(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素化シリコン窒化膜を形成する第１の工程と、前記水素化シリコン窒化膜に真空紫外から軟Ｘ線領域の光を照射することにより、屈折率が異なる領域を形成する第２の工程とを有することを特徴とする光導波路の形成方法。
【請求項２】
前記第２の工程において、屈折率が異なる領域を縞状に形成し、グレーティングを形成することを特徴とする請求項１記載の光導波路の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路の形成方法に係り、特に、光ファイバー、微小光学部品、光回路、フォトニック結晶などの応用光学分野で使われる光学材料の屈折率の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光回路においては、光を低損失で所定の場所まで導くことが主要課題の一つである。その基本原理は、コアとクラッド間の屈折率差によって、光を光導波路内に閉じ込めることである。
【０００３】
これまで、光通信の主要部品である光ファイバーのコアには、Ｇｅドープシリカ（ＳｉＯ２）ガラスが母材として用いられてきた。一般的なシングルモード光ファイバのクラッドおよびコアの材料には、それぞれ純粋なシリカガラス、３．１ｍｏｌ％のＧｅ添加シリカガラスが使用されていて、クラッドとコアの間の屈折率差は、０．５から２．０μｍの各波長において０．００６程度である。
【０００４】
プレーナ型光回路の場合は、回路を構成する上で光導波路の向きを曲げる必要があり、より大きな屈折率差を利用した光導波路が要求される。何故なら屈折率差の大小によって回路の大きさが左右され、結果的にデバイスの集積度が決定されるからである。例えば９０°の角度で光導波路を曲げたときに、波長１．５５μｍでの損失を０．１ｄＢ以下に抑えようとすれば、Ｇｅ添加シリカガラスコアと純粋シリカガラスクラッドの間の屈折率差が０．３なら曲率半径が２５ｍｍ以上、屈折率差が０．７５なら曲率半径が５ｍｍ以上でなければならない。
【０００５】
一方、材料の屈折率差を利用した光デバイスとして、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長多重通信）において波長分離用フィルタとして用いられるファイバーブラッググレーティングがある。典型的な構造のものでは、屈折率変調周期が約０．５μｍ、グレーティング長が約１０ｍｍあり、その間に約２０，０００層ものグレーティング（回折格子）が刻み込まれている。この場合、グレーティングの形成には、Ｇｅ添加シリカガラスに２４０ｎｍ附近の紫外線を照射することにより生じる紫外線誘起屈折率増大現象を利用している。このような光誘起屈折率変化は、ポリイミドなどの有機材料をべースにした光導波路にも応用され、光回路形成のための基礎技術になっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光導波路における課題は、現在主に使われているコアとクラッドの材料の屈折率差が十分でないため、光導波路内に光を低損失で閉じ込めるためには、緩やかなカーブの曲線に沿って光導波路を曲げざるを得ず、結果として光回路のサイズが大きくなるという点であった。Ｇｅ添加シリカガラス光導路においては、ＧｅＯ２成分の濃度を３０ｍｏｌ％程度にまで高めてやっと２％の屈折率差が得られる。ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３をドーピングして高屈折率化する試みも、これら異種材料の添加により光損失が増大するという問題があった。
【０００７】
また、最近、多くの研究例が報告されているＳｉ細線光導波路の形成においては、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用い、反応性エッチングによって上層のＳｉ薄膜を細線状に加工するのが一般的である。この場合には、高アスペクト比のエッチングパタンを加工するため、スループットが低い、光損失を抑制するのに不可欠な加工表面の平滑さが不十分であるなどの問題点があるため、未だに研究の域を出ていないのが現状である。
【０００８】
一方で、紫外線誘起屈折率変化を利用する光導波路の形成では、多くの材料でせいぜい１０−４から１０−３台の屈折率変化しか得られていない。ファイバーブラッググレーティングの場合には、光デバイスとして要求されるフィルター効果を満足するために、１０ｍｍものグレーティング長が必要であった。もしある材料において大きな屈折率変化が得られるなら、グレーティング長をもっと短くすることが可能になる。より大きな屈折率変化が必要な場合には、水素を高濃度で拡散させ、紫外線誘起屈折率変化の増感を図るが、それでも屈折率変化は高々１０−３台に留まっていた。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、コア層とクラッド層の屈折率差が十分大きく、光損失を抑制し、スループットが高い光導波路の形成方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光導波路の形成方法は、水素化シリコン窒化膜を形成する第１の工程と、前記水素化シリコン窒化膜に真空紫外から軟Ｘ線領域の光を照射することにより、屈折率が異なる領域を形成する第２の工程とを有することを特徴とする。
また、前記第２の工程において、屈折率が異なる領域を縞状に形成し、グレーティングを形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明では、上記の構成により、コア層とクラッド層の材料の屈折率差が十分大きく、光損失を抑制し、スループットが高い光導波路の形成方法を提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１５】
実施の形態１
本実施の形態１では、例えば水素を３０〜５０ｍｏｌ％膜中に含む水素化シリコン窒化膜（ＳｉＮｘ：Ｈ膜）を材料に用い、高エネルギーの光照射により大きな屈折率変化を起こすことを見出した。一般に、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）では、イオン化したラジカルが基板に付着し、相互に結合することによってネットワークが形成される。水素系の原料ガスを用いると、水素終端されたラジカルが主な反応種となるが、基板表面ですべての結合手がＳｉ−Ｎ結合としてネットワークに寄与するわけではなく、水素終端部が残った場所には必然的に空隙が生成されることになる。このような構造は準安定であり、内殻励起が可能な短波長の光照射により構造緩和を引き起こすことが可能である。大量の水素を含有するＳｉＮｘ：Ｈ膜を堆積するには、このような特徴を有するプラズマＣＶＤが最適である。原材料ガスには例えばＳｉＨ４とＮＨ３の混合ガス、あるいはＳｉＨ４、Ｎ２、Ｈ２の混合ガスを用いればよい。あるいはＮ２とＨ２の混合ガス雰囲気下でシリコンターゲットをスパッタリングすることによってもＳｉＮｘ：Ｈ膜を堆積することができる。一方、ＬＰＣＶＤ（Low Presure Chemical Vapor Deposition）等の手法を用いると、最初から密度の高い薄膜が得られ、十分な屈折率変化を起こさせるための膜中の余地が失われてしまう。
【００１６】
ＳｉＮｘ：Ｈ膜は、光回路で利用される波長域０．５〜２μｍにおいて透明であり、シリコンベースの光回路との整合性がよい。また、屈折率がほぼ２に近く、ＳｉＯ２の屈折率１．５よりも高く、ＳｉＯ２をクラッド層として用いることができる。
【００１７】
固体材料に真空紫外から軟Ｘ線領域の光を照射すると、内殻電子が励起され、内殻に正孔ができる。続いて起きるオージェ脱励起により、価電子帯に複数の正孔が生成する。正孔間のクーロン反発により化学結合が切断されると同時に、膜中の空格子点を減らす方向に結合の組み替えが起きて、材料が緻密化する。このような構造変化により、照射により大きな屈折率変化がもたらされる。
【００１８】
実際にプラズマＣＶＤによりＳｉ基板上に膜厚２８０ｎｍのＳｉＮｘ：Ｈ膜を堆積した後、エネルギー１００ｅＶ以上の真空紫外〜軟Ｘ線領域の白色放射光を照射して本発明の作用を検証した。
【００１９】
図３は当該ＳｉＮｘ：Ｈ膜へ白色放射光を照射する前と後の可視分光エリプソメトリーにより測定したエリプソ角のスペクトルを示す図である。
【００２０】
図３は、白色放射光の照射に伴い、スペクトル全体が高エネルギー側にシフトしており、ネットワークが再構築されたことを示している。基板温度を変えて白色放射光を照射したところ、放射光照射は７００℃以上での加熱と同等の効果があり、屈折率変化分は照射時の温度にあまり依存しないことが分かった。
【００２１】
定組成の窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、空格子（void）の三成分が混合した単層膜モデルを仮定して、ブルッゲマン（Bruggeman）有効媒質近似により分光エリプソスペクトルを解析した。実験で得られたスペクトルとのフィッティングを行って各成分の体積分率と全体膜厚を算出したところ、照射前の膜組成としては、空格子体積分率１５％、結晶シリコン体積分率４％が得られた。ここで、結晶シリコンは、組成ｘ＜４／３が示す過剰なＳｉ原子の存在形態としてのＳｉ−Ｓｉ結合成分の誘電応答への寄与を表しており、また、空格子はプラズマＣＶＤに特有な膜中の空格子点の誘電応答への寄与を表している。照射に伴い、ＳｉＮｘ：Ｈ膜全体で膜厚が１０％程度減少した。これは、結晶シリコン分率と空格子分率が４〜６割程度減少することによる寄与が主であることが分かった。
【００２２】
図４は、当該ＳｉＮｘ：Ｈ膜へ白色放射光を照射する前と後の、当該白色放射光の光エネルギー（電子ボルト）に対する屈折率ｎの値をプロットした屈折率のスペクトルを示す図である。
【００２３】
光エネルギーが１．９６ｅＶ（波長６３３ｎｍ）での屈折率ｎの値は、１．９２から１．９６へと０．０４（２％）増大した。長波長側になるほど屈折率変化は大きくなる傾向が見られ、光通信で使われる波長１．５５μｍ（光エネルギー０．８ｅＶ）では、０．０４よりさらに大きな値が期待できる。
【００２４】
図１（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態１の光導波路の形成方法を示す工程断面図である。
【００２５】
まず、図１（ａ）に示すように、石英基板１を用意する。
【００２６】
次に、工程１において、図１（ｂ）に示すように、この石英基板１上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＮｘ：Ｈ膜２を形成する。
【００２７】
次に、工程２において、Ｘ線マスク（図示省略）を介してＸ線を選択的に照射し、照射部の屈折率変化を誘起し、照射部の屈折率を増大させる。すなわち、ＳｉＮｘ：Ｈ膜２において、図１（ｃ）に示すように、Ｘ線の照射により屈折率の増大した領域は、周囲の非照射領域との屈折率差により、光導波路のコア層３となる。
【００２８】
次に、工程３において、図１（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜からなるクラッド層４をプラズマＣＶＤにより形成して光導波路が完成する。
【００２９】
なお、本実施の形態１では、基板として石英基板１を使用しているが、Ｓｉ基板上に十分な厚さのＳｉ熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成したもの等も基板として使用可能である。
【００３０】
本実施の形態１では、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト除去からなる光導波路形成の標準的な一連のプロセスを、材料（ＳｉＮｘ：Ｈ膜２）への光の露光だけでまかない、周囲のクラッド層４との間で２％もの屈折率差を有するコア層３を形成できる。また、このようなプロセス全体の簡略化による高い寸法精度を望むことができる。また、従来のＧｅ添加シリカガラス光導波路よりも大きな屈折率差を得ることができるので、光導波路の曲げの曲率半径を小さくすることが可能となり、光回路の集積化に貢献する。さらに、確立された近接Ｘ線露光のシステムが利用できるため、線幅０．１μｍ程度の精密な細線を形成できる利点もある。
【００３１】
実施の形態２
図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態２のファイバーブラッググレーティングの光導波路の形成方法を示す工程断面図（ただし、（ｅ）は上面図）である。
【００３２】
まず、図２（ａ）に示すように、石英基板１を用意する。
【００３３】
次に、工程１において、図２（ｂ）に示すように、この石英基板１上に、プラズマＣＶＤによりＳｉＮｘ：Ｈ膜２を形成する。
【００３４】
次に、工程２において、ＳｉＮｘ：Ｈ膜２上に、レジストを塗布し（図示省略）、光露光あるいは電子線露光と現像処理を行ってレジスト膜パタンを形成し、このレジスト膜をマスクとしてＳｉＮｘ：Ｈ膜２のエッチングを行い、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＮｘ：Ｈ膜からなる光導波路５を形成する。
【００３５】
次に、工程３において、Ｘ線マスク（図示省略）を介してＸ線を照射し、図２（ｄ）、（ｅ）に示すように、光導波路５内に縞状に屈折率が変調されたグレーティング（回折格子）７を形成する。図２（ｄ）、（ｅ）において、６はＸ線が照射された高屈折率部である。
【００３６】
次に、工程４において、図２（ｆ）に示すように、光導波路５を形成した石英基板１上にＳｉＯ２膜からなるクラッド層４をプラズマＣＶＤにより形成する。
【００３７】
このようにして短いグレーティング長で、波長選択性能の高いファイバーブラッググレーティングが完成する。
【００３８】
本実施の形態２では、Ｘ線の照射部と非照射部との間で、従来の技術では得にくい大きな屈折率差を実現することができ、グレーティング長を１ｍｍ以下にすることが可能である。また、解像度の高い短波長のＸ線を励起光に用いるので、ファイバーブラッググレーティングを高集積した光回路の形成が容易になる。さらに、本実施の形態２でも、確立された近接Ｘ線露光のシステムが利用できるため、線幅０．１μｍ程度の精密な細線を形成できる利点もある。
【００３９】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４０】
以上説明したように、本発明の光導波路の形成方法によれば、コア層とクラッド層との間で大きな屈折率差を有する光導波路を提供できる。またこれにより、光導波路の曲げの曲率半径を小さくすることができるなどにより、光回路の高集積化を実現できる。また、光の照射領域と非照射領域との間に大きな屈折率差を形成できるので、グレーティング長の小さなグレーティングを有する光導波路を容易に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態１の光導波路の形成方法を示す工程断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施の形態２のファイバーブラッググレーティングの光導波路の形成方法を示す工程断面図（（ｅ）は上面図）である。
【図３】本発明によるＳｉＮｘ：Ｈ膜へ白色放射光を照射する前後の可視分光エリプソメトリーにより測定したエリプソ角のスペクトルを示す図である。
【図４】本発明によるＳｉＮｘ：Ｈ膜へ白色放射光を照射する前後の、当該白色放射光の光エネルギーに対する屈折率ｎの値をプロットした屈折率のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１…石英基板、２…ＳｉＮｘ：Ｈ膜、３…コア層、４…クラッド層、５…光導波路、６…高屈折率部、７…グレーティング。
【図１】
0003723101.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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