(57)【要約】      （修正有）【課題】製造プロセスの熱処理においてコア層が下部クラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、光導波路形状の基板面内ばらつきを抑制する光導波路を提供する。【解決手段】基板１０１と、基板上に形成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層上に形成されたエッチストップ層１０３と、エッチストップ層上に形成されたコア層１０４と、コア層及びエッチストップ層上に形成された上部クラッド層１０５と、を備えた光導波路であって、エッチストップ層はコア層を構成する材料よりもエッチング速度が小さく、且つ前記コア層を構成する材料と比較して軟化点が高い材料で構成されていることを特徴とする光導波路とした。【選択図】図３
2020098283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたエッチストップ層と、
前記エッチストップ層の上に形成されたコア層と、
前記コア層及び前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層と、を備えた光導波路であって、
前記エッチストップ層は前記コア層を構成する材料よりもエッチング速度が小さく、且つ前記コア層を構成する材料と比較して軟化点が高い材料で構成されている
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記エッチストップ層の厚みが前記コア層の２%以下の厚みを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記エッチストップ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）を含む材料で構成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記コア層は、純粋石英ガラスで構成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項５】
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、ホウ素又はフッ素がドープされた石英系ガラスによって構成されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項６】
基板の上に下部クラッド層を形成するステップと、
前記下部クラッド層の上にエッチストップ層を形成するステップと、
前記エッチストップ層の上にコア層を形成するステップと、と、
前記コア層及び前記エッチストップ層の上に上部クラッド層を形成するステップと、を備えた光導波路の製造方法であって、
前記エッチストップ層は前記コア層を構成する材料よりもエッチング速度が小さく、且つ前記コア層を構成する材料と比較して軟化点が高い材料で形成される
ことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項７】
前記エッチストップ層の厚みが前記コア層の２%以下の厚みで形成される
ことを特徴とする請求項６に記載の光導波路の製造方法。
【請求項８】
前記エッチストップ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）を含む材料で形成される
ことを特徴とする請求項６または７に記載の光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路とその製造方法に関する。特に製造プロセスの熱処理によって光導波路のコア層が下部クラッド層へ沈み込むことを抑制して、可視光用導波路の低損失化を可能にする光導波路とその製造方法に関する。それとともに、マイクロローディング効果やエッチング量の基板面内における分布に起因する、可視光用導波路の形状の基板面内ばらつきを抑制して、導波路構造の基板面内における均質化を実現可能な光導波路及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、石英系ガラス材料によって構成された平面光波回路(Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：ＰＬＣ  以下、石英系ＰＬＣ)は、光通信・光信号処理システムを中心に用いられている。石英系ＰＬＣを構成する石英系導波路は、通信波長用に設計・作製されており、そのコア材料には、ＳｉＯ2にＧｅＯ2をドープしたＳｉＯ2−ＧｅＯ2が用いられている。（例えば特許文献１参照）。石英系導波路のコア材料としてＳｉＯ2−ＧｅＯ2を用いた場合、通信波長帯では、大きな吸収損失もなく、極めて低損失で、実績ある光導波路を作製することができる。
【０００３】
近年、石英系ＰＬＣデバイスは、光通信・光信号処理システムだけでなく、映像・センサデバイスとしても用いられており、可視光波長用に設計された石英系ＰＬＣデバイスも開発されている。
【０００４】
しかしながら、石英系導波路のコア材料として用いられるＳｉＯ2−ＧｅＯ2は、通信波長帯では吸収を有さないものの、可視光波長帯では吸収を有するため、可視光が石英系ＰＬＣデバイスに入力されて導波路を伝搬すると、電子励起に起因した光吸収により光学特性が劣化するという問題があった。
【０００５】
そこで、可視光用光導波路のコア材料としてドーパントを用いず、純粋石英ガラスを用いる方法がある。可視光用光導波路のコア材料として純粋石英ガラスを用いる場合、クラッド材料として、クラッド層の屈折率を純粋石英ガラスの屈折率より下げるために、ホウ素やフッ素をドープした石英ガラスが用いられる。
【０００６】
図１は、ホウ素やフッ素をドープした石英ガラスを用いたクラッド層を有する、従来の光導波路構造を示す。図１には、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたＳｉＯ2下部クラッド層２と、ＳｉＯ2下部クラッド層２上に形成された純粋石英ガラスコア層３と、純粋石英ガラスコア層３を埋め込むようにＳｉＯ2下部クラッド層２及び純粋石英ガラスコア層３上に形成されたＳｉＯ2上部クラッド層４と、を備えた光導波路構造が示されている。ＳｉＯ2下部クラッド層２及びＳｉＯ2上部クラッド層４は、ホウ素又はフッ素がドーピングされている。
【０００７】
しかしながら、ドーパントが多いほどＳｉＯ2は軟化点が低くなるため、このようなホウ素やフッ素をドープした石英ガラスをクラッド層として用いた場合、純粋石英ガラスコア層３よりも低い温度でクラッド層が軟化することとなる。このため、光導波路作製過程においてコア膜の膜質安定化およびクラッド層の平坦化のために火炎堆積法などによる熱処理を行うと、図１に示されるように、軟化点の高い純粋石英ガラスコア層３が、ドーパントリッチで軟化点の低いＳｉＯ2下部クラッド層２中に沈み込んでしまう。
【０００８】
その結果、例えば、光導波路の間隔を制御できないなどの問題が発生し、所望の光回路パターンを形成できず、高機能な光回路の形成が困難であるという問題があった。なお、ここで軟化点とは固体物質を加熱していくときに、物質が軟化し、変形し始める温度を意味し、例えば純粋石英ガラスであれば１６００℃程度の値であり、ドーパントリッチで軟化点の低いＳｉＯ2クラッド層であれば９００℃程度の値である。
【０００９】
そこでまた従来、断面矩形のコアの底面に極めて薄いコア膜を残すことで、表面張力によりコア層を浮かせ、製造プロセスの熱処理においてコア層が下部クラッド層中に沈み込むことを抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
図２は、特許文献２に示す従来の光導波路構造を示す。図２には、Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１上に形成されたＳｉＯ2下部クラッド層１２と、純粋石英ガラスコア層１３と、純粋石英ガラスコア層１３を埋め込むようにＳｉＯ2下部クラッド層１２及び純粋石英ガラスコア層１３上に形成されたＳｉＯ2上部クラッド層１４に加えて、ＳｉＯ2下部クラッド層１２上で純粋石英ガラスコア層１３下に設けられた薄いコア膜１５を備えた光導波路構造が示されている。ここでＳｉＯ2下部クラッド層１２及びＳｉＯ2上部クラッド層１４には、図１と同様にホウ素又はフッ素がドーピングされている。
【００１１】
図２に示す従来の光導波路構造では、エッチングにより純粋石英ガラスコア層１３の回路パターンを形成するときに、矩形の純粋石英ガラスコア層１３底面に極めて薄いコア膜１５を残すようにエッチングする。このコア膜１５を形成することで、コア膜１５の受ける表面張力によりクラッド層が軟化したときでも純粋石英ガラスコア層１３を浮かせ、製造プロセスの熱処理において純粋石英ガラスコア層１３がＳｉＯ2下部クラッド層１２中に沈み込むことを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１３−１７１２６１号公報
【特許文献２】特開２００６−０３０７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図２に示す従来の導波路構造では、純粋石英ガラスコア層１３のエッチングの際に残すコア膜１５の膜厚を制御して薄膜化を実現している。
【００１４】
しかしながら、エッチングにより薄いコア膜１５をＳｉＯ2下部クラッド層１２上に残そうとすると、回路パターンの疎密によりエッチング速度が変化するマイクロローディング効果が起こる。このマイクロローディング効果のため、回路パターンが密集しているエリアではエッチング速度が低くなり、回路パターンが疎なエリアではエッチング速度が高くなることから、ウエハ面内においてコア膜１５を均質な残し厚に制御するのが困難であるという問題があった。
【００１５】
また、エッチング速度が基板面内で異なることにより、コア膜１５の残し厚が面内でばらつくため、歩留まりの低下を引き起こすという問題もあった。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理においてコア層が下部クラッド層に沈み込むことを抑制して、可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、エッチング速度の基板面内でのばらつきに起因する歩留まりの低下を抑制可能な光導波路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の光導波路の一態様では、コア層と異なる材料で形成された薄いエッチストップ層をコア層の下に設けることを特徴とする。
【００１８】
また具体的には、以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１９】
（構成１)
基板と、
前記基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成されたエッチストップ層と、
前記エッチストップ層の上に形成されたコア層と、
前記コア層及び前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層と、を備えた光導波路であって、
前記エッチストップ層は前記コア層を構成する材料よりもエッチング速度が小さく、且つ前記コア層を構成する材料と比較して軟化点が高い材料で構成されている
ことを特徴とする光導波路。
【００２０】
（構成２)
前記エッチストップ層の厚みが前記コア層の２%以下の厚みを有する
ことを特徴とする構成１に記載の光導波路。
【００２１】
（構成３)
前記エッチストップ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）を含む材料で構成されている
ことを特徴とする構成１または２に記載の光導波路。
【００２２】
（構成４)
前記コア層は、純粋石英ガラスで構成されている
ことを特徴とする構成１〜３のいずれか１項に記載の光導波路。
【００２３】
（構成５)
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、ホウ素又はフッ素がドープされた石英系ガラスによって構成されている
ことを特徴とする構成１〜４のいずれか１項に記載の光導波路。
【００２４】
（構成６）
基板の上に下部クラッド層を形成するステップと、
前記下部クラッド層の上にエッチストップ層を形成するステップと、
前記エッチストップ層の上にコア層を形成するステップと、と、
前記コア層及び前記エッチストップ層の上に上部クラッド層を形成するステップと、を備えた光導波路の製造方法であって、
前記エッチストップ層は前記コア層を構成する材料よりもエッチング速度が小さく、且つ前記コア層を構成する材料と比較して軟化点が高い材料で形成される
ことを特徴とする光導波路の製造方法。
【００２５】
（構成７）
前記エッチストップ層の厚みが前記コア層の２%以下の厚みで形成される
ことを特徴とする構成６に記載の光導波路の製造方法。
【００２６】
（構成８）
前記エッチストップ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）を含む材料で形成される
ことを特徴とする構成６または７に記載の光導波路の製造方法。
【発明の効果】
【００２７】
以上記載したように、本発明によれば、製造プロセスの熱処理においてコア層が下部クラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、マイクロローディング効果やエッチング速度の面内分布に起因する導波路形状の面内ばらつきを抑制する光導波路を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来の光導波路構造の一例を示す基板断面図である。
【図２】従来の光導波路構造の別の一例を示す基板断面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる光導波路構造を示す基板断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
（光導波路構造）
図３は、本発明の実施形態にかかる光導波路構造を示す基板断面図である。図３には、例えばＳｉで構成された基板１０１と、基板１０１上に形成され、例えば石英系ガラスで構成された下部クラッド層１０２と、下部クラッド層１０２上に形成され、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）で構成されたエッチストップ層１０３と、エッチストップ層１０３上に形成された、例えば純粋石英ガラスで構成されたコア層１０４と、コア層１０４上に形成され、例えば石英系ガラスで構成された上部クラッド層１０５と、を備えた光導波路構造が示されている。
【００３１】
下部クラッド１０２及び上部クラッド層１０５は、コア層１０４を構成する材料と比較して比屈折率差Δが約２％になるように、例えばフッ素がドーピングされた石英系ガラスで構成されている。
【００３２】
エッチストップ層１０３は、表面張力によってコア層１０４を浮かせるのに充分な厚みで、かつ光導波路を伝搬する伝搬光の導波路断面内方向（例えば図の上下方向）についての電界強度の分布のピークが、コア層１０４からエッチストップ層１０３に移らないように薄いことが望ましく、例えばコア層１０４の厚みの２％以下の厚みを有することができる。エッチストップ層の下限は堆積時の膜厚制御性によって決定され、およそ０．０１μｍ程度である。
【００３３】
（光導波路の製造方法）
以下、本発明の実施例に係る光導波路の製造方法について説明する。まず、１ｍｍの厚さを有する例えばＳｉで構成された基板１０１上に、例えば火炎堆積法を用いて、フッ素がドーピングされたＳｉＯ2を２０μｍ堆積して、下部クラッド層１０２を形成する。
【００３４】
次に、前記下部クラッド層１０２上に、例えばＡＬＤ(Atomic Layer Deposition)法を用いて、酸化アルミニウムを０．０２μｍ堆積してエッチストップ層１０３を形成する。その後、前記エッチストップ層１０３上に、例えばスパッタリング法を用いて、純粋石英ガラス膜を１μｍ堆積する。この純粋石英ガラス膜を、基板断面を矩形状に所望の光回路パターンでエッチングし、コア層１０４を形成する。
【００３５】
その後、例えば火炎堆積法を用いて、下部クラッド層１０２と同等の屈折率となるようにフッ素がドーピングされたＳｉＯ2を２０μｍ堆積して、上部クラッド層１０５を形成した。
【００３６】
本実施例に係る光導波路によると、フッ素系ガスを用いたコア形成時のドライエッチングにおいて、エッチストップ層１０３である酸化アルミニウム層にてエッチングが止まることから、純粋石英ガラス膜のエッチング量を一定にすることが可能になり、マイクロローディング効果やエッチング速度の面内分布によるコア層１０４の形状の面内ばらつきを抑制できる。またエッチストップ層である酸化アルミニウムの軟化点が石英系ガラスの軟化点より高いため熱処理時に軟化せず、表面張力によりコア層１０４を浮かせることができ下部クラッド１０２への沈み込みを抑制することが可能となる。
【００３７】
なお、上記実施例では、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０５は火炎堆積法、コア層１０４はスパッタリング法でそれぞれ堆積されているが、堆積法は火炎堆積法、化学気相成長法、スパッタリング法から自由に選択してよい。
【００３８】
上記実施例では、基板１０１はＳｉで構成されているが、望ましくは融点が１４００℃以上で且つ熱膨張係数が０．５×１０-6 ／℃以上であれば、いずれの材料で構成してもよい。
【００３９】
また、上記実施例では、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０５はフッ素がドーピングされたＳｉＯ2で構成されているが、ドーパントにはホウ素やフッ素、またはその両方を用いてもよく、コアとの比屈折率差Δは２％でなくともよい。
【００４０】
また、上記実施例では、エッチストップ層１０３は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）で構成されているが、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）を含む材料で構成してもよい。エッチストップ層１０３の材料及び厚さは、それぞれ導波路のコア層１０４を形成する際に用いるエッチングガスに対してコア層１０４よりエッチング速度が小さく、かつコア層１０４より軟化点または融点の高い材料、及び表面張力によりコア層１０４を浮かせることが可能な膜厚から選択される。
【００４１】
また、上記実施例では、上部クラッド層１０５をその屈折率が下部クラッド層１０２と同じ屈折率となるように構成したが、コア層１０４よりも低い屈折率であれば、下部クラッド層１０２と上部クラッド層１０５とが異なる屈折率となるように構成してもよい。また、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０５は、同じものであっても異なるものであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によれば、製造プロセスの熱処理においてコア層が下部クラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、光導波路形状の面内ばらつきを抑制した光導波路を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
１、１１  Ｓｉ基板
２、１２  ＳｉＯ2下部クラッド層
３、１３  純粋石英ガラスコア層
４、１４  ＳｉＯ2上部クラッド層
１５  コア膜
１０１  基板
１０２  下部クラッド層
１０３  エッチストップ層
１０４  コア層
１０５  上部クラッド層
【図１】
2020098283.tif 000003
【図２】
2020098283.tif 000004
【図３】
2020098283.tif 000005