JPH0843656A - 埋込まれた導波管を製造する方法 - Google Patents

埋込まれた導波管を製造する方法

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JPH0843656A
JPH0843656A JP7191059A JP19105995A JPH0843656A JP H0843656 A JPH0843656 A JP H0843656A JP 7191059 A JP7191059 A JP 7191059A JP 19105995 A JP19105995 A JP 19105995A JP H0843656 A JPH0843656 A JP H0843656A
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stage
substrates
manufacturing
waveguide
guide
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JP7191059A
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Beatrice Biasse
ビアス ベアトリス
Florent Pigeon
ピジョン フローラン
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 本発明における、ガラス基板に埋め込ま
れた導波管の前処理としての工程が、２つのガラス基板
（２２，３２）の各表面上にイオン交換によって導波管
（２８，３８）を作成するステージと、互いの面を作成
される導波管に表面を任意の方法で２つの基板を一直線
に並べるステージと、２つの基板を直接ウェハボンディ
ングするステージとからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はガラス上に集積化さ
れた光学回路の製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】長い間、ガラス及びシリコン上に集積化
された光学系はファイバ光学系構造の技術に対抗してい
る。実際に、通信路の構成（カプラ）、機械的な又は化
学的なセンサを作成することはこれらの２つの技術によ
る活性化の構成（増幅器）と同様によく知られている。
ファイバの光学系構造の場合と異なり、集積化の光学系
で作成された構造は大量に、かつ低価格で製造可能な可
能性を提供するものである。
【０００３】しかし、ガラス上に集積化された光学系の
回路は、通信、センサ、カプラの分野で光信号の作成に
関する提案として、あるいはそのようなレーザ及び増幅
器のような活性化回路を製造することに対する大変良い
将来性のあるものとして考察されている。
【０００４】その処理はいくつかの理由にとって興味深
い集積化された光学系構成を作成するためにガラス上に
導波管を使用することを含んでいる。それは関係上簡単
で安価な単一マスキングレベルのみを要求する低温処理
を使用する。また、ガイドは特に近赤外線でそれらが埋
め込まれる時低損失を有する。なぜならば、不規則な表
面による拡散によって損失の減少があるからである。製
造条件を適正にすることによって、インデックスプロフ
ィール及び所定の特性が得られ得る。またガラスは光フ
ァイバをもつ両立性のインデックスに対して、また複屈
折の構造を得るために提供され得ることに対して、光学
系損失を感度的に制限することによって興味深いものと
なる。また、製造価格の可能性は相対的に低い。
【０００５】文献にはガラス上に集積化された回路の製
造における多種の過程が開示されている。
【０００６】イオン交換手順は実施の容易さによって最
も幅広く使用されることからかなり遠いものである。特
にエス．ナジャフィ氏の「ガラス集積化光学系の入門」
アーテックハウス発行、ロンドン、１９９２年発行に開
示されている。この方法を用いた一例は今２つのステー
ジを必要最小限に含むが、ここで図１ａ，図２に関連し
て簡単に説明する。第１のステージにおいて、デポジッ
トはアルミニウムマスク４のガラス基板２（図１ａ）上
に施す。そして、アセンブリは例えばＡｇ+ またはＫ+
の陽イオンを含む溶解した塩溶液の中に浸されている。
マスクが開かれる配置で拡散ゾーンにおける屈折率での
上昇を提供し、かつ側部の大きさがアルミニウムマスク
で作った窓７の幅に左右される半楕円の導波管６（図１
ａ）の配列に導くガラスのＮａ+ 陽イオンと塩溶液のＡ
ｇ+ 陽イオンの間でイオン交換がなされる。
【０００７】導波管が第２のステージで埋め込まれる。
この動作において電界
【外１】 はＡｇ+ イオンを持つドーピングされたゾーンの泳動を
導く基板２の表面の間に供給される。イオンが電界の方
向に早く泳動するので指数プロフィールは図１ｂに示さ
れているように環状になる。埋め込まれた導波管を用い
て得られるプロフィールは表面による拡散によって損失
を制限できる。導波管の実用的な埋め込みは図２に示さ
れている。半楕円状のガラス６をもつガラス基板２と選
択的にマスク４が形成された真空内で固いテフロンのセ
ル８は閉じ込められている。ガラス板は約４００℃の温
度で溶解した塩溶液１０に浸される。電界が２つの電極
１６，１８を用いることによって得られ、１つは塩溶液
に直接浸され、他方はアルミニウム接点１２によってガ
ラス基板２の上部表面で接触している。数百ボルトの電
位差はこれらの２つの電極の間に供給される。溶解され
た塩（例えばＮａＮｏ3 ）は導通され、またそれと共に
関係される重要な問題点はテフロンのセルとガラス板２
との間にシール１４における欠点によっておおよそなさ
れ得る短絡回路のリスクがある。
【０００８】更に、工程は関連的に複雑であり、かつ産
業の段階での使用または構造の大部分の製造において適
当ではない。他の工程は２つの半楕円状導波管を組み合
わせることによって環状の導波管を作成できるように提
供される。処理のこの手順は電界効果によって導波管を
埋め込むステージを省略する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、接着剤
の使用を必要とし、導波管の出口に閉じたフィールドの
強烈な分布をかなり変えるものとなる。粘着フィルムは
光学的な屈折率を有し、たとえ導波管の出口を大変固く
閉じたとしても決してこの場合でなく導波管の構造のイ
ンデックスプロフィールを十分に妨げるものである。更
に、大変高い外部の圧力は粘着フィルムとして同じ方法
で近いフィールドの強烈な分布を乱す、わずかなエアフ
ィルムの存在を除去するために十分でない。次に、１．
３または１．５μｍでの単一モードの導波管の場合での
この方法をもくろむことは不可能である。そして、この
場合で、導波管コアの直径は数マイクロと等しく、この
工程は次の２つの禁止の問題に直面することとなる。
【００１０】・導波管のサイズは２つの構成（直線が約
１ミクロンでなければならない）に関して直線問題を解
決できるアセンブリの技術を強いるものである。
【００１１】・粘着フィルム及び／又はインタフェース
でのエアフィルムの存在は、導波管の大変小さなサイズ
を考慮して（直径５０μｍのコアを有する導波管におけ
る大変重要な障害がある）伝播を妨げる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の製造方法は前記
問題点を解決するために、ガラス基板に埋め込まれた導
波管の前処理としての工程が、２つのガラス基板の各表
面上にイオン交換によって導波管を作成するステージ
と、互いに面を作成される導波管における表面を任意の
方法で２つの基板を一直線に並べるステージと、２つの
基板を直接ウェハボンディングするステージとからなる
ことに特徴がある。
【００１３】ガラスでの導波管を作成するためのこの工
程では次のような効果が発生する。電界を供給すること
によって埋め込まれた導波管のステージを表す。そして
前述するように、これは産業段階で実施でき、かつ本発
明の工程が簡単に産業に寄与できるような再生の問題点
や実施に導くものである。平行にかついくつかの光学系
構造の同じ基板上にかつ平行に作成可能でことは製造コ
ストを減らすこととなる。マルチモード及び単一モード
の両方の構造を製造可能となる。この処理はガイドの光
学系特性を変化することないので粘着インタフェースが
ない。埋め込まれて本発明の製造方法によって得られる
導波管に対して中心となる光学系のコネクタやミラーの
ような数々の構成を作成できる。所定の導波管の埋込深
さを制御することできる。
【００１４】また、本発明の製造方法では、ミラーとガ
ラス基板に埋め込まれた光学系ガイドを有するアセンブ
リを製造する工程が、２つのガラス基板の各表面上にイ
オン交換によって導波管を作成するステージと、各ガイ
ドの端部で半分の空洞を作成するステージと、各半分の
空洞の表面上に銀をデポジットするステージと、直接ウ
ェハボンディングすることによって２つの基板を結合す
るステージとからなることに特徴がある。
【００１５】更に、本発明は、光学ファイバの接続装置
を製造する工程が、２つのガラス基板の各表面上にイオ
ン交換によって導波管を作成するステージと、各ガイド
の端部で半分の空洞を作成するステージと、各半分の空
洞の表面上に銀をデポジットするステージと、直接ウェ
ハボンディングすることによって２つの基板を結合する
ステージとからなることに特徴がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図
面に基づいて説明する。図３ａ〜図３ｃは本発明の実施
の一形態に係る工程のステージを示す図であり、ガラス
基板に埋め込まれた導波管を形成するために用いられ
る。好ましくはマイクロエレクトロニクスの良質な２つ
のガラス基板２２，３２の表面上には、それぞれ窓２
６，３６を有する２つのアルミニウムマスク２４，３４
を配置されている。そのマイクロエレクトロニクスの良
質な基板は粗くない表面状態（数ナノメートル）を有し
かつフラットである基板を意味することを理解される。
標準のイオン交換の手順を使用して、本発明に提案を開
示するように、２つの導波管２８，３８はガラス基板２
２，３２の表面上に作成される。導波管の幅は有効的に
同じであり、かつアルミニウムマスクで作られ、イオン
交換は両方の構成において同時に配置することができ
る。
【００１７】アルミニウムマスクを除去した後、２つの
基板２２，３２が図３ｂに示すように配列され、表面が
他方の面に導波管２８，３８を作成される。これは直接
ウェハをボンディングすることによってなされ、前記固
体を接することによって簡単に２つの固体を結合するこ
とを含む。そのボンディングは内側に面する表面の間の
粘着力の確立に基づくものであり、数十オングストロー
ム以下である２つの基板の間に長さに介在する力に基づ
くものである。その力はワール力、エレクトロニクス力
及び化学相互作用である。２つの接する基板によって構
成されるシステムはすべての引力が２つの表面の電子ほ
こりの間に反発作用（ボーン作用）をもつ平衡であると
きに発展を止めている。２つの基板は「前処理」され
る。
【００１８】この前処理の質は次の点に左右される。
【００１９】・表面の特別な汚れ。触動作は好ましくは
クラス１００又は１０のクリーンな部屋での実施される
ことである。は交換が実施される温度より低い温度で制
御さ
【００２０】・２つの表面の親水性。４〜６パーｎｍ2
の率でＯＨ群の存在は水分子の吸収を可能とし、前記Ｏ
Ｈ群は良質の前処理を適しており、化学溶液での基板の
汚れの清掃は表面の親水性を作るために実施され得る。
【００２１】・表面の平坦さ。互いに実際に接合する表
面を選択することが望ましい。
【００２２】・表面の粗さは数ナノメートル以下（例え
ば１ｎｍ）が望ましい。
【００２３】直接ウェハボンディングは交換が行われる
温度以下であって制御される気圧の下でアニーリング
「焼きなまし」を含む熱処理からなる。通常、前記アニ
ーリングは窒素又は酸素の媒体ガスの下で２００℃と６
００℃の間で行われる。もしもこれがアニーリング工程
を介してガラス基板の中に拡散するイオン交換ステージ
によってガラス内に埋め込まれたイオンでなければイオ
ン交換が実施される温度より低いアニーリング温度を選
択するための必要性は事実に結びつく。導波管の光学系
特性のすべては変わり、特にインデックスプロフィール
及びガイドの大きさが変わる。このアニーリングは得ら
れる構造の機械的な強さを増やすことができる。
【００２４】この熱処理ステージの次には、構造が図３
ｃに示すようになされ、基準４２は２つの基板２２，３
２を接合することによってガラス基板を表して、導波管
４８は２つの導波管３８，２８を接合した後に得られる
導波管を表している。そのような処理と共に２つの基板
と２つの導波管２８，３８の間のボンディングインタフ
ェースは隠れており、２つの材料のみが単一の構造を形
成することを記することは重要である。前記工程が熱処
理を必要とするとき２つの表面の間の接着を破断するこ
とを望むならば、数百ｋｇｆの張力を供給することが大
切であり、かつボンディングされたインタフェースで生
じる代わりの破断は材料を介して分散される。そして得
られる粘着力は大変高い。
【００２５】ある場合に、イオン交換は起こり、金属マ
スクが除去され、基板２２，３２の２つの表面におけ
る、細くすること及び／又はポリッシュステージは互い
に結合される前に必要である。
【００２６】細くすること又は基板をエッチングするこ
とのための主な理由はできるだけ環状のガイドを得るた
めにインデックスプロフィールの形態をチェックするこ
とである。そして、ある場合においては導波管の環状は
重要なパラメータであり、なぜなら光学系をもつ良い結
合効果を可能となるからである。しかし、時にはイオン
交換ステージは図４ａに示すようなインデックスプロフ
ィールの幾何学的な分布を導く。後者の場合、上部イン
タフェースに閉じ込められたゾーンでに不規則なことが
簡単にわかる。直接ウェハボンディングがこれらの不規
則な部分を除去する必要なステップを行うことなしで実
施されるならば、得られる導波管のインデックスプロフ
ィールの幾何学的な分布は図４ｂに示すような形状を有
する。更に、より不自然な導波管のより小さな大きさは
単一モードの導波管の場合である。
【００２７】これらの不規則な部分を除去する最良の方
法は２つの基板のボンディングを実施する前に材料を取
り除くことである。もし基板が適切な薄さに渡ってエッ
チングするならば、不規則なゾーンは直接ウェハボンデ
ィングの後除去され、得られる導波管は小さな大きさで
完全な円となる。得られるインデックスプロフィールの
幾何学的な分布は図４ｃに示すように閉じ込められる。
基板の表面での除去された薄さは数十ミクロンとなり得
る。
【００２８】この厚さの減少又はエッチングステージの
次は、直接ウェハボンディングが可能となる表面状態を
得ることを望むために２つの板をポリッシュされる。
【００２９】図５ａ及び図５ｂはガラス基板４１（イン
デックスｎ2 ）で得られる導波管４７（インデックスｎ
1 ）の部分を示す図であり、エッチング（図５ａ）の前
でかつエッチング（図５ｂ）の後のイオン交換ステージ
を示す。ほぼ半円ガイドを得るために約０．５μｍの厚
さを除去することが必要であることがわかる。例えば、
プラズマエッチング（タイプＲＩＥ）は０．０５ミリバ
ー以下の低い圧力で行われる。使用されるガスはＣＨＦ
3 であり、かつ０．５μｍの厚さをエッチングするため
に必要な時間は約１０分である。良い環境条件の下で直
接溶解を行うため良い表面状態を得るためには、シトン
(Syton) 及び大変ソフトなフェルトを使用して約１０分
間機械的なポリッシュを実行できるのである。また厚み
の減少は化学的又は機械的なエッチングによって行うこ
とができる。
【００３０】光学的に、互いに基板を接合する前に、適
切な化学的な処理によって親水性のものを作ることがで
きる。そのような処理の一例は１４０℃でH2SO4 とH2O2
の混合で１０分間基板を浸し、水で板を洗って適切に乾
燥させること含む。このステージはクリーンな部屋で実
施されるべきである。なぜならば通常基板の接続やアニ
ーリング工程によって直接なされるからである。
【００３１】図６ａ〜図６ｃは光学系カプラの製造など
の工程のステージを示す図である。各カプラにおいて適
切な窓を有するマスクを使用して、２つのガイド５４，
５６及び６４，６６が２つの基板５２，６２（図６ｂ）
のそれぞれに作成されている。そして、２つの基板は互
いに結合され、前述のボンディングステージによって処
理される。これは図６ｃに示す基準７２，７４，７６の
ようなカプラの列を与える。単一のカプラを形成するた
めに基板をカットすることができる。
【００３２】２つの基板５２，６２の相互の位置付けは
問題となる。そして、作成した光学系構造の質は半円の
ガイドを面する良い位置付けによる。単一モードのガイ
ドを作成するときその位置付けの誤差は約１μｍであ
る。この誤差はマルチモード構成を作成するときは大変
大きくなる。そして、手始めからパターン５８，８９，
６８，６９を位置付けた基板５２，６２の表面の上に作
成することができる。これらのパターンは基板に対する
マスクや相互に対する基板の位置付けを可能とする。こ
れらのパターンなしでは、２つの基板の位置付けは困難
となる。なぜならばそれらの基板はほぼ透明とし、かつ
イオン交換は位置付けを可能とするために可視状態のガ
イドにするためにガラスのインデックスを全く変化させ
ていないからである。
【００３３】図７ａ〜図７ｃはミラーの製造する工程を
示す図である。まず、図７ａに示すようにガイド８４は
基板８２でのイオン交換によって作成される。そして、
図７ｂにおいて、半分の空洞８６が例えば０．０５ミリ
バー以下の低い圧力でＲＩＥ型プラズマのエッチングに
よって各ガイドの端部に作成される。使用されるガスは
ＣＨＦ3 であり、２μｍの高さのエッチングを行うため
に必要な時間は約４０分である。これは各半分の空洞８
６の面上で例えば銀をデポジットによってなされる。そ
して、細くすることやポリッシュすることによって基板
８２の表面を施すことができ、そして直接ウェハボンデ
ィングを使用して同じ方法で施された２つの基板８２，
９２は接合される。
【００３４】半分の空洞８６の約２μｍのエッチングを
行うために工程の端部でのミラーは電話回線網で使用さ
れる導波管であるものと同じ大きさを有する必要があ
る。
【００３５】図８ａ〜図８ｄは光ファイバに接続可能な
装置の製造を示す図である。基板１０２（図８ａ）にお
いて、０．６μｍの単峰形の導波管の通路の端部に得る
ためにイオン交換によって導波管１０８が作られる。こ
れは後者に対して中心を取りガイドの端部での空洞１０
９を作成することによってなされる。典型的にはそのよ
うな空洞は幅１２５μｍ、高さ６２μｍ及び深さ３ｍｍ
を有する。そのような空洞を作成するために化学的なエ
ッチングが好ましく、例えば基板１０２は蒸発デポジッ
トによって得られるＡｕ−Ｃｒアローフィルムによって
構成されたマスクを使用するＨＦ及びＮＨ4 Ｆの混合に
よって構成されるエッチング溶液に浸される。そして、
直接ウェハボンディングを使用すると同じ方法で準備さ
れた２つの基板１０２，１１２（図８ｂ）は結合され
る。最後の空洞は２つの半分の空洞１０９，１１９の結
合によってなされる。これは光ファイバ（ここでは０．
６μｍの単峰形の光ファイバ）の準備（図８ｃ）によっ
てなされ、光学系コア１１６はガラスでの埋め込まれた
ガイドと同じ大きさである。光学系又はそのようなファ
イバのファイバクラッド１１８は約１２５μｍの直径を
融資、ポリマのカバー１２０によって保護されており、
空洞の付加に相当する長さＬに渡って洗わされており、
この場合約３ｍｍである。空洞の中のクラッドの端部の
差し込みは光ファイバ（図８ｄ）に接続することができ
る。そのような構成を有する対象は埋め込まれた光学系
ガイドに対するファイバの自動位置付け（垂直及び水平
の両方）である。
【００３６】空洞の大きさに対して付与される数で表す
詳細は少しも制限されない。前記大きさにおいて準備を
可能とするが十分であり、埋め込まれた光学系ガイドに
対する自動位置付け方法でファイバを保持することは十
分である。空洞においてファイバコアの直径に実質的に
等しい高さと幅を有することは十分である。
【００３７】本発明の産業上の提案は通常の集積化され
た光学系のものである。そして、この工程の結果とし
て、通信における通信路の構成のような、干渉又は偏光
センサのようなセンサのような複数の構成全体の提供を
達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来のガラス基板における埋込導波管を製造
する工程のステージを示す図である。
【図１ｂ】従来のガラス基板における埋込導波管を製造
する工程のステージを示す図である。
【図２】ガイドを埋め込むための従来の装置を示す図で
ある。
【図３ａ】本発明に係る工程のステージを示す図であ
る。
【図３ｂ】本発明に係る工程のステージを示す図であ
る。
【図３ｃ】本発明に係る工程のステージを示す図であ
る。
【図４ａ】本発明に係る工程によって得られる光学系ガ
イドのインデックス断面の幾何学的分布を示す図であ
る。
【図４ｂ】本発明に係る工程によって得られる光学系ガ
イドのインデックス断面の幾何学的分布を示す図であ
る。
【図４ｃ】本発明に係る工程によって得られる光学系ガ
イドのインデックス断面の幾何学的分布を示す図であ
る。
【図５ａ】本発明に配列の特別なモードに係る他のステ
ージを示す図である。
【図５ｂ】本発明に配列の特別なモードに係る他のステ
ージを示す図である。
【図６ａ】本発明における光学系カプラの製造などの工
程のステージを示す図である。
【図６ｂ】本発明における光学系カプラの製造などの工
程のステージを示す図である。
【図６ｃ】本発明における光学系カプラの製造などの工
程のステージを示す図である。
【図７ａ】本発明におけるミラーの製造する工程を示す
図である。
【図７ｂ】本発明におけるミラーの製造する工程を示す
図である。
【図７ｃ】本発明におけるミラーの製造する工程を示す
図である。
【図８ａ】本発明における光ファイバに接続可能な装置
の製造を示す図である。
【図８ｂ】本発明における光ファイバに接続可能な装置
の製造を示す図である。
【図８ｃ】本発明における光ファイバに接続可能な装置
の製造を示す図である。
【図８ｄ】本発明における光ファイバに接続可能な装置
の製造を示す図である。
【符号の説明】
２２，３２ ガラス基板 ２８，３８ 導波管

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガラス基板に埋め込まれた導波管の前処
    理としての工程が、 ２つのガラス基板の各表面上にイオン交換によって導波
    管を作成するステージと、 互いに面を作成される導波管における表面を任意の方法
    で２つの基板を一直線に並べるステージと、 ２つの基板を直接ウェハボンディングするステージとか
    らなることを特徴とする埋込導波管製造方法。
  2. 【請求項２】 直接ウェハボンディングするステージは
    制御された気圧の下でアニーリングを含む熱処理からな
    る請求項１記載の製造方法。
  3. 【請求項３】 ２つの基板がマイクロエレクトロニクス
    質のガラスである請求項１又は請求項２記載の製造方
    法。
  4. 【請求項４】 ２つの基板の表面の粗さが数ｎｍ以下で
    ある請求項１又は請求項２記載の製造方法。
  5. 【請求項５】 イオン交換ステージの次に２つの基板の
    それぞれの表面を細くするステージを含む請求項１記載
    の製造方法。
  6. 【請求項６】 細くするステージはプラズマエッチング
    又は化学的なあるいは機械的なエッチングによってなさ
    れる請求項５記載の製造方法。
  7. 【請求項７】 一直線に並べるステージの前にポリッシ
    ュステージを設ける請求項１記載の製造方法。
  8. 【請求項８】 ポリッシュステージはメカノケミカルス
    テージである請求項７記載の製造方法。
  9. 【請求項９】 一直線に並べるステージの前に基板の表
    面を親水性にする熱処理ステージを設ける請求項１記載
    の製造方法。
  10. 【請求項１０】 ミラーとガラス基板に埋め込まれた光
    学系ガイドを有するアセンブリを製造する工程が、 ２つのガラス基板の各表面上にイオン交換によって導波
    管を作成するステージと、 各ガイドの端部で半分の空洞を作成するステージと、 各半分の空洞の表面上に銀をデポジットするステージ
    と、 直接ウェハボンディングすることによって２つの基板を
    結合するステージとからなることを特徴とする製造方
    法。
  11. 【請求項１１】 各ガイドの端部における半分の空洞は
    低圧プラズマエッチングによって作成される請求項１０
    記載の製造方法。
  12. 【請求項１２】 光ファイバの接続装置を製造する工程
    が、 ２つのガラス基板の各表面上にイオン交換によって導波
    管を作成するステージと、 各ガイドの端部で半分の空洞を作成するステージと、 各半分の空洞の表面上に銀をデポジットするステージ
    と、 直接ウェハボンディングすることによって２つの基板を
    結合するステージとからなることを特徴とする製造方
    法。
  13. 【請求項１３】 空洞は化学的なエッチングによって作
    成される請求項１２記載の製造方法。
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