DE19725471A1

DE19725471A1 - Verfahren zur Herstellung eines integriert-optischen Wellenleiterbauteils

Info

Publication number: DE19725471A1
Application number: DE1997125471
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pott; Hans Dr Kragl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Harting Elecktro Optische Bauteile GmbH and Co KG
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1998-12-24

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines integriert-optischen Wellenleiterbauteils nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 196 19 353.2 ist ein integriert-optisches Wellenleiterbauteil bekannt welches Faserankopplungen aufweist. Es weist ein Substrat aus polymerem Material auf, welches im wesentlichen quaderförmig aufgebaut ist. An den äußeren Enden des Substrats sind V-nutförmige Faserankopplungsbereiche vorgesehen. Im Mittelbereich des Substrats ist eine Wellenleitervertiefung vorgesehen, welche die V-nutförmigen Faserankoppelbereiche verbindet. In den Grenzbereichen zwischen den V-nutförmigen Faserankopplungsbereichen und der Wellenleitervertiefung befinden sich Vertiefungen mit rechteckigem Querschnitt, welche in etwa senkrecht zu den V-nutförmigen Faserankopplungsbereichen verlaufen.

Das integriert-optische Bauteil wird hergestellt, indem ein optisch transparenter Kleber auf das Substrat aufgebracht wird, und daraufhin ein Strip-off-Deckel auf das Substrat aufgedrückt wird. Der Strip-off-Deckel weist im Bereich der V-Nuten eine dachfirstartige Erhöhung auf, welche exakt in die V-nutförmigen Faserankoppelbereiche einrastet. Darüberhinaus weist er eine Erhebung mit rechteckigem Querschnitt auf, welche in die Vertiefungen mit rechteckigem Querschnitt des Substrats einrastet. Durch den Druck wird der Kleber aus dem Bereich zwischen Substrat und Deckelbauteil ausgetrieben und verbleibt nur in der Wellenleitervertiefung, wo er nach Aushärtung einen Wellenleiter bildet.

Zur Ausübung des Drucks sind sehr einfache Mechanismen denkbar. Beispielsweise wird das integriert-optische Bauteil nach Befüllen mit dem Kleber zwischen zwei Metallplatten gelegt, welche mittels Schraubzwingen oder Verschraubung zusammengepreßt werden.

Weiterhin ist aus der unveröffentlichten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 197 04 856.0 eine Vorrichtung zur Ausübung von Druck und gleichzeitiger Erwärmung des Substrats bekannt.

Nach dem Stand der Technik wird das Substrat durch zweimaliges Abformen eines Masters hergestellt. Die erste Abformung des Masters erfolgt hierbei durch galvanische Beschichtung beispielsweise mit Nickel, die zweite Abformung durch eine Kunststoffabformtechnik, beispielsweise Heißpressen, Gießen, insbesondere Druckguß oder Reaktionsguß. Das Masterbauteil wird aus einkristallinem Silizium hergestellt, wobei die V-nutförmigen Faserankoppelbereiche durch anisotropes Ätzen, beispielsweise in Kaliumhydroxid, erzeugt werden, die Wellenleitervertiefung wird durch Ätzen mit reaktiven Ionen (RIE, Reactive Ion Etching) hergestellt, die Vertiefungen mit rechteckigem Querschnitt werden beispielsweise durch Sägeschnitte einer Wafersäge realisiert. Der Strip-Off- Deckel wird durch einmalige galvanische Abformung eines Master-Deckels hergestellt, welcher ebenfalls aus Silizium besteht und ebenso hergestellt wurde wie das Masterbauteil für das Substrat. Insbesondere ist der Abstand zwischen den Sägeschnitten auf den beiden Masterbauteilen genau gleich.

Da das für die Kunststoffabformung verwendete PMMA über einen deutlich höheren Ausdehnungskoeffizienten als Nickel verfügt (70.10⁶.K^-1 im Vergleich zu 13.10⁶K^-1, wobei andere Kunststoffe über ähnliche Ausdehnungskoeffizienten wie PMMA verfügen und Silizium dem Nickel sehr ähnlich ist), passen der Strip-Off-Deckel und das Substrat nur bei der Temperatur zusammen, bei welcher der Kunststoffabformschritt für das Substrat vorgenommen wurde. Diese Temperatur beträgt in der Regel ungefähr 80°. Bei Raumtemperatur ist der Strip-Off- Deckel zu lang. Dieser Sachverhalt führt einerseits zu einer unsauberen Wellenleiterfüllung, andererseits jedoch auch zur Verletzung der verschiedenen ineinander greifenden Mikrostrukturen, beispielsweise der V-förmigen Wellenleiternuten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß es besonders hochwertige Wellenleiter liefert, wobei gleichzeitig alle Mikrostrukturen im Substrat intakt bleiben.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.

Besonders vorteilhaft ist, im Substrat weitere Mikrostrukturen vorzusehen, da auf diese Weise durch Aufsetzen eines passenden Deckels auf das Substrat ein hybridintegriertes mikrooptisches Bauteil erhalten werden kann. Beispielsweise ist auf diese Art möglich, einen Deckel, in welchen ein Detektor, thermooptisches Bauteil, oder ähnliches eingegossen ist, aufzusetzen und mit Hilfe der weiteren Mikrostrukturen zu positionieren.

Weiterhin ist es vorteilhaft, zusätzlich zur durch die thermische Ausdehnung eingebrachten Spannung noch mechanischen Druck aufzubringen, insbesondere uniaxialen Druck, um somit für eine besondere Konzentrierung des Klebers auf die Wellenleiternuten zu sorgen, wodurch ein besserer Wellenleiter entsteht.

Indem auf der Rückseite des Strip-Off-Deckels etwa in Höhe der Erhebung mit dem rechteckigen Querschnitt, eine Verstärkung angebracht wird, lassen sich einerseits die Form der Aufbiegung des Deckels bei niedrigen Temperaturen, sowie andererseits die Art und Weise wie sich der Deckel durch Erwärmung an das Substrat annähert, beeinflussen.

Es ist besonders vorteilhaft, das aushärtbare Material mit einem bei höheren Temperaturen zerfallenden Thermoinitiator zu versehen, da dann die Polymeristaion des Kernmaterials erst bei höheren Temperaturen beginnt, vorteilhafterweise erst bei der Temperatur, bei der Substrat und Deckel genau ineinanderrasten.

Es ist schließlich vorteilhaft, wenigstens die beiden Arbeitsschritte, welche zum Aushärten des Klebers führen, in einer Atmosphäre mit erhöhtem Druck durchzuführen, da somit verhindert wird, daß der Kleber partiell siedet, bevor er aushärtet.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1a bis 1c ein erfindungsgemäßes Verfahren.

Beschreibung

Fig. 1a bis 1c zeigen ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines integriert-optischen Wellenleiterbauteils. Fig. 1a zeigt ein Substrat 1 und einen Strip-Off-Deckel 2 vor dem Zusammenfügen im Querschnitt. Sowohl das Substrat 1 als auch der Strip-Off-Deckel 2 sind in der Grundform quaderförmige Platten mit einem rechteckigen Grundriß. Im Substrat 1 befinden sich zwei Faserankopplungsbereiche, welche als V-Nuten 6 ausgebildet sind. Beide V-Nuten 6 verlaufen in etwa senkrecht zu einer der Begrenzungslinien des Substrats 1. Die beiden V-Nuten 6 sind über die Wellenleitervertiefung 3 miteinander verbunden. Die Wellenleitervertiefung 3 hat die Form eines langgezogenen Grabens mit in etwa rechteckigem oder quadratischem Querschnitt. Am Ende der V-Nut 6, zwischen der V-Nut 6 und der Wellenleitervertiefung, finden sich Vertiefungen 4 mit rechteckigem Querschnitt, welche in etwa senkrecht zu den V- Nuten 6 verlaufen. Die Tiefe der Vertiefungen 4 ist größer als die Tiefe der Wellenleitervertiefung 3. Der Strip-Off- Deckel 2 stellt sich als Negativabbild des Substrats 1 mit Ausnahme der Wellenleitervertiefung 3 dar. So verfügt er über dachfirstförmige Erhebungen 11, wo das Substrat 1 über V-Nuten 6 verfügt, und über Erhebungen 4 mit rechteckigem Querschnitt wo das Substrat über Vertiefungen 4 mit rechteckigem Querschnitt verfügt.

Der Deckel 2 besteht aus Nickel, und wird durch galvanische Herstellung eines Siliziummasters hergestellt. Das Substrat 1 besteht beispielsweise aus vernetztem PMMA (Plexiglas), welches durch zweimaliges Abformen eines Siliziummasters gewonnen wird. Hierbei besteht die erste Abformung aus einer galvanischen Formung, beispielsweise mit Nickel und die darauffolgende zweite Abformung beispielsweise aus einem Polymerabformverfahren. Die Herstellung des Substrats 1 und des Strip-Off-Deckels 2 ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 196 19 353.2 näher beschrieben.

Vorzugsweise werden die Masken für die Herstellung des Masters für den Strip-Off-Deckel und für die Herstellung des Masters für das Substrats gemeinsam hergestellt und weisen gleiche Abmessungen auf. Demzufolge sind die Abmessungen des Strip-Off-Deckels 2 und des Substrats 1 bei der Temperatur genau gleich, bei der das Substrat 1 von seiner Nickelvorläuferstruktur entformt wird. Diese Temperatur beträgt üblicherweise etwa 80°C. Bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Polymerwerkstoffen und metallischen Werkstoffen, stimmen das Substrat 1 und der Strip-Off-Deckel 2 jedoch bei Raumtemperatur nicht in ihren Abmessungen genau überein, wie es in Fig. 1a gezeigt ist, wobei die Fig. 1a jedoch nicht die wahren Größenverhältnisse widerspiegelt.

In einem ersten Verfahrensschritt wir die Temperatur von Substrat 1 und Strip-Off-Deckel 2 so geändert, daß beide genau ineinander passen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sowohl Substrat 1 als auch Strip-Off-Deckel 2 auf die Abformtemperatur für das Substrat 1 erwärmt werden. Ebenso ist es jedoch möglich, nur das Substrat zu erwärmen, in diesem Fall auf eine Temperatur, welche geringfügig unter der Abformtemperatur liegt, und den Deckel bei Raumtemperatur zu belassen. Auch andere Kombinationen aus Substrattemperatur und Deckeltemperatur sind denkbar, sofern sie eine genaue Passung ermöglichen.

Sobald der Strip-Off-Deckel 2 in das Substrat eingerastet ist, wird die Anordnung wieder abgekühlt, wodurch sich die in Fig. 1b gezeigte Zwischenstufe ergibt. Hierbei liegt der Strip-Off-Deckel 2 auf dem Substrat 1 auf, jedoch nicht in allen Bereichen bündig. Die dachfirstförmige Erhebung 11 des Strip-Off-Deckels 2 liegt in der V-Nut 6 des Substrats 1, ebenso liegt die Erhebung 5 in der Vertiefung 4. Im Bereich zwischen den Erhebungen 5 jedoch wölbt sich der Strip-Off- Deckel 2, so daß sich ein Zwischenraum zwischen dem Substrat 1 und dem Strip-Off-Deckel 2 bildet. Durch diesen Spalt kann mit Hilfe eine geeigneten Applikators 12, beispielsweise einer Pipette, eine aushärtbare transparente Masse 13 auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht werden.

Um die gewünschte Anordnung zu erzielen, mag es vorteilhaft sein, Substrat und Strip-Off-Deckel an den Enden in den Bereichen der V-Nuten aufeinander zu fixieren, beispielsweise mit einer Klammer. Vorteilhafterweise geschieht dies noch vor dem Abkühlen; es soll jedoch nicht erfindungsrelevant sein.

Im nächsten in Fig. 1c dargestellten Verfahrensschritt wird die Anordnung aus Substrat 1 und Strip-Off-Deckel 2 wieder auf eine erhöhte Temperatur gebracht, welche in etwa der Temperatur entspricht, bei welcher Strip-Off-Deckel 2 und Substrat 1 zueinander passen. Bei dieser Temperatur ist weiterhin die Erhebung 5 im Eingriff in der Vertiefung 4 und die dachfirstförmige Erhebung 11 im Eingriff in der V-Nut 6. Der bei tieferen Temperaturen vorhandene Spalt bildet sich jedoch zurück, so daß der Strip-Off-Deckel 2 bündig auf dem Substrat 1 aufliegt. Hierdurch wird die aushärtbare transparente Masse in die Wellenleitervertiefung 3 gedrückt und härtet dort aus. Durch Eingriff der dachfirstförmigen Erhebung 11 in der V-Nut 6 wird sichergestellt, daß die aushärtbare transparente Masse nicht in die V-Nut gelangt.

Nach Beendigung der Aushärtung wird der Strip-Off-Deckel 2 vom Substrat 1 entfernt, welches dann ein mikrooptisches Wellenleiterbauteil mit einem in den Wellenleitervertiefungen erzeugten Wellenleiter bildet.

Es mag mitunter notwendig sein, den Druck auf die aushärtbare transparente Masse 13 zu verstärken. Dies ist auf zweierlei Arten möglich: einerseits kann die Temperatur für den in Fig. 1c gezeigten Verfahrensschritt noch weiter erhöht werden, wodurch der Strip-Off-Deckel 2 unter Zugspannung gesetzt wird, andererseits ist es auch möglich, die gesamte Anordnung aus Substrat 1 und Strip-Off-Deckel in eine Vorrichtung zur Erzeugung uniaxialen Drucks einzubringen, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 197 04 856.0 bekannt ist.

Für die aushärtbare transparente Masse 13 sollte ein Material gewählt werden, welches mit einem bei höheren Temperaturen (beispielsweise 60 bis 80°C) zerfallenden Thermoinitiator versetzt ist.

Bei der Durchführung des Verfahrens ist zu berücksichtigen, daß die Möglichkeit besteht, daß die aushärtbare transparente Masse 13 noch vor dem Aushärten zu sieden beginnt. Diesem Problem kann dadurch begegnet werden, daß das Aufheizen in einer Atmosphäre mit erhöhtem Druck erfolgt. Beispielsweise ist es möglich, das Aufheizen in einem Druckgefäß mit Stickstoff vorzunehmen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Substrats für ein integriert optisches Bauelement, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a. Bereitstellung eines Substrats (1) mit zwei ersten Mikrostrukturen (4) und einer zweiten Mikrostruktur (3),
b. Bereitstellung eines Deckels (2) mit zwei Deckel- Mikrostrukturen (5), wobei die Abmessungen und die Anordnung der Deckel-Mikrostrukturen (5) so gewählt sind, daß die Deckel-Mikrostrukturen (5) in die ersten Mikrostrukturen (4) des Substrats bei einer vorgegebenen ersten Temperatur einrasten können.
c. Auflegen des Deckels auf das Substrat,
d. Erwärmen von Deckel und Substrat auf die vorgegebene erste Temperatur,
e. Einbringen von geeigneten Kräften, um die Deckel- Mikrostrukturen in die ersten Mikrostrukturen des Substrats einzurasten,
f. Ändern der Temperatur, insbesondere Abkühlen, von Deckel und Substrat auf eine vorgegebene zweite Temperatur, wobei die Einrastung der Deckel-Mikrostrukturen in die ersten Mikrostrukturen des Substrats erhalten wird, so daß sich der Deckel zwischen den einrastenden Strukturen unter Bildung eines Spalts vom Substrat wegwölbt,
g. Einfüllen eines durch Erwärmung aushärtbaren transparenten Materials (13) in die zweite Mikrostruktur durch den Spalt, beispielsweise mit Hilfe einer Pipette,
h. Ändern der Temperatur, insbesondere Erwärmen, von Deckel und Substrat, vorzugsweise auf die erste Temperatur, so daß sich der Deckel auf dem Substrat glattzieht und/oder leicht gespannt wird,
i. Aushärten des aushärtbaren Materials, wobei die Schritte c. und d. auch in ihrer zeitlichen Abfolge vertauscht werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel nach Aushärten des aushärtbaren Materials vom Substrat abgezogen wird, wobei das ausgehärtete Material im Substrat verbleibt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Substrat weitere Mikrostrukturen (6) vorgesehen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit dem aufgebrachten Deckel in eine Vorrichtung zur Einbringung von uniaxialem Druck eingebracht wird und daß das Aushärten des aushärtbaren Materials unter Einwirkung einer Kraft vorgenommen wird, durch welche der Deckel und das Substrat aneinandergepreßt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der nicht strukturierten Seite des Deckels gegenüber dem Bereich der ersten Mikrostrukturen Verstärkungen vorgesehen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aushärtbare Material mit einem bei höheren Temperaturen zerfallenden Thermoinitiator versehen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Arbeitsschritte h. und i. in einer unter Druck stehenden Atmosphäre, insbesondere unter hohem Luftdruck oder in einer Stickstoffatmosphäre, vorgenommen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck etwa 6 bar beträgt.