JP3794472B2

JP3794472B2 - 膜厚変化薄膜の製造方法

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Publication number: JP3794472B2
Application number: JP2001190645A
Authority: JP
Inventors: 亮一笠原; 俊海小湊; 久晃岡崎; 隆志才田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2021-06-25
Also published as: JP2003004966A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は膜厚変化薄膜の製造方法及び及びこれを用いた光導波路に関し、特に膜厚が変化するコア、下部クラッド等の薄膜の製造方法及びこの製造方法を用いて作製される膜厚が変化するコア、下部クラッドを有する埋め込み型光導波路に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大容量光ネットワークの実現が強く望まれており、さまざまな通信用光部品の研究開発が盛んに行われている。特に、平面導波路型光部品は、微細加工技術を用いて導波路の寸法や長さを高精度に制御して様々な干渉回路を実現できること、また、半導体レーザやフォトダイオードなどの光能動素子を集積化できることなどの特長から、高機能光部品の実現手段として期待されている。平面導波路型光部品においては、光ファイバや半導体レーザ、フォトダイオードなどの他の光素子と光導波路とを低損失に光結合させるために、光導波路のスポット径を変換する必要がある。また、平面導波路型光部品内に溝を形成して薄膜フィルタなどの薄膜型光素子を挿入する場合には、回折による損失を低減するために、スポット径を拡大することが望ましい。スポット径を低損失に変換するためには、コアの幅と厚さを十分な長さに渡って連続的に変化させる必要がある。また、平面導波路型光部品に溝を形成し、その溝の中に光導波路と光結合するように半導体レーザやフォトダイオードなどの他の光素子を集積するハイブリッド集積光部品においては、下部クラッドの膜厚を調整して、光導波路と集積する光素子の基板表面に対する開口位置を一致させる必要がある。この場合も、光導波路の開口位置を低損失に変換するためには、基板に対して垂直方向の曲げによる損失が発生しないように、下部クラッドの膜厚を十分な長さに渡って連続的に変化させる必要がある。
【０００３】
平面導波路型光部品において、基板に対して水平方向の連続的な寸法変化を与えるには、リソグラフィの工程で用いるマスクに所望の形状を描画すれば容易に実現できる。しかし、基板に垂直方向、即ち、膜厚方向に連続的な寸法変化を与えるのは水平方向と比較して非常に困難である。これまでに、基板上に膜厚が連続的に変化する膜厚変化薄膜を製造する方法として、図１２に示すマスクを用いた方法（特願平１１−２３３８５３）が考案されている。まず、基板１（同図（ａ））上に第一の薄膜２ａを形成する（同図（ｂ））。その上にマスク１０を基板１から浮かせるように設置しながら第二の薄膜２ｂを形成する（同図（ｃ））。この方法では、マスク１０の下方に形成される第二の薄膜２ｂの膜厚分布が、第二の薄膜２ｂのマスク１０の下方への回り込み量に依存する。回り込み量の分布は、マスク１０の下方の奥へ行くほど滑らかに減少するため、膜厚が連続的に変化する膜厚変化薄膜を形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来の製造方法では、薄膜形成装置内でマスク１０を基板１から浮かせた状態で設置するため、基板１とマスク１０を高精度に位置合わせすることが困難であった。したがって、第二の薄膜２ｂの形成位置を、他の回路パターンから少なくとも基板１とマスク１０の位置合わせ精度以上離して配置する必要があり、回路の小型化の制限要因となっていた。また、多水準の膜厚が混在する薄膜を形成する場合には、必要となるマスク１０の種類と薄膜形成工程数が膜厚の水準数とともに増大するため、作製工程が煩雑になるという欠点があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に鑑み、微細加工技術を用いることで、形成される薄膜の膜厚を自在に、且つ高精度に制御でき、更に多水準の膜厚が混在する薄膜を形成する場合でも工程が煩雑にならない膜厚変化薄膜の製造方法を提供することを目的とする。更には、この製造方法を用いて、膜厚が自在に、且つ高精度に制御されたコア、若しくは下部クラッドを有する光導波路を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する膜厚変化薄膜の製造方法の構成は、次の点を特徴とする。
【０００７】
１）基板上に、膜厚が変化する薄膜を形成する製造方法であって、基板上に膜厚Ｔａの第一の薄膜を形成する工程と、この第一の薄膜をＴｃの深さでエッチングして、所定の膜厚分布に合わせて粗密パターンに加工する工程と、膜厚Ｔｂの第二の薄膜を、少なくとも第二の薄膜材料の粘度が低下し、パターン化された第一の薄膜の凹部に入り込むように形成する工程とを含み、前記第一の薄膜と前記第二の薄膜を合わせた膜厚Ｔが所定の膜厚分布となるように、前記粗密パターンの密度Ｄ％（但し、Ｄは単位領域に対する第一の薄膜がエッチングされない領域の密度を表す。）を、Ｔ＝｛（Ｔａ−Ｔｃ）＋（Ｔｃ×Ｄ／１００）＋Ｔｂ｝を満たすように制御すること。
２）上記１）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、前記粗密パターンの密度Ｄ％が、Ｄ＝｛（Ｂ ² ／Ａ ² ）×１００｝％（但し、Ａは単位領域の一辺の長さ、Ｂは第一の薄膜がエッチングされない領域の一辺の長さ。）であること。
【０００８】
上記１）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法では、基板上に形成され、且つ、所定の膜厚分布に合わせた粗密パターンに加工された第一の薄膜の上に第二の薄膜を形成する際に、第二の薄膜材料の粘度が低下するため、パターン化された第一の薄膜の凹部に入り込む。凹部に入り込む量はパターン化された第一の薄膜の粗密の程度によって制御される。第一の薄膜のパターン化は、微細加工技術により、自在に且つ、高精度に制御できるため、膜厚が自在に、且つ高精度に制御された薄膜を形成することができる。更に、パターン化された第一の薄膜の粗密の程度を調整することによって、薄膜の膜厚を連続的に制御できるために、工程数を増やすことなく、多種類の膜厚が混在する膜厚変化薄膜を簡易に提供することができる。ここで、第二の薄膜材料の粘度は、第一の薄膜の凹部に入り込める程度に低下し、且つ、流動して膜厚変化薄膜の膜厚が第一の薄膜の粗密パターンに関係なく一定にならない程度に高い状態とする。
【０００９】
３）上記１）又は２）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、第二の薄膜を形成する工程において、第二の薄膜材料のみならず第一の薄膜材料も粘度が低下するようにしたこと。
【００１０】
上記２）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法では、上記１）に記載した膜厚変化薄膜の製造方法において、特に第二の薄膜を形成する際に第二の薄膜のみならず第一の薄膜も粘度が低下するため、パターン化された第一の薄膜の形状を反映した膜厚分布の揺らぎを低減することができ、極めて滑らかに膜厚が変化する膜厚変化薄膜を形成することができる。
【００１１】
４）基板上に、膜厚が変化する薄膜を形成する製造方法であって、上記１）乃至３）の何れか一つに記載する膜厚変化薄膜の製造方法で膜厚が変化する薄膜を形成する工程と、この工程で形成した膜厚変化薄膜をエッチングする工程を含むこと。
【００１２】
上記３）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法では、特に上記１）又は２）に記載した製造方法を用いて膜厚変化薄膜を形成した後に、膜厚変化薄膜をエッチングすることで、相対的な膜厚変化薄膜を維持したまま膜厚の絶対値を減少することができ、任意の膜厚分布を有する膜厚変化薄膜を形成することができる。
【００１３】
５）上記１）乃至４）の何れか一つに記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、第一の薄膜と第二の薄膜に同一の材料を使用すること。
【００１４】
上記４）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法では、上記１）乃至３）の何れか一つに記載した膜厚変化薄膜の製造方法において、特に第一の薄膜と第二の薄膜が同一の材料からなり、第一の薄膜と第二の薄膜がともに低粘度化して混合されても組成が等しく異常生成物が生じないため、組成の均一性に優れた膜厚変化薄膜を安定に形成することができる。
【００１５】
６）上記１）乃至５）に記載する何れか一つの膜厚変化薄膜の製造方法であって、薄膜材料に、石英を主成分とするガラス材料を使用したこと。
【００１６】
上記５）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法では、上記１）乃至４）の何れか一つに記載した膜厚変化薄膜の製造方法において、特に薄膜材料が石英を主成分とするガラス材料からなるため、透明性、温度安定性に優れた膜厚変化薄膜を形成することができる。
【００１７】
７）上記６）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、石英を主成分とするガラス材料の形成方法に、火炎堆積法を用いたこと。
【００１８】
上記６）に記載する膜厚変化薄膜の製造方法では、上記５）に記載した膜厚変化薄膜の製造方法において、特に石英を主成分とするガラス材料からなる薄膜材料の形成方法に火炎堆積法を用いたので、低粘度化させるのに必要な温度を低下させる効果があるＢやＰといった物質を安定に、且つ容易に添加することができ、より簡便に、且つ低温度で膜厚が変化する薄膜を形成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態では、基板としてシリコンを用いたが、これに限定されるものではなく、薄膜を形成する際に変形しない材質からなるものであれば、石英基板など他の材質からなる基板を使用することができる。また、薄膜材料として、石英を主成分とするガラス材料を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば他の無機誘電体材料や有機誘電体材料などのあらゆる材料を薄膜材料として使用することができる。さらに、薄膜形成方法としては、火炎堆積法を用いたが、これに限定されるものではなく、薄膜形成時に薄膜材料が低粘度化する方法であれば、例えばスパッタ法やＣＶＤ法などの気相堆積法で堆積し、その後に高温炉内で溶解させる方法などの他の薄膜形成方法も使用することができる。また、第一の薄膜のパターン化の形状を、図３（ｂ）に示す形状としたが、これに限定されるものではなく、図１１（ａ）から図１１（ｆ）に示す形状を始めとするドットパターンやストライプパターンや格子パターンなどのあらゆる形状を用いることができる。
【００２５】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る膜厚変化薄膜を図２に示す。同図は斜視図である。本実施の形態は、本発明の膜厚変化薄膜の製造方法を用いて、シリコン基板１上に、Ｙ方向には膜厚が一定で、Ｘ方向に連続的に膜厚が変化するガラス膜２を形成した一例である。なお、本実施の形態では、第一のガラス膜２ａと第二のガラス膜２ｂを同一の組成とし、第二のガラス膜２ｂを形成する工程において、第二のガラス膜２ｂのみならず、第一のガラス膜２ａも低粘度化するようにした。
【００２６】
本実施の形態は、図１に示した膜厚変化薄膜の製造方法を使用して作製した。まず、シリコン基板１（同図（ａ））上に第一のガラス膜２ａを火炎堆積法で形成した（同図（ｂ））。次に、フォトリソグラフィ技術と反応性ドライエッチング技術を用いて、第一のガラス膜２ａをパターン化し（同図（ｃ））、その上に第二のガラス膜２ｂを火炎堆積法で形成した（同図（ｄ））。
【００２７】
本実施の形態において、ガラス膜２の膜厚設計値は、ａ−ｂ間で１４μｍ、ｃ−ｄ間で１０μｍ、ｅ−ｆ間で７μｍ、ｇ−ｈ間で１２μｍ、ｉ−ｊ間で８μｍとし、ｂ−ｃ間、ｄ−ｅ間、ｆ−ｇ間、ｈ−ｉ間の領域では、両隣の領域の膜厚を連続的に変換することとした。また、各領域の長さは、ａ−ｂ、ｃ−ｄ、ｅ−ｆ、ｇ−ｈ、ｉ−ｊ間を４００μｍ、ｂ−ｃ、ｆ−ｇ間を３００μｍ、ｄ−ｃ間を２００μｍ、ｈ−ｉ間を５００μｍとした。本実施の形態では、第一のガラス膜２ａの膜厚Ｔ_2a、及び第二のガラス膜２ｂの膜厚Ｔ_2bをともに７μｍにし、第一のガラス膜２ａのパターン化を行う際のエッチング深さＴ_c1を７μｍとした。上記の膜厚分布を得るために、第一のガラス膜２ａを図３（ａ）と図３（ｂ）に示す形状にパターン化した。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中の実線枠Ｉ内の拡大図である。本実施の形態では、図３（ｂ）に示されるように、破線で示した正方形の単位領域において、その中心に配置された正方形の領域を除く領域のみをエッチングした。本実施の形態では、単位領域の一辺（図３（ｂ）中のＡ）を５０μｍとし、単位領域に対する第一のガラス膜２ａがエッチングされない領域の密度Ｄの分布を図３（ｃ）のように設定した。
【００２８】
以下、第一のガラス膜２ａのパターン化によるガラス膜２の膜厚制御原理について詳細に述べる。図３（ｂ）において、単位領域の一辺をＡμｍ、第一のガラス膜２ａがエッチングされない領域の一辺をＢμｍとすると、密度Ｄは、Ｄ＝｛（Ｂ²／Ａ²）×１００｝％で表される。膜厚がＴ_2aμｍの第一のガラス膜２ａを密度Ｄ％の形状に、Ｔ_c1μｍの深さでエッチングし、その上に膜厚がＴ_2bμｍの第二のガラス膜２ｂを形成した場合、ガラス膜２の膜厚Ｔは、Ｔ＝｛（Ｔ_2a−Ｔ_c1）＋（Ｔ_c1×Ｄ／１００）＋Ｔ_2b｝μｍとなる。密度Ｄを０〜１００％の範囲で変化させると、ガラス膜２の膜厚をＴ＝（Ｔ_2a−Ｔ_c1＋Ｔ_2b）〜（Ｔ_2a＋Ｔ_2b）μｍの範囲で変化させることができる。したがって、本実施の形態の場合には、ガラス膜２の膜厚Ｔを７〜１４μｍの範囲で連続的に変化させることができる。
【００２９】
作製したガラス膜２のａ−ｊ間での膜厚分布を図４（ａ）に、ｃ−ｄ間での膜厚分布を図４（ｂ）に示す。
【００３０】
ガラス膜２の膜厚分布は、図３（ｃ）に示す密度Ｄの分布と形状が良く一致している。この結果は、本実施の形態に係る膜厚変化薄膜の製造方法が、パターン化した第一のガラス膜２ａの密度Ｄを変化することで、ガラス膜２の膜厚分布を自在に、且つ高精度に制御可能であることを示している。また、図４（ｂ）に示す領域ｃ−ｄ間の局所的な膜厚分布を見ると、パターン化された第一のガラス膜２ａの５０μｍ周期の形状を反映した膜厚揺らぎが見られた。本実施の形態では、第二のガラス膜２ｂを形成する際に第一のガラス膜２ａも低粘度化するため、膜厚揺らぎの振幅は０．０１μｍと極めて小さかった。第二のガラス膜２ｂを形成する際に第一のガラス膜２ａを低粘度化しない場合、膜厚揺らぎの振幅は０．１μｍ程度であり、パターン化された第一のガラス膜２ａの凹凸形状と比べると十分に滑らかな膜厚分布を得られるが、本実施の形態のように、第二のガラス膜２ｂを形成する際に第一のガラス膜２ａを低粘度化させると、極めて滑らかに膜厚が変化するガラス膜の形成することができる。
【００３１】
従来技術に係る製造方法を用いた場合、本実施の形態と同一の構造を実現するためには、４枚のマスクと５回の薄膜形成工程が必要になり製造工程が煩雑になる。また、従来技術に係る製造方法では、本実施の形態のように、膜厚変換領域の長さを自在に変化させることは困難である。以上を考慮すると、本発明の実施の形態に係る膜厚変化薄膜の製造方法は、自在に膜厚が変化する薄膜の製造方法として、工程簡略化や膜厚高精度制御の観点からその効果は絶大である。
【００３２】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る膜厚変化薄膜を図６に示す。図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）はガラス膜２の膜厚分布を示すグラフである。本実施の形態は、第１の実施形態と同様に、本発明に係る膜厚変化薄膜の製造方法を用いて、シリコン基板１上に、Ｙ方向には膜厚が一定で、Ｘ方向に連続的に膜厚が変化するガラス膜２を形成した一例である。なお、本実施の形態においても、第一のガラス膜２ａと第二のガラス膜２ｂに同量のＢとＰを添加して、第二のガラス膜２ｂを形成する工程において、第一のガラス膜２ａも低粘度化するようにした。
【００３３】
本実施の形態は、図５に示した膜厚変化薄膜の製造方法を使用して作製した。まず、シリコン基板１（同図（ａ））上に第一のガラス膜２ａを火炎堆積法で形成した（同図（ｂ））。次に、フォトリソグラフィ技術と反応性ドライエッチング技術を用いて、第一のガラス膜２ａをパターン化し（同図（ｃ））、その上に第二のガラス膜２ｂを火炎堆積法で形成した（同図（ｄ））。最後に、ガラス膜２を全面に渡ってエッチングした。（同図（ｅ））。
【００３４】
本実施の形態において、ガラス膜２の膜厚設計値は、ａ−ｂ間で８μｍ、ｃ−ｄ間で４μｍ、ｅ−ｆ間で１μｍ、ｇ−ｈ間で６μｍ、ｉ−ｊ間で２μｍとし、ｂ−ｃ間、ｄ−ｅ間、ｆ−ｇ間、ｈ−ｉ間の領域では、両隣の領域の膜厚を連続的に変換することとした。また、各領域の長さを、第１の実施の形態と同様に、ａ−ｂ、ｃ−ｄ、ｅ−ｆ、ｇ−ｈ、ｉ−ｊ間を４００μｍ、ｂ−ｃ、ｆ−ｇ間を３００μｍ、ｄ−ｅ間を２００μｍ、ｈ−ｉ間を５００μｍとした。更に、第１の実施の形態と同様に、第一のガラス膜２ａの膜厚Ｔ_2a、及び第二のガラス膜２ｂの膜厚Ｔ_2bをともに７μｍにし、第一のガラス膜２ａのパターン化を行う際のエッチング深さＴ_c1を７μｍにした。また、基板１の全面に渡って行うエッチングのエッチング量Ｔ_a2は６μｍとした。第一のガラス膜２ａのパターン化は、第１の実施の形態と同様に、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す形状に行った。単位領域に対する第一のガラス膜２ａが残留する領域の密度Ｄの分布も、第１の実施の形態と同様に、図３（ｃ）のように設定した。第一のガラス膜２ａのパターン化によるガラス膜２の膜厚制御の原理の概要は第１の実施の形態で記述した通りであるが、本実施の形態では、更に基板１の全面に渡ってＴ_c2μｍエッチングする工程を含むため、密度Ｄを０〜１００％の範囲に変化させた場合の膜厚制御範囲は、Ｔ＝（Ｔ_2a−Ｔ_c1＋Ｔ_2b−Ｔ_c2）〜（Ｔ_2a＋Ｔ_2b−Ｔ_c2）μｍ、即ち１〜８μｍである。
【００３５】
作製したガラス膜２のａ−ｊ間での膜厚分布を図６（ｂ）に示す。第１の実施の形態と同様に、ガラス膜２の膜厚分布は、図３（ｂ）に示す密度Ｄの分布と形状が良く一致している。また、第一のガラス膜２ａと第二のガラス膜２ｂが同一材料であるため、各領域における細かな膜厚揺らぎも、第１の実施の形態と同様に、その振幅は０．０１μｍと極めて小さかった。図１に示す製造方法では、前述の通り、密度Ｄを０〜１００％に変化させた場合のガラス膜２の膜厚制御範囲は（Ｔ_2a−Ｔ_e1＋Ｔ_2b）〜（Ｔ_2a＋Ｔ_2b）であり、ガラス膜２の膜厚の最大値Ｔ_maxと最小値Ｔ_minの差ΔＴはΔＴ＝Ｔ_e1である。ここで、ΔＴが最大になるようにＴ_e1＝Ｔ_2aにした場合、Ｔ_min＝Ｔ_2bになるが、ガラス膜２の上面を滑らかにするためにＴ_2b≧Ｔ_e1の制限が課されて、Ｔ_minはＴ_min＝Ｔ_2b≧Ｔ_e1＝ΔＴに制限されていた。それに対して、本実施の形態では、作製中にエッチング工程を導入することで、Ｔ_minの制限をなくし、任意の膜厚分布を実現することができる。
【００３６】
以上の結果は、本実施の形態に係る膜厚変化薄膜の製造方法が、パターン化される第一のガラス膜２ａの密度Ｄを制御することで、ガラス膜２の膜厚分布を自在に、且つ高精度に制御可能であることを示している。更に、エッチング工程を導入することで、原理的なガラス膜２の膜厚制限を無くし、任意の膜厚を実現することができることを示している。
【００３７】
従来技術に係る製造方法を用いて、本実施の形態と同一の構造を実現するためには、４枚のマスクと５回の薄膜形成工程が必要になり製造工程が煩雑になる。また、従来技術に係る製造方法では、膜厚変換領域の長さを自在に変化させることは困難である。以上を考慮すると、本実施の形態に係る膜厚変化薄膜の製造方法は、自在に膜厚が変化する薄膜の製造方法として、工程簡略化や膜厚高精度制御の観点からその効果は絶大である。
【００３８】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態に係る外部共振型光源を図７に示す。図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ′線上での断面図、図７（ｃ）はコア４の膜厚Ｔ₄の分布を示すグラフである。本実施の形態では、本発明に係る膜厚変化薄膜の製造方法を用いて作製した膜厚が連続的に変化するコア４を有し、このコア４が十分な厚さのクラッド３、５で埋め込まれた埋め込み型光導波路に、半導体レーザ７と薄膜フィルタ８を集積して外部共振型光源を構成した例である。本実施の形態では、各ガラス膜中のＢとＰの添加量は、下部クラッド３、コア４、上部クラッド５の順に多くなるように設定した。したがって、溶解温度は、下部クラッド３、コア４、上部クラッド５の順に低くなる。コア４を形成する第一のコアと第二のコアには同量のＢとＰを添加した。また、コア４にはＧｅを添加し、下部クラッド３、上部クラッド５と比較して、屈折率が比屈折率差Δで２．０％分だけ高くなるように設定した。
【００３９】
本実施の形態は、図８に示した手順により作製した。まず、シリコン基板１上に膜厚が１０μｍの下部クラッド３を形成した（同図（ａ））。次に、図５に示す膜厚変化薄膜の製造方法で膜厚が３〜１１μｍの範囲で変化するコア４を形成した（同図（ｂ））。次に、コア４をパターン化し（同図（ｃ））、その上に膜厚が２０μｍの上部クラッド５を形成した（同図（ｃ））。半導体レーザを搭載する領域に、下部クラッド３、コア４、上部クラッド５をシリコン基板１の表面まで除去した光素子搭載溝を形成して、その底部に膜厚が１μｍの電気配線６を形成し、更にブレードを用いて薄膜フィルタ８を挿入するための深さ１００μｍの薄膜フィルタ挿入用溝を形成した（同図（ｄ））。最後に、光素子搭載溝内に半導体レーザ７を搭載し、薄膜フィルタ挿入用溝に薄膜フィルタ８を挿入し、光ファイバ９を接続した（同図（ｅ））。
【００４０】
コア４の膜厚は図７（ｃ）に示すように、ａ−ｂ間とｅ−ｆ間で１１μｍ、ｃ−ｄ間とｇ−ｈ間で５μｍ、ｉ−ｊ間で３μｍであり、ｂ−ｃ間、ｄ−ｅ間、ｆ−ｇ間、ｈ−ｉ間では、両脇の膜厚が滑らかに変換されるように設定した。コア４の断面形状が正方形になるように、コア４の幅を膜厚と一致するように変化させた。各領域の長さは、ａ−ｂ、ｃ−ｄ、ｅ−ｆ、ｇ−ｈ、ｉ−ｊ間を２００μｍ、ｂ−ｃ、ｄ−ｅ、ｆ−ｇ間を５００μｍ、ｈ−ｉ間を２００μｍに設定した。コア４を形成する際には、第一のコアを、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に、図３（ｂ）に示す形状にパターン化し、第一のコアの膜厚を８μｍ、第二のコアの膜厚を８μｍ、第一のコアをパターン化する際のエッチング量を８μｍ、基板全面に渡るエッチングのエッチング量を５μｍとした。第一のコアをエッチングしない領域の密度Ｄはコア４の膜厚Ｔ₄に合わせて、Ｄ＝｛（Ｔ₄−３）／８×１００｝％にした。ここでは、第一のコアのパターン化によるコア４の膜厚制御の詳細な説明は省略する。半導体レーザ７は、１．５５μｍ帯用で、前端に無反射コート、後端に高反射コートを施したものを使用し、薄膜フィルタ８は、反射波長１．５５μｍ、半値幅０．２ｎｍのものを使用した。半導体レーザ７の開口位置はその下面から１０．５μｍであり、厚さ１μｍの電気配線６の上に搭載することで、埋込み型光導波路と光軸が一致するように接続される。半導体レーザ７の後端と薄膜フィルタ８との間で共振器が構成されている。各光素子の光強度が１／ｅ²となるスポット径は、光ファイバ９が１０．０μｍ、半導体レーザ７が３．０μｍである。また、薄膜フィルタは厚さが１９μｍである。
【００４１】
作製した埋め込み型光導波路のコア４の寸法は、ａ−ｂ間とｅ−ｆ間で１１μｍ角、ｃ−ｄ間とｇ−ｈ間で５μｍ角、ｉ−ｊ間で３μｍ角であり、その他の領域では断面寸法が滑らかに変換されている。埋め込み型光導波路の光強度が１／ｅ²となるスポット径は、ａ−ｂ間とｅ−ｆ間で１０．０μｍ、ｃ−ｄ間とｇ−ｈ間で５．２μｍ、ｉ−ｊ間で４．２μｍである。本形態において、ＳＭＦと光導波路との接続点（ａ点）、ＬＤと光導波路との接続点（ｉ点）での接続損失は、それぞれ０．３、０．４ｄＢであった。
【００４２】
また、薄膜フィルタ８の挿入部における回折損失は０．２ｄＢであった。本実施の形態では、ＳＭＦで受光される光強度は２．０ｍＷであった。コア４の断面寸法を変化させずに、全領域で５μｍ角にした場合は、ＳＭＦと光導波路との接続点（ａ点）、ＬＤと光導波路との接続点（ｉ点）での接続損失は、それぞれ１．７、１．３ｄＢであり、また、薄膜フィルタ８の挿入部における回折損失は、１．９ｄＢでありＳＭＦで受光される光強度は０．４ｍＷであった。ＳＭＦと光導波路との接続点（ａ点）での接続損失を１．４ｄＢ、ＬＤと光導波路との接続点（ｉ点）での接続損失を０．９ｄＢ、薄膜フィルタ８の挿入部における回折損失を１．７ｄＢ低減し、それにより、ＳＭＦで受光される光強度を６．６ｄＢ改善することができた。本実施の形態では、各領域の長さをスポット径変換の程度に合わせて、上記の長さに最短化した。図１２に示す従来技術に係る製造方法では、膜厚変化領域の長さを柔軟に制御することが困難であり、また、作製の際に基板とマスクの位置を高精度に制御するのが困難であるために、本実施の形態よりも回路寸法が大きくなる。
【００４３】
以上の結果から、本発明に係る膜厚変化薄膜の製造方法をコアの形成に適用することで、埋め込み型光導波路のスポット径を自在に、且つ高精度に、且つ低損失に変換して、光ファイバ９や半導体レーザ７との接続点ではスポット径の整合をとり、且つ、薄膜フィルタ挿入部では回折損失を低く抑えることができ、同一回路中に複数の異なるスポット径を有する光素子が集積される光部品を実現する上で、特性改善や回路小型化の観点から、その効果は絶大である。
【００４４】
［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態に係る二波長光源を図９に示す。図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）はＢ−Ｂ′線上での断面図、図９（ｃ）はＣ−Ｃ′線上での断面図である。本実施の形態では、本発明に係る膜厚変化薄膜の製造方法により作製した膜厚が連続的に変化する下部クラッド３１を有し、コア４１が十分な厚さのクラッド３１、５１で埋め込まれた埋め込み型光導波路に、開口位置と発振波長が異なる二種類の半導体レーザを集積して二波長光源を構成した例である。本実施の形態では、各ガラス膜中のＢとＰの添加量は、下部クラッド３１、コア４１、上部クラッド５１の順に多くなるように設定した。したがって、溶解温度は、下部クラッド３１、コア４１、上部クラッド５１の順に低くなる。コア４１を形成する第一のコアと第二のコアには同量のＢとＰを添加した。また、コア４１にはＧｅを添加し、下部クラッド３１、上部クラッド５１と比較して、屈折率が比屈折率差Δで２．０％分だけ高くなるように設定した。
【００４５】
本実施の形態は、図１０に示した手順により作製した。まず、図１に示す膜厚変化薄膜の製造方法でシリコン基板１上に膜厚が６〜１２μｍの範囲で変化する下部クラッド３１を形成した（同図（ａ））。次に、膜厚が５μｍのコア４１を形成した（同図（ｂ））。次に、コア４１をパターン化し（同図（ｃ））、その上に膜厚が２０μｍの上部クラッド５１を形成した（同図（ｃ））。半導体レーザを搭載する領域に、下部クラッド３１、コア４１、上部クラッド５１をシリコン基板１の表面まで除去した光素子搭載溝を形成して、その底部に膜厚が１μｍの電気配線６を形成した（同図（ｄ））。最後に、光素子搭載溝内に半導体レーザ７１，７２を搭載し、光ファイバ９を接続した（同図（ｅ））。
【００４６】
下部クラッド３１の膜厚は、Ｂ−Ｂ′線上では６μｍ一定になるように、Ｃ−Ｃ′線上では６μｍから連続的に１２μｍに変化するように設定した。コア４１はＹ分岐回路が構成されており、分岐後の２本の光導波路間の距離を３００μｍ、Ｙ分岐回路から半導体レーザ７１，７２までの距離を３００μｍとした。また、コア４１の断面寸法は５μｍ角一定とした。下部クラッド３１を形成する際には、第一の下部クラッドを、図３（ｂ）に示す形状にパターン化し、第一の下部クラッドの膜厚を６μｍ、第二の下部クラッドの膜厚を６μｍ、第一のコアをパターン化する際のエッチング量を６μｍとした。単位領域に対する第一の下部クラッドをエッチングしない領域の密度Ｄは下部クラッド３１の膜厚Ｔ₃に合わせて、Ｄ＝｛（Ｔ₃−６）／６×１００｝％にした。ここでは、第一の下部クラッドのパターン化による下部クラッド３１の膜厚制御の詳細な説明は省略する。
【００４７】
作製した埋め込み型光導波路の下部クラッド３１の膜厚は、上記設定値の通り、Ｂ−Ｂ′線上では、６μｍ一定であり、Ｃ−Ｃ′線上では、６μｍから１２μｍに連続的に変化している。また、コア４１は比屈折率差Δが２．０％で断面寸法が５μｍ角であるので、半導体レーザ７１を接続する側では、スポット径が５．２μｍ、開口位置がシリコン基板表面から８．５μｍで、半導体レーザ７２を接続する側では、スポット径が５．２μｍ、開口位置がシリコン基板１の表面から１４．５μｍである。半導体レーザ７１の開口位置はその下面から７．５μｍ、半導体レーザ７２の開口位置はその下面から１３．５μｍであり、膜厚が１μｍの電気配線６の上に搭載されているため、埋め込み型光導波路と光軸が一致するように接続されている。半導体レーザ７１，７２はともにファブリベロー型半導体レーザであり、発振波長は半導体レーザ７１が１．３１μｍ、半導体レーザ７２が１．５５μｍであり、スポット径は半導体レーザ７１，７２ともに３μｍである。
【００４８】
本実施の形態において、光導波路と半導体レーザ７１，７２の接続点での接続損失は、ともに１．２ｄＢであり、また、光導波路とＳＭＦの接続点での接続損失は１．７ｄＢであった。ＳＭＦで受光される光強度は１．０ｍＷであった。下部クラッド３１の膜厚を９μｍ一定として、半導体レーザ７１と７２が光導波路と同程度結合するようにした場合、ともに３μｍの光軸ずれが生じて、接続損失は１０．０ｄＢとなり、ＳＭＦで受光される光強度もともに０．２ｍＷ程度であり、本発明に係る膜厚変化薄膜の製造方法を用いて下部クラッド３１の膜厚を連続的に変化させ、光導波路と半導体レーザ７１、７２の光軸を一致させたことにより、約９ｄＢの特性改善を行うことができた。
【００４９】
図１２に示す従来技術に係る膜厚変化薄膜の製造方法を使用した場合、基板とマスクの位置合わせ精度が低いため、分岐後の２本の導波路の間隔とＹ分岐回路から半導体レーザまでの距離を１ｍｍ程度にする必要があったが、本実施の形態では高精度に位置決めができるため、ともに３００μｍに設定することができ、回路を小型化することかができた。
【００５０】
以上の結果から、本発明に係る膜厚変化薄膜の製造方法を下部クラッドの形成に適用することで、埋め込み型光導波路の開口位置を自在に、且つ、低損失に変換させて、接続する半導体レーザとの接続点では光軸を一致させることができ、同一回路中に複数の異なる開口位置を有する光素子が集積される光部品を実現する上で、特性改善、工程簡素化、回路小型化の観点から、その効果は絶大である。
【００５１】
【発明の効果】
以上、実施の形態に基づいて具体的に説明したように、本発明の膜厚変化薄膜の製造方法では、基板上に第一の薄膜を形成し、その第一の薄膜を微細加工技術でパターン化し、その上に形成工程中に低粘度化することを特徴とする薄膜形成方法で第二の薄膜を形成することで、膜厚が自在に、且つ高精度に制御され、膜厚が連続的に変化する薄膜を簡便に、且つ安定に形成することができる。更に、第二の薄膜を形成する工程で第一の薄膜も低粘度化する様に材料を選定することで、極めて滑らかに膜厚が変化する薄膜を形成することができる。また、本発明の膜厚変化薄膜の製造方法を埋め込み型光導波路のコアの形成に使用することで、コアの膜厚を自在に、且つ高精度に膜厚が制御することができるため、光ファイバや半導体光素子との光結合損失が小さく、また薄膜フィルタなどの薄膜光機能素子を低損失に集積することができる埋め込み型光導波路を簡便に、且つ安定に提供することができる。更に、本発明の膜厚変化薄膜の製造方法を埋め込み型光導波路の下部クラッドの形成に使用することで、光導波路の基板からの開口位置が自在に、且つ高精度に、しかも低損失に変化する埋め込み型光導波路を簡便に、且つ安定に提供することができる。したがって、本発明の膜厚変化薄膜の製造方法は、膜厚が自在に、且つ高精度に制御された膜厚変化薄膜、及び、コア、若しくは、下部クラッドの膜厚が自在に、且つ高精度に制御された埋め込み型光導波路を実用する上で極めて効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る膜厚変化薄膜の作製手順を示す工程図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る膜厚変化薄膜の概略構成を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る膜厚変化薄膜における、第一の薄膜２ａをパターン化する形状の概略構成を示す上面図である。（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大した上面図である。（ｃ）は、（ａ）はａ−ｉ間における、単位領域に対する第一の薄膜２ａが残留する領域の密度Ｄの分布を示すグラフである。
【図４】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る膜厚変化薄膜の、ａ−ｉ間での膜厚分布を示すグラフである。（ｂ）は、ｃ−ｄ間での膜厚分布を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る膜厚変化薄膜の作製手順を示す工程図である。
【図６】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る膜厚変化薄膜の概略構成を示す斜視図である。（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る膜厚変化薄膜の、ａ−ｉ間での膜厚分布を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る外部共振型光源の概略構成を示す上面図である。（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ′線での断面図である。（ｃ）は、（ａ）中のＡ−Ａ′線上でのコア４の膜厚を示すグラフである。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る外部共振型光源の作製手順を示す工程図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第４の実施の形態に係る二波長光源の概略構成を示す上面図である。（ｂ）は、（ａ）中のＢ−Ｂ′線での断面図である。（ｃ）は、（ａ）中のＣ−Ｃ′線での断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る二波長光源の作製手順を示す工程図である。
【図１１】本発明の膜厚変化薄膜の製造方法に適用できる、第一のガラス膜のパターン化形状の例を示す上面図である。
【図１２】従来技術に係る膜厚変化薄膜の作製手順を示す工程図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２ガラス膜
２ａ第一のガラス膜
２ｂ第二のガラス膜
３下部クラッド
４コア
５上部クラッド
６電気配線
７半導体レーザ
８薄膜フィルタ
９光ファイバ
１０マスク
３１下部クラッド
４１コア
５１上部クラッド
７１第一の半導体レーザ
７２第二の半導体レーザ

Claims

基板上に、膜厚が変化する薄膜を形成する製造方法であって、
基板上に膜厚Ｔａの第一の薄膜を形成する工程と、
この第一の薄膜をＴｃの深さでエッチングして、所定の膜厚分布に合わせて粗密パターンに加工する工程と、
膜厚Ｔｂの第二の薄膜を、少なくとも当該第二の薄膜材料の粘度が低下し、パターン化された第一の薄膜の凹部に入り込むように形成する工程とを含み、
前記第一の薄膜と前記第二の薄膜を合わせた膜厚Ｔが所定の膜厚分布となるように、前記粗密パターンの密度Ｄ％（但し、Ｄは単位領域に対する第一の薄膜がエッチングされない領域の密度を表す。）を、Ｔ＝｛（Ｔａ−Ｔｃ）＋（Ｔｃ×Ｄ／１００）＋Ｔｂ｝を満たすように制御することを特徴とする膜厚変化薄膜の製造方法。
〔請求項１〕に記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、
前記粗密パターンの密度Ｄ％が、Ｄ＝｛（Ｂ ² ／Ａ ² ）×１００｝％（但し、Ａは単位領域の一辺の長さ、Ｂは第一の薄膜がエッチングされない領域の一辺の長さ。）であることを特徴とする膜厚変化薄膜の製造方法。
〔請求項１〕又は〔請求項２〕に記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、
第二の薄膜を形成する工程において、
第二の薄膜材料のみならず第一の薄膜材料も粘度が低下するようにしたことを特徴とする膜厚変化薄膜の製造方法。
基板上に、膜厚が変化する薄膜を形成する製造方法であって、
〔請求項１〕乃至〔請求項３〕の何れか一つに記載する膜厚変化薄膜の製造方法で膜厚が変化する薄膜を形成する工程と、
この工程で形成した膜厚変化薄膜をエッチングする工程を含むことを特徴とする膜厚変化薄膜の製造方法。
〔請求項１〕乃至〔請求項４〕の何れか一つに記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、
第一の薄膜と第二の薄膜に同一の材料を使用することを特徴とする膜厚変化薄膜の製造方法。
〔請求項１〕乃至〔請求項５〕に記載する何れか一つの膜厚変化薄膜の製造方法であって、
薄膜材料に、石英を主成分とするガラス材料を使用したことを特徴とする膜厚変化薄膜の製造方法。
〔請求項６〕に記載する膜厚変化薄膜の製造方法であって、
石英を主成分とするガラス材料の形成方法に、火炎堆積法を用いたことを特徴とする膜厚変化薄膜の製造方法。