Photolithographie

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L'importance de la phase de nettoyage préalable à tout dépôt n'est plus à démontrer. Avec les cristaux du commerce spécifiés pour l'optique intégrée (cf. Figure 2-7), un traitement avec agitation par ultrasons dans des bains successifs de trichloréthylène, d'acétone, de propanol, de détergent puis d'eau désionisée donne généralement de bons résultats.

A cause des propriétés pyro-électriques du niobate de lithium, le séchage a lieu sous flux d'azote à température ambiante plutôt qu'à l'étuve. Dans ce dernier cas, l'apparition de charges électro-statiques rend quasiment impossible l'utilisation d'appareils comme les profilomètres pendant plusieurs heures.

Lorsque le rapport entre la longueur et la largeur des substrats est supérieur à deux, les dépôts de résine photosensible par centrifugation sont compliqués par le choix limité de platines d'aspiration et conduisent à des effets de bord importants. On est alors contraint à coller les parallélépipèdes sur un support cylindrique plus adapté, par exemple une tranche de silicium. Il est également préférable d'employer un promoteur d'adhérence (HMDS). Enfin, on doit prévoir de recouper les tranches près desquelles la photographie des masques n'est pas correctement développée.

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En dehors des étapes de résinage, la fabrication des composants Ti:Er:LiNbO₃ réclame plusieurs dépôts résumés sur la Figure 2-7 et choisis par compromis entre la disponibilité des cibles, des bâtis et des besoins pour chaque couche.

Figure 2-7: Principales étapes de fabrication des composants Ti:Er:LiNbO₃.

Pour le titane responsable du guidage, on utilise la technique de pulvérisation par faisceau d'ions (bâti VEECO 302A) qui donne des couches homogènes et adhérentes. Elle procure aussi des électrodes en or de bonne qualité sur une couche d'accrochage de nickel (~ 200 Å). Un équipement de pulvérisation par plasma (MRC 8620) muni de la cible adéquate a été retenu pour les essais d'échange protonique avec masque de tantale.

C'est d'autre part la silice déposée à partir de précurseurs organiques (PLASMA Technol. DP80), en anglais Chemical Vapor Deposition, qui perturbe le moins les modulateurs électro-optiques du point de vue de la réponse en fréquence (cf. p. 75). Enfin, la plus ancienne des méthodes1, l'évaporation dans un bâti BALZERS BA510, a été réservée aux essais de dopage en surface de substrats de LiNbO₃ initialement dépourvus de dopant (cf. p. 72), également pour faire l'économie d'une cible en erbium adaptée à la pulvérisation par faisceau d'ions. Assistée par un canon à ions, on note que ce type de dépôt, dit thermique puisque le matériau à déposer est chauffé par un faisceau électronique (provenant ici d'un canon à électrons LEYBOLD) pour passer en phase vapeur, permet également d'obtenir des miroirs diélectriques dans de bonnes conditions (cf. p. 113).

Lorsque des structures de quelques microns de largeur doivent être définies sur ces couches, on dépose un polymère photosensible (SHIPLEY S1818) par centrifugation de façon à ce qu'après séchage, l'épaisseur obtenue soit suffisante pour protéger le substrat durant toute l'étape suivante. On choisit ainsi environ 5 000 Å pour une gravure réactive par gaz fluoré de 950 Å de titane, dans les zones où la

1 [PEA] L. A. Peach, Laser Focus World, 4 (1997) p. 119.

Dépôt de titane par pulvérisation (950 Å) Dépôt de résine par centrifugation (5000 Å) Photolithographie du niveau "Guides" Gravure des rubans de titane par RIE Dérésinage

Diffusion des guides sous O₂ (9 heures à 1030°C)

Dépôt de silice par CVD (3000 Å) Dépôt d'or par pulvérisation (5000 Å) Dépôt de résine par centrifugation (5000 Å) Photolithographie du niveau "Electrodes" Gravure des électrodes par usinage ionique Dérésinage

Découpe et polissage des tranches +Z

+Z X

résine est dégagée après développement de la photographie du masque.

Cette technique sèche, en anglais Reactive Ion Etching (RIE), est employée pour tous les dépôts à l'exception de l'or. Elle offre une meilleure définition que les gravures humides, en particuliers à haute résolution. Avec le masquage à 365 nm employé, on sait ainsi définir des lignes aux fronts proches de la verticale jusqu'à un micron de largeur, dans des couches épaisses jusqu'à 2 000 Å.

Pour l'or, qui n'est gravé par RIE qu'avec un gaz chloré, on réalise plutôt des usinages ioniques sous argon grâce au canon du bâti de pulvérisation. Lorsque plusieurs niveaux de masquage sont requis, on a coutume de reproduire de cette façon un masque de repères de positionnement sur les cristaux. Cette précaution est toutefois superflue si on commence par une diffusion de titane puisque le contraste induit par cette dernière (cf. Figure 2-1) suffit pour superposer d'autres structures.

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C'est sur les dépôts de titane qu'ont portées les caractérisations les plus fines, puisqu'ils déterminent la variation d'indice responsable du guidage.

Les structures les plus petites faisant tout de même plus de 4 µm, peu de variations d'un échantillon à un autre sont à attendre de la photolithographie. Plus précisément, on évalue l'écart maximum entre les largeurs W de rubans fabriqués sur deux substrats différents à 0,2 µm. Comme l'extension des modes varie peu en fonction de W pour les guides à faibles pertes (cf. Figure 2-12 et Figure 2-17), l'incidence d'une telle dérive s'avère en pratique négligeable.

Pour la même raison, les écarts à la reproduction fidèle des masques à l'échelle d'un cristal de 15×30 mm sont circonscrits à sa périphérie, c'est-à-dire dans des zones qui disparaissent lors du polissage final des tranches. L'expérience montre que ce n'est plus le cas si les cotes se rapprochent du micron, en particulier lorsqu'on cherche à obtenir des éléments de taille très différentes sur le même substrat.

On note finalement que ces inhomogénéités sont réduites lorsqu'on bénéficie de la relative élasticité de tranches de trois pouces de diamètre et de 0,5 mm d'épaisseur. Ces dimensions, typiquement travaillées dans l'industrie, permettent en effet un meilleur plaquage des masques.

Du point de vue de l'épaisseur de la couche de titane, les différents relevés profilométriques s'étalent entre 920 et 1000 Å pour une consigne de 950 Å, soit une variation d'environ ± 5%. Ceci se traduit par une variation du confinement des modes du même ordre de grandeur, suffisamment faible pour toujours disposer de guides à faibles pertes sur des échantillons qui comportent des guides d'ondes de plusieurs largeur.

Enfin, la littérature signale l'importance de l'homogénéité des dépôts1, mais ce point n'est pas apparu limitant dans le cas de la technique de pulvérisation employée.