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CN103688213B - 光波导元件及其制造方法 - Google Patents

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CN103688213B CN201280035340.7A CN201280035340A CN103688213B CN 103688213 B CN103688213 B CN 103688213B CN 201280035340 A CN201280035340 A CN 201280035340A CN 103688213 B CN103688213 B CN 103688213B
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Abstract

本发明提供抑制了直流漂移的光波导元件的制造方法，进而提供能够在制造工艺的中途调整直流漂移而改善制造的成品率的光波导元件的制造方法。该光波导元件的制造方法包括在具有电光效应的基板形成光波导的工序、形成缓冲层的工序、形成电极的工序，其特征在于，在形成该缓冲层后加入了1阶段或多阶段的界面扩散层热调整工序(S1，S2)，该界面扩散层热调整工序用于利用加热来调整该缓冲层内的特定物质的浓度分布。

Description

光波导元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及光波导元件及其制造方法，特别是涉及在具有电光效应的基板形成有光波导、缓冲层及电极且改善了漂移(drift)现象的光波导元件及其制造方法。
背景技术
使用了铌酸锂(以下简写为LN)等具有电光效应的基板的光波导元件由于具有与半导体调制器相比损失低、能够进行高速动作且在较大的波长范围内特性稳定等特征，特别是在波分复用光传输等高速光通信系统中广泛地应用。
为了在实际的系统中使用该光波导元件，需要利用反馈电路来补偿因温度变化而变动的动作点的偏移(温度漂移)、长期的直流电压施加所引起的动作点的偏移(直流漂移)的结构。因此，采取了尽量减少这些偏移量的几个对策。
例如公开了如下等技术：如专利文献1所示，公开了对于温度漂移利用退火来减少电极等的应力的影响的技术；或如专利文献2所示，公开了为了减少直流漂移而在缓冲层中掺杂In等杂质的技术。但是，LN调制器的动作点偏移受到极微小的应力的平衡、或包含于结晶和缓冲层中的微量的杂质和其平衡的影响，虽然包括上述技术在内提出了各种对策，但完全抑制光波导元件的温度漂移及直流漂移尚未实现。
另一方面，对于LN光调制器等的光波导元件而言，伴随着要求的传输容量的增大，而要求能够以更高速动作且以更低电压驱动。另外，要求能应对从NRZ格式等比较单纯的强度调制到DQPSK、偏波合成调制器等也能够同时传输相位、偏波信息的格式。因此光波导元件的基板结构为脊形结构、薄板结构等而复杂化，波导结构也从单个的马赫-增德尔型向嵌套型等复杂化。
综上所述，上述动作点偏移的反馈电路所引起的补偿也复杂化，特别是对于成为长期动作保障的关键点的直流漂移，为了能够以更低电压进行控制、补偿，而期望减少直流漂移的光波导元件。
另一方面，在生产、供给直流漂移被抑制得较低的光波导元件的基础上，关于复杂化的晶圆(wafer)工艺的最终检查，需要在元件完成了的晶圆上或从晶圆切出的晶片(chip)上评价、拣选直流漂移等，以该特性满足系统要求规格的方式进行确认。通常在该阶段特性不合格的情况下，该晶圆或晶片会废弃，发生成品率降低所引起的成本劣化。这是由于，在晶圆工艺结束后，根据对于完成品的合格否判断，只能使用或废弃晶圆或晶片，并没有在晶圆完成后例如观察晶片的评价结果而以追加调整的方式校正、调整直流漂移特性等的技术。
直流漂移的机理的说明例如如非专利文献1所示，利用LN调制器等的光波导元件的内部的等价电路进行说明。其中重要的是，在LN基板形成的光波导和缓冲层、半导电性膜(Si膜等)、电极的各截面和表面方向上的局部的电阻值和电容的全部的合成电阻和合成电容及各部分的电阻和电容的比例影响到直流漂移的长期的偏移，为了实现更低的直流漂移，除了电极和波导设计以外，需要精密地控制由各工艺决定的LN基板和缓冲层、半导电性膜等的截面方向和表面方向的电阻和电容而进行制造。
但是作为强电介质的称为LN的材料具有与作为半导体的Si晶圆等相比结晶性低、根据制造商或制造批次、制造装置等的不同而偏差较大的问题，截面、表面方向的电阻的偏差也较大。另外仅由于在晶圆工艺中成膜的缓冲层、半导体膜中含有微量的杂质，其电阻值以位数较大变化的程度变动。因此，精密地控制由LN调制器制造中的各工艺所决定的LN基板、缓冲层、Si膜等的截面方向和表面方向的电阻、电容而进行制造是极为困难的，因而光波导元件的直流漂移也具有某种偏差。
另外，使抑制直流漂移的降低、偏差更加困难的原因是，单独地测定、分离由上述各工艺决定的LN基板、缓冲层、Si膜等的截面方向和表面方向的电阻、电容是极为困难的，事实上是不可能的。因此，只有从工艺中的晶圆内元件、切断结束后的晶片的合成电阻值、合成电容、直流漂移的倾向、程度等对它们进行类推的现实的手段而已。
因此，暂时完成的晶圆只是根据晶圆状或切断后的晶片的特性评价来判断合格否，进行向成品的组装工序转移或废弃的拣选。
图13是示出光波导元件的一部分的剖视图，在具有电光效应的基板11上，通过形成Ti等的热扩散部而形成光波导12。作为对光波导施加电场的调制电极，将信号电极13及接地电极14配置在光波导12的附近。
为了减少直流漂移现象，在专利文献3中，作为直流漂移现象的发生主要原因，考虑到来自基板的Li在缓冲层成为可动离子的情况，提出了将抑制该Li的扩散的膜插入到基板与缓冲层之间，而使特性稳定化的方案。
另外，专利文献4中，认为从光波导元件的外部进入的污染源是原因，为了防止污染源进入到缓冲层，提出了在缓冲层形成保护膜的方法。
而且，专利文献5中，通过在氧的干燥气体气氛中进行退火处理，而控制基板、缓冲层内的OH量等，进行直流漂移特性的稳定化。
但是，专利文献3、专利文献4的技术中，主要为了防止来自基板或外部的成为可动离子的杂质的进入，而使用扩散抑制层、保护膜层。这些膜为了发挥其效果，需要使用扩散系数小而难以发生离子极化的材料。因此，作为这些材料，主要利用金属、半导体。若将这种材料铺设在形成有光波导的基板与位于其上部的缓冲层之间，则由于该材料的折射率、光吸收作用，成为使光波导元件中的光损失、消光比等特性劣化的原因。
另外，铺设于缓冲层的上部的情况也同样，存在引起信号电极等的信号的传播损失、电场的施加效率的降低的可能性，成为光波导元件的特性劣化的原因。另外，为了抑制特性的劣化，也考虑了局部地铺设等对策，但该情况下需要进行使用了光刻法的技术等的图案形成等，产生生产率较差等问题。
另外，为了降低缓冲层的电阻值或控制膜质，有向缓冲层注入杂质的方法，但在这种技术中，与基板、电极的平衡成为问题，在进行作为实质器件的特性稳定化时，需要严密地进行其控制，特性的稳定化实质上较难。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3544020号公报
专利文献2：日本专利第3001027号公报
专利文献3：日本特开平7-64126号公报
专利文献4：日本特开2001-133743号公报
专利文献5：日本特开平7-128624号公报
非专利文献
非专利文献1：StevenK.Korotkyetal.,"AnRCNetworkAnalysisofLongTermTi:LiNbO3BiasStability",JournalofLightwavetechnology,Vol.14,No.12,p.2687-2689,IEEE,Dec.1996
发明内容
本发明要解决的课题是提供解决上述问题而抑制直流漂移的光波导元件及其制造方法。特别是提供能够在制造工艺的中途调整直流漂移并改善制造的成品率的光波导元件的制造方法。另外，提供使直流漂移稳定化、制造工序不复杂化、能高精度地控制成品的特性的光波导元件及其制造方法。
为了解决上述课题，本发明具有以下的技术特征。
(1)一种光波导元件的制造方法，包括在具有电光效应的基板形成光波导的工序、形成缓冲层的工序、形成电极的工序，其特征在于，在形成该缓冲层后加入了1阶段或多阶段的界面扩散层热调整工序，该界面扩散层热调整工序用于利用加热来调整该缓冲层内的特定物质的浓度分布。
(2)上述(1)所记载的光波导元件的制造方法中，其特征在于，在晶圆基板上或从晶圆基板切出光波导元件后进行该界面扩散层热调整工序。
(3)上述(1)所记载的光波导元件的制造方法中，其特征在于，该界面扩散层热调整工序包括：在晶圆基板形成光波导元件的工序中进行的第一界面扩散层热调整工序；及在晶圆基板上或从晶圆基板切出该光波导元件后进行的第二界面扩散层热调整工序。
(4)上述(1)～(3)的任一项所记载的光波导元件的制造方法中，其特征在于，在测定光波导元件的规定的特性值后，对应于其测定值而调整该界面扩散层热调整工序。
(5)上述(3)所记载的光波导元件的制造方法中，其特征在于，所述第一界面扩散层热调整工序的加热温度比所述第二界面扩散层热调整工序的加热温度高。
(6)上述(1)～(5)的任一项所记载的光波导元件的制造方法中，其特征在于，该基板由铌酸锂构成，该特定物质是Li。
(7)上述(6)所记载的光波导元件的制造方法中，其特征在于，该缓冲层内的基板表面的法线方向的Li的浓度分布为，1×1016(atoms/cm3)～3×1021(atoms/cm3)的浓度在1μm以下的范围分布。
(8)一种光波导元件，包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，其特征在于，在该缓冲层的该基板侧，Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上。
(9)上述(8)所记载的光波导元件中，其特征在于，该缓冲层中的含有1×1021(atoms/cm3)以上的Li的区域的厚度在膜厚方向占据1/4以上。
(10)上述(8)或(9)所记载的光波导元件中，其特征在于，在该缓冲层中掺杂有In或Ti的至少任一种。
(11)一种光波导元件的制造方法，所述光波导元件包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，所述光波导元件的制造方法的特征在于，至少在形成该缓冲层后，主要在氧气氛中在400～1000℃下进行热处理，从而在该缓冲层的该基板侧形成Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域。
(12)上述(11)所记载的光波导元件的制造方法中，其特征在于，在该热处理时，在一样的气氛中对含有Li的材料进行热处理。
(13)一种光波导元件的制造方法，所述光波导元件包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，所述光波导元件的制造方法的特征在于，在利用真空成膜法形成该缓冲层时，在成膜材料中混入含有Li的材料，以该缓冲层的Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的方式形成该缓冲层。
发明效果
根据上述(1)的发明，提供一种光波导元件的制造方法，包括在具有电光效应的基板形成光波导的工序、形成缓冲层的工序、形成电极的工序，其中，在形成该缓冲层后加入了1阶段或多阶段的界面扩散层热调整工序，该界面扩散层热调整工序用于利用加热来调整该缓冲层内的特定物质的浓度分布，因此，通过界面扩散层热调整工序，能够调整光波导元件的直流漂移，也能够改善制造的成品率。
根据上述(2)的发明，在晶圆基板上或从晶圆基板切出光波导元件后进行界面扩散层热调整工序，因此，即使在接近成品的最终阶段的状况下也能够调整光波导元件的直流漂移，也能够进一步改善制造的成品率。
根据上述(3)的发明，界面扩散层热调整工序包括：在晶圆基板形成光波导元件的工序中进行的第一界面扩散层热调整工序；及在晶圆基板上或从晶圆基板切出该光波导元件后进行的第二界面扩散层热调整工序，因此，能够在多阶段调整光波导元件的直流漂移，能够更有效地抑制直流漂移的发生。
根据上述(4)的发明，在测定光波导元件的规定的特性值后，对应于其测定值而调整界面扩散层热调整工序，因此，能够进行对应于光波导元件的特性的调整。
根据上述(5)的发明，第一界面扩散层热调整工序的加热温度比第二界面扩散层热调整工序的加热温度高，因此，能够在各个工序中最有效地调整直流漂移。
根据上述(6)的发明，基板由铌酸锂构成，特定物质是Li，因此，能够利用在加热基板时产生的Li的扩散来有效地抑制在利用铌酸锂基板时发生的直流漂移。
根据上述(7)的发明，缓冲层内的基板表面的法线方向的Li的浓度分布为，1×1016(atoms/cm3)～3×1021(atoms/cm3)的浓度在1μm以下的范围分布，因此，能够通过制造工序中的界面扩散层热调整工序来有效地抑制直流漂移。
根据上述(8)的发明，提供一种光波导元件，包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，其中，在该缓冲层的该基板侧，Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上，Li-O的结合强，因此，能够使直流漂移稳定化，如抑制电场所引起的Li的移动而减少直流漂移等。而且，由于通过热处理而含有Li，因此能够通过进行温度调整而容易地控制Li的含量，制造工序也不复杂化，也能够高精度地控制成品的特性。
根据上述(9)的发明，缓冲层中的含有1×1021(atoms/cm3)以上的Li的区域的厚度在膜厚方向占据1/4以上，由此，能够更可靠地实现直流漂移的稳定化。
根据上述(10)的发明，在缓冲层中掺杂有In或Ti的至少任一种，因此能够降低缓冲层的电阻值，而能够进一步使直流漂移的特性稳定化。
根据上述(11)的发明，提供一种光波导元件的制造方法，所述光波导元件包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，其中，至少在形成该缓冲层后，主要在氧气氛中在400～1000℃下进行热处理，从而在该缓冲层的该基板侧形成Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域，因此，仅通过控制热处理的温度，不使制造工序复杂化，就能够高精度地控制缓冲层中的Li的含量，能够提供使直流漂移的特性稳定化的光波导元件。
根据上述(12)的发明，在热处理时，在一样的气氛中对含有Li的材料进行热处理，因此也能够从缓冲层的表面促进Li的侵入，能够高效地制造使直流漂移的特性稳定化的光波导元件。
根据上述(13)的发明，提供一种光波导元件的制造方法，所述光波导元件包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，其中，在利用真空成膜法形成该缓冲层时，在成膜材料中混入含有Li的材料，以该缓冲层的Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的方式形成该缓冲层，因此能够在形成缓冲层时预先含有Li，不使制造工序复杂化，就能够高效地制造使直流漂移的特性稳定化的光波导元件。
附图说明
图1是使用实施了界面扩散层热调整工序400℃时的SIMS的基板界面附近的分析例。
图2是表示改变界面扩散层热调整工序的温度(200℃～700℃)时的基板界面附近的Li的浓度分布的坐标图。
图3是表示未实施界面扩散层热调整工序时的直流漂移的情况的坐标图。
图4是表示实施了界面扩散层热调整工序300℃时的直流漂移的情况的坐标图。
图5是表示实施了界面扩散层热调整工序600℃时的直流漂移的情况的坐标图。
图6是表示能够应用本发明的马赫-曾德尔型光调制器的俯视图的图。
图7是表示图6的A-A’中的剖视图的图。
图8是表示现有的制造方法(工艺流程)的一例的图。
图9是表示本发明的制造方法(工艺流程)的例子(其一)的图。
图10是表示本发明的制造方法(工艺流程)的例子(其二)的图。
图11是表示本发明的制造方法(工艺流程)的例子(其三)的图。
图12是对于形成方法(工艺A：溅射法，工艺B：真空蒸镀法)不同的缓冲层，表示实施了界面扩散层热调整工序时的温度与直流漂移的关联的坐标图。
图13是表示现有的光波导元件的一例的剖视图。
图14是表示本发明的光波导元件的剖视图。
图15是表示热处理温度为200℃时的Li的分布状况的坐标图。
图16是表示热处理温度为500℃时的Li的分布状况的坐标图。
图17是表示热处理温度为600℃时的Li的分布状况的坐标图。
图18是表示热处理温度为700℃时的Li的分布状况的坐标图。
图19是表示未进行热处理时和在300℃或600℃下进行了热处理时的光波导元件的直流漂移的变化的坐标图。
具体实施方式
对于本发明的光波导元件的制造方法，以下详细进行说明。
本发明人对于由光波导元件的制造工序中的各工艺决定的LN基板、缓冲层、Si膜等的截面方向和表面方向的电阻、电容，研究了在工艺结束后不大幅影响通过这些工艺得到的结构、特性而是否能够调整基板内部的截面、表面方向的电阻、电容，从而能够抑制、调整直流漂移。其结果是，关注于基板、缓冲层、Si半导体膜及电极等的各界面，特别是关注于在LN基板和缓冲层界面存在的Li原子的量和范围与直流漂移的关联性。
图1是利用SIMS(SecondaryIon-microprobeMassSpectrometry：二次离子质量分析)对LN基板和缓冲层界面附近进行分析的一例。该分析所使用的LN基板除了通常的晶圆工艺以外，还作为界面扩散层热调整工序而实施了400℃、5小时的热调整。坐标图的纵轴相当于元素的量，横轴上0为缓冲层表面方向，随着向+侧前进而成为LN基板侧，Li的量急剧地增加的部分成为LN基板与缓冲层的边界。Li原子分布于从边界起的约1μm内程度的范围，但能够将该区域看作Li原子的界面扩散层。
该界面扩散层可设想对应于Li的存在量、存在区域的大小，具有与缓冲层(SiO2)、LN基板不同的电阻及电容。该部分的电阻值及电容极难进行直接测定，从调制器的合成电阻、合成电容类推、或从直流漂移的状况设想成为现实的方法。
在此处，如果对于由各工艺决定的LN基板、缓冲层、Si膜等的截面方向和表面方向的电阻、电容，能够不大幅影响由这些工艺得到的结构、特性而调整该界面扩散层中的Li的量和区域，则可认为相当于能够调整该界面扩散层的电阻值及电容。换言之，就能够调整直流漂移的状况。
作为调整该界面扩散层中的Li的量和区域的手段，若相对于现有的晶圆工艺导入界面扩散层热调整工序而调整Li的量、存在区域，则能够进一步变更调整由包含结晶品质在内的LN基板、缓冲层、Si膜、电极形成等各晶圆工艺决定的直流漂移特性。
图2中，基于上述技术思想，对于缓冲层工序结束的各晶圆，导入各种温度的界面扩散层热调整工序(关于时间，所有情况都实施5小时)，与上述分析同样地使用SIMS而调查LN与缓冲层的边界区域的Li量。可知，随着界面扩散层热调整工序的温度从200℃变为700℃，LN与缓冲层的界面中的Li的量大致从1×1016(atoms/cm3)变化为3×1021(atoms/cm3)。另外可知其存在区域在1μm以下能够调整，在该浓度分布中，能够有效地抑制直流漂移。此外，该界面扩散层区域的电阻值及电容值虽然不能直接分离而测定，但可设想具有各自不同的Li的分布量和分布区域，而它们成为各自不同的值。
从这些晶圆开始未实施该界面扩散层热调整工序的(相当于温度0℃)样品A(图3)及将界面扩散层热调整工序分别设为300℃(样品B、图4)及600℃(样品C、图5)而前进直至最终工序并测定了各光波导元件的直流漂移的结果为图3～5。从实施数据可知，根据界面扩散层热调整工序的调整温度不同而扩散层的Li量及区域变化，对应于此而直流漂移特性变化。对于图3～5的各坐标图在后面详述。
因此，若在决定电极设计、各晶圆工艺的条件后应用最适合这些设计、晶圆工艺条件的界面扩散层热调整工序，则能够提供进一步抑制了直流漂移的光波导元件。
特别应该关注的一个特征是，关于界面扩散层热调整工序，从图2可知，即使在200℃程度的温度下也能够调整界面扩散层的Li量及区域。该特征是一个划时代的特征，其提供了在晶圆工艺结束后进一步对作为复杂化的晶圆工艺的结果的到达最终成品的最终成品率进行改善/调整的手段。
即，这意味着，在晶圆工艺完全结束而从晶圆切出晶片后，测定该晶片的直流漂移特性，在未达到包含工艺的偏差等在内的期待的直流漂移特性的情况下，以比在晶圆工艺中实施的调整温度低的温度进一步附加地实施界面扩散层热调整工序，而能够微调整直流漂移特性。
换言之，作为第一界面扩散层热调整工序，在晶圆工艺中实施由工艺设计及晶圆制造参数、使用材料等大致决定的直流漂移特性的大致调整，作为第二界面扩散层热调整工序，在晶圆基板上或从晶圆切开晶片后调整实施由制造的偏差、材料的偏差等产生的直流漂移特性的距离期待值的偏离，由此能够改善制造成品率，将制造成本抑制得较低。
而且，第一界面扩散层热调整工序的加热温度比第二界面扩散层热调整工序的加热温度高，因此在第一界面扩散层热调整工序大幅地抑制直流漂移，在第二界面扩散层热调整工序中，为了得到规定的特性，也能够微调整直流漂移。而且，在晶片化后的热调整工序中，Li也在晶片的切截面上扩散，因此过剩的加热也成为基板内的Li的缺乏的原因。这样，优选在各个工序中最有效地调整直流漂移。
根据基板的状态、缓冲层的形成方法等各种条件不同，处理温度也不同，例如利用溅射法形成缓冲层的情况下，第一界面扩散层热调整工序中为300～600℃，第二界面扩散层热调整工序中为100～300℃，更优选的是200～300℃作为适宜的范围。
这些直流漂移量不仅由界面扩散层的电阻值及电容值决定，还和与LN基板的电阻、电容及Si膜的电阻、电容等的相对的电阻值、电容值的比例有关。因此，即使是完全相同的界面扩散层，LN基板、Si膜等的工艺不同的话，也成为不同的直流漂移特性，另外，对不同的晶圆工艺最适合的界面扩散层热调整工序的条件也不同，这是不言而喻的。
另外，，可设想，上述Li的量、存在区域根据缓冲层的致密度等成膜条件、成膜装置等不同而可能不同，根据LN基板的制造条件不同也不同，但存在界面扩散层，对这部分的Li的量和范围能够与现有的晶圆工艺不同地利用界面扩散层热调整工序而附加地进行变更、调整，这是不言而喻的。
表达为上述界面扩散层的区域并不仅表示LN和缓冲层的接触部，还表示包括调整了Li的存在量的缓冲层内的区域、LN基板内的区域在内的区域，这是从本发明的内容可知的。
另外，已公开了专利文献1所示那样的在晶圆工艺、晶片处理的工艺中进行退火的技术，但现有技术的退火以基板、膜体的内部应力的缓和、或减少金属信号电极的内部应力为目的，与本发明这样利用Li等的扩散而形成界面扩散层的情况、及利用热调整工序调整它们的量及区域而降低、调整直流漂移特性这样的本发明的技术思想完全不同。
本发明提供一种光波导元件的制造方法，包括在具有电光效应的基板形成光波导的工序、形成缓冲层的工序、形成电极的工序，其特征在于，加入用于在形成该缓冲层后利用加热来调整该缓冲层内的特定物质的浓度分布的界面扩散层热调整工序。
通过该技术方案，例如在使用了以作为具有电光效应的基板的LN为主的强电介质的光波导元件中，在LN基板和缓冲层界面上，比较多的Li原子作为特定物质而存在于比较大的范围上，能够利用界面扩散层热调整工序来调整这些Li原子的浓度分布(存在量及存在区域)。并且，将被认为光波导元件的直流漂移特性根据各基板、缓冲层、Si膜等的截面和表面方向的电阻和电容的大小、比例而变化的原理组合，能够提供产业上有用的直流漂移被进一步抑制的光波导元件，而提供改善成品率并将成本抑制得较低的光波导元件。
实施例
以下，说明本发明的实施例。
图6是示出能够应用本发明的马赫-增德尔型调制器的一例的俯视图，图7是图6的A-A’中的剖视图。本例是通过在Z切(Zcut)的LN(铌酸锂)基板7上使Ti热扩散而形成光波导1，设置用于向该光波导施加电场的信号电极5、接地电极4。在此虽然未图示，但从激光等光源向光波导入射的光暂时分支为2束，利用施加到信号电极的电压而进行调制。
以在使Ti热扩散而形成的波导1上减少电极所引起的光吸收，扩大调制的带域为目的而形成缓冲层(SiO2层)2。缓冲层较多使用溅射、真空蒸镀、CVD等形成方法，但根据各种成膜装置的特征、制造条件，膜电阻等电气特性、内部应力等机械特性较大地不同，因此考虑晶圆尺寸、与成膜工序前后的晶圆工艺的匹配性、波导设计等，选择适当的成膜装置、制造条件。本实施例中表达为“工艺A”的表述是表示利用溅射法以1.6μm的厚度形成SiO2。
在形成了缓冲层2的晶圆上以防止晶圆的热电效应所引起的动作点变动为目的而形成导电层，例如形成Si膜3。在Si膜成膜后形成用于控制导波光的电极(4、5)。
电极形成结束了的晶圆切出成各个晶片，在此处安装于未图示的金属壳体等，组装成能够作为光波导元件使用的状态而完成。对光波导元件的制作完成后的晶圆在晶圆状态下进行检查，包括是否处于良好的状态、是否没有问题等，但即使在切出成各个光波导元件的晶片状态下也实施测定而事先检验可否安装。特别是与光的相互作用有关的损失(光的传播损失、耦合损失)、驱动电压、消光比、直流漂移等测定项目在晶片状态下简易地实施检查，实现伴随模块化的成品率的提高，或进行晶圆工艺的异常检测。多数情况下这些检查不是全数进行，而是可以抽选进行。这是由于上述项目的多数在同一晶圆上具有相同的倾向。这些一系列工艺由图8所表示的光波导元件的制造方法(工艺流程)所代表。
图9～11是说明本发明的光波导元件的制造方法的工艺流程，在现有的工艺流程(图8)中加入了界面扩散层热调整工序。图9的实施例中，相对于现有的晶圆工艺流程，在缓冲层形成工序结束后作为新的界面扩散层热调整工序(S1)，进行了600℃、5小时的热处理。
由图2的Li的扩散所引起的浓度分布可知，利用该600℃的热处理调整成在缓冲层和LN的界面上大约1×1021(atms/cm3)程度的Li在0.7μm程度的区域上存在，可知与未实施现有的界面扩散层热调整工序的情况相比较，Li的量和分布大幅不同。
另外，图10是本发明的光波导元件的制造方法的另一例，进行晶片切出，在测定晶片的特性后作为界面扩散层热调整工序(S2)，进行200℃、1小时的热处理。
而且，图11是本发明的光波导元件的制造方法的另一例，在缓冲层形成工序结束后实施界面扩散层热调整工序(S1)，且进行晶片切出，然后在测定晶片的特性之后，实施界面扩散层热调整工序(S2)。
从利用本发明的制造方法制作的晶圆、及从现有的制造方法制作的晶圆分别切出晶片，分别制作模块而测定了直流漂移特性的结果如图3～5。各坐标图的纵轴是标准化后的直流漂移量，横轴表示经过时间。各个坐标图上，记载了进行了由S1所示的界面扩散层热调整工序的情况和进行了S1、S2这两方的界面扩散层热调整工序的情况这2个测定结果。
由标准化直流漂移的结果(图3～5)可知，实施了本发明的模块的标准化直流漂移(图4及5)被大幅改善，而在进一步追加了晶片化后的界面扩散层热调整工序(S2)的情况下，进一步得到了改善。
在此处形成了表达为“工艺A”的缓冲层后，制作作为界面扩散层热调整工序(S1)而实施了300℃、5小时的热调整的晶圆，实施了标准化直流漂移试验的结果为图4。另外，同样地在“工艺A”的缓冲层实施了600℃、5小时的热调整的结果为图5。可知，图4及图5的实施了本发明的模块的标准化直流漂移与现有例工艺的模块(图3)相比得到改善。此外，上述实施例是在从晶圆切出晶片后测定直流漂移特性。但是，为了在晶圆状态下进行测定，也可以将晶圆的一部分切断而利用对接接头(buttjoint)或金红石等高折射率结晶的棱晶进行光耦合，测定直流漂移特性，然后在晶圆状态下实施界面扩散层热调整工序，这是不言而喻的。
使这些界面扩散层的热调整温度和标准化直流漂移的关联坐标图化后的结果为图12。从该坐标图可设想，在形成工艺A的缓冲层的情况下，作为界面扩散层热调整温度的最合适的温度为650-700℃程度，但作为界面扩散层热调整工序(S1)优选选择比其略低的温度，例如600℃等。这是因为，即使在由于工艺的偏差、晶圆材料等的偏差而标准化直流漂移成为最小的热调整温度不同的情况下，通过作为追加或微调整的界面扩散层热调整工序(S2)，也能够改善直流漂移特性。
上述的实施例中，作为“工艺A”例示了利用溅射法形成SiO2的情况，但在工艺设计、材料、成膜方法等不同的情况下，即使实施相同的界面扩散层热调整工序，成为最优的调整温度也不同。例如将利用真空蒸镀法以1.2μm的厚度形成了SiO2的成膜的情况作为“工艺B”而例示的结果描绘于图8。该情况下，标准化直流漂移成为最小的界面扩散层热调整温度的最优值为280℃程度，这种情况下作为界面扩散层热调整工序S1或S2而选择200℃程度。
如上所述，在决定电极设计、各晶圆工艺的条件后，若应用最适于这些设计、晶圆工艺条件的界面扩散层热调整工序，则能够提供进一步抑制了直流漂移的LN调制器。
此外，除了本发明的制造方法之外，还存在在现有的缓冲层形成工序内进行以缓和膜的内部应力为目的的退火的情况，但本发明的界面扩散层热调整工序的温度比退火温度高，因此也包含所述退火的作用在内而同时进行本发明的界面扩散层热调整工序的情况也能够作为本发明的应用例来实施。
另外，上述实施例中举出了在实施了晶片测定后应用第二界面扩散层热调整工序(S2)的例子，但也可以从晶圆工艺的稳定度、生产工序的高效运用等出发，在晶片测定前实施第二界面扩散层热调整工序，然后实施晶片测定，这是不言而喻的。
接着，对于本发明的光波导元件，以下进行详细说明。
如图14所示，本发明的光波导元件，包括具有电光效应的基板11、在该基板形成的光波导12、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层15、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极(13，14)，所述光波导元件的特征在于，在该缓冲层的该基板侧形成有Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域16。
在缓冲层内形成Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域，加强Li-O的耦合，由此能够抑制调制信号、直流偏置(DCバイアスア)等的电场所引起的Li的移动而减少直流漂移，从而使直流漂移的特性稳定化。而且，通过控制热处理的温度，能够容易地控制Li的含量，因此制造工序不会复杂化，能够高精度地控制成品的特性。
作为本发明所利用的基板，能够利用使用了具有电光效应的材料的基板，例如能够利用铌酸锂、钽酸锂、PLZT(锆钛酸铅镧)、及石英系的材料、以及将这些材料组合后的基板。特别是利用热处理而在缓冲层内含有Li的情况下，可适宜地利用铌酸锂(LN)结晶等丰富地含有Li的基板。
作为在基板形成光波导的方法，能够通过利用热扩散法、质子交换法等使Ti等在基板表面扩散而形成。另外，也能够利用对光波导以外的基板进行蚀刻、或在光波导的两侧形成槽等在基板上使与光波导对应的部分形成为凸状的脊形形状的波导。在脊形形状的情况下，波导附近的电场效率高，因此容易引起Li的移动，因此能够更适宜地应用本发明。
光波导元件中，在基板11上形成信号电极13、接地电极14等调制电极。这种电极能够通过Ti·Au的电极图案的形成及镀金方法等而形成。
在光波导12与调制电极(13，14)之间，设有缓冲层15。缓冲层是在光波导形成后，主要利用平行平板型的磁控溅射使用SiO2的靶通过溅射形成0.5μm～1.0μm程度的SiO2膜。特别是对于SiO2靶而言，为了直流漂移的特性稳定化，以降低膜的电阻值为目的，能够使用微量掺杂了In、Ti等金属的材料。
本发明的光波导元件中，通过在缓冲层内形成Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域，而抑制电场所引起的Li的移动。而且，通过使缓冲层中的含有1×1021(atoms/cm3)以上的Li的区域的厚度在膜厚方向上占据1/4以上，而能够更可靠地实现直流漂移的稳定化。
作为在缓冲层内含有Li的方法，从作为具有电光效应的基板的铌酸锂基板等能够丰富地供给Li，在形成主要含有SiO2的缓冲层后，对基板整体进行热处理，由此能够容易地使缓冲层内含有Li。作为光器件所使用的缓冲层的材质的SiO2等的扩散系数大，Li能够容易地扩散。
另外，在Li的含量的控制中，能够利用热处理温度而容易地控制，如果是400～1000℃的范围的温度，则能够充分地使Li扩散。特别是若在600℃以上进行热扩散，则能够容易地形成含有1×1021(atoms/cm3)以上的区域。热处理温度不需要以几度为单位，即使是更粗略的温度控制也能够控制Li扩散。
Li也有在SiO2内可动的离子，通过Li的量也能控制缓冲层的电阻率、静电电容值。关于Li，即使没有热处理或在200℃程度的低温下Li也进入缓冲层内，但根据缓冲层的密度、Li与氧的结合状态的不同，Li在缓冲层内的移动度不同。本发明中，通过在400～1000℃、优选600℃以上的氧气氛中进行热处理，Li-O的结合较强，而缓冲层自身变得致密。其结果是，能够减小Li的移动度，而抑制成为直流漂移的恶化要素的电场所引起的Li的移动。
图15～图18是对在LN基板上以0.6～0.8μm程度形成SiO2的缓冲层后的材料在200℃、500℃、600℃及700℃下进行热处理，并计测缓冲层内中的Li的含量的分布后的坐标图。
图15是在200℃进行了热处理的情况，缓冲层中的Li的含量为1×1019(atoms/cm3)以下。图16是在500℃进行了热处理的情况，缓冲层中的Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域的厚度为0.4μm程度。图17是在600℃进行了热处理的情况，但缓冲层中的Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域的厚度为0.6μm程度。而且，图18是在700℃进行了热处理的情况，缓冲层中的Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域的厚度以0.8μm程度在大致全部的缓冲层内分布。
图19是关于未进行热处理的光波导元件和在300℃或600℃下进行了热处理的光波导元件，示出了150℃的温度环境中的直流漂移的情况的坐标图。容易理解，与未进行热处理的光波导元件、在300℃下进行了热处理的光波导元件比较，在600℃下进行了热处理的光波导元件在相同试验环境下的直流漂移减少，特性稳定化。同样，进行了实验的结果是，在400℃以上进行了热处理的情况下，发现直流漂移的减少，特别是在600℃以上的情况下，得到大致相同的结果。此外，在超过1000℃的情况下，在Li的扩散效果上没有区别，倒不如利用Ti热扩散形成光波导，也会产生Ti的扩散进行发展等弊端。
作为使缓冲层含有Li的方法，进而在热处理时将LiCl、Li2O等丰富地含有Li的材料在一样的气氛中进行热处理，由此也能够从缓冲层的表面促进Li的侵入，能够高效地制造使直流漂移的特性稳定化的光波导元件。
另外，在基板形成光波导后，在其上利用溅射法、蒸镀法、CVD法等真空成膜法形成以SiO2为主原料的缓冲层。特别优选的是利用溅射法来形成。在形成该缓冲层时，也能够在成膜材料、例如溅射法的靶中混入Li2O等含有Li的材料，以该缓冲层的Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的方式形成。在形成缓冲层时能够预先含有Li，不使制造工序复杂化，而能够高效地制造使直流漂移的特性稳定化的光波导元件。
工业实用性
如以上所说明，根据本发明，提供抑制了直流漂移的光波导元件的制造方法，而且，能够在制造工艺的中途调整直流漂移，能够提供改善制造的成品率的光波导元件的制造方法。
另外，根据本发明，能够提供使直流漂移稳定化，制造工序也不复杂化，而能够高精度地控制成品的特性的光波导元件及其制造方法。
标号说明
1光波导
2缓冲层
3Si膜
4接地电极
5信号电极
6基板/缓冲层边界面
7基板
S1第一界面扩散层热调整工序
S2第二界面扩散层热调整工序
11具有电光效应的基板
12光波导
13信号电极
14接地电极
15缓冲层
16Li含有区域

Claims (12)

1.一种光波导元件的制造方法，包括在具有电光效应的基板形成光波导的工序、形成缓冲层的工序、形成电极的工序，其特征在于，
在形成该缓冲层后加入了1阶段的界面扩散层热调整工序，该界面扩散层热调整工序用于利用加热来调整该缓冲层内的特定物质的浓度分布，
该界面扩散层热调整工序在晶圆基板上或从晶圆基板切出光波导元件后进行。
2.一种光波导元件的制造方法，包括在具有电光效应的基板形成光波导的工序、形成缓冲层的工序、形成电极的工序，其特征在于，
在形成该缓冲层后加入了多阶段的界面扩散层热调整工序，该界面扩散层热调整工序用于利用加热来调整该缓冲层内的特定物质的浓度分布，
所述多阶段的界面扩散层热调整工序中的至少1阶段的界面扩散层热调整工序在晶圆基板上或从晶圆基板切出光波导元件后进行。
3.根据权利要求2所记载的光波导元件的制造方法，其特征在于，
所述多阶段的界面扩散层热调整工序包括：在晶圆基板形成光波导元件的工序中进行的第一界面扩散层热调整工序；及在晶圆基板上或从晶圆基板切出该光波导元件后进行的第二界面扩散层热调整工序。
4.根据权利要求1～3的任一项所记载的光波导元件的制造方法，其特征在于，
在测定光波导元件的规定的特性值后，对应于其测定值而调整该界面扩散层热调整工序。
5.根据权利要求3所记载的光波导元件的制造方法，其特征在于，
所述第一界面扩散层热调整工序的加热温度比所述第二界面扩散层热调整工序的加热温度高。
6.根据权利要求1或2所记载的光波导元件的制造方法，其特征在于，
该基板由铌酸锂构成，该特定物质是Li。
7.根据权利要求6所记载的光波导元件的制造方法，其特征在于，
该缓冲层内的基板表面的法线方向的Li的浓度分布为，1×1016(atoms/cm3)～3×1021(atoms/cm3)的浓度在1μm以下的范围分布。
8.一种光波导元件，包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，其特征在于，
在该缓冲层的该基板侧，形成Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域，该区域的厚度在膜厚方向占据1/4以上。
9.根据权利要求8所记载的光波导元件，其特征在于，
在该缓冲层中掺杂有In或Ti的至少任一种。
10.一种光波导元件的制造方法，所述光波导元件包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，所述光波导元件的制造方法的特征在于，
至少在形成该缓冲层后，主要在氧气氛中在400～1000℃下进行热处理，从而在该缓冲层的该基板侧将Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域以该区域的厚度在膜厚方向占据1/4以上的方式形成。
11.根据权利要求10所记载的光波导元件的制造方法，其特征在于，
在该热处理时，在一样的气氛中对含有Li的材料进行热处理。
12.一种光波导元件的制造方法，所述光波导元件包括具有电光效应的基板、在该基板形成的光波导、在该光波导上形成的以SiO2为主原料的缓冲层、在该缓冲层上形成并对在该光波导传播的光波进行调制的调制电极，所述光波导元件的制造方法的特征在于，
在利用真空成膜法形成该缓冲层时，在成膜材料中混入含有Li的材料，将该缓冲层的Li的含量为1×1021(atoms/cm3)以上的区域以该区域的厚度在膜厚方向占据1/4以上的方式形成。
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