WO2024009457A1 - 光導波路デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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optical
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慶太 山口
雅 太田
藍 柳原
賢哉 鈴木
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide device that constitutes an optical integrated circuit and a method for manufacturing the same.
  • Optical devices such as semiconductor lasers, photodiodes, optical wavelength multiplexers/demultiplexers, and optical switches are configured with optical integrated circuits.
  • optical fiber communication not only optical fibers as transmission media but also optical integrated circuits in these optical devices for processing optical signals play an important role (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the semiconductor laser acts as an optical oscillator to generate light waves for superimposing signals, and the photodiode operates as an element that converts the intensity of the optical signal into an electrical signal.
  • an optical wavelength multiplexer/demultiplexer represented by an arrayed waveguide grating is used in wavelength division multiplexing communication as an element that multiplexes and demultiplexes different wavelengths of light (see, for example, Non-Patent Document 2).
  • Optical switches have an important function in ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing) systems as elements that route optical paths.
  • These optical integrated circuits are generally optical waveguide devices constructed of optical waveguides formed on a substrate.
  • An optical waveguide consists of a core through which optical signals propagate and a cladding surrounding it.
  • a semiconductor laser and a photodiode are made of a semiconductor material such as InP, and an array waveguide grating and an optical switch are made of an optical waveguide material mainly made of quartz glass.
  • FIG. 1 shows a conventional method for manufacturing an optical waveguide.
  • a silica-based planar light wave circuit made of silica-based glass will be explained as an example.
  • a glass film that will become the lower cladding 12 is deposited on a silicon (Si) substrate (wafer) 11.
  • the lower cladding 12 is made of SiO 2 added with P 2 O 5 and B 2 O 3 deposited by flame hydrolysis deposition (FHD). Soot-like glass particles deposited by the FHD method are heated at a high temperature of 1000° C. or higher to obtain a transparent lower cladding 12.
  • FHD flame hydrolysis deposition
  • core deposition step 2 a thin film of glass that will become the core 13 having a higher refractive index than the lower cladding 12 is deposited using the FHD method.
  • a desired refractive index value can be obtained by adding GeO 2 to SiO 2 .
  • heating is performed at a high temperature of 1000° C. or higher to form a transparent core 13.
  • a photoresist film 14 is formed on the substrate by spin coating.
  • a circuit pattern exposure step 4 a circuit pattern corresponding to the mask pattern is exposed by irradiating the photoresist film with UV light 16 through a photomask 15.
  • a photoresist development step 5 the circuit pattern on the photoresist film is developed to obtain a photoresist pattern 17.
  • the photoresist pattern 17 is transferred to the core by reactive ion etching (RIE) to obtain a core pattern 18. Then, in a resist removal step 7, the photoresist remaining on the core is removed by ashing. Finally, in the upper clad deposition step 8, the upper clad 19 is deposited by the same method as the lower clad deposition in the lower clad deposition step 1.
  • RIE reactive ion etching
  • the optical waveguide obtained through the above manufacturing process is inspected for various properties such as optical properties.
  • manufacturing conditions reflecting the inspection results were set in each process after a series of processes were all completed. This method has the problem that manufacturing errors in each process accumulate, so the accuracy of the inspection results decreases as the process progresses.
  • the accumulation of manufacturing errors can be suppressed by resetting the manufacturing conditions for that process or adjusting the manufacturing conditions for subsequent processes based on the inspection results obtained at the time when one process is completed.
  • the manufacturing process is interrupted after each step, making it difficult to improve the throughput of the manufacturing process.
  • the pattern width information can be obtained in the subsequent etching process. It is possible to implement processes that reflect the Furthermore, if the film thickness and refractive index of the core obtained in the core deposition process can be known during the deposition process, it is also possible to predict the optical characteristics of the optical waveguide formed in the subsequent process. In this way, by acquiring the characteristic values of the optical waveguide components obtained in the previous process, they can be reflected in the processing conditions of the subsequent process and used to predict the optical properties obtained in the subsequent process. This is advantageous in terms of manufacturing process throughput.
  • the inspection in the previous process is performed in a non-contact manner. Inspections that do not affect the manufacturing process are required.
  • Figure 2 shows a conventional method for measuring the core film thickness and refractive index in a non-contact manner.
  • a spectroscopic ellipsometer is known as a typical example, in which light is incident on an object, the reflected light spectrum is analyzed, and the film thickness and refractive index of the core are measured. With such a measurement method, it is possible to measure the properties of the core film in a non-contact manner so as not to affect the optical properties of a waveguide manufactured subsequently.
  • the refractive index difference between the lower cladding and the core is generally high, but It is about 5%, and the reflectance becomes low.
  • the difference in refractive index between the Si substrate and the lower cladding is very large, and the reflectance is also high. Furthermore, the width of the core constituting the optical waveguide is narrow, and the reflectance at the interface between the core and the lower cladding is extremely small. As a result, the reflected light component from the lower cladding/core interface, which is the main analysis target, becomes extremely small in the total reflected light, making analysis difficult and deteriorating the measurement accuracy of core film thickness and refractive index. do.
  • Conventional techniques for analyzing reflection spectra have a problem in that they lead to a decrease in measurement accuracy in predicting optical characteristics in the manufacturing process described above, which directly leads to deterioration in correction accuracy in subsequent processes.
  • An object of the present invention is to provide an optical waveguide device that can accurately measure the film thickness and refractive index of the core, and a method for manufacturing the same.
  • the present invention provides an optical waveguide device in which an optical waveguide including a lower cladding, a core, and an upper cladding is formed on a substrate, in which an interface between the substrate and the core is provided. It is characterized by having a region in which is formed.
  • the method includes a step of depositing the lower cladding on the substrate and removing a part of the lower cladding. the step of depositing a core film to form a region in which an interface between the substrate and the core is formed; and the step of forming a core pattern based on measurement results of characteristics of the core film in the region. It is characterized by:
  • FIG. 1 is a diagram showing a conventional method for manufacturing an optical waveguide.
  • FIG. 2 is a diagram showing a conventional method for non-contact measurement of core film thickness and refractive index.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the arrangement of core measurement regions according to the present embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing a method for manufacturing an optical waveguide according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a diagram showing the reflection spectrum of the lower cladding measured by the measuring device of this embodiment
  • FIG. 8 is a diagram showing the reflection spectrum of the core measured by the measuring device of this embodiment.
  • a core measurement area that can be measured with high precision is provided within the chip of the optical waveguide device or within the wafer forming the optical waveguide device.
  • a silica-based planar light wave circuit made of silica-based glass will be explained as an example of an optical waveguide device constituting an optical integrated circuit, but the present invention can also be applied to a semiconductor optical circuit made of an InP-based semiconductor. .
  • FIG. 3 shows the configuration of an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a perspective view seen from the top surface of the substrate of the optical integrated circuit, and shows a schematic circuit configuration of an arrayed waveguide grating (AWG) 30 as an example.
  • FIG. 3(b) is a cross-sectional view taken along IIIb-IIIb' in FIG. 3(a).
  • the AWG 30 includes a first slab waveguide 32 connected to a first input/output waveguide 31, a second slab waveguide 34 connected to a plurality of second input/output waveguides 35, and a first slab waveguide 32 connected to a first input/output waveguide 31.
  • a core pattern 18 formed from a core 13 made of Si oxide and an upper cladding 19 made of Si oxide are deposited on a lower cladding 12 made of Si oxide on a silicon (Si) substrate 11.
  • the core film formed in the manufacturing process has a distribution of film thickness and refractive index within the wafer plane due to various factors. Therefore, in order to accurately determine the optical path length felt by an optical signal in the AWG 30, it is desirable to obtain the characteristics of the core film near the optical waveguide with high precision.
  • a core measurement region 41 is provided near the array waveguide 33 that mainly controls the phase of the optical signal.
  • the core measurement region 41 has a structure in which the core film 13 is deposited on the Si substrate 11, forming a substrate/core interface. Similar to the substrate/lower cladding interface, the substrate/core interface has a large refractive index difference and is an interface with high reflectance. Therefore, by applying a reflected light spectrum analysis method such as a spectroscopic ellipsometer in the core measurement region 41 before forming the upper cladding 19, it is possible to obtain the film thickness and refractive index of the core 13 with high precision. can.
  • the two slab waveguides 32 and 34 and the array waveguide 33 have an arched shape, and by providing a core measurement area 41 in the area surrounded by these, the core film of the array waveguide 33 can be measured. Characteristics can be acquired with high precision.
  • FIG. 4 shows an example of the arrangement of core measurement areas according to this embodiment.
  • a region having a substrate/core interface cannot function as an optical waveguide or an optical functional circuit. Therefore, in the optical integrated circuit, the core measurement region is placed in a region where no circuit elements such as optical waveguides are formed, and in the vicinity of the circuit element whose characteristics of the core film are to be obtained.
  • FIG. 4(a) has a structure in which two AWGs are inverted vertically and overlapped with a slab waveguide. As described above, since it is necessary to obtain the characteristics of the core of the arrayed waveguide with high precision, the core measurement region 42 is provided in an area surrounded by the slab waveguide and the arrayed waveguide.
  • a core measurement region in a region surrounded by two arm waveguides connecting two optical multiplexers/demultiplexers.
  • a core measurement region may be provided near the multimode waveguide.
  • circuit elements such as optical waveguides are formed near the boundaries between chips on the wafer, in other words near the area where the cutting blade passes, in order to avoid the effects of chipping due to dicing. I often don't. Therefore, as shown in FIG. 4(b), core measurement regions 43a and 43b are provided in the boundary region between chips. Typically, the core measurement area may be arranged so as to straddle the area between a plurality of chips.
  • the core measurement area is shown as a circular area in FIG. 3(a), it may have any shape such as a rectangular area. It is sufficient to have an area that can reflect most of the irradiated light from the light transmitting optical system of a measuring device such as a spectroscopic ellipsometer and allow it to enter the light receiving optical system. Specifically, a circular area with a diameter of 1 mm or more or a rectangular area with a side of 1 mm or more is suitable.
  • the characteristics of the core film can also be estimated from the measurement results of the core measurement region provided around the core measurement region. For example, when there are multiple measurement points within the wafer surface, the core film thickness and refractive index within the wafer surface are fitted using an appropriate function based on the measurement results of the core film thickness and refractive index. The core film thickness and refractive index at desired coordinates can be calculated. Further, it is also possible to perform interpolation from the measurement results of a plurality of core measurement areas provided in the periphery, weighting according to the distance. For example, from the measurement results of two nearby points, the core film thickness and refractive index at any position between the two points are calculated, assuming that the core film thickness and refractive index change linearly between the two points. be able to.
  • a silica-based planar lightwave circuit by using a Si substrate, it is possible to increase the reflectance at the interface between the substrate and the core.
  • the production of the core measurement region will be explained with reference to the method for producing the optical waveguide shown in FIG.
  • the lower cladding deposition step 1 after the lower cladding 12 is deposited on the Si substrate 11, the lower cladding 12 in the region where the core measurement region is to be arranged is removed by a photoresist step and an etching step.
  • core deposition step 2 the core 13 is deposited on the lower cladding 12 and the Si substrate 11 in the core measurement area.
  • the film thickness and refractive index can be measured in the core measurement region. Therefore, after this, in each step of forming the core pattern 18, the accumulation of manufacturing errors can be suppressed by adjusting the manufacturing conditions based on the measurement results of the characteristics of the core film in the core measurement area.
  • the reflected light spectrum analysis method it is desirable that only the core film and air exist in the path through which the reflected light from the interface with high reflectance passes. Therefore, in the core measurement region, it is desirable to perform the measurement with only the core film formed on the Si substrate.
  • the manufacturing method of this embodiment measures the components or characteristics of the optical device formed in one step of the manufacturing process at that point, and adjusts or adjusts the manufacturing conditions for the subsequent process based on the measured data. correction (hereinafter, this method is also referred to as a "feedforward system").
  • the feedforward system makes it possible to obtain desired optical properties of the final optical device, such as suppressing variations in the optical properties of the optical device.
  • FIG. 5 shows a method for manufacturing an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • the feedforward system performs "measurement” on the constituent elements of an optical device formed in one step, and performs "optical characteristic estimation” through optical characteristic estimation processing 51 based on the measurement results. Then, based on the estimation result, a process control process 52 performs "control" of the subsequent process.
  • the thickness of the lower cladding film formed in the lower cladding deposition process 1 is "measured”, and based on this measurement result, the thickness of the core layer deposited in the subsequent core deposition process 2 is "controlled”. Furthermore, the thickness and refractive index of the core layer formed in the core deposition step 2 are measured to perform "optical property estimation.” Based on this estimation, the etching intensity or time is "controlled” in the subsequent etching step 6.
  • the core width of the pattern formed by etching is estimated (predicted) based on the thickness and refractive index of the core layer. Then, in the etching step 6, etching is performed based on this predicted value. For example, in the case of prediction information that "the waveguide width after core processing is thick", correction is performed to reduce the width of the formed core in the etching process. Possible corrections at this time include methods of increasing/thinning the core width by shortening/lengthening the etching time or weakening/increasing the etching strength.
  • the width and thickness of the core layer in the waveguide pattern formed in the etching process 6 is "measured”, and based on the measurement results, the thickness of the upper cladding film formed in the upper cladding deposition process 8 is "controlled”. However, it is also possible to adjust the optical characteristics of the optical waveguide finally obtained.
  • the feedforward system of this embodiment measures the shape, characteristics, etc. of the components of the formed optical device during the previous process among the multiple processes of manufacturing the optical device, and Based on the results, the manufacturing conditions in the subsequent process are adjusted or corrected.
  • the measurement accuracy when measuring the thickness and refractive index of the core layer formed in the core deposition step 2 is improved, and as a result, the accuracy of "optical property estimation” is improved, so that the subsequent The accuracy of adjusting the optical characteristics of the optical waveguide through “control” is improved.
  • control to adjust optical characteristics
  • a plurality of optical circuit designs with different transmission spectrum center wavelengths are prepared in advance.
  • Optical properties can be adjusted.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration of a measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • the measuring device irradiates the optical device, which is the object to be manufactured, with a laser beam, analyzes the reflected light from the object, and measures the physical properties of the film formed on the optical device, such as film thickness and refraction, in a non-contact manner. Measure the rate.
  • a conventional measurement method such as a spectroscopic reflection type film thickness meter or a spectroscopic ellipsometer can be applied.
  • the measurement device is composed of an optical measurement system 101 and a tester 102.
  • a silicon wafer 114 on which an optical device to be measured is formed is fixed to a wafer chuck 113 and moved in three axial directions by a drive mechanism 112 on a base 111.
  • a test head 121 connected to the tester 102 includes a light transmitting optical system 122, a light receiving optical system 123, and a control circuit 124.
  • the tester 1 controls the drive mechanism 112 to irradiate the laser beam from the light transmission optical system 122 to a desired position of a film constituting an optical device formed on a silicon wafer 114, and controls the test head 121.
  • a command is sent to the control circuit 124.
  • the light receiving optical system 123 receives reflected light from the object, and the control circuit 124 processes the signal from the light receiving optical system 123 and sends the measurement result back to the tester 102.
  • the tester 1 analyzes the signal from the light receiving optical system 123 and calculates the physical property value of each film formed on the silicon wafer 114.
  • Non-contact measurement method of film thickness and refractive index For example, a case will be described in which the lower clad 12 formed in the lower clad deposition step 1 in FIGS. 1 and 2 is measured using a spectral reflection method.
  • the tester 102 irradiates the surface of the lower cladding 12 with a laser beam having a wavelength sweep range of 450 to 900 nm at a predetermined incident angle from the light transmission optical system 122 of the test head 121. From the light intensity of the light received by the light receiving optical system 123, the tester 102 calculates a reflection spectrum expressed as a reflectance with respect to wavelength.
  • FIG. 7 shows the reflection spectrum of the lower cladding measured by the measurement device of this embodiment.
  • the laser beam emitted from the light transmitting optical system 122 is reflected on the surface of the lower cladding 12 and the interface between the substrate 11 and the lower cladding 12, and the reflected light that has interfered with both is incident on the light receiving optical system 123. .
  • This interference of light is reflected in the reflection spectrum, and if the film is formed uniformly, a wavy spectrum will be observed due to the interference. If the film thickness is thin, the width of the waves will be large (the number of waves will be small), and if the film thickness is thick, the width of the waves will be small (the number of waves will be large).
  • the tester 102 can calculate the film thickness and refractive index of the lower cladding 12 from the amplitude and period of the waves in this reflection spectrum.
  • the intensity E 0 of the incident light from the light transmission optical system 122 the intensity E 1 of the reflected light reflected from the surface of the lower cladding 12 , the intensity E 2 of the reflected light reflected at the interface between the substrate 11 and the lower cladding 12 , and do. Further, the reflected light emitted from the surface of the lower cladding 12 is transmitted back and forth between the lower cladding 12 and the interface between the substrate 11 and the lower cladding 12 , and is input to the light receiving optical system 123. Assuming that the light intensity of the entire reflected light is E,
  • r ij is the reflectance when the incident light from the i-th layer with refractive index n i (0 is in air) is reflected at the interface with the j-th layer with refractive index n j
  • r ij -r ji
  • t ij is the transmittance when passing from the i layer to the j layer through the interface between the i layer and the j layer
  • t ji is the opposite, and the film thickness d i of the i-th layer, the refractive index n i , when the wavelength is ⁇ , the phase coefficient ⁇ i when traveling back and forth through the i-th layer is
  • the film thickness d 1 and refractive index n 1 of the lower cladding 12 are calculated from the wavelength dependence of the reflectance r 1, that is, the amplitude and period of the reflection spectrum.
  • the core 13 formed on the lower cladding 12 in the core deposition step 2 of FIG. 1 is measured using a spectral reflection method.
  • the laser beam emitted from the light transmission optical system 122 described above is reflected at the surface of the core 13, the interface between the core 13 and the lower cladding 12, and the interface between the substrate 11 and the lower cladding 12.
  • reflected light from the interface between the substrate 11 and the lower cladding 12 becomes noise, and therefore needs to be removed when calculating the film thickness and refractive index.
  • the refractive index difference between the core 13 and the lower cladding 12 is as small as about 1%, the reflectance at the interface between the substrate 11 and the lower cladding 12 is lower than the reflectance at the interface between the core 13 and the lower cladding 12. The reflectance is higher at .
  • the core 13 has a thin film thickness of approximately several ⁇ m, the component of reflected light from the interface between the substrate 11 and the lower cladding 12 is large, making it difficult to calculate the film thickness and refractive index.
  • FIG. 8 shows the reflection spectrum of the core measured by the measuring device of this embodiment.
  • the difference in refractive index between the core 13 and the lower cladding 12 is small, fluctuations occur in the envelope of the reflection spectrum as shown in FIG.
  • the amplitude of fluctuations due to the reflected light component from the lower cladding/core interface is smaller than the amplitude of the wave due to the reflected light component from the substrate/lower cladding interface, making analysis difficult. and the measurement accuracy of the refractive index deteriorates.
  • the reflection spectrum of the core is acquired in the core measurement region having the substrate/core interface, it is possible to obtain a large wave amplitude due to interference, similar to the reflection spectrum shown in FIG. 7.
  • the film thickness and refractive index of the core can be calculated with high accuracy.

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Abstract

コアの膜厚と屈折率を精度よく測定することができる光導波路デバイスを提供する。基板（１１）上に下部クラッド（１２）、コア（１３）および上部クラッド（１９）からなる光導波路が形成された光導波路デバイスにおいて、前記基板（１１）と前記コア（１３）との界面が形成された領域（４１）を備えた。

Description

光導波路デバイスおよびその製造方法
　本発明は、光集積回路を構成する光導波路デバイスおよびその製造方法に関する。
　半導体レーザ、フォトダイオード、光波長合分波器、光スイッチなどの光デバイスは、光集積回路を備えて構成される。光ファイバ通信においては、伝送媒体である光ファイバはもとより、光信号処理を行うためのこれら光デバイスにおける光集積回路が重要な役割を果たす（例えば、非特許文献１参照）。半導体レーザは、光の発振器として信号を重畳するための光波を生成し、フォトダイオードは、光信号の強度を電気信号に変換する素子として動作する。また、アレイ導波路格子に代表される光波長合分波器は、異なる光の波長を合波・分波する素子として波長分割多重通信に用いられる（例えば、非特許文献２参照）。光スイッチは、光の経路をルーティングする素子としてＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexing）システムにおいて重要な機能を有している。これらの光集積回路は、一般に基板上に形成された光導波路により構成された光導波路デバイスである。光導波路は、光信号が伝搬するコアとそれを取り囲むクラッドからなる。半導体レーザやフォトダイオードは、ＩｎＰなどの半導体材料により構成され、アレイ導波路格子や光スイッチは、主に石英ガラスからなる光導波路材料で構成される。
　図１に、従来の光導波路の製造方法を示す。石英系ガラスからなる石英系平面光波回路を例に説明する。最初に、下部クラッド堆積工程１において、シリコン（Ｓｉ）基板（ウエハ）１１上に下部クラッド１２となるガラス膜を堆積する。下部クラッド１２は、火炎堆積法（ＦＨＤ：Flame Hydrolysis Deposition）により堆積されたＰ２Ｏ５やＢ２Ｏ３を添加したＳｉＯ２からなる。ＦＨＤ法で堆積されたスート状のガラス粒子を１０００℃以上の高温で加熱し透明な下部クラッド１２を得る。次に、コア堆積工程２において、同じくＦＨＤ法を用いて、下部クラッド１２よりも高い屈折率を有するコア１３となる薄膜ガラスを堆積する。コア１３の堆積にあたっては、ＧｅＯ２をＳｉＯ２に添加することにより、所望の屈折率値を得ることができる。下部クラッド堆積工程１と同様に１０００℃以上の高温で加熱し、透明なコア１３を形成する。
　フォトレジスト成膜工程３において、スピンコートにより基板上にフォトレジスト膜１４を成膜する。次に、回路パターン露光工程４において、フォトマスク１５を介してＵＶ光１６をフォトレジスト膜に照射することにより、マスクパターンに応じた回路パターンを露光する。そして、フォトレジスト現像工程５において、フォトレジスト膜の回路パターンを現像し、フォトレジストパターン１７を得る。
　次に、エッチング工程６において、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により、フォトレジストパターン１７をコアに転写し、コアパターン１８を得る。そして、レジスト除去工程７において、コア上に残ったフォトレジストをアッシングにより除去する。最後に、上部クラッド堆積工程８において、下部クラッド堆積工程１における下部クラッド堆積と同様の方法によって、上部クラッド１９を堆積する。
　以上の製造工程で得られる光導波路に対して、光学特性など種々の特性の検査が行われる。従来、この検査結果を製造工程に反映するためには、一連の工程が全て終了した後、それぞれの工程において、検査結果を反映した製造条件を設定していた。この方法は、それぞれの工程における製造誤差が蓄積していくので、後工程になるほど、検査結果の精度が低いという問題があった。一方、一工程が終了した時点で得られた検査結果から、当該工程の製造条件を再設定したり、後工程の製造条件を調整することにより、製造誤差の蓄積を抑えることができる。しかしながら、一工程ごとに製造工程を中断することになり、製造工程のスループットを向上させることが困難であるという問題があった。
　そこで、ある工程で得られる加工結果の情報、例えば、フォトレジスト現像工程で得られるレジストパターン幅の情報を、現像工程の工程中に知ることができれば、後工程であるエッチング工程においてパターン幅の情報を反映した工程を実施できる。また、コア堆積工程で得られるコアの膜厚、屈折率を、堆積工程の工程中に知ることができれば、後工程で形成される光導波路の光学特性を予測することもできる。このように、前の工程で得られる光導波路構成要素の特性値を、前の工程中に取得することにより、後工程の加工条件に反映したり、後工程で得られる光学特性の予測に用いることができることは、製造工程のスループットの点でも好都合である。
　しかしながら、製造工程を中断することなく、上述したように、前工程で得られた情報を、後工程の加工条件に反映等するためには、前工程での検査は、非接触で行われ、製造工程に影響を与えない検査が必要である。
　図２に、従来のコアの膜厚、屈折率を非接触に測定する手法を示す。代表的な例として分光エリプソメーターが知られており、対象物に光を入射し、その反射光スペクトルを解析して、コアの膜厚、屈折率を測定する。このような測定法では、その後に製造される導波路の光学特性に影響を与えないように、コア膜の特性を非接触に測定することが可能である。しかしながら、上述したＳｉ基板上にＳｉ酸化物の下部クラッドが形成され、コアにもＳｉ酸化物を使用する石英系平面光波回路では、一般的に下部クラッドとコア間の屈折率差は高くても５％程度であり、反射率が低くなる。これに対して、Ｓｉ基板と下部クラッド間の屈折率差は非常に大きく、反射率も高い。さらに、光導波路を構成するコアの幅は狭く、コアと下部クラッドとの界面での反射率が非常に小さくなる。結果として、主たる解析対象である下部クラッド／コア界面からの反射光成分は、反射光全体の中で非常に小さくなり、解析が困難になって、コアの膜厚と屈折率の測定精度が劣化する。従来の反射スペクトルを解析する手法では、上述した製造工程における光学特性の予測において、測定精度の低下を招き、後工程における補正の精度の劣化に直結するという課題があった。
T. Miya, "Silica-based planar lightwave circuits: passive and thermally active devices," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 6, no. 1, pp. 38-45, Jan.-Feb. 2000, doi: 10.1109/2944.826871. Inoue, Y.; Kaneko, A.; Hanawa, F.; Takahashi, H.; Hattori, K.; Sumida, S.: 'Athermal silica-based arrayed-waveguide grating multiplexer', Electronics Letters, 1997, 33, (23), p. 1945-1947, DOI: 10.1049/el:19971317
　本発明の目的は、コアの膜厚と屈折率を精度よく測定することができる光導波路デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
　本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、基板上に下部クラッド、コアおよび上部クラッドからな光導波路が形成された光導波路デバイスにおいて、前記基板と前記コアとの界面が形成された領域を備えたこと特徴とする。
　また、基板上に下部クラッド、コアおよび上部クラッドからな光導波路が形成された光導波路デバイスの製造方法において、前記基板上に前記下部クラッドを堆積する工程と、前記下部クラッドの一部を除去して、コア膜を堆積し、前記基板と前記コアとの界面が形成された領域を形成する工程と、前記領域のコア膜の特性の測定結果に基づいて、コアパターンを形成する工程とを備えたこと特徴とする。
図１は、従来の光導波路の製造方法を示す図、 図２は、従来のコアの膜厚、屈折率を非接触に測定する手法を示す図、 図３は、本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイスの構成を示す図、 図４は、本実施形態にかかるコア測定領域の配置例を示す図、 図５は、本発明の一実施形態にかかる光導波路の製造方法を示す図、 図６は、本発明の一実施形態にかかる測定装置の概略の構成を示す図、 図７は、本実施形態の測定装置による下部クラッドの反射スペクトルを示す図、 図８は、本実施形態の測定装置によるコアの反射スペクトルを示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態では、コアの膜厚、屈折率を非接触で測定する際に、高精度で測定可能なコア測定領域を、光導波路デバイスのチップ内、または光導波路デバイスを形成するウエハ内に設ける。なお、本実施形態では、光集積回路を構成する光導波路デバイスとして、石英系ガラスからなる石英系平面光波回路を例に説明するが、ＩｎＰ系半導体からなる半導体光回路にも適用することができる。
　　［コア測定領域］
　図３に、本発明の一実施形態にかかる光導波路デバイスの構成を示す。図３（ａ）は、光集積回路の基板上面から見た透視図で、一例としてアレイ導波路格子（ＡＷＧ）３０の概略の回路構成を示している。図３（ｂ）は、（ａ）のIIIb-IIIb’の断面図である。ＡＷＧ３０は、第１の入出力導波路３１に接続された第１のスラブ導波路３２と、複数の第２の入出力導波路３５に接続された第２のスラブ導波路３４と、第１のスラブ導波路３２と第２のスラブ導波路３４との間を接続する複数のアレイ導波路３３から構成されている。シリコン（Ｓｉ）基板１１上のＳｉ酸化物からなる下部クラッド１２に、Ｓｉ酸化物からなるコア１３から形成されたコアパターン１８と、Ｓｉ酸化物からなる上部クラッド１９とが堆積されている。
　ＡＷＧ３０のように、光回路内を伝搬する光信号の位相、干渉現象を利用したデバイスでは、光導波路を伝搬する光信号の位相を正確に制御する必要がある。このため、伝搬する光信号の感じる光路長（＝実効屈折率×物理的なコアの経路長）を高い精度で制御する必要がある。一方、製造工程で成膜されたコア膜は、様々な要因からウエハ面内において、膜厚や屈折率の分布を有している。従って、ＡＷＧ３０において、光信号の感じる光路長を正確に求めるためには、光導波路付近のコア膜の特性を高精度に取得することが望まれる。
　そこで、図３に示したように、ＡＷＧ３０において、主として光信号の位相を制御しているアレイ導波路３３付近に、コア測定領域４１を設ける。コア測定領域４１は、Ｓｉ基板１１上に、コア膜１３が堆積された構造であり、基板／コア界面を形成している。基板／コア界面は、基板／下部クラッド界面と同様に屈折率差が大きく、反射率が高い界面となる。従って、上部クラッド１９を成膜する前に、コア測定領域４１において分光エリプソメーターなどの反射光スペクトルの解析手法を適用することにより、コア１３の膜厚および屈折率を高精度に取得することができる。
　ＡＷＧ３０は、２つのスラブ導波路３２，３４とアレイ導波路３３が弓なりの形状を有しており、これらに囲まれた領域にコア測定領域４１を設けることにより、アレイ導波路３３のコア膜の特性を高精度に取得することができる。
　図４に、本実施形態にかかるコア測定領域の配置例を示す。基板／コア界面を有している領域は、光導波路または光機能回路として機能させることができない。従って、光集積回路内において、光導波路等の回路要素が形成されていない領域であって、コア膜の特性を取得したい回路要素の近傍にコア測定領域を配置する。図４（ａ）は、光集積回路の集積度を上げるために、２つのＡＷＧを上下反転し、スラブ導波路で重ねた構造を有している。上述したように、アレイ導波路のコアの特性を高精度に取得する必要があることからスラブ導波路とアレイ導波路とに囲まれた領域に、コア測定領域４２を設ける。
　また、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型の回路構成においては、２つの光合分波器の間を接続する２本のアーム導波路に囲まれた領域に、コア測定領域を設ければ好適である。マルチモード干渉（ＭＭＩ）型の回路構成においては、マルチモード導波路の近傍にコア測定領域を設ければよい。
　さらに、光導波路デバイスのチップ内ではなく、チップの周縁部に設けることも考えられる。ウエハからチップを切り出すダイシングを行う際、ダイシングによる欠けなどの影響を避けるために、ウエハ上のチップ間の境界付近、すなわち切削刃が通過する領域の近傍には、光導波路等の回路要素を形成しないことが多い。そこで、図４（ｂ）に示すように、チップ間の境界領域にコア測定領域４３ａ，４３ｂを設ける。典型的には、複数のチップ間の領域をまたぐようにコア測定領域を配置すればよい。
　コア測定領域は、図３（ａ）においては円形の領域を示しているが、矩形の領域など、どのような形状であってもよい。分光エリプソメーターなどの測定装置の送光光学系からの照射光のほとんどを反射して、受光光学系に入射できるような面積を有していればよい。具体的には、直径１ｍｍ以上の円形の領域、または１ｍｍ角以上の矩形の領域であれば好適である。
　しかしながら、光信号の位相を制御する導波路領域の近傍にコア測定領域を配置できない場合は、周辺に設けたコア測定領域の測定結果から、コア膜の特性を推定することもできる。例えば、ウエハ面内で複数の測定点を有する場合には、そのコア膜厚及び屈折率の測定結果をもとに、適当な関数でウエハ面内のコア膜厚及び屈折率のフィッティングを行い、所望の座標におけるコア膜厚及び屈折率を算出することができる。また、周辺に設けた複数のコア測定領域の測定結果から、距離に応じた重み付けを行って補間することもできる。例えば、近傍の２点の測定結果から、その２点間でのコアの膜厚および屈折率が線形に変化すると仮定して、２点間の任意の位置のコア膜厚及び屈折率を算出することができる。
　コア測定領域の基板／コア界面においては、両者の屈折率差が大きいほど、界面での反射率も大きくなり、反射光スペクトルを利用したコア膜の測定および解析が容易になる。上述したように、石英系平面光波回路においては、Ｓｉ基板を使用することにより、基板とコアとの界面の反射率を大きく取ることができる。
　コア測定領域の作製を、図１に示した光導波路の作製方法を参照して説明する。下部クラッド堆積工程１において、Ｓｉ基板１１上に下部クラッド１２を堆積した後、フォトレジスト工程とエッチング工程とにより、コア測定領域を配置する領域の下部クラッド１２を除去する。次に、コア堆積工程２において、下部クラッド１２およびコア測定領域のＳｉ基板１１上にコア１３を堆積する。この後、フォトレジスト成膜工程３に入る前に、コア測定領域において膜厚、屈折率を測定することができる。従って、この後、コアパターン１８を形成する各工程において、コア測定領域のコア膜の特性の測定結果に基づいて、製造条件を調整することにより、製造誤差の蓄積を抑えることができる。
　なお、コアパターン１８を形成した後、すなわちレジスト除去工程７の後、上部クラッド堆積工程８に入る前まで、コア測定領域における測定は可能である。
　反射光スペクトルの解析手法を適用するためには、反射率の高い界面からの反射光が通過する経路には、コア膜と空気のみがあることが望ましい。従って、コア測定領域において、Ｓｉ基板上にコア膜のみが形成された状態で測定することが望ましい。
　　［後工程における補正］
　本実施形態の製造方法は、製造工程における一工程で形成される、その時点での光デバイスの構成要素または特性について計測を行い、その計測したデータを基づいて、後工程の製造条件を調整ないし補正を行う（以下、この方式を「フィードフォワードシステム」とも言う）。フィードフォワードシステムにより、光デバイスの光学特性のばらつきを抑制するなど、最終的に得られる光デバイスについて所望の光学特性を得ることを可能にする。
　図５に、本発明の一実施形態にかかる光導波路の製造方法を示す。フィードフォワードシステムは、一工程で形成される光デバイスの構成要素について「計測」を行い、この計測結果に基づいて光学特性推定処理５１によって「光学特性推定」を行う。そして、推定結果に基づきプロセスコントロール処理５２によって後工程のプロセスの「制御」を行う。
　例えば、下部クラッド堆積工程１で形成される下部クラッド膜の厚みを「計測」し、この計測結果に基づいて、後工程であるコア堆積工程２において堆積するコア層の厚みを「制御」する。また、コア堆積工程２で形成されたコア層の厚みおよび屈折率を測定し、「光学特性推定」を行う。この推定に基づいて、後工程であるエッチング工程６において、エッチングの強度ないし時間を「制御」する。
　具体的には、コア層の膜厚および屈折率に基づいて、エッチングによって形成されるパターンのコア幅を推定（予測）する。そして、エッチング工程６では、この予測値に基づいてエッチングを行う。例えば、「コア加工後の導波路幅が太い」という予測情報の場合、エッチング工程で、形成されるコア幅を細くする補正を行う。この時の補正は、エッチング時間を短く／長くする、またはエッチング強度を弱く／強くすることにより、コア幅を太く／細くする方法などが考えられる。さらに、エッチング工程６で形成される導波路のパターンにおけるコア層の幅や厚みを「計測」し、この計測結果に基づき、上部クラッド堆積工程８で形成する上部クラッド膜の厚みなどを「制御」し、最終的に得られる光導波路の光学特性を調整することもできる。
　以上のとおり、本実施形態のフィードフォワードシステムは、光デバイスを製造する複数の工程のうち、前工程の工程中において、形成された光デバイスの構成要素の形状、特性等を測定し、この測定結果に基づいて、後工程における製造条件を調整ないし補正を行う。
　本実施形態によれば、コア堆積工程２で形成されたコア層の厚みおよび屈折率を測定する際の測定精度が向上し、結果として「光学特性推定」の精度が向上することにより、その後の「制御」による光導波路の光学特性の調整精度が向上する。
　光学特性を調整する「制御」の例として、作製する光回路を変更することも考えられる。上述したＡＷＧの例であれば、異なる透過スペクトル中心波長の光回路設計を、予め複数準備しておく。任意に選択された光回路設計を適用した製造工程において、「光学特性推定」で得られた透過スペクトル中心波長の予想結果をもとに、作製する光回路設計の中心波長を選択することにより、光学特性の調整を行うことができる。
　　［測定装置］
　図６に、本発明の一実施形態にかかる測定装置の概略の構成を示す。測定装置は、製造対象物である光デバイスにレーザ光を照射し、対象物からの反射光を解析して、非接触により、光デバイスに形成されている膜の物性値、例えば膜厚、屈折率を測定する。測定原理として、従来の分光反射式膜厚計、分光エリプソメーターなどの測定方式を適用することができる。
　測定装置は、光学測定系１０１とテスタ１０２とにより構成されている。測定対象となる光デバイスが形成されたシリコンウエハ１１４は、ウエハチャック１１３に固定され、基台１１１上の駆動機構１１２によって、３軸方向に移動させられる。テスタ１０２に接続されたテストヘッド１２１は、送光光学系１２２、受光光学系１２３および制御回路１２４を備えている。テスタ１は、シリコンウエハ１１４に形成されている光デバイスを構成する膜の所望の位置に、送光光学系１２２からのレーザ光を照射するように、駆動機構１１２を制御し、テストヘッド１２１の制御回路１２４に指令を送出する。対象物からの反射光を受光光学系１２３により受光し、制御回路１２４は、受光光学系１２３からの信号を処理して、測定結果をテスタ１０２に送り返す。
　テスタ１は、後述するように、受光光学系１２３からの信号を解析して、シリコンウエハ１１４に形成されている各膜の物性値を算出する。
　　［膜厚、屈折率の非接触測定法］
　例えば、図１，２の下部クラッド堆積工程１で形成される下部クラッド１２を、分光反射式で測定する場合を説明する。テスタ１０２は、テストヘッド１２１の送光光学系１２２から、下部クラッド１２の表面に対して、所定の入射角で波長掃引範囲４５０－９００ｎｍのレーザ光を照射する。受光光学系１２３で受光した光の光強度から、テスタ１０２は、波長に対する反射率で表された反射スペクトルを算出する。
　図７に、本実施形態の測定装置による下部クラッドの反射スペクトルを示す。送光光学系１２２から出射されたレーザ光は、下部クラッド１２の表面と、基板１１と下部クラッド１２の界面とにおいて反射し、受光光学系１２３には、両者が干渉した反射光が入射される。この光の干渉が反射スペクトルに反映され、膜が均一に形成されていれば、干渉により波打ったスペクトルが観測される。膜厚が薄い場合は、波の幅は大きくなり（波の数は少なくなり）、膜厚が厚い場合は、波の幅は小さくなる（波の数は多くなる）。テスタ１０２は、この反射スペクトルの波の振幅、周期から下部クラッド１２の膜厚と屈折率とを算出することができる。
　下部クラッドの膜厚および屈折率の算出方法を説明する。送光光学系１２２からの入射光の強度Ｅ０、下部クラッド１２の表面から反射された反射光の強度Ｅ１、基板１１と下部クラッド１２の界面とにおいて反射された反射光の強度Ｅ２とする。さらに、下部クラッド１２および基板１１と下部クラッド１２の界面の間を往復して、下部クラッド１２の表面から出射される反射光をＥ３，Ｅ４，...、受光光学系１２３に入射される反射光全体の光強度Ｅとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
となる。ここで、ｒｉｊは屈折率ｎｉのｉ番目の層（０は空気中）からの入射光が屈折率ｎｊのｊ番目の層との界面で反射したときの反射率であり、ｒｉｊ＝－ｒｊｉである。また、ｔｉｊはｉ層とｊ層の界面をｉ層からｊ層に透過したときの透過率であり、ｔｊｉはその逆であり、ｉ番目の層の膜厚ｄｉ、屈折率ｎｉ、波長λとしたとき、ｉ番目の層を往復したときの位相係数Δｉは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
である。このとき、ＴＥ（Ｐ）波に対する反射率と透過率とは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
であり、ＴＭ（Ｓ）波に対する反射率と透過率とは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
である。上式をマクローリン展開から整理して、１番目の層である下部クラッド１２からの反射光全体の反射率ｒ１は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
となる。次に、反射率ｒ１の波長依存性、すなわち反射スペクトルの振幅、周期から、下部クラッド１２の膜厚ｄ１と屈折率ｎ１とを算出する。
　次に、図１のコア堆積工程２で下部クラッド１２上に形成されるコア１３を、分光反射式で測定する場合を説明する。上述した送光光学系１２２から出射されたレーザ光は、コア１３の表面、コア１３と下部クラッド１２の界面、および基板１１と下部クラッド１２の界面において反射する。分光反射式で測定する場合、基板１１と下部クラッド１２の界面からの反射光はノイズとなるので、膜厚と屈折率の算出に際しては除去する必要がある。一方、石英系平面光波回路では、コア１３と下部クラッド１２との屈折率差は１％程度と小さいため、コア１３と下部クラッド１２の界面における反射率よりも、基板１１と下部クラッド１２の界面における反射率の方が高い。加えて、コア１３の膜厚は数μｍ程度と薄いため、基板１１と下部クラッド１２の界面からの反射光の成分が大きく、膜厚と屈折率の算出が困難である。
　図８に、本実施形態の測定装置によるコアの反射スペクトルを示す。上述したように、コア１３の測定結果は、コア１３と下部クラッド１２との屈折率差が小さいため、図８に示すように、反射スペクトルの包絡線にゆらぎが生じる。コア１３の膜厚と屈折率を算出するためには、このゆらぎを解析する必要がある。しかしながら、基板／下部クラッド界面からの反射光成分による波の振幅に対して、下部クラッド／コア界面からの反射光成分によるゆらぎの振幅は小さいことから、解析が困難になって、コアの膜厚と屈折率の測定精度が劣化する。
　本実施形態によれば、基板／コア界面を有するコア測定領域において、コアの反射スペクトルを取得するので、図７に示した反射スペクトルと同様に、干渉による大きな波の振幅を得ることができる。加えて、ノイズとなる他の界面からの反射光成分もないことから、コアの膜厚、屈折率を精度よく算出することができる。

Claims (8)

  1. 　基板上に下部クラッド、コアおよび上部クラッドからな光導波路が形成された光導波路デバイスにおいて、
    　前記基板と前記コアとの界面が形成された領域を備えたことを特徴とする光導波路デバイス。
  2. 　前記コアおよび前記下部クラッドは、シリコン酸化物からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
  3. 　前記基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項２に記載の光導波路デバイス。
  4. 　前記領域は、直径１ｍｍ以上の円形の領域であることを特徴とする請求項２または３に記載の光導波路デバイス。
  5. 　前記領域は、チップ間の境界領域に形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の光導波路デバイス。
  6. 　前記領域は、２つのスラブ導波路の間を接続する複数のアレイ導波路からなるアレイ導波路格子（ＡＷＧ）において、前記２つのスラブ導波路と前記アレイ導波路とに囲まれた領域に形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の光導波路デバイス。
  7. 　前記領域は、２つの光合分波器の間を接続する２本のアーム導波路に囲まれたマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）において、前記２本のアーム導波路に囲まれた領域に形成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の光導波路デバイス。
  8. 　基板上に下部クラッド、コアおよび上部クラッドからな光導波路が形成された光導波路デバイスの製造方法において、
    　前記基板上に前記下部クラッドを堆積する工程と、
    　前記下部クラッドの一部を除去して、コア膜を堆積し、前記基板と前記コアとの界面が形成された領域を形成する工程と、
    　前記領域のコア膜の特性の測定結果に基づいて、コアパターンを形成する工程と
    　を備えたこと特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
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