光導波路デバイスの製造方法および光導波路デバイス
本発明は、光導波路デバイスの製造方法及び光導波路デバイスに関し、第１のクラッド層（１）の上に、所定パターンのコア層（２）を形成するとともに、該コア層（２）の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスク（５）を形成し、該エッチングマスク（５）をマスクとして該コア層（２）を部分的にエッチングするという極めて簡易な製造工程により、低コストでコア層２に縦型テーパ形状に設けることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、光導波路デバイスの製造方法および光導波路デイバスに関し、特に、光通信分野で用いられる平面光導波路（Ｐｌａｎｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の製造方法に関する。
【背景技術】
近年、通信容量が爆発的に増大しており、これに応えるためＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を用いた大容量のフォトニックネットワークの構築が進められている。このＷＤＭ伝送システムの小型・低コスト化には、一括プロセスを用い大量生産が可能な平面光導波路（Ｐｌａｎｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）型機能集積素子の適用が有望視されている。
特に、高密度集積化による高機能・低コスト化に向けて、コアとクラッドの比屈折率差を大きくして（屈折率差＝０．８〜４％）導波路の曲率半径が大きくても曲がり損失を小さくできる平面光導波路が有望である。
しかしながら、上記のように屈折率差の高い光導波路では、シングルモード条件を満たすためのコア径が小さく、スポットサイズも光ファイバに比較して小さくなるため、光ファイバとの接続に於いて接続損失が大きくなってしまうという問題がある。
そこで、線路状のコアの径（コア径）を長手方向に徐々に小さくしてゆくことによって、スポットサイズを拡大して光ファイバの径とスポットサイズの径とを整合させて接続損失を低減する方法が知られている。このようなスポットサイズ変換導波路に関する技術としては、例えば、特許文献１（特開平８−１７１０２０号公報）及び特許文献２〔特開２０００−１３７１２９号公報（特許第３２７９２７０号公報）〕等により提案されているものがある。
これらのうち、例えば、特許文献１により開示されている技術は、段階的（階段状）にコアの長手方向のコア径を小さくしてゆく技術である。しかし、かかる技術では、コア径が小さくなる繋ぎの部分でスポットサイズが急激に変化するので、この部分で放射損失を生じ、スポットサイズ変換時の過剰損失が大きくなるとう課題がある。また、製造工程も多く低コスト化には向かない。
また、特許文献２に開示されている技術（以下、公知技術という）は、テーパ（スロープ）状にコア径を小さくしてゆく技術であり、上述のごとく階段状にコア系を小さくしてゆく場合に比して、スポットサイズ変換時の過剰損失を小さくすることができる。
図１４に上記公知技術におけるスポットサイズ変換部付き光導波路の模式的斜視図、図１５Ａ〜図１５Ｅに図１４に示す光導波路の製造方法を工程ごとに示す模式的断面図、図１６Ａ〜図１６Ｅに図１５Ａ〜図１５Ｅに示す各工程に対応する模式的上面図をそれぞれ示す。
まず、図１４に示すように、本公知技術におけるスポットサイズ変換部付き光導波路１００は、石英材料からなるコア１０１及びクラッド１０４，１０５をシリコン基板１０３上に有する光導波路であり、光導波路の端面１０６付近のコア１０１の一部が、端面１０６に近づくにつれて、幅及び厚さともに徐々に縮小するテーパ部（スポットサイズ変換部）１０２をそなえるように加工（テーパ加工）されている。
そして、かかるスポットサイズ変換部付き光導波路１００は、次のようにして製作される。即ち、まず、図１５Ａに示すように、シリコン基板１０３上に下層クラッド１０４及びコア層１１２として石英系膜を成膜する。この際、後の工程でコア層１１２の厚さをステップ状に変化させるために、金属膜（金属マスク）１０７をコア層１１２中に埋め込んでおく。この金属膜１０７は、下層クラッド１０４との界面から１．５μｍ上に形成し、また、図１５Ａに示すように、先端に向かって幅が徐々に狭くなるテーパ形状として形成する。
次に、図１５Ｂ及び図１６Ｂに示すように、金属膜１０７及びマスク１０８の下で、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって、コア層１１２をエッチングして、テーパ部１１３を先端に有する階段状のコア１０１を形成する。この際、金属膜１０７がエッチングストップ層となり、コア１０１の一部にステップ状の段差が形成される。
さらに、図１５Ｃ及び図１６Ｃに示すように、コア１上に、テーパ状に加工された部分１１３を除いて金属膜（金属マスク）１０９を形成し、図１５Ｄ及び図１６Ｄに示すように、常圧化学的気相堆積（ＡＰＣＶＤ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により膜厚２〜３μｍ程度の石英系膜１１１を全面に成膜する。そして、石英系膜１１１を熱によるリフローさせてコア１０１の段差が滑らかに埋まるように成形し、さらに、石英系膜１１１上にコア１０１のテーパ領域を含むようにマスクを形成する。なお、この際、８００℃以上の温度でのアニールにより良好なリフロー形状を得ることができる。
最後に、図１５Ｅ及び図１６Ｅに示すように、コア１０１のテーパ部１１３をマスクしてテーパ部１１３以外の余分な石英系膜をエッチングにより除去する。以上の工程により、幅及び厚さともにテーパ状に滑らかに変化するスポットサイズ変換部１０２が得られる。
しかしながら、かかる製造方法では、以下のような工程がスポットサイズ変換部分無しの導波路形成に比較して増加するため、低コスト化が難しい。
（１）コア層１０１の成膜が２段階必要
（２）コア層１０１の途中に付けるストップ層（金属マスク１０７）の成膜（フォトリソグラフ工程を含む）
（３）コアパターン形成後のストップ層（金属マスク１０７）の除去
（４）テーパ部１１３以外の部分への金属マスク１０９の形成（フォトリソグラフ工程を含む）
（５）テーパ部１０２形成のための薄膜層（石英径膜）１１１の成膜及びアニール
（６）テーパ部１０２へのエッチングマスク形成（フォトリソグラフ工程を含む）
（７）テーパ部１０２以外の薄膜層１１１除去のためのエッチング
（８）エッチングマスクの除去
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、テーパ（スロープ）形状に導波路径（コア径）を徐々に小さくして低損失でスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部付きの光導波路を、非常に簡易で低コストな工程で製造できるようにすることを目的とする。
【特許文献１】 特開平８−１７１０２０号公報
【特許文献２】 特開２０００−１３７１２９号公報（特許第３２７９２７０号公報）
【発明の開示】
上記の目的を達成するために、本発明の光導波路デバイスの製造方法は、コア層と該コア層の周囲を覆うクラッド層とを有する光導波路デバイスの製造方法であって、第１のクラッド層の上に、所定パターンのコア層を形成するとともに、該コア層の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスクを形成し、該エッチングマスクをマスクとして該コア層を部分的にエッチングすることを特徴としている。
ここで、上記のエッチングマスクは、該コア層を形成した後に形成するのが好ましい。また、上記のエッチング後に、該エッチングマスクを除去し、該コア層及び該第１のクラッド層の上に第２のクラッド層を形成することが好ましい。
さらに、上記のエッチングマスクとしては、該コア層に該特定方向に厚みの変化するテーパ形状を形成したい該一部分から徐々に該コア層のパターンに沿って該コア層の幅方向に開口度が大きくなるマスクパターンを形成することが好ましい。
また、上記のエッチングマスクは、感光性を有する樹脂で形成されるのが好ましく、さらに、上記の開口度の最小値は、フォトリソグラフィーの解像度以下に設定するのが好ましく、また、該コア層の幅以上に設定するのが好ましい。また、上記エッチングマスクの厚みは１０μｍ以上であるのが好ましい。
さらに、上記コア層のエッチングには、所定のエッチングガスによるＲＩＥを用いるのが好ましく、より好ましくは、Ｃ３Ｆ８又はＣ４Ｆ８を含むガスを用いるのがよい。
また、上記コア層は、正方断面形状を有するよう幅方向にもテーパ形状を有して形成するのが好ましい。
さらに、上記のエッチングマスクをフォトリソグラフィーで形成する際に使用するフォトマスクにおいて、該マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分を設けてもよく、この半透明部分は、１辺が１μｍ以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるように構成されているのが好ましい。
また、本発明の光導波路デバイスは、上述した光導波路デバイスの製造方法によって、コア層及びクラッド層の両方に、該特定方向に厚みの変化する部分が形成されていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
図１Ａ〜図１Ｃ，図２Ａ〜図２Ｃ，図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃはそれぞれ本発明の第１実施形態に係る平面光導波路デバイスの製造方法を説明するための模式図である。
図５Ａ〜図５Ｃ，図６Ａ〜図６Ｃ，図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｃはそれぞれ本発明の第２実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。
図９Ａ〜図９Ｃ，図１０Ａ〜図１０Ｄ，図１１Ａ〜図１１Ｃ，図１２Ａ〜図１２Ｃ，図１３Ａ及び図１３Ｂはそれぞれ本発明の第３実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。
図１４は従来のスポットサイズ変換部付き光導波路の模式的斜視図である。
図１５Ａ〜図１５Ｅは図１４に示す光導波路の製造方法を工程ごとに示す模式的断面図である。
図１６Ａ〜図１６Ｅは図１５Ａ〜図１５Ｅに示す各工程に対応する模式的上面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
〔Ａ〕第１実施形態の説明
図１Ａ〜図１Ｃ，図２Ａ〜図２Ｃ，図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃはそれぞれ本発明の第１実施形態に係る平面光導波路デバイスの製造方法を説明するための模式図である。なお、図１Ａ及び図１Ｂはそれぞれ図１ＣのＤ矢視図に相当する平面光導波路デバイスの側面図、図１Ｃは平面光導波路デバイスの製造途中の上面図である。また、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃはそれぞれ図１ＣにおけるＡ−Ａ断面図，Ｂ−Ｂ断面図，Ｃ−Ｃ断面図である。また、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃはそれぞれ図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに対応する断面図であり、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃもそれぞれ図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに対応する断面図である。
以下、これらの図面に基づいて、コアの厚み方向にテーパ（スロープ）形状をスポットサイズ変換部として有する平面光導波路デバイス（以下、単に「平面光導波路」と略記する場合がある）の製造方法について説明する。
まず、図１Ａに示すように、シリコン（Ｓｉ）基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層（第１のクラッド層）１を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層２を形成する。これらのアンダークラッド層１及びコア層２の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＦＨＤ（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリングなどを用いることができる。なお、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板を用いる場合もある。また、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層１を兼ねる場合もある。
次に、以下の工程に従って光導波路構造を形成する。
まず、図１Ａに示すように、コア層２上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク３を形成する。このエッチングマスク３のパターンの製作方法としては、コア層２上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する２層マスク法や、コア層２上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク３とする単層マスク法等が適用できる。
次に、図１Ｂに示すように、前記エッチングマスク３をマスクとして、エッチングガスを用いたＲＩＥによりコア層２及びアンダークラッド層１の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク３を除去する。これにより、エッチングマスク３のパターンに応じたコアパターン４（図１Ｃではライン状の導波路）が形成されることになる。なお、上記エッチングガスには、例えば、フッ素系のガス（ＣＦ４やＣ３Ｆ８，Ｃ４Ｆ８等）を用いる。
次に、図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｃに示すように、基板（又はアンダークラッド層１）に垂直な方向（コア層２の厚み方向）にテーパ形状（以下、縦型テーパ形状という）を形成したい部分以外のコアパターン４をマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けて、コアパターン４の幅以上の幅でマスクの開口部が徐々に大きくなるような形状のエッチングマスク５（網掛け部）を形成する。
このエッチングマスク５としては、例えば、スピンコートとフォトリソグラフィーで簡単に形成が可能である、感光性を有する樹脂（感光性ポリイミドやフォトレジスト等）が適している。エッチングマスク５の厚みは次工程のエッチングでパターン効果によるエッチングレート差が効率良く生じるように１０μｍ以上にするのが望ましい。
次に、前記エッチングマスク５をマスクとしてエッチングを行ない、エッチングマスク５の開口度が最も大きい場所でコア層２の厚さが所望の厚さとなるまでコア層２及びアンダークラッド層１をエッチングする。このエッチングにはエッチングマスク（以下、単に「マスク」ともいう）５の形状（開口度）の違いによってエッチングレートに違いが生じるエッチング方法であれば良い（ウェットエッチング及びドライエッチングのいずれでもよい）。
最適なエッチング方法としてはＲＩＥが挙げられる。ＲＩＥは深さ（厚み）方向のエッチングの制御性が良く、かつ、マイクロローディング効果と呼ばれる、パターン効果があり、エッチングマスク５の開口度が小さいほど底面のエッチングレートが低下する。
したがって、このようなエッチングマスク５を用いてエッチングを行なうと、マスク５のパターン効果により、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、マスク５の開口部分の狭いところはマイクロローディング効果によってエッチングレートが遅くなり、開口部分が広くなるに従ってマイクロローディング効果が低減してエッチングレートが速くなるため、ＲＩＥ後にはエッチングマスク５の開口部の狭い所のコア層２は厚く、エッチングマスク５の開口部が広くなるに従ってコア層２が薄くなる縦型テーパ形状が形成されることになる。
なお、この際、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、コア層２とともにアンダークラッド層１もコア層２と同程度にエッチングされるので、アンダークラッド層１もマスク５の開口度が大きくなる方向に縦型テーパ形状を有することになる。つまり、本製造方法によって作製される平面光導波路デバイスには、コア層２及び（アンダー）クラッド層１の両方に、特定方向（コアパターン４の長手方向）に厚みの変化する部分が形成されるのである。かかるクラッド層１の縦型テーパ形状は後の工程でオーバークラッド層６が形成されても、顕微鏡などで各クラッド層１，６の境目として確認することができる。
ところで、一般に石英系の膜をＲＩＥするにはフッ素系のガスを使用するが、マイクロローディング効果を効果的に引き出すためには、エッチングガスとしてＣ３Ｆ８やＣ４Ｆ８等のＣ／Ｆ比（フッ素に対する炭素の割合）の高いガスを用いるのが好ましい。また、酸素を少量添加すればマイクロローディング効果の大きさを調整することが可能となるので、所望の形状を得るためには酸素を少量添加すると良い。
さて、上記エッチング終了後は、残ったエッチングマスク５を酸素アッシング等で除去し、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、オーバークラッド層６を成膜してコアパターン４を埋め込む。なお、オーバークラッド層６の成膜にも、例えば、ＣＶＤ，ＦＨＤ，スパッタリングなどが用いられる。
以上の工程により、縦型テーパ形状のコアパターン４をスポットサイズ変換部として有する平面光導波路が作製される。なお、上記のエッチングマスク５は、コアパターン４の形成前に形成してもよいが、エッチングマスク５形成後のコアパターン４の形成は精度上難しくなるため、上述したようにコアパターン４の形成後の方が好ましい。
このように、本実施形態の平面光導波路の製造方法によれば、テーパ形状を形成したいコアパターン４の部分から徐々に開口部分が大きくなっていくマスクパターンを有するエッチングマスク５を形成し、それをマスクにコア層２をＲＩＥすることにより、ＲＩＥ時のマイクロローディング効果によるエッチングレートの差を利用して、非常に簡易な工程で縦型テーパ形状のコアパターン４を形成することが可能である。
したがって、従来よりも低コストで縦型テーパ形状のスポットサイズ変換部をもつ平面光導波路を実現・提供することができる。
〔Ｂ〕第２実施形態の説明
図５Ａ〜図５Ｃ，図６Ａ〜図６Ｃ，図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｃはそれぞれ本発明の第２実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ図５ＣのＤ矢視図に相当する平面光導波路の側面図、図５Ｃは平面光導波路の製造途中の上面図である。また、図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃはそれぞれ図５ＣにおけるＡ−Ａ断面図，Ｂ−Ｂ断面図，Ｃ−Ｃ断面図である。また、図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃはそれぞれ図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃに対応する断面図であり、図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃもそれぞれ図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃに対応する断面図である。
以下、これらの図面に基づいて、第２実施形態の平面光導波路の製造方法について説明する。
まず、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、図５Ａに示すように、ＣＶＤやＦＨＤ，スパッタリングなどの成膜方法を用いて、シリコン（Ｓｉ）基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層１を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層２を形成する。なお、この場合も、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板が用いられる場合もあり、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層１を兼ねる場合もある。
次に、図５Ａに示すように、コア層２上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク３ａを形成する。このエッチングマスク３ａのパターンについても、例えば、コア層２上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する２層マスク法やコア層上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク３ａとする単層マスク法等が適用できる。
ただし、本実施形態においては、図５Ｃに示すように、コアパターン幅がスポットサイズ変換部端面７に向けて徐々に細くなるテーパ形状のコアパターンが得られるようにエッチングマスク３ａをパターニングする。細くなる割合は最終的に形成される縦型テーパ形状と合わせてあり、テーパ部分のコア断面形状が何処でもほぼ正方形となるように調整してある。
そして、図５Ｂに示すように、前記エッチングマスク３ａをマスクとして、エッチングガスを用いたＲＩＥによりコア層２及びアンダークラッド層１の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク３ａを除去する。これにより、エッチングマスク３ａのパターンに応じたコアパターン４ａ（図５Ｃではスポットサイズ変換部端面７に向けて幅が徐々に細くなるテーパ形状（以下、横型テーパ形状という）の導波路が形成されることになる。なお、上記エッチングガスについても、例えば、フッ素系のガス（ＣＦ４やＣ３Ｆ８，Ｃ４Ｆ８等）を用いる。
次に、図５Ｃ及び図６Ａ〜図６Ｃに示すように、第１実施形態と同様に、縦型テーパ形状を形成したい部分以外のコアパターン４ａをマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けて、コアパターン４の幅以上の幅でマスクの開口部が徐々に大きくなるような形状のエッチングマスク５（網掛け部）を形成する。
続いて、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、前記エッチングマスク５をマスクとしてＲＩＥ等によりエッチングを行ない、エッチングマスク５の開口度が最も大きい場所でコア層２の厚さが所望の厚さとなるまでコア層２及びアンダークラッド層１をエッチングする。すると、この場合も、マスク５のパターン効果により、マスク５の開口部分の狭いところはマイクロローディング効果によってエッチングレートが遅くなり、開口部分が広くなるに従ってマイクロローディング効果が低減してエッチングレートが速くなるため、ＲＩＥ後にはエッチングマスク５の開口部の狭い所のコア層２は厚く、エッチングマスク５の開口部が広くなるに従ってコア層２が薄くなる縦型テーパ形状が形成されることになる。
したがって、コア層２は、その厚み及び幅のいずれもがスポットサイズ変換部端面７に向けて同程度に徐々に細くなるテーパ形状を有する、つまり、テーパ部分のコア断面形状が何処でもほぼ正方形となる形状を有することになる。なお、この場合も、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、コア層２とともにアンダークラッド層１もコア層２と同程度にエッチングされるため、アンダークラッド層１もマスク５の開口度が大きくなる方向に縦型テーパ形状を有することになる。
つまり、本製造方法によって作製される平面光導波路デバイスには、コア層２にその長手方向に幅の変化する部分が形成されるとともに、コア層２及び（アンダー）クラッド層１の両方に、コアパターン４の長手方向に厚みの変化する部分が形成されるのである。かかる、クラッド層１についての縦型テーパ形状も、第１実施形態と同様に、デバイス製造後に顕微鏡などで確認することができる。
また、本実施系形態においても、エッチングガスとしてＣ３Ｆ８やＣ４Ｆ８等のＣ／Ｆ比（フッ素に対する炭素の割合）の高いガスを用いるのが好ましく、また、マイクロローディング効果の大きさを調整して所望の形状を得るために酸素を少量（１〜２％程度）添加すると良い。
さて、上記エッチング終了後は、残ったエッチングマスク５を酸素アッシング等で除去し、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、オーバークラッド層６を成膜してコアパターン４を埋め込む。なお、オーバークラッド層６の成膜にも、例えば、ＣＶＤ，ＦＨＤ，スパッタリングなどが用いられる。
以上により、縦型及び横型双方のテーパ形状のスポットサイズ変換部を有する平面光導波路が作製される。かかる平面光導波路では、コア層２の断面形状がほぼ正方形を保ったまま端面７に向けて縮小してゆくので、コア層２を伝播する光のモード（ＴＭ，ＴＥモード）の違いによる損失差（損失の偏光依存性）を低減することができ、第１実施形態におけるものよりも低損失なスポットサイズ変換部をもつ平面光導波路を簡易な工程で実現できる。
かかるスポットサイズ変換部を、高屈折率差を有する平面光導波路デバイスと光ファイバとの接続部分に用いれば、光ファイバとの接続損失を低減することができる。
〔Ｃ〕第３実施形態の説明
図９Ａ〜図９Ｃ，図１０Ａ〜図１０Ｄ，図１１Ａ〜図１１Ｃ，図１２Ａ〜図１２Ｃ，図１３Ａ及び図１３Ｂはそれぞれ本発明の第３実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。なお、図９Ａ及び図９Ｂはそれぞれ図９ＣのＥ矢視図に相当する平面光導波路の側面図、図９Ｃは平面光導波路の製造途中の上面図である。図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃはそれぞれ図９ＣにおけるＡ−Ａ断面図，Ｂ−Ｂ断面図，Ｃ−Ｃ断面図であり、図１０Ｄは図９Ｃにおける枠８で囲んだ部分のＤ−Ｄ断面を拡大して示す図である。図１１Ａ，図１１Ｂ，図１１Ｃはそれぞれ図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃに対応する断面図であり、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１２Ｃもそれぞれ図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃに対応する断面図である。図１３Ａは図９Ｃに示すエッチングマスクを形成する際に用いるフォトマスクの模式的上面図、図１３Ｂは図１３Ａの枠８で囲んだ部分の拡大図である。
以下、これらの図面に基づいて、第３実施形態の平面光導波路の製造方法について説明する。
まず、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、図９Ａに示すように、ＣＶＤやＦＨＤ，スパッタリングなどの成膜方法を用いて、シリコン（Ｓｉ）基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層１を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層２を形成する。なお、この場合も、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板が用いられる場合もあり、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層１を兼ねる場合もある。
次に、図９Ａに示すように、コア層２上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク３ａを形成する。このエッチングマスク３ａのパターンについても、例えば、コア層２上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する２層マスク法やコア層上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク３ａとする単層マスク法等が適用できる。
そして、図９Ｂに示すように、前記エッチングマスク３ａをマスクとして、エッチングガスを用いたＲＩＥによりコア層２及びアンダークラッド層１の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク３ａを除去する。これにより、エッチングマスク３ａのパターンに応じたコアパターン４ａ（図９Ｃでは横型テーパ形状）が形成されることになる。なお、上記エッチングガスについても、例えば、フッ素系のガス（ＣＦ４やＣ３Ｆ８，Ｃ４Ｆ８等）を用いる。
次に、図９Ｃ及び図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、第２実施形態と同様に、縦型テーパ形状を形成したい部分以外のコアパターン４ａをマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けてマスクの開口部が大きくなるような形状でエッチングマスク５（網掛け部）を形成する。
ただし、本実施形態では、図１３Ａに示すように、このエッチングマスク５をパターニングするフォトマスク９において、マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分（半透明マスク；枠８で囲んだ部分）が形成してある。具体的に、上記の半透明部分８は、例えば図１３Ｂに示すように、１辺が１μｍ以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるようになっている。
このような半透明部分８を有するフォトマスク９を使用すると、図１０Ｄに示すように、光の透過量に応じてフォトレジストが斜面状に残り、少なくとも半透明マスクにあたるところのエッチングマスク５が斜面形状５ａとなる。かかる斜面形状５ａを有するエッチングマスク５を枠８で囲んで示す開口部に形成すると、下記のエッチング工程により、エッチングマスク５の開口部と非開口部との境目にあたる部分のコア層２を更に滑らかな角度で縦型テーパ形状に形成することが可能となり、スポットサイズ変換の際の放射損失を低減することができる。
以降は、第２実施形態と同様、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、前記エッチングマスク５（５ａ）をマスクとしてＲＩＥ等によりエッチングを行ない、エッチングマスク５の開口度が最も大きい場所でコア層２の厚さが所望の厚さとなるまでコア層２及びアンダークラッド層１をエッチングした後、残ったエッチングマスク５（５ａ）を酸素アッシング等で除去し、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、オーバークラッド層６を成膜してコアパターン４を埋め込む。
これにより、第２実施形態と同様に、コア層２の断面形状がほぼ正方形を保ったまま端面７に向けて縮小してゆく縦型及び横型双方のテーパ形状を有するとともに、エッチングマスク５の開口部と非開口部との境目にあたる部分のコア層２を更に滑らかな角度で縦型テーパ形状としたスポットサイズ変換部を有する平面光導波路が極めて簡易な工程で作製される。
したがって、第２実施形態に比してさらに損失の小さいスポットサイズ変換部を有する平面光導波路を低コストで実現・提供することができる。
なお、上述した例では、開口部と非開口部の境目を半透明マスク８で繋いだが、この部分の開口度をフォトリソグラフィーの解像度以下にまで狭めることにより意図的にフォトリソグラフィー不良を引き起こして、フォトレジストを縦型テーパ形状に残すことによって上記と同様の作用効果を得ることもできる。
また、上述した各実施形態では、コア層２，クラッド層１，６として、いずれも、石英系の材料を適用した場合について説明したが、光導波路構造を形成できる材料であれば、特に石英系の材料に限られるものではない。さらに、上述したエッチングレートを変化させるマスクパターンは、上述した例に限られず、コア層２の厚み方向に設けたい形状に応じて適宜変更すればよい。
そして、本発明は、上述した各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明によれば、エッチングレートの差を利用して、非常に簡易な工程で縦型テーパ形状のコアパターンを形成することができるので、従来よりも低コストで縦型テーパ形状のスポットサイズ変換部をもつ光導波路デバイスを実現・提供することができる。したがって、光通信分野において本発明は極めて有用なものと考えられる。
【図１４】
【技術分野】
本発明は、光導波路デバイスの製造方法および光導波路デイバスに関し、特に、光通信分野で用いられる平面光導波路（Ｐｌａｎｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の製造方法に関する。
【背景技術】
近年、通信容量が爆発的に増大しており、これに応えるためＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を用いた大容量のフォトニックネットワークの構築が進められている。このＷＤＭ伝送システムの小型・低コスト化には、一括プロセスを用い大量生産が可能な平面光導波路（Ｐｌａｎｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）型機能集積素子の適用が有望視されている。
特に、高密度集積化による高機能・低コスト化に向けて、コアとクラッドの比屈折率差を大きくして（屈折率差＝０．８〜４％）導波路の曲率半径が大きくても曲がり損失を小さくできる平面光導波路が有望である。
しかしながら、上記のように屈折率差の高い光導波路では、シングルモード条件を満たすためのコア径が小さく、スポットサイズも光ファイバに比較して小さくなるため、光ファイバとの接続に於いて接続損失が大きくなってしまうという問題がある。
そこで、線路状のコアの径（コア径）を長手方向に徐々に小さくしてゆくことによって、スポットサイズを拡大して光ファイバの径とスポットサイズの径とを整合させて接続損失を低減する方法が知られている。このようなスポットサイズ変換導波路に関する技術としては、例えば、特許文献１（特開平８−１７１０２０号公報）及び特許文献２〔特開２０００−１３７１２９号公報（特許第３２７９２７０号公報）〕等により提案されているものがある。
これらのうち、例えば、特許文献１により開示されている技術は、段階的（階段状）にコアの長手方向のコア径を小さくしてゆく技術である。しかし、かかる技術では、コア径が小さくなる繋ぎの部分でスポットサイズが急激に変化するので、この部分で放射損失を生じ、スポットサイズ変換時の過剰損失が大きくなるとう課題がある。また、製造工程も多く低コスト化には向かない。
また、特許文献２に開示されている技術（以下、公知技術という）は、テーパ（スロープ）状にコア径を小さくしてゆく技術であり、上述のごとく階段状にコア系を小さくしてゆく場合に比して、スポットサイズ変換時の過剰損失を小さくすることができる。
図１４に上記公知技術におけるスポットサイズ変換部付き光導波路の模式的斜視図、図１５Ａ〜図１５Ｅに図１４に示す光導波路の製造方法を工程ごとに示す模式的断面図、図１６Ａ〜図１６Ｅに図１５Ａ〜図１５Ｅに示す各工程に対応する模式的上面図をそれぞれ示す。
まず、図１４に示すように、本公知技術におけるスポットサイズ変換部付き光導波路１００は、石英材料からなるコア１０１及びクラッド１０４，１０５をシリコン基板１０３上に有する光導波路であり、光導波路の端面１０６付近のコア１０１の一部が、端面１０６に近づくにつれて、幅及び厚さともに徐々に縮小するテーパ部（スポットサイズ変換部）１０２をそなえるように加工（テーパ加工）されている。
そして、かかるスポットサイズ変換部付き光導波路１００は、次のようにして製作される。即ち、まず、図１５Ａに示すように、シリコン基板１０３上に下層クラッド１０４及びコア層１１２として石英系膜を成膜する。この際、後の工程でコア層１１２の厚さをステップ状に変化させるために、金属膜（金属マスク）１０７をコア層１１２中に埋め込んでおく。この金属膜１０７は、下層クラッド１０４との界面から１．５μｍ上に形成し、また、図１５Ａに示すように、先端に向かって幅が徐々に狭くなるテーパ形状として形成する。
次に、図１５Ｂ及び図１６Ｂに示すように、金属膜１０７及びマスク１０８の下で、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって、コア層１１２をエッチングして、テーパ部１１３を先端に有する階段状のコア１０１を形成する。この際、金属膜１０７がエッチングストップ層となり、コア１０１の一部にステップ状の段差が形成される。
さらに、図１５Ｃ及び図１６Ｃに示すように、コア１上に、テーパ状に加工された部分１１３を除いて金属膜（金属マスク）１０９を形成し、図１５Ｄ及び図１６Ｄに示すように、常圧化学的気相堆積（ＡＰＣＶＤ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により膜厚２〜３μｍ程度の石英系膜１１１を全面に成膜する。そして、石英系膜１１１を熱によるリフローさせてコア１０１の段差が滑らかに埋まるように成形し、さらに、石英系膜１１１上にコア１０１のテーパ領域を含むようにマスクを形成する。なお、この際、８００℃以上の温度でのアニールにより良好なリフロー形状を得ることができる。
最後に、図１５Ｅ及び図１６Ｅに示すように、コア１０１のテーパ部１１３をマスクしてテーパ部１１３以外の余分な石英系膜をエッチングにより除去する。以上の工程により、幅及び厚さともにテーパ状に滑らかに変化するスポットサイズ変換部１０２が得られる。
しかしながら、かかる製造方法では、以下のような工程がスポットサイズ変換部分無しの導波路形成に比較して増加するため、低コスト化が難しい。
（１）コア層１０１の成膜が２段階必要
（２）コア層１０１の途中に付けるストップ層（金属マスク１０７）の成膜（フォトリソグラフ工程を含む）
（３）コアパターン形成後のストップ層（金属マスク１０７）の除去
（４）テーパ部１１３以外の部分への金属マスク１０９の形成（フォトリソグラフ工程を含む）
（５）テーパ部１０２形成のための薄膜層（石英径膜）１１１の成膜及びアニール
（６）テーパ部１０２へのエッチングマスク形成（フォトリソグラフ工程を含む）
（７）テーパ部１０２以外の薄膜層１１１除去のためのエッチング
（８）エッチングマスクの除去
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、テーパ（スロープ）形状に導波路径（コア径）を徐々に小さくして低損失でスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部付きの光導波路を、非常に簡易で低コストな工程で製造できるようにすることを目的とする。
【特許文献１】 特開平８−１７１０２０号公報
【特許文献２】 特開２０００−１３７１２９号公報（特許第３２７９２７０号公報）
【発明の開示】
上記の目的を達成するために、本発明の光導波路デバイスの製造方法は、コア層と該コア層の周囲を覆うクラッド層とを有する光導波路デバイスの製造方法であって、第１のクラッド層の上に、所定パターンのコア層を形成するとともに、該コア層の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスクを形成し、該エッチングマスクをマスクとして該コア層を部分的にエッチングすることを特徴としている。
ここで、上記のエッチングマスクは、該コア層を形成した後に形成するのが好ましい。また、上記のエッチング後に、該エッチングマスクを除去し、該コア層及び該第１のクラッド層の上に第２のクラッド層を形成することが好ましい。
さらに、上記のエッチングマスクとしては、該コア層に該特定方向に厚みの変化するテーパ形状を形成したい該一部分から徐々に該コア層のパターンに沿って該コア層の幅方向に開口度が大きくなるマスクパターンを形成することが好ましい。
また、上記のエッチングマスクは、感光性を有する樹脂で形成されるのが好ましく、さらに、上記の開口度の最小値は、フォトリソグラフィーの解像度以下に設定するのが好ましく、また、該コア層の幅以上に設定するのが好ましい。また、上記エッチングマスクの厚みは１０μｍ以上であるのが好ましい。
さらに、上記コア層のエッチングには、所定のエッチングガスによるＲＩＥを用いるのが好ましく、より好ましくは、Ｃ３Ｆ８又はＣ４Ｆ８を含むガスを用いるのがよい。
また、上記コア層は、正方断面形状を有するよう幅方向にもテーパ形状を有して形成するのが好ましい。
さらに、上記のエッチングマスクをフォトリソグラフィーで形成する際に使用するフォトマスクにおいて、該マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分を設けてもよく、この半透明部分は、１辺が１μｍ以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるように構成されているのが好ましい。
また、本発明の光導波路デバイスは、上述した光導波路デバイスの製造方法によって、コア層及びクラッド層の両方に、該特定方向に厚みの変化する部分が形成されていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
図１Ａ〜図１Ｃ，図２Ａ〜図２Ｃ，図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃはそれぞれ本発明の第１実施形態に係る平面光導波路デバイスの製造方法を説明するための模式図である。
図５Ａ〜図５Ｃ，図６Ａ〜図６Ｃ，図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｃはそれぞれ本発明の第２実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。
図９Ａ〜図９Ｃ，図１０Ａ〜図１０Ｄ，図１１Ａ〜図１１Ｃ，図１２Ａ〜図１２Ｃ，図１３Ａ及び図１３Ｂはそれぞれ本発明の第３実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。
図１４は従来のスポットサイズ変換部付き光導波路の模式的斜視図である。
図１５Ａ〜図１５Ｅは図１４に示す光導波路の製造方法を工程ごとに示す模式的断面図である。
図１６Ａ〜図１６Ｅは図１５Ａ〜図１５Ｅに示す各工程に対応する模式的上面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
〔Ａ〕第１実施形態の説明
図１Ａ〜図１Ｃ，図２Ａ〜図２Ｃ，図３Ａ〜図３Ｃ及び図４Ａ〜図４Ｃはそれぞれ本発明の第１実施形態に係る平面光導波路デバイスの製造方法を説明するための模式図である。なお、図１Ａ及び図１Ｂはそれぞれ図１ＣのＤ矢視図に相当する平面光導波路デバイスの側面図、図１Ｃは平面光導波路デバイスの製造途中の上面図である。また、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃはそれぞれ図１ＣにおけるＡ−Ａ断面図，Ｂ−Ｂ断面図，Ｃ−Ｃ断面図である。また、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃはそれぞれ図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに対応する断面図であり、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃもそれぞれ図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに対応する断面図である。
以下、これらの図面に基づいて、コアの厚み方向にテーパ（スロープ）形状をスポットサイズ変換部として有する平面光導波路デバイス（以下、単に「平面光導波路」と略記する場合がある）の製造方法について説明する。
まず、図１Ａに示すように、シリコン（Ｓｉ）基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層（第１のクラッド層）１を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層２を形成する。これらのアンダークラッド層１及びコア層２の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＦＨＤ（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリングなどを用いることができる。なお、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板を用いる場合もある。また、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層１を兼ねる場合もある。
次に、以下の工程に従って光導波路構造を形成する。
まず、図１Ａに示すように、コア層２上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク３を形成する。このエッチングマスク３のパターンの製作方法としては、コア層２上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する２層マスク法や、コア層２上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク３とする単層マスク法等が適用できる。
次に、図１Ｂに示すように、前記エッチングマスク３をマスクとして、エッチングガスを用いたＲＩＥによりコア層２及びアンダークラッド層１の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク３を除去する。これにより、エッチングマスク３のパターンに応じたコアパターン４（図１Ｃではライン状の導波路）が形成されることになる。なお、上記エッチングガスには、例えば、フッ素系のガス（ＣＦ４やＣ３Ｆ８，Ｃ４Ｆ８等）を用いる。
次に、図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｃに示すように、基板（又はアンダークラッド層１）に垂直な方向（コア層２の厚み方向）にテーパ形状（以下、縦型テーパ形状という）を形成したい部分以外のコアパターン４をマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けて、コアパターン４の幅以上の幅でマスクの開口部が徐々に大きくなるような形状のエッチングマスク５（網掛け部）を形成する。
このエッチングマスク５としては、例えば、スピンコートとフォトリソグラフィーで簡単に形成が可能である、感光性を有する樹脂（感光性ポリイミドやフォトレジスト等）が適している。エッチングマスク５の厚みは次工程のエッチングでパターン効果によるエッチングレート差が効率良く生じるように１０μｍ以上にするのが望ましい。
次に、前記エッチングマスク５をマスクとしてエッチングを行ない、エッチングマスク５の開口度が最も大きい場所でコア層２の厚さが所望の厚さとなるまでコア層２及びアンダークラッド層１をエッチングする。このエッチングにはエッチングマスク（以下、単に「マスク」ともいう）５の形状（開口度）の違いによってエッチングレートに違いが生じるエッチング方法であれば良い（ウェットエッチング及びドライエッチングのいずれでもよい）。
最適なエッチング方法としてはＲＩＥが挙げられる。ＲＩＥは深さ（厚み）方向のエッチングの制御性が良く、かつ、マイクロローディング効果と呼ばれる、パターン効果があり、エッチングマスク５の開口度が小さいほど底面のエッチングレートが低下する。
したがって、このようなエッチングマスク５を用いてエッチングを行なうと、マスク５のパターン効果により、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、マスク５の開口部分の狭いところはマイクロローディング効果によってエッチングレートが遅くなり、開口部分が広くなるに従ってマイクロローディング効果が低減してエッチングレートが速くなるため、ＲＩＥ後にはエッチングマスク５の開口部の狭い所のコア層２は厚く、エッチングマスク５の開口部が広くなるに従ってコア層２が薄くなる縦型テーパ形状が形成されることになる。
なお、この際、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、コア層２とともにアンダークラッド層１もコア層２と同程度にエッチングされるので、アンダークラッド層１もマスク５の開口度が大きくなる方向に縦型テーパ形状を有することになる。つまり、本製造方法によって作製される平面光導波路デバイスには、コア層２及び（アンダー）クラッド層１の両方に、特定方向（コアパターン４の長手方向）に厚みの変化する部分が形成されるのである。かかるクラッド層１の縦型テーパ形状は後の工程でオーバークラッド層６が形成されても、顕微鏡などで各クラッド層１，６の境目として確認することができる。
ところで、一般に石英系の膜をＲＩＥするにはフッ素系のガスを使用するが、マイクロローディング効果を効果的に引き出すためには、エッチングガスとしてＣ３Ｆ８やＣ４Ｆ８等のＣ／Ｆ比（フッ素に対する炭素の割合）の高いガスを用いるのが好ましい。また、酸素を少量添加すればマイクロローディング効果の大きさを調整することが可能となるので、所望の形状を得るためには酸素を少量添加すると良い。
さて、上記エッチング終了後は、残ったエッチングマスク５を酸素アッシング等で除去し、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、オーバークラッド層６を成膜してコアパターン４を埋め込む。なお、オーバークラッド層６の成膜にも、例えば、ＣＶＤ，ＦＨＤ，スパッタリングなどが用いられる。
以上の工程により、縦型テーパ形状のコアパターン４をスポットサイズ変換部として有する平面光導波路が作製される。なお、上記のエッチングマスク５は、コアパターン４の形成前に形成してもよいが、エッチングマスク５形成後のコアパターン４の形成は精度上難しくなるため、上述したようにコアパターン４の形成後の方が好ましい。
このように、本実施形態の平面光導波路の製造方法によれば、テーパ形状を形成したいコアパターン４の部分から徐々に開口部分が大きくなっていくマスクパターンを有するエッチングマスク５を形成し、それをマスクにコア層２をＲＩＥすることにより、ＲＩＥ時のマイクロローディング効果によるエッチングレートの差を利用して、非常に簡易な工程で縦型テーパ形状のコアパターン４を形成することが可能である。
したがって、従来よりも低コストで縦型テーパ形状のスポットサイズ変換部をもつ平面光導波路を実現・提供することができる。
〔Ｂ〕第２実施形態の説明
図５Ａ〜図５Ｃ，図６Ａ〜図６Ｃ，図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｃはそれぞれ本発明の第２実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。なお、図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ図５ＣのＤ矢視図に相当する平面光導波路の側面図、図５Ｃは平面光導波路の製造途中の上面図である。また、図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃはそれぞれ図５ＣにおけるＡ−Ａ断面図，Ｂ−Ｂ断面図，Ｃ−Ｃ断面図である。また、図７Ａ，図７Ｂ，図７Ｃはそれぞれ図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃに対応する断面図であり、図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃもそれぞれ図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃに対応する断面図である。
以下、これらの図面に基づいて、第２実施形態の平面光導波路の製造方法について説明する。
まず、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、図５Ａに示すように、ＣＶＤやＦＨＤ，スパッタリングなどの成膜方法を用いて、シリコン（Ｓｉ）基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層１を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層２を形成する。なお、この場合も、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板が用いられる場合もあり、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層１を兼ねる場合もある。
次に、図５Ａに示すように、コア層２上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク３ａを形成する。このエッチングマスク３ａのパターンについても、例えば、コア層２上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する２層マスク法やコア層上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク３ａとする単層マスク法等が適用できる。
ただし、本実施形態においては、図５Ｃに示すように、コアパターン幅がスポットサイズ変換部端面７に向けて徐々に細くなるテーパ形状のコアパターンが得られるようにエッチングマスク３ａをパターニングする。細くなる割合は最終的に形成される縦型テーパ形状と合わせてあり、テーパ部分のコア断面形状が何処でもほぼ正方形となるように調整してある。
そして、図５Ｂに示すように、前記エッチングマスク３ａをマスクとして、エッチングガスを用いたＲＩＥによりコア層２及びアンダークラッド層１の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク３ａを除去する。これにより、エッチングマスク３ａのパターンに応じたコアパターン４ａ（図５Ｃではスポットサイズ変換部端面７に向けて幅が徐々に細くなるテーパ形状（以下、横型テーパ形状という）の導波路が形成されることになる。なお、上記エッチングガスについても、例えば、フッ素系のガス（ＣＦ４やＣ３Ｆ８，Ｃ４Ｆ８等）を用いる。
次に、図５Ｃ及び図６Ａ〜図６Ｃに示すように、第１実施形態と同様に、縦型テーパ形状を形成したい部分以外のコアパターン４ａをマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けて、コアパターン４の幅以上の幅でマスクの開口部が徐々に大きくなるような形状のエッチングマスク５（網掛け部）を形成する。
続いて、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、前記エッチングマスク５をマスクとしてＲＩＥ等によりエッチングを行ない、エッチングマスク５の開口度が最も大きい場所でコア層２の厚さが所望の厚さとなるまでコア層２及びアンダークラッド層１をエッチングする。すると、この場合も、マスク５のパターン効果により、マスク５の開口部分の狭いところはマイクロローディング効果によってエッチングレートが遅くなり、開口部分が広くなるに従ってマイクロローディング効果が低減してエッチングレートが速くなるため、ＲＩＥ後にはエッチングマスク５の開口部の狭い所のコア層２は厚く、エッチングマスク５の開口部が広くなるに従ってコア層２が薄くなる縦型テーパ形状が形成されることになる。
したがって、コア層２は、その厚み及び幅のいずれもがスポットサイズ変換部端面７に向けて同程度に徐々に細くなるテーパ形状を有する、つまり、テーパ部分のコア断面形状が何処でもほぼ正方形となる形状を有することになる。なお、この場合も、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、コア層２とともにアンダークラッド層１もコア層２と同程度にエッチングされるため、アンダークラッド層１もマスク５の開口度が大きくなる方向に縦型テーパ形状を有することになる。
つまり、本製造方法によって作製される平面光導波路デバイスには、コア層２にその長手方向に幅の変化する部分が形成されるとともに、コア層２及び（アンダー）クラッド層１の両方に、コアパターン４の長手方向に厚みの変化する部分が形成されるのである。かかる、クラッド層１についての縦型テーパ形状も、第１実施形態と同様に、デバイス製造後に顕微鏡などで確認することができる。
また、本実施系形態においても、エッチングガスとしてＣ３Ｆ８やＣ４Ｆ８等のＣ／Ｆ比（フッ素に対する炭素の割合）の高いガスを用いるのが好ましく、また、マイクロローディング効果の大きさを調整して所望の形状を得るために酸素を少量（１〜２％程度）添加すると良い。
さて、上記エッチング終了後は、残ったエッチングマスク５を酸素アッシング等で除去し、図８Ａ〜図８Ｃに示すように、オーバークラッド層６を成膜してコアパターン４を埋め込む。なお、オーバークラッド層６の成膜にも、例えば、ＣＶＤ，ＦＨＤ，スパッタリングなどが用いられる。
以上により、縦型及び横型双方のテーパ形状のスポットサイズ変換部を有する平面光導波路が作製される。かかる平面光導波路では、コア層２の断面形状がほぼ正方形を保ったまま端面７に向けて縮小してゆくので、コア層２を伝播する光のモード（ＴＭ，ＴＥモード）の違いによる損失差（損失の偏光依存性）を低減することができ、第１実施形態におけるものよりも低損失なスポットサイズ変換部をもつ平面光導波路を簡易な工程で実現できる。
かかるスポットサイズ変換部を、高屈折率差を有する平面光導波路デバイスと光ファイバとの接続部分に用いれば、光ファイバとの接続損失を低減することができる。
〔Ｃ〕第３実施形態の説明
図９Ａ〜図９Ｃ，図１０Ａ〜図１０Ｄ，図１１Ａ〜図１１Ｃ，図１２Ａ〜図１２Ｃ，図１３Ａ及び図１３Ｂはそれぞれ本発明の第３実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。なお、図９Ａ及び図９Ｂはそれぞれ図９ＣのＥ矢視図に相当する平面光導波路の側面図、図９Ｃは平面光導波路の製造途中の上面図である。図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃはそれぞれ図９ＣにおけるＡ−Ａ断面図，Ｂ−Ｂ断面図，Ｃ−Ｃ断面図であり、図１０Ｄは図９Ｃにおける枠８で囲んだ部分のＤ−Ｄ断面を拡大して示す図である。図１１Ａ，図１１Ｂ，図１１Ｃはそれぞれ図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃに対応する断面図であり、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１２Ｃもそれぞれ図１０Ａ，図１０Ｂ，図１０Ｃに対応する断面図である。図１３Ａは図９Ｃに示すエッチングマスクを形成する際に用いるフォトマスクの模式的上面図、図１３Ｂは図１３Ａの枠８で囲んだ部分の拡大図である。
以下、これらの図面に基づいて、第３実施形態の平面光導波路の製造方法について説明する。
まず、本実施形態においても、第２実施形態と同様に、図９Ａに示すように、ＣＶＤやＦＨＤ，スパッタリングなどの成膜方法を用いて、シリコン（Ｓｉ）基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層１を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層２を形成する。なお、この場合も、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板が用いられる場合もあり、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層１を兼ねる場合もある。
次に、図９Ａに示すように、コア層２上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク３ａを形成する。このエッチングマスク３ａのパターンについても、例えば、コア層２上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する２層マスク法やコア層上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク３ａとする単層マスク法等が適用できる。
そして、図９Ｂに示すように、前記エッチングマスク３ａをマスクとして、エッチングガスを用いたＲＩＥによりコア層２及びアンダークラッド層１の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク３ａを除去する。これにより、エッチングマスク３ａのパターンに応じたコアパターン４ａ（図９Ｃでは横型テーパ形状）が形成されることになる。なお、上記エッチングガスについても、例えば、フッ素系のガス（ＣＦ４やＣ３Ｆ８，Ｃ４Ｆ８等）を用いる。
次に、図９Ｃ及び図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、第２実施形態と同様に、縦型テーパ形状を形成したい部分以外のコアパターン４ａをマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けてマスクの開口部が大きくなるような形状でエッチングマスク５（網掛け部）を形成する。
ただし、本実施形態では、図１３Ａに示すように、このエッチングマスク５をパターニングするフォトマスク９において、マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分（半透明マスク；枠８で囲んだ部分）が形成してある。具体的に、上記の半透明部分８は、例えば図１３Ｂに示すように、１辺が１μｍ以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるようになっている。
このような半透明部分８を有するフォトマスク９を使用すると、図１０Ｄに示すように、光の透過量に応じてフォトレジストが斜面状に残り、少なくとも半透明マスクにあたるところのエッチングマスク５が斜面形状５ａとなる。かかる斜面形状５ａを有するエッチングマスク５を枠８で囲んで示す開口部に形成すると、下記のエッチング工程により、エッチングマスク５の開口部と非開口部との境目にあたる部分のコア層２を更に滑らかな角度で縦型テーパ形状に形成することが可能となり、スポットサイズ変換の際の放射損失を低減することができる。
以降は、第２実施形態と同様、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、前記エッチングマスク５（５ａ）をマスクとしてＲＩＥ等によりエッチングを行ない、エッチングマスク５の開口度が最も大きい場所でコア層２の厚さが所望の厚さとなるまでコア層２及びアンダークラッド層１をエッチングした後、残ったエッチングマスク５（５ａ）を酸素アッシング等で除去し、図１２Ａ〜図１２Ｃに示すように、オーバークラッド層６を成膜してコアパターン４を埋め込む。
これにより、第２実施形態と同様に、コア層２の断面形状がほぼ正方形を保ったまま端面７に向けて縮小してゆく縦型及び横型双方のテーパ形状を有するとともに、エッチングマスク５の開口部と非開口部との境目にあたる部分のコア層２を更に滑らかな角度で縦型テーパ形状としたスポットサイズ変換部を有する平面光導波路が極めて簡易な工程で作製される。
したがって、第２実施形態に比してさらに損失の小さいスポットサイズ変換部を有する平面光導波路を低コストで実現・提供することができる。
なお、上述した例では、開口部と非開口部の境目を半透明マスク８で繋いだが、この部分の開口度をフォトリソグラフィーの解像度以下にまで狭めることにより意図的にフォトリソグラフィー不良を引き起こして、フォトレジストを縦型テーパ形状に残すことによって上記と同様の作用効果を得ることもできる。
また、上述した各実施形態では、コア層２，クラッド層１，６として、いずれも、石英系の材料を適用した場合について説明したが、光導波路構造を形成できる材料であれば、特に石英系の材料に限られるものではない。さらに、上述したエッチングレートを変化させるマスクパターンは、上述した例に限られず、コア層２の厚み方向に設けたい形状に応じて適宜変更すればよい。
そして、本発明は、上述した各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
以上のように、本発明によれば、エッチングレートの差を利用して、非常に簡易な工程で縦型テーパ形状のコアパターンを形成することができるので、従来よりも低コストで縦型テーパ形状のスポットサイズ変換部をもつ光導波路デバイスを実現・提供することができる。したがって、光通信分野において本発明は極めて有用なものと考えられる。
【図１４】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層（２）と該コア層（２）の周囲を覆うクラッド層（１，６）とを有する光導波路デバイスの製造方法において、
第１のクラッド層（１）の上に、所定パターンのコア層（２）を形成するとともに、該コア層（２）の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスク（５）を形成し、
該エッチングマスク（５）をマスクとして該コア層（２）を部分的にエッチングすることを特徴とする、光導波路デバイスの製造方法。
【請求項２】
該コア層（２）を形成した後に、該エッチングマスク（５）を形成することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項３】
該エッチング後に、該エッチングマスク（５）を除去し、
該コア層（２）及び該第１のクラッド層（１）の上に第２のクラッド層（６）を形成することを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項４】
該エッチングマスク（５）として、該コア層（２）に該特定方向に厚みの変化するテーパ形状を形成したい該一部分から徐々に該コア層（２）のパターンに沿って該コア層（２）の幅方向に開口度が大きくなるマスクパターンを形成することを特徴とする、請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項５】
該エッチングマスク（５）が、感光性を有する樹脂で形成されることを特徴とする、請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項６】
該エッチングマスク（５）が、感光性を有する樹脂で形成されることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項７】
該開口度の幅が、フォトリソグラフィーの解像度以下に設定されることを特徴とする、請求の範囲第６項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項８】
該開口度の幅が、該コア層（２）の幅以上に設定されていることを特徴とする、請求の範囲第４，６，７項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項９】
該コア層（２）が、正方断面形状を有するよう幅方向にもテーパ形状を有して形成されていることを特徴とする、請求の範囲第４，６〜８項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１０】
該エッチングマスク（５）をフォトリソグラフィーで形成する際に使用するフォトマスクにおいて、該マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分（８）が存在することを特徴とする、請求の範囲第４〜９項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１１】
該半透明部分（８）が、１辺が１μｍ以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるように構成されていることを特徴とする、請求の範囲第１０項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１２】
該エッチングマスク（５）の厚みが１０μｍ以上であることを特徴とする、請求の範囲第１〜１１項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１３】
該コア層（２）のエッチングに、所定のエッチングガスによるＲＩＥを用いることを特徴とする、請求の範囲第１〜１２項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１４】
該エッチングガスとして、Ｃ３Ｆ８又はＣ４Ｆ８を含むガスを用いることを特徴とする、請求の範囲第１３項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１〜１４のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法よって、コア層（２）及びクラッド層（１，６）の両方に、該特定方向に厚みの変化する部分が形成されていることを特徴とする、光導波路デバイス。
【請求項１】
コア層（２）と該コア層（２）の周囲を覆うクラッド層（１，６）とを有する光導波路デバイスの製造方法において、
第１のクラッド層（１）の上に、所定パターンのコア層（２）を形成するとともに、該コア層（２）の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスク（５）を形成し、
該エッチングマスク（５）をマスクとして該コア層（２）を部分的にエッチングすることを特徴とする、光導波路デバイスの製造方法。
【請求項２】
該コア層（２）を形成した後に、該エッチングマスク（５）を形成することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項３】
該エッチング後に、該エッチングマスク（５）を除去し、
該コア層（２）及び該第１のクラッド層（１）の上に第２のクラッド層（６）を形成することを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項４】
該エッチングマスク（５）として、該コア層（２）に該特定方向に厚みの変化するテーパ形状を形成したい該一部分から徐々に該コア層（２）のパターンに沿って該コア層（２）の幅方向に開口度が大きくなるマスクパターンを形成することを特徴とする、請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項５】
該エッチングマスク（５）が、感光性を有する樹脂で形成されることを特徴とする、請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項６】
該エッチングマスク（５）が、感光性を有する樹脂で形成されることを特徴とする、請求の範囲第４項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項７】
該開口度の幅が、フォトリソグラフィーの解像度以下に設定されることを特徴とする、請求の範囲第６項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項８】
該開口度の幅が、該コア層（２）の幅以上に設定されていることを特徴とする、請求の範囲第４，６，７項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項９】
該コア層（２）が、正方断面形状を有するよう幅方向にもテーパ形状を有して形成されていることを特徴とする、請求の範囲第４，６〜８項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１０】
該エッチングマスク（５）をフォトリソグラフィーで形成する際に使用するフォトマスクにおいて、該マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分（８）が存在することを特徴とする、請求の範囲第４〜９項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１１】
該半透明部分（８）が、１辺が１μｍ以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるように構成されていることを特徴とする、請求の範囲第１０項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１２】
該エッチングマスク（５）の厚みが１０μｍ以上であることを特徴とする、請求の範囲第１〜１１項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１３】
該コア層（２）のエッチングに、所定のエッチングガスによるＲＩＥを用いることを特徴とする、請求の範囲第１〜１２項のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１４】
該エッチングガスとして、Ｃ３Ｆ８又はＣ４Ｆ８を含むガスを用いることを特徴とする、請求の範囲第１３項に記載の光導波路デバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１〜１４のいずれか１項に記載の光導波路デバイスの製造方法よって、コア層（２）及びクラッド層（１，６）の両方に、該特定方向に厚みの変化する部分が形成されていることを特徴とする、光導波路デバイス。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０７４８９０
【国際公開日】平成１６年９月２日（２００４．９．２）
【発行日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５６８４６１（Ｐ２００４−５６８４６１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／００１７２８
【国際出願日】平成１５年２月１８日（２００３．２．１８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年９月２日（２００４．９．２）
【発行日】平成１８年６月１日（２００６．６．１）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／００１７２８
【国際出願日】平成１５年２月１８日（２００３．２．１８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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