(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素オキシ窒化物（ＳｉＯＮ）材料に基づきＰＥＣＶＤプロセスにより平面状の光学的導波管を製造するための方法にして、開始物質として重水素化されたガス状の前駆体が使用され、前記光学的導波管の製造時の全プロセス・ステップにおいて到達した最大温度が５５０乃至８５０℃の温度範囲であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記重水素化されたガス状の前駆体がＳｉＤ4及びＮＤ3である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記重水素化された前駆体の１つだけが使用される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記光学的導波管中の珪素オキシ窒化物における窒素の濃度が３原子％と１５原子％との間である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
前記開始物質としてＳｉＤ4、ＮＤ3及びＮ2Ｏを使用する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
前記光学的導波管が１５５０ｎｍ波長領域において機能する、請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、光学的導波管を製造するときに使用し得る材料に関する。詳しく云えば、本発明は、珪素、酸素、及び窒素を含むそのような材料に関する。更に詳しく云えば、本発明は、そのような材料を含む導波管を製造するための方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
現在、高帯域幅通信は、信号の機能強化、信号経路選択、情報の付加、及び情報の削除のための光ファイバ及び光学的コンポーネントに益々依存している。大容量の通信システムに対する要求は光学的導波管の使用を導いた。光学的導波管は、或る高屈折率材料から作られたコア及びそのコアを囲む低屈折率材料のクラッドから成る。従来の光学的導波管技術では、コア及びクラッドは、屈折率のコントラスト、即ち、クラッド層に関するコア層の屈折率の相違がドーピング・プロファイルによって、例えば、Ｐドーピング又はＧｅドーピングを使用することによって得られるドープされた石英ガラスから作られる。光学的コンポーネントを費用効果の高い方法で大量生産するためには、面密度を増加させることが望ましい。これは、ＳｉＯＮ技術によって得ることができる。平面導波管技術に関する概要は、例えば、IEEE Pro.-Optoelectron誌のVol. 143, No. 5, October 1996, pp. 263-280 における Y.P. Li 氏及び C.H. Henry 氏による「シリカ・ベースの光学的集積回路（Silica-based optical integrated circuits）」と題した論文において得られる。
【０００３】
面密度を増加させるためには、従来の技術に比べて小さい曲げ半径が必要である。しかし、小さい曲げ半径は、直線的な導波管又はファイバにおける光学的モードのガイドよりも強力なガイドを必要とする。これは、コアとクラッドとの間の屈折率のコントラストを増加させることによって達成される。ガラス質材料の屈折率を増加させるための方法に関する例が米国特許第５,５００,６３１号に示され、その特許では、材料が加熱下で水素により処理される。しかし、ＳｉＯ2（シリカ）における  Ｐ、Ｂ、Ｇｅ又は他の不純物による最大ドープ・レベルは得ることができる最大屈折率コントラストを制限し、従って、導波管における達成可能な最小の曲げ半径が存在する。一般的なファイバ及び平面状のＧｅシリカ（ＳｉＯ2）のいずれにおいても、０.００２から０.００６までの範囲における屈折率のコントラストが存在する。これは、一般的には１５mmの曲率半径を可能にする。ＳｉＯＮ技術における屈折率のコントラストは、一般に、０.０２（即ち、３倍乃至１０倍以上）であり、１.５mm以下の曲率半径を可能にする。これは、１００倍の面密度の増加に対応する。最小の曲げ半径と標準ファイバに対する結合損失との間の良好な妥協及びコアとそこから生じるクラッドとの間の材料組成における必要な相違が、例えば、０.０２を中心とした有効屈折率コントラストによって得ることができる。
【０００４】
クラッドが１.４５の屈折率を有するシリカ、即ち、ＳｉＯから作られる場合、コアに対しては、１.５１に近い屈折率を有する材料が望ましい。そのような高い屈折率のコントラストを有する導波管は、珪素−オキシ窒化物（ＳｉＯＮ）コア層を伴って製造され得る。導波管を製造するための材料としてＳｉＯを使用する例は、米国特許第５,４１６,８６１号に示されている。
【０００５】
窒素ドープされた酸化珪素化合物のために、屈折率は、例えば、達成可能な寸法のような他の設計基準に適合するために、非常に融通性のある方法で調節され得る。ＧｅドープされたＳｉＯ2導波管のために使用されるものよりも約１０倍も高い屈折率における比較的に高い有効な側部コントラストが使用され得る。これは、１０倍も小さい曲率半径（１.５mm）が回路レイアウトにおいて使用されることを可能にする。
【０００６】
代表的な製造技法は、ガス状の前駆物質として、シラン（ＳｉＨ4）、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）、及びアンモニア（ＮＨ3）を使用するＰＥＣＶＤプロセスによって珪素オキシ窒化物を析出することである。しかし、その結果生じる材料は高い水素濃度を有する。水素は、水酸基、Ｓｉ−Ｈ基、並びにＮＨ−及びＮＨ2−フラグメントの形で組み込まれる。これらの基及びフラグメントは、更なる吸収を珪素オキシ窒化物の光透過特性に導く。ＮＨ誘導された吸収の第１倍音は１５１０nmにあり、光学的信号伝送のために使用され且つ１５４０nmから１５７０nmまで拡がるスペクトル・ウィンドウと重なる。なお、以下では、スペクトル・ウィンドウは、単に光伝送ウィンドウと呼ばれる。このウィンドウは、光伝送損失が１５５０nm付近で（純度の高い製造により）最小になるという事実、及び（電気−光変換を回避する）ファイバ・ネットワークにおけるすべての光増幅器に対して、唯一の現在利用可能な増幅器がＳｉＯ2ファイバのＥｒ（エルビウム）ドーピングに基づいており、その結果生じた増幅ウィンドウが１５４０−１５７０nmに限定されるという事実により、光伝送のために選択された。従って、光通信周波数に関する一般に容認された標準がこのウィンドウに割り当てられている（参考文献：IEEE Proc.誌のVol. 135, Pt. J, No. 6, December 1988, pp. 385-407 における P. Urquhart 氏による「希土酸化物ドープされたファイバ・レーザ及び増幅器の概要（Review of Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifier）」と題した論文）。
【０００７】
上記のＮＨ吸収の結果、現実的な製品にとって受け容れ難い大きな損失を生じる。従って、水素濃度と、しかも、その結果生じる吸収損失は、現在では、高温アニーリング・プロセスによって減少している。このことは、例えば、MRS Proceedings Book of the 1999 Sping Meeting of the MRS Materials Research Societyにおける MRS Proceedings 誌のVol. 574, pp. 255-260, 1999における「材料研究学会（ＭＲＳ）春期会議１９９９、１９９９年４月５−８日、論文BB.8.3、マルチコンポーネント酸化物に関するシンポジュームBB（Materials Research Society(MRS) Spring Meeting 1999, 5-8 April 1999, Paper BB.8.3, Symposium BB on Multicomponent Oxides）」という文献（ISBN 1-55899-481-5）に開示されている。そのプロセスは、ＳｉＯＮ材料を焼固し、Ｎ−Ｈボンドから水素をＨ2及びＨ2Ｏの形で除去する。一般的なＳｉＯＮ材料（ＳｉＯＮ：Ｈ）では、損失が高いアニール温度又は長いアニール時間により低い値に減少するが、両方の方法とも望ましくない散乱又は結晶化を導くというリスクを伴う。高温アニーリングの更なるマイナス効果は、珪素基板と導波管の材料との間の熱膨張係数の差により生じる異方性応力を導くことである。その応力は、室温と最高アニーリング温度又はアニーリング・ポイントに近い材料特有の温度（いずれにしても低い）との温度差に相関する。その応力は、複屈折及び偏光依存の伝送特性を高め、ほとんどのアプリケーションにとって望ましくない。
【０００８】
低い水酸基（−ＯＨ）要素を有するガラスを製造するために水素の代わりに重水素を使用することがファイバ生産の分野において知られている。水素の存在のもとで作られたガラスには通常存在する水酸基は、イオンＯＤを含む重水素によって置換される。約７０００オングストロームの帯域幅の光を送るために導波管が使用される時、通常、水酸基イオンの存在により生じる吸収のピークは、吸収が困難ではない長い波長にシフトされる。従って、米国特許第３,７９１,７１４号は、シリコン・テトラクロライドのような珪素化合物を含む液体を通過した重水素ガス又は重水素化合物のガスを使用したフレーム加水分解プロセスによるＳｉＯ2導波管の製造を開示している。その結果生じた蒸気は、回転マンドレル上に二酸化珪素の膜を析出するために高温（約１８００゜Ｃ）で燃焼され、その結果、通常のＯＨ基の代わりにＯＤボンドを含む「煤」析出を生じる。
【０００９】
米国特許第５,８７２,３８７号は、動作特性を改良するために重水素でもって処理されるＭＯＳデバイスを含む半導体装置を開示している。そのプロセスは、ホット・キャリア効果に対する保護が望ましいデバイスの領域に分子、原子、又はイオンの重水素を析出することによって重水素を持ったデバイスを不動態化するステップを含む。重水素は、安定して組み込まれるようにこの領域における原子と共有結合される。
【００１０】
プレート・プラスティックスの光学的導波管が米国特許第５,０６２,６８０号に開示されている。この光学的導波管は、重水素原子又はハロゲン原子を含む重合体から構成されたコア部分及びそのコア部分を囲むクラッド部分を含み、そのクラッド部分は、コア部分の屈折率よりも小さい屈折率を有する重合体から構成される。
【００１１】
米国特許第５,８７２,３８７号は、加熱した重水素ガスの濃縮した雰囲気における製造後の不動態化を開示するだけであり、米国特許第５,０６２,６８０号は、光学的導波管を作るために重水素を含む重合体を使用しているけれども、米国特許第３,７９１,７１４号の主とした不利な点は、そこで与えられたプロセスに従って準備された光学的導波管が依然として水酸基を含み、導波管をファイバの形で製造するように適用し得るだけである、ということである。従って、極めて小さい光学的損失及び非常に低い機械的応力を有するＳｉＯＮ材料に基づいてスラブ（ｓｌａｂ）の光学的導波管に対する要求が依然として存在する。
【００１２】
【発明の開示】
本発明の目的は、動作領域における光学的損失が極めて小さい平面状の光学的導波管として適用するための珪素−オキシ窒化物（ＳｉＯＮ）層を提供することにある。
【００１３】
更に、本発明の目的は、そのような平面状の光学的導波管を製造するための低温プロセスを提供することにある。
【００１４】
本発明の更なる目的は、そのような平面上の導波管を低コストの量産技術で製造するための技法を提供することにある。
【００１５】
本発明の更なる目的は、小さい機械的応力及び非常に減少した応力関連の複屈折を示す光学的導波管を提供することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、通常のＣＭＯＳ技術に統合され得る珪素酸化物ベースの光学的導波管を提供することにある。
【００１７】
これらの及び他の目的並びに利点は、請求項１に記載された材料及び請求項５に記載された方法によって達成される。本発明の望ましい実施例は従属項に記載される。
【００１８】
上記の目的を達成するために、請求項１に示されるように、平面状の光学的導波管を製造するための新しい材料が提案される。
【００１９】
【発明を実施するための最良の形態】
珪素−オキシ窒化物（ＳｉＯＮ）層は、１５５０nm波長領域において平面状の光学的導波管として機能することができる。光学的にガイドするＳｉＯＮ導波管コア層は、１.５００という比較的に高い屈折率を有し、１.４５０という低い屈折率を持った２つの珪素酸化物のクラッド層の間に挟持される。ＳｉＯＮ層は、シラン、亜酸化窒素、及びアンモニアをガス状の前駆体として使用して、ＰＥＣＶＤにより析出される。コア層とクラッド層との間で得られる屈折率の大きな差のために、１.５mmほどの小さい曲率半径を持った導波管の曲がりが実現され得る。これは、コンパクトで比較的複雑な集積された光学的導波管装置を可能にする。
【００２０】
水素化された前駆体のために、現在の技術水準の一般的なＳｉＯＮ層（以下では、ＳｉＯＮ：Ｈと呼ばれる）は、３３５０cm-1の波数における固有の赤外線吸収を伴った多数のＮ−Ｈボンドを含む。この周波数の第１倍音は１５１０nmの波長において見られ、それの低エネルギ・テールは、関連の波長領域（１５４５乃至１５６５nm）における望ましくない吸収損失を導く。図１は、析出ＳｉＯＮコア層を有する現在の技術水準の平面上のスラブ導波管構造の一般的な吸収スペクトルを示す（ＳｉＯＮ：Ｈ；  下側の曲線）。アニールされてないＳｉＯＮ：Ｈ材料に対する一般的な損失は、１５１０nmにおいては１０dB/cmであり、１５５０nmにおいては１.０−１.２dB/cmである（アニールされてない材料よりも１０倍も高い）。Ｎ−Ｈボンドは、ほぼ１１４０゜Ｃの温度おける窒素大気の流れの中でＳｉＯＮ層をアニールすることによって大部分除去され得る。しかる後、１５１０nmにおけるピーク損失が１.０dB/cmの値まで減少し、１５４５nm及び１５６５nmの間の損失が、図２に示されるように、０.１５±０.０５dB/cmという代表的な値まで減少する。
【００２１】
しかし、この高温アニーリング・プロセスは高価な製造ステップであり、それは、更に、ウェハー・ターンアラウンド・タイムを低下させる。更に、形成される応力は、不適当な組み合わせの熱膨張のために、弛緩した層を高温から冷却する動作に追従する。誘起された応力の影響の結果、応力関連の偏光依存（複屈折）を生じる。その上、導波管の製造は「高温」プロセスであるので、これらの高温に耐えることができる特別の基板材料しか使用し得ない。
【００２２】
従って、本発明は、重水素化されたＳｉＯＮ材料（以下では、ＳｉＯＮ：Ｄと呼ばれる）を使用することによって、ＳｉＯＮ材料に基づく平面上のスラブ光学的導波管を製造するための「低温」プロセスを提案する。本願における「低温」は、全プロセス・ステップにおける予測される最高温度が５５０−８５０゜Ｃの範囲にあって、高密度化ステップを含み且つ機械的応力を調和させることを意味する。５５０−８５０゜Ｃの「高密度化ウィンドウ」は、ＳｉＯＮ：Ｄ特性を安定化するためにも有用であろう。ＳｉＯＮ：Ｄ材料を使用することによって、１４００゜Ｃにおける上記のアニール・サイクル（２２時間を必要とする）が不要になる。従って、作業の流れは簡素化され、しかも広い温度ウィンドウの使用が許されるので、幅広いプロセス・ラチチュードが与えられる。更に、提案された方法は、更なるハイブリッド統合のために光学的導波管を通常のＣＭＯＳプロセスに統合する可能性を提案する。
【００２３】
それに加えて、酸化層スタックにおける小さい機械的応力が得られ、ＳｉＯＮ：Ｄ材料における圧縮応力の算定された低下は、約−２７０から−８０ＭＰａ（図３参照）までの係数３.５の差となる。ＳｉＯＮ：Ｈ材料に対する代表的な値は−１２０ＭＰａ（成長時）及び−２７０ＭＰａ（１１４５゜Ｃのアニールの後）である。それとは対照的に、本発明によるＳｉＯＮ：Ｄ材料に対する値は−１１５ＭＰａ（成長時）であり、アニールの必要がない。図３に示された−８０ＭＰａという計算されたアニールされてないＳｉＯＮ：Ｄの値は、本発明が得られた時における最善の見積に基づいており、現在引証される値は、−１１５±１０ＭＰａを有する３つのＳｉＯＮ：Ｄウェハーに基づいている。上記の応力値は、ＳｉＯ2（低いクラッド）ベース層における平面上のＳｉＯＮ：Ｄ及び平面上のＳｉＯＮ：Ｈに関係している。正規の導波管装置に関して、これらのＳｉＯＮ：Ｘ層（Ｘ＝Ｈ、Ｄ）は、酸化物三重層を形成するためにトップ・クラッドＳｉＯ2層でもって覆われる。このＳｉＯＮ：Ｘのオーバグロースは、その酸化物サンドイッチ構造を機械的に更に対称的なものにし、従って、残留応力を小さくして応力関連の複屈折を小さくする。
【００２４】
本発明のＳｉＯＮ：Ｘ三重層の導波管装置が−８０乃至−１００ＭＰａの圧縮応力においてゼロ複屈折（又は、無関係の偏光）を有すると推定されるが、図４にはこの複屈折を推定させるものが示される。小さい応力値又は引張り応力値は層分離、剥離、及び構造的な欠点を導き易いので、機械的に完全な状態に保つためには、多層化されたデバイスの場合、極めてわずかな圧縮応力が有利であろうということが注目される。従って、損失低減手順が温度履歴を決定し、従って、残留応力を決定するというアニールされたＳｉＯＮ：Ｈよりも、本発明によるＳｉＯＮ：Ｄの方がずっと良好に機械的に調整する機会を提供する。
【００２５】
この新しい方法が、アニールされてないＳｉＯＮ：Ｈ材料を使用する時の既存の利点を提供するということ、即ち、Ｎ−Ｈ損失を排除し（図２における下側の曲線を参照）、従って、ＳｉＯＮの光ＩＣに対して幅広い波長ウィンドウを開き、ＳｉＯＮの高い屈折率と関連して１.５mmほどの曲率半径を実現する等の利点を提供するということは注目されるべきである。
【００２６】
既に前述した現在の技術水準のプロセスに比べて、本発明による方法は、水素を重水素でもって置換することによって、開始物質を変更せずに重水素化されたガス状の前駆体、即ち、ＳｉＤ4及び（又は）ＮＤ3を使用して直ちに開始する。遂行される作業は、１５１０nmにおける通常のＮ−Ｈ損失に対する最大の貢献事項がＮ−Ｈ前駆体から始まるということを証明している。ＮＤ3を前駆体として使用してプロセスを開始させることは、ＳｉＯＮ：Ｈのアニールされた通常の値まで損失を少なくする。水素化された前駆体、ＳｉＤ4及びＮＤ3の両方を使用することは、一般的にアニールされたＳｉＯＮ：Ｈ材料の５倍以上も損失を少なくする。わずかな量の重水素化されたガスしか消費されず、従って、そのプロセスは非常に費用効果が高いと云わねばならない。現在のプラズマ析出プロセスは、完全なＳｉＯＮ：Ｄコアの４インチ（１０.１６cm）ウェハー当たり、３リットルのＮＤ3及び３０リットルの２％ＳｉＤ4（Ｈｅにおいて希釈された）を消費する。これは、標準のガス・シリンダからの約３３０個の完全な４インチＳｉＯＮ：Ｄウェハーを意味する。
【００２７】
窒素の取り込み、即ち、「Ｎドーピング」は、屈折率に関して、Ｂ、Ｐ、又はＧｅドーピングよりもずっと強い効力を有する。それは、Ｂ、Ｐ、又はＧｅのような軽い添加物とは対照的に、Ｎドーピングがホスト材料を連続的に変化させるためである。屈折率に関する窒素の効果は約１０倍も強い。従って、１.５mmの半径までの十分な光学的「曲げ」が、１.５１０の屈折率において８.０±１％のＮという窒素原子の含有時に得られる。窒素の望ましい範囲は、約３乃至１５原子％である。その３％の下限は、導波管半径において一般的なＧｅ：ＳｉＯ2を越える利点を与え且つ容易に検出可能であり、上限としての１５％は約０.５ミリの半径を与えるであろう。
【００２８】
ＳｉＯＮ：Ｄ材料の相対的な原子フラクション［％］における望ましい組成は次のようになる。例えば、「Ｎ原子フラクション」は、Ｎ原子の量をＳｉ、Ｏ、及びＮ原子の和により除したものである。
【表１】
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【００２９】
前に説明したように、ＳｉＯＮ導波管を製造するための前駆体、即ち、ＮＨ3及びＳｉＨ4の１つ又は両方が重水素化され得る。赤外線の吸収及び光学的損失の評価では、５つの前駆体の混合物が使用された。次表は、標準のアニールされた水素化ＳｉＯＮ：Ｈ材料（Ｍ１）に比較した改良の要素を示す。
【表２】
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【００３０】
Ｍ４における「他の化学作用」は、ＳｉＨ／ＮＨ／ＮＯ（又は、それのＤアイソトープ）を使用する通常のプラズマ化学が存在せず、むしろ、ＮＨのないＳｉＨ／ＮＯを使用するプラズマ化学が存在することを表す。従って、化学反応又は合成は異なる。
【００３１】
これは、ＳｉＯＮ：ＨにおけるＮ−Ｈの断然大きな貢献が現在のＳｉＨ4／ＮＨ3／Ｎ2Ｏ混合物におけるＮＨ3ガスから始まることを表す。
【００３２】
アニール後の標準ＳｉＯＮ：Ｈ水素化の結果に比較して、５乃至７倍の１５１０nmにおける光学的損失の改善がアニールすることなくセットＭ２でもって得られる。dB/cmにおける損失の形態が次表（図２も参照）において比較される。
【表３】
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【００３３】
本発明による方法は、次のようなステップを含む。
（Ａ）高温度における酸素拡散によってシリコン・ウェハーを定義された厚さに酸化する；
（Ｂ）ＳｉＯＮ上に導波管層をプラズマＣＶＤにより析出する；
（Ｃ）ＳｉＯＮコア層におけるリソグラフィ及びエッチングを介してリッジ構造を形成する；
（Ｄ）プラズマＣＶＤ又はサーマルＣＶＤによりコア／リッジ構造のｉ番目をオーバグロース層にする；
（Ｅ）複屈折を調整するためにオーバグロース層を高密度化する；
（Ｆ）ウェハーを個々のチップにダイシングし、個々のデバイスの光学的入出力ファセットを研磨する。
【００３４】
図３は、圧縮応力を温度の関数として示す。本発明による材料（ＳｉＯＮ：Ｄ）が一般的に作られた材料（ＳｉＯＮ：Ｈ）よりもかなり低い応力値を有することがわかる。
【００３５】
図４には、導波管における圧縮応力に基づく複屈折の算定された依存性に関するプロットが示される。本発明による材料に対して約−８０ＭＰａという値を仮定すれば、その結果生じる複屈折が徹底的に少なくなるは明らかに認識し得ることである。
【００３６】
提案された方法の顕著な利点は、ＳｉＯＮにおけるＮ−Ｈ関連の吸収の完全な除去であり、それは、広い光学的帯域幅を持つ超低損失の材料に通じる。提案された技法は、次の２つの理由のために、ＰＥＣＶＤにおいて実施される時の低コストの大量生産技術である。即ち、
（ｉ）少量の重水素化ガスしか消費されない；及び
（ii）高温アニーリングのような高価な製造処理ステップが除去される。
従って、高速のウェハー・ターンアラウンド・タイムが得られる。
【００３７】
アニール・サイクルの回避は、プロセスの作業フローを簡素化し、しかも、幅広い温度ウィンドウの使用を可能にして、応力関連の影響を更に少なくするために他のクラッド／焼結処理（高密度化）の設計を可能にするので、幅広いプロセス・ラチチュードを与える。その新しいプロセス・ラチチュードは、応力調節のための穏やかな熱循環を慎重に最適化するために使用され、更なるハイブリッド統合のために光学的導波管を通常のＣＭＯＳプロセスに統合する可能性を提供する。応用例は、光学的クロック分配、光学的レシーバ、又は温度調整のためのパワー・ドライバであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるＳｉＯＮ：Ｄ材料に比較して通常のＳｉＯＮ：Ｈ材料のＮＨ吸収帯域を示す赤外線スペクトルである。
【図２】  現在の技術水準に従ってアニールされたＳｉＯＮ：Ｈ材料に比較してＳｉＯＮ：Ｄのスラブ伝播損失を示す。
【図３】  本発明による材料に比較して現在の技術水準の材料に対する圧縮応力を温度の関数として示す。
【図４】  算定された複屈折のプロットを圧縮応力に従って示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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