JPH05507815A - 金属化基板に光導波路を有する光電装置及びその光導波路の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の分野］ 本発明は電気・光学回路に関し、特に薄膜又は厚膜配線あるいは金属化されたＡ Ｉ　Ｏシリコン、その他２　３ゝ のセラミックス及びガラスペースの集積回路付き基板上に先導波路を形成するた めの先導波路及び方法に関するものである。

〔発明の背景と要約］ 本発明の総括的な目的は、通常の集積回路（ＩＣ）チップデバイスを含む薄膜あ るいは厚膜型の通常の電気回路を有する一枚の基板上に集積光学回路を形成する ことにある。この発明において、電気回路及び光学回路の結合体が同一の共通基 板上に形成できる。

以下に開示する本発明の装置と方法が発明であると見做され得るような技術のレ ベルにあることを示すために、下記のような文献を引用・提示する。

Ａｐｐ　１．０ｐ　ｔ　ｉ　ｃ　ｓ、２９　（１９９０）Ｇｕｈａ。

Ａ、、ｅｔ　ａｌ、’０ｐｔｉｃａｌ　１ｎｔｅｒｃ。

ｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｍａｓｓｉｖｅｌｙ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ａｒｃ ｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ　ｐｐ。

ｎ、Ｊ、Ｗ、、ｅｔ　ａｌ、　“０ｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉ ｏｎｓ　ｆｏｒ　ＶＬＳＩＳｙｓｔｅｍｓ　ｐｐ、８５０−８６６； ＩＥＥＥ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ、２４　［３］　（１９８７）Ｈｕｔｃｈｅｓｏｎ 　Ｌ、Ｄ、ｅｔ　ａｌ、　”０ｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ　Ｒ ｅｐｌａｃｅＨａｒｄ　Ｗｉｒｅ　”ｐｐ、３０−３７；Ｊｐｎ、　Ｊ、　Ａｐ ｐｌ、　Ｐｈｙｓ、、２２　（１９８３）Ｋａｗａｃｈｉ、、Ｍ、、ｅｔ　ａｌ 、　”Ｆｌａｍｅ　Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆ　ＳｉＯ −ＴｉＯＧｌａｓｓ　Ｐｌａｎａｒ　ＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅｇｕｉｃｌｅｓ　 ｏｎ　Ｓｉ１　１ｃｏｎ　−ｐｐ、１９３２； Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９　［１５コ　（１９８３）　Ｋ ａｗａｃｈｉ、　Ｍ、　、　ｅｔ　ａｌ。

Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳｉＯＧｌａｓｓ　ＰｌａｎａｒＯｐｔｉｃａ ｌ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ｂｙ　Ｆｌａｍｅ　Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ　Ｄｅｐ ｏｓｉｔｉｏｎ’ｐｐ、５８２−５８４；　Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓｏ ｃ、１３６　［１１１（１９８９）Ｍａｃｋ、Ｌ、Ｍ、ａｎｄＲｅ　ｉ　ｓｍａ ｎ、Ａ、　“５ｔｒｅｓｓ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ ｌｙ　Ｇｒｏｗｎ　Ｔｈ１ｎ　０ｘｉｄｅｓ　。

ｎ　（１００）　Ｓｉ　５ｕｂｓｔｒａｔｅｓ　ｐｐ、３４３３−３４３７　； ｂａｎｓａｌ、Ｎ、ａｎｄ　Ｄｏｒｅｍｕｓ、Ｒ，。

Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｇｌａｓｓ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ、Ｃｈ、１２．　 Ｉ）、３６３．　（１９８６）火炎加水分解堆積（ＦＨＤ）は、粉末ガラスを基 板上に堆積し、つづく高温の融解あるいは固化によって固体ガラスにする工程を 含むが、シリコン及びシリカ基板上に光信号伝送のための導波路を堆積するのに 使われてきている。しかしながら、このようにして作られた基板には、その上に ＦＨＤで形成された導波路層を堆積したような薄膜電気回路は含まれていない。

化学蒸着法（ＣＶＤ）やスパッタリングのような他の堆積法が、シリコン及びシ リカの基板上に平面型導波路を形成するのに使用されてきた。これら後者の方法 も、金属化Ａｌ２Ｏ３セラミック基板や金属化シリコン又はシリカ基板上に光導 波路を堆積するために使用されてきてはいない。

本発明に係る装置と方法は、ＦＨＤの技術を用いることによって、薄膜又は厚膜 の配線付き基板や、Ａｌ２Ｏ３、セラミック、シリコン又はシリカの金属化基板 上に先導波路を形成することが含まれている。本発明においては、薄膜又は厚膜 配線を有する、あるいはＩＣチ・ノブと連結される金属化回路を有するＩＣ取付 は基板の表面に予備処理コーティングが施される。この予備処理により、電気回 路を含む金属化基板と、光回路を含むＦＨＤガラス層との間に一つの境界層が得 られる。

このようにして、本発明の目的は、金属化基板上に光導波路を形成することにあ る。本発明によれば、先導波路と光集積回路がＩＣチップ付きの共通の基板上に 形成できるので、同一の構成部分（コンポーネント）上に光集積回路と電子集積 回路の集積が可能となる。一枚の基板には、数個のＩＣチップが取り付けられて いるから、その薄膜や厚膜配線間で信号の伝達や電力の供給が行われている。そ して、基板上に重畳されたガラス層内の先回路は、電子回路と同様に作動可能な ように連結される。

本発明により、チャネル導波路と光集積回路が通常よく知られたりソグラフィ及 びエツチング技術によって形成できる。本発明による導波路は高速エレクトロニ クスにおける電気的相互結合の隘路を確実に解決するものとして最近認められて いる光学的相互結合を提供するものである。光回路や電気回路間の相互結合に関 しては、前述の参考文献として組み込まれた上記ハソチソンの引用文献の中で極 めて詳細に説明がなされている。

導波路から受光した光で機能するつまり光信号を電子信号に変換し、あるいはそ の逆の変換を行うような光電子チップはすでによく知られており、電子／光コン バータは市販の段階にある。本発明は、単一の回路モジュールとして、光集積回 路を電子集積回路に、同一基板上に集積するものである。電子集積回路間を光学 的に相互連結することによって得られるもう一つの利点は、電子−磁気干渉（Ｅ 　Ｍ　Ｉ　）をなくすことと、同一基板上の電子集積回路で集積されるような平 面導波路で作られたコンバイナ／スプリッタ、カプラー、電子光学回路及び非線 形光回路のような色々の光集積回路が得られることである。

本発明によれば、先導波路及び光回路は、薄膜あるいは厚膜金属化のＡ　１２０ ３セラミツクス及びシリコン及びシリカ基板上に形成可能である。Ａｌ２Ｏ３は シリコンあるいはシリカよりずっと高い処理温度（１６００’Ｃ以上）に耐えら れるので、Ａｌ２Ｏ３セラミックスの採用によって、基板上への導波路層の堆積 プロセス時に、より高い処理温度を用いることができる。このようにして、高温 プロセスで生産される低ロス特性の光導波路が薄膜又は厚膜金属化の電気相互結 合体を含む一つの基板上に配置可能となる。

多チツプ回路を形成するために金属化基板上にＩＣチップが取り付けられるマイ クロ電子装置の製造において、本発明によって得られる光集積回路が多重の電子 ＩＣチップを保持する同一基板上に形成することができる。本発明は、通信及び コンピュータ産業用の光電子装置を製造する場合に有用なものである。

本発明においては、二酸化シリコン（Ｓ　Ｉ　Ｏ２）又はシリコンの薄膜コーテ ィングが、ＩＣチップの形成された金属化基板の表面上に堆積される。そして、 （ｉ）次いで堆積される導波路ガラス層が良好に付着し、（ｊＤこの堆積工程中 に導波路を形成するために用いられる高純度ガラスに悪影響を及ぼす基板中の不 純物が排除され、次いで、日１ｊ）基板上の金属膜が、酸素が多孔性基板とガラ ス膜を貫通することによって、酸化されることを防止する。基板と導波路層との 間の薄膜コーティングは、スパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）　、又は他の低 温コーティング法によっても形成することができる。さらに、先回路のための導 波路が形成される前処理ずみの基板上に、ガラス層を堆積するためにＦｌ（Ｄか 実施される。

本発明の前述及びそれ以外の目的と利点については、添付図面と以下の記述をみ た上での考察によって、より明瞭になると思われる。

［図面の簡単な説明］ 図１は複数の集積電気回路を有する金属化基板に適用された本発明の平面型導波 路を示す斜視図である。

図２は図１の線２−２による拡大断面図である。

［好適な実施例の説明コ 図面中、図１には、金属配線２０を有する基板１ｏがガラス層４０によって形成 されたブレーナ（平面）導波路と機能的に相互接合されていることが説明されて いる。

薄膜配線２０（上記の金属配線２０）は基板１０上にあるのが見えるように図示 されている。光・電子回路特有の構成においては、ＩＣチップ（図示せず）は、 各チップ間の電源と信号とを機能的に相互接合する薄膜おるいは厚膜金属化の“ 配線“２０と接触している。電子チップにより他の方法で処理したある信号は光 信号に変換され、この光信号は導波路を通って次の信号処理部へ伝達される。先 導波路回路と電子装置部は通常精密に互いに影響されて関連しているので、光・ 電子組合わせ回路の近（に配置される。

図２には、図１の横断面図を示している。配線が施され電子的に機能するように 後程ＩＣチップが取り付けらｔＬる基板１０の表面１２を前処理するために、好 ましくは１〜５ミクロン厚のシリコン又は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の薄膜３ ０が基板１ｏに被着される。コーティング３０は、コーティング３ｏの被着によ って基板１゜の表面１２上の配線２０が溶けたり、酸化したりしないようになる のに十分なだけの時間をがけて、スパッタリング、ＣＶＤ又は他の低温堆積工程 によって形成することができる。このような工程において採用される技法は、コ ーティング工程技術に練達する人達にとっては周知のものである。

次いで、ＦＨＤが、基板１０上に後程光回路として構成されるようなガラス材料 の二重層４ｏを堆積するために使用される。この二重ガラス層４ｏには、導波路 クラッド層４３が含まれている。クラッドガラス層４３は、ガラス膜の熱応力が １０　ＸＩＯｄｙｎｅ／ａｍ２の桁のガラス破断強度以下になるように、おおき な熱膨張係数（Ａ　１２０３を基板材料として使用するとき、２×１０　より大 ）をもつような一定の方式でつくられなければならない。そして、導波路コア層 ４６がクラッド層４３の上に堆積される。クラッド層４３を形成するのに用いた ものと同じＦＨＤ法を用いてコア層４６を堆積することができる。

光導波路回路は、チャネル導波路（図示せず）を形成するために二重ガラス層上 にリソグラフィ（写真食刻）及びエツチングを実施することによって、基板１０ 上に形成することができる。チャネル導波路は第１ブレーナ表面１２上の電気集 積回路と機能的に結合させることができる。

基板１０の有用な材料は、セラミック、ガラス、Ａｌ２Ｏ３、シリカ、シリコン といった物質のグループから選択できるし、薄膜コーティング３０はシリコン及 び二酸化シリコン（Ｓ　ｉＯ２）といった材料グループの中から選ぶことができ る。導波路を形成する二つの成分からなるガラス層４３．４６の内、クラッド層 ４３は、望ましくは少なくとも２．０Ｘ１０　の熱膨張係数を持ち、コア層４６ は、基板１０の材料が例えばＡｌ２Ｏ３であるとき、好ましくは少なくとも２． ０Ｘ１０　の熱膨張係数を持たせる必要がある。別の薄膜コーティング層３１が 基板１０の他のブレーナ表面に形成されてもよい。

通常、このようにコートされる他の表面は、もし基板１０が多孔質あるいはそれ 以外の浸透性のものの場合は、第１ブレーナ表面１２の反対側のブレーナ側１４ であって、酸素の浸透を防止することによって、光・電子集合体（ａ　ｓ　ｓ　 ｅｍｂ　ｌ　ｙ）を完全にンールするようになっている。

本発明においては、薄膜コーティング３０は基板１０とクラッド層４３との間の 熱膨張差を減らし、かつ基板１０中の不純物が、高温のＦＨＤ工程中にＦＨＤガ ラス層４３．４６に浸食することを防止する。コーティング３０はまた、金属化 回路２０がＦＨＤ工程中に酸化するのも防止している。

ＦＨＤ強化温度より高い溶融温度を持つ金属ならなんでも、基板１０上の配線材 料として用いることができる。

そうでなければ、配線材料２０は、白金、ロジウムといった類の不活性金属に限 られなければならない。このような薄膜保護のためのコーティング技術は、配線 材料の酸化を防止するようなシリコンＬＳＩ技術にも応用可能である。

以下に示す実験結果は本発明をさらによく説明するために提示するものであるが 、ここで使用された量や物質は、本発明の構成になんらの限定となるものではな い。

例　Ｉ 厚さ１ミクロンのＳ　ｉＯ２が、図１に示した金属パターンと類似する金属配線 を有するセラミック及びシリコン基板上にスパッタ蒸着された。配線はチタン１ ０％、タングステン９０％の合金とした。この配線の厚さは１０００オングスト ロームと３０００オングストロームの間であった。上記Ｓ　１０２コーテイング の蒸着後、ＦＨＤ工程によって、基板上にクラッド層とコア層が堆積された。こ の堆積済み基板は、ガラス化のための熱処理がほぼ１２００℃で行われ、堆積層 はガラス膜に強化される。この強化処理後のクラッド層の厚さは６０ミクロン、 コア層の厚さは２０ミクロンであった。クラッド層は、１１モル％の酸化ボロン （８２０３）及び１モル％の酸化リン（Ｐ　２０５）がドープされた８８モル％ のシリカ（Ｓ　ｉ　Ｏ２）からなる組成物であり、その熱膨張係数は２．０ｘｌ Ｏである。そして、コア層は、８゜５モル％のＢＯと０．５モル％のＰ　２０５ に加えて、１１モル％の二酸化ゲルマニウム（Ｇ　ｅ　Ｏ２）をドープした８０ モル％のシリカ（Ｓ　Ｌ　Ｏ２）である。コア層の屈折率は、クラッド層のそれ より１％高く、また、コア層の熱膨張係数は２．５Ｘ１０　であった。強化後の この導波路は、良好な先導波特性を示した。そして、本導波路はシリコン及びＡ 　Ｉ　２０３セラミツクスのいずれの基板に対しても非常によく付着した。保護 目的でスパッタした５１０２膜の存在によって、基板上の金属配線は、全く悪影 響をうけなかった。このスパッタ膜はセラミックスが多孔性であることから、セ ラミック基板の両面に形成された。シリコン基板上とセラミックス基板上のＦＨ Ｄガラスの熱応力は、それぞれ推定で０．５Ｘ１０　と４Ｘ１０っであった。こ れらの二つのケースにおけるＦＨＤガラスの熱応力はガラスの破断強度１０１０ 〜１０　よりも遥かに低いものであった。

＊＊＊＊＊ 以上のように、本発明の好適な実施例を上記のような利点と特徴を提供するため に開示したことは明らかであるが、本発明は、以下にのべる特許請求の範囲の固 有の範囲又は本来の語句を逸脱しない範囲で、修辞、変形ないし変更が許容され るものであって、その価値の高さを示すものであるといえよう。

要　約　書 集積化光電回路が記載されている。ブレーナ型光導波路を・、薄膜配線されたＡ Ｉ　Ｏその他のセラミック２３ゝ ス、シリコン、シリカやその他ガラスの基板上に形成するための装置と方法が開 示される。スパッタリングや化学蒸着法のような低温堆積工程を用いて、薄膜配 線付き基板の表面に、シリコンあるいは二酸化シリコンの中間コーティングが形 成される。ガラスのクラッド層とコア層が薄膜コーティング層上に堆積される。

本発明によれば、チャンネル導波路と集積光回路を、電子ＩＣチップ付きの共通 基板上に形成することが可能になる。

手続補正書（自発） 平成　５年３月４日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．第１プレーナ表面上の金属化薄膜コネクタによって結合された電気的に作動 する集積回路を有するセラミック、ガラス及びシリコン材料からなるグループの 中から選ばれた基板と、 電気的に作動する前記集積回路を有する前記第一プレーナ表面上に形成されたシ リコン及び二酸化シリコン（ＳｉＯ２）材料からなるグループの中から選ばれた 薄膜コーティングと、 該薄膜コーティング上に形成されたガラスクラッド層によって形成された光学的 に伝導性を有する導波路と、該クラッド層に形成されたガラスコア層とを有し、 電気的に作動する前記集積回路が光学的に伝導性を有する前記導波路に機能的に 相互結合されたものであることを特徴とする光電装置。
2. ２．前記第１のプレーナ表面に形成された薄膜コーティングは、厚さが１ミクロ ンと５ミクロンの間であることを特徴とする請求項１の装置。
3. ３．前記第１のプレーナ表面の反対側の前記基板の第２のプレーナ表面にも形成 された薄膜コーティングを有することを特徴とする請求項１の装置。
4. ４．金属化配線の膜を有するセラミックス、ガラス及びシリコンからなるグルー プの１つから選ばれた基板を準備する工程と、 シリコン及び二酸化シリコンからなるグループの内の１つから選ばれた薄膜コー ティング層を、低温堆積プロセスによって、該配線を覆うように形成した該コー ティング層で該基板上に形成する工程と、 ガラスクラッド層を該コーティング層上に形成する工程と、 ガラスコア層を該ガラスクラッド層に形成する工程との諸工程を有する方法によ って、金属化基板上に光導波路を形成するこを特徴とする方法。
5. ５．第１の表面上の金属化薄膜配線によって機能的に相互結合された電気回路を 有し、セラミックス、ガラス及びシリコン材料からなるグループの中の１つから 選ばれた基板と、 該基板の該第１表面に１〜５ミクロンの厚さに形成された二酸化シリコン（Ｓｉ Ｏ２）のコーティングと、該コーティングに形成された光回路導波路を構成し、 第１のガラスクラッド層と第２のガラスコア層とから形成された二重ガラス層と からなり、電子集積回路に集積化光回路を集積したことを特徴とする装置。
6. ６．セラミックス、ガラス及びシリコン材料からなるグループの内の１つから選 ばれた基板上に形成された電子回路の薄膜金属化回路と、 シリコン及び二酸化シリコンからなるグループの内の少なくとも１つから選ばれ た中間膜コーティング層によって分離され、該電子回路に機能的に相互結合され たガラス層内に形成された光導波路と からなることを特徴とする集積型光電子回路。
7. ７．該セラミック材基板は、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１記載の 装置。
8. ８．該ガラス基板は、シリカガラスであることを特徴とする請求項１記載の装置 。
9. ９．該セラミック基板は、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項６記載の方 法。
10. １０．該ガラス基板は、シリカガラスであることを特徴とする請求項６記載の方 法。