JPH079493B2 - Method of manufacturing optical waveguide - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信システム、光情報処理の多様化、高度
化に必要不可欠な、光カツプラー、光合波・分波器など
の光部品の経済化、小型化、安定化に有利な光導波路の
製造方法に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to an optical component such as an optical coupler, an optical multiplexer / demultiplexer, which is indispensable for diversification and sophistication of optical communication systems and optical information processing. The present invention relates to a method for manufacturing an optical waveguide, which is advantageous for economy, size reduction, and stabilization.

〔従来の技術〕 従来の光部品は、プリズム等の微小光学部品からなり、
光軸合せ、組立てが困難であつた。そこで、平面上に光
導波路を作成することにより、これらの繁雑な作業を避
けるように、種々の導波路が提案されてきた。[Prior Art] Conventional optical components are micro optical components such as prisms,
It was difficult to align and assemble the optical axes. Therefore, various waveguides have been proposed so as to avoid these complicated operations by forming an optical waveguide on a plane.

光導波路に用いられる材料には、例えば半導体結晶、誘
電体結晶、ガラス、高分子材料などがある。これらの材
料により光導波路を作成するには、基板（クラツドを兼
ねてもよい）上にコア層及びクラツド層を形成した後
に、エツチング法、露光法等により第３図に示すような
構造を作成し、光のとじ込めを行う。なお第３図中、６
は基板（もしくはクラツド）、10はコア層、11はクラツ
ド層をあらわす。Materials used for the optical waveguide include, for example, semiconductor crystals, dielectric crystals, glass, and polymer materials. In order to create an optical waveguide using these materials, after forming a core layer and a cladding layer on a substrate (which may also serve as a cladding), a structure as shown in FIG. 3 is created by an etching method, an exposure method, or the like. And confine the light. 6 in FIG.
Is a substrate (or a cladding), 10 is a core layer, and 11 is a cladding layer.

ところで、これらのコア層、クラツド層形成には、従
来、CVD法や火炎直接堆積法が用いられてきた。By the way, conventionally, the CVD method or the flame direct deposition method has been used for forming the core layer and the cladding layer.

CVD法とは、第４図にその概略説明図を示すように、石
英ガラス製の炉心管２′のガス入口４′より、ガラス原
料のハロゲン化物ガスおよび反応用ガス例えばSiCl₄,Ti
Cl₄,O₂等を導入し、酸化反応によりガラス微粒子を合成
し、ホルダー１′上の基板６′上に該合成ガラス微粒子
を堆積させる方法で、反応温度は最高部で1200℃程度
で、炉３′により温度勾配を持たせることで、熱泳動効
果によりガラス微粒子の堆積が促進される。５′は排気
系を示す。The CVD method, as shown the schematic illustration in Figure 4, made of quartz glass from the 'Gas inlet 4' of the core tube 2, a glass material halide gas and the reactive gas e.g. SiCl ₄ of, Ti
Introducing Cl ₄ , O ₂ etc., synthesizing glass fine particles by an oxidation reaction and depositing the synthetic glass fine particles on the substrate 6 ′ on the holder 1 ′, the reaction temperature is about 1200 ° C. at the maximum, By providing a temperature gradient in the furnace 3 ', the deposition of glass particles is promoted by the thermophoresis effect. 5'denotes an exhaust system.

火炎直接堆積法とは、第５図に示すように、石英ガラス
基板６′をターンテーブル13上に回転中心から等距離の
位置に配置し、ガラス原料SiCl₄,TiCl₄等は同心円状ノ
ズルを有するガラス微粒合成用トーチ14に導入され、予
め形成されている酸水素フレーム15中で、火炎加水分解
反応によりガラス微粒子を合成し、合成したガラス微粒
子はフレーム直下を移動している基板６′上に堆積させ
る方法である。ガラス微粒子堆積膜厚の均一化を図るた
め、トーチ14をターンテーブル13の半径方向に往復運動
させる。In the flame direct deposition method, as shown in FIG. 5, a quartz glass substrate 6 ′ is arranged on a turntable 13 at a position equidistant from the center of rotation, and glass raw materials such as SiCl ₄ and TiCl ₄ are concentric nozzles. The glass particles are introduced into the glass torch 14 for synthesizing glass particles, and the glass particles are synthesized by a flame hydrolysis reaction in a preformed oxyhydrogen frame 15. The synthesized glass particles are on the substrate 6'moving just below the frame. It is a method of depositing on. The torch 14 is reciprocally moved in the radial direction of the turntable 13 in order to make the glass particulate deposition film thickness uniform.

〔発明が解決しようする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、上記のCVD法、火炎直接堆積法等の従来
技術では、堆積時のガス流量のゆらぎによりガラスの屈
折率が変化するとか、膜厚の不均一性のために伝搬損失
が増加するという欠点があつた。However, in the conventional techniques such as the above-mentioned CVD method and flame direct deposition method, the refractive index of glass changes due to fluctuations in the gas flow rate during deposition, or the propagation loss increases due to non-uniformity of the film thickness. I got it.

また、従来法ではいずれも石英（SiO₂）をエツチングし
て、石英の導波路パターンを形成していたが、石英のエ
ツチング速度は遅く、そのため加工に長時間を要してい
た。Further, in all of the conventional methods, quartz (SiO ₂ ) is etched to form a quartz waveguide pattern, but the etching speed of quartz is slow, and therefore it takes a long time to process.

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、低損失な
光導波路を容易に製造できる新規な方法を提供せんとす
るものである。The present invention solves the above-mentioned drawbacks of the prior art and provides a novel method for easily manufacturing a low-loss optical waveguide.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明者らは、SiO₂よりもSiの方がパターン形成が容易
な点に着目し、従来の基板上にSiO₂を堆積し、これをエ
ツチングする方法にかえて、まずSi層を形成しておき、
これに導波路となるパターンを形成した後、このパター
ン形成したSi層を酸化してSiO₂層とすることで、上記し
た欠点を解決できることを見出し、本発明に到達した。The present inventors have, towards Si than SiO ₂ is patterned focuses on easiness, SiO ₂ is deposited on a conventional substrate, instead this to a method of etching, first forming a Si layer Aside
The inventors have found that the above-mentioned drawbacks can be solved by forming a pattern for a waveguide on this and then oxidizing the patterned Si layer to form a SiO ₂ layer, and have reached the present invention.

すなわち本発明は基板上に光導波路を作成するにおい
て、Siを主成分とする層を形成し、該Siを主成分とする
層に導波路となるパターンを形成した後、該Siを酸化す
ることによりSiO₂とし、かつ、コア層又はクラツド層の
屈折率分布は上記Siを主成分とする層形成時に添加剤を
加えることにより形成することを特徴とする光導波路の
製造方法に関する。That is, according to the present invention, when an optical waveguide is formed on a substrate, a layer containing Si as a main component is formed, a pattern serving as a waveguide is formed in the layer containing Si as a main component, and then the Si is oxidized. To SiO ₂ and the refractive index distribution of the core layer or the cladding layer is formed by adding an additive at the time of forming the layer containing Si as a main component.

本発明を第１図及び第２図に示す一実施態様に基いて説
明する。第１図はSi層の形成に用いる装置の概略説明図
であつて、１はサセプター、２は反応管、３は電気ヒー
ター、４はSi層形成用原料導入口、５は排気口、６は基
板をあらわす。サセプター１上に基板６を載置して、反
応管２の中に入れ、原料導入口４からSi層形成用原料ガ
スを導入し基板上にSi層を形成する。このような原料ガ
スとしてはSiのハロゲン化物又はハイドライド、例えば
SiCl₄,SiH₄,Si₂H₆等を用いることが好ましい。The present invention will be described based on an embodiment shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic explanatory view of an apparatus used for forming a Si layer, in which 1 is a susceptor, 2 is a reaction tube, 3 is an electric heater, 4 is a raw material inlet for forming a Si layer, 5 is an exhaust port, and 6 is Represents a board. The substrate 6 is placed on the susceptor 1, placed in the reaction tube 2, and a Si layer forming raw material gas is introduced from the raw material introducing port 4 to form a Si layer on the substrate. As such a source gas, a halide or hydride of Si, for example,
It is preferable to use SiCl ₄ , SiH ₄ , Si ₂ H ₆ or the like.

またコア層もしくはクラツド層となるべきSi層形成の際
に、GeCl₄等の屈折率変化用添加剤原料を混合して屈折
率分布をつける。形成されるSi層は結晶であつてもアモ
ルフアスであつてもよく、含Siガスの熱反応により堆積
速度が決まつてくるので、膜厚成長速度制御が容易で膜
厚の均一性が向上する。Further, when forming a Si layer to be the core layer or the cladding layer, a refractive index changing additive material such as GeCl ₄ is mixed to obtain a refractive index distribution. The formed Si layer may be crystalline or amorphous, and the deposition rate is determined by the thermal reaction of the Si-containing gas, so that the growth rate control is easy and the uniformity of the film thickness is improved. .

なお、基板６としては、Si,SiO₂等平面なものであれば
よい。The substrate 6 may be a flat surface such as Si or SiO ₂ .

第２図は表面にSi層を形成した基板から光導波路を作成
する工程の説明図である。第１図の装置を用い、前記し
た方法にて、基板６上に、コアとなるべきSi層７及びク
ラツドとなるべきSi層８を形成する〔第２図（ａ）工
程〕。次にレジスト９を用いて導波路パターンを形成す
る〔同図（ｂ）工程〕。続いてSi層をエツチングして、
コアとなるべきSi層７、クラツドとなるべきSi層８から
なるパターンを形成する〔同図（ｃ）工程〕。FIG. 2 is an explanatory diagram of a process of forming an optical waveguide from a substrate having a Si layer formed on the surface. Using the apparatus shown in FIG. 1, the Si layer 7 to be the core and the Si layer 8 to be the cladding are formed on the substrate 6 by the method described above [step (a) in FIG. 2]. Next, a waveguide pattern is formed using the resist 9 (step (b) in the figure). Then etch the Si layer,
A pattern composed of a Si layer 7 to be a core and a Si layer 8 to be a cladding is formed [step (c) in the figure].

このときのエツチング方法としては、例えば反応性イオ
ンエツチング、反応性イオンビームエツチング、イオン
エツチング、プラズマエツチング、マグネトロンイオン
エツチング等を用いることができる。As the etching method at this time, for example, reactive ion etching, reactive ion beam etching, ion etching, plasma etching, magnetron ion etching, or the like can be used.

次に、再び第１図の装置を用いて、Si層を酸化してSiO₂
とし、パタン形成されたコア層10、クラツド層11を得る
〔同図（ｄ）工程〕。Next, using the apparatus shown in FIG. 1 again, the Si layer is oxidized to form SiO ₂
Then, the patterned core layer 10 and the cladding layer 11 are obtained [step (d) in the figure].

なお、形成されたSi層を酸化するにはH₂O又はO₂を用い
る。さらにクラツド層12となるSiO₂を堆積して光導波路
とする〔同図（ｅ）工程〕。Note that H ₂ O or O ₂ is used to oxidize the formed Si layer. Further, SiO ₂ to be the cladding layer 12 is deposited to form an optical waveguide [step (e) in the figure].

〔作用〕[Action]

以上の如く本発明では、Si層を形成し、該Si層にパター
ン形成をした後、このSiを酸化してSiO₂にするため、極
めて低損失な光導波路の形成が実現できる。従来の技術
では堆積時のガス流量のゆらぎにより屈折率が変化する
とか、膜厚の不均一性のために伝搬損失が増加するとい
う欠点があつたが、本発明では膜厚、組成制御の容易な
Siを堆積した後にこのSiを酸化することにより上記の欠
点を抑えることができる。As described above, in the present invention, the Si layer is formed, the pattern is formed on the Si layer, and the Si is oxidized to SiO ₂ , so that the optical waveguide with extremely low loss can be formed. The conventional technique has the drawback that the refractive index changes due to fluctuations in the gas flow rate during deposition, or the propagation loss increases due to non-uniformity of the film thickness, but the present invention facilitates control of film thickness and composition. Na
By oxidizing Si after depositing Si, the above-mentioned drawbacks can be suppressed.

本発明ではまずSi層をエツチングにより加工して導波路
のパターンを形成するため、高速の加工が容易に行うこ
とができる。従来の技術ではSiO₂を形成した後に、エツ
チングによる導波路パターンを作るために加工時間がか
かるという欠点があつた。例えばSiO₂の反応性イオンエ
ツチング速度は、ガス条件CF₄（90％）H₂（10％）で600
Å/minであるに対し、Siの反応性イオンエツチング速度
は、ガス条件CF₄（95％）O₂（５％）で、5000Å/min
と、はるかにエツチング速度が大である。In the present invention, the Si layer is first processed by etching to form the waveguide pattern, so that high-speed processing can be easily performed. The conventional technique has a drawback that it takes time to form a waveguide pattern by etching after forming SiO ₂ . For example, the reactive ion etching rate of SiO ₂ is 600 at gas conditions CF ₄ (90%) H ₂ (10%).
Å / min, the reactive ion etching rate of Si is 5000 Å / min under gas conditions CF ₄ (95%) O ₂ (5%).
And, the etching speed is much faster.

このように本発明では、SiO₂より加工速度の早いSiを加
工することで上記の欠点を抑えることができる。As described above, in the present invention, the above-mentioned drawbacks can be suppressed by processing Si, which has a higher processing speed than SiO ₂ .

〔実施例〕 第１図の装置のサセプター１に50mm角の石英基板を載置
し、温度1000℃にて、SiCl₄500cc/分を導入し、厚さ0.5
μｍのクラツドとなるSi層を形成した。次にSiCl₄およ
びGeCl₄を夫々500cc/分、30cc/分の条件にて導入し、厚
さ4.5μｍのコアとなるSi層を形成した（第２図参
照）。[Example] A 50 mm square quartz substrate was placed on the susceptor 1 of the apparatus shown in FIG. 1, and SiCl ₄ 500 cc / min was introduced at a temperature of 1000 ° C. to a thickness of 0.5.
A Si layer to be a μm cladding was formed. Next, SiCl ₄ and GeCl ₄ were introduced under the conditions of 500 cc / min and 30 cc / min, respectively, to form a Si layer serving as a core having a thickness of 4.5 μm (see FIG. 2).

次に導波路パターンをホトレジスト（AZ−1350J）を用
いて厚さ1.5μｍつけた。その後、反応性イオンエツチ
ング装置を用いてSi層をエツチングし、Siのクラツド・
コア層からなるパターンを形成した。この時の条件はCF
₄およびH₂を19cc/分、1cc/分流し真空度は10Paとした。
このパターン形成に要した時間は10分であつた。Next, a waveguide pattern was formed with a photoresist (AZ-1350J) to a thickness of 1.5 μm. After that, the Si layer is etched using a reactive ion etching device to remove the Si
A pattern composed of the core layer was formed. The condition at this time is CF
_The flow rate of ₄ and H ₂ was 19 cc / min and 1 cc / min, and the degree of vacuum was 10 Pa.
The time required for forming this pattern was 10 minutes.

次に再び第１図と同様の装置を用いて、上記で得られた
積層物を温度1200℃まで加熱し、H₂O20cc/分を装置内に
導入してSi層を酸化した。この酸化によりクラツド層は
約１μｍ、コア層は10μｍになつた。さらにクラツド層
SiO₂を堆積して光のとじ込めを良くした結果、光導波路
のロスは0.2dB/cmと低損失なものであつた。Next, again using the same apparatus as in FIG. 1, the laminate obtained above was heated to a temperature of 1200 ° C., and ₂₀ cc / min of H ₂ O was introduced into the apparatus to oxidize the Si layer. This oxidation reduced the cladding layer to about 1 μm and the core layer to 10 μm. Further clad layer
As a result of improving the light confinement by depositing SiO ₂ , the loss of the optical waveguide was as low as 0.2 dB / cm.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明の方法は次のような効果を奏する。 The method of the present invention has the following effects.

（１） SiO₂に比べてSiのCVD法による形成は含Siガス
の熱反応により堆積速度が決まつてくるために、膜厚の
均一性が上がり、膜成長速度の制御性が高くなる。(1) In the formation of Si by the CVD method as compared with SiO ₂ , the deposition rate is determined by the thermal reaction of the Si-containing gas, so that the uniformity of the film thickness is improved and the controllability of the film growth rate is improved.

（２） Si又は添加剤を含むSiの酸化により形成される
膜はSiO₂又は添加剤を含むSiO₂で、Si:O＝1:2のストイ
キオメトリー制御が容易なことから、組成、屈折率分布
のコントロールが可能になる。又、再現性も極めて高く
なる。(2) The film formed by the oxidation of Si or Si containing an additive is SiO ₂ or SiO ₂ containing an additive, and since stoichiometry control of Si: O = 1: 2 is easy, composition and refraction It is possible to control the rate distribution. Also, reproducibility is extremely high.

（３） SiからSiO₂になるため、高純度石英ができるた
めに、伝搬損失も小さく均一性も高い。(3) Since Si is changed to SiO ₂ , high-purity quartz can be formed, and thus the propagation loss is small and the uniformity is high.

（４） Siをエツチングするので、パターン形成を高速
に行うことができ、生産性に優れる。(4) Since Si is etched, pattern formation can be performed at high speed, resulting in excellent productivity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は、本発明の実施態様を説明する概略の断面図、 第２図は、本発明の実施態様の各工程を説明する断面
図、 第３図は、光導波路の一例を示す断面図、 第４図は、従来法のCVD法を説明する概略の断面図、 第５図は、従来法の火炎直接堆積法を示す説明図、であ
る。FIG. 1 is a schematic sectional view illustrating an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view illustrating each step of the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view showing an example of an optical waveguide. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a conventional CVD method, and FIG. 5 is an explanatory view illustrating a conventional flame direct deposition method.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】基板上に光導波路を作成するにおいて、Si
を主成分とする層を形成し、該Siを主成分とする層に導
波路となるパターンを形成した後、該Siを酸化すること
によりSiO₂とし、かつ、コア層又はクラツド層の屈折率
分布は上記Siを主成分とする層形成時に添加剤を加える
ことにより形成することを特徴とする光導波路の製造方
法。1. In producing an optical waveguide on a substrate, Si is used.
Is formed as a main component, a pattern serving as a waveguide is formed in the layer containing Si as a main component, and then the Si is oxidized to be SiO ₂ , and the refractive index of the core layer or the cladding layer is The method of manufacturing an optical waveguide, wherein the distribution is formed by adding an additive when the layer containing Si as a main component is formed.