JP2758632B2 - 薄膜を用いた光学部材 - Google Patents
薄膜を用いた光学部材Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、薄膜を用いた光学部材に関する。
［従来の技術］ 近来、光導波路や光学的多層膜等、薄膜を用いた光学
部材が光学技術の分野で重要な役割を演ずるようになっ
てきており、種々のものが実用化され、また提案されて
いる。
部材が光学技術の分野で重要な役割を演ずるようになっ
てきており、種々のものが実用化され、また提案されて
いる。
薄膜を用いた光学部材として望ましい条件を列挙して
みると、これらはおよそ以下の５条件に集約される。
みると、これらはおよそ以下の５条件に集約される。
条件I:薄膜の屈折率を設計値に応じて調整できること。
条件II:光の伝送における光減衰量が少ないこと。
条件III:薄膜の作製時に生ずる歪みが十分に小さいこ
と。
と。
条件IV:薄膜の光学特性が長期間にわたって安定してい
ること。
ること。
条件V:薄膜の作製が低温度で可能なこと。
これら５条件の内、条件I,IIは光学部材としては当然
に要請される条件である。
に要請される条件である。
条件IIIは、薄膜を用いた光学部材の作製の歩留まり
を良くするための条件である。作製時に生ずる歪みが大
きいと応力により薄膜が破壊され易く、光学部材作製の
歩留まりが低くなって光学部材の低コスト化が困難とな
る。また、薄膜の破壊に到らないまでも、光学部材に反
り等の変形を生じて光学部材作製上の支障となる。
を良くするための条件である。作製時に生ずる歪みが大
きいと応力により薄膜が破壊され易く、光学部材作製の
歩留まりが低くなって光学部材の低コスト化が困難とな
る。また、薄膜の破壊に到らないまでも、光学部材に反
り等の変形を生じて光学部材作製上の支障となる。
条件IVが満足されないと光学部材の寿命が短く、製品
としての価値が低くなってしまう。
としての価値が低くなってしまう。
条件Ｖは、以下の如き理由で要請される。
即ち、薄膜を用いた光学部材の場合、発光素子や受光
素子、光スイッチや薄膜トランジスター等の半導体素子
が薄膜とともに集積される場合が多い。これら半導体素
子は、薄膜とは異なる独自の材料、独自の作製法で作製
されるため、素子完成後の耐熱温度も互いに異なる。例
えば、GaAlAsを用いた半導体レーザー素子の耐熱温度は
略500℃、α−Siを用いた受光素子の耐熱温度は略300
℃、KDP結晶による光スィッチでは略500℃、薄膜トラン
ジスターでは略300℃である。
素子、光スイッチや薄膜トランジスター等の半導体素子
が薄膜とともに集積される場合が多い。これら半導体素
子は、薄膜とは異なる独自の材料、独自の作製法で作製
されるため、素子完成後の耐熱温度も互いに異なる。例
えば、GaAlAsを用いた半導体レーザー素子の耐熱温度は
略500℃、α−Siを用いた受光素子の耐熱温度は略300
℃、KDP結晶による光スィッチでは略500℃、薄膜トラン
ジスターでは略300℃である。
従って、もし薄膜の成膜温度がこれら半導体素子の耐
熱温度より高い場合には、これらを集積する場合に、先
ず薄膜を作製し、次いで耐熱温度の高い素子から順に集
積を行なわねばならない。このため光学部材に用いられ
る薄膜の作製温度が高いと、素子集積プロセスの自由度
が大きな制限を受けることになる。また、光学部材に用
いられる薄膜の作製温度が高いと、薄膜を形成する基板
の材料が制限されることになりこれが光学部材のコスト
上昇の原因となる。例えば、基板に透光性が要求される
場合、薄膜の作製温度が高いと基板として高価な石英ガ
ラスを用いねばならなくなる。
熱温度より高い場合には、これらを集積する場合に、先
ず薄膜を作製し、次いで耐熱温度の高い素子から順に集
積を行なわねばならない。このため光学部材に用いられ
る薄膜の作製温度が高いと、素子集積プロセスの自由度
が大きな制限を受けることになる。また、光学部材に用
いられる薄膜の作製温度が高いと、薄膜を形成する基板
の材料が制限されることになりこれが光学部材のコスト
上昇の原因となる。例えば、基板に透光性が要求される
場合、薄膜の作製温度が高いと基板として高価な石英ガ
ラスを用いねばならなくなる。
従来、光学部材に用いられる薄膜で、上記条件I,III
を満足するものとして、シリコン酸窒化膜が知られてい
る（Appl.Phys.Lett.47（４）1985）。
を満足するものとして、シリコン酸窒化膜が知られてい
る（Appl.Phys.Lett.47（４）1985）。
シリコン酸窒化膜は、上述の如く条件I,IIIを満足す
るが、他の条件II,IV,Vを満足することができない。
るが、他の条件II,IV,Vを満足することができない。
即ち、このシリコン酸窒化膜は熱窒化法という熱平衡
状態での化学反応を利用して作製されるため、作製温度
はSiO2の融点から大きく下げることが出来ないためであ
り、実際に作製温度は1100℃という高温である。従って
条件Ｖを満足できない。さらに屈折率を調整するために
SiO2中にＮを入れてSiONとする際に、ＯとＮとで原子半
径、原子価が異なるため、膜に応力が発生するので、こ
れを避けるためにＨを加えてSiONH組成とする必要があ
るが、Ｈが膜中にＯ−Ｈ結合として取り込まれるため、
これが原因となって光減衰量が増加し、特性の安定化の
低下が生ずる。従って条件II,IVが満足されない。
状態での化学反応を利用して作製されるため、作製温度
はSiO2の融点から大きく下げることが出来ないためであ
り、実際に作製温度は1100℃という高温である。従って
条件Ｖを満足できない。さらに屈折率を調整するために
SiO2中にＮを入れてSiONとする際に、ＯとＮとで原子半
径、原子価が異なるため、膜に応力が発生するので、こ
れを避けるためにＨを加えてSiONH組成とする必要があ
るが、Ｈが膜中にＯ−Ｈ結合として取り込まれるため、
これが原因となって光減衰量が増加し、特性の安定化の
低下が生ずる。従って条件II,IVが満足されない。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、上記条件Ｉ〜Ｖを有効に
満足し得る、薄膜を用いた新規な光学部材の提供にあ
る。
り、その目的とするところは、上記条件Ｉ〜Ｖを有効に
満足し得る、薄膜を用いた新規な光学部材の提供にあ
る。
［課題を解決するための手段］ 以下、本発明を説明する。本発明の光学部材は「基板
上に薄膜を形成して」なる。
上に薄膜を形成して」なる。
請求項１の光学部材に於いて上記薄膜は、以下の如き
条件を満足する。
条件を満足する。
即ち、まず組成の面から見ると上記薄膜は、Si:28.5
〜42.8at％,O:0〜67.5at％,N:0.1〜57.1at％,H:0.1〜1
6.7at％により組成される。
〜42.8at％,O:0〜67.5at％,N:0.1〜57.1at％,H:0.1〜1
6.7at％により組成される。
Si,O,N,Hの内、ＨはＮ−Ｈ結合およびＯ−Ｈ結合の形
で取り込まれるが、Ｎ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの
量;H（Ｎ−Ｈ）の、Ｏ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの
量;H（Ｏ−Ｈ）に対する比;H（Ｎ−Ｈ）/H（Ｏ−Ｈ）が
１以上である。
で取り込まれるが、Ｎ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの
量;H（Ｎ−Ｈ）の、Ｏ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの
量;H（Ｏ−Ｈ）に対する比;H（Ｎ−Ｈ）/H（Ｏ−Ｈ）が
１以上である。
光学特性の面からすると、上記薄膜の屈折率ｎは波長
632.78nmの光に対して、1.46≦ｎ≦2.2の範囲内にあ
り、光学的バンドギャップEgは、1.8≦Eg≦6.5eVの範囲
内にあり、薄膜の赤外線吸収スペクトルは上記Ｎ−Ｈ結
合に起因する吸収ピークを波数3400cm-1付近に持ち、吸
収波数ν（Ｎ−Ｈ）は3330cm-1≦ν（Ｎ−Ｈ）≦3400cm
-1の範囲にある。
632.78nmの光に対して、1.46≦ｎ≦2.2の範囲内にあ
り、光学的バンドギャップEgは、1.8≦Eg≦6.5eVの範囲
内にあり、薄膜の赤外線吸収スペクトルは上記Ｎ−Ｈ結
合に起因する吸収ピークを波数3400cm-1付近に持ち、吸
収波数ν（Ｎ−Ｈ）は3330cm-1≦ν（Ｎ−Ｈ）≦3400cm
-1の範囲にある。
請求項２の光学部材は、上記請求項１の全ての特徴に
加えて、薄膜の屈折率が膜厚方向に変化しているという
特徴を有する。
加えて、薄膜の屈折率が膜厚方向に変化しているという
特徴を有する。
薄膜に関する上記組成を原子結合模型により示すと以
下のようになる。即ちO,Nの量に就いては を核となるSi原子の原子数で、0.1％含むSiONH組成（S
i:33.3at％,O:67.5at％,N:0.1at％,H:0.1at％）から、 を核となるSi原子数で0.1％含むSiNH組成（Si:42.8at
％,N:57.1at％,H:0.1at％）までであり、またＨの量に
就いては、光学部材として適正な範囲の上限がSi6N9H3
組成に於ける16.7at％である。O,N,Hの残部がSiの量と
なる。
下のようになる。即ちO,Nの量に就いては を核となるSi原子の原子数で、0.1％含むSiONH組成（S
i:33.3at％,O:67.5at％,N:0.1at％,H:0.1at％）から、 を核となるSi原子数で0.1％含むSiNH組成（Si:42.8at
％,N:57.1at％,H:0.1at％）までであり、またＨの量に
就いては、光学部材として適正な範囲の上限がSi6N9H3
組成に於ける16.7at％である。O,N,Hの残部がSiの量と
なる。
［作用］ 一般に、Si,O,N,Hから構成される薄膜は、赤外領域か
ら紫外領域にわたって高い光透過性を示すので光学部材
に適している。
ら紫外領域にわたって高い光透過性を示すので光学部材
に適している。
屈折率に就いては、SiとＯのみを含むSiO2の屈折率が
1.45、SiとＮからなるSi3N4では2.2であるが、本発明の
光学部材に用いる薄膜は、上記SiO2とSi3N4の中間の任
意の組成をとることが可能であるので、上述の如く1.46
から2.2の屈折率範囲で任意に設定できる。この屈折率
範囲は、従来から光学部材の材料として用いられている
多くの他の材料、例えばAl2O3;1.45,ZrO2;2.05等の屈折
率を含んでいる。即ち、本発明の光学部材に用いる薄膜
は条件Ｉを有効に満足する。
1.45、SiとＮからなるSi3N4では2.2であるが、本発明の
光学部材に用いる薄膜は、上記SiO2とSi3N4の中間の任
意の組成をとることが可能であるので、上述の如く1.46
から2.2の屈折率範囲で任意に設定できる。この屈折率
範囲は、従来から光学部材の材料として用いられている
多くの他の材料、例えばAl2O3;1.45,ZrO2;2.05等の屈折
率を含んでいる。即ち、本発明の光学部材に用いる薄膜
は条件Ｉを有効に満足する。
光学的バンドギャップEgの範囲も薄膜の作製条件によ
り1.8〜6.5eVの範囲で任意に設定できるので、これを最
大に設定したときは波長200nm程度の紫外線の伝送が可
能であるし、最小に設定すると可視光を伝送できる。従
って、薄膜の吸収端を紫外領域から可視領域にわたる広
い波長領域に設定することができる。
り1.8〜6.5eVの範囲で任意に設定できるので、これを最
大に設定したときは波長200nm程度の紫外線の伝送が可
能であるし、最小に設定すると可視光を伝送できる。従
って、薄膜の吸収端を紫外領域から可視領域にわたる広
い波長領域に設定することができる。
次ぎに、条件IIの光減衰量に就いて見ると、本発明に
於いては光学部材に用いられる薄膜は、薄膜中に含まれ
るＨに就いて、Ｎ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの量;H
（Ｎ−Ｈ）の、Ｏ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの量；
（Ｏ−Ｈ）に対する比;H（Ｎ−Ｈ）/H（Ｏ−Ｈ）が１以
上である。即ち、ＨはＯ−Ｈ結合の形に比べてＮ−Ｈ結
合の形でより多く薄膜中に取り込まれている。Ｏ−Ｈ結
合の形で取り込まれた場合は、前述のように伝送光に対
する光減衰が大きいが、本発明ではＨの多くがＮ−Ｈ結
合の形で薄膜中に取り込まれるためＯ−Ｈ結合の割合が
相対的に低下し、Ｏ−Ｈ結合に起因する光減衰は有効に
軽減される。
於いては光学部材に用いられる薄膜は、薄膜中に含まれ
るＨに就いて、Ｎ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの量;H
（Ｎ−Ｈ）の、Ｏ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの量；
（Ｏ−Ｈ）に対する比;H（Ｎ−Ｈ）/H（Ｏ−Ｈ）が１以
上である。即ち、ＨはＯ−Ｈ結合の形に比べてＮ−Ｈ結
合の形でより多く薄膜中に取り込まれている。Ｏ−Ｈ結
合の形で取り込まれた場合は、前述のように伝送光に対
する光減衰が大きいが、本発明ではＨの多くがＮ−Ｈ結
合の形で薄膜中に取り込まれるためＯ−Ｈ結合の割合が
相対的に低下し、Ｏ−Ｈ結合に起因する光減衰は有効に
軽減される。
また、薄膜中にＨが添加されることにより薄膜作製中
に薄膜に歪みが発生しにくくなるので、条件IIIも有効
に満足される。
に薄膜に歪みが発生しにくくなるので、条件IIIも有効
に満足される。
一方、シリコン酸窒化膜中のＮ−Ｈ結合による吸収に
就いては、Journal of Electro−chemical Society vo
l.133 No.7 1986のW.A.P.Claassen et alによる論文中
に検討されており、それによればＮ−Ｈ結合による吸収
波数は、Si原子と結合したＮ原子とＯ原子の数に対応し
て変化し、結合形と吸収波数の関係は次ぎの表１の如く
である。
就いては、Journal of Electro−chemical Society vo
l.133 No.7 1986のW.A.P.Claassen et alによる論文中
に検討されており、それによればＮ−Ｈ結合による吸収
波数は、Si原子と結合したＮ原子とＯ原子の数に対応し
て変化し、結合形と吸収波数の関係は次ぎの表１の如く
である。
シリコン酸窒化膜は、表１に示した４種の結合形が、
ある割合で混合した組成を有しており、波数3400cm-1付
近の吸収ピークは、上記４種の結合形に応じた吸収が、
上記組成における含有量に応じた強度で重畳したものと
して与えられる。
ある割合で混合した組成を有しており、波数3400cm-1付
近の吸収ピークは、上記４種の結合形に応じた吸収が、
上記組成における含有量に応じた強度で重畳したものと
して与えられる。
一方に於いて、薄膜の屈折率は薄膜を構成する物質の
特性の外に、一般に薄膜に於ける充填係数の影響を強く
受ける。
特性の外に、一般に薄膜に於ける充填係数の影響を強く
受ける。
「充填係数」は、薄膜中の実質部分と隙間部分の比を
表すものであり、隙間の多い膜ほど充填係数は小さい。
薄膜の屈折率は薄膜の組成が同じでも充填係数により変
化する。
表すものであり、隙間の多い膜ほど充填係数は小さい。
薄膜の屈折率は薄膜の組成が同じでも充填係数により変
化する。
一般に、充填係数の小さい、即ち隙間の多い薄膜は、
屈折率、誘電率、光透過率、絶縁耐電圧等の特性が経時
的に変化しやすいため、光学部材への使用に適さない。
屈折率、誘電率、光透過率、絶縁耐電圧等の特性が経時
的に変化しやすいため、光学部材への使用に適さない。
さて、本発明のようにＮ−Ｈ結合の吸収波数を「Ｎ−
Ｈ結合に起因する吸収ピークを波数3400cm-1付近に持
ち、吸収波数ν（Ｎ−Ｈ）が3330cm-1≦ν（Ｎ−Ｈ）≦
3400cm-1の範囲にある」ように規定すると、結合形と吸
収波数に関する表１の対応関係を用いて、吸収波数から
Ｎ−Si結合とＯ−Si結合の組成比が明かになり、これに
より薄膜の有するべき屈折率（充填率１に於ける値）が
決定される。従って、薄膜の設計上のＮ−Ｈ結合に対応
する吸収波数から決定した組成に於いて薄膜が有するべ
き屈折率（充填率１に於ける値）と、実際の薄膜の屈折
率を比較することにより薄膜の充填率が１であるか否か
を知ることができ、充填率１となった薄膜の薄膜形成条
件により充填率を１とする条件も知ることができる。
Ｈ結合に起因する吸収ピークを波数3400cm-1付近に持
ち、吸収波数ν（Ｎ−Ｈ）が3330cm-1≦ν（Ｎ−Ｈ）≦
3400cm-1の範囲にある」ように規定すると、結合形と吸
収波数に関する表１の対応関係を用いて、吸収波数から
Ｎ−Si結合とＯ−Si結合の組成比が明かになり、これに
より薄膜の有するべき屈折率（充填率１に於ける値）が
決定される。従って、薄膜の設計上のＮ−Ｈ結合に対応
する吸収波数から決定した組成に於いて薄膜が有するべ
き屈折率（充填率１に於ける値）と、実際の薄膜の屈折
率を比較することにより薄膜の充填率が１であるか否か
を知ることができ、充填率１となった薄膜の薄膜形成条
件により充填率を１とする条件も知ることができる。
このようにして、充填率が略１の薄膜を確実に作製で
きる。この薄膜は充填率が略１であるため経時的な変化
が少なく、その特性が長期にわたって安定している。従
って、条件IVが有効に満足される。
きる。この薄膜は充填率が略１であるため経時的な変化
が少なく、その特性が長期にわたって安定している。従
って、条件IVが有効に満足される。
事実、Ｎ−Ｈ結合による吸収波数が3300cm-1〜3400cm
-1の範囲にある上記薄膜は、上記条件Ｉ〜IVを良好に満
足することが実験的に確認された。
-1の範囲にある上記薄膜は、上記条件Ｉ〜IVを良好に満
足することが実験的に確認された。
また、本発明の光学部材に使用される薄膜は、適当な
作製法を用いることにより250℃以下という極めて低温
での作製が可能である。従って、本発明の光学部材に使
用される薄膜は、条件Ｖをも満足する。
作製法を用いることにより250℃以下という極めて低温
での作製が可能である。従って、本発明の光学部材に使
用される薄膜は、条件Ｖをも満足する。
本発明の光学部材に用いる薄膜の作製方法としては、
高周波プラズマCVD法、ECRプラズマCVD法等、各種の薄
膜作製法を利用できる。
高周波プラズマCVD法、ECRプラズマCVD法等、各種の薄
膜作製法を利用できる。
高周波プラズマCVD法を使用するときはシリコン源と
してSiH4、酸素および窒素供給源としてCO2,N2,NH3の混
合ガスを用い、SiH4に対する上記混合ガスの比が1:5〜
1:200好ましくは1:200前後で行なうことが可能である。
さらに、混合ガス中のCO2/（NH3＋N2）を０〜10好まし
くは０〜２の範囲で変化させると薄膜の屈折率を連続的
に変化させることができる（請求項２の発明）。
してSiH4、酸素および窒素供給源としてCO2,N2,NH3の混
合ガスを用い、SiH4に対する上記混合ガスの比が1:5〜
1:200好ましくは1:200前後で行なうことが可能である。
さらに、混合ガス中のCO2/（NH3＋N2）を０〜10好まし
くは０〜２の範囲で変化させると薄膜の屈折率を連続的
に変化させることができる（請求項２の発明）。
またシリコン源としては、SiH4の他に、Si2H6,SiCl4,
SiF4等、Siを含む無機化合物や、Si（OCH4）4,Si（OC2H
5）4,Si（CH3）４等のSiを含む有機化合物でガス化し得
るものが使用可能であり、酸素および窒素供給源の混合
ガスとしては上記のもののほか、CO,N2O,NO,O2等のうち
のいくつかを組合せたものを用いることができる。
SiF4等、Siを含む無機化合物や、Si（OCH4）4,Si（OC2H
5）4,Si（CH3）４等のSiを含む有機化合物でガス化し得
るものが使用可能であり、酸素および窒素供給源の混合
ガスとしては上記のもののほか、CO,N2O,NO,O2等のうち
のいくつかを組合せたものを用いることができる。
また、薄膜作製時の条件は原料ガス圧力が10-2〜10To
rr、RF電力は電力密度が0.01〜10W/cm2、好ましくは0.1
〜3W/cm2、基板温度は100〜500℃、好ましくは150〜250
゜で良好な薄膜作製が可能である。
rr、RF電力は電力密度が0.01〜10W/cm2、好ましくは0.1
〜3W/cm2、基板温度は100〜500℃、好ましくは150〜250
゜で良好な薄膜作製が可能である。
またECRプラズマCVD法で薄膜作製を行なうときも、上
記高周波プラズマCVD法の場合と同様の原料ガス、基板
温度で薄膜作製が可能であり、原料ガスの圧力範囲は10
-5〜10-2Torr、μ波電力100W〜5KWで行ない得る。
記高周波プラズマCVD法の場合と同様の原料ガス、基板
温度で薄膜作製が可能であり、原料ガスの圧力範囲は10
-5〜10-2Torr、μ波電力100W〜5KWで行ない得る。
次ぎに、請求項２の発明に就き説明すると、前述のよ
うに本発明の光学部材に用いる薄膜は、作製条件により
屈折率を変えることが出来るので、薄膜作製中に作製条
件を変化させることにより薄膜中の屈折率を膜厚方向へ
変化させることができる。換言すれば薄膜中に、複数
の、互いに屈折率の異なる領域を任意の厚さで作製でき
る。
うに本発明の光学部材に用いる薄膜は、作製条件により
屈折率を変えることが出来るので、薄膜作製中に作製条
件を変化させることにより薄膜中の屈折率を膜厚方向へ
変化させることができる。換言すれば薄膜中に、複数
の、互いに屈折率の異なる領域を任意の厚さで作製でき
る。
厚み方向に屈折率のことなる構造の薄膜は、屈折率の
異なる薄膜を積層して堆積し、実現することも出来る
が、この作製方法では屈折率の異なる各層の界面部が、
作製環境中に浮遊する不純物粒子に一旦さらされること
になり、これら粒子の影響により上記界面部が凹凸ある
荒れた状態となることを避け難い。各層を作製する際に
基板を外気に曝さないロードロック機構を用いて、極め
て高度の真空中で成膜を行なっても作製環境中には依然
として多数の有機物粒子等の浮遊があり、これらが界面
に吸着して凹凸を形成する問題は避けがたい。
異なる薄膜を積層して堆積し、実現することも出来る
が、この作製方法では屈折率の異なる各層の界面部が、
作製環境中に浮遊する不純物粒子に一旦さらされること
になり、これら粒子の影響により上記界面部が凹凸ある
荒れた状態となることを避け難い。各層を作製する際に
基板を外気に曝さないロードロック機構を用いて、極め
て高度の真空中で成膜を行なっても作製環境中には依然
として多数の有機物粒子等の浮遊があり、これらが界面
に吸着して凹凸を形成する問題は避けがたい。
しかるに、本発明の光学部材に使用される薄膜の形成
の際、作製条件を変化させることにより得られる薄膜で
は、屈折率を変化させた膜厚部分の形成の際、界面部に
不純物が集中して混入することがないので屈折率の変化
する界面が極めて平滑に作製される。
の際、作製条件を変化させることにより得られる薄膜で
は、屈折率を変化させた膜厚部分の形成の際、界面部に
不純物が集中して混入することがないので屈折率の変化
する界面が極めて平滑に作製される。
また、屈折率の異なる膜厚間の屈折率が連続して変化
する領域は、例えばRFプラズマCVD法の場合、その堆積
速度が、数10Å／分から１μm/分程度の範囲であるか
ら、屈折率を変化させるための操作に要する時間を数秒
以内で終了することも可能であり、また原料ガスを徐々
に変化させることも可能であるから、上記領域の厚さも
10Å以下から100μｍ以上まで制御することが可能であ
る。従って、例えば原料ガスを急激に変化させることに
より導光路や光導波路、カットオフフィルターや増反射
コーティング、無反射コーティング、マイクロレンズ
等、屈折率の異なる複数の領域を持つ光学部材に於いて
重要な、屈折率の急峻な変化を持つ界面を厚さ数Åのオ
ーダーで容易に得ることもできる。
する領域は、例えばRFプラズマCVD法の場合、その堆積
速度が、数10Å／分から１μm/分程度の範囲であるか
ら、屈折率を変化させるための操作に要する時間を数秒
以内で終了することも可能であり、また原料ガスを徐々
に変化させることも可能であるから、上記領域の厚さも
10Å以下から100μｍ以上まで制御することが可能であ
る。従って、例えば原料ガスを急激に変化させることに
より導光路や光導波路、カットオフフィルターや増反射
コーティング、無反射コーティング、マイクロレンズ
等、屈折率の異なる複数の領域を持つ光学部材に於いて
重要な、屈折率の急峻な変化を持つ界面を厚さ数Åのオ
ーダーで容易に得ることもできる。
また、原料ガスの徐々の変化により膜厚方向に連続し
た屈折率の分布を持つ薄膜が得られる。この薄膜は屈折
率分布型導波路や屈折率分布型レンズアレイ等に利用で
きる。
た屈折率の分布を持つ薄膜が得られる。この薄膜は屈折
率分布型導波路や屈折率分布型レンズアレイ等に利用で
きる。
もっとも、請求項２の発明は請求項１の発明の特徴に
加えて、薄膜の屈折率が厚み方向に変化している点を特
徴とするものであるから、屈折率の異なる薄膜を積層し
たものであっても、積層された各薄膜が、請求項１の薄
膜の特徴を有するならば、やはり請求項２の発明の光学
部材を構成する。このような例は、後に説明する実施例
２のマイクロレンズの場合が、これに該当する。
加えて、薄膜の屈折率が厚み方向に変化している点を特
徴とするものであるから、屈折率の異なる薄膜を積層し
たものであっても、積層された各薄膜が、請求項１の薄
膜の特徴を有するならば、やはり請求項２の発明の光学
部材を構成する。このような例は、後に説明する実施例
２のマイクロレンズの場合が、これに該当する。
［実施例］ 以下、具体的な実施例を５例説明する。
実施例1,2は請求項１の発明に関する実施例であり、
実施例３〜５は請求項２に関する実施例である。
実施例３〜５は請求項２に関する実施例である。
実施例１ 実施例１は、請求項１の発明を単層光導波路として実
施した例である。
施した例である。
第１図は、この単層光導波路を説明図として示してい
る。符号10は基板、符号12は薄膜を示している。薄膜12
はSiH4,N2,NH3,CO2の混合ガスを原料とする高周波プラ
ズマCVD法により作製された。作製条件は以下の通りで
ある。
る。符号10は基板、符号12は薄膜を示している。薄膜12
はSiH4,N2,NH3,CO2の混合ガスを原料とする高周波プラ
ズマCVD法により作製された。作製条件は以下の通りで
ある。
薄膜作製条件 作製圧力 :1.0Torr 基板材料 ：ホウケイ酸ガラス 基板温度 :250℃ RF電力密度:300mW/cm2 上記条件で作製されたサンプル１〜５に対する評価を
表２に示す。
表２に示す。
この表２に於いて、吸収波数とあるのはＮ−Ｈ結合に
より吸収される光波の波数で単位はcm-1、光減衰量の単
位はdB/cm、Egとあるのは光学的バンドギャップで単位
はeV、膜応力の単位は108dyn/cm2である。勿論A,Bは前
述したように薄膜中にそれぞれＯ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合
の形で取り込まれたＨの量を表す。
より吸収される光波の波数で単位はcm-1、光減衰量の単
位はdB/cm、Egとあるのは光学的バンドギャップで単位
はeV、膜応力の単位は108dyn/cm2である。勿論A,Bは前
述したように薄膜中にそれぞれＯ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合
の形で取り込まれたＨの量を表す。
実施例２ 実施例２も、請求項１の発明を単層光導波路として実
施した例であり、実施例１の単層光導波路と同じく第１
図の如き構成である。
施した例であり、実施例１の単層光導波路と同じく第１
図の如き構成である。
薄膜の作製方法は、高周波プラズマCVD方であり、作
製条件は以下の通りである。
製条件は以下の通りである。
薄膜作製条件 作製圧力 :1.0Torr 基板材料 ：ホウケイ酸ガラス RF電力密度 :300mW/cm2 流量（SCCM）：SiH4 N2 CO2 NH3 １ 140 20 40 このように、この実施例では各サンプル１〜５の作製
に於ける原料ガスの流量は共通であるが、各サンプルご
とに基板温度が異なる。
に於ける原料ガスの流量は共通であるが、各サンプルご
とに基板温度が異なる。
上記条件で作製されたサンプル１〜５に対する評価を
表３に示す。
表３に示す。
各量の単位等は、実施例１に関する表２に準拠する。
このように、本発明を単層光導波路として実施する場
合、実施例１に示すように原料ガスの流量の比率を変え
ることにより屈折率を広い範囲で再現性良く変化させる
ことができ、実施例２に示すように基板温度150℃とい
う極めて低い温度でも良好な薄膜形成を実現できる。
合、実施例１に示すように原料ガスの流量の比率を変え
ることにより屈折率を広い範囲で再現性良く変化させる
ことができ、実施例２に示すように基板温度150℃とい
う極めて低い温度でも良好な薄膜形成を実現できる。
さらに、実施例1,2に示すようにこれら単層光導波路
は十分に大きな光学的バンドギャップに於いても光減衰
量が小さい。成膜時に発生する歪みも十分に小さく、薄
膜作製中に薄膜が破断したり、あるいは成膜後に基板が
反ったり、膜が剥離したりすることがない。また薄膜の
充填率が１に極めて近いため特性も長期にわたって安定
している。
は十分に大きな光学的バンドギャップに於いても光減衰
量が小さい。成膜時に発生する歪みも十分に小さく、薄
膜作製中に薄膜が破断したり、あるいは成膜後に基板が
反ったり、膜が剥離したりすることがない。また薄膜の
充填率が１に極めて近いため特性も長期にわたって安定
している。
実施例３ 実施例３は、請求項２の発明をマイクロレンズとして
実施した例である。
実施した例である。
第２図に示すように、基板10として厚さ1mmのホウケ
イ酸ガラスを準備した。
イ酸ガラスを準備した。
この基板10の上に、高周波プラズマCVD法により低屈
折率の薄膜14を厚さ20μｍに堆積する。具体的には、実
施例１のサンプル５の作製条件と同じ条件で、サンプル
５のとものと同じ薄膜として、薄膜14を形成した。従っ
て、この薄膜14に於ける組成は、上記実施例１のサンプ
ル５と同じく、Si:33.9at％,O:59.0at％,N:5.0at％,H
（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:2.0at％であり、Ｎ−
Ｈ結合による赤外吸収波数3400cm-1、屈折率1.47であ
る。
折率の薄膜14を厚さ20μｍに堆積する。具体的には、実
施例１のサンプル５の作製条件と同じ条件で、サンプル
５のとものと同じ薄膜として、薄膜14を形成した。従っ
て、この薄膜14に於ける組成は、上記実施例１のサンプ
ル５と同じく、Si:33.9at％,O:59.0at％,N:5.0at％,H
（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:2.0at％であり、Ｎ−
Ｈ結合による赤外吸収波数3400cm-1、屈折率1.47であ
る。
この薄膜14の上に、フォトリソグラフィーによりマイ
クロレンズの直径より若干小さい開口径（40μｍ）を持
つレジストマスクを形成し、薄膜14を、フッ化アンモニ
ウムとフッ酸の10:1混合液をエッチング液として５μｍ
の深さまで化学エッチングした。このようにして直径50
μｍの窪みが薄膜14に形成された。
クロレンズの直径より若干小さい開口径（40μｍ）を持
つレジストマスクを形成し、薄膜14を、フッ化アンモニ
ウムとフッ酸の10:1混合液をエッチング液として５μｍ
の深さまで化学エッチングした。このようにして直径50
μｍの窪みが薄膜14に形成された。
続いて、酸素プラズマによりレジストマスクを除去
し、再び高周波プラズマCVD法により、高屈折率薄膜を
堆積する。具体的には、実施例１におけるサンプル２の
作製条件と同一条件で成膜し、高屈折率薄膜として、S
i:40.9at％,O:14.5at％,N:37.5at％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at
％,H（Ｎ−Ｈ）:7.0at％、Ｎ−Ｈ結合による赤外吸収波
数3340cm-1、屈折率1.67の薄膜を厚さ５μｍに形成し
た。
し、再び高周波プラズマCVD法により、高屈折率薄膜を
堆積する。具体的には、実施例１におけるサンプル２の
作製条件と同一条件で成膜し、高屈折率薄膜として、S
i:40.9at％,O:14.5at％,N:37.5at％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at
％,H（Ｎ−Ｈ）:7.0at％、Ｎ−Ｈ結合による赤外吸収波
数3340cm-1、屈折率1.67の薄膜を厚さ５μｍに形成し
た。
その後、マイクロレンズとなる部分にレジストマスク
をフォトリソグラフィーにより作製し、レジストマスク
の下の部分を除き、高屈折率の薄膜部分をドライエッチ
ング法で除去し、第２図に示すように高屈折率部分16を
レンズ形状に残し、マイクロレンズを得た。
をフォトリソグラフィーにより作製し、レジストマスク
の下の部分を除き、高屈折率の薄膜部分をドライエッチ
ング法で除去し、第２図に示すように高屈折率部分16を
レンズ形状に残し、マイクロレンズを得た。
なおドライエッチング法は、CHF3:50SCCM、圧力10-1T
orr、高周波電力1000W、イオンエネレギー400eVの条件
によるリアクティブイオンエッチング法で行った。
orr、高周波電力1000W、イオンエネレギー400eVの条件
によるリアクティブイオンエッチング法で行った。
このようにして得られたマイクロレンズの焦点距離は
473μｍである。マイクロレンズの特性としてのこの焦
点距離は、500℃の温度下による１時間のアニールの前
後で全く変化しなかった。
473μｍである。マイクロレンズの特性としてのこの焦
点距離は、500℃の温度下による１時間のアニールの前
後で全く変化しなかった。
実施例４ 実施例４は請求項２の発明を多層構造光導波路として
実施した例である。第３図（Ｉ）は、その構成を説明図
として示している。符号10は、第１図、第２図と同じく
基板を示し、この基板はホウケイ酸ガラスである。基板
10上には、３層の薄膜16,18,20が積層される。
実施した例である。第３図（Ｉ）は、その構成を説明図
として示している。符号10は、第１図、第２図と同じく
基板を示し、この基板はホウケイ酸ガラスである。基板
10上には、３層の薄膜16,18,20が積層される。
即ち、基板10の表面を清浄にしたのち、真空中にて加
熱して、基板温度を250℃に設定した。
熱して、基板温度を250℃に設定した。
そして先ず、実施例１に於けるサンプル５と同一の作
製条件で、屈折率1.47の低屈折率層16を成膜した。続い
て、実施例１のサンプル２と同一の作製条件で、屈折率
1.67の高屈折率層18を成膜し、その後、上記低屈折率層
16と同一条件で、低屈折率層20を成膜した。
製条件で、屈折率1.47の低屈折率層16を成膜した。続い
て、実施例１のサンプル２と同一の作製条件で、屈折率
1.67の高屈折率層18を成膜し、その後、上記低屈折率層
16と同一条件で、低屈折率層20を成膜した。
従って、低屈折率層16,20は屈折率1.47で、その組成
は、Si:33.9at％,O:59.0at％,N:5.0at％,H（Ｏ−Ｈ）:
0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:2.0at％であり、高屈折率層18は
屈折率1.67で、組成はSi:40.9at％,O:14.5at％,N:37.5a
t％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:7.0at％であ
る。
は、Si:33.9at％,O:59.0at％,N:5.0at％,H（Ｏ−Ｈ）:
0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:2.0at％であり、高屈折率層18は
屈折率1.67で、組成はSi:40.9at％,O:14.5at％,N:37.5a
t％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:7.0at％であ
る。
第３図（II）に示すように、第１層16と第３層20、即
ち低屈折率層の厚さは4.5μｍ、第２層18の厚さは10.2
μｍである。
ち低屈折率層の厚さは4.5μｍ、第２層18の厚さは10.2
μｍである。
また、各層間の境界部に於いて、原料ガスの成分比率
を変化させる時間は0.5秒とした。膜の堆積速度は略10
Å/secであるので、各層の境界面部を構成する屈折率変
化層の厚さは５Åに抑えることができた。
を変化させる時間は0.5秒とした。膜の堆積速度は略10
Å/secであるので、各層の境界面部を構成する屈折率変
化層の厚さは５Åに抑えることができた。
走査型電子顕微鏡により観察したが上記境界面部分に
は凹凸が見られず、急峻な屈折率変化を持つ滑らかな境
界面が形成された。
は凹凸が見られず、急峻な屈折率変化を持つ滑らかな境
界面が形成された。
このようにして得られた多層構造型光導波路の光減衰
量を測定したところ0.1dB/cmであった。この値は、薄膜
により作製された光導波路としては未だかって達成され
なかったものである。
量を測定したところ0.1dB/cmであった。この値は、薄膜
により作製された光導波路としては未だかって達成され
なかったものである。
また、この光減衰量は500℃の温度下による１時間の
アニールの前後で全く変化しなかった。
アニールの前後で全く変化しなかった。
実施例５ 実施例５は請求項２の発明を屈折率分布型光導波路と
して実施した例である。第４図（Ｉ）に示すように、こ
の光導波路は基板10上に、厚み方向に屈折率分布を有す
る薄膜30を形成してなる。
して実施した例である。第４図（Ｉ）に示すように、こ
の光導波路は基板10上に、厚み方向に屈折率分布を有す
る薄膜30を形成してなる。
基板10として厚さ1mmのホウケイ酸ガラスを用い、基
板温度を250℃にして、高周波プラズマCVD法により成膜
を行った。
板温度を250℃にして、高周波プラズマCVD法により成膜
を行った。
原料ガスとしてSiH4,N2,NH3,CO2を用い、まず、これ
らの流量を屈折率1.47に合わせてSiH4:1SCCM,N2:105SCC
M,NH3:5SCCM,CO2:100SCCMに設定し、この流量から、屈
折率1.51の条件であるSiH4:1SCCM,N2:110SCCM,NH3:10SC
CM,CO2:80SCCMまで、時間を10分間かけて徐々に変化さ
せ、その後、再び10分間かけて上の状態を逆に辿ること
により、厚さ1.1μｍの薄膜を得た。薄膜の厚さ方向に
於いて、Si,O,N,Hの組成は、第４図（II）に示す如く変
化している。
らの流量を屈折率1.47に合わせてSiH4:1SCCM,N2:105SCC
M,NH3:5SCCM,CO2:100SCCMに設定し、この流量から、屈
折率1.51の条件であるSiH4:1SCCM,N2:110SCCM,NH3:10SC
CM,CO2:80SCCMまで、時間を10分間かけて徐々に変化さ
せ、その後、再び10分間かけて上の状態を逆に辿ること
により、厚さ1.1μｍの薄膜を得た。薄膜の厚さ方向に
於いて、Si,O,N,Hの組成は、第４図（II）に示す如く変
化している。
図に示す、第１、第２の低屈折率領域での組成は基板
10の直上と薄膜30の表面で、Si:33.9at％,O:59.0at％,
N:5.0at％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:2.0at％
であり、高屈折率領域の中央部で、Si:34.2at％,O:46.5
at％,N:16.1at％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:3.
1at％であり、上記中央部を境にして膜厚方向へ対称的
に変化しており、これに応じて屈折率の変化も上記中央
部を境として厚み方向へ対称的に変化している。
10の直上と薄膜30の表面で、Si:33.9at％,O:59.0at％,
N:5.0at％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:2.0at％
であり、高屈折率領域の中央部で、Si:34.2at％,O:46.5
at％,N:16.1at％,H（Ｏ−Ｈ）:0.1at％,H（Ｎ−Ｈ）:3.
1at％であり、上記中央部を境にして膜厚方向へ対称的
に変化しており、これに応じて屈折率の変化も上記中央
部を境として厚み方向へ対称的に変化している。
この屈折率分布のため、薄膜30を伝わる光は薄膜30内
に閉じ込められて伝送される。光減衰量は0.1dB/cmと極
めて小さい。
に閉じ込められて伝送される。光減衰量は0.1dB/cmと極
めて小さい。
この光減衰量は500℃の温度下による１時間のアニー
ルの前後で全く変化しなかった。
ルの前後で全く変化しなかった。
［発明の効果］ 以上、本発明によれば、薄膜を用いた新規な光学部材
を提供できる。この光学部材は、これに使用される薄膜
が、上記の如き構成となっているので、屈折率を再現性
良く変化させることができ、光減衰量が小さい。従っ
て、光学部材として良好な適性を有している。また、薄
膜作製時に膜中に発生する歪みが十分に小さいから、製
造の歩留まりも良く、製造後も基板の反りや、膜剥がれ
が生じない。さらに特性が長期にわたって安定している
から製品としての価値も高い。
を提供できる。この光学部材は、これに使用される薄膜
が、上記の如き構成となっているので、屈折率を再現性
良く変化させることができ、光減衰量が小さい。従っ
て、光学部材として良好な適性を有している。また、薄
膜作製時に膜中に発生する歪みが十分に小さいから、製
造の歩留まりも良く、製造後も基板の反りや、膜剥がれ
が生じない。さらに特性が長期にわたって安定している
から製品としての価値も高い。
また、低温で作製が可能であるから、半導体素子と集
積する場合に、半導体素子の作製後に集積を行っても半
導体素子を損なうことがない。また本発明の光学部材に
用いる上記薄膜は耐熱性が良いので、薄膜形成後に半導
体素子の集積を行っても熱により損なわれることは無
い。従って、素子集積の自由度が大きい。
積する場合に、半導体素子の作製後に集積を行っても半
導体素子を損なうことがない。また本発明の光学部材に
用いる上記薄膜は耐熱性が良いので、薄膜形成後に半導
体素子の集積を行っても熱により損なわれることは無
い。従って、素子集積の自由度が大きい。
第１図は、請求項１の発明の実施例を説明するための
図、第２図は、請求項２の発明の１実施例たるマイクロ
レンズを説明するための図、第３図は、請求項２の実施
例である多層構造型導波路を説明するための図、第４図
は請求項２の発明の実施例である屈折率分布型光導波路
を説明するための図である。 10……基板、12……薄膜
図、第２図は、請求項２の発明の１実施例たるマイクロ
レンズを説明するための図、第３図は、請求項２の実施
例である多層構造型導波路を説明するための図、第４図
は請求項２の発明の実施例である屈折率分布型光導波路
を説明するための図である。 10……基板、12……薄膜
Claims (2)
- 【請求項１】基板上に形成された薄膜を用いた光学部材
であって、 上記薄膜は、Si:28.5〜42.8at％,O:0〜67.5at％,N:0.1
〜57.1at％,H:0.1〜16.7at％により組成され、薄膜中に
Ｎ−Ｈ結合の形で取り込まれたＨの量の、Ｏ−Ｈ結合の
形で取り込まれたＨの量に対する比が１以上であり、 上記薄膜の屈折率ｎは、波長632.78nmの光に対して、1.
46≦ｎ≦2.2の範囲内にあり、光学的バンドギャップEg
は、1.8≦Eg≦6.5eVの範囲内にあり、 且つ上記薄膜が、その赤外線吸収スペクトルにおいて、
上記Ｎ−Ｈ結合に起因する吸収ピークを波数3400cm-1付
近に有し、その吸収波数ν（Ｎ−Ｈ）が3330cm-1≦ν
（Ｎ−Ｈ）≦3400cm-1であることを特徴とする、薄膜を
用いた光学部材。 - 【請求項２】請求項１に於いて、 薄膜の屈折率が膜厚方向に変化していることを特徴とす
る、薄膜を用いた光学部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1061875A JP2758632B2 (ja) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | 薄膜を用いた光学部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1061875A JP2758632B2 (ja) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | 薄膜を用いた光学部材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02239208A JPH02239208A (ja) | 1990-09-21 |
| JP2758632B2 true JP2758632B2 (ja) | 1998-05-28 |
Family
ID=13183745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1061875A Expired - Lifetime JP2758632B2 (ja) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | 薄膜を用いた光学部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2758632B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008209425A (ja) * | 2006-08-18 | 2008-09-11 | Japan Science & Technology Agency | グレーティング作製方法 |
| JP2008107372A (ja) * | 2006-08-18 | 2008-05-08 | Japan Science & Technology Agency | 光導波路作製方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4545646A (en) * | 1983-09-02 | 1985-10-08 | Hughes Aircraft Company | Process for forming a graded index optical material and structures formed thereby |
| JPS60162207A (ja) * | 1984-02-01 | 1985-08-24 | Hitachi Ltd | 光導波路およびその製造方法 |
-
1989
- 1989-03-13 JP JP1061875A patent/JP2758632B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02239208A (ja) | 1990-09-21 |
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