JP5131447B2 - 光学素子、光集積デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信、光配線、光ストレージに用いられる光学素子、光集積デバイスおよびその製造方法に関する。

高速光通信の幅広い普及へ向けて、そこへ使われる光学素子やそれらを集積化したデバイスの小型化が強く求められている。これらデバイスの小型化や低コスト化を実現するために、従来の単結晶を用いたデバイスではなく、数１０マイクロメートル以下の厚さの薄膜材料の利用やシリコンＬＳＩの作製プロセスの応用が検討されている。例えば、高密度な光配線の実現に対して、非特許文献１では、透明セラミックスであるＳｒＴｉＯ_３(以下、ＳＴＯと略記することがある)薄膜をコア層とした導波路が開示されている。クラッド層としてシリコンウェハー上に容易に形成できるＳｉＯ_２を用い、そのＳｉＯ_２との大きな屈折率差を利用することが提案されている。

また、電気光学効果を利用した光変調器では、単結晶ＬｉＮｂＯ_３基板上にＴｉ拡散法によりマッハツエンダー型導波路を形成し、電極を組み合わせることで光変調器を形成している。しかし、単結晶基板を用いる必要があることから高価であり、またＬｉＮｂＯ_３の電気光学効果が小さく、プレナー電極構造であることから導波路の長さが必要になるので、cm台の大きさの素子となる。一方、透明セラミックスである（Ｐｂ_１−ｘＬａ_ｘ）（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３ （ＰＬＺＴ）やＰｂ(Ｚｒ_ｘＴｉ_１-x)Ｏ_３ （ＰＺＴ）は、現行の光変調器に用いられているＬｉＮｂＯ_３単結晶より二桁近く電気光学係数が大きい。そのため光素子の小型化による低コスト化、低消費電力化、および高速化が期待され、薄膜化の検討が進められている。

この電気光学効果は、それぞれの化合物に特有の結晶構造を形成した場合に発現する。このため光学素子として利用可能な高い光の透過率を有し、かつ電気光学効果が大きい薄膜は、それ自身の単結晶基板を用いるか、単結晶基板上に電気光学材料をエピタキシャル成長させることで得られている。例えば、非特許文献２、特許文献１、２、３はＳＴＯ単結晶基板を、特許文献４ではＭｇＯ単結晶基板を用いて、電気光学材料をエピタキシャル成長させた導波路構造が開示されている。

一層の小型化や低コスト化を実現するためには、単結晶基板上へエピタキシャル成長させた構造では不十分である。そのためには表面が非晶質ＳｉＯ_２や多結晶Ｓｉ、金属などから構成されるシリコン系導波路等へ自由に光変調器を集積化する必要がある。この課題を解決するためには多結晶状態で導波路コア層としての特性を発現させる必要がある。超微粒子材料の衝突付着現象を利用したエアロゾルデポジション（ＡＤ法）は、従来の薄膜形成法に比べ高い成膜速度と低いプロセス温度の実現が期待されている（非特許文献３）。特許文献５には、このＡＤ法によりガラス上へ形成された導波路構造が開示されている。また、非特許文献４では、有機金属塗布分解法（ＭＯＤ法）による多結晶状態の透明セラミックスを用いた導波路構造として、サファイア基板上にＳＴＯクラッド層とＰＺＴコア層からなる導波路構造が開示されている。

Ｍ．Ｇａｉｄｉ，Ｌ．Ｓｔａｆｆｏｒｄ，Ｊ．Ｍａｒｇｏｔ，Ｍ．Ｃｈａｋｅｒ，Ｒ．Ｍｏｒａｎｄｏｔｔｉ ａｎｄ Ｍ．Ｋｕｌｉｓｈｏｖ； Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８６（２００５）２２１１０６． Ｋ．Ｎａｓｈｉｍｏｔｏ，Ｋ．Ｈａｇａ，Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ ａｎｄ Ｅ．Ｏｓａｋａｂｅ； Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７５（１９９９）１０５４． Ｊｕｎ Ａｋｅｄｏ ａｎｄ Ｍａｘｉｍ Ｌｅｂｅｄｅｖ； Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ３８（１９９９）５３９７． Ｃｈｉｅｎ−Ｋａｎｇ Ｋａｏ，Ｃｈｕｅｎ−Ｈｏｒｎｇ Ｔｓａｉ ａｎｄ Ｉ−Ｎａｎ Ｌｉｎ； Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８３（２００３）３９１５． 特開２０００−０５６３４３号公報 特開２００１−０９１７７８号公報 特開２００４−１４４９３５号公報 特開２００３−１７７２６２号公報 特開２００５−１８１９９５号公報

しかしながら、ＳＴＯなどのペロブスカイト構造を有するセラミックス薄膜を４００℃以下の低温でＳｉＯ_２上へスパッタ法やＣＶＤ法などで成膜する場合、平坦性がよい膜が得られない。成膜された膜は、その表面凹凸やマイクロクラックのために不透明な外観になり、その結果、透明セラミックスを用いた小型化、高集積な光学素子の実現が困難であることを発明者らは見出した。

このようにクラッド層にＳｉＯ_２を用いる場合、コア層は直接ＳｉＯ_２上へ成長させることになる。非特許文献１では、レーザーアブレーション法を用いて５６０℃でＳＴＯを堆積させ、さらに６４０℃での熱処理を行っている。しかし、より生産性を高めるためには、スパッタ法やＣＶＤ法が望ましい。スパッタ法やＣＶＤ法は大面積に均一に薄膜を堆積させることができ、しかも金属上では低温で良質な結晶を有する薄膜が得られるために成膜後の熱処理も必要ない。しかしながら、スパッタ法やＣＶＤ法では、上述したように直接ＳｉＯ_２上へ良質なペロブスカイト型酸化物を成膜することが困難である。

一方、ＡＤ法で作製したＰＬＺＴ膜を用いた光学素子には導波損失が小さく薄いクラッド層の形成が困難となる。電気光学効果を利用した高速、小型で低電圧駆動の光変調器をＳｉ基板等の任意の基板上に形成するためには、次のような構造が有効である。つまり基板上に形成した任意の下部電極上に電気光学材料からなるコア層を有する光導波路層を形成し、この光導波路層を下部、上部電極で挟み込む構造を実現することが有効である。

これらの構造とすることで、光学素子を大きくすることなく電界を導波路に作用させることができることになる。これらの電極材料には、電気抵抗の小さな金属材料を用いることが、光学素子の高速動作を可能にすることから望ましい。このとき、電気光学材料と上部、下部電極との間に位置するクラッド層の特性として、電圧降下が小さく、かつコア層よりも屈折率が小さいことが求められる。電圧降下が小さいことから電気光学材料からなるコア層に十分な電界が作用する。かつコア層よりも屈折率が小さいことからコア層に電磁界を閉じ込めることができる。

具体的には、ＰＬＺＴ薄膜の比誘電率は数１００であるために、クラッド層を実際的な厚さにするためには比誘電率１００以上の絶縁性よい材料が望ましい。

屈折率も考慮すると、厚さ１μｍ以下のＳｒＴｉＯ_３に代表されるペロブスカイト構造を有する高誘電率酸化物が、ＰＬＺＴコア層のクラッド層として望ましい。

即ち、コア層はＡＤ法で形成しても、クラッド層はより薄い厚さでペロブスカイト型酸化物を形成する必要がある。

実際にクラッド層を成長させる表面は電極部以外の絶縁を保つためにＳｉＯ_２でカバーされており、非晶質のＳｉＯ_２上へクラッド層を成長させなければならない。しかも電極が形成されているために成膜温度は４００℃以下にする必要がある。このような状態でペロブスカイト型酸化物をＳｉＯ_２上へスパッタ法やＣＶＤ法などで成膜すると不透明な外観になり、光導波路のクラッド層には適さない。

下地に影響されず高い結晶性の酸化物膜が得られるＡＤ法は、微粒子を堆積させる手法であるため、特性がよく均質な膜は数μｍ以上の厚さとなる。このようにＡＤ法による成膜法では、その膜厚が厚くなり、駆動させるのに十分な電界をコア層に作用することができない。その結果として、導波損失が小さく、電圧降下が小さく薄いクラッド層の形成は困難である。

非特許文献４に開示されているＭＯＤ法でもＳＴＯクラッド層、ＰＺＴコア層の構造は可能ではあるが、６５０℃の高温での熱処理が必要である。更に、高価なサファイア基板はコストが高いだけではなく、能動素子との集積化は不可能である。このように、下地に影響されないで任意の基板上に、薄膜の高誘電率酸化物を成膜することが困難で、高速、小型で低電圧駆動可能な光学素子や光集積デバイスの形成ができないという問題がある。

本発明は、上記の如き事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、小型で高密度光配線が可能な光導波路や、任意の基板上に形成された高速、小型で低電圧駆動可能な光変調器等の光学素子や光集積デバイスおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の光学素子は、シリコン絶縁膜と接するように形成された高誘電率酸化物を備え、前記高誘電率酸化物は化学式ＡＢＯ_３で表され、それぞれＡとしてバリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）のうち少なくとも１種以上、Ｂとしてジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物、または化学式（Ｂｉ_２Ｏ_２）（Ａ_ｍ−１Ｂ_ｍＯ_３ｍ＋１）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表され、それぞれＡとしてバリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、鉛（Ｐｂ）、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくとも１種以上、Ｂとしてニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物であって、前記高誘電率酸化物にマンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）のうち少なくとも１種以上を添加物として含むことを特徴とする。

また、本発明の光集積デバイスは、上記記載の光学素子を基板上に少なくとも１つ備え、前記基板上に少なくとも２以上の光学素子が集積化されたことを特徴とする。

さらに、本発明の光学素子の製造方法は、基板と、前記基板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され電気光学材料よりなる導波層と、前記導波層上に形成された上部電極が順に積層された光導波路構造を有する光学素子であって、前記導波層が電気光学効果を有するコア層と前記コア層の上下或いは全体を覆うように形成されたクラッド層からなり、前記クラッド層が上下電極と接しており、前記クラッド層はＭｎを含有したＳｒＴｉＯ_３をターゲットとしたスパッタ法に堆積されることを特徴とする。また前記クラッド層はＳｒ、Ｔｉ、Ｍｎの有機金属化合物を原料とするＣＶＤ法により堆積することもできる。

本発明においては、任意の基板と接するように形成された高誘電率酸化物を、化学式ＡＢＯ_３、又は化学式（Ｂｉ_２Ｏ_２）（Ａ_ｍ−１Ｂ_ｍＯ_３ｍ＋１）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表される材料で形成する。さらにこれらの高誘電率酸化物は、マンガン、ケイ素、マグネシウム、バナジウム、クロム、鉄、モリブデン、ルテニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタン、ネオジム、ガドリニウムのうち少なくとも１種以上を添加物として含んで形成する。

高誘電率酸化物に添加物を加えることで、均質で密着性のよい成長初期層が形成され、薄い高誘電率酸化物を形成することが可能となる。本発明によれば、低電圧駆動が可能な光学素子、光集積デバイスを提供することができる。

以下に本発明を実施するための実施形態について、実施例として図面を参照して詳細に説明する。

以下に実施例１として、図１〜４を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施例１における光学素子の断面図である。図２は、主たる製造工程における光学素子の断面図（Ａ）〜（Ｈ）である。図３はＳｉＯ_２上へ形成されたＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層の表面写真であり、図４はＳｉＯ_２上へ形成されたＭｎを５ｍｏｌ％含有したＳｒＴｉＯ_３層の表面写真である。

図１に示す光学素子は、表面にシリコン熱酸化膜１０２が形成されたシリコン基板１０１上に、下部電極１０３として透明電極ＩＴＯ（３００ｎｍ）が形成されている。下部電極上のＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜１０４は、その一部分が除去され、溝が形成されている。その溝の内部には、下部のクラッド層１０７と、コア層１０８とが、下層側から順に溝の内壁を覆うように形成されている。下部のクラッド層１０７は、Ｍｎ含有ＳＴＯ層１０５とＭｎ非含有ＳＴＯ層１０６から形成されている。下層のＭｎ含有ＳＴＯ層１０５は、Ｍｎを５ｍｏｌ％含有したＳｒＴｉＯ_３（５０ｎｍ）により形成されている。上層のＭｎ非含有ＳＴＯ層１０６は、Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３（４５０ｎｍ）により形成されている。

その上のコア層１０８として、電気光学効果が大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が約２μｍの溝内の残りの凹部を埋めるように形成されている。ＰＺＴの組成はＰｂ（Ｚｒ_０．３Ｔｉ_０．７）Ｏ_３（ＰＺＴ）であり、透明度を高めるためにＭｎを０．５ａｔ％添加している。さらにそのコア層の上部に上部のクラッド層１０７として、Ｍｎ含有ＳＴＯ層１０５とＭｎ非含有ＳＴＯ層１０６が形成されている。下層のＭｎ含有ＳＴＯ層１０５は、Ｍｎを５ｍｏｌ％含有したＳｒＴｉＯ_３（５０ｎｍ）により形成されている。上層のＭｎ非含有ＳＴＯ層１０６は、Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３（４５０ｎｍ）により形成されている。さらに上部電極１０９として透明電極ＩＴＯ（３００ｎｍ）、金属電極１１０としてＴｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）が下層側から形成されている。

上部、下部のクラッド層１０７はともに成膜時にＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜１０４と接する領域がある。しかし、その界面はいずれもＭｎ５ｍｏｌ％含有のＳｒＴｉＯ_３層からなるＭｎ含有ＳＴＯ層１０５が接することで、表面が平滑で損失が小さなクラッド層が形成される。このクラッド層１０７の全体としては、比誘電率は１４０、屈折率は２．０５、膜厚５００ｎｍである。このようにクラッド層を薄い高誘電体で構成することで、コア層を駆動するのに十分な電界を作用させることができ、かつ電磁界をコア層に閉じ込めることができ導波損失を小さくできる。また、上部、下部のクラッド層とそれぞれの電極との接続は、透明電極ＩＴＯによりなされている。

Ｍｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層１０５の厚さは３０ｎｍ以上が望ましい。３０ｎｍ以上であれば、成長のごく初期に不均一な成長をしたとしても、結晶化が速やかに起こり、Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層の形成には影響を及ぼさない程度の平坦で均質な表面が得られるためである。また、Ｍｎ含有量は０．５ｍｏｌ％以上であればＳｉＯ_２上へ均一性よく成長することは発明者らによって明らかになっている。一方、Ｍｎ含有量が５ｍｏｌ％を越えると、ＳｒＴｉＯ_３層の絶縁性が低下し、導波損失も大きくなるためにクラッド層としては不適当である。尚、クラッド層の厚さの上限は、コア層に十分な電界が作用するよう０．５μｍから１μｍが望ましい。

次に、図２を参照して実施例１の製造方法を説明する。 シリコン基板１０１を熱酸化し表面に１μｍのシリコン熱酸化膜１０２を形成する。次に、透明電極ＩＴＯ（３００ｎｍ）をＤＣスパッタ法で成膜し所望の形状にパターニングし、下部電極１０３を形成する（図２Ａ）。ＩＴＯの下部に密着性や電気抵抗を低減させることを目的としてＴｉやＡｕなどの金属薄膜を成膜した多層構造の下部電極としてもよい。更に、ＣＶＤ法でＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜１０４を２．５μｍ堆積させた後、３μｍ幅の導波路部分のＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜１０４をドライエッチングで除去する（図２Ｂ）。

次にＭｎ含有ＳＴＯ層１０５として、Ｍｎ５ｍｏｌ％を含有したＳｒＴｉＯ_３を同組成のターゲットを用いてＲＦスパッタ法で５０ｎｍ堆積する。続いてＭｎ非含有ＳＴＯ層１０６として、Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３ターゲットを用いて同じくＲＦスパッタ法で４５０ｎｍ堆積する（図２Ｃ）。さらに導波路部分を除いてイオンミリング法でエッチングして下部のクラッド層１０７を形成する（図２Ｄ）。

このクラッド層の堆積はＳｉＯ_２をエッチング除去した凹部底面はＩＴＯで、それ以外はＳｉＯ_２上に堆積させることになる。クラッド層としては、導波損失の観点から不純物を含まないＳｒＴｉＯ_３が望ましい。しかし不純物を含まないＳｒＴｉＯ_３をＳｉＯ_２上へスパッタ法やＣＶＤ法などで堆積させると、非晶質であるＳｉＯ_２上では成長初期の結晶核が形成されにくい。そのため、局所的に結晶成長の進み方が異なり、表面凹凸が著しかったり、マイクロクラックがはいったりして表面が平滑で絶縁性良い膜は得られない。

しかし不純物として５ｍｏｌ％のＭｎを含有させることで、良好な絶縁性と低損失な状態を保った状態で、ＳｒＴｉＯ_３をＳｉＯ_２上へ均質に成長させることができるようになる。またクラッド層の形成方法としては、ＲＦスパッタ法に限定されないで、ＣＶＤ法でも形成することができる。不純物としてＭｎを含有する場合にはＳｒ、Ｔｉ、Ｍｎの有機金属化合物を原料とし、不純物を含有しない場合にはＳｒ、Ｔｉの有機金属化合物のみを原料とするＣＶＤ法で形成することができる。

次に、ＡＤ法でＰＺＴ層１０８を平坦部の厚さで３μｍ堆積させてその凹部を埋め込んだ後、表面を研磨することでＰＺＴ層（コア層）１０８を形成する（図２Ｆ）。ＡＤ法の成膜条件は、キャリアガスは酸素とし、ノズルと基板の入射角を３０度、ガス流量は１２Ｌ/分、成膜速度は０．５μｍ／分、加振器の振動数は２００ｒｐｍである。ＰＺＴ層１０８の堆積後、６００℃、３０分のアニールを行っている。原料粉末は電気光学効果の大きな酸化物であるＰＺＴでＺｒ／Ｔｉ比は０．３／０．７である。また、透明度を高めるためにＭｎを０．５ａｔ％添加している。原料粉末の平均粒径は０．７μｍである。成膜材料のＰＺＴ粉末はペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体の組成であり、一次の大きな電気光学係数を持つ光学デバイスの適応が可能な組成である。

この状態での上部表面はＰＺＴとＣＶＤ−ＳｉＯ_２であり、その上に上部のクラッド層として、下部のクラッド層と同様にＭｎ含有ＳＴＯ層１０５、Ｍｎ非含有ＳＴＯ層１０６を成膜する。ＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜１０４上へ均一に成長させられるＭｎ５ｍｏｌ％含有ＳｒＴｉＯ_３層を膜厚５０ｎｍ、続けてＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層を４５０ｎｍそれぞれＲＦスパッタ法で成膜する。成膜方法は下部のクラッド層と同じである。次に、下部電極のコンタクトホールをドライエッチングで形成する（図示していない）。その後下部電極と同様に上部電極１０９として、ＩＴＯを膜厚３００ｎｍ成膜する。更に金属電極１１０としてＴｉ（１０ｎｍ）、Ａｕ（１μｍ）を形成する（図２Ｇ）。金属電極１１０のＴｉはスパッタ、Ａｕはメッキで成膜する。

本発明は、コア層やクラッド層のＳｉＯ_２と接する部分が、Ｍｎを含有することでＳｉＯ_２上へのペロブスカイト型酸化物の成長が均一に行われ、透明なコア層やクラッド層が形成できることを発明者らは見出し、行われたものである。図３には、ＳｉＯ_２上へＭｎを含有しないＳＴＯ層を成膜したときのＳＴＯ層表面写真を示す。図４には、ＳｉＯ_２上へＭｎを５ｍｏｌ％含有したＳｒＴｉＯ_３ターゲットを用いてＭｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層を成膜したときの表面写真を示す。図３のＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層では、点線で囲まれた領域Ａの表面に曇りがあり、不均一な薄膜であることが分かる。一方図４のＭｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層では、表面の曇りがなく均一な薄膜が得られている。

Ｍｎ含有ＳｒＴｉＯ_３が均一に成長する理由は必ずしも明らかではないが、下記の理由と考えられる。Ｍｎを含有することで結晶粒が微細になることから、成長初期の結晶核がＳｉＯ_２上に均一に、しかもＭｎを含有しない場合よりも多数形成される。そのため、ＳｉＯ_２との密着性が向上し、微細な結晶粒を核として均一に成長できる。その結果、一部のみが異常に結晶が成長したり内部応力が集中したりすることがなく、緻密で平滑な表面を有する膜が成長するものと推定できる。

Ｍｎ含有量が０．５ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％の範囲では、良好な透明性、絶縁性、高誘電率を有した状態で、光導波路コア層やクラッド層として十分低損失でかつＳｉＯ_２上への均質に成長可能である。Ｍｎ含有量がこれより大きくなると、絶縁性が損なわれ、導波損失がおおきくなるという不具合を生じる。Ｍｎ含有量がこれより小さいとＳｉＯ_２上へ均質に成長しない。ここで、Ｍｎ含有量は、ＳｒＴｉＯ_３に対するＭｎ_２Ｏ_３のモル比である。即ち、Ｍｎを５ｍｏｌ％含有するということは、９５ｍｏｌ％ＳｒＴｉＯ_３−５ｍｏｌ％Ｍｎ_２Ｏ_３に相当する。

また、Ｍｎが含有されるＳｒＴｉＯ_３層は３０ｎｍ以上あることが望ましい。３０ｎｍ以上の場合には結晶化が速やかに起こり、均一な膜が得られる。またＳｉＯ_２上へ、Ｍｎを含有した層とＭｎを含有しない層の２層以上、乃至は組成が連続的に変化した構造にすることができる。下層のＭｎを含有した層により初期の均質な膜成長を促進し、層全体としてはより低損失なＭｎを含有しない層で構成することができる。

以上より、クラッド層をＭｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層とＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層の二層化することで、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子が実現可能となる。尚、本実施例では、クラッド層の主成分はＳｒＴｉＯ_３であり、ＳｉＯ_２上への成長の観点からＭｎを添加している。しかしこれらの材料は特に限定されるものではない。屈折率や絶縁性などの条件が満たされれば他の高誘電率酸化物でも同様の効果が期待でき、またＭｎ以外の追加の金属不純物が含まれてもよい。

例えば高誘電率酸化物、及び不純物として下記材料を使用することができる。高誘電率酸化物は化学式ＡＢＯ_３で表され、それぞれＡとしてバリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）のうち少なくとも１種以上、Ｂとしてジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物が使用できる。

また、高誘電率酸化物は化学式（Ｂｉ_２Ｏ_２）（Ａ_ｍ−１Ｂ_ｍＯ_３ｍ＋１）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表され、それぞれＡとしてバリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、鉛（Ｐｂ）、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくとも１種以上、Ｂとしてニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物が使用できる。

さらに高誘電率酸化物に添加する不純物としては、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）のうち少なくとも１種以上を添加物として使用できる。

また、光導波路形成材料としては上記の実施例に、特に限定されるものではない。光導波路形成材料としては、ＳｉＯ_２、窒化珪素等が使用できる。また電気光学材料であるＰＺＴに関しても、例えばＬａが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、チタン酸バリウム、ストロンチウム添加チタン酸バリウム、ＫＴＮ等を使用することができる。これらの材料においても、実施例と同様の効果が得られるものである。

上記実施例において、クラッド層は二層構造としたが、全てをＭｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層で構成することができる。Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層と比較してＭｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層の方が損失は大きいが、Ｍｎ含有量が０．５ｍｏｌ％から５ｍｏｌ％の範囲では実用上差し支えない。クラッド層を単層とした場合、製造工程が簡素化され、製造コストの低減がはかれる点で有利である。

本実施例においては、ＳｉＯ_２上への成長初期層にＭｎを含有したＳｒＴｉＯ_３を用いることで、ＳｉＯ_２上に均質で密着性がよい成長初期層が形成され、透明で良質なクラッド層を形成することが可能となる。良質なクラッド層を形成できることから、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子が実現でき、高密度配線可能な光導波路や低電圧駆動が可能な光学素子、光集積デバイスが得られる。

本発明の第２の実施例を、図５、６を参照して説明する。図５には、本発明の実施例２における光学素子の断面図を示す。図６には、その製造工程における断面図（Ａ）〜（Ｈ）を示す。

第１の実施例と同様に、シリコン基板５０１上にシリコン熱酸化膜５０２を１μｍ熱酸化により形成する。続いて下部電極５０３として透明酸化物電極ＩＴＯをＤＣスパッタ法により３００ｎｍ形成する（図６Ａ）。さらに、下部クラッド層としてＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層５０６をＲＦスパッタ法で、基板温度４００℃、スパッタガスにＡｒ＋Ｏ_２を用いて成膜する。膜厚は５００ｎｍである（図６Ｂ）。導波路部は透明酸化物電極の上に堆積されるので、Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層で問題なく均一な膜が形成できる。Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層５０６を２μｍ幅にイオンミリング法でエッチングする（図６Ｃ）。次に、ＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜５０４をＣＶＤ法で膜厚２μｍ堆積し（図６Ｄ）、コア層を埋め込むための３μｍ幅の溝を反応性イオンエッチングで形成する（図６Ｅ）。

形成した２μｍ深さの凹構造にＡＤ法によりＰＬＺＴ層５０７を堆積する（図６Ｆ）。ＰＬＺＴ層５０７を６００℃、３０分の大気中でアニール後、表面研磨を行ってコア層を形成する（図６Ｇ）。その上部に上部クラッド層として、 Ｍｎを０．５ｍｏｌ％含有したＳｒＴｉＯ_３層５０５を膜厚５００μｍ形成する。図示していない下部電極のコンタクトホールを形成する。その後に、更に上部電極５０８としてＩＴＯ（３００ｎｍ）、金属電極５０９としてＴｉ（１０ｎｍ）、Ａｕ（４００ｎｍ）を順に成膜し（図６Ｈ）、パターニングする（図６Ｉ）。いずれの電極もＤＣスパッタ法で形成する。このようにして、図５の光学素子が得られる。

このようにＳｉＯ_２と接するコア層、或いは電気光学材料からなる光導波路コア層上下に位置するクラッド層の少なくとも一方を、Ｍｎを含有するＳｒＴｉＯ_３とすることができる。Ｍｎ含有ＳｒＴｉＯ_３は、下地に依存せず高誘電率で高絶縁性のクラッド層として形成できる。光学素子として、例えば、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光スイッチ、光フィルター等を作製することが可能になる。さらに上記した光学素子を予め形成した基板、あるいは、ＣＰＵ、メモリー等の電子素子で構成される集積回路が予め形成されている基板に、さらに光学素子を作製することが可能になる。これらの基板上に本発明にかかる光学素子を作製して、全体として、本発明の光学素子で構成される光デバイスと、他のデバイスを集積した光集積バイスの作製に応用することができる。

本実施例においては、均一な薄膜を成膜できない上部のクラッド層５０５はＭｎを含有するＳｒＴｉＯ_３とし、下部のクラッド層５０６はＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３としている。またそれぞれのクラッド層は単層構造とした。このようにクラッド層を成膜する下地により、不純物を含むクラッド層又は不純物を含まないクラッド層とし、ともに良質なクラッド層を形成することが可能となる。良質なクラッド層を形成できることから、導波損失が小さく、低電圧駆動の光変調器等の光学素子が実現でき、高密度配線可能な光導波路や低電圧駆動が可能な光学素子、光集積デバイスが得られる。

本発明の第３の実施例を、図７を参照して説明する。図７には、本発明の実施例３としての断面図を示す。本実施例は、シリコン熱酸化膜をクラッド層、ＳＴＯ層を導波路コア層とした実施例である。

図７では、シリコン基板７０１上にシリコン熱酸化膜７０２、その上部にＭｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層７０３と、Ｍｎ非含有ＳｒＴｉＯ_３層７０４が積層されている。本実施例においては、シリコン熱酸化膜７０２がクラッド層であり、ＳｒＴｉＯ_３層が導波路コア層７０５となる。

シリコン基板７０１を熱酸化し、シリコン熱酸化膜７０２を成膜する。その後に、Ｍｎを１％含有したＳｒＴｉＯ_３層７０３と、Ｍｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層７０４を順にＲＦスパッタ法を用いて成膜温度４００℃で、それぞれ５０ｎｍ、１μｍ堆積させる。最後に３μｍ幅の導波路部を残すように最上層のＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層７０４を表面から１００ｎｍエッチングすることで図７の構造が得られる。エッチングは、フォトリソグラフィーでマスクを形成した後にイオンミリングや反応性ドライエッチングで行う。

本実施例では、コア層はＳｉＯ_２上へ堆積させている。その初期層にＭｎ含有ＳｒＴｉＯ_３を堆積することでＳｉＯ_２上でも平滑性よく透明なＳｒＴｉＯ_３からなるコア層を得ることができる。このようにＳｉＯ_２上への成長初期層にＭｎを含有したＳｒＴｉＯ_３を用いることで、ＳｉＯ_２上に均質で密着性がよい成長初期層が形成され、透明で良質な導波路コア層やクラッド層を形成することが可能となる。

本発明によれば、下地に依存することなく、高誘電率酸化物に不純物を添加することで、平滑、透明、かつ高絶縁性の高誘電率酸化物を成膜することができる。そのため高密度配線可能な光導波路や低電圧駆動が可能な光学素子、光集積デバイスが得られる。さらに、光学素子以外の集積回路が形成された基板上にも光学素子が形成可能となり、これらのデバイスを集積した光集積バイスが得られる。

以上、実施例に基づき本発明を具体的に説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではない。本願の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができ、これらの変更例も本願に含まれることはいうまでもない。

本発明により、高誘電率酸化物を下地に依存せず透明で、高誘電率で高絶縁性な状態で形成することが可能となる。そのため、例えば、レーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の別種の光学素子を予め形成した基板、あるいは、ＣＰＵ、メモリー等の電子素子で構成される集積回路が予め形成されている基板上に光学素子を作製することが可能になる。その結果全体として、本発明の光学素子で構成される光デバイスと、他のデバイスを集積した光集積バイスの作製に応用することができる。

また、半導体メモリー、薄膜コンデンサ、センサなどの光学デバイス以外でも、ＳｒＴｉＯ_３やその他のペロブスカイト型酸化物がＳｉＯ_２と接するような構造をとる場合には本発明を適用することが可能である。

本発明の実施例１における光学素子の断面図である。 本発明の実施例１の光学素子の主たる製造工程における断面図（Ａ）〜（Ｇ）である。 ＳｉＯ_２上へ形成されたＭｎを含有しないＳｒＴｉＯ_３層の表面写真を模した図である。 ＳｉＯ_２上へ形成されたＭｎを５ｍｏｌ％含有ししたＳｒＴｉＯ_３層の表面写真を模した図である。 本発明の実施例２における光学素子の断面図である。 本発明の実施例２の光学素子の主たる製造工程における断面図（Ａ）〜（Ｉ）である。 本発明の実施例３における光学素子の断面図である。

符号の説明

１０１、５０１、７０１ シリコン基板
１０２、５０２ シリコン熱酸化膜
１０３、５０３ 下部電極
１０４、５０４ ＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜
１０５、７０３ Ｍｎ含有ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）層
１０６、７０４ Ｍｎ非含有ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）層
１０７ クラッド層
１０８ ＰＺＴ層（コア層）
１０９、５０８ 上部電極
１１０、５０９ 金属電極
５０５ Ｍｎ含有ＳｒＴｉＯ_３層（上部クラッド層）
５０６ Ｍｎ非含有ＳｒＴｉＯ_３層（下部クラッド層）
５０７ ＰＬＺＴ層（コア層）
７０２ シリコン熱酸化膜（クラッド層）
７０５ コア層

Claims (26)

1. 基板上に形成される下部電極と、前記下部電極に対向する上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に形成され、両電極間を絶縁するシリコン絶縁膜と、前記下部電極と前記上部電極との間に形成された光導波路とを有し、
   前記導波路は、電気光学材料から成ると共に、電気光学効果を有するコア層と、前記コア層の導波路方向の周囲のうち少なくとも前記下部電極と前記上部電極との対向方向に形成されたクラッド層とによって構成され、
   前記クラッド層のうちの少なくとも前記シリコン絶縁膜に接する部分は、化学式ＡＢＯ _３ または化学式（Ｂｉ _２ Ｏ _２ ）（Ａ _ｍ−１ Ｂ _ｍ Ｏ _３ｍ＋１ ）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表される高誘電率酸化物に添加物を含有し、
   前記化学式ＡＢＯ _３ で表される前記高誘電率酸化物は、
   Ａとして、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）のうち少なくとも１種以上、
   Ｂとして、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物であり、
   前記化学式（Ｂｉ _２ Ｏ _２ ）（Ａ _ｍ−１ Ｂ _ｍ Ｏ _３ｍ＋１ ）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表される前記高誘電率酸化物は、
   Ａとして、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、鉛（Ｐｂ）、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくとも１種以上、
   Ｂとして、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物であり、
   前記添加物は、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）のうち少なくとも１種以上であることを特徴とする光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子において、前記高誘電率酸化物はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）であることを特徴とする光学素子。
3. 請求項２に記載の光学素子において、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ _３ ）への添加物はマンガン（Ｍｎ）であることを特徴とする光学素子。
4. 請求項３に記載の光学素子において、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ _３ ）への添加物マンガン（Ｍｎ）含有量が、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）に対するＭｎ_２Ｏ_３のモル比として０．５％以上、５％以下であることを特徴とする光学素子。
5. 請求項３または４に記載の光学素子において、前記Ｍｎを含有したチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）の膜厚は３０ｎｍ以上であることを特徴とする光学素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学素子において、前記下部電極は透明電極から構成される一方、前記上部電極は透明電極と金属電極から構成され、前記クラッド層には、前記透明電極が接していることを特徴とする光学素子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学素子において、前記コア層がチタン酸ジルコン酸鉛、或いはＬａを含有するチタン酸ジルコン酸鉛を主たる成分とすることを特徴とする光学素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光学素子において、前記クラッド層の前記高誘電率酸化物に前記添加物を含有し、前記シリコン絶縁膜に接する前記部分は、前記下部電極と接することを特徴とする光学素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の光学素子が、前記下部電極および前記上部電極に電気信号を印加することで光を制御する光変調器、光スイッチであることを特徴とする光学素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学素子において、前記クラッド層は、化学式ＡＢＯ _３ または化学式（Ｂｉ _２ Ｏ _２ ）（Ａ _ｍ−１ Ｂ _ｍ Ｏ _３ｍ＋１ ）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表される高誘電率酸化物に添加物を含有し、前記シリコン絶縁膜に接する層と、前記高誘電率酸化物に添加物を含有しない層との少なくとも二層以上の高誘電率酸化物の積層構造であることを特徴とする光学素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学素子を基板上に少なくとも１つ備え、前記基板上に少なくとも２以上の光学素子が集積化されたことを特徴とする光集積デバイス。
12. 請求項１１の光集積デバイスにおいて、光学素子がレーザー、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチまたは光フィルターのすくなくともいずれか１つであることを特徴とする光集積デバイス。
13. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学素子、或いは請求項１１または１２に記載の光集積デバイスであって、同一基板上に光学素子以外に電子回路が集積化されたことを特徴とする光集積デバイス。
14. 請求項１３に記載の光集積デバイスにおいて、前記電子回路は、論理演算回路または記憶装置であることを特徴とする光集積デバイス。
15. 基板上に形成される下部電極と、前記下部電極に対向する上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に形成され、両電極間を絶縁するシリコン絶縁膜と、前記下部電極と前記上部電極との間に形成された光導波路とを有し、
    前記導波路は、電気光学材料から成ると共に、電気光学効果を有するコア層と、前記コア層の導波路方向の周囲のうち少なくとも前記下部電極と前記上部電極との対向方向に形成されたクラッド層とによって構成され、
    前記クラッド層のうちの少なくとも前記シリコン絶縁膜に接する部分は、化学式ＡＢＯ _３ または化学式（Ｂｉ _２ Ｏ _２ ）（Ａ _ｍ−１ Ｂ _ｍ Ｏ _３ｍ＋１ ）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表される高誘電率酸化物に添加物を含有し、
    前記化学式ＡＢＯ _３ で表される前記高誘電率酸化物は、
    Ａとして、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）のうち少なくとも１種以上、
    Ｂとして、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物であり、
    前記化学式（Ｂｉ _２ Ｏ _２ ）（Ａ _ｍ−１ Ｂ _ｍ Ｏ _３ｍ＋１ ）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表される前記高誘電率酸化物は、
    Ａとして、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、鉛（Ｐｂ）、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、ビスマス（Ｂｉ）のうち少なくとも１種以上、
    Ｂとして、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）のうち少なくとも１種以上を含む酸化物であり、
    前記添加物は、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）のうち少なくとも１種以上である光学素子の製造方法であって、
    前記クラッド層を形成する工程は、前記添加物を含有する前記高誘電率酸化物を前記シリコン絶縁膜上に形成する工程を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
16. 請求項１５に記載の光学素子の製造方法において、前記クラッド層は、化学式ＡＢＯ _３ または化学式（Ｂｉ _２ Ｏ _２ ）（Ａ _ｍ−１ Ｂ _ｍ Ｏ _３ｍ＋１ ）（ｍ＝１、２、３、４、５）で表される高誘電率酸化物に添加物を含有し、前記シリコン絶縁膜に接する層と、前記高誘電率酸化物に添加物を含有しない層との少なくとも二層以上の高誘電率酸化物の積層構造であり、
    前記クラッド層を形成する工程は、前記添加物を含有する前記層を前記シリコン絶縁膜上に形成する工程と、前記高誘電率酸化物に添加物を含有しない前記層を前記添加物を含有する前記層上に形成する工程とを含み、二層以上の高誘電率酸化物の積層構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
17. 請求項１６に記載の光学素子の製造方法において、前記クラッド層を形成する工程は、
    前記添加物を含有した前記高誘電率酸化物をターゲットとしたスパッタ法により、前記高誘電率酸化物に前記添加物を含む前記層を前記シリコン絶縁膜上に形成する工程と、
    続いて、前記添加物を含有しない前記高誘電率酸化物をターゲットしたスパッタ法により、前記高誘電率酸化物に添加物を含有しない前記層を形成する工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
18. 請求項１６に記載の光学素子の製造方法において、前記高誘電率酸化物はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ _３ ）であることを特徴とする光学素子の製造方法。
19. 請求項１８に記載の光学素子の製造方法において、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ _３ ）への添加物はマンガン（Ｍｎ）であることを特徴とする光学素子の製造方法。
20. 請求項１６に記載の光学素子の製造方法において、前記クラッド層を形成する工程は、
    Ｓｒ、Ｔｉ、Ｍｎの有機金属化合物を原料とするＣＶＤ法により、ＳｒＴｉＯ _３ にＭｎを含む層を前記シリコン絶縁膜上に形成する工程と、
    続いて、Ｓｒ、Ｔｉの有機金属化合物のみを原料とするＣＶＤ法により、ＳｒＴｉＯ _３ にＭｎを含有しない層を形成する工程とを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
21. 請求項１９に記載の光学素子の製造方法において、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ _３ ）へのＭｎ含有量が、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）に対するＭｎ_２Ｏ_３のモル比として０．５％以上、５％以下であることを特徴とする光学素子の製造方法。
22. 請求項１９乃至２１のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、前記Ｍｎを含有したＳｒＴｉＯ_３層の膜厚は３０ｎｍ以上であることを特徴とする光学素子の製造方法。
23. 請求項１５乃至２２のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、前記下部電極は透明電極から構成される一方、前記上部電極は透明電極と金属電極から構成され、前記クラッド層には、前記透明電極が接するように形成されることを特徴とする光学素子の製造方法。
24. 請求項１５乃至２３のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、前記クラッド層の前記高誘電率酸化物に前記添加物を含有し、前記シリコン絶縁膜に接する前記層は、前記下部電極と接するように形成されることを特徴とする光学素子の製造方法。
25. 請求項１５乃至２４のいずれか一項に記載の光学素子の製造方法において、前記コア層が、超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を接合させ成形体を形成されることを特徴とする光学素子の製造方法。
26. 請求項２５に記載の光学素子の製造方法において、前記超微粒子脆性材料がチタン酸ジルコン酸鉛、或いはＬａを含有するチタン酸ジルコン酸鉛を主たる成分とすることを特徴とする光学素子の製造方法。

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