JP6986582B2 - 局所エッチングによる光デバイス製造方法、及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、局所エッチングにより導波路型光デバイスを製造する方法（製造プロセス）、及びその製造装置に関するものであり、平面基板上に小型で高性能な光デバイスを製造することができるように工夫したものである。

さらに詳しく述べると、例えば平面光波回路（ＰＬＣ）の基板上の光導波路端部において、局所エッチングにより簡便に斜め端面あるいは集光性のある非平面形状の端面を形成でき、さらには光導波路のコア厚みを光導波方向に変化させた膜厚制御コアを形成でき、高性能なＳＳＣ（スポットサイズ変換器）などを構成できる製造方法、及び製造装置に関するものである。

従来の導波路型光デバイスの製造プロセスとして、ガラス微粒子火炎堆積法（ＦＨＤ）によるＰＬＣ（平面光波回路）の製造プロセスが知られている。

ＦＨＤ法は、例えばＳｉＣｌ₄原料ガスを酸水素炎中で加熱分解する事により、ＳｉＯ₂微粒子をスート（煤）として基板上に堆積させる方法で、比較的簡便に厚膜が作製でき、量産性に優れた方法である。

図１は、従来のＦＨＤ法によるＰＬＣの製造プロセスを説明する工程図（基板断面図）である。

図１（ａ）の工程ではまず、ガラス微粒子火炎堆積法（ＦＨＤ）でＳｉ基板１−２（ウエハ）の上にＦＨＤバーナ１−１を用いて、下部クラッド層用ガラス微粒子層１−３とコア層用ガラス微粒子層１−４を形成する。

ついで図１（ｂ）の工程で、ガラス化炉で高温熱処理してガラス微粒子層の透明化を実施する。これにより高品質な下部クラッド層１−５とコア層１−６を形成することができる。

ついで図１（ｃ）のフォトレジスト工程で、導波路型回路のエッチングのためのマスクパターンを転写する。転写したコアパターンを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で加工して導波路型回路のコア１−７を形成する。

その後、図１（ｄ）の工程で、再度ＦＨＤで上部クラッド層用ガラス微粒子層１−８を堆積し、図１（ｅ）の工程で透明化を行い、上部クラッド層１−９を作製する。これによりＰＬＣ型光デバイスを作製する。

ＰＬＣ型光デバイスにおいては、例えば光の入出力などのために光導波路の入出力端部などに、光導波路端面と基板面のなす角が９０°ではない、斜め端面を形成することがある。光導波路に斜め端面を形成するには、従来技術１として、図２に示すようにウエハを傾斜させる製造方法がある。

図２（ａ）のＰＬＣ基板ウエハの全体斜視図で、Ｓｉ基板２−１の上には複数のＰＬＣ型光回路２−２が形成されており、エッチング部分２−３は光導波路に斜め端面を形成する部分であり、プラズマを印加したＲＩＥで処理される部分である。

図２（ｂ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）による斜めエッチング加工時には、ウェハ全面に垂直方向の上から下に到来するプラズマ流に対して、ＰＬＣ基板（ウエハ）は水平面から斜めに傾けて保持されており、光導波路の端部のエッチング部分２−３では、プラズマ到来方向と基板面のなす角θが９０°ではない角度で反応性イオンエッチング（斜めエッチング）が進行し、光導波路に斜め端面が形成される。

図２（ｃ）〜（ｅ）のＰＬＣ基板の断面図に基づいて工程を説明すると、最初の図２（ｃ）の段階ではＳｉ基板２−１の上に下部クラッド層２−４、コア２−５、上部クラッド層２−６からなるＰＬＣ型光回路が作製されている。

図２（ｄ）に示すように、当該ＰＬＣ型光回路にフォト工程を処理してフォトレジスト２−７を転写した状態で、ウエハを斜めに傾けてエッチングすることにより、図２（ｅ）に示すように基板面と端面のなす角度がθの、斜め端面２−８を形成することができる。

また、別の従来技術２として図３に示すように、コア厚を徐々に薄くした膜厚制御コアによりＳＳＣ（スポットサイズ変換器）を形成する場合には、フォトレジスト工程において濃度階調型マスクを用いる方法がある。

図３（ａ）は、Ｓｉ基板３−１、下部クラッド層３−２、コア層３−３が形成された最初の段階のＰＬＣ型光回路の基板断面図である。図３（ｂ）に示すように、当該基板に濃度階調型マスクを用いてフォト処理工程を行うと、膜厚が徐々に変化するフォトレジスト３−４を作製することができる。フォトレジスト３−４をマスクとしてＲＩＥによるエッチング処理を実施すると、図３（ｃ）に示すように、光導波方向に膜厚が徐々に薄くなる膜厚制御コア３−５を作製することができる。これにより、ＰＬＣ型光回路にＳＳＣ（スポットサイズ変換器）を作製することができる。

光デバイスの集積度を向上させるには、基板面内方向の二次元的な集積だけでなく、例えば複数の基板を積層して上下方向（基板厚み方向）にも集積した三次元の集積構造が望まれている。この場合、ある基板の光回路中で形成された光信号を上下の他の基板に伝送するため、例えば基板面に対して４５度の傾斜を持つ斜め端面による反射ミラーが、隣接基板との間で光の出射位置と入射位置を合わせることができ、有利である。

図２で従来技術１としてウエハを傾ける斜め端面の形成方法を説明したが、この方法ではエッチング装置におけるプラズマ電極の配置や形状の制限によりウエハを大きな角度で傾けることはできないため、９０度に近い傾斜角以外の斜め端面の形成は困難であった。つまり、斜め端面の傾斜角度θを９０度よりあまり小さくすることができず、４５度ミラーの形成は困難であり、傾斜面の傾斜方向も細かくは制御できなかった。

傾斜角度θが４５度よりも大きく離れた斜め端面では、光の出射位置と入射位置が基板面に平行な水平方向にずれるため、位置をあわせて上下方向で光接続をすることは困難であり、光デバイス同士の上下方向の結合を効率的に実現することは難しかった。

受光面積が比較的広く光接続が比較的容易なＰＤ（フォトダイオード、フォトディテクタ）と光結合する場合であっても、ＰＤを斜めにセットにするなどの複雑な構造が必要であった。また、θが４５度より大きい、あるいは小さい斜め端面でＰＤと接続する場合には、光接続に必要な距離が長くなり接続損失が増加する欠点もあった。

さらには、ウエハを傾けて斜め端面を形成する方法では、形成される端面は平面となり、集光性のある構造を作製することはできず、光接続の距離が長くなると光が拡散するため接続損失が増加していた。

またさらに、光デバイスの性能を最大限に活用して集積度を向上させるには、屈折率の異なる光学材料で形成された異種導波路を組み合わせ、異種導波路間で光接続することが効果的であるが、屈折率の異なる光学材料で形成された異種導波路間では光の広がり径が異なるため、光の広がりサイズ（スポットサイズ）を変換する必要があり、高効率なスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）が望まれていた。

高効率なＳＳＣを実現するには、ＳＳＣ導波路部のコア厚を連続的に徐々に薄くしていく、いわゆるテーパ状の厚み変化を有する膜厚制御コアの構成が効果的である。しかし、図３に示す従来技術２による膜厚制御コアの形成方法では、コアの形成に用いる濃度階調型マスクが非常に高価であることに加え、不安定な露光領域でのフォトレジスト工程となるため、プロセスの安定がよくないという欠点があった。このため、この方法では今まで安定して高効率なＳＳＣを作製することが実現されていなかった。

本発明は、導波路型光デバイスを製造するウエハプロセスにおいて、局所エッチングを用いて光導波路端部に端面を形成し、例えば４５度の反射ミラー、あるいは集光性のある非平面の反射ミラーを実現し、基板の上下方向で高効率な光接続を実現することを目的とする。また、コア厚をテーパ状に薄くした膜厚制御コアを形成し、高効率なＳＳＣを作製して異種導波路間の光接続を可能とすることを目的とする。

このために、本発明は例えば以下のような実施形態の構成をとることができる。

（構成１）
光を伝搬するコアとクラッドから構成される導波路型光デバイスを製造するウエハプロセスにおいて、
局所的にエッチング加工するノズルを用いて、ウエハの任意の位置に任意の角度の斜め端面を形成する
ことを特徴とする局所エッチングによる光デバイス製造方法。

（構成２）
光を伝搬するコアとクラッドから構成される導波路型光デバイスを製造するウエハプロセスであって、製造するウエハにフォトレジストを形成するプロセスがあって、フォトレジスト形成後において、
局所的にエッチング加工するノズルと当該ウエハの相対的な位置と移動速度の関係を制御することにより、任意の角度の斜め端面を形成する
ことを特徴とする局所エッチングによる構成１に記載の光デバイス製造方法。

（構成３）
光を伝搬するコアとクラッドから構成される導波路型光デバイスを製造するウエハプロセスであって、製造するウエハにフォトレジストを形成するプロセスがあって、フォトレジスト形成後において、
局所的にエッチング加工するノズルと当該ウエハの相対的な位置と移動速度の関係を制御することにより、ウエハ上に集光性のある形状の端面を形成する
ことを特徴とする局所エッチングによる構成１に記載の光デバイス製造方法。

（構成４）
光を伝搬するコアとクラッドから構成される導波路型光デバイスを製造するプロセスにおいて、
局所的にエッチング加工するノズルを用いて、任意の位置でコアの厚さをテーパ状に薄くしてスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）回路を形成することを特徴とする局所エッチングによる構成１に記載の光デバイス製造方法。

（構成５）
構成１ないし４のいずれか１項に記載の光デバイス製造方法において、導波路型光デバイスがＳｉＯ₂をベースとする平面光波回路（ＰＬＣ）型光デバイス、または光半導体（ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系、Ｓｉ系）をベースとする光デバイス、またはＬｉＮｂＯ₃をベースとする光デバイスである
ことを特徴とする局所エッチングによる光デバイス製造方法。

（構成６）
光を伝搬するコアとクラッドから構成される導波路型光デバイス用ウエハを製造する製造装置であって、
局所的にエッチング加工するノズルを有しており、
当該ノズルを上下方向に可動とする機構を有しており、
ウエハを水平方向に移動できる機構を有しており、
当該ノズルに対して上下方向及び水平方向の相対的な位置関係を調整してエッチング領域と形状を制御できる
ことを特徴とする局所エッチングによる光デバイス製造装置。

（構成７）
構成６において、ノズル開口の形状が多連の光導波路を一括で加工できるように矩形部分を有する
ことを特徴とする局所エッチングによる光デバイス製造装置。

（構成８）
構成６において、ノズル開口の形状が多連の光導波路を個別に加工できるように多連のノズル開口を有し、当該多連のノズル開口の間隔が可変である
ことを特徴とする局所エッチングによる光デバイス製造装置。

以上の構成で任意の角度の斜め端面を形成することができ、高効率な基板上下方向の光結合が可能となり、高密度の光集積化を実現することができる。

また、簡便に集光性のあるミラーを形成でき、結合効率を向上させることができる。

同じく局所エッチングプロセスを用いることにより、コアの厚さを制御することが可能となり、高効率なＳＳＣを作製して、異種導波路との接続損失を低減可能となる。

従来のガラス微粒子火炎堆積法（ＦＨＤ）によるＰＬＣ（平面光波回路）の製造プロセスを説明する工程図である。 光導波路に斜め端面を形成する従来技術１を説明する図である。 濃度階調型マスクを用いて膜厚制御コアを作製する従来技術２を説明する図である。 本発明の実施例１の斜め端面を形成する製造プロセスを説明する図である。 本発明の実施例１の製造プロセスの詳細を説明する断面図である。 本発明の実施例１の製造プロセスで作成されたＰＬＣの基板上面図（ａ）と、ノズル開口の形状例を示す図（ｂ）、（ｃ）である。 本発明の実施例１のＰＬＣとＰＤを結合した実装構造の断面図である。 本発明の実施例２の集光性のある端面を形成する製造プロセスを説明する断面図である。 本発明の実施例２における移動距離と時間の関係を示すグラフである。 本発明の実施例２の別の製造プロセスを説明する断面図である。 本発明の実施例２のまた別の製造プロセスを説明する断面図である。 本発明の実施例２のＰＬＣとＳｉフォトニクス回路を結合した実装構造の断面図である。 本発明の実施例３のＳＳＣ製造プロセスを説明する工程図である。 本発明の実施例４の製造装置の構成図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の実施例１では、前述した課題を解決するために、ＰＬＣ型光デバイスにおいて局所エッチングにより斜め端面を形成して、ＰＤとの低損失な光結合を実現した。以下に、図４〜７を参照して実施例１のウエハプロセス（製造方法）と実装形態を説明する。

図４左の（１ａ），（１ｂ）のウエハ斜視図に、実施例１のＰＬＣ型光バイスに斜め端面を形成するウエハプロセスの概要を示す。

図４（１ａ）で、６インチのＳｉ基板４−１（１ｍｍ厚ウエハ）の上には、複数の光回路４−２が形成されており、Ｓｉ基板上で光回路の光導波路の端部に斜め端面を形成するエッチング部分４−３をフォト工程で形成し、細径の局所エッチング用ノズル４−４を用いて加工する。

図４（１ｂ）に示すように、局所エッチングを行うには、真空中で細径のノズル４−４の先端部分にプラズマを誘起して反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行った。ガラスをエッチングするために、局所エッチング用ノズル４−４に供給する反応性エッチングガスにはＣ₂Ｆ₆を用い、圧力は５Ｐａとした。

図４右の（２ａ）、（２ｃ）に、エッチング部分４−３を拡大した加工前後の基板断面構造を示し、図４（２ｂ）には、ノズル開口の中心軸（一点鎖線）に沿った局所エッチング用ノズル４−４のノズル先端部の断面図を示す。

図４（２ｂ）の局所エッチング用ノズル４−４の開口面の形状は、例えば内径１０〜５０μｍ程度の円形の例を示すが、局所エッチングする領域に合わせて任意の形状、大きさとすることができ、これに限定されるものではない。

図４（２ｂ）のように、ノズル４−４を基板４−１の基板面から垂直方向に３ｍｍ程度離して保持し、図４（２ｃ）に示すように、基板４−１を水平方向（光導波路の光伝搬方向をＸ軸とする）に移動させつつ、ノズルより図示のような強度分布の局所エッチングビーム４−１０を照射し、反応性イオンエッチングを行った。

なお、局所エッチングビーム４−１０はビームと表現しているが、エッチング強度分布に対応するものである。ノズル４−４からエッチングガスを吸引、または放出することにより、ノズルの先端部においてビーム４−１０に例示するようなほぼガウス型の強度でノズル開口の中心軸の周りに反応性イオンを含むプラズマが分布し、そのガウス分布に沿ってエッチングが行われる。

図４（２ａ）に示すように、Ｓｉ基板４−１の上には、下部クラッド層４−５（厚さ１５μｍ）、コア４−６（厚さ５μｍを必要な部分まで）、上部クラッド層４−７（厚さ２０μｍ）が形成されており、加工前のエッチング部分４−３にはコアは形成されていない。

これにフォト工程を実施して、図４（２ｃ）のように、最上層に所要のパターンでフォトレジスト４−８を形成する。その後、局所エッチング用ノズル４−４を固定した状態で、基板４−１を水平方向（Ｘ軸方向）に移動して、反応性イオンエッチングにより局所エッチング加工を実施することにより、斜め端面４−９を形成した。

斜め端面の形状は後述のようにＳｉ基板の移動方向や速度で任意に成型でき、平面であっても集光性のある曲面であってもよく、端面全面に形成されてなくてもよい。すなわち、斜め端面と対向する光導波路のコア端面のから出射する光が反射する領域に、平面や集光性曲面の反射面が形成されていればよい。
Ｓｉ基板は基板面内のＸ軸方向だけでなくＹ軸方向、さらに基板面から垂直方向（Ｚ軸方向）にを移動させて加工してもよく、Ｓｉ基板ではなくノズルを移動させてもよい。

図５（ａ）〜（ｃ）に、図４（２ｂ）〜（２ｃ）の斜め端面の形成プロセスの詳細を示す。

図５（ａ）のように、エッチング開始前にはＳｉ基板５−１、クラッド層５−２、コア５−３からなるＰＬＣ型光回路にフォト工程を実施して、最上層にフォトレジスト５−４が形成されている。次に局所エッチング用ノズル５−５よりエッチングビーム５−１０を基板面に照射し、局所エッチングによるガラス加工を実施する。

図５（ｂ）のように局所エッチングの途中段階では、局所エッチングのノズル開口部におけるプラズマ強度の分布（局所エッチングビーム強度分布５−１０）は、ノズル開口部が円形形状なので、ノズル開口の中心線（一点鎖線で示す）を軸として回転対称な、例えばガウス型の分布となっている。そのため、Ｓｉ基板移動方向の断面（図５のＸ−Ｚ面）においても、ビーム強度はガウス分布となり、ＲＩＥによるエッチング加工量もほぼそのビーム強度分布に依存した形状となる。エッチングガスの供給量とノズル移動の速度にもよるが、いわば基板面の各点における累積ビーム暴露量により最終的なエッチング加工量が決まる。

この特徴を利用して、Ｓｉ基板５−１を水平方向に微調移動することにより、最終的に図５（ｃ）のようにθが４５°の斜め端面を形成することができる。形成する斜め端面の角度に応じて、反応性エッチングガスの圧力とＳｉ基板の移動速度を調整することにより、所望の角度の斜め端面を形成することができる。今回は、Ｓｉ基板を導波路と平行な方向に速度０．５ｍｍ／ｈで移動させて、θが４５°の斜め端面を形成した。具体的には、フォトレジスト５−４の形成されていない開口部の両端、すなわち、コア５−３が形成されていない側の開口端からコア５−３が形成されている開口端まで、ノズル開口中心が移動するように基板を移動させてエッチングを行った。なお、フォトレジスト５−４にカバーされている部分はエッチングされることはない。

図６（ａ）は、このように斜め端面を加工した後の、複数の光導波路を有するＰＬＣ型光デバイスの、光導波路端部におけるフォトレジスト除去後の基板上面図（Ｘ−Ｙ平面）である。斜め端面加工後の基板には、基板上面からみてＳｉ基板６−１、クラッド層６−２、斜め端面６−６が見え、上部クラッド下には複数本のコア６−３の位置が点線で示される。

斜め端面６−６は、複数の光導波路の光コアから出射する複数本の光を反射する、Ｙ軸方向に延びた単一の反射ミラーとして構成されているが、各光コアから出射する光をそれぞれ個別に反射する複数の斜め端面として形成することもできる。

例えば光導波路コア６−３から図の左方向（Ｘ軸負方向）に出射した光は、Ｓｉ基板６−１の上を通過して斜め端面６−６において反射され、斜め端面６−６の基板面に対する角度θが４５°であれば、基板面に対して垂直な方向（Ｚ軸正方向）に反射されることとなる。基板面に対して垂直な逆方向（Ｚ軸負方向）から入射した光が、斜め端面６−６において反射され、光導波路コア６−３に入射する光結合構造も可能である。

実施例１では、多連の光導波路のコアを一括でエッチングするために、局所エッチング用ノズル６−４のノズル開口の形状は、図６（ｂ）のノズル開口形状に示すように、すべてのコアをカバーする縦長矩形状の開口を有するものとしている。図６（ｃ）に示すように、円形の開口のノズルを複数、縦に一列にアレイ状に配列して多連のノズルとしてもよい。多連の光導波路の間隔に合わせて、多連のノズルの間隔も一定である必要はなく、可変としてもよい。

（実施例１のＰＬＣとＰＤを結合した実装構造）
図７には、実施例１で形成した斜め端面を有するＰＬＣ型光デバイスと、ＰＤ（フォトディテクタ、受光素子）７−６とを結合した実装構造における、光結合部の基板断面構造を示す。図７右側のＰＬＣの光導波路側は、Ｓｉ基板７−１、下部クラッド層７−２、コア７−３、上部クラッド層７−４の積層構造で構成され、半田層７−５により上のＰＤ７−６と機械的に接合されている。

図７左側のクラッド層７−９のコア７−３延長上にあたる端面には、ＰＬＣの斜め端面７−７が形成されており、端面７−７の上には、メタル（Ａｕ）反射面７−８が形成されて反射ミラーを構成しており、ＰＬＣの光導波路コア７−３の端面から出射した光を高い反射率でＰＤ７−６に向けて反射している。斜め端面７−７の反射角度は反射光がＰＤ７−６の受光面に入射するように形成されている。ＰＤ７−６を面発光レーザなどに変えて、光導波路コア７−３に入射する逆方向の光結合も可能である。

本実施例１の製造方法では、斜め端面を形成後にメタルプロセスを行い、反射ミラーを形成するメタル（Ａｕ）膜７−８を形成し、その後ＰＤ７−６を搭載する半田層７−５を形成した。半田層７−５によりＰＤ７−６をＰＬＣ型光デバイスの上部に固定接続して、光結合効率を測定した。その結果、結合効率９５％が得られ、本発明の有効性が確認された。

本実施例２の図８〜１２では、ＰＬＣ型光デバイスにおいて、光導波路の端部に局所エッチングにより集光性のある非平面の端面を形成する製造方法を示す。また実施例２の実装構造として、Ｓｉフォトニクスをベースとする光デバイスとＰＬＣ型光デバイスの間に、上下方向の低損失な光結合を実現した例を示す。

集光性のある非平面の端面形状としてはミラーの場合、反射により入射光が一点に集光できれば良く、例えば、凹面鏡などの球面ミラー形状や放物面、双曲面、楕円面などから成る非球面ミラーの形状が挙げられる。実施例１の図６の例のように多連の複数本の光コアを有する光デバイスの場合は、光コアごとに非平面ミラーを個別に設けてもよいが、光コアの並ぶ方向（Ｙ軸方向）に同じＸ−Ｚ面の断面形状が続く、例えば円筒面を軸に沿って四ないし八分の一程度に分割したようなシリンドリカルな非平面ミラーであってもよい。

以下に、図面８〜１２を参照して本実施例２の製造方法について説明する。

図８（ｂ）は、本実施例２で作製した、１本の光コアに対して集光性のある非平面の端面構造を形成する方法を説明する、光コアを含む断面（Ｘ−Ｚ平面）における基板断面図である。

図８（ｂ）の基板断面図で、Ｓｉ基板８−１、下部クラッド層８−２、コア８−３、上部クラッド層８−４は、実施例１と同様な積層構造であり、ＰＬＣ型光回路を構成する。同様にＰＬＣにフォトプロセスを実施して、最上層にフォトレジスト８−６を形成している。

その後、図８（ａ）の局所エッチング用ノズル８−５で反応性イオンエッチングのためのビーム８−１０を照射し、局所エッチング加工することにより、コア８−３を延長した先にあたるクラッド層８−７の端面に、集光性のある非平面形状の端面８−８を形成した。その際、集光性のある非平面の端面形状を形成するために、Ｓｉ基板８−１のＸ方向の移動速度を制御プログラムに沿って図９の実線のように変化させ制御した。

図９に、このような移動速度制御の例としてＳｉ基板の移動距離（Ｘ軸方向）と時間の関係のグラフを示す（グラフの傾きが移動速度となる）。図９の移動距離は、局所エッチング用ノズル８−５の中心が、エッチング加工部の端から端に移動する距離を示している。図９の実線に示すように、Ｓｉ基板８−１の移動速度を時間と共に大きくなるよう制御すると、図８のクラッド層８−７側において、エッチング量が徐々に減少し、エッチングされずに残るクラッド層８−７の厚みが徐々に増大して非平面形状となり、集光性のある曲面形状を形成することができる。（図９において、点線は参照のために示した速度一定の直線である）

さらに、Ｙ軸方向やノズルの上下方向（Ｚ軸方向）にＳｉ基板またはノズルを移動させ制御すると、例えば、三次元の凹面鏡形状の端面を形成することもできる。

図１０は、集光性のある非平面の端面の別の例として、放物線形状の集光性曲面を作成する場合を示している。図１０（ａ）のように、局所エッチング用ノズルの中心が、エッチング加工部の中心と一致する位置において、Ｓｉ基板を移動せず、Ｓｉ基板に一定時間エッチングビームを照射すると、概ね照射ビームのプラズマ強度分布（例えばガウス分布）の形状にＳｉ基板はエッチングされる。光導波路領域にエッチング最深部が達したら、エッチングビームの中心が光導波路出射端の上部に位置するようにＳｉ基板を移動し、光導波路に対向する端面の傾斜が所定の角度（例えば４５度）になった時点でエッチングを終了する。

この工程で、図１０（ｂ）のような放物線形状の端面が形成できる。光導波路からの出射光は屈折率の違いから光フィールドが拡大するため、集光性のある曲面の方が平面形状の端面よりも光損失は小さくでき有利である。また、受光面積の小さい高速動作可能なＰＤにはより効果的となる。

また、図１０（ｃ）のように、プラズマ強度の分布の形状の一部に、目的とする曲面形状に一致する曲線があれば、Ｓｉ基板を移動することなく一度のエッチング工程で目的とする曲面形状を作製することも可能である。

以上のように、Ｓｉ基板を連続的に移動すれば所定の任意の断面形状の曲面を作製することができるが、Ｓｉ基板を移動しなくとも、あるいは不連続に複数回（上記の放物線形状の例では１回）移動しても、概略平面の、あるいは集光性のある曲面を形成することができる。この場合において、図９の移動速度制御のグラフは、階段状（ステップ状）の折れ線となる。このようにノズルとウエハの相対的な位置と移動速度の関係を制御することにより、ウエハ上に任意の角度の斜め端面だけでなく、集光性のある任意の形状の端面を形成することができる。

また、プラズマ電極を含む局所エッチング用ノズルの形状にもよるが、図１１に示すように、さらに別の集光性曲面の製造方法として、Ｓｉ基板を傾けてエッチングビームを照射して凹面鏡形状を作製することもできる。例えば、図１１（ａ）に示したように、Ｓｉ基板を移動せず一定時間エッチングを行い、概ねエッチング最深部が光導波路上端に達した時点で、一旦エッチングを停止し、Ｓｉ基板を所定の角度（例えば４５度）傾ける。

傾けた後に図１１（ｂ）のように、反射面を形成する端面の、光導波路コアの中心線の延長線が通る位置にノズル開口の中心線が一致するようにＳｉ基板を微動調整し、エッチングビームの照射を再開する。ノズル開口の中心のエッチング最深部が、光導波路コア中心線の延長線上に達したところでエッチングを終了する。この工程により、斜め端面が抉られて凹面鏡形状に形成され、その凹面鏡の中心は光導波路からの出射光の中心と一致するように形成できる。なお、Ｓｉ基板を傾ける代わりに局所エッチング用ノズルを傾けてもよい。

図６（ｂ）に示したような、複数の光導波路を有するＰＬＣ型光デバイスの場合は、光導波路形成面で光導波路と垂直な方向（Ｙ軸方向）に延びた平面の斜め端面を、縦長矩形のノズルで形成後、凹面鏡形状を形成する光導波路に対応する位置のノズルを円形開口のノズルに取り換えて、前述のＳｉ基板を傾けて行う後工程のエッチングを行い、それぞれの凹面鏡形状を形成することもできる。この場合、Ｓｉ基板を斜め端面の伸びる方向（Ｙ軸方向）に、光導波路の間隔だけ移動しながら複数回エッチングを行えば、それぞれの光導波路に対応した複数の凹面鏡形状を形成することもできる。

（実施例２のＰＬＣとＳｉフォトニクス回路を結合した実装構造）
図１２に示す本実施例２では、集光性のある非平面端面を形成したＰＬＣ型光回路とＳｉフォトニクス回路９−８を上下方向で接続した実装構造を作成した。

図１２のＰＬＣの光導波路側には、Ｓｉ基板９−１、下部クラッド層９−２、コア９−３、上部クラッド層９−４よりなる積層構造と、集光性端面９−６を形成する側のクラッド層９−５があり、ＰＬＣ型光回路を構成している。

ＰＬＣに作成された集光性のある端面９−６は、コア９−３の延長線にあたるクラッド層９−５の端面の側に形成されている。ＰＬＣ上部の２つの固定用バンプ９−７により、Ｓｉフォトニクス回路９−８がＰＬＣの上に固定されている。

光接続は、Ｓｉフォトニクス回路９−８のＰＬＣ側の面に設けられたグレーティングカップラ９−９を通して行われており、例えばＰＬＣ右側の光導波路のコア９−３から出射した光は、集光性のある端面９−６に入射して反射して集束し、グレーティングカップラ９−９に斜め左下方向から入射する。実施例１と同様に逆方向の光結合も可能である。この実装構造による光結合の接続損失は２ｄＢ弱となり、集光性のある端面により高効率の光接続を実現することができた。これにより、本発明の有効性を確認できた。

図１３の本実施例３では、光半導体の例としてＩｎＰをベースとする光デバイスにおいて、局所エッチングによりコア膜厚をテーパ状に徐々に薄くした膜厚制御コアを形成することにより、高効率なＳＳＣ（スポットサイズ変換器）を作製し、異種導波路としてシングルモード光ファイバとの間で低損失な光結合を実現した。

図１３は、本実施例３におけるＳＳＣの製造方法を示す工程図（ａ）〜（ｄ）である。

図１３（ａ）の基板断面図（Ｘ−Ｚ平面）で、ＩｎＰ基板１０−１の上には、ＩｎＰをベースとする下部クラッド層１０−２、ＩｎＰをベースとするコア層１０−３が積層されている。

図１３（ｂ）のように、基板に真空中で１０−４によりエッチングビーム１０−１０を照射して局所エッチング加工を行う。その際、ＩｎＰ基板１０−１を水平方向（光導波路の延在するＸ軸の負方向）に移動することによりエッチング量を変え、コア層を徐々に薄く形成して、コア層の先端（右端）においてコア層の厚みがほぼゼロとなる、厚み方向のテーパ構造（膜厚制御コア１０−５）を作製した。テーパ部の長さは５０μｍ程度とした。

具体的には、反応性エッチングガスにはＳｉＣｌ₄を用い、圧力は５Ｐａとし、５０μｍの基板の移動距離でコア厚０．５μｍがゼロとなるように、基板のＸ軸方向の移動速度を制御した。

図１３（ｂ）の矢印の方向にＩｎＰ基板１０−１を移動する場合、移動速度を徐々に低下させ、エッチング加工量を増大させる。逆方向にＩｎＰ基板１０−１を移動してテーパ形状を作製する場合は徐々に移動速度を上げればよい。なお、局所エッチング用ノズルの位置を離す、あるいはエッチングガスの圧力を低下させた上で、ＩｎＰ基板１０−１をＸ軸方向に移動（往復も含む）させてエッチング量を微調整することも可能である。

次に図１３（ｃ）の基板上面図（Ｘ−Ｙ平面）に示すように、コア層のエッチング加工を行い、基板平面上でのコア層の形状も先端（右端）が先細のテーパ形状となるＳＳＣ部１０−６を、コア１０−７の右側に形成した。

その後、図１３（ｄ）の基板断面図（Ｘ−Ｚ平面）に示すように上部クラッド１０−８を形成し、コアの埋め込みを行い、ＳＳＣ（スポットサイズ変換器）を完成した。

上記の方法で上下（基板の厚み方向、Ｚ軸方向）、及び水平方向（Ｙ軸方向）において、右側（Ｘ軸正の方向）に向けてモードフィールド径が拡大するＳＳＣを構成することが可能となった。

１．５５μｍの光波長において、本実施例３で作製したＳＳＣを有する光デバイスと通常のシングルモードファイバとの接続損失を評価した結果、接続損失は、約１ｄＢであった。ＳＳＣのない場合には接続損失が５ｄＢ程度であることから、大幅な接続損失低減を達成することができた。

以上説明したように、本実施例３ではテーパ状の膜厚制御コアを用いて高効率なＳＳＣを簡便に作製することができる。このように本発明では、従来の製造工程では作製に困難があった上下方向（コア厚み方向）のテーパ形状を有する膜厚制御コアの作製を可能としている。

光半導体の例としてＩｎＰをベースとする光デバイスについて説明したが、ＧａＡｓ系やＳｉ系の半導体をベースとする光デバイスであってもよい。

またされに、上記実施例１〜３では、ガラス（ＳｉＯ₂）または光半導体をベースとするＰＬＣ型光デバイスの例を示したが、ＬｉＮｂＯ₃をベースとして用いる光デバイスであっても同様な製造方法が可能である。

本実施例４では、実施例１〜３の製造方法を実施してＰＬＣ型光デバイスに斜め端面や膜厚制御コアを形成可能とする、光デバイス製造装置について説明する。

図１４は、ＰＬＣ型光デバイス用ウエハを製造するプロセス用の本実施例４の光デバイス製造装置の構成図である。本実施例４の光デバイス製造装置では、局所エッチング用ノズル１１−２に対して、移動台１１−１２上に載置されたＰＬＣウエハ１１−６の上下（Ｚ軸方向）及び水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の相対的な位置関係を調整して、エッチング領域と端面の形状を制御できるようになっている。

図１４、中央の真空チェンバー１１−１の中には、局所エッチング用ノズル１１−２がノズル保持部１１−３により保持されており、エッチングガス用配管１１−４を通してエッチングガス（Ｃ₂Ｆ₆）が供給されている。

ノズル保持部１１−３も上下方向（Ｚ軸方向）の可動機構を有しており、ノズルの高さを移動台１１−１２に対して調節できる。その際、レーザ変位計１１−５を用いて、ノズル先端の開口部とＰＬＣウエハ１１−６との間隔を一定に保つように調節される。

ノズル１１−２の近くには、プラズマ電極１１−７が配置され、外部のプラズマ電源１１−８からＲＦパワーを供給されてノズル先端の近傍にプラズマを誘起して、局所エッチングを行う。

真空チェンバー１１−１には、雰囲気ガス用配管１１−９と、排気用配管１１−１１を通して真空ポンプ１１−１０が配備されており、雰囲気ガス用配管１１−９からの雰囲気ガス（Ａｒ）の流量を制御することによりエッチング時の圧力を調節する。

局所エッチングで斜め端面を形成する際には、ＰＬＣウエハ１１−６を移動台１１−１２の上に置き、制御用ＰＣ１１−１３で移動台の移動量を調整する。

図１４に示す本実施例４の製造装置においては、局所エッチング用ノズルを用いてＰＬＣウエハとの上下及び水平方向の相対的な位置関係を調整して、実施例１〜３と同様な製造方法により斜め端面加工や集光性端面加工、膜厚制御コア作成をおこなった。その結果、ＰＬＣ型光デバイスに平坦性の高い斜め端面や集光性端面、膜厚制御コアを形成することができ、本発明の有効性を確認した。

最近５Ｇのネットワーク、データセンタ（ＤＣ）等が拡張していく中で、大容量、低遅延という特徴を有する光通信ネットワークは社会基盤として重要性が増している。そのような状況で拡大を続ける光通信ネットワークを支える光デバイスには、低コストな高密度集積技術が要求され、上下方向の接続、異種材料間接続がキー技術となっている。

本発明は、実施例記載の局所エッチングによる光デバイス製造方法、及び製造装置を応用して任意の斜め端面、集光性端面あるいは膜厚制御コアを有する光デバイスを作製して、上記要求に応えることができる。

１−１ ＦＨＤバーナ
１−２，２−１，３−１，４−１，５−１，６−１，７−１，８−１，９−１ Ｓｉ基板
１−３ 下部クラッド層用ガラス微粒子層
１−４ コア層用ガラス微粒子層
１−５、２−４，３−２，４−５，７−２，８−２，９−２ 下部クラッド層
１−６，３−３ コア層
１−７，２−５，４−６，５−３，６−３，７−３，８−３，９−３，１０−７ コア
１−８ 上部クラッド層用ガラス微粒子層
１−９，２−６，４−７，７−４，８−４，９−４，１０−８ 上部クラッド層
２−２，４−２ ＰＬＣ型光回路
２−３，４−３ エッチング部分
２−７，３−４，４−８，５−４，８−６ フォトレジスト
３−５，１０−５ 膜厚制御コア
４−４，５−５，６−４，８−５，１０−４，１１−２ 局所エッチング用ノズル
４−９，５−６，６−６，７−７ 斜め端面
４−１０、５−１０ 局所エッチングビーム強度分布
５−２，６−２，７−９，８−７，９−５ クラッド層
７−５ 半田層
７−６ ＰＤ
７−８ メタル（Ａｕ）反射面
８−８，９−６ 集光性（非平面）端面
９−７ 固定用バンプ
９−８ Ｓｉフォトニクス回路
９−９ グレーティングカップラ
１０−１ ＩｎＰ基板
１０−２ ＩｎＰベース下部クラッド層
１０−３ ＩｎＰベースコア層
１０−６ テーパ状ＳＳＣ部
１１−１ 真空チェンバー
１１−３ ノズル保持部
１１−４ エッチングガス用配管
１１−５ レーザ変位計
１１−６ ＰＬＣウエハ
１１−７ プラズマ電極
１１−８ プラズマ電源
１１−９ 雰囲気ガス用配管
１１−１０ 真空ポンプ
１１−１１ 排気用配管
１１−１２ 移動台
１１−１３ 制御用ＰＣ

Claims (7)

1. 光を伝搬するコアとクラッドから構成される導波路型光デバイスの製造方法において、
   ウエハにフォトレジストを形成するステップと、
   フォトレジスト形成後において、局所的にエッチング加工するノズルを用いて、ウエハの任意の位置に任意の角度の斜め端面を形成するステップであって、前記ノズルと前記ウエハの相対的な傾き、位置関係および移動速度を制御することにより、任意の角度の斜め端面を形成する、ステップ
   を備えることを特徴とする光デバイス製造方法。
2. 前記斜め端面として、ウエハ上に集光性のある形状の端面を形成することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス製造方法。
3. 前記端面を形成するステップは、前記局所的にエッチング加工するノズルを用いて、任意の位置でコアの厚さをテーパ状に薄くしてスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）回路を形成することを含むこと特徴とする請求項１に記載の光デバイス製造方法。
4. 導波路型光デバイスがＳｉＯ₂をベースとする平面光波回路（ＰＬＣ）型光デバイス、または光半導体（ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系、Ｓｉ系）をベースとする光デバイス、またはＬｉＮｂＯ₃をベースとする光デバイスであ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デバイス製造方法。
5. 光を伝搬するコアとクラッドから構成される導波路型の光デバイスの製造装置であって、
   局所的にエッチング加工するノズルと、
   前記ノズルを上下方向に可動とする機構と、
   ウエハを水平方向に移動できる機構と、
   前記ウエハの前記水平方向に対し、前記ノズルの前記上下方向を傾ける機構、または、
   前記ノズルの前記上下方向に対し、前記ウエハの前記水平方向を傾ける機構と
   を備え、
   前記ノズルと前記ウエハとの相対的な傾き、位置関係および移動速度を制御することにより、エッチング領域と形状を制御できることを特徴とする光デバイス製造装置。
6. ノズル開口の形状が多連の光導波路を一括で加工できるように矩形部分を有することを特徴とする請求項５に記載の光デバイス製造装置。
7. ノズル開口の形状が多連の光導波路を個別に加工できるように多連のノズル開口を有し、当該多連のノズル開口の間隔が可変であることを特徴とする請求項５に記載の光デバイス製造装置。

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