JP7361746B2 - フォトニック結晶素子用複合基板 - Google Patents
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Description
1つの実施形態においては、上記光学損失抑制および空洞加工層は単一層である。
この実施形態においては、上記フォトニック結晶素子用複合基板は、上記電気光学結晶基板と上記光学損失抑制および空洞加工層との間に剥離防止層をさらに有していてもよい。
この実施形態においては、上記フォトニック結晶素子用複合基板は、上記光学損失抑制および空洞加工層と上記支持基板との間に接合層をさらに有していてもよい。
この実施形態においては、上記フォトニック結晶素子用複合基板は、上記光学損失抑制および空洞加工層に、パターン化された犠牲層が形成されていてもよい。
この実施形態においては、上記フォトニック結晶素子用複合基板は、上記光学損失抑制および空洞加工層と上記支持基板との間にオーバーコート層をさらに有していてもよい。
別の実施形態においては、上記光学損失抑制および空洞加工層は、上記電気光学結晶基板に設けられた光学損失抑制層と上記支持基板に設けられた空洞加工層とを有し、該光学損失抑制層と該空洞加工層とが直接接合されている。
この実施形態においては、上記フォトニック結晶素子用複合基板は、上記光学損失抑制層と上記支持基板との間に接合層をさらに有していてもよい。
この実施形態においては、上記フォトニック結晶素子用複合基板は、上記光学損失抑制層または上記空洞加工層に、パターン化された犠牲層が形成されていてもよい。
この実施形態においては、上記フォトニック結晶素子用複合基板は、上記光学損失抑制層と上記空洞加工層との間にオーバーコート層をさらに有していてもよい。
本発明の別の局面によれば、フォトニック結晶素子が提供される。当該フォトニック結晶素子は、上記のフォトニック結晶素子用複合基板を用いたフォトニック結晶素子である。当該フォトニック素子は、上記電気光学結晶基板に周期的に空孔が形成されてなるフォトニック結晶層と;該フォトニック結晶層の下部に設けられ、該フォトニック結晶層と支持基板とを一体化する接合部と;該フォトニック結晶層の下面と上記支持基板の上面と該接合部とにより規定される空洞と、を有する。
1つの実施形態においては、上記フォトニック結晶素子は、上記のフォトニック結晶素子用複合基板を用いて構成される。
1つの実施形態においては、上記フォトニック結晶層にはエッチング用貫通孔が形成されている。この場合、上記エッチング用貫通孔のサイズは上記空孔のサイズよりも大きくてもよい。
A-1.全体構成および変形例
図1は、本発明の1つの実施形態によるフォトニック結晶素子用複合基板(以下、単に複合基板と称する場合がある)の概略斜視図であり;図2は、図1の複合基板の概略断面図である。本発明の実施形態による複合基板は、代表的には図1に示すように、いわゆるウェハの形態で製造され得る。複合基板は、図1のようなウェハの形態でフォトニック結晶素子の製造者に提供されてもよく、後述するようにフォトニック結晶層を形成したウェハ(フォトニック結晶ウェハ)の形態で製造者に提供されてもよい。本明細書においては、フォトニック結晶ウェハをフォトニック結晶素子と称する場合がある。すなわち、本明細書において「フォトニック結晶素子」は、フォトニック結晶ウェハおよび当該フォトニック結晶ウェハを切断して得られるチップの両方を包含する。
電気光学結晶基板10は、外部に露出する上面と、複合基板内に位置する下面と、を有する。本発明の実施形態においては、電気光学結晶基板10の一部または全部は、複合基板から製造されるフォトニック結晶素子において光を伝える光導波路となる。電気光学結晶基板10は、電気光学効果を有する材料の結晶で構成されている。具体的には、電気光学結晶基板10は、電界が印加されると光学定数(例えば、屈折率)が変化し得る。1つの実施形態においては、電気光学結晶基板10のc軸は、電気光学結晶基板10に平行であり得る。すなわち、電気光学結晶基板10は、Xカットの基板であってもよくYカットの基板であってもよい。別の実施形態においては、電気光学結晶基板10のc軸は、電気光学結晶基板10に垂直であり得る。すなわち、電気光学結晶基板10は、Zカットの基板であってもよい。電気光学結晶基板10の厚みは、使用する電磁波の周波数や波長に応じて任意の適切な厚みに設定され得る。電気光学結晶基板10の厚みは、例えば0.1μm~10μm、また例えば0.1μm~3μmであり得る。後述するように、複合基板は支持基板により補強されているので、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。
支持基板30は、複合基板内に位置する上面と、外部に露出する下面と、を有する。支持基板30は、複合基板の強度を高めるために設けられており、これにより、電気光学結晶基板の厚みを薄くすることができる。支持基板30としては、任意の適切な構成が採用され得る。支持基板30を構成する材料の具体例としては、シリコン(Si)、ガラス、サイアロン(Si3N4-Al2O3)、ムライト(3Al2O3・2SiO2,2Al2O3・3SiO2)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化シリコン(Si3N4)、酸化マグネシウム(MgO)、サファイア、石英、水晶、窒化ガリウム(GaN)、炭化シリコン(SiC)、酸化ガリウム(Ga2O3)が挙げられる。なお、支持基板30を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板10を構成する材料の線膨張係数に近いほど好ましい。このような構成であれば、複合基板の熱変形(代表的には、反り)を抑制することができる。好ましくは、支持基板30を構成する材料の線膨張係数は、電気光学結晶基板10を構成する材料の線膨張係数に対して50%~150%の範囲内である。この観点から、支持基板は、電気光学結晶基板10と同じ材料であってもよい。
A-4-1.単一層
光学損失抑制および空洞加工層(単一層)20は、上記のとおり、光学損失抑制機能、空洞加工機能およびエッチング停止機能を有する。光学損失抑制および空洞加工層としては、このような機能を有する限りにおいて任意の適切な構成が採用され得る。光学損失抑制および空洞加工層(単一層)を構成する材料としては、例えば、酸化シリコン(SiO2)、アモルファスシリコン(a-Si)、多結晶シリコン(すなわち、単結晶シリコンは除く)、モリブデン、酸化アルミニウム(Al2O3)、これらの材料の材料の化合物、これらの材料の混合物が挙げられる。光学損失抑制および空洞加工層(単一層)の厚みは、例えば0.1μm~1.0μmであり、また例えば0.5μm~1.0μmである。
光学損失抑制および空洞加工層が光学損失抑制層21と空洞加工層22とを有する場合、光学損失抑制層としては、光学損失抑制機能を有する限りにおいて任意の適切な構成が採用され得る。光学損失抑制層を構成する材料としては、例えば、アモルファスシリコン、多結晶シリコン(すなわち、単結晶シリコンは除く)、モリブデン、酸化アルミニウム、これらの材料の材料の化合物、これらの材料の混合物が挙げられる。光学損失抑制層の厚みは、例えば0.01μm(10nm)~0.1μm(100nm)であり、また例えば0.01μm(10nm)~0.05μm(50nm)である。
剥離防止層40は、上記のとおり、電気光学結晶基板10と隣接層(代表的には、光学損失抑制および空洞加工層20)との剥離を防止または抑制するために設けられる。剥離防止層としては、電気光学結晶基板および隣接層の構成に応じて任意の適切な構成が採用され得る。剥離防止層を構成する材料としては、例えば、アモルファスシリコン、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム(HfO2)が挙げられる。剥離防止層の厚みは、例えば0.01μm~0.1μmである。
オーバーコート層50は、上記のとおり、光学損失抑制および空洞加工層20に凹凸がある場合に平坦化するために設けられる。オーバーコート層としては、目的および隣接層(例えば、犠牲層)の構成に応じて任意の適切な構成が採用され得る。オーバーコート層を構成する材料としては、例えば、アモルファスシリコン、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムが挙げられる。オーバーコート層の厚みは、例えば0.01μm~1μmである。
接合層60は、上記のとおり、接合強度を高めて電気光学結晶基板と支持基板との強固な一体化を実現するために設けられる。接合層としては、接合対象となる基板または層の構成に応じて任意の適切な構成が採用され得る。接合層を構成する材料としては、例えば、酸化シリコン、アモルファスシリコン、酸化タンタル、アルミナ(Al2O3)、ハフニア(HfO2)、Cr/Au、Cr/Cuが挙げられる。接合層の厚みは、例えば0.01μm~0.1μmであり、また例えば0.01μm~0.05μmである。
犠牲層70は、上記のとおり、設計通りの位置に、設計通りの形状で空洞を形成するために設けられる。犠牲層としては、目的に応じて任意の適切な構成が採用され得る。犠牲層を構成する材料としては、例えば、アモルファスシリコン、シリコン、モリブデン、酸化シリコン、酸化アルミニウム、これらの材料の材料の化合物、これらの材料の混合物が挙げられる。犠牲層の厚みは、例えば0.1μm~1.0μmであり、また例えば0.2μm~0.7μmである。
B-1.フォトニック結晶素子の構成
図10は、本発明の1つの実施形態によるフォトニック結晶素子の概略斜視図である。図示例のフォトニック結晶素子200は、電気光学結晶基板10に周期的に空孔12が形成されてなるフォトニック結晶層10aと;フォトニック結晶層10aの下部に設けられ、フォトニック結晶層10aと支持基板30とを一体化する接合部20aと、フォトニック結晶層10aの下面と支持基板の上面30と接合部20aの内側面とにより規定される空洞80と、を有する。空洞80は、上記A項に記載の複合基板の光学損失抑制および空洞加工層をエッチングにより除去することにより形成され、光学損失抑制および空洞加工層の残りにより接合部20aが構成されている。
(1/7)×(λ/n)≦P≦1.4×(λ/n)
ここで、λは光導波路に導入される光の波長(nm)であり、nは電気光学結晶基板の屈折率である。空孔周期Pは、具体的には0.1μm~1μmであり得る。1つの実施形態においては、空孔周期Pは、フォトニック結晶層(電気光学結晶基板)の厚みと同等であり得る。空孔の直径d1は、空孔周期Pに対して例えば0.1P~0.9Pであり得る。空孔の直径d1、空孔周期P、格子列の数、1つの格子列における空孔の数、フォトニック結晶層の厚み、電気光学結晶基板の構成材料(実質的には、屈折率)、線欠陥部分の幅、後述する空洞の幅および高さ等を適切に組み合わせて調整することにより、所望のフォトニックバンドギャップが得られ得る。さらに、光波以外の電磁波に対しても同様の効果が得られ得る。電磁波の具体例としては、ミリ波、マイクロ波、テラヘルツ波が挙げられる。
図11~図13を参照して、フォトニック結晶素子の製造方法の代表例を簡単に説明する。図11(a)~図11(c)は、複合基板からフォトニック結晶素子を作製するプロセスの一例を説明する概略断面図である。この例は、図11(a)に示すような図4の複合基板に類似した複合基板からフォトニック結晶素子を作製するプロセスである。この複合基板は、図4の複合基板に比べて、光学損失抑制および空洞加工層20(犠牲層70)と支持基板30との間に接合層60がさらに設けられている。まず、図11(b)に示すように、所定のマスクを介したエッチングにより、電気光学結晶基板10に空孔12を形成する。エッチングは、代表的にはドライエッチング(例えば、反応性イオンエッチング)である。空孔12は、例えば図10に示すようなパターンで形成され得る。なお、図面では、エッチング用貫通孔の形成は省略されている。次いで、電気光学結晶基板に空孔が形成された複合基板を、所定のエッチング液と接触させる(例えば、浸漬する)ことにより、犠牲層70をエッチングする。その結果、図11(c)に示すように空洞80が形成され、フォトニック結晶素子が得られる。空孔形成時のエッチング用マスクと犠牲層とを同じ材料で構成すれば、一度の接触(例えば、浸漬)により、マスクの残りと犠牲層とを同時に除去することができる。
1.フォトニック結晶素子用複合基板の作製
電気光学結晶基板として直径4インチのXカットニオブ酸リチウム基板、支持基板として直径4インチのシリコン基板を用意した。まず、電気光学結晶基板上にアモルファスシリコン(a-Si)をスパッタリングして、厚み20nmの光学損失抑制層を形成した。一方、支持基板上に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み0.5μmの空洞加工層を形成し、空洞加工層上にa-Siをスパッタリングして、厚み20nmの接合層を形成した。次いで、光学損失抑制層および接合層の表面をそれぞれCMP研磨して、光学損失抑制層および接合層の表面の算術平均粗さRaを0.3nm以下とした。次に、光学損失抑制層および接合層の表面を洗浄した後、光学損失抑制層および接合層を直接接合することにより電気光学結晶基板と支持基板とを一体化した。直接接合は、以下のようにして行った。10-6Pa台の真空中で、電気光学結晶基板および支持基板の接合面(光学損失抑制層および接合層の表面)に高速Ar中性原子ビーム(加速電圧1kV、Ar流量60sccm)を70秒間照射した。照射後、10分間放置して電気光学結晶基板および支持基板を放冷したのち、電気光学結晶基板および支持基板の接合面を接触させ、4.90kNで2分間加圧して電気光学結晶基板と支持基板とを接合した。接合後、電気光学結晶基板の厚みが0.5μmになるまで研磨加工し、図5に類似したフォトニック結晶素子用複合基板(ただし、光学損失抑制層と空洞加工層との間に接合層あり)を得た。得られたフォトニック結晶素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
上記で得られたフォトニック結晶素子用複合基板から、図12に示す製造方法に対応する方法でフォトニック結晶素子を作製した。具体的には、以下の手順でフォトニック結晶素子を作製した。まず、電気光学結晶基板に金属マスクとしてモリブデン(Mo)を成膜した。次に、金属マスク上に、ナノインプリント法により、所定の配置で空孔を有する樹脂パターンを形成した。具体的には、フォトニック結晶の空孔に対応する空孔パターンとして、平面視した場合の左側および右側に、直径444nmの空孔を、光導波路方向および光導波路方向に直交する方向にそれぞれ550nmの周期(ピッチ)で有する10列の格子列を形成した。空孔は、平面視した場合の中央部には形成しなかった(最終的に、この部分が光導波路となる)。さらに、平面視した場合の隅部(左右の格子列部分の光導波路となる部分の反対側の端部の入力部側および出力部側)に、直径200μmの空孔(エッチング用貫通孔のパターン)を4つ形成した。次いで、Moエッチング液(硝酸:酢酸:リン酸の混合比10:15:1の混合液)によるエッチングによりMoマスクに上記パターンに対応する空孔を形成した。次いで、パターン形成されたMoマスクを介したフッ素系反応性イオンエッチングにより、複合基板に空孔パターンおよびエッチング用貫通孔を形成した。次いで、BHF(バッファードフッ酸)エッチング液に複合基板を浸漬し、空洞加工層を除去して空洞を形成した。さらに、Moマスクの残りをMoエッチング液で除去した。最後に、約10%に希釈した水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)に複合基板を浸漬して光学損失抑制層および接合層をエッチングし、フォトニック結晶ウェハを作製した。得られたフォトニック結晶ウェハをダイシングによりチップ切断し、フォトニック結晶素子を得た。フォトニック結晶素子の光導波路長は10mmとした。なお、チップ切断後、光導波路の入力側端面および出力側端面には端面研磨を施した。
さらに、得られたチップについて、光挿入損失を測定した。具体的には、光ファイバに結合した入力側の先球ファイバを通して波長1.55μmの光をチップ(実質的には、フォトニック結晶層の光導波路)に導入し、出力側の先球ファイバを通して出力した光量を光検出器で測定して伝搬損失を算出した。光導波路の伝搬損失は、0.5dB/cmであった。
1.フォトニック結晶素子用複合基板の作製
実施例1と同様の電気光学結晶基板および支持基板を用意した。次いで、電気光学結晶基板上に、犠牲層としてのMo膜(厚み0.5μm)をスパッタリングにより形成した。なお、Moは、電気光学結晶基板(ニオブ酸リチウム基板)への拡散がなく、したがって電気光学結晶基板の光学的劣化を引き起こさないとされている。さらに、フォトリソグラフィーにより、犠牲層をパターン化した。具体的には、Mo膜の犠牲層となる部分をレジストマスクパターンで覆い、露出部分をMoエッチング液にて除去した。次いで、Moパターンが形成された面に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み1μmの光学損失抑制および空洞加工層を形成し、CMP研磨することにより当該層の表面の算術平均粗さRaを0.3nm以下とした。さらに、研磨した層の表面にa-Siをスパッタリングして、厚み20nmの接合層を形成し、CMP研磨することにより接合層表面の算術平均粗さRaを0.3nm以下とした。次に、接合層および支持基板の表面を洗浄した後、接合層および支持基板を直接接合することにより電気光学結晶基板と支持基板とを一体化した。直接接合の条件は実施例1と同様であった。接合後、電気光学結晶基板の厚みが0.5μmになるまで研磨加工し、図4に類似したフォトニック結晶素子用複合基板(ただし、電気光学結晶基板と支持基板との間に接合層あり)を得た。得られたフォトニック結晶素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
上記で得られたフォトニック結晶素子用複合基板から、図11に示す製造方法に対応する方法でフォトニック結晶素子を作製した。具体的には、以下の手順でフォトニック結晶素子を作製した。まず、実施例1と同様にして空孔パターンおよびエッチング用貫通孔を形成した。次いで、Moエッチング液に複合基板を浸漬してMoマスクの残りと犠牲層をエッチングし、フォトニック結晶ウェハを作製した。得られたフォトニック結晶ウェハを実施例1と同様にしてチップ切断し、フォトニック結晶素子を得た。フォトニック結晶素子の光導波路長は実施例1と同様に10mmとした。なお、チップ切断後、実施例1と同様にして端面研磨を施した。
1.フォトニック結晶素子用複合基板の作製
実施例1と同様の電気光学結晶基板および支持基板を用意した。次いで、電気光学結晶基板上に、光学損失抑制層としてのMo膜(厚み0.215μm)をスパッタリングにより形成した。さらに、フォトリソグラフィーにより、光学損失抑制層をパターン化した。具体的には、Mo膜の光学損失抑制層となる部分をレジストマスクパターンで覆い、露出部分をMoエッチング液にて除去した。次いで、Moパターンが形成された面に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み0.25μmの犠牲層を形成し、CMP研磨することにより犠牲層の表面の算術平均粗さRaを0.3nm以下とした。次いで、研磨した犠牲層の表面に酸化シリコンをスパッタリングして、厚み0.5μmの空洞加工層を形成し、CMP研磨することにより空洞加工層の表面の算術平均粗さRaを0.3nm以下とした。さらに、a-Siをスパッタリングして、厚み20nmの接合層を形成し、CMP研磨することにより接合層表面の算術平均粗さRaを0.3nm以下とした。以下の手順は実施例1と同様にして、図9に類似したフォトニック結晶素子用複合基板(ただし、電気光学結晶基板と支持基板との間に接合層あり)を得た。得られたフォトニック結晶素子用複合基板においては、接合界面にはがれ等の不良は観察されなかった。
上記で得られたフォトニック結晶素子用複合基板から、図13に示す製造方法に対応する方法でフォトニック結晶素子を作製した。具体的には、以下の手順でフォトニック結晶素子を作製した。まず、実施例1と同様にして空孔パターンおよびエッチング用貫通孔を形成した。次いで、Moエッチング液に複合基板を浸漬してMoマスクの残りをエッチングした。さらに、BHFエッチング液に複合基板を浸漬し、犠牲層および空洞加工層を除去して空洞を形成し、フォトニック結晶ウェハを作製した。得られたフォトニック結晶ウェハを実施例1と同様にしてチップ切断し、フォトニック結晶素子を得た。フォトニック結晶素子の光導波路長は実施例1と同様に10mmとした。なお、チップ切断後、実施例1と同様にして端面研磨を施した。
エッチング用貫通孔を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にしてフォトニック結晶素子用複合基板を作製し、当該複合基板からフォトニック結晶ウェハおよびフォトニック結晶素子(チップ)を作製した。得られたフォトニック結晶素子(チップ)を実施例1と同様の評価に供した。その結果、フォトニック結晶層直下に空洞が形成されていないチップが認められた。空洞が設計通りに形成できているチップの歩留は約50%であった。さらに、空洞が形成されているチップの光導波路の伝搬損失は0.5dB/cmであったが、空洞が形成されていないチップの光導波路の伝搬損失は2dB/cm以上であった。
12 空孔
14 薄板スラブ
16 光導波路
20 光学損失抑制および空洞加工層
21 光学損失抑制層
22 空洞加工層
30 支持基板
40 剥離防止層
50 オーバーコート層
60 接合層
70 犠牲層
80 空洞
90 エッチング用貫通孔
100 フォトニック結晶素子用複合基板
100a フォトニック結晶素子用複合基板
100b フォトニック結晶素子用複合基板
100c フォトニック結晶素子用複合基板
100d フォトニック結晶素子用複合基板
100e フォトニック結晶素子用複合基板
100f フォトニック結晶素子用複合基板
200 フォトニック結晶素子
Claims (4)
- 電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、
該電気光学結晶基板の一方の面に設けられた光学損失抑制および空洞加工層と、
該光学損失抑制および空洞加工層を介して該電気光学結晶基板と一体化されている支持基板と、を有し、
前記光学損失抑制および空洞加工層が、前記電気光学結晶基板に設けられた光学損失抑制層と前記支持基板に設けられた空洞加工層とを有し、該光学損失抑制層と該空洞加工層とが直接接合されており、
前記光学損失抑制層と前記空洞加工層との直接接合の接合界面に、前記光学損失抑制層の構成元素と前記空洞加工層の構成元素とで構成されているアモルファス層が形成されており、
前記光学損失抑制層の厚みが、0.01μm~0.05μmである、フォトニック結晶素子用複合基板。 - 電気光学効果を有する電気光学結晶基板と、
該電気光学結晶基板の一方の面に設けられた光学損失抑制および空洞加工層と、
該光学損失抑制および空洞加工層を介して該電気光学結晶基板と一体化されている支持基板と、を有し、
前記光学損失抑制および空洞加工層が、前記電気光学結晶基板に設けられた光学損失抑制層と前記支持基板に設けられた空洞加工層とを有し、該光学損失抑制層と該空洞加工層とが直接接合されており、
前記光学損失抑制層と前記空洞加工層との直接接合の接合界面に、前記光学損失抑制層の構成元素と前記空洞加工層の構成元素とで構成されているアモルファス層が形成されており、
前記光学損失抑制層を構成する材料が、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、モリブテン、または、これらの材料の混合物である、フォトニック結晶素子用複合基板。 - 前記光学損失抑制層と前記支持基板との間に接合層をさらに有する、請求項1または2に記載のフォトニック結晶素子用複合基板。
- 前記光学損失抑制層または前記空洞加工層に、パターン化された犠牲層が形成されている、請求項1から3のいずれかに記載のフォトニック結晶素子用複合基板。
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