JP5373717B2

JP5373717B2 - 光導波路部品の作製方法

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Publication number: JP5373717B2
Application number: JP2010181030A
Authority: JP
Inventors: 優生倉田; 悠介那須; 泰彰橋詰; 裕史山崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-08-12
Also published as: JP2012042515A

Description

本発明は、基板上の平面光導波路回路に基板面に対し傾斜した溝を形成する方法およびそのための装置構成に関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められており、その一つとして、石英系平面光導波路回路（以下、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）ともいう。）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度といった優れた特徴を有し、複合機能一体集積のプラットフォームとして有望である。実際に伝送端局における光受信装置にはフォトダイオード（以下、ＰＤ（Photodiode）ともいう。）などの受光素子からなる光モジュールや、レーザーダイオード（以下、ＬＤ（Laser diode）ともいう。）などの発光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが光結合により実装されている。

このような光導波路と受（発）光素子の光結合を可能とする構造として、図１に示すような、光導波路の一部の領域に、基板面に対して垂直方向に光路を変換する反射ミラーを設ける構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的な構造は様々であるが、加工工程の容易さから、ダイシングソーなどの機械加工や収束イオンビームによりＰＬＣの一部に斜め溝を設ける手法や、化学エッチングを利用して傾斜面を設ける手法が広く行われている。しかし、機械加工は容易に行うことができるものの、加工位置のアライメント精度が低いという欠点がある。また、収束イオンビームによるエッチング加工では時間とコストが掛かりすぎるという欠点がある。そして、化学エッチングは作製できる角度が結晶方位によって固定されているという欠点があった。

そこで、上記の手法以外の斜め溝加工手法として、異方性プラズマエッチングを応用した手法を挙げる。異方性プラズマエッチングは半導体デバイスなどの微細加工に適した加工手法であり、加工位置はマスクにより一意に決まるため精度が高く、一度に複数箇所の加工が可能であるため時間およびコストの点でも有利である。この異方性プラズマエッチングを用いた斜め溝加工は以下のように行われる。

エッチングチャンバー（以下、「チャンバー」ともいう。）を真空まで排気した後、エッチングガスを流入し、高周波電圧を印加することでチャンバー内にプラズマを発生させる。その後、チャンバー上部と下部に電極面が平行になるように設けられた電極に電圧を印加することでチャンバー内に電界を誘起する。すると、プラズマ中のイオンが電界に従って電極へと引き寄せられる。イオンはチャンバー底面（下部電極）に対し、垂直に引き寄せられ、加速するため、エッチング対象に対して一方向からのみ衝突し、異方性のエッチングが進行する。したがって、チャンバー内に加工対象であるＰＬＣを傾けて設置することでイオンが斜めにＰＬＣに衝突し、斜めにエッチングが行われ、斜め溝加工が可能と考えられる。

特開２００５−７０３６５号公報（図１）

しかしながら、図２に示すように、チャンバー内のＰＬＣ周辺ではＰＬＣに沿った形で電界が形成されるため、電位勾配の向きはＰＬＣに対して垂直方向に向かう。したがって、イオンは、始めはＰＬＣ表面（基板面）に対して斜めに（チャンバー底面に対して垂直に）加速するものの、次第にＰＬＣ周辺に形成された電界に沿ってＰＬＣに引き寄せられてゆく。結果として、ＰＬＣ表面へのイオンの入射角度は、チャンバー底面に対して垂直な方向ではなく、ＰＬＣ表面（基板面）に対して垂直方向に近い角度となる。すなわち、ＰＬＣ表面（基板面）に対して垂直方向に近い角度でＰＬＣのエッチングが進行するため、ＰＬＣ表面に対して垂直な方向から大きく傾いた斜め溝の加工が困難という欠点がある。

この問題を解決するためには、斜めにエッチングが進行するように電界を制御することが重要である。具体的には、斜めに設置したＰＬＣの近傍に構造物（以下、「電界制御ブロック」、または単に「ブロック」ともいう。）を設置することで、電界を制御できる。上記のＰＬＣと同様に、この電界制御ブロックの近傍においても、電界制御ブロックの形状に沿った形で電界が形成される。

したがって、図３に示すように、この電界制御ブロックの近傍に形成される電界と、ＰＬＣ近傍に形成される電界とで形成された電位の勾配の向きが、ＰＬＣ表面（基板面）に対して斜めになるように、電界制御ブロックとＰＬＣを配置することで、ＰＬＣ基板面に対して斜めに（チャンバー底面に対して垂直に）エッチングが進行しやすくなるため、傾きの大きい斜め溝加工が容易となる。

一方で斜め溝の被加工体であるＰＬＣは石英ガラスを材料として下層からアンダークラッド、コア、オーバークラッドの順番で構成される。低損失な反射ミラーを形成するためには、少なくともコアにいたるまでのおよそ数十μｍの深さまで、エッチングを平滑に行う必要がある。一般的な半導体プロセスではビア形成などを除くとエッチング深さは数μｍ程度、また代表的な半導体材料であるＳｉはＳｉＯ₂より加工が容易であることと比較すると、ＰＬＣのプラズマエッチング加工では、加工時間が長時間に及んだ場合でも、加工均一性を維持するため、高いプラズマ安定性が求められているといえる。

先に述べたように異方性プラズマエッチングによる斜め溝加工では、チャンバー内にＰＬＣを斜めに固定するための治具（以下、「傾斜保持治具」または単に「治具」ともいう。）や電界制御ブロックを用いることが想定されている。これらの治具やブロックは、斜め加工に適した電界分布を提供するものの、別の視点から見ると、チャンバー内の電界分布を通常の状態から乱す要素を設置していることになるため、プラズマの不安定化要因の導入と等価といえる。実際に、傾斜保持治具および電界制御ブロックを用いてＰＬＣの斜め溝加工を行ってみると、エッチングの初期と最後において、斜め溝角度が異なることや、エッチング面の荒れといった問題が見られた。

このような斜め溝の角度の変化は、エッチング時間の経過とともに、傾斜保持治具、電界制御ブロック、ＰＬＣに電荷が溜まり、この電荷の影響でＰＬＣ近傍の電位勾配が変化したことが原因と考えられる。また、同時にこれらの電荷の影響によりイオンやラジカルによるエッチングと側面への保護層堆積とのバランスが崩れ、その結果、エッチングレートの低下や荒れの増加が発生したものと考えられる。

以上のように、位置精度や複数個所の一括加工に優れた異方性プラズマエッチングにより、斜め溝の作製が可能であるものの、加工対象をＰＬＣとした場合、所望の斜め溝角度や平滑なミラー面が得られるだけの安定した加工が困難である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、異方性プラズマエッチングを用いて、平面光回路（ＰＬＣ）に基板面に対し傾斜し且つ傾斜角度の変化の少ない溝を形成する方法およびそのための装置構成を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、異方性プラズマエッチングで、基板上に形成された光回路に前記基板の面の垂直方向から傾斜した溝を作成する方法であって、対面する上部電極と下部電極との間に、導体または半導体により構成されているあるいは表面に導電性コーティングが施されている傾斜保持手段であり前記下部電極に電気的に接続された前記傾斜保持手段を用いて前記下部電極の面に対して傾斜した状態に前記光回路を保持することと、導体または半導体により構成されているあるいは表面に導電性コーティングが施されている電界制御手段であり前記下部電極に電気的に接続され前記下部電極の面に垂直な面を有する前記電界制御手段を、当該電界制御手段の前記垂直な面が、前記光回路のエッチングされる面の向かい側の前記光回路の近傍に設置することと、前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加して、生成したプラズマにより前記光回路をエッチングすることとを含むことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、異方性プラズマエッチング用のチャンバーであって、対面する上部電極と下部電極と、前記上部電極と前記下部電極との間に設置された傾斜保持手段であって、光回路を前記下部電極の面に対して傾斜した状態に保持する傾斜保持手段と、前記上部電極と前記下部電極との間に設置された、前記下部電極の面に垂直な面を有する電界制御手段であって、当該電界制御手段の前記垂直な面が前記光回路のエッチングされる面の向かい側となるように前記光回路の近傍に設置された電界制御手段と、前記傾斜保持手段および前記電界制御手段を前記下部電極に電気的に接続する手段とを備え、前記傾斜保持手段および前記電界制御手段は、導体または半導体により構成されているあるいは表面に導電性コーティングが施されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、異方性プラズマエッチングを用いて、平面光回路（ＰＬＣ）に基板面に対し傾斜し且つ傾斜角度の変化の少ない溝を形成する方法およびそのための装置構成を提供することが可能となる。また、本発明によれば、平滑な面を有する溝が形成され、フォトダイオードやレーザーダイオードの表面実装に好適な損失の小さい光導波路部品を提供することが可能となる。

光導波路の一部の領域に、基板面に対して垂直方向に光路を変換する反射ミラーを設けた構造を説明する図である。エッチングチャンバー内のＰＬＣ周辺に形成される電界を説明する図である。エッチングチャンバー内に電界制御ブロックを設置した場合にＰＬＣ周辺に形成される電界を説明する図である。本発明の一実施形態にかかる、平面光回路（ＰＬＣ）に基板面に対し傾斜し且つ傾斜角度の変化の少ない溝を形成する方法およびそのための装置構成を説明するための図である。実施例１におけるＰＬＣの概略を示す図である。実施例１におけるエッチングチャンバー内の構成を示す図である。本願明細書における設置角度と斜め溝角度と称する角度を示す図である。実施例１において得た、ＰＬＣの設置角度と形成された斜め溝角度との関係を示す図である。実施例１において得た、エッチング時間と形成された斜め溝角度との関係を示す図である。実施例２において得た、エッチング時間と形成された斜め溝角度との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明は、異方性プラズマエッチングを用いて、平面光回路（ＰＬＣ）に基板面に対し傾斜し且つ傾斜角度の変化の少ない溝を形成する方法およびそのための装置構成を提供する。

図４は、エッチングチャンバー内の構成の概略を示す。図４には、チャンバー内に設置された、マスク１６が形成されたＰＬＣ１０も示されている。エッチングチャンバーは内部に、下部電極５０と、傾斜保持治具２０と、電解制御ブロック３０とを備える。

下部電極５０は、上部電極（図示しない）と対向し、電極面が平行になるように配置されている。下部電極５０と上部電極との間に高周波電圧を印加して、チャンバー内にプラズマを発生することができる。また、下部電極５０と上部電極との間に電圧を印加することにより、チャンバー内に電界を誘起することができる。

傾斜保持治具２０および電解制御ブロック３０は、導電性テープ４０により下部電極にそれぞれ電気的に接続されている。台座を用いて傾斜保持治具２０および電界制御ブロック３０を固定しても良い。台座を用いる場合には、台座も下部電極２０に電気的に接続されるように構成するのが望ましい。

傾斜保持治具２０は、下部電極５０の電極面と被加工物であるＰＬＣ１０とが作る角度（以下、設置角度ともいう。）が所望の角度となるようにＰＬＣ１０を保持する。

電界制御ブロック３０は、下部電極５０の電極面に垂直な面を有する（例えば、立方体状、直方体状、三角柱状、半円柱状または板状の）構造体である。電界制御ブロック３０は、ＰＬＣ１０の斜め溝が形成される面（エッチングされる面）の向かい側に設置される。より好ましくは、電界制御ブロック３０の垂直な面の下部電極側の辺とＰＬＣ１０の斜め溝が形成される面の下部電極側の辺とが平行になるように設置されている。または、電界制御ブロック３０垂直な面の法線とＰＬＣ１０の斜め溝が形成される面の法線が、下部電極の電極面に垂直な面に含まれるように設置されている。

ＰＬＣ１０、傾斜保持治具２０および電界制御ブロック３０の位置は、エッチング時に形成される電界分布に影響を与えるため、ＰＬＣのサイズや所望の傾斜角（ＰＬＣの基板面に対する斜め溝の角度）に応じて調整されている。

導電性テープ４０は、傾斜保持治具２０および電解制御ブロック３０の電荷を下部電極下部電極へ逃がし、傾斜保持治具２０および電解制御ブロック３０に対する帯電を防止するように作用する。したがって、傾斜保持治具２０および電解制御ブロック３０は導電性の材料で構成されていることが望ましく、半導体や誘電体を材料として用いる場合は導電性の薄膜をコーティングしてもよい。

同様にＰＬＣ１０も導電性テープ４０などにより、下部電極５０へと電気的に接続されていることが望ましい。ここでは、傾斜保持治具２０および電解制御ブロック３０やＰＬＣ１０を下部電極５０へ接続しているが、要するにイオンが電極に向かって加速するのを妨げずに帯電を防ぐ構造であれば良い。また、電界制御ブロック３０、傾斜保持治具２０および台座（図示しない）は、分離した別々の構成要素として示しているが、必ずしも別々の構造となっている必要は無く、電界制御ブロック３０、傾斜保持治具２０および台座のうちの２つまたは３つを一体として構成しても良い。

上記構成において、主にＰＬＣ２０の設置角度や電界制御ブロック３０の位置や高さといったパラメータを調整することで、ＰＬＣ１０に所望の角度を有した斜め溝を形成することが可能である。

具体的には、ＰＬＣ１０の設置角度が大きいほど、及び／または電界制御ブロック３０がＰＬＣに近いほど、より傾斜した斜め溝を作製することができ、逆の場合は、傾斜が小さい溝を作製することができる。電界制御ブロック３０がＰＬＣに近い場合には、ＰＬＣ付近においてイオンを下部電極面に垂直な方向に引き寄せる電界が形成され、ＰＬＣ１０の基板面に対して設置角度に略等しい角度を有する方向にエッチングが進むからである。

ＰＬＣ１０における斜め溝の加工領域の高さが電界制御ブロック３０の高さより高い場合は、電位勾配の向きはＰＬＣの基板面に対して垂直に近づくため、エッチングがＰＬＣの基板面に対して斜めに進行し難くなる。したがって電界制御ブロック３０の高さ（少なくとも下部電極の電極面に垂直な面の高さ）をＰＬＣ１０の加工領域の高さよりも高くする、または台座にスリット（図示しない）を設け、ＰＬＣ１０を挿入して加工領域が電界制御ブロック３０の高さより低くなるように調整してもよい。台座に設けたスリットがＰＬＣ１０を固定できるようにすることで、台座を傾斜保持治具２０の代替として用いても良い。勿論、台座と傾斜保持治具２０の双方を用いて、ＰＬＣ１０を所望の位置および傾斜角度に固定してもよい。また、奥行き方向の均一性が必要な場合は、斜め溝の加工領域に対して、電界制御ブロック３０と傾斜保持治具２０を奥行き方向に十分大きくすることで、加工領域において均一な電界分布を形成することができる。

以上のように、傾斜保持治具２０および電界制御ブロック３０を電気的に電極と接続することで、エッチング時のプラズマの安定性を高めることができる。上記の例では、傾斜保持治具２０および電界制御ブロック３０を電気的に下部電極５０に接続することで、エッチング中に発生する傾斜保持治具２０および電界制御ブロック３０への帯電を防ぎ、帯電による電界分布の変化を積極的に抑制することができる。ＰＬＣ１０のようにエッチング時間が長い場合、帯電などによりプラズマ安定性が崩れやすいが、本実施形態による構成を用いることで、電気的にプラズマをより安定した状態に保つことが可能となる。その結果、平滑なミラー面かつ、所望の角度の反射ミラーを有するＰＬＣを、異方性プラズマエッチングにより作製することが容易となる。

（実施例１）
図５に示す１５×２０ｍｍ²のＰＬＣを被加工対象として用い、異方性プラズマエッチングにより斜め溝を形成した。被加工対象のＰＬＣ上にはフォトリソグラフィーにより短辺に対して並行に開口部１７が形成されているマスク１６を作製した。

図６に示すように、高さ１５ｍｍの電界制御ブロック３０と高さ１０ｍｍの傾斜保持治具２０を用いてＰＬＣ１０を固定した。電界制御ブロック３０および傾斜保持治具２０はカーボンを材料としたものを一つずつ用意した。エッチングチャンバー内の下部電極５０上に傾斜保持治具２０を設置し、ＰＬＣから１ｍｍ離した位置に電界制御ブロック３０を設置した。そしてそれぞれを下部電極５０と導電性カーボンテープ４０を用いて電気的に接続した。

ＰＬＣの基板面に対して４５度の傾斜を有する斜め溝を形成するための条件を求めるため、３０度、４５度、６０度の角度でＰＬＣをチャンバー内に設置し、それぞれエッチングを行った。また、累計エッチング時間で１時間、２時間、４時間のときにチャンバーから取り出し、斜め溝の角度と面荒れの評価を行った。設置角度および斜め溝角度と呼称する箇所を図７に示す。

図８に設置角度に対する各エッチング時間における斜め溝角度を示す。各エッチング時間のプロットがほとんど重なっていることから、電界分布やプラズマが変化無く、安定してエッチングされていることがわかる。また設置角度に対するプロットから、４５度の傾斜を有する斜め溝の加工には、設置角度５０度付近が最適であることがわかった。ミラー面の算術平均荒さは７０ｎｍ以下であり、平滑な面が形成されていることを確認した。

また、本発明の効果を検証するため、石英ガラスを材料とした上記と同サイズの傾斜保持治具を用意し、上記と同様の実験を行った。図９にエッチング時間に対する各設置角度における斜め溝角度を示す。各設置角度において、エッチング時間の増加とともに斜め溝角度も大きくなっている。ミラー面の算術平均粗さは１２０ｎｍ程度であった。これらの結果は、エッチングが進むにつれて、傾斜保持治具および電界制御ブロックが帯電し、電界分布が変化したため、プラズマが不安定になったことを示している。

以上の実験により、エッチングに用いる傾斜保持治具および電界制御ブロックや設置したＰＬＣの帯電を防ぐことで、電界分布およびプラズマが安定し、均一なエッチングが可能であることを確認し、本発明の有効性を確かめた。

（実施例２）
実施例1では、石英ガラスを材料とした傾斜保持治具を用いて斜め溝の加工を行った場合、エッチング時間が進むにつれて電界分布が変化するため、均一なエッチングが出来なかった。そこでエッチングに用いる傾斜保持治具および電界制御ブロックの表面にスパッタでＡｕをコーティングし、下部電極と電気的に接続することで、傾斜保持治具および電界制御ブロックの帯電の抑制を試みた。使用したＰＬＣ、および傾斜保持治具のサイズは実施例１と同様である。図１０にエッチング時間に対する各設置角度における斜め溝角度を示す。図９と比較して、エッチングが進んでも、斜め溝角度の変化は小さいことが明らかとなった。したがって、電界分布およびプラズマがより安定なエッチングであることがわかる。

以上の実験により、エッチングに用いる傾斜保持治具および電界制御ブロックが誘電体のような帯電しやすい材料であっても、導電性のコーティングを施すことで、帯電を防ぎ、均一なエッチングが容易になることを確認し、本発明の有効性を確かめた。

１０ＰＬＣ
１１基板
１２アンダークラッド
１３コア
１４オーバークラッド
１５斜め溝
１６マスク
１７開口部
２０傾斜保持治具
３０電界制御ブロック
４０誘電性テープ
５０下部電極

Claims

異方性プラズマエッチングで、基板上に形成された光回路に前記基板の面の垂直方向から傾斜した溝を作成する方法であって、対面する上部電極と下部電極との間に、
導体または半導体により構成されているあるいは表面に導電性コーティングが施されている傾斜保持手段であり前記下部電極に電気的に接続された前記傾斜保持手段を用いて前記下部電極の面に対して傾斜した状態に前記光回路を保持することと、
導体または半導体により構成されているあるいは表面に導電性コーティングが施されている電界制御手段であり前記下部電極に電気的に接続され前記下部電極の面に垂直な面を有する前記電界制御手段を、当該電界制御手段の前記垂直な面が、前記光回路のエッチングされる面の向かい側の前記光回路の近傍に設置することと、
前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加して、生成したプラズマにより前記光回路をエッチングすることと
を含むことを特徴とする方法。
異方性プラズマエッチング用のチャンバーであって、
対面する上部電極と下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に設置された傾斜保持手段であって、光回路を前記下部電極の面に対して傾斜した状態に保持する傾斜保持手段と、
前記上部電極と前記下部電極との間に設置された、前記下部電極の面に垂直な面を有する電界制御手段であって、当該電界制御手段の前記垂直な面が前記光回路のエッチングされる面の向かい側となるように前記光回路の近傍に設置された電界制御手段と、
前記傾斜保持手段および前記電界制御手段を前記下部電極に電気的に接続する手段と
を備え、
前記傾斜保持手段および前記電界制御手段は、導体または半導体により構成されているあるいは表面に導電性コーティングが施されていることを特徴とするチャンバー。