Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Technologia światłowodów
planarnych i warstw optycznych
planarnych i warstw optycznych
Sergiusz Patela, 2010
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 obniŜeniu koncentracji nośników
10. Światłowody elektrooptyczne
11. Warstwy epitaksjalne
homogeniczne
półprzewodniki
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Parowanie próŜniowe (radiacyjne lub
z działa elektronowego)
Rotacyjny (planetarny) uchwyt podło
Ŝ
y
Uchwyt
Pompa dyf.
1 m
Podło
Ŝ
a
Grzejniki
Wspomagaj
ą
ce
działo jonowe
Działo
elektr.
Ź
ródło
oporowe
Pompa dyf.
lub krio.
Pró
Ŝ
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
PodłoŜe
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 moŜna
wykonać:
•Światłowód - podłoŜe:
O2+
Ta
Ar
Ar+
Ta2O5
•Światłowód - podłoŜe:
•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
moŜna 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
podłoŜa 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
podłoŜa
- 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 moŜliwa (np. Ag), ale zachodzi bardzo wolno.
PodwyŜszenie temperatury prowadzi do uszkodzenia (Ŝółknięcie) szkła
4. Inne przykłady dyfuzji
Dyfuzja do półprzewodników: Cd:ZnSe, Cd, Se: ZnS (poniŜej 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
Ŝ
liwia wytwarzanie
małostratnych
ś
wiatłowodów dla zakresów
1300nm i 1550nm
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Efekt falowodowy przy obniŜeniu
koncentracji nośników
W półprzewodnikach zmniejszenie koncentracji nośników powoduje
zwiększenie współczynnika załamania.
W strukturach gdzie współczynnika załamania warstwy n
f
i podłoŜa
n są w przybliŜeniu równe, zmiana współczynnika załamania
n
s
są w przybliŜeniu równe, zmiana współczynnika załamania
wywołana zmianą koncentracji nośników wyraŜa 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 podłoŜu GaAs o orientacji <100> zmiana współczynnika
załamania dla polaryzacji TE, wyraŜa 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
Ŝ
nych materiałów, stopów i ich
domieszkowanie. Cech
ą
epitaksji jest wzrost odtwarzaj
ą
cy struktur
ę
krystalograficzn
ą
podło
Ŝ
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
Ŝ
e
półprzewodnikowe (np. GaAs or InP), o wybranej orientacji
krystalograficznej (np. (100) ). Na podło
Ŝ
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
Ŝ
ony termodynamicznie wzrost.
• Przesycony roztwór składnika (np. As w Ga) przesuwany jest nad podło
Ŝ
em;
obni
Ŝ
enie temperatury zmniejsza rozpuszczalno
ść
As i powoduje osadzanie
si
ę
GaAs.
• LPE to „horyzontalna” technika wzrostu - podło
Ŝ
e jest przesuwane
sekwencyjnie pod ró
Ŝ
nymi roztworami, co pozwala wyhodowa
ć
sekwencyjnie pod ró
Ŝ
nymi roztworami, co pozwala wyhodowa
ć
wielowarstw
ę
o ró
Ŝ
nych składach.
Metod
ą
LPE mo
Ŝ
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
Ŝ
a
Slider
Podło
Ŝ
e
1
2
3
4
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
LPE – zalety i wady
Zalety
• Wzrost zrównowa
Ŝ
ony termodynamicznie -> bardzo mała g
ę
sto
ść
defektów
własnych.
•du
Ŝ
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
Ŝ
liwy wzrost zło
Ŝ
onych heterostruktur o du
Ŝ
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
Ŝ
jako metal-organic
chemical vapor deposition (MO-CVD)
Epitaksja z fazy gazowej OM-VPE
Wzrost:
• Materiał jest transportowany do podło
Ŝ
a za pomoc
ą
wodoru, pod ci
ś
nieniem
atmosferycznym lub 25-75 torr (1/10 atm)
• Podło
Ŝ
e jest podgrzewane do 500, 700 lub 1000°C (InGaAs, GaA s, GaN)
• Materiał
ź
ródłowy ulega pirolizie (rozkład termiczny) na powierzchni podło
Ŝ
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
Ŝ
liwy wzrost wielokrotnych (100) i zło
Ŝ
onych heterostruktur
• Mo
Ŝ
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
Ŝ
liwy wzrost na du
Ŝ
ych powierzchniach lub wielu podło
Ŝ
ach.
Wady
• Bezpiecze
ń
stwo – du
Ŝ
e ilo
ś
ci toksycznych gazów (AsH
3
)
• Czysto
ść
zwi
ą
zków wyj
ś
ciowych
• Jednorodno
ść
składu i domieszkowania na du
Ŝ
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
Ŝ
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,
Ŝ
e wi
ą
zki
uformowane s
ą
z atomów,
Ŝ
adne reakcje
nie zachodz
ą
przed doj
ś
ciem atomów do
podło
Ŝ
a.
• Atomy docieraj
ą
do podło
Ŝ
a, gdzie
zachodz
ą
reakcje i wzrost epitaksjalny
• Rotacja podło
Ŝ
y jest wa
Ŝ
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
Ŝ
liwo
ść
wytworzenia wielowarstwowych (100), zło
Ŝ
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
Ŝ
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.
MoŜliwe
MoŜliwe
MoŜliwe
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
duŜa
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.
RóŜnorodność światłowodów pociąga za sobą róŜnorodność metod
wytwarzania.
MoŜna wyróŜnić 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 obniŜeniu 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 próŜniowe metody wytwarzania warstw optycznych. Krótko
4.
Wymienić próŜniowe metody wytwarzania warstw optycznych. Krótko
scharakteryzować światłowody otrzymywane kaŜdą 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
.