JP2715995B2

JP2715995B2 - 光結合装置の製造方法

Info

Publication number: JP2715995B2
Application number: JP14003995A
Authority: JP
Inventors: 直樹北村; 裕西本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-05-15
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1998-02-18
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: JPH08313757A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバと光導波路の
結合装置に関し、特に高精度の結合位置合わせを可能に
した光結合装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信、光交換システムを構築する際
に、その基本構成要素として光変調器、光合分波器、光
スイッチ等が用いられるが、これらの構成要素は一般に
光導波路デバイスで構成されるため、光導波路と光ファ
イバとを結合するための光結合装置が必要とされる。特
に、近年では、加入者網の光システム化に向けての研究
が進み、さらに光デバイスの基板上への集積化が研究さ
れるにつれ、この種の光結合装置の重要性がますます増
大されている。

【０００３】従来の光結合装置は、光学治具を用いて光
の結合損失が最も小さくなるように光導波路と光ファイ
バとの位置調整を行い、最適位置において光学接着剤等
で両者を固定する装置構造となっていた。この構造で
は、（１）最適位置調整に時間がかかる、（２）一括し
て処理できないため量産性に適さない、（３）外力等に
よる信頼性の低下が生じる、等の問題がある。

【０００４】この問題を改善する光結合装置として、断
面がＶ字状をした溝（以下、Ｖ溝と称する）を利用した
ものが提案されている。例えば、特開平３−１１１２号
公報には、図６に概略図示するように、基板１１の一部
にＶ溝１２を形成し、このＶ溝に光ファイバ１３の結合
端部を収納支持させる。また、このＶ溝１２に隣接した
基板１１上に光導波路１４を形成しておき、Ｖ溝１２に
収納支持された光ファイバ１３の結合端部に光導波路１
４を対向位置させることで、両者を光結合する構成とさ
れている。

【０００５】このようなＶ溝を利用した光結合装置を製
造する技術として、Ｖ溝を形成する基板として結晶基板
を用い、その面方位（１００）面を異方性エッチングに
より除去して面方位（１１１）面からなるＶ溝を形成す
る技術が検討されている。図７はその技術を示す図であ
り、先ず図７（ａ）のように、シリコン基板２１の表面
の一部に予めＶ字状溝を形成するためのマスクパターン
２２を形成した後、図７（ｂ）のようにこの上にクラッ
ド層２４、コア層２５、クラッド層２６を積層して光導
波路２７を形成する。そして、図７（ｃ）のように、前
記マスクパターン２２上の光導波路２７をエッチングし
て光導波路端面を形成した後、更にエッチングを進行さ
せることで、図７（ｄ）のように前記マスクパターン２
２によりシリコン基板２１の表面を選択エッチングし、
Ｖ溝２８を形成する。

【０００６】この製造技術では、（１）マスクパターン
の位置合わせが通常のフォトリソグラフィ工程で行われ
るため、高い位置精度を得ることができ、（２）一括処
理が可能であり、かつ光軸調整が不要であるために量産
性に適し、（３）異方性エッチングによりＶ溝を形成す
るために、Ｖ溝の角度が正確でありまた面精度がよく、
光ファイバの位置決め精度に高いものが得られる、等の
効果が得られる。さらに、図８に示すように、Ｖ溝２８
を構成する（１１１）面を不連続にすることにより、結
晶基板の方位とマスクパターンの角度ずれによる位置ず
れ量を低減することができ、光ファイバと光導波路の高
効率結合が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような光結合装置
では、Ｖ溝２８は結晶基板２１の（１００）面と（１１
１）面のエッチングの速度比により形成されるが、（１
１１）面のエッチング速度が無視できない程度に存在す
る場合、（１１１）面のエッチングによりＶ溝の幅が設
計値よりも広がることになる。これにより、光ファイバ
を設置する際に光ファイバの沈み込みが起こり、光ファ
イバの位置精度に悪影響を与えることになる。そこで、
光ファイバを設置する際の障害にならない程度にＶ溝の
底面を平坦化した構成が提案されている。すなわち、異
方性エッチング処理工程をＶ溝の底面が平坦な状態で停
止することで、（１１１）面のエッチングによるＶ溝の
幅の広がりを抑制することができ、光ファイバの位置精
度を高精度に保持することが可能となる。

【０００８】さらに、前記したＶ溝の不連続化において
は、不連続パターンのコーナ部分が過度にエッチングさ
れるため、Ｖ溝を装着する不連続な（１１１）面が侵食
されるため、異方性エッチングをなるべく早く終わらせ
た方が好ましい。このことから高効率で光ファイバと光
導波路の結合を行うためには、Ｖ溝の不連続化と異方性
エッチングを光ファイバを設置し得るだけの深さに抑え
ることが必要である。

【０００９】しかしながら、このようにＶ溝の深さを抑
えて底面を平坦化した構成では、図９（ａ），（ｂ）に
平面図と正面図を示すように、異方性エッチングの終了
時に、Ｖ溝２８の底面に残った（１００）面上にマイク
ロピラミッドと称される微小な突起物２９が残存される
ことが多い。この原因としては結晶基板２１の表面の微
小な傷や汚れ等によってエッチングの異方性に乱れが生
じ、特に（１１１）面方向のエッチングの進行が抑制さ
れ、（１００）面のエッチングが支配的になるためであ
ると考えられる。この突起物２９の大きさは、数ミクロ
ンから数十ミクロンまで様々であり、このような大きさ
の突起物がＶ溝２８内に存在していると、図６に示した
ように光ファイバがＶ溝内に正確に設置することができ
ないことがあり、光ファイバの位置精度が低下され、高
効率の光結合が困難になるという問題が生じる。

【００１０】

【発明の目的】本発明の目的は、Ｖ溝における突起の発
生を防止し、光ファイバの位置精度を高めて高効率の光
結合を可能にした光結合装置の製造方法を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は、結
晶基板に光ファイバを設置するためのＶ字状溝を形成す
るに際し、Ｖ字状溝の領域を開口したＶ溝マスクパター
ンと、このＶ溝マスクパターンの開口内に配置された突
起物防止用マスクパターンとを結晶基板の表面に形成
し、これらのマスクパターンを用いて結晶基板を異方性
エッチングすることを特徴とする。

【００１２】特に、本発明においては、結晶基板は表面
の面方位が（１００）面とされ、異方性エッチングは面
方位（ｎｎ１）面〔ｎ＝２，３，４〕のエッチング速度
が（１００）面のエッチング速度よりも大きくなる条件
で行うことが好ましい。

【００１３】また、突起物防止用マスクパターンは、複
数の微小な矩形のパターン形状として形成され、かつ前
記Ｖ溝マスクパターンの開口の幅方向の中心位置に並ん
で配列される。この場合、突起物防止用マスクパターン
は、複数の微小な菱形をしたパターン形状として形成さ
れることが好ましい。あるいは、突起物防止用マスクパ
ターンは、複数の微小な矩形または円形のパターン形状
として形成され、かつ前記Ｖ溝マスクパターンの開口内
に枡目状に配列される。

【００１４】

【作用】Ｖ溝を形成するマスクパターンの開口内に突起
物防止用マスクパターンを形成しておき、これらるマス
クパターンを用いて基板を異方性エッチングしてＶ溝を
形成することにより、基板の（１００）面をできるだけ
露出させることなくエッチングを進行させ、突起物の出
現を抑制する。すなわち、エッチング液を選択すること
により、基板の面方位による異方性エッチングのエッチ
ング速度は、（ｎｎ１）＞（１００）＞（１１１）〔ｎ
＝２，３，４〕の関係があるが、突起物防止用マスクパ
ターンを形成した領域では（１００）面のエッチングが
抑制されるため、（ｎｎ１）面と（１１１）面の異方性
エッチングが支配的となり、Ｖ溝のエッチングが進行さ
れる。

【００１５】そして、このエッチングが進行されてエッ
チング領域が突起物防止用マスクの下側にまで回り込む
と、突起物防止用マスクパターンが基板表面から脱落さ
れるが、その際には基板の（１００）面は存在しない状
態とされるため、（１００）面のエッチングによる突起
物の出現が防止される。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１ないし図４は本発明の製造方法を工程順に示
す図である。先ず、図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に平面
図、正面図、側面図を示すように、シリコン基板１の
（１００）面の一部にＶ溝を形成するためのＶ溝マスク
パターン２と、形成するＶ溝の領域に配置される突起物
防止用マスクパターン３とを形成する。これらのマスク
パターン２，３はシリコン基板１とはエッチングの選択
性のある材料を、例えばパターン印刷法等により形成し
ており、Ｖ溝マスクパターン２はＶ溝を形成する領域を
帯状に開口したパターン形状とされ、突起物防止用マス
クパターン３はこのＶ溝マスクパターン２の開口の中心
位置に沿って配列された複数の微小な矩形パターン形状
とされる。

【００１７】そして、シリコン基板１の表面上にクラッ
ド層４、細幅のコア層５、クラッド層６を積層形成し、
光導波路７を形成する。そして、この光導波路７を図示
を省略したマスクを利用してこれから形成するＶ溝の領
域において前記各マスクパターン２，３に達するまで異
方性エッチングし、光導波路端面を形成する。

【００１８】次いで、図２（ａ），（ｂ）に平面図と正
面図を示すように、さらに異方性エッチングを進行する
ことで、Ｖ溝マスクパターン２の開口された領域におい
てシリコン基板１のエッチングが開始される。このと
き、Ｖ溝の形成領域には突起物防止用マスクパターン３
が存在するために、この部分ではシリコン基板１の表面
側から、すなわち（１００）面のエッチングは行われな
い。したがって、Ｖ溝マスクパターン２と突起物防止用
マスクパターン３以外の領域では（１００）面、（１１
１）面、（ｎｎ１）面のエッチングが進行され、シリコ
ン基板の表面に側面が傾斜されたＶ溝８が形成されてゆ
く。

【００１９】そして、図３（ａ），（ｂ）に平面図と正
面図を示すように、エッチングされた領域が突起物防止
用マスクパターン３の下側にまで回り込むと突起物防止
用マスクパターン３は支持を失ってシリコン基板１から
脱落される。このため、この突起物防止用マスクパター
ン３が存在していた領域の基板１表面が露呈されること
になるが、この時点では既に基板の（１００）面が存在
されないため、（１００）面のエッチングが進行される
ことはない。この結果、図４（ａ），（ｂ）に平面図と
正面図を示すように、Ｖ溝マスクパターン３の縁部にそ
ってＶ溝８が形成され、かつＶ溝８の底面が平坦状態と
されても底面に突起物が残存されることはない。

【００２０】したがって、このＶ溝８内に図６に示した
ように光ファイバを設置した場合でも、突起物が光ファ
イバと干渉されることはなく、光ファイバの位置精度が
高められる。このため、光ファイバのコアは光導波路７
のコア層５に正対位置され、両者間での高効率の光結合
が可能とされる。

【００２１】なお、前記した実施例において光導波路と
しては、Ｐ，Ｇｅ，Ｂ，Ｔｉ等をドープした石英系の材
料が用いられ、ＣＶＤ法、ＥＢ蒸着法、スパッタリング
法、火炎堆積法等が用いられる。また、基板としてＩｎ
Ｐ基板やＧａＡｓ基板を用いた場合にはＩｎＧａＡｓ
Ｐ，ＡｌＧａＡｓ等の半導体系の材料を利用することが
できる。また、異方性エッチング液としては、シリコン
基板の場合にはＫＯＨ，ＫＯＨ＋アルコール，エチレン
ジアミン＋ピロカテコール等の溶剤が用いられる。

【００２２】また、Ｖ溝マスクパターンや突起物防止用
マスクパターンには、前記エッチング液に対して基板結
晶の（１００）面よりエッチング速度の遅い材料が選ば
れ、主に金属膜や誘電体膜、特にシリコン基板の場合に
はシリコンの熱酸化膜を用いることができる。この場
合、これらのマスクパターンは光導波路を形成する前に
基板表面に形成されるため、光導波路を形成する際に光
導波路材料と反応せず、かつ耐熱性のある材料が好まし
い。

【００２３】ここで、突起物防止用マスクパターンとし
ては、図５（ａ）のパターン３Ａのように、形成するＶ
溝の幅寸法に対応して幅方向に長い長方形のパターン形
状とし、或いは図５（ｂ），（ｃ）の各パターン３Ｂ，
３Ｃのように、微小な正方形または円形のパターンを枡
目状に配列したパターン形状としてもよい。また、図５
（ｄ）のパターン３Ｄのように、（ｎｎ１）面のエッチ
ングがさらに進行され易いように菱形のパターン形状と
してもよい。

【００２４】なお、前記実施例は１対の光ファイバと光
導波路とを結合する構成を示しているが、複数対の光フ
ァイバと光導波路を結合するための光結合装置として構
成する場合にも本発明を適用することが可能であり、１
つの基板に前記したＶ溝及び光導波路の対を複数個同時
に形成することで、量産性に優れた光結合装置の製造が
可能となる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、Ｖ溝の領
域を開口したＶ溝マスクパターンと、このＶ溝マスクパ
ターンの開口内に配置された突起物防止用マスクパター
ンとを結晶基板の表面に形成し、これらのマスクパター
ンを用いて結晶基板を異方性エッチングするため、突起
物が発生し易い基板の表面をできるだけ露出させること
なくエッチングを進行させることができ、突起物の出現
を抑制することができる。

【００２６】特に、結晶基板の表面の面方位を（１０
０）面としたときに、異方性エッチングは面方位（ｎｎ
１）面〔ｎ＝２，３，４〕のエッチング速度が（１０
０）面のエッチング速度よりも大きくなる条件で行え
ば、突起物防止用マスクパターンを形成した領域では
（１００）面のエッチングが抑制されて（ｎｎ１）面と
（１１１）面の異方性エッチングが支配的となり、Ｖ溝
のエッチングが進行され、かつ突起物の出現が防止され
る。

【００２７】また、突起物防止用マスクパターンとし
て、複数の微小な矩形或いは菱形のパターンをＶ溝マス
クパターンの開口の幅方向の中心位置に並んで配列し、
あるいは、複数の微小な矩形または円形のパターンを開
口内に枡目状に配列することで、（ｎｎ１）面のエッチ
ングを進行させ、突起物の発生を効果的に防止すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法の第１工程を示す平面図、正
面図、側面図である。

【図２】本発明の製造方法の第２工程を示す平面図、正
面図である。

【図３】本発明の製造方法の第３工程を示す平面図、正
面図である。

【図４】本発明の製造方法の第４工程を示す平面図、正
面図である。

【図５】本発明に用いるマスクパターンの他の例を示す
平面図である。

【図６】本発明が適用されるＶ溝を備える光結合装置の
一例を示す斜視図である。

【図７】従来の製造方法を説明するための工程図であ
る。

【図８】従来の他の光結合装置の一例を示す斜視図であ
る。

【図９】従来装置における問題点を説明するための平面
図、正面図である。

【符号の説明】

１結晶基板２Ｖ溝マクスパターン３（３Ａ〜３Ｄ）突起物防止用マスクパターン７光導波路８Ｖ溝

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶基板の表面上に光導波路を有し、か
つ前記結晶基板の表面に断面がＶ字状をした溝を有し、
このＶ字状の溝に光ファイバを設置して前記光導波路と
の光結合を行うようにした光結合装置において、前記結
晶基板にＶ字状溝を形成するに際し、前記Ｖ字状溝の領
域を開口したＶ溝マスクパターンと、このＶ溝マスクパ
ターンの開口内に配置された突起物防止用マスクパター
ンとを前記結晶基板の表面に形成し、これらのマスクパ
ターンを用いて前記結晶基板を異方性エッチングするこ
とを特徴とする光結合装置の製造方法。
【請求項２】結晶基板は表面の面方位が（１００）面
とされ、異方性エッチングは面方位（ｎｎ１）面〔ｎ＝
２，３，４〕のエッチング速度が（１００）面のエッチ
ング速度よりも大きくなる条件で行う請求項１の光結合
装置の製造方法。
【請求項３】突起物防止用マスクパターンは、複数の
微小な矩形のパターン形状として形成され、かつ前記Ｖ
溝マスクパターンの開口の幅方向の中心位置に並んで配
列される請求項１または２の光結合装置の製造方法。
【請求項４】突起物防止用マスクパターンは、複数の
微小な菱形をしたパターン形状として形成される請求項
３の光結合装置の製造方法。
【請求項５】突起物防止用マスクパターンは、複数の
微小な矩形または円形のパターン形状として形成され、
かつ前記Ｖ溝マスクパターンの開口内に枡目状に配列さ
れる請求項１または２の光結合装置の製造方法。