JP3697155B2

JP3697155B2 - 二酸化シリコン膜生成方法及び光導波路生成方法

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Publication number: JP3697155B2
Application number: JP2000342893A
Authority: JP
Inventors: 康宏津野
Original assignee: ケイ・エス・ティ・ワ−ルド株式会社
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: JP2002148462A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚膜の二酸化シリコン膜を生成する方法及びその方法を利用して光導波路を生成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光集積デバイスなどにおける光導波路は、シリコン基板上にアンダークラッド層、そしてその上にコア層を生成し、コア層を光導波路回路パターンに成形し、アンダークラッド層及びコア層上にオーバクラッド層を生成することにより、シリコン基板上にクラッド層に埋め込まれた光導波路が形成される。アンダークラッド層、コア層、そしてオーバクラッド層を生成する材料としては、二酸化シリコンのような石英ガラス系の材料が用いられる。これらの層の生成には下記のごとき方法が用いられる。
【０００３】
（１）直接熱酸化法：
シリコン基板の表面を直接熱酸化することにより二酸化シリコンの膜層を生成する方法である。この方法は、薄膜の場合には膜厚は酸化時間に比例するが、酸化反応は生成された酸化膜を通して行われるので、厚膜になると膜厚は酸化時間の１／２乗に比例する。したがって、光導波路に用いられる比較的厚膜の二酸化シリコン膜の生成は、時間がかかり、形成が非常に困難である。酸化雰囲気を高圧にすることにより酸化速度を高める高圧酸化法がある。この方法は、高圧に関する法規制、高額な設備費などのために、特に少量の生産のような場合には適さない。この直接熱酸化法は、アンダークラッド層の形成はできるが、その上のコア層及びオーバークラッド層の形成はできない。
【０００４】
（２）火炎堆積法：
この方法は、ガラス化させるべき元素のハロゲン化物を酸水素バーナーの中に供給してガラス微粒子を生成し、これを堆積させて多孔質のガラス微粒子膜を生成し、電気炉中で高温（１２００〜１４００℃、１３００℃以上が望ましい）で加熱焼結し、透明なガラス層を形成するものである。この方法は、アンダークラッド層の焼結温度をシリコン基板の軟化温度よりも低く、またコア層の焼結温度をアンダークラッド層の軟化温度よりも低く、さらにオーバークラッド層の焼結温度をコア層の軟化温度よりも低くする必要がある。したがって、この方法には、焼結温度をシリコンの融点よりも高くしないようにする、シリコン基板とガラス層との熱膨張係数の違いによりクラックが発生しないようにする、などのための制御の困難な問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その主たる技術的課題は、所望の厚膜の二酸化シリコン膜を、シリコン基板の融点よりも十分に低い温度で、また高圧処理を必要とすることなく生成する方法、及びその技術を利用してシリコン基板上に光導波路を生成する方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するため、本発明によれば、シリコン基板上に所定厚さの二酸化シリコン膜を生成する方法にして、該シリコン基板上に、あるいは熱酸化処理によって該シリコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成するポリシリコン堆積工程と、該ポリシリコン膜を熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめるポリシリコン熱酸化工程と、を含み、該ポリシリコン堆積工程と該ポリシリコン熱酸化工程とを、複数回繰り返し遂行する、ことを特徴とする二酸化シリコン膜生成方法が提供される。
【０００７】
すなわち、本発明による二酸化シリコン膜生成方法においては、ポリシリコンの酸化速度の速いことを利用して、ポリシリコンにより生成した膜を熱酸化処理することにより、直接熱酸化法のように酸化促進のために高圧処理をすることなく、また火炎堆積法のようにシリコン基板の融点よりも温度を上げることなく、かつポリシリコン堆積工程とポリシリコン熱酸化工程とを繰り返すことにより、所望の厚膜の二酸化シリコン膜を容易に形成することができるようにする。
【０００９】
また、本発明によれば、シリコン基板上に光導波路を生成する光導波路生成方法にして、
該シリコン基板上に所定厚さの二酸化シリコン膜を生成してアンダークラッド層を形成するアンダークラッド層形成工程と、該アンダークラッド層上にポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成し、次いで該ポリシリコン膜を熱酸化して二酸化シリコン膜にせしめてコア層を形成するコア層形成工程と、該コア層を導波路回路パターンに形成するパターン形成工程と、該コア層上に二酸化シリコン膜を生成してオーバークラッド層を形成するオーバークラッド層形成工程と、を含み、該アンダークラッド層形成工程においては、該シリコン基板上に、あるいは熱酸化処理によって該シリコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成するポリシリコン堆積と該ポリシリコン膜を熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめるポリシリコン熱酸化とが繰り返し遂行され、該オーバークラッド層形成工程においては、熱酸化処理によって該シリコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成するポリシリコン堆積と該ポリシリコン膜を熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめるポリシリコン熱酸化とが繰り返し遂行される、ことを特徴とする光導波路生成方法が提供される。
【００１０】
そして、ポリシリコン膜の酸化速度の速いことを利用してコア層を生成することにより、コア層を光ファイバと整合性の良い所望の厚膜に、容易に形成することができるようにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る二酸化シリコン膜の生成方法、及びその方法を用いた光導波路の生成方法の実施形態について、さらに詳細に説明する。
【００１３】
図１及び図２を参照して、先ずシリコン基板上に、あるいは熱酸化処理によってシリコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、所定厚さの二酸化シリコン膜を生成する方法について説明する。この方法は、ポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成するポリシリコン堆積工程と、このポリシリコン膜を熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめるポリシリコン熱酸化工程とを含んでいる。以下、生成の順を追って説明する。
【００１４】
（１）シリコン基板の熱酸化：
図１（ａ）に示すシリコン基板２を電気炉において熱酸化し、図１（ｂ）に示すようにシリコン基板２の表面に二酸化シリコン膜４を生成する。熱酸化の方法としては、乾燥酸素によるドライ酸化、水蒸気によるウエット酸化などの方法が用いられる。例えば、ウエット酸化は１０８０℃の温度において行われる。この工程によって、１μｍ程度の膜厚を生成する。
【００１５】
（２）ポリシリコン堆積工程：
上述の二酸化シリコン膜４上に、図１（ｃ）に示すように、ポリシリコンを化学的気相堆積法によって堆積させ多孔質のポリシリコン膜６を生成する。化学的気相堆積法( ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition ）は、ＩＣなどの半導体製造において半導体ウエーハ上に薄い酸化膜を形成する方法の一つとして用いられている技術である。気相中での熱分解あるいは化学反応を利用してウエーハ上に薄膜を堆積させる。化学的気相堆積法( ＣＶＤ）としては、減圧気相堆積法、あるいはプラズマ気相堆積法が用いられる。減圧気相堆積法によれば、例えばシラン（SiH4）を６２０℃で熱分解して堆積させポリシリコン膜を生成する。このポリシリコン堆積工程によって１．５〜２μｍの膜厚を生成する。
【００１６】
（３）ポリシリコン熱酸化工程：
上述の「（１）シリコン基板の熱酸化」と同様にして、電気炉においてポリシリコン膜６を熱酸化処理し、図１（ｄ）に示すように、最初の二酸化シリコン膜４の上に同質の二酸化シリコン膜８を生成する。これにより、シリコン基板２上に二酸化シリコン膜４と二酸化シリコン膜８とによって３〜３．５μｍの厚さの二酸化シリコン膜を形成する。
【００１７】
（４）堆積工程及び熱酸化工程の繰り返し：
図１（ｅ）及び（ｆ）に示すように、上述の「ポリシリコン堆積工程」と「ポリシリコン熱酸化工程」とを、所定の厚さＴの厚膜を生成するまで、複数回繰り返す。なお、上述のシリコンの酸化反応は、図２に示すように、シリコン基板あるいはシリコン膜上に時間の経過とともに生成される二酸化シリコン膜を通して継続される。
【００１８】
図１及び図２とともに図３を参照して、上述の二酸化シリコン膜の生成方法における作用について説明する。
【００１９】
（１）ポリシリコン：
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されているシリコン基板２を熱酸化する場合においては、図３（ａ）に示すようにシリコンSiは単結晶のために未結合手がなく、表面反応律速状態のときの膜成長速度が小さい。しかしながら、図１（ｃ）及び図１（ｄ）に示されているポリシリコン堆積により生成されたポリシリコン膜６を熱酸化する場合においては、図３（ｂ）に示すように、未結合手が存在し、またある程度の大きさの結晶粒（グレイン）の多孔質になっているので、ポリシリコン膜６中を酸素ｏが拡散しやすい。したがって、単結晶シリコンでは、酸化膜が厚くなると酸化膜成長速度が酸素の酸化膜中拡散速度律速となってしまうのに対して、ポリシリコンにおいては酸化速度が速いので、厚膜の生成が容易である。
【００２０】
（２）化学的気相堆積法：
ポリシリコンの堆積は、ＩＣなどの半導体製造において用いられる化学的気相堆積法( ＣＶＤ）の技術を基本にしているので、安定した、高品質のポリシリコン膜を形成することができる。また、火炎堆積などの方法に比べて低温で成膜することができるので、膜の組成制御、高純度化なども容易である。
【００２１】
（３）厚膜の生成速度：
ポリシリコンの膜を生成することと、生成された膜を熱酸化することを繰り返し行うことにより、酸化速度の大きいポリシリコン膜の部分を常に熱酸化することができ、短期間での厚膜の成膜が可能である。従来のような高圧酸化法を用いる必要もない。
【００２２】
（４）厚膜の生成温度、圧力：
上述のように、例えばポリシリコン堆積が６２０℃において、ポリシリコン熱酸化が１０８０℃において行われるので、二酸化シリコン膜は、シリコン基板の融点温度１４１０℃よりも十分に低い温度で形成される。
【００２３】
次に、図４を参照して、シリコン基板上に光導波路を生成する光導波路生成方法について説明する。
【００２４】
（１）アンダークラッド層形成工程：
図４（ａ）に示すように、シリコン基板２上に前述の二酸化シリコン膜生成方法により、ポリシリコンを堆積せしめポリシリコン膜を形成し、次いでポリシリコン膜を熱酸化して二酸化シリコン膜にせしめ、所定の厚さ例えば５μｍのアンダークラッド層１０を形成する。
【００２５】
（２）コア層形成工程：
同様にして、アンダークラッド層１０上に、所定の厚さ例えば５μｍの二酸化シリコン膜によるコア層１２を形成する。
【００２６】
（３）パターン形成工程：
次に、図４（ｂ）に示すように、コア層１２をリソグラフィとエッチングプロセスにより、導波路回路パターン１４に成形する。
【００２７】
（３）オーバークラッド層形成工程：
図４（ｃ）に示すように、導波路回路パターン１４を埋め込むように、例えば５μｍのオーバークラッド層１６を、アンダークラッド層１０及びコア層１２と同様の二酸化シリコン膜生成方法によって形成する。かくして、図４（ｄ）に示すように、シリコン基板２上にクラッド層１８に埋め込まれた導波路回路パターン１４による光導波路が完成される。
【００２８】
図４を参照して、上述の光導波路の生成方法の作用について説明する。
【００２９】
（１）製作容易：
厚膜の二酸化シリコン膜の生成が容易であるので、光導波路を生成するためのアンダークラッド層１０、コア層１２、そしてオーバークラッド層１６の形成が容易である。また、アンダークラッド層１０、コア層１２、そしてオーバークラッド層１６の全てを純粋な二酸化シリコンで形成することができるので、材質的に安定であり、材料的に低コストであり、製作期間の短縮、低コストが可能になる。
【００３０】
（２）品質向上：
厚膜の二酸化シリコン膜は、膜と膜の積み重ね部分の少ない優れた膜質の厚膜を提供する。したがって、高光透過率、高制御性、高集積化などを実現する光導波路の作成を可能にする。また、ＩＣなどの半導体製造方法を基本にするので、実績のある先端技術、整備された生産環境、徹底した品質管理のもとに、製品を提供することができる。さらに、製作の歩留りの高い、均一性の高い、再現性の高い品質が提供される。
【００３１】
（３）光ファイバ伝送モードとの整合性：
厚膜の二酸化シリコン膜の生成が容易であるので、光ファイバと略同じ寸法のコア層、すなわち光導波路を容易に形成することができる。したがって、光ファイバとの接続を良好にすることができ、光ファイバ伝送モードとの整合性の良い光導波路を作ることができる。
【００３２】
以上、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内においてさまざまな変形あるいは修正ができるものである。
【００３３】
（１）膜厚：
本発明の実施の形態においては、光導波路を形成するアンダークラッド層、コア層、そしてオーバークラッド層の厚さを、それぞれ同じ厚さの５μｍにしているが、これらの厚さは光導波路の適用条件に合わせ、適宜に容易に変えることができる。
【００３４】
（２）ドーパント：
本発明の実施の形態においては、光導波路を形成するアンダークラッド層、コア層、そしてオーバークラッド層全てを、純粋な二酸化シリコンによって形成したが、例えばコア層との必要な屈折率差をつける、屈折率を上げる、などのために二酸化シリコンに適宜のドーパントを混ぜるようにしてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に従って構成された二酸化シリコン膜生成方法によれば、所望の厚膜の二酸化シリコン膜を、シリコン基板の融点よりも十分に低い温度で、また高圧処理を必要とすることなく生成することができる方法、及びその技術を利用してシリコン基板上に、製作が容易で、また品質の向上した光導波路を生成する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二酸化シリコン膜の生成方法の工程を示した説明図。
【図２】二酸化シリコン膜の生成過程を示した説明図。
【図３】単結晶シリコンとポリシリコンの酸化作用を示した説明図。
【図４】本発明に係る光導波路生成方法の工程を示した説明図。
【符号の説明】
２：シリコン基板
４：二酸化シリコン膜
６：ポリシリコン膜
８：二酸化シリコン膜
１０：アンダークラッド層
１２：コア層
１４：導波路回路パターン
１６：オーバークラッド層

Claims

シリコン基板上に所定厚さの二酸化シリコン膜を生成する方法にして、
該シリコン基板上に、あるいは熱酸化処理によって該シリコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成するポリシリコン堆積工程と、該ポリシリコン膜を熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめるポリシリコン熱酸化工程と、を含み、
該ポリシリコン堆積工程と該ポリシリコン熱酸化工程とを、複数回繰り返し遂行する、ことを特徴とする二酸化シリコン膜生成方法。
該ポリシリコン堆積工程においては、化学的気相堆積法によって該ポリシリコン膜が形成される、請求項１記載の二酸化シリコン膜生成方法。
該ポリシリコン膜は多孔質である、請求項１又は２記載の二酸化シリコン膜生成方法。
シリコン基板上に光導波路を生成する光導波路生成方法にして、
該シリコン基板上に所定厚さの二酸化シリコン膜を生成してアンダークラッド層を形成するアンダークラッド層形成工程と、該アンダークラッド層上にポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成し、次いで該ポリシリコン膜を熱酸化して二酸化シリコン膜にせしめてコア層を形成するコア層形成工程と、該コア層を導波路回路パターンに形成するパターン形成工程と、該コア層上に二酸化シリコン膜を生成してオーバークラッド層を形成するオーバークラッド層形成工程と、を含み、
該アンダークラッド層形成工程においては、該シリコン基板上に、あるいは熱酸化処理によって該シリコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成するポリシリコン堆積と該ポリシリコン膜を熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめるポリシリコン熱酸化とが繰り返し遂行され、
該オーバークラッド層形成工程においては、熱酸化処理によって該シリコン基板上に形成された二酸化シリコン膜上に、ポリシリコンを堆積せしめてポリシリコン膜を形成するポリシリコン堆積と該ポリシリコン膜を熱酸化処理して二酸化シリコン膜にせしめるポリシリコン熱酸化とが繰り返し遂行される、ことを特徴とする光導波路生成方法。
該ポリシリコンの堆積は、化学的気相堆積法によって該ポリシリコン膜を形成することによって遂行される、請求項４記載の光導波路生成方法。
該ポリシリコン膜は多孔質である、請求項４又は５記載の光導波路生成方法。