18.1.2. ДИФФУЗИОННЫЙ ОТЖИГ

Диффузионный отжиг является важнейшей операцией при получении ОИС по Ti-диффузионной технологии. Режим отжига во многом определяет состав оптических мод, которые могут существовать в волноводе, и оптические потери. В процессе отжига идут по крайней мере два диффузионных процесса: 1) ионы из нанесенной на поверхность пленки диффундируют в глубь материала подложки; 2) ионы диффундируют из глубины подложки на поверхность. Кроме того, если процесс проводится во влажной атмосфере, возможна диффузия протонов в подложку с частичным замещением на Рассмотрим последовательно кинетику этих процессов и их влияние на формирование оптического волновода.

Количество титана М, которое может продиффундировать в подложку, определяется толщиной напыленной пленки 5 и концентрацией титана в пленке Пленка титана обычно имеет толщину

Диффузию титана в подложку можно рассматривать как диффузию в полубесконечное пространство из ограниченного источника [20]. Концентрация титана на глубине подложки в зависимости от времени отжига Г определяется выражением

Если пленку титана можно считать тонкой по сравнению с глубиной проникновения титана в подложку, т.е. распределение концентрации титана в подложке описывается уравнением

В этом случае изменение концентрации на поверхности

Зависимость коэффициента диффузии от температуры [21] описывается уравнением

где величины и несколько различаются в зависимости от условий, в которых проводилась диффузия [22 - 24] (табл. 18.2).

Зависимость показателя преломления в ниобате лития от концентрации титана близка к линейной [31, 32] и определяется выражением

Таблица 18.2. Константы, характеризующие кинетику диффузии И в подложку -среза [22]

где:

Из (18.4) видно, что обыкновенный показатель преломления практически не зависит от концентрации титана, тогда как необыкновенный показатель преломления зависит от концентрации титана достаточно сильно.

Диффузия титана в кристалл сопровождается диффузией ионов лития из объема кристалла на поверхность - так называемая «обратная диффузия» Кинетика обратной диффузии описывается тем же законом (18.4), что и диффузия титана, только с заменой знака у показателя степени экспоненты. Определяя граничные условия потоком лития через поверхность подложки авторы [32] предложили зависимость в виде

Выражение (18.5) адекватно (18.1), если - масса диффундирующего вещества, проходящего через единицу площади поверхности подложки за время Г. Тогда в

Коэффициенты, определяющие обратную диффузию лития [32], при равны . Глубина слоя, создаваемого обратной диффузией, при может быть существенно большей, чем глубина Ti - диффузионного слоя [33].

Коэффициенты преломления ниобата лития зависят от стехиометрии [34, 35], причем зависимость значительно сильнее, чем Сдвиг стехиометрии ниобата лития в сторону снижения концентрации приводит к росту показателя так, что обратная диффузия даже предлагалась как метод получения оптических волноводов [36]. Зависимость от С хорошо описывается линейным законом

где .

В [37] для зависимости предлагается выражение

где С определяется в относительных величинах (молярных долях).

Зависимость в достаточно широком интервале концентраций описывается не одной, а тремя прямыми, наклоны которых определяются как

Комбинация диффузии титана и обратной диффузии лития определяет профиль оптического волновода. Замечено [32], что глубины диффузии титана и обратной диффузии лития приблизительно одинаковы, несмотря на то, что Это указывает на взаимозависимость двух процессов диффузии.

На влияет атмосфера, в которой проводится диффузионный отжиг, особенно важно влияние влажности атмосферы. Это влияние обусловлено присутствием в атмосфере диффузионной печи атомов водорода, способных проникать в ниобат лития, замещая его, что, как будет показано ниже, тоже приводит к повышению Поэтому добавление воды в атмосферу диффузионной печи приводит к ускорению формирования волновода.

Дополнительное изменение показателя преломления из-за обратной диффузии или влияния атмосферы не всегда желательно, так как слишком большое приводит к появлению дополнительных оптических мод. Поэтому обычно стремятся так проводить технологический процесс, чтобы подавить эти дополнительные эффекты. Проблемы подавления обратной диффузии достаточно подробно рассмотрены в обзоре [38]. Для подавления обратной диффузии пластинки ниобата лития в диффузионную печь помещают вместе с порошком ниобата лития [39] и проводят процесс в контролируемой атмосфере [40], в частности, пропуская или через диффузионную печь [41]. Однако результативность этого приема не всегда достигается и сильно зависит от остальных условий процесса, особенно атмосферы.

Из сказанного следует, что концентрационный профиль и профиль показателя преломления определяются несколькими механизмами и в общем случае точное определение профиля может быть затруднительно. Но в тех случаях, когда диффузионные процессы проводятся в сухой атмосфере [32], движение диффузионного фронта и фронта изменения показателя преломления зависит от времени как

Как следует из выражения (17.23), для эффективного показателя преломления т.е. фронт для каждой оптической моды в процессе диффузии титана тоже движется в глубь подложки по закону

Рис. 18.3. Соотношение между толщиной плеикн Ti и изменением необыкновенного показателя преломления

Рис. 18.4. Зависимость времени диффузии I от толщины пленки титана 8 для диффузии Ti в пластину -среза

Таким образом, вначале на некоторой глубине достигается обеспечивающее выполнение условия распространения одной оптической моды. Это условие, как следует из (17.19)

Затем по мере продвижения концентрационного фронта в глубь подложки условие (18.8) выполняется при меньших но появляются новые моды, для которых при некоторых становятся выполнимыми условия

Ограничить число мод, которые могут распространяться в волноводе, можно, ограничив количество диффузанта, т.е. ограничив толщину пленки титана на поверхности подложки. Это проще, чем оптимизировать температуру и время диффузии, при том что процесс диффузии является многофакторным. Толщина пленки выбирается так, чтобы обеспечить требуемую величину изменения показателя преломления (рис. 18.3).

Обычно для подложки -среза ниобата лития при температуре диффузии толщина пленки титана составляет 25 нм. Время диффузии выбирается так, чтобы к концу диффузионного отжига металлический титан исчез с поверхности, так чтобы она становилась чистой поверхностью пластины ниобата лития. Время, необходимое для диффузии пленки титана толщиной 5, показано на рис. 18.4.

Потери в Ti-диффузионных волноводах определяются технологическими параметрами их получения. Как следует из рис. 18.5 и 18.6, при толщине напыленной пленки титана 25 нм, которая обычно используется при создании волновода на -срезе ниобата лития, потери

Рис. 18.5. Зависимость потерь в волноводе, полученном на подложке -среза ниобата лития, от времени диффузии при температуре и толщине пленки титана, нм:

Рис. 18.6. Зависимость потерь в волноводе, полученном на подложке -среза ниобата пития, от температуры диффузии (время диффузии 4 ч) при толщине пленки титана, нм:

Рис. 18.7. Зависимость потерь в волноводе, полученном на подложке -среза ннобата лнтия, от влажности атмосферы при времени диффузии 4 1 и температуре 1000 °С (М - поток лара в отн. ед.)

могут быть минимизированы подбором времени и температуры диффузии. Если используется диффузионный отжиг во влажной атмосфере (кислород или аргон), то излишняя влажность тоже не приводит к уменьшению потерь (рис. 18.7).

Оптимальными условиями получения Ti-диффузионных волноводов можно считать толщину пленки нм, температуру диффузии 980°С и время диффузии в том числе нагрев и охлаждение пластины.

Танталат лития, обладая столь же высокими электр о о гггическими и пьезоэлектрическими свойствами, что и оюбат, превосходит ниобат по лучевой стойкости. Фоторефракция в ганталате лития на два порядка слабее, чем в ниобате, поэтому тангалат предпочтителен, особенно для излучения с высокой интенсивностыо. Изменения показателей преломления в которые могут быть получены при диффузии Ti [19, 44, 45], достаточно велики Температуры, при которых проводится диффузия титана в выше, чем соответствующие температуры для Температурные зависимости коэффициентов диффузии показаны на рис. 18.8 и 18.9.

Рис. 18.8. Температурная зависимость коэффициента диффузии Ti в Г и Z-срезах LiTaCb [19]

Рис. 18.9. Температурные зависимости коэффициентов диффузии примесей титана и магния в -срезе ниобата лития [54]

Характеристики диффузии приведены ниже:

Здесь - толщина пленки - глубина диффузии (толщина волноводного слоя); - предел растворимости - концентрация Ti в диффузанте. Кроме титана, для получения оптических волноводов на основе использовались такие металлические диффузанты, как Nb [46], Си [47], Zn [48], использовалась и обратная диффузия Во всех этих случаях температура процесса, обеспечивающая получение волноводных слоев, была значительно выше, чем температура Кюри, и кристаллы требовали дополнительной поляризации. Использование электр о диффузии меди при не дало хороших результатов.

При создании приборов с применением оптических волноводов важнейшей проблемой является снижение потерь на стыке оптического волокна с волноводом. Значительные потери возникают из-за изменения показателя преломления по глубине волновода, которое определяется неоднородностью концентрации примеси по глубине волновода (асимметрия волновода). Потери из-за асимметрии волновода достигают Дб. Для снижения потерь предлагаются различные методы симметризации волноводного слоя [49, 50].

Один из способов симметризации можно реализовать непосредственно в процессе диффузии. Это так называемый метод двойной диффузии, когда в подложку диффундирует не одна, а две примеси: первая повышает показатель преломления, а вторая - снижает. Симметризация волновода происходит в том случае, если концентрация примеси, снижающей показатель преломления, больше в слоях, близких к поверхности, а примеси, повышающей показатель преломления, - в более глубоких слоях. Так происходит при диффузии в ниобат лития примесей магния (снижающей показатель преломления) и Ti [51 - 53]. Коэффициент диффузии магния [54]

где см выше, чем коэффициент диффузии Ti (рис. 18.9) (энергия активации диффузии дана в электрон-вольтах).

Поэтому вначале создается достаточно глубокий диффузионный слой титана, для чего из пленки Ti толщиной 70 нм при в течение проводится диффузия титана. В результате возникает волноводный слой глубиной до 5 мкм. Затем наносится пленка магния толщиной 25 мкм и при в течение проводится диффузия магния, в результате чего возникает слой с повышенной его концентрацией толщиной около 4 мкм (рис. 18.10).

В результате суммирования эффектов от действия каждой из диффундирующих примесей [кривые а и б на рис. 18.11] коэффициент

Рис. 18.10. Концентрационные профили полученные после двойной диффузии по режимам, описанным в тексте

Рис. 18.11. Профили изменения показателя преломления полученные в результате диффузии: 1 - примеси титана; 2 - примеси магния; 3 - двойной диффузии примесей титана и магния [54]

преломления меняется так, что профиль оказывается относительно симметричным (кривая 3 на рис. 18.11). Потери в контакте такого волновода с оптоволокном снижаются до 0,5 дБ, т.е. более чем в два раза по сравнению с Ti-диффузионным волноводом.

Для формирования полосковых волноводов кроме обычных методов, использующих фотолитографию, рассматривается возможность прямого получения Ti-диффузионных полосок с применением лазерного нагрева [55 - 57]. Сканирование сфокусированным на поверхность кристаллической пластины (подложки) лазерным лучом приводит к локальному нагреву пленки нанесенной на эту поверхность. При нагреве пленки в местах лазерного воздействия до 610 °С происходит локальное ее окисление. Таким образом, сканированием лазерным лучом можно получить на поверхности подложки полоски топография которых соответствует топографии полосковых волноводов. После этого оставшаяся пленка титана удаляется травлением [травление в растворе Далее проводится диффузионный отжиг, во время которого титан из находящихся на поверхности полосок диффундирует в глубь подложки, формируя полосковые волноводы.