(57)【要約】屈折率差の大きい導波管におけるコア／クラッド界面の平滑化及び／または導波管形状の変化を含む、散乱損失の低減方法。一例として、導波管のパターニング処理後、ＳＯＩベースのＳｉ／ＳｉＯ２導波管に高温で酸化反応を与える。パターニング処理後に粗いシリコンコア表面を酸化させることにより、コア／クラッド界面が平滑化され、導波管におけるラフネス散乱が減少する。
2004510181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンをコアとして有する低損失導波管の製造方法であって、
コア／クラッド界面に粗さを有する平坦ストリップ導波管を配し、
前記コア／クラッド界面の二乗平均（ＲＭＳ）粗さを低減する１つ以上の反応を前記導波管に行い、
これにより前記導波管における散乱損失を低減する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記導波管のコアはサイズが減少する方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記導波管の実屈折率が減少する方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記反応の１つにより、前記コアとは化学組成物の異なる反応生成物が生成される方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記反応生成物が前記反応後に除去される方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法において、前記反応生成物が前記反応後に前記コアと前記クラッドの間に残される方法。
【請求項７】
請求項４に記載の方法において、前記反応生成物の屈折率は、前記コアの屈折率から前記クラッドの屈折率に変化する方法。
【請求項８】
請求項４に記載の方法において、前記反応生成物は、前記コアの屈折率から前記クラッドの屈折率までの段階的な屈折率プロファイルを有する方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、前記反応の１つは湿式化学反応を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記湿式化学反応は、水溶液中にＯＨ−イオンを有する１つ以上の異方性エッチング剤を用いて発生する方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法において、前記湿式化学反応は、１つ以上の等方性エッチング剤を用いて発生する方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、前記反応の１つは、１００℃以上の高温における熱反応を含む方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、前記反応の１つは、酸化反応を含む方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記酸化反応は、その化学組成物中に酸素を含む反応体種を含む方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法において、前記酸化反応は６００℃以上の高温で発生する方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法において、前記反応生成物が前記反応後に除去される方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法において、前記反応生成物が前記反応後に前記コアと前記クラッドとの間に残される方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法において、前記クラッドは空気または真空の領域を含む方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法において、前記クラッドは前記反応前は空気または真空の領域を含み、前記反応後は空気または真空の領域を含まない方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法において、前記クラッドは、シリコンを化学組成物中に含む材料の領域を含む方法。
【請求項２１】
請求項１に記載の方法において、前記反応の１つは、１００℃以上の高温での空気以外の環境におけるアニーリングを含む方法。
【請求項２２】
請求項１に記載の方法において、前記ストリップ導波管は前記クラッドに取り囲まれた前記コアを有し、前記クラッドは、前記コアと屈折率が異なる１つ以上の物質を含む方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記クラッドは二酸化シリコンの領域を含む方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の方法において、前記クラッドは空気または真空の領域を含む方法。
【請求項２５】
請求項２２に記載の方法において、前記クラッドは前記反応前は空気または真空の領域を含み、前記反応後は空気または真空の領域を含まない方法。
【請求項２６】
請求項１に記載の方法において、前記クラッドは、シリコンを化学組成物中に含む材料の領域を含む方法。
【請求項２７】
低損失で屈折率差の大きい導波管の製造方法であって、
コア／クラッド界面に粗さを有する平坦導波管を配し、
前記コア／クラッド界面の二乗平均（ＲＭＳ）粗さを低減する１つ以上の処理を前記導波管に行い、
これにより前記導波管における散乱損失を低減する方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法において、前記屈折率差の大きい導波管の前記コアと前記クラッドの実屈折率の差は０．１以上である方法。
【請求項２９】
請求項２７に記載の方法において、前記屈折率差の大きい導波管の単一モードカットオフサイズは前記コアにおける波長の２．５倍未満である方法。
【請求項３０】
請求項２７に記載の方法において、前記導波管のコアはサイズが減少する方法。
【請求項３１】
請求項２７に記載の方法において、前記導波管の実屈折率が減少する方法。
【請求項３２】
請求項２７に記載の方法において、前記処理の１つは、前記コアと化学組成物の異なる反応生成物を生成する反応である方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、前記反応生成物は前記反応後に除去される方法。
【請求項３４】
請求項３２に記載の方法において、前記反応生成物が前記反応後に前記コアと前記クラッドの間に残される方法。
【請求項３５】
請求項３２に記載の方法において、前記反応生成物の屈折率は、前記コアの屈折率から前記クラッドの屈折率に変化する方法。
【請求項３６】
請求項３２に記載の方法において、前記反応生成物は、前記コアの屈折率から前記クラッドの屈折率までの段階的な屈折率プロファイルを有する方法。
【請求項３７】
請求項２７に記載の方法において、前記処理の１つは、湿式化学反応を含む方法。
【請求項３８】
請求項２７に記載の方法において、前記処理の１つは、１００℃以上の高温における熱反応を含む方法。
【請求項３９】
請求項２７に記載の方法において、前記処理の１つは、酸化反応を含む方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の方法において、前記酸化反応は、その化学組成物中に酸素を含む反応体種を含む方法。
【請求項４１】
請求項３９に記載の方法において、前記酸化反応は６００℃以上の高温で発生する方法。
【請求項４２】
請求項２７に記載の方法において、前記処理の１つは、１００℃以上の高温での空気以外の環境におけるアニーリングを含む方法。
【請求項４３】
請求項２７に記載の方法において、前記コアはその化学組成物中にシリコンを含む方法。
【請求項４４】
請求項２７に記載の方法において、前記クラッドは、前記コアを取り囲み、前記コアより低い実屈折率を有する領域である方法。
【請求項４５】
請求項４４に記載の方法において、前記クラッドは二酸化シリコンの領域を含む方法。
【請求項４６】
請求項４４に記載の方法において、前記クラッドは空気または真空の領域を含む方法。
【請求項４７】
請求項４４に記載の方法において、前記クラッドは前記処理前に空気または真空の領域を含み、前記処理後は空気または真空の領域を含まない方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（優先権情報）
本願は、２００１年６月７日出願の米国特許出願第０９／８７６，３９２号及び２０００年７月１０日出願の仮出願第６０／２１７，１６７号の優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、光導波管（ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）の分野及び導波管製造方法に関する。
【０００３】
（背景技術）
ラフネス（粗さ）散乱（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、平面（プレーナ）導波管における伝送損失の主な原因の１つである。導波管のパターニング処理により発生する、コア／クラッド界面における粗さ（凹凸）が、このような散乱の一因である。平面導波管における散乱損失の低減方法は複数あり、導波管のパターニング処理後に高温で導波管をアニーリングして散乱損失を低減する方法が、以前、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ３９， Ｊｕｎｅ ２０００においてカシムラ他により報告された。この文献では、コアとクラッドとの屈折率差が小さい導波管（ｌｏｗ ｉｎｄｅｘ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）に対する損失低減技術を報告している。ＧｅＯ２をドープしたシリカ（二酸化シリコン）の導波管は、コアとクラッドとの屈折率差が最大で０．０２であり、上記の研究に使用された。
【０００４】
ラフネス散乱は、コアとクラッドとの実屈折率差が０．１以上である、屈折率差の大きい導波管（ｈｉｇｈ ｉｎｄｅｘ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）の場合に特に深刻である。０．１以上の実屈折率差は、コアにおける波長のほぼ２．５倍未満の導波管単一モードカットオフサイズ（ｃｕｔｏｆｆ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）に対応する。ところが、屈折率差の大きい導波管を、導波管パターニング後に平滑化処理して散乱損失を低減する従来技術は存在しない。
【０００５】
ＳＯＩに基づくストリップＳｉ／ＳｉＯ２導波管は、屈折率差の大きい導波管の例である。ストリップ導波管は、コアと、コアを取り囲み、屈折率がコアとは異なる１つ以上の物質を含むクラッドとを有する。ＳＯＩ導波管では、高温での酸化が、粗い界面を平滑化して散乱損失を低減する１つの方法である。パターニング処理後に酸化によってシリコンの粗い表面を平滑にし、その後、酸化物を除去する方法が文献に紹介されている。ジュアン他（Ｊｕａｎ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂ， Ｖｏｌ． １４， Ｎｏ． ６， Ｎｏｖ．／Ｄｅｃ． １９９６）には、ミラーアプリケーションの場合のシリコン側壁の酸化による平滑が報告され、ヤハタ他（Ｙａｈａｔａ ｅｔ ａｌ．， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ３７， Ｊｕｌｙ １９９８）には、ＭＯＳアプリケーションの場合の平滑化が報告されている。しかしながら、シリコン導波管のコアを酸化によって平滑化し、ストリップ導波管の散乱損失を低減する文献は存在しない。
【０００６】
Ｖｅｎｈｕｉｚｅｎに発行された米国特許第５，３６０，９８２号には、平滑なシリコン導波管表面を生成する、新しい導波管製造技術が記載されている。界面が平滑な導波管は、シリコン基板の局所的な酸化により形成される。この処理は、以下の点で本発明と異なる。すなわち、上記特許では、酸化により導波管を形成するのに対し、本発明では、パターニングによって導波管を形成した後に酸化ステップを組み込んでいる。
【０００７】
（発明の開示）
本発明は、導波管のパターニング処理後、コア／クラッド界面を平滑化するか、導波管コアのサイズを変化させるかの少なくともいずれかの処理を導波管に施すことによる、低損失導波管の製造技術を提供する。本発明は、散乱損失の高い、屈折率差の大きい導波管システムに対して特に効果的である。例示的な実施形態による方法では、ＳＯＩベースのＳｉ／ＳｉＯ２導波管のコア／クラッド界面を、導波管パターニング処理後に高温で酸化することによって平滑化する。
【０００８】
本発明は、導波管パターニング処理後に、導波管コア表面を平滑化する新しい導波管製造方法を提供する。本発明は、既に製造された導波管に対して導波管コアのサイズを減少する処理を行い、コアの実屈折率、実屈折率差、及び散乱損失を低減することにより平面導波管における散乱損失を低減する方法を提供する。これは、散乱損失が、コアとクラッドとのあいだの実屈折率差の強力な関数であることによる。
【０００９】
本発明により、導波管パターニング処理（例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング）の結果生じる、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波管の粗いシリコンコア表面は、高温での酸化により平滑化される。シリコンコアと反応し、高温でＳｉ／ＳｉＯ２導波管における表面にＳｉＯ２を形成するために種々の酸化体が使用できる。
【００１０】
上記の導波管コアの平滑化は、導波管のパターニング後、空気または真空以外の気体環境において１００℃以上の高温でコア材料をアニーリングすることにより、粗い表面のエネルギを最小化する傾向の拡散処理（ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）において達成できる。
【００１１】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の例示的な実施形態は、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波管のコア／クラッド界面における粗さを低減する酸化平滑化技術を提供する。図１は、導波管が形成される初期のＳＯＩプラットフォーム１００の斜視ブロック図である。上面シリコン層１０２が導波管のコアになり、ＳｉＯ２１０４がアンダークラッド層になる。シリコン基板１０６は機械的な支持のために設けられている。
【００１２】
図２は、層１０２のフォトリソグラフィ及びエッチングを含む通常のパターニング処理後の導波管コア１０８を含むプラットフォームの斜視ブロック図である。コア１０８の側壁の粗さ１１０は、導波管パターニング処理に起因し、この粗さが導波管における散乱損失の原因になる。続いて、コア１０８を、酸化剤、例えばＯ２またはＨ２Ｏ気体に対して高温でさらす。この結果、コア表面が酸化剤と反応し、図３に示すようにＳｉＯ２のコーティング層１１２が形成される。ここで、粗い表面１１０の凸部分は凹部分より速く酸化するため、上記反応によりコアの粗さが減少することになる。
【００１３】
反応速度は反応温度が上がると速くなる。反応温度が低すぎると、反応速度が遅すぎて十分な酸化が行えない。一方、反応温度が高すぎると、反応速度が速いために、形成されたＳｉＯ２の厚さを適切に制御できない可能性がある。分単位から時間単位でＳｉＯ２をｎｍからμｍに成長させるためには、一般的な温度範囲は６００から１２００℃である。酸化時間は、所望のＳｉＯ２厚さが形成され、所望の導波管コアサイズが得られるように慎重に選択すべきである。反応速度が温度に依存するため、この時間の選択も酸化温度に依存する。
【００１４】
図４は、ＳｉＯ２層１１２を除去した後のプラットフォームの斜視ブロック図であり、平滑化後のシリコンコア表面１１４が示されている。あるいは、このＳｉＯ２層を除去しないという選択も可能である。これは、ＳｉＯ２層が図３の導波管コアに対するクラッド層として作用できるからである。
【００１５】
本発明の方法を用いて、他の形状の導波管コア表面、例えばリッジ導波管（ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）を平滑化することもできる。本発明に技術により、表面粗さを生成するパターニング処理によりコアが形成されるいかなるＳＯＩ導波管も平滑化できる。
【００１６】
シリコンと反応させてＳｉＯ２を形成するために別の酸化体を使用することができる。反応速度は、使用される酸化体の特定種に依存するため、酸化の温度及び時間は選択された酸化体に応じて選択すべきである。
【００１７】
本発明を実証するために実験を行った。ＳＯＩウェーハの厚さ０．３４μｍのシリコン層を厚さ１μｍのＳｉＯ２層の上面に配置して、これをパターニングし、ストリップ導波管のコアを得た。導波管コアのパターニングには、フォトリソグラフィ及び反応イオンエッチングを使用した。導波管コアの側壁は、パターニング処理に起因する粗さを示した。導波管に、以下のステップ、すなわち１０００℃でＯ２ガスを用いて２０分間の乾燥酸化ステップ、１０００℃でＨ２Ｏ及びＯ２を用いて４３分間の湿式酸化ステップ、及び１０００℃でＯ２ガスを用いて２０分間の乾燥酸化ステップを含む酸化反応を行った。
【００１８】
ＳｉＯ２の大部分は、その高速反応により上記湿式酸化ステップの間に形成された。よって、このステップは実験における重要なステップである。反応後、導波管のサイズは、幅が約０．５μｍで、高さが０．３μｍ未満であった。この単一モード導波管は、０．８ｄＢ／ｃｍ未満の散乱損失を示した。これに対し、酸化による平滑化を行わない対応サイズの導波管は、３０ｄＢ／ｃｍ以上の散乱損失を示した。
【００１９】
実験中、シリコンを消費してＳｉＯ２層を形成するために導波管の厚さが減少した。厚さの減少の結果、コアの実屈折率、ひいてはコアとクラッドとの実屈折率差が減少した。コアとクラッドの実屈折率差が減少すると、さらに、散乱損失も減少する。これは、散乱損失が、コアとクラッドとの実屈折率差の強力な関数であるためである。
【００２０】
既に製造されたＳｉ／ＳｉＯ２導波管のコアに酸化反応を施してコア／クラッド界面の粗さを減少させる本発明の例示的な実施形態を示したが、水素ガスを含む気体環境において既に製造されたＳｉ／ＳｉＯ２導波管のコアを高温でアニーリングすることによってもコア／クラッド界面を平滑化でき、粗度さらには損失を低減することもできる。シリコンコア材料が、粗いコア表面のエネルギを最小化する傾向の拡散処理を受けることにより、粗いコア／クラッド界面が平滑化される。
【００２１】
また、既に製造された導波管のコアに酸化反応を施してコア／クラッド界面の粗さを減少させる本発明の例示的な実施形態を示したが、既に製造された導波管コアに湿式化学エッチングを行ってもコア／クラッド界面を平滑化でき、粗さ及び損失が低減できる。異方性と等方性いずれのエッチング剤も使用できる。異方性エッチング剤を用いて単結晶コア材料を平滑化する場合、コア表面の一部または全面が結晶面になることができ、この結果、原子的に平滑な表面が得られる。単結晶シリコンコアに対する異方性エッチング剤の例には、ＫＯＨ（水酸化カリウム）及びＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアメン）がある。等方性エッチング剤を用いる場合、エッチング処理によってコア表面の粗さが低減し、粗い表面のエネルギが最小化する。
【００２２】
本発明をいくつかの好ましい実施形態に関して示し説明したが、その形状及び詳細に対する種々の変更、省略及び追加が，本発明の範囲を逸脱せずに可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】導波管が形成される初期のＳＯＩプラットフォーム１００の斜視ブロック図である。
【図２】一般的なパターニング処理後の導波管コア１０８を含む、図１のプラットフォームの斜視ブロック図である。
【図３】図２のプラットフォームの斜視ブロック図であり、コアの表面が酸化剤と反応してＳｉＯ２のコーティング層が形成されている。
【図４】ＳｉＯ２層除去後の図３のプラットフォームの斜視ブロック図であり、平滑化後のシリコンコア表面が示されている。
【図１】
2004510181.tif 000003
【図２】
2004510181.tif 000004
【国際公開パンフレット】
2004510181.tif 000005
2004510181.tif 000006
2004510181.tif 000007
2004510181.tif 000008
2004510181.tif 000009
2004510181.tif 000010
2004510181.tif 000011
2004510181.tif 000012
2004510181.tif 000013
2004510181.tif 000014
2004510181.tif 000015
2004510181.tif 000016
2004510181.tif 000017
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004510181.tif 000018
【国際調査報告】
2004510181.tif 000019
2004510181.tif 000020
2004510181.tif 000021