(57)【要約】【課題】ＬｉＮｂＯ3基板に高アスペクト比の微細加工を施す。【解決手段】ＬｉＮｂＯ3基板１０１と、パターン化されたＡｌ膜１０３とを備え、前期パターン化されたＡｌ膜１０３を酸素プラズマ照射によりＡｌ2Ｏ3膜１０２を形成し、Ａｌ2Ｏ3膜１０２と、Ａｌ膜１０３とを備え、Ａｌ2Ｏ3膜１０２がＬｉＮｂＯ3基板１０１エッチング時にエッチング保護膜として働いて、ＬｉＮｂＯ3基板１０１にサブミクロンサイズの微細パターンが形成となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン化されたＡｌ膜が表面に形成された電気光学結晶基板に対してＩＣＰドライエッチングにより、
酸素雰囲気チャンバー内において酸素ガスから形成された酸素プラズマ照射を用いて前記Ａｌ膜表面を酸化してＡｌ2Ｏ3膜を形成させる工程と、
前記Ａｌ2Ｏ3膜をエッチング保護膜として前記電気光学結晶基板表面をエッチングする工程とを、
複数回繰り返すことにより、
前記Ａｌ膜のパターン形状を、前記電気光学結晶基板表面上に転写することを特徴とする電気光学結晶表面への微細パターン形成方法。
【請求項２】
前記ＬｉＮｂＯ3基板上のＡｌ膜を全てＡｌ2Ｏ3膜とし、前記ＬｉＮｂＯ3基板への微細パターン転写後に除去しないことを特徴とする電気光学結晶表面への微細パターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に適用される光学素子等の製造方法に関して、特に電気光学結晶の表面へ微細パターンを形成する製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬｉＮｂＯ3は、大きな電気光学定数を有すること、Ｔｉ熱拡散やイオン交換により通信波長帯で低損失な光導電路を形成できることなどの特徴を有しており、光ファイバ通信システムにおいて、電気光学効果を持つＬｉＮｂＯ3結晶上に光の導波路を形成したＬｉＮｂＯ3変調器は、大容量の主幹線にあたる光システムの変調器として使用されている。
【０００３】
図３にＬｉＮｂＯ3光変調器の概略図を示す。
【０００４】
ＬｉＮｂＯ3光変調器は、応答速度が非常に早い１次の電気光学効果を用いた屈折率変化によって光変調を行うデバイスで、高速なスイッチング応答が可能である。
【０００５】
光変調器はＬｉＮｂＯ3基板３０１上に形成されたＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型構造の光導波路３０２、３０３と変調用の電極３０４、３０５、３０６から構成されており、光変調器に入射された光が電極により強度変調されて出射される。また、電極３０４、３０５、３０６とＬｉＮｂＯ3基板３０１との間には、電極金属による光波の電搬損失を防ぐため、ＬｉＮｂＯ3基板３０１よりも低屈折率であるＳｉＯ2等のバッファ層が形成される。
【０００６】
ここで、光変調器動作に関して簡単に説明する。
【０００７】
入射光３０７は分岐点３０８で２等分して分かれ（３１０、３１１）、導波路３０２、３０３をそれぞれ通過し、分岐点３０９で合流する。
【０００８】
電極３０４から電極３０５、電極３０６の方向にそれぞれ電圧を印加した場合、入射光３０７は分岐点３０８で２等分され、導波路３０２、３０３には逆方向の電界がそれぞれ印加されて導波路３０２にΔφ、導波路３０３に−Δφの位相変化を与えることができる。
【０００９】
ここで、Δφは数１で与えられる。
【００１０】
【数１】
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Δｎ＝ｎ03ｒ33Ｅz／２は結晶のｚ軸方向に電界Ｅzを印加した際の屈折率変化、Ｌは電極長、λは入射光の波長、ｎ0はＬｉＮｂＯ3の屈折率、ｒ33は電気光学定数を表す。
【００１１】
２つの導波路３０２、３０３での位相差が２Δφ＝πとなるように電圧を印加すると、導波路３０２、３０３を通過する光は逆位相の状態で分岐点３０９において再結合して干渉して打ち消し合い、分岐点３０９から出射されない。この電圧は半波長電圧Ｖπと呼ばれ、印加電圧Ｖを０［Ｖ］とＶπ［Ｖ］の間で行き来させると強度変調が可能である。
【００１２】
光変調器を実際にデバイスとして実装する場合、コストや実装面積等の問題により変調器のサイズを小さくする必要がある。
【００１３】
図４には、前記構造を検討した１．５５μｍ帯の光に対して動作する図３の光導波路３０２に設けた導波路構造の概略を示す。
【００１４】
ＬｉＮｂＯ3基板４０１に形成した光導波路４０２の長手方向に対して、光導波路４０２の長手方向と垂直方向に溝による空孔を設け、凹凸状のパターン４０３が形成されている。ここで、凹凸状のパターン４０３の設計としては、凹の幅：１８０ｎｍ、凸の幅：１８０ｎｍである。また、凸部の構造を２つ足し合わせた部分（ここでは線欠陥部４０４と呼ぶ）を設けた。線欠陥部分４０４の幅は３６０ｎｍである。この線欠陥部分４０４を線対称中心として光導波路４０２に２００周期の凹凸パターン４０５、４０６を設けた。ここで図４の導波路構造において、凹凸状のパターン４０３の周期構造は一部を除いて省略している（図４において点線で示している）。
【００１５】
前記に示した図４の光の移動速度が小さくなる構造を導入した光導波路４０２のＴＭモードに関する導波特性をモード結合理論による計算から求めたものを図５に示す。
【００１６】
図５より例えば、図４に示したＬｉＮｂＯ3基板４０１上に凹凸状のパターン４０３の構造に３００ｎｍの溝の深さを与えると、凹凸状のパターン４０３の周期構造の影響によって、１．５μｍ帯の光に対して光導波路内を通過する光の速度ｖを真空における光速ｃで割算したものとして群速比ｖ／ｃを０．２以下とできる。即ち３００ｎｍ以上の深さの凹凸状のパターン４０３の周期構造を作製することができれば、周期構造４０３内を通る光の速度が５分の１以下になることが分かり、５倍の変調効率が得られる。
【００１７】
即ち、変調効率を一定とした場合、数１のΔφを5倍にすることができ、数１の電極長Ｌは図３に示した光変調器に形成した光導波路３０２、３０３における光と電界との相互作用長（電極長）を１／５にすることができ、光変調器の小型化が可能である。
【００１８】
前期にあるような光学素子構造を作製するために、従来の製造方法としては、ドライエッチングによりアスペクト比の高い加工技術がある。例えば以下の図６、図７に示す特許文献１にはドライエッチングによる半導体装置の製造方法が記載されている。
【００１９】
図６（ａ）、（ｂ）のように、ＨｇＣｄＴｅ基板１上に約１μｍのポジ型レジスト膜２−１、約０．５μｍのアルミニウムからなる金属膜３を形成する。次いで図６（ｃ）に示すように、金属膜３上に塗布した約１μmのレジスト膜２−２にμmオーダの幅の所定のパターンを形成し、金属膜３を所定のパターンにエッチングする。次に図６（ｄ）に示すように、下層のレジスト膜２−１を酸素プラズマのリアクティブイオンエッチング法によって除去すると、この工程で図７（ａ）のように、露出した金属膜３の表面に矢印Ａの酸素プラズマを照射することによって金属膜３の表面が酸化され、約０．０５μｍ厚のアルミナ膜４を形成する。
【００２０】
次いで図７（ｂ）に示すように、ＨｇＣｄＴｅ基板１を矢印ＢのようにＣＦ4ガスのリアクティブイオンエッチング法でＨｇＣｄＴｅ基板１をエッチングして溝５を形成する。
【００２１】
次いでＨｇＣｄＴｅ基板１上に残存している金属膜３を、下層のレジスト膜２−１を有機溶媒のレジスト膜除去剤で除去する際に、いわゆるリフトオフ法によって取り去ることで容易に除去でき、図７（ｃ）に示すような溝５がＨｇＣｄＴｅ基板１に形成する。
【００２２】
また特許文献２には、最上部のレジスト層の下層に金属や酸化珪素等の厚さ数１００Å程度の中間層が形成されたＬｉＮｂＯ3等の被加工物上全面をパターニングし、被加工物基板が溶解せず中間層をなす薄膜を溶解又は浸食する酸、アルカリ、ガス等の前記エッチング液、ガスを用いて、中間層なる薄膜を溶解・浸食し、中間層なる薄膜と共に残存レジスト膜の除去を行うレジスト膜除去方法が図８に示されている。
【００２３】
図８（ａ）において被加工物８０１としてＬｉＮｂＯ3を用い中間層８０２としてＡｌ薄膜を用いる。さらに、レジスト膜８０３として電子線レジストＰＭＭＡを配置する。図８（ｂ）に示すように電子線描画装置によりＰＭＭＡレジスト１３にパターンを描画し現像液ＭＩＢＫ等によりパターンを形成する。次にＡｒを用いたイオンビームエッチング法により中間層Ａｌ薄膜及び被加工物ＬｉＮｂＯ3にレジストＰＭＭＡをマスクとしてパターンを転写する（図８（ｃ））。この後中間層Ａｌ薄膜を溶解・浸食するフッ化水素酸、塩酸により中間層Ａｌと共にレジスト膜を剥離する（図８（ｄ））。
【特許文献１】特開平５−２７５３２７号公報
【特許文献２】特開昭６０−１９１２５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、特許文献1にある従来の半導体装置の製造方法では、アルミニウム膜表面３を酸化させて形成されるアルミナ膜４は膜厚が約０．０５μｍ程度しか形成されず、 アルミナ膜４を保護膜としてエッチングする際のエッチング時間が、アルミナ膜４がエッチングマスクとして存在する膜厚分に限られてしまう。
【００２５】
さらに、従来の半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置は光デバイスとして用いるため、ＨｇＣｄＴｅ基板１上に直接、金属膜のアルミニウム３を形成するとアルミニウム３が導波光を吸収してしまう問題が生じる。そのため、最後にアルミニウム３を除去する工程が必要となり、ＨｇＣｄＴｅ基板１の直上にあるレジスト膜２−１をリフトオフして取り除く工程が必要である。
【００２６】
加えて、特許文献２にあるレジスト膜除去方法においても、レジスト膜を除去するという点と、Ａｌ薄膜をＬｉＮｂＯ3上に残すとＬｉＮｂＯ3を導波する導波光がＡｌ薄膜に吸収されて導波光の導波損失が大きくなってしまうという点でＡｌ薄膜をフッ化水素酸や塩酸により取り除く工程が必要である。
【００２７】
これらの課題を解決するために、本発明はＩＣＰドライエッチングによって微細パターンをＬｉＮｂＯ3基板の加工に対して作製する際に、ＬｉＮｂＯ3基板上に予め微細パターンが形成されたＡｌ膜を酸素プラズマにてＡｌ膜と酸素を反応させることで、Ａｌ2Ｏ3を形成し、Ａｌ2Ｏ3をＬｉＮｂＯ3基板のエッチングマスクとして用い、さらにエッチングマスクとして用いるＡｌ2Ｏ3の膜厚分のエッチング時間でＬｉＮｂＯ3基板表面をエッチングする。
【００２８】
また、エッチングマスクとしてのＡｌ2Ｏ3の膜厚が小さくなれば、Ａｌ2Ｏ3の下層にあるＡｌ膜、若しくは露出したＡｌを再度酸素プラズマによってＡｌ膜と酸素を反応させてＡｌ2Ｏ3を形成させ、Ａｌ2Ｏ3をＬｉＮｂＯ3基板のエッチングマスクとして用いてＬｉＮｂＯ3基板表面をエッチングすることを繰り返し、かつＬｉＮｂＯ3基板の加工後に酸素プラズマ照射によりＡｌ膜を全てＡｌ2Ｏ3を形成させ、ＬｉＮｂＯ3基板よりも低屈折率であるＡｌ2Ｏ3はバッファ層として用いることを可能とする電気光学結晶表面への微細パターン形成方法である。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
上記課題を解決するため、本発明の電気光学結晶表面への微細パターン形成方法は、ＬｉＮｂＯ3基板上に予めパターン化したＡｌ膜を、酸素プラズマによってＡｌ膜表面のＡｌと酸素とを反応させてＡｌ2Ｏ3を形成させ、Ａｌ2Ｏ3をＬｉＮｂＯ3基板のＩＣＰドライエッチングによるエッチングの際のエッチングマスクとして用い、ＬｉＮｂＯ3基板表面をエッチングすることでエッチングマスクとしてのＡｌ2Ｏ3の膜厚が小さくなれば、Ａｌ2Ｏ3の下層にあるＡｌ膜、若しくは露出したＡｌを再度酸素プラズマによってＡｌと酸素を反応させてＡｌ2Ｏ3を形成させ、Ａｌ2Ｏ3をＬｉＮｂＯ3基板のエッチングマスクとして用いてＬｉＮｂＯ3基板表面をエッチングすることを複数回行うことを特徴とする電気光学結晶表面への微細パターン形成方法である。
【００３０】
また、前記ＬｉＮｂＯ3基板上に形成されたＡｌ膜をＡｌ2Ｏ3へと全て加工し、前記ＬｉＮｂＯ3基板をＩＣＰドライエッチングによってエッチングした後、除去しないことを特徴とする電気光学結晶表面への微細パターン形成方法である。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明の電気光学結晶表面への微細パターン形成方法は、ＬｉＮｂＯ3基板上に予めパターン化したＡｌ膜の表面を酸素プラズマによって酸化してＡｌ2Ｏ3膜を形成させ、形成されたＡｌ2Ｏ3膜はＬｉＮｂＯ3基板エッチング時にエッチング保護膜として働き、ＬｉＮｂＯ3基板のエッチングによってＡｌ2Ｏ3の膜厚が小さくなれば、Ａｌ2Ｏ3の下層にあるＡｌ膜、若しくは露出したＡｌを再度酸素プラズマによってＡｌ2Ｏ3を形成させてＬｉＮｂＯ3基板をエッチングすることを複数回行うことでＬｉＮｂＯ3基板に加工可能な高アスペクト比のエッチング深さを確保できるという効果を有し、かつ前記ＬｉＮｂＯ3基板よりもＡｌ2Ｏ3膜は屈折率が小さいために、ＬｉＮｂＯ3基板上から除去する必要が無いという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、上記ＬｉＮｂＯ3基板における結晶表面への微細パターン形成方法について説明する。
【００３３】
本発明では、Ａｌ2Ｏ3膜をエッチング保護膜として使用し、ＬｉＮｂＯ3基板表面をＩＣＰドライエッチングにより加工する。
【００３４】
ＬｉＮｂＯ3基板上のＡｌ2Ｏ3膜は、ＬｉＮｂＯ3基板に対してＣＦ4ガスとＡｒガスによるドライエッチング選択比が３以上あるため、Ａｌ2Ｏ3膜をエッチング保護膜として用いることにより、ＬｉＮｂＯ3基板に対してエッチングパターンを作製することが可能である。
【００３５】
さらに、ＬｉＮｂＯ3基板上に形成したＡｌ2Ｏ3膜はＬｉＮｂＯ3基板の屈折率２．２よりも小さい屈折率（１．７）であるため、ＬｉＮｂＯ3基板をエッチング加工後に除去する必要が無く、ＬｉＮｂＯ3基板とＬｉＮｂＯ3基板に電界を印加する電極との間に挟むバッファ層としての機能を持たせることが可能である。
【００３６】
説明に使用する図面内の寸法、寸法比率及び位置関係は必ずしも正確ではない。以下、図面を参照しながら、本発明による光学結晶微細構造の製造方法の好ましい実施形態を説明する。
【００３７】
本発明の実施形態を図１に示す。
【００３８】
図１（ａ）に示すように、ＬｉＮｂＯ3基板１０１上にスパッタや蒸着等にて成膜した膜厚１００ｎｍのＡｌ膜１０３をドライエッチングやウェットエッチングによって図２に示すように、３０μｍ×０．１８μｍの凹パターン２０１（網掛部）を作製した。凹パターン２０１の配置としては、凹部２０１と凸部２０２との形状が３０μｍ×０．３６μｍ程度の周期構造となるようにした。
【００３９】
続いて、ＩＣＰドライエッチングによる酸素プラズマ照射によって形成されたＡｌ膜１０３のマスク部分表面にＡｌ2Ｏ3膜１０２を形成する。
【００４０】
Ａｌ2Ｏ3膜形成は、ＩＣＰドライエッチングによりＡｌ膜１０３に酸素プラズマを照射してＬｉＮｂＯ3基板１０１のエッチングマスクＡｌ2Ｏ3膜１０２を形成した。
【００４１】
酸素プラズマの照射条件としては、チャンバー内をＯ2ガス雰囲気としてＲＦ  ＩＣＰパワーを印加することでＯ2ガスをプラズマ化し、Ａｌ膜１０３に酸素プラズマを照射して、図１（ｂ）にあるようにＡｌ膜１０３のマスク部分表面に１０ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜１０２が形成された。
【００４２】
次にＬｉＮｂＯ3基板１０１に対して、上記に示した酸素プラズマ照射によりＡｌ膜１０３のマスク部分表面に形成されたＡｌ2Ｏ3膜１０２をマスクとして、ＩＣＰドライエッチングを行った。
【００４３】
ここで、ＩＣＰドライエッチングによるＬｉＮｂＯ3基板１０１のエッチング条件としては、ＲＦ  Ｂｉａｓパワーは１００Ｗ、エッチングガス雰囲気はＡｒとＣＦ4の混合ガス系とした。
【００４４】
上記のＩＣＰドライエッチング条件のＡｌ2Ｏ3膜１０２とＬｉＮｂＯ3基板１０１のエッチングレート選択比（ＬｉＮｂＯ3基板１０１のエッチングレートをＡｌ2Ｏ3膜１０２のエッチングレートで割り算したもの）は３程度である。
【００４５】
本実施例のＩＣＰドライエッチングによるＬｉＮｂＯ3基板１０１の上記エッチング条件により、ＬｉＮｂＯ3基板１０１のエッチングを行うと、Ａｌ2Ｏ3膜のエッチングレートから膜厚１０ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜１０２がエッチングされるのに対して、図１（ｃ）にあるようにＬｉＮｂＯ3基板１０１の表面には３０ｎｍ程度の溝深さが形成できる。
【００４６】
またＡｌ2Ｏ3膜１０２をエッチング後、再度Ａｌ膜１０３を、チャンバー内をＯ2ガス雰囲気としてＲＦ  ＩＣＰパワーを印加することでＯ2ガスをプラズマ化し、Ａｌ膜１０３に酸素プラズマを照射して、Ａｌ2Ｏ3膜１０２を１０ｎｍ形成した。
【００４７】
続いて、ＬｉＮｂＯ3基板１０１に対して、上記に示した酸素プラズマ照射によりＡｌ膜１０３のマスク部分表面に形成されたＡｌ2Ｏ3膜１０２をマスクとして、ＬｉＮｂＯ3基板１０１にＩＣＰドライエッチングを行った。エッチング条件としては、ＲＦ  Ｂｉａｓパワーは１００Ｗ、エッチングガス雰囲気はＡｒとＣＦ4の混合ガス系として行い、ＬｉＮｂＯ3基板１０１の表面には３０ｎｍ程度の溝加工深さを得る。
【００４８】
上記Ａｌ膜１０３の酸素プラズマ照射によるＡｌ2Ｏ3膜１０２の形成と、ＣＦ4／Ａｒガス雰囲気におけるＩＣＰドライエッチングによるＬｉＮｂＯ3基板１０１のエッチング加工を１０回行うことによって、ＬｉＮｂＯ3基板１０１には３００ｎｍ以上の溝加工深さを得ることができた。
【００４９】
最後、残ったＡｌ膜にチャンバー内をＯ2ガス雰囲気としてＲＦ  ＩＣＰパワーを印加することでＯ2ガスをプラズマ化し、Ａｌ膜１０３に酸素プラズマを照射することにより、図１（ｄ）にあるようにＡｌ膜１０３を全てＡｌ2Ｏ3膜１０２に形成させた。
【００５０】
図１（ｄ）にあるように、ＬｉＮｂＯ3基板１０１上には、Ａｌ2Ｏ3膜１０２がエッチング後に１０ｎｍ程度残ることになるが、光変調器に適用した際に、Ａｌ2Ｏ3膜１０２の屈折率が１．７でありＬｉＮｂＯ3基板１０１の屈折率が２．２であるため、Ａｌ2Ｏ3膜１０２をＬｉＮｂＯ3基板１０１に対するバッファ層として用いることができるので、Ａｌ2Ｏ3膜１０２の除去が必要で無い。このとき、図５にある計算結果より、ＬｉＮｂＯ3基板１０１の表面に３００ｎｍの溝加工深さを形成させることで群速度比として０．２程度の光学素子が得られることが確認できる。
【００５１】
以上本発明により、アスペクト比の大きな微細構造を形成でき、かつエッチング保護膜をエッチング加工後に除去する必要が無いという効果を発揮される。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の光学結晶微細構造の製造方法により、光導波路内における光の移動速度が小さくなる光学素子等の微細構造を光学結晶上に作製可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態における各ドライエッチング工程における断面を示す概略図
【図２】本発明の実施の形態におけるＥＢレジストに形成した微細パターンを示す概略図
【図３】ＬｉＮｂＯ3光変調器の概略を示す図
【図４】本発明で検討した光学素子の構造の概略を示す図
【図５】本発明で検討した光学素子のモード結合理論による遅延特性を示す図
【図６】従来の半導体装置の製造方法を示す図
【図７】従来の半導体装置の製造方法を示す図
【図８】従来の半導体装置の製造方法を示す図
【符号の説明】
【００５４】
１０１  ＬｉＮｂＯ3基板
１０２  Ａｌ2Ｏ3膜
１０３  Ａｌ膜
２０１  露光部
２０２  非露光部
３０１  ＬｉＮｂＯ3基板
３０２  導波路
３０３  導波路
３０４  電極
３０５  電極
３０６  電極
３０７  入射光
３０８  分岐点
３０９  分岐点
３１０  分岐光
３１１  分岐光
４０１  ＬｉＮｂＯ3基板
４０２  光導波路
４０３  凹凸状のパターン
４０４  線欠陥部
４０５  ２００周期の凹凸パターン
４０６  ２００周期の凹凸パターン
１  ＨｇＣｄＴｅ基板
２−１  レジスト膜
２−２  レジスト膜
３  金属膜
４  金属酸化膜
５  溝
Ａ  酸素プラズマ
Ｂ  ＣＦ4ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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