FR2840415A1 - Procede de realisation de microguides optiques a tres faibles pertes - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de réalisation d'un système de distribution de lumière, comprenant au moins un microguide optique à très faibles pertes, par gravure d'une couche de silicium monocristallin sur substrat SOI, caractérisé en ce que le procédé comprend :- une première étape de gravure sèche pour définir des faces latérales pour le microguide,- une deuxième étape de gravure chimique anisotrope permettant de révéler des plans cristallins pour lesdites faces latérales.
Description
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PROCEDE DE REALISATION DE MICROGUIDES OPTIQUES A TRES
FAIBLES PERTES
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de réalisation de microguides optiques à très faibles pertes.
FAIBLES PERTES
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de réalisation de microguides optiques à très faibles pertes.
Ce procédé permet de réaliser des guides d'ondes optiques, en particulier de section submicronique sur des substrats SOI, à très faibles pertes dans le proche infrarouge (de longueur d'onde supérieure ou égale à 1,2 m). Il permet également de réaliser des systèmes de distribution de la lumière comportant des diviseurs de faisceaux, des virages ou des miroirs. Il permet également de réaliser des composants comme des interféromètres ou des réseaux de guides d'ondes de dimensions totales très faibles.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les substrats SOI (silicium sur isolant) se sont révélés être particulièrement intéressants pour l'optique intégrée. Les substrats SOI disponibles couramment possèdent une épaisseur de silicium superficiel remarquablement uniforme. La couche d'oxyde enterrée possède un indice de réfraction beaucoup plus faible que celui du silicium superficiel, ce qui permet un bon guidage optique dans le silicium. Les procédés microélectroniques compatibles avec ces substrats sont bien maîtrisés et permettent d'obtenir des dispositifs à faible coût.
Les substrats SOI (silicium sur isolant) se sont révélés être particulièrement intéressants pour l'optique intégrée. Les substrats SOI disponibles couramment possèdent une épaisseur de silicium superficiel remarquablement uniforme. La couche d'oxyde enterrée possède un indice de réfraction beaucoup plus faible que celui du silicium superficiel, ce qui permet un bon guidage optique dans le silicium. Les procédés microélectroniques compatibles avec ces substrats sont bien maîtrisés et permettent d'obtenir des dispositifs à faible coût.
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Les guides d'ondes sur substrat SOI commercialisés sont des guides de grande section pour lesquels le confinement latéral de la lumière est obtenu en gravant partiellement un film de silicium épais (c'est-à-dire d'environ 8 à 10 m d'épaisseur).
Ce sont des guides en arête dont la largeur est également de plusieurs micromètres. Ces guides de grandes dimensions étaient jusqu'à présent les seuls à présenter des pertes suffisamment faibles (quelques 0,1 dB/cm) pour être utilisables.
On connaît aussi des guides optiques de petites tailles (de section inférieure à 1 m x 1 m) et totalement gravés dans la couche de silicium superficielle. Ce sont des guides rubans. Ils présentent généralement des pertes beaucoup plus importantes que les guides en arête. La cause de ces pertes a été identifiée comme étant liée à la rugosité des flancs des guides (voir l'article "Effect of size and roughness on light transmission in a Si/Si02 waveguide : Experiments and model" de K.K. Lee et al., Applied Physics Letters, Vol. 77, page 1617,2000).
Cette rugosité provient du transfert dans la couche de silicium de la rugosité du masque de résine utilisé ainsi que de la qualité du procédé de gravure. Cette rugosité limite la miniaturisation des systèmes optiques.
La gravure chimique anisotrope du silicium, révélant des plans cristallins, est utilisée pour réaliser des tranchées en V ou en U dans des substrats destinés à servir de plate-forme optique pour aligner différents éléments.
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La gravure TMAH a été utilisée pour fabriquer des guides d'ondes dans le LiNb03 (voir l'article "Wet etched ridge waveguides in Y-cut lithium niobate" de R-S. Cheng et al., Journ. of Lightwave Technology, Vol. 15, page 1880, 1997). Un autre article ("Self-alignment of optical fibers with optical quality end-polished silicon rib waveguides using wet chemical micromachining techniques" de M.A. Rosa et al., IEEE Journ. of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.
5, page 1249,1990) mentionne la possibilité de réaliser des guides dans un substrat SOI par cette technique mais pour des guides beaucoup plus gros et dans le but d'assurer l'alignement optique d'une fibre optique avec un guide d'onde de grande dimension (de l'ordre de 10 um), avec une facette d'entrée du guide de bonne qualité. Pour ces dimensions, la rugosité des flancs est nettement moins critique.
La gravure anisotrope par KOH a été utilisée pour fabriquer des guides d'ondes dans une couche de SiGe présente sur un substrat de silicium (voir l'article "Low loss optical ridge waveguides in a strained GeSi epitaxial layer grown on silicon" de A.
Splett et al., Electronics Letters, Vol. 26, page 1036, 1990) et dans un substrat SOI (voir l'article "Comparison of optical waveguide losses in silicon-oninsulator", Electronics Letters, Vol. 29, page 2031, 1993), mais là encore pour des guides de grande section et sans l'objectif de réduire la rugosité des flancs.
Néanmoins, l'article "Fabrication of ultralow-loss Si/Si02 waveguides by roughness reduction" de Kevin K. Lee et al., Optics Letters, Vol.
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26, N 23, 1er décembre 2001, divulgue un procédé de fabrication de guides rubans de section trapézoïdale 0,2 um x 1,6 m et présentant des pertes de l'ordre de 2 dB/cm. Ce résultat a été obtenu en soumettant la couche de silicium superficielle à une gravure chimique anisotrope à base de TMAH (hydroxyde de tétraméthylammonium). Les guides ont été réalisés en gravant totalement la couche de silicium superficielle pour des guides parallèles à la direction <110>. Les plans cristallins révélés sont des plans {lll} et la forme des guides d'ondes obtenus est alors trapézoïdale. Ceci n'altère pas les propriétés de guidage mais augmente la distance minimale à respecter entre deux guides pour éviter la diaphonie.
L'utilisation de la gravure chimique anisotrope seule, comme l'enseigne cet article, limite les possibilités de réalisation à la révélation de certains plans cristallins et rend difficile la réalisation des systèmes de distribution de la lumière dans lesquels il faut nécessairement introduire des changements de direction et des divisions de faisceaux optiques.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention permet de remédier à ce problème. Il est proposé de réaliser des microguides dont les flancs sont de préférence verticaux. Dans l'orientation la plus courante, c'est-à-dire des guides parallèles à la direction <110> comme le divulgue l'article ci-dessus paru dans Optics Letters, il est proposé d'utiliser la gravure chimique anisotrope après
L'invention permet de remédier à ce problème. Il est proposé de réaliser des microguides dont les flancs sont de préférence verticaux. Dans l'orientation la plus courante, c'est-à-dire des guides parallèles à la direction <110> comme le divulgue l'article ci-dessus paru dans Optics Letters, il est proposé d'utiliser la gravure chimique anisotrope après
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une gravure sèche classique, par exemple de type RIE (Reactive Ion Etching), qui définit des flancs quasiverticaux mais rugueux. Les rugosités sont alors lissées par la gravure chimique anisotrope. Ce procédé peut être utilisé pour d'autres orientations des guides. Dans la mesure où la gravure chimique est faible, les portions de guide dans d'autres directions, lors de virages ou de divisions de faisceaux, seront peu affectées.
L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'un système de distribution de lumière, comprenant au moins un microguide optique à très faibles pertes, par gravure d'une couche de silicium monocristallin, caractérisé en ce que le procédé comprend : - une première étape de gravure sèche pour définir des faces latérales pour le microguide, - une deuxième étape de gravure chimique anisotrope permettant de révéler des plans cristallins pour lesdites faces latérales.
De préférence, la première étape est une étape de gravure du type RIE.
De préférence également, l'étape de gravure chimique met en #uvre une solution choisie parmi une solution de TMAH et une solution de KOH.
Avantageusement, la couche de silicium monocristallin est la couche superficielle d'un substrat SOI.
La première étape de gravure peut être menée de façon à ne pas graver toute l'épaisseur de la couche de silicium pour obtenir un guide en arête.
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La première étape de gravure peut aussi être menée de façon à graver toute l'épaisseur de la couche de silicium pour obtenir un guide ruban.
Le procédé peut comprendre en outre, après la deuxième étape de gravure, une étape de recouvrement du microguide par une couche de confinement. Cette couche de confinement peut être une couche d'oxyde de silicium.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente, en coupe transversale, un substrat SOI permettant de mettre en #uvre le procédé de réalisation de microguides optiques selon l'invention, - la figure 2 représente, en coupe transversale, un microguide optique en arête réalisé par le procédé selon l'invention, - la figure 3 représente, en coupe transversale, un microguide optique en ruban réalisé par le procédé selon l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective d'un substrat SOI dont la couche de silicium superficielle est recouverte d'un masque dur en vue de réaliser un microguide optique par le procédé selon l'invention,
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente, en coupe transversale, un substrat SOI permettant de mettre en #uvre le procédé de réalisation de microguides optiques selon l'invention, - la figure 2 représente, en coupe transversale, un microguide optique en arête réalisé par le procédé selon l'invention, - la figure 3 représente, en coupe transversale, un microguide optique en ruban réalisé par le procédé selon l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective d'un substrat SOI dont la couche de silicium superficielle est recouverte d'un masque dur en vue de réaliser un microguide optique par le procédé selon l'invention,
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- les figures 5A et 5B illustrent l'obtention d'un guide ruban à partir du substrat SOI de la figure 4 par le procédé selon l'invention, - les figures 6A et 6B illustrent l'obtention d'un guide en arête à partir du substrat SOI de la figure 4 par le procédé selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
La figure 1 représente, en coupe transversale, un substrat SOI constitué d'un support en silicium 1 supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 2 et une couche superficielle de silicium monocristallin 3. La couche de silicium 3 constitue naturellement un guide d'onde optique dans son plan pour les longueurs d'ondes supérieures à 1,1 m avec très peu de pertes si la couche d'oxyde 2 est assez épaisse (supérieure ou égale à 0, 5 m). On peut se référer à ce sujet à l'article "Low loss optical waveguide on standard SOI/SIMOX substrate" de A. Layadi et al., Optics Communications, Vol. 146, page 31,1998.
La figure 1 représente, en coupe transversale, un substrat SOI constitué d'un support en silicium 1 supportant successivement une couche d'oxyde de silicium 2 et une couche superficielle de silicium monocristallin 3. La couche de silicium 3 constitue naturellement un guide d'onde optique dans son plan pour les longueurs d'ondes supérieures à 1,1 m avec très peu de pertes si la couche d'oxyde 2 est assez épaisse (supérieure ou égale à 0, 5 m). On peut se référer à ce sujet à l'article "Low loss optical waveguide on standard SOI/SIMOX substrate" de A. Layadi et al., Optics Communications, Vol. 146, page 31,1998.
Pour certaines applications, on peut épitaxier des hétérostructures à base de composés de type Si1-xGex (avec 0 # x #1) ou SiGeC sur la couche de silicium superficielle en conservant les bonnes propriétés de guidage de la lumière.
Pour confiner la lumière latéralement de façon à réaliser un guidage deux dimensions, la couche de silicium superficielle est gravée de part et d'autre d'un ruban. La gravure peut être réalisée sur une profondeur donnée, inférieure à l'épaisseur de la
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couche superficielle 3, pour obtenir un guide en arête comme le montre la figure 2. La gravure peut aussi être réalisée sur toute l'épaisseur de la couche superficielle 3 pour obtenir un guide de type ruban comme le montre la figure 3. Les figures 2 et 3 montrent aussi une couche de confinement et de protection 4 déposée sur les guides réalisés.
Dans le cas des guides ruban, le caractère monomode recherché pour de nombreuses applications n'est obtenu, aux longueurs d'ondes 1,3 m ou 1,55 um, que pour des dimensions latérales nettement inférieures au micromètre (typiquement inférieures à 0,4 m x 0,4 m). Pour ces microguides d'ondes optiques, et en particulier pour les guides rubans, la rugosité résiduelle des flancs gravés du guide constitue la source essentielle de pertes au cours de la propagation de la lumière dans le guide, par diffusion sur ces irrégularités.
L'article "Fabrication of silicon quantum wires using separation by implanted oxygen wafer" de G. Hashiguchi et al., Jpn Journ. Appl. Phys., Vol. 33, page L 1649 (1994) divulgue une méthode de réduction de la rugosité par révélation de plans cristallins dans le silicium. Cette méthode met en #uvre une gravure chimique au moyen d'une solution aqueuse à base de TMAH ou de KOH (hydroxyde de potassium). On peut ainsi graver une couche de silicium au travers d'un masque, par exemple en silice, et définir des microguides d'ondes optiques. Un avantage de cette méthode est que l'on s'affranchit de la rugosité du masque de résine qui, dans le cas d'une gravure anisotrope de type
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gravure ionique réactive (RIE), est transférée dans le masque dur et donc dans le matériau à graver en même temps que le motif.
La vitesse de gravure par une solution à base de TMAH ou de KOH dépend de façon notable de la direction de gravure. C'est pourquoi on peut révéler des flancs {111 pour des guides parallèles à la direction <110>, véritables plans d'arrêt à la gravure, ou des flancs {100} pour des guides parallèles à la direction <100>, en utilisant des masques adaptés et correctement orientés par rapport aux directions cristallines de la couche mince. Les flancs ainsi révélés sont remarquablement plans, avec une rugosité extrêmement faible. Ceci s'applique uniquement pour ces directions privilégiées et pour des guides rubans pour lesquels la couche de silicium superficielle est totalement gravée, ce qui permet d'assurer une gravure jusque sous le masque, qui élimine les rugosités de ce dernier.
L'invention consiste à s'affranchir en partie des limitations sur les orientations des guides en utilisant successivement une gravure sèche, par exemple du type RIE, puis une gravure chimique anisotrope. La deuxième étape enlève relativement peu de matière mais elle permet de révéler des plans cristallins. En particulier, pour des guides rubans parallèles à la direction <110>, on crée un plan quasivertical, proche d'un plan {110} par gravure sèche et c'est alors ce plan qui est révélé par gravure chimique anisotrope dans la deuxième étape et non un plan {lll} comme décrit précédemment. On obtient ainsi un
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microguide carré ou rectangulaire et non trapézoïdal comme ce serait le cas avec seulement la gravure chimique anisotrope.
L'invention permet en particulier la réalisation d'un système de distribution de la lumière comprenant des microguides formant des virages ou des miroirs entre deux guides perpendiculaires. Pour un virage à 90 formé par un arc de cercle, ou un miroir formé d'une facette à 45 à l'angle entre deux guides d'ondes optiques, la faible gravure chimique de la deuxième étape de gravure change peu la forme du système de distribution de la lumière. Les dimensions des guides réalisés selon l'invention étant faibles (inférieures ou égales au m), les pertes sur les rugosités sont limitées. On peut réaliser ainsi différents éléments d'un système de distribution de lumière pour diviser des faisceaux, par exemple des jonctions en Y, ou des MMI (pour "Multi-Mode Interferometer") suivis de virages indispensables pour écarter les guides de sortie impossibles à réaliser avec une seule gravure chimique anisotrope.
Pour des guides en arête, formés par gravure partielle de la couche superficielle de silicium, il n'est a priori pas possible d'utiliser seulement la gravure chimique anisotrope car elle révèle simultanément différents plans cristallins. Dans ce cas également, il faut au préalable faire une gravure sèche la plus verticale possible et lisser les rugosités par gravure chimique anisotrope.
Les conditions de la gravure chimique qui doivent être adoptées sont différentes de celles mises
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en #uvre lorsqu'une seule étape de gravure chimique anisotrope est utilisée. Selon l'invention, on cherche à enlever le minimum de matière pour respecter les dimensions visées tout en allant jusqu'à la révélation la meilleure de plans cristallins. On cherche donc à réduire les vitesses de gravure chimique de façon à contrôler le procédé. La gravure se fait par exemple avec une solution de TMAH chargée en silicium et/ou additionnée d'IPA. Les concentrations sont ajustées pour privilégier la révélation des plans voulus.
Par un dessin adapté des masques, on peut définir des systèmes relativement complexes comportant des virages à 90 et des diviseurs de faisceaux, en T par exemple, qui seront gravés en même temps que les guides, donc auto-alignés avec ces derniers, des interféromètres de Mach-Zehnder compacts ou des réseaux de guides utilisés comme multiplexeurs/démultiplexeurs.
La figure 4 est une vue en perspective du substrat SOI de la figure 1 sur laquelle on a ajouté un masque. La couche superficielle de silicium monocristallin 3 supporte une couche de masque dur 5 formant un ruban aligné dans la direction <100> de la couche de silicium monocristallin 3. La couche de masque dur 5 peut être déposée par toute méthode connue de l'homme de l'art. Les côtés du masque dur 5 présentent naturellement une certaine rugosité comme cela a été représenté sur la figure.
Les figures 5A et 5B illustrent l'obtention d'un guide ruban à partir du substrat SOI de la figure 4.
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La figure 5A montre le résultat obtenu après la première étape de gravure sèche, la gravure ayant été poursuivie sur toute l'épaisseur de la couche de silicium monocristallin 3. Les flancs du ruban de silicium gravé sont verticaux et reproduisent la rugosité du masque dur 5.
La figure 5B montre le résultat obtenu après la deuxième étape de gravure chimique anisotrope. Après cette gravure, les flancs du microguide ruban obtenu sont lisses.
Les figures 6A et 6B illustrent l'obtention d'un guide en arête à partir du substrat SOI de la figure 4.
La figure 6A montre le résultat obtenu après la première étape de gravure sèche, la gravure ayant été interrompue au bout d'un temps déterminé pour ne graver qu'une partie de l'épaisseur de la couche de silicium monocristallin 3. La partie de silicium gravé présente des flancs verticaux et reproduisant la rugosité du masque dur 5.
La figure 6B montre le résultat obtenu après la deuxième étape de gravure chimique anisotrope.
Après cette gravure, les flancs du microguide en arête obtenu sont lisses.
Après la deuxième étape de gravure, le microguide ruban de la figure 5B et le microguide en arête de la figure 6B peuvent être recouverts d'une couche de confinement en oxyde de silicium.
La gravure TMAH est compatible avec la technologie microélectronique CMOS et le procédé selon l'invention met en #uvre des technologies standard de
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la microélectronique. Cette compatibilité rend l'introduction d'une telle technologie dans le milieu industriel peu coûteuse et rapide.
Le procédé selon l'invention peut être appliqué aux domaines suivants : - le domaine des interconnexions optiques intrapuce en technologie compatible avec les circuits intégrés CMOS ; - le domaine des systèmes de télécommunications optiques, pour le routage optique ou le WDM (multiplexage en longueur d'onde), qui pourraient être beaucoup plus compacts sur des substrats SOI.
Claims (8)
1. Procédé de réalisation d'un système de distribution de lumière, comprenant au moins un microguide optique à très faibles pertes, par gravure d'une couche de silicium monocristallin (3), caractérisé en ce que le procédé comprend : - une première étape de gravure sèche pour définir des faces latérales pour le microguide, - une deuxième étape de gravure chimique anisotrope permettant de révéler des plans cristallins pour lesdites faces latérales.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape est une étape de gravure du type RIE.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de gravure chimique met en #uvre une solution choisie parmi une solution de TMAH et une solution de KOH.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de silicium monocristallin (3) est la couche superficielle d'un substrat SOI.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape de gravure est menée de façon à ne pas graver toute l'épaisseur de la couche de silicium (3) pour obtenir un guide en arête.
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6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première étape de gravure est menée de façon à graver toute l'épaisseur de la couche de silicium (3) pour obtenir un guide ruban.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après la deuxième étape de gravure, une étape de recouvrement du microguide par une couche de confinement.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche de confinement est une couche d'oxyde de silicium.
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|---|---|---|---|
| FR0206841A FR2840415A1 (fr) | 2002-06-04 | 2002-06-04 | Procede de realisation de microguides optiques a tres faibles pertes |
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| FR0206841A Pending FR2840415A1 (fr) | 2002-06-04 | 2002-06-04 | Procede de realisation de microguides optiques a tres faibles pertes |
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