DE69601054T2 - Verfahren zum Sintern von Glasvorformen für die Herstellung von planären optischen Wellenleitern - Google Patents

Verfahren zum Sintern von Glasvorformen für die Herstellung von planären optischen Wellenleitern

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Planarlichtwellenleitern.
    • Allgemeiner Stand der Technik
  • Planarlichtwellenleiter werden vielfach als passive Komponenten in optischen Verschaltungssystemen eingesetzt. Diese Wellenleiter unterscheiden sich dadurch von zylindrischen dielektrischen Wellenleitern, z. B. Lichtleitfasern, daß ihr Querschnitt im wesentlichen rechteckig ist. Ein typischer Planarlichtwellenleiter enthält nacheinander eine erste Mantelschicht mit einem ersten Brechungsindex, einen Lichtleitkern mit einem zweiten Brechungsindex, der höher ist als der erste Brechungsindex, und eine den Kern überlagernde zweite Mantelschicht mit einem Brechungsindex der gleichfalls niedriger ist als der zweite Brechungsindex. Bei der Herstellung früherer Planarlichtwellenleiter wurde ein Substrat mit dem ersten Brechungsindex als erste Mantelschicht eingesetzt. Bei neueren Planarlichtwellenleitern wird jedoch eine Mantelschicht mit dem ersten Brechungsindex zwischen dem Kern und dem Substrat angeordnet eingesetzt. Dadurch können die Planarlichtwellenleiter auf unterschiedlichen Substraten ausgebildet werden, ob diese nun metallisiert sind oder nichtmetallisiert. Überdies können damit die zwei Mantelschichten und die den Kern bildende Schicht mittels eines Flammenhydrolyseabscheidungs-(FHA-)Verfahrens abgeschieden werden. Bei diesem Verfahren werden Glasteilchen auf ein Substrat als Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex abgeschieden, der durch Dotierung der Glasteilchen während deren · Abscheidung auf das Substrat eingestellt werden kann.
  • Beim FHA-Verfahren erfolgt die Erzeugung der Glasteilchen durch Hydrolyse eines Gemischs verschiedener gasförmiger Chloride, hauptsächlich SiCl&sub4;, mittels eines Knallgasbrenners. Beide Mantelschichten können im wesentlichen als Siliciumdioxid abgeschieden werden, während die den Kern bildende Schicht als Siliciumdioxid abgeschieden wird, das mit einem oder mehreren mindestens der Folgenden dotiert ist: Titanoxid, Tantaloxid, Zinnoxid, Nioboxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Lanthanoxid, Germaniumoxid, oder anderen geeigneten, den Brechungsindex modifizierenden Dotierstoffen.
  • Homogene Ablagerungen auf dem Substrat werden erzielt, indem man einen Wafer mittels geeigneter Einrichtungen durch die Flamme bewegt. Nach Abscheidung der den Kern bildenden Schicht wird die Kernschicht lithographisch abgedeckt und geätzt, z. B. durch reaktives Ionenätzen (RIÄ), und so eine Kernstruktur gebildet. Die strukturierte Schicht wird dann durch die obere Mantelschicht überlagert. Nach der Abscheidung wird das Substrat in einem Ofen erhitzt, um den Ruß zu einer Klarglasschicht zu verfestigen. Dieser Prozeß erfolgt durch viskoses Sintern, typischerweise in einer Heliumatmosphäre, die leicht aus Poren der Rußschicht herausdiffundiert und so ein Zusammensinken derselben ermöglicht. Bei reinem SiO&sub2; erfordert dieser Mechanismus Sintertemperaturen von 1350-1500ºC. Diese Temperaturen könnten zur vollständigen Zerstörung des Substratmaterials führen, bei dem es sich entweder um Silicium (Schmelzpunkt 1419ºC) oder Siliciumdioxid (Erweichungspunkt ∼ 1300ºC) handelt. Vorzugsweise wird jede durch FHA erzeugte Schicht gesintert, bevor die Abscheidung einer nachfolgenden Schicht erfolgt.
  • Dem Gemisch aus gasförmigen Chloriden können zum Zeitpunkt der Flammenhydrolyse Dotierstoffe zugesetzt werden, um die Sintertemperatur der Mantelglasablagerungen zu verringern und so ein Sintern bei für das Substrat erträglichen Temperaturen zu ermöglichen. Da jedoch der Maßhaltigkeit der die Lichtleitstege bildenden Kernbereiche Rechnung zu tragen ist, muß jede später abgeschiedene Schicht eine niedrigere Sintertemperatur aufweisen als die darunterliegende Schicht. Bei der Kernschicht stellt dies kein Problem dar, da deren Dotierung, im wesentlichen auf einen erhöhten Brechungsindex, mit Dotierstoffen erfolgt, die, bis auf TiO&sub2;, das Glas erweichen. Bei der oberen Mantelschicht kann diese Erhöhung des Brechungsindex jedoch nicht hingenommen werden. Ein Dotieren des Rußes während der Abscheidung der Mantelschicht durch B&sub2;O&sub3;, welches das Gas erweicht ohne den Brechungsindex zu erhöhen, ist nur beschränkt möglich, da infolge des Überflusses an Wasser in der Knallgasflamme das Gleichgewicht
  • hauptsächlich gasförmige Borspezies erzeugt, die aus dem Ruß während dessen Abscheidung entweichen.
  • EP-A-0 561 371 beschreibt die Bildung einer Glasschicht mit einem gewünschten Brechungsindex durch Abscheidung von Dotierstoffen (z. B. P&sub2;O&sub5;, B&sub2;O&sub3;, GeO&sub2;) enthaltenden Glasteilchen auf einem Substrat. Danach wird das Substrat gesintert, indem man es mit einer Geschwindigkeit von 5ºC/min von 850ºC auf 1250ºC erhitzt und eine Stunde lang auf 1250ºC hält, worauf die Temperatur auf 850ºC gesenkt wird. Während der Wärmebehandlung läßt man ein Mischgas aus Oz und He über das Substrat strömen; das Mischgas enthält auch einen Dampf aus Dotierstoffoxid (z. B. Ge, P, B), um eine Dotierstoffverflüchtigung zu unterdrücken.
  • Aus EP-A-0 545 432 ist ein Verfahren zur Bildung eines Lichtwellenleiteraufbaus unter Verwendung einer Flammenhydrolyseabscheidung (FHA) bekannt. Dabei wird die Diffusion eines Kerndotierstoffs in die Mantelschicht durch eine Zwischenschicht mit höherer Raumdichte verhindert.
    • Darstellung der Erfindung
  • Hergestellt worden ist ein neuer Planarwellenleiteraufbau durch Sintern von weitgehend reinen SiO&sub2;-Schichten in einer He&sub2;/BCl&sub3;-Atmosphäre. Dadurch wird eine flüssige Phase mit im wesentlichen geringerer Viskosität als die des abgeschiedenen Siliciumdioxids für sich allein erzeugt. Da das viskose Sintern durch die Gegenwart dieser Flüssigkeit gefördert wird, erfolgt die Verfestigung bei niedrigerer Temperatur, z. B. 1000-1100ºC als die im Stand der Technik eingesetzten, z. B. 1350-1500ºC. Ein Großteil des B&sub2;O&sub3; bleibt zurück, ohne sich mit den Siliciumdioxidteilchen umzusetzen, deren Sintern es fordert, wobei es als Flußmittel fungiert, um eine Verfestigung herbeizuführen. Die Entfernung dieses restlichen B&sub2;O&sub3; erfolgt beim Abschluß des Verfestigungsvorgangs mittels Wasserdampfbehandlung bei Temperaturen von 900ºC - 1100ºC. Ein Teil des Bors wird in die Siliciumdioxidschicht eingebaut und ändert dabei deren Wärmeausdehnungskoeffizienten ohne deren Index wesentlich zu erhöhen. Dieses Verfahren verbessert daher sowohl den Aufbau als auch die Bearbeitung von Planarwellenleitern, indem die Bearbeitungstemperatur gesenkt und ein Glas erzeugt wird, das keine Ausbiegung des Substrats bewirkt und eine zu polarisationsabhängigen Verlusten führende Doppelbrechung weitgehend ausschaltet.
  • Dargelegt und definiert wird das erfindungsgemäße Verfahren durch den Hauptanspruch 1. Bestimmte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 dargelegt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Aufrisses eines typischen Planarlichtwellenleiters;
  • Fig. 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Seitenrisses des in Fig. 1 abgebildeten Planarlichtwellenleiters;
  • Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Abscheidung von Ruß mittels FHA auf einem geeigneten Substrat; und
  • Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Sintern von Rußschicht(en) zu Glas.
  • Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Konzentrationen von gasförmigen Spezies gegen die Temperatur für die Reaktion 3SiO&sub2;+4BCl&sub3; → 3SiCl&sub4;+2B&sub2;O&sub3;,
    • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • In Fig. 1 ist ein Aufriß einer schematischen Darstellung einer typischen Planarlichtwellenleitervorrichtung, 10, mit einer Deckmantelschicht, 11, und einem Wellenleitersteg, 12 (in Durchsicht dargestellt) gezeigt. In diesem Fall ist zwar ein einzelner Wellenleitersteg dargestellt, doch können die Stege einzeln oder mehrfach, parallel oder einander schneidend vorliegen, wie der Fachwelt wohlbekannt ist. In Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Seitenrisses der Wellenleitervorrichtung 10 entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 dargestellt. Zu der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung 10 gehört auch eine untere Mantelschicht, 13, sowie ein Substrat 14.
  • Substrat 14 besteht typischerweise aus Silicium oder Siliciumdioxid. Es kommen aber auch andere Werkstoffe in Frage, wie der Fachwelt wohlbekannt. Auch kann das Substrat nichtmetallisiert oder metallisiert sein, d. h. eines mit einer metallisierten Struktur auf demselben. Bei der unteren Mantelschicht 13 handelt es sich typischerweise um Siliciumdioxid. Erzeugt werden kann die Mantelschicht 13 durch Oxidation der Oberfläche des Substrats 14 oder indem auf das Substrat eine Siliciumdioxidschicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Flammenhydrolyse, mit nachfolgendem Sintern, abgeschieden wird. Wellenleitersteg 12 besteht auch aus Siliciumdioxid, jedoch mit Dotierstoffen dotiert, die den Brechungsindex des Wellenleiterstegs über jenen sowohl der oberen Mantelschicht 11 als auch der unteren Mantelschicht 13 hinaus erhöhen. Die obere Mantelschicht 11 besteht gleichfalls aus Siliciumdioxid mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener des Wellenleiterstegs und vorzugsweise gleich dem Brechungsindex der unteren Mantelschicht ist. Die zwei Mantelschichten und der Steg bilden einen Wellenleiter, in dem das sich durch den Wellenleitersteg fortpflanzende Lichtsignal durch die obere und die untere Mantelschicht innerhalb des Wellenleiterstegs eingeschlossen ist.
  • Die drei Schichten (11, 12 und 13) werden auf Substrat 14 vorzugsweise mittels eines FHA-Verfahrens abgeschieden. Bei dem FHA-Verfahren handelt es sich um ein verhältnismäßig rasches Verfahren, das die Abscheidung einer typischen 20-40 um starken Rußschicht innerhalb von Minuten anstatt Tag(en) wie im CVD- Verfahren benötigt ermöglicht. Eine beispielhafte, beim FHA-Verfahren eingesetzte Anordnung ist schematisch in Fig. 3 dargestellt und beinhaltet einen Koaxialrohr- Siliciumdioxidbrenner, 15, sowie eine mechanische Vorrichtung, 16, mittels derer das Substrat gehaltert und entsprechend einem geeigneten Schema durch die Brennerflamme bewegt wird, um eine homogene Abscheidung zu erzielen. Das Schema kann linear sein, z. B. von rechts nach links, oder umgekehrt, mit schrittweisem Vorschub über die Abscheidelinie. Es können aber auch mehrere Substrate am Rand eines (nicht dargestellten) Drehtellers angeordnet sein, der die Substrate jeweils unter den Brenner vorschiebt. Ein Gasversorgungssystem dient zur Zufuhr der Chloride von Silicium und mindestens einem der Dotierverbindungen wie etwa Chloriden des Germaniums, Bors, Titans und Phosphorigen, wobei aber bei Phosphorigem häufig das Oxichlorid zum Einsatz kommt. BCl&sub3; ist ein Gas und wird unmittelbar mittels eines Massenstromreglers dosiert. Die anderen Quellen sind bei Zimmertemperatur flüssig, und ihre Dosierung geschieht durch Durchperlen von Helium mit geregeltem Durchsatz durch dieselben bei gleichzeitiger sorgfältiger Einstellung der Flüssigkeitstemperatur. Der Durchsatz der Brenngase, Wasserstoff und Sauerstoff, sowie von zusätzlichem Helium, wird gleichfalls mit Hilfe von Massenstromreglern gesteuert.
  • Der Aufbau des Koaxialrohrbrenners leitet sich vom Gasaxialabscheidungs-(GAA-)Brenner ab, der aus mehreren koaxialen, an einem Ende miteinander verschmolzenen und am anderen Ende konzentrische ringförmige Gasauslässe bildenden Siliciumdioxidrohren aufgebaut ist. In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet Brenner 15 drei koaxiale Siliciumdioxidrohre, 17, 18 und 19. Einlässe, 21, 22 und 23, dienen zur Einspeisung der jeweiligen Gase in die entsprechenden Rohre. Einlaß 21, mit dem äußersten Rohr 17 verbunden, führt Sauerstoff, Einlaß 22, mit dem nächsten Innenrohr 18 verbunden, führt den Wasserstoff mit zusätzlichem Helium zu, während Einlaß 23, mit dem innersten Rohr 19 verbunden, die Reaktionspartner gemischt mit zusätzlichem Wasserstoff führt. Daraus ergibt sich eine ringförmige Flamme, 24, in der die gasförmigen Reaktionspartner in Oxidteilchen umgewandelt werden. Eine aus einem Siliciumdioxidrohr gefertigte Ummantelung, 25, gleitet über die Brenneraußenseite und erstreckt sich etwa 30 mm über das Brennerende hinaus. Sie schirmt die Flamme ab, damit Luftzug von außen sich nicht so stark auswirkt. Der Brenner ist auf das waagerechte Substrat zu unter einem Winkel von etwa 60º gegenüber der Horizontalen gerichtet, und infolge des hohen Durchsatzes der Brenngase treffen diese auf das Substrat auf. In beispielhaften Versuchen handelt es sich bei dem Substrat entweder um einen Siliciumwafer oder einen Siliciumdioxidwafer, 26, der mit Hilfe eines Vakuums in einer kreisförmigen Vertiefung in einer Aluminiumplatte, 27, festgehalten wird. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Platte linear in einer x-Richtung mit etwa 20 mm pro Minute hin- und herbewegt, und nach jedem Durchlauf wird die Platte etwa einen mm in einer y-Richtung zur Seite bewegt, bis die gesamte Oberfläche des Substrats behandelt worden ist. Dazu dient ein rechnergesteuerter XYZ- Positionsregler 16. Die dritte Achse regelt die Drehbewegung der Abscheidungsplatte. Nach einem vollständigen Zyklus, d. h. nach Bedeckung des gesamten Wafers mit dem Zickzackmuster, wird das Substrat um 180º gedreht und das Muster in einer anderen Richtung begonnen. Dadurch wird die Homogenität der Abscheidung verbessert.
  • Aluminiumplatte 27 wird typischerweise mittels eines (nicht dargestellten) elektrischen Heizkörpers auf einer Temperatur von etwa 200ºC gehalten. Zwischen dem Heizkörper und der Aluminiumplatte und einem Thermoelement vom K-Typ mit der dazu benötigten elektronischen Steuerschaltung ist eine zusätzliche (nicht dargestellte), als druckluftgekühltes Kupferrohr ausgeführte Kühlvorrichtung gehaltert. Die Temperatur der Aluminiumplatte kann, je nach Flammentemperatur, bis auf 240ºC und sogar noch höher ansteigen; dies hat jedoch keine offenkundigen Auswirkungen auf die Abscheidung.
  • Nahe der Flamme 24 ist in einem Abstand von etwa 25 mm vom Brenner 16 und 10 mm über der Abscheidungsfläche ein Abgaseinlaß 28 angebracht. Der Abgaseinlaß ist nur während der Abscheidung der Kernschicht in Betrieb. Dadurch wird sichergestellt, daß während der Abscheidung der Kernschicht Ruß aus der äußeren, kälteren Zone der Flamme fortgerissen wird, bevor er auf dem Substrat abgeschieden wird. Durch das Abgas wird dieser Teil des Rußes enfernt und so sichergestellt, daß nur Ruß aus dem Innenteil der Flamme als Kernschicht abgeschieden wird; sonst würde es durch zu größeren Hohlräumen, wie sie für diesen besonderen Rußtyp kennzeichnend sind, führende Agglomerate zu einer Behinderung der nachfolgenden Sinterung der Kernschicht kommen. Nicht benötigt wird der Abgaseinlaß bei der Abscheidung von Mantelschichten. Da der Wirkungsgrad der Abscheidung ohne das Abgas erheblich höher ist, wird der Abgaseinlaß 28 bei der Herstellung der Mantelschichten abgeschaltet. Ruß aus der gesamten Flamme, einschließlich der äußeren kälteren Zone der Flamme, führt zu der höheren Porosität des agglomerierten Rußes in den Mantelschichten, was ein Durchdringen der Ablagerung durch Gase während des Sinterns ermöglicht.
  • Bei einem in Fig. 4 dargestellten Sinterofen, 29, für das Sintern in reaktiver Atmosphäre, handelt es sich um einen senkrechten MoSi&sub2;-Heizelementofen, mit dem eine Aufheizgeschwindigkeit von 2000ºC pro Stunde erreicht werden kann. Zu sinternde Wafer, 30, werden in einem Schiffchen, 31, festgehalten, das in einer Ofenhaube, 32, angeordnet ist. Die Wafer können waagerecht oder vorzugsweise senkrecht gehalten werden. Während des Sintervorgangs eingesetzte Gase werden am oberen Ende der Haube 32 eingeleitet, fließen an den Substraten vorbei und strömen durch den Spalt zwischen der Haube und einer Ofenmuffel 33, worauf sie am oberen Ende der Ofenmuffelkappe 34 abgelassen werden. Zu den Sintergasen zählen Helium und BCl&sub3; oder BF&sub3;. Man läßt trockenen N&sub2; zwischen Wänden, 35, des Ofens und der Ofenmuffel strömen. Durch Siliciumdioxidmuffel 33 wird der vollständige Luftausschluß gewährleistet. Sonst würde das BCl&sub3; oder BF&sub3; mit Feuchtigkeit oder bei erhöhter Temperatur mit O&sub2; reagieren. Die die Sintergeschwindigkeit regelnde Viskosität wird durch die Zugabe von BCl&sub3;- oder BF&sub3;-Gasen soweit verringert, daß der Ruß bei Temperaturen von nur 1000ºC zu einer glatten, glasigen Konsistenz gesintert werden kann. Die Zugabe von BCl&sub3; in einem Bereich von etwa 1% bis 5% zur Heliumatmosphäre reicht unter entsprechenden Bedingungen aus, diese bemerkenswerte Senkung der Sintertemperatur zu erzielen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Sinterverfahren wird der Ofen über einen Zeitraum von 1,5 bis 2,5 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden, mit Helium gespült. Die Spülung erfolgt bei niedriger Temperatur, vorzugsweise Zimmertemperatur, während die Wafer an Ort und Stelle sind. Gegen das Ende der Spülzeit, z. B. 15- 20 Minuten vor Ende der Spülzeit, wird BCl&sub3;- oder BF&sub3;- Gas in den Heliumstrom eingebracht. Die Temperatur des Ofens wird dann langsam über einen Zeitraum von 1,5 bis 2,5 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden, von der ursprünglichen niedrigen Temperatur auf eine Temperatur von 800 bis 900ºC angehoben. Am Ende dieser Temperaturerhöhungszeit wird der BCl&sub3;- oder BF&sub3;-Strom abgeschaltet, während der Heliumstrom weiterfließt. Nach einem Zeitraum von 15-20 Minuten wird die Temperatur des Ofens über einen Zeitraum von etwa 2 Stunden auf 1000-1100ºC angehoben und etwa eine Stunde lang auf diesem Niveau gehalten. Nach dem Abschalten des Heliumstroms werden die gesinterten Wafer einem Glühvorgang von 5-7, vorzugsweise 6 Stunden in einer Wasserdampf-Sauerstoff-Atmosphäre bei 1000-1150ºC im Ofen unterzogen. Dann läßt man den Ofen auf die Zimmertemperatur abkühlen. Die Substrate werden in Wasserdampf bei 1000-1150ºC mehrere Stunden lang geglüht, um überschüssiges B&sub2;O&sub3; an der Oberfläche als flüchtige HBO- oder HBO&sub2;-Spezies zu entfernen, wodurch eine Hygroskopizität der dünnen Schicht ausgeschlossen wird.
  • So sind für einen bis zu 20-25 um starken Mantel geeignete Glasschichten hergestellt worden. Sie weisen einen einheitlichen Brechungsindex von 1,457 bis 1,461 auf (je nach phosphorigem Gehalt), wobei dieser aus ihren Modenbildern ermittelt wurde. Daraus läßt sich eine gute Homogenität der Zusammensetzung bei erstaunlich geringer Doppelbrechung erkennen. Das Sintern in einer derartigen reaktiven Atmosphäre erfolgt gemäß der folgenden Reaktion:
  • Soll diese Reaktion an der Teilchenoberfläche erfolgen, so muß das BCl&sub3; durch die Rußschicht diffundieren. Damit keine Konzentrationsgradienten auftreten, muß der Ruß so durchlässig wie möglich sein, so daß das Ausmaß der B&sub2;O&sub3;-Bildung durch die Reaktionsgeschwindigkeit begrenzt wird.
  • In Fig. 5 ist ein das Gleichgewicht zwischen einem Mol BCl&sub3; und 1 Mol SiO&sub2; darstellendes Diagramm als Funktion der Temperatur dargestellt. Die als Molenbruch angegebene Konzentration zeigt mit zunehmender Temperatur eine abnehmende Bildung von B&sub2;O&sub3; gemäß der Reaktion 4BC13 +3SiO&sub2; 3SiC19 +2B&sub2;O3.
  • Eine beispielhafte Herstellung der einzelnen Schichten und das Sintern derselben werden in den folgenden Beispielen dargelegt. Bei allen Beispielen mit Abscheidung von Rußschicht durch FHA läßt man Sauerstoff mit 20 L/min durch das äußerste Rohr 17, Wasserstoff mit 2 L/min und Helium mit 4,5 L/min durch das mittlere Rohr 18, sowie Wasserstoff mit 1,2 L/min und Helium mit 1,0 L/min. denen je nach Bedarf Reaktionsstoffe zugemischt sind, durch das Mittelrohr 19 strömen.
    • Beispiel 1
  • Die Herstellung einer typischen unteren Mantelschicht 13 erfolgt durch Abscheidung von Ruß mittels FHA auf auf etwa 200ºC gehaltene Substratwafer. Die Bereitstellung der Reaktionspartner erfolgt, indem zusätzliches Helium durch die jeweilige Flüssigkeitsquelle in einer Geschwindigkeit von 150 cc/min bei SiCl&sub4; und 250 cc/min bei POCl&sub3; durchgeperlt wird, während man gasförmiges BCl&sub3; mit 40 cc/min strömen läßt; dabei werden alle Reaktionspartnerquellen auf 35ºC gehalten. Die Rußabscheidung erfolgt solange, bis eine 20-40 Mikrometer starke Rußschicht auf dem Substrat abgeschieden ist.
    • Beispiel 2
  • Wafer mit der auf dem Substrat in Beispiel 1 abgeschiedenen Siliciumoxidrußschicht werden dann zum Sintern im Ofen 29 angeordnet. Der Sintervorgang beginnt mit einer 2 Stunden langen Spülung des Ofens bei Zimmertemperatur mit 300 cc/min Helium. Gegen Ende der Spülung, z. B. etwa 15-20 Minuten vor dem Ende des zweistündigen Zeitraums, wird dem Heliumstrom gasförmiges BCl&sub3; mit 3,5 cc/min zugesetzt. Die Temperatur wird dann über einen Zeitraum von 2 Stunden auf 800ºC angehoben, worauf der BCl&sub3;-Strom abgeschaltet wird, während der Heliumstrom weiterfließt. Nach 15-20 Minuten wird die Temperatur über einen Zeitraum von 2 Stunden von 800ºC auf 1100ºC angehoben und dort eine Stunde lang gehalten. Danach wird der Heliumstrom unterbrochen und die gesinterten Wafer einem 6 Stunden langen Glühvorgang in einer Wasserdampf-Sauerstoff- Atmosphäre bei 1150ºC unterzogen. Dann läßt man den Ofen auf die Zimmertemperatur abkühlen.
    • Beispiel 3
  • Die Herstellung der Kernschicht erfolgt durch Abscheidung von Ruß auf die untere Mantelschicht. Die Bereitstellung der Reaktionspartner erfolgt, indem Helium durch die jeweiligen auf 350ºC gehaltenen Flüssigkeitsquellen in einer Geschwindigkeit von 100 cc/min bei SiCl&sub4;, 50 cc/min bei GeCl&sub4; und 100 cc/min bei POCl&sub3; durchgeperlt wird.
    • Beispiel 4
  • Die in Beispiel 3 abgeschiedene Rußschicht wird dann durch Sintern im Ofen verfestigt. Die Sintervorgänge beginnen bei Zimmertemperatur mit einer 2 Stunden langen Spülung des Ofens mit 300 cc/min Helium. Gegen Ende der Spülung wird GeCl&sub4; hinzugegeben, indem man 200 cc/min Helium durch dessen Flüssigkeitsquelle durchperlt, und dem Heliumstrom wird gasförmiges BCl&sub3; mit 0,5 cc/min hinzugefügt. Die Ofentemperatur wird auf 1300ºC angehoben und die Rußschicht in einer Sauerstoffatmosphäre über einen Zeitraum von 2 Stunden gesintert. Nach diesem Sintern wurde auf der gesinterten Kernglasschicht mittels normaler Photolithographie eine Chrommaske ausgebildet. Das Chrom dient als Maske beim reaktiven Ionenätzen (RIÄ) einer gewünschten Wellenleiterstruktur in der Kernglasschicht. Nach der Strukturierung der Kernglasschicht durch RIÄ und der Entfernung der Chrommaske ist die daraus hervorgehende Kernglasstruktur bereit zur Übermantelung mit einer oberen Mantelschicht.
    • Beispiel 5
  • Die Herstellung der oberen Mantelschicht erfolgt durch Abscheidung von Ruß auf den strukturierten Kernwellenleiter und auf freiliegende Teile der unteren Mantelschicht, die wie in Beispiel 4 beschrieben hergestellt wurde. Die Bereitstellung der Reaktionspartner erfolgt, indem Helium durch die jeweiligen Flüssigkeitsquellen in einer Geschwindigkeit von 150 cc/min bei SiCl&sub4; und 200 cc/min bei POCl&sub3; durchgeperlt wird, während man gasförmiges BCl&sub3; mit 30 cc/min strömen läßt. Die Rußabscheidung erfolgt solange, bis eine 20-40 Mikrometer starke Rußschicht abgeschieden ist.
    • Beispiel 6
  • Nach Abscheidung der Siliciumoxidrußschicht gemäß dem Verfahren von Beispiel 5 werden die Wafer zum Sintern im Ofen angeordnet. Der Sintervorgang beginnt mit einer 2 Stunden langen Spülung des Ofens bei Zimmertemperatur mit 300 cc/min Helium. Gegen Ende des Spülzeitraums wird dem Heliumstrom gasförmiges BCl&sub3; mit 5 cc/min zugesetzt. Der BCl&sub3;-Strom fließt etwa 2,5 Stunden weiter, während die Ofentemperatur auf 800ºC angehoben wird, worauf er unterbrochen wird, während der Heliumstrom weiterfließt. Nach 15-20 Minuten wird die Ofentemperatur über einen Zeitraum von 2 Stunden auf 1100ºC angehoben und dort eine Stunde lang gehalten. Danach wird der Heliumstrom unterbrochen und die Wafer einem 6 Stunden langen Glühvorgang in einer Wasserdampf-Sauerstoff-Atmosphäre bei 1000ºC unterzogen. Dann läßt man den Ofen auf die Zimmertemperatur abkühlen.
    • Beispiel 7
  • Das Sintern der einen wie auch der anderen Mantelschicht kann mit BF&sub3; anstelle von BCl&sub3; in der Sinteratmosphäre durchgeführt werden. Dazu erfolgt die Abscheidung der Mantelrußschicht, indem die Reaktionspartner durch Durchperlen von Helium durch die jeweiligen Flüssigkeitsquellen mit 150 cc/min für SiCl&sub4; und 125 cc/min für POCl&sub3; bereitgestellt werden, während man gasförmiges BCl&sub3; mit 30 cc/min strömen läßt. Das Sintern der Mantelrußschicht beginnt mit einer 2 Stunden langen Spülung des Ofens bei Zimmertemperatur mit einem Heliumstrom von 300 cc/min. Gegen Ende der Spülzeit läßt man gasförmiges BF&sub3; mit 15 cc/min in den Heliumstrom einströmen. Das BF&sub3; ist weniger reaktionsfreudig als BCl&sub3;, und während der Behandlung im Ofen ist ein höherer Durchsatz an BF&sub3; erforderlich. Die Temperatur des Ofens wird über einen Zeitraum von 2 Stunden auf 900ºC angehoben, worauf der BF&sub3;-Strom abgeschaltet wird, während der Heliumstrom weiterfließt. Nach 15-20 Minuten wird die Ofentemperatur über einen Zeitraum von 2 Stunden auf 1100ºC angehoben und dort eine Stunde lang gehalten. Danach wird der Heliumstrom unterbrochen und die Wafer einem 6 Stunden langen Glühvorgang in einer Wasserdampf-Sauerstoff-Atmosphäre unterzogen. Dann läßt man den Ofen auf die Zimmertemperatur abkühlen.
    • Beispiel 8
  • Als Alternative wurde die untere Mantelschicht auf einem Siliciumwafer aufgewachsen, indem man eine 15-25 Mikrometer starke Siliciumoxidschicht in einer HiPOx-Apparatur (hohe Temperatur, hoher Druck) aufwachsen ließ. Bei diesem Verfahren ist ein späteres Sintern der Mantelschicht nicht erforderlich. Auf dieser Mantelschicht wurde die Kernschicht ausgebildet, indem zuerst auf die vorstehend in Beispiel 3 beschriebene Weise eine Rußschicht abgeschieden wurde. Die Rußschicht wurde dann bei 1300ºC in Luft gesintert. Nach diesem Sintern wurde auf der gesinterten Kernglasschicht mittels normaler Photolithographie eine Chrommaske ausgebildet. Das Chrom dient als Maske beim reaktiven Ionenätzen (RIÄ) der Kernglasschicht. Nach der Strukturierung der Kernglasschicht durch RIÄ und der Entfernung der Chrommaske wurde die daraus hervorgehende Kernglasstruktur mittels des in den Beispielen 5 und 6 oder 7 beschriebenen Verfahrens übermantelt.
  • Aus hoptischen Messungen ist auf gute Homogenität zu schließen, und die Messung der Verluste ergab, daß diese mit auf herkömmliche Weise hergestellten Schichten vergleichbar waren.
  • Mit dem durch das vorliegende Sintern in reaktiver Atmosphäre erzeugten, auf einen höheren Brechungsindex dotierten Glas ergeben sich zusätzliche Vorteile. Am häufigsten wird als Substratmaterial Silicium verwendet, das einen im wesentlichen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (35 · 10&supmin;&sup6;/K) als Siliciumdioxid (5 · 10&supmin;&sup6;/K) aufweist. Die sich daraus ergebende mangelhafte Angleichung zwischen dem Substrat und den abgeschiedenen Schichten führt zu spannungsbedingten Problemen, und der dem Glas als Wellenleitermaterial innewohnende Vorteil, daß es nämlich infolge seiner amorphen Natur nicht doppelbrechend ist, geht verloren. Spannungsdoppelbrechung führt zu unerwünschtem Effekt wie zusätzlichen Verlusten und Polarisationsabhängigkeit. Bei der FHA wird das Material typischerweise nur auf einer Seite des Substrats abgeschieden. Die daraus hervorgehende Spannung kann zu einer solchen Verwerfung des Substrats führen, daß Photolithogramm unmöglich wird. Mit zunehmendem Dotierstoffgehalt nimmt jedoch die Wärmeausdehung von Siliciumdioxid zu. Glasschichten bis zu einer Stärke von 20-25 um konnten ohne nennenswertes Verwerfen des Substrats gebildet werden. Tatsächlich tritt eine nur geringe Durchbiegung der Wafer mit einem Krümmungsradius bis zu 60 Meter auf. Das führt zu verminderter Doppelbrechung.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer Siliciumdioxidmantelschicht (11) auf einem Aufbau mit einem aus der Reihe Silicium und Siliciumdioxid gewählten Substrat (14), wobei bei dem Verfahren auf dem Substrat (14) eine Siliciumdioxidrußschicht gebildet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
die Siliciumdioxidrußschicht wird zu einer glasigen Schicht gesintert, wobei das Sintern durch Erhitzen der Siliciumdioxidrußschicht in einer einen gasförmigen Zusatz aus der Reihe BCl&sub3; und BF&sub3; enthaltenden Heliumatmosphäre bei Temperaturen von 900ºC oder darunter erfolgt,
die erhitzte Siliciumdioxidrußschicht wird bei einer Temperatur im Bereich von 1000ºC bis 1100ºC in Abwesenheit des gasförmigen Zusatzes gesintert,
die gesinterte Siliciumdioxidschicht wird in einer Wasserdampf-Sauerstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von 1000ºC bis 1150ºC geglüht, und
die geglühte Siliciumdioxidschicht wird auf Zimmertemperatur abkühlen gelassen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Aufbau mit einem Substrat um einen Wellenleiteraufbau (12, 13, 14) handelt, wobei der Wellenleiteraufbau (12, 13, 14) das Substrat (14), eine auf dem Substrat (14) gebildete untere Mantelschicht (13) aus Siliciumdioxid mit einem ersten Brechungsindex, sowie mindestens einen auf der unteren Mantelschicht (13) gebildeten Wellenleitersteg (12) aus Siliciumdioxid mit einem den ersten Brechungsindex übertreffenden zweiten Brechungsindex umfaßt; wobei die Siliciumdioxidmantelschicht 11 auf dem mindestens einen Wellenleitersteg 12 und auf freiliegenden Bereichen der unteren Mantelschicht 13 gebildet wird, und wobei die Siliciumdioxidmantelschicht (11) einen Brechungsindex aufweist, der niedriger ist als der zweite Brechungsindex.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Sintern in einem Ofen (29) erfolgt, der bei niedriger Temperatur mit einem Heliumstrom gespült wird,
der gasförmige Zusatz dem Heliumstrom gegen Ende der Heliumspülung hinzugefügt wird und die Ofentemperatur über einen Zeitraum von 1,5 Stunden bis 2,5 Stunden auf die Erhitzungstemperatur von 800ºC bis 900ºC angehoben wird,
15-20 Minuten nach dem Erreichen der Erhitzungstemperatur das Hinzufügen des gasförmigen Zusatzes in den Heliumstrom nicht mehr fortgesetzt wird und die Ofentemperatur über einen Zeitraum von 1, 5 Stunden bis 2, 5 Stunden auf die Sintertemperatur von 1000ºC bis 1150ºC angehoben und etwa eine Stunde lang auf der Sintertemperatur gehalten wird,
der gesinterte Aufbau dann in der Wasserdampf- Sauerstoff-Atmosphäre bei der Temperatur von 1000ºC bis 1150ºC über einen Zeitraum von 5 Stunden bis 7 Stunden geglüht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erhitzungstemperatur 800ºC beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erhitzungstemperatur über einen Zeitraum von 2 Stunden angehoben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Heliumstrom durch den Ofen (29) auf 300 cc/min gehalten wird.
7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der BCl&sub3;-Strom auf 3, 5 bis 5,0 cc/min gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Ofentemperatur über einen Zeitraum von 2 Stunden auf die Sintertemperatur angehoben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der BF&sub3;-Strom auf 15 cc/min gehalten wird.
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