JP2875895B2 - 石英系光導波路のドライエッチング方法 - Google Patents

石英系光導波路のドライエッチング方法

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敏和 鴨志田
誠一 樫村
克之 井本
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は石英系光導波路のドライ
エッチング方法に係り、特に均一なエッチング形状が得
られる石英系光導波路のドライエッチング方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】Si或いは石英基板上に石英系光導波路
を形成し、光合分波器,方向性結合器,3dB光カプ
ラ,光フィルタ等の光回路を平面的に構成するいわゆる
光集積回路の研究が活発化している。光回路を構成する
際、石英系の単一モ−ド光ファイバとの整合性をよくす
るため、通常、光の伝搬するコアの厚み及び幅は10μ
m前後の値に設計される。
【0003】図6に石英系光導波路の製造工程を示す。
【0004】工程1 基板1上に低屈折率層(バッファ
層)2を形成したのち、その上に厚さ約10μmのコア
用ガラス膜3を形成する(図6(a))。
【0005】工程2 コア用ガラス膜3上にメタル(W
Si)膜4を形成する(図6(b))。
【0006】工程3 メタル膜4上にホトレジストを塗
布し、ホトリソグラフィによりホトレジスト膜5のパタ
−ニングを行う(図6(c))。
【0007】工程4 ホトレジスト膜5をマスクにして
ドライエッチングプロセスによりメタル膜4のパタ−ニ
ング(幅約10μm)を行ったのち、さらにホトレジス
ト膜5とメタル膜4とをマスクにしてドライエッチング
プロセスによりコア用ガラス膜3のパタ−ニングを行う
(図6(d))。
【0008】工程5 ホトレジスト膜5及びメタル膜4
を除去してコア6を形成する(図6(e))。
【0009】工程6 コア6を埋め込むようにして低屈
折率のクラッド層7を形成する(図6(f))。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが、図6に示し
た製造方法により、図7に示すように2つのコア6a,
6bが数mmの長さ にわたって2μm程度の間隔dを
保って平行に配置された構造の方向性結合器型光合分波
器8を実現しようとすると、ドライエッチング処理の結
果コア6a,6bに幅減りが発生することが判った。例
えば、ホトレジスト膜5及びメタル膜4のパタ−ンをマ
スクにして、厚さ約10μmのコア用ガラス膜3をドラ
イエッチングプロセスにより加工して断面矩形状のコア
6a,6bを得ようとすると、コア6a,6bの厚さ方
向中央部に1.0〜2.0μmの範囲で幅減りが生じ
た。
【0011】図8に、従来技術を用いて形成されたドラ
イエッチング後であってマスク用メタル膜除去前のコア
のSEM写真を示す。コア上面の幅に対してコアの高さ
方向の中央部で約2μmの幅減りが生じていることがわ
かる。この幅減りは、ドライエッチング時のサイドエッ
チングによるものであり、コア厚みが10μmと厚い場
合にはどうしても避けられない現象であった。このサイ
ドエッチングによるコアの幅減りは、光合分波器の中心
波長ずれや阻止域でのアイソレ−ションの低下を招くと
いう問題につながる。
【0012】本発明は上記課題を解消すべく創案された
ものであり、その目的はサイドエッチングを防止し均一
なエッチング形状が得られ、増幅利得を大幅に向上させ
ることができると共に偏波依存性の少ない石英系光導波
路のドライエッチング方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の石英系光導波路のドライエッチング方法は、基
板上に低屈折率層を介してコア用ガラス膜を形成した
後、コア用ガラス膜の上にメタル膜をパターン形成し、
メタル膜をマスクにして上記コア用ガラス膜をふっ素系
ガスでドライエッチングして断面矩形状のコアを形成す
る方法において、上記コア用ガラス膜にはそのふっ素化
合物の蒸気圧が被添加元素のふっ素化合物の蒸気圧より
蒸気圧である希土類元素が少なくとも一種類添加さ
れており、上記コア用ガラス膜に添加される上記希土類
元素は、そのコア用ガラス膜の厚み方向に所定の間隔を
隔てて層状に添加されるものである
【0014】
【作用】エッチングガスとして例えばCHF3 を用いた
場合、CHF3 はプラズマ電界中で遊離原子であるF*
(ふっ素ラジカル)に分解され、これがコア用ガラス膜
表面のSi(被添加元素)と化学反応を起こしSi+4
F*→SiF4 となる。この反応生成物であるSiF4
の沸点は−86℃(1気圧以下)と低く高蒸気圧のため
コア用ガラス膜の表面から脱離し、エッチングが進行す
る。この際、コア用ガラス膜中に添加された例えばNd
は同様に化学反応を起こし、Nd+3F*→NdF3
なるが、この反応生成物の沸点は2300℃(1気圧以
下)と高く低蒸気圧のため、容易に離脱せずコアガラス
側面に付着する。これにより、垂直方向のエッチングの
際の側面のエッチングがNdF3 の保護膜により防止さ
れ、サイドエッチングの少ないドライエッチングができ
るようになる。
【0015】希土類元素の添加濃度1000ppm以
とするのが好ましい。この理由は、コア用ガラス膜中
に添加される希土類元素の濃度がこれ以上高くなるとド
ライエッチングプロセスによるエッチングがしにくくな
り、逆にパターン側面の表面荒れを伴うからである。
【0016】また、希土類元素を層状に分散させて配置
し、コア内の励起強度の高い部分に集中的に添加すれ
ば、増幅利得を大幅に向上させることができると共に、
この導波路で各種光回路を構成した際に、偏波依存性の
少ない光回路を得ることができるようになる。
【0017】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【0018】図1に、本発明に係るドライエッチング方
法を用いた石英系光導波路の製造方法の工程図を示す。
【0019】工程1 石英系ガラス基板1上に低屈折率
層(バッファ層)2を形成したのち、その上に第1のコ
ア用ガラス膜9を形成する(図1(a))。
【0020】工程2 第1のコア用ガラス膜9上にこれ
とほぼ同じ厚さの第2のコア用ガラス膜10を形成する
(図1(b))。第2のコア用ガラス膜10は、そのふ
っ素化合物の蒸気圧が被添加元素(Si)のふっ素化合
物(SiF4)の蒸気圧よりも低蒸気圧である希土類元
素が添加されている層(以下、単に添加層ともいう)1
1とこれが添加されていない層(以下、単に無添加層と
もいう)12とが交互に積層されて形成される。添加層
11は5層、無添加層12は4層とした。添加元素とし
てErを用い、その各添加層11における添加濃度は4
00ppmとした。
【0021】工程3 第2のコア用ガラス膜10上にメ
タル(WSi)膜4を形成する(図1(c))。
【0022】工程4 メタル膜4上にホトレジストを塗
布し、ホトリソグラフィによりホトレジスト膜5のパタ
−ニングを行う(図1(d))。
【0023】工程5 ホトレジスト膜5をマスクにして
ドライエッチングプロセスによりメタル膜4のパタ−ニ
ング(幅約10μm)を行ったのち、さらにホトレジス
ト膜5とメタル膜4とをマスクにしてドライエッチング
プロセスによりコア用ガラス膜13のパタ−ニングを行
う(図1(e))。ドライエッチングは、CHF3 :2
0cc/min、圧力:0.05Torr、RFパワ
−:300Wで行った。
【0024】工程6 ホトレジスト膜5及びメタル膜4
を除去する(図1(f))。断面矩形状のコア13が形
成される。
【0025】図2は、上述の方法により形成されたコア
の表面構造を示すSEM写真である。上記希土類元素が
添加されていない部分(コアの厚さ方向中央より下側の
部分)にはサイドエッチングが現れているが、上記希土
類元素が添加されている部分(コアの厚さ方向中央より
上側の部分)はサイドエッチングが少なく垂直性良くド
ライエッチングされていることがわかる。ふっ素化合物
の蒸気圧が被添加元素(Si)のふっ素化合物(SiF
4 )の蒸気圧よりも低蒸気圧である希土類元素として
は、Erの他にNd,Yb,Sm等がある。エッチング
ガスとしては、CHF3 以外に、C2 6 とCHF3
混合ガス、CHF3 に塩素系ガスを混合したガス等を用
いることができる。さらに、コア内には屈折率制御用添
加物としてTi,Ge,A ,P,B,Sn等が少なく
とも1種類添加されてもよい。コアのサイドエッチング
を少なくすることができるので、例えば、光合分波器,
光フィルタ,3dB光カプラ等を構成した場合の中心波
長ずれ、アイソレ−ション特性及び結合比の劣化等を抑
制することができる。
【0026】図3は、コア13内に上記希土類元素が層
状に添加されている石英系光導波路構造を示すものであ
る。この石英系光導波路は、図1に示す製造方法とほぼ
同様の方法により製造される。すなわち、図1(a),
(b)のコア用ガラス膜形成工程においてコア用ガラス
膜の厚み方向全体にに所定の間隔を隔てて上記希土類元
素が層状に添加される。この例の場合、希土類元素が添
加されている層11が9層形成されている。このように
希土類元素を層状に分散させて配置し、コア13内の励
起強度の高い部分に集中的に添加すれば、増幅利得を大
幅に向上させることができると共に、この導波路で各種
光回路を構成した際に、偏波依存性の少ない光回路を得
ることができるようになる。
【0027】以上の実施例の他に、上記希土類元素をコ
ア用ガラス膜内に均一に1000ppm以下に添加した
場合もサイドエッチングが少ない垂直性のよいドライエ
ッチングができることが確かめられている。
【0028】図4は、上記希土類元素をコア用ガラス膜
内に均一に100ppm添加した場合の実施例を示すS
EM写真である。コア用ガラス膜はサイドエッチングが
少なく、垂直性よくドライエッチングされていることが
判る。また、ドライエッチングにより形成されたコアの
側面の表面荒れも少ない。
【0029】比較例として、上記希土類元素をコア用ガ
ラス膜内に1000ppmを超えて均一に添加した場合
のコアの表面構造のSEM写真を図5に示す。同図は、
ドライエッチング処理後のメタル膜除去前の状態を示し
ている。コアの厚さ方向中央より下側の部分には上記希
土類元素は添加されておらず、その上側の部分に上記希
土類元素が均一に1200ppm添加されている。コア
の下側の部分にはサイドエッチングが現れている。上側
の部分はサイドエッチングは少ないが側面に表面荒れが
発生していることが判る。
【0030】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、ドライエ
ッチングプロセスの際のコアのサイドエッチングを防止
し均一なエッチング形状が得られ、増幅利得を大幅に向
上させることができると共に偏波依存性の少ないという
優れた効果が発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るドライエッチング方法を採用した
石英系光導波路の製造方法の一実施例を示す工程図であ
る。
【図2】 図1の方法により形成したコアの表面粒子
造を示す写真である。
【図3】本発明の方法により形成した光導波路の一実施
例を示す断面図である。
【図4】 本発明の方法により形成したコアの表面粒子
構造を示す写真である。
【図5】 本発明の比較例として採用したコアの表面
構造を示す写真である。
【図6】石英系光導波路の製造方法の従来例を示す工程
図である。
【図7】光合分波器を示す図であり、(a)は平面図、
(b)は(a)のB−B線断面図である。
【図8】 従来方法により形成されたコアの表面粒子
造を示す写真である。
【符号の説明】
1 基板 2 低屈折率層 4 メタル膜 9 (第1の)コア用ガラス膜 10 (第2の)コア用ガラス膜 11 希土類元素が添加されている層 13 コア
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鴨志田 敏和 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社電線研究所内 (72)発明者 樫村 誠一 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社電線研究所内 (72)発明者 井本 克之 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社電線研究所内 (56)参考文献 特開 平3−284707(JP,A) 特開 平2−33106(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 6/12 - 6/125 G02B 6/13 G02B 6/132 G02B 6/136

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に低屈折率層を介してコア用ガラ
    ス膜を形成した後、該コア用ガラス膜の上にメタル膜を
    パターン形成し、該メタル膜をマスクにして上記コア用
    ガラス膜をふっ素系ガスでドライエッチングして断面矩
    形状のコアを形成する方法において、上記コア用ガラス
    膜にはそのふっ素化合物の蒸気圧が被添加元素のふっ素
    化合物の蒸気圧よりも蒸気圧である少なくとも一種類
    の希土類元素が添加されており、上記コア用ガラス膜に
    添加される上記希土類元素が該コア用ガラス膜の厚み方
    向に所定の間隔を隔てて層状に添加されていることを特
    徴とするコア用ガラス膜のドライエッチング方法。
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