JP2006113506A - Optical functional device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve stability and long-term reliability by eliminating birefringence induced by warpage of a silicon substrate in a process of a quartz-based optical wave circuit and by reducing the inner stress to zero when a thin film constituting a thin film heater of an optical function device is fabricated. <P>SOLUTION: After a quartz optical waveguide 101 is fabricated on a silicon substrate 102, an insulating thin film comprising a Ta<SB>2</SB>O<SB>5</SB>thin film 100 having compressive stress depending on the difference in coefficient of expansion between the silicon substrate 102 and the quartz optical waveguide 101 is deposited to form a thin film having tensile stress. The optical functional device is an optical switch having a Mach-Zehnder interferometer structure including 3-dB directional couplers and thermo-optical phase shifters in input output ports. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光通信・光情報処理分野で使用される光機能デバイスを構成するシリコン基板上に形成された平面および3次元光導波路からなる石英系光波回路中の導波路内を伝播する光導波モードの位相を高精度に制御可能な熱光学効果を利用した光機能デバイスの特に、石英系光波回路プロセス中で起こるシリコン基板のそりにより発生する複屈折性を無くすことと光機能デバイスの薄膜ヒータを構成する薄膜形成時の内部応力発生をゼロにすることで安定性や長期信頼性に優れた光導波特性を有する光機能デバイスに関する。The present invention relates to an optical waveguide propagating in a waveguide in a silica-based lightwave circuit comprising a plane and a three-dimensional optical waveguide formed on a silicon substrate constituting an optical functional device used in the fields of optical communication and optical information processing. Especially in optical functional devices using thermo-optic effect that can control the phase of the mode with high accuracy, eliminating the birefringence caused by the warpage of the silicon substrate that occurs in the silica-based lightwave circuit process, and the thin film heater of the optical functional device The present invention relates to an optical functional device having optical waveguide characteristics that are excellent in stability and long-term reliability by eliminating the generation of internal stress during the formation of a thin film constituting the.

熱光学現象は、第3回強誘電体応用会議20−O−6:渡辺隆弥“新しい電気光学光偏向器”,昭和56年5月25日に各種透明材料で、この現象の発見が報告されている。その後、各所で基板材料として石英ガラスやLiNbOを使用した研究が進められてきた。近年、光通信ネットワークに対し、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。特に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、商用化され実用的な光回路として機能する光導波回路の最有力手段となっている。構成する光機能デバイスの中でもデバイスの安定性や信頼性の面から、シリコンを基板とした2つの3dB方向性結合器と同一長のアーム光導波路からなる対称マッハツェンダ型の光スイッチが開発の主流となっている。この光スイッチは、シリコン基板上のクラッド中に埋め込まれたコアの真上に熱光学移相器シフターである薄膜ヒータのオン、またはオフにより、石英ガラスの熱光学効果を利用して光導波路に屈折率分布を起こし光導波路中の導波光に位相差を与えバー状態またはクロス状態を生じさせ光スイッチングを実現させるものである。これらの石英系熱光学光スイッチは、スイッチ素子の小型化と低消費電力化のために超高Δ導波路と断熱構造を適用して、波長多重(WDM)用石英系平面光波回路の必須のモジュールに成長している。
渡辺隆弥“新しい電気光学光偏向器”,第3回強誘電体応用会議20−O−6:昭和56年5月25日
The thermo-optic phenomenon is reported in the 3rd Ferroelectric Application Conference 20-O-6: Takaya Watanabe “New Electro-Optical Optical Deflector” on May 25, 1981, with various transparent materials. ing. Since then, research using quartz glass or LiNbO 3 as a substrate material has been carried out in various places. In recent years, research and development on high performance, miniaturization, and cost reduction of various optical functional devices has been actively conducted for optical communication networks, and silica-based optical waveguides with excellent reliability and stability have recently been Progress is being made. In particular, silica-based optical waveguides fabricated on silicon substrates have the characteristics of low loss, excellent stability and excellent compatibility with optical fibers, and are commercially available and function as practical optical circuits. It has become the most powerful means of wave circuits. Among the optical functional devices to be configured, from the viewpoint of device stability and reliability, symmetrical Mach-Zehnder type optical switches consisting of two 3 dB directional couplers made of silicon and arm optical waveguides of the same length are the mainstream of development. It has become. This optical switch uses a thermo-optic effect of quartz glass as an optical waveguide by turning on or off a thin film heater that is a thermo-optic phase shifter shifter just above a core embedded in a clad on a silicon substrate. A refractive index distribution is generated to give a phase difference to the guided light in the optical waveguide to generate a bar state or a cross state, thereby realizing optical switching. These silica-based thermo-optic optical switches are indispensable for wavelength-division multiplexing (WDM) silica-based planar lightwave circuits by applying ultra-high Δ waveguides and heat insulation structures to reduce the size and power consumption of switch elements. Growing into a module.
Takaya Watanabe “New Electro-Optical Light Deflector”, Third Ferroelectric Application Conference 20-O-6: May 25, 1981

解決しようとする問題点は、光機能デバイスの膜構造に関するものである。
従来のシリコン基板上に形成する石英系光導波回路の作製方法には、火炎加水分解堆積(FHD)法がある。(例えば、特許文献1参照。)
現在石英系光導波路の作製方法として採用されているFHD法は、酸水素バーナー中にSiCl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FHD工程は窯業技術をベースにしている。光導波路の製作方法は、高温プロセスであるが、依然として旧方法であるFHD法に固定化されてきた。このFHD法は最低でも1000℃の高温処理を必要とすることから、シリコン基板には、アニール後の圧縮応力が残存する。結果として、シリコン基板がそる現象が見られる。例えば、図8に示すように、直径3インチのシリコン基板800上の石英系光導波路801が形成された導波路では、断面のX線トポグラフの観察から、残留応力は1.7×10dyn/cmとなることが報告されている。このため、導波光には複屈折現象が起こり、波長多重通信システムで使用されるデバイス化に当たっては、デバイスの波長無依存化が必須である。このため石英系光導波路の複屈折性を補償するための応力付与膜(α−Si膜)からなる複屈折コントローラが開発されてきた。しかしながら、64チャンネル以上のWDM通信システムの多重化の進展にともない6インチ以上の大口径シリコン基板が多用されている現状では、複屈折コントローラでの個々の石英系光導波路の複屈折性を補償する方法は技術的にも生産技術的にも対応出来なくなっている。
特願昭58−147378公報(第7頁、第4図) 安光保他、310“シリコン基板上の石英系光導波路”,昭和59年電子通信学会光・電波部門全国大会(第1頁、図4)
The problem to be solved relates to the film structure of the optical functional device.
As a conventional method for manufacturing a silica-based optical waveguide circuit formed on a silicon substrate, there is a flame hydrolysis deposition (FHD) method. (For example, refer to Patent Document 1.)
The FHD method currently used as a method for producing a silica-based optical waveguide is a method in which a raw material gas such as SiCl 4 is introduced into an oxyhydrogen burner to cause an oxidation reaction in a flame, and SiO 2 fine particles are formed on the silicon substrate with an underclad layer. A method of depositing a core layer. The silicon substrate on which the SiO 2 fine particle layer is deposited is heated to a few hundreds of hundreds of degrees Celsius in an electric furnace, and high temperature heat work is required to make the glass fine particles form a transparent glass layer. After processing the core layer into a ridge shape so as to become an optical waveguide by photolithography, glass fine particles to be an overcladding layer are again deposited on the silicon substrate including the optical waveguide of this ridge structure by the flame hydrolysis deposition method, and again Make glass transparent in an electric furnace. Basically, these FHD processes are based on ceramic technology. The manufacturing method of the optical waveguide is a high-temperature process, but it has been fixed to the old FHD method. Since this FHD method requires a high temperature treatment of at least 1000 ° C., compressive stress after annealing remains on the silicon substrate. As a result, a phenomenon that the silicon substrate is warped is seen. For example, as shown in FIG. 8, in the waveguide in which the silica-based optical waveguide 801 on the silicon substrate 800 having a diameter of 3 inches is formed, the residual stress is 1.7 × 10 9 dyn from the observation of the X-ray topograph of the cross section. / Cm 2 has been reported. For this reason, a birefringence phenomenon occurs in the guided light, and it is essential to make the device wavelength-independent for the device used in the wavelength division multiplexing communication system. For this reason, a birefringence controller composed of a stress applying film (α-Si film) for compensating the birefringence of the silica-based optical waveguide has been developed. However, with the progress of multiplexing of WDM communication systems with 64 channels or more, a large-diameter silicon substrate of 6 inches or more is widely used, and the birefringence of each silica-based optical waveguide is compensated by a birefringence controller. The method cannot be applied technically or production-technically.
Japanese Patent Application No. 58-147378 (7th page, FIG. 4) Yasuho et al., 310 “Silica-Based Optical Waveguide on Silicon Substrate”, National Convention on Optical and Radio Waves, IEICE (1st page, Fig. 4)

解決しようとする問題点として、デバイスの波長無依存化とさらには熱光学光スイッチや光フィルタを構成する熱光学移相器としての薄膜ヒータを形成する場合にも、シリコン基板上の石英系光導波路のそりは重大な問題である。シリコン基板上の石英系平面光波回路は、温度係数の異なったバイメタルである。さらに、シリコン基板の石英系平面光波回路上に作られた薄膜ヒータの薄膜もバイメタルである。しかも薄膜の形成過程では、薄膜原子のもつ運動エネルギー、凝縮エネルギーおよび蒸発源からの放射エネルギー、その他、薄膜形成プロセスに応じて、放電ガスの電磁気的エネルギー、反応ガスの化学的エネルギーなどが薄膜・基板系全体を加熱する。その結果その系の温度上昇は、真空蒸着法を用いたときは50〜100K、スパッタリング法で100〜250K、CVD法で400〜1000Kになる。薄膜を用いるときには、その系の温度上昇は室温になっていることが多いのであるから、高い温度で作られたバイメタルが低い温度で用いられることになり、薄膜内には薄膜と基板のヤング率の差、熱膨張率の差および低下した温度の三者に比例する内部応力が常に発生することになる。内部応力の原因の最とも本質的な部分は、表面自由エネルギーの異なる二つ物質が接触すれば必然的に現れるものである。ただ、単体の物体では、表面と裏面で同じ界面自由エネルギーすなわち内部応力が発生するから、基板の変形は生じない。しかし表面に薄膜が形成されると、表面自由エネルギーが表面と裏面で異なることから基板に曲がりを生じることになる。薄膜に発生する内部応力のはっきりしている原因を列記すると、
(1)薄膜・基板系の温度変化に伴うバイメタル効果
(2)薄膜の温度変化による体積変化
(3)薄膜形成過程における液相・固相の相変化による体積変化
(4)薄膜・基板間界面自由エネルギー
(5)薄膜の表面自由エネルギー
(6)薄膜粒間の自由エネルギー
となる。
薄膜の内部には、(1)〜(6)の原因で内部応力が生じる。(3)は薄膜の性質そのもののために生じる本質的なもので、この原因による応力を制御できない。(4)、(5)も薄膜、基板表面の性質で決まる原因であり、やはり本質的でこれによる応力は制御できない。
(1)、(2)は薄膜形成の条件に依存する原因であり、これらによる応力の大きさは条件に依存するので、ある程度制御が可能であるといえるが、ただ薄膜形成時に避けられない温度上昇に起因するので、それをゼロにすることはできない。また、多くの薄膜が多結晶状態にあることはよく知られている。結晶粒の大きさは薄膜形成時の条件と基板表面の状態に依存するので、(6)による応力はかなり大きく変えられるはずである。内部応力の原因は必ずしも(1)〜(6)によるものとは限らない。特に空孔や格子間原子などの点欠陥、空孔の集合体であるボイドなどの構造欠陥の状態が形成過程に依存するからである。真空蒸着膜やスパッタ膜の内部応力は、(1)〜(6)にあげた原因でおおむね目安をつけられることが多く、少なくとも、応力が引っ張りになるか圧縮になるかは薄膜と基板の物質でほとんど決まってしまい、よほど特殊な条件下でない限りそれが変わることはない。薄膜の内部応力は制御の対象になるというよりは実際はゼロになることが好ましい量である。これは部分的には薄膜の形成過程の選択によって小さくできるが、一般にいつでも可能というわけではない。そのようなときに、引っ張り応力を示す薄膜と圧縮応力を示す薄膜を重ねることにより、全体として応力を0に近づけることが可能となる場合もある。
The problem to be solved is that the silica-based optical system on the silicon substrate is used even when forming a thin film heater as a thermo-optic phase shifter constituting a thermo-optic optical switch or an optical filter. Waveguide warpage is a serious problem. The quartz-based planar lightwave circuit on the silicon substrate is a bimetal having a different temperature coefficient. Furthermore, the thin film of the thin film heater formed on the quartz-based planar lightwave circuit of the silicon substrate is also bimetal. Moreover, in the thin film formation process, the kinetic energy of the thin film atoms, the condensation energy, the radiation energy from the evaporation source, and the electromagnetic energy of the discharge gas, the chemical energy of the reaction gas, etc., depending on the thin film formation process. The entire substrate system is heated. As a result, the temperature rise of the system is 50 to 100K when using the vacuum deposition method, 100 to 250K using the sputtering method, and 400 to 1000K using the CVD method. When thin films are used, the temperature rise of the system is often at room temperature, so bimetals made at high temperatures are used at low temperatures, and the Young's modulus of the thin film and the substrate is within the thin film. An internal stress that is proportional to the difference between the difference in thermal expansion coefficient, the difference in thermal expansion coefficient, and the lowered temperature is always generated. The most essential part of the cause of internal stress inevitably appears when two substances with different surface free energies come into contact. However, since a single object generates the same interface free energy, that is, internal stress, on the front surface and the back surface, the substrate does not deform. However, when a thin film is formed on the front surface, the surface free energy differs between the front surface and the back surface, so that the substrate is bent. List the obvious causes of internal stress in the thin film,
(1) Bimetal effect due to temperature change of thin film / substrate system (2) Volume change due to temperature change of thin film (3) Volume change due to liquid / solid phase change during thin film formation process (4) Interface between thin film and substrate Free energy (5) Surface free energy of thin film (6) Free energy between thin film grains.
Internal stress occurs in the thin film due to the causes (1) to (6). (3) is essential due to the nature of the thin film itself, and the stress due to this cause cannot be controlled. (4) and (5) are also causes determined by the properties of the thin film and the substrate surface.
(1) and (2) are causes that depend on the conditions of thin film formation, and the magnitude of the stress due to these depends on the conditions, so it can be said that control is possible to some extent, but the temperature is unavoidable at the time of thin film formation. It cannot be made zero because of the rise. It is well known that many thin films are in a polycrystalline state. Since the size of the crystal grains depends on the conditions at the time of forming the thin film and the state of the substrate surface, the stress according to (6) should be changed considerably. The cause of internal stress is not necessarily due to (1) to (6). This is because the state of point defects such as vacancies and interstitial atoms and the state of structural defects such as voids that are aggregates of vacancies depend on the formation process. The internal stresses in vacuum deposited films and sputtered films are often approximated for the reasons listed in (1) to (6), and at least whether the stress is pulled or compressed is the material of the thin film and the substrate. It's almost decided, and it won't change unless you have very special conditions. It is a preferable amount that the internal stress of the thin film is actually zero rather than being controlled. This can be reduced in part by the choice of the thin film formation process, but is generally not always possible. In such a case, it may be possible to bring the stress close to 0 as a whole by stacking a thin film exhibiting tensile stress and a thin film exhibiting compressive stress.

本発明の光機能デバイスでは、
1.シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる石英系光導波回路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の光機能デバイスにおいて、シリコン基板上に形成された石英系光導波回路表面に引張応力薄膜を形成し光導波路のコアの所定領域の真上に位置する引張応力薄膜上に設けられた薄膜ヒータを構成する薄膜が圧縮応力薄膜と引張応力薄膜を重ねてなることを特徴とする光機能デバイスである。
2.薄膜ヒータを構成する圧縮応力薄膜と引張応力薄膜が蒸着法とスパッタ法のように異なる成膜プロセスからなる同一材料で構成される光機能デバイスである。
3.薄膜ヒータを構成する圧縮応力薄膜と引張応力薄膜が異種材料からなる光機能デバイスである。
4.薄膜ヒータを構成する圧縮応力薄膜と引張応力薄膜が異なる成膜プロセス条件からなるスパッタ法で作製された同一材料で構成される光機能デバイスである。
本発明の光機能デバイスは、石英系光導波回路表面に絶縁体薄膜を堆積させ、引張応力薄膜を形成して、シリコン基板上の石英系光導波回路に生じるそりを無くし、この歪みの無い石英系光導波回路上に歪みの無い薄膜ヒータから構成される光機能デバイスを実現していることから、波長依存性は無い。
In the optical functional device of the present invention,
1. Quartz formed on a silicon substrate in an interferometer-type or branch-type optical functional device using a thermo-optic effect in which a silica-based optical waveguide circuit comprising a lower clad layer, a core, and an upper clad layer is disposed on a silicon substrate The thin film that forms the thin film heater on the surface of the optical waveguide circuit and the thin film heater provided on the tensile stress thin film located directly above the predetermined area of the core of the optical waveguide overlaps the compressive stress thin film and the tensile stress thin film. An optical functional device.
2. This is an optical functional device in which a compressive stress thin film and a tensile stress thin film constituting a thin film heater are composed of the same material made of different film forming processes such as vapor deposition and sputtering.
3. This is an optical functional device in which a compressive stress thin film and a tensile stress thin film constituting the thin film heater are made of different materials.
4). It is an optical functional device composed of the same material produced by sputtering, in which the compressive stress thin film and the tensile stress thin film constituting the thin film heater are composed of different film forming process conditions.
In the optical functional device of the present invention, an insulator thin film is deposited on the surface of a silica-based optical waveguide circuit, a tensile stress thin film is formed, and the warp generated in the silica-based optical waveguide circuit on the silicon substrate is eliminated. Since an optical functional device composed of a thin film heater without distortion is realized on the system optical waveguide circuit, there is no wavelength dependency.

FDH法に限らず、シリコン基板上に形成される石英系光波回路で生じる複屈折現象の解決方法として、例えばSi(基板)−石英系PLC(SiO2)−Si系薄膜の組合せが理想的ではあるが、Si系薄膜であるα−Siは半導体的性質のために、この上に薄膜ヒータを形成するとリーク電流が生じる恐れがある。この解決策としては、α−Si薄膜上に下地に絶縁体薄膜を堆積させこの上に薄膜ヒータを構成することで、無ひずみ薄膜ヒータを実現することも可能である。もちろん、α−Si薄膜上の下地の絶縁体薄膜の引張応力は薄膜ヒータを構成する圧縮応力薄膜でキャンセルさせていることは、言及するまでもない。For example, a combination of Si (substrate) -quartz PLC (SiO 2) -Si thin film is ideal as a solution to the birefringence phenomenon generated in a quartz-based lightwave circuit formed on a silicon substrate, not limited to the FDH method. However, since α-Si, which is a Si-based thin film, has a semiconductor property, if a thin film heater is formed on the α-Si, leakage current may occur. As a solution to this, it is possible to realize a strain-free thin film heater by depositing an insulating thin film on an α-Si thin film and forming a thin film heater thereon. Of course, it goes without saying that the tensile stress of the underlying insulator thin film on the α-Si thin film is canceled by the compressive stress thin film constituting the thin film heater.

以上のとおり、本発明で得られる光機能デバイスでは、石英系光導波回路表面に絶縁体薄膜を堆積させ、引張応力薄膜を形成して、シリコン基板上の石英系光導波回路に生じるそりを無くしている。本発明の光機能デバイスは、シリコン基板に内在していたそりをキャンセルしているために、複屈折現象を生じない。さらに、この歪みの無い石英系光導波回路上に歪みの無い薄膜ヒータから構成される熱光学移相器からなる光機能デバイスを実現していることから、まったく波長依存性は起こりようがない。本発明で得られる光機能デバイスでは、石英系光波回路プロセス中で起こるシリコン基板のそりにより発生する複屈折性を無くすことと薄膜ヒータを構成する薄膜形成時の内部応力発生をゼロにすることで安定性や長期信頼性に優れた光導波特性を有する光機能デバイスとして工業的にも完成され、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ができる。As described above, in the optical functional device obtained by the present invention, an insulator thin film is deposited on the surface of the silica-based optical waveguide circuit to form a tensile stress thin film, thereby eliminating the warp generated in the silica-based optical waveguide circuit on the silicon substrate. ing. Since the optical functional device of the present invention cancels the warpage inherent in the silicon substrate, the birefringence phenomenon does not occur. Furthermore, since an optical functional device composed of a thermo-optic phase shifter composed of a thin film heater without distortion is realized on the quartz optical waveguide circuit without distortion, wavelength dependence is unlikely to occur at all. The optical functional device obtained by the present invention eliminates the birefringence generated by the warpage of the silicon substrate that occurs during the quartz-based lightwave circuit process and eliminates the generation of internal stress during the formation of the thin film constituting the thin film heater. It is industrially completed as an optical functional device having optical waveguide characteristics with excellent stability and long-term reliability, and can greatly contribute to the construction of many backbone optical networks and subscriber optical networks.

本発明の光機能デバイスは、石英系光導波回路表面に絶縁体薄膜を堆積させ、引張応力薄膜を形成して、シリコン基板上の石英系光導波回路に生じるそりを無くし、この歪みの無い石英系光導波回路上に歪みの無い薄膜ヒータから構成される光機能デバイスを実現していることから、波長依存性は全く無い。シリコン基板上の石英系光導波路のそりをなくしていることから、残留応力が無いので信頼性にも、安定度であり、波長無依存性デバイスとして、さらには熱光学光スイッチや光フィルタを構成する熱光学移相器としての薄膜ヒータを形成する場合にも、残留応力をゼロにする薄膜構成であることを特長とする。In the optical functional device of the present invention, an insulator thin film is deposited on the surface of a silica-based optical waveguide circuit, a tensile stress thin film is formed, and the warp generated in the silica-based optical waveguide circuit on the silicon substrate is eliminated. Since an optical functional device composed of a thin film heater without distortion is realized on the system optical waveguide circuit, there is no wavelength dependence. Since there is no warpage of the silica-based optical waveguide on the silicon substrate, there is no residual stress, so the reliability is also stable, and as a wavelength-independent device, a thermo-optic optical switch or optical filter is configured. Even when a thin film heater as a thermo-optic phase shifter is formed, the thin film structure is characterized in that residual stress is zero.

図1は、本発明の基本となる光機能デバイスをウエハ上に形成した平面図である。シリコン基板102上に石英系光導波路101を形成後、シリコン基板102と石英系光導波路101の膨張係数の差に圧縮応力に伴う、そりを生じるが、Ta薄膜100からなる絶縁体薄膜を堆積させ、引張応力薄膜を形成し、入出力ポートに3dBの方向性結合器と熱光学移相器を有するマッハツェンダ型干渉計構成の光スイッチ チップ103,104,105,106,107,108が形成されている。Taはイオンアシスト成膜において薄膜が結晶質になりにくくまた結晶粒界が生じにくいので界面に水分などが入りにくい安定な膜である。ここでは、光スイッチ チップ103,104,105,106,107,108の内、光スイッチ チップ103の構成について述べる。マッハツェンダ型干渉計構成の光スイッチ チップ103は、入力ポート(出力ポート)側の光導波路109,110と出力ポート(入力ポート)側の光導波路112,113と熱光学移相器111からなる。Ta薄膜100からなる絶縁体薄膜を堆積させ、引張応力薄膜を形成し、シリコン基板102上の石英系光導波回路102に与えるそりを無くし、この歪みの無い石英系光導波回路上に歪みの無い薄膜ヒータから構成される光機能デバイスを実現している。シリコン基板102に形成された光スイッチ チップ103の切断ライン114で、ダイシングソー等により、個々の光スイッチ チップ(103,104,105,106,107,108)に分割され、パッケージに収納されて光スイッチとなる。FIG. 1 is a plan view of an optical functional device as a basis of the present invention formed on a wafer. After forming the silica-based optical waveguide 101 on the silicon substrate 102, the insulator thin film made of the Ta 2 O 5 thin film 100 is caused by warping due to compressive stress in the difference in expansion coefficient between the silicon substrate 102 and the silica-based optical waveguide 101. The optical switch chips 103, 104, 105, 106, 107, 108 having a Mach-Zehnder type interferometer having a 3 dB directional coupler and a thermo-optic phase shifter at the input / output ports are formed. Is formed. Ta 2 O 5 is a stable film in which moisture and the like are unlikely to enter the interface because the thin film is less likely to be crystalline in the ion-assisted film formation and crystal grain boundaries are not easily generated. Here, the configuration of the optical switch chip 103 among the optical switch chips 103, 104, 105, 106, 107, 108 will be described. The optical switch chip 103 having a Mach-Zehnder interferometer configuration includes optical waveguides 109 and 110 on the input port (output port) side, optical waveguides 112 and 113 on the output port (input port) side, and a thermo-optic phase shifter 111. An insulator thin film made of the Ta 2 O 5 thin film 100 is deposited, a tensile stress thin film is formed, and the warp applied to the quartz optical waveguide circuit 102 on the silicon substrate 102 is eliminated. An optical functional device composed of a thin film heater without distortion is realized. At the cutting line 114 of the optical switch chip 103 formed on the silicon substrate 102, the optical switch chip (103, 104, 105, 106, 107, 108) is divided into individual optical switch chips (103, 104, 105, 106, 107, 108) by a dicing saw, etc. It becomes a switch.

図2は、図1の本発明の光機能デバイスである光スイッチの断面から見た断面図である。図1の本発明の光機能デバイスである複数個の光スイッチの代表的な1つについて、図面を参考に説明する。シリコン基板200にFDH法で作製された石英系光導波回路206中にはコア部202,203が形成されている。FDH法のプロセスで生じる圧縮応力(−1.7×10dyn/cm)によるそりは、図3のイオンビームアシスト蒸着法で形成されるTa薄膜201(厚さ5000Å)にArアシスト(イオン出力電流300mA/cm)で+1.7×10dyn/cmの引っ張り応力をもつTa薄膜を形成する。このようにイオン出力電流を制御することで、絶縁体薄膜を石英系光導波回路206に堆積させ、引張応力薄膜を形成することで、そりを無くしている。熱光学位相シフターとして、絶縁体膜であるTa薄膜上に薄膜ヒータ電極としてCr膜を選択した。
図4はマグネトロンスパッタで形成されるCr膜の膜厚と圧縮応力依存特性である。スパッタリング条件は0.15Paでスパッタリングレート10Å/秒でのCr膜の内部応力は、−10.0×10dyn/cmで一定である。ここでは、Cr膜204は、1000Åにした。このスパッタリングしたCr膜204上に、蒸着法でCr膜205を500Å形成した。このCr膜205の内部応力は、+10.0×10dyn/cmである。このように本発明を適用することで、同一材料からなる2層のCr薄膜ヒータ(204+205)のトータルの応力はゼロとなる。従来の単体膜でのCr薄膜ヒータで生じた歪みをゼロに緩和することができる。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical switch which is the optical functional device of the present invention shown in FIG. A representative one of a plurality of optical switches which are the optical functional device of the present invention in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. Core portions 202 and 203 are formed in a silica-based optical waveguide circuit 206 manufactured on the silicon substrate 200 by the FDH method. The warpage caused by the compressive stress (-1.7 × 10 9 dyn / cm 2 ) generated in the FDH process is caused by Ar 2 O 5 thin film 201 (thickness 5000 mm) formed by the ion beam assisted deposition method of FIG. A Ta 2 O 5 thin film having a tensile stress of + 1.7 × 10 9 dyn / cm 2 is formed with an assist (ion output current of 300 mA / cm 2 ). By controlling the ion output current in this manner, the insulator thin film is deposited on the quartz optical waveguide circuit 206, and the tensile stress thin film is formed, thereby eliminating the warp. As a thermo-optic phase shifter, a Cr film was selected as a thin film heater electrode on a Ta 2 O 5 thin film as an insulator film.
FIG. 4 shows the film thickness and compressive stress dependence of the Cr film formed by magnetron sputtering. The internal stress of the Cr film at a sputtering rate of 0.15 Pa and a sputtering rate of 10 Å / sec is constant at −10.0 × 10 9 dyn / cm 2 . Here, the Cr film 204 was 1000 mm. On this sputtered Cr film 204, 500 mm of Cr film 205 was formed by vapor deposition. The internal stress of the Cr film 205 is + 10.0 × 10 9 dyn / cm 2 . By applying the present invention in this way, the total stress of the two-layer Cr thin film heater (204 + 205) made of the same material becomes zero. Distortion caused by a Cr thin film heater in a conventional single film can be reduced to zero.

薄膜ヒータ電極としてよく使用されるTaN膜の場合は、TaN組成で圧縮応力は(1〜3×10dyn/cm)であることから、図5に示されているCuを100〜200Å下地に蒸着後、TaN膜1000Åをスパッタリングすることで、組成の異なった材料の組合せであるCu+TaN組成の薄膜ヒータのトータルの応力もゼロにできた。図6は、同一材料からなるCr膜のスパッタリング条件として、Arガス圧を変えることで、下地Cr膜として04Paで膜厚1500Åでは+150N/mの引っ張り応力である。この上に0.15Paの条件下で膜厚が1500Åで圧縮応力は−150N/mとなり、薄膜ヒータのトータルの応力はゼロになる。In the case of a Ta 2 N film often used as a thin film heater electrode, since the compressive stress is (1 to 3 × 10 9 dyn / cm 2 ) with a Ta 2 N composition, Cu shown in FIG. By sputtering a Ta 2 N film 1000 後 after vapor deposition on a 100 to 200 Å base, the total stress of the thin film heater having a Cu + Ta 2 N composition, which is a combination of materials having different compositions, could be made zero. FIG. 6 shows a tensile stress of +150 N / m for a base Cr film of 04 Pa and a thickness of 1500 mm by changing the Ar gas pressure as the sputtering condition of the Cr film made of the same material. On top of this, under a condition of 0.15 Pa, the film thickness is 1500 mm, the compressive stress is -150 N / m, and the total stress of the thin film heater becomes zero.

図7は、本発明の光機能デバイスであるラティス型光フィルタの基本構成である。時間領域での光波の多重干渉を利用する光フィルタであり、位相シフター、結合率可変カップラー、3dBカップラー、遅延アームからなる。光波を常に二つの導波路アーム内に閉じ込めるため、原理損失および損失変動がなく、さまざまなフィルタ特性が得られる。シリコン基板700上に形成された光導波回路に絶縁体薄膜701を石英系光導波回路に堆積させ、引っ張り応力薄膜を形成することで、そりを無くしている。絶縁体薄膜701は、イオンビームアシスト蒸着法でTa薄膜701(厚さ5000Å)にArアシスト(イオン出力電流300mA/cm)で+1.7×10dyn/cmの引っ張り応力をもつTa薄膜を形成する。このようにイオン出力電流を制御することで、絶縁体薄膜を石英系光導波回路に堆積させ、引張応力薄膜を形成することで、引っ張り応力(+1.7×10dyn/cm)でシリコン基板で生じる圧縮応力−1.7×10dyn/cmを相殺させ、基板のそりをゼロしている。次に、絶縁体膜701であるTa薄膜上に薄膜ヒータ電極としてCr膜を選択している。図4のスパッタリング条件は0.15Paでスパッタリングレート10Å/秒でのCr膜の内部応力は、−10.0×10dyn/cmで一定である。ここでは、Cr膜は、1000Åにした。このスパッタリングしたCr膜上に、蒸着法でCr膜を500Å形成した。このCr膜の内部応力は、+10.0×10dyn/cmである。同一材料からなるCr薄膜ヒータのトータルの内部応力はゼロとなる。入力ポート702、出力ポート716である。703,704,705,706,707,708,709,710,711,712,713,714,715は、熱光学位相器シフターである。このように石英系平面光回路からなる光フィルタは、WDM伝送システムに不可欠なデバイスとなっている。FIG. 7 shows a basic configuration of a lattice type optical filter which is an optical functional device of the present invention. An optical filter that uses multiple interference of light waves in the time domain, and includes a phase shifter, a coupling rate variable coupler, a 3 dB coupler, and a delay arm. Since the light wave is always confined in the two waveguide arms, there is no principle loss and loss variation, and various filter characteristics can be obtained. The insulator thin film 701 is deposited on the silica-based optical waveguide circuit on the optical waveguide circuit formed on the silicon substrate 700 to form a tensile stress thin film, thereby eliminating the warp. The insulator thin film 701 is formed by applying a tensile stress of + 1.7 × 10 9 dyn / cm 2 to the Ta 2 O 5 thin film 701 (thickness: 5000 mm) by Ar ion (ion output current 300 mA / cm 2 ) by ion beam assisted deposition. A Ta 2 O 5 thin film is formed. By controlling the ion output current in this manner, the insulator thin film is deposited on the quartz optical waveguide circuit, and the tensile stress thin film is formed, so that the tensile stress (+ 1.7 × 10 9 dyn / cm 2 ) is applied to the silicon. Compressive stress generated in the substrate of −1.7 × 10 9 dyn / cm 2 is canceled out, and the warp of the substrate is zero. Next, a Cr film is selected as a thin film heater electrode on the Ta 2 O 5 thin film that is the insulator film 701. The internal stress of the Cr film at a sputtering rate of 0.15 Pa and a sputtering rate of 10 Å / sec is constant at −10.0 × 10 9 dyn / cm 2 . Here, the Cr film was 1000 mm. On this sputtered Cr film, 500 nm of Cr film was formed by vapor deposition. The internal stress of this Cr film is + 10.0 × 10 9 dyn / cm 2 . The total internal stress of Cr thin film heaters made of the same material is zero. An input port 702 and an output port 716. Reference numerals 703, 704, 705, 706, 707, 708, 709, 710, 711, 712, 713, 714, 715 are thermo-optic phase shifters. Thus, an optical filter composed of a quartz-based planar optical circuit is an indispensable device for a WDM transmission system.

光機能デバイスの配置されたウエハの平面図である。It is a top view of the wafer by which the optical functional device is arrange | positioned. 光機能デバイスの配置された光スイッチの断面図である。It is sectional drawing of the optical switch with which the optical functional device is arrange | positioned. イオンビームアシスト蒸着によるTa薄膜の内部応力のイオン電流依存特性である。An ion current dependence of Ta 2 O 5 thin film internal stress by the ion beam assisted deposition. スパッタリングによるCr膜厚と内部応力の関係である。It is the relationship between Cr film thickness by sputtering and internal stress. 蒸着法によるCr膜厚、Cu膜厚と内部応力の関係であるIt is the relationship between the Cr film thickness by the vapor deposition method, Cu film thickness and internal stress. スパッタリングのArガス圧を変えたときのCr膜厚と内部応力の関係である。It is the relationship between Cr film thickness and internal stress when the Ar gas pressure of sputtering is changed. 図7は、本発明のラティス型光フィルタの基本構成である。FIG. 7 shows the basic configuration of the lattice type optical filter of the present invention. FHDプロセス後のシリコン基板のそりを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the curvature | sledge of the silicon substrate after a FHD process.

符号の説明Explanation of symbols

100 絶縁膜 101 光導波回路
103 光スイッチ チップ 104 光スイッチ チップ
105 光スイッチ チップ 106 光スイッチ チップ
107 光スイッチ チップ 108 光スイッチ チップ
109 光導波路 110 光導波路
111 光導波路 113 光導波路
114 切断ライン
200 シリコン基板 201 絶縁膜
202 コア 203 コア
204 ヒータ薄膜 205 ヒータ薄膜
206 石英系光導波回路(クラッド)
700 シリコン基板 701 絶縁膜
702 入力ポート 703 熱光学移相器シフター
704 熱光学移相器シフター 705 熱光学移相器シフター
706 熱光学移相器シフター 707 熱光学移相器シフター
708 熱光学移相器シフター 709 熱光学移相器シフター
710 熱光学移相器シフター 711 熱光学移相器シフター
712 熱光学移相器シフター 713 熱光学移相器シフター
714 熱光学移相器シフタ 715 熱光学移相器シフター
716 出力ポート
800 シリコン基板 801 石英系光導波回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Insulating film 101 Optical waveguide circuit 103 Optical switch chip 104 Optical switch chip 105 Optical switch chip 106 Optical switch chip 107 Optical switch chip 108 Optical switch chip 109 Optical waveguide 110 Optical waveguide 111 Optical waveguide 113 Optical waveguide 114 Cutting line 200 Silicon substrate 201 Insulating film 202 Core 203 Core 204 Heater thin film 205 Heater thin film 206 Silica-based optical waveguide circuit (cladding)
700 Silicon substrate 701 Insulating film 702 Input port 703 Thermo-optic phase shifter shifter 704 Thermo-optic phase shifter shifter 705 Thermo-optic phase shifter shifter 706 Thermo-optic phase shifter shifter 707 Thermo-optic phase shifter shifter 708 Thermo-optic phase shifter Shifter 709 Thermo-optic phase shifter shifter 710 Thermo-optic phase shifter shifter 711 Thermo-optic phase shifter shifter 712 Thermo-optic phase shifter shifter 713 Thermo-optic phase shifter shifter 714 Thermo-optic phase shifter shifter 715 Thermo-optic phase shifter shifter 716 Output port 800 Silicon substrate 801 Silica-based optical waveguide circuit

Claims (4)

シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層からなる石英系光導波回路が配置された熱光学効果を利用する干渉計型または分岐型の光機能デバイスにおいて、シリコン基板上に形成された石英系光導波回路表面に引張応力薄膜を形成し該光導波路のコアの所定領域の真上に位置する該引張応力薄膜上に設けられた薄膜ヒータを構成する薄膜が圧縮応力薄膜と引張応力薄膜を重ねてなることを特徴とする光機能デバイス。Quartz formed on a silicon substrate in an interferometer-type or branch-type optical functional device using a thermo-optic effect in which a silica-based optical waveguide circuit comprising a lower clad layer, a core, and an upper clad layer is disposed on a silicon substrate The thin film constituting the thin film heater provided on the tensile stress thin film positioned directly above the predetermined region of the core of the optical waveguide is formed of the compressive stress thin film and the tensile stress thin film. An optical functional device characterized by being stacked. 薄膜ヒータを構成する圧縮応力薄膜と引張応力薄膜が蒸着法とスパッタ法のように異なる成膜プロセスからなる同一材料で構成されることを特徴とする特許第1項請求範囲の光機能デバイス。2. The optical functional device according to claim 1, wherein the compressive stress thin film and the tensile stress thin film constituting the thin film heater are made of the same material comprising different film forming processes such as vapor deposition and sputtering. 薄膜ヒータを構成する圧縮応力薄膜と引張応力薄膜が異種材料からなることを特徴とする特許第1項請求範囲の光機能デバイス。The optical functional device according to claim 1, wherein the compressive stress thin film and the tensile stress thin film constituting the thin film heater are made of different materials. 薄膜ヒータを構成する圧縮応力薄膜と引張応力薄膜が異なる成膜プロセス条件からなるスパッタ法で作製された同一材料で構成されることを特徴とする特許第1項請求範囲の光機能デバイス。2. The optical functional device according to claim 1, wherein the compressive stress thin film and the tensile stress thin film constituting the thin film heater are made of the same material produced by a sputtering method having different film forming process conditions.
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