Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Technologia światłowodów

planarnych i warstw optycznych

planarnych i warstw optycznych

Sergiusz Patela, 2010

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Plan wykładu – zestawienie metod wytwarzania
światłowodów planarnych i warstw optycznych

1 .Parowanie (radiacyjne lub z działa elektronowego)

2 .Napylanie warstw dielektrycznych

3. Osadzanie z roztworów

4. Polimeryzacja w wyładowaniu

5. Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD)

heterogeniczne

5. Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD)

6. Hydroliza płomieniowa (FHD)

6. Dyfuzja domieszki

7. Wymiana jonowa

8. Implantacja jonów

9. Efekt falowodowy przy obniżeniu koncentracji nośników

10. Światłowody elektrooptyczne

11. Warstwy epitaksjalne

homogeniczne

półprzewodniki

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Parowanie próżniowe (radiacyjne lub
z działa elektronowego)

Rotacyjny (planetarny) uchwyt podło

ż

y

Uchwyt

Pompa dyf.

1 m

Podło

ż

a

Grzejniki

Wspomagaj

ą

ce

działo jonowe

Działo
elektr.

Ź

ródło

oporowe

Pompa dyf.

lub krio.

Pró

ż

nia 10-6 Tor

Ź

ródło wysokiego

napi

ę

cia i pr

ą

du

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Parowanie – przykładowe wyniki

Przykład: Parowanie szkła C-7059, charakterystyka procesu technologicznego

Element procesu

Wartość

Uwagi

Metoda

Parowanie z działa elektronowego

Materiał źródłowy

Szkło Corning 7059

Podłoże

Utleniony krzem

> 2

µ

m. SiO

2

Ciśnienie

1x10-4 do 5x10-4 Torr (O )

Dodanie O zmniejszało tłumienie

Ciśnienie

1x10-4 do 5x10-4 Torr (O

2

)

Dodanie O

2

zmniejszało tłumienie

Szybkość nanoszenia

1

÷

2 nm/s

Maksymalna grubość

3

÷

4

µ

m.

Bez pęknięć i utraty adhezji

Temperatura źródła

900

°

C

Pomiar pirometrem optycznym

Tłumienie warstwy

0.5 dB/cm

pomiar metodą podwójnego pryzmatu

Współczynnik załamania

1.50

pomiar elipsometrem 633 nm

Metody pomiaru składu
warstw

Mikrosonda elektronowa (zawartość
Al., Si, Ba), Neutron activation analysis
(zawartość B), Rutherford
backscattering (RBS) (profile składu Si i
Ba)

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Napylanie warstw dielektrycznych -
zasada i materiały

Ta

Ar

Target tantalowy

Metodami napylania jonowego można
wykonać:

•Światłowód - podłoże:

O2+

Ta

Ar

Ar+

Ta2O5

•Światłowód - podłoże:
•Corning-7059 -szkło /KDP
•Ta

2

O

5

- SiO

2

(utleniony krzem)

•Nb

2

O

5

- SiO

2

(topiony)

•ZnO - SiO

2

Ta

2

O

5

, Nb

2

O

5

można wykonać metodami

rozpylania jonowego lub utleniając warstwę
metalu.

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Napylanie warstw dielektrycznych –
podstawowa aparatura

TARGET

2 kV

w.cz.

H2O

TARGET

CEWKA

Ar

O

2

CEWKA
MAGNETYCZA

STOLIK
PODŁOśOWY

UKŁAD
PROZNIOWY

H2O

Ar

MAGNETYCZNA

STOLIK
PODŁOśOWY

UKŁAD
PRÓśNIOWY

O

2

układ dwuelektrodowy

DC

w.cz.

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Napylanie warstw dielektrycznych –
magnetron przemysłowy

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

LP CVD (Low Pressure

Chemical

Vapor Deposition)

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Osadzanie z roztworów

•

nanoszenie na powierzchni roztworu,

który wysychając tworzy cienką warstwę
(w tym metoda sol-gel)

•

nanoszenie na wirówkach

•

wolne, równomierne wyciąganie

podłoża z roztworu

•

Doktor-plating i metody rolkowe

•

Foliowanie

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Osadzanie z roztworów - przykłady

Materiał

Rozpuszczalnik

Tłumienie

λ

[

µ

m]

Fotorezyst

Aceton

ś

ywica epoksyd.

Rozp. firmowy

0,3 dB/cm

0.6328

Polimetylmetakrylat

Chloroform, toluen

Polimetylmetakrylat

Chloroform, toluen

Poliuretan

Ksylen

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Polimeryzacja w wyładowaniu

ELEKTRODA

STOLIK
PODŁOśOWY

Ar
+HTMS,
lub
VTMS

PODŁOśOWY

UKŁAD
PRÓśNIOWY

2

kV

H

2

O

Stosowane związki:
- winylo-trój-metylo-silan (VTMS n=1.531), CH

2

=CH-Si(CH

3

)

3

- heksa-metylo-di-siloxan (HMDS n=1.4704), (CH

3

)

3

Si-O-Si(CH

3

)

3

podłoża
- zwykłe szkło podstawkowe (n=1.512)
- szkło Corning 744 Pyrex (n=1.4704)

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Dyfuzja domieszki

1. Dyfuzja do niobianu litu

Ti:LiNbO

3

- dyfuzja z warstwy metalu (Ti) otrzymanego metodą rozpylania

jonowego. Tłumienie światłowodów 1 dB/cm.
Temperatura od 900 do 1150

o

C. w atmosferze argonu, azotu, tlenu lub

powietrza, czas dyfuzji od 0.5 do 30 h . W celu wyeliminowania dyfuzji na
zewnątrz tlenku litu z powierzchni próbki proces dyfuzji wykonuje się w

zewnątrz tlenku litu z powierzchni próbki proces dyfuzji wykonuje się w
obecności pary wodnej.

2. Dyfuzja na zewnątrz (out-diffusion LiNbO

3

)

Out-dyfuzja polega na ubytku tlenku litu z kryształu LiNbO

3

. W miarę jak Li

2

O

‘wychodzi’ z kryształu, nadzwyczajny współczynnik załamania n

e

rośnie

3. Dyfuzja do szkieł

Dyfuzja do szkieł jest możliwa (np. Ag), ale zachodzi bardzo wolno.
Podwyższenie temperatury prowadzi do uszkodzenia (żółknięcie) szkła

4. Inne przykłady dyfuzji

Dyfuzja do półprzewodników: Cd:ZnSe, Cd, Se: ZnS (poniżej 3 dB/cm)

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wymiana jonowa

+

K

+

, Ag

+

, Tl

+

AgNO

3

SiO

2

: Na

+

K , Ag , Tl

AgNO

3

-

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wymiana jonowa w szkłach

Regulowane

ź

ródło

napi

ę

cia

-

+

M iernik

tem peratury

M ieszadło

Regulator
tem peratury

Zlewka lub

Stopiona sól,

ź

ródło jonów

Piec lub
grzejnik

Zlewka lub
tygiel

Jon

Promień [ A

o

]

Polaryzowal-

ność [A

o

3

]

Szkło

Stopiona sól

Temperatura

[

°°°°

C]

∆∆∆∆

n

Tl

+

1.49

5.2

Boro-
krzemowe

TlNO

3

+ KnO

3

+

NaNO

3

530

0.001 do 0.1

K

+

1.33

1.33

Sodowe

KNO

3

365

0.008

Ag

1.26

2.4

Alumino-
krzemowe
(Alumino-
silicate)

AgNO

3

225-270

0.13

Na

+

0.95

0.43

*

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wymiana protonów w niobianie litu

wskaznik

temperatury

rejestrator

uklad reg.

pokrywka

tygiel

uchwyt probki

uklad reg.
temperatury

zasilacz
grzejnika

probka

grzejnik

piec

Schemat aparatury do otrzymywania swiatlowodow metoda wymiany jonow

kapiel-zrodlo jonow

(kwas benzoesowy) w 200 - 250 C

ź

ródłem protonów jest stopiony kwas benzoesowy C

6

H

6

COOH

LiNbO

3

+ xH

→

Li

1-x

H

x

NbO

3

+ xLi

+

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Implantacja jonów

ź

ródło jonów

ekstraktor, wst

ę

pny

stopie

ń

przyspieszania

elektromagnes

płytka ze
szczelin

ą

ko

ń

cowy stopie

ń

przyspieszania

układy
odchylania

przesuwna
puszka Faradaya

komora
tarczowa

4,3 m

2 m

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

ASOC - zastosowanie implantacji
jonów

ASOC = Active Silicon Integrated Optical

Circuits

Technologia wytwarzania

ś

wiatłowodów oparta

o technologi

ę

półprzewodnikow

ą

SOI (Silicon

on Insulator). Umo

ż

liwia wytwarzanie

małostratnych

ś

wiatłowodów dla zakresów

1300nm i 1550nm

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Efekt falowodowy przy obniżeniu
koncentracji nośników

W półprzewodnikach zmniejszenie koncentracji nośników powoduje

zwiększenie współczynnika załamania.

W strukturach gdzie współczynnika załamania warstwy n

f

i podłoża

n są w przybliżeniu równe, zmiana współczynnika załamania

n

s

są w przybliżeniu równe, zmiana współczynnika załamania

wywołana zmianą koncentracji nośników wyraża się wzorem:

∆

n = n

f

- n

s

= (N

s

- N

f

) e

2

/ (2 n

f

ε

o

m*

ω

2

)

gdzie N

s

, N

f

- koncentracje swobodnych nośników

m* - masa efektywna

ω

- częstość światła

e - ładunek elektronu

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Światłowody elektrooptyczne

W podłożu GaAs o orientacji <100> zmiana współczynnika
załamania dla polaryzacji TE, wyraża się wzorem:

∆

n = n

3

r

41

(V / 2t)

(Dla polaryzacji TM zmiana współczynnika załamania wyniesie 0)

gdzie: V - napięcie, t - grubość światłowodu, r - współczynnik elektrooptyczny

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wytwarzanie heterostruktur metodami
epitaksji

Wzrost cienkich warstw ró

ż

nych materiałów, stopów i ich

domieszkowanie. Cech

ą

epitaksji jest wzrost odtwarzaj

ą

cy struktur

ę

krystalograficzn

ą

podło

ż

a.

Trzy podstawowe techniki:

Trzy podstawowe techniki:
1. Epitaksja z fazy ciekłej (LPE)
2. Epitaksja gazowa zwi

ą

zków metaloorganicznych (MO-VPE lub

MOCVD)
3. Epitaksja z wi

ą

zki molekularnej (MBE)

Podstawowa zasada: Punktem wyj

ś

cia jest wypolerowane podło

ż

e

półprzewodnikowe (np. GaAs or InP), o wybranej orientacji
krystalograficznej (np. (100) ). Na podło

ż

u ro

ś

nie warstwa

epitaksjalna o zaplanowanych wła

ś

ciwo

ś

ciach (struktura i orientacja

krystalograficzna)

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Epitaksja z fazy ciekłej (LPE)

• Zasada: zrównowa

ż

ony termodynamicznie wzrost.

• Przesycony roztwór składnika (np. As w Ga) przesuwany jest nad podło

ż

em;

obni

ż

enie temperatury zmniejsza rozpuszczalno

ść

As i powoduje osadzanie

si

ę

GaAs.

• LPE to „horyzontalna” technika wzrostu - podło

ż

e jest przesuwane

sekwencyjnie pod ró

ż

nymi roztworami, co pozwala wyhodowa

ć

sekwencyjnie pod ró

ż

nymi roztworami, co pozwala wyhodowa

ć

wielowarstw

ę

o ró

ż

nych składach.

Metod

ą

LPE mo

ż

na tworzy

ć

heterostruktury w sposób prosty i przy

niewielkich kosztach, jednak trudno uzyska

ć

precyzyjn

ą

kontrol

ę

grubo

ś

ci, jako

ś

ci powierzchni i jako

ś

ci interfejsu.

Roztwór

Atrapa podło

ż

a

Slider

Podło

ż

e

1

2

3

4

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

LPE – zalety i wady

Zalety

• Wzrost zrównowa

ż

ony termodynamicznie -> bardzo mała g

ę

sto

ść

defektów

własnych.

•du

ż

a efektywno

ść

emisyjna struktur – doskonałe lasery i LEDy

• Prosty sprz

ę

t i wysoka wydajno

ść

procesu

• Brak toksycznych gazów, łatwe w manipulacji zwi

ą

zki stałe.

Wady

•Zła jako

ść

powierzchni i interfejsu

•Wyst

ę

puje gradient domieszkowania i intefejsu

•Praktycznie niemo

ż

liwy wzrost zło

ż

onych heterostruktur o du

ż

ej ilo

ś

ci

warstw (20)

•Trudna kontrola grubo

ś

ci tworzonych warstw

•Utrudniony wzrost struktur z niedopasowaniem sieci

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

• Najszerzej stosowana metoda typu VPE w technologii półprzewodników.
• Metalo-organiczna VPE (OM-VPE, MO-VPE) znana równie

ż

jako metal-organic

chemical vapor deposition (MO-CVD)

Epitaksja z fazy gazowej OM-VPE

Wzrost:
• Materiał jest transportowany do podło

ż

a za pomoc

ą

wodoru, pod ci

ś

nieniem

atmosferycznym lub 25-75 torr (1/10 atm)

• Podło

ż

e jest podgrzewane do 500, 700 lub 1000°C (InGaAs, GaA s, GaN)

• Materiał

ź

ródłowy ulega pirolizie (rozkład termiczny) na powierzchni podło

ż

a i

nast

ę

puje wzrost epitaksjalny

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

MOCVD – Zalety i wady

Zalety
• Dokonała jako

ść

powierzchni, grubo

ś

ci i interfejsu heterostruktury

• Precyzyjna kontrola ostrych lub gradientowych heterozł

ą

czy

• Mo

ż

liwy wzrost wielokrotnych (100) i zło

ż

onych heterostruktur

• Mo

ż

liwe specjalne modyfikacje technologii, np. wzrost lokalizowany

(patterned/localized)

(patterned/localized)

• Łatwy wzrost zwi

ą

zków grupy V (AsP or AsSb), znacznie trudniejszy wzrost

azotków mieszanych(NAs, NP, NAsSb)

• Potencjalnie mo

ż

liwy wzrost na du

ż

ych powierzchniach lub wielu podło

ż

ach.

Wady
• Bezpiecze

ń

stwo – du

ż

e ilo

ś

ci toksycznych gazów (AsH

3

)

• Czysto

ść

zwi

ą

zków wyj

ś

ciowych

• Jednorodno

ść

składu i domieszkowania na du

ż

ych powierzchniach

• Długi czas przej

ś

cia przy zmianach składu lub domieszkowania

• Efekty pami

ę

ciowe technologii

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

• Grzejniki (komórki efuzyjne, k.

Knudsena) zawieraj

ą

elementy które

maj

ą

by

ć

naniesione.

• Proces przebiega w bardzo wysokiej

pró

ż

ni (np., <10

-10

torr)

• Wi

ą

zki atomów lub molekuł s

ą

RHEED - Reflection High
Energy Electron Diffraction

Epitaksja z wiązki molekularnej MBE

• Wi

ą

zki atomów lub molekuł s

ą

odparowane z komórek.

• Niskie ci

ś

nienie gwarantuje,

ż

e wi

ą

zki

uformowane s

ą

z atomów,

ż

adne reakcje

nie zachodz

ą

przed doj

ś

ciem atomów do

podło

ż

a.

• Atomy docieraj

ą

do podło

ż

a, gdzie

zachodz

ą

reakcje i wzrost epitaksjalny

• Rotacja podło

ż

y jest wa

ż

na, dla

poprawienia jednorodno

ś

ci wzrostu.

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

MBE – zalety i wady

Zalety
• Bardzo dobra kontrola jako

ś

ci powierzchni, interfejsu i grubo

ś

ci.

• Precyzyjna kontrola stromych heterozł

ą

czy

• Mo

ż

liwo

ść

wytworzenia wielowarstwowych (100), zło

ż

onych heterostruktur

• Charakteryzacja in-situ (RHEED, spektroskopia masowa, odbiciowa)
• Łatwiejszy wzrost mieszanych zwi

ą

zków grupy III, (GaInAl) i rozcie

ń

czonych

azotków (NAs, NP, NAsSb)

azotków (NAs, NP, NAsSb)

• Dost

ę

pno

ść

bardzo czystych komponentów startowych.

• Brak toksycznych gazów, łatwe w manipulacji składniki
• Stosunkowo prosta chemia
Wady
• Kłopotliwe uzyskiwanie skomplikowanych gradientów
• Pierwsze stanowiska MBE były wyposa

ż

one tylko w 4

ź

ródła metali, w

nowszych urz

ą

dzeniach nie ma tego ograniczenia

• Fluktuacje strumienia cz

ą

stek (Flux transients)

• Powtarzalno

ść

(przemysłowa) grubo

ś

ci i składu warstw.

• Powierzchniowe “defekty owalne”
• Nukleacja GaN lub AlN na szafirze

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Techniki wzrostu epitaksjalnego -
porównanie

LPE

MOCVD

MBE

Stopy Al.

Możliwe

Możliwe

Możliwe

Szybkość wzrostu (

µ

/min)

0.1

÷

10

0.005

÷

1.5

few

÷

0.05

Grubość minimalna (Å)

500

20

5

Jednorodność

dobra

dobra

dobra

Jednorodność

dobra

dobra

dobra

Jakość powierzchni

zła

dobra

dobra

Ostrość interfejsu

zła

dobra

b. dobra

Zakres domieszkowania (cm

-3

)

10

14

÷

10

19

10

14

÷

10

19

10

14

÷

10

19

Wydajność procesu

mała

duża

bardzo

mała

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wytwarzanie struktur optoelektroniki
zintegrowanej (światłowody)

MASKA

UV

NASWIETLANIE

LIFT-OFF

METALIZACJA

DYFUZJA

WARSTWA BUFOROWA

LiNbO

3

WYWOLANIE

LiNbO

3

LiNbO

3

LiNbO

3

LiNbO

3

LiNbO

3

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Wytwarzanie struktur optoelektroniki
zintegrowanej (metalizacja)

NASWIETLANIE

METALIZACJA

WYWOLANIE

LIFT-OFF

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Inne materiały stosowane w
optoelektronice (nie-światłowodowej)

Zwierciadła

Promienie X
Ultrafiolet

aluminium

Widzialne

aluminium

Bliska podczerwień

złoto

Podczerwień

miedź, złoto

Podczerwień

miedź, złoto

Soczewki

Promienie X
Ultrafiolet

topiony kwarc (kwarc syntetyczny),szafir

Widzialne

szkło, szafir

Bliska podczerwień

szkło, szafir

Podczerwień

CaF

2

, ZnSe

Okna

Promienie X

beryl

Ultrafiolet

topiony kwarc, szafir

Widzialne

szkło, szafir

Bliska podczerwień

szkło, szafir

Podczerwień

NaCl, BaF

2

, CaF

2

, ZnSe

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Współczynniki załamania wybranych
materiałów

materiał

n

powietrze

1.0003

woda

1.333

CaF

2

1.434

BaF

2

1.474

szkło

1.5-1.9

szkło

1.5-1.9

kwarc syntetyczny (topiony kwarc)

1.458

kwarc krystaliczny

1.544 (n

o

), 1.553 (n

e

)

kalcyt 1.658 (n

o

), 1.486 (n

e

)

szafir (Al

2

O

3

)

1.769

diament 2.417
krzem 3.478 (1.55 µm)
Si

3

N

4

2

ZnSe

2.624

ZnSe

2.403 (10.6 µm)

SiO

x

N

y

1,5 - 1,95

Współczynniki załamania dla 589.3 nm w temperaturze pokojowej

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Streszczenie

Podstawą większości urządzeń fotoniki zintegrowanej są światłowody
planarne i paskowe.

Różnorodność światłowodów pociąga za sobą różnorodność metod
wytwarzania.

Można wyróżnić trzy typy światłowodów planarnych, konsekwencją są
trzy grupy metod wytwarzania.

trzy grupy metod wytwarzania.

Heterogeniczne mogą być wytwarzane w procesach m.in. parowania
(radiacyjnego lub z działa elektronowego), napylania warstw
dielektrycznych, osadzania z roztworów, polimeryzacji w wyładowaniu,
osadzania chemicznego z fazy gazowej oraz hydrolizy płomieniowej.

Homogeniczne światłowody wytwarza się metodami: dyfuzji domieszki,
wymiany jonowej oraz implantacji jonów.

Natomiast półprzewodnikowe wytwarza się korzystając metod
epitaksjalnych, z efektu falowodowego przy obniżeniu koncentracji
nośników, a światłowody elektrooptyczne za pomocą pola elektrycznego.

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Pytania kontrolne

1.

Co to jest epitaksja? Definicja, klasyfikacja

2.

Wymienić i krótko scharakteryzować zastosowania krzemu w optoelektronice
zintegrowanej

3.

Wymienić i sklasyfikować metody wytwarzania warstw optycznych

4.

Wymienić próżniowe metody wytwarzania warstw optycznych. Krótko

4.

Wymienić próżniowe metody wytwarzania warstw optycznych. Krótko
scharakteryzować światłowody otrzymywane każdą z metod.

5.

Metody wytwarzania cienkich warstw. Klasyfikacja i charakteryzacja

6.

Rozpylanie jonowe jako podstawowa metoda wytwarzania warstw w optoelektronice

7.

Wymiana jonowa jako podstawowa technologia wytwarzania elementów pasywnych w
optoelektronice zintegrowanej. Porównać wymianę jonową i dyfuzję.

8.

Dyfuzja jako podstawowa metoda wytwarzania modulatorów i przyrządów aktywnych
w optoelektronice zintegrowanej przełomu wieków. Scharakteryzować proces dyfuzji.
Czy dyfuzja pozostanie podstawową metodą wytwarzania przyrządów aktywnych.

9.

Porównać dwie metody litografii: standardową o lift-off; wskazać zalety, wady i
obszary zastosowania obu metod. Omówić metody na przykładzie światłowodu
paskowego Ti:LiNbO

3

.