JP2008145506A - Optical element using piezoelectric element, and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、片持ち梁構造酸化亜鉛圧電素子による光学素子とその作成方法に関するものである。 The present invention relates to an optical element using a cantilever-structure zinc oxide piezoelectric element and a method for producing the same.
デバイスとして、MEMS(Micro Electro Mechanical System)またはMST(Microsystem technology)を利用したものが、多くの研究者から注目されている。MEMSやMSTといった非常に小さな電気機械システムを構成するにあたり、それを機械的に動かすための駆動素子が必要となる。
さて、この駆動素子の構成として片持ち梁構造の圧電素子とすることが提案されている。これに用いる圧電材料はPZTが主に用いられているが、この材料は鉛を含むことから環境汚染の原因となっていた。この材料に代わる圧電材料として酸化亜鉛が提案されている。この駆動素子を安価かつ安全な材料である酸化亜鉛(ZnO)を用いて作成することは利点が多い。
最近、海外の研究機関からZnO圧電素子の応用に関する研究報告がなされている[非特許文献1,2参照]。このように、駆動にピエゾ効果を利用し、Si基板上に成長したZnO薄膜によるフリースタンディング(片持ち梁)構造を有するものは知られている。
しかしながら、国内で成功した事例はない。酸化亜鉛はデバイス作成に用いるエッチング剤で全て溶融してしまうことから、デバイス作成に必須な技術である選択エッチングが難しかった。
Now, it has been proposed to use a piezoelectric element having a cantilever structure as a configuration of the drive element. PZT is mainly used for the piezoelectric material used for this, but since this material contains lead, it has caused environmental pollution. Zinc oxide has been proposed as a piezoelectric material that can replace this material. It is advantageous to produce this drive element using zinc oxide (ZnO) which is an inexpensive and safe material.
Recently, research reports on the application of ZnO piezoelectric elements have been made by overseas research institutions [see Non-Patent Documents 1 and 2]. As described above, those having a free standing (cantilever) structure using a ZnO thin film grown on a Si substrate by using the piezo effect for driving are known.
However, there are no successful cases in Japan. Since zinc oxide is completely melted by the etching agent used for device fabrication, selective etching, which is an essential technique for device fabrication, is difficult.
本発明の目的は、酸化亜鉛(ZnO)により、片持ち梁構造圧電素子を作成し、作成した片持ち梁構造圧電素子により、光の分波器及び光スイッチを構成することである。 An object of the present invention is to create a cantilever structure piezoelectric element using zinc oxide (ZnO), and to construct an optical branching filter and an optical switch using the created cantilever structure piezoelectric element.
上記目的を達成するために、本発明は、シリコン(Si)基板上に、ゲルマニウム(Ge)層を形成し、該Ge層上に酸化シリコン(SiO2)膜を形成し、該SiO2膜上に酸化亜鉛(ZnO)の圧電素子層を形成した後、過酸化水素水により前記Ge層をエッチングして、前記Ge層を一部残して、片持ち梁構造とし、前記圧電素子層に電極を形成して、光学素子を形成することを特徴とする片持ち梁構造酸化亜鉛圧電素子による光学素子形成方法である。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a germanium (Ge) layer is formed on a silicon (Si) substrate, a silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the Ge layer, and the SiO 2 film is formed. After the piezoelectric element layer of zinc oxide (ZnO) is formed, the Ge layer is etched with hydrogen peroxide to leave a part of the Ge layer to form a cantilever structure, and electrodes are formed on the piezoelectric element layer. An optical element forming method using a cantilever structure zinc oxide piezoelectric element, characterized in that an optical element is formed.
上述の光学素子形成方法で形成される光学素子も本発明であり、該光学素子は、ZnOの前記圧電素子層が前記電極に印加された電圧により駆動され、Ge層が除去された部分で、入射光に対する干渉を受けた後に反射して出る反射光を出力としてもよい。
Si基板の一部に形成したpn接合による光検出素子で、分波器で反射しない光を検出する構成としてもよい。
該光学素子は、ZnOの前記圧電素子層が前記電極に印加された電圧により駆動されて、入射光に対する光路が変化することにより、出力光の伝導路が切り替わる光スイッチとしてもよい。このとき、前記伝導路の一部が前記基板上に形成されていることが望ましい。
An optical element formed by the above-described optical element forming method is also the present invention, and the optical element is a portion where the piezoelectric element layer of ZnO is driven by a voltage applied to the electrode and the Ge layer is removed. The reflected light that is reflected after receiving interference with the incident light may be output.
A light detection element using a pn junction formed on a part of the Si substrate may be configured to detect light that is not reflected by the duplexer.
The optical element may be an optical switch in which the conduction path of output light is switched when the piezoelectric element layer of ZnO is driven by a voltage applied to the electrode and the optical path with respect to incident light is changed. At this time, it is desirable that a part of the conduction path is formed on the substrate.
また、上述の光学素子形成方法において、前記基板を可視光領域で透明な基板とし、前記基板上に半透明金属膜を形成後、ゲルマニウム(Ge)層を形成する。その後、前記半透明金属膜と同様の半透明金属膜を形成し、該半透明金属膜上に前記酸化シリコン(SiO2)膜を形成して、光学素子を形成する。この光学素子は、圧電素子層に対する入射光が、Ge層が除去された部分での干渉を受けた後に、基板を透過して出る透過光を出力とする分波器とすることもできる。 In the optical element forming method described above, the substrate is a transparent substrate in the visible light region, a semi-transparent metal film is formed on the substrate, and then a germanium (Ge) layer is formed. Thereafter, a translucent metal film similar to the translucent metal film is formed, and the silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the translucent metal film to form an optical element. This optical element can also be a branching filter that outputs light transmitted through the substrate after the incident light on the piezoelectric element layer receives interference at the portion where the Ge layer is removed.
上述のような構造のZnOによる片持ち梁構造の圧電素子は、透明性が高いZnOの特性を生かして構成されており、周波数多重された光から特定の周波数を取り出す分波器や光の伝導路を切りかえる光スイッチとして、応答速度も高く、1本のファイバに波長の異なる複数の光信号を多重することにより、伝送容量を拡大することができる高密度波長分割多重(DWDM)による光通信に最適である。 A piezoelectric element having a cantilever structure made of ZnO having the above-described structure is configured by taking advantage of the highly transparent characteristics of ZnO, and is a demultiplexer for extracting a specific frequency from frequency-multiplexed light or light conduction. As an optical switch that switches the path, it has a high response speed and can be used for optical communication by high-density wavelength division multiplexing (DWDM), which can expand the transmission capacity by multiplexing multiple optical signals with different wavelengths on one fiber. Is optimal.
本発明は、上述のように、酸化亜鉛(ZnO)はデバイス作成に用いるエッチング剤で全て溶融してしまうので、ゲルマニウム(Ge)を犠牲層として用い、このGeの犠牲層を過酸化水素水のエッチング剤でエッチングして、片持ち梁構造の圧電素子を作製している。
また、Geの犠牲層とZnO層との間にSiO2等の酸化膜を挿入して、エッチングする際にZnO層を保護することも本発明の圧電素子作成の特徴である。
このような構造のZnOによる片持ち梁構造の圧電素子は、透明性が高いZnOの特性を生かして、周波数多重された光から特定の周波数を取り出す分波器や光の伝導路を切りかえる光スイッチとして用いることができる。これらの分波器や光スイッチは応答速度も高く、1本のファイバに波長の異なる複数の光信号を多重することにより、伝送容量を拡大することができる高密度波長分割多重(DWDM)による光通信に最適である。
以下に、本発明の実施形態を、図面を用いて詳しく説明する。
In the present invention, as described above, since zinc oxide (ZnO) is completely melted by an etching agent used for device fabrication, germanium (Ge) is used as a sacrificial layer, and this Ge sacrificial layer is used as a hydrogen peroxide solution. A cantilever piezoelectric element is manufactured by etching with an etchant.
Another feature of the piezoelectric element fabrication of the present invention is that an oxide film such as SiO 2 is inserted between the Ge sacrificial layer and the ZnO layer to protect the ZnO layer during etching.
The piezoelectric element of the cantilever structure of ZnO having such a structure is an optical switch that switches a light demultiplexer or a light conduction path that takes out a specific frequency from frequency-multiplexed light by making use of the highly transparent characteristics of ZnO. Can be used as These demultiplexers and optical switches have a high response speed, and can multiplex optical signals with different wavelengths on a single fiber to increase the transmission capacity. Ideal for communication.
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
<ZnOの薄膜堆積過程>
図1は、エッチングを行う対象であるGe層の犠牲層を有するZnOの薄膜堆積過程を説明するための模式図である。
(1)シリコン(Si)基板110をスパッタリング工程の前に洗浄する(図1(a)参照)。ここでは、ふっ酸で洗浄後、アセトン、エタノールの順で洗浄後、純水で洗浄後乾燥した。
<Thin film deposition process of ZnO>
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a ZnO thin film deposition process having a Ge layer sacrificial layer to be etched.
(1) The silicon (Si)
(2)犠牲層であるGe薄膜120を、Si基板110上にRFスパッタリング装置を用いて堆積する(図1(b)参照)。
Geを堆積する条件例;
RF電力:50−200W,基板温度:常温,堆積圧力:1−50Pa,
Arガスの流量:5−30sccm,膜厚:0.1−0.6μm
(2) A Ge
Example conditions for depositing Ge;
RF power: 50-200 W, substrate temperature: normal temperature, deposition pressure: 1-50 Pa,
Ar gas flow rate: 5-30 sccm, film thickness: 0.1-0.6 μm
(3)SiO2薄膜130を、Ge薄膜120上にRFスパッタリング装置を用いて堆積する(図1(c)参照)。
SiO2薄膜の堆積条件例;
RF電力:50−200W,基板温度:常温、堆積圧力:1−50Pa
Arガスの流量:5−30sccm,膜厚:0.1−0.5μm
(3) The SiO 2
Example of deposition conditions for SiO 2 thin film;
RF power: 50-200 W, substrate temperature: normal temperature, deposition pressure: 1-50 Pa
Ar gas flow rate: 5-30 sccm, film thickness: 0.1-0.5 μm
(4)Gaを不純物として10%添加したZnOターゲットを用い、n型ZnO薄膜140を、RFスパッタリング装置を用いて堆積する(図1(d)参照)。なお、以下の圧電素子を形成する酸化亜鉛(ZnO)の層の形成については、例えば再公表特許公報WO02/017368号等を参照されたい。
n型ZnOの堆積条件例;
RF電力:50−200W,基板温度:常温、堆積圧力:1−50Pa
Arガス:流量5−30sccm,膜厚:0.05−0.1μm,
抵抗率:1x10−2Ω・cm以下
(4) Using a ZnO target doped with 10% Ga as an impurity, an n-type ZnO
Example of deposition conditions for n-type ZnO;
RF power: 50-200 W, substrate temperature: normal temperature, deposition pressure: 1-50 Pa
Ar gas: flow rate 5-30 sccm, film thickness: 0.05-0.1 μm,
Resistivity: 1 × 10 −2 Ω · cm or less
(5)不純物無しのZnOターゲットを用いて、基板に対してc軸に配向したZnO薄膜150を、RFスパッタリング装置を用いて堆積する(図1(e)参照)。
ZnOの堆積条件例;
RF電力:50−200W,基板温度:常温,堆積圧力:1−50Pa
Arガス:流量5−30sccm,膜厚:0.2−1.0μm
抵抗率:1x102Ω・cm以上
(5) Using a ZnO target having no impurities, a ZnO
Example of ZnO deposition conditions;
RF power: 50-200 W, substrate temperature: normal temperature, deposition pressure: 1-50 Pa
Ar gas: flow rate 5-30 sccm, film thickness: 0.2-1.0 μm
Resistivity: 1x10 2 Ω · cm or more
(6)Gaを不純物として10%添加したZnOターゲットを用いて、n型ZnO薄膜160を、RFスパッタリング装置を用いて堆積する(図1(f)参照)。
n型ZnOの堆積条件例;
RF電力:50−200W,基板温度:常温,堆積圧力:1−50Pa
Arガス:流量5−30sccm,膜厚:0.05−0.1μm
抵抗率:1x10−2Ω・cm以下
(6) An n-type ZnO
Example of deposition conditions for n-type ZnO;
RF power: 50-200 W, substrate temperature: normal temperature, deposition pressure: 1-50 Pa
Ar gas: flow rate 5-30 sccm, film thickness: 0.05-0.1 μm
Resistivity: 1 × 10 −2 Ω · cm or less
上述の(1)〜(6)の過程を経ると、基板上にゲルマニウム(Ge)膜を形成し、その上に酸化膜を介してZnOの薄膜を堆積した多層膜ができる。これを加工して、片持ち梁構造圧電素子を作成することができる。以下に、図面図2〜図4を用いて、透明性が高いZnOの特性を生かした、片持ち梁構造圧電素子による分波器,光スイッチの作製過程を説明する。 Through the processes (1) to (6) described above, a multilayer film is formed in which a germanium (Ge) film is formed on a substrate and a ZnO thin film is deposited thereon via an oxide film. This can be processed to create a cantilever piezoelectric element. Below, the manufacturing process of the duplexer and optical switch by the cantilever structure piezoelectric element which utilized the characteristic of ZnO with high transparency is demonstrated using drawing FIGS.
<光分波器の作製>
上述の過程で作製したZnOの薄膜を堆積した多層膜を加工して、Ge層120を犠牲層として、過酸化水素水をエッチング液として用いて片持ち梁構造とする。n型ZnO層(低抵抗層)140−ZnO層(圧電導膜)150−n型ZnO層(低抵抗層)160を圧電素子として形成する。形成した圧電素子部分を印加電圧により変形し、ファブリペロー干渉計と同じ原理に基づいて、犠牲層が除去された部分の多重反射による干渉により波長選択性を持たせて、光分波器200,210を作製する。この過程を図2の模式図により説明する。
<Production of optical demultiplexer>
The multilayer film on which the ZnO thin film produced in the above process is deposited is processed to form a cantilever structure using the
(1)上述で説明した薄膜作成工程終了後の基板を準備する。(図2(a)参照)
(2)犠牲層であるGe薄膜120をエッチングにより、所定部分除去して、片持ち梁構造を形成する(図2(b)参照)。
ここで用いたエッチング法は、60−70℃に加熱した過酸化水素水30%溶液に基板を垂直に立てエッチング部分の高さまで浸して、Ge薄膜の一部を除去した。
(1) A substrate after completion of the thin film forming process described above is prepared. (See Fig. 2 (a))
(2) A predetermined portion of the Ge
In the etching method used here, a part of the Ge thin film was removed by vertically immersing the substrate in a 30% hydrogen peroxide solution heated to 60-70 ° C. and immersing the substrate up to the height of the etched portion.
(3)圧電素子を形成するために、レジスト170を塗布後、フォトリソグラフィ工程によりレジスト170を除去する(図2(c)参照)。
(4)ドライエッチング法により、エッチング時間を制御して下部n型ZnO薄膜140の直前でエッチングを停止させる(図2(d)参照)。
(3) In order to form a piezoelectric element, after applying the resist 170, the resist 170 is removed by a photolithography process (see FIG. 2C).
(4) The etching time is controlled by dry etching to stop the etching just before the lower n-type ZnO thin film 140 (see FIG. 2D).
(5)Al電極181,182を形成し、n型ZnO層(低抵抗層)140−ZnO層(圧電導膜)151−n型ZnO層(低抵抗層)161の部分で圧電素子を構成する(図2(e)参照)。
図2(e)に示したように、Al電極181,182に電界を印加することにより、ZnO薄膜の圧電素子部分は、片持ち部分を軸として変形する。変形量により、ファブリペロー干渉計と同じ原理で波長選択性を持つことから、反射光を光センサに導光すれば、波長選択した検出が可能となり、反射光を利用する分波器200が構成される。
(5) The
As shown in FIG. 2E, when an electric field is applied to the
<反射型分波器の条件>
上述の図2(e)に示した反射型分波器として使用するための条件について、以下に詳細に説明する。
界面における全反射の条件について、図3を用いて説明する。図3(a)は、屈折率n1,n2の物質間の界面を示している。図3(b)は空気(屈折率1)と屈折率nの物質との界面を示している。全反射の臨界角φは、図3(a)に関しては、sinφ=n1/n2であり、図3(b)に関してsinφ=1/nである。したがって、全反射の条件は、入射角θ>臨界角φであり、図3(a)に関してはn2sinθ>n1であり、図3(b)に関しては、nsinθ>1である。
<Conditions for reflection type duplexer>
The conditions for using the reflection type duplexer shown in FIG. 2 (e) will be described in detail below.
The conditions for total reflection at the interface will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows an interface between substances having refractive indexes n 1 and n 2 . FIG. 3B shows an interface between air (refractive index 1) and a material having a refractive index n. The critical angle φ for total reflection is sin φ = n 1 / n 2 for FIG. 3A and sin φ = 1 / n for FIG. 3B. Accordingly, the conditions for total reflection are incident angle θ> critical angle φ, n 2 sin θ> n 1 for FIG. 3A, and n sin θ> 1 for FIG. 3B.
図2(e)に示した層構成における全反射条件が発生する部分は、上述で説明したように、入射光が高屈折率から低屈折率に至る界面であることから、n型ZnO層140とSiO2層130の界面、SiO2層130と空気層との界面となる。なお、構成している物質の屈折率は表1に示す。 The portion where the total reflection condition occurs in the layer configuration shown in FIG. 2E is the interface where the incident light reaches from the high refractive index to the low refractive index as described above. and the interface between the SiO 2 layer 130, the interface between the SiO 2 layer 130 and the air layer. The refractive index of the constituent materials is shown in Table 1.
n型ZnOとSiO2の界面での全反射条件は、全反射の臨界角φとすると、sinφ=0.74なので、φ=47.5°となる。光はこの部分で反射してはいけないので、入射角θはおおよそ48°以上である必要がある。次に、SiO2層と空気層の界面での全反射条件は、全反射の臨界角φとすると、sinφ=0.71なので、この場合、全反射条件はφ=45.23°となる。SiO2層を透過してきた光は、この部分で全反射せず、また、少なくとも20−60%程度透過するように入射角を選択する必要がある。
なお、SiO2層の代わりにSi3N4層に変えればn型ZnOとSi3N4の間で屈折率の違いがほとんど無いことから、この部分での反射は極めて小さくなる。
入射光のSi基板表面における反射に関して、光源として1000nm以下の波長の光を用いれば、SiO2層を透過してきた光の多くは金属光沢を有するSi基板表面で効率的に反射する。反射効率をさらに上げるため、あるいはさらに長波長の光源を用いる場合には、Si表面をAl等の反射率の極めて高い金属でコーティングしておけば90%以上の高い反射率が期待できる。
The total reflection condition at the interface between the n-type ZnO and SiO 2 is φ = 47.5 ° because sin φ = 0.74 if the critical angle φ of total reflection is assumed. Since light should not be reflected at this portion, the incident angle θ needs to be approximately 48 ° or more. Next, the total reflection condition at the interface between the SiO 2 layer and the air layer is sin φ = 0.71 assuming that the critical angle φ of total reflection is, and in this case, the total reflection condition is φ = 45.23 °. It is necessary to select the incident angle so that the light transmitted through the SiO 2 layer is not totally reflected at this portion and is transmitted at least about 20 to 60%.
If the Si 3 N 4 layer is used instead of the SiO 2 layer, there is almost no difference in refractive index between n-type ZnO and Si 3 N 4 , so that the reflection at this portion is extremely small.
Regarding the reflection of incident light on the Si substrate surface, if light having a wavelength of 1000 nm or less is used as the light source, most of the light transmitted through the SiO 2 layer is efficiently reflected on the Si substrate surface having a metallic luster. In order to further increase the reflection efficiency or use a light source having a longer wavelength, a high reflectivity of 90% or more can be expected if the Si surface is coated with a metal having a very high reflectivity such as Al.
ファブリーペロー干渉計と同様の干渉を利用するには、SiO2層と空気層の界面での反射光とSi基板表面からの反射光との干渉を利用すればよい。
干渉については、図4を用いて説明する。図4(a)は透過光による干渉であり、図4(b)は反射光による干渉である。図4に示されるdは、図2(e)におけるGe犠牲層121の膜厚に対応している。そのため、図2(e)の反射型分波器の、反射光同士の干渉が加算されて明るくなるのは、屈折率が空気の場合1とすると
2d=(2m+1)×λ/2
となる。m=0,1,2,3−−−−であるため、0次の干渉を考えると、m=0となることから、犠牲層のGeが除去された部分の厚さdは、d=λ/4となる。また、1次の干渉を考えるとm=1なので、d=λ×3/4となる。入射光の波長を0.5μmとすれば、m=0でd=0.125μm、m=1で0.375μmとなる。入射光の波長を変えるに従い、犠牲層の膜厚dは干渉の式に従い変化させて対応する。
以上の結果から、犠牲層の膜厚dは入射光の波長を干渉の式に代入すれば求められる。
また、Si基板表面に光センサを内蔵しておけば、Si基板表面に到達した光の光量を確認することにより、定量的な反射光量の制御が可能となる。この構成を図5で説明する。
In order to use the same interference as the Fabry-Perot interferometer, the interference between the reflected light at the interface between the SiO 2 layer and the air layer and the reflected light from the Si substrate surface may be used.
The interference will be described with reference to FIG. 4A shows the interference caused by the transmitted light, and FIG. 4B shows the interference caused by the reflected light. D shown in FIG. 4 corresponds to the thickness of the Ge
It becomes. Since m = 0, 1, 2, 3 ----, considering zero order interference, m = 0. Therefore, the thickness d of the sacrificial layer from which Ge is removed is d = λ / 4. Further, considering first-order interference, since m = 1, d = λ × 3/4. If the wavelength of incident light is 0.5 μm, d = 0.125 μm when m = 0, and 0.375 μm when m = 1. As the wavelength of the incident light is changed, the thickness d of the sacrificial layer is changed according to the interference equation.
From the above results, the thickness d of the sacrificial layer can be obtained by substituting the wavelength of the incident light into the interference equation.
Further, if an optical sensor is built in the surface of the Si substrate, it is possible to control the amount of reflected light quantitatively by checking the amount of light reaching the surface of the Si substrate. This configuration will be described with reference to FIG.
<光センサ内蔵型分波器の作製>
図5の模式図は、光センサも組み込んだ分波器の作製法及び構成を示している。
(1)図1,図2では、シリコン(Si)基板で作製した薄膜堆積をしたものを使用したが、ここでは、図5(a)に示すような、n型Si基板内部の所定の場所にp型Si領域112を形成した基板111を使用している。
(2)その基板111上に、図1と同様の過程で薄膜作製工程を終了したものが図5(b)に示されている。ここで、図1と同じものは同じ参照番号を付与している。
<Production of optical sensor built-in duplexer>
The schematic diagram of FIG. 5 shows a method and a structure of a duplexer that also incorporates an optical sensor.
(1) In FIGS. 1 and 2, a thin film deposited material made of a silicon (Si) substrate is used, but here, a predetermined location inside an n-type Si substrate as shown in FIG. A
(2) FIG. 5B shows the thin film fabrication process completed on the
(3)犠牲層であるGe薄膜120をエッチングにより、所定部分除去して、片持ち梁構造を形成する(図5(c)参照)。
ここでは、60−70℃に加熱した過酸化水素水30%溶液に、基板を垂直に立てエッチング部分の高さまで浸して、Ge薄膜120の一部を除去する。
(3)レジスト171を塗布後、フォトリソグラフィ工程により必要ではないレジスト171を除去する(図5(d)参照)。
(4)ドライエッチング法により、エッチング時間を制御して所定の構造を作成する(図5(e)参照)。
(3) A predetermined portion of the Ge
Here, a part of the Ge
(3) After applying the resist 171, the unnecessary resist 171 is removed by a photolithography process (see FIG. 5D).
(4) A predetermined structure is created by controlling the etching time by a dry etching method (see FIG. 5E).
(5)図5(f)に示すように、Al電極181,182,183,184を形成し、n型ZnO層(低抵抗層)140−ZnO層(圧電導膜)152−n型ZnO層(低抵抗層)162による圧電素子部、p型Si112−n型Si基板111によるpn受光素子部を構成する。図5(f)において、Al電極181,182に電界を印加することにより、圧電素子部が片持ち部分を軸として変形する。変形量により波長選択性を持つ。反射しない光をSi基板111上に形成したpn受光素子部で検出することができる。
(5) As shown in FIG. 5 (f),
<透過型分波器>
干渉による分波器は、図4での干渉の説明から分かるように、透過光を利用して構成することもできる。これを図6で説明する。図6は透過型分波器の作製法である。また、図1,図2と同じ構成のものは、同じ参照番号とする。
(1)図6(a)に示すように、図1で説明した薄膜作成工程において、基板を可視光領域で透明度が高いサファイア基板115に変更し、その上に、半透明金属膜132を形成する。半透明金属膜132の上にゲルマニウム(Ge)層120を形成した後、半透明金属膜134を形成し、該半透明金属膜134上に前記酸化シリコン(SiO2)層130を形成した基板を準備する。なお、サファイア基板115は可視光領域で透明度が高いガラス基板(屈折率1.4)でもよい。
半透明金属膜132,134の作成は、例えばスパッタリング法等により作成することができる。
(2)犠牲層であるGe薄膜120をエッチングにより、所定部分除去して、片持ち梁構造を形成する(図6(b)参照)。
ここで用いたエッチング法は、60−70℃に加熱した過酸化水素水30%溶液に基板を垂直に立てエッチング部分の高さまで浸して、Ge薄膜の一部を除去した。
<Transmission type duplexer>
As can be understood from the explanation of interference in FIG. 4, the duplexer due to interference can also be configured using transmitted light. This will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a method of manufacturing a transmission type duplexer. 1 and 2 have the same reference numerals.
(1) As shown in FIG. 6A, in the thin film forming process described in FIG. 1, the substrate is changed to a
The
(2) A predetermined portion of the Ge
In the etching method used here, a part of the Ge thin film was removed by vertically immersing the substrate in a 30% hydrogen peroxide solution heated to 60-70 ° C. and immersing it to the height of the etched portion.
(3)圧電素子を形成するために、レジスト170を塗布後、フォトリソグラフィ工程によりレジスト170を除去する(図6(c)参照)。
(4)ドライエッチング法により、エッチング時間を制御して下部n型ZnO薄膜140の直前でエッチングを停止させる(図6(d)参照)。
(5)Al電極181,182を形成し、n型ZnO層(低抵抗層)140−ZnO層(圧電導膜)162−n型ZnO層(低抵抗層)172の部分で圧電素子を構成する(図6(e)参照)。
(3) In order to form a piezoelectric element, after applying the resist 170, the resist 170 is removed by a photolithography process (see FIG. 6C).
(4) The etching time is controlled by dry etching to stop the etching just before the lower n-type ZnO thin film 140 (see FIG. 6D).
(5)
透過型分波器の場合は、半透明金属膜132,134、及びサファイア基板115を透過した透過光と、半透明金属膜132で反射して、半透明金属膜134の表面で反射した後、サファイア基板115を透過する透過光とが干渉すればよい。
干渉条件は膜厚に対応しており、薄膜による干渉の図4(b)に示すように、透過光同士の干渉が加算されて明るくなるのは、屈折率が空気の場合1とすると2d=mλとなる。m=0,1,2,3−−−−であるため1次の干渉を考えるとm=1となる。Si3N4層の厚さがGe層の厚さに比べ十分に小さいと仮定すると、犠牲層のGeが除去された部分の厚さdはd=λ/2となる。また2次の干渉を考えるとm=2なのでd=λとなる。入射光の波長を0.5μmとすれば、m=1でd=0.25μm、m=1で0.5μmとなる。分波する波長を変えるに従い、犠牲層の膜厚dを入力電圧により、干渉の式に従って変化させる。
In the case of a transmission type duplexer, the light transmitted through the
The interference condition corresponds to the film thickness, and as shown in FIG. 4B of the interference due to the thin film, the interference between the transmitted light is added and the brightness becomes bright when the refractive index is 1 and 2d = mλ. Since m = 0, 1, 2, 3 ---, considering the first order interference, m = 1. Assuming that the thickness of the Si 3 N 4 layer is sufficiently smaller than the thickness of the Ge layer, the thickness d of the sacrificial layer where the Ge is removed is d = λ / 2. Considering the secondary interference, since m = 2, d = λ. If the wavelength of the incident light is 0.5 μm, d = 1.25 μm when m = 1, and 0.5 μm when m = 1. As the wavelength to be demultiplexed is changed, the thickness d of the sacrificial layer is changed according to the interference equation by the input voltage.
<光スイッチの作製>
透明性が高いZnOの特性を生かした、片持ち梁構造圧電素子による光スイッチの作製過程を、図7の模式図を用いて説明する。
(1)図7(a)により、図1で説明した薄膜堆積工程終了後の基板110の一部を、エッチング工程により露出し、Si基板面を出す。
<Fabrication of optical switch>
A manufacturing process of an optical switch using a cantilever piezoelectric element utilizing the characteristics of highly transparent ZnO will be described with reference to the schematic diagram of FIG.
(1) Referring to FIG. 7A, a part of the
(2)エッチングにより、犠牲層であるGe薄膜126の一部を除去して、片持ち梁構造を形成する。ここでは、60−70℃に加熱した過酸化水素水30%溶液に基板を垂直に立てて、エッチング部分の高さまで浸し、Ge薄膜126の一部を除去する(図7(b)参照)。
(2) A part of the Ge
(3)ZnO層による圧電素子を作製するために、レジスト175を塗布後、フォトリソグラフィ工程によりレジスト175の一部を除去する(図7(c)参照)。
(4)ドライエッチング法により、エッチング時間を制御して下部n型ZnO薄膜145の直前でエッチングを停止させる(図7(d)参照)
(3) In order to manufacture a piezoelectric element with a ZnO layer, after applying a resist 175, a part of the resist 175 is removed by a photolithography process (see FIG. 7C).
(4) The etching time is controlled by dry etching to stop the etching just before the lower n-type ZnO thin film 145 (see FIG. 7D).
(5)Al電極181,182を形成する(図7(e)参照)。Al電極181,182に電圧を印加することにより、圧電素子を形成するZnO薄膜156が、片持ち部分を軸として変形する。この変形により、光路を切り替えることができる光スイッチとして働く。
(5)
(6)SiO2194とSi3N4192の堆積工程を繰り返し、光スイッチ回路数に対応して光導入路512を形成し、その後エッチングにより所望の形状とする(図7(f)参照)。図7(f)に示した光スイッチは、3回路の構成例となる。ZnO薄膜側から光を薄膜に平行に入射させ、圧電素子に電圧を印加させて変形させることにより、3回路の光導波路に導入する光軸を決定する。
(6) The deposition process of
上述のように、本発明では、ゲルマニウム(Ge)を犠牲層として用い、このGeの犠牲層を過酸化水素水のエッチング剤でエッチングして、片持ち梁構造の圧電素子を作製している。このような構造のZnOによる片持ち梁構造の圧電素子を用いて、透明性が高いZnOの特性を生かして、光の分波器や光スイッチを構成した。この構成の分波器や光スイッチは応答速度も高く、1本のファイバに波長の異なる複数の光信号を多重することにより、伝送容量を拡大することができる高密度波長分割多重(DWDM)による光通信に最適である。 As described above, in the present invention, germanium (Ge) is used as a sacrificial layer, and the sacrificial layer of Ge is etched with an etchant of hydrogen peroxide to produce a cantilever piezoelectric element. Using a ZnO cantilever piezoelectric element having such a structure, an optical demultiplexer and an optical switch were constructed by taking advantage of the highly transparent characteristics of ZnO. A duplexer or optical switch with this configuration has a high response speed, and it is based on high-density wavelength division multiplexing (DWDM) that can expand transmission capacity by multiplexing a plurality of optical signals having different wavelengths on one fiber. Ideal for optical communications.
Claims (7)
該Ge層上に酸化シリコン(SiO2)膜を形成し、
該SiO2膜上に酸化亜鉛(ZnO)の圧電素子層を形成した後、
過酸化水素水により前記Ge層をエッチングして、前記Ge層を一部残して、片持ち梁構造とし、
前記圧電素子層に電極を形成して、光学素子を形成することを特徴とする片持ち梁構造酸化亜鉛圧電素子による光学素子形成方法。 Forming a germanium (Ge) layer on a silicon (Si) substrate;
Forming a silicon oxide (SiO 2 ) film on the Ge layer;
After forming a piezoelectric element layer of zinc oxide (ZnO) on the SiO 2 film,
Etching the Ge layer with hydrogen peroxide solution, leaving a portion of the Ge layer, making a cantilever structure,
An optical element forming method using a cantilever structure zinc oxide piezoelectric element, wherein an electrode is formed on the piezoelectric element layer to form an optical element.
該光学素子は、ZnOの前記圧電素子層が前記電極に印加された電圧により駆動され、Ge層が除去された部分で、入射光に対する干渉を受けた後に反射して出る反射光を出力とする分波器であることを特徴とする光学素子。 An optical element formed by the optical element forming method according to claim 1,
The optical element is driven by the voltage applied to the electrode of the piezoelectric element layer of ZnO, and the reflected light that is reflected after being interfered with incident light is output at the portion where the Ge layer is removed. An optical element which is a duplexer.
該光学素子は、ZnOの前記圧電素子層が前記電極に印加された電圧により駆動されて、入射光に対する光路が変化することにより、出力光の伝導路が切り替わる光スイッチであることを特徴とする光学素子。 An optical element formed by the optical element forming method according to claim 1,
The optical element is an optical switch in which the conduction path of output light is switched when the piezoelectric element layer of ZnO is driven by a voltage applied to the electrode and the optical path with respect to incident light is changed. Optical element.
前記基板を可視光領域で透明な基板とし、前記基板上に半透明金属膜を形成後、ゲルマニウム(Ge)層を形成し、その後、前記半透明金属膜と同様の半透明金属膜を形成し、該半透明金属膜上に前記酸化シリコン(SiO2)膜を形成することを特徴とする光学素子形成方法。 In the optical element formation method according to claim 1,
The substrate is a transparent substrate in the visible light region, a semi-transparent metal film is formed on the substrate, a germanium (Ge) layer is formed, and then a semi-transparent metal film similar to the semi-transparent metal film is formed. And forming the silicon oxide (SiO 2 ) film on the translucent metal film.
前記光学素子は、圧電素子層に対する入射光が、Ge層が除去された部分での干渉を受けた後に、基板を透過して出る透過光を出力とする分波器であることを特徴とする光学素子。 An optical element formed by the optical element forming method according to claim 6,
The optical element is a duplexer in which incident light to the piezoelectric element layer is output as transmitted light that passes through the substrate after receiving interference at a portion where the Ge layer is removed. Optical element.
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