JP4925902B2 - 光導波路装置および光導波路装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、石英基板上にシリコン薄膜を有するＳＯＩ基板を用いた光導波路装置の製造技術に関する。
近年のインターネットの普及に伴って、高速かつ大容量の光通信システムは著しい発展を遂げてきている。現在では、光通信ケーブルを一般ユーザの個人宅へと直接引き込む光通信網構成方式であるＦＴＴＨ（Fiber To The Home）が普及し、これに伴って、ＣバンドやＬバンドに代表される１．５５μｍ帯の光を光集積回路上に設けた光導波路中を伝播させるための研究も進められてきている。
なかでも、ＳＯＩ基板を用いた単結晶シリコン導波路の研究が盛んに行われてきているが（例えば、特許文献１〜４など参照）、その理由は、ＳＯＩ基板が、伝播損失を最小限に抑えるのに適する高品質の単結晶シリコン層と光導波路のクラッド層として利用可能なシリコン酸化膜とを、予め備えている基板だからである。
しかし、光通信システムの観点からは、ＳＯＩ基板を用いて単結晶シリコン導波路を形成する技術に止まらず、光信号を変調するための変調機構や他の素子（例えば、受光素子や光ファイバなど）との融合技術が重要となるところ、現状では実用化レベルでの光集積回路の汎用プラットフォームは存在せず、これまで提案されてきたものは何れも研究段階のものでしかない。特に、ＧａＡｓに代表される短波長の光（波長約０．８５μｍ）で１．５５μｍ帯の光を変調する機構をモノリシックに集積する技術は未完成である。
特開２００６−１９５３７１号公報
特開２００５−１５７２１０号公報
特開２００４−０８６８６８号公報
特開２００２−３２３６３３号公報
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光導波路中を導波する信号光を変調可能な極めて単純な構成の光導波路装置を提供すること、特に、ＧａＡｓに代表される短波長の光で１．５５μｍ帯の光を変調可能な機構をモノリシックに集積させた光導波路装置を提供することにある。
このような課題を解決するために、本発明の光導波路装置は、石英基板の表面に設けられた単結晶シリコンコアを有する光導波路と、石英基板の裏面側に設けられ１．１μｍ以下の波長の光を前記単結晶シリコンコアに照射可能な発光素子とを備えている。
本発明の光導波路装置が備える光導波路は、例えば、メサ型あるいはリッジ型光導波路であり、光導波路中を導波する光の波長は１．５５μｍ帯の光であり、発光素子はＧａＡｓ系発光素子である。
本発明の光導波路装置の製造方法は、単結晶シリコン基板の表面から水素イオンを注入する工程Ａと、石英基板および単結晶シリコン基板の少なくとも一方の表面に活性化処理を施す工程Ｂと、石英基板と単結晶シリコン基板の表面同士を貼り合わせる工程Ｃと、単結晶シリコン基板からシリコン膜を機械的に剥離して石英基板の表面上にＳＯＩ膜を形成してＳＯＩ基板とする工程Ｄと、ＳＯＩ膜に光導波路用の単結晶シリコンコアを形成する工程Ｅと、１．１μｍ以下の波長の光を単結晶シリコンコアに照射可能な発光素子を石英基板の裏面側に設ける工程Ｆとを備えている。
この光導波路装置の製造方法において、上記工程Ｄに続いて、ＳＯＩ膜に平坦化を施す工程Ｇを備えるようにしてもよく、また、上記工程Ｅに続いて、単結晶シリコンコアを被覆するシリコン酸化膜を形成する工程Ｈを備えるようにしてもよい。
本発明の光導波路装置の製造方法における上記工程Ｂの活性化処理は、例えば、プラズマ処理又はオゾン処理である。
本発明では、シリコン結晶によって吸収される光（１．１μｍ以下の波長の光）に対して透明な石英基板の表面に単結晶シリコンコアを有する光導波路を形成するとともに、裏面に上記波長の光を発光する素子を設けることとしたので、極めて単純な装置構成で光信号の変調が可能となる。
以下に、図面を参照して、本発明の光導波路装置およびその製造方法を説明する。
図１は、本発明の光導波路装置の製造方法のプロセス例を説明するための図である。なお、本実施例では、貼り合わせに用いる単結晶シリコン基板の表面には酸化膜が設けられていないが、表面に予め酸化膜を形成したシリコン基板を用いてもよい。
図１（Ａ）に図示されたシリコン基板１０はボンドウェーハであり、石英基板２０は支持基板（ベースウェーハ）である。シリコン基板１０は、ＣＺ法やＦＺ法により育成された一般に市販されている単結晶Ｓｉ基板である。
これらの単結晶Ｓｉ基板１０および石英基板２０の直径は同一であり、後の光導波路装置の製造プロセスの便宜のため、石英基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。
先ず、単結晶Ｓｉ基板１０の表面に水素イオン（Ｈ＋）を注入する（図１（Ｂ））。このイオン注入面が後の接合面（貼り合せ面）となる。この水素イオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０の最表面に平均深さＬのイオン注入層１１が形成される（図１（Ｃ））。このときのイオン注入深さは、最終的にどの程度の厚さのＳＯＩ膜を剥離させるかに依存して決定される。
なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。この水素イオン注入後に、公知の手法でダメージ回復のための熱処理を施しておく。
これに続いて、単結晶Ｓｉ基板１０の主面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す（図１（Ｄ））。このような表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものである。なお、このような表面処理は、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の少なくとも一方の主面に施せばよい。
この表面処理をプラズマ処理により実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入する。
なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス、あるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスなどがある。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。
表面処理をオゾン処理で実行する場合には、表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板を酸素含有の雰囲気とされたチャンバ内の試料ステージに載置し、当該チャンバ内に窒素ガスやアルゴンガスなどのプラズマ用ガスを導入した後に所定の電力の高周波プラズマを発生させ、当該プラズマにより雰囲気中の酸素をオゾンに変換させ、処理される単結晶Ｓｉ基板および／または石英基板の表面に所定の時間の処理が施される。
上述の表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の主面同士を、密着させて貼り合わせる（図１（Ｅ））。上述したように、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の少なくとも一方の表面（接合面）は、プラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、加熱なしに（室温で）密着（貼り合せ）した状態でも後工程での化学的エッチング時のハンドリングや機械研磨にも十分耐え得るレベルの接合強度となっている。
なお、図１（Ｅ）の貼り合わせ工程に続いて、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０とを貼り合わせた状態で比較的低温（１００〜３００℃）の温度で熱処理する工程を設けるようにしてもよい。この熱処理工程は、単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０との接合強度を高めるという効果を得ることを主な目的とするものである。
なお、上述の熱処理温度を３００℃以下に設定されている主な理由は、単結晶シリコンと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量と単結晶Ｓｉ基板１０ならびに石英基板２０の厚みを考慮したことによる。
単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の厚みが概ね同程度である場合、単結晶シリコンの熱膨張係数（２．３３×１０−６／Ｋ）と石英の熱膨張係数（０．６×１０−６／Ｋ）の間に大きな差異があるために、３００℃を超える温度で熱処理を施した場合には、両基板間の剛性差に起因して、熱歪によるクラックや接合面における剥離などが生じたり、極端な場合には単結晶シリコン基板や石英基板が割れてしまうということが生じ得る。このような観点から、熱処理温度の上限を３００℃と選択している。
このよう貼り合わせ工程の後、外部から衝撃を加えることでイオン注入層１１内でのＳｉ−Ｓｉ結合を切り、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に相当する位置の結晶面に沿って単結晶シリコン薄膜を機械的に剥離する。これにより、石英基板２０の主面上にＳＯＩ膜１２を備えるＳＯＩ基板が得られることとなる（図１（Ｆ））。
なお、機械的剥離を実行する際の雰囲気や試料温度に特別な制限はなく、室温大気中での剥離も可能である。また、大きな熱歪、クラック、接合面における剥離などの発生の虞のない程度の温度に試料を保持した状態で機械的剥離を施すこととしてもよい。
このようにして得られたＳＯＩ膜１２は、石英基板面内において均一な厚みを有しており、しかも、表面の１０μｍ×１０μｍの領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定して得られたＲＭＳの平均値は概ね５ｎｍ以下と良好であるが、このＳＯＩ膜１２の表面を更に平坦化する場合には、ＣＭＰ研磨等の処理を行って最終的なＳＯＩ基板を得る（図１（Ｇ））。
図２は、上述の手法で得られたＳＯＩ基板（図２（Ａ））に光導波路を作り込んで光導波路装置とするプロセス例を説明するための図である。先ず、ＳＯＩ膜１２の上にフォトレジスト１３を塗布し（図２（Ｂ））、これを露光して光導波路を形成する領域を被覆するフォトレジストマスク１４を形成する（図２（Ｃ））。そして、このフォトレジストマスク１４で被覆されてない領域のＳＯＩ膜をドライエッチング若しくはウェットエッチングで除去し（図２（Ｄ））、フォトレジストマスク１４を除去して、単結晶シリコンコアを有する光導波路１５を得る（図２（Ｅ））。そして、最後に、１．１μｍ以下の波長の光を上述の単結晶シリコンコアに照射可能な発光素子を石英基板２０の裏面側に設け（不図示）、光導波路装置とする。
図３は、このような工程を経て得られる光導波路装置（光スイッチ）の動作原理を概念的に説明するための図で、斜視図である図３（Ａ）に図示したように、この光導波路装置は、石英基板２０の表面に単結晶シリコンコアを有する光導波路１５が設けられ、石英基板２０の裏面側には、シリコン結晶によって吸収される光（１．１μｍ以下の波長の光）を単結晶シリコンコアに照射可能な、例えばＧａＡｓ系のＬＥＤやＬＤなどの発光素子３０を備えている。なお、この光導波路装置は、光導波路１５がリッジ型光導波路とされている。
光導波路１５には１．５５μｍ帯の光（λ１）が導波しており、発光素子３０からはこの光導波路１５の単結晶シリコンコア領域に波長λ２の光が照射される。単結晶シリコンコア領域に照射された波長λ２の光は、自由電子吸収によって当該照射領域１６の単結晶シリコンコア中に電子−正孔対を形成する。
図３（Ｂ）に示した光導波路１５の上面図のように、単結晶シリコンコア領域への発光素子３０からの光照射がない場合には、光導波路１５中を導波する１．５５μｍ帯の波長λ１の光はそのままの状態で導波するが、図３（Ｃ）に示した光導波路１５の上面図のように、単結晶シリコンコア領域に発光素子３０からの波長λ２の光が照射されて当該照射領域１６に電子−正孔対が形成されると、光導波路１５中を導波中の１．５５μｍ帯の波長λ１の光はこの電子−正孔対によって吸収（自由電子吸収）されることとなる。つまり、図３（Ｄ）に図示したように、光導波路１５の導波状態を光信号のＯＮ状態、遮断状態をＯＦＦ状態とすると、発光素子３０からの光照射の有無（ＯＮまたはＯＦＦ）により、光信号のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチング（変調）が可能となる。
このように、本発明では、シリコン結晶によって吸収される光（１．１μｍ以下の波長の光）に対して透明な石英基板の表面に単結晶シリコンコアを有する光導波路を形成するとともに、裏面に上記波長の光を発光する素子を設けることとしたので、極めて単純な装置構成で光信号の変調が可能となる。
このような光導波路装置に設けられる発光素子の態様としては、図４（Ａ）のように石英基板２０の裏面から離間して設けられるもの（不図示）、図４（Ｂ）のように発光素子３０を作り込んだ他の基板４０を貼り合わせ法などで石英基板２０の裏面に設けた態様のもの、あるいは、図４（Ｃ）のように面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの個別素子を配置したものなど、種々のものがあり得る。
また、光導波路は、図５（Ａ）のようなメサ型のもの以外にも、リッジ型のもの（図５（Ｂ））や埋め込み型のもの（図５（Ｃ））とすることもできる。リッジ型光導波路とする場合には、図２（Ｃ）から図２（Ｄ）に至るエッチング工程において、フォトレジストマスク１４で被覆されていない領域のシリコン膜を完全に除去する前にエッチングを終了させればよい。また、埋め込み型の光導波路とする場合には、単結晶シリコンコアを形成した後に、当該単結晶シリコンコアを被覆するシリコン酸化膜等の形成工程を設ければよい。
本実施例では、光導波路をメサ型光導波路とした。
ＳＯＩ基板の作製手法は、既に図１を用いて説明したのと同様であるので、重複しての説明は省略するが、６インチ径の単結晶Ｓｉ基板１０および石英基板２０を準備し、単結晶Ｓｉ基板１０の表面に水素イオン（Ｈ＋）を平均深さＬが概ね０．５μｍとなるように注入した後にダメージ回復熱処理を施した。その後、この単結晶Ｓｉ基板１０の表面をＲＣＡ洗浄し、真空チャンバ内の試料ステージに載置し、約１０秒間のプラズマ処理を施して表面活性化し、この単結晶Ｓｉ基板１０と石英基板２０の主面同士を室温で密着させて貼り合わせた後に、外部衝撃を加えて単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に相当する位置の結晶面に沿って単結晶シリコン薄膜を機械的に剥離してＳＯＩ基板とした。
先ず、ＳＯＩ膜１２の上にポジタイプのフォトレジスト１３を塗布してスピンコータで均一な膜厚（約１５μｍ）とし（図２（Ｂ））、これをｇ線（波長４３６ｎｍ）で露光して光導波路を形成する領域に幅１０μｍの帯状のフォトレジストマスク１４を形成した（図２（Ｃ））。
そして、このフォトレジストマスク１４で被覆されてない領域のＳＯＩ膜をウェットエッチングで除去した（図２（Ｄ））。このときのエッチング液は、フッ化水素酸と硝酸の混酸にバッファ用の酢酸を加えたものである。このエッチング液でＳＯＩ膜をエッチングし、高さ０．５μｍのメサ型光導波路１５を形成した後、フォトレジストマスク１４を除去した（図２（Ｅ））。そして、最後に、０．８５〜０．８７μｍの波長の光を単結晶シリコンコアに照射可能なＧａＡｓの面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を石英基板２０の裏面側に設けて光導波路装置とした。
本発明は、シリコン結晶によって吸収される光（１．１μｍ以下の波長の光）に対して透明な石英基板の表面に単結晶シリコンコアを有する光導波路を形成するとともに、裏面に上記波長の光を発光する素子を設けることとしたので、極めて単純な装置構成で光信号の変調を可能する。
１０ 単結晶Ｓｉ基板
１１ イオン注入層
１２ ＳＯＩ膜
１３ フォトレジスト
１４ フォトレジストマスク
１５ 光導波路
１６ 光照射領域
２０ 石英基板
３０ 発光素子
４０ 発光素子を作り込んだ基板
１１ イオン注入層
１２ ＳＯＩ膜
１３ フォトレジスト
１４ フォトレジストマスク
１５ 光導波路
１６ 光照射領域
２０ 石英基板
３０ 発光素子
４０ 発光素子を作り込んだ基板
Claims (2)
- 単結晶シリコン基板の表面から水素イオンを注入する工程Ａと、石英基板および前記単結晶シリコン基板の少なくとも一方の表面に活性化処理を施す工程Ｂと、前記石英基板と前記単結晶シリコン基板の表面同士を貼り合わせる工程Ｃと、前記単結晶シリコン基板からシリコン膜を機械的に剥離して前記石英基板の表面上にＳＯＩ膜を形成してＳＯＩ基板とする工程Ｄと、前記ＳＯＩ膜に波長が１．５５μｍ帯の光を導波させる光導波路用の単結晶シリコンコアを形成する工程Ｅと、１．１μｍ以下の波長の光を前記単結晶シリコンコアに照射可能なＧａＡｓ系の発光素子を前記石英基板の裏面側に設ける工程Ｆとを備え、
前記工程Ｄに続いて、前記ＳＯＩ膜に平坦化を施す工程Ｇを備え、さらに、
前記工程Ｅに続いて、前記単結晶シリコンコアを被覆するシリコン酸化膜を形成する工程Ｈを備えている光導波路装置の製造方法。 - 前記工程Ｂの活性化処理がプラズマ処理又はオゾン処理の少なくとも一方である請求項１に記載の光導波路装置の製造方法。
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