JP2001051144A

JP2001051144A - 光導波路及びその作製方法

Info

Publication number: JP2001051144A
Application number: JP23017699A
Authority: JP
Inventors: Manabu Oguma; 学小熊; Yasuji Omori; 保治大森; Emi Tamechika; 恵美為近; Yasuhiro Sato; 康博佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】リブ型半導体光導波路のコア部分の強度を上
げ、切断時の光導波路の破損をなくする。【解決手段】半導体基板の表面上に絶縁膜を設け、そ
の上に半導体材料からなる光導波路のコア部を設け、そ
の上に石英系ガラスからなる保護層を前記コア部の高さ
以上に設けた光導波路である。また、２枚の半導体基板
にそれぞれ熱酸化膜を形成し、この熱酸化膜を形成した
２枚の基板を張り合わせ、この張り合わせた基板の片方
の基板のみを高精度に研磨し、その後、コア部分が残る
よう周囲をエッチングしてコア部分を形成し、その上に
石英系ガラスを前記コア部の高さ以上に堆積して保護層
を形成する光導波路の作製方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、例えば、光通信・
光信号処理に用いられる光導波路及び作製方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】光導波路の最小曲げ半径は、光導波路部
分と周辺の屈折率差によって制限される。半導体などの
高い屈折率を持つ材料は、大きな屈折率差を得ることが
容易で、小型化・高集積化が求められる光導波路に適し
た材料である。

【０００３】しかし、コア断面形状が矩形である半導体
光導波路においては、逆に屈折率差が大きすぎるため
に、極めて微細な加工を施さない限りシングルモード光
導波路にはならず、事実上作製は難しい。そのためコア
材料と同種の半導体材料でコアの周囲を覆って微細加工
条件を緩和させることが多い。結果として材料の持つ高
い屈折率を導波路の小型化に活かせきれていない。ま
た、ドーパント量の調整などでコアとコア周囲の材料間
で微妙な屈折率差をあわせなければならないという問題
がある。

【０００４】一方、リブ型光導波路は、周囲を同種の半
導体材料で覆わなくても、シングルモード条件を得るこ
とが容易で、矩形導波路の様な微細な加工を必要としな
い。さらに、加工する深さはコア断面の半分程度で十分
という特徴を持つ。周囲を同種の半導体材料で覆う必要
が無いので材料間での微妙な屈折率差調整も必要ない。

【０００５】図５に従来のこのようなリブ構造をしたシ
リコン導波路の断面構造を示す。この導波路はシングル
モード条件を満たしている。コア材料として使われてい
るシリコンは、屈折率が３.４８と大きく、下層の石英
の屈折率１.４４に対しても、上層の空気の屈折率１.０
０に対しても、極めて大きな屈折率差を実現している。

【０００６】この様な大きな屈折率差と、シングルモー
ド条件を満たす加工が容易であることから、小型化・高
集積化が可能で廉価な光導波路として研究開発が進めら
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光導波路もＩＣチップ
の様に切断して用いるが、ＩＣチップの入出力が上面や
下面から行うのに対し、光導波路では光信号の入出力は
切断面から行うことが多い。

【０００８】しかし、従来のリブ型半導体光導波路では
コアが空気にむき出しか、あるいは数μｍ以下の薄い保
護層が付いているのみで機械的な衝撃に極めて弱い。そ
のため石英系の光導波路で用いられているダイシングソ
ーによる切断などの簡略な方法では、機械的衝撃のため
切断面の破損が著しく、使用することができないため生
産性が悪いという問題があった。

【０００９】また、手作業による劈開でもリブ導波路構
造では光導波路にとって重要なコア部分に応力が集中す
るのを回避できず、歩留まりが悪かった。入出力ポート
が多いアレイ導波路格子などでは特に問題で、全てのポ
ートが使えるように劈開するには、作業者の熟練が必要
であった。その他の入出力部形成方法としては、チップ
切断前にエッチングにより、光導波路端面を作るという
方法もある。しかし入出力に用いる光ファイバの半径以
上の深さまでエッチングで掘る必要があるなど、加工に
非常に手間がかかる。

【００１０】従来のリブ型半導体光導波路でも薄い保護
層はあったが、光が通るコア部分を埋め込むほどでは無
かったため、汚れやゴミから遮断するには効果あったも
のの、周辺部から突き出しているコア部分に応力が集中
するのは回避できなかった。

【００１１】また、コア材料とは異種材料の保護膜は、
逆に応力発生源となることもあり、従来の薄い保護層で
はリブ型光導波路の破損を回避することはできなかっ
た。

【００１２】一方、ポリマー系の材料を用いれば、コア
部分の高さ以上保護層を作製することは容易で且つ大き
な屈折率差を得ることは容易だが、弾性があるため半導
体コア部分に生じた応力を逃がす役割を十分には果たせ
ないという問題があった。

【００１３】本発明の目的は、リブ型半導体光導波路の
コア部分の強度を上げ、切断時の光導波路の破損をなく
することが可能な技術を提供することにある。本発明の
前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の
記述及び添付図面によって明らかにする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００１５】（１）半導体基板の表面上に絶縁膜を設
け、その上に半導体材料からなる光導波路のコア部を設
け、その上に石英系ガラスからなる保護層を前記コア部
の高さ以上に設けた光導波路である。

【００１６】（２）前記手段１の光導波路において、前
記半導体基板及びコア部は、シリコンからなる。

【００１７】（３）２枚の半導体基板にそれぞれ熱酸化
膜を形成し、この熱酸化膜を形成した２枚の基板を張り
合わせ、この張り合わせた基板の片方の基板のみを高精
度に研磨し、その後、コア部分が残るよう周囲をエッチ
ングしてコア部分を形成し、その上に石英系ガラスを前
記コア部の高さ以上に堆積して保護層を形成する光導波
路の作製方法である。

【００１８】（４）前記手段３の光導波路作製方法にお
いて、前記半導体基板及びコア部の材料としてシリコン
を用いる。

【００１９】（５）前記手段３又は４の光導波路作製方
法において、前記石英系ガラスの堆積法として火炎堆積
法（ＦＨＤ法）を用いる。

【００２０】すなわち、本発明のポイントは、半導体光
導波路において、石英系ガラスを用いてコア部分の高さ
以上に保護層を堆積した光導波路である。

【００２１】このように、半導体材料に対し大きな屈折
率差が得られ且つ弾性が小さく機械的強度の大きい石英
系ガラスを用いて、入出力部分が破損しやすい半導体光
導波路のコア部分以上の高さまで保護層をもうけること
により、機械的衝撃が多い切断時にコア部分の応力集中
を回避することができる。このため、熟練を要しなくて
も容易に切断でき、歩留まりよく、生産性の高い切断が
可能になる。本発明は、特に、半導体リブ型光導波路に
適用すると有効である。

【００２２】以下、本発明について、図面を参照して実
施の形態（実施例）とともに詳細に説明する。なお、実
施の形態（実施例）を説明するための全図において、同
一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの
説明は省略する。

【００２３】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は、本発明に
よる一実施形態の光導波路の概略構造を示す断面図であ
る。本実施形態の光導波路は、図１に示すように、半導
体基板（例えば、シリコン基板）１上に絶縁膜（例え
ば、熱酸化膜）２を設け、その上に半導体材料（例え
ば、シリコン）からなる光導波路のコア部３を設け、そ
の上に石英系ガラスからなる保護層４を前記コア部３の
高さ以上に設けた光導波路である。

【００２４】図２は、本実施形態の光導波路の製造方法
における各工程の断面図である。本実施形態の光導波路
は、以下の製造工程を経て作製する。

【００２５】まず、図２（ａ），（ｂ）に示すように、
２枚のシリコン基板８に熱酸化膜９を成長させる。その
後、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、２枚の基板をホ
ットプレス法で張り合わせる。そして、図２（ｅ）に示
すように、前記張り合わせた基板８Ａの片方の基板のみ
を高精度に研磨し、シリコンの残厚が５μｍ程度になる
まで研磨する。その後、フォトリソグラフィー技術とド
ライエッチング法で、図２（ｆ）に示すように、パター
ン幅５μｍのコア部分１０が残るよう周囲を２.５μｍ
エッチングしてコア部分１０を形成する。その後、図２
（ｇ）に示すように、火炎堆積法（ＦＨＤ法）を用いて
石英系ガラス１１を１２μｍ堆積して保護層１１を形成
し、本実施形態の光導波路を作製した。

【００２６】図３に前述の方法により作製したアレイ導
波路格子（ＡＷＧ）の回路レイアウト平面図を示す。こ
のＡＷＧの各光導波路は、図１に示す構造になっている
のは言うまでもない。光導波路の最小曲げ半径は、１.
５ｍｍでＡＷＧのチップサイズは１０ｍｍ×１５ｍｍで
あり、４インチウェハ１枚から３６個のＡＷＧチップが
作ることができる。このＡＷＧは入出力部に各々８個の
光導波路を有し、結果として１チップあたり１６個の入
出力光導波路を備えている。

【００２７】比較のため本実施形態のウェハ１６枚の他
に、図２で示した作製工程のうち前記図２（ｆ）までで
作業をやめた保護層のないウェハを３枚と、前記図２
（ｆ）までの工程の次に０.５μｍの熱酸化膜をつけた
ウェハ４枚とを作製した。前述の各種ウェハを劈開ある
いはダイシングによって切断し、切断後の光導波路端面
を顕微鏡観察してコア部分に破損がおきていないか調べ
た結果を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】ここでチップ良品率とは、ＡＷＧチップ１
個にある１６個の入出力光導波路の全てが良品である確
率を言う。保護膜がない光導波路と、０.５μｍの熱酸
化膜付きの光導波路とでは、劈開とダイシングの両方に
おいて、さらには光導波路良品率においてもチップ良品
率においても大きな差はみられなかった。しかし、本実
施形態のＦＨＤ厚膜つきの光導波路においては、劈開に
よる光導波路良品率を除いて、劇的な良品率の向上がみ
られた。

【００３０】図４にこの光導波路良品率とチップ良品率
の関係を示す。黒丸は劈開による前述２つの良品率の関
係で、白丸はダイシングによる前述２つの良品率の関係
である。太線は光導波路の破損が完全にアトランダムに
起こると仮定したときの理論曲線で以下の式１で表され
る。

【００３１】チップの良品率＝光導波路良品率のチップの光導波路本数乗＝光導波路良品率の１６乗・・・・式１また、細線は光導波路の破損が切断面毎に起こると仮定
したときの理論曲線で、以下の式２で表される。

【００３２】チップの良品率＝光導波路良品率の光導波路を含む断面数乗＝光導波路良品率の２乗・・・・式２前記式１の理論曲線によれば、入出力光導波路が１６本
であるＡＷＧチップの良品率を向上させて歩留まり５０
％を上回るには、光導波路１本毎の良品率を９０％以上
にあげる必要があることになる。そして、本実施形態の
光導波路のダイシングによる切断では、極めて高い光導
波路良品率を示し、８０％を越えるチップ良品率が得ら
れた。

【００３３】本実施形態の光導波路の劈開による切断で
は、光導波路１本１本の破損しやすさよりも、保護層で
ある石英ガラスがＳＯＩ基板の劈開そのものをより困難
にしてしまうため式１の理論曲線よりも式２の理論曲線
にあう。実際に、劈開面毎にみると導波路良品率が１０
０％のものと０％のものに２分さていた。入出力導波路
が１６本であるＡＷＧチップにおいては導波路良品率が
劣化するものの、結果としてチップの良品率は向上し
た。

【００３４】以上、劈開によってもダイシングによって
も、光導波路切断時のチップ良品率は大きく向上した。
特に、作業者の習熟を必要とせず生産性も高いダイシン
グによる切断において、本実施形態による光導波路の効
果は大きく、導波路良品率で９８％、チップ良品率で８
７％という高い良品率であった。

【００３５】前述した本実施形態では石英系ガラスの作
製に火炎堆積法（ＦＨＤ法）を用いたが、ＦＨＤ法が石
英系の厚膜を作製するのに適した方法であり、短時間で
作製できるからである。例えば、ＣＶＤ法、スパッタ
法、高圧熱酸化法、あるいはこれらの作成方法を複数組
み合わせて作製してもよい。

【００３６】また、前述した本実施形態では、コア材料
にシリコンを用いたが、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓある
いはＧｅなどの半導体材料を用いて作製した光導波路で
も良い。

【００３７】以上、本発明を実施形態に基づき具体的に
説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変
更し得ることは勿論である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体光導波路のコア部分の高さよりも高い（厚い）石
英系ガラスの保護層を設けることにより、コア部分にか
かる応力集中を回避し、ウェハ切断時に発生する光導波
路の破損を低く抑えることができる。特に、ダイシング
ソーを用いて切断したとき良品率は向上し、また、入出
力光導波路の多いチップを切断するときにチップの良品
率を向上できる。そのため、本発明によれば、従来の光
導波路に比べ、チップ切断時の歩留まりを向上させ、生
産性を上げ、簾価な光導波路を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施形態の光導波路の概略構成
を示す断面図である。

【図２】本実施形態の光導波路の製造方法の各工程にお
ける断面図である。

【図３】本実施形態の光導波路の回路レイアウトを示す
概略平面図である。

【図４】本実施形態の光導波路の回路切断後の導波路良
品率とチップ良品率の関係を示すグラフである。

【図５】従来の光導波路の概略構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１，５，８…シリコン基板（基板）、２，６，９…熱酸
化膜、３，７，１０…コア部分、４，１１…石英系ガラ
ス（保護層）、８Ａ…張り合わせた基板、１２…入出力
光導波路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者為近恵美東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者佐藤康博東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA02 KA05 KA12 LA01 PA21 PA24 QA02 QA07 RA00 TA42

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の表面上に絶縁膜を設け、そ
の上に半導体材料からなる光導波路のコア部を設け、そ
の上に石英系ガラスからなる保護層を前記コア部の高さ
以上に設けたことを特徴とする光導波路。
【請求項２】前記半導体基板及びコア部は、シリコン
からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】２枚の半導体基板にそれぞれ熱酸化膜を
形成し、この熱酸化膜を形成した２枚の基板を張り合わ
せ、この張り合わせた基板の片方の基板のみを高精度に
研磨し、その後、コア部分が残るよう周囲をエッチング
してコア部分を形成し、その上に石英系ガラスを前記コ
ア部の高さ以上に堆積して保護層を形成すること特徴と
する光導波路の作製方法。
【請求項４】前記半導体基板及びコア部の材料として
シリコンを用いることを特徴とする請求項３に記載の光
導波路の作製方法。
【請求項５】前記石英系ガラスの堆積法として火炎堆
積法を用いることを特徴とする請求項３又は４に記載の
光導波路の作製方法。