4. Изготовление интегрально-оптических волноводов электростимулированной миграцией ионов

Наличие в стекле катионов щелочноземельных метал­лов (Mg, Ca, Sr, Вa), выполняющих так же, как и щелоч­ные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Tl), роль модификаторов, вызывает разрыв структурной сетки и увеличение в ней промежутков и «окон». При замещении щелочных катио­нов на щелочноземельные степень связности структур­ной сетки может несколько возрасти, так как щелочно­земельные ионы, обладая более высоким зарядом, могут связывать отдельные кремнекислородные цепочки.

Как правило, многокомпонентные стекла с высоким содержанием оксидов щелочных металлов, и в особенно­сти Na₂O , наиболее пригодны для формирования волно­водов с помощью диффузионных процессов. Высокая подвижность ионов Na⁺ в матрице таких стекол обу­словливает высокую скорость диффузии ионов ( K⁺ , Ag⁺ , Li⁺ и т.д.), увеличивающих показатель преломления стекла, и создает предпосылки для формирования волноводов с большой глубиной световедущего слоя.

При изготовлении волноводов на стеклах часто в каче­стве подложки используется стекло от фотопластин. Большое содержание окиси натрия (Na₂O) позволяет получать высокие скорости диффузии и изготавливать глубокие волноводы со значительными изменениями по­казателя преломления. Однако в процессе варки этого стекла его спектральная характеристика ухудшается в результате попадания окрашивающих примесей.

Среди окрашивающих примесей наиболее распростра­ненным явля­ется оксид железа, в той или иной концен­трации содержащийся в со­ставе всех кварцевых песков. Ионы железа содержатся в стекле в двух- и трехвалент­ном состоянии. Влияние Fe₂O₃ и FeO на окраску стекла различно: Fe₂O₃ сообщает стеклу желтовато-зеленый или жел­тый оттенок, FeO – синевато-зеленый или синий от­тенок. Интенсив­ность окраски двухвалентным железом приблизи­тельно в 15 раз больше чем интенсивность ок­раски трехвалентным железом. Даже невысокое содер­жание окислов железа (0,2–0,5 %), что на­блюдается у обычных стекол, приводит к сужению спектра пропуска­ния.

Бесцветные силикатные стекла имеют высокое про­пускание в ви­димой области и широкие полосы фунда­ментального поглощения в УФ и ИК областях. В ИК об­ласти силикатные стекла пропускают до 2,5 мкм. Край поглощения в ИК области определяется содержанием ос­таточных групп ОН^. Для обезвоженного стекла граница поглощения в ИК об­ласти сдвигается до 4,0–4,5 мкм, а у кварцевого стекла достигает 5,0 мкм.

Спектральные характеристики стекол, содержащих примеси желе­за, ограничены в УФ (с  = 400 нм) и в ИК области. На длине вол­ны  = 1,1 мкм наблюдается силь­ная полоса поглощения, обусловленная наличием Fe²⁺. Эта полоса с увеличением содержания желе­за углубля­ется и расширяется вплоть до  = 700 нм.

Поскольку спектральная характеристика оптического волновода во многом будет определяться спектральной характеристикой стекла, выбранного в качестве под­ложки, то формирование качественных волноводов с ши­роким спектром пропускания лучше проводить на бес­цветных оптических стеклах, отличающихся высокой прозрачностью, оптической однородностью, безсвильно­стью и радиационной стойко­стью.

Из всего многообразия оптических стекол широкое применение в качестве подложки находят кроны, содер­жащие 7,2 % Na₂О, кронфлинты, содержащие 6 % Na₂О, а также легкие флинты и баритовые кроны, содержащие соответственно по 4,5 % и 1,25 % Na₂О.

При изготовлении глубоких многомодовых волново­дов целесооб­разно применять внешнее стимулирующее электрическое поле, позво­ляющее значительно увели­чить скорость диффузии высокопреломляющих ионов вглубь стекла и создать волноводы с прогнозируемой фор­мой поперечного сечения. В связи с этим важную роль при выборе стекла играют его электрические свой­ства, основным из которых яв­ляется электропроводность.

Электропроводность характеризует способность стекла прово­дить электрический ток под действием элек­трического поля. В об­щем случае электропроводность обусловлена направленным перемещени­ем зарядов и равна произведению заряда носителей тока на их кон­центра­цию и подвижность.

Электропроводность силикатных стекол зависит в первую оче­редь от концентрации щелочных компонентов и их подвижности. Квар­цевое стекло, не имеющее в своем составе щелочных компонентов, является почти идеальным изолятором среди силикатных стекол. При комнатной температуре его электропроводность равна 10^-18 Ом ^-1м ^-1, а при 800°С 10^-4 Ом ^-1м ^-1 . По этой при­чине оно не может быть ис­пользовано как подложка в процессе формирования глубоких много­модовых волно­водов электростимулированной миграцией ионов.

Электропроводность натрий-силикатных стекол растет по мере увеличения концентрации оксида натрия. При выборе стекла сле­дует учитывать тот факт, что наличие таких оксидов, как ZnO, MgO, PbO, ВаО, B₂О₃ и т.д., снижает подвижность ионов нат­рия, а следовательно, и электропроводность. Наиболее резко снижает электро­проводность CaO. При одновременном присутствии в составе стекла двух типов катионов щелочных металлов электро­проводность стекла резко снижается по сравне­нию с электропро­водностью стекол соответствующих бинарных систем.

Повышение температуры способствует резкому уве­личению элект­ропроводности. Зависимость электропро­водности от температуры в широком интервале может быть описана уравнением

, (48)

где A – const; Е_ – энергия активации электропровод­ности, ха­рактеризующая потенциальный барьер, который необходимо преодо­леть катионам при перемещении в направлении электрического поля.

Е_ не зависит от температуры и составляет примерно 80-90 кДж/моль.

Таким образом, стекла, предназначенные для проведе­ния в них миграции ионов, стимулированной внешним элек­трическим полем, должны иметь высокое содержание Na₂O или Li₂O в сочетании с минимальным количеством других типов катионов.

Стеклянная подложка, на которой формируются вол­новоды, дол­жна быть плоской и гладкой, без дефектов поверхностного и приповерхностного слоя. Обычно это достигается глубокой полировкой подложек либо путем формирования на расплаве металла, позволя­ющего полу­чать стекла с микронеровностями, не превышающими 0,01 мкм.

При изготовлении волноводов с помощью электро­стимулированной миграции ионов важную роль играет качество напыления маскирующего слоя, определяемое качеством очистки стеклянной подложки, методом нане­сения пленки и чис­тотой напыляемого материала. Нали­чие на поверхности подложки таких за­грязнений, как пыль, пленки жира и влаги, адсорбированные газы, су­ще­ственно влияет на адгезию и химический состав наноси­мых на под­ложку маскирующих слоев. Поэтому под­ложки подвергаются тщатель­ной очистке как до уста­новки их в вакуумную камеру, так и в ва­куумной камере.

Существующие методы очистки условно можно раз­делить на хи­мические и физические. Все химические ме­тоды очистки подразделя­ются на две основные группы:

1. Методы, основанные на применении нейтральных растворите­лей (бензина, толуола, ацетона, изопропило­вого спирта и т.д.), которые, благодаря высокой сорбци­онной активности, вытесняют за­грязнения с очищаемой поверхности в раствор.

2. Методы, основанные на применении химически ак­тивных жид­костей (кислот и щелочей), которые разру­шают молекулы загрязне­ний и одновременно воздейст­вуют на материал самой подложки.

Среди физических методов очистки выделяют очистку подложек нагреванием в вакуумной камере и очистку в тлеющем разряде, осу­ществляемые непосредственно пе­ред напылением металлического слоя.

Обезжиривание органическими растворителями осно­вано на том, что растворитель занимает место загрязне­ния на поверхности под­ложки, вытесняя его, а сам потом легко испаряется при сушке и отжиге подложки.

Для повышения скорости и эффективности удаления загрязнений обычно применяется нагрев или ультразву­ковое возбуж­дение растворителя. Очистка горячим рас­творителем чаще всего осу­ществляется обезжириванием паром. Восходящий пар растворителя конденсируется на очищаемом объекте, нагревая его и увеличивая скорость растворения поверхностных загрязнений. При ультразву­ковой очистке растворение загрязнений увеличивается интенсивным локальным перемешиванием с помощью механического воздействия ударных волн, создаваемых в растворителе.

Органические растворители не удаляют твердых неор­ганических загрязнений (пыли, остатков шлифовальных и полировальных паст и т.д.). Удаление таких загрязне­ний осуществляется в растворах сер­ной, азотной и соля­ной кислот и их смесей с добавками солей или в раство­рах этих соединений, реже в растворах щелочей.

Эффект очистки кислотами обусловлен превращением некоторых окислов и жиров в растворимые в воде соеди­нения. Щелочные аген­ты растворяют жиры омылива­нием, что делает их смачиваемыми в во­де. Однако ис­пользование кислот и щелочей при изготовлении вол­но­водов на стеклах имеет свои ограничения, связанные с подтравли­ванием или выщелачиванием поверхностного слоя стекла. Это при­водит к нежелательным потерям в фор­мируемых волноводах, обусло­вленным диффузным рас­сеянием света на поверхности подложек.

Как правило, непосредственно перед нанесением мас­кирующего металлического слоя на стеклянную под­ложку применяют физические способы очистки. При этом удаление с поверхности подложек паров воды и ад­сорбированных молекул газов производится путем на­грева подложек в вакууме до 200–300°С, а удаление мо­номолекулярных слоев органических молекул – ионной бомбардировкой поверхности подложки в условиях тлеющего разряда переменного тока, создаваемого в камере при давлении 10 ^–2–10 ^–3 мм рт.ст.

Высокая адгезия алюминиевых пленок к стеклу, очищенному с помощью тлеющего разряда, сохраняется, даже если подложку развакуумировать, а затем снова напылить в вакууме. Это обусловлено отрицательным поверхностным зарядом, возникающим в процессе ионной бомбардировки. Активирование поверхности стекла в результате очистки в тлеющем разряде значительно улучшает адгезию напыляемого материала.

В процессе изготовления многомодовых волноводов и волноводных структур с помощью электростимулированной диффузии использовались подложки из стекла от фотопластин размером 35  35  1,25 мм и оптического стекла К8 размером 35  35  3 мм.

Перед напылением маскирующих металлических слоев стеклянные подложки подвергались многоступенчатой очистке, включающей как химические, так и физические методы. Во избежание выщелачивания и сохранения полировки поверхности пластин химическая очистка состояла лишь из обезжиривания поверхности ацетоном марки "ОСЧ".

Обезжиренные подложки помещались в вакуумную камеру установки УВР-ЗМ и прогревались до 300–350°С для удаления адсорбированного воздуха. Окончательная очистка пластин осуществлялась тлеющим разрядом в воздухе при давлении 10 ^-1–10 ^-2 мм. рт .ст. в течение 10 мин. По окончании ионной очистки вакуум в камере увеличивался до 10^–5–10^-6 мм рт.ст. и производилось термическое испарение алюминия.

Таким образом на одну из сторон стеклянной пластинки нано­сился слой алюминия толщиной 1–1,5 мкм.

В маскирующем слое алюминия с помощью фотолитографии вытрав­ливались окна, соответствующие конфигурации волноводов.

Для этого на запыленную алюминием поверх­ность стеклянной пластинки методом центрифугирования наносился позитивный фоторезист ФП–383. Эта опе­рация производилась при скорости вращения подложки 4000 об/мин. Затем нанесенный фоторезист подвергался сушке при температуре 92°С в течение 15 мин. Сформированный таким образом светочувствитель­ный слой экспонировался через фотошаблон УФ излучением в течение 120 с. Поскольку металлом, подлежащим травлению, служил алюминий, который травится в растворах щелочей, то операции проявления фо­торезиста и травления алюминия были совмещены. Они проводились в 0,25 % –м растворе КОН до полного удаления алюминия в местах, не покрытых фоторезистом. Удалением остатков фоторезиста с поверхности про­травленного образца заканчивался процесс создания рисунка интег­рально-оптического волновода в маскирующем слое алюминия.

На противоположную поверхность стеклянной пластинки терми­ческим вакуумным испарением через маску наносился слой алюминия толщиной 1–1,5 мкм, играющий роль катода. Размеры катодной площад­ка 25  25 мм практически обеспечивали невоз­можность случайного затекания расплава на катод и возникновения короткого замыкания между анодом и катодом.