DE2245374A1

DE2245374A1 - Mehrstufige integrierte wellenleiterstruktur und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2245374A1
Application number: DE2245374A
Authority: DE
Inventors: Michel Croset; Gonzalo Velasco
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-09-16
Filing date: 1972-09-15
Publication date: 1973-03-22
Also published as: JPS4839042A; FR2152464A1; GB1409796A; FR2152464B1; US3785717A

Description

Mehrstufige integrierte Wellenleiterstruktur und Verfahren zu- ihrer Herstellung

Pie Erfindung betrifft eine Ausdehnung der in der Elektronik für die Herstellung integrierter Schaltungen angewendeten Technik auf den Bereich der Optik. Sie ermöglicht die Bildung von V/ellenleiterkreisen, die für elektromagnetische Wellen verwendbar sind, deren Wellenlängen im Ultraviolett- und im Submillimeterbereich liegen, und die gegenseitige Verbindung solcher Wellenleiterkreise durch Richtkoppler mit großer Wirksamkeit.

Derartige Wellenleiter können durch Fasern mit konstantem. Querschnitt gebildet sein, die aus einer für die übertragene Strahlung durchlässigen Substanz gebildet sind, deren Brechungsindex größer als derjenige des umgebenden Mediums ist. Unter diesen Bedingungen wird eine sich im Innern der

Lei/Pe

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_ 2 —

Paser ausbreitende Strahlung beim Auftreffen auf die Wände unter einem von der Formalen entfernten Einfallswinkel infolge der Totalreflexionserscheinung in das Innere zurückgeschickt. Es läßt sich zeigen, daß die Ausbreitung der Strahlung im Innern der Paser umso besser ist, je näher wenigstens eine der Abmessungen des Querschnitts der Paser bei der Wellenlänge der zu übertragenden Strahlung liegt.

Die Technik des Aufbringens im Vakuum und der Maskierung, die für die Fertigung der integrierten elektronischen Schaltungen angewendet wird, kann herangezogen werden, um auf einem geeigneten ebenen Träger ein durchlässiges Material in Form von Kanälen mit konstanter Breite aufzubringen, die eine gleichförmige Dicke haben, die in der Nähe der optischen Wellenlängen liegt, und auf diese Weise ein Wellenleiternetz mit den gewünschten Umrissen zu bilden. Ein solches Netz kann in der freien Luft gelassen werden oder, wiederum durch Aufbringen im Vakuum, mit einem anderen Material von kleinerem Brechungsindex umhüllt werden.

Es erscheint jedoch eine Schv/ierigkeit, wenn man gemäß einer bei Fochstfrequenzen allgemein angewendeten Technik mehrere solcher Kreise durch Richtkoppler verbinden will. Man ordnet dann zwei geradlinige Wellenleiterteile parallel zueinander in einem so kleinen Abstand an, daß die abklingende Welle, die die in einem der Wellenleiter übertragene Welle begleitet und sich im Außenraum ausbreitet, in den anderen Wellenleiter eindringt. Man überträgt auf diese Welse fortschreitend einen Bruchteil der von dem ersten Wellenleiter geführten Energie in den zweiten Wellenleiter Infolge des exponentiellen Abfalls der Intensität der ab-

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klingenden Welle senkrecht zu der Wellenleiterachse ist es jedoch zur Erzielung einer wirksamen Kopplung über tragbare Längen erforderlich, den Abstand zwischen den beiden Wellenleitern auf einige Bruchteile der Wellenlänge zu verringern. Es ist daher bei lichtwellen erforderlich, zwei parallele Wellenleiter so anzuordnen, daß sie in einem Abstand von nur einigen Zehntel Mikron liegen, was bei Anwendung der gegenwärtigen Maskierungsverfahren nicht ausführbar ist.

TJm diesen Mangel der Technik zu umgehen, kann man die beiden den Richtkoppler bildenden geradlinigen Wellenleiterabschnitte nicht mehr in der gleichen Ebene parallel zum Träger anordnen, sondern in der Richtung senkrecht zum Träger übereinander legen und voneinander durch eine aufgedampfte Zwischenschicht aus einem durchlässigen Material mit kleinem Brechungsindex trennen; eine solche Schicht kann man ohne Schwierigkeit mit einer konstanten und in Bezug auf die Dicke der Wellenleiter geringen Dicke herstellen. Zu diesem Zweck ordnet man den den ersten Kreis bildenden Wellenleiter auf dem Träger an, bildet dann auf der Anordnung die Zwischenschicht, die sich an das Relief des ersten Wellenleiters anschmiegt, und schließlich den zweiten Kreis, den man mit dem ersten Kreis koppeln will. Der Nachteil dieser Technik besteht darin, daß die Zwischenschicht sich an das von dem darunter liegenden Kreis verursachte Relief anschmiegt und daher das Relief für den Wellenleiter des zweiten Kreises in senkrecht zum Träger stehenden Ebenen beträchtliche Krümmungsradien bedingt, die für eine brauchbare Ausbreitung der Strahlung außerordentlich schädlich sind.

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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Wellenleiter struktur sowie eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Wellenleiterstruktur, bei welcher Jedes Wellenleiternetz in einer zum Träger parallelen Ebene angeordnet ist, wobei es von dem darunter liegenden Wellenleiternetz durch eine durchlässige, ebene, parallel zum Träger liegende dielektrische Schicht getrennt ist, die aus der gleichen Substanz wie die die Wellenleiter umhüllende Substanz gebildet ist und deren Dicke beliebig klein gemacht werden kann. Die Kopplung 'zwischen zwei Wellenleitern kann dann unter ausgezeichneten Bedingungen erfolgen, ohne daß die Ausbreitung in jedem Wellenleiter durch irgendwelche Zufälligkeiten der sie tragenden Fläche gestört wird. Diese mehrstufige Struktur ermöglicht ferner die Bildung von sehr viel ausgefeilteren Kreisen als bei den klassischen Strukturen, bei denen die verschiedenen Wellenleiter in der gleichen Ebene angeordnet sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 Richtkoppler bekannter Art,

Fig. 3 einen Richtkoppler bei einer Wellenleiterstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 einen Richtkoppler bei einer Wellenleiterstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung der Herstellung einer Wellenlelterstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,

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Pig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Herstellung der Wellenleiterstruktur gemäß der zweiten Ausführungsform der.Erfindung,

Pig. 7 eine Ansicht zur Darstellung eines anderen Verfahrens zur Bildung einer Wellenleiterstruktur nach der Erfindung, ... ...

Pig. 8 eine Sehnittansicht zur Darstellung eines. , f^hrens. nach der Erfindung, das eine Nachjustie-, _;· rung der gegenseitigen Lage der den Richtkoppler bildenden Wellenleiterabschnitte ermöglicht und

Pig. 9 _;.eine,Oberansicht der Anordnung von Pig. 8.

Die Piguren 1 und 2 zeigen Ansichten von klassischen Eichtkopplern für dielektrische Wellenleiter, die in Dünnschichttechnik gebildet sind, wobei ein Schnitt senkrecht zu der Richtung des Richtkopplers gelegt worden ist.

Pigur 1 betrifft eine Struktur, in der die beiden Wellenleiter in der gleichen Ebene nebeneinander liegen.

Auf den ebenen Träger 1 sind der Reihe nach die folgenden Teile aufgebracht worden: eine ebene Schicht 20 mit niedrigem Brechungsindex, die beiden Wellenleiter 30. und 31 mit rechteckigem Querschnitt, die aus einem Stoff mit hohem Brechungsindex gebildet sind und in ihrem geradlinigen Abschnitt parallel zueinander liegen, und eine UmhüllungsscJiicht 21 mit niedrigem Brechungsindex, die sich an das von den darunterliegenden Wellenleitern vorgegebene Relief anschmiegt.

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Die Dicke der beiden Wellenleiter ist von der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der übertragenen Strahlung. Der Abstand d zwischen den beiden Wellenleitern, der verhältnismäßig groß ist, ist durch die Maskierung»- ■ <" technik bedingt. ^ - -^■■■'"'■'<■■■

Figur 2 bezieht sich auf eine andere Anordnung der den Rlchtkoppler "bildenden Wellenleiter, wobei die beiden Wellenleiter in der Richtung senkrecht zu dem Träger übereinander liegen. Die Struktur besteht aus einem ebenen Träger 1, einer ersten Schicht 20 mit niedrigem Brechungsindex, einem ersten Wellenleiter 30 mit rechteckigem Querschnitt, der aus einem Stoff mit hohem Brechungsindex gebildet ist, einer Umhüllungsschicht 21 mit niedrigem Brechungsindex und geringer Dicke, die sich an das von dem darunter liegenden Wellenleiter vorgegebene Relief anschmiegt, und aus einem zweiten Wellenleiter 31, der ebenfalls einen hohen Brechungsindex hat. Die beiden Wellenleiter liegen in ihrem geradlinigen Abschnitt parallel zueinander, damit sie den eigentlichen Richtkoppler bilden. Die Schicht 21 von sehr geringer Dicke begünstigt eine ausgezeichnete Kopplung; jedoch weist der obere Wellenleiter 31 notwendigerweise an der Stelle 310 einen scharfen Knick mit großem Krümmungsradius auf, der durch das Relief der Schicht bedingt ist und für eine wirksame Ausbreitung der elektromagnetischen Welle sehr schädlich ist.

Fig. 3 und 4 zeigen mehrstufige Dünnschicht-Wellenleiter mit Richtkopplung, die nach der Erfindung ausgebildet sind, wobei zum leichteren Verständnis die Anzahl der Stufen auf zwei beschränkt ist. Auch in diesen Figuren ist

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ein Schnitt senkrecht zu der Richtung des Riehtkopplers gelegt,^/.,_i&,-.. ^ _/i;,_r ;._: ,-.._-., _v>>;;."■..■ ■-.,,_ ·; .,, .,-,. >/. ...-.

In denJjeidenr,Figuren_; erkennt, iap,. einen, ebenen, Träger 1^. auf ,4^e,|k.#i:ⁿ.^ef Äphicht 2₅aus einem-lichtdurchlässigen Ma-r , terial mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht ist> und ,_v, in das Innere dieser Schicht sind zwei Wellenleiter 30 und 3\ ß\is.^ einem lichtdurchlässigen Material mit-hohem · , Brechungsindex, «ingefügt. Die se Wellenleiter; haben jeweils. zwei ebene Flächen 301, und 302. bzw, 31 ;1.: und. 512, und jede dieser Flächen bleibt sowohl im. Eopplungsbereich-wie, außerr. halb des^Kopplungsbereich^ in der gleichen-, parallel· zum Trägei? liegenden, Ebene... Aus Gründen,. die. mit dem Verfahren zur Herstellung xler Struktur verknüpft sind und später, erläutert werden, sind.die beiden anderen Flächen jedes Wellenleiters, also die Flächen.303, 304 bzw.. 313, 31.4,-gekrümmt, so daß,-ihr Querschnitt die Form eines. Kreisbogens mit konstantem Krümmungsradius hat, dessen konkave. Seite entweder zum Inneren des Wellenleiters (Figur 3) oder nach außen (Figur.4) .,gerichtet .ist. Diese, nicht ebene Ausbildung der Seitei;fiä_;Qhen ,stört in keiner Weise die Ausbreitung der Strahlung im ,-Inneren des Wellenleiters, da der- Krümmungsradius dieser flächen, von einem Ende des ,Wellenleiters .,.., bis., zum !anderen konstant ist. im Kopplung sb.er ei cn ist der Abstand_Td zwischen den Flächen 302 und 3,11 klein gegen dieuPi.eke_;.e der Wellenleiter, wodurch es möglich ist, Riclitkoppler ,mit großem Wirkungsgrad zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung einer mehrstufigen Struktur der, in Figur 3 und 4 dargestellten Art beruht auf dem Prinzip, auf ein ebenes'Substrat eine gleichförmige Schicht eines ersten Materials aufzubringen,

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das Grundmaterial genannt wird und für die Strahlung durchlässig ist, die von dem herzustellenden Wellenleiter übertragen wird, und stellenweise den Brechungsindex dieser Schicht dadurch zu ändern, daß in diese Schicht an den gewünschten Stellen mit Hilfe einer geeigneten Maske ein zweites Material eindiffundiert wird, das Dotierungsmaterial genannt wird und den Brechungsindex der Schicht ändert, ohne deren Durchlässigkeit zu verschlechtern.

Es ist nämlich bekannt, daß sehr allgemein jede Änderung der Zusammensetzung eines Materials den Wert des Brechungsindex dieses Materials beeinflußt. Obgleich diese Änderung des Brechungsindex oft gering ist, bildet dies kein Hindernis für die Realisierung eines Wellenleiters; es ist nämlich erwünscht, daß der Unterschied zwischen dem höheren Brechungsindex des den Wellenleiter bildenden Materials und dem niedrigeren Brechungsindex des das umgebende Medium bildenden Materials klein ist, damit sowohl die Ausbreitung einer einzigen Wellenform begünstigt als auch der Wirkungsgrad der Richtkoppler verbessert wird.

Die zur Einfügung des Wellenleiters in die Schicht angewendeten Verfahren unterscheiden sich etwas, je nachdem, ob die Hinzufügung des eindiffundierten Materials den Brechungsindex des Grundmaterials vergrößert oder verringert.

Figur 5 bezieht sich auf den Fall, daß der Brechungsindex vergrößert wird; sie zeigt in einer Schnittansicht die auf das Substrat 1 aufgebrachte Schicht 2. Eine Maske 4 schützt die außerhalb des Umrisses der Wellenleiter liegenden Bereiche. Das Dotierungsmaterial dringt in die nicht geschützten

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Bereiche ein, deren Brechungsindex es erhöht, wodurch der Wellenleiter 3 gebildet wird. Die Zeit, während der die Diffusion erfolgt, ermöglicht in Abhängigkeit von der Temperatur, auf welche die Schicht gebracht worden ist, die Einstellung der. Eindringtiefe e des Materials und damit der Dicke des Wellenleiters, die kleiner als die Dicke der Schicht sein muß.

Figur 6 betrifft den Pail, daß das eindiffundierte Material den Brechungsindex des Grundmaterials erniedrigt. In diesem Fall wird eine erste Schicht 20 des Grundmaterials auf das Substrat 1 aufgebracht; ein erster Diffusionsvorgang ermöglicht es, den Brechungsindex dieser Schicht gleichförmig zu verringern. Es ist auch möglich, das Grundmaterial und das Dotierungsmaterial in geeigneten Anteilen gleichzeitig aufzubringen, wodurch der spätere Diffusionsvorgang vermieden wird. Dann wird eine zweite Schicht 21. aufgebracht und schließlich eine Maske 4, welche die Umrisse des einzubringenden Wellenleiternetzes hat. Mit einem zweiten Diffusionsvorgang kann dann der Brechungsindex in den außerhalb der Wellenleiter liegenden Bereichen verringert werden. Der von der Maske geschützte Bereich 30 bleibt auf dem höheren Brechungsindex und bildet den Wellenleiter bzw. die Wellenleiter.

In beiden Fällen wird anschließend die Oberseite von der Maske und eventuellen Rückständen des Dotierungsmaterials befreit; dann wird die gleiche Folge von Verfahrensschritten ebenso oft wiederholt, wie Stufen in der Struktur erwünscht sind, und schließlich wird eine letzte Schicht mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht, um das Ganze abzudecken. Die Richtkoppler werden dadurch erhalten, daß in jedem

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Wellenleiter an den gewünschten Stellen geradlinige Abschnitte ausreichender Länge gebildet werden, und darauf geachtet wird, daß beim Aufbringen der aufeinanderfolgenden Masken diese geradlinigen Abschnitte exakt übereinander liegen. Man erhält dadurch die zuvor anhand von Figur 3 und 4 beschriebenen mehrstufigen Strukturen, wobei oich Figur 3 auf den Fall bezieht, daß das eindiffundierte Material den Brechungsindex des Grundmaterials erhöht, während Figur 4 den Fall betrifft, daß das eindiffundierte Material den Brechungsindex des Grundmaterials verringert.

Die nicht ebene Ausbildung der Seitenflächen der Wellenleiter ist die Folge der Isotropie der Diffusionserscheinung. Es ist nämlich sowohl in Figur 5 als auch in Figur zu erkennen, daß das vom Punkt B am Rand der Maske aus eindiffundierte Material sich mit gleicher Geschwindigkeit sowohl parallel zu dem Träger als auch senkrecht zu diesem ausbreitet, was zur Folge hat, daß die das eindiffundierte Material enthaltende Zone durch einen Kreisbogen mit dem Mittelpunkt B begrenzt ist.

Die Art der Durchführung des Diffusionsvorganges ist je nach der Art des Dotierungsmaterials verschieden. Wenn dieses bei der Diffusionstemperatur im festen Zustand bleibt, kann es vor dem Erhitzen im Vakuum aufgetragen werden. Wenn das Material ein Dampf oder Gas ist, wird die mit ihrer Maske versehene Grundmaterialschicht unter einem geeigneten Druck des Gases oder Dampfes erhitzt.

Eine erste Weiterbildung des zuvor beschriebenen Verfahrens, die insbesondere dann anwendbar ist, wenn das

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Dotierungsmaterial "bei der Umgebungstemperatur ein Feststoff ist und den Brechungsindex des Grundmaterials erhöht, "besteht darin, alle Diffusionsvorgänr ge gleichzeitig durchzuführen.

Figur 7 zeigt in einer Schnittansicht senkrecht zu der Achse eines Richtkopplers die so erhaltene Struktur, die sich von den in Figur 3 und 4 dargestellten Strukturen nur durch die Form der Seitenwände der Wellenleiter unterscheidet.

Auf den ebenen Träger 1 werden nacheinander die folgenden Teile aufgebracht:

- eine erste gleichförmige und dicke Schicht 201 des Grundmaterials;

- eine Schicht 51 des Dotierungsmaterials mit einer Dicke von nur einigen Angström, die mit Hilfe einer Maske das Muster des Wellenleiternetzes wiedergibt, das die erste Stufe der Struktur bilden soll;

- eine zweite gleichförmige Schicht 202 des Grundmaterials;

- eine Schicht 52 des Dotierungsmaterials mit der gleichen Dicke wie die Schicht 51, welche mit Hilfe einer weiteren Maske den Verlauf des Wellenleiternetzes wiedergibt, das die zweite Stufe der Struktur bilden soll;

- eine dritte gleichförmige Schicht 203 des Grundmaterials.

Man legt auf diese Weise ebenso viele Sandwichanordnungen übereinander, wie man Stufen in der Struktur zu erhalten

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wünscht. Sie Schichten 51 und 52 sind so dünn, daß sie das Relief der darüberliegenden Schichten nicht merklich stören. Die ganze Anordnung wird dann auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um die Diffusion des Dotierungsmaterials in das Grundmaterial zu erhalten. Die dünnen Schichten 51» 52 ... formen dann durch Eindiffusion in das Grundmaterial die Zonen 30, 31... mit höherem Brechungsindex, welche die Wellenleiternetze der verschiedenen Stufen bilden. Da die . Diffusionsgeschwindigkeit des in das Grundmaterial eindiffundierenden Dotierungsmaterials bei der betreffenden Temperatur bekannt ist, ist es durch die Dauer des Diffusionsvorgangs möglich, den Wellenleitern die gewünschte Dicke e zu erteilen} die Konzentration des Dotierungsmaterials und damit die Änderung des Brechungsindex wird durch die Dicke der Dotierungsmaterialschichten festgelegt.

Eine Eigenschaft der Wellenleiter, die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren und dessen Weiterbildung erhalten werden, besteht darin, daß gerade wegen des für die Eifügung des Wellenleiternetzes in das umgebende Medium angewendeten Diffusionsverfahrens niemals plötzliche Übergänge vorhanden sind, sondern stets ein stetiger Obergang zwischen dem den Wellenleiter bildenden hohen Brechungsindex und dem das umgebende Medium bildende niedrigen Brechungsindex. Der im Inneren des Wellenleiters bestehende Brechungsindexgradient stört in keiner Weise die Ausbreitung der Strahlung; er bedingt jedoch kompliziertere geometrische Maßnahmen und größere Dotierungsmaterialkonzentrationen, als sie dann erhalten werden können, wenn im Innern des Grundmaterials gleich-

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förmige Zonen mit anderem Brechungsindex erzeugt werden, wie es durch eine sorgfältige Wahl des Grundmaterials und des Dotierungsmaterials gemäß einer zweiten Weiterbildung des GrundVerfahrens möglich ist, die nachfolgend beschrieben werden soll.

Diese Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, daß als Grundmaterial eine Mischung von mehreren chemischen Elementen in Anteilen verwendet wird, die in der Nähe der der definierten Verbindung entsprechenden stöchiometrischen Zusammensetzung lieg^ und in diese Mischung stellenweise ein Dotierungsmaterial einzudiffundieren, das es dem Grundmaterial ermöglicht, die stöehiömetrisehe Zusammensetzung zu erreichen. Genauer gesagt: wenn die Verbindung der Formel A-^ B™... Ip Jq entspricht (wobei A, B,.... I, P Elemente des periodischen Systems und L,M... P,Q ganze Zahlen sind), bringt man beispielsweise eine Schicht aus der Grundverbindung Αχ Bj,.... Ip M__x\ Jq (i___x) auf (worin χ klein gegen 1 ist) und man diffundiert in diese Grundverbindung als Dotierungsmaterial entweder eine Mischung der Elemente I und J oder eine Verbindung Ip J_Q ein.

Allgemein ist dann festzustellen, daß sich das Grundmaterial mit fortschreitender Diffusion an dem Dotierungsmaterial anreichert, ohne jedoch jemals die der definierten Verbindung entsprechenden Grenzproportionen zu überschreiten. Man erhält somit im Innern des Grundmaterials Bereiche, die gleichförmig dem Brechungsindex der Verbindung aufweisen und durch schmale Zonen begrenzt sind, in denen sich der Brechungsindex stetig von dem der stöchiometrischen Zusammensetzung entsprechenden Wert zu dem Wert der nicht stöchiometrischen Zusammensetzung der Grundverbindung ändert.

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Zum Aufbringen des Grundmaterials können verschiedene Verfahren angewendet werden. Man kann entweder die verschiedenen Elemente von getrennten Quellen aus gleichzeitig auftragen, wobei man die Auftragsgeschwindigkeit jedes dieser Elemente geeignet einstellt, oder man kann, wenn sich die definierte Verbindung unter Verdampfen zersetzt, die Unterschiede der Dampfspannungen oder Kondensationsgeschwhi igkeiten der verschiedenen Elemente ausnutzen, oder man kann auch, wenn eines der Elemente ein Gas oder ein Dampf ist, die übrigen Bestandteile in Gegenwart eines geeigneten Drucks des Gases oder Dampfes aufbringen.

Ebenso kann man zur Durchführung der Difussion des Dotierungsmaterial s je nach dessen Beschaffenheit das Dotierungs material zuvor auf die Oberfläche des Grundmaterials aufbringen, wenn es bei der Diffusionstemperatur nicht verdampft und anschließlich die ganze Anordnung erhitzen, oder wenn es in Gas- oder Dampfform vorliegt, die Diffusion bei hoher Temperatur unter dem Partialdruck des Gases oder Dampfes vornehmen. Die innere Umwandlung der nicht-stöchiometrischen Verbindung in eine stöchiometrische Verbindung kann auch durch chemische oder elektrochemische Behandlung in flüssiger Phase erreicht werden.

Ein nicht vernachlässigbarer Vorteil dieser zweiten Weiterbildung des Verfahrens besteht im Folgenden: Wenn das Grund material das Material mit. hohem Brechungsindex ist, besteht die Möglichkeit, die gegenseitige Lage der beiden einen Richtkoppler bildenden, aufeinanderliegenden geradlinigen Wellenleiterabschnitte nachträglich zu justieren, wenn es bei dem Maskierungsverfahren nicht möglich war,

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die dem oberen Wellenleiter entsprechenden Maske mit
der erforderlichen Genauigkeit anzubringen.

Pig. 8 und 9 zeigen das Verfahren, das zum Nachjustieren der gegenseitigen Lage der Wellenleiter angeordnet
wird. ·

Figur 8 zeigt einen Schnitt senkrecht zur gemeinsamen
Achse eines Richtkopplers bei einer mehrstufigen Struktur mit zwei Wellenleiterstufen. Auf das Substrat 1 ist
die erste Schicht 20 der stöchiometrischen Verbindung
mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht worden; die
zweite Schicht 21 wird durch Aufbringen des Grundmaterial in Form einer nicht stöchiometrischen Verbindung mit
großem Brechungsindex aufgebracht, welche durch die
Diffusion des Dotierungsmaterials in eine stöchiometrische Verbindung mit niedrigem Brechungsindex umgewandelt worden ist, mit Ausnahme der maskierten Bereiche, die den Wellenleiter 30 bilden. Die Breite dieses Wellenleiters ist in
dem dem Richtkoppler entsprechenden geradlinigen Abschnitt absichtlich beträchtlich vergrößert worden. Die dritte aufgebrachte Schicht 22 von geringerer Dicke ist eine gleichförmige Schicht mit niedrigem Brechungsindex. In der vierten Schicht 23 mit niedrigem Brechungsindex bildet man wie zuvor mit Hilfe einer Maske 40 eine Zone mit hohem Brechungsindex, die den oberen Wellenleiter 31 darstellt. Zur Einjustierung der gegenseitigen Lage der beiden den Richtkoppler bildenden geradlinigen Wellenleiterabschnitte behält man dann die erste Maske 40 bei, und man legt eine
zweite Maske 41 auf, welche die ganze Oberfläche der Schicht 23 bedeckt, mit Ausnahme des den Richtkoppler umgebenden Bereiches.

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Figur 9 zeigt eine Oberansicht der Schicht 23 mit der darauf angebrachten ersten Maske 40 sowie der zweiten Maske 41, welche die ganze Schicht 23 bedeckt, mit Ausnahme des Bereichs 410. Der Umriß des darunterliegenden Wellenleiters 30 ist ebenfalls gestrichelt dargestellt.

Sobald die zweite Maqke 41 aufgebracht ist, wird erneut eine Diffusion mit dem Dotierungsmaterial vorgenommen. Dieses dringt in die Teile des Bereichs 410 ein, die von der Maske 40 freigelassen sind. Die Dauer des Diffusionsvorgangs ist so bemessen, daß das Dotierungsmaterial bis zur Schicht 20 vordringt. Die gestrichelten Linien 311 und 312 in Figur 8 zeigen die Grenzen der Zonen, in denen die zuvor nicht stöchiometrische Verbindung mit großem Brechungsindex in eine stöchiometrische Verbindung mit niedrigem Brechungsindex umgewandelt worden ist, und welche die neuen seitlichen Begrenzungslinien der beiden Wellenleiter 30 und 31 darstellen, die dann exakt übereinander liegen.

Ais-Anwendungsbeispiel soll in detaillierter Weise ein Verfahren beschrieben werden, daß die Bildung einer mehr stufigen Wellenleiterstruktur ermöglicht, bei der das Grundmaterial Tantalsuboxid

O₅ m„_x)

Dotierungsmaterial Sauerstoff verwendet wird, das durch Diffusion in das Grundmaterial die Möglichkeit bietet, daß dieses die stöchiometrische Zusammensetzung des Tantaloxid Ta^O₅ erreichen kann.

Tantaloxid weist als Material für dielektrische Wellenleiter vorteilhafte Eigenschaften auf: Seine Durchlässigkeit im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichts ist ausgezeichnet, und sie bleibt auch ausgezeichnet, wenn

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man den Sauerstoffgehalt unter den stöchiometrischen Wert verringert; ferner kann es in glasartiger Form aufgebracht werden, da die Abwesenheit von kristallinen Körnern für eine "brauchbare Ausbreitung der Strahlung wesentlich ist.

Der Brechungsindex von Tantaloxid Ta₂O₁- liegt in der Größenordnung von 2,2; dieser Brechungsindex nimmt zu, wenn der Sauerstoffgehalt unter den stöchiometrischen Wert fällt. Man befindet sieh also in dem Pail, daß das Dotierungsmaterial, im vorliegenden Fall'Sauerstoff, den Brechungsindex des Grundmaterials, nämlich Tantalsuboxid, verringert. ■ ■) '

Um das Grundmaterial zu erhalten, wird Tantal auf das Substrat, beispielsweise Silizium, durch Kathodenzerstäubung in Gegenwart eines bestimmten Sauerstoff-Partialdrucks aufgebracht. Wenn man für eine gegebene Auftragsgeschwindigkeit des Tantals den Sauerstoff-Partialdruck in dem Gefäß einstellt, das darauf hinauskommt, daß das gegenseitige Verhältnis der Anzahl der Metallatome und der Anzahl der Moleküle de's reagierenden Gases eingestellt werden, die auf das Substrat pro Zeiteinheit auftreffen, kann man tatsächlich Aufträge erhalten, deren Zusammensetzung zwischen reinem Tantal und dem stiSchiometrischen Tantaloxid Ta₀O₅- schwankt.

Wenn es erforderlich ist, werden die Bereiche, in denen ein hoher Brechungsindex erwünscht ist, durch eine Aluminiumschicht unter Anwendung der klassischen Maskierungsverfahren geschützt.

Das Einbringen des Dotierungsmaterials, im vorliegenden Fall Sauerstoff, erfolgt durch Erhitzen der Grundmaterial-

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schicht auf 50O⁰C in einer Atmosphäre, die einen Sauerstoff -Partialdruck enthält. Der Sauerstoff diffundiert in die nicht geschützten Zonen des Grundmaterials ein und ergibt eine Schicht aus Tantaloxid Ta₂O₅ mit niedrigem Brechungsindex , deren Tiefe durch Einstellung der Dauer des Vorgangs kontrolliert wird. Die Einführung des dotierenden Sauerstoffs in das Grundmaterial kann auch durch eine anodische Behandlung erreicht werden, die an die Stelle der Wärmebehandlung tritt.

Eine zweistufige Struktur, die der Darstellung von Figur 4 entspricht, kann mit der folgenden Folge von Verfahrensschritten erhalten werden:

1. Auf das Siliziumsubstrat wird eine gleichförmige Schicht von stöchiometrischem Tantaloxid Ta_o0_c mit niedrigem Brechungsindex dadurch aufgebracht, daß Tantal in Gegenwart eines bestimmten Sauerstoff-Partialdrucks verdampft wird;

2. durch Verringerung des Sauerstoff- Partialdrucks in dem Gefäß während des Aufdampfens von Tantal wird eine Schicht aus nicht-stöchiometrischem Tantaloxid TapO,- M-) mit hohem Brechungsindex aufgebracht, wobei die Dicke dieser Schicht die Dicke der Wellenleiter des ersten Netzes festlegt;

3. durch Aufbringen einer gleichförmigen Aluminiumschicht, die durch ein fotographisches Verfahren ausgeschnitten wird, wird eine Aluminiummaske aufgebracht, welche die Umrisse des in die darunterliegende Schicht einzufügenden Wellenleiternetzes wiedergibt;

4. durch Erhitzen der Anordnung auf 500⁰C unter einem Sauerstoff-Partialdruck erfolgt eine stellenweise

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Oxidation der nicht stöchiometrischen Tantaloxidschicht; der Sauerstoff diffundiert in die nicht geschützten Bereiche der Schicht ein und wandelt diese in stochiometrisch.es Tantaloxid mit niedrigem Brechungsindex um, wobei die Diffusionsdauer so eingestellt wird, daß die Schicht über ihre ganze Dicke oxidiert wirdj die von der Maske nicht geschützten Bereiche bleiben im Zustand des nicht stöchiometrischen Tantaloxids mit hohem Brechungsindex und bilden das Mienleiternetz; ·

5. zum Entfernen der Maske wird die Oberfläche der Struktur gereinigt;

6. es wird eine weitere Schicht von stöchiometrischem Tantaloxid mit niedrigem Brechungsindex von geringer Dicke aufgebracht, wobei diese Dicke bis auf 10 S genau festgelegt werden kann;

7. durch Wiederholung des Verfahrensschritts 2 wird eine Schicht mit hohem Brechungsindex aufgebracht;

8. durch Wiederholung des Verfahrensschritts 3 wird diese weitere Schicht maskiert;

9. durch Wiederholung des Verfahrensschritts 4 erfolgt eine stellenweise Oxidation;

10. durch Wiederholung des Verfahrensschritts 3, mit Ausnahme der Form der Maske, wird gegebenenfalls eine neue Aluminiummaske auf der vorhergehenden Maske aufgebracht, welche nur die Umgebung der Kopplungszonen freiläßt;

.Es erfolgt eine stellenweise Oxidation, wobei die Dauer des Oxidationsvorgangs so bemessen ist, daß die Oxidation die Oberseite der im Verfahrensschritt

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1 aufgebrachten Schicht erreicht;

12. durch Wiederholung des Verfahrensschritts 5 wird die Struktur an der Oberfläche gereinigt}

13. durch Wiederholung des Verfahrensschritts 1 wird gegebenenfalls eine gleichförmige Schicht mit niedrigem Brechungsindex aufgebracht, welche die Struktur abschließt.

Die Verfahrensschritte 10 und 11 sind nur dann notwendig, wenn eine Nachjustierung der gegenseitigen Lage der Richtkopplerabschnitte erfolgen soll.

Abschließend ist zu bemerken, daß das gleiche Verfahren angewendet werden kann, wenn das Tantal durch Zirkon ersetzt wird, wobei dann das erhaltene stöchiometrische Oxid amorphes Zirkonoxid der Formel ZrOp ist.

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Claims

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Patentansprüche

Λ.) Mehrstufige integrierte Wellenleiterstruktur für .. die !Führung elektromagnetischer Wellen sehr hoher Frequenz mit Wellenleitern, die aus einer für die Welle durchlässigen ersten Substanz bestehen, die einen ersten Brechungsindex hat, wobei diese Wellenleiter in eine zweite, gleichfalls durchlässige Substanz eingebettet sind, die einen zweiten Brechungsindex hat, der kleiner als der erste Brechungsindex ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte aus der ersten Substanz mit parallelen Flächen vorgesehen ist, daß jede Stufe der Struktur aus einem Abschnitt der Platte besteht, dessen Flächen zu den Flächen der Platte parallel sind, daß alle Wellenleiter der gleichen Stufe zwei Flächen haben, die zu den Flächen des Abschnitts parallel sind, daß die beiden Substanzen aus dem gleichen Grundmaterial erhalten worden sind, und daß wenigstens eine der beiden Substanzen eine geringe Menge eines Dotierung smat er ials enthält.
2. Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter von zwei aufeinanderfolgenden Stufen zur Bildung von Richtkopplern aufeinanderliegende geradlinige Abschnitte aufweisen.
3. Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial eine Mischung von mehreren chemischen Elementen in Anteilen ist, die in der Nähe der einer definierten Verbindung entsprechenden stöchiometrisehen Anteile liegen, und daß das Dotierungsmaterial wenigstens eines der in dem Grundmaterial ent-

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haltenen chemischen Elemente enthält, so daß durch Hinzufügen des Dotierungsmaterials zu dem Grundmaterial die definierte Verbindung erhalten werden kann.

4. Wellenleiterstruktur nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Verbindung amorphes Tantaloxid Ta₂Oc ist, daß das Grundmaterial amorphes Tantalsuboxid ist, und daß das Dotierungsmaterial Sauerstoff ist.

5. Wellenleiterstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Verbindung amorphes Zirkonoxid ZrOp ist, daß das Grundmaterial amorphes Zirkonsuboxid ist, und daß das Dotierungsmaterial Sauerstoff ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsmaterial, das im Innern des Grundmaterials die den Wellenleiter von dem umgebenden Medium unterscheidende Änderung des Brechungsindex verursacht, in eine Schicht des Grundmaterials durch ein Verfahren stellenweiser Diffusion eingebracht wird, wobei eine zuvor gemäß einem vorbestimmten Verlauf aufgebrachte Maske die vor der Diffusion zu schützenden Bereiche bedeckt und die Diffusionstiefe die Dicke des Wellenleiters bestimmt.

7. Verfahren zum Herstellen einer Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Hinzufügung des Dotierungsmaterials zu dem Grundmaterial den Brechungsindex des Grundmaterials erhöht, für jede in der Struktur vorhandene Stufe

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nacheinander die folgenden Verfahrensschritte ctarehgeführt werden:

a) Aufbringen einer gleichförmigen Schicht des Grundmaterial SJ

to) Maskierung der Bereiche, die außerhalb der in die Stufe einzubringenden Wellenleiter liegen!

c) Einbringen des Dotierungsmaterials durch stellenweise Diffusion in die nicht durch die Maske geschützten Bereiche der Grundmaterialschicht, wobei durch Steuerung der Diffusionstiefe die Dicke der Wellenleiter auf einen Wert eingestellt wird, der -kleiner als die Dicke der Grundmaterialschicht ist;

d) Entfernen der Maske.

8. Verfahren zum Herstellen einer Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Hinzufügung des Dotierungsmaterials zu dem Grundmaterial den Brechungsindex des Grundmaterials verringert, für jede in der Struktur vorhandene Stufe nacheinander die folgenden Operationen durchgeführt werden:

a) Aufbringen einer gleichförmigen Schicht mit niedrigem Brechungsindex durch gleichzeitige Kondensation des Grundmaterials und des Dotierungsmaterials in den gewünschten Anteilen;

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b) Aufbringen einer gleichförmigen Schicht des Grundmaterials mit hohem Brechungsindex}

c) Maskierung der Bereiche, die innerhalb der in die Stufe einzubringenden Wellenleiter liegen?

d) Einbringen des Dotierungsmaterials durch stellenweise Diffusion in den nicht von der Maske geschützten Bereichen der Grundmaterialschicht, wodurch diese dann die Bereiche mit niedrigem Brechungsindex werden, welche das außerhalb der Wellenleiter liegende Medium darstellen, wobei die Diffusionstiefe auf einen Wert eingestellt wird, der gleich der Dicke der Schicht ist;

e) Entfernen der Maske.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem in Gasform vorliegenden Dotierungsmaterial die stellenweise Diffusion des Dotierungsmaterials dadurch erfolgt, daß die durch die Maske geschützte Grundmaterialschicht in Gegenwart des Gases erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des Dotierungsmaterials beim Diffusionsprozeß durch Elektrolyse erfolgt.

11. Verfahren zum Herstellen einer Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß für ;jede der aufeinanderfolgenden Stufen von Wellenleitern eine sehr dünne Dotierungsmaterinlßschicht in einem dem

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Verlauf der Wellenleiter der entsprechenden Stufe entsprechenden Verlauf zwischen zwei sehr viel dickeren Schichten des Grundmaterials angeordnet wird, wobei die obere Schicht einer Stufe als untere Schicht der folgenden Stufe dient, derart, daß es durch ein und denselben Erhitzungsvorgang später möglich ist, die verschiedenen Dotierungsmaterial schichten gleichzeitig in das Grundmaterial zu diffundieren und dem Wellenleiter die gewünschte Dicke durch Einstellung der Diffusionstiefe erteilt wird.

12. Verfahren zum Herstellen einer Wellenleiterstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des nichtstöchiometrischen Grundmaterials und die Schichten der definierten Verbindung dadurch erhalten werden, daß auf dem Träger die verschiedenen die Verbindung bildenden Elemente gleichzeitig kondensiert werden, wobei die Kondensationsgeschwindigkeit der verschiedenen Elemente die Einstellung der Zusammensetzung des Niederschlags ermöglicht.

13» Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn verschiedene Elemente der Verbindung in Gasform vorhanden sind, die gewünschte Zusammensetzung des Niederschlags durch Änderung des Partialdrucks der verschiedenen gasförmigen Elemente erhalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bildung der beiden geradlinigen Wellenleiterab-Bchnitte mit einer Breite, die größer als die endgül-

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tige Breite ist, auf den zur Bildung der oberen Stufe durchgeführten Diffusionsvorgang vor dem Entfernen der Maske und dem eventuellen Aufbringen einer späteren Schicht die folgenden Operationen durchgeführt werden, damit die gegenseitige Lage der beiden zu aufeinanderfolgenden Stufen der Struktur gehörenden zur Bildung eines Richtkopplers aufeinander liegenden geradlinigen Wellenleiterabechnitte niichjmi feiert wird:

a) Aufbringen einer zweiten Maske, die nur den Umriß der geradlinigen Wellenleiterabschnitte ungeschützt läßt.

b) Eindiffundieren von Dotierungsmaterial, wobei die Diffucionatlefe so eingestellt wird, daß die Diffusion in die Struktur bis zu der Ebene eindringt, welche die untere Stufe nach unten begrenzt.

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