JP3445559B2 - 無定形炭素膜の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は炭素薄膜によって構成さ
れた赤外線用光路の作製方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】光集積回路とは1960年代末に提案された
ものである。このための光学システムとして従来用いら
れているのは、レーザー、ランプなどの光源と、レンズ
・反射鏡等を定盤上に配列し、注意深く光路調整を行っ
たものである。 【０００３】従って光学系自体の大きさも必然的に大き
くなり、それと同時に振動あるいは他の部品や工具との
接触による光路のずれが発生する可能性が大きくなる。
それに対してそれら光路に関してシリコンのＩＣの様な
集積化を行ない、小型化と高機能化を図ろうというのが
この光集積回路のねらいであった。 【０００４】光学器機の内、赤外線を用いたものが赤外
吸光分析装置（以下ＩＲ分析装置とする）を代表とする
赤外線光学装置である。ＩＲ分析装置の場合も、一般に
装置の内部にレンズや反射鏡等を用いた光路が設けられ
ており、当然他の光学測定装置同様に極端に振動を嫌
う。 【０００５】またＩＲ分析装置の抱える問題点として、
振動の他に光学系部品の材質に関する問題がある。一般
にＩＲ分析装置のプリズムや窓等には赤外線の波長領域
において透明な材料として、ＫＢｒに代表される極度に
吸湿性の高い物質を用いざるを得ない。このため装置内
部の湿度調整等、ＩＲ分析装置の測定、保管環境には非
常に厳しい管理が必要である。 【０００６】以上の様にＩＲ分析装置は２つの問題点を
持っている。即ち、他の光学器機と同様振動に弱いこ
と、またＫＢｒ等の高吸湿性物質を使用せざるを得ない
ことである。 【０００７】ここで赤外線用光集積素子を用いた場合、
これにより外部からの振動に対する耐久性が向上し、ま
た装置自体を非常に小型化する事が可能となる。それに
よりＫＢｒの必要面積を大幅に減少せしめることが可能
になる。またＩＲ分析装置に限らず各種赤外線利用技術
の簡便化および小型化が可能になる。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかし赤外線を含む光
集積素子の作製技術は緒についたばかりというのが現状
であり、素子を構成する材質、あるいはその作製方法に
関して有効な提案はまだなされていない。 【０００９】例えば現在実用化が期待されている赤外線
領域のレーザー光を用いた光通信技術において、光ファ
イバーとして石英ガラスあるいはその化合物の各種材料
が開発されているが、一般に赤外線領域とされている波
長全域（約１μｍ〜１ｍｍとされている）において低損
失性を有している赤外線用光路材料は実用化されておら
ず、赤外線を用いた分光において有効な材料は得られて
いない。 【００１０】 【発明の目的】本発明は無定形炭化珪素薄膜を用いて赤
外線を用いた光回路に適した光路の作製する方法を提供
することを目的とする。 【００１１】 【課題を解決する手段】本発明者らは、水素含有量が５
％以下であり、炭素同士のｓｐ3 結合がランダムに存在
することによって形成されており、更にダイヤモンドに
非常に近い硬度を有する無定形炭素（以下これをダイヤ
モンドライクカーボン＝ＤＬＣとする）薄膜が上記赤外
線波長領域光において透明であることから、赤外線光集
積素子の材料としてＤＬＣ薄膜を用い、該ＤＬＣ薄膜に
よって光路もしくは回折格子等を半導体材料薄膜の作製
方法を応用して形成することにより、良好な赤外線用光
集積素子の作製が可能であることを見出した。 【００１２】本発明はプラズマＣＶＤ装置を用い、屈折
率の高いＤＬＣ膜を低屈折率ＤＬＣ膜によって挟み込む
ように成膜された構造の赤外線光導波路（光路）を形成
し、光集積素子回路、光集積素子材料の基本的な作製方
法を提示するものである。 【００１３】本発明は、 1. 基板ステージ（基板材料を載置した電極）に外部か
らバイアス電位を印加し、該印加バイアス電位を成膜中
に変化させることによって、プラズマ中に発生する炭素
イオンの基板方向への加速を調節し、これにより屈折率
の異なるＤＬＣ単層膜または多層膜を一工程のみで成膜
する方法。 【００１４】2. 基板ステージあるいは対向する電極板
上に比誘電率の異なる誘電体によって光路部パターン
（高誘電率材料）、非光路部パターン（低誘電率材料）
の２種類のパターンを形成し、該光路部パターンと非光
路部パターンとで放電電圧差を発生させ、これにより基
板近傍のプラズマ中でラジカル密度を光路部において高
めることにより、光路部において高密度膜すなわち高屈
折率領域を、非光路部において低密度膜すなわち低屈折
率領域を形成し、1.と同様の効果により屈折率の異なる
ＤＬＣによって構成された光路パターンを有する単層膜
または多層膜を一工程で成膜する方法。 【００１５】の２つの技術を単独もしくは同時に用いる
ことにより構成された赤外線用光路の作製方法である。 【００１６】以下、上記本発明構成に関してさらに説明
する。 【００１７】光ファイバーの基本的な技術として、ある
屈折率の光路（コアと呼ばれる。屈折率＝ｎとする）を
その光路よりも低屈折率の領域（クラッドと呼ばれる。
屈折率＜ｎ）によって挟み込むことによって、光は光路
内部において全反射され伝達されることが知られてい
る。ゆえに赤外線領域において透明な材料を用いて上記
コアおよびクラッドを形成することで赤外線用光路を形
成することができ、これを用いて赤外線光集積素子の回
路を形成する事が可能となる。 【００１８】コアおよびクラッド部の模式図を図１に示
す。１０１がコア部に、その両側の１０２がクラッド部
に相当する。コア部とクラッド部の大きさの関係は、対
象とする装置の構成及び必要な光信号伝達量によって決
定される。上記の様にコア部の屈折率ｎに対してクラッ
ド部の屈折率が＜ｎであるとき、コア内部で光信号の内
部全反射と伝播が生ずる。特にコアとクラッドの屈折率
差を１％としかつコア内部で屈折率の分布を緩やかに変
化させて設定した時、良好な分散特性が得られ、非常に
伝播効率の良い光路が得られるとされている。 【００１９】以上の様な理由でＤＬＣによる光路を形成
しようとする場合、ＤＬＣ薄膜の屈折率を成膜中に調節
することが必要となる。本発明者らは、１３．５６ＭＨ
ｚの高周波（工業周波数として一般的）を使用した平行
平板型プラズマＣＶＤ装置を用いてＤＬＣを成膜し、そ
の際に基板ステージ側電極に対してバイアス電位を印加
し、成膜中にこのバイアス電位を基板側を負として、そ
の電位を調節する事によってＤＬＣ薄膜の屈折率を調節
できることを確認した。これはプラズマ中で発生する炭
素イオンが、基板側が負電位となった時に基板側へ引き
寄せられるが、バイアスの電位に応じて基板方向への加
速度に差が生じ、高電位、高加速度の場合はイオンの打
ち込みによってＤＬＣは高密度となり、これにより屈折
率が高いＤＬＣ層を形成することが可能となるためであ
る。 【００２０】またＤＬＣ膜の赤外線領域における透過性
は、膜中での水素含有量が低い場合に保証される。これ
は膜中でＣ−Ｈ結合が形成されている場合は、赤外線の
吸収が生じるからである。本発明者らの実験を通じて、
膜中の水素含有量が５原子％以下であるならば実用上支
障が無いことを確認した。またこの膜中水素含有量は膜
の屈折率同様バイアスの電位によって変化することが過
去に確認されている。従ってバイアス電位の値は水素濃
度が５原子％を越えない範囲で調節されることが望まし
い。ただしこの電位は成膜方法および実験条件によって
変化する。 【００２１】光路パターンを作製する方法を以下に説明
する。該プラズマＣＶＤ装置を用いたＤＬＣ成膜を数段
階に分け、第一段階でクラッド層を全面に形成し、第二
段階で対向電極側表面または基板ステージ上に、充分な
厚さ（好ましくは１ｍｍ）を持ち誘電率が大きく異なる
（比誘電率の差が２．５〜３．５以上）異種誘電体材料
によって光路部パターン（高誘電率材料）、非光路部パ
ターン（低誘電率材料）の２種類のパターンを形成し、
その上に基板を設置して光路部（コア部）、非光部（ク
ラッド部）を成膜する。すなわち対向電極側表面または
基板裏面の誘電率によって局所的に容量差が生じ、上で
述べたバイアス電位による屈折率差の形成に加えて、光
路部および非光路部のパターニング作製が容易に実行で
き、しかも一回の工程で作製可能となる。第３段階とし
てクラッド層を全面に形成し、赤外線用光路が完成す
る。以下実施例によって本発明を説明する。 【００２２】 【実施例】本実施例は平行平板型の高周波プラズマＣＶ
Ｄ装置を用いてＤＬＣによる赤外線用光集積素子に必要
な、屈折率の異なるＤＬＣ部材の作製を試みたものであ
る。プラズマＣＶＤ装置を図２に示す。装置は別々の排
気系（５）（１１）とガス供給系（６）（１３）を有す
る２つの反応室で構成され、第一反応室（７）ではＳＵ
Ｓ３１６製の電極板を電源側（２）および接地電位側
（３）の両方で使用する。第二反応室（１４）では、接
地電位側電極板（１２）に誘電体（１５）（１６）を設
置し、電源側（２）はＳＵＳ３１６製電極板である。電
極板の大きさは全てφ１００ｍｍである。第１反応室と
第２反応室とを完全に隔てるゲートバルブ（８）を通じ
て、基板（１）を設置し、高周波電源装置（９）とバイ
アス電位印加用ＤＣ電源装置（１０）を接続した電源側
電極板（２）を移動して、各反応室において別途成膜を
行うことにより、単一組織成膜と光路パターン成膜を大
気開放を伴わずに行うことができる。 【００２３】この様なプラズマＣＶＤ装置を用いて成膜
を行う場合、電源装置設置側電極には負の電位（セルフ
バイアス）が投入電力に応じて生ずることが知られてい
る。このセルフバイアスは自然にイオンを引きつけるた
め、成膜中にイオン打ち込みが生ずる場合がある。成膜
対象によってはこのイオンの打ち込みに伴うダメージを
嫌う為、該平行平板型プラズマＣＶＤ装置では接地電位
側を基板ステージとする事が多い。今回はイオン打ち込
みによる密度向上と屈折率のコントロールを目的として
いる。従って本発明では基板を電源装置設置側電極に置
き、電源側電極に更に直流電源（定電圧）を図の様に設
置し、バイアス電位の外部調節をおこなった。 【００２４】原料ガスはＣＨ4 ２０ｃｃｍ＋Ｈ2 ４０ｃ
ｃｍを用いた。この他にもＣ2 Ｈ6等各種炭化水素ガス
あるいは気化メタノール等を用いてよい。ガスの供給は
接地側電極板内部を通して、該接地側電極表面に設けた
穴から基板方向へ吹き出す形式で行ない、平行電極内部
でのガス濃度を出来るだけ均一化した。 【００２５】基板はシリコン単結晶等の半導体基板、モ
リブデン等の金属材料基板、各種ガラス基板、プラステ
ィックス等の有機材料基板等、幅広い材料を用いること
が出来る。特に密着性を問題とするならば有機材料基板
の使用が有効であろう。本実施例では基本構造の確認と
いうことで安価なパイレックス（登録商標）ガラス基板
（５０ｍｍ×５０ｍｍ）を使用した。 【００２６】基板の温度は基板ステージ（＝電極板）の
表面に設置した熱電対により基板裏面の温度を測定し
た。成膜中には基板に対して特に加熱は行っていない
が、プラズマに接する基板表面と室温に近い裏面とでは
温度差が生じていることが考えられる。予備実験によっ
てプラズマ放電中の表面と裏面の温度差を測定し、成膜
中はその数値と元にして基板温度を予測した。 【００２７】以下、図３のフローチャートによって作製
手順を記載する。第一段階は下部クラッド層の形成であ
る（図３−Ａ）。原料ガスはＣＨ4 ２０ｃｃｍ＋Ｈ2 ４
０ｃｃｍ、成膜前に反応室内部を５×10-3Ｐａに真空引
きし、その後反応ガスを導入する。成膜中の反応圧力は
２０Ｐａとし、該圧力にて安定を確認し、高周波電力を
１００Ｗ投入し放電を開始する。この時の基板温度は１
００℃を超えていない事を確認した。 【００２８】プラズマの安定（外見上）を確認したの
ち、ＤＣバイアス電圧を印加する。極性は基板ステージ
側を負とし、印加電圧を１００Ｖとした。これは高周波
電力の投入に伴うセルフバイアス（約−１８０Ｖ）にさ
らに印加する、という意味である。従って基板ステージ
は−２８０Ｖの電位でプラズマ中のイオンを引き寄せる
ことになる。ゆえに基板（１）表面へ到達するイオンは
高い運動エネルギーを有している。 【００２９】本発明者らは、過去において行った研究
で、このＤＣバイアス電圧を外部から印加することによ
って得られるＤＬＣ膜の膜中水素濃度、硬度、屈折率を
コントロールすることが可能となることを確認してい
る。この現象について本発明者らは、イオン打ち込みの
際のエネルギーによって脱水素反応が進行し、またイオ
ン打ち込みによりちょうどスパッタリング類似の現象に
より、膜の硬さや密度（＝屈折率）が向上すると考察し
ている。ただしこのＤＣバイアス印加効果は膜の内部に
圧縮内部応力の蓄積を伴うものであり、該内部応力の大
きさはＤＣバイアス電位に比例すると考えられる。光素
子として理想的な水素濃度、硬度、屈折率と、発生する
内部応力の大きさとから印加するＤＣバイアス電位を決
定するべきである。 【００３０】第一段階において２時間の成膜によって、
膜厚が約４μｍのＤＬＣ薄膜（２０）を作製した。この
第一段階におけるＤＬＣ膜（２０）が光集積素子の下部
クラッド層となる。膜質を評価したところ、ＳＩＭＳを
用いた膜中の水素濃度測定より膜中には約３〜４原子％
の水素が含まれていた。また可視−紫外スペクトルの測
定から、屈折率は約１．８０であった。 【００３１】続く第二段階はコアに相当する部分の成膜
をおこなった（図３−Ｂ）。このコア部分を形成する光
路（２２）を、特に反応室外でのマスキング等を行わな
いで形成することが本発明の特徴のひとつである。勿論
一旦真空系を破り、通常のレジスト等を用いたマスキン
グにより光路を構成することも可能である。ただし本発
明の程度のクリーン度は期待出来ないと思われる。 【００３２】第一段階の成膜終了後、再び反応室内部を
５×10-3Ｐａに真空引きする。このとき試料基板（１）
を装着した基板ステージ（２）は図２に示す装置図の第
一反応室（７）にある。第一反応室（７）からゲートバ
ルブ（８）を経由して第１反応室内部の圧力と同じ５×
10-3Ｐａの高真空状態となっている第二反応室（１４）
へ基板（１）と基板ステージ（２）を搬送したのちゲー
トバルブを閉じる。第二反応室（１４）内部には接地電
極（１２）表面に、比誘電率の異なる厚さ１ｍｍの誘電
体材料によって、光路（１５）および非光路（１６）パ
ターンが形成されている。 【００３３】比誘電率は光路パターン（１５）において
アルミナを使用する事により８．５とし、非光路パター
ン（１６）において石英板を使用し３．８とした。本実
施例では幅５ｍｍ、長さ６０ｍｍのアルミナ板を接地電
極表面中央に設けた。このように局所的な誘電率の差を
設けることにより、電極間の容量に局所差を生じさせ、
プラズマ中でのラジカル密度をアルミナ部分で高くし、
アルミナと対向する試料基板上でちょうどＤＣバイアス
を印加したときと同様の効果が発生し、この部分の水素
濃度が低下し、硬度と屈折率が向上することになる。 【００３４】搬送された基板（１）と基板ステージ
（２）は接地電極（１２）表面の誘電体（１５）（１
６）と対向することにより、パターニングすること無し
に屈折率の高い光路を形成できる。ここでこのコア作製
は、バイアス印加電位を調節することによって信号歪み
の無い、分散特性と伝播特性に優れた光集積素子を形成
することを目的としているが、光ファイバーの研究にお
いて光路の中心部にピークを有し、そのピークがクラッ
ドの屈折率を１％以上上回らない屈折率勾配を形成する
ことによりそれを達成できることが報告されている。従
ってここでもバイアス印加電位は屈折率勾配を形成する
ように調整し、印加される必要がある。 【００３５】基本的な成膜条件は第一段階と同じであ
る。成膜前に反応室（１４）内部を５×10-3Ｐａに真空
引きし、その後原料ガスＣＨ4 ２０ｃｃｍ＋Ｈ2 ４０ｃ
ｃｍを導入（１３）し、反応圧力を２０Ｐａとして高周
波電力１００Ｗ投入し放電を開始、その後ＤＣバイアス
電位を印加する。基板温度は約１００℃であった。この
バイアス印加は下部クラッド層（２０）成膜時と同じ−
１００Ｖから開始し、−３．６Ｖ／ｍｉｎの割合で−１
１８Ｖまで電位を変化させ、＋３．６Ｖ／ｍｉｎの割合
で−１００Ｖまで回復する。従って約５０分の成膜時間
となるが、これによりコア部（２２）で約１．８μｍ、
クラッド部（２１）（２３）で約１．９μｍのＤＬＣ薄
膜が得られた。ＳＩＭＳでは膜中水素濃度はコア部（２
２）で約３原子％以下、クラッド部（２１）（２３）で
約４．３原子％が含まれていると思われるが明確では無
い。屈折率に関しては同一条件で成膜しＤＣバイアス電
位を−１１８Ｖとしたときの結果では約１．８２〜１．
８４であった為、コア部での屈折率に関してはこれを目
安とした。 【００３６】ここでは膜厚方向においてのみ屈折率勾配
を設けたが、接地電極表面に設けられた誘電体の誘電率
を平面方向に段階的または連続的に変化させておくこと
で、ＤＬＣ膜特にコア部の平面方向の屈折率勾配を段階
的にあるいは連続的に変化させてもよいことは言うまで
もない。 【００３７】第三段階では上部クラッド層（２４）の成
膜をおこなった（図３−Ｃ）。この上部クラッド層形成
に関しても第一反応室（７）に基板（１）と基板ステー
ジ（２）を戻し、均一電位表面の接地電極（３）におい
て成膜する。成膜条件は下部クラッド層（２０）の成膜
と全く同様であり、まず反応室（７）内部を５×10-3Ｐ
ａに真空引きし、その後ＣＨ4 ２０ｃｃｍ＋Ｈ2 ４０ｃ
ｃｍを導入（６）、反応圧力が２０Ｐａと成ったのを確
認し、高周波電力を１００Ｗ投入し放電を開始する。そ
の後ＤＣバイアス電圧を基板ホルダー側に−１００Ｖ印
加する。セルフバイアスと合わせて基板（１）および基
板ホルダー（２）の電位は−２８０Ｖとなる。この状態
で２時間保持し約４μｍの上部クラッド層（２４）を形
成する。基板温度は同じく約１００℃であった。 【００３８】上記の様にして得られた光集積素子を評価
した。評価はコア部（２２）での赤外線透過性すなわち
各クラッド部（２０）（２１）（２３）（２４）への赤
外線の漏れの評価が重要と考え、炭酸ガスレーザーをコ
ア部（２２）端面に照射し、ボロメータにより比較した
ところ後端部分以外では全く赤外線光の漏洩は発生して
いないことが明らかになった。 【００３９】 【発明の効果】本発明により赤外線に適した光路を形成
することが可能となり、赤外線用光集積素子の作製を可
能とすることができた。また本発明によりマスキング作
業等により真空系（高真空状態）を破ることなく屈折率
の異なるＤＬＣ薄膜の形成、積層を自由に行い、任意の
パターンの光路の形成が可能となった。すなわち、形成
されるＤＬＣ薄膜の水素濃度、屈折率、硬度を膜厚方向
および平面方向において自由に制御することが可能にな
った。この光路作製方法は光集積素子のみならず、広く
半導体装置の形成に応用が可能である。

【図面の簡単な説明】 【図１】 コア部およびクラッド部の模式図。 【図２】 実施例で使用した高周波プラズマＣＶＤ装
置。 【図３】 光集積素子の作製工程図 【符号の説明】 １ 基板 ２ 基板ステージ ３ 第一反応室内接地側電極板 ７ 第一反応室 ８ ゲートバルブ ９ 高周波電源装置 １０ バイアス印加用直流電源装置 １２ 第二反応室内接地側電極板 １４ 第二反応室 ６、１３ ガス導入 ５、１１ 排気 １５ アルミナ板 １６ 石英ガラス板 ２０ 下部クラッド層 ２１、２３ 低屈折率ＤＬＣ層 ２２ コア（高屈折率ＤＬＣ層） ２４ 上部クラッド層 １０１ コア部 １０２ クラッド部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−246115（ＪＰ，Ａ) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌ ｏｇｙ Ａ，Ｓｅｃｏｎｄ Ｓｅｒｉｅ ｓ，1991年，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．３，Ｐ ｔ．１，ｐ．1129−1133 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉ ａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，1990年，Ｖ ｏｌ．５，Ｎｏ．11，ｐ．2441−2444 日本セラミックス協会学術論文誌, 1990年，98［６］，ｐ．597−600 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/138 C23C 16/00 - 16/56

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 第１の無定形炭素膜をプラズマＣＶＤ法
   にて形成し、 前記第１の無定形炭素膜上に、プラズマＣＶＤ法にて第
   ２の無定形炭素膜を接して形成し、 前記第２の無定形炭素膜上に、プラズマＣＶＤ法にて第
   ３の無定形炭素膜を接して形成する無定形炭素膜の作製
   方法であって、 前記第２の無定形炭素膜は、第１の領域、第２の領域、
   第３の領域を有し、 前記第２の領域は、前記第１の領域と第３の領域との間
   に接して設けられ、 前記第２の領域は、前記第１の領域及び前記第３の領域
   よりも屈折率が高く、 前記第２の領域は、前記第１の無定形炭素膜及び前記第
   ３の無定形炭素膜よりも屈折率が高く、 前記第１の無定形炭素膜、前記第２の無定形炭素膜、前
   記第３の無定形炭素膜は、それぞれプラズマＣＶＤ法に
   より一工程で形成され、 前記第２の無定形炭素膜は、互いに対向する第１及び第
   ２の電極を有する平行平板型高周波プラズマＣＶＤ装置
   にて形成され、 前記平行平板型高周波プラズマＣＶＤ装置には高誘電率
   誘電体及び低誘電率誘電体が前記第２の電極の表面に接
   して配置されていることを特徴とする無定形炭素膜の作
   製方法。