(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持シリコン基板中の多孔質シリコンの領域と、
該多孔質シリコンの領域上に形成され、各々がコア、クラッドおよび該クラッド上に形成されたヒータを含む複数の導波路であって、下側クラッド層、その上の複数個のコア、およびその上の上側クラッド層を順次形成し、該上側クラッド層の表面上にそれぞれのコアに対応するヒータを形成し、および該ヒータが形成された後に、隣接するコア間の上側および下側クラッド層を除去することにより製作される複数の導波路とを有し、
該複数の導波路の各々は、該多孔質シリコンの領域により支持されていることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記多孔質シリコンの領域が、５０％より大きく９５％より小さい多孔度を有することを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項３】
前記多孔質シリコンの領域が、５０％より大きく７０％より小さい多孔度を有することを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項４】
前記光デバイスが、波長アド／ドロップ（ＷＡＤ）デバイス、ダイナミック波長イコライザ、マッハゼンダ干渉計、調節可能フィルタ、およびＹブランチスイッチのいずれかであることを特徴とする請求項２記載の光デバイス。
【請求項５】
前記導波路を構成する上側および下側クラッド層ならびにコアが、プラスチックであることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デバイスに係り、特にヒータに結合された光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信システムは、さらに普及してきた。光ファイバそれ自体に加えて、光ファイバ通信システムは、光信号を受信し、送信しかつ使用するための多様な光デバイスを使用する。１つのタイプの集積された光デバイスは、シリコン基板上に形成されたシリカ光回路である。そのようなデバイスの基本構造は、Henry, C.H. 等による“Silica-based optical integrated circuits," IEE Proc.-Optoelectron, Vol. 143, No. 5, pp. 263-280 (1996)に説明されている。
【０００３】
サーモオプティックスイッチのような所定の光デバイスにおいて、ヒータが、デバイスの屈折率の変化に影響を与えるために使用されている。デバイスの屈折率の変化は、デバイスを通って伝達される信号の位相を変化させる。光デバイスの屈折率の制御された変化に影響を与えるためにヒータを使用することは、伝達される光信号の位相における制御された変化に影響を与えるための１つの方法である。光信号の制御された位相変化を誘導することは、様々なコンテキストにおいて有用である。いくつかのデバイスにおいて、制御された位相変化は、光デバイスを調節するために誘導される。他のデバイスにおいて、制御された位相変化は、スイッチングメカニズムとして使用される。
【０００４】
サーモオプティックスイッチの例は、Ｎ×Ｎ光スイッチおよびアド／ドロップ（add/drop）マルチプレクサを含む。サーモオプティックスイッチにおいて、薄膜ヒータが、典型的にはプレーナ導波路である光デバイス上に形成される。プレーナ導波路は、基板上に形成された第１のクラッド層を含む。コアは、第１のクラッド層上に形成される。そして、第２のクラッド層が、コア上に形成される。そして、薄膜ヒータが、第２のクラッド層上に形成される。薄膜ヒータは、デバイス動作のためのコアおよびクラッドの屈折率の所望の変化に影響を与えるために使用される。
【０００５】
デバイスにおける所望の位相変化を生じさせるために、導波路の温度が増大される。しかし、導波路は、良好な熱伝導体であるシリコン基板と密接に接触している。したがって、シリコン基板が導波路から熱的にアイソレートされていない場合、導波路温度における局所的変化に影響を与えることが困難であり、ヒータにより消費される電力は大きくなる。
【０００６】
マッハゼンダ（mach-Zehnder）導波路干渉デバイスのような多くのデバイスは、所望のデバイス動作に影響を与えるために独立に加熱されるべき複数の分岐またはアームを有する。例えば、２アームマッハゼンダデバイスにおいて、各アームからの信号間に所望の差動的位相変化を生じさせるために、一方のアームが加熱され、他方のアームが加熱されない。シリコンは良好な熱伝導体であるので、シリコンは、加熱されたアームと加熱されないアームとの間の温度平衡を促進し、これは望ましくない。したがって、シリコンベースドプレーナマッハゼンダデバイスのアームを互いに熱的にアイソレートする試みがなされてきた。
【０００７】
１つのアプローチにおいて、導波路を基板から熱的にアイソレートするために、導波路の下にトレンチがエッチングされる。しかし、トレンチはデバイスの冷却時間を増大させ、デバイスをその非スイッチ状態に戻すために要する時間を増大させる。スイッチ状態は、加熱された状態である。トレンチアプローチの別の欠点は、過剰なステップに関係する製造の複雑さである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、基板により伝えられる加熱された導波路からの熱の流れを制御する方法が求められている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、加熱がデバイスの屈折率の所望の変化を熱的に誘導するために使用される光デバイスについてのものである。このデバイスは、シリコン基板中に形成された多孔質シリコンの領域上に形成される導波路である。多孔質シリコン領域は、シリコン酸化物の熱伝導性よりも小さい熱伝導性を有する。したがって、加熱される導波路がシリコンまたはシリコン酸化物のいずれかの上に形成された場合に伝導される熱よりも、少ない熱が、多孔質シリコン領域上に形成された加熱された導波路から伝導される。
【００１０】
光デバイスは、まず、シリコン基板中に少なくとも１つの多孔質シリコンの領域を形成することにより製造される。基板中に多孔質シリコンの領域を形成するための方法は当業者に良く知られている。多孔質シリコンが電解プロセスを使用して形成される場合、好都合である。電解プロセスにおいて、シリコンは、電解溶液中で電解薄膜を施される。そのような技法は、Unagmi, T.等による“An Isolation Technique Using Oxidized Porous Silicon," Semiconductor Technologies, Vol. 8, Chap. 11, pp. 139-154 (OHMSHAT and North Holland Publishing Company 1983）に示されている。
【００１１】
シリコン基板は、その中に多孔質シリコン領域を形成するために、選択的に電解薄膜を施される。基板は、電解薄膜を施される前に、シリコン基板上にマスクを形成することにより、選択的に電解薄膜を施される。マスクは、その中に少なくとも１つの開口を有する。下にあるシリコン基板表面は、そのような開口を通して露出される。
【００１２】
同様に、多孔質シリコン領域の多孔度は、設計的選択事項である。材料の多孔度は、基板（例えば、シリコンウェハ）のドーピングレベルおよび多孔質領域を形成するために使用する電解薄膜形成条件により制御される。印加電圧および関連する電流密度並びにＨＦ溶液の濃度およびｐＨ値のような電解薄膜形成条件は、所望の多孔度を得るために選択される。適切な多孔度の範囲は、２つの要因、即ち低い熱伝導度および機械的安定性により主に決定される。
【００１３】
多孔質シリコンは、シリコン酸化物の熱伝導度（１．４Ｗ／ｍＫ）よりも低い熱伝導度を有するように十分に多孔質でなければならない。これに関して、多孔度が少なくとも約５０体積％である場合好都合である。原則として、多孔度が高いと、熱伝導度は低くなる。G. Gesele, G,等によるJ. Phys, D: Appl. Phys., Vol. 30, pp. 2911-2916 (1997) を参照のこと。したがって、より高い多孔度は、より低い熱伝導度を提供するので好都合である。
【００１４】
所定の実施形態において、多孔質シリコンは、後続の処理の厳しさに耐える必要のみがある。これらの実施形態において、約９５％までの多孔度が適切である。多孔質シリコンの構造的な要求がより厳格である他の実施形態において、９０％までの多孔度が意図される。これは、厚い（即ち、約５μｍより厚い）多孔質層は、もろく、その上に形成される光デバイスのための必要なサポートを提供しない。
【００１５】
多孔質シリコン領域の寸法は、主に設計的選択事項である。多孔質シリコン領域の深さおよびサイズは、その領域上に後で形成される導波路のサイズおよびそのようなデバイスにおいてヒータにより生成される熱の量に依存する。目的は、加熱された導波路から基板に伝導される熱を阻止することであるので、導波路により生成される熱の量が大きくなると、多孔質領域により提供されるべき熱伝導度に対する抵抗が大きくなる。前述したように、熱伝導度に対する多孔質シリコンの抵抗を増大させる１つの方法は、その多孔度を増大させることである。別の方法は、熱が多孔質シリコン領域を通して基板に伝わるべき距離（即ち、多孔質シリコン領域の厚さ）を増大させることである。
【００１６】
多孔質シリコン領域が基板上に形成された後、光デバイスが完成される。多孔質シリコン上に形成されることによる利益のあるデバイスの例は、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）システムのための波長アド／ドロップ（ＷＡＤ）、Ｅｒドープドファイバ増幅器システム中の色等化のためのダイナミック波長イコライザ、マッハゼンダ（ＭＺ）ベースドスイッチ、調節可能フィルタ、およびＹブランチスイッチを含む。
【００１７】
多孔質シリコン領域の厚さおよび多孔度は、デバイスの効率（即ち、スイッチさせるために必要な熱の量）とデバイスの速度とをバランスさせるように選択される。シリコン基板（熱シンクとして機能する）からのエレメントの絶縁を良好にすると、デバイスの加熱された部分から熱が消散するのにより長い時間がかかり、動作の周波数が低下する。
【００１８】
また、多孔質シリコン領域上に導波路を形成するために使用されるプロセスは、多孔質シリコンプロセスとコンパチブルでなければならない。これは、多孔質シリコン上のデバイスのクラッドおよびコアを形成するためのプロセスが、多孔質シリコン領域にダメージを与える条件を要求することができないことを意味する。例えば、クラッドおよびコアが多孔質シリコン領域上に堆積される温度範囲は、多孔質層を分解させることになる温度を含むことができない。標準的低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）技法を使用して多孔質シリコン領域上にコアおよびクラッドを形成することは、多孔質シリコンに許容できないダメージを与えることにはならない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、シリコン基板の多孔質シリコン領域上に形成される熱生成エレメントを備えた導波路を含む光デバイスに関する。多孔質シリコンは、加熱されたデバイスからの熱の流れを制限する。したがって、熱が熱生成エレメントからシリコン基板に流れるレートが、多孔質シリコン領域により低減される。導波路がシリコン基板上に直接的に形成された場合よりも熱が低減されたレートでヒータから流れるので、導波路の温度が、ヒータによる電力消費における騒音の増大がない場合よりもより速いレートで増大する。
【００２０】
様々な光デバイスは、デバイス中の所望の応答に影響を与えるために使用される熱生成エレメント（例えば、薄膜ヒータ）を有する。そのようなデバイスは、当業者によく知られており、ここで詳細に説明しない。導波路の上面に配置されたヒータを有するデバイスの例は、ＭＺ干渉計を含む。ＭＺ干渉計において、デバイスの一方のアームを加熱し、他方のアームを加熱しないことは、デバイスの２つのアーム中を伝達される光信号間に位相差を生じさせる。
【００２１】
アームを加熱することは、その屈折率を変化させる。屈折率の変化は、加熱されたアーム中を伝播する光信号の位相遅れを増大または減少させる。ＭＺ干渉計はアド／ドロップフィルタおよび利得イコライザのような他のデバイス中に含まれる。アド／ドロップフィルタにおいて、ビルトインＭＺは、チャネルを別のアームにパスまたはスイッチするために使用される。利得イコライザにおいて、ヒータは、デバイスのアーム中を伝播する信号間の位相シフトを制御し、したがってアームの各々の中を伝播する光の量を制御する。
【００２２】
図１は、その上に形成された薄膜ヒータを備えたプレーナ導波路の概略構造を示す。これは、３つの層、即ちコア層１０、上側クラッド層１１および下側クラッド層１２からなる。一実施形態において三層全てがシリカガラスである。代替的な実施形態において、これらの層はプラスチックである。コア層は、リンでドープされる。個々の層の厚さは、設計的選択事項である。特定のアプリケーションのための適切な厚さは、当業者により容易に決定される。
【００２３】
導波路は、シリコン基板２０中に形成された多孔質シリコン１５の領域の上に形成される。多孔質シリコンの領域は、所望の多孔質シリコン領域をマスクによりこれらの領域を露出させることにより規定するパターン化された材料層を堆積させることにより形成される。マスク材料が基板上に堆積され、そしてパターン化される。そして、マスクを設けられた基板は、電解被覆処理槽中に置かれる。電解被覆処理槽中に曝された基板の部分は、多孔質シリコンに変換され、マスクによりカバーされた領域は変換されない。
【００２４】
様々なマスク材料が適切であると考えられる。適切なマスク材料の例は、フォトレジスト、窒化物、酸化物およびシリコンのカーバイト、ポリシリコン、ＨＦ溶液中で溶解しないもの（例えば、金、プラチナ等）を含む。異なるマスク材料は、ＨＦに対して異なるエッチ抵抗を有し、所望のエッチ時間およびプロセスの複雑さに従って選択されなければならない。
【００２５】
多孔質シリコンの領域が基板上に形成された後、上述したように、プレーナ導波路が、多孔質シリコン領域上に形成される。薄膜ヒータ２５は、プレーナ導波路の上側クラッド層１１上に形成される。
【００２６】
実施例
０．０１Ω−ｃｍの抵抗率でドープされたシリコンウェハが、清浄にされ、エネルギセンシィティブレジスト材料、Marlborough, MA のShipley Co. から得られたShipley 1822でコートされた。エネルギセンシィティブ材料の層は、標準条件を使用してシリコン基板上に形成された。
【００２７】
パターンが、エネルギセンシィティブ材料中に描かれた。パターンは、一連の線およびスペースであり、線は３５μｍの厚さおよび２．８ｍｍの長さを有した。線は、１７５μｍの中心線間距離を有した。パターンは、標準的リソグラフィ技法を使用してエネルギセンシィティブレジスト材料中に描かれた。まず、レジストをパターン化された放射に露出させることにより、エネルギセンシィティブ材料中にイメージが転写された。
【００２８】
そして、イメージは、放射に露出されたエネルギセンシィティブ材料の部分を除去することにより、パターンに現像された。エネルギセンシィティブ材料の部分を除去して、それらの部分の下にあるシリコン基板の表面を露出させた。除去された部分の寸法は、パターン中の線の寸法に一致した。この実施例において、多孔質シリコンの領域を否定するために使用された同じマスクが、導波路上にヒータを形成するためのマスクとして使用された。
【００２９】
パターンが現像された後、レジストは１５０℃で２分間ベークされた。これは、後続の処理においてレジストの安定性を増大させるために行われた。
【００３０】
そして、その上にパターン化されたマスク層を有する基板が、電気化学的にシリコンをエッチする１組の条件を受けた。ここで使用された電気化学的セルは、標準ダブルタンクセルであった。このタイプのセルは、Lang, W.等によるSensors and Actuators A 51, pp. 31-36 (1995)に示されている。ダブルタンクセルにおいて、ウェハは、その両面が溶液中に浸されるようにＨＦ溶液中に浸され、ウェハは２つのハーフセル間のバリアを形成した。
【００３１】
２つのプラチナ電極が、ウェハの両面の各ハーフセル中に配置された。ウェハの背面に対する電気的接触は、電解質的に形成され、対応するプラチナ電極はアノードであった。他方のハーフセル中のプラチナ電極は、陰極電位であった。２つのプラチナ電極は、ウェハを通る電流を駆動する電源に接続された。ウェハの前面は、電解的にエッチされ、多孔質シリコンがマスクでカバーされていない領域に形成された。
【００３２】
電解液は、３５重量％のフッ化水素酸（ＨＦ）のエタノイック（ethanoic）溶液であった。いくつかの異なる電流密度が使用された。５ｍＡ／ｃｍ2 の電流密度は、０．３μｍ／分のエッチレートおよび約７０％の多孔度を提供した。４０ｍＡ／ｃｍ2 の電流密度は、１．４μｍ／分のエッチレートおよび約８０％の多孔度を提供した。５−１０μｍの厚さの多孔質層が形成された後、電流はシャットオフされ、基板ウェハは、セルから取り除かれた。マスクは、基板表面からはぎ取られた。レジストマスクは、標準的誘起レジストストリッパの槽の中で除去された。
【００３３】
多孔質シリコン領域が基板中に形成された後、基板は３００℃に加熱され、酸素雰囲気中で２時間保持された。そして、基板は、１０００℃で１時間酸素を含む雰囲気中に置かれた。多孔質シリコンは、酸化されたが、垂直方向に測定できるようには大きくならず、即ちそれは基板表面と平坦なままであった。多孔質シリコン表面は、基板表面の残りの部分に比べて高さを増大または減少させなかったので、多孔質シリコン領域の存在によりさらに処理が複雑化されることはなかった。
【００３４】
そして、シリカの層が基板上に堆積された。シリカは、低圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）を使用して堆積された。シラン前駆ガスがＣＶＤプロセスにおいて使用された。シリカ膜は、約１５μｍの厚さを有した。シリカ層は、光デバイスのボトムクラッドとなった。
【００３５】
ドープされたガラス材料の層が、ボトムクラッド層上に堆積された。ドープされたガラスは、７重量％のリンでドープされたシリカであった。ドープされたガラス材料は、ＬＰＣＶＤで堆積された。ドーパントは、ガラスの本来の場所に導入された。
【００３６】
そして、光デバイスのコアは、ドープされたガラス層をパターン化することにより形成された。エッチマスク層がドープされたガラス層の上に形成された。そしてエッチマスク層がパターン化されて、エッチマスク層の残る部分が形成される光デバイスのコアを規定した。そして、ドープされたガラス材料は、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用してエッチされた。エッチングの後に、残ったドープされたガラス層の部分が光デバイスのコアとなった。そして、ＲＩＥエッチマスクの残った部分が、除去された。
【００３７】
シリカガラスの別の層が、基板上に形成された。シリカガラスの層は、テトラエチルオーソシリケート（ＴＥＯＳ）前駆ガスからＬＰＣＶＤを使用して堆積された。ガラス組成は、ホウ素（５重量％）およびリン（２重量％）でドープされたシリカであった。
【００３８】
そして、薄膜ヒータが、上側クラッド層上に形成された。薄膜ヒータは、上側クラッド層上にクロムの層をスパッタすることにより形成された。クロム層は、２００ｎｍの厚さを有した。ヒータは、クロム層中にリソグラフィで規定された。エネルギセンシィティブレジスト材料の層が、クロム層の上に形成され、通常の材料および方法を使用してパターン化された。そして、パターン化されたレジスト材料は、パターンを下側にあるクロム層に転写するためのエッチマスクとして使用された。
【００３９】
ヒータが上側クラッド層上に形成された後、基板は、個々の導波路間のシリカガラスを除去するために選択的にエッチされた。これは、基板をマスキングし、導波路間のシリカガラスを選択的にエッチングすることにより行われた。マスキングおよびエッチングのステップは、通常のものであり、ここで詳細には説明しない。
【００４０】
そして、金属電極がヒータ上に形成された。金属電極は、前述した構造上にチタン（１００ｎｍ）、プラチナ（２００ｎｍ）および金（５００ｎｍ）の層を逐次的にスパッタすることにより、ヒータのほぼ中央に形成された。そして、これらの層は、基板上に以前に形成されたクロムヒータに対する電気的な接点を形成するようにパターン化された。
【００４１】
本発明は具体的な実施形態および実施例について説明した。これらの実施形態および実施例は、本発明の例示のためであって、本発明を限定する意図はない。
【００４２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、基板により伝えられる加熱された導波路からの熱の流れを制御する方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による多孔質シリコンの領域上に形成された光デバイスの一例を示す図
【符号の説明】
１０  コア層
１１  上側クラッド層
１２  下側クラッド層
１５  多孔質シリコン
２０  シリコン基板
２５  薄膜ヒータ
【図１】
0004152571.tif 000002