JP3245347B2

JP3245347B2 - 光導波路装置の製造方法

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Publication number: JP3245347B2
Application number: JP10587196A
Authority: JP
Inventors: 清一永田; 千秋堂本; 剛太西村; 和明岩目地
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 2002-01-15
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: JPH09292540A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路装置の製造
方法に関し、更に詳しくは屈折率の異なるガラス質材料
を用いた平面型光導波路装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】高度
情報通信社会のマルチメディア時代を迎えて光情報通信
機器の需要は益々増加している。従って、光情報通信機
器の根幹要素である光導波路の経済的且つ安価な製造方
法が求められている。

【０００３】以下、従来の光導波路装置の製造方法を説
明する。各種光導波路のうち最も薄い膜厚で構成される
シングルモードの光を伝送する平面型光導波路は、基板
上に厚さ２０μｍ程度の下部クラッド層を形成し、この
下部クラッド層の表面部に厚さと幅が１０μｍ程度のコ
ア層を形成し、この下部クラッド層とコア層上に厚さが
２０μｍ程度の上部クラッド層を形成して構成される。
このような条件は、相対的に屈折率の小さい上下クラッ
ド層によってコア層を伝わる光が効率よくコア層内に閉
じ込めるようにするための物理的要請と、コア層と上下
クラッド層との間の屈折率の相違から定められる。この
コア層と上下クラッド層全体の膜厚を合わせると数十μ
ｍ程度になり、謂ゆる半導体集積回路技術の概念からす
ると極めて「厚い」膜で構成されることになる。

【０００４】しかるに、現状の光導波路の「厚膜」製造
技術の多くは、謂ゆる半導体集積回路製造技術に基づい
た方法を用いて製造されている。即ち、コア層や上下ク
ラッド層などは、スパッタリング法や化学的気相堆積
（ＣＶＤ）法等で形成される。これらの方法は成膜速度
が遅く製造に長時間を要するため製造コストが高くな
り、製造コストの低減が課題となる。

【０００５】これを改善した厚い膜の高速堆積技術とし
て、火炎堆積法が提案されている。この火炎堆積法は酸
水素炎の還元雰囲気の下でシラン（ＳｉＨ₄）等の金属
水素化物から酸化シリコン（ＳｉＯ₂）の粉末を基板上
に堆積するものである。ところが、この火炎堆積法は粉
末堆積であるが故に特殊なノウハウが必要で、製造が困
難であること、また粉末を緻密化するために１２００〜
１３００℃の高温熱処理を必要とするという問題があっ
た。酸化シリコン粉末の緻密化に高温を要することは、
コア層の屈折率を大きくするために高濃度にドープして
も光伝送の損失が相対的に小さいという長所をもつが、
一方で蒸気圧が高い酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）のよ
うな材料を高濃度にドープすることを難しくしている。
また、基板上に堆積した酸化シリコン粉末を高温で軟化
して緻密化することは、その高温状態で堆積膜に流動性
を与えて緻密化することであり、高温状態では基板と堆
積膜間の歪を開放し得るが、基板温度を常温まで下げる
と、基板と堆積膜との熱膨張係数の相違によって大きな
内部ストレスを内包することになる。この内部ストレス
によって基板が大きく湾曲し、大規模・大面積の光集積
回路を形成する上での障害となっている。即ち、光集積
回路を形成するチップは通常数mm×数十mmの大型であ
り、この大型チップを安価に大量に生産するには大型シ
リコン基板を用いれば有利となるが、上記のような内部
ストレスによる基板曲がりのために大型基板の使用が困
難になる。特に、光回路で要求される酸化シリコンの膜
厚は上記のように数十μm に達することから、酸化シリ
コン膜を形成する工程の温度と常温との温度差に基づく
膨張係数差は基板のソリに大きく影響する。

【０００６】更に、厚さ１０μｍ程度のコア層をエッチ
ングしてリッジ型コア部を形成するためにも、数μｍ程
度の「厚い」エッチングマスク層を必要とすること、そ
のマスク層自体のパターニングにも多数の製造工程と時
間を必要とするという問題がある。上述のような特殊な
ノウハウと高温処理は製品の安価な供給にとって難しい
障害となっている。

【０００７】このような問題を回避するために、例えば
WO 91/10931 号（PCT/GB91/00044）公報では、シリコン
基板を弗酸（ＨＦ）溶液中で陽極化成して多孔質シリコ
ンを作成し、この多孔質シリコンを窒化または酸窒化し
て光導波路を形成することが提案されている。すなわ
ち、まずシリコン基板上に線状のドープ領域を形成し、
次いでドープ領域を多孔質シリコン化するために陽極化
成を行い、次いで前記多孔質シリコン領域を窒化叉は酸
窒化し、次いでシリコン基板全面に不純物をドーピング
し、次いで前工程でドーピングした領域を多孔質化する
ために２回目の陽極化成を行い、次いで前工程で作成さ
れた多孔質層を酸化し、最後に緻密化のため１１５０
℃、１０分間の熱処理を行なうものである。ところが、
この方法では２度のドーピングと陽極化成と酸窒化工程
などがあり、複雑で長い製造工程が必要であるという問
題があった。

【０００８】また、V.P.Bondarenko等は Tech.Phys.Let
t.19(1993)468.および Microelectronic Engineering 2
8(1995)447. において、多孔質シリコンを酸化して光導
波路を形成する方法を開示している。この方法は、高濃
度にボロン（Ｂ）をドープした単結晶シリコン基板上に
窒化シリコン膜（ＳｉＮ_x）を形成してこの窒化シリコ
ン膜を部分的に除去し、この部分的に除去した窒化シリ
コン膜をマスクとして単結晶シリコンを直接陽極化成に
より多孔質シリコン化し、その後この多孔質シリコンを
酸化し、更に酸化温度より高温の１１５０℃で２５分
間、緻密化処理を行うものである。この方法は簡単では
あるが、光伝搬の更なる低損失化という点において、次
の２点の課題を残している。第１はコア部とクラッド部
それぞれの酸化膜の光学的性質と膜厚を自由に選べない
こと。第２はシリコン基板と光導波路部のコア領域との
間に介在すべきクラッド層の光学的特性と膜厚を任意に
選択できないことである。このクラッド層の実効膜厚を
十分に厚くできない場合、コア部を伝搬する光エネルギ
ーはシリコン基板に漏れだし、伝搬損失を低減できない
という問題を誘発する。

【０００９】さらに、米国特許第4,927,781 号公報およ
び同第5,057,022 号公報には、多孔質シリコン層を酸化
した膜をクラッド層に用いるとともに、結晶質シリコン
自体をコアに用いる光導波路の製造法が開示されてい
る。すなわち、シリコン基板上に、高濃度ドープ層をエ
ピタキシャル成長させるとともに、この高濃度ドープ層
上に低濃度ドープ層をさらにエピタキシャル成長させ、
この低濃度ドープ層のコアとなる部分のみを残して他の
低濃度ドープ層部分を選択除去した後に、高濃度ドープ
層を多孔質化し、この多孔質化した部分を緻密化するこ
とによって、酸化シリコンを下部クラッド層にすると共
に低濃度ドープ層の残存部分をコアとするものである。
この方法は２度のエピタキシャル成長、コアとなる「厚
い」半導体層の選択エッチング等工程が複雑である。ま
たコアである結晶シリコンは波長１．３μｍの光に対す
る屈折率が３．５と非常に高いため、この導波路から外
部のファイバー等に光を取り出す際の導波路とファイバ
ー間の光結合損失が大きくなり、結合損失の減少が課題
である。

【００１０】本発明はこのような従来技術に鑑みて発明
されたものであり、製造工程や構造が複雑化することを
解消するとともに、装置としての再現性が悪いことを解
消し、さらに装置が高価になることを解消した光導波路
装置の製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光導波路装置の製造方法では、結晶性
シリコン基板の一主面上に多孔質シリコン層を形成する
工程、この多孔質シリコン層上に不純物含有層を部分的
に形成する工程、この多孔質シリコン層を酸化して前記
不純物含有層部分が高屈折率を呈するような酸化シリコ
ン層を形成する工程を有する。

【００１２】また、前記多孔質シリコン層上に不純物含
有層を部分的に形成するにあたっては、前記多孔質シリ
コン層上に不純物含有層の付着障壁層を部分的に形成し
た後に、前記多孔質シリコン層上に不純物含有層を形成
して前記不純物含有層の付着障壁層を除去したり、前記
多孔質シリコン層上に不純物含有層を形成した後に、こ
の不純物含有層を選択的に除去することにより形成され
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき本発明の
実施形態を説明する。

【００１４】−実施形態１− 図１に本発明の典型的実施形態の工程図を示す。先ず、
結晶性シリコン基板１の一方の主面上に多孔質シリコン
層２を形成する（図１(a) ）。この多孔質シリコン層２
の厚さは下部クラッド層とコア層の厚さの和程度に調整
する。この多孔質シリコン層２は、文字通り「多孔質」
であり、ナノメータ規模のサイズを有するシリコンの高
密度細線とこの高密度細線間の空隙部とから構成され
る。この多孔質シリコン層２は、例えば弗酸系の溶液中
で陽極化成することにより形成され、短時間で百μｍ程
度の厚さの多孔質シリコン層２に形成できる。更に、多
孔質シリコン層２の厚さの均一性は、化成条件に注意す
れば百μｍの厚さに対し、１μｍ程度以下のバラツキに
制御できる。即ち、極めて厚い膜を簡単に短時間で極め
て均一性良く形成できる。また、その多孔度（多孔質の
全体積中で占める空隙の体積率）は、溶液の組成と陽極
化成の電流密度で制御できる。

【００１５】次に、多孔質シリコン層２上に不純物含有
層の付着障壁層３を形成し、その一部を通常のフォトエ
ッチング等の手段を用いて除去する（図１(b) ）。この
不純物含有層の付着障壁層３は、例えばポリイソプレン
やキノンジアジドとノボラック樹脂などから成るフォト
レジストや窒化シリコンの薄層などで構成される。

【００１６】次に、多孔質シリコン層２上に、所望の不
純物元素を含有する不純物含有層４を形成する（図１
(c) ）。不純物含有層４自体は、金属等の単体元素物
質、金属酸化物、金属のその他の元素との化合物などで
構成される。不純物元素には、ゲルマニウム、燐、ボロ
ン、チタン等がある。この不純物含有層４を形成するに
は、不純物元素を含むガラス質物質を有機質物質に溶解
して塗布するスピンオングラス(Spin on Glass) 法、Ｃ
ＶＤ法、蒸着法、スパッタリング法、所望の金属イオン
を含有する電解液中への浸漬法、所望のイオンを含有す
る電解液中での陰極メッキ法等の手段が有効である。な
お、不純物含有層４の形成方法に応じて必要であれば、
この不純物含有層４をベーキングなどして固定させる。

【００１７】次に、不純物含有層４の付着障壁層３を除
去する。この操作により、不純物含有層４が所望の領域
に残された部分５が形成される（図１(d) ）。

【００１８】次に、多孔質シリコン層２及び不純物含有
層４が残された部分５の酸化処理を行う（図１(e) ）。
本工程により、多孔質シリコン層２は酸化シリコン層１
０に変換され、不純物含有層５の近傍には当該不純物元
素の酸化物を高濃度に含む酸化シリコン層の領域２０が
形成される。領域２０の深さ方向に拡大する量は酸化処
理の手段により変化するが、酸化後の領域２０の厚さが
コア層として必要な厚さを確保できるように酸化条件を
設計すれば良い。通常の結晶シリコン（Ｓｉ）を酸化し
て二酸化珪素（ＳｉＯ₂）とすると体積は約１．８８倍
に増加する。多孔質シリコン層２の多孔度を５５％程度
に制御し、これを酸化すれば酸化による増量で多孔質シ
リコン層２の空隙はほぼ完全に充満した「厚い」酸化シ
リコン層１０が得られると共に、結晶性シリコン基板１
と酸化シリコン層１０との間の内部ストレスをほぼゼロ
とする事ができる。つまり、多孔質シリコン層２の酸化
は、その厚さによらず比較的低温且つ短時間で終了す
る。例えば１００μｍ程度の厚みを有する多孔質シリコ
ン層２であれば、水蒸気を含む８５０℃の酸素雰囲気中
で１時間程度で完了する。このように多孔質シリコン層
２上に選択的に不純物含有層４が残された部分５を形成
した後に、この多孔質シリコン層２を酸化すれば、この
酸化されたシリコン層１０内に不純物を高濃度に含有し
た部分２０を所望の位置に所望の厚さで形成できる。こ
の屈折率の増加した部分２０がコア部となり、不純物が
ドープされない部分は下部クラッド層１０となる。

【００１９】最後に、上部クラッド層３０を所望の厚さ
に形成して完了する（図１(f) ）。なお、この上部クラ
ッド層３０は屈折率がコア層２０よりも小さいものであ
ればよく、材料、製法は問わない。また、使用状況に応
じては省略することも可能な層である。

【００２０】以上により酸化シリコンを主成分とする第
１の屈折率を有する下部クラッド層１０、第２の屈折率
を有する上部クラッド層３０により囲まれた第３の屈折
率を有するコア層の領域２０が形成される。コア層２０
の屈折率を下部クラッド層１０および上部クラッド層３
０の屈折率より大きくすれば、簡単な工程で光導波路装
置が製作される。 −実施形態２− 図２に本発明の第２の実施形態の工程図を示す。先ず、
結晶性シリコン基板１の一方の主面上に多孔質シリコン
層２を図１の実施形態と同様に形成する（図２(a) ）。

【００２１】続いて、多孔質シリコン層２の全面もしく
はほぼ全面に不純物含有層６を形成する（図２(b) ）。
この不純物含有層６は、図１の実施形態と同様にスピン
オンガラス(Spin on Glass) 法、ＣＶＤ法、蒸着法、ス
パッタリング法など、多孔質シリコン層２の一主面上に
所望の不純物元素を固着できる方法であればいずれでも
よい。また、不純物含有層６自体は金属等の単体元素物
質、金属酸化物、金属のその他の元素との化合物であっ
てもよい。

【００２２】その後、フォトエッチングの手段によりエ
ッチングレジスト７を形成（図２(c) ）し、不純物含有
層６の不要部分を選択的に除去し、コア層を形成すべき
部分にのみ膜６’を残存させる（図２(d) ）。

【００２３】続いて、多孔質シリコン層２及び不純物含
有層６’の酸化処理を行う。本工程により、多孔質シリ
コン層２は酸化シリコン層１０に変換される。また同時
に不純物含有層６’の一部は多孔質シリコン中に拡散さ
れるとともに、当該不純物元素の酸化物を高濃度に含む
酸化シリコン層の領域２０が形成され（図２(e) ）、最
後に、上部クラッド層３０を所望の厚さに形成して完了
する（図２(f) ）。領域２０の深さ方向の拡大する量は
酸化処理の手段により変化するが、酸化後の領域２０の
厚さがコア層として必要な厚さを確保できるように酸化
条件を設計すればよい。その後、上部クラッド層３０を
所望の厚さ形成する。以上により図１と同様に極めて簡
単な工程により光導波路装置が形成される。また、図１
に示す実施形態と同様に、上部クラッド層３０は使用状
況に応じては省略することができる。

【００２４】

【実施例】

−実施例１− 高濃度にボロン（Ｂ）がドープされた比抵抗０. ０１Ω
ｃｍのＰ⁺シリコン（１００）基板１の一主面を、３５
％弗酸を含有するとともにエタノールを添加した電解液
の暗中で２０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で陽極化成し、多
孔質シリコン層２を３０μｍの厚みに形成した。

【００２５】続いて、フォトレジストにより不純物含有
層の付着障壁層３を形成した（図１(b) ）。その後、燐
元素を含有するスピンオンガラス質材料を塗布し、１３
５℃でベークした。こうして不純物含有層４を形成した
（図１(c) ）。

【００２６】その後、フォトレジストをリフトオフし固
着した不純物含有層５を形成した（図１(d) ）。更に、
５００℃での中間熱処理後、継続して水蒸気を含む酸素
気流中９５０℃の熱処理を行い多孔質シリコン層２を酸
化した。以上により、不純物の付着していない領域は酸
化シリコン層１０となり、不純物が付着していた領域５
では、不純物元素を高濃度に含むガラス質を多量に含有
する領域２０が同時に形成された（図１(e) ）。酸化シ
リコン層１０と屈折率の異なる領域２０の深さは約１３
μｍであった。つぎに、テトラエトキシシランを用いて
５００℃で第二の酸化シリコン層３０を２０μｍの厚み
に形成した（図１(f) ）。

【００２７】以上の工程により、下部クラッド層１０、
上部クラッド層３０に囲まれたコア領域２０を有する光
導波路の基本構造を形成できた。

【００２８】上記基板１上の光導波路長が２０mmとなる
ように基板１を切断した後、端面を研磨した。端面の一
端からＧａＡｓ固体レーザー光を照射し、他端よりコア
層にそって光が伝搬されたことを確認できた。

【００２９】更に、上記酸化工程（図１(e) ）の後、基
板１のソリを測定した。有意なソリは観察されず基板１
はほぼ平坦か酸化シリコン層１０面が僅かに凸であり、
内部歪が極めて小さいことを示していた。

【００３０】−実施例２− 実施例１と同様に多孔質シリコン層２を形成した（図２
(a) ）。続いて、プラズマＣＶＤ法によりシラン（Ｓｉ
Ｈ₄）、ゲルマン（ＧｅＨ₄）、笑気ガス（Ｎ ₂Ｏ）を
主原料として、酸化ゲルマニウムと酸化シリコンの混合
層６を１μｍ形成した（図２(b) ）。更にその上に酸化
シリコン層（図示せず）を０．１μｍ積層した。その
後、フォトレジストパターン７を形成（図２(c) ）し、
弗酸溶液により上記酸化膜の不要部を除去した（図２
(d) ）。その後の処理は実施例１と同様に行った（図２
(e) 〜(f) ）。

【００３１】さらに実施例１と同様にＧａＡｓレーザー
光により光導波路特性を検証した。レーザー光はコア部
に沿い伝搬していることが確認できた。

【００３２】

【発明の効果】以上のような本発明に係る光導波路装置
は次のような効果を有する。第１に「厚い」多孔質シリ
コンを短時間で且つ均一性良く製作できる。第２に所望
の不純物を高濃度で所望の領域に所望の厚さまで選択導
入できる。第３に「厚い」多孔質シリコン層と不純物導
入層を同時に比較的低温且つ短時間で酸化できる。第４
に多孔質シリコン層の多孔度を制御することにより、酸
化シリコン層と基板との間の内部応力を実質上ゼロに近
い状態に設定することができる。また、従来の多孔質シ
リコンを出発材料とした光導波路の形成法に比べ格段に
短縮された工程で所望の光導波路を作成できる。以上に
より、下部クラッド層とコア層を簡単な工程、相対的に
低い酸化温度と短時間の処理で形成できる。その後の上
部クラッド層の形成工程も極めて簡単である。上記した
ように、本発明のよれば光伝送システムの根幹技術であ
る光導波路を経済的且つ安価に再現性良く製造できる基
礎能力を持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態、及び第１の実施例を
示す図である。

【図２】本発明の第２の実施形態、及び第２の実施例を
示す図である。

【符号の説明】

１：結晶性シリコン基板、２：多孔質シリコン層、３：
付着障壁層、４、６：不純物含有層、５、６’：不純物
含有層の残存領域、１０：酸化シリコン層（下部クラッ
ド層）、２０：不純物を多量に含有する領域（コア
層）、３０：上部クラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−335713（ＪＰ，Ａ) 特開平７−104328（ＪＰ，Ａ) 特開平７−199243（ＪＰ，Ａ) 特開平６−77578（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−211103（ＪＰ，Ａ) 特表平６−501570（ＪＰ，Ａ) 国際公開91／10931（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/10 - 6/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶性シリコン基板の一主面上に多孔質
シリコン層を形成する工程、この多孔質シリコン層上に
不純物含有層を部分的に形成する工程、この多孔質シリ
コン層を酸化して前記不純物含有層部分が高屈折率を呈
するような酸化シリコン層を形成する工程を有すること
を特徴とする光導波路装置の製造方法。
【請求項２】前記多孔質シリコン層上に不純物含有層
の付着障壁層を部分的に形成した後に、前記多孔質シリ
コン層上に不純物含有層を形成して前記不純物含有層の
付着障壁層を除去することにより、前記多孔質シリコン
層上に不純物含有層を部分的に形成することを特徴とす
る請求項１に記載の光導波路装置の製造方法。
【請求項３】前記多孔質シリコン層上に不純物含有層
を形成した後に、この不純物含有層を選択的に除去する
ことにより、前記多孔質シリコン層上に前記不純物含有
層を部分的に形成することを特徴とする請求項１に記載
の光導波路装置の製造方法。
【請求項４】前記多孔質シリコン層を酸化して前記不
純物含有層部分が高屈折率を呈するような酸化シリコン
層を形成した後に、この酸化シリコン層上に第二の酸化
シリコン層を形成することを特徴とする請求項１乃至請
求項３に記載の光導波路装置の製造方法。