(57)【要約】【課題】  設計自由度を緩和することができる光スイッチング素子とその製造方法、及び光スイッチング素子の制御方法を提供すること。【解決手段】  シリコン基板１と、シリコン基板１の上に形成された下部クラッド９と、下部クラッド９の中に埋め込まれた補助コア７ａと、補助コア７ａの上の下部クラッド９上に間隔をおいて形成された第１、第２コア１０ａ、１０ｂと、第１、第２コア１０ａ、１０ｂを覆う上部クラッド１２ａと、上部クラッド１２ａに設けられ、第１コア１０ａと第２コア１０ｂのいずれか一方を選択的に加熱するヒータ１３ａ、１３ｂとを有することを特徴とする光スイッチング素子による。【選択図】  図１２
2005266482.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と、
前記下部クラッドの中に埋め込まれた補助コアと、
前記補助コアの上の前記下部クラッド上に間隔をおいて形成された第１コア及び第２コアと、
前記第１コアと前記第２コアとを覆う上部クラッドと、
前記上部クラッドに設けられ、前記第１コアと前記第２コアのいずれか一方を選択的に加熱する発熱部と
を有することを特徴とする光スイッチング素子。
【請求項２】
基板の上に、化学的気相成長法により下部クラッドの下側層を形成する工程と、
前記下部クラッドの下側層に凹部を形成する工程と、
前記凹部に補助コアを形成する工程と、
前記下部クラッドの下側層上と前記補助コア上とに下部クラッドの上側層を形成する工程と、
前記下部クラッドの上側層の上に、化学的気相成長法によりコア材料層を形成する工程と、
前記コア材料層をパターニングして、前記補助コアの上方に第１コアと第２コアとを間隔をおいて形成する工程と、
化学的気相成長法により前記第１、第２コアを覆う上部クラッドを形成する工程と、
前記上部クラッドに発熱部を形成する工程と
を有することを特徴とする光スイッチング素子の製造方法。
【請求項３】
前記補助コアを形成する前に、前記下部クラッドの下側層に穴を形成する工程と、前記下部クラッドとは異種の材料よりなるマーカ材を前記穴に形成する工程とを有し、
前記補助コアを形成する工程は、前記凹部内、前記マーカ材上、及び前記下部クラッドの下側層の上に補助コア材料層を形成する工程と、前記マーカ材を研磨ストッパとして使用しながら化学機械研磨法により前記補助コア材料層を研磨し、前記マーカ材の上端で該研磨を停止して、前記補助コア材料層を前記凹部にのみ残して前記補助コアにする工程とを有することを特徴とする請求項２に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１、第２コアを形成する工程は、プラズマエッチングにより前記コア材料層をエッチングして行われ、前記マーカ材が前記プラズマエッチングの終点検出に使用されることを特徴とする請求項３に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【請求項５】
クラッドの中に互いに間隔をおいて埋め込まれた第１コア及び第２コアと、前記第１コア及び前記第２コアにまたがって前記クラッドの中に埋め込まれた補助コアと、前記第１コア及び前記第２コアの一方を選択的に加熱する発熱部とを備えた光スイッチング素子の制御方法であって、
前記発熱部により前記第１コアを選択的に加熱して、該第１コア内を伝わる光を前記補助コアを経由して前記第２コアに移動させることを特徴とする光スイッチング素子の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチング素子とその製造方法、及び光スイッチング素子の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信システムの発達に伴い、光導波路や光スイッチング素子といった光素子が盛んに研究されている。なかでも、光スイッチング素子は、例えば、支線網の光信号を宅内網の複数の光ファイバに選択的にスイッチングする場合等に使用され、光通信システムの構築に不可欠である。
【０００３】
従来、そのような光スイッチング素子を製造する際には、シリコン基板上に火炎加水分解堆積法によって酸素バーナ中にSiCl4等の原料ガスを流入させ、火炎中で酸化反応を起こし、ガラス粒子層として下部クラッドとコア材とを堆積する。そのコア材には、クラッドとの屈折率差を得るために、TiO2やGeO2等の不純物が添加される。そして、１２００℃以上の熱処理を行ってガラス粒子同士を密着させた後、コア材の上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにしながらコア材をプラズマエッチングすることによりコアを形成する。その後、火炎加水分解法によってコアを覆うようにして上部クラッドを堆積し、１２００℃以上の熱処理を行って上部クラッドのガラス粒子同士を密着させることにより、光ファイバと同等の作用を有する素子をシリコン基板上に形成していた。
【０００４】
ところが、このように火炎加水分解堆積法によりコア材を堆積したのでは、屈折率調整用の不純物拡散のばらつきが大きいためコアの屈折率がばらついたり、また、堆積する膜の膜厚分布が悪くなる。
【０００５】
更に、上記のように下部クラッド、コア、及び上部クラッドをこの順に積層する場合、コアをエッチングしてパターニングする際、クラッドとコアとの屈折率差が小さいためこれらの間のエッチング選択比が小さくなる。そのため、コアのみを選択的にエッチングするのが困難となり、コアの下の下部クラッドまでエッチングされ、所望の側壁形状を有するコアを形成することができなくなる。特に、シリコン基板の表面に対してコアの側壁が垂直にならないで傾いたり、その側壁に裾引きが発生すると、コア内を通る光が減衰するという問題を引き起こす。
【０００６】
これらの点に鑑み、本願発明者は、特許文献１に記載される光スイッチの製造方法を先に発明した。その方法では、火炎加水分解堆積法に代えて、化学的気相成長法により下部クラッド、コア、及び上部クラッドを形成することで上記の問題を解決している。
【０００７】
なお、この他に、本願に関連する技術が特許文献２及び特許文献３にも開示される。
【特許文献１】特開２００３−３４４６８５号公報
【特許文献２】特開平９−３１８９７８号公報
【特許文献３】特開平８−３２８０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、本願発明者が先に出願した特許文献１では、隣り合う二つのコアのうちの一方のみを選択的に加熱し、加熱されたコアの屈折率をもう一方のコアよりも低くすることにより、加熱されたコアからもう一方のコアに光をスイッチングしている。
【０００９】
ところが、この方法では、スイッチング時間がコア同士の間隔に依存し、その間隔が短いほどスイッチング時間が短くなり、逆にコア間隔が長くなるとスイッチング時間も長くなる。従って、スイッチング時間を短くしようとすると、コア間隔を狭めざるを得ず、コア間隔に制限が生じてしまい、光スイッチング素子の設計自由度が小さくなってしまう。
【００１０】
本発明の目的は、設計自由度を緩和することができる光スイッチング素子とその製造方法、及び光スイッチング素子の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、基板と、前記基板の上に形成された下部クラッドと、前記下部クラッドの中に埋め込まれた補助コアと、前記補助コアの上の前記下部クラッド上に間隔をおいて形成された第１コア及び第２コアと、前記第１コアと前記第２コアとを覆う上部クラッドと、前記上部クラッドに設けられ、前記第１コアと前記第２コアのいずれか一方を選択的に加熱する発熱部とを有することを特徴とする光スイッチング素子が提供される。
【００１２】
これによれば、第１コアと第２コアのいずれか一方を選択的に加熱することにより、加熱された側のコアを伝わる光が、補助コアを経由して、加熱されていない側のコアに移動する。このように補助コアを経由して第１、第２コア間のスイッチングを行うので、スイッチング速度を速めるために第１、第２コア間の距離を近づける必要が無い。そのため、第１、第２コア同士の間隔の制限が緩和され、補助コアが無い場合と比較して第１、第２コアを自由に引き回すことができ、光スイッチング素子の設計自由度が大きくなる。
【００１３】
また、本発明の別の観点によれば、基板の上に、化学的気相成長法により下部クラッドの下側層を形成する工程と、前記下部クラッドの下側層に凹部を形成する工程と、前記凹部に補助コアを形成する工程と、前記下部クラッドの下側層上と前記補助コア上とに下部クラッドの上側層を形成する工程と、前記下部クラッドの上側層の上に、化学的気相成長法によりコア材料層を形成する工程と、前記コア材料層をパターニングして、前記補助コアの上方に第１コアと第２コアとを間隔をおいて形成する工程と、化学的気相成長法により前記第１、第２コアを覆う上部クラッドを形成する工程と、前記上部クラッドに発熱部を形成する工程とを有することを特徴とする光スイッチング素子の製造方法が提供される。
【００１４】
これによれば、下部クラッド、補助コア、第１、第２コア、及び上部クラッドが全て化学的気相成長法により形成されるので、従来のようにそれらを火炎加水分解堆積法で形成する場合と比較して、屈折率や膜厚分布のばらつきが抑制され、高品位な光スイッチング素子が提供される。
【００１５】
更に、本発明の他の観点によれば、クラッドの中に互いに間隔をおいて埋め込まれた第１コア及び第２コアと、前記第１コア及び前記第２コアにまたがって前記クラッドの中に埋め込まれた補助コアと、前記第１コア及び前記第２コアの一方を選択的に加熱する発熱部とを備えた光スイッチング素子の制御方法であって、前記発熱部により前記第１コアを選択的に加熱して、該第１コア内を伝わる光を前記補助コアを経由して前記第２コアに移動させることを特徴とする光スイッチング素子の制御方法が提供される。
【００１６】
これによれば、第１コアと第２コアのうち、加熱された方のコアが熱膨張して屈折率が下がり、そのコアを伝わる光が屈折率のより高い補助コアに移動し、最終的には第２コアに移動してスイッチングが行われる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る光スイッチング素子よれば、下部クラッドの中に補助コアを埋め込むことにより、補助コアの上の第１、第２クラッド同士の間隔の制限が緩和され、光スイッチング素子の設計自由度を大きくすることができる。
【００１８】
また、本発明に係る光スイッチング素子の製造方法によれば、下部クラッド、補助コア、第１、第２コア、及び上部クラッドが全て化学的気相成長法により形成されるので、屈折率や膜厚分布のばらつきが抑制された高品位な光スイッチング素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
（１）第１実施形態
図１〜図１０は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図である。
【００２１】
まず最初に、図１（ａ）に示すように、SiH4を反応ガスとして使用するプラズマCVD法により、シリコン基板１上にシリコン酸化膜を厚さ１５μm程度に形成し、それを下部クラッドの下側層２とする。その下側層２の屈折率は、約１．４６である。なお、熱CVD法により下側層２を形成してもよい。
【００２２】
次に、図１（ｂ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００２３】
まず、フォトリソグラフィ法により下側層２の上にレジストパターン（不図示）を形成し、このレジストパターンをエッチングマスクにしながら下側層２をプラズマエッチングして、下側層２に穴２ａを形成する。その穴２ａは平面的には矩形状であり、その矩形の縦の長さは約１．０μm、横の長さは約０．６μmである。また、穴２ａの深さは約０．６μmである。但し、穴２ａの深さは、これに限定されず、エッチング量を時間でコントロールすることにより任意に調整可能である。更に、穴２ａの平面サイズも上記に限定されず、種々に最適化してよい。
【００２４】
続いて、下側層２の上面と穴２ａ内とに、スパッタ法によりグルー膜３としてTiN（窒化チタン）膜を厚さ約５０nmに形成した後、このグルー膜３上にCVD法によりW（タングステン）膜４を厚さ約６００nmに形成し、穴２ａを完全に埋め込む。
【００２５】
なお、穴２ａを埋め込む材料は上記に限定されず、下側層２との屈折率差が明確に現れるような材料で穴２ａを埋め込めばよい。そのような材料としては、例えば、Ti（チタン）、Al（アルミニウム）、又はこれらの合金、ポリシリコンやアモルファスシリコン等のシリコン材料、窒化シリコン膜等の絶縁膜がある。但し、後工程での熱処理によっては金属が熱拡散するので、熱処理によって埋め込む材料を選択する。
【００２６】
次いで、図１（ｃ）に示すように、下側層２の上面に形成された余分なグルー膜３とW膜４とをCMP（化学機械研磨）法により研磨して除去し、これらの膜を穴２ａの中にのみマーカ材５として残す。
【００２７】
次に、図２（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００２８】
まず、フォトリソグラフィ法により下側層２の上に第１レジストパターン６を形成し、この第１レジストパターン６をエッチングマスクにしながら下側層２をプラズマエッチングして、下側層２に凹部２ｂを形成する。その凹部２ｂは平面的には矩形状であり、その矩形の縦の長さは約１５．０μm、横の長さは約１０．０μmである。また、凹部２ｂの深さは約０．６μmである。但し、凹部２ｂの深さはこれに限定されない。下側層２のエッチレートを予め求めておき、エッチング時間を管理することにより、凹部２ｂの深さを任意に調整することが可能である。更に、凹部２ｂの平面サイズも上記に限定されず、種々に最適化してよい。
【００２９】
この後に、第１レジストパターン６は除去される。
【００３０】
次いで、図２（ｂ）に示すように、SiH4、N2O、及びN2の混合ガスを使用するプラズマCVD法により、凹部２ｂ内、マーカ材５上、及び下側層２の上にシリコン酸窒化膜を１．０μm以上の厚さに形成し、それを補助コア材料層７とする。この補助コア材料層７の屈折率は、上記混合ガスにおける各ガスの流量を調節することにより、下側層２よりも高屈折率、例えば１．４９６５とする。
【００３１】
続いて、図２（ｃ）に示すように、マーカ材５を研磨ストッパとして使用しながらCMP法により補助コア材料層７を研磨し、マーカ材５の上端で研磨を停止させる。これにより、下側層２の上面から余分な補助コア材料層７が除去され、凹部２ｂ内にのみ補助コア材料層７が補助コア７ａとして残されることになる。
【００３２】
このCMPでは、マーカ材５を研磨ストッパとして使用するため、マーカ材５の研磨レートが下側層２よりも小さくなるスラリを使用する。そのようなスラリとしては、例えばシリカと水酸化カリウムとを混合した系がある。
【００３３】
次に、図３（ａ）に示すように、CHF3+CF4+Arをエッチングガスとして使用するプラズマエッチングにより、下側層２と補助コア７ａとをエッチングしてそれらの厚さを薄くする。本実施形態では、このエッチングにより補助コア７ａの厚さを約０．４０μm程度に薄くする。また、このエッチングではマーカ材５は殆どエッチングされず、その上端が下側層２の上面から突出することになる。
【００３４】
なお、プラズマエッチングに代えて、HF等をエッチング液として使用するウエットエッチングにより補助コア７ａの厚さを薄くしてもよい。
【００３５】
次いで、図３（ｂ）に示すように、SiH4を反応ガスとして使用するプラズマCVD法により、マーカ材５の上端の上、補助コア７ａの上、及び下側層２の上にシリコン酸化膜を０．２５μmの厚さに形成し、それを下部クラッドの上側層８とする。その上側層８は、下側層２と同じ屈折率、例えば約１．４６の屈折率を有する。
【００３６】
続いて、図３（ｃ）に示すように、マーカ材５を研磨ストッパとして使用しながらCMP法により上側層８を研磨して、該上側層８の上面を平坦化すると共に、該上面の高さをマーカ材５の上端の高さと同じにする。本実施形態では、CMP後の上側層８の厚さを０．２２５μmとする。このCMPでは、マーカ材５を研磨ストッパとして使用するため、マーカ材５の研磨レートが上側層８よりも小さくなるスラリ、例えばシリカと水酸化カリウムとを混合した系を使用する。
【００３７】
ここまでの工程により、下側層２と上側層８とで構成される厚さ１５μm程度の下部クラッド９が形成されると共に、その下部クラッド９に補助コア７ａが埋め込まれた構造が得られたことになる。
【００３８】
次に、図４（ａ）に示すように、マーカ材５と下部クラッド９のそれぞれの上に、SiH4、N2O、及びN2の混合ガスを使用するプラズマCVD法によりシリコン酸窒化膜を１．５μmの厚さに形成し、それをコア材料層１０とする。このコア材料層１０の屈折率は、上記混合ガスにおける各ガスの流量を調節することにより、下部クラッド９よりも高屈折率、例えば１．４９６５とする。
【００３９】
続いて、図４（ｂ）に示すように、コア材料層１０の上に第１フォトレジスト１１を塗布する。
【００４０】
その後、図４（ｃ）に示すように、第１フォトレジスト１１を露光、現像し、コア形状の第２レジストパターン１１ａ、１１ｂとする。
【００４１】
次に、図５（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００４２】
まず、シリコン基板１を不図示のエッチングチャンバ内に入れ、CHF3+CF4+Arよりなるエッチングガスをそのチャンバ内に導入し、第２レジストパターン１１ａ、１１ｂをマスクにしながらコア材料層１０のエッチングを開始する。そして、チャンバ内のプラズマーカ材ら出る光を終点検出器（不図示）でモニタし、エッチングが進んでマーカ材５にエッチングガスが到達した際のプラズマ光の波長や強さの変化を終点検出器で検出して、エッチングをマーカ材５の上端で停止させる。これにより、コア材料層１０をパターニングしてなる第１、第２コア１０ａ、１０ｂが補助コア７ａの上方に形成されることになる。その第１、第２コア１０ａ、１０ｂは、共に高さが１．５μmで幅が１．２μmの断面形状を有すると共に、互いに０．８μmの間隔を隔てて形成される。
【００４３】
また、これによれば、マーカ材５をエッチングの終点検出に使用しているので、下部クラッド９とコア材料層１０とのエッチレートの差が小さいにも拘わらず、下部クラッド９上でエッチングを停止させることができる。そのため、第１、第２コア１０ａ、１０ｂの下の下部クラッド９がオーバーエッチされて各コア１０ａ、１０ｂの下に裾引きが発生するのを防止でき、その裾引きによって各コア１０ａ、１０ｂ内を通る光が減衰するのを防ぐことができる。
【００４４】
この後に、第２レジストパターン１１ａ、１１ｂは除去される。
【００４５】
次いで、図５（ｂ）に示すように、SiH4を反応ガスとして使用するプラズマCVD法により、下部クラッド９上と第１、第２コア１０ａ、１０ｂ上とにシリコン酸化膜を厚さ約９μmに形成し、それを上部クラッド材料層１２とする。その上部クラッド材料層１２の屈折率は、下部クラッド９と同じで約１．４６である。また、この上部クラッド材料層１２の上面には、各コア１０ａ、１０ｂを反映した凹凸が形成されることになる。
【００４６】
次に、図６（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００４７】
まず、上部クラッド材料層１２の全面に第２フォトレジスト１３を塗布する。次いで、シリコン基板１を不図示のエッチングチャンバ内に入れ、そのシリコン基板をチャンバ内のサセプタ上に載置する。その後、エッチングガスとしてCHF3、CF4、Arをそれぞれ２０、８０、４００sccmの流量でエッチングチャンバ（不図示）内に供給すると共に、チャンバ内の圧力を８００mTorrに安定させ、この状態を約４０．８秒間保持することにより、第２フォトレジスト１３をプラズマエッチングによりエッチバックしてその厚さを薄くする。なお、上記のエッチングチャンバでは、サセプタが下部電極として機能すると共に、サセプタの上方に設けられてエッチングガスを放出するガス分散板が上部電極として機能する。そして、これらサセプタとガス分散板との間にパワーが１３００Wで周波数が１３．５６MHzの高周波電力が印加される。そして、サセプタとガス分散板との間隔が約１１mmに設定される。
【００４８】
このように第２フォトレジスト１３を塗布し、それをエッチバックすると、第２フォトレジスト１３の上面の凹凸が均されるので、各コア１０ａ、１０ｂの形状に起因して第２フォトレジスト１３の上面に現れる起伏の大きさが小さくなる。
【００４９】
次いで、図６（ｂ）に示すように、エッチバック後の第２フォトレジスト１３の上面からCMPを行うことにより、上部クラッド材料層１２の上の余分な第２フォトレジスト１３を研磨して除去すると共に、上部クラッド材料層１２を平坦化して上部クラッド１２ａとする。その上部クラッド１２ａは、マーカ材５の上で例えば８〜９μmの厚さを有する。
【００５０】
本実施形態では、上記のようにエッチバックによって平坦化された第２フォトレジスト１３の上面からCMPを行うので、上部クラッド１２ａの平坦化が容易となる。
【００５１】
次に、図７（ａ）に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【００５２】
まず、上部クラッド１２ａの上にレジストパターン（不図示）を形成し、このレジストパターンをマスクにして上部クラッド１２ａをエッチングすることにより、補助コア７ａの上方に第１、第２溝１２ｂ、１２ｃを形成する。各溝１２ｂ、１２ｃのサイズは限定されないが、本実施形態では、深さを０．１５μmとし、幅を１．２μmとする。
【００５３】
続いて、各溝１２ｂ、１２ｃ内と上部クラッド１２ａの上にグルー膜としてTiN膜を厚さ約５０nmに形成した後、その上にCVD法によりW膜を厚さ約１００nmに形成し、各溝１２ｂ、１２ｃを完全に埋め込む。その後に、上部クラッド１２ａの上面上の余分なグルー膜とW膜とをCMPにより研磨して除去する。これにより、グルー膜とW膜とが各溝１２ｂ、１２ｃ内にのみ残されて第１、第２ヒータ（発熱部）１３ａ、１３ｂとなる。各ヒータ１３ａ、１３ｂは、第１、第２コア１０ａ、１０ｂと対応するように設けられ、本実施形態では、そのシート抵抗値は約２Ω／□となる。
【００５４】
なお、ヒータ１３ａ、１３ｂの形成方法は上記に限定されない。例えば、上部クラッド１２ａに溝１２ｂ、１２ｃを形成するのではなく、平坦化された上部クラッド１２ａの全面にTiN膜とW膜とを形成し、これらの膜をパターニングして第１、第２ヒータ１３ａ、１３ｂとしてもよい。
【００５５】
次いで、図７（ｂ）に示すように、Ti膜、TiN膜、Cu含有Al膜、反射防止用TiN膜をそれぞれ６０nm、３０nm、１．０μm、１００nmの厚さでこの順にスパッタ法により形成して多層金属膜１４とする。
【００５６】
次に、図８（ａ）に示すように、多層金属膜１４の上に第３フォトレジスト１５を塗布する。
【００５７】
続いて、図８（ｂ）に示すように、第３フォトレジスト１５を露光、現像して、配線形状の第３レジストパターン１５ａ、１５ｂとする。
【００５８】
その後、図９（ａ）に示すように、第３レジストパターン１５ａ、１５ｂをマスクにして多層金属膜１４をエッチングすることにより、第１、第２ヒータ１３ａ、１３ｂと電気的に接続された第１、第２配線１４ａ、１４ｂを形成する。この後に、第３レジストパターン１５ａ、１５ｂは除去される。
【００５９】
次に、図９（ｂ）に示すように、各配線１４ａ、１４ｂや上部クラッド１２ａを保護するカバー絶縁膜１６として、プラズマCVD法によりシリコン酸化膜を５００nmの厚さに形成する。なお、シリコン酸化膜に代えて、シリコン酸窒化膜、又はシリコン窒化膜、若しくはこれらの積層膜をカバー絶縁膜１６として形成してもよい。
【００６０】
続いて、図１０（ａ）に示すように、カバー絶縁膜１６の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、第４レジストパターン１７を形成する。その第４レジストパターン１７は、各配線１４ａ、１４ｂの上にホール形状の第１、第２窓１７ａ、１７ｂを備える。
【００６１】
次に、図１０（ｂ）に示すように、第４レジストパターン１７の第１、第２窓１７ａ、１７ｂを通じてカバー絶縁膜１６をエッチングすることにより、第１、第２配線１４ａ、１４ｂの上のカバー絶縁膜１６にそれぞれ第１、第２ホール１６ａ、１６ｂを形成する。この後に、第４レジストパターン１７は除去される。
【００６２】
この後は、第１、第２配線１４ａ、１４ｂと電気的に接続される引き出し配線を各ホール１６ａ、１６ｂ内とカバー絶縁膜１６上に形成し、本実施形態に係る光スイッチング素子の基本構造が完成する。
【００６３】
図１１は、この光スイッチング素子の単体での平面図であり、先の図１０（ｂ）は、図１１のI−I線に沿う断面に相当する。但し、図１１では、第１、第２配線１４ａ、１４ｂの引き回しについては省略してある。
【００６４】
図１１に示されるように、補助コア７ａは、各コア１０ａ、１０ｂをまたぐ矩形状の平面形状を有する。その矩形のサイズは特に限定されないが、本実施形態では縦を１５．０μm、横を１０．０μmとする。また、第１配線１４ａが第１ヒータ１３ａの両端に二つ設けられ、第１配線１４ａを通じて第１ヒータ１３ａに電流が供給されて、第１ヒータ１３ａが発熱する構造となっている。第２ヒータ１３ｂと第２配線１４ｂもこれと同様の構造を有する。
【００６５】
各ヒータ１３ａ、１３ｂは、それぞれ第１コア１０ａと第２コア１０ｂの上方に独立して設けられ、各コア１０ａ、１０ｂを選択的に加熱できる構造となっている。
【００６６】
次に、この光スイッチング素子の制御方法について、図１２を参照しながら説明する。
【００６７】
図１２は、本実施形態に係る光スイッチング素子の制御方法について説明するための要部断面図である。
【００６８】
まず、第１コア１０ａ内を伝わる光を第２コア１０ｂに移動させる（スイッチングする）には、第１配線１４ａから第１ヒータ１３ａに電流を供給することにより、第１ヒータ１３ａのみを発熱させる。この場合、第２ヒータ１３ｂは、電流が供給されず、発熱しない。
【００６９】
これにより、第１ヒータ１３ａに近い第１コア１０ａのみが選択的に加熱されるため、第１コア１０ａが熱膨張してその屈折率が低下する。光は、屈折率が低い側から高い側へ移動する性質があるため、上のように第１コア１０ａを加熱すると、第１コア１０ａ内を伝わる光が屈折率の高い補助クラッド７ａへと移動し、最終的には第２コア１０ｂに移動して、スイッチングが完了する。
【００７０】
同様に、第２コア１０ｂから第１コア１０ａへと光をスイッチングするには、第２ヒータ１３ｂに電流を供給して発熱させ、第２コア１０ｂのみを選択的に加熱すればよい。
【００７１】
以上説明した本実施形態によれば、下部クラッド９の中に補助コア７ａを埋め込み、その補助コア７ａを経由して各コア１０ａ、１０ｂ間のスイッチングを行うので、スイッチング速度を速めるためにコア１０ａ、１０ｂ同士を近づける必要がない。そのため、コア１０ａ、１０ｂ同士の間隔の制限が緩和され、補助コア７ａが無い場合と比較してコア１０ａ、１０ｂを自由に引き回すことができ、光スイッチング素子の設計自由度を大きくすることができる。
【００７２】
更に、その光スイッチング素子を構成する下部クラッド９、補助コア７ａ、第１、第２コア１０ａ、１０ｂ、上部クラッド１２ａは、全て化学的気相成長法により形成されるので、従来のようにそれらを火炎加水分解堆積法で形成する場合と比較して、屈折率や膜厚分布のばらつきが抑制され、高品位な光スイッチング素子を提供することができる。
【００７３】
しかも、図５（ａ）に示したように、下側層２の穴２ａ内にマーカ材５を形成し、このマーカ材５を終点検出に使用しながら、コア材料層１０をエッチングして第１、第２コア１０ａ、１０ｂを形成するので、コア材料層１０と下部クラッド９とのエッチレートの差が小さいにも拘わらず、コア材料層１０のエッチングを下部クラッド９の上面上で所望に停止することができる。これにより、第１、第２コア１０ａ、１０ｂ下の下部クラッド９がオーバーエッチされて各コア１０ａ、１０ｂの下に裾引きが発生するのを防止でき、その裾引きによって各コア１０ａ、１０ｂ内を通る光が減衰するのを防ぐことができる。
【００７４】
また、マーカ材５を構成する材料として、ポリシリコンやアモルファスシリコン等の半導体や、窒化シリコン等の絶縁体を採用すると、金属を採用する場合と比較して、マーカ材５を構成する元素が熱工程の際に下部クラッド９に拡散し難いので、その元素によって下部クラッド９の屈折率が変動してしまうのを防ぐことができ、信頼性の高い光スイッチング素子を提供することができる。
【００７５】
そして、図６（ａ）、（ｂ）に示したように、上部クラッド１２ａの上面をCMPで平坦化する前に、第２フォトレジスト１３をエッチバックしてその表面を均すので、上部クラッド１２ａの平坦化が容易となる。
【００７６】
（２）第２実施形態
上記した第１実施形態では、図１１の平面図に示したように、一つの光スイッチング素子に二つのコア１０ａ、１０ｂが形成されると共に、各コア１０ａ、１０ｂに対して二つのヒータ１３ａ、１３ｂが形成されていた。但し、本発明では、コアの個数やヒータの個数は限定されず、以下に説明するように、それらを第１実施形態よりも多く形成してもよい。
【００７７】
図１３は、本実施形態に係る光スイッチング素子の平面図である。図１３において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００７８】
図１３に示されるように、この光スイッチング素子は、第１、第２コア１０ａ、１０ｂに加え、第３コア１０ｃと第４コア１０ｄとを備える。これら第３、第４コア１０ｃ、１０ｄは、既述の第１、第２コア１０ａ、１０ｂと同じプロセスによって形成される。
【００７９】
一方、補助コア７ａは、第１〜第４行に個別に配されると共に、各行において、第１〜第４コア１０ａ〜１０ｄに共通となる。
【００８０】
そして、第１〜第４ヒータ１３ａ〜１３ｄは、それぞれ第１〜第４コア１０ａ〜１０ｄの延在方向に沿って複数設けられる。
【００８１】
なお、図１４は、図１３のII−II線に沿う断面図である。
【００８２】
次に、この光スイッチング素子の制御方法について、図１３を参照しながら説明する。
【００８３】
図１３において、太矢印で示されるのが光路である。この光路を実現するには、２行目において、第１ヒータ１３ａと第３ヒータ１３ｃとを共に加熱することにより、それらの下にある第１コア１０ａと第３コア１０ｃを選択的に加熱する。なお、この場合、第２ヒータ１３ｂは加熱しない。
【００８４】
このようにすると、２行目の第１コア１０ａと第３コア１０ｃが熱膨張してそれらの屈折率が低下するので、第１コア１０ａを伝わる光は、屈折率がより高い補助コア７ａへと移動し、最終的には第２コア１０ｂへと移動する。
【００８５】
また、３行目においては、第１、第２ヒータ１３ａ、１３ｂにより第１、第２コア１０ａ、１０ｂを選択的に加熱すると共に、第４ヒータ１３ｄを加熱しない。
【００８６】
これにより、２行目と同様の原理によって、第２コア１０ｂを伝わる光が補助コア７ａを経由して第４コア１０ｄへと移動する。
【００８７】
本実施形態によれば、入力と出力がそれぞれ三つ以上の多チャンネルの光スイッチング素子を提供することができる。
【００８８】
（３）その他の実施形態
第１、第２実施形態で説明した光スイッチング素子は、実際には、光ファイバ等と接続されて実用に供せられる。そこで、本実施形態では、上記の光スイッチング素子と光ファイバとの接続を好適に行う方法を提供する。
【００８９】
図１５は、第１、第２実施形態に係る光スイッチング素子と光ファイバとを接合する方法を説明するための平面図である。同図において、第１、第２実施形態で説明したのと同じ要素には第１、第２実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【００９０】
図１５に示されるように、本実施形態では、複数の光ファイバ２０のそれぞれと位置が合うように、各コア１０ａ〜１０ｄを光スイッチの出射端面（若しくは入射端面）に向かって放射状に広げる。また、マーカ材５を、その断面がこの出射端面（若しくは入射端面）に現れるように配する。なお、光ファイバ２０は、光が伝わるコア２０ａと、このコア２０ａを包むクラッド２０ｂとからなる。
【００９１】
図１６は、図１５のIII−III線に沿う断面図である。これに示されるように、光ファイバ２０側から見ると、マーカ材５が光スイッチング素子から露出して見えることになる。
【００９２】
本実施形態では、光ファイバ２０のコア２０ｂと、第１〜第４コア１０ａ〜１０ｄとの位置合わせの基準として、光スイッチング素子から露出したマーカ材５を使用する。このようにすると、下部クラッド９（図１０（ｂ）参照）や上部クラッド１２ａと同色でこれらと見分けが付き難い第１〜第４コア１０ａ〜１０ｄを、光ファイバ２０のコア２０ｂと位置合わせし易くなり、光ファイバ２０と光スイッチング素子との接続不良を防止することができる。
【００９３】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【００９４】
（付記１）  基板と、
前記基板の上に形成された下部クラッドと、
前記下部クラッドの中に埋め込まれた補助コアと、
前記補助コアの上の前記下部クラッド上に間隔をおいて形成された第１コア及び第２コアと、
前記第１コアと前記第２コアとを覆う上部クラッドと、
前記上部クラッドに設けられ、前記第１コアと前記第２コアのいずれか一方を選択的に加熱する発熱部と
を有することを特徴とする光スイッチング素子。
【００９５】
（付記２）  前記補助コアは、前記発熱部の下に設けられることを特徴とする付記１に記載の光スイッチング素子。
【００９６】
（付記３）  前記発熱部は、前記第１コアの上、及び前記第２コアの上方に独立して設けられることを特徴とする付記１に記載の光スイッチング素子。
【００９７】
（付記４）  前記発熱部は、前記第１コアの延在方向、及び前記第２コアの延在方向に沿って複数設けられることを特徴とする付記３に記載の光スイッチング素子。
【００９８】
（付記５）  前記下部クラッドの上面と同じ高さの上端を備え、且つ該下部クラッドとは異種の材料よりなるマーカ材が前記下部クラッドに埋め込まれたことを特徴とする付記１に記載の光スイッチング素子。
【００９９】
（付記６）  基板の上に、化学的気相成長法により下部クラッドの下側層を形成する工程と、
前記下部クラッドの下側層に凹部を形成する工程と、
前記凹部に補助コアを形成する工程と、
前記下部クラッドの下側層上と前記補助コア上とに下部クラッドの上側層を形成する工程と、
前記下部クラッドの上側層の上に、化学的気相成長法によりコア材料層を形成する工程と、
前記コア材料層をパターニングして、前記補助コアの上方に第１コアと第２コアとを間隔をおいて形成する工程と、
化学的気相成長法により前記第１、第２コアを覆う上部クラッドを形成する工程と、
前記上部クラッドに発熱部を形成する工程と
を有することを特徴とする光スイッチング素子の製造方法。
【０１００】
（付記７）  前記補助コアを形成する前に、前記下部クラッドの下側層に穴を形成する工程と、前記下部クラッドとは異種の材料よりなるマーカ材を前記穴に形成する工程とを有し、
前記補助コアを形成する工程は、前記凹部内、前記マーカ材上、及び前記下部クラッドの下側層の上に補助コア材料層を形成する工程と、前記マーカ材を研磨ストッパとして使用しながら化学機械研磨法により前記補助コア材料層を研磨し、前記マーカ材の上端で該研磨を停止して、前記補助コア材料層を前記凹部にのみ残して前記補助コアにする工程とを有することを特徴とする付記６に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０１】
（付記８）  前記補助コアを形成した後に、エッチングにより該補助コアと前記下部クラッドの下側層の厚さを薄くすると共に、前記マーカ材の上端を該下側層の上面から突出させる工程と、
前記マーカ材の上端の上、前記補助コアの上、及び前記下部クラッドの下側層の上に、前記下部クラッドの上側層を形成する工程と、
前記マーカ材を研磨ストッパとして使用しながら化学機械研磨法により前記下部クラッドの上側層を研磨して、該上側層の上面を平坦化すると共に、該上面の高さを前記マーカ材の上端の高さと同じにする工程と
を有することを特徴とする付記７に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０２】
（付記９）  前記第１、第２コアを形成する工程は、プラズマエッチングにより前記コア材料層をエッチングして行われ、前記マーカ材が前記プラズマエッチングの終点検出に使用されることを特徴とする付記７に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０３】
（付記１０）  前記マーカ材として、金属膜、半導体膜、及び絶縁膜のいずれかを形成することを特徴とする付記７に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０４】
（付記１１）  前記半導体膜として、ポリシリコン膜、又はアモルファスシリコン膜を形成することを特徴とする付記１０に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０５】
（付記１２）  前記上部クラッドを形成する工程は、
前記第１、第２コアを覆う上部クラッド材料層を形成する工程と
前記上部クラッド材料層の上面を平坦化し、平坦化された該上部クラッド材料層を前記上部クラッドとする工程と
を有することを特徴とする付記６に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０６】
（付記１３）  前記上部クラッド材料層を平坦化する工程は、該上部クラッド材料層を化学機械研磨法により研磨して行われることを特徴とする付記１２に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０７】
（付記１４）  前記研磨の前に、前記上部クラッド材料層の上にレジストを塗布する工程と、前記レジストをエッチバックする工程とを有し、前記エッチバック後の該レジストの上面から前記研磨を行うことを特徴とする付記１３に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０８】
（付記１５）  前記発熱部と電気的に接続される配線を前記上部クラッドの上に形成する工程と、
前記配線を覆う絶縁膜を形成する工程と、
前記配線に至る深さのホールを前記絶縁膜に形成する工程と
を有することを特徴とする付記６に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１０９】
（付記１６）  前記発熱部を形成する工程は、
前記第１コアと前記第２コアの上の前記上部クラッドに、それぞれ第１溝と第２溝とを形成する工程と、
前記第１溝と前記第２溝のそれぞれに金属膜を形成し、該第１、第２溝内の金属膜を前記発熱部とする工程と
を有することを特徴とする付記６に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１１０】
（付記１７）  前記マーカ材を位置合わせの基準として用いながら、光ファイバを前記第１コア又は前記第２コアに接続する工程を有することを特徴とする付記７に記載の光スイッチング素子の製造方法。
【０１１１】
（付記１８）  クラッドの中に互いに間隔をおいて埋め込まれた第１コア及び第２コアと、前記第１コア及び前記第２コアにまたがって前記クラッドの中に埋め込まれた補助コアと、前記第１コア及び前記第２コアの一方を選択的に加熱する発熱部とを備えた光スイッチング素子の制御方法であって、
前記発熱部により前記第１コアを選択的に加熱して、該第１コア内を伝わる光を前記補助コアを経由して前記第２コアに移動させることを特徴とする光スイッチング素子の制御方法。
【０１１２】
（付記１９）  前記補助コアを前記第１、第２コアから離間して設けることを特徴とする付記１８に記載の光スイッチング素子の制御方法。
【０１１３】
（付記２０）  第３コア、前記第１コア、前記第２コアの順に並ぶように前記第３コアを前記クラッド内に設け、前記発熱部により前記第３コアと前記第１コアとを加熱して、前記第１コア内を伝わる光を、前記補助コアを経由して前記第２コアに移動させることを特徴とする付記１８に記載の光スイッチング素子の制御方法。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その１）である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その２）である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その３）である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その４）である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その５）である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その６）である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その７）である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その８）である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その９）である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の製造方法に則した製造途中の要部断面図（その１０）である。
【図１１】図１１は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の平面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１実施形態に係る光スイッチング素子の制御方法について説明するための要部断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２実施形態に係る光スイッチング素子の平面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２実施形態に係る光スイッチング素子の要部断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第１、第２実施形態に係る光スイッチング素子と光ファイバとを接合する方法を説明するための平面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第１、第２実施形態に係る光スイッチング素子と光ファイバとを接合する方法を説明するための要部断面図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１…シリコン基板、２…下部クラッドの下側層、２ａ…穴、２ｂ…凹部、３…グルー膜、４…W膜、５…マーカ材、６…第１レジストパターン、７…補助コア材料層、７ａ…補助コア、８…下部クラッドの上側層、９…下部クラッド、１０…コア材料層、１０ａ、１０ｂ…第１、第２コア、１１…第１フォトレジスト、１１ａ、１１ｂ…第２レジストパターン、１２…上部クラッド材料層、１２ａ…上部クラッド、１３…第２フォトレジスト、１３ａ、１３ｂ…第１、第２ヒータ、１４…多層金属膜、１４ａ、１４ｂ…第１、第２配線、１５…第３フォトレジスト、１５ａ、１５ｂ…第３レジストパターン、１６…カバー絶縁膜、１６ａ、１６ｂ…第１、第２ホール、１７…第４レジストパターン、１７ａ、１７ｂ…第１、第２窓、２０…光ファイバ、２０ａ…コア、２０ｂ…クラッド。
【図１】
2005266482.tif 000003
【図２】
2005266482.tif 000004
【図３】
2005266482.tif 000005
【図４】
2005266482.tif 000006
【図５】
2005266482.tif 000007
【図６】
2005266482.tif 000008
【図７】
2005266482.tif 000009
【図８】
2005266482.tif 000010
【図９】
2005266482.tif 000011
【図１０】
2005266482.tif 000012
【図１１】
2005266482.tif 000013
【図１２】
2005266482.tif 000014
【図１３】
2005266482.tif 000015
【図１４】
2005266482.tif 000016
【図１５】
2005266482.tif 000017
【図１６】
2005266482.tif 000018