(57)【要約】【課題】石英系光導波路の作製方法において、作製される光導波路の光学特性を良好に保ちつつ、コア層に対する引っ張り応力による亀裂の発生を抑制すること。【解決手段】まず、シリコン基板上に下部クラッド層をＦＨＤ法を用いて作製する（ステップ１）。次に、反応性スパッタ法を用いてＳｉＯＮコア層を堆積する（ステップ２）。そして、フォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチング法を用いて、１ミクロンから２００ミクロンまでコア幅を変化させたコアパターンを形成する（ステップ３）。その後、１２００℃で熱処理を行う（ステップ４）。最後に、上部クラッドの形成を行う（ステップ５）。コアパターンに作用する応力は、コア層を光導波路（コアパターン）へと加工することによって大幅に軽減されるため、コア層の状態での熱処理では亀裂が入ってしまう場合でも、コアパターン加工後に熱処理を行うことで亀裂の発生を防ぐことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板上に下部クラッドを形成するステップと、
前記下部クラッド上に光を伝搬させるためのコア層を形成するステップであって、前記コア層の熱膨張係数は前記平面基板の熱膨張係数よりも大きいものであるステップと、
前記コア層を加工してコアパターンを形成するステップと、
前記コアパターンを予め定めた熱処理温度で熱処理を行うステップと、
前記コアパターンを覆うように上部クラッド層を形成するステップと
を含むことを特徴とする石英系光導波路の作製方法。
【請求項２】
前記コアパターンのコア幅は５０ミクロン以下であることを特徴とする請求項１に記載の作製方法。
【請求項３】
前記コアパターンのコア幅は１０ミクロン以下であることを特徴とする請求項２に記載の作製方法。
【請求項４】
前記予め定めた熱処理温度は、前記熱処理を行うステップ以外のステップにおける最高温度以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英系光導波路の作製方法に関し、より詳細には、光通信、光信号処理、光計測等の分野で利用される石英系光導波路の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネット利用の世界的な広がりにより、画像や映像情報等の大容量データを高速に伝達できる光波長分割多重（ＷＤＭ）技術等を用いた光通信システムは、メトロネットワークにも商用導入が進んでいる。これに伴って、光通信システムを構成する光回路の研究開発にも拍車がかかっており、ＬＳＩ微細加工技術を応用して平面基板上に光導波路を一括形成できる導波型光回路が、集積性・量産性に優れていることから高性能で複雑な光回路を実現できる手段として期待されている。特に石英系光導波路は、低損失であり、かつ信頼性が高いため、様々なモジュールが実用化されている。近年では、デバイスの小型化、高集積化で必要となる高い比屈折率差Δを有する超高Δ光導波路の研究が活発化している。
【０００３】
これらの研究開発においてはＴａ2Ｏ5−ＳｉＯ2やＳｉＯＮ等の高屈折率材料を利用するが、高いΔを有する光導波路ほど光学特性が光導波路の屈折率や寸法精度に左右される。このため、その作製プロセスにおいては、コア層の屈折率や膜厚を高精度に制御し、かつ物理的・化学的にも安定した状態で光導波路作製を行うことが重要となる。従って、コア層（膜）の安定化を図ることを目的として、コア層を形成後に一定以上の温度で熱処理を行うことが一般的になされている。石英系光導波路の作製技術、特に従来の光導波路作製工程については、非特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】M. Kawachi, “Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components,” Opt. Quantum Electron., Vol. 22, pp. 391-416, 1990.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
石英系光導波路用のコアガラス膜において高Δ化するときには、ＳｉＯ2以外の高屈折率材料をドーパントとして多量に混合する必要がある。このとき同時にコア層の熱膨張係数も増大してしまう。この熱膨張係数が基板の熱膨張係数を上回ると、上述したコア層の安定化熱処理の際に深刻な品質劣化を招く。すなわち熱処理を行って室温まで冷却する過程において、コア層に対して基板から引っ張り応力が作用し、この引っ張り応力が膜の破断応力を上回るとコア層に亀裂が生じてしまう。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、石英系光導波路の作製方法において、作製される光導波路の光学特性を良好に保ちつつ、コア層に対する引っ張り応力による亀裂の発生を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、平面基板上に下部クラッドを形成するステップと、前記下部クラッド上に光を伝搬させるためのコア層を形成するステップであって、前記コア層の熱膨張係数は前記平面基板の熱膨張係数よりも大きいものであるステップと、前記コア層を加工してコアパターンを形成するステップと、前記コアパターンを予め定めた熱処理温度で熱処理を行うステップと、前記コアパターンを覆うように上部クラッド層を形成するステップとを含むことを特徴とする石英系光導波路の作製方法である。
【０００８】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記コアパターンのコア幅は５０ミクロン以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記コアパターンのコア幅は１０ミクロン以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれかにおいて、前記予め定めた熱処理温度は、前記熱処理を行うステップ以外のステップにおける最高温度以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高性能な光導波路を作製するのに必要なコア層の安定化熱処理を亀裂の発生なしに行うことができ、その結果、低損失で高性能な光導波路を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】コアパターンのコア幅とコアパターンに対する引っ張り応力との関係の計算例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。膜厚等に関し、具体的な数値を挙げて説明するが、本発明はこれらの数値のみに限定されるものではないことに留意されたい。
【００１４】
本実施形態では、シリコン基板（「平面基板」に相当）上に３％−ΔＳｉＯＮ光導波路を作製する場合について説明する。下部クラッド層は１５ミクロン、コア層は３ミクロン、上部クラッド層は１０ミクロンとする。
【００１５】
まず、シリコン基板上に下部クラッド層をＦＨＤ法を用いて作製する（ステップ１）。次に、反応性スパッタ法を用いてＳｉＯＮコア層を堆積する（ステップ２）。そして、フォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチング法を用いて、１ミクロンから２００ミクロンまでコア幅を変化させたコアパターンを形成する（ステップ３）。その後、１２００℃で熱処理を行う（ステップ４）。この段階で、実際に作製したコアパターンにおける亀裂の有無を確認すると、コア幅が１０ミクロンを超える場合では亀裂の発生が確認されたが、１０ミクロン以下では亀裂の発生がなかった。最後に、上部クラッドの形成を行う（ステップ５）。本実施形態に従い実際に作製したＳｉＯＮ光導波路の伝搬損失を測定すると、亀裂の発生したコア幅１０ミクロン超の光導波路では大きな損失が発生したが、亀裂の発生しなかったコア幅１０ミクロン以下の光導波路では、０．１ｄＢ／ｃｍという光回路としては実用的な低損失な導波特性を得ることができた。
【００１６】
本実施形態のコア層（膜）の安定化のための熱処理温度の決定については、コア層（膜）の安定化以外の光導波路作製工程で光導波路にかかる最高温度にて熱処理をした場合に定まるコア層の屈折率との差分が、その0.5%未満となるような微小屈折率差となる熱処理の最低温度とした。これによって、なるべく作製工程によるコア層の屈折率変動を抑制し、所望のΔを有する光導波路の作製を保証している。
【００１７】
図１は、上部クラッド層を堆積する前のＳｉＯＮコアパターンに作用する引っ張り応力の計算例を示している。これはコア層を１２００℃で熱処理し、その後室温まで冷却したときにコアパターンに発生する引っ張り応力である。コア幅が２００ミクロンの場合というのは、パターン化していないコア層の状態と見なすことができる。このとき約２００ＭＰａの引っ張り応力が作用していることが分かる。一方で、コア幅を狭くすると５０ミクロン以下のところで急激に引っ張り応力が減少し、コア幅５ミクロンでは２５ＭＰａと、コア層をパターン化していない場合に比較して約１／１０の引っ張り応力となる。このように、コアパターンに作用する応力は、コア層を導波路（コアパターン）へと加工することによって大幅に軽減されるため、コア層の状態での熱処理では亀裂が入ってしまう場合でも、コア加工後に熱処理を行うことで亀裂の発生を防ぐことができる。
【００１８】
なお、上記の説明ではスパッタ法によりコア層を作製したが、ＣＶＤ法、火炎堆積法等の他の手法を用いて作製したコア層に対しても本発明は同様の効果を発揮する。また、コア層のΔやサイズによらず適用可能である。さらに、コア層のドーパントの種類によらず適用でき、また、コア層（膜）の安定化に必要となる熱処理温度が変化したとしても本方法は適用可能となる。
【００１９】
また、本実施形態では、コアパターンの熱処理を、コアパターンを形成する工程（ステップ３）とコアパターンを覆うように上部クラッド層を形成する工程（ステップ５）との間で実施した。これは、１２００℃の熱処理を上部クラッド層形成後に実施したところ、一部のコアパターン周辺に微小気泡が生じて損失が増加したためである。すなわち、熱処理温度が、コアパターンを形成する工程までに掛かる最高温度より高く、かつ上部クラッド層形成時の温度より高い場合、コアパターンを形成する工程（ステップ３）とコアパターンを覆うように上部クラッド層を形成する工程（ステップ５）との間でコアパターンの安定化のための熱処理を行う必要がある。
【００２０】
また、上部クラッド層を形成する温度を、本実施形態の熱処理温度より１００℃以上高温で形成した場合、コア幅１０ミクロン以下のパターンでも一部亀裂が生じ、光導波路損失が増大した。それゆえ、上部クラッド層形成時の最高温度は、コアパターンの安定化の熱処理温度未満であるであることが望ましい。
【図１】
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