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Die
Erfindung betrifft eine mechanisch stabile Anordnung mit mindestens
einem photonischen Kristall, bei dem die Zwischenräume im strukturierten Basismaterial
mit einem optisch transparenten Material verfüllt sind, und ein Verfahren
zur Herstellung einer solchen Anordnung.
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Dem
Stand der Technik nach sind verschiedene Verfahren für die Herstellung
von photonischen Kristallen, die ein-, zwei- oder dreidimensional
ausgebildet sein können,
bekannt. Photonische Kristalle sind aus strukturierten Materialien
gebildet, in denen sich die Dielektrizitätskonstante periodisch ändert, und
sie weisen einen Bereich verbotener Frequenzen auf, die so genannte
photonische Bandlücke.
Je nach gewünschter
Anwendung wird das Kristallmaterial, das eine definierte Dielektrizitätskonstante
aufweist, mittels eines bekannten Verfahrens strukturiert. Für die Ausbildung
der photonischen Bandlücke wird
der dielektrische Kontrast des strukturierten Materials und des
Materials der Zwischenräume
dieser Strukturen ausgenutzt.
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Für auf Halbleiter-
oder Aluminiumoxidbbasis hergestellte photonische Kristalle wird
in der Regel der dielektrische Kontrast zwischen Luft und Halbleitermaterial
für die
Ausbildung einer Bandlücke ausgenutzt
(beispielsweise beschrieben in APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 75,
No. 20, 15 NOVEMBER 1999, 3063-3065 und in APPLIED PHYSICS LETTERS,
VOL. 77, No. 13, 25 SEPTEMBER 2000, 1937-1939).
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Dreidimensionale
Strukturen, die durch Selbstorganisation von synthetischen Opal-
oder Polymerkolloiden hergestellt wurden, zeigten deutlichere Bandlücken nach
Verfüllen
mit Flüssigkristallen
oder mit Silber (s. beispielsweise APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL.
76, No. 23, 5 JUNE 2000, 3337-3339; APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL.
75, No. 7, 16 AUGUST 1999, 932-934).
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Die
Herstellung eines dreidimensionalen so genannten metallo-dielektrischen
photonischen Kristalls wird in APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 70, No.
22, 2 JUNE 1997, 2937-2939 beschrieben. Dabei wird auf ein Si-Substrat
ein Polymerfilm, der eine Dielektrizitätskonstante ε = 2,1 aufweist,
mittels Spin-Coating,
verbunden mit anschließendem
Ausbacken, aufgebracht, der nachfolgend mit einer Metallschicht
bedeckt wird. Danach erfolgt das Aufbringen einer photolithographischen
Maske mit anschließender
Strukturierung der Doppelschichtstruktur durch Ionenstrahlätzen. Nach
Entfernen der Maske wird diese erzeugte Struktur wiederum mit einem
Polymer bedeckt, verfüllt
und ausgeheizt, danach wieder ein Metallfilm aufgebracht und der
oben beschriebene Vorgang wiederholt bis ein Feld von mehreren übereinander
versetzt angeordneten und untereinander durch das Polymer isolierten
Metallinseln erreicht ist. Das Polymer dient bei diesem Verfahren
im wesentlichen als Strukturierungshilfe. Ein wiederholtes Aufbringen,
Strukturieren und Neuverfüllen
der bereits erzeugten Strukturen ist dabei erforderlich.
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Bei
einem anderen Verfahren, bei dem der dielektrische Kontrast in dem
photonischen Kristall nicht durch Luft als Niedrig-Index-Material
bewirkt wird, befinden sich GaAs-Inseln inmitten einer AlxOy-Matrix, die durch
feuchtes Oxidieren von abwechselnd unterschiedlich indizierten AlxGa1-xAs-QW-Strukturen hergestellt
worden ist (s. APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL. 75, No. 12, 20 SEPTEMBER
1999, 1670-1672).
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Bei
auf Einkristallen hergestellten photonischen Strukturen erfolgt
der Zugang zur optischen Charakterisierung durch photolithographische
Verfahren (beispielsweise in J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No.
1, January 1996, 385-390),
bei denen die Umgebung des strukturierten Bereichs selektiv entfernt
wird. Um eine höhere
mechanische Stabilität und
kompakte Strukturen zu erhalten, wird die zweidimensionale Makroporenanordnung
auf der Basis von Si-Einkristallen verfüllt. Jedoch waren die erzielten
Ergebnisse nicht zufriedenstellend, da die Poren nur unvollständig verfüllt waren
und die Oberfläche (beim
Verfüllen
mit Polysilizium) aufgerauht wurde. Außerdem ist der für photonische
Anwendungen erforderliche Indexkontrast wegen der ähnlichen
Brechungsindizes der beiden Materialien zu gering.
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Der
der Erfindung nächstliegende
Stand der Technik ist in
US 5,973,823 beschrieben.
Es werden Verfahrensschritte zur Herstellung eines optisch durchstimmbaren
Filters angegeben, der mechanisch stabil sein soll. In dieser Lösung wird
die Durchstimmbarkeit eines optischen Filters durch Verfüllen der
Hohlräume
innerhalb des photonischen Kristalls mit optisch transparenten Materialien,
die einen durch extern angelegte elektrische Felder veränderlichen
Brechungsindex aufweisen, erreicht. Solche Materialien können Flüssigkristalle
sein, die gleichzeitig eine gewünschte
mechanische Stabiltät
gewährleisten
sollen. Der Verfüllungsprozess
selbst ist in dieser Veröffentlichung
nicht beschrieben, die Herstellung der photonischen Kristalle erfolgt
hierbei mittels Additiv-Lithographie und Elektronenstrahl-induzierter
Depositionstechnik, was zu nadelförmigen Strukturen im photonischen
Kristall führt.
Eine solche mechanische Stabilität,
wie sie für
die Bearbeitung photonischer Kristalle zu beliebigen Bauteilen notwendig
ist, wird hierbei jedoch nicht erreicht.
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Sowohl
die letzgenannte Lösung
des Standes der Technik als auch die vorher erwähnten Lösungen beschreiben zwar Verfahren
zur Herstellung von photonischen Kristallen, verdeutlichen aber
auch die sehr schwierige Handhabbarkeit der kleinen Strukturen und
auf die weiterhin zu geringe mechanische Stabilität und fehlenden
Korrosionsschutz. Diese Faktoren verhindern z.Z. eine industrielle
Fertigung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine mechanisch stabile Anordnung mit mindestens
einem photonischen Kristall und ein Verfahren zu deren Herstellung
anzugeben, wobei die photonischen Kristalle mit beliebigem Verfahren
hergestellt werden sollen, und die Anordnung eine im Vergleich zum
Stand der Technik verbesserte mechanische Stabilität aufweist und
eine gute Handhabbarkeit auch für
die industrielle Herstellung sowie einen Korrosionsschutz gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass bei einer Anordnung der eingangs genannten Art ein mittels
beliebigen Verfahrens hergestellter photonischer Kristall mit beliebig
strukturiertem Basismaterial mit einem optisch transparenten Kleber
verfüllt
und mit mindestens einer Glasplatte mittels desselben Klebers mit
dem Basismaterial fest verbunden ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der photonische Kristall mit zwei Glasplatten
mittels des optisch transparenten Klebers beidseitig mit dem Basismaterial
fest verbunden ist.
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Zur
besseren Handhabbarkeit bei der Weiterbearbeitung zu einem beliebigen,
photonische Kristalle aufweisenden Bauelement, ist in einer weiteren
Ausführungsform
vorgesehen, dass ein Rahmen auf dem mit mindestens einer Glasplatte
fest verbundenen photonischen Kristalls derart angeordnet und so
groß ist,
dass seine Öffnung
eine Einkopplung elektromagnetischer Wellen in den photonischen
Kristall ermöglicht.
Der Rahmen ist hierbei ein metallischer, vorzugsweise aus Molybdän oder Titan gebildet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind zwischen photonischem Kristall und Glasplatte Abstandshalter
angeordnet.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung einer mechanisch stabilen Anordnung mit mindestens
einem photonischen Kristall wird zunächst ein mittels beliebigen
Verfahrens hergestellter auf einem Substrat angeordneter photonischer
Kristall mit beliebig strukturiertem Basismaterial in eine Vakuumkammer
eingebracht, anschließend
ein Tropfen eines optisch transparenten Klebers auf den strukturierten
Bereich des Basismaterials gegeben, danach wird die Vakuumkammer
belüftet
und abschließend
auf der sich ausgebildeten Klebstoffschicht eine Glasplatte angeordnet.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung hierzu sieht vor, dass das Substrat, auf dem der photonische
Kristall und darauf die Glasplatte angeordnet ist, entfernt, dann
diese Struktur wieder in eine Vakuumkammer eingebracht wird, nunmehr
ein Tropfen eines optisch transparenten Klebers auf den strukturierten
Bereich der unbedeckten Seite des photonischen Kristalls gegeben
wird, danach die Vakuumkammer belüftet und abschließend auf
der sich ausgebildeten Klebstoffschicht eine zweite Glasplatte angeordnet
wird.
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Die
folgende Ausführungsform
dient der noch besseren Handhabbarkeit photonischer Kristalle bei
deren Weiterbearbeitung zu photonischen Komponenten. So ist vorgesehen,
dass im Anschluss an die bereits erwähnten Verfahrensschritte zunächst das
Basismaterial des photonischen Kristalls, der mit mindestens einer
Glasplatte fest verbunden ist, bis zu seiner beliebigen Strukturierung
entfernt wird, anschließend
der photonische Kristall mit mindestens einer Glasplatte auf einem
Probenträger
lösbar
befestigt, danach die dem Probenträger entgegengesetzte Fläche des
photonischen Kristalls mit mindestens einer Glasplatte mit einem
Rahmen verbunden wird, der eine Einkopplung elektromagnetischer
Wellen in den photonischen Kristall ermöglicht, und abschließend der
Probenträger
entfernt wird. Es wird ein metallischer Rahmen, vorzugsweise aus
Molybdän
oder Titan, und ein Probenträger
aus Glas verwendet.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, vor dem Anordnen der Glasplatte Abstandshalter auf
dem photonischen Kristall zu positionieren.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ist
einsetzbar für
nach beliebigem Verfahren hergestellte photonische Kristalle. Das
strukturierte Basismaterial wird nicht nur verfüllt, sondern kann durch das
nachfolgende Aufkleben (mittels desselben Verfüllungsmaterials) einer oder
zweier Glasplatten bequern gehandhabt und entsprechend der Anwendung
des photonischen Kristalls weiter strukturiert werden. Eine noch
verbesserte Handhabbarkeit photonischer Kristalle bei deren Weiterbearbeitung
zu photonischen Komponenten wird durch das Aufbringen eines Rahmens
realisiert. Die nunmehr vorliegende sehr dünne Sandwichstruktur wird von
dem Rahmen getragen und kann bequem mit einer Pinzette gehandhabt
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine
homogene, blasenfreie Verfüllung der
Hohlräume
zwischen dem strukturierten Basismaterial. Ein Korrosionschutz ist
ebenfalls durch die Abdeckung des photonischen Kristalls mit mindestens
einer Glasplatte gewährleistet.
Bei der Anordnung nur einer Glasplatte grenzt die andere Seite des photonischen
Kristalls an den unstrukturierten Bereich des Basismaterials bzw.
an ein Substrat. Sind die Abmessungen des nach der Herstellung des
photonischen Kristalls verbliebenen unstrukturierten Materials für ein manuelles
Handhaben ausreichend, kann auch direkt auf dieses Material der
Rahmen – wie
oben beschrieben – angeordnet
werden.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung und ihrer vorteilhaften Ausführungsformen
werden im Zusammenhang mit dem folgenden Ausführungsbeispiel anhand von Figuren
näher erläutert.
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Dabei
zeigt
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1 schematisch
einen photonischen Kristall mit strukturiertem Bereich;
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2 gemäß 1 eine
Seitenansicht;
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3 schematisch
einen photonischen Kristall mit auf dem strukturierten Bereich angeordnetem Kleber;
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4 schematisch
einen photonischen Kristall mit in den Hohlräumen des strukturierten Bereichs
angeordnetem Kleber;
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5 schematisch
einen photonischen Kristall mit einer Glasplatte;
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6 schematisch
einen photonischen Kristall mit einer Glasplatte und auf der gegenüberliegenden
Seite des strukturierten Bereichs angeordnetem Kleber;
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7 schematisch
einen zwischen zwei Glasplatten angeordneten photonischen Kristall (Sandwich-Struktur);
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8 schematisch
einen zwischen zwei Glasplatten angeordneten photonischen Kristall
mit zu befestigendem Glasprobenträger;
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9 schematisch
einen zwischen zwei Glasplatten angeordneten photonischen Kristall
mit angeordnetem Glasprobenträger
und zu entfernendem unstrukturierten Bereich des Basismaterials;
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10 schematisch
einen zwischen zwei Glasplatten angeordneten photonischen Kristall
mit befestigtem Glasprobenträger
und anzuordnendem Rahmen;
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11 schematisch
eine erfindungsgemäße Anordnung
nach Entfernen des Glasprobenträgers;
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12 schematisch
einen photonischen Kristall, strukturiert für eine Lichtumleitung in einem Wellenleiter;
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13 schematisch
einen photonischen Kristall, strukturiert für ein Frequenzfilter in einem Wellenleiter.
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In 1 befindet
sich der strukturierte Bereich 1, der die Eigenschaften
eines photonischen Kristalls aufweist, z. B. innerhalb einer Schicht 2 (Epischicht),
die epitaktisch auf einem Substrat 3 aufgewachsen ist.
Die Strukturierung selbst kann durch beliebige bekannte Verfahren,
beispielsweise Ionenstrahlätzen
oder elektrochemische Verfahren, erfolgen. Bei der Struktur kann
es sich um luftgefüllte
Kanäle
in der Epischicht 2 oder um Säulen, bestehend aus dem Epischicht-Material
handeln, die von Luft umgeben sind.
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Aufgrund
der Geometrie der Strukturen können
photonische Kristalle mit Bandlücken
im Ein- bis Dreidimensionalen resultieren. Der strukturierte Bereich 1,
der Abmessungen im μm-
bis mm-Bereich aufweist, ist von unstrukturiertem Epi-Material 2 umgeben.
In 2 ist die Seitenansicht der schematischen Darstellung
gemäß 1 gezeigt.
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Die
in 1 und 2 dargestellte Struktur wird
in eine Vakuumkammer gebracht, in der ein Tropfen eines optisch
transparenten Klebers 4 (z.B. Epoxidharz) auf den strukturierten
Bereich 1 gegeben wird. Dies ist in 3 dargestellt.
Anschließend wird
die Vakuumkammer belüftet,
sodass der Kleber 4 durch den Atmosphärendruck blasenfrei in die
luftgefüllten
Bereiche des strukturierten Bereichs 1 gepresst wird, was
in 4 dargestellt ist. Der Kleber 4 dient
gleichzeitig zur Befestigung einer Glasplatte 5.1 geringer
Oberflächenrauhigkeit
(z.B. Floatglas – RMS-Rauhigkeit
5 bis 15 Å oder
Acrylglas) auf der Epi-Schicht 2, wobei die Dicke der zwischen
strukturiertem Bereich 1 und Glasplatte 5.1 vorhandenen Schicht
des Klebstoffs 4 im Bereich von ca. 150 nm liegt, durch
Einfügen
von Abstandshalter jedoch auch bis in den mm-Bereich vergrößert werden
kann. Das Substrat 3 wird anschließend selektiv entfernt, was
in 5 dargestellt ist. Dies kann bei Halbleitermaterialien
(z.B. Si auf GaP, GaInAsP auf InP) durch chemisches oder (photo)elektrochemisches Ätzen erfolgen,
sodass nur die Glasplatte 5.1 mit der strukturierten Epi-Schicht 2 übrigbleibt,
die durch den Kleber 4 verbunden sind. Auf die Rückseite
der Struktur wird – wie
schematisch bereits in den 3 bis 5 dargestellt – wiederum
eine Glasplatte 5.2 mit dem gleichen Kleber 4 geklebt,
was in den 6 und 7 dargestellt
ist. Resultat ist die in 7 gezeigte Sandwich-Struktur,
bei der sich die strukturierte Epi-Schicht 2 zwischen zwei Glasplatten 5.1; 5.2 befindet
und vollständig
vom Kleber 4 eingehüllt
ist. Für die
direkte Ein- und Auskopplung elektromagnetischer Wellen in die photonische
Struktur wird an den interessierenden Ein- und Austrittsflanken
die Sandwich-Struktur im Bereich kurz vor dem strukturierten Bereich 1 abgesägt, wie
schematisch in 7 durch die gestrichelte Linie
angedeutet. Der noch überstehende
Bereich wird durch Polieren und Ionenstrahlätzen entfernt bis die gewünschte Struktur
erreicht ist.
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In 8 ist
der Probenträger 6,
beipielsweise aus Glas, dargestellt, der auf der polierten Fläche der
Sandwich-Struktur, bestehend aus zwei Glasplatten 5.1; 5.2,
zwischen denen das Basismaterial mit strukturiertem 1 und unstrukturiertem
Bereich angeordnet ist, mittels eines lösungsmittelhaltigen Klebers befestigt
wird.
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Mittels
des Probenträgers 6 kann
die oben erwähnten
Sandwich-Struktur gehandhabt und – wie in 9 mit
der gestrichelten Linie dargestellt – der frontseitige unstrukturierte
Bereich mittels der bereits oben beschriebenen Verfahrensschritte
entfernt werden.
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In 10 ist
schematisch das Aufkleben eines Rahmens 7 auf die Sandwich-Struktur dargestellt.
Der Rahmen 7 kann z. B. rechteckig oder kreisförmig aus
Molybdän
oder Titan ausgebildet sein und weist eine hinreichend große Öffnung für die Einkopplung
elektromagnetischer Wellen in den photonischen Kristall auf. Abschließend wird
der Glasprobenträger 6 von
der Sandwich-Struktur
entfernt.
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Ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ist in 11 schematisch dargestellt und
weist nunmehr die Sandwich-Struktur auf, die aus den zwei Glasplatten 5.1; 5.2 besteht,
zwischen denen das strukturierte Basismaterial 1 (= photonischer
Kristall) und der unstrukturierte Bereich angeordnet sind, und den
Rahmen 7.
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In 12 und 13 sind
zwei der Vielzahl möglicher
Anwendungsbeispiele angegeben, so zeigt 12 schematisch
den strukturierten Bereich für
eine Lichtumleitung in einem Wellenleiter, 13 entsprechend
für ein
Frequenzfilter in einem Wellenleiter. Bei dem in 12 dargestellten
Anwendungsbeispiel kann es sich z.B. wegen der relativ großen Abmessungen
des unstrukturierten Bereiches als ausreichend für die Handhabung des photonischen Kristalls
herausstellen, dass nur ein Rahmen oder nur eine Glasplatte angeordnet
wird.
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Nicht
für alle
Anwendungen ist es erforderlich, durch Materialentfernung tatsächlich die
photonische Struktur selbst zu erreichen, so z.B. bei Defekt-Moden-Lasern. Hier
genügt
eine den gegebenen Anforderungen entsprechende Dimensionierung.
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Die
erfindungsgemäße Lösung kann
gleichzeitig für
eine Vielzahl photonischer Strukturen, die auf einem Substrat angeordnet
sind, angewendet werden, sodass komplette optische Schaltkreise
in einem Arbeitsgang herstellbar sind, ebenso wie spezielle Einzelbauteile.
Durch die Versiegelung der Bauteile mit Klebstoff wird auch eine
weitgehend verlustfreie optische Kopllung der Bauteile miteinander möglich.
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Die
Herstellung eines photonischen Bauteils gemäß vorliegender Erfindung erfordert
nicht das Vorhandensein einer strukturierten Halbleiter-Epi-Schicht
auf einem Halbleiter-Substrat. Vielmehr lassen sich vergleichbare
Bauteile, z.B. auch aus Silicon-on-Insulator(SOI)-Wafern bzw. verwandten
Strukturen herstellen, wobei Strukturierung und Substratentfernung
mit dem Stand der Technik nach bekannten Verfahren realisiert werden.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung kann
eine photonische Struktur – unabhängig von
ihrer Herstellung – vollständig in
ein festes Dielektrikum eingebettet werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf den Einsatz von Halbleitermaterialien oder
von epitaktischen Schichten beschränkt. Die in 1 gezeigte
Struktur kann vollständig
aus einem homogenen Material bestehen, an dem nur der oberflächennahe
Bereich strukturiert ist. Alle Verfahrensschritte werden analog
wie oben beschrieben durchgeführt,
lediglich das selektive Ätzen
des Substrats erfordert ein diesem Material angepasstes Vorgehen.
Dieses kann auch (photo)elektrochemisches Ätzen sein, wenn das verwendete
Material elektrisch leitend ist. Der Materialabtrag kann durch den
Stromfluss kontrolliert werden, jedoch ist hier mit einer Aufrauhung
der rückseitigen Oberfläche zu rechnen.
Eine andere Möglichkeit
besteht in dem mechanischen Abschleifen und Polieren der Rückseite
der in 1 gezeigten Struktur bzw. – bei elektrisch leitendem
Material – in
der Kombination von elektrochemischen und mechanischen Verfahren.