DE4339401C1 - Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur und seine Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere für integriert-optische Bauelemente geeigneten Schichtstruktur, bei dem eine, insbesondere aus LiNbO₃ bestehende Matrix mit Metall-Ionen dotiert wird.

Oxidische Kristalle gewinnen für die integrierte Optik zunehmend an Bedeutung. Aufgrund seiner ausgezeichne­ ten, optischen Eigenschaften bildet dabei das LiNbO₃ einen bedeutsamen Vertreter dieser Materialklasse. Durch Dotierung dieses Substratmaterials mit Metall­ ionen (z. B. Ti, Er) können zum einem Lichtwellenleiter in diesem Substratmaterial hergestellt werden, zum an­ deren kann dadurch eine optische Aktivierung des LiNbO₃ erfolgen.

Im Falle der Lichtwellenleiterherstellung bewirkt die Dotierung z. B. mit Titan-Ionen eine Anhebung des Brechungsindex. Mit der zur Titan-Konzentration propor­ tionalen Größen der Indexänderung ist auch das Index­ profil und damit das Modenprofil des zugeführten Lichtes im Lichtwellenleiter festgelegt. Insofern wird die Qualität des Lichtwellenleiters entscheidend durch die genaue Form des Metall-Ion-Tiefenprofils bestimmt. Aus US-PS 4,480,816 ist die Herstellung hochwertiger optischer Wellenleiter bekannt.

Mit Hilfe der Dotierung des LiNbO₃ mit Erbium-Ionen (oder anderen seltenen Erd-Ionen) kann man in diesem Substratmaterial optische Verstärker bei technologisch interessanten Wellenlängen, z. B. von 1,5 µm, herstel­ len. Aus DE-OS 40 22 090 ist ein Erbium-dotierter Glas­ faser-Verstärker entnehmbar. Wesentlich für die Opti­ mierung solcher Wellenleiter-Verstärker oder -Laser ist die möglichst exakte Anpassung des Erbium-Tiefenprofils an das Modenprofil des im Wellenleiter geführten Lichtes.

Als Stand der Technik sind mehrere Verfahren bekannt, bei denen eine Matrix mit geeigneten Ionen dotiert wird:

In GB-OS 2 250 751 ist als Stand der Technik die Her­ stellung ferroelektrischer Schichten aus z. B. LiNbO₃ oder LiTaO₃ auf Substraten wie MgO durch Laserablation entsprechender oxidischer Target mit ArF-Excimerlaser bei O₂-Partialdrücken von 80 µbar mit 0,5 bis 3 J/cm² beschrieben. Diese Schichten werden allerdings für pyroelektrische Sensoren verwendet.

Es ist bekannt, aus einer mit Metall-Ionen dotierten Schmelze einen LiNbO₃-Einkristall zu ziehen. Dabei er­ hält man eine homogene Verteilung der Metall-Ionen. Nachteilig ist dabei, daß sich das Tiefenprofil über den gesamten Kristall verteilt und sich aus der Zusam­ mensetzung der Schmelze ergibt, ohne daß individuell das Tiefenprofil beeinflußt werden kann.

Es ist bekannt, eine Metallschicht auf einen Kristall aufzudampfen und durch Temperung eine Diffusion der Me­ tall-Ionen in den Kristall hinein zu bewirken. Dabei folgt die Form des Tiefenprofils den bekannten Diffusionsgesetze und ist damit weitgehend festgelegt. Nachteilig liegt dabei das Konzentrationsmaximum immer an der Kristalloberfläche, was für die meisten Anwen­ dungen ungünstig ist. Außerdem ist nachteilig, daß ver­ grabene Wellenleiterstrukturen gänzlich unmöglich sind.

Aus DE-OS 40 22 090 ist es bekannt, in LiNbO₃-Ein­ kristalle durch Ionenimplantation eine Dotierung mit Metall-Ionen vorzunehmen. Die Hochenergie-Implantation erlaubt die Erzeugung gaußförmiger Tiefenprofile in be­ liebiger Tiefe bis zu einigen µm. Nachteilig ist dabei jedoch, daß der Kristall durch die Implantationsvor­ gänge stark geschädigt wird, so daß eine anschließende Temperbehandlung erforderlich ist. Zudem diffundieren die Metall-Ionen während dieser Temperbehandlung, so daß der Vorteil des gaußförmigen Profils entscheidend rückgängig gemacht wird. Nicht zuletzt nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist der Einsatz kostenträchtiger Ionenbeschleuniger mit erheblichem technischen Aufwand.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, bei dem das Tiefenpro­ fil der Metall-Ionen im Substrat einstellbar ist, so daß eine in Abhängigkeit der erwünschten Randbedingun­ gen Optimierung der Dotierung erreicht wird, jedoch ohne die im Stand der Technik aufgezeigten Nachteile.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.

Beim Verfahren der eingangs genannten Art wird dabei in einer Sauerstoffatmosphäre mit Hilfe der Laserablationstechnik auf einem geeigneten Trägersub­ strat nacheinander Matrixmaterial, Dotiermaterial und erneut Matrixmaterial abgeschieden. Dabei kann bei ge­ eigneten Substraten ggf. die erste Abscheidung von Ma­ trixmaterial entfallen.

Es wurde erkannt, daß bei dieser Verfahrensweise nach Aufbringen des Dotiermaterials die Dotierionen beim an­ schließenden, erneuten Aufbringen von geeignetem Ma­ trixmaterial während der Abscheidung dieses Matrixmate­ rials in dieses hineindiffundieren. Bei geeigneter Wahl der Menge der abgeschiedenen Dotierionen in Kombination mit der nachträglichen Abscheidung von Matrixmaterial in geeigneter Menge erfolgt über einem bestimmten Tie­ fenbereich eine Dotierung des Matrixmaterials. Aufgrund der Abscheidung mit Hilfe der Laserablation wird wäh­ rend der erneuten Abscheidung des Matrixmaterials eine Dotierung dieses mit Hilfe der tiefer gelegenen Do­ tierionen erzielt. Es hat sich gezeigt, daß die Diffu­ sion des Dotiermaterials in den darüber gelegenen Ma­ trixbereich zu einer gleichmäßigen Verteilung der Do­ tierionen innerhalb dieser Matrix führt. Damit erhält man eine gleichmäßige Dotierung der abgeschiedenen Ma­ trix in einem definierten Tiefenbereich der so herge­ stellten Schichtstruktur.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man je nach erwünschten Randbedingungen den dotierten Bereich der Matrix durch hinreichende, erneute Abscheidung von Matrixmaterial als vergrabene Dotierschicht innerhalb der Struktur in einer erwünschten Tiefe zur Oberfläche der Schichtstruktur einstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit, eine Schichtstruktur herzu­ stellen, innerhalb der ein in erwünschter Tiefe gelege­ ner dotierter Bereich definierter Dicke gegeben ist. Die Dotierkonzentration innerhalb der dotierten Schicht kann eingestellt werden durch geeignete Wahl der Schichtstruktur-/Substrattemperatur während der Ab­ scheidung des Matrix- bzw. Dotiermaterials. Im einfach­ sten Fall erlaubt dieses Verfahren eine Schichtstruktur mit in definierter Tiefe gelegenem, mit definierter Breite gegebenem Dotierbereich. Durch Variation der Parameter wie Substrattemperatur, Menge des abgeschie­ denen Dotier- bzw. Matrixmaterials kann somit eine definierte Schichtstruktur mit definierten Dotierberei­ chen und erwünschten Konzentrationsprofilen innerhalb der Dotierbereiche eingestellt werden. Die mehrfache Anwendung des Verfahrens erlaubt insgesamt Schicht­ strukturen, die für die dreidimensionale integrierte Optik geeignet sind.

Zur Beschleunigung der Herstellung der Schichtstruktur ist gemäß Anspruch 2 als vorteilhafte Variante des Ver­ fahrens vorgesehen, zumindest bei Abscheidung von Ma­ trixmaterial eine Substrattemperatur von wenigstens 250°C zu wählen. Je nach Wahl des Matrix- bzw. Dotier­ materials ist es vorteilhaft, bei erhöhten Temperaturen und damit bei erhöhten Diffusionsgeschwindigkeiten zu arbeiten, so daß vorteilhafterweise die Herstellung der Schichtstruktur in kürzerer Zeit erfolgen kann.

Es ist gemäß Anspruch 3 zweckmäßig, die so hergestellte Schichtstruktur nach der Abscheidungsphase der jeweili­ gen Materialien in einer Sauerstoffatmosphäre zu tem­ pern. Dadurch wird erreicht, daß die Kristallqualität der Schichtstruktur verbessert wird. Unter Umständen kann die Oberfläche der Schichtstruktur dadurch eine solche Beschaffenheit erreichen, daß weitere Schichten darauf angebracht werden können.

Im Hinblick auf die Verwendung von oxidischen Einkristallmaterialien wie LiNbO₃ ist es vorteilhaft, gemäß Anspruch 5 Matrix- und Dotiermaterial bei einem Sauerstoffdruck von bis zu 10^-2 bar, insbesondere bei einem Sauerstoffdruck von 5×10^-6 bar, abzuscheiden, so daß eine Sauerstoffbeladung des Matrixmaterials er­ reicht wird. Damit wird die Qualität der dotierten Ma­ trix verbessert.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens gemäß Anspruch 6 sieht vor, daß die durch Ab­ scheidung hergestellte Schicht bei einer Temperatur von wenigstens 800°C, insbesondere bei 1060°C, zur Verbes­ serung der Kristallqualität getempert wird.

Dabei ist es vorteilhaft, gemäß Anspruch 7 diese Tempe­ rung bei einer Sauerstoffatmosphäre von wenigstens 0,1 bar, insbesondere bei 1,0 bar durchzuführen. Da­ durch wird eine Optimierung der Kristallqualität der Schichtstruktur erreicht.

Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird gemäß Anspruch 8 dadurch er­ reicht, daß mit Hilfe des Ionenstrahlätzens (IBE = Ion beam etching) die Schichtstruktur nach einem der Ab­ scheideschritte lateral strukturiert wird. Alternativ dazu kann die laterale Strukturierung der Schichtstruk­ tur mit Hilfe der sog. Lift-Off-Technik in an sich be­ kannter Weise mit geeigneten Lift-Off-Materialien er­ folgen. Als Lift-Off-Material ist bei Verwendung von LiNbO₃ als Matrixmaterial insbesondere MgO geeignet. Im übrigen beschränkt sich selbstverständlich die laterale Strukturierung mit Hilfe dieser beiden Techniken nicht auf die durch Abscheidung fertig hergestellte Schicht. Vielmehr ist es auch vorstellbar, beispielsweise eine laterale Strukturierung nach Abscheiden des Dotiermate­ rials vorzunehmen. Neben der bereits durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren gegebenen Möglichkeit, in der Tiefe dotierte Schichtstrukturen mit erwünschten Kon­ zentrationsprofilen einzustellen, würden die hier er­ wähnten Techniken zusätzlich eine laterale Struk­ turierung der Schicht ermöglichen.

Es ist schließlich sehr vorteilhaft, das erfindungsge­ mäße Verfahren mehrfach anzuwenden und unter Einstel­ lung unterschiedlichster Parameter, wie Temperatur, Druck und Menge des abgeschiedenen Matrix- und/oder Do­ tiermaterials, damit individuell erwünschte Schicht­ strukturen erhalten werden.

Ausführungsbeispiel

In einer Vakuumkammer wurde mit Hilfe des erfindungsge­ mäßen Verfahrens eine Schichtstruktur auf der Basis des LiNbO₃ und einem mit Erbium-Ionen dotierten Bereich wie folgt hergestellt:

Auf einem LiNbO₃-Substrat wird mit Hilfe eines Lasers zunächst von einem LiNbo₃-Target auf das Substrat Ma­ trixmaterial während einer Ablationszeit von 300 s bei 3000 Pulsen des Lasers (150 nm Schichtdicke) abge­ schieden. Danach wird die Ablation des Matrixmaterials unterbrochen und von einem Erbium-Target während einer Ablationszeit von 30 s und bei 300 Laserpulsen (1 nm Schichtdicke) Dotiermaterial auf das mit abgeschiedenem LiNbO₃ beschichtete Substrat abgeschieden. Im weiteren Verlauf wird die Erbium-Abscheidung gestoppt und die Abscheidung von Matrixmaterial wiederum für eine Zeit von 300 s bei 3000 Laserpulsen (150 nm Schichtdicke) auf das mit Matrix- und Dotiermaterial beschichtete Substrat abgeschieden. Während des gesamten Abscheide­ vorgangs wurde das Substrat mittels eines Widerstands­ heizers auf einer Temperatur von 900°C (Heizstrom 8,5 A) gehalten. Außerdem wurde der Abschei­ deprozeß in der Vakuumkammer bei einem Sauerstoffdruck von 3,8×10^-6 bar bei einem Sauerstofffluß von 30,20 ml/min durchgeführt. Die Targets wurden 5 cm vom Substrat während des Abscheideprozesses positioniert.

Die so hergestellte Schichtstruktur wurde bei einer Temperatur von 1060°C (Heizstrom 9,25 A) für eine Zeit von 180 s zu Zwecken der Sauerstoffbeladung und Auskri­ stallisation getempert.

Channeling/RBS-Spektren der so hergestellten, mit Er­ bium dotierten Litiumniobatschichtstruktur, in Fig. 1 und 2 dargestellt, zeigen im Ergebnis einen sog. X_min- Wert von ca. 2%, was den Werten für unbehandelte Litiumniobatsubstrate entspricht. Dies bestätigt die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene hervorragende Kristallqualität der aufgebrachten Schicht. Wie aus der Fig. 2 in einem vergrößerten Aus­ schnitt der Meßergebnisse der Fig. 1 entnehmbar ist, zeigt auch das Erbium-Signal Channeling, womit bestä­ tigt wird, daß das Erbium in das Kristallgitter einge­ baut ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer, insbesondere für integriert-optische Bauelemente geeigneten Schichtstruktur, bei dem eine, insbesondere aus LiNbO₃ bestehende Matrix mit Metallionen, insbe­ sondere Erbium oder Titan, dotiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Laserablation in einer Sauerstoffat­ mosphäre

• a) soweit nicht bereits das Matrixmaterial als solches als Substrat und zur Dotierung ge­ eignet ist, zunächst auf einem geeigneten Substrat Matrixmaterial abgeschieden und an der Substratoberfläche auf diese Weise eine aus Matrixmaterial bestehende, erste Schicht gebildet,
• b) danach auf der Oberfläche dieser ersten Schicht oder des als solches geeigneten Ma­ trixmaterials Dotiermaterial abgeschieden und
• c) danach erneut Matrixmaterial abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei Abscheidung von Matrixmaterial eine Substrattemperatur von wenigstens 250°C ge­ wählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die so hergestellte Schichtstruktur in einer Sauerstoffatmosphäre getempert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstruktur mittels Laserablation bei einer Substrattemperatur von wenigstens 500°C hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtabscheidung bei einem Sauerstoff­ druck von bis zu 10 mbar, insbesondere bei 5 µbar, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstruktur bei einer Temperatur von wenigstens 800°C, insbesondere bei 1060°C, getem­ pert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstruktur bei einer Sauerstoffat­ mosphäre von wenigstens 0,1 bar, insbesondere bei 1,0 bar, getempert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels Laserablation durch Abscheidung von Matrix- und Dotiermaterial fertig oder teils fertig hergestellte Schichtstruktur mittels einer Lift-Off-Technik, insbesondere durch Verwendung von MgO als Lift-Off-Material, oder mittels Ionenstrahlätzens (IBE) lateral strukturiert wird.

9. Mehrfache Verwendung des Verfahrens oder der Ver­ fahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bildung einer mehrfachen, drei-dimensionalen Schichtstruktur für integriert-optische Bauele­ mente.