JP3795848B2 - 光平面回路型光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野において使用される光導波路型フィルターなどの平面光波回路において、ＳＯＩ基板上に構築されるシリコンを光導波路とする光平面回路型光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を伝送するコア層にシリコンを用いる光平面回路型光学素子は、シリコンコア層を二酸化シリコンからなるオーバークラッド層で覆う構造を有しているのが一般的である。その理由は、光通信に使用される１．５５μｍ帯の波長域において、シリコンの屈折率が約３．５であり、シリコンの酸化物である二酸化シリコンの屈折率が約１．５と大きく異なるために、シリコンと二酸化シリコンをそれぞれコアとクラッドにして、屈折率差の大きな導波路を形成できるからである。さらに、シリコン半導体集積回路の作製技術がそのまま使用できるので、作製技術がほぼ確立されていることも原因の一つになっている。
【０００３】
図９にシリコンをコアに使用する埋め込み細線型の光平面回路型光学素子の断面構造の例を示す。図９のような光平面回路型光学素子を作製するには、最近は半導体集積回路製造用に開発されたＳＯＩ基板を使用し、上部シリコン層を導波路構造あるいは光機能デバイス構造に加工して平面光回路を作製する方法が一般的になっている。ＳＯＩ基板を使用する場合には、シリコン基板１０１上に形成されたＢＯＸ層と呼ばれる酸化膜層をアンダークラッド層１０２として使用しており、上部シリコン層をコア１０３の形状に加工した後に、コア１０３を覆うように上部にオーバークラッド層１０４を積層させ、光平面回路型光学素子を作製している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図９のような光平面回路型光学素子では、一般にシリコンパターンをリソグラフィ技術で形成している。すなわち、電子線露光法あるいは光露光法を用いて、シリコン層の上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにしてシリコン層をエッチングして光導波路などのパターンを形成する。あるいは、シリコン層の上にエッチングハードマスク層を形成し、このエッチングハードマスク層の上にレジストパターンを形成して、レジストパターンをマスクにしてエッチングハードマスク層をエッチングしてハードマスクを形成し、このハードマスクを用いてシリコン層をエッチングする。
【０００５】
エッチングしたシリコンパターンの側壁部の荒れ（凹凸）はこのシリコンパターンを通過する光の伝搬損失に影響を与えるため、パターン形成で最も重要なことは、パターン側壁部の荒れを極力低減することである。このため、パターン形成後にパターン側壁部の荒れを改善する方法として、シリコンパターンを酸化してパターン側壁部を平坦化する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
一方、シリコンをコアに使用する光平面回路型光学素子には、図９に示した埋め込み細線型の他に、図１０に示すリブ型がある。図１０において、２０１はシリコン基板、２０２は基板２０１上に形成されたアンダークラッド層、２０３はシリコンからなるスラブ、２０４はスラブと一体成形されたシリコンからなる装架部、２０５はオーバークラッド層である。
【０００７】
図１０に示したリブ型の光導波路あるいは光機能デバイスの作製においても、埋め込み細線型と同様にリソグラフィ技術が利用される。また、埋め込み細線型と同様に、パターン側壁部の荒れが伝搬損失に与える影響が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。したがって、リブ型の構造においても、パターン側壁部の荒れを低減することが重要であり、パターン形成後にシリコンパターンを酸化する方法が有効と考えられる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１２３３４１号広報
【非特許文献１】
ケビン・Ｋ・リー（Kevin K.Lee）、他２名，「ファブリケーションオブウルトラロウ−ロスＳｉ／ＳｉＯ2ウエーブガイドバイラフネスリデュケーション（Fabrication of ultralow-loss Si/SiO2 waveguides by roughness reduction)」，オプティクスレターズ(OPTICS LETTERS)，２００１年１２月１日，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２３，ｐ．１８８８−１８９０
【非特許文献２】
Ａ・Ｇ・リックマン(A.G.Rickman)、他２名，「シリコンオンインシュレーターオプティカルリブウエーブガイドロスアンドモードキャラクタリスティクス(Silicon-on-Insulator Optical Rib waveguide Loss and Mode Characteristics)」，ジャーナルオブライトウエーブテクノロジー(JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY)，１９９４年１０月，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１０，ｐ．１７７１−１７７６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような光平面回路型光学素子では、シリコンコアをオーバークラッドで覆う必要があり、シリコンコアの形成後にオーバークラッドを形成する必要があるので、製造工程が長くなるという問題点があった。また、微細なシリコンコアを高精度に形成するために、高精度で高価な電子線露光装置を使用しなければならないという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光平面回路型光学素子の製造方法において、比較的安価な露光装置を用いてシリコン導波路層を形成することができ、かつ導波路層の形成後にオーバークラッドを形成する必要のない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】
本発明は、基板上に形成された二酸化シリコン層をアンダークラッドとし、このアンダークラッド上に形成されたシリコン層を選択的にエッチングしてコアとし、このコアを覆う二酸化シリコン層をオーバークラッドとするシリコン細線光導波路を備えた光平面回路型光学素子の製造方法において、前記シリコン層をエッチングして前記コアを形成する際に、前記コアの周囲のシリコンを前記オーバークラッドの所望の厚さの１／２の厚さ残してエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程で残された厚さのシリコンが二酸化シリコンに変質するように前記シリコン層を酸化する酸化工程とを有し、前記コアと前記オーバークラッドとを同時に作製するようにしたものである。
また、本発明の光平面回路型光学素子の製造方法の１構成例において、前記コアの断面の幅および厚さは、共に０．２〜０．５μｍである。
また、本発明の光平面回路型光学素子の製造方法の１構成例において、前記エッチング工程は、前記コアの周囲のシリコンを前記コアの１／２以上の厚さ残してエッチングするようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図である。本実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子は、シリコン細線光導波路を備えた光機能デバイスである。図１において、１１はバルクシリコン基板、１２は二酸化シリコンからなるアンダークラッド層、１３はシリコン細線光導波路のコア、１４は二酸化シリコンからなるオーバークラッド層である。シリコン細線光導波路では、コア１３の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが異なる構造、またはコア１３の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが等しい構造となっている。
【００１３】
次に、本実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子の製造方法について説明する。図２は、シリコン光平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。本実施の形態では、バルクシリコン基板１１と、バルクシリコン基板１１上に形成されたアンダークラッド層１２と、アンダークラッド層１２上に形成されたシリコン層２１とからなるＳＯＩ基板をスターティング基板として使用する（図２（ａ））。
【００１４】
このＳＯＩ基板のシリコン層２１の表面に図２（ｂ）のようにレジスト２２を塗布し、電子線露光法あるいは光露光法などの露光法を利用してレジスト２２に所望のパターン形状を焼き付けた後、現像して所望の形状のレジストパターン２３を得る（図２（ｃ））。そして、レジストパターン２３をマスクにしてシリコン層２１をエッチングする。このときのエッチングは、シリコン層２１を最後までエッチングせずに、図２（ｄ）に示すように途中で停止させる。
【００１５】
なお、レジストパターン２３とシリコンとの間に充分な選択比が得られない場合には、シリコン層２１をエッチングするためのエッチングハードマスクを使用してもよい。この場合には、シリコン層２１の上にエッチングハードマスク層を堆積し、エッチングハードマスク層の上にレジスト２２を塗布して、このレジスト２２を加工してレジストパターン２３を形成する。そして、レジストパターン２３をマスクにしてエッチングハードマスク層をエッチングしてエッチングハードマスクを形成し、このエッチングハードマスクを用いてシリコン層２１をエッチングすればよい。
【００１６】
図２（ｄ）のようにシリコン層２１をエッチングした後、レジストパターン２３（あるいはエッチングハードマスク）を除去する（図２（ｅ））。そして、図２（ｅ）のＳＯＩ基板全体を高温熱酸化炉で加熱して、シリコン層２１を酸化させる。その結果、シリコン層２１の上面および側壁部は酸化されて二酸化シリコンからなるオーバークラッド層１４となり、オーバークラッド層１４の内側に残存するシリコン層２１がシリコン細線光導波路コア１３となる（図２（ｆ））。こうして、図１のシリコン光平面回路型光学素子が完成する。
【００１７】
ここまでの説明から明らかなように、熱酸化工程によってシリコンの幅および厚さが減少するので、酸化で減少する量を考慮して、レジストパターン２３（エッチングハードマスク）の幅をシリコン細線光導波路コア１３より太めに設定し、エッチング前のシリコン層２１の厚さもシリコン細線光導波路コア１３より厚めに設定しておく必要がある。
【００１８】
図２（ｅ）を拡大した断面図を図３に示し、図２（ｆ）を拡大した断面図を図４に示す。図３において、２１ａはシリコン層２１のうち酸化後にシリコン細線光導波路コア１３およびオーバークラッド層１４となる第１領域、２１ｂは酸化後にオーバークラッド層１４となる第２領域である。また、Ｗ１は第１領域２１ａの幅、Ｔ１は第２領域２１ｂの厚さ、Ｔ２は第１領域２１ａの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）から第２領域２１ｂの厚さＴ２を引いた値、すなわちエッチング深さである。
【００１９】
図４において、１４ａはオーバークラッド層１４のうち酸化前にシリコン層２１であった部分、１４ｂは酸化に伴う膨張によって形成された部分である。また、Ｗ２はシリコン細線光導波路コア１３の幅、Ｔ３はシリコン細線光導波路コア１３の厚さ、Ｔ４はオーバークラッド層１４の厚さ、Ｔ５はオーバークラッド層１４ａおよび１４ｂの厚さである。
【００２０】
第２領域２１ｂのシリコンが全て二酸化シリコンに変質するように熱酸化すると、酸化したシリコンの厚さＴ５（＝Ｔ１）の２倍の厚さＴ４のオーバークラッド層１４が形成される。つまり、パターン下層からの酸化は無視できるくらいに小さいので、シリコンの厚さの変化は、パターン上層からの酸化によるシリコンの酸化量に等しく、この酸化量はオーバークラッド層１４の半分の厚さである。
【００２１】
第１領域２１ａの両側ではそれぞれ厚さＴ５のシリコンが二酸化シリコンに変質して、パターンエッジが内側に移動する。したがって、第１領域２１ａがオーバークラッド層１４の厚さＴ４の分だけ細くなるので、熱酸化前の第１領域２１ａの幅Ｗ１（レジストパターン２３の幅）を、Ｗ２＋Ｔ４に設定しておく必要がある。
【００２２】
一方、シリコン層２１の厚さ方向については、厚さＴ５のシリコンが二酸化シリコンに変質するので、熱酸化前の第１領域２１ａの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）Ｔ２＋Ｔ１を、Ｔ３＋Ｔ５に設定しておく必要がある。なお、図４からも明らかなように、Ｔ２＝Ｔ３となることは言うまでもない。
【００２３】
第２領域２１ｂに残すシリコンの厚さＴ１（＝Ｔ５）は、所望の厚さのオーバークラッド層１４が得られるように設定すればよいが、最終的に作製したいシリコン細線光導波路コア１３の厚さＴ３の１／２以上であることが好ましい。このような寸法設定を行えば、十分な厚さのオーバークラッド層１４が得られるので、本実施の形態の光学素子の上に電子デバイスを貼り合わせるためにオーバークラッド層１４を研磨したとしても、シリコン細線光導波路コア１３が露出することがなくなる。
【００２４】
Ｔ３＝２×Ｔ１の場合のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図を図５に示す。例えば幅と厚さが共に３００ｎｍのシリコン細線光導波路コア１３を最終的に作製したい場合、４５０ｎｍの厚さのシリコン層２１を６００ｎｍの幅の第１領域２１ａを残して深さ３００ｎｍエッチングする。このとき、第２領域２１ｂには厚さ１５０ｎｍだけシリコンが残る。その後、オーバークラッド層１４が３００ｎｍの厚さになるように酸化すると、第２領域２１ｂのシリコンは全て二酸化シリコンに変質する。第１領域２１ａでは、４５０ｎｍの厚さが１５０ｎｍ減って３００ｎｍとなり、６００ｎｍの幅が片側１５０ｎｍずつ減って３００ｎｍとなり、幅と厚さが共に３００ｎｍのシリコン細線光導波路コア１３が形成される。こうして、シリコン細線光導波路コア１３の１／２以上の厚さのシリコンを第２領域２１ｂに残しておけば、コア１３以上の厚さのオーバークラッド層１４を形成することができる。
【００２５】
以上のように、本実施の形態では、シリコン層２１のエッチングを途中で止めて、シリコン細線光導波路コア１３となる第１領域２１ａの周囲に所定の厚さＴ１（＝Ｔ５）のシリコンを残し、この厚さＴ１のシリコンが全て二酸化シリコンに変質するように熱酸化することにより、所望の寸法のシリコン細線光導波路コア１３を形成すると同時に、オーバークラッド層１４として機能させることができる厚さを備えた二酸化シリコンによってコア１３を覆うことができる。二酸化シリコンは、シリコンに比して小さな屈折率を持ち、シリコンと二酸化シリコンの屈折率の違いを利用して、光をシリコン部に閉じ込めることができ、シリコン導波路あるいは光機能素子として機能させることができる。その結果、本実施の形態では、オーバークラッド層１４を別工程で形成する必要がなくなり、また酸化によってシリコン細線光導波路コア１３の側壁部の荒さを減少させることができる。
【００２６】
また、本実施の形態では、従来に比べて酸化前のシリコンパターン（第１領域２１ａ）を薄くできることから、酸化前のシリコンパターンのアスペクト比（シリコンパターンの幅をａ、厚さをｂとしたとき、アスペクト比＝ｂ／ａ）が小さくなり、パターン形成の余裕度を増すことができる。
【００２７】
例えば、幅６０ｎｍ、厚さ３００ｎｍのコア１３を最終的に形成しようとすると、酸化工程がない場合のアスペクト比は３００／６０＝５である。これに対して、本実施の形態では、オーバークラッド層１４の厚さをＴ４＝３００ｎｍとすると、酸化前の第１領域２１ａの幅がＷ２＋Ｔ４＝６０＋３００＝３６０ｎｍ、エッチング深さがＴ２＝Ｔ３＝３００ｎｍとなるので、アスペクト比は３００／３６０＝０．８３である。その結果、シリコン光平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光システムを使用してパターン形成することができる。
【００２８】
なお、例えば非特許文献１に記載されたような従来法（第２領域にシリコンを残さない方法）でも、酸化量を調整すれば、厚さ３００ｎｍのオーバークラッド層を形成することは可能である。ただし、酸化前のシリコンパターンの幅が３６０ｎｍ、厚さが４５０ｎｍ必要となるので、アスペクト比は４５０／３６０＝１．２５である。したがって、従来法で酸化する場合には、本実施の形態に比してパターン形成の余裕度が小さくなるので、より高精度で高価な露光システムを用いる必要がある。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図６は本発明の第２の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の断面図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子は、シリコンリブ型光導波路を備えた光機能デバイスである。シリコンからなるリブ型のコア１５は、板状のスラブ１５ａと、スラブ１５ａから突出するようにスラブ１５ａと一体成形された細線状の装架部（突出部）１５ｂとからなる。
【００３０】
本実施の形態においても光平面回路型光学素子の製造方法は、第１の実施の形態とほぼ同様であるので、第１の実施の形態の符号を用いて説明する。第１の実施の形態と異なるのは、リブ型のコア１５を形成するため、熱酸化の後でもシリコン層２１の第２領域にシリコンが残ることである。
【００３１】
酸化前の光平面回路型光学素子（図２（ｅ）に相当）を拡大した断面図を図７に示し、酸化後の光平面回路型光学素子を拡大した断面図を図８に示す。図７において、２１ｃはシリコン層２１のうち酸化後に装架部１５ｂおよびオーバークラッド層１４となる第１領域、２１ｄは酸化後にスラブ１５ａおよびオーバークラッド層１４となる第２領域である。また、Ｗ３は第１領域２１ｃの幅、Ｔ６は第２領域２１ｄの厚さ、Ｔ７は第１領域２１ｃの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）から第２領域２１ｄの厚さＴ６を引いた値、すなわちエッチング深さである。
【００３２】
図８において、１４ａはオーバークラッド層１４のうち酸化前にシリコン層２１であった部分、１４ｂは酸化に伴う膨張によって形成された部分である。また、Ｗ４は装架部１５ｂの幅、Ｔ４はオーバークラッド層１４の厚さ、Ｔ５はオーバークラッド層１４ａおよび１４ｂの厚さ、Ｔ８はスラブ１５ａの厚さ、Ｔ９は装架部１５ｂの厚さである。
【００３３】
厚さＴ４のオーバークラッド層１４が形成されるように熱酸化を行うと、第１の実施の形態と同様に、第１の領域２１ｃがオーバークラッド層１４の厚さＴ４の分だけ細くなるので、熱酸化前の第１領域２１ｃの幅Ｗ３（レジストパターン２３の幅）を、Ｗ４＋Ｔ４に設定しておく必要がある。
【００３４】
一方、シリコン層２１の厚さ方向については、厚さＴ５のシリコンが二酸化シリコンに変質するので、熱酸化前の第２領域２１ｄの厚さＴ６をＴ８＋Ｔ５に設定し、熱酸化前の第１領域２１ｃの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）Ｔ７＋Ｔ６を、Ｔ８＋Ｔ９＋Ｔ５に設定しておく必要がある。なお、図８からも明らかなように、Ｔ７＝Ｔ９となることは言うまでもない。
【００３５】
以上のような寸法設定を行うことにより、所望の寸法のコア１５を形成すると共に、オーバークラッド層１４として機能させることができる厚さを備えた二酸化シリコンによってコア１５を覆うことができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン層をエッチングしてコアを形成する際に、コアの周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、このエッチング除去すべきシリコンが二酸化シリコンに変質するようにシリコン層を酸化することにより、コアとオーバークラッドとを同時に作製することができる。その結果、コアの形成後にオーバークラッドを形成する必要がなくなり、従来に比べて製造工程を短くすることができ、また酸化によってコアの側壁部の荒さを減少させることができる。さらに、従来に比べて酸化前のシリコンパターンのアスペクト比が小さくなるので、パターン形成の余裕度を増すことができる。その結果、シリコン光平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光装置を使用してパターン形成することができる。
【００３７】
また、シリコン層をエッチングしてコアを形成する際に、突出部の周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、このエッチング除去すべきシリコンが二酸化シリコンに変質するようにシリコン層を酸化することにより、コアとオーバークラッドとを同時に作製することができる。その結果、コアの形成後にオーバークラッドを形成する必要がなくなり、従来に比べて製造工程を短くすることができ、また酸化によってコアの側壁部の荒さを減少させることができる。さらに、従来に比べて酸化前のシリコンパターンのアスペクト比が小さくなるので、パターン形成の余裕度を増すことができる。その結果、シリコン光平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光装置を使用してパターン形成することができる。
【００３８】
また、エッチング除去すべきシリコンをコアの１／２以上の厚さ残すことにより、十分な厚さのオーバークラッドを形成することができ、光平面回路型光学素子の上に電子デバイスを貼り合わせるためにオーバークラッドを研磨したとしても、コアが露出することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の平面図および断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態における熱酸化前のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図４】 本発明の第１の実施の形態における熱酸化後のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図５】 本発明の第１の実施の形態における熱酸化後のシリコン光平面回路型光学素子の他の例を示す拡大断面図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の断面図である。
【図７】 本発明の第２の実施の形態における熱酸化前のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図８】 本発明の第２の実施の形態における熱酸化後のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図９】 従来の埋め込み細線型の光平面回路型光学素子の断面図である。
【図１０】 従来のリブ型の光平面回路型光学素子の断面図である。
【符号の説明】
１１…バルクシリコン基板、１２…アンダークラッド層、１３…シリコン細線光導波路コア、１４…オーバークラッド層、１５…リブ型コア、１５ａ…スラブ、１５ｂ…装架部、２１…シリコン層、２２…レジスト、２３…レジストパターン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野において使用される光導波路型フィルターなどの平面光波回路において、ＳＯＩ基板上に構築されるシリコンを光導波路とする光平面回路型光学素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光を伝送するコア層にシリコンを用いる光平面回路型光学素子は、シリコンコア層を二酸化シリコンからなるオーバークラッド層で覆う構造を有しているのが一般的である。その理由は、光通信に使用される１．５５μｍ帯の波長域において、シリコンの屈折率が約３．５であり、シリコンの酸化物である二酸化シリコンの屈折率が約１．５と大きく異なるために、シリコンと二酸化シリコンをそれぞれコアとクラッドにして、屈折率差の大きな導波路を形成できるからである。さらに、シリコン半導体集積回路の作製技術がそのまま使用できるので、作製技術がほぼ確立されていることも原因の一つになっている。
【０００３】
図９にシリコンをコアに使用する埋め込み細線型の光平面回路型光学素子の断面構造の例を示す。図９のような光平面回路型光学素子を作製するには、最近は半導体集積回路製造用に開発されたＳＯＩ基板を使用し、上部シリコン層を導波路構造あるいは光機能デバイス構造に加工して平面光回路を作製する方法が一般的になっている。ＳＯＩ基板を使用する場合には、シリコン基板１０１上に形成されたＢＯＸ層と呼ばれる酸化膜層をアンダークラッド層１０２として使用しており、上部シリコン層をコア１０３の形状に加工した後に、コア１０３を覆うように上部にオーバークラッド層１０４を積層させ、光平面回路型光学素子を作製している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図９のような光平面回路型光学素子では、一般にシリコンパターンをリソグラフィ技術で形成している。すなわち、電子線露光法あるいは光露光法を用いて、シリコン層の上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにしてシリコン層をエッチングして光導波路などのパターンを形成する。あるいは、シリコン層の上にエッチングハードマスク層を形成し、このエッチングハードマスク層の上にレジストパターンを形成して、レジストパターンをマスクにしてエッチングハードマスク層をエッチングしてハードマスクを形成し、このハードマスクを用いてシリコン層をエッチングする。
【０００５】
エッチングしたシリコンパターンの側壁部の荒れ（凹凸）はこのシリコンパターンを通過する光の伝搬損失に影響を与えるため、パターン形成で最も重要なことは、パターン側壁部の荒れを極力低減することである。このため、パターン形成後にパターン側壁部の荒れを改善する方法として、シリコンパターンを酸化してパターン側壁部を平坦化する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
一方、シリコンをコアに使用する光平面回路型光学素子には、図９に示した埋め込み細線型の他に、図１０に示すリブ型がある。図１０において、２０１はシリコン基板、２０２は基板２０１上に形成されたアンダークラッド層、２０３はシリコンからなるスラブ、２０４はスラブと一体成形されたシリコンからなる装架部、２０５はオーバークラッド層である。
【０００７】
図１０に示したリブ型の光導波路あるいは光機能デバイスの作製においても、埋め込み細線型と同様にリソグラフィ技術が利用される。また、埋め込み細線型と同様に、パターン側壁部の荒れが伝搬損失に与える影響が報告されている（例えば、非特許文献２参照）。したがって、リブ型の構造においても、パターン側壁部の荒れを低減することが重要であり、パターン形成後にシリコンパターンを酸化する方法が有効と考えられる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１２３３４１号広報
【非特許文献１】
ケビン・Ｋ・リー（Kevin K.Lee）、他２名，「ファブリケーションオブウルトラロウ−ロスＳｉ／ＳｉＯ2ウエーブガイドバイラフネスリデュケーション（Fabrication of ultralow-loss Si/SiO2 waveguides by roughness reduction)」，オプティクスレターズ(OPTICS LETTERS)，２００１年１２月１日，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２３，ｐ．１８８８−１８９０
【非特許文献２】
Ａ・Ｇ・リックマン(A.G.Rickman)、他２名，「シリコンオンインシュレーターオプティカルリブウエーブガイドロスアンドモードキャラクタリスティクス(Silicon-on-Insulator Optical Rib waveguide Loss and Mode Characteristics)」，ジャーナルオブライトウエーブテクノロジー(JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY)，１９９４年１０月，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１０，ｐ．１７７１−１７７６
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような光平面回路型光学素子では、シリコンコアをオーバークラッドで覆う必要があり、シリコンコアの形成後にオーバークラッドを形成する必要があるので、製造工程が長くなるという問題点があった。また、微細なシリコンコアを高精度に形成するために、高精度で高価な電子線露光装置を使用しなければならないという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光平面回路型光学素子の製造方法において、比較的安価な露光装置を用いてシリコン導波路層を形成することができ、かつ導波路層の形成後にオーバークラッドを形成する必要のない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】
本発明は、基板上に形成された二酸化シリコン層をアンダークラッドとし、このアンダークラッド上に形成されたシリコン層を選択的にエッチングしてコアとし、このコアを覆う二酸化シリコン層をオーバークラッドとするシリコン細線光導波路を備えた光平面回路型光学素子の製造方法において、前記シリコン層をエッチングして前記コアを形成する際に、前記コアの周囲のシリコンを前記オーバークラッドの所望の厚さの１／２の厚さ残してエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程で残された厚さのシリコンが二酸化シリコンに変質するように前記シリコン層を酸化する酸化工程とを有し、前記コアと前記オーバークラッドとを同時に作製するようにしたものである。
また、本発明の光平面回路型光学素子の製造方法の１構成例において、前記コアの断面の幅および厚さは、共に０．２〜０．５μｍである。
また、本発明の光平面回路型光学素子の製造方法の１構成例において、前記エッチング工程は、前記コアの周囲のシリコンを前記コアの１／２以上の厚さ残してエッチングするようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図である。本実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子は、シリコン細線光導波路を備えた光機能デバイスである。図１において、１１はバルクシリコン基板、１２は二酸化シリコンからなるアンダークラッド層、１３はシリコン細線光導波路のコア、１４は二酸化シリコンからなるオーバークラッド層である。シリコン細線光導波路では、コア１３の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが異なる構造、またはコア１３の幅と厚さが共に０．２μｍ〜０．５μｍで幅と厚さが等しい構造となっている。
【００１３】
次に、本実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子の製造方法について説明する。図２は、シリコン光平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。本実施の形態では、バルクシリコン基板１１と、バルクシリコン基板１１上に形成されたアンダークラッド層１２と、アンダークラッド層１２上に形成されたシリコン層２１とからなるＳＯＩ基板をスターティング基板として使用する（図２（ａ））。
【００１４】
このＳＯＩ基板のシリコン層２１の表面に図２（ｂ）のようにレジスト２２を塗布し、電子線露光法あるいは光露光法などの露光法を利用してレジスト２２に所望のパターン形状を焼き付けた後、現像して所望の形状のレジストパターン２３を得る（図２（ｃ））。そして、レジストパターン２３をマスクにしてシリコン層２１をエッチングする。このときのエッチングは、シリコン層２１を最後までエッチングせずに、図２（ｄ）に示すように途中で停止させる。
【００１５】
なお、レジストパターン２３とシリコンとの間に充分な選択比が得られない場合には、シリコン層２１をエッチングするためのエッチングハードマスクを使用してもよい。この場合には、シリコン層２１の上にエッチングハードマスク層を堆積し、エッチングハードマスク層の上にレジスト２２を塗布して、このレジスト２２を加工してレジストパターン２３を形成する。そして、レジストパターン２３をマスクにしてエッチングハードマスク層をエッチングしてエッチングハードマスクを形成し、このエッチングハードマスクを用いてシリコン層２１をエッチングすればよい。
【００１６】
図２（ｄ）のようにシリコン層２１をエッチングした後、レジストパターン２３（あるいはエッチングハードマスク）を除去する（図２（ｅ））。そして、図２（ｅ）のＳＯＩ基板全体を高温熱酸化炉で加熱して、シリコン層２１を酸化させる。その結果、シリコン層２１の上面および側壁部は酸化されて二酸化シリコンからなるオーバークラッド層１４となり、オーバークラッド層１４の内側に残存するシリコン層２１がシリコン細線光導波路コア１３となる（図２（ｆ））。こうして、図１のシリコン光平面回路型光学素子が完成する。
【００１７】
ここまでの説明から明らかなように、熱酸化工程によってシリコンの幅および厚さが減少するので、酸化で減少する量を考慮して、レジストパターン２３（エッチングハードマスク）の幅をシリコン細線光導波路コア１３より太めに設定し、エッチング前のシリコン層２１の厚さもシリコン細線光導波路コア１３より厚めに設定しておく必要がある。
【００１８】
図２（ｅ）を拡大した断面図を図３に示し、図２（ｆ）を拡大した断面図を図４に示す。図３において、２１ａはシリコン層２１のうち酸化後にシリコン細線光導波路コア１３およびオーバークラッド層１４となる第１領域、２１ｂは酸化後にオーバークラッド層１４となる第２領域である。また、Ｗ１は第１領域２１ａの幅、Ｔ１は第２領域２１ｂの厚さ、Ｔ２は第１領域２１ａの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）から第２領域２１ｂの厚さＴ２を引いた値、すなわちエッチング深さである。
【００１９】
図４において、１４ａはオーバークラッド層１４のうち酸化前にシリコン層２１であった部分、１４ｂは酸化に伴う膨張によって形成された部分である。また、Ｗ２はシリコン細線光導波路コア１３の幅、Ｔ３はシリコン細線光導波路コア１３の厚さ、Ｔ４はオーバークラッド層１４の厚さ、Ｔ５はオーバークラッド層１４ａおよび１４ｂの厚さである。
【００２０】
第２領域２１ｂのシリコンが全て二酸化シリコンに変質するように熱酸化すると、酸化したシリコンの厚さＴ５（＝Ｔ１）の２倍の厚さＴ４のオーバークラッド層１４が形成される。つまり、パターン下層からの酸化は無視できるくらいに小さいので、シリコンの厚さの変化は、パターン上層からの酸化によるシリコンの酸化量に等しく、この酸化量はオーバークラッド層１４の半分の厚さである。
【００２１】
第１領域２１ａの両側ではそれぞれ厚さＴ５のシリコンが二酸化シリコンに変質して、パターンエッジが内側に移動する。したがって、第１領域２１ａがオーバークラッド層１４の厚さＴ４の分だけ細くなるので、熱酸化前の第１領域２１ａの幅Ｗ１（レジストパターン２３の幅）を、Ｗ２＋Ｔ４に設定しておく必要がある。
【００２２】
一方、シリコン層２１の厚さ方向については、厚さＴ５のシリコンが二酸化シリコンに変質するので、熱酸化前の第１領域２１ａの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）Ｔ２＋Ｔ１を、Ｔ３＋Ｔ５に設定しておく必要がある。なお、図４からも明らかなように、Ｔ２＝Ｔ３となることは言うまでもない。
【００２３】
第２領域２１ｂに残すシリコンの厚さＴ１（＝Ｔ５）は、所望の厚さのオーバークラッド層１４が得られるように設定すればよいが、最終的に作製したいシリコン細線光導波路コア１３の厚さＴ３の１／２以上であることが好ましい。このような寸法設定を行えば、十分な厚さのオーバークラッド層１４が得られるので、本実施の形態の光学素子の上に電子デバイスを貼り合わせるためにオーバークラッド層１４を研磨したとしても、シリコン細線光導波路コア１３が露出することがなくなる。
【００２４】
Ｔ３＝２×Ｔ１の場合のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図を図５に示す。例えば幅と厚さが共に３００ｎｍのシリコン細線光導波路コア１３を最終的に作製したい場合、４５０ｎｍの厚さのシリコン層２１を６００ｎｍの幅の第１領域２１ａを残して深さ３００ｎｍエッチングする。このとき、第２領域２１ｂには厚さ１５０ｎｍだけシリコンが残る。その後、オーバークラッド層１４が３００ｎｍの厚さになるように酸化すると、第２領域２１ｂのシリコンは全て二酸化シリコンに変質する。第１領域２１ａでは、４５０ｎｍの厚さが１５０ｎｍ減って３００ｎｍとなり、６００ｎｍの幅が片側１５０ｎｍずつ減って３００ｎｍとなり、幅と厚さが共に３００ｎｍのシリコン細線光導波路コア１３が形成される。こうして、シリコン細線光導波路コア１３の１／２以上の厚さのシリコンを第２領域２１ｂに残しておけば、コア１３以上の厚さのオーバークラッド層１４を形成することができる。
【００２５】
以上のように、本実施の形態では、シリコン層２１のエッチングを途中で止めて、シリコン細線光導波路コア１３となる第１領域２１ａの周囲に所定の厚さＴ１（＝Ｔ５）のシリコンを残し、この厚さＴ１のシリコンが全て二酸化シリコンに変質するように熱酸化することにより、所望の寸法のシリコン細線光導波路コア１３を形成すると同時に、オーバークラッド層１４として機能させることができる厚さを備えた二酸化シリコンによってコア１３を覆うことができる。二酸化シリコンは、シリコンに比して小さな屈折率を持ち、シリコンと二酸化シリコンの屈折率の違いを利用して、光をシリコン部に閉じ込めることができ、シリコン導波路あるいは光機能素子として機能させることができる。その結果、本実施の形態では、オーバークラッド層１４を別工程で形成する必要がなくなり、また酸化によってシリコン細線光導波路コア１３の側壁部の荒さを減少させることができる。
【００２６】
また、本実施の形態では、従来に比べて酸化前のシリコンパターン（第１領域２１ａ）を薄くできることから、酸化前のシリコンパターンのアスペクト比（シリコンパターンの幅をａ、厚さをｂとしたとき、アスペクト比＝ｂ／ａ）が小さくなり、パターン形成の余裕度を増すことができる。
【００２７】
例えば、幅６０ｎｍ、厚さ３００ｎｍのコア１３を最終的に形成しようとすると、酸化工程がない場合のアスペクト比は３００／６０＝５である。これに対して、本実施の形態では、オーバークラッド層１４の厚さをＴ４＝３００ｎｍとすると、酸化前の第１領域２１ａの幅がＷ２＋Ｔ４＝６０＋３００＝３６０ｎｍ、エッチング深さがＴ２＝Ｔ３＝３００ｎｍとなるので、アスペクト比は３００／３６０＝０．８３である。その結果、シリコン光平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光システムを使用してパターン形成することができる。
【００２８】
なお、例えば非特許文献１に記載されたような従来法（第２領域にシリコンを残さない方法）でも、酸化量を調整すれば、厚さ３００ｎｍのオーバークラッド層を形成することは可能である。ただし、酸化前のシリコンパターンの幅が３６０ｎｍ、厚さが４５０ｎｍ必要となるので、アスペクト比は４５０／３６０＝１．２５である。したがって、従来法で酸化する場合には、本実施の形態に比してパターン形成の余裕度が小さくなるので、より高精度で高価な露光システムを用いる必要がある。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図６は本発明の第２の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の断面図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子は、シリコンリブ型光導波路を備えた光機能デバイスである。シリコンからなるリブ型のコア１５は、板状のスラブ１５ａと、スラブ１５ａから突出するようにスラブ１５ａと一体成形された細線状の装架部（突出部）１５ｂとからなる。
【００３０】
本実施の形態においても光平面回路型光学素子の製造方法は、第１の実施の形態とほぼ同様であるので、第１の実施の形態の符号を用いて説明する。第１の実施の形態と異なるのは、リブ型のコア１５を形成するため、熱酸化の後でもシリコン層２１の第２領域にシリコンが残ることである。
【００３１】
酸化前の光平面回路型光学素子（図２（ｅ）に相当）を拡大した断面図を図７に示し、酸化後の光平面回路型光学素子を拡大した断面図を図８に示す。図７において、２１ｃはシリコン層２１のうち酸化後に装架部１５ｂおよびオーバークラッド層１４となる第１領域、２１ｄは酸化後にスラブ１５ａおよびオーバークラッド層１４となる第２領域である。また、Ｗ３は第１領域２１ｃの幅、Ｔ６は第２領域２１ｄの厚さ、Ｔ７は第１領域２１ｃの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）から第２領域２１ｄの厚さＴ６を引いた値、すなわちエッチング深さである。
【００３２】
図８において、１４ａはオーバークラッド層１４のうち酸化前にシリコン層２１であった部分、１４ｂは酸化に伴う膨張によって形成された部分である。また、Ｗ４は装架部１５ｂの幅、Ｔ４はオーバークラッド層１４の厚さ、Ｔ５はオーバークラッド層１４ａおよび１４ｂの厚さ、Ｔ８はスラブ１５ａの厚さ、Ｔ９は装架部１５ｂの厚さである。
【００３３】
厚さＴ４のオーバークラッド層１４が形成されるように熱酸化を行うと、第１の実施の形態と同様に、第１の領域２１ｃがオーバークラッド層１４の厚さＴ４の分だけ細くなるので、熱酸化前の第１領域２１ｃの幅Ｗ３（レジストパターン２３の幅）を、Ｗ４＋Ｔ４に設定しておく必要がある。
【００３４】
一方、シリコン層２１の厚さ方向については、厚さＴ５のシリコンが二酸化シリコンに変質するので、熱酸化前の第２領域２１ｄの厚さＴ６をＴ８＋Ｔ５に設定し、熱酸化前の第１領域２１ｃの厚さ（シリコン層２１の初期の厚さ）Ｔ７＋Ｔ６を、Ｔ８＋Ｔ９＋Ｔ５に設定しておく必要がある。なお、図８からも明らかなように、Ｔ７＝Ｔ９となることは言うまでもない。
【００３５】
以上のような寸法設定を行うことにより、所望の寸法のコア１５を形成すると共に、オーバークラッド層１４として機能させることができる厚さを備えた二酸化シリコンによってコア１５を覆うことができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン層をエッチングしてコアを形成する際に、コアの周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、このエッチング除去すべきシリコンが二酸化シリコンに変質するようにシリコン層を酸化することにより、コアとオーバークラッドとを同時に作製することができる。その結果、コアの形成後にオーバークラッドを形成する必要がなくなり、従来に比べて製造工程を短くすることができ、また酸化によってコアの側壁部の荒さを減少させることができる。さらに、従来に比べて酸化前のシリコンパターンのアスペクト比が小さくなるので、パターン形成の余裕度を増すことができる。その結果、シリコン光平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光装置を使用してパターン形成することができる。
【００３７】
また、シリコン層をエッチングしてコアを形成する際に、突出部の周囲のエッチング除去すべきシリコンを所定の厚さ残し、このエッチング除去すべきシリコンが二酸化シリコンに変質するようにシリコン層を酸化することにより、コアとオーバークラッドとを同時に作製することができる。その結果、コアの形成後にオーバークラッドを形成する必要がなくなり、従来に比べて製造工程を短くすることができ、また酸化によってコアの側壁部の荒さを減少させることができる。さらに、従来に比べて酸化前のシリコンパターンのアスペクト比が小さくなるので、パターン形成の余裕度を増すことができる。その結果、シリコン光平面回路型光学素子の作製においては、作製の余裕度が増してコスト的に安価な露光装置を使用してパターン形成することができる。
【００３８】
また、エッチング除去すべきシリコンをコアの１／２以上の厚さ残すことにより、十分な厚さのオーバークラッドを形成することができ、光平面回路型光学素子の上に電子デバイスを貼り合わせるためにオーバークラッドを研磨したとしても、コアが露出することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の平面図および断面図である。
【図２】 本発明の第１の実施の形態のシリコン光平面回路型光学素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態における熱酸化前のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図４】 本発明の第１の実施の形態における熱酸化後のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図５】 本発明の第１の実施の形態における熱酸化後のシリコン光平面回路型光学素子の他の例を示す拡大断面図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態となるシリコン光平面回路型光学素子の断面図である。
【図７】 本発明の第２の実施の形態における熱酸化前のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図８】 本発明の第２の実施の形態における熱酸化後のシリコン光平面回路型光学素子の拡大断面図である。
【図９】 従来の埋め込み細線型の光平面回路型光学素子の断面図である。
【図１０】 従来のリブ型の光平面回路型光学素子の断面図である。
【符号の説明】
１１…バルクシリコン基板、１２…アンダークラッド層、１３…シリコン細線光導波路コア、１４…オーバークラッド層、１５…リブ型コア、１５ａ…スラブ、１５ｂ…装架部、２１…シリコン層、２２…レジスト、２３…レジストパターン。
Claims (3)
- 基板上に形成された二酸化シリコン層をアンダークラッドとし、このアンダークラッド上に形成されたシリコン層を選択的にエッチングしてコアとし、このコアを覆う二酸化シリコン層をオーバークラッドとするシリコン細線光導波路を備えた光平面回路型光学素子の製造方法において、
前記シリコン層をエッチングして前記コアを形成する際に、前記コアの周囲のシリコンを前記オーバークラッドの所望の厚さの１／２の厚さ残してエッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程で残された厚さのシリコンが二酸化シリコンに変質するように前記シリコン層を酸化する酸化工程とを有し、
前記コアと前記オーバークラッドとを同時に作製することを特徴とする光平面回路型光学素子の製造方法。 - 請求項１記載の光平面回路型光学素子の製造方法において、
前記コアの断面の幅および厚さは、共に０．２〜０．５μｍであることを特徴とする光平面回路型光学素子の製造方法。 - 請求項１記載の光平面回路型光学素子の製造方法において、
前記エッチング工程は、前記コアの周囲のシリコンを前記コアの１／２以上の厚さ残してエッチングすることを特徴とする光平面回路型光学素子の製造方法。
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