JPH1152175A - 光集積回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が複雑で製作工程も長く、また基板の撓
みや湾曲が大きくて基板１枚当たりの取れ数も少なく、
さらに縦方向の光軸調整のための高さ調整も非常に複雑
であるという問題があった。 【解決手段】 一主面側に第一の平面部２を有する結晶
質シリコン基板１の一部を除去して第二の平面部３を設
け、この結晶質シリコン基板１内の第一の平面部２に第
一の誘電体領域４を設けると共に、この第一の誘電体領
域４の前記結晶質シリコン基板１内における外側にこの
第一の誘電体領域４よりも屈折率が小さい第二の誘電体
領域５を設け、前記第二の平面部３に前記第一の平面部
２より前記結晶質シリコン基板１の内側に位置する誘電
体層６を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光集積回路基板とそ
の製造方法に関し、さらに詳しくは結晶質シリコン基板
内に選択的に平面型光導波路を形成した光集積回路基板
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】高度
情報通信社会のマルチメディア時代を迎えて光情報通信
機器の社会的な需要は益々増加している。特に今後、画
像情報などの大量情報を各家庭に配信するいわゆるＦＴ
ＴＨ(Fiber to the Home) 構想の実現の可否は、光情報
を消費者端末に配信するためのＯＮＵ(Optical Network
Unit)と呼ばれる光回線終端装置を経済的且つ大量に供
給できる製法の実現の成否に掛かっていると言っても過
言ではない。特に、ＯＮＵ内で光情報処理機能を受け持
つ光集積回路部分の寸法は、光の基本的性質から数ｍｍ
×数十ｍｍと大型化せざるを得ない。従って、この集積
回路基板もまた同様の寸法を持つ。このように光回線終
端装置用の光集積回路基板は、大型のチップを安価に供
給しなければならない宿命を持つ。

【０００３】光集積回路基板の機能開発は既に数多く検
討されているが、大量生産が可能な構造と製造方法の開
発は未だ実現されておらず、結果として安価な機器の提
供に至っていないのが現状である。

【０００４】以下、従来の技術と本発明が解決しようと
する課題を述べる。光回線終端装置の最近の技術動向を
まとめた典型例として、「光モジュール・光デバイスの
経済化技術」を主題とする特集号NTT R&D Vol.46 No.5
(1997) では、当該技術分野における低コスト化のため
の研究開発成果が述べられている。

【０００５】光集積回路が高価な理由の第一は、集積回
路内で光結合効率を高く保持するために、各部品を実装
する際に、部品を実際に駆動して光を出し入れして光軸
を合わせながら実装するアクティブアライメントよる極
めて精密な位置合わせが必要なことである。このための
実装コストが高くなる。従って、部品点数を減らすこ
と、パッシブアライメントを可能とすることが大きな課
題となっている。パッシブアライメントを可能とするた
めに、光半導体素子では光ビームの大きさを可変できる
スポットサイズ変換型のものが開発されている。また、
光集積回路基板上への光半導体素子の実装に際しては、
基板上にアライメントマーカーなどを設けて、このアラ
イメントマーカーに素子を位置合わせして実装する技術
が開発されてきている。

【０００６】光集積回路が高価な理由の第二は、光集積
回路用基板そのものの製作工程が複雑で長く、量産に適
した構造と製法が開発されていないことである。前記特
集号NTT R&D Vol.46 No.5(1997) 中の論文である同号４
７３頁から４８６頁に記載された「ＰＬＣハイブリッド
集積型ＷＤＭ光送受信モジュール」によると、光導波路
を形成したシリコン基板上に、レーザーなどの発光素子
やフォトダイオードなどの受光素子である光半導体素子
やその他の素子をハイブリッド実装して光集積回路を形
成することにより、光集積回路を廉価に供給するための
研究開発の現状とその製造方法が述べられている。

【０００７】現在の光集積回路基板の製造方法は、厚い
誘電体膜を幾層も堆積し、これをエッチングして光導波
路を形成するという基本工程によるものである。ところ
が、厚い誘電体膜の積層とエッチングによる製造方法に
は以下のような課題がある。すなわち、この方法では基
板の製造工程が長く且つ製造に長時間を要すること、ま
た厚い誘電体膜がシリコン基板の一主面側の全面に設け
られた構造であるため、シリコン基板にかかる内部応力
が大きく、シリコン基板の撓みや曲がりが激しく、大型
のシリコン基板を使用しても基板１枚当たりの取れ数を
多くしにくいという問題がある。

【０００８】また、厚い膜を積層して光導波路を形成す
る基本工程に起因する問題として、厚い膜の膜厚のばら
つきがパッシブアライメント化を実現する膜厚方向の位
置制御の許容範囲を超えている問題がある。このため、
厚い下部クラッド層を堆積した後に、特別な精密研磨に
よって表面を一旦平坦化し、その後さらに高さ方向の位
置調整をするための高さ調整層を挿入するなど、工程が
複雑化している。

【０００９】本発明はこのような従来装置と従来方法の
問題点に鑑みてなされたものであり、構造が複雑で製作
工程も長く、また基板の撓みや湾曲が大きくて基板１枚
当たりの取れ数も少なく、さらに縦方向の光軸調整のた
めの高さ調整も非常に複雑であるという従来装置と従来
方法の問題点を解消した光集積回路基板とその製造方法
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る光集積回路基板では、一主面側に第
一の平面部を有する結晶質シリコン基板の一部を除去し
て第二の平面部を設け、この結晶質シリコン基板内の第
一の平面部に第一の誘電体領域を設けると共に、この第
一の誘電体領域の前記結晶質シリコン基板内における外
側にこの第一の誘電体領域よりも屈折率が小さい第二の
誘電体領域を設け、前記第二の平面部上に前記第一の平
面部より前記結晶質シリコン基板の内側に位置する誘電
体層を設けた。

【００１１】上記請求項１に係る光集積回路基板では、
前記第一の平面部に前記第一の誘電体領域よりも屈折率
が小さい第二の誘電体層を設けることが望ましい。

【００１２】また、請求項３に係る光集積回路基板の製
造方法では、一主面側に第一の平面部を有する結晶質シ
リコン基板の一部を除去して第二の平面部を形成する工
程、前記結晶質シリコン基板の第一の平面部に第一の多
孔質シリコン領域を形成する工程、この第一の多孔質シ
リコン領域の前記結晶質シリコン基板内における外側
に、この第一の多孔質シリコン領域よりも細孔径が小さ
い第二の多孔質シリコン領域を形成する工程、前記第一
の多孔質シリコン領域に不純物を導入する工程、前記第
一の多孔質シリコン領域と第二の多孔質シリコン領域を
酸化することにより第一の誘電体領域と第二の誘電体領
域を形成する工程、前記第二の平面部上に前記第一の平
面部より前記結晶質シリコン基板の内側となるように誘
電体層を形成する工程を有する。

【００１３】この請求項３に係る光集積回路装置の製造
方法では、前記第二の平面部上に誘電体層を形成する工
程で、前記第一の平面部上に第二の誘電体層を形成する
ことが望ましい。

【００１４】

【作用】本発明者等は、特願平０９−１６２８３１号に
おいて新概念に基づく光導波路の製法とその製法に基づ
く新構造の光導波路を開示した。

【００１５】本発明は、この光導波路を基本としつつさ
らに発展させたものであり、光導波路はコア部と下部ク
ラッド部の一面がシリコン基板の最初の表面と同一面に
あるという特長を持つ。従って、光導波路の光軸はシリ
コン基板の最初の表面と極く近い一定の位置にあり、シ
リコン基板面を高さ調整の基準面として使用できる。従
って、従来技術の問題点で述べた光半導体素子をパッシ
ブアライメントするための高さ調整層を特別にその目的
のための工程で作り込む必要はなくなる。

【００１６】また、光導波路を構成する誘電体の酸化シ
リコン領域を真に必要とする領域のみに形成するため、
シリコン基板と酸化シリコン領域との接触領域が小さ
く、シリコン基板にかかる応力が減少して、シリコン基
板の曲がりが殆ど認められない程度になる。従って、光
集積回路基板を作成するために大型シリコン基板を使用
できる。

【００１７】さらに、光集積回路基板を簡単な製造工程
で、設備コストも少なく容易に製造でき、大量生産が可
能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て詳細に説明する。図１は請求項３に係る光集積回路基
板の製造方法を示す工程図である。（ａ）〜（ｄ）の右
側が側面図であり、左側が側面図の中心線に沿った断面
図である。図１により製造工程を説明する。まず、結晶
質シリコン基板１の一主面上に０．５μｍ程度の厚みを
有する窒化シリコン膜から成る第一のマスク層（不図
示）を堆積してパターン形成する。その後、公知のエッ
チング手段を用いて深さｄのエッチングを施す。そし
て、第一のマスク層の残存部を除去する（図１(a) ）。
この工程により最初のシリコン基板面を第一の平面部２
とし、深さｄのエッチングが施された第二の平面部３を
形成する。

【００１９】次ぎに、前記第一の平面部２と第二の平面
部３上に０．５μｍ程度の厚みを有する窒化シリコン膜
などから成る第二のマスク層（不図示）を堆積し、光導
波路となるべき領域を多孔質シリコン化するための開口
部パターンを形成する。その後、結晶質シリコン基板１
の一主面を陽極として弗酸（ＨＦ）溶液により陽極化成
し、第一の多孔質シリコン領域４と第二の多孔質シリコ
ン領域５を形成する。第二の多孔質シリコン領域５は、
シリコン基板１内におる第一の多孔質シリコン領域４の
外側に位置するように形成される。この際、第二の多孔
質シリコン領域５の細孔径を第一の多孔質シリコン領域
４のそれより小さくし、且つ第一の多孔質シリコン領域
４と第二の多孔質シリコン領域５の多孔度を望ましくは
５５％となるような、化成時間、化成電流密度、または
化成液中の弗酸濃度などの条件を設定する。多孔質シリ
コンの細孔径は例えば２０〜５５Åの範囲内で第一の多
孔質シリコン領域４で相対的に大きくなるように、化成
電流密度と化成液の弗酸濃度を制御して形成される。続
いて、乾燥酸素雰囲気中３００℃で１時間の予備酸化を
行う。その後、例えばＴｉなどの屈折率増加用の不純物
元素を構成元素とする金属有機物物質を含有する液中に
浸漬する。この浸漬工程により第一の多孔質シリコン領
域４の細孔内に選択的に屈折率増加用の不純物元素含有
物質が導入される。その後、例えば湿った酸素雰囲気中
１１５０℃で２時間程度酸化処理することにより、前記
第一の多孔質シリコン領域４と第二の多孔質シリコン領
域５は完全に溶融して酸化される。その後、第二のマス
ク層を除去する。こうして、第一の多孔質シリコン領域
４は屈折率が相対的に大きい第一の誘電体領域となりコ
ア部４を形成する。また、第二の多孔質シリコン領域５
は屈折率が相対的に小さい第二の誘電体を形成し、下部
クラッド部５となる（図１(b) ）。

【００２０】続いて、前記シリコン基板１の第二の平面
部３上に公知の技術を用いて、その上面７がシリコン基
板１の内側に位置するような膜厚ｔに設定された第一の
誘電体層６を形成する（図１(c) ）。この際、必要に応
じて、前記シリコン基板１の第一の平面部２上に、第二
の誘電体層８を形成してもよい。誘電体層６と第二の誘
電体層８を、同一の成膜工程で同一の膜厚のものを形成
するのが工程的には最も短くなる。しかし、必要に応じ
て誘電体層６と第二の誘電体層８を別々の工程で作成し
てもよい。後者のようにの誘電体層６と第二の誘電体層
８を別々の工程で作成しても光集積回路基板の製作工程
としては従来工程に比べて短くなる。

【００２１】その後、第一の平面部２と第二の平面部３
の境界領域に幅ｗの溝９を形成し、境界領域部に第一の
誘電体領域４、第二の誘電体領域５、および第二の誘電
体層８を含む導波路端面を形成する（図１(d) ）。ここ
に、溝９の幅ｗとその深さは第一の平面部２と第二の平
面部３との境界部において導波路端面を正確に形成でき
るものであればよい。言い換えれば幅ｗは例えば精密な
ダイヤモンドカッターなどで加工可能な最少幅（現状技
術では約２０μｍ程度）でも良く、必要ならばこれより
大きくしても良い。また溝９の深さ自体も特に問題とは
ならない。溝９の底は第二の平面部３より浅くても深く
ても良い。

【００２２】図１に例示した工程の終了後の構造の斜視
図を図２に示す。誘電体層６の平面７にはレーザーなど
の発光素子やフォトダイオードなどの受光素子である光
半導体素子を実装し、これを駆動するための電子回路用
の導体層１０が設けられる。この配線用の導体層１０を
形成する工程は図１(c) の直後でも、図１(d) の後に実
施しても良い。

【００２３】シリコン基板１中に埋め込まれた第一の誘
電体領域４と第二の誘電体領域５があれば、光導波路の
機能を保持する観点からは第二の誘電体層８は固体であ
る必要はない。空気または真空でもよいものである。し
かし第一の平面部２を保護する必要がある場合は、ある
程度の膜厚を有する固体誘電体層を設けることが望まし
い。この第二の誘電体層８の膜厚は、光導波路としての
光閉じ込め条件が満たされることと、厚い誘電体層とシ
リコン基板１との接合による内部応力に起因した基板の
曲がりが工業上許容される限度内で設定すればよい。

【００２４】他方、誘電体層６上の平面７上には電子回
路用の導体層１０が形成され、シリコン基板１とこの導
体層１０との電気的絶縁性を確保する意味から、この誘
電体層６の膜厚は０．０１μｍ程度以上あればよい。以
上の観点から、誘電体層６と第二の誘電体層８の膜厚は
０．０１μｍから３０μｍ程度が望ましい。

【００２５】次ぎに、実装のための寸法条件を図１の工
程の終了後に光半導体素子を実装した断面構造図である
図３を用いて説明する。第一の誘電体領域４、第二の誘
電体領域５、および第二の誘電体層８で形成される光導
波路の光軸中心（図に太い２点波線で示す）は、最初の
表面２よりΔｈだけシリコン基板１の内側にある。この
Δｈは光導波路の寸法や不純物濃度分布などにより変化
するが、光導波路設計条件を定めれば一定値をとり工業
的に充分な再現性を持つものである。

【００２６】他方、誘電体層６の表面７上に実装するレ
ーザーなどの発光素子やフォトダイオードなどの受光素
子である光半導体素子１１の光軸中心位置は各素子によ
り定まっている。誘電体層６の表面７上に設けた電気配
線用の導体層１０の厚さ、実装のためのバンプ１２など
の高さを含め、誘電体層６の表面７から光半導体素子の
光軸中心までの距離ｆは実装の再現性を含めて定められ
る。導波路と光半導体素子間で最大の光結合を保つには
両者の光軸を一致させれば良い。

【００２７】以上の条件から、シリコン基板１の最初の
表面２と誘電体層６の表面７との間の距離ｈはｈ＝ｆ＋
Δｈとなる。一方、エッチング深さｄ、誘電体層６の膜
厚ｔとの関係から、ｈ＝ｄ−ｔとなる。ここで、エッチ
ング深さｄと誘電体層６の膜厚ｔとは、自由に設定可能
なパラメータである。従って、本発明の方法では、エッ
チング深さｄと誘電体層６の膜厚ｔを所望の値に設定す
るのみで、光導波路と光半導体素子の垂直方向の光軸を
容易に合わせることができる。

【００２８】次ぎに、上部クラッド層８の実際の堆積膜
厚とクラッド層としての実効的な光学的膜厚を比較した
場合の本発明の有利点を述べる。

【００２９】本発明の構造では、図１(d) や図２の斜視
図から明らかなように、上部クラッド層となる第二の誘
電体層８は最初のシリコン基板面２と表面を同一とする
コア部４とクラッド部５に積層される。すなわち、第二
の誘電体層８は平坦な下地基板１上に積層される。従っ
て、上部クラッド層となる第二の誘電体層８を例えば平
均膜厚で２０μｍ形成すればコア部４の上には実効的に
も２０μｍの膜厚が形成されている。

【００３０】他方、従来の方法では、平面上の寸法と高
さとの比が約１：１（例えば８×８μｍ角）の突起を有
するコアリッジの上に上部クラッド層を例えば２０μｍ
程度形成しなければならない。この場合、突起であるコ
アリッジ上部の膜厚は基板主面に堆積する平均膜厚に比
べて必ず小さくなる。逆に言えば、コアリッジ上部で上
部クラッド層として機能する膜厚に比べて基板主面に堆
積する平均膜厚を必ず大きくしなければならない。とこ
ろが、シリコン基板と厚い誘電体層の熱膨張係数差に起
因する基板の曲がりや反りの観点から、全体の誘電体層
の膜厚は可能な限り薄くする方が有利である。本発明の
構造と製法は上部クラッド層として同一の光学的膜厚を
確保する目的に対しても上記のような利点を有する。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、請求項１に係る光集積回
路基板によれば、一主面側に第一の平面部を有する結晶
質シリコン基板の一部を除去して第二の平面部を設け、
この結晶質シリコン基板内の第一の平面部に第一の誘電
体領域を設けると共に、この第一の誘電体領域の前記結
晶質シリコン基板内における外側にこの第一の誘電体領
域よりも屈折率が小さい第二の誘電体領域を設け、前記
第二の平面部上に前記第一の平面部より前記結晶質シリ
コン基板の内側に位置する誘電体層を設けて成ることか
ら、第一の誘電体領域で構成されるコア層の表面はシリ
コン基板の最初の表面にあり、光集積回路、シリコンプ
ラットフォームとして、ファイバーとの接続を考えたと
き、接続基準面をシリコン基板の最初の表面に規定でき
る。また、第一の誘電体領域と第二の誘電体領域が光導
波路として必要な領域のみに形成されており、誘電体と
シリコン基板の接触面積が従来に比べ小さいことから、
シリコン基板のソリ曲りが小さくなり、大型のシリコン
基板の使用が容易となる。さらに、第一の平面部と第二
の平面部との間の距離ｄを調整することにより、レーザ
ーなどの発光素子やフォトダイオードなどの受光素子で
ある光電子部品実装に対する位置整合を容易にとること
ができる。

【００３２】また、請求項３に係る光集積回路基板の製
造方法によれば、一主面側に第一の平面部を有する結晶
質シリコン基板の一部を除去して第二の平面部を形成す
る工程、前記結晶質シリコン基板の第一の平面部に第一
の多孔質シリコン領域を形成する工程、この第一の多孔
質シリコン領域の前記結晶質シリコン基板内における外
側に、この第一の多孔質シリコン領域よりも細孔径が小
さい第二の多孔質シリコン領域を形成する工程、前記第
一の多孔質シリコン領域に不純物を導入する工程、前記
第一の多孔質シリコン領域と第二の多孔質シリコン領域
を酸化することにより第一の誘電体領域と第二の誘電体
領域を形成する工程、前記第二の平面部上に前記第一の
辺面部より前記結晶質シリコン基板の内側となるように
誘電体層を形成する工程を有することから、極めて簡単
に光集積回路基板を製造することができる。また、工程
が単純で短く、基本工程がウエット工程で、必要設備が
ビーカースケールで設備コストが安い。以上により、光
集積回路基板を安価に大量に製造することが可能とな
り、光情報通信網の整備実現に資するところ大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項４に係わる光集積回路基板の製造方法の
一実施形態を示す工程図である。

【図２】請求項１に係わる光集積回路基板い用いられる
光集積回路基板を示す図である。

【図３】請求項１に係わる光集積回路基板の一実施形態
を示す図である。

【符号の説明】

１‥‥‥結晶質シリコン基板、２‥‥‥第一の平面部、
３‥‥‥第二の平面部、４‥‥‥第一の誘電体領域（コ
ア部）、５‥‥‥第二の誘電体領域（下部クラッド
部）、６‥‥‥誘電体層、８‥‥‥第二の誘電体層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一主面側に第一の平面部を有する結晶質
   シリコン基板の一部を除去して第二の平面部を設け、こ
   の結晶質シリコン基板内の第一の平面部に第一の誘電体
   領域を設けると共に、この第一の誘電体領域の前記結晶
   質シリコン基板内における外側にこの第一の誘電体領域
   よりも屈折率が小さい第二の誘電体領域を設け、前記第
   二の平面部上に前記第一の平面部より前記結晶質シリコ
   ン基板の内側に位置する誘電体層を設けて成る光集積回
   路基板。
2. 【請求項２】 前記第一の平面部に前記第一の誘電体領
   域よりも屈折率の小さい第二の誘電体層を設けたことを
   特徴とする請求項１に記載の光集積回路基板。
3. 【請求項３】 一主面側に第一の平面部を有する結晶質
   シリコン基板の一部を除去して第二の平面部を形成する
   工程、前記結晶質シリコン基板の第一の平面部に第一の
   多孔質シリコン領域を形成する工程、この第一の多孔質
   シリコン領域の前記結晶質シリコン基板内における外側
   に、この第一の多孔質シリコン領域よりも細孔径が小さ
   い第二の多孔質シリコン領域を形成する工程、前記第一
   の多孔質シリコン領域に不純物を導入する工程、前記第
   一の多孔質シリコン領域と第二の多孔質シリコン領域を
   酸化することにより第一の誘電体領域と第二の誘電体領
   域を形成する工程、前記第二の平面部上に前記第一の平
   面部より前記結晶質シリコン基板の内側となるように誘
   電体層を形成する工程を有する光集積回路基板の製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記第二の平面部上に誘電体層を形成す
   る工程で、前記第一の平面部上に第二の誘電体層を形成
   することを特徴とする請求項３に記載の光集積回路基板
   の製造方法。