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Dokumentenidentifikation DE102007002191A1 23.08.2007
Titel Verfahren zum Herstellen einer Lichtkopplungseinrichtung
Anmelder Photeon Technologies GmbH, Bregenz, AT
Erfinder Hingerl, Kurt, Linz, AT;
Merz, Robert, Dornbirn, AT;
Hudek, Peter, Dornbirn, AT;
Seyringer, Heinz, Höchst, AT
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 16.01.2007
DE-Aktenzeichen 102007002191
Offenlegungstag 23.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse G02B 6/30(2006.01)A, F, I, 20070529, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtkopplungseinrichtung zwischen einer Glasfaser und einem Lichtwellenleiter höheren Brechungsindexes als jener der Glasfaser mit einem sich keilförmig in seiner Höhe verjüngenden Übergangsstück zwischen der Glasfaser und dem Lichtwellenleiter beschrieben, wobei eine einkristalline Wellenleiterschicht mit unterschiedlichen Ätzeigenschaften in unterschiedlichen Kristallrichtungen in einer zumindest dem Kerndurchmesser der Glasfaser entsprechenden Dicke auf ein Substrat aufgebracht und durch ein Lithographieverfahren zum Übergangsstück verformt wird. Um für das Übergangsstück vorteilhafte Herstellungsbedingungen zu schaffen, wird vorgeschlagen, daß die Wellenleiterschicht so auf das Substrat aufgebracht wird, daß die Richtung der Hauptätzrate der Neigung des Keilwinkels bezüglich einer Normalen zur Substratoberfläche entspricht und daß dann die Wellenleiterschicht mit einem Ätzabtrag in Richtung der Hauptätzrate zum Übergangsstück geformt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtkopplungseinrichtung zwischen einer Glasfaser und einem Lichtwellenleiter höheren Brechungsindexes als jener der Glasfaser mit einem sich keilförmig in seiner Höhe verjüngenden Übergangsstück zwischen der Glasfaser und dem Lichtwellenleiter, wobei eine einkristalline Wellenleiterschicht mit unterschiedlichen Ätzeigenschaften in unterschiedlichen Kristallrichtungen in einer zumindest dem Kerndurchmesser der Glasfaser entsprechenden Dicke auf ein Substrat aufgebracht und durch ein Lithographieverfahren zum Übergangsstück verformt wird.

Da Lichtwellenleiter für Monomoden einen beschränkten, vom optischen Brechungsindex des Wellenleiterwerkstoffes abhängigen Querschnitt aufweisen, sind die erheblichen Querschnittsunterschiede zwischen Glasfasern und einem Lichtwellenleiter höheren Brechungsindexes mit Hilfe von Lichtkopplungseinrichtungen zu überbrücken, die eine möglichst verlustarme Übertragung der jeweiligen Grundmoden zwischen der Glasfaser und dem Lichtwellenleiter gewährleisten sollen. Zu diesem Zweck ist es bekannt (WO 03/001255 A2), ein keilförmiges Übergangsstück aus einem Wellenleiterwerkstoff vorzusehen, das sich von der Stirnseite für den Glasfaseranschluß mit einer an den Kerndurchmesser der Glasfaser angepaßten Höhe allmählich auf eine der Dicke des Lichtwellenleiters mit dem höheren Brechungsindex entsprechenden Höhe verjüngt. Bei üblichen Kerndurchmessern der Glasfasern zwischen 5 und 10 &mgr;m und einer Höhe des Lichtwellenleiters kleiner als 300 nm beispielsweise für Lichtwellenleiter aus einkristallinem Silizium ist die Herstellung der Übergangsstücke mit hohen Anforderungen an die eingesetzten Verfahren verknüpft, mit deren Hilfe das Übergangsstück entweder epitaktisch auf ein Substrat aufgebracht oder aus einer auf ein Substrat aufgetragenen Wellenleiterschicht durch eine Graustufenlithographie gefertigt wird, Das epitaktische Aufbringen einer keilförmigen Wellenleiterschicht aus Silizium ist nicht nur aufgrund des zusätzlich erforderlichen Hochtemperaturprozesses aufwendig, sondern auch wegen des vergleichsweise geringen Temperaturfensters für die selektive Abscheidung des Siliziums unter den geforderten Herstellungsgenauigkeiten schwierig handzuhaben. Dazu kommt, daß mit einer eine vermehrte Lichtstreuung bedingenden Oberflächenrauheit einer epitaktisch aufgewachsenen Schicht zu rechnen ist. Daran ändert sich im wesentlichen nichts, wenn zum Herstellen des Übergangsstückes zunächst ein Steg aus einer auf ein Substrat aufgebrachten Oxidlage durch ein herkömmliches Lithographieverfahren geformt und aufgrund von Biegespannungen einseitig vom Substrat abgehoben wird, um den sich zwischen dem Substrat und dem Steg ergebenden Keilspalt zur Herstellung des Übergangsstückes mit Silizium epitaktisch aufzufüllen.

Im Gegensatz zu einem konventionellen Lithographieverfahren, bei dem zunächst mit Hilfe einer in der Mikroelektronik als Photoresist bezeichneten photoaktiven Polymerschicht eine Abdeckmaske für eine Werkstoffschicht erzeugt wird, bevor die Werkstoffschicht außerhalb der Abdeckmaske durchgehend über die Schichtdicke abgeätzt wird, wird bei der Graustufenlithographie ein auf eine Wellenleiterschicht aufgebrachte Photopolymerschicht mit Hilfe einer Maske mit abgestufter Lichtdurchlässigkeit abgedeckt, so daß die unterschiedliche Bestrahlung der Photopolymerschicht nach einer entsprechenden Behandlung zu einem Verlauf der Dicke der Photopolymerschicht entsprechend der jeweiligen Beleuchtungsrate führt. Damit ist eine dreidimensionale Profilierung der Oberfläche der Photopolymerschicht möglich, was beim nachfolgenden Ätzvorgang eine Übertragung der Oberflächenform der Photopolymerschicht auf die Wellenleiterschicht im Verhältnis der Ätzraten der Photopolymerschicht und der Wellenleiterschicht erlaubt. Nachteilig bei einer solchen Graustufenlithographie ist einerseits die schwierige Abstufung der Beleuchtungsintensität zur Profilierung der Photopolymerschicht und anderseits die mit dem Ätzvorgang einhergehende Oberflächenrauheit, die aufgrund von Lichtstreuungen zu Leistungsverlusten führt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtkopplungseinrichtung zwischen einer Glasfaser und einem Lichtwellenleiter höheren Brechungsindexes als der Glasfaser der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß mit vergleichsweise einfachen Mitteln ein auch höheren Anforderungen genügendes Übergangsstück zwischen der Glasfaser und dem Lichtwellenleiter gefertigt werden kann.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Wellenleiterschicht so auf das Substrat aufgebracht wird, daß die Richtung der Hauptätzrate der Neigung des Keilwinkels bezüglich einer Normalen zur Substratoberfläche entspricht, und daß dann die Wellenleiterschicht mit einem Ätzabtrag in Richtung der Hauptätzrate zum Übergangsstück geformt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß einkristalline Wellenleiterschichten in unterschiedlichen Kristallrichtungen unterschiedliche Ätzraten aufweisen, so daß sich in Abhängigkeit von der Lage der Kristallgitter unter einem bestimmten Winkel geneigte Ätzflächen ergeben. Wird nun ein einkristalliner Werkstoff hinsichtlich der Ausrichtung seines Kristallgitters so auf ein Substrat aufgebracht, daß die Richtung der Hauptätzrate unter einem bestimmten Winkel gegenüber dem Substrat verläuft, so kann dieser Werkstoff unter diesem Winkel abgeätzt werden. Dies bedeutet, daß bei einem Aufbringen der Wellenleiterschicht auf ein Substrat unter der Bedingung, daß die Neigung der Richtung der Hauptätzrate bezüglich einer Normalen zur Substratoberfläche dem angestrebten Keilwinkel des Übergangsstückes entspricht, das nachfolgende Ätzen mit Hilfe eines Lithographieverfahrens eine sich unter diesem Keilwinkel verjüngende Wellenleiterschicht ergibt. Da die Richtung des Kristallgitters eines einkristallinen Wellenleiterwerkstoffes im allgemeinen bekannt ist bzw. bestimmt werden kann, braucht folglich die Wellenleiterschicht lediglich vor dem Aufbringen auf das Substrat in einem entsprechenden Winkel gegenüber dem Kristallgitter geschnitten zu werden, um in vorteilhafter Weise ein sich keilförmig in seiner Höhe verjüngendes Übergangsstück zwischen der Glasfaser und dem Lichtwellenleiter durch ein von der Kristallorientierung abhängiges Ätzverfahren zu erhalten.

Für das Schneiden der Wellenleiterschicht unter einem vorgegebenen Winkel bezüglich ihrer Kristallgitterausrichtung kann auf bewährte Techniken zurückgegriffen werden.

Neben den vom Ätzmittel abhängigen Bedingungen hängt der Ätzvorgang zusätzlich von der Ausgangsrauhigkeit der zu ätzenden Wellenleiterschicht ab, wobei diese Abhängigkeit mit kleiner werdendem Keilwinkel zwischen der Oberfläche der Wellenleiterschicht und den die Hauptätzrate bestimmenden Kristallflächen zunimmt. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß bei zunehmender Ätztiefe die sich entlang dieser Kristallflächen ausbildenden Ätzflächen gegenseitig begrenzen und damit eine größere Ätztiefe verhindern. Das Ätzen größerer Keilflächen ist daher schwierig. Aus diesem Grunde wird vorgeschlagen, daß nach dem Aufbringen die Wellenleiterschicht im Anschluß an die spätere Keilfläche in einer der Keilhöhe entsprechenden Dicke mit einer Abstufung abgetragen wird, so daß der Ätzabtrag in Abhängigkeit von der Kristallorientierung im wesentlichen von dieser Abstufung ausgehen kann. Die jeweils von dieser Abstufung ansteigende Kristallfläche bestimmt dann eine durchgehende Ätzfläche. Die Abstufung soll naturgemäß nicht mit einem Ätzabtrag in Abhängigkeit von der Kristallorientierung durchgeführt werden. Es ist hiefür ein von der Kristallorientierung unabhängiger Abtrag vorzusehen, wie dies beispielsweise durch ein Ionenätzen ermöglicht wird.

Je größer die Unterschiede der Ätzraten in unterschiedlichen Kristallgitterrichtungen sind, um so einfacher können diese von der Kristallorientierung abhängigen unterschiedlichen Ätzeigenschaften für die Herstellung keilförmiger Übergangsstücke zwischen einer Glasfaser und einem Lichtwellenleiter genützt werden. Besonders vorteilhafte Verhältnisse ergeben sich in diesem Zusammenhang, wenn die Wellenleiterschicht aus einkristallinem Silizium besteht und mit einer dem Keilwinkel entsprechenden Neigung einer der Kristallflächen {111} gegenüber der Substratfläche auf das Substrat aufgebracht wird. Beim Naßätzen einer Siliziumschicht mit Hilfe einer Maske entlang einer Maskenkante in Richtung <110> des Kristallgitters bildet sich eine nahezu ätzresistente, etwa unter 55° geneigte Seitenböschung aus, während an Maskenkanten in Richtung <100> zur Schichtfläche senkrechte Seitenwände entstehen. Wird nun die Wellenleiterschicht aus einkristallinem Silizium mit einer Neigung einer der den geneigten Seitenböschungen entsprechenden Kristallfläche {111} gegenüber der Substratoberfläche auf das Substrat aufgebracht, so kann eine durch die im wesentlichen ätzresistente Kristallfläche {111} bestimmte Keilfläche erhalten werden, die sich durch eine genaue geometrische Lage und durch eine minimale Rauheit auszeichnet.

Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Lichtkopplungseinrichtung zwischen einer Glasfaser und einem Lichtwellenleiter höheren Brechungsindexes als der Glasfaser näher erläutert. Es zeigen

1 eine Lichtkopplungseinrichtung zwischen einer Glasfaser und einem Lichtwellenleiter höheren Brechungsindexes als der Glasfaser in einem vereinfachten Längsschnitt,

2 ein Substrat mit einer durch eine Polymerschicht abgedeckten Wellenleiterschicht zur Herstellung einer Lichtkopplungseinrichtung nach der 1,

3 die Wellenleiterschicht gemäß der 1 nach einem Ionenätzen einer Abstufung im Anschluß an die spätere Keilfläche,

4 das Abdecken der abgestuften Wellenleiterschicht im Bereich der späteren Keilfläche mit einer Polymerschicht,

5 das Ionenätzen der nicht abgedeckten Wellenleiterschicht,

6 das Abdecken der verbliebenen Wellenleiterschicht mit Ausnahme der zu ätzenden Keilfläche,

7 die Wellenleiterschicht nach dem Ätzabtrag in Abhängigkeit von der Kristallorientierung,

8 das Einbetten des hergestellten, sich keilförmig verjüngenden Übergangsstückes in einen Stützmantel und

9 das auf eine optische Schaltung aufgebrachte Übergangsstück vor dem Entfernen des Stützmantels und der Anbindung einer Glasfaser.

Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach der 1 ist zum Einkuppeln von Lichtwellen aus einer nur im Kernbereich dargestellten Glasfaser 1 in einen Lichtwellenleiter 2 höheren Brechungsindexes bzw. zum Auskoppeln der Lichtwellen aus dem Lichtwellenleiter 2 in eine Glasfaser 1 eine Lichtkopplungseinrichtung 3 vorgesehen, um einen Lichtübergang zwischen den bei der Übertragung von Grundmoden vom Brechungsindex abhängigen Querschnitten der Glasfaser 1 und des Lichtwellenleiters 2 mit vergleichsweise geringen Verlusten zu erreichen. Die Lichtkopplungseinrichtung 3 umfaßt ein Übergangsstück 4 aus einkristallinem Silizium. Dieses Übergangsstück 4, das vorzugsweise über eine Antireflexionsschicht 5 an die ohne Mantel dargestellte Glasfaser 1 angeschlossen ist, verjüngt sich zunächst von einer dem Kerndurchmesser der Glasfaser 1 entsprechenden Höhe von 5 bis 10 &mgr;m allmählich auf eine Höhe von weniger als 300 nm, die der Dicke des Lichtwellenleiters 2 entspricht. Die Lichtkopplungseinrichtung 3 ist auf einer optischen Schaltung 6 vorgesehen, die aus einem Grundkörper 7 aus Silizium mit einer Auflage 8 aus Siliziumdioxid aufgebaut ist. Der Lichtwellenleiter 2 ist auf der Auflage 8 der optischen Schaltung 6 aufgebracht und verbreitert sich gegen die Lichtkopplungseinrichtung 3 hin zu einem Anschlußabschnitt 9, der eine dem Kerndurchmesser der Glasfaser 1 entsprechende Breite aufweist. Der Anschlußabschnitt 9 kann in herkömmlicher Weise mit Hilfe eines Lithographieverfahrens gefertigt werden, bei dem zunächst auf die Auflage 8 der optischen Schaltung 6 eine Wellenleiterschicht in einer dem Lichtwellenleiter 2 entsprechenden Dicke aufgebracht wird, bevor diese Wellenleiterschicht mit einer Photopolymerschicht abgedeckt wird. Die Photopolymerschicht wird im Bereich des Anschlußabschnittes 9 und eines sich zum Lichtwellenleiter 2 hin verjüngenden Übergangsabschnittes 10 durch eine Maske abgedeckt, so daß die Bestrahlung der Photopolymerschicht nur außerhalb der Maske mit der Wirkung erfolgt, daß die Teile der Photopolymerschicht außerhalb der Maske nach einer entsprechenden Behandlung der bestrahlten Bereiche entfernt werden können. Mit einem nachfolgenden Ätzvorgang kann die Wellenleiterschicht außerhalb der übriggebliebenen Photopolymerschicht abgetragen werden, was zu dem gewünschten Breitenverlauf des Anschlußabschnittes 9 und des Übergangsabschnittes 10 führt. Nach dem Abtragen der restlichen Photopolymerschicht wird auf den Anschlußabschnitt 9 das Übergangsstück 4 unter Zwischenlage einer dielektrischen Schicht 11, vorzugsweise aus Siliziumdioxid, aufgebracht. Durch die dielektrische Zwischenschicht 11 mit einem im Vergleich zum Lichtwellenleiter 2niedrigen Brechungsindex wird die Lichtkopplung zwischen dem Übergangsstück 4 und dem Anschlußabschnitt 9 des Lichtwellenleiters 2 sichergestellt.

Zur Herstellung des Übergangsstückes 4 wird auf ein Substrat 12, vorzugsweise aus Silizium, über eine Zwischenschicht 11 aus Siliziumdioxid eine Wellenleiterschicht 13 in einer dem Kerndurchmesser der Glasfaser 1 entsprechenden Dicke aufgebracht. Die Besonderheit dieser Wellenleiterschicht 13 besteht darin, daß eine der Kristallflächen {111}, beispielsweise die in der 2 strichpunktiert angedeutete Kristallfläche {111}, unter einem Keilwinkel &agr; gegenüber der Schichtoberfläche bzw. der Oberfläche des Substrates 12 verläuft, der dem Winkel &agr; der späteren Keilfläche 14 des Übergangsstückes 4 entspricht, wie dies der 1 entnommen werden kann. Die Wellenleiterschicht 13 wird mit einer Photopolymerschicht 15 abgedeckt, die in einem üblichen Lithographieverfahren mit einem Fenster 16 versehen wird, um die Wellenleiterschicht 13 mit Hilfe eines Ionenätzens unabhängig von einer Kristallorientierung senkrecht zur Oberfläche abzutragen, wie dies in der 3 gezeichnet ist. Dieser stufenförmige Abtrag erfolgt bis auf eine Restschicht, die dem späteren planparallelen Ansatz 17 im Anschluß an die Keilfläche 14 des Übergangstückes 4 entspricht und zur Ankopplung des Übergangsstückes an den Lichtwellenleiter 2 im Bereich des Anschlußabschnittes 9 dient. Die spätere Keilfläche 14 ist in der 3 strichpunktiert angedeutet.

Damit aus der Wellenleiterschicht 13 das Übergangsstück 4 in seiner wesentlichen Grundrißform herausgearbeitet werden kann, wird nach dem Entfernen der restlichen Photopolymerschicht 15 das spätere Übergangsstück durch eine Maske 18 abgedeckt (4), bevor gemäß der 5 die restliche Wellenleiterschicht 13 in einem von der Kristallorientierung unabhängigen Ätzverfahren bis auf die Zwischenschicht 11 aus Siliziumdioxid abgetragen wird. Nach einem Abtragen der Maske 18 kann der Bereich des zu fertigenden Übergangsstückes 4 neuerlich durch eine Photopolymerschicht 19 abgedeckt werden, um entsprechend der 6 eine Maske mit einem Fenster 20 zu erhalten, das im Bereich der späteren Keilfläche 14 liegt. Der folgende Ätzabtrag erfolgt in Abhängigkeit von der Kristallorientierung mit Hilfe beispielsweise einer Kalilauge, wobei der Wellenleiterwerkstoff entlang einer der späteren Keilfläche 14 entsprechenden Kristallfläche {111} abgetragen wird, wie dies der 7 entnommen werden kann. Damit ist das Übergangsstück 4 in seiner Grundform hergestellt und braucht lediglich beschnitten zu werden. Zu diesem Zweck wird die das Übergangsstück 4 bildende, profilierte Wellenleiterschicht 13 nach dem Entfernen der Photopolymerschicht 19 in einen Stützmantel 21 eingebettet, der die Handhabung des Übergangsstückes 4 beim Schneiden erleichtert. Nach dem Beschneiden des Übergangsstückes 4 entsprechend der Trennlinien 22 wird das Übergangsstück 4 von dem Substrat 12 abgelöst und entsprechend der 9 auf den Anschlußabschnitt 9 des Wellenleiters 2 der optischen Schaltung 6 aufgebracht. Nach einem Entfernen des restlichen Stützmantels 21 kann die Glasfaser 1 an das Übergangsstück 4 angeschlossen werden.

Wegen der Möglichkeit, die Wellenleiterschicht 13 gemäß der 6 großflächiger in einem von der Kristallorientierung abhängigen Ätzverfahren zu bearbeiten – hiefür ist lediglich das Ätzfenster 20 entsprechend breit auszuführen –, können in vorteilhafter Weise mehrere Übergangsstücke 4 aus einer Wellenleiterschicht 13 gleichzeitig hergestellt werden. Die einzelnen Übergangsstücke 4 sind dann beim Beschneiden lediglich durch Längsschnitte voneinander zu trennen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen einer Lichtkopplungseinrichtung zwischen einer Glasfaser und einem Lichtwellenleiter höheren Brechungsindexes als jener der Glasfaser mit einem sich keilförmig in seiner Höhe verjüngenden Übergangsstück zwischen der Glasfaser und dem Lichtwellenleiter, wobei eine einkristalline Wellenleiterschicht mit unterschiedlichen Ätzeigenschaften in unterschiedlichen Kristallrichtungen in einer zumindest dem Kerndurchmesser der Glasfaser entsprechenden Dicke auf ein Substrat aufgebracht und durch ein Lithographieverfahren zum Übergangsstück verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterschicht so auf das Substrat aufgebracht wird, daß die Richtung der Hauptätzrate der Neigung des Keilwinkels bezüglich einer Normalen zur Substratoberfläche entspricht, und daß dann die Wellenleiterschicht mit einem Ätzabtrag in Richtung der Hauptätzrate zum Übergangsstück geformt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen die Wellenleiterschicht im Anschluß an die spätere Keilfläche in einer der Keilhöhe entsprechenden Dicke mit einer Abstufung abgetragen wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterschicht durch ein Ionenätzen stufenförmig abgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterschicht aus einkristallinem Silizium besteht und mit einer dem Keilwinkel entsprechende Neigung einer der Kristallflächen {111} gegenüber der Substratfläche auf das Substrat aufgebracht wird.






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