-1 Microgravure structurelle, topographique et/ou indicielle par

-1
Mots-clés
Microgravure
structurelle,
topographique
et/ou
par
faisceau
indicielle
d'électrons
Télécommunications
optiques.
Par Claire Darraud-Taupiac, Christine Restoin, Isabelle Niort
Université de Limoges, IRCOM- Equipe Composants et Circuits Micro-électroniques et Micro-optiques
Grâce
à un faisceau
piloté
d'électrons
de basse
énergie,
de multiples
propriétés
peuvent
être « dessinées
» directement
sur des
dédiés
à la réalisation
de microcomposants
optiques
pour
matériaux
les
Télécommunications.
1.
Introduction
Dans le domaine des télécommunications optiques,
des composants de dimensions micrométriques et submicrométriques permettant de réaliser des fonctions de couplage, filtrage, multiplexage, conversion en longueur
CI
d'onde, etc., doivent répondre à une forte demande.
Dans ce contexte, la réalisation de masques peut
s'avérer nécessaire et les nombreuses techniques lithographiques telles que les lithographies par rayons X,
optique, UV, par faisceau d'ions, d'électrons, apportent
des solutions plus ou moins simples de mise en oeuvre.
Afin de réduire les étapestechnologiques de réalisation
de composants d'optique intégrée, la technique de gravure
directe par faisceau d'électrons offre de nombreux avantages comme l'absence d'étape de masquage, l'excellente
résolution (théoriquement de l'ordre de quelques nanomètres), la versatilité du spot électronique (cn terme de
tension d'accélération, diamètre du spot, paramètres de
balayage...), la possibilité de piloter le faisceau, etc.
Trois exemples de gravure directe (topographique,
indicielle et structurelle) réalisée par un faisceau d'électrons délivré par un microscope électronique à balayage
(MEB) associé à une application de pilotage,
CI sur trois
types de matériaux, sont présentés afin d'illustrer l'intérêt de cette technique pour la fabrication de composants
dédiés aux télécommunications optiques.
2.
Les performancesattenduessont essentiellementliées aux
dimensionssubmicroniquesaccessiblespar cette technique
et à la possibilitéde piloter le faisceauélectronique.
KEE
N'10
1
d'électrons
Les électrons pénétrant dans un milieu matériel perdent progressivement leur énergie suivant divers processus tels que des collisions
avec les électrons
périphériques des atomes du milieu, des collisions
avec les atomes du milieu, l'émission de rayonnements
(Bremsstrahlung, effet Cerenkov). Lorsque l'énergie
des électrons incidents atteint une valeur de l'ordre de
celle de l'agitation thermique, ils terminent leur trajectoire. Les effets du bombardement électronique sur les
matériaux sont différents suivant la nature de ces derniers (amorphe, cristallin, organique, inorganique,...).
L'interaction d'un faisceau d'électrons de basseénergie
30 keV) avec divers matériaux, induit des modifications
physico-chimiques du milieu cible qui peuvent produire :
- des variations topographiques du matériau irradié, corrélées à une augmentation localisée de son indice de
S
Les interactionsentre un faisceaud'électrons balayé (d'énergie de l'ordre de quelques dizaines de kiloélectronvolts) et
certains matériaux,utifisés dans les domaines de l'optique
guidée et de l'optique non linéaire, permettentla fabrication
de microstructures optiques réalisant des fonctions clefs
dans le domainedes télécommunications(couplage,filtrage,
multiplexage...).
Le faisceau
y N 0
Interactions between a scanning electron beam (with an
energy : 30 keV) and some non linear optical materials or
substratesusedin the field of guided
optics,allow thefabrication of telecommunicationkey-functions (coupling, filtering,
multiplexing...) workingwith optical microstructures.
Expectedadvantagesare related to the submicronicdimensions accessible with the technique of Scanning Electron
Microscopyand the possibilityto drive the electronbeam via
a CADsoftware.
i Microgravure
réfraction,
dans
structurelle,
le cas de la silice
type polycarbonate
;
- une inversion
« localisée
topographique
et d'un
polymère
du
et/ou
indicielle parfaisceau d'électrons 1
l'énergie
du faisceau
applications
» de la polarisation
La source
d'électrons
ferroélectriques
utilisée
est déterminant
est caractérisé
pour
les
par sa com-
spontaposition
née, dans le cas de matériaux
le niobate de lithium.
primaire,
visées. Le substrat
tels que
est un microscope
élec-
et sa densité,
dimensions
concerne
il est décomposé
comprises
les résultats
entre
en cellules
0,1 et 5 um.
Pour
présentés ici, chaque cellule
de
ce qui
de la sur-
face a reçu de 101 à 107 électrons.
tronique
à balayage
male
des électrons
commande
réaliser
dont la tension d'accélération
maxiest de 30 kV.
Un logiciel
de
du faisceau
les diverses
Les principales
est associé
est donné
tableau
:
du MEB,
figure
de pouvoir
4.0 -,---- !-------!--------------)M!fotRt9Ufanpm
dont le sché-
1, sont résumées
$,5,/'
dans le
"'"
-
.,
l'.,
T'cusion d'ac : célération,les électrons
Diamètre
afin
visées.
caractéristiques
ma de principe
suivant
lui
structures
1 à 30 k\ ". -
4-'( (0
G-'.
-
tK'
de la soii (le (inii) -5 à 100 ()
Courant
=;tC..Ca1
(I'écililitilloil (lL) 0, 1 i 70
G ieiit 4 à 300 000
Î
1
I
? Iode d'in-adiation ponetuel ou balavé
Déplacemeut de
la hlatine (v
et y)
course de 20 111111
: 3C.CaJ
I
y
2.0.
I
15)
Hi
VVehnelt
: 1CCa
:!
!/\''i
I
!
1..
SI I
i
7C Ca)
.tO;'3r_.r_a7
:,
iuC
Ca
CID
f
!' r'u
o
Anode
p
!
i!'
"
i
iTubenmage
-tm:. 2(1))
21
-' r'roc,cD
ia7
' :7C',CaJ
.-'
!l cici
ki_i.C
:
iHi.l11
Condenseur, lmmp " q;i
O.
TRC
'1':
Balayage
a5
,4
s.5
r
: an
densité
!V'OIum
"
@
d''r'plar
dpo
(tie'11n3
Objectif- 1/1,
Figti-e 2 (a)
Densité volLmidue d'éuergie déposée par des électrons
Électrons
rëtrodiffusés
C=
Amplificateur
,Rayons X
Electroris
Echantillon secondaires
I SC. EBIC
de 25 keV dtiiis la silice.
2.0
u
Analyseur
multicanal
5ie7n
ni:
5·-0
CV
:u7C4
LvJm
·p) f7
: w iu
^mrn
yi tù
rm rn
-; 45).t0
`.111
i4
19! [Il
IVJLO
:70[U
=r1a
ca
: i.Cp
aa,
.i.alcu
7.4
SC
Courant à l'échantillon
EBIC Electron-Beam-Induced Current
L^.
Figure
J. Schéiiia de priiicipe d'iiii MEB [1].
W
pa
Afin
de maîtriser
dimensions
tions
PADC,
les paramètres
des structures
de l'interaction
LiNbO3
optiques
électrons
effectuées
d'irradiation
à réaliser,
- cible
.`y
I
I
des simula-
(par exemple
avec le code EGS4
macroscopique
de type Monte
tons et d'électrons,
permettent
et les
silice,
0,y
'ri 1r^'''
_o
tn
i mC
,
deflmùù-
[2, 3], code
Carlo de transport de phonotamment
d'accéder
au
dépôt volumique
d'énergie
déposée au sein du matériau.
Une illustration
en est donnée figure 2 (a et b), qui indique
également, en fonction
de chaque matériau, la profondeur
affectée par l'irradiation.
Ce paramètre,
conditionné
par
Wlllll
I
i I:
V=lj
l'a 1,2 i le 1,8 ZD 22
Figure 2 (b).
Densité volumique d'énergie déposée
par des électrons
de 25 ke V dans le LiNb03.
REE
\1 10
1
3.
Gravure
topographique
et
variation
indicielle
matériau
3.1
de densité
engendrée
par
la compaetion
du
[5].
Sur silice
6e (J.-lm)
L'étude
présentée
a été effectuée
sur des échantillons
0,175
provenant
d'un barreau de silice servant à la réalisation
de fibres optiques. Une couche d'or/palladium
d'environ
20 nm, permettant
l'évacuation
des charges
durées
0,125
de contact. Les paramètres
expérimentaux
résumés
ci-dessous
et conduisent
à des
d'irradiation
dizaines
de quelques
minutes
0'l E 30 keV
0,075..........
0,05
Jj,
0,025
fluence <h (e/cm2)
0
5E+18
des électi-oiis 10 i 30 k-e\Diamètredeiasondc
I)
iaiiièti-e cle la 1 1 (ili
l/ ; m
('oiii-aiit cl'écliaiitilloii O 1 ii 7 0 11 r\
1 *1 Lielice 3. 1 () 1,, à 3 1 () Il e C,112
Surtacebatayëc quctqucsdixiemesdcmnr
Cette
filtre
:
20
1,5E+19
--60
"°
60
-Ae--0 e
étude
en cours
a pour
à bande
passante
très étroite
réseaux
--40
----------------
1E+19
2E+19
Figitre4. Variations tol,ogi-aphiqiiesiciiis la silice eiifoiictioii
de la fluence pour 3 énergies des électrons.
SCAN ioopm
VERT 107 nm
SPEED MEDIUM HORIZ 38PM
".
E -30 keV
à quelques
de minutes.
12-03-00
- -
0,15 E 30 keV
lors de l'irra-
diation, est déposée en surface (figure 3). Les mesures de
variation
d'épaisseur
Ag (figure
3) sont effectuées
par
profilométrie
utilisés
sont
- -r - - - - - - - - - - - -,-
WDM,
ture
directe
polie
d'une
3.2
en créant
une cavité
(topographique
fibre
finalité
la réalisation
pour
d'un
application
résonnante
et indicielle)
aux
par écri-
sur la cgaine
optique.
Sur PADC
4- Ae
(p rn)
Deluml
3,5- - - - - - - - - - - 0
10 20 30 40 50
60
RCUR: 111,7n SLOAN DEKTAK Il
M CUR : 4,7
nm
70
80
90
100
325'
résultats expérimentaux
fMrc
Figure
. Profil
3.
fro/ ;7deë suiface
Mc< de?léi
<A?zoize
! zoii-j-adiée
;M ; n'a' ; Cf?
(flueiice 13.101,1 elcin2, éiiergie
2-
: 25 keV).
--- K (1-exp-a (D »
1,51
L'évolution
de la variation
la fluence
conduit
a été
tracée
aux profils
La courbe
d'épaisseur
pour
limite
seur et a (en cm2) une constante
et de l'énergie
énergies
et
0,5'
'f
fluence
!uence<P
(D (e/CM2)
(e/cm)
o
0
4.
est de la forme
où K (en ! lm) est la valeur
de
différentes
de la figure
en pointillés
en fonction
K (l-exp
de la variation
dépendant
2E+16
4E+16
0,07-
du faisceau.
que
d'épaisseur
te au-delà
tion
met
soit
la valeur
en évidence
qu'au
les atomes
constituant
temps,
un phénomène
la silice
liaisons
internes
se trouvent
ainsi un arrangement
Des études
antérieures
dement
électronique
variation
positive
soient
en partie
sur silice
entre
et, qu'en
et les angles
2001
1
0,04
T,.
Résultats1,'expérimentaux
0,03- --- K (1-exp (-a (D »
0,02-
entre
affectés
0,01-
i
fluence (P (e/cM2
plus compact.
entraînait
de réfraction
qu'un
bombar-
également
(de l'ordre
0
2E+16
4E+16
6E+16
8E+16
une
de
quelques
millièmes).
Deux raisons
peuvent
expliquer
cette augmentation
: la variation
de la polarisabilité
et la
REE
NI 10
0,05
0,05-
Il
les distances
modifiées
[4] ont montré
de l'indice
- - - - - ----------
la variation
de compaction.
cours de l'irradiation,
les contraintes
les différentes
induisant
de l'énergie,
augmente rapidement
puis tend vers une limid'une valeur seuil de la fluence ; cette évolu-
semblerait
même
8E+16
d'épais-
du matériau
0,06Quelle
2E+16
(-a<&))
Figure 5. Vnrintions topographiques (a)
et indicielles (b) en fonction de lafluence, pour une énergie
des électrons
de 25 keV dans titi pol,carboiiate.
1E+17
1 Microgravure
Dans
le
structurelle,
cas de ce polycarbonate
topographique
ou
« verre
organique », le (poly (diéthylène glycol bis (allyl carbonate))) matériau amorphe de densité environ deux fois
moins élevée que la silice, la variation topographique
induite par la compaction du matériau soumis au faisceau d'électrons est de 30 à 60 fois plus élevée que dans
la silice étudiée (figure 5 (a)). Pour ce qui concerne la
variation d'indice de surface, elle atteint, au maximum,
quelques centièmes (figure 5 (b)).
Ces propriétés sont exploitées afin, par exemple, de
réaliser des guides optiques monomodes ou multimodes
[6] ou encore d'inscrire des réseaux, en asservissant le
faisceau via un logiciel de pilotage, de pas actuellement
compris entre 2 et 20 pm, dont une illustration
née figure 6 (a et b).
et/ou indicielle
par faisceau
d'électrons
1
En réalisant, par pilotage du faisceau, un bombardement périodique
du substrat (figure
7), la période
dépendant directement de l'application
souhaitée, on va
pouvoir
effectuer
une inversion
périodique
des
domaines ferroélectriques qui permet d'obtenir un processus de conversion de longueurs d'onde, par quasiaccord de phase [7]. Ce processus est fondamental dans
le domaine
des réseaux des télécommunications
optiques par répartition en longueur d'onde (WDM), et
le niobate de lithium avec une structure guidante (titane
par exemple)
sant.
est un candidat
Faisceau
est don-
particulièrement
intéres-
d'électrons
F ; ic.c. z. ".j -.gLiidc. Ti
x,,sns.-
xYN'TS.
as.s'
1--f
y - il - n
z
cl !
-- Il -1 ------- 1 11, --
1
(a)
pff e.
-àclipe
î
Face (+E) recouverte d'une couche d'Au
Figure 6 (,)./ Réseau de pas 2 piii (énergie 25 keV,
Figure 7. Représentation schématique du réseau
irradié par faisceau d'électrons.
fluence : [email protected] elcin2),- iniage MEB.
L'usage d'un faisceau d'électrons présente certains
avantages parmi les autres techniques
utilisées
[8]
(poling électrique, exodiffusion
de Li20...)
puisqu'il
évite tout processus de masquage et autorise un excellent
contrôle de la résolution des domaines ainsi que l'obtention de réseaux de pas micrométriques
et submicromé-
(b)
\ !..tfTpm
"
-.;.../
-..I' "
..'
triques inaccessibles à l'heure actuelle par les autres
techniques.
Dans certaines conditions
expérimentales
(tension
d'accélération du faisceau d'électrons piloté
15 keV,
fluence : 8.1011 e/cM2@courant reçu par l'échantillon de
l'ordre de quelques nA, vitesse de balayage de l'ordre de
quelques mm/s), il est possible d'obtenir
que celui présenté figure 8 [9].
des réseaux tels
Figure 6 (b). Réseau de pas 8,25 piii (éiiergie 25 keV,
fltience : 3,4 1011 elciiil) iniage AFM.
w
4.
4.1
Gravure
« structurelle
»
Sur niobate de lithium (LiNb03)
La technique du bombardement électronique peut également être utilisée sur des cristaux ferroélectriques
comme le niobate de lithium. Dans ce cas, le faisceau
d'électrons induit la création d'un champ électrique local
qui provoque l'inversion des domaines ferroélectriques
ou de la polarisation spontanée.
! 'SsS
"....,.-'.',.-.,.<c
"
"''''X'/i',i''''''
:;'' ":;''-'' :'-.>''',.,'.,'''''
:--;':;.,"- S;,:
'. i-/ :p?;-:;,;-;-;:(;i; ; :'+
;?'
Ti-LilbO. P.M
Figure 8. Réseau de pas 1,6 piii réalisé sur iiiobate
de lithium avec guide titane, observé par MEB sur la face (z-).
REE
REE
: 1 (01
1
LE MARQUAGE
. RePères)
5.
[7] J.A. Armstrong, N. Bloembergen, J. Ducuing, P.S. Pershan,
« Interactions betvveen light waves in nonlinear dielectric »,
Conclusion
Ces trois
trons
exemples
piloté
pour
d'utilisation
la « gravure
d'un
faisceau
», au sens large,
d'élecet son
application
au domaine des télécommunications
optiques
illustrent
le potentiel
de cette technique
(très bonne résolution
des gravures,
structures
périodiques
de faible
de ces travaux,
d'autres
laboratoires
effectués
universitaires,
en collaboration
relevant
1918 (1962.
opti",
pas,
apériodiques...).
L'ensemble
avec
structures
Phys. Fev., n'127,
[81 L.E. Myers, R.C. Eckardt, M.M. Feler, R.L. Byer,
W.R. Bosenberg, J. W Pierce, " Quasi-Phase-Matched
cal parametric oscillators [n bulk periodically poied LiNb03
J. Opt. Soc. Am. B, n° 12, 2102 (1995).
d'un
191 C. Restoin, C. Darraud-Taupiac, J.L. Decossas, J.C. Vareille,
J. Hauden, A. Martinez, a Ferroelectric domain inversion
by
electron beam on LiNb03 and Ti : LiNb03 », J. Appl. Phys. 88
(11) 6665 (2000).
aspect technologique
fort, s'accompagne
non seulement
de simulations
du fonctionnement
des composants
à réaliser
mais
mécanismes
également
d'interaction
d'études
plus
électrons
fondamentales
des
- matériaux.
Les
auteu
Remerciements
Les
auteurs
l'équipe
CREST
tiennent
à remercier
IRMA
(Interaction
Rayonnement
(Université
de Franche-Comté),
(Université
de Franche-Comté)
de Nice) pour leur collaboration,
les membres
de
- Matière)
du
le LOPMD
et le LPMC
(Université
ainsi que le CNRS pour
son soutien.
Bibliographie
[1] G. Fontaine,
Microanalyse,
microscopie
électronique
à
balayage, École d'été St-Martin d'Hères, 11-16 Septembre
1978, Les Éditions de Physique, 1978.
[21 VV.R. Nelson, H. Hirayama, D.VV.O.
Rogers (1985),
The EGS4 Code System, Stanford Linear Accelarator Center
Report SLAC-265 (Stanford, CA 94305).
[3] R. Isabey, E. Duverger, C. Darraud-Taupiac, V. Binsangou,
L. Makovicka, J.L. Decossas, J.C. Vareille, " Theoretical
and
experimental
study of the CR-39 behavior under Electron
Beam ", Radiation Measurements, 31, 85-88 (1999).
[4] D. Barbier, M. Green, S. Madden, " Waveguide fabrication
for integrated optics by electron beam irradiation of silica ",
Journal of Lightwave Technology, 9, (6), 715-720 (1991).
151 T.A. Dellin, DA
Tichenor and E.H. Barsis, " Volume, indexof-irradiation,
and stress changes in electron-irradiated
vitreous silica ", J. Appl. Phys., 48, (3), 1131-1138 l 977).
16] C. Darraud-Taupiac,
V. Binsangou,
J L. Decossas,
J.C. Vareille, " Optical waveguides
fabricated on polymer
substrate
by Electron
Beam ", Materials
Science
in
Semiconductor Processing, n'3, 363-365 (2000).
KEE
lE
2001
1
Claire Darraud-Taupiac a obtenu le diplôme de docteur de troisième cycle de l'Université Paul Sabatier de Toulouse en 1993 dans
le domaine de la physique des polymères.
Depuis 1995, elle est Maître de Conférences à la Faculté des
Sciences de Limoges et mène ses activités de recherche dans l'équipe Composants et Circuits Micro-électroniques et Micro-optiques de
l'Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes
(iRCOM-UMR CNRS n'6615).
Son domaine de recherche est centré sur l'étude et les applications,
dans le domaine des télécommunications optiques, des modifications
physiques de polymères, de verres ou de matériaux utilisés en
optique non linéaire soumis à des bombardement électroniques.
Christine Restoin est Docteur dans le domaine de l'optoélectronique. Elle est à l'heure actuelle Attachée
Temporaire
d'Enseignement et de Recherche à l'institut Universitaire de
Technologie de Limoges et mène ses activités de recherche dans
l'équipe Composants et Circuits Micro-électroniques et Microoptiques de l'IRCOM (UMR CNRS n'6615).
Son domaine de recherche est centré sur l'étude et les applications,
dans le domaine des télécommunications optiques, des modifications
physiques de matériaux ferroélectriques soumis à des bombardements électroniques.
Isabelle Niort a obtenu, en 2000, le DEA d'Électronique des
Hautes Fréquences et Optoélectronique à l'Université de Limoges.
Elle effectue actuellement une thèse au sein des équipes C2M
(Composants et Circuits Micro-électroniques et Micro-Optiques) et
OGI (Optique Guidée et Intégrée) de l'IRCOM à Limoges.
Son thème de recherche concerne la gravure par faisceau d'électrons
de micro résonateurs sur la gaine polie d'une fibre en silice pour application aux réseaux de Télécommunication par multiplexage en longueur d'onde (WDM).