JPS5911085B2 - 光変調器の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は固体光集積回路や光変調器の製造方法に関する
もので、特に光学単結晶基板又はガラス等の光学材料よ
りなる基板上に形成された高屈折率の光導波層に光回路
及び電極を形成する方法に関する。

従来から、光学単結晶又はその他の材料を基板とし、基
板上に形成せしめた平面状光導波層に対して、平面内に
おいてさらに特定の領域に光通路を限定せしめる光回路
を作成する方法が種々提案されて来た。

例えば１９６９年 ＴｈｅＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃ
ｈｎｉｃａｌＪＯｕｍａＦ′ＶＯｌ．４８、滝７に述べ
られているように、光導波層の製造方法として、低屈折
率の基板上に光回路パターン部分又は非導波部分の開口
を有するマスクを作り、光導波部分又は非導波部分にの
み、拡散源を蒸着の後、拡散せしめて、高屈折率又は低
屈折率の部分を形成せしめる方法、さらにはマスク開口
部分にのみ、イオン注入によつて注入元素イオンを打込
み、高屈折率又は低屈折率の領域を形成せしめる方法が
ある。以上は平面導波層内部に局部的に光導波部分を形
成する方法であるが、これらの方法に対して平面状光導
波層の光導波部分をエツチング方法により、立体的に加
工する方法がある。

この場合には、エツチング方法、被エツチング材材質に
適するマスク材質を選択し、光回路パターン状のマスク
材料が被覆されている部分以外の領域をエツチングする
ことにより、立体的光導波路を形成することが可能であ
る。

本発明に係わる光導波路形成方法は、止述のうち後者の
方法に関連するものである。ここで光導波路のエツチン
グ加工は高精度加工が要求され、導波路の断面形状、導
波路側面の面精度は波長のオーダー以下とする必要があ
り、例えば表面粗さをσ１２とすると、Ｅｘｐ〔一（４
πσ１２Ｃ０Ｓθ１／λ１）２に比例するパワー損失と
なる。

ただし、θ１は伝播光の光導波側面での反射角、λ１は
伝播光の波長である。光導波路の高さ及び巾は通常、数
μ又は数１０μ程度の矩形状となるのが一般である。化
学エツチング方法は、レジスト膜よりエツチング部分を
写真蝕刻により除去しておき、被エツチング材の化学エ
ツチング溶液に浸漬することにより、所要部分のみエツ
チングし、光回路パターンマスク部分のみがエツチング
されずに光回路が形成されることを利用する方法である
。

一般にこの化学エツチング方法では、サイドエツチング
と呼ばれる現象が顕著であり、通常レジスト膜の直下の
側面及び下部分のエツチングが進行し、導波路断面形状
は矩形からずれ、台形又は三角形状となりやすい欠点が
ある。一方、光回路加工の望ましい方法としては、上述
のサイドエツチングが生じにくいドライエツチング、即
ちイオンエツチング、スパツタエツチング、プラズマエ
ツチング等が挙げられる。

特にイオンエツチングはエツチングに関与する加速イオ
ンの指向性が良いので、サイドエツチングが生じにくい
利点がある。通常イオンエツチング用パターンマスクと
しては、基板よりエツチング速度の小さい金属マスクが
使われる。エツチング速度比が大なるほどサイドエツチ
ングが生じにくく、導波路の断面形状も矩形を保持し、
光導波路加工方法の条件は適切なものとなる。このパタ
ーンマスクは一般に被加工材上に蒸着又はスパツタリン
グによつてエツチング又はリフトオフ法に従つて被覆さ
れる。この場合、所定の光導波路を形成した後、通常マ
スクを除去する必要がある。

従来の光導波層に直接金属又は酸化物をパターンマスク
として付着せしめる場合には、エツチング後のパターン
マスクの除去に化学溶剤又はスパツタ、エツチング等の
方法によつて行われるが、これらの方法では化学的に不
安定な基板、例えばτ 強酸に非耐食性を示すビスマス
シリコンオキサイド又はビスマスゲルマニウムオキサイ
ド単結晶や、マスク除去用溶剤と反応する基板、例えば
弗化水素ど反応するニオブ酸リチウム単結晶等には適用
できない欠点がある。

次に、上述の方法によつて矩形光導波路を形成し、これ
を例えば偏検光子と組み合わせ、電気光学効果を利用し
て光変調器とする場合、幅数μ〜数１０μ、深さ数μ〜
数１０μの光導波路に電極を形成する方法が問題となる
が、従来方法により、ノ既に矩形光導波路を形成したあ
と電極を形成することは、以下のような理由で困難であ
る。

先ずフオトエッチング法を用いる場合、ソフトオフ法や
必要な開口部を露光によつて設ける方法が考えられるが
、既に数μ〜数１０μの凹凸を持つ面にレジストを均一
に塗布することは不可能であるため、正確なマスキング
は困難である。

又フオトエツチング以外の方法として、所定の開口部を
持つ金属マスクを用いて電極材料を付着せしめる方法も
考えられるが、巾が数１０μ以下の正確な金属マスクは
加工精度上製作は困難である。若しマスキングできたと
しても、わずかのマスクのずれや光導波路とのすき間の
存在によつて導波路側面に電極材料が回り込み、動作特
性に悪影響をおよぼす。電極形成用マスクをあらかじめ
作つておいても化学エツチングやイオンビームエツチン
グで形成された光導波路は、サイドエツチング効果によ
つて必ずしも所定の導波路幅にならず、上と同様に電極
材料の回り込みを生じるなどの理由で非常に困難である
。

本発明の目的は、先ず上述の電極形成の難点を解決する
ため、前述の矩形波光導波路形成以前に、所定の図形の
電極を形成することにより、任意の形状の電極を正確に
形成すると共に、上述の光導波層に光回路を形成する上
での欠点を解決するため、マスクの形成方法を改良する
ことにより、サイドエツチングが生ぜず、かつ金属マス
クの除去に際し、基板や光導波層を損傷しない、光導波
路を形成する方法を提供することにある。

本発明は、光学単結晶又は光学材料よりなる基板上に形
成された光導波層に光回路及び電極を形成する方法にお
いて、上記光導波層の表面に電極材料層を付着せしめ、
その上を第１フオトレジスト層で被覆した後、所定の電
極パターンマスクを通して上記第１フオトレジスト面を
露光し、現像することにより、該第１フオトレジストの
電極パターンを形成し、ドライエツチング叉は化学エツ
チングによつて上記電極材料層をエツチングすることに
より、所定の電極を形成せしめた後、残つた第１フオト
レジストを化学的に除去して、上記導波層の表面に電極
のみが存在する状態にし、次いで、上記電極を含む導波
層の表面に第２フオトレジスト層、例えばチタン、クロ
ムなどの金属又は例えば酸化チタン、二酸化硅素、酸化
アルミニウムなどの酸化物マスクおよび第３フオトレジ
スト層を順次被覆した後、表面層より順にフオトレジス
ト層には露光、現像を金属又は酸化物マスクにはドライ
エツチング（例えばイオンエツチング、スパツタエツチ
ング、プラズマエツチングなど）又は化学エツチングを
施すことにより、上記３層を重ねた所定の光回路パター
ンを作成し、しかる後表面全面に対しドライエツチング
を施すことにより、上記光導波層に光回路を形成させた
後、上記第２フオトレジストを除去することにより、上
記多被覆層を除去することを特徴とする光変調器の製造
方法である。

本発明において、基板となる光学単結晶とは電気光学効
果、圧電効果、非線型効果、レーザーホスト等の光学的
特性を有する材料、例えばニオブ酸リチウム、タンタル
酸リチウム、ビスマスシリコンオキサイド、ビスマスゲ
ルマニウムオキサイド等のビスマスオキサイドのシレナ
イト族、ガリウム砒素、ガリウムリンなどの単結晶を意
味し、光学材料とはガラスなどの透明な材料を意味する
。

又それらの基板上に形成された光導波層とは、基板より
屈折率の高い薄膜層であり、例えばエピタキシャル法、
拡散法、イオン打込法などにより形成されたものである
。本発明における前述の任意のサイズの電極を正確に形
成しうる特徴は、例えばＬｉＴａＯ３のＺ板上にＬｉＮ
ｂＯ３をエピタキシヤル成長させて、ｚ方向に電圧を印
加して光変調を行う場合に大いに有用となる。

さらに、基板裏面および光導波路上面に電極を形成する
必要のある例としては、基板材料として光導電性材料を
用い、光導波路として光導電性を示さない材質を用いた
例をとると、基板裏面と光導波路に相対向する電極を形
成し、この電極間に電圧を印加し、被変調光を光導波路
に導波させるものである。次に、基板を光導電性材料に
する光を照射することにより、基板層は低抵抗となるた
め、印加電界はほとんど光導波層に加わり、低電圧で充
分な光変調を行うことができるとともに、光照射による
変調電圧の制御も可能であり、光による光変調も可能で
ある。

従つて基板材料として光導電性材質を用い、光導波層と
してほとんど光導電性を示さない材質を用いることはこ
の有用性による。以下、本発明を図面を用いて実施例に
より詳述する。第１図、第２図は本発明方法の実施例を
説明するため、それぞれ電極の形成方法、光導波層の光
回路形成方法を加工工程順に示した断面図である。第１
図イにおいて、１は基板で、例えばタンタル酸リチウム
単結晶よりなり、２はその表面に形成された基板１とは
屈折率の異なる、例えばより高屈折率のニオブ酸リチウ
ムよりなる光導波層である。先ず光導波層２の上に電極
材料３としてＡｕを厚さ数百〜数千λ蒸着するか、Ｃｒ
を数百λ蒸着した後Ａｕを数百〜数千λ蒸着する。ここ
で電極材料３として特にＡｕ又はＣｒとＡｕの複合層を
用いる理由は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の電気光
学単結晶はＨＣｌ，．ＨＮＯ３、叩 などの酸にエツチ
ングされ、これらによつて化学エツチングする電極材料
を用いた場合には、電極パターンを形成する時に基板層
及び光導波層もエツチングされるが、一方Ａｕは、水の
他、ヨード液（ＫＩ＋２＋Ｈ２Ｏ）によつてもエツチン
グが可能であり、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等の電気
光学単結晶がこのヨード液にほとんどエツチングされな
いためである。Ｙ．Ｃｒは酸化物との密着性が良く、光
導波層上にＣｒを、次にＡｕを付着させると、ＣｒとＡ
ｕの密着性も良いため、強固な電極が形成でき、かつ硫
酸系のＣｒエツチング液｛Ｈ２ＯとＨ２ＳＯ４とＣｅ（
ＳＯ４）２および／又はＣｅ（ＳＯ４）２．２（ＮＨ４
）２．Ｓ０４．ＸＨ２０とよりなる溶液｝がヨード液同
様、基板および導波層をほとんどエツチングしないとい
う利点をもつ。次に、Ａｕ又はＣｒとＡｕの複合層３の
上に第１フオトレジスト４を塗布し、これを所定の電極
パターンマスクを通して露光し、現像することにより、
電極として必要なマスクパターンを形成する。第１図口
において、４はこのようにして形成された第１フオトレ
ジストよりなるマスクパターンであり、この状態で上記
ヨード液、Ｃｒエツチング液を用い、Ａｕ又はＣｒとＡ
ｕの複合層の電極材料３を化学エツチングすることによ
り、光導波層２の表面に所定の電極３を形成することが
できる。次に、光導波層２に光回路を形成する方法を第
２図により説明する。先ず、電極３を含む導波層２の表
面に、ポジタイプの第２フオトレジスト５を通常のスピ
ーナにより厚さ２〜３μ塗布する。

この場合、既に形成した電極３は、その厚みが数百〜数
千λと薄いためにフオトレジストの塗布に何ら悪影響を
与えないことは、平面粗さλ／５、すなわち約１０００
λの凹凸に研磨仕上げされた鏡面にフオトレジストでパ
ターンを形成した場合でも何ら分解能が劣化しなかつた
ことより明らかである。第２フオトレジスト５の上にス
パツタリングにより、金属マスク６（例えばチタン、ク
ロムなど）又は酸化物マスク６（例えば酸化チタン、二
酸化硅素、酸化アルミニウムなど）を全面に蒸着する。

さらに金属マスク６上の全面にポジ又はネガタイブの第
３フオトレジスト７を厚さ２〜３μ塗布する（イ図）。
次に通常の光露光法によつて所望の光回路パターンマス
ク（図示せず）を通して第３フオトレジスト７面に露光
し、現像すると、口図に示す如く第３フオトレジスト７
の光回路パターンが形成される。

次に化学エツチング又はスパツタエツチングによつて金
属マスク６をエツチングすると、ハ図に示す如く、レジ
スト７残留部以外が除去され、光回路用金属製パターン
マスクができ上る。

ここで化学エツチングにＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３等
の電気光学単結晶がエツチングされる溶剤、例えばＨＦ
：ＨＮＯ３＝１：１混合溶液を用いる場合には、基板層
の裏面及び側面に適当な厚さでレジストを塗布すること
により、基板層のエツチングを防ぐことができる。

以上の工程で得られたパターン化された第３フオトレジ
スト７および金属マスク６をフオトマスクとし、再度表
面を露光すると、金属マスク６によつて蔽われている個
所は遮光されるので、現像の際その部分のフオトレジス
ト５は溶解せず、二図に示す如く、残存する。

ここで、フオトレジスト７がポジタイプの場合は現像時
に除去されるが、ネガタイプの場合は必ずしも除去され
ない。しかる後、イオンエツチングによつて表面全面に
わたりエツチングを行なうと、光回路パターン部分はホ
図に示す上から順次層７，６，５とエツチングされる。
この場合の多被覆層７，６，５がなくなるまでの被エツ
チング材のエツチング深さＤ，は、各被覆層の材質、厚
さ及び被エツチング材（光導波層２）材質によつて次式
（１）に従う。

ここで、 Ｄｓ：被エツチング材のエツチング深さ Ｄｍｌ：第３フオトレジスト７の層厚 Ｄｍ２：金属又は酸化物マスク６の層厚 Ｄｎｌ３：第２フオトレジスト５の層厚 Ｒｓ：被エツチング材の加工速度 Ｒｎｌｌ：第３フオトレジスト７の加工速度Ｒｍ２：金
属叉は酸化物マスク６の加工速度Ｒｎｌ３：第２フオト
レジスト５の加工速度このように、本発明は多層を積層
してマスク材として使用しても単一マスクと同等のマス
ク効果があることがわかる。

本発明の効果を有効に発揮させるためには、被エツチン
グ材の予定エツチング深さを、（１）式で与えられＤ８
よりも小として、各種エツチング条件を選定する必要が
ある。

このような条件下では、フオトレジスト５はエツチング
されずに残存する。

所定のエツチング深さを得た時点では第２図ホに示すよ
うに、矩形光導波層２が形成され、この上に存在するＡ
ｕ又はＣｒとＡｕの複合層の電極３も同様に残存してお
り、残るマスクパターン５又は５，６は、第２フオトレ
ジスト５をそれに有効な除去剤によつて除去することに
よつて、へ図に示す如く除去され、正確にＡｕ又はＣｒ
とＡｔ複合電極３の形成された矩形導波路２が得られる
。本発明においては、上述の予定エツチング深さを適当
に選ぶことにより、イオンエツチング中金属又は酸化物
マスク６を容易に除去できると共に、フオトレジスト５
が残存するので、被加工基材を何ら損傷せずに、サイド
エツチングがなく、精度の高い光回路パターンが得られ
る。

又本発明においては、マスク６と光導波層２の間に第２
フオトレジスト５を有するので、被加工基材と反応性の
ある金属又は酸化物マスク材を用いる時にも適用でき、
任意のマスク材質を選定することが可能となる。

最後に、基板裏面に通常のフオトエツチング法によつて
Ａｕ電極８を形成すると、例えば偏検光子と組合せ、紫
外〜青色光照射のもとで電圧を印加することによつて、
精密な導波路及び電極を有する光変調器を製造すること
ができる。

次に本発明の実施例について述べる。

実施例 ＬｉＴａＯ２のＺ板を基板としてＬｉＮｂＯ３層を厚さ
約１０μエピタキシャル成長させた。

先ずＬｉＮｂＯ３層の表面を、約３μ程度エピタキシャ
ル層が残るように平面粗さλ／１０、平行度１０秒以下
に光学研磨を施し、その後第１図に示す方法により、Ｃ
ｒを厚さ約４００λ．Ａｕを厚さ約２０００λフオトレ
ジストを厚さ２μそれぞれ順に付着せしめた後、フオト
エツチング法によりフオトレジストの電極パターンを形
成せしめ、Ｋ：１２：Ｈ２Ｏ＝６０ｙ：２０ｆ：１００
７の常温のヨード液で約３０秒間Ａｕをエツチングした
後、常温のＣｒエツチング液（Ｈ２ＳＯ４とＣｅ（ＳＯ
４）２．２（ＮＨ４）２Ｓ０４．２Ｈ２０より成るエツ
チング液）で化学エツチングを行い、その後フオトレジ
ストを除去し、所定の電極パターンを得た。

その後第２図に示す光回路形成方法によつて光導波層を
加工した。用いたフオトレジストはすべてポジタイプの
厚さ２μのものであり、金属マスクには、Ｔｉを高周波
スパツタリングにより付着せしめた。第２図、イに示す
各被覆層の厚さは次の通りであつた。

第２フオトレジスト．５の厚さ ２ μ金属マスク６
のチタンの厚さ ０．３μ第３フオトレジスト７の厚
さ ２２ 口〜ホ図に示すマスクの巾を３μとした。

ホ図の工程でのイオンエツチング加工条件は次の通りで
あつた。

加速イオンリアルゴン 加速電圧：１０００ イオン電流：１．０７７ＬＡ／ＣｒＡ エツチング時間：１２０分 叉（１）式において、フオトレジスト材としてＡＺ一１
３５０（商品名：米、シグレ一社製、ナフトキノンジア
ジド系熱分解剤とアルカリ可溶性ノボラツク樹脂の混合
）を用いた場合、Ｄｎｌｌ＝２Ｘ１０４λ、貼＝６００
λ／分、Ｄｍ２＝２×１０３λ、Ｒｍ２＝２００λ／分
で、ＬｉＮｂＯ３のエツチング加工速度は２７０λ／分
であるので、エツチング１２０分後のエツチング深さは
約３μとなる。

本実験の結果、エツチング深さはほぼ同上の計算通り約
３μとなつた。このイオンエツチング後、第２フオトレ
ジスト材の除去溶液を用いて除去した結果、残存したチ
タン金属マスクは完全にフォトレジストと共に除去でき
た。

得られた光回路はサイドエツチングがなく、精度の高い
ものであつた。さらにＣｒとＡｕ複合電極３は矩形導波
路２の上に、それと同じ巾で残存しており、本発明の有
用性が示された。

以上述べたように、本発明方法は、光導波路に光回路を
形成する以前に、所定の図形の電極を形成させるので、
任意の形状の電極を正確に形成することができると共に
、電極を含む光導波層表面上にフオトレジスト一金属叉
は酸化物マスクーフオトレジストの３層を被覆し、上よ
り順次光回路パターンを形成し、イオンエツチングによ
り光導波層に光回路を形成させるので、精度の高い光回
路パターンが得られ、被加工基材を何ら損傷せず、かつ
サイドエツチングがなく、又被加工基材と反応性のある
マスク材も使用でき、任意のマスク材質を選定すること
ができ、従つて良質な光変調器を製造することができる
利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、イ〜ハ、第２図、イ〜へは、本発明方法の実施
例を説明するため、それぞれ電極の形成方法、光導波層
の光回路形成方法を加工工程順に示した断面図である。 １・・・・・・基板、２・・・・・・光導波層、３，８
・・・・・・電極（Ａｕ又はＣｒ，５Ａｕの複合層）、
４・・・・・・第１フオトレジスト、５・・・・・・第
２フオトレジスト、６・・・・・・金属又は酸化物マス
ク、７・・・・・・第３フオトレジスト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学単結晶又は光学材料よりなる基板上に形成され
   た光導波層に光回路及び電極を形成する方法において、
   上記光導波層の表面に電極材料層を付着せしめ、その上
   を第１フォトレジスト層で被覆した後、所定の電極パタ
   ーンマスクを通して上記第１フォトレジスト面を露光し
   、現像することにより、該第１フォトレジストの電極パ
   ターンを形成し、ドライエッチング又は化学エッチング
   によつて上記電極材料層をエッチングすることにより、
   所定の電極を形成せしめた後、残つた第１フォトレジス
   トを化学的に除去して、上記導波層の表面に電極のみが
   存在する状態にし、次いで上記電極を含む導波層の表面
   に第２フォトレジスト層、金属又は酸化物マスクおよび
   第３フォトレジスト層を順次被覆した後、表面層より順
   に、フォトレジスト層には露光、現像を、金属又は酸化
   物マスクにはドライエッチング又は化学エッチングを施
   すことにより、上記３層を重ねた所定の光回路パターン
   を作成し、しかる後表面全面に対しドライエッチングを
   施すことにより、上記光導波層に光回路を形成させた後
   、上記第２フォトレジストを除去することにより、上記
   多被覆層を除去することを特徴とする光変調器の製造方
   法。 ２ 基板が光導電性材質より成り、光導波層がほとんど
   光導電性を示さない材質より成る請求の範囲第１項記載
   の光変調器の製造方法。 ３ 電極材料が金又はクロムと金の複合層より成り、上
   記金の化学エッチングに沃化カリウム、ヨードおよび水
   より成るヨード液を使用し、上記クロムの化学エッチン
   グに硫酸系のクロムエッチング液を使用する請求の範囲
   第１項記載の光変調器の製造方法。 ４ 金属マスクがチタン又はクロムよりなり、酸化物マ
   スクが酸化チタン、二酸化硅素又は酸化アルミニウムよ
   りなる請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載の光変
   調器の製造方法。 ５ ドライエッチングがイオンエッチング、スパッタエ
   ッチング又はプラズマエッチングである請求の範囲第１
   項、第２項、第３項又は第４項記載の光変調器の製造方
   法。 ６ 最終のドライエッチングが、光導波層の予定エッチ
   ング深さを次式で与えられる、ｄ＿ｓより小として、エ
   ッチング条件を選定して行われる請求の範囲第１項乃至
   第５項のうちいずれか一つ記載の光変調器の製造方法。 ｄ＿ｓ＝Ｒ＿ｓ（ｄ＿ｍ＿１／Ｒ＿ｍ＿１＋ｄ＿ｍ＿２
   ／Ｒ＿ｍ＿２＋ｄ＿ｍ＿３／Ｒ＿ｍ＿３）ただし、ｄ＿
   ｓ：多被覆層がなくなるまでの被エッチング材のエッチ
   ング深さｄ＿ｍ＿１：第３フォトレジストの層厚 ｄ＿ｍ＿２：金属又は酸化物マスクの層厚ｄ＿ｍ＿３：
   第２フォトレジストの層厚 Ｒ＿ｓ：被エッチング材の加工速度 Ｒ＿ｍ＿１：第３フォトレジストの加工速度Ｒ＿ｍ＿２
   ：金属又は酸化物マスクの加工速度Ｒ＿ｍ＿３：第２フ
   ォトレジストの加工速度。