Brevet FR2664390A1 — publié le 19920110

PROCEDE DE REALISATION DE COMPOSANTS OPTIQUES INTEGRES Description La présente invention concerne un procédé de réalisation de composants optiques intégrés Il s'applique notamment à la réalisation de circuits intégrés monomodes et multimodes. Les procédés connus de réalisation de composants optiques intégrés ne peuvent être utilisés pour réaliser des composants optiques intégrés multi- modes En effet, la réalisation de composants optiques intégrés multimodes permettant des liaisons avec des fibres optiques multimodes relève de techniques complexes et onéreuses. Les difficultés de réaliser de tels compo- sants résultent de leurs dimensions et des contraintes liées à l'optique Les dimensions des composants sont typiquement de plusieurs centaines de microns pour être compatibles avec les volumes mis en jeu dans les fibres multimodes. La qualité des interfaces doit être compatible avec l'utilisation optique à courte longueur d'onde, pour laquelle les défauts et les irrégularités doivent être inférieurs à 0,1 j, m. La verticalité de certaines gravures doit être très bonne sur la dimension du composant, c'est- à-dire plusieurs centaines de microns. Afin de résoudre ces problèmes, des cher- cheurs allemands ont proposé le procédé LIGA qui met en jeu une lithographie à rayons X, seul procédé capable de permettre la gravure de dimension micronique avec des profondeurs de champ de plusieurs centaines de microns. Un tel procédé est décrit dans le document IEEE du 9 novembre 1987, intitulé "Micro Robots and Teleoperators Workshop". Cette technique est très lourde et n'est de ce fait pas compatible avec des objectifs de production de masse et de coût pour des applications telles que l'automobile ou la domotique. La présente invention a pour objet un procédé permettant de résoudre ces problèmes. L'invention concerne donc un procédé de réalisation de composants opiques intégrés sur un substrat, principalement caractérisé en ce qu'il comporte une phase principale comprenant une étape de réalisation d'un masque ayant des motifs de formes et de dimensions déterminées, une étape de gravure du substrat non protégé par le masque, de manière à obtenir une ou plusieurs cavité(s) de forme désirée, une étape d'oxydation thermique pour former une couche périphérique d'épaisseur donnée sur une partie ou sur toute la surface intérieure de cavité, et une étape de remplissage de cavité par un matériau approprié La gravure est de préférence une gravure sèche. Cette phase principale peut également comporter une dernière étape consistant à effectuer le dépôt d'une couche supérieure de protection. La réalisation du masque consiste à effec- tuer une oxydation thermique du substrat à haute ou à basse pression, selon l'épaisseur désirée de la couche, et à pratiquer des ouvertures dans la couche oxydée définissant le motif désiré. L'étape de gravure consiste par exemple à réaliser une gravure ionique isotrope permettant d'obtenir des cavités de profondeur L, les motifs du masque étant choisis de manière à avoir une faible largeur D par rapport à cette profondeur L, afin d'obtenir des cavités de section droite pratiquement circulaire. A titre d'exemple, D sera choisie entre 10 et 30/ m pour que la gravure sèche puisse s'effec- tuer et L pourra varier alors de 50 à 500/l m, le rapport profondeur/largeur devant être au moins égal à 5. Pour obtenir des cavités de section droite rectangulaire, l'étape de gravure consistera à réaliser une gravure ionique anisotrope ou une gravure chimique préférentielle. Pour la réalisation de composants du type microguide, l'étape de remplissage des cavités consis- tera à introduire un matériau d'indice de réfraction ng supérieur à celui de la couche périphérique intérieure des cavités. Le matériau introduit qui va constituer le coeur du microguide est par exemple un matériau de même type que ceux employés dans la fabrication des fibres optiques plastiques On peut choisir un polystyrène ou du PMMA On peut également choisir des matériaux optiquement transparents. Pour la réalisation d'autres types de composants, par exemple des miroirs réfléchissants ou des lames séparatrices, l'étape de remplissage des cavités consiste à utiliser un matériau d'indice de réfraction nr, inférieur à celui de la couche périphérique intérieure des cavités. Le procédé conforme à l'invention permet en outre de réaliser des microguides associés à des miroirs et/ou des lames séparatrices. Dans ce cas, la phase principale est de préférence utilisée pour réaliser des microguides, le procédé comportant alors une phase préliminaire permettant de réaliser les miroirs et/ou Les lames séparatrices, cette phase consistant à réaliser un premier masque ayant des motifs de formes et de dimensions déterminées, puis réaliser une gravure anisotrope du substrat non protégé par le masque pour obtenir des cavités à flancs verticaux, puis à éliminer le masque et enfin réaliser une oxydation thermique des flancs verticaux afin de constituer des couches d'arrêt pour la gravure de la phase principale. La gravure anisotrope est obtenue par gravure chimique préférentielle du substrat sur une profondeur L'. De préférence, la profondeur des cavités à flancs verticaux est supérieure à la profondeur L des cavités du microguide. L'étape d'oxydation thermique qui permet d'obtenir les couches d'arrêt dans la phase préLimi- naire, permet en même temps de réaliser le masque qui permettra d'effectuer la gravure pour la réalisation du microguide. L'oxydation thermique destinée à former la couche périphérique des cavités peut être réalisée sous haute pression, afin d'avoir une épaisseur suffi- sante qui donnera une bonne solidité aux parois. Dans ce cas, le fait de laisser les cavités remplies d'air permettra de travailler au voisinage de la réflexion totale, c'est-à- dire avec un angle d'incidence supérieur à Arc Sin 1/n 1, N 1 étant l'indice du coeur des microguides. Pour un angle i de valeur quelconque, l'on pourra faire un dépôt métallique à base d'alumi- nium, d'or, d'argent, par évaporation ou pulvérisation cathodique sous incidence. On pourra également réaliser une oxydation thermique sous basse pression, mais alors il sera préférable de remplir Les cavités des miroirs de métal à basse température de fusion (aluminium, argent, indium), afin de consolider les parois. Pour la réalisation de lames séparatrices, les cavités formant ces lames pourront être remplies d'un matériau diélectrique d'indice de réfraction différent de celui du coeur des microguides. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente l'étape de réali- sation de cavités dans le substrat, conformément à l'invention, la figure 1 A étant relative à la formation d'un microguide, la figure l B étant relative à la formation d'un miroir ou d'une lame séparatrice, les figures 2 A et 2 B représentent l'étape de formation d'une couche périphérique à l'intérieur des cavités, les figures 3 A et 3 B représentent l'étape de remplissage des cavités à partir de matériaux appropriés, les figures 4 A et 4 B représentent l'étape de couverture des cavités par une couche de protection, la figure 5 représente schématiquement les étapes de la phase préliminaire selon le procédé conforme à l'invention, la figure 6 représente schématiquement une plaquette comportant des composants de type micro- guide associés à des miroirs obtenus par le procédé conforme à l'invention. Les figures 1 à 4 représentent Les diffé- rentes étapes de fabrication de composants optiques intégrés selon Le procédé conforme à L'invention. La figure 1 A montre une coupe d'un substrat 10 surmonté d'un masque 12 Le masque a permis d'effectuer une gravure du substrat aux endroits non protégés, de manière à obtenir une cavité 13 dont La section droite est sensiblement circulaire. Pour cela Le masque présente des ouvertures dont La Largeur D est suffisamment faible par rapport à la profondeur L désirée de La cavité et La gravure isotrope est une gravure sèche IL s'agit d'une gravure à géométrie contrôlée, réalisée par exemple à partir d'un mélange de gaz SF 6 et 02 dans un réacteur de type micro-ondes. La figure 1 B représente schématiquement L'étape de réalisation d'une cavité à section droite rectangulaire dans un substrat 10 surmonté d'un masque 12 Le masque a permis de réaliser une gravure du substrat aux endroits non protégés La cavité présente des flancs 14 a et 14 b très verticaux La profondeur l de la cavi té sera généralement plus faible que celle obtenue dans le cas de ta figure 1 A et la gravure sera une gravure sèche anisotrope. Sur ces figures, on voit Le substrat 10 en silicium monocrista L Lin sur lequel a été réalisé un masque 12 muni de motifs de formes et de dimensions adaptées pour permettre ta gravure de ce substrat, afin de former des cavités à l'intérieur du substrat. Le masque 12 a été obtenu par oxydation thermique du silicium pratiquée sous une pression et une température choisies de manière à former une couche de silice d'épaisseur suffisante. Des ouvertures sont pratiquées dans La couche de silice 12 suivant le motif à réaliser sur une largeur D choisie Ces ouvertures sont pratiquées par les techniques classiques de photogravure. Dans Le cas d'une gravure isotrope, les cavités obtenues ont une forme à section droite circulaire, La Largeur D étant pour ce La choisie entre 10 et 131 m, cette Largeur étant suffisamment faible tout en permettant de pratiquer cette gravure. La profondeur L varie entre 50 et 500 >>m P Lus La profondeur L est importante par rapport à cette Largeur D et p Lus La section droite se rapproche de ce L Le d'un cerc Le et donc est tout à fait compa- tib Le avec Les sections droites des coeurs des fibres optiques. Dans Le cas de la gravure sèche anisotrope du substrat qui permet d'obtenir des sections droites rectangulaires à flancs très verticaux, La profondeur L est généralement plus faible. Après avoir réalisé Le masque 12 puis La gravure du substrat 10 pour obtenir des cavités, le procédé consiste à effectuer une oxydation ther- mique du si Licium afin de former une couche périphérique d'épaisseur donnée sur une partie ou sur toute La surface intérieure des cavités Sur La figure 2 A L'oxydation thermique est réalisée sur toute La surface intérieure de La cavité et forme une couche de si Lice 15 qui va constituer u Ltérieu- rement La gaine du microguide réa Lisé. Sur La figure 2 B L'oxydation thermique du si Licium est partielle et permet d'obtenir une couche périphérique sur les flancs verticaux 14 a, 14 b, cette couche portant Les références 16 a, 16 b. Bien entendu, La couche de si Lice ne peut être formée que sur L'un des deux flancs. L'oxydation thermique peut se faire en pression norma Le pour obtenir de faibles épaisseurs de silice allant de 1 à 3,im, ou sous haute pression (entre 10 et 20 bars) pour obtenir des épaisseurs de silice beaucoup plus élevées allant de 5 à 20 p m. De préférence l'on choisira de réaliser cette oxydation thermique sous haute pression et sous des températures situéees entre 800 C et 1100 C pour obtenir une épaisseur de 5 à 10 m. Après cette étape d'oxydation thermique, on procède à une étape de remplissage des cavités par un matériau approprié. Sur la figure 3 A, on a rempli la cavité 13 d'un matériau d'indice de réfraction supérieur à celui de la couche 15 On peut choisir par exemple un matériau utilisé dans la fabrication des fibres plastiques PMMA d'indice de réfraction égal à 1,49 ou un polystyrène d'indice de réfraction égal à 1,55 Ces matériaux étant liquides au-delà de 150 C environ, il est donc facile de les injecter puis d'attendre leur refroidissement, et ainsi d'obtenir une région 17 qui va former le coeur du microguide, comme représenté sur la figure 3 A. En pratique, tout matériau transparent pour les longueurs d'onde de travail et d'indice plus grand que celui de la silice peut convenir. Une colle thermodurcissable, par exemple aux rayonnements ultraviolets, peut convenir. Dans le cas de la figure 3 B, si l'oxydation thermique ayant conduit à la formation de la couche périphérique formant les flancs 16 a et 16 b a été faite sous haute pression, l'épaisseur de cette couche allant de 10 à 20 px est suffisante pour la solidité. On peut dans ce cas là laisser la cavité remplie d'air Le matériau de remplissage étant l'air, la réflexion sera totale avec un angle d'indice i supérieur à Arc Sin 1/n 1, N 1 étant l'indice du coeur du microguide qui pourra être associé au miroir ainsi formé. Une dernière étape, qui n'est cependant pas indispensable, peut consister à réaliser le dépôt d'une couche de protection (superstrat) sur les cavités qui ont été réalisées par le procédé conforme à l'invention On peut donc, pour réaliser cette étape, effectuer un redépôt basse température de silice ou d'un matériau de bas indice pour fermer les cavités On pourra ainsi utiliser une colle optique ou un gel de silice. Cette couche, qui a été représentée sur les figures 4 A et 4 B, porte la référence 19. Le procédé conforme à l'invention permet également de réaliser des composants tels que des microguides associés à d'autres types de composants, et notamment à des miroirs et/ou des lames sépara- trices sur une même plaquette. Pour cela, le procédé comportera de façon avantageuse une phase préliminaire permettant de réaliser les cavités destinées à former des lames séparatrices et/ou des miroirs, et la phase principale qui va permettre de réaliser les microguides et d'achever la réalisation des miroirs et/ou les lames séparatrices à partir des cavités obtenues lors de la phase préliminaire. On a représenté sur La figure 5 un substrat vu en perspective, dans lequel vont être formés les différents types de composants qui viennent d'être énoncés. Le substrat 10 de silicium monocristallin est surmonté d'une couche 50 réalisant un premier masque comportant des motifs de formes et de dimensions déterminées correspondant aux longueurs et aux largeurs des miroirs ou des lames séparatrices que l'on désire obtenir. Ce masque est obtenu par dépôt d'un maté- riau permettant une attaque chimique, on utilisera de préférence du Si 3 N 4 (on peut également utiliser la silice ou un métal). Puis on procédera à une gravure de cette couche de Si 3 N 4 suivant les motifs 20 dont deux côtés sont choisis parallèles à la trace des plans d'arrêt qui vont ultérieurement servir lors de la gravure isotrope pratiquée pour réaliser les cavités formant les microguides et qui sera de préférence une gravure sèche. On procède ensuite à une attaque chimique préférentielle anisotrope qui est réalisée de manière classique en mettant en jeu des agents d'attaque basique avec un alcool comme modérateur (KOH+éthanol ou méthanol, diéthylamine + alcool), cette attaque chimique préférentielle va être réalisée sur une profondeur L' supérieure à L, L étant la profondeur des cavités formant les microguides. On va procéder ensuite à l'élimination du nitrure de silicium, c'est-à-dire de la couche qui a formé le masque. Après cette étape préliminaire, on va mettre en oeuvre les différentes étapes constituant la phase principale pour, d'une part former les cavités destinées à réaliser les microguides et, d'autre part, terminer la réalisation des miroirs et/ou des lames séparatrices. Pour cela, on procède à la réalisation d'un deuxième masque par oxydation thermique du substrat Cette étape va permettre de créer une couche d'arrêt pour la gravure sèche, qui va être pratiquée pour former les cavités des microguides On peut également utiliser cette étape d'oxydation thermique du substrat pour former un masque destiné à cette 1 1 gravure sèche du substrat lors de la formation des cavités utilisées pour réaliser les microguides. Si le masque n'est pas réalisé au cours de cette étape, il peut l'être indépendamment par dépôt ou oxydation thermique. La figure 6 représente le schéma de la plaquette dans laquelle sont réalisés les microguides associés à des miroirs Ce schéma permet d'illustrer plus particulièrement l'étape de réalisation des composants concernant la gravure isotrope pratiquée pour réaliser les cavités 40 qui vont permettre de former les microguides On a également représenté sur ce schéma les flancs verticaux 31 qui sont des plans d'arrêt à la gravure isotrope des cavités des microguides La gravure isotrope des microguides a été réalisée, comme cela a déjà été dit, à partir du masque 12 qui a été formé par oxydation thermique du substrat, dans les conditions énoncées précédem- ment. Les cavités 30 formant les miroirs peuvent être remplies d'air et l'on obtiendra dans ce cas une réflexion totale avec un angle d'incidence i supérieur à Arc Sin 1/nl, n I étant l'indice de coeur du microguide On peut également pratiquer un dépôt métallique d'aluminium, de chrome, d'or ou d'argent, par évaporation ou pulvérisation cathodique sous incidence L'angle d'incidence i pourra alors être quelconque On peut également remplir ces cavités de métal à basse température de fusion, par exemple aluminium, argent, indium, pour consolider la paroi, mais bien sûr cette variante d'exécution ne pourra être appliquée que pour les cavités qui vont former des miroirs et non des lames séparatrices. Dans Le cas de lames séparatrices, les cavités pourront être remp Lies par un diélectrique d'indice assez différent de ce Lui du coeur du microguide (par exemp Le de la co L Le optique). REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comporte une phase principale comprenant Les étapes suivantes: réaliser un masque ( 12) ayant des motifs de formes et de dimensions déterminées, effectuer une gravure du substrat non protégé par Le masque, de manière à obtenir au moins une cavité ( 13) de forme désirée, effectuer une oxydation thermique pour former une couche périphérique ( 15, 16 a, 16 b) d'épais- seur donnée sur une partie ou sur toute La surface intérieure des cavités, réaliser un remplissage ( 17, 18) des cavités par un matériau approprié. 2 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 1, caractérisé en ce que La gravure du substrat est une gravure sèche. 3 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon La revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à effectuer Le dépôt d'une couche supérieure ( 19) de protection. 4 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon La revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que La réalisation du masque ayant des motifs de formes et de dimensions déterminées consiste à: effectuer une oxydation thermique du substrat à haute ou à basse pression, selon L'épais- seur désirée pour La couche, réaliser des ouvertures dans La couche oxydée définissant Les motifs désirés. Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de gravure consiste à réaliser une gravure ionique isotrope permettant d'obtenir des cavités de profondeur L, les motifs du masque étant choisis de manière à avoir une faible largeur D par rapport à cette profondeur L, pour obtenir des cavités de section droite pratiquement circulaire. 6 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le rapport profondeur/largeur est au moins égal à 5. 7 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de gravure consiste à réaliser une gravure ionique anisotrope permettant d'obtenir des cavités de section droite rectangulaire. 8 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon l'une quelconque des revendi- cations I à 6, caractérisé en ce que l'étape de remplissage des cavités consiste à introduire un matériau d'indice de réfraction ng supérieur à celui de la couche périphérique intérieure des cavités, ce matériau constituant Le coeur du microguide. 9 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 8, caracté- risé en ce que le matériau introduit est un matériau de même type que ceux employés pour la fabrication des fibres optiques plastiques, un polystyrène ou du PMMA. Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau de remplissage est un matériau optiquement transparent et durcissable aux ultraviolets. 11 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4 et 5, caractérisé en ce que l'étape de remplissage des cavités consiste à introduire un matériau d'indice de réfraction nr inférieur à celui de la couche périphérique intérieure des cavités. 12 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, 8 et 9, caractérisé en ce que les composants sont des microguides. 13 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, 7 et 11, caractérisé en ce que les composants sont des miroirs ou des lames séparatrices. 14 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 13, caractérisé en ce qu'il permet de réaliser des microguides associés à des miroirs et/ou des lames séparatrices. Procédé de réalisation de composants optiques intégrés permettant d'associer des micro- guides et/ou des lames séparatrices selon la revendication 14, caractérisé en ce que la phase principale est utilisée pour réaliser les microguides et en ce qu'il comporte une phase préliminaire permet- tant de réaliser les miroirs et/ou les lames sépara- trices, comportant les étapes suivantes: réaliser un premier masque ( 13) ayant des motifs de formes et de dimensions déterminées, réaliser une gravure anisotrope du substrat non protégé par le masque pour obtenir des cavités ( 20) à flancs verticaux, éliminer le masque, réaliser une oxydation thermique des flancs verticaux pour constituer des couches d'arrêt ( 31) pour la gravure sèche de la phase principale. 16 procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 15, caracté- risé en ce que l'étape de gravure anisotrope consiste à réaliser une gravure chimique préférentielle du substrat sur une profondeur L'. 17 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 16, caracté- risé en ce que la profondeur des cavités à flancs verticaux L' est supérieure à la profondeur L des cavités des microguides. 18 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 15, caracté- risé en ce que le masque ( 12) obtenu par oxydation thermique dans la phase principale est réalisé lors de l'oxydation thermique permettant d'obtenir les couches d'arrêt ( 31) dans la phase préliminaire. 19 procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon La revendication 15, caracté- risé en ce que l'oxydation thermique destinée à former la couche périphérique des cavités est réalisée sous haute pression et en ce que les cavités formant les miroirs sont remplies d'air. Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 15, caracté- risé en ce que l'oxydation thermique destinée à former la couche périphérique des cavités est réalisée sous haute pression et en ce qu'on réalise un dépôt métal- lique par évaporation ou pulvérisation cathodique dans les cavités formant les miroirs. 21 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 15, caracté- risé en ce que l'oxydation thermique destinée à former la couche périphérique des cavités est réalisée à basse pression et en ce que les cavités formant les miroirs sont remplies par un métal à basse température de fusion. 22 Procédé de réalisation de composants optiques intégrés selon la revendication 15, caracté- risé en ce que les cavités formant des lames séparatrices sont remplies d'un matériau diélectrique d'indice de réfraction différent de celui du coeur des microguides.