(57)【要約】【課題】異方性エッチングを繰り返して行うことなく容易に製造することができ、大量生産に好適な光合分波器の製造方法を提供する。【解決手段】被加工物体１の表面に任意形状物体２を形成し、この任意形状物体２を所定の形状に形成して形状加工層１４とし、Ａｒイオンビーム１１を形状加工層１４の表面側からこの形状加工層１４と被加工物体１とに対して照射して異方性エッチングを施すことによって、任意形状物体２が形成されている被加工物体１の表面の深さ方向に形状加工層１４の形状と相似する形状を形成して光合分波器１２を得る。【選択図】        図１
2004264733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物体の表面に任意形状物体を形成し、
前記任意形状物体を所定の形状に形成し、
前記任意形状物体と前記被加工物体とに対して異方性エッチングを施すことによって、該任意形状物体が形成されている該被加工物体の表面の深さ方向に該任意形状物体の形状と相似する形状を形成する、
ことを特徴とする光合分波器の製造方法。
【請求項２】
前記任意形状物体の所定の形状への形成は、レーザ光の照射によって行われることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器の製造方法。
【請求項３】
前記任意形状物体の所定の形状への形成は、金型による転写成形によって行われることを特徴とする請求項１に記載の光合分波器の製造方法。
【請求項４】
前記任意形状物体の前記所定の形状は、前記異方性エッチングにおける該任意形状物体と前記被加工物体とのエッチングレートの比と、該異方性エッチングを施すことによって該被加工物体に形成される形状における該被加工物体の表面の深さ方向寸法と、に基づいて決定される寸法の部分を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光合分波器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光集積回路などに利用されるＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  ）やフォトニック結晶等の光合分波器の製造方法の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フォトニック結晶等に代表される光合分波器は光の波長と同程度の１μｍ以下の非常に微細な構造体であり、高度な加工方法により正確に形成しなければならないので、その材質としては加工により形状欠陥の起こりにくい石英ガラスなどが用いられる場合が多い。
【０００３】
被加工物体の表面に微細な形状を作り込む手法として、被加工物体の表面に所望のパターンを有するマスクの役割をする金属膜やレジストを均一膜厚として形成し、異方性イオンエッチングを施して被加工物体表面のマスク部と非マスク部とにおいて段差をつける加工を行い、これを複数回繰り返して段階的に被加工物体表面に所望の形状を作り込むことがなされている。
【０００４】
また、特許文献１には、被加工物体の表面に所望パターンのエッチングストッパ層を形成してその上に所定の屈折率の透明層を設けておき、異方性エッチングを施してエッチングストッパ層でマスクされた部分とされていない部分とに段差をつける加工を行い、これを繰り返すことにより被加工物体の表面に所望形状を形成する手法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１５５１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したこれらの手法では、いずれも均一膜厚のマスクを用いた異方性エッチングが繰り返されるため、その製作条件を決定するまでに多大な検討時間が必要となり、また、素子の加工にも多大な手間と時間とが費やされていた。
【０００７】
また、この異方性エッチングによって被加工物体の表面に作り込む立体形状が数百ｎｍ以下の非常に徹細な形状である場合には、繰り返し行われるマスク設置時の位置を極めて高い精度で制御する必要がある。しかも、光合分波器を製作する場合にはわずか数ｎｍオーダの位置ずれでさえもその光学性能に影響を及ぼしてしまう。そのため、このような高精度かつ煩雑な作業を繰り返す手法では、光合分波器の大量生産を行う生産現場においてはその作業精度や装置・作業環境の維持管理が難しく、結果として製造コストの高騰の一因となっていた。
【０００８】
本発明は上述した問題点を考慮してなされたものであり、その解決しようとする課題は、異方性エッチングを繰り返して行うことなく容易に製造することができ、大量生産に好適な光合分波器の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様のひとつである光合分波器の製造方法は、被加工物体の表面に任意形状物体を形成し、前記任意形状物体を所定の形状に形成し、前記任意形状物体と前記被加工物体とに対して異方性エッチングを施すことによって、該任意形状物体が形成されている該被加工物体の表面の深さ方向に該任意形状物体の形状と相似する形状を形成する。こうすることによって前述した課題を解決する。
【００１０】
この方法では、所望する光合分波器を製造するため、まず被加工物体上に任意形状物体を形成する。その後、異方性エッチング処理を施すと任意形状物体は除去される。このとき、任意形状物体は一様に表面からエッチングされるため、任意形状物体における厚さの薄い部分は早く除去され、この部分に対応した被加工物体の表面が異方性エッチングにより彫り始められる。一方、任意形状物体の厚さの厚い部分は、その厚み分だけ遅れて除去されるため、その直下にある被加工物体の表面は、任意形状物体の厚さの薄い部分に比べて遅れて彫り始められる。その結果、任意形状物体の形状と相似する形状が、任意形状物体の形成されている被加工物体の表面の深さ方向に形成される。ここで、任意形状物体を例えばＡＷＧ構造に形成しておけば、被加工物体は光合分波器として機能するようになる。
【００１１】
上述した本発明に係る方法によれば、異方性エッチングを１工程で済ませることができ、異方性エッチングを繰り返す必要がないため、光合分波器を容易に、短時間且つ低コストで製造することが可能となる。
なお、前述した本発明に係る光合分波器の製造方法において、前記任意形状物体の所定の形状への形成は、レーザ光の照射によって行われるようにすることができる。
【００１２】
この方法では、レーザ加工により、被加工物体に光合分波器の機能を付与するための形状、例えばＡＷＧ構造を有する形状に任意形状物体を形成する。その後、異方性エッチングによって任意形状物体を除去しつつ被加工物体表面に任意形状物体の形状を転写させる。その結果、任意形状物体の形状と相似する形状が任意形状物体の形成されている被加工物体の表面の深さ方向に形成され、被加工物体は光合分波器として機能するようになる。
【００１３】
また、前述した本発明に係る光合分波器の製造方法において、前記任意形状物体の所定の形状への形成は、金型による転写成形によって行われるようにすることができる。
この方法では、被加工物体に光合分波器の機能を付与するための形状、例えばＡＷＧ構造を有する形状、の反転形状を形成させた金型で任意形状物体を押圧成形して任意形状物体に金型形状を転写させる。その後、異方性エッチングによって任意形状物体を除去しつつ被加工物体表面に任意形状物体の形状を転写させる。その結果、任意形状物体の形状と相似する形状が任意形状物体の形成されている被加工物体の表面の深さ方向に形成され、被加工物体は光合分波器として機能するようになる。
【００１４】
また、前述した本発明に係る光合分波器の製造方法において、前記任意形状物体の前記所定の形状は、前記異方性エッチングにおける該任意形状物体と前記被加工物体とのエッチングレートの比と、該異方性エッチングを施すことによって該被加工物体に形成される形状における該被加工物体の表面の深さ方向寸法と、に基づいて決定される寸法の部分を有するようにすることができる。
【００１５】
任意形状物体と被加工物体とに対して異方性エッチングを施すと、任意形状物体がエッチングによって全て除去されたときに被加工物体の表面に転写されている形状における該被加工物体の表面の深さ方向の寸法と、エッチング前の任意形状物体における対応する部分の寸法とは、被加工物体と任意形状物体とのエッチングレートの比に比例したものとなる。従って、任意形状物体の所定の形状への形成をこの方法のようにしておくことにより、エッチング後の被加工物体の表面の深さ方向の寸法を所望の通りに形成させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、これより説明する各実施の形態において、同一の部材には同一の符号を付して対応させることとする。
［第一の実施の形態］
まず、本発明の第一の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は異方性エッチングによる光合分波器の加工手順を説明する図である。
この第一の実施の形態では、図１（ａ）に示す被加工物体１として高純度合成石英ガラスを用い、その形状をまず１０ｍｍ×１０ｍｍ×ｔ（厚さ）５ｍｍに加工した後、１０ｍｍ×１０ｍｍの両面を研磨により光学鏡面に仕上げる。次に、被加工物体１の被処理面３上に任意形状物体２を設置して組合せることにより被処理体２１とする。任意形状物体２にはレジストが用いられる。
【００１８】
続いて、任意形状物体２の被成形面４の表面粗さをＲａ＝０．００４μｍ以下の光学鏡面に仕上げた後、レーザ光を照射して行われる微細レーザ加工法により任意形状物体２表面にＡＷＧ構造を形成する。この任意形状物体２表面に形成させる形状は、被加工物体１と任意形状物体２とのエッチングレートの比を考慮して形成する。この実施の形態においては、後述する異方性エッチングに対するエッチングレートが被加工物体１：任意形状物体２＝１：３であるので、被加工物体１に形成する所望形状の高さ（所望する加工形状の深さ）をｈとすると、任意形状物体２に形成する加工部分の高さ（凹部分の深さ）を３ｈとなるようにする。
【００１９】
以上の操作で、図１（ｂ）に示すように、所望するＡＷＧ構造（高さｈ）に対し、高さ３ｈの形状加工層１４が被加工物体１の被処理面３に形成される。
次に、アルゴンガスを用いた異方性エッチング装置を使用し、被加工物体１の被処理面３に形成されている形状加工層１４の除去を行う。異方性エッチングでは、図１（ｃ）に示すように、Ａｒイオンビーム１１を形状加工層１４表面の法線方向から２ｋｅＶ程度の加速電圧で照射する。
【００２０】
この照射によって形状加工層１４が除去されるが、形状加工層１４の厚さの薄い部分の除去が完了した（被処理面３が露出した）時点では、形状加工層１４の厚さの厚い部分はまだ３ｈの高さを有している。この時点から、前者（被加工物体１）は後者（任意形状物体２）の１／３のエッチングレートでエッチングされるため、形状加工層１４の３ｈの高さがすべてエッチングされたときには、被加工物体１は図１（ｄ）に示すように厚さｈだけエッチングされている。すなわち、上述したエッチングレートに比例した除去が行われるため、異方性エッチングの開始後に所定の時間が経過すると、被加工物体１の表面にはエッチングレートに対応したフォトニック結晶構造のパターンが作り込まれた光合分波器１２が得られる。
【００２１】
以上のように、この実施の形態によれば、１工程の異方性エッチングによって、異方性エッチングを繰り返すことなく光合分波器１２を製造することができる。
なお、この実施の形態では、被加工物体１として高純度合成石英ガラスを用い、任意形状物体２としてレジストを用いたが、これらの材質はこれらに限定されるものではない。被加工物体１としては、例えば光学ガラスやアクリル樹脂などの光透過性材料を用いてもよく、また、任意形状物体２としては、紫外線や熱などにより硬化するエネルギー硬化型樹脂や、ガラス、金属ガラスなどを用いてもよい。
【００２２】
更に、この実施の形態では任意形状物体２を除去するためにアルゴンガスによるエッチングを用いたが、反応性イオンエッチング等を用いてもよい。また、本実施の形態では形状加工層１４の表面に対して法線方向に異方性エッチングを行うことによって任意形状物体２の形状を被加工物体１へ転写しているが、異方性エッチングはこの方向に限定されるものではなく、例えば法線方向から１０°ないし２０°の角度からＡｒイオンビーム１１を照射してエッチングを行うこともできる。こうすることにより、被加工物体１の表面に対し直立方向の形状のみならず所定の角度を有する形状を作り込むことも可能となる。
【００２３】
以上のように、この実施の形態によれば、被加工物体１の表面に加工の容易な任意形状物体２を設けてこの任意形状物体２に形状加工し、そして任意形状物体２の形状を１工程の異方性エッチングで容易に被加工物体１の表面に転写させることができるので、大量生産を行うことが容易になる。
［第二の実施の形態］
この実施の形態は、前述した第一の実施の形態に対し、任意形状物体２の材料、任意形状物体２表面にフォトニック結晶構造を転写させる手法、及び温度条件が異なるものであり、その他は第一の実施の形態と同様である。
【００２４】
この実施の形態では、任意形状物体２として、ＳｉＯ２：７４ｗｔ％、ＮａＯ  ：１１ｗｔ％、Ｋ２０  ：１１ｗｔ％の組成を持ち、ガラス転移点温度が５７６℃の光学ガラスを用いる。
まず図２について説明する。同図はこの実施の形態で使用する高温雰囲気成形機４０を示す。
【００２５】
この高温雰囲気成形機４０は、被処理体２１が載置される試料ステージ３３がチャンバ３９の底面から起立状に設置されており、その相対する上方には後述する成形型８が装着される型ステージ３２が配置されている。型ステージ３２はロード３１を介してチャンバ３９の上に設置してあるロードセル３５に接続されている。
【００２６】
ロードセル３５は図示していない制御装置によってその動作が制御されており、型ステージ３２はロードセル３５が駆動することによって上下に移動する。従って、型ステージ３２に装着された成形型８は、試料ステージ３３に載置された被処理体２１をその上面から押圧する。
【００２７】
型ステージ３２及び試料ステージ３３の周囲には、電力供給により発熱して加熱するヒータ３４が配置されている。このヒータ３４は図示していないコントローラによって動作が制御されている。
チャンバ３９の側面には、チャンバ３９内を窒素ガスなどの非酸化性雰囲気にするため、窒素ボンベ３６から窒素ガス（Ｎ２）を導入するガスライン３７が配管されている。なお、チャンバ３９内に導入された窒素ガスはチャンバ３９の上面に開口されている雰囲気ガス排気口３８から排気される。
【００２８】
図２に示す高温雰囲気成形機４０は上述した構造を備えている。
以下、第二の実施の形態である光合分波器１２の製造法について説明する。図３は、成形型による形状加工層１４への形状転写工程を説明する図である。
まず、図３（ａ）に示す被加工物体１としては、前述した第一の実施の形態と同様の高純度合成石英基板を用いることとし、その形状をまず１０ｍｍ×１０ｍｍ×ｔ５ｍｍに加工した後、１０ｍｍ×１０ｍｍの両面を研磨により光学鏡面に仕上げる。
【００２９】
一方、任意形状物体２として使用する光学ガラスは、その形状を１０ｍｍ×１０ｍｍ×ｔ０．５ｍｍに加工した後、研磨法により１０ｍｍ×１０ｍｍの両面を表面粗さ０．００４μｍ以下の光学鏡面に仕上げる。この任意形状物体２が図３（ｂ）に示すように被加工物体１の被処理面３上に設置して組合されることにより被処理体２１が作成される。
【００３０】
被処理体２１の任意形状物体２を図３（ｃ）に示すように押圧成形するために使用される成形型８は、ここでは炭化ケイ素基板５上にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ  ）膜６を成膜したものを用い、このＤＬＣ膜６表面に転写する形状を作り込むようにする。具体的には、炭化ケイ素基板５上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）法により高純度のＤＬＣ膜６を２μｍの厚さで成膜し、ＤＬＣ膜６表面を研磨法にて表面粗さＲａ＝０．００４μｍ以下の光学鏡面に仕上げた後、レーザ加工法によりＤＬＣ膜６の表面にフォトニック結晶構造の反転形状を作り込み、図３（ｄ）に示す成形面７を形成する。
【００３１】
なお、この実施の形態で用いている任意形状物体２の材料である光学ガラスのエッチングレートは被加工物体１の材料である高純度合成石英基板のエッチングレートとほぼ等しいので、前述した第一の実施の形態のような考慮は不要であり、成形に用いる成形型８の成形面７の形状設計は目的とする光合分波器１２に所望される寸法と同等でよい。従って、設計値の設定・修正は容易である。
【００３２】
前述したようにして作成された被処理体２１は、図２に示した高温雰囲気成形機４０の試料ステージ３３に載置される。次に、ヒータ３４を動作させて任意形状物体２が軟化する温度、例えば５８５℃まで被処理体２１を加熱する。任意形状物体２が軟化したら図３（ｃ）のように成形型８で被処理体２１を押圧成形して任意形状物体２の表面に成形型８表面の成形面７の形状が転写した形状加工層１４を形成する。その後、被処理体２１を冷却して成形体１０を得る。この成形体１０は、図１（ｂ）に示したものと同様の構造のものである。
【００３３】
その後は、前述した第一の実施の形態と同様、成形体１０に対し、図１（ｃ）に示したようにアルゴンガスを用いた異方性エッチングによって表面の形状加工層１４を除去する。すなわち、形状加工層１４表面の法線方向からＡｒイオンビーム１１を形状加工層１４表面の法線方向から２ｋｅＶ程度の加速電圧で照射して形状加工層１４を除去する。
【００３４】
この形状加工層１４が除去されると、図１（ｄ）に示すよう、所望の光合分波機能を持つ極微細形状パターンが被加工物体１上に作り込まれた光合分波器１２が得られる。
なお、この実施の形態では、被加工物体１として石英ガラスを、任意形状物体として酸化ケイ素を主成分とする光学ガラスを用いたが、これらの材質はこれらに限定されるものではない。被加工物体１としては、例えば前述した第一の実施の形態で説明したものと同様な材料、すなわち、例えば光学ガラスやアクリル樹脂などの光透過性材料等を用いることができる。また、任意形状物体２としては、金型による成形で形状転写が可能なものであればよく、例えば、ガラス、樹脂、金属、金属ガラス等を用いることができる。
【００３５】
また、この第二の実施の形態においても、任意形状物体２を除去するためにアルゴンガスによるエッチングを用いたが、反応性イオンエッチング等を用いてもよい。また、異方性エッチングの方向も法線方向に限定されるものではなく、例えば法線方向から１０°ないし２０°の角度からＡｒイオンビーム１１を照射してエッチングを行うことにより、被加工物体１の表面に対し所定の角度を有する形状を作り込むことも可能となる。
【００３６】
以上のように、この実施の形態によれば、被加工物体１の表面に設けた任意形状物体２の形状加工を容易に行うことができ、且つ任意形状物体２の形状を１工程の異方性エッチングで被加工物体に転写することができるので、大量生産を行うことが容易になる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、非常に微細な形状のために加工に多大な時間と費用を要していた光合分波器の製造が容易かつ単純化されるので、容易に大量生産できるようになるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】異方性エッチングによる光合分波器の加工手順を示す図である。
【図２】高温雰囲気成形機の構造を示す図である。
【図３】成形型による形状加工層への形状転写工程を説明する図である。
【符号の説明】
１  被加工物体
２  任意形状物体
３  被処理面
４  被成形面
５  炭化ケイ素基板
６  ＤＬＣ膜
７  成形面
８  成形型
１０  成形体
１１  Ａｒイオンビーム
１２  光合分波器
１４  形状加工層
２１  被処理体
３１  ロード
３２  型ステージ
３３  試料ステージ
３４  ヒータ
３５  ロードセル
３６  窒素ボンベ
３７  ガスライン
３８  雰囲気ガス排気口
３９  チャンバ
４０  高温雰囲気成形機
【図１】
2004264733.tif 000003
【図２】
2004264733.tif 000004
【図３】
2004264733.tif 000005