(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部クラッド、コアおよび上部クラッドを備えた光導波路を形成する光導波路の製造方法において、
基板表面のうち、コアが形成されるべき領域およびその近傍のみを光導波路材料との接着性が良好な領域となし、かつそれ以外の領域を接着性が不良な領域となし、
前記基板上に下部クラッド層を形成し、
前記形成された下部クラッド層のうち、前記光導波路材料との接着性が良好な領域上の下部クラッド層のみを残すように前記接着性が不良な領域上の下部クラッド層を除去して下部クラッドを形成し、
前記下部クラッドが形成された基板上にコア層を形成し、
前記形成されたコア層のうち、前記下部クラッド上のみを残してそれ以外の部分を除去し、
前記残されたコア層のうち選択された部分のみをコアとして加工し、
前記下部クラッドおよびコアが形成された基板上に上部クラッド層を形成し、
前記形成された上部クラッド層のうち、コアを含む下部クラッド上のみを残すように前記接着性が不良な領域上の上部クラッド層を除去して上部クラッドを形成した
ことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２】
基板表面自体と光導波路材料との接着性が不良な場合、基板表面のうち、コアが形成されるべき領域およびその近傍のみを表面処理することにより、光導波路材料との接着性が良好な領域を形成することを特徴とする請求項１記載の光導波路の製造方法。
【請求項３】
基板表面自体と光導波路材料との接着性が良好な場合、基板表面のうち、コアが形成されるべき領域およびその近傍以外を表面処理することにより、光導波路材料との接着性が不良な領域を形成することを特徴とする請求項１記載の光導波路の製造方法。
【請求項４】
基板としてシリコンまたはガラス基板を用い、光導波路材料として高分子材料を用いたことを特徴とする１乃至３いずれか記載の光導波路の製造方法。
【請求項５】
下部クラッド層、コア層および上部クラッド層の除去のうちの少なくとも１つは、除去すべき領域と残すべき領域との境界近傍に切り込みを入れ、除去すべき領域を剥離することにより行うことを特徴とする請求項４記載の光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、応力に起因するクラックや剥離を防止し得る光導波路の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高分子材料を用いた光導波路は、光学ガラス材料や無機光学結晶材料を用いた光導波路と比較して、超高真空装置を用いることなくスピンコータでの塗布およびたかだか２００℃乃至４００℃程度の比較的低温での焼成により硬化させることによって光学膜形成が可能であることや、酸素プラズマ等により容易に加工できる等の利点があり、低価格で高機能の光導波路部品への応用が期待され、検討が進められている。
【０００３】
ところが、利点ばかりが強調されてはいるものの、解決すべき課題も多い。中でも、高分子材料と基板材料との熱膨張係数の差に伴い、焼成・硬化後、室温まで冷却した際には、ほとんどの場合、高分子膜に強い引っ張り応力が生じ、その応力のためにその後の導波路作製プロセスや部品化プロセスにおいて、高分子膜にクラックや剥離が発生するという問題には、今のところ根本的な解決法は見いだされていない。
【０００４】
高分子光導波路の作製は、理想的には、図１に示す、以下のような工程で行われる。
【０００５】
まず、シリコンやガラスの基板１１上に、高分子光学膜となるべき材料を溶剤等に溶解した溶液や、熱あるいは光照射により重合して高分子光学膜となる液状の材料を、例えばスピンコータにより塗布する。しかる後、オーブン中での加熱や光照射等により、溶剤を蒸発させたり、重合させることにより硬化させて、光導波路の下部クラッドとなるべき第１の高分子光学膜１２（以下、高分子膜あるいは光学膜と称する。）とする（図１（ａ））。
【０００６】
次に、下部クラッドとなるべき第１の光学膜１２を形成した基板１１上に、硬化後には前記下部クラッドよりもわずかに屈折率が大きい光学膜となるように調整された溶液をスピンコータにより塗布し、第１の光学膜と同様にしてオーブン中での加熱や光照射等により硬化させて、光導波路のコアとなるべき第２の光学膜１３を形成する（図１（ｂ））。
【０００７】
次に、第２の光学膜１３上に金属膜やレジスト膜等を形成し、フォト工程およびエッチング等により、チャンネル導波路のコア以外の部分の金属膜やレジスト膜を除去する。しかる後、金属膜やレジスト膜等１４をマスクにして、第２の光学膜１３をエッチング等により加工し、チャンネル導波路のコア１５を得る（図１（ｃ））。
【０００８】
最後に、チャンネル導波路のコア１５上に残存する金属膜やレジスト膜等１４を除去し、下部クラッドと同等の屈折率を有する上部クラッドとなるべき第３の光学膜１６を、第１あるいは第２の光学膜と同様の手法により形成して高分子光導波路の作製を終了する（図１（ｄ））。
【０００９】
ここで、図１は、あくまで理想的な工程の模式図であって、応力に伴う基板や膜の反りおよびクラックや剥離の発生等を全く考慮していないことを認識すべきである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
基板材料であるシリコンやガラスの熱膨張係数が１０-6／℃あるいは１０-7／℃台であるのに対して、高分子材料の熱膨張係数は１０-5／℃あるいは１０-4／℃台と大きい。このような高分子材料からなる光学膜を、特に３００℃程度の加熱により硬化させた後、室温まで冷却すると、１％程度のミスマッチが基板との間に生ずることになる。
【００１１】
このミスマッチのために、高分子膜には引っ張り応力が生じ、それを少しでも緩和しようとして基板を圧縮する形で高分子膜を形成した側に凹状に反らせることとなる。即ち、焼成直後の温度が高い状態では、基板と高分子膜とは殆ど反っていることはないが、室温まで冷却すると、反りが生ずる。図２はこれを模式的に示す。図２（ａ）中の１７は焼成直後の高分子膜、図２（ｂ）中の１８は焼成後、室温まで冷却した高分子膜である。
【００１２】
また、加熱による重合・硬化だけでなく、例えば光照射により重合・硬化させた場合にも、重合反応により高分子膜は収縮するため、同様に基板との間に応力が生じ、高分子膜は引っ張り応力を受け、基板は圧縮応力を受けることを認識すべきである。
【００１３】
前述した従来の高分子光導波路の構造において、第２の高分子膜まで形成・硬化させて室温まで冷却した段階（光照射による重合・硬化においては、重合反応終了後）では、図３（ａ）に示すように、実際には上述のように基板１１の高分子膜を形成した側では、下部クラッドとなる第１の高分子膜１２および加工後にコアとなる第２の高分子膜１３の両者から圧縮応力を受けて凹状に反っている。
【００１４】
従来、チャンネル導波路のコア１５以外の第２の高分子膜１３は、マーカ等を除いて殆どが不要な部分であるとして除去されていた。即ち、コアを含めて、加工後に残存する第２の高分子膜の面積の、加工前の面積に対する割合は、高々数％以下程度であった。この不要とされる部分を除去することにより、基板１１への圧縮応力は緩和され、図３（ｂ）に示すように、基板１１の反りは小さくなる。
【００１５】
基板の反りが小さくなるということは、高分子膜側から見れば、より強い引っ張り応力が生ずることを意味する。加工後の第１の高分子膜１２は加工前に比較して、さらに伸ばされることになる。さらに伸ばされることに抗しきれず、図３（ｃ）に示すように、応力の集中するコア１５の下部と下部クラッド１２の境目周辺にクラック１９や剥離が発生することがしばしばある。
【００１６】
クラックは、コアを加工する間にも、加工後にも、さらには導波路作製を終わった後においても発生することがある。クラックが発生すると、導波路の伝搬損失の増加や光の閉じ込め不良、さらには信頼性の低下という問題にも至る。図３（ｄ）はクラックの発生した導波路の断面構造を模式的に示すものである。また、剥離は下部クラッドと基板との間で発生することも多い。
【００１７】
本発明の目的は、このようなクラックや剥離の発生という問題点に鑑み、光導波路材料への応力の増加を押さえることにより、クラックや剥離の発生を防止し、もって低損失で信頼性の高い光導波路の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、上述の光導波路におけるクラックや剥離の発生という問題点を解決するため、光導波路を形成するための基板上のコアを含むコア近傍のごく一部の下部クラッド層のみを残して基板面上の殆どの下部クラッド層を除去し、前記の基板上にごく一部だけ残された下部クラッド層上の一部にコアを形成し、かつ前記残された下部クラッド層上に前記コアを覆うように上部クラッド層を形成することにより、下部クラッド、コアおよび上部クラッドと基板との間の応力をできる限り解放し、もって導波路におけるクラックや剥離の発生を防止するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の光導波路の製造方法の実施の形態を図４を参照しながら説明する。
【００２０】
まず、例えば基板と光学膜との接着性が不良である場合には、基板上の下部クラッドを残したい部分（コアが形成されるべき部位およびその近傍）に選択的に下部クラッド層との接着性を改善した領域（接着性改良部）を形成する。この接着性の改善は、接着剤の塗布でも良いし、プラズマ等による表面処理でも良い。あるいは基板と光学膜との接着性が良好である場合には、前記基板上の下部クラッドを残したくない部分（剥離部）に選択的に下部クラッドを剥離するための表面処理を施しておく。剥離のための表面処理は、例えば化学的エッチングで選択的に除去可能な金属膜や誘電体膜の形成でも、もともと基板との接着性の不良なフッ素化樹脂や誘電体等の膜の形成でも良い。
【００２１】
また、選択的に接着性改良部あるいは剥離部を形成する方法としては、例えばフォトプロセスによりレジスト膜のマスクを形成してマスクで覆われていない部分の接着剤を除去したり、マスクで覆われていない部分をプラズマで処理したり、マスクで覆われていない部分に剥離のための処理を行ったりして、しかる後にレジストマスクを除去することが適用できるであろう。
【００２２】
このようにして接着性改良部２２あるいは剥離部２３を形成した基板２１（図４（ａ））上に、下部クラッドとして機能する光学膜となるべき材料を溶剤等に溶解した溶液や、熱あるいは光照射により重合して光学膜となる液状の材料を例えばスピンコータにより塗布し、オーブン中での加熱や光照射等により、溶剤を蒸発させたり、重合させることにより硬化させて、図４（ｂ）に示すように、光導波路の下部クラッド層膜２４とする。
【００２３】
ここで、たとえ接着性が悪い領域が大部分を閉めていたとしても、剥離のきっかけを与えない限り、下部クラッド層膜２４が焼成温度から室温まで冷却される間に収縮して基板２１に凹状の反りが生ずること、即ち下部クラッド層膜２４には引っ張り応力が加わることに留意すべきである。
【００２４】
次に、下部クラッド層膜２４の一部に傷をつけたり、あるいは一部にドライエッチングを施すなどして剥離のきっかけを与えるか、あるいは接着性改良部２２以外の下部クラッド層２４をドライエッチングで除去するか、剥離のための処理が、剥離されるべき下部クラッド層２４の下地層の金属膜の化学的エッチングによる除去である場合にはそれを行って、図４（ｃ）に示すように、基板上の所望の一部の領域、即ち接着性改良部２２上にのみ下部クラッド２５が残るようにする。
【００２５】
この下部クラッド２５は基板１上のごく一部の面積を占めているだけであり、基板１の反りは殆ど解消している。さらに、基板の反りがなくなることにより下部クラッド２５への引っ張り応力は一見強くなるように思われるが、剥離の際には下部クラッド層２５は接着性改良部２２に向かって収縮するために、応力は若干緩和されるものと考えて良い。
【００２６】
また、クラッド材料に、例えば光硬化性樹脂（ＬＴＶ硬化樹脂等）を用いる場合には、接着性が改善された部分にのみマスクを通して光を照射して、接着性が不良の領域の樹脂は溶剤で除去する方法も考えられる。
【００２７】
次に、下部クラッド２５まで形成した基板上に、基板と光学膜との接着性が不良である場合にはそのまま、硬化後には前記下部クラッドよりもわずかに屈折率が大きい光学膜となるように調整された溶液をスピンコータにより塗布して、下部クラッド層と同様にしてオーブン中での加熱や光照射等により硬化させて、図４（ｄ）に示すように、光導波路のコアとなるべきコア層膜２６を形成する。なお、基板と光学膜との接着性が良好である場合には、下部クラッド２５以外の領域に剥離のための処理を施してからコア層膜を形成する。
【００２８】
次に、図４（ｅ）に示すように、下部クラッド２５以外の領域のコア層膜を予め下部クラッドと同様に剥離させると、コアへの応力が緩和されることは、下部クラッドの場合と同様である。
【００２９】
その後、残されたコア層膜２７上に金属膜やレジスト膜等を形成して、フォト工程およびエッチング等により、チャンネル導波路のコア以外の金属膜やレジスト膜を除去する。しかる後、金属膜やレジスト膜をマスクにして、コア層膜をエッチング等により加工して、図４（ｆ）に示すように、チャンネル導波路のコア（コアリッジ部）２８を得る。
【００３０】
次に、コア２８まで形成した基板上に、基板と光学膜との接着性が不良である場合にはそのまま、硬化後には前記下部クラッドと同等の屈折率を有する光学膜となるように調整された溶液をスピンコータにより塗布して、下部クラッド層と同様にしてオーブン中での加熱や光照射等により硬化させて、図４（ｇ）に示すように、光導波路の上部クラッドとなるべき上部クラッド層膜２９を形成する。なお、基板と光学膜との接着性が良好である場合には、下部クラッド２５以外の領域に剥離のための処理を施してから上部クラッド層膜を形成する。
【００３１】
最後に、図４（ｈ）に示すように、下部クラッド２５以外の領域の上部クラッド層膜２９を下部クラッドと同様に剥離させると、上部クラッド３０への応力が緩和されることは、下部クラッドの場合と同様である。上部クラッド３０の加工は、このように単に剥離のみによってもいいし、必要であれば、残された上部クラッドの一部をエッチングによりトリミングすることもあって良い。
【００３２】
本発明の光導波路においては、コア層膜に対してのみコアリッジ部およびマーカ等、ごく一部を残して殆どの部分を除去するという従来の構造と相違して、下部クラッド層膜および上部クラッド層膜に対しても、意図的な剥離により必要最小限度の領域の下部クラッドおよび上部クラッドのみを残存し、剥離の際の光学膜の接着部に向かっての収縮を利用して、光導波路への応力増加を緩和できるため、導波路での剥離やクラックの発生を防止できるという利点がある。
【００３３】
上記構造において、どのような下部クラッドを残すかに関しては、導波路コアからの光の漏れ出しがなければ、基本的にはできるだけ狭い面積にのみ残すことが好ましい。また、本発明の光導波路は、特に高分子導波路においては、クラックの発生や剥離を防止するという利点が最も大きいが、応力の増加を押さえることから、応力に伴う偏波依存損失の改善に資することを忘れてはならない。これは、例えば石英導波路に対しても言えることである。
【００３４】
【実施例】
片面研磨でおよそ０．５μｍの厚さの熱酸化膜のついた０．５ｍｍ厚の４インチシリコン基板（（１００）方位）を用意し、本発明に基づくフッ素化ポリイミドからなる３次元埋め込み型光導波路の作製を行った。フッ素化ポリイミドと熱酸化シリコン膜との密着性は大変悪いので、まず、下部クラッドを形成すべき領域に対して熱酸化膜表面をプラズマ等により改質し、あるいはシランカップリング材やポリイミドワニス等の接着剤の塗布およびキュアにより、フッ素化ポリイミドとの接着性の改善を行っておかなければならない。
【００３５】
プラズマによる処理を行う場合には、予め選択された領域以外をフォトレジスト等で覆っておくことが必要である。また、ワニス等の塗布を行う場合には、キュア後、フォトプロセスおよびエッチングにより不要な部分のワニス等を除去しておかなければならない。
【００３６】
このように選択的に接着性が改善された領域を有する基板に対して、フッ素化ポリアミド酸溶液をおよそ７μｍの厚さにスピンコータにより上記シリコン基板上に塗布し、オーブン中で加熱することにより下部クラッド層膜とした。加熱温度はポリアミド酸が重合してポリイミドとなるのに十分な３００℃以上とするのが好ましく、また、できれば、窒素等の不活性ガスを導入しながら行うとさらに好ましい。下部クラッド層の厚さは、特に７μｍである必要はなく、光の閉じ込めに必要にして十分な厚さであれば問題はない。例えば、５μｍ程度でも、また１０μｍ以上あっても良い。
【００３７】
このようにして形成した下部クラッド層膜に対して、外周歯やレーザートリミングの装置を用いて、接着性改良部と接着性不良部との境界近傍、例えば境界ののわずか外側に若干の切り込みを入れておいて、基板の端部の数ヵ所から鋭利なカッターナイフで傷をつけ、これによって剥離した部分の膜をピンセットでつまんで持ち上げることにより、下部クラッド層は容易に剥離でき、予め選択された接着性改良部以外の下部クラッド層膜を除去した。
【００３８】
なお、剥離による除去の後、下部クラッドの端部のトリミングのためにエッチングを行うことには何らの問題もない。また、傷をつけての剥離以外に通常のフォトプロセスおよびエッチングにより、接着性改良部の下部クラッド層膜のみを残す検討も行ったが、両者に差異は見られなかった。曲線導波路等に対しては、エッチングによる方法が下部クラッドの占有面積の制御が容易であることは当然である。
【００３９】
次に、選択的に形成された下部クラッド上に、加熱重合の後には下部クラッドと比較して通信波長領域（１．３１乃至１．５５μｍ波長）においてわずかに屈折率が大きくなるように調整されたフッ素化ポリアミド酸溶液を、およそ７μｍの厚さにスピンコートし、オーブン中で加熱・キュアしてコア層膜とした。コア層膜の膜厚はクラッドとの屈折率差を勘案して決める必要があることは言うまでもない。
【００４０】
このようにして形成したコア層膜に対して、下部クラッドと同様にして、下部クラッド領域のわずか外側に切り込みを入れておいて、基板端部にナイフで傷をつけての剥離を行い、さらに下部クラッド上に残されたコア層膜の上にコアリッジ部を加工するための金属マスクを形成した。金属マスクの材料はポリイミド材料とのドライエッチングの選択比が大きいものであればどのようなものでも良く、金属マスクそのものがドライエッチングにより容易に加工できるチタン、ニオブ、モリブデン、タンタル等が特に好ましいが、鋼、クロム、アルミニウム、マグネシウム、金、銀、白金等でも問題はない。
【００４１】
金属マスクの加工は、フォトプロセスにより金属膜上にレジストパターンを形成しておいて、そのレジストパターンをマスクとして金属膜を反応性イオンエッチングやイオンビームエッチング等により不要な部分を除去することにより行うことができる。
【００４２】
このようにして形成した金属マスクを用いてエッチングによりコアリッジ部の加工を行った。なお、コア層膜と下部クラッドとの密着性は良好であるため、特に接着性の改善を行う必要はないが、プラズマで下部クラッドの表面を処理しておくことには何らの問題もない。
【００４３】
ところで、本願発明においては、図４に示したように、コア２８の周辺のみの下部クラッド２５を残すが、コアと下部クラッドの端部との距離は、導波路のコアとクラッドとの屈折率差によりその最小値は異なるものとなるが、少なくともコアからクラッドの外側への導波光の漏れ出しがないことをもとにできるだけ小さい値に決定すれば良い。これを満足できれば、膜への応力を緩和するには距離は小さいことが好ましく、クラックの防止が困難な高分子材料に関してはできることなら５μｍ以下まで小さくすべきである。
【００４４】
しかし、現実的には、技術と歩留まり、マスク合わせ等の観点から、さらには高分子膜への応力の緩和の効果が十分でありさえすれば１０μｍ以上、例えば５０μｍ程度あるいはそれ以上であっても問題はない。また、言うまでもないことであるが、上記距離は導波路チップ上で一様である必要はない。例えばコア同士を近接させるところでは、それを優先しなければならない。
【００４５】
その後、コアリッジ部上の金属マスクを除去してから下部クラッドと同等の屈折率となるフッ素化ポリアミド酸溶液を用いてスピンコート、加熱により、およそ１０μｍ程度の厚さの上部クラッド層膜を形成した。このようにして形成した上部クラッド層膜に対し、下部クラッドと同様にして、下部クラッド領域のわずか外側に切り込みを入れておいて、基板端部にナイフで傷をつけての剥離を行い、残った部分を上部クラッドとして、本願発明の光導波路を作製した。
【００４６】
このようにして作製した導波路には、クラックや剥離は全く生じなかった。一方、下部クラッドや上部クラッドがほぼ基板の全面に存在する従来の構造の光導波路を、基板全面に対して接着性改善の処理を行うことと、剥離のプロセスを行わないこと以外は同一にして作製したところ、コア下部と下部クラッドとの間にクラックが発生している箇所が多数見られ、さらに導波路チップの端部から膜の剥離も生じた。
【００４７】
この他に、フッ素化ポリイミド以外の各種高分子材料、例えばシリコーン樹脂、ＰＭＭＡ、ＵＶ硬化や剥離の発生は見られず、従来の構造については、複数の箇所でクラックや剥離の発生が見られた。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光導波路におけるクラックや剥離の発生という問題点を解決するために、光導波路を形成するための基板上のコアを含むコア近傍のごく一部の下部クラッド層のみを残して基板面上の殆どの下部クラッド層を除去し、前記の基板上にごく一部だけ残された下部クラッド層上の一部にコアを形成し、かつ前記残された下部クラッド層上に前記コアを覆うように上部クラッド層を形成することにより、下部クラッド、コアおよび上部クラッドと基板との間の応力をできる限り解放し、これによって導波路におけるクラックや剥離の発生を防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の光導波路の製造方法の一例を示す工程図
【図２】基板と光学膜とのミスマッチによる基板の反りの発生を示す模式図
【図３】応力に伴うクラックの発生を示す模式図
【図４】  本発明の光導波路の製造方法の実施の形態の一例を示す工程図
【符号の説明】
２１：基板、２２：接着性改良部、２３：剥離部、２４：下部クラッド層膜、２５：下部クラッド、２６：コア層膜、２７：剥離後に残されたコア層膜、２８：コア、２９：上部クラッド層膜、３０：上部クラッド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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