Создание и исследование симметричных канальных волноводов в стеклах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

1. Изготовление планарных волноводов на поверхности подложек

1.1 Получение планарных волноводов ионным распылением

1.1.1 Диодные системы ионного распыления

1.1.2 Триодные системы ионного распыления

1.1.3 Магнетронные системы ионного распыления

1.1.4 Высокочастотное плазменное напыление пленок

1.1.5 Реактивное нанесение диэлектрических пленок

1.2 Эпитаксия

1.2.1 Газофазная эпитаксия, хлоридный метод

1.2.2 Жидкофазная эпитаксия

2. Изготовление планарных волноводов в подложках

2.1 Твердотельная диффузия

2.2 Ионный обмен

2.3 Параметры диффузантов, используемых при изготовлении волноводов

3. Методы изготовления канальных волноводов в стеклах

3.1 Основные типы канальных интегрально-оптических волноводов

3.2 Изготовление канальных волноводов в стекле от фотопластин

4. 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

1.1 Получение планарных волноводов ионным распылением

В интегральной оптике конструктивной основой многих устройств является планарный (двумерный) оптический волновод [26].

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 [710].

1.1.1 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 35 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 35 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.

Для предварительной откачки до вакуума порядка 10⁴ Па и последующего поддержания рабочего давления порядка 1¹⁰ Па служит откачная система, подсоединяемая к патрубку 10. Рабочий газ вводят в камеру через натекатель 13, одновременно продолжая откачку через патрубок 10. Это делают для того, чтобы через камеру проходил поток чистого, постоянно обновляемого газа. Обычно в качестве рабочего используют инертный газ аргон очень высокой степени чистоты.

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 катодподложка и, будучи сильно ускоренными, бомбардируют анод (подложку). Это вызывает значительный нагрев подложек, а также может привести к повреждению полупроводниковых структур.

1.1.2 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].

1.1.4 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.

1.1.5 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].

1.2 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

E_{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;

- эпитаксия в твердой фазе.

Наибольшее распространение получили газофазная и жидкофазная эпитаксии.

1.2.1 Газофазная эпитаксия, хлоридный метод

При эпитаксии кремния широко применяют восстановление его тетрахлорида водородом:

SiCl₄ + 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:

SiO₂ +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:

Si + 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:

2РС1₃ + 3Н₂ = 2Р + 6НС1

2РН₃ = 2Р + 3Н₂

или

2ВВr₃ + 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:

SiBr₄ + 2Н₂ = Si + 4НВr

или разлагая силан при 950-1050 °С:

SiH₄ = 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].

1.2.2 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

2.1 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; Е - энергия активации, т.е. энергия, необходимая атому для диффузии; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

Градиент концентрации С 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

. (6)

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 n ? 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 n ? 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 n ? 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 0, (11)

C(, t) = 0 при x , t 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 - 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 c n [18].

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

2.3 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 n 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.