JP4893518B2 - 光デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光デバイスの製造方法に関する。

従来、例えば光導波路として用いるＳｉＯ_２膜の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）加工においては、多層レジスト膜などが用いられてきた（例えば特許文献１参照）。また、Ｔｉ膜やＷＳｉｘ膜などによるメタルマスクを用いたものもあった（例えば特許文献２参照）。多層レジスト膜やメタルマスクは、厚さが１μｍを超えるような厚膜のＳｉＯ_２膜をＲＩＥ加工する場合であっても、高エネルギーイオンに対する十分なエッチング耐性を備えており、ＳｉＯ_２膜の加工精度の確保が可能となっていた。
特開平１１−２３１１５９号公報 特開平２−３３１０６号公報

しかしながら、メタルマスクを用いた場合、イオン衝突によってメタルマスク表面から金属イオンが飛散し易いという問題があった。かかる飛散物が光導波路を構成する層中などに取り込まれると、光デバイスの特性を低下させてしまうおそれがあった。また、多層レジスト膜を用いた場合、製造工程が複雑化するという問題があった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な工程でＳｉＯ_２膜の加工を精度良く行うことができ、所望の特性を有する光デバイスを得ることが可能な光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る光デバイスの製造方法は、基板上にＳｉＯ_２膜を形成するＳｉＯ_２膜形成工程と、ＳｉＯ_２膜上にレジスト膜をパターン形成するレジスト膜形成工程と、レジスト膜に紫外光を照射しながら熱処理を加え、レジスト膜を硬化させるレジスト膜硬化工程と、レジスト膜をマスクとして、反応性イオンエッチングによってＳｉＯ_２膜をエッチングするＳｉＯ_２膜エッチング工程とを備え、レジスト膜形成工程において、ＳｉＯ_２膜の厚さをＨとし、レジスト膜の厚さをＬとしたときに、ＳｉＯ_２膜の厚さＨが１μｍ以上であり、かつＬ／Ｈ≧１．０を満たすようにＳｉＯ_２膜上にレジスト膜を形成することを特徴としている。

この光デバイスの製造方法では、ＳｉＯ_２膜の厚さよりも厚いレジスト膜をパターン形成し、このレジスト膜をマスクとして、フッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってＳｉＯ_２膜をエッチングする。ＲＩＥでは、エッチングが進行するにつれてレジスト膜のエッジ部分からマスクの消失が開始し、マスクの厚さ方向の消失は、面内方向の消失よりも早い傾向がある。そこで、この光デバイスの製造方法では、レジスト膜を紫外光照射及び熱処理によって硬化させることにより、レジスト膜に対するＳｉＯ_２膜の厚さ方向のエッチング選択比を１以上としている。したがって、ＳｉＯ_２膜のエッチングが完了するまで、厚さ方向から見たレジスト膜の形状が変化してしまうことが防止されるので、ＳｉＯ_２膜の加工精度を十分に確保できる。また、この光デバイスの製造方法では、金属イオンの飛散物によって、光デバイスの特性が低下してしまうこともなく、レジスト膜の形成にあたっての製造工程の複雑化も回避される。

また、レジスト膜形成工程において、Ｌ／Ｈ≦２．５を満たすようにＳｉＯ_２膜上にレジスト膜を形成することが好ましい。レジスト膜の厚さが過剰になると、硬化処理の際にレジスト膜の一部がポリマー化し、ＳｉＯ_２膜をエッチングした後のレジスト膜の除去が困難になるおそれがある。したがって、上記範囲を用いることにより、エッチング後のレジスト膜の除去が容易なものとなる。

また、レジスト膜硬化工程において、レジスト膜の上面及び側面のそれぞれに向けて紫外光を照射することが好ましい。これにより、レジスト膜の表面をより均一に硬化させることができる。

本発明に係る光デバイスの製造方法によれば、簡単な工程でＳｉＯ_２膜の加工を精度良く行うことができ、所望の特性を有する光デバイスを得ることが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光デバイスの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１〜図５は、本発明の一実施形態に係る光デバイスの製造方法を説明する図である。本実施形態では、光デバイスとして、例えば波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送システムに用いられる平面光導波路を例示する。

まず、図１（ａ）に示すように、基板１を用意する。基板１は、不純物が添加されていない純石英ガラスからなり、基板１自体が導波路クラッドとして機能する。基板１の厚さは、例えば５００μｍ〜１ｍｍとなっている。

次に、図１（ｂ）に示すように、基板１上にＳｉＯ_２膜２を形成する。導波路クラッドよりも屈折率を高くするため、ＳｉＯ_２膜２には、例えばＧｅがドープされる。このＳｉＯ_２膜２の形成にあたっては、例えば上部電極（１３．５６ＭＨｚ、５００〜２５００Ｗ）及び下部電極（１４０ｋＨｚ、０〜４００Ｗ）を備えた２周波型プラズマＣＶＤ装置を使用する。成膜ガスとしては、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）及びＯ_２を用いる。また、Ｇｅをドープするための原料としては、例えばテトラメチルゲルマニウム（ＴＭＧｅ）を用いる。

そして、ＴＥＯＳの流量を５ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍ、Ｏ_２の流量を１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍ、ＴＭＧｅの流量を１〜５ｓｃｃｍとし、上部電極にてプラズマ分解したＯ_２が下部電極に向かうイオンエネルギーによって、ＴＥＯＳ及びＴＭＧｅを分解させる。これにより、ＳｉＯ_２の成膜反応が促進され、基板１上にＳｉＯ_２膜２が形成される。ＳｉＯ_２膜２の厚さＨは、通常１μｍ以上の厚みを有し、例えば１μｍ〜１０μｍの厚みとなっている。

ＳｉＯ_２膜２を形成した後、図２（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２膜２上にレジスト膜３をスピン塗布する。レジスト膜３の厚さＬは、ＳｉＯ_２膜２の厚さ、リソグラフィー装置の性能、後述するレジスト膜３の処理条件などを考慮し、１．０≦Ｌ／Ｈ≦２．５を満たす範囲で決定される。本実施形態では、レジスト膜３は、ＳｉＯ_２膜２と実質的に同じ厚さ（Ｌ／Ｈ＝１．０）となっている。

次に、リソグラフィー法を用いることにより、図２（ｂ）に示すように、レジスト膜３のパターニングを行う。これにより、レジスト膜３には、基板１を露出させる複数（本実施形態では２本）の溝３ａ，３ａが形成される。

レジスト膜３を形成した後、このレジスト膜３の硬化処理を行う。より具体的には、図３に示すように、ウエハをホットプレートＰ上に載置し、基板１の下方からレジスト膜３に対して熱処理を行う。この熱処理においては、ホットプレートＰの初期温度を１００℃とし、１８０秒かけて２００℃まで温度を上昇させる。ホットプレートＰの温度が２００℃に到達した後、３分間維持する。このような条件により、熱処理中のレジスト膜３の温度分布の均一化が図られると共に、レジスト膜３の突沸も防止できる。

また、熱処理と同時に、レジスト膜３に向けて紫外光を照射する。紫外光の照射においては、ウエハの上方に例えば２００ｍｍ×３００ｍｍの紫外光源（図示せず）を配置する。紫外光の照射量は、照射開始から５秒間を２０ｍＷとし、その後は熱処理が終了するまで６００ｍＷとする。これにより、レジスト膜３の上面３ｂ及び側面３ｃのそれぞれに略均一に紫外光が照射され、レジスト膜３の表面が硬化するので、熱処理時におけるレジスト膜３の形状ダレを防止できる。

レジスト膜３の硬化処理を行った後、この硬化したレジスト膜３をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によってＳｉＯ_２膜２のエッチングを行う。ＲＩＥを行うにあたっては、例えば上部電極（６０ＭＨｚ、１００〜３００Ｗ）及び下部電極（１．６ＭＨｚ、２５〜２００Ｗ）を備えた平行平板型ＲＩＥ装置を使用する。エッチングガスとしては、例えばフロン系ガスを２５ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍの流量で導入する。この場合、異方性を持たせるためのＨ_２を７ｓｃｃｍ〜６０ｓｃｃｍの流量で導入してもよい。また、ＣＨＦ_３を用いてもよい。

ここで、ＲＩＥ中のＳｉＯ_２膜２及びレジスト膜３の状態を図４に示す。同図に示すように、ＲＩＥでは、エッチングが進行するにつれて、まず、レジスト膜３における上面３ｂのエッジ部分３ｄからマスクの消失が開始する。マスクの消失は、エッジ部分からおよそ４５°の角度方向に向かって進行し、これにより、レジスト膜３の上面３ｂ及び側面３ｃと約１３５°の角度をなす傾斜面３ｅが形成される。このような現象は、異なる周波数を持つ２つの高周波を用いたＲＩＥにより、プラズマによる化学的なエッチングと、イオンによる物理的なエッチングとが同時に生じるために発生するものと考えられる。

傾斜面３ｅが拡大し、レジスト膜３の側面３ｃが完全に消失すると、これ以降は、レジスト膜３を厚さ方向から見たときの幅、すなわち、マスク幅ＷＳが徐々に小さくなる。ドライエッチング中にマスク幅ＷＳが縮小すると、エッチングされるＳｉＯ_２膜２の形状の垂直度を維持できず、裾を引くリッジ状となってしまう問題が生じる。

これに対し、本実施形態に係る光デバイスの製造方法では、上述したように、レジスト膜３とＳｉＯ_２膜２とが実質的に同じ厚さ（Ｌ／Ｈ＝１．０）となっており、かつレジスト膜３は、熱処理及び紫外光の照射によって硬化されている。そのため、ＲＩＥドライエッチングを行う際のレジスト膜３に対するＳｉＯ_２膜２の厚さ方向のエッチング選択比は、２程度まで向上したものとなっている。

したがって、ＳｉＯ_２膜２のエッチングが完了するまでの間に、レジスト膜３の側面３ｃが完全に消失してしまうことはなく、エッチング中のマスク幅ＷＳの縮小を防止することができる。これにより、十分な加工精度をもって、ＳｉＯ_２膜２が略垂直にエッチングされ、図５（ａ）に示すように、光導波路のコア部４が形成される。

ＳｉＯ_２膜２のエッチングの後、例えばＯ_２ガスを用いたドライアッシングにより、コア部４を含むＳｉＯ_２膜２上に残るレジスト膜３を除去する。最後に、コア部４を含むＳｉＯ_２膜２を覆うように、導波路クラッドとなるＳｉＯ_２膜５を形成する。

ＳｉＯ_２膜５の形成にあたっては、例えばＳｉＯ_２膜２の形成に用いた２周波型プラズマＣＶＤ装置を使用する。成膜ガスとして、例えばＴＥＯＳを５ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍの流量で導入し、Ｏ_２を１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍの流量で導入する。ＳｉＯ_２膜５の厚さは、例えば２０μｍ〜４０μｍとなっている。これにより、図５（ｂ）に示すように、コア部４が、導波路クラッドである基板１及びＳｉＯ_２膜５によって覆われ、平面光導波路１０が完成する。

以上説明したように、この光デバイスの製造方法では、１μｍ以上の厚みを有するＳｉＯ_２膜２の加工プロセスにおいて、ＳｉＯ_２膜２の厚さＨとレジスト膜３の厚さＬとの関係が１．０≦Ｌ／Ｈを満たすようにしてＳｉＯ_２膜２上にレジスト膜３をパターン形成している。また、レジスト膜３を紫外光照射及び熱処理によって硬化させることにより、レジスト膜３に対するＳｉＯ_２膜２の厚さ方向のエッチング選択比を１以上に向上させている。したがって、ＳｉＯ_２膜２のエッチングが完了するまで、厚さ方向から見たレジスト膜３のマスク幅ＷＳの減少を防止でき、十分な加工精度をもってＳｉＯ_２膜２を略垂直にエッチングすることが可能となる。これにより、所望の形状のコア部４が得られ、好適な特性を持つ平面型光導波路１０を製造できる。かかる光デバイスの製造方法では、従来のメタルマスクを用いる場合のように、金属イオンの飛散物によって光デバイスの特性が低下してしまうこともなく、多層レジスト膜を用いる場合のような製造工程の複雑化も回避される。

また、この光デバイスの製造方法では、Ｌ／Ｈ≦２．５を満たすようにＳｉＯ_２膜２上にレジスト膜３を形成している。レジスト膜３の厚さが過剰になると、熱処理時の温度及び時間を増大させる必要が生じる。そのため、硬化処理の際にレジスト膜３の一部がポリマー化し、ＳｉＯ_２膜２をエッチングした後のレジスト膜３の除去が困難になるおそれがある。したがって、Ｌ／Ｈを上記範囲とすることにより、エッチング後のレジスト膜３の除去が容易なものとなる。

また、この光デバイスの製造方法では、レジスト膜３に熱処理を加える際、レジスト膜３の上面３ｂ及び側面３ｃのそれぞれに向けて紫外光を照射しているので、レジスト膜３の表面を均一に硬化させることができる。これにより、熱処理時におけるレジスト膜３の形状ダレを効果的に防止でき、ＳｉＯ_２膜２のエッチングが完了するまでのマスク幅ＷＳの減少を一層確実に防止できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。上述した実施形態では、平面型光導波路を例示し、光導波路のコア部を構成するＳｉＯ_２膜をエッチングしているが、本発明に係る光デバイスの製造方法は、基板上のＳｉＯ_２膜をエッチングする工程を要する光デバイスであれば適用可能である。例えば活性層を含む多層半導体構造を有する半導体光デバイスにおいて、当該多層半導体構造をメサ形状にエッチングする際にマスクとして用いるＳｉＯ_２膜のパターンエッチングに適用することができる。

図６及び図７は、この変形例に係る光デバイスの製造方法を示す斜視図である。図６（ａ）に示す例では、例えばＩｎＰ基板２１上に、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体からなる活性層２２と、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層２３と、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３０とが積層されている。コンタクト層３０の表面には、例えば厚さが１μｍ〜１０μｍ程度のＳｉＯ_２膜２４が積層されている。

ＳｉＯ_２膜２４の表面には、リソグラフィー法を用いることにより、基板２１に形成するメサ部の形状に合わせてパターニングされたレジスト膜２５が形成されている。レジスト膜２５の厚さＬは、ＳｉＯ_２膜２４の厚さＨと実質的に同じ（Ｌ／Ｈ＝１．０）となっている。

次に、図６（ｂ）に示すように、ウエハをホットプレートＰ上に載置し、基板２１の下方からレジスト膜２５に対して熱処理を行う。また、ウエハの上方及び側方に紫外光源（図示せず）を配置し、熱処理と同時にレジスト膜２５の上面２５ａ及び側面２５ｂに向けて紫外光を照射する。

レジスト膜２５の硬化処理を行った後、この硬化したレジスト膜２５をマスクとして、ＲＩＥによってＳｉＯ_２膜２４のエッチングを行う。エッチングガスとしては、例えばＣＨＦ_３が用いられる。このとき、ＲＩＥを行う際のレジスト膜２５に対するＳｉＯ_２膜２４の厚さ方向のエッチング選択比は、２程度まで向上したものとなっている。したがって、ＳｉＯ_２膜２４のエッチングが完了するまでの間に、レジスト膜２５の側面２５ｂが完全に消失してしまうことはなく、図７（ａ）に示すように、十分な加工精度をもって、ＳｉＯ_２膜２４が略垂直にエッチングされる。

この後、例えばＯ_２ガスを用いたドライアッシングにより、ＳｉＯ_２膜２４上に残るレジスト膜２５を除去する。そして、残ったＳｉＯ_２膜２４をマスクとして、例えばＥＣＲ−ＲＩＥエッチング装置を用いて化合物半導体領域３０，２３，２２，２１のドライエッチングを行う。エッチングガスとしては、例えばＣＨＦ_３が用いられる。これにより、図７（ｂ）に示すように、基板２１上にメサ部２６が形成される。

この変形例においても、レジスト膜２５を紫外光照射及び熱処理によって硬化させることにより、レジスト膜２５に対するＳｉＯ_２膜２４の厚さ方向のエッチング選択比を１以上に向上させている。したがって、ＳｉＯ_２膜２４のエッチングが完了するまで、厚さ方向から見たレジスト膜２５のマスク幅の減少を防止でき、十分な加工精度をもってＳｉＯ_２膜２４を略垂直にエッチングできる。これにより、化合物半導体領域３０，２３，２２，２１のエッチング角度を略垂直に維持でき、基板２１に対して直角に近い状態でメサ部２６を形成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る光デバイスの製造方法を説明する図である。 図１の後続の工程を示す図である。 レジスト膜の硬化処理を示す図である。 反応性イオンエッチング中のレジスト膜とＳｉＯ_２膜との状態を示す図である。 図４の後続の工程を示す図である。 本発明の変形例に係る光デバイスの製造方法を説明する図である。 図６の後続の工程を示す図である。

符号の説明

１，２１…基板、２，２４…ＳｉＯ_２膜、３，２５…レジスト膜、３ｂ，２５ａ…上面、３ｃ，２５ｂ…側面、Ｈ…ＳｉＯ_２膜の厚さ、Ｌ…レジスト膜の厚さ。

Claims (2)

1. 基板上にＳｉＯ_２膜を形成するＳｉＯ_２膜形成工程と、
   前記ＳｉＯ_２膜上にレジスト膜をパターン形成するレジスト膜形成工程と、
   前記レジスト膜に形状ダレが生じ得る温度で熱処理を加えると共に前記形状ダレを防止するための紫外光を照射することにより、前記レジスト膜を硬化させるレジスト膜硬化工程と、
   前記レジスト膜をマスクとして、反応性イオンエッチングによって前記ＳｉＯ_２膜をエッチングするＳｉＯ_２膜エッチング工程とを備え、
   前記レジスト膜形成工程において、前記ＳｉＯ_２膜の厚さをＨとし、前記レジスト膜の厚さをＬとしたときに、前記ＳｉＯ_２膜の厚さＨが１μｍ以上であり、かつＬ／Ｈ≧１．０を満たすように前記ＳｉＯ_２膜上に前記レジスト膜を形成し、
   前記レジスト膜硬化工程において、前記レジスト膜の上面及び側面のそれぞれに向けて前記紫外光を照射し、前記ＳｉＯ _２ 膜エッチング工程における前記レジスト膜に対する前記ＳｉＯ _２ 膜の厚さ方向のエッチング選択比が１以上にすることを特徴とする光デバイスの製造方法。
2. 前記レジスト膜形成工程において、Ｌ／Ｈ≦２．５を満たすように前記ＳｉＯ_２膜上に前記レジスト膜を形成することを特徴とする請求項１記載の光デバイスの製造方法。
   

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