DE3722881C2

DE3722881C2 - Schaltermatrix mit optisch nichtlinearen, z.B. bistabilen, Elementen und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE3722881C2
Application number: DE3722881A
Authority: DE
Inventors: Falk Dr Mikosch; Stanley Desmond Prof Smith
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1987-07-10
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2007-07-11
Also published as: EP0367778A1; US5150183A; DE3722881A1; EP0367778B1; JPH01502367A; JP2637213B2; WO1989000714A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltermatrix nach dem Oberbe griff des Anspruches 1 und zwei Verfahren zur Herstellung einer Schaltermatrix nach den Oberbegriffen der Ansprüche 4 und 5.

Optisch nichtlineare, z. B. bistabile, Elemente können als Schalter für Licht arbeiten. Vereinfacht läßt sich dieser Vorgang folgendermaßen beschreiben:

Wird die Leistung eines Laserstrahls, der ein solches Element bestrahlt, über einen bestimmten Schwellwert erhöht, so ergibt sich ein sprunghafter Anstieg des transmittierten und eine sprunghafte Abnahme des reflektierten Lichtes. Dieser Effekt ermöglicht es, solche optisch nichtlinearen Bauelemente als Schalterelemente für eine digitale optische Datenverarbeitung zu verwenden. Für diesen Einsatz ist eine zweidimensionale An ordnung solcher Schalter besonders interessant, eine Schalter matrix, bei der die einzelnen Schaltelemente laterale Ab messungen in der Größenordnung von 10 µm×10 µm besitzen und möglichst eng benachbart sind.

Eine Schaltermatrix nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und die Verfahren zur Herstellung einer Schaltermatrix nach den Oberbegriffen der Ansprüche 4 und 5 sind aus Proc. of the Topical Meeting, Tuscon, Arizona, Dec. 2-4, 1985 "Optical Bistability III", Berlin 1986, Springer-Verlag, Seiten 39-41, bekannt. Sie sind auch aus Appl. Phys. Letters 48 (2), 13. Jan. 1986, S. 145-147, bekannt. Diese zweidimensionale Anordnung von Schaltelementen wurde mittels MBE (molecular beam epitaxy) realisiert. Auf einem plattenförmigen 0,2 µm dicken Al_0.4Ga_0.6As-Substrat sind 9×9 µm² große und 1,5 µm dicke optisch aktive Schichten aus GaAs im gegenseitigen Abstand von 20 µm aufgebracht. Die Abstände zwischen den Elementen können wegen der gegenseitigen Beeinflussung nicht weiter verringert werden. Außerdem ist der Herstellungsprozeß aufwendig und teuer.

Es sind aber auch optisch nichtlineare Schaltelemente bekannt, die durch Abscheidung dünner Schichten auf einem Substrat her gestellt werden können, ohne daß ein epitaktisches Wachstum auf dem Substrat notwendig ist. Ein typisches Beispiel stellt das Material ZnSe dar, das auf einem Glas- oder Saphir-Sub strat abgeschieden wird. Bisher ist nicht versucht worden, einzelne Flecken solcher Materialien auf dem Substrat räumlich voneinander zu trennen, sondern man hat verschiedene Flecken in der gleichen Schicht mit räumlich begrenzten Laserlichtbün deln parallel zueinander angesprochen. Die Definition einzel ner Schaltelemente nach diesem Verfahren erfolgte also durch die räumliche Ausdehnung des Laserlichtes. Durch den thermi schen Kontakt und durch die Diffusion von Ladungsträgern ist man gezwungen, Abstände der als Schaltelemente arbeitenden be leuchteten Flecken in der Größenordnung von Millimetern statt, wie gewünscht, in der Größenordnung von Mikrometern einzuhal ten, um ein Übersprechen auf zulässige Werte zu beschränken. Diese Lösung ist unbefriedigend, weil wegen des notwendigen relativ großen Abstands der einzelnen Schaltelemente eine sol che Schaltermatrix um Größenordnungen weniger Schaltelemente besitzen können als gewünscht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Schal termatrix mit sehr hoher Packungsdichte der Schaltelemente bei geringer gegenseitiger Beeinflussung (Übersprechen) und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der im kennzeich nenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale und der im kennzeichnenden Teil der in Anspruch 4 und 5 angegebenen Verfahren gelöst.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung wieder.

Die erfindungsgemäße Säulenstruktur des Substrats mit einem hohen Aspektverhältnis ermöglicht es, daß die einzelnen Schaltelemente relativ eng beieinanderliegen können. Das führt zu einer hohen Anzahl und hohen Packungsdichte der Einzelele mente, bei sehr guter gegenseitiger Entkopplung. Die Struktu rierung mit dem gewünschten sehr hohen Aspektverhältnis wird durch das angegebene LIGA-Verfahren, das lithographische, gal vanische und abformtechnische Fertigungsschritte beinhaltet, ermöglicht.

Die einfachste Möglichkeit zur Herstellung solcher Substrate besteht aus der Verwendung von plattenförmigem Röntgenresist, z.B. PMMA (Plexiglas), das durch Röntgentiefenlithographie bürstenförmig strukturiert wird. Die Herstellung von Mi krostrukturkörpern nach dem LIGA-Verfahren ist sowohl in dem KfK-Bericht 3995 des Kernforschungszentrums Karlsruhe (Novem ber 1985) als auch in Microelectronic Engineering 4 (1986), Seiten 35-56 beschrieben und dargestellt. Danach wird z.B. ein röntgenstrahlempfindlicher Positiv-Resist auf eine metallische Grundplatte aufgebracht und partiell über eine Maske mit Rönt genstrahlen so bestrahlt und entwickelt, daß Negativformen von plattenförmigen Mikrostrukturkörpern entstehen. Die Höhe der Negativform entspricht der Schichtdicke des Resists; sie kann, je nach Eindringtiefe der Röntgenstrahlung bis 2 mm betragen. Anschließend wird die Negativform galvanisch mit einem Metall unter Verwendung der Grundplatte als Elektrode aufgefüllt, wo rauf das restliche Resistmaterial mit einem Lösungsmittel ent fernt wird. Bei der Abformtechnik wird eine durch Röntgentie fenlithographie und Mikrogalvanoformung hergestellte Metall struktur zur vielfachen Herstellung von Kunststoff-Formen ver wendet, die wiederum z.B. durch galvanische Abscheidung von Metall aufgefüllt werden können, worauf der Kunststoff wieder entfernt wird.

Mit dieser Technik lassen sich extrem genaue und feine Struk turen herstellen mit lateralen Abmessungen im Mikrometerbe reich bei einer frei wählbaren Höhe bis zu ca. 2 mm. Bei etwas geringeren Höhen lassen sich auch minimale laterale Abmessun gen im Submikrometerbereich realisieren.

Dieses Verfahren eignet sich vorzugsweise zur Herstellung von strukturierten Substraten für die Abscheidung von optisch ak tiven Schichten, die keine Epitaxie verlangen.

Für optisch aktive Schichten, die durch ein epitaktisches Wachstum erzeugt werden müssen, wird die Verwendung von Kristallen, z.B. Si, vorgeschlagen, die durch anisotropes Ätzen eine säulenförmige Struktur bekommen haben.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels mittels der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 das Funktionsprinzip eines optischen nichtlinearen Schaltelementes im Schaltzustand mit niedriger Trans mission,

Fig. 2 das Funktionsprinzip eines optischen nichtlinearen Schaltelementes im Schaltzustand mit hoher Trans mission,

Fig. 3 schematisch die gegenseitige Beeinflussung zweier benachbarter optischer Schaltelemente,

Fig. 4 schematisch eine denkbare Verbesserung durch eine Strukturierung der optisch aktiven Schicht,

Fig. 5 eine Strukturierung des Substrates zu Säulen mit niedrigem Aspektverhältnis und

Fig. 6 eine Strukturierung des Substrates zu Säulen mit hohem Aspektverhältnis.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung der Funktionsweise eines optischen nichtlinearen Schaltelementes auf einem trans parenten Substrat unter Vernachlässigung der geringen Absorp tionsverluste. Die Länge der gemalten Pfeile soll die Intensi tät der Strahlen symbolisieren. Das Schaltelement 3 besteht in diesem Falle aus einem transparenten Substrat 7, auf dessen Oberfläche 1 die optisch aktive Schicht 4 aufgebracht ist. Die Intensität eines Haltestrahls 8 liegt unterhalb eines bestimm ten Schwellwertes, bei dem der sprunghafte Übergang vom Schaltzustand niedriger Transmission in den Schaltzustand ho her Transmission stattfinden würde. Dies ergibt einen reflek tierten Strahl 9 der Intensität des Haltestrahls 8 vermindert um einen Verlustanteil, der als transmittierter Strahl 10 das Substrat 7 verläßt.

Nach Fig. 2 wird mit einer relativ geringen Intensität eines Signalstrahls 11 der Schwellwert überschritten und der Über gang in den Schaltzugang hoher Transmission bewirkt. Der re flektierte Strahl 9 verschwindet bis auf einen bedeutungslosen Rest und die Intensitäten des Haltestrahls 8 und des Signal strahls 9 ergeben die Intensität des transmittierten Strahls 10.

In Fig. 3 sind im Querschnitt zwei Schaltelemente 3 einer Schaltermatrix dargestellt, die durch die räumliche Ausdehnung einer ersten Wechselwirkungszone 14 mit einem ersten Strahlen bündel 12 und einer zweiten Wechselwirkungszone 15 mit einem zweiten Strahlenbündel 13 begrenzt sind. Der kleinstmögliche Abstand zwischen den beiden Schaltelementen 3 wird von deren störender Wechselwirkung 16 durch thermischen Kontakt und Diffusion von Ladungsträgern durch die optisch aktive Schicht 4 und durch das Substrat 7 begrenzt. Deshalb wird darüber nachgedacht, wie die einzelnen Schaltelemente bei relativ kleinem lateralen Abstand durch Einbringen von Gräben zwischen ihren, räumlich getrennt werden können. Solche Gräben sind für diesen Anwendungszweck bis jetzt nicht fabriziert worden. Man denkt an den Einsatz einer Diamantsäge oder eines Laserstrahls als Fräswerkzeug. Sollten solche Gräben jemals verwirklicht werden, so werden sie auf jeden Fall ein Aspektverhältnis kleiner etwa 5 besitzen, d.h. die Tiefe eines Grabens wird höchstens um den Faktor 5 größer sein als seine Breite. Für eine effektive Entkopplung sind tiefe Gräben mit einem wesent lich höheren Aspektverhältnis anzustreben. Aus demselben Grunde ist auch der Einsatz der aus der Herstellung mikroelek tronischer Schaltkreise bekannten Trockenätzprozesse für eine solche Strukturierung nicht sinnvoll, Sofern die hier vorlie genden Materialien und Substrate dieses überhaupt zulassen sollten.

Fig. 4 zeigt eine denkbare Verbesserung durch eine Struktu rierung der optisch aktiven Schicht 4, mit der zumindest die störende Wechselwirkung 16 durch die optisch aktive Schicht 4 unterbunden wird.

Fig. 5 zeigt im Schnitt die erfindungsgemäße Strukturierung der Substratoberfläche 1 mit der durch die Säulen 2 die stö rende Wechselwirkung 16 durch das Substrat 7 reduziert wird.

Eine weitgehende Entkopplung der beiden Schaltelemente 3 wird durch eine Strukturierung der Substratoberfläche 1 mit einem hohen Aspektverhältnis nach Fig. 6 erreicht. Nach dem LIGA- Verfahren können transparente und nichttransparente Substrate mit Aspektverhältnissen von 100 bei genügender Stabilität her gestellt werden. Die typischen Abmessungen sind: a=5 µm, b= 500 µm und c=10 µm bis 30 µm. Die einfachste Möglichkeit zur Herstellung solcher Substrate besteht aus der Verwendung eines Röntgenresists, z.B. PMMA (Plexiglas) als Substratmaterial durch Röntgentiefenlithographie. Durch Abscheidung optisch ak tiver Schichten 4 auf den Stirnflächen 5 der Säulen 2 werden dort einzelne Schaltelemente 3 erzeugt, die getrennt voneinan der parallel mit Lichtstrahlen angesprochen werden können. Eine teilweise seitliche Bedampfung der Säulen und des Boden raumes zwischen ihnen, stört die Funktion dieser Elemente nicht. Im Bedarfsfall gibt es einige Möglichkeiten, die Be schichtung zwischen den Säulen zu unterbrechen.

Für eine preiswerte Massenproduktion von solchen Substraten erlaubt das LIGA-Verfahren die Abformung mit Kunststoffen. Da mit sind auch andere transparente Substrat-Materialien ver wendbar. Falls es gelingen sollte, innerhalb von LIGA-Struktu ren Sinterprozesse durchzuführen, kämen auch Gläser und Kera miken in Frage.

Die Verwendung von transparenten Substraten für die optischen Schaltelemente ist nur dann notwendig, wenn das transmittierte Licht als Informationsträger dient. Für eine Reihe von disku tierten Anwendungen genügt das reflektierte Licht als Informa tionsträger. In diesem Fall kann das Substrat nicht transpa rent sein und es ist möglich, die gesamte Rückseite des Sub strates zur Thermostatisierung zu verwenden. Sehr gut eignen sich nach dem LIGA-Verfahren hergestellte bürstenförmige Me tallstrukturen, z.B. aus Ni oder Cu, auf die, falls notwendig, eine Schicht zur elektrischen Isolation der optischen Schalt elemente und zur Absorption der durch die Schaltelemente transmittierten Strahlung aufgebracht werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Substratoberfläche
2 Säulen
3 Schaltelement
4 optisch aktive Schicht
5 Stirnfläche der Säule
6 der Säule 2 abgewandte Seite des Substrats 7
7 Substrat
8 Haltestrahl
9 reflektierter Strahl
10 transmittierter Strahl
11 Signalstrahl
12 erstes Strahlenbündel
13 zweites Strahlenbündel
14 erste Wechselwirkungszone
15 zweite Wechselwirkungszone
16 störende Wechselwirkung

Claims

1. Schaltermatrix mit optisch nichtlinearen, z.B. bistabilen, Elementen, die als optisch aktive Schichten auf einer ge meinsamen Substratoberfläche liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche (1) als aus Säulen (2) bestehende Mikrostruktur ausgebildet ist und daß die optisch aktiven Schichten (4) auf den Stirnflächen (5) der freien Säulenenden des Subtrates (1) aufgebracht sind.

2. Schaltermatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7) transparent ausgebildet ist.

3. Schaltermatrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7) nichttransparent ausgebildet ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Schaltermatrix mit optischen nichtlinearen, z. B. bistabilen, Elementen, die als optisch aktive Schichten auf einer gemeinsamen Substratoberfläche liegen, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine säulenartige Mikrostruktur des Substrates (7) durch Röntgentiefenlithographie alleine oder durch Röntgentiefenlithographie mit anschließender Mikrogalvanoformung und dann folgender Kunststoffmikroabformung (LIGA-Verfahren) hergestellt wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Schaltermatrix mit optisch nichtlinearen, z. B. bistabilen, Elementen, die als optisch aktive Schichten auf einer gemeinsamen Substratoberfläche liegen, durch Ätzen, nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine säulenartige Mikrostruktur des Substrates (7) durch anisotropes Ätzen eines Kristalls, z. B. Silicium, hergestellt wird.