【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路素子及びその製造方法に係り、特に磁性ガーネットで構成された光導波路を有する光導波路素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光アイソレータや光サーキュレータなどの導波路型光非相反素子において、磁性ガーネットからなる光導波路は必要不可欠である。 このような光導波路は、例えば、以下に示す方法により形成することができる。

【０００３】すなわち、まず、ガーネットからなる単結晶基板上に液相エピタキシにより磁性ガーネット層を成膜する。 次に、この磁性ガーネット層上に金属パターンを形成する。 さらに、この金属パターンをマスクとして用いて、磁性ガーネット層をドライエッチングする。 これにより、磁性ガーネットからなる光導波路を得る。

【０００４】この方法によると、比較的少ない工程数で光導波路を形成することができる。 しかしながら、磁性ガーネット層のドライエッチングの際にマスクとして金属パターンを用いた場合、光導波路の光損失が増大することが判明している。 そのため、通常、磁性ガーネット光導波路は図５に示す方法により形成されている。

【０００５】図５（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、従来の磁性ガーネット光導波路の形成方法を概略的に示す断面図である。 従来の方法によると、まず、図５（ａ）に示すように、ガーネットからなる単結晶基板１１上に液相エピタキシにより磁性ガーネット層１２を成膜する。

【０００６】次に、図５（ｂ）に示すように磁性ガーネット層１２上にシリコン酸化物層１３を成膜する。 シリコン酸化物層１３上にレジスト層１４を成膜した後、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いてレジスト層１４に導波路パターンに対応した開口部を形成する。

【０００７】その後、単結晶基板１１のレジスト層１４
が形成された面に対して金属を蒸着させ、さらにレジスト層１４をリフトオフすることにより、図５（ｄ）に示す金属パターン１５を形成する。 次に、この金属パターン１５をマスクとして用い、反応性イオンエッチング等を行う。 これにより、図５（ｅ）に示すように、シリコン酸化物層１３をパターニングし、さらに金属パターン１５を除去する。

【０００８】次に、このパターニングしたシリコン酸化物層１３をマスクとして用い、ドライエッチングにより磁性ガーネット層１２を図５（ｆ）に示すようにパターニングする。 以上のようにして、磁性ガーネットからなる光導波路を得る。

【０００９】上述した方法によると、磁性ガーネット層のエッチングマスクとしてパターニングしたシリコン酸化物層１３を用いているため、金属パターンを用いた場合に比べて光導波路の光損失は少ない。

【００１０】しかしながら、この方法によると、磁性ガーネット層１２はドライエッチングによりパターニングされるので、光導波路の側壁はダメージを受ける。 すなわち、光散乱損失の一因である光導波路側壁の荒れを生じてしまう。 また、この方法は、上記から明らかなように、極めて多くの工程を必要とする。

【００１１】これに対し、磁性ガーネット層をウェットエッチングによりパターニングした場合、そのエッチングマスクとして金属パターンを用いたとしても光損失が過剰となることはない。 したがって、この場合、比較的少ない工程数で光導波路を形成することができる。

【００１２】しかしながら、ウェットエッチングは等方的に進行するため、エッチングマスク下部のサイドエッチングによりアンダーカットが生じ、光導波路の形状を正確に制御することは困難である。 また、エッチレートは温度のような環境からの影響を受け易いため、上述した方法によると、高い再現性で光導波路を形成することができない。 一方、ドライエッチングではサイドエッチングは生じにくいが、エッチングの進行に伴いエッチマスクの端部が徐々にエッチングされ、マスク幅が細くなることにより、やはり高い再現性で光導波路を形成することができない。 すなわち、エッチングを用いた方法によると、光導波路の寸法を正確に制御することが困難である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、磁性ガーネットで構成された光導波路を有し、その形状及び寸法を正確に制御することが可能な光導波路素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１４】また、本発明は、磁性ガーネットで構成された光導波路を有し、少ない工程数で製造することが可能な光導波路素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、本発明は、単結晶下地層と単結晶の磁性ガーネットから実質的になり上記単結晶下地層上に形成された光導波路とを有し、この光導波路は順テーパー状の断面形状を有すること及びこの光導波路の側面は平面で構成されたことを特徴とする光導波路素子を提供する。

【００１６】また、本発明は、単結晶下地層上に所定のパターンの開口部を有する金属層を形成する工程と、この金属層が形成された単結晶下地層の露出面上で液相エピタキシにより磁性ガーネットの結晶成長を生じさせて磁性ガーネットから実質的になる光導波路を形成する工程とを有することを特徴とする光導波路素子の製造方法を提供する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、図面を参照しながらより詳細に説明する。 図１（ａ）〜（ｃ）
は、それぞれ、本発明の一実施形態に係る光導波路素子の製造方法を概略的に示す断面図である。

【００１８】光導波路素子を製造するに当たり、まず、
図１（ａ）に示すように、単結晶下地層であるガーネット基板１上にレジスト層２を形成し、これをフォトリソグラフィー技術をはじめとするリソグラフィー技術を用いてパターニングする。 このレジスト層２のパターンは、最終的に形成される光導波路のパターンと対応している。

【００１９】次に、図１（ｂ）に示すように、薄膜として、例えば金属を蒸着することにより金属層３を形成し、さらにリフトオフプロセスによりレジスト層２を除去する。 これにより、金属層３にはレジスト層２のパターンに対応した開口部が形成される。

【００２０】その後、基板１の金属層３が形成された面に、液相エピタキシにより磁性ガーネット層４を成膜する。 磁性ガーネットの結晶成長は基板１の露出面上で選択的に生ずるので、磁性ガーネット層４は金属層３の開口部のパターンと対応したパターンに形成される。

【００２１】なお、液相エピタキシは高温下で行われるので、通常、金属層３は時間の経過とともに溶融して最終的には消滅する。 したがって、磁性ガーネット層４
は、必ずしも金属層３の開口部だけに形成される訳ではない。

【００２２】しかしながら、金属層３は少なくとも液相エピタキシの初期においてはマスクとして機能する。 そのため、液相エピタキシの初期において、磁性ガーネットの結晶成長は金属層３の開口部内で露出した基板１の表面上で選択的に生ずる。

【００２３】また、金属層３と基板２との界面は液相エピタキシの際に荒らされる。 そのため、そこに成長する磁性ガーネットは単結晶とはならず、アモルファス（非晶質）と微量の結晶とが混在する多結晶となる。 通常、
単結晶と多結晶とでは成長速度が異なる。

【００２４】したがって、最終的に形成される磁性ガーネット層４の形状には、金属層３の開口部のパターンが反映される。 すなわち、図１（ｃ）に示すリブ導波路構造を得ることができる。 本実施形態に係る方法によると、以上のようにして、磁性ガーネット層４で構成された光導波路５を有する光導波路素子を得る。 このようにして得られた光導波路素子は、さらに所定の加工を施すことにより、例えば、光アイソレータや光サーキュレータなどの導波路型光非相反素子とすることができる。

【００２５】上述した方法によると、磁性ガーネットをエッチングすることなく光導波路５を形成することが可能である。 そのため、光導波路５の側壁がエッチングによりダメージを受けることがない。 したがって、本方法によると、光散乱損失が低減された光導波路５を形成することができる。

【００２６】本方法において、金属層３は、レジスト層２が形成する開口部内に金属を堆積させることにより形成されるため、当然の如く、そのパターン形成時にレジスト層がエッチングされることは殆どない。 また、レジスト層２が形成するレジストパターンの線幅は、公知のフォトリソグラフィー技術等を用いることにより高精度に制御することが可能である。 したがって、本方法によると、金属層３の寸法及び形状を極めて高い精度で制御することができる。

【００２７】また、本方法において、磁性ガーネット層４は液相エピタキシにより形成されるので、光導波路５
の幅はその形成初期段階における金属層３の開口部の寸法と極めて高い相関を有している。 すなわち、本方法においては、液相エピタキシにおいて金属層３が溶融したとしても、それが光導波路５の幅に与える影響は極めて少ない。 したがって、上述した方法によると、光導波路５の幅を高い精度で制御することが可能である。

【００２８】さらに、本方法においては、光導波路５の形成に、選択成長法の１つである液相エピタキシが用いられる。 公知のように、選択成長法によると、極めて高い精度で膜厚を制御することが可能である。 したがって、本方法によると、光導波路５の高さも高い精度で制御することができる。

【００２９】このように、上述した方法によると、光導波路５の幅及び高さの双方を高い精度で制御することができる。 すなわち、本方法によると、光導波路５の寸法を正確に制御することが可能である。

【００３０】上述した方法により形成される光導波路５
は、順テーパー状の断面形状を有しており、その側面は平面で構成される。 なお、ここで順テーパー状の断面形状とは、例えば、図１（ｃ）に示すような等脚台形或いは二等辺三角形を意味する。

【００３１】液相エピタキシにより薄膜を成膜した場合、そのサイズに関わらず薄膜の断面形状は順テーパー状となる。 また、この場合、薄膜の側面にはある特定の結晶面が現れるため、側面は平面状となる。 このような断面形状は、液相エピタキシにより形成した薄膜をパターニングする従来の方法を用いた場合においても観察される。

【００３２】例えば、図５（ａ）に示したように基板１
１の全面に磁性ガーネット層１２を液相エピタキシにより成膜した場合、磁性ガーネット層１２の断面形状は極めて偏平ではあるが巨視的に見れば順テーパー状であり、その側面は平面となる。

【００３３】しかしながら、基板１１の全面に磁性ガーネット層１２を成膜した場合には、エッチング法を用いてパターニングを行う必要がある。 そのため、このような場合、最終的に形成される光導波路には、液相エピタキシにより形成された特徴的な断面形状は残されない。
すなわち、最終的に形成される光導波路の断面形状は、
エッチング工程で決定される。

【００３４】磁性ガーネット層１２をドライエッチング或いはウェットエッチングを用いてパターニングした場合、得られる光導波路の断面形状はエッチング条件等に応じて多様である。 しかしながら、これら方法は、磁性ガーネット層１２の露出部を等方的にエッチングするものであるので、それにより得られる光導波路の側面は曲面となるものと考えられる。

【００３５】また、反応性イオンエッチングは高い指向性を有しているため、矩形状の断面形状を得るのには適している。 しかしながら、反応性イオンエッチングにより順テーパー状の断面形状を得ることは困難であると考えられる。

【００３６】したがって、上記順テーパー状の断面形状及び平面で構成された側面、より詳細には、所定の結晶面で構成された側面を有する光導波路５が得られることは、本方法において特徴的であるといえる。

【００３７】上述した方法により形成される光導波路５
の幅に特に制限はないが、通常はサブミクロンのオーダー〜数１０μｍの範囲内である。 また、光導波路５の高さについても特に制限はないが、通常はサブミクロンのオーダー〜１０μｍの範囲内である。

【００３８】光導波路５の側面と単結晶下地層１の主面とがなす角度の範囲は、磁性ガーネット層４に用いる材料等に応じて異なる。 通常、この角度は０°より大きく９０°よりも小さい。

【００３９】上述したように、本方法により形成された光導波路５は等脚台形状或いは二等辺三角形状の断面形状を有する。 光導波路５がいずれの断面形状をとるかは光導波路５の幅や高さ及び光導波路５の側面と単結晶下地層１の主面とがなす角度に応じて決定される。 例えば、光導波路５は、その幅が広い場合には等脚台形状の断面形状を有し、その幅が狭い場合には二等辺三角形状の断面形状を有する。

【００４０】単結晶下地層１を構成する材料としては、
磁性ガーネット層４と格子整合をとることができ且つ液相エピタキシの際に磁性ガーネット層４が形成されるものであれば特に制限はなく、例えば、Ｇｄ ₃ Ｇａ ₅ Ｏ ₁₂等のガーネットを挙げることができる。 通常、単結晶下地層１は、単結晶基板である。

【００４１】また、光導波路５を構成する磁性ガーネットとしては、上記単結晶下地層１上に液相エピタキシにより成長可能な材料であれば特に制限はなく、例えば、
（ＬｕＮｄＢｉ） ₃ （ＦｅＡｌ） ₅ Ｏ ₁₂等を挙げることができる。

【００４２】レジスト層２の材料に特に制限はなく、フォトリソグラフィー技術において一般に使用されるフォトレジスト等を使用することができる。 また、金属層３
の材料としては、例えば、Ｔｉのような金属を挙げることができる。

【００４３】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 図２（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、本発明の実施例に係る光導波路素子の製造方法を概略的に示す断面図である。
図２（ｅ）に示す光導波路素子を、以下に示す方法により作製した。

【００４４】まず、図２（ａ）に示すように、Ｇｄ ₃ Ｇ
ａ ₅ Ｏ ₁₂で示される組成のガーネット基板１上に、電子ビーム露光用のポジ型レジストであるＯＥＢＲ−１００
０をスピナーにより塗布して厚さ０．５μｍの塗布膜を形成した。 この塗布膜を１８０℃で３０分間ベーキングすることにより、レジスト層２を形成した。

【００４５】次に、図２（ｂ）に示すように、このレジスト層２上に、真空蒸着装置を用いて厚さ約０．２μｍ
のＡｌ膜６を成膜した。 このＡｌ膜６は、後述する電子ビーム露光時に基板１が帯電するのを防止するものである。

【００４６】Ａｌ膜６を成膜後、レジスト層２の光導波路が形成されない領域を電子ビームで露光した。 露光後、Ａｌ膜６をＮａＯＨ水溶液を用いて除去した。 その後、レジスト層２をメチルイソブチルケトンとイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）とを１：１の比で混合してなる現像液で現像し、ＩＰＡでリンスした。 さらに、現像後に僅かに残留する不所望なレジストをＯ ₂プラズマアッシングにより除去した。 なお、アッシングは、入射電力を５０Ｗとし、４５秒間行った。 以上のようにして、
図２（ｃ）に示すレジスト層２からなるレジストパターンを形成した。

【００４７】次に、このレジストパターンをマスクとして、基板１上に厚さ約９０ｎｍのＴｉ膜３を成膜した。
なお、Ｔｉ膜３は、Ｅ−ｇｕｎを用いて、すなわち、電子ビームを用いた蒸着法により成膜した。

【００４８】Ｔｉ膜３を成膜後、基板１をアセトン中に浸漬させることによりリフトオフを行った。 レジスト層２上に成膜されたＴｉ膜３はレジストとともに除去され、基板１上に成膜されたＴｉ膜３のみが残留し、その結果、図２（ｄ）に示す構造が得られた。

【００４９】次に、Ｔｉ膜３をマスクとして、図２
（ｅ）に示すように、基板１上に（ＬｕＮｄＢｉ）
₃ （ＦｅＡｌ） ₅ Ｏ ₁₂で示される組成の磁性ガーネットからなる光導波路５を液相エピタキシャル成長法により形成した。 なお、成長温度は７５５℃とし、成長時間は３
０秒〜１分とした。 また、Ｔｉ膜３は、磁性ガーネットの成長の際に、上記磁性ガーネットの液晶エピタキシャル成長に用いた溶融液中に溶け込み、基板１上から消失した。

【００５０】以上のようにして作製した図２（ｅ）に示す光導波路素子の光導波路５の膜厚は約０．４５〜０．
６２μｍであり、波長１．５５μｍの光についての屈折率は約２．２５〜２．２６であった（膜厚及び屈折率はｍ−ｌｉｎｅ法により測定した）。 また、光導波路５の露出面は平坦であり且つ結晶面で構成されていた。

【００５１】図３及び図４は、以上のようにして作製した光導波路素子の電子顕微鏡写真である。 図３に示す光導波路素子において、光導波路５は等脚台形状の断面形状を有している。 一方、図４に示す光導波路素子において、光導波路５は二等辺三角形状の断面形状を有している。 図３に示す光導波路素子はレジストパターンの線幅をより広くした場合に得られたものであり、図４に示す光導波路素子はレジストパターンの線幅をより狭くした場合に得られたものである。 以上から、金属マスク３の開口幅に応じて、光導波路５の断面形状及び寸法を制御可能であることが確認された。

【００５２】また、光導波路５の側面は基板１の主面と約２２°の角度をなしており、且つ（３ ２ １）面に相当することが確認された。

【００５３】さらに、上記光導波路素子は、光導波路の側壁がエッチングダメージを受けていないため、光損失が極めて低減されていることが確認された。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
光導波路は、所定のパターンの開口部を有する金属層が形成された単結晶下地層上で結晶成長を生じさせることにより形成される。 そのため、エッチングを用いた場合とは異なり、その形状及び寸法を正確に制御することが可能であり、且つ光導波路素子を少ない工程数で製造することが可能である。

【００５５】すなわち、本発明によると、磁性ガーネットで構成された光導波路を有し、その形状及び寸法を正確に制御することが可能な光導波路素子及びその製造方法が提供される。 また、本発明によると、磁性ガーネットで構成された光導波路を有し、少ない工程数で製造することが可能な光導波路素子及びその製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の一実施形態に係る光導波路素子の製造方法を概略的に示す断面図。

【図２】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、本発明の実施例に係る光導波路素子の製造方法を概略的に示す断面図。

【図３】本発明の実施例に係る光導波路素子の電子顕微鏡写真図。

【図４】本発明の実施例に係る光導波路素子の電子顕微鏡写真図。

【図５】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、従来の磁性ガーネット光導波路の形成方法を概略的に示す断面図。

【符号の説明】

１，１１…基板 ２，１４…レジスト層 ３…金属層 ４，１２…磁性ガーネット層 ５…光導波路 ６…Ａｌ膜 １３…シリコン酸化物層 １５…金属パターン

【手続補正書】

【提出日】平成１２年３月２４日（２０００．３．２
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】