▶ アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024150481
(43)【公開日】2024-10-23
(54)【発明の名称】薄膜電気光学導波管変調器装置
(51)【国際特許分類】
G02F 1/035 20060101AFI20241016BHJP
【ＦＩ】
G02F1/035
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024107154
(22)【出願日】2024-07-03
(62)【分割の表示】P 2022579684の分割
【原出願日】2021-05-03
(31)【優先権主張番号】63/045,044
(32)【優先日】2020-06-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】テオ， ラッセル チン イー
(72)【発明者】
【氏名】ゴデット， ルドヴィーク
(72)【発明者】
【氏名】ヤハブ， ニル
(72)【発明者】
【氏名】ヴィッサー， ロバート ジャン
(57)【要約】 （修正有）
【課題】電気光学導波管変調器装置を提供する。
【解決手段】電気光学導波管変調器装置は、基板上のシード層であって、シード層の表面と整列した第１の結晶面を有する、シード層と、シード層上で第１の方向に延在し、シード層の表面と整列した第２の結晶面を有する、電気光学チャネルと、第１の方向と直交する第２の方向における、基板上の電気光学チャネルの両側の絶縁体層と、電気光学チャネル及び絶縁体層上の電極バリア層と、第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数とを含む。シード層及び絶縁体層はそれぞれ、電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む。
【選択図】図１
【解決手段】電気光学導波管変調器装置は、基板上のシード層であって、シード層の表面と整列した第１の結晶面を有する、シード層と、シード層上で第１の方向に延在し、シード層の表面と整列した第２の結晶面を有する、電気光学チャネルと、第１の方向と直交する第２の方向における、基板上の電気光学チャネルの両側の絶縁体層と、電気光学チャネル及び絶縁体層上の電極バリア層と、第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数とを含む。シード層及び絶縁体層はそれぞれ、電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気光学導波管変調器装置であって、
基板上のシード層であって、当該シード層の表面と整列した第１の結晶面を有する、シード層、
前記シード層上で第１の方向に延在し、前記シード層の前記表面と整列した第２の結晶面を有する、電気光学チャネル、
前記第１の方向と直交する第２の方向における、前記基板上の前記電気光学チャネルの両側の絶縁体層、
前記電気光学チャネル及び絶縁体層の上の電極バリア層、並びに
前記第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数
を備え、
前記シード層及び前記絶縁体層がそれぞれ、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する、電気光学導波管変調器装置。
基板上のシード層であって、当該シード層の表面と整列した第１の結晶面を有する、シード層、
前記シード層上で第１の方向に延在し、前記シード層の前記表面と整列した第２の結晶面を有する、電気光学チャネル、
前記第１の方向と直交する第２の方向における、前記基板上の前記電気光学チャネルの両側の絶縁体層、
前記電気光学チャネル及び絶縁体層の上の電極バリア層、並びに
前記第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数
を備え、
前記シード層及び前記絶縁体層がそれぞれ、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する、電気光学導波管変調器装置。
【請求項2】
前記シード層が、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む、請求項１に記載の電気光学導波管変調器装置。
【請求項3】
前記電気光学チャネルが、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有するチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）及びチタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＯ４ＳｒＴｉ，ＢＳＴＯ）から選択された材料を含む、請求項２に記載の電気光学導波管変調器装置。
【請求項4】
前記シード層が、約０．２５ｎｍと約５ｎｍとの間の厚さを有する、請求項１に記載の電気光学導波管変調器装置。
【請求項5】
前記電気光学チャネルが、前記第２の方向における約４ｎｍと約５００ｎｍとの間の幅、及び約１００ｎｍと約３００ｎｍとの間の厚さを有する、請求項１に記載の電気光学導波管変調器装置。
【請求項6】
前記シード層がチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）を含む、請求項１に記載の電気光学導波管変調器装置。
【請求項7】
前記電気光学チャネルが、チタン酸ランタン（Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７）を含む、請求項１に記載の電気光学導波管変調器装置。
【請求項8】
結晶学的に整列した表面を有する基板を形成する方法であって、
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと
を含む方法。
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと
を含む方法。
【請求項9】
前記堆積されたシード層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記シード層が、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項11】
前記シード層が、約０．２５ｎｍと約５ｎｍとの間の厚さを有する、請求項８に記載の方法。
【請求項12】
電気光学導波管変調器装置を形成する方法であって、
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと、
前記シード層上に電気光学材料の層を堆積させることと、
前記電気光学材料の堆積された前記層をアニーリングして、前記電気光学材料の前記層の第２の結晶面を前記シード層の前記表面と整列させることと、
前記電気光学材料の前記層及び前記シード層をパターニングして、前記シード層上で第１の方向に延在する電気光学チャネルを形成することと
を含み、前記シード層が、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、方法。
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと、
前記シード層上に電気光学材料の層を堆積させることと、
前記電気光学材料の堆積された前記層をアニーリングして、前記電気光学材料の前記層の第２の結晶面を前記シード層の前記表面と整列させることと、
前記電気光学材料の前記層及び前記シード層をパターニングして、前記シード層上で第１の方向に延在する電気光学チャネルを形成することと
を含み、前記シード層が、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、方法。
【請求項13】
前記堆積されたシード層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含み、
前記電気光学材料の前記堆積された層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含む、請求項１２に記載の方法。
前記電気光学材料の前記堆積された層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記シード層を堆積させることと、前記堆積されたシード層をアニーリングすることとが繰り返される、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
前記電気光学材料の前記層を堆積させることと、前記電気光学材料の前記堆積された層をアニーリングすることとが繰り返される、請求項１２に記載の方法。
【請求項16】
前記基板上に前記シード層を堆積させる前に、前記基板を予洗浄することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項17】
前記第１の方向と直交する第２の方向における、前記基板上の前記電気光学チャネルの両側に絶縁体層を堆積させること、
前記電気光学チャネル及び前記絶縁体層の上の電極バリア層、及び
前記第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数
をさらに含み、
前記シード層及び前記絶縁体層がそれぞれ、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、請求項１２に記載の方法。
前記電気光学チャネル及び前記絶縁体層の上の電極バリア層、及び
前記第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数
をさらに含み、
前記シード層及び前記絶縁体層がそれぞれ、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項18】
前記シード層が、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含み、
前記電気光学チャネルが、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有するチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）及びチタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＯ４ＳｒＴｉ，ＢＳＴＯ）から選択された材料を含む、請求項１２に記載の方法。
前記電気光学チャネルが、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有するチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）及びチタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＯ４ＳｒＴｉ，ＢＳＴＯ）から選択された材料を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項19】
前記シード層が、約０．２５ｎｍと約５ｎｍとの間の厚さを有し、
前記電気光学チャネルが、約４ｎｍと約５００ｎｍとの間の幅、及び約１００ｎｍと約３００ｎｍとの間の厚さを有する、請求項１２に記載の方法。
前記電気光学チャネルが、約４ｎｍと約５００ｎｍとの間の幅、及び約１００ｎｍと約３００ｎｍとの間の厚さを有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項20】
前記シード層がチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）を含み、前記電気光学チャネルがチタン酸ランタン（Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７）を含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は、概して、電気光学装置に関し、より具体的には、シリコンプラットフォームに組み込まれた薄膜電気光学導波管（導波路）変調器装置に関する。
【背景技術】
【0002】
シリコンフォトニクス（ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）は、広範囲の用途向けに高密度で低コストの集積フォトニック回路用のプラットフォームとなっている。チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３、ＢＴＯ）などの電気光学（ＥＯ：ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ）材料をシリコンフォトニクスに追加することにより、電力消費を低減しかつ動作速度を向上させることができる、変調器及びスイッチなどの多数の新規な動的フォトニックデバイスが実現可能となる。電気光学（ＥＯ）導波管位相変調器を含む、シリコンプラットフォームに組み込まれた電気光学装置は、単一光子源及び単一光子検出器を使用する全光量子計算（ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）などの、台頭しつつある量子技術における重要な要素であり得る。
【0003】
しかしながら、近い将来の量子技術の進歩のためには、スケーラブルで再現可能な集積電気光学装置のためのアーキテクチャの開発が依然として欠けた要素である。
【発明の概要】
【0004】
本開示の実施形態は、概して、電気光学導波管変調器装置に関する。電気光学装置は、基板上のシード層であって、シード層の表面と整列した第１の結晶面を有する、シード層と、シード層上で第１の方向に延在し、シード層の表面と整列した第２の結晶面を有する、電気光学チャネルと、第１の方向と直交する第２の方向における、基板上の電気光学チャネルの両側の絶縁体層と、電気光学チャネル及び絶縁体層上の電極バリア層と、第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数とを含む。シード層及び絶縁体層はそれぞれ、電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む。
【0005】
本開示の実施形態は、結晶学的に整列した表面を有する基板を形成する方法にさらに関連する。当該方法は、イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、堆積されたシード層をアニーリングして、シード層の第１の結晶面をシード層の表面と整列させることとを含む。
【0006】
本開示の実施形態は、電気光学導波管変調器装置を形成する方法にさらに関連する。当該方法は、イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、堆積されたシード層をアニーリングして、シード層の第１の結晶面をシード層の表面と整列させることと、シード層上に電気光学材料の層を堆積させることと、電気光学材料の堆積された層をアニーリングして、電気光学材料の層の第２の結晶面をシード層の表面と整列させることと、電気光学材料の層をパターニングして、シード層上で第１の方向に延在する電気光学チャネルを形成することとを含む。シード層は、電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む。
【0007】
本開示の上述の特徴を詳しく理解することができるように、実施形態を参照することによって、上記で簡単に要約された本開示のより詳細な説明を得ることができる。実施形態の一部は、添付の図面に示されている。しかし、添付の図面は、例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容し得ることに、留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】一実施形態に係る、電気光学（ＥＯ）導波管変調器の概略図である。
【図2】一実施形態に係る、ＥＯ導波管の製造に使用される処理シーケンスのフロー図を示す。
【図3】一実施形態に係る、基板処理システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
理解を容易にするために、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。ある実施形態の要素及び特徴は、さらなる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれ得ると想定されている。
【0010】
本開示の実施形態は、概して、電気光学（ＥＯ：ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ）装置に関し、より具体的には、シリコンプラットフォームに組み込まれた薄膜電気光学（ＥＯ）導波管変調器装置に関する。
【0011】
本明細書に記載された実施形態では、シリコンプラットフォームに組み込まれた薄膜電気光学（ＥＯ）導波管位相変調器は、ＥＯ材料が高い電気光学係数（例えば、ポッケル係数（Ｐｏｃｋｅｌ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）＞７００ｐｍ／Ｖ）を有するように結晶方位が整列したＥＯ材料を備えるほどに高品質であり、結果的に、印加された電界に対して高感度である。ＥＯ材料の結晶方位と堆積されたシード層は整列していないため、ＥＯ材料の結晶方位と基板上に形成された下層のシード層との整列は、高温でレーザアニールプロセスなどのアニーリングプロセスによって行われる。アニールプロセスは、基板を、予洗浄のための予洗浄チャンバとＥＯ材料及び／又はシード層の堆積のための処理チャンバとの間で移送する際に、真空を破ることなく実行される。
【0012】
このような薄膜電極導波管位相変調器は、入射光の位相を変調するために、印加される電界の強さによって屈折率が異なり、したがって、光ファイバ、又は単一光子源及び単一光子検出器と組み合わせることにより、次世代の光通信や量子技術における有効な素子として利用することができる。
【0013】
従来、電気光学（ＥＯ）装置は、バルクニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）単結晶上に製作され、大型かつ高品質の単結晶として成長する能力の故に、他の光学構成要素や電子構成要素と組み合わされる。シリコン上の集積化され小型の光学系に対する最近の開発努力により、ＬｉＮｂＯ３よりも遙かに高い電気光学係数を有する強誘電体酸化物材料（例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３、ＢＴＯ））を用いて、薄膜の光学構成要素及び電気光学（ＥＯ）構成要素（例えば、導波路、光源、変調器、検出器）の製造と特性化が要求されている。本明細書に記載された実施形態では、シリコンベースプラットフォーム上に形成された薄膜電気光学（ＥＯ）導波管位相変調器の実施例が説明される。しかしながら、本開示は、この特定の用途での使用に限定されず、他の薄膜電気光学（ＥＯ）構成要素に適用することができる。図１は、１つ又は複数の実施形態に係る、電気光学（ＥＯ）導波管変調器１００の概略図である。図２は、１つ又は複数の実施形態に係る、ＥＯ導波管変調器１００の製造に使用される処理シーケンス２００のフロー図を示す。基板１０２上にＥＯ導波管変調器１００を製作するための処理シーケンス２００は、図３に関連して以下で説明されるクラスタツール３００などの基板処理システムで実行される。
【0014】
ここで使用される「基板」という用語は、後続の処理動作の土台として機能する材料の層のことを指しており、その上にＥＯ導波管変調器１００を形成するために配置される表面を含む。基板１０２は、（００１）シリコンウエハ、酸化ケイ素、ストレインドシリコン、シリコンゲルマニウム、ドープされた又はドープされていないポリシリコン、ドープされた又はドープされていないシリコンウエハ、パターニングされた又はパターニングされていないウエハのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、炭素がドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、リン化インジウム、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、石英、溶融シリカ、ガラス、又はサファイアであってもよい。しかも、基板１０２はいかなる特定の大きさ又は形状に限定されない。基板１０２は、直径２００ｍｍ、直径３００ｍｍ、又は他の直径、とりわけ直径４５０ｍｍを有する円形ウエハあってもよい。さらに、基板１０２は、多角形ガラス基板などの、任意の多角形の、正方形の、長方形の、湾曲した、又は非円形のワークピースであってもよい。
【0015】
処理シーケンス２００のブロック２０２では、基板１０２の表面は、その上にＥＯ導波管変調器１００を製造する前に、予備洗浄されて、自然酸化物又は他の汚染源が除去される。例えば、基板１０２は、約２４℃から約５０℃の温度で希フッ酸（ｄＨＦ）エッチング溶液を用いた湿式エッチングプロセスによって予備洗浄され得る。代替的に、基板１０２は、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入手可能なＳＩＣＯＮＩ（商標）チャンバなどの予洗浄チャンバにおいて蒸気エッチングプロセスによって予洗浄され得る。予洗浄ガスは、窒素（Ｎ２）ガスと水素（Ｈ２）ガスの混合ガスであってもよい。アルゴン（Ａｒ）などのパージガス又はキャリアガスも予洗浄ガス混合物に加えることができる。
【0016】
ＥＯ導波管変調器１００は、基板１０２上に形成されたシード層１０４を含む。シード層１０４は、Ｘ－Ｙ面において酸化マグネシウム（又はマグネシア、ＭｇＯ）で形成され、Ｚ方向において約０．２５ｎｍと約１５ｎｍとの間の厚さを有する。シード層１０４は、下層基板１０２（例えば、（００１）シリコンウエハ）の結晶面と整列したＸ－Ｙ面に平行な（００１）結晶面を有するように形成される。幾つかの実施形態では、シード層１０４は、室温で、アルゴン（Ａｒ）ガス及び酸素（Ｏ２）ガスを含む混合ガスに基づくプラズマを用いて、物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセスによって、予備洗浄された基板１０２上にＭｇＯを堆積させることによって形成される。ＰＶＤチャンバ内に収容されたターゲットは、ＭｇＯを含む。処理シーケンス２００のブロック２０４では、シード層１０４は、他の化学堆積プロセス（例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）プロセス、又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）プロセス）によって形成される。しかしながら、堆積されたシード層１０４は、体心立方（ＢＣＣ）又は面心立方（ＦＣＣ）の結晶格子構造の（２００）、（２２０）、（２２２）のような、サイズと結晶方位の異なる複数の結晶子のドメインを含むことがある。したがって、シード層１０４が、Ｘ－Ｙ面に平行な（００１）結晶面を有するＭｇＯ結晶子のより大きなドメインを含むようにさらに処理される。例えば、ＭｇＯは、イオンビーム支援堆積（ＩＢＡＤ：ｉｏｎ ｂｅａｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスにより、基板１０２上にさらに堆積され得る。ＩＢＡＤプロセスでは、ＭｇＯが堆積されると、ＭｇＯ結晶子の結晶方位に応じて、アルゴンイオン（Ａｒ＋）又は酸素イオン（Ｏ＋）などの高エネルギー（約３００ｅＶ及び約２０００ｅＶ）イオンのビームによって、ＭｇＯが同時にエッチングされる。シード層１０４の表面（すなわち、Ｘ－Ｙ面）に対して４５度の角度でイオンビームが入射すると、（００１）結晶面（イオンビームに対して面外）と（１０１）結晶面（面内かつイオンビームに対して平行）を有する結晶子が優先的に形成され、他の面を有する結晶体は除去される。幾つかの実施形態では、シード層１０４は、パルスレーザ堆積プロセスによって形成される。
【0017】
処理シーケンス２００のブロック２０６では、シード層１０４は、レーザアニールプロセス、急速熱アニール（ＲＴＡ）プロセス、アニールプロセス、又は真空アニールチャンバ内のアニールプロセスによって、結晶面（００１）とまだ整列していないドメインから結晶構造を再生するためにさらにアニールされてもよい。レーザアニールプロセスでは、シード層１０４の表面が、アルゴン（Ａｒ）などのパージガス又はキャリアガスを用いて、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、及び窒素（Ｎ２）を含む雰囲気において、大気圧で約７００℃から約１１００℃の間の温度で、約０．１秒から約２４時間の間照射される。ＲＴＡプロセスでは、アニールプロセスは、高真空圧で約２００℃から約１０００℃の温度で、アルゴン（Ａｒ）などのパージガス又はキャリアガスを用いて、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、及び窒素（Ｎ２）を含む雰囲気において約０．１秒から約２４時間の間持続する。アニールプロセスは、急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバ内の炉アニールであってもよく、この場合、シード層１０４は、高真空で約０．１秒と約２４時間との間、アルゴン（Ａｒ）などのパージガス又はキャリアガスを用いて、酸素（Ｏ２）、水素（Ｈ２）、及び窒素（Ｎ２）を含む雰囲気において、約２００℃と約１０００℃との間の温度に加熱される。アニールプロセスは、アルゴン（Ａｒ）などのパージガス又はキャリアガスを用いて、約５分から約９０分の間、約１０００℃の温度で真空アニールチャンバ又は高圧チャンバ内で行うことができる。
【0018】
本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、ブロック２０４における堆積プロセス、及びブロック２０６におけるアニールプロセスは、結晶面（００１）を有するＭｇＯ結晶子の所望のドメインサイズを有するシード層１０４の所望の厚さを達成するまで繰り返される。
【0019】
ＥＯ導波管変調器１００は、シード層１０４の（００１）結晶面にＸ方向に形成されたＥＯチャネル１０６をさらに含む。ＥＯチャネル１０６は、ＥＯ導波管変調器１００の導波領域を画定する。ＥＯチャネル１０６は、材料に印加される電界に比例して屈折率が変化するポッケルス効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｅｆｆｅｃｔ）（線形ＥＯ効果とも呼ばれる）を示す材料で形成される。幾つかの実施形態では、ＥＯチャネル１０６は、ＢＴＯのｃ軸がＺ方向に配向されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３，ＢＴＯ）で形成される。バルクＢＴＯは、周知の材料の中で最も大きなポッケルス係数（＞１０００ｐｍ／Ｖ以上）を有する。ＥＯチャネル１０６は、Ｙ方向の幅が約４ｎｍと約５００ｎｍとの間であり、Ｚ方向の厚さが約１００ｎｍと約３００ｎｍとの間である。ＥＯチャネル１０６は、シード層１０４上にＢＴＯの層を形成し、シード層１０４上のＢＴＯの層をパターニングすることにより製作される。処理シーケンス２００のブロック２０８では、ＢＴＯの層は、堆積プロセス（例えば、ＰＶＤプロセス、ＣＶＤプロセス、若しくはＡＬＤプロセス）によって形成されてもよく、又はエピタキシャル成長させてもよい。処理シーケンス２００のブロック２１０では、堆積されたＢＴＯの層を、ブロック２０６におけるアニーリングプロセスと実質的に同じようにアニールして、Ｘ－Ｙ平面（すなわち、Ｚ軸に沿ったｃ軸）に（００１）結晶面を有するＢＴＯ結晶子の大きなドメインを形成してもよい。幾つかの実施形態では、ＥＯチャネル１０６は、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＯ４ＳｒＴｉ，ＢＳＴＯ）で形成される。本明細書に記載された他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、ブロック２０８における堆積プロセス、及びブロック２１０におけるアニールプロセスは、結晶面（００１）を有するＢＴＯ結晶子の所望のドメインサイズを有するシード層１０４の所望の厚さを達成するまで繰り返される。
【0020】
処理シーケンス２００のブロック２１２では、下層のシード層１０４とともにＢＴＯの層がエッチングされて、ＥＯチャネル１０６を形成する。
【0021】
立方晶ＭｇＯ（３００Ｋでａ＝４．２３１３Å）と正方晶ＢＴＯ（３００Ｋでａ＝３．９９２Å、ｃ＝４．０３６Å）との間の格子不整合が非常に大きい。しかしながら、ＭｇＯは、その低い屈折率（波長１．５５μｍで約１．７）及び光透過性のゆえに、シード層１０４として使用されることが多い。シード層１０４の低屈折率（波長１．５５μｍで電界が印加されていないときに約２．３であるＥＯチャネル１０６の屈折率より低い）により、ＥＯチャネル１０６内でＺ方向の光の閉じ込めが保証されるので、シード層１０４は、ＥＯチャネル１０６を下層のシリコン基板１０２から光学的に分離する。
【0022】
幾つかの実施形態では、シード層１０４は、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３，ＳＴＯ）から形成され、ＥＯチャネル１０６は、チタン酸ランタン（Ｌａ２Ｔｉ２Ｏ７，ＬＴＯ）から形成される。
【0023】
ＥＯ導波管変調器１００は、Ｘ方向にＥＯチャネル１０６の両側で、基板１０２上に絶縁体層１０８をさらに含む。絶縁体層１０８は、低屈折率を有する誘電体材料（例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２、波長１．５５μｍで屈折率約１．４）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４、波長１．５５μｍでの屈折率約２．０）、低ｋ誘電体材料、超低ｋ誘電体材料、極低ｋ誘電体材料、ＳｉＣＨ、ＳｉＣＮＨ、ＳｉＣＯＮＨ、ブラックダイアモンド、多孔質材、エアギャップ材料）から形成され得る。処理シーケンス２００のブロック２１４では、絶縁体層１０８は、ＰＶＤプロセス、ＣＶＤプロセス、又はＡＬＤプロセスなどの堆積プロセスによって、シード層１０４及びＥＯチャネル１０６の露出表面に誘電体材料のブランケット層を堆積し、その後、誘電体材料のブランケット層を部分的にエッチバック又は化学研磨して、ＥＯチャネル１０６を露出させて絶縁層１０８と平坦化されるようにすることにより、形成される。
【0024】
ＥＯ導波管変調器１００は、ＥＯチャネル１０６及び絶縁体層１０８の上に電極バリア層１１０をさらに含む。電極バリア層１１０は、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、及び酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）から選択された材料で形成される。バリア層１１０のＺ方向の厚さは、約０．２５ｎｍと約１５ｎｍとの間である。処理シーケンス２００のブロック２１６では、電極バリア層１１０は、堆積プロセス（例えば、ＰＶＤプロセス、ＣＶＤプロセス、又はＡＬＤプロセス）によって形成されてもよい。
【0025】
ＥＯ導波管変調器１００は、ＥＯチャネル１０６の側面に形成された、Ｙ方向に延びる同一平面上の電極１１２のうちの１つ又は複数をさらに含む。電極１１２は、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、又はコバルト（Ｃｏ）から形成される。電極１１２はそれぞれ、Ｙ方向の幅が約０．４ｎｍと約５００ｎｍとの間であり、Ｚ方向の厚さが約１ｎｍと約１０００ｎｍ、例えば、約１００ｎｍである。電極１１２にＤＣ電圧又は低周波電圧を印加すると、ＥＯチャネル１０６の屈折率が変化し、結果的にＥＯチャネル１０６の導波領域を伝搬する光の位相の変調が生じる。処理シーケンス２００のブロック２１８では、電極１１２は、堆積プロセス（例えば、ＰＶＤプロセス、ＣＶＤプロセス、又はＡＬＤプロセス）によって、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、又はコバルト（Ｃｏ）などの金属の層を堆積し、堆積した金属の層をパターニングすることによって形成される。電極１１２は、ブロック２０６におけるアニーリングプロセスと実質的に同じようにアニールされてもよい。
【0026】
図３は、１つ又は複数の実施形態に係る、ＥＯ導波管変調器１００が製造され得る基板処理システム３００を示す。基板処理システム３００の例としては、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から市販されているＥＮＤＵＲＡ（登録商標）システム及びＣｅｎｔｕｒａ（登録商標システム）が挙げられる。代替的に、他の基板処理システムも本開示に従って改修することができる。
【0027】
基板処理システム３００は、真空気密処理プラットフォーム３０２、ファクトリインターフェース３０４、及びシステムコントローラ３０６を含む。さらに、基板処理システム３００は、クラスタツール又はマルチチャンバ処理システムとも呼ばれることがある。
【0028】
処理プラットフォーム３０２は、１つ又は複数の処理チャンバを含む。例えば、処理プラットフォーム３０２は、処理チャンバ３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４を含み得る。さらに、処理プラットフォーム３０２は、１つ又は複数の移送チャンバを含む。例えば、図３に示されるように、処理プラットフォーム３０２は、移送チャンバ３２６、３２８を含む。処理プラットフォーム３０２は、移送チャンバ間で基板を移送することを可能にする１つ又は複数のパススルーチャンバも含み得る。例えば、パススルーチャンバ３３０、３３２が、基板を移送チャンバ３２６と移送チャンバ３２８との間で移送することを可能にし得る。
【0029】
処理プラットフォーム３０２は、１つ又は複数のロードロックチャンバをさらに含み得る。例えば、図３に示されるように、処理プラットフォーム３０２は、ロードロックチャンバ３３４、３３６を含む。ファクトリインターフェース３０４から移送チャンバ３２６に基板を移送する前に、ロードロックチャンバ３３４、３３６を真空下で動作するようにポンプダウンしてもよい。
【0030】
ファクトリインターフェース３０４は、１つ又は複数のドッキングステーション３３８、１つ又は複数のファクトリインターフェースロボット３４０、及び充電ステーション３４２を含む。ドッキングステーション３３８は、１つ又は複数の前面開口型統一ポッド（ＦＯＵＰ：ｆｒｏｎｔ ｏｐｅｎｉｎｇ ｕｎｉｆｉｅｄ ｐｏｄｓ）３４４Ａ、３４４Ｂ、３４４Ｃ、３４４Ｄを含む。ファクトリインターフェースロボット３４０は、矢印３４６で示される線形運動及び回転運動が可能であり得る。さらに、ファクトリインターフェースロボット３４０は、ＦＯＵＰ３４４Ａ～３４４Ｄ、ロードロックチャンバ３３４、３３６、及び充電ステーション３４２の間で基板を移送することができる。処理プラットフォーム３０２内で基板を処理するために、ファクトリインターフェースロボット３４０によって、基板を充電ステーション３４２からロードロックチャンバ３３４、３３６のうちの１つ又は複数に移送することができる。その後、処理された基板は、ファクトリインターフェースロボット３４０によって、ロードロックチャンバ３３４、３３６からＦＯＵＰ３４４Ａ～３４４Ｄのうちのいずれかに移送され得る。
【0031】
移送チャンバ３２６は、移送ロボット３４８を含む。移送ロボット３４８は、ロードロックチャンバ３３４、３３６との間で、処理チャンバ３０８、３１０、３１２、３１４との間で、かつパススルーチャンバ３３０、３３２との間で基板を移送する。パススルーチャンバ３３０及び３３２は、真空状態を維持するために利用することができ、それと同時に、処理プラットフォーム３０２内で移送チャンバ３２６と移送チャンバ３２８との間で基板を移送することを可能にする。移送チャンバ３２８は、移送ロボット３５０を含む。移送ロボット３５０は、基板を、パススルーチャンバ３３０、３３２と処理チャンバ３１６、３１８、３２０、３２２、３２４との間、及び処理チャンバ３１６、３１８、３２０、３２０、３２２、３２４の間で移送する。
【0032】
処理チャンバ３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４は、基板を処理するのに適した任意の態様で構成され得る。例えば、処理チャンバ３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４は、１つ又は複数の材料層を堆積し、１つ又は複数の洗浄プロセスを基板に施すように構成されてもよい。
【0033】
処理チャンバ、例えば、処理チャンバ３０８、３１０、３１２、３１４は、基板を別の処理チャンバに移送する前に、予洗浄プロセスを行い、基板から汚染物質を除去し、かつ／又は揮発性構成要素を抜くするように構成され得る。処理チャンバ３２２は、基板上に１つ又は複数の層を堆積させるように構成され得る。さらに、処理チャンバ３２４は、基板が処理チャンバ３１６、３１８、３２０、３２２のうちの１つ又は複数に移送される前に基板上にマスク（例えば、シャドウマスク）を位置付けし、処理チャンバ３１６、３１８、３２０、３２２のうちの１つ又は複数の中での処理後に基板からマスクを取り外すように構成され得る。処理チャンバ３１６、３１８、３２０、３２２は、とりわけ、化学気相堆積（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、及び物理的気相堆積（ＰＶＤ）（例えば、スパッタリングプロセス又は蒸発プロセス）などの堆積プロセスを用いて、材料を堆積させるよう構成され得る。処理チャンバ３１６、３１８、３２０は、真空又は真空に近い圧力で基板をアニールし得る、急速熱アニール処理（ＲＴＡ）チャンバ、又は急速熱処理（ＲＴＰ）チャンバであり得る。ＲＴＡチャンバの例としては、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から市販されているＲＡＤＩＡＮＣＥ（商標）チャンバが挙げられる。代替的に、処理チャンバ３１６、３１８、３２０は、高温ＣＶＤ堆積、アニーリングプロセス、又はインシトゥの堆積及びアニーリングプロセスを行うことができるＷ×Ｚ（商標）堆積チャンバであり得る。
【0034】
コントローラ３０６は、基板処理システム３００の構成要素を制御するように構成されている。コントローラ３０６は、処理チャンバ３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、移送チャンバ３２６、３２８、パススルーチャンバ３３０、３３２、及びファクトリインターフェース３０４のうちの１つ又は複数の動作を制御するための任意の適切なコントローラであってもよい。例えば、コントローラ３０６は、移送ロボット３４８、移送ロボット３５０、及びファクトリインターフェースロボット３４０の動作を制御するように構成され得る。コントローラ３０６は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）３５２、メモリ３５４、及び支持回路３５６を含む。ＣＰＵ３５２は、産業環境で利用され得る任意の汎用コンピュータプロセッサであってもよい。支持回路３５６は、ＣＰＵ３５２に連結され、キャッシュ、クロック回路、入出力サブシステム、及び電源等を含み得る。ソフトウェアルーチンは、メモリ３５４内に記憶され得る。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ３５２によって実行されてもよく、したがって、基板処理システム３００内の様々な構成要素に、本明細書に記載される方法のうちの１つ又は複数を実行させるように適合される。代替的に、又は追加的に、ソフトウェアルーチンのうちの１つ又は複数が、第２のＣＰＵ（図示せず）によって実行されてもよい。第２のＣＰＵは、コントローラ３０６の一部であってもよく、又はコントローラ３０６から遠隔な位置にあってもよい。
【0035】
１つ若しくは複数の処理チャンバ３０８、３１０、３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、１つ若しくは複数の移送チャンバ３２６、３２８、１つ若しくは複数のパススルーチャンバ３３０、３３２、及び／又はファクトリインターフェース３０４は、ここに開示する方法の少なくとも一部を制御するように構成された専用の１つ又は複数のコントローラ（図示せず）を有してもよい。専用コントローラは、コントローラ３０６と同様に構成されてもよく、基板処理システム３００内の処理を同期させるためにコントローラ３０６に連結されてもよい。
【0036】
ここに記載された実施形態では、シリコンプラットフォームに組み込まれた薄膜電気光学（ＥＯ）導波管位相変調器は、結晶方位が整列した電気光学材料を有する高品質なものである。このような薄膜電極導波管位相変調器は、光ファイバ、又は単一光子源及び単一光子検出器と組み合わせた場合、次世代の光通信や量子技術における有効な素子として利用することができる。
【0037】
以上の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてもよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【手続補正書】
【提出日】2024-08-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
結晶学的に整列した表面を有する基板を形成する方法であって、
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと
を含む方法。
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと
を含む方法。
【請求項2】
前記堆積されたシード層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記レーザーアニール工程は、酸素、水素、及び窒素を含む雰囲気において行われ、前記雰囲気は、パージガス又はキャリアガスのうちの１つ以上をさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記シード層が、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有する酸化マグネシウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記シード層が、約０．２５ｎｍと約５ｎｍとの間の厚さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記イオンビーム支援堆積プロセスは、約３００ｅＶから約２０００ｅＶの間のビームを利用する、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記堆積させること及び前記アニーリングすることが繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
電気光学導波管変調器装置を形成する方法であって、
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと、
前記シード層上に電気光学材料の層を堆積させることと、
前記電気光学材料の堆積された前記層をアニーリングして、前記電気光学材料の前記層の第２の結晶面を前記シード層の前記表面と整列させることと、
前記電気光学材料の前記層及び前記シード層をパターニングして、前記シード層上で第１の方向に延在する電気光学チャネルを形成することと
を含み、前記シード層が、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、方法。
イオンビーム支援堆積プロセス及びパルスレーザ堆積プロセスから選択された１つのプロセスを通して、基板上にシード層を堆積させることと、
堆積された前記シード層をアニーリングして、前記シード層の第１の結晶面を前記シード層の表面と整列させることと、
前記シード層上に電気光学材料の層を堆積させることと、
前記電気光学材料の堆積された前記層をアニーリングして、前記電気光学材料の前記層の第２の結晶面を前記シード層の前記表面と整列させることと、
前記電気光学材料の前記層及び前記シード層をパターニングして、前記シード層上で第１の方向に延在する電気光学チャネルを形成することと
を含み、前記シード層が、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、方法。
【請求項9】
前記堆積されたシード層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含み、
前記電気光学材料の前記堆積された層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含む、請求項８に記載の方法。
前記電気光学材料の前記堆積された層のアニーリングが、レーザアニールプロセスを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記シード層を堆積させることと、前記堆積されたシード層をアニーリングすることとが繰り返される、請求項８に記載の方法。
【請求項11】
前記電気光学材料の前記層を堆積させることと、前記電気光学材料の前記堆積された層をアニーリングすることとが繰り返される、請求項８に記載の方法。
【請求項12】
前記基板上に前記シード層を堆積させる前に、前記基板を予洗浄することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項13】
前記第１の方向と直交する第２の方向における、前記基板上の前記電気光学チャネルの両側に絶縁体層を堆積させること、
前記電気光学チャネル及び前記絶縁体層の上の電極バリア層、及び
前記第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数
をさらに含み、
前記シード層及び前記絶縁体層がそれぞれ、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、請求項８に記載の方法。
前記電気光学チャネル及び前記絶縁体層の上の電極バリア層、及び
前記第２の方向に延在する電極のうちの１つ又は複数
をさらに含み、
前記シード層及び前記絶縁体層がそれぞれ、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項14】
前記シード層が、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有する酸化マグネシウムを含み、
前記電気光学チャネルが、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有するチタン酸バリウム及びチタン酸バリウムストロンチウムから選択された材料を含む、請求項８に記載の方法。
前記電気光学チャネルが、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有するチタン酸バリウム及びチタン酸バリウムストロンチウムから選択された材料を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項15】
前記シード層が、約０．２５ｎｍと約５ｎｍとの間の厚さを有し、
前記電気光学チャネルが、約４ｎｍと約５００ｎｍとの間の幅、及び約１００ｎｍと約３００ｎｍとの間の厚さを有する、請求項８に記載の方法。
前記電気光学チャネルが、約４ｎｍと約５００ｎｍとの間の幅、及び約１００ｎｍと約３００ｎｍとの間の厚さを有する、請求項８に記載の方法。
【請求項16】
前記シード層がチタン酸ストロンチウムを含み、前記電気光学チャネルがチタン酸ランタンを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項17】
電気光学導波管変調器装置を形成する方法であって、
シード層上に電気光学材料の層を堆積させることと、
前記電気光学材料の堆積された前記層をアニーリングして、前記電気光学材料の前記層の結晶面を前記シード層の前記表面と整列させることと、
前記電気光学材料の前記層及び前記シード層をパターニングして、前記シード層上で第１の方向に延在する電気光学チャネルを形成することと
を含み、前記シード層が、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、方法。
シード層上に電気光学材料の層を堆積させることと、
前記電気光学材料の堆積された前記層をアニーリングして、前記電気光学材料の前記層の結晶面を前記シード層の前記表面と整列させることと、
前記電気光学材料の前記層及び前記シード層をパターニングして、前記シード層上で第１の方向に延在する電気光学チャネルを形成することと
を含み、前記シード層が、前記電気光学チャネルより低い屈折率を有する材料を含む、方法。
【請求項18】
前記電気光学材料が、ポッケルス効果（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｅｆｆｅｃｔ）を示す、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記電気光学チャネルが、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有するチタン酸バリウム及びチタン酸バリウムストロンチウムから選択された材料を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項20】
前記シード層が、前記シード層の前記表面と整列した（００１）結晶面を有する酸化マグネシウムを含む、請求項１７に記載の方法。
【外国語明細書】