JP2012112984A - 光導波路、光導波回路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リッジ構造やブリッジ構造など有する光導波路においては、コアから外部環境までの距離が非常に短く、コア周辺のクラッドを構成するＰＳＧやＢＰＳＧの湿気による変質は、屈折率や応力変化をもたらし、光導波路の特性を容易に変化させてしまう。そこで本発明は、コア周辺のクラッドの湿気による変質を防止することが可能な光導波路、光導波回路およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 光が導波するコアと、コアを覆うクラッド層と、クラッド層の露出部分を覆う湿性部材とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光導波路、光導波回路およびその製造方法に関し、特に熱光学位相シフタにおける光導波路、光導波回路およびその製造方法に関する。

光通信を実現する様々な光デバイスの中で、平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を利用したデバイスは、半導体回路の製造プロセスを利用できることから、デバイスの小型化、高機能化、集積化に優れるという特長を持つ。

通常、ＰＬＣ製造技術で作製される光導波路は、次のようにして実現される。まず、シリコン基板上に下クラッド層を成膜し、続いて光が導波するコア膜を成膜する。

ここで様々な機能を実現するために設計されたフォトマスクを用い、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによって、所望するレイアウトでコアを形成する。

その後、場合によってはコアを埋め込むためのリフロー層成膜を経た後、上クラッド層を成膜する。なお、このリフロー層は光学的には上下クラッド層と同様にクラッドとして機能する。

このようにして作製された光導波回路は、例えば、複数の波長を合分波するＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ Ｇｒａｔｉｎｇ）、入射光を所望する量だけ減衰させるＶＯＡ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）や、入射光を所望のポートに出力させる光スイッチなど、コアのレイアウトによって様々な機能を持たせることができる。

光導波路そのものの光学的特徴を表す特性は、挿入損失（あるいは伝播損失）、ＰＤＬ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ：偏波依存性ロス）、に代表される。通常、両者は小さければ小さいほど好ましいとされる。

ここでＰＤＬとは、光の偏光状態によって光導波路の挿入損失が異なる現象であり、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードにおける挿入損失と、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）モードにおけるそれとの乖離量として表される。

このような乖離は光導波路が有する複屈折が大きく寄与する。複屈折とは、光導波路が方向によって異なった屈折率を有することを言う。複屈折が発生する支配的原因は、光導波路が有する内部応力（換言すれば外部から受ける応力と均衡するように働く応力）である。

前述したように光導波路は、基板上にクラッドやコアとなるシリコン酸化膜を積層させていくことで作製される。この時、通常、そのプロセスは１０００℃前後という非常に高い温度での熱処理を必要とする。

このため、基板がシリコンなどの場合には、堆積したシリコン酸化膜と基板との熱膨張係数の差によって、ウェハは反り、作製される光導波路はウェハから大きな応力を受けることになる。この応力はＰＤＬを発生させる。

そこで、様々な工夫によって、応力を軽減する、あるいは方向性を持たないように均衡させる技術が利用されている。

その中の一手段として、光導波路をシリコン基板から分離する構造が提案されている。これは光導波路を部分的にシリコン基板からブリッジ状に浮かせ、基板からの応力を開放することでＰＤＬを軽減する技術である。このような構造をブリッジ構造と呼ぶこととする。

以下、このブリッジ構造を説明するに当たり、この構造によってＰＤＬ低減以外の効果も得ることができる、「熱光学位相シフタ」を例に説明する。

光導波回路においては、ＴＯ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ：熱光学）効果を利用して機能を付加する手法がよく用いられる。これは、光導波回路を構成するガラス材料が、熱によって屈折率変化する物理現象を積極的に利用した技術である。

例えば、光導波回路による方向性結合器で構成されるマッハツェンダ干渉計は、入力した光を二分岐し、互いに同一長伝播した後に再度結合する構造を有する。

ここで分岐した一方の導波路上部に金属ヒータを設けておき、ヒータに電力を投入することで発生する熱によって、導波する光の位相を変えることができる。このようにすると、分岐した両導波路が結合する際、両者を導波した光の位相差に応じて干渉状態が変化し、出力される光強度を変化させることができる。

例えば、位相差を光の半波長分とすれば、分岐された両導波光は結合時に互いに打ち消しあうため、出力はほぼゼロとなる。また、位相差がゼロ又は波長の整数倍とすれば、入力された光強度をほぼそのまま取り出すことができる。ここで、位相を変化させる部分を熱光学位相シフタと呼ぶ。

これらの現象を利用して、マッハツェンダ干渉計を光スイッチとして機能させることが可能である。また、位相差は任意に与えることができるため、連続的な位相変化を利用して光減衰器として利用することも可能となる。

このようにして実現される光デバイスを動作させるには、ヒータに電力を投入して制御することになるため、動作に必要な消費電力が小さいことが望まれる。

通常、光通信で利用される１５５０ｎｍの波長を持つ光を半波長分シフトさせるに必要な電力は、光導波路に何ら工夫のない場合は４００ｍＷ程度となる。

しかし、これらが例えば４０ｃｈ分の制御が必要となると、およそ１６Ｗの電力が必要となる。この電力は非常に大きいため、一般的には光導波回路に様々な工夫が施されることで、消費電力が低減されている。

平面光波回路で実現される熱光学位相シフタの一般的な低消費電力化の技術として、次のような構造を有する光導波路が代表的である。

位相シフタとして機能する部分の光導波路を挟み込むように溝が形成された構造である。溝は、空気が充填されたり、真空にされたりすることになるが、気体の熱伝導率はクラッドを形成するシリコン酸化膜よりも十分に小さいため、ヒータから発生する熱がクラッドに拡散することを防ぐことができる。

このため、消費電力を格段に小さくすることができる。このような構造をリッジ構造と呼ぶことにする。また、溝で挟み込まれて形成される光導波路部を単にリッジと呼ぶこととする。

通常、このようなリッジ構造を備えた熱光学位相シフタは次のような製造方法で実現される。

前述した通りに光導波路を形成した後、上クラッド層上にヒータとなる金属膜をスパッタ装置あるいは蒸着装置などで成膜する。

次にフォトマスクを用いたフォトリソグラフィとミリング装置などによって、所望するレイアウトでヒータを形成する。

次にコアを形成する工程と同様に、ドライエッチ装置によって所望の位置に溝を形成する。このとき、ドライエッチングによってヒータが損傷しないように、ヒータはレジストで十分に保護されている必要がある。

リッジ構造において、より熱効率を上げるためには、次のような方法が一般的である。

（１）光導波路の下クラッド層を厚くする。これによってコアとシリコン基板間の熱抵抗が高くなり、Ｓｉ基板への熱の流出が抑制される。

（２）リッジの幅を狭める。リッジ構造の場合、熱拡散はリッジからシリコン基板へ流出が支配的となる。このため、リッジの幅を狭めるほどリッジとシリコン基板の接合面積は小さくなり、熱拡散が抑制される。

しかしながら、以下の理由により、これらの方法にはそれぞれに限界がある。

（１）下クラッド層を厚くするほど、膜に加わる応力は強くなり、ウェハにクラックが発生し易くなる。また、強い応力によって複屈折が大きくなり光導波路のＰＤＬが大きくなる。さらに、厚くなるほど製造工程時間が長くなる。

（２）リッジ幅を細くし過ぎると、導波光がリッジ側壁の荒れを感じ、散乱による損失が増加する。

可能な限りにおいてこのような施策を投じたとしても、通常、リッジ構造で実現できる消費電力化の効果は、通常の場合に比較しておよそ半分程度までの抑制であり、４０ｃｈにして８Ｗという値は十分小さいとは言えない。

そこで、リッジ構造に加えて、さらに消費電力を低減する方法として提案されている技術が、冒頭で記したブリッジ構造の採用である。前述した通りブリッジ構造は、光導波路をシリコン基板から分離し、ブリッジ状に浮かせる構造である。

既にリッジ構造を具備した熱位相シフタの場合、リッジをシリコン基板から分離することで実現する。リッジ構造がクラッドへの熱拡散を抑制するのと同様に、ブリッジ構造はシリコン基板への熱拡散を抑制するため、さらに大幅な消費電力低減の効果が得られる。

また、前述した通り、ブリッジ構造は、光導波路膜と基板との線膨張係数差から発生する基板からの応力が開放されることによる、ＰＤＬの低減という特長を持つ。

このため、熱光学位相シフタにおけるブリッジ構造の採用は、低消費電力化、低ＰＤＬ化という二つの大きな効果をもたらす。

以下、このような構造を改めてブリッジ構造と呼ぶ。また、ブリッジ状に浮いた導波路部分をブリッジと呼ぶこととする。

ブリッジ構造は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術としてよく知られている犠牲層エッチングという技術によって実現できる。

これは、特許文献１に開示されているように、予め基板上に犠牲層を堆積させておき、最終的にこの層だけ等方的にエッチングする方法である。

この方法は、シリコン基板を使用し、ＰＳＧ（ＰｈｏｓｐｈｏＳｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ：燐ガラス）などを犠牲層とすることで、フッ化水素水によるエッチングで実現される。

シリコン酸化膜にリンをドープするとフッ化水素水に対して早いエッチングレートを持つようになるため、ＰＳＧだけを選択的にエッチングすることが可能となるのである。

この方法は特殊な装置を必要としない利点があるが、犠牲層となる種膜を、下クラッド層とシリコン基板の間に成膜することが必須となる。

この方法の課題は単に成膜工程が増えてしまうだけではない。犠牲層上に積層するシリコン酸化膜は、犠牲層に対して高いエッチング選択性を保ちつつ、導波路として機能する屈折率や軟化温度を調整しなければならない。

これは、製造プロセス全体の設計自由度を大きく奪ってしまうことを意味する。また、フッ化水素は犠牲層膜以外のシリコン酸化膜も多かれ少なかれエッチングしてしまうため、光導波路としてダメージなく作製するための設計と技術が必要となる。

そこで、代替手段としてシリコン基板をエッチングする方法がある。この場合には、犠牲層は不要であるため、従来の確立された光導波路製造プロセスに何ら影響なくブリッジ構造を実現することができる。このような方法は例えば、非特許文献１に開示されている。

非特許文献１にも開示されているが、通常、シリコン基板のエッチングは、リッジ構造を形成した後に、シリコンをエッチングするガス又は溶液に晒すことで実現される。

非特許文献１にはドライエッチングによってシリコン基板をエッチングするとだけ記されているが、フッ化キセノンなどのガスを使用することでシリコン基板の等方的なエッチングが実現可能である。

また、関連技術の他の例としてエアブリッジ構造のシリコン細線光導波路の発明が特許文献２に開示されている。

さらに、ヒータが形成されたクラッド層上に、さらに保護層として絶縁膜を成膜する熱光学位相シフタが特許文献３に開示されている。

特開２００４−３７５２４号公報 特表２００１−５２１１８０号公報 特開２００４−２７９９９３号公報（段落００５３、００５４および図３（ｂ））

Ｂｒｉｄｇｅ−Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ Ｓｉｌｉｃａ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔｅｒ ａｎｄ Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｔｙｐｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈ， Ａ．Ｓｕｇｉｔａ ｅｔ ａｌ．， Ｔｒａｎｓ． ＩＥＩＣＥ，Ｖｏｌ．Ｅ７３（１９９０） ｐｐ．１０５−１０９

しかしながら、上記のようなシリコン基板をエッチングする方法に限らず、リッジ構造、ブリッジ構造、いずれの場合においても次のような課題がある。

通常、光導波路の作製において、ボイド（ｖｏｉｄ：空間）が発生しないようにコアを埋め込む必要があるため、埋め込み層や上クラッド層には、軟化点が比較的低い膜を使用する。

これらは何もドーピングされていないＮＳＧ（Ｎｏｎ−ｄｏｐｅ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）にリンやボロンなどがドーピングされたＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）やＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏ Ｓｉｌｉｃａｔｅ Ｇｌａｓｓ）などに代表される。

ところが、このような膜は水分に対して非常に影響を受けやすいという弱点を持つ。すなわちリンやボロンが水分と反応しやすい特徴を持つため、湿気を含む環境に曝された場合に、表面に析出してしまう。

特にリッジ構造やブリッジ構造など有する光導波路においては、コアから外部環境までの距離が非常に短く、コア周辺のクラッドを構成するＰＳＧやＢＰＳＧの湿気による変質は、屈折率や応力変化をもたらし、光導波路の特性を容易に変化させてしまう。

一方、前述の特許文献３に、ヒータが形成されたクラッド層上に保護層として絶縁膜を成膜する発明が開示されているが、これはヒータ上面に絶縁層を形成しただけであり、後述する本発明のようにクラッド層の露出部分を覆う発明とは構成が全く異なる。

したがって、前述の特許文献１〜３および非特許文献１のいずれにも本発明が解決しようとする課題は開示されていない。

そこで本発明の目的は、コア周辺のクラッドの湿気による変質を防止することが可能な光導波路、光導波回路およびその製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明による光導波路は、光が導波するコアと、前記コアを覆うクラッド層と、前記クラッド層の露出部分を覆う湿性部材とを含んでいる。

また、本発明による光導波回路は、シリコン基板と、上記光導波路とを含んでいる。

また、本発明による光導波回路の製造方法は、シリコン基板にクラッド層とコア層とを成膜する第１処理と、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによりコアを形成する第２処理と、前記コアをクラッド層で覆う第３処理と、フォトリソグラフィおよびドライエッチングにより前記コア両脇の前記クラッド層に溝を形成する第４処理と、前記クラッド層の露出部分に湿性部材を成膜する第５処理とを含んでいる。

本発明によれば、コア周辺のクラッドの湿気による変質を防止することが可能となる。

本発明の第１実施例の断面図である。 本発明の第２実施例の断面図である。 本発明の第３実施例の処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第４〜第８実施例の断面図である。 本発明の第９実施例の処理手順を示す模式説明図である。 本発明の第９実施例の処理手順を示す模式説明図である。 同処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１１実施例の処理手順を示す模式説明図である。 本発明の第１１実施例の処理手順を示す模式説明図である。 同処理手順を示すフローチャートである。 本発明の第１２実施例の処理手順を示す模式説明図である。 本発明の第１２実施例の処理手順を示す模式説明図である。 同処理手順を示すフローチャートである。 本発明のブリッジ構造の支柱の一例の構成図である。 シリコン基板の等方性エッチングによる支柱３４の形成プロセスを示す斜視図である。 シリコン基板の等方性エッチングによる支柱３４の形成プロセスを示す斜視図である。 本発明の断熱溝の一例の構成図である。

以下、本発明の実施例について添付図面を参照しながら説明する。

第１実施例は光導波路の一例に関する。図１は本発明の第１実施例の断面図である。図１を参照すると、光導波路１は光が導波するコア１１と、コア１１を覆うクラッド層１２と、クラッド層１２の露出部分を覆う湿性部材１３とを含んで構成される。

第１実施例によれば、クラッド層１２の露出部分が湿性部材１３で覆われるため、コア１１周辺のクラッド層１２の湿気による変質を防止することが可能となる。

第２実施例は光導波回路の一例に関する。図２は本発明の第２実施例の断面図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図２を参照すると、光導波回路２は、シリコン基板１４と、光導波路１とを含んで構成される。また、光導波路１は光が導波するコア１１と、コア１１を覆うクラッド層１２と、クラッド層１２の露出部分を覆う湿性部材１３とを含んで構成される。

本実施例では、光導波路１をシリコン基板１４から分離し、ブリッジ状に浮かせる構造（以下、「ブリッジ構造」と表示する）を採用している。

なお、光導波路１をシリコン基板１４上に載置する構成も可能である。

第２実施例によれば、クラッド層１２の露出部分が湿性部材１３で覆われるため、コア１１周辺のクラッド層１２の湿気による変質を防止することが可能となる。したがって、クラッド層１２の湿気による変質を防止することが可能な光導波回路２が得られる。

第３実施例は光導波回路の製造方法の一例に関する。図３は本発明の第３実施例の処理手順を示すフローチャートである。

図３を参照すると、光導波回路の製造方法は、シリコン基板に下クラッド層とコア層とを成膜する第１処理Ｓ１と、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによりコアを形成する第２処理Ｓ２と、コアを上クラッド層で覆う第３処理Ｓ３と、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによりコア両脇のクラッド層を除去し光導波路を形成する第４処理Ｓ４と、光導波路のクラッド層の露出部分上に湿性部材を成膜する第５処理Ｓ５とを含んで構成される。

第３実施例によれば、上下クラッド層の露出部分が湿性部材で覆われるため、コア周辺のクラッド層の湿気による変質を防止することが可能となる。したがって、クラッド層の湿気による変質を防止することが可能な光導波回路２の製造方法が得られる。

第４実施例は光導波回路の他の一例に関する。図４は本発明の第４〜第８実施例の断面図である。

図４（ａ）は本発明の第４実施例の断面図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図４（ａ）を参照すると、光導波回路３は熱光学位相シフタを例にした構造をなしている。

光導波回路３は、シリコン基板１４と、光導波路４とを含んで構成される。また、光導波路４は下クラッド層１５と、下クラッド層１５上に設けられたコア１１と、コア１１を覆う埋め込み層１６と、埋め込み層１６上に設けられた上クラッド層１７と、上クラッド層１７上に設けられた発熱部材（以下、「ヒータ」と表示する）１８と、コア１１、クラッド層１５，１７、埋め込み層１６およびヒータ１８の露出部を覆う湿性部材１３とを含んで構成される。

本実施例では、光導波路４をシリコン基板１４から分離し、ブリッジ状に浮かせるブリッジ構造を採用している。また、光導波路４を挟み込むように光導波路４の両側に断熱溝（不図示）を設けるリッジ構造も採用している。さらに、湿性部材１３を一例としてシリコン窒化膜で構成している。

本実施例では、ヒータ１８を含むブリッジ構造全体をシリコン窒化膜で覆ったため、コア１１周辺のクラッド層１５，１７はシリコン窒化膜で完全に覆われた構造となる。

シリコン窒化膜は結晶構造が非常に緻密で、高い湿性を持つことで知られている。これはシリコン窒化物（ＳｉＯＮ）についても同様で、本実施例においてシリコン窒化膜に代えてシリコン酸窒化膜を用いることもできる。

第４実施例によれば、このような構造とすることで、光導波路４として機能するコア１１およびクラッド１５，１７と、外部との間で水分の出入りが断たれるため、結果として膜変質による屈折率や応力変化を防止することが可能となる。

第５実施例は光導波回路の他の一例に関する。図４（ｂ）は本発明の第５実施例の断面図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図４（ｂ）を参照すると、光導波回路５は熱光学位相シフタを例にした構造をなしている。

光導波回路５は、シリコン基板１４と、光導波路６とを含んで構成される。第５実施例は一部のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を上クラッド層１７内部に埋め込んだ構造となっている。その他の構成は第４実施例と同様である。

第５実施例によれば、第４実施例と同様の効果を奏する。

第６実施例は光導波回路の他の一例に関する。図４（ｃ）は本発明の第６実施例の断面図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図４（ｃ）を参照すると、光導波回路７は熱光学位相シフタを例にした構造をなしている。

光導波回路７は、シリコン基板１４と、光導波路８とを含んで構成される。第６実施例は一部のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を下クラッド層１５内部に埋め込んだ構造となっている。その他の構成は第４実施例と同様である。

第６実施例によれば、第４実施例と同様の効果を奏する。

第７実施例は光導波回路の他の一例に関する。図４（ｄ）は本発明の第７実施例の断面図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図４（ｄ）を参照すると、光導波回路９は熱光学位相シフタを例にした構造をなしている。

光導波回路９は、シリコン基板１４と、光導波路１０とを含んで構成される。第７実施例は完全なブリッジ構造ではなく、リッジ構造とブリッジ構造の中間的構造を有している場合の例である。その他の構成は第４実施例と同様である。

第７実施例によれば、第４実施例と同様の効果を奏する。

第８実施例は光導波回路の他の一例に関する。図４（ｅ）は本発明の第８実施例の断面図である。なお、図１と同様の構成部分には同一番号を付し、その説明を省略する。

図４（ｅ）を参照すると、光導波回路２１は熱光学位相シフタを例にした構造をなしている。

光導波回路２１は、シリコン基板１４と、光導波路２２とを含んで構成される。第８実施例に示すように、ブリッジ構造が必要なく、単なるリッジ構造でも問題ない場合は、同図に示すように断熱溝形成後にシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を成膜するだけで課題解決の効果が得られる。

第８実施例によれば、第４実施例と同様の効果を奏する。

第９実施例は本発明に係る熱光学位相シフタの製造方法の一例に関する。図５および図６は本発明の第９実施例の処理手順を示す模式説明図、図７は同処理手順を示すフローチャートである。但し、以下の説明で使用する装置や使用する膜種などは一例であり、本発明はこれらに限定されない。

まず、シリコン基板にＣＶＤなどによりＳｉＮを成膜する（図５（ａ）および図７のＳ１１）。

次に下クラッド層となるＮＳＧ、コア層となるＳｉＯＮを同装置にて成膜する（図５（ｂ）および図７のＳ１２）。

フォトリソグラフィおよびドライエッチング技術によってコア形成し、必要に応じた熱処理を施す（図５（ｃ）および図７のＳ１３）。

その後、コア埋め込み層や上クラッド層となるＢＰＳＧやＰＳＧなどの軟化点の低い膜を成膜し、必要に応じた熱処理を施す（図５（ｄ）および図７のＳ１４）。

次に、上クラッド層上に、ヒータとなるＰｔやＴｉなどの金属膜をスパッタ装置あるいは蒸着装置などで成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチングによってコア直上にヒータを形成する（図５（ｅ）および図７のＳ１５）。

次に、再びＳｉＮを成膜し、その上からのちにストッパ層の役割を担うクロム膜を成膜する（図５（ｆ）および図７のＳ１６）。

次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、コア両脇のクラッド層を除去し、断熱溝を形成する（図６（ｇ）および図７のＳ１７）。

更にその上からＳｉＮを成膜し（図６（ｈ）および図７のＳ１８）、そのまま再びドライエッチを行う（図６（ｉ）および図７のＳ１９）。ドライエッチに使用するＲＩＥは異方性があるため、断熱溝側壁に堆積したＳｉＮはほとんど除去されず、クロム上のＳｉＮおよび断熱溝底面のＳｉＮのみが除去される。クロムはＲＩＥに対して比較的エッチレートが遅いため、クロム層をストッパにエッチングを完了する。

その後、クロムをエッチャントで除去する（図６（ｊ）および図７のＳ２０）。

最後に、フッ化キセノンガスなどによってシリコンを等方的にエッチングし（図６（ｋ）および図７のＳ２１）、導波路直下のシリコンが橋脚となる支柱部分を残してすべてエッチングされたところで（図６（ｌ）および図７のＳ２２）、ブリッジ構造が完成する。

ここで、下地のＳｉＮを堆積させずに、図６（ｇ）工程の断熱溝形成後にＳｉＮを成膜すれば、図４（ｅ）の構造が得られる。また、図５（ｆ）工程で成膜するＳｉＮを、上クラッド層で挟み込むように成膜すれば、図４（ｂ）の構造が、図５（ａ）工程で成膜するＳｉＮを、下クラッド層で挟み込むように成膜すれば、図４（ｃ）の構造を得ることができる。

第９実施例によれば、クラッド層の露出部分が湿性部材（ＳｉＮ膜）で覆われるため、コア周辺のクラッド層の湿気による変質を防止することが可能となる。

第１０実施例は本発明に係る熱光学位相シフタの断熱溝側壁からコアまでの距離に関する。第１０実施例の説明には前述の図４（ｅ）を用いる。

断熱溝側壁（図４（ｅ）の１３ａ）から、コア１１までの距離をｄとする。コア１１と伝播する光は、一般的にある程度クラッド１５，１７に浸み出しながら伝播する。

ＳｉＮは屈折率が２前後と、一般的なコア１１の屈折率より高く、側壁１３ａにＳｉＮ膜を成膜する場合は、ＳｉＮ膜に伝播光が結合しないよう、ｄを十分大きくする必要がある。一方で、あまり大きくすると、ヒータ１８からの熱がＳｉ基板１４側に逃げやすくなるため位相シフタとしての消費電力が大きくなってしまう。

このため、ｄは最適な値を選択する必要がある。一般的に、導波路の比屈折率差Δが０．７％の場合、ｄは１５μｍ程度、Δが６％程度の場合は３μｍ程度が最適である。これらはＢＰＭ（ｂｕｓｉｎｅｓｓ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）によってシミュレーション可能である。

第１０実施例によれば、断熱溝側壁からコアまでの最適距離を得ることが可能となる。

第１１実施例は本発明の犠牲層エッチングを利用したブリッジ構造の製造方法に関する。図８および図９は本発明の第１１実施例の処理手順を示す模式説明図、図１０は同処理手順を示すフローチャートである。

まず、シリコン基板にＣＶＤなどにより犠牲層を成膜する（図８（ａ）および図１０のＳ３１）。犠牲層はＢＨＦ（バッファードフッ酸）によるエッチレートが早いＰＳＧ膜などが好ましい。さらにＳｉＮ膜を成膜する。

次に下クラッド層となるＮＳＧ、コア層となるＳｉＯＮを成膜する（図８（ｂ）および図１０のＳ３２）。

フォトリソグラフィおよびドライエッチング技術によってコア形成し、必要に応じた熱処理を施す（図８（ｃ）および図１０のＳ３３）。

その後、コア埋め込み層や上クラッド層となるＢＰＳＧやＰＳＧなどの軟化点の低い膜を成膜し、必要に応じた熱処理を施す（図８（ｄ）および図１０のＳ３４）。

次に、上クラッド層上に、ヒータとなるＰｔやＴｉなどの金属膜をスパッタ装置あるいは蒸着装置などで成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチングによってコア直上にヒータを形成する（図８（ｅ）および図１０のＳ３５）。

次に、再びＳｉＮを成膜し、その上からのちにストッパ層の役割を担うクロム膜を成膜する（図８（ｆ）および図１０のＳ３６）。

次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、コア両脇のクラッド層を除去し、断熱溝を形成する（図９（ｇ）および図１０のＳ３７）。

次に、ＢＨＦなどに浸漬し、犠牲層を選択的にエッチングし（図９（ｈ）および図１０のＳ３８）、ブリッジ構造が形成される（図９（ｉ）および図１０のＳ３９）。

その後、レジストを除去し、ＳｉＮ膜を成膜する（図９（ｊ）および図１０のＳ４０）。

ドライエッチによって、断熱溝底面およびクロム膜状のＳｉＮを除去する（図９（ｋ）および図１０のＳ４１）。

最後にクロム膜を除去して、ブリッジ構造が完成する（図９（ｌ）および図１０のＳ４２）。

第１１実施例によれば、犠牲層エッチングを利用したブリッジ構造が得られる。

第１２実施例は本発明において光導波路をブリッジ化した後でＳｉＮをパッシベーションする方法に関する。図１１および図１２は本発明の第１２実施例の処理手順を示す模式説明図、図１３は同処理手順を示すフローチャートである。

まず、シリコン基板にＣＶＤなどによりＳｉＮを成膜する（図１１（ａ）及び図１３のＳ５１）。

次に下クラッド層となるＮＳＧ、コア層となるＳｉＯＮを同装置にて成膜する（図１１（ｂ）および図１３のＳ５２）。

フォトリソグラフィおよびドライエッチング技術によってコア形成し、必要に応じた熱処理を施す（図１１（ｃ）および図１３のＳ５３）。

その後、コア埋め込み層や上クラッド層となるＢＰＳＧやＰＳＧなどの軟化点の低い膜を成膜し、必要に応じた熱処理を施す（図１１（ｄ）および図１３のＳ５４）。

次に、上クラッド層上に、ヒータとなるＰｔやＴｉなどの金属膜をスパッタ装置あるいは蒸着装置などで成膜し、フォトリソグラフィおよびエッチングによってコア直上にヒータを形成する（図１１（ｅ）および図１３のＳ５５）。

次に、再びＳｉＮを成膜し、その上からのちにストッパ層の役割を担うクロム膜を成膜する（図１１（ｆ）および図１３のＳ５６）。

次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、コア両脇のクラッド層を除去し、断熱溝を形成する（図１２（ｇ）および図１３のＳ５７）。

次に、フッ化キセノンガスなどによってシリコンを等方的にエッチングし（図１２（ｈ）および図１３のＳ５８）、ブリッジ構造が形成される（図１２（ｉ）及び図１３のＳ５９）。

レジストを除去し、その上からＳｉＮを成膜する（図１２（ｊ）及び図１３のＳ６０）。

次に、ドライエッチによって、断熱溝底面およびクロム膜状のＳｉＮを除去する（図１２（ｋ）および図１３のＳ６１）。

最後にクロム膜を除去して、ブリッジ構造が完成する（図１２（ｌ）および図１３のＳ６２）。

第１２実施例によれば、ブリッジ化した後でＳｉＮをパッシベーションするブリッジ構造が得られる。

第１３実施例はブリッジ構造の支柱の構成に関する。図１４は本発明のブリッジ構造の支柱の一例の構成図である。図１４（ａ）は位相シフタ部の平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

たとえば、図１４（ａ）に示すような形状に断熱溝３２を形成すれば、シリコン基板３３をエッチングすることにより、図１４（ｃ）に示すようにＡ−Ａ部は下地部分のシリコン基盤が完全にサイドエッジされブリッジ構造となり、図１４（ｂ）に示すようにＢ−Ｂ部は支柱３４が残る。

図１５および図１６は、シリコン基板の等方性エッチングによる支柱３４の形成プロセスを示す斜視図である。また、図１５が等方性エッチング前、図１６が等方性エッチング後の状態を示している。たとえば、図６（ｊ）は図１５に相当し、図６（ｋ）は図１６のＢ−Ｂ断面に相当し、かつ図６（ｌ）は図１６のＡ−Ａ断面に相当する。なお、図１５および図１６では便宜上、光導波路部の周辺に形成されたＳｉＮ膜を省略して記載している。

第１３実施例によれば、本発明に係る熱光学位相シフタのブリッジ構造および支柱が得られる。

第１４実施例は断熱溝の構成に関する。図１７は本発明の断熱溝の一例の構成図である。同図は図６（ｇ）を横方向に拡張して表示した図である。

同図に示すように、位相シフタ部分４１において、導波路コア４２を挟み込むように除去された部分を断熱溝４３と称している。

第１４実施例によれば、ヒータ４４からの熱がクラッド４５および４６を経由して逃げないように断熱溝４３を設けているため、消費電力を低減することが可能となる。

ＳｉＮ膜は結晶構造が非常に緻密で、高い耐湿性を持つことで知られている。本発明にこのような構造を採用することで、光導波路として機能するコアおよびクラッドと、外部との間で水分の出入りが断たれるため、結果として膜変質による屈折率や応力変化を防止することが可能となる。

本発明に係るブリッジ構造は、光導波回路に限らず、犠牲層エッチングによるブリッジ構造に代わって他の分野にも、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）分野などにおけるカンチレバーの作製にも利用可能である。

１、４、６、８ 光導波路
１０、２２ 光導波路
２、３、５、７ 光導波回路
９、２１ 光導波回路
１１ コア
１２ クラッド層
１３ 湿性部材
１４、３３ シリコン基板
１５ 下クラッド層
１６ 埋め込み層
１７ 上クラッド層
１８、３１、４４ ヒータ
３２、４３ 断熱溝
３４ 支柱
４１ 位相シフタ部分
４２ 導波路コア
４５、４６ クラッド

Claims (9)

1. 光が導波するコアと、前記コアを覆うクラッド層と、前記クラッド層の露出部分を覆う湿性部材とを含むことを特徴とする光導波路。
2. 前記クラッド層の上に発熱部材が設けられることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
3. 前記湿性部材が、ケイ素と窒素を含む化合物で構成されることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路。
4. 前記クラッド層は側面に断熱溝を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光導波路。
5. シリコン基板と、請求項１から４いずれかに記載の光導波路とを含むことを特徴とする光導波回路。
6. 前記光導波路は前記シリコン基板からブリッジ状に浮かせて設けられることを特徴とする請求項５記載の光導波回路。
7. シリコン基板にクラッド層とコア層とを成膜する第１処理と、フォトリソグラフィおよびドライエッチングによりコアを形成する第２処理と、前記コアをクラッド層で覆う第３処理と、フォトリソグラフィおよびドライエッチングにより前記コア両脇の前記クラッド層に溝を形成する第４処理と、前記クラッド層の露出部分に湿性部材を成膜する第５処理とを含むことを特徴とする光導波回路の製造方法。
8. 前記第３処理の後に、前記クラッド層上に発熱部材を成膜する第６処理を含むことを特徴とする請求項７記載の光導波回路の製造方法。
9. 前記第５処理の後に、前記湿性部材で成膜された前記コアおよびクラッド層を前記シリコン基板からブリッジ状に浮かせる第７処理を含むことを特徴とする請求項７または８記載の光導波回路の製造方法。

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