(57)【要約】      （修正有）【課題】  シリコンベースの薄膜光導波管と、それを作る方法を提供する。【解決手段】本発明の方法は、基板１２を提供する段階と、薄膜誘電体層２４を基板上に堆積させる段階と、薄膜誘電体層内にチャネルを形成する段階と、チャネル内に第２シリコン層２０を設ける段階と、で構成されている。チャネル内に設けられた第２シリコン層は、チャネル内にエピタキシャル成長させることもできるし、非晶質又は部分的に結晶質の材料として設けられ、その後で結晶化させて得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンベースの薄膜光導波管を作る方法において、
表面を有するシリコン層を備えている基板を提供する段階と、
前記基板の前記シリコン層の表面の少なくとも一部分の上に薄膜誘電体層を堆積させる段階と、
前記薄膜誘電体層内に、前記基板の前記シリコン層の表面の一部分を露出させるチャネルを形成して、光導波管用の経路の少なくとも一部分を画定する段階と、
前記チャネルの少なくとも一部分に、前記基板の前記シリコン層の前記表面の前記露出部分と接触するシリコン層を提供する段階と、から成る方法。
【請求項２】
前記基板の前記シリコン層は、単結晶シリコンを備えている、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記薄膜誘電体層内にチャネルを形成する前記段階は、前記薄膜誘電体層の一部分を除去する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記チャネルの少なくとも一部分にシリコン層を提供する前記段階は、シリコン層を、前記チャネルの少なくとも一部分に堆積させる段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記チャネルの少なくとも一部分にシリコン層を堆積させる前記段階は、前記チャネルの少なくとも一部分に単結晶層をエピタキシャル成長させる段階を含んでいる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記基板の前記シリコン層の表面の前記露出した部分に前記単結晶層のエピタキシャル成長を引き起こす段階を含んでいる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記チャネルの少なくとも一部分にシリコン層を堆積させる前記段階は、非晶質シリコン層を、前記チャネルの前記少なくとも一部分に堆積させる段階を含んでいる、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記非晶質シリコン層の少なくとも一部分を少なくとも部分的には結晶化させる段階を含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記非晶質シリコン層の少なくとも一部分を結晶化させる前記段階は、前記非晶質シリコン層の少なくとも一部分を加熱する段階を含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記薄膜誘電体層と、前記薄膜誘電体層内の前記チャネルの前記少なくとも一部分に堆積させた前記シリコン層とを平坦にする段階を含んでいる、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンベースの光子集積回路用の光学的相互接続に関する。より具体的には、本発明は、光子集積回路の構成要素の間に光通信を提供するためのシリコンベースの薄膜導波管構造と、その様な構造を作る方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子集積回路は、複雑な光学システムを形成するのに益々用いられている集積プラットフォームを提供する。この技術を使えば、能動型及び受動型両方の多くの光学デバイスを１つの基板上に一体的に組み込むことができる。例えば、光子集積回路は、一体型レーザー、一体型受信器、導波管、検出器、半導体光増幅器、及び他の能動型及び受動型の半導体光学デバイスを備えている。能動型及び受動型デバイスのその様な一体型の集積体は、光通信、情報処理、及び記憶などで使用するための効果的な集積技術プラットフォームを提供する。
【０００３】
光子集積回路は、効率的な光学的相互接続に依存して、これらの集積回路を形成している構成要素及びデバイスの間で光を送っている。従来の光学的相互接続は、通常、薄膜の光導波管をデバイスの相互接続として使用している。具体的には、回路製作業者は、半導体材料の薄膜を用いて、光子集積回路の基板上に形成される薄膜の光、電子、及び光電子デバイスと一体化される光導波管を形成している。光透過性の材料を、それより低い屈折率を有する別の材料で取り囲むか又は境界を作ると、内側の材料を通って伝播する光は、２つの材料の間の境界で反射される。これは、ガイド効果を生み出す。しかしながら、光は、エッジ効果、表面欠陥、粗さなどのために、この境界で損失を被ることがある。この点に関し、この様な導波管内では、光の伝播損失を最小限に維持して、効率的な光子集積回路を提供することが望まれている。
【０００４】
従来の方法では、光導波管は、普通はフォトリソグラフィによって基板上に形成されている。或る型式の光導波管は、リッジ導波管として知られている。リッジ導波管は、通常、基板の一部分をマスキングし、露出した部分をエッチング等で除去して、光導波管のガイド側壁を画定することによって作られる。結果として、導波管の断面は、普通は四角形又は台形となる。導波管の光透過材料を、このやり方でエッチングすることによって製作すると、その側面は粗くなり、従って、望ましくない透過損失が起こり得る。
【特許文献１】米国特許出願第１０／９１５，２９９号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、この様に、光伝播損失が最小の、シリコンベースの薄膜光導波管を作る方法を提供している。具体的には、本発明による光導波管は、導波管の光ガイド材料の側壁をエッチングする必要無しに形成することができる。この様にすると、表面欠陥又は粗さによって生じる光透過損失を、最小に又は無くすることができる。更に、本発明は、シリコン導波管を、共通の基板上の１つ又は複数の光、電子、又は光電子デバイスと一体化する方法を提供する。
【０００６】
本発明による光導波管は、光伝送、光分岐／結合、波長濾過、波長の多重化又は多重分離化、及び光の強度又位相の光変調の様な機能を提供するための光子集積回路に用いることができる。その様な導波管は、光通信及び光学的相互接続の様な光学的情報伝送と、光学メモリの様な情報処理の分野に用いることができる。
【０００７】
従って、本発明の或る態様では、シリコンベースの薄膜光導波管を作る方法を提供している。本方法は、概括的には、基板を提供する段階と、薄膜誘電体層を基板上に堆積させる段階と、薄膜誘電体層内にチャネルを形成する段階と、チャネル内にシリコン層を設ける段階と、を含んでいる。基板は、表面を有するシリコン層を備えている。薄膜の誘電体層は、基板のシリコン層の表面の少なくとも一部分の上に堆積させる。薄膜の誘電体層内のチャネルは、基板のシリコン層の表面の一部分を露出させ、光導波管への経路の少なくとも一部分を画定する。チャネル内に設けられたシリコン層は、基板のシリコン層の表面の露出部分と接触している。
【０００８】
本発明の別の態様では、シリコン・オン・インシュレータ基板と一体化されているシリコンベースの薄膜光導波管を作る方法を提供している。本方法は、概括的には、シリコン・オン・インシュレータ基板を提供する段階と、薄膜誘電体層を基板上に堆積させる段階と、薄膜誘電体層内にチャネルを形成する段階と、チャネル内に単結晶シリコン層を設ける段階と、を含んでいる。基板は、表面を有する単結晶シリコン層を有するシリコン・オン・インシュレータ基板を備えている。薄膜の誘電体層は、基板の単結晶シリコン層の表面の少なくとも一部分の上に堆積させる。薄膜の誘電体層内のチャネルは、基板の単結晶シリコン層の表面の一部分を露出させ、光導波管への経路の少なくとも一部分を画定する。チャネル内に設けられた単結晶シリコン層は、シリコン・オン・インシュレータ基板の単結晶シリコン層の表面の露出部分と接触している。
【０００９】
本発明の更に別の態様では、シリコンベースの光子集積回路を作る方法が提供されている。本方法は、概括的には、シリコン・オン・インシュレータ基板を提供する段階と、薄膜の誘電体層を基板上に堆積させる段階と、薄膜の光導波管を形成する段階と、光電子デバイスを形成する段階と、を含んでいる。基板は、表面を有する単結晶シリコン層を有するシリコン・オン・インシュレータ基板を備えている。薄膜の誘電体層は、基板の単結晶シリコン層の表面の少なくとも一部分の上に堆積させる。薄膜の光導波管は、先ず、薄膜の誘電体層内に、単結晶シリコン層の表面の一部分を露出させて、光導波管用の経路の少なくとも一部を画定するチャネルを形成する段階と、次に、単結晶シリコン層をチャネルの少なくとも一部に設ける段階と、によって提供される。光電子デバイスは、基板の少なくとも一部分に形成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、特許請求の範囲、及び添付図面を参照すれば良く理解頂けるであろう。
図１は、本発明による光導波管１０を断面で概略的に示している。図示の様に、光導波管１０は、基板１２、望ましくはシリコンの埋め込み酸化物層１４、シリコン表面１８を有する第１シリコン層１６、表面２２を有する第２シリコン層２０、及び誘電体層２４を含んでいる。第１及び第２シリコン層１６と２０は、光が伝播方向に通過する光透過性材料として機能する。誘電体層２４と第２シリコン層２０との間の第１及び第２界面２６と２８、並びに第２シリコン層２０の表面２２は、誘電体層２４の屈折率がシリコン層１６及び２０の屈折率より小さい場合、ガイド領域３０内に光を閉じ込め、案内する働きをする。誘電体層２４は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、並びに、概ね誘電体又は絶縁体の特徴を有する各種材料の様な材料又はその組み合わせから形成されるか、又はそれらを含んでいる。第２シリコン層２０の表面は、シリコンの屈折率よりも小さい屈折率を有する周囲の空気又は他の気体との境界面を形成していれば、同様にガイド機能を提供することができる。必要であれば、ガイド機能、不動態化、又は保護機能などのために、薄膜（図示せず）を表面２２の上に設けることもできる。更に、例えば、不動態化又は保護層の様な他の機能層を、導波管１０の層状構造体内の何処にでも設けることができる。
【００１１】
その様なガイド及び閉じ込め機能を説明するために、光導波管１０のガイド領域３０を通って伝播する電磁場のモード３２を概略的に示している。より具体的には、導波管１０は、単一モード伝送用に設計されているのが望ましい。つまり、導波管１０は、最低次のバウンドモード（基本的なガイドモード又はトラップモードとも呼ばれる）が関心対象の波長で伝播できるように設計されているのが望ましい。典型的な光通信システムでは、通常、電磁スペクトルの近赤外線部分の波長が用いられる。例えば、約１．５５ミクロンの波長が一般的である。
【００１２】
第１シリコン層１６と埋め込み酸化物層１４は、従来から既知の、又は将来更に改善される様なシリコン・オン・インシュレータ構造として設けられているのが望ましい。しかしながら、光導波管１０は、シリコン・オン・インシュレータ技術の使用を必要とせず、光導波管１０の層状の薄膜構造は、適切であればどの様な薄膜堆積又は処理技術によって形成してもよい。シリコン・オン・インシュレータ構造は、従来の相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）処理と適合性があるので好適である。シリコン・オン・インシュレータ構造は、更に、その様な構造が、通常、高品質の単結晶シリコン材料を第１シリコン層１４として提供するので好適である。その様な単結晶シリコン材料は、一般的に光学的損失を引き起こすかもしれない欠点又は欠陥が最小である。更に、光変調器、レーザー、及びスイッチなどの様な光子ベースのデバイスの光学的機能は、同一基板上のトランジスタ、抵抗器、コンデンサ、及び誘導器の様なデバイスの電気的機能と一体化することができる。これらの光電子及び電子デバイスは、一般的な処理技法を使用して、電子回路及びデバイスと一体化することのできる光又は光子回路を提供することによって形成される。更に、シリコン・オン・インシュレータ技術は、高品質の単結晶層を提供し、シリコン層内に形成される複数のデバイスを互いに電気的に分離させる簡単な方法を提供する。
【００１３】
図１に示されている光導波管１０の様な本発明による光導波管は、以下のように作られる。従来のＣＭＯＳ処理技法を使用することもできるが、他の既知の又は開発された技法を、代わりに又は組み合わせて使用してもよい。
【００１４】
図２は、基板３６（従来はシリコン層）、誘電体層３８（従来は埋め込み酸化物層として知られている）、及び図示の表面４２を有する第１シリコン層４０を含む典型的なシリコン・オン・インシュレータ３４を示している。その様なシリコン・オン・インシュレータ基板は市販されており、本発明による導波管構造と光子集積回路を作るために、同様に機能し、将来的に開発される構造を使用することも考えられる。埋め込み酸化物層３８の厚さと第１シリコン層４０の厚さは、光子集積回路の別のデバイス又は構成要素の寸法及び／又は構造、デバイス及び構成要素を作成し分離する能力、並びに使用する処理技法の様な、作成する具体的な光導波管又は光子集積回路の特定の所望の特性を考えて選択されるのが望ましい。
【００１５】
図３に示しているように、中にチャネル４６が形成されている誘電体層４４は、第１シリコン層４０の表面４２の上に設けられているのが望ましい。誘電体層４４は、例えば、二酸化シリコン又は窒化シリコンである。図示の様に、チャネル４６は、第１シリコン層４０の表面４２の表面部分４８を露出させている。チャネル４６は、更に、導波管用の経路又はルートを画定する働きをする。誘電体層４４とチャネル４６は、適切であれば、どの様な従来から既知の又は将来開発される堆積、フォトリソグラフィー、及び／又はエッチング技法を使って形成してもよい。例えば、誘電体層４４は、表面４２の上にブランケット薄膜として堆積させ、チャネル４６を画定するためマスキングし、誘電体層４４の一部を除去してチャネル４６を形成するためエッチングを施してもよい。別の例として、誘電体層４４の堆積を制御して、堆積工程の間に、チャネル４６の領域内に誘電体が堆積するのを選択的に防ぐこともできる。つまり、シリコン層４０の表面４２上の、チャネル４６を形成したい場所に、マスキングを施すことができる。誘電体材料を、マスキングされた表面とされていない表面に堆積させ、リフトオフ技法を用いて、マスクを、チャネル４６の領域内の堆積された材料と共に除去することができる。これについては、湿式及び／乾式エッチング技法が考えられる。化学蒸着法、物理的蒸着法などを含む堆積技法の様などの様な堆積技法を用いてもよい。
【００１６】
チャネルが作られた後で、図４に示しているように、第２シリコン層５０が設けられる。図示の様に、第２シリコン層５０は、チャネル４６内の導波管部分５２と、誘電体層４４の上にあり且つ部分５２を覆っているオーバーコート部分５４と、を含んでいる。本発明によれば、シリコン層５０は、結晶質薄膜としてエピタキシャル成長させてもよいし、非晶質又は部分的結晶質薄膜として堆積させ、その後、少なくとも部分的に、又は更に結晶化させてもよい。例えば、シリコン層５０は、２００４年８月１０日出願し、一連番号第１０／９１５，２９９号を有する、共有の係属中の米国特許出願、代理人書類第ＨＯＮ００１２／ＵＳ号「光変調器用のシリコン−インシュレータ−シリコンの薄膜構造とその製造方法」に記載されている堆積及び／又は結晶化処理を使って設けることができ、同出願の開示全体を、あらゆる目的で参考文献としてここに完全に援用する。
【００１７】
第２シリコン層５０をエピタキシャル成長させる際、表面４８は、本発明によって結晶成長を開始させるシード又はテンプレートとして機能するのが望ましい。エピタキシャル材料の成長は、表面４８に、又は表面４８から起こるのが望ましい。この様にすると、分子ビームエピタクシー又は金属有機化学蒸着などの様な真空蒸着処理を使って、結晶シリコン層を表面４８の上に成長させることができる。第２シリコン層５０は、オーバーコート部分５４を形成できるやり方で、又は、例えば以下に示す様なマスキング技法を使ってオーバーコート部分５４の形成を防ぐやり方で設けることができる。何れにしろ、結晶質シリコン層は、本発明により、チャネル４６内にエピタキシャル的に提供されるのが望ましい。
【００１８】
本発明によれば、非晶質シリコン層をチャネル４６内に堆積させ、導波管部分５２と、同時にオーバーコート部５４を形成する。例えば、低圧化学蒸着など、どの様な技法を使用してもよい。シリコン層５０の導波管部分５２は、非晶質又は多結晶質材料として設けた場合は、例えば、炉、エピ反応器、急速加熱プロセッサー、加熱要素、又はレーザーシステムなどを使って熱処理して、少なくとも部分的には第２シリコン層５０の導波管部分５２を結晶化させるのが望ましい。表面４８は、導波管部分５２をこの様にして作る場合は、その様な非晶質シリコン層の結晶化を助ける働きもする。
【００１９】
所望の材料品質とするには、非晶質シリコン層の様なシリコン層を少なくとも部分的には結晶化させることができるのであれば、どの様な処理を用いてもよい。そのような結晶化は、第２シリコン層が形成された後、何時行ってもよい。更に、結晶質であるか否かに関わらず、シリコン材料の光透過特性を改善することができるのであれば、どの様な処理を行ってもよい。また、光透過特性を改善するために、例えば欠陥などを減らす様な技法を使って、結晶質、多結晶質、又は部分的に結晶質のシリコン層の結晶度を改善することもできる。例えば、堆積したシリコン膜の炉、ランプ、及びレーザー技法による結晶化を、所望の結晶度を実現できる温度及び時間で行うこともできる。
【００２０】
第２シリコン層５０が堆積した後であれば何時でも、図５に示しているように、オーバーコート部分５４の所望の部分を、殆ど又は部分的に除去して、導波管構造５６を画定することができる。しかしながら、オーバーコート部分５４は、除去する必要が無いとも考えられる。除去は、例えば、非晶質材料が結晶化又は部分的に結晶化される前又は後に行うことができる。例えば、湿式又は乾式エッチング技法を使用することができる。更に、例えば、化学機械処理（ＣＭＰ）を使用することによって、平坦化処理を使用することもできる。材料を平坦化又は除去するには、どの様な既知の又は開発された方法を使用してもよく、そのような処理は、多種多様な工程を組み合わせて行うこともできる。
【００２１】
導波管構造５６は、シリコンを、画定されたチャネル内だけに提供することにより、第２シリコン層５０のオーバーコート部分５４を形成すること無く作ることも考えられる。従来から既知の又は将来開発されるフォトリソグラフィ及び／又はマスキング技法を使用して、材料が、或る所定の領域に堆積するのを制限又は防止することもできる。例えば、フォトレジスト材料で形成されたマスクを使用して、誘電体層４４上への堆積を防ぐこともできる。必要であれば、チャネル４６を画定及び形成するのに用いられる同じマスクを、適切なリフトオフ処理と共に使用することもできる。本発明に従って、選択的エピタキシャル成長の様な技法を使用することも考えられる。
【００２２】
本発明によれば、導波管構造５６は、光子集積回路などの所望の光電子デバイス又は電気デバイスの間に１つ又は複数の光学的相互接続を提供するのに使用することができる。その様な光電子デバイスには、レーザー、受信器、検出器、半導体光増幅器、及び他の能動的及び受動的半導体光学デバイスが含まれる。そのような電子デバイスには、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、及び誘導器が含まれる。本発明による導波管は、その様なデバイス又は構成要素の間に、光信号を分割又は組み合わせる経路を含め、所望の光学的相互接続又は通信経路を提供する。
【００２３】
導波管構造５６は、第１シリコン層４０と、第２シリコン層５０の導波管部分５２とが、低伝送損失の光通信を提供することのできる高品質材料として設けられているので、特に好都合である。シリコン層４０は、光伝送損失を引き起こしかねない結晶欠陥又は不完全部が最小である単結晶シリコン層を備えているのが望ましい。その様な高品質シリコン材料は、好適なシリコン−オン−インシュレータ構造から入手できるが、他の適した成長技法で形成してもよい。第２シリコン層５０の導波管部分５２は、本発明に従ってシリコン層４０の表面４８からエピタキシャル成長又は結晶化させて作ることができるので、結晶欠陥が最小の単結晶シリコン層を導波管部分５２として設けることができる。この様にすると、導波管部分５２は、シリコン層４０の拡張部として効果的に機能する。導波管部分５２とシリコン層の組み合わせは、シリコン層４０だけで提供できる断面積よりも大きい断面積を備えたガイド領域を提供する。これは、シリコン層４０の厚さが、例えば、導波管５６と同じ基板上に一体化されている光電子又は電子デバイスの構造又は設計に基づいて制限されている場合には、特に好都合である。
【００２４】
以上、本発明を、その幾つかの実施形態に関連付けて説明してきた。ここで取り上げた全ての特許又は特許出願の開示全体を参考文献として援用する。以上の詳細な説明及び例は、分かり易くするために提供されている。必要な制限は、そこから理解して頂きたい。当業者には自明のように、本発明の範囲から逸脱すること無く、記載している実施形態に多くの変更を施すことができる。従って、本発明の範囲は、ここに記載している構造によって限定されるのではなく、請求項の文言で記述されている構造と、それらの構造の等価物によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の代表的な光導波管の概略断面図であり、特に、導波管のガイド領域を画定する第１及び第２シリコン層を示している。
【図２】本発明による、光導波管を形成するのに用いられるシリコン・オン・インシュレータ構造の概略断面図である。
【図３】図２のシリコン・オン・インシュレータ構造の概略断面図であり、特に、本発明による、導波管経路を画定するためのチャネルを有する層状の構造を提供する薄膜層を示している。
【図４】図３の層状の構造の概略断面図であり、特に、導波管のガイド部を画定するため、層状の構造の上で且つチャネルの中に設けられているシリコン層を示している。
【図５】図４の層状構造において、シリコン層の一部が除去され、而して、本発明による光導波管を提供する平坦な構造となった状態を示す概略断面図である。
【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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【外国語明細書】
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