JPH0711606B2

JPH0711606B2 - 石英系光導波膜

Info

Publication number: JPH0711606B2
Application number: JP63019506A
Authority: JP
Inventors: 昭一須藤; 光保安; 正夫河内
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-02-01
Publication date: 1995-02-08
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: JPH01196006A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、導波形光部品の構成要素である石英系光導波
路の出発材料である石英系光導波膜に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

石英系光導波路は、従来、石英ガラス基板あるいはシリ
コン基板上に形成されていた。第６図は、この石英系光
導波路の製造工程を説明する断面図である。第６図にお
いて、１はシリコン基板あるいは石英ガラス基板、2aは
バッファ用ガラス微粒子層、2bはバッファ層、3aはコア
用ガラス微粒子層、3bはコア層、3cはコア路、４はクラ
ッド層ガラスである。以下、工程を説明すると、（ａ）
基板１上にSiCl₄（四塩化ケイ素）を主成分とするガラ
ス形成原料ガスの火炎加水分解反応によりバッファ用ガ
ラス微粒子層2a、コア用ガラス微粒子層3aを順次堆積
し、（ｂ）これらのガラス微粒子層を基板と共に電気炉
内で加熱透明化して、バッファ層2b、コア層3bから成る
石英系光導波膜とし、次に（ｃ）コア層3bの不要部分を
反応性イオンエッチング法により除去してリッヂ状のコ
ア路3cを形成し、次いで（ｄ）コア路3cを覆うようにバ
ッファ層と同等の屈折率差を有するクラッド層ガラス４
を堆積する。

上記の工程により、0.1dB/cmオーダーの比較的低損失の
石英系光導波路を得ることができるが、わずかな「曇
り」が加熱透明化後の石英系光導波膜内に残るという問
題があり、完全に透明な石英系光導波膜を得るには、加
熱透明化時の最終到達温度を充分高温に設定する必要が
あった。しかしながら、1400℃以上の温度では、基板が
変形するという問題が生じた。そこで、シリコン基板あ
るいは石英ガラス基板に替えて、高温に耐えるサファイ
ヤ基板を使用するものが提案されている（特願昭62−83
039参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記提案技術によれば、加熱透明化温度を1400℃以上と
でき、基板を変形させることなく、「曇り」のない、完
全に透明な石英系ガラス膜が得られる。

しかしながら、このようなサファイヤ基板上の石英系光
導波膜では、光導波膜に加工を施して導波系光部品を作
製する際に、光導波膜がサファイヤ基板から往々にして
「はく離」するという問題が生じた。

これは、石英系ガラス光導波膜が、サファイヤ基板から
熱膨張係数差に起因する強い応力を受けており、この応
力に、光導波膜と基板との密着力が負けてしまうためと
推察される。

本発明の目的は、従来技術での上記した諸問題を解決
し、「曇り」のない、基板の変形「そり」を生じない、
しかも基板からの光導波膜の「はく離」のない高品質の
石英ガラス系光導波膜を再現性よく提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、サファイヤ（Al₂O₃〕基板と、この基板上
に形成される石英ガラス（SiO₂）系光導波膜との間にシ
リコン（Si）の結晶薄膜あるいは非晶質薄膜を介在させ
た構成とすることにより、達成される。

即ち、本発明の本質は、サファイヤ基板、シリコン膜そ
して石英ガラス系光導波膜の構成を採用することにあ
り、サファイヤ基板上に直接石英ガラス系光導波膜を形
成する従来技術とは、基本的構成を異にするものであ
る。

〔作用〕

高温に耐え得るサファイヤ基板上に、石英系ガラスとの
密着性の良いシリコン膜を形成し、このシリコン膜上に
石英ガラス系光導波膜を形成する構成とすることによ
り、シリコン基板を使用した従来技術における「曇り」
と基板の変形「そり」の問題、及びサファイヤ基板を使
用した提案従来技術における「はく離」の問題が解決さ
れる。

第１図は、本発明石英系光導波膜の基本構成を示す断面
図、第２図は前記特願昭62−83039に提案されている石
英系光導波膜の断面図である。第１図及び第２図におい
て、11,21はサファイヤ基板、12,22はバッファ層、13,2
3はコア層、14はシリコン層である。第１図のガラス膜
より光導波路を作製することは、第６図に示した
（ｃ），（ｄ）と同様の工程により、容易である。第１
図中のＴは、シリコン層14の膜厚を示す。膜厚Ｔは典型
的には0.1μｍ〜１μｍであるが、この範囲外でも本発
明は有効である。

〔実施例〕

（１）本発明の一実施例を第３図，第４図により説明す
る。第３図は、本発明による石英系光導波膜（単一モー
ド用）の実施例断面図であり、31はサファイヤ基板、32
はシリコン膜、33は石英系ガラスバッファ層、34は石英
系ガラスコア層であり、また記号Ｔはシリコン膜32の膜
厚である。サファイヤ基板31の直径は75mm,厚みは0.5mm
で、「Ｒ面」でも「Ｃ面」でもよい。バッファ層33の厚
みは20μｍ、コア層34の厚みは８μｍである。シリコン
膜32はサファイヤ基板31が「Ｒ面」の場合、両方位（10
0）の結晶シリコン膜が良く整合する。シリコン膜32の
膜厚Ｔは0.6μｍである。シリコン層としては、結晶シ
リコン膜に限定されず、多結晶あるいは非結晶のシリコ
ン膜も使用可能である。コア層34には屈折率制御用ドー
パントとしてTiO₂（二酸化チタン）が添加〔GeO₂（酸化
ゲルマニウム）もドーパントとして使用可能〕されてお
り、コア・クラッド間の比屈折率差ΔはΔ＝0.25％に調
整されている。バッファ層33及びコア層34は後述する方
法により、堆積したガラス微粒子膜を1500℃の温度で透
明ガラス化することにより形成した。サファイヤ基板31
上へのシリコン膜32の形成は、結晶シリコン膜の場合、
CVD（Chemical Vapor Deposition:化学的気相析出）法
〔参考文献：ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース
（J.of Crystal Growth）,59（1982）,485−498〕によ
り行い、多結晶あるいは非晶質のシリコン膜の場合、ス
パッタ法により行った。

第４図は、第３図に示した石英系光導波膜を作製するた
めのガラス微粒子堆積装置の模式的構成図である。第４
図において、41はターンテーブル、42は結晶シリンコ膜
を有するサファイヤ基板（第３図中の31,32の部分）、4
3はテーブル駆動装置、44はガラス微粒子合成トーチ、4
5はトーチ駆動装置、46は原料ガス供給装置、47は排気
管、48は排気ガス処理装置、49は中央処理装置である。
装置の動作手順は次の通りである。原料ガス供給装置46
から合成トーチ44にSiCl₄を主成分とするガラス原料ガ
スと、酸素、水素ガスを供給し、トーチ先端の酸・水素
火炎中でのガラス原料ガスの火炎加水分解反応によりSi
O₂を主成分とするガラス微粒子を合成し、これをターン
テーブル41上に配置したシリコン膜付きサファイヤ基板
42上に堆積する。この堆積期間中に、ガラス形成原料ガ
ス中の屈折率制御用ドーパント（TiCl₄あるいはGeCl₄）
の濃度を変化させることにより、バッファ層とコア層を
区別して形成することができる。

以下、具体的な作製条件を示す。実効直径1mのターンテ
ーブル上に直径75mmのシリコン膜付きサファイヤ基板を
複数枚並べて、まず次の条件でバッファ層を堆積した。

テーブル回転速度 10rpm トーチ移動速度 30cm/分原料ガス供給速度 SiCl₄ 100cc/分 BCl₃ 5cc/分 PCl₃ 5cc/分堆積時間 50 分続いて、更に20分間、屈折率制御用ドーパントとしてTi
Cl₄を1cc/分（GeCl₄の場合には5cc/分）の割合で原料ガ
スに追加して、コア層を堆積した。

このようにして堆積したガラス微粒子膜を基板ごと電気
炉中に入れ、1500℃まで500℃／時の昇温速度で炉温度
を上げ、1500℃で１時間保持することにより、透明ガラ
ス化した。その後、室温付近まで炉冷することにより、
第３図の石英系光導波膜とした。

上記のようにして、サファイヤ基板上に、シリコン膜を
介在して作製された石英ガラス系光導波膜は「曇り」が
なく極めて透明であり、またガラス膜の「はく離」もま
ったく見られず、再現性良く高品質な石英ガラス系光導
波膜が得られた。本実施例において、極めて透明なガラ
ス膜が得られた要因は、透明ガラス化時の最高到達温度
を1500℃（少なくとも1400℃以上）としても基板の変形
がなかったことであり、ガラ膜の「はく離」の問題が解
決されたのは、石英系ガラス膜とシリコン膜、シリコン
膜とサファイヤ基板の密着性の良さに起因するものであ
る。事実、シリコン結晶の（100面）とサファイヤの（0
1２）面の格子定数は良く整合し、原子レベルでの結
合（密着）が形成される。一方、石英ガラス膜とシリコ
ン膜も同じSi元素をベースとしているために密着性が良
い。

（２）本発明の実施において、注目すべき点は、シリコ
ン膜の膜厚の変化である。即ち、堆積したガラス微粒子
膜を高温下で透明化する際に、透明ガラス化雰囲気中の
酸素ガス及びガラス微粒子の組成であるSiO₂,B₂O₃,P
₂O₅,TiO₂等からの酸素原子の拡散によって、シリコン膜
の一部が酸化されてSiO₂となることである。第５図は、
この酸化される時間と、酸化されてSiO₂となった膜厚と
の関係を、温度をパラメータとして求めた実験結果であ
る。シリコン膜としては結晶シリコンの（100）面を使
用した場合である。第５図より、初期膜厚を0.1μｍと
した場合、1500℃,1時間の透明ガラス化で、結晶シリコ
ン膜は消滅することになる。しかしながら、このように
透明ガラス化後、シリコン膜が消滅した場合にも、「は
く離」は見られず、シリコン膜の使用による密着性の改
善は有効であった。これは、シリコン膜とサファイヤ膜
間の原子レベルの結合がSiO₂化後も有効に作用するため
と考えられる。

（３）本発明の実施により、さらに光導波路形成におけ
る寸法精度の改善が実現した。即ち、第６図（ｃ）に示
した光導波路形成時のホトリソブラフィー工程（紫外線
露光）において、サファイヤ基板底面からの紫外線反射
がシリコン膜の吸収によって遮断されることから、ホト
レジストのパターン化が精度よく達成でき、結果として
第６図のコア路3cを寸法精度よく作製できることとなっ
た。これは、当初の予想を上まわる本発明の実施による
改善点であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、サファイヤ基板上にシリコン膜を介在
して石英系ガラス膜を作製するものであるため、透明ガ
ラス化時の最終到達温度を1400℃以上にでき、「曇り」
のない極めて低損失の石英系光導波膜とすることがで
き、「はく離」の問題も合わせて解決でき、高品質な光
導波膜を安定して作製できる利点がある。また、光導波
路形成のためのホトリソグラフィー工程において、サフ
ァイヤ基盤底面からの反射光をシリコン膜で遮断できる
ため、光回路の寸法精度を工場できる利点がある。さら
に、本発明によれば、特にコアとクラッドとの比屈折率
差の大きな光導波路の低損失化を実現しやすいという利
点があり、したがって、光回路全体の寸法を小さくでき
る利点が合わせて生じる。また、サファイヤ基板からの
強い応力にもかかわらず本発明の石英系導波膜は基板か
ら「はく離」しないので、応力により光導波路に誘起さ
れる応力複屈折を利用する偏波制御用の導波形光部品の
構成にも本発明の光導波膜を活用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明石英系光導波膜の基本構成を示す断面
図、第２図は比較のために示す従来技術で提案されてい
る石英系光導波膜の断面図、第３図は本発明の一実施例
の断面図、第４図は第３図実施例のためのガラス堆積装
置の模式的構成図、第５図は酸化時間と酸化膜厚との関
係曲線実測図、第６図は従来の石英系光導波路の製造工
程を説明する図である。符号の説明 11,21……サファイヤ基板 12,22……バッファ層 13,23……コア層 14……シリコン層 31……サファイヤ基板 32……シリコン膜 33……石英系ガラスバッファ層 34……石英系ガラスコア層 42……結晶シリコン膜を有するサファイヤ基板 44……ガラス微粒子合成トーチ 45……トーチ駆動装置 46……原料ガス供給装置 48……排気ガス処理装置 49……中央制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】石英系光導波路の構成素材である石英系光
導波膜において、サファイヤ（Al₂O₃）基板と、該サフ
ァイヤ基板上に形成される石英ガラス（SiO₂）系光導波
膜との間にシリコン（Si）の結晶薄膜あるいは非晶質薄
膜が介在していることを特徴とする石英系光導波膜。