JP2003277918A - Method for controlling refractive index of optical film using laser ablation and method for forming optical element - Google Patents

Method for controlling refractive index of optical film using laser ablation and method for forming optical element

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JP2003277918A
JP2003277918A JP2002082289A JP2002082289A JP2003277918A JP 2003277918 A JP2003277918 A JP 2003277918A JP 2002082289 A JP2002082289 A JP 2002082289A JP 2002082289 A JP2002082289 A JP 2002082289A JP 2003277918 A JP2003277918 A JP 2003277918A
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昌幸 大越
Shigemi Inoue
成美 井上
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雅章 倉松
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form an optical element by depositing and laminating, without selecting a substrate material, a quality quartz glass (SiO<SB>2</SB>) film for which the film thickness and refractive index are controlled. <P>SOLUTION: The depositing speed of the SiO<SB>2</SB>film is varied by the pulsed energy of a laser beam 5 that is adjustable outside a film deposition container 1, with the refractive index of the pure SiO<SB>2</SB>film continuously controlled in 10<SP>-2</SP>order. Since the depositing speed of the film is as low as 0.02-0.1 nm/pulse, the film thickness can be controlled in nanometer order by the integrated value of the laser pulse. This method is effective in manufacturing an optical waveguide element or the like. In addition, if deposited films need to have a larger difference in the refractive index mutually, the refractive index of the SiO<SB>2</SB>film can be continuously controlled by varying only the pressure of atmospheric oxygen gas inside the film deposition container 1. In this case, the refractive index can be controlled in 10<SP>-1</SP>order, which is effective in manufacturing photonic crystals, for example. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトニクスを目
的としたシリカガラス(SiO)等の光学膜の屈折率
制御に係り、とくにレーザーアブレーションにより膜厚
と屈折率が制御された良質のSiO膜等の光学膜を室
温で形成可能なレーザーアブレーションを利用した光学
膜の屈折率制御方法及び光学素子形成方法に関するもの
であり、従来困難とされてきた熱影響を受けやすい基体
(高分子材料や生体材料、低融点材料、熱拡散しやすい
材料等)への光導波路素子形成を例とした光インタコネ
クション素子形成や複雑な3次元構造の光インタコネク
ション素子形成も可能となり、その用途は電気電子のみ
ならずあらゆる分野で有用である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the control of the refractive index of an optical film such as silica glass (SiO 2 ) for photonics, and particularly to high quality SiO 2 whose film thickness and refractive index are controlled by laser ablation. The present invention relates to a method of controlling a refractive index of an optical film and a method of forming an optical element using laser ablation capable of forming an optical film such as a film at room temperature. It is also possible to form optical interconnection elements such as biological waveguide, low melting point materials, materials that easily diffuse heat, etc.) and optical interconnection elements with complex three-dimensional structures. Not only useful in all fields.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、SiOの屈折率制御法は、紫外
線(真空紫外線も含む)を発生するエキシマレーザー
や、極めて高い尖頭出力を発生する超短パルス・チタン
サファイヤレーザーのレーザー光を、バルクのSiO
表面あるいはその内部に直接照射して、欠陥や密度変化
を誘起する手法が主として利用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, the SiO 2 refractive index control method uses an excimer laser which emits ultraviolet rays (including vacuum ultraviolet rays) and an ultrashort pulse titanium sapphire laser which produces an extremely high peak output. Bulk SiO 2
A method of directly irradiating the surface or the inside thereof to induce a defect or a density change is mainly used.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来の方法では、基本
的にバルクのSiOを扱うため、任意の基体上に屈折
率を制御してSiO膜を形成することは困難であり、
さらに異なる屈折率を有する複数層のSiO膜を前記
基体上に設けて光学素子、例えば光インタコネクション
素子を形成することも困難であった。また本発明のよう
に、薄膜を部品として積層していく方法とは異なり、従
来方法では複雑な構造の光学素子形成には制限があっ
た。
According to the conventional method, since bulk SiO 2 is basically handled, it is difficult to form a SiO 2 film by controlling the refractive index on an arbitrary substrate.
Further, it has been difficult to form a plurality of layers of SiO 2 films having different refractive indexes on the substrate to form an optical element such as an optical interconnection element. Further, unlike the method of laminating thin films as components as in the present invention, the conventional method has a limitation in forming an optical element having a complicated structure.

【0004】本発明の第1の目的は、上記の点に鑑み、
膜厚と屈折率が制御された良質のSiO膜等の光学膜
を、基体材料を選ばずに堆積、積層させることが可能な
レーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御
方法を提供することにある。
In view of the above points, the first object of the present invention is to
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for controlling a refractive index of an optical film using laser ablation capable of depositing and laminating an optical film such as a high-quality SiO 2 film whose thickness and refractive index are controlled without selecting a base material. It is in.

【0005】本発明の第2の目的は、異なる屈折率を有
する複数層のSiO等の光学膜を、レーザーアブレー
ションを利用して基体上に形成可能としたレーザーアブ
レーションを利用した光学素子形成方法を提供すること
にある。
A second object of the present invention is a method for forming an optical element using laser ablation, which enables a plurality of layers of optical films such as SiO 2 having different refractive indexes to be formed on a substrate by using laser ablation. To provide.

【0006】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。
Other objects and novel features of the present invention will be clarified in the embodiments described later.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願請求項1の発明に係るレーザーアブレーション
を利用した光学膜の屈折率制御方法は、光学使用を目的
とした膜の原材料となる化合物にレーザー光を照射し、
アブレーションにより対向した基体上に光学膜を形成す
る場合に、前記光学膜の前記基体への堆積速度を変化さ
せて前記光学膜の屈折率を制御することを特徴としてい
る。
In order to achieve the above object, the method of controlling the refractive index of an optical film using laser ablation according to the invention of claim 1 of the present application is a raw material of the film for optical use. Irradiate the compound with laser light,
When an optical film is formed on the opposing substrate by ablation, the refractive index of the optical film is controlled by changing the deposition rate of the optical film on the substrate.

【0008】本願請求項2の発明に係るレーザーアブレ
ーションを利用した光学膜の屈折率制御方法は、請求項
1において、前記化合物がSi−O−Si結合を含む化
合物であって、前記基体上にSiO膜を形成すること
を特徴としている。
A method for controlling a refractive index of an optical film using laser ablation according to a second aspect of the present invention is the method according to the first aspect, wherein the compound is a compound containing a Si--O--Si bond and is formed on the substrate. The feature is that a SiO 2 film is formed.

【0009】本願請求項3の発明に係るレーザーアブレ
ーションを利用した光学膜の屈折率制御方法は、Si−
O−Si結合を含む化合物にレーザー光を照射し、アブ
レーションにより対向した基体上にSiO膜を形成す
る場合に、雰囲気酸素ガス圧を変化させて前記光学膜の
屈折率を制御することを特徴としている。
A method of controlling the refractive index of an optical film using laser ablation according to the third aspect of the present invention is Si-
When a compound containing an O—Si bond is irradiated with laser light to form a SiO 2 film on an opposing substrate by ablation, the atmospheric oxygen gas pressure is changed to control the refractive index of the optical film. I am trying.

【0010】本願請求項4の発明に係るレーザーアブレ
ーションを利用した光学素子形成方法は、光学使用を目
的とした膜の原材料となる化合物にレーザー光を照射
し、アブレーションにより対向した基体上に異なる堆積
速度で光学膜を積層形成して、異なる屈折率を有する複
数層の光学膜を前記基体上に設けることを特徴としてい
る。
In the method for forming an optical element utilizing laser ablation according to the invention of claim 4, a compound as a raw material of a film intended for optical use is irradiated with a laser beam, and different depositions are made on opposite substrates by ablation. It is characterized in that optical films are laminated at a speed and a plurality of optical films having different refractive indexes are provided on the substrate.

【0011】本願請求項5の発明に係るレーザーアブレ
ーションを利用した光学素子形成方法は、請求項4にお
いて、前記化合物がSi−O−Si結合を含む化合物で
あって、前記基体上に異なる屈折率を有する複数層のS
iO膜を形成することを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an optical element forming method using laser ablation according to the fourth aspect, wherein the compound is a compound containing a Si--O--Si bond and has a different refractive index on the substrate. Of multiple layers with
The feature is that an iO 2 film is formed.

【0012】本願請求項6の発明に係るレーザーアブレ
ーションを利用した光学素子形成方法は、Si−O−S
i結合を含む化合物にレーザー光を照射し、アブレーシ
ョンにより対向した基体上に雰囲気酸素ガス圧を変えて
SiO膜を積層形成して、異なる屈折率を有する複数
層のSiO膜を前記基体上に設けることを特徴として
いる。
The method for forming an optical element utilizing laser ablation according to the invention of claim 6 is Si-OS.
A compound containing i-bonds is irradiated with laser light, and an atmosphere oxygen gas pressure is changed to form a SiO 2 film on the opposing substrate by ablation to form a plurality of SiO 2 films having different refractive indexes on the substrate. It is characterized by being provided in.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るレーザーアブ
レーションを利用した光学膜の屈折率制御方法及び光学
素子形成方法の実施の形態を図面に従って説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a method for controlling a refractive index of an optical film and a method for forming an optical element using laser ablation according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0014】図1は本発明に係るレーザーアブレーショ
ンを利用した光学膜の屈折率制御方法及び光学素子形成
方法の実施の形態で用いる成膜装置の例であり、成膜容
器1内に、光学使用を目的とした膜の原材料となる化合
物のターゲット2及び基体としての基板3を対向配置
し、合成石英ガラス等で形成された成膜容器1の入射窓
4を通してレーザー装置で発生したパルスレーザー光5
を前記ターゲット2に照射する。また、成膜容器1外部
にレーザー光の収束のための光学系6及びレーザー光量
を制限するアパーチャー#1,#2,…を設ける。アパ
ーチャー#1,#2,…は方形等の開口を有する遮蔽板
であり、開口部分のみレーザー光を透過させ、その他の
部分では遮断するものである。ここでは、アパーチャー
#1よりもアパーチャー#2の開口が小さく設定されて
いるが、使用するアパーチャーは2個に限らず、レーザ
ー光量を可変制御するために開口の異なるものを必要個
数用意し、光学系6の手前に配置して光学系6への入射
光量を可変調整する。前記ターゲット2は成膜容器1外
部の回転手段としてのモータ7で回転されるようになっ
ている。また、成膜容器1には酸素ガス供給バルブ8や
減圧手段としての真空ポンプ9が接続され、さらに容器
内部の真空度を測定するための真空ゲージ10が設けら
れている。成膜容器1内は真空ポンプ9で4×10−5
Torr以下の真空度に真空排気されており、さらに酸素ガ
ス供給バルブ8から酸素ガスを所定圧力(後述するよう
に10−1Torr以下が望ましい)となるように供給して
おく。
FIG. 1 shows an example of a film forming apparatus used in the embodiment of the method for controlling the refractive index of an optical film and the method for forming an optical element using laser ablation according to the present invention. A target 2 of a compound as a raw material of a film and a substrate 3 as a substrate are arranged so as to face each other, and a pulse laser beam 5 generated by a laser device is passed through an entrance window 4 of a film forming container 1 formed of synthetic quartz glass or the like.
To the target 2. Further, an optical system 6 for converging laser light and apertures # 1, # 2, ... For limiting the amount of laser light are provided outside the film formation container 1. Apertures # 1, # 2, ... Are shield plates having an opening of a square shape or the like, and allow the laser beam to pass through only the opening portion and block the other portions. Here, the aperture of the aperture # 2 is set smaller than that of the aperture # 1, but the number of apertures used is not limited to two, and a required number of apertures having different apertures are prepared to variably control the laser light amount. It is arranged in front of the system 6 to variably adjust the amount of light incident on the optical system 6. The target 2 is rotated by a motor 7 as a rotating means outside the film deposition container 1. Further, an oxygen gas supply valve 8 and a vacuum pump 9 as a pressure reducing means are connected to the film forming container 1, and a vacuum gauge 10 for measuring the degree of vacuum inside the container is provided. The inside of the film forming container 1 is 4 × 10 −5 by the vacuum pump 9.
The chamber is evacuated to a vacuum degree of Torr or less, and oxygen gas is further supplied from the oxygen gas supply valve 8 to a predetermined pressure (preferably 10 -1 Torr or less as described later).

【0015】ここで、光学使用を目的とした膜、つまり
光学膜形成の方法として、レーザーアブレーション法
(Pulsed laser deposition;以下PLD法と記す)を
選択した。この方法は強力なレーザー光照射のため、タ
ーゲット材料から電子励起された原子、分子あるいは一
部イオン化されたもの等が高い運動エネルギーを有して
飛散するため、堆積膜表面の局所加熱やマイグレーショ
ン効果等を誘起し、良質の膜を低温で形成できる。また
成膜容器内にターゲット材料を溶融蒸発させるような熱
源を必要としないため、クリーンな成膜を行うことがで
き、膜中への不純物混入が極めて少ない。加えて装置が
極めてシンプルである等、良質の膜を簡単に得る方法と
して産業利用もなされている。
Here, a laser ablation method (Pulsed laser deposition; hereinafter referred to as PLD method) was selected as a method for forming a film for optical use, that is, an optical film. Since this method uses strong laser light irradiation, atoms and molecules that are electronically excited from the target material and those that have been partially ionized scatter with high kinetic energy. Etc. can be induced to form a good quality film at a low temperature. Further, since a heat source for melting and evaporating the target material is not required in the film forming container, clean film formation can be performed, and impurities are hardly mixed into the film. In addition, it is industrially used as a method for easily obtaining a high-quality film because the device is extremely simple.

【0016】前記光学膜としてSiO膜を形成する場
合には、ターゲット材料としてシリコーン(シリコーン
ゴム、シリコーンオイル、シリコーン樹脂等)のよう
な、Si−O−Si結合(シロキサン)を含む化合物を
選択する。通常、PLD法では、コンポジショナル・フ
ィデェリティ(compositional fidelity;ターゲット材
料の組成とそれを膜にしたときの組成ずれが少ないこ
と)という長所を利用した膜形成例がほとんどである。
従って常識的には、SiO膜をPLD法で形成する場
合、シリカガラスをターゲット材料として用いる。しか
しこの場合、膜中にガラス片や粉のようなフラグメント
の混入が顕著となり、また基板加熱も必要となる。そこ
で本発明ではコンポジショナル・フィデェリティという
常識に逆らい、多元組成の材料から所望の原子、分子も
しくは結合部のみを選択的に膜堆積する新しいPLD法
をシロキサンの場合で実証している。すなわちシリコー
ンのようなシロキサンを含む物質を図1のターゲット2
として利用することにより、レーザー波長や照射エネル
ギー密度によってターゲットの開裂状態が制御できる。
そして、雰囲気ガスの種類やガス圧を含めた最適な成膜
条件を見出してシロキサン結合のみを選択的に膜堆積さ
せ、室温(常温)、換言すれば非加熱雰囲気中で良好な
SiO膜を形成可能としている。
When a SiO 2 film is formed as the optical film, a compound containing a Si—O—Si bond (siloxane) such as silicone (silicone rubber, silicone oil, silicone resin) is selected as the target material. To do. Usually, in the PLD method, most of the examples of film formation use the advantage of compositional fidelity (compositional fidelity; the compositional deviation of the target material and the composition when it is formed into a film are small).
Therefore, as a common sense, silica glass is used as a target material when the SiO 2 film is formed by the PLD method. However, in this case, the fragments such as glass fragments and powder are conspicuously mixed in the film, and the substrate needs to be heated. Therefore, in the present invention, contrary to the common sense of compositional fidelity, a new PLD method for selectively depositing only desired atoms, molecules or bonds from a multi-component composition film is demonstrated in the case of siloxane. That is, a substance containing siloxane such as silicone is used as the target 2 in FIG.
As a result, the cleavage state of the target can be controlled by the laser wavelength and the irradiation energy density.
Then, by finding the optimum film forming conditions including the type of atmospheric gas and the gas pressure, only the siloxane bond is selectively deposited, and a good SiO 2 film is formed at room temperature (normal temperature), that is, in a non-heated atmosphere. It can be formed.

【0017】以下の式(1)及び式(2)は、PLD法でシロ
キサンを含む化合物からシロキサン結合のみを選択的に
膜堆積させ、酸素ガス雰囲気にてSiO膜を成膜する
過程を示している。
The following formulas (1) and (2) show a process of selectively depositing a siloxane bond from a compound containing siloxane by a PLD method to form a SiO 2 film in an oxygen gas atmosphere. ing.

【0018】[0018]

【数1】 ここで、(RSiO):シロキサンを含む化合物である
ターゲット、R:CH基等の側鎖、n:正の整数で通常
1万以上の値、hν:光のエネルギー(レーザー光の振
動数ν、プランク定数h)である。
[Equation 1] Here, (RSiO) n : a target that is a compound containing siloxane, R: a side chain such as a CH group, n: a positive integer and usually a value of 10,000 or more, hν: energy of light (frequency of laser light ν , Planck's constant h).

【0019】前記式(1)のようにターゲットの側鎖を開
裂させるため、図1のターゲット2に照射されるレーザ
ー光のhνがターゲットにおける側鎖の結合エネルギー
よりも大きいことが必要である。このため、紫外線乃至
真空紫外線のレーザー光を発生可能なArFエキシマレ
ーザー等のレーザー装置を光源として用いる。なお、シ
ロキサン結合の結合エネルギーよりも前記レーザー光の
hνは小さいことが必要であるが、側鎖の結合エネルギ
ーよりもシロキサン結合の結合エネルギーは十分大きい
ので、紫外線乃至真空紫外線のレーザー光であればこの
条件を満足させ得る。
In order to cleave the side chain of the target as in the above formula (1), it is necessary that hν of the laser beam irradiated on the target 2 in FIG. 1 is larger than the binding energy of the side chain in the target. Therefore, a laser device such as an ArF excimer laser capable of generating a laser beam of ultraviolet rays or vacuum ultraviolet rays is used as a light source. The hν of the laser light needs to be smaller than the bond energy of the siloxane bond, but the bond energy of the siloxane bond is sufficiently larger than the bond energy of the side chain. This condition can be satisfied.

【0020】前記レーザー光の照射エネルギー密度につ
いては、1J/cm以上、好ましくは10J/cm以上で
あることが、透明で良好なSiO膜を成膜するために
望ましい。但しレーザー装置により上限値は制約され、
現状では100J/cm以下である。
The irradiation energy density of the laser beam is preferably 1 J / cm 2 or more, and more preferably 10 J / cm 2 or more in order to form a transparent and good SiO 2 film. However, the upper limit is limited by the laser device,
Currently, it is 100 J / cm 2 or less.

【0021】前記式(2)の反応が進むように、図1の成
膜容器1内は酸素ガス雰囲気であり、紫外線乃至真空紫
外線のレーザー光が酸素ガス雰囲気中で減衰しないよう
に成膜容器1内は真空ポンプ9によって減圧された状態
である。成膜容器1内の酸素ガス圧は、10−4Torr以
上で10−1Torr以下の範囲が透明で良好なSiO
を成膜するために望ましい。
In order to allow the reaction of the above formula (2) to proceed, the inside of the film forming container 1 of FIG. 1 is in an oxygen gas atmosphere, and the film forming container is so constructed that the laser light of ultraviolet rays or vacuum ultraviolet rays is not attenuated in the oxygen gas atmosphere. The inside of 1 is depressurized by the vacuum pump 9. The oxygen gas pressure in the film forming container 1 is preferably in the range of 10 -4 Torr or more and 10 -1 Torr or less in order to form a transparent and good SiO 2 film.

【0022】上記の基板への成膜は室温で実行可能であ
るから、基板材質は、スライドガラス、NaCl、石
英、Si等の無機材料の他、熱影響を受けやすいポリエ
ステル等の有機高分子材料、生体材料等も利用可能であ
る。
Since the film formation on the above-mentioned substrate can be carried out at room temperature, the substrate material is not only an inorganic material such as slide glass, NaCl, quartz and Si but also an organic polymer material such as polyester which is easily affected by heat. , Biomaterials, etc. can also be used.

【0023】実施の形態1 この実施の形態1では、図1の成膜装置を使用し、光学
膜の原材料となる化合物で構成されたターゲット2にレ
ーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基板
3上に光学膜を形成する場合に、前記光学膜の前記基板
3への堆積速度を変化させて前記光学膜の屈折率を制御
する。ここでは、ターゲット2としてSi−O−Si結
合を含む化合物を用い、基板3にSiウエハを用いて、
基板3上にSiO膜を形成した。
First Embodiment In the first embodiment, the film forming apparatus shown in FIG. 1 is used to irradiate a laser beam on a target 2 composed of a compound which is a raw material of an optical film, and a substrate 3 opposed by ablation. When an optical film is formed on the substrate, the deposition rate of the optical film on the substrate 3 is changed to control the refractive index of the optical film. Here, a compound containing a Si—O—Si bond is used as the target 2, and a Si wafer is used as the substrate 3.
A SiO 2 film was formed on the substrate 3.

【0024】図2に、4種類の異なる堆積速度(0.0
2nm/pulse、0.05nm/pulse、0.07nm/pu
lse及び0.1nm/pulse)で形成した純粋なSiO
膜の屈折率の測定結果を示す。基板にはSiウエハを用
いている。また、形成膜の膜厚は、約120〜140n
mの範囲で一定になるよう成膜時間により調整してい
る。屈折率は波長633nmでの値を測定している。そ
の他、レーザー光の照射エネルギー密度(レーザーフル
エンス)は10J/cm、成膜容器内の雰囲気酸素ガ
ス圧は4.4×10−2Torr一定である。SiO膜の
堆積速度は、成膜容器外部においてレーザー光のパルス
エネルギーを変化させることにより調整している(例え
ば、図1の開口の異なるアパーチャー#1,#2,…の
交換等による)。膜の堆積速度が0.1nm/pulseのと
き、屈折率は1.37〜1.40の範囲であるが、レーザ
ー光のパルスエネルギーを低下させて堆積速度を低くす
るのに従って屈折率は高くなっていくことがわかる。そ
して0.02nm/pulseでは膜の屈折率は1.43であ
り、膜の堆積速度を変化させることにより10−2オー
ダーで屈折率が制御できることを示している。このよう
な膜の堆積速度による屈折率変化は、膜の構造(密度)
変化によることがわかった。すなわち、膜の堆積速度を
低くしていくと、走査電子顕微鏡より、より緻密な膜が
形成することが観察できた。
FIG. 2 shows four different deposition rates (0.0
2nm / pulse, 0.05nm / pulse, 0.07nm / pu
lse and 0.1 nm / pulse) pure SiO 2
The measurement result of the refractive index of the film is shown. A Si wafer is used as the substrate. The thickness of the formed film is about 120 to 140n.
The film formation time is adjusted so as to be constant within the range of m. The refractive index is measured at a wavelength of 633 nm. In addition, the irradiation energy density (laser fluence) of laser light is 10 J / cm 2 , and the atmospheric oxygen gas pressure in the film forming container is constant at 4.4 × 10 −2 Torr. The deposition rate of the SiO 2 film is adjusted by changing the pulse energy of laser light outside the film formation container (for example, by exchanging apertures # 1, # 2, ... With different openings in FIG. 1). When the deposition rate of the film is 0.1 nm / pulse, the refractive index is in the range of 1.37 to 1.40, but the refractive index becomes higher as the pulse energy of the laser beam is lowered to lower the deposition rate. I understand that it will go. At 0.02 nm / pulse, the refractive index of the film is 1.43, which means that the refractive index can be controlled on the order of 10 −2 by changing the deposition rate of the film. The change in the refractive index depending on the deposition rate of the film depends on the structure (density) of the film.
It turned out to be a change. That is, it was possible to observe that a denser film was formed by a scanning electron microscope as the film deposition rate was lowered.

【0025】なお、膜の堆積速度は0.02〜0.1nm
/pulseと低いため、レーザーパルスの積算数により、
ナノメートルオーダーでの膜厚制御が可能である。この
手法は、光導波路素子等の製作に有効である。
The film deposition rate is 0.02 to 0.1 nm.
Since it is as low as / pulse, depending on the total number of laser pulses,
It is possible to control the film thickness on the order of nanometers. This method is effective for manufacturing an optical waveguide device and the like.

【0026】実施の形態2 この実施の形態2では、図1の成膜装置を使用し、Si
−O−Si結合を含む化合物で構成されたターゲット2
にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した
基板3上にSiO膜を形成する場合に、成膜容器1内
の雰囲気酸素ガス圧を変化させて前記SiO膜の屈折
率を制御する。ここでは、基板3にSiウエハを用い
た。
Second Embodiment In the second embodiment, the film forming apparatus shown in FIG.
Target 2 composed of a compound containing —O—Si bond
When a SiO 2 film is formed on the opposing substrate 3 by ablation by irradiating the substrate with laser light, the atmospheric oxygen gas pressure in the film forming container 1 is changed to control the refractive index of the SiO 2 film. Here, a Si wafer is used as the substrate 3.

【0027】図3は、3種類の異なる雰囲気酸素ガス圧
(4.4×10−5Torr、4.4×10−3Torr及び4.
4×10−2Torr)で形成したSiO膜の屈折率の測
定結果を示す。基板にはSiウエハを用いている。ま
た、形成膜の膜厚は、400nm一定としている。屈折
率は先と同様波長633nmでの値を測定している。レ
ーザー光の照射エネルギー密度は10J/cm一定で
ある。
FIG. 3 shows three different atmospheric oxygen gas pressures (4.4 × 10 −5 Torr, 4.4 × 10 −3 Torr and 4.
Shows a 4 × 10 -2 Torr) SiO 2 film measurements of the refractive index of which is formed by. A Si wafer is used as the substrate. Further, the film thickness of the formed film is 400 nm constant. The refractive index is measured at a wavelength of 633 nm as before. The irradiation energy density of laser light is constant at 10 J / cm 2 .

【0028】酸素ガス圧が4.4×10−5Torrのと
き、SiO膜の屈折率は1.86であるが、酸素ガス
圧を高くしていくのに従い屈折率は低くなっていくこと
がわかる。そして、4.4×10−2Torrでは膜の屈折
率は1.42であり、雰囲気酸素ガス圧を変化させるこ
とにより10−1オーダーで屈折率が制御できることを
示している。このような雰囲気酸素ガス圧による屈折率
変化は、形成膜中の微量な炭素混入量の変化によるもの
である。このことは、図4の形成膜のラマンスペクトル
で示されている。この図4に示すように、雰囲気酸素ガ
ス圧を増加するに従って、1585cm−1及び135
5cm−1を中心とした二つのブロードなピークが減少
していくことがわかった。この二つのピークは炭素の存
在を示し、酸素ガス圧増加に伴って膜中に混入する炭素
が減少していることを示唆している。すなわち、酸素ガ
ス圧を高くしていくと、アブレーションによりターゲッ
トから放出された炭素が酸化、ガス化され、成膜容器外
へ排出される割合が高くなるからである。
When the oxygen gas pressure is 4.4 × 10 −5 Torr, the refractive index of the SiO 2 film is 1.86, but the refractive index decreases as the oxygen gas pressure increases. I understand. Then, at 4.4 × 10 −2 Torr, the refractive index of the film is 1.42, which indicates that the refractive index can be controlled on the order of 10 −1 by changing the atmospheric oxygen gas pressure. Such a change in the refractive index due to the atmospheric oxygen gas pressure is due to a change in the minute amount of carbon mixed in the formed film. This is shown by the Raman spectrum of the formed film in FIG. As shown in FIG. 4, as the atmospheric oxygen gas pressure was increased, 1585 cm −1 and 135
It was found that two broad peaks centered at 5 cm -1 were decreasing. These two peaks indicate the presence of carbon, suggesting that the carbon content in the film decreases with increasing oxygen gas pressure. That is, as the oxygen gas pressure is increased, carbon released from the target due to ablation is oxidized and gasified, and the ratio of the carbon discharged to the outside of the film forming container increases.

【0029】なお、この手法は、形成膜同士に、より大
きな屈折率差を持たせる必要がある場合にとくに有効で
あり、SiO膜の屈折率を連続的に制御可能である。
この場合、10−1オーダーでの屈折率制御が可能であ
り、例えばフォトニック結晶等の製作に有効である。
This method is particularly effective when it is necessary to give the formed films a larger difference in refractive index, and the refractive index of the SiO 2 film can be continuously controlled.
In this case, it is possible to control the refractive index on the order of 10 −1 and it is effective for manufacturing a photonic crystal or the like, for example.

【0030】実施の形態3 この実施の形態3では、図1の成膜装置を用いて実施の
形態1の方法を実施して、異なる屈折率を有する複数層
の光学膜を基体上に設けることにより、光学素子として
の光インタコネクション素子を形成する。ここでは、タ
ーゲット2としてSi−O−Si結合を含む化合物を用
い、基板3にSiウエハを用いて、基板3上にSiO
膜を順次、積層形成することにより光導波路素子を作製
した。
Third Embodiment In the third embodiment, the method of the first embodiment is carried out using the film forming apparatus of FIG. 1 to form a plurality of optical films having different refractive indexes on a substrate. Thus, an optical interconnection element as an optical element is formed. Here, a compound containing a Si—O—Si bond is used as the target 2, a Si wafer is used as the substrate 3, and SiO 2 is provided on the substrate 3.
An optical waveguide device was produced by sequentially laminating films.

【0031】図5(A)において、図2の結果を基に、
まず0.1nm/pulseの堆積速度で、膜厚約0.4μm
のSiOクラッド層11を基板3の全面に形成し、そ
の後堆積速度を0.05nm/pulseまで下げて、膜厚約
1μmのSiOコア層12を線幅約1mmで形成させ
た。従って、SiOクラッド層11よりもSiO
ア層12の屈折率が大きくなっており、両者の境界面で
光の反射面を構成している。
In FIG. 5A, based on the result of FIG.
First, at a deposition rate of 0.1 nm / pulse, the film thickness is about 0.4 μm.
The SiO 2 cladding layer 11 is formed on the entire surface of the substrate 3, followed by lowering the deposition rate to 0.05 nm / pulse, to form a SiO 2 core layer 12 having a thickness of approximately 1μm with a line width of about 1 mm. Therefore, the refractive index of the SiO 2 core layer 12 is larger than that of the SiO 2 clad layer 11, and the boundary surface between the two constitutes a light reflecting surface.

【0032】そして形成されたコア層12と、レンズ1
3を通して入射されたHe−Neレーザー光とをBK−
7製プリズム(屈折率1.52)14により結合させた
(プリズムとコア層の隙間に水を介在させた)。さら
に、もう1つのBK−7製プリズム15により、コア層
12中を導波したHe−Neレーザー光をコア層12か
ら取り出し(プリズムとコア層の隙間に水を介在させ
た)、その導波光のスクリーンイメージを図5(B)の
ように撮影した。図5(B)の導波光のスクリーンイメ
ージ図(写真)から、単一モードで伝搬した導波光が確
認できる。
Then, the formed core layer 12 and the lens 1
He-Ne laser light that is incident through BK-
7 prisms (refractive index 1.52) 14 were combined (water was interposed in the gap between the prism and the core layer). Further, the He-Ne laser light guided in the core layer 12 is extracted from the core layer 12 by another BK-7 prism 15 (water is interposed in the gap between the prism and the core layer), and the guided light is obtained. The screen image of was photographed as shown in FIG. From the screen image diagram (photograph) of the guided light in FIG. 5B, the guided light propagating in the single mode can be confirmed.

【0033】図5はSi基板を用いたときの結果である
が、厚さ100μmのポリエステルフィルム基板を用い
ても図5と同様SiO光導波路が形成できる。
FIG. 5 shows the results when a Si substrate is used, but even if a polyester film substrate having a thickness of 100 μm is used, the SiO 2 optical waveguide can be formed similarly to FIG.

【0034】なお、実施の形態3では、実施の形態1の
屈折率制御により屈折率の異なるSiO膜を形成した
が、実施の形態2の屈折率制御により図5(A)のSi
クラッド層11及びSiOコア層12を形成して
もよい。つまり、Si−O−Si結合を含む化合物にレ
ーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体
上に雰囲気酸素ガス圧を変えてSiO膜を積層形成し
て、異なる屈折率を有する複数層のSiO膜を前記基
体上に設けた構成とする。
In the third embodiment, a SiO 2 film having a different refractive index is formed by controlling the refractive index of the first embodiment. However, by controlling the refractive index of the second embodiment, the Si of FIG.
The O 2 clad layer 11 and the SiO 2 core layer 12 may be formed. That is, a compound containing a Si—O—Si bond is irradiated with a laser beam, and the atmosphere oxygen gas pressure is changed by ablation to form a SiO 2 film by laminating to form a plurality of layers of SiO having different refractive indexes. Two films are provided on the substrate.

【0035】なお、図1の装置で成膜可能な光学膜とし
ては、SiO層の他にAl膜、TiO膜があ
り、実施の形態1で述べた方法で屈折率を制御できる。
また、光学膜は可視光を対象とするものだけでなく、赤
外線や紫外線を透過させる材質であってもよい。
As the optical film which can be formed by the apparatus of FIG. 1, there are an Al 2 O 3 film and a TiO 2 film in addition to the SiO 2 layer, and the refractive index is controlled by the method described in the first embodiment. it can.
Further, the optical film is not limited to the one for visible light, but may be a material for transmitting infrared rays or ultraviolet rays.

【0036】以上本発明の実施の形態について説明して
きたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記
載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当
業者には自明であろう。
Although the embodiment of the present invention has been described above, it is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to this and various modifications and changes can be made within the scope of the claims. Ah

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
膜厚と屈折率が制御された良質のSiO膜等の光学膜
を、基体材料を選ばずに堆積、積層させることができ
る。したがって、高分子フィルム基体上に膜形成を行え
ば、光学素子としてフレキシブルな光インタコネクショ
ン素子も形成できる。光導波路やフォトニック結晶等の
光インタコネクション素子形成は、現在の電気配線から
将来の光配線へ移行するために必要不可欠な技術であ
り、本発明はこれらフォトニクス分野に多大に利用可能
である。
As described above, according to the present invention,
An optical film such as a high-quality SiO 2 film having a controlled film thickness and refractive index can be deposited and laminated without selecting a base material. Therefore, if a film is formed on the polymer film substrate, a flexible optical interconnection element can be formed as an optical element. The formation of optical interconnection elements such as optical waveguides and photonic crystals is an indispensable technique for shifting from present electrical wiring to future optical wiring, and the present invention can be greatly utilized in these photonics fields.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態において用いる成膜装置の
概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a film forming apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態1であって、レーザーアブ
レーションを利用した光学膜の屈折率制御法について、
膜の堆積速度と屈折率(波長633nmにおける)との
関係を示すグラフである。
FIG. 2 is a first embodiment of the present invention, which is a method of controlling the refractive index of an optical film using laser ablation,
It is a graph which shows the relationship between the deposition rate of a film | membrane, and a refractive index (in wavelength 633nm).

【図3】本発明の実施の形態2であって、レーザーアブ
レーションを利用したSiO膜の屈折率制御法につい
て、雰囲気酸素ガス圧と膜の屈折率(波長633nmに
おける)との関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a relationship between the atmospheric oxygen gas pressure and the refractive index of the film (at a wavelength of 633 nm) in the method of controlling the refractive index of the SiO 2 film using laser ablation according to the second embodiment of the present invention. Is.

【図4】本発明の実施の形態2における形成膜につい
て、酸素ガス圧力をパラメータとしたラマンシフトと強
度との関係を示すラマンスペクトル図である。
FIG. 4 is a Raman spectrum diagram showing the relationship between the Raman shift and the intensity with the oxygen gas pressure as a parameter for the formed film according to the second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施の形態3に係るレーザーアブレー
ションを利用した光学素子形成方法について、(A)は
異なる2種類の屈折率を有するSiO膜を堆積、積層
させ形成した光導波路素子の構成及びその光導波実験例
を示す構成図、(B)はそのときの導波光(He−Ne
レーザー光)のスクリーンイメージ図(写真)である。
FIG. 5A shows an optical element forming method using laser ablation according to a third embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A shows an optical waveguide element formed by depositing and laminating SiO 2 films having two different refractive indexes. A configuration and a configuration diagram showing an example of an optical waveguide experiment, (B) is a guided light (He-Ne) at that time.
It is a screen image figure (photograph) of (laser light).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 成膜容器 2 ターゲット 3 基板 4 入射窓 5 パルスレーザー光 6 光学系 7 モータ 8 酸素ガス供給バルブ 9 真空ポンプ 10 真空ゲージ 11 クラッド層 12 コア層 13 レンズ 14,15 プリズム 1 film deposition container 2 targets 3 substrates 4 incident window 5 pulsed laser light 6 Optical system 7 motor 8 Oxygen gas supply valve 9 Vacuum pump 10 vacuum gauge 11 Clad layer 12 core layers 13 lenses 14,15 prism

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K029 AA06 AA08 AA09 BA46 BC08 BD00 CA01 DB20 DC05 EA02 EA03    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 4K029 AA06 AA08 AA09 BA46 BC08                       BD00 CA01 DB20 DC05 EA02                       EA03

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光学使用を目的とした膜の原材料となる
化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対
向した基体上に光学膜を形成する場合に、前記光学膜の
前記基体への堆積速度を変化させて前記光学膜の屈折率
を制御することを特徴とするレーザーアブレーションを
利用した光学膜の屈折率制御方法。
1. When a compound, which is a raw material of a film for optical use, is irradiated with a laser beam to form an optical film on an opposing substrate by ablation, the deposition rate of the optical film on the substrate is controlled. A method of controlling a refractive index of an optical film using laser ablation, which comprises controlling the refractive index of the optical film by changing the refractive index.
【請求項2】 前記化合物がSi−O−Si結合を含む
化合物であって、前記基体上にSiO膜を形成する請
求項1記載のレーザーアブレーションを利用した光学膜
の屈折率制御方法。
2. The method for controlling the refractive index of an optical film using laser ablation according to claim 1, wherein the compound is a compound having a Si—O—Si bond and a SiO 2 film is formed on the substrate.
【請求項3】 Si−O−Si結合を含む化合物にレー
ザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上
にSiO膜を形成する場合に、雰囲気酸素ガス圧を変
化させて前記光学膜の屈折率を制御することを特徴とす
るレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制
御方法。
3. When a compound containing a Si—O—Si bond is irradiated with laser light to form a SiO 2 film on a substrate facing by ablation, the atmospheric oxygen gas pressure is changed to refract the optical film. A method for controlling a refractive index of an optical film using laser ablation, which is characterized by controlling a refractive index.
【請求項4】 光学使用を目的とした膜の原材料となる
化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対
向した基体上に異なる堆積速度で光学膜を積層形成し
て、異なる屈折率を有する複数層の光学膜を前記基体上
に設けることを特徴とするレーザーアブレーションを利
用した光学素子形成方法。
4. A plurality of layers having different refractive indexes by irradiating a compound, which is a raw material of a film for optical use, with a laser beam and laminating and forming optical films on opposite substrates by ablation at different deposition rates. An optical element forming method utilizing laser ablation, wherein the optical film of 1. is provided on the substrate.
【請求項5】 前記化合物がSi−O−Si結合を含む
化合物であって、前記基体上に異なる屈折率を有する複
数層のSiO膜を形成する請求項4記載のレーザーア
ブレーションを利用した光学素子形成方法。
5. The optical method using laser ablation according to claim 4, wherein the compound is a compound containing a Si—O—Si bond, and a plurality of SiO 2 films having different refractive indexes are formed on the substrate. Element forming method.
【請求項6】 Si−O−Si結合を含む化合物にレー
ザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上
に雰囲気酸素ガス圧を変えてSiO膜を積層形成し
て、異なる屈折率を有する複数層のSiO膜を前記基
体上に設けることを特徴とするレーザーアブレーション
を利用した光学素子形成方法。
6. A compound having a different refractive index is formed by irradiating a compound containing a Si—O—Si bond with a laser beam and laminating an SiO 2 film on an opposing substrate by ablation to change the atmospheric oxygen gas pressure. A method for forming an optical element utilizing laser ablation, wherein a layered SiO 2 film is provided on the substrate.
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CN110938808A (en) * 2019-12-04 2020-03-31 厦门天马微电子有限公司 Evaporation control method and evaporation equipment
WO2022224929A1 (en) * 2021-04-20 2022-10-27 株式会社シンクロン Multi-layer thin film and method for producing same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010222403A (en) * 2009-03-19 2010-10-07 Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence Method for forming emission film using laser ablation and light emitting device
CN110938808A (en) * 2019-12-04 2020-03-31 厦门天马微电子有限公司 Evaporation control method and evaporation equipment
CN110938808B (en) * 2019-12-04 2021-12-21 厦门天马微电子有限公司 Evaporation control method and evaporation equipment
WO2022224929A1 (en) * 2021-04-20 2022-10-27 株式会社シンクロン Multi-layer thin film and method for producing same
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