DE102021003426A1 - Method for producing an optical waveguide, an optical waveguide produced using this method, and a medical implant with such an optical waveguide - Google Patents

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Falk Schwenzer
Markus Arnold
Danny Reuter
Ulrich T. Schwarz
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter auf Basis der Materialkombination PMMA/SU8/PMMA zu schaffen, mit dem laterale Periodizitäten von kleiner 50 µm erreichbar sind. Weiterhin soll der optische Wellenleiter eine hohe mechanische Flexibilität aufweisen, wobei Biegeradien von kleiner 1 mm möglich sein sollen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den folgenden Schritte gelöst,- Ausbildung einer ersten PMMA-Schicht zur Bildung der unteren Mantelschicht (4) des optischen Wellenleiters (1),- Ausbildung einer Schutzschicht (5) auf der ersten PMMA-Schicht,- Auftragen einer SU8-Schicht auf die Schutzschicht (5),- photolithographische Strukturierung der SU8-Schicht durch Belichtung der für die Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) des optischen Wellenleiters (1) vorgesehenen Bereiche der SU8-Schicht und anschließende Entfernung unbelichteter Bereiche der SU8-Schicht mittels für SU8 geeigneter Entwicklerflüssigkeit,- Ausbildung einer zweiten PMMA-Schicht auf nach der photolithographischen Strukturierung freiliegenden Oberflächen der SU8-Schicht und der Schutzschicht (5) zur Bildung der oberen Mantelschicht (7) des optischen Wellenleiters (1), wobei die Schutzschicht (5) gegenüber der Entwicklerflüssigkeit beständig ist und die Schutzschicht (5) innerhalb des optischen Wellenleiters (1) im Wesentlichen optisch inaktiv ist.The invention relates to a method for producing an optical waveguide. The object of the invention is therefore to create a method for producing optical waveguides based on the material combination PMMA/SU8/PMMA, with which lateral periodicities of less than 50 μm can be achieved. Furthermore, the optical waveguide should have high mechanical flexibility, with bending radii of less than 1 mm being possible. This object is achieved with a method having the following steps: - formation of a first PMMA layer to form the lower cladding layer (4) of the optical waveguide (1), - formation of a protective layer (5) on the first PMMA layer, - application an SU8 layer on the protective layer (5), photolithographic structuring of the SU8 layer by exposing the areas of the SU8 layer intended for the core layer (6, 6a, 6b, 6c) of the optical waveguide (1) and subsequent removal of unexposed areas the SU8 layer using a developer liquid suitable for SU8,- formation of a second PMMA layer on surfaces of the SU8 layer and the protective layer (5) that are exposed after the photolithographic structuring to form the upper cladding layer (7) of the optical waveguide (1), wherein the protective layer (5) is resistant to the developer liquid and the protective layer (5) inside the optical waveguide (1) is essentially o is optically inactive.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters, einen mit diesem Verfahren hergestellten optischen Wellenleiter sowie ein medizinisches Implantat mit einem solchen optischen Wellenleiter.The invention relates to a method for producing an optical waveguide, an optical waveguide produced using this method, and a medical implant with such an optical waveguide.

Optische Wellenleiter sind aus lichtdurchlässigen Materialien bestehende Strukturen, in denen sich Licht in Form von Moden ausbreiten kann. Ein optischer Wellenleiter besteht aus einem Kernmaterial und einem Mantelmaterial, wobei das Kernmaterial einen höheren Brechungsindex aufweist als das Mantelmaterial. Je größer der Unterschied zwischen den Brechungsindizes beider Materialien ist, umso kleinere Biegeradien können für die optischen Wellenleiter erreicht werden. Insbesondere in der Optogenetik werden flexible Wellenleiter mit möglichst kleinen Biegeradien (kleiner 1 mm) benötigt. Da größere Unterschiede der Brechungsindizes zu erhöhten Streuverlusten an rauen Grenzflächen führen, muss die Kombination der Materialien passend gewählt werden. Weiterhin sollte die laterale Periodizität der Wellenleiter (Summe aus Wellenleiterbreite und -abstand) kleiner als 50 µm betragen, um eine ausreichende Anzahl an Wellenleitern nebeneinander auf einem Bauteil integrieren zu können.Optical waveguides are structures made of transparent materials in which light can propagate in the form of modes. An optical waveguide consists of a core material and a cladding material, with the core material having a higher refractive index than the cladding material. The greater the difference between the refractive indices of both materials, the smaller the bending radii that can be achieved for the optical waveguides. In optogenetics in particular, flexible waveguides with the smallest possible bending radii (less than 1 mm) are required. Since larger differences in the refractive indices lead to increased scattering losses at rough interfaces, the combination of materials must be chosen appropriately. Furthermore, the lateral periodicity of the waveguides (sum of waveguide width and spacing) should be less than 50 µm in order to be able to integrate a sufficient number of waveguides side by side on one component.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleitern bekannt.Various methods for producing optical waveguides are known from the prior art.

Die EP 0 445 527 B1 beschreibt ein photolithographisches Verfahren, bei dem in ein Glassubstrat feine Kanäle mit ca. 7 µm Breite eingeätzt und der Kanalgrund anschließend mit einer PMMA-Schicht versehen wird. Danach werden die Kanäle mit einem nicht-linear optischen Polymer verfüllt und mit einer weiteren PMMA-Schicht abgedeckt. Nachteilig ist aber, dass das Glassubstrat starr ist und die mit diesem Verfahren erzeugten optischen Wellenleiter nicht flexibel sind. Weiterhin ist das Einbringen der PMMA-Schicht auf den Kanalgrund der feinen Kanäle technologisch anspruchsvoll.the EP 0 445 527 B1 describes a photolithographic process in which fine channels approx. 7 µm wide are etched into a glass substrate and the bottom of the channel is then provided with a PMMA layer. Then the channels are filled with a non-linear optical polymer and covered with another PMMA layer. The disadvantage, however, is that the glass substrate is rigid and the optical waveguides produced using this method are not flexible. Furthermore, the introduction of the PMMA layer on the channel base of the fine channels is technologically demanding.

Ein weiteres photolithographisches Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter wird in EP 1 674 905 B1 beschrieben. Hierbei wird zunächst eine Doppelschicht aus einem unteren Mantelmaterial und einem Kernmaterial bereitgestellt. Anschließend wird die Kernmaterialschicht photolithographisch strukturiert und danach mit einem oberen Mantelmaterial beschichtet. Als Mantelmaterial und Kernmaterial werden Organosilizium-Verbindungen verwendet.Another photolithographic process for the production of optical waveguides is presented in EP 1 674 905 B1 described. In this case, a double layer made of a lower cladding material and a core material is first provided. The core material layer is then structured photolithographically and then coated with an upper cladding material. Organosilicon compounds are used as cladding material and core material.

In WO 2018/089929 A1 werden ein flexibler optischer Wellenleiter sowie ein Verfahren zur Herstellung von flexiblen optischen Wellenleitern beschrieben. Das Verfahren sieht zunächst das Auftragen einer ersten Mantelschicht und einer Kernschicht mittels Spin Coating vor. Die Kernschicht wird anschließend photolithographisch strukturiert und dann mit einer zweiten Mantelschicht abgedeckt, die ebenfalls mittels Spin Coating aufgetragen wird. Das Kernmaterial kann u.a. aus SU8 bestehen. Als Mantelmaterial wird ein Fluorpolymer eingesetzt. SU8 ist ein Fotolack, der im Wesentlichen aus den drei Bestandteilen Grundharz, Lösungsmittel und fotoempfindlicher Komponente besteht, wobei das Grundharz ein Epoxidharz ist, welches aus einem Glycidylether Abkömmling von Bisphenol A gebildet wird.In WO 2018/089929 A1 describes a flexible optical waveguide and a method for producing flexible optical waveguides. The process initially provides for the application of a first cladding layer and a core layer by means of spin coating. The core layer is then structured photolithographically and then covered with a second cladding layer, which is also applied using spin coating. The core material can include SU8. A fluoropolymer is used as the jacket material. SU8 is a photoresist consisting essentially of three components: base resin, solvent and photosensitive component, with the base resin being an epoxy resin formed from a glycidyl ether derivative of bisphenol A.

Aus „SU8 Based Waveguide for Optrodes“, S. Pimenta, Proceedings 2, 814 MDPI (2018) sind theoretische Studien zur Eignung der Materialkombination PMMA/SU8/PMMA für Wellenleiterstrukturen bekannt. Nachteilig ist aber, dass eine photolithographische Strukturierung der SU8-Kernschicht mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren aufgrund der geringen Beständigkeit von PMMA gegenüber prozesstypischen Lösemitteln (bzw. SU8-Entwicklerlösung) eine Rissbildung im PMMA hervorruft. Diese Rissbildung verhindert die Fertigung von defektfreien Schichten und damit verlustarmen Wellenleitern. Zur Herstellung defektfreier Schichten kann somit nur eine mechanische Strukturierung der SU8-Kernschicht durchgeführt werden, mit der wiederum aber im Vergleich zur photolithographischen Strukturierung nur deutlich gröbere Strukturen erzeugt werden können. Insbesondere laterale Periodizitäten von kleiner 50 µm können mit einer mechanischen Strukturierung bei der Materialkombination PMMA/SU8/PMMA nicht erreicht werden.Theoretical studies on the suitability of the material combination PMMA/SU8/PMMA for waveguide structures are known from "SU8 Based Waveguide for Optrodes", S. Pimenta, Proceedings 2, 814 MDPI (2018). The disadvantage, however, is that photolithographic structuring of the SU8 core layer using methods known from the prior art causes cracking in the PMMA due to the low resistance of PMMA to solvents typical of the process (or SU8 developer solution). This formation of cracks prevents the production of defect-free layers and thus low-loss waveguides. To produce defect-free layers, only mechanical structuring of the SU8 core layer can be carried out, which in turn can only be used to produce significantly coarser structures compared to photolithographic structuring. In particular, lateral periodicities of less than 50 µm cannot be achieved with mechanical structuring with the material combination PMMA/SU8/PMMA.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter auf Basis der Materialkombination PMMA/SU8/PMMA zu schaffen, mit dem laterale Periodizitäten von kleiner 50 µm erreichbar sind. Weiterhin soll der optische Wellenleiter eine hohe mechanische Flexibilität aufweisen, wobei Biegeradien von kleiner 1 mm möglich sein sollen.The object of the invention is therefore to create a method for producing optical waveguides based on the material combination PMMA/SU8/PMMA, with which lateral periodicities of less than 50 μm can be achieved. Furthermore, the optical waveguide should have high mechanical flexibility, with bending radii of less than 1 mm being possible.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst,

  • - Ausbildung einer ersten PMMA-Schicht zur Bildung der unteren Mantelschicht des optischen Wellenleiters,
  • - Ausbildung einer Schutzschicht auf der ersten PMMA-Schicht,
  • - Auftragen einer SU8-Schicht auf die Schutzschicht,
  • - photolithographische Strukturierung der SU8-Schicht durch Belichtung der für die Kernschicht des optischen Wellenleiters vorgesehenen Bereiche der SU8-Schicht und anschließende Entfernung unbelichteter Bereiche der SU8-Schicht mittels für SU8 geeigneter Entwicklerflüssigkeit,
  • - Ausbildung einer zweiten PMMA-Schicht auf nach der photolithographischen Strukturierung freiliegenden Oberflächen der SU8-Schicht und der Schutzschicht zur Bildung der oberen Mantelschicht des optischen Wellenleiters,
This object is achieved with a method that includes the following steps,
  • - formation of a first PMMA layer to form the lower cladding layer of the optical waveguide,
  • - formation of a protective layer on the first PMMA layer,
  • - Application of a SU8 layer on the protective layer,
  • - Photolithographic structuring of the SU8 layer by exposure to light for the core layer areas of the SU8 layer provided for the optical waveguide and subsequent removal of unexposed areas of the SU8 layer using a developer liquid suitable for SU8,
  • - formation of a second PMMA layer on surfaces of the SU8 layer and the protective layer that are exposed after the photolithographic patterning to form the upper cladding layer of the optical waveguide,

Das Material der Schutzschicht wird dabei so gewählt, dass es zum einen gegenüber der Entwicklerflüssigkeit beständig ist und zum anderen innerhalb des optischen Wellenleiters im Wesentlichen optisch inaktiv ist.The material of the protective layer is selected in such a way that on the one hand it is resistant to the developer liquid and on the other hand it is essentially optically inactive within the optical waveguide.

Die Schutzschicht innerhalb des optischen Wellenleiters ist im Wesentlichen dann optisch inaktiv, wenn der Brechungsindex der Schutzschicht und der Brechungsindex der Kernschicht etwa gleich sind und die Schutzschicht eine Schichtstärke von kleinergleich 5 % der Schichtstärke der Kernschicht aufweist. Alternativ können der Brechungsindex der Schutzschicht und der Brechungsindex der unteren Mantelschicht etwa gleich sein. In einer möglichen Ausgestaltung wird die zwischen den Wellenleitern liegende Schutzschicht nach der Strukturierung der Wellenleiter entfernt, z. B. durch trockenchemisches oder nasschemisches Ätzen. In diesem Fall ist die Schutzschicht unabhängig von ihrem Brechungsindex optisch inaktiv.The protective layer within the optical waveguide is essentially optically inactive when the refractive index of the protective layer and the refractive index of the core layer are approximately the same and the protective layer has a layer thickness of less than or equal to 5% of the layer thickness of the core layer. Alternatively, the refractive index of the protective layer and the refractive index of the lower cladding layer may be about the same. In one possible embodiment, the protective layer between the waveguides is removed after the waveguides have been structured, e.g. B. by dry chemical or wet chemical etching. In this case, the protective layer is optically inactive, regardless of its refractive index.

Durch die Schutzschicht wird die erste PMMA-Schicht bei dem Einsatz der Entwicklerflüssigkeit während der photolithographischen Strukturierung der SU8-Kernschicht geschützt. Somit wird eine durch die Entwicklerflüssigkeit verursachte Rissbildung in der ersten PMMA-Schicht vermieden.The first PMMA layer is protected by the protective layer when the developer liquid is used during the photolithographic structuring of the SU8 core layer. This prevents cracking in the first PMMA layer caused by the developer liquid.

In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Ausbildung der Schutzschicht durch Auftragen einer SU8-Schicht auf die erste PMMA-Schicht und anschließende Belichtung dieser SU8-Schicht. Durch die Belichtung wird diese SU8-Schicht gegenüber der photolithographischen Strukturierung der weiteren (zum Aufbau der Kernschicht nachfolgend aufgetragenen) SU8-Schicht beständig. Weiterhin weisen die als SU8-Schicht ausgeführte Schutzschicht und die Kernschicht denselben Brechungsindex auf.In an advantageous embodiment, the protective layer is formed by applying an SU8 layer to the first PMMA layer and then exposing this SU8 layer to light. As a result of the exposure, this SU8 layer becomes resistant to the photolithographic structuring of the further SU8 layer (applied subsequently to build up the core layer). Furthermore, the protective layer designed as an SU8 layer and the core layer have the same refractive index.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Ausbildung der ersten Mantelschicht und/oder die Ausbildung der zweiten Mantelschicht durch Schichtauftrag mittels Spin Coating und anschließender thermischer Aushärtung erfolgt.One embodiment of the method provides that the formation of the first cladding layer and/or the formation of the second cladding layer takes place by layer application using spin coating and subsequent thermal curing.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass auch das Auftragen der SU8-Schicht auf der Schutzschicht und/oder das Auftragen der SU8-Schicht auf der ersten PMMA-Schicht mittels Spin Coating erfolgt.A further embodiment provides that the SU8 layer is also applied to the protective layer and/or the SU8 layer is applied to the first PMMA layer by means of spin coating.

Weiterhin wird ein optischer Wellenleiter vorgeschlagen, der eine untere Mantelschicht aus PMMA, eine Kernschicht aus SU8 und eine obere Mantelschicht aus PMMA aufweist, wobei die Kernschicht mittels photolithographischer Strukturierung einer SU8-Schicht gebildet ist. Zwischen der unteren Mantelschicht und der Kernschicht ist eine Schutzschicht angeordnet. Diese Schutzschicht ist gegenüber der photolithographischen Entwicklerflüssigkeit beständig und innerhalb des optischen Wellenleiters im Wesentlichen optisch inaktiv.Furthermore, an optical waveguide is proposed which has a lower cladding layer made of PMMA, a core layer made of SU8 and an upper cladding layer made of PMMA, the core layer being formed by means of photolithographic structuring of an SU8 layer. A protective layer is arranged between the lower cladding layer and the core layer. This protective layer is resistant to the photolithographic developer liquid and is essentially optically inactive within the optical waveguide.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die Schutzschicht des optischen Wellenleiters eine SU8-Schicht.In an advantageous embodiment, the protective layer of the optical waveguide is an SU8 layer.

Eine Ausführung sieht vor, dass der optische Wellenleiter eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Kernschichten aufweist. Der optische Wellenleiter bildet damit ein Bauteil, welches mehrere Kanäle in der Kernschicht zur Lichtausbreitung enthält, welche auch mit Richtungsänderungen ausgeführt, über Weichen miteinander verbunden, in den lateralen Abmessungen verändert oder mit Ein- und Auskoppelstrukturen ausgestattet werden können.One embodiment provides that the optical waveguide has a plurality of core layers arranged next to one another. The optical waveguide thus forms a component which contains several channels in the core layer for light propagation, which can also be designed with changes in direction, connected to one another via switches, changed in their lateral dimensions or equipped with coupling and decoupling structures.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die untere Mantelschicht eine Schichtstärke von 5 µm bis 10 µm, die obere Mantelschicht eine Schichtstärke von 2 µm bis 5 µm, die Schutzschicht eine Schichtstärke von 0,1 µm bis 0,2 µm und die Kernschicht eine Schichtstärke von 5 µm bis 15 µm aufweisen. Ein derartig ausgeführter Wellenleiter zeichnet sich durch eine hohe mechanische Flexibilität aus. Das Materialsystem PMMA/SU8/PMMA ermöglicht dabei Biegeradien des Wellenleiters von kleiner 1 mm. Im roten Spektralbereich (638 nm bis 660 nm) weist PMMA einen Brechungsindex von 1,49 und SU8 einen Brechungsindex von 1,57 auf. Durch diesen großen Unterschied der Brechungsindizes treten bei einem Durchlaufen einer entsprechenden Lichtwelle durch den Wellenleiter auch bei derartig kleinen Biegeradien nur sehr geringe optische Verluste auf. Durch die Dimensionierung der Schichtdicke der Schutzschicht wird darüber hinaus auch sichergestellt, dass diese im optischen Wellenleiter im Wesentlichen optisch inaktiv ist.An advantageous embodiment provides that the lower cladding layer has a layer thickness of 5 μm to 10 μm, the upper cladding layer has a layer thickness of 2 μm to 5 μm, the protective layer has a layer thickness of 0.1 μm to 0.2 μm and the core layer has a layer thickness from 5 µm to 15 µm. A waveguide designed in this way is characterized by high mechanical flexibility. The PMMA/SU8/PMMA material system enables the waveguide to have bending radii of less than 1 mm. In the red spectral range (638 nm to 660 nm), PMMA has a refractive index of 1.49 and SU8 has a refractive index of 1.57. Due to this large difference in the refractive indices, only very small optical losses occur when a corresponding light wave passes through the waveguide, even with such small bending radii. The dimensioning of the layer thickness of the protective layer also ensures that it is essentially optically inactive in the optical waveguide.

In einer Ausführung weisen die nebeneinander angeordneten Kernschichten quer zur Lichtlaufrichtung eine Breite von 5 µm bis 15 µm und einen Abstand von 10 µm bis 20 µm auf. Mit einer derartigen Dimensionierung werden laterale Periodizitäten von kleinergleich 50 µm erzeugt. Beispielsweise wird mit einer Breite von 10 µm und einem Abstand von 15 µm eine Periodizität von 25 µm erreicht und mit geringerer Breite und/oder geringerem Abstand entsprechend eine laterale Periodizität kleiner 25 µm. Damit kann in einem Bauteil eine große Packungsdichte mehrerer Kanäle in der Kernschicht zur Lichtausbreitung erzielt werden.In one embodiment, the core layers arranged next to one another have a width of 5 μm to 15 μm and a spacing of 10 μm to 20 μm transverse to the direction of light travel. With such a dimensioning, lateral periodicities of less than or equal to 50 μm are generated. For example, with a width of 10 μm and a spacing of 15 μm, a periodicity of 25 μm is achieved and with little smaller width and/or smaller distance corresponding to a lateral periodicity of less than 25 μm. A high packing density of multiple channels in the core layer for light propagation can thus be achieved in one component.

Die Erfindung ist nicht auf geradlinig ausgeführte Kernschichten beschränkt. Die photolithographische Strukturierung ermöglicht grundsätzlich jede Geometrie bei der Bildung der als Kernschicht dienenden Kanäle. Beispielsweise können die Kanäle innerhalb der ersten PMMA-Schicht auch mit Richtungsänderungen ausgeführt oder über Weichen miteinander verbunden sein. Mit der photolithographischen Strukturierung sind dabei auch Richtungsänderungen der Kernschicht mit Krümmungsradien kleiner 1 mm in hoher Qualität herstellbar, welche wiederum durch den großen Unterschied der Brechungsindizes von PMMA und SU8 von einer Lichtwelle mit geringen Verlusten durchlaufen werden.The invention is not limited to linear core layers. In principle, photolithographic structuring allows any geometry in the formation of the channels serving as the core layer. For example, the channels within the first PMMA layer can also be designed with changes in direction or be connected to one another via switches. With photolithographic structuring, changes in direction of the core layer with radii of curvature of less than 1 mm can also be produced in high quality, which in turn are passed through by a light wave with low losses due to the large difference in the refractive indices of PMMA and SU8.

Weiterhin wird ein optogenetisches Implantat vorgeschlagen, welches einen erfindungsgemäßen optischen Wellenleiter mit den oben genannten Dimensionierungen aufweist. Die hohe mechanische Flexibilität des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters verbunden mit den geringen optischen Verlusten ermöglicht die Integration in ein derartiges Implantat. Mit der hohen Packungsdichte der Kanäle in der Kernschicht ist eine hohe Dichte an übertragbaren Lichtimpulsen möglich, welche wiederum eine hochauflösende optische Anregung von organischem Zellmaterial ermöglicht.Furthermore, an optogenetic implant is proposed which has an optical waveguide according to the invention with the dimensions mentioned above. The high mechanical flexibility of the optical waveguide according to the invention, combined with the low optical losses, enables integration into such an implant. With the high packing density of the channels in the core layer, a high density of transmittable light pulses is possible, which in turn enables high-resolution optical excitation of organic cell material.

Insbesondere wird ein als Cochlea-Implantat ausgestaltetes optogenetisches Implantat vorgeschlagen, welches einen erfindungsgemäßen optischen Wellenleiter aufweist und im Innenohr eines Menschen eingesetzt wird. Durch die hochauflösende optische Anregung können die Hörnerven im Innenohr im Vergleich zu elektrisch wirkenden Implantaten räumlicher gezielter angeregt werden.In particular, an optogenetic implant designed as a cochlear implant is proposed, which has an optical waveguide according to the invention and is inserted in the inner ear of a human being. Due to the high-resolution optical stimulation, the auditory nerves in the inner ear can be stimulated in a more spatially targeted manner in comparison to electrically acting implants.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Die 1a bis 1g zeigen dabei einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines optischen Wellenleiters 1 (1g). Ausgangspunkt ist ein Trägersubstrat, welches in 1a als Silizium-Wafer 2 mit einer Opferschicht 3 ausgestaltet ist, ohne dass es hierauf beschränkt ist. Auf dieses Trägersubstrat wird auf der Opferschicht 3 eine erste PMMA-Schicht 4 ausgebildet. Diese erste PMMA-Schicht wird mittels Spin Coating auf das Trägersubstrat aufgetragen und anschließend thermisch ausgehärtet (1b). Nach dem Ausbilden der ersten PMMA-Schicht 4 wird auf dieser eine Schutzschicht 5 ausgebildet (1c). In der dargestellten Ausführung wird als Schutzschicht 5 eine SU8-Schicht ausgebildet, die zunächst auf die erste PMMA-Schicht 4 mittels Spin Coating aufgetragen und anschließend belichtet wird. Gemäß 1d wird dann auf die belichtete SU8-Schutzschicht 5 eine weitere SU8-Schicht 6 mittels Spin Coating aufgetragen. Diese wird in einem folgenden Schritt mittels Photolithographie strukturiert (1e), wobei dabei die Kernschicht 6a, 6b, 6c des optischen Wellenleiters 1 ausgeformt wird. Bei der photolithographischen Strukturierung der SU8-Schicht 6 erfolgt zunächst nach deren Auftragen eine Belichtung der Bereiche, welche die Kernschicht 6a, 6b, 6c des optischen Wellenleiters 1 bilden soll. An den belichteten Stellen polymerisiert sie SU8-Schicht in einem nachfolgenden Ausheizschritt. Danach wird die partiell belichtete SU8-Schicht 6 mit einer für SU8 geeigneter Entwicklerflüssigkeit behandelt, wobei damit unbelichtete Bereiche der SU8-Schicht 6 gelöst und entfernt werden. Die belichteten Bereiche bleiben hingegen erhalten. Die 1e zeigt die verbliebenen belichteten Bereiche, welche die Kernschicht 6a, 6b, 6c des optischen Wellenleiters 1 bilden. In der dargestellten Ausführung sind drei nebeneinander angeordnete Kanäle 6a, 6b, 6c in der Kernschicht 6 zur Lichtführung vorgesehen, ohne dass die Erfindung aber auf diese Ausführung beschränkt ist. Ebenso können weniger oder mehr Kanäle 6a, 6b, 6c vorgesehen werden. Auf den nach der photolithographischen Strukturierung freiliegenden Oberflächen der SU8-Schicht 6 und Schutzschicht 5 wird dann eine zweite PMMA-Schicht 7 ausgebildet, wobei hierfür PMMA mittels Spin Coating aufgetragen und anschließend ausgehärtet wird (1f). Nach dem Ausbilden der zweiten PMMA-Schicht wird die Opferschicht 3 mittels geeigneter Lösemittel entfernt, sodass der optische Wellenleiter 1 von dem Silizium-Wafer 2 abgenommen werden kann.An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the drawings. the 1a until 1g show a sequence of the method according to the invention for producing an optical waveguide 1 ( 1g) . The starting point is a carrier substrate, which 1a is designed as a silicon wafer 2 with a sacrificial layer 3, without being limited to this. A first PMMA layer 4 is formed on the sacrificial layer 3 on this carrier substrate. This first PMMA layer is applied to the carrier substrate using spin coating and then thermally cured ( 1b) . After the formation of the first PMMA layer 4, a protective layer 5 is formed on it ( 1c ). In the embodiment shown, an SU8 layer is formed as the protective layer 5, which is first applied to the first PMMA layer 4 by means of spin coating and then exposed. According to 1d A further SU8 layer 6 is then applied to the exposed SU8 protective layer 5 by means of spin coating. This is structured in a subsequent step using photolithography ( 1e) , thereby forming the core layer 6a, 6b, 6c of the optical waveguide 1. In the photolithographic structuring of the SU8 layer 6, after it has been applied, the areas which are to form the core layer 6a, 6b, 6c of the optical waveguide 1 are first exposed to light. In the exposed areas, she polymerizes the SU8 layer in a subsequent baking step. Thereafter, the partially exposed SU8 layer 6 is treated with a developer liquid suitable for SU8, unexposed areas of the SU8 layer 6 being dissolved and removed therewith. The exposed areas, on the other hand, remain intact. the 1e 12 shows the remaining exposed areas which form the core layer 6a, 6b, 6c of the optical waveguide 1. FIG. In the embodiment shown, three channels 6a, 6b, 6c arranged next to one another are provided in the core layer 6 for guiding the light, but without the invention being restricted to this embodiment. Likewise, fewer or more channels 6a, 6b, 6c can be provided. A second PMMA layer 7 is then formed on the surfaces of the SU8 layer 6 and protective layer 5 that are exposed after the photolithographic structuring, with PMMA being applied for this purpose by means of spin coating and then cured ( 1f) . After the second PMMA layer has been formed, the sacrificial layer 3 is removed using suitable solvents, so that the optical waveguide 1 can be removed from the silicon wafer 2 .

1g zeigt den mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten optischen Wellenleiter 1 mit einer aus der ersten PMMA-Schicht 4 aufgebauten unteren Mantelschicht, einer aus der zweiten PMMA-Schicht 7 aufgebauten oberen Mantelschicht und einer aus der aus der SU8-Schicht 6 gebildeten Kernschicht mit den drei Kanälen 6a, 6b, 6c. Weiterhin ist die zwischen der unteren Mantelschicht und der Kernschicht und in zur Kernschicht angrenzenden Bereichen zwischen oberer Mantelschicht und unterer Mantelschicht angeordnete Schutzschicht 5 sichtbar. Die Schutzschicht 5 bildet also eine durchgehende Schicht auf der ersten PMMA-Schicht 4. 1g shows the optical waveguide 1 produced with the described method with a lower cladding layer made up of the first PMMA layer 4, an upper cladding layer made up of the second PMMA layer 7 and a core layer made up of the SU8 layer 6 with the three channels 6a, 6b, 6c. Furthermore, the protective layer 5 arranged between the lower cladding layer and the core layer and in areas adjoining the core layer between the upper cladding layer and the lower cladding layer is visible. The protective layer 5 thus forms a continuous layer on the first PMMA layer 4.

In der dargestellten Ausführung weisen die untere Mantelschicht eine Schichtstärke von 5 µm bis 10 µm, die obere Mantelschicht eine Schichtstärke von 2 µm bis 5 µm, die Schutzschicht 5 eine Schichtstärke von 0,1 µm bis 0,2 µm und die Kernschicht 6 eine Schichtstärke von 5 µm bis 15 µm auf. Die Kernschichten 6a, 6b, 6c bzw. die Kanäle 6a, 6b, 6c der Kernschicht 6 weisen quer zur Lichtlaufrichtung (Lichtlaufrichtung ist senkrecht zur Bildebene) eine Breite von 5 µm bis 15 µm und die nebeneinander angeordneten Kernschichten 6a, 6b, 6c einen Abstand von 10 µm bis 20 µm auf. Mit einer Breite von 10 µm und einem Abstand von 15 µm wird eine laterale Periodizität L von 25 µm und damit kleinergleich 50 µm erreicht. Mit geringerer Breite und/oder geringerem Abstand wird entsprechend eine laterale Periodizität L von kleiner 25 µm erzielt.In the illustrated embodiment, the lower cladding layer has a layer thickness of 5 μm to 10 μm, the upper cladding layer has a layer thickness of 2 μm to 5 μm, the protective layer 5 has a layer thickness of 0.1 μm to 0.2 μm and the core layer 6 has a layer thickness from 5 µm to 15 µm. The core layers 6a, 6b, 6c or the channels 6a, 6b, 6c of the core layer 6 point transversely to the direction of the light direction (the direction of light travel is perpendicular to the image plane) has a width of 5 μm to 15 μm and the core layers 6a, 6b, 6c arranged next to one another have a spacing of 10 μm to 20 μm. With a width of 10 μm and a distance of 15 μm, a lateral periodicity L of 25 μm and thus less than or equal to 50 μm is achieved. A lateral periodicity L of less than 25 μm is correspondingly achieved with a smaller width and/or smaller spacing.

In einer nicht dargestellten Ausführung ist der optische Wellenleiter gemäß 1g in einem als Cochlea-Implantat ausgestalteten optogenetischen Implantat integriert. Ein optogenetischen Implantat ist eine Form eines medizinischen Implantats.In an embodiment that is not shown, the optical waveguide is according to FIG 1g integrated in an optogenetic implant designed as a cochlear implant. An optogenetic implant is a form of medical implant.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung des optischen Wellenleiters 1 ist in den zur Kernschicht angrenzenden Bereichen die Schutzschicht 5 mittels eines weiteren Verfahrensschritts (zwischen photolithographischer Strukturierung und Auftragen der zweiten PMMA-Schicht 7) entfernt worden. Dieser weitere Verfahrensschritt kann beispielsweise ein trockenchemischer oder nasschemischer Ätzschritt sein. Im Ergebnis ist die Schutzsicht 5 in dieser Ausführung des optischen Wellenleiters 1 dann nur noch zwischen der unteren Mantelschicht und den Kernschichten 6a, 6b, 6c vorhanden. In den zu den Kernschichten 6a, 6b, 6c angrenzenden Bereichen liegt die obere Mantelschicht auf der unteren Mantelschicht auf.In a further embodiment of the optical waveguide 1 (not shown), the protective layer 5 has been removed in the areas adjoining the core layer by means of a further process step (between photolithographic structuring and application of the second PMMA layer 7). This further method step can be a dry-chemical or wet-chemical etching step, for example. As a result, the protective layer 5 in this embodiment of the optical waveguide 1 is then only present between the lower cladding layer and the core layers 6a, 6b, 6c. In the areas adjoining the core layers 6a, 6b, 6c, the upper cladding layer rests on the lower cladding layer.

BezugszeichenlisteReference List

11
optischer Wellenleiteroptical waveguide
22
Silizium-Wafersilicon wafer
33
Opferschichtsacrificial layer
44
erste PMMA-Schicht, untere Mantelschichtfirst PMMA layer, lower cladding layer
55
Schutzschichtprotective layer
66
SU8-Schicht, KernschichtSU8 layer, core layer
6a6a
Kernschicht, Kanal der Kernschichtcore layer, channel of the core layer
6b6b
Kernschicht, Kanal der Kernschichtcore layer, channel of the core layer
6c6c
Kernschicht, Kanal der Kernschichtcore layer, channel of the core layer
77
zweite PMMA-Schicht, obere Mantelschichtsecond PMMA layer, upper cladding layer
LL
Laterale PeriodizitätLateral periodicity

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • EP 1674905 B1 [0005]EP 1674905 B1 [0005]
  • WO 2018089929 A1 [0006]WO 2018089929 A1 [0006]

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters (1), welcher eine untere Mantelschicht (4) aus PMMA, eine Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) aus SU8 und eine obere Mantelschicht (7) aus PMMA aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, - Ausbildung einer ersten PMMA-Schicht zur Bildung der unteren Mantelschicht (4) des optischen Wellenleiters (1), - Ausbildung einer Schutzschicht (5) auf der ersten PMMA-Schicht, - Auftragen einer SU8-Schicht auf die Schutzschicht (5), - photolithographische Strukturierung der SU8-Schicht durch Belichtung der für die Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) des optischen Wellenleiters (1) vorgesehenen Bereiche der SU8-Schicht und anschließende Entfernung unbelichteter Bereiche der SU8-Schicht mittels für SU8 geeigneter Entwicklerflüssigkeit, - Ausbildung einer zweiten PMMA-Schicht auf nach der photolithographischen Strukturierung freiliegenden Oberflächen der SU8-Schicht und der Schutzschicht (5) zur Bildung der oberen Mantelschicht (7) des optischen Wellenleiters (1), wobei die Schutzschicht (5) gegenüber der Entwicklerflüssigkeit beständig ist und die Schutzschicht (5) innerhalb des optischen Wellenleiters (1) im Wesentlichen optisch inaktiv ist.A method of manufacturing an optical waveguide (1) comprising a PMMA undercladding layer (4), a SU8 core layer (6, 6a, 6b, 6c) and a PMMA overcladding layer (7), the method comprising the following steps includes, - formation of a first PMMA layer to form the lower cladding layer (4) of the optical waveguide (1), - formation of a protective layer (5) on the first PMMA layer, - Application of a SU8 layer on the protective layer (5), - photolithographic structuring of the SU8 layer by exposing the areas of the SU8 layer intended for the core layer (6, 6a, 6b, 6c) of the optical waveguide (1) and subsequent removal of unexposed areas of the SU8 layer using a developer liquid suitable for SU8, - Formation of a second PMMA layer on surfaces of the SU8 layer and the protective layer (5) that are exposed after the photolithographic structuring to form the upper cladding layer (7) of the optical waveguide (1), the protective layer (5) being resistant to the developer liquid and the protective layer (5) within the optical waveguide (1) is essentially optically inactive. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Schutzschicht (5) durch Auftragen einer SU8-Schicht auf die erste PMMA-Schicht und anschließende Belichtung dieser SU8-Schicht erfolgt.procedure after claim 1 , characterized in that the protective layer (5) is formed by applying an SU8 layer to the first PMMA layer and then exposing this SU8 layer to light. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der ersten PMMA-Schicht und/oder die Ausbildung der zweiten PMMA-Schicht durch Schichtauftrag mittels Spin Coating und anschließender thermischer Aushärtung erfolgt.procedure after claim 1 , characterized in that the formation of the first PMMA layer and/or the formation of the second PMMA layer takes place by layer application by means of spin coating and subsequent thermal curing. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen der SU8-Schicht auf der Schutzschicht (5) und/oder das Auftragen der SU8-Schicht auf der ersten PMMA-Schicht mittels Spin Coating erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the SU8 layer is applied to the protective layer (5) and/or the SU8 layer is applied to the first PMMA layer by means of spin coating. Optischer Wellenleiter (1), aufweisend eine untere Mantelschicht (4) aus PMMA, eine Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) aus SU8 und eine obere Mantelschicht (7) aus PMMA, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) mittels photolithographischer Strukturierung einer SU8-Schicht gebildet ist und dass zwischen der unteren Mantelschicht (4) und der Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) eine Schutzschicht (5) angeordnet ist und dass diese Schutzschicht (5) gegenüber der bei der photolithographischen Entwicklerflüssigkeit beständig ist und die Schutzschicht (5) innerhalb des optischen Wellenleiters (1) im Wesentlichen optisch inaktiv ist.Optical waveguide (1) having a lower cladding layer (4) made from PMMA, a core layer (6, 6a, 6b, 6c) made from SU8 and an upper cladding layer (7) made from PMMA, characterized in that the core layer (6, 6a, 6b, 6c) is formed by photolithographic structuring of an SU8 layer and that a protective layer (5) is arranged between the lower cladding layer (4) and the core layer (6, 6a, 6b, 6c) and that this protective layer (5) is opposite to the is stable in the photolithographic developer liquid and the protective layer (5) within the optical waveguide (1) is essentially optically inactive. Optischer Wellenleiter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) eine SU8-Schicht ist.Optical waveguide (1) according to claim 5 , characterized in that the protective layer (5) is a SU8 layer. Optischer Wellenleiter (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Kernschichten (6, 6a, 6b, 6c) aufweist.Optical waveguide (1) according to one of Claims 5 until 6 , characterized in that it comprises a plurality of core layers (6, 6a, 6b, 6c) arranged next to one another. Optischer Wellenleiter (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Mantelschicht (4) eine Schichtstärke von 5 µm bis 10 µm, die obere Mantelschicht (7) eine Schichtstärke von 2 µm bis 5 µm, die Schutzschicht (5) eine Schichtstärke von 0,1 µm bis 0,2 µm und die Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) eine Schichtstärke von 5 µm bis 15 µm aufweisen.Optical waveguide (1) according to one of Claims 5 until 7 , characterized in that the lower cladding layer (4) has a layer thickness of 5 µm to 10 µm, the upper cladding layer (7) has a layer thickness of 2 µm to 5 µm, the protective layer (5) has a layer thickness of 0.1 µm to 0. 2 µm and the core layer (6, 6a, 6b, 6c) have a layer thickness of 5 µm to 15 µm. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernschicht (6, 6a, 6b, 6c) quer zur Lichtlaufrichtung eine Breite von 5 µm bis 15 µm und die nebeneinander angeordneten Kernschichten (6, 6a, 6b, 6c) einen Abstand von 10 µm bis 20 µm aufweisen.optical waveguide claim 7 and 8th , characterized in that the core layer (6, 6a, 6b, 6c) has a width of 5 µm to 15 µm transversely to the direction of light travel and the core layers (6, 6a, 6b, 6c) arranged next to one another have a spacing of 10 µm to 20 µm . Optischer Wellenleiter (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine laterale Periodizität (L) von kleinergleich 50 µm, vorzugsweise kleinergleich 25 µm aufweist.Optical waveguide (1) according to one of Claims 7 until 9 , characterized in that it has a lateral periodicity (L) of less than or equal to 50 µm, preferably less than or equal to 25 µm. Medizinisches Implantat, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen optischen Wellenleiter (1) gemäß Anspruch 8 oder 9 aufweist.Medical implant, characterized in that this has an optical waveguide (1) according to claim 8 or 9 having. Medizinisches Implantat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Cochlea-Implantat ist.Medical implant after claim 11 , characterized in that this is a cochlear implant.
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