JP3673829B2

JP3673829B2 - レーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法及び光学素子形成方法

Info

Publication number: JP3673829B2
Application number: JP2002082289A
Authority: JP
Inventors: 昌幸大越; 成美井上; 雅章倉松
Original assignee: 防衛庁技術研究本部長
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2022-03-25
Also published as: JP2003277918A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニクスを目的としたシリカガラス（ＳｉＯ_２）等の光学膜の屈折率制御に係り、とくにレーザーアブレーションにより膜厚と屈折率が制御された良質のＳｉＯ_２膜等の光学膜を室温で形成可能なレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法及び光学素子形成方法に関するものであり、従来困難とされてきた熱影響を受けやすい基体（高分子材料や生体材料、低融点材料、熱拡散しやすい材料等）への光導波路素子形成を例とした光インタコネクション素子形成や複雑な３次元構造の光インタコネクション素子形成も可能となり、その用途は電気電子のみならずあらゆる分野で有用である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳｉＯ_２の屈折率制御法は、紫外線（真空紫外線も含む）を発生するエキシマレーザーや、極めて高い尖頭出力を発生する超短パルス・チタンサファイヤレーザーのレーザー光を、バルクのＳｉＯ_２表面あるいはその内部に直接照射して、欠陥や密度変化を誘起する手法が主として利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法では、基本的にバルクのＳｉＯ_２を扱うため、任意の基体上に屈折率を制御してＳｉＯ_２膜を形成することは困難であり、さらに異なる屈折率を有する複数層のＳｉＯ_２膜を前記基体上に設けて光学素子、例えば光インタコネクション素子を形成することも困難であった。また本発明のように、薄膜を部品として積層していく方法とは異なり、従来方法では複雑な構造の光学素子形成には制限があった。
【０００４】
本発明の第１の目的は、上記の点に鑑み、膜厚と屈折率が制御された良質のＳｉＯ_２膜等の光学膜を、基体材料を選ばずに堆積、積層させることが可能なレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の第２の目的は、異なる屈折率を有する複数層のＳｉＯ_２等の光学膜を、レーザーアブレーションを利用して基体上に形成可能としたレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法を提供することにある。
【０００６】
本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項１の発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法は、光学使用を目的とした膜の原材料となる化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上に光学膜を形成する場合に、前記光学膜の前記基体への堆積速度を変化させて前記光学膜の屈折率を制御することを特徴としている。
【０００８】
本願請求項２の発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法は、請求項１において、前記化合物がＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物であって、前記基体上にＳｉＯ_２膜を形成することを特徴としている。
【０００９】
本願請求項３の発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上にＳｉＯ_２膜を形成する場合に、雰囲気酸素ガス圧を変化させて前記光学膜の屈折率を制御することを特徴としている。
【００１０】
本願請求項４の発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法は、光学使用を目的とした膜の原材料となる化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上に異なる堆積速度で光学膜を積層形成して、異なる屈折率を有する複数層の光学膜を前記基体上に設けることを特徴としている。
【００１１】
本願請求項５の発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法は、請求項４において、前記化合物がＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物であって、前記基体上に異なる屈折率を有する複数層のＳｉＯ_２膜を形成することを特徴としている。
【００１２】
本願請求項６の発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上に雰囲気酸素ガス圧を変えてＳｉＯ_２膜を積層形成して、異なる屈折率を有する複数層のＳｉＯ_２膜を前記基体上に設けることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法及び光学素子形成方法の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１４】
図１は本発明に係るレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法及び光学素子形成方法の実施の形態で用いる成膜装置の例であり、成膜容器１内に、光学使用を目的とした膜の原材料となる化合物のターゲット２及び基体としての基板３を対向配置し、合成石英ガラス等で形成された成膜容器１の入射窓４を通してレーザー装置で発生したパルスレーザー光５を前記ターゲット２に照射する。また、成膜容器１外部にレーザー光の収束のための光学系６及びレーザー光量を制限するアパーチャー＃１，＃２，…を設ける。アパーチャー＃１，＃２，…は方形等の開口を有する遮蔽板であり、開口部分のみレーザー光を透過させ、その他の部分では遮断するものである。ここでは、アパーチャー＃１よりもアパーチャー＃２の開口が小さく設定されているが、使用するアパーチャーは２個に限らず、レーザー光量を可変制御するために開口の異なるものを必要個数用意し、光学系６の手前に配置して光学系６への入射光量を可変調整する。前記ターゲット２は成膜容器１外部の回転手段としてのモータ７で回転されるようになっている。また、成膜容器１には酸素ガス供給バルブ８や減圧手段としての真空ポンプ９が接続され、さらに容器内部の真空度を測定するための真空ゲージ１０が設けられている。成膜容器１内は真空ポンプ９で４×１０^−５Torr以下の真空度に真空排気されており、さらに酸素ガス供給バルブ８から酸素ガスを所定圧力（後述するように１０^−１Torr以下が望ましい）となるように供給しておく。
【００１５】
ここで、光学使用を目的とした膜、つまり光学膜形成の方法として、レーザーアブレーション法（Pulsed laser deposition；以下ＰＬＤ法と記す）を選択した。この方法は強力なレーザー光照射のため、ターゲット材料から電子励起された原子、分子あるいは一部イオン化されたもの等が高い運動エネルギーを有して飛散するため、堆積膜表面の局所加熱やマイグレーション効果等を誘起し、良質の膜を低温で形成できる。また成膜容器内にターゲット材料を溶融蒸発させるような熱源を必要としないため、クリーンな成膜を行うことができ、膜中への不純物混入が極めて少ない。加えて装置が極めてシンプルである等、良質の膜を簡単に得る方法として産業利用もなされている。
【００１６】
前記光学膜としてＳｉＯ_２膜を形成する場合には、ターゲット材料としてシリコーン（シリコーンゴム、シリコーンオイル、シリコーン樹脂等）のような、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合（シロキサン）を含む化合物を選択する。通常、ＰＬＤ法では、コンポジショナル・フィデェリティ（compositional fidelity；ターゲット材料の組成とそれを膜にしたときの組成ずれが少ないこと）という長所を利用した膜形成例がほとんどである。従って常識的には、ＳｉＯ_２膜をＰＬＤ法で形成する場合、シリカガラスをターゲット材料として用いる。しかしこの場合、膜中にガラス片や粉のようなフラグメントの混入が顕著となり、また基板加熱も必要となる。そこで本発明ではコンポジショナル・フィデェリティという常識に逆らい、多元組成の材料から所望の原子、分子もしくは結合部のみを選択的に膜堆積する新しいＰＬＤ法をシロキサンの場合で実証している。すなわちシリコーンのようなシロキサンを含む物質を図１のターゲット２として利用することにより、レーザー波長や照射エネルギー密度によってターゲットの開裂状態が制御できる。そして、雰囲気ガスの種類やガス圧を含めた最適な成膜条件を見出してシロキサン結合のみを選択的に膜堆積させ、室温（常温）、換言すれば非加熱雰囲気中で良好なＳｉＯ_２膜を形成可能としている。
【００１７】
以下の式(1)及び式(2)は、ＰＬＤ法でシロキサンを含む化合物からシロキサン結合のみを選択的に膜堆積させ、酸素ガス雰囲気にてＳｉＯ_２膜を成膜する過程を示している。
【００１８】
【数１】

ここで、(ＲＳｉＯ)_ｎ：シロキサンを含む化合物であるターゲット、Ｒ：ＣＨ基等の側鎖、ｎ：正の整数で通常１万以上の値、ｈν：光のエネルギー（レーザー光の振動数ν、プランク定数ｈ）である。
【００１９】
前記式(1)のようにターゲットの側鎖を開裂させるため、図１のターゲット２に照射されるレーザー光のｈνがターゲットにおける側鎖の結合エネルギーよりも大きいことが必要である。このため、紫外線乃至真空紫外線のレーザー光を発生可能なＡｒＦエキシマレーザー等のレーザー装置を光源として用いる。なお、シロキサン結合の結合エネルギーよりも前記レーザー光のｈνは小さいことが必要であるが、側鎖の結合エネルギーよりもシロキサン結合の結合エネルギーは十分大きいので、紫外線乃至真空紫外線のレーザー光であればこの条件を満足させ得る。
【００２０】
前記レーザー光の照射エネルギー密度については、１J／cm^２以上、好ましくは１０J／cm^２以上であることが、透明で良好なＳｉＯ_２膜を成膜するために望ましい。但しレーザー装置により上限値は制約され、現状では１００J／cm^２以下である。
【００２１】
前記式(2)の反応が進むように、図１の成膜容器１内は酸素ガス雰囲気であり、紫外線乃至真空紫外線のレーザー光が酸素ガス雰囲気中で減衰しないように成膜容器１内は真空ポンプ９によって減圧された状態である。成膜容器１内の酸素ガス圧は、１０^−４Torr以上で１０^−１Torr以下の範囲が透明で良好なＳｉＯ_２膜を成膜するために望ましい。
【００２２】
上記の基板への成膜は室温で実行可能であるから、基板材質は、スライドガラス、ＮａＣｌ、石英、Ｓｉ等の無機材料の他、熱影響を受けやすいポリエステル等の有機高分子材料、生体材料等も利用可能である。
【００２３】
実施の形態１
この実施の形態１では、図１の成膜装置を使用し、光学膜の原材料となる化合物で構成されたターゲット２にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基板３上に光学膜を形成する場合に、前記光学膜の前記基板３への堆積速度を変化させて前記光学膜の屈折率を制御する。ここでは、ターゲット２としてＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用い、基板３にＳｉウエハを用いて、基板３上にＳｉＯ_２膜を形成した。
【００２４】
図２に、４種類の異なる堆積速度（０.０２ｎｍ／pulse、０.０５ｎｍ／pulse、０.０７ｎｍ／pulse及び０.１ｎｍ／pulse）で形成した純粋なＳｉＯ_２膜の屈折率の測定結果を示す。基板にはＳｉウエハを用いている。また、形成膜の膜厚は、約１２０〜１４０ｎｍの範囲で一定になるよう成膜時間により調整している。屈折率は波長６３３ｎｍでの値を測定している。その他、レーザー光の照射エネルギー密度（レーザーフルエンス）は１０Ｊ／ｃｍ^２、成膜容器内の雰囲気酸素ガス圧は４.４×１０^−２Torr一定である。ＳｉＯ_２膜の堆積速度は、成膜容器外部においてレーザー光のパルスエネルギーを変化させることにより調整している（例えば、図１の開口の異なるアパーチャー＃１，＃２，…の交換等による）。膜の堆積速度が０.１ｎｍ／pulseのとき、屈折率は１.３７〜１.４０の範囲であるが、レーザー光のパルスエネルギーを低下させて堆積速度を低くするのに従って屈折率は高くなっていくことがわかる。そして０.０２ｎｍ／pulseでは膜の屈折率は１.４３であり、膜の堆積速度を変化させることにより１０^−２オーダーで屈折率が制御できることを示している。このような膜の堆積速度による屈折率変化は、膜の構造（密度）変化によることがわかった。すなわち、膜の堆積速度を低くしていくと、走査電子顕微鏡より、より緻密な膜が形成することが観察できた。
【００２５】
なお、膜の堆積速度は０.０２〜０.１ｎｍ／pulseと低いため、レーザーパルスの積算数により、ナノメートルオーダーでの膜厚制御が可能である。この手法は、光導波路素子等の製作に有効である。
【００２６】
実施の形態２
この実施の形態２では、図１の成膜装置を使用し、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物で構成されたターゲット２にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基板３上にＳｉＯ_２膜を形成する場合に、成膜容器１内の雰囲気酸素ガス圧を変化させて前記ＳｉＯ_２膜の屈折率を制御する。ここでは、基板３にＳｉウエハを用いた。
【００２７】
図３は、３種類の異なる雰囲気酸素ガス圧（４.４×１０^−５Torr、４.４×１０^−３Torr及び４.４×１０^−２Torr）で形成したＳｉＯ_２膜の屈折率の測定結果を示す。基板にはＳｉウエハを用いている。また、形成膜の膜厚は、４００ｎｍ一定としている。屈折率は先と同様波長６３３ｎｍでの値を測定している。レーザー光の照射エネルギー密度は１０Ｊ／ｃｍ^２一定である。
【００２８】
酸素ガス圧が４.４×１０^−５Torrのとき、ＳｉＯ_２膜の屈折率は１.８６であるが、酸素ガス圧を高くしていくのに従い屈折率は低くなっていくことがわかる。そして、４.４×１０^−２Torrでは膜の屈折率は１.４２であり、雰囲気酸素ガス圧を変化させることにより１０^−１オーダーで屈折率が制御できることを示している。このような雰囲気酸素ガス圧による屈折率変化は、形成膜中の微量な炭素混入量の変化によるものである。このことは、図４の形成膜のラマンスペクトルで示されている。この図４に示すように、雰囲気酸素ガス圧を増加するに従って、１５８５ｃｍ^−１及び１３５５ｃｍ^−１を中心とした二つのブロードなピークが減少していくことがわかった。この二つのピークは炭素の存在を示し、酸素ガス圧増加に伴って膜中に混入する炭素が減少していることを示唆している。すなわち、酸素ガス圧を高くしていくと、アブレーションによりターゲットから放出された炭素が酸化、ガス化され、成膜容器外へ排出される割合が高くなるからである。
【００２９】
なお、この手法は、形成膜同士に、より大きな屈折率差を持たせる必要がある場合にとくに有効であり、ＳｉＯ_２膜の屈折率を連続的に制御可能である。この場合、１０^−１オーダーでの屈折率制御が可能であり、例えばフォトニック結晶等の製作に有効である。
【００３０】
実施の形態３
この実施の形態３では、図１の成膜装置を用いて実施の形態１の方法を実施して、異なる屈折率を有する複数層の光学膜を基体上に設けることにより、光学素子としての光インタコネクション素子を形成する。ここでは、ターゲット２としてＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用い、基板３にＳｉウエハを用いて、基板３上にＳｉＯ_２膜を順次、積層形成することにより光導波路素子を作製した。
【００３１】
図５（Ａ）において、図２の結果を基に、まず０.１ｎｍ／pulseの堆積速度で、膜厚約０.４μｍのＳｉＯ_２クラッド層１１を基板３の全面に形成し、その後堆積速度を０.０５ｎｍ／pulseまで下げて、膜厚約１μｍのＳｉＯ_２コア層１２を線幅約１ｍｍで形成させた。従って、ＳｉＯ_２クラッド層１１よりもＳｉＯ_２コア層１２の屈折率が大きくなっており、両者の境界面で光の反射面を構成している。
【００３２】
そして形成されたコア層１２と、レンズ１３を通して入射されたＨｅ−Ｎｅレーザー光とをＢＫ−７製プリズム（屈折率１.５２）１４により結合させた（プリズムとコア層の隙間に水を介在させた）。さらに、もう１つのＢＫ−７製プリズム１５により、コア層１２中を導波したＨｅ−Ｎｅレーザー光をコア層１２から取り出し（プリズムとコア層の隙間に水を介在させた）、その導波光のスクリーンイメージを図５（Ｂ）のように撮影した。図５（Ｂ）の導波光のスクリーンイメージ図（写真）から、単一モードで伝搬した導波光が確認できる。
【００３３】
図５はＳｉ基板を用いたときの結果であるが、厚さ１００μｍのポリエステルフィルム基板を用いても図５と同様ＳｉＯ_２光導波路が形成できる。
【００３４】
なお、実施の形態３では、実施の形態１の屈折率制御により屈折率の異なるＳｉＯ_２膜を形成したが、実施の形態２の屈折率制御により図５（Ａ）のＳｉＯ_２クラッド層１１及びＳｉＯ_２コア層１２を形成してもよい。つまり、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上に雰囲気酸素ガス圧を変えてＳｉＯ_２膜を積層形成して、異なる屈折率を有する複数層のＳｉＯ_２膜を前記基体上に設けた構成とする。
【００３５】
なお、図１の装置で成膜可能な光学膜としては、ＳｉＯ_２層の他にＡｌ_２Ｏ_３膜、ＴｉＯ_２膜があり、実施の形態１で述べた方法で屈折率を制御できる。また、光学膜は可視光を対象とするものだけでなく、赤外線や紫外線を透過させる材質であってもよい。
【００３６】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、膜厚と屈折率が制御された良質のＳｉＯ_２膜等の光学膜を、基体材料を選ばずに堆積、積層させることができる。したがって、高分子フィルム基体上に膜形成を行えば、光学素子としてフレキシブルな光インタコネクション素子も形成できる。光導波路やフォトニック結晶等の光インタコネクション素子形成は、現在の電気配線から将来の光配線へ移行するために必要不可欠な技術であり、本発明はこれらフォトニクス分野に多大に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態において用いる成膜装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１であって、レーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御法について、膜の堆積速度と屈折率（波長６３３ｎｍにおける）との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態２であって、レーザーアブレーションを利用したＳｉＯ_２膜の屈折率制御法について、雰囲気酸素ガス圧と膜の屈折率（波長６３３ｎｍにおける）との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２における形成膜について、酸素ガス圧力をパラメータとしたラマンシフトと強度との関係を示すラマンスペクトル図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係るレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法について、（Ａ）は異なる２種類の屈折率を有するＳｉＯ_２膜を堆積、積層させ形成した光導波路素子の構成及びその光導波実験例を示す構成図、（Ｂ）はそのときの導波光（Ｈｅ−Ｎｅレーザー光）のスクリーンイメージ図（写真）である。
【符号の説明】
１成膜容器
２ターゲット
３基板
４入射窓
５パルスレーザー光
６光学系
７モータ
８酸素ガス供給バルブ
９真空ポンプ
１０真空ゲージ
１１クラッド層
１２コア層
１３レンズ
１４，１５プリズム

Claims

光学使用を目的とした膜の原材料となる化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上に光学膜を形成する場合に、前記光学膜の前記基体への堆積速度を変化させて前記光学膜の屈折率を制御することを特徴とするレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法。
前記化合物がＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物であって、前記基体上にＳｉＯ_２膜を形成する請求項１記載のレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法。
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上にＳｉＯ_２膜を形成する場合に、雰囲気酸素ガス圧を変化させて前記光学膜の屈折率を制御することを特徴とするレーザーアブレーションを利用した光学膜の屈折率制御方法。
光学使用を目的とした膜の原材料となる化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上に異なる堆積速度で光学膜を積層形成して、異なる屈折率を有する複数層の光学膜を前記基体上に設けることを特徴とするレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法。
前記化合物がＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物であって、前記基体上に異なる屈折率を有する複数層のＳｉＯ_２膜を形成する請求項４記載のレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法。
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物にレーザー光を照射し、アブレーションにより対向した基体上に雰囲気酸素ガス圧を変えてＳｉＯ_２膜を積層形成して、異なる屈折率を有する複数層のＳｉＯ_２膜を前記基体上に設けることを特徴とするレーザーアブレーションを利用した光学素子形成方法。