Brevet FR2864253A1 — publié le 20050624

PROCEDE DE REALISATION DE GUIDES OPTIQUES A DIMENSIONS CONTROLABLES DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à un procède de réalisation de guides optiques à dimensions contrôlables. Elle concerne en particulier la réalisation de micro- ou de nanoguides optiques. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Depuis le début des années 1980, les télécommunications par fibres optiques sur de longues distances et avec de hauts débits se sont fortement développées au niveau mondial. Le choix du mode de propagation optique s'est naturellement imposé face au classique fil en cuivre. En effet, les pertes ohmiques dans le cuivre devenaient trop importantes et les besoins en débits des nouvelles technologies de télécommunication devenaient trop élevées. De nos jours, les fibres optiques permettent de résoudre les limitations dues aux interconnexions et aux limites fréquentielles de l'électronique grâce à une très large bande passante, à une réduction de la puissance dissipée, à un grand gain sur la transmission du signal et à la diaphonie. La microélectronique, qui s'est développée à un rythme exponentiel au cours de ces quarante dernières années, a permis de miniaturiser le transistor élémentaire et d'intégrer des systèmes électroniques de plus en plus complexes. La taille des circuits a également augmentée. Ainsi, la complexité de transmission des données s'est traduite par l'introduction de connexions à plusieurs niveaux. Comme les distances entre liens électriques au sein d'une puce tendent à diminuer de façon drastique et que les fréquences de fonctionnement augmentent, les pertes ohmiques dues aux connexions ne peuvent plus être négligées et commencent à devenir problématiques. Une solution consiste à s'affranchir de ces connections électriques en les remplaçant par des liaisons optoélectroniques afin de diminuer la latence et la puissance consommée lors de la transmission de données. A terme, l'application des techniques utilisées dans les télécommunications optiques pourrait augmenter les débits internes à l'intérieur des puces. De plus, l'International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) a mis en évidence l'inadéquation des interconnexions existantes pour les technologies sub-65 nm. Les liaisons optiques sur puce sont donc envisagées comme interconnexion du futur, points à points pour commencer (ce qui résout les problèmes de distribution d'horloge et de données bus). Dans un second temps, l'exploitation du multiplexage en longueur d'onde devrait permettre d'augmenter le débit dans les bus, répondant ainsi aux besoins des circuits intégrés de prochaines générations et au besoin pressenti de standardisation des blocs IP des réseaux de communication. Cette évolution à long terme de l'architecture des puces nécessite de nouvelles techniques de réalisation d'interconnexion, les guides uL optiques. Concernant le guidage et les fonctions optiques, la surface réduite des circuits intégrés ne permet pas d'utiliser des guides optiques à faible contraste d'indice qui nécessitent des rayons de courbure trop grands pour les changements de direction. Plusieurs procédés de fabrication existent pour la création de tels guides, en particulier de guides sur silicium. Le confinement de la lumière peut être obtenu grâce à la forte différence d'indice entre le silicium et l'oxyde de silicium à l'interface des plaques de SOI, ou par augmentation de l'indice de réfraction du silicium par ajout de germanium dans le coeur du guide aussi bien qu'en minimisant l'indice immédiat du guide optique à l'aide d'un fort dopage. De plus, de la croissance de guide de silicium peut être obtenue par CVD. Dans ce dernier cas, les guides d'onde peuvent être fabriquer par dépôt ou croissance de film d'oxyde de silicium sur des substrat de silicium. Le confinement latéral de la lumière est obtenu en augmentant l'indice de réfraction de l'oxyde soit par dopage (Ge, Ti ou P) soit par densification (M. KAWACHI, Opt. QuantumElectron 22 (1990), 391). Des nitrures d'oxyde peuvent également former le coeur des guides optiques du fait de leur fort indice optique comparativement à l'oxyde de silicium. Concernant cette approche technologique, plusieurs points caractéristiques peuvent être avancés. Tout d'abord, des contraintes avec par exemple la compatibilité avec les futures technologies CMOS, d'autre part les attraits avec notamment la moindre sensibilité à la température ou l'immunité aux bruits électromagnétiques. Doivent également être cités les difficultés avec, entre autres, la réduction des pertes sur les composants optiques afin de permettre la distribution sur un grand nombre de photo-détecteurs. Concernant ce dernier point, les pertes de propagation dépendent essentiellement des variables locales des dimensions des motifs définissant les guides et en particulier des rugosités des flancs des motifs. Au vu des différentes méthodes potentielles pour fabriquer les guides, la méthode consistant à confiner la lumière grâce à la forte différence d'indice entre Si et SiO2, à l'interface d'une plaque SOI, permet de définir des longueurs de guides voulues grâce à une lithographie. Le confinement latéral est ensuite obtenu soit par une gravure totale du film de silicium avec arrêt sur l'oxyde, soit par une gravure partielle du silicium pour former des motifs en arêtes. L'étape de lithographie et l'étape de gravure sont essentiellement responsables des rugosités de flanc des motifs et donc des pertes en ligne. Les rugosités s'additionnent en effet entre les deux étapes: É suite à l'étape de lithographie, la rugosité va être fortement dépendante de la résine utilisée et notamment de la dimension du polymère formée suite à la réticulation, É suite à l'étape de gravure, la rugosité va être fortement dépendante de la taille des grains de 30 silicium. L'ensemble de ces deux facteurs entraîne normalement des rugosités non négligeables sur les motifs finaux. Une autre voie pour la fabrication de guides optiques sur substrat consisterait à fabriquer ces guides par diffusion d'ions (argent, thallium, potassium, lithium...) à travers un masque de résine. On peut se référer à ce sujet à l'article de M. HAFICH et al. intitulé "Properties of optical waveguides formed by thermal migration of thallium ions in glass", Appl. Phys. Lett. 33(12), 1978, et à l'article de T. IZAWA et al. intitulé "Optical waveguide formed by electrically induced migration of ions in glass plates", Appl. Phys. Lett. 21(12), 1972. L'avantage de cette méthode est que le substrat n'est pas endommagé par les étapes de gravure. Cependant, bien que le guide est réalisé en surface, sa largeur ne peut pas être contrôlée de façon très efficace car elle est déterminée par un processus de recuit. La méthode traditionnelle de réalisations de guides optiques consiste donc à effectuer une étape de lithographie puis à transférer le tout dans le silicium par gravure. Il y a donc génération de rugosité aux interfaces du guide d'onde, cette rugosité étant d'abord due à la rugosité de la résine après développement, puis à l'étape de gravure. Il existe donc un besoin d'obtenir des guides optiques intégrés dont le motif définissant le confinement latéral est de dimensions réduites et contrôlables, à parois de faible rugosité et sans pour autant compliquer les étapes technologiques nécessaires. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour remédier aux inconvénients des procédés décrits ci-dessus, il est proposé un procédé de réalisation d'une structure comportant au moins un guide optique intégré. L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'une structure comportant au moins un guide optique intégré comprenant un coeur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - dépôt sur une surface d'un support d'une couche d'un matériau non organique présentant un premier état chimique, le matériau de ladite couche et le matériau de la surface du support étant choisis pour que, à la fin du procédé, l'indice optique du c ur du guide optique soit supérieur à l'indice optique du matériau de surface du support, - traitement localisé de ladite couche pour faire passer la partie traitée de ladite couche dans un deuxième état chimique et pour ainsi former un motif de définition dudit guide optique. Ainsi, le motif peut être la partie traitée dans le deuxième état chimique ou la partie non traitée dans le premier état chimique. Grâce au choix du matériau non organique de la couche disposée sur la surface du support, le traitement localisé permet de définir un motif de dimensions contrôlables sans modifier les propriétés optiques des zones voisines. On entend par deuxième état chimique du matériau non organique, une modification du matériau qui est initialement dans un premier état chimique telle qu'une oxydation, une réduction, une vaporisation de l'un des constituants, une désorption, une modification de sa structure cristalline, etc... La présente invention permet notamment de supprimer l'étape de gravure et donc les rugosités associées, tout en minimisant les rugosités de flanc induites par une lithographie et ainsi obtenir un motif de dimensions contrôlables. Le traitement localisé peut être un traitement choisi parmi une exposition à un rayonnement photonique, un bombardement électronique, un bombardement ionique, un traitement thermique, l'application d'un champ électromagnétique et le passage d'un courant électrique ou une combinaison de ces traitements. La partie traitée de ladite couche peut être une partie située au moins d'un côté d'un ruban destiné à constituer le coeur du guide optique. Selon un mode de réalisation, la partie traitée est de part et d'autre du ruban. La partie traitée de ladite couche peut aussi être un ruban destiné à constituer le coeur du guide optique. Dans ce cas, le ruban peut être isolé par élimination de parties de ladite couche non traitée adjacentes au ruban. Cette élimination peut être obtenue par dissolution. Le ruban peut être encapsulé au moyen d'un matériau d'indice optique plus faible que l'indice optique du ruban. Bien entendu, lorsque l'indice optique du matériau non traité est inférieur à l'indice optique du ruban, celui-ci peut être conservé. Le procédé peut comprendre en outre, après l'étape de traitement localisé, une étape de recuit. A titre d'exemple, la couche de matériau non organique est une couche de HSQ, le traitement localisé est avantageusement un bombardement électronique, l'étape de recuit fournissant un ruban de SiO2. Selon un autre exemple, la couche de matériau non organique est une couche de AlF3r le traitement localisé est avantageusement un bombardement électronique. Dans cet exemple, un recuit n'est pas utile. Le support peut comprendre un substrat 10 recouvert d'une couche d'un matériau constituant le matériau de la surface du support. Le matériau non organique peut être choisi de sorte que le traitement localisé ne modifie que la partie traitée. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: les figures lA à 1C illustrent un premier exemple de réalisation d'une structure comportant un guide optique intégré à faibles pertes de propagation selon la présente invention, - les figures 2A à 2C illustrent un deuxième exemple de réalisation d'une structure comportant un guide optique intégré à faibles pertes de propagation selon la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le procédé selon l'invention utilise avantageusement un matériau non organique assimilable à une résine négative de lithographie et qui peut être déposé sur un support par couchage ou par dépôt CVD ou PECVD. Un traitement localisé de ce matériau, par exemple une exposition de ce matériau à un rayonnement photonique ou à un bombardement électronique ou ionique confère à la zone exposée une vitesse de dissolution beaucoup plus lente dans un développeur que la zone non exposée. Cette sélectivité de la dissolution peut être due à une modification chimique ou à une densification du matériau. Après développement, grâce à un choix approprié de matériau, la partie insoluble constitue un motif à très faible rugosité apte à définir un confinement latéral du guide optique. Le choix du matériau déposé sur le support est crucial car il permet de minimiser la rugosité induite suite à l'étape de développement. D'autre part, il n'y a pas de transfert sur le support car le confinement latéral du guide optique est défini par le motif insoluble du matériau. Le support peut être un support ayant indice optique nettement inférieur à celui du coeur du guide d'onde. Le support peut aussi être un substrat recouvert d'un dépôt préliminaire de matériau de bas indice optique. Pour simplifier la description qui suit, le confinement latéral est obtenu dans les exemples des figures par un motif qui correspond au coeur du guide. Les figures 1A à 1C illustrent un premier exemple de réalisation d'une structure comportant un 2864253 10 guide intégré à faibles pertes de propagation selon la présente invention. La figure 1A montre un support 1 d'indice optique n1 sur lequel est déposée une couche 2 d'indice optique n2 tel que n2 > ni. La couche 2 est une couche d'un matériau non organique présentant un premier état chimique et apte à présenter un deuxième état chimique lorsqu'elle est exposée à un faisceau d'électrons. La figure 1B montre la couche 2 soumise à une étape de traitement localisé. Dans cet exemple de réalisation, la couche 2 est soumise localement, et dans toute son épaisseur, à un faisceau d'électrons 3. Ceci a pour effet de faire passer la partie traitée de la couche 2 dans un deuxième état chimique. Une étape de dissolution de la partie non traitée de la couche 2 est ensuite effectuée. On obtient alors un coeur 4 du guide optique à la surface du support 1 comme le montre la figure 1C. Le coeur 4 du guide optique peut alors être encapsulé avec un matériau d'indice optique plus faible que celui du guide optique. Il peut aussi ne pas être encapsulé et dans ce cas l'air, d'indice optique plus faible, permet de confiner le monde optique véhiculé par le coeur du guide optique. L'ensemble formé par le coeur 4 et les couches (ou l'air) entourant le coeur forme le guide optique. Les figures 2A et 2C illustrent un deuxième exemple de réalisation d'une structure comportant un guide intégré à faibles pertes de propagation selon la présente invention. La figure 2A montre un substrat 10 en silicium supportant une couche 11 possédant un indice optique plus faible que celui de l'oxyde de silicium SiO2. Une couche 12 de HSQ (hydrogène silsesquioxane) est déposée sur la couche 11 par exemple par la méthode dite à la tournette. Le dépôt peut être suivi d'un recuit à basse température (entre 150 et 220 C). La figure 2B montre la couche 12 soumise à une étape de traitement localisé. Dans cet exemple de réalisation, la couche 12 est soumise localement, et dans toute son épaisseur, à un faisceau d'électrons 13 de l'ordre par exemple de quelques eV à quelques centaines de keV. Ceci a pour effet de faire passer la partie traitée de la couche 12 dans un état chimique différent de la partie non traitée. Une étape de dissolution de la partie non traitée de la couche 12 est ensuite effectuée. On obtient alors un ruban 14 à la surface de la couche 11 comme le montre la figure 2C. La structure obtenue est alors soumise à un recuit à haute température (par exemple à 450 C) sous flux d'azote. Le matériau du ruban 14 se densifie alors et se transforme progressivement en SiO2. Cette modification est une propriété intrinsèque du matériau HSQ et ne dépend pas de la couche sous-jacente. On obtient ainsi un coeur de guide optique en oxyde de silicium amorphe. La caractérisation infrarouge permet de mettre en évidence très rapidement la transformation du HSQ en oxyde de silicium amorphe. Le spectre infrarouge TT de l'oxyde de silicium amorphe obtenu par croissance est différent de celui obtenu à partir du HSQ. Les rugosités de bord du c ur du guide optique sont dépendantes, au premier ordre, de la taille de la zone traitée créée après exposition au faisceau d'électrons. En utilisant le HSQ et en effectuant un recuit, les tailles des molécules créées sont de l'ordre de quelques nanomètres et sont donc beaucoup plus petites que les tailles de polymères issus de la réticulation d'une résine à amplification chimique (de l'ordre de 20 à 30 nm). L'utilisation de ce matériau permet une intégration technologique simple puisque toutes les étapes du procédé selon l'invention sont compatibles avec des salles blanches silicium et font appel à des techniques bien maîtrisées. Le procédé selon l'invention permet donc d'obtenir des guides optiques ne présentant pas les problèmes rencontrés avec les procédés de fabrication de l'art antérieur cités plus haut. Toutes les dimensions géométriques des structures peuvent être contrôlées très précisément (à quelques nanomètres). Le procédé proposé ne nécessite pas d'étape de gravure, s'affranchissant par là-même des problèmes de rugosité inhérents. Le dépôt de couches encapsulant le motif définissant le confinement latéral du guide optique peut être effectué à haute température. La rugosité finale du motif obtenu est fortement minimisée comparativement aux autres procédés, sans ajout d'étape supplémentaire. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une structure comportant au moins un guide optique intégré comprenant un coeur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - dépôt sur une surface d'un support (1, 11) d'une couche d'un matériau non organique (2, 12) présentant un premier état chimique, le matériau de ladite couche (2, 12) et le matériau de la surface du support (1, 11) étant choisis pour que, à la fin du procédé, l'indice optique du coeur du guide optique soit supérieur à l'indice optique du matériau de surface du support, - traitement localisé de ladite couche (2, 12) pour faire passer la partie traitée de ladite couche dans un deuxième état chimique et pour ainsi former un motif de définition dudit guide optique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement localisé est un traitement choisi parmi une exposition à un rayonnement photonique, un bombardement électronique, un bombardement ionique, un traitement thermique, l'application d'un champ électromagnétique et le passage d'un courant électrique ou une combinaison de ces traitements. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 30 ou 2, caractérisé en ce que la partie traitée de ladite couche est une partie située au moins d'un côté d'un ruban destiné à constituer le coeur du guide optique. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie traitée de ladite couche (2, 12) est un ruban destiné à constituer le coeur du guide optique. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ruban (4, 14) est isolé par élimination de parties de ladite couche non traitée adjacentes au ruban. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élimination desdites parties de ladite couche non traitée adjacentes au ruban est obtenue par dissolution. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape de traitement localisé, une étape de recuit. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche de matériau non organique est une couche de HSQ, le traitement localisé est un bombardement électronique, l'étape de recuit fournissant un ruban de SiO2. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de matériau non organique est une couche de A1F3 et le traitement localisé est un bombardement électronique. 10. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit ruban est encapsulé au moyen d'un matériau d'indice optique plus faible que l'indice optique du ruban. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support comprend un substrat (10) recouvert d'une couche (11) d'un matériau constituant le matériau de la surface du support. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau non organique est choisi de sorte que le traitement localisé ne modifie que la partie traitée.