18.3. ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ С ПОМОЩЬЮ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Имплантация ионов - наиболее универсальный метод, пригодный для получения оптических волноводов практически в любых оптических материалах. Действительно, такой достаточно хорошо отработанный для ниобата лития метод, как диффузия титана, встречается с большими трудностями при переходе к кристаллам, имеющим температуры Кюри меньшие чем температуры, необходимые для проведения процесса диффузии Совсем непригодным этот метод становится применительно к кристаллам, имеющим структурные фазовые переходы при температурах, меньших (например,

Методом ионной имплантации волноводы получены в совершенно различных кристаллах и аморфных материалах: в итгрий-алюминиевом гранате [109], кварце и стеклах. Конечно, существуют различия воздействия ионных пучков на материалы, имеющие различный химический состав (например, на элементарные полупроводники, ионные оксидные и щелочно-галоидные кристаллы), на материалы с различной степенью разупрядочения (аморфные и кристаллические материалы, кристаллы с различной степенью отклонения от стехиометрии).

Для понимания этих различий и результатов воздействия ионных пучков на поверхностные слои материалов следует рассмотреть характер тех изменений, которые вносят ионные пучки в структуру приповерхностных слоев кристаллов. Волноводные слои в кристаллах, и в частности в ионных кристаллах, получают главным образом с помощью имплантации легких ионов, например ионов гелия. Изменения, происходящие в кристалле, при имплантации этих ионов можно свести в три основные группы.

I. Ионизация ионов матрицы. Ионизация в результате резонансной передачи энергии от пролетающей частицы электронам структурных единиц матрицы происходит тогда, когда скорости электронов на атомных орбиталях и частицы близки друг другу, т.е. ионизация вызывается быстрыми частицами, частицами, которые, попав в мишень (подложку), еще не успели затормозиться. Поэтому процессы, вызванные ионизацией, проходят в слоях, находящихся вблизи поверхности мишени. Ионизация приводит к возникновению электронных центров, центров окраски и влияет на все те свойства кристалла, которые определяются существованием или изменением состояния электронных центров (электропроводность, окраска,

Рис. 18.18. Различие влияния электронной ионизации (сплошная линия) и образования дефектов атомной структуры (пунктирная линия) для частиц, имеющих различную энергию [110]

фоторефракция и т.д.). При имплантации ионов ионизация является основным механизмом торможения при энергиях атомов гелия порядка 1 МэВ [110].

Одним из важнейших результатов ионизации является перераспределение зарядов с возникновением электрических полей, что влияет на процессы переноса атомных дефектов и, следовательно, на форму концентрационного профиля и профиля показателя преломления в волноводных слоях.

II. Нарушение атомной структуры и образование дефектов в атомной подсистеме происходит в более глубоких слоях подложки. Атомные нарушения являются основным механизмом торможения имплантируемых ионов, когда их скорость уже снижена ионизацией до значений, соизмеримых со скоростями колебательного движения атомов. Следовательно, возникновение дефектов атомной структуры является основным механизмом торможения частиц в более глубоких слоях мишени, чем ионизация. Различие вкладов процессов ионизации и образования атомных дефектов частиц, имеющих различную энергию, схематически показан на рис. 18.18. Образование дефектов структуры является основным механизмом влияния имплантации ионов на рефрактивные свойства материалов.

III. Изменение состава. Имплантируемые частицы, заторможенные образованием атомных дефектов, остаются в приповерхностных слоях матрицы, тем самым меняя ее состав. Каждая частица с энергией порядка нескольких МэВ рождает до атомных дефектов (межузельных ионов и вакансий). Поэтому концентрация собственных дефектов в матрице оказывается на порядки большей, чем концентрация имплантированных примесей, и влиянием изменения состава матрицы из-за имплантации ионов на изменение рефракции обычно можно пренебречь. Есть примеры того, что возникающие при имплантации изменения состава значительно меняют рефракцию. В частности, имплантация азота в кварц приводит к образованию оксинитридов кремния, повышающих коэффициент преломления поверхностного слоя на несколько (до 5) процентов; необходимые для этого дозы достаточно велики (до ). Возникающие при этом центры окраски легко отжигаются нагревом до 450 °С, так что имплантацией азота в кварц удается получать волноводы с малыми потерями. Слой, содержащий атомные нарушения, оказывается очень устойчивым к нагреву и сохраняет волноводные свойства до 1100 °С [110].

Соотношение вкладов процессов ионизации и образования дефектов атомной структуры в изменение рефрактивных свойств может быть неодинаково в различных кристаллах. Так, в кварце вклад ионизации пренебрежимо мал, тогда как в ниобате лития он соизмерим с вкладом атомных нарушений. Очевидно, что это зависит от прочности химической связи в кристаллах: ионизация кислорода в происходит гораздо легче, чем в (ширина запрещенной зоны в много меньше, чем в Роль ионизации может возрастать еще и в тех кристаллах, в которых велика начальная концентрация точечных дефектов, что может быть связано, например, с отклонением состава кристалла от стехиометрии. В этом случае дефекты структуры, возникающие при имплантации, мало влияют на суммарную концентрацию дефектов атомной структуры, тогда как имевшиеся в кристалле дефекты вместе с вновь возникающими могут принимать активное участие в ионизационных процессах, создании электронных и дырочных центров, центров окраски. По-видимому, это одна из причин заметного влияния ионизации на рефрактивные свойства Существенный вклад ионизация вносит в таких кристаллах, как По-видимому, значительного влияния ионизации на рефрактивные свойства следует ожидать в щелочно-галоидных кристаллах.

При ионной имплантации глубина и ширина слоя, содержащего атомные нарушения, зависят от энергии и дозы излучения соответственно (глубина повышается с ростом энергии, а ширина - с увеличением дозы). Распределение концентрации дефектов в слое близко к гауссову, однако с ростом дозы это распределение может становиться асимметричным, размываясь в сторону внешней поверхности. Это явление связывают с влиянием электрических полей, возникающих в результате ионизации ионов в ближайших к поверхности слоях, на диффузию точечных дефектов [110]. Возможность управлять глубиной нарушенного с помощью энергии имплантируемых ионов слоя позволяет получать с помощью ионной имплантации волноводные структуры, изготовление которых другими методами невозможно. Например, использовав последовательно имплантацию ионов с двумя различными энергиями, можно получить двухслойный волновод.

Для получения активных волноводных слоев (слои, обладающие электро- и акустоогггическими и нелинейными свойствами) для видимой области спектра используются диэлектрические кристаллы, рассматривавшиеся в части II. В таких кристаллах и, в частности, в кислородно-октаэдрических сегнетоэлектриках ионная бомбардировка приводит к повышению концентрации дефектов решетки, значительному разупорядочению и снижению плотности, в результате чего снижается показатель преломления Это снижение происходит в области наиболее интенсивного торможения ионов и образования дефектов решетки, т.е. на глубине нескольких микрон под

Рис. 18.19. Схема волновода, полученного в результате образования заглубленного слоя с низким показателем преломления обеспечивающим отсечку в приповерхностном слое, коэффициент преломления которого равен коэффициенту преломления матрицы

поверхностью мишени. В этом случае волноводный слой при ионной имплантации возникает не в результате образования поверхностного слоя с повышенным а наоборот, в результате образования слоя с пониженным на глубине нескольких микронов под поверхностью. Этот слой обеспечивает условия отсечки для волн, распространяющихся в области, находящейся ближе к поверхности (рис. 18.19).

Основным материалом для получения активных волноводов методом ионной имплантации служит ниобат лития, а основным ионом, используемым для имплантации, является гелий [107, 111 - 113].

Как уже отмечалось, формирование оптического волновода при имплантации ионов в подложку происходит в результате суперпозиции нескольких процессов. Важнейшими из них являются: ионизация, образование атомных дефектов, миграция дефектов в электрических и упругих полях, возникающих в результате имплантации посторонних и ионизации собственных ионов. В результате имплантации ионов на глубине нескольких микронов под поверхностью подложки возникает слой с пониженным показателем преломления, являющийся оптическим барьером для проникновения света в глубь подложки. Основную роль в формировании барьерного слоя играют возникающие при ионной имплантации атомные нарушения структуры. Для легких ионов типа и для не слишком высоких доз число образующихся при имплантации дефектов можно достаточно точно определить, используя модель, в которой рассматривается образование только парных дефектов - внедрений и вакансий [114], а образованием более сложных структурных дефектов можно пренебречь. В этом случае

где - энергия, передаваемая атомной подсистеме при торможении одного иона;

- энергия, требующаяся для образования пары дефектов (для эВ [114]).

Для эта модель дает 17 смещений на Форма профиля показателя преломления определяющего барьер в подложке

Рис. 18.20. Профиль изменения показателя преломления в зависимости от расстояния до поверхности кристалла Имплантация нонов с энергией 1,5 МэВ и дозой [111]

Рис. 18.21. Профиль изменения показателя преломления , в зависимости от расстояния до поверхности кристалла Имплантация ионов с энергией 1,1 МэВ и дозой . Длина волны измерения мкм [111]

Рис. 18.22. Зависимость максимального изменения показателя преломления от дозы ионов имплантированных в кристалл для различных энергий ноиов .

среза для ТЕ-мод обыкновенной и необыкновенной поляризаций (рис. 18.20 и 18.21), представляет собой суперпозицию экспоненциального спада от поверхности в глубь подложки и гауссовой кривой в области оптического барьера и на его склоне, противоположном поверхности. Величина зависит от температуры имплантации и при 77 К она на больше, чем при 300 К. Очевидно, что это связано с замедлением процессов релаксации при низких температурах. На рис. 18.20 и 18.21 заметно различие профилей и пе. Ширина барьера и величина меньше, чем и . Кроме того, в области распространения света (область между барьером и поверхностью) наблюдается повышение пе. Эти различия могут быть связаны с большим влиянием ионизации и электрических полей на чем на Кроме того, различие профилей может быть связано с тем, что потеря лития в результате обратной диффузии повышает и не влияет на

Зависимость от дозы имплантируемых ионов (рис. 18.22) имеет вид кривой с насыщением, которое достигается тем быстрее, чем меньше энергия имплантируемых ионов. Это связано не с

механизмом образования дефектов, а с ростом глубины слоя при увеличении энергии ионов и усилением размывающей слой диффузии, которая инициируется электрическими и упругими полями [111].

Для повышения стабильности свойств волноводов, полученных ионной имплантацией, и снижения потерь, связанных с появлением центров окраски и рассеяния света, необходим отжиг. В процессе отжига рефракция меняется приблизительно одинаково и в области оптического барьера, и в световодной области. При нагреве волноводных структур до влияние отжига мало. Основные изменения происходят при температурах При более высоких температурах рефракция мало меняется. Поэтому для стабилизации волноводных структур, полученных ионной имплантацией, предлагается проводить отжиг в течение 30 мин при При этом высота начального барьера снижается почти вдвое, но остается достаточно большой, чтобы обеспечивать отсечку для нескольких мод [111].

Имплантация более тяжелых ионов и др.) тоже представляет большой интерес и позволяет получать трехмерные волноводы с резко ограниченными оптическими барьерами [116]. Однако тяжелые ионы создают более сложные структурные нарушения, а при значительных дозах облучения может происходить аморфизация поверхностных слоев, приводящая к фактическому возрастанию разупорядочения в световодной области (рис. 18.23). Аморфизация сопровождается выделением в результате возрастают оптические потери и при развитии аморфизации могут пропадать волноводные свойства.

В других кислородно-октаэдрических кристаллах (например, в ЮЧЬОз [117,118]) при ионной имплантации наблюдаются эффекты, сходные с . Так, для кристаллов стронций-бариевого ниобата при имплантации (доза ) в пластину У-среза профили показателей преломления менялись так же, как и и величина максимального уменьшения показателя преломления в барьерном слое составляла для и для Похожие свойства проявляют и другие кристаллы со структурой вольфрамовых бронз. Стабилизация свойств волноводов и снижение потерь до нескольких децибел на 1 см достигалось отжигом при при этом сохранялось до Повышение температуры отжига до снижало Ди до Авторы [119] считают, что термическая стабильность волноводов на выше, чем на Значительные величины (до 16 %) были получены в кристаллах облученных Отмечено, что профили показателя преломления в этих кристаллах были близки к профилю, характеризующему теоретически рассчитанное атомное разупорядочение кристалла (рис. 18.23).

Рис. 18.23. Профили показателя преломления (1) и атомного разупорядочения 9 (2), полученные для кристаллов после имплантации нонов с энергией 2 МэВ и дозой 4 1016 см 2 при 77 К. В области оптического барьера Ли достигает

Некоторое снижение в области, близкой к поверхности, объясняется тем, что в этой области значительная ионизация способствует релаксации атомного разупорядочения. Отжиг при стабилизировал свойства волноводов, снижал потери до 1 Дб/см; при этом снижались и величины Волноводные свойства сохранялись даже при температуре отжига

Ионная имплантация дает интересные результаты в сочетании с Ti-диффузионной технологией при получении полосковых волноводов на подложке из ниобата литая. Применяя чисто диффузионную технологию, трудно получить полосковые волноводы, ширина которых составляет несколько (3...5) мкм из-за диффузионного размытия боковых оптических барьеров [117]. Используя имплантацию ионов в поверхность, часть которой защищена маской, можно получить очень резкие боковые оптические барьеры, отделяющие защищенные маской области от остального объема кристалла. Для получения полосковых волноводов с помощью комбинации диффузионной и лучевой технологий сначала с помощью Ti-диффузионной технологии создается планарный оптический волновод. Затем полученный волновод покрывается маской напыленного металла в тех частях поверхности, под которыми должен быть сформирован полосковый волновод (рис. 18.24, а), и производится имплантация ионов Ионы гелия проникают в области подложки, не защищенные маской, и создают дефектные области с боков от защищенной области (рис. 18.24, б). В результате под маской возникает полосковый волновод, на дне которого оптический барьер определяется концентрационным профилем титана, а с боков - резким снижением показателей преломления в дефектных областях, полученных имплантацией ионов . В такого рода комбинированной технологии для получения полосковых волноводов на -срезе ниобата лития диффузия титана проводилась в течение при затем на поверхность напылялись маски из золота толщиной 5 мкм и проводилась имплантация с энергией и дозой 1016 см 2 [118].

Исследователи, занимавшиеся получением оптических волноводов с помощью ионной имплантации, отмечают, что этот метод

Рис. 18.24. Формирование полоскового волновода при комбинированной технологии диффузии титана и ионной имплантации а - получение Ti-диффузионного планарного волновода и нанесение маски имплантация ионов Не; в - результат комбинированной технологии - полосковый волновод

позволяет получить волновод практически с первой попытки, тогда как на разработку Ti-диффузионного метода были затрачены огромные усилия. В этом смысле метод оказывается более дешевым и эффективным для получения волноводов на новых средах, хотя оптимизация свойств волноводов требует времени и в этом случае.