JP6212006B2

JP6212006B2 - 光導波路の作製方法

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Publication number: JP6212006B2
Application number: JP2014171221A
Authority: JP
Inventors: 土澤　泰; 泰土澤; 英隆西; 功太岡崎; 山田　浩治; 浩治山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2017-10-11
Anticipated expiration: 2034-08-26
Also published as: JP2016045440A

Description

本発明は、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xのいずれかから構成されたコアを備える光導波路の作製方法に関する。

クラウド・モバイル環境の急速な普及により、情報流通量の増大が続いており、現在、光ネットワークの大容量化、高速化、低消費電力化が強く求められている。この実現に向けては、波長分割多重(Wavelength-division multiplexing；ＷＤＭ)デバイスの小型・低コスト・低消費電力化が重要となる。

このような背景の中、近年、デバイスの小型化が可能であり、経済性，省エネルギー性に優れ、また電気デバイスとの融合性に優れるＳｉコアによる光導波路をベースとした光デバイス、光回路の研究開発が活発になされている。しかしながら，Ｓｉは屈折率が約３．４８と高いため、光の閉じ込めが強く小型化に有利である反面、デバイス特性が加工誤差に敏感であるという問題がある。また、多波長化に伴い生じる高パワー伝送で誘起されるＳｉの光非線形性に根ざす問題もあり、偏波無依存化や高いダイナミックレンジが必要とされる通信ネットワーク応用においては、Ｓｉコアによる光導波路だけで要求性能を満たすのは容易ではないことが明らかになってきている。

一方、通信ネットワーク、特に高密度波長多重方式（ＤＷＤＭ）への適用を目指す集積化フォトニクスに関する研究は、コアとクラッドとの比屈折率差が低い光導波路である石英系光導波路が先行している。このため、現在も、石英系光導波路を、コアとクラッドとの比屈折率差がより高い光導波路とする方向での研究開発が行われている。しかし、石英系は、電気チップへ集積可能な小型光デバイスの製作は困難という課題がある。このため、Ｓｉと石英の中間の屈折率を持ち、屈折率自由度があり電気デバイスと集積可能な光導波路システムが求められている。このような光導波路の１つとして、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路に期待が集まっている。

ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路は、石英系よりコアとクラッドとの屈折率の高い光導波路系として昔から知られており、通信ネットワーク応用向けにも研究されている。これら材料によるコアを用いた単体光導波路については、低損失な光導波路を実現できる作製方法が確立はされている。

このようなＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製では、コア膜、クラッド膜を１２００℃以上の高温加熱化で処理をして膜特性を安定化させることで、光導波路特性を向上させるようにしている（特許文献１，２参照）。

以下、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製について、図４Ａ〜図４Ｆを用いて説明する。まず、図４Ａに示すように、シリコン基板２０１の上に、ＳｉＯ₂からなる厚さ１５μｍの下部クラッド層２０２を形成する。例えば、火炎堆積法（ＦＨＤ）法を用い、ＳｉＯ₂微粒子をシリコン基板２０１の上に堆積した後、１４００℃の高温において焼結すればよい。これにより透明なＳｉＯ₂膜である下部クラッド層２０２が形成される。

次に、図４Ｂに示すように、下部クラッド層２０２上に、ＳｉＯＮからなり所定の屈折率および厚さとしたＳｉＯＮ層２０３を、スパッタ法により形成する。引き続き、ＳｉＯＮ層２０３を１２００℃の高温で加熱処理することで、図４Ｃに示すように、膜特性が安定化したコア形成層２０４とする。次に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチングなどのＬＳＩ加工技術を用いてコア形成層２０４を加工し、図４Ｄに示すように、下部クラッド層２０２の上に、断面が矩形のコア２０５を形成する。

次に、図４Ｅに示すように、下部クラッド層２０２の上にコア２０５を覆って上部クラッド層２０６を形成する。例えば、よく知られた熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりＳｉＯ₂を堆積することで、上部クラッド層２０６を形成すればよい。この後、上部クラッド層２０６に対して１０００℃の高温加熱処理を実施し、図４Ｆに示すように、下部クラッド層２０２と同じ屈折率１．４４の上部クラッド層２０６ａとする。

上述した作製方法では、堆積した層を１０００℃以上の高温で加熱処理することで、クラッド層、コア形成層（コア）の屈折率などの膜特性を安定化させ、コアとクラッド界面の荒れを低減して散乱を抑え、低損失の伝搬特性を示す光導波路を実現している。

特開２０１１−０４３５７６号公報特開２０１１−２０３４５９号公報

しかしながら、高機能性、省エネルギー性、経済性が同時に求められる今日の通信ネットワークデバイスにおいては、異なる機能を持つ異種材料光デバイスや電気デバイスと光導波路をワンチップ上に融合集積することが不可欠になっている。高温での加熱処理を必要とする上述した導波路作製方法では、前工程で作られた異種材料光デバイスや電気デバイスが、高温の熱処理中に破壊してしまい、融合集積できないという問題がある。このため、他のデバイスを破壊することのない低い温度においても低損失で良好な特性を持つ光導波路の作製方法の開発が求められている。

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、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xをコアの材料として用い、伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を、融合集積されている他のデバイスを破壊することのない低温で作製できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光導波路の作製方法は、２００℃以下の温度条件で、シリコン基板の上にＳｉＯ₂からなる下部クラッド層を形成する第１工程と、下部クラッド層上にＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xのいずれかからなるコア形成層を形成する第２工程と、コア形成層の上に有機樹脂からなるレジスト層を形成する第３工程と、２００℃以下の温度条件でレジスト層の上に酸化シリコン層を形成する第４工程と、酸化シリコン層の上にマスクパターンを形成する第５工程と、フッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、マスクパターンをマスクとして酸化シリコン層をエッチングして酸化シリコンマスクパターンを形成する第６工程と、酸素ガスによる反応性イオンエッチングにより、酸化シリコンマスクパターンをマスクとしてレジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成する第７工程と、レジストパターンをマスクとしてコア形成層をエッチングしてコアを形成する第８工程と、２００℃以下の温度条件で、コアの上にＳｉＯ₂からなる上部クラッド層を形成する第９工程とを備える。

上記光導波路の作製方法において、第２工程では、ＳｉＨ₄，ＳｉＤ₄，ＳｉＦ₄，ＳｉＣｌ₄のいずかれ１つのガスと、Ｎ₂，Ｏ₂の少なくとも１つのガスとの混合ガスを用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法で、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xのいずれかを堆積してコア形成層を形成すればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xをコアの材料として用い、伝搬損失が小さい良好な光学特性の光導波路を、融合集積されている他のデバイスを破壊することのない低温で作製できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｄは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｅは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｆは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｇは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｈは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｉは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図１Ｊは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図２は、実施の形態におけるＳｉＯＮからコア１１０を構成した光導波路の伝搬損失を測定した結果を示す特性図である。図３は、ＳｉＨ₄ガス、Ｏ₂ガス、Ｎ₂ガスを用いてＥＣＲプラズマＣＶＤ法で堆積したＳｉＯ_xＮ_y膜の屈折率変化を示した特性図である。図４Ａは、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｂは、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｃは、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｄは、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｅは、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。図４Ｆは、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xよりコアを構成した光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図１Ａ〜図１Ｊを参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｊは、本発明の実施の形態における光導波路の作製方法の途中工程の状態を示す断面図である。

まず、図１Ａに示すように、シリコン基板１０１の上にＳｉＯ₂からなる下部クラッド層１０２を形成する（第１工程）。下部クラッド層１０２は、層厚３μｍ以上に形成すればよい。例えば、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance；ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を堆積すればよい。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法に限るものではないが、下部クラッド層１０２は、２００℃程度の低温で形成することが重要となる。例えば、下部クラッド層１０２は、スパッタ法により形成してもよい。また、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いれば、この基板部をシリコン基板１０１とし、埋め込み酸化層を下部クラッド層１０２とすることができ、上述した堆積のプロセスは省略することができる。

次に、図１Ｂに示すように、下部クラッド層１０２上にＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって、窒化シリコン（ＳｉＮ），酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ），シリコン酸化物（ＳｉＯ_x）のいずれかからなるコア形成層１０３を形成する（第２工程）。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によれば、２００℃以下の低温で上述したいずれかのコア材料が堆積できる。コア形成層１０３は、層厚１〜３μｍに形成すればよい。ここで、コア形成層１０３は、所望とする屈折率のコアを形成するために、ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xにおいては、屈折率が変更できることが重要となる。このため、広い範囲で屈折率を制御でき、低温で膜形成可能な、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いてコア形成層１０３を形成する。

次に、図１Ｃに示すように、コア形成層１０３の上に有機樹脂からなるレジスト層１０４を形成する（第３工程）。例えば、コア形成層１０３の上に、レジスト材料を塗布して層厚２〜４μｍにレジスト層１０４を形成すればよい。また、塗布した後、２００℃程度の温度条件で、レジスト層１０４を加熱処理し、レジスト層１０４を熱硬化する。

次に、図１Ｄに示すように、レジスト層１０４の上に酸化シリコン層１０５を形成する（第４工程）。例えば、層厚０．１〜０．２μｍに酸化シリコン層１０５を形成すればよい。ここでは、レジスト層１０４が変質しない範囲の温度条件で酸化シリコン層１０５を形成することが重要である。この形成工程において、処理温度がレジスト層１０４形成時の温度（２００℃）以上になると、レジスト層１０４が変質してしまう。このため、酸化シリコン層１０５の形成では、２００℃以下の低温で酸化シリコンを堆積することが必要となる。このため、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法，スパッタ法などの、２００℃以下の温度で酸化シリコンが堆積できる成膜方法で酸化シリコン層１０５を形成すればよい。

次に、図１Ｅに示すように、酸化シリコン層１０５の上に、フォトレジスト層１０６を形成する。次いで、フォトレジスト層１０６を、公知路フォトリソグラフィー技術によりパターニングすることで、図１Ｆに示すように、酸化シリコン層１０５の上にマスクパターン１０７を形成する（第５工程）。

次に、フッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、マスクパターン１０７をマスクとして酸化シリコン層１０５をエッチングし、図１Ｇに示すように、酸化シリコンマスクパターン１０８を形成する（第６工程）。例えば、四フッ化炭素（ＣＦ₄）や六フッ化硫黄（ＳＦ₆）などのフッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチング法により、酸化シリコン層１０５をエッチング加工する。

このようなフッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いれば、フッ素ガスの効果を強め、マスクパターン１０７に対する酸化シリコン層１０５のエッチング選択比を下げる条件選ぶことができる。このような条件によれば、マスクパターン１０７のエッジラフネスが、酸化シリコンマスクパターン１０８に転写されるのが抑制できる。この結果、酸化シリコンマスクパターン１０８における側壁荒れ発生を緩和することができる。

次に、マスクパターン１０７を除去した後、図１Ｈに示すように、レジストパターン１０９を形成する（第７工程）。ここでは、酸素ガスによる反応性イオンエッチングによりレジスト層１０４をエッチング加工し、レジストパターン１０９を形成する。このエッチング加工により、結果として、エッジラフネスの小さい状態にレジストパターン１０９が形成できる。

次に、レジストパターン１０９をマスクとしてコア形成層１０３をエッチングし、図１Ｉに示すように、コア１１０を形成する（第８工程）。このように、単層のマスクパターンによる加工ではなく、コア１１０の形成前に、酸化シリコンマスクパターン１０８の形成およびレジストパターン１０９の形成の、２回のエッチング工程を経ることで、フォトリソグラフィーで発生するマスクパターンのエッジラフネスを緩和し、側壁が滑らかなレジストパターン１０９が形成できる。このような側壁が滑らかなレジストパターン１０９を用いてコア形成層１０３をエッチング加工すれば、１０００℃以上での高温処理を実施することなく、滑らかな側壁を持ったコア１１０が形成できる。なお、上述したコア形成層１０３のエッチング加工では、酸化シリコンがエッチングされるため、酸化シリコンマスクパターン１０８は除去される。

次に、レジストパターン１０９を溶剤などに溶解することで、レジストパターン１０９を除去した後、図１Ｊに示すように、コア１１０の上にＳｉＯ₂からなる上部クラッド層１１１を形成する（第９工程）。下部クラッド層１０２の上にコア１１０を覆って上部クラッド層１１１を形成する。上部クラッド層１１１においても、下部クラッド層１０２の形成と同様に、２００℃程度の低温で形成する。例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法やスパッタ法によりＳｉＯ₂を堆積して上部クラッド層１１１とすればよい。

以上の方法で作製した、ＳｉＯＮからコア１１０を構成した光導波路の伝搬損失を測定した結果を図２に示す。図２に示すように、損失値０．８ｄＢ／ｃｍという低い値が得られており、従来１０００℃以上の高温で処理せず２００℃程度以下の温度内の作製でも低損失な光導波路が実現できた。

ところで、ＳｉＯＮは、酸素と窒素の組成比を変化させることで、屈折率を変化させることができる。図３は、ＳｉＨ₄ガス、Ｏ₂ガス、Ｎ₂ガスを用いてＥＣＲプラズマＣＶＤ法で堆積したＳｉＯ_xＮ_y膜の屈折率変化を示した特性図である。ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によれば、Ｏ₂ガスとＮ₂ガスの供給割合を変えることで、ＳｉＯ_xＮ_yのｘ，ｙが変化し、１．４７〜２．０の範囲で屈折率が制御できる。なお、シリコン原料ガスは、ＳｉＨ₄に限るものではなく、ＳｉＤ₄，ＳｉＣｌ₄を用いても、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法では同様に、屈折率を制御してＳｉＯ_xＮ_y膜が形成できる。また、ＳｉＯ_x膜の場合は、シリコン原料ガスと酸素ガスを用いて膜を堆積するが、ガス供給比を制御してシリコンと酸素の組成比を変化させることで、屈折率を１．４７〜１．７０の範囲で制御できる。

以上に説明したように、本発明によれば、酸化シリコンマスクパターンの形成およびレジストパターンの形成の２回のエッチング工程を経て、レジストパターンを用いたエッチング加工によりコアを形成するようにした。この方法によれば、２００℃程度以下の低温で、コアの側壁が滑らかな状態の光導波路構造が形成できるため、低温においても伝搬損失が小さい光導波路が作製できる。また、基板にＳｉやＧｅなど別の材料の光デバイスやＳｉの電子デバイスが作りこまれて状態であっても、２００℃程度以下の温度条件で光導波路構造が作製できるので、基板上に融合集積されているデバイスを破壊することはない。このように、本発明によれば、損失の小さい光導波路とデバイスとの融合集積が可能になり、より高機能なデバイスが作製できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…シリコン基板、１０２…下部クラッド層、１０３…コア形成層、１０４…レジスト層、１０５…酸化シリコン層、１０６…フォトレジスト層、１０７…マスクパターン、１０８…酸化シリコンマスクパターン、１０９…レジストパターン、１１０…コア、１１１…上部クラッド層。

Claims

２００℃以下の温度条件で、シリコン基板の上にＳｉＯ₂からなる下部クラッド層を形成する第１工程と、
前記下部クラッド層上にＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xのいずれかからなるコア形成層を形成する第２工程と、
前記コア形成層の上に有機樹脂からなるレジスト層を形成する第３工程と、
２００℃以下の温度条件で前記レジスト層の上に酸化シリコン層を形成する第４工程と、
前記酸化シリコン層の上にマスクパターンを形成する第５工程と、
フッ素を含む化合物からなるエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、前記マスクパターンをマスクとして前記酸化シリコン層をエッチングして酸化シリコンマスクパターンを形成する第６工程と、
酸素ガスによる反応性イオンエッチングにより、前記酸化シリコンマスクパターンをマスクとして前記レジスト層をエッチングしてレジストパターンを形成する第７工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記コア形成層をエッチングしてコアを形成する第８工程と、
２００℃以下の温度条件で、前記コアの上にＳｉＯ₂からなる上部クラッド層を形成する第９工程と
を備えることを特徴とする光導波路の作製方法。
請求項１記載の光導波路の作製方法において、
前記第２工程では、ＳｉＨ₄，ＳｉＤ₄，ＳｉＦ₄，ＳｉＣｌ₄のいずかれ１つのガスと、Ｎ₂，Ｏ₂の少なくとも１つのガスとの混合ガスを用たＥＣＲプラズマＣＶＤ法で、ＳｉＮ，ＳｉＯＮ，ＳｉＯ_xのいずれかを堆積して前記コア形成層を形成する
ことを特徴とする光導波路の作製方法。