DE19712297A1

DE19712297A1 - Verfahren zur Herstellung von lichtführenden Strukturen

Info

Publication number: DE19712297A1
Application number: DE1997112297
Authority: DE
Inventors: Nils Kummer; Roland Dr Mueller-Fiedler; Lars Erdmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1998-10-01
Also published as: EP1135704A1; JP2001518206A; WO1998043120A1

Description

Stand der Technik

Aus dem Artikel "The mancufacture of microlenses by melting photoresist" in der Zeitschrift J. Meas. Sci. Technol. 1, Seiten 759ff von 1990 ist schon ein Verfahren zur Herstellung von lichtführenden Strukturen bekannt. Bei den lichtführenden Strukturen handelt es sich hierbei um sogenannte Mikrolinsen, welche auf einem Substrat aufgebracht sind. Diese Mikrolinsen finden ihre Anwendung zum Beispiel in der Photoelektronik.

Hierbei wird ein Substrat, beispielsweise ein Halbleitersubstrat mit einem Photolack beschichtet, welcher in einem nächsten Schritt mit photolithographischen Methoden so strukturiert wird, daß kleine Lackzylinder auf der Substratoberfläche stehen bleiben. Diese Lackzylinder werden bis zum Schmelzpunkt des Photolacks erhitzt, so daß unter Berücksichtigung der Oberflächenspannung des angeschmolzenen Lacks sich kleine linsenförmige Erhebungen auf der Substratoberfläche bilden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der Photolack während der Schmelzprozedur Lösungsmittel verliert und aufgrund der notwendigen hohen Temperaturen seine chemische Konsistenz ändert. Dadurch kommt es zu Abweichungen von der gewünschten Sollstruktur bei der Ausprägung der Linsenoberflächen. Dies führt zu Abbildungsfehlern, welche die Funktion der optischen System beeinträchtigen können. Darüber hinaus verliert der Photolack beim Schmelzverfahren durch die Temperatureinwirkung seine Photoempfindlichkeit. Weitere Strukturierungsschritte nach Herstellung der Mikrolinsen sind deshalb nicht mehr möglich. Schließlich können auch die optischen Eigenschaften des Linsenmaterials, insbesondere Brechungsindex und Absorbtionskoeffizient durch die hohen Temperaturen verändert werden, was ebenfalls zu Beeinträchtigungen der optischen Qualität des lichtführenden Systems führt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß Mikrolinsen in einem sehr großen Bereich von optischen Parametern hergestellt werden können. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der Photolack während der Linsenformung chemisch unverändert bleibt und damit auch strukturierbar bleibt. Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten optischen Komponenten lassen sich daher nach der Herstellung in weiteren Schritten strukturieren. Darüber hinaus ist das Verfahren besonders kostengünstig. Schließlich bleibt als Vorteil zu nennen, daß das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, optische Komponenten mit besonders hoher Oberflächengüte und besonders günstiger Form herzustellen. Beispielsweise können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Linsen hergestellt werdend welche sehr nahe am Ideal der sphärischen Form liegen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich. So ist es besonders vorteilhaft, das Aushärten des Photolacks auf einer Heizplatte vorzunehmen, da hierdurch das Verfahren sich besonders einfach gestaltet.

Das Aufweichen der Photolackschicht durch Tempern in einer Lösungsmittelatmosphäre bei leicht erhöhter Temperatur hat sich als eine besonders schonende Methode herausgestellt, die Lackstrukturen aufzuweichen. Außerdem wird durch dieses Verfahren eine gleichmäßige Lösungsmittelverteilung innerhalb der Lackstruktur bewirkt, welche eine ideale Linsenform besonders begünstigt.

Je nach Ausformung der vorgegebenen Bereiche kann beispielsweise ein Wellenleiter, aber auch eine Linse hergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die Lackstrukturen auf Erhebungen im Substrat aufgebracht werden. Die lateralen Abmessungen der Erhebungen werden hierbei etwas größer gewählt als die lateralen Abmessungen der Lackstrukturen. Durch das Quellen benetzt der Lack die Erhebungen und vergrößert seine lateralen Abmessungen geringfügig bis auf die lateralen Abmessungen der Erhebungen. Durch das Vorsehen von Erhebungen ist eine besonders genaue Einhaltung von vorgegebenen Abmessungen möglich.

Das Herstellungsverfahren wird besonders rationell und einfach, wenn die Erhebungen aus dem Substratmaterial herausstrukturiert werden, und wenn für dieses Herausstrukturieren die Maske aus der Lackschicht hergestellt wird, welche in einem darauffolgenden Schritt auch zur Herstellung der Lackstruktur dient.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1a bis d ein erstes Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen, Fig. 2a bis d ein zweites Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen.

Beschreibung

Anhand der Fig. 1a bis 1d soll ein erstes Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen auf einem Siliziumsubstrat illustriert werden.

Den Ausgangspunkt für das Verfahren stellt das Substrat 1 darf auf welches eine Mikrolinse aufgebracht werden soll. Das Substrat 1 kann eine elektrische, mikrooptische oder optoelektronische Schaltung sein, kann aber auch, wie im hier gewählten Ausführungsbeispiel, aus einkristallinem Silizium bestehen. Das als Ausgangsstruktur dienende Substrat 1 ist in Fig. 1a dargestellt.

Zunächst wird auf dem Substrat 1 ganzflächig durch Aufschleudern eine Lackschicht 4 aus Photolack mit definierter Dicke aufgetragen. Alternativ könnte das Auftragen auch durch Eintauchen in Lack hergestellt werden. Als Lack kann beispielsweise AZ4562 von Hoechst herangezogen werden, welcher mit Lösungsmittel AZ1500 vorschriftsmäßig verdünnt wird. Anschließend wird dem Lack durch einen Temperprozeß der größte Teil des Lösungsmittels entzogen. Auf die gehärtete Lackschicht 4 wird eine Maske 5 aufgelegt. Die Maske weist im hier gewählten Ausführungsbeispiel eine Kreisform auf, so daß sie im Lack zylinderförmige Bereiche definiert, aus welchen später die Linsen geformt werden. Die mit der Maske 5 belegte Lackschicht 4 wird Licht einer geeigneten Wellenlänge ausgesetzt, so daß die exponierten Bereiche der Lackschicht 4 den belichteten Teil 8 der Lackschicht 4 und die von der Maske 5 bedeckten Bereiche den unbelichteten Teil 9 der Lackschicht 4 bilden. Fig. 1b zeigt das mit der Lackschicht 4 versehene Substrat 1 nach dem Belichten und vor Abnehmen der Maske 5.

Fig. 1c zeigt das Substrat 1 nach Beendigung des nächsten Verfahrensschritts, bei welchem die Maske 5 abgenommen wird und anschließend der belichtete Teil 8 der Lackschicht 4 abgelöst wird. Es empfiehlt sich die Verwendung von metallionenfreiem Entwickler, da dieser die zurückbleibenden Photolackstrukturen besonders schonend behandelt. Der unbelichtete Teil 9 der Lackschicht 4 bildet nun eine Lackstruktur 6. Das Substrat 1 mit darauf befindlichen Lackstruktur 6 wird nun bei erhöhter Temperatur, beispielsweise 70°C, einer kontrollierten Lösungsmittelatmosphäre für eine Zeitdauer von etwa 45 min ausgesetzt. Hierbei dringt das Lösungsmittel in den Lack ein, wodurch die Lackstruktur 6 aufweicht und zerfließt. Aufgrund der Oberflächenspannung bildet sich eine (etwas) sphärische Linse 7 auf dem Substrat 1 heraus, wie sie in Fig. 1d dargestellt ist.

Im Gegensatz zu den Verfahren, welche zum Stand der Technik gehören, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, deutlich niedrigere Temperaturen zur Erzeugung der Linse 7 aus der Lackstruktur 6 heranzuziehen. Durch die niedrigeren Temperaturen wird das Linsenmaterial schonender bearbeitet und weist daher sowohl eine höhere Oberflächengüte als auch bessere optische Eigenschaften auf. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf die Verwendung von Photolack beschränkt. Es ist gleichermaßen möglich und vorgesehen, einen transparenten und mit Lösungsmittel aufweichbaren Kunststoff zu verwenden, beispielsweise Polyimid.

Fig. 2a bis 2d geben ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen an, wobei gleiche Komponenten der einzelnen Zwischenprodukte mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet wurden.

Das Verfahren geht wiederum aus von einem Siliziumsubstrat 1, welches eine Stufe 2 aufweist, die eine Erhebung 3 begrenzen. Ein solches Substrat 1 ist in Fig. 2a gezeigt.

Das mit der Stufe 2 versehene Substrat 1, das in Fig. 2a gezeigt ist, läßt sich beispielsweise durch Beschichtung mit einem Photolack herstellen, welcher dann in Form der Erhebung 3 strukturiert wird, indem er in den nicht die Erhebung bedeckenden Bereichen entfernt wird. Sodann wird eine Oberflächenschicht vom Substrat abgetragen, wobei die nicht entfernten Bereiche des Lacks einen Teil der Oberfläche schützen. Nach Entfernung des restlichen Lacks bleibt ein Substrat 1 mit einer Stufe 2 zurück, wie es in Fig. 2a dargestellt ist.

Fig. 2b zeigt das in Fig. 2a dargestellte Substrat 1, nachdem es mit einer Lackschicht 4 bedeckt wurde.

Fig. 2c zeigt das Zwischenergebnis nach dem nächsten Verfahrensschritt, bei welchem aus der Lackschicht 4 eine Lackstruktur 6 herausstrukturiert wurde, wobei die Strukturierung schon in Fig. 1 beschrieben wurde. Die Lackstruktur 6 liegt auf der Erhebung 3 und weist etwas geringere laterale Abmessungen als die Erhebung 3 auf. Sowohl die Erhebung 3 als auch die Lackstruktur 6 weisen einen runden, leicht ovalen Grundriß auf.

Das in Fig. 2d dargestellte Zwischenprodukt wird wiederum wie schon zu Fig. 1d beschrieben, bei etwas erhöhter Temperatur einer kontrollierten Lösungsmittelatmosphäre ausgesetzt. Das Lösungsmittel dringt in die Lackstruktur 6 ein, wodurch die Viskosität des Materials herabgesetzt wird. Die Lackstruktur zerfließt und vergrößert ihren Durchmesser bis auf den Durchmesser der Erhebung. Wiederum bildet sie aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine runde Form, wobei in diesem Ausführungsbeispiel eine Linse mit leicht ellipsenförmiger Basis realisiert wird.

Durch die Vorgabe der Erhebung kann der Linsendurchmesser und die Linsenform unabhängig von Disfusions- und Fließparametern vorgegeben werden.

Die in Fig. 1d bzw. 2d dargestellte Mikrolinse kann auch einem Substratmaterial hergestellt werden, in dem die Linse 7 zusammen mit dem darunterliegenden Substratmaterial abgetragen wird, wobei eine Methode verwendet wird, welche das Substratmaterial und den Photolack mit etwa gleichen Ätzraten abträgt. Ätzen mit Hilfe eines reaktiven Ionenstrahls stellt beispielsweise eine solche Methode dar. Es ist jedoch ebenso möglich und vorstellbar, die aus Photolack geformte Linse als optisches Element zu benutzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich jedoch nicht alleine auf Linsen als lichtführende Strukturen. Es ist ebenso vorgesehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters, also einen länglichen transparenten Objekts auf einem Substrat herangezogen wird.

Das in den Fig. 2a bis. 2d wiedergegebene Verfahren kann weitervereinfacht werden, indem dieselbe Lackschicht zur Herstellung der Erhebung 3 und der Lackstruktur 6 herangezogen wird. Zu diesem Zweck wird auf ein Substrat ohne Erhebung eine Photolackschicht aufgebracht, aus welcher eine erste Lackstruktur mit den lateralen Abmessungen der Erhebung herausstrukturiert wird. Diese erste Lackstruktur dient als Maske zum Abtragen des Substrats. Nach Herstellung der Erhebung kann aus der ersten Lackstruktur eine gegebenenfalls geringfügig kleinere zweite Lackstruktur hergestellt werden, wodurch wiederum das in Fig. 2c dargestellte Zwischenprodukt erreicht wurde. Der Vorteil dieses modifizierten Verfahrens liegt in der geringeren Anzahl von Belackungsschritten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von strahlführenden optischen Elementen, auf einem Substrat (1), insbesondere auf einem integriert-optischen Bauteil, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Aufbringen einer Photolackschicht (4) auf das Substrat (1)
b) Aushärten der Photolackschicht (4)
c) Abtragen der Photolackschicht (4) bis auf einen vorgegebenen Bereich, so daß Lackstrukturen (6) entstehen
e) Aufweichen der Lackstrukturen (6)
f) Trocknen der Lackstrukturen (6)

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der mit den Lackstrukturen (6) bedeckte Bereich des Substrats abgetragen wird, wobei die Abtragungsmethode so gewählt wird, daß der Photolack und das Substrat mit der gleichen Abtragungsrate abgetragen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen durch reaktives Ionenätzen vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten durch Tempern bei einer zur Austreibung des Lösungsmittels geeigneten Temperatur in Luft vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen der Photolackschicht durch Ätzen mit metallionenfreiem Entwickler erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufweichen der Photolackschicht durch Tempern in einer mit Lösungsmittel angereicherten, insbesondere gesättigten, Atmosphäre bei leicht erhöhter Temperatur, insbesondere etwa 70°C, erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Bereich, in dem die Photolackschicht nach dem Abtragen zurückbleibt, in etwa linienförmig gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Bereich, in dem die Photolackschicht nach dem Abtragen zurückbleibt, in etwa rund, insbesondere kreisförmig oder elliptisch, gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat eine Stufe (2) erzeugt wird, die eine Erhebung (3) begrenzt, daß die Erhebung den vorgegebenen Bereich umfaßt,

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe vor dem Aufbringen der Photolackschicht erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photolackschicht mit einem Abbild der Erhebungen elichtet und außerhalb der Erhebungen abgetragen wird, daß das Substrat in den Bereichen, in denen die Photolackschicht abgetragen wurde, wenigstens teilweise abgetragen wird.