共同高雰囲気を用いたRIE光スイッチの条件の検討

高速で大容量な次世代のネットワークの構築のために、光信号を光のまま伝送処理することのできる光集積回路の実現が求められています。本研究室では小型・高密度集積を実現できるシリコンを導波路のコア材料とするデバイスと、スパッタリングにより五酸化ニオブをコア材料とするデバイスの研究を行っています。それらのデバイスは、非常に精密な設計製作を行う必要があるため、本研究ではEB(Electron Beam)描画装置を用いて数百nm単位の細線導波路を製作し、光導波路の微細加工プロセスの検討を行いました。

大容量で高速な次世代のネットワークの構築のために、光信号を光のまま伝送処理することのできる光集積回路の実現が求められています。本研究室では小型・高密度集積を実現できるシリコンを導波路のコアとするデバイスと、五酸化ニオブを導波路のコアとするデバイスの研究を行っています。シリコンは電子回路とも集積が可能なため、光導波路の材料としても世界中で盛んに研究が行われています。一方、五酸化ニオブはカメラのレンズなどのコーティング膜として広く使われていますが、導波路材料として用いる研究はあまり行われていません。しかし、最大のメリットとしてスパッタリングによって比較的簡単に3次元積層構造を実現できるため、デバイス製作の幅を広げることができます。光集積回路に用いる様々なデバイスの実現に向けて、光導波路の製作に必要な微細加工技術の向上を目的として研究を進めました。

光集積回路は、光導波路によって構成されていて、光導波路とはSiなどの基板平面上に形成された光を通すための回路のことです。光導波路は数nm~数十μmの非常に精密な精度が要求されるデバイスです。例えば、図1上部は本研究室で研究が行われているディスク共振器の鳥瞰図ですが、そのディスク部分と直線導波路部分は数百nm程度の間隔で設計されており、図1の下部のように導波路の底面荒れや垂直性の悪さが原因で光信号の損失の原因となります。そのため、これらの要因の改善を目指し、設計通りの狙った構造を作り出すための加工プロセスの検討を行いました。

導波路製作工程としては、図2のような工程となっており、本研究では導波路製作工程の中でも特に形状への影響のあるパターニングとドライエッチングの工程についてフォーカスし、実験を行いました。

パターニングは、電子線描画装置(EB描画)で500nmの細線導波路と数百nmの間隔で隣り合った導波路を描画しました。図3にEB描画装置の仕組みを示します。ドライエッチングの工程はRIE (Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)装置を用いて光導波路形成と、その断面を電子顕微鏡で観察して評価を行いました。

EB描画では、感光剤となるレジストの種類、その膜厚、電子ビームを当てる時間などを検討し、基板へ描画したい図面を製作して素子などの目的の微細パターンを描画します。RIE装置の仕組みは平行平板の電極にターゲットとなる基板を置き、真空状態でガスを導入します。そして電極にRF(Radio Frequency)電源を接続しプラズマを立て、ガスと反応させることによってエッチングを行います。図4にRIE装置の構造を示します。

RIEの工程ではRF電力、ガス種類、ガス流量、ガス圧力等の検討要素があり、それらを変更していくことでエッチング結果、つまり、導波路形状も大きく変わります。

図5がコア層に五酸化ニオブを使用し、実際に製作した導波路の断面を電子顕微鏡で観察した画像です。この導波路の垂直性はおよそ85°とほぼ垂直なエッチングを実現できたため、300nm空いて隣り合っている導波路と繋がってしまうことなく導波路を形成できることを確認しました。

側壁の垂直性が良く、底面荒れもほとんど見られない導波路を形成することができ、研究室内の他テーマのデバイス製作にも重要な実験データを得ることができました。
この実験では導波路の形状を評価できたので、今後は実際に光信号を通して損失を測定し、性能面での評価を行う予定です。今後の課題としては側壁の滑らかさの向上と、さらなる加工精度の向上を目指す必要があります。今回得られた結果をもとに、光デバイス製作へと繋げ、光集積回路の実現とその高性能化に向けて研究を進めていきたいと考えています。