JP4189361B2 - 光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
これまで、光導波路のコアの材料としてGeO2ドープのSiO2やTiO2ドープのSiO2が用いられ、クラッドにはSiO2が主に用いられてきた。
図13は、従来より用いられている平行平板型電極を用いたプラズマCVD装置である。この装置は、処理室1301内に、シャワー電極1302と下部電極1303とを備える。シャワー電極1302と下部電極1303とには、高周波電源1304により高周波が印加可能とされ、これらで平行平板電極が構成されている。
また、処理室1301の内部は、排気装置1307により所定の圧力にまで真空排気される。
上述した方法によるSiONの膜を形成では、SiH4とN2Oの流量比とNH3の添加流量で膜中のNのドープ量が変わるため、屈折率をある程度の範囲で制御することができる。
図14からわかるように、SiH4とN2Oの流量比の変化により、SiONの屈折率が変化するが、SiH4とN2Oの流量比が小さいほど、言い換えると、SiH4の割合が小さいほど高い屈折率が得られている。この場合、高い屈折率を得るためには、成膜の速度が大幅に低下する条件となる。一方、これらの中で、NH3の添加流量が多いほど、より高い屈折率が得られている。従って、成膜の速度をあまり遅くせずに高い屈折率を得るためには、NH3の添加すればよい。
R.Germann, et.al.,"Silicon Oxynitride Layers for Optical Waveguide Applications" Journal of The Electrochemical Society, 147 (6), pp.2237-2241 (2000).
(1)プラズマCVD法で形成されたSiON膜中に、SiH4とNH3から発生する水素を多量に含むため、上記膜中にO−H基やN−H基やSi−H基が存在し、これらが光を吸収するため損失が大きいという問題があった。特に、NHはこの倍音にあたる吸収が通信波長帯の1510nm付近に存在し、このままでは導波路には使えないという問題があった。さらに、Nのドープ量を増やし比屈折率差Δを大きくすると、NHの吸収がますます強くなってしまうことも問題であった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、3%を越える高い比屈折率差Δにおいても吸収損失の小さくかつ屈折率制御性が高く緻密な高品質のSiON膜をコアとする、光導波路型の光素子が提供できるようにすることを目的とする。
従って、コアは、NHが低減された状態で形成されている。
また、上記光素子の製造方法において、第4工程では、コアとともにこのコアに連続して先端にいくほど幅が狭くなる形状のテーパ部コアが形成された状態とし、テーパ部コアを覆うコアより屈折率の低いSiONから構成されたSiONコアが形成された状態とした後、上部クラッド層が形成された状態とし、光導波路の端部に連続して配置されたモードフィールド変換部が形成された状態としてもよい。
図1は、本発明の実施の形態における光素子の構成例を示す模式的な断面図である。本素子の構成について説明すると、単結晶シリコンからなる基板101の上に酸化シリコンからなる膜厚10μm程度の下部クラッド層102を備え、下部クラッド層102の上に酸窒化シリコン(SiON)からなるコア103を備える。下部クラッド層102は、例えば基板101の表面を熱酸化することで形成できる。
まず、基板101の表面を熱酸化することで膜厚10μm程度の酸化シリコン膜を形成することで、基板101の上に下部クラッド層102が形成された状態とする。次に、下部クラッド層102の上にECRプラズマCVD法により膜厚3μmのSiON膜を堆積する。
図4に示すように、OH,NHの吸収ピークは、ECRプラズマCVD法で形成したコア103では大幅に低減されている。これは、低ガス圧下で、適度のイオン衝撃を与えて成膜反応させるECRプラズマの特徴が、水素の脱離に有効であるためである。
プラズマCVD法による膜の形成反応は、(1)ガス分子の分解、(2)基板の表面への付着、(3)結合反応、の3つの段階に分けられる。(3)の反応は膜の最終的性質を決めるため重要である。しかし、従来のプラズマCVD法では、(1),(2)の反応を引き起こすには有効であるが、(3)の反応は基板の加熱によって促進させようとしているため、必ずしも十分ではなく、この結果、水素を多量に含み緻密性の低い膜となっていた。
ECRプラズマCVD法は、0.1Pa程度の低ガス圧で安定にプラズマを生成でき、電子のエネルギーも高いため、イオン化率が従来のプラズマCVD法より2〜3桁高い。また、成膜室の内部に形成される発散磁場によりプラズマ流中のイオンを基板の方向に加速する電界が発生する。この結果、適度なエネルギーを持ったイオンが基板に衝突しイオン衝撃を与える。
比屈折率差を大きくすると導波路コアの断面サイズは小さくなり、急峻な曲げが可能になるため、形成できるデバイスの大きさをさらに小さくできる。しかし、小型なデバイスは、光ファイバーなどの外部回路と接続するとき、モードフィールドサイズが大きく違うため結合損失が大きい。従って、比屈折率差をさらに高くしたSiON導波路においては、光ファイバーとの結合損失を低減するために、モードフィールドサイズを大きくする必要がある。
また、モードフィールドサイズ変換領域812においては、組成遷移層701の上にSiONからなるテーパ部コア803aを備える。テーパ部コア803aは、コア803に連続して形成されている。テーパ部コア803は、先端にいくほど幅が狭くなる形状で、コア803より漸次断面積が小さくなっている。
これらSiONコア804,805の最上層には、屈折率1.465の酸化シリコンからなる上部クラッド層806が形成されている。
次に、レジストパターン122をマスクにSiON膜823を選択的にエッチングすることで、図12(c)に示すように、下部クラッド層802の上に、組成遷移層701を介してコア803及びテーパ部コア803aが形成された状態とする。
最後に、膜厚7〜15μm程度の酸化シリコン膜を堆積することで、図12(e)に示すように、上部クラッド層806が形成された状態とすれば、図10,11に示した光素子が製造された状態となる。
Claims (5)
- 基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上に形成されたSiONからなるコアと、
このコアを覆うように形成された酸化シリコンからなる上部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された前記下部クラッド層および前記コアの密着性を高めるための組成遷移層と
から構成された光導波路を備え、
前記コアは、ECRプラズマCVD法により形成された屈折率が一定のSiONより構成され、
前記コアは前記組成遷移層を介して前記下部クラッド層の上に形成され、
前記組成遷移層は、前記コアの側に近づくほど窒素の添加量が徐々に増加する酸化シリコンから構成されている
ことを特徴とする光素子。 - 請求項1記載の光素子において、
前記コアは、シランと酸素と窒素とからなる原料ガス、四塩化シリコンと酸素と窒素とからなる原料ガスの少なくとも1つを用いたECRプラズマCVD法により形成されたSiONより構成されている
ことを特徴とする光素子。 - 請求項1または2記載の光素子において、
前記光導波路の端部に連続して配置されたモードフィールド変換部を備え、
前記モードフィールド変換部は、
前記コアと同一材料から構成されて先端にいくほど幅が狭くなる形状のテーパ部コアと、
このテーパ部コアを覆う前記コアより屈折率の低いSiONから構成されたSiONコアと
から構成されていることを特徴とする光素子。 - 基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層が形成された状態とする第1工程と、
前記下部クラッド層の上に、シランと酸素と窒素とからなる原料ガス、四塩化シリコンと酸素と窒素とからなる原料ガスの少なくとも1つを用いたECRプラズマCVD法により、窒素の添加量が徐々に増加する酸化シリコンから構成された前記下部クラッド層および前記コアの密着性を高めるための組成遷移層を形成した後、コアを形成するための一定の屈折率のSiONの膜が形成された状態とする第2工程と、
前記SiONの膜の上にフォトリソグラフィ技術によりマスクパターンが形成された状態とする第3工程と、
カーボンとフッ素とを含むガスを用いたドライエッチングにより前記SiONの膜を選択的にエッチングし、断面矩形のSiONからなるコアが形成された状態とする第4工程と、
前記コアを覆うように酸化シリコンからなる上部クラッド層が形成された状態とする第5工程と
を備え、
前記コアから構成された光導波路を形成する
ことを特徴とする光素子の製造方法。 - 請求項4記載の光素子の製造方法において、
前記第4工程では、前記コアとともにこのコアに連続して先端にいくほど幅が狭くなる形状のテーパ部コアが形成された状態とし、
前記テーパ部コアを覆う前記コアより屈折率の低いSiONから構成されたSiONコアが形成された状態とした後、前記上部クラッド層が形成された状態とし、
前記光導波路の端部に連続して配置されたモードフィールド変換部が形成された状態とする
ことを特徴とする光素子の製造方法。
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