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Dokumentenidentifikation DE69935636T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000977079
Titel Vorrichtung und nichtlinear optisches Material aus Silikat
Anmelder Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota, Aichi, JP
Erfinder Nagashima, Tomonori, Toyota-shi, Aichi-ken 471-8571, JP;
Nakamura, Naoki, Toyota-shi, Aichi-ken 471-8571, JP
Vertreter WINTER, BRANDL, FÜRNISS, HÜBNER, RÖSS, KAISER, POLTE, Partnerschaft, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 69935636
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.07.1999
EP-Aktenzeichen 991138082
EP-Offenlegungsdatum 02.02.2000
EP date of grant 28.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse G02F 1/355(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein nichtlineares optisches Siliziumdioxid-Material auf Basis von SiO2-GeO2, und insbesondere ein nichtlineares optisches Siliziumdioxid-Material mit nichtlinearen optischen Eigenschaften, die bereitwillig gezeigt werden, und das sehr zuverlässig ist. Die Erfindung betrifft auch eine optische funktionelle Vorrichtung, die das nichtlineare optische Siliziumdioxid-Material verwendet, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Es ist nahezu unvermeidlich, dass das Gebiet der optischen Kommunikation in Zukunft Subjekt einer größeren Entwicklung sein wird. Eine lichtgesteuerte Schaltvorrichtung, eine Wellenlängenumwandlungs-Vorrichtung, eine optische funktionelle Vorrichtung wie z. B. ein optisches Gedächtnis und ein optischer Sensor, sind wichtige Komponenten in einem optischen Kommunikationssystem. Ein optisches Material mit nichtlinearen Eigenschaften ist auch bedeutend, um solche optische funktionelle Vorrichtungen zu erzeugen.

In einem nichtlinearen optischen Material wurde ein kristallines Material, wie z. B. LiNbO3 (Lithium Niobat) in praktischer Verwendung genommen.

Wenn jedoch dieses nichtlineare optische Material LiNbO3 als optische Vorrichtung verwendet wird, sind seine physikalischen Eigenschaften von denen von Glas (z. B. optische Glasfaser), das als Verbindungsglied verwendet wird, sehr verschieden, und diese Verschiedenheit der physikalischen Eigenschaften ergibt das Problem der Verursachung von einem Defekt in der optischen Vorrichtung. Weiterhin ist LiNbO3 voluminös und es ist schwierig, daraus einen dünnen Film zu machen. Ein solches voluminöses optisches funktionelles Teil und eine Halbleitervorrichtung müssen separat hergestellt werden und dann miteinander verbunden werden, was zu Nachteilen bezüglich der Produktionskosten führt. Außerdem ist es schwierig, das voluminöse nichtlineare optische Gerät klein herzustellen, so dass es nicht leicht sehr funktionell gemacht werden kann.

Unter solchen Umständen wird nun SiO2-GeO2-Glas als ein nichtlineares Material entwickelt, das zu einem dünnen Film gebildet werden kann und auf Siliziumglas beruht, das nur geringe Unterschiede in physikalischen Eigenschaften gegenüber SiO2-Glas oder ähnlichem besitzt. 1 ist ein schematisches Diagramm, das einen dreidimensional gebundenen Zustand des SiO2-GeO2-Glases in zweidimensionaler Form zeigt. Dieses SiO2-GeO2 hat geringeren optischen Verlust, ein breiteres übermitteltes Wellenlängengebiet und bessere Verarbeitbarkeit und Haltbarkeit im Vergleich zu konventionellem Material. Auch wird SiO2-GeO2-Material als leicht zu dünnem Film verformbar angesehen, und wenn das nichtlineare optische Material SiO2-GeO2 zu einem dünnen Film geformt werden kann, kann es leicht zu einem Hybrid mit einer (elektrischen) Halbleitervorrichtung, wie z. B. einem IC und LSI gemacht werden. Es ist wohl bekannt, dass ICs und LSIs dadurch hergestellt werden, dass man Wärmebehandlung und Dünnfilmbildung durchführt, während man die Oberfläche eines Substrats von Si, GaAs usw. feinbearbeitet. Daher kann ein Verfahren zur Bildung des nichtlinearen optischen Materials in ein Verfahren zur Herstellung eines IC oder LSI bei Verwendung des auf einen Dünnfilm gebildeten SiO2-GeO2-Materials eingearbeitet werden, so dass ein optisches Halbleiterhybridelement erzeugt werden kann. Ferner ist auch die Entwicklung zu einer hoch integrierten optischen Vorrichtung (optisches IC) hoch. SiO2-GeO2 hat eine Materialzusammensetzung ähnlich derjenigen eines hauptsächlichen Halbleitermaterials Si und einem Oxidfilm (SiO2), der gebildet wird, wenn Si verarbeitet wird und hat auch gute Anwendbarkeit auf einen Halbleiter-Produktionsprozess, im Vergleich zu einem konventionellen nichtlinearen optischen Material.

Jedoch ist dieser vorgeschlagene SiO2-GeO2-Film, der dünn gemacht werden kann, noch in einem Entwicklungsstadium, und zufriedenstellende nichtlineare optische Eigenschaften sind noch nicht erhalten worden. Auch sind seine elementare Zusammensetzung und das Verfahren zu seiner Herstellung noch nicht optimiert, und so ist es noch nicht in praktischen Gebrauch genommen worden. Um diesem SiO2-GeO2-Film nichtlineare optische Eigenschaften zu verleihen, muss sein Polen (Polarisieren) durch Anwendung eines hohen elektrischen Feldes von etwa 105 V/cm durchgeführt werden. Jedoch verursacht ein hohes elektrisches Feld Zerstörung des Halbleiterelements oder Leistungsverschlechterung, wenn ein Hybridelement durch Einarbeiten eines IC, LSI usw., das andere Schaltkreiselemente (Transistoren, Kondensatoren usw.) hat, auf einem Halbleitersubstrat, wie z. B. Si, das auch für den Film aus nichtlinearen optischem Material verwendet wird. Deshalb besteht ein Bedürfnis danach, zufriedenstellende nichtlineare optische Eigenschaften zu erhalten durch Anwendung eines niedrigen elektrischen Feldes so dass der ungünstige Effekt aufgrund der Anwendung des elektrischen Feldes auf den SiO2-GeO2-Film nicht auf andere Halbleiterelemente einwirkt.

Wenn der SiO2-GeO2-Film auf einem Halbleitersubstrat aus Si oder ähnlichem gebildet wird, werden Elemente wie Ge des SiO2-GeO2-Films in dem Halbleitersubstrat (Si) dispergiert, was einen Bruch des Halbleitersubstrats und auch der Transistoren, Kondensatoren und anderen auf dem Halbleitersubstrat gebildeteten Elemente oder ihre Leistungsverschlechterung verursacht. Weiterhin tritt wahrscheinlich das Problem auf, dass bei Bildung des SiO2-GeO2-Films auf dem Halbleitersubstrat ein Defekt im Kristall der Oberfläche des Halbleitersubstrats vergrößert wird.

Borrelli N F et al: Journal of non-crystalline solids (Netherlands), vol 185 pages 109–122, offenbaren ein Silica-Material, das nichtlineare optische Eigenschaften zeigt, welches SiO2-GeO2 enthält und auch Wasserstoff enthält, worin der an das Germanium gebundene Sauerstoff durch ein Wasserstoffatom ersetzt ist.

Atkins R M et al: Electronics letters, GB, IEE Stevenage, vol. 29, beschreibt, dass Germanosilicat-Gläser, die in Wasserstoff hohen Drucks bei niedrigen Temperaturen imprägniert sind, merklich erhöhte lichtinduzierte Speicherungsindex-Änderungen aufweisen, wenn sie einer UV-Strahlung von 248 nm ausgesetzt sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Material zur Verfügung zu stellen, das zufriedenstellend hohe nichtlineare optische Eigenschaften aufweisen kann, indem man ein schwaches elektrisches Feld anlegt, das andere Elemente nicht beeinträchtigt, selbst wenn ein SiO2-GeO2-Film mit etwas von Silica-Glas unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften als ein optisches Material verwendet wird.

Es ist ein anderer Zweck der Erfindung, einen nachteiligen Einfluss auf andere Elemente, der durch die Anwesenheit eines nichtlinearen optischen Silicafilms, der hauptsächlich aus SiO2-GeO2 besteht und auf einem Substrat wie einem Si-Substrat gebildet ist, das darauf gebildete andere Halbleiterelemente besitzt, zu verringern.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Aufgaben zu erfüllen und hat die folgenden Merkmale:

Erstens enthält das erfindungsgemäße nichtlineare optische Siliciumdioxidmaterial ein Grundskelett von SiO2-GeO2 und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des an Ge oder Si, das in dem Siliciumdioxidmaterial enthalten ist, gebundenen Sauerstoffs durch ein Halogenelement X, oder durch sowohl ein Wasserstoffelement H als auch ein Halogenelement X ersetzt ist, so dass das nichtlineare optische Siliciumdioxidmaterial Si-X- und/oder Si-H- und Ge-X-Bindungen enthält, wobei X ein Halogenelement ist.

Bei dem nichtlinearen optischen Material, das hauptsächlich aus SiO2-GeO2 besteht, sind Si- und Ge-Elemente mit vier Koordinaten durch O-Elemente gebunden und bilden Si-O-Si-, Si-O-Ge- und Ge-O-Ge-Bindungen. Unter diesen ist ein Teil, wo das Material Nichtlinearität aufweist, ein Teil, wo nicht alle Valenzarme von Ge-Elementen mit vier Koordinaten der Ge-O-Bindung mit O-Elementen binden; sondern einige Valenzarme bleiben als Nicht-Valenzarme zurück, nämlich eine so genannte Schlenker-Verbindung (ungepaartes Elektron) liegt vor.

Nichtlineares optisches Siliciumdioxidmaterial hat z. B. eine Struktur, wie sie in zweidimensionaler Form in 2 gezeigt wird. In 2 ist zu sehen, dass H (Wasserstoff) so dem Material zugegeben wird, dass es Si-H- und Ge-H-Bindungen (Si-X- und Ge-X-Bindungen, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung Halogenelement X zugesetzt wird) in dem Materialfilm hat.

In dem gebundenen Zustand von Punkten (Ge.), wo Nichtlinearität gezeigt wird, hat das erfindungsgemäße Material (siehe 2) zwei Ge-O-Bindungen und eine Ge-H-Bindung (Ge-X, wenn Halogenelement X zugegeben ist) in Bezug auf ein Ge, während ein konventionelles Material (siehe 1) drei Ge-O-Bindungen besitzt.

So können Ge-H-Bindungen und Ge-X-Bindungen, die nicht der Bindung des Kristallgitters entsprechen, an Punkten (Ge•) gebildet werden, an denen Nichtlinearität durch Zugabe von Wasserstoff und Halogenelementen zu dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial gezeigt wird. In anderen Worten, da die Ge•-Punkte eine Bindung haben, die nicht mit dem Kristallgitter verbunden ist, kann das angelegte elektrische Feld bei der Verarbeitung zur polaren Orientierung (zum Polen) wesentlich verringert werden im Vergleich zu einem konventionellen nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial, um zu bewirken, dass nichtlineares optisches Siliciumdioxidmaterial Nichtlinearität aufweist.

Wie oben beschrieben, kann das nichtlineare optische Siliciumdioxidmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung in einem dünnen Film auf einem Halbleitersubstrat verwendet werden, um z. B. ein optisches Halbleiterhybridelement mit einem Slliciumhalbleiterelement auf demselben Siliciumdioxid-Substrat zu bilden. Wenn ein solches Hybridelement erzeugt wird, wird das Halbleiterelement vor Bruch oder Leistungsverschlechterung durch ein elektrisches Feld, das zur Orientierung der Polarität des nichtlinearen optischen Siliciummaterials angelegt ist, bewahrt. Deshalb können Feinverarbeitung und Bildung eines mehrfunktionellen Elements gleichzeitig durchgeführt werden, indem man das nichtlineare optische Siliciumdioxidmaterial gemäß der Erfindung zu einem dünnen Film bildet und es in ein Halbleiterelement inkorporiert, und die Funktionen der optischen Vorrichtung können merklich verbessert werden und eine beträchtliche Kostenverringerung kann gemacht werden.

Daher können durch Zugabe von Wasserstoff und Halogen die Flexibilität der Anordnung der Elemente in dem Material verbessert werden; auf den Film aufgebrachte Spannung wird verringert und die Abtrennung des Films vom Substrat kann verhindert werden. Daher kann die Ausschussrate bei der Bildung des optischen Halbleiter-Hybridelements durch Vereinigung des nichtlinearen optischen Films und des Halbleiterelements verringert werden. Die Zuverlässigkeit des Elements kann auch im Hinblick auf die oben beschriebenen Punkte verbessert werden.

Weiterhin wird ein Materialdefekt aufgrund von Wasserstoff und Halogen verringert und die Zuverlässigkeit und Stabilität werden auch verbessert.

Bei dieser Erfindung werden ein Halogenelement X oder Wasserstoff und ein Halogenelement X in geeigneter Weise in einer solchen Menge zugegeben, dass es/sie vollständig die Wirkung seiner/ihrer Zugabe zu zeigt/zeigen, ohne die Grundbindung SiO2-GeO2 zu stören. Ein Verbindungsverhältnis der Si- und Ge-Elemente liegt bei einem Gehalt, bei dem vollständig ein notwendiger optischer Transmissionsfaktor sichergestellt wird, der für das optische Material benötigt wird, und um völlig einen nichtlinearen Effekt durch Ge• aufzuweisen. Der Gehalt von Sauerstoff wird in einer Menge erwünscht, die notwendig zur Erzielung von Si-O-Si-, Si-O-Ge- und Ge-O-Ge-Bindungen ist.

Die nichtlineare optische Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Wasserstoff und Sauerstoff in dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxid-Material enthalten ist oder dass das nichtlineare optische Siliciumdioxid-Material mit an Ge gebundenem Sauerstoff, der ersetzt ist durch Wasserstoff und Halogen, auf einem gewünschten Substrat gebildet ist, und ein isolierender dünner Film ist zwischen das nichtlineare optische Siliciumdioxidmaterial und das Substrat zwischengeschaltet.

Ein solcher isolierender dünner Film, der zwischen dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilm und einem gewünschten. Substrat zwischengeschaltet ist, hat die Funktionen zur Vermeidung der Vergrößerung eines Defekts auf der Oberfläche des Substrats und der Vermeidung des Dispergierens der Ge-Elemente in das Halbleitersubstrat, wenn der Siliciumdioxidfilm auf der Oberfläche des Substrats gebildet wird.

Daher können Dispersion von ungewünschten Verunreinigungen in das Halbleitersubstrat und andere Elemente, wie z. B. Transistoren und Kondensatoren, die als die Halbleiterelemente wichtig sind, oder das Auftreten eines Defekts in dem Substrat vermieden werden, und ein funktionelles Element, das ausgezeichnete Zuverlässigkeit aufweist, kann erzeugt werden.

Der isolierende Film kann aus einer Siliciumverbindung wie z. B. Siliciumoxid (SiOx) oder Siliciumnitrit (SiNx) gebildet werden. Der isolierende Film hat eine Dicke von 0,1 bis 10.000 nm und insbesondere 2 bis 1000 nm.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine schematische Darstellung, die die Kristallstruktur eines konventionellen SiO2-GeO2 nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterials zeigt;

2 ist eine schematische Darstellung, die eine Kristallstruktur von SiO2-GeO2 nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial mit zugegebenen H zeigt; wenn ein Halogenelement X anstelle von H zugegeben ist, ist 2 eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;

3 ist eine schematische-Darstellung, die die Struktur eines CVD-Apparats zur Bildung eines nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilms oder eines Isolationsfilms auf einem Halbleitersubstrat zeigt;

4 ist eine Darstellung, die eine beispielhafte Struktur einer optischen Vorrichtung mit einem SiO2-GeO2 nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilm gemäß der Erfindung zeigt;

5 ist eine Darstellung, die einen Effekt der Zugabe von H zu dem SiO2-GeO2 nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial (Stand der Technik) zeigt;

6 ist eine schematische Darstellung, die eine Kristallstruktur von SiO2-GeO2 nichtlinearem optischen Siliciumdioxidmaterial mit erfindungsgemäß zugegebenem elementarem Halogen zeigt; und

7 ist eine schematische Darstellung, die eine Struktur eines Oxidationsofens zur Durchführung einer thermalen Oxidationsmethode zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben.

[Aspekt 1]

2 ist eine schematische Darstellung, die zwei-dimensional einen gebundenen Zustand des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterials zeigt, das drei-dimensional gemäß Aspekt 1 der Erfindung ausgebildet ist, wenn Halogen X anstelle von Wasserstoff H verwendet wird.

Si- und Ge-Elemente, die vier Koordinaten besitzen, bilden Si-O-Si-, Si-O-Ge- und Ge-O-Ge-Bindungen durch Bindung über die O-Elemente. Teilweise liegen auch Si-Si-, Si-Ge- und Ge-Ge-Bindungen vor. Ein Abschnitt, der Nichtlinearität aufweist, ist ein Punkt, wo nicht alle Valenzarme der Ge-Elemente mit vier Koordinaten an die O-Elemente an dem Ge-O-gebundenen Punkt binden und eine Schlenkerverbindung (ungepaartes Elektron) existiert. Ein solcher Bereich wird als Ge• in der Figur angezeigt.

In dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial nach Aspekt 1 ist H zugegeben und Si-H- und Ge-H-Bindungen sind anwesend, im Vergleich zu der Kristallstruktur (1) eines konventionellen nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterials. An den Punkten (Ge•), an denen Nichtlinearität auftritt, sind drei Ge-O-Bindungen in dem konventionellen Material vorhanden (vgl. 1), während zwei Ge-O-Bindungen und eine Ge-H-Bindung in dem nichtlinearen optischen Silciumdioxidmaterial gemäß Aspekt 1 vorliegen, wie in 2 gezeigt.

Nach Bildung eines nichtlinearen optischen Materialfilms mit der oben genannten Kristallstruktur wird ein elektrisches Feld an das nichtlineare optische Material angelegt, um die elektrische Polarität von Ge•-Punkten in dieselbe Richtung zu lenken (Polaritätsorientierung), um tatsächlich die Nichtlinearität an den Tag zu legen.

Beim Polen kann der Aspekt 1 die Polarität von Ge• leicht orientieren und ein notwendiges elektrisches Feld erniedrigen, da die Ge•-Punkte zum Ausdrücken der Nichtlinearität in dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial Ge-H-Bindungen und ähnliches haben, die nicht zur Bindung eines Gitters gehören. Speziell benötigt das zu beschreibende konventionelle Siliciumdioxidmaterial danach eine elektrische Feldstärke von etwa 105 V/cm oder mehr, während das Material des Aspekts 1 dem Polen unterworfen werden kann mit einer elektrischen Feldstärke von 103 V/cm bis 104 V/cm, die etwa eine 10er-Potenz niedriger ist.

Die Elemente des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterials sind Si und O als die Elemente, die hauptsächlich die Bindungen gestalten, Ge, das die Bindungen gestaltet und Schlenkerbindungen besitzt, und H als ein zugesetztes Element. Sie liegen in einem Verhältnis von 15 bis 40 % Si, 0,01 bis 20 % Ge, 20 bis 70 % O und 1 ppm bis 50 % H vor, bezogen auf die Zahl der Elemente. Vorzugsweise sind sie 20 bis 35 % Si, 2 bis 10 % Ge, 35 bis 64 % O und 2 bis 40 % H. Das nichtlineare optische Siliciumdioxidmaterial besteht typischerweise aus 27,7 % Si, 5,6 % Ge, 56,7 % O und 10,0 % H.

H wird in einem Verhältnis zugesetzt, um vollständig die Wirkung der Zugabe zu erzeugen, ohne die SiO2-GeO2-Bindungskonfiguration des Grundskeletts zu stören. Die Elemente Si und Ge werden auch in einem Verhältnis zugesetzt, um einen notwendigen optischen Transmissionsfaktor als das optische Material völlig sicherzustellen und vollständig die nichtlinearen Effekte durch Ge• zur Schau zu stellen. Sauerstoff ist vorzugsweise in einer solchen Menge enthalten, dass die Si-O-Si-, Si-O-Ge- und Ge-O-Ge-Bindungen ausgebildet werden und vorzugsweise in einem Zahlenverhältnis der Elemente von (Si + Ge):{O × 2 + H} = 1:4 als stychiometrisches Verbindungsverhältnis.

Im Folgenden wird ein Beispiel der Bildung des nichtlinearen optischen Siliciumdioxid-Films gemäß dem Aspekt 1 beschrieben. Wenn z. B. das nichtlineare optische Siliciumdioxidmaterial gemäß Aspekt 1 auf einem Halbleitersubstrat gebildet wird, kann es leicht unter Verwendung einer Dampfphasen-Synthesenmethode, z. B. einer Plasma-CVD-Methode als einer typischen Methode gebildet werden.

3 ist eine schematische Darstellung, die einen Plasma-CVD-Apparat zeigt. 3 zeigt, dass obere und untere Entladungselektroden 12u, 12d in einem Dekompressions-Container angeordnet sind, in den Rohmaterial eingeführt wird. Ein Halbleitersubstrat 3, auf dem der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm gemäß Aspekt 1 gebildet ist, ist an der oberen Entladungselektrode 12u montiert, und eine Hochfrequenz-Stromquelle 13 und ein Gasmischungsabschnitt 14 sind mit der unteren Entladungselektrode 12d verbunden. Das Halbleitersubstrat 3 kann je nach Struktur eines nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilms als Ziel auf 50 bis 500°C erhitzt werden. Ein Auslass des Dekompressions-Containers 11 ist mit einer Pumpe verbunden, um Luft aus dem Container 11 abzuziehen.

Eine Substanz, die wenigstens Si und H enthält oder eine Substanz, die wenigstens Si und Ge enthält, wird in den versiegelten Container 11 mit einer angepassten Fließrate von H2- und O2-Gas eingeleitet. Anschließend wird Strom von der Hochfrequenz-Stromquelle 13 zugeführt, während ein Gasdruck von etwa 1 bis 1000 Pa aufrechterhalten wird, um Plasma für eine vorbestimmte Zeitdauer zu erzeugen, um die Gase für eine vorbestimmte Zeitdauer zu zersetzen, wodurch der nichlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet wird.

Materialgase werden aus den Rohmaterial-Containern 18 durch Fließratenregulatoren 17 und Ventile 16 zu dem Gasmischungsabschnitt 14 geleitet. Die Rohmaterial-Container 18 sind mit dem Gasmischungsabschnitt 14 über verschiedene Leitungen verbunden, um brennbare Gase 19 und ein die Brennung unterhaltendes Gas 20 getrennt zuzuleiten. Dies ist entworfen, um die brennbaren Gase (z. B. H2, SiH4, GeH4) und das die Brennung unterhaltende Gas (z. B. O2) zum ersten Mal in dem vollständig dekomprimierten Gasmischbereich zu mischen und zu verhindern, dass die brennbaren Gase in dem Rohrsystem zum Gasmischabschnitt 14 in Brand geraten.

Wie oben beschrieben, kann durch die Auswahl eines Materialgases und die Einstellung eines Mischungsverhältnisses der Materialgase, einer Temperatur eines Halbleitersubstrats und eines Drucks in dem Dekompressionsbehälter gemäß der Dampfphasen-Synthesenmethode (Plasma-CVD-Methode) der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1, der hauptsächlich aus SiO2-GeO2 besteht und Bindungen von Si-H, Ge-H usw., wie in 2 gezeigt, besitzt, gebildet werden.

4 zeigt eine Beispielstruktur des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilms 1 gemäß diesem Aspekt 1, der auf dem Halbleitersubstrat 3 gebildet ist. Der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 besteht hauptsächlich aus SiO2-GeO2, wobei H zugesetzt ist, wie oben beschrieben. Halbleiterelemente (Transistoren, Kondensatoren usw.) die aus einer Verdrahtung 4 und einer Halbleiterschicht 5 bestehen, werden auch zusätzlich zu dem Siliciumdioxidfilm 1 auf dem Halbleitersubstrat 3 gebildet.

Wie oben beschrieben, hat der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 des Aspekts 1 die Ge-H-Bindungen, so dass Ge• als eine Nichtbindungsarm-Schlenkerbindung an den Ge-H-Bindungen vorliegt. Die Ge•-Punkte haben einen Elektronenmangel und tragen eine positive Ladung. Die Nichlinearität kann ausgedrückt werden durch Vereinigung und Orientierung (Polen: Polarisation) der ladungslokalisierten Punkte in eine Richtung durch Anwendung eines äußeren elektrischen Feldes. Um die Ge•-Punkte zu orientieren, wird ein elektrisches Feld angelegt, in dem man den nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilm 1 und das Halbleitersubstrat 3 in Kontakt mit der Elektrode bringt.

Eine Nichtlinearitäts-Stärke (nichtlineare optische Konstante), die von einer angelegten elektrischen Feldstärke abhängt, wird in 5 gezeigt. Zum Vergleich werden gemessene Ergebnisse des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilms, der H gemäß dem Aspekt 1 enthält (vgl. 2) und ein konventioneller nichtlinearer optischer Siliciumdioxidfilm (vgl. 1) in 5 gezeigt. In Aspekt 1 ist dadurch, dass H in dem hauptsächlich aus SiO2-GeO2 bestehenden Siliciumdioxidfilm enthalten ist, die Stärke des elektrischen Feldes, die angelegt wird, um die Nichtlinearität zum Ausdruck zu bringen, beträchtlich niedriger als z. B. 104 V/cm in 5, verglichen mit dem üblichen Fall (105 V/cm). Es ist ersichtlich, dass das angelegte elektrische Feld um eine Größenordnung oder mehr erniedrigt ist. Eine Rate des Anstiegs der nichtlinearen optischen Konstante in Bezug auf den Anstieg des angelegten elektrischen Feldes wird durch eine sehr steile Neigung für den Film gemäß Aspekt 1 angezeigt, was anzeigt, dass sie verglichen mit dem üblichen Film verbessert ist.

Durch Konfigurieren gemäß Aspekt 1, wie oben beschrieben, kann das angelegte elektrische Feld zur Orientierung der Polarität von Ge• erniedrigt werden und die an das Halbleitersubstrat 3 angelegte elektrische Feldstärke und das in 4 gezeigte, auf der Halbleiterschicht 5 gebildetete Halbleiterelement werden mit Abnahme der angelegten elektrischen Feldstärke erniedrigt. Wenn daher das optische Halbleiter-Hybridelement, wie in 4 gezeigt, hergestellt wird, kann vermieden werden, dass das Halbleiterelement durch das zum Polen des Siliciumdioxidfilms 1 angelegte elektrische Feld zerstört wird oder seine Leistung verschlechtert wird.

Feinbearbeitung und Bildung eines mehrfunktionellen Elements können gleichzeitig ausgeführt werden und die Funktionen einer optischen Vorrichtung können beträchtlich verbessert werden, weil das nichtlineare optische Material zu einem Film gebildet und in das Halbleiterelement eingearbeitet werden kann, wie in 4 gezeigt und so wird eine beträchtliche Reduktion der Kosten ermöglicht.

(Vergleichsbeispiel 1)

Ein spezifisches Beispiel der Bildung eines nichtlinearen optischen Siliziumdioxidfilms durch den in 3 gezeigten Plasma-CVD-Apparat gemäß Aspekt 1 wird nun beschrieben.

Erst wird das Halbleitersubstrat 3, das eine vorher darauf gefertigte vorbestimmte Halbleiterschicht besitzt, an der oberen Elektrode 12u montiert, die in dem Dekompressionscontainer 11 angeordnet ist. Die obere Elektrode 12u ist mit Grund verbunden, und die untere Elektrode 12d ist mit der Hochfrequenzstromquelle 13 verbunden.

Dann wird der verschlossene Container 11 auf etwa 10–3 bis 10–4 Pa durch die Pumpe 15 dekomprimiert und das Halbleitersubstrat 3 wird auf etwa 50 bis 500°C, wie benötigt, durch einen in die obere Elektrode 12u oder ähnlich eingebauten Erhitzer erhitzt.

Anschließend werden SiH4-Gas, das mit H2 oder einem Inertgas, wie benötigt, verdünnt ist, GeH4, das mit H2 oder einem Inertgas, wie benötigt, verdünnt ist und H2-Gas aus Zylindern, die mit den brennbaren Gasen 19 gefüllt sind, durch die Fließrateneinstellungen 17 und die Ventile 16 in den Dekompressionscontainer 11 geleitet. Währenddessen wird O2-Gas, das die Verbrennung unterhaltendes Gas 20 ist, von dem mit O2-Gas gefüllten Zylinder durch den Fließratenregulator 20 und das Ventil 16 in den Dekompressionscontainer 11 gefüllt. O2-Gas, das das oben beschriebene, die Verbrennung unterhaltende Gas ist, wird mit dem brennbaren Gas in dem Gasmischungsabschnitt 14 innerhalb des vollständig dekomprimierten Container 11 gemischt, um zu verhindern, dass es in der Leitung brennt.

Der Druck in dem Container 11 wird mittels eines Reglers auf etwa 10 bis 100 Pa gehalten und Strom mit einer Frequenz von 13,56 MHz wird von der Stromquelle 13 angewandt, um für eine vorbestimmte Periode Plasma zu erzeugen, um die Materialgase wie SiH4, GeH4, H2 und O2, die aus den Zylindern 19, 20 geliefert werden, zu zersetzen. So wird der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 mit einer Dicke von 0,1 bis 10 &mgr;m auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet.

Das Mittel zum Zersetzen der Materialgases in Beispiel 1 ist eine Hochfrequenzstromquelle von 13,56 MHz. Jedoch ist diese Frequenz nicht die einzige, sie kann vielmehr im Bereich von 1 KHz bis 10 GHz liegen. Außerdem ist sie nicht auf Hochfrequenz beschränkt. Eine elektrische Gleichstromentladung, optische Energie wie z. B. UV-Strahlen, eine chemische Reaktion, eine hohe Temperatur (Hitze) oder ähnliches können auch zur Zersetzung der Materialgase verwendet werden.

[Aspekt 2, gemäß der Erfindung]

Wasserstoff wurde zu dem in Aspekt 1 oben beschriebenen nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial, das hauptsächlich aus SiO2-GeO2 besteht, gegeben. Jedoch fügt dieser Aspekt 2 ein Halogenelement X anstatt eines Teils oder des gesamten Wasserstoffs zu dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial hinzu.

6 ist ein zwei-dimensionales Diagramm, das einen drei-dimensional konfigurierten Bindungszustand des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterials gemäß Aspekt 2 zeigt. In 6 ist ein Teil von H oder der gesamte Wasserstoff gemäß 2 durch ein Halogenelement X, nämlich Fluor in diesem Aspekt ersetzt, zur Bildung von Si-F-, Ge-F-Bindungen usw. in dem Kristall. Zwei Ge-O-Bindungen und eine Ge-F-Bindung liegen bei Punkten (Ge•) vor, wo die Nichtlinearität in dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterial gezeigt wird.

Auf dieselbe Weise wie in dem Aspekt 1 wird nach Bildung des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidmaterials mit der in 6 gezeigten Kristallstruktur Polarisierung durchgeführt durch Anlegen eines elektrischen Felds an das Material um die Nichtlinearität in dem Material zu zeigen. Jedoch kann das zum Polarisieren benötigte elektrische Feld auf dieselbe Weise wie beim Aspekt 1 erniedrigt werden, da die Ge-F-Bindung, die nicht zu dem Kristallgitter gehört, an den Ge.-Punkten vorliegt.

Daher kann selbst bei Zufügen von dem Halogenelement, wie z. B. F, anstelle von H der Halbleiterelementbereich geschützt werden von Bruch oder Qualitätsverschlechterung aufgrund des Anlegens des elektrischen Feldes zum Polarisieren, um das in 4 gezeigte optische Halbleiterhybridelement zu erzeugen.

Das Halogenelement hat eine verringerte Wirkung der Absenkung des elektrischen Feldes, das für die Orientierung der Polarität benötigt wird, verglichen mit der Zugabe des H-Elements. Jedoch ist das Halogenelement ein Element, das eine hohe Elektronegativität besitzt und die Nichtlinearität (nichtlineare optische Konstante) vergrößern kann, wenn die Polarität orientiert wird.

F wurde, wie oben beschrieben, als das Halogenelement X verwendet, jedoch können auch Cl, Br usw. verwendet werden.

Im Übrigen hat der in dem Aspekt 1 erhaltene nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 vorzugsweise ein Elementenverhältnis von 20 bis 35 % Si, 2 bis 10 % Ge, 35 bis 64 % O und 2 bis 40 % Halogenelement X, wie z. B. F. Das Halogenelement X wird in einem Verhältnis zugesetzt, um vollständig den Effekt seiner Zugabe zu zeigen, ohne die SiO2-GeO2-Bindung als die Grundlage zu stören auf dieselbe Weise wie die Verwendung von H. Die Elemente Si und Ge werden auch in einem Verhältnis der Zusammensetzung zugegeben, um vollständig die Wirkung der Nichtlinearität durch Ge• zu zeigen, während sie vollständig den für das optische Material benötigten optischen Transmissionsfaktor auf dieselbe Weise wie in Aspekt 1 sicherstellen. Sauerstoff wird vorzugsweise in einer solchen Menge zugesetzt, dass die Si-O-Si-, Si-O-Ge- und Ge-O-Ge-Bindungen gebildet werden und wünschenswert in einem Verhältnis der Zahl der Elemente von (Si + Ge):{O × 2 + H} ≡ 1:4 als ein stychiometrisches Verbindungsverhältnis.

Um den nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilm gemäß Aspekt 2 zu bilden, kann der CVD-Apparat auf dieselbe Weise wie in Aspekt 1 verwendet werden. In einem solchen Fall können eine Substanz, die wenigstens Si und das Halogenelement enthält, eine Substanz, die wenigstens Ge und das Halogenelement enthält, sowie H2- und O2-Gase als Rohmaterialien verwendet werden. Außerdem kann eine Substanz, die das Halogenelement enthält, getrennt gemischt werden. So kann die Auswahl der Materialgase, das Mischungsverhältnis der Materialgase, die Temperatur des Halbleitersubstrats, der Druck in dem Dekompressionscontainer so eingestellt werden, dass der nichtlineare optische Film mit den in 4 gezeigten verschiedenen Bindungen von Si-X, Ge-X usw. durch das Plasma-CVD oder ähnliches gebildet wird.

(Beispiel 1)

Ein Beispiel der Bildung des nichtlinearen optischen Films gemäß dem Apsekt 2 durch den in 3 gezeigten Plasma-CVD-Apparat wird nun beschrieben. In Beispiel 1 wurde der Dekompressionscontainer nach Einbringung des Halbleitersubstrats 3 dekomprimiert und das Halbleitersubstrat 3 wurde auf 50 bis 500°C, wie nötig, auf dieselbe Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 erhitzt.

Anschließend wurde SiF4-Gas, das mit Halogengas wie z. B. F2 oder einem Inert-Gas verdünnt war, GeF4-Gas das mit Halogengas wie F2 oder einem Inert-Gas, wie nötig, verdünnt war, und F2-Gas von dem mit den brennbaren Gasen 19 gefüllten Zylinder durch die Fließratenregulatoren 17 und die Ventile 16 in den Dekompressionscontainer 11 geliefert. Währenddessen wurde O2-Gas aus dem mit O2-Gas gefüllten Zylinder als das die Verbrennung unterhaltende Gas 20 durch den Fließratenregulator 17 und das Ventil 16 geliefert. Um Verbrennung in den Leitungen zu verhindern, wurde das O2-Gas mit den brennbaren Gasen in dem Mischungsabschnitt 14 in dem gefüllten Dekompressionscontainer 11 gemischt.

Anschließend wurde auf dieselbe Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 Plasma für eine vorbestimmte Zeitdauer erzeugt, um die Materialgase SiF4, GeF4, F2 und O2 zur Bildung des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilms 1 gemäß dem Aspekt 2 und mit einer Dicke von 0,1 bis 10 &mgr;m auf der Oberrfläche des Halbleitersubstrats 3 zu zersetzen. Somit war das Verhältnis der Anzahl der Elemente des auf dem Substrat 3 gebildeten nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilms 1 20 bis 35 % Si, 2 bis 10 % Ge, 35 bis 64 % O und 2 bis 40 % Halogenelement wie z. B. F (oder der Gesamtheit von Halogenelement und H, wenn H enthalten war). Daher setzt sich der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 aus Si-H-, Si-F-, Ge-H- und Ge-F-Bindungen auf der Basis der Si-O- und Ge-O-Bindungen, die wie in 6 gezeigt, das Gitter bilden, zusammen. Außerdem hat es Ge• als Nicht-Bindungsarm. Nichtlinearität wird dann dem Siliciumdioxidfilm 1 verliehen, indem man ein elektrisches Feld an den Siliciumdioxidfilm 1 auf dieselbe Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 anlegt.

[Aspekt 3 gemäß der Erfindung]

Im Aspekt 3 wird, wenn der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 des Aspekts 1 oder 2, wie in 4 gezeigt, auf dem Halbleitersubstrat 3 gebildet wird, der isolierende Film 2 zwischen dem Halbleitersubstrat 3 und dem nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilm 1 eingeschoben. So wird der isolierende Film 2 z. B. aus einer Siliciumverbindung wie z. B. Siliciumoxid (SiOx) oder einem Siliciumnitrit (SiNx) als typischem Material gebildet. Der isolierende Film hat eine Dicke von 0,1 bis 10.000 Nm, vorzugsweise 2 bis 1.000 Nm.

Die Anwesenheit des isolierenden Films 2, wie in 4 gezeigt, hat die Wirkung, dass eine Erhöhung von Defekten an der Oberfläche des Halbleitersubstrats verhindert wird, die hervorgerufen werden, wenn der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet wird und das Ge-Element in dem Siliciumdioxidfilm 1 in das Halbleitersubstrat dispergiert wird. Daher kann verhindert werden, dass das Halbleitersubstrat 5 zerstört oder seine Qualität verschlechtert wird, wenn Transistoren, Kondensatoren und ähnliches gebildet sind.

Der isolierende Film 2 gemäß dem Aspekt 3 kann durch ein thermisches Oxidationsverfahren oder ein CVD-Verfahren gebildet werden. Jedes Verfahren wird im Folgenden beschrieben.

(i) Bildung des isolierenden Films durch das thermische Oxidationsverfahren.

Zur Bildung des in 4 gezeigten isolierenden Films 2 auf einem Si-Halbleitersubstrat kann ein SiO2-Film durch Oxidieren der Si-Oberfläche durch thermische Oxidation gebildet werden.

Der SiO2-Film kann durch thermisches Oxidationsverfahren in einem Oxidationsofen gebildet werden, wie in 7 gezeigt. Zuerst wird ein steriles Quarzrohr 21 durch ein ringförmiges Heizgerät 22 auf 600 bis 1.200°C erhitzt. Gas, wie z. B. O oder H2 wird als eine Gaslieferung 23 geliefert und die Halbleitersubstrate 23 werden auf eine Quarzplatte 24 gelegt und die Quarzplatte 24 mit den darauf befindlichen Halbleitersubstraten 3 wird in das Quarzrohr 21 gebracht, wie in 7 dargestellt. Anschließend werden die Halbleitersubstrate etwa 5 Minuten bis 120 Minuten erhitzt, während man das vorgenannte Gas zur Bildung des SiO2-Films als isolierenden Film auf der Oberfläche der Halbleitersubstrate 3 fließen lässt. Hier kann HCl-Gas oder ähnliches zugesetzt werden, um die Reinheit des Inneren des Quarzrohrs 21 zu verbessern und Verunreinigungen von der Oberfläche der Halbleitersubstrate 3 zu entfernen. Der isolierende Film (SiO2-Film), der wie oben beschrieben gebildet wurde, hat eine Dicke von 0,1 bis 10.000 Nm und vorzugsweise 2 bis 1.000 Nm.

Die Bildung des SiO2-Films durch die thermische Oxidation hat den Vorteil, dass der isolierende Film dicht mit ziemlich niedriger Kontamination gebildet werden kann. Daher können bei der in 4 gezeigten Struktur durch Verwendung des durch thermische Oxidation erhaltenen SiO2-Films als isolierenden Film 2, das Halbleitersubstrat 3 und die Halbleiterschicht 5 gehindert werden, aufgrund von kontaminierenden Verunreinigungen in ihrer Leistung verschlechtert und in ihrer Funktionen gestört zu werden und die Leistung des nichtlinearen optischen Siliciumdioxidfilms kann intakt gehalten werden.

(Beispiel 2-1)

Ein Beispiel der Bildung des isolierenden Films 2 auf dem Halbleitersubstrat 3 durch den in 7 gezeigten oxidierenden Ofen wird nun beschrieben.

Zuerst wurde das Innere des Quarzrohrs 21 auf 900 bis 1.000°C durch das um das Quarzrohr 21 angebrachte ringförmige Heizgerät 22 erhitzt, während das Liefergas 23 wie z. B. O2, in das Quarzrohr 21 floss, das sauber gehalten wurde. Um weiterhin die Sauberkeit des Inneren des Quarzrohrs zu erhöhen, ist es hier erwünscht, kontaminierende Verunreinigungen in dem Quarzrohr durch Lieferung eines Gasgemisches von z. B. O2 und HCl zu entfernen und diese Gasmischung 10 bis 120 Minuten lang dort zu lassen.

Anschließend wurden die Halbleitersubstrate 3 mit darauf gebildeter Halbleiterschicht 5, wie in 4 gezeigt, auf der Quarzplatte 24 angeordnet. Es ist zu betonen, dass die Halbleitersubstrate 3 vorher mit einer alkalischen Lösung, einer Säurelösung, einem organischen Lösungsmittel oder ähnlichem gereinigt worden waren. Beim Einsetzen der Quarzplatte in das Quarzrohr 21 wurde das ringförmige Heizgerät 22 so gesteuert, dass die Temperatur in dem Ofen auf 700 bis 900°C erniedrigt wurde, um eine Temperaturänderung zu verringern, während die Quarzplatte eingesetzt wurde und die Quarzplatte 24 wurde in das Quarzrohr 21 mit vorbestimmter Geschwindigkeit eingesetzt.

Nach Einsetzen der Quarzplatte 24 wurde die Temperatur in dem Quarzrohr 21 auf 900 bis 1.000°C angehoben. Anschließend wurde ein Gasgemisch aus O2 und HCl zugeleitet und etwa 10 Minuten lang angehalten, um eine sehr kleine Menge an kontaminierenden Verunreinigungen von der Oberfläche des Halbleitersubstrats zu entfernen, während der isolierende Film 2 auf dem Halbleitersubstrat 3 gebildet wurde. Das Vorratsgas 23 wurde zu einer Gasmischung aus O2 und H2 geändert und etwa 60 Minuten lang so gehalten, um den isolierenden Film auf dem Halbleitersubstrat zu bilden.

So hat der SiO2-Film, der durch Oxidieren der Oberfläche von Si erhalten wurde, wobei man die Oberfläche von Si einer oxidierenden Atmosphäre bei einer hohen Temperatur aussetzt, eine Dicke von 100 bis 500 Nm, die durch Steuerung der Temperatur und der Zeit zur Bildung des Films eingestellt werden kann. Der erhaltene SiO2-Film ist genügend dick, um das Halbleitersubstrat 3 und die Halbleiterschicht 5 zu schützen und mechanischen Schaden und Dispersion von kontaminierenden Verunreinigungen zu vermeiden, wenn der nichtlineare optische Film 1 auf dem isolierenden Film 2 gebildet ist.

Anschließend wurde, wie in 4 gezeigt, der nichtlineare optische Film 1 auf dem gebildeten SiO2-Film nach dem in den Aspekten 1 und 2 beschriebenen Verfahren gebildet und das optische Halbleiterhybridelement wurde vervollständigt, indem man die Verdrahtung 4 unter Verwendung eines leitfähigen metallischen Materials bildete.

(ii) Bildung des isolierenden Films mit der Dampfphasensynthesen-Methode (CVD-Methode).

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Bildung eines isolierenden Films nach der Dampfphasensynthesen-Methode beschrieben, die eine andere Methode zur Bildung des isolierenden Films 2 ist. Die CVD-Methode zur Bildung des isolierenden Films 2 kann mittels desselben CVD-Apparats ausgeführt werden, wie er zur Bildung des in 3 gezeigten nichtlinearen optischen Films 1 mittels der CVD-Methode verwendet wurde.

Wie in 3 gezeigt kann der Plasma-CVD-Apparat mit den elektrischen Entladungselektroden 12u, 12d, der in dem Dekompressionscontainer 11 angeordnet ist, in dem die Rohmaterialien eingeführt werden, benutzt werden. Dieselben Teile, wie diejenigen, die in Verbindung mit 3 beschrieben wurden, werden in der folgenden Beschreibung nicht beschrieben.

Das Halbleitersubstrat 3, auf dem der isolierende Film 2 gebildet ist, wird auf die obere elektrische Entladungselektrode 12u gebracht und die Hochfrequenzstromquelle 13 und der Gasmischungsabschnitt 14 werden mit der unteren elektrischen Entladungselektrode 12d verbunden. Die Materialgase werden aus den Zylindern (Rohmaterialbehälter) 18 in den Gasmischungsabschnitt 14 durch die Fließratenregulatoren 17 und die Ventile 16 geliefert. Als das Material, das Elemente enthält, die Grundelemente des isolierenden Films 2 sind, wird Gas, das wenigstens Si- und O (Sauerstoff)-Elemente oder wenigstens Si- und N-Elemente, wie z. B. SiH4, NH3, H2, O2, N2O und TEOS enthält, in den abgedichteten Container 1 mit einer eingestellten Fließrate eingeleitet. Anschließend wird Strom aus der Hochfrequenz-Stromquelle 13 zugeleitet, wobei der Gasdruck bei 1 bis 1.000 Pa gehalten wird, um eine vorbestimmte Zeitdauer Plasma zu erzeugen, um das Gas für eine vorbestimmte Zeit zu zersetzen, wodurch der isolierende Film an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet wird. Mittel zur Zersetzung der Rohmaterialien können eine hochfrequente elektrische Entladung, eine DC-elektrische Entladung, optische Energie, wie z. B. UV-Strahlung, elektrische Entladung, eine chemische Reaktion oder eine hohe Temperatur sein.

Daher können zur Bildung des isolierenden Films 2 durch die Gasphasensynthese-Methode (Plasma-CVD-Verfahren) die Auswahl der Materialgase und die Einstellung des Mischungsverhältnisses der Materialgase, die Temperatur des Halbleitersubstrats und der Druck in dem Dekompressionscontainer, wie gewünscht, ausgeführt werden. Auch kann der isolierende Film 2 bei relativ niedriger Temperatur unter Verwendung der Gasphasensynthese-Methode, und insbesondere der Plasma-CVD-Methode gebildet werden. Durch seine in 4 gezeigte Struktur können das Halbleitersubstrat 3 und die Halbleiterschicht 5 daran gehindert werden, bei der Ausübung verschlissen oder beschädigt zu werden, wenn sie auf die thermische Behandlung gerichtet sind.

Wenn der isolierende Film 2 durch die CVD-Methode, wie oben beschrieben, gebildet ist, können der isolierende Film 2 und der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 nacheinander in demselben CVD-Apparat gebildet werden, in dem man das Liefergas wechselt, und die Produktionskosten der Vorrichtung können erniedrigt werden.

(Beispiel 2-2)

Im Folgenden wird ein Beispiel für die Bildung des isolierenden Films 2 auf dem Halbleitersubstrat 3, wie in 4 gezeigt, durch die Gasphasensynthese-Methode (Plasma-CVD-Methode) beschrieben.

Als erstes wurde das Halbleitersubstrat 3 mit darauf gebildeter Halbleiterschicht 5 auf die obere Elektrode 12u in dem Dekompressionscontainer 11 angeordnet. Generell ist die obere Elektrode mit Grund verbunden und die untere Elektrode ist mit der Hochfrequenz-Stromquelle 13 verbunden. Anschließend wurde der verschlossene Container 11 mittels der Pumpe 15 auf etwa 10–3 bis 10–4 Pa dekomprimiert. Falls nötig, wird das Halbleitersubstrat 3 mittels eines Heizgeräts, das in die obere Elektrode 12u eingebaut ist, oder ähnliches, auf etwa 50 bis 500°C erhitzt.

SiH4-Gas, NH3-Gas und N2-Gas, die soweit wie nötig mit H2 oder einem inert-Gas verdünnt waren, wurden aus den entsprechenden Zylindern, die mit den brennbaren Gasen 19 gefüllt waren, durch die Fließratenregulatoren 17 und die Ventile 16 in den Dekompressionscontainer 11 geliefert.

Der Druck in dem Dekompressionscontainer 11 wurde mit einem Regler auf etwa 10 bis 100 Pa gehalten, und Strom mit einer Frequenz von 13,53 MHz wurde zur Plasmaerzeugung für eine vorbestimmte Zeitdauer von der Stromquelle 13 angelegt, um die Materialgase in SiH4, NH3 und N2 zu zersetzen und dabei wurde der isolierende Film mit einer Dicke von 100 bis 500 nm an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 3 gebildet. Der isolierende Film 2, der auf der Oberfläche des Substrats 3 gebildet war, war ein SiNx-Film, der H-Elemente enthielt. Der SiNx-Film schützt Halbleitersubstrat 3 und Halbleiterschicht 5, und wenn der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1 gemäß den Aspekten 1 und 2 auf dem isolierenden Film 2 gebildet ist, hat er genügende Dicke, um zu verhindern, dass Verunreinigungen, die das Substrat 3 oder den Halbleiter 5 kontaminieren, dispergiert werden und zu verhindern, dass sie mechanisch geschädigt werden.

Als Mittel zum Zersetzen der Materialgase wurde in Beispiel 2-2 die Hochfrequenz-Stromquelle von 13,56 MHz verwendet; dies ist jedoch nicht zwingend und es kann eine Frequenz von 1 KHz bis 10 GHz sein. Zusätzlich zu der Hochfrequenz-Stromquelle kann eine elektrische Gleichstromentladung, Lichtenergie wie UV-Strahlen, eine chemische Reaktion, eine hohe Temperatur (Hitze) oder ähnliches zur Zersetzung der Materialgase verwendet werden.

Anschließend wurde der nichtlineare optische Siliciumdioxidfilm 1, wie in den Aspekten 1 und 2 gezeigt, auf dem isolierenden Film 2 gebildet und die Verdrahtung 4 wurde zur Erzielung des optischen Halbleiterhybridelements, wie in 4 gezeigt, gebildet.

Es wurde beschrieben, was zur Zeit als bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angesehen wird, es ist jedoch klar, dass hierzu verschiedene Modifikationen gemacht werden können und die anliegenden Ansprüche sollen alle solche Modifikationen umfassen, die in den Bereich der Erfindung fallen.


Anspruch[de]
Nichtlineares optisches Siliziumdioxidmaterial, das ein Basisskelett von SiO2-GeO2 besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil Sauerstoff, der an im SiO2-Material enthaltenes Ge oder Si gebunden ist, durch ein Halogenelement X oder durch sowohl ein Wasserstoff H als auch ein Halogenelement X gebunden ist, so dass das nicht lineare optische Siliziumdioxidmaterial SiX- und/oder Si-H- und Ge-X-Bindungen enthält, wobei X ein Halogenelement ist. Nichtlineare optische Vorrichtung mit einem Film (1) aus nichtlinearem optischem SiO2-Material nach Anspruch 1, gebildet auf einem Substrat (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Film (1) aus nichtlinearem optischem Siliziumdioxidmaterial ein Halogenelement X oder sowohl Wasserstoff H als auch ein Halogenelement X darin enthält, so dass das nichtlineare optische Siliziumdioxidmaterial Si-X- und/oder Si-H- und Ge-X-Bindungen enthält, und dass ein isolierender Film (2) zwischen dem Film (1) aus nichtlinearem optischen SiO2-Material und dem Substrat (3) gebildet ist. Nichtlineare optische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der isolierende Film (2) aus einer Siliziumverbindung gebildet ist. Nichtlineare optische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der isolierende Film (2) eine Dicke von etwa 0,1 nm bis 10.000 nm besitzt. Nichtlineare optische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Substrat, auf dem der Film (1) aus nichtlinearem optischen SiO2-Material gebildet ist, ein Siliziumhalbleitersubstrat (3) ist, auf dem ein Siliziumhalbleiterelement gebildet ist.






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