Создание и исследование симметричных канальных волноводов в стеклах

Создание и исследование симметричных канальных волноводов в стеклах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Создание и исследование симметричных канальных волноводов в стеклах

Работу выполнил Лабай Александр Александрович

Специальность 210401 - Физика и техника оптической связи

Краснодар 2015

Реферат

диффузия, ионный обмен, электростимулированная миграция ионов, стекла, интегрально-оптические волноводы, канальные симметричные волноводы, числовая апертура

Объектом разработки данной дипломной работы являются симметричные канальные волноводы, сформированные в стеклянных подложках.

Целью работы является изготовление симметричных канальных волноводов в стеклах и исследование их свойств.

В работе изложены методы изготовления планарных интегрально-оптических волноводов на поверхности подложки, физические аспекты ионного обмена и твердотельной диффузии, описан процесс изготовления канальных интегрально-оптических волноводов, представлена технология изготовления симметричных канальных волноводов в стеклах, шлифовка и полировка торцов волноводов и измерение их геометрических размеров и числовых апертур.

Содержание

Введение

. Изготовление планарных волноводов на поверхности подложек

1.1 Получение планарных волноводов ионным распылением

1.1.1 Диодные системы ионного распыления

.1.2 Триодные системы ионного распыления

.1.3 Магнетронные системы ионного распыления

1.1.4 Высокочастотное плазменное напыление пленок

.1.5 Реактивное нанесение диэлектрических пленок

1.2 Эпитаксия

1.2.1 Газофазная эпитаксия, хлоридный метод

.2.2 Жидкофазная эпитаксия

. Изготовление планарных волноводов в подложках

.1 Твердотельная диффузия

.2 Ионный обмен

2.3 Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов

3. Методы изготовления канальных волноводов в стеклах

.1 Основные типы канальных интегрально-оптических волноводов

.2 Изготовление канальных волноводов в стекле от фотопластин

. Изготовление симметричных канальных волноводов в стеклах

Заключение

Список использованных источников

Введение

В настоящее время у нас в стране и за рубежом в лабораторных условиях реализованы различные типы пассивных интегрально-оптических элементов в стеклах. При этом наибольшее распространение получила методика изготовления интегрально-оптических элементов, основанная на низкотемпературной ионообменной диффузии в расплавах солей, позволяющая получать элементы интегральной оптики с малыми потерями. Применение внешнего электрического поля в процессе диффузии позволяет значительно увеличить скорость диффузии ионов из расплава соли в стеклянную подложку, а также управлять формой поперечного сечения создаваемых волноводов.

При помощи электростимулированной миграции ионов в стеклах создаются различные элементы интегральной и микрооптики - одномодовые или многомодовые канальные волноводы и волноводные структуры (разветвители и делители излучения, многоканальные и матричные делители излучения).

В качестве подложек при создании элементов интегральной оптики широко применяется стекло, обладающее совокупностью ценных физико-химических свойств: оптической однородностью, прозрачностью в видимой области спектра, химической устойчивостью, механической прочностью, высоким качеством поверхности и низкой стоимостью.

Стекло наилучшим образом подходит для создания пассивных волноводных структур, предназначенных для стыковки с оптическими световодами. Однако большинство методов изготовления волноводов в стеклах позволяют получать несимметричные волноводы, в то время как стыковать их приходится с оптическими световодами, имеющими симметричный волновод [1].

Поэтому создание симметричных канальных волноводов в стеклах является актуальной задачей.

Целью работы является изготовление симметричных канальных волноводов в стеклах и исследование их свойств.

1. Изготовление планарных волноводов на поверхности подложек

.1 Получение планарных волноводов ионным распылением

В интегральной оптике конструктивной основой многих устройств является планарный (двумерный) оптический волновод [2-6].

Волновод - это оптический элемент, предназначенный для передачи светового излучения по заданному направлению в ограниченном пространстве.

Планарный волновод представляет собой плоский диэлектрический волновод, расположенный на диэлектрической подложке (рисунок 1).

Показатели преломления волновода и подложки должны удовлетворять условию: n₁ > n₀ > n₂ , где n₀ - показатель преломления подложки; n₁ - показатель преломления пленки; n₂ - показатель преломления воздуха.

Рисунок 1 - Внешний вид планарного волновода

Это условие необходимо для обеспечения волноводного режима, т.е. существования в волноводе поверхностных электромагнитных (световых) волн (волноводных мод).

Методы, используемые для изготовления интегрально-оптических волноводов, можно разделить на два класса: такие, в которых волноводная пленка изготавливается путем нанесения материала на поверхность подложки, и такие, в которых волноводная область создается в самой подложке в результате каких-либо химических или физических реакций. В первом случае изменение показателя преломления между пленкой и подложкой скачкообразное, в то время как во втором случае показатель преломления изменяется плавно в глубь подложки.

Планарные интегрально-оптические волноводы можно наносить на подложки распылением диэлектрических материалов.

Распыление - это процесс, в котором материал удаляется с поверхности мишени в результате бомбардировки атомами или ионами с энергиями, превышающими 30 эВ.

Обычно используются ионы, поскольку их легче разогнать в электрическом поле. Частицы вещества, выбитые с поверхности мишени, могут осаждаться на соответствующим образом расположенную подложку в виде тонкой пленки. Этот метод может быть использован и для удаления материала с поверхности подложки - травления материала.

Принцип действия устройств ионного распыления основан на таких физических явлениях, как ионизация частиц газа, тлеющий разряд в вакууме и распыление веществ бомбардировкой ускоренными ионами.

Существуют различные варианты реализации метода ионного распыления, среди которых наиболее распространены основанные на диодных, триодных и магнетронных системах. Диодные и триодные системы часто называют системами катодного распыления [7-10].

.1.1 Диодные системы ионного распыления

Принцип действия диодной (двухэлектродной) системы ионного распыления показан на рисунке 2.

Два основных элемента системы - катод 4 и анод 9 - располагаются в рабочей вакуумной камере 2.

Катод 4 через высоковольтный ввод 1 подсоединяется к отрицательному полюсу высоковольтного источника. Подлежащий распылению материал в виде пластины 5 прикрепляется к катоду. Эту пластину обычно называют мишенью. Анод 9, находящийся под потенциалом земли, располагается на расстоянии в несколько сантиметров от катода.

Рисунок 2 - Схема диодной (двухэлектродной) системы ионного распыления: 1 - высоковольтный ввод, 2 - вакуумная камера, 3 - экран, 4 - катод, 5 - пластина (мишень), 6 - темное катодное пространство, 7 - положительный столб, 8 - подложка, 9 - анод, 10 - патрубок к вакуумной системе, 11 - осаждаемые частицы, 12 - ионы, 13 - натекатель

Подложки 8, на которые наносят пленки, закрепляют на аноде. При подаче на катод напряжения порядка 3-5 кВ в камере возникает тлеющий разряд.

Как уже отмечалось, для тлеющего разряда характерно определенное распределение потенциала в пространстве между катодом и анодом. Причем в основном падение приложенного напряжения происходит на темном катодном пространстве 6. Ионы 12, диффундирующие к границе положительного столба 7, попадают на границу темного катодного пространства и, ускоряясь в нем под действием электрического поля, бомбардируют мишень (катод). Выбиваемые из нее частицы 11 распыляемого вещества летят в направлении к аноду 9 и осаждаются на подложке 8 в виде тонкой пленки.

Скорость нанесения тонких пленок в диодных системах составляет около 0,5 нм/с.

Как катод, так и анод охлаждаются проточной водой, что предохраняет их от перегрева. Кроме того, с обратной стороны мишени на расстоянии 3-5 мм расположен экран 3, локализующий разряд только на ее лицевой стороне. Поэтому задняя часть катода не подвергается ионному распылению.

Размером темного катодного пространства определяется минимальное расстояние между мишенью и подложкой, которое обычно составляет от 3 до 5 см. Если это расстояние меньше, разряд гаснет, так как путь, проходимый электронами между катодом и анодом, слишком короток для создания достаточного количества ионов и электронов.

В рассмотренной системе диодного распыления мишень располагается вверху камеры. Однако мишени диодных систем могут иметь любое пространственное положение.

По сравнению с термовакуумным методом нанесения пленок метод диодного ионного распыления обладает рядом достоинств.

Большая площадь распыляемой мишени, выполняющей функции источника атомов осаждаемого вещества, позволяет осаждать равномерные по толщине пленки на подложках больших размеров, что обеспечивает эффективную реализацию группового метода обработки. Мишень представляет собой источник длительного действия частиц наносимого материала, что облегчает автоматизацию и повышает однородность процесса. Большая энергия конденсирующихся атомов обеспечивает высокую адгезию пленки к подложке.

Основным недостатком этого метода является необходимость для поддержания разряда относительно высокого давления аргона, что повышает вероятность загрязнения пленки газовыми включениями. Кроме того, при высоком давлении длина свободного пробега частиц составляет несколько миллиметров, поэтому они теряют свою энергию и изменяют направление движения при соударениях с молекулами остаточного газа. В результате поток осаждаемых на поверхность подложки частиц является хаотическим, что затрудняет возможность использования при распылении свободных масок, дающих размытое изображение элементов из-за эффекта «подпыления».

При проведении процесса распыления в диодных системах необходимо достаточно стабильно поддерживать давление, так как увеличение его повышает вероятность столкновения распыленных атомов с молекулами рабочего газа. В результате этого часть атомов не осаждается на подложке, рассеивается в объеме камеры или возвращается на мишень, а скорости распыления и осаждения падают, что может привести к невоспроизводимости толщины пленки. Кроме того часть электронов может без столкновения пройти пространство катод-подложка и, будучи сильно ускоренными, бомбардируют анод (подложку). Это вызывает значительный нагрев подложек, а также может привести к повреждению полупроводниковых структур.

.1.2 Триодные системы ионного распыления

В триодных системах распыления (рисунок 3), третий электрод выполняет функцию термоэмиссионного катода, увеличивая концентрацию электронов, а следовательно, и ионизированных атомов рабочего газа (аргона).

Причем увеличение количества ионов аргона возможно при уменьшении его давления до 10^-1-10^-2 Па, что обеспечивает нанесение пленок, не загрязненных посторонними примесями. Кроме того, наличие термокатода позволяет приблизить мишень к подложке, что увеличивает скорость нанесения пленки.

Рисунок 3 - Схема триодной (трехэлектродной) системы ионного распыления: 1 - катод - мишень, 2 - подложка, 3 - анод, 4 - термокатод

Скорость нанесения пленок в триодных системах можно регулировать в пределах 0,1-100 нм/мин. Как и в диодных источниках, рабочую камеру предварительно откачивают до давления около 10^-4 Па. Затем подают ток накала на вольфрамовый термокатод, который разогревается до температуры возникновения термоэлектронного тока высокой плотности. Напряжение между раскаленным термокатодом и анодом равно 200 В, а давление аргона в рабочей камере - 10^-1-10^-2 Па. Электроны, испускаемые термокатодом, ионизируют модекулы аргона, которые после подачи отрицательного потенциала на катод-мишень (3-5 кВ), вытягиваясь из плазмы, бомбардируют и распыляют ее поверхность.

Особенностью триодных источников распыления является безынерционность (распыление после снятия потенциала с катода-мишени мгновенно прекращается), возможность ионной очистки поверхностей мишени и подложки без встраивания специальной системы электродов. Так как энергия летящих частиц очень велика, особенно при распылении тугоплавких материалов, сплавов и соединений, в разрядной камере и на мишени выделяется большое количество теплоты. Поэтому такие системы требуют охлаждения.

1.1.3 Магнетронные системы ионного распыления

Магнетронные системы ионного распыления являются усовершенствованными диодными системами и отличаются от них наличием в прикатодной области электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно друг к другу.

Если перпендикулярно электрическому полю наложить параллельно катоду и очень близко к нему магнитное поле траектории электронов будут представлять собой циклоиды. Электроны, имитируемые катодом под действием ионной бомбардировки, не могут при этом двигаться к аноду в перпендикулярном направлении, так как оказываются в своеобразной ловушке, создаваемой магнитным полем.

До тех пор пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений электронов с атомами рабочего газа, они перемещаются в ловушке, теряют энергию, полученную от электрического поля. Большая часть энергии электронов расходуется на ионизацию в непосредственной близости от катода, где создается высокая концентрация положительных ионов.

В результате возрастают интенсивность бомбардировки катода и скорость его распыления.

Скорость нанесения тонких пленок в магнетронных системах составляет 100-200 нм/с.

Так как применение магнитного поля увеличивает эффективность ионизации, тлеющий разряд в магнетронных системах поддерживается при более низких давлениях, чем в диодных. Магнетронные системы весьма эффективно работают при давлениях вплоть до 10^-2 Па и постоянном напряжении, что обеспечивает высокую чистоту наносимых пленок.

Следует отметить, что источники магнетронного распыления позволили значительно повысить параметры и расширить технологические возможности диодных распылительных систем:

увеличить более чем на порядок скорость нанесения пленок, приблизив ее к скорости термовакуумного осаждения, и уменьшить на порядок рабочее давление, а значит, и вероятность попадания газовых включений в пленку;

исключить интенсивную бомбардировку подложек высокоэнергетичными электронами, т. е. снизить неконтролируемый нагрев подложек и повреждение полупроводниковых структур;

обеспечить нанесение пленок алюминия и его сплавов с большими скоростями распыления;

заменить высоковольтное оборудование низковольтным.

Кроме того, магнетроны обеспечивают длительный ресурс работы.

В настоящее время магнетроны являются одним из основных устройств нанесения тонких пленок при производстве всех типов ИМС и ИОС [11-14].

В оборудовании для нанесения тонких пленок используют плоские (планарные) магнетроны с кольцевой и овально-протяженной зонами эрозии, состоящие из следующих основных частей: водоохлаждаемого катода, магнитного блока и анода.

В кольцевом планарном магнетроне (рисунок 4) все элементы смонтированы в корпусе 18, присоединяемом к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 1 и 3. Дискообразная мишень-катод 19 охлаждается проточной водой по трубкам 14 и 17. Напряжение, подаваемое на катод через зажим 16, равно 300-700 В.

Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 15 и периферийных 12 постоянных магнитов, закрепленных на основании блока 13, изготовленного из магнитомягкого материала. Магнитный блок создает над поверхностью катода магнитное поле 11 (порядка 0,02-0,05 Тл). Составляющая этого поля параллельна плоскости катода.

Рисунок 4 - Кольцевой планарный магнетрон: 1, 3 - уплотнительные прокладки, 2 - изолирующее кольцо, 4 - фланец камеры, 5, 8 - зоны плазмы и эрозии, 6 - подложка, 7 - тонкая пленка, 9, 11 - электрическое и магнитное поля, 10 - анод, 12, 15 - периферийные и центральный магниты, 13 - основание магнитного блока, 14, 17 - трубки подачи и слива воды, 16 - зажим, 18 - корпус, 19 - мишень

Анод 10 расположен над катодом и может находиться либо под потенциалом земли, либо под напряжением 30-100 В относительно катода и обеспечивает образование электрического поля. Составляющая этого поля перпендикулярна плоскости катода.

При подаче отрицательного потенциала на катод в прикатодной области образуется зона скрещенных магнитного и электрического полей. Находящиеся там электроны под действием этих полей совершают сложные движения, ионизируя газ. В результате возникает разряд и над поверхностью катода образуется кольцеобразная (торообразная) зона плазмы 5 - светящийся положительный столб. При этом положительные ионы ускоряются в направлении катода, бомбардируя и распыляя его поверхность в зоне 8, называемой зоной эрозии. Частицы материала, покидающие мишень, осаждаются в виде пленки 7 на подложке 6, а также частично рассеиваются молекулами остаточных газов и осаждаются на стенках рабочей камеры и поверхностях технологической внутрикамерной оснастки [11,12].

.1.4 Высокочастотное плазменное напыление пленок

Для высокочастотного и реактивного ионного распыления используют как обычные диодные, так и магнетронные системы.

Высокочастотное распыление начали применять, когда потребовалось наносить диэлектрические пленки. Если в качестве мишени используется металл, то ударяющийся о мишень ион рабочего газа нейтрализуется на ней и возвращается в вакуумный объем рабочей камеры.

Если же распыляемый материал - диэлектрик, то положительные ионы не нейтрализуются и за короткий промежуток времени после подачи отрицательного потенциала покрывают слоем мишень, создавая на ее поверхности положительный заряд. Поле этого заряда компенсирует первоначальное поле мишени, находящейся под отрицательным потенциалом, и дальнейшее распыление становится невозможным, так как ионы из разряда не притягиваются к мишени.

Для того чтобы обеспечить распыление диэлектрической мишени, приходится нейтрализовать положительный заряд на ее поверхности подачей высокочастотного (ВЧ) переменного потенциала. При этом в системе распыления, которая представляет собой диодную систему (рисунок 5) с катодом 2, окруженным экраном 1 (анодом может служить вакуумная камера), происходят следующие процессы. Так как в плазме положительного столба 4 содержатся равные количества ионов и электронов, при переменной поляризации мишени во время отрицательного полупериода (рисунок 5, а) она притягивает ионы 3. Ускоренные ионы бомбардируют и распыляют диэлектрическую мишень, одновременно передавая ей свой заряд.

При этом мишень накапливает положительный заряд и интенсивность распыления начинает снижаться. Во время положительного полупериода (рисунок 5, б) мишень притягивает электроны 5, которые нейтрализуют заряд ионов, превращая их в молекулы 6. В следующие отрицательный и положительный полупериоды процессы повторяются и т.д.

Рисунок 5 - Схемы высокочастотного распыления при отрицательном (а) и положительном (б) полупериодах напряжения: 1 - экран, 2 - катод, 3 - ионы, 4 - плазма, 5 - электроны, 6 - молекулы

Довольно часто применяется система высокочастотного плазменного распыления (рисунок 6), в которой две мишени расположены относительно подложек в виде буквы V. На мишени от высокочастотного генератора подается напряжение, достаточное для возбуждения свободных электронов, всегда присутствующих в рабочей камере. Колебания электронов с частотой приложенного напряжения вызывают ионизацию молекул плазмообразующего газа, что приводит к возникновению высокочастотного разряда в промежутке между мишенями.

Рисунок 6 - Схема высокочастотного плазменного распыления: 1 - подложки на подложкодержателе; 2 - распыляемые мишени; 3 - ВЧ-генератор

Процесс характеризуется тем, что потенциал поверхности мишеней автоматически оказывается отрицательным по отношению к разряду, что приводит к бомбардировке мишени положительными ионами плазмы.

Скорость осаждения пленки регулируется следующими факторами: частотой и амплитудой высокочастотного напряжения, напряженностью внешнего магнитного поля (при наличии магнитной системы), температурой подложки. Большое значение также имеют форма и размеры высокочастотного электрода, состав и давление рабочего газа, и физические свойства мишени.

Было установлено, что отрицательное смещение на поверхности мишени возникает при частотах выше 10 кГц. Интенсивность распыления резко возрастает при повышении частоты, но до известных пределов. В промышленных установках ВЧ распыление ведется на единственной разрешенной частоте 13,56 МГц, которая находится в диапазоне радиосвязи. Поэтому иногда ВЧ распыление называют радиочастотным.

При возрастании амплитуды ВЧ-напряжения скорость распыления увеличивается. В практике применяют напряжение 1000-3000 В.

Применение внешнего магнитного поля позволяет увеличить скорость осаждения пленки примерно вдвое при прочих равных условиях.

Значительное влияние на скорость осаждения пленки оказывает температура подложки. Следует заметить, что в процессе высокочастотного плазменного распыления обычно происходит большое рассеяние ВЧ-мощности, приводящее к чрезмерному нагреву подложек. Поэтому для создания оптимальной температуры подложки на установках ионно-плазменного распыления имеется устройство для охлаждения подложек.

.1.5 Реактивное нанесение диэлектрических пленок

Реактивное распыление применяют для нанесения пленок химических соединений (оксидов, нитридов). Требуемое химическое соединение получают, подбирая материал распыляемой мишени и рабочий газ.

При этом методе в рабочую камеру в процессе распыления вводят дозированное количество так называемых реактивных (химически активных) газов. Причем для нанесения пленок оксидов и нитридов в рабочий газ (аргон) добавляют соответственно кислород и азот.

Основными условиями при получении требуемых соединений является тщательная очистка реагентов и отсутствие натекания, а также газовыделения в камере.

Недостаток реактивного распыления - возможность осаждения соединений на катоде, что существенно уменьшает скорость роста пленки.

При реактивном распылении реакции могут протекать как на мишени, так и в растущей пленке, что зависит от соотношений реактивного газа и аргона. В отсутствие аргона реакции происходят на мишени. При этом разряд протекает вяло, так как большинство атомов реактивного газа расходуется на образование на поверхности мишени соединений, которые препятствуют распылению. Чтобы реактивные процессы проходили на подложке, количество реактивного газа не должно превышать 10 %; остальное составляет аргон.

При реактивном распылении кремния напускаемый в рабочую камеру кислород взаимодействует с конденсирующими на поверхности подложки атомами кремния, в результате чего образуется пленка SiO₂.

При нанесении реактивным распылением диэлектрических пленок нитрида кремния Si₃N₄ происходит аналогичный процесс. В рабочую камеру напускают тщательно осушенный и очищенный от кислорода аргон с добавкой азота. Ионы этих газов, бомбардируя кремниевый катод, выбивают из него атомы кремния, и на подложке, вследствие большой химической активности ионизированных атомов азота, образуется пленка нитрида кремния Si₃N₄, отличающаяся высокой химической стойкостью.

В качестве реактивного газа можно использовать аммиак (NH₃). В присутствии аммиака на подложке протекает следующая реакция

Так как условия реакции при нанесении диэлектрических пленок существенно зависят от постоянства в рабочем газе процентного содержания напускаемого реактивного газа, необходимо строго следить за его подачей. Напуск газов в рабочую камеру обычно производят двумя способами:

вводят оба газа (аргон и реактивный) из магистралей или баллонов, контролируя расход реактивного газа микрорасходомером и поддерживая постоянное давление;

вводят заранее подготовленную определенного состава рабочую смесь газов из резервуара.

Напряжение, подаваемое на анод и катод, может быть как постоянным, так и высокочастотным с постоянной составляющей [12,13].

.2 Эпитаксия

Метод эпитаксиального выращивания является наиболее универсальным методом изготовления волноводов в технологии монолитных оптических интегральных схем на основе полупроводниковых материалов. Это справедливо, потому что химический состав эпитаксиально выращенного слоя можно варьировать так, чтобы согласовать как показатель преломления, так и спектральный диапазон прозрачности волновода.

При разработке монолитных полупроводниковых интегрально- оптических схем (ИОС) существует фундаментальная проблема спектральной несовместимости, которую необходимо преодолеть. Полупроводник имеет определенную характеристическую длину волны оптического излучения, соответствующую энергии его запрещенной зоны, которая примерно совпадает с длиной волны края его полосы собственного поглощения. Таким образом, если светоизлучающий диод или лазер изготавливается на полупроводниковой подложке, то он будет излучать свет, который сильно поглощается в волноводах, изготовленных на основе того же самого материала подложки. Кроме того, этот свет не будет эффективно детектироваться детектором, сформированным в той же самой подложке, так как его длина волны будет соответствовать «хвосту» полосы поглощения. Чтобы изготовить работоспособные ИОС, эффективные энергии запрещенных зон для поглощения и излучения необходимо так разнести по различным элементам схемы, чтобы

_{g волновода} > Е_{g излучателя} > E_{g детектора}.

Эпитаксиальное выращивание трех- или четырехкомпонентных материалов предоставляет удобные средства для получения таких необходимых изменений в энергии запрещенной зоны, а также в изменении показателя преломления. В общем случае изменения величины запрещенной зоны на десятые доли электронвольта можно достичь путем изменения атомного состава выращиваемого слоя только на 10%. При этом имеют место соответствующие изменения показателя преломления. При тщательной разработке можно изготовить волноводы, которые обладают малыми оптическими потерями на длине волны излучения наряду с эффективным детектированием.

Эпитаксия - ориентированное наращивание, в результате которого образуется новая фаза, закономерно продолжающая кристаллическую решетку подложки.

По агрегатному состоянию исходной фазы все эпитаксиальные процессы делятся на четыре типа:

газофазная (парофазная) эпитаксия;

жидкофазная эпитаксия;

эпитаксия в системе пар - жидкость - кристалл;

Наибольшее распространение получили газофазная и жидкофазная эпитаксии.

.2.1 Газофазная эпитаксия, хлоридный метод

При эпитаксии кремния широко применяют восстановление его тетрахлорида водородом:

₄ + 2Н₂ = Si + 4HC1

Процесс эпитаксиального роста можно рассматривать как гетерогенную реакцию, состоящую из следующих стадий:

переноса реагирующих веществ через газовую фазу к поверхности исходной подложки и их адсорбции;

реакции или серии реакций на поверхности;

присоединения атомов кремния, образующихся в результате реакций, к ступенькам роста на поверхности;

десорбции, переноса газообразных продуктов реакции к основному потоку газа и удаления.

Процесс эпитаксиального наращивания выполняют на специальных установках (рисунок 7), имеющих системы подачи, очистки и осушки газов (присутствие посторонних примесей и влаги в газах недопустимо). Основным элементом рабочей камеры 2 является кварцевая труба, в которую на подставке 5 с наклонной по отношению к потоку газов плоскостью, помещают монокристаллические подложки 4 из кремния и нагревают их с помощью индуктора 3 до 1200-1275 °С.

Предварительно камеру продувают аргоном, который вытесняет из системы воздух, так как при соединении его с водородом при нагревании образуется взрывоопасная смесь. Как и другие газы, аргон подают по отдельной магистрали, оснащенной вентилем, приборами для измерения давления (манометр) и расхода газа (ротаметр), а также клапаном с электромагнитным управлением.

Рисунок 7 - Установка эпитаксиального наращивания: 1 - вентили, 2 - рабочая камера, 3 - индуктор, 4 - кремниевая подложка, 5 - подставка, 6, 8 - источники легирующей примеси и тетрахлорида кремния, 7 - нагреватель

После продувки системы аргоном подложки обрабатывают 5-20 мин при 1200-1290 °С в потоке водорода. При этом всегда имеющийся на их поверхности диоксид кремния восстанавливается до кремния по следующей реакции:

₂ +2H₂ =Si+2H₂O

Затем в поток водорода добавляют 1-5 % сухого хлористого водорода НС1 и при той же температуре за 5-10 мин стравливают образовавшийся в результате механических операций нарушенный слой:

+ 4НС1 = SiCl₄ + 2Н₂.

Закончив травление в хлористом водороде, прекращают его подачу, продувают систему водородом и начинают пропускать водород через основной 8 и легирующий 6 источники. Если необходимо получить эпитаксиальный слой n-типа, используют жидкие (РС1₃, РВг₃) или газообразные (РН₃) легирующие вещества, содержащие фосфор или другие элементы этой группы. Слой р-типа получают легированием кремния, например бором, из его соединений, находящихся в жидком (ВВг₃) или газообразном (В₂Н₆) состоянии.

В результате реакции восстановления из тетрахлорида кремния SiCl₄ выделяется кремний, идущий на "строительство" эпитаксиальной пленки. Легирование этой пленки происходит в результате одной из следующих реакций:

РС1₃ + 3Н₂ = 2Р + 6НС1

РН₃ = 2Р + 3Н₂

или

ВВr₃ + ЗН₂ = 2В + 6НВг

В₂Н₆ = 2В + 3Н₂

Необходимо отметить, что реакция восстановления тетрахлорида кремния водородом аналогична реакция травления кремния хлористым водородом, но происходит в обратном направлении. Это закономерно, так как протеканию реакции в определенном направлении способствует изменение не только температуры процесса (в данном случае она одинакова), но и концентрации реагирующих веществ. Избыток НС1 приводит к травлению кремния, а недостаток НС1 и избыток Н₂ - к эпитаксиальному наращиванию.

Таким образом, направление и полнота протекания основной реакции, а также скорость образования эпитаксиальной пленки зависят от соотношения SiCl₄:H₂ (рисунок 8).

Максимальную скорость наращивания при температуре 1170 °С получают, когда молярная концентрация SiCl₄ равна 0,1 г/л. Дальнейшее увеличение концентрации SiCl₄ до 0,28-0,3 г/л приводит к относительному уменьшению количества водорода, избытку HСl, травлению им кремния и соответственно снижению скорости эпитаксиального наращивания. Обычно концентрация еще меньше и составляет 0,02 г/л, что позволяет создать условия формирования слоя, близкие к равновесным, и получить бездефектную кристаллическую решетку.

Рисунок 8 - Зависимость скорости эпитаксиального наращивания от соотношения SiCl₄:H₂ при 1700 °С

Условия, при которых скорость выделения атомов кремния в результате реакции равна скорости их встраивания в кристаллическую решетку, называют равновесными.

Скорость роста эпитаксиального слоя зависит также от температуры и при 1100, 1200 и 1270 °С ее оптимальные значения соответственно составляют 0,1; 1,0 и 5,0 мкм/мин. Кристаллографическая ориентация также влияет на скорость наращивания. Так, в направлении [100] слои растут медленнее, чем в направлении [110].

Недостаток автолегирования - проникновение примесей через газовую фазу в растущий эпитаксиальный слой с обратной стороны подложек или их боковых поверхностей. Это явление в значительной степени зависит от температуры.

Для снижения температуры эпитаксию можно проводить, восстанавливая тетрабромид кремния в водороде при 1050 °С:

₄ + 2Н₂ = Si + 4НВr

или разлагая силан при 950-1050 °С:

₄ = Si + 2Н₂

Существуют и другие реакции, используемые при эпитаксии. В зависимости от типа реакции и различных технологических факторов скорость получения высококачественных эпитаксиальных слоев составляет от 0,2 до 3 мкм/ч [15-17].

.2.2 Жидкофазная эпитаксия

При жидкофазной эпитаксии атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора. При этом подложки покрывают насыщенным полупроводниковым материалом (расплавом), а затем охлаждают. При уменьшении температуры растворимость полупроводникового материала в расплаве (обычно в легкоплавком металле) понижается, и избыточное количество полупроводника оседает на подложке. Применительно к Si и Ge этот метод не нашел широкого применения из-за отсутствия легкоплавких металлов, способных растворять полупроводниковые материалы в больших концентрациях, не загрязняя их эпитаксиальные слои. Наиболее благоприятны для жидкофазной эпитаксии соединения типа А^IIIB^V (например, Al, Ga, In с P, Sb, As), а также твердые растворы на их основе.

Жидкофазной эпитаксией можно получать слои полупроводников большой площади, толщиной от долей микрометра до сотен микрометров, легировать с заданным распределением примеси по толщине, изготавливать многослойные структуры.

Метод жидкофазной эпитаксии широко применяется при изготовлении оптоэлектронных и СВЧ-устройств, люминисцентных и фотоэлектрических приборов.

Жидкофазную эпитаксию выполняют, например, на установках с поворотным реактором (рисунок 9), при наклоне которого расплав покрывает подложку, или с многокамерным горизонтальным реактором, предназначенным для наращивания различных слоев последовательным созданием контакта с разными расплавами.

Рисунок 9 - Схема установки эпитаксии с поворотным реактором: 1 - кварцевый реактор; 2 - электропечь сопротивления; 3 - графитовая лодочка; 4 - вещество-источник (подпитка раствора); 5 - лигатура; 6 - растворитель (галлий); 7 - подложка

Температурно-временной режим жидкостной эпитаксии представлен на рисунке 10. Скорость охлаждения раствора составляет обычно 1 - 10 К/мин.

Рисунок 10 - Температурно-временной режим жидкостной эпитаксии: I - область насыщения раствора; II - область кристаллизации; 1 -контакт подложки с расплавом; 2 - удаление расплава с подложки

Аппаратура для осуществления жидкофазной эпитаксии может быть разной. Две схемы, предназначенные для получения многослойных структур и используемые при групповой технологии, показаны на рисунке 11.

Возможно проведение процесса жидкостной эпитаксии и в замкнутой системе (ампуле). В качестве материала контейнера используют плотные сорта графита, кварц, сапфир, нитрид бора. Толщина эпитаксиального слоя определяется начальной температурой эпитаксии Ттах, интервалом и скоростью охлаждения, а также соотношением объема расплава и площади поверхности подложки, находящейся в контакте с расплавом.

Рисунок 11 - Схемы осуществления жидкофазной эпитаксии для получения многослойных структур (а) и при групповой технологии (б): I - 1V расплавы-растворы различного состава; 1 - реактор; 2 - нагреватель; 3 - корпус кассеты; 4 - подложка; 5 - раствор-расплав; 6 перегородка для удаления оксида с поверхности расплава; 7 - тяга; 8 -пьедестал; 9 - груз; 10 - поршень

В реальных условиях при наличии в растворе примесей или в случае гетероэпитаксии насыщенный раствор и подложка оказываются в неравновесном состоянии. Вследствие обмена между ними состав поверхностного слоя твердой фазы меняется до наступления квазиравновесия, отличающегося от равновесия наличием градиента состава в эпислое на границе раздела слой - расплав (раствор).

Свойства эпитаксиальных слоев зависят и от выбора растворителя. Растворители должны обладать по возможности большей криоскопической константой, обеспечивающей значительное снижение температуры кристаллизации растворенного вещества при его высокой растворимости (это, в конечном счете, определяет количество вещества, которое может быть осаждено из раствора); низким давлением пара при температурах эпитаксии; малой растворимостью компонентов в твердой фазе эпитаксиального слоя; оказывать незначительное влияние на оптические и электрофизические свойства слоя; быть химически инертными по отношению к материалу контейнера и не смачивать его материал раствором-расплавом в диапазоне температур эпитаксии.

Для эпитаксии соединений A^IIIB^V наиболее полно этим требованиям отвечает галлий (T_плавл=29,78 °С, Т_кип=2205°С) или растворы на его основе.

Легирование эпитаксиальных слоев осуществляют либо непосредственным введением примесей в расплав, либо за счет взаимодействия расплава с газовой фазой при определенном парциальном давлении пара лигатуры. Например, высокой эффективностью излучения в ИК-области обладают эпитаксиальные р-n-переходы на основе арсенида галлия, легированного кремнием, который является амфотерной примесью для этого материала.

При высоких температурах, когда давление пара As велико, кремний вытесняется в галлиевую подрешетку и является донором. При пониженных температурах кремний в основном занимает вакантные места в подрешетке мышьяка, создавая акцепторные уровни. Инверсия типа электропроводности наблюдается при температуре ~ 900 °С. Это позволяет создавать р-n-переход в едином технологическом цикле, изменяя только температуру процесса.

Так, для получения твердого раствора Ga_0,7Al_0,3As (с прямой структурой переходов), широко используемого в светоизлучающих структурах, необходимо, чтобы в расплаве соотношение объемов было Ga:Al = 500:1. Это обусловливает выбор эпитаксии в жидкой фазе как единственного технически и экономически целесообразного метода эпитаксии этого твердого раствора. Кроме того, в методе жидкостной эпитаксии облегчена утилизация дефицитного галлия, который используют в большом избытке при получении твердых растворов в этой системе. Жидкостную эпитаксию наряду с газовой успешно применяют также для эпитаксиального синтеза твердых растворов Ga_xIn_1-xP на подложках из GaAs.

2. Изготовление планарных волноводов в подложках

.1 Твердотельная диффузия

Твердотельная диффузия (диффузия из тонких металлических или окисных пленок), как способ изготовления интегрально-оптических волноводов, нашла широкое применение в интегральной оптике.

Сущность метода твердотельной диффузии заключается в том, что на предварительно хорошо очищенную подложку наносится тонкий слой металла или его окисла. Затем подложка нагревается до температуры, близкой к температуре плавления или размягчения и выдерживается при этой температуре определенное время. В результате атомы напыленного материала диффундируют в подложку, изменяя ее показатель преломления. Для создания волноводного слоя необходимо использовать диффузанты, приводящие к увеличению показателя преломления подложки. Изменение показателя преломления волноводов пропорционально концентрации диффузанта, которая в свою очередь может быть определена из решения уравнения диффузии.

Математическое описание диффузионных процессов было сделано в 1855 г. немецким ученым А. Фиком в виде двух законов, основанных на уравнениях теплопроводности.

Уравнение, характеризующее скорость диффузии атомов одного вещества в другое при постоянном во времени потоке этих атомов и градиенте их концентрации, носит название первого закона Фика.

, (1)

где - вектор плотности потока атомов вещества; D - коэффициент пропорциональности, или коэффициент диффузии; - вектор градиента концентрации диффундирующих атомов.

Коэффициент диффузии D определяет плотность потока атомов диффундирующего вещества при заданном градиенте концентрации. Так как диффузионный поток атомов вещества идет в направлении выравнивания перепада концентрации, то коэффициент диффузии D является мерой скорости, с которой система способна при заданных условиях выравнять разность концентраций, и имеет размерность (см²/с). Эта скорость зависит только от подвижности диффундирующих атомов в матрице подложки. Коэффициент диффузии существенно зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше энергия диффундирующих атомов и их скорость в кристаллической решетке подложки. Эта зависимость выражается уравнением Аррениуса

, (2)

где D₀ - постоянная, имеющая размерность (см²/с) и зависящая от структуры стекла, размеров и валентности диффундирующих ионов и других параметров, определяющих процесс диффузии, т.е. кажущийся коэффициент диффузии при Т® ¥, который не зависит от температуры и определяется экспериментально в каждом конкретном случае; DЕ - энергия активации, т.е. энергия, необходимая атому для диффузии; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Градиент концентрации ÑС при объемной диффузии имеет три составляющих по координатным осям. Однако если глубина диффузии значительно меньше поперечных размеров площади, через которую она происходит, то мы вправе рассматривать процесс диффузии как одномерный, т.е. направленный нормально к поверхности подложки. При этом первый закон Фика примет вид

. (3)

Из закона сохранения массы следует, что изменение во времени C(x, t) равно отрицательному приращению потока J.

, (4)

откуда следует второй закон Фика

. (5)

Второй закон Фика определяет скорость изменения концентрации диффундирующих атомов в любой плоскости, перпендикулярной направлению диффузии. В случае, если С мало, а D является постоянной величиной, второй закон Фика принимает вид

Это уравнение имеет несколько решений в зависимости от граничных условий. На практике чаще всего рассматриваются два случая диффузии: диффузия из ограниченного источника и диффузия из неограниченного источника внедряемых атомов [18].

При проведении диффузии из ограниченного источника, что наблюдается при твердотельной диффузии из тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность подложки, поверхностная концентрация диффузанта меняется с течением времени. При этом начальные условия таковы:

 при 0 £ x < d

 при x > d. (7)

С учетом этих начальных условий решение уравнения второго закона Фика имеет вид

, (8)

где Q - общее количество внедренных в подложку атомов в любой момент времени.

Это уравнение представляет собой функцию распределения (закон) Гаусса и показывает распределение концентрации диффузанта в зависимости от глубины и времени (рисунок 12).

Рисунок 12 - Распределение концентрации диффузанта по глубине при проведении диффузии из ограниченного источника

Функция распределения n(x) для случая малых толщин напыляемых пленок d₀ описывается решением уравнения

. (9)

Толщина диффузионного слоя определяется из уравнения

. (10)

В качестве подложек в процессе изготовления волноводов диффузией свинца и серебра в стекла используются хорошо отполированные оптические стекла К8, стекло от фотопластин, БК, ЛФ и т. д.

Тонкие пленки свинца (25-60 нм) наносятся методом термического напыления на поверхность стеклянной пластины. Затем стеклянная пластина помещается в печь, где прогревается до 500 °С. При этой температуре пленка свинца окисляется на воздухе.

Поскольку скорость диффузии окиси свинца в стекле очень мала, то время диффузии составляет в стекле К8 обычно 100-250 часов, при этом Dn ≈ 0, 14-0,05 , а толщина h ≈ 0,5-4 мкм, потери в волноводе лежат в пределах 10-0,7 дБ/см. Потери в волноводах при небольших временах диффузии обусловлены наличием окисной пленки свинца на поверхности подложки, и рассеянию света в ней. Если время диффузии таково, что пленка окиси свинца полностью продиффундировала в подложку, потери становятся незначительными.

Применение тонкой пленки серебра, в качестве источника ионов при твердотельной диффузии позволяет получать волноводы с Dn ≈ 0,08-0,01, толщиной h ≈ 2-20 мкм, с потерями 5-1 дБ/см. При применении в качестве диффузанта серебра, потери в волноводах обусловлены в основном появлением коллоидной окраски, и изготовить волноводы с потерями менее 1 дБ/см довольно трудно. Температура подложки лежит в пределах 450-500 °С. Время изготовления - от нескольких минут до нескольких часов.

Твердотельной диффузией титана в подложки LiNbO₃ можно изготовить волноводы с Dn ≈ 0,01-0,004, толщиной h ≈ 3-10 мкм и потерями - 0,5 - 0,2 дБ/см. Процесс происходит при температуре 900-1000 °С.

2.2 Ионный обмен

Один из наиболее простых методов изготовления планарных градиентных волноводов в стеклах - диффузия из расплава соли или ионный обмен. При погружении стеклянной пластины в ванну, содержащую расплав соли М⁺А⁻, происходит ионный обмен между ионами металла М⁺ соли и некоторыми наиболее подвижными ионами стекла. Как правило, такими ионами являются ионы Li⁺, Na⁺, K⁺. Поэтому волноводы при помощи ионного обмена формируются в стеклах, имеющих в своем составе Na₂O, K₂O или Li₂O. В обменном процессе принимает участие не менее 60 %, а иногда и более 90 % ионов Na⁺, входящих в состав натрийсиликатных стекол. Как только ионы М⁺ проникают из расплава соли М⁺А⁻ в поверхностный слой стекла, они начинают углубляться, меняясь местами с ионами Na⁺ стекла.

Данный вид диффузии (диффузии из неограниченного источника) имеет место в том случае, если стеклянная подложка приводится в соприкосновение с расплавом соли, содержащим диффундирующие ионы, и при этом наиболее подвижные ионы стекла обмениваются на ионы расплава (ионный обмен).

Под неограниченным (постоянным) источником понимают такое состояние системы, когда количество атомов, уходящих из приповерхностного слоя подложки в ее объем, равно количеству атомов, поступающих в приповерхностный слой. Таким является источник с бесконечно большим содержанием атомов, которые в нем имеют существенно более высокие скорости, чем в подложке. Начальное и граничное условия в этом случае записываются следующим образом:

C(x, t) = 0 при x > 0, t = 0,

C(0, t) = C_s при x = 0, t ³ 0, (11)

C(¥, t) = 0 при x ® ¥, t ³ 0,

где x - расстояние, измеряемое вглубь от поверхности подложки; x = 0 - координата поверхности, через которую происходит диффузия; C_s - приповерхностная концентрация диффундирующих атомов, поддерживаемая постоянной в течение всего процесса; C(x, t) - концентрация атомов на любой глубине подложки и в любое время; t - время диффузии.

При этих условиях решение уравнения второго закона Фика имеет вид

, (12)

где l - переменная интегрирования.

Второй член в квадратных скобках представляет собой выражение функции ошибок, поэтому последнее уравнение можно записать следующим образом:

, (13)

, (14)

где erfc - символ, означающий дополнение функции ошибок до единицы.

Эта формула описывает распределение концентрации диффузанта в подложке в зависимости от глубины проникновения и времени процесса в случае, если диффузия проводится из неограниченного источника. Графическое представление этого распределения приведено на рисунке 13.

Максимальное значение приповерхностной концентрации C_s ограничивается предельной концентрацией наиболее подвижных ионов стекла, участвующих в процессе ионного обмена (Li⁺, Na⁺, K⁺), в случае проведения диффузии из неограниченного источника, т.е. из расплава соли. Если же диффузия проводится из металлической пленки, то C_s будет ограничиваться пределом растворимости диффундирующих ионов в матрице стекла. Поскольку химический состав в приповерхностном слое стекла изменяется в процессе ионного обмена, то и показатель преломления стекла в этом месте также претерпевает изменение Dc ~ Dn [18].

Рисунок 13 - Распределение концентрации диффузанта по глубине при проведении диффузии из неограниченного источника

.3 Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов

Ионный обмен дает возможность ввести в матрицу стекла различные ионы, однако для целей интегральной оптики используются лишь некоторые из них, а именно: Ag⁺, K⁺, Li⁺, Cs⁺, Rb⁺, Tl⁺. Являясь одновалентными ионами, они легко проникают в стекло, обмениваясь с ионами Na⁺, и могут быть использованы при изготовлении интегрально-оптических волноводов в натриевосиликаных стеклах.

Применяемые в процессе ионного обмена соли M⁺A⁻, как правило, являются нитратами (AgNO₃, KNO₃, LiNO₃, CsNO₃, RbNO₃, TlNO₃). Нитраты солей имеют низкую температуру плавления, а их высокие окислительные свойства способствуют дополнительной очистке стеклянных подложек в процессе ионного обмена.

В зависимости от типа стекла и вида обменных ионов величина Dn может меняться в пределах от 0,001 до 0,22. Глубина проникновения ионов может составлять величину от долей микрометра до 200 и более микрометров.

Величину изменения показателя преломления можно варьировать в широких пределах путем применения ионного обмена смеси солей M⁺A⁻ и соли натрия (NaNO₃).

Широкое использование стекол от фотопластин, различного рода покровных и предметных стекол для микроскопов, как правило, диктуется не только высоким содержанием окиси натрия в их составе (N₂O » 14 %), но и хорошей полировкой поверхности, получаемой в процессе изготовления стекла, а также их доступностью.

Единственным, но, пожалуй, существенным недостатком, которым обладают волноводы, сформированные ионным обменом в расплавах AgNO₃ и AgNO₃ + NaNO₃, является коллоидная окраска, неизбежно возникающая в процессе диффузии и восстановления ионов Ag⁺ в стекле. Полностью избавиться от коллоидной окраски не удается, её можно только уменьшить, снизив концентрацию ионов Ag⁺ в смеси расплавов AgNO₃ + NaNO₃, либо температуру ионообменного процесса. Волноводы, изготовленные ионным обменом в расплавах AgNO₃ и AgNO₃ + NaNO₃, имеют большое затухание света (более 1 дБ/см), низкие пороги оптического пробоя, низкую термо- и фотохимическую устойчивость.

Наряду с AgNO₃ при изготовлении волноводов ионным обменом широко применяется KNO₃. Волноводы, формируемые ионным обменом Na⁺ « K⁺, не обладают коллоидной окраской и имеют очень малые потери (< 1 дБ/см). Однако изменение показателя преломления у таких волноводов Dn = 0,008-0,01, что бывает не всегда достаточно при изготовлении волноводных структур с малыми радиусами закругления. Излучение, распространяющееся в таких волноводах, переизлучается в подложку, обусловливая тем самым большие оптические потери на поворотах и изгибах.

Волноводы с высоким значением Dn, свободные от коллоидной окраски, могут быть получены в процессе ионного обмена Tl⁺ « Na⁺. Поскольку радиус иона Tl⁺ значительно больше замещаемого иона Na⁺, скорость диффузии его невысока. Время ионного обмена достигает нескольких часов при температуре 400-510 °С. Значения изменения показателя преломления сформированных волноводов достигают Dn = 0,1-0,15. Однако из-за высокой токсичности солей таллия формирование волноводов ионным обменом из расплава не получило широкого применения [14].

Применение Cs⁺ в качестве иона-диффузанта также позволяет получать волноводы с большим изменением показателя преломления (до 0,04). Поскольку подвижность Cs⁺ в стеклах низка, то получение волноводов большой толщины затруднено. Для цезиевых и таллиевых волноводов характерна форма профиля показателя преломления близкая к ступенчатой.

Поскольку спектральная характеристика оптического волновода во многом будет определяться спектральной характеристикой стекла, выбранного в качестве подложки, то формирование качественных волноводов с широким спектром пропускания лучше проводить на оптических бесцветных стеклах, отличающихся высокой прозрачностью, оптической однородностью, бессвильностью и радиационной стойкостью.

Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов ионным обменом и твердотельной диффузией в стеклянных подложках, представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов в стеклянных подложках

3. Методы изготовления канальных волноводов в стеклах

.1 Основные типы канальных интегрально-оптических волноводов

Канальные (полосковые или трехмерные) волноводы осуществляют ограничения области распространения света как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Высокая степень локализации полей направляемых мод в поперечном сечении позволяет уменьшить размер таких устройств, как полупроводниковые усилители, лазеры, модуляторы и переключатели сигналов. Использование канальных волноводов позволяет увеличить плотность каналов оптических межсоединений, цепей и, в конечном счете, сэкономить используемое пространство подложки, снизить расход потребляемой энергии активных элементов и увеличить к.п.д. микрооптических приборов и устройств.

Трехмерные канальные оптические волноводы в отличие от волноводов планарной геометрии существенно расширяют область применения в оптоэлектронике. Реализованы и исследованы базовые конструкции оптических волноводов, направленных ответвителей, модуляторов и переключателей перестраиваемых фильтров, волноводных арифметических и логических устройств, полосковых полупроводниковых лазеров со сложной геометрией резонатора и целый ряд других элементов и устройств, обеспечивающих качественно новые возможности при разработке и создании многофункциональных оптических интегральных схем [19].

Для всех типов волноводов оптическое излучение локализовано в области с показателем преломления n₁, большим по сравнению с показателями преломления подложки n₀ и прилегающих к волноводу сред n₂. Распределение показателя преломления по сечению трехмерного волновода может быть представлено в виде

n₁ ( x,y ) = n₀ + Dn f(x/d_x) g(y/d_y), (15)

где Dn = n₁-n_о - максимальное приращение показателя преломления волноводного слоя, причем Dn << n₀; f(х/d_х), g(у/d_у) - функции профиля распределения показателя преломления оптического волновода по координатам Х и У соответственно; f(0) = 1, f(¥) =0; g(0) £ 1, g( ± ¥ ) = 0; d_x и d_y - параметры профиля показателя преломления оптического волновода вдоль координат Х и У соответственно, определяющие глубину h и ширину W градиентного трехмерного оптического волновода. Причем во всех случаях полагается, что n₀ ³ n₂,.

Типовыми профилями распределения легирующей примеси в пространстве подложки являются следующие:

- гауссов f(u) = eхp(-u );

- дополнительная функция ошибок f(u) = erfc(u);

параболический f(u) = 1 - u²;

линейный f(u) = 1- u;

ступенчатый f(u) = 1;

экспоненциальный f(u) = eхp(-u),

где u = Х/D - глубина волновода в нормированных единицах; Х - глубина диффузии, D - эффективная глубина диффузии.

В канальном волноводе гребенчатого типа (рисунок 14 а) из-за значительной разности показателя преломления n₁ и n₂ в поперечном направлении, как правило, реализуется многомодовый режим распространения оптического излучения. Поле волноводных мод локализовано главным образом в волноводном канале, имеющем в идеальном случае поперечное сечение правильной прямоугольной формы, и практически не проникает в среду с показателем преломления n2 (обычно это воздух). В реальном оптическом волноводе светопередающий канал может иметь более сложный профиль поперечного сечения.

Погруженные волноводы (рисунок 14 б), включая диффузионный канальный оптический волновод, по своим свойствам занимают промежуточное место между гребенчатыми и полосковыми волноводами.

Число распространяющихся мод в таких оптических волноводах зависит от поперечных размеров светового канала и разности показателей преломления материальных сред, образующих волновод.

а

б

Рисунок 14 - а - канальные волноводы гребенчатого типа, сформированные на подложке; б - погруженные и диффузионные канальные волноводы, сформированные в подложке

Типичным примером диффузионного канального оптического волновода является волновод, получаемый методом высокотемпературной диффузии титана в подложку ниобата лития (Ti : LiNbO3) [19].

Канальные волноводы гребенчатого типа обычно получают удалением ненужного материала соответствующего планарного оптического волновода с помощью химического, высокочастотного, ионно-лучевого или плазмохимического травления через защитную маску. При такой обработке рельеф поверхности защитной маски переносится на волноводный слой.

Наиболее контролируемыми способами удаления лишних участков планарного оптического волновода являются плазмохимическое, ионное травление и полировка (механическая микрообработка). Химическое травление является менее контролируемым процессом, чем ионно-плазменная обработка или высокочастотное травление, но оно позволяет получать различные мезаструктуры со строго определенными профилями каналов с помощью избирательного анизотропного травления целого ряда монокристаллических материалов, например арсенида галлия (GaAs) и кремния (Si).

Методы электронно-лучевой обработки обеспечивают изготовление волноводных структур с шероховатостью кромок менее 50 нм (практически недостижимой для обычной фотолитографии) и весьма перспективны с точки зрения достижения высокой технологичности процесса изготовления как отдельных элементов, так и оптических интегральных схем в целом.

Один из методов изготовления канальных волноводов в стеклянных подложках ионным обменом из расплава соли представлен в работе [20].

Типичная последовательность получения системы полос в маске на стеклянной подложке приведена на рисунке 15.

Стеклянная подложка, используемая для формирования канальных волноводов, тщательно обезжиривается путем протирки её поверхности ватным тампоном, смоченным в ацетоне марки «ОСЧ». Эта технологическая операция является необходимым условием для получения хорошей адгезии маскирующего слоя с рабочей поверхностью стеклянной пластинки. На очищенную поверхность подложки укладываются оптические волокна (без полимерного защитного слоя) заданного диаметра (рисунок 15, а) в количестве 3-4 шт. на расстоянии Н друг от друга.

Волокна рекомендуется располагать параллельно одному из ребер пластинки, что облегчит в дальнейшем возможность осуществления визуального контроля за распространением оптического излучения в канальных волноводах и исследования их параметров.

Подготовленная таким образом стеклянная подложка помещается в вакуумную камеру установки «Альфа-Н1», где термическим напылением производится нанесение алюминиевого маскирующего слоя на поверхность с уложенными оптическими волокнами (рисунок 15, б). После напыления алюминиевой пленки толщиной 0,5-1 мкм оптические волокна удаляются с поверхности стеклянной подложки. В итоге стеклянная подложка оказывается покрытой алюминиевым маскирующим слоем со сформированными в нем полосами шириной W (рисунок 15, в).

Рисунок 15 - Последовательность получения системы полос в маске на стеклянной подложке: а - топология укладки оптических волокон на поверхности стеклянной подложки; б - металлизация рабочей поверхности подложки алюминием; в - поперечное сечение маскирующего слоя на поверхности подложки

Поскольку большая часть рабочей поверхности стеклянной подложки оказывается маскированной алюминиевой пленкой, то процесс ионного обмена при заданной температуре будет осуществляться в незащищенных маской участках стеклянной поверхности. Таким образом, в стеклянной подложке будут сформированы каналы с повышенным показателем преломления, по которым может распространяться оптическое излучение.

Конечно, таким методом можно создавать только прямые канальные волноводы в стеклянных подложках. Получение более сложных волноводных структур, например разветвителей, возможно только при использовании литографических процессов.

.2 Изготовление канальных волноводов в стекле от фотопластин

В качестве подложки при изготовлении интегрально-оптических канальных волноводов применялось стекло от фотопластин, оно представляет собой натриевосиликатное многокомпонентное стекло, в состав которого входит: 72-73 % SiO2; 1,5-2 % Al2O3; 0,08-0,1 % Fe2O3; 7-9 % CaO; 3-4 % MgO; 0,5-1 % K2O и 14-15 % Na2O.

Незначительные загрязнения поверхности подложки приводят к снижению качества напыляемого маскирующего слоя и ухудшению качества формируемых волноводов, поэтому к качеству очистки подложки предъявляются высокие требования.

Процесс изготовления интегрально-оптических канальных волноводов в стекле предусматривает проведение следующих технологических операций: нанесение металлического маскирующего слоя на поверхность стеклянной подложки, создание в нем с помощью фотолитографии каналов определенной ширины, проведение ионного обмена в расплаве соли и полировка торцов стеклянной подложки.

Маскирующее покрытие в виде тонкого слоя алюминия наносилось термическим вакуумным напылением на установке «АЛЬФА-Н1». Внешний вид подколпачного устройства вакуумной установки представлен на рис. 16.

Рисунок 16 - Внешний вид подколпачного устройства вакуумной установки «АЛЬФА-Н1»

Для нанесения маскирующего алюминиевого слоя стеклянная подложка 1 помещалась в вакуумную камеру 2 установки «АЛЬФА-Н1» напротив испарителя 3, представлявшего собой спираль из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм, на расстоянии 6 см. В вольфрамовую спираль помещался кусочек алюминия, а спираль нагревалась электрическим током до температуры испарения алюминия (900-1000°С). При этом алюминий испарялся и конденсировался в виде тонкой металлической пленки на поверхности стеклянной подложки 1. Толщина напыленного слоя алюминия была примерно 0,6-0,8 мкм. Высоковольтный электрод 4 необходим для получения тлеющего разряда в остаточном воздухе под колпаком вакуумной установки. В тлеющем разряде проводится финишная очистка подложки от таких загрязнений, как адсорбированные молекулы воздуха, влаги, ацетона и т. д.

Для создания каналов в маскирующем слое алюминия применялась фотолитография. Для этого на напыленный слой алюминия, методом центрифугирования, наносился слой позитивного фоторезиста ФП-383. Скорость вращения центрифуги составляла 4000 об/мин. Затем производилась сушка фоторезиста при температуре 90ºС в течение 15 минут.

После просушивания фоторезист экспонировался ультрафиолетовым излучением с помощью ртутно-кварцевой лампы ДРШ-250 в течение 120 секунд через фотошаблон, представлявший собой стеклянную пластинку с нанесенным слоем хрома в котором созданы каналы шириной 2 мкм.

Проявление фоторезиста, а также травление алюминиевого слоя, проводилось в 0,3% растворе КОН. После этого образец промывался в дистиллированной воде для удаления остатков проявляющего раствора. Удаление остатков фоторезиста проводилось промывкой образца в ацетоне.

Применяемое в работе стекло от фотопластин содержит 14% окиси натрия, что предопределяет его широкое использование для создания волноводов и волноводных структур методом ионного обмена. Ионный обмен проводился в расплаве соли KNO₃. Для этого соль KNO₃ засыпалась в кварцевый стакан, который помещался в специальную печь, где проводилось ее нагревание до температуры 380 °С. Для плавления KNO₃ и поддержания постоянной температуры во время всего процесса создания разветвителя использовалась печь с устройством терморегулирования, изготовленным на базе термоконтроллера (серии DT_x) и твердотельного реле (HD4044ZD3), рассчитанного на напряжение до 410 В и ток до 40 А.

Блок-схема печи представлена на рисунке 17.

Кварцевый стакан с солью KNO₃ помещается в цилиндрический нагреватель печи. Термоконтроллером устанавливается рабочая температура (380°С). При температуре t_пл=334 °С соль KNO₃ переходит в жидкое состояние. Температура разложения KNO₃ ~ 400 °С. В этот расплав и погружался образец с сформированным на нем маскирующим алюминиевым слоем.

Время ионного обмена составило 120 минут. При проведении ионного обмена ионы Na⁺ в стеклянной подложке замещаются ионами K⁺ из расплава соли KNO₃ в местах не защищенных маскирующим слоем. В результате ионного обмена Na⁺ ↔ K⁺ происходит изменение химического состава стекла в областях не закрытых маскирующим слоем алюминия, приводящее к увеличению показателя преломления.

Рисунок 17 - Блок-схема печи для проведения ионного обмена: 1 - стеклянная подложка; 2 - расплав соли KNO₃; 3 - кварцевый стакан; 4 - цилиндрический нагреватель печи; 5 - термоизоляционный слой; 6 - хромель-алюмелевая термопара; 7 - термоконтроллер с твердотельным реле

По окончании ионного обмена стеклянная подложка вынималась из расплава, охлаждалась и промывалась в проточной воде для удаления остатков соли KNO₃. Процесс изготовления интегрально-оптических канальных волноводов в стекле заканчивался удалением маскирующего алюминиевого слоя, которое осуществлялось травлением подложки в 30% растворе KOH.

На рисунке 18 представлена фотография внешнего вида печи для проведения ионного обмена.

Для измерения геометрических размеров полученных канальных волноводов необходимо ввести оптическое излучение в волновод и вывести свет из него. Наиболее эффективно можно ввести свет в канальный волновод, сфокусировав его на торце самого волновода. Обрезка торцов канальных волноводов проводилась при помощи алмазного стеклореза. При этом на противоположной стороне стеклянной подложки проводился надрез алмазным стеклорезом перпендикулярно к канальным волноводам, и осуществлялось скалывание.

Рисунок 18 - Фотография внешнего вида печи для проведения ионного обмена: 1- цилиндрический нагреватель печи; 2- термоконтроллер

После этого можно было наблюдать под микроскопом оптическое излучение, выходящее из торца канального волновода. На рисунке 19 показан внешний вид торца интегрально-оптического волновода, наблюдаемого под микроскопом.

Рисунок 19 - Внешний вид торца интегрально-оптического волновода, наблюдаемого под микроскопом

Измерение геометрических размеров изготовленных интегрально-оптических канальных волноводов проводилось с использованием микроскопа «ERGAWAL» и микрометра оптического винтового «МОВ1-15^´».

Как показали исследования, проведенные под микроскопом, ширина канала интегрально-оптического волновода составила 11 мкм, а глубина - 8 мкм.

волновод ионный диффузия стекло

4. Изготовление симметричных канальных волноводов в стеклах

Интегрально-оптические симметричные канальные волноводы изготавливались в подложках стекла К8 размером 50×50×2 мм.

Стекло К8 содержит 72% SiO₂, 8,15% В₂O₃, 10,45% К₂О, 7,2% Na₂О, 1,55% CaO, 0,4% MgO, 0,2% As₂O₃. Наличие в его составе наиболее подвижных ионов Na⁺ и К⁺, позволяет использовать его в качестве подложки при получении волноводов и волноводных структур методом ионного обмена и электростимулированной миграции ионов [18].

Изготавливаемые канальные волноводы должны удовлетворять следующим требованиям: иметь форму поперечного сечения близкую к круглой, иметь минимальные потери, обусловленные коллоидной окраской, иметь минимальные потери при стыковке с одномодовыми (на λ=1,5 мкм) световодами.

Исходя из поставленных задач, была выбрана двухэтапная технология изготовления:

на первом этапе методом ионного обмена из расплава соли, содержащей ионы серебра, в стеклянной подложке получались интегрально-оптические волноводы;

на втором этапе проводилось погружение полученных волноводов в стеклянную подложку с целью уменьшения коллоидной окраски и придания волноводам круглой формы поперечного сечения.

Стеклянные подложки подвергались двухступенчатой очистке. Вначале они протирались ватным тампоном, смоченным в ацетоне, а затем, очищались в тлеющем разряде под колпаком вакуумной установки «Альфа-Н1» непосредственно перед нанесением алюминиевого маскирующего покрытия.

По окончании очистки вакуум в камере увеличивался до 10^-5-10^-6 мм. рт. ст. и производилось термическое испарение алюминия.

Технология нанесения маскирующей пленки алюминия такая же, как и в предыдущем случае. Стеклянная подложка помещалась в вакуумную камеру установки «Альфа-Н1» напротив испарителя, представлявшего собой спираль из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм. Расстояние между испарителем и подложкой составляло 10 см. В вольфрамовую спираль помещался кусочек алюминия, а спираль нагревалась электрическим током до температуры испарения алюминия (900-1000 °С). Алюминий испарялся и конденсировался в виде тонкой металлической пленки на поверхности стеклянной подложки.

Таким образом, на одну из сторон стеклянной пластинки наносилось маскирующее покрытие в виде тонкого слоя алюминия толщиной 0,6-1 мкм.

В маскирующем слое алюминия с помощью фотолитографии создавались полоски шириной 2 мкм и длиной 50 мм.

Процесс фотолитографии осуществлялся следующим образом. На напыленный слой алюминия методом центрифугирования наносился тонкий слой позитивного фоторезиста ФП-383. Внешний вид установки нанесения фоторезиста SPIN-1200T представлен на рисунке 20. Скорость вращения центрифуги установки нанесения фоторезиста SPIN-1200T составляла 3000 оборотов в минуту.

Рисунок 20 - Внешний вид установки нанесения фоторезиста SPIN-1200T

После нанесения фоторезист сушился в сушильном шкафу при температуре 90ºС в течение 15 минут.

Экспонирование фоторезиста проводилось на установке совмещения и экспонирования в свете ртутно-кварцевой лампы ДРШ-250 в течение 3 мин.

Проявление фоторезиста и травление маскирующего алюминиевого слоя осуществлялось в 0,3 % растворе KOH.

После того как каналы в маскирующем слое протравливались насквозь, процесс травления прекращался, а стеклянная подложка промывалась от остатков раствора щелочи и сушилась при комнатной температуре. Остатки фоторезиста смывались с поверхности алюминиевой пленки ацетоном.

Подготовленная таким образом стеклянная подложка с маскирующим слоем помещалась в расплав солей AgNO₃ и NaNO₃, взятых в молярном соотношении 1: 200. При контакте стеклянной пластинки с расплавом солей происходил ионный обмен Na⁺↔Ag⁺, при этом ионы натрия диффундировали из стекла в расплав, а на их место из расплава внедрялись ионы серебра, приводящие к увеличению показателя преломления в областях, не защищенных маскирующим слоем. Таким образом, в стеклянной подложке формировались интегрально-оптические канальные волноводы.

Ионный обмен проводился при температуре 380ºС. Время ионного обмена составило - 60 минут.

После окончания ионного обмена алюминиевый маскирующий слой удалялся путем травления в 30% растворе щелочи (КОН). По окончании процесса травления стеклянная подложка промывалась в дистиллированной воде до полного удаления травящего раствора.

Известно, что волноводы, полученные в стеклах методом ионного обмена из расплавов солей, содержащих ионы Ag⁺, являются несимметричными и имеют коллоидную окраску. Причем, чем выше температура процесса, и больше его длительность, тем интенсивнее коллоидная окраска волновода и больше потери в таком волноводе.

Для получения интегрально-оптических волноводов с минимальными потерями и придания им симметричной формы было проведено их заглубление в стеклянную подложку. Заглубление волноводов проводилось при помощи электростимулированной миграции ионов Na⁺ в стеклянную подложку из расплава соли NaNO₃. Для этого на сторону стеклянной пластинки, свободную от канальных волноводов, методом термического напыления на вакуумной установке «Альфа-Н1» наносилась пленка алюминия толщиной 0,8 - 1 мкм, игравшая роль тонкопленочного катода в процессе электростимулированной миграции ионов. Для устранения возможности затекания расплава соли на катод, последний имел размеры меньше, чем стеклянная подложка и напылялся через маску.

Погружение интегрально-оптических волноводов с помощью электростимулированной миграции ионов осуществлялось на установке, принципиальная схема которой приведена на рисунке 21.

Рисунок 21 - Принципиальная схема установки для проведения заглубления интегрально-оптических волноводов в стеклянную подложку

Муфельная печь состоит из двух независимых нагревателей, один из которых представляет собой вольфрамовую спираль, намотанную на кварцевую трубу 1, второй нагреватель 2 имеет плоскую поверхность и осуществляет подвод тепла снизу. Применение двух независимых нагревателей с предварительным подбором их параметров позволяет добиться максимальной стабильности и минимального градиента температуры в области диффузии. Поддержание температуры в заданных пределах достигается с помощью хромель-алюмелевой термопары 3, находящейся в непосредственной близости с расплавом, и терморегулирующего устройства 4. Терморегулирующее устройство выполнено на базе термоконтроллера (серии DT_x) и твердотельного реле (HD4044ZD3). Источником внешнего стимулирующего напряжения служит универсальный источник питания 5 (Б5-50). Контроль величины тока в процессе ЭСМИ осуществлялся миллиамперметром 12.

Устройство, осуществляющее подвод стимулирующего напряжения к образцу и его погружение в расплав, состоит из кварцевой воронки 6, через которую пропущен металлический стержень 7, играющий роль подводящего электрода (катода).

Перемещением подводящего электрода 7 вдоль оси воронки 6 образец приводится в соприкосновение с расплавом соли. Фиксация образца после соприкосновения его с расплавом и обеспечения надежного смачивания осуществляется зажимом 8. Анодом служит алюминиевая лодочка 9.

Рабочий образец 10 со сформированным маскирующим слоем и нанесенным на противоположную сторону тонкопленочным электродом зажимается между катодом и анодом с помощью пружин 11, соединенных с катодом через изоляторы 13 таким образом, что тонкопленочный электрод находится в непосредственном контакте с катодом, а маскирующий слой обращен к лодочке [20].

Внешний вид установки для заглубления интегрально-оптических волноводов в стеклянную подложку представлен на рисунке 22.

Рисунок 22 - Внешний вид установки для заглубления интегрально-оптических волноводов в стеклянную подложку: 1 - терморегулирующее устройство, 2 - нагреватель печи, 3 - устройство погружения образца в расплав, 4 - универсальный источник питания (Б5-50), 5 - милиамперметр

Установка включает терморегулирующее устройство 1, изготовленное на базе термоконтроллера (серии DT_x) и твердотельного реле (HD4044ZD3), рассчитанного на напряжение до 410 В и ток до 40 А, нагреватель печи 2, устройство погружения образца в расплав 3, универсальный источник питания 4 (Б5-50) и миллиамперметр 5 необходимый для измерения электрического тока в процессе электростимулированной миграции ионов.

Стеклянная подложка погружалась в муфельную печь до тех пор, пока поверхность пластинки не смачивалась расплавом соли. Затем от источника питания (Б5-50) к расплаву и катоду прикладывалось постоянное электрическое стимулирующее напряжение 290 В. Температура расплава была 380°С, время протекания процесса 60 минут. Величина электрического тока составила 18 мА.

Под действием электрического тока ионы Ag⁺ мигрируют вглубь подложки, а на их место входят ионы Na⁺ из расплава соли NaNO₃, восстанавливая первоначальную структуру стекла. Таким образом, осуществлялось погружение интегрально-оптического разветвителя в стеклянную подложку.

После окончания процесса погружения интегрально-оптического разветвителя в стеклянную подложку, образец остывал, а тонкопленочный катод стравливался в 30% растворе щелочи.

Для исследования изготовленных интегрально-оптических волноводов необходимо ввести в них оптическое излучение. Наиболее эффективно можно ввести свет в канальный волновод, сфокусировав его на торце волновода. Для этого торцы волноводов должны быть полированными без скосов и сколов. Полировка торцов волноводов проводилась с использованием специального приспособления, позволявшего добиться высокой степени перпендикулярности торцов к плоскости волноводов. После того, как образец был зажат в этом устройстве, он сначала шлифовался, а затем полировался на станке с использованием специальных шлифовальных и полировальных порошков.

Внешний вид торца канального интегрально-оптического заглубленного волновода представлен на рисунке 23.

Из рисунка 23 видно, что торец полученного волновода имеет фактически круглую форму поперечного сечения, кроме того сам волновод оторван от поверхности стекла. Волновод практически не имеет коллоидной окраски, свет, выходящий из его торца, имеет белый цвет, что говорит о том, что в волноводе без особых потерь распространяется весь спектр оптического излучения. Поскольку волновод не имеет потерь, связанных с коллоидной окраской и рассеянием света на поверхности стеклянной подложки, можно предположить, что потери излучения в таком волноводе могут составлять доли дБ на см.

Рисунок 23 - Внешний вид торца канального интегрально-оптического заглубленного волновода

Геометрические размеры выходных торцов интегрально-оптических волноводов измерялись при помощи микроскопа «ERGAWAL» и микрометра оптического винтового «МОВ1-15^´» и составили 11×13 мкм. Глубина погружения волноводов составила 2-3 мкм.

Симметричность полученного волновода определялась двумя способами: по форме выходного излучения из торца канального волновода и путем сканирования распределения интенсивности излучения на торце волновода с использованием программы SPIP.

На рисунке 24 представлены формы выходного излучения из торца канального волновода, наблюдаемые на разном расстоянии от торца.

Как видно из рисунка 24 формы выходного излучения из торца канального волновода близки к круглым, что подтверждает симметричную форму изготовленного канального волновода.

На рисунке 25 представлен увеличенный внешний вид торца полученного канального волновода и распределение интенсивности излучения на торце волновода с использованием программы SPIP.

Рисунок 24 - Формы выходного излучения из торца канального волновода, наблюдаемые на разном расстоянии от торца.

Рисунок 25 - Увеличенный внешний вид торца полученного канального волновода - (а) и распределение интенсивности излучения на торце волновода с использованием программы SPIP - (б).

Из рисунка 25б видно, что распределение интенсивности излучения на торце волновода имеет симметричную форму.

Числовая апертура интегрально-оптического канального волновода измерялась следующим образом. Оптическое излучение от осветителя микроскопа фокусировалось на входном торце интегрально-оптического канального волновода. Выходной торец волновода располагался в фокальной плоскости объектива микроскопа таким образом, чтобы можно было наблюдать в окуляре резкое изображение торца канала волновода. Затем тубус микроскопа поднимался вверх на h=100 мкм, и проводилось измерение полученного светящегося пятна. Отношение радиуса r светящегося пятна к величине перемещения h тубуса микроскопа является тангенсом угла α (рисунок 26).

Из рисунка 26 следует, что

.

Проведенные измерения показали, что числовая апертура полученных канальных волноводов составляет NA=0,1.

Заключение

На основании выполненной работы можно сделать следующие выводы:

Используя двухэтапную технологию, были изготовлены симметричные канальные интегрально-оптические волноводы в стекле К8. На первом этапе методом ионного обмена из расплава соли, содержащей ионы серебра, в стеклянной подложке получались интегрально-оптические волноводы; на втором этапе проводилось заглубление полученных волноводов в стеклянную подложку с целью уменьшения коллоидной окраски и придания волноводам круглой формы поперечного сечения.

Полученные симметричные канальные волноводы имели ширину 11 мкм и глубину - 13 мкм. Числовая апертура полученных канальных волноводов составляла NA=0,1.

Методом ионного обмена из расплава соли KNO₃ в стеклянной подложке от фотопластин изготовлены канальные волноводы с шириной канала 11 мкм и глубиной - 8 мкм.

В зависимости от типа волновода и области его применения при их изготовлении используют различные методы: катодное, реактивное и высокочастотное распыление, эпитаксия, ионный обмен и твердотельная диффузия.

Реактивное распыление применяют для нанесения пленок химических соединений (оксидов, нитридов). Требуемое химическое соединение получают, подбирая материал распыляемой мишени и рабочий газ.

Эпитаксиальные методы позволяют получать монокристаллические пленки полупроводников, используемых в интегральной оптике при изготовлении источников излучения и приемников излучения. Скорости роста пленок могут достигать 5мкм/мин.

Список использованных источников

1   Векшин М.М. Изготовление и исследование одномодовых волноводных структур в стекле на длине волны 1,55 мкм / М.М. Векшин, В.А. Никитин, Н.А. Яковенко // III всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. - М.: НИЯУ МИФИ, - 2014. - С. 77, 78.

2 Введение в интегральную оптику / Под ред. М. Барноски. - М.: Мир, 1977. - 367с.

Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира. - М.: Мир, 1978. - 344с.

Унгер Х.- Г. Планарные и волоконные оптические волноводы / Х.- Г. Унгер - М.: Мир, 1980. - 656с.

5 Хансперджер Р. Интегральная оптика, теория и технология / Р. Хансперджер. М.: Мир, 1985. - 379с.

6 Сидоров А.И. Никоноров Н.В. Материалы и технологии интегральной оптики: Учебное пособие / А.И. Сидоров, Н.В Никоноров. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009. - 107 с.

Козырь И.Я. Общая технология / И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов, Ю.С. Чернозубов. - М.: Высшая школа, 1989. - 316 с.

Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для вузов / В.Н. Черняев. - М.: Радио и связь, 1987. - 346 с.

Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - М.: Высш. шк. 2006. - 799 с.

10 Коваленко А.А. Основы микроэлектроники. Учебное пособие / А.А. Коваленко, М.Д. Петропавловский. - М.: Академия, 2006. - 239 с.

11 Влияние потенциала смещения на оптические свойства пленок Nb₂O₅ поллученных методом магнетронного распыления / О.Д. Вольпян, Ю.А. Обод, П.П. Яковлев, Б.Б. Мешков // Оптич. журн. - 2000. - Т67, - № 10. - С. 40-42.

12 Мешков Б.Б. Получение пленок Al₂O₃ для оптических целей метом магнетроного распыления на переменном токе / Б.Б. Мешков, П.П. Яковлев // Оптич. журн. - 2000. - Т67, - № 9. - С. 69-72.

13 Получение оптических пленок TiO₂ методом реактивного магнетронного распыления на переменном токе / О.Д. Вольпян, Ю.А. Обод, П.П. Яковлев, Б.Б. Мешков // Оптич. журн. - 2001. - Т68, - № 7. - С. 36-39.

Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. Киев : Аверс, - 2008. - 244 с.

15 Смирнов В.И. Физико-химические основы технологии электронных средств. Учебное пособие. Ульяновск. - 2005. - 112 с.

16 Сущенцов Н.И. Основы технологии микроэлектроники. Лабораторный практикум. Йошкар-Ола. - 2005. - 89 с.

Панфилов Ю.В. Нанесение тонких пленок в вакууме / Ю.В. Панфилов // Технологии в электронной промышленности. - 2007. - №3. - С. 76-80.

Никитин В.А. Электростимулированная миграция ионов в интегральной оптике / В.А. Никитин, Н.А. Яковенко. - Краснодар: Изд-во КубГУ, - 2013. - 245 с.

19 Семенов А.С. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / А.С. Семенов, В.Л. Смирнов, А.В. Шмалько. - М.: Радио и связь, - 1990. - 163 c.

20 Никитин В. А. Физические технологии интегральной оптики: [Лабораторный практикум] /В.А. Никитин, А.С. Левченко, Н.А. Яковенко. - Краснодар: Изд-во КубГУ, 2013. - 102 с.