JP2004151700A - 平面回路型光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時にシリコンパターンの酸化工程を有する光平面回路型光学素子において、シリコン層の厚さを変化させずに所望の形状のパターンを得る。
【解決手段】シリコン層２１のうちコアおよびテーパ部となる領域の上面に窒化シリコン膜２２を形成する工程（図２（ｄ））と、窒化シリコン膜２２をマスクにしてシリコン層２１をエッチングしてコアおよびテーパ部を形成する工程（図２（ｅ））と、コアおよびテーパ部を熱酸化する工程（図２（ｆ））とを有する。コアおよびテーパ部の側壁部には二酸化シリコン膜１３が形成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野において使用される光導波路型フィルターなどの平面光波回路において、ＳＯＩ基板上に構築されるシリコンを光導波路とする平面回路型光学素子およびその製造方法に関するものである。

近年、石英系光集積回路に代わってシリコン系光集積回路を作製することを目的としてシリコンをコア材料に、二酸化シリコンをクラッド材に使用した導波路あるいは光デバイスが研究・開発されている。シリコンをコア材にした光導波路あるいは機能素子は、形状で大別して図１２に示した埋め込み細線型と図１３に示したリブ型に分けることができる。図１２において、１０１は基板、１０２は基板１０１上に形成されたアンダークラッド層、１０３はシリコンからなるコア、１０４はオーバークラッド層である。図１３において、２０１はシリコン基板、２０２は基板２０１上に形成されたアンダークラッド層、２０３はシリコンからなるスラブ、２０４はスラブと一体成形されたシリコンからなる装架部、２０５はオーバークラッド層である。

図１２に示した埋め込み細線型では、コア１０３の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが異なる構造、またはコア１０３の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが等しい構造となっている。これらの寸法は、光を単一モードで閉じ込めるという条件から決まっている。オーバークラッド層１０４には、有機系ポリマー等を用いる場合もあるが、アンダークラッド層１０２には二酸化シリコンを用いるのが一般的となっている。そのため、半導体集積回路製造用に開発されたＳＯＩ基板を使用してシリコン平面光回路を作製する方法が一般的になっている。

ＳＯＩ基板を使用する場合には、ＢＯＸ層と呼ばれる酸化膜層をアンダークラッド層として使用しており、上部シリコン層を導波路構造あるいは光機能デバイス構造に加工した後に、このデバイスあるいは導波路を覆うように上部にオーバークラッド層を積層させ、平面回路型光学素子を作製している。これらのデバイスあるいは導波路と光ファイバとの接続で問題となるのが、それぞれのモードフィールド径であり、シリコン細線光導波路ではモードフィールド径がサブミクロンのオーダーとなる。したがって、シリコン細線光導波路とモードフィールド径の大きい光ファイバとを効率的に直接接続することは困難であり、低損失な接続を行うためには、モードフィールドサイズの変換が必要である。

そこで、光ファイバとの接続部となるシリコン細線光導波路コアの端部に、コアの断面高さ（厚さ）を維持した状態で幅寸法が先端に向かって細くなるように形成したテーパ部を設けることにより、ファイバとの接続損失を低減するモードフィールドサイズ変換構造が提案されている。これまでに、このモードフィールドサイズ変換構造を用いて低挿入損失な平面回路型光学素子が達成されている。

以上のような埋め込み細線型のシリコン平面回路型光学素子では、一般にシリコンパターンをリソグラフィ技術で形成している。すなわち、電子線露光法あるいは光露光法を用いて、シリコン層の上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにしてシリコン層をエッチングして光導波路などのパターンを形成する。あるいは、シリコン層の上にエッチングハードマスク層を形成し、このエッチングハードマスク層の上にレジストパターンを形成して、レジストパターンをマスクにしてエッチングハードマスク層をエッチングしてハードマスクを形成し、このハードマスクを用いてシリコン層をエッチングする。

エッチングしたシリコンパターンの側壁部の荒れ（凹凸）はこのシリコンパターンを通過する光の伝搬損失に影響を与えるため、パターン形成で最も重要なことは、パターン側壁部の荒れを極力低減することである。このため、パターン形成後にパターン側壁部の荒れを改善する方法として、シリコンパターンを酸化してパターン側壁部を平坦化する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。図１４に、シリコンパターンを酸化した埋め込み細線型の平面回路型光学素子の断面構造を示す。図１４において、３０１は基板、３０２は基板３０１上に形成されたアンダークラッド層、３０３はシリコンからなるコア、３０４はコア３０３の酸化によって形成された二酸化シリコンである。

一方、図１３に示したリブ型の光導波路あるいは光機能デバイスの作製においても、埋め込み細線型と同様にリソグラフィ技術が利用される。また、埋め込み細線型と同様に、パターン側壁部の荒れが伝搬損失に与える影響が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。したがって、リブ型の構造においても、パターン側壁部の荒れを低減することが重要であり、パターン形成後にシリコンパターンを酸化する方法が有効と考えられる。
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
ケビン・Ｋ・リー（Kevin K.Lee）、他２名，「ファブリケーションオブウルトラロウ−ロスＳｉ／ＳｉＯ2ウエーブガイドバイラフネスリデュケーション（Fabrication of ultralow-loss Si/SiO2 waveguides by roughness reduction)」，オプティクスレターズ(OPTICS LETTERS)，２００１年１２月１日，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２３，ｐ．１８８８−１８９０ Ａ・Ｇ・リックマン(A.G.Rickman)、他２名，「シリコンオンインシュレーターオプティカルリブウエーブガイドロスアンドモードキャラクタリスティクス(Silicon-on-Insulator Optical Rib waveguide Loss and Mode Characteristics)」，ジャーナルオブライトウエーブテクノロジー(JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY)，１９９４年１０月，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１０，ｐ．１７７１−１７７６

シリコンパターン形成後に酸化によりパターン側壁部を平坦化する方法では、光導波路あるいは光機能デバイスを構成しているシリコン（例えば図１４のコア３０３）が高温雰囲気中の酸素と結合して二酸化シリコンに変質するので、シリコンパターンは幅、厚さ共に減少する。このため、従来の平面回路型光学素子では、上部シリコン層の厚さが最終的なシリコンパターンの厚さよりも厚いＳＯＩ基板を用いる必要があり、酸化量に応じてＳＯＩ基板の上部シリコン層の厚さを予め調整しなければならないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、製造時にシリコンパターンの酸化工程を有する平面回路型光学素子およびその製造方法において、シリコン層の厚さを変化させずに所望の形状のパターンを得ることができる平面回路型光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の平面回路型光学素子は、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された断面が略四角形のシリコンからなるコアと、このコアの側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、前記アンダークラッドと前記コアとは、光導波路を構成するものである。
また、本発明の平面回路型光学素子は、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された断面が略四角形のシリコンからなるコアと、このコア上に配置された酸化防止膜と、前記コアの側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、前記アンダークラッドと前記コアとは、光導波路を構成するものである。
また、本発明の平面回路型光学素子は、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された、突出部を有するリブ型コアと、このリブ型コアの前記突出部を除く上面および前記突出部の側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、前記アンダークラッドと前記リブ型コアとは、光導波路を構成するものである。
また、本発明の平面回路型光学素子は、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された、突出部を有するリブ型コアと、このリブ型コアの前記突出部上に配置された酸化防止膜と、前記リブ型コアの前記突出部を除く上面および前記突出部の側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、前記アンダークラッドと前記リブ型コアとは、光導波路を構成するものである。

また、本発明は、アンダークラッド上に形成されたシリコン層を選択的にエッチングしてコアとする光導波路を備えた平面回路型光学素子の製造方法において、前記シリコン層のうち前記コアとなる領域の上面に酸化防止膜を選択的に形成する酸化防止膜形成工程と、前記シリコン層をエッチングして前記コアを形成するエッチング工程と、前記コアを酸化する酸化工程とを有するものである。アンダークラッドは、コアよりも屈折率が小さい材料からなる。シリコン層のうちコアとなる領域の上面に酸化防止膜を形成することにより、コアの上面が酸化しないようにすることができ、コアの側壁部のみを酸化することができる。
また、本発明は、アンダークラッド上に形成されたシリコン層を選択的にエッチングして突出部を有するリブ型コアとするリブ型光導波路を備えた平面回路型光学素子の製造方法において、前記シリコン層のうち前記リブ型コアの突出部となる領域の上面に酸化防止膜を選択的に形成する酸化防止膜形成工程と、前記シリコン層をエッチングして前記リブ型コアを形成するエッチング工程と、前記リブ型コアを酸化する酸化工程とを有するものである。シリコン層のうちコアの突出部となる領域の上面に酸化防止膜を形成することにより、突出部の上面が酸化しないようにすることができる。
また、本発明の平面回路型光学素子の製造方法の１構成例において、前記酸化防止膜形成工程は、前記シリコン層のうち、コアとなる領域の上面に前記酸化防止膜を形成すると共に、前記コアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるテーパ部となる領域の上面に酸化防止膜を形成し、前記エッチング工程は、前記シリコン層をエッチングして前記コアと共に前記テーパ部を形成し、前記酸化工程は、前記コアと共に前記テーパ部を酸化するようにしたものである。シリコン層のうちテーパ部となる領域の上面に酸化防止膜を形成することにより、テーパ部の上面が酸化しないようにすることができ、テーパ部の側壁部のみを酸化することができる。

また、本発明の平面回路型光学素子およびその製造方法の１構成例において、前記コアの断面の幅および厚さは、共に０．２〜０．５μｍである。
また、本発明の平面回路型光学素子およびその製造方法の１構成例において、前記酸化防止膜は、窒化シリコンからなるものである。
また、本発明の平面回路型光学素子およびその製造方法の１構成例において、前記酸化防止膜は、シリコンカーバイドからなるものである。
また、本発明の平面回路型光学素子およびその製造方法の１構成例において、前記酸化防止膜は、１２００℃以上の融点を有し酸化物が不揮発性となる金属からなるものである。
また、本発明の平面回路型光学素子の製造方法の１構成例は、前記酸化工程によって形成されたシリコン酸化膜の屈折率を、シリコンよりも小さい範囲で大きくする工程を有するものである。

また、本発明の平面回路型光学素子の製造方法の１構成例において、前記エッチング工程は、前記シリコン層をエッチングして前記コアを形成する際に、前記コアの周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、前記酸化工程は、前記エッチング除去すべきシリコンがシリコン酸化膜に変質するように前記シリコン層を酸化するようにしたものである。
また、本発明の平面回路型光学素子の製造方法の１構成例において、前記エッチング工程は、前記シリコン層をエッチングして前記リブ型コアを形成する際に、前記突出部の周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、前記酸化工程は、前記エッチング除去すべきシリコンがシリコン酸化膜に変質するように前記シリコン層を酸化するようにしたものである。

本発明によれば、シリコン細線型の光導波路を備えた平面回路型光学素子において、シリコン層のうちコアとなる領域の上面に酸化防止膜を形成して、コアを酸化することにより、コアの上面が酸化しないようにすることができ、コアの側壁部のみを選択的に酸化して平坦化することができる。その結果、シリコン層の厚さを、あらかじめ酸化量を加味した分だけ厚くしておく必要がなくなり、上部シリコン層の厚さが最終的なコアの厚さよりも厚いＳＯＩ基板を用いる必要がなくなり、基板の管理がしやすくなる。また、酸化前のシリコンパターンのアスペクト比が小さくなるので、パターン形成の余裕度を増すことができる。その結果、シリコン平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光システムを使用してパターン形成することができる。また、酸化の前後でシリコン膜厚が変化しないかあるいはその変化が非常に小さいので、一定の厚さを持った基板を用意すれば、パターン形成のときに酸化工程での寸法変化分を加味してパターン形成すれば、酸化工程での酸化量を変化させたとしても、出来上がりの素子構造に変化がない。また、アンダークラッドより屈折率が大きい酸化防止膜をコア上に残すようにすれば、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜をアンダークラッドとして用いても、導波光をシングルモードに保ちつつ、シリコン基板に対して光を放射することがなく、かつ、通常用いられるモードフィールド径が９μｍ程度のシングルモードファイバと効率よく結合することが可能である。

また、リブ型光導波路を備えた平面回路型光学素子において、シリコン層のうちコアの突出部となる領域の上面に酸化防止膜を形成して、コアを酸化することにより、突出部の上面が酸化しないようにすることができる。その結果、シリコン層の厚さを、あらかじめ酸化量を加味した分だけ厚くしておく必要がなくなり、基板の管理がしやすくなる。また、パターン形成の余裕度が増すことから、コスト的に安価な露光システムを使用してパターン形成することができる。また、エッチング深さを、酸化するシリコンの厚さ分だけ浅くすることができるので、エッチング時間を短縮化でき、エッチングマスクの厚さを薄くすることができる。さらに、酸化の前後でシリコン膜厚が変化しないかあるいはその変化が非常に小さいので、一定の厚さを持った基板を用意すれば、パターン形成のときに酸化工程での寸法変化分を加味してパターン形成すれば、酸化工程での酸化量を変化させたとしても、出来上がりの素子構造に変化がない。

また、シリコン細線型の光導波路を備えた平面回路型光学素子において、シリコン層のうちテーパ部となる領域の上面に酸化防止膜を形成して、テーパ部を酸化することにより、テーパ部の上面が酸化しないようにすることができ、テーパ部の側壁部のみを選択的に酸化して平坦化することができる。その結果、シリコン層の厚さを、あらかじめ酸化量を加味した分だけ厚くしておく必要がなくなり、基板の管理がしやすくなる。また、パターン形成の余裕度が増すことから、コスト的に安価な露光システムを使用してパターン形成することができる。

また、シリコン細線型の光導波路を備えた平面回路型光学素子において、酸化工程によって形成された二酸化シリコン膜の屈折率を、シリコンよりも小さい範囲で大きくすることにより、シリコン細線光導波路よりモードフィールド径が大きい光導波路とシリコン細線光導波路との光学的接続をより確実なものとすることができる。

また、シリコン細線型の光導波路を備えた平面回路型光学素子において、シリコン層をエッチングしてコアを形成する際に、コアの周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、エッチング除去すべきシリコンがシリコン酸化膜に変質するようにシリコン層を酸化することにより、酸化前のシリコンパターンのアスペクト比をさらに小さくすることができ、パターン形成の余裕度をさらに増すことができる。

また、リブ型光導波路を備えた平面回路型光学素子において、シリコン層をエッチングしてリブ型コアを形成する際に、突出部の周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、エッチング除去すべきシリコンがシリコン酸化膜に変質するようにシリコン層を酸化することにより、酸化前のシリコンパターンのアスペクト比をさらに小さくすることができ、パターン形成の余裕度をさらに増すことができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図である。本実施の形態の平面回路型光学素子は、第１の光導波路と、この第１の光導波路よりモードフィールド径が大きい第２の光導波路と、第１の光導波路と第２の光導波路とを光学的に接続するモードフィールドサイズ変換部とを備えた光機能デバイスである。

図１において、１はシリコン細線からなる第１の光導波路、２はモードフィールドサイズ変換部、３は光導波路１と接続される第２の光導波路、１１はシリコン基板、１２はシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるアンダークラッド層、１３は酸化により形成されたシリコン酸化膜、１４はアンダークラッド上に選択的に形成された断面が略四角形の第１のコアであり、このコア１４はシリコンからなり細線状であって第１の光導波路１の一要素を構成している。１５は第１のコア１４の端部に、コア１４の断面高さ（厚さ）を維持した状態で幅寸法が先端（第２の光導波路側）に向かって漸次細くなるように形成されたシリコンからなる断面が略四角形のテーパ部（光導波路１の終端部）、１６はモードフィールドサイズ変換部２及び第１光導波路１と接続される第２の光導波路３の第２のコア、１７は前述したアンダークラッド１２、第１のコア１４、テーパ部１５、第２のコア１６を覆うように配置されたシリコン酸化膜からなるオーバークラッド層である。光導波路１では、第１のコア１４の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが異なる構造、または第１のコア１４の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが等しい構造となっている。

アンダークラッド層１２上に形成されたテーパ部１５は、その側面に形成されたシリコン酸化膜１３とコア１６により覆われている。このテーパ部１５が第２のコア１６により覆われている区間がモードフィールドサイズ変換部２となり、ここでは、テーパ部１５と第２のコア１６とが光学的に結合する状態となっている。テーパ部１５とコア１６との位置関係は、軸線同士が一致していることが望ましいが、第２のコア１６の幅内にテーパ部１５が収まる程度の状態であれば良く、厳密な整合性を必要とするものではない。

次に、本実施の形態の光モジュールにおける光の伝搬状態を説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）に示した第１の光導波路１の第１のコア１４の左端面から入射した光は、コア１４を伝搬した後、モードフィールドサイズ変換部２のテーパ部１５の左端位置に到達する。光がテーパ部１５を図１（ａ）の右方向に伝搬するにつれて、コア幅が徐々に狭まって光の閉じこめが弱くなりモードフィールドが周囲に広がろうとする。ところが、このときアンダークラッド層１２より屈折率の高い第２のコア１６が隣接して存在するため、光パワーの分布は第１の光導波路１の第１のコア１４から第２の光導波路３の第２のコア１６へ徐々に移っていく。

前記とは逆に図１（ａ）、図１（ｂ）に示した第２の光導波路３の第２のコア１６の右端部から光が入射した場合には、右から左へ光が進行するにつれて第２のコア１６、テーパ部１５を介して、第１の光導波路１の第１のコア１４へ光の分布が移動する。このように、テーパ部１５を介して第１の光導波路１の第１のコア１４と第２の光導波路３の第２のコア１６とを接続することで、効率の高いモードフィールドサイズ（径）変換を実現することができる。

次に、本実施の形態のシリコン平面回路型光学素子の製造方法について説明する。図２、図３は、シリコン平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。本実施の形態では、シリコン基板１１と、シリコン基板１１上に形成された平板状のアンダークラッド層１２と、アンダークラッド層１２上に形成されたシリコン層２１とからなるＳＯＩ基板をスターティング基板として使用する（図２（ａ））。

このＳＯＩ基板のシリコン層２１の表面にＥＣＲ−ＣＶＤ（Electro Cyclotron Resonance - Chemical vapor deposition ）法あるいはＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical vapor deposition）法などの方法を用いて、窒化シリコン膜２２を積層させる（図２（ｂ））。続いて、窒化シリコン膜２２の上にレジストを塗布し、電子線露光法あるいは光露光法などの公知の露光法を利用してレジストに所望のパターン形状を焼き付けた後、現像して所望の形状のレジストパターン２３を得る（図２（ｃ））

そして、レジストパターン２３をマスクにして窒化シリコン膜２２をエッチングする（図２（ｄ））。窒化シリコン膜２２のエッチングの一例を示すと，ｇ線用フォトレジストをエッチングマスクとして、ＣＦ₄／Ｏ₂をエッチングガスとして使用すれば、充分な選択比が得られる。別のガスを使用しても何ら問題ない。

なお、レジストパターン２３と窒化シリコン膜２２との間に充分な選択比が得られない場合には、窒化シリコン膜２２をエッチングするためのエッチングマスクを使用してもよい。この場合には、窒化シリコン膜２２の上にエッチングマスク層を堆積し、エッチングマスク層の上にレジストを塗布して、このレジストを加工してレジストパターン２３を形成する。そして、レジストパターン２３をマスクにしてエッチングマスク層をエッチングしてエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクを用いて窒化シリコン膜２２をエッチングすればよい。

続いて、窒化シリコン膜２２をエッチングマスクにしてシリコン層２１をエッチングして第１の光導波路１の第１のコア１４およびモードフィールドサイズ変換部２のテーパ部１５を形成する（図２（ｅ））。シリコン層２１のエッチングの前にレジストパターン２３を除去してもよいし、レジストパターン２３を残したままシリコン層２１をエッチングしてもよい。レジストパターン２３を残したままシリコン層２１をエッチングした場合には、シリコン層２１のエッチング後にレジストパターン２３を除去する必要がある。図４は、図２（ｅ）のエッチング工程が完了したときの第１の光導波路１の第１のコア１４とモードフィールドサイズ変換部２のテーパ部１５の斜視図である。なお、図４では、窒化シリコン膜２２を省略している。

次に、第１の光導波路１の第１のコア１４およびモードフィールドサイズ変換部２のテーパ部１５を形成したＳＯＩ基板全体を高温熱酸化炉で加熱して、第１のコア１４およびテーパ部１５を酸化させる。このとき、第１のコア１４およびテーパ部１５の上面には窒化シリコン膜２２が存在し、その側面には窒化シリコン膜２２が存在しないので、コア１４およびテーパ部１５の側壁部のみが選択的に酸化され、この側壁部にシリコン酸化膜１３が形成される（図２（ｆ））。

ここまでの説明から明らかなように、レジストパターン２３は、窒化シリコン膜２２を加工してエッチングマスクを形成するためのものであり、加工した窒化シリコン膜２２を用いてシリコン層２１をエッチングして第１のコア１４およびこれに連なるテーパ部１５を形成するのであるから、図２（ｅ）のエッチング工程が完了したときのコア１４およびテーパ部１５の平面形状は、レジストパターン２３の平面形状と略同一である（エッチング工程での寸法変化があるので、完全な同一ではない）。

ただし、第１のコア１４およびテーパ部１５の形成後に、図２（ｆ）の熱酸化工程によってシリコンの幅が細くなるので、酸化で減少する量を考慮して第１のコア１４およびテーパ部１５の幅（すなわち、レジストパターン２３の幅）を太めに設定しておく必要がある。

図２（ｆ）を拡大した断面図を図５に示す。図５において、１３ａはシリコン酸化膜１３のうち酸化前にシリコン層であった部分、１３ｂは酸化に伴う膨張によって形成された部分である。また、Ｗ１は酸化後の第１光導波路１の第１のコア１４の幅、Ｔ１は酸化後のコア１４の厚さ、Ｔ２はシリコン酸化膜１３の厚さ、Ｔ３はシリコン酸化膜１３ａおよび１３ｂの厚さである。

熱酸化工程では、酸化したシリコンの厚さＴ３の約２倍の厚さＴ２のシリコン酸化膜１３が形成される。言い換えると、パターンの両側でそれぞれ厚さＴ３のシリコンがシリコン酸化膜１３に変質するので、全体としてシリコン酸化膜１３の厚さＴ２の分だけシリコンが酸化したことになる。したがって、例えばＴ２＝１００ｎｍのシリコン酸化膜１３を熱酸化工程で形成する場合で、かつＷ１＝３００ｎｍの第１のコア１４を形成する場合では、熱酸化工程前の第１のコア１４の幅を４００ｎｍにする必要がある。レジストパターン２３の寸法は、エッチング工程での寸法変化、いわゆる寸法変換差を考慮した寸法にする必要があることは言うまでもない。

酸化によってシリコンの幅が細くなるのはテーパ部１５も同様であり、テーパ部１５が第１のコア１４から先端に向かって漸次細くなるように酸化前の形をテーパ状に形成しておけば、酸化後の形もテーパ状となることは言うまでもない。

熱酸化工程の完了後、窒化シリコン膜２２をエッチングなどの手法により除去する（図３（ａ））。続いて、第１のコア１４、テーパ部１５およびシリコン酸化膜１３を形成したＳＯＩ基板上に、シリコンより屈折率が小さくアンダークラッド層１２より屈折率が大きい例えばポリマー系材料を化学気相成長法あるいはスピンコーティング法などにより堆積し、このポリマー系材料を光露光法とエッチングにより加工して、コア１４よりも断面形状が大きいコア１６を形成する。

そして、第１の光導波路１の第１のコア１４、テーパ部１５、シリコン酸化膜１３および第２のコア１６を形成したＳＯＩ基板上に、アンダークラッド層１２と同じ屈折率を持つシリコン酸化膜あるいはポリマー系材料を堆積して、オーバークラッド層１７を形成する（図３（ｂ））。こうして、図１のシリコン平面回路型光学素子が完成する。

以上のように、本実施の形態では、シリコン層２１のエッチング前に堆積した窒化シリコン膜２２をシリコンエッチング時のハードマスクとして使用した後に、この窒化シリコン膜２２を残したまま熱酸化を行う。窒化シリコンは酸化されにくい材料、すなわち酸化防止効果を示す材料なので、窒化シリコン膜２２で覆われているシリコン層２１の上面は酸化されず、窒化シリコン膜２２で覆われていないシリコン層２１の側壁部のみが酸化される。その結果、シリコン層２１の厚さを、あらかじめ酸化量を加味した分だけ厚くしておく必要が無くなる。

また、本実施の形態では、従来に比べて酸化前のシリコンパターンを薄くできることから、酸化前のシリコンパターンのアスペクト比（シリコンの幅をａ、厚さをｂとしたとき、アスペクト比＝ｂ／ａ）が小さくなり、パターン形成の余裕度を増すことができる。図６に、従来の平面回路型光学素子と本実施の形態の平面回路型光学素子における、パターン幅と要求されるパターンアスペクト比との関係を示す。図６の例では、酸化後のシリコンパターンの厚さを３００ｎｍ、酸化によって形成される二酸化シリコンの厚さを１００ｎｍとしている。

図６によれば、本実施の形態の方が従来よりも小さなアスペクト比のパターンを形成すればよいことが明らかである。その結果、シリコン平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光システムを使用してパターン形成することができる。

なお、通信に使用される光の波長（例えば１．５５μｍ）に対してシリコン酸化膜１３は十分に薄いため、第１の光導波路１の第１のコア１４と第２の光導波路３の第２のコア１６との光学的接続にシリコン酸化膜１３が影響を与える可能性は小さいが、シリコン酸化膜１３の屈折率がアンダークラッド層１２より大きいことがより望ましい。その理由は、屈折率が大きければ第２のコアもしくはその一部になれるからである。シリコン酸化膜１３の屈折率を大きくするには、第２のコア１６を形成する前に、例えばシリコン酸化膜１３にゲルマニウム等をイオン打ち込みすればよい。これにより、シリコン酸化膜１３の屈折率を、シリコンよりも小さい範囲で大きくすることができ、第１の光導波路の第１のコア１４と第２の光導波路の第２のコア１６との光学的接続をより確実なものとすることができる。

［第２の実施の形態］
図７は本発明の第２の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の断面図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のシリコン平面回路型光学素子は、シリコンリブ型光導波路を備えた光機能デバイスである。シリコンからなるリブ型のコア１８は、板状のスラブ１８ａと、スラブ１８ａから突出するようにスラブ１８ａと一体成形された細線状の装架部（突出部）１８ｂとからなる。

本実施の形態においても平面回路型光学素子の製造方法は、第１の実施の形態とほぼ同様であるので、第１の実施の形態の符号を用いて説明する。第１の実施の形態と異なるのは、図２（ｄ）の工程後に窒化シリコン膜２２をエッチングマスクにしてシリコン層２１をエッチングする際に、図２（ｅ）のようにアンダークラッド層１２に達するまでシリコン層２１を全てエッチングするのではなく、エッチングを途中で停止することである。これにより、途中までエッチングした部分がスラブ１８ａとなり、窒化シリコン膜２２の下部が装架部１８ｂとなって、リブ型のコア１８が形成される。

そして、窒化シリコン膜２２を残したまま、第１の実施の形態と同様に熱酸化を行うと、窒化シリコン膜２２で覆われている装架部１８ｂの上面は酸化されず、窒化シリコン膜２２で覆われていないスラブ１８ａの上面および装架部１８ｂの側壁部のみが酸化される。その結果、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
図８（ａ）は本発明の第３の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。第１の実施の形態では、前記熱酸化工程において第１のコア１４およびテーパ部１５の側面にシリコン酸化膜１３が形成されるが、本実施の形態では、第１のコア１４およびテーパ部１５の側面だけでなく、その周囲のアンダークラッド層１２上にもシリコン酸化膜１３が形成される。

以下、本実施の形態のシリコン平面回路型光学素子の製造方法について説明する。図９、図１０は、シリコン平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。図９（ａ）〜図９（ｄ）の工程は、図２（ａ）〜図２（ｄ）の工程と同じである。
次に、窒化シリコン膜２２をエッチングマスクにしてシリコン層２１をエッチングするが、このときのエッチングは、シリコン層２１を最後までエッチングせずに、図９（ｅ）に示すように途中で停止させる。シリコン層２１のエッチングの前にレジストパターン２３を除去してもよいし、レジストパターン２３を残したままシリコン層２１をエッチングしてもよい。レジストパターン２３を残したままシリコン層２１をエッチングした場合には、シリコン層２１のエッチング後にレジストパターン２３を除去する必要がある。

続いて、図９（ｅ）のＳＯＩ基板全体を高温熱酸化炉で加熱して、シリコン層２１を酸化させる。その結果、窒化シリコン膜２２が形成された面を除くシリコン層２１の上面および側壁部が酸化されてシリコン酸化膜１３が形成され、シリコン酸化膜１３の内側に残存するシリコン層２１が第１のコア１４およびテーパ部１５となる（図９（ｆ））。図１０（ａ）、図１０（ｂ）の工程は、図３（ａ）、図３（ｂ）の工程と同じである。こうして、図８のシリコン平面回路型光学素子が完成する。

本実施の形態では、シリコン層２１のエッチングを途中で止めて、第１のコア１４およびテーパ部１５となる領域の周囲に所定の厚さ（例えば５０ｎｍ）のシリコンを残し、この厚さのシリコンが全てシリコン酸化膜１３に変質するように熱酸化することにより、所望の寸法のコア１４およびテーパ部１５を形成する。本実施の形態では、第１の実施の形態に比べて、コア１４およびテーパ部１５となる領域の酸化前に加工するシリコンパターンを薄くできることから、酸化前に加工するシリコンパターンのアスペクト比が小さくなり、パターン形成の余裕度をさらに増すことができる。

なお、本実施の形態の製造方法を第２の実施の形態に適用してもよい。この場合には、エッチング工程において、シリコン層をエッチングしてリブ型コア１８を形成する際に、装架部（突出部）１８ｂの周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残す。このとき、装架部（突出部）１８ｂの周囲のシリコンの厚さは、このエッチング除去すべきシリコンの厚さにスラブ１８ａとなるシリコンの厚さを加えた値となる。そして、前記エッチング除去すべきシリコンが全てシリコン酸化膜１３に変質するようにシリコン層を酸化すればよい。

［第４の実施の形態］
第１〜第３の実施の形態では、熱酸化工程後に窒化シリコン膜２２を除去しているが、予め窒化シリコン膜２２を光デバイスの一部になるように設計している場合には、窒化シリコン膜２２は除去しなくてもよい。図１１は本発明の第４の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の断面図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。

通常の石英型光導波路で用いられるアンダークラッドの厚さは、２０μｍ程度と十分に大きいため、シリコン基板への導波光の漏洩を考慮する必要がない。しかし、ＳＯＩ基板のシリコン酸化物をアンダークラッドとして用いる光導波路においては、ＳＯＩ基板の製造工程上の問題から、アンダークラッドを３μｍより厚くすることが困難である。このため、通常の光導波路で設定されるように、アンダークラッドとコアとの比屈折率差が１％以下の場合は、導波光がアンダークラッドを通じてシリコン基板へ漏洩してしまうという問題がある。

これに対して、本実施の形態では、アンダークラッド層１２より屈折率が大きい窒化シリコン膜２２をコア１４上に残すことにより、アンダークラッド層１２への導波光の漏れを防ぐことができる。また、導波光のシングルモード条件を満たすと共に、シングルモードファイバと効率よく接続するために必要な大きさのモードフィールド径も実現することができる。図１１では、第１の実施の形態において窒化シリコン膜２２を残す例を示しているが、第２、第３の実施の形態において、窒化シリコン膜２２を除去せずに残すようにしてもよい。

なお、第１〜第４の実施の形態では、窒化シリコンを酸化防止膜として使用したが、Ｔａ，Ｗなどの高融点金属で酸化物を形成しないかあるいは酸化物の揮発性が小さい金属を酸化防止膜として使用してもよい。酸化防止膜として使用する金属の融点は、平面回路型光学素子の製造工程で使用される温度以上であればよく、好ましくは１２００℃以上がよい。また、シリコンカーバイドなどの別のシリコン系材料を酸化防止膜として使用してもよい。

また、第１〜第４の実施の形態において、アンダークラッドの１例としてシリコン酸化膜を例に挙げて説明したが、シリコン窒化膜や石英でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、第１〜第４の実施の形態において、基板としてシリコン基板を用いる例を挙げたが、シリコンに限らずガラス、石英あるいは他の材料を用いた基板であってもよく、多層基板の上に本発明の平面回路型光学素子を形成するようにしてもよい。
また、本発明において、コアおよびテーパ部の断面形状を略四角形と規定したのは、例えばコアやテーパ部の角が丸くなって完全な四角形にはならないことがあるからである。

本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の平面図および断面図である。 本発明の第１の実施の形態のシリコン平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第１の実施の形態のシリコン平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。 第１の光導波路の第１のコアとモードフィールドサイズ変換部のテーパ部の斜視図である。 本発明の第１の実施の形態における熱酸化後のシリコン平面回路型光学素子の拡大断面図である。 本発明の第１の実施の形態と従来のシリコン平面回路型光学素子におけるパターン幅とパターンアスペクト比との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の断面図である。 本発明の第３の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の平面図および断面図である。 本発明の第３の実施の形態のシリコン平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第３の実施の形態のシリコン平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第４の実施の形態となるシリコン平面回路型光学素子の断面図である。 従来の埋め込み細線型の平面回路型光学素子の断面図である。 従来のリブ型の平面回路型光学素子の断面図である。 シリコンパターンを酸化した従来の埋め込み細線型の平面回路型光学素子の断面図である。

符号の説明

１…第１の光導波路、２…モードフィールドサイズ変換部、３…第２の光導波路、１１…シリコン基板、１２…アンダークラッド層、１３…シリコン酸化膜、１４…第１のコア、１５…テーパ部、１６…第２のコア、１７…オーバークラッド層、１８…リブ型コア、１８ａ…スラブ、１８ｂ…装架部、２１…シリコン層、２２…窒化シリコン膜、２３…レジストパターン。

Claims (18)

1. 全体として平板状のアンダークラッドと、
   このアンダークラッド上に配置された断面が略四角形のシリコンからなるコアと、
   このコアの側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、
   前記アンダークラッドと前記コアとは、光導波路を構成することを特徴とする平面回路型光学素子。
2. 全体として平板状のアンダークラッドと、
   このアンダークラッド上に配置された断面が略四角形のシリコンからなるコアと、
   このコア上に配置された酸化防止膜と、
   前記コアの側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、
   前記アンダークラッドと前記コアとは、光導波路を構成することを特徴とする平面回路型光学素子。
3. 全体として平板状のアンダークラッドと、
   このアンダークラッド上に配置された、突出部を有するリブ型コアと、
   このリブ型コアの前記突出部を除く上面および前記突出部の側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、
   前記アンダークラッドと前記リブ型コアとは、光導波路を構成することを特徴とする平面回路型光学素子。
4. 全体として平板状のアンダークラッドと、
   このアンダークラッド上に配置された、突出部を有するリブ型コアと、
   このリブ型コアの前記突出部上に配置された酸化防止膜と、
   前記リブ型コアの前記突出部を除く上面および前記突出部の側面に配置されたシリコン酸化膜とを備え、
   前記アンダークラッドと前記リブ型コアとは、光導波路を構成することを特徴とする平面回路型光学素子。
5. 請求項１または２記載の平面回路型光学素子において、
   前記コアの断面の幅および厚さは、共に０．２〜０．５μｍであることを特徴とする平面回路型光学素子。
6. 請求項２または４記載の平面回路型光学素子において、
   前記酸化防止膜は、窒化シリコンからなることを特徴とする平面回路型光学素子。
7. 請求項２または４記載の平面回路型光学素子において、
   前記酸化防止膜は、シリコンカーバイドからなることを特徴とする平面回路型光学素子。
8. 請求項２または４記載の平面回路型光学素子において、
   前記酸化防止膜は、１２００℃以上の融点を有し酸化物が不揮発性となる金属からなることを特徴とする平面回路型光学素子。
9. アンダークラッド上に形成されたシリコン層を選択的にエッチングしてコアとする光導波路を備えた平面回路型光学素子の製造方法において、
   前記シリコン層のうち前記コアとなる領域の上面に酸化防止膜を選択的に形成する酸化防止膜形成工程と、
   前記シリコン層をエッチングして前記コアを形成するエッチング工程と、
   前記コアを酸化する酸化工程とを有することを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
10. アンダークラッド上に形成されたシリコン層を選択的にエッチングして突出部を有するリブ型コアとするリブ型光導波路を備えた平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記シリコン層のうち前記リブ型コアの突出部となる領域の上面に酸化防止膜を選択的に形成する酸化防止膜形成工程と、
    前記シリコン層をエッチングして前記リブ型コアを形成するエッチング工程と、
    前記リブ型コアを酸化する酸化工程とを有することを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
11. 請求項９記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記酸化防止膜形成工程は、前記シリコン層のうち、コアとなる領域の上面に前記酸化防止膜を形成すると共に、前記コアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるテーパ部となる領域の上面に酸化防止膜を形成し、
    前記エッチング工程は、前記シリコン層をエッチングして前記コアと共に前記テーパ部を形成し、
    前記酸化工程は、前記コアと共に前記テーパ部を酸化することを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
12. 請求項９記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記コアの断面の幅および厚さは、共に０．２〜０．５μｍであることを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
13. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記酸化防止膜は、窒化シリコンからなることを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
14. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記酸化防止膜は、シリコンカーバイドからなることを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
15. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記酸化防止膜は、１２００℃以上の融点を有し酸化物が不揮発性となる金属からなることを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
16. 請求項１１記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記酸化工程によって形成されたシリコン酸化膜の屈折率を、シリコンよりも小さい範囲で大きくする工程を有することを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
17. 請求項９または１１記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記エッチング工程は、前記シリコン層をエッチングして前記コアを形成する際に、前記コアの周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、
    前記酸化工程は、前記エッチング除去すべきシリコンがシリコン酸化膜に変質するように前記シリコン層を酸化することを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
18. 請求項１０記載の平面回路型光学素子の製造方法において、
    前記エッチング工程は、前記シリコン層をエッチングして前記リブ型コアを形成する際に、前記突出部の周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、
    前記酸化工程は、前記エッチング除去すべきシリコンがシリコン酸化膜に変質するように前記シリコン層を酸化することを特徴とする平面回路型光学素子の製造方法。
    

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