FI82989C - Foerfarande foer framstaellning av en ljusvaogledare. - Google Patents

Description

i 82989

Menetelmä valoaaltojohteiden valmistamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä valoaaltojohteiden valmistamiseksi ionivaihtotekniikalla lasisubstraatille, 5 jossa menetelmässä ionivaihto ionilähteen ja lasisubstraa-tin pinnan välillä tapahtuu niillä lasisubstraatin pinnan alueilla, joilla ei ole ionivaihtomaskia.

Ionivaihtotekniikalla lasisubstraatille valmistetut valoaaltojohdekomponentit ovat lupaavia ehdokkaita käytet-10 täväksi optisissa signaalikäsittelysovelluksissa optisessa tiedonsiirrossa, antureissa ja muilla vastaavilla alueilla.

Ionivaihtomenetelmässä valojohteet muodostuvat la-sisubstraattiin, kun lasisubstraatin taitekerrointa pai-15 kallisesti muutetaan (kasvatetaan) diffusoimalla lasissa alunperin olevien ionien (esim. Natrium- eli Na*-ionien) tilalle ulkopuolisesta ionilähteestä muita ioneja, kuten Cs* , Rb* , Li* , K* , Ag* tai Tl* . Ionilähteenä käytetään yleensä joko suolasulatetta tai lasin pintaan kasvatettua 20 hopeakalvoa. Ionivaihtomenetelmän perusteiden osalta viitataan artikkeliin: "Ion-Exchanged Glass Waveguides: A review", R.V.

Ramaswamy, Journal of Lightwave Technology, Vol. 6, No. 6, June 1988.

25 Perinteisesti lasisubstraatin pintaan kasvatetaan maskikerrokseksi metallikalvo, johon sitten kuvioidaan litografiatekniikalla valoaaltojohteita vastaavat aukot tai ikkunat, joiden kautta ionit pääsevät kohotetussa lämpötilassa diffusoitumaan lasiin. Tällöin lasisubstraatin 30 taitekerroin ionivaihdon seurauksena kasvaa maskissa olevien aukkojen kohdalla, jolloin lasiin muodostuu valojoh-teita tai -kanavia.

Kun ionilähteenä on suolasulate, ohutkalvomaskeina käytetään nykyisin yleensä kaksikerrosmaskeja (esim. 35 A1/A1203), jotta estetään pin-hole:t eli pistemäiset lä- 2 82989 pisyöpymiset. Yleensä suolasulatteet kuitenkin syövyttävät kalkkia metallimaskeja niin paljon, että pitkiä diffusoin-tiaikoja vaativia syviä valokanavia on vaikea valmistaa. Esimerkkejä maskien käytöstä suolasulatteiden yhteydessä 5 on esitetty artikkeleissa: [2] "Index profiles of multimode optical strip waveguides by field-enhanced ion exchange in glasses", H.J. Lilienhof, optics commnunications, Volume 35, No. 1, October 1980.

10 [3] "Planar gradient-index glass waveguide and its applications to a 4-port branched circuit and star coupler", Eiji Okuda, Applied Optics, Vol. 23, No. 11, June 1984.

Vaihtoehtoina suolasulatelähteille voidaan käyttää 15 hopeaohutkalvoja. Hopeaohutkalvo (Ag) höyrystetään lasi- substraatin pinnalle, jolloin ionivaihto tapahtuu hopea-kalvon ja substraatin vastakkaisella pinnalla olevan ka-todikalvon välille kytketyn sähkökentän alaisena. Valoka-navien valmistamiseksi anodipuoli (hopeakalvon puoli) täy-20 tyy olla kuvioitu. Kuviointi voidaan tehdä suoraan hopea-kalvoon. Hieman helpompaa on käyttää kuvioitua alumiini-maskikalvoa lasin ja hopeakalvon välissä, koska litogra-fiatekniikan soveltaminen alumiiniin hallitaan paremmin. Litografiavaiheet voidaan kokonaan välttää käyttämällä 25 kaupallisia Cr-maskilaseja, joissa on kromimaskikalvot korkealaatuisella lasisubstraateilla. Valmistaja kuvioi kromikalvot mikropiirivalmistuksessa käytetyllä litogra-fiatekniikalla hyvin suurella tarkkuudella ja luotettavuudella. Näitä kromimaskeja ei voida käyttää suolasulattei-30 den kanssa, koska suolasulatteet syövyttävät kromia. Esimerkkejä maskien käytöstä hopeakalvojen yhteydessä on esitetty artikkeleissa: [4] "Ion exchange process for fabrication of waveguide couplers for fiber optic sensor applications", S. 35 Honkanen, Journal of Applied Physics 61, s. 52-56, January 1987.

3 82989 [5] "Ion-exchange processes in glass for fabrication of waveguide couplers", A. Tervonen, SPIE V01. 862-optical interconnections (1987), s. 32-39.

Koska hopeakalvon on tarkoitus koskettaa lasisub-5 straattia maskikalvossa olevien aukkojen kautta, häiritsee maskissa oleva porras ionivaihdon kontrollointia muodostettaessa syviä valokanavia ja käytettäessä paksuja hopea-kalvoja. Viitteessä [5] on esitetty menetelmä, jossa me-tallikalvon sijasta käytetään lasin pintaan muodostettuja 10 kaliumpitoisia vyöhykkeitä, jolloin saadaan tasainen pin ta, jolle hopeakalvo muodostetaan. Tämän menetelmän ongelmana on, että vaikka maskialueiden kalium-ioneilla on prosessointi lämpötilassa (n. 200°C) pieni liikkuvuus, osa ka-liumioneista kuitenkin korvautuu hopeaioneilla muuttaen 15 taitekerrointa myös maskialueilla. Tästä johtuen kaliumpi-toiset vyöhykkeet eivät toimi riittävän tehokkaasti maskina tehtäessä pitkiä diffusointiaikoja vaativia syviä valokanavia. Tämä voi lisäksi aiheuttaa tietyissä sovelluksissa ylikuulumista eri valokanavien välillä.

20 Keksinnön päämääränä on aikaansaada uusi valoaal to johteiden valmistusmenetelmä, jolla voitetaan edellä esitetyt ongelmat.

Tämä saavutetaan johdannossa esitetyn tyyppisellä menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että ionivaihtomas-25 kina käytetään lasisubstraatin pintaan muodostettuja tyh-j ennysalueita.

Keksinnön perusajatuksena on, että lasisubstraatil-le pinnalle muodostetun metallikalvomaskin (anodi) ja vastakkaiselle pinnalle muodostetun metallikalvon (katodi) 30 väliin kytketään kohotetussa lämpötilassa sähkökenttä, jolloin metallikalvon alla olevat positiiviset ionit (esim. natriumionit) liikkuvat pois pinnan läheisyydestä ja muodostuu ns. tyhjennysalueita. Tyhjennysalueella tarkoitetaan tässä yhteydessä sellaisia lasisubstraatin alu-35 eitä, joissa on hyvin vähän tai ei lainkaan natrium-ione- 4 82989 ja. Metallimaskin poistamisen jälkeen lasisubstraattiin jää tyhjennysaluekuvio, joka on maskikuvion "kopio". Tämän jälkeen suoritetaan hopeakalvoa tai suolasulatetta ioni-lähteenä käyttäen tavanomainen ionivaihtoprosessi, jossa 5 ionivaihto tapahtuu vain tyhjennysalueiden välisillä alueilla (alkuperäisen metallimaskin aukkojen kohdalla).

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mm. seuraavia etuja - alkuperäisessä metallimaskissa olevat pin-holet 10 "kuroutuvat tyhjennusalueessa umpeen, mikä on tärkeää pitkissä ionivaihtoprosesseissa, joissa käytetään apuna sähkökenttää - suolasulatteet eivät pitkänkään prosessin aikana kuluta tai syövytä tyhjennysaluemaskia kuten metallimas- 15 kej a - tyhjennysaluemaski voidaan saattaa ulottumaan suhteellisen syvälle lasisubstraattiin rajoittaen sivu-suuntaista ionivaihtoa substraatin pinnan suunnassa. Tämä mahdollistaa hyvin symmetristen yksimuotovaloaaltojohtei- 20 den valmistamisen. Lisäksi voidaan aikaansaada jopa kapeampia valokanavia kuin alkuperäisessä metallimaskissa olevat aukot, mikä lieventää litografialle asetettavia vaatimuksia - mahdollistaa kaupallisten Cr-maskilasien käytön 25 suoraan substraatteina suolasulatteiden yhteydessä - saavutetaan täysin planaari pinta, joka helpottaa pitkien ionivaihtojen tekemistä paksuista hopeakalvoista. Jos ionivaihto tehdään tyhjössä hopeakalvon höyrystyksen aikana, hopeakalvot pysyvät paremmin lasissa kiinni kuin 30 käytettäessä pintaan kuvioitua maskia.

Keksintöä selitetään nyt yksityiskohtaisemmin suo-ritusesimerkkien avulla viitaten piirrokseen, jossa kuviot 1-5 havainnollistavat keksinnön mukaisen menetelmän eri vaiheita.

35 Keksinnön mukaisessa menetelmässä lasisubstraatin I: 5 82989 1, joka on edullisesti levymäinen, toiselle tasopinnalle kasvatetaan, esim. sputteroimalla metalliohutkalvo 2, johon kuvioidaan litografiatekniikalla aukot 4, kuten kuviossa 1 on havainnollistettu. Keksinnössä käytetty ohutkal-5 vomaski muodostaa ns. positiivisen maskikuvion, jossa aukot 4 vastaavat haluttuja valojohteita ja metallikalvo-osuudet 2 vastaavat alueita, joilla ionivaihdon ja sitä kautta valojohteiden muodostamisen ei haluta tapahtuvan.

Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää myös edellä mai-10 nitussa artikkelissa [5] kuvattuja kaupallisia maskilevy-jä, joissa maskina on lasisubstraatille muodostettu kro-miohutkalvo.

Menetelmän toisessa vaiheessa lasisubstraatin 1 lämpötilaa nostetaan (esim. 350°C) ja maskikalvon 2Ά, 2B 15 ja lasisubstraatin 1 vastakkaiselle puolelle muodostetun metallikalvon 3 välille muodostetaan sähkökenttä kytkemällä jännitelähteen positiivisempi napa maskikalvoon 2A, 2B ja negatiivisempi napa metallikalvoon 3. Sähkökentän vaikutuksesta lasisubstraatin 1 pinnassa maskikalvojen 2A ja 20 2B alapuolella olevat natrium- eli Na*-ionit liikkuvat kohti metallikalvoa 3 (katodi) pois pinnan läheisyydestä, jolloin maskikalvojen 2A ja 2B (anodi) alapuolelle muodostuvat tietylle syvyydelle lasisubstraatin 1 sisään ulottuvat ns. tyhjennysalueet 5A ja 5B, joissa on hyvin vähän 25 tai ei lainkaan natrium-ioneja, kuten kuviossa 2 on havainnollistettu. Maskikalvossa 4 olevien aukkojen 4 kohdalla ei natrium-ionien poissiirtymistä tapahdu, joten aukkojen 4 kohdalle lasisubstraatin 1 pintaan jää alueita 6, joissa on tavanomainen määrä natrium-ioneja.

30 Seuraavaksi metallikalvot 2A, 2B ja 3 poistetaan kuvion 3A mukaisesti, jolloin edellä muodostetut tyhjen-nusalueet 5A ja 5B jäävät pysyvästi lasisubstraatin 1 pintaan muodostaen alkuperäisen maskikuvion "kopion", jossa tyhjennysalueet vastaavat aikaisemmin metallimaskin peit-35 tämiä alueita.

Tyhjennysalueiden 5A ja 5B muodostuessa niiden vä- 6 82939 linen alue 6 edullisesti kuroutuu hieman kapeammaksi kuin alkuperäinen metallikalvossa 2 oleva aukko 4. Tämä helpottaa litografiatekniikalle asetettuja vaatimuksia.

Keksinnön mukaisesti tyhjennysalueilla maskattua 5 lasisubstraattia voidaan nyt sellaisenaan käyttää tavanomaisten ionivaihtotekniikkojen yhteydessä.

Esimerkiksi kuviossa 4A annetaan ionilähteenä toimivan esim. AgNOj-suolasulatteen vaikuttaa nostetussa lämpötilassa (esim. 250*C) lasisubstraatin 1 maskattuun pin-10 taan. Käytännössä lasisubstraatti upotetaan suolasulattee-seen. Ionivaihto suolasulatteen AgN03 ja lasin välillä tapahtuu ainoastaan natrium-ioneja sisältävillä maskaamat-tomilla alueilla 6, mutta ei maskatuilla tyhjennysalueilla 5A ja 5B, koska niillä ei ole natrium-ioneja, jotka voi-15 sivat korvautua Ag*-ioneilla. Kun ionivaihto jatkuu riittävän pitkään kerääntyy alueelle 6 paljon Ag*-ioneja, jotka kasvattavat lasin taitekerrointa tällä alueella muodostaen valojohteen 6,8, kuten kuviossa 5 on esitetty. Muita yleisesti käytettyjä suolasulatteita ovat mm. KN03, CsN03, 20 T1N03 ja NaN03 .

Tyhjennysalueiden 5A ja 5B ja alueen 6 välillä ei voi tapahtua lateraalista ionivaihtoa, mikä mahdollistaa symmetrisempien yksimuotovalojohteiden valmistuksen.

Vaihtoehtoisesti voidaan tyhjennysalueiden 5A ja 25 5B muodostamisen jälkeen poistaa alkuperäinen maskikalvo 2 ja muodostaa suoraan lasisubstraatin pinnalle hopeakalvo 7, joka toimii ionolähteenä. Hopeakalvon 7 ja substraatin 1 vastakkaisella puolella olevan metallikalvon 3 välille kytketään kohotetussa lämpötilassa sähkökenttä, jolloin 30 ionivaihto tapahtuu vain aiemmin maskaamattomilla alueilla 6 samalla tavoin kuin kuvion 4A yhteydessä selitettiin antaen tuloksena kuvion 5 mukaisen valoaaltojohteen.

Kuviot ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksintöä. Yksityiskohdiltaan kek-35 sinnön mukainen menetelmä voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

i

Claims (5)

7 82989

1. Menetelmä valoaaltojohteiden valmistamiseksi ionivaihtotekniikalla lasisubstraatille, jossa menetelmäs-5 sä ionivaihto ionilähteen ja lasisubstraatin pinnan välillä tapahtuu niillä lasisubstraatin pinnan alueilla, joilla ei ole ionivaihtomaskia, tunnettu siitä, että ionivaihtomaskina käytetään lasisubstraatin pintaan muodostettuja tyhjennysalueita.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tyhjennysalueet muodostetaan kasvattamalla lasisubstraatin pintaan metallikalvo, poistamalla metallikalvo niiltä alueilta, joille valojohteet halutaan muodostaa, 15 kasvattamalla lasisubstraatin vastakkaiselle pin nalle toinen metallikalvo, kytkemällä ensimmäisen ja toisen metallikalvon välille sähkökenttä siten, että lasisubstraatin pinnassa ensimmäisen metallikalvon alla olevat ionit liikkuvat pois 20 pinnan läheisyydestä ja pintaan muodostuu tyhjennysalue, ja poistamalla mainitut metallikalvot.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ionit ovat natriumioneja.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että ionilähteenä käytetään suolasulatetta.

5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ionilähteenä käytetään 30 suoraan lasisubstraatin pinnalle muodostettua hopeakalvoa. 8 82989