Brevet FR2759465A1 — publié le 19980814

La présente invention conceme de façon générale un procédé de traitement de substrats pour la compensation de leur gauchissement, et plus précisément, elle concerne un procédé de compensation du gauchissement des dispositifs optiques et électroniques multicouches possédant plusieurs couches de verre superposées qui coopèrent mutuellement de manière étanche. Une contrainte est créée lorsque deux verres ayant des coefficients différents de dilatation thermique sont soudés l'un à l'autre. Par exemple, des couches de verre de guides d'ondes planaires sont formées sur des substrats de silice pour la formation de circuits optiques destinés à des ondes lumineuses (LOC). Les différences entre les coefficients de dilatation thermique de la silice et de la couche de guidage d'onde et de cette couche et d'une couche supérieure peuvent provoquer une déformation inacceptable du substrat. En outre, le motif des guides d'onde peut avoir une influence sur la configuration du substrat. Le substrat gauchi peut donner une mauvaise résolution au cours des opérations ultérieures de photolithographie et d'attaque chimique, ou peut provoquer des pertes par déformation ou courbure de guide d'onde et peut dégrader d'autres propriétés optiques. Ce problème du gauchissement des couches de verre ayant des coefficients différents de dilatation thermique dans les structures composites optiques et électroniques à couches n'a pas été résolu ni étudié de façon importante. L'un des rares articles publiés à propos de ce problème est l'article "Polarisation-lnsensitive Arrayed-Waveguide Grating Multiplexer with SiO2-on-SiOo Structure" de S. Suzuki et al., "Elecronics Letters ", 14 avril 1994, volume 30, N- 8, pages 642643. L'article de Suzuki et al. suggère que la solution à ce problème comprend l'utilisation, comme substrat, de silicium à la place de SiO2 afin qu'une température de consolidation plus élevée puisse être utilisée et que la consolidation puisse être obtenue sans déformation ou gauchissement du substrat. Cette solution est assez restrictive et elle ne permet pas la solution du problème lorsqu'il faut utiliser SiO2 comme substrat. On peut donc noter, d'après la description qui précède que, lors de la formation de structures composites de verre, par exemple de couches de verre de guides d'ondes planaires destinées à des circuits optiques, la solution suggérée par S. Suzuki ct al. limite beaucoup les possibilités de traitement et de matériaux utilisables par un fabricant de dispositifs optiques et électroniques planaires ayant plusieurs couches différentes de verre qui sont soudées. Dans un autre document de la technique antérieure, la demande de brevet européen EP-A2-0 697 605, les demandeurs ont décrit un dispositif optique et une structure de guidage d'onde ayant des interfaces thermiques adaptées réalisées par une tentative d'adaptation des coefficients de dilatation thermique du substrat et d'une couche de guidage d'onde par dopage convenable de chaque couche. Cette solution paraît coûteuse et nécessite un long traitement supplémentaire. La présente invention a donc pour objet la mise à disposition d'un procédé de traitement de substrats de verre permettant la solution des problèmes de déformation et de gauchissement posés par la technique antérieure. La présente invention concerne le traitement de substrats pour la compensation du gauchissement qui provoque une distorsion éventuelle des propriétés optiques et électriques des dispositifs planaires du type ayant au moins deux verres qui sont soudés mutuellement et qui ont des coefficients différents de dilatation thermique. Dans un mode de réalisation de l'invention, une couche de verre de guidage d'onde planaire est formée sur un substrat de silice pour la réalisation d'un circuit optique pour onde lumineuse (LOC). Les différences entre les coefficients de dilatation thermique de la silice, de la couche de guidage d'onde et de la couche supérieure de verre de revêtement peuvent provoquer une déformation inacceptable du substrat. En outrc, la formation du circuit ou motif des guides d'onde peut aussi avoir une influence sur la configuration du substrat. Dans un mode de réalisation de la présente invention, un traitement thermique postérieur est exécuté pour la correction du gauchissement dû à la formation de la couche de verre de guidage d'onde sur le substrat de silice. Dans ce mode de réalisation, le substrat de silice contenant la couche de verre de guidage d'onde est chauffé sur une surface plate et lisse en atmosphère ambiante ou sans oxygène, suivant la plaque de support utilisée, à une température comprise entre la température de recuit et la température de ramollissement de la couche de silice, pendant un temps suffisant pour que le substrat gauchi devienne plan. Dans un autre mode de réalisation, un substrat non revêtu de silice est préchauffé ou subit un fléchissement destiné à compenser le gauchissement qui se produira de manière prévisible pendant la formation de la couche frittée de guidage d'onde sur le substrat de silice. Un autre mode de réalisation correspondant à la description qui précède comporte un traitement thermique après le revêtement extérieur de la couche vitreuse de guidage d'onde, après les étapes classiques de photolithographie et d'attaque chimique qui forment le circuit convenable sur ladite couche de guidage d'onde. Les techniques classiques de photolithographie et d'attaque chimique sont bien connues. Par exemple, on peut utiliser les opérations convenables décrites dans l'ouvrage "Semiconductor Lithography Principles, Practices and Materials" de W. M. Moreau, Plenum Press, 1988. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente des traces de mesures effectuées sur des échantillons de substrat selon l'invention, la figure 2 est une vue en élévation latérale d'un substrat revêtu qui est traité selon l'invention, la figure 3 est une vue en élévation latérale d'un second substrat revêtu qui est traité selon l'invention, la figure 4 est une vue en élévation latérale d'un substrat revêtu qui a été traité selon l'invention, la figure 5 est une vue en perspective d'un substrat non revêtu destiné à être traité selon l'invention, la figure 6 est une vue du substrat de la figure 5, suivant la ligne 6-6, la figure 7 est une vue agrandie de la figure 2, et La figure 8 est une vue agrandie de la figure 3. Traitement thermique postérieur Les substrats qui peuvent être utilisés selon la présente invention sont déjà connus sous le nom de disques ou tranches destinés à des couches de verre de guidage d'ondc et sont formés dc silice (Si02). Ils forment habituellement des cylindres de section droite circulaire ayant un diamètre de 10 cm et une épaisseur de 1 mm. Les surfaces supérieure et inférieure du substrat sont plates (habituellement avec une planéité meilleure que 5 Hm sur une longueur de 10 cm) et sont très polies avec des bords chanfreinés. L'écart de 5 ym représente le rugosité totale ou le plus grand écart par rapport à une surface parfaitement plate. Une couche de guidage d'onde de lumière qui a habituellement 5 à 7,um d'épaisseur, est formée sur le substrat par réalisation d'abord d'une couche de particules d'oxyde par hydrolyse de flamme, puis par frittage de la couche de particules ou de suie pour la formation d'une couche d'un verre à base d'oxydes sur le substrat. Les couches de guidage d'onde ou d'âme de verre, dans un mode de réalisation, appartiennent au système quaternaire GeO2-B203-P2Os-SiO2, donnant une différence delta correspondant à un pourcentage élevé. Il faut noter que toute composition classique convenable de verre peut être utilisée pour la fabrication de la couche de verre de guidage d'onde. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n" 5 043 002 et 5 154 744 illustrent des procédés classiques d'hydrolyse à la flamme et de cuisson ou de frittage qui peuvent être utilisés pour la formation des couches de guidage d'onde de verre sur le substrat de silice. Les couches de guidage d'onde peuvent aussi être formées par d'autres techniques classiques telles que le dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma, le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, le dépôt par faisceau d'électrons et la technologie d'échange d'ions qui sont facilement disponibles dans la technique. Dans un mode de réalisation de la présente invention, des substrats plats de silice formés de quartz fondu de haute pureté de 10 cm de diamètre et 1 mm d'épaisseur, disponibles auprès de General Electric sous la désignation "GE 124" ont été utilisés. Une couche de suie contenant 13,9 % de Ge02, 3,4 % de B203, 1,4 % de P2O5 et 81,3 % de Si02 (les pourcentages étant pondéraux) a été formée sur le substrat de silice par hydrolyse de flamme. La couche de suie d'oxydes a alors été frittée à 1 290 "C pour la formation d'une couche de verre de 5 à 7 ,um d'épaisseur. Trois échantillons supplémentaires ont été préparés par le même procédé. Il faut noter que tout autre substrat convenable de silice peut être utilisé. Par exemple, on peut aussi utiliser des substrats de silice formés de quartz fondu de haute pureté disponibles auprès de Corning Inc. sous les références de codes 7 980 et 7 940. Lors de la réalisation d'un dispositif complet, après la formation du circuit par des techniques classiques indiquées précédemment, le dispositif attaqué subit alors un revêtement d'une couche de verre dont l'indice de réfraction correspond à celui du substrat de silice. Dans cette application, une composition convenable de verre de revêtement contient 8,6 % de B203, 4,6 % de P205 et 86,8 % de Si02 (en pourcentages pondéraux). Comme l'indiquent les figures 2 et 3, les substrats 10 de silice contenant les couches 12 de verre fritté formées comme indiqué précédemment se sont gauchis vers le haut ou vers le bas comme indiqué sur les figures 2 et 3 respectivement. La hauteur maximale ou distance d de gauchissement de chaque échantillon a été mesurée et enregistrée. Cette distance d est représentée sur les figures 7 et 8 qui sont des agrandissements des figures 2 et 3 respectivement. Le gauchissement a été mesuré à l'aide d'un profilomètre de Taylor Hobson. Trois traces ont été effectuées sur chaque échantillon (A à B, C à D, E à F) et les traces ont été réalisées d'un bord à un autre et sont présentées schématiquement sur la figure 1 des dessins. Les quatre échantillons ont subi un traitement thermique à une température suffisamment élevée pour que le substrat se déforme, mais suffisamment faible pour que la détérioration des couches de verre soit évitée. Une plage convenable de températures pour ce traitement est comprise entre 1 200 et 1 300 'C environ, pendant un temps d'environ 15 min à 7 h. Les échantillons sont soumis au chauffage jusqu'à la température de traitement à une vitesse d'environ 10 à 17 'C/min. et ,après traitement, ils sont refroidis à une vitesse d'environ 17 'C/min. Le substrat ou la tranche est supporté par une plaque 14 de support formée de carbone vitreux; ce matériau est poli afin qu'il soit extrêmement plat (au moins aussi plat que le substrat de silice). La plaque de graphite nécessite une atmosphère de cuisson dépourvue d'oxygène. On a constaté qu'une température de 1 290 'C pendant une heure donnait satisfaction pour cette combinaison de matières. D'autres conditions de traitement thermique peuvent être nécessaires à des couches de verre ayant des compositions et des configurations différentes. On considère dans la suite des exemples de quatre tranches revêtues comme décrit précédemment, et qui ont subi un traitement thermique (température de traitement thermique HT de 1 290 'C pendant une heure dans de l'hélium) sur une plaque de graphite. Trois traces ont été réalisées sur chaque échantillon (A-B, C-D, E-F) (voir figure 1). Les résultats du tableau sont donnés en microns et représentent le gauchissement d avant et après traitement. Tableau 1 A-B C-D E-F Moyenne Exemple 1 Initial 166,0 146,2 134,6 148,9 Après traitement 37,0 29,6 64,1 43,6 thermique Exemple 2 Initial 132,8 126,9 125,8 128,5 Après traitement 39,0 42,5 54,2 45,2 thermique Exemple 3 Initial 130,3 132,5 121,4 128,1 Après traitement 51,1 34,0 42,2 42,4 thermique Exemple 4 Initial 127,8 137,9 127,6 131,1 Après traitement 23,5 42,4 49,7 38,5 thermique Comme l'indiquent les résultats qui précédent, ces échantillons ont été aplatis de manière satisfaisante dans une plage cible d'environ 40 microns qui est la valeur maximale nominale tolérable de la distorsion pour les applications et procédés optiques. Suivant l'adaptation ou la proximité des coefficients de dilatation thermique des diverses couches de verre, c'est-à-dire du substrat, de la couche de guidage d'onde et du revêtement, ou l'effet de la formation du circuit ou du motif sur le substrat, le moment du traitement thermique peut varier suivant le moment ou la correction est nécessaire. Par exemple, une seule étape de traitement thermique provoquant l'aplatissement du substrat peut être utilisée pour la formation d'un verre de guidage d'une onde lumineuse, après l'attaque de formation du circuit optique ou après le revêtement. Eventuellement, plusieurs étapes de chauffage peuvent être utilisées lorsqu'un gauchissement inacceptable du substrat se produit après plusieurs étapes de traitement. Dans un autre mode de réalisation, les tranches de silice non revêtues (GE 124) ont été traitées lorsqu'elles reposaient sur un anneau de silice 16 (voir figures 5 et 6). Les traitements thermiques comprenaient le chauffage, de la température ambiante à une température maximale de 1 210 'C, à raison de 10 à 17'C/min., puis le maintien pendant un temps déterminé à ladite température maximale, et le refroidissement à une vitesse de réduction de température du four qui est typiquement de 17 'C/min. Les substrats ont subi le passage de traces de détermination de planéité avant et après le traitement thermique. Trois traces ont été réalisées sur chaque échantillon (A-B, C-D, E-F). Les résultats du gauchissement d sont donnés en microns. Tableau 2 A-B C-D E-F Moyenne Traitement Exemple 1 thermique 1 200in Initial 0,3 1,4 0,8 0,8 0,5 h Après traitement 19,4 5,7 10,9 12,0 thermique Exemple 2 1 200 'C Initial 0,6 0,3 0,8 0,6 0,75 h Après traitement 0,8 23,3 1,3 8,5 thermique Exemple 3 1 210 'C Initial 1,4 0,9 1,1 1,1 0,5 h Après traitement 19,7 4,4 12,1 12,1 thermique Les substrats ont présenté un fléchissement répété (vers le bas) pendant ces traitements thermiques, mais l'amplitude du gauchissement était faible. Les résultats qui précédent montrent que ces échantillons peuvent être utilisés pour le dépôt de suie et sa consolidation, car le gauchissement initial permet la compensation de la contrainte créée par les couches de verre fritté formées ultérieurement sur le substrat de verre. Bien que l'application préférée de la présente invention concerne les substrats de silice (Si02), il faut noter qu'elle s'applique aussi à d'autres substrats, tels que le silicium (Si) et le saphir (Alo03). Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1.Procédé de formation d'un circuit optique sensiblement plat pour onde lumineuse planaire, caractérisé en ce qu'il comprend: a) la fourniture d'un substrat (10) pratiquement plat de silice planaire, b) la formation d'une couche de plusieurs composés sous forme d'oxydes sur ledit substrat (10), c) le frittage de ladite couche d'oxydes pour la formation d'une couche vitreuse (12) de guidage d'onde sur ledit substrat (10) de silice, d) le chauffage de la structure formée dans l'étape (c) ci-dessus à une température élevée pendant un temps suffisant pour que la structure s'aplatisse, e) la formation d'un circuit optique dans ladite couche vitreuse (12) par des techniques classiques photolithographiques et d'attaque ; et f) le revêtement de la surface formée dans l'étape précitée (e) d'une couche de verre de recouvrement ayant un indice de réfraction pratiquement égal à celui dudit substrat (10). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure est supportée sur un support plat (14) de graphite pendant l'étape de chauffage (d). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche d'oxydes formée dans l'étape (b) est d'abord réalisée sous forme d'une suie d'oxydes. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la suie contient un mélange de Ge02-B203-P205-Si02. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit substrat (10) est une tranche circulaire. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de chauffage (d) est répétée après l'étape (f). 7. Procédé de formation d'un circuit optique pratiquement plat pour onde lumineuse planaire, caractérisé en ce qu'il comprend a) la fourniture d'un substrat (10) pratiquement plat de silice planaire, b) le pré-fléchissement dudit substrat (10) d'un degré prédéterminé pour la compensation du gauchissement ultérieur qui se produira lors de la formation d'autres couches de verre sur ledit substrat (10), par chauffage dudit substrat (10) à une température élevée, c) la formation d'une couche de plusieurs composés sous forme d'oxydes sur ledit substrat (10), d) le fnttage de ladite couche d'oxydes pour la formation d'une couche vitreuse (12) de guidage d'onde sur ledit substrat (10) de silice, e) la formation d'un circuit ou d'un motif dans ladite couche vitreuse (12); et f) le revêtement de la surface formée dans l'étape précédente (e) d'une couche de verre de recouvrement. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche d'oxydes formée dans l'étape (c) est d'abord réalisée sous forme d'une suie d'oxydes. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la suie contient un mélange de Ge02-B203-P205-Si 02. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit substrat (10) est une tranche circulaire. 11. Procédé de formation d'un circuit optique pratiquement plat pour onde lumineuse planaire, caractérisé en ce qu'il comprend: a) la fourniture d'un substrat (10) pratiquement plat de silice planaire, b) la formation d'une couche de plusieurs composés sous forme d'oxydes sur ledit substrat (10), c) le frittage de ladite couche d'oxydes pour la formation d'une couche vitreuse (12) de guidage de lumière sur ledit substrat (10) de silice, d) la formation d'un circuit optique dans ladite couche vitreuse (12) par photolithographie classique, e) le revêtement de la surface formée dans l'étape précitée (d), d'une couche de verre de revêtement ayant un indice de réfraction pratiquement égal à celui dudit substrat (10), et f) le chauffage de la structure formée dans l'étape (e) à une température élevée pendant un temps qui suffit pour que ladite structure soit aplatie. 12. Procédé de formation d'un circuit optique pratiquement plat pour onde lumineuse planaire, caractérisé en ce qu'il comprend a) la fourniture d'un substrat (10) pratiquement plat de silice planaire, b) la formation d'une couche de plusieurs composés sous forme d'oxydes sur ledit substrat (10), c) le frittage de ladite couche d'oxydes pour la formation d'une couche vitreuse (12) de guidage d'onde sur ledit substrat (10) de silice, d) la formation d'un circuit optique dans ladite couche vitreuse (12) par photolithographie classique, e) le chauffage de la structure formée dans l'étape précitée (d) à une température élevée pendant un temps suffisant pour que la structure soit aplatie et pour que la distorsion provoquée par la formation du circuit optique soit supprimée; et f) le revêtement de la surface formée dans l'étape précédente (e) d'une couche de verre de recouvrement dont l'indice de réfraction est pratiquement égal à celui dudit substrat (10). 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de chauffage (e) est répétée après l'étape (f). 14. Procédé de compensation du gauchissement et/ou de la distorsion provoqués par la différence des coefficients de dilatation thermique d'une structure planaire ayant au moins deux couches de verre qui ont été associées par soudage ou fusion, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend le chauffage de ladite structure à une température élevée pendant un temps qui suffit pour que l'une des couches de verre au moins soit ramollie et s'aplatisse substantiellement. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'une au moins desdites couches de verre est formée de silice.