JPH06214128A - 光導波回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光導波回路基板の反りを防止する。 【構成】 本発明の光導波回路は、基板と、その基板表
面に形成された光導波路と、その基板の裏面の一部もし
くは全面に作製された熱伝導性の応力付与膜とからな
る。前記応力付与膜は、アモルファス・シリコン膜（応
力付与膜）の表面に水素ガス放出防止用薄膜を設けたも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に作製された光
導波回路に関するものであり、特に、その基板の反りを
裏面に形成した熱伝導性の応力付与膜によって解消した
ことを特徴とする光導波回路に関するものである。

【０００２】本発明の光導波回路は、光通信や光情報処
理の分野における光部品として用いられる。

【０００３】

【従来の技術】平面基板上に作製される単一モード光導
波路、特に、シリコン基板上に作製可能な石英系ガラス
光導波路は、その光導波路（コア）部分の断面寸法を単
一モード光ファイバに合わせて５〜１０μｍ程度に設定
することができるため、光ファイバとの整合性に優れた
実用的な光導波路として期待されている（例えば、N.Ta
kato et al.“Silica-Based Single-Mode Waveguides o
n Silicon and Their Application to Guided-Wave Opt
ical Interferometers”, J.Lightwave Tech., vol.6,
pp.1003-1010, 1988、あるいは、河内正夫：「石英系光
導波路と集積光部品への応用」光学、１８（１９８９）
６８１−６８６．参照）。

【０００４】ここで、石英系ガラス光導波回路の作製方
法を簡単に説明する。

【０００５】まず、図３に示すように、前述した従来技
術により、シリコン基板１上に石英系ガラスからなる下
部クラッドガラス層２を形成し、その上に石英ガラス微
粒子層からなる光導波路（コア）ガラス層３を形成し、
図４に示すように、この光導波路（コア）ガラス層３か
ら光導波路（コア）４を形成する。次に、図５に示すよ
うに、その光導波路（コア）４の上に石英系ガラス微粒
子層からなる上部クラッドガラス層５を形成する。光導
波回路は、この光導波路を平面基板上に任意の形状に配
設することによって実現される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の石英系光導波回
路では、光導波路（コア）４および上部クラッドガラス
層５の材料である石英系ガラスとシリコン基板１との間
に大きな熱膨張係数の差がある。例えば、シリコンの熱
膨張係数は、２.５×１/１０⁶（１/℃）であるのに対し
て、石英系ガラスの熱膨張係数は１×１/１０⁶（１/
℃）である。このため作製工程におけるガラス微粒子層
からなる光導波路（コア）ガラス層３の透明化熱処理工
程の冷却過程において、シリコン基板１と石英ガラス層
の間に熱応力が生じる。つまり１３００℃付近の石英系
ガラスが柔らかくなっている温度ではガラスとシリコン
基板１の間に応力は入っていない。しかし、その温度か
ら冷却する過程においてガラスが硬化すると、両者の熱
膨張係数の差による熱応力が生じはじめる。つまり熱処
理後の冷却過程においてシリコン基板１は石英系ガラス
に比較してより多く縮む。この結果として上側の表面に
石英系ガラスを堆積したシリコン基板１は、図６に示す
ように凸の形状に反ってしまう。

【０００７】このシリコン基板１の反りは、上記光導波
回路の実装上いくつかの問題点を生じさせている。ま
ず、その一つとして、光導波回路とファイバアレイとの
接続が挙げられる。多数の入出力が必要となる光導波回
路、たとえば、Ｎ×Ｎのスターカプラを示す図１１で
は、その入出力に光ファイバアレイ９を使用している。
この光ファイバ１０を２５０μｍ間隔で一列に並べた構
造になっている（図１３）。このため光ファイバアレイ
９の光ファイバ１０はそれぞれ横方向に直線的に並んで
いる。これに対して光導波回路のシリコン基板１が前記
の理由により反っていると、その上に配設された導波路
アレイが横に直線に並ばなくなる（図１２）。このため
多芯の光ファイバアレイ９を用いて一括接続を行うと、
光ファイバアレイ９の中心と端とで同時に導波路アレイ
との光軸を合わせることができなくなり、光の接続損失
が大きくなる。なお、前記図１１において、１１はスラ
ブ光導部であり、図１２は図１１のＡ−Ａ’線で示す端
面の拡大図である。

【０００８】また、光導波回路基板の反りはサンプルの
実装上でも問題を生じる。石英系光導波回路の重要な応
用回路として熱光学効果を利用した熱光学スイッチがあ
る。これは、石英系光導波路を用いて構成されたマッハ
ツェンダ干渉計の一方のアーム導波路表面に設けた薄膜
ヒータによって導波路の温度を制御しその屈折率を変え
ることによってスイッチを行うものであるが、近年その
集積化が進み現在６４個の熱光学スイッチを集積した８
×８マトリクススイッチが実現されている。

【０００９】このような集積化されたスイッチでは、ス
イッチングに使用される熱の放熱が重要である。しか
し、光導波回路基板が、図１２に示すように、凸に反っ
ていると、基板裏面を放熱用フィンなどに接着させる場
合、基板裏面の中心と放熱フィンの間に隙間が空いてし
まう。この隙間を熱伝導ペーストで埋めるという方法も
あるが、熱伝導ペーストは長期的な信頼性がなく、且つ
熱伝導性に関しても金属などに比べると劣るため不適で
ある。

【００１０】以上、述べたように光導波回路基板の反り
は、入出力用ファイバアレイの接続上および基板の放熱
フィンへの実装上問題となっている。

【００１１】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、光導波回路基板の
反りを防止することが可能な技術を提供することにあ
る。

【００１２】本発明の前記ならびにその他の目的および
新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって
明らかにする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の光導波回路は、基板と、その基板表面に形
成された光導波路と、その基板の裏面の一部もしくは全
面に作製された熱伝導性の応力付与膜とからなることを
最も主要な特徴とする。

【００１４】前記基板はシリコンであり、前記応力付与
膜は、アモルファス・シリコン膜の表面に水素ガス放出
防止用薄膜を設けたものである。

【００１５】

【作用】前述の手段によれば、石英系光導波回路基板の
反りは、石英ガラス微粒子の透明ガラス化熱処理工程に
おいて発生する熱応力がその原因であるが、光導波回路
の基板裏面に熱伝導性の応力付与膜を設けることによ
り、クラッドガラス層の熱応力を補償し、前記熱伝導性
の応力付与膜が基板から受ける圧縮応力で石英ガラス微
粒子の透明ガラス化熱処理工程において発生する熱によ
る基板の反りを解消される。

【００１６】また、石英ガラス微粒子の透明ガラス化熱
処理工程において発生する熱を前記熱伝導性の応力付与
膜から放熱して、基板に加わる熱応力を低減することが
できるので、基板の反りを低減することができる。

【００１７】これにより、本発明の光導波回路は、基板
の反りがないため入出力ファイバアレイとの低損失な接
続が可能となり、かつ、その光導波回路基板を放熱フィ
ンなどに容易に全面接着できる。この結果として放熱性
に優れた光導波回路が実現可能となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。なお、全図において、同一機能を有するもの
は同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００１９】（実施例１）図１は、本発明の実施例１の
石英系光導波回路の構成を示す斜視図、図２は、図１に
示すＡ−Ａ’線で切った断面図、図３乃至図５は、本実
施例の石英系光導波回路の作製方法を説明するための断
面図、図６は、アモルファス・シリコン膜（応力付与
膜）がシリコン基板から受ける圧縮応力とそのアモルフ
ァス膜厚との関係を示す図、図７は、石英系光導波回路
を構成するガラス層とシリコン基板との間に発生した熱
応力により反りが生じた光導波回路の断面図、図８は、
図７に示す光導波回路の裏面にアモルファス・シリコン
膜（応力付与膜）を堆積することにより反りを解消した
光導波回路の断面図である。

【００２０】図１乃至図８において、１はシリコン基
板、２は下部クラッドガラス層、３は石英系ガラスから
なる光導波路（コア）ガラス層、４は石英系ガラスから
なる光導波路（コア）、５は上部クラッドガラス層、６
はクラッドガラス層、７はアモルファス・シリコン膜
（応力付与膜）、８は水素ガス離脱防止層、９は光ファ
イバアレイ、１０は光ファイバである。

【００２１】本実施例の石英系光導波回路は、図１及び
２に示すように、シリコン基板１の表面にクラッドガラ
ス層６を介在させて光導波路４が設けられ、その上にク
ラッドガラス層６が設けられている。そして、前記シリ
コン基板１の裏面の一部もしくは全面に作製された熱伝
導性の応力付与膜７が設けられている。

【００２２】次に、本実施例の石英系光導波回路の製作
方法について図３乃至図１０を用いて説明する。

【００２３】まず、図３に示すように、シリコン基板１
上にＳiＣｌ₄ガスを原料とする加水分解反応でＳiＯ₂を
主成分とするガラス微粒子層からなる下部クラッドガラ
ス層２を堆積し、続いてガスを切り替えて適量のＴiＣ
ｌ₄またはＧeＣｌ₄を追加したＳiＣｌ₄混合ガスを原料
とする加水分解反応で、ＳiＯ₂-ＴiＯ₂またはＳiＯ₂-Ｇ
eＯ₂を主成分とするガラス微粒子層からなる光導波路
（コア）ガラス層３を堆積する。

【００２４】続いて電気炉中で１３５０℃程度の高温に
加熱してガラス微粒子層からなる光導波路（コア）ガラ
ス層３を透明ガラス化する。

【００２５】次に、図４に示すように、引続きフォトリ
ソグラフィ技術と反応性エッチング（ＲＩＥ）により、
光導波路（コア）ガラス層３のうち不要な部分を除去し
て光導波路（コア）４を形成する。

【００２６】次に、図５に示すように、光導波路（コ
ア）４の上にＳiＣｌ₄-ＢＣｌ₃-ＰＣｌ₃混合ガスを原料
とする加水分解反応でガラス微粒子層からなる上部クラ
ッドガラス層５を堆積して光導波路（コア）４を埋め込
む。

【００２７】その後、再度基板を電気炉中で１２５０℃
前後に加熱してガラス微粒子層からなる上部クラッドガ
ラス層５を透明ガラス化する。そして、室温まで冷却す
ることによって光導波路が製作される。

【００２８】すなわち、図１及び図２に示すように、ク
ラッドガラス層６の中に光導波路（コア）４が埋め込ま
れた状態となる。

【００２９】この状態では、シリコン基板１と光導波路
（コア）ガラス層３の石英系ガラスとの熱応力により基
板１は凸状に反っている。例えば、光導波回路を構成す
るクラッドガラス層６の厚みを６０μｍ、シリコン基板
１の厚みを１mmとしたときシリコン基板１の反り半径は
約３ｍであった。また、図６に示すように、石英系光導
波回路作製直後の状態で５０mmのサンプル長に対して約
１００μｍの反りがあった。

【００３０】次に、この反りを解消するために、図７に
示すように、光導波回路のシリコン基板１の裏面に応力
付与用のアモルファス・シリコン膜７をシリコン基板１
から圧縮応力を受けるような条件で堆積する。このアモ
ルファス・シリコン膜７の作製条件は、水素５％を含む
アルゴンガス中におけるＲＦ（Ｒadio Ｆequency)マグ
ネトロン・スパッタ法を用いる。スパッタガス厚は１Ｐ
ａ、スパッタ時の入力電力は１ｋＷである。

【００３１】このように、シリコン基板１の裏面にアモ
ルファス・シリコン膜７を前記の条件で９μｍ堆積した
ところ、基板１の反りはほとんど無くなり、５０mmのサ
ンプル長に対してその反りは測定精度の１μｍ以下であ
った。

【００３２】前記圧縮応力とアモルファス（非晶質）・
シリコン膜（ａ-Ｓi膜）７の膜厚とはきれいな比例関係
にあることが図８（ａ-Ｓi膜がＳi基板から受る圧縮応
力を示す図）に示す実験結果から分かる。

【００３３】よって、適当な膜厚のアモルファス・シリ
コン膜７をシリコン基板（石英系光導波回路基板）１の
裏面全面に堆積することによって、クラッドガラス層６
の熱応力を補償し、シリコン基板１の反りを解消するこ
とができる。

【００３４】ここで、強調しておきたいことは、本実施
例で用いたアモルファス・シリコン膜７の熱伝導率は、
シリコン基板１と同程度で有るため膜が放熱の妨げにな
るようなことはなく、かつ、その熱膨張係数もシリコン
基板１と同じであるため、シリコン基板１に与える応力
は、基板温度が変動しても変わらない。

【００３５】（実施例２）図９は、本発明の実施例２の
光導波回路の構成を示す断面図であり、図１０は、横軸
に示すそれぞれの温度で１時間ずつ熱処理をしたときの
アモルファス・シリコン応力付与膜の内部応力を示す図
である。

【００３６】本実施例２の光導波回路は、図９に示すよ
うに、前記実施例１のアモルファス・シリコン膜７の表
面に水素ガス離脱防止層８を設けた光導波回路である。

【００３７】前記実施例１に示したアモルファス・シリ
コン膜７の応力は、膜中に取り込まれている水素濃度と
強い相関がある。このためアモルファス・シリコン膜中
の水素が環境温度の上昇と共に抜けてしまうと、膜応力
も同時に抜けてしまう。そこで、アモルファス・シリコ
ン膜７の表面にマグネトロン・スパッタ法により薄いガ
ラス層からなる水素ガス離脱防止層８を堆積した。これ
により、前述の水素の離脱を防止することができた。こ
こで水素ガス離脱防止層８のガラス層は熱伝導率が良く
ないため極力薄く堆積し、５０００Åとした。

【００３８】水素ガス離脱防止層８としてのガラス層を
設けていないときのアモルファス・シリコン膜７の応力
と環境温度の関係と、水素ガス離脱防止層８を設けたと
きの関係を図１０に示す。図１０は水素ガス離脱防止層
８のあるサンプルと無いサンプルの２つを、それぞれ横
軸に示す温度で１時間ずつ熱処理を行い、その都度室温
に戻して膜応力の変化を測定したものである。熱処理は
１００℃〜７００℃の範囲で行った。この結果より水素
ガス離脱防止層８を設けていないと４００℃程度からア
モルファス・シリコンの応力が抜け始めているのに対し
て、水素ガス離脱防止層８を設けた場合は、５００℃程
度から応力が抜け始めていることが分かる。

【００３９】つまり、水素ガス離脱防止層８としてのガ
ラス層をアモルファス・シリコン膜７の表面に堆積する
ことによって応力付与膜としてのアモルファス・シリコ
ン膜７の熱的安定性が向上した。

【００４０】また、前記水素ガス離脱防止層８のガラス
層の代わりに窒化シリコン、非晶質カーボン、ダイヤモ
ンドライクカーボンを水素ガス離脱防止層として堆積し
ても同様にアモルファス・シリコン層の応力付与膜の熱
的安定性が向上した。

【００４１】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得
ることはいうまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、光導波回路の基板の裏面に熱伝導性の応力付与膜を
設けることにより、光導波回路の基板反りを解消するこ
とができる。これにより、熱光学スイッチを集積した光
回路などの基板反り解消法として非常に有効な手法であ
る。

【００４３】また、基板反りを解消することによって、
光導波回路の熱的制御がしやすくなるので、ファイバア
レイと導波路アレイとの一括接続が可能になる。また、
基板反りを解消することにより、光導波回路上に受発光
素子などを装着し、ハイブリッド光集積回路や光プリン
ト板を実現する上でも、効率的な表面光実装を遂行でき
るので、極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の石英系光導波回路の構成
を示す斜視図、

【図２】 図１に示すＡ−Ａ’線で切った断面図、

【図３】 本実施例の石英系光導波回路の作製方法を説
明するための断面図、

【図４】 本実施例の石英系光導波回路の作製方法を説
明するための断面図、

【図５】 本実施例の石英系光導波回路の作製方法を説
明するための断面図、

【図６】 アモルファス・シリコン応力付与膜がシリコ
ン基板から受ける圧縮応力とそのアモルファス膜厚との
関係を示す図、

【図７】 石英系光導波回路を構成するガラス層とシリ
コン基板との間に発生した熱応力により反りが生じた光
導波回路の断面図、

【図８】 図７に示す光導波回路の裏面にアモルファス
・シリコン応力付与膜を堆積することにより反りを解消
した光導波回路の断面図、

【図９】 本発明の実施例２の光導波回路の構成を示す
断面図、

【図１０】 横軸に示すそれぞれの温度で１時間ずつ熱
処理をしたときのアモルファス・シリコン膜の内部応力
を示す図、

【図１１】 光導波回路の一例としてのＮ×Ｎスターカ
プラの平面図、

【図１２】 図１１のＡ−Ａ’線における端面の拡大
図、

【図１３】 光導波回路の複数の光導波路と複数のファ
イバとを一括接続するための光ファイバアレイを示す
図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…下部クラッドガラス層、３…石
英系ガラスからなる光導波路（コア）ガラス層、４…石
英系ガラスからなる光導波路（コア）、５…上部クラッ
ドガラス層、６…クラッドガラス層、７…アモルファス
・シリコン膜（応力付与膜）、８…水素ガス離脱防止
層、９…光ファイバアレイ、１０…光ファイバ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、その基板表面に形成された光導
   波路と、その基板の裏面の一部もしくは全面に作製され
   た熱伝導性の応力付与膜とからなることを特徴とする光
   導波回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光導波回路であって、
   基板はシリコンであり、前記応力付与膜は、アモルファ
   ス・シリコン膜の表面に水素ガス放出防止用薄膜を設け
   たものであることを特徴とする光導波回路。