JP2000081527A - Production of proton-exchanged waveguide - Google Patents

Production of proton-exchanged waveguide

Info

Publication number
JP2000081527A
JP2000081527A JP21608599A JP21608599A JP2000081527A JP 2000081527 A JP2000081527 A JP 2000081527A JP 21608599 A JP21608599 A JP 21608599A JP 21608599 A JP21608599 A JP 21608599A JP 2000081527 A JP2000081527 A JP 2000081527A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
proton
wafer
depth
proton exchange
analyzing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP21608599A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Christine E Geosling
エレン ジオスリング クリスティン
Henry Abbink
アッビンク ヘンリー
Lorrie L Gampp
レーン ガンプ ロリー
Francis Gary Augeri
ギャリィ オーゲリ フランシス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Original Assignee
Litton Systems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Litton Systems Inc filed Critical Litton Systems Inc
Publication of JP2000081527A publication Critical patent/JP2000081527A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/134Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms
    • G02B6/1345Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by substitution by dopant atoms using ion exchange

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a multifunctional integrated optical chip having a high electro-optical coefficient and low loss without having microcracks or inner stress which produces microcracks by repeating proton exchange treatment and annealing process till a specified value is achieved. SOLUTION: A mask 22 is disposed on a lithium niobate wafer 20 to form a waveguide pattern. A fused acid 24 which is benzoic acid is used to exchange proton (H+ hydrogen ion) and lithium ion (Li+). The proton diffusion depth in the region 26 where proton is exchanged is measured, and the process to dip the wafer 20 in the fused acid 24 is repeated till the first (proton exchange) target depth is obtained. Then the mask 22 is removed and the wafer 20 is thermally annealed. The proton diffusion depth in the annealed proton-exchange region, namely, in the waveguide region 26 is measured, and thermal annealing is repeated till the second (annealing) target proton diffusion depth is obtd.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、最適に高い電気光
学係数を有する多機能集積光チップ(MIOC)および
好ましくは菱面体晶構造を有するプロトン交換された導
波路の製造方法に関する。
The present invention relates to a multifunctional integrated optical chip (MIOC) having an optimally high electro-optic coefficient and a method for producing a proton-exchanged waveguide, preferably having a rhombohedral structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】多機能集積光チップ、特にニオブ酸リチ
ウム(LiNbO3)でできているそのようなチップの
典型的な製造方法は、約150℃から約250℃の範囲
の温度で、約10分から約50分またはそれ以上の時
間、チップに純粋な安息香酸などの酸でプロトン交換を
施す工程を含んでいる。プロトン交換工程が、高温で、
または長時間、またはその両方で行われる場合、ニオブ
酸リチウム基材は、プロトン交換工程に暴露された基材
領域に微小クラキングおよび/または導波路十字ハッチ
ングを生ずる内部応力を形成する傾向がある。その結
果、この工程を含む方法で製造されたチップは、屈折率
の不安定さ、高い伝搬損失および望まれるより低い電気
光学係数を示すことが多い。
Typical method for manufacturing such chips BACKGROUND technical Multifunction integrated optical chips are made particularly in lithium niobate (LiNbO 3) is at a temperature in the range of about 0.99 ° C. to about 250 ° C., about 10 Subjecting the chip to proton exchange with an acid such as pure benzoic acid for a period of time ranging from minutes to about 50 minutes or more. Proton exchange process at high temperature,
Or, when performed for an extended period of time, or both, the lithium niobate substrate tends to create internal stresses that cause microcracking and / or waveguide cross hatching in the substrate region exposed to the proton exchange step. As a result, chips manufactured by methods that include this step often exhibit refractive index instability, high propagation losses, and lower than desired electro-optic coefficients.

【0003】Chengらの米国特許第5,193,7
19号およびChengらの米国特許第5,442,7
19号は、単一のプロトン交換工程とそれに次ぐ単一の
熱アニール工程を用いる、ニオブ酸リチウムの導波路お
よび関連した材料の製造を開示している。プロトン交換
工程は、濃縮された酸(例、安息香酸)の融解物または
少量の(約2.5%を超えない)対応するリチウム塩を
含む酸の希融解物中で行われる場合、β相として知られ
る変化した結晶相にある、プロトン化されたニオブ酸リ
チウム(HxLi1-xNbO3)の層を形成する。この相
(β1〜β4の副相から成る)は、高い損失および貧弱な
電気光学特性をいう特徴を持つ。プロトンを基材中によ
り深く拡散させる熱アニール工程は、損失が少なく、良
好な電気光学特性を持つ導波路を生み出す。同時に、い
くつかの結晶相転移が起こる。この方法の目標は、深
さ、幅の屈折率勾配および低い損失と良好な電気光学特
性を提供する結晶相を有する導波路を得ることである。
これらの望ましい運転特性は、一般的にα相において、
およびより少ない度合いでκ1相において達成される。
[0003] Cheng et al., US Pat. No. 5,193,7.
No. 19 and Cheng et al., US Pat. No. 5,442,7.
No. 19 discloses the manufacture of lithium niobate waveguides and related materials using a single proton exchange step followed by a single thermal anneal step. If the proton exchange step is performed in a concentrated acid (eg, benzoic acid) melt or a dilute melt of an acid containing a small amount (not more than about 2.5%) of the corresponding lithium salt, the β-phase in the crystalline phase change known as to form a layer of protonated lithium niobate (H x Li 1-x NbO 3). This phase (comprising the sub-phases β 1 to β 4 ) is characterized by high losses and poor electro-optical properties. The thermal annealing step, which causes the protons to diffuse deeper into the substrate, produces a waveguide with low losses and good electro-optical properties. At the same time, several crystalline phase transitions occur. The goal of this method is to obtain a waveguide with a crystal phase that provides a depth, width index gradient and low loss and good electro-optical properties.
These desirable operating characteristics are generally in the α phase,
And to a lesser extent in the kappa 1 phase.

【0004】また、約2.5%から約5%の対応するリ
チウム塩を含む希酸融解物を用いて、実質的にα相のプ
ロトン化ニオブ酸リチウムの層を形成できる。この種類
のプロトン交換工程により、熱アニールの必要がなくな
る。
Also, a dilute acid melt containing from about 2.5% to about 5% of the corresponding lithium salt can be used to form a layer of substantially alpha-phase protonated lithium niobate. This type of proton exchange step eliminates the need for thermal annealing.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上記の方法は、単一プ
ロトン交換工程および単一熱アニール工程を有する製造
環境で、所望のパラメータの最適値を同時に繰り返し得
ることが困難であるという特徴がある。この問題の一因
となっている因子がいくつかある。
The above method is characterized in that it is difficult to simultaneously and repeatedly obtain optimum values of desired parameters in a manufacturing environment having a single proton exchange step and a single thermal annealing step. . Several factors contribute to this problem.

【0006】第一に、プロトン交換および熱アニール工
程の両方において、最終的な導波路のプロトン量、プロ
トン拡散深さおよび表面屈折率変化(Δn)を定義する
ために精密な温度制御が要求される。そのような制御
は、プロトン交換とアニールの時間が非常に長くなる、
長波長用などの深い導波路では、ますます困難になる。
その結果、主に工程パラメーターの制御の制約を受け
て、ある範囲のプロトン拡散深さとΔn値がウェハーご
とに得られる。
First, in both the proton exchange and thermal annealing steps, precise temperature control is required to define the final waveguide proton content, proton diffusion depth and surface refractive index change (Δn). You. Such control would result in very long proton exchange and annealing times,
Deep waveguides, such as those for long wavelengths, become increasingly difficult.
As a result, a range of proton diffusion depths and Δn values can be obtained for each wafer, primarily under the constraints of process parameter control.

【0007】さらに、単一の原石中でさえ、ニオブ酸リ
チウム供給にウェハー間の変動が有ることが知られてお
り、これはプロトン拡散速度を変化させる。このことに
より、さらに、導波路量と製造工程中の寸法パラメータ
の範囲が広げる。
In addition, even within a single rough, it is known that there is wafer-to-wafer variability in lithium niobate supply, which changes the proton diffusion rate. This further widens the range of waveguide quantities and dimensional parameters during the manufacturing process.

【0008】さらに、アニール工程は、実際は、2つの
同時に起こる過程から成っている。プロトンの内部拡散
およびリチウムイオンの逆拡散を伴う数種の結晶相変移
である。あるプロトン量である深さに必要なアニール時
間は、元のプロトン交換層の相の組成に依存する。2つ
以上の相がプロトン交換過程でできる場合、そしてウェ
ハ間でその相対量が変わる場合、最終的な導波路パラメ
ータの変動が生ずる。初期変動が少しでもあれば、充分
に制御された方法の最終的な導波路パラメータに許容で
きない範囲が生じる。
Furthermore, the annealing step actually consists of two simultaneous processes. There are several crystal phase transitions with internal diffusion of protons and back diffusion of lithium ions. The annealing time required for a certain proton amount at a certain depth depends on the composition of the phase of the original proton exchange layer. If more than one phase is formed in the proton exchange process, and if its relative amount changes between wafers, a variation in the final waveguide parameters will occur. Any initial variation will result in an unacceptable range of final waveguide parameters in a well controlled manner.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、好ましい実施
様態において、菱面体晶HxLi1-xNbO3構造の望ま
しいκおよびα相に基づいた、プロトン交換された多機
能集積光チップ(MIOC)の製造方法を提供する。こ
れらのチップは、実質的に拡散したプロトンを有し、微
小クラキングおよび微小クラキングを生ずる内部応力が
実質的に無く、最適に高い電気光学係数および低い損失
を有する。本方法は、プロトン交換されたニオブ酸リチ
ウムからの、そのようなチップの製造用に特に良く改造
されている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention, in a preferred embodiment, provides a proton-exchanged multifunctional integrated optical chip based on the desired κ and α phases of the rhombohedral H x Li 1-x NbO 3 structure. MIOC). These chips have substantially diffused protons, are substantially free of microcracking and the internal stresses that cause microcracking, have optimally high electro-optic coefficients and low losses. The method is particularly well adapted for the production of such chips from proton exchanged lithium niobate.

【0010】本発明の製造方法は、Changらの米国
特許第5,193,136号に開示および請求された方
法を改良したものであるが、前記特許は本願に参画さ
れ、その開示は参考のため本願に取り入れられている。
Changらの米国特許第5,193,136号に開示
されているとおり、従来の方法の技術は、(a)ニオブ
酸リチウムなどの物質でできたウェハを準備する工程、
(b)除去可能なマスクまたはマスクパターンをウェハ
の少なくとも1つの表面につけて、ウェハ表面に所望の
大きさおよび形状のプロトン交換パターンを1つまたは
複数形成する工程、(c)マスクされたウェハを、マス
クされていないウェハ表面およびその下部で実質的なプ
ロトン交換を起こすのに十分な温度と時間ではあるが、
微小クラキングおよびウェハ中の微小クラキングにつな
がる内部応力をつくるには不十分な時間、安息香酸など
のプロトン交換する酸で処理する工程、(d)ウェハか
らマスクおよびマスクパターンを除去する工程および
(e)酸素を含有する環境で、ウェハの表面およびその
近傍にある水素イオンを実質的にその表面より下に拡散
させるに十分な温度および時間およびウェハの電気光学
特性を回復し最適にするのに十分な時間および温度で、
ウェハを熱アニールする工程を含んでいる。
The process of the present invention is an improvement over the process disclosed and claimed in Chang et al., US Pat. No. 5,193,136, which is incorporated herein by reference and whose disclosure is incorporated by reference. Therefore, it is incorporated in the present application.
As disclosed in Chang et al., US Pat. No. 5,193,136, conventional method techniques include (a) providing a wafer made of a material such as lithium niobate;
(B) applying a removable mask or mask pattern to at least one surface of the wafer to form one or more proton exchange patterns of desired size and shape on the wafer surface; (c) removing the masked wafer. The temperature and time are sufficient to cause substantial proton exchange at the unmasked wafer surface and below it,
Treating with a proton exchange acid such as benzoic acid for a time insufficient to create microcracking and internal stresses leading to microcracking in the wafer; (d) removing the mask and mask pattern from the wafer; and (e) A) in an oxygen-containing environment, at a temperature and for a time sufficient to allow hydrogen ions at and near the surface of the wafer to diffuse substantially below the surface and sufficient to restore and optimize the electro-optic properties of the wafer; Time and temperature
And thermally annealing the wafer.

【0011】本発明は、プロトン交換および熱アニール
工程の「同調」により、限定要因が工程パラメーターの
制御の正確さとウェハごとのウェハ材料の均一性である
ような製造環境中で、ウェハごとに正確に制御可能で再
現性のある寸法および屈折率パラメータを有する導波路
を製造できるという発見に基づいている。この「同調」
もまた、プロトン交換および熱アニール工程中のプロト
ン拡散速度の違いの補正は、それら工程のそれぞれを意
図された全期間の前に計画的に停止し、各ウェハ上の導
波路を1つまたは複数の分析技術で評価し、分析評価の
結果により示される時間各ウェハを工程段階の最終段階
の処理をすることにより達成できるという考えに基づい
ている。各工程の最終段階は、通常、意図された全期間
よりはるかに短く、目標とする寸法値および屈折率値の
より正確な制御ができる。
[0011] The present invention provides for "tuning" of the proton exchange and thermal anneal steps to provide accurate wafer-to-wafer in a manufacturing environment where the limiting factors are the accuracy of control of process parameters and the uniformity of wafer material from wafer to wafer. It is based on the discovery that waveguides with highly controllable and reproducible dimensions and refractive index parameters can be manufactured. This "tune"
Also, compensation for differences in the rate of proton diffusion during the proton exchange and thermal anneal steps can be accomplished by deliberately stopping each of these steps prior to the entire intended period, and removing one or more waveguides on each wafer. The analysis technique is based on the idea that it can be achieved by processing each wafer in the final stage of the process stage for the time indicated by the analysis evaluation result. The final stage of each process is typically much shorter than the entire intended period, allowing for more precise control of targeted dimensional and refractive index values.

【0012】前記分析技術は、導波路の深さ(d)、幅
および表面屈折率変化(Δn)を定義する。Δn値は、
工程段階のその時点での結晶相についての情報を与え
る。同調技術にも、各「同調」工程段階の最終段階での
拡散定数の知識が必要である。製造工程では、拡散定数
は、通常経験的に決定される。
The analysis technique defines the depth (d), width and surface refractive index change (Δn) of the waveguide. Δn value is
Provides information about the current crystalline phase of the process step. Tuning techniques also require knowledge of the diffusion constant at the end of each "tuning" process step. In the manufacturing process, the diffusion constant is usually determined empirically.

【0013】したがって、本発明の製造方法は、以下の
一連の工程から成っていると要約できる。(a)ニオブ
酸リチウムなどの材料でできたウェハを準備する工程、
(b)除去可能なマスクまたはマスクパターンをウェハ
の少なくとも1つの表面につけて、ウェハ表面に所望の
大きさおよび形状のプロトン交換パターンを1つまたは
複数形成する工程、(c)マスクされたウェハのマスク
されていない部分を、所定の最長プロトン交換時間より
短い時間、プロトン交換処置で処理する工程、(d)マ
スクされたウェハを分析し、マスクされていない部分の
特定のパラメータが第一の所定値を達成したかどうか決
定する工程、(e)第一の所定値を達成するまでプロト
ン交換工程およびマスクされたウェハの分析工程を繰り
返す工程、(f)ウェハからマスクまたはマスクパター
ンを除去する工程、(g)最長アニール時間より短い時
間、酸素含有環境においてウェハを熱アニールする工
程、(h)マスクされていないウェハを分析して、ウェ
ハの特定のパラメータが第二の所定値を達成したかどう
か決定する工程および(i)第二の所定値が達成するま
でアニール工程およびマスクされていないウェハを分析
する工程を繰り返す工程である。
Therefore, the production method of the present invention can be summarized as comprising the following series of steps. (A) preparing a wafer made of a material such as lithium niobate;
(B) applying a removable mask or mask pattern to at least one surface of the wafer to form one or more proton exchange patterns of a desired size and shape on the wafer surface; Treating the unmasked portion with a proton exchange procedure for a time less than a predetermined longest proton exchange time; (d) analyzing the masked wafer, wherein certain parameters of the unmasked portion are first predetermined; Determining whether a value has been achieved, (e) repeating the proton exchange step and analyzing the masked wafer until a first predetermined value is achieved, and (f) removing the mask or mask pattern from the wafer. (G) thermally annealing the wafer in an oxygen-containing environment for a time shorter than the longest annealing time; Analyzing the unprocessed wafer to determine whether certain parameters of the wafer have achieved a second predetermined value; and (i) analyzing the unmasked wafer and the unmasked wafer until the second predetermined value is achieved. This is a step of repeating the step of performing.

【0014】低い損失および良好な電気光学特性を有す
るκおよびα相を直接形成できる希融解物プロトン交換
法が利用される場合、最後の3つの工程[アニール工程
(g)、マスクされていないウェハの分析工程(h)お
よび繰り返し工程(i)]を省略してもよい。これは、
通常、安息香酸リチウムが約2.5%を超える濃度で存
在する安息香酸が融解物であるような場合である。
If a dilute melt proton exchange process is used that can directly form the κ and α phases with low loss and good electro-optical properties, the last three steps [annealing step (g), unmasked wafer The analyzing step (h) and the repeating step (i)] may be omitted. this is,
This is usually the case when benzoic acid, where lithium benzoate is present at a concentration greater than about 2.5%, is a melt.

【0015】本方法の好ましい実施様態において、特定
のパラメータはプロトン拡散深さである。マスクされた
ウェハ分析に用いられる分析技術は、プリズム結合を含
むことが好ましく、マスクされていないウェハ分析は、
プリズム結合と位相差(「Nomarski」)顕微鏡
法を含むことが好ましい。これらの分析技術は当業界に
公知であり、本発明におけるそれらの有用性は、評価さ
れる特定の導波路の組に対する、所望の拡散方法におけ
る進捗度を決定するための使用にある。必要ではない
が、他の貴重な技術は赤外分光法であり、この方法では
O−H伸縮バンドの位置により、得られた結晶相を知る
ことができる。他の非破壊的な分析技術も有用であると
分かるであろう。
In a preferred embodiment of the method, a particular parameter is the proton diffusion depth. The analysis technique used for masked wafer analysis preferably includes prism coupling, and the unmasked wafer analysis
Preferably, it includes prism coupling and phase contrast ("Nomarski") microscopy. These analytical techniques are well known in the art, and their utility in the present invention lies in their use to determine the degree of progress in the desired diffusion method for the particular waveguide set being evaluated. Although not required, another valuable technique is infrared spectroscopy, in which the position of the O—H stretching band can tell the resulting crystal phase. Other non-destructive analytical techniques may prove useful.

【0016】本発明の方法を使用するには、ウェハが、
プリズム結合を利用するために十分な寸法の試験領域ま
たは導波路を少なくとも1つ持つことが必要である。こ
れが、前記領域の深さおよびΔnのパラメータを与え、
ウェハ上にパターニングされるチャネル導波路に関する
これらのパラメータの経験的または理論的に関連づける
ことができる。位相差すなわちNomarski顕微鏡
は、アニールされプロトン交換された導波路を描写する
ことができる。この手段を用いて、導波路の幅を、十字
線、バーニア、CCDイメージングまたは写真からの測
定を用いて測定することができる。十字ハッチングなど
の導波路表面の特徴も描写でき、屈折率および導波路寸
法に十分なゆとりがあれば、さらにアニールすることに
より除去できる。
To use the method of the present invention, the wafer is:
It is necessary to have at least one test area or waveguide of sufficient size to utilize prism coupling. This gives the depth and Δn parameters of the region,
These parameters can be empirically or theoretically related for a channel waveguide to be patterned on a wafer. Phase contrast or Nomarski microscopes can depict annealed and proton exchanged waveguides. With this means, the width of the waveguide can be measured using crosshairs, verniers, CCD imaging or measurements from photographs. Features of the waveguide surface such as cross hatching can also be described, and if there is sufficient latitude in the refractive index and waveguide dimensions, it can be removed by further annealing.

【0017】好ましい実施様態において、MIOCに変
換されるウェハは、1つまたは複数の表面で、アルミニ
ウム、金またはクロムなどの金属でできたマスクなど
の、マスクまたはマスキングパターンで覆われている。
これらのマスクは、ウェハ中に所望のパターンの電気光
学チャネルを形成するに十分な大きさと形状のパターン
を含むことが好ましい。
In a preferred embodiment, the wafer to be converted to MIOC is covered on one or more surfaces with a mask or masking pattern, such as a mask made of a metal such as aluminum, gold or chromium.
These masks preferably include a pattern of a size and shape sufficient to form the desired pattern of electro-optic channels in the wafer.

【0018】マスキングの後、ニオブ酸リチウムウェハ
を、酸中の水素イオンとウェハ中の移動可能なカチオ
ン、例えばリチウムイオンとの間でプロトン交換を起こ
す酸で処理することにより、プロトン交換法がニオブ酸
リチウムウェハに実施される。前記酸処理は、好ましく
は約100℃から約300℃の範囲の高温において、酸
融解物の濃度により、数分間から30時間またはそれ以
上の範囲の時間で、実施される(約250℃を超える温
度では、閉鎖系を必要とするであろう)。プロトン交換
の温度および時間は、一般的に、ウェハの所望の部分に
実質的にプロトン交換を起こすのに十分ではあるが、プ
ロトン交換に暴露されているウェハ領域に微小クラキン
グまたはその形成につながる応力を形成するのを避ける
のに十分なほど短い。
After masking, the lithium niobate wafer is treated with an acid that causes proton exchange between the hydrogen ions in the acid and the mobile cations in the wafer, such as lithium ions, so that the niobium proton exchange method is used. Performed on lithium oxide wafers. The acid treatment is preferably performed at an elevated temperature in the range of about 100 ° C. to about 300 ° C., for a time ranging from a few minutes to 30 hours or more, depending on the concentration of the acid melt (above about 250 ° C.). At temperature, a closed system would be required). The temperature and time of the proton exchange is generally sufficient to cause substantial proton exchange in the desired portion of the wafer, but stresses that result in microcracking or the formation of microcracks in the areas of the wafer that are exposed to the proton exchange Short enough to avoid the formation of

【0019】プロトン交換工程は、マスクされたウェハ
の分析工程の結果として制御され、導波路が操作される
と計画される波長に依存して、ウェハ表面下、約5ミク
ロンを超えない、好ましくは約1ミクロンを超えないプ
ロトン拡散深さという第一の所定値を達成できる。この
ために、最長プロトン交換時間は、安息香酸の中の安息
香酸リチウムの1%希融解物に対して、約30時間を超
えないよう制限されるのが好ましい。
The proton exchange step is controlled as a result of the masked wafer analysis step and, depending on the wavelength at which the waveguide is to be operated, does not exceed about 5 microns below the wafer surface, preferably A first predetermined value of a proton diffusion depth not exceeding about 1 micron can be achieved. For this reason, the longest proton exchange time is preferably limited not to exceed about 30 hours for a 1% dilute melt of lithium benzoate in benzoic acid.

【0020】プロトン交換が終了した後(すなわち、第
一の所定値であるプロトン拡散深さが達成できたら)、
マスクまたはマスキングパターンが除去される。その
後、ウェハを、空気環境中で、適切な温度および時間で
熱処理、すなわち熱アニールし、ウェハの表面およびそ
の近傍に形成された水素イオンを実質的にウェハ表面下
に拡散させる。前記熱処理により、ウェハがニオブ酸リ
チウムの場合、ウェハのプロトン交換された部分の相
が、最初に形成されたβ相から、低い損失および良好な
電気光学特性を持つκ相またはα相へ変換もする。
After the proton exchange has been completed (ie, if the first predetermined value, the proton diffusion depth, has been achieved),
The mask or masking pattern is removed. Thereafter, the wafer is heat-treated, that is, thermally annealed at an appropriate temperature and time in an air environment to diffuse hydrogen ions formed at and near the surface of the wafer substantially below the wafer surface. Due to the heat treatment, when the wafer is made of lithium niobate, the phase of the proton-exchanged portion of the wafer is also converted from the initially formed β phase to a κ phase or an α phase having low loss and good electro-optical properties. I do.

【0021】アニール工程は、ウェハ表面のプロトン濃
度を約44%〜65%の範囲の値から、約0%〜35%
の範囲、好ましくは約20%未満の値に、減少させるに
十分な時間と温度で行われるのが好ましい。マスクされ
ていないウェハの分析工程の結果としてアニール工程は
制御され、導波路が設計された波長に依存して約2から
5ミクロンのプロトン拡散深さという第二の所定値を達
成できるが、この第二の所定値は、プロトン濃度が表面
のプロトン濃度の1/e倍になる深さとして定義され
る。より広い意味では、アニール工程は、プロトン交換
前のウェハの電気光学係数が実質的に回復され、プロト
ン交換により生じた光伝搬損失が低減され、または実質
的になくなるまで継続される。
In the annealing step, the proton concentration on the wafer surface is reduced from a value in the range of about 44% to 65% to about 0% to 35%.
And preferably at a time and at a temperature sufficient to reduce it to a value of less than about 20%. The annealing step is controlled as a result of the unmasked wafer analysis step, and the waveguide can achieve a second predetermined value of about 2 to 5 microns of proton diffusion depth depending on the wavelength at which the waveguide is designed. The second predetermined value is defined as a depth at which the proton concentration becomes 1 / e times the surface proton concentration. In a broader sense, the annealing step is continued until the electro-optic coefficient of the wafer prior to proton exchange is substantially restored, and light propagation losses caused by proton exchange are reduced or substantially eliminated.

【0022】好ましい実施様態において、前記アニール
は、アニール温度を、室温、例えば約20℃から、好ま
しくは約300℃から約400℃の範囲である所望の最
高温度に、約30分までの時間をかけて、しかし好まし
くはできるだけ速く、次第に上昇させることにより実施
される。アニールは、ウェハ中へのプロトンの望まれる
拡散を起こし、ウェハの電気光学係数を最適値に、すな
わち、プロトン交換およびアニールに暴露する前の値ま
たはそれに近い値に回復するに十分な時間、最高温度で
継続する。
In a preferred embodiment, the anneal is performed by increasing the anneal temperature to room temperature, eg, from about 20 ° C. to a desired maximum temperature, preferably in the range of about 300 ° C. to about 400 ° C., for a time of up to about 30 minutes. It is carried out over time, but preferably as quickly as possible. The anneal causes the desired diffusion of protons into the wafer, and the time sufficient to restore the electro-optic coefficient of the wafer to its optimal value, i.e., the value prior to exposure to proton exchange and annealing, up to a maximum. Continue with temperature.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】図面に関して述べると、ブロック
線図になっている図1は、本発明の好ましい実施様態に
よる製造工程または方法を示している。この方法では、
好ましくはニオブ酸リチウム、またはタンタル酸リチウ
ムでできたウェハ20(図2Aおよび2Bでは断面図で
示されている)が準備される(以下、ニオブ酸リチウム
ウェハを用いる方法を説明する。タンタル酸リチウムウ
ェハを用いる方法も実質的に同じである)。工程1で洗
浄された後、ウェハ20はマスキング工程2へと進む。
マスキングは、フォトリソグラフィ技術で寸法制御され
た、アルミニウム、金またはクロムのマスクまたはマス
クパターン22(図2Aおよび2B)を、ニオブ酸リチ
ウムウェハ20に置き、典型的には、例えばY接合部の
形態である導波路パターンを形成することから成る。
Referring to the drawings, FIG. 1, which is a block diagram, illustrates a manufacturing process or method according to a preferred embodiment of the present invention. in this way,
A wafer 20 (shown in cross-section in FIGS. 2A and 2B), preferably made of lithium niobate or lithium tantalate, is provided (hereinafter a method using a lithium niobate wafer is described. The method using a wafer is substantially the same). After being cleaned in step 1, the wafer 20 proceeds to masking step 2.
Masking places a mask or mask pattern 22 (FIGS. 2A and 2B) of aluminum, gold or chromium, dimensionally controlled by photolithographic techniques, on a lithium niobate wafer 20, typically in the form of, for example, a Y-junction. Forming a waveguide pattern that is:

【0024】マスキング工程2から、マスクされたニオ
ブ酸リチウムウェハ20はプロトン交換工程3へと進
む。この工程で、図2Aおよび2Bに示すように、純粋
な酸(典型的には安息香酸)または希酸(典型的には、
安息香酸リチウムを含む安息香酸)のいずれかである酸
融解物24が、マスクされたウェハ20の表面全体に影
響を与える。しかし、マスク22がウェハ20のマスク
された部分すべてをブロックするので、プロトン(H+
水素イオン)とリチウムイオン(Li+)との交換はマ
スクされていない部分に限られ、その部分の1つを図2
Aおよび2Bでは数字26で示してある。プロトン交換
工程3の目標は、ウェハ20の表面下に、好ましくは約
1ミクロンである、第一の目標プロトン拡散深さdP1
達成することである。マスクされていない部分26で
は、プロトンは経路28を通ってウェハ20に入り、リ
チウムイオンは経路30を通ってウェハ20から離れ
る。プロトン交換されたウェハ20は、この工程の後で
は、図3に示すようにプロトン交換された領域32を含
む。この領域は、その深さdと、プロトン交換された領
域32(その表面で測定)とその周囲のウェハ20との
間の屈折率の差Δnの積(すなわちd×Δn)に比例す
るプロトン濃度または量を有する。以下で分かるよう
に、プロトン交換された領域32は、熱アニール工程の
終了後の完成製品において導波路領域になる。
From the masking step 2, the masked lithium niobate wafer 20 proceeds to a proton exchange step 3. In this step, as shown in FIGS. 2A and 2B, a pure acid (typically benzoic acid) or a dilute acid (typically
The acid melt 24, which is either benzoic acid (including lithium benzoate), affects the entire surface of the masked wafer 20. However, since the mask 22 blocks all the masked portions of the wafer 20, the protons (H +
The exchange between hydrogen ions) and lithium ions (Li + ) is limited to the unmasked portion, and one of the portions is shown in FIG.
In A and 2B, it is indicated by numeral 26. The goal of proton exchange step 3 is to achieve a first target proton diffusion depth d P1 below the surface of the wafer 20, which is preferably about 1 micron. In the unmasked portion 26, protons enter the wafer 20 via path 28 and lithium ions leave the wafer 20 via path 30. After this step, the proton exchanged wafer 20 includes a proton exchanged region 32 as shown in FIG. This region has a depth d and a proton concentration proportional to the product of the refractive index difference Δn between the proton exchanged region 32 (measured at its surface) and the surrounding wafer 20 (ie, d × Δn). Or have the quantity. As will be seen below, the proton-exchanged region 32 becomes a waveguide region in the finished product after the thermal annealing step.

【0025】プロトン交換同調 プロトン交換同調の工程段階では、ある酸組成物24の
拡散定数の知識をもとに計画されたプロトン交換工程
が、第一の、または中間の目標プロトン拡散深さdP1
得るのに必要な時間またはその少し前で終わる必要があ
る。この時間は、最長プロトン交換時間として定義され
る。充分に制御された製造方法では、数種の因子により
深さとΔnに変動があるのが普通である。因子の1つ
は、ウェハ間の表面組成、清浄さまたは粗さの変動であ
り、これはウェハ研磨、洗浄またはプロトン交換に先立
つ他の処理から発生する。他の因子はマスクの厚さであ
り、これは、マスクされていない、狭い導波路チャネル
での拡散速度に影響を与える。長い、希融解物プロトン
交換方法で活性のある他の因子は、ウェハからのリチウ
ムイオンの外部拡散および非密封反応器内の分留(安息
香酸リチウム/安息香酸融解物からの安息香酸など)に
よる融解物組成物の変化である。
Proton Exchange Tuning In the proton exchange tuning process step, a proton exchange process designed based on knowledge of the diffusion constant of a certain acid composition 24 may be used to generate a first or intermediate target proton diffusion depth d P1. Need to end at or just before the time needed to get This time is defined as the longest proton exchange time. In a well-controlled manufacturing method, there are usually variations in depth and Δn due to several factors. One of the factors is the variation in surface composition, cleanliness or roughness between wafers, which results from wafer polishing, cleaning or other processing prior to proton exchange. Another factor is the thickness of the mask, which affects the diffusion rate in unmasked, narrow waveguide channels. Other factors that are active in the long, dilute melt proton exchange process are due to external diffusion of lithium ions from the wafer and fractionation in an unsealed reactor (such as lithium benzoate / benzoic acid from a benzoic acid melt). Changes in the melt composition.

【0026】プロトン交換同調の次の工程は、プリズム
結合により、プロトン交換された領域32のプロトン拡
散深さおよびΔn値を測定する、マスクされたウェハの
分析工程4(図1)である。この時点での段階分布に対
応するこれらの値が、所望の方法により指定された限界
内であれば、ウェハを次の工程に送ってよい。つまり、
例えば、測定したプロトン拡散深さdが第一の(プロト
ン交換)目標深さdP1プラスマイナス所定の許容範囲で
あれば、熱アニール工程5へと進む。プロトン交換され
た領域32でのプロトン量が足りなければ、ウェハ20
を、融解物の拡散定数および所望の追加プロトン量によ
り決定される、追加のプロトン交換「同調」時間の間、
酸融解物24に再び浸すことができる。この工程は加成
的であり、追加のプロトン交換時間ΔtPは、以下の式に
より所望の深さより決定でき、 (1) ΔtP=0.25(dP1 2−dP0 2)/DP1 上記式において、ΔtPは追加のプロトン交換時間、d
P1は第一の目標プロトン拡散深さ、dP0は最初のプロト
ン拡散深さおよびDP1は繰り返される(同調)プロトン
交換工程に対して予想される拡散定数である。必要によ
り、何回かの継続的な同調工程を用いて、必要な精度を
持った第一の目標深さdP1を達成できる。
The next step in proton exchange tuning is masked wafer analysis step 4 (FIG. 1), which measures the proton diffusion depth and Δn value of the proton exchanged region 32 by prism coupling. If these values, corresponding to the step distribution at this point, are within the limits specified by the desired method, the wafer may be sent to the next step. That is,
For example, if the measured proton diffusion depth d is the first (proton exchange) target depth d P1 plus or minus a predetermined allowable range, the process proceeds to the thermal annealing step 5. If the amount of protons in the proton exchanged region 32 is insufficient, the wafer 20
During the additional proton exchange "tune" time, determined by the melt diffusion constant and the desired amount of additional protons.
It can be immersed again in the acid melt 24. This step is additively, additional proton exchange time delta tP may be determined from a desired depth by the following equation, (1) Δt P = 0.25 (d P1 2 -d P0 2) / D P1 In the above equation, Δt P is the additional proton exchange time, d
P1 is the first target proton diffusion depth, d P0 is the initial proton diffusion depth and D P1 is the expected diffusion constant for the repeated (tuned) proton exchange step. If necessary, the first target depth d P1 with the required accuracy can be achieved using several continuous tuning steps.

【0027】この同調処置は、プロトン交換領域が最初
純粋な酸融解物内で形成され、それから希融解物の中で
同調される場合も用いることができるが、これは、希融
解物中では非常に長いプロトン交換時間を要する、非常
に深い導波路が望まれる場合には有利である。純粋な安
息香酸融解物を使用した時のΔn値の評価から、希融解
物工程での同調の後で得られる導波路は、単一相(すな
わちβ1)である確率が最も高いが、最初の純粋な融解
物工程からできた元々のプロトン交換された領域は2つ
の相の組合せ(β1およびβ2)である確率が高いという
ことが分かった。この理由から、2つの同調工程の繰り
返しが必要であろうが、その理由は、β 2相に関連づけ
られる侵入型プロトンが、工程の間に、光学活性な置換
部位へと移動し、測定されるΔnを増加させるからであ
る。初期の侵入型プロトンの濃度が独立に決定できなけ
れば、単一の同調工程の長さは正確には計算できない。
同調工程の長さは、全てのプロトンが光学活性であって
始めて正確に計算できる。 アニール同調
In this tuning procedure, the proton exchange region is first
Formed in pure acid melt, and then in dilute melt
It can also be used when tuned,
Very long proton exchange times are required during demolition,
This is advantageous when a very deep waveguide is desired. Pure cheap
From the evaluation of the Δn value when the benzoic acid melt was used,
The waveguide obtained after tuning in the product process has a single-phase
Wachi β1), But the first pure melting
Two original proton-exchanged regions from the product process
Phase combination (β1And βTwo)
I understood that. For this reason, the two tuning steps
Would need to be returned, because β TwoLink to phase
The interstitial protons are replaced during the process by optically active
Because it moves to the site and increases the measured Δn.
You. Initial interstitial proton concentration must be determined independently
If so, the length of a single tuning step cannot be accurately calculated.
The length of the tuning step is such that all protons are optically active
You can calculate accurately for the first time. Annealing tuning

【0028】目標プロトン拡散深さdP1が得られると、
マスク22が除去され、プロトン交換されたウェハ20
は熱アニール工程5へと進む。この工程では、マスクさ
れていないウェハ20は、約20℃から好ましくは約3
00℃から約400℃の範囲にある所望の最高温度ま
で、約30分までの時間にわたり、しかし実際のアニー
ル時間および温度の正確さを達成するため好ましくはで
きるだけ速く、次第に上昇する温度で熱アニールされ
る。
When the target proton diffusion depth d P1 is obtained,
The mask 22 is removed and the proton-exchanged wafer 20 is removed.
Goes to the thermal annealing step 5. In this step, the unmasked wafer 20 is heated from about 20.degree.
Thermal annealing at progressively increasing temperatures to a desired maximum temperature in the range of 00 ° C. to about 400 ° C. for a time of up to about 30 minutes, but preferably as fast as possible to achieve actual annealing time and temperature accuracy. Is done.

【0029】アニール同調の工程段階では、計画された
第一のアニール工程が、第二の(アニール)目標プロト
ン拡散深さdA1が得られる時間またはその少し前の時間
に終わることが必要である。熱アニール後のプロトン濃
度は、ウェハ表面の最大値からガウスまたは近ガウス分
布曲線に従う。第二の目標プロトン拡散深さdA1は、濃
度曲線上の充分に明確化された点として定義できる。実
際問題として、アニール目標プロトン拡散深さdA1は、
プロトン濃度がウェハ表面のプロトン濃度の1/e倍に
なる深さ、または表面濃度の1/e2倍になる深さとし
て定義されるのが好ましい。好ましくは、導波路が設計
された波長に依存して、約2から5ミクロンの範囲のア
ニール目標深さdA1が望まれる。
The annealing tuning process step requires that the first planned annealing step end at or shortly before the second (annealed) target proton diffusion depth d A1 is obtained. . The proton concentration after thermal annealing follows a Gaussian or near Gaussian distribution curve from the maximum value on the wafer surface. The second target proton diffusion depth d A1 can be defined as a well-defined point on the concentration curve. As a practical matter, the annealing target proton diffusion depth d A1 is
It is preferably defined as the depth at which the proton concentration becomes 1 / e times the proton concentration on the wafer surface, or the depth at which 1 / e 2 times the surface concentration. Preferably, an annealing target depth d A1 in the range of about 2 to 5 microns is desired, depending on the wavelength at which the waveguide is designed.

【0030】Korkishko et al.,“T
he Phase Diagramof HxLi1-x
bO3 Optical Waveguides”,S
PIE,Vol.2997,pp.188−200(1
997)に記載されているとおり、アニール工程の初期
では、おそらくさまざまな相の間の転移により、光学パ
ラメータは平方根拡散則に従わないことが分かってい
る。したがって、アニール同調は、第一のアニール工程
の終点が最終的な所望の導波路相(κ1またはα)に近
づくにつれ、効果的になる。
Korishko et al. , "T
he Phase Diagram of H x Li 1-x N
bO 3 Optical Waveguides ", S
PIE, Vol. 2997, pp. 139-154. 188-200 (1
As described in US Pat. No. 997), it has been found that at the beginning of the annealing step, the optical parameters do not obey the square root diffusion law, presumably due to transitions between the various phases. Thus, annealing tuning, as the end point of the first annealing process approaches the final desired waveguide phase (kappa 1 or alpha), it becomes effective.

【0031】この時点で、いくつかの因子により、プロ
トン深さおよびΔnに変動があるのが普通である。因子
の1つは、初期のプロトン交換深さ(第一の目標深さd
P1)およびΔnの変動である。他の因子は、ウェハ間の
基材組成の不均一性である。その他の因子は、アニール
工程自体の、特にアニール時間が長い場合の、ウェハ間
の温度制御の不均一性である。これは、オーブン温度自
体の変動またはオーブン内の温度の位置的な不均一性に
より起こる。製造工程では、アニール工程の熱均一性を
必要な精度まで向上させるための追加コストは、余分な
熱アニール工程にかかるコストと比較検討しなければな
らない。
At this point, there are usually variations in proton depth and Δn due to several factors. One of the factors is the initial proton exchange depth (first target depth d
P1 ) and Δn. Another factor is the non-uniformity of the substrate composition between the wafers. Another factor is the non-uniformity of temperature control between wafers in the annealing process itself, especially when the annealing time is long. This may be due to fluctuations in the oven temperature itself or positional non-uniformity of the temperature within the oven. In the manufacturing process, the additional cost of improving the thermal uniformity of the annealing process to the required accuracy must be weighed against the cost of the extra thermal annealing process.

【0032】アニール同調の次の工程は、プリズム結合
により、アニールされたプロトン交換領域すなわち導波
路領域32のプロトン拡散深さおよびΔnの測定を要す
る、マスクされていないウェハの分析工程6(図1)で
ある。さらに、これらの領域の幅を測るのに、位相差す
なわちNomarski顕微鏡がここで用いられる。ウ
ェハ20上の全ての導波路領域または選択された領域を
測定できる。この時点で、導波路領域上の表面応力を評
価することが可能であるが、これは一部の導波路領域上
に現れる十字ハッチングパターンとして観察され、表面
上に残留している高い位置の薄層によるものである。こ
のパターンは、さらにアニールを行うと通常消滅する。
導波路領域の幅を記録し、追加のアニール時間(第二の
(アニール)目標深さdA1およびΔnを得るため計算さ
れる)を、同調工程の間に導波路の設計を超えないよう
調整する。
The next step in annealing tuning is an unmasked wafer analysis step 6 (FIG. 1) that requires measurement of the proton diffusion depth and .DELTA.n of the annealed proton exchange or waveguide region 32 by prism coupling. ). In addition, a phase contrast or Nomarski microscope is used here to measure the width of these regions. All waveguide regions or selected regions on the wafer 20 can be measured. At this point, it is possible to evaluate the surface stress on the waveguide region, but this is observed as a cross-hatched pattern that appears on some waveguide regions, and the high-level thin film remaining on the surface It depends on the layer. This pattern usually disappears when further annealing is performed.
Record the width of the waveguide region and adjust the additional anneal time (calculated to obtain a second (anneal) target depth d A1 and Δn) so as not to exceed the waveguide design during the tuning process I do.

【0033】最初のアニール時間の後、測定されたプロ
トン拡散深さdがアニール目標深さdA1プラスマイナス
所定の許容範囲に等しければ、工程は、以下に記す最終
製造工程へ進む。測定された深さがアニール目標深さよ
り小さければ、ウェハ20は、式(1)と類似の以下の
式により計算される追加の「同調」時間ΔtAの間、熱
アニールで処理することができ、 (2) ΔtA=0.25(dA1 2−dA0 2)/DA1 上記式において、ΔtAは追加の熱アニール時間、dA0
は最初の熱アニールの後のプロトン拡散深さ、dA1は第
二の(アニール)目標深さおよびDA1は繰り返される
(同調)アニール工程に対して予想される拡散定数であ
る。必要により、何回かの中間および継続的な同調工程
を用いて、必要な精度を持った第二のアニール)目標深
さdA1を達成できる。
After the initial annealing time, if the measured proton diffusion depth d is equal to the target annealing depth d A1 plus or minus a predetermined tolerance, the process proceeds to the final manufacturing process described below. If the measured depth is less than the anneal target depth, the wafer 20 can be treated with a thermal anneal for an additional “tuning” time Δt A calculated by the following equation similar to equation (1): (2) Δt A = 0.25 (d A1 2 −d A0 2 ) / D A1 In the above equation, Δt A is an additional thermal annealing time, d A0
Is the proton diffusion depth after the first thermal anneal, d A1 is the second (anneal) target depth and D A1 is the expected diffusion constant for the repeated (tuned) anneal step. If necessary, the second annealing target depth d A1 can be achieved with the required accuracy using several intermediate and continuous tuning steps.

【0034】工程の拡散定数DA1およびDA0が既知であ
り、相の変化が起こらない場合、上記の式(2)を用い
て追加のアニール時間を計算できる。
If the diffusion constants D A1 and D A0 of the process are known and no phase change occurs, the additional annealing time can be calculated using equation (2) above.

【0035】上述のとおり、アニール工程は、ガウスま
たは近ガウス型の深さ方向の濃度分布を持つ導波路を製
造するので、所望の1/eまたは1/e2深さ値を得る
ために、プリズム結合データを適当な分布にフィットさ
せなければならない。終点の精度が要求されるに応じ
て、何回かの継続的な同調工程が用いられる。導波路の
顕微鏡観察から得られた情報などの追加の情報を用い
て、さらなるアニール時間が必要か不要であるかを決定
できる。アニール時間に伴う導波路の幅の増加はウェハ
により異なるが、最初のアニール時間の後に測定された
値から相対速度のよい目安が計算できる。
As described above, the annealing step produces a waveguide having a Gaussian or near-Gaussian-type concentration distribution in the depth direction. Therefore, in order to obtain a desired 1 / e or 1 / e 2 depth value, The prism combination data must be fitted to a suitable distribution. Several continuous tuning steps are used, depending on the accuracy of the endpoint. Additional information, such as information obtained from microscopic observation of the waveguide, can be used to determine whether additional annealing time is required or unnecessary. The increase in waveguide width with annealing time varies from wafer to wafer, but a good measure of relative speed can be calculated from values measured after the initial annealing time.

【0036】もう一度図1について言及すると、熱アニ
ール同調が終了すると、ウェハ20はフォトリソグラフ
ィ工程7に進み、この工程で、フォトリソグラフィ法を
用いて、必要があれば、電極がウェハ上に形成される。
次いで、ウェハ20はダイシング、研磨および包装工程
8に進み、その工程でウェハ20は切断されて所望の大
きさおよび形状の製品になり、その後仕上げ工程9へと
進む。
Referring again to FIG. 1, once the thermal anneal tuning is completed, the wafer 20 proceeds to a photolithography step 7, in which electrodes are formed on the wafer, if necessary, using photolithography. You.
The wafer 20 then proceeds to a dicing, polishing and packaging step 8 in which the wafer 20 is cut into products of desired size and shape, and then to a finishing step 9.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の好ましい実施態様により、プロトン交
換された集積光チップを製造する方法を示す構成図であ
る。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a method for manufacturing a proton-exchanged integrated optical chip according to a preferred embodiment of the present invention.

【図2A】本発明の方法のプロトン交換工程を示してい
る。
FIG. 2A shows the proton exchange step of the method of the present invention.

【図2B】本発明の方法のプロトン交換工程を示してい
る。
FIG. 2B shows the proton exchange step of the method of the present invention.

【図3】本発明の方法で製造した製品の実施様態の断面
図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of an embodiment of a product manufactured by the method of the present invention.

フロントページの続き (72)発明者 ヘンリー アッビンク アメリカ合衆国.91361 カリフォルニア, ウエストレイク ヴィレッジ,フォールヴ ュー ロード 1884 (72)発明者 ロリー レーン ガンプ アメリカ合衆国.91335 カリフォルニア, レセダ,ナンバー6,シャーマン ウエイ 19610 (72)発明者 フランシス ギャリィ オーゲリ アメリカ合衆国.90069 カリフォルニア, ウエスト ハリウッド,ララビー ストリ ート 928Continued on the front page (72) Inventor Henry Abink United States. 91361 Westlake Village, Fallview Road 1884 (72) Inventor Rory Lane Gump United States. 91335 California, Reseda, Number 6, Sherman Way 19610 (72) Inventor Frances Gary Augeri United States. 90069 California, West Hollywood, Laraby Street 928

Claims (29)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 集積光チップの製造方法であって、 (a)ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムから
成る群から選択される材料でできたウェハを準備する工
程、 (b)ウェハ表面をマスクし、マスクされたウェハ表面
に、所望の大きさおよび形状の、マスクされたウェハ表
面のマスクされていない部分から成るプロトン交換パタ
ーンを1つまたは複数形成する工程、 (c)マスクされた表面のマスクされていない部分に、
所定の最長プロトン交換時間よりも短い時間、プロトン
交換処置を施す工程、 (d)マスクされたウェハを分析し、プロトン交換処置
を施した部分の特定のパラメータが第一の所定値を達成
したかどうかを決定する工程、 (e)第一の所定値が達成されるまで、プロトン交換処
置およびマスクされた表面の分析工程を繰り返す工程、 (f)ウェハからマスクを除去する工程、 (g)最長アニール時間より短い時間、ウェハを熱アニ
ールする工程、 (h)マスクされていないウェハを分析し、特定のパラ
メータが第二の所定値を達成したかどうかを決定する工
程および (i)第二の所定値が達成されるまで、アニール工程お
よびマスクされていないウェハの分析工程を繰り返す工
程から成る方法。
1. A method for manufacturing an integrated optical chip, comprising: (a) preparing a wafer made of a material selected from the group consisting of lithium niobate and lithium tantalate; and (b) masking the wafer surface. Forming one or more proton exchange patterns on the masked wafer surface, each having a desired size and shape, comprising unmasked portions of the masked wafer surface; and (c) masking the masked surface. In the parts that are not
Applying a proton exchange treatment for a time shorter than a predetermined longest proton exchange time; (d) analyzing the masked wafer and determining whether certain parameters of the proton exchanged portion have attained a first predetermined value; (E) repeating the proton exchange treatment and analyzing the masked surface until a first predetermined value is achieved; (f) removing the mask from the wafer; (g) longest Thermally annealing the wafer for less than an annealing time; (h) analyzing the unmasked wafer to determine if a particular parameter has achieved a second predetermined value; and (i) a second Repeating the steps of annealing and analyzing the unmasked wafer until a predetermined value is achieved.
【請求項2】 前記特定のパラメータがウェハ表面下の
プロトン拡散深さであり、前記特定パラメータの第一の
所定値がプロトン拡散の第一の目標深さであり、前記特
定パラメータの第二の所定値がプロトン拡散の第二の目
標深さである、請求項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the specific parameter is a proton diffusion depth below a wafer surface, a first predetermined value of the specific parameter is a first target depth of proton diffusion, The method of claim 1, wherein the predetermined value is a second target depth of proton diffusion.
【請求項3】 前記のマスクされたウェハの分析工程と
マスクされていないウェハの分析工程がプリズム結合の
使用を含む、請求項2に記載の方法。
3. The method of claim 2, wherein said analyzing the masked wafer and analyzing the unmasked wafer comprises using prism coupling.
【請求項4】 前記のマスクされていないウェハの分析
工程が位相差顕微鏡法の使用を含む、請求項2に記載の
方法。
4. The method of claim 2, wherein the step of analyzing the unmasked wafer comprises using phase contrast microscopy.
【請求項5】 マスクされていないウェハの分析工程が
位相差顕微鏡法の使用を含む、請求項3に記載の方法。
5. The method of claim 3, wherein analyzing the unmasked wafer comprises using phase contrast microscopy.
【請求項6】 少なくとも1つの前記分析工程が赤外分
光法の使用を含む、請求項1に記載の方法。
6. The method of claim 1, wherein at least one of said analyzing steps comprises using infrared spectroscopy.
【請求項7】 前記プロトン交換工程が、安息香酸から
成る融解物中で前記ウェハを処理する工程を含む、請求
項1に記載の方法。
7. The method of claim 1, wherein said proton exchange step comprises treating said wafer in a melt comprising benzoic acid.
【請求項8】 前記のプロトン交換処置を繰り返す工程
が、以下の式で決定されるΔtPの時間実施され、 ΔtP=0.25(dP1 2−dP0 2)/DP1 上記式において、ΔtPは追加のプロトン交換時間、d
P1は第一の目標プロトン拡散深さ、dP0は最初のプロト
ン拡散深さおよびDP1は繰り返されるプロトン交換処置
に対して予想される拡散定数である、請求項2に記載の
方法。
8. The step of repeating the above proton exchange treatment is performed for a time Δt P determined by the following equation: Δt P = 0.25 (d P1 2 −d P0 2 ) / D P1 , Δt P is the additional proton exchange time, d
3. The method of claim 2, wherein P1 is a first target proton diffusion depth, dP0 is an initial proton diffusion depth and Dp1 is an expected diffusion constant for repeated proton exchange treatments.
【請求項9】 前記の熱アニール工程を繰り返す工程
が、以下の式で決定されるΔtAの時間実施され、 ΔtA=0.25(dA1 2−dA0 2)/DA1 上記式において、ΔtAは追加の熱アニール時間、dA0
は最初の熱アニール工程後のプロトン拡散深さ、dA1
第二の目標プロトン拡散深さおよびDA1は繰り返される
アニール工程に対して予想される拡散定数である、請求
項2に記載の方法。
9. The step of repeating the thermal annealing step is performed for a time Δt A determined by the following equation: Δt A = 0.25 (d A1 2 −d A0 2 ) / D A1 , Δt A is the additional thermal annealing time, d A0
3. The method of claim 2, wherein is the proton diffusion depth after the first thermal anneal step, d A1 is the second target proton diffusion depth and D A1 is the expected diffusion constant for the repeated anneal steps. .
【請求項10】 アニール工程後の、ウェハ表面下の深
さの関数としての、プロトン交換処置を受けた部分のプ
ロトン濃度が、ウェハ表面近くの最大濃度値からのガウ
ス分布に近く、第二の目標深さが、プロトン濃度が最大
濃度値の約1/e倍になる深さとして測定される、請求
項2に記載の方法。
10. The method of claim 1, wherein after the anneal step, the proton concentration of the portion subjected to the proton exchange treatment as a function of the depth below the wafer surface is close to a Gaussian distribution from the maximum concentration value near the wafer surface. 3. The method of claim 2, wherein the target depth is measured as the depth at which the proton concentration is about 1 / e times the maximum concentration value.
【請求項11】 第二の目標深さが約2から約5ミクロ
ンの範囲である、請求項10に記載の方法。
11. The method of claim 10, wherein the second target depth ranges from about 2 to about 5 microns.
【請求項12】 集積光チップの製造方法であって、 (a)ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リチウムから
成る群から選択される材料でできたウェハを準備する工
程、 (b)前記ウェハ表面をマスクし、マスクされたウェハ
表面に、所望の大きさおよび形状の、マスクされたウェ
ハ表面のマスクされていない部分から成るプロトン交換
パターンを1つまたは複数形成する工程、 (c)前記ウェハを安息香酸から成る融解物で所定の最
長プロトン交換時間よりも短い時間処理することによ
り、マスクされた表面のマスクされていない部分に、プ
ロトン交換処置を施す工程、 (d)プリズム結合を用いてマスクされたウェハを分析
し、プロトン交換処置を施した部分のプロトン拡散深さ
が第一の所定値を達成したかどうかを決定する工程、 (e)第一の目標深さ値が達成されるまで、プロトン交
換処置およびマスクされた表面の分析工程を繰り返す工
程、 (f)ウェハからマスクを除去する工程、 (g)最長アニール時間より短い時間、ウェハを熱アニ
ールする工程、 (h)プリズム結合を用いてマスクされていないウェハ
を分析し、プロトン交換処置を施した部分のプロトン拡
散深さが第二の目標深さ値を達成したかどうかを決定す
る工程および (i)第二の目標深さ値が達成されるまで、アニール工
程およびマスクされていないウェハの分析工程を繰り返
す工程から成る方法。
12. A method for manufacturing an integrated optical chip, comprising: (a) preparing a wafer made of a material selected from the group consisting of lithium niobate and lithium tantalate; and (b) masking the wafer surface. Forming one or more proton exchange patterns on the masked wafer surface, each having a desired size and shape, comprising an unmasked portion of the masked wafer surface; and (c) subjecting the wafer to benzoic acid. Subjecting the unmasked portion of the masked surface to a proton exchange treatment by treating with a melt comprising for a time less than a predetermined longest proton exchange time; (d) masking using a prism bond Analyzing the wafer to determine whether the proton diffusion depth of the proton exchanged portion has reached a first predetermined value; C) repeating the proton exchange procedure and analyzing the masked surface until a first target depth value is achieved; f) removing the mask from the wafer; g) a time shorter than the longest anneal time; Thermally annealing the wafer; (h) analyzing the unmasked wafer using prism bonding to determine whether the proton diffusion depth of the proton exchanged portion has reached a second target depth value. Determining and (i) repeating the annealing and analyzing the unmasked wafer until a second target depth value is achieved.
【請求項13】 前記のマスクされていないウェハを分
析する工程が、位相差顕微鏡法の使用を含む、請求項1
2に記載の方法。
13. The method of claim 1, wherein analyzing the unmasked wafer comprises using phase contrast microscopy.
3. The method according to 2.
【請求項14】 少なくとも1つの前記分析工程が、赤
外分光法の使用を含む、請求項12に記載の方法。
14. The method of claim 12, wherein at least one of said analyzing steps comprises using infrared spectroscopy.
【請求項15】 前記のプロトン交換処置を繰り返す工
程が、以下の式で決定されるΔtPの時間実施され、 ΔtP=0.25(dP1 2−dP0 2)/DP1 上記式において、ΔtPは追加のプロトン交換時間、d
P1は第一の目標プロトン拡散深さ、dP0は最初のプロト
ン拡散深さおよびDP1は繰り返されるプロトン交換処置
に対して予想される拡散定数である、請求項12に記載
の方法。
15. step of repeating the proton exchange treatment of the can, is time implementation of Delta] t P which is determined by the following equation, in Δt P = 0.25 (d P1 2 -d P0 2) / D P1 above formula , Δt P is the additional proton exchange time, d
13. The method of claim 12, wherein P1 is a first target proton diffusion depth, dP0 is an initial proton diffusion depth, and Dp1 is an expected diffusion constant for repeated proton exchange treatments.
【請求項16】 前記の熱アニール工程を繰り返す工程
が、以下の式で決定されるΔtAの時間実施され、 ΔtA=0.25(dA1 2−dA0 2)/DA1 上記式において、ΔtAは追加の熱アニール時間、dA0
は最初の熱アニール工程後のプロトン拡散深さ、dA1
第二の目標プロトン拡散深さおよびDA1は繰り返される
アニール工程に対して予想される拡散定数である、請求
項12に記載の方法。
16. The step of repeating the thermal annealing step is performed for a time Δt A determined by the following equation: Δt A = 0.25 (d A1 2 −d A0 2 ) / D A1 , Δt A is the additional thermal annealing time, d A0
13. The method of claim 12, wherein is the proton diffusion depth after the first thermal annealing step, d A1 is the second target proton diffusion depth and D A1 is the expected diffusion constant for the repeated annealing step. .
【請求項17】 アニール工程後の、ウェハ表面下の深
さの関数としての、プロトン交換処置を受けた部分のプ
ロトン濃度が、ウェハ表面近くの最大濃度値からのガウ
ス分布に近く、第二の目標深さが、プロトン濃度が最大
濃度値の約1/e倍になる深さとして測定される、請求
項12に記載の方法。
17. The method according to claim 16, wherein after the annealing step, the proton concentration of the portion subjected to the proton exchange treatment as a function of the depth below the wafer surface is close to a Gaussian distribution from a maximum concentration value near the wafer surface, and the second 13. The method of claim 12, wherein the target depth is measured as the depth at which the proton concentration is about 1 / e times the maximum concentration value.
【請求項18】 第二の目標深さが、約2から約5ミク
ロンの範囲にある、請求項17に記載の方法。
18. The method of claim 17, wherein the second target depth is in a range from about 2 to about 5 microns.
【請求項19】 安息香酸から成る融解物を用いて、ウ
ェハの選択された領域にプロトン交換を行う方法であっ
て、前記ウェハはニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リ
チウムから成る群から選択される材料からできており、
前記方法が (a)前記ウェハを、所定の最長プロトン交換時間より
も短い時間、前記融解物中で処理することにより、前記
ウェハの選択された領域に最初のプロトン交換処置を施
す工程、 (b)前記の選択された領域を分析し、選択された領域
の特定のパラメータが、所定値を達成したかどうかを決
定する工程および (c)前記所定値を達成するまで、プロトン交換処置お
よび分析工程を繰り返す工程から成る方法。
19. A method for performing proton exchange on a selected area of a wafer using a melt of benzoic acid, wherein the wafer is formed from a material selected from the group consisting of lithium niobate and lithium tantalate. It is made,
The method comprising: (a) subjecting a selected area of the wafer to an initial proton exchange treatment by treating the wafer in the melt for less than a predetermined longest proton exchange time; (b) A) analyzing said selected area to determine whether certain parameters of the selected area have achieved a predetermined value; and (c) proton exchange treatment and analysis steps until said predetermined value is achieved. Repeating the steps of:
【請求項20】 前記特定パラメータが、ウェハ表面下
のプロトン拡散深さであり、特定パラメータの所定値
が、プロトン拡散の目標深さである、請求項19に記載
の方法。
20. The method according to claim 19, wherein the specific parameter is a proton diffusion depth below the wafer surface, and the predetermined value of the specific parameter is a target depth of proton diffusion.
【請求項21】 前記分析工程がプリズム結合の使用を
含む、請求項20に記載の方法。
21. The method according to claim 20, wherein said analyzing step comprises using prism coupling.
【請求項22】 前記のプロトン交換処置を繰り返す工
程が、以下の式で決定されるΔtPの時間実施され、 ΔtP=0.25(dP1 2−dP0 2)/DP1 上記式において、ΔtPは追加のプロトン交換時間、d
P1は第一の目標プロトン拡散深さ、dP0は最初のプロト
ン拡散深さおよびDP1は繰り返されるプロトン交換処置
に対して予想される拡散定数である、請求項20に記載
の方法。
22. A process of repeating a proton exchange treatment of the can, is time implementation of Delta] t P which is determined by the following equation, in Δt P = 0.25 (d P1 2 -d P0 2) / D P1 above formula , Δt P is the additional proton exchange time, d
21. The method of claim 20, wherein P1 is a first target proton diffusion depth, dP0 is an initial proton diffusion depth and Dp1 is an expected diffusion constant for repeated proton exchange treatments.
【請求項23】 ニオブ酸リチウムおよびタンタル酸リ
チウムから成る群から選択される材料からできたウェハ
のプロトン交換された領域を熱アニールする方法であっ
て、 (a)最初に、最長アニール時間より短い時間、前記ウ
ェハを熱アニールする工程、 (b)前記のプロトン交換された領域を分析し、特定の
パラメータが所定値を達成したかどうかを決定する工程
および (c)所定値が達成されるまで、アニール工程および分
析工程を繰り返す工程から成る方法。
23. A method for thermally annealing a proton-exchanged region of a wafer made of a material selected from the group consisting of lithium niobate and lithium tantalate, comprising: (a) initially shorter than a longest annealing time; Time, thermally annealing the wafer; (b) analyzing the proton exchanged region to determine whether a particular parameter has achieved a predetermined value; and (c) until the predetermined value is achieved. Repeating the annealing step and the analyzing step.
【請求項24】 前記特定パラメータがウェハ表面下の
プロトン拡散深さであり、前記特定パラメータの所定値
が、プロトン拡散の目標深さである、請求項23に記載
の方法。
24. The method of claim 23, wherein the specific parameter is a depth of proton diffusion below the wafer surface, and wherein the predetermined value of the specific parameter is a target depth of proton diffusion.
【請求項25】 前記分析工程がプリズム結合の使用を
含む、請求項23に記載の方法。
25. The method of claim 23, wherein said analyzing step comprises using prism coupling.
【請求項26】 前記分析工程が位相差顕微鏡法の使用
を含む、請求項23に記載の方法。
26. The method of claim 23, wherein said analyzing step comprises using phase contrast microscopy.
【請求項27】 前記の熱アニール工程を繰り返す工程
が、以下の式で決定されるΔtAの時間実施され、 ΔtA=0.25(dA1 2−dA0 2)/DA1 上記式において、ΔtAは追加の熱アニール時間、dA0
は最初の熱アニール工程後のプロトン拡散深さ、dA1
第二の目標プロトン拡散深さおよびDA1は繰り返される
アニール工程に対して予想される拡散定数である、請求
項24に記載の方法。
27. The step of repeating the thermal annealing step is performed for a time Δt A determined by the following equation: Δt A = 0.25 (d A1 2 −d A0 2 ) / D A1 , Δt A is the additional thermal annealing time, d A0
25. The method of claim 24, wherein is the proton diffusion depth after the first thermal anneal step, d A1 is the second target proton diffusion depth and D A1 is the expected diffusion constant for the repeated anneal steps. .
【請求項28】 アニール工程後の、ウェハ表面下の深
さの関数としての、プロトン交換処置を受けた部分のプ
ロトン濃度が、ウェハ表面近くの最大濃度値からのガウ
ス分布に近く、第二の目標深さが、プロトン濃度が最大
濃度値の約1/e倍になる深さとして測定される、請求
項24に記載の方法。
28. The method according to claim 28, wherein after the annealing step, the proton concentration of the portion subjected to the proton exchange treatment as a function of the depth below the wafer surface is close to a Gaussian distribution from a maximum concentration value near the wafer surface, 25. The method of claim 24, wherein the target depth is measured as a depth at which the proton concentration is about 1 / e times the maximum concentration value.
【請求項29】 第二の目標深さが約2から約5ミクロ
ンの範囲である、請求項24に記載の方法。
29. The method of claim 24, wherein the second target depth ranges from about 2 to about 5 microns.
JP21608599A 1998-07-31 1999-07-30 Production of proton-exchanged waveguide Pending JP2000081527A (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12749298A 1998-07-31 1998-07-31
US20992998A 1998-12-09 1998-12-09
US09/209929 1998-12-09
US09/127492 1998-12-09

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2000081527A true JP2000081527A (en) 2000-03-21

Family

ID=26825685

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP21608599A Pending JP2000081527A (en) 1998-07-31 1999-07-30 Production of proton-exchanged waveguide

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP2000081527A (en)
DE (1) DE19936050A1 (en)
GB (1) GB2340957A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100458478C (en) * 2007-09-21 2009-02-04 中国航天时代电子公司 Method for manufacturing Y wave-guide integrated optics device lithium niobate chip
CN109690373A (en) * 2016-07-15 2019-04-26 康宁股份有限公司 Optical waveguide product with stepped construction and forming method thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103213204B (en) * 2013-04-24 2015-04-08 中国电子科技集团公司第四十四研究所 Processing method of lithium nibate polarizer chip

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1324261C (en) * 1988-05-03 1993-11-16 Jeffrey Bruce Bindell Proton-exchange method of forming optical waveguides
US5193136A (en) * 1989-10-27 1993-03-09 Litton Systems, Inc. Process for making multifunction integrated optics chips having high electro-optic coefficients

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100458478C (en) * 2007-09-21 2009-02-04 中国航天时代电子公司 Method for manufacturing Y wave-guide integrated optics device lithium niobate chip
CN109690373A (en) * 2016-07-15 2019-04-26 康宁股份有限公司 Optical waveguide product with stepped construction and forming method thereof
US11307352B2 (en) 2016-07-15 2022-04-19 Corning Incorporated Optical waveguide article with laminate structure and method for forming the same
CN109690373B (en) * 2016-07-15 2022-06-10 康宁股份有限公司 Optical waveguide article having a laminated structure and method of forming the same

Also Published As

Publication number Publication date
GB2340957A (en) 2000-03-01
GB9917750D0 (en) 1999-09-29
DE19936050A1 (en) 2000-02-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fukuma et al. Optical properties in titanium‐diffused LiNbO3 strip waveguides
US4547262A (en) Method for forming thin film passive light waveguide circuit
US6567599B2 (en) Integrated optic device manufacture by cyclically annealed proton exchange process
CA1322936C (en) Process for producing an optical waveguide and the product therefrom
Milosevic et al. Ion implantation in silicon for trimming the operating wavelength of ring resonators
US4740265A (en) Process for producing an optical waveguide and the product therefrom
US5018809A (en) Fabrication method and structure of optical waveguides
US5193136A (en) Process for making multifunction integrated optics chips having high electro-optic coefficients
Nevado et al. Low-loss, damage-resistant optical waveguides in Zn-diffused LiNbO3 by a two-step procedure
JP2000081527A (en) Production of proton-exchanged waveguide
US4948407A (en) Proton exchange method of forming waveguides in LiNbO3
US5118923A (en) Laser annealed optical devices made by the proton exchange process
EP2549224B1 (en) Methods for improving integrated photonic device uniformity
CA2289876A1 (en) Process for the manufacture of proton-exchanged waveguides
Kushibiki et al. Quantitative characterization of proton-exchanged layers in LiTaO 3 optoelectronic devices by line-focus-beam acoustic microscopy
US5000774A (en) Method of masked two stage lithium niobate proton exchange
Dutta et al. Use of laser annealing to achieve low loss in Corning 7059 glass, ZnO, Si3N4, Nb205, and Ta205 optical thin-film waveguides
EP0425076A2 (en) Process for making intergrated optics chips having high electro-optic coefficients
WO2022244274A1 (en) Manufacturing method for optical waveguide element
EP1607777A1 (en) Method of forming a waveguide by diffusing Ti into a LiNbO3 substrate and corresponding structure
JPH06174908A (en) Production of waveguide type diffraction grating
EP0340983B1 (en) Proton-exchange method of forming optical waveguides
SU1295352A1 (en) Method of manufacturing optical waveguide based on lithium niobate crystal
JPS6159403A (en) Manufacture of optical waveguide lens
Parmenter et al. Fabrication of Titanium-In-Diffused Lithium Niobate Optical Waveguides by Laser Annealing at 10.6 μm