JP2004226583A - Method for processing high dielectric material and optical waveguide element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマを用いた高誘電体材料の加工方法および光導波路素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、ペロブスカイト構造を有するニオブ酸リチウム、LiTaO3、KTiOPO4、CLBO、BBOなどが焦電体、電気光学効果、非線形光学効果、強誘電体の性質をもつ機能性材料として様々なデバイス応用に期待されている。その一部として、ピエゾ素子、赤外線検出素子、不揮発性メモリ素子、第二高調波発生素子などさまざまな素子に応用展開されている。近年の機器の軽量化、コンパクト化に伴ってこれらの素子の微細化・高機能化が要望されている。
【0003】
従来例として、ニオブ酸リチウム材料を用いた第二高調波発生素子(以下SHG)について述べる。従来、光導波路素子には、埋め込み型光導波路が一般的に用いられている。従来の埋め込み型光導波路の製造方法について説明する。図6に従来の埋め込み型光導波路の形状を示す。プロトンイオン(+H)の交換を行うプロトン交換と熱処理とによって埋め込み型光導波路を形成する方法である。この方法ではプロトン交換層を熱処理で拡散させるため幅数+μmオーダーの光導波路ができる。
【0004】
さらに、高効率で微細な閉じ込めを行う光導波路素子を実現するために、図2のようなリッジ加工を実施すればよい(特許文献1、2)。
【0005】
従来の光導波路素子のリッジ加工例について説明する。
【0006】
まず、図8を参照して従来の一つ目の加工例の説明をする。ニオブ酸リチウム基板6上にある膜厚の金属膜14を形成し、金属膜14上にレジストマスク15を形成する。レジスト15をマスクとして金属膜14を加工し、レジスト15を除去し、さらに加工した金属膜14をマスクとして、ニオブ酸リチウム基板6のリッジ加工を行う(非特許文献1)。ここで金属マスクはニッケル、クロムなどの重金属である(図7)。
【0007】
次に、従来の二つ目の加工例の図9を参照して説明をする。ニオブ酸リチウム基板6上にある膜厚の金属膜14を形成し、金属膜14上にレジストマスク15を形成する。レジスト15をマスクとして金属膜14を加工し、レジストを除去する。金属膜をマスクとしてニオブ酸リチウム基板6をプロトン交換と熱処理を行い、プロトン交換層16を形成させる。さらにプロトン交換層16をドライエッチングすることでリッジ加工を行う。プロトン交換層は結晶構造が崩れているため、単結晶のニオブ酸リチウムよりもエッチングレートが速い。ここでも同様に金属マスクはニッケル、クロムなどの重金属である。
【0008】
上記二つの加工のエッチング方法を説明する。
【0009】
図1に従来例のエッチング装置の構成図を示す。真空容器1の上部に誘電板5を介して誘導結合コイル4が設置されており、真空容器1内の電極7上に基板6を載置し、ガス導入口14から真空容器1内にフッ素系ガスを導入しつつ、圧力コントローラー10で所定の圧力に制御し、真空容器1内にプラズマを発生させ、電極7上に載置された基板6、または基板6上の膜がエッチングされる。ここで、基盤6上の膜はニオブ酸リチウム薄膜または、基板自体がニオブ酸リチウムである。プラズマ発生には、高周波電源より誘導結合コイル4に高周波電力を印加し、プラズマを発生させる。真空容器1内のプラズマに存在しているイオンの引き込みのため、下部電極7に高周波電力を印加している。使用しているエッチングガスは、CF4、CHF3、NF3である(非特許文献1)。
【0010】
リッジ作成後、ニオブ酸リチウム表面に屈折率の低い酸化シリコンを堆積し、リッジ内に光を閉じ込める。
【0011】
【特許文献1】
特開平07−159637号公報
【特許文献2】
特開2000−147584号公報
【非特許文献1】
フッ素系ガスプラズマRIEによるニオブ酸リチウム結晶のエッチング特性、電子論A、120巻2号、平成12年
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の例ではいずれも金属マスクを用いて工程が多く、エッチングレートが遅いため長い加工時間を要する。また、ニッケル、クロムなどの金属は反応性が低いためエッチングされにくく、マスクとしてミクロンオーダーの加工が困難である。金属マスクを用いる理由は、レジストマスクのエッチングレートがニオブ酸リチウムのエッチングよりも速い、つまり、対レジスト選択比が低いために所望の深さまで加工することができないためである。
【0013】
例えエッチングできたとしても、次工程でマスクを除去し、リッジ表面に屈折率の低い酸化シリコンを堆積するため工程数が多くなるという問題を有することになる。
【0014】
本発明は、上記課題を解決するために行われたものであり、対マスク選択比の高いマスク材料を提案し、2μm以上の深さのエッチングを可能にし、工程を簡略化させる高誘電体材料の加工方法及び光導波路素子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】
本願第1の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、高誘電体材料上に第1層として有機材料ではないマスク材料を積層する第1の工程と、前記第1層上に第2層の薄膜としてレジストを塗布する第2の工程と、レジストをパターン形成する第3の工程と、第1層である窒化シリコンを高誘電体材料までエッチングする第4の工程と、第2層のレジストを除去する第5の工程を有し、パターン形成した第1層をマスクとして高誘電体材料をエッチングするプラズマ処理方法において、第1層のマスク材料が窒化シリコンであることを特徴とする。
【0016】
また、本願第2の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、高誘電体材料上に第1層として有機材料ではないマスク材料を積層する第1の工程と、前記第1層上に第2層の薄膜としてレジストを塗布する第2の工程と、レジストをパターン形成する第3の工程と、第1層である窒化シリコンを高誘電体材料までエッチングする第4の工程と、パターン形成した第1層およびレジストをマスクとして高誘電体材料をエッチングするプラズマ処理方法において、第1層のマスク材料が窒化シリコンであることを特徴とする。
【0017】
また、本願第3の発明に係る光導波路素子は、基板に形成する材料が高誘電体材料もしくは基板自体が高誘電体材料であり、窒化シリコンをマスクとして高誘電体材料をドライエッチングし、パターンを形成した高誘電体材料の窒化シリコン側に光を通過させることを特徴とする。
【0018】
このとき、本願第3の発明に係る光導波路素子は、高誘電体材料または高誘電体基板が比誘電率20以上の材料であると好適である。
【0019】
さらに、基板に形成する高誘電体材料または高誘電体基板はニオブ酸リチウム、LiTaO3、KTiOPO4、CLBO、BBOのうち少なくとも1つを含む材料であると好適である。
【0020】
また、本願第1及び第2に係る高誘電体材料の加工方法は、真空容器内にプラズマを発生させる手段が誘導結合プラズマ源、電子サイクロトン共鳴プラズマ源、ヘリコンプラズマ源またはVHFプラズマ源であると好適である。
【0021】
また、本願第1の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、真空容器内に導入するガスがCHF3、CF4、C4F8、CH2F2、C2F6、C3F5、C5F8のうち少なくとも1つを含むガスまたは混合ガスであると好適である。
【0022】
さらに、本願第1の発明に係る高誘電体材料の加工方法は、真空容器内に導入するガスの炭素に対するフッ素の比が20%以上であると好適である。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【0024】
図1に実験で用いたエッチング装置の構成図を示す。真空容器1の上部に誘電板5を介して誘導結合コイル4が設置されており、真空容器1内の電極7上に基板6を載置し、ガス導入口14から真空容器1内にフッ素系ガスを導入しつつ、圧力コントローラー10で所定の圧力に制御し、真空容器1内にプラズマを発生させ、電極7上に載置された基板6、または基板6上の膜がエッチングされる。ここで、基板6上の膜はニオブ酸リチウム薄膜であるが、基板自体がニオブ酸リチウムでもよい。また、基板6上の被エッチング物はニオブ酸リチウム、LiTaO3、KTiOPO4、CLBO、BBOのうち少なくとも1つを含む材料であってもよい。これらの物質は比誘電率が20以上である。
【0025】
プラズマ発生には、高周波電源より誘導結合コイル4に高周波電力を印加し、プラズマを発生させる。真空容器1内のプラズマに存在しているイオンの引き込みのため、下部電極7に高周波電力を印加している。
【0026】
図3のように基板6上のニオブ酸リチウム6上に窒化シリコン膜17を成長させる。その上にレジストマスク15を形成し、ステッパによってパターン15を形成する。その後、前記ドライエッチング装置を用いて、ニオブ酸リチウムに到達するまで窒化シリコンをエッチングする。次に、アッシングによってレジスト除去後、前記エッチング装置を用いてニオブ酸リチウムをエッチング処理する。そのときエッチングガスとしてフッ素系ガスを用いているが、フッ素系ガスの炭素/フッ素比が30%以上であればよく、ここでは、C4F8をエッチングガスとして用いた例を説明する。図4に対窒化シリコン選択比の炭素/フッ素依存性を示す。この図からエッチングガスの構成は炭素/フッ素比が30%以上になるようにC4F8、CH2F2、C2F6、C3F5、C5F8のうち少なくとも1つを含むガスまたは混合ガスとしてもよいことがわかる。ニオブ酸リチウムのエッチングレートに比べ窒化シリコンのエッチングレートが遅い。
【0027】
このエッチングについて説明する。ニオブ酸リチウムのエッチングにおいて酸素原子をガス中の炭素原子による引き抜き、フッ化ニオブの蒸発、フッ化リチウムのスパッタが同時進行で行われている。そのため炭素比の高いガスを用いてもエッチングレートの低下は見られない。一方、窒化シリコンは窒素原子とシリコン原子で構成されており、これらの原子はガス中のフッ素とシリコンが反応するが、窒素原子とは反応しない。そのため炭素比を増大したとき、反応ガスが減少し、エッチングストップが起こるため、マスクとして機能を果たす。
【0028】
また、ニオブ酸リチウムのエッチング処理を行う真空度は1.0Pa以上の高真空が望ましい。1.0Pa以下の高真空ではニオブ酸リチウムとフッ素が反応したフッ素化合物が蒸発しやすくなり、レジストとフッ素の反応よりも多く反応するためニオブ酸リチウムのエッチングレートが上昇する(図5)。1.0Pa以下の高真空でプラズマを維持するために、ここでは誘導結合プラズマを用いた例を示したが、プラズマ源として電子サイクロトン共鳴プラズマ源、ヘリコンプラズマ源またはVHFプラズマ源であることが有効である。ただし、今回の例ではレジストをアッシングによって除去していたが、レジストを残したままニオブ酸リチウムのエッチング処理を実施しても良い。
【0029】
通常、ニオブ酸リチウム上には窒化シリコンのマスクが形成されているが、ニオブ酸リチウムと窒化シリコン層との間に何らかの中間膜が存在してもよい。また、このときこの中間層は窒化シリコンのエッチング直後に除去する、もしくはニオブ酸リチウムのエッチング直前に除去する。
【0030】
なお、ニオブ酸リチウムのリッジを形成したときに、マスクとして用いた窒化シリコン膜が残る。この窒化シリコンはニオブ酸リチウムを所定の深さまでエッチングした後、除去しても良い。
【0031】
また、ニオブ酸リチウムのリッジを形成後、窒化シリコンを残したまま光導波路を作製した一例を図2に示す。通常酸化シリコン膜でリッジ表面を覆っていたが、窒化シリコンマスクをそのままデバイスに用いる。
【0032】
【発明の効果】
窒化シリコン膜をリッジ上に残すことによってその工程が削減できる。リッジ上に屈折率の低い窒化シリコン膜が存在することによって光が窒化シリコン直下に集まり、損失の低い光導波路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で用いたドライエッチング装置の模式図
【図2】本発明で加工したニオブ酸リチウムのリッジ形状を示す図
【図3】本発明で用いたサンプル構造図
【図4】本発明で実施した形態での対窒化シリコン選択比のガス依存性を示す図
【図5】本発明で実施した形態でのニオブ酸リチウムエッチングレートの真空容器内圧力依存性を示す図
【図6】従来から用いられている光閉じ込め領域を示す図
【図7】従来の金属マスクを用いたサンプル構造図
【図8】従来の金属マスクを用いてエッチングしたニオブ酸リチウムのエッチング形状1を示す図
【図9】従来の金属マスクを用いてエッチングしたニオブ酸リチウムのエッチング形状2を示す図
【符号の説明】
1 真空容器
2 誘導結合コイル印加用高周波電源
3 誘導結合コイル用マッチングボックス
4 誘導結合コイル
5 誘電板(石英板)
6 基板(ニオブ酸リチウム)
7 下部電極
8 下部電極用高周波電源
9 下部電極印加用高周波電源
10 圧力コントローラー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for processing a high dielectric material using plasma and an optical waveguide device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lithium niobate having a perovskite structure, LiTaO 3 , KTiOPO 4 , CLBO, BBO, and the like are expected to be applied to various devices as functional materials having pyroelectric, electro-optical, nonlinear optical, and ferroelectric properties. Have been. As a part thereof, it is applied to various elements such as a piezo element, an infrared detection element, a nonvolatile memory element, and a second harmonic generation element. In recent years, as devices have become lighter and more compact, miniaturization and higher functionality of these devices have been demanded.
[0003]
As a conventional example, a second harmonic generation element (hereinafter, SHG) using a lithium niobate material will be described. Conventionally, embedded optical waveguides are generally used for optical waveguide devices. A method of manufacturing a conventional embedded optical waveguide will be described. FIG. 6 shows the shape of a conventional embedded optical waveguide. This is a method for forming a buried optical waveguide by proton exchange for exchanging proton ions (+ H) and heat treatment. In this method, since the proton exchange layer is diffused by heat treatment, an optical waveguide of the order of the number of widths + μm can be obtained.
[0004]
Furthermore, in order to realize an optical waveguide device that performs high-efficiency and fine confinement, ridge processing as shown in FIG. 2 may be performed (
[0005]
An example of ridge processing of a conventional optical waveguide device will be described.
[0006]
First, a first conventional processing example will be described with reference to FIG. A metal film having a certain thickness is formed on a lithium niobate substrate, and a resist mask is formed on the metal film. The
[0007]
Next, a description will be given of a second conventional processing example with reference to FIG. A metal film having a certain thickness is formed on a lithium niobate substrate, and a resist mask is formed on the metal film. The
[0008]
An etching method for the above two processes will be described.
[0009]
FIG. 1 shows a configuration diagram of a conventional etching apparatus. The inductive coupling coil 4 is installed on the upper part of the
[0010]
After forming the ridge, silicon oxide having a low refractive index is deposited on the surface of lithium niobate to confine light within the ridge.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 07-159637 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-147584 [Non-Patent Document 1]
Etching Characteristics of Lithium Niobate Crystal by Fluorine Gas Plasma RIE, Electronics A, Vol. 120, No. 2, 2000
[Problems to be solved by the invention]
However, in each of the conventional examples, many steps are performed using a metal mask, and a long etching time is required because of a low etching rate. In addition, metals such as nickel and chromium have low reactivity and are hardly etched, and it is difficult to process them on the order of microns on a mask. The reason for using a metal mask is that the resist mask cannot be processed to a desired depth because the etching rate of the resist mask is faster than the etching of lithium niobate, that is, the selectivity to resist is low.
[0013]
Even if the etching can be performed, there is a problem that the number of steps increases because the mask is removed in the next step and silicon oxide having a low refractive index is deposited on the ridge surface.
[0014]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and proposes a mask material having a high selectivity to a mask, enables etching to a depth of 2 μm or more, and simplifies the process. It is an object of the present invention to provide a processing method and an optical waveguide element.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In the method for processing a high dielectric material according to the first invention of the present application, the material formed on the substrate is a high dielectric material or the substrate itself is a high dielectric material, and the organic material is used as a first layer on the high dielectric material. A first step of laminating a mask material that does not exist, a second step of applying a resist as a second layer thin film on the first layer, a third step of patterning the resist, and a first layer. Plasma processing for etching the high dielectric material using the patterned first layer as a mask, including a fourth step of etching silicon nitride to a high dielectric material and a fifth step of removing a second layer of resist. The method is characterized in that the first layer mask material is silicon nitride.
[0016]
Further, in the method for processing a high dielectric material according to the second invention of the present application, the material formed on the substrate is a high dielectric material or the substrate itself is a high dielectric material, and the organic material is formed as a first layer on the high dielectric material. A first step of laminating a mask material that is not a material, a second step of applying a resist as a second layer thin film on the first layer, a third step of patterning the resist, and a first layer A fourth step of etching silicon nitride to a high dielectric material, and a plasma processing method of etching the high dielectric material using the patterned first layer and a resist as a mask. It is characterized by being.
[0017]
Further, in the optical waveguide device according to the third invention of the present application, the material formed on the substrate is a high dielectric material or the substrate itself is a high dielectric material, and the silicon nitride is used as a mask to dry-etch the high dielectric material to form a pattern. The light is transmitted to the silicon nitride side of the high dielectric material formed with.
[0018]
At this time, in the optical waveguide device according to the third invention of the present application, it is preferable that the high dielectric material or the high dielectric substrate is made of a material having a relative dielectric constant of 20 or more.
[0019]
Further, the high dielectric material or the high dielectric substrate formed on the substrate is preferably a material containing at least one of lithium niobate, LiTaO 3 , KTiOPO 4 , CLBO, and BBO.
[0020]
In the method for processing a high dielectric material according to the first and second aspects of the present invention, the means for generating plasma in the vacuum vessel is an inductively coupled plasma source, an electron cycloton resonance plasma source, a helicon plasma source, or a VHF plasma source. It is suitable.
[0021]
Further, in the method of processing a high dielectric material according to the first invention of the present application, the gas introduced into the vacuum vessel is CHF 3 , CF 4 , C 4 F 8 , CH 2 F 2 , C 2 F 6 , C 3 F 5 , or a gas or a mixed gas containing at least one of C 5 F 8 .
[0022]
Furthermore, in the method for processing a high dielectric material according to the first invention of the present application, it is preferable that the ratio of fluorine to carbon of the gas introduced into the vacuum vessel is 20% or more.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0024]
FIG. 1 shows a configuration diagram of the etching apparatus used in the experiment. The inductive coupling coil 4 is installed on the upper part of the
[0025]
For plasma generation, high frequency power is applied to the inductive coupling coil 4 from a high frequency power supply to generate plasma. High-frequency power is applied to the lower electrode 7 to attract ions existing in the plasma in the
[0026]
A
[0027]
This etching will be described. In the etching of lithium niobate, oxygen atoms are extracted by carbon atoms in the gas, evaporation of niobium fluoride, and sputtering of lithium fluoride are simultaneously performed. Therefore, even if a gas having a high carbon ratio is used, the etching rate does not decrease. On the other hand, silicon nitride is composed of nitrogen atoms and silicon atoms, and these atoms react with fluorine in the gas and silicon, but do not react with nitrogen atoms. Therefore, when the carbon ratio is increased, the reaction gas decreases, and an etching stop occurs, so that it functions as a mask.
[0028]
The degree of vacuum for etching the lithium niobate is preferably a high vacuum of 1.0 Pa or more. At a high vacuum of 1.0 Pa or less, a fluorine compound in which lithium niobate and fluorine have reacted tends to evaporate and react more than the reaction between the resist and fluorine, so that the etching rate of lithium niobate increases (FIG. 5). In order to maintain the plasma at a high vacuum of 1.0 Pa or less, an example using inductively coupled plasma has been described here. However, an electron cyclotron resonance plasma source, a helicon plasma source, or a VHF plasma source may be used as the plasma source. It is valid. In this example, the resist was removed by ashing, but the lithium niobate may be etched with the resist remaining.
[0029]
Normally, a silicon nitride mask is formed on lithium niobate, but some intermediate film may be present between the lithium niobate and the silicon nitride layer. At this time, the intermediate layer is removed immediately after the etching of the silicon nitride or immediately before the etching of the lithium niobate.
[0030]
When the lithium niobate ridge is formed, the silicon nitride film used as a mask remains. This silicon nitride may be removed after etching lithium niobate to a predetermined depth.
[0031]
FIG. 2 shows an example in which an optical waveguide is manufactured after forming a ridge of lithium niobate and leaving silicon nitride. Although the ridge surface is usually covered with a silicon oxide film, a silicon nitride mask is used for the device as it is.
[0032]
【The invention's effect】
The process can be reduced by leaving the silicon nitride film on the ridge. By the presence of the silicon nitride film having a low refractive index on the ridge, light is collected immediately below the silicon nitride, and an optical waveguide with low loss can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a dry etching apparatus used in the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a ridge shape of lithium niobate processed in the present invention. FIG. 3 is a sample structure diagram used in the present invention. FIG. 5 is a diagram showing the gas dependence of the selectivity ratio of silicon nitride to silicon in the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing the pressure dependence of the etching rate of lithium niobate in the vacuum vessel in the embodiment of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing a conventional light confinement region. FIG. 7 is a sample structure diagram using a conventional metal mask. FIG. 8 is a diagram showing an
DESCRIPTION OF
6. Substrate (lithium niobate)
7
Claims (8)
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