DE3125998A1 - Method for producing an optical grating - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Gitters, das insbesondere zur Verwendung in der integrierten Optik bestimmt ist.The invention relates to a method for producing a optical grating particularly intended for use in integrated optics.
In der Optik ist ein Gitter eine periodische Modifikation einer Struktur, durch die das Licht nach verschiedenen Ordnungszahlen gebrochen werden kann. Die Winkelposition der verschiedenen Ordnungen ist vollkommen durch die Kenntnis der Wellenlänge des einfallenden Lichtes und durch den Gitterabstand bestimmt. Die Amplitude einer jeden Ordnung hängt dagegen vom Profil des Gitters (Form, Tiefe der Rillen oder Furchen...) ab.In optics, a grating is a periodic modification of a structure through which the light passes differently Ordinal numbers can be broken. The angular position of the various orders is perfect through knowledge the wavelength of the incident light and determined by the grid spacing. The amplitude of each order depends on the profile of the grid (shape, depth of the grooves or furrows ...).
In der integrierten Optik sind solche Strukturen im allgemeinen Lichtleitern zugeordnet und erfüllen eine Anzahl von wichtigen Funktionen, beispielsweise eine Funktion, als Einkopplungsgitter oder als Bragg-Reflektoren, die dem Fachmann wohlbekannt sind.In integrated optics, such structures are generally associated with light guides and fulfill a number of important functions, for example a function, as a coupling grating or as Bragg reflectors, the Are well known to those skilled in the art.
Die Bragg-Reflektoren spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Teilerplatten oder Strahlenteilern und von integrierten Spiegeln, sowie bei der Herstellung von passiven Polarisationswandlern.The Bragg reflectors play an important role in the Manufacture of splitter plates or beamsplitters and of integrated mirrors, as well as in the manufacture of passive polarization converters.
Diese Gitter weisen extrem feine Schrittweiten auf (zwischen 1500 8 und 8000 8) und eine der zurzeit besten Verfahren zur Herstellung stützt sich auf die Holographietechnik, wobei die Interferenzfiguren von zwei kurzwelligen LaserlichtbundeIn verwendet werden.These grids have extremely fine step sizes (between 1500 8 and 8000 8) and are currently one of the best methods for the production relies on the holographic technique, whereby the interference figures from two short-wave laser light bundles be used.
Die klassische Herstellungsmethode solcher Gitter besteht darin, daß eine Schicht von.lichtempfindlichem Harz, imThe classic production method of such grids is that a layer of light-sensitive resin, im
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allgemeinen positiv, auf das ausgewählte Substrat aufgebracht und auf diesem Harz ein Interferenzsystem aufgezeichnet wird. Nach anderen bekannten. Techniken erfolgt die Aufzeichnung durch Kontakt mit einem Muttergitter, das durch Ultraviolettstrahlen oder durch Abtastung mit Elektronenstrahlen ausgebleicht worden ist.generally positive, applied to the selected substrate and recorded an interference system on this resin will. According to other acquaintances. Techniques, the recording is done through contact with a parent grid that has been bleached by ultraviolet rays or by scanning with electron beams.
Nach der Prüfung wird das so in dem Harz hergestellte Gitter auf das Harz übertragen, das für das Substrat als Maske bei der chemischen oder bei der Ionenbehandlung dient.After the test, the grid thus produced in the resin is transferred to the resin, which is used as the substrate for the substrate Mask is used in chemical or ion treatment.
Das scheinbar einfache Verfahren stößt häufig auf zahlreiche technologische Probleme.The seemingly simple process often encounters numerous technological problems.
Um nämlich die übertragung des Gitters von dem photoempfindlichen Harz auf das Substrat möglich zu machen, ist es erforderlich, daß das Harz einen guten Schirm für das Kopieren des Gitters auf dem Substrat darstellt.Namely to the transfer of the grating from the photosensitive To make resin onto the substrate possible, it is necessary that the resin provide a good screen for copying of the grid on the substrate.
Damit darüber hinaus die übertragung unter guten Bedingungen stattfindet, ist es erforderlich, daß keine Spur des Harzes auf dem Grunde der Gitterrillen verbleibt.In addition, the transfer under good conditions takes place, it is necessary that no trace of the resin remains on the bottom of the grating grooves.
In der Praxis kann dieser letzte Parameter nicht in einfacher Weise gesteuert werden, vor allem da die Restdicke kleiner als 100 S ist. Aus diesem Grunde wird die Herstellung solcher Gitter schwer reproduzierbar, da einige zehn Angström des lichtempfindlichen Harzes, die in Gitterrillen verbleiben, bereits ausreichen, um die Übertragungsvorgänge zu stören.In practice, this last parameter cannot be simpler Wise controlled, especially since the remaining thickness is less than 100 S. Because of this, the manufacture Such a grating is difficult to reproduce, since several tens of angstroms of the photosensitive resin are deposited in the grating grooves remain, are already sufficient to disrupt the transmission processes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Gitters zu schaffen, das freiThe invention is based on the object of a method for Making an optical grating to create that free
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von den genannten Nachteilen ist und das insbesondere eine Erleichterung der übertragung des Gitters aus dem photoempfindlichen Harz auf das Substrat ermöglicht.of the disadvantages mentioned and that in particular facilitates the transfer of the grating from the photosensitive Resin allows on the substrate.
Das Verfahren zur Herstellung eines optischen Gitters durch Kopieren eines auf einem lichtempfindlichen Harz, insbesondere durch Holographie, aufgezeichneten Gitters, welches lichtempfindliche Harz auf einem Substrat angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter von dem lichtempfindlichen Harz auf das Substrat durch Ionenimplantation übertragen wird, wobei implantierte Bereiche in dem Substrat erzeugt werden, die einen kleineren Brechungsindex aufweisen als die nichtxmplantierten Bereiche, und daß das bei der Ionenimplantation als Maske dienende Harz entfernt wird.The method of making an optical grating by copying one on a photosensitive resin, in particular by holography, recorded grating, which photosensitive resin is arranged on a substrate, is characterized in that the grid is ion-implanted from the photosensitive resin onto the substrate is transferred, wherein implanted regions are produced in the substrate, which have a smaller refractive index than the non-implanted areas, and that removes the resin serving as a mask in the ion implantation will.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht das Substrat aus Lithiumniobat und die implantierten Ionen sind Heliumionen, Borionen, Neon-oder Stickstoffionen. According to an advantageous embodiment of the invention, the substrate consists of lithium niobate and the implanted Ions are helium ions, boron ions, neon or nitrogen ions.
Es ist bekannt, daß die Ionenimplantation im Lithiumniobat eine bemerkenswerte Verringerung des Brechungsindex hervorruft.It is known that the ion implantation in lithium niobate causes a remarkable decrease in the refractive index.
Andererseits konnte durch Untersuchungen gezeigt werden, daß die Ionenimplantation das Lithiumniobat (LiNbO3) sehr stark für gewisse chemische Angriffe und insbesondere für den chemischen Angriff durch verdünnte Flußsäure sensibilisiert. On the other hand, it has been shown through studies that the ion implantation sensitizes the lithium niobate (LiNbO 3 ) very strongly to certain chemical attacks and in particular to the chemical attack by dilute hydrofluoric acid.
Diese Verringerung des Brechungsindex infolge von Ionenimplantation und die Sensibilisierung der implantierten Bereiche für den Angriff von Chemikalien ist in einerThis decrease in the index of refraction due to ion implantation and the sensitization of the implanted areas to the attack of chemicals is in one
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Dissertation vom 26. September 1978,vor dem U.S.M. von Grenoble und dem I.N.P,G. gehalten durch Herrn Destefanis, beschrieben. Die Dissertation trägt den Titel "Etude de la modification des proprietes optiques induites par implantation ionique dans le LiNbO-, - Application a la realisation de guides d'ondes".Dissertation dated September 26, 1978, before the U.S.M. from Grenoble and the I.N.P, G. held by Mr. Destefanis, described. The dissertation is entitled "Etude de la modification of the proprietes optiques induites par implantation ionique dans le LiNbO-, - application a la realization de guides d'ondes ".
Bei der Implantation mit sehr hohen Strahlungsraten und mit üblichen Energien ist es - unter Berücksichtigung der Dicken des photosensiblen Harzes nach der Einzeichnung des Gitters - möglich, dieses Gitter in das Subtrat zu übertragen und eine starke Beugungswirksamkeit zu erzielen, da die erhältlichen Änderungen des Brechungsindex im Substrat sehr stark sind.When implanting with very high radiation rates and with usual energies it is - taking into account the Thickness of the photosensitive resin after drawing in the grid - possible to add this grid to the substrate and to achieve a strong diffraction efficiency, since the changes in the refractive index in the substrate can be obtained are very strong.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung wird vor der Durchführung der Ionenimplantation zwischen dem lichtempfindlichen Harz und dem Substrat mindestens eine Schicht angeordnet, die eine gute Aufzeichnung des Gitters in dem Harz ermöglicht, infolge der Tatsache, daß die Reflexionsbedingungen an der Grenzfläche zwischen dieser Schicht und dem Harz günstig sind.According to another advantageous embodiment of the invention becomes at least before performing ion implantation between the photosensitive resin and the substrate arranged a layer which allows a good recording of the grating in the resin, due to the fact that the reflection conditions at the interface between this layer and the resin are favorable.
Wenn darüber hinaus diese Schicht eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, kann durch sie eine bessere Verteilung der Wärme über das gesamte Substrat erzielt werden. Dadurch wird insbesondere das Auftreten von größeren thermischen Spannungen vermieden, die bei hohen Implantationsdosen entstehen könnten. Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die lediglich zum Zwecke der Erläuterung gegeben ist, jedoch nicht beschränkend wirkt. Die Beschreibung bezieht sich auf die Figuren. Es zeigen:In addition, if this layer has a good thermal Has conductivity, a better distribution of the heat over the entire substrate can be achieved by it. This in particular avoids the occurrence of major thermal stresses which could arise with high implantation doses. Other features and advantages of the invention will be better understood from the following description, which is given for illustrative purposes only is but not restrictive. The description refers to the figures. Show it:
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Figur 1:eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens eines optischen integrierten Gitters gemäß der Erfindung,Figure 1: a schematic representation of the manufacturing process an optical integrated grating according to the invention,
Figur 2:das gemäß dem Verfahren nach Figur 1 erhältliche optische Gitter;FIG. 2: the one obtainable according to the method according to FIG optical gratings;
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Verfahrensvariante gemäß der Erfindung;FIG. 3: a schematic representation of a variant of the method according to the invention;
Figur 4: ein graphisches Schaubild für verschiedene Implantationsionen, das die Abhängigkeit der Ioneneindringtiefe (in Mikron) in das Harz als Funktion ihrer Energie (E) (in Kiloelektronenvolt) darstellt;FIG. 4: a graphic diagram for different implantation ions, showing the dependence of the ion penetration depth (in microns) in the resin as a function of its energy (E) (in kiloelectron volts);
Figur 5:ein Schaubild/ das die Änderungen des Brechungsindex (&n) als Funktion der Heliumimplantation (Zahl der Atome pro Quadratzentimeter) bei Umgebungstemperatur in einem Lithiumniobatsubstrat darstellt.Figure 5: a graph showing the changes in the refractive index (& n) as a function of helium implantation (Number of atoms per square centimeter) at ambient temperature in a lithium niobate substrate.
In Figur 1 sind die verschiedenen Stufen des Herstellungsverfahrens für das optische Gitter zu erkennen.In Figure 1 are the various stages of the manufacturing process for the optical grating to be recognized.
Die erste Stufe (Figur 1a) besteht darin, daß mit bekannten Mitteln (durch Aufbringen mit einer Schleuder oder durch Herstellen eines Abzuges oder dergleichen) ein lichtempfindliches Harz 2, im allgemeinen mit positiver Empfindlichkeit, auf ein Substrat 4, das vorzugsweise aus Lithiumniobat besteht, aufgebracht wird. In dem dargestellten Fall einer integrierten optischen Vorrichtung ist das Substrat 4 einem Lichtleiter 6 zugeordnet, der beispielsweise ausgehend von dem Substrat durch Änderungen der optischen Eigenschaften an seiner Oberfläche entstanden ist. Auf diesem Harz 2 ist das Interferenzsystem zweier Laserbündel nach der Holographietechnik aufgezeichnet.The first stage (Figure 1a) is that with known Means (by applying with a sling or by making a print or the like) a photosensitive resin 2, generally with positive Sensitivity, is applied to a substrate 4, which preferably consists of lithium niobate. In the illustrated case of an integrated optical device the substrate 4 is assigned to a light guide 6, which, for example, starting from the substrate by changes the optical properties on its surface. On this resin 2, the interference system is two Laser beam recorded using the holographic technique.
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Die Wellenlänge der beiden Laserbündel, die für die Aufzeichnung des Interferenzsystems verwendet werden, ist beispielsweise 4 579 S. Das Gitter 8 (Figur 1b) des Harzes 2, das Furchen 9 aufweist und das nach Auswertung und Prüfung mit Hilfe eines klassischen Entwicklungsproduktes erhalten wird, kann von dem Harz 2 auf das Substrat 4 durch Kopieren übertragen werden.The wavelength of the two laser beams used to record the interference system is for example 4 579 S. The grid 8 (Figure 1b) of the resin 2, has the furrows 9 and obtained after evaluation and testing with the help of a classic development product can be transferred from the resin 2 to the substrate 4 by copying.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Übertragung des Gitters auf das Substrat 4 durch Ionenimplantation (Figur 1c). Die Ionen, die in Pfeilrichtung implantiert werden, sind beispielsweise Heliumionen mit einigen hundert KeV und mit unterschiedlichen Dosen. Die implantierten Bereiche 10 weisen einen kleineren Brechungsindex als die nichtimplantierten Bereiche auf. Das lichtempfindliche Harz dient bei der Ionenimplantation als Maske. Das lichtempfindliche Harz 2 kann danach entfernt werden (Figur 1d), wozu jede bekannte Methode (chemisches Angreifen oder Ätzen) verwendet werden kann. Das auf diese Weise erhaltene Gitter 12 kann Unterschiede im Brechungsindex in der Größenordnung von 0,1 zwischen den implantierten Bereichen 10 und den nichtimplantierten Bereichen aufweisen.According to the invention, the grid is transferred to the substrate 4 by ion implantation (FIG. 1c). The ions that are implanted in the direction of the arrow are, for example, helium ions with a few hundred KeV and with different doses. The implanted regions 10 have a smaller refractive index than the non-implanted ones Areas on. The photosensitive resin is used as a mask for ion implantation. The light sensitive Resin 2 can then be removed (Figure 1d), including any known method (chemical attack or Etching) can be used. The grating 12 obtained in this way can have differences in the refractive index in the Of the order of 0.1 between the implanted areas 10 and the non-implanted areas.
Die Implantationsenergie muß so sein,.daß die implantierten Ionen in einer Harzschicht der Dicke h wirksam gestoppt werden (siehe Figur 1b und 1c). Die Wahl der Implantationsenergie E in Abhängigkeit von h für verschiedene Implantationsionen ist durch Figur 4 wiedergegeben.The implantation energy must be such that the implanted Ions are effectively stopped in a resin layer of thickness h (see Figures 1b and 1c). The choice of implantation energy E as a function of h for different implantation ions is shown in FIG.
Die Änderung des Brechungsindex hängt von der Ionenimplantationsdosis (Zahl der pro QuadratZentimeter implantierten Ionen) ab.The change in the refractive index depends on the ion implantation dose (Number of implants per square centimeter Ions).
Die in Figur 5 wiedergegebene Kurve zeigt die Änderungen des Brechungsindex von Lithiumniobat als FunktionThe curve reproduced in FIG. 5 shows the changes in the refractive index of lithium niobate as a function
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— Q —- Q -
der Dosis (D) der in das Lithiumniobat implantierten Heliumionen ab. Die Implantation hat dabei bei Umgebungstemperatur stattgefunden. Ein merklicher Unterschied im Brechungsindex (An) tritt bei einer Implantationsdosisthe dose (D) of the helium ions implanted in the lithium niobate away. The implantation took place at ambient temperature. A noticeable difference in the Refractive Index (An) occurs at an implantation dose
1 5
(D) oberhalb von 10 auf. Um die Brechungswirksamkeit des erzeugten Gitters durch Erhöhung der Differenz des
Brechungsindex in dem Substrat zu erhöhen, kann eine zusätzliche Verfahrensstufe durchgeführt werden.1 5
(D) above 10. In order to increase the refractive efficiency of the grating produced by increasing the difference in the refractive index in the substrate, an additional method step can be carried out.
Diese zusätzliche Verfahrensstufe (Figur 1e) besteht darin, daß die implantierten Bereiche 10 chemisch angegriffen werden, vorzugsweise mit verdünnter Flußsäure. Die implantierten Bereiche in dem Lithiumniobat sind nämlich für einen solchen chemischen Angriff oder eine solche Ätzung sensibilisiert (siehe oben zitierte Dissertation des Herrn Destefanis). Durch dieses chemische Angreifen kann ein integriertes Gitter 14 mit Hohlfurchen, wie in Figur gezeigt, erhalten werden. Je nach der besonderen Anwendung bei integrierten Gittern kann dieses Angreifen oder Ätzen der implantierten Bereiche 10 durchgeführt werden oder nicht.This additional process stage (Figure 1e) consists in that the implanted areas 10 are chemically attacked, preferably with dilute hydrofluoric acid. The implanted Namely, areas in the lithium niobate are for such chemical attack or such Etching sensitized (see above cited dissertation of Mr. Destefanis). This chemical attack can an integrated grid 14 with grooves, as in Figure shown to be obtained. Depending on the particular application in the case of integrated grids, this can attack or Etching of the implanted regions 10 can be carried out or not.
Zur Verbesserung der Aufzeichnung des Gitters 8 in dem lichtempfindlichen Harz 2 kann zwischen das Harz 2 und das Substrat 4 oder genauer zwischen das Harz 2 und den Lichtleiter 6 eine oder mehrere günstig ausgewählte Schichten eingefügt werden. Es ist besonders vorteilhaft, eine metallische Schicht 16, wie beispielsweise aus Aluminium, einzufügen, wie in Figur 3 dargestellt. Die Vorteile einer solchen metallischen Schicht 16 sind bereits oben erwähnt worden.To improve the recording of the grating 8 in the photosensitive resin 2, between the resin 2 and the substrate 4 or, more precisely, between the resin 2 and the light guide 6, one or more favorably selected ones Layers can be inserted. It is particularly advantageous to use a metallic layer 16, such as, for example, made of aluminum, as shown in Figure 3. The advantages of such a metallic layer 16 are already there mentioned above.
Nach der Aufzeichnung des Gitters 8 in dem Harz wird die metallische Schicht 16 wie das lichtempfindliche Harz 2 durch irgendein bekanntes Mittel entfernt (chemisches Angreifen odei dergleichen).After the grating 8 is recorded in the resin, the metallic layer 16 becomes like the photosensitive one Resin 2 removed by any known means (chemical attack or the like).
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Wie bereits erwähnt, besteht bei Verfahren nach dem Stande der Technik die Schwierigkeit bei der Herstellung von integrierten Gittern großen Teils darin, daß es sehr schwierig ist festzustellen, ob die Furchen 9 vollständig frei sind. Bei der Ionenimplantation ist nur die Dickendifferenz zwischen dem Kamm und dem Grund der Furche von Bedeutung und nicht die Dicke des verbleibenden lichtempfindlichen Harzes wie bei einem Übertragungsverfahren nach dem Stand der Technik.As noted, the prior art methods have the difficulty in making integrated Grids in large part in that it is very difficult to determine whether the furrows 9 are completely free are. In ion implantation, only the difference in thickness between the ridge and the bottom of the groove is important and not the thickness of the remaining photosensitive resin as in a prior art transfer method of the technique.
Dieser Wert ist jedoch relativ gut reproduzierbar. Um dies festzuhalten sei beispielsweise eine Ausgangsdicke des Harzes von 1500 A gewählt· Nach Aufzeichnung und Auswertung variiert die Dicke des Harzes zwischen den.Werten h und h1 (siehe Figuren 2b und 2c), wobei h in der Größenordnung von 1400 2. beispielsweise und h1 kleiner als 100 A* ist. Die Differenz h - h1 kann folglich zwischen 1300 und 1400 8 in diesem besonderen Fall variieren, d.h. die Variation beträgt in Relativzahlen nur 7%: diese Variation bleibt trotz der starken Variationen von h' (zwischen 0 und 100 A in diesem Beispiel) gering.However, this value can be reproduced relatively well. In order to record this, for example, an initial thickness of the resin of 1500 A. After recording and evaluation, the thickness of the resin varies between the values h and h 1 (see FIGS h 1 is less than 100 A *. The difference h - h 1 can consequently vary between 1300 and 1400 8 in this particular case, ie the variation is only 7% in relative numbers: this variation remains small despite the strong variations of h '(between 0 and 100 A in this example) .
Es ist sinnvoll, die Ionenimplantationsbedingungen, die bei der Erfindung vorherrschen, wohl zu unterscheiden. Dabei soll an die großen Energien, in der Größenordnung von 20 bis 100 KeV für Lithiumniobat und an die verschiedenen Ionenarten, die Bedingungen des Ionenbombardements, das insbesondere nach dem Stande der Technik verwendet wurde, erinnert werden. Insbesondere soll an die viel geringeren Energien in der Größenordnung von 0,1 bis 1 KeV für Lithiumniobat beispielsweise und an die Ionen, wie Argon und Xenon erinnert werden, die einen Materialverlust erzeugen, der vollkommen analog dem chemischen Angriff ist und die gleichen Beschränkungen wie dieser aufweist.It is useful to be able to distinguish the ion implantation conditions prevailing in the invention. In doing so, the large energies, in the order of magnitude of 20 to 100 KeV for lithium niobate and the various Ion types, the conditions of ion bombardment, particularly those used in the prior art, to be reminded. In particular, the much lower energies should be in the order of 0.1 to 1 KeV for lithium niobate for example, and remembered the ions, such as argon and xenon, which create a loss of material that is completely analogous to chemical attack and has the same limitations as it.
130065/0 96 4130065/0 96 4
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