Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Основными технологическими методами получения оптических юлноводов на основе LiNb03 являются:
1) высокотемпературная диффузия примеси титана;
2) замещение ионов Li+ протонами (протон-замещение).
18.1. Ti-ДИФФУЗИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
18.1.1. Выбор кристаллов и подготовка поверхности
Зыбор кристаллов для подложек во многом определяет успех изго-овления ОИС. Однородность кристаллов и их чистота по примесям 82
определяют успехи технологии получения волноводов, воспроизводимость характеристик ОИС и их стабильность. Для изготовления подложек используются кристаллы конгруэнтно плавящегося состава (Li20)x(Nb205)(i-x), где х = 48,6 ±0,015 % (мол.) L12O. Чистота сырья по примесям, в числе которых основными являются ионы переходных металлов, должна быть не хуже 210^ % (мол.). Однородность були по стехиометрии должна быть не хуже 0,005 % (мол.) Li20.
Большое значение имеет обработка поверхности кристаллической пластины. В качестве подложек используются х, у и z срезы ниобата лития. Механическая обработка поверхности пластин приводит к возникновению приповерхностного нарушенного слоя, толщина которого может оказаться соизмеримой с толщиной волновода, что существенно повлияет на его качество. Приповерхностный нарушенный слой можно представить как сочетание трех слоев (рис. 18.1), из которых по крайней мере два (шероховатость и дефектный слой) должны быть полностью удалены при обработке поверхности.
Для изучения структуры и глубины нарушенного слоя использовались методы избирательного травления и рентгеновской трехкристальной спектроскопии. На рис. 18.2 показана зависимость шероховатости поверхности ниобата лития от размера абразива; в табл. 18.1 приведены глубины приповерхностных нарушенных слоев, полученных после шлифовки кристаллов ниобата лития.
Шероховатость поверхности составляет лишь 10... 15 % от общей толщины нарушенного слоя, поэтому полировка, имеющая своей целью только устранение шероховатости, не устраняет нарушенный слой и не позволяет получить качественную подложку. Для того чтобы удалить дефектный слой, необходимо снимать каждым последующим номером абразива весь тот нарушенный слой, который создан абразивом предыдущего номера. Это
3
Рис. 18.1. Схема поверхностного нарушенного слоя в кристалле:
1 - шероховатость; 2 - трещн-иы, двойники; 3 - напряжения
Рис. 18.2. Зависимость шероховатости поверхности R ннобата лития от размера алмазного абразива М для поверхностей:
I - (0001); 2 - (2ТТ0)
Я, мкм
383
значит, что длительность обработки абразивом каждого номера должна быть в несколько раз больше, чем длительность обработки, обеспечивающая удаление шероховатости, полученной при обработке абразивом предыдущего номера. Такая механическая обработка поверхностей обычно называется «глубокой» полировкой. При механической полировке ниобата лития последним номером алмазного абразива должен быть «отмученный» М 0-1. В последнее время для достижения высокого качества поверхности и уменьшения нарушенного слоя применяется так называемая «химико-механическая» обработка, сочетающая механическую обработку с химическим травлением.
После механической обработки поверхности кристалла требуют тщательной очистки, которая может включать химическую и ионноплазменную обработку. Для химической очистки можно рекомендовать такую последовательность операций:
1) кипячение 20...30 мин в растворе, содержащем H2SO<i(l л), деионизированную воду (200 мл), двухромовокислый калий (50 г);
2) промывка в горячей деионизированной воде при 60...80 °С;
3) сушка в центрифуге с обдувкой сухим азотом.
После подготовки поверхности производится напыление металлического (Ti) слоя и формирование топологии интегральной схемы с помощью известных в микроэлектронике приемов (фотолитографии, химического или ионно-плазменного травления и т.д.). Следует обратить внимание на то, что в процессе формирования рисунка интегральной схемы неоднократно производится нагрев и охлаждение кристалла. Например, подложка может нагреваться до 150... 160 °С при напылении металлической пленки, до 180 °С при «задубливании» фоторезиста. Пирополя, возникающие при таком термоциклирова-нии, в интервале 50 - 200 °С могут приводить к разрушению подложек в результате пьезоэффекта. Поэтому режим нагрева и охлаждения подложек должен быть достаточно мягким (скорости нагрева и охлаждения зависят от геометрии подложек).
Таблица 18.1. Глубина приповерхностных нарушенных слоев, по* лученных после шлифовки поверхностей кристалла ниобата лития алмазными пастами
Размер абразива, мкм Поверхности кристалла
(2110), лг-срез (0 1 10),^-cpe3 (000 1 ), z-срез
40 90 151 125
20 43 68 62
10 25 43 45
384
Важно определить состояние титана в поверхностном слое, из которого происходит диффузия титана в подложку. Титан диффундирует не из металлической пленки, а из контактного слоя, в котором происходит взаимодействие металлического титана с подложкой. Если бы в контактном слое образовывался просто твердый раствор титана в материале подложки, то концентрацией титана в источнике диффузии следовало бы считать предел растворимости C*(Ti) титана в ниобате лития (или любом другом материале, используемом в качестве подложки). Однако сразу после напыления начинается взаимодействие титана с подложкой и с атмосферой. В результате в пленке Ti и на границе Ti - LiNb03 образуются оксид ТЮ2 и более сложные соединения оксидов. Образование ТЮ2 завершается при
