(57)【要約】【課題】製造プロセス(エッチングプロセス)中にエッチングの進行具合に関する情報（エッチングにより形成されたミラー面の角度・深さ）をモニタリング可能な構造を有することで、ミラー面を精度良く形成することが可能となった集積型受光素子を提供すること。【解決手段】本発明に係る集積型受光素子を作製するために用いられる平面光波回路は、光導波路１７上（クラッド１４上）に表面スケール３０を備え、クラッド１４中かつコア１６と同じ高さにコアスケール３２を備える。表面スケール３０およびコアスケール３２は、上面から観察することができる。【選択図】図７
2014153428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の、クラッドおよびコアから構成された光導波路と、
前記コアを伝搬する光を反射するために前記光導波路端部に設けられたミラーと、
前記光導波路上に設けられた、前記ミラーで反射された光が結合するための、フォトダイオードと
から構成された集積型受光素子であって、
前記光導波路上に設けられ、前記コアの伸張方向の長さを測定するための、表面スケールと、
前記コアと同じ高さの前記クラッドに設けられ、前記コアの伸張方向の長さを測定するための、コアスケールと
をさらに備えたことを特徴とする集積型受光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積型受光素子に関し、詳細には、光通信や光情報処理の分野で用いられる、光波回路とフォトダイオード（本明細書では、「ＰＤ」ともいう）などの受光素子とから構成される集積型受光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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いる。その技術の一つとして、石英系平面光波回路（本明細書では、「ＰＬＣ」（Planar Lightwave Circuit）ともいう）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、および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。
【０００３】
実際に伝送端局における光受信装置にはＰＤ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（本明細書では、「ＬＤ」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。
【０００４】
また、例えば、波長多重分割伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣ中の複数の光導波路についての光強度を監視するために、多数のＰＤが集積化されて実装されている。
【０００５】
光導波路と受（発）光素子との光結合を可能とする構造として、図１および図２に示すような構造の素子が提案されている。この素子は、異方性エッチングにより光導波路に斜めの溝（本明細書では、「ミラー溝」ともいう）を設け、この斜めの溝の側面に、金属や多層膜を堆積し、基板面に対して垂直方向に光路を変換する反射面とすることで、ミラーを作製することができる。
【０００６】
図１は、従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造の斜視図である。図２は、同じ構造を説明する図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。
【０００７】
図１および図２に示す構造は、基板１２と、基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、コア１６およびクラッド１４から構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上に設置されたＰＤ２２（ＰＤ２２は、ＰＤ受光部２０を備える）とから構成される。
【０００８】
なお、図１および図２では、コア１６が伸長する方向がｘ軸方向、光導波路１７が積層される基板１２の主面の法線方向がｚ軸方向、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向がｙ軸方向となるように座標軸を設定している。この座標軸は、以後の説明においても同様に設定されるものとする。
【０００９】
基板１２として、Ｓｉ基板等を使用することができる。光導波路１７は、コア１６とクラッド１４とから構成されている。コア１６を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換され、対応するＰＤ２２のＰＤ受光部２０に結合する。
【００１０】
図３に、従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造（図１および図２に示す構造）を作製する方法の一例を示す。
【００１１】
最初に、Ｓｉ基板等の基板１２上に、クラッド１４と、コア１６とを成膜して、光導波路１７を作製し、作製した光導波路１７上にＰＤ２２を作製する（図３（ａ）を参照）。
【００１２】
次いで、光導波路１７全体（ＰＤ２２を含む）に対してフォトレジスト２４を塗布する。露光後、現像を行い、ミラーを形成するためのミラー溝を形成する部分のフォトレジストを除去する（図３（ｂ）を参照）。ミラー溝を形成するためにフォトレジストが除去された部分を、本明細書では、ミラー開口部という（ミラー開口部は、図３（ｂ）中、符号２６で示される）。
【００１３】
ミラー開口部２６以外にフォトレジスト２４を成膜した後、異方性エッチングにより、斜めのミラー溝２８を形成する（図３（ｃ）を参照）。ミラー溝２８の形成により、導波路端部が露出されてミラー面２９が形成される。ここではレジストマスクを用いているが、メタルマスクを用いることも可能であり、マスク材料により本発明が限定されるものではない。
【００１４】
次いで、ミラー面２９に金属を蒸着し、高反射率のミラー１８を形成する。蒸着する金属として、ＡｌやＡｕ等を使用することができる（図３（ｄ）を参照）。また、スパッタリング等で反射多層膜を堆積しても良い。
【００１５】
最後に、レジスト除去液によりフォトレジストを洗浄し、全てのレジストを除去する（図示せず）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第３８３４０２４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Kurata, Yu; Nasu, Yusuke; Tamura, Munehisa; Yokoyama, Haruki; Muramoto, Yoshifumi, “Heterogeneous Integration of High-Speed InP PDs on Silica-Based Planar Lightwave Circuit Platform”, Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
図１および図２に示す集積型受光素子では、小型化・高速化を実現するために、ＰＤ受光部の受光径は、小さくすることが望ましい。しかし、受光径が小さいとＰＤに入射するビーム位置がずれること、つまりミラーが最適位置からずれることで損失が発生することになる。
【００１９】
例えば、図４に示すように、過剰なエッチング（オーバーエッチング）により、目標の場所よりｘ軸方向手前にミラー面を形成してしまうことが考えられる。図４に示すように、当初の予定よりもｘ軸方向手前に形成されたミラー面にミラー１８が設けられると、コア１６を伝搬する光の一部はＰＤ受光部２０に結合しないことになる。このため、ミラー形成に対して、より厳しい製造トレランス（許容誤差）が設定されることになる。
【００２０】
また、ミラー面の角度や深さといったパラメータは、通常、断面観察により測定されるため、試料を破壊することになる。従って、より高精度なミラー面を形成するために、位置、角度、深さといったパラメータを、試料を破壊することなく判断でき、かつ、光結合に適した位置にミラー面が形成されなかった場合に反射位置をトリミングにより微調整可能な技術が求められている。
【００２１】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造プロセス(異方性エッチングプロセス)中にエッチングに関する情報（異方性エッチングによる溝形成により形成されたミラー面の角度・深さ）をモニタリング可能な構造を有することにより、ミラー面を精度良く形成することが可能となった集積型受光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、基板と、基板上の、クラッドおよびコアから構成された光導波路と、コアを伝搬する光を反射するために光導波路端部に設けられたミラーと、光導波路上に設けられた、ミラーで反射された光が結合するための、フォトダイオードとから構成された集積型受光素子であって、光導波路上に設けられ、コアの伸張方向の長さを測定するための、表面スケールと、コアと同じ高さのクラッドに設けられ、コアの伸張方向の長さを測定するための、コアスケールとをさらに備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、表面スケールとコアスケールとを備えた光回路を用いて、集積型受光素子を作製する。本発明では、エッチング時に上面観察するだけで、ミラー面の角度・深さを算出でき、エッチングの状況を把握することができる。これにより、導波路端部のトリミングの要否を容易に判断することができる。
【００２４】
よって、ミラー面が精度良く形成された集積型受光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を説明する斜視図である。
【図２】従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を説明する図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。
【図３】従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造（図１および図２に示す構造）の作製方法を説明する図である。
【図４】従来技術の課題を説明する図である。
【図５】本発明に係る、光回路の構造を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図であり、（ｃ）は（ａ）の断面線Ｂ−Ｂ’における断面図である。
【図６】本発明に係る、集積型受光素子の作製工程を説明する図である。
【図７】本発明に係る光回路を用いて、集積型受光素子を作製する際にどのようにしてエッチングの進行具合に関する情報を得るのか説明する図である。
【図８】本発明に係る、集積型受光素子の作製フローを説明する図である。
【図９】本発明に係る、集積型受光素子の作製フローを説明する図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る、光回路の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本実施形態に係る集積型受光素子を作製するために用いる光回路は、図５に示す構造を持つ。図５（ａ）は、光回路の上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）の断面線Ｂ−Ｂ’における断面図である。なお、図５（ｂ）および図５（ｃ）では、断面線と同一のｙ軸値ではないものに関しても破線または一点鎖線で表している。手前側にあるものを一点鎖線で表し、奥側にあるものを破線で表しているので留意されたい。
【００２７】
本実施形態に係る光回路が、基板１２上に積層されたクラッド１４と、コア１６とから構成されることは、従来の集積型受光素子で使用する光回路（図１および図２を参照）と同様である。
【００２８】
しかしながら、本実施形態に係る光回路は、光導波路１７上（クラッド１４上）に表面スケール３０を備えること、および、クラッド１４中かつコア１６と同じ高さ（すなわち、ｚ軸値が等しい場所）にコアスケール３２を備えており、この点において従来の光回路と相違する。
【００２９】
表面スケール３０は、所定の間隔（１μｍ等）おきに設けられたｘ軸方向の距離を測定するための目盛りである。表面スケール３０は、これから塗布されるフォトレジストの端部のｘ軸値が基準（原点、始点）となるように設けられる（これについては、図６を参照しながら後述する）。表面スケール３０は、異方性エッチングの際に、ｘ軸原点と異方性エッチングによって形成された光導波路１７表面のミラー面の端部との間のｘ軸方向に沿った距離（本明細書では、「エッチングシフト」ともいう）等を測定するために設けられる（これについては、図７を参照しながら後述する）。
【００３０】
表面スケール３０は、（１）基板１２上にクラッド１４とコア１６とを成膜して光導波路１７を作製した後で、金属をフォトリソグラフィーでスケールの形状に加工すること、または、（２）基板１２上にクラッド１４とコア１６とを成膜して光導波路１７を作製する際に、クラッド１４表面を加工して凹凸を設けること等により作製することができる。
【００３１】
コアスケール３２は、コア１６と同じ高さに所定の間隔（１μｍ等）おきに設けられたｘ軸方向の距離を測定するための目盛りである。コアスケール３２は、異方性エッチングの際に、異方性エッチングによって形成された光導波路１７表面のミラー面の端部とコア１６の端部との間のｘ軸方向に沿った距離（本明細書では、「コアシフト」ともいう）を測定するために作製される。コアスケール３２は、光導波路１７内部に作製されるものの、光導波路１７の上面から観察することができるので、上面観察によりエッチングの進行具合を見積もることができる（これについては、図７を参照しながら後述する）。
【００３２】
コアスケール３２は、基板１２上にクラッド１４とコア１６とを成膜して光導波路１７を作製する際に、さらに具体的にはコア１６の高さの光導波路を成膜する際に、コア１６と同じ高さのクラッド１４に図５に示すような目盛りの形状を入れることで作製することができる。
【００３３】
図６を参照しながら、図５に示した光回路を利用してどのようにミラー面を形成していくのかについて、説明する。
【００３４】
最初に、基板１２上で、クラッド部１４と、コア部１６とを成膜して、コアとクラッドとの屈折率差が１．５％の光導波路１７を作製し、図５に示す光導波路を作製する。作製した光導波路１７上に受光径１９μｍのＰＤ２２を作製する。コア部の厚さは４．５μｍであり、コア下のクラッド部の厚さは２０μｍ、コア上のクラッド部の厚さは１５．５μｍである。ＰＤ２２は、光導波路１７にエピタキシャル層の形成されたＩｎＰ等の光半導体材料基板を、ポリイミド等で接合させ、ＩｎＰ基板を研磨およびウェットエッチングで除去した後、残るエピタキシャル層をフォトプロセスにより加工し、作製する（図６（ａ）を参照、非特許文献１を参照）。
【００３５】
次いで、光導波路１７全体（ＰＤ２２を含む）に対してフォトレジスト２４を塗布する。露光後、現像を行い、フォトレジスト２４を一部除去してミラー開口部２６を形成する（図６（ｂ）を参照）。
【００３６】
次いで、異方性エッチングにより斜めのミラー溝２８・ミラー面２９を形成した後、レジスト除去液によりフォトレジスト２４を洗浄し全てのレジストを除去する（図６（ｃ）を参照）。この状態で、上面から観察し、エッチングの進行具合に関する情報（ミラー面の角度・深さ等）を算出する。
【００３７】
図７を参照しながら、エッチングの進行具合に関する情報（エッチングによって形成されたミラー面の角度・深さ）をどのように算出するのかについて、説明する。
【００３８】
図７は、どのようにしてエッチングの進行具合に関する情報を得るのか説明するための図であり、図７（ａ）は上面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。説明のために、図７（ａ）および図７（ｂ）はＰＤが省略されて図示されていることに留意されたい。
【００３９】
上面から表面スケール３０およびコアスケール３２を観察することで、エッチングによって形成された光導波路１７表面のミラー面２９の端部と、コア１６端部との間のｘ軸方向に沿った距離（本明細書では、「コアシフト」ともいう）を測定することができる。このコアシフトの値を仮にａとする。
【００４０】
光導波路１７表面と、コア１６との間のｚ軸方向に沿った距離（本明細書では、「コア深さ」ともいう）は、光導波路１７を基板１２上に成膜したときの情報から既知である。このコア深さの値を仮にｂとし、基板１２とミラー面２９との角度（本明細書では、「ミラー面の角度」ともいう）をθとすると、次の（式１）を満たす。
【００４１】
【数１】
2014153428.tif 000003
【００４２】
従って、ミラー面２９の角度θを算出することができる。
【００４３】
次いで、上面から表面スケール３０およびコアスケール３２を観察することで、光導波路１７表面のミラー面２９の端部と、エッチングによって形成された光導波路１７底面のミラー面２９の端部との間のｘ軸方向に沿った距離（本明細書では、「ミラーシフト」ともいう）を測定することができる。
【００４４】
このミラーシフトの値を仮にｃとすると、次の（式２）より、光導波路表面のミラー面２９の端部と、光導波路底面のミラー面２９の端部との間のｚ軸方向に沿った距離（本明細書では、「ミラー面の深さ」ともいう）を算出することができる。ここで、ミラー面の深さの値を仮にｄとすると、
【００４５】
【数２】
2014153428.tif 000004
【００４６】
となる。
【００４７】
よって、光回路を破壊することなく、上面から観察するだけで、エッチングの進行具合に関する情報（エッチングによって形成されたミラー面の角度・深さ）を得ることができ、ＰＤに対してミラー面が適切な位置に適切な角度で形成できているか判断することができる。
【００４８】
図８は、本実施形態に係る集積型受光素子の作製方法のフロー図である。
【００４９】
ステップ８００で、図５に示した光導波路を用意し、光導波路にフォトレジスト塗布によりエッチングマスクを形成する。
【００５０】
ステップ８０２で、異方性エッチングにより斜めのミラー溝を形成する。ミラー溝形成により露出された導波路端面がミラー面である。
【００５１】
ステップ８０４で、エッチングマスクを除去し光導波路を上面から観察する。上面観察により、エッチングの進行具合に関する情報（エッチングによって形成されたミラー面の角度・深さ）を導出する。エッチングによって形成されたミラー面の角度・深さの算出方法は、上述のとおりである（図７を参照）。
【００５２】
ステップ８０６で、得られたエッチングの進行具合に関する情報（ミラー面の角度・深さ）から端面のトリミングの要否を判断する。
【００５３】
過剰にエッチング（オーバーエッチング）している場合、ステップ８０８で、光導波路端面にＳｉＯ2膜を堆積させ、ミラー面を最適位置に形成する（図９（ａ）を参照）。
【００５４】
エッチングが足りない場合、ステップ８１０で、追加エッチングを行い、光導波路をさらに削り、ミラー面を最適位置に形成する（図９（ｃ）を参照）。
【００５５】
最適位置にミラー面を形成した後、ステップ８１２で、ミラー面上にＡｕ等の反射膜を堆積しミラーを形成する。
【００５６】
なお、上述の説明では、光導波路表面に設けられた表面スケールおよびコアと同じ高さに設けられたコアスケールを備えた光導波路を用いて、集積型受光素子を作製したが、図１０に示すように、基板１２上に基板表面スケール３４をさらに備えた光導波路を用いて集積型受光素子を作製しても良い。
【００５７】
このような場合、エッチング時に表面スケール、コアスケール、および基板表面スケールを上面観察して、上記同様の計算を行い、エッチングの進行具合に関する情報（ミラー面角度・ミラー面深さ）を導出することとなるので、表面スケールおよびコアスケールのみを上面観察したときと比較して、ミラー面の角度・深さに関してより正確な値を算出できるようになる。
【符号の説明】
【００５８】
１２  基板
１４  クラッド
１６  コア
１７  光導波路
１８  ミラー
２０  ＰＤ受光部
２２  ＰＤ
２４  フォトレジスト
２６  ミラー開口部
２８  ミラー溝
２９  ミラー面
３０  表面スケール
３２  コアスケール
３４  基板表面スケール
【図１】
2014153428.tif 000005
【図２】
2014153428.tif 000006
【図３】
2014153428.tif 000007
【図４】
2014153428.tif 000008
【図５】
2014153428.tif 000009
【図６】
2014153428.tif 000010
【図７】
2014153428.tif 000011
【図８】
2014153428.tif 000012
【図９】
2014153428.tif 000013
【図１０】
2014153428.tif 000014