JP2004046044A

JP2004046044A - 石英系光導波路

Info

Publication number: JP2004046044A
Application number: JP2002237156A
Authority: JP
Inventors: Takaya Watanabe; 渡邉　隆彌; Fusako Watanabe; 渡邉　房子
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】低温度で作製でき、高い屈折率差で、分散フラット、アサーマルな石英系光導波路を実現する。
【解決手段】シリコン基板１０１に所望の光導波路幅１０３の凹部のパターンをフォトリソグラフィで形成する。ホトレジスト１０２の無い１０３を加工し、凹部１０４を形成する。凹部に無機塗布ガラス膜を充填塗布し、４００℃の温度でキュアする。余分なＳＯＧ膜は、ドライエッチングで除去する。コアとなるＳｉＯ_２膜１０６を凹部内の側壁や底のクラッド層１０５の上にバイアス高密度プラズマＣＶＤで形成する。クラッド層となる部分にＳＯＧ膜を塗布・キュアし、埋込構造の石英系光導波路を形成する。堆積膜の表面をＮＨ_３，Ｎ_２などのプラズマに照射で窒化層を形成、あるいは堆積膜表面をシリル化処理し、耐湿防止することで、高信頼の石英系光導波路が形成される。
【効果】低温で石英系光導波路が実現でき、屈折率差を３％以上に大きくすることができる。
【選択図】　　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、光通信・光情報処理等の分野の石英系平面光波回路で用いられる埋込構造の光導波路の特に、低温度で作製できる高い屈折率分布を制御可能な屈折率分布差Δ光導波路であり、さらにＷＤＭ（波長多重）にも対応できる分散フラット光導波路や光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路となる石英系光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信ネットワークに対して、各種光機能デバイスの高性能化や小型化・低コスト化に関する研究開発が盛んに行われ、信頼性・安定化に優れた石英系光導波路は、最近、兆速の進歩を遂げつつある。シリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり、安定性および光ファイバとの整合性に優れているという特長を有し、実用的な光回路として機能する光導波路の最有力手段となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
石英系光導波路の作製方法として採用されている火炎加水分解堆積法は、酸水素バーナー中にＳｉＣｌ_４などの原料ガスを流入させ火炎中で酸化反応を起こしＳｉＯ_２微粒子をシリコン基板上にアンダクラッド層とコア層を堆積させる方法である。ＳｉＯ_２微粒子層が堆積されたシリコン基板を電気炉中で千数百℃に加熱し、ガラス微粒子を固溶させ透明なガラス層にする高温熱作業を必要とする。コア層をフォトリソグラフィで光導波路となるようにリッジ形状に加工後、再び火炎加水分解堆積法によってオーバークラッド層となるガラス微粒子をこのリッジ構造の光導波路を含むシリコン基板上に堆積させて、再び電気炉中で透明なガラスにする。基本的には、これらの火炎加水分解堆積工程は窯業技術をベースにしていることから、膜の再現性やコアやクラッドの厚みの制御が熟練を要することから、近年、高精度な光導波路の製作には、高精度な微細加工が可能なプロセスへの変更が必要であった。しかしながら、これまで成熟した技術として展開されてきたために、なかなか半導体プロセス技術への変更が困難であった。０．１μｍの超ＬＳＩレベルでは、膜生成のプロセスとしてのＣＶＤや平坦化・埋め込み技術に多くの製造プロセスの低温化が進展している中にあっても、光導波路の製作方法は、依然として旧方法である火炎加水分解堆積法に固定化されてきた。一方、半導体デバイス製造は熱処理の反復であり、熱拡散が主流であった頃は１２００℃の高温処理も用いられてきた。現在では、最高処理温度は９００℃であり、低温化が進んでいる。この時点では、４００℃程度の温度で光導波路を作製し、安定化のためにアニール温度を含めても８００℃程度で熱処理可能な石英系光導波路が実現できるようになることを目指している。さらに石英系平面光波回路の超小型化を実現するには、光の閉じ込めが強くなり、曲がり導波路の曲率半径を１ｍｍ以下にできる。高集積度を実現するためには、屈折率分布差Δを大きくすることが必須の条件となる。しかしながら現状のシリカをベースとする石英系光導波路は、ドーパントを多量に添加しても実現できるコアとクラッドの比屈折率差は２．５％が限界で、最大でも３％以上にすることは、できない。さらに最近のＷＤＭ（波長多重）に対応できる分散フラット屈折率は、これまで光ファイバで試みられてきたが、残念ながら完全な分散フラット光ファイバでは実現さていない。さらにＷＤＭの進展に伴い、４波混合（ＦＷＭ）等の光の非線形光学効果によるノイズを避けるための分散フラット光導波路が実現できる石英系光導波路を検討する必要がある。光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路がすでに高分子材料であるＰＭＭＡを使って実現されているが、安定性や信頼性に問題があり、ここでは、酸化物薄膜を使ったアサーマル光導波路を検討し、問題点の解決をはかる必要がある。
【０００４】
【問題を解決するための手段】
本発明の石英系光導波路は、
１．基板上に凹部を形成してなる埋込構造の光導波路において、該基板に形成された凹部内壁にＳＯＧ膜を塗布・キュアしてクラッド層とし、該クラッド層内部にＳｉＯ_２膜を堆積充填させてコア部を形成し、該コア部にクラッド層として前記ＳＯＧ膜が塗布・キュアされた埋込構造の光導波路とし、凹部表面上に露出したクラッド層表面に耐湿処理または基板表面全面に保護膜が形成されてなる。
２．基板上にＳＯＧ膜を塗布・キュアして下部クラッド層を形成し、該ＳＯＧ膜上にＳｉＯ_２膜を堆積させリッジ状に加工してコア部を形成し、基板上に形成された該コア部をＳＯＧ膜で覆ってクラッド層とし、クラッド層を含めた基板全面を保護膜で被覆することで埋込構造からなる。
３．シリコン上または石英上に凹部埋込構造の光導波路またはリッジ構造の光導波路を保護膜で被覆することで平坦化が形成された埋込構造である。
４．コアを形成するＳｉＯ_２膜にドーパント材として、ＧｅＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、Ｆが添加されている。
５．コアとクラッドの比屈折率差が３％以上ある。
６．分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層からなる屈折率差を有する構造とする。
７．アサーマル光導波路になるように屈折率温度係数がマイナスとなるＴｉＯ_２膜、ＰｂＭｏＯ_３膜を石英系光導波路の表面または、基板と石英系光導波路の間に形成した構造とする。
【０００５】
本発明の石英系光導波路は、４００℃近辺の比較的低い温度で光導波路を作製し、光導波路の安定化や高信頼性のためにアニール温度が８００℃程度である。低い温度処理で作製できる石英系光導波路である。石英系平面光波回路の超小型化を実現するために、比屈折率分布差Δを大きくすることが必須の条件であるが、本発明の石英系光導波路は、実現できるコアとクラッドの比屈折率差を３％以上にでき、最大で１８％以上にすることは、比較的容易であるという大きな特長がある。分散フラット光導波路も、ＳＯＧ膜やＣＶＤ膜技術と超ＬＳＩパターン作製技術を活用することにより、複雑な屈折率分布もＦＷＭ等の光の非線形光学効果によるノイズを避けるための分散フラット光導波路が石英系光導波路で実現できる。アサーマル光導波路に関しては、酸化物結晶薄膜の負の屈折率温度係数を有する材料とＳｉＯ_２膜と組合せることによりアサーマル条件を満足させれば、光路長が温度に依存しなくなることから、波長特性が温度に無依存な狭帯域波長フィルタであるファブリ・ペロー型共振器、分布帰還型共振器、導波路アレイ回折格子型フィルタ、マッハツェンダ型フィルタ、リング共振器等に広く適用できることになる。
【０００６】
【実施例】
次に本発明の実施例を参照して、詳細に説明する。図１は、本発明の埋込構造の石英系光導波路の製造プロセスである。図２は、本発明のリッジ構造の石英系光導波路の製造プロセスである。図３は、本発明の分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する構造とする。図４は、本発明のアサーマル光導波路を実現するために使用する酸化物結晶薄膜の材料定数表である。
【０００７】
図１は、本発明の埋込構造の石英系光導波路である。プロセスＩは、シリコン基板１０１にホトレジスト１０２を塗布し、所望の光導波路幅１０３の凹部のパターンをフォトリソラフィで形成する。プロセスＩＩは、例えばイオンミーリングでホトレジスト１０２の無い１０３を加工し、シリコン基板１０１に凹部１０４を形成する。凹部のサイズは、屈折率差Δ６％の光導波路サイズは、２．３μｍ×２．３μｍとなる。プロセスＩＩＩは、凹部に市販の無機塗布ガラス膜（ＳＯＧ：Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）を充填塗布し、４００℃の温度でキュアする。余分なシリコン基板１０１表面に塗布・キュアされたＳＯＧ膜や、凹部内の側壁や底のクラッド層１０５の厚みのみを残し余分なＳＯＧ膜は、ドライエッチングで除去する。このときの、クラッドの屈折率ｎ＝１．３７である。プロセスＩＶでは、コアとなるＳｉＯ_２膜１０６を凹部内の側壁や底のクラッド層１０５の上にバイアス高密度プラズマＣＶＤで形成し、シリコン基板１０１の表面のＳｉＯ_２膜や凹部に埋め込まれたＳｉＯ_２膜のクラッド層となる部分のＳｉＯ_２膜をドライエッチングで除去する。コアの屈折率ｎ＝１．４６であった。屈折率差Δは６％である。を角クラッド層となる部分にＳＯＧ膜を塗布・キュアし、埋込構造の石英系光導波路を形成する。ＳＯＧ膜やバイアス高密度プラズマＣＶＤで形成された堆積膜は、含有水分量が熱酸化膜と比較しても大きく吸湿性が問題となる。堆積膜の吸湿防止する方法として、堆積膜の表面をＮＨ_３，Ｎ_２などのプラズマに照射する方法で窒化層を形成する方法や堆積膜表面をシリル化処理し、耐湿防止することで、高信頼の石英系光導波路が形成される。プロセスＩＩＩやプロセスＩＶで、８００℃程度の高温でのアニーリング処理することでも、耐湿防止できる。プロセスＩＶでＳｉＯ_２膜にドーパント材として、ＧｅＯ_２を１５モル％添加することで、屈折率ｎ＝１．４８まで、上げることができる。さらにＳＯＧ膜を選択することによりクラッドの屈折率ｎ＝１．２７まで変えることができる。このとき、屈折率差Δ１４％にもなる。なお、コア部での損失は波長０．６３２８μｍで、０．１ｄＢ／ｃｍ以下であった。
【０００８】
図２は、本発明のリッジ構造の埋込型石英系光導波路である。プロセスＩは、シリコン基板２０１にＳＯＧ膜２０２を塗布・キュアする。プロセスＩＩは、コアとなるＳｉＯ_２膜は、バイアス高密度プラズマＣＶＤで形成し、ドライエッチングで二つの光導波路のコア２０３，２０４を加工する。屈折率差Δ６％の二つの光導波路のコア２０３，２０４の寸法サイズは、２．３μｍ×２．３μｍで光導波路の間は１μｍである。プロセスＩＩＩは、ＳＯＧ膜を二つのリッジ光導波路２０３，２０４を被覆するようにクラッド層２０５，２０６を塗布後、４００℃の温度でキュアする。リッジ光導波路表面のコーナ部突起やリッジ光導波路底部の表面張力による盛上り部は、ドライエッチングで除去する。プロセスＩＶは、シリコン基板１０１とリッジ光導波路２０３，２０４をバイアス高密度プラズマＣＶＤによるＳｉＯ_２膜２０７で平坦化し、埋込構造の石英系光導波路を形成する。堆積膜の吸湿防止する方法として、堆積膜の表面をＮＨ_３，Ｎ_２などのプラズマに照射する方法で窒化層を形成する方法や堆積膜表面をシリル化処理し、耐湿防止することで、高信頼の石英系光導波路が形成される。プロセスＩＩＩやプロセスＩＶで、８００℃程度の高温でのアニーリング処理することでも、耐湿防止できる。
【０００９】
図３は、分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する構造である。ＷＤＭ（波長多重）に対応できる分散フラット屈折率は、これまで光ファイバで試みられてきたが、残念ながら完全な分散フラット光ファイバでは実現さていないが、本発明の石英系光導波路では、ＳＯＧ膜やＣＶＤ膜技術と超ＬＳＩパターン作製技術を活用することにより、コア、中間層、クラッドの三層屈折率差構造は、説明は省略するが、図１や図２の工程をもう１回中間層形成工程を入れることで、実現できる。ＦＷＭ等の光の非線形光学効果によるノイズを避けるための分散フラット光導波路が実現できることは、極めて大きな特長である。
【００１０】
図４は、本発明のアサーマル光導波路を実現するために使用する酸化物結晶薄膜の材料定数表である。光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路がすでに高分子材料であるＰＭＭＡを使って実現されている。しかしながら、安定性や信頼性に問題があり、ここでは、酸化物結晶薄膜を使ってアサーマル光導波路が実現できる。酸化物結晶薄膜のシリコン基板への堆積方法は、エピタキシヤル成長装置やスパッタリング装置で実現可能である。アサーマル光導波路に関しては、酸化物結晶薄膜の負の屈折率温度係数を有する材料であるＴｉＯ_２膜、ＰｂＭｏＯ_３膜とＳｉＯ_２膜と組合せることによりアサーマル条件を満足させれば、光路長が温度に依存しなくなることから、波長特性が温度に無依存な狭帯域波長フィルタであるファブリ・ペロー型共振器、分布帰還型共振器、導波路アレイ回折格子型フィルタ、マッハツェンダ型フィルタ、リング共振器等に広く適用できることになる。
【００１１】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の石英系光導波路は、半導体デバイスの超ＬＳＩ製造技術を石英系光導波路に適用することにより、最高処理温度は９００℃であり、低温化での製造が可能である。４００℃程度の温度で光導波路を作製し、安定化のためにアニール温度を含めても８００℃程度で熱処理可能な石英系光導波路が実現できる。さらに本発明の石英系光導波路を使用した石英系平面光波回路は、光の閉じ込めが強く曲がり導波路の曲率半径を１ｍｍ以下とし高集積度を実現するためには、屈折率分布差Δを３％以上十数％に大きくすることができる。さらに最近のＷＤＭにも対応できる分散フラット光導波路が実現可能な石英系光導波路が可能である。光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路が実現されているが、ここでは、酸化物膜を使ったアサーマル光導波路が実現できる。以上のとおり、本発明の石英系光導波路は、工業的価値が高く、多くの基幹光ネットワークや加入者系光ネットワークの構築に多大な貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の埋込構造の石英系光導波路の製造プロセスである。
【図２】図２は、本発明のリッジ構造の石英系光導波路の製造プロセスである。
【図３】図３は、本発明の分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する構造とする。
【図４】図４は、本発明のアサーマル光導波路を実現するために使用する酸化物結晶薄膜の材料定数表である。
【符号の説明】
１０１　　　　　シリコン基板
１０２　　　　　ホトレジスト
１０３　　　　　光導波路幅
１０４　　　　　凹部
１０５　　　　　クラッド層
１０６　　　　　ＳｉＯ_２膜
２０１　　　　　シリコン基板
２０２　　　　　ＳＯＧ膜
２０３　　　　　コア
２０４　　　　　コア
２０５　　　　　クラッド層
２０６　　　　　クラッド層
２０７　　　　　ＳｉＯ_２膜

Claims

基板上に凹部を形成してなる埋込構造の光導波路において、該基板に形成された凹部内壁に塗布ガラス（ＳＯＧ：Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）膜を塗布・キュアしてクラッド層とし、該クラッド層内部にＳｉＯ_２膜を堆積充填させてコア部を形成し、該コア部にクラッド層として前記ＳＯＧ膜が塗布・キュアされた埋込構造の光導波路とし、凹部表面上に露出したクラッド層表面に耐湿処理または基板表面全面に保護膜が形成されてなることを特徴とする石英系光導波路。
基板上にＳＯＧ膜を塗布・キュアして下部クラッド層を形成し、該ＳＯＧ膜上にＳｉＯ_２膜を堆積させリッジ状に加工してコア部を形成し、基板上に形成された該コア部をＳＯＧ膜で覆ってクラッド層とし、クラッド層を含めた基板全面を保護膜で被覆することで埋込構造としたことを特徴とする石英系光導波路。
基板がシリコンまたは石英であることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
コアを形成するＳｉＯ_２膜にドーパント材として、ＧｅＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、Ｆが添加されたことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
コアとクラッドの比屈折率差が３％以上あることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
コア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する分散フラット光導波路であることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
屈折率温度係数がマイナスを有するＴｉＯ_２膜、ＰｂＭｏＯ_３膜を石英系光導波路の表面または、基板と石英系光導波路の間に形成しアサーマル光導波路になるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。