JPWO2015105063A1 - グレーティングカプラ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

従来、グレーティングカプラの作成に当たり、通常のエッチングでは回折格子の溝の深さの厳密な制御が困難であり、製造上のトレランスが小さいという問題があった。ＳＯＩ基板を準備し、グレーティングカプラ形成領域に誘電体層１１２を形成後、多結晶シリコン層１３０を形成し、エッチングにより多結晶シリコン層１３０に回折格子部を構成する多数の溝１５０を形成する。その際、誘電体層１１２は、溝１５０を形成する際にエッチストッパとして機能しエッチング深さのばらつきが解消される。その後、溝１５０を埋める上部クラッド層１１６を形成する。グレーティングカプラ形成領域の端部近傍で溝を浅くする多段構成にも適用できる。

Description

本発明は、グレーティングカプラ及びその製造方法に関し、より特定的には、光導波路構造として特別な積層構造を有するグレーティングカプラ及びその製造方法に関する。

従来より、基板上に光導波路を形成し、この光導波路において光を導波モードで伝搬させるようにした光導波路素子で、導波光を光導波路外へ出射させるため、あるいは外部光を光導波路内に入射させるために、光導波路の表面に回折格子を形成したグレーティングカプラが種々提案されている。

図５は、グレーティングカプラの一例の断面構造を模式的に示す断面図である。以下では、図５を参照しながら、グレーティングカプラの構造、機能等を簡単に説明する。

グレーティングカプラ５００は、光信号を光導波路を介して受け取り回折により光軸を変換する作用を有するものである。図５（ａ）に例示された断面構造は、ＢＯＸ層５１２と、ＢＯＸ層５１２より屈折率の高いコア層５１４と、ＢＯＸ層５１２と同じ屈折率の上部クラッド層５１６とを、この順に基板５１０に積層し、コア層５１４に回折格子部を形成したもので、導波路への回折格子形成加工のみで、光路変換を可能とするものである。なお、グレーティングカプラ５００には、例えば、図５（ｂ）に示されるような、（１）フォーカスなし一様ＧＣ、（２）フォーカス付一様ＧＣ、（３）フォーカス付非一様ＧＣ、等の各種の構造を有するものがある。

以下、導波光を光導波路外へ出射させるための動作原理等について概略説明する。

図５（ａ）に示されるように、グレーティングカプラ５００の導波路の厚さ方向（ｘ方向）に薄い回折格子を形成すると、導波光と放射光は、伝搬方向（ｚ方向）の位相整合を満たす必要があり、整合条件は、導波光の伝搬定数をβ_０、放射光の伝搬定数をβ_ｑとすると、β_ｑ＝β_０＋ｑＫである。但し、Λを回折格子の周期とし、Ｋ＝２π／Λで、ｑは放射光の次数（０、±１、±２、・・・）に相当する値である。

この場合、回折格子の法線に対し、角度θで出射する放射光と導波路との結合条件は、λを使用する波長、Ｎを導波路の実効屈折率、ｎ_ｃを上部クラッド層の屈折率、Λを回折格子の周期とすると、ｎ_ｃｓｉｎθ＝Ｎ＋ｑλ／Λとなる。

Ｎ＞ｎ_ｃであることを考慮すると、放射は、ｑ≦−１の次数に限られることになるが、最もパワー分配比が高い−１次放射光を使用すると、放射光の高効率利用が図られることになる。なお、上記−１次放射光等の他、導波路方向への戻り光Ｐ_ref、コア層透過光Ｐ_trans、ＢＯＸ層５１２を介した基板５１０側への放射光Ｐ_downも存在する。

ここで、出射角度θは、図５（ａ）に示される格子の周期Λ、幅ｗ、深さｄ、光導波路の厚さＤによって任意に設計できるが、それらの数値範囲を例示すれば、以下のとおりである。
Λ：５３０〜５５０ｎｍ
ＦＦ（＝１−ｗ／Λ）：０．３〜０．６
ｄ：６０〜８０ｎｍ
Ｄ：１８０〜２００ｎｍ

以上、グレーティングカプラによって導波光を光導波路外に出射させる場合について述べたが、このようなグレーティングカプラによって外部光を光導波路内に入射させることも従来から広く行なわれている。

そして、例えば、図５（ａ）に示されるような導波光を光導波路外へ出射させるための構成においては、光入射側の数周期の回折格子について上記ＦＦを小さくするか、深さｄを小さくすると放射光の結合強度が向上することが知られており、ＦＦを小さくことは製造上の限界があることから、ダブルエッチング手法により、光入射側の数周期の回折格子について深さｄを小さくすることが提案されている（非特許文献１参照）。

"CMOS-compatible high efficiency double-etched apodized waveguide grating coupler", OPTICS EXPRESS Vol. 21, No. 7 (2013/4/8) 7868-7874

導波光を光導波路外へ出射させるための構成において、光入射側のグレーティングカプラの深さｄを小さくするため上記のようなダブルエッチング手法を採用する場合には、回折格子部の深さ精度を高くする必要がある。しかしながら、そもそも通常のエッチングンにおいてもエッチング深さの正確な制御は困難であることから、製造上のトレランスが小さく、十分な深さ精度の達成が困難であるという問題があり、上記のようなダブルエッチングではエッチング深さの正確な制御がさらに困難となる。

上記課題を解決するための本発明のグレーティングカプラの基本的構成は、概略以下のとおりである。

Ｓｉ層、薄い誘電体層、上記Ｓｉ層と略等しい屈折率を有し回折格子部が形成された上部Ｓｉ層を積層した積層構造でグレーティングカプラの光導波路構造を構成し、前記回折格子部の溝の底面が前記薄い誘電体層の表面に位置するようにして回折格子部の溝の深さを略一定とした。これにより、グレーティングカプラの深さｄを小さくとっても回折格子部の深さ精度を高く保つことができる。

また、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍においてのみグレーティングカプラの深さｄを小さくするという多段構成は、概略以下のとおりである。

Ｓｉ層上に、薄い誘電体層及び前記Ｓｉ層と略等しい屈折率を有する上部Ｓｉ層からなる積層構造をグレーティングカプラ形成領域において必要段数積層し、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍の回折格子部の溝の深さを端部近傍外の溝の深さより小さく（浅く）形成した構造を光導波路構造として有し、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍及び端部近傍外の両方において、前記回折格子部の溝の底面が前記薄い誘電体層の表面に位置するようにして前記回折格子部の溝の深さをそれぞれ略一定とした多段構成を有するものである。

次に、本発明のグレーティングカプラの製造方法の基本的構成は、概略以下のとおりである。
（１）グレーティングカプラを形成するためのＳＯＩ基板を準備する。
（２）グレーティングカプラ形成領域において、ＳＯＩ基板上に薄い誘電体層を形成し、その上に上部Ｓｉ層を形成する。
（３）グレーティングカプラ形成領域において、前記上部Ｓｉ層をエッチング加工し、グレーティングカプラの回折格子部を形成する。なお、グレーティングカプラ形成領域における前記上部Ｓｉ層のエッチング加工の際、下層にある前記薄い誘電体層がエッチストッパーとして用いられる。
（４）酸化物クラッドにより、回折格子部の溝を埋め、酸化物クラッドを平坦化して上部クラッド層を形成する。

なお、上部Ｓｉ層として、多結晶Ｓｉ層を用いることができる。

また、本発明の多段構成のグレーティングカプラの製造方法の基本的構成は、概略以下のとおりである。
（１’）グレーティングカプラを形成するためのＳＯＩ基板を準備する。
（２’）グレーティングカプラ形成領域において、ＳＯＩ基板上に、薄い誘電体層を形成しその上に上部Ｓｉ層を形成することにより薄い誘電体層及び上部Ｓｉ層からなる積層構造を形成し、このような積層構造を必要段数形成する。
（３’）グレーティングカプラ形成領域の端部近傍において、前記上部Ｓｉ層をエッチング加工し、グレーティングカプラの回折格子部を形成する。なお、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍における前記上部Ｓｉ層のエッチング加工の際、下層にある前記薄い誘電体層がエッチストッパーとして用いられ、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍において深さが略一定な浅い溝が形成される。
（４’）グレーティングカプラ形成領域の端部近傍外において、前記複数段の積層構造をエッチング加工し、グレーティングカプラの回折格子部を形成する。なお、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍外における前記積層構造のエッチング加工の際、最下層にある薄い誘電体層がエッチストッパーとして用いられ、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍外において深さが略一定な深い溝が形成される。
（５’）最後に、酸化物クラッドにより、回折格子部の溝を埋め、酸化物クラッドを平坦化して上部クラッド層を形成する。これにより、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍においてのみグレーティングカプラの深さｄを小さくするという多段構成が完成する。

なお、上部Ｓｉ層として、多結晶Ｓｉ層を用いることができる。

本発明のグレーティングカプラの基本的構成及び製造方法の基本的構成によれば、グレーティングカプラの回折格子部を上部Ｓｉ層に形成する際、上部Ｓｉ層の下層に設けた誘電体層をエッチストッパとして用いることにより、回折格子部形成時のエッチング深さのばらつきを解消し得る。

また、本発明の多段構成のグレーティングカプラ及びその製造方法によれば、上部Ｓｉ層の下層に設けた誘電体層を、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍及び端部近傍外の両方においてそれぞれ異なる深さでエッチストッパとして用いることにより、回折格子部形成時のエッチング深さのばらつきを解消し得る。

図１は、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の断面構造を模式的に示す断面図である。 図２は、本発明の多段構成のグレーティングカプラの一実施形態の断面構造を模式的に示す断面図である。 図３は、本発明のグレーティングカプラの製造方法の一実施形態を説明するための断面工程図である。 図４は、本発明の多段構成のグレーティングカプラの製造方法の一実施形態を説明するための断面工程図である。 図５は、グレーティングカプラの一例の断面構造を模式的に示す断面図である。

図１は、本発明のグレーティングカプラの一実施形態の断面構造を模式的に示す断面図である。

図１に例示された断面構造は、ＢＯＸ層１０２とＢＯＸ層１０２より屈折率の高いＳｉ層１２０とを基板１０１に積層して形成されたＳＯＩ基板上に、薄い誘電体層１１２、Ｓｉ層１２０と略等しい屈折率を有し回折格子部が形成された多結晶Ｓｉ層１３０を積層し、さらにその上に多結晶Ｓｉ層１３０の回折格子部の溝１５０を埋める上部クラッド層１１６を形成した積層構造を示すものである。

先に説明した図５（ａ）に示される断面構造との対比でいえば、Ｓｉ層１２０、薄い誘電体層１１２、Ｓｉ層１２０と略等しい屈折率を有し回折格子部が形成された多結晶Ｓｉ層１３０からなる積層構造が、図３（ａ）のコア層３１４に相応する導波路機能を有するものであり、この場合の導波路の実効屈折率Ｎは、上記積層構造の合成屈折率に相当するものとなる。

なお、上述の例では、多結晶Ｓｉ層１３０を用いているが、多結晶Ｓｉ層１３０の代わりに、Ｓｉ層１２０と同様のＳｉ層を上部Ｓｉ層として用いてもよい。

また、前述したように、グレーティングカプラには、例えば、図５（ｂ）に示されるような、（１）フォーカスなし一様ＧＣ、（２）フォーカス付一様ＧＣ、（３）フォーカス付非一様ＧＣ、等の各種のタイプのものが存在するが、いずれのタイプも本発明に採用し得る。

図２は、本発明の多段構成のグレーティングカプラの一実施形態の断面構造を模式的に示す断面図であり、図２においては、２段構成のグレーティングカプラを例示している。

図２に例示された断面構造は、ＢＯＸ層２０２とＢＯＸ層２０２より屈折率の高いＳｉ層２２０とを基板２０１に積層して形成されたＳＯＩ基板と、ＳＯＩ基板上に形成された薄い誘電体層２１２、Ｓｉ層２２０と略等しい屈折率を有する多結晶Ｓｉ層２３０を積層した第１層と、薄い誘電体層２５２、Ｓｉ層２２０と略等しい屈折率を有する多結晶Ｓｉ層２７０を積層した第２層と、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍において前記第２層の多結晶Ｓｉ層２７０に形成された回折格子部の浅い溝２５０と、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍外において前記第２層の薄い誘電体層２５２及び多結晶Ｓｉ層２７０並びに前記第１層の多結晶Ｓｉ層２３０に形成された回折格子部の深い溝２９０と、前記浅い溝及び深い溝を埋め平坦化した上部クラッド層２１６とから構成される多段構造を示すものである。

先に説明した図５（ａ）に示される断面構造との対比でいえば、前記第１層及び第２層からなる多段構造が、図５（ａ）のコア層５１４に相応する導波路機能を有するものであり、この場合の導波路の実効屈折率Ｎは、前記多段構造の合成屈折率に相当するものとなる。

なお、上述の例では、多結晶Ｓｉ層２３０、２７０を用いているが、多結晶Ｓｉ層２３０、２７０の一方または両方を、Ｓｉ層１２０と同様のＳｉ層で置き換えてもよい。

また、前述したように、グレーティングカプラには、例えば、図５（ｂ）に示されるような、（１）フォーカスなし一様ＧＣ、（２）フォーカス付一様ＧＣ、（３）フォーカス付非一様ＧＣ、等の各種のタイプのものが存在するが、いずれのタイプも本発明の多段構成のグレーティングカプラに採用し得る。

図３は、本発明のグレーティングカプラの製造方法の一実施形態を説明するための断面工程図であり、この製造方法は、工程（ａ）〜（ｅ）を含む。

まず、図３（ａ）に示すとおり、グレーティングカプラを形成するために用いるＳＯＩ基板を準備する。このＳＯＩ基板は、支持基板３０１の上面に形成された埋め込み酸化層（ＢＯＸ層）３０２上面に、さらにＳｉ層３２０が形成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、比較的薄い誘電体層３１２を、例えば熱酸化処理により、グレーティングカプラ形成領域のＳｉ層３２０上に形成する。前記誘電体層３１２は、例えば、シリコン酸化層、窒化シリコン層、他の絶縁層等から選択される少なくとも一層でも良い。

次に、図３（ｃ）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、多結晶シリコン層３３０を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、レジストパターンを形成した後、反応性エッチング法により多結晶シリコン層３３０をエッチングし、回折格子部の多数の溝３５０を形成する。なお、誘電体層３１２は、前記溝３５０をエッチングする際のエッチストッパーとして機能する。

次に図３（ｅ）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、酸化物クラッドにより回折格子部の多数の溝３５０を埋めＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）により平坦化を行って、上部クラッド層３１６を形成する。

なお、上述の例では、多結晶Ｓｉ層２３０を用いているが、多結晶Ｓｉ層２３０の代わりに、Ｓｉ層２２０と同様のＳｉ層を用いてもよい。

図４は、本発明の多段構成のグレーティングカプラの製造方法の一実施形態（本実施形態の場合は２段構成のグレーティングカプラの製造方法）を説明するための断面工程図であり、この製造方法は、工程（ａ’）〜（ｇ’）を含む。

まず、図４（ａ’）に示すとおり、グレーティングカプラを形成するために用いるＳＯＩ基板を準備する。このＳＯＩ基板は、支持基板４０１の上面に形成された埋め込み酸化層（ＢＯＸ層）４０２上面に、さらにＳｉ層４２０が形成されている。

次に、図４（ｂ’）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、比較的薄い誘電体層４１２を、例えば熱酸化処理により、グレーティングカプラ形成領域のＳｉ層４２０上に形成する。前記誘電体層４１２は、例えば、シリコン酸化層、窒化シリコン層、他の絶縁層等から選択される少なくとも一層でも良い。

次に、図４（ｃ’）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、多結晶シリコン層４３０を形成する。

次に、図４（ｄ’）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、比較的薄い誘電体層４５２を多結晶シリコン層４３０上に形成するとともに、誘電体層４５２上に多結晶シリコン層４７０を形成する。

次に図４（ｅ’）に示すように、多結晶シリコン層４７０上にレジストパターンを形成した後、反応性エッチング法により多結晶シリコン層４７０をエッチングし、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍に回折格子部の浅い溝４５０を形成する。この場合、誘電体層４５２は、前記浅い溝４５０をエッチングする際のエッチストッパーとして機能する。なお、浅い溝の個数は、図示の例に限定されるものではなく任意の個数でよい。

次に、図４（ｆ’）に示すように、多結晶シリコン層４７０上にレジストパターンを形成した後、反応性エッチング法により多結晶シリコン層４７０、薄い誘電体層４５２、多結晶シリコン層４３０を順次エッチングし、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍外に回折格子部の深い溝４９０を形成する。なお、上記エッチングの過程で、薄い誘電体層４５２をエッチングする際には、誘電体層４５２に対する選択比の高いエッチングガスに切り替え、誘電体層４５２のエッチング終了後に多結晶シリコン層４３０に対する選択比の高いエッチングガス（例えば、ＨＢｒ等）に切り替えるようにすれば、最下層の誘電体層４１２が、深い溝４９０をエッチングする際のエッチストッパーとして機能することになる。

また、上述の例では、薄い誘電体層４５２をエッチングするためにエッチングガスの切り替えを行ったが、このようなエッチングガスの切り替えは実施の一例にすぎず、例えば希フッ酸を用いれば、多結晶シリコン層４７０、薄い誘電体層４５２の両者をエッチングすることも可能である。但し、この場合には、レジストマスクを使用する代わりに、レジストマスクをＳｉＮ_ｘなどのハードマスクパターンに転写して、ハードマスクパターンを使用するようにすればよい。これは、レジストは希フッ酸処理時に剥離し易いのに対し、ＳｉＮ_ｘはＨＢｒエッチング及び希フッ酸処理に対して安定であるためである。

次に、図４（ｇ’）に示すように、グレーティングカプラ形成領域において、酸化物クラッドにより回折格子部の浅い溝４５０及び深い溝４９０を埋めＣＭＰにより平坦化を行って、上部クラッド層４１６を形成する。

なお、上述の例では、多結晶Ｓｉ層４３０、４７０を用いているが、多結晶Ｓｉ層４３０、４７０の一方または両方を、Ｓｉ層４２０と同様のＳｉ層で置き換えてもよい。

また、上記実施形態では２段構成のグレーティングカプラの製造方法を説明したが、３段構成以上のグレーティングカプラを製造する場合には、上記工程（ｄ’）を必要回数繰り返せばよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明してきたが、当業者であれば、他の類似する実施形態を使用することができること、また、本発明から逸脱することなく適宜形態の変更又は追加を行うことができることに留意すべきである。なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の記載に基き解釈されるべきである。

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１：支持基板
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２：ＢＯＸ層
１１２，２１２，２５２，３１２，４１２，４５２，５１２：誘電体層
１１６，２１６、３１６，４１６，５１６：上部クラッド層
１２０，２２０．３２０，４２０：Ｓｉ層
１３０，２３０，２７０，３３０，４３０，４７０：多結晶Ｓｉ層
１４０，２４０，３４０，４４０：リブ型Ｓｉ導波路
１５０，２５０，２９０，３５０，４５０，４９０：溝
５１４：コア層

Claims (7)

1. Ｓｉ層、薄い誘電体層、前記Ｓｉ層と略等しい屈折率を有し回折格子部が形成された上部Ｓｉ層をその順に積層した積層構造を光導波路構造として有し、前記回折格子部の溝の底面が前記薄い誘電体層の表面に位置することを特徴とするグレーティングカプラ。
2. Ｓｉ層上に、薄い誘電体層及び前記Ｓｉ層と略等しい屈折率を有する上部Ｓｉ層からなる積層構造をグレーティングカプラ形成領域において必要段数積層し、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍の回折格子部の溝の深さを端部近傍外の溝の深さより小さく形成した構造を光導波路構造として有し、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍及び端部近傍外の両方において、前記回折格子部の溝の底面が前記薄い誘電体層の表面に位置するようにして前記回折格子部の溝の深さをそれぞれ略一定とした多段構成を有することを特徴とするグレーティングカプラ。
3. 請求項１または２に記載のグレーティングカプラにおいて、前記上部Ｓｉ層が多結晶Ｓｉ層であることを特徴とするグレーティングカプラ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のグレーティングカプラにおいて、前記Ｓｉ層は、支持基板、ＢＯＸ層、Ｓｉ層の３層からなるＳＯＩ基板のＳｉ層であることを特徴とするグレーティングカプラ。
5. 支持基板、ＢＯＸ層、Ｓｉ層の３層からなるＳＯＩ基板を準備し、グレーティングカプラ形成領域において、前記ＳＯＩ基板上に薄い誘電体層を形成し、その上に上部Ｓｉ層を形成する第１工程と、
   前記グレーティングカプラ形成領域において、前記上部Ｓｉ層をエッチング加工し、グレーティングカプラの回折格子部を形成する第２工程と、
   前記グレーティングカプラ形成領域において、酸化物クラッドにより、前記回折格子部の溝を埋め、酸化物クラッドを平坦化して上部クラッド層を形成する第３工程と、
   を含み、
   前記第２工程において、前記薄い誘電体層をエッチストッパーとして用いることを特徴とするグレーティングカプラの製造方法。
6. 支持基板、ＢＯＸ層、Ｓｉ層の３層からなるＳＯＩ基板を準備し、グレーティングカプラ形成領域において、前記ＳＯＩ基板上に薄い誘電体層を形成し、その上に上部Ｓｉ層を形成する第１工程と、
   前記上部Ｓｉ層上に薄い誘電体層を形成し、その上に、さらに上部Ｓｉ層を形成する工程を必要回数繰り返し、薄い誘電体層と上部Ｓｉ層からなる積層構造を形成する第２工程と、
   前記グレーティングカプラ形成領域の端部近傍において、最上部の上部Ｓｉ層をエッチングし、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍に回折格子部の浅い溝を形成する第３工程であって、前記最上部の前記上部Ｓｉ層の下にある前記薄い誘電体層をエッチストッパーとして用いる、第３工程と、
   前記グレーティングカプラ形成領域の端部近傍外において、前記積層構造をエッチングし、グレーティングカプラ形成領域の端部近傍外に回折格子部の深い溝を形成する第４工程であって、前記積層構造の底部に位置する薄い誘電体層をエッチストッパーとして用いる、第４工程と
   前記回折格子部の浅い溝及び深い溝を酸化物クラッドで埋め、前記酸化物クラッドを平坦化して上部クラッド層を形成する第５工程と、
   を含み、
   前記グレーティングカプラ形成領域の端部近傍においてのみグレーティングカプラの深さを小さくする多段構成を形成することを特徴とするグレーティングカプラの製造方法。
7. 請求項５または６に記載のグレーティングカプラの製造方法において、前記上部Ｓｉ層が多結晶Ｓｉ層であることを特徴とする製造方法。

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