(57)【要約】  光通信等の波長帯域において、優れた光学特性を示す光導波路や光フィルター等の光デバイスを提供する。光デバイスを、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物で構成する。本発明の光デバイスを構成するＩｎＧａＺｎＯ系アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満の光学特性を有する。また、ＩｎＧａＺｎＯ系アモルファス酸化物により傾斜角が８７度以上９０度以下である断面構造の光導波路を実現する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満である、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を、備えることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
傾斜角が８７度以上９０度以下である断面構造の、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備える光導波路であることを特徴とする光デバイス。
【請求項３】
光導波路が、傾斜角が８７度以上９０度以下である断面構造のインジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備え、前記アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満であることを特徴とする光デバイス。
【請求項４】
前記光導波路は酸化シリコンのクラッド層を備えることを特徴とする請求項３記載の光デバイス。
【請求項５】
前記光導波路は有機物のクラッド層を備えることを特徴とする請求項３記載の光デバイス。
【請求項６】
周期的な構造を有する光デバイスであって、
前記構造は、傾斜角が８７度以上９０度以下である断面形状を周期的に繰り返す、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備え、
前記アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満であることを特徴とする光デバイス。
【請求項７】
周期的な構造を有する光デバイスであって、
前記構造は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物に孔が周期的に開けられた構造であり、
前記アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満であることを特徴とする光デバイス。
【請求項８】
１×１０−３未満の酸素分圧中でスパッタ法により製造された、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満である、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備えることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信または光情報処理の分野で用いられる光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信または光情報処理の分野で用いられる光デバイスには、光を発生する発光デバイス、光を吸収して検出する光検出デバイス、及び伝送状態が通過する光の波長によって変化したり外部信号によって変化したりする光伝送デバイスがある。【０００３】
光伝送デバイスでは、屈折率、消衰係数などの光学定数が異なる二つの物質の界面における反射・屈折現象を利用することによって伝送状態を制御させることがある。例えば、光をある領域内に閉じ込めて伝送させる光導波路や、波長によって通過する光の閉じこまり方や伝送速度や位相などが異なることを利用する光フィルターや、外部信号によって光を伝送させたりさせなかったりを制御する光スイッチなどの光伝送デバイスがある。これらの光伝送デバイスでは、主として真空や有機物ポリマーや酸化シリコンなどを低屈折率物質とし、それよりも大きな屈折率を持つ物質との界面を形成し、その界面での反射・屈折現象を利用することがある。全反射の条件をうまく利用すると、光は大きな屈折率を持つ物質側に閉じ込められる性質があるからである。【０００４】
また、光の波長程度の周期性をもって周期的に屈折率が変化しているフォトニック結晶を作製すると、干渉効果によって結晶中の電子のように、あるエネルギーのときに光が物質内に閉じ込められたり、あるエネルギーのときには光が物質内に存在することができなかったりなどの性質をもつようになる。【０００５】
本発明者は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物（Ｉｎ−Ｇａ−ＺｎＯ４（ＩＧＺＯともいう。））のＴＦＴについて研究開発を進めてきた。前記酸化物はアモルファス酸化物で、ＩＧＺＯ系酸化物半導体ＴＦＴ（Ｉｎ―Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを中心とする酸化物半導体を活性層とする薄膜トランジスタ）として知られている。例えば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏを含んで構成され、結晶状態における組成がＩｎＧａＯ３（ＺｎＯ）ｍ（ｍは８以下の自然数）で表されるアモルファス酸化物である。【０００６】
先行文献調査をしたところ、特許文献１〜３のような技術が知られている。特許文献１には、光導波路に用いられる酸化物材料として強誘電体材料（ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物等）が例示されている。また、特許文献２には、ＩＧＺＯが波長４０５ｎｍの光に対して消衰係数が小さいので、光記録媒体の誘電体保護用材料として有用であることが示されている。また、特許文献３には、光導波路のエアブリッジ型構造が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−０７５１３３号公報
【特許文献２】特開２０１２−０５２２２７号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８０４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、光伝送デバイスにおいて、低屈折率物質と高屈折率物質との組み合わせによって光の伝送状態を制御しているが、次のような問題がある。【０００９】
真空を低屈折率物質として利用する場合、真空の屈折率は１であるためどんな材料でも高屈折率物質として利用でき便利であるが、光伝送デバイスを３次元的な配置にしようとすると、橋のように宙に浮かんだ構造を作製する必要であった。例えば、特許文献３では、クラッドを空気とするオールエアクラッドの導波路が提案されている。この場合、光伝送デバイスの周囲の湿度等によって特性が影響を受けることなど、作製上及び保管上の問題がある。【００１０】
有機物ポリマー（フッ素含有有機物ポリマーを含む）や酸化シリコン等を低屈折率物質として利用する場合、塗布法やＣＶＤ法やＡＬＤ法等によって比較的低温で隙間なく高屈折率物質を低屈折率物質で覆う技術があるので、容易に３次元的な光伝送デバイスを作製することができる。また隙間がなく宙に浮いた構造がないために、周囲の湿度の影響も少なくすることができ、保管も容易である。【００１１】
用いる高屈折率物質としては低屈折率物質よりもわずかにでも大きければ、その界面での反射・屈折現象を利用することが可能である。そのため、通常、作製の容易さと低屈折率物質との熱的安定性などの整合性から、低屈折率物質よりもわずかに大きな屈折率の物質が用いられる。しかし、屈折率の値の比が小さいほど全反射角の大きさが大きくなるため、光を効率的に曲げる効果が少なくなるので、光伝送デバイスのサイズが大きくなるという問題がある。現在多くの光デバイスのサイズの縮小化が進んでいるとともに、多くの光デバイスのモノリシックな集積化が進み、光伝送デバイスのサイズの縮小化も進んでいる。そのため、用いる高屈折率物質の材料は、有機物ポリマーや酸化シリコンの屈折率よりもその比が十分に大きな屈折率材料が用いられる傾向にある。【００１２】
そうすると、低屈折率材料として用いられる有機物ポリマーや酸化シリコン等は通常屈折率が１．３〜１．５５程度であることから、用いる高屈折率材料は、１．６以上の屈折率を持つことが望ましい。【００１３】
一方、用いる高屈折率材料には、屈折率が大きいということだけでなく、以下のような性質を持っている必要がある。【００１４】
すなわち３次元的な伝送を実現するために、容易に加工できるものである必要がある。形状の制御性を考慮すると、等方的なウェットエッチングやバリや残さが残りやすいリフトオフ法による加工よりも、異方性と選択性に優れた反応性イオンエッチングで加工できることが望ましい。【００１５】
また制御できない意図的でなく形成された界面での反射・屈折が起こらないように、高屈折率材料内に結晶粒界が存在しない、単結晶またはアモルファス材料である必要がある。多結晶体の場合、結晶粒界において制御できない反射・屈折が起きる可能性があるからである。【００１６】
高屈折率材料の光学的特性として消衰係数が重要になる。消衰係数ｋは、α＝４πｋ／λという関係式で、吸収係数αと比例関係があり、また、吸収係数は、物質中を光が１／ｅに減衰する光路長Ｌと、Ｌ＝１／αなる関係式で関係している。このことから、光伝送デバイスでは、光の強度信号の減衰を極力小さくする必要があるが、少なくとも光通信に用いられる波長１μｍ程度の光が１ｍｍ程度の長さを伝送する光伝送デバイスを進む際に、強度の減衰が１０％程度以下である必要がある。そのためには、少なくとも高屈折率材料の消衰係数ｋは１０の−５乗程度以下である必要がある。即ち、１×１０−４未満である必要がある。【００１７】
高屈折率材料はこれらの課題を満足する必要がある。例えば、高屈折率材料であるジルコニアやハフニアは、屈折率が高いが反応性イオンエッチングでの加工性があまりよくない。塩素などのハロゲンを用いるとエッチングできるが、レジストや酸化シリコンやシリコンとの選択性があまりよくない。シリコン単結晶やガリウムヒ素単結晶などは、バンドギャップ以下の光エネルギーを持つ光に対して透明であり、３を超える高屈折率材料として知られている。反応性イオンエッチングも可能である。しかし、シリコン単結晶やガリウムヒ素単結晶を有機物ポリマーや酸化シリコン上に積み重ねていくのは技術的に難しく、例えば立体的に交差させる等といった３次元的な積層光デバイスを作成することは難しい。また、アモルファスであり、加工性に優れ、１．６以上の高い屈折率を示す材料としてアモルファスの酸化インジウム錫がある。しかし、アモルファスの酸化インジウムは２００℃程度に加熱されると多結晶になり、粒界が生じる。アモルファスであり、１．６以上の高い屈折率を示すアモルファス材料として、Ａｓ２Ｓ３などのカルコゲナイドガラスがある。しかし、カルコゲナイドガラスは多くの場合、融点が低く２００℃程度の温度で融解したりする他、毒性があるなどの問題点がある。また、２００℃以上でも結晶化せず、加工性に優れ、１．６以上の高い屈折率を示す無毒の材料として水素化アモルファスシリコンが知られている。しかし、良質な水素化アモルファスを得るためにはプラズマＣＶＤ法によって３５０℃程度の基板温度の基材に堆積しなければならず、低いプロセス温度を必要とするプラスチック基材等の上に堆積することは困難である。【００１８】
アモルファス構造であって可視光領域で透過性のある材料として、薄膜トランジスタなどの電子デバイスに用いられているインジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物半導体がある。インジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物半導体では、４０５ｎｍの波長に対する屈折率ｎ＝２．１２、消衰係数ｋ＝０．００３が報告されている（特許文献２参照）が、光通信または光情報処理の分野で用いられる波長帯での報告はない。【００１９】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、アモルファス構造で、屈折率が１．６以上で消衰係数が１０の−５乗程度以下の光学特性を示す材料を備える光デバイスを実現することを目的とする。波長４７０ｎｍ乃至１７００ｎｍ、特に、光通信の波長帯である０．８ミクロン〜１．６ミクロンの波長の領域において、優れた光学特性を示す光導波路や光フィルター等の伝送用デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者は、鋭意研究を進めた結果、インジウムとガリウムと亜鉛を含む酸化物において、波長４７０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおいて１．６以上２．１以下の屈折率、消衰係数１０の−５乗程度以下（１×１０−４未満）であるアモルファス構造のインジウムガリウム亜鉛酸化物薄膜を開発し、本発明に至った。【００２１】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。【００２２】
本発明の光デバイスは、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を用いることを特徴とする。前記アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満である。本発明の光デバイスは、より好ましくは、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおいて１．９２以上２．０４以下の屈折率と消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満であるインジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物からなる。【００２３】
本発明の光デバイスは、底面と側面の間の角度である傾斜角Θが８７°以上９０°以下である断面構造を有する、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備える光導波路であることを特徴とする。本発明の光デバイスは、光導波路が、底面と側面の間の角度である傾斜角Θが８７°以上９０°以下である断面構造を有するインジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備え、前記アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満であることを特徴とする。具体的には、本発明の光デバイスは、光導波路は酸化シリコンのクラッド層を備える。または、本発明の光導波路は有機物のクラッド層を備える。また、前記有機物はフッ素を含む有機物でもよい。【００２４】
本発明の光デバイスは、周期的な構造を有する光デバイスであって、前記構造は、底面と側面の間の角度である傾斜角Θが８７°以上９０°以下である断面形状の構造を周期的に繰り返す、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備え、前記アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満であることを特徴とする。また、本発明の光デバイスは、周期的な構造を有する光デバイスであって、前記構造は、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物に孔が周期的に開けられた構造であり、前記アモルファス酸化物は、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満であることを特徴とする。前記アモルファス酸化物は底面と側面の間の角度である傾斜角Θが８７°以上９０°以下である断面形状となることが好ましい。【００２５】
本発明の光デバイスは、１×１０−３未満の酸素分圧中でスパッタ法により製造された、波長４８０ｎｍ乃至１７００ｎｍにおける屈折率が１．６以上２．１以下で消衰係数が１×１０−２３以上１×１０−４未満である、インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備えることを特徴とする。【００２６】
本発明の光デバイスを製造する際に用いるドライエッチングは、反応性イオンエッチングであることが好ましい。また、本発明の光デバイスを製造する際に用いるドライエッチングでは、水素ガスを用いた反応性イオンエッチングによって、不揮発性化合物が除去されていることが好ましい。【００２７】
本発明のインジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物は、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物であり、主成分としてインジウム、ガリウム及び亜鉛を含む酸化物であり、さらに、スズ、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、銅、鉄のうちのいずれか１以上の元素を含んでもよい。【００２８】
本発明の光デバイスを製造する際のドライエッチングでは、ドライエッチングに用いる炭化水素ガス及び水素ガスからなる混合ガスにおいて、炭素水素ガスとして、メタンガスのほか、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、アセチレン等を用いることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によって、初めて優れた光学特性を有するＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を実現し、光導波路や光フィルター等の光デバイスを提供できる。本発明によれば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物は、異方性と選択性の優れた反応性イオンエッチングが可能な材料であるので、光デバイス構造を作製する際、高精度で加工が可能であり、優れた矩形構造を実現できる。本発明によれば、高さ／幅が１以上である優れた矩形の断面構造を提供することができる。また、本発明によれば、優れた断面矩形構造を実現でき、具体的には、底面と側面の間の角度である傾斜角Θが８７°以上９０°以下である断面構造を有するアモルファス酸化物からなる断面構造を実現できるので、高性能で加工性のよい光デバイスを提供できる。１．６以上２．１以下の高屈折率を持ちながら光損失の少ないアモルファス構造の薄膜をスパッタリング等により室温で堆積でき、かつ、反応性イオンエッチングによって３次元的な伝送をするデバイスに室温にて加工することが可能になる。即ち、本発明によれば、光通信波長帯において、高屈折率材料と低屈折率材料の組み合わせによって光伝送デバイスのサイズを小さくすることができる。さらに、３次元的に光伝送デバイスを配置することによって、２次元的な配置による光伝送デバイスと比較して、フットプリントの小さなデバイスを作製することができる。【００３０】
また、本発明によれば、１．６以上２．１以下の高屈折率を持ちながら光損失の少ないアモルファス構造の薄膜を室温で堆積でき、かつ、反応性イオンエッチングによって３次元的な伝送を実現するデバイスに室温にて加工することが可能になるため、容易に光伝送デバイスを立体的に多層に積み重ねたり、立体交差させたりすることが可能になる。そのため複数の光導波路を接続して光信号を同期させたり変調をかけたりモニターしたりすることが容易になる。【００３１】
本発明によれば、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物によって光デバイスを実現したので、光デバイスの製造工程をオールドライプロセスで行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を用いた光デバイスの電子顕微鏡写真。
【図２】第１の実施の形態の埋め込み型矩形光導波路の断面図。
【図３】第１の実施の形態の正方形形状のコアの幅を変化させたときの導波モードを示す図。
【図４】第１の実施の形態の矩形導波路の伝播損失のシミュレーション結果を示す図。
【図５】第２の実施の形態の電子顕微鏡写真。
【図６】第３の実施の形態の電子顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の実施の形態について、図を参照して以下説明する。まず、本発明の光デバイスに用いるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物について説明する。
【００３４】
（本発明のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物）
光通信の波長帯である０．８ミクロン〜１．６ミクロンの波長の領域を含む波長領域において、１．６以上２．１以下の屈折率で１×１０−４未満の消衰係数を有する光伝送用デバイス材料として適用可能なアモルファスインジウムガリウム亜鉛酸化物薄膜の製膜条件を探索した。エリプソメトリにて薄膜の屈折率と消衰係数を測定するために、ＲＦスパッタ装置を用いて、室温のＳｉ基板上にＩｎＧａＺｎＯ膜を４００ｎｍ堆積した。スパッタターゲットとして密度９５％以上で金属組成比がＩｎ：Ｇａ：Ｚｎ＝１：１：１の多結晶焼結体を用いて、アルゴンと酸素の混合ガスを用いて酸素分圧を変化させ、ＲＦパワー１５０Ｗで堆積した。エリプソメトリは、室温で波長３５０ｎｍ〜１７００ｎｍの波長範囲で測定し、ガウス型振動子モデルを用い、フィッティングにより屈折率ｎと消衰係数ｋを求めた。酸素分圧が５×１０−４Ｐａで４００ｎｍ堆積した薄膜の屈折率ｎと消衰係数ｋを表に示す(表中の実施例１の欄）。合わせて、それよりも酸素分圧が大きい場合の薄膜の屈折率ｎと消衰係数ｋも表に示す（表中の比較例の欄）。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１より、酸素分圧５×１０−４Ｐａで４００ｎｍ堆積した薄膜では、波長４８０ｎｍ〜１７００ｎｍで、屈折率が１．６以上２．１以下を十分満足する１．９２以上２．０４以下、消衰係数３×１０−２３以上１×１０−４以下の光学定数が得られていることがわかる。特に光通信波長帯である８００ｎｍ〜１７００ｎｍで屈折率１．９２を超え、消衰係数１０−１３以下の光学定数が得られていることから、光通信波長帯の光伝送デバイスに適していることが分かる。表１には示していないが、さらに酸素分圧が大きい場合は、消衰係数が０．００１以上あり、光学特性が悪くなる傾向を示した。
【００３７】
比較例１の酸素分圧が１．５×１０−３Ｐａと実施例１の酸素分圧５×１０−４Ｐａの例から、１×１０−３Ｐａよりも低い酸素分圧で、スパッタリングすることによって、本発明の光学特性を得ることができることが分かる。
【００３８】
また、スパッタ装置のバックプレッシャーが１×１０−５Ｐａ以下程度であり、上限がバックプレッシャー全てが酸素であると仮定すると、スパッタ装置における酸素分圧が１×１０−５Ｐａ以上で１×１０−３Ｐａよりも低い酸素分圧であることが好ましいことが分かる。
【００３９】
本実施例のＸ線回折及び電子線回折の結果から、アモルファス構造であることがわかった。
【００４０】
（Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物の加工特性）
次に、光通信波長帯における３次元的な光伝送デバイスを作製するために必要となる、異方性と選択性の優れた反応性イオンエッチングについて調べた。まず、ＲＦスパッタ装置を用いて、酸化膜が形成されているＳｉ基板上に、室温でＩｎＧａＺｎＯ膜を３００ｎｍ堆積した。次に、複数の方法でエッチング加工を実施して比較した。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
表２に、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いた場合の２００Ｗにおけるエッチング速度を示す(表２中の実施例２参照）。Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物のエッチング速度とハードマスクに用いたＳｉＯ２のエッチング速度とを示す。いずれも、単位はｎｍ／分である。ここで、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物のエッチング速度は２１．４ｎｍ／分で、ＳｉＯ２のエッチング速度は３．６ｎｍ／分であり、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングの場合、ＩＧＺＯとハードマスクとのエッチング速度の比は５．９４で非常に大きく、ハードマスクをほとんどエッチングすることなくＩＧＺＯのみエッチングできることが分かる。また、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いた場合、ハードマスクのサイドエッチングはほとんどなく、図1で示すように、電子顕微鏡像を用いて測定したパターン底辺と側面の間の角度を傾斜角Θとした場合、８７°以上、ほぼ９０°の傾斜角が実現できた。
【００４３】
比較例として、誘導結合プラズマ型反応性イオンエッチングを用い、塩素をエッチングガスとして使用してＩＣＰ電力とバイアス電力をそれぞれ（１５０Ｗ，５０Ｗ）、（１００Ｗ，１００Ｗ）、（５０Ｗ，１５０Ｗ）として行った場合の、ＩＧＺＯのエッチング速度とハードマスクに用いたＳｉＯ２のエッチング速度とを表２に示す(表２中の比較例３〜５参照）。ＩＧＺＯのエッチング速度／ＳｉＯ２のエッチング速度が、０．７６〜１．８４であり、ＩＧＺＯのエッチング速度よりＳｉＯ２のエッチング速度が大であったり、ＩＧＺＯのエッチング速度がＳｉＯ２のエッチング速度より大であってもその比が小さかった。また、塩素系ガスを用いた場合、ハードマスクのサイドエッチングも大きく、４０°〜６０°程度の傾斜角の形状の加工しか行えなかった。
【００４４】
表２には示していないが、比較のために、ＩＣＰ電力とバイアス電力を（１５０Ｗ，５０Ｗ）で固定して、ＢＣｌ３ガスと酸素ガスの混合ガスをエッチングガスとして用いて、それぞれ（ＢＣｌ３：Ｏ２＝１０：０，ＢＣｌ３：Ｏ２＝９：１，ＢＣｌ３：Ｏ２＝８：２，ＢＣｌ３：Ｏ２＝７：３）とした複数のエッチング実験を行った。ＩＧＺＯのエッチング速度／ＳｉＯ２のエッチング速度が、０．６０〜０．７６であり、ＩＧＺＯのエッチング速度よりＳｉＯ２のエッチング速度が大であった。いずれの比較例の場合もＩＧＺＯのエッチング速度／ＳｉＯ２のエッチング速度が２を超えることはなかった。
【００４５】
ハードマスクを用いずに有機物のフォトレジストを用いた場合についても調べた。塩素系ガスを用いた比較例の場合、フォトレジストのエッチング速度が１００ｎｍ／分以上となりマスクとしての機能を損なった。一方、メタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いた実施例の場合、レジストのエッチング速度が僅かであるため、レジスト温度の上昇による変形がみられるものの、十分にマスクとして機能することが確認された。よって、本発明におけるＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を基材とする３次元的な光伝送デバイスは、ハードマスクを用いなくても作製することが可能である。
【００４６】
メタンと水素を用いた反応性イオンエッチングを用いてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物をエッチングする場合、水素ガスを用いたクリーニング処理を行えば、不揮発性有機金属を除去することができるので、さらに制御性の優れたデバイス加工を行うことができる。
【００４７】
図１に、水素ガスを用いたクリーニング処理を実施する前の、本発明におけるデバイス加工を行ったＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物の電子顕微鏡写真を示す。電子顕微鏡像を用いてパターン底辺と側面の間の角度を傾斜角Θとした。メタンと水素を用いたRIEで加工した場合、傾斜角Θは８７°以上９０°以下であった。また、高さ、幅ともに３００ｎｍの矩形形状のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を作製した場合の原子間力顕微鏡像の結果から見積もった側壁粗さは４ｎｍと見積もられた。
【００４８】
（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態として、光導波路の例を図を参照して説明する。図２は、コア１とクラッド２からなる埋め込み型矩形光導波路の断面構造である。図２のように、コア１の断面形状を正方形として、そのまわりをクラッド２で囲んだ構造である。コア１の材料としてＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を用い、クラッド２の材料としてＳｉＯ２を用いることができる。図中、Ｈはコアの高さ、Ｗはコアの幅を示す。インジウム、ガリウム及び亜鉛を含むアモルファス酸化物を備える光導波路においては、そのコアの断面形状は適宜設計できるが、加工性がよいことから、高さＨ／幅Ｗが１以上である断面構造が高精度で実現できる。
【００４９】
図３は、断面が正方形形状のコアの幅（＝高さ）を変化させたときの導波モードを、等価屈折率の方法でシミュレーションした結果を示す図である。図３の（１）（２）（３）は、クラッドのＳｉＯ２の屈折率をそれぞれ１．４４４０（波長１．５５μｍ）、１．４４６９（波長１．３０μｍ）、１．４５２５（波長０．８５μｍ）として解析した結果である。波長８５０ｎｍではおよそ一辺が４００ｎｍの正方形形状の矩形導波路、波長１．３ミクロンでは７００ｎｍ、波長１．５５ミクロンではおよそ８００ｎｍのサイズまで単一モードが実現できることが判明した。単一モード光導波路は、光信号の波形歪が小さいという長所がある。
【００５０】
図４は、波長１．５５ミクロンの場合の矩形導波路の伝播損失のシミュレーション結果を示す図である。σは側壁の平均二乗粗さ（単位ｎｍ）、Ｌｃはエッチング加工した側壁の相関長（単位ｎｍ）である。図中、左から、実線は伝搬損失１ｄＢ／ｃｍ、点線は５ｄＢ／ｃｍ、一点鎖線は１０ｄＢ／ｃｍ、２点鎖線は５０ｄＢ／ｃｍを表す。側壁粗さσが４ｎｍのとき、Ｌｃが１００ｎｍ以下で伝搬損失５ｄＢ／ｃｍ以下の矩形導波路が実現できる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
本発明の実施の形態として、光閉じ込め作用・増幅作用を目的とした光に対する周期的な構造を作製した例を示す。光に対する周期的な構造は、高屈折率を有する周期的に配置された基材と低屈折率を有する周期的に配置された基材から構成される構造であり、フォトニック結晶と呼ばれる素子がこの構造によって実現される。図５に、１３０ｎｍの溝を４８０ｎｍ周期で形成した例の電子顕微鏡写真を示す。本発明では、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの周期で数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの溝を形成したり、または数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの周期で数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの柱状構造体を形成したりすることができるので、Ｉｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を用いたフォトニック結晶を作成することができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
本発明の実施の形態は、周期的に孔が開けられた構造体を作製した例を示す。図６に、厚み２６７ｎｍのＩＧＺＯ膜と厚み２９０ｎｍのＳｉＯ２の積層膜を用いて、幅８７０ｎｍの貫通孔を１．２μｍ周期で開けた構造体の作製例を示す。図６は作製した構造体の電子顕微鏡写真の部分拡大図である。図６では、断面が矩形形状のＩＧＺＯ／ＳｉＯ２積層体（図中ＳｉＯ２が下でＩＧＺＯが上）が空中に浮かんでいる構造が示され、上下の黒い部分は何もない部分（エア）であり、矩形形状を連結するように見える白いバー部分は土台の部分（シリコン）である。図中、それぞれ隣り合う矩形形状の間の黒い部分が、貫通している孔の部分である。このように本発明のＩＧＺＯを用いることにより、周期的に孔が開いたエアブリッジ構造を作成することができるので、ＩＧＺＯを用いたフォトニック結晶に応用することができる。
【００５３】
実施の形態では、光導波路や光閉じ込め作用・増幅作用を目的とした光に対する周期的な構造について具体的に説明したが、その他の構造の光デバイスにも本発明のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を用いることができる。光導波路の具体的な構造は従来の構造を採用することができる。例えば、実施の形態では埋め込み型（芯状のコアをクラッドで取り囲んだもの）を示したが、半埋め込み型（芯状のコアをクラッドで取り囲んだもので、コアの一面が外部に露出しているもの）でもよい。また、光フィルター、光スイッチでも、本発明のＩｎ−Ｇａ−Ｚｎ−Ｏ系アモルファス酸化物を用いることができる。
【００５４】
なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５５】
１      コア
２      クラウド
【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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【国際調査報告】
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