WO2022003765A1 - Optical waveguide and method for manufacturing same - Google Patents

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Abstract

In the present invention, in a first step S101, a lower clad layer (102) made of silicon oxide is formed on a substrate (101), and in a second step S102, a silicon nitride layer (103) is formed on the lower clad layer (102) using a plasma CVD method that uses a nitrogen raw material and a silicon raw material constituted of a compound containing deuterium and silicon. The silicon raw material can be SiD4. In this step, the silicon nitride layer (103) is formed under a condition that calls for less nitrogen raw material than a condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method.

Description

光導波路およびその作製方法Optical waveguide and its manufacturing method
 本発明は、コアを窒化シリコンから構成した光導波路およびその作製方法に関する。 The present invention relates to an optical waveguide having a core made of silicon nitride and a method for manufacturing the same.
 クラウド・モバイル環境の急速な普及により、情報流通量の増大が続いており、現在、さらなる光ネットワークの大容量化、高速化、低消費電力化が強く求められている。この実現に向けては、光通信の特徴である波長分割多重(Wavelength-division multiplexing;WDM)通信を支える光デバイスの高性能化、低消費電力化、低コスト化が重要となる。このような背景の中、近年、光導波路デバイス、発光デバイス、受光デバイス、などの各光デバイスの小型化・高性能化と、各光デバイスを同一基板上へ集積することでのデバイス高機能化と低コスト化の研究開発が活発になっている。 Due to the rapid spread of cloud and mobile environments, the amount of information distributed continues to increase, and at present, there is a strong demand for larger capacity, higher speed, and lower power consumption of optical networks. To achieve this, it is important to improve the performance, power consumption, and cost of optical devices that support Wavelength-division multiplexing (WDM) communication, which is a feature of optical communication. Against this background, in recent years, each optical device such as an optical waveguide device, a light emitting device, and a light receiving device has become smaller and has higher performance, and each optical device has been integrated on the same substrate to improve the functionality of the device. Research and development for cost reduction is becoming active.
 このような光集積デバイスを実現するためには、光伝送の基本素子となる低損失な光導波路が必要となるが、小型化が可能で経済性に優れ、また屈折率の選択性が広くデバイス設計自由度が高い、Si、SiN、SiONをコアとし、SiO2をクラッドとする光導波路に期待が集まっている。 In order to realize such an optical integrated device, a low-loss optical waveguide, which is a basic element of optical transmission, is required, but the device can be miniaturized, is economical, and has a wide range of refractive index selectivity. Expectations are high for optical waveguides with Si, SiN, and SiON as cores and SiO 2 as clads, which have a high degree of design freedom.
 Si,SiN,SiONをコアとした光導波路は、石英系導波路よりコアとクラッドとの屈折率差の高い光導波路系として昔から知られており、通信ネットワーク応用向けにも研究されてきた。しかし、これら屈折率の高い材料をコアとして伝搬損失が小さい光導波路を作製するには、高品質なコア材料の膜を形成する技術と、高精度な加工技術とが必要になるという課題があり、作製の難しさから通信ネットワークで使える実用デバイスは実現できてこなかった。しかし、今日では、成膜技術、加工技術の進歩により、実用レベルのデバイス作製が可能になってきている。 Optical waveguides with Si, SiN, and SiON as cores have long been known as optical waveguides with a higher refractive index difference between the core and clad than quartz-based waveguides, and have been studied for communication network applications. However, in order to manufacture an optical waveguide with a small propagation loss using these materials with a high refractive index as a core, there is a problem that a technique for forming a film of a high-quality core material and a high-precision processing technique are required. Due to the difficulty of manufacturing, a practical device that can be used in a communication network has not been realized. However, today, advances in film formation technology and processing technology have made it possible to manufacture devices at a practical level.
 特にSiN,SiON膜を形成する成膜技術においては、成膜に使用するガスを重水素化することで通信波長帯に吸収を持ち低損失化を妨げていたコア膜中のNH基とOH基を低減させる成膜技術が確立され、その結果SiN,SiONをコアに、酸化シリコン膜をクラッドとした光導波路においても、通信ネットワークに適用可能な低損失で優れた性能の光導波路が実現できるようになっている(特許文献1参照)。 In particular, in the film forming technology for forming SiN and SiON films, the NH group and OH group in the core film, which absorbs in the communication wavelength band by dehydrogenating the gas used for film formation and hinders the reduction of loss. As a result, an optical waveguide with SiN and SiON as the core and a silicon oxide film as a clad can be realized with low loss and excellent performance applicable to communication networks. (See Patent Document 1).
 図5に示すように、コアとなる窒化シリコンの層を形成するときに、SiH4を使用した場合に比較し、SiD4ガスを使用すると、1.5μm近傍に強い吸収を持つNH基が生成されず、通信波長帯でも実用レベルの低損失な光導波路が実現できる。 As shown in FIG. 5, when forming a layer of silicon nitride serving as a core, as compared to when using SiH 4, by using the SiD 4 gas, generated NH groups having strong absorption in the 1.5μm vicinity However, it is possible to realize a practical level low-loss optical waveguide even in the communication wavelength band.
特開2016-045440号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-405440
 しかしながら、次世代通信ネットワーク向け集積デバイスにおいては、さらに高い性能が求められ、コアの屈折率をさらに高くすることが求められている。 However, in integrated devices for next-generation communication networks, higher performance is required, and the refractive index of the core is also required to be higher.
 本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化シリコンから構成するコアの屈折率をさらに高くすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to further increase the refractive index of a core composed of silicon nitride.
 本発明に係る光導波路の作製方法は、基板の上に、酸化シリコンからなる下部クラッド層を形成する第1工程と、下部クラッド層の上に、重水素とシリコンとを含む化合物から構成されたシリコン原料と、窒素原料とを用いたプラズマCVD法で、窒化シリコン層を形成する第2工程と、窒化シリコン層をパターニングすることで、下部クラッド層の上にコアを形成する第3工程と、プラズマCVD法により酸化シリコンを堆積することで、下部クラッド層の上にコアを覆って上部クラッド層を形成する第4工程とを備え、第2工程は、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で、窒化シリコン層を形成する。 The method for producing an optical waveguide according to the present invention comprises a first step of forming a lower clad layer made of silicon oxide on a substrate, and a compound containing heavy hydrogen and silicon on the lower clad layer. A second step of forming a silicon nitride layer by a plasma CVD method using a silicon raw material and a nitrogen raw material, and a third step of forming a core on a lower clad layer by patterning the silicon nitride layer. A fourth step of covering the core on the lower clad layer to form an upper clad layer by depositing silicon oxide by a plasma CVD method is provided, and the second step is plasma CVD of silicon nitride having a chemical quantitative composition. The silicon nitride layer is formed under the condition that the amount of the nitrogen raw material is less than the condition to be produced by the method.
 また、本発明に係る光導波路は、基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された、重水素を含んだ窒化シリコンからなるコアと、コアを覆って下部クラッド層の上に形成された、酸化シリコンからなる上部クラッド層とを備え、コアは、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で形成された窒化シリコンから構成されている。 Further, the optical waveguide according to the present invention includes a lower clad layer made of silicon oxide formed on a substrate, a core made of silicon nitride containing heavy hydrogen formed on the lower clad layer, and a core. It is provided with an upper clad layer made of silicon oxide, which is covered and formed on the lower clad layer, and the core is under the condition that the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method. It is composed of silicon nitride formed of.
 以上説明したように、本発明によれば、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で、窒化シリコン層を形成してコアを形成するので、窒化シリコンから構成するコアの屈折率をさらに高くすることができる。 As described above, according to the present invention, the silicon nitride layer is formed to form the core under the condition that the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method. , The refractive index of the core composed of silicon nitride can be further increased.
図1は、本発明の実施の形態における光導波路の製造方法を説明するための説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a method for manufacturing an optical waveguide according to an embodiment of the present invention. 図2は、ECRプラズマCVD装置の構成を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the ECR plasma CVD apparatus. 図3は、N2の流量と、形成される窒化シリコン層の屈折率との関係を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the flow rate of N 2 and the refractive index of the formed silicon nitride layer. 図4Aは、N2ガスの流量100sccmで作製した窒化シリコン層により作製したコアによる光導波路の伝搬損失の波長依存性を測定した結果を示す特性図である。FIG. 4A is a characteristic diagram showing the results of measuring the wavelength dependence of the propagation loss of the optical waveguide by the core made of the silicon nitride layer prepared at a flow rate of N 2 gas of 100 sccm. 図4Bは、N2ガスの流量40sccmで作製した窒化シリコン層により作製したコアによる光導波路の伝搬損失の波長依存性を測定した結果を示す特性図である。FIG. 4B is a characteristic diagram showing the results of measuring the wavelength dependence of the propagation loss of the optical waveguide by the core made of the silicon nitride layer made of the silicon nitride layer made at the flow rate of N 2 gas of 40 sccm. 図5は、SiH4を使用して形成した窒化シリコンのコアによる光導波路、およびSiD4を使用して形成した窒化シリコンのコアによる光導波路の伝搬損失を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the propagation loss of the optical waveguide formed by the silicon nitride core formed by using SiH 4 and the optical waveguide formed by the silicon nitride core formed by using SiD 4.
 以下、本発明の実施の形態に係る光導波路の作製方法について図1を参照して説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing an optical waveguide according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
 まず、第1工程S101で、図1の(a)に示すように、基板101の上に、酸化シリコンからなる下部クラッド層102が形成された状態とする。基板101は、例えば、単結晶シリコンから構成されている。下部クラッド層102は、層厚3μm以上に形成する。 First, in the first step S101, as shown in FIG. 1A, a lower clad layer 102 made of silicon oxide is formed on the substrate 101. The substrate 101 is made of, for example, single crystal silicon. The lower clad layer 102 is formed to have a layer thickness of 3 μm or more.
 例えば、シリコンからなる基板101の表面を、熱酸化することで下部クラッド層102が形成できる。また、基板101の上に、公知のCVD(Chemical Vapor Deposition)法により酸化シリコンを堆積することで、下部クラッド層102を形成することもできる。ただし、基板101の上に既に他のデバイスが形成されている場合、下部クラッド層102は200℃程度の低温で形成することが重要となる。この場合は、低温で高品質膜が成膜できる電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance;ECR)プラズマCVD法により酸化シリコンを堆積することで、下部クラッド層102が形成できる。 For example, the lower clad layer 102 can be formed by thermally oxidizing the surface of the substrate 101 made of silicon. Further, the lower clad layer 102 can be formed by depositing silicon oxide on the substrate 101 by a known CVD (Chemical Vapor Deposition) method. However, when another device is already formed on the substrate 101, it is important to form the lower clad layer 102 at a low temperature of about 200 ° C. In this case, the lower clad layer 102 can be formed by depositing silicon oxide by an electron cyclotron resonance (ECR) plasma CVD method capable of forming a high-quality film at a low temperature.
 次に、第2工程S102で、図1の(b)に示すように、下部クラッド層102の上に、重水素とシリコンとを含む化合物から構成されたシリコン原料と、窒素原料とを用いたプラズマCVD法で、窒化シリコン層103を形成する。シリコン原料は、SiD4とすることができる。この工程では、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で、窒化シリコン層103を形成することが重要である。窒化シリコン層103は、例えば、厚さ0.5~1μm程度に形成する。窒化シリコン層103は、コアを形成するための層であり、所望とするコアの厚さに対応させて窒化シリコン層103の厚さを決定することができる。窒化シリコン層103の、プラズマCVD法による形成の詳細については、後述する。 Next, in the second step S102, as shown in FIG. 1 (b), a silicon raw material composed of a compound containing deuterium and silicon and a nitrogen raw material were used on the lower clad layer 102. The silicon nitride layer 103 is formed by the plasma CVD method. The silicon raw material can be SiD 4. In this step, it is important to form the silicon nitride layer 103 under the condition that the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method. The silicon nitride layer 103 is formed, for example, to have a thickness of about 0.5 to 1 μm. The silicon nitride layer 103 is a layer for forming a core, and the thickness of the silicon nitride layer 103 can be determined in correspondence with a desired core thickness. Details of the formation of the silicon nitride layer 103 by the plasma CVD method will be described later.
 次に、第3工程S103で、窒化シリコン層103をパターニングすることで、図1の(c)に示すように、下部クラッド層102の上にコア104を形成する。コア104は、断面視で、幅1~2μm程度、高さ0.5~1μm程度とすることができる。
 この工程では、まず、窒化シリコン層103の上に、感光性を有するフォトレジストの層を形成する。次に、公知のリソグラフィー技術によりフォトレジストの層パターニングすることで、窒化シリコン層103の上に、レジストパターンを形成する。
Next, in the third step S103, the silicon nitride layer 103 is patterned to form the core 104 on the lower clad layer 102 as shown in FIG. 1 (c). The core 104 can have a width of about 1 to 2 μm and a height of about 0.5 to 1 μm in a cross-sectional view.
In this step, first, a layer of photosensitive photoresist is formed on the silicon nitride layer 103. Next, a resist pattern is formed on the silicon nitride layer 103 by layer patterning the photoresist using a known lithography technique.
 次に、例えば、四フッ化炭素(CF4)や六フッ化硫黄(SF6)などの、カーボンとフッ素とを含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより、レジストパターンをマスクとして窒化シリコン層103エッチングすることで、コア104が形成できる。このようにしてコア104を形成した後、有機溶媒などに溶解することで、レジストパターンは除去する。 Next, for example, by reactive ion etching using an etching gas containing carbon and fluorine such as carbon tetrafluoride (CF 4 ) and sulfur hexafluoride (SF 6 ), the silicon nitride layer with the resist pattern as a mask is used. The core 104 can be formed by etching 103. After forming the core 104 in this way, the resist pattern is removed by dissolving it in an organic solvent or the like.
 次に、第4工程S104で、プラズマCVD法により酸化シリコンを堆積することで、図1の(d)に示すように、下部クラッド層102の上にコア104を覆って上部クラッド層105を形成する。例えば、前述した下部クラッド層102の形成と同様に、低温で高品質膜が成膜できるECRプラズマCVD法により酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層105が形成できる。 Next, in the fourth step S104, silicon oxide is deposited by the plasma CVD method to form the upper clad layer 105 by covering the core 104 on the lower clad layer 102 as shown in FIG. 1 (d). do. For example, similar to the formation of the lower clad layer 102 described above, the upper clad layer 105 can be formed by depositing silicon oxide by the ECR plasma CVD method capable of forming a high-quality film at a low temperature.
 以上の作製方法により、基板101の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層102と、下部クラッド層102の上に形成された、重水素を含んだ窒化シリコンからなるコア104と、コア104を覆って下部クラッド層102の上に形成された、酸化シリコンからなる上部クラッド層105とを備える光導波路が得られる。 By the above manufacturing method, the lower clad layer 102 made of silicon oxide formed on the substrate 101, the core 104 made of silicon nitride containing deuterium formed on the lower clad layer 102, and the core 104. An optical waveguide including an upper clad layer 105 made of silicon oxide formed on the lower clad layer 102 is obtained.
 ここで、後述するように、コア104は、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で形成された窒化シリコンから構成することが重要である。また、コア104に含まれる水素は、重水素を主成分としている。このように構成された光導波路によれば、コア104の屈折率を、より高くすることができ、より低損失な光導波路が実現できる。 Here, as will be described later, it is important that the core 104 is composed of silicon nitride formed under the condition that the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method. .. Further, the hydrogen contained in the core 104 contains deuterium as a main component. According to the optical waveguide configured in this way, the refractive index of the core 104 can be made higher, and a lower loss optical waveguide can be realized.
 ここで、上述したECRプラズマCVD法による窒化シリコン層の形成(堆積)について説明する。ECRプラズマCVD法では、図2に示すECRプラズマCVD装置を用いる。この装置は、プラズマ生成室201、成膜室202、基板台203、磁気コイル204、導波管205、石英窓206、ガス導入管207、ガス導入管208、およびガス導入管210を備える。 Here, the formation (deposition) of the silicon nitride layer by the above-mentioned ECR plasma CVD method will be described. In the ECR plasma CVD method, the ECR plasma CVD apparatus shown in FIG. 2 is used. This apparatus includes a plasma generation chamber 201, a film forming chamber 202, a substrate base 203, a magnetic coil 204, a waveguide 205, a quartz window 206, a gas introduction pipe 207, a gas introduction pipe 208, and a gas introduction pipe 210.
 この装置では、プラズマ生成室201の周囲に配置された磁気コイル204により、プラズマ生成室201内部の適当な領域にECR条件を満たす磁界(875ガウス)を発生させ、成膜室202内においてはプラズマ流211の形でイオンを引き出すための発散磁界を形成させる。 In this apparatus, a magnetic field (875 gauss) satisfying the ECR condition is generated in an appropriate region inside the plasma generation chamber 201 by a magnetic coil 204 arranged around the plasma generation chamber 201, and plasma is generated in the film formation chamber 202. A divergent magnetic field for drawing ions is formed in the form of a stream 211.
 まず、N2ガスを、成膜室202に設置されたガス導入管207またはプラズマ生成室201に設置されたガス導入管210を通してプラズマ生成室201に導入し、プラズマ生成室201の圧力を0.1Pa程度とした後、2.45GHzのマイクロ波(1200~1800W)を導波管205より石英窓206を介してプラズマ生成室201に導入し、窒素ガスのプラズマを生成する。安定にプラズマが生成されたことが確認されたら、SiD4ガスを基板209により近い箇所(近傍)のガス導入管208により成膜室202に供給してN2/SiD4混合プラズマとし、N2とSiD4とのプラズマ反応、および基板209の上での表面反応を誘起し、基板209の表面に窒化シリコンを堆積し、窒化シリコン層を形成する。 First, the N 2 gas is introduced into the plasma generation chamber 201 through the gas introduction pipe 207 installed in the film forming chamber 202 or the gas introduction pipe 210 installed in the plasma generation chamber 201, and the pressure in the plasma generation chamber 201 is reduced to 0. After setting the value to about 1 Pa, a 2.45 GHz microwave (1200 to 1800 W) is introduced from the waveguide 205 into the plasma generation chamber 201 via the quartz window 206 to generate a plasma of nitrogen gas. When it is confirmed that plasma is stably generated, SiD 4 gas is supplied to the film forming chamber 202 by a gas introduction tube 208 closer to (near) the substrate 209 to obtain N 2 / SiD 4 mixed plasma, and N 2 is obtained. Induces a plasma reaction between and SiD 4 and a surface reaction on the substrate 209, and silicon nitride is deposited on the surface of the substrate 209 to form a silicon nitride layer.
 この成膜では、プラズマ流211中に発生する電界により加速されたイオンが、基板209の表面に入射し衝撃を与え、このエネルギーにより窒化シリコン層の形成反応が促進され、緻密な高品質窒化シリコン層が形成される。 In this film formation, ions accelerated by the electric field generated in the plasma flow 211 enter the surface of the substrate 209 and give an impact, and this energy promotes the formation reaction of the silicon nitride layer, resulting in dense high-quality silicon nitride. Layers are formed.
 ECRプラズマは、ガスの分解効率が高いという特徴があり、安定で分解しにくいN2も効率よく分解することができ、さらに、ECRプラズマ中のイオンは適度なエネルギーで基板209に入射する特性があるため、ECRプラズマを用いると、基板209を200℃以下の低温に保っても高品質な窒化シリコンを堆積できるという利点がある。また、SiD4ガスを基板209により近い箇所(近傍)に供給することで、基板209により近い箇所で原料を分解させることができ、成膜材料をより効率的に基板209の表面に到達させることができ、より効率的に成膜および屈折率制御が実施できるようになる。 ECR plasma is characterized by high gas decomposition efficiency, stable and difficult to decompose N 2 can be efficiently decomposed, and ions in ECR plasma are incident on the substrate 209 with appropriate energy. Therefore, the use of ECR plasma has an advantage that high-quality silicon nitride can be deposited even if the substrate 209 is kept at a low temperature of 200 ° C. or lower. Further, by supplying the SiD 4 gas to a location (near) closer to the substrate 209, the raw material can be decomposed at a location closer to the substrate 209, and the film-forming material can reach the surface of the substrate 209 more efficiently. This makes it possible to carry out film formation and refractive index control more efficiently.
 次に、上述した窒化シリコンの堆積における、N2の流量と、形成される窒化シリコン層の屈折率との関係について、図3を参照して説明する。ここでは、プラズマ生成室201(成膜室202)に供給するSiD4ガスの流量を40sccmに固定し、供給するN2流量を100sccmから減らしていったときの、形成される窒化シリコン層の屈折率を測定している。なお、sccmは流量の単位であり、0℃・1013hPaの流体が1分間に1cm3流れることを示す。 Next, the relationship between the flow rate of N 2 and the refractive index of the formed silicon nitride layer in the above-mentioned deposition of silicon nitride will be described with reference to FIG. Here, the refraction of the silicon nitride layer formed when the flow rate of the SiD 4 gas supplied to the plasma generation chamber 201 (deposition chamber 202) is fixed at 40 sccm and the flow rate of the N 2 supplied is reduced from 100 sccm. The rate is being measured. Note that sccm is a unit of flow rate, and indicates that a fluid at 0 ° C. and 1013 hPa flows 1 cm 3 per minute.
 図3に示すように、N2の流量を100sccmから減らしていくと、70sccmまでは屈折率が1.88程度でほぼ一定であるが、N2流量を70sccmより少なくなると、屈折率は上昇する。さらにN2流量を40sccmより少なくすると、急激に屈折率が上昇する。この結果は、まず、SiD4ガスの流量に対して、N2が十分に供給される状態では、同時に供給されているSiD4がすべて反応し、屈折率1.89の窒化シリコン層が形成される。これは、おおよそ化学量論組成となった窒化シリコン層が、形成されたものと考えられる。 As shown in FIG. 3, when the flow rate of N 2 is reduced from 100 sccm, the refractive index is almost constant at about 1.88 up to 70 sccm, but when the flow rate of N 2 is less than 70 sccm, the refractive index increases. .. Further, when the N 2 flow rate is made smaller than 40 sccm, the refractive index rises sharply. Consequently, first, with respect to the flow rate of SiD 4 gas, in a state where N 2 is sufficiently supplied, to react all SiD 4 being fed at the same time, the silicon nitride layer with a refractive index 1.89 is formed To. It is considered that this is because a silicon nitride layer having a stoichiometric composition was formed.
 これに対し、N2の供給量が少なく、SiD4との反応においてN2が不足すると、結果的にSiリッチな窒化シリコン層が形成され、屈折率が高くなっていくと考えられる。このように、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で、窒化シリコン層を形成することで、屈折率がより高い窒化シリコン層が形成できる。この現象は、SiD4とN2との流量比の調整により、1.88から2.1の範囲で、屈折率を選択した窒化シリコン層が形成できることを示している。 On the other hand, if the supply amount of N 2 is small and N 2 is insufficient in the reaction with SiD 4, it is considered that a Si-rich silicon nitride layer is formed as a result and the refractive index increases. In this way, by forming the silicon nitride layer under the condition that the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method, a silicon nitride layer having a higher refractive index can be formed. .. This phenomenon indicates that a silicon nitride layer having a selected refractive index can be formed in the range of 1.88 to 2.1 by adjusting the flow rate ratio of SiD 4 and N 2.
 ここで、上述したようなプラズマCVD法などにより窒化シリコンの形成においては、各原料ガスの供給量を、化学量論組成の窒化シリコンが形成される条件としても、形成される窒化シリコンの層は、化学量論組成とはならない。一方で、上述したように、窒素原料の供給量により、形成される窒化シリコンの屈折率が変化し、ある条件を超えて供給量を減少させると、屈折率が急激に増加する状態となる。この窒素原料の供給量の特異点は、製造装置毎に異なる。このように形成される窒化シリコンの、本発明の効果が得られる組成を特定することは、現実的ではないものと考えられる。従って、本発明の光導波路のコアの状態について、本発明の効果に寄与する組成を明確に特定するなどして、コアをその構造または特性により直接特定することは、おおよそ実際的ではないと考えられる。 Here, in the formation of silicon nitride by the plasma CVD method as described above, the layer of silicon nitride to be formed is formed even if the supply amount of each raw material gas is a condition for forming silicon nitride having a stoichiometric composition. , It does not become a stoichiometric composition. On the other hand, as described above, the refractive index of the formed silicon changes depending on the supply amount of the nitrogen raw material, and when the supply amount is reduced beyond a certain condition, the refractive index is in a state of sharply increasing. The singularity of the supply amount of the nitrogen raw material differs depending on the manufacturing apparatus. It is considered unrealistic to specify the composition of the silicon nitride thus formed to obtain the effect of the present invention. Therefore, regarding the state of the core of the optical waveguide of the present invention, it is considered impractical to directly specify the core by its structure or characteristics, such as by clearly specifying the composition that contributes to the effect of the present invention. Will be.
 ところで、図5を用いた説明において、窒化シリコンの作製にSiD4ガスを使用することで、1.5μm近傍に強い吸収を持つNH基が生成されないものとすることができ、通信波長帯でも実用レベルの低損失な光導波路が実現できることを説明した。しかし、これらの結果を詳細に確認したところ、1.5μm付近に弱いものではあるが、まだNH基による吸収のピークが見られた。この吸収は、次世代向けの高い性能が求められる光デバイスの特性には、無視できない影響となるものと考えられる。 By the way, in the explanation using FIG. 5, by using SiD 4 gas for the production of silicon nitride, it is possible to prevent the generation of NH groups having strong absorption in the vicinity of 1.5 μm, and it is practical even in the communication wavelength band. It was explained that a low-loss optical waveguide can be realized. However, when these results were confirmed in detail, a peak of absorption by the NH group was still observed, although it was weak at around 1.5 μm. This absorption is considered to have a non-negligible effect on the characteristics of optical devices that require high performance for the next generation.
 この、NH基による弱い吸収ピークの原因は、窒化シリコン層を形成する装置の、成膜室の内壁に吸着している水(H2O)など、装置内に残留する水素により、NH基が窒化シリコン層中に、微量ではあるが生成されてしまうためと考えられる。真空度を高くしても装置内に残留する水素を完全に取り除くことは容易ではない。これに対し、以下に示すように、N2ガスの流量を、前述したように減少させることで、窒化シリコン層の中におけるNHを減少させることができることが見い出だされた。 The cause of this weak absorption peak due to the NH group is that the NH group is caused by hydrogen remaining in the device such as water (H 2 O) adsorbed on the inner wall of the film forming chamber of the device forming the silicon nitride layer. It is considered that this is because it is generated in the silicon nitride layer in a small amount. Even if the degree of vacuum is increased, it is not easy to completely remove the hydrogen remaining in the apparatus. On the other hand, as shown below, it was found that NH in the silicon nitride layer can be reduced by reducing the flow rate of the N 2 gas as described above.
 まず、各々異なるN2ガスの流量で作製した2つの窒化シリコン層により作製したコアによる、2つの光導波路のサンプルを作製した。これら2つのサンプルの伝搬損失の波長依存性を測定した結果を図4A、図4Bに示す。図4Aは、N2流量100sccmの条件で作製した窒化シリコン層により作製したコアを用いた光導波路の結果である。図4Bは、N2流量40sccmの条件で作製した窒化シリコン層により作製したコアを用いた光導波路の結果である。いずれにおいても、SiD4ガスの流量は、40sccmとしている。 First, two optical waveguide samples were prepared with a core made of two silicon nitride layers made at different N 2 gas flow rates. The results of measuring the wavelength dependence of the propagation loss of these two samples are shown in FIGS. 4A and 4B. FIG. 4A shows the result of an optical waveguide using a core made of a silicon nitride layer made under the condition of N 2 flow rate of 100 sccm. FIG. 4B shows the result of an optical waveguide using a core made of a silicon nitride layer made under the condition of N 2 flow rate of 40 sccm. In either case, the flow rate of the SiD 4 gas is 40 sccm.
 いずれにおいても、SiD4ガスを用いることでNH吸収が抑制され、値としては十分低い損失が得られている。しかしながら、図4Aに示すように、N2流量100sccmの場合は、波長1510nm付近に弱いがまだ吸収のピークが見られる。これは、プラズマCVDによる装置の主に内壁に吸着し、装置内に除去できずに残留しているH2Oを水素源として、窒化シリコン層中に生成されたNHによるものと思われる。このNHは、微量ではあるが、光導波路における損失要因となり、ピークの1510nmで損失は0.9dB/cmとなっている。微小ではあるが、波長により損失が異なると、高い特性を要求される次世代デバイスでは特性に影響が出て無視はできない。 In either case, NH absorption is suppressed by using SiD 4 gas, and a sufficiently low loss is obtained as a value. However, as shown in FIG. 4A, when the N 2 flow rate is 100 sccm, a weak absorption peak is still seen near the wavelength of 1510 nm. It is considered that this is due to NH generated in the silicon nitride layer mainly by adsorbing to the inner wall of the apparatus by plasma CVD and using H 2 O remaining in the apparatus as a hydrogen source. Although this NH is a trace amount, it causes a loss in the optical waveguide, and the loss is 0.9 dB / cm at the peak of 1510 nm. Although it is minute, if the loss differs depending on the wavelength, the characteristics will be affected in the next-generation devices that require high characteristics and cannot be ignored.
 一方、図4Bに示すように、N2流量40sccmの場合は、1510nm付近のピーク消滅し、どの波長でも0.4dB/cm程度の損失となっている。これは、形成した窒化シリコン中に、NHがほとんど含まれていないことを示している。この要因は、N2の供給を減らしたことで、N2と反応しきれないSiD4が装置内に残存し、これが、装置内壁に付着し、結果的にNHの発生源となる内壁からの水素の供給を実効的に抑える効果があるためと考えられる。なお、N2流量40sccmの条件で形成した窒化シリコン層の屈折率は1.92である。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, in the case of N 2 flow rate of 40 sccm, the peak near 1510 nm disappears, and the loss is about 0.4 dB / cm at any wavelength. This indicates that the formed silicon nitride contains almost no NH. This factor, that with a reduced supply of N 2, remains in SiD 4 is a device that can not react with N 2, which is attached to the inner wall of the apparatus, resulting in from the inner wall as a source of NH This is thought to be because it has the effect of effectively suppressing the supply of hydrogen. The refractive index of the silicon nitride layer formed under the condition of N 2 flow rate of 40 sccm is 1.92.
 N2流量を減らし、Siリッチな窒化シリコン層よりコアを形成して光導波路を作製することで、1510nmでの損失を低減し損失の波長依存性ない導波路が実現できる。なお、前述したように、「N2流量を減らす」とは、「化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件」である。 By reducing the N 2 flow rate and forming a core from a Si-rich silicon nitride layer to fabricate an optical waveguide, it is possible to reduce the loss at 1510 nm and realize a wavelength-independent waveguide of loss. As described above, " reducing the N 2 flow rate" is "a condition in which the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method".
 以上に説明したように、本発明によれば、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で、窒化シリコン層を形成してコアを形成するので、窒化シリコンから構成するコアの屈折率をさらに高くすることができるようになる。 As described above, according to the present invention, the silicon nitride layer is formed to form a core under the condition that the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by the plasma CVD method. Therefore, the refractive index of the core composed of silicon nitride can be further increased.
 なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 It should be noted that the present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be carried out by a person having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. That is clear.
 101…基板、102…下部クラッド層、103…窒化シリコン層、104…コア、105…上部クラッド層。 101 ... substrate, 102 ... lower clad layer, 103 ... silicon nitride layer, 104 ... core, 105 ... upper clad layer.

Claims (4)

  1.  基板の上に、酸化シリコンからなる下部クラッド層を形成する第1工程と、
     前記下部クラッド層の上に、重水素とシリコンとを含む化合物から構成されたシリコン原料と、窒素原料とを用いたプラズマCVD法で、窒化シリコン層を形成する第2工程と、
     前記窒化シリコン層をパターニングすることで、前記下部クラッド層の上にコアを形成する第3工程と、
     プラズマCVD法により酸化シリコンを堆積することで、前記下部クラッド層の上に前記コアを覆って上部クラッド層を形成する第4工程と
     を備え、
     前記第2工程は、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で、前記窒化シリコン層を形成することを特徴とする光導波路の作製方法。
    The first step of forming a lower clad layer made of silicon oxide on the substrate,
    A second step of forming a silicon nitride layer on the lower clad layer by a plasma CVD method using a silicon raw material composed of a compound containing deuterium and silicon and a nitrogen raw material.
    A third step of forming a core on the lower clad layer by patterning the silicon nitride layer, and
    A fourth step of covering the core on the lower clad layer to form an upper clad layer by depositing silicon oxide by a plasma CVD method is provided.
    The second step is a method for producing an optical waveguide, characterized in that the silicon nitride layer is formed under the condition that the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by a plasma CVD method.
  2.  請求項1記載の光導波路の作製方法において、
     前記シリコン原料は、SiD4であることを特徴とする光導波路の作製方法。
    In the method for manufacturing an optical waveguide according to claim 1,
    A method for producing an optical waveguide, characterized in that the silicon raw material is SiD 4.
  3.  基板の上に形成された酸化シリコンからなる下部クラッド層と、
     前記下部クラッド層の上に形成された、重水素を含んだ窒化シリコンからなるコアと、
     前記コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された、酸化シリコンからなる上部クラッド層と
     を備え、
     前記コアは、化学量論組成の窒化シリコンをプラズマCVD法で製造しようとする条件より窒素原料を少なくした条件で形成された窒化シリコンから構成されていることを特徴とする光導波路。
    A lower clad layer made of silicon oxide formed on the substrate,
    A core made of silicon nitride containing deuterium formed on the lower clad layer,
    It comprises an upper clad layer made of silicon oxide, which covers the core and is formed on the lower clad layer.
    The core is an optical waveguide characterized in that it is composed of silicon nitride formed under conditions where the nitrogen raw material is less than the condition for producing silicon nitride having a stoichiometric composition by a plasma CVD method.
  4.  請求項3記載の光導波路において、
     前記コアに含まれる水素は、重水素を主成分としていることを特徴とする光導波路。
    In the optical waveguide according to claim 3,
    The hydrogen contained in the core is an optical waveguide characterized by containing deuterium as a main component.
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