JP4259399B2 - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路およびその製造方法に関するものである。

光導波路は、電気配線上を流れる電流のように光を扱うためにシリコン（Ｓｉ）等の基板上に任意形状で形成されるものである。その一例を図１５に示す。図１５においてシリコン基板１００の上にクラッド層１０１を介して光導波路（コア層１０２）がパターニングされている。光導波路（コア層１０２）において、Ａ方向から入射してきた光が分波され、Ｂ方向とＣ方向へ出射する機能をもっている。

これに更にプリズム、波長フィルタ等の受動素子や、半導体レーザ等の能動素子を一括して形成すれば、電子集積回路のような機能をもつ平面型光回路（ＰＣＬ：Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔ−ｗａｖｅ−Ｃｉｒｃｕｉｔ）を形成することができる。

さて、光導波路は、光ファイバーを基板上に形成するようなものであるから、シリコン（Ｓｉ）等の基板上に屈折率の異なる２種類の石英層（ＳｉＯ₂層）を形成し、クラッド層（低屈折率層）、コア層（高屈折率層）として作り分ける必要がある。

従来の一般的な方法としては、ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂層を堆積し、それを所望の形状にエッチングして形成する。
例えば、図１６（ａ）に示すように、シリコン基板１００を用意し、図１６（ｂ）に示すように、ＣＶＤにより低屈折率のＳｉＯ₂層１１０を堆積してＳｉＯ₂層１１０を下部クラッド層とする。次に、図１６（ｃ）に示すように、コア層となる高屈折率のＳｉＯ₂層１１１を堆積する。その後、図１７（ａ）に示すように、エッチング用のマスク材（例えばＣｒ膜）を堆積してフォト工程により所望の形状にエッチングしてマスク１１２を形成する。そして、図１７（ｂ）に示すように、コア層となるＳｉＯ₂層１１１をドライエッチング等によりエッチングする。ここまでで、最低限の機能をもつ光導波路が実現する。なぜなら、コア層であるＳｉＯ₂層１１１に入った光は、上下方向にはコア層であるＳｉＯ₂層１１１よりも屈折率の低いＳｉＯ₂層（クラッド層）１１０およびエア層に囲まれることになるため閉じ込められ、横方向にも屈折率の低いエア層に囲まれるため、コア層であるＳｉＯ₂層１１１内に閉じ込められつつ伝播することになる。実際にはコア層であるＳｉＯ₂層１１１の保護のため、図１７（ｃ）に示すようにマスクを除去した後、図１７（ｄ）に示すように、再び屈折率の低いＳｉＯ₂層（上部クラッド層）１１３を再度、堆積させることが多い。

ところが、コア層となる高屈折率のＳｉＯ₂層１１１は成膜する上で限界があるため当該コア層となるＳｉＯ₂層１１１の厚さについても限界があり、そのため、光源との結合において、結合損失が大きくなってしまう。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、その目的は、新規な構成にて結合損失を少なくすることができる光導波路およびその製造方法を提供することにある。

請求項１に記載の光導波路は、シリコン基板の非熱酸化部分の上に、熱酸化部分である平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱を複数備えてなり、それらシリコン酸化物の柱は、その上部において互いに接するとともに、この互いに接する部位よりも下方において前記シリコン基板の非熱酸化部分側ほど幅が広くなる空隙が形成された状態で立設され、同シリコン酸化物の柱が互いに接する部位を含んで光を伝播させるコア層が形成されてなることを特徴とする。この構成により、シリコン酸化物の柱群において、上下方向における平均屈折率として、上部にいくほど平均屈折率が緩やかに大きくなり、これによりシリコン酸化物の柱群の上部において光が閉じ込められる（コア層となる）。よって、シリコン酸化物の柱を高くすることによりコア層を厚くすることができ、結合損失を少なくすることができる。

請求項２に記載のように請求項１に記載の光導波路において、空隙の幅の差による最大平均屈折率と最小平均屈折率とは４％以上の差があると、光の閉じ込めをより効果的に行うことができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の光導波路において、複数のシリコン酸化物の柱は、当該光導波路を伝播する光の伝播方向の端部が、シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなるようにすると、シリコン酸化物の柱を補強することができる。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路において、複数のシリコン酸化物の柱は、光の伝播方向に延設される途中が、シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなるようにすると、シリコン酸化物の柱を補強することができる。

このような光導波路の製造方法として、請求項５に記載のように、パターニングしたマスクを用いたトレンチエッチングによりシリコン基板に多数のトレンチを並設する際に、それらトレンチと隣合うシリコン層の幅を「Ｗ１１」とし、同トレンチの幅を「Ｗ１２」とするとき、該トレンチの上部においてこれらシリコン層の幅「Ｗ１１」とトレンチの幅「Ｗ１２」との比が、「Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５」であるとともに、その下方ほど幅が広くなるように各トレンチを形成する第１工程と、熱酸化により前記トレンチ内にシリコン酸化物を形成してかつトレンチ間のシリコン層をシリコン酸化物で完全に置き換えるとともに、それらシリコン酸化物で置き換えた部分に上下方向における下方側ほど幅が広くなる空隙を形成して、同部分をシリコン基板のうち同部分の下方にあってシリコン酸化物で置き換えられていない部分と一体化された光透過用ブロックとする第２工程と、を有するものであるとよい。

請求項６に記載の光導波路は、シリコン基板の非熱酸化部分の上に、熱酸化部分である平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱を複数備えてなり、それらシリコン酸化物の柱は、その上下方向における所定の高さ位置で互いに接するとともに、この互いに接する部位よりも上方および下方において上下に離間するほど幅が広くなる空隙が形成された状態で立設され、同シリコン酸化物の柱が互いに接する部位を含んで光を伝播させるコア層が形成されてなることを特徴としている。この構成により、シリコン酸化物の柱群において、上下方向における平均屈折率として、所定高さ位置より上下方向にいくほど平均屈折率が緩やかに小さくなり、これによりシリコン酸化物の柱群の所定高さ位置において光が閉じ込められる（コア層となる）。よって、シリコン酸化物の柱を高くすることによりコア層を厚くすることができ、結合損失を少なくすることができる。

請求項７に記載のように、請求項６に記載の光導波路において、空隙の幅の差による最大平均屈折率と最小平均屈折率とは４％以上の差があると、光の閉じ込めをより効果的に行うことができる。

請求項８に記載のように、請求項６または７に記載の光導波路において、複数のシリコン酸化物の柱は、当該光導波路を伝播する光の伝播方向の端部が、シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなるようにすると、シリコン酸化物の柱を補強することができる。

請求項９に記載のように、請求項６〜８のいずれか１項に記載の光導波路において、複数のシリコン酸化物の柱は、光の伝播方向に延設される途中が、シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなるようにすると、シリコン酸化物の柱を補強することができる。

この光導波路の製造方法として、請求項１０に記載のように、パターニングしたマスクを用いたシリコン基板に対するトレンチエッチングに係るプロセス条件を途中で変更して、その前半においてはトレンチの断面形状がテーパ形状となるプロセス条件を設定するとともに、後半においてはトレンチの断面形状が逆テーパ形状となるプロセス条件を設定して、シリコン基板の所定高さ位置に比べ上方および下方ほど幅が広くなるトレンチを多数並設する工程であって、トレンチと隣合うシリコン層の幅を「Ｗ１１」とし、同トレンチの幅を「Ｗ１２」とするとき、所定高さ位置におけるこれらシリコン層の幅「Ｗ１１」とトレンチの幅「Ｗ１２」との比を、「Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５」とする第１工程と、熱酸化により前記トレンチ内にシリコン酸化物を形成してかつトレンチ間のシリコン層をシリコン酸化物で完全に置き換えるとともに、それらシリコン酸化物で置き換えた部分に上下方向における所定高さ位置から上下に離間するほど幅が広くなる空隙を形成して、同部分をシリコン基板のうち同部分の下方にあってシリコン酸化物で置き換えられていない部分と一体化された光透過用ブロックとする第２工程と、を有しているとよい。

請求項１１に記載のように、請求項１〜４，６〜９のいずれか１項に記載の光導波路において、複数の光伝送路を集合させる区間において、平面での各シリコン酸化物の柱の延設方向に沿って連続的に各シリコン酸化物の柱の幅を縮小することにより導波路全体の幅を縮小すると、合波箇所において導波路の幅の変化を少なくすることができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１には本実施形態における光導波路の斜視図を示す。図２には光導波路の縦断面図を示す。図３には、図２のＡ−Ａ線での断面図を示す。

シリコン基板１の上面に台座部２が形成され、この台座部（突条）２は光を伝播させる方向に延びている。台座部２の上には光透過用ブロック３が形成されている（光透過用ブロック３が一方向に延びるように形成されている）。光透過用ブロック３に関して、シリコン基板１での台座部２上に、平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱４が複数、上下方向における上部が接するとともに当該部位よりも下方において空隙５が形成された状態で立設され、かつ、空隙５は下方ほど幅が広くなっている。つまり、空隙５の縦断面の形状が三角形状をなし、下ほど幅が広くなっている。よって、図１においてシリコン酸化物の柱４の幅を「Ｗ１」、シリコン酸化物の柱４の間の空隙５の幅を「Ｗ２」としたとき、「Ｗ１／Ｗ２」が下方ほど小さくなっている。

ここで、平均屈折率は、上下方向におけるＳｉＯ₂層（屈折率：１．４６）と空隙（空気の屈折率：１．０）との比で決まる。平均屈折率としては、光透過用ブロック（シリコン酸化物ブロック）３の上端では純粋なシリコン酸化物（ＳｉＯ₂膜）と同じ約１．４６となるが、下部に行くに従って低下することになる。このように図２のごとく平均屈折率の分布として光透過用ブロック３の上部において最大平均屈折率ｎmaxを有し、下にいくほど平均屈折率が緩やかに小さくなる。そして、光透過用ブロック３の上部と光透過用ブロック３の下部との平均屈折率差は４〜５％程度である。

より詳しくは、隣り合うシリコン酸化物の柱４が接する部位における最大平均屈折率ｎmaxと、空隙（空気層）５の幅が最も広くなっている部位における最小平均屈折率ｎminとは４％以上の差がある。つまり、（１−ｎmin／ｎmax）が４％以上となっている。即ち、導波路断面を深さ方向に区切ったときのシリコン酸化物の柱４の幅Ｗ１とシリコン酸化物の柱間の空隙（空気層）５の幅Ｗ２の比で決まる平均屈折率が、光透過用ブロック３の上部の最も高い部分と、光透過用ブロック３の下部の最も低い部分では４％程度、あるいはそれ以上差がある。広義には、空隙５の幅の差による最大平均屈折率ｎmaxと最小平均屈折率ｎminとは４％以上の差があるようにする。

このような屈折率差があることにより、光透過用ブロック３における上部がコア層となるとともにその下部がクラッド層となって、上下方向、横方向に対して、コア層内に閉じ込められつつ、光が伝播する。即ち、光透過用ブロック３の上部を伝播中に下方向に向かった光は、徐々に向きを変えて再び上部に戻ってくることになり、光透過用ブロック３の上部のコア部に閉じ込められる。

広義には、「Ｗ１／Ｗ２」が下方ほど小さくなっていることにより、シリコン酸化物の柱群において、上下方向における平均屈折率として、上部にいくほど平均屈折率が緩やかに大きくなり、これによりシリコン酸化物の柱群の上部において光が閉じ込められる（コア層となる）。よって、シリコン酸化物の柱を高くすることによりコア層を厚くすることができ、結合損失を少なくすることができる。特に、空隙の幅の差による最大平均屈折率と最小平均屈折率とは４％以上の差があると、光の閉じ込めをより効果的に行うことができる。

また、図１において隣り合うシリコン酸化物の柱４のピッチＰ１、即ち、空気層とＳｉＯ2層との界面の周期を１．８２μｍとしている。隣り合うシリコン酸化物の柱４のピッチＰ１は１．８２μｍとしたが、物理法則に則ればもっと短く、光の波長と同程度あるいはそれ以下とした方が更によい。なぜなら、Ｐ１値が大きいと光が界面で乱反射してしまうがＰ１値を小さくすることにより光が界面の影響（乱反射）を受けず、平均屈折率のみに影響を受ける領域となるためである。ただし、製造プロセスの面からいえば、ドライエッチング時のマスクパターニング精度、熱酸化工程に要する時間等から考えてピッチＰ１は１．０〜４．５μｍの範囲が製造しやすい。一方、本発明により実現される光導波路は可視光〜近赤外域（波長０．４〜１．５５μｍ程度）の光に対する使用を想定しており、ピッチＰ１は光の波長以下から光の波長の１２倍の範囲とする。このように、隣り合うシリコン酸化物の柱４のピッチＰ１を、伝播させる光の波長の１２倍以下とする。こうすることにより、乱反射を抑制する上で好ましいものとなる。

図３に示すように、複数立設されたシリコン酸化物の柱４における平面での端部に、各シリコン酸化物の柱４を連結するシリコン酸化物の柱６が、シリコン基板１上に立設されている。これにより、シリコン酸化物の柱４が補強されるとともに導波路の端面を平面にして表面反射を防止している。同じく図３において、複数立設されたシリコン酸化物の柱４における平面での延設途中に、各シリコン酸化物の柱４を連結するシリコン酸化物の柱７が、シリコン基板１上に立設されている。これにより、シリコン酸化物の柱４が補強されている。このようにして、光導波路の端部、および途中において、隣接して複数立設されたシリコン酸化物の柱群を連結するシリコン酸化物の柱６，７が存在し、シリコン酸化物の柱を補強している。

次に、製造方法を、図４，５，６および図２を用いて説明する。
まず、図４に示すように、シリコン基板１の上に所定の形状のエッチングマスク１０を形成する（マスク１０をパターニングする）。マスク１０としては、レジスト、あるいはシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）を用いる。この時、周期的なトレンチ構造とするためのマスク開口部１０ａの間の幅Ｗ１１を例えば０．８２μｍとするとともにマスク開口部１０ａの幅Ｗ１２を例えば１．００μｍとする。即ち、Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５程度にする。

そして、図５に示すように、ドライエッチング工程により、マスク１０の開口部１０ａからシリコン基板１をエッチングしてシリコン基板１に所望の形状のトレンチ１１を形成する。この時、トレンチ１１の断面形状を垂直ではなく、若干逆テーパ形状（トレンチ下部へ行くに従ってトレンチ幅が広い形状）とする。

このようにして、第１工程として、パターニングしたマスク１０を用いてシリコン基板１をトレンチエッチングして下方ほど幅が広くなっているトレンチ１１を多数並設する。
引き続き、図６に示すように、マスク１０を除去する。この後、必要に応じてトレンチ１１の側壁面の平坦化工程を追加する。ここで、上面でのトレンチ１１間のシリコン層１２の幅Ｗ１１は例えば０．８２μｍ、トレンチ１１の上端におけるトレンチ幅Ｗ１２は例えば１．００μｍ、トレンチ深さＬ１は例えば５０μｍとする。

そして、図２に示すように、熱酸化工程を行う。膜厚が１．８２μｍ以上成長する時間、熱酸化を行うと、図６のトレンチ１１間のシリコン層（シリコン柱）１２の内部が完全にＳｉＯ₂化すると同時に、トレンチ１１も上部においては熱酸化膜で完全に埋まる。一方、トレンチ１１の下部においては、もともと上部よりも幅広だったため、完全には埋まらず図２の空隙（隙間）５が残る。この空隙５は下部に行くに従って広がっている。

このようにして、第２工程として、熱酸化によりトレンチ１１内にシリコン酸化物を形成するとともにトレンチ１１間のシリコン層（シリコン柱）１２をシリコン酸化物で置き換えて、所定領域を、シリコン基板１と一体化され、かつ、上下方向における上部が接するとともに当該部位よりも下方において下ほど幅が広くなっている空隙５が形成された光透過用ブロック３にする。このとき、第２工程での熱酸化の前におけるトレンチ１１の間におけるシリコン層１２の幅を「Ｗ１１」とし、トレンチ１１の幅を「Ｗ１２」としたき、トレンチ上部において、Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５とする。

また、図３に示したように、エッチングマスク１０の平面として、光導波路の端部はシリコン層の柱（６）で連結されるようにマスクパターンを形成する。この端部でのシリコン層の柱（６）も、熱酸化終了時点で内部までＳｉＯ₂化するような幅とする。これにより、シリコン（Ｓｉ）層の力学的強度を確保してプロセス途中で倒れないようにすることができる。また、光導波路の途中にも、シリコン（Ｓｉ）層の力学的強度を確保してプロセス途中で倒れないようにするため、適当な間隔で、シリコン層の連結部（７）を設ける。この連結部（７）の幅も熱酸化工程で内部まで完全にＳｉＯ₂化する幅とする。

以上のごとく本実施形態は、シンプルな工程で、厚いコア層が得られ、なおかつ設計時の形状自由度が高い。
詳しくは、図１６，１７においては、シリコン酸化層（ＳｉＯ₂層）を堆積させてエッチングする。このような製造方法では、ＳｉＯ₂層（１１０，１１１，１１３）を何度も堆積させたり、メタルマスク１１２を形成する必要があるため、工程が複雑となる。特に、ＳｉＯ₂層１１１のエッチングは、例えばシリコン基板１００のエッチングと比較してプロセス技術的に難易度が高いため、
（ｉ）深いエッチングができない。

（ｉｉ）高アスペクト比のエッチングができない。
（ｉｉｉ）エッチング側面が荒れる。
等の問題が生じる。

（ｉ）の理由により、コア層であるＳｉＯ₂層１１１を上下に厚くすることができない（通常１０μｍ以下）ため、光源との結合において、結合損失が大きくなる。また、（ｉｉ）の理由により導波路の形状の設計時に制約が多くなる。また、（ｉｉｉ）の理由により光の伝播損失が大きくなる懸念がある。

これに対し、本実施形態においては、図４，５，６に示すように、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）と比べてドライエッチングが容易なシリコン基板をエッチングした後、図２に示すように熱酸化工程を経てＳｉＯ₂化させる。

より詳しくは、シリコンのエッチングは、ＳｉＯ₂の場合と比べ相対的にドライエッチングが容易であり、深さが１００μｍ以上、アスペクト比が数１０以上とすることができる（例えば、特開２０００−２９９３１０号公報参照）。このエッチング技術を用いれば、数１０μｍ以上の厚さをもつコア層を形成することができるため、光源との結合時の結合損失を抑制することが可能である。また、導波路形状の設計自由度も高くできる。さらに、エッチングによって形成されたトレンチ側壁面を平滑化する処理を行った後で熱酸化すれば、平滑な導波路側面が得られ、この部分での伝播損失を抑えることができる。この技術に関して、例えば特開２００２−２３１９４５号公報に開示されている。

図２に代わり図７に示すように、複数のシリコン酸化物の柱４を上部において狭い空隙（スリット）がある状態で立設し、当該部位よりも下方において下方ほど幅が広くなっている空隙５を有していてもよい。

この場合を含めた光導波路の構造として広義には、シリコン基板１上に、平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱４が複数、上下方向における少なくとも一部において空隙５が形成された状態で立設され、かつ、シリコン酸化物の柱４の幅を「Ｗ１」、シリコン酸化物の柱４の間の空隙の幅を「Ｗ２」としたとき、「Ｗ１／Ｗ２」が下方ほど小さくする。また、製造方法として広義には、図５のごとくパターニングしたマスク１０を用いてシリコン基板１をトレンチエッチングして下方ほど幅が広くなっているトレンチ１１を多数並設し（第１工程）、図２または図７のごとく熱酸化によりトレンチ内にシリコン酸化物を形成するとともにトレンチ間のシリコン層をシリコン酸化物で置き換えて、所定領域を、シリコン基板１と一体化され、かつ、上下方向における下ほど幅が広くなっている空隙５が形成された光透過用ブロック３にする（第２工程）。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施形態を、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図８には、図２に代わる本実施形態における光導波路の縦断面図を示す。
本実施形態においては、光透過用ブロック２０においてコア層を上部ではなく、上下方向の中央部に形成している。つまり、シリコン基板１の台座部２上には光透過用ブロック２０が形成され、光透過用ブロック２０に関して、シリコン基板１上に、平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱２１が複数、上下方向における所定高さ位置で接するとともに当該部位よりも上方および下方において空隙２２，２３が形成された状態で立設され、かつ、空隙２２，２３は所定高さ位置より上下方向に離れるほど幅が広くなっている。よって、シリコン酸化物の柱２１の幅を「Ｗ１」、シリコン酸化物の柱２１の間の空隙２２，２３の幅を「Ｗ２」としたとき、「Ｗ１／Ｗ２」が所定高さ位置より上下方向に離れるほど小さくなっている。

従って、平均屈折率は中央部で最も高く、上部・下部に行くに従って低下する。そのため、光を紙面に垂直な方向に伝播させると、中央部付近に光が閉じ込められる。つまり、第１の実施形態では上下非対称であり、光透過用ブロック３の上部では、ＳｉＯ₂層と空気層の境界で全反射する形でコア層に戻るが、本実施形態では上下対称であり、コア層から上部に向かった光は、下部に向かった場合と同じく、平均屈折率が低下するため徐々に向きを変え、コア層に戻ることになる。

このように、シリコン基板１上に、平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱２１が複数、上下方向における少なくとも一部において空隙２２，２３が形成された状態で立設され、かつ、シリコン酸化物の柱２１の幅を「Ｗ１」、シリコン酸化物の柱２１の間の空隙２２，２３の幅を「Ｗ２」としたとき、「Ｗ１／Ｗ２」が所定高さ位置より上下方向に離れるほど小さくなっている。この構成により、シリコン酸化物の柱群において、上下方向における平均屈折率として、所定高さ位置より上下方向にいくほど平均屈折率が緩やかに小さくなり、これによりシリコン酸化物の柱群の所定高さ位置において光が閉じ込められる（コア層となる）。よって、シリコン酸化物の柱を高くすることによりコア層を厚くすることができ、結合損失を少なくすることができる。

さらに、隣り合うシリコン酸化物の柱２１のピッチＰ１は、伝播させる光の波長の１２倍以下であり、乱反射を抑制する上で好ましいものとなっている。さらには、隣り合うシリコン酸化物の柱２１が接する部位における最大平均屈折率ｎmaxと、空隙２２，２３の幅Ｗ２が最も広くなっている部位における最小平均屈折率ｎminとは４％以上の差がある。つまり、（１−ｎmin／ｎmax）が４％以上となっている。このように空隙２２，２３の幅の差による最大平均屈折率と最小平均屈折率とは４％以上の差があると、光の閉じ込めをより効果的に行うことができる。

また、本第２の実施の形態においても、図３を用いて説明したごとく、複数立設されたシリコン酸化物の柱（２１）における平面での端部に、各シリコン酸化物の柱（２１）を連結するシリコン酸化物の柱（６）が、シリコン基板１上に立設されている。また、複数立設されたシリコン酸化物の柱（２１）における平面での延設途中に、各シリコン酸化物の柱（２１）を連結するシリコン酸化物の柱（７）が、シリコン基板１上に立設されている。このようにして、シリコン酸化物の柱２１を補強している。

製造方法に関して、シリコン基板のドライエッチングにおいては、エッチング時のプロセス条件（ガス圧、イオンの加速電圧等）の設定を変更することにより、図１１（ａ）に示すようにトレンチ３５の断面形状を垂直形状にすることも、図１１（ｂ）に示すようにテーパ形状にすることも、また図１１（ｃ）のように逆テーパ形状にすることも可能である。

よって、例えば、エッチング時のプロセス条件を２段階に分け、前半をテーパ形状に、後半を逆テーパ形状になるようにエッチングを実行すると、図９に示す縦断面図においてマスク３０の開口部３０ａからシリコン基板１をトレンチエッチングすることにより中央部で最も幅が狭く、上部・下部に行くに従って幅が広くなるような形状にすることができる。このとき、トレンチ３１の形状として、中央部の最も幅が狭くなった部分において、トレンチ３１の間のシリコン層の幅Ｗ１１が例えば０．８２μｍでトレンチ幅Ｗ１２が例えば１．００μｍとなり、Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５程度になるようにマスク寸法、エッチング条件を調整する。

このようにして第１工程として、パターニングしたマスク３０を用いてシリコン基板１をトレンチエッチングして所定高さ位置に比べ上方および下方ほど幅が広くなっているトレンチ３１を多数並設する。

さらに、図１０に示すように、マスク３０を除去し、必要ならばトレンチ側壁面の平坦化処理を行った後に、図８のごとく熱酸化を行う。酸化時間はトレンチ中央部において図１０のトレンチ３１がＳｉＯ₂層でふさがる時間以上とする。つまり、例えば、中央部でのトレンチ幅Ｗ１２が１．００μｍ、トレンチ３１間のシリコン層の幅Ｗ１１が０．８２μｍであったとすると、膜厚が１．８２μｍ以上成長する時間、熱酸化を行う。

このようにして第２工程として、熱酸化によりトレンチ３１内にシリコン酸化物を形成するとともにトレンチ３１間のシリコン層をシリコン酸化物で置き換えて、所定領域を、シリコン基板１と一体化され、かつ、上下方向における所定高さ位置で接するとともに当該部位よりも上方および下方において所定高さ位置から離されるほど幅が広くなっている空隙２２，２３が形成された光透過用ブロック２０にする。このとき、第１工程におけるトレンチエッチングを行う際に、プロセス条件を途中で変更し、前半では断面形状がテーパ形状となるプロセス条件とし、後半では逆テーパ形状となるプロセス条件とすることにより、所定高さ位置に比べ上方および下方ほど幅が広くなっているトレンチ３１を多数並設することができる。また、第２工程での熱酸化の前におけるトレンチ３１の間におけるシリコン層の幅を「Ｗ１１」とし、トレンチ３１の幅を「Ｗ１２」としたき、トレンチ３１の所定高さ位置において、Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５とする。

図８に代わり図１２に示すように、複数のシリコン酸化物の柱２１を中央部（コア部）において狭い空隙（スリット）がある状態で立設し、当該部位よりも上下方向に離れるほど幅が広くなっている空隙２２，２３を有していてもよい。

この場合を含めた製造方法として広義には、図９のごとくパターニングしたマスク３０を用いてシリコン基板１をトレンチエッチングして所定高さ位置に比べ上方および下方ほど幅が広くなっているトレンチ３１を多数並設し（第１工程）、図８または図１２のごとく熱酸化によりトレンチ３１内にシリコン酸化物を形成するとともにトレンチ３１間のシリコン層をシリコン酸化物で置き換えて、所定領域を、シリコン基板１と一体化され、かつ、上下方向における所定高さ位置よりも上方および下方において所定高さ位置から離れるほど幅が広くなっている空隙２２，２３が形成された光透過用ブロック２０にする（第２工程）。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施形態を、第１，２の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１３には、本実施形態における光導波路の平面図を示す。
光導波路は、必ずしも１本の線ではなく、１本から複数本に分岐（分波）させたり、あるいは複数本から1本に集合（合波）することが多い。

図１３に、２系統からの光（第１の光、第２の光）から1系統に合波する例を示す。この時、第１の光および第２の光の経路４０，４１の幅Ｗｉと出口での経路４２の幅Ｗｏを等しくするために合流部の直前での幅Ｗｃは幅Ｗｉよりも狭くしなければ、合流後の導波路幅ＷｏはＷｉに近づけることはできない。

第１，２の実施形態で説明したように複数のＳｉＯ₂柱を立設させてブロック化する場合において、２つの導波路を合わせると、導波路幅は単純に２倍になる。そこで、本実施形態では図１３に示すように導波路の幅を極力変えずに合流させるために、途中で連続的に導波路の幅を絞っている。

そのために、連続的に各シリコン酸化物の柱の幅を縮小すべくドライエッチング後の導波路パターンを図１４のようにしている。
図１４の導波路は隣接して立設する５個のシリコンの柱５０からなっている。各シリコンの柱５０の幅は１．６４μｍであり、それらの間のトレンチ５１の幅は２．００μｍとなっている。このように、それらの幅の比が０．４５：０．５５となっている。そのため、この後の熱酸化工程で３．６４μｍ以上の膜厚が得られる時間以上、熱酸化を行えば、各トレンチ５１は埋まると同時に各シリコンの柱５０の内部もＳｉＯ₂に置換される。

なお、各トレンチ５１は底面に近づくに従って幅広となっているため、熱酸化後も底面に近いほど広い隙間となって残る。
図１４の符号Ｌ２で示す幅減少区間において連続的に、各シリコンの柱５０および各トレンチ５１の幅は縮小し、この区間Ｌ２の右端では、左端の約０．５５倍に縮小される。そのため、この区間Ｌ２の左端では全体の幅が１６．２０μｍであったのが、この区間Ｌ２の右端では８．９２μｍになる。

ここで一旦、導波路は終端し、幅１．００μｍのトレンチ（溝）５２を空けて再び導波路が始まる。この区間での各シリコン柱５３の幅は再び１．６４μｍで、トレンチ（幅）５４の幅も再び２．００μｍで始まるが、この区間ではシリコン柱５３が３本、トレンチ５４が２本で構成される。つまり、幅減少区間Ｌ２以前に比べ、これ以後は、各シリコン柱の幅およびトレンチ幅は同じ（不変）であるが、構成本数が減少することにより、導波路全体の幅は減少する。こうして細くなった導波路同士を緩やかな角度で連結させれば、図１３に示す合流部を形成することができる。

また、図１４における導波路のつなぎ目は、幅０．８２μｍの端面となるシリコン柱５５，５６、幅１．００μｍのトレンチ５２で構成されているが、これらは熱酸化工程によりトレンチがＳｉＯ₂で埋まると共にシリコン柱内部がＳｉＯ₂に置換されて、全体としてＳｉＯ₂となり導波路として連結されることになる。

以上のように、複数の光伝送路を集合させる区間において、平面での各シリコン酸化物の柱の延設方向（図３における光の伝播方向）に沿って連続的に各シリコン酸化物の柱（図３における符号４で示す部材）の幅を縮小することにより図１３に示すごとく導波路全体の幅を縮小した（図１３においてＷｃ＜Ｗｉ）。よって、合波箇所において導波路の幅の変化を少なくすることができ（図１３においてＷｏ≒Ｗｉ）、光ファイバー等との結合性に優れたものとなる。

第１の実施形態における光導波路の斜視図。 光導波路の縦断面図。 図２におけるＡ−Ａ線での断面図。 製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。 製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。 製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。 別例の光導波路の縦断面図。 第２の実施形態における光導波路の縦断面図。 製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。 製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。 別例の光導波路の縦断面図。 第３の実施形態における光導波路の平面図。 第３の実施形態におけるエッチング後の平面図。 背景技術を説明するための光導波路の斜視図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は製造工程を説明するための光導波路の縦断面図。

符号の説明

１…シリコン基板、３…光透過用ブロック、４…シリコン酸化物の柱、５…空隙、６…シリコン酸化物の柱、７…シリコン酸化物の柱、１０…マスク、１１…トレンチ、１２…シリコン層、２０…光透過用ブロック、２１…シリコン酸化物の柱、２２…空隙、２３…空隙、３０…マスク、３１…トレンチ。

Claims (11)

1. シリコン基板の非熱酸化部分の上に、熱酸化部分である平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱を複数備えてなり、それらシリコン酸化物の柱は、その上部において互いに接するとともに、この互いに接する部位よりも下方において前記シリコン基板の非熱酸化部分側ほど幅が広くなる空隙が形成された状態で立設され、同シリコン酸化物の柱が互いに接する部位を含んで光を伝播させるコア層が形成されてなることを特徴とする光導波路。
2. 前記空隙の幅の差による最大平均屈折率と最小平均屈折率とは４％以上の差があることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記複数のシリコン酸化物の柱は、当該光導波路を伝播する光の伝播方向の端部が、前記シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
4. 前記複数のシリコン酸化物の柱は、前記光の伝播方向に延設される途中が、前記シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路。
5. パターニングしたマスクを用いたトレンチエッチングによりシリコン基板に多数のトレン
   チを並設する際に、それらトレンチと隣合うシリコン層の幅を「Ｗ１１」とし、同トレンチの幅を「Ｗ１２」とするとき、該トレンチの上部においてこれらシリコン層の幅「Ｗ１１」とトレンチの幅「Ｗ１２」との比が、
   Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５
   であるとともに、その下方ほど幅が広くなるように各トレンチを形成する第１工程と、
   熱酸化により前記トレンチ内にシリコン酸化物を形成してかつトレンチ間のシリコン層をシリコン酸化物で完全に置き換えるとともに、それらシリコン酸化物で置き換えた部分に上下方向における下方側ほど幅が広くなる空隙を形成して、同部分をシリコン基板のうち同部分の下方にあってシリコン酸化物で置き換えられていない部分と一体化された光透過用ブロックとする第２工程と、
   を有することを特徴とする光導波路の製造方法。
6. シリコン基板の非熱酸化部分の上に、熱酸化部分である平面形状が帯状をなすシリコン酸化物の柱を複数備えてなり、それらシリコン酸化物の柱は、その上下方向における所定の高さ位置で互いに接するとともに、この互いに接する部位よりも上方および下方において上下に離間するほど幅が広くなる空隙が形成された状態で立設され、同シリコン酸化物の柱が互いに接する部位を含んで光を伝播させるコア層が形成されてなることを特徴とする光導波路。
7. 前記空隙の幅の差による最大平均屈折率と最小平均屈折率とは４％以上の差があることを特徴とする請求項６に記載の光導波路。
8. 前記複数のシリコン酸化物の柱は、当該光導波路を伝播する光の伝播方向の端部が、前記シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなることを特徴とする請求項６または７に記載の光導波路。
9. 前記複数のシリコン酸化物の柱は、前記光の伝播方向に延設される途中が、前記シリコン基板の非熱酸化部分の上に立設されたシリコン酸化物の柱によって互いに連結されてなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の光導波路。
10. パターニングしたマスクを用いたシリコン基板に対するトレンチエッチングに係るプロセス条件を途中で変更して、その前半においてはトレンチの断面形状がテーパ形状となるプロセス条件を設定するとともに、後半においてはトレンチの断面形状が逆テーパ形状とな
    るプロセス条件を設定して、前記シリコン基板の所定高さ位置に比べ上方および下方ほど幅が広くなるトレンチを多数並設する工程であって、前記トレンチと隣合うシリコン層の幅を「Ｗ１１」とし、同トレンチの幅を「Ｗ１２」とするとき、前記所定高さ位置におけるこれらシリコン層の幅「Ｗ１１」とトレンチの幅「Ｗ１２」との比を
    Ｗ１１：Ｗ１２＝０．４５：０．５５
    とする第１工程と、
    熱酸化により前記トレンチ内にシリコン酸化物を形成してかつトレンチ間のシリコン層をシリコン酸化物で完全に置き換えるとともに、それらシリコン酸化物で置き換えた部分に上下方向における前記所定高さ位置から上下に離間するほど幅が広くなる空隙を形成して、同部分をシリコン基板のうち同部分の下方にあってシリコン酸化物で置き換えられていない部分と一体化された光透過用ブロックとする第２工程と、
    を有することを特徴とする光導波路の製造方法。
11. 複数の光伝送路を集合させる区間において、平面での各シリコン酸化物の柱の延設方向に沿って連続的に各シリコン酸化物の柱の幅を縮小することにより導波路全体の幅を縮小したことを特徴とする請求項１〜４，６〜９のいずれか１項に記載の光導波路。

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