JP2011203604A

JP2011203604A - 光学素子とその製造方法

Info

Publication number: JP2011203604A
Application number: JP2010072212A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takahashi; 博之高橋
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】反射膜をグレーティングカプラ直下にのみ形成し、グレーティングカプラの結合効率を高めるとともに、その他の領域部分には、反射膜を設けずに迷光による雑音を抑制する、光学素子を提供する。
【解決手段】支持シリコン層３０、ＢＯＸ層４０及びＳＯＩ層５０がこの順に積層されたＳＯＩ基板２０と、ＳＯＩ層に形成されたグレーティングカプラ５４と、ＳＯＩ層上に形成されたオーバークラッド層６０とを備えて構成される。ここで、グレーティングカプラが形成された領域の支持シリコン層には、ＢＯＸ層を露出する窓３１が形成されており、窓内に露出したＢＯＸ層上に反射膜８０が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、光学素子、特にグレーティングカプラを備える光学素子とその製造方法に関する。

近年、光導波路が形成されたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）あるいはインジウム燐（ＩｎＰ）等の化合物半導体素子をハイブリッド集積し、光トランシーバ等の機能素子を実現する技術が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。このような機能素子においては、当該機能素子への光入力信号あるいは当該機能素子からの光出力信号を導波する光導波路と、外部の光学素子とを光学的に結合、すなわちカップリングさせるためのカプラが必要とされる。

ＳＯＩ基板に光導波路が形成されている機能素子では、光導波路と外部の光学素子とをカップリングさせるカプラとして、グレーティングカプラを利用するのが好適である（例えば、非特許文献１及び２参照）。

ここで、ＳＯＩ基板上に形成された光導波路と、外部の光学素子とをカップリングする際のカップリング効率を高めるために、光反射層を備えるグレーティングカプラが提案されている（例えば、非特許文献３）。

Ｌ．Ｖｉｖｉｅｎｅｔａｌ．，"ＬｉｇｈｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎｉｎＳＯＩＭｉｃｒｏｗａｖｅｇｕｉｄｅｓＵｓｉｎｇＨｉｇｈ−ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＧｒａｔｉｎｇＣｏｕｐｌｅｒｓ"，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．２４，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ２００６ｐｐ．３８１０−３８１５Ｇ．Ｒｏｅｌｋｅｎｓｅｔａｌ．，"ＨｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙＳｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒｇｒａｔｉｎｇｃｏｕｐｌｅｒｂａｓｅｄｏｎａｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎｏｖｅｒｌａｙ"，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓＶｏｌ．１４，Ｎｏ．２４，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２００６，ｐｐ．１１６２２−１１６３０Ｆ．Ｖ．Ｌａeｒｅｅｔａｌ．，"ＣｏｍｐａｃｔａｎｄＨｉｇｈｌｙＥｆｆｉｃｉｅｎｔＧｒａｔｉｎｇＣｏｕｐｌｅｒｓＢｅｔｗｅｅｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒａｎｄＮａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃＷａｖｅｇｕｉｄｅｓ"，ＪｏｕｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．２５，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ２００７ｐｐ．１５１−１５６

しかしながら、上述の非特許文献３に開示されているグレーティングカプラを備える光学素子は、金（Ａｕ）を蒸着したウェハを貼り合わせて作成されるので、ウェハ全面に反射膜が形成されてしまう。グレーティングカプラを含むシリコン細線導波路を用いた光集積回路の実現を考えた場合、グレーティングや曲がり導波路などの要素が存在すると、放
射、散乱損失が生じる。これらの放射あるいは散乱された光が、反射膜で反射されると、その反射された光が再びシリコン細線導波路に結合され、雑音となる恐れがある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、反射膜をグレーティングカプラが形成された領域のＢＯＸ層上に形成し、グレーティングカプラの結合効率を高めるとともに、その他の領域部分には反射膜を設けずに雑音を抑制する、光学素子とその製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光学素子は、支持シリコン層、ＢＯＸ層及びＳＯＩ層がこの順に積層されたＳＯＩ基板と、ＳＯＩ層に形成されたグレーティングカプラと、ＳＯＩ層上に形成されたオーバークラッド層とを備えて構成される。ここで、グレーティングカプラが形成された領域の支持シリコン層には、ＢＯＸ層を露出する窓が形成されており、窓内に露出したＢＯＸ層上に反射膜が形成されている。

また、この発明の光学素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、支持シリコン層、ＢＯＸ層及びＳＯＩ層がこの順に積層されたＳＯＩ基板を用意する。次に、ＳＯＩ層に、グレーティングカプラを形成する。次に、ＳＯＩ層上に、オーバークラッド層を形成する。次に、グレーティングカプラが形成された領域の支持シリコン層を除去して、ＢＯＸ層を露出させる窓を形成する。次に、露出したＢＯＸ層上に反射膜を形成する。

この発明の光学素子によれば、グレーティングカプラが形成された領域の支持シリコン層に、ＢＯＸ層を露出する窓が形成されていて、この露出したＢＯＸ層上に反射膜が形成されている。

例えば、ＳＯＩ層に形成された導波路を伝播してグレーティングカプラに送られた光は、グレーティングカプラで回折されてオーバークラッド層側から出射される。このときグレーティングカプラではＢＯＸ層側にも回折されるが、このＢＯＸ層側への回折光はＢＯＸ層の下側に設けられた反射膜で反射され、オーバークラッド層側から出射される。

このため、ＳＯＩ層に形成された導波路と、オーバークラッド層側に設けられる光学素子とのグレーティングカプラによる結合効率が改善される。

また、グレーティングカプラが形成されていない領域では、ＢＯＸ層の直下には反射膜が設けられていない。このため、導波路を伝播中に、曲がり導波路などの部分で散乱された光が、反射膜で反射されて導波路に再びカップリングされる影響を抑制することができる。

光学素子の概略図である。光学素子の製造方法を説明するための工程図（１）である。光学素子の製造方法を説明するための工程図（２）である。

以下、図を参照して、この発明の実施形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの
変更又は変形を行うことができる。

図１を参照して、この発明の光学素子の一実施形態について説明する。図１は、光学素子を説明するための概略図であって、主要部の切断端面を示している。

この実施形態の光学素子１０は、ＳＯＩ基板２０を用いて形成される。ＳＯＩ基板２０は、支持層としてのシリコン層（支持シリコン層）３０、埋め込み酸化シリコン層（ＢＯＸ層）４０、及び、シリコン層（ＳＯＩ層）５０がこの順に積層されて構成される。

ＳＯＩ層５０を構成するシリコンが所望の形状にパターニングされて、ＳＯＩ層５０に、グレーティングカプラ５４及び光導波路５６が形成されている。ここで、グレーティングカプラ５４の、グレーティングの周期Λは、利用する波長によって定まる。例えば、１．４９μｍ帯では、いわゆるグレーティングの周期Λを８００ｎｍにすればよい。すなわち、４００ｎｍのシリコン部分（Ｌｉｎｅに対応）と、４００ｎｍの酸化シリコン部分（Ｓｐａｃｅに対応）とを周期的に設ければよい。なお、図１では、グレーティングカプラ５４のＳｐａｃｅに対応する部分のエッチング深さが、ＳＯＩ層５０の高さと同一となっている構成例が示されているが、これに限定されない。例えば、Ｓｐａｃｅに対応する部分では、ＳＯＩ層５０の高さ方向の途中までエッチングするなど、エッチング深さとＳＯＩ層５０の高さとが異なっていても良い。

グレーティングカプラ５４及び光導波路５６が形成されたＳＯＩ層５０上には、オーバークラッド層６０が形成されている。オーバークラッド層６０の材質は、任意好適な低屈折率材料とすることができる。ここでは、オーバークラッド層６０が酸化シリコン層として形成された場合を例にとって説明するが、これに限定されない。例えば、オーバークラッド層は、窒化シリコンや、ポリマーなどで形成されていても良い。また、グレーティングカプラ５４のＳｐａｃｅに対応する部分や、光導波路５６の周囲の部分などＳＯＩ層５０のシリコンが除去された領域については、ＢＯＸ層４０上に、オーバークラッド層６０が形成されていても良い。

グレーティングカプラ５４が形成された領域の、支持シリコン層３０には、ＢＯＸ層４０を露出する窓３１が形成されている。この窓３１内に露出したＢＯＸ層４０上に、反射膜８０が形成されている。反射膜８０は、例えば、５０ｎｍ厚程度の金（Ａｕ）薄膜として形成される。なお、図１は、反射膜８０が、光学素子１０の裏面全面に形成された例を示しているが、これに限定されない。反射膜８０は、窓３１内に露出したＢＯＸ層４０上のみに形成されて、他の領域部分には、反射膜８０が設けられない構成にしても良い。また、ここでは、窓３１の形成に用いた酸化シリコンマスク７０が残存し、この酸化シリコンマスク７０上にも、反射膜８０が形成された例を示しているが、この酸化シリコンマスク７０は除去されていても良い。

次に、図２及び図３を参照して、この発明の光学素子の製造方法の一実施形態について説明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）及び図３（Ａ）〜（Ｂ）は、光学素子の製造方法を説明するための工程図であって、各工程で得られる構造体の主要部の切断端面を示している。

先ず、第１の工程において、支持シリコン層３２、ＢＯＸ層４０及びＳＯＩ層５２がこの順に積層されたＳＯＩ基板２２を用意する。ＳＯＩ基板２２は、任意好適な従来周知のものを用いることができるが、この製造方法で製造される光学素子が１．４９〜１．５５μｍ帯の波長帯域で使用される場合は、ＢＯＸ層４０の厚さは、１．４μｍ程度であるのが望ましい。このＢＯＸ層４０の厚さは、位相整合条件、反射膜での反射率、あるいは、グレーティングカプラで回折される光の回折方向などを考慮して定められる（図２（Ａ））。

次に、第２の工程において、ＳＯＩ層５２をパターニングして、グレーティングカプラ５４及び光導波路５６を形成する。このグレーティングカプラ５４及び光導波路５６の形成は、任意好適な従来周知のリソグラフィ及びエッチング技術を用いて行えば良い。

例えば、先ず、ＳＯＩ層５２上に、レジストを塗布する。次に、ＥＢ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ）法やｉ線ステッパなど任意好適な手段を用いて露光を行った後、現像することにより、レジストパターンを形成する。次に、ＣＦ４を反応ガスとして用いた、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）により、ＳＯＩ層５０の不要な部分を除去して、グレーティングカプラ５４及び光導波路５６を形成する。なお、ここでは、グレーティングカプラ５４のＳｐａｃｅに対応する部分のエッチング深さがＳＯＩ層５０の膜厚と等しくなっているが、例えば、ＳＯＩ層５０の途中まで、エッチングするなどして、グレーティングカプラ５４のＳｐａｃｅに対応する部分のエッチング深さが、ＳＯＩ層５０の厚さと異なっていても良い（図２（Ｂ））。

第２の工程により、グレーティングカプラ５４及び光導波路５６を形成した後、第３の工程において、オーバークラッド層６０を形成する。オーバークラッド層６０は、グレーティングカプラ５４や光導波路５６などが形成されたＳＯＩ層５０上に形成される。また、第２の工程において、ＳＯＩ層５０が除去された部分については、ＢＯＸ層４０上に、オーバークラッド層６０が形成されても良い。

このオーバークラッド層６０の形成は、例えば、従来周知のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、酸化シリコンを堆積させることで行われる（図２（Ｃ））。

次に、第４の工程において、支持シリコン層３４を薄層化する。この薄層化は、任意好適な従来周知の研磨技術を用いた裏面研磨により行われ、例えば１００μｍ程度の膜厚になるまで行われる。

次に、第５の工程において、ＢＯＸ層４０を露出される窓を形成する。この工程では、先ず、薄層化された支持シリコン層３４の裏面３４ａ上に、酸化シリコン膜を、ＣＶＤ法を用いて、例えば１μｍ以上の膜厚で形成する。次に、従来周知のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて、酸化シリコン膜をパターニングして、酸化シリコンマスク７０を形成する。

この酸化シリコンマスク７０は、窓を形成するためのエッチングマスクとして用いられる。酸化シリコンマスク７０は、グレーティングカプラ５４が形成された領域の支持シリコン層３４を露出し、それ以外の領域の支持シリコン層３４を覆う（図３（Ａ））。

次に、酸化シリコンマスク７０を用いて、水酸化カリウム（ＫＯＨ）をエッチャントして、支持シリコン層３０をエッチングする。このエッチングにより、グレーティングカプラ５４が形成された領域の支持シリコン層３０が除去されて、その領域部分のＢＯＸ層４０を露出させる窓３１が形成される（図３（Ｂ））。

なお、ＫＯＨによるエッチングは異方性があるので、エッチング速度が遅い（１１１）面が、グレーティングの幅方向と平行になるようにグレーティングカプラ５４を配置するのが望ましい。

また、エッチャントとしてＫＯＨを用いるエッチングでは、シリコンと酸化シリコンのエッチングレートの比が１００：１であるので、支持シリコン層のみを容易に除去できる
。

第５の工程により、窓３１を形成した後、第６の工程において、反射膜８０を形成して図１を参照して説明した光学素子を得る。反射膜８０の形成は、従来周知の真空蒸着法を用いて行えば良く、例えば、膜厚が５０ｎｍ程度のＡｕ薄膜として形成される。

その後、反射膜８０を覆う保護膜（図示を省略する。）を形成しても良い。この保護膜は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を蒸着するなどして形成することができる。最後に、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により、オーバークラッド層６０の平坦化が行われる。

上述した光学素子によれば、グレーティングカプラが形成された領域の、支持シリコン層にＢＯＸ層を露出する窓が形成されていて、この露出したＢＯＸ層上に反射膜が形成されている。

例えば、ＳＯＩ層に形成された光導波路を伝播してグレーティングカプラに送られた光は、グレーティングカプラで回折されてオーバークラッド層側から出射される。このときグレーティングカプラではＢＯＸ層側にも回折されるが、このＢＯＸ層側への回折光はＢＯＸ層の下側に設けられた反射膜で反射され、オーバークラッド層側から出射される。

このため、ＳＯＩ層に形成された光導波路と、オーバークラッド層側に設けられる他の光学素子とのグレーティングカプラによる結合効率が改善される。

また、グレーティングカプラが形成されていない領域では、ＢＯＸ層の直下には反射膜が設けられていない。このため、光導波路を伝播中に曲がり導波路の部分などで散乱された光が、反射膜で反射されて光導波路に再びカップリングされる影響を抑制することができる。この結果、迷光による雑音を減らすことができる。

１０光学素子
２０、２２ＳＯＩ基板
３０、３２、３４支持シリコン層
３１窓
４０埋め込み酸化シリコン層（ＢＯＸ層）
５０、５２シリコン層（ＳＯＩ層）
５４グレーティングカプラ
５６光導波路
６０オーバークラッド層
７０酸化シリコンマスク
８０反射膜

Claims

支持シリコン層、ＢＯＸ層及びＳＯＩ層がこの順に積層されたＳＯＩ基板と、
前記ＳＯＩ層に形成されたグレーティングカプラと、
前記ＳＯＩ層上に形成されたオーバークラッド層と
を備え、
前記グレーティングカプラが形成された領域の前記支持シリコン層に、前記ＢＯＸ層を露出する窓が形成されており、
前記窓内に露出したＢＯＸ層上に反射膜が形成されている
ことを特徴とする光学素子。
支持シリコン層、ＢＯＸ層及びＳＯＩ層がこの順に積層されたＳＯＩ基板を用意する工程と、
前記ＳＯＩ層に、グレーティングカプラを形成する工程と、
前記ＳＯＩ層上に、オーバークラッド層を形成する工程と、
前記グレーティングカプラが形成された領域の前記支持シリコン層を除去して、前記ＢＯＸ層を露出させる窓を形成する工程と、
前記露出したＢＯＸ層上に反射膜を形成する工程と
を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
前記窓を形成する工程では、前記グレーティングカプラが形成された領域の支持シリコン層を露出する酸化シリコンマスクを形成し、及び
前記酸化シリコンマスクを用いて、水酸化カリウムをエッチャントとしたエッチングにより、前記支持シリコン層を除去する
ことを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。