JP6352847B2 - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＮまたはＳｉＯＮより構成されたコアを備える光導波路の製造方法に関する。

近年、光デバイスの小型化、高集積化の要求が高まってきたことから、比屈折率差の高い光導波路の実現が求められてきている。比屈折率差を大きくすれば、シングルモード条件を満たすコア寸法が小さくなり、かつ小さな曲げ半径の光導波路が得られ、結果として光デバイスの小型化が可能になるからである。この目的のため、ＳｉＯ₂にＮをドープしたＳｉＯＮの光導波路が検討され始めている。ＳｉＯ₂にＮをドープすることでＳｉＯＮとなるが、ＳｉＯＮを用いた光導波路はＮのドープ量により、酸化膜（ＳｉＯ₂）の屈折率１．４５から窒化膜（ＳｉＮ）の屈折率２．０２の間の屈折率が得られ、高い比屈折率差の光導波路が作製可能となる。

ＳｉＯＮの膜を形成する方法としては、屈折率制御性，成膜速度，成膜面積の観点から工業的生産における要求を満たすものとして、シリコンの原料としてＳｉＨ₄ガスを、酸素、窒素の原料としてＯ₂、Ｎ₂、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃などのガスを用い、これらの混合ガスによるプラズマ励起化学的気相成長法（プラズマＣＶＤ法）が広く使われている。

しかし、プラズマＣＶＤ法で形成されたＳｉＯＮ膜中は、ＳｉＨ₄や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を持っている。特に、ＮＨはこの倍音にあたる吸収が通信波長帯の１５１０ｎｍ付近に存在するため、このままでは、ＳｉＯＮ光導波路が光通信用には使えないという問題がある。

この問題を解決する１つの方法として、ＥＣＲプラズマを用いたＣＶＤ法によるＳｉＯＮ膜の成膜が提案されている（特許文献１）。ＥＣＲプラズマは他のプラズマに比べて低ガス圧下で高密度プラズマが生成できるため、ＣＶＤに応用した場合、酸素ガス、窒素ガスの分解率が高いことによりＯやＮを膜中に効率よく取り込むことができる。加えて、成膜中に適度のエネルギーを持ったイオンが基板照射されることで、これが緻密な膜形成反応と水素の膜からの脱離反応を促進する特性を持つ。これらのため、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法で形成したＳｉＯＮ膜は、他のプラズマＣＶＤ法で形成した同じ屈折率のＳｉＯＮ膜に比べてＯＨ，ＮＨ吸収を小さくできる。ＮＨ，ＯＨの吸収を完全になくすことはできないが、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法よるＳｉＯＮ膜は、実用上適用可能なレベルの低損失光導波路を実現でき、光通信デバイスに利用されている。

特許第４１８９３６１号公報

しかしながら、近年、小型高集積の要求の高まりにより、より屈折率の高いコアによる光導波路が求められ、ＳｉＮやＳｉＮに近い屈折率を持つＳｉＯＮが光導波路コア膜として利用されるようになってきている。この場合、屈折率が高くなるにつれＳｉＯＮ膜中のＮの割合が増えることになるためＮＨも当然増えることになる。このため、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法で成膜するというこれまでの方法だけでは、ＮＨの吸収損失が顕著になり実用的な低損失な光導波路は実現できないという問題が生じている。

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やＳｉＮに近い高い屈折率を持つＳｉＯＮよりコアを構成した場合において、低損失な光導波路が形成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製造方法は、基板の上に下部クラッド層を形成する第１工程と、酸素および窒素の少なくとも１つとシランおよび三フッ化窒素を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により下部クラッド層の上にＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）からなるコア形成膜を形成する第２工程と、コア形成膜をパターニングして下部クラッド層の上にコアを形成する第３工程と、コアが形成された下部クラッド層の上に上部クラッド層を形成する第４工程とを備え、プラズマＣＶＤ法は、プラズマ生成室と成膜室とを備えるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法であり、第２工程では、酸素および窒素の少なくとも１つをガス導入管でプラズマ生成室に導入し、シランおよび三フッ化窒素を各々別のガス導入管で成膜室に導入し、コア形成膜を形成する。

上記光導波路の製造方法において、第１工程では、酸化シリコンからなる下部クラッド層を形成すればよい。この場合、第１工程の後の第２工程の前に、下部クラッド層の上に接してＳｉＯ_1-yＮ_y（０≦ｙ＜１）からなる密着層を形成する第５工程を備え、密着層の上面は、窒素を含む状態とし、第２工程では、密着層に接してコア形成膜を形成すると良い。また、密着層は、厚さ方向に下部クラッド層から離れるほどｙが大きくなる状態に形成してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、酸素および窒素の少なくとも１つとシランおよび三フッ化窒素を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により下部クラッド層の上にＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）からなるコア形成膜を形成するようにしたので、ＳｉＮやＳｉＮに近い高い屈折率を持つＳｉＯＮよりコアを構成した場合において、低損失な光導波路が形成できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２は、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の構成を示す構成図である。 図３は、図２を用いて説明したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＯＮ膜の屈折率を調べた結果を示す特性図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図４Ｄは、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図４Ｅは、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。 図４Ｆは、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するためのフローチャートである。

まず、第１工程Ｓ１０１で、基板の上に下部クラッド層を形成する。次に、第２工程Ｓ１０２で、酸素および窒素の少なくとも１つとシランおよび三フッ化窒素を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により下部クラッド層の上にＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）からなるコア形成膜を形成する。次に、第３工程Ｓ１０３で、コア形成膜をパターニングして下部クラッド層の上にコアを形成する。次に、第４工程Ｓ１０４で、コアが形成された下部クラッド層の上に上部クラッド層を形成する。

ここで、第２工程におけるＳｉＯ_1-xＮ_xからなるコア形成膜の形成（堆積）は、以下に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法により実施すれば良い。この装置は、プラズマ生成室２０１、成膜室２０２、基板台２０３、磁気コイル２０４、導波管２０５、石英窓２０６、ガス導入管２０７、ガス導入管２０８、ガス導入管２０９を備える。

この装置では、プラズマ生成室２０１の周囲に配置された磁気コイル２０４により、プラズマ生成室２０１内部の適当な領域にＥＣＲ条件を満たす磁界（８７５ガウス）を発生させ、成膜室２０２内においてはプラズマ流２１１の形でイオンを引き出すための発散磁界を形成させる。

まず、酸素、窒素ガスを、ガス導入管２０７を通してプラズマ生成室２０１に導入し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管２０５より石英窓２０６を介してプラズマ生成室２０１に導入してプラズマを生成する。安定にプラズマが生成されたことが確認されたら、ＳｉＨ₄ガスをガス導入管２０８により成膜室２０２の基板台２０３近傍に供給し、ＮＦ₃ガスをガス導入管２０９により成膜室２０２に供給し、基板Ｗの近傍で酸素、窒素プラズマと反応させ基板Ｗの表面にＳｉＯＮ膜を形成する。なお、酸素を供給せずに成膜すれば、ＳｉＮ膜が形成できる。

この成膜では、プラズマ流２１１中に発生する電界により加速されたイオンが、基板Ｗの表面に入射して衝撃を与え、このエネルギーにより膜形成反応が促進され、緻密な高品質なＳｉＯＮ膜が形成される。また同時に、ＮＦ₃の分解によって生成されたＦによって水素（Ｈ）をＨＦとして引き抜く反応（ＳｉＯＮＨ＋Ｆ→ＳｉＯＮ＋ＨＦ）を促進するため、水素含有量の少ないＳｉＯＮ膜が形成される。ＳｉＮの場合は、ＮＦ₃の分解によって生成されたＦによって水素（Ｈ）をＨＦとして引き抜く反応（ＳｉＮＨ＋Ｆ→ＳｉＮ＋ＨＦ）を促進するため、水素含有量の少ないＳｉＮ膜が形成される。

ところで、ＳｉＨ₄とＮＦ₃は、同じガス導入管から成膜室２０２に供給しても構わないが、同じガス導入管を用いると、ガス導入管のなかでＳｉＨ₄とＮＦ₃とが、ある割合で反応してしまう。効率的に成膜反応をさせ、堆積している膜からの水素引き抜き反応に作用させるためには、上で説明したように、別のガス導入管から成膜室２０２に供給するのが望ましい。

なお、基板台２０３には、図示していないがヒーターが埋め込まれ、成膜中の基板Ｗの温度を、例えば２００℃程度に維持可能としている。基板Ｗの上に形成される膜の均一性を高めるため、基板台２０３を傾けて回転させる機構を備えるようにしてもよい。

図２に示すようなＥＣＲプラズマＣＶＤ装置は、プラズマ生成にＥＣＲ条件を用いているため、０．０１〜１Ｐａの低ガス圧で安定にプラズマを生成でき、膜の形成では、０．１〜０．５Ｐａ程度のガス圧を用いればよい。このように、ＥＣＲプラズマは、低ガス圧，高エネルギー電子の特徴から、従来のプラズマＣＶＤ法に比較して、導入ガス分子の分解、励起、イオン化が著しく向上する。さらに、本装置構成では、イオンは発散磁場の効果によって成膜室２０２内の基板台２０３にまで引き出され、低エネルギーのイオン衝撃によって基板表面での膜形成反応を促進する。

次に、上述したようにＮＦ₃も用いたＣＶＤ法により成膜したＳｉＯＮ膜の屈折率について図３を用いて説明する。図３は、図２を用いて説明したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置により形成したＳｉＯＮ膜の屈折率を調べた結果を示す特性図である。ＳｉＨ₄ガスの流量を２０ｓｃｃｍ、ＮＦ₃を１０ｓｃｃｍ、酸素を２０ｓｃｃｍ、窒素を８０ｓｃｃｍとした条件で成膜し、エリプソメータで波長６３２．８ｎｍでの屈折率を測定した結果である。なお、ｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ³流れることを示す。

屈折率が１．７１のＳｉＯＮ膜が安定に形成できている。フーリエ変換赤外分光度計による測定で、膜中の水素が大幅に低減されることも確認されている。なお、成膜中のガス圧は０．２３Ｐａ、マイクロ波パワーは５００Ｗである。このとき、成膜速度は、０．１μｍ／ｍｉｎ以上と実用的な値である。

次に、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法について、図４Ａ〜図４Ｆを用いてより詳細に説明する。図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。図４Ａ〜図４Ｆでは、断面を模式的に示している。

まず、図４Ａに示すように、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層厚３μｍ程度の下部クラッド層１０２を形成する。例えば、基板１０１の表面を熱酸化することで、下部クラッド層１０２を形成すれば良い。

次に、図４Ｂに示すように、下部クラッド層１０２の上に接してＳｉＯ_1-yＮ_y（０≦ｙ＜１）からなる密着層１０７を形成する。密着層１０７の上面は、窒素を含む状態とする。例えば、密着層１０７は、厚さ方向に下部クラッド層１０２から離れるほどＳｉＯ_1-yＮ_yのｙが大きくなる状態に形成するとよい。

ここで、上述したように、下部クラッド層１０２から離れるほど窒素の組成比が大きくなる組成遷移させた密着層１０７の形成について、より詳細に説明する。まずＯ₂のＥＣＲプラズマにより下部クラッド層１０２の表面をクリーニングした後、ここにＳｉＨ₄ガスを導入し、下部クラッド層１０２の上に酸化シリコン膜が数ｎｍ程度堆積した状態とする。次に、Ｏ₂，ＳｉＨ₄ガスに加えて窒素ガスを導入し、所定の屈折率（１．５１）のＳｉＯＮが形成できる条件までＯ₂ガス、ＳｉＨ₄ガス、窒素ガスの流量を徐々に増加させる。この過程で、初期に形成した酸化シリコン膜の上に窒素濃度が徐々に増加して目的のＳｉＯＮ膜へ組成が遷移する密着層１０７が形成できる。

密着層１０７は初期に形成した酸化シリコン膜の上に窒素濃度が徐々に増加して目的のＳｉＯＮ膜へ組成が遷移する膜であることが望ましいが、酸化シリコン膜と目的のＳｉＯＮ膜の間の組成であれば、窒素濃度が一定の膜であってもほぼ同様な効果が得られるので、窒素濃度が一定の膜であっても構わない。また、密着層１０７の形成においてＮＦ₃ガスを添加しても構わない。このように形成した密着層１０７は、下部クラッド層１０２との接触面は窒素を含まず、酸化シリコンからなる下部クラッド層１０２との間でより高い密着性が得られる。

次に、図４Ｃに示すように、密着層１０３の上に接してＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）からなる膜厚３μｍ程度のコア形成膜１０４を形成する。コア形成膜１０４の形成では、前述したように、酸素および窒素の少なくとも１つとシランおよび三フッ化窒素を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により、上述した密着層１０７の形成に引き続いて所望のｘとしたＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）を堆積すればよい。これにより、水素の含有量が少ない状態でコア形成膜１０４が形成できる。また、密着層１０７のコア形成膜１０４との接触面は、窒素濃度が高い状態とされているので、ＳｉＯ_1-xＮ_xからなるコア形成膜１０４との間でより高い密着性が得られる。

次に、図４Ｄに示すように、コア形成膜１０４のコア形成箇所の上に、公知のフォトリソグラフィー技術により、レジストパターン１５１を形成する。次に、レジストパターン１５１をマスクとしてコア形成膜１０４および密着層１０３をエッチングすることで、図４Ｅに示すように、密着層１１３の上にコア１１４が形成された状態とする。コア１１４は、導波方向に垂直な断面の寸法を０．５×０．５μｍ程度とすれば良い。

例えば、カーボンとフッ素とを含むガスを用いたリアクティブイオンエッチングにより、コア形成膜１０４および密着層１０３を選択的にエッチングすることで、密着層１１３およびコア１１４が形成できる。なお、密着層１０３は上述したパターニングをせず、下部クラッド層１０２の全域に残すようにしてもよい。

次に、レジストパターン１５１を除去した後、図４Ｆに示すように、コア１１４が形成された下部クラッド層１０２の上に上部クラッド層１０５を形成する。上部クラッド層１０５は、コア１１４を埋め込むように形成する。例えば、上述したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いて酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層１０５を形成すれば良い。このとき、ＮＦ₃を添加して酸化シリコン膜を堆積すると、ＯＨの少ない膜が形成できるのでよりよい。以上のことにより、基板１０１の上に下部クラッド層１０２が形成され、下部クラッド層１０２の上にＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）からなるコア１１４が形成され、これらの上に上部クラッド層１０５が形成された光導波路が得られる。

なお、上述したコア１１４の断面寸法や各クラッド層の厚さは、コア１１４をＳｉＮから構成した場合の値であり、コアをＳｉＯＮとした場合や目的のデバイスによってコアの屈折率を変えた場合は、各寸法を適宜設定する。

以上に説明したように、本発明によれば、酸素および窒素の少なくとも１つとシランおよび三フッ化窒素を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により下部クラッド層の上にＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）からなるコア形成膜を形成するようにしたので、ＳｉＮやＳｉＮに近い高い屈折率を持つＳｉＯＮよりコアを構成した場合において、低損失な光導波路が形成できる。

上述では、一例としてＥＣＲプラズマを利用したプラズマＣＶＤ法による場合を説明したが、他のプラズマＣＶＤ法でもＮＦ₃ガスを原料ガスに混ぜることでＳｉＯＮ膜中の水素を引き抜く反応を起こすことができる。

ただし、原料ガスにＮＦ₃を用いているので、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法を用いた方が良い。ＥＣＲプラズマは電子温度が高いため、ガスを効率よく分解する。このため、基板に対し、ＮＦ₃から分解によるＦが多く供給でき、本発明の効果を高めることができる。また、プラズマ生成室に近いほどプラズマ電子温度が高くガスの分解が起こりやすいので、図２に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置において、ガス導入管２０８によりＳｉＨ₄を導入し、ガス導入管２０９によりＮＦ₃を導入するとよい。このようにすることで、ＮＦ₃は、ＥＣＲプラズマの作用をより多く受けてＦの発生がより多くなり、ＳｉＨ₄は、ＥＣＲプラズマの作用が比較的小さくなりＨの発生は少なくできるので、より発明の効果を高めることができる。

本発明によれば、水素の取り込みが少ないＳｉＯＮ膜が形成でき、結果として、光導波路にしたときにＮＨの吸収が少ないため、通信波長帯においても低損失な光素子を作ることができる。

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…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…密着層、１０４…コア形成膜、１０５…上部クラッド層、１１３…密着層、１１４…コア、１５１…レジストパターン。

Claims (4)

1. 基板の上に下部クラッド層を形成する第１工程と、
   酸素および窒素の少なくとも１つとシランおよび三フッ化窒素を原料ガスとしたプラズマＣＶＤ法により前記下部クラッド層の上にＳｉＯ_1-xＮ_x（０＜ｘ≦１）からなるコア形成膜を形成する第２工程と、
   前記コア形成膜をパターニングして前記下部クラッド層の上にコアを形成する第３工程と、
   前記コアが形成された前記下部クラッド層の上に上部クラッド層を形成する第４工程と
   を備え、
   前記プラズマＣＶＤ法は、プラズマ生成室と成膜室とを備えるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用いたＥＣＲプラズマＣＶＤ法であり、
   前記第２工程では、酸素および窒素の少なくとも１つをガス導入管で前記プラズマ生成室に導入し、シランおよび三フッ化窒素を各々別のガス導入管で前記成膜室に導入し、前記コア形成膜を形成する
   ことを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 請求項１記載の光導波路の製造方法において、
   前記第１工程では、酸化シリコンからなる前記下部クラッド層を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
3. 請求項２に記載の光導波路の製造方法において、
   前記第１工程の後の前記第２工程の前に、前記下部クラッド層の上に接してＳｉＯ_1-yＮ_y（０≦ｙ＜１）からなる密着層を形成する第５工程を備え、
   前記密着層の上面は、窒素を含む状態とし、
   前記第２工程では、前記密着層に接して前記コア形成膜を形成する
   ことを特徴とする光導波路の製造方法。
4. 請求項３記載の光導波路の製造方法において、
   前記密着層は、厚さ方向に前記下部クラッド層から離れるほどｙが大きくなる状態に形成することを特徴とする光導波路の製造方法。