JP2007133026A - Ｖ溝付き光導波路の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路、Ｖ溝を同一基板上に備えたデバイスの製造において、Ｖ溝領域にポリマー屑が残存せず、製造歩留まりを向上できる安易な製造方法が求められている。
【解決手段】同一基板上に、樹脂光導波路と光ファイバ固定用のＶ溝を有する光デバイスにおいて、樹脂光導波路と基板との間の密着層に感光性樹脂材料を使用する光デバイスの製造方法または光デバイス。光導波路用樹脂材料がフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素化シリコン樹脂、フッ素化アクリル樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、シリコン樹脂のいずれかであり、感光性樹脂材料が耐熱性感光性樹脂である特徴ももつ。
【選択図】 なし

Description

本発明は、Ｖ溝付き光導波路の製造方法に関する。

情報通信システムの基盤技術として光通信技術が浸透していくにつれて光導波路は、光ネットワーク用キーデバイスとして益々その重要性が高まると同時に、電子回路配線基板等の分野への応用に向けて開発が進められている。また、インターネットの普及により、情報伝送量が増大し、その伝送速度の高速化が望まれている。

光導波路の応用として、光導波路、光導波路に光を入射する光ファイバ、あるいは光導波路から出射した光を受光する光ファイバを固定するためのＶ溝を同一基板上に備えたデバイスの高性能化、安価な製造方法の開発が切望されている。

また、光導波路デバイスの普及には低価格化と量産化が要望されており、樹脂製光導波路がその有力な候補として開発されている。 導波路用の樹脂材料としては、フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素化アクリル樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、シリコン樹脂等が用いられ、近赤外の光通信波長帯域である１．３〜１．５ミクロン帯での透明性を確保するために、Ｃ−Ｈ結合をＣ−Ｄ結合やＣ−Ｆ結合に置換した樹脂材料が用いられている。なかでも、フッ素化ポリイミド樹脂は近赤外領域での透過特性がすぐれており、そのうえ、最も耐熱性が高く、強度も確保できるところから、樹脂光導波路用の材料としては最も適している。

このようなフッ素含有樹脂材料を用い、同一基板上に光導波路、Ｖ溝を有したデバイスの製造方法としては、例えば、基板上にＶ溝を形成し、樹脂材料と基板との密着性向上のための密着層、下部クラッド層、コア層を成膜し、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ、Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）の技法によりリッジ型コアパターンを形成し、さらに上部クラッドを形成して導波路を埋め込み、その後、Ｖ溝上に形成された導波路を除去する方法が考えられる。しかしこの方法では、Ｖ溝内にポリマー屑が残る可能性がある。

また、別の方法として、基板上にＶ溝を形成する工程、光導波路形成領域に密着層を形成する工程（この際、Ｖ溝領域に形成された密着層は下部クラッド形成前に除去しておく）、下部クラッド、コア層を形成する工程、コア上にレジスト層を形成し、レジスト層を光導波路形状にパターニングにしてコアを形成する工程、上部クラッドを形成する工程、Ｖ溝形成領域の下部クラッド、コア、上部クラッド層を除去する工程からなる方法が紹介されている（特許文献１参照）。
特開２００３−３１５５８４号公報

前述した例えば特開２００３−３１５５８４号公報に記載の方法は、Ｖ溝領域に形成された密着層除去の方法として、基板全面に形成した密着層上にレジスト膜を形成し、フォトリソ工程、現像により、Ｖ溝領域のレジスト膜を除去するが、その際、Ｖ溝領域に形成されていた密着層、例えばフッ素を含有しないポリイミドを同時にウエットエッチングし、Ｖ溝領域の密着層を除去するものである。

しかしながら、Ｖ溝内の密着層除去具合が不十分であったり、ばらついたりし、ポリマー屑が残る場合があり、歩留まり低下の現象が見られる。これは、使用する密着層、例えばフッ素を含有しないポリイミドは膜形成にあたり、フルキュアを実施しているため、下地基板への密着性が高くなる、レジスト現像液への溶解性が低下していること等が原因と考えられる。

また、一度形成した密着層を、レジストを使用して除去する工程があり、工程の簡易化も望まれている。

本発明は、光導波路、Ｖ溝を同一基板上に備えたデバイスの製造において、Ｖ溝領域にポリマー屑が残存せず、製造歩留まりを向上できる安易な製造方法を提供することを課題とする。

なお、本発明において、Ｖ溝領域とは、Ｖ溝内およびデバイス作製後においてＶ溝周辺部の光導波路の必要ない部分のことを意味する。

本発明は、同一基板上に、樹脂光導波路と光ファイバ固定用のＶ溝を有する光デバイスにおいて、樹脂光導波路と基板との間の密着層に感光性樹脂材料を使用することを特徴とする光デバイスの製造方法である。

また光導波路用樹脂材料がフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素化シリコン樹脂、フッ素化アクリル樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、シリコン樹脂のいずれかであり、感光性樹脂材料が耐熱性感光性樹脂であることを特徴とする、上記の光デバイスの製造方法である。

また、上記の製造方法により製造したＶ溝付き光導波路デバイスである。

本発明によれば、光導波路、Ｖ溝を同一基板上に備えたデバイスの製造において、Ｖ溝領域にポリマー屑が残存せず、製造歩留まりを向上できる安易な製造方法を提供できる。

図１、２は本発明に係わるＶ溝付き光導波路を説明する図である。

基板には表面に二酸化珪素膜１を有するシリコン基板２が用いられる。二酸化珪素膜１をフォトリソグラフィとウエットエッチングあるいはドライエッチングにより加工し、その後、シリコンの異方性を利用し、ウエットエッチングによりＶ溝３を作製する。Ｖ溝３の幅および深さは、光ファイバを固定した際、形成する光導波路のコアと光軸高さが一致するよう設計しておく必要がある。

樹脂材料、特に光導波路材料として好適なフッ素を含有する樹脂材料は一般的にシリコンや二酸化珪素膜を有するシリコンなどとの密着性が悪い。このため、これら基板上に光導波路を作製する場合には、基板と光導波路材料との密着性向上のため、基板と光導波路下部クラッド層の間に、密着層を設けることが必要である。

密着層としては、フッ素を含有していない樹脂材料、例えばフッ素を含有しないポリイミドなどが高耐熱性の観点より好適である。また、シリコンを含有するポリイミドシリコンなどが挙げられる。さらには、有機アルミニウム化合物、有機チタン化合物、有機ジルコニウム化合物などの有機金属化合物も挙げられる。上記樹脂材料、有機金属化合物を単独で用いても良いし、併用しても構わない。また、基板と光導波路材料との密着性が得られればその方法に限定されるものではない。

しかしながら、さらに鋭意検討した結果、光導波路領域４への密着層形成において、密着層６には感光性樹脂材料を使用することにより、基板と光導波路材料との密着性を確保し、さらに、Ｖ溝領域５にポリマー屑を残すことなく、同一基板上に光導波路、Ｖ溝を有したデバイスを歩留まり良く、安易に作製できることを見出し、本発明に至った。

図３は、本発明の作製方法を説明するための図である。以下、密着層に感光性樹脂材料を使用した作製方法を図３を用いて具体的に説明する。

なお、密着層６に使用する感光性樹脂材料としては、耐熱性を兼ね備えた感光性樹脂が好ましい。光導波路作製温度において変質、分解しないことが必要であり、耐熱性として、熱分解温度は３００℃以上、より好ましくは３５０℃以上であることが望まれる。このような耐熱性を有した材料として、感光性ポリイミド等が好適である。さらに、密着性を考慮すると、フッ素を含有しない感光性ポリイミド等がより好適である。ポジ型、ネガ型いずれのタイプであっても構わない。

まず、二酸化珪素膜を有するシリコン基板上にＶ溝３を形成する(a)。その後、基板上全面に感光性樹脂材料を塗布する(b)。プリベーク後、フォトマスクを使用して露光し、現像を行う。現像後、光導波路領域４にのみ感光性材料が残るように、感光性材料のポジ、ネガタイプにあわせたパターンのフォトマスクを使用する。このことにより、Ｖ溝領域５に塗布されていた感光性樹脂材料を選択的に除去することができる。フルキュア工程前の感光性樹脂材料の密着性は弱く、除去がより容易となり、Ｖ溝領域５にポリマー屑を残すことなく除去できる(c)。

その後、フルキュアにより光導波路領域４に残された感光性材料を硬化する。密着層６の厚さとしては、作製する光導波路の下部クラッド層７の厚さにもよるが、２μｍ以下、好ましくは１．５μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下である。

なお、感光性樹脂材料塗布前に、有機アルミニウム化合物、有機チタン化合物、有機ジルコニウム化合物などの有機金属化合物による密着層を形成しておいても良い。Ｖ溝領域５に形成された有機金属化合物による密着層は感光性材料をフルキュアにより硬化したのち、反応性イオンエッチングまたはフッ酸を用いたウエットエッチングにより除去できる。

引き続いて、光導波路を作製する。下部クラッド層７、コア層８を成膜し、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングの技法によりリッジ型コアパターンを形成し、さらに上部クラッド９を形成して導波路を埋め込むことにより、光導波路を作製する(d)。

その後、光導波路上にマスクを作製し、Ｖ溝領域５に形成された樹脂層（下部クラッド、コア、上部クラッド層）を除去する(e)。マスクとしては、シリコン等の無機膜、有機レジストのいずれも使用できる。有機レジストの場合には、厚さ３０μｍ程度におよぶＶ溝上に形成された樹脂層をエッチングしても光導波路上にレジストが残るよう厚さ調整することが必要である。マスク作製後、マスクが形成されていないＶ溝領域５に形成された樹脂層を反応性イオンエッチングにより除去する。この際、少なくともシリコン基板表面まではエッチングを行なう。Ｖ溝３内に残存する光導波路材料のポリイミドはフッ素を含んでおり、下地に密着層がないため、容易に除去することができる。さらに、密着層には感光性樹脂材料を使用しており、Ｖ溝内に塗布された感光性樹脂材料はフルキュア工程前、すなわち、プリベーク処理を行なったのみの段階の（感光性樹脂材料の密着性が十分発現されていない）、密着性の弱い状態で除去されているため、その除去は良好であり、作製プロセス終了後においても、Ｖ溝３内にポリマー屑をばらつきなく残すことなく、同一基板上に光導波路、Ｖ溝３を有したデバイスを作製できる。

Ｖ溝領域５と光導波路領域４の境界に、光導波路の端面を切断する切込み溝１０をダイシングにより作製し(f)、Ｖ溝に固定する光ファイバが光導波路と結合するようにする(g)。

この作製プロセスにおいては、従来行なわれてきたような密着層の除去方法、すなわち、フッ素を含有していない樹脂材料を塗布し、フルキュアを行い、その後に、レジストを使用して除去する方法とは異なり、レジストは不要となり、コスト削減にも繋がるとともに工程も簡略できる。

基板上に作製する光導波路パターンとしては、直線導波路、Ｙ分岐導波路、方向性結合器、フィルタを挿入した波長合分波器などが挙げられるが、これに限定されるものではない。

また、デバイス基板上に光導波路、Ｖ溝のみでなく、発光素子レーザダイオード、受光素子フォトダイオードが搭載できるように電極パターンを有するデバイスにおいても、上記作製方法により同様に作製できる。

以下、実施例により説明する。

４インチの熱酸化膜付き（１μｍ）シリコン基板を使用し、Ｖ溝付き光導波路を作製する。シリコン基板上の熱酸化膜をフォトリソグラフィとウエットエッチングにより加工した後、シリコンの異方性を利用し、ウエットエッチングによりＶ溝を作製した。次に、基板全面にフッ素を含まないネガ型感光性ポリイミド塗布し、プリベークを行なった。

その後、フォトマスクを介して、光導波路を作製する領域（Ｖ溝領域以外）に光があたるように露光し、現像を行なった。現像後、Ｖ溝領域の感光性ポリイミドは除去されており、その後加熱硬化し、光導波路を作製する領域にのみ１μｍ厚の密着層を形成した。

続いて光導波路を作製した。光導波路に用いた樹脂はフッ素化ポリイミドである。密着層を形成した上記基板に、クラッド用のフッ素化ポリアミド酸ワニスをスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成して下部クラッド層を１５μｍ成膜し、次にコア用フッ素化ポリアミド酸ワニスをスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成し、コア層を７μｍ成膜した。使用したコア層は屈折率が（１．５１）であり、コア−クラッドの比屈折率差は０．３３％とした。

このコア層上にマスク層としてシリコンをマグネトロンスパッタにより０．５μｍ成膜した。このマスク層上にはさらにレジスト層を成膜し、直線導波路のパターンをフォトマスクを用い、アライナによって露光し、パターニングされたレジスト層を形成した。

次にレジスト層に保護されていないマスク層のシリコンをＲＩＥ装置を用いて、ＣＦ_４ガスを流入させながらエッチングした。引き続いてＯ_２ガスを流入させてマスク層のシリコンに保護されていないコア層部分をエッチングにより除去し、次に、基板をフッ酸を含有する剥離液に浸漬し、マスク層を除去した。さらに下部クラッドと同種のフッ素化ポリイミド樹脂をスピンコーティング装置により塗布した後、不活性雰囲気に保持したオーブンを用いて焼成して、厚さ１８ミクロンの上部クラッド層を形成した。コアのサイズは７×７μｍである。

次にＶ溝領域に形成された樹脂層（下部クラッド、コア、上部クラッド層）を除去した。基板全面にシリコンをマグネトロンスパッタにより０．５μｍ成膜した。このマスク層上にはさらにレジスト層を成膜し、フォトマスクを用い、アライナによって露光し、パターニングされたレジスト層を形成した。レジスト層はＶ溝領域以外に形成した。

次にレジスト層に保護されていないマスク層のシリコンをＲＩＥ装置を用いて、ＣＦ_４ガスを流入させながらエッチングした。引き続いてＯ_２ガスを流入させてマスク層のシリコンに保護されていないＶ溝領域の樹脂層をエッチングにより除去した。この際、少なくともシリコン基板の表面が露出するまでエッチングを行なった。次に、基板をフッ酸を含有する剥離液に浸漬し、マスク層を除去した。

Ｖ溝内の樹脂層は密着層が形成されていないため、剥離、除去されており、Ｖ溝内およびＶ溝周辺部の光導波路のない部分、いずれにおいても、ポリマー屑は認められず良好であった。また、バラツキもなかった。
（比較例１）
密着層形成にフッ素を含まない非感光性ポリイミドを使用した以外は、実施例１と同様に行なった。

４インチの熱酸化膜付き（１μｍ）シリコン基板を使用し、Ｖ溝付き光導波路を作製した。シリコン基板上の熱酸化膜をフォトリソグラフィとウエットエッチングにより加工した後、シリコンの異方性を利用し、ウエットエッチングによりＶ溝を作製した。次に、基板全面にフッ素を含まない非感光性ポリイミド塗布し、加熱硬化し、基板全面に１μｍ厚の密着層を形成した。

以下、実施例１同様に、光導波路を作製し、Ｖ溝領域に形成された樹脂層（下部クラッド、コア、上部クラッド層）を除去した。

結果、Ｖ溝内の樹脂層は十分除去されておらず、Ｖ溝内にポリマー屑が認められ、不良であった。

本発明のＶ溝付き光導波路の製造方法の一例を示す平面図である。 図１のＶ溝部分の断面図である。 本発明の製造方法の一例を示す、図２と同じ部分の断面図である。

符号の説明

１ 二酸化珪素膜
２ シリコン基板
３ Ｖ溝
４ 光導波路領域
５ Ｖ溝領域
６ 密着層
７ 下部クラッド層
８ コア層
９ 上部クラッド層
１０ 切込み溝
１１ 光ファイバ

Claims (3)

1. 同一基板上に、樹脂光導波路と光ファイバ固定用のＶ溝を有する光デバイスにおいて、樹脂光導波路と基板との間の密着層に感光性樹脂材料を使用することを特徴とする光デバイスの製造方法。
2. 光導波路用樹脂材料がフッ素化ポリイミド樹脂、全フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素化シリコン樹脂、フッ素化アクリル樹脂、重水素化ポリシロキサン樹脂、フッ素化エポキシ樹脂、全フッ素化脂環式樹脂、シリコン樹脂のいずれかであり、感光性樹脂材料が耐熱性感光性樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載した光デバイスの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載した製造方法により製造したＶ溝付き光導波路デバイス。
   

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