Fabrication de micro-résonateurs photoniques 2.5D sur organiques

Composants passifs et Optique intégrée
Ma1.2
FABRICATION DE MICRO-RESONATEURS PHOTONIQUES 2.5D SUR
ORGANIQUES PAR COMBINAISON DE PROCESSUS COUCHES MINCES
Daphné Duval1, Abdelkader Zebda1, Lionel Camberlein2, Christian Godet1, Etienne Gaviot2,
Joseph Zyss3, Guy Jézéquel1, Anne Renault1, Franck Artzner1 et Bruno Bêche1
1
IPR UMR CNRS 6251, Institut de Physique, Université de Rennes 1, 35042 Rennes.
2
LAUM UMR CNRS 6613, Laboratoire d’Acoustique, 72000 Le Mans.
3
IFR d’Alembert, LPQM UMR CNRS 8537, ENS Cachan, 94235 Cachan.
[email protected]
RESUME
Les polymères tels que le SU8 (biphénol A d’éther glycidyle), le PS233 (polysilane) et
le matériau SOG (siloxane Spin On Glass) peuvent être utilisés conjointement dans la
fabrication par processus couches minces de micro-résonateurs (MR) photoniques
2.5D. Cependant, ces matériaux n’étant pas toujours compatibles entre eux, il a été
nécessaire d’inclure et d’optimiser des traitements plasmas au sein des processus
couches minces de manière à augmenter l’adhérence et à permettre un développement
sélectif de multicouches organiques en structures de type MR 2.5D disques et anneaux.
MOTS-CLEFS :polymère SU8; traitement plasma; micro-résonateur; mode de galerie.
1. INTRODUCTION
L’introduction des polymères dans la fabrication de microsystèmes opto-électro-mécaniques
(MOEMS) présente des avantages, en particulier pour la fabrication en grande quantité et à bas
coût. Dans ce contexte, le SU8 (MicroChem Corp.) est un polymère très intéressant pour sa grande
transparence aux longueurs d’onde supérieures à 400 nm et pour ses faibles pertes en propagation
[1]. Il a permis le développement de MOEMS planaires ou 2D sur des structures de type
interféromètres Mach-Zehnder [2] et micro-résonateurs (MR) [3]. D’autres matériaux comme le
SOG (Honeywell International Inc.) et le polymère PS233 (Ugarit-Chimie Ltd.) ont également une
excellente transparence. Malheureusement, la mauvaise adhérence (particulièrement entre le SU8 et
le PS233) est un verrou technologique pour la mise en forme de dispositifs 2,5D ou 3D. Une
solution est d’inclure les traitements par plasma dans les processus afin de modifier les propriétés
surfaciques des matériaux. Le but de cet article est de présenter les processus couches minces
optimisés pour la fabrication de structures photoniques MR 2.5D sur multicouches SOG, PS233 et
SU8 [4]. Dans un premier temps, une description des processus couches minces développés, en
particulier, les traitements par plasma, sera réalisée. Dans un deuxième temps, une étude des
énergies de surface par mesure des angles de contact permettra d’optimiser l’adhérence entre les
multicouches. Enfin, la propagation et l’excitation de modes galeries dans un micro-disque en SU8
validera l’ensemble des processus de fabrication.
2. FABRICATION & PROCEDES COUCHES MINCES
Le fonctionnement des structures photoniques MR est basé sur un couplage par onde
évanescente entre, par exemple, un guide d’onde et un résonateur [3]. Les matériaux SU8 (n=1,56 à
980 nm), SOG et PS233 (n=1,41 et n=1,40 à 980 nm) peuvent être utilisés pour la fabrication de
MR 2.5D moyennant l’optimisation de processus couches minces. Tout d’abord, la gaine inférieure
(SOG ou PS233) est déposée par technique spin-coating sur un substrat de silicium. Ensuite, afin
d’optimiser l’adhérence entre les couches de polymères, le SOG ou le PS233 est traité par un
plasma d’oxygène ou d’argon [4]. Ce traitement sélectif permet de modifier les propriétés
surfaciques et d’améliorer de manière significative l’adhésion entre le SU8 et le SOG ou le PS233.
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Une couche cœur de SU8 de 800 nm d’épaisseur est ensuite déposée sur la gaine inférieure
précédemment traitée, puis développée sélectivement par lithographie UV. Les paires de guides
rubans présentent typiquement des espacements entre guides variant de 80 à 140 µm. La gaine
supérieure (SOG ou PS233) est par la suite déposée par spin-coating puis retraitée par plasma. Ces
couches ont des épaisseurs comprises entre 50 et 150 nm. Enfin, une couche de SU8 est déposée par
spin-coating et les motifs, sous la forme de résonateurs disques et anneaux imprimés. L’ensemble
de ces procédés et développements sélectifs s’accompagnent d’étapes de cuisson par palier en
température. Différents types de structures MR 2.5D en architecture multicouche ont ainsi pu être
fabriquées comme des micro-disques ou anneaux disposés judicieusement au dessus de guides
rubans.
3. EXPERIENCES & RESULTATS
Les différentes composantes des énergies de surface ont été évaluées par des mesures d’angle
de contact (θ) au point triple avec plusieurs liquides polaires et non-polaires. L’équation d’Young
relative aux tensions de surface (γ) par le modèle acide-base introduisant un comportement
asymétrique de la composante non-dispersive de la tension interfaciale permet de définir le travail
interfacial d’adhésion entre un solide (S) et un liquide (L) [1][4] :
[
WSL = γ L (1 + cos θ ) = 2. γ S LW .γ L LW
]
1/ 2
[
+ 2. γ S + . γ L −
]
1/ 2
[
+ 2. γ S − . γ L +
]
1/ 2
.
(1)
Le terme ȖLW représente la contribution des forces apolaires (forces de Van der Waals), et le
couple (Ȗ+,Ȗ-) les énergies polaires non-dispersives. Afin de caractériser les surfaces obtenues après
traitement plasma, les inconnues ȖSLW, ȖS+ et ȖS- doivent être déterminées. En utilisant trois liquides
déterminés (pour lesquels ȖLLW, ȖL+ et ȖL- sont connus), puis en mesurant l’angle de contact θ entre
chacun des trois liquides et la surface à caractériser, nous avons alors déterminé les trois
composantes de la tension de surface des polymères traités.
FIG. 1 : Evolution des composantes de la tension de surface en fonction du temps d’exposition au
plasma d’oxygène, sur PS233 et SOG.
A titre d’exemple, la figure 1 présente les résultats obtenus pour le SOG et le PS233 en
fonction du temps d’exposition au plasma d’oxygène, avec ȖAB=2.[Ȗ+.Ȗ-]1/2 et ȖT= ȖLW+ȖAB. Dans les
deux cas, ȖT présente un maximum pour t(O2) compris entre 30 et 60 s, signe d’une amélioration en
terme d’adhérence [4].
FIG. 2 : Images obtenues par microscopie optique de MR 2.5D en forme de disque plein et creux sur une
multicouche de polymères : a) Si/PS233/SU8/PS233/SU8 (R=40 µm), b) Si/SOG/SU8/SOG/SU8 (R=70 µm).
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Les processus couches minces globaux étant optimisés, les multicouches polymériques en
MR 2.5D ont été fabriquées. Deux sortes de microstructures photoniques MR 2.5D ont été
développées : Si/SOG/SU8/SOG/SU8 et Si/PS233/SU8/PS233/SU8 (figures 2 et 3). Une bonne
homogénéité des surfaces de ces structures est obtenue.
FIG. 3 : Images obtenues par microscopie électronique à balayage (MEB) de MR 2.5D en forme de disque
plein et creux sur une multicouche de polymères : a) Si/PS233/SU8/PS233/SU8, b) Si/SOG/SU8/SOG/SU8
Les MR ont également été testés en injection avec une source laser (Ȝ=670 nm). Les modes
TE00 et TM00 ont pu être excités, d’abord dans le guide ruban, puis dans le micro-disque en SU8
(modes de galerie) (figure 4). Les processus couches minces présentés ayant été validés, ceux-ci
semblent être une solution appropriée pour la fabrication de MR multicouche 2.5D par une
approche en procédés classiques et non à base de lithographie par faisceau d’électrons en planaire.
FIG. 4 : Photographie de l’excitation du mode galerie TE00 dans un micro-disque (Ȝ = 670 nm).
CONCLUSION
Les processus pour le traitement des surfaces de SOG et PS233 ont pu être optimisés par
détermination des énergies de surface à partir de mesures d’angle de contact, permettant ainsi de
déposer par spin coating du SU8 sur ces surfaces. Nous avons pu fabriquer des microstructures
photoniques 2.5D à base de matériaux SU8/SOG et SU8/PS233, formées par des micro-disques
pleins et creux disposés au dessus de guides rubans. L’excitation et la propagation de modes de
galerie ont pu être observées. La combinaison de tels processus couches minces (spin coating par
paliers, traitement des surfaces par plasma, lithographie UV sélective et cuissons par paliers) permet
de fabriquer des dispositifs 2.5D avec une bonne reproductibilité.
REFERENCES
[1] B. Bêche, N. Pelletier, E. Gaviot, R. Hierle, A. Goullet, J.P. Landesman, and J. Zyss, “Conception of
Optical Integrated Circuits on Polymers”, Microelectron. J., vol. 37, p. 421, 2006.
[2] N. Pelletier, B. Bêche, N. Tahani, J. Zyss, L. Camberlein, and E. Gaviot, “SU-8 waveguiding
interferometric micro-sensor for gage pressure measurement”, Sens. Actuators A, vol. 135, p. 179, 2007.
[3] J. Scheuer, A. Yariv, “Fabrication and characterization of low-loss polymeric waveguides and microresonators”, J. Eur. Opt. Soc., vol. 1, p. 06007, 2006.
[4] A. Zebda, L. Camberlein, B. Bêche, E. Gaviot, E. Bêche, D. Duval, J. Zyss, G. Jézéquel, F. Solal, C.
Godet, “Spin coating and plasma process for 2.5D integrated photonics on multilayer polymers”, Thin
Solid Films, accepté, à être publié, 2008.
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