(57)【要約】  【課題】CVD法によりクラッド層を形成するに際して、コア（凸部）の間のボイドの生成を防止するとともに、コアの変形等のダメージも生じることのない、高品質の光導波路部品を製造する方法を提供する  【解決手段】図１に示すカソードCVD装置を用いて、二酸化珪素（SiO2）膜を所定の厚さに形成する工程と、コアのコーナーから成長するオーバーハングをH2を主体とするガスで化学的エッチングにより除去する工程を繰り返す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室内に接地電極及び高周波投入電極を略平行に設け、高周波投入電極上に載置したコア形成基板の表面にクラッド層を形成するカソードプラズマCVD装置による光導波路部品の製造方法において、
a) 分子中にSi原子を1〜4個含み、分子量が30〜220であるSi化合物を含む成膜ガスによって成膜する工程と、
b) H2を含むガスによって化学的エッチングを行う工程と、
を適宜切り替えて処理を行うことを特徴とする光導波路部品の製造方法。
【請求項２】
前記Si化合物がTEOS（テトラエトキシシラン、Si(OC2H5)4）であって、成膜ガスがTEOSと02の混合ガスである請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項３】
前記H2を含むガスが純H2ガスである請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項４】
高周波投入電極に印加する高周波電圧の周波数を、300kHz〜28MHzの内の１種類または複数種類の混合周波数とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項５】
成膜時のコア形成基板の温度が0℃〜500℃となるように制御する請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項６】
高周波投入電極に投入する基板面積あたりの高周波電力を0.04〜0.5W/cm2とする請求項１に記載の光導波路部品の製造方法。
【請求項７】
コア形成基板の表面にクラッド層を形成するための光導波路部品製造用カソードプラズマCVD装置であって、
a) 反応室内に略平行に設けられた接地電極及び前記コア形成基板を載置する高周波投入電極と、
b) 高周波投入電極に接続された高周波電源と、
c) 分子中にSi原子を1〜4個含み、分子量が30〜220であるSi化合物を含む成膜ガスを反応室内に供給する成膜ガス源と、
d) H2を含む化学的エッチングガスを反応室内に供給するエッチングガス源と、
e) コア形成基板の表面にクラッド層を形成するように、成膜ガスとエッチングガスを交互に反応室内に導入し、高周波電源を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする光導波路部品製造用カソードプラズマCVD装置。
【請求項８】
高周波電源が300kHz〜28MHzの内の１種類または複数種類の混合周波数を生成する請求項７に記載の光導波路部品製造用カソードプラズマCVD装置。
【請求項９】
高周波投入電極の温度を制御する温度制御装置を備える請求項７に記載の光導波路部品製造用カソードプラズマCVD装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路部品の製造方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路部品は、石英系材料からなるコア及びクラッド層を有し、コアの屈折率をクラッド層の屈折率よりも大きく設定し、光をコアとクラッド層との界面で全反射させてコア内に閉じ込めながら伝搬させるものである。
【０００３】
従来の石英系の光導波路部品は、Siからなる基板上に下部クラッド層、コア及び上部クラッド層が形成された３層構造か、基板が石英の場合には、基板上にコア及びコアを覆うクラッド層が形成された２層構造を有していた。これまで、このクラッド層の形成には、火焔堆積法やCVD法などが用いられてきた。
【０００４】
火焔堆積法は、石英微粒子を基板上に堆積した後、この微粒子を1000℃以上に加熱して溶融させ、クラッド層を形成する方法である。この方法によれば、隣接するコアの間をクラッド層で埋めることは比較的容易であるが、石英微粒子を溶融させたときの熱応力によりクラッド層に亀裂（クラック）が入りやすく、また基板とクラッド層の熱膨張係数の違いから、クラッド層に残留応力が生じ、偏波依存性が大きくなるという欠点を有する。
【０００５】
これに対しCVD法は、クラッド層を基板上に低温で直接成膜する。従って、コア等に熱が加わらないため、熱応力に起因する光学特性の劣化を防ぐことができる。しかし、CVD法においてはクラッド層の形成速度が場所毎に異なり、特にコア上部角部において他の部分より速いため、コア上部においてクラッド層がオーバーハング状態となりやすい。この結果、CVD法により形成されるクラッド層は、隣接するコア間が十分に埋められないで形成され、コア間に空洞（ボイド）が生じるという欠点があった。
【０００６】
このボイドの生成を防ぐため、Arガスを利用したスパッタエッチングによりオーバーハング部分を除去する成膜法が提案された（特許文献１〜３）。この方法によればボイドの生成を防ぐことは可能であるが、Arスパッタによるコアの変形などのダメージが問題となっている。
【０００７】
【特許文献１】特開2001-290040号公報
【特許文献２】特開2001-337241号公報
【特許文献３】特開2003-037103号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、CVD法によりクラッド層を形成するに際して、コア（凸部）の間のボイドの生成を防止するとともに、コアの変形等のダメージも生じることのない、高品質の光導波路部品を製造する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、反応室内に接地電極及び高周波投入電極を略平行に設け、高周波投入電極上に載置したコア形成基板の表面にクラッド層を形成するカソードプラズマCVD装置による光導波路部品の製造方法において、
a) 分子中にSi原子を1〜4個含み、分子量が30〜220であるSi化合物を含む成膜ガスによって成膜する工程と、
b) H2を含むガスによって化学的エッチングを行う工程と、
を適宜切り替えて処理を行うことを特徴とする。
【００１０】
ここで、「コア形成基板」とは、既にコア（凸部）が形成（載置）されている基板のことを言う。
【００１１】
また、被コーティング物を高周波投入電極上に「載置」するという操作は、高周波投入電極が下にあり、その上に被コーティング物を置くことを指すばかりではなく、接地電極を下部に、高周波投入電極を上部に配置して、その上部の高周波投入電極の接地電極側の表面に被コーティング物を固定することや、両電極を平行に立設し、被コーティング物を高周波投入電極側に固定することも指す。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、クラッド層を成膜する間に適宜、H2を主成分とするガスによる化学的エッチングが行われる。これにより、コアの上部角部（コーナー）から成長したオーバーハングが除去され、コア間のボイドの生成が抑制される。
【００１３】
このH2を主成分とするガスによる化学的エッチングは、Arガス等によるスパッタエッチングと比較すると、コアに対する影響が少ないという特長を有する。すなわち、従来のArガスによるスパッタエッチングでは、その物理的エッチングが強力であり、コアまでもがエッチングされてその形状が変形することがあるのに対し、本発明ではH2ガスによる反応性エッチングであるため、堆積されたクラッド層のみがエッチングされる。また、エッチング段階におけるエッチング速度が比較的小さいため、トータルとして成膜が比較的高速に行われる。本発明の方法によれば、１分間に10〜500nmの速度で成膜させることができる。また、生成されたクラッド層の膜密度は2.6g/cm3以上とすることができる。
【００１４】
このような本発明の効果は、コアのアスペクト比（高さ／幅）が0.1〜5という広範囲に亘って有効に得ることができる。
【００１５】
本発明の成膜方法によれば、火焔堆積法に対するCVD法の優位性を保持したまま、さらに、コア間のボイドの生成を防止することができる。また、本発明の製造方法では熱処理が不要なため、TEOSとO3の混合ガスを用いた常圧CVD法により製造されたものと比較して、光学特性に優れた光導波路部品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の光導波路部品の製造方法においては、前記の分子中にSi原子を1〜4個含む分子量が30〜220のSi化合物として、TEOS（テトラエトキシシラン、Si(OC2H5)4、分子量208）を、成膜ガスとしてTEOSとO2の混合ガスを用いることができる。分子中のSi原子が4個を超える場合、また、Si化合物の分子量が220を超える場合は、Si化合物の気化が容易でなく、また、Si化合物中に含まれる炭素原子が多くなる傾向があるので、膜中の炭素含有量が多くなり、光導波路部品の光学特性が悪化する。成膜ガスとしてTEOSとO2の混合ガスを用いる場合、両者の流量比はTEOS:O2=1:30程度またはそれ以上が望ましい。流量比が1:30より小さい（O2の流量が少ない）と、膜中の炭素含有量が多くなり、光導波路部品の光学特性が悪くなる傾向がある。
【００１７】
分子中にSi原子を1〜4個含むSi化合物としてはそのほかにメチルトリメトキシシラン（MTMS、分子量136）、メチルトリエトキシシラン（MTES、分子量178）などのアルコキシシラン、モノシラン（分子量32）、ジシラン（分子量62）、トリシラン（分子量92）、テトラシラン（分子量122）などの水素化ケイ素化合物、ヘキサメチルジシラザン（分子量160）、テトラメチルジシラザン（分子量132）などを用いることもでき、また、O2の代わりにオゾン、一酸化窒素や二酸化窒素などの窒素酸化物（NOx）などを用いることもできる。
【００１８】
前記のH2を含むガスとしては純粋なH2ガスを用いることが望ましいが、メタン、酸素、アンモニアなどを10%以下含んでいてもよい。
【００１９】
本発明の光導波路部品の製造方法においては、高周波投入電極に印加する周波数電圧の周波数を、300kHz〜28MHzの内の１種類、または複数の周波数の混合周波数とすることができる。この範囲より低い周波数では光導波路部品がプラズマによってダメージを受ける傾向があり、この範囲よりも高い周波数では膜質が劣化する傾向がある。
【００２０】
本発明の光導波路部品の製造方法においては、成膜時のコア形成基板の温度が0℃〜500℃となるように制御することが望ましい。これよりも高温では、低温で成膜ができるというプラズマCVDを用いることによるメリットが失われ、これよりも低温とすると膜質が劣化する傾向がある。
【００２１】
本発明の光導波路部品の製造方法においては、高周波投入電極に投入する高周波電力を、基板の単位面積あたり0.04〜0.5W/cm2とすることが望ましい。これよりも大きい高周波電力を投入すると光導波路部品がプラズマによってダメージを受ける傾向がある。
【００２２】
本発明の光導波路部品の製造方法においては、化学的エッチングを行う工程におけるH2を含むガスの圧力は10Pa以上が望ましく、30Pa以上がより好ましく、200Pa以上が更に好ましい。H2を含むガスの圧力が10Paよりも低いと、成膜工程に比べてエッチング工程の進行が遅くなるので、コア間にボイドが生じ易い傾向がある。H2を含むガスの圧力の上限は特にないが、成膜ガスとエッチングガスを適宜切り替える必要があることから、300Pa程度以下が好ましい。
【００２３】
上記本発明に係る製造方法では、コア部分のアスペクト比が0.1〜5という広い範囲のプロファイルを持つコアに対して、コア間のボイドを形成することなく、しかもコア自体に損傷を生じさせることなく、高品質の光導波路部品を製造することが可能である。
【実施例】
【００２４】
本発明の一実施例として、図１(a)に示すようなカソードカップリングプラズマCVD装置を用いて光導波路部品を製造する方法を説明する。用いたプラズマCVD装置１０は従来より使用されているカソードカップリング型のものと同様であり、反応室１１内には、ほぼ水平に配置された下部電極１２と、その上部にそれとほぼ平行に配置された上部電極１３が設けられており、下部電極１２にはカップリングコンデンサ１４及びマッチングユニット（MU）１５を介して高周波電源１６から高周波電力が投入される。下部電極１２にはヒータ１７が内蔵されており、ヒータ制御部１８により、下部電極１２上に載置される被処理物１９の温度を40〜500℃の範囲に制御することが可能となっている。
【００２５】
反応ガスは上部電極１３の下面に多数設けられたガス導入孔２０から反応室１１内に導入され、反応後のガス、及び後述する反応ガス切換時の前反応ガスは排気口２１から反応室１１外に排出される。上部電極１３に接続される反応ガス導入パイプ２２には、成膜ガス源及びエッチングガス源の2系統のガス供給源からのガス供給パイプが接続され、各ガス供給パイプには開閉バルブ２３、２４、２５が設けられている。本実施例では、成膜ガスとしてTEOSと酸素O2の混合ガスを使用し、エッチングガスとして純H2ガスを使用する。図１(b)に示すように、TEOSガス源には液体TEOS２７を使用し、容器２８内に収納された液体TEOS２７を約50℃で保持することにより気化して反応室１１に供給する。反応ガス導入パイプ２２は、反応ガス（特にTEOS）の析出を防止するため、約100℃に保持しておく。
【００２６】
高周波電源１６や開閉バルブ２３、２４、２５を含む本プラズマCVD装置の各部の動作は制御装置２６により制御される。
【００２７】
［実施例１］
このようなカソードカップリングプラズマCVD装置１０を用いて、本発明に係る方法により光導波路部品を製造した。まず、下部電極１２上に、コア３０が形成された基板３１（図２(a)）を載置する。ここで用いたコア３０は、幅500nm、高さ500nmのアスペクト比1のものであり、コア間の距離は500nmである。その後、反応室１１を閉じ、ヒータ１７により下部電極１２を約400℃に加熱する。そして、反応室１１内に導入する反応ガスを切り替えることにより、成膜処理とエッチング処理を交互に行う。本実施例における成膜及びエッチングの処理条件を図３(a)に示す。
【００２８】
まず、成膜処理は次のように行う。エッチングガス源のバルブ２５を閉鎖し、成膜ガスバルブ２４と導入口バルブ２３を開放することにより反応室内にTEOSとO2の混合ガスを導入する。反応室１１内が所定の圧力になった時点で下部電極１２に13.56MHzの高周波を900Wの出力で投入する。これにより、基板３１及びコア３０上に厚さ200nmのSiO2膜３２が生成される。この成膜後の状態は図２(b)に示すように、コア３０のコーナーから成長したオーバーハング３２ａが隣接したコア３０のオーバーハング３２ａと繋がる直前の状態となっている。この成膜工程で隣接コア３０のオーバーハング３２ａが繋がってしまうと、次のエッチング工程でオーバーハング３２ａを除去することが困難となるので、予備実験により、ここにおける成膜時間（高周波電力投入時間＝放電時間）は、両コーナーのオーバーハング３２ａが繋がらないような時間とすることが重要である。
【００２９】
エッチング処理は次のように行う。上記成膜処理における高周波電力投入（放電）を維持したまま、成膜ガスバルブ２４を閉じ、エッチングガスバルブ２５を開くことにより、成膜ガスを停止し、エッチングガスであるH2ガスを反応室内に導入する。これにより、図２(c)に示すように、コア３０のコーナーから発達したオーバーハング３２ａが解消されるまでSiO2膜のエッチングを行う。なお、オーバーハング３２ａのように突出している部分には電界が集中しやすいので平坦な部分より優先的にエッチングされる。そのため、このエッチング工程の条件設定は特に難しいものではない。なお、エッチング工程では、成膜工程とは異なる高周波周波数を用いることもできる。
【００３０】
本実施例においては、成膜処理とエッチング処理をそれぞれ４回ずつ繰り返した。このようにして得られた光導波路部品の断面を顕微鏡で観察してコア間のボイドの有無を評価した。評価結果を図４の表に示した。なお、図４の表の評価の基準は次の通りである。
×：コア間にボイドが生じた。
○：コア間に非常に小さいボイドが生じた。
◎：コア間にボイドは全く生じなかった。
【００３１】
本実施例の方法により生成されたクラッド層３２のSiO2膜は、熱処理を施さなくても、波長193nmの光の吸収率が0.3%以下であった。また、膜厚0.4μmにおいて絶縁耐圧が10.0〜18.9MV/cm、体積抵抗率は直流電圧100Vを印加した状態で5.31〜5.71TΩcm、膜密度は2.6〜2.7g/cm3であった。これらの特性は、従来の方法で製造された良質なSiO2膜とほぼ同等である。
【００３２】
［実施例２］
上記の成膜処理とエッチング処理を、それぞれ図３(b)に示すような条件で８回ずつ繰り返してクラッド層を生成した。実施例１では成膜時間とエッチング時間の比が１：１であったが、本実施例ではそれを１：２としてエッチング時間を相対的に長くした。このようにして得られた光導波路部品の断面を顕微鏡で観察して、コア間のボイドの有無を評価した。評価結果を同じく図４の表に示す。
【００３３】
［実施例３］
同様に、図３(c)に示すような条件で成膜処理とエッチング処理をそれぞれ８回ずつ繰り返してクラッド層を生成した。本実施例では、更に、エッチングガスの圧力を実施例２よりも高くした。このようにして得られた光導波路部品の断面を顕微鏡で観察してコア間のボイドの有無を評価した。評価結果を同じく図４の表に示す。また、得られた光導波路部品の断面の写真を図５に示す。
【００３４】
［比較例１］
エッチング処理を含めず、従来通りの成膜処理のみを、図３(d)に示すような条件（基準条件）で行った。このようにして得られた光導波路部品の断面を顕微鏡で観察してコア間のボイドの有無を評価した。評価結果を同じく図４の表に示す。また、得られた光導波路部品の断面の写真を図６に示す。
【００３５】
［比較例２］
図３(e)に示すように、基準条件に加えて、エッチング用のガスとしてArを含ませた反応ガスを用いて成膜を行った。このようにして得られた光導波路部品の断面を顕微鏡で観察してコア間のボイドの有無を評価した。評価結果を同じく図４の表に示す。なお、この比較例２では、コアの形状がやや変形した。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施例で用いたカソードCVD装置の概略構成図(a)、及び、その液体TEOSを用いた成膜ガス源の構成図(b)。
【図２】本発明に係る方法による光導波路部品のクラッド層生成過程を示す断面図。
【図３】実施例及び比較例の処理条件の表。
【図４】実施例及び比較例のコア間のボイドの有無の評価結果の表。
【図５】実施例３で製造された光導波路部品の断面顕微鏡写真。
【図６】比較例１で製造された光導波路部品の断面顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００３７】
１０…カソードカップリングプラズマCVD装置
１１…反応室
１２…下部電極
１３…上部電極
１４…カップリングコンデンサ
１５…マッチングユニット
１６…高周波電源
１７…ヒータ
１８…ヒータ制御部
１９…被処理物
２０…ガス導入孔
２１…排気口
２２…反応ガス導入パイプ
２３…導入口バルブ
２４…成膜ガスバルブ
２５…エッチングガスバルブ
２６…制御装置
２７…液体TEOS
２８…液体TEOS容器
３０…コア
３１…基板
３２…クラッド層
３２ａ…オーバーハング
【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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