JP3457836B2 - 光導波路の形成方法 - Google Patents
光導波路の形成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光導波路の形成方法
に関し、特に単結晶シリコン基板の一部を多孔質化して
酸化して光導波路を形成する光導波路の形成方法に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】従来から、光集積回路では、発光素子も
しくは受光素子を基板上に固定して設け、この発光素子
もしくは受光素子と光ファイバーを光学的に接続するた
めの石英系の光導波路が使われていた。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全体の膜厚
を合わせると、極めて厚い膜で構成されることになる。 【０００３】現状の光導波路の膜厚製造技術の多くは、
半導体集積回路技術に基づいた方法を用いて製造されて
いる。すなわち、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気相堆積（ＣＶＤ）法などで形成さ
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、その低減が課題と
なる。 【０００４】これを改善した厚膜の高速堆積技術とし
て、火炎堆積（ＦＨＤ）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で、シラン（Ｓｉ
Ｈ4 ）などの金属水素化合物から酸化シリコン（ＳｉＯ
2 ）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、製造が困難
であり、また粉末を緻密化するために、１２００〜１３
００℃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、高濃度に不純物をドー
プしても、光伝送の損失が相対的に小さいという長所を
持つが、一方で蒸気圧が高い酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ
2 ）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場合、高温状態では、基板と堆
積膜間の歪みは開放し得るが、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。すなわ
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、この大型の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の差は、基板のそりに
大きく影響する。 【０００５】さらに、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には、数μｍ程度
の厚いエッチングマスク層を必要とすることと、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。 【０００６】このような問題を回避するために、例えば
ＷＯ９１／１０９３１号（ＰＣＴ／ＧＢ９１／０００４
４）公報では、シリコン基板をフッ酸（ＨＦ）溶液中
で、陽極化成処理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、シリコン基板上に
線状のドープ領域を形成し、このドープ領域を陽極化成
処理して多孔質シリコン化し、次いでこの多孔質シリコ
ン領域を窒化又は酸窒化してシリコン基板全面に不純物
をドーピングし、このドーピングした領域を多孔質化す
るために２回目の陽極酸化を行い、作成された多孔質層
を酸化して最後に緻密化のために１１５０℃、１０分間
の熱処理を行うものである。ところが、この方法では、
二度のドーピング、陽極化成、酸窒化工程があり、複雑
で長い工程が必要であるという問題があった。 【０００７】また、V.B.Bondarenkoらは、Tech.Phys.Le
tt.19(1993)468. 及びMicroelectronic Engineering
28(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（ＳｉＮx ）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、さらに酸化温度よりも高温の１１５０℃で２
５分間の緻密化処理を行うものである。この方法は簡単
であるが、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、シリコン基板とコア部との間に介在
すべきクラッド部の光学的特性と膜厚を任意に選択でき
ないことである。このクラッド部の実効膜厚を充分に厚
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、伝搬損失が大きくなるという問題
を誘発する。 【０００８】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クラ
ッド部として用いるとともに、結晶質シリコン自体をコ
ア部として用いる光導波路の作製方法が開示されてい
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、二度のエピタキシャル成長とコアとな
る「厚い」半導体層の選択エッチングなど形成工程が複
雑である。また、コアである結晶性シリコンは、波長
１．３μｍの光に対する屈折率が３．５と非常に大きい
ため、この導波路から外部のファイバーなどに光を取り
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、結合損失の低減が課題となる。 【０００９】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
路の製造方法を提供することを目的とする。 【００１０】 【問題点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の形成方法では、シリコン
基板内に帯状に多孔質化した領域を形成するとともに、
この多孔質化した領域の一部のみに屈折率を制御する不
純物をドーピングして酸化することにより多孔質化した
領域のシリコン基板と接しない領域の一部に光導波路を
形成する光導波路の形成方法において、前記シリコン基
板の光導波路形成部分を多孔質化した後、プラズマ化若
しくは活性化した酸素もしくは分子中に酸素原子を有す
る気体に曝して酸化し、その後前記光導波路の屈折率を
制御するための不純物を含有する気体に曝す。 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【作用】多孔質シリコン層を酸化して石英質層を形成す
る場合、シリコンコア表面に形成される厚さ１ｎｍ以下
の初期酸化膜は、空隙の無い良質なＳｉＯ2 になる。こ
のことは多孔質シリコンの熱酸化工程において、シリコ
ンコア同士の密着を防ぐ目的で行われる乾燥酸素を用い
た３００℃程度の初期酸化工程で形成される表層酸化膜
の評価結果から実証されている。しかし、その後の酸化
膜の形成過程において酸化速度を大きくするための湿潤
酸素若しくは水蒸気を用いた熱酸化では、シリコン酸化
膜の構成要素である正四面体構造（テトラヘドラ）が無
秩序に並んだ非晶質ガラスとなり、多くの空隙を有する
ため内部に水素やＯＨ基、水分が取り込まれる。酸化工
程若しくはその後の高温処理工程で、取り込まれた水素
やＯＨ基、水分は架橋酸素原子の化学結合を切断して酸
化膜のネットワーク（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ、シロキサン結
合）と反応し、構造欠陥ＳｉＯＨを作り出す。このＳｉ
ＯＨは電子捕獲中心となり、未反応で残ったＨ2 Ｏ分子
も同様に電子トラップになり、光導波路特性における導
波損失の原因となる。これらは非酸化雰囲気の高温処理
で減少するが、初期酸化を同様に湿潤酸素等で行った場
合のシリコンと酸化膜界面付近のトラップを含め完全で
はない。 【００１４】そこで、本発明のように、真空チャンバー
内での活性気体の低温酸化を用いた場合、活性化された
高純度の乾燥酸化気体をチャンバーの真空雰囲気に導入
し、シリコンコアとの表面で反応させることで、酸化膜
の構造欠陥を引き起こすＨ2Ｏ等のコンタミネーション
を極力除去でき、原理的にＴＥＯＳ等を用いたＣＶＤ酸
化膜と同等の品質で酸化膜が形成できる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図１は、本発明に係る光導波路の形成
方法の工程の一例を示す図である。まず、同図（ａ）に
示すように、シリコン基板１上に、光導波路となる領域
部分のみが開口したマスク層２を設ける。このマスク層
２は、陽極化成処理で高濃度のフッ酸溶液を用いるた
め、耐フッ酸性が必要である。耐フッ酸性のマスク層と
しては、Ａｕ、Ｐｔ、ａ一Ｓｉ、ＳｉＮx 、レジスト膜
などがある。また、これらの膜を多層構造にして、耐フ
ッ酸性を増すことも可能である。シリコン基板１として
は、ｐ型或いはｎ型のいずれでも可能である。このシリ
コン基板１は、ボロンやシリコンなどの半導体不純物を
高濃度（１×１０18ａｔｏｍ・ｃｍ-3以上）に含有す
る。 【００１６】次に、同図（ｂ）に示すように、陽極化成
処理により、光導波路となる領域３を多孔質化する。こ
の陽極化成処理を行うための装置を図２に示す。図２に
おいて、１はシリコン基板、７は化成チャンバー、８は
陽極白金電極、９は陰極白金電極、１０はフッ酸溶液、
１１は直流電源である。化成チャンバー７はフッ素樹脂
などから成る。この装置では、陽極白金電極８側と陰極
白金電極９側のフッ酸溶液１０はシリコン基板１を介し
て分離されている。陰極白金電極９が入ったフッ酸溶液
１０がシリコン基板１の表面から多孔質化する。陽極化
成処理で用いるフッ酸溶液１０は、フッ化水素酸とエタ
ノールと水の混合液で、フッ化水素酸濃度は１５〜５０
％である。陽極化成処理時の電流密度は、１０〜２５０
ｍＡ／ｃｍ2 である。シリコン基板１としてｎ型基板を
用いる場合は、陽極化成中にタングステンランプなどに
より、光を照射する必要があるが、ｐ型基板を用いる場
合は、光照射の必要はない。 【００１７】図３は、陽極化成時間と多孔質シリコンの
厚みとの関係を示す図である。図３に示すように、陽極
化成時間と多孔質シリコンの厚みにはほぼ比例関係があ
る。シリコン基板１が３０μｍ以上の深さまで多孔質化
すれば、陽極化成処理を終える。この厚みが光導波路の
径となるので、この領域３の径を調整する必要がある。
この領域３の多孔度は４５〜６０％程度に調整する。 【００１８】次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン
基板１上に光導波路パターンで形成された多孔質シリコ
ン領域３を、希釈したＨＦで洗浄した後、活性気体の導
入若しくは活性気体を生成する機能のある真空装置に入
れて真空引きを行う。このような真空装置には、例えば
アッシング装置、プラズマＣＶＤ装置、光ＣＶＤ装置、
ケミカル・ドライ・エッチング装置、リアクティブ・イ
オン・エッチング装置、ＥＣＲ形反応性イオンエッチン
グ装置等がある。なお、アッシング装置とは、半導体リ
ソグラフィでエッチング工程後に残った不要なレジスト
を除去する装置であり、ＲＦやマイクロ波等で生成した
酸素ラジカルをレジスト表面で反応させてＣＯ2 などに
ガス化するための装置である。また、ケミカル・ドライ
・エッチング装置とは、反応性のガスを用いた薄膜除去
のためのエッチング装置の総称であるが、ここではリア
クティブ・イオン・エッチング装置とは異なって、自己
若しくは任意のバイアス電圧印加による物理的なイオン
衝撃によるエッチング効果のない等方性エッチングを行
う装置をいう。まず、多孔質シリコン領域３表面に付着
した水分を除去するために、シリコン基板１を真空装置
に搬入して５×１０-3Ｔｏｒｒ以下の状態で２００〜４
００℃まで加熱し、さらに５×１０-6Ｔｏｒｒ以下まで
真空引きを行ない、３００〜５００℃まで加熱して酸素
（Ｏ2 ）を導入する。初期酸化膜の形成に関しては低温
酸化で問題ないため、酸素をプラズマ化もしくは活性化
させるまでの間に０．０１〜２０Ｔｏｒｒの範囲でチャ
ンバー内のガス圧力を固定して初期酸化を行う。その
後、ＲＦ若しくは電子サイクロトロン（ＥＣＲ）、マイ
クロ波等で導入気体を活性化若しくはプラズマ化し、そ
の雰囲気中にシリコン基板１を曝すことで多孔質化した
領域３の酸化を行う。この際、ＣＦ4 、ＮＦ3 、Ｓ
Ｆ6 、ＢＣｌ3 、Ｃ１2 、ＣＣｌ4 、ＨＢｒ、Ｂｒ2 等
のハロゲンを含むエッチングガスを同時に導入すると、
酸化膜の緻密化に効果がある。以上の方法で酸化を行う
ことで、従来方法に比べて低温での光導波路形状の多孔
質シリコン層が形成できる。 【００１９】コア部５の形成については、図１（ｄ）に
示すように、クラッド層４部分を形成した後、プラズマ
化もしくは活性化した酸素の導入と同時に、ＰＨ3 、Ｐ
Ｆ3、ＰＦ5 、ＰＣｌ3 、ＰＣｌ5 、ＧｅＣｌ4 、Ｇｅ
Ｆ4 、ＧｅＨ4 、Ｂ2 Ｈ6 、ＢＢｒ3 、ＢＣｌ3 、ＢＦ
3 、若しくはＴｉやＺｒ等を含む有機金属蒸気等を流し
ながら酸化することで形成する。このような元素をドー
ピングすることでクラッド層４の部分とは屈折率が変化
したコア層５を形成することができる。有機金属蒸気は
プラズマ化もしくは活性化させた酸素と同じく多孔質シ
リコン領域３の表面に吸着し、多孔質シリコン領域３表
面の酸化と同時に膜中に取り込まれる。したがって、酸
化中にドーピング用不純物ガスの導入時期、流量、分圧
を任意に制御することでシリコン基板１の厚み方向での
ドーピング量を制御することができる。なお、このコア
層５の形成は全ての多孔質シリコン領域３に酸化膜を形
成した後に、上記のような元素をイオン注入法や熱拡散
法でドーピングすることで形成してもよい。 【００２０】以上のドーピング工程において、Ｐドープ
等で石英質の低融点化ができる場合、酸化後に６００〜
８００℃程度の高温処理を加えることで、０．１ｄＢ／
ｃｍ未満の低導波損失が実現できる。すなわち、Ｐのド
ーピング材料であるＰＯ3 ガラスは、ＳｉＯ2 に比べて
融点が低いため、ＳｉＯ2 ガラスの溶融化に必要な１２
００℃以上のアニール工程が６００〜８００℃程度で済
み、低導波損失が実現できる。また、この高温処理で発
生する見かけ応力は数ＭＰａ以下となり、８インチ以上
の大型基板にも十分対応できる。 【００２１】なお、上部クラッド層を設ける必要がある
場合は、スピンオングラス法、ＣＶＤ法、ＦＨＤ法など
で形成することができる。 【００２２】 【発明の効果】 以上のように、本発明に係る光導波路
の形成方法によれば、光導波路の形成部分を多孔質化し
た後プラズマ化若しくは活性化した酸素もしくは分子中
に酸素原子を有する気体に曝して酸化し、その後前記光
導波路の屈折率を制御するための不純物を含有する気体
に曝すことから、活性化された高純度の乾燥酸化気体を
チャンバーの真空雰囲気に導入し、シリコンコアとの表
面で反応させることで、酸化膜の構造欠陥を引き起こす
Ｈ2Ｏ等のコンタミネーションを極力除去でき、原理的
にＴＥＯＳ等を用いたＣＶＤ酸化膜と同等の品質で酸化
膜が形成できる。 【００２３】また、工程が単純で短く、真に必要な部分
のみを直接加工し、他の部分を加工しないことから、コ
ア層の表面は基板の最初の表面にあり、光集積回路・シ
リコンプラットフォームとして、ファイバーとの接続を
考えたとき、接続基準面をシリコン基板の最初の表面に
規定できる有利さを持つ。さらに、基板のソリ・曲りが
小さいため大型のシリコン基板を使用でき、光集積回路
を安価且つ大量に供給できる。また、簡易に高精度の光
ファイバーとの接続法を提供し、光通信網確立に資する
ところ大である。
に関し、特に単結晶シリコン基板の一部を多孔質化して
酸化して光導波路を形成する光導波路の形成方法に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】従来から、光集積回路では、発光素子も
しくは受光素子を基板上に固定して設け、この発光素子
もしくは受光素子と光ファイバーを光学的に接続するた
めの石英系の光導波路が使われていた。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全体の膜厚
を合わせると、極めて厚い膜で構成されることになる。 【０００３】現状の光導波路の膜厚製造技術の多くは、
半導体集積回路技術に基づいた方法を用いて製造されて
いる。すなわち、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気相堆積（ＣＶＤ）法などで形成さ
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、その低減が課題と
なる。 【０００４】これを改善した厚膜の高速堆積技術とし
て、火炎堆積（ＦＨＤ）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で、シラン（Ｓｉ
Ｈ4 ）などの金属水素化合物から酸化シリコン（ＳｉＯ
2 ）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、製造が困難
であり、また粉末を緻密化するために、１２００〜１３
００℃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、高濃度に不純物をドー
プしても、光伝送の損失が相対的に小さいという長所を
持つが、一方で蒸気圧が高い酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ
2 ）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場合、高温状態では、基板と堆
積膜間の歪みは開放し得るが、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。すなわ
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、この大型の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の差は、基板のそりに
大きく影響する。 【０００５】さらに、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には、数μｍ程度
の厚いエッチングマスク層を必要とすることと、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。 【０００６】このような問題を回避するために、例えば
ＷＯ９１／１０９３１号（ＰＣＴ／ＧＢ９１／０００４
４）公報では、シリコン基板をフッ酸（ＨＦ）溶液中
で、陽極化成処理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、シリコン基板上に
線状のドープ領域を形成し、このドープ領域を陽極化成
処理して多孔質シリコン化し、次いでこの多孔質シリコ
ン領域を窒化又は酸窒化してシリコン基板全面に不純物
をドーピングし、このドーピングした領域を多孔質化す
るために２回目の陽極酸化を行い、作成された多孔質層
を酸化して最後に緻密化のために１１５０℃、１０分間
の熱処理を行うものである。ところが、この方法では、
二度のドーピング、陽極化成、酸窒化工程があり、複雑
で長い工程が必要であるという問題があった。 【０００７】また、V.B.Bondarenkoらは、Tech.Phys.Le
tt.19(1993)468. 及びMicroelectronic Engineering
28(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（ＳｉＮx ）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、さらに酸化温度よりも高温の１１５０℃で２
５分間の緻密化処理を行うものである。この方法は簡単
であるが、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、シリコン基板とコア部との間に介在
すべきクラッド部の光学的特性と膜厚を任意に選択でき
ないことである。このクラッド部の実効膜厚を充分に厚
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、伝搬損失が大きくなるという問題
を誘発する。 【０００８】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クラ
ッド部として用いるとともに、結晶質シリコン自体をコ
ア部として用いる光導波路の作製方法が開示されてい
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、二度のエピタキシャル成長とコアとな
る「厚い」半導体層の選択エッチングなど形成工程が複
雑である。また、コアである結晶性シリコンは、波長
１．３μｍの光に対する屈折率が３．５と非常に大きい
ため、この導波路から外部のファイバーなどに光を取り
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、結合損失の低減が課題となる。 【０００９】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
路の製造方法を提供することを目的とする。 【００１０】 【問題点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の形成方法では、シリコン
基板内に帯状に多孔質化した領域を形成するとともに、
この多孔質化した領域の一部のみに屈折率を制御する不
純物をドーピングして酸化することにより多孔質化した
領域のシリコン基板と接しない領域の一部に光導波路を
形成する光導波路の形成方法において、前記シリコン基
板の光導波路形成部分を多孔質化した後、プラズマ化若
しくは活性化した酸素もしくは分子中に酸素原子を有す
る気体に曝して酸化し、その後前記光導波路の屈折率を
制御するための不純物を含有する気体に曝す。 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【作用】多孔質シリコン層を酸化して石英質層を形成す
る場合、シリコンコア表面に形成される厚さ１ｎｍ以下
の初期酸化膜は、空隙の無い良質なＳｉＯ2 になる。こ
のことは多孔質シリコンの熱酸化工程において、シリコ
ンコア同士の密着を防ぐ目的で行われる乾燥酸素を用い
た３００℃程度の初期酸化工程で形成される表層酸化膜
の評価結果から実証されている。しかし、その後の酸化
膜の形成過程において酸化速度を大きくするための湿潤
酸素若しくは水蒸気を用いた熱酸化では、シリコン酸化
膜の構成要素である正四面体構造（テトラヘドラ）が無
秩序に並んだ非晶質ガラスとなり、多くの空隙を有する
ため内部に水素やＯＨ基、水分が取り込まれる。酸化工
程若しくはその後の高温処理工程で、取り込まれた水素
やＯＨ基、水分は架橋酸素原子の化学結合を切断して酸
化膜のネットワーク（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ、シロキサン結
合）と反応し、構造欠陥ＳｉＯＨを作り出す。このＳｉ
ＯＨは電子捕獲中心となり、未反応で残ったＨ2 Ｏ分子
も同様に電子トラップになり、光導波路特性における導
波損失の原因となる。これらは非酸化雰囲気の高温処理
で減少するが、初期酸化を同様に湿潤酸素等で行った場
合のシリコンと酸化膜界面付近のトラップを含め完全で
はない。 【００１４】そこで、本発明のように、真空チャンバー
内での活性気体の低温酸化を用いた場合、活性化された
高純度の乾燥酸化気体をチャンバーの真空雰囲気に導入
し、シリコンコアとの表面で反応させることで、酸化膜
の構造欠陥を引き起こすＨ2Ｏ等のコンタミネーション
を極力除去でき、原理的にＴＥＯＳ等を用いたＣＶＤ酸
化膜と同等の品質で酸化膜が形成できる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図１は、本発明に係る光導波路の形成
方法の工程の一例を示す図である。まず、同図（ａ）に
示すように、シリコン基板１上に、光導波路となる領域
部分のみが開口したマスク層２を設ける。このマスク層
２は、陽極化成処理で高濃度のフッ酸溶液を用いるた
め、耐フッ酸性が必要である。耐フッ酸性のマスク層と
しては、Ａｕ、Ｐｔ、ａ一Ｓｉ、ＳｉＮx 、レジスト膜
などがある。また、これらの膜を多層構造にして、耐フ
ッ酸性を増すことも可能である。シリコン基板１として
は、ｐ型或いはｎ型のいずれでも可能である。このシリ
コン基板１は、ボロンやシリコンなどの半導体不純物を
高濃度（１×１０18ａｔｏｍ・ｃｍ-3以上）に含有す
る。 【００１６】次に、同図（ｂ）に示すように、陽極化成
処理により、光導波路となる領域３を多孔質化する。こ
の陽極化成処理を行うための装置を図２に示す。図２に
おいて、１はシリコン基板、７は化成チャンバー、８は
陽極白金電極、９は陰極白金電極、１０はフッ酸溶液、
１１は直流電源である。化成チャンバー７はフッ素樹脂
などから成る。この装置では、陽極白金電極８側と陰極
白金電極９側のフッ酸溶液１０はシリコン基板１を介し
て分離されている。陰極白金電極９が入ったフッ酸溶液
１０がシリコン基板１の表面から多孔質化する。陽極化
成処理で用いるフッ酸溶液１０は、フッ化水素酸とエタ
ノールと水の混合液で、フッ化水素酸濃度は１５〜５０
％である。陽極化成処理時の電流密度は、１０〜２５０
ｍＡ／ｃｍ2 である。シリコン基板１としてｎ型基板を
用いる場合は、陽極化成中にタングステンランプなどに
より、光を照射する必要があるが、ｐ型基板を用いる場
合は、光照射の必要はない。 【００１７】図３は、陽極化成時間と多孔質シリコンの
厚みとの関係を示す図である。図３に示すように、陽極
化成時間と多孔質シリコンの厚みにはほぼ比例関係があ
る。シリコン基板１が３０μｍ以上の深さまで多孔質化
すれば、陽極化成処理を終える。この厚みが光導波路の
径となるので、この領域３の径を調整する必要がある。
この領域３の多孔度は４５〜６０％程度に調整する。 【００１８】次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン
基板１上に光導波路パターンで形成された多孔質シリコ
ン領域３を、希釈したＨＦで洗浄した後、活性気体の導
入若しくは活性気体を生成する機能のある真空装置に入
れて真空引きを行う。このような真空装置には、例えば
アッシング装置、プラズマＣＶＤ装置、光ＣＶＤ装置、
ケミカル・ドライ・エッチング装置、リアクティブ・イ
オン・エッチング装置、ＥＣＲ形反応性イオンエッチン
グ装置等がある。なお、アッシング装置とは、半導体リ
ソグラフィでエッチング工程後に残った不要なレジスト
を除去する装置であり、ＲＦやマイクロ波等で生成した
酸素ラジカルをレジスト表面で反応させてＣＯ2 などに
ガス化するための装置である。また、ケミカル・ドライ
・エッチング装置とは、反応性のガスを用いた薄膜除去
のためのエッチング装置の総称であるが、ここではリア
クティブ・イオン・エッチング装置とは異なって、自己
若しくは任意のバイアス電圧印加による物理的なイオン
衝撃によるエッチング効果のない等方性エッチングを行
う装置をいう。まず、多孔質シリコン領域３表面に付着
した水分を除去するために、シリコン基板１を真空装置
に搬入して５×１０-3Ｔｏｒｒ以下の状態で２００〜４
００℃まで加熱し、さらに５×１０-6Ｔｏｒｒ以下まで
真空引きを行ない、３００〜５００℃まで加熱して酸素
（Ｏ2 ）を導入する。初期酸化膜の形成に関しては低温
酸化で問題ないため、酸素をプラズマ化もしくは活性化
させるまでの間に０．０１〜２０Ｔｏｒｒの範囲でチャ
ンバー内のガス圧力を固定して初期酸化を行う。その
後、ＲＦ若しくは電子サイクロトロン（ＥＣＲ）、マイ
クロ波等で導入気体を活性化若しくはプラズマ化し、そ
の雰囲気中にシリコン基板１を曝すことで多孔質化した
領域３の酸化を行う。この際、ＣＦ4 、ＮＦ3 、Ｓ
Ｆ6 、ＢＣｌ3 、Ｃ１2 、ＣＣｌ4 、ＨＢｒ、Ｂｒ2 等
のハロゲンを含むエッチングガスを同時に導入すると、
酸化膜の緻密化に効果がある。以上の方法で酸化を行う
ことで、従来方法に比べて低温での光導波路形状の多孔
質シリコン層が形成できる。 【００１９】コア部５の形成については、図１（ｄ）に
示すように、クラッド層４部分を形成した後、プラズマ
化もしくは活性化した酸素の導入と同時に、ＰＨ3 、Ｐ
Ｆ3、ＰＦ5 、ＰＣｌ3 、ＰＣｌ5 、ＧｅＣｌ4 、Ｇｅ
Ｆ4 、ＧｅＨ4 、Ｂ2 Ｈ6 、ＢＢｒ3 、ＢＣｌ3 、ＢＦ
3 、若しくはＴｉやＺｒ等を含む有機金属蒸気等を流し
ながら酸化することで形成する。このような元素をドー
ピングすることでクラッド層４の部分とは屈折率が変化
したコア層５を形成することができる。有機金属蒸気は
プラズマ化もしくは活性化させた酸素と同じく多孔質シ
リコン領域３の表面に吸着し、多孔質シリコン領域３表
面の酸化と同時に膜中に取り込まれる。したがって、酸
化中にドーピング用不純物ガスの導入時期、流量、分圧
を任意に制御することでシリコン基板１の厚み方向での
ドーピング量を制御することができる。なお、このコア
層５の形成は全ての多孔質シリコン領域３に酸化膜を形
成した後に、上記のような元素をイオン注入法や熱拡散
法でドーピングすることで形成してもよい。 【００２０】以上のドーピング工程において、Ｐドープ
等で石英質の低融点化ができる場合、酸化後に６００〜
８００℃程度の高温処理を加えることで、０．１ｄＢ／
ｃｍ未満の低導波損失が実現できる。すなわち、Ｐのド
ーピング材料であるＰＯ3 ガラスは、ＳｉＯ2 に比べて
融点が低いため、ＳｉＯ2 ガラスの溶融化に必要な１２
００℃以上のアニール工程が６００〜８００℃程度で済
み、低導波損失が実現できる。また、この高温処理で発
生する見かけ応力は数ＭＰａ以下となり、８インチ以上
の大型基板にも十分対応できる。 【００２１】なお、上部クラッド層を設ける必要がある
場合は、スピンオングラス法、ＣＶＤ法、ＦＨＤ法など
で形成することができる。 【００２２】 【発明の効果】 以上のように、本発明に係る光導波路
の形成方法によれば、光導波路の形成部分を多孔質化し
た後プラズマ化若しくは活性化した酸素もしくは分子中
に酸素原子を有する気体に曝して酸化し、その後前記光
導波路の屈折率を制御するための不純物を含有する気体
に曝すことから、活性化された高純度の乾燥酸化気体を
チャンバーの真空雰囲気に導入し、シリコンコアとの表
面で反応させることで、酸化膜の構造欠陥を引き起こす
Ｈ2Ｏ等のコンタミネーションを極力除去でき、原理的
にＴＥＯＳ等を用いたＣＶＤ酸化膜と同等の品質で酸化
膜が形成できる。 【００２３】また、工程が単純で短く、真に必要な部分
のみを直接加工し、他の部分を加工しないことから、コ
ア層の表面は基板の最初の表面にあり、光集積回路・シ
リコンプラットフォームとして、ファイバーとの接続を
考えたとき、接続基準面をシリコン基板の最初の表面に
規定できる有利さを持つ。さらに、基板のソリ・曲りが
小さいため大型のシリコン基板を使用でき、光集積回路
を安価且つ大量に供給できる。また、簡易に高精度の光
ファイバーとの接続法を提供し、光通信網確立に資する
ところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光導波路の形成方法の一実施形態
を示す図である。 【図２】本発明に係る光導波路の形成方法におけるシリ
コン基板の多孔質化工程を示す図である。 【図３】本発明に係る光導波路の形成方法におけるシリ
コン基板の陽極化成処理時間と多孔質シリコン層の厚み
との関係を示す図である。 【符号の説明】 １・・・シリコン基板、３・・・多孔質シリコン領域、
４・・・クラッド層、５・・・コア層
を示す図である。 【図２】本発明に係る光導波路の形成方法におけるシリ
コン基板の多孔質化工程を示す図である。 【図３】本発明に係る光導波路の形成方法におけるシリ
コン基板の陽極化成処理時間と多孔質シリコン層の厚み
との関係を示す図である。 【符号の説明】 １・・・シリコン基板、３・・・多孔質シリコン領域、
４・・・クラッド層、５・・・コア層
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(56)参考文献 特開 平９−17733（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−273426（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−251142（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−292540（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−133047（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−133048（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−160950（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−101321（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−149749（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−92639（ＪＰ，Ａ)
国際公開91／010931（ＷＯ，Ａ１)
Ｖ．Ｐ．Ｂｏｎｄａｒｅｎｋｏ ｅ
ｔ．ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏ
ｌ．28 Ｎｏ．１−４ （Ｊｕｎｅ
1995），ｐｐ．447−450
Ａ．Ｌｏｎｉ ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥ
Ｃｏｌｌｏｑｕｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｃ
ｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｐｌ
ｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｏｐｔｏｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，1996年 ２月27
日，ｐｐ．８／１−８／５
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02B 6/12 - 6/14
H01L 21/00
H01L 33/00
H01S 5/00 - 5/50
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 シリコン基板内に帯状に多孔質化した領
域を形成するとともに、この多孔質化した領域の一部の
みに屈折率を制御する不純物をドーピングして酸化する
ことにより多孔質化した領域のシリコン基板と接しない
領域の一部に光導波路を形成する光導波路の形成方法に
おいて、前記シリコン基板の光導波路形成部分を多孔質
化した後、プラズマ化若しくは活性化した酸素もしくは
分子中に酸素原子を有する気体に曝して酸化し、その後
前記光導波路の屈折率を制御するための不純物を含有す
る気体に曝すことを特徴とする光導波路の形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10796597A JP3457836B2 (ja) | 1997-04-24 | 1997-04-24 | 光導波路の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10796597A JP3457836B2 (ja) | 1997-04-24 | 1997-04-24 | 光導波路の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10300963A JPH10300963A (ja) | 1998-11-13 |
| JP3457836B2 true JP3457836B2 (ja) | 2003-10-20 |
Family
ID=14472563
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10796597A Expired - Fee Related JP3457836B2 (ja) | 1997-04-24 | 1997-04-24 | 光導波路の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3457836B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3470016B2 (ja) * | 1997-07-31 | 2003-11-25 | 京セラ株式会社 | 光集積回路基板の製造方法 |
| JP3488830B2 (ja) | 1998-07-30 | 2004-01-19 | 京セラ株式会社 | 光導波路の製造方法 |
| JP2004301981A (ja) * | 2003-03-31 | 2004-10-28 | Seiichi Nagata | シリコン基板とその形成方法 |
-
1997
- 1997-04-24 JP JP10796597A patent/JP3457836B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ａ．Ｌｏｎｉ ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥ Ｃｏｌｌｏｑｕｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９６年 ２月２７日，ｐｐ．８／１−８／５ |
| Ｖ．Ｐ．Ｂｏｎｄａｒｅｎｋｏ ｅｔ．ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．１−４ （Ｊｕｎｅ １９９５），ｐｐ．４４７−４５０ |
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| JPH10300963A (ja) | 1998-11-13 |
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