WO2021090412A1 - 光変調器の製造方法 - Google Patents

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WO2021090412A1
WO2021090412A1 PCT/JP2019/043536 JP2019043536W WO2021090412A1 WO 2021090412 A1 WO2021090412 A1 WO 2021090412A1 JP 2019043536 W JP2019043536 W JP 2019043536W WO 2021090412 A1 WO2021090412 A1 WO 2021090412A1
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waveguide
optical
mask width
mask
processing
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PCT/JP2019/043536
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English (en)
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常祐 尾崎
昭典 藤野
上田　修功
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
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    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/212—Mach-Zehnder type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12166—Manufacturing methods
    • G02B2006/12173—Masking

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an optical modulator which is an optical device having a multimode interference (Multi Mode Interference: hereinafter referred to as MMI) waveguide.
  • MMI Multi Mode Interference
  • optical communication systems In recent years, with the explosive increase in data traffic, there is a demand for larger capacities of optical communication systems. In addition, optical devices used in optical communication systems are also being integrated, complicated, and signal speeding up.
  • Examples of such an optical device include an optical modulator.
  • an optical I / Q modulator that performs I / Q modulation as an example of an optical modulator.
  • I indicates an in-phase component of the waveform
  • Q indicates a quadrature component.
  • This optical I / Q modulator is based on a Mach-Zehnder (hereinafter referred to as MZ) type optical modulator that supports various multi-value modulations.
  • MZ Mach-Zehnder
  • QPSK quadrature phase shift keying
  • QAM 16 quadrature transfer amplitude modulation
  • MZ-type optical modulator a semiconductor MZ-type optical modulator that is compact and capable of lowering the drive voltage.
  • MZ-type optical modulator many processing and backfilling processes are performed, such as processing the semiconductor by etching at the time of manufacturing, crystallizing again, backfilling, and then etching the semiconductor again.
  • the processing process is very complicated. For this reason, it is said that it is difficult to achieve a stable and high yield, and strict process control is very important.
  • the stage of optical characteristics evaluation such as visual inspection before completion of the wafer is performed.
  • the optical characteristics are evaluated in detail and the quality is judged.
  • not only non-defective products but also defective products are carried out in the flow from manufacturing to inspection, which contributes to an increase in the cost of product chips.
  • it is not possible to accurately determine the quality of the optical characteristics during the manufacturing process and a situation may occur in which the yield suddenly decreases in the wafer, which is a serious problem.
  • the optical characteristics are measured and evaluated after being made into chips, and the quality of the optical characteristics is judged.
  • Optical characteristics include extinction ratio, insertion loss, and the like. Considering that it takes a very long time to complete all the manufacturing processes and to the stage of inspection, the occurrence of defective products after inspection leads to a factor that significantly increases the manufacturing cost. Therefore, it is important to be able to judge the quality of the optical characteristics at the earliest possible stage without waiting for the inspection in order to reduce the manufacturing cost.
  • the quality of the optical characteristics is judged by inspection during the manufacturing process, and measurement evaluation is not performed when the product is treated as defective, the wafer manufacturing is stopped in the middle, or the process in the middle is redone and corrected. If it can be realized, it will be very effective in cost reduction.
  • the optimum value of the MMI waveguide width greatly affects the optical characteristics, and it is considered very important to manage this.
  • the optimum value of the MMI waveguide width is often different between the design value based on the simulation and the actually manufactured MMI waveguide width. In such a case, if the optical modulator is manufactured using the design value as an index, if the width of the MMI waveguide at the time of fabrication varies in the process, there may be a problem that the yield suddenly drops significantly.
  • Non-Patent Document 1 describes an MZ-type optical modulator having an MMI optical waveguide, which is configured based on a substrate material made of indium phosphide InP. It is disclosed. According to this MZ type optical modulator, it is explained that the optical characteristics can be improved if the mask width for processing the MMI optical waveguide for processing the MMI optical waveguide is set to an appropriate value and manufactured. However, in this MZ type optical modulator, no consideration is given to a specific technique for achieving an improvement in yield in the manufacturing process. Therefore, even if the technique described in Non-Patent Document 1 is applied, it is difficult to determine the quality of the chip having the MMI waveguide in the manufacturing process during the manufacturing process and realize the improvement of the yield.
  • An object of the embodiment of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical modulator which can determine the quality of an optical modulator having an MMI waveguide during manufacturing and can improve the yield.
  • one aspect of the present invention is a method for manufacturing an optical modulator having an MMI waveguide, which is used to process an MMI waveguide existing in a chip of the optical modulator.
  • the mask width measuring step for measuring the mask width at at least one place, and the relationship between the mask width for waveguide processing and the optical characteristics of the optical modulator by machine learning are analyzed and the optical modulator of the light modulator is prepared in advance.
  • the result of the prediction judgment in the chip pass / fail judgment step indicates whether or not the optical characteristics are present.
  • the frequency reaches a predetermined degree, the mask is remade, and the mask is remade.
  • the quality of the optical modulator having an MMI waveguide can be determined during manufacturing, and the yield can be improved.
  • FIG. 1 is a plan view from the upper surface direction of the semiconductor polarization multiplex type optical I / Q modulator.
  • (B) is a plan view which simplifies the assumption that the semiconductor polarization multiplex type optical I / Q modulator is divided into two as a single polarization I / Q modulator.
  • (C) is a plan view of the line division shown in order to explain the existence location regarding the X polarization and the Y polarization of the MMI waveguide in the semiconductor polarization multiplex optical I / Q modulator.
  • FIG. 1 is a flowchart showing the outline of the wafer manufacturing which concerns on the manufacturing method of the well-known MZ type light modulator in the order of a process. It is a flowchart which showed the waveguide manufacturing which becomes the main part of the process of the manufacturing method of the semiconductor polarization multiplex type optical I / Q modulator shown in FIG.
  • A is a flowchart showing the waveguide fabrication according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
  • (B) is a flowchart showing general waveguide fabrication in process order.
  • FIG. 1 shows a semiconductor polarization multiplex optical I / Q modulator (hereinafter referred to as a polarization multiplex optical I / Q modulator) according to an example of an optical modulator to be manufactured by the method for manufacturing an optical modulator of the present invention. It is the schematic which showed the functional structure of ten.
  • FIG. 1A is a plan view of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 from the upper surface direction.
  • FIG. 1B is a plan view schematically showing an assumption that the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 is divided into two as single polarization I / Q modulators 10a and 10b.
  • FIG. 1C is a plan view of line division shown for explaining the existence locations of the MMI waveguide 3 with respect to the X polarization and the Y polarization in the polarization multiplex optical I / Q modulator 10.
  • the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 is disclosed in Non-Patent Document 1 above, and is an MZ type optical modulator which is configured based on a semiconductor substrate 1 made of InP and has an MMI optical waveguide 3. It has become.
  • an optical waveguide generally formed on the upper surface of the semiconductor substrate 1 for optical input is branched, and electrodes for controlling and operating the number of branches are provided for branching.
  • the configuration is such that two systems of optical output, X-polarized light and Y-polarized light, can be obtained via combined waves.
  • the location of the MMI waveguide 3 of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 will be described with reference to FIGS. 1 (A) and 1 (C).
  • eight waveguides are formed in the horizontal direction from one optical waveguide 2 for optical input formed on the upper surface of the semiconductor substrate 1 by three-stage branching, and three rows of lines L1 and L2 in the vertical direction are formed.
  • a total of seven branch points existing on L3 are MMI waveguides 3.
  • a long control / operation electrode 4a and a short control / operation electrode 4b are connected in series to the linear portions of the eight transverse waveguides, respectively.
  • X-polarized light and Y-polarized light are formed by forming two horizontal waveguides in the horizontal direction by a combined wave of two-stage branches from eight horizontal waveguides on the upper surface of the semiconductor substrate 1.
  • a total of six branch points existing on the two vertical rows of lines L4 and L5 are the MMI waveguide 3.
  • the linear portion of the four transverse waveguides from the junction of the branch of the line L4 in the first row on the optical output side to the junction of the branch of the line L5 in the second row is also formed.
  • Other short control / operation electrodes 4c are connected.
  • the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 when the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 is manufactured, eight horizontal waveguides are formed from one optical waveguide 2 by three-stage branching, and X polarization is achieved through the combined wave of the branching. , It is necessary to form two optical waveguides 2a and 2b for Y-polarized light output.
  • the MMI waveguide 3 responsible for the operation of the branch and the combined wave a total of 13 lines existing on the lines L1 to L5 for five columns in the vertical direction are used.
  • the MMI waveguide 3 existing on the lines L2 to L5 has X polarization and Y polarization. It will exist on the lines L2 to L5 of the same vertical column.
  • FIG. 1 (B) as a reference configuration, when the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 is divided into two to obtain single polarization I / Q modulators 10a and 10b, the above-mentioned is described.
  • One optical waveguide 2 for optical input on the optical input side does not exist. Therefore, a total of 6 MMI waveguides 3 are required for each of the single polarization I / Q modulators 10a and 10b.
  • the waveguide pattern has a symmetrical structure between X-polarized light and Y-polarized light. That is, although it is possible to change the position of the MMI waveguide 3 between the X-polarized light and the Y-polarized light and the I / Q, the MMI waveguide 3 is the same in the vertical direction because the layout is the same for the above reason. It will exist side by side in a row.
  • the MMI waveguide 3 is used to branch, combine, and propagate the incident light that has propagated through the waveguide to the exit waveguide. It is known that if the finished size of the MMI waveguide 3 deviates significantly from the optimum values in the design length, width, etc. of the MMI waveguide 3, the optical characteristics (particularly the quenching ratio and insertion loss) are significantly deteriorated. There is.
  • general MMI used in optical modulators made of InP material has wavelength dependence, and when the size deviates from the optimum value, the wavelength characteristics on the long wave side or short wavelength side become large within the wavelength range used. It means that it deteriorates and a defective product is produced.
  • the wavelength dependence for example, regarding the excess loss of MMI, assuming that the horizontal axis is the wavelength and the vertical axis is the excess loss of MMI, it is assumed that an upwardly convex quadratic curve is drawn.
  • the shape of the MMI waveguide 3 has a much smaller width than the length, and the width of the MMI waveguide 3 is sensitive to fluctuations in size. Therefore, the width of the MMI waveguide 3 is managed. Is considered to be the most important.
  • the length of the MMI waveguide 3 is often about 10 to 20 times as long as the width of the MMI waveguide 3.
  • the width of the MMI waveguide 3 is often 10 ⁇ m or less, and management at least on the submicron order is required.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an outline of wafer production according to a well-known method for manufacturing an MZ type optical modulator in the order of processes.
  • the manufacturing process and the manufacturing process have the same meaning, and the processing indicates the process.
  • step S201 crystal growth of a semiconductor as a substrate is carried out using indium phosphide InP as a material in the process of crystal growth (step S201) at the start of manufacturing.
  • indium phosphide InP gallium arsenide GaAs, silicon Si or the like may be used.
  • step S202 the semiconductor substrate is processed into a desired shape by etching or the like.
  • step S203 crystal regrowth is carried out on the processed semiconductor substrate.
  • the upper surface of the semiconductor substrate is covered with a thin film made of silicon dioxide SiO 2 or the like to form an optical waveguide according to a set fine waveguide pattern.
  • the optical waveguide is configured by covering a core that serves as a light passage with a clad.
  • an insulating film is formed to cover the optical waveguide.
  • an unnecessary insulating film is removed so that an electrode-forming portion can be obtained by etching or the like.
  • step S207 a metal gas or the like is vapor-deposited on the electrode forming portion to provide the electrode.
  • step S208 the dielectric film is formed at a place where insulation is required.
  • step S209 the unnecessary dielectric film is removed so as to secure a portion to be electrode-plated by etching or the like.
  • step S210 electrode plating is applied to the secured area.
  • step S211 the appearance inspection
  • step S211 the processing of the visual inspection (step S211) alone may cause oversight, measurement evaluation is often performed in addition to the above.
  • the wafer process is completed if there are no defective product recognition factors.
  • the quality judgment in the manufacturing process and the redoing process are not assumed. Therefore, the quality judgment is performed by the visual inspection after the manufacturing. Will be done. For this reason, if the manufacturing process of the wafer appearance inspection is redone, it becomes a factor that increases the manufacturing cost until the optical characteristics of the MZ type optical modulator are judged to be non-defective.
  • the quality of the optical characteristics is determined by inspection during the wafer manufacturing process, and when the product is treated as a defective product, the optical characteristics are not measured and evaluated, the wafer manufacturing is stopped in the middle, or the process in the middle is performed.
  • the purpose is to embody such things as redoing and correcting.
  • the present inventors have increased the occurrence of defective optical characteristics in the wafer manufacturing process described with reference to FIG. 2, especially in the waveguide processing (step S204). I found that.
  • step S211 it is possible to judge the quality of the optical characteristics at an early stage without waiting for the result of the process of the visual inspection (step S211), and the yield can be reduced. We found that it was possible to prevent and improve the yield.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the fabrication of the waveguide, which is the main part of the process of the manufacturing method of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 described above, in the order of steps.
  • FIG. 3A is a flowchart showing the fabrication of the waveguide according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
  • FIG. 3B is a flowchart showing general waveguide fabrication in process order.
  • the waveguide, which is the main part of the manufacturing process according to the manufacturing method of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10, is the waveguide processing during the manufacturing process of the MZ type optical modulator described with reference to FIG. It can be substituted for the process of (step S204). Further, if the other manufacturing steps are applied in the same procedure as the manufacturing step of FIG. 2, the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 can be manufactured.
  • step S301 in the step of forming the waveguide, first, as a process of depositing the hard mask material (step S301), a hard mask material made of SiO 2 or the like is applied to the upper surface of the semiconductor substrate on which crystal regrowth has been performed. accumulate. After that, in the process of applying the soft mask material (step S302), the soft mask material to be the photoresist is applied to the upper surface of the hard mask material. Further, as an exposure (step S303) process, an exposure is performed by patterning and drawing a desired waveguide pattern (including the MMI waveguide 3) on a soft mask material with a drawing apparatus. After the exposure, there will be a resist mask width. Then, as a process of hard mask processing (step S304), the hard mask material is processed into a desired shape by etching or the like.
  • the mask width measurement step is executed.
  • This mask width measuring step measures the length of the mask width for waveguide processing used for processing the MMI waveguide 3 existing in the chip of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 at at least one place. Is.
  • the chip quality determination step is executed. In this chip pass / fail determination step, the relationship between the mask width for waveguide processing and the optical characteristics of the optical modulator is analyzed by machine learning, and the width of the MMI waveguide 3 is predeterminedly swayed to create a polarization-multiplexed optical I /.
  • the sample data of the Q modulator 10 is used. Specifically, in the chip quality determination step, the chip optics are determined in advance depending on whether or not the mask width for waveguide processing measured in the mask width measurement step (step S305) is within the allowable range of the sample data. The quality of the characteristics is predicted and judged.
  • step S306 when the defect (no) of the hard mask width is determined and the frequency indicating the denial of the optical characteristics reaches a predetermined degree (ratio), the mask is manufactured again.
  • step S307 the process of removing the hard mask (step S307) is performed, and then the process returns to the process of depositing the hard mask material (step S301).
  • This flow means that the mask is remade, and the mask remaking step is carried out.
  • the mask width for waveguide processing at the initial stage and at the time of remanufacturing the mask can be exemplified by, for example, setting the optimum value of the waveguide mask width estimated immediately before by the regression model described later.
  • This mask re-manufacturing step is performed when the mask width for waveguide processing measured in the mask width measuring step (step S305) deviates from the target waveguide mask width.
  • the frequency of defect (no) determination reaches a predetermined ratio and the number of chips reaches 10% or more, a case where the mask is remade can be exemplified.
  • the hard mask width defect (no) is determined as a result of the processing of the above determination (step S306), if the frequency does not reach 10%, the same as in the case of the hard mask width good determination. , The process proceeds to the waveguide processing (step S309).
  • the mask width measuring step (step S305), at least one mask width (hard mask width) for waveguide processing in all stages existing in the chip of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 is set. Measure the length. Further, in the chip quality determination step, the quality of the optical characteristics of the chip is predicted and determined by using at least one mask width (hard mask width) for waveguide processing in all stages. The optical characteristics of the chip include extinction ratio, insertion loss, and the like, and it is preferable to use three or more types of optical characteristic data. Further, in the chip quality determination step, the machine is based on the length-measured mask width for waveguide processing (hard mask width) and at least three types of optical characteristics of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10. The optimum value of the waveguide mask width is calculated by learning. The details of machine learning will be described in detail later.
  • the mask remaking step is carried out.
  • the mask re-manufacturing step when the hard mask width deviates from the target waveguide mask width, the frequency of indicating the failure of the optical characteristics in the result of the prediction judgment in the chip quality judgment step reaches a predetermined degree. , Remake the mask.
  • the specified degree corresponds to the case where the hard mask width deviates from the target waveguide mask width by reaching 10% or more of the number of chips in the wafer surface composed of the chip group.
  • the degree of this regulation shows an example of the use of statistical processing by the above machine learning, and can be changed as appropriate.
  • step S306 when it is determined that the mask width (hard mask width) for waveguide processing is good (good), the process proceeds to the processing of waveguide processing (step S309).
  • This waveguide processing (step S309) is performed even when the hard mask width is determined to be defective as described above, but the frequency does not reach 10%.
  • the upper surface of the semiconductor substrate after the processing of the previous hard mask processing (step S304) is processed by the waveguide according to the set fine waveguide pattern. As a result, an optical waveguide is formed and the waveguide is completed.
  • step S305 in the general waveguide manufacturing process, the process of step S305, the process of step S306, and the process of step S307 shown in FIG. 3 (B) are not performed. That is, in the step of producing the waveguide, the hard mask material deposition (step S311) processing, the soft mask material coating (step S312) processing, the exposure (step S313) processing, and the hard mask processing (step S314) processing are performed. Will be implemented. Then, after this, the processing of the waveguide processing (step S315) is continuously carried out, and the flow leads to the completion of the waveguide.
  • step S304 after the hard mask processing (step S304) processing, at least one mask width (hard mask width) for waveguide processing is measured for each chip in the mask width measuring step (step S305). There is. Then, in the chip quality determination step, the relationship between the mask width for waveguide processing (hard mask width) measured by machine learning and the optical characteristics of the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 is analyzed, and sample data is collected in advance. Creating.
  • the quality of the optical characteristics of the chip is predicted and determined in advance based on whether or not the mask width for waveguide processing (hard mask width is within the permissible range of sample data) measured in the mask width measurement step (step S305). Furthermore, when the frequency of indicating the negativeness of the optical characteristics in the result of the prediction judgment by the quality judgment of the hard mask width (step S306) based on the machine learning result reaches a predetermined degree, the mask is remade. ing.
  • the process of manufacturing the waveguide is redone because it is before the processing of the waveguide by semiconductor etching (step S309). Will be possible. As a result, it is possible to prevent a decrease in the yield at the time of manufacturing the wafer and improve the yield.
  • the case where the hard mask width is selected as the inspection target because it is closest to the waveguide processing is illustrated, but instead of this, the resist after exposure is illustrated.
  • the mask width may be the inspection target.
  • the resist mask width is selected as the target, it is necessary to determine the quality of the optical characteristics of the chip in consideration of the conditions and variations during the processing of the hard mask processing (step S304). Since the inspection target may be the mask width for MMI waveguide processing such as the hard mask width and the resist mask width, the following is the mask width for waveguide processing.
  • the mask width for waveguide processing is measured at least one place or more for each chip, so that it is apparent.
  • the inspection time will increase.
  • it will be possible to revive it by redoing it and considering that the occurrence of unnecessary defective products after that will be reduced as much as possible, it will be effective in reducing the manufacturing cost, so the effect of redoing is sufficient. It can be said that it is small.
  • the decision to redo the manufacturing process is made only when 10% or more of the chips in the wafer surface are judged to be defective by the quality judgment of the optical characteristics of the mask width for waveguide processing. If this is done, it will be effective in terms of cost.
  • the mask width for waveguide processing at at least one location for each chip assuming a 3-inch wafer
  • the mask width for waveguide processing at at least several hundred locations will be measured. Therefore, an automatic length-measuring scanning electron microscope (SEM) is required, and considering the width dependence of the MMI waveguide 3, the resolution of the electron microscope (SEM) is preferably 0.05 ⁇ m or less.
  • the first stage MMI waveguide 3 that most affects the characteristics in measuring the length of only one mask width for waveguide processing per chip, but of course, the MMI induction of another stage. Waveguide 3 may be selected. Further, in order to improve the accuracy of determining the quality of the optical characteristics of the chip, it is desirable to measure the length of the mask width for processing the waveguide of all the MMI waveguides 3, but in such a case, the number of length measurements per wafer increases. The problem is that it passes. Therefore, in order to maintain the accuracy of determining the quality of the optical characteristics of the chip, it is most efficient to measure the mask width for waveguide processing of one or more MMI waveguides 3 in at least one vertical direction. It can be said that it is good.
  • the selection of the most efficient MMI waveguide 3 will be specifically described with reference to the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 shown in FIG. 1 (C).
  • On the optical input side one MMI waveguide 3 on the first row line L1 and one of the two MMI waveguides 3 on the second row line L2 are on the third row line L3. It is shown that any one of the four MMI waveguides 3 of the above is measured.
  • On the optical output side the length of any one of the four MMI waveguides 3 on the fourth row line L4 and any one of the two MMI waveguides 3 on the fifth row line L5 are measured. Indicates to do.
  • the following describes the details of calculating the optimum value of the waveguide mask width by machine learning technology and determining the quality of the optical characteristics of the chip.
  • data on the mask width for waveguide processing and data on three or more types of optical characteristics after chip creation based on the mask width for waveguide processing are required.
  • data of three or more types of optical characteristics include data of at least three wavelengths or more of a center wavelength, a short wavelength, and a long wavelength in the wavelength band used.
  • the MMI waveguide 3 has wavelength dependence. For example, if attention is paid to only one wavelength, when only the long wave side is viewed, if the long wave side is made into a better state, the optical characteristics on the short wave side may deteriorate. As a result, it is easy to find the optimum value of the wrong waveguide mask width. Under these circumstances, data on optical characteristics of at least three wavelengths of center wavelength, short wavelength, and long wavelength are required. As the optical property data, it is desirable to use at least one of the extinction ratio and the insertion loss, which are the factors most influencing the waveguide mask width.
  • the dependent variable y j in the above relational expression is the extinction ratio in the case of the wavelength j.
  • i indicates a position where the MMI waveguide 3 is selected.
  • the position and the fourth position are in the third stage MMI waveguide 3.
  • the optimal waveguide mask width at a wavelength j of the i-th waveguide processing mask width m i The value given by the error from the value tij is shown.
  • I (m i> t ij) denotes the indicator function, and 0 if if m i> t ij in parentheses is satisfied 1, does not hold.
  • w j (b j given by the number positive regression models, w 1j +, ..., w ij +, ..., w 7j +, ..., w 1j -, ..., w ij -, ..., w 7j -) becomes w ij in the relation +, w ij - is weighted, the + notation increases, - notation indicates a decrease.
  • b j included in the parameter w j is a constant given for each wavelength j. Incidentally, it is assumed that where, i-th waveguide processing mask width m i is farther from the optimum value t ij of the waveguide mask width, extinction ratio decreases. Then, in the regression model , all the elements of the parameter w j are constrained to be 0 or more, learned from the observation data, and the quality of the optical characteristics of the chip is predicted and judged.
  • the optimum value of the waveguide mask width is calculated according to steps 1) to 3) shown below.
  • step 1) the mask width for waveguide processing related to the MMI waveguide 3 that minimizes the prediction error of the extinction ratio for each wavelength j is determined by cross-validation (also called cross-validation), which is a general method of machine learning. , It is estimated as an estimated value of the optimum value tij of the waveguide mask width.
  • Crossing confirmation is a technology that is generally known in machine learning using statistical processing.
  • step 2) to estimate the estimated value of the optimum values of the parameters w j in the regression model in the case of using the estimated value of the optimum value t ij waveguide mask width of the MMI waveguide 3 of each wavelength j.
  • step 3 the waveguide mask width related to the MMI waveguide 3 that maximizes the average of the estimated extinction ratios for a plurality of wavelengths calculated using the regression model is estimated as the optimum value opt .
  • the analysis method described here is an example and shows only the case of the extinction ratio, but it is also possible to calculate the optimum value tij of the waveguide mask width related to the MMI waveguide 3 based on the insertion loss. Is. In this case as well, the analysis methods of steps 1) to 3) described above can be applied, and the waveguide mask width related to the MMI waveguide 3 that minimizes the average of the estimated insertion loss values in step 3) is optimized. It may be calculated as the value tij. The reason is that, in terms of optical characteristics, the larger the value of the extinction ratio, the better the characteristics, and the smaller the value of the insertion loss, the better the characteristics.
  • the width of the MMI waveguide 3 can be optimized based on either the extinction ratio or the insertion loss. Further, the optimum value tij of the waveguide mask width related to the MMI waveguide 3 is calculated so that both the extinction ratio and the insertion loss are optimized, the waveguide mask width is set, and the waveguide mask width is optimized. If it becomes, it can be said that it is the most desirable.
  • the regression model includes a multiple regression model using the least squares method known in statistical processing, and can be applied to such a multiple regression model. Therefore, the regression model is not limited to the disclosed contents.
  • the quality of the sample data of the optical modulator created in advance as a database is important. It is desirable that the sample data is created by using the optical characteristic data of the prototype chip in which the width of the MMI waveguide 3 is shaken by about ⁇ 2 to 3% and the data of the waveguide mask width for about 1000 chips in advance. Further, the permissible range of the sample data may be set so as to correspond to the deviation of the mask width for waveguide processing exceeding the above ⁇ 2 to 3%. This is a viewpoint necessary for improving the accuracy of analysis and quality judgment of optical characteristics in statistical processing. It is desirable to arbitrarily change the degree to which the frequency of indicating the non-existence of the optical characteristics for remaking the mask is specified depending on the situation.
  • the MZ optical modulator described with reference to FIG. 2 and the polarization multiplex optical I / Q modulator 10 described with reference to FIGS. 1 and 3 (A) and 3 (B) are embodiments. It can be regarded as an example of the optical modulator to be manufactured. However, in such a case, the substrate material of indium phosphide InP is used as a base, but gallium arsenide GaAs, silicon Si, or the like may be used as other alternative materials, as described above. ..
  • the technology related to machine learning applied to the chip pass / fail judgment step can be summarized as follows. That is, in the chip quality determination step, when calculating the optimum value of the waveguide mask width, a regression model constructed for each of the measured waveguide processing mask width and the optical characteristics is used. Then, in the chip quality determination step, a first process is performed in which the optimum value of the waveguide mask width is estimated as an estimated value for each wavelength so that the prediction error of the optical characteristics is minimized by the intersection confirmation method. Further, in the chip quality determination step, a second process of estimating the optimum value of the parameters of the regression model when the estimated value of the optimum value for each wavelength is used is performed. Further, in the chip quality determination step, a third process is performed in which the waveguide mask width at which the average of the estimated values of the optical characteristics for a plurality of wavelengths calculated using the regression model is the maximum or the minimum is estimated as the optimum value.
  • the optical characteristics are set to at least one of the extinction ratio and the insertion loss, and in the third process, if the optical characteristics are the extinction ratio, the average of the estimated values of the optical characteristics is maximized. On the other hand, if the optical characteristic is insertion loss, the average of the estimated values of the optical characteristic is minimized.
  • the optical characteristics are set to wavelength data including at least the center wavelength, the short wavelength, and the long wavelength of the wavelength band used by the optical modulator. Further, in the third process, the waveguide mask width at which at least one of the extinction ratio and the insertion loss in the wavelength data is the best is estimated as the optimum width.
  • the mask width for waveguide processing in consideration of the entire wavelength band used for processing the MMI optical waveguide 3 at the time of producing the waveguide is set. The length is measured at at least one point. Then, the sample data created in advance by analyzing the relationship between the mask width for waveguide processing and the optical characteristics of the optical modulator by machine learning is used. That is, the frequency with which the quality of the optical characteristics of the chip is predicted and judged in advance based on whether or not the measured mask width for waveguide processing exists within the allowable range of the sample data, and the result of the prediction judgment indicates the presence or absence of the optical characteristics. When the predetermined degree is reached, the waveguide is remade. As a result, it is possible to determine the quality of the chip of the optical modulator having the MMI waveguide 3 during manufacturing, prevent a decrease in yield during wafer production, and improve the yield.

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Abstract

製造途中でＭＭＩ導波路を有する光変調器の良否を判定でき、歩留まりの向上を実現できる光変調器の製造方法を提供する。ここでは、導波路作製の工程で、ハードマスク材料堆積（Ｓ３０１）、ソフトマスク材料塗布（Ｓ３０２）、露光（Ｓ３０３）、ハードマスク加工（Ｓ３０４）を実行後、ハードマスク幅測長（Ｓ３０５）でＭＭＩ導波路を加工するハードマスク幅を１箇所以上で測長する。機械学習結果に基づくハードマスク幅の良否判定（Ｓ３０６）では、ハードマスク幅と光変調器の光学特性との関係を解析して予め作成した標本データに基づいて、ハードマスク幅が標本データの許容範囲に存在するか否かにより、事前にチップの光学特性の良否を予測判定する。上記判定（Ｓ３０６）の結果の否を示す頻度が予め規定した割合に到達すると、ハードマスク除去（Ｓ３０７）を行ってからハードマスク材料堆積（Ｓ３０１）へ戻り、マスク作製をし直す。

Description

光変調器の製造方法
　本発明は、多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ　Ｍｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：以下、ＭＭＩとする）導波路を有する光デバイスである光変調器の製造方法に関する。
　近年、爆発的なデータ通信量の増大に伴い、光通信システムの大容量化が求められている。また、光通信システムに使われる光デバイスについても、集積化、複雑化、信号の高速化が進められている。
　このような光デバイスとして、例えば光変調器が挙げられる。最近では、伝送容量を増大するため、光変調器の一例として、Ｉ／Ｑ変調を行う光Ｉ／Ｑ変調器が用いられる機会が多くなっている。但し、Ｉは、波形の同相（Ｉｎ－ｐｈａｓｅ）成分を示すもので、Ｑは、直交位相（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）成分を示すものである。この光Ｉ／Ｑ変調器は、様々な多値変調に対応するマッハ・ツェンダ（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ：以下、ＭＺとする）型光変調器をベースとしている。多値変調の一例として、四位相偏移変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｋｅｙｉｎｇ：ＱＰＳＫ）が挙げられる。また、多値変調の他の例として、１６直角移送振幅変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＱＡＭ）が挙げられる。
　一方、光送信器モジュールの小型化、低駆動電圧化等が課題となっている。そこで、小型で低駆動電圧化が可能な半導体ＭＺ型光変調器（以下、ＭＺ型光変調器とする）の研究開発が精力的に進められている。ＭＺ型光変調器の場合、製造時に半導体をエッチングで加工した後、再度結晶再成長を行い、埋め戻してから再度半導体をエッチングするという具合に、加工・埋戻しの処理工程が多数行われ、非常に処理工程が複雑となっている。このため、安定的な高歩留まり化が難しいと言われており、厳密な工程管理が非常に重要視されている。
　ところで、従来では、ＭＺ型光変調器等の光デバイスの製造時の作製工程中に作製後の光学特性を正確に推定することができないため、ウエハ完成前の外観検査等の光学特性評価の段階で光学特性を詳細に評価し、良否判定している。しかしながら、こうした手法によれば、良品のみならず、不良品までを作製から検査に至るまでの流れで実施することになるため、製品のチップのコストが増大する一因となっている。また、作製工程中に光学特性の良否判定を正確に行うことができず、ウエハにおいて突発的に歩留まりが低下する事態が発生することがあり、これが非常に問題となっている。
　ＭＺ型光変調器では、一般的に作製プロセスの完了後にチップ化してから光学特性を測定評価し、光学特性の良否を判定することになる。光学特性としては、消光比、挿入損失等が挙げられる。全ての作製工程を済ませ、検査する段階に至るまでを考えると、非常に時間を要するため、検査後に不良品が発生することは、製造コストを大幅に上げる要因に繋がってしまう。このため、検査に至るまで待たず、できるだけ早い段階で光学特性の良否を判定できるようにすることが製造コストを抑える上で重要である。具体的に云えば、作製工程中の検査で光学特性の良否を判定し、不良品扱いの場合には測定評価を行わない、ウエハ製造を途中で止める、或いは途中の工程をやり直して修正する等、を具現化できればコスト削減に非常に有効である。
　ＭＭＩ導波路を有する光変調器を例にすれば、ＭＭＩ導波路幅の最適値は、大きく光学特性に影響を与えるため、これを管理することが非常に重要と考えられる。このＭＭＩ導波路幅の最適値は、シミュレーションに基づく設計値と、実際に作製したＭＭＩ導波路幅とでは、最適なＭＭＩ導波路幅にずれを生じている場合が多い。こうした場合、設計値を指標に光変調器を製造すると、作製時のＭＭＩ導波路幅が工程上でばらついた場合には、突発的に歩留まりが大きく低下する問題を生じ得る。
　尚、ＭＭＩ導波路を有する光変調器の製造に関連する周知技術として、非特許文献１には、リン化インジウムＩｎＰによる基板材料をベースに構成され、ＭＭＩ光導波路を有するＭＺ型光変調器が開示されている。このＭＺ型光変調器によれば、ＭＭＩ光導波路を加工するためのＭＭＩ導波路加工用マスク幅を適値にして製造すれば、光学特性を良好にできると説明されている。しかしながら、このＭＺ型光変調器では、製造工程において歩留まりの向上を実現するための具体的な技術については、考慮されていない。このため、非特許文献１記載の技術を適用しても、製造工程において製造途中でＭＭＩ導波路を有するチップの良否を判定し、歩留まりの向上を具現することが困難となっている。
ＩｎＰ　ＰＩＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ（２８　Ｊａｎｕａｒｙ　２０１７）
　本発明に係る実施形態は、上記問題点を解決するためになされたものである。本発明に係る実施形態の目的は、製造途中でＭＭＩ導波路を有する光変調器の良否を判定でき、歩留まりの向上を実現できる光変調器の製造方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様は、ＭＭＩ導波路を有する光変調器の製造方法であって、光変調器のチップ内に存在するＭＭＩ導波路を加工するために用いる導波路加工用マスク幅を少なくとも１箇所以上で測長するマスク幅測長ステップと、機械学習により導波路加工用マスク幅と光変調器の光学特性との関係を解析して予め作成した当該光変調器の標本データに基づいて、マスク幅測長ステップで測長した当該導波路加工用マスク幅が当該標本データの許容範囲に存在するか否かにより、事前にチップの光学特性の良否を予測判定するチップ良否判定ステップと、マスク幅測長ステップで測長した導波路加工用マスク幅がターゲットとなる導波路マスク幅からずれた場合、チップ良否判定ステップでの予測判定の結果で光学特性の否を示す頻度が予め規定した度合いに到達すると、マスク作製をし直すマスク作製し直しステップと、を有することを特徴とする。
　上記プロセスを採用すれば、製造途中でＭＭＩ導波路を有する光変調器の良否を判定でき、歩留まりの向上を実現できるようになる。
本発明の光変調器の製造方法で製造対象となる光変調器の一例に係る半導体偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器の機能構成を示した概略図である。（Ａ）は半導体偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器の上面方向からの平面図である。（Ｂ）は半導体偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器を片偏波Ｉ／Ｑ変調器として２分割した想定を模式化した平面図である。（Ｃ）は半導体偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器におけるＭＭＩ導波路のＸ偏波、Ｙ偏波に関する存在箇所を説明するために示したライン分けの平面図である。 周知のＭＺ型光変調器の製造方法に係るウエハ作製の概略を工程順に示したフローチャートである。 図１に示す半導体偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器の製造方法のプロセスの要部となる導波路作製を工程順に示したフローチャートである。（Ａ）は本発明の実施形態１に係る導波路作製を工程順に示したフローチャートである。（Ｂ）は一般的な導波路作製を工程順に示したフローチャートである。
　以下、本発明の実施の形態に係る光変調器の製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態）
　図１は、本発明の光変調器の製造方法で製造対象となる光変調器の一例に係る半導体偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器（以下、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器とする）１０の機能構成を示した概略図である。図１（Ａ）は偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０の上面方向からの平面図である。図１（Ｂ）は偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０を片偏波Ｉ／Ｑ変調器１０ａ、１０ｂとして２分割した想定を模式化した平面図である。図１（Ｃ）は偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０におけるＭＭＩ導波路３のＸ偏波、Ｙ偏波に関する存在箇所を説明するために示したライン分けの平面図である。
　この偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０は、上記非特許文献１に開示されたもので、ＩｎＰを材料とする半導体基板１をベースに構成され、ＭＭＩ光導波路３を有するＭＺ型光変調器となっている。偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０の作製には、一般に半導体基板１の上面に形成される光入力を行う光導波路を分岐させ、分岐数分の制御・動作を行う電極を設け、分岐の合波を経て、Ｘ偏波、Ｙ偏波の２系統の光出力が得られる構成とする。
　図１（Ａ）及び図１（Ｃ）を参照して、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０のＭＭＩ導波路３の存在箇所を説明する。光入力側では、半導体基板１の上面に形成した光入力用の一つの光導波路２から３段分岐で横方向に８本の導波路を形成し、縦方向の３列のラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３上に存在する合計７個の分岐箇所がＭＭＩ導波路３となっている。尚、横方向の８本の導波路の直線状部分には、それぞれ長尺の制御・動作用電極４ａと短尺の制御・動作用電極４ｂとが直列に接続されている。
　また、光出力側では、半導体基板１の上面における横方向の８本の導波路から２段の分岐の合波で横方向に２本で形成した導波路をＸ偏波、Ｙ偏波の光出力用の二つの光導波路２ａ、２ｂとしている。そして、光出力側では、縦方向の２列のラインＬ４、Ｌ５上に存在する合計６個の分岐箇所がＭＭＩ導波路３となっている。尚、光出力側の１列目のラインＬ４の分岐の合波の箇所から２列目のラインＬ５の分岐の合波の箇所に至る横方向の４本の導波路の直線状部分にも、他の短尺の制御・動作用電極４ｃが接続されている。
　要するに、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０を作製する場合には、一つの光導波路２から３段分岐で横方向の８本の導波路を形成し、分岐の合波を経てＸ偏波、Ｙ偏波の光出力用の二つの光導波路２ａ、２ｂを形成する必要がある。ここでは、分岐と合波との動作を担うＭＭＩ導波路３として、縦方向の５列分のラインＬ１～Ｌ５上に存在する総計１３個分を使用することになる。この偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０では、Ｘ偏波、Ｙ偏波が対称構造であるため、例えばラインＬ２～Ｌ５上に存在するＭＭＩ導波路３は、Ｘ偏波、Ｙ偏波で同じ縦方向の列のラインＬ２～Ｌ５上に存在することになる。
　更に、参考構成とする図１（Ｂ）を参照すれば、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０を２分割して片偏波Ｉ／Ｑ変調器１０ａ、１０ｂとした場合には、上述した光入力側の光入力用の一つの光導波路２が存在しなくなる。このため、片偏波Ｉ／Ｑ変調器１０ａ、１０ｂのそれぞれで合計６個のＭＭＩ導波路３が必要となる。ここで、ＭＭＩ導波路３の数を意図的に増設したレイアウト等にすることも可能であるが、ＭＭＩ導波路３は、光学特性に大きく影響を与える要件の１つであるため、なるべく少なくなるように設計することが望ましい。また、導波路パターンの密度、プロセスの安定性を考慮すると、Ｘ偏波とＹ偏波とでは、導波路パターンが対称構造とされるのが一般的である。即ち、Ｘ偏波及びＹ偏波とＩ／Ｑとの間でＭＭＩ導波路３の位置を変えることも可能であるが、上記理由により同じレイアウトとするため、ＭＭＩ導波路３が縦方向に同じ列に並んで存在することになる。
　次に、ＭＭＩ導波路３の機能について説明する。ＭＭＩ導波路３は、入射されて導波路を伝搬した光を分岐、合波して出射用の導波路へ伝搬するために用いられている。ＭＭＩ導波路３の仕上がりサイズが設計上のＭＭＩ導波路３の長さ、幅等が最適値から大きくずれてしまうと、光学特性（特に消光比及び挿入損失）が大きく劣化することが知られている。この点は、ＩｎＰ材料による光変調器で用いられる一般的なＭＭＩは、波長依存性を有し、サイズが最適値からずれると、使用波長範囲内で長波側又は短波長側の波長特性が大きく劣化し、不良品を作製してしまうことを意味する。尚、上記波長依存性は、例えばＭＭＩの過剰損失について、横軸を波長、縦軸をＭＭＩの過剰損失とすると、上方に凸状の２次曲線形状のカーブを描く場合を想定している。
　こうした事情により、ＭＭＩ導波路３のサイズ（特に幅及び長さ）を管理することは、非常に重要であると言える。特に、一般的にＭＭＩ導波路３の形状は、長さと比べて幅の方が非常に小さく、しかもＭＭＩ導波路３の幅はサイズの揺らぎに敏感であるため、ＭＭＩ導波路３の幅を管理することが最重要であると考えられる。例えば、ＭＭＩ導波路３の幅と比べてＭＭＩ導波路３の長さは、１０～２０倍程度のものが用いられることが多い。これに対し、ＭＭＩ導波路３の幅は１０μｍ以下のものが用いられることが多く、少なくともサブミクロンオーダーでの管理が求められている。
　図２は、周知のＭＺ型光変調器の製造方法に係るウエハ作製の概略を工程順に示したフローチャートである。尚、以下では、作製工程と製造工程とが同じ意味を示し、処理は工程を示すものとする。
　図２を参照すれば、係るウエハ作製の工程では、作製開始により、まず結晶成長（ステップＳ２０１）の処理において、リン化インジウムＩｎＰを材料として基板となる半導体の結晶成長を実施する。その他の代替材料として、ヒ化ガリウムＧａＡｓ、シリコンＳｉ等を用いても良い。次に、半導体加工（ステップＳ２０２）の処理において、エッチング等により半導体基板を所望の形状に加工する。更に、結晶再成長（ステップＳ２０３）の処理において、加工された半導体基板への結晶再成長を実施する。
　引き続き、導波路加工（ステップＳ２０４）の処理において、半導体基板の上面を二酸化シリコンＳｉＯ２等による薄膜で覆い、設定済み微細導波路パターンに従って光導波路を形成する。尚、光導波路は、光の通り路となるコアをクラッドで覆って構成される。また、パッシベーション（絶縁）膜成膜（ステップＳ２０５）の処理において、絶縁膜を成膜して光導波路を覆う。この後、パッシベーション（絶縁）膜加工（ステップＳ２０６）の処理において、エッチング等により電極形成箇所が得られるように不要な絶縁膜を除去する。
　更に、電極蒸着（ステップＳ２０７）の処理において、電極形成箇所に対して金属ガス等を蒸着させて電極を設ける。この後は、誘電体膜形成（ステップＳ２０８）の処理において、絶縁が必要な箇所へ誘電体膜を形成する。そして、誘電体膜加工（ステップＳ２０９）の処理において、エッチング等により電極メッキを施す箇所を確保するように不要な誘電体膜を除去する。
　この後、電極メッキ（ステップＳ２１０）の処理において、確保した領域に電極メッキを施す。最終的に、外観検査（ステップＳ２１１）の処理を実施し、欠陥が不良品の認定要因とならない程度であれば、ウエハ完成に至る。但し、外観検査（ステップＳ２１１）の処理だけでは、見落としが生じる場合もあるため、その他に測定評価が行われる場合が多い。
　このように、半導体の結晶成長、半導体基板の加工、電極の形成等を経て、ウエハ外観検査を行った結果、不良品の認定要因が無ければウエハプロセスを完了する。しかし、こうした一般的なＭＺ型光変調器の製造方法に係るウエハの作製工程の流れでは、作製工程中での良否判定、やり直し工程が想定されていないため、作製後の外観検査で良否判定をすることになる。このため、ウエハ外観検査の作製工程のやり直しがあると、ＭＺ型光変調器の光学特性が良品判定されるまでの段階に至る製造コストをアップさせる要因となってしまう。
　そこで、本発明は、ウエハの作製工程中の検査で光学特性の良否を判定し、不良品扱いの場合には光学特性の測定評価を行わない、ウエハ製造を途中で止める、或いは途中の工程をやり直して修正する等、を具現することを目的とする。本発明者等は、種々研究・実験を重ねた結果、図２を参照して説明したウエハの製造工程のうち、特に導波路加工（ステップＳ２０４）の処理での光学特性の不良発生が高くなっていることを発見した。それ故、この処理で検査を実施し、やり直しが必要であれば実施すれば、外観検査（ステップＳ２１１）の処理の結果を待たずに早期に光学特性の良否判定が可能となり、歩留まりの低下を防いで歩留まりの向上を実現できることを見出した。
　図３は、上述した偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０の製造方法のプロセスの要部となる導波路作製を工程順に示したフローチャートである。図３（Ａ）は本発明の実施形態１に係る導波路作製を工程順に示したフローチャートである。図３（Ｂ）は一般的な導波路作製を工程順に示したフローチャートである。尚、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０の製造方法に係る作製工程の要部となる導波路作製は、図２を参照して説明したＭＺ型光変調器の作製工程中の導波路加工（ステップＳ２０４）の処理に代替できるものである。また、それ以外の作製工程を図２の作製工程と同じ手順で適用すれば、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０を製造することができる。
　図３（Ａ）を参照すれば、導波路作製の工程では、まずハードマスク材料堆積（ステップＳ３０１）の処理として、結晶再成長が実施された半導体基板の上面にＳｉＯ２等によるハードマスク材料を堆積する。この後、ソフトマスク材料塗布（ステップＳ３０２）の処理において、フォトレジストとなるソフトマスク材料をハードマスク材料の上面に塗布する。更に、露光（ステップＳ３０３）の処理として、描画装置でソフトマスク材料に所望の導波路パターン（ＭＭＩ導波路３を含む）をパターニングして描画することにより、露光を行う。露光後には、レジストマスク幅が存在することになる。そして、ハードマスク加工（ステップＳ３０４）の処理として、エッチング等によりハードマスク材料を所望の形状に加工する。
　引き続き、ハードマスク幅測長（ステップＳ３０５）の処理において、マスク幅測長ステップを実行する。このマスク幅測長ステップは、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０のチップ内に存在するＭＭＩ導波路３を加工するために用いる導波路加工用マスク幅を少なくとも１箇所以上で測長するものである。そして、機械学習結果に基づくハードマスク幅の良否判定（ステップＳ３０６）の処理において、チップ良否判定ステップを実行する。このチップ良否判定ステップは、機械学習により導波路加工用マスク幅と光変調器の光学特性との関係を解析してＭＭＩ導波路３の幅を所定に振って予め作成した偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０の標本データを利用する。具体的に云えば、チップ良否判定ステップでは、マスク幅測長ステップ（ステップＳ３０５）で測長した導波路加工用マスク幅が標本データの許容範囲に存在するか否かにより、事前にチップの光学特性の良否を予測判定するものである。
　上記判定（ステップＳ３０６）の処理の結果、ハードマスク幅の不良（否）が判定され、その光学特性の否を示す頻度が予め規定した度合い（割合）に到達すると、マスク作製をし直す。マスク作製し直しでは、ハードマスク除去（ステップＳ３０７）の処理を行ってからハードマスク材料堆積（ステップＳ３０１）の処理へ戻る。この流れがマスク作製をし直すことを意味し、マスク作製し直しステップが実施されることになる。尚、初期時及びマスク作製し直し時における導波路加工用マスク幅は、例えば後述する回帰モデルで直前に推定された導波路マスク幅の最適値に設定する場合を例示できる。このマスク作製し直しステップは、マスク幅測長ステップ（ステップＳ３０５）で測長した導波路加工用マスク幅がターゲットとなる導波路マスク幅からずれた場合に実施される。本実施形態では、機械学習による予測判定の結果、不良（否）判定の頻度が予め規定した割合として、１０％以上のチップ数に至れば、マスク作製をし直す場合を例示できる。換言すれば、上記判定（ステップＳ３０６）の処理の結果、ハードマスク幅の不良（否）が判定されても、その頻度が１０％に到達しなければ、ハードマスク幅の良判定時と同様に、導波路加工（ステップＳ３０９）の処理へ移行する。
　尚、マスク幅測長ステップ（ステップＳ３０５）では、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０のチップ内に存在する全ての段における少なくとも１箇所以上の導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅）を測長する。また、チップ良否判定ステップでは、全ての段における少なくとも１箇所以上の導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅）を用いて、チップの光学特性の良否を予測判定する。チップの光学特性は、消光比、挿入損失等が挙げられ、３種類以上の光学特性データを利用することが好ましい。更に、チップ良否判定ステップでは、測長される導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅）と、偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０の少なくとも３種類以上の光学特性と、に基づいて、機械学習により導波路マスク幅の最適値を算出する。機械学習の細部については、後文で詳述する。
　ところで、導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅）とターゲットの導波路マスク幅とのずれが生じたまま導波路加工（ステップＳ３０９）が実施されると、光学特性の劣化を来す要因となることは、一般的に知られている。そこで、実施形態では、マスク作製し直しステップを実施するようにしている。このマスク作製し直しステップでは、ハードマスク幅がターゲットとなる導波路マスク幅からずれた場合、チップ良否判定ステップでの予測判定の結果で光学特性の否を示す頻度が予め規定した度合いに到達すると、マスク作製をし直す。規定の度合いは、上述したようにハードマスク幅がターゲットとなる導波路マスク幅からチップ群で構成されるウエハ面内で１０％以上のチップ数に至ってずれている場合に該当する。この規定の度合いは、上記機械学習による統計処理の利用の一例を示したもので、適宜変更することが可能である。
　また、上記判定（ステップＳ３０６）の処理の結果、導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅）の良好（良）が判定されると、導波路加工（ステップＳ３０９）の処理に移行する。この導波路加工（ステップＳ３０９）の処理は、上述したようにハードマスク幅が不良判定されても、その頻度が１０％に到達しない場合においても実施される。導波路加工（ステップＳ３０９）の処理において、設定済み微細導波路パターンに従って、先のハードマスク加工（ステップＳ３０４）の処理後の半導体基板の上面を導波路加工する。これにより、光導波路を形成し、導波路完成とする。
　図３（Ｂ）を参照すれば、一般的な導波路作製の工程では、図３（Ｂ）に示すステップＳ３０５の処理、ステップＳ３０６の処理、及びステップＳ３０７の処理が実施されない。即ち、この導波路作製の工程では、ハードマスク材料堆積（ステップＳ３１１）の処理、ソフトマスク材料塗布（ステップＳ３１２）の処理、露光（ステップＳ３１３）の処理、ハードマスク加工（ステップＳ３１４）の処理が実施される。そして、この後に継続して導波路加工（ステップＳ３１５）の処理が実施され、導波路完成に至る流れになる。
　一般的な導波路作製の工程においても、マスク幅等を観察することが有り得るとしても、その場合にはウエハ全体で数箇所等の非常に数が少ない箇所を観察するものと推察される。本実施形態の場合、ハードマスク加工（ステップＳ３０４）の処理の後、マスク幅測長ステップ（ステップＳ３０５）でチップ毎に導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅）を少なくとも１箇所測長している。そして、チップ良否判定ステップにおいて、機械学習により測長した導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅）と偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０の光学特性との関係を解析して予め標本データを作成している。また、マスク幅測長ステップ（ステップＳ３０５）で測長した導波路加工用マスク幅（ハードマスク幅が標本データの許容範囲に存在するか否かにより、事前にチップの光学特性の良否を予測判定している。更に、機械学習結果に基づくハードマスク幅の良否判定（ステップＳ３０６）による予測判定の結果で光学特性の否を示す頻度が予め規定した度合いに到達すると、マスク作製をし直すようにしている。
　この結果、導波路作製のプロセス工程中の検査データから外観検査の結果を待たず、早期にチップの光学特性の良否判定を行うことができる。また、ターゲットとなる導波路マスク幅から大幅にずれたことが確認された場合には、半導体エッチングによる導波路加工（ステップＳ３０９）の処理の実施前であるため、導波路作製のプロセス工程をやり直すことが可能になる。これにより、ウエハ作製時の歩留まりの低下を防ぎ、歩留まりの向上を実現することができる。
　ところで、図３（Ａ）に示す導波路作製の工程では、最も導波路加工に近いという理由でハードマスク幅を検査対象として選択した場合を例示しているが、これに代えて露光後のレジストマスク幅を検査対象にしても良い。但し、レジストマスク幅を対象として選択した場合には、ハードマスク加工（ステップＳ３０４）の処理時の条件、ばらつき等を加味し、チップの光学特性の良否を判定する必要がある。検査対象は、ハードマスク幅、レジストマスク幅等のＭＭＩ導波路加工用マスク幅であれば良いので、以下は導波路加工用マスク幅とする。
　図３（Ａ）に示す導波路作製の場合、一般的な導波路作製とは異なり、１チップ毎に導波路加工用マスク幅を少なくとも１箇所以上で測長することになるため、見かけ上の検査時間が増加することになる。しかしながら、やり直しを実施することで復活させることが可能となり、その後の無駄な不良品の発生が極力減じることを考慮すれば、製造コストを低減化させる上で有効になるため、やり直しの影響は十分小さいと言える。また、やり直しコストを考慮すれば、上述したようにウエハ面内で１０％以上のチップが導波路加工用マスク幅の光学特性の良否判定で不良判定された場合のみ、作製工程をやり直す判断を下すようにすれば、コスト面で有効となる。
　その他、１チップ毎に少なくとも１箇所以上の導波路加工用マスク幅を測長するとなると、３インチウエハを想定すると、少なくとも数百箇所の導波路加工用マスク幅を測長することになる。このため、自動測長走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が必要となり、ＭＭＩ導波路３の幅依存性を考えると、上記電子顕微鏡（ＳＥＭ）の分解能は、０．０５μｍ以下であることが望ましい。
　また、１チップ当たり１箇所の導波路加工用マスク幅のみを測長する上で最も特性に影響を与える１段目のＭＭＩ導波路３を選択することが望ましいが、勿論別の段のＭＭＩ導波路３を選択しても良い。更に、チップの光学特性の良否判定の精度を高める上で全数のＭＭＩ導波路３の導波路加工用マスク幅を測長することが望ましいが、こうした場合には１ウエハ当たりの測長数が増え過ぎてしまうことが問題になる。このため、チップの光学特性の良否判定の精度を維持する場合には、少なくとも１段の縦方向で１つ以上のＭＭＩ導波路３の導波路加工用マスク幅を測長するのが最も効率が良いと言える。
　図１（Ｃ）に示す偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０を参照して、最も効率が良いＭＭＩ導波路３の選択を具体的に説明する。光入力側では、１列目のラインＬ１上のＭＭＩ導波路３を１つ、２列目のラインＬ２上の２つのＭＭＩ導波路３のうちの何れか１つ、３列目のラインＬ３上の４つのＭＭＩ導波路３のうちの任意の１つをそれぞれ測長することを示す。光出力側では、４列目のラインＬ４上の４つのＭＭＩ導波路３のうち任意の１つ、５列目のラインＬ５上の２つのＭＭＩ導波路３のうち任意の１つをそれぞれ測長することを示す。
　以下は、機械学習の技術による導波路マスク幅の最適値の算出、及びチップの光学特性の良否判定についての細部を説明する。最適な導波路マスク幅の算出には、機械学習のデータとして、導波路加工用マスク幅のデータ、及び係る導波路加工用マスク幅によるチップ作成後の３種類以上の光学特性のデータが必要となる。３種類以上の光学特性のデータとして、使用波長帯域における少なくとも中心波長、短波長、及び長波長の３波長以上のデータが挙げられる。
　上記３波長以上のデータが必要な理由は、ＭＭＩ導波路３が波長依存性を有しているためである。例えば、１波長だけに注目してしまうと、長波側のみを観ていた場合には、長波側を一層良い状態にすると、短波側の光学特性が劣化するという事態が生じる。この結果、間違った導波路マスク幅の最適値を見つけてしまう事態に至り易くなる。こうした事情により、少なくとも中心波長、短波長、及び長波長の３波長以上の光学特性のデータが必要となる。光学特性のデータとしては、導波路マスク幅が最も影響を与える要素である消光比、及び挿入損失のうちの少なくとも一方のデータを用いることが望ましい。
　以下は、具体的に、消光比を光学特性のデータとして用いた場合の機械学習による導波路マスク幅の最適値の算出方法について説明する。但し、ここでは、図１（Ｃ）を参照して説明したＭＭＩ導波路３の選択パターンとは異なる選定を説明する。
　まず、Ｃ帯波長全域の特性を担保するために短波長（１５２７ｎｍ）、中心波長（１５５０ｎｍ）、及び長波長（１５６５ｎｍ）の３波長に対して、機械学習では、それぞれ回帰モデルを構築する必要がある。例えば、波長ｊ（ｊ＝１:１５２７ｎｍ、ｊ＝２:１５５０ｎｍ、ｊ＝３:１５６５ｎｍ）に対する回帰モデルを、従属変数ｙｊに対して、ｙｊ＝ｂｊ－Σ｛Ｉ(ｍｉ＞ｔｉｊ)ｗｉｊ ＋＋Ｉ(ｍｉ≦ｔｉｊ)ｗｉｊ －｝ｘｉｊ[但し、Σはｉ＝１から７までを加算する]なる関係式で与える。
　但し、上記関係式の従属変数ｙｊは、波長ｊの場合の消光比である。ｉは、ＭＭＩ導波路３の選定される位置を示す。例えば、ｉ＝１は第１の位置が１段目のＭＭＩ導波路３にあり、ｉ＝２は第２の位置が２段目のＭＭＩ導波路３にあり、ｉ＝３，４は第３の位置，第４の位置が３段目のＭＭＩ導波路３にあることを示す。また、ｉ＝５，６は第５の位置，第６の位置が４段目のＭＭＩ光導波路３にあり、ｉ＝７は第７の位置が５段目のＭＭＩ導波路３にある場合を例示できる。ｍｉは、ＭＭＩ導波路３に係る導波路加工用マスク幅ｍ＝（ｍ１、ｍ２、…、ｍｉ、…、ｍ７）なる関係に含まれる任意な位置の導波路加工用マスク幅を示す。ｔｉｊは、任意な位置のＭＭＩ導波路３に係る導波路マスク幅の最適値ｔｊ＝（ｔ１ｊ、…、ｔｉｊ、…、ｔ７ｊ）なる関係に含まれ、波長ｊに対する導波路マスク幅の最適値を表わす。ｘｉｊは、説明変数ｘｊ＝（ｘ１ｊ、…、ｘｉｊ、…、ｘ７ｊ）なる関係に含まれ、ｉ番目の導波路加工用マスク幅ｍｉの波長ｊにおける導波路マスク幅の最適値ｔｉｊからの誤差で与える値を示す。Ｉ（ｍｉ＞ｔｉｊ）は、指示関数を示し、括弧内のｍｉ＞ｔｉｊが成立する場合に１、成立しない場合に０となる。その他、回帰モデルの正の数で与えられるパラメータｗｊ＝（ｂｊ、ｗ１ｊ ＋、…、ｗｉｊ ＋、…、ｗ７ｊ ＋、…、ｗ１ｊ －、…、ｗｉｊ －、…、ｗ７ｊ －）なる関係に含まれるｗｉｊ ＋、ｗｉｊ －は、重み付けであり、＋表記は増加、－表記は減少を示す。また、パラメータｗｊに含まれるｂｊは、波長ｊ毎に与える定数である。尚、ここでは、ｉ番目の導波路加工用マスク幅ｍｉが導波路マスク幅の最適値ｔｉｊから離れる程、消光比が小さくなると仮定する。そして、回帰モデルおいて、パラメータｗｊの全ての要素が０以上になるように制約を与えて観測データから学習し、チップの光学特性の良否を予測判定する。
　このような回帰モデルを用いて、導波路マスク幅の最適値を以下に示す手順１）～３）に従って算出する。手順１）では、機械学習の一般的な手法である交差確認（交差検証とも呼ばれる）により、波長ｊ毎に消光比の予想誤差が最小になるＭＭＩ導波路３に係る導波路加工用マスク幅を、導波路マスク幅の最適値ｔｉｊの推定値として推定する。尚、交差確認は、統計処理を用いた機械学習において、一般的に知られる技術で、例えばサイト「https://mathwords.net/kousakakunin、https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%A4%E5%B7%AE%E6%A4%9C%E8%A8%BC」等に概要が記載されている。
　手順２）では、波長ｊ毎のＭＭＩ導波路３に係る導波路マスク幅の最適値ｔｉｊの推定値を用いた場合の回帰モデルにおけるパラメータｗｊの最適値の推定値を推定する。手順３）では、回帰モデルを用いて計算される複数の波長に対する消光比の推定値の平均が最大になるＭＭＩ導波路３に係る導波路マスク幅を最適値ｍｏｐｔとして推定する。このような手順１）～３）の解析手法を適用することにより、３波長を総合的に観た場合に、消光比が最良となるＭＭＩ導波路３に係る導波路マスク幅の最適値ｔｉｊを算出することができる。
　但し、ここで説明した解析手法は一例であり、消光比の場合のみを表わしているが、ＭＭＩ導波路３に係る導波路マスク幅の最適値ｔｉｊを挿入損失に基づいて算出することも可能である。この場合にも、上述した手順１）～３）の解析手法を適用することができ、手順３）で挿入損失の推定値の平均を最小にするＭＭＩ導波路３に係る導波路マスク幅を最適値ｔｉｊとして算出すれば良い。その理由は、光学特性において、消光比は値が大きい程、良好な特性であり、挿入損失は値が小さい程、良好な特性を示すためである。このようにして、消光比、及び挿入損失の何れかに基づいて、ＭＭＩ導波路３の幅を最適化することができる。更に、消光比及び挿入損失の両方が最適化されるようにＭＭＩ導波路３に係る導波路マスク幅の最適値ｔｉｊを算出して、導波路マスク幅を設定し、導波路マスク幅を最適化すれば、最も望ましいと言える。尚、回帰モデルには、統計処理上で知られる最小二乗法を利用した重回帰モデル等もあり、こうした重回帰モデルへの適用も可能である。従って、回帰モデルは、開示した内容に限定されない。
　何れにせよ、信頼できる光学特性の良否判定を実現するためには、予め作成する光変調器の標本データのデータベースとしての質が重要になる。標本データは、予めＭＭＩ導波路３の幅を±２～３％程度振った試作チップの光学特性のデータ及び導波路マスク幅のデータを１０００チップ分程度使用して作成しておくことが望ましい。また、標本データの許容範囲は、上記±２～３％程度を超えた導波路加工用マスク幅の偏差に該当するように設定すれば良い。これは、統計処理上で解析及び光学特性の良否判定の精度を高めるために必要な観点である。マスク作製をし直すための光学特性の否を示す頻度について規定する度合いは、状況に応じて任意に変更することが望ましい。尚、図２を参照して説明したＭＺ光変調器、図１と図３（Ａ）及び図３（Ｂ）とを参照して説明した偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器１０は、実施形態の製造対象となる光変調器の例示とみなして良い。但し、こうした場合、リン化インジウムＩｎＰの基板材料をベースに構成されることになるが、その他の代替材料として、ヒ化ガリウムＧａＡｓ、シリコンＳｉ等を用いても良い旨は、上述した通りである。
　チップ良否判定ステップに適用される機械学習に係る技術は、下記のように総括できる。即ち、チップ良否判定ステップでは、導波路マスク幅の最適値の算出に際し、測長される導波路加工用マスク幅と光学特性とに対して、それぞれに構築した回帰モデルを用いる。そして、チップ良否判定ステップでは、交差確認法により光学特性の予想誤差が最小になるような導波路マスク幅の最適値を波長毎に推定値として推定する第１処理を実施する。また、チップ良否判定ステップでは、波長毎の最適値の推定値を用いた場合の回帰モデルのパラメータの最適値の推定値を推定する第２処理を実施する。更に、チップ良否判定ステップでは、回帰モデルを用いて計算される複数の波長に対する光学特性の推定値の平均が最大又は最小となる導波路マスク幅を最適値として推定する第３処理を実施する。
　上記チップ良否判定ステップでは、光学特性を消光比、及び挿入損失の少なくとも一方とし、第３処理は、光学特性が消光比であれば光学特性の推定値の平均が最大となるようにする。これに対し、光学特性が挿入損失であれば光学特性の推定値の平均が最小となるようにする。こうした場合、チップ良否判定ステップでは、光学特性を少なくとも光変調器の使用波長帯の中心波長、短波長、及び長波長を含む波長データとする。また、第３処理は、波長データにおける消光比、及び挿入損失の少なくとも一方が最良となる導波路マスク幅を最適幅として推定する。
　以上に説明した光変調器の製造方法によれば、良好な光学特性を実現するため、導波路作製時にＭＭＩ光導波路３を加工するための使用波長帯全域を考慮した導波路加工用マスク幅を少なくとも１箇所以上で測長している。そして、機械学習により導波路加工用マスク幅と光変調器の光学特性との関係を解析して予め作成した標本データを利用している。即ち、測長した導波路加工用マスク幅が標本データの許容範囲に存在するか否かにより、事前にチップの光学特性の良否を予測判定し、予測判定の結果で光学特性の否を示す頻度が予め規定した度合いに到達すると、導波路作製をやり直す。この結果、製造途中でＭＭＩ導波路３を有する光変調器のチップ良否を判定でき、ウエハ作製時の歩留まりの低下を防ぎ、歩留まりの向上を実現できるようになる。

Claims (8)

  1. 　多モード干渉導波路を有する光変調器の製造方法であって、
    　前記光変調器のチップ内に存在する前記多モード干渉導波路を加工するために用いる導波路加工用マスク幅を少なくとも１箇所以上で測長するマスク幅測長ステップと、
    　機械学習により前記導波路加工用マスク幅と前記光変調器の光学特性との関係を解析して予め作成した当該光変調器の標本データに基づいて、前記マスク幅測長ステップで測長した当該導波路加工用マスク幅が当該標本データの許容範囲に存在するか否かによって、事前に前記チップの光学特性の良否を予測判定するチップ良否判定ステップと、
    　前記マスク幅測長ステップで測長した前記導波路加工用マスク幅がターゲットとなる導波路マスク幅からずれた場合、前記チップ良否判定ステップでの前記予測判定の結果で前記光学特性の否を示す頻度が予め規定した度合いに到達すると、マスク作製をし直すマスク作製し直しステップと、を有する
    　ことを特徴とする光変調器の製造方法。
  2. 　前記マスク幅測長ステップは、前記光変調器のチップ内に存在する全ての段における少なくとも１箇所以上の前記導波路加工用マスク幅を測長し、
    　前記チップ良否判定ステップは、前記全ての段における少なくとも１箇所以上の前記導波路加工用マスク幅を用いて、前記チップの光学特性の良否を予測判定する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光変調器の製造方法。
  3. 　前記マスク作製し直しステップは、前記導波路加工用マスク幅がターゲットとなる前記導波路マスク幅から前記チップを成すウエハ面内で１０％以上のチップ数に至ってずれていれば、前記マスク作製をし直す
    　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光変調器の製造方法。
  4. 　前記チップ良否判定ステップは、前記マスク幅測長ステップで測長される前記導波路加工用マスク幅と、前記光変調器の少なくとも３種類以上の光学特性と、に基づいて、前記機械学習により前記導波路マスク幅の最適値を算出する
    　ことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光変調器の製造方法。
  5. 　前記チップ良否判定ステップは、前記導波路マスク幅の前記最適値の算出に際し、測長される前記導波路加工用マスク幅と前記光学特性とに対して、それぞれに構築した回帰モデルを用いて、交差確認法により当該光学特性の予想誤差が最小になるような当該導波路マスク幅の最適値を波長毎に推定値として推定する第１処理、当該波長毎の当該最適値の推定値を用いた場合の当該回帰モデルのパラメータの最適値の推定値を推定する第２処理、及び当該回帰モデルを用いて計算される複数の波長に対する当該光学特性の推定値の平均が最大又は最小となる当該導波路マスク幅を最適値として推定する第３処理を実施する
    　ことを特徴とする請求項４に記載の光変調器の製造方法。
  6. 　前記チップ良否判定ステップは、前記光学特性を消光比、及び挿入損失の少なくとも一方とし、
    　前記第３処理は、前記光学特性が前記消光比であれば前記光学特性の推定値の平均が前記最大となるようにし、前記光学特性が前記挿入損失であれば前記光学特性の推定値の平均が前記最小となるようにする
    　ことを特徴とする請求項５に記載の光変調器の製造方法。
  7. 　前記チップ良否判定ステップは、前記光学特性を少なくとも前記光変調器の使用波長帯の中心波長、短波長、及び長波長を含む波長データとし、
    　前記第３処理は、前記波長データにおける前記消光比、及び前記挿入損失の少なくとも一方が最良となる前記導波路マスク幅を最適幅として推定する
    　ことを特徴とする請求項６に記載の光変調器の製造方法。
  8. 　前記光変調器として、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉから選ばれた基板材料をベースに構成されるマッハ・ツェンダ型変調器又は偏波多重型光Ｉ／Ｑ変調器を製造対象とする
    　ことを特徴とする請求項１～７の何れか１項に記載の光変調器の製造方法。
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