DE10137653A1

DE10137653A1 - Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiterelements

Info

Publication number: DE10137653A1
Application number: DE2001137653
Authority: DE
Inventors: Arnd Dr. Killian
Original assignee: Aifotec AG
Current assignee: Aifotec AG
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiterelements mit wenigstens einem Bereich zur mechanischen Ankopplung wenigstens eines Lichtwellenleiters, bei dem auf einem Substrat 1 in dem wenigstens einen Ankoppelbereich 9 wenigstens ein optischer Wellenleiter 7 hergestellt wird, bei dem auf dem wenigstens einen optischen Wellenleiter 7 mittels eines Abscheideverfahrens eine Deckschicht 13 aufgebracht wird, bei dem auf die Deckschicht 13 ein Deckelteil 11 aufgesetzt wird, welches zumindest den Ankoppelbereich 9 abdeckt und aus einem Material besteht, das einen im Wesentlichen mit dem Material des Substrats 1 übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, bei dem zumindest der durch das Deckelteil 11 abgedeckte Bereich der Deckschicht 13 und/oder die der Deckschicht zugewandte Oberfläche des Deckelteils 11 bis auf die Erweichungstemperatur des oder der betreffenden Materialien erhitzt und so das Deckelteil fest mit dem Substrat 1 verbunden wird und bei dem aus dem Substrat 1 durch einen Trennvorgang ein oder mehrere planare optische Wellenleiterelemente 3 hergestellt werden, wobei zur Herstellung der stirnseitigen Ankoppelfläche 15 des wenigstens einen Ankoppelbereichs 9 das Substrat 1 und das im Ankoppelbereich fest mit dem Substrat verbundene Deckelteil 11 gemeinsam getrennt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein planares optisches Wellenleiterelement, das mithilfe dieses Verfahrens realisierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiterelements mit wenigstens einem Bereich zur mechanischen Ankopplung wenigstens eines externen optischen Elements.
Planare optische Wellenleiterelemente, beispielsweise planare optische Koppler, planare optische Multiplexer oder dergleichen, werden üblicherweise auf einem Substrat, beispielsweise einem Silizium-Wafer, durch das Aufbringen entsprechender optischer Wellenleiterstrukturen hergestellt. Das Erzeugen der optischen Wellenleiterstrukturen erfolgt üblicherweise durch das Abscheiden von Schichten geeigneter Materialien, wie Siliziumdioxid oder Germaniumdioxid, das anschließende Tempern der abgeschiedenen Schichten und das Ätzen der gewünschten Wellenleiterstrukturen nach entsprechenden Photolithographieprozessen. Anschließend wird eine Deckschicht, vorzugsweise aus Siliziumdioxid, abgeschieden, so dass nach einem Temperprozess eine Deckschicht für die optischen Wellenleiter entsteht, die gleichzeitig als Mantel für die Wellenleiter dienen kann.
Anschließend werden die einzelnen auf dem jeweiligen Wafer erzeugten Wellenleiterelemente durch einen Trennprozess aus dem Wafer herausgetrennt. Dies kann beispielsweise durch Sägen erfolgen.
Zur Ankopplung externer optischer Elemente, wie Lichtwellenleiter, optische Sende- oder Empfangselemente oder Linsen, ist es bekannt, diejenigen Wellenleiter, an welche externe optische Elemente angekoppelt werden sollen, bis an die Stirnseite des Substrats heranzuführen, wobei nach dem Trennprozess die Stirnseiten der planaren optischen Wellenleiter mit der Stirnseite des Substrats fluchten, und ein Anschlagselement, beispielsweise aus Glas, so auf den Koppelbereich des Substrats aufzukleben, dass die Stirnseite des Anschlagelements ebenfalls mit der Stirnseite des Substrats bzw. des planaren Wellenleiters fluchtet. Auf diese Weise wird eine größere Anschlagfläche für das Anliegen und Justieren eines externen Koppelelements bzw. dessen Stirnfläche gebildet.
Bei komplizierteren planaren optischen Wellenleiterelementen ist es üblicherweise erforderlich, gleichzeitig mehrere der planaren optischen Wellenleiterelemente an eine entsprechende Anzahl externer optischer Elemente anzukoppeln. Hierzu werden die planaren Wellenleiter des Wellenleiterelements in einem Ankoppelbereich parallel an die betreffende Stirnseite des Substrats geführt. Auf diese Weise kann mit einem entsprechend ausgebildeten externen Mehrfach-Ankoppelelement das gleichzeitige Ankoppeln mehrerer externer optischer Elemente, beispielsweise mehrerer externer Lichtwellenleiter oder Laserdioden, an die planaren optischen Wellenleiter des Wellenleiterelements erfolgen.
Da bei bekannten Herstellungsverfahren das Abscheiden der zur Herstellung der planaren Wellenleiter erforderlichen Materialschichten nur auf der betreffenden Oberfläche bei einer entsprechend hohen Temperatur erfolgt, besteht das Problem, dass sich das Substrat mit den darauf abgeschiedenen Materialschichten nach dem Abkühlen infolge der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der Materialien leicht wölbt. Diese Wölbung führt an den stirnseitigen Ankoppelstellen dazu, dass die Mittelpunkte der planaren Wellenleiter nicht mehr auf einer Geraden, sondern vielmehr auf einer gekrümmten Linie liegen. Hierdurch entstehen Ankoppelverluste, da externe Mehrfach-Ankoppelelemente nicht so definiert hergestellt werden können, dass die Stirnseiten der betreffenden anzukoppelnden Lichtwellenleiter an exakt den selben Positionen einer identisch gekrümmten Linie liegen. Es besteht daher das Erfordernis, sowohl ein planares optisches Wellenleiterelement als auch ein Ankoppelelement so herzustellen, dass die betreffenden Enden der zu koppelnden optischen Wellenleiter in einer Ebene bzw. die Mittelpunkte der Stirnseiten der Wellenleiter auf einer Geraden bzw. die optischen Achsen der optischen Elemente in einer Ebene liegen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiterelements bzw. ein entsprechendes optisches Wellenleiterelement zu schaffen, wobei die Enden der optischen Wellenleiter im Ankoppelbereich möglichst exakt in einer Ebene liegen bzw. möglichst geringe Wölbungen des Substrats entstehen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 6.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass durch das Aufsetzen eines Deckelteils, welches aus einem Material besteht, das einen im Wesentlichen mit dem Material des Substrats übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, auf den Ankoppelbereich und das anschließende Erhitzen des Substrats bzw. des Deckelteils auf eine Temperatur, bei der eine von ggf. mehreren auf das Substrat aufgebrachten Deckschichten zumindest an ihrer Oberfläche leicht angeschmolzen wird, Wölbungen im Ankoppelbereich weitgehend vermieden werden. Denn durch das Erhitzen werden die unterschiedlichen Materialien des Substrats und der die optischen Wellenleiter realisierenden Schichten wieder auf eine Temperatur gebracht, welche zumindest im Bereich derjenigen Temperatur liegt, bei der die Schichten auf dem Substrat abgeschieden werden. Bei dieser Temperatur nimmt das Substrat mit den darauf abgeschiedenen Schichten somit wieder den ebenen Ausgangszustand des Substrats vor dem Aufbringen der Schichten an. Durch das Aufsetzen des Deckelteils, dessen Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen demjenigen des Materials des Substrats entspricht, wird eine Wölbung des Substrats beim Abkühlen verhindert. Wird der Erweichungspunkt unterschritten, so erfolgt eine feste Verbindung zwischen dem Substrat mit den darauf abgeschiedenen Schichten mit dem aufgelegten Deckelteil. Die beim weiteren Abkühlen entstehenden Spannungen, die infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien für das Substrat bzw. das Deckelteil und die die Wellenleiter realisierenden Schichten entstehen, werden im Wesentlichen symmetrisch vom Substrat und vom Deckelteil aufgenommen, so dass eine Wölbung des Ankoppelbereichs weitestgehend vermieden wird.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass mit diesem Verfahren der Radius der die Mittelpunkte der Stirnflächen der Wellenleiter verbindenden Kreislinie größer als 70-80m ist. Da die Wellenleiter zudem einen relativ geringen Abstand (hinsichtlich ihrer Längsachsen) aufweisen, ergeben sich sehr geringe Koppelverluste.
Gegenüber bekannten Verfahren werden diese geringen Koppelverluste auch dann erreicht, wenn mittels Flammhydrolyse einseitig auf dem Substrat zunächst eine relativ dicke Pufferschicht aufgebracht wird, die beispielsweise aus mit Bor und/oder Phosphor dotiertem Siliziumdioxid besteht und als Cladding für die darauf aufgebrachten planaren Wellenleiter dient. Denn in Folge der relativ hohen Dotierung besitzt die Pufferschicht einen deutlich anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Substrat. Dies würde ohne die erfindungsgemäße Maßnahme zu einer starken Krümmung des Substrats führen.
Selbstverständlich lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch in Verbindung mit der beidseitigen Beschichtung des Substrats, beispielsweise mittels CVD-Verfahren, einsetzen. Denn in der Praxis hat sich herausgestellt, dass auch in diesem Fall (wenn auch geringere) Krümmungen des Substrats entstehen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Deckelteil aus dem selben Material wie das Substrat, beispielsweise aus Silizium. Hierdurch ergibt sich der Vorteil identischer Temperaturausdehnungskoeffizienten. Das Abscheiden von Material zur Erzeugung des wenigstens einen optischen Wellenleiters und/oder zur Erzeugung der Deckschicht kann mittels Flammhydrolyse-Abscheidung erfolgen. Dies ist ein relativ kostengünstig durchführbares Verfahren, das zudem hohe Abscheidungsraten ermöglicht. Durch die Verwendung eines Deckelteils und das spezielle Verfahren zur Befestigung des Deckelteils auf dem Substrat ist trotz der einseitigen Abscheidung der Materialien eine allenfalls äußerst geringe Wölbung des Substrats im Ankoppelbereich gewährleistet.
Wird für das Deckelteil eine Dicke gewählt, die im Wesentlichen der Dicke des Substrats entspricht, so ergibt sich im Ankoppelbereich eine im Wesentlichen symmetrische Struktur. Hierdurch werden Spannungen, die durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten der Materialien für das Substrat bzw. das Deckelteil einerseits und die Materialien zur Erzeugung der Wellenleiter andererseits entstehen, symmetrisch im Deckelteil bzw. Substrat aufgenommen. Hierdurch ergeben sich minimale Wölbungen bzw. Verwindungen des Substrats im Ankoppelbereich.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand eines nachfolgend in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf einen Wafer zur Herstellung von planaren optischen Wellenleiterelementen und
2 einen Schnitt entlang der Linie III-III durch den Wafer in 1.
1 zeigt einen Wafer 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Silizium-Wafer handeln kann, auf dem die Strukturen eines planaren optischen Wellenleiterelements 3 erzeugt wurden. Das planare optische Wellenleiterelement 3 besteht bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei Arrayed Waveguide Gratings 5, die beispielsweise als Dense Wavelength Division Multiplexer (DWDM) dienen können. Jedes der Arrayed Waveguide Gratings verfügt jeweils über vier eingangsseitige und vier ausgangsseitige planare Wellenleiter 7. Die jeweils vier eingangsseitigen bzw. ausgangsseitigen planaren Wellenleiter 7 eines jeden Arrayed Waveguide Gratings 5 sind in jeweils einen Ankoppelbereich 9 geführt, wobei die planaren Wellenleiter 7 im Ankoppelbereich 9 im Wesentlichen parallel auf der Oberfläche des Substrats 1 verlaufen.
Das Erzeugen der planaren Wellenleiterstrukturen für die Arrayed Waveguide Gratings kann beispielsweise unter Verwendung des Flammhydrolyse-Verfahrens und üblicher Photolithographie- bzw. Ätzverfahren erfolgen.
Nach dem Fertigstellen der eigentlichen Licht führenden Strukturen des planaren optischen Wellenleiterelements 3 wird auf die Ankoppelbereiche 9 jeweils ein Deckelteil 11 aufgesetzt, nachdem zuvor zumindest in den Ankoppelbereichen 9 mittels eines Abscheideverfahrens, beispielsweise des vorstehend erwähnten Flammhydrolyse-Verfahrens, eine Deckschicht aufgebracht wurde. Anschließend kann der Wafer bzw. das Substrat 1 auf eine Temperatur erhitzt werden, die höher liegt als die Erweichungstemperatur des Materials der zuletzt aufgebrachten Deckschicht. Hierdurch wird das Deckelteil 11 mit seiner Unterseite fest mit dem Substrat bzw. den darauf aufgebrachten Wellenleiterstrukturen verbunden.
Anschließend wird der Wafer 1 entlang den in 1 eingezeichneten Linien I-I bzw. II-II geschnitten, gesägt oder anderweitig getrennt. Hierdurch entstehen in den Ankoppelbereichen Strukturen, wie sie im Schnitt in 2 dargestellt sind. Dabei zeigt 2 einen Schnitt durch das planare optische Wellenleiterelement 3 (im getrennten Zustand) entlang der in 1 dargestellten Linie III-III, welche senkrecht zur Linie I-I durch einen Ankoppelbereich 9 verläuft.
In 2 ist erkennbar, dass auf dem Substrat 1 zunächst die Pufferschicht 6 hergestellt wurde. Anschließend wurden die Wellenleiter 7 erzeugt und schließlich die Deckschicht 13 aufgebracht, welche sich vorzugsweise über die gesamte Oberfläche des Substrats 1 oberhalb der eigentlichen Wellenleiterstrukturen erstreckt.
Die Pufferschicht 6 kann z.B. aus Siliziumdioxid bestehen und mit Bor und/oder Phosphor dotiert sein. Sie dient als Cladding für die darauf vorgesehenen planaren Wellenleiter 7. Die Pufferschicht kann deutlich dicker ausgebildet sein als die darauf vorgesehenen Schichten.
Die eigentlichen Wellenleiterstrukturen können dabei vor dem Ausbringen der Deckschicht 13 gesintert sein oder, falls geeignete Verfahren zur Verfügung stehen und ausgewählt werden, lediglich in Form abgeschiedener Materialschichten (in ungesinterter Form) vorliegen. Die den Wellenleiterstrukturen benachbarten Schichten der Deckschicht 13 können die Funktion eines Licht führenden Mantels für die Wellenleiter übernehmen. In diesem Fall ist die Dicke der Deckschicht 13, die beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen kann, so zu wählen, dass durch das Auflegen und Verschmelzen der Deckelteile 11 die Licht führenden Eigenschaften des Wellenleiters nicht nachteilig beeinflusst werden. Selbstverständlich können auch mehrere, übereinander aufgebrachte Deckschichten vorgesehen sein.
Durch das Herstellen der Pufferschicht 6 und der Wellenleiterstrukturen auf dem Substrat 1, das bei höheren Temperaturen erfolgt, entstehen infolge der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und der Materialien für die Wellenleiterstrukturen Spannungen, die zu Wölbungen des Substrats 1 führen. Da nach dem Erzeugen der Deckschicht 13 und dem Aufsetzen der Deckelteile 11 auf die Oberfläche der Deckschicht 13 in den Ankoppelbereichen 9 das Substrat einschließlich der Wellenleiterstrukturen und der Deckelteile erneut auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Materials der Deckschicht 13 gebracht wird, werden die Spannungen bei dieser Temperatur so weit abgebaut, dass sich das Substrat 1 wieder weitestgehend seinem planen Ausgangszustand (vor dem Ausbringen der Schichten) nähert. Da die Erweichungstemperatur des Materials für die Deckschicht 13 im Bereich der Temperaturen liegt, bei denen das Aufbringen der Materialschichten zur Erzeugung der Pufferschicht und der Wellenleiterstrukturen erfolgte, verschmelzen die Unterseite des Deckelteils 11 und die Deckschicht 13 miteinander und erstarren bei eben dieser Temperatur, bei der zunächst keine Spannungen oder allenfalls geringfügige Spannungen erzeugt werden.
Nach dem Abkühlen (beispielsweise auf Raumtemperatur) gewährleistet die im Schnitt in 2 dargestellte, im Wesentlichen symmetrische Struktur der Ankoppelbereiche, dass die Spannungen, die infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien für die planaren Wellenleiter 7 und die Deckschicht 13 erzeugt werden, in etwa symmetrisch im Deckelteil 11 und im Substrat 1 aufgenommen werden. Eine Wölbung der Substratoberfläche wird auf diese Weise zumindest in den Ankoppelbereichen 9 weitestgehend vermieden.
Selbstverständlich könnte als Deckelteil auch ein Wafer verwendet werden, der in seiner Größe im Wesentlichen dem das Substrat bildenden Wafer 1 entspricht. Auf diese Weise würde auch eine Verwindung des Substrats außerhalb der Ankoppelbereiche 9 vermieden. Allerdings besteht in diesem Fall das Problem, dass die Ankoppelbereiche 9 nicht mehr ohne Weiteres von außen erkennbar sind.
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren lässt sich somit ein planares optisches Wellenleiterelement 3 herstellen, bei dem eine Wölbung bzw. Verwindung des Substrats 1 zumindest in den Ankoppelbereichen 9 auf einen äußerst geringen Wert reduziert wird. Die Ankopplung externer optischer Wellenleiter (nicht dargestellt) oder anderer optischer Elemente kann in üblicher Weise dadurch erfolgen, dass ein Mehrfach-Ankoppelelement hergestellt wird, welches ebenfalls (im Wesentlichen in Form eines Steckers) eine ebene Stirnfläche aufweist, die an der Stirnfläche 15 der Ankoppelbereiche 9 des planaren optischen Wellenleiterelements 3 so positioniert werden muss, dass sich für sämtliche planare Wellenleiter 7 eine möglichst geringe Einfügedämpfung bei der Überkopplung an die entsprechenden externen Wellenleiter bzw. optischen Elemente ergibt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiterelements mit wenigstens einem Bereich zur mechanischen Ankopplung wenigstens eines Lichtwellenleiters, a) bei dem auf einem Substrat (1) in dem wenigstens einen Ankoppelbereich (9) wenigstens ein optischer Wellenleiter (7) hergestellt wird, b) bei dem auf dem wenigstens einen optischen Wellenleiter (7) mittels eines Abscheideverfahrens wenigstens eine Deckschicht (13) aufgebracht wird, c) bei dem auf die Deckschicht (13) ein Deckelteil (11) aufgesetzt wird, welches zumindest den Ankoppelbereich (9) abdeckt und aus einem Material besteht, das einen Wesentlichen mit dem Material des Substrats (1) übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, d) bei dem zumindest der durch das Deckelteil (11) abgedeckte Bereich der wenigstens einen Deckschicht (13) und/oder die der wenigstens einen Deckschicht zugewandte Oberfläche des Deckelteils (11) bis auf die Erweichungstemperatur des oder der betreffenden Materialien erhitzt und so das Deckelteil fest mit dem Substrat (1) verbunden wird und e) bei dem aus dem Substrat (1) durch einen Trennvorgang ein oder mehrere planare optische Wellenleiterelemente (3) hergestellt werden, wobei zur Herstellung der stirnseitigen Ankoppelfläche (15) des wenigstens eines Ankoppelbereichs (9) das Substrat (1) und das im Ankoppelbereich fest mit dem Substrat verbundene Deckelteil (11) gemeinsam getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennvorgang durch Sägen oder Ritzen und Brechen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelteil (11) aus dem selben Material besteht wie das Substrat (1), beispielsweise aus Silizium.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden von Material zur Erzeugung des wenigstens einen optischen Wellenleiters (7) und/oder zur Erzeugung der Deckschicht mittels Flammhydrolyse-Abscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Deckschicht SiO₂ abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der planaren optischen Wellenleiterelemente (3) eine Pufferschicht (6) auf das Substrat (1) aufgebracht wird.
Planares optisches Wellenleiterelement a) mit einem Substrat (1) und einer darauf angeordneten Struktur, welche wenigstens einen planaren optischen Wellenleiter (7) umfasst, b) mit wenigstens einem Ankoppelbereich (9), wobei das Ende zumindest eines planaren optischen Wellenleiters (7) an eine Stirnseite (15) des Substrats (1) geführt ist, so dass zumindest ein externes optische Element an den zumindest einen planaren optischen Wellenleiter (7) ankoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, c) dass im Ankoppelbereich (9) ein Deckelteil (11) vorgesehen ist, welches durch Erhitzen der einander zugewandten Oberflächen über die Erweichungstemperatur wenigstens eines der betreffenden Materialien mit einer Deckschicht (13) des zumindest einen planaren optischen Wellenleiters (7) verbunden ist.
Wellenleiterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelteil (11) aus dem selben Material besteht wie das Substrat (1) und vorzugsweise im Wesentlichen die selbe Dicke aufweist.
Wellenleiterelement nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite des Deckelteils (11) mit der Stirnseite des Substrats (1) fluchtet.
Wellenleiterelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (1) und den planaren optischen Wellenleiterelementen (3) eine Pufferschicht (6) auf das Substrat (1) aufgebracht ist.