JPH0812302B2 - チタン酸化物薄膜の製造方法 - Google Patents

チタン酸化物薄膜の製造方法

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JPH0812302B2
JPH0812302B2 JP62275796A JP27579687A JPH0812302B2 JP H0812302 B2 JPH0812302 B2 JP H0812302B2 JP 62275796 A JP62275796 A JP 62275796A JP 27579687 A JP27579687 A JP 27579687A JP H0812302 B2 JPH0812302 B2 JP H0812302B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、酸素ガスを用いた反応性スパッタリング方
法による、導波路形光学素子における装荷層用のチタン
酸化物薄膜の製造方法に関する。
〔従来の技術〕
従来、西原浩著の「光集積回路」(オーム社,昭60)
において論じられているように導波路形レンズ、グレー
ティングなどの導波路形光学素子を形成する手段とし
て、光導波路上に屈折率の異なる装荷層を形成する方法
がある。ここで装荷部分の屈折率変化を大きくするため
に高屈折率かつ高透過率の二酸化チタンが装荷層として
多く用いられる。従来二酸化チタン薄膜の形成方法とし
ては、基板の表面に金属チタンをスパッタリング方法な
どにより成膜し酸素雰囲気中で500〜600℃で5〜8時間
加熱酸化して二酸化チタンを形成する方法がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術では、酸化により膜厚が増加するのであ
るが、その割合が酸化条件により異なるため膜厚の制御
が困難であった。さらに酸化に数時間を要することから
能率の面でも問題があった。
本発明の目的は、屈折率と膜厚の制御が容易でしかも
高屈折率、高透過率のチタン酸化物薄膜の製造方法を提
供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明においては、不活
性ガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気中でターゲットに
電力を印加して気体放電を発生させ反応性スパッタリン
グにより酸化物薄膜を試料表面に形成するチタン酸化物
薄膜の製造方法において、ターゲットはチタンを含有
し、不活性ガスに対する酸素ガスの分圧比をこの分圧比
が変動しても試料表面に形成する酸化物薄膜の成膜速度
及び形成した酸化物薄膜の屈折率がほぼ一定となる0.3
〜0.8の領域に設定して反応性スパッタリングを行うこ
とによりチタン酸化物よりなる前記酸化物薄膜を形成す
る。
〔作用〕
チタン酸化物を、二酸化チタンをターゲットとしてス
パッタリングにより形成する際、アルゴンガスのみの雰
囲気中で成膜すると、屈折率の高い膜が得られなかっ
た。XPSを用いて組成分析した結果、形成された膜は酸
素が不足した状態であった。そこで反応性ガスとして酸
素を用いることにより形成された膜の屈折率が上昇する
ことを発見した。次に、アルゴンガスに対する酸素ガス
の分圧を変えて成膜し屈折率を測定したところ、酸素分
圧が増えると屈折率は上昇するが、更に酸素分圧を上げ
ると屈折率が逆に下降することを発見した。また透過率
についても同様の傾向を得た。以上のことから酸素分圧
には適正範囲があり、O2/Ar分圧比0.3〜0.8の範囲でス
パッタすることにより、屈折率,透過率が高い二酸化チ
タン薄膜が得られることを発見し本発明に到った。
第2図は二酸化チタンをターゲットとして、アルゴン
ガスと酸素ガスの雰囲気中でスパッタリングを行った際
のO2/Ar分圧比と屈折率および透過率の関係を示す。ス
パッタリング条件としては、スパッタガス圧力0.35Pa〜
0.6Pa、高周波パワー500W、膜厚約0.06μmである。第
2図よりO2/Ar分圧比0では、屈折率は2.34、透過率は5
5%と低い。ここで第4図のX線回折強度をみるとアモ
ルファスであることがわかる。O2/Ar分圧比0.7では、屈
折率2.47、透過率97%と最大となる。しかも第4図のX
線回折強度をみると、するどいTiO2のピークがみられ結
晶性がよいことがわかる。さらにO2/Ar分圧比1.0では、
屈折率2.44、透過率78%と下降する。第2図よりO2/Ar
分圧比0.3〜0.8の範囲においては、高屈折率かつ高透過
率の膜が得られる。
第3図は、O2/Ar分圧比とスパッタリングレートの関
係を示す。スパッタリング条件としては、スパッタガス
圧力0.35Pa〜0.6Pa、高周波パワー500Wである。反応性
ガスとして酸素を用いることによりレートは急激に小さ
くなる。O2/Ar分圧比が大きくなるにつれてレートは少
しづつ減少する。それぞれの酸素分圧においてレートは
安定している。従って、スパッタ時間により膜厚を精度
良く制御することができる。
上記の二酸化チタンを装荷層として用いることによ
り、光学特性に優れたことによって光波制御効率の高い
導波路形光学素子を形成することができる。
〔実施例〕
以下、本発明を光学素子へ応用した場合の実施例を説
明する。
実施例 1 第1図は本発明の一実施例であるグレーティングの断
面図を示したものである。基板に光学研磨したLiNbO3
晶を用いた。光導波路2の形成は、基板1上にTiをスパ
ッタリングにより、0.02μm堆積させ、熱拡散により作
製した。スパッタ条件は、高周波パワー100W、アルゴン
ガス圧0.35Pa、スパッタ速度0.4nm/secである。熱拡散
条件は、電気炉を用いて、1000℃に加熱し、アルゴンガ
ス雰囲気中で6時間さらに酸素ガス雰囲気中で1時間熱
拡散して作った。
光導波路2上に形成するバッファ層3はコーニング社
#7059ガラスをスパッタリングにより膜厚0.03μm形成
した。作製条件は、高周波パワー100W、アルゴンガス圧
0.35Pa、スパッタ速度0.2nm/secである。
バッファ層3上に形成する装荷層4は厚さ0.1μmのT
iO2を上記と同様にスパッタリングで作製した。スパッ
タ条件は、TiO2ターゲットを用いてスパッタガスとして
アルゴンと酸素を用い、O2/Ar分圧比0.7、スパッタガス
圧力0.42Pa、高周波パワー500W、スパッタ速度0.1nm/se
cである。光学定数を測定したところ、屈折率2.475、透
過率98%の高屈折率、高透過率のチタン酸化物薄膜が得
られた。
次に、装荷層4及びバッファ層3を所定の導波路光学
素子の形状に微細加工するためのリングラフィー及びエ
ッチング工程を説明する。
第5図に示すように、装荷層4上にレジスト6を回転
塗布法により形成する。ここではレジスト6として電子
線レジストであるクロルメチル化ポリスチレン(CMS−E
XR:東洋リーダ製)を用い、厚さ0.5μmとした。
次にレジスト6を130℃,20分プリベークした後、電子
ビーム7を所定の装荷層状態に照射する。照射条件は、
電子ビーム径0.1μm、照射量16μc/cm2とした。電子ビ
ーム露光後、現像を行うことにより、第6図に示すレジ
スト製のマスク6を作製する。
その後、イオンエッチングにより装荷層4及びバッフ
ァ層3を微細加工する。イオンエッチングの条件は、エ
ッチングガスとしてCF4を用い、圧力3.8×10-2mmHg、高
周波パワー200W、エッチング時間15minとした。エッチ
ング後、レジスト製マスク6を除去することにより、第
4図に示した導波路形クレーティング5が形成できる。
比較例 1 比較例として、第1図の基板1にLiNbO3結晶を用い、
光導波路2をTiの熱拡散により形成し、バッファ層3は
コーニング社#7059ガラスをスパッタリングにより形成
した。(作製条件は実施例1と同様。)次に、装荷層4
は厚さ0.1μmのTiO2をスパッタリングで作製した。ス
パッタ条件は、TiO2ターゲットを用いて、スパッタガス
としてアルゴンと酸素を用いO2/Ar分圧比0.1、スパッタ
ガス圧力0.38Pa、高周波パワー密度500W、スパッタ速度
0.1nm/minである。
光学定数を特性したところ、屈折率2.420、透過率76
%と実施例に比べ低い値が得られた。この二酸化チタン
薄膜は高屈折率、高透過率という要求を満たしておら
ず、導波路形光学素子を形成するには不適であった。
実施例 2 第8図は、光学素子として導波路形グレーティング8
の実施例を示す。作製条件は、実施例1と同様に基板1
としてLiNbO3結晶を用い、Tiの熱拡散により光導波路2
を形成する。次に、スパッタリング法によりガラス製の
バッファ層3及びTiO2製の装荷層4を形成する。TiO2
光学定数を測定したところ、屈折率2.473、透過率99%
であった。次に、装荷層4及びバッファ層3を格子間隔
1μm、格子幅1mm、格子本数100本の装荷形ブラッググ
レーティングとなるようにレジスト塗布、露光、現像、
反応性イオンエッチングを実施例1と同様に行い、導波
路形グレーティング8を形成する。
上記した導波路形グレーティング8の特性を確認する
ため、He−Neレーザ光(波長633nm)をプリズムカップ
ラ法でTi拡散LiNbO3光導波路2に導波させ、ブラッグ角
にて装荷層4に入射させた。その結果、回折効率70%と
比較的良好な結果を得た。
上記した導波路形グレーティング8を150℃、500h高
温放置し、回折効率の変化を測定した結果、回折効率の
変化は1%以下と良好な結果を得た。
実施例 3 第9図は、光学素子として導波路形レンズ9の実施例
を示す。作製条件は、実施例1と同様に基板1としてLi
NbO3結晶を用い、Tiの熱拡散により光導波路2を形成
し、スパッタリング法によりガラス製のバッファ層3及
びTiO2製の装荷層4を形成する。TiO2の光学定数を測定
したところ屈折率2.475、透過率98%であった。次に装
荷層4及びバッファ層3をレンズ厚さの分布式である
(1)式を満足するようにレジスト塗布、露光、現像、
イオンエッチングを実施例1と同様に行う。
T(x)=Tmax〔Φx/2π+1〕 (1) Φ=−(k0n/2f)x22mπ (2) Tmax=2π/k0Δn (3) k0=2π/λ (4) ここで、n:光導波路の実効屈折率、f:焦点距離、Δn:
光導波路と装荷層の屈折率差、λ:波長、m=0,1,2,…
である。
上記した導波路形レンズ9の特性を確認するため、実
施例2と同様にHe−Neレーザ光を入射した結果、集光効
率70%と良好なレンズ特性を得た。しかも、150℃,500h
の高温試験による集光効率の変化は2%以下と良好な結
果を得た。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、従来品に比べ
て、屈折率及び膜厚の制御性よく、高屈折率かつ高透過
率の二酸化チタン薄膜を形成することができる。さら
に、装荷層として用いることにより導波路形光学素子の
形成技術に大きく貢献する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る製造方法の一実施例を示す導波
路形グレーティングの断面図、第2図は反応性スパッタ
リングにおける酸素分圧と光学定数の関係を示す図、第
3図は酸素分圧とスパッタリングレートの関係を示す
図、第4図はX線回折強度を示す図、第5〜第7図は本
発明に係る製造方法において、導波路形光学素子の形成
過程の一実施例を示す断面図、第8図は本発明の他の実
施例を示す導波路形グレーティングの斜視図、第9図は
本発明の他の実施例を示す導波路形レンズの斜視図であ
る。 1……基板 2……光導波路 3……バッファ層 4……装荷層 5……導波路形グレーティング 6……レジスト 7……電子ビーム 8……導波路形グレーティング 9……導波路形レンズ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 繁 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 日良 康夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 川本 和民 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−121119(JP,A) 特開 昭58−223639(JP,A)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】不活性ガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気
    中でターゲットに電力を印加して気体放電を発生させ反
    応性スパッタリングにより酸化物薄膜を試料表面に形成
    する方法であって、前記ターゲットはチタンを含有し、
    前記不活性ガスに対する前記酸素ガスの分圧比を該分圧
    比が変動しても前記試料表面に形成する酸化物薄膜の成
    膜速度及び該形成した酸化物薄膜の屈折率がほぼ一定と
    なる0.3〜0.8の領域に設定して前記反応性スパッタリン
    グを行うことによりチタン酸化物よりなる前記酸化物薄
    膜を形成することを特徴とするチタン酸化物薄膜の製造
    方法。
  2. 【請求項2】前記不活性ガスがアルゴンガスであること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項記載のチタン酸化物
    薄膜の製造方法。
  3. 【請求項3】前記ターゲットが金属チタン又は一酸化チ
    タン又は二酸化チタンの何れかから成ることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載のチタン酸化物薄膜の製造
    方法。
  4. 【請求項4】前記酸化物薄膜の屈折率が2.45以上である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のチタン酸
    化物薄膜の製造方法。
  5. 【請求項5】前記酸化物薄膜の光透過率が90%以上であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のチタン
    酸化物薄膜の製造方法。
  6. 【請求項6】前記酸化物薄膜がX線回折強度でTiO2に相
    当する部分にピークを有する結晶性薄膜であることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載のチタン酸化物薄膜
    の製造方法。
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