JP2005208638A

JP2005208638A - 低損失のシリコン導波路及びその製造方法

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Publication number: JP2005208638A
Application number: JP2005006110A
Authority: JP
Inventors: Joel A Kubby; エイカビージョエル; Yao Rong Wang; ロンワンヤオ
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 2004-01-20
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2005-08-04
Also published as: US7016587B2; US20050158002A1

Abstract

【課題】シリコン・リブ導波路を通じて伝播する光の光損失を減少させること。
【解決手段】微小光学デバイスのためのシリコン・リブ導波路を製造する方法であって、絶縁結合材の層によってシリコン・ウェーハの表面に結合された、単結晶シリコン・ウェーハの表面を有するシリコン・オン・インシュレータ構造体を準備し、シリコン・ウェーハの表面に結合された表面の反対側にある単結晶シリコン・ウェーハの表面をパターン形成して、上面と対向する側壁と端部壁とを有する少なくとも１つのシリコン・リブ導波路を形成し、少なくとも１つのシリコン・リブの上面及び対向する側壁並びに端部壁上に、所定の厚さを有する窒化ケイ素クラッド層を形成する、段階を含む。
【選択図】図３

Description

本出願の例示的な実施形態は、微小光学システムのための改善されたシリコン導波路に関する。より特定的には、この例示的な実施形態は、導波路の側壁の粗さによる散乱のために光損失を減少させるクラッド層を有するシリコン・リブ導波路に関する。

集積されたシリコンのフォトニック回路又は微小光学システムにおいては、一般に、シリコン・オン・インシュレータ・チップ又はウェーハの上部単結晶シリコン層内に形成されたリブを含むシリコン導波路構造体が、内部に組み込まれている。光ファイバをリブ導波路に連結させることによって、該リブ導波路の中に及び該リブ導波路の中から光信号を案内することができる。リブは、上面と、対向する平行な側壁と、該リブ側壁の各々に隣接する平行なトレンチとを有する。リブは、伝えられる光信号を閉じ込めるように働き、該光信号が伝えられるとき、該光信号は、該リブ内及びトレンチの下に閉じ込められる。

リブ及びトレンチを単結晶シリコン層内に生成するための、１つのよく知られている効果的な方法は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である。しかしながら、ＲＩＥエッチングが、１ｎｍから５００ｎｍまでのオーダーのリブ側壁の粗さをもたらし、このリブ側壁の粗さにより、導波路に沿って伝播する光が散乱される。この光の散乱は、約１．７ｄＢ／ｃｍの光損失をもたらす。こうしたシリコン・リブ導波路における光挿入損失を最小にすることが、非常に望ましい。

ＵＳ−Ａ−６，０６３，２９９号は、シリコン・オン・インシュレータ・チップからのシリコン・リブ導波路の製造を開示する。この形態の導波路は、光ファイバに連結することができる、３μｍから５μｍまでのオーダーの寸法を有する、単一モードで低損失の導波路をもたらす。リブ導波路の上面は、窒化物バッファ層で覆われ、側壁及び隣接する溝領域は、熱酸化物又は二酸化ケイ素で被覆されている。金属層のような光吸収材を、リブ導波路の上部の窒化物バッファ層上に付着させ、偏光子を生成することができる。中間の屈折率をもつ二酸化ケイ素クラッド材を含ませることによって、導波路の側壁上に形成した二酸化ケイ素のクラッドを用いることにより、シリコン導波路から周囲の空気までの屈折率コントラストが減少される。したがって、本特許に示されるように、二酸化ケイ素のクラッドは、０．２ｄＢ／ｃｍだけ挿入損失を減少させることができる。この光損失の減少は重要であるが、さらに大きな損失の減少をもたらすことが、本出願の例示的な実施形態の目的である。さらに、二酸化ケイ素クラッド層は、シリコン・リブ導波路に光損失の改善をもたらすものであるが、酸化物クラッド層は、製造プロセスの最終段階として微小光学システムのために働くものでない。これは、一般に、フッ化水素酸（ＨＦ）によってエッチングしなければならない犠牲層を用いてスイッチを剥離するためである。さらに、以下により詳細に説明されるように、熱酸化物の成長により著しい薄膜応力がもたらされ、この薄膜応力は、偏波モード分散に強い影響を与える。

ＵＳ−Ａ−６，５１０，２７５号は、少なくとも１つのリブ導波路がデバイスの上部シリコン層内に形成された整合された構造体と、デバイスの下部シリコン基板内に形成されたＶ溝の形態の少なくとも１つの光ファイバ連結構造体とを有する微小光学電気機械デバイスを開示する。１つの実施形態において、上部シリコン層は、シリコン・オン・インシュレータ・ウェーハの単結晶シリコン層である。デバイスの製造方法により、導波路及びＶ型溝が、同じマスク層によって定められるようになる。したがって、Ｖ型溝は、導波路と自己整合される。光ファイバがＶ溝内に固定されると、連結された光ファイバ及び導波路の位置合わせ不良が、最小にされる。反射防止コーティングとして働くように、導波路のファセット／側面は、窒化ケイ素マスク層で覆われたままであるが、リブ導波路の側壁は、むき出しのままである。

プレーナ光回路は、超小型電子集積回路内でワイヤを通じて伝播する電気信号と対照的に、光導波路を通じて伝播する光信号を用いる。微小光学システムのプレーナ光回路内の小型導波路は、バッチ製造及びチップ上の機能統合を介して光電気通信コンポーネントのコストを減少させる使用可能な技術であることが予想される。したがって、本出願の例示的な実施形態により示されるように、シリコン・リブ導波路を通じて伝播する光の光損失を更に減少させることが、この技術における重要な進歩であると考えられる。

側壁の粗さによる散乱に起因する光損失を減少させるために、窒化ケイ素クラッド層を有する微小光学システムのための低損失のシリコン・リブ導波路を提供することが、本出願の例示的な実施形態の目的である。

ここで、本出願の例示的な実施形態が、同じ参照番号が同じ要素を示す添付の図面に関連して、例として説明される。
図１において、ｘ、ｙ、及びｚで示される軸を備える座標系を有する、典型的な従来技術のシリコン・リブ導波路１０の等角図が示される。長手方向のｚ軸は、大きな矢印１１で示される光伝播方向を示し、横切るｙ方向及びｘ方向は、それぞれ水平方向及び垂直方向と呼ばれる。伝播される光の偏波モードは、水平偏波（Ｅ）及び垂直偏波（Ｍ）コンポーネントの大きさによって定められる。偏波モードが、優勢のＥ_y及びＭ_xコンポーネント、並びに劣勢のＥ_x及びＭ_y場を有する場合には、光は偏光された水平偏波（ＴＥ）と呼ばれる。偏波モードが、優勢のＥ_x及びＭ_y場、並びに劣勢のＥ_y及びＭ_xコンポーネントを有する場合には、光は垂直偏波（ＴＭ）モードと呼ばれる。

導波路１０は、一般に、絶縁材料１４の層によって、下部にある通常より厚いシリコン基板１３に結合された、通常は単結晶シリコンである上部シリコン層１２からなる。結合された基板１２、１３及び絶縁層１４は、シリコン・オン・インシュレータ・チップ又はウェーハと呼ばれる。下部シリコン基板１３は、リブ導波路の製造中に歩留まりを増加させるのに必要な付加的な機械的強度を与え、リブ導波路が形成された後、結合層１４を取り除くことによって、該下部シリコン基板１３を下部基板から剥離することができる。リブ導波路１０は、一般に、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって製造され、上部シリコン基板内にある一対の平行なトレンチ１５が間隔をおいて配置され、リブ１６を形成する。リブ１６は、上面１７、及び対向する側壁１８及び１９を有する。導波路を通じて伝えられる光は、リブ１６内及びトレンチ１５の一部の下に入る。

図２において、図１の従来技術のリブ導波路１０の拡大断面図が示される。上述のＵＳ−Ａ−６，０６３，２９９号に開示されるように、リブ１６の上面１７は、窒化物バッファ層２０を有し、該リブの側壁１８、１９は、二酸化ケイ素クラッド層２１を有する。
ＲＩＥエッチング方法によって形成されたシリコン・リブ導波路１０の部分的に示される等角図が、図３に示される。この図において、リブ導波路の側壁１８、１９及び端部壁２３の表面粗さが、はっきりと示されている。ＲＩＥエッチング方法により側壁上に与えられた山と谷の典型的な粗さは、１ｎｍから５００ｎｍまでのオーダーであり、更なる処理によって減少されない限り、リブ導波路内に伝播する光に、約１．７ｄＢ／ｃｍの光損失をもたらす。この図３においては、ＲＩＥ方法によって２つの平行なトレンチ１５を表すことを可能にしたパターン形成されたマスク層２２が示され、該２つのトレンチの間の間隔が、単結晶シリコン層１２内のリブ１６を定める。

一般的に、複数のシリコン・リブ導波路が、シリコン・オン・インシュレータ・ウェーハから生成されるが、明確にするために、次の説明においては、１つの導波路だけが用いられる。図４乃至図７は、本出願によるシリコン・リブ導波路３０を製造する方法の例示的な実施形態の種々の段階を概略的に断面で示す。図４に示されるように、シリコン・リブ導波路３０（図７を参照されたい）の例示的な実施形態のプロセスが、シリコン・オン・インシュレータ・チップ又はウェーハ２４で始まる。このシリコン・オン・インシュレータ・ウェーハ２４は、シリコン基板又はウェーハ２５と、単結晶シリコン層又はウェーハ２６、及びこれらの間にある絶縁体結合層２７とを含む。窒化ケイ素層（Ｓｉ₃Ｎ₄）２８は、結合層２７に接触する面の反対側にある単結晶シリコン層２６の表面上に付着される。窒化ケイ素層２８は、０．１μｍから１．５μｍまでの厚さを有し、約０．５μｍであることが好ましい。窒化ケイ素２８を形成するために、例えば、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法を用いるなど、何らかの適切な方法を用いることができる。

シリコン・ウェーハ２５は、何らかの市販のシリコン・ウェーハ又はその一部としてもよく、一般的に約５００μｍの厚さである。単結晶シリコン・ウェーハ２６は、シリコン・ウェーハ２５に結合される前に、２０μｍから１００μｍまでの所望の厚さをもつようにしてもよく、或いは、最初にもっと厚くし、微細加工し、当該産業においてよく知られている手段によって研磨して、該シリコン・ウェーハ２５に結合された後に所望の寸法までその厚さを減少させてもよい。多くの微小光学システムにおいては、シリコン・ウェーハ２５は、機械的強度を与えるためだけに用いられ、製造段階中に単結晶シリコン層を損傷することを防止する。シリコン・リブ導波路３０（図７を参照されたい）が完成すると、結合層２７を取り除くことによって、１つ又はそれ以上のシリコン・リブ導波路から、シリコン・ウェーハ２５を任意に剥離することができる。例えば、ホスホシリケート・ガラス及び熱酸化物（ＳｉＯ₂）のような、何らかの適切な材料を、結合層２７のために用いることもできる。結合層２７の厚さは、１μｍから２０μｍまでの範囲であるが、本出願の例示的な実施形態においては約１．０μｍである。

図５及び図６に示されるように、窒化ケイ素層２８がパターン形成されて、２つの斜線３１、３２を描くマスク層を形成し、このマスク層は、２つの平行なトレンチ３５と３６の間にシリコン・リブ３４を形成する際に引き続き用いられる。例えば、フォトレジストが付着されてパターン形成され、その後にウェット又はドライ・エッチングが続き、露出された窒化ケイ素層を取り除く光リソグラフィ・プロセスのような、何らかの適切なパターン加工方法を用いて、窒化ケイ素層をパターン形成することができる。シリコン層がパターン形成された後、フォトレジストが取り除かれる。

何らかの適切なエッチング方法を用いて、２つのトレンチ３５、３６及び付随してシリコン・リブ３４を形成することができる。しかしながら、好ましいエッチング方法は、深い反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に基づいたＳＦ₆である。図６に示されるように、深いＲＩＥエッチングは、約２μｍの深さを有するトレンチ３５、３６、及び同じ高さを有するシリコン・リブ側壁３９、４０及び端部壁（図示せず）をもたらす。リブ導波路を通じて伝播する、出入りする光のためのファセットとして働く対向する端部壁は、図６に示されていない。しかしながら、導波路の端部壁は、図３に示される端部壁２３に類似したものである。ＲＩＥエッチング方法によって生成されたシリコン・リブ導波路の側壁及び端部壁は、１ｎｍから５００ｎｍまでの間の粗さを有する。この粗さにより、リブ導波路を通じて伝播する光が散乱され、この光の散乱により光損失がもたらされる。この光損失は、約１．７ｄＢ／ｃｍであることが測定された。トレンチ及びシリコン・リブがエッチングされた後、窒化ケイ素層２８が取り除かれる。

図７に示されるように、トレンチ３５、３６及びこれらの間のリブ３４を含む、第２の窒化ケイ素層３８が、単結晶シリコン層２６のパターン形成された表面上に付着される。この窒化ケイ素層３８は、何らかの周知の方法によって付着させることができるが、ＬＰＣＶＤ法によって付着させることが好ましい。このように、シリコン・リブの側壁３９、４０及びその上面４１は、第２の窒化シリコン層３８で被覆される。後述されるように、第２の窒化シリコン層３８は、伝播する光の光波長（λ）及びクラッド材の屈折率（ｎ）に基づいた所定の厚さを有する。

窒化ケイ素は、屈折率ｎ＝約２を有し、シリコンの屈折率は、ｎ＝約３．５であり、空気の屈折率は、ｎ＝約１である。これは、シリコン・リブの側壁上を被覆する窒化ケイ素を用いることが、光損失を０．３５ｄＢ／ｃｍだけ減少させることをモデル化することによって明らかになった。従来技術に開示されたように、シリコン・リブの二酸化ケイ素のクラッドは、屈折率ｎ＝１．５を有し、０．２ｄＢ／ｃｍの光損失の減少しかもたらさない。したがって、本出願の例示的な実施形態は、光損失の減少を著しく改善させるものである。

シリコン・リブのクラッド材として窒化ケイ素を用いることは、２つの付加的な望ましい効果を有する。第１に、窒化ケイ素は、リブ導波路内で伝播する光の偏波モード分散を最小にするのを助ける低応力の薄膜として付着させることができる。第２に、窒化ケイ素は、通常、微小光学システム及びシリコン導波路を組み合わせることができる他の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造中に犠牲酸化ケイ素層を取り除くために用いられるフッ化水素酸（ＨＦ）よっては、大きくエッチングされない。窒化ケイ素が、ＨＦによって大きくエッチングされず、シリコンの屈折率（ｎ＝３．５）と空気の屈折率（ｎ＝１）との間の中間の屈折率を有するので、窒化ケイ素（ｎ＝２）を反射防止材として用いることもできる。したがって、統合プロセスにおいて、隙間のファセットのような場所を被覆するために窒化ケイ素を用いて、多機能の微小光学機械デバイスを製造することができる。

二酸化ケイ素又は熱酸化物クラッド層の代わりに、シリコン・リブ導波路のクラッド層として窒化ケイ素を用いることは、３つの利点を有する。第１に、低応力の窒化ケイ素は入手可能なものであり、本出願の好ましい実施形態に用いられる。低応力の窒化物を使用することにより、導波路上に生じるクラッド層の応力の量が減少される。大きな応力が導波路に加えられた場合には、水平偏波（ＴＥ）及び垂直偏波（ＴＭ）の偏波モードが、様々な速度で進み、偏波依存分散及びさらなる光損失がもたらされる。このように、本出願の好ましい実施形態において低応力の窒化ケイ素クラッド層を用いることにより、シリコン・リブ導波路に伝えられる応力が最小にされる。第２に、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を導波路と一体化させるために、導波路クラッド層は、ＭＥＭＳコンポーネントの剥離エッチング方法と両立性のあるものでなければならない。一般的には、犠牲二酸化ケイ素又は熱酸化物層が用いられ、この犠牲二酸化ケイ素又は熱酸化物層は、処理後段階においてエッチングにより取り除かれる。熱酸化物層又は二酸化ケイ素が、導波路クラッド材のために用いられる場合には、該導波路クラッド材は、犠牲層のエッチング中に取り除かれ、ＭＥＭＳコンポーネントを剥離する。第３に、適正な厚さの窒化ケイ素層を用いる場合には、この窒化ケイ素層を反射防止コーティングとして用いることもできる。窒化ケイ素クラッド層の厚さは、光波長（λ）割る、クラッド材の屈折率（ｎ）の４倍の倍数である、よって、窒化物クラッド層の厚さはλ／４ｎの倍数であることが求められる。λ＝１．５５μｍであり、ｎ＝２（窒化物）である場合には、この厚さは、０．１９μｍの倍数である。本出願の例示的な実施形態において、第２の窒化物層３８は、０．１９μｍの厚さを有する。反射防止コーティングは、フレネル反射を減少させるか又はなくすことによって、入出力面及びスイッチの隙間のようなファセットにおける光損失を減少させることができる。例えば、反射防止コーティングがファセットに加えられない場合には、空気の屈折率がｎ＝１であり、シリコンの屈折率ｎ＝３．５である空気／シリコン境界面におけるフレネル反射は、１．５ｄＢの損失を生じさせる。

典型的な従来技術のシリコン・リブ導波路の概略的な等角図である。図１に示されるシリコン・リブ導波路の断面図である。ＲＩＥ方法によって形成され、その結果生じた側壁の粗さを示すシリコン・リブ導波路の部分等角図である。本出願によるシリコン・リブ導波路の例示的な実施形態の製造方法を示す断面図である。本出願によるシリコン・リブ導波路の例示的な実施形態の製造方法を示す断面図である。本出願によるシリコン・リブ導波路の例示的な実施形態の製造方法を示す断面図である。本出願によるシリコン・リブ導波路の例示的な実施形態の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１０、３０シリコン・リブ導波路
１２、１３基板
１４絶縁層
１５、３５、３６トレンチ
１６、３４リブ
１７、４１リブの上面
１８、１９、３９、４０リブの側壁
２０窒化物バッファ層
２１二酸化ケイ素クラッド層
２２マスク層
２３端部壁
２４シリコン・オン・インシュレータ・ウェーハ
２５シリコン・ウェーハ
２６単結晶シリコン層
２７結合層
２８、３８窒化ケイ素層

Claims

微小光学デバイスのためのシリコン・リブ導波路を製造する方法であって、
絶縁結合材の層によってシリコン・ウェーハの表面に結合された、単結晶シリコン・ウェーハの表面を有するシリコン・オン・インシュレータ構造体を準備し、
前記シリコン・ウェーハの表面に結合された前記表面の反対側にある前記単結晶シリコン・ウェーハの表面をパターン形成して、上面と対向する側壁と端部壁とを有する少なくとも１つのシリコン・リブ導波路を形成し、
前記少なくとも１つのシリコン・リブの前記上面及び前記対向する側壁並びに端部壁上に、所定の厚さを有する窒化ケイ素クラッド層を形成する、
段階を含むことを特徴とする方法。
前記窒化ケイ素層の前記所定の厚さが、前記窒化ケイ素クラッド層の屈折率（ｎ）の４倍で割った光波長（λ）（λ／４ｎ）の倍数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記単結晶シリコン・ウェーハの表面の前記パターン形成が、前記シリコン・リブ導波路の対向する側壁の各々が、前記トレンチの一方のそれぞれの壁となるように、該シリコン・リブ導波路の前記対向する側壁の各々の側に平行なトレンチを同時にパターン形成する段階をさらに含み、窒化ケイ素クラッド層を形成する前記段階が、該トレンチ上に窒化ケイ素クラッド層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
微小光学デバイスのためのシリコン・リブ導波路であって、
対向する表面を備えた単結晶シリコン基板を有し、前記単結晶シリコン基板の前記表面の一方が絶縁結合材の層によってシリコン・ウェーハに結合された、シリコン・オン・インシュレータ構造体と、
反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）方法によって、前記シリコン・ウェーハに結合された前記表面の反対側にある前記単結晶シリコン基板の表面内に形成され、ファセットとして働く対向する側壁及び対向する端部壁を有するリブ導波路と、
を備え、
前記リブ導波路が、一対の平行なトレンチによって境界付けられ、１つのトレンチが前記リブ導波路の各々の側にあり、前記トレンチの各々の一方の側壁は、該リブ導波路の前記対向する側壁のそれぞれの側壁にもなっており、前記ＲＩＥ方法によって形成された該リブ導波路の側壁及び端部壁が、表面粗さを有しており、
前記リブ導波路及びトレンチの表面上に付着された窒化ケイ素クラッド層が設けられ、
前記窒化ケイ素クラッド層は、前記リブ導波路にかかる負荷応力を最小にするように低い膜応力を有し、該リブ導波路の側壁及び端部壁の粗さに起因する光損失を減少させるように所定の厚さを有し、ファセットとして働く該リブ導波路の端部壁上にある該窒化ケイ素のクラッドが、前記ファセットにおいて反射防止コーティングを提供するようになったことを特徴とするシリコン・リブ導波路。