JP4111110B2 - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路の製造方法に関する。

平面光回路は、基本的に、光波を伝搬するコアと、コアよりも屈折率が低く、コア内に光波を閉じこめるクラッドからなる。石英導波路の場合、ＳｉＯ_２からなる光導波路を石英基板上に形成する。ＳｉＯ_２にゲルマニウム等を添加することで、屈折率を調整できる。

具体的な製造方法として、基板上にコアとなる高屈折材料を積層して、コアの形状に加工し、コアの周囲にクラッドとなる低屈折率材料を堆積する方法（以下、リッジ法という。）と、基板にコアの形状に相当する溝を形成し、その溝に高屈折率材料を埋めてコアとし、高屈折率材料の不要な部分を除去し、コア上に上部クラッドとなる低屈折率材料を積層する方法（以下、埋め込み法という。）がある。ＳｉＯ_２等を基板上に堆積する方法として、火炎堆積法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法及びスパッタ法がある。

従来のリッジ法では、先ず基板上に高屈折材料を一様に積層し、その後に、コアの形状になるように不要部分をエッチングすることになる。エッチング性能が、コアのサイズを決定し、かつまた、２つの光導波路を近接配置する場合の導波路間隔を決定する。例えば、２つのコアを近接して配置する場合で、コア間のギャップがコア高さの２倍以上のときには、コア間のギャップにボイド（空隙）が発生し、コア間を完全に埋め込むことができない。

埋め込み法では、基板に形成可能な溝のサイズと、その溝にコア材料を埋め込む堆積法が、製造可能なコアサイズを決定する。また、基板上に隣接して形成する２つの溝の距離が、２つの光導波路を近接配置する場合の導波路間隔を決定する。コアを埋め込む２つの溝を区切る壁の厚みが、２つの光導波路間の距離を決定する。しかし、この壁の厚みを薄くするのは極めて困難である。マスクの精度にも限界がある。

このように、従来の光導波路製造方法では、微小なサイズの光導波路を形成することが難しい。また、方向性光結合器のように２つの光導波路を近接配置する光デバイスで、２つの光導波路間の距離を小さくすることが難しかった。

本発明は、このような問題を解決し、微小なサイズの光導波路を形成できる光導波路の製造方法を提示することを目的とする。

本発明はまた、２つの光導波路を近接配置できる光導波路の製造方法を提示することを目的とする。

本発明に係る光導波路の製造方法は、立ち上がった壁を有する凹みを基板に形成するステップと、堆積作用及びスパッタ効果によるエッチング作用の両方を有する堆積法により、所定屈折率の基材と、当該所定屈折率よりも高い屈折率を有する添加材であって、当該基材より当該スパッタ効果によるエッチング作用の影響を受ける添加材とを有する材料を当該凹みに堆積するステップと、当該基板上に堆積した不要堆積物を除去するステップとからなり、当該凹みの底面上に堆積した層よりも屈折率の高い、当該凹みの当該立ち上がった壁上に堆積した層を光導波路のコアとすることを特徴とする。

当該凹みの当該壁上に堆積する層には、凹みの他の部分に堆積する層よりも大きなスパッタ効果によるエッチング作用が働く。基材と添加材に対するエッチング作用の大きさの相違の結果、当該凹みの当該壁上に堆積する層では、凹みの他の部分に堆積する層よりも、添加材の含有量が多くなる。この結果、当該凹みの当該壁上に堆積する層の屈折率が、当該凹みの他の部分に堆積する層の屈折率よりも高くなり、光導波路のコアとして利用可能になる。堆積に使用する材料の組成比を殊更に変更しなくても、屈折率の高い微小な断面の層を形成できるので、微細な光導波路を簡単に製造できる。

例えば、当該基板が石英基板であり、当該基材がＳｉＯ_２であり、当該添加材がＧｅを含有する。ＳｉはＧｅよりもスパッタ効果によるエッチング作用で飛散しやすい。Ｇｅは屈折率を高くする。

堆積法として、誘導結合プラズマＣＶＤ法又はスパッタリング法が利用可能である。

本発明によれば、非常に簡単に微細な光導波路を製造できる。また、２つのコアが近接する光導波路構造を容易に製造できる。例えば、光結合構造を大幅に小型化でき、結合長を短くすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例による光導波路製造プロセスのフローチャートを示し、図２〜図７は、各段階での断面図を示す。

先ず、図２に示すように、屈折率１．４４５の石英基板１０の上面にクロム等の金属マスク１２を蒸着する（ステップＳ１）。金属マスク１２が、光導波路のコアを埋め込む溝を規定する。

リアクティブイオンエッチング法（ＲＩＥ法）により、マスク１２の無い部分の基板１０を６μｍの深さにエッチングする（Ｓ２）。エッチング後の断面を図３に示す。これにより、基板１０に、コアを埋め込む溝１４が形成される。溝１４は、垂直壁１４ａと、底面となる水平面１４ｂを具備する。

溝１４が埋まるまで、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ＣＶＤ法により、基板１０より高い屈折率の材料を堆積する（Ｓ３）。ここでは、珪酸エチル（ＴＥＯＳ）、テトラメトキシゲルマニウム（ＴＭＯＧ）及び酸素を、屈折率が１．４５６となる割合で混合して、ＩCＰ−ＣＶＤ法の原料とした。これにより、Ｓｉ０_２−Ｇｅ０_２膜又は層が溝１４内に形成される。図４は、ＩＣＰ−ＣＶＤ法による成膜の途中の断面図を示し、図５は、ＩＣＰ−ＣＶＤ法による成膜後の断面図を示す。

図４に示すように、各面に対して、その面に垂直な方向に膜又は層が成長する。ＩＣＰ−ＣＶＤ法では、層の堆積とスパッタ効果によるエッチングとが同時に進行する。実験の結果、このように層の堆積とエッチングが同時に進行する場合、垂直壁１４ａに対して成長する層１６と、水平面１４ｂ（底面）に対して成長する層１８とでは、成長速度が大きく異なるだけでなく、屈折率が異なることが判明した。即ち、溝１４の垂直壁１４ａに対して成長する層１６の屈折率は、溝１４の水平面１４ｂ上に成長する層１８の屈折率よりも高くなった。また、層１８は、層１６よりも速く成長する。この結果、図５に示すように、垂直壁１４ａ上に成長した、断面が三角形の層１６と、層１６よりも屈折率が低く、溝１４内のその他の部分を埋める層１８が、溝１４内に形成される。ちなみに、マスク１２上にも層２０が成長するが、この層２０は、後で除去される。

垂直壁１４ａ上に成長する層１６の屈折率が水平面１４ｂ上に成長する層１８の屈折率よりも高くなる理由は、以下のように考えられる。

ＩＣＰ−ＣＶＤ法では、プラズマ放電によりイオン化した原料ガスからの生成物がカソードである基板１０に衝突することによる層の形成と、その衝突によるスパッタ効果のエッチング作用とが、同時に進行する。Ｓｉ原子と酸素（Ｏ）原子間の結合力に対し、Ｇｅ原子とＯ原子間の結合力が弱いので、Ｇｅ原子が優先的にスパッタされる。

水平面１４ｂ上に成長する層１８では、層の堆積とスパッタ効果によるエッチングが同方向で進行する。これに対し、層１６では、層１６が垂直壁１４ａの表面に垂直な方向に堆積するのに対し、スパッタ効果は、垂直壁１４ａに沿った方向に作用する。即ち、層１６では、層１６の堆積方向とスパッタ方向が異なる。このように堆積方向とスパッタ方向が異なる場合、特に、スパッタ方向が堆積方向に垂直である場合、層１６の上面１６ａが集中的にスパッタ効果を受けることとなる。その結果、層１６の上面１６ａを除く領域はスパッタ効果が微少となることで、Ｇｅ原子濃度が低下しない。この結果、層１６のＧｅ原子濃度が、層１８のＧｅ原子濃度よりも高くなる。屈折率はＧｅ濃度の増加に対し一次関数的に増加するので、層１６の屈折率が層１８の屈折率よりも高くなる。また、層堆積速度とエッチング速度のバランスにより、図４に示すように、層１６の上面１６ａは傾斜する。

実際に試作した例では、最終的な層１６の垂直壁１４ｂからの最大厚みは、１．６μｍである。層１６の断面は、底辺が６μｍ、高さが１．６μｍの三角形状であり、層１６は、溝１４の深さに比べてかなり薄い。これもまた、層１６に対して、スパッタ作用が相対的に大きく作用していることを示している。試作例では、層１８の屈折率が１．４５６で、層１６の屈折率が１．４６９であった。

溝１４を埋めた後、図６に示すように、金属マスク１２をウエットエッチングで溶解し、層２０をリフトオフ法にて除去する（Ｓ４）。図６は、除去結果の断面図を示す。

さらに、ＴＥＯＳを原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により、屈折率１．４４５、厚さ３０μｍの被覆層２２を全面に堆積する（Ｓ５）。被覆層２２は上部クラッドとなる。その結果の断面図を図７に示す。プラズマＣＶＤ法の代わりに、ＩＣＰ−ＣＶＤ、スパッタ法又は火炎堆積法を用いてもよい。

このようにして、層１６をコア、層１６の周囲の領域、即ち、層１８，基板１０及び上部被覆層２２をクラッドとする光導波路が形成される。コアとなる層１６が、溝１４の垂直壁１４ａに張り付いた薄い層状になっている。これは、薄いコア、ひいては、微小な断面積のコアを容易に製造できることを意味している。

堆積とスパッタが同時に進行する成膜法として、ＩＣＰ−ＣＶＤ法以外に、スパッタリング法がある。スパッタリング法で屈折率を制御するには、ターゲット材にＳｉ０_２とＧｅ０_２の混合物を使用する。所望の屈折率が得られるように、Ｓｉ０_２とＧｅ０_２の混合比を調整する。

本実施例では、溝の垂直壁に対して極めて薄いコア層を形成できる。溝１４の垂直壁１４ａとは反対側の垂直壁にも、層１６と同様の形状及び屈折率の層が成長することは明らかである。従って、これを利用することで、近接して位置する２つのコアを製造することも容易である。単に、溝１４の横幅を狭くすればよい。図１〜図７を参照して説明した製造手順をそのまま適用する。

図８は、本実施例により製造した、２つのコアを近接して位置する光導波路構造の断面図を示す。図２乃至図７に図示した構成要素と同じ要素には、同じ符号を付してある。ここでは、溝１４の横幅を４μｍとした。溝１４の深さは、図２乃至図７と同じく６μｍである。溝１４の両方の垂直壁に層１６，２４が形成される。層２４の断面形状は、層１６の断面形状と実質的に同じである。試作例では、層１６，２４の最大厚みは共に１．６μｍであった。溝１４の横幅が４μｍであるから、２つのコア（層１６，２４）が、０．８μｍのギャップを挟んで位置することになる。このように近接して２つのコアを配置することは、従来、不可能であった。なぜならば、従来の方法では、０．８μｍに相当する金属マスクを用意し、０．８μｍ相当の壁で挟まれた２つの溝を形成する必要があったが、これは不可能であったからである。

溝１４の壁１４ａは垂直である必要はない。即ち、壁１４ａは、底面１４ｂに対して９０゜以外の角度であってもよい。図９は、溝１４の壁１４ａが底面１４ｂに対して８０度の角度をなす場合の断面図を示す。このような、底面１４ｂに対して９０度未満の壁１４ａは、フッ酸を用いたウエットエッチングで形成可能である。壁１４ａを底面１４ｂに対して垂直にした場合と比較して、図９に示す例では、壁１４ａに対して成長する堆積層１６が、領域１６ｂの分だけ増加している。

スパッタ効果は基板に対し垂直方向にのみ生じる。壁１４ａが屋根となり、スパッタ効果を受けない領域１６ｂが生じる。この領域１６ｂに堆積層１６が入り込むことで、堆積層１６が領域１６ｂの分だけ大きくなる。これは、コアとなる領域が拡大できることを意味する。

本実施例により、断面が左右対称の導波路も作成可能である。屈折率が１．４４５の基板の上に、厚さ６μｍ、屈折率１．４６９のＧｅ添加ＳｉＯ_２膜を成膜し、金属マスクを用いて、４μｍ間隔で幅が３μｍの領域を残すように、垂直にドライエッチングする。エッチング後の断面図を図１０に示す。基板１１０上に、幅３μｍ，高さ６μｍの直立した層領域１１２，１１４が残る。層領域１１２，１１４は、それぞれ、垂直な側壁１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂを具備する。

図１０に示す材料に図１乃至図７で説明したのと同じ手順で同じ材料を堆積すると、図１１に示す断面構造の光導波路構造が形成される。即ち、直立領域１１２，１１４の壁１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂに垂直な方向に、最大で約１．６μｍの高さの層１１６ａ，１１６ｂ，１１８ａ，１１８ｂが堆積し、その周囲は、層１１６ａ，１１６ｂ，１１８ａ，１１８ｂの屈折率より低い屈折率のクラッドになる層１２２で埋められる。層１１８ａ，１１８ｂ，１２０ａ，１２０ｂは、図１乃至図７に示す実施例の層１６に相当し、層１２２は、図１乃至図７に示す実施例の層１８に相当する。

層領域１１２とその両側の層１１６ａ，１１６ｂの屈折率は共に、１．４６９になり、その周囲の層１２０の屈折率がこれより低いので、層領域１１２とその両側の層１１８ａ，１１８ｂとからなる部分が第１の光導波路のコアとなりうる。層領域１１４とその両側の層１１８ａ，１１８ｂの屈折率は共に、１．４６９になり、その周囲の層１２０の屈折率がこれより低いので、領域１１４とその両側の層１１８ａ，１１８ｂとからなる部分が第２の光導波路のコアとなりうる。

層領域１１２，１１４及び層１１６ａ，１１６ｂ，１１８ａ，１１８ｂ，１２０を埋めるように、層１２２を堆積する。層１２２は、図１乃至図７に示す実施例の層２２に対応し、層２２と同じ材料を使って層２２と同様に堆積される。

図１１に示す光導波路構造では、２つのコア間の最短距離が０．８μｍになる。即ち、２つの光導波路が非常に近接して配置された光導波路構造を実現できる。

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施例の製造手順のフローチャートである。 本実施例の第１手順での断面図である。 本実施例の第２手順での断面図である。 本実施例の第３手順での断面図である。 本実施例の第４手順での断面図である。 本実施例の第５手順での断面図である。 本実施例の第６手順での断面図である。 本実施例により製造した、２つのつのコアが近接配置する光導波路構造の断面図である。 溝１４の壁１４ａを垂直にしなかった場合の断面構造例を示す図である。 本実施例により２つの光導波路を近接配置する光導波路構造を製造する途中の断面図である。 本実施例により製造した、２つの光導波路を近接配置する光導波路構造の断面図である。

符号の説明

１０：基板
１２：金属マスク
１４：溝
１４ａ：垂直壁
１４ｂ：水平面（底面）
１６，１６ｂ，１８，２０：堆積層
２２：被覆層
２４：堆積層
１１０：基板
１１２，１１４:領域
１１２ａ，１１２ｂ，１１４ａ，１１４ｂ：垂直壁
１１６ａ，１１６ｂ，１１８ａ，１１８ｂ：垂直壁に成長した層
１２０，１２２：堆積層

Claims (6)

1. 立ち上がった壁を有する凹みを基板に形成するステップと、
   堆積作用及びスパッタ効果によるエッチング作用の両方を有する堆積法により、所定屈折率の基材と、当該所定屈折率よりも高い屈折率を有する添加材であって、当該基材より当該スパッタ効果によるエッチング作用の影響を受ける添加材とを有する材料を当該凹みに堆積するステップと、
   当該基板上に堆積した不要堆積物を除去するステップ
   とからなり、当該凹みの底面上に堆積した層よりも屈折率の高い、当該凹みの当該立ち上がった壁上に堆積した層を光導波路のコアとすることを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 当該基板が石英基板であり、当該基材がＳｉＯ２であり、当該添加材がＧｅを含有する請求項１に記載の光導波路の製造方法。
3. 更に、当該基板上に堆積した不要堆積物を除去した後に、上部クラッド層を堆積する請求項１に記載の光導波路の製造方法。
4. 当該堆積法が誘導結合プラズマＣＶＤ法である請求項１に記載の光導波路の製造方法。
5. 当該堆積法がスパッタリング法である請求項１に記載の光導波路の製造方法。
6. 当該凹みが、当該壁に対面する、立ち上がった第２の壁を有する溝であり、
   当該凹みの底面上に堆積した層よりも屈折率の高い、当該第２の壁上に堆積した層を第２の光導波路のコアとすることを特徴とする請求項１に記載の光導波路の製造方法。

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