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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Belichten einer photosensitiven Schicht.
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Stand der Technik
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Integrierte photonische Sensoren haben sich in einer Vielzahl von Anwendungen bewährt, beispielsweise als Umwelt-, Inertial- oder biologische Sensoren. Ein photonischer Sensor weist ein Substrat, wie beispielsweise einen Mikrochip, eine Lichtquelle, einen optischen Sensierbereich, wie beispielsweise einen mit einer Sensorschicht beschichteten Lichtwellenleiter oder optischen Wandler, einen Detektor, und ggf. weitere Komponenten auf.
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Bei der Entwicklung und Herstellung photonischer Sensoren ist wichtig, die einzelnen Komponenten fest mit dem Substrat zu verbinden. Das Vorhandensein von Chemikalien oder eine schlechte Haftung der Komponenten auf dem Substrat des Chips führen zu qualitativ schlechten Sensoren. Um dies zu verhindern, sollte der Ort auf dem Substrat, an dem die Komponente verbaut werden soll, gereinigt oder aktiviert werden. Zur Reinigung und/oder Aktivierung des Substrats werden Chemikalien und chemische Verfahren, wie beispielsweise Plasmaätzen der Substratoberfläche verwendet, die schon auf dem Chip vorhandene Komponenten beschädigen können.
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Üblicherweise wird die Sensierschicht erst aufgebracht, nachdem die Komponenten auf dem Chip verbaut sind. Je dünner und homogener diese Sensierschicht ist, desto hochwertiger ist der hergestellte Chip. Zusätzlich stellt die selektive und örtlich begrenzte Beschichtung einzelner Komponenten eine Herausforderung dar. Ein in Betracht zu ziehendes Beschichtungsverfahren ist ein Tintenstrahldruckverfahren. Ein kleiner Tropfen, der aus dem Tintenstrahldruckkopf abgegeben wird, führt jedoch zu einer inhomogenen Beschichtung, während sich ein großer Tropfen unkontrolliert ausbreitet und zu einer großflächigen und/oder dicken Beschichtung führt, die sich beispielsweise über benachbarte Sensierbereiche erstreckt.
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Somit ist es wünschenswert, ein Verfahren bereitzustellen, welches geeignet ist, einzelne Sensierbereiche und/oder das Substrat selektiv und örtlich begrenzt zu bearbeiten.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Insbesondere dient die Erfindung zur Herstellung integrierter photonischer Sensoren.
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Das Verfahren dient zum selektiven bzw. gezielten Belichten einer photosensitiven Schicht auf einem mindestens einen Lichtwellenleiter tragenden Substrat. Die photosensitive Schicht wird auf den mindestens einen Lichtwellenleiter aufgebracht. Dann wird Licht in den mindestens einen Lichtwellenleiter eingestrahlt, um damit die sich auf dem Lichtwellenleiter befindliche photosensitive Schicht zu belichten. Insbesondere tritt das Licht seitlich etwas aus dem Lichtwellenleiter aus und belichtet die dort befindliche photosensitive Schicht. Im Rahmen der Erfindung wird also der Lichtwellenleiter selbst verwendet, um Licht für das Belichten einer photosensitiven Schicht bereitzustellen.
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Der Lichtwellenleiter weist ein erstes Ende auf, das dazu eingerichtet ist, mit einer Lichtquelle verbunden zu werden. Wenn der Lichtwellenleiter mit einer Lichtquelle verbunden ist, leitet er das Licht der Lichtquelle, wobei der Lichtwellenleiter einen Teil des Lichts seitlich emittiert.
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Vorteilhafterweise weist der Lichtwellenleiter einen optischen Transducer oder einen Ringresonator auf. Optische Transducer arbeiten nach den Prinzipien der Brechung, Reflexion, Interferenz, Polarisation, Absorption und Fluoreszenz. Der Ringresonator ist ein optischer Resonator, der einen ringförmig verlaufenden Lichtwellenleiter aufweist. Eine Strahlein- und -auskopplung kann mittels eines tangential zum Ringresonator verlaufenden Lichtwellenleiters erfolgen. Ein solcher optischer Transducer oder Ringresonator, wenn er mit einer Sensierschicht beschichtet ist, eignet sich besonders gut als Basis eines integrierten photonischen Sensors.
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Vorteilhafterweise wird durch den Lichtwellenleiter Licht mit einer bestimmten Wellenlänge und/oder Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen emittiert, um die photosensitive Schicht zu belichten. Somit kann die Wellenlänge des emittierten Lichts an die photoselektive Schicht selektiv angepasst werden.
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Vorteilhafterweise wird UV-Licht verwendet, um die photosensitive Schicht zu belichten. Mittels UV-Licht lassen sich zahlreiche photochemische Prozesse bewirken.
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Vorteilhafterweise wird durch die Belichtung der photosensitiven Schicht eine photochemische Reaktion gestartet. Die photochemische Reaktion wird dazu verwendet, den Lichtwellenleiter und/oder das Substrat zu bearbeiten.
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Die Reichweite des seitlich emittierten Lichts des Lichtwellenleiters beträgt je nach Lichtwellenleiter und verwendeter Wellenlänge bevorzugt etwa 100 - 1.000 nm. Somit wird die photochemische Reaktion nur in einem engen Bereich von höchstens 100 - 1.000 nm um den Lichtwellenleiter gestartet. Dies führt zum Ausbilden einer sehr dünnen und homogenen Schicht, was im fertigen Sensor zu schnelleren Ergebnissen führt. Die chemische Reaktion kann somit sehr selektiv von einem einzelnen Lichtwellenleiter aber auch örtlich begrenzt gestartet werden. Wenn der Abstand beispielsweise von einem ersten Lichtwellenleiter zu einem benachbarten zweiten Lichtwellenleiter größer als 1.000 nm ist, wird die chemische Reaktion an dem ersten Lichtwellenleiter nur durch das emittierte Licht des ersten Lichtwellenleiters und die chemische Reaktion an dem zweiten Lichtwellenleiter nur durch das emittierte Licht des zweiten Lichtwellenleiters gestartet.
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Vorteilhafterweise umfasst das Bearbeiten des Lichtwellenleiters und/oder des Substrats ein Reinigen, ein Ätzen, ein Aktivieren, ein Passivieren und/oder ein Beschichten. Insbesondere kann dies umfassen, eine Lackschicht oder eine Sensierschicht auszubilden. Es versteht sich, dass je nach Bearbeitungszweck unterschiedliche photosensitive Schichten aufgebracht werden.
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Vorteilhafterweise wird, beispielsweise bevor die photosensitive Schicht aufgebracht wird, auf dem Substrat eine Schutzschicht aufgebracht, die das Substrat in mindestens einen Bearbeitungsbereich und einen Bereich, der nicht bearbeitet wird, unterteilt. Dies dient dazu, mindestens einen Bereich selektiv auszuwählen, der bearbeitet bzw. mit der photosensitiven Schicht versehen werden soll. Es kann nur ein Bearbeitungsbereich ausgewählt oder es können mehrere Bearbeitungsbereiche ausgewählt werden, der/die bearbeitet werden soll/en.
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Vorteilhafterweise wird als Schutzschicht eine Lackschicht, bevorzugt eine negative Photolackschicht, verwendet. Die negative Photolackschicht dient dazu, die Bereiche, die nicht bearbeitet werden sollen, vor der Bearbeitung zu schützen. Es werden somit nur die Bereiche bearbeitet, die für die sensitive Schicht frei zugänglich sind.
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Vorteilhafterweise wird die photosensitive Schicht nur innerhalb des Bearbeitungsbereiches auf dem Lichtwellenleiter aufgebracht. Somit kann die Menge an photosensitiver Schicht, die für eine Bearbeitung benötigt wird, reduziert und sparsam in den Bearbeitungsbereichen auf dem Lichtwellenleiter und/oder dem Substrat aufgebracht werden.
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Vorteilhafterweise wird durch das Bearbeiten des Lichtwellenleiters und/oder des Substrats innerhalb des Bearbeitungsbereiches eine Adhäsionsschicht oder eine Passivierungsschicht auf dem Lichtwellenleiter und/oder dem Substrat erzeugt. Die Adhäsionsschicht ist idealerweise eine Monoschicht, die dazu dient, die Haftung zwischen dem Lichtwellenleiter und/oder dem Substrat einerseits und einer weiteren Schicht, die auf die Adhäsionsschicht aufgetragen wird, andererseits zu vergrößern. Ein Beispiel für eine Passivierungsschicht ist eine Schicht aus SiO2 und dient dazu, den Lichtwellenleiter und/oder das Substrat zu passivieren und vor Umwelteinflüssen, insbesondere Oxidation, oder vor der interessierenden Messgröße zu schützen. Ein solcher Lichtwellenleiter kann insbesondere für Referenzmessungen verwendet werden.
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Vorteilhafterweise wird durch das Bearbeiten des Lichtwellenleiters und/oder des Substrats innerhalb des Bearbeitungsbereiches eine Sensierschicht auf dem Lichtwellenleiter und/oder dem Substrat erzeugt. Die Sensierschicht ist eine Schicht, die dazu eingerichtet ist, eine physikalische Eigenschaft von Licht, z.B. die Wellenlänge, Polarisierung, Phase oder Intensität in Abhängigkeit von einer interessierenden Messgröße zu verändern. Diese Sensierschicht stellt somit den sensitiven Kern eines photonischen Sensors dar. Die interessierende Messgröße kann z.B. das Vorhandensein bestimmter Atome/Ionen oder Moleküle, das Vorhandensein bestimmter Strahlung, eine Temperatur u.ä. sein. Vorteilhafterweise wird die Veränderung der physikalischen Eigenschaft des von der Sensierschicht veränderten Lichts durch einen Detektor detektiert.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Belichten einer photosensitiven Schicht auf einem mindestens einen Lichtwellenleiter tragenden Substrats offenbart, die einen Aufnahmebereich, mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Mikrofluidsystem aufweist.
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Der Aufnahmebereich ist dazu eingerichtet, das mindestens einen Lichtwellenleiter tragende Substrat und die photosensitive Schicht aufzunehmen. Der Aufnahmebereich kann eine Kammer sein. In einem Fall kann der Aufnahmebereich ein bestimmter Bereich auf dem Substrat sein, wobei der Aufnahmebereich dem o.g. Bearbeitungsbereich entspricht.
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Die mindestens eine Lichtquelle kann mit dem mindestens einen Lichtwellenleiter verbunden werden, wobei das Licht der Lichtquelle durch den mindestens einen Lichtwellenleiter verläuft und seitlich aus dem mindestens einen Lichtwellenleiter im Inneren des Aufnahmebereiches emittiert wird. Das Licht der Lichtquelle kann ein Licht mit einer bestimmten Wellenlänge oder ein Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen sein.
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Das mindestens ein Mikrofluidsystem ist dazu eingerichtet, die photosensitive Schicht in dem Aufnahmebereich auf den mindestens einen Lichtwellenleiter aufzubringen. Die photosensitive Schicht kann dabei vollständig auf das den mindestens einen Lichtwellenleiter tragende Substrat oder nur gezielt auf einen oder mehrere Lichtwellenleiter aufgebracht werden.
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Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Abdeckung auf, die dazu eingerichtet ist, das Verdampfen der photosensitiven Schicht und/oder das Bestrahlen der photosensitiven Schicht mit Licht, das von außen in den Aufnahmebereich eindringt, zu verhindern. Ein Verdampfen der photosensitiven Schicht kann dazu führen, dass der mindestens eine Lichtwellenleiter nicht vollständig von der photosensitiven Schicht umgeben ist, was zu einer schlechteren Bearbeitung führt. Ein Bestrahlen der photosensitiven Schicht mit Licht, z.B. UV-Licht, kann zu einer unkontrollierten Aktivierung der photosensitiven Schicht und somit zu einer schlechteren Bearbeitung und/oder zu einer unerwünschten Bearbeitung führen.
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Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Steuerungseinheit auf, die mit der mindestens einen Lichtquelle und dem mindestens einen Mikrofluidsystem verbunden ist und das Aufbringen der photosensitiven Schicht und/oder das Emittieren von Licht aus der Lichtquelle steuert. Dies führt dazu, dass das Verfahren automatisiert durchgeführt werden kann.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine Anordnung von Lichtwellenleitern, die auf einem Substrat angeordnet sind, vor einer Belichtung einer photosensitiven Schicht.
- 2 zeigt schematisch in einer Draufsicht die einen etwas vergrößerten Ausschnitt der Anordnung von Lichtwellenleitern aus 1 nach der Belichtung der photosensitiven Schicht.
- 3a zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht zwei Lichtwellenleiter aus 1.
- 3b zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht zwei Lichtwellenleiter aus 2.
- 4 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine Vorrichtung zum Belichten einer photosensitiven Schicht.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente und werden nicht jedes Mal gesondert erläutert.
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In 1 ist schematisch eine Anordnung von Lichtwellenleitern 200, die auf einem Substrat 100 angeordnet sind. Die in 1 gezeigten Lichtwellenleiter 200 weisen Ringresonatoren, jeweils mit Zu- und Wegführungen auf. Die Zu- und Wegführungen enden an der in der Figur oberen bzw. unteren Kante des Substrats 100. Im gezeigten Beispiel trägt das Substrat zwölf Lichtwellenleiter, die in vier Gruppen 510, 520, 530, 540 zu jeweils drei Ringresonatoren gruppiert sind. Eine beispielhafte Gruppe 520 weist die Ringresonatoren 210, 220 und 230 auf.
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Eine Schutzschicht 300, beispielsweise Photolack, ist auf dem Substrat 100 und den Lichtwellenleitern 200 aufgebracht, die das Substrat 100 in einen Bearbeitungsbereich 400, beispielsweise durch eine Aussparung der Schutzschicht, und einen Bereich, der nicht bearbeitet wird, unterteilt. Vorliegend kann damit die Bearbeitung gezielt auf die Gruppen 520 und 530 und deren Ringresonatoren begrenzt werden. Die Reihen 510 und 540 sind vollständig von der Schutzschicht 300 bedeckt und liegen außerhalb des Bearbeitungsbereiches 400. Während in 1 nur ein Bearbeitungsbereich 400 vorhanden ist, können mehrere Bearbeitungsbereiche auf einem Substrat 100 selektiv durch Aufbringen der Schutzschicht 300 ausgewählt werden.
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Weiter beispielhaft ist auf den Bearbeitungsbereich 400 eine photosensitive Schicht 600 aufgebracht, beispielsweise in Form eines Tropfens.
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In der in 1 gezeigten Ausführung soll der Teil des Lichtwellenleiters 210, der sich innerhalb des Bearbeitungsbereiches 400 befindet, bearbeitet, hier beschichtet, werden. Das Bearbeiten des Lichtwellenleiters 210 und/oder des Substrats 100 kann ein Reinigen, ein Aktivieren, ein Passivieren und ein Beschichten umfassen und ist nicht auf ein Beschichten begrenzt. Es versteht sich, dass für verschiedene Bearbeitungsschritte verschiedene photosensitive Schichten benötigt werden, die beispielsweise durch ein Mikrofluidsystem 2000 einer Vorrichtung 10 gemäß 4 aufgebracht werden können.
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Um nun im Rahmen der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezielt bzw. selektiv den Lichtwellenleiter mit dem Ringresonator 210 zu beschichten, wird Licht, insbesondere UV-Licht, direkt in den betreffenden Lichtwellenleiter selbst eingestrahlt. Das Licht durchquert den Lichtwellenleiter und strahlt dabei auch in einem eng begrenzten Bereich von ca. 100 - 1.000 nm seitlich ab und verlässt den Lichtwellenleiter wieder, wie durch die Pfeile angedeutet. Zur Lichterzeugung kann insbesondere eine Lichtquelle 1000 der Vorrichtung 10 gemäß 4 dienen. Die seitliche Abstrahlung führt dazu, dass in der photosensitiven Schicht 600 in diesem eng begrenzten Bereich ein photochemischer Prozess gestartet wird.
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Zum Beschichten wird die photosensitive Schicht 600 derart gewählt, dass bei Belichten der photosensitven Schicht 600 mit UV-Licht eine photochemische Reaktion auslöst wird, die den Teil des Lichtwellenleiters 210, der sich innerhalb des Bearbeitungsbereiches 400 befindet, beschichtet.
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Da nur der Lichtwellenleiter 210 Licht emittiert, wird auch nur der Lichtwellenleiter 210 innerhalb des Bearbeitungsbereiches 400 beschichtet. Der Abstand zwischen dem Lichtwellenleiter 210 und dem benachbarten Lichtwellenleiter 220 ist groß genug, so dass die chemische Reaktion nicht am Lichtwellenleiter 220 gestartet und der Lichtwellenleiter 220 beschichtet wird.
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In 2 ist schematisch in einer Draufsicht die Anordnung von Lichtwellenleitern 200 aus 1 etwas vergrößert nach der Belichtung der photosensitiven Schicht 600 gezeigt. Es ist zu sehen, dass nur der Teil des Lichtwellenleiters 210 mit einer Beschichtung 610 beschichtet wurde, der sich innerhalb des Bearbeitungsbereiches 400 befindet. Der benachbarte Lichtwellenleiter 220 wurde nicht beschichtet.
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In 3a sind schematisch in einer Querschnittsansicht die zwei Lichtwellenleiter 210, 220 vor der Belichtung der photosensitiven Schicht und in 3b nach der Belichtung der photosensitiven Schicht gezeigt. Während in 3a der Lichtwellenleiter 210 sowie der Lichtwellenleiter 220 nicht mit einer Beschichtung 610 versehen sind, ist in 3b nur der Lichtwellenleiter 210 mit einer Beschichtung 610 versehen, wo Belichtung stattgefunden hat.
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Die Dicke der Beschichtung 610 kann in gewissen Grenzen durch die Dauer bzw. Intensität der Belichtung der photosensitiven Schicht 600 gesteuert werden. Je länger die photosensitive Schicht 600 belichtet wird, desto länger wird die chemische Reaktion, die zur Beschichtung des Lichtwellenleiters 210 führt, fortgesetzt. Wird die Lichtquelle 1000 ausgeschaltet oder der Lichtwellenleiter 210 von der Lichtquelle 1000 entfernt, wird kein Licht mehr von dem Lichtwellenleiter 210 emittiert und die chemische Reaktion gestoppt. Dies führt dazu, dass die Beschichtung 610 sehr dünn auf dem Lichtwellenleiter 210 aufgebracht werden kann.
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Da der Lichtwellenleiter 210 zudem das Licht in alle Richtungen emittiert, wird die chemische Reaktion an der gesamten Oberfläche des Lichtwellenleiters 210 innerhalb des Bearbeitungsbereiches 400 gestartet und der Lichtwellenleiter 210 beschichtet. Dies führt dazu, dass die Beschichtung 610 homogen auf der Oberseite des Lichtwellenleiters 210 aufgebracht wird.
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Es ist auch möglich, durch Aufbringen verschiedener photosensitiver Schichten mehrere dünne und homogene Beschichtungen auf den Lichtwellenleitern 200 aufzubringen. Dies kann auch eine Passivierungsschicht umfassen. Ferner kann vor dem Beschichten beispielsweise zunächst eine Reinigung und/oder eine Aktivierung und/oder eine Passivierung des Substrats und/oder des Lichtwellenleiters 200 durchgeführt werden, je nachdem welche Schichten in welcher Reihenfolge auf dem Substrat und/oder auf dem Lichtwellenleiter 200 aufgebracht werden sollen.
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In 4 ist schematisch eine Vorrichtung 10 zum Belichten einer photosensitiven Schicht 600 gezeigt. Die Vorrichtung 10 weist eine Lichtquelle 1000, ein Mikrofluidsystem 2000, einen Aufnahmebereich 3000 und eine Steuerung 4000 auf.
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Die Lichtquelle 1000 ist dazu eingerichtet, mit einem Ende wenigstens eines der Lichtwellenleiter 200 verbunden zu werden, wobei das Licht der Lichtquelle 1000 durch den Lichtwellenleiter verläuft und dabei seitlich im Inneren des Aufnahmebereiches 3000 emittiert wird. Die in 4 gezeigte Vorrichtung 10 weist eine Lichtquelle 1000 auf. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung 10 nicht auf eine Lichtquelle 1000 beschränkt ist, sondern mehrere Lichtquellen in der Vorrichtung 10 vorgesehen sein können.
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Das Mikrofluidsystem 2000 ist dazu eingerichtet, die photosensitive Schicht 600 in dem Aufnahmebereich 3000 auf den wenigstens einen Lichtwellenleiter 200 aufzubringen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung 10 nicht auf ein Mikrofluidsystem 2000 beschränkt ist, sondern mehrere Mikrofluidsysteme 2000 vorgesehen sein können.
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Die Steuerungseinheit 4000 ist mit der Lichtquelle 1000 und dem Mikrofluidsystem 2000 verbunden. Die Steuerungseinheit 4000 ist dazu eingerichtet, das Aufbringen der photosensitiven Schicht 600 und/oder das Emittieren von Licht aus der Lichtquelle 1000 zu steuern. Die Steuerungseinheit 4000 kann manuell bedient oder automatisch bedient werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung 10 eine Abdeckung auf. Die Abdeckung dient dazu, das Verdampfen der photosensitiven Schicht 600 und/oder das Belichten der photosensitiven Schicht 600 mit Licht, beispielsweise UV-Licht, das von außen in den Aufnahmebereich 3000 eindringt, zu verhindern.
