Procédé technologique

3.4.2.1 Substrat passif

Les étapes principales du procédé de réalisation des guides sélectivement enterrés dans le GO14 sont illustrées en figure 3.28. Les paramètres d’échange présentés par la suite sont ceux fixés, dans la section 2.4.3 du chapitre 2, lors du dimensionnement du guide sélectivement enterré de l’amplificateur hybride tridimensionnel

a) depˆot du masque d’alumine et litographie b) ´echanges d’ions : Ag+/Na+ et trempe c) retrait du masque et nettoyage w d) enterrage selectif

Figure3.28 – Principales étapes technologiques pour la réalisation du guide canal sélectivement enterré dans le GO14.

La fabrication du guide canal dans le substrat commence à nouveau par un dépôt d’une couche d’alumine de(40±5)nm d’épaisseur. Ce dépôt est suivi par une étape de lithographie qui définit les fenêtres d’échange (a). Le masque de lithographie utilisé permet cette fois de réaliser des ouvertures dans la couche d’alumine de largeur w comprise entre 1,0 µm et 6,0µm, avec un pas de 0,5µm. La surface lithographiée de la plaquette de GO14 sera dans la suite appelée face avant pour la distinguer de celle non lithographiée, dite face arrière. Un élargissement de 0,3 µm de la fenêtre d’échange, par rapport aux dimensions nominales du masque a été observé lors de la lithographie de la couche d’alumine. Néanmoins, par simplicité, on continuera à se référer aux ouvertures des guides en les distinguant par l’ouverture nominale du masque de lithographie. L’échange d’ions (b) a lieu pendant 4 min dans un bain de sel fondu à330°C, présentant une concentration molaire de 20% en nitrate d’argent et de 80% en nitrate de sodium. Ensuite, (c) le masque d’alumine est retiré et l’échantillon est trempé 12 h dans une solution de FeNO3. L’échantillon, après avoir été nettoyé, est préparé pour l’enterrage sélectif (e).

La figure 3.29(a) montre la préparation du substrat avant l’enterrage sélectif et la fi-gure 3.29(b) schématise l’appareillage utilisé pour réaliser ce dernier.

La face arrière de l’échantillon est partiellement recouverte par un film polyamide, conçu pour l’utilisation à haute température, placé perpendiculairement aux guides réalisés en face avant (cf. figure 3.29(a)). Ce film, présentant une longueurLmasque= (2,4±0,1) cm, masque les effets du champ électrique dans la région centrale de la plaquette. Ensuite, comme montré en figure 3.29(b), la face avant de l’échantillon est fixée à une bague en Pyrex à l’aide d’un ruban adhésif en polyamide, du même type que celui employé pour masquer la face arrière de l’échantillon. Le montage, bague plus substrat, est destiné à accueillir un bain de sels, gé-néralement appelé bain supérieur, contenant des ions Na+. Le ruban en polyamide garantit

3.4. Réalisation et caractérisation de l’amplificateur hybride tridimensionnel

plaquette

(face arri`ere) film polyamide

guides (face avant)

Lmasque (a) source de tension ou courant bague en pyrex bain sup´erieur bain inf´erieur four ´echantillon guides (b)

Figure3.29 –(a) Échantillon préparé pour l’enterrage sélectif. (b) Schéma de l’appareillage d’en-terrage.

l’étanchéité du montage et l’isolation électrique entre les bains supérieur et inférieur. Ce der-nier, en contact avec la face arrière du substrat, est contenu dans un bêcher placé dans le four d’enterrage. Les deux bains ont la même composition et sont basés sur un mélange de nitrate de sodium, qui fournit les ions Na+à la matrice du verre pendant l’enterrage, avec un adjuvant qui permet de baisser la température de fusion. La température du bain inférieur est mainte-nue par le four à260°C. Lorsque les sels sont fondus, une électrode est plongée dans chaque bain. Ces électrodes, reliées à un générateur de courant ou de tension, permettent d’appliquer une différence de potentiel aux bornes de la plaquette et ainsi d’enterrer les guides.

Pour obtenir une profondeur d’enterrage de guides d’environ 20 µm, fixant la durée du processus à 1 h 30 min, il est nécessaire d’imposer un champ électrique externe _E~_ext de 450 kV/m [87, 111]. Ainsi, une tension de 675 V doit être appliquée aux bornes de la pla-quette qui a une épaisseur de 1,5 mm. Or, la résistance d’une plapla-quette de GO14 de 1,5 mm d’épaisseur à 260°C est d’environ à 13,5 kΩ[130]. Cela signifie que, si l’on applique 675 V à ses bornes, la puissance dissipée sous forme de chaleur par le substrat est d’environ 34 W. L’échauffement de la plaquette entraîne une diminution de sa résistance et, à tension appliquée constante, une augmentation du courant. La hausse de courant produit une nouvelle augmen-tation de la puissance dissipée et par conséquence de la température du substrat. Ainsi, si l’enterrage est contrôlé avec un générateur de tension et le champ appliqué aux bornes de la plaquette est important, le procédé d’enterrage peut devenir instable et provoquer la destruc-tion de l’échantillon. Pour cette raison, le procédé d’enterrage est généralement contrôlé en courant. Connaissant donc la résistance du verre, on déduit que, à une température de260°C, il est nécessaire d’appliquer un courant de 50 mA pour obtenir un champ externe _E~_ext de 450 kV/m. Or, le masque en polyamide recouvre le50%±3%de la surface de la plaquette et, en conséquence, double la résistance de cette dernière. Ainsi, le champ_E~_ext = 450 kV/m sera atteint en appliquant un courant de 25 mA.

Une fois l’enterrage terminé, la plaquette est nettoyée, découpée et polie perpendiculaire-ment aux guides. De cette manière, les guides sélectiveperpendiculaire-ment enterrés peuvent être caractérisées avant le collage du superstrat actif.

Chapitre 3. Réalisation et caractérisation de l’amplificateur hybride

3.4.2.2 Superstrat actif

Afin d’assurer le guidage aux longueurs d’onde de pompe et de signal, il est nécessaire que l’extension Lgp du guide plan dans le verre IOG1 soit inférieure à la longueur de la région où les guides sélectivement enterrés sont à la surface du substrat. Or, lors de sa thèse, Lydie Onestas [130] a déduit que les guides peuvent être considérés à la surface à une distance de (4±1) mm du bord du masque. Nous fixons alorsLgp=1,15±0,05cm. Cette valeur, choisie pour l’extension du guide plan, assure la possibilité d’aligner facilement les deux gaufres.

Les étapes technologiques menant à la fabrication du guide plan de longueur Lgp sont résumées en figure 3.30. b) ´echanges d’ions : Ag+ /Na+ et trempe c) nettoyage Lgp a) limitation de la r´egion d’´echange

Figure3.30 –Réalisation d’un guide plan de longueurLgpsur le substrat d’IOG1.

Un masque en polyamide avec une fenêtre de diffusion de largeurLgpest réalisé à la surface de du verre actif (a), préalablement nettoyée. La plaquette est ensuite mise pendant 3 minutes dans un bain de sels fondus à une température de 320°C et présentant une concentration molaire de 11,7% en nitrate d’argent, ce qui correspond dans l’IOG1 àcsurf= 0,15 (b). À l’étape d’échange suit une trempe pendant 10 s dans un bain de nitrate de sodium à une température de 320°C. Après avoir retiré le masque polyamide et nettoyé la surface de l’échantillon, ce dernier est plongé pendant 30 min dans une solution deFeNO3. Le superstrat est finalement nettoyé (c) et peut être collé au substrat passif.

3.4.2.3 Le substrat comme support pour l’hybridation

Lors de la fabrication du guide hybride, décrite dans la section 3.3.2, l’adhésion moléculaire entre le substrat et le superstrat avait été stabilisée avec un recuit thermique. En effet, cette étape augmente l’énergie d’adhésion des deux plaquettes et est nécessaire pour permettre la découpe et le polissage des facettes de l’échantillon sans induire le décollement des deux gaufres.

Or, dans la réalisation de l’amplificateur hybride tridimensionnel, il est possible d’éviter le recuit thermique qui suit l’adhésion et profiter du fait que sans ce dernier l’adhésion moléculaire est un processus réversible. De cette manière, nous pouvons employer le substrat comme un support sur lequel il est possible de coller plusieurs superstrats actifs présentant des guides plans limités, avec des paramètres différents. Pour cela, il est suffisant de reporter sur le GO14, préalablement découpé et poli, un superstrat actif plus court que le substrat. De cette

3.4. Réalisation et caractérisation de l’amplificateur hybride tridimensionnel

manière, nous pouvons valider le comportement électromagnétique de l’amplificateur hybride, car la lumière est injectée et récupérée via les guides canaux sélectivement enterrés. De plus, il est possible à tout moment de décoller le superstrat et d’en reporter un nouveau avec un guide plan différent pour modifier les performances de l’amplificateur tridimensionnel.

Ainsi, pour terminer la fabrication de l’amplificateur hybride, les surfaces du substrat et du superstrat, préalablement nettoyées, sont activées [95]. Les deux plaquettes sont donc alignées manuellement de manière à superposer le guide plan du superstrat avec la région du substrat où les guides sélectivement enterrés sont à la surface. L’amplificateur hybride tridimensionnel est désormais prêt pour être caractérisé.