NL8006410A

NL8006410A - Werkwijze voor de vervaardiging van geintegreerde optische golfgeleider circuits en circuits verkregen met deze werkwijze.

Info

Publication number: NL8006410A
Application number: NL8006410A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1980-11-25
Filing date: 1980-11-25
Publication date: 1982-06-16
Also published as: CA1191108A; EP0052901A1; US4384038A; JPS57118201A

Description

1 , PEN 9897 1 N.V.Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Werkwijze voor de vervaardiging van geïntegreerde optische golfgeleider circuits en circuits verkregen met deze werkwijze.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de vervaardiging van. een geïntegreerd optisch golfgeleidercircuit, waarbij een substraat uit glas van groeven wordt voorzien, qp het substraat onder opvulling van de groeven glas wordt aangebracht met een hogere 5 brekingsindex dan die van het substraat en vervolgens de aangebrachte laag zover wordt verwijderd, dat alleen in de groeven glas van hogere brekingsindex achterblijft.

In de Japanse terinzage gelegde octrooiaanvrage (Kokai)

No. 53-70839 wordt een werkwijze voor de vervaardiging van een optical 10 waveguide circuit beschreven. Volgens een abstract in de Engelse taal verschenen in Patents Abstracts of Japan vol. 2, pag. 5556E78 (1978) wordt daarbij als volgt te werk gegaan: In een glazen basis plaat, zoals kwarts worden mechanische groeven aangebracht, die door etsen of vlampolijsten desgewenst glad kunnen worden gemaakt. Een mengsel van 15 gassen zoals SiCl^, GeCl^ en O2 wordt toegevoerd en een fijn poeder uit SiO en GeC>2 wordt neergeslagen door middel van een CVD methode op de basisplaat, die wordt verhit in een reaktiebuis. Het poeder wordt verglaasd door verhitting, hierna wordt de neergeslagen glaslaag zover weggepolijst, dat uitsluitend in de groeven neergeslagen glas 20 achterblijft. Het in de groeven achtergebleven glas vormt een optische golfgeleider met lage verliezen. Er kan nog een afdéklaag uit SiC>2 en op de glasplaat worden aangebracht. De groeven in de basisplaat bezitten volgens de bij het abstract gereproduceerde figuren een rechthoekige doorsnede.

25 De beschreven methode is wat de keuze van de uitgangsmateria len betreft beperkt omdat bij deze methode zowel bij het neerslaan van het fijne poeder uit Si02 en GeC>2,als bij het daaropvolgende verglazen het substraat tot tamelijk hoge temperaturen moet worden verhit. Het substraat en de daarin aangebrachte groeven moeten daarbij hun vorm be-30 houden. De toepassing van substraten uit kwarts lijkt daarom in de meeste gevallen een noodzakelijke voorwaarde. Een andere beperking van de beschreven methode is dat de thermische uitzettingscoëfficient van het neergeslagen glas, niet al te veel zal mogen verschillen van die van 8006410 T < ΡΗΝ 9897 2 het substraatmateriaal. Bij het afkoeken na verglazen bestaat anders het gevaar, dat het neergeslagen glas van het substraat losspringt. Tenslotte lijkt uit optische overwegingen de rechthoekige doorsnede van de groeven niet gunstig.

5 De uitvinding beoogt een werkwijze, waarvoor de genoemde beperkingen van het bekende proces niet of slechts in verminderde mate gelden.

Volgens de uitvinding wordt aan deze opgave voldaan met een werkwijze die het kenmerk draagt, dat 10 het substraat wordt voorzien van groeven met een nagenoeg halfcirkelvormige doorsnede, op het substraat onder opvulling van de groeven door middel van een niet-isotherm plasma geactiveerd C.V.D. proces direct glas vanuit de gasphase wordt aangebracht.

15 De uitgevonden werkwijze kan in het algemeen worden uitge voerd zonder dat het substraat afzonderlijk behoeft te worden verwarmd. In.feite stijgt bij toepassing van de werkwijze normaliter de temperatuur van het substraat door behandeling met het plasma tot enige honderden graden celsius. In sommige gevallen kan het gunstig zijn de substra-20 ten, voordat zij in aanraking komen met het plasma voor te verwarmen.

De maximale substraat temperatuur zal echter beneden de verwekingstemperatuur van het substraat moeten blijven. Daar de reactie in elk geval beneden ca. 500°C met voldoend grote snelheid verloopt is een ruime keuze van materialen zowel voor het substraat, als voor de samenstel-25 ling van het glas dat wordt neergeslagen, mogelijk. De grotere keuze in substraatmaterialen geeft de mogelijkheid goed bewerkbare materialen te kiezen.

Groeven met nagenoeg halfcircelvormige doorsnede zijn in optisch opzicht voordelig in het bijzonder indien volgens een voorkeurs-30 uitvoeringsvorm van de werkwijze een substraatdeel volgens een bepaald patroon wordt voorzien van groeven met een nagenoeg halfcirkelvormige doorsnede, een ander substraatdeel volgens hetzelfde patroon in spiegelbeeld wordt voorzien van groeven met een nagenoeg halfcirkelvormige doorsnede, op beide suhstraatdelen onder opvulling van de groeven door mid-35 del van een niet-isotherm plasma geactiveerd CVD proces direkt glas vanuit de gasphase wordt aangebracht en na polijsten van de substraatdelen tot alleen in de groeven uit de dampphase afgezet glas achterblijft, de substraatdelen met die zijde, waarin zich de groeven bevinden zodanig op 8006410 PHN 9897 3 elkaar worden gelegd, dat de met glas gevulde groeven elkaar dekken en een circuit van golfgeleiders met nagenoeg cirkelvormige doorsnede vormen.

De nagenoeg halfcirkelvormige doorsnede van de groeven waar-5 borgt een goede gelijkmatige vulling met glas bij het depositieproces.

Er bestaat geen gevaar op holtevorming, zoals bij vulling van groeven met rechthoekige doorsnede, in het bijzonder indien daartoe glaspoeder wordt afgezet en vervolgens verglaasd, moet worden gevreesd. De nagenoeg halfcirkelvormige doorsnede van de groeven heeft bovendien een meer 10 symmetrisch spanningspatroon tengevolge indien zich ondanks de relatief lage depositietemperatuur toch spanningen in het in de groeven aangebrachte glas zouden opbouwen tengevolge van een verschil in de uitzet-tingscoëfficient van dit glas en het substraatmateriaal.

De groeven kunnen langs mechanische weg worden aangebracht, 15 bijvoorbeeld door inpersen in het oppervlak van een substraat.

De groeven worden echter bij voorkeur door etsen aangebracht omdat hierbij veel nauwkeuriger de gewenste halfcirkelvormige doorsnede vorm kan worden verkregen dan met inpersen mogelijk is.

Glas wordt op het substraat onder opvulling van de groeven 20 dirékt vanuit de gasphase aangebracht door middel van een niet-isotherm plasma geactiveerd chemical vapour deposition proces.

Onder een "niet-isotherm plasma geactiveerd chemical vapour deposition (CVD) proces" wordt een proces verstaan, waarbij een zogenaamd koud plasma ter activering wordt toegepast. In een koud plasma bezitten 25 alleen elektronen een hoge kinetische energie. Met een dergelijk plasma kunnen zelfs mengsels van gas of dampvormige componenten tot reactie worden gebracht, die thermisch niet kunnen worden geactiveerd. Met een niet-isotherm plasma geactiveerd CVD proces kunnen bij relatief lage temperaturen direkt uit de gasphase glaslagen worden neergeslagen. Dit 30 is een groot voordeel ten opzichte van processen, waarbij in een eerste stap poedervormige deeltjes worden afgezet, die in een volgende stap moeten worden verhit om een glaslaag te verkrijgen. Bij dergelijke geheel of gedeeltelijk hcmogeen in de gasphase verlopende processen is bovendien een gelijkmatige bedekking van een geprofileerd substraat pro-35 blematisch, de opbouw van een golfgeleider met een brekingsindex gradient lijkt daarbij op bijzondere moeilijkheden te stuiten. Dit hangt samen met het feit dat de afzetting diffusie bepaald is.

Bij het niet-isotherm plasma geactiveerde CVD proces verloopt.

8006410 I ί PHN 9897 4 de depositie reaktie uitsluitend heterogeen, waardoor ook bij sterke profilering over het gehele substraat gelijkmatig dikke lagen kunnen worden afgezet, hierdoor biedt bijvoorbeeld de vervaardiging van een golfgeleider met graded index geen enkel probleem.

5 Een ander voordeel van dit proces is, dat het bij relatief lage temperatuur verloopt d.w.z. tussen omgevingstemperatuur en ca. 500° C. Bij dergelijke lage afzettingstemperaturen is de kans op een schadelijke spanningsopbouw in het afgezette glas bij verschil in uitzettingscoëfficienten met die van het substraat kleiner dan bij een 10 CVD proces, dat temperaturen aanmerkelijk boven 500°C vereist.

Bij toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding kunnen optische golfgeleiders van zowel het step index type als van het graded index type worden vervaardigd. Hiertoe wordt in de groeven in het substraat een glas bestaande uit SiC^ en een brekingsindex verhogend 15 doteermiddel zoals Si^, Sb^^, GeC>2 toegepast. Si^N^ verdient hierbij vanwege de hoge brekingsindex de voorkeur.

De aangebrachte laag wordt vervolgens door afslijpen en/of polijsten zover verwijderd, dat alleen het in de groeven afgezette glas achterblijft.

20 Aan de hand van de bijgaande tekening zal de werkwijze vol gens de uitvinding nu meer in detail worden uiteengezet, tevens toont de tekening een aantal golfgeleidercircuits, zowel in de vorm van passieve als van actieve componenten die geheel of gedeeltelijk onder toepassing van de uitvinding kunnen worden vervaardigd.

25 Figuur 1 toont in doorsnede een substraat met masker, figuur 2 toont een bovenaanzicht van substraat met masker, figuur 3 toont in doorsnede het substraat na etsen en verwijdering van het masker, figuur 4 toont in perspektief een substraat met een groeven- 30 patroon, figuur 5 toont schematisch een aantal substraten in een depositie ruimte, figuur 6 toont in doorsnede het substraat na afzetting van een aantal lagen, 35 figuur 7 toont in doorsnede het substraat na polijsten, figuur 8 toont perspektivisch een signaalsplitter verkregen door twee substraten met gevulde groeven op elkaar te bevestigen.

Op een substraat 1 uit glas wordt, in een eerste stap een ets- 8006410 I » PHN 9897 5 masker 2 aangebracht (figuur 1) bijvoorbeeld uit metaal. Een geschikt metaal is bijvoorbeeld chroom, dat door sputteren op het substraat kan worden aangebracht. Van het me taalmasker wordt een deel 2 in het gewenste patroon weggeëtst tot op het substraat 1 (figuur 2) bijvoorbeeld 5 onder toepassing van een niet-getekend het masker 2 afdekkend foto- masker. Het etsmiddel kan bijvoorbeeld de volgende samenstelling bezitten: 220 gr. Ceriumammoniumnitraat 100 ml. 65%-tig salpeterzuur 900 ml. water 10 Na het wegetsen van de delen 3 door openingen in het fotomasker wordt het fotomasker verwijderd. Voor dit doel geschikte fotomaskermaterialen' en etsmiddelen zijn in de handel verkrijgbaar. Als fotoraaskermateriaal kan bijvoorbeeld een materiaal op basis van Novolakhars met een licht gevoelige diazoverbinding, zoals naphtodiazoquinonsulfon-zure ester 15 worden toegepast. Het substraat 1 wordt vervolgens via de openingen 3 voor een deel weggeëtst. Een geschikt etsmiddel bestaat uit een mengsel van 100 ml. 40% HF en 100 ml. van een oplossing verkregen door 600 ml. geconcentreerd I^SO^ (98%) te mengen met 150 ml H^O. In het mengsel wordt 2 gr.gelatine opgelost. Nadat voldoende van het substraat is weg-20 geëtst wordt het masker 2 verwijderd. Er resteren nu groeven 4 in het substraat 1 met een halfcirkelvormige doorsnede (figuur 3). In figuur 4 is het substraat 1 met de groef 4 in perspektief getékend, zodat een goede indruk van het geheel kan worden verkregen. Van groeven voorziene substraten 1 worden in een reaktieruimte 5 met behulp van de op zichzelf 25 bekende niet-isotherme plasma geactiveerde chemical vapour deposition methode bedekt met een laag uit glas met hogere brekingsindex dan het substraat (zie voor de toegepaste techniek bijvoorbeeld het Amerikaanse octrooischrift 4,145,456, waarvan de inhoud voorzover nodig als hier ingelast wordt beschouwd). Indien over elkaar een aantal lagen met ver-30 schillende brekingsindex wordt rieergeslagen, wordt een samenstel verkregen als in doorsnede weergegeven in figuur 6. Op het substraat 1 en in de groeven 4 daarin, zijn een aantal lagen 9 aangebracht. In figuur 6 zijn slechts een beperkt aantal lagen aangegeven. In werkelijkheid kan bij een diepte van de groeven van bijvoorbeeld 50^um het aantal lagen 35 bijvoorbeeld 100 bedragen. Indien een golfgeleider van. het graded index type wordt vervaardigd, neemt in deze lagen de brekingsindex toe. Dit kan bijvoorbeeld plaats vinden door in een mengsel uit SiO^ en een de brekingsindex verhogende toevoeging zoals Si^N^ of GeÜ2 de relatieve 8006410 PHN 9897 6 hoeveelheid van deze toevoeging te verhogen, het is uiteraard ook mogelijk een lichtgeleider van het step index type te vervaardigen door een aantal lagen met onderling gelijke samenstelling over elkaar aan te brengen. De lagen 9 worden vervolgens weggepolijst tot Op het opper-5 vlak van het substraat 1. In doorsnede ziet het samenstel na de polijst-bewerking eruit als weergegeven in figuur 7, met 10 is de golfgeleider bedoeld die zich in de openingen 4 in het substraat bevindt. In figuur 8 tenslotte is de situatie geschetst, die ontstaat nadat twee substraten met in het oppervlak een golfgeleider, met deze oppervlakken tegen 10 elkaar gelegd. De in figuur 7 in doorsnede weergegeven constructie kan echter ook direkt met een laag uit glas met een lagere brekingsindex dan het glas in de kanalen worden afgedekt. Deze laag dient als afscherming.

Met de werkwijze volgens de uitvinding kunnen bijvoorbeeld ook "adders" en ','spitters" met meerdere takken, worden vervaardigd. De 15 kanalen in twee op elkaar gelegde substraten kunnen elkaar ook kruisen zonder dat de door de kanalen geleide signalen elkaar storen.

20 25 30 35 8006410

Claims

1. Werkwijze voor de vervaardiging van een geïntegreerd optisch golfgeleidercircuit, waarbij een substraat uit glas van groeven wordt voorzien, op het substraat onder opvulling van de groeven glas wordt aangebracht met een hogere brekingsindex dan die van het substraat en 5 vervolgens de aangebrachte laag zover wordt verwijderd, dat alleen in de groeven glas van hogere brekingsindex achterblijft, met het kenmerk, dat het substraat wordt voorzien van groeven met een nagenoeg halfcirkelvormige doorsnede en dat op het substraat onder opvulling van de groeven door middel van een niet-isotherm plasma geactiveerd chemical 10 vapour deposition proces direkt glas vanuit de gasphase wordt aangebracht.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het. kenmerk, dat de groeven worden aangebracht door patroonmatig etsen van het oppervlak van het substraat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op het substraat onder opvulling van de groeven een glasfilm uit SiC^ en Si^N^ wordt neergeslagen.

4. Werkwijze voor de vervaardiging van een geïntegreerd optisch golfgeleidercircuit, met het kenmerk, dat twee substraten beide aan het 20 oppervlak voorzien met een golfgeleider met deze oppervlakken tegen elkaar worden gelegd.

5. Optisch golfgeleidercircuit verkregen met de werkwijze volgens conclusies 1-4. 25 30 35 8006410