(57)【要約】【課題】  低コストで容易に製造することができ、曲げ半径が小さく伝播損失の少ない低伝播損失光導波路及びその作製方法を提供する。【解決手段】  Si、SiGe又はGeの単結晶層を有する基板を用いて、該単結晶層に光導波路を形成し、温度500〜1350℃のアルゴン雰囲気中で熱処理することにより、該光導波路の側面に存在する微小な面荒れを改善することを特徴としている。なお、基板には、SOI、SGOI又はGeOIを使用するのが好ましい。また、熱処理前に、フッ素イオン含有水溶液に浸漬して、前記単結晶表面の自然酸化膜を除去しておくと良い。トップクラッド層は、必要ならば熱処理後に形成すれば良く、プラズマCVDで代表されるCVD法、あるいはスパッタ法などのPVD法等を用いて形成することができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Si、SiGe又はGeの単結晶層を有する基板を用いて、該単結晶層に光導波路を形成し、温度500〜1350℃のアルゴン雰囲気中で熱処理することにより、該光導波路の側面に存在する微小な面荒れを改善することを特徴とする低伝播損失光導波路の作製方法。
【請求項２】
前記基板が、SOI、SGOI 又はGeOIである請求項1に記載の低伝播損失光導波路の作製方法。
【請求項３】
前記熱処理前に、フッ素イオン含有水溶液に浸漬して、前記単結晶表面の自然酸化膜を除去する請求項1又は２に記載の低伝播損失光導波路の作製方法。
【請求項４】
前記熱処理後に、トップクラッド層を形成する請求項1乃至３のいずれかに記載の低伝播損失光導波路の作製方法。
【請求項５】
前記トップクラッド層を、CVD法又はPVD法で形成する請求項４に記載の低伝播損失光導波路の作製方法。
【請求項６】
前記光導波路が、屈折率導波型光導波型又はフォトニック結晶型である請求項1乃至５のいずれかに記載の低伝播損失光導波路の作製方法。
【請求項７】
Si、SiGe又はGeの単結晶層を有する基板を用いて、該単結晶層に光導波路を形成し、温度500〜1350℃のアルゴン雰囲気中で熱処理することにより、該光導波路の側面に存在する微小な面荒れを改善してなることを特徴とする低伝播損失光導波路。
【請求項８】
前記基板が、SOI、SGOI 又はGeOIである請求項７に記載の低伝播損失光導波路。
【請求項９】
前記熱処理後に、トップクラッド層を形成してなる請求項７又は８に記載の低伝播損失光導波路。
【請求項１０】
前記光導波路が、屈折率導波型光導波型又はフォトニック結晶型である請求項７乃至９のいずれかに記載の低伝播損失光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光集積回路や小型光センサー等に用いられる伝播損失の少ない低伝播損失光導波路及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型の光集積回路や小型のバイオチップ／センサーに用いるため、曲げ半径の小さい光導波路の開発が進んでいる。これらの光デバイスの小型化に最も大きな影響を及ぼしているのが光導波路の曲げ半径である。
一般に、光導波路は、コアと呼ばれる屈折率(n)の高い部分とクラッドと呼ばれる屈折率の低い部分で構成されているが、この屈折率の差(Δn )が大きくなればなるほど小さい曲げ半径を実現できることが知られている。これは、Δn が大きくなればなるほど光を強くコアの部分に閉じ込めることができるためで、急峻な曲げでも光が外部に漏れにくくなるためである。
【０００３】
この型の光導波路は、一般に屈折率導波型（Index Guiding Waveguide）と呼ばれ、内部全反射機構(Total Internal Reflection)で光が伝播していく。この型の光導波路の概念図を図1に示す。図中、（ａ）はチャンネル型導波路であり、（ｂ）はリブ型導波路である。
【０００４】
屈折率導波型光導波路とは別に、フォトニック結晶型（Photonic Crystal Waveguide）の光導波路も多数報告されている。これは、通常の光導波路のように内部全反射機構を用いずに、光の伝播経路をフォトニック結晶で覆い、特定の波長に対して禁制体（Photonic
Bandgap）を形成することにより、伝播経路の外部に光が漏れないように設計されたものである。この型の光導波路の概念図を図2に示す。図中、（ａ）はホール型フォトニック結晶導波路であり、（ｂ）はボール型フォトニック結晶導波路である。いずれも断面図（上）と平面図（下）が対で示されている。
【０００５】
屈折率導波型、フォトニック結晶型のいずれの場合も理論上は、曲げ半径を数μmまで小型化できるのみならず、伝播ロスを限りなく小さくすることが可能であるが、実験で得られる伝播損失はきわめて高く、数10dB/cm乃至それ以上に及ぶことが報告されている。これは、光導波路加工時に形成される側面の面荒れによるものであることが報告されている（非特許文献１参照）。
通常、光導波路はフォトレジスト法により露光工程を経て、ドライエッチングで作製される。このときのエッチング過程で光導波路の側壁に面荒れが生じる。通常の導波路製作工程を図3に示す。
【０００６】
通常、屈折率導波型光導波路やフォトニック結晶型光導波路は、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いて製作される。これはシリコン層の下にすでにクラッド層（この場合はSiO2層）が形成されていることに加え、導波路が作り込まれる層に単結晶シリコンを用いることができるためである。単結晶シリコンは、アモルファスやポリシリコンと比較して、粒界による吸収・散乱が無いため損失が少ないことが知られている。よって、屈折率導波型光導波路やフォトニック結晶型光導波路にとって理想の材料と言える。
【０００７】
しかし、急峻な曲げが実現できたとしても、全体の伝播損失は、前述した界面、主に光導波路側壁の面荒れにより、極めて高いものとなっているのが現状である。
屈折率導波型光導波路の場合、この伝播損失は、Δn の３乗に比例するとの報告もあり（非特許文献１参照）、低損失な光回路を考えた場合、現実的な選択肢とは言えない。
特にSOIを基板とした場合、Δn=Si(n=3.5)−SiO2(n=1.45)は2.1となり、実際にAWG(Arrayed Waveguide Gratings)用などに用いられているシリカ系の光導波路のΔn＜0.05の場合と比較して格段に大きく、伝播損失も大きい。同様に、フォトニック結晶型光導波路の場合も実際の伝播損失は極めて大きく、実用に耐えない場合が多い。
【０００８】
この側壁の荒れを低減するには、エッチングのプロセスを改良することも考えられるが、これには、エッチング装置や露光装置の導入などに莫大な費用が掛かるうえ、その効果も不確定である。
また、側壁の面荒れを低減するために、エッチング面に酸化処理を施し、酸化膜を形成することにより面荒れを低減する方法が提案されている（非特許文献２、特許文献１，２参照）。しかし、この方法では、酸化膜形成により光導波路の断面サイズが変わってしまうことが問題となる。加えて、酸化処理後も側壁に面荒れが残っていることがある（非特許文献３参照）。
【０００９】
【非特許文献１】K.K.Lee et al.,Appl.Phys.Lett.,77,pp.1617-1619(2000)
【非特許文献２】K.K.Lee et al.,Opt.Lett.,26(23),pp.1888-1890(2001)
【非特許文献３】L.Pavesi,Silicon Photonics,Springer, 2004
【特許文献１】特公表2004-510181号公報
【特許文献２】PCT/US2001/041632
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、低コストで容易に製造することができ、曲げ半径が小さく伝播損失の少ない低伝播損失光導波路及びその作製方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の低伝播損失光導波路の作製方法は、Si、SiGe又はGeの単結晶層を有する基板を用いて、該単結晶層に光導波路を形成し、温度500〜1350℃のアルゴン雰囲気中で熱処理することにより、該光導波路の側面に存在する微小な面荒れを改善することを特徴としている。なお、基板には、SOI(Silicon on Insulator)、SGOI(Silicon-Germanium on Insulator) 又はGeOI(Germanium on Insulator)を使用するのが好ましい。また、熱処理前に、フッ素イオン含有水溶液に浸漬して、前記単結晶表面の自然酸化膜を除去しておくと良い。
なお、トップクラッド層は、必要ならば熱処理後に形成すれば良く、プラズマCVDで代表されるCVD（Chemical Vapor Deposition）法、あるいはスパッタ法などのPVD（Physical Vapor Deposition）法等を用いて形成することができる。光導波路は、屈折率導波型光導波型又はフォトニック結晶型である。
【００１２】
本発明の低伝播損失光導波路は、Si、SiGe又はGeの単結晶層を有する基板を用いて、該単結晶層に光導波路を形成し、温度500〜1350℃のアルゴン雰囲気中で熱処理することにより、該光導波路の側面に存在する微小な面荒れを改善してなることを特徴とするものである。なお、トップクラッド層は、熱処理により面荒れを改善した後、必要ならば用途に合わせて適宜設ければよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光導波路の側面に存在する微小な面荒れが改善され、伝播損失の小さい低伝播損失光導波路が得られ、これを用いることにより小型の光デバイスの製作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明では、基板上の単結晶層に光導波路を形成するまでは、図3に示すような一般的な方法が用いられる。光導波路が形成された段階では、光導波路の側壁に伝播損失の元となる面荒れ（マイクロラフネス）が存在する。このことは言い換えれば、面荒れはフラットな平滑な場合と比較し、大きな表面積を有している。
本発明者は、この表面積を小さくすれば側壁の面荒れは低減すると考え、鋭意検討の結果、荒れた粗面を滑面化することが有効であることを見出し、さらに検討を加えて、光導波路形成後に温度500〜1350℃のアルゴン雰囲気中で熱処理することで本発明を達成した。
【００１５】
本発明では、側壁の面荒れを低減するために熱処理を行うことに特徴がある。具体的には、アルゴン雰囲気中にて短時間で高温アニールを行う。その結果、シリコンは、側壁の表面エネルギーを減らすためにシリコン原子が再配列し、最小の表面積を採ろうとするため、マイクロラフネスが減少し、面荒れが滑面化することにより、光導波路の伝播損失も低減する。
【００１６】
熱処理をアルゴン雰囲気中で行う理由は、酸素等の活性ガスを用いた際には、シリコン表面に酸化膜等の膜が形成され、側壁が膜で固定されてしまい、上記シリコン原子の再配列が充分に起こらないためである。
アルゴン雰囲気での熱処理は、nmオーダーと考えられる側壁の微小な面荒れを改善する一方、μmもしくはサブμmオーダーの導波路の断面形状の変形を最小限に抑えることが可能という優れた特徴を有する。
【００１７】
熱処理の雰囲気に、水素、水素とアルゴン、あるいはその他の不活性ガスとの混合ガスを用いない理由は、水素は、シリコン原子の再配列を促し、表面積を最小にする働きがあるものの、同時にシリコン表面をエッチングし、導波路の断面サイズを変えてしまうことに加えて、水素ガスは、爆発性を有するため取り扱いが困難である、などが挙げられる。さらに、水素ガスを用いると、表面のシリコン原子の再配列が過度に進行し、導波路の断面形状が崩れてしまう虞がある。
また、窒素雰囲気では、シリコン原子の再配列がほとんど進行せず、伝播損失が改善されないという結果を得ている。
【００１８】
熱処理は、500℃未満では充分な滑面が得られず、1350℃を超えると光導波路の形状が変化するため500〜1350℃で行われる。なお、熱処理温度によって滑面化に要する時間が変化するが、短すぎると品質（滑面化）のばらつきが大きくなるため、10秒以上、長くても数時間で滑面化する温度を熱処理温度とするのが好ましい。
【００１９】
本発明は、不活性ガスであるアルゴンを用いることで、既存の様々な熱処理設備を用いることが可能である。現有の設備の種類（通常のバッチ処理を特徴とする拡散炉、ランプ過熱炉 Rapid Thermal Annealer: RTAなど）によって、温度、時間等を調整することにより低コストで充分な効果が期待できる。
【００２０】
また、光導波路形成後、上記熱処理に先だって、フッ素イオン含有水溶液に浸漬して、単結晶表面の自然酸化膜を除去しておくとよく、これにより、酸化膜を蒸発させるための熱処理時間が不要となる、また酸化膜蒸発速度の面内不均一による新たな面荒れ等を考慮する必要がなくなる、等の効果が得られる。
フッ素イオン含有水溶液としては、例えば、HF、NH4F等の水溶液が挙げられる。
【００２１】
以上は、基板にSOIを用いたケースについて説明してきたが、単結晶層にゲルマニウムを添加したSGOIやGeOIなどにも適用可能である。その際、ゲルマニウムは、シリコンと比較し融点が低いので、プロセス温度の低温化等に対する考慮が必要である。光導波路は、屈折率導波型光導波型又はフォトニック結晶型のいずれであってもよい。
【実施例１】
【００２２】
基板には、8インチSOIウェーハを用いた。クラッド層となる埋め込み酸化膜層の厚さを3μmとし、厚さ0.2μmの単結晶シリコン層を設け、この上にフォトレジスト層を形成した後、露光・ドライエッチングにより単結晶層に幅0.5μm、長さ１〜５mmの、図4に示す屈折率導波型光導波路を作製した。なお、図４において、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【００２３】
次いで、ランプ加熱炉（RTA）を用い、アルゴン雰囲気中1000℃で1分間の加熱を行った。1000℃までの昇温速度は50℃/sec.であり、1000℃からの降温は33℃/sec.であった。なお、この加熱を行う前に、前処理としてシリコン表面の自然酸化膜を除去するため、２%のフッ化水素液に30秒ウェーハを浸漬し、その後純水で洗浄した後、乾燥した。熱処理後、プラズマCVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：PECVD）法で厚さ4μmのトップクラッド層を形成した。なお、アルゴン雰囲気との比較に、従来の熱処理なしに加えて、窒素ガス及び水素ガス雰囲気でも行った。
【００２４】
得られた導波路の両端面を研磨し、ファブリペロー共鳴法（Fabry-Perot resonance method）及びカットバック（Cut-back method）法で伝播損失を測定した。測定に用いた波長は1.55μmで、入射光としてTEモードを選択した。結果を図5に示す。
雰囲気ガスがいずれの場合も、熱処理なしの場合と比較し、損失が低下していることが観察された。窒素雰囲気の場合は他と比較し、損失が大きいが、これはシリコン表面の再配列が充分でなかったためと考えられる。また、水素ガスの場合もアルゴンと比較し、損失が大きいがこれは導波路の断面形状が崩れたためと考えられる。
【実施例２】
【００２５】
拡散炉を用い、雰囲気温度850℃で1時間の加熱を行った以外は、実施例１と同様にして、屈折率導波型光導波路を形成し、自然酸化膜の除去、アルゴン、窒素及び水素の各ガスについて前記熱処理を行った後、トップクラッド層を形成した。得られた導波路の両端面を研磨し、ファブリペロー共鳴法とカットバック法で伝播損失を測定した。その結果を図6に示す。
実施例1の場合と同様の結果が得られ、アルゴン雰囲気の場合は、伝播損失の低減に極めて有効であった。
【実施例３】
【００２６】
8インチSOIウェーハを基板として用い、図７に示すフォトニック結晶型光導波路を作製した。SOIの埋め込み酸化膜層の厚さは0.5μmとし、単結晶シリコン層の厚さを0.3μmとして光導波路を形成した。構成要素の各サイズは図7に示す通りであるが、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
熱処理を行う前に前処理として、シリコン表面の自然酸化膜を除去するためと、単結晶シリコン層の下の酸化膜層を除くため、HF緩衝溶液(Buffered HF: HF/NH3溶液)に30分間ウェーハを浸漬し、その後純水で洗浄した後、乾燥した。次いで、拡散炉を用いてアルゴン、窒素及び水素の各ガス雰囲気中で830℃で1時間加熱する熱処理を行った。
【００２７】
得られた導波路の両端面を研磨し、ファブリペロー共鳴法及びカットバック法で伝播損失を測定した。測定に用いた波長は1.55μmで、入射光としてTEモードを選択した。結果を図８に示す。
窒素雰囲気の場合の損失は、実施例１，２とほとんど同じであったが、水素雰囲気では大幅に悪化した。これは、水素によりフォトニック構造の断面形状が変わり、光の閉じ込め効果が薄れたため、結果として損失が増大したものと考えられる。アルゴン雰囲気の場合の損失は極めて小さく、これは側面の微小な荒れを効果的に押さえる一方、フォトニック構造そのものを保存したためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
光デバイスの小型化に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】屈折率導波型光導波路の概略を示す断面図であり、（ａ）はチャンネル型導波路、（ｂ）はリブ型導波路である。
【図２】図中、（ａ）はホール型フォトニック結晶導波路、（ｂ）はポール型フォトニック結晶導波路の概略を示す、上は断面図、下は平面図である。
【図３】光導波路の作製工程の概略を示す断面図である。
【図４】実施例１，２で得られた屈折率導波型光導波路の概略を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図５】実施例１の測定結果を示すグラフである。
【図６】実施例２の測定結果を示すグラフである。
【図７】実施例３で得られるフォトニック結晶型光導波路の概略を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【図８】実施例３の測定結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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