DE60315352T2

DE60315352T2 - Verfahren zur herstellung optischer wellenleiter

Info

Publication number: DE60315352T2
Application number: DE60315352T
Authority: DE
Inventors: Jun-Ying 3M Center Saint Paul ZHANG; Brian J. 3M Center Saint Paul GATES; Jeremy K. 3M Center Saint Paul LARSEN; Barry J. 3M Center Saint Paul KOCH; Terry L. 3M Center Saint Paul SMITH
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2023-11-07
Also published as: EP1576399B1; MXPA05006816A; DE60315352D1; ATE368873T1; JP2006512611A; CN1729415A; EP1576399A1; AU2003286906A1; US6946238B2; CA2507533A1; WO2004061497A1; US20030176002A1; KR20050085877A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung integrierter optischer Schaltkreise und noch spezifischer ein neuartiges Verfahren für die Herstellung von Lichtwellenleitern, wobei zur Musterbildung auf dem Wellenleiterkern Lift-off statt Ätzen angewendet wird.
Produkte auf der Basis sogenannter planarer Lichtwellenschaltkreise (PLC) besitzen die Möglichkeit, die Kosten und Größe optischer Komponenten beträchtlich zu senken, während gleichzeitig die Funktionalität verbessert wird. Beachtenswert auf diesem Bereich ist die Arbeit an dotiertem SiO₂-Glas (vergleiche z.B. M. Kawachi, Optical and Quantum Electronics 22 (1990) 391–416). Diese glasartigen Wellenleiterbauteile mit niedrigem Dotiermittelgehalt sind mit Bezug auf das optische Leiten allgemein bekannten optischen Siliciumdioxidfasern ähnlich und daher weisen sie ähnliche Modalfelder auf, was zu geringen Kopplungsverlusten zwischen dem Chip und einer Standardeinmodenfaser führt.
Jedoch besteht ein inhärenter Nachteil dieser Niederindexkontrastglasstrukturen aus einem ziemlich großen Mindestkrümmungsradius, der in Schaltungsanordnungen erlaubt ist, typischerweise von mehr als 15 mm. Geräte, die viele Biegungen aufweisen, werden groß, derart, dass nur eine geringe Anzahl derselben auf einem Wafer angeordnet werden kann, was weniger kosteneffektiv ist. Um optische Komponenten auf kosteneffektive Weise durch Massenproduktion herzustellen, ist es wünschenswert, die Gerätedichte zu erhöhen.
1 veranschaulicht schematisch die Schritte bei einem beispielhaften herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Kanalwellenleitern 10. Wie in 1a veranschaulicht, wird zuerst ein Siliciumsubstrat 12 bereitgestellt und eine untere Ummantelungsschicht 14 wird auf seine obere Fläche abgesetzt. Mit Bezug auf 1b wird eine Kernschicht 16 oben auf der Ummantelungsschicht abgesetzt. Die Ummantelungsschicht 14 und die Kernschicht 16 können durch verschiedene Verfahren, wie beispielsweise Flammenhydrolyseabscheidung (FHD), chemisches Aufdampfen (CVD), plasmagestütztes CVD (PECVD), Sol-Gel usw. aufgebracht werden. Ein Beispiel eines Hochindexkontrastmaterials für die Herstellung planarer Wellenleiter ist in der PCT-Veröffentlichung WO 99/54714 zu finden, wo SiON und SiO₂ als Kern- bzw. Ummantelungsschichten verwendet werden.
Eine alternative Ausführungsform umfasst eine untere optische Verkleidung, die ein Substrat aus transparentem Material mit einem geeigneten Index, wie beispielsweise einen mit Ge dotierten SiO₂-Kern auf einem undotierten geschmolzenen Quarzsubstrat aufweist.
Im nächsten Schritt (1c) wird die Kernschicht 16 getempert. Auf das Tempern der Kernschicht (1d) hin, wird ein Fotoresist oder eine Metallmaske 18 schichtförmig über die Kernschicht 16 aufgebracht. Die Fotolithografie (1e) und das reaktive Ionenätzen (RIE) (1f) werden zum Definieren der erwünschten Gratstruktur angewendet. Der Fotoresist oder die Metallmaske 18 werden wie in 1g veranschaulicht abgezogen. Schließlich veranschaulicht die 1h das Ablagern einer oberen Ummantelungsschicht 20.
Wie in 1 zu sehen ist, erfordern herkömmliche Ätzverfahren eine große Anzahl von Schritten. Das RIE ist ein besonders zeitaufwendiger Schritt bei der Bearbeitung. Das RIE kann auch eine Wandrauheit erzeugen, die zu Zerstreuungsverlust in dem dabei gebildeten Kanalwellenleiter führen kann. Außerdem erfordern herkömmliche Verfahren signifikante Kapitalinvestitionen, um die notwendigen Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen.
Die EP-A-0 477 898 offenbart einen Quarzlichtwellenleiter, der eine Funktion beispielsweise als Laseramplifikation oder eine nichtlineare optische Wirkung besitzt, und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen funktionellen Quarzlichtwellenleiters. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bildens eines Glaslichtwellenleiterfilms, der ein funktionelles Material enthält, durch ein Sol-Gel-Verfahren und das darauffolgende Bilden eines Wellenleiterkerns durch einen Lift-off-Vorgang.
Angesichts der Schwierigkeiten beim herkömmlichen Ätzen sind Versuche gemacht worden, andere Verfahren, die bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden, anzuwenden. Jedoch sind Schwierigkeiten, wie beispielsweise Reißen oder Beschädigung, bei diesen Verfahren beim Herstellen von Lichtwellenleiter aufgetreten.
Es bleibt weiterhin der Wunsch nach einem effizienteren und kostengünstigeren Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleitern bestehen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Lichtwellenleitervorrichtung umfasst die Schritte des Ablagerns einer unteren Ummantelungsschicht, schichtförmigen Auftragens einer Fotoresistschicht unmittelbar auf die untere Ummantelungsschicht; Bemusterns der Fotoresistschicht, um Kanäle zu erzeugen; Ablagerns einer Kernschicht, wobei ein erster Abschnitt der Kernschicht innerhalb der Kanäle abgelagert wird und ein zweiter Abschnitt die gemusterte Fotoresistschicht überlagert; Entfernens der gemusterten Fotoresistschicht und der zweiten Abschnitte der Kernschicht, welche die gemusterte Fotoresistschicht überlagern; und Ablagerns einer oberen Ummantelungsschicht.
Zusätzlich umfasst das Verfahren den Schritt des Ätzens der unteren Ummantelung auf eine Art und Weise, die den Fotoresist unterscheidet. Der Schritt des Ätzens der unteren Ummantelung kann den Schritt der Anwendung eines isotropen oder anisotropen Ätzmittels nach dem Schritt der Bemusterung des Fotoresists einschließen.
Der Lichtwellenleiter kann ein Einmoduswellenleiter sein. Die untere optische Ummantelungsschicht kann ein Substrat aus einem transparenten Material mit einem geeigneten Index einschließen.
Als Alternative kann die untere Ummantelungsschicht einen mit Ge dotierten SiO₂-Kern auf einem undotierten Quarzglas-Substrat, Siliciumdioxid (SiO₂), Magnesiumfluorid, diamantähnlichen Glas (DLG); Polymere (Acrylat, Polyimid); Siliciumoxynitrid (SiON) und hybride organische/anorganische Sol-Gel-Materialien oder mit Bor oder Fluor dotiertes SiO₂ einschließen. Die optische Kernschicht kann eine Dicke zwischen einschließlich 0,2 Mikrometern und 10 Mikrometern aufweisen und Materialien umfassen, die unter einem der Folgenden ausgewählt sind: Siliciumdioxid, das mit Titan, Zirconium, Germanium, Tantal, Hafnium, Erbium, Phosphor, Silber, Stickstoff dotiert ist, oder ein gesputtertes Mehrkomponentenglas.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Unterschied im Brechungsindex zwischen der Kernschicht und der Ummantelungsschicht etwa 0,3%. Die optische Kernschicht weist eine Dicke von etwa 6,5 Mikrometern und einen Brechungsindexunterschied zwischen der Kernschicht und der Ummantelungsschicht von etwa 0,5% auf.
Der Schritt des Bemusterns der Fotoresistschicht kann Fotolithografie einschließen und der Schritt des Ablagerns der Kernschicht kann die plasmagestützte chemische Aufdampfung oder Sputtern aufweisen. Als Alterna tive können die Ablagerungsschritte einen der Folgenden umfassen: physikalische Dampfabscheidung (PVD), Sputtern, Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Molekularstrahlepitaxie, Impulslaserabscheidung, Flammenhydrolyseabscheidung (FHD) und noch bevorzugter chemische Dampfabscheidung, welche chemische Normaldruckdampfabscheidung (APCVD), chemische Niederdruckdampfabscheidung (LPCVD) und plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PECVD).
Auch kann das Verfahren den Schritt des Bereitstellens einer Substrat-Basisschicht einschließen, auf welcher die untere Ummantelungsschicht abzulagern ist. Die Substrat-Basisschicht kann Silicium, Quarz oder ein Mehrkomponentenglas aufweisen. Das Verfahren kann auch den Schritt des Temperns des Lichtwellenleiters aufweisen.
In einer spezifischen Ausführungsform schließt die Ummantelung SiO₂ und der Kern schließt SiO₂ ein, das mit Ge, P, Ti oder N dotiert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische schrittweise Darstellung eines herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen von Kanallichtwellenleitern.
2 ist eine schematische schrittweise Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Kanallichtwellenleitern durch ein Lift-off-Verfahren.
3 ist eine schematische schrittweise Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Kanallichtwellenleitern durch ein Lift-off-Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß.
4 ist eine schematische Ansicht von SiO₂/SiON/SiO₂/Si-Wellenleiterelemente.
5 ist eine optische Mikroskopie von Wellenleitergraten, die durch ein erstes Lift-off-Verfahren gebildet sind.
6 ist eine optische Mikroskopie von beispielhaften Wellenleitergraten, die durch ein erstes Lift-off-Verfahren gebildet sind.
7 ist eine Rasterelektronenmikroskop-(REM-)Mikrofotografie eines beispielhaften Wellenleiterkerngrats, der durch ein erstes Lift-off-Verfahren gebildet wird.
8 ist eine REM-Mikrofotografie eines Wellenleiterkerngrats, der durch ein erstes Lift-off-Verfahren gebildet wird.
9 ist eine Einmodusausgabeintensität, die bei einem Wellenleiterkanal von 6,5 μm gemessen wird, der durch ein Lift-off-Verfahren hergestellt wird.
10 ist eine optische Mikroskopie, die dem schematischen, in 3d veranschaulichten Querschnitt entspricht.
11 ist eine optische Mikroskopie, die der 3e entspricht.
12 ist eine optische Mikroskopie eines beispielhaften Wellenleiterkerngrats, der durch ein zweites Lift-off-Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß gebildet wird.
13 ist eine optische Mikroskopie eines beispielhaften Wellenleiterkerngrats, der durch ein zweites Lift-off-Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß gebildet wird
14 ist eine optische Mikroskopie von beispielhaften Wellenleitergraten, die durch ein drittes Lift-off-Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß gebildet werden.
15 ist eine optische Mikroskopie eines beispielhaften Wellenleiterkerngrats, der durch ein drittes Lift-off-Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß gebildet wird.
16 ist eine optische Mikroskopie eines beispielhaften Wellenleiterkerngrats, der durch ein drittes Lift-off-Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß gebildet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die 2 veranschaulicht die Schritte eines Lift-off-Verfahrens für die Herstellung von Kanalwellenleitern. Ein Lift-off-Verfahren, anstatt des Ätzens, wird zum Bemustern des Wellenleiterkerns angewendet. Dieses Verfahren kann die Verarbeitungszeit und -schritte wesentlich reduzieren und den Prozessdurchsatz und die Qualität verbessern, wodurch die Chipkosten verringert werden. Diese Technik kann auch umfangreich sowohl auf verschiedene Hochindexkontrastmaterialien als auch Niederindexkontrastmaterialien für die Herstellung integrierter optischer Schaltgeräte angewendet werden.
Die 2g und 4 veranschaulichen Kanalwellenleiter, die durch dieses Lift-off-Verfahren hergestellt worden sind. Unter Bezugnahme auf 2g weist ein derartiger Wellenleiter 100 ein Substrat 112, eine untere Ummantelungsschicht 114, eine Kernschicht 116, eine obere Ummantelungsschicht 120 auf. Geeignete Zusammensetzungen und Dicken der Kernschicht, der unteren Ummantelungsschicht, der oberen Ummantelungsschicht und irgendwelcher zusätzlicher Schicht(en) können durch numerisches Modellieren konstruiert wer den. Eine allgemein bekannte Wellenleitermodelliertechnik ist der „Übertragungsmatrix"-Ansatz (vergleiche beispielsweise Guided-Wave Optoelectronics, Theodor Tamir (Verfasser), 2. Ausgabe, Springer-Verlag). Als Alternative können handelsübliche Wellenleitermodellierwerkzeuge, einschließlich OptiBPM von OptiWave Corporation, Ottawa, ON, Kanada, eingesetzt werden. Die 4 veranschaulicht einen optischen Chip 300, der SiON-Kanalwellenleiter besitzt, die diesem Lift-off-Verfahren gemäß hergestellt worden sind. Der Kanalwellenleiter weist eine untere Ummantelung 314 aus SiO₂ auf, die eine Dicke von 6,5 μm und einen Brechungsindex n = 1,48 auf einem Si(100)-Wafersubstrat 312 aufweist. Der Kern 316 weist SiON in einer eine Dicke von 1,2 μm und einen Brechungsindex n = 1,6922 auf. Die obere Ummantelung 320 weist SiO₂ in einer eine Dicke von 5,4 μm und einen Brechungsindex n = 1,48 auf.
Der Lift-off-Herstellungsvorgang beginnt wie in 2a veranschaulicht, die 1a ähnlich ist. Ein Siliciumsubstratwafer 112, wie beispielsweise Si(100), wird bereitgestellt und eine untere Ummantelungsschicht (114) wird auf einer oberen Fläche des Siliciumsubstrats 112 abgelagert. Alternative Substratmaterialien schließen Quarz oder ein Multikomponentenglas ein. Geeignete Ummantelungsmaterialien schließen SiON, SiO₂, Magnesiumfluorid, diamantähnliches Glas (DLG); Polymere (Acrylat, Polyimid), Siliciumoxynitrid (SiON) und hybride organische/anorganische Sol-Gel-Materialien oder bor- oder fluordotiertes SiO₂ und andere geeignete im Stand der Technik bekannte Materialien ein.
Die Ummantelungsschicht 114 kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren wie Flammenhydrolyseablagerung (FDH), chemische Dampfabscheidung (CVD), plasmagestützte CVD (PECVD), Sol-Gel, Sputtern oder Vakuumverdampfung abgelagert werden.
Bei einem spezifischen Verfahren wird SiO₂ als untere Ummantelung verwendet. Die untere Ummantelungsschicht 114 wird durch PECVD-Technik mit Hilfe eines Reaktors (wie beispielsweise denjenigen, die im Handel als Plasmalab μP, von Plasma Technology, einem Mitglied der Oxford Instruments Group, Bristol, BS49 4AP, Großbritannien, hergestellt, erhältlich sind) mit Parametern wie folgt abgelagert:

Ablagerungstemperatur: 300°C

SiH₄-Fluss: 3 scm³

N₂O-Fluss: 100 scm³

Ablagerungsdruck: 50 mTorr

RF-Energie (13,56 MHz): 200 W
Die obigen Parameter wurden so bestimmt, um einen Brechungsindex der Ummantelung von 1,48 zu erreichen. Die Ablagerungszeit kann je nach der Dicke, die für die untere Ummantelung erforderlich ist, variieren.
Im nächsten Schritt, in 2b veranschaulicht, des vorliegenden Verfahrens wird eine dicke Schicht Fotoresist 118 direkt über der Ummantelungsschicht aufgebracht. Dies steht im Gegensatz zum herkömmlichen Schritt des Ablagerns einer Kernschicht 16, der in 1b veranschaulicht ist. Beispielsweise wurden Siliciumwafer 112 mit der unteren Ummantelung 114 durch Aufschleudern mit einem Fotoresist, wie beispielsweise Shipley 1818 (von Shipley Company, Marlborough, MA 01752, USA) beschichtet. Andere Fotoresiste, sowohl positiver als auch negativer Art, können bei diesem Verfahren verwendet werden.
Die Fotoresistschicht 118 wird wie in 2c veranschaulicht durch herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise durch Belichten und Entwickeln zum Erzielen eines bemusterten Fotoresists auf der unteren Ummantelung bemustert. Die Bemusterung bildet Kontaktlöcher 117, die Teile der Ummantelungsschicht 114 bloßlegen.
Die 2d veranschaulicht die Ablagerung einer Kernschicht 116 über der bemusterten Fotoresistschicht 118. Eine Kernschicht von SiON wird auf dem bemusterten Fotoresist durch PECVD-Technik mit Parametern wie folgt abgelagert:

Ablagerungstemperatur: 80°C

SiH₄-Fluss: 8 scm³

N₂O-Fluss: 20 scm³

NH₃-Fluss: 40 scm³

Ablagerungsdruck: 50 mTorr

RF-Energie: 200 W
Die Anwendung der obigen Parameter soll eine SiON-Filmkernschicht 116 mit einer Dicke von 1,2 μm und einem Brechungsindex von 1,6922 ergeben. SiON wird beispielhaft als Kernschicht gewählt, da sein Brechungsindex über einen breiten Bereich (n = 1,46–2,00) eingestellt werden kann, was zu einem hohen Grad an Freiheit bei der Konzipierung integrierter Optiken führt. Alternative Materialien schließen Hochindexkontrastmaterialien wie Si₃N₄, mit Ti, Zr, Hf oder TA dotiertes SiO₂, geeignete ferroelektrische Materialien, Siliciumdioxid, das mit Titan, Zirconium, Germanium, Tantal, Hafnium, Erbium, Phosphor, Silber, Stickstoff dotiert ist, oder ein gesputtertes Multikomponentenglas, wie ein Lantan-Aluminium-Zirconatsystem („LAZ") ein.
Die 2e veranschaulicht den Lift-off der Fotoresistschicht 118. Nach der Ablagerung der Kernschicht 116 wird der Fotoresist 118 wie bei einem Fotoresistabstreifer abgehoben. Die Lift-off-Technik entfernt Abschnitte der Kernschicht 116 über der Fotoresistschicht 118, wobei nur Abschnitte der Kernschicht 116, die innerhalb der Kanalkontaktlöcher 117 verblieben, zurückgelassen werden.
Herkömmlicherweise ist die Anwendung von Lift-off- Techniken für das Herstellen optischer Wellenleiter vermieden worden. Versuche, ein herkömmliches Lift-off-Verfahren für den Lift-off von Wellenleitermaterialien durch Sputtertechnik anzuwenden, erforderten eine lange Zeit (mehrere Stunden oder mehr als 10 Stunden), um eine dickere Wellenleitermaterialschicht zu erreichen. Die Fotoresistschicht wurde durch Plasma während des langen Sputtervorgangs vernetzt und so war die Entfernung der Fotoresistschicht ohne Beschädigung der darunterliegenden Schichten sehr schwierig.
Im Gegensatz dazu wird bei Anwendung einer PECVD-Technik, die der schnellen Ablagerung (im Allgemeinen 10 bis 60 min bei unseren Wellenleitermaterialien) fähig ist und niedrigen Prozesstemperaturen das Vernetzen des Fotoresists vermieden, wodurch eine Lift-off-Entfernung gestattet wird.
Wie in den 5 und 6 veranschaulicht, können verschiedene Wellenleitergrate 117 (2, 2,5, 3, 3,5, 4, bis zu 8,5 μm in Paaren und dann 15, 25, 50, 100 μm) gebildet werden. Die 7 zeigt einen REM-Querschnitt eines 5 μm-Kerngrats 116, der diesem Lift-off-Verfahren gemäß hergestellt worden ist. Man wird sich im Klaren darüber sein, dass eine sehr glatte Seitenwand durch das Lift-off-Verfahren erreicht werden kann.
Die Kernschichten 116 können dann wie in 2f veranschaulicht getempert werden. Schließlich wird, wie in 2g veranschaulicht, die obere Ummantelungsschicht 120, die die gleichen oder ähnliche Materialien wie die untere Ummantelungsschicht 114 enthält, sowohl über der unteren Ummantelungsschicht 114 als auch der Kernschicht 116 abgelagert. In einem spezifischen Beispiel enthält die obere Ummantelung 120 SiO₂ und wird bis zu einer Dicke von 5,4 μm durch PECVD mit den gleichen oder ähnlichen Parametern wie die untere Ummantelungsschicht 114 abgelagert. Die 8 ist eine Fotografie eines REM-Querschnitts des Wachstums- Profils der oberen Ummantelung eines Wellenleiterkanals von 5 mm.
Die 9 zeigt die Einmodenausgabeintensität eines Wellenleiterkanals von 6,5 μm, der durch den Lift-off-Vorgang hergestellt wird. Die Kerngratbreiten von Kanälen von weniger als 8,5 μm sind bei 1550 nm einmodig, wobei die SiON-Wellenleiterstruktur diejenige wie in 4 gezeigt ist, während Gratbreiten von über 8,5 μm multimodale Leiter sind. Der Propagationsverlust wurde als etwa 2,85 dB/cm betragend gemessen, wobei es sich um einen normalen Wert für SiON-Filme im abgelagerten Zustand handelt.
Die Entfernung des Fotoresistmusters kann das Reißen an den Kanten der abgelagerten bemusterten Schicht verursachen. Um dieses Problem zu bewältigen, kann die Fotoresistschicht eine „umgekehrte Abschrägung" aufweisen. Die 3 veranschaulicht Schritte in einem beispielhaften Vorgang der vorliegenden Erfindung gemäß, wo die Fotoresistschicht, wenn sie bemustert wird, unterschnitten wird. Die in den 3a bis 3c veranschaulichten Schritte sind denjenigen ähnlich, die in den 2a bis 2c veranschaulicht sind. Eine untere Ummantelungsschicht 214 wird über einen Siliciumwafer 212 abgelagert. Eine Fotoresistschicht 218 wird dann über der Ummantelungsschicht 214 abgelagert und unter Bildung von Kanälen 217 bemustert.
Wie in 3d veranschaulicht, unterscheidet sich die vorliegende Ausführungsform darin, dass unterschnittene Kanäle 219 in die Ummantelungsschicht 214 eingeätzt werden. Im Allgemeinen ist es schwierig, ein unterschnittenes Fotoresistmuster zu erreichen, da die Kanten des Fotoresistmusters unten und oben an dem Muster abgerundet sind und die Kanten im Allgemeinen dazu neigen, überschnitten anstatt unterschnitten zu sein (das heißt, die Abschrägung an der Fotoresistkante ist oft in der falschen Richtung).
Die 10 ist eine Fotografie, die dem schematischen Querschnitt entspricht, der in 3d veranschaulicht ist. Die Folgenden sind beispielhafte Parameter, die in diesem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden. Eine SiO₂-Ummantelungsschicht 214 einer Dicke von 8 μm wurde auf einen Si-Wafer 212 durch PECVD abgelagert. Eine Fotoresistschicht 218, die einen Fotoresist wie Shipley 1818 enthält, wurde mit 4000 UpM auf eine Dicke von etwa 1,9 μm schichtförmig über die SiO₂-Ummantelungsschicht 214 aufgebracht. Die Fotoresistschicht 218 wurde 30 min lang bei 105 Grad C ausgehärtet und dann Licht mit einer Energiedichte von etwa 182 mJ/cm² mit einer Metallmaske ausgesetzt. Nach einer dreißig Sekunden langen Entwicklung im MF319-Entwickler und einer gründlichen Spülung in entionisiertem Wasser wurde eine Bemusterung der Fotoresistschicht 218 erreicht.
Eine isotrope Ätzung wurde dann auf den bloßgelegten Abschnitten der unteren Ummantelungsschicht 214 mit den folgenden Parametern durchgeführt:

Gepuffertes HF: 1:6 (HF:NH₄F)

Ätzzeit: 5 min

Ätzrate: 100 nm/min
Ein anisotropes Ätzmittel kann ebenfalls verwendet werden. Unter Anwendung der obigen Parameter wurde eine Ätztiefe auf dem SiO₂ von 0,5 μm mit Ätzmerkmalen 219 erreicht (vergleiche Kanal 217).
Unter Bezugnahme auf 3e wird dann die Kernschicht 216 über der Fotoresistschicht 218 und die bloßgelegten Abschnitte der unteren Ummantelungsschicht 214 abgelagert. 11 ist eine Fotografie einer tatsächlichen beispielhaften SiON-Kernschicht 216 von 2,5 μm, die auf den geätzten Bereichen 217 und dem Fotoresist 218 durch PECVD abgelagert worden ist.
Wie in 3f veranschaulicht, wird die Fotoresistschicht 218 zusammen mit den Abschnitten der Kernschicht 216, die die Grate der Fotoresistschicht überlappt, entfernt. Die 12 zeigt SiON-Wellenleiterkerngrate 216 nach der Entfernung des Fotoresists. Es ist erfolgreich gezeigt worden, dass Kernschichten einer Dicke von mehr als 3 μm durch das Lift-off-Verfahren mit Unterschneidung hergestellt werden können. So ist es möglich, diese Technik auf Niederindexkontrastmaterialien anzuwenden.
Schließlich wird, wie in 3h veranschaulicht, eine obere Ummantelungsschicht 220 sowohl über den Kerngraten 216 als auch der unteren Ummantelungsschicht 214 abgelagert. Die 13 zeigt eine tatsächliche beispielhafte obere Ummantelung von 8 μm, die auf der Kernschicht durch das PECVD-Verfahren abgelagert worden ist. Der Brechungsindex sowohl der unteren als auch der oberen Ummantelung 214 und 220 beträgt 1,46, während der Brechungsindex der Kerngrate 216 1,55 beträgt. Man wird sich im Klaren darüber sein, dass eine sehr gute SiO₂-Schrittbedeckung durch das vorliegende PECVD-Verfahren erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der Herstellung einer Reihe verschiedener Lichtwellenleiter angewendet werden. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die in den 14 bis 16 veranschaulicht ist, wurde ein Siliciumsubstrat 312 verwendet. Eine thermisch oxidierte SiO₂-Ummantelungsschicht 314 von 3 μm wurde über dem Substrat 312 abgelagert. Eine Fotoresistschicht 318, einschließlich eines geeigneten Fotoresists wie beispielsweise AZ4400 (Clariant Corporation, Sparte Electronic Materials, 70 Meister Avenue, Somerville, NJ 08876) wurde schichtförmig auf die SiO₂-Ummantelungsschicht 314 mit 4000 UpM bis auf eine Dicke von etwa 4,5 μm aufgebracht. Die Fotoresistschicht 318 wurde 200 Sekunden lang bei 110°C ausgehärtet und dann Licht mit einer Energiedichte von etwa 280 mJ/cm² mit einer Metallmaske ausgesetzt. Auf eine 60 Sekunden lange Entwicklung in einem Entwickler, wie beispielsweise AZ 400K (Clariant Corporation, Sparte Electronic Materials, 70 Meister Avenue, Somerville, NJ 08876) und eine gründliche Spülung in entionisiertem Wasser hin wurde die gezeigte Bemusterung der Fotoresistschicht erreicht.
Die Ummantelungsschicht wurde dann isotrop mit den folgenden Parametern geätzt:

Gepuffertes HF: 1:6 (HF:NH₄F)

Ätzzeit: 20 min

Ätzrate: 75 nm/min
Unter Anwendung der obigen Parameter wurde eine Ätztiefe von SiO₂ von 1,5 μm erreicht. Unter Bezugnahme auf 15 wurde eine Schicht von diamantähnlichem Glas (DLG) 316 von 5 μm mit dem Si unter Anwendung eines handelsüblichen kapazitiv gekoppelten Parallelplattenplasmareaktors (im Handel von Plasma Therm, Inc., St. Petersburg, Florida, erhältlich) auf dem geätzten Bereich und dem Fotoresist, wie in 2 gezeigt, abgelagert. Der Wafer wurde auf eine mit Energie versehene Elektrode während der Ablagerung aufgebracht und DLG wurde unter den folgenden Bedingungen abgelagert:

Tetramethylsilanfluss: 50 scm³

O₂-Fluss: 200 scm³

Ablagerungsdruck: 97 mTorr

RF-Energie (13,56 MHz): 600 Watt

Ablagerungszeit: 100 Minuten
Man wird sich im Klaren darüber sein, dass das DLG-Material sich nicht signifikant an der Seitenwand des Fotoresists ablagerte, da ein direktioneller Ablagerungsvorgang angewendet wurde.
Die 16 zeigt DLG-Wellenleiterkerngrate 316 nach der Entfernung des Fotoresists. Eine mehr als 5 μm dicke Kernschicht kann mit Hilfe des vorliegenden Lift-off-Verfahrens mit Unterschneidung hergestellt werden. Die Möglichkeit, tiefere Kerngrate zu erzeugen, erlaubt die Verwendung der vorliegenden Technik mit Niederindexkontrastmaterialien.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet reduzierte Schritte und geringere Herstellungszeiten als herkömmliche Verfahren. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung kann den Durchsatz und die Qualität von Lichtwellenleitern wesentlich verbessern, wodurch die Gerätekosten reduziert und potentiell die Penetration von Wellenleitergeräten in das Gebiet kostenempfindlicher Anwendungen möglich gemacht wird.
Erfindungsgemäß hergestellte Wellenleiter können in einer Reihe verschiedener optischer Schaltkreise wie beispielsweise Mach-Zehnder-Interferometer, einem thermooptischen Schalter, einem geordneten Wellenleiterraster, einem direktionellen Koppler oder einem Bragg-Wellenleiterrasterfilter verwendet werden. Andere Anwendungen umfassen aktive Wellenleitervorrichtungen, einschließlich Wellenleiter, die aus elektrooptischen Materialien hergestellt wind. Beispielhafte elektrooptische Materialien umfassen elektrisch gepolte Gläser.
Diejenigen, die im Stand der Technik geschult sind, werden sich im Klaren darüber sein, dass die vorliegende Erfindung bei der Herstellung einer Reihe verschiedener optischer Elemente verwendet werden kann. Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, kann die Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert sein, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollte man sich im Klaren darüber sein, dass die hier beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen nur beispielhaft sind und nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend betrachtet werden sollten. Andere Variationen und Modifikationen können dem Umfang der vorliegenden Erfindung gemäß gemacht werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Lichtwellenleitervorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte in Reihenfolge: a. Ablagern einer unteren Ummantelungsschicht; b. Beschichten einer Fotoresistschicht unmittelbar auf der unteren Ummantelungsschicht; c. Mustern der Fotoresistschicht, um Kanäle zu erzeugen; e. Ablagern einer Kernschicht, wobei ein erster Abschnitt der Kernschicht innerhalb der Kanäle abgelagert wird und ein zweiter Abschnitt die gemusterte Fotoresistschicht überlagert; f. Entfernen der gemusterten Fotoresistschicht und der zweiten Abschnitte der Kernschicht, welche die gemusterte Fotoresistschicht überlagern; und g. Ablagern einer oberen Ummantelungsschicht; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin zwischen den Schritten c. und e. den folgenden Schritt aufweist d. Ätzen der unteren Ummantelung, um Unterschnittkanäle zu bilden, welche die Fotoresistschicht unterschneiden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter ein Einmodenwellenleiter ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die untere optische Ummantelung ein Substrat aus einem durchsichtigen Material mit einem geeigneten Index aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die untere Ummantelungsschicht einen mit Ge dotierten SiO₂-Kern auf einem undotierten Quarzglas-Substrat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differenz des Brechungsindexes zwischen der Kernschicht und der Ummantelungsschicht ungefähr 0,3% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Kernschicht eine Dicke zwischen 0,2 Mikrometer und einschließlich 10 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die optische Kernschicht eine Dicke von ungefähr 6,5 Mikrometer und eine Differenz des Brechungsindexes zwischen der Kernschicht und der Ummantelungsschicht von ungefähr 0,5% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ablagerns der Kernschicht plasmagestützte chemische Dampfabscheidung oder Sputtern aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ätzens der unteren Ummantelung den Schritt des Verwendens eines anisotropen Ätzmittels nach dem Schritt des Musterns des Fotoresists aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Ablagerns einen der folgenden Schritte umfassen: physikalische Dampfabscheidung (PVD), Sputtern, Verdampfung, Elektronenstrahlverdampfung, Molekularstrahlepitaxie, Impulslaserabscheidung, Flammenhydrolyseabscheidung (FHD) und besonders bevorzugt chemische Dampfabscheidung, welche chemische Normaldruckdampfabscheidung (APCVD), chemische Niederdruckdampfabscheidung (LPCVD) und plasmagestützte chemische Dampfabscheidung (PECVD) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend den Schritt des Bereitstellens einer Substrat-Basisschicht, auf welcher die untere Ummantelungsschicht abzulagern ist, wobei die Substrat-Basisschicht Silizium, Quarz oder ein Mehrkomponentenglas aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend den Schritt des Temperns des Kerns und der unteren Ummantelungsschicht nach dem Schritt des Entfernens des Fotoresists.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend den Schritt des Temperns des Lichtwellenleiters.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die untere Ummantelungsschicht ein Material aufweist, welches aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Siliziumdioxid (SiO₂), Magnesiumfluorid, diamantartiges Glas (DLG); Polymere wie beispielsweise Acrylat oder Polyimid; Siliziumoxinitrid (SiON); und hybride organische/anorganische Sol-Gel-Materialien oder Bor- oder Fluor-dotiertes SiO₂.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kernschicht ein Material aufweist, welches aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Siliziumdioxid, welches mit Titan, Zirkonium, Germanium, Tantal, Hafnium, Erbium, Phosphor, Silber, Stickstoff dotiert ist, oder gesputtertes Mehrkomponentenglas.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ummantelung SiO₂ aufweist und der Kern SiO₂ aufweist, welches mit Ge, P, Ti oder N dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Fotoresist ein positiver Fotoresist oder ein negativer Fotoresist ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Musterns des Fotoresists Anwenden eines Fotolithografieverfahrens auf die Fotoresistschicht oder Verwenden von Elektronenstrahllithografie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Musterns der Fotoresistschicht Mustern mehrerer Kontaktlöcher aufweist, um eine Matrix aus Lichtwellenleitern aufzunehmen.