(57)【要約】  一態様のフォトニックデバイスは、フッ化マグネシウムを含む基板層と、基板層上に配置された光学ガイド層とを含む。光学ガイド層は二酸化ケイ素を含む。基板層および光学ガイド層は、紫外および可視波長範囲で透明である。別の態様の方法は、シリコンを酸化して二酸化ケイ素層を形成する段階、二酸化ケイ素層をフッ化マグネシウムに結合させる段階、ケイ素を除去する段階、及び二酸化ケイ素のリソグラフィおよびエッチングを行ってフォトニックデバイスを形成する段階を含む。
2019520599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニックデバイスであって：
フッ化マグネシウムを有する基板層；及び
該基板層の上に位置され、二酸化ケイ素を含む光学ガイド層；
を有し、
前記基板層及び前記光学ガイド層が紫外可視波長範囲において透明である、
フォトニックデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載されたフォトニックデバイスであって、
前記光学ガイド層がリング共振器である、フォトニックデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載されたフォトニックデバイスであって、さらに
前記基板層の上に配置される導波路を有する、
フォトニックデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載されたフォトニックデバイスであって、さらに
流体チャネルを形成する第1材料に接触する材料を有する、
フォトニックデバイス。
【請求項５】
請求項４に記載されたフォトニックデバイスであって、
前記流体チャネルが水を含む、
フォトニックデバイス。
【請求項６】
請求項４に記載されたフォトニックデバイスであって、
前記流体チャネルが生物化学的液体を含む、
フォトニックデバイス。
【請求項７】
請求項６に記載されたフォトニックデバイスであって、
化学又は生物学的センサのひとつであるフォトニックデバイス。
【請求項８】
ケイ素を酸化して二酸化ケイ素を形成する段階；
前記二酸化ケイ素をフッ化マグネシウムに結合させる段階；
シリコンを除去する段階；及び
前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行して、フォトニックデバイスを形成する段階；
を有する方法。
【請求項９】
請求項８に記載された方法であって、さらに
前記フッ化マグネシウムの少なくとも一部の上にポリジメチルシロキサン（PDMS）を堆積させて流体チャネルを形成する段階を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載された方法であって、さらに
前記流体チャネルの中に水を入れる段階を含む方法。
【請求項１１】
請求項９に記載された方法であって、さらに
前記流体チャネルの中に生物化学的液体を入れる段階を含む方法。
【請求項１２】
請求項８に記載された方法であって、
前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行する段階が、前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行して、導波路、リング共振器、ディスク共振器、方向性結合器、マッハツェンダー干渉計、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、アレイ導波グレーティングデバイス、ビームスプリッタ又はグレーティング・周期的デバイスのうちの少なくとも１つを形成する段階を含む、
方法。
【請求項１３】
請求項８に記載された方法であって、
前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行する段階が、前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行して、導波路を形成する段階を含む、
方法。
【請求項１４】
請求項８に記載された方法であって、さらに
前記ケイ素を酸化する段階が、前記ケイ素を酸化して第１二酸化ケイ素層を形成する段階を含み、
さらに、前記フッ化マグネシウムに第２二酸化ケイ素層を付加する段階、
を含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載された方法であって、さらに
前記フッ化マグネシウムに第２二酸化ケイ素層を付加する段階が、前記第１二酸化ケイ素層を第２二酸化ケイ素層に結合させる段階を含む、
方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載された方法であって、さらに
金属マイクロヒーターを前記フォトニックデバイスと一体化して、熱光学効果を使用して光学特性を調節する段階を含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
集積フォトニクスは、様々な用途のフォトニック機能の大規模製造及び小型化の利点を有する。用途の範囲は、紫外および可視（UV-vis）波長範囲である。用途の例としては、積分分光計、ラマン分光法、化学／生物学的センシング、短波長での強い非線形の光−物質相互作用などがある。UV-vis範囲内の多くの現在の光学的センシングプラットフォームは、卓上および大型のフォトニックデバイスを利用している。結果として、そのようなセンシングプラットフォームはハンドヘルドではなく、主にラボ内で使用されている。成熟した既存の集積フォトニックプラットフォームの多くは、赤外線または近赤外で動作し、主にデータ相互接続および通信に応用されている。例としては、1550nmでの用途に使用されるがUV-vis波長では動作不可能な、シリコンフォトニクスおよびインジウムフォスファイドフォトニクスが挙げられる。可視範囲で動作可能な窒化ケイ素のような集積フォトニック材料がある。しかしながら、より短い波長およびUV範囲に向かうとき、これらの集積フォトニック材料は強い光吸収を被る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００２】
本明細書に記載された新しいフォトニック材料プラットフォームにおいては、光学ガイド層が二酸化ケイ素で作られ、下の基板層がフッ化マグネシウムである。これら両材料は、紫外および可視領域全体にわたって極めて高い光学特性を有する。二酸化ケイ素とフッ化マグネシウムとの間の屈折率差は、紫外−可視領域において光導波条件を提供するのに十分に大きいが、短波長で超小型の導波路寸法を避けるのには十分小さい（約0.08−0.1）。サブミクロンまたはミクロンスケールの寸法を有するシングルモード導波路を設計することができ、これらの寸法は、リソグラフィおよび微細加工技術の能力の範囲内にある。二酸化シリコンは、マイクロエレクトロニクス及びフォトニクスにおいて非常に成熟した材料であり、このようなフッ化マグネシウム上の二酸化ケイ素である二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイス（silicon  dioxide-on-magnesium  fluoride  photonic  devices）を実現するために、多くの既存の技術を借用することができる。
【０００３】
また、本明細書に記載されている技術は、このプラットフォーム上にフォトニックデバイスを作るために使用される二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムウェハを製造する技術である。
【０００４】
一態様のフォトニックデバイスは、フッ化マグネシウムを含む基板層と、基板層上に配置された光学ガイド層とを含む。光学ガイド層は二酸化ケイ素を含む。基板層および光学ガイド層は、紫外および可視波長範囲で透明である。
【０００５】
上記の態様は、以下の特徴のうちの1つまたは複数を含むことができる。光学ガイド層は、リング共振器であってよい。フォトニックデバイスは、基板層上に配置された導波路を含んでよい。フォトニックデバイスは、流体チャネルを形成する第1材料と接触する材料を含むことができる。流体チャネルは水を包含してもよい。流体チャネルは、生化学的液体を包含することができる。フォトニックデバイスは、化学的センサ（chemical  sensor）または生物学的センサ（biological  sensor）のうちの1つであってもよい。
【０００６】
別の態様の方法は、シリコンを酸化して二酸化ケイ素層を形成する段階、二酸化ケイ素層をフッ化マグネシウムに結合させる段階、ケイ素を除去する段階、及び二酸化ケイ素のリソグラフィおよびエッチングを行ってフォトニックデバイスを形成する段階を含む。
【０００７】
上述の態様は、以下の特徴の１つ又は複数を含んでもよい。ケイ素を酸化して二酸化ケイ素を形成する段階；前記二酸化ケイ素をフッ化マグネシウムに結合させる段階；シリコンを除去する段階；及び前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行して、フォトニックデバイスを形成する段階；を有する方法を含んでよい。該方法は、前記フッ化マグネシウムの少なくとも一部の上にポリジメチルシロキサン（PDMS）を堆積させて流体チャネルを形成する段階を含む。該方法はまた、前記流体チャネルの中に水を入れる段階を含む。該方法はまた、前記流体チャネルの中に生物化学的液体を入れる段階を含む。前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行する段階が、前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行して、導波路、リング共振器、ディスク共振器、方向性結合器、マッハツェンダー干渉計、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、アレイ導波路グレーティングデバイス、ビームスプリッタ又はグレーティング・周期的デバイスのうちの少なくとも１つを形成する段階を含む。前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行する段階が、前記二酸化ケイ素のリソグラフィ及びエッチングを実行して、導波路を形成する段階を含む。前記ケイ素を酸化する段階が、前記ケイ素を酸化して第１二酸化ケイ素層を形成する段階を含む。該方法は、前記フッ化マグネシウムに第２二酸化ケイ素層を付加する段階を含んでよい。前記フッ化マグネシウムに第２二酸化ケイ素層を付加する段階が、前記第１二酸化ケイ素層を第２二酸化ケイ素層に結合させる段階を含む。該方法は、金属マイクロヒーターを前記フォトニックデバイスと一体化して、熱光学効果を使用して光学特性を調節する段階を含んでよい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】光導波プラットフォームの一例の断面図である。
【図２Ａ】リング共振器と導波路とを含むフォトニックデバイスの一例の図である。
【図２Ｂ】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウム導波路の断面光学モードプロファイル（電界分布）のシミュレーションの一例の図である。
【図２Ｃ】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムリング共振器の断面光学モードプロファイルの一例を示す図である。
【図３Ａ】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイスを製造するための断面図である。
【図３Ｂ】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイスを製造するための断面図である。
【図３Ｃ】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイスを製造するための断面図である。
【図３Ｄ】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイスを製造するための断面図である。
【図３Ｅ】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイスを製造するための断面図である。
【図４】二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイスを製造する方法の一例のフロー図である。
【図５】図１のフォトニックプラットフォームの他の特定例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書で記述する方法は、紫外線（UV）および可視波長範囲（例えば、200nmから800nmまでの短波長の波長）で機能する、集積フォトニック材料プラットフォームおよびデバイスを実装する方法である。一例では、フォトニックデバイスが、導波路または共振器の少なくとも1つを含むことができる。他の例では、フォトニックデバイスは、方向性結合器、ビームスプリッタ、マッハツェンダー干渉計、格子デバイスなどのうちの少なくとも1つを含むことができる。
【００１０】
図1に示すように、UV可視波長範囲で動作するフォトニックプラットフォーム（photonic  platform）100は、光学ガイド層106および基板層110を含む。光学ガイド層材料106は、結晶性フッ化マグネシウムである下側の基板110よりも大きい屈折率を有する二酸化ケイ素で作られる。光学ガイド層106の屈折率と基板層110の屈折率との間の差は約0.08-0.1以内である。光学ガイド層106および基板層110は、UV可視波長範囲において、無視できるかまたは小さな光吸収性を伴う透明である（例えば、350nmの波長で<  0.1  dB／m未満）。光学ガイド層106と基板層110とは、互いに対して互換性があり、製作が可能である。一例では、オーバークラッド材料（例えば、プラットフォーム100の少なくとも一部を取り囲んでいる）は、空気または、二酸化ケイ素の屈折率よりも小さい屈折率を有する水のような材料であって、UV可視光において非常に小さな吸収性を伴う透明である。
【００１１】
図2Aに示すように、フォトニックデバイスの一例は、フォトニックプラットフォーム100を使用するフォトニックデバイス112である。フォトニックデバイス112は、フォトニックリング共振器106  ’（すなわち、光学ガイド層106）を含む。フォトニックリング共振器106  ’は、フッ化マグネシウムを含む基板層110上にある。フォトニックデバイス112はまた、基板層110上に二酸化ケイ素導波路120を含む。この構成では、リング共振器106  ’は、リング共振器106  ’を励起するために導波路120に側結合される。1つの特定の例では、図２Ｂに示すように、二酸化シリコン導波路120は、350nmの波長において800nm×350nmの断面寸法を有する。1つの特定の例では、図２Ｃに示すように、リング共振器106  ’は、35ミクロンの半径と、約350nm波長の共振とを有する。
【００１２】
図3Ａ乃至図３Ｅに示すように、フォトニックデバイス（例えば、フォトニックデバイス300（図３Ｅ））は、二酸化ケイ素およびフッ化マグネシウムを含むように製造することができる。シリコン202（例えば、ウェハ形態）を酸化して二酸化シリコン206を形成する（図３Ａ）。フッ化マグネシウム210（例えば、ウェハ形態）は二酸化ケイ素206に結合される（図３Ｂ）。1つの特定の例では、フッ化マグネシウム210は、堆積された二酸化ケイ素の薄層を含むこともでき、その二酸化ケイ素の薄層が次にシリコン202の二酸化ケイ素206に結合される。ケイ素202が除去され（図３Ｃ）、二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムウェハが形成される。
【００１３】
例えば、微細加工技術における従来のリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、二酸化ケイ素層206をパターニングし、エッチングして（図３Ｄ）、このプラットフォーム内にフォトニックデバイスを形成する。一例では、リソグラフィおよびエッチングを用いて、導波路、リング共振器、ディスク共振器、方向性結合器、マッハツェンダー干渉計、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、アレイ導波路グレーティングデバイス（grating  device）、ビームスプリッタまたはグレーティング・周期的デバイスのうち少なくとも１つを形成する。
【００１４】
ポリジメチルシロキサン（PDMS）材料302をフッ化マグネシウム210の一部の上に追加して、例えば水または空気などの流体を運ぶ流体チャネル330（図３Ｅ）を形成する。一例では、フォトニックデバイス300は、化学的または生物学的センシング用途および水のモニタリングのための水性環境で使用され得る。他の例では、フォトニックデバイス300を使用して、水性環境における化学／生物材料のラマンセンシングを増強させることができる。別の例では、紫外または可視波長で動作する分光計または光学スペクトルアナライザなどのより複雑なフォトニックデバイスを、非常にコンパクトなチップスケールサイズでこのプラットフォーム上に実装することができる。
【００１５】
一例では、熱光学効果を使用して光学特性を調整するために、金属マイクロヒーターをフォトニックデバイスと一体化することができる。
【００１６】
図4を参照すると、二酸化ケイ素−オン−フッ化マグネシウムフォトニックデバイスを製造する方法の一例としての方法400が示されている。方法400は、ケイ素又はシリコンを酸化して二酸化ケイ素を形成する（402）。一例では、二酸化ケイ素206は、シリコン202（例えば、シリコンウェハ）上の熱酸化を用いて形成される（例えば、図３Ａ参照）。
【００１７】
プロセス400は、二酸化ケイ素をフッ化マグネシウムに結合させる（406）。一例では、二酸化ケイ素206が、フッ化マグネシウム210に結合される（例えば、図３Ｂ参照）。1つの特定の例では、フッ化マグネシウム210は、例えば、原子層堆積またはプラズマ強化化学気相堆積を用いて堆積された堆積二酸化ケイ素の層（例えば10〜50nm）（図示せず）を含み、二酸化ケイ素206はフッ化マグネシウム上の二酸化ケイ素に結合される。
【００１８】
プロセス400はシリコンを除去する（412）。例えば、シリコンは、プラズマエッチング若しくはKOH化学薬品を使用するウェットエッチング、またはプラズマエッチングとウェットエッチングの組み合わせを使用して除去することができる。
【００１９】
プロセス400は、リソグラフィおよびエッチングを実行する（418）。一例では、リソグラフィおよびエッチングプロセスは、二酸化ケイ素を成形してリング共振器を形成する。
【００２０】
プロセス400は、流体チャネル（fluidic  channel）を形成する。一例では、PDMS材料302が、フッ化マグネシウム210の少なくとも一部の上および二酸化ケイ素上に堆積されて、流体チャネル330を形成する（例えば、図３Ｅ参照）。
【００２１】
図5を参照すると、フォトニックプラットフォーム100の別の特定の例として、フォトニックプラットフォーム500が示されている。フォトニックプラットフォーム500は、光学ガイド層として窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）506と、隣接材料として窒化アルミニウム（AlN）510とを含む。一例では、フォトニックプラットフォーム500の動作波長は260nmより大きい。
【００２２】
本明細書に記載のプロセスは、記述した特定の例に限定されない。例えば、プロセス400は、図４の特定の処理順序に限定されない。むしろ、図4のいずれの処理ブロックも、上記の結果を達成するために、必要に応じて並び替えられ、組み合わされ若しくは削除され、並行してまたは順次的に実行され得る。
【００２３】
本明細書に記載のプロセスは、記述した特定の実施形態に限定されない。本明細書に記載された異なる実施形態の要素は、具体的に記載していない他の実施形態を形成するために組み合わせられてもよい。本明細書に具体的に記載されていない他の実施形態もまた、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。
【図１】
2019520599.tif 000003
【図２Ａ】
2019520599.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2019520599.tif 000006
【図３Ａ】
2019520599.tif 000007
【図３Ｂ】
2019520599.tif 000008
【図３Ｃ】
2019520599.tif 000009
【図３Ｄ】
2019520599.tif 000010
【図３Ｅ】
2019520599.tif 000011
【図４】
2019520599.tif 000012
【図５】
2019520599.tif 000013
【国際調査報告】
2019520599.tif 000014
2019520599.tif 000015
2019520599.tif 000016