Brevet FR2681855A1 — publié le 19930402

L'invention concerne un procédé pour la production de composants en optique intégrée par échange d'ions utilisant un masque de silicium, un procédé pour la réalisation de ce masque et un procédé pour l'élimination finale dudit masque. La fabrication de guides d'ondes optiques dans un corps, en forme de plaquette ou rondelle plane, en verre par échange d'ions entre le verre et un sel de métal fondu approprié tel qu'un sel de Tl, Cs ou Ag est bien connue. Cette fabrication requiert l'emploi d'un masque de forme appropriée pour délimiter la zone du corps o aura lieu l'échange d'ions, c'est-à- dire l'emplacement du guide d'ondes optiques à former Ceci peut être, par exemple, accompli en déposant, sur la surface du corps en verre devant subir l'échange d'ions, un masque uniforme, puis, sur le masque, un motif de réserve polymère approprié par une technique photolithographique, ce motif de réserve laissant à nu des zones du masque, à éliminer les zones à nu du masque, à éliminer le motif de réserve, à effectuer une opération d'échange d'ions, intéressant les zones de la surface du corps dépourvues de masque, dans un bain de sel fondu approprié, puis à éliminer le masque En variante, on peut commencer par appliquer un motif de réserve polymère approprié par une technique photolithographique, ce motif de réserve laissant à nu des zones de la surface du corps en verre, puis déposer le masque et éliminer les parties du masque recouvrant la matière de réserve polymère, par exemple en décollant cette dernière dans un solvant, de façon à ne laisser subsister que les parties du masque recouvrant les zones laissées à nu par la réserve, après quoi on procède à l'opération d'échange d'ions. Eventuellement, une deuxième opération d'échange d'ions peut être effectuée dans un autre bain de sel fondu pour enterrer" le guide d'ondes résultant du premier échange d'ions Les opérations d'échange d'ions sont habituellement assistées par un champ électrique. Un bon masque pour une telle fabrication doit satisfaire à plusieurs conditions: il doit être facile à déposer, il doit être aisé d'y pratiquer un motif, il doit avoir une bonne adhérence au verre, il doit pouvoir résister à l'échange d'ions, et il doit être aisément éliminable après l'échange d'ions et ceci sans que l'opération d'élimination ait d'effets nuisibles sur le verre et les zones ayant subi l'échange d'ions. De nombreux matériaux ont déjà été proposés pour constituer le masque On peut citer notamment les suivants: l'aluminium qui est le matériau de masquage le plus communément utilisé, a été décrit à cette fin dans de nombreux articles, tels que celui de J L Coutaz et al, Applied Optics, 21-6, 1066 ( 1982). L'aluminium a, toutefois, le défaut de ne pas très bien résister au processus d'échange d'ions, en particulier lorsque ce dernier est prolongé, comme c'est le cas dans la réalisation de composants multimodes. le titane a été préconisé par plusieurs auteurs, voir par exemple l'article de H J Lilienhof et al, Optics Comm. -1, 49 ( 1980). Dans le brevet européen No O 269 996, qui se rapporte à l'utilisation d'un masque en titane, il est indiqué que le masque de titane forme une mince couche d'ions superficielle formant barrière dans le verre, si bien que, lorsqu'on désire enterrer le guide d'ondes par un deuxième échange d'ions, il faut éliminer au préalable cette mince couche de verre superficielle Ceci est évidemment un inconvénient important. l'alumine a aussi été utilisée, comme décrit par R. G WALKER et al, Applied Optics, 22, 1929 ( 1983) L'alumine provoque de fortes contraintes dans le verre et est malaisée à éliminer. le platine a été aussi proposé Voir H J Lilienhof et al, IEEE J Quantum Electron, Vol QE-18, N O 11, 1877 ( 1982). Le platine souffre d'être très onéreux et d'être difficile à éliminer sans emploi d'agents chimiques très agressifs En outre, il est difficile d'y former un motif. la silice et le nitrure de silicium sont également mentionnés dans l'article précédent Ces matériaux ont l'inconvénient de nécessiter des températures de dépôt élevées De plus, en ce qui concerne la silice, sa gravure sélective par rapport au verre est difficile compte tenu de leur nature chimique proche. Aucun des matériaux de masquage sus-mentionnés n'étant pleinement satisfaisant, il existe donc un besoin dans l'industrie pour un masque qui remplirait l'ensemble des conditions sus-énoncées. La présente invention vise à satisfaire ce besoin en proposant l'emploi d'un masque en silicium. La présente invention vise également à fournir un procédé de production d'un tel masque en silicium. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de réalisation d'un circuit optique intégré dans un corps en verre par échange d'ions entre certaines zones du corps en verre et un sel de métal fondu avec emploi d'un masque délimitant les zones o se produit l'échange d'ions, caractérisé en ce que le masque comprend une couche de silicium. L'invention concerne aussi un procédé de dépôt d'une couche de silicium de masquage sur un corps en verre, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de silicium est effectué tandis que le corps en verre est chauffé à une température de 200 à 500 C environ. Le procédé de réalisation d'un circuit optique intégré de l'invention ne diffère des procédés actuellement connus que par le fait qu'on utilise un masque en silicium. On ne décrira donc ici que ce qui concerne la réalisation du masque en silicium proprement dit et son élimination finale. La couche de masquage en silicium peut être déposée sur la surface du corps en verre par dépôt par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique, c'est-à-dire par des techniques bien connues en soi. Toutefois, pour obtenir une bonne adhérence du masque en Si sur le corps en verre, il est indispensable de préparer convenablement la surface du corps en verre avant d'y déposer le silicium. La préparation de la surface sera plus ou moins sévère selon la durée de l'opération d'échange d'ions que devra subir le corps en verre masqué, laquelle sera elle-même fonction du type (monomode ou multimode) du composant à produire Dans le cas d'un composant monomode pour lequel la durée de l'échange d'ions est habituellement d'une heure environ, la préparation de la surface de verre pourra consister en un lavage à l'aide d'une solution aqueuse d'un détergent suivie d'un rinçage à l'eau désionisée et d'un séchage Par contre, dans le cas d'un composant multimode pour lequel la durée de l'échange d'ions est habituellement de plusieurs dizaines d'heures, il faudra procéder à une préparation plus poussée impliquant un traitement par une solution diluée d'acide visant à effectuer une attaque très superficielle de la surface du verre de façon à améliorer l'adhérence du masque Ce traitement ne doit pas, toutefois, provoquer une dégradation de la surface du verre Par exemple, la préparation pourra consister en un lavage à l'aide d'une solution aqueuse d'un détergent, suivi d'un lavage dans une solution diluée d'acide chaud, par exemple d'acide acétique, lui-même suivi d'un rinçage à l'eau désionisée et d'un séchage. Le dépôt de la couche de silicium sur la surface de verre préparée peut être effectué, par exemple, par dépôt par évaporation sous vide ou par pulvérisation cathodique. On préfère à ce jour le dépôt par évaporation sous vide à partir d'une charge en silicium Les conditions de dépôt sont classiques excepté la température du substrat, c'est-à- dire du corps en verre, qui doit être aussi proche que possible de la température à laquelle l'échange d'ions sera ultérieurement effectué En effet, le coefficient de dilatation thermique du silicium étant très différent de celui du verre, à savoir 30 10-7/OC et 100 10-7/ C, si le dépôt du masque était effectué à la température ambiante, le masque résultant se fissurerait pendant l'échange d'ions par suite des contraintes engendrées par la différence des dilatations Pour éviter cela, il faut déposer le masque en silicium sur le corps en verre tandis que ce dernier est maintenu à une température aussi proche que possible de la température du bain de sel fondu dans lequel on effectuera l'échange d'ions Habituellement cette température se situera dans la gamme de 200 à 5000 C A cette fin, on prévoira des moyens de chauffage du corps en verre, tels que des résistances chauffantes électriques ou des lampes infra- rouges Etant donné que la température de chauffage du corps en verre pendant le dépôt du silicium sera proche de la température de transformation vitreuse du verre, on chauffera avantageusement le corps en verre des deux côtés pour éviter les déformations que pourrait causer un gradient de température Après refroidissement à la température ambiante, le masque se trouve sous contrainte de compression ce qui n'a pas d'effet nuisible L'épaisseur de la couche de silicium peut aller de 0,1 pm à plusieurs micromètres Des épaisseurs préférées typiques sont d'environ 0,3 pm pour la réalisation de composants monomodes et d'environ 0,5 pm pour la réalisation de composants multimodes. La couche de silicium résultante est ensuite revêtue, par un procédé photolithographique, d'un motif de réserve, puis est sélectivement enlevée dans les zones non recouvertes par le motif de réserve correspondant au guide d'ondes optiques à réaliser, par exemple par gravure par plasma de gaz fluoré ou chloré On élimine ensuite le motif de réserve par des moyens classiques, par exemple à l'aide d'un solvant ou d'un plasma d'oxygène Après cette opération, on procède à l'échange d'ions dans un bain de sel de métal fondu, par exemple un sel de thallium, dans des conditions classiques, cet échange visant à remplacer les ions Na' ou K+ du verre par les ions métalliques du sel fondu. Après l'échange d'ions, il y a lieu de procéder à l'enlèvement du masque Une opération de gravure par plasma de gaz f luoré ou chloré convient à cet effet Cependant, avant de procéder à cette opération de gravure, il faut se débarrasser des résidus du sel provenant du bain fondu qui entraveraient cette gravure Lorsque les ions à échanger sont des ions thallium, comme on le préfère actuellement, on emploie communément du nitrate de thallium comme sel du bain d'échange d'ions, en raison de son point de fusion relativement bas Cependant, pendant l'échange d'ions, le nitrate de thallium se décompose partiellement en oxyde de thallium difficilement soluble dont l'élimination pose problème La Demanderesse a trouvé qu'on peut avoir recours à un nettoyage acide pour éliminer les résidus de thallium mais que ce nettoyage présente le risque d'altérer très facilement le guide d'ondes créé par l'échange d'ions, notamment s'il s'agit d'un composant monomode, si on n'observe pas certaines conditions. La présente invention concerne donc aussi un procédé d'enlèvement d'une couche de masquage métallique à partir d'un corps en verre par une opération de gravure à l'aide d'un plasma de gaz fluoré ou chloré, ladite couche portant des résidus de sel de thallium et/ou d'oxyde de thallium, caractérisé en ce que la couche de masquage métallique est en silicium et en ce que, avant l'opération de gravure, on procède à une opération de nettoyage à l'aide d'une solution aqueuse diluée d'acide chlorhydrique contenant au plus 0,40 %, de préférence au plus 0,1 %, en poids d'acide chlorhydrique Ce traitement a l'avantage d'être très sélectif, c'est-à-dire de permettre d'élimination du masque en Si tout en ne provoquant qu'une attaque minimale du verre et des guides d'ondes créés par échange d'ions (gravure inférieure à 0,1 pm). Les exemples non limitatifs suivants sont donnés dans le but d'illustrer les divers aspects de l'invention. Exemple 1: Dépôt d'une couche de masquage en silicium Avant le dépôt, on prépare la surface des corps en verre par les traitements suivants, selon que l'on désire produire des composants monomodes ou multimodes. Composants monomodes lavage par une solution détergente aqueuse du commerce (Teepol J 3) diluée à 20 % en volume pendant 1 minute rinçage à l'eau désionisée séchage. Composants multimodes lavage par une solution détergente aqueuse du commerce (Teepol@) diluée à 20 % en volume lavage dans une solution aqueuse d'acide acétique à 4 % en volume à 500 C pendant 1 mn rinçage à l'eau désionisée séchage. On effectue le dépôt de la couche en Si par évaporation sous vide au canon à électrons à partir d'une charge de Si dans un équipement LEYBOLD L 560. On charge huit corps en verre à la fois sur un support circulaire que l'on dispose en haut de l'enceinte à vide. Les corps sont initialement protégés par des caches. On fait le vide dans l'équipement jusqu'à une pression résiduelle de 5 10-7 millibars, puis on chauffe le corps en verre jusqu'à 340 C avec une vitesse de montée en température de 40 C/minute La pression juste avant le dépôt est de 5 10-i millibars On met le canon à électrons sous tension, on fond la charge de silicium et on règle la puissance pour atteindre une vitesse de dépôt du silicium de 50 A/s On ouvre alors les caches protégeant les corps à revêtir On effectue le dépôt pendant 1 mn pour des échantillons monomodes (épaisseur de Si: 0,3 pm) et pendant 1 mn 40 S pour des échantillons multimodes (épaisseur de Si: 0,5 pm) Après le dépôt, on laisse les échantillons refroidir à raison de 20 C/mn, on remet les échantillons au contact de l'air lorsqu'ils sont refroidis à 100-150 C, puis on les sort de l'enceinte à vide. Exemple 2: Enlèvement du masque Mode de mise en oeuvre No - Des échantillons monomodes et multimodes ayant subi un échange d'ions dans un bain fondu de nitrate de thallium ont été soumis aux opérations suivantes: A) Elimination des résidus de nitrate et oxyde de thallium: nettoyage pendant 1 minute à l'aide d'une solution aqueuse de détergent du commerce (Teepol ) diluée à 20 % en volume rinçage à l'eau désionisée nettoyage pendant deux minutes dans une solution aqueuse à 1 % en poids d'acide chlorhydrique à 37 % à 200 C rinçage à l'eau désionisée séchage. B) Enlèvement du masque dans un plasma de CF 4 + 4 % de 02. Appareil utilisé: Plasmafab 505 de chez ETA ELECTROTECH Il s'agit d'un appareil du type dit "barrel" (cylindre). Conditions de gravure pression: 26 Pa ( 200 millitorrs) puissance: 200 watts durée: 3 mn (composants monomodes) ou 4 mn (composants multimodes). C) Nettoyage final (élimination des dernières traces de composés du thallium) nettoyage pendant 5 secondes dans une solution aqueuse à 0,2 % en poids d'acide chlorhydrique à 37 % à 200 C rinçage à l'eau désionisée séchage. Les échantillons multimodes obtenus étaient d'une très bonne qualité Les résultats obtenus avec les échantillons monomodes étaient moins bons du fait que ce type de composants est plus sensible à l'attaque chimique, ce qui a conduit la Demanderesse a mettre au point un mode de mise en oeuvre moins agressif, mieux adapté à la production de composants monomodes. Exemple 3: Enlèvement du masque Mode de réalisation No 2 Des échantillons monomodes ayant subi un échange d'ions dans un bain fondu de nitrate de thallium ont été soumis aux opérations suivantes: A) Comme à l'exemple 2, si ce n'est que le nettoyage à l'acide chlorhydrique dilué n'a duré que 1 minute et que la concentration de la solution était de 0,25 % en poids d'H Cl à 37 %. B) Enlèvement du masque dans un plasma de SF 6. Appareil utilisé: NE 110 de chez NEXTRAL Il s'agit d'un appareil de type dit RIE (pour "Reactive Ion Etching") permettant un excellent contrôle du démasquage. débit: 15 cm 3/mn dans les conditions standards de température et de pression pression 6,5 Pa ( 50 millitorrs) puissance: 30 watts durée: 120 secondes environ (détection de la fin de gravure par réflectométrie). C) Nettoyage final nettoyage pendant 1 minute à l'aide d'une solution aqueuse de détergent du commerce (Teepol ) à 50 % en volume rinçage à l'eau désionisée séchage. Les échantillons monomodes ainsi traités étaient sensiblement exempts d'attaque affectant les guides d'ondes. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Un procédé de réalisation d'un circuit optique intégré dans un corps en verre par échange d'ions entre certaines zones du corps en verre et un sel de métal fondu avec emploi d'un masque délimitant les zones o se produit l'échange d'ions, caractérisé en ce que le masque comprend une couche de silicium. 2 Un procédé de dépôt d'une couche de silicium de masquage sur un corps en verre, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de silicium est effectué tandis que le corps en verre est chauffé à une température de 200 à 500 'C environ. 3 Un procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de silicium est déposée par évaporation sous vide à partir d'une charge de silicium. 4 Un procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de silicium est précédé d'une préparation de la surface à revêtir comprenant un lavage à l'aide d'une solution aqueuse d'un détergent. 5 Un procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de silicium est précédé d'une préparation de la surface à revêtir comprenant un lavage à l'aide d'une solution acide. 6 Un procédé d'enlèvement d'une couche de masquage métallique à partir d'un corps en verre par une opération de gravure à l'aide d'un plasma de gaz fluoré ou chloré, ladite couche portant des résidus de sel de thallium et/ou d'oxyde de thallium, caractérisé en ce que la couche de masquage métallique est en silicium et en ce que, avant l'opération de gravure, on procède à une opération de nettoyage à l'aide d'une solution aqueuse diluée d'acide chlorhydrique contenant au plus 0,40 % en poids d'acide chlorhydrique. 7 Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la concentration de la solution aqueuse diluée en acide chlorhydrique est d'au plus 0,1 % en poids.