変換し、光ファイバとの高効率光結合を実現している。

上述した例では、シリコンコア４０２の先端部を、幅が徐々に狭くなるようにしているが、これに加え、高さも徐々に小さくなるように変化させ、先端に行くほど全体に小さい径となるようにした方が、より高い結合効率が得られるようになる。また、先端に行くほど全体に小さい径となる構成は、偏波依存性の抑制にも有効である。

特開２００２−１２２７５０号公報

しかしながら、先端に行くほど、幅に加えて高さも小さくなるテーパ形状のコアは、作製が容易ではないという問題がある。このようなシリコンのコアは、一般的に、よく知られた半導体装置の製造プロセスにより作製されている。このような製造プロセスでは、基板の上に一様な膜厚の膜を堆積させ、形成した膜を一様に加工し、また、一様に厚さを減少させるようにしている。このため、図５の斜視図に示すように、幅方向に寸法の変化するテーパ形状のコアは容易に形成できる。しかしながら、図６の斜視図に示すように、膜厚方向にも寸法の変化するテーパ形状のコアは、上述した製造プロセスでは作成することが容易ではない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、幅方向に加えて膜厚方向にも寸法が漸次変化するテーパ形状のシリコンコアが、容易に形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係るスポットサイズ変換素子の作製方法は、下部クラッド層の上に、シリコンからなり、一端が先端に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ形状のテーパ部を備える第１コアを形成する第１工程と、第１コアを覆うレジスト膜を下部クラッド層の上に形成する第２工程と、テーパ部が中央に露出し、第１コアが延在している方向において、第１コアが延在している方向の幅が、テーパ部の細くなる先端部に行くほど広くなる開口部をレジスト膜に形成する第３工程と、反応性イオンエッチングにより、レジスト膜および開口部に露出するテーパ部をエッチングし、テーパ部を、先端に行くほど漸次膜厚が小さくなる形状に加工する第４工程と、レジスト膜を除去した後、第１コアのテーパ部を覆い、第１コアより径の大きい第２コアを、下部クラッド層の上に形成する第５工程とを少なくとも備える。

上記スポットサイズ変換素子の作製方法において、開口部は、テーパ部が中央に露出する平面視矩形の主開口部と、第１コアが延在する方向において、主開口部の両脇に配置された２つの副開口部とから構成し、副開口部は、第１コアが延在している方向の幅が、テーパ部の先端部に行くほど、主開口部より離れる方向に漸次広がるように形成してもよい。また、反応性イオンエッチングでは、フッ化炭素系ガスおよび炭化水素系ガスのエッチングガスを用いればよい。

以上説明したように、本発明によれば、テーパ部と同じ長さに形成され、第１コアが延在している方向の幅が、テーパ部の細くなる先端部に行くほど広くなる開口部を備えるレジスト膜をマスクとし、反応性イオンエッチングにより、レジスト膜および開口部に露出するテーパ部をエッチングするようにしたので、幅方向に加えて膜厚方向にも寸法が漸次変化するテーパ形状のシリコンコアが、容易に形成できるようになるという優れた効果が得られる。

本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す平面図である。本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図１ＣのＤＤ線の断面図である。本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図１ＣのＥＥ線の断面図である。本発明の実施の形態１におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図１ＣのＦＦ線の断面図である。本発明の実施の形態２におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す平面図である。本発明の実施の形態２におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図２ＡのＢＢ線の断面図である。本発明の実施の形態２におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図２ＡのＣＣ線の断面図である。本発明の実施の形態２におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図２ＡのＤＤ線の断面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す斜視図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す平面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図３ＢのＣＣ線の断面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図であり、図３ＢのＤＤ線の断面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図である。実施の形態３におけるスポットサイズ変換素子の作製方法を説明するための部分を模式的に示す断面図である。スポットサイズ変換素子の一部構成を示す斜視図である。スポットサイズ変換素子に用いられるコアの形状を部分的に示す斜視図である。スポットサイズ変換素子に用いられるコアの形状を部分的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
始めに、本発明に係る実施の形態１について説明する。本実施の形態では、下部クラッド層の上に、シリコンからなり、一端が先端に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ形状のテーパ部を備える第１コアを形成する工程と、第１コアを覆うレジスト膜を下部クラッド層の上に形成する工程と、上記テーパ部が中央に露出し、第１コアが延在している方向においては、第１コアが延在している方向の幅がテーパ部の細くなる先端部に行くほど広くなる開口部をレジスト膜に形成する工程と、反応性イオンエッチングにより、レジスト膜および上記開口部に露出するテーパ部をエッチングし、テーパ部を、先端に行くほど漸次膜厚が小さくなる形状に加工する工程と、レジスト膜を除去した後、第１コアのテーパ部を覆い、第１コアより径の大きい第２コアを、下部クラッド層の上に形成する第５工程とを少なくとも備えるようにした。

以下、より詳細に説明する。まず、図１Ａの斜視図に示すように、下部クラッド層１０２の上に、主部の幅が０．４μｍ程度のシリコンコア（第１コア）１０３を形成する。下部クラッド層１０２は、シリコン支持基板１０１の上に形成されている。例えば、ＳＯＩ基板を用いることができる。ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層を下部クラッド層１０２とし、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を、公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、シリコンコア１０３が形成できる。シリコンコア１０３は、先端部に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ部を備えて形成されている。例えば、シリコンコア１０３は、主部がコア幅０．４μｍとされ、テーパ形状の先端部が０．０８μｍとされている。

次に、図１Ｂの斜視図に示すように、シリコンコア１０３を埋め込むように、下部クラッド層１０２の上にレジスト膜１０４を形成する。例えば、よく知られたポジ型のフォトレジスト材料を塗布することで、レジスト膜１０４を形成すればよい。次に、公知のフォトリソグラフィー技術により、レジスト膜１０４をパターニングし、図１Ｃの平面図に示すように、テーパ形状とされているシリコンコア１０３の先端部がほぼ中央に露出する開口部１４１を形成する。

開口部１４１は、シリコンコア１０３が延在している方向において、シリコンコア１０３のテーパ部と同程度の長さに形成され、シリコンコア１０３が延在している方向の幅が、テーパ部の細くなる先端部に行くほど広くなるように形成されている。本実施の形態では、開口部１４１の長さを、シリコンコア１０３のテーパ部より若干長くしている。例えば、開口部１４１の最も狭い幅は、３μｍ程度とされている。また、シリコンコア１０３の先端側における開口部１４１の最も広い幅は、３０μｍ程度とされている。

以上のように開口部１４１を形成した後、公知の反応性イオンエッチングにより、例えば、フッ化炭素系ガスおよび炭化水素系ガスをエッチングガスとしたドライエッチングを行う。このドライエッチングでは、まず、レジスト膜１０４がエッチングされ、反応生成物として炭素化合物を含む不活性物質が生成される。この反応生成物は、系内で拡散し、開口部１４１の内部にも移動していく。このようにして生成された反応生成物は、開口部１４１内に露出しているシリコンコア１０３のテーパ部のエッチングレートを低下させる。例えば、このドライエッチングにより生成した不活性物質は、シリコンコア１０３の上に付着し、シリコンコア１０３のエッチングを妨げ、シリコンのエッチングレートを低下させる。

ここで、エッチングの反応生成物は、当然のことではあるが、平面視でレジスト膜１０４の存在している領域が広いほど、狭い領域に比較して相対的に生成量が多くなる。このため、図１Ｄに示すように、開口部１４１の開口幅がより広く、レジスト膜１０４の存在がより少ない領域、言い換えると、シリコンコア１０３の先端部ほど、エッチングに伴い生成される反応生成物の密度が小さく、結果として、シリコンコア１０３のテーパ部のエッチング抑制に寄与する反応生成物の発生量も少なくなる。

これに対し、図１Ｅに示すように、開口部１４１の開口幅がより狭く、レジスト膜１０４の存在がより多い領域においては、エッチングに伴い生成される反応生成物の密度が大きく、結果として、シリコンコア１０３のテーパ部のエッチング抑制に寄与する反応生成物の発生量も多くなる。

このように、シリコンコア１０３のテーパ部において、レジスト膜１０４の開口している面積を変化させることで、エッチング反応生成物の生成量（供給量）を変化させることができる。このようなエッチング反応生成物の供給量は、スポットサイズ変換素子のコアに形成するテーパ部の長さ（数百μｍ）の範囲であれば、上述したような開口部の開口幅を変化させるようなエッチング条件により、十分に変化させることができる。

従って、図１Ｄの断面図に示すように、開口部１４１がより広く形成されている領域に対応するシリコンコア１０３のテーパ部先端は、シリコンコア１０３のエッチングを抑制する反応生成物の生成がより少なく、シリコンコア１０３のエッチングレートが高くなる。一方、図１Ｅの断面図に示すように、開口部１４１がより狭く形成されている領域に対応するシリコンコア１０３の幅の広いテーパ部は、シリコンコア１０３のエッチングを抑制する反応生成物の生成がより多く、シリコンコア１０３のエッチングレートが低くなる。開口部１４１の開口幅を連続的に変化させることで、開口部１４１に露出しているシリコンコア１０３のエッチングレートを、テーパ部の先端から主部の方向にかけて、エッチングレートを連続的に変化させることができる。

ここで、レジスト膜１０４のパターニングは、汎用的な露光装置を用いればシリコンコア１０３の位置に対してミクロンオーダーで精度良く位置決めすることが可能である。また、シリコンコア１０３直上の開口部１４１の幅は、数ミクロンでよいため、導波路幅と完全に一致する必要がなく、上記の露光装置の位置決め精度で十分である。さらに、開口部１４１の周囲のレジスト存在面積は精密に変化させることが可能であり、所望のエッチングレートを得られるように面積を設定でき、上述したようなシリコンコア１０３の高さを減少させるためのエッチングを精度良く行うことができる。

以上のようにして、レジスト膜１０４を形成した後、開口部１４１および開口部１４１を用い、開口部１４１に露出するシリコンコア１０３のテーパ部をドライエッチングすることで、テーパ部の先端ほどより多くエッチングすることができる。この結果、図１Ｆの断面図に示すように、シリコンコア１０３のテーパ部が、先端に行くほど漸次薄くなるテーパ形状となる。また、図１Ａに示したように、シリコンコア１０３のテーパ部は、平面視で先端に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ形状に形成されているので、上記エッチングにより、シリコンコア１０３のテーパ部は、先端に行くほど径が漸次小さくなる形状となる。

以上のようにしてシリコンコア１０３を形成し、また、レジスト膜１０４を除去した後、公知の技術により、シリコンコア１０３のテーパ形状の先端部が覆われるようにシリコンコア１０３より径の大きいコア（第２コア）を形成し、これらコアを覆う上部クラッド層を形成すれば、スポットサイズ変換素子が形成できる。テーパ部を覆う径の大きいコアは、図４を用いて説明したコア４０３と同様である。なお、空気を上部クラッドとすることも可能であり、この場合、上部クラッド層は必要がない。このように、本実施の形態におけるスポットサイズ変換素子の作製方法によれば、従来公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、先端に行くほど幅および膜厚が漸次減少するテーパ形状のシリコンコア１０３が、容易に形成できる。

［実施の形態２］
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。本実施の形態では、上述した実施の形態１における開口部を、テーパ部が中央に露出する平面視矩形の主開口部と、第１コアが延在する方向において、主開口部の両脇に配置された２つの副開口部とから構成し、副開口部は、第１コアが延在している方向の幅が、テーパ部の先端部に行くほど、主開口部より離れる方向に漸次広がるように形成した。

以下、より詳細に説明する。まず、前述した実施の形態１と同様に、下部クラッド層２０２の上に、主部の幅が０．４μｍ程度のシリコンコア（第１コア）２０３を形成する。シリコンコア２０３は、先端部に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ部を備えて形成されている。例えば、シリコンコア２０３は、主部がコア幅０．４μｍとされ、テーパ形状の先端部が０．０８μｍとされている。次に、やはり、前述した実施の形態１と同様に、シリコンコア２０３を埋め込むように、下部クラッド層２０２の上にレジスト膜２０４を形成する。例えば、よく知られたポジ型のフォトレジスト材料を塗布することで、レジスト膜２０４を形成すればよい。

次に、本実施の形態では、公知のフォトリソグラフィー技術により、レジスト膜２０４をパターニングし、図２Ａの平面図に示すように、テーパ形状とされているシリコンコア２０３の先端部がほぼ中央に露出する主開口部２４１を形成する。主開口部２４１は、シリコンコア２０３以外の領域においては、下部クラッド層２０２の表面が露出している。主開口部２４１は、シリコンコア２０３が延在している方向の幅が３μｍ程度とされた平面視矩形に形成されている。また、本実施の形態では、主開口部２４１は、シリコンコア２０３が延在している方向において、シリコンコア２０３のテーパ部と同じ長さに形成されている。

加えて、シリコンコア２０３が延在する方向において、主開口部２４１の両脇に配置され、下部クラッド層２０２にまで貫通する２つの副開口部２４２を形成する。副開口部２４２は、シリコンコア２０３が延在している方向において、シリコンコア２０３のテーパ部と同じ長さに形成されている。従って、この方向の長さは、主開口部２４１と副開口部２４２とは同じである。一方、シリコンコア２０３が延在している方向の副開口部２４２の幅は、テーパ部の細くなる先端部に行くほど、主開口部２４１より離れるように漸次広がって形成されている。例えば、シリコンコア２０３のテーパ部の先端においては、副開口部２４２の幅は３０μｍとされている。従って、副開口部２４２は、平面視、直角三角形とされている。なお、副開口部２４２は、主開口部２４１より、例えば、１μｍ程度離間している。

以上のように、主開口部２４１および２つの副開口部２４２を形成した後、公知の反応性イオンエッチングにより、例えば、フッ化炭素系ガスおよび炭化水素系ガスをエッチングガスとしたドライエッチングを行う。このドライエッチングでは、まず、レジスト膜２０４がエッチングされ、反応生成物として炭素化合物を含む不活性物質が生成される。この反応生成物は、系内で拡散し、主開口部２４１および２つの副開口部２４２の内部にも移動していく。このようにして生成された反応生成物は、主開口部２４１内に露出しているシリコンコア２０３のテーパ部のエッチングレートを低下させる。例えば、このドライエッチングにより生成した不活性物質は、シリコンコア２０３の上に付着し、シリコンコア２０３のエッチングを妨げ、シリコンのエッチングレートを低下させる。

ここで、エッチングの反応生成物は、当然のことではあるが、平面視でレジスト膜２０４の存在している領域が広いほど、狭い領域に比較して相対的に生成量が多くなる。このため、図２Ｂに示すように、副開口部２４２の開口幅がより広く、レジスト膜２０４の存在がより少ない領域、言い換えると、シリコンコア２０３の先端部ほど、エッチングに伴い生成される反応生成物の密度が小さく、結果として、シリコンコア２０３のテーパ部のエッチング抑制に寄与する反応生成物の発生量も少なくなる。

これに対し、図２Ｃに示すように、副開口部２４２の開口幅がより狭く、レジスト膜２０４の存在がより多い領域においては、エッチングに伴い生成される反応生成物の密度が大きく、結果として、シリコンコア２０３のテーパ部のエッチング抑制に寄与する反応生成物の発生量も多くなる。

このように、シリコンコア２０３のテーパ部において、レジスト膜２０４の開口している面積を変化させることで、エッチング反応生成物の生成量（供給量）を変化させることができる。このようなエッチング反応生成物の供給量は、スポットサイズ変換素子のコアに形成するテーパ部の長さ（数百μｍ）の範囲であれば、上述したような開口部の開口幅を変化させるようなエッチング条件により、十分に変化させることができる。

従って、図２Ｂの断面図に示すように、副開口部２４２がより広く形成されている領域に対応するシリコンコア２０３のテーパ部先端は、シリコンコア２０３のエッチングを抑制する反応生成物の生成がより少なく、シリコンコア２０３のエッチングレートが高くなる。一方、図２Ｃの断面図に示すように、副開口部２４２がより狭く形成されている領域に対応するシリコンコア２０３の幅の広いテーパ部は、シリコンコア２０３のエッチングを抑制する反応生成物の生成がより多く、シリコンコア２０３のエッチングレートが低くなる。副開口部２４２の開口幅を連続的に変化させることで、主開口部２４１に露出しているシリコンコア２０３のエッチングレートを、テーパ部の先端から主部の方向にかけて、エッチングレートを連続的に変化させることができる。

以上のようにして、レジスト膜２０４を形成した後、主開口部２４１および副開口部２４２を用い、主開口部２４１に露出するシリコンコア２０３のテーパ部をドライエッチングすることで、テーパ部の先端ほどより多くエッチングすることができる。この結果、図２Ｄの断面図に示すように、シリコンコア２０３のテーパ部が、先端に行くほど漸次薄くなるテーパ形状となる。また、図２Ａに示したように、シリコンコア２０３のテーパ部は、平面視で先端に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ形状に形成されているので、上記エッチングにより、シリコンコア２０３のテーパ部は、先端に行くほど径が漸次小さくなる形状となる。

以上のようにしてシリコンコア２０３を形成し、また、レジスト膜２０４を除去した後、公知の技術により、シリコンコア２０３のテーパ形状の先端部が覆われるようにシリコンコア２０３より径の大きいコア（第２コア）を形成し、これらコアを覆う上部クラッド層を形成すれば、スポットサイズ変換素子が形成できる。テーパ部を覆う径の大きいコアは、図４を用いて説明したコア２０３と同様である。なお、空気を上部クラッドとすることも可能であり、この場合、上部クラッド層は必要がない。このように、本実施の形態におけるスポットサイズ変換素子の作製方法によれば、従来公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、先端に行くほど幅および膜厚が漸次減少するテーパ形状のシリコンコア２０３が、容易に形成できる。

なお、上述した実施の形態１，２では、フッ化炭素系ガスおよび炭化水素系ガスをエッチングガスとしたドライエッチングを用いるようにしたが、これに限るものではなく、他のガスを用いたドライエッチングでもよい。このドライエッチングでは、レジスト膜がエッチングされたことによる反応生成物で、開口部内に露出しているシリコンコアのテーパ部のエッチングレートが低下すればよい。例えば、このドライエッチングにより炭素を含む不活性物質が生成され、これがシリコンコア２０３の上に付着し、シリコンコア２０３のエッチングを妨げ、シリコンのエッチングレートを低下させるようになればよい。従って、レジスト膜をエッチングすることで、シリコンコアのエッチングを妨げる反応生成物が生成されるエッチングガスであれば、どの様なガスであってもよい。

［実施の形態３］
次に、実施の形態３について説明する。本実施の形態では、下部クラッド層，シリコン層，および酸化シリコン層がこの順に積層された基板を用意する第１工程と、酸化シリコン層の上に、一端が先端に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ形状のテーパ部を備える主パターン、および、この主パターンの両脇に配置され、テーパ部において、先端に行くほど主パターンとの間隔が広くなる２つの複パターンを備えるレジストパターン層を形成する第２工程と、ハロゲン系のエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、レジストパターン層をマスクとして酸化シリコン層にエッチングし、主パターンの下部に、先端に行くほど漸次幅および膜厚が小さくなる酸化シリコンのマスクパターンを形成する第３工程と、反応性イオンエッチングによりマスクパターンをマスクとしてシリコン層をエッチングし、先端に行くほど漸次幅および膜厚が小さくなるテーパ部を備えたシリコンよりなる第１コアを形成する第４工程と、第１コアのテーパ部を覆い、第１コアより径の大きい第２コアを、下部クラッド層の上に形成する第５工程とを少なくとも備えるようにした。

以下、より詳細に説明する。まず、図３Ａに示すように、下部クラッド層３０１の上にシリコン層３０２が形成され、シリコン層３０２の上に酸化シリコン層３０３が形成された基板を用意する。例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることができる。ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層を下部クラッド層３０１とし、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層をシリコン層３０２として用いればよい。また、このＳＯＩ基板の上に、例えば、公知のＣＶＤ法などにより酸化シリコンを堆積することで、酸化シリコン層３０３が形成できる。

次に、よく知られたリソグラフィー技術により、酸化シリコン層３０３の上に、レジストパターン層３０４を形成する。レジストパターン層３０４は、後述するコアの部分を形成するための主パターン３４１と、主パターン３４１の両脇に配置された２つの副パターン３４２を備えている。レジストパターン層３０４は、よく知られたポジ型のフォトレジストを、紫外線を用いたフォトリソグラフィー技術によりパターニングすることで形成すればよく、有機樹脂から構成されたものである。

図３Ｂの平面図に示すように、主パターン３４１は、先端部において、先端に行くほど幅が狭くなるテーパ形状に形成されている。例えば、主パターン３４１は、主部がコア幅０．４μｍとされ、テーパ形状の先端部が０．０８μｍとされている。また、副パターン３４２は、主パターン３４１のテーパー形状の部分において、先端に行くほど主パターン３４１との間隔が広くなるように形成されている。例えば、主パターン３４１の主部においては、主パターン３４１と副パターン３４２との間隔は３μｍとされている。また、主パターン３４１の先端部と副パターン３４２の先端部との間隔は３０μｍとされている。従って、主パターン３４１の両脇の酸化シリコン層３０３の露出領域は、主パターン３４１のテーパー形状の部分において、先端に行くほど広くなっている。

以上のように、酸化シリコン層３０３の上にレジストパターン層３０４を形成したら、よく知られたドライエッチング（反応性イオンエッチング）により、レジストパターン層３０４をマスクとして酸化シリコン層３０３を選択的にエッチングする。例えば、容量結合型高周波プラズマを用いたドライエッチング装置を用いればよい。また、エッチングガスとして、ハロゲン系ガスを用いる。例えば、ＳＦ₆とＣ₂Ｆ₆とを混合した混合ガスを用いればよい。

このような、ハロゲン系ガスを用いた酸化シリコン層３０３のドライエッチングによれば、エッチングの反応生成物として酸素を含む物質が生成される。このようなエッチングにより、エッチングされている酸化シリコン層３０３の露出部分より生成される反応生成物は、系内で拡散してプラズマに晒されることになり、例えば酸素イオンが生成されることになる。このようにして、生成された酸素イオンは、上述した酸化シリコン層３０３のドライエッチングにおいて、有機材料から構成されたレジストパターン層３０４のエッチングレートを上昇させる。

ここで、エッチングの反応生成物は、当然のことではあるが、酸化シリコン層３０３の露出している面積が広い領域ほど、狭い領域に比較して相対的に生成量が多くなる。このため、図３Ｃの断面図に示すように、酸化シリコン層３０３の露出している面積が広い領域３１１、言い換えると、主パターン３４１の先端部ほど、エッチングに伴い生成される反応生成物の密度が大きく、結果として、レジストパターン層３０４をエッチングする酸素イオンの発生量も多くなる。これに対し、図３Ｄに示すように、主パターン３４１の主部における隣り合う副パターン３４２との間隔が狭い領域３１２においては、反応生成物の密度が小さく、レジストパターン層３０４をエッチングする酸素イオンの発生量も少ない。

このように、レジストパターン層３０４近傍の露出している下層（酸化シリコン層３０３）の面積を変化させることで、エッチング反応生成物の生成量（供給量）を変化させることができる。このようなエッチング反応生成物の供給量は、スポットサイズ変換素子のコアに形成するテーパ部の長さ（数百μｍ）の範囲であれば、上述したようなレジストパターンの間隔を変化させるようなエッチング条件により、十分に変化させることができる。

従って、図３Ｃに示すように、レジストパターン層３０４（主パターン３４１）は、酸化シリコン層３０３の露出している面積が広い領域３１１である先端部ほど、膜厚方向のエッチングレートが高くなる。露出している面積を連続的に変化させることで、テーパ部の先端からコア主部の方向にかけて、レジストパターン層３０４のエッチングレートを連続的に変化させるとができる。

例えば、容量結合型プラズマエッチング装置を用い、Ｃ₂Ｆ₆／ＳＦ₆＝１００／１、１０Ｐａ、ＲＦパワー２００Ｗの条件でエッチングを行う。この条件では、主パターン３４１と副パターン３４２との間隔が３μｍの箇所に対し、主パターン３４１の先端部と副パターン３４２の先端部との間隔が３０μｍの箇所では、これらのレジストパターン層３０４のエッチングレートが１．６倍程度になる。

なお、よく知られているように、反応性イオンエッチングでは、いわゆる垂直異方性の高い状態でエッチングが進行し、膜厚方向のエッチングが支配的に起こる。このため、上述した酸素イオンによるレジストパターン層３０４のエッチングも、膜厚方向が支配的となる。

以上のようにして、レジストパターン層３０４をマスクとした酸化シリコン層３０３のドライエッチングを行うと、酸化シリコン層３０３の選択的なエッチングが進行していく中で、主パターン３４１は、より多くエッチングされる先端部の膜厚がより多く減少する。この結果、主パターン３４１の先端部が、先端方向と反対側に後退していき、これに伴い、エッチングされている酸化シリコン層３０３においては、断面が先端部（図中左方向）に行くほどより多くエッチングされて膜厚が薄くなる。

例えば、図３Ｅの断面図に示すように、シリコン層３０２の上の酸化シリコン層３０３の上に主パターン３４１を形成した状態で、上述したようにエッチングを開始すると、エッチングの進行により、パターン間隔がより広い主パターン３４１の先端部ほどエッチングレートが速いので、図３Ｆに示すように、先端部ほど薄くなる形状に主パターン３４１がエッチングされていく。また、主パターン３４１のない領域の酸化シリコン層３０３もエッチングされていく。

例えば、主パターン３４１と副パターン３４２との間隔が３μｍの箇所では、上記エッチングにおいてＣ₂Ｆ₆／ＳＦ₆＝１００／１の条件により、レジストパターン層３０４は４２．７ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートとなり、酸化シリコン層３０３のエッチングレートは４８．１ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートとなる。このとき、間隔３０μｍとされている先端部では、反応生成物の生成により、膜厚方向のエッチングレートは、４２７×１．６＝６９．５２ｎｍ／ｍｉｎまで増大している。

ここで、主パターン３４１の厚さを１８０ｎｍ、酸化シリコン層３０３の厚さを３４０ｎｍとし、エッチング時間を４分とすると、間隔が３μｍの箇所の主パターン３４１は、厚さが「１８０−４２．７×４＝９．２ｎｍ」残る。これに対し、間隔が３０μｍの先端部では、「１８０／６９．５１＝２．５９分」となり、２分３５秒でレジスト部分消滅し、これ以降の１分２５秒は、酸化シリコン層３０３がエッチングされる。酸化シリコン層３０３の先端部に残存する厚さは、「１４０−４８．１×１．４２＝７１．７ｎｍ」となる。なお、先端部に行くほど、反応生成物により発生する酸素イオンの影響を受け、レジストパターン層３０４（主パターン３４１）の幅も狭くなるが、上述したように、膜厚方向のエッチングが支配的であり、レジストパターン幅が、高々片側数ｎｍ減少する程度である。

このエッチングを継続すると、先端部ほど薄くなった主パターン３４１は、先端部に行くほどパターンが除去されるので、先端部が徐々に後退していく。このため、主パターン３４１の下の酸化シリコン層３０３に形成されていくパターンも、先端部ほど薄くなる形状となる。また、当然ではあるが、このパターンは、主パターン３４１と同様に、平面視で先端部ほど幅が狭くなるテーパ形状となる。

上述した主パターン３４１による酸化シリコン層３０３のエッチングを継続することで、図３Ｇに示すように、主パターン３４１が転写された酸化シリコンのマスクパターン３３１が形成され、シリコン層３０２の一部が露出し、ある程度エッチングされる。この状態となったら、主パターン３４１を除去する。なお、主パターン３４１の除去において、図示していないが、副パターン３４２も除去する。

次に、マスクパターン３３１をマスクとし、公知の反応性イオンエッチングにより、マスクパターン３３１と共にシリコン層３０２をエッチングする。例えば、ＣＦ4／ＳＦ6＝４．５／１．２の混合ガス条件で、基板に１２Ｗの高周波電圧を印加してＥＣＲプラズマエッチング装置で加工することにより、シリコン：７３．７ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ₂：３１．２ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートが得られる。この条件で、間隔が３μｍの箇所で、厚さ３μｍの矩形のシリコンコアを形成するために、４分２０秒間エッチングを行うと、ＳｉＯ₂からなるマスクパターン３３１は、「３１．２×４．３３＝１３５．８ｎｍ」加工（エッチング）される。

このとき、間隔が３０μｍの先端部では、「７１．７／３１．２＝２．２９８分」となり、２分１８秒でマスクパターン３３１の先端部は消滅する。このように、このエッチング工程においても、マスクパターン３３１の先端部の薄い箇所からエッチングが進行する（図３Ｈ）。これ以降の２分２秒でエッチングされる先端部のシリコン層３０２は、「７１．７×２．０３３＝１４９．６ｎｍ」となり、シリコン層３０２には、厚さ「３００−１４９．６＝１５０．４ｎｍ」の部分が残る。

上述したエッチングにより、図３Ｉに示すように、先端に行くほど連続的に膜厚が薄くなるテーパ形状のシリコンコア（第１コア）３２１を、下部クラッド層３０１の上に形成することができる。また、前述したように、マスクパターン３３１は、平面視で、先端に行くほど幅が狭くなるテーパ形状に形成されているので、この形状が転写されるシリコンコア３２１も、先端に行くほど幅が狭くなるテーパ形状に形成される。なお。このエッチングにおいて、シリコンコア３２１の周囲に露出する下部クラッド層３０１もある程度エッチングされる。

以上のようにしてシリコンコア３２１を形成した後、公知の技術により、シリコンコア３２１のテーパ形状の先端部（テーパ部）が覆われるようにシリコンコア３２１より径の大きいコア（第２コア）を形成し、これらコアを覆う上部クラッド層を形成すれば、スポットサイズ変換素子が形成できる。テーパ部を覆う径の大きいコアは、図４を用いて説明したコア４０３と同様である。このように、本実施の形態におけるスポットサイズ変換素子の作製方法によれば、従来公知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることで、先端に行くほど幅および膜厚が漸次減少するテーパ形状のシリコンコア３２１が、容易に形成できる。なお、例えば空気を上部クラッドとしてもよく、上部クラッド層は必要なものではない。

１０１…シリコン支持基板、１０２…下部クラッド層、１０３…シリコンコア（第１コア）、１０４…レジスト膜、１４１…開口部。

Claims

下部クラッド層の上に、シリコンからなり、一端が先端に行くほど漸次幅が狭くなるテーパ形状のテーパ部を備える第１コアを形成する第１工程と、
前記第１コアを覆うレジスト膜を前記下部クラッド層の上に形成する第２工程と、
前記テーパ部が中央に露出し、前記第１コアが延在している方向において、前記第１コアが延在している方向の幅が、前記テーパ部の細くなる先端部に行くほど広くなる開口部を、前記レジスト膜に形成する第３工程と、
反応性イオンエッチングにより、前記レジスト膜および前記開口部に露出する前記テーパ部をエッチングし、前記テーパ部を、先端に行くほど漸次膜厚が小さくなる形状に加工する第４工程と、
前記レジスト膜を除去した後、前記第１コアのテーパ部を覆い、前記第１コアより径の大きい第２コアを、前記下部クラッド層の上に形成する第５工程と
を少なくとも備えることを特徴とするスポットサイズ変換素子の作製方法。
請求項１記載のスポットサイズ変換素子の作製方法において、
前記開口部は、前記テーパ部が中央に露出する平面視矩形の主開口部と、前記第１コアが延在する方向において、前記主開口部の両脇に配置された２つの副開口部とから構成し、
前記副開口部は、第１コアが延在している方向の幅が、前記テーパ部の先端部に行くほど、前記主開口部より離れる方向に漸次広がるように形成する
ことを特徴とするスポットサイズ変換素子の作製方法。
請求項１または２記載のスポットサイズ変換素子の作製方法において、
前記反応性イオンエッチングでは、フッ化炭素系ガスおよび炭化水素系ガスのエッチングガスを用いる
ことを特徴とするスポットサイズ変換素子の作製方法。