JP2011169971A - 光導波路、光集積回路及び光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光の反射を利用して基板に対して水平な方向のみならず垂直な方向を含む三次元の光伝送が可能な、新規かつ改良された光導波路を提供する。
【解決手段】光導波路２００は、基板１０上に形成される。光導波路２００は、基板１０に対して水平方向に光路が形成された第１の光導波路と、第１の光導波路と連通し、基板１０に対して斜め方向に光路が形成された第２の光導波路と、第２の光導波路と連通し、第１の光導波路と段違いであって基板１０に対して水平方向に光路が形成された第３の光導波路と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路、光集積回路及び光導波路の製造方法に関する。

近年、光通信システムやコンピュータにおける情報処理の大容量化及び高速化の要求から、光伝送システムが汎用化されている。この光伝送システムのうち、半導体チップ内あるいはチップ間の信号の伝送に光導波路を使った光配線技術が従来から提案されている（例えば、特許文献１参照）。

光導波路は、例えば大容量の情報伝達や光コンピュータ等を実現するための光デバイスや光集積回路(光ＩＣ)の基本構成要素として需要が高い。信号の伝送に光導波路を使った光配線を使う利点としては、電磁妨害（ＥＭＩ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍａｇｎｅｔｒｏ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）耐性が高いことと、特に長距離伝送において電気配線で見られる配線遅延（ＲＣ遅延）が生じないことが挙げられる。

特開２００１−２６４５５３号公報

しかしながら、一般に、光導波路は、基板に対して水平な方向のみの二次元領域では自由に配線することが可能であるのに対して、基板に対して垂直な方向を含む三次元領域では自由に配線することはできない。基板に対して水平な下層の光導波路と、同様に水平な上層の光導波路との間を、基板に対して垂直な光導波路にて連結しても、光は直角に曲げることはできず、光の屈折率に応じた曲率Ｒを描いて進行するためである。実際、光を直角に曲げると光が光路であるコア層から外に漏れてしまう。

以上から、光導波路のみを用いて三次元的に配線することはできない。よって、光配線ビアを形成し、半導体レーザーダイオードＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）やフォトダイオードＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）を介さずに層間を光配線にて繋ぐ技術は、現時点では確立されていない。

また、仮に上層と下層の光導波路に発光素子と受光素子とを設け、発光素子と受光素子とを使って上層及び下層間の光通信を行うとしても、発光側と受光側とで光電変換処理を２回も行わなければならず、通信遅延が生じる。また、発光素子と受光素子とを配置すること自身、コスト高となるし、構造上複雑かつ大型化してしまう。

上記課題に対して、本発明の目的とするところは、光の反射を利用して基板に対して水平な方向のみならず垂直な方向を含む三次元の光伝送が可能な、新規かつ改良された光導波路、光集積回路及び光導波路の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、基板上に形成される光導波路であって、基板に対して水平方向に光路が形成された第１の光導波路と、前記第１の光導波路と連通し、前記基板に対して斜め方向に光路が形成された第２の光導波路と、前記第２の光導波路と連通し、前記第１の光導波路と段違いであって前記基板に対して水平方向に光路が形成された第３の光導波路と、を備えることを特徴とする光導波路が提供される。

かかる構成によれば、第１の光導波路と、その第１の光導波路に対して段違いに形成された第３の光導波路との間は、斜め方向に光路が形成された第２の光導波路にて繋がれる。これにより、第１の光導波路を伝送された光は、第２の光導波路にて斜めに形成された光路の壁を反射しながら第３の光導波路まで進む。これにより、基板に対して水平な方向（二次元方向）に光を伝送させるだけでなく、光の反射を利用して基板に垂直な方向（三次元方向）にも光を伝送させることができる。これによれば、第１の光導波路と第３の光導波路との間の層間光配線を半導体レーザーダイオードＬＤやフォトダイオードＰＤを用いることなく実現できるため、大幅なコストの低減を図ることができる。また、このような三次元の光伝送が可能な光導波路を用いて、３ＤＩ用に薄膜化されたウエハ或いはＩＣチップを光によって非接触に検査することが可能になる。

前記第１〜第３の光導波路のそれぞれは、光を反射させる反射層としてのクラッド層と前記光路となるコア層とを含み、前記第２の光導波路は、前記第１の光導波路を伝送した光を前記第２の光導波路のクラッド層にて反射させながら前記第３の光導波路に伝送させることにより第３の光導波路に伝えるようにしてもよい。

前記コア層を形成する素材の屈折率ｎ_１は、前記クラッド層を形成する素材の屈折率ｎ_２より小さくてもよい。

前記第２の光導波路の斜めの角度は、前記コア層の屈折率ｎ_１と前記クラッド層の屈折率ｎ_２との比に応じて定められてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、基板上に形成された上記光導波路と、前記光導波路に信号光を放出する発光素子と、前記光導波路を伝送する信号光を検出する受光素子と、を備える光集積回路が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、屈折率ｎ_２のクラッド層を成膜する第１の成膜工程と、斜めのパターンが形成された成形材を前記第１の成膜工程にて成膜されたクラッド層に圧着させることにより、前記成形材の斜めのパターンを前記クラッド層に転写する第１のインプリント工程と、前記第１のインプリント工程後、屈折率ｎ_１のコア層を成膜する第２の成膜工程と、斜めのパターンが形成された成形材を前記第２の成膜工程にて成膜されたコア層に圧着させることにより、前記成形材の斜めのパターンを前記コア層に転写する第２のインプリント工程と、前記第２のインプリント工程後、屈折率ｎ_２のクラッド層を成膜する第３の成膜工程と、を含むことを特徴とする光導波路の製造方法が提供される。

前記第１のインプリント工程及び前記第２のインプリント工程は、前記斜めのパターンが形成された成形材を被成形材に圧着させることにより、前記成形材の斜めパターンを前記被成形材に形成する圧着工程と、加熱または光の照射により前記被成形材を硬化させることにより、前記成形材の反転パターンを前記被成形材に転写する転写工程と、前記転写工程により前記被成形材が硬化した後、前記被成形材から前記成形材を剥離させる離型工程と、を含んでいてもよい。

前記離型工程は、前記成形材を前記被成形材の圧着方向と反対方向に引き離す引離し工程と、前記被成形材を前記成形材の圧着方向と同方向に押し付ける押付け工程と、を含んでいてもよい。

以上説明したように本発明によれば、光の反射を利用して基板に対して水平な方向のみならず垂直な方向を含む三次元の光伝送が可能な光導波路、光集積回路及び光導波路の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る光導波路の製造方法を示した図である。 同実施形態に係る光導波路の平面図及び縦断面図（１−１断面図）である。 同実施形態に係る光導波路の製造に用いられるナノインプリント工程の一例を示した図である。 同実施形態に係る光導波路の製造に用いられるナノインプリント工程の改良例を示した図である。 本発明の変形例に係る光導波路の縦断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、本発明の一実施形態に係る光導波路の製造方法について図１を参照しながら説明する。

（ａ）第１の成膜工程
最初に、図１（ａ）に示したように、基板１０上に屈折率ｎ_２の下部クラッド層２０を成膜する第１の成膜工程が実行される。この工程では、下部クラッド層２０形成用の材料を塗布し、乾燥またはプリベークさせて下層用薄膜を形成する。そして、この下層用薄膜に、紫外線等を照射することにより硬化させて、下部クラッド層２０を形成する。なお、下部クラッド層２の形成工程では、薄膜の全面にエネルギーを与え、その全体を硬化させることが好ましい。

ここで、下部クラッド層形成用材料を塗布する手段としては、スピンコート法、ディッピング法、スプレー法、バーコート法、ロールコート法、カーテンコート法、グラビア印刷法、シルクスクリーン法、またはインクジェット法等の方法を用いることができる。なお、第１の成膜工程にて使用された成膜方法は、後述する第２及び第３の成膜工程にも用いることができる。

（ｂ）第１のインプリント工程
次に、斜めのパターンを形成する第１のインプリント工程が実行される。具体的には、第１のインプリント工程では、斜めのパターンが形成された成形材としてのモールド１００を第１の成膜工程にて成膜された下部クラッド層２０に圧着させる。これにより、モールド１００の斜めのパターンが下部クラッド層２０に転写され、下部クラッド層２０の端部に、テーパ形状２０ａが形成される。

（ｃ）第２の成膜工程
第１のインプリント工程後、屈折率ｎ_１（ただし、ｎ_１＜ｎ_２）のコア層３０を成膜する第２の成膜工程が実行される。この成膜工程では、まず、第１のインプリント工程にて型押しされた領域に屈折率ｎ_１のコア層３０を成膜する。そして、さらにクラッド層２０上部も含む全体に屈折率ｎ_１のコア層３０を成膜する。

具体的には、下部クラッド層２０上に、コア形成用材料を塗布し、乾燥またはプリベークさせてコア層３０を形成する。コア形成用材料としてポリマーを塗布してもよい。または、型押しされた領域等にエポキシ系紫外線光硬化性樹脂を充填させ、紫外線を照射して光硬化性樹脂を硬化させることによりコア層３０を形成するようにしてもよい。型押しされた領域等に紫外線を照射することによって屈折率が変わる樹脂を埋め込んでコア層３０を形成するようにしてもよい。

（ｄ）第２のインプリント工程
次に、モールド１００を用いた第２のインプリント工程が実行される。すなわち、モールド１００を第２の成膜工程にて成膜された屈折率ｎ_１のコア層３０に圧着させることにより、モールド１００の斜めのパターンをコア層３０に転写する。これにより、コア層３０に、テーパ形状２０ｂが形成される。コア層３０のテーパ形状２０ｂは、第１のインプリント工程で形成された下部クラッド層２０のテーパ形状２０ａと概ね同角度に傾斜している。斜めの角度は、コア層３０の屈折率ｎ_１とクラッド層２０の屈折率ｎ_２との比に応じて最適化される。

（ｅ）第３の成膜工程
第２のインプリント工程後、屈折率ｎ_２の上部クラッド層４０を成膜する第３の成膜工程が実行される。具体的には、コア層３０の表面に上部クラッド層形成用材料を塗布し、乾燥またはプリベークさせて上部クラッド層用薄膜を形成する。この上部クラッド層用薄膜に対し、紫外線等を照射して硬化させることにより、図１に示したように上部クラッド層４０を形成する。

以上の全工程を実行することにより基板１０上に形成された光導波路２００が完成する。図２の上部は光導波路２００の平面図であり、図２の下部は、図２の上部を１−１断面にて切断した光導波路２００の縦断面図である。

これによれば、光導波路２００には、基板１０に対して水平方向(ＸＹ方向)に光路が形成された下層の第１の光導波路と、第１の光導波路と連通し、基板１０に対して斜め方向に光路が形成された第２の光導波路と、第２の光導波路と連通し、第１の光導波路と段違いに、基板１０に対して水平方向に光路が形成された上層の第３の光導波路が形成される。

第１〜第３の光導波路のそれぞれは、クラッド層とコア層とから構成されている。コア層３０は、下部クラッド層２０と上部クラッド層４０とに挟まれた状態でコア層からなる光路を形成している。下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０は、光を反射させる。

コア層３０の屈折率ｎ_１が、下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０の屈折率ｎ_２よりも大きいと、下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０は、光を反射させず、透過させてしまう。これでは、第２の光導波路にて、光を基板１０の垂直方向に伝送させることはできない。よって、下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０を形成する素材の屈折率ｎ_２は、コア層３０を形成する素材の屈折率ｎ_１より大きくなる材料を選ぶ必要がある。これにより、下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０にて光を反射させることができる。

コア層３０を形成する素材としては、信号光の波長に対して透明な部材であればよい。下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０を形成する素材としては、信号光が赤外光であれば、赤外に対して高屈折率の材料を選択することが好ましく、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、臭化カリウム（ＫＢｒ）、臭沃化タリウム（ＫＲＳ−５）、臭塩化タリウム（ＫＲＳ−６）が挙げられる。また、信号光が可視光であれば、下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０を形成する素材として、石英（ＳｉＯ_２）やポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ：Ｐｏｌｙ ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリマー等のプラスチックを用いることができる。

以上の工程により製造された光導波管２００では、以下のように光が伝送される。つまり、第１の光導波管では、光は水平方向（ＸＹ方向）にコア層３０を直進する。第２の光導波路では、光は第２の光導波路のコア層３０を進み、下部クラッド層２０のテーパ面にて反射し、ほぼ垂直方向（Ｚ方向）に伝送方向を変えて直進する。さらに、光は第２の光導波路の上部クラッド層４０のテーパ面にて反射し、ほぼ水平方向（ＸＹ方向）に伝送方向を変えて直進する。第３の光導波管では、光は再び水平方向（ＸＹ方向）にコア層３０直進する。かかる構成の本実施形態に係る光導波路２００によれば、光の反射を利用することにより、簡単な構造で基板１０に対して水平な方向のみならず垂直な方向を含む三次元の光伝送が可能となる。

これによれば、層間光配線を半導体レーザーダイオードＬＤやフォトダイオードＰＤを用いることなく実現できるため、大幅なコストの低減を図ることができる。また、このような三次元の光伝送が可能な光導波路２００を用いれば、３ＤＩ用に薄膜化されたウエハ或いはＩＣチップを光によって非接触に検査することが可能になる。

以上に説明した光導波路２００は、チップ間配線やチップ内配線に用いることができる。また、３次元の光導波路２００と、光導波路２００に信号光を放出する発光素子と、光導波路２００を伝送する信号光を検出する受光素子とを含む素子で構成された光集積回路(光ＩＣ)を構築することもできる。光集積回路では、半導体集積回路と同様な利点、すなわち、高い機能のデバイスをコンパクトに製品化でき、機能に対してコストを安くすることができ、信頼性が高く、部品点数が少ないなどの利点を得ることができる。

（ナノインプリント工程の基本例）
次に、ナノインプリント技術を用いた光導波路のテーパ形状２０ａの形成工程の基本例について、図３を参照しながら説明する。テーパ形状２０ｂの形成工程については、テーパ形状２０ａの形成工程と同様であるためここでは説明を省略する。テーパ形状２０ａの形成工程では、（ａ）圧着工程、（ｂ）転写工程、（ｃ）離型工程を一連の工程として下部クラッド層２０へのパターン転写が実行される。

（ａ）圧着工程
まず、圧着工程では、モールド１００を基板１０に向けて降下させ、そのモールド１０００を下部クラッド層２０に圧着させる。これにより、下部クラッド層２０がモールド１００の凹部に入り込む。このようにして、モールド１００の傾斜パターンが、下部クラッド層２０に形成される。

（ｂ）転写工程
次に、転写工程では、ＵＶ光源４５から紫外線を照射し、基板１０上の下部クラッド層２０を硬化させる。これにより、モールド１００の反転パターンを下部クラッド層２０に転写する。下部クラッド層２０に室温で瞬時に硬化する光硬化樹脂を使用するため、加熱、加圧によるパターン変形を生じず、高速プロセスが可能である。

（ｃ）離型工程
次に、離型工程（剥離工程）では、転写工程で硬化した下部クラッド層２０からモールド１００を剥離する。離型工程では、モールド１００を下部クラッド層の圧着方向（ここではモールド降下方向）と反対方向に引き離す。これにより、モールド１００が下部クラッド層２０から剥離され、全工程が完了する。

以上に説明したように、本実施形態に係るナノインプリント方法を用いたパターン形成によれば、エッチング処理によりテーパ状にエッチングしてテーパ形状を作製するよりも容易にテーパ形状を形成することができる。ただし、ナノインプリント方法を用いずにエッチングによってテーパ形状を作製するようにしてもよい。

（ナノインプリント工程の変形例）
さらに、ナノインプリント工程の変形例について、図４を参照しながら説明する。本変形例では、専用ピンを利用してモールド１００を剥離する技術が新たに加えられている。本変形例では、（ａ）圧着工程、（ｂ）転写工程、（ｃ）離型工程、（ｄ）ピン退避工程、を一連の工程として下部クラッド層２０へのパターン転写を実行する。

（ａ）圧着工程
まず、圧着工程が実行される。圧着工程は、ナノインプリント工程の基本例と同じであるため説明を省略する。本工程で、モールド１００の傾斜パターンが、下部クラッド層２０に形成される。

（ｂ）転写工程
次に、転写工程が実行される。転写工程では、ナノインプリント工程の基本例と同様にＵＶ光源４５から紫外線を照射し、基板１０上の下部クラッド層２０を硬化させる。

（ｃ）離型工程
次に、離型工程（剥離工程）が実行される。離型工程では、転写工程で硬化した下部クラッド層２０からモールド１００を剥離する。本変形例では、離型工程は、モールド１００を下部クラッド層２０の圧着方向（ここではモールド降下方向）と反対方向に引き離す動作（引離し工程）に加え、下部クラッド層２０をモールド１００の圧着方向と同方向に押し付ける動作（押付け工程）が行われる。

基本例の引離し工程では、前述の通りモールド１００を下部クラッド層２０の圧着方向と反対方向に上昇させることによりモールド１００を下部クラッド層２０から剥がす。しかしながら、この動作だけでは、モールド１００を上昇させる際、モールド１００が簡単には剥がれない。これが、ナノインプリント方法によるパターン形成の処理速度を遅くする主な要因となっていた。

そこで、本実施形態に係るナノインプリント方法では、引離し工程とともに押付け工程が設けられている。これは、複数のピン５０をモールド１００に設けられた貫通穴１００ａに通して下部クラッド層２０に押し当てることにより実行される。

ピン５０を降下させるタイミングは、下部クラッド層２０が硬化した後でもよく、ＵＶ光を照射中でもよい。ただし、ピン５０を下部クラッド層２０に当接させるタイミングは、下部クラッド層２０が硬化した後でなければならない。このように、引離し工程と押付け工程とは、下部クラッド層２０が硬化した後に連動して行われる。引離し工程と押付け工程とはほぼ同時に行われるようにしてもよい。

（ｄ）ピン退避工程
最後に、ピン退避工程ではモールド１００が下部クラッド層２０から完全に剥離したら、モールド１００の上方までピン５０を上昇させ、モールド１００の移動時にピン５０が邪魔にならないようにピン５０を退避させる。

以上に説明したように、本実施形態に係るナノインプリント方法を用いたパターン形成によれば、ピン５０により下部クラッド層２０を圧着方向と同方向に押し付けながら、モールド１００を下部クラッド層２０の圧着方向と反対方向に引き離す。これにより、下部クラッド層２０とモールド１００とを確実かつ迅速に剥離させることができ、スループットを向上させることができる。

（変形例に係る光導波路）
以上に説明した光導波路２００の変形例を図５に示す。本変形例に係る光導波路２００は、下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０に隣接して中間層として誘電体分離層６０が形成されている点が上記実施形態に係る光導波路２００の構成と異なる。なお、誘電体分離層５０は、誘電体に限られず、導体等どんな素材を用いても構わない。

これによれば、第１の光導波路と第３の光導波路との段差が大きい場合にも、三次元の光導波路２００を作製することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 基板
２０ 下部クラッド層
３０ コア層
４０ 上部クラッド層
４５ ＵＶ光源
５０ ピン
６０ 誘電体分離層
１００ モールド
１００ａ 貫通穴
２００ 光導波管

Claims (8)

1. 基板上に形成される光導波路であって、
   基板に対して水平方向に光路が形成された第１の光導波路と、
   前記第１の光導波路と連通し、前記基板に対して斜め方向に光路が形成された第２の光導波路と、
   前記第２の光導波路と連通し、前記第１の光導波路と段違いであって前記基板に対して水平方向に光路が形成された第３の光導波路と、
   を備えることを特徴とする光導波路。
2. 前記第１〜第３の光導波路のそれぞれは、
   光を反射させる反射層としてのクラッド層と前記光路となるコア層とを含み、
   前記第２の光導波路は、前記第１の光導波路を伝送した光を前記第２の光導波路のクラッド層にて反射させながら前記第３の光導波路に伝送させることにより第３の光導波路に伝えることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記コア層を形成する素材の屈折率ｎ_１は、前記クラッド層を形成する素材の屈折率ｎ_２より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路。
4. 前記第２の光導波路の斜めの角度は、前記コア層の屈折率ｎ_１と前記クラッド層の屈折率ｎ_２との比に応じて定められる請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路。
5. 基板上に形成された請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路と、
   前記光導波路に信号光を放出する発光素子と、
   前記光導波路を伝送する信号光を検出する受光素子と、
   を備える光集積回路。
6. 屈折率ｎ_２のクラッド層を成膜する第１の成膜工程と、
   斜めのパターンが形成された成形材を前記第１の成膜工程にて成膜されたクラッド層に圧着させることにより、前記成形材の斜めのパターンを前記クラッド層に転写する第１のインプリント工程と、
   前記第１のインプリント工程後、屈折率ｎ_１のコア層を成膜する第２の成膜工程と、
   斜めのパターンが形成された成形材を前記第２の成膜工程にて成膜されたコア層に圧着させることにより、前記成形材の斜めのパターンを前記コア層に転写する第２のインプリント工程と、
   前記第２のインプリント工程後、屈折率ｎ_２のクラッド層を成膜する第３の成膜工程と、を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。
7. 前記第１のインプリント工程及び前記第２のインプリント工程は、
   前記斜めのパターンが形成された成形材を被成形材に圧着させることにより、前記成形材の斜めパターンを前記被成形材に形成する圧着工程と、
   加熱または光の照射により前記被成形材を硬化させることにより、前記成形材の反転パターンを前記被成形材に転写する転写工程と、
   前記転写工程により前記被成形材が硬化した後、前記被成形材から前記成形材を剥離させる離型工程と、を含む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. 前記離型工程は、
   前記成形材を前記被成形材の圧着方向と反対方向に引き離す引離し工程と、
   前記被成形材を前記成形材の圧着方向と同方向に押し付ける押付け工程と、
   を含む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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