DE19818012B4 - Process for the production of integrated digital thermo-optical switches - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung integrierter digitaler thermooptischer Schalter mit über einem Substrat (1) liegenden Wellenleiterstegen (5) aus einem lichtleitenden Polymermaterial, mit folgenden Schritten:
A) Aufschleudern einer Schicht (2) eines ersten Polymers auf dem Substrat (1) und anschließendes Aushärten der ersten Polymerschicht;
B1) Aufschleudern einer Schicht (3) eines zweiten Polymers auf der Schicht (2) des ersten Polymers, wobei das zweite Polymer eine höhere Brechzahl hat als das erste Polymer;
B2) Auflegen oder Anbringen einer Belichtungsmaske (4) in geringem Abstand über der Schicht (3) des zweiten Polymers, wobei die Maske (4) Öffnungen aufweist, die den zu bildenden Wellenleiterstegen (5) entsprechen, und anschließende Aushärtung der den Wellenleiterstegen (5) entsprechenden Polymerbereiche mit W-Belichtung durch die Maske (4) hindurch, dadurch gekennzeichnet, dass
C) die nicht gehärteten Bereiche in der Schicht (3) des zweiten Polymers entfernt werden,
D) die aus Schritt C) resultierenden Wellenleiterstege (5) durch Aufschleudern einer Deckschicht (2') des ersten...Method for producing integrated digital thermo-optical switches with waveguide webs (5) lying over a substrate (1) made of a light-conducting polymer material, comprising the following steps:
A) spinning a layer (2) of a first polymer onto the substrate (1) and then curing the first polymer layer;
B1) spinning a layer (3) of a second polymer onto the layer (2) of the first polymer, the second polymer having a higher refractive index than the first polymer;
B2) Placing or attaching an exposure mask (4) at a short distance above the layer (3) of the second polymer, the mask (4) having openings which correspond to the waveguide webs (5) to be formed, and subsequent curing of the waveguide webs (5 ) corresponding polymer areas with UV exposure through the mask (4), characterized in that
C) the uncured areas in the layer (3) of the second polymer are removed,
D) the waveguide webs (5) resulting from step C) by spinning on a cover layer (2 ') of the first ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung integrierter digitaler thermooptischer Schalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen damit hergestellten digitalen integrierten thermooptischen Schalter.The invention relates to a method for the production of integrated digital thermo-optical switches according to the generic term of claim 1 and a digital integrated manufactured with it thermo-optical switch.

Für die optische Nachrichtenübertragung in optisch transparenten Nachrichtennetzen ("OPN") nach, dem Wellenlängenmultiplexprinzip ("WDM") werden optische Schaltmatrizen benötigt, welche optische Signale eines beliebigen Eingangs auf einen beliebigen Ausgang schalten können. Desweiteren besteht in optischen Netzen ein Bedarf an Leitungsersatzschaltungen, die bei einer Funktionsstörung, beispielsweise durch Unterbrechung einer Übertragungsfaser rasch auf eine Ersatzleitung umschalten können.For optical communication in optically transparent communication networks ("OPN"), the wavelength division multiplex principle ("WDM") become optical Switching matrices required, what optical signals from any input to any Can switch output. Furthermore, there is a need for line replacement circuits in optical networks, those with a malfunction, for example by interrupting a transmission fiber can quickly switch to a replacement line.

Ein dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines digitalen thermooptischen Schalters ist aus einem Fachartikel von Dr. Gerhard Benz: "Optoelektronische Mikrosysteme" in "Elektronik 21/1993" auf den Seiten 134-142 beschrieben. Bei dem bekannten Verfahren werden die nicht gehärteten Bereiche in der Schicht des zweiten Polymers nicht entfernt, sondern die ganze Schicht durch Ausheizen gehärtet, und eine UV-Bestrahlung bestimmter Bereiche führt an den belichteten Stellen zu einer lokalen Erhöhung des Brechungsindex in der zweiten Polymerschicht. In diesem Verfahren wird vorgeschlagen, über der oberen Abdeckschicht Heizelemente anzubringen, um die Funktion des thermooptischen Schalters zu gewährleisten. Dabei dient jedoch der Substrathalter nicht als Wärmesenke des thermooptischen Schalters, wodurch keine Einstellung des Schaltverhaltens über die Schichtdicke der zwischen den Elektroden und der Wärmesenke liegenden Polymerschichten möglich ist.A the preamble of the claim 1 corresponding method for producing a digital thermo-optical Switch is from a specialist article by Dr. Gerhard Benz: "Optoelectronic Microsystems "in" Electronics 21/1993 "on pages 134-142 described. In the known method, the non-hardened areas not removed in the layer of the second polymer, but the whole Layer hardened by baking, and UV radiation leads to certain areas to a local increase in the refractive index in the exposed areas the second polymer layer. In this procedure it is suggested that the top cover layer to attach heating elements to the function of the to ensure thermo-optical switch. However, the substrate holder does not serve as a heat sink of the thermo-optical switch, which means that no adjustment of the switching behavior via the Layer thickness between the electrodes and the heat sink horizontal polymer layers possible is.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung integrierter digitaler thermooptischer Schalter zu ermöglichen, das eine einfache Einstellung des Abstandes Wärmesenke-Wellenleiter-Elektrode ermöglicht.It is an object of the invention Process for the production of integrated digital thermo-optical switches to allow which is a simple adjustment of the distance between the heat sink and the waveguide electrode allows.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.This task is solved according to the requirements.

Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die nicht gehärteten Bereiche in der Schicht des zweiten Polymers entfernt, die resultierenden Wellenleiterstege durch Aufschleudern einer Deckschicht des ersten Polymers abgedeckt werden, die Elektroden aus einem elektrisch gut leitenden Material auf der Deckschicht des ersten Polymers über den Wellenleiterstegen durch Ätzen einer über der Deckschicht ganzflächig aufgebrachten elektrischen Leiterschicht so aufgebracht werden, dass die Elektrodenstruktur stehen bleibt und das Substrat aus einem wärmeleitfähigem Material, insbesondere aus Silizium besteht, in dem die Wärmesenke des thermooptischen Schalters als Substrathalter integriert ist, läßt sich erfindungsgemäß der das Schaltverhalten des thermooptischen Schalters bestimmende Abstand zwischen den Elektroden, den Wellenleiterstegen und der Wärmesenke durch die jeweilige Einstellung der Spin-on Parameter beim Aufschleudern der Polymerschichten einstellen.The fact that in the inventive method the not hardened Areas in the layer of the second polymer are removed, resulting Waveguide webs by spinning a top layer of the first Polymers are covered, the electrodes are made of an electrically good conductive material on the top layer of the first polymer over the Waveguide bars by etching one over the Full surface covering layer applied electrical conductor layer are applied so that the electrode structure remains and the substrate from one thermally conductive material, consists in particular of silicon in which the heat sink of the thermo-optical Switch is integrated as a substrate holder, the invention can be the Switching behavior of the thermo-optical switch determining distance between the electrodes, the waveguide bars and the heat sink through the respective setting of the spin-on parameters during spin-on of the polymer layers.

Sämtliche oben angeführten Fertigungsschritte sind fertigungskompatible On-Wafer-Prozesse, wie Spin-on, Fotolithografie, Entwicklung, Sputtern, Ätzen von Gold usw.All listed above Manufacturing steps are manufacturing-compatible on-wafer processes, such as spin-on, photolithography, development, sputtering, etching of Gold etc.

Da die Herstellung der Strukturen des thermooptischen Schalters ohne Zwischenschritte, wie z. B. bei der Abformtechnik abläuft, ergibt sich während der Prozessführung kein Strukturverlust.Because the manufacture of the structures the thermo-optical switch without intermediate steps, such as. B. at the impression technique takes place, emerges during the Litigation no loss of structure.

Ein Re-Design kann rasch in das Produkt überführt werden, da nur die Maske geändert werden muss, um ein neues Layout umzusetzen.A redesign can be quickly transferred to the product, since only the mask changed to implement a new layout.

Nachstehend wird anhand der einzigen Figur ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines digitalen thermooptischen Schalters beschrieben.Below is the only one Figure an embodiment of the method according to the invention described for the manufacture of a digital thermo-optical switch.

Die beiliegende Figur zeigt in Form schematischer Wafer-Querschnitte einen erfindungsgemäßen Herstellungsablauf in Schritten A-E. Zunächst wird auf ein Siliziumsubstrat 1 ein erstes Polymer 2 aufgeschleudert und danach ausgehärtet (Schritt A). Danach wird ein zweites Polymer 3, welches gegenüber dem ersten Polymer 2 eine höhere Brechzahl besitzt, auf die bereits bestehende Schicht des ersten Polymers 2 aufgeschleudert. Durch Auflegen oder Anbringen einer Maske 4 in geringem Abstand, die den herzustellenden Wellenleiterstegen entsprechende Öffnungen aufweist, werden nun ganz bestimmte Bereiche, d. h. die späteren Wellenleiter 5, mit UV-Licht ausgehärtet (Schritt B). Anschließend werden die nicht ausgehärteten Bereiche der Schicht 3 des zweiten Polymers mit einer Entwicklerlösung abgespült (Schritt C). Die dadurch entstehende Wellenleiterstege 5 werden wiederum mit einer Deckschicht 2' aus dem ersten Polymer abgedeckt (Schritt D) .The attached figure shows, in the form of schematic wafer cross sections, a manufacturing process according to the invention in steps AE. First, put on a silicon substrate 1 a first polymer 2 spun on and then hardened (step A). After that, a second polymer 3 which compared to the first polymer 2 has a higher refractive index on the already existing layer of the first polymer 2 spun on. By putting on or attaching a mask 4 at a short distance, which has openings corresponding to the waveguide webs to be produced, are now very specific areas, ie the later waveguides 5 , cured with UV light (step B). Then the uncured areas of the layer 3 rinsed the second polymer with a developer solution (step C). The resulting waveguide bars 5 are in turn with a top layer 2 ' covered from the first polymer (step D).

Die Dicken der Schichten 2, 3, 2' in den Schritten A, B und D werden durch die jeweiligen Schleuderdrehzahlen exakt eingestellt.The thickness of the layers 2 . 3 . 2 ' in steps A, B and D are set precisely by the respective spin speeds.

Schließlich werden in einem Schritt E Elektroden 6 aus einem elektrisch gut leitenden Material, welche den thermooptischen Effekt im Wellenleiter bewirken, auf der Deckschicht 2' plaziert. Dies geschieht durch ganzflächiges Aufbringen einer Goldschicht über der Deckschicht 2' und durch Ätzen der Goldschicht, so dass die Elektrodenstruktur 6 stehen bleibt. Als Elektrodenmaterial ist alternativ auch Nickel, Aluminium oder Platin verwendbar.Finally, in a step E electrodes 6 made of an electrically highly conductive material, which cause the thermo-optical effect in the waveguide, on the cover layer 2 ' placed. This is done by applying a gold layer over the entire surface 2 ' and by etching the Gold layer, so the electrode structure 6 stop. Alternatively, nickel, aluminum or platinum can also be used as the electrode material.

Das Schaltverhalten eines mit den oben beschriebenen und in der Figur gezeigten Verfahrensschritten A, B, C, D und E hergestellten integrierten digitalen thermooptischen Schalters wird über den Abstand: Wärmesenke-Wellenleiter-Elektrode mittels einer jeweiligen Veränderung der Spinon Parameter beim Aufschleudern exakt eingestellt.The switching behavior of one with the Process steps described above and shown in the figure A, B, C, D and E manufactured integrated digital thermo-optical Switch is over the distance: heat sink-waveguide electrode by means of a respective change the spinon parameter set exactly when spinning.

Bei der Herstellung entstehen durch die UV-Belichtung an den Wellenleiterwänden keinerlei Rauhigkeiten. Statt dessen entsteht eine leichte Verrundung der Strukturen, die für optische Anwendungen ideal ist.During manufacture arise from the UV exposure on the waveguide walls has no roughness. Instead, there is a slight rounding of the structures that for optical Applications is ideal.

Claims (3)

Verfahren zur Herstellung integrierter digitaler thermooptischer Schalter mit über einem Substrat (1) liegenden Wellenleiterstegen (5) aus einem lichtleitenden Polymermaterial, mit folgenden Schritten: A) Aufschleudern einer Schicht (2) eines ersten Polymers auf dem Substrat (1) und anschließendes Aushärten der ersten Polymerschicht; B1) Aufschleudern einer Schicht (3) eines zweiten Polymers auf der Schicht (2) des ersten Polymers, wobei das zweite Polymer eine höhere Brechzahl hat als das erste Polymer; B2) Auflegen oder Anbringen einer Belichtungsmaske (4) in geringem Abstand über der Schicht (3) des zweiten Polymers, wobei die Maske (4) Öffnungen aufweist, die den zu bildenden Wellenleiterstegen (5) entsprechen, und anschließende Aushärtung der den Wellenleiterstegen (5) entsprechenden Polymerbereiche mit W-Belichtung durch die Maske (4) hindurch, dadurch gekennzeichnet, dass C) die nicht gehärteten Bereiche in der Schicht (3) des zweiten Polymers entfernt werden, D) die aus Schritt C) resultierenden Wellenleiterstege (5) durch Aufschleudern einer Deckschicht (2') des ersten Polymers abgedeckt werden, und E) Elektroden (6) aus einem elektrisch gut leitenden Material auf die Deckschicht (2') des ersten Polymers über den Wellenleiterstegen (5) durch Ätzen einer über der Deckschicht ganzflächig aufgebrachten elektrischen Leiterschicht so aufgebracht werden, dass die Elektrodenstruktur stehen bleibt, wobei – das Substrat (1) aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus Silizium besteht, – die Wärmesenke des thermooptischen Schalters als Substrathalter integriert wird, und – der das Schaltverhalten des thermooptischen Schalters bestimmende Abstand zwischen den Elektroden, den Wellenleitern und der Wärmesenke durch jeweilige Einstellung der Spin-on Parameter beim Aufschleudern der Schichten eingestellt wird.Process for manufacturing integrated digital thermo-optical switches with a substrate ( 1 ) horizontal waveguide bars ( 5 ) made of a light-conducting polymer material, with the following steps: A) spin coating a layer ( 2 ) a first polymer on the substrate ( 1 ) and then curing the first polymer layer; B1) spinning a layer ( 3 ) a second polymer on the layer ( 2 ) of the first polymer, the second polymer having a higher refractive index than the first polymer; B2) Put on or attach an exposure mask ( 4 ) a short distance above the layer ( 3 ) of the second polymer, the mask ( 4 ) Has openings which the waveguide webs to be formed ( 5 ) and subsequent hardening of the waveguide bars ( 5 ) corresponding polymer areas with W exposure through the mask ( 4 ), characterized in that C) the non-hardened areas in the layer ( 3 ) the second polymer are removed, D) the waveguide webs resulting from step C) ( 5 ) by spin coating a top layer ( 2 ' ) of the first polymer are covered, and E) electrodes ( 6 ) made of an electrically highly conductive material on the cover layer ( 2 ' ) of the first polymer over the waveguide bars ( 5 ) are applied by etching an electrical conductor layer applied over the entire surface of the cover layer in such a way that the electrode structure remains, whereby - the substrate ( 1 ) made of a thermally conductive material, in particular silicon, - the heat sink of the thermo-optical switch is integrated as a substrate holder, and - the distance between the electrodes, the waveguides and the heat sink, which determines the switching behavior of the thermo-optical switch, by adjusting the spin-on parameters in each case Spin coating is set. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt E) aufgebrachten Elektroden (6) aus Gold bestehen.A method according to claim 1, characterized in that the electrodes (step E) applied ( 6 ) are made of gold. Integrierter digitaler thermooptischer Schalter, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2.Integrated digital thermo-optical switch, manufactured by a method according to one of claims 1 or 2.
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