DE2834344A1

DE2834344A1 - Verfahren zur herstellung einer optoelektronischen integrierten struktur und eine solche enthaltender optoelektronischer bauteil

Info

Publication number: DE2834344A1
Application number: DE19782834344
Authority: DE
Inventors: Michel Papuchon; Gonzalo Velasco
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-08-04
Publication date: 1979-02-15
Also published as: GB2003291B; JPS5434851A; FR2399736A1; US4203649A; FR2399736B1; GB2003291A

Description

Paten Lan walte

Dipl.-Ing Dipl -Chem Dipl.-Ing

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Er nsbergerst rasse 19

8 München 60

THOMSON - CSF 4. August 1978

173, Bd. Haussmann
75008 Paris / Frankreich

Unser Zeichen: T 3140

Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen integrierten Struktur und eine solche enthaltender optoelektronischer Bauteil

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung' einer festen integrierten optischen Struktur, deren Betrieb die Anwendung eines elektrischen Feldes erfordert, sowie einen diese Struktur verwendenden optoelektronischen Bauteil. Es handelt sich insbesondere um optoelektronische Strukturen mit einem Grundmaterial (z.B. Li Nb 0,, Li Ta 0,) mit den folgenden Eigenschaften:

- gute Lichtleitung;

- die Möglichkeit einer Modifizierung des Brechungsindex in einem gegebenen Bereich des Materials mittels einer geeigneten und lokalisierten Dotierung dieses Materials?

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Dr.Ha/Ma

- merkliche elektrooptische Effekte, gegebenenfalls akustooptische;

- Umwandlung in einen mehr oder weniger transparenten und mehr oder weniger elektrisch leitenden Körper unter der^ Einwirkung einer physiochemischen Behandlung, z.B. der Reduktion des Materials (totale oder partielle Entfernung des Sauerstoffs aus der Zusammensetzung des Materials).

In den integrierten optischen Strukturen stellt das Basismaterial ein Substrat dar, in welchem man durch lokalisierte Dotierung einen oder mehrere Lichtleiter bildet. Ein solches Substrat besitzt eine Dicke in der Größenordnung von 2 mm oder mehr, um so das Gebilde gegen Bruchgefahr während der verschiedenen Herstellungsstufen des optoelektronischen Bauteils zu sichern. In den elektrooptischen Deflektoren, Modulatoren, Kommutatoren verwendet man zur Anlegung eines elektrischen Feldes in dem oder den Lichtleitern auf ein und derselben Substratfläche abgeschiedene Elektroden, wobei diese Substratfläche die den Lichtleitern am nächsten befindliche ist. Diese coplanare Anbringung ist jedoch häufig für einen guten Betrieb des optoelektronischen Bauteils ungünstiger als eine Anordnung der Elektroden auf entgegengesetzten Seiten des Substrats. Eine Lösung könnte darin bestehen, daß man eine Masseebene auf der Seite aufbringt, welche der den Lichtleitern zunächst befindlichen Fläche gegenüberliegt; wegen der geringen Tiefe dieser Leiter (einige -zig Mikrometer höchstens) im Vergleich zu der relativ großen Dicke des Substrats (2 mm) gibt diese Lösung jedoch keine guten Resultate.

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Die Erfindung ermöglicht die Beseitigung dieser letzteren Schwierigkeit und bietet im übrigen die folgenden Vorteile:

- gegebenenfalls eine Verringerung der Gesamtanzahl von Elektroden;

- eine eventuelle Erhöhung des tatsächlich angewendeten elektrischen Feldes, wie man an einer besonderen Struktur sehen wird;

- Bildung einer Masseebene, was zur Verbesserung der Leistungen des elektrooptischen Bauteils bei sehr hoher Frequenz wichtig sein kann;

- schließlich Herstellung der Elektroden bei niedriger Temperatur, was einen Schutz der Lichtleiter vor möglichen Wärmeangriffen erlaubt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch mindestens die drei folgenden Stufen gekennzeichnet:

- vollständige Reduktion eines an Sauerstoff gesättigten Basismaterials, das eine integrierte optoelektronische Struktur darstellt;

- Herstellung einer Schutzmaske über dem Hauptteil der äußeren Oberfläche dieses Materials;

- Oxidation dieses Materials durch Eindringen von Sauerstoff durch den nicht von der Maske geschützten Teil der Oberfläche der Struktur.

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Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und Fig. 3 in schematischer perspektivischer

Darstellung zwei Ausführungsbeispiele bekannter Strukturen von optoelektronischen Bauteilen,

Fig. 2 und Fig. 4 in schematischer perspektivischer

Darstellung zwei den vorstehenden analoge Beispiele von Strukturen elektrooptischer Bauteile, die jedoch nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, und

Fig. 5 verschiedene Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In einem Phasenmodulator (Fig. 1) und in einem Kommutator mit zwei Lichtleitern (Fig. 3) sieht man bei einer bekannten Ausführung zwei Elektroden (1 und 2 in Fig. 1; 31 und 31 in Fig. 3i die parallel auf der Hauptfläche des Substrats 10, die sich dem (oder den) Lichtleiter(n) (3, Fig. 1; 33 und in Fig. 3) zunächst befindet, angeordnet sind.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines analogen Phasenmodulators wurde ein Substrat 10 aus Lithiumniobat durch eine nachstehend näher angegebene Behandlung über den Hauptteil seiner Dicke reduziert. Man erzielte dabei eine undurchsichtige und elektrisch leitende Schicht 11, die in gewisser Weise ein neues Substrat darstellt, das gleichzeitig die Rolle einer Masseebene spielt. Den Rest des

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Substrats bildet eine Schicht 12 aus stöchiometrischem Lithiumniobat (Li Nb CU), in welcher durch Eindiffusion von Titan ein Lichtleiter 3 gebildet wurde, dessen Brechungsindex höher ist als der des reinen Niobats. Auf der Hauptfläche 120 des Substrats wurde eine Elektrode 20 abgeschieden, welche den Lichtleiter in der Breite überdeckt. Eine von einer Quelle 23 stammende Potentialdifferenz wird mittels der Anschlüsse 21 und 22 an an die Elektrode 20 bzw. das Substrat 10 in seinem Teil 11 angeschweißte Klemmen 210 und 220 angelegt.

Die Berechnung zeigt und die Erfahrung bestätigt, daß die Anordnung der Kraftlinien des elektrischen Feldes in der erfindungsgemäßen Struktur günstiger ist.

Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Kommutators mit zwei Lichtleitern 43 und 44 (Fig. 4) werden zwei Elektroden 41 und 42 auf einem dem Substrat von Fig. analogen Substrat 10 angebracht. Zwei Anschlüsse 45 und ermöglichen die Anlegung abwechselnd positiver und negativer Potentiale in bezug auf das Potential einer Masseklemme um die optische Kommutierung zu gewährleisten.

Die Leistungen eines solchen Kommutators sind denjenigen des in Fig. 2 dargestellten bekannten Kommutators überlegen, was insbesondere auf die neue Konfiguration der Kraftlinien des elektrischen Feldes zurückzuführen ist.

Nachstehend wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

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Fig. 5 zeigt die Ergebnisse der jeweiligen Stufen:

(a) am Ende einer Vorstufe der Bildung von Lichtleitern;

(b) bzw. (c) nach einer ersten und einer zweiten Stufe;

(d) nach einer dritten Stufe;

(e) nach einer zusätzlichen Stufe vor dem Anschweißen der elektrischen Anschlüsse.

Bei der Vorstufe geht man von einem Plättchen 10 aus einkristallinem Lithiumniobat aus und man diffundiert Titan in zwei Zonen 43 und 44 ein, welche zwei parallele, an die Oberfläche 120 des Plättchens 10 angrenzende Lichtleiter bilden sollen. Eine solche Diffusion ist in der Technologie der integrierten Optik bekannt und bedient sich mikrolithographischer Methoden. Die so erhaltenen Leiter besitzen einen halbkreisförmigen Querschnitt, dessen Durchmesser von einigen Mikron bis zu mehreren -zig Mikron gehen kann.

Während der ersten für das erfindungsgemäße Verfahren charakteristischen Stufe reduziert man das das Plättchen 10 bildende Material bei einer relativ niedrigen Temperatur von z.B. 400⁰C. Zu diesem Zweck bringt man das Plättchen in einen Vakuumbehälter, wo Mittel zum Auspumpen der Gase einen Druck von 0,1 Torr trotz andauernder Einleitung von Wasserstoff aufrechterhalten. In dem Behälter wird mittels eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes ein Wasserstoffplasma erzeugt und die Erhitzung des Materials wird durch Infrarotbestrahlung durch die durchsichtigen Wände des Behälters erzielt.

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Während der zweiten, für das erfindungsgemäße Verfahren charakteristischen Stufe scheidet man eine einige 100 Ä dicke Schicht 50 ab, die in (c) von Fig. 5 dargestellt ist. Diese Schicht soll die Oxidation das Materials durch die Unterseite und die Seitenflächen verhindern. Sie kann z.B. durch Aufdampfen eines Metalls wie Aluminium gebildet werden. Man kann auch nach anderen bekannten Methoden eine Schicht aus Siliciumnitrid Si^ N. abscheiden.

Während der dritten erfindungsgemäßen Stufe oxidiert man das Material, indem man das Plättchen von der Oberseite aus angreift. Die Oxidation kann unter analogen Bedingungen wie in der zweiten Stufe stattfinden, indem man den Wasserstoff durch Sauerstoff ersetzt. Die Oxidationsdauer wird durch Probenahmen gesteuert, um nicht die gewünschte Dicke des regenerierten Materials zu übersteigen. Man erhält das bei (d) von Fig. 5 dargestellte Ergebnis, d.h. eine Schicht 12 aus regeneriertem Material, welche den aus einer Schicht 11 aus elektrisch leitendem Material bestehenden Rest des Plättchens bedeckt. Diese Schicht nimmt mehr als 9/10 des Plättchenvolumens ein. Sie soll in dem fertigen elektrooptischen Bauteil als Masseebene dienen.

In einer zusätzlichen Verfahrensstufe scheidet man Elektroden 41 und 42 auf der Oberseite des Plättchens an der Stelle der Lichtleiter 43 und 44 ab. Wenn die Schicht 50 isolierend ist, öffnet man auf einer der Plättchenseiten durch selektiven chemischen Angriff ein Fenster 501, um dort einen elektrischen Anschluß anschweißen zu können.

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Claims

Dipl.-lng.

E. Prinz

Patentanwälte

Dipl.-Chem.

Dr. G. Hauser

E r η s b e r g e r s t r a S s e

8 München 60

Dipl.-lng.

G. Leiser

THOMSON - CSF
173, Bd. Haussmann 75008 Paris / Frankreich

4. August 1978

Unser Zeichen: T 3140

Patentansprüche

'Verfahren zur Herstellung einer integrierten festen optischen Struktur, deren Betrieb die Anlegung eines elektrischen Feldes erfordert, gekennzeichnet durch mindestens die folgenden Stufen:

- vollständige Reduktion eines an Sauerstoff gesättigten, die Struktur bildenden Basismaterials;

- Herstellung einer den Hauptteil der Oberfläche des Materials bedeckenden Schutzmaske;

- Oxidation des Materials durch Eindringen von Sauerstoff durch den nicht durch Maske geschützten Teil der Oberfläche.

Dr.Ha/Ma

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ORIGINAL INSPECTED

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial aus einem Stoff besteht, der durch physikochemische Behandlung aus einem durchsichtigen und elektrisch isolierenden Zustand in einen undurchsichtigen, elektrisch leitenden Zustand übergehen kann und umgekehrt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Basismaterial Lithiumniobat oder Lithiumtantalat ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) Bildung mindestens eines Lichtleiters durch lokalisierte Dotierung eines Plättchens aus Basismaterial;

b) Reduktion des Materials durch Wärmebehandlung in einem Wasserstoffplasma;

c) Abscheidung einer für Sauerstoff undurchlässigen Schutzschicht auf allen Flächen des Plättchens, außer einer;

d) Oxidation des Plättchens durch Eindringen von Sauerstoff durch die nicht geschützte Fläche des Plättchens;

e) Abscheidung von Elektroden auf der nicht geschützten Fläche, während der Rest des in der vorhergehenden Stufe nicht oxidierten Materials als Masseelektrode der Struktur dient.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe c) die Schutzschicht aus Aluminium besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe c) die Schutzschicht aus Siliciumnitrid besteht.

7. Optoelektronischer Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß er eine nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche erhaltene Struktur enthält.

8. Optoelektronischer Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Phasenmodulator mit einer in der Struktur integrierten Lichtleitung darstellt, wobei auf dem Leiter eine Elektrode abgeschieden ist und ein reduzierter Teil des Basismaterials eine Masseebene bildet.

9. Optoelektronischer Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Kommutator mit zwei in der Struktur integrierten Lichtleitern, zwei auf jeweils einem Lichtleiter abgeschiedenen Elektroden und einer aus einem reduzierten Teil des Basismaterials bestehenden Masseebene darstellt.

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