Brevet FR2486251A1 — publié le 19820108

La présente invention concerne un procé- dé de réalisation d'un réseau optique destiné à être utilisé en particulier en optique intégrée. En optique, un réseau est une modifica- tion périodique d'une structure capable de diffracter la lumière suivant un certain nombre d'ordres. La position angulaire de ces ordres est entièrement définie par la connaissance de la lon- gueur d'onde de la lumière incidente et par le pas du réseau. L'amplitude de chaque ordre dépend par contre du profil du réseau (forme, profondeur des sil- lons,...) En optique intégrée, ces structures sont généralement associées à des guides de lumière et permettent de réaliser un certain nombre de fonctions intéressantes, comme des réseaux de couplage ou des réflecteurs de Bragg bien connus de l'homme de l'art. Les réflecteurs de Bragg jouent un rôle important dans la réalisation de lames séparatrices et de miroirs intégrés, ainsi que dans la réalisation de convertisseurs passifs de polarisation. Ces réseaux possèdent des pas extrême- ment fins (entre 1500 A et 8000 A) et l'une des meil- leures méthodes actuelles de réalisation fait appel aux techniques holographiques utilisant les interfé- rences de deux faisceaux laser de faibles longueurs d'ondes. La réalisation classique de tels réseaux consiste à déposer une couche de résine photosensible en général positive sur le substrat choisi et d'enre- gistrer le système d'interférence dans cette résine. Dans d'autres techniques connues, l'enregistrement se fait par contact, à partir d'un réseau-mère éclai- ré par un faisceau ultraviolet, ou par balayage d'un faisceau d'électrons. Après dépouillement, le réseau ainsi réalisé dans la résine est transféré de la résine servant de masque au substrat par attaque chimique ou ionique. L'opération apparemment simple, se heur- te la plupart du temps à de nombreux problèmes tech- nologiques. En effet, pour que le transfert du réseau de la résine photosensible au substrat soit possible, il est nécessaire que la résine constitue un bon écran pour la duplication du réseau sur le substrat. De plus, pour que le transfert se réalise dans de bonnes conditions, il est nécessaire qu'il ne reste aucune trace de résine au fond des sillons des réseaux. En pratique, ce dernier paramètre est im- possible à contrôler de façon simple surtout si la hauteur résiduelle est inférieure à 100 A. Ceci rend difficilement reproductible la réalisation de tels réseaux du fait que quelques dizaines d'angstr8ms de résine photosensible restant dans les sillons suffi- sent à perturber les phénomènes de transfert. L'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un réseau optique permettant de remé- dier à ces inconvénients et notamment permettant de faciliter le transfert du réseau de la résine photo- sensible au substrat. Ce procédé de réalisation d'un réseau op- tique obtenu par duplication à partir d'un réseau en- registré notamment par holographie sur une résine photosensible, déposée sur un substrat, se caractéri- se en ce que l'on transfère ledit réseau de la résine photosensible sur le substrat par implantation ioni- que permettant de créer des zones implantées dans le substrat présentant un indice de réfraction plus fai- ble que l'indice de réfraction des zones non implan- tées, et en ce que l'on élimine ladite résine servant de masque à l'implantation ionique. Selon un mode préféré de l'invention, le substrat est réalisé en niobate de lithium et les ions implantés peuvent être des ions d'hélium, de bore, de néon ou d'azote. Il est bien connu que l'implantation io- nique crée dans le niobate de lithium une diminution importante d'indice de réfraction de celui-ci. D'autre part, des études ont permis de montrer que l'implantation ionique sensibilise très fortement le niobate de lithium (LiNbO3) à certaines attaques chimiques et en particulier à l'attaque chi- mique par l'acide fluorhydrique dilué. Cette diminution de l'indice de réfrac- tion due à l'implantation ionique et la sensibilisa- tion des zones implantées à l'attaque chimique est décrite dans une thèse soutenue le 26 septembre 1978 devant l'U.S.M. de Grenoble et 1'I.N.P.G. par Monsieur Destéfanis, intitulée "Etude de la modifica- tion des propriétés optiques induites par implanta- tion ionique dans le LiNbO3 - Application à la réali- sation de guides d'ondes". En implantant à très forte dose et avec des énergies convenables, compte tenu des épaisseurs de résine photosensible présente après enregistre- ment du réseau, il est donc possible de transférer ce réseau dans le substrat et d'obtenir des efficacités de diffraction relativement importantes compte tenu des fortes variations d'indice du substrat que l'on peut obtenir. Selon un autre mode préféré de l'inven- tion, on interpose avant d'effectuer l'implantation ionique entre la résine photosensible et le substrat au moins une couche permettant un bon enregistrement du réseau dans ladite résine, du fait de conditions de réflexion plus favorables à l'interface couche- résine. Cette couche est de préférence une couche mé- tallique. De plus, si cette couche est bonne con- ductrice thermique, elle permet une meilleure répar- tition de l'effet thermique sur l'ensemble du subs- trat. Ceci évite en particulier l'apparition de con- traintes thermiques importantes qui risqueraient de se produire aux doses d'implantation utilisées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement le procédé de réalisation d'un réseau optique inté- gré, selon l'invention, - la figure 2 représente schématiquement le réseau optique obtenu selon la figure 1, - la figure 3 représente schématiquement une variante du procédé selon l'invention, - la figure 4 représente, pour divers ty- pes d'ions implantés, la profondeur (h) de pénétra- tion des ions (en micron) dans la résine en fonction de leur énergie (E) (en kilo-électron volt), - la figure 5 représente les variations de l'indice de réfraction (An) en fonction de la dose d'hélium implantée (nombre d'atomes par centimètre carré) à température ambiante dans un substrat en niobate de lithium. La figure 1 représente les différentes étapes du procédé de réalisation d'un réseau optique. La première étape (figure la) consiste à déposer par tout moyen connu (dépôt à la tournette, par tirage,...) une résine photosensible 2, en géné- ral positive, sur un substrat 4 réalisé de préférence en niobate de lithium. Dans le cas représenté d'un dispositif optique intégré, le substrat 4 est associé à un guide de lumière 6 qui est, par exemple, réalisé à partir du substrat par modification superficielle de ses propriétés optiques. Dans cette résine 2 est enregistré le système d'interférence de deux fais- ceaux lasers suivant les techniques d'holographie. La longueur d'onde des deux faisceaux lasers utilisés pour l'enregistrement du système d'interférence est, No par exemple, égale à 4579 A. Le réseau 8 (figure lb) de la résine 2, muni de sillons 9 et obtenu après dépouillement à l'aide d'un produit de développement classique, peut être transféré de la résine 2 au substrat 4 par duplication. Selon l'invention, le transfert du ré- seau 8 sur le substrat 4 se fait par implantation ionique (figure lc). Les ions implantés suivant la direction indiquée par les flèches sont constitués par exemple par des ions d'hélium de quelques centai- nes de KeV et à doses variables. Les zones implantées présentent un indice de réfraction plus faible que l'indice de réfraction des zones non implantées. La résine photosensible 2 sert de masque à l'implanta- tion ionique. La résine photosensible 2 peut alors être éliminée (figure ld) par tout moyen connu (atta- que chimique,...). Le réseau 12 ainsi obtenu peut présenter des différences d'indice de l'ordre de 0,1 entre zones implantées 10 et zones non implantées. Il faut que l'énergie d'implantation soit telle que les ions implantés soient effective- ment arrêtés par une hauteur h de résine (voir figure lb et lc); le choix de l'énergie d'implantation E en fonction de h,pour différents ions implantés, est donné par la figure 4. Bien entendu, la variation de l'indice de réfraction dépend de la dose d'ions implantés (nombre d'ions implantés par centimètre carré). La courbe représentée sur la figure 5 in- dique les variations (An) de l'indice de réfraction du niobate de lithium en fonction de la dose (D) d'ions hélium implantés dans celui-ci, cette implan- tation ayant lieu à température ambiante. Une diffé- rence d'indice (An) notable apparaît pour une dose implantée (D) supérieure à 1015. Pour améliorer l'ef- ficacité de diffraction du réseau obtenu (figure Id), en augmentant la différence d'indice dans le subs- trat, on peut réaliser une étape supplémentaire. Cette étape supplémentaire (figure le) consiste à attaquer chimiquement les zones implantées de préférence par de l'acide fluorhydrique dilué. En effet, les zones implantées 10 dans le niobate de lithium sont sensibilisées à une telle attaque chimi- que (voir thèse de Monsieur Destéfanis précédemment citée). Cette attaque chimique permet d'obtenir un réseau intégré 14 en forme de creux comme représenté sur la figure 2. Suivant les applications particuliè- res au réseau intégré, on pourra faire ou non l'atta- que chimique des zones implantées 10. De plus, selon l'invention, pour amélio- rer l'enregistrement du réseau 8 dans la résine pho- tosensible 2, on peut interposer entre la résine 2 et le substrat 4 ou plus exactement entre la résine 2 et le guide de lumière 6 lorsque celuici existe, une ou plusieurs couches judicieusement choisies. Il est particulièrement intéressant d'interposer une couche métallique 16, comme représentée sur la figure 3, et réalisée par exemple en aluminium. Les avantages d'une telle couche métallique 16 ont été précédemment cités. Après enregistrement du réseau 8 dans la résine, la couche métallique 16 comme la résine pho- tosensible 2 est éliminée par tout moyen connu (atta- que chimique,...). Comme on l'a dit précédemment, la diffi- culté de réalisation du réseau intégré, selon l'art antérieur, provenait en grande partie du fait qu'il était très difficile de savoir si les sillons 9 étaient entièrement dégagés. En implantation ioni- que, seule la différence d'épaisseur entre le haut et le bas du sillon est importante et non la hauteur de résine photosensible restante lors d'un transfert classique. Or cette valeur est relativement repro- ductible. Pour fixer les idées, prenons une épaisseur initiale de résine de 1500 A. Après enregistrement et dépouillement, l'épaisseur de résine va varier entre les valeurs h et h' (voir figures2b et 2c),h sera de on l'ordre de 1400 A par exemple et h' inférieure à o 100 A. La différence h - h' pourra donc varier entre 1300 et 1400 A dans ce cas particulier, c'est-à-dire de 7% seulement en valeur relative: cette variation reste faible malgré des variations relatives énormes de h' (entre 0 et 100 A dans cet exemple). Il convient de bien distinguer les condi- tions de l'implantation ionique utilisée dans l'in- vention, faisant appel à des énergies importantes, de l'ordre de 20 à 100 KeV pour le niobate de lithium par exemple, et à des ions de natures diverses, des conditions de l'attaque ionique, utilisée notamment dans l'art antérieur, faisant appel à des énergies beaucoup plus faibles, de l'ordre de 0,1 à 1 KeV pour le niobate de lithium par exemple, et à des ions tels qu'argon et xénon, produisant un défaut de matière tout à fait analogue à l'attaque chimique et présen- tant les mêmes limitations que cette dernière. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un réseau op- tique obtenu par duplication d'un réseau (8) enregis- tré sur une résine photosensible (2) déposée sur un substrat (4), caractérisé en ce que l'on transfère ledit réseau (8) de la résine photosensible (2) sur le substrat (4) par implantation ionique permettant de créer des zones implantées (10) dans le substrat (4) présentant un indice de réfraction plus faible que l'indice de réfraction des zones non implantées, et en ce que l'on élimine ladite résine (2) servant de masque à l'implantation ionique. 2. Procédé selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les zones (10) sensibilisées par l'implantation ionique sont attaquées chimiquement de façon à obtenir un réseau en creux (14). 3. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on in- terpose avant d'effectuer l'implantation ionique, entre la résine photosensible (2) et le substrat (4), au moins une couche permettant un bon enregistrement du réseau dans ladite résine. 4. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que le substrat (4) est réalisé en niobate de lithium. 5. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ions implantés sont constitués par de l'hélium. 6. Procédé selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que l'attaque chimique est réa- lisée par de l'acide fluorhydrique dilué. 7. Procédé selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que le nombre d'ions implantés par centimètre carré est supérieur à 1015 8. Procédé selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que la couche est une couche réflé- chissante (16). 9. Procédé selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que la couche est une couche de bonne conductibilité thermique. 10. Procédé selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la couche est métallique.