JP4564450B2

JP4564450B2 - 立体集積光導波路素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP4564450B2
Application number: JP2006002235A
Authority: JP
Inventors: 篤史須田
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007183463A

Description

本発明は、光導波路が３次元にて集積配置された立体集積光導波路素子とその製造方法に関する。

一般に、３次元ＩＣは、電子回路並びに配線を３次元的に積層して集積した構造を有する。この構造と同様に光導波路回路の分野で高集積化ひいては超小型化を目差したものとして、立体集積光導波路素子がある。この立体集積光導波路素子は、光導波路を３次元的に積層して集積した構造を有し、例えば基板の積層方向を分割して模式的に表した図６に示すように、基板１内に第１導波路回路のコア２００、第２導波路回路のコア３００、及び第３導波路回路のコア４００からなる３段の導波路層が積層方向に間隔を空けて埋め込まれた構造を有する。

立体集積光導波路素子を通常の結晶成長技術にて作成する場合の具体例を図７にて例示する。すなわち、図７（ａ）に示すようにアンダークラッド層となる平坦な基板１上に第１コア層２を被着する。この第１コア層２をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングするため、第１コア層２上にレジスト（図示省略）を塗り図７（ｂ）に示すようにマスク３をかけて露光し、ついで図７（ｃ）に示すようにエッチングにて第１コア層２内にてコア２ａを残す。この後、図７（ｄ）に示すようにコア２ａを含む基板１を覆うようにしてオーバクラッド層である埋め込み層４を被着形成する。この場合、コア２ａに当たる埋め込み層４には、このコア２ａの厚さに応じた盛り上り部４ａが形成されることになる。こうして、基板１（アンダークラッド層）、コア２ａ、埋め込み層４（オーバクラッド層）からなる第１導波路層が形成される。

更に、第２導波路層の形成にあたっては、この埋め込み層４をアンダークラッド層としてその上に第２コア層５を被着する。その後、この第２コア層５上にレジスト（図示省略）を塗り図７（ｅ）に示すようにマスク６をかけて露光し、ついで図７（ｆ）に示すようにエッチングにて第２コア層５内にて例えばコア５ａ、５ｂを残す。この後、図７（ｇ−１）に示すようにコア５ａ、５ｂを含む埋め込み層４を覆うようにしてオーバクラッド層として埋め込み層７を被着形成する。この場合、埋め込み層４の盛り上り部４ａ上に形成されたコア５ａと盛り上り部４ａ以外の部分に形成されたコア５ｂとは、盛り上り部４ａの厚さ分の段差８が存在することとなる。また、図７（ｇ−２）に示すように埋め込み層４の図中左右方向にわたってコア５ｃを形成する場合には、盛り上り部４ａに沿ってコア５ｃが積層方向に曲げられて被着されることになる。こうして、埋め込み層４（第２導波路層のアンダークラッド層）、コア５ａ、５ｂ、あるいは５ｃ、埋め込み層７（オーバクラッド層）からなる第２導波路層が形成される。
特開平９−２５２１６５号公報特開２００１−９１７７９号公報特開２００２−１９８６１６号公報特開平７−１６１６８２号公報 Kokubun, et al,: IEEE Photon.Techn.Lett.16,437,2004

上述の図７に示すような工程を有する立体集積光導波路素子の構造にあっては、第１導波路層での埋め込み層４の盛り上り部４ａ上にそのまま第２導波路層が形成されるため、図７（ｇ−１）に示すコア５ａ、５ｂ相互間が積層方向に段差８を有することとなって、これらコア５ａ、５ｂを例えば接続する場合、この段差８によって積層方向に接続部分の曲がりが発生する。また、図７（ｇ−２）に示すようにコア５ｃが盛り上がり部４ａ上を通るためコア５ｃが積層方向に曲がって被着される場合もある。そして、これら接続部分やコアの積層方向の曲がりは、接続の不都合や光の放射損失の増大をもたらす。

このような積層方向の曲がりを無くすために、図７の埋め込み層４の盛り上り部４ａに例示されるような導波路における突出部分を平坦化しようとする技術が考えられる。具体例として、非特許文献１には、複数段の導波路回路にそれぞれリングと直線導波路とを配置し、この直線導波路間を薄いクラッドを介して光結合するというリング共振器波長フィルタの構造が開示されており、この集積方向に複数段の導波路層を有する構造では、下段の導波路層のＳｉＯ２系材料からなるコア及びクラッドを形成する際の凹凸をＳＯＧ（ＳｐｉｎｏｎＧｌａｓｓ）を用いて平坦化する手法が採られる。しかし、この技術は、ガラス導波路に適用される技術であって、ＳＯＧ膜上に例えば化合物半導体を成長させることはできない。

また、特許文献１には、化合物半導体結晶基板の表面をエッチングによりメサ状の凸部とし、ついで選択成長により結晶成長させて表面を平坦化する方法が開示されている。この技術はいわゆる選択成長を利用し平坦性を向上するものであるが、選択的気相成長について２次元形状により導波路の厚さが変化するため３次元の積層構造には適用しにくい。
また、特許文献２には、化合物半導体のメサ型導波路をシリカ保護膜で覆い、その上にＳＯＧを用いて平坦化する技術が開示されている。この特許文献２に示す技術は、ＳＯＧ膜上に化合物半導体を３次元的に積層させることはできない。

また、特許文献３には、メサ型化合物半導体導波路のエッチングによる平坦化技術が開示されるが、この技術は埋め込み型化合物半導体導波路には適用できない。
このように、従来平坦化のための技術は、上述の文献を含めて種々存在するのであるが、ガラス導波路のように材料が限定され、３次元積層構造になじまない、あるいは埋め込み型ではなくメサ型構造である、というようにそれぞれ問題を残しており、図７に示すような埋め込み型の３次元積層構造の光導波路についての平坦化技術については、所望のものがないという現状である。

本発明は、例えば単結晶ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料のように発光・受光・増幅等の能動機能を持つような単結晶成長によって形成され集積化が可能である埋め込み型の導波路層について所望の精度を有する表面平坦化技術を得ることにより、コアの接続を確実に行いあるいは放射損失を減少させたものである。

本発明は、上述の問題に鑑み発明されたもので、アンダークラッド層とこのアンダークラッド層上にパターニングされたコアとこのコアを覆うオーバクラッド層とからなる埋め込み型の導波路層が複数段積層された立体集積光導波路素子において、最上段以外の少なくとも一つの段の上記導波路層の上記オーバクラッド層は、上記コアを覆う下部埋め込み層、エッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層、及び上記下部埋め込み層の上記コアに当たる盛り上り部の領域を除いた一部上部埋め込み層を順に有し、上記オーバクラッド層の上面は、上記盛り上り部上の上記エッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層と上記一部上部埋め込み層の上面とによって構成されて平坦面とされていることを特徴とする。

この発明によれば、盛り上り部上でのエッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層を検出してエッチング処理を停止させることにより、下部埋め込み層の盛り上り部の上面と一部上部埋め込み層の上面とで平坦面を形成することが可能になり、このためこの盛り上り部及び埋め込み層からなる平坦面上に新たな導波路層が積層可能となる。従って、導波路として積層方向に曲がる構造とはならないので、接続の不都合を防止でき放射損失を減少させることができる。

以下、図１〜図５を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の立体集積光導波路素子の断面を示す。なお、図１〜図５において図７と同一部分には同符号を付す。
〔実施形態〕
図１は、立体集積光導波路素子の一例を示し、２段の導波路層を形成した場合の構造を示す。ここでは、単結晶ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いて、光導波路として発光、受光、増幅からなる各機能を有する能動素子の集積化を可能とした化合物半導体光導波路を例にとって説明する。なお、化合物半導体光導波路は、種々な光導波路の中でも能動光素子との単結晶による集積化を可能とする導波路であり、この導波路の３次元である立体となる集積化を達成できたことによる技術的効果はきわめて大きい。

図１において、１段目の導波路層の構造は、ＩｎＰからなる基板（アンダークラッド層）１上にフォトリソグラフィによって形成したＩｎＧａＡｓＰからなるコア（導波路）２ａが形成され、このコア２ａ上にＩｎＰを材料とし下部埋め込み層４ｄ及び上部埋め込み層４ｕからなるオーバクラッド層４が形成されるという構造である。このオーバクラッド層４内には、下部埋め込み層４ｄを覆うようにＩｎＧａＡｓＰからなるエッチングストップ層１０が形成されている。このエッチングストップ層１０は、後述するオーバクラッド層４の盛り上り部４ａに当たる上部埋め込み層４ｕのエッチングに際しこのエッチングストップ層１０の露出によっていわゆるエッチング処理を停止するためにある。なお、下部埋め込み層４ｄの膜厚は、コア２ａによる光の封じ込めに影響を及ぼさない程度に厚く、またコア２ａと同一材のＩｎＧａＡｓＰからなるエッチングストップ層１０の厚さは、コア（光導波路）として作用しない厚さであり、光が拡散しないように光の封じ込めに影響を及ぼさない程度に薄いことが必要である。

また、コア２ａに当る下部埋め込み層４ｄの盛り上り部４ａの領域を除くエッチングストップ層１０上の上部埋め込み層４ｕの膜厚は、この下部埋め込み層４ｄの盛り上り部４ａの厚さと同じ膜厚となるように形成されている。従って、盛り上り部４ａの領域を除く一部上部埋め込み層４ｕと盛り上り部４ａとは、略平坦面を形成するような膜厚となっている。この場合、略平坦面は、後述のコア５ａ、５ｂにて放射損失が所定の値に収まるような平坦性を有する面という意味である。なお、コア２ａに対する盛り上り部は、上部埋め込み層４ｕにも形成されるが（図１では図示省略）、ここでは盛り上り部４ａは下部埋め込み層４ｄの盛り上り部を指示する。

更に、この平坦面上には、ＩｎＰからなるバッファ層１１が形成されている。このバッファ層１１は、平坦面を形成する上部埋め込み層４ｕと盛り上り部４ａとの上面に残留するわずかな凹凸を緩和して更に好適な平坦面を形成するものである。そして、このバッファ層１１を含む１段目の導波路層のオーバクラッド層４は、２段目の導波路層のアンダークラッド層であり、その上にＩｎＧａＡｓＰからなるコア（導波路）５ａ、５ｂが形成されている。この場合、バッファ層１１の表面は好適な平坦面となっており、このためコア５ａ、５ｂは同一平坦面上に形成されることになる。従って、例えばコア５ａ、５ｂ同士を接続するにしても従来説明にて述べた図７（ｇ−１）（ｇ−２）に示すような積層方向の曲がりは生じない。そして、このコア５ａ、５ｂを覆うようにしてバッファ層１１上には、オーバクラッド層としてＩｎＰからなる埋め込み層７が形成される。

次に、図２を参照して立体集積光導波路素子の通常の結晶成長技術による製造方法について説明する。ここでは、ＩｎＰ基板1上に有機金属化学堆積法によって、各導波路層が形成される。図２（ａ）では、まずＩｎＰの基板１上にＩｎＧａＡｓＰの第１コア層２が積層される。次に、フォトリソグラフィ技術を用いて基板１上の第１コア層２にレジスト（図示省略）を塗布し、図２（ｂ）に示すようにレジスト上にマスク３をかけて露光し、その後エッチングを行い、図２（ｃ）に示すようにコア２ａのパターンを形成する。この後、コア２ａのパターン及び基板１を覆うように図２（ｄ）に示すＩｎＰのオーバクラッド層４のうちの下部埋め込み層４ｄの気相成長を行う。この場合、コア２ａに当たる下部埋め込み層４ｄの部分は、この気相成長によって盛り上り部４ａが形成されることになる。

オーバクラッド層４内の下部埋め込み層４ｄ上には、ＩｎＧａＡｓＰを材料としたエッチングストップ層１０が形成される。そして、このエッチングストップ層１０上には、上部埋め込み層４ｕが成長される。この場合、上部埋め込み層４ｕの膜厚は、下部埋め込み層４ｄの盛り上り部４ａの厚さと、この盛り上り部４ａを除く領域の上部埋め込み層４ｕ（一部上部埋め込み層）の厚さとが、同じになるように成長させる。
次に、図２（ｅ）に示すようにオーバクラッド層４の上部埋め込み層４ｕ上に盛り上り部４ａの領域を除いてマスク１２を施す。この場合、マスク１２の開口は、図２（ｂ）に示すコアの回路パターンに対応するマスク３について、例えばその回路パターンの幅を所定幅広げることにより得られる。このマスク１２の広がり幅の決定方法は、図２（ｄ）に示すようにコア２ａに対し下部埋め込み層４ｄ及び上部埋め込み層４ｕからなるオーバクラッド層４を実際に成膜して盛り上り部４ａを測定し、この盛り上り部４ａ応じて成膜装置ごとに条件出しをして決定することになる。なお、回路パターンの幅の広がりは、必ずしも一様に拡張すればよいわけではなく、例えば基板面の結晶方向に応じて拡張する程度を変化させるようなマスクパターンの設計も場合によっては必要である。

このマスク１２を通してエッチングを行い、盛り上り部４ａの領域の上部埋め込み層４ｕをエッチングストップ層１０が露出するまで除去する。このエッチングによる除去工程後マスク１２を外すことにより、図２（ｆ）に示すエッチングストップ層１０が露出された盛り上り部４ａとこの盛り上り部４ａ以外の部分の上部埋め込み層４ｕとにより平坦面を有するオーバクラッド層４の上面が得られる。ここで、エッチングストップについて述べるに、オーバクラッド層４のＩｎＰ材料とエッチングストップ層１０のＩｎＧａＡｓＰ材料とは、エッチング速度が大きく異なり、例えば塩酸・リン酸系のエッチング液を用いた場合、ＩｎＰが良好にエッチングされ、ＩｎＧａＡｓＰ材料にて停止する（エッチング速度が極めて遅くなる）。因みに、図２（ｃ）に示すようなコア２ａのエッチング等ＩｎＧａＡｓＰ材料のみのエッチングは、硫酸・過酸化水素水系のエッチング液を用いることで可能である。

また、エッチングストップ層１０が露出された盛り上り部４ａとこの盛り上り部４ａ以外の部分の上部埋め込み層４ｕとにより平坦面を得るためには、盛り上り部４ａの厚さと上部埋め込み層４ｕの厚さとの一致が必要となる。すなわち、図３（ａ）に示すように下部埋め込み層４ｄの盛り上り部４ａの厚さｐと上部埋め込み層４ｕの厚さｔとを同じにすることで、盛り上り部４ａに当る部分の上部埋め込み層４ｕをエッチングストップ層１０が露出するまでエッチングすることにより、上述の平坦面が得られる。図３（ｂ）に示すように盛り上り部４ａの厚さｐと上部埋め込み層４ｕの厚さｔとが一致しない、例えばｔ＞ｐの程度が大きい場合には、盛り上り部４ａに当る部分の上部埋め込み層４ｕをエッチングストップ層１０が露出するまでエッチングすると、厚さｐよりも厚さｔが大きいことから凹部ができて平坦面とはならない。従って、厚さｐとｔを一致させるためには、成膜装置ごとに試作と測定を繰り返し、成膜条件の条件出しをする必要がある。

更に、図２（ｅ）（ｆ）に示す工程を部分的に拡大して示すと、図４に示す工程となる。すなわち、図４（ａ）に示すように盛り上り部４ａの周縁部分の斜面構造に起因してこの周縁部分とマスク１２の縁との位置関係により、上部埋め込み部４ｕの縁に例えば図４（ｂ）（ｃ）のような凹凸が残る。この凹凸上にコアを形成する場合、コアの歪によって伝送光に若干の放射損失が生ずることがある。この図４（ｃ）に示す凹凸を微細化してこの放射損失を減少するために、図５に例示するように複数層のエッチングストップ層（図５では２層）１０，１０１を設けて異なる開口を有するマスク１２，１２１にてエッチングを施すことにより凹凸を微細化している。すなわち、下部埋め込み層４ｄ上に第１のエッチングストップ層１０を形成し、その上に第１の上部埋め込み層４ｕ１を成長させ、更に第２のエッチングストップ層１０１を形成し、そしてその上に第２の上部埋め込み層４ｕ２を形成するのである。エッチングに際しては、図５（ｂ）に示すようにマスク１２にてまず第２の上部埋め込み層４ｕ２を除去して第２のエッチングストップ層１０１を露出させ、図５（ｃ）に示すようにマスク１２を外し、ついで図５（ｄ）に示すように盛り上がり部４ａに当る第１の上部埋め込み層４ｕ１の傾斜部よりも内側の高い傾斜部に新たなマスク１２１の縁が位置するような、言い換えればマスク１２よりも開口の狭いマスク１２１を載せ、第１の上部埋め込み層４ｕ１を第１のエッチングストップ層１０が露出するまでエッチングする。このマスク１２の開口及びマスク１２１の開口の狭め量については、第１の上部埋め込み層４ｕ１の厚さ、結晶面方位、エッチング条件等によってマスク下部に回りこむエッチング幅を勘案してマスク寸法を決定することになる。このような工程を採ることにより、図５（ｆ）に示すように上部埋め込み層４ｕには複数の微細化した凹凸が形成されることになり、光の放射損失の更なる減少を図ることができる。

この後、図２（ｇ）に示すようにこの上部埋め込み層４ｕの上面に凹凸を緩和して更に好適な平坦面を形成するＩｎＰのバッファ層１１が成長され、この平坦なバッファ層１１の上面に第２コア層５が積層される。ついで、図２（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す工程と同様に、フォトリソグラフィ技術を用いてバッファ層１１上の第２コア層５にレジスト（図示省略）を塗布し、図２（ｈ）に示すようにレジスト上にマスク１３をかけて露光し、その後エッチングを行い、図２（ｉ）に示すようにコア５ａ、５ｂのパターンを形成する。この後、コア５ａ、５ｂのパターン及びバッファ層１１を覆うように図２（ｊ）に示すＩｎＰの埋め込み層（オーバクラッド層）７の気相成長を行う。

以上の説明では、盛り上り部４ａの上面露出のためにエッチング速度の異なるエッチングストップ層を形成したのであるが、このエッチングストップ層の変わりに特許文献４に示すような例えばＩｎＧａＡｓＰ系の発光特性を有するエッチングモニタ層を形成してこのエッチングモニタ層の検出にてエッチング処理を停止させるようにしても良い。
また、上記説明においては、能動素子を搭載しやすい等の点からＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系材料からなる化合物半導体光導波路を例示して述べたのであるが、エッチングマスクを利用してエッチングストップ層によるエッチング制御が可能な埋め込み型の光導波路を立体的に集積できる構造であれば他の材料でも良い。

本発明の実施形態を示す断面構成図である。図１の断面構成を製造する製造工程図である。平坦面を形成する場合の説明図である。凹凸が発生する場合の説明図である。２層のエッチングストップ層を形成した場合の説明図である。立体集積光導波路素子の一例の基礎概念図である。従来の製造工程図である。

Claims

アンダークラッド層とこのアンダークラッド層上にパターニングされたコアとこのコアを覆うオーバクラッド層とからなる埋め込み型の導波路層が複数段積層された立体集積光導波路素子において、
最上段以外の少なくとも一つの段の上記導波路層の上記オーバクラッド層は、上記コアを覆う下部埋め込み層、エッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層、及び上記下部埋め込み層の上記コアに当たる盛り上り部の領域を除いた一部上部埋め込み層を順に有し、上記オーバクラッド層の上面は、上記盛り上り部上の上記エッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層と上記一部上部埋め込み層の上面とによって構成されて平坦面とされていることを特徴とする立体集積光導波路素子。
上記一部上部埋め込み層は、第１上部埋め込み層、エッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層、第２上部埋め込み層を有することを特徴とする請求項１に記載の立体集積光導波路素子。
上記エッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層は、上記コアと同一材であり、その厚さは、光導波路として作用しない厚さであることを特徴とする請求項１または２に記載の立体集積光導波路素子。
アンダークラッド層上にパターニングされたコアを形成した後このコアを含むアンダークラッド層を覆うオーバクラッド層を成長させる工程にて形成される導波路層を複数段積み重ねた立体集積光導波路素子の製造方法において、
最上段以外の少なくとも一つの段の上記導波路層の上記オーバクラッド層の形成には、上記コアが形成された上記アンダークラッド層上に下部埋め込み層を形成する工程と、この下部埋め込み層上にエッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層を形成する工程と、このエッチングストップ層上あるいはエッチングモニタ層上に上記下部埋め込み層の上記コアに当たる盛り上り部の厚さに一致する膜厚の上部埋め込み層を形成する工程と、上記盛り上り部の領域の上記上部埋め込み層を上記エッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層が露出するまでエッチングして除去する工程と、を加えたことを特徴とする立体集積光導波路素子の製造方法。
上記上部埋め込み層を形成する工程は、第１上部埋め込み層を形成する工程と、この第１上部埋め込み層上に更なるエッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層を形成する工程と、このエッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層上に第２上部埋め込み層を形成する工程とを有し、
上記更なるエッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層除去工程は、上記盛り上り部上の上記第２上部埋め込み層をエッチング除去する工程と、上記第２上部埋め込み層の除去により露出された上記更なるエッチングストップ層あるいはエッチングモニタ層を除去する工程と、上記盛り上り部の傾斜部における上記除去された上記第２上部埋め込み層の縁より高い傾斜位置より内側の上記第１上部埋め込み層を除去する工程とを有することを特徴とする請求項４に記載の立体集積光導波路素子の製造方法。