EP1337881A1 - Method and device for producing a coupling grating for a waveguide - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method and a device for producing a coupling grating (5) for a waveguide. The method relies on the technique of interference lithography, whereby an interference pattern on a light-sensitive layer (2) is exposed by superimposing two coherent light beams (3, 4) on said light-sensitive layer (2). Said pattern is then transferred onto the surface of the substrate (1) that lies underneath by subsequent developing and an etching process. The method is characterized in that it uses a shadow mask (6) that is mounted at minimum clearance relative to the surface of the light-sensitive layer (2). By observing said minimum clearance, the Fresnel diffraction images of both light beams (3, 4) are separated on the edge(7). The thickness of the light-sensitive layer (2) is selected in such a way that the superimposition of the Fresnel diffraction pattern of one light beam with the other undisturbed light beam suffices to uncover areas of the substrate (1) during subsequent developing of the layer (2). The method makes it possible to avoid transfer of unwanted diffraction effects on the edge of the shadow mask to the substrate. The method provides a cost-effective solution for the production of large-surface coupling grating matrices.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Koppelgitters für einen Wellenleiter Method and device for producing a coupling grating for a waveguide

Technisches AnwendungsgebietTechnical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Koppelgitters für einen Wellenleiter mittels Interferenz-Lithographie, bei dem eine lichtempfindliche Schicht auf einem Substrat mit einem durch Überlagerung zweier kohärenter Lichtbündel erzeugten Interferenzmuster belichtet und anschließend entwickelt wird, durch die Entwicklung freigelegteThe present invention relates to a method for producing a coupling grating for a waveguide by means of interference lithography, in which a light-sensitive layer on a substrate is exposed to an interference pattern generated by superimposing two coherent light bundles and then developed, exposed by the development

Bereiche des Substrates einem Ätzprozess unterworfen werden und anschließend die lichtempfindliche Schicht vom Substrat entfernt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.Regions of the substrate are subjected to an etching process and then the photosensitive layer is removed from the substrate. The invention further relates to a device suitable for carrying out the method.

Der Einsatz von Koppelgittern zur Einkopplung von Strahlung in Wellenleiter, insbesondere integriertoptische Wellenleiter, ist weit verbreitet. Die Koppelgitter werden beispielsweise auf der Oberfläche eines Glassubstrates erzeugt und der Wellenleiter als höherbrechende Schicht auf diese Struktur aufgebracht. Typische Gitterperioden für Koppelgitter zur Einkopplung von sichtbarem Licht liegen bei 300 bis 1000 nm. Die Strukturtiefen in der Oberfläche des Substrates betragen jedoch in der Regel weniger als 40 nm.The use of coupling gratings for coupling radiation into waveguides, in particular integrated optical waveguides, is widespread. The coupling gratings are produced, for example, on the surface of a glass substrate and the waveguide is applied to this structure as a higher refractive index layer. Typical grating periods for coupling gratings for coupling visible light are 300 to 1000 nm. However, the structure depths in the surface of the substrate are generally less than 40 nm.

Viele Anwendungen integriert-optischer Bauelemente bzw. Wellenleiter finden sich in der Telekommunikation und in der Sensorik. Hierbei wird ausgenutzt, dass das evaneszente Feld der im Wellenleiter geführten Mode eine sensorische Funktion übernehmen kann. In gleicher Weise lässt sich das Koppelgitter selbst als sensorisches Element einsetzen. So zeigt beispielsweise die WO 95/03538 eine Biosensormatrix in Mikrotiter- plattenformat, bei der die Koppelgitter als Sensorelemente genutzt werden. Die dort beschriebene Mikro- titerplatte mit bis zu 96 Wells weist bis zu 4 Koppelgitter pro Well auf. Dies entspricht einer Gesamtzahl von 384 Koppelgittern auf diesem Bauelement. Geht man von einer durchschnittlichen Fläche von 1 mm² pro Koppelgitter aus, so muss zur Herstellung dieser Biosensormatrix eine Fläche von insgesamt 384 mm² mit Sub ikrönstrukturen versehen werden. Für die Realisierung einer derartigen Anwendung müssen mit groß- flächigen, definierten Koppelgittern strukturierteMany applications of integrated optical components or waveguides can be found in telecommunications and sensors. This takes advantage of the evanescent field of the mode guided in the waveguide can perform a sensory function. In the same way, the coupling grid itself can be used as a sensor element. For example, WO 95/03538 shows a biosensor matrix in microtiter plate format in which the coupling gratings are used as sensor elements. The micro-titer plate described there with up to 96 wells has up to 4 coupling grids per well. This corresponds to a total of 384 coupling grids on this component. Assuming an average area of 1 mm ² per coupling grid, a total area of 384 mm ² must be provided with sub-crown structures in order to produce this biosensor matrix. In order to implement such an application, structured coupling grids must be structured with large areas

Substrate in großen Stückzahlen hergestellt werden, da die Sensormatrix Verbrauchsmaterial darstellt. Für diese und vergleichbare Anwendungen ist daher eine kostengünstige Herstellbarkeit der Gitterstrukturen wünschenswert. Gerade auf optisch hochwertigenSubstrates are produced in large quantities, since the sensor matrix represents consumables. For these and comparable applications, it is therefore desirable to be able to produce the lattice structures at low cost. Especially on optically high quality

Substratmaterialien ist jedoch eine kostengünstige Herstellung der Gitterstrukturen bisher nicht bekannt.However, an inexpensive manufacture of the lattice structures has hitherto not been known to substrate materials.

Für -Anwendungen, bei denen die eingekoppelte Welle über einen bestimmten räumlichen Bereich geführt und dann über ein zweites Koppelgitter wieder ausgekoppelt werden soll, sind zudem die Qualität der Übergänge vom Koppelgitter zum unstrukturierten Bereich sowie die Oberflächenqualität des unstrukturierten Bereichs für die Dämpfung der geführten Strahlung und damit für die auswertbare Signalhöhe von wesentlicher Bedeutung. Daher wird in vielen Fällen die weitere Anforderung gestellt, dass die Strukturierung des Substrates in wohl definierten Bereichen zur Erzeugung der Koppelgitter nicht zu einer Beeinflussung bzw. Verschlechterung der Wellenleitung in unstrukturierten Bereichen des Substrates führt.For applications in which the injected wave is to be guided over a certain spatial area and then to be decoupled again via a second coupling grating, the quality of the transitions from the coupling grating to the unstructured area and the surface quality of the unstructured area for the attenuation of the guided radiation and thus essential for the evaluable signal level. Therefore, in many cases the further requirement is that the structuring of the substrate in well-defined areas for the production of the coupling gratings do not lead to an influence or deterioration of the waveguide in unstructured areas of the substrate.

Stand der TechnikState of the art

Zur Herstellung von Koppelgittern für integriertoptische Bauelemente werden derzeit unterschiedliche Verfahren eingesetzt.Different methods are currently used to produce coupling gratings for integrated optical components.

Ein sehr häufig eingesetztes Verfahren nutzt die Technik der Photolithographie zur Herstellung einer Ätzmaske für die Erzeugung der Gitterstrukturen. Bei dieser Technik wird ein Photoresist auf die Oberfläche des zu strukturierenden Substrates, beispielsweise eines Glassubstrates, aufgebracht. Vor der Durchführung des Verfahrens wird durch Elektronenstrahlschreiben eine Belichtungsmaske für den Photoresist hergestellt, die die zu erzeugende Gitterstruktur vorgibt. Diese Belichtungsmaske wird gegen das mit dem Photoresist beschichtete Substrat gepresst. Beim anschließenden Belichtungsvorgang mit UV-Strahlung werden nur die von der Belichtungsmaske nicht abgedeckten Bereiche des Photoresists mit der Strahlung beaufschlagt. In den belichteten Bereichen hat der Photoresist eine im Vergleich zu den unbelichteten Bereichen deutlich unterschiedliche Löslichkeitsrate im nachfolgenden Entwicklungsprozess. Bei Positivresists lösen sich die belichteten Bereiche schneller, bei Negativresists die unbelichteten. Durch die Entwicklung der belichteten Photoresistschicht entsteht somit ein Oberflächenrelief, das bei geeigneter Wahl der Belichtungs- und Entwicklungsparameter das Substrat an der Stelle der Gitterlamellen maskiert und an der Stelle der Gitterfurchen freilegt. Anschließend können die auf diese Weise freigelegten Bereiche des Substrates nasschemisch oder mittels Ionenätzen geätzt werden. Nach Entfernen des Photoresists ist das Substrat entsprechend dem gewünschten Koppelgitter strukturiert und kann mit einem Wellenleiter beschichtet werden.A very frequently used method uses the technique of photolithography to produce an etching mask for the production of the lattice structures. In this technique, a photoresist is applied to the surface of the substrate to be structured, for example a glass substrate. Before the method is carried out, an exposure mask for the photoresist is produced by electron beam writing, which specifies the lattice structure to be produced. This exposure mask is pressed against the substrate coated with the photoresist. During the subsequent exposure process with UV radiation, only the areas of the photoresist that are not covered by the exposure mask are exposed to the radiation. In the exposed areas, the photoresist has a significantly different solubility rate in the subsequent development process compared to the unexposed areas. With positive resists the exposed areas dissolve faster, with negative resists the unexposed areas. The development of the exposed photoresist layer thus creates a surface relief that, with a suitable choice of the exposure and development parameters, the substrate at the point of Grid lamellas masked and exposed at the location of the grid furrows. The areas of the substrate that are exposed in this way can then be etched wet-chemically or by means of ion etching. After removing the photoresist, the substrate is structured according to the desired coupling grating and can be coated with a waveguide.

Dieses bekannte Kontaktbelichtungsverfahren hat jedoch den Nachteil, dass es industriell nicht fürHowever, this known contact exposure method has the disadvantage that it is not for industrial use

Gitterperioden < 2 μm eingesetzt werden kann, da der Ausschuss bei der Herstellung aufgrund unvermeidbarer Variationen des Abstands zwischen Maske und Substrat bei kleineren Gitterperioden zu hoch wäre. Die Herstellung von Gitterperioden von < 500 nm ist selbst im Labor mit dieser Technik nicht reproduzierbar zu realisieren.Grating periods <2 μm can be used, since the rejects in the production would be too high for smaller grating periods due to unavoidable variations in the distance between mask and substrate. The production of grating periods of <500 nm is not reproducible with this technique, even in the laboratory.

Ein weiterer Nachteil dieses Kontaktbelichtungs- verfahrens besteht darin, dass die Schreibzeit des Elektronenstrahlschreibers für die Belichtungsmaske ca. 1 h/mm² beträgt und damit sehr hoch ist. Die Herstellung einer Belichtungsmaske für Gitterstrukturen mit Perioden von < 1000 nm auf Flächen von mehr als 50 mm² würde Schreibzeiten von ca. 50 Stunden erfordern, so dass die hierfür anfallenden Kosten insbesondere bei der Herstellung von kleinen Stückzahlen nicht mehr tragbar sind.Another disadvantage of this contact exposure method is that the writing time of the electron beam recorder for the exposure mask is approximately 1 h / mm ² and is therefore very high. The production of an exposure mask for lattice structures with periods of <1000 nm on areas of more than 50 mm ² would require writing times of approximately 50 hours, so that the costs incurred for this, particularly in the production of small quantities, are no longer acceptable.

Zur Vermeidung dieser Nachteile könnte zwar ein Projektionsbelichtungsverfahren zur Belichtung des Photoresists eingesetzt werden. Dabei wird die Belichtungsmaske typischerweise im Verhältnis 5 : 1 (Maske zu Bild) verkleinert auf die Photoresistschicht projiziert. Das gesamte Substrat wird durch mehrmalige Anwendung desselben Musters auf der Maske in einem Step-and-Repeat-Prozess belichtet. Die Projektionsbelichtung hat den Vorteil, dass damit auch Gitter- perioden um 500 nm in der Photoresistschicht industriell gefertigt werden könnten. Allerdings ist hierfür eine Pro ektionsbelichtungsmaschine mit Belichtungswellenlängen im tiefen UV notwendig. Solche Belichtungsmaschinen haben jedoch derart hohe Investitionskosten, dass deren Abschreibung einenTo avoid these disadvantages, a projection exposure method could be used to expose the photoresist. The exposure mask is typically reduced in a ratio of 5: 1 (mask to image) onto the photoresist layer projected. The entire substrate is exposed by repeated application of the same pattern on the mask in a step-and-repeat process. The projection exposure has the advantage that lattice periods around 500 nm in the photoresist layer could also be produced industrially. However, a pro exposure machine with exposure wavelengths in the deep UV is necessary for this. Such exposure machines, however, have such high investment costs that their depreciation is one

Großteil der Strukturierungskosten ausmachen, so dass dieses Verfahren derzeit industriell nicht eingesetzt wird.Make up a large part of the structuring costs, so that this process is currently not used industrially.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass für die Pro ektionsbelichtung aufgrund der geringen Schärfentiefe der Abbildung extrem plane Substrate erforderlich sind, die in der Regel nur durch teure Oberflächenbearbeitungsprozesse wie Läppen und Polieren erhältlich sind. Diese Anforderungen erhöhen zusätzlich die Kosten für die einsetzbaren Substrate.Another disadvantage of this method is that due to the shallow depth of field of the image, extremely plane substrates are required for the projection exposure, which are usually only available through expensive surface processing processes such as lapping and polishing. These requirements additionally increase the costs for the substrates that can be used.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von Koppelgittern für integriert-optische Wellenleiter setzt die Technik der Interferenzlithographie ein. Bei dieser Technik werden die Gitterstrukturen im Photoresist durch Interferenz zweier sich überlagernder kohärenter Wellenfelder erzeugt. Die Periode Λ des Gitters ergibt sich bei symmetrischem Einfall der beiden Wellen durch folgende Beziehung:Another known method for producing coupling gratings for integrated optical waveguides uses the technique of interference lithography. In this technique, the lattice structures in the photoresist are created by the interference of two overlapping coherent wave fields. The period Λ of the grating results from the following relationship when the two waves are symmetrical:

λ_n λ _n

ΛΛ

2sinθ_; wobei λ_o der Wellenlänge der kohärenten Wellenfelder und θi dem Einfallswinkel der beiden Wellenfelder entspricht. Die durch Überlagerung der beiden Wellenfelder auf der Oberfläche des Photoresists erzeugte räumliche Intensitätsmodulation führt zu einer strukturierten Belichtung des Photoresists, ohne dass hierfür eine aufwendig strukturierte Belichtungsmaske eingesetzt werden muss. Die Gitterperiode lässt sich in einfacher Weise über den Einfallswinkel der beiden Wellenfelder steuern. Zur äußeren Begrenzung des Gitters auf dem Substrat wird lediglich eine Maskierungsschicht mit einer diese Begrenzung vorgebenden Maskenöffnung vor der Belichtung auf die Oberfläche des Photoresists aufgebracht. Diese Maske gibt lediglich die äußere Begrenzung des Koppelgitters vor, so dass zu deren Erstellung kein aufwendiges Elektronenstrahlschreiben erforderlich ist.2sinθ _; where λ _o corresponds to the wavelength of the coherent wave fields and θi to the angle of incidence of the two wave fields. The spatial intensity modulation generated by superimposing the two wave fields on the surface of the photoresist leads to structured exposure of the photoresist without the need for an elaborately structured exposure mask. The grating period can be controlled in a simple manner via the angle of incidence of the two wave fields. For the outer boundary of the grating on the substrate, only a masking layer with a mask opening which defines this boundary is applied to the surface of the photoresist before exposure. This mask only specifies the outer boundary of the coupling grid, so that no complex electron beam writing is required to create it.

Ein Beispiel für eine Anwendung der Technik der Interferenzlithographie zur Erzeugung eines Koppelgitters ist in der US 5,675,691 beschrieben. Bei dem dort offenbarten Verfahren wird allerdings kein Photoresist eingesetzt. Die Herstellung des Koppelgitters erfolgt vielmehr durch Laserablation an der Oberfläche einer entsprechenden Schicht auf einemAn example of an application of the technique of interference lithography for producing a coupling grating is described in US Pat. No. 5,675,691. However, no photoresist is used in the method disclosed there. The coupling grating is rather produced by laser ablation on the surface of a corresponding layer on a

Substrat. Durch die räumliche Intensitätsmodulation der eingestrahlten und überlagerten UV-Strahlung wird bei diesem Verfahren direkt eine Brechungsindexvariation in der Schicht hervorgerufen.Substrate. Due to the spatial intensity modulation of the irradiated and superimposed UV radiation, a refractive index variation is directly caused in the layer in this method.

Beim Einsatz der Technik der Interferenzlithographie zur Herstellung von Koppelgittern für Wellenleiter bereitet die räumliche Begrenzung der Gitterstruktur erhebliche Schwierigkeiten. Die bekannte Vorgehensweise zur Begrenzung dieser Gitterstruktur durch Aufbringen einer das Strahlungsfeld begrenzenden Maske auf das Substrat führt zu Beugungseffekten an den Rändern dieser Maske, die sich wiederum in der erzeugten Gitterstruktur wiederfinden und deren Eigenschaften nachteilig beeinflussen.When using the technique of interference lithography for the production of coupling gratings for waveguides, the spatial limitation of the Lattice structure significant difficulties. The known procedure for limiting this grating structure by applying a mask delimiting the radiation field to the substrate leads to diffraction effects at the edges of this mask, which in turn are reflected in the grating structure produced and adversely affect its properties.

Eine weitere bekannte Technik zur Herstellung von Koppelgittern besteht in der Anwendung von Replika- tionsprozessen. Bei diesen Replikationsprozessen wird zunächst eine Vorlage bzw. Form für das Gitter als Oberflächenrelief hergestellt und durch Techniken wie Prägen oder Gießen vervielfältigt. Für die Herstellung der Vorlage ist jedoch eine der vorangehend beschriebenen Techniken erforderlich. Das Koppelgitter wird dann beispielsweise durch Aufprägen der Vorlage in ein Substrat aus Kunststoff, in Sol-Gel-Schichten auf dem Substrat oder auch direkt in Glas erzeugt. Ein Beispiel für die Anwendung eines Replikations- verfahrens zur Erzeugung von Koppelgittern ist aus R.E. Kunz et al., Sensors and Actuators A 46-47 (1995), Seiten 482 bis 486 bekannt. Bei der dort eingesetzten Technik wird die Vorlage photolithographisch mit Hilfe einer durch Elektronenstrahlschreiben hergestellten Belichtungsmaske erzeugt, so dass die gleichen Nachteile auftreten, wie sie bereits im Zusammenhang mit diesem Herstellungsverfahren erläutert wurden.Another known technique for the production of coupling gratings consists in the use of replication processes. In these replication processes, a template or form for the grid is first produced as a surface relief and reproduced using techniques such as embossing or casting. However, one of the techniques described above is required to produce the template. The coupling grid is then produced, for example, by embossing the template into a plastic substrate, in sol-gel layers on the substrate or directly in glass. An example of the use of a replication process for the production of coupling gratings is from R.E. Kunz et al., Sensors and Actuators A 46-47 (1995), pages 482 to 486. In the technology used there, the original is produced photolithographically with the aid of an exposure mask produced by electron beam writing, so that the same disadvantages occur as have already been explained in connection with this production method.

Bei Einsatz der Replikationstechnik, die gerade bei großen Stückzahlen die geringsten Stückkosten verspricht, treten jedoch noch weitere Schwierigkeiten auf. So stehen zwar bei Kunststoffen eine Vielzahl von Formgebungsprozessen wie beispielsweise der Spritzguss zur Verfügung. Hochwertige Wellenleiterschichten mit Dämpfungswerten, wie sie auf Glas realisierbar sind, können auf den verfügbaren Kunststoffen allerdings nicht hergestellt werden. Beim Einsatz von Sol-Gel- Schichten auf Glas sowie beim Direktprägen von Glas liegen die Schwierigkeiten bei der Prägung großer Flächen. Generell sind replizierte Koppelgitter bisher qualitativ schlechter als geätzte Gitter. Auch sind die bekannten Replikationsverfahren wegen hoher Investitionen in die entsprechenden Anlagen erst bei sehr großen Stückzahlen kostengünstig durchführbar.When using replication technology, which promises the lowest unit costs, especially for large quantities, there are still further difficulties. So there are a variety of molding processes for plastics, such as injection molding to disposal. However, high-quality waveguide layers with attenuation values, as can be achieved on glass, cannot be produced on the available plastics. When using sol-gel layers on glass as well as when directly embossing glass, there are difficulties in embossing large areas. In general, replicated coupling grids have so far been of poorer quality than etched grids. Also, the known replication methods can only be carried out cost-effectively in very large numbers because of the high investments in the corresponding systems.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, die die Herstellung von qualitativ hochwertigen Koppelgittern für Wellenleiter ermöglichen und kostengünstig realisierbar sind.Based on this prior art, the object of the invention is to provide a method and a device which enable the production of high-quality coupling gratings for waveguides and which can be implemented cost-effectively.

Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und derThe object is achieved with the method and the

Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.Device solved according to claims 1 and 10. Advantageous embodiments of the method and the device are the subject of the dependent claims.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird in bekannter Weise ein Substrat mit einer darauf aufgebrachten lichtempfindlichen Schicht, insbesondere einer Photoresistschicht, bereitgestellt. Die Strukturierung der Schicht erfolgt durch Interferenzlithographie. Hierzu werden zwei kohärente Lichtbündel zur Bildung eines Interferenzmusters auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht überlagert. Der Einfallswinkel der beiden kohärenten Lichtbündel wird dabei in bekannter Weise gewählt, um die gewünschte Gitterperiode Λ auf der Oberfläche erzeugen zu können. Nach der Belichtung der lichtempfindlichen Schicht wird diese entwickelt, um entsprechende Bereiche des darunter liegenden Substrates freizulegen oder nahezu freizulegen, wie dies im einleitenden Teil bereits näher erläutert wurde. Zur Ätzung des Substrates muss die lichtempfindliche Schicht das Substrat an den entsprechenden Stellen (der Gitterfurchen) nicht unbedingt vollständig freilegen, da auch eine dünne noch verbleibende Schicht mit einem Trockenätzverfahren durchätzt werden kann. Nach der Entwicklung erfolgt eine trocken- oder nasschemische Ätzung der freigelegten oder nahezu freigelegten Bereiche, wobei die strukturierte lichtempfindliche Schicht als Ätzmaske dient. Geeignete nasschemische Ätzverfahren für das jeweilige Substratmaterial, wie beispielsweise Glas, sind dem Fachmann bekannt. Das Gleiche gilt für geeignete Trockenätzprozesse, wie Sputterätzen oder reaktives Ionenätzen. Durch den Ätzvorgang werden die für die Funktion des Koppelgitters erforderlichen Gitterstrukturen in das Substrat geätzt. Schließlich wird die lichtempfindliche Schicht entfernt, so dass die vollständige Substratoberfläche mit der eingeätzten Gitterstruktur freigelegt wird. Im Anschluss an die Entfernung des lichtempfindlichen Materials kann das Substrat mit einer höherbrechenden Schicht als Wellenleiter beschichtet werden.In the present method, a substrate with a photosensitive layer, in particular a photoresist layer, is provided in a known manner. The layer is structured by interference lithography. For this purpose, two coherent light beams are superimposed to form an interference pattern on the surface of the light-sensitive layer. The angle of incidence of the two coherent light beams is in known way chosen to be able to generate the desired grating period Gitter on the surface. After exposure of the photosensitive layer, it is developed to expose or almost expose corresponding areas of the underlying substrate, as has already been explained in more detail in the introductory part. To etch the substrate, the light-sensitive layer does not necessarily have to completely expose the substrate at the corresponding locations (the lattice furrows), since even a thin layer that remains can be etched through using a dry etching process. After development, dry or wet chemical etching of the exposed or nearly exposed areas takes place, the structured light-sensitive layer serving as an etching mask. Suitable wet chemical etching processes for the respective substrate material, such as glass, are known to the person skilled in the art. The same applies to suitable dry etching processes, such as sputter etching or reactive ion etching. The etching process etches the lattice structures required for the function of the coupling lattice into the substrate. Finally, the light-sensitive layer is removed, so that the entire substrate surface with the etched-in lattice structure is exposed. After removal of the light-sensitive material, the substrate can be coated with a higher refractive index layer as a waveguide.

Vorzugsweise werden mit dem vorliegenden Verfahren nicht ein einzelnes Koppelgitter sondern gleichzeitig eine Vielzahl von Koppelgittern in Matrixanordnung auf das Substrat aufgebracht. Die Besonderheit des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass die räumliche Begrenzung der einzelnen Koppelgitter durch Einsatz einer Schattenmaske realisiert wird, deren Maskenöffnung die typische rechteckige bzw. spaltförmige Geometrie der Koppelgitter vorgibt. Erfindungsgemäß wird die Schattenmaske hierbei in einem Mindestabstand zur Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht positioniert, der eine Separation der beiden Fresnelschen Beugungsbilder der jeweils parallel zu den Gitterlinien verlaufenden Kanten der Schattenmaske ermöglicht. Die beiden Beugungsbilder resultieren aus den unterschiedlichen Einfallsrichtungen der beiden Lichtbündel.With the present method, it is preferred not to apply a single coupling grating to the substrate but rather a plurality of coupling grids in a matrix arrangement. The special feature of the present method is that the spatial limitation of the individual coupling grids is realized by using a shadow mask, the mask opening of which specifies the typical rectangular or columnar geometry of the coupling grids. According to the invention, the shadow mask is positioned at a minimum distance from the surface of the light-sensitive layer, which enables a separation of the two Fresnel diffraction images of the edges of the shadow mask running parallel to the grating lines. The two diffraction patterns result from the different directions of incidence of the two light beams.

Hierbei wurde erkannt, dass für die Einkopplung in einen planaren Wellenleiter in der Regel nur die seitliche Begrenzung des Gitters, die parallel zu den Gitterfurchen liegt, wichtig ist. Die Ausbreitungsrichtung der geführten Mode liegt meist senkrecht oder nahezu senkrecht zu den Gitterfurchen bzw. -linien. Die Qualität des Gitters an den Kanten, die senkrecht zu den Gitterlinien liegen, ist daher in der Regel von minderer Bedeutung.It was recognized here that only the lateral boundary of the grating, which lies parallel to the grating furrows, is generally important for the coupling into a planar waveguide. The direction of propagation of the guided mode is usually perpendicular or almost perpendicular to the grid furrows or lines. The quality of the grid on the edges, which are perpendicular to the grid lines, is therefore usually of less importance.

Durch die vorliegende Erfindung wird der Einsatz von schlitz- oder spaltförmigen Schattenmasken ermöglicht, da Beugungseffekte an Kanten, die parallel zu den Gitterfurchen liegen, nicht zu einer Störung des Gitters führen, wenn die Belichtung gemäß dem vorliegenden Verfahren durchgeführt wird.The present invention enables the use of slit-shaped or slit-shaped shadow masks, since diffraction effects on edges which are parallel to the grating furrows do not lead to interference with the grating when the exposure is carried out in accordance with the present method.

Durch den Mindestabstand der Schattenmaske zur Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht entstehen unterschiedliche Belichtungsbereiche im Übergang von der Gitterstruktur zur unstrukturierten Fläche. Diese Bereiche resultieren aus den Fresnelschen Beugungs- bildern der Kante, die aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen der beiden zur Interferenzlithographie eingesetzten Lichtbündel an verschiedenen Orten im Photoresist abgebildet werden. In einem ersten Bereich überlagern sich beide Lichtbündel ungestört und die gewünschte Photoresist-Gitterstruktur bildet sich aus. Im zweiten Bereich überlagert sich das durch das erste Lichtbündel erzeugte Fresnelsche Beugungsbild mit dem weitgehend ungestörten zweiten Lichtbündel. Durch die Intensitätsvariation des ersten Lichtbündels wird der Kontrast des Interferogramms kaum verändert. Die Gitterstruktur wird daher in diesem zweiten Bereich weitgehend ungestört im Photoresist abgebildet. Im dritten Bereich nimmt die Intensität der Lichtwelle des ersten Lichtbündels und somit auch die Strukturtiefe des Gitters kontinuierlich ab. Die verbleibende Resist- dicke reicht bei geeigneter Wahl der Anfangsdicke der Resistschicht bereits in diesem Bereich aus, um ein Ätzen des Substrats in anschließenden Ätzprozessen zu verhindern. Durch die Belichtung und nachfolgendeThe minimum distance between the shadow mask and the surface of the light-sensitive layer creates different exposure areas in the transition from the lattice structure to the unstructured surface. These areas result from the Fresnel diffraction Images of the edge, which are imaged at different locations in the photoresist due to the different directions of propagation of the two light bundles used for interference lithography. In a first area, both light beams overlap undisturbed and the desired photoresist grating structure is formed. In the second area, the Fresnel diffraction image generated by the first light beam overlaps the largely undisturbed second light beam. The contrast of the interferogram is hardly changed by the intensity variation of the first light beam. The lattice structure is therefore imaged largely undisturbed in the photoresist in this second area. In the third area, the intensity of the light wave of the first light beam and thus also the structure depth of the grating decrease continuously. With a suitable choice of the initial thickness of the resist layer, the remaining resist thickness is already sufficient in this area in order to prevent etching of the substrate in subsequent etching processes. By exposure and subsequent

Entwicklung wird in diesem dritten Bereich daher das Substrat nicht und auch nicht nahezu freigelegt. Im vierten Bereich ist die Intensität der ersten Welle verschwindend gering und es wird nur das projizierte Fresnelsche Beugungsbild des zweiten Lichtbündels im Photoresist abgebildet. Im fünften Bereich nimmt die Intensität der Welle des zweiten Lichtbündels kontinuierlich ab. Auch im vierten und fünften Bereich verbleibt daher nach der Entwicklung eine ausreichende Resistdicke, um ein Ätzen des Substrates in anschließenden Ätzprozessen zu verhindern.Development in this third area, therefore, does not expose the substrate and does not nearly expose it. In the fourth area, the intensity of the first wave is vanishingly low and only the projected Fresnel diffraction image of the second light beam is imaged in the photoresist. In the fifth area, the intensity of the wave of the second light beam decreases continuously. In the fourth and fifth area, too, a sufficient resist thickness remains after the development in order to prevent etching of the substrate in subsequent etching processes.

Dieser von den Erfindern erkannte Sachverhalt bei Einhaltung eines Mindestabstandes der Schattenmaske von der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht wird beim vorliegenden Verfahren ausgenutzt, um die gewünschte Abgrenzung des Koppelgitters zu erreichen. Hierfür wird die Dicke der lichtempfindlichen Schicht bzw. des Photoresists in Abstimmung mit den weiteren Belichtungsparametern, wie der Intensität der kohärenten Lichtbündel und der Belichtungszeit, so gewählt, dass die Belichtung nur im ersten und zweiten Bereich in den Intensitätsmaxima ausreicht, um das darunter liegende Substrat nach der Entwicklung freizulegen oder nahezu freizulegen. Die störenden Beugungseffekte durch die Kanten der Schattenmaske, die sich in erster Linie im dritten bis fünften Bereich bemerkbar machen, werden somit zwar in die Photoresistmaske, nicht jedoch auf das Substrat und somit in das Koppelgitter übertragen.This fact recognized by the inventors while maintaining a minimum distance from the shadow mask of The surface of the photosensitive layer is used in the present method in order to achieve the desired delimitation of the coupling grating. For this purpose, the thickness of the light-sensitive layer or of the photoresist is selected in coordination with the other exposure parameters, such as the intensity of the coherent light bundles and the exposure time, so that the exposure is sufficient only in the first and second areas in the intensity maxima around the underlying substrate to be exposed or nearly exposed after development. The disturbing diffraction effects from the edges of the shadow mask, which are primarily noticeable in the third to fifth area, are thus transferred to the photoresist mask, but not to the substrate and thus to the coupling grating.

Der notwendige Mindestabstand zwischen Maske und Substrat, der zur erfindungsgemäßen Separation der Beugungsbilder führt, kann wie folgt abgeschätzt werden. Eine halbunendliche Ebene liege in der durch die orthogonalen x- und y-Achsen aufgespannten Ebene. Ein dimensionsloser Parameter w wird bei der Betrachtung der Intensitätsverteilung entlang einer Linie in x-Richtung senkrecht zur in y-Richtung laufenden Kante bei einer ebenen einfallenden Welle fo1gender aßen bestimmt :The necessary minimum distance between the mask and the substrate, which leads to the separation of the diffraction images according to the invention, can be estimated as follows. A semi-infinite plane lies in the plane spanned by the orthogonal x and y axes. A dimensionless parameter w is determined when considering the intensity distribution along a line in the x direction perpendicular to the edge running in the y direction for a plane incident wave of the following:

wobei d dem Abstand zwischen Maske und photoresist- beschichtetem Substrat entspricht (vgl. z.B. Klein, M.V., Furtak, T.E., Optik, Springer-Verlag (1988). where d corresponds to the distance between the mask and the photoresist-coated substrate (see, for example, Klein, MV, Furtak, TE, Optik, Springer-Verlag (1988).

Die Separation der beiden Beugungsfiguren ergibt sich aus der Geometrie der einfallenden Wellen:The separation of the two diffraction figures results from the geometry of the incident waves:

Ax₂ = 2tanβ_; - d .Ax ₂ = 2tanβ _; - d.

Der Abstand Δx₂ soll größer sein als die Ausdehnung Δxi des Fresnelschen Beugungsbildes bei einem bestimmten Mindestwert von w. Man findet daher folgende Ungleichung für den erforderlichen Abstand zwischen Maske und Substrat:The distance Δx ₂ should be greater than the extension Δxi of the Fresnel diffraction pattern at a certain minimum value of w. The following inequality is therefore found for the required distance between the mask and the substrate:

Untersuchungen ergaben, dass eine Separation der Beugungsbilder für w = 4 oder größer ausreichend ist, um Ätzmasken in Photoresist für störungsfreie Koppelgitter herzustellen.Investigations showed that a separation of the diffraction patterns for w = 4 or larger is sufficient to produce etching masks in photoresist for interference-free coupling gratings.

Der erforderliche Mindestabstand _mi_n zwischen Schattenmaske und photoresistbeschichtetem Substrat ist daher vorzugsweise gegeben durch:The required minimum distance _m i _n between the shadow mask and photoresistbeschichtetem substrate is therefore preferably given by:

Die beiden Lichtbündel müssen nicht notwendigerweise symmetrisch unter dem gleichen Winkel θi zur Flächennormalen auf die Schicht auftreffen. Der sich bei unterschiedlichen Einfallswinkeln ergebende Mindestabstand kann analog der obigen Abschätzung ermittelt werden. Alternativ kann auch ein aus den Einfallswinkeln der beiden Lichtbündel gemittelter Winkel in die obige Formel eingesetzt werden.The two light beams do not necessarily have to strike the layer symmetrically at the same angle θi to the surface normal. The minimum distance resulting at different angles of incidence can be determined analogously to the above estimate. Alternatively, an angle averaged from the angles of incidence of the two light beams can also be used in the above formula.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in vorteilhafter Weise einzelne Koppelgitter oder eine gesamte Koppelgittermatrix auf einer größeren Substrat- fläche in kostengünstiger Weise erzeugen. Für die Herstellung des Koppelgitters ist keine Belichtungsmaske mehr erforderlich, die mit einem zeitaufwendigen Elektronenstrahlschreibverfahren hergestellt werden muss. Weiterhin werden die aus dem Bereich der Interferenzlithographie bekannten Probleme der störenden Beugung an Kanten bei der Erzeugung des Koppelgitters vermieden. Eine Störung von unstrukturierten Bereichen zwischen den Koppelgittern tritt beim vorliegenden Verfahren nicht auf.With the method according to the invention, individual coupling grids or an entire coupling grating matrix can advantageously be placed on a larger substrate. Generate space in a cost-effective manner. An exposure mask, which has to be produced using a time-consuming electron beam writing method, is no longer required for the production of the coupling grating. Furthermore, the problems of interfering diffraction at edges known from the field of interference lithography during the generation of the coupling grating are avoided. A disturbance of unstructured areas between the coupling grids does not occur in the present method.

Die zugehörige Vorrichtung umfasst eine Halterung für das Substrat und die zur äußeren Begrenzung der Koppelgitter eingesetzte Belichtungsmaske. Zwischen Belichtungsmaske und Substrat können Abstandhalter eingebracht werden, die die Einhaltung des Mindest- abstandes zwischen der Maske und der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht sicher stellen. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine kohärente Laserlichtquelle mit zugehöriger Strahlteil- undThe associated device comprises a holder for the substrate and the exposure mask used for the outer boundary of the coupling grating. Spacers can be inserted between the exposure mask and the substrate, which ensure that the minimum distance between the mask and the surface of the light-sensitive layer is maintained. The device further comprises a coherent laser light source with associated beam part and

Strahlaufweitungsoptik sowie Strahlführungselementen, um die Laserstrahlen unter definierten Einfallswinkeln auf die Oberfläche des Substrates einstrahlen zu können. Die eingesetzte Maske weist Maskenöffnungen mit senkrecht zu der durch die Laserstrahlen aufgespannten Ebene, d.h. parallel zu den zu erzeugenden Gitterlinien, verlaufenden Kanten auf, die schneidenförmig ausgebildet sind.Beam expansion optics and beam guidance elements in order to be able to beam the laser beams onto the surface of the substrate at defined angles of incidence. The mask used has mask openings perpendicular to the plane spanned by the laser beams, i.e. parallel to the grid lines to be produced, running edges which are designed in a cutting shape.

Der Winkel α der Schneiden ist dabei in Abhängigkeit vom Einfallswinkel θi der Laserstrahlen vorzugsweise nach der folgenden Beziehung gewählt: Durch diese Wahl des Schneidenwinkels werden daran reflektierte Wellen nicht auf das mit Photoresist beschichtete Substrat gelenkt, so dass zusätzliche durch Reflexion bedingte Störungen vermieden werden.The angle α of the cutting edges is preferably selected as a function of the angle of incidence θi of the laser beams according to the following relationship: By this choice of the cutting angle, waves reflected thereon are not directed onto the substrate coated with photoresist, so that additional disturbances caused by reflection are avoided.

Die Maske selbst kann hierbei auch durch eine oder mehrere schlitzförmige Öffnungen ohne seitliche Begrenzungen gebildet werden. Dies ist dann ausreichend, wenn sich die Koppelgitter über die gesamte Breite des Substrates erstrecken sollen. Im Falle mehrerer nebeneinander liegender Koppelgitter weisen die Maskenöffnungen jedoch seitliche Begrenzungen auf, sind also rechteckförmig ausgebildet, wobei entsprechend der typischen Koppelgitterform die Länge dieser rechteckförmigen Spalte sehr viel größer als deren Breite ist.The mask itself can also be formed by one or more slit-shaped openings without lateral boundaries. This is sufficient if the coupling grids are to extend over the entire width of the substrate. In the case of a plurality of coupling grids lying next to one another, however, the mask openings have lateral boundaries, that is to say they are of rectangular design, the length of this rectangular column being much larger than its width in accordance with the typical coupling grating shape.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiterhin eine gesonderte Halterung für die Belichtungsmaske mit einem Antrieb, mit dem die Maske während der Belichtung über eine definierte Wegstrecke unter Einhaltung des Mindestabstandes senkrecht zur Substratoberfläche verfahren werden kann. Diese Ausgestaltung der Vorrichtung betrifft eine besondere Ausführungsvariante des vorliegenden Verfahrens, bei der der Abstand zwischen der Belichtungsmaske und der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht während der Belichtungszeit verändert wird. Durch diese Veränderung, die beispielsweise durch eine einfache Linearbewegung der Belichtungsmaske senkrecht zur Oberfläche des Substrates realisiert werden kann, entsteht eine Mittelung Fresnelscher Beugungsbilder an verschiedenen Orten und somit eine Verringerung des Kontrastes der Fresnelschen Beugungsbilder. Diese Verringerung des Kontrastes führt zu einer weiteren Verminderung störender Beugungseffekte bei der Herstellung des Koppelgitters. Die Größe des Verstellweges der Belichtungsmaske ist hierbei abhängig von der zu erzeugenden Gitterperiode. Je größer diese Gitterperiode ist, desto größer muss der Verstellweg gewählt werden, um eine ausreichende Mittelung zu erzielen.In an advantageous embodiment, the device further comprises a separate holder for the exposure mask with a drive, with which the mask can be moved perpendicularly to the substrate surface during the exposure over a defined distance while maintaining the minimum distance. This embodiment of the device relates to a special embodiment variant of the present method, in which the distance between the exposure mask and the surface of the light-sensitive layer is changed during the exposure time. This change, which can be implemented, for example, by a simple linear movement of the exposure mask perpendicular to the surface of the substrate, results in an averaging of Fresnel diffraction images at different locations and thus a reduction in the Contrast of the Fresnel diffraction patterns. This reduction in the contrast leads to a further reduction in disruptive diffraction effects during the production of the coupling grating. The size of the adjustment path of the exposure mask depends on the grating period to be generated. The larger this grating period, the greater the adjustment path must be selected in order to achieve sufficient averaging.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The present method is briefly explained again below using an exemplary embodiment without restricting the general inventive concept in conjunction with the drawings. Here show:

Fig. 1 schematisch ein Beispiel für die Einstrahlung zweier kohärenter Lichtbündel auf die Oberfläche einer Substratschicht zu Erzeugung eines Interferenzmusters;1 schematically shows an example of the irradiation of two coherent light beams on the surface of a substrate layer in order to generate an interference pattern;

Fig. 2 eine beispielhafte Darstellung der Verhältnisse an einer Kante der Belichtungsmaske beim vorliegenden Verfahren;2 shows an exemplary representation of the conditions at an edge of the exposure mask in the present method;

Fig. 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Photoresiststruktur, die gemäß dem vorliegenden Verfahren belichtet wurde;3 shows a scanning electron micrograph of a photoresist structure which has been exposed in accordance with the present method;

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Struktur aus Fig . 3 ; Fig. 5 ein Beispiel für ein mit einer Koppelgittermatrix gemäß dem vorliegenden Verfahren strukturiertes Substrat; und4 shows an enlarged section of the structure from FIG. 3; 5 shows an example of a substrate structured with a coupling grid matrix according to the present method; and

Fig. 6 ein Beispiel für die zugehörige Belichtungsmaske zur Herstellung der Koppelgittermatrix gemäß Fig . 5.6 shows an example of the associated exposure mask for producing the coupling grating matrix according to FIG. 5th

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Fig.l zeigt schematisch ein Beispiel für die Belichtung der Oberfläche einer lichtempfindlichen Schicht 2 mit zwei kohärenten Lichtbündeln 3,4. Beide Lichtbündel werden unter einem festen Winkel θi auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht 2 überlagert. Das Substrat, auf dem die lichtempfindliche Schicht aufgebracht ist, ist in dieser Darstellung ebenso wie die Belichtungsmaske zur Begrenzung des zu erzeugenden Koppelgitters nicht erkennbar. Durch die Wellenlänge λ_o der beiden eingestrahlten Lichtbündel und den Einfallswinkel θi ergibt sich eine feste räumliche Intensitätsmodulation mit einer Periode Λ, die der zu erzeugenden Gitterperiode entspricht.Fig.l shows schematically an example of the exposure of the surface of a photosensitive layer 2 with two coherent light beams 3, 4. Both light beams are superimposed on the surface of the photosensitive layer 2 at a fixed angle θi. The substrate on which the light-sensitive layer is applied, as well as the exposure mask for delimiting the coupling grating to be produced, cannot be seen in this illustration. The wavelength λ _{o of} the two incident light beams and the angle of incidence θi result in a fixed spatial intensity modulation with a period Λ which corresponds to the grating period to be generated.

Im vorliegenden Beispiel soll eine Koppel- gittermatrix mit der Gitterperiode Λ = 500 nm erzeugt werden. Hierfür wird ein Argonionenlaser mit einer Emissionswellenlänge von 364 nm eingesetzt. Der Ausgangsstrahl dieses Lasers wird in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die mit einer entsprechenden Optik aufgeweitet und unter dem Winkel θi = 21,3°auf die lichtempfindliche Schicht 2, eine Photoresistschicht, eingestrahlt werden. Die Belichtungszeit zur Erzeugung einer derartigen Koppelgittermatrix ist von der Intensität der eingestrahlten Laserstrahlung sowie den Eigenschaften der Photoresistschicht abhängig. Im vorliegenden Fall ist eine Belichtungszeit von 1 bis 2 Minuten erforderlich. Die Belichtungszeit wird durch zumindest einen Verschluss im Strahlengang des Lasers eingestellt, so dass bei gegebener Bestrahlungsstärke die Belichtungsdosis feststeht.In the present example, a coupling grating matrix with the grating period Λ = 500 nm is to be generated. An argon ion laser with an emission wavelength of 364 nm is used for this. The output beam of this laser is split into two partial beams, which are widened with appropriate optics and irradiated onto the photosensitive layer 2, a photoresist layer, at an angle θi = 21.3 °. The exposure time for generating such a coupling grating matrix is different from that Intensity of the irradiated laser radiation and the properties of the photoresist layer depend. In the present case, an exposure time of 1 to 2 minutes is required. The exposure time is set by at least one shutter in the beam path of the laser, so that the exposure dose is fixed at a given irradiance.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse bei der Belichtung in vergrößerter Darstellung. In der Figur sind wiederum die lichtempfindliche Schicht 2 sowie die beiden unter dem Winkel θi überlagerten Laserlichtbündel 3 und 4 zu erkennen. Weiterhin ist in dieser Darstellung ein innerer Rand bzw. eine Kante 7 der Maskenöffnung der als Schattenmaske eingesetzten Belichtungsmaske 6 zu erkennen. Die Maske besteht im vorliegenden Beispiel aus einer Metallplatte mit einer Dicke von zumindest 1 mm, um einen Verzug bei der Bearbeitung zu vermeiden. Die Maskenöffnungen werden vorzugsweise mittels Ultrapräzisionsbearbeitung mit Diamantwerkzeugen gefertigt, um optische Oberflächen zu erhalten. Diese sind für die Vermeidung von Streuwellen bei der Belichtung des Photoresists erforderlich. Die Maskenöffnungen sind als Spaltöffnungen ausgeführt, deren Form dem äußeren U riss der zu erzeugendenFig. 2 shows the conditions during the exposure in an enlarged view. In the figure, the photosensitive layer 2 and the two laser light beams 3 and 4 superimposed at the angle θi can again be seen. Furthermore, an inner edge or an edge 7 of the mask opening of the exposure mask 6 used as a shadow mask can be seen in this illustration. In the present example, the mask consists of a metal plate with a thickness of at least 1 mm in order to avoid warping during processing. The mask openings are preferably manufactured by means of ultra-precision machining with diamond tools in order to obtain optical surfaces. These are necessary to avoid stray waves when exposing the photoresist. The mask openings are designed as stomata, the shape of which is the outer U crack of those to be generated

Koppelgitter entspricht. Zur Erzeugung der gewünschten Koppelgittermatrix sind die spaltförmigen Maskenöffnungen regelmäßig über die Metallplatte verteilt. Die Kanten der Spalte, die parallel zu den zu erzeugenden Gitterfurchen liegen, sind als Schneiden 7 ausgeführt, wie dies in der Figur 2 zu erkennen ist. Die Schneide bewirkt bei geeigneter Wahl des Schneidenwinkels α, dass daran reflektierte Wellen nicht auf das mit Photoresist 2 beschichtete Substrat fallen können. Der Winkel der Schneide 7 wird abhängig vom Einfallswinkel θi gemäß θi + 2 < 90° gewählt.Coupling grid corresponds. To generate the desired coupling grid matrix, the slit-shaped mask openings are regularly distributed over the metal plate. The edges of the column, which are parallel to the lattice furrows to be produced, are designed as cutting edges 7, as can be seen in FIG. 2. With a suitable choice of the cutting angle α, the cutting edge ensures that waves reflected thereon do not affect the substrate coated with photoresist 2 can fall. The angle of the cutting edge 7 is selected as a function of the angle of incidence θi in accordance with θi + 2 <90 °.

Bei der Belichtung wird ein Halter eingesetzt, der die Aufnahme der Schattenmaske 6 und des mit dem Photoresist 2 beschichteten (hier nicht dargestellten) Glassubstrates ermöglicht. Der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einzuhaltende Mindestabstand d wird durch mechanische Abstandhalter gewährleistet, die in Fig. 2 ebenfalls nicht dargestellt sind.During the exposure, a holder is used which enables the shadow mask 6 and the glass substrate (not shown here) coated with the photoresist 2 to be accommodated. The minimum distance d to be maintained in the method according to the invention is ensured by mechanical spacers, which are also not shown in FIG. 2.

In der Fig. 2 ist sehr gut die Trennung der beiden Fresnelschen Beugungsbilder der beiden kohärenten Lichtbündel 4 und 5 auf der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht 2 zu erkennen. Die Intensitätsverteilung dieser Beugungsbilder ist in der Figur schematisch angedeutet. Diese Trennung der beiden Beugungsmuster führt zu den bereits erläuterten fünf Belichtungsbereichen auf der lichtempfindlichen Schicht .2 shows the separation of the two Fresnel diffraction images of the two coherent light beams 4 and 5 on the surface of the light-sensitive layer 2. The intensity distribution of these diffraction images is indicated schematically in the figure. This separation of the two diffraction patterns leads to the five exposure areas on the light-sensitive layer which have already been explained.

Diese fünf Bereiche (mit römischen Ziffern bezeichnet) sind in den folgenden Figuren 3 und 4 noch- mals anhand einer rasterelektronenmikroskopischenThese five areas (denoted by Roman numerals) are shown again in the following FIGS. 3 and 4 using a scanning electron microscope

Aufnahme eines gemäß dem vorliegenden Verfahren belichteten Substrats 1 mit einer Photoresistschicht 2 dargestellt. In der Figur 3 (und 4) ist zur besseren Veranschaulichung der mit dem vorliegenden Verfahren erzeugten Effekte die Photoresistschicht 2 dicker als üblich aufgebracht. Sehr gut sind hierbei die unterschiedlichen Belichtungsbereiche I bis V zu erkennen, wie sie nach der Entwicklung des Photoresists mit einem handelsüblichen Entwickler resultieren. Durch den Mindestabstand der Maske von der Oberfläche der Photoresistschicht und die dadurch hervorgerufene Separation der Beugungsbilder kann vermieden werden, dass die Beugungsbilder der Bereiche III bis V bis zum Substrat durchbelichtet werden. Dies ist anhand der nach der Entwicklung verbleibenden Resistdicke im Bereich III der Figur 4 gut zu erkennen. Gerade in den Bereichen II bis V treten jedoch durch die Kante der Maskenöffnung verursachte Störungen auf, die somit beim Ätzprozess nicht auf das Substrat 1 übertragen werden. In den Bereichen I und II reicht die Intensität aus, um den Photoresist an den Intensitätsmaxima des Interferenzmusters bei der Entwicklung vollständig zu entfernen. Hier werden die Gitterlinien vollständig auf das Substrat übertragen. In diesen Bereichen ist jedoch wiederum die Störung durch Beugungseffekte vernachlässigbar gering, so dass keine Störung des Gitters bei der Übertragung der Photoresiststruktur auf das darunter liegende Substrat erfolgt. Die in den Figuren 3 und 4 zu beobachtenden Störungen resultieren aus der zur Veranschaulichung gewählten größeren Resistdicke.Image of a substrate 1 exposed according to the present method with a photoresist layer 2 is shown. In FIG. 3 (and 4), the photoresist layer 2 is applied thicker than usual in order to better illustrate the effects produced by the present method. The different exposure areas I to V can be seen very well, as they appear after the development of the photoresist commercial developers result. The minimum distance of the mask from the surface of the photoresist layer and the resulting separation of the diffraction images can prevent the diffraction images of the regions III to V from being exposed through to the substrate. This can be clearly seen from the resist thickness remaining after development in area III of FIG. 4. However, in regions II to V in particular there are disturbances caused by the edge of the mask opening which are therefore not transmitted to the substrate 1 during the etching process. In areas I and II, the intensity is sufficient to completely remove the photoresist at the intensity maxima of the interference pattern during development. Here the grid lines are completely transferred to the substrate. In these areas, however, the disturbance due to diffraction effects is again negligibly small, so that there is no disturbance of the grating when the photoresist structure is transferred to the underlying substrate. The disturbances to be observed in FIGS. 3 and 4 result from the larger resist thickness chosen for illustration.

Die Übertragung der Gitterstruktur auf das Substrat wird im vorliegenden Beispiel durch einen anschließenden nasschemischen Ätzprozess mittels HF durchgeführt, der in den durch die Entwicklung des Photoresists freigelegten Bereichen stattfindet. Hier entstehen durch das Ätzen in dem Glassubstrat 1 die Gitterfurchen.In the present example, the lattice structure is transferred to the substrate by means of a subsequent wet-chemical etching process using HF, which takes place in the areas exposed by the development of the photoresist. Here, the lattice furrows are created by the etching in the glass substrate 1.

Nach dem Ätzvorgang wird dann der Photoresist durch Lösungsmittel, handelsübliche Photoresist- Stripper oder durch eine 0₂-Plasmabehandlung entfernt. Es verbleibt eine Koppelgittermatrix auf dem Substrat 1, wie sie als Beispiel in Fig. 5 (nicht maßstabsgerecht) dargestellt ist. Hier sind sehr gut die einzelnen Koppelgitter 5 als strukturierte Bereiche zu erkennen, die matrixförmig auf dem Substrat 1 angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel der Belichtung mit einem Argonionenlaser zur Erzeugung einer Gitterperiode von 500 nm wird vorzugsweise ein Abstand der Belichtungsmaske 6 von 20 μm zur Oberfläche des Photoresists 2 gewählt. Unter Berücksichtigung der erforderlichen Separation der Beugungsbilder der beiden Teilstrahlen 3, 4 würde in diesem Fall jedoch auch die Einhaltung eines Mindestabstandes von etwa 5 μm zu einem zufrieden stellenden Ergebnis führen.After the etching process, the photoresist is then removed by solvent, commercially available photoresist strippers or by a 0 ₂ plasma treatment. A coupling grid matrix remains on the substrate 1, as is shown as an example in FIG. 5 (not to scale). Here, the individual coupling grids 5 can be recognized very clearly as structured areas which are arranged in a matrix on the substrate 1. In the present example of exposure using an argon ion laser to generate a grating period of 500 nm, a distance of the exposure mask 6 of 20 μm from the surface of the photoresist 2 is preferably selected. Taking into account the required separation of the diffraction patterns of the two partial beams 3, 4, however, in this case also maintaining a minimum distance of approximately 5 μm would lead to a satisfactory result.

Mit dem vorliegenden Verfahren können beispielsweise mittels einer Belichtung ca. 10 Koppelgitter mit äußeren Dimensionen von 1 mm x 10cm oder ca. 100 Koppelgitter mit äußeren Dimensionen von 1 mm x 10mm in Matrixform auf einer Mikrotiterplatte mit denWith the present method, approximately 10 coupling gratings with external dimensions of 1 mm × 10 cm or approx. 100 coupling gratings with external dimensions of 1 mm × 10 mm in matrix form can be used on a microtiter plate with the

Dimensionen von 8 x 12 cm erzeugt werden. Es versteht sich von selbst, dass die kohärenten Teilstrahlen hierfür entsprechend großflächig aufgeweitet werden müssen. Weiterhin ist dem Fachmann geläufig, dass zurDimensions of 8 x 12 cm are generated. It goes without saying that the coherent partial beams have to be expanded over a correspondingly large area. Furthermore, the skilled worker is familiar with the fact that

Erzeugung anderer Gitterperioden andere Einfallswinkel, Belichtungszeiten und Abstände der Belichtungsmaske von der Substratoberfläche gewählt werden müssen. Der Abstand der Belichtungsmaske von der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht 2 wird jedoch aus praktischen Erwägungen einen Wert von 3 cm nicht überschreiten. Fig. 6 zeigt schließlich beispielhaft eine Schattenmaske zur Belichtung einer Struktur wie die der Fig. 5 in Draufsicht, wobei die einzelnen spaltförmigen Maskenöffnungen 8 nicht maßstabsgerecht dargestellt sind. Die schneidenförmige Ausbildung der Kanten 7 dieser Maskenöffnungen ist ebenfalls schematisch angedeutet. Die Kanten der schmalen Begrenzungen der Maskenöffnungen weisen hierbei eine andere Form auf, um eventuelle Reflexionen vermeiden zu können. Diese Kanten sind vorzugsweise hinterschnitten.Generation of other grating periods, different angles of incidence, exposure times and distances of the exposure mask from the substrate surface must be selected. However, for practical reasons, the distance of the exposure mask from the surface of the photosensitive layer 2 will not exceed 3 cm. FIG. 6 finally shows an example of a shadow mask for exposing a structure like that of FIG. 5 in a top view, the individual slit-shaped mask openings 8 not being shown to scale. The cutting-like design of the edges 7 of these mask openings is also indicated schematically. The edges of the narrow boundaries of the mask openings have a different shape in order to avoid possible reflections. These edges are preferably undercut.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Maske 6 zusätzlich senkrecht zur Substratoberfläche während der Belichtung linear verschoben. Im vorliegenden Beispiel ist eine Verschiebung während der zweiminütigen Belichtungszeit um 20 μm ausreichend, um die gewünschte Mittelung der Fresnelschen Beugungsbilder herbeizuführen. Eine derartige Linearverschiebung kann beispielsweise durch einen Piezo- antrieb erfolgen. Selbstverständlich lässt sich jedoch auch eine andere Bewegungsform der Maske zur Überstreichung dieses Bereiches realisieren.In a further development of the method, the mask 6 is additionally displaced linearly perpendicular to the substrate surface during the exposure. In the present example, a shift of 20 μm during the two-minute exposure time is sufficient to bring about the desired averaging of the Fresnel diffraction images. Such a linear displacement can take place, for example, by means of a piezo drive. Of course, another form of movement of the mask can be realized to cover this area.

Die Schattenmaske 6 kann selbstverständlich auch in anderen Ausgestaltungen realisiert werden. So können beispielsweise zwei in der gleichen Ebene aufgespannte Metallfolien einen Spalt bilden, der die Begrenzung des Koppelgitters in einer Dimension vorgibt. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Gitter geeignet, die sich über die gesamte zu nutzende Substratbreite erstrecken. Die Kanten der Metallfolien sind durchThe shadow mask 6 can of course also be implemented in other configurations. For example, two metal foils spanned in the same plane can form a gap, which defines the boundary of the coupling grid in one dimension. This configuration is particularly suitable for gratings that extend over the entire substrate width to be used. The edges of the metal foils are through

Schleif- und Polierprozesse wiederum schneidenförmig ausgebildet. Weiterhin lässt sich eine Chrommaske auf einem Glasträger, wie sie in der Mikrolithographie verwendet wird, als Schattenmaske einsetzen. Bei diesem Beispiel ist jedoch eine AR-Beschichtung des Glasträgers, die für die Polarisation und den Einfallswinkel der einfallenden Strahlen optimiert ist, zur Unterdrückung unerwünschter Interferenzen erforderlich. Grinding and polishing processes in turn have a cutting shape. Furthermore, a chrome mask on a glass substrate, as used in microlithography, can be used as a shadow mask. In this example, however, an AR coating of the glass carrier, which is optimized for the polarization and the angle of incidence of the incident rays, is required to suppress undesired interference.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS

Substrat Lichtempfindliche Schicht, Photoresist Kohärente Lichtbündel Koppelgitter Schattenmaske bzw. Belichtungsmaske Schneidenförmige Kante Maskenöffnungen Substrate Photosensitive layer, photoresist Coherent light beams Coupling grids Shadow mask or exposure mask Cutting edge edge Mask openings

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Koppelgitters für einen Wellenleiter mittels Interferenzlithographie, bei dem eine lichtempfindliche Schicht (2) auf einem Substrat (1) mit einem durch1. A method for producing a coupling grating for a waveguide by means of interference lithography, in which a light-sensitive layer (2) on a substrate (1) with a

Überlagerung zweier kohärenter Lichtbündel (3, 4) erzeugten Interferenzmuster belichtet und anschließend entwickelt wird, durch die Entwicklung freigelegte oder nahezu freigelegte Bereiche des Substrates (1) einem Ätzprozess unterworfen werden und anschließend die lichtempfindliche Schicht (2) vom Substrat entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur äußeren Begrenzung des zu erzeugenden Koppelgitters (5) während der Belichtung eine Schattenmaske (6) unter Einhaltung eines Mindestabstandes d_mi_n von der Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht (2) angeordnet wird, der eine räumliche Separation der durch eine innere Kante (7) der Schattenmaske (6) hervorgerufenen Fresnelschen Beugungsmuster der beiden Lichtbündel (3, 4) auf der Oberfläche ermöglicht, wobei die Dicke der lichtempfindlichen Schicht (2) derart gewählt wird, dass die Überlagerung des Fresnelschen Beugungsmusters des einen Lichtbündels mit dem ungestörten anderen Lichtbündel (3, 4) zur Belichtung der lichtempfindlichen Schicht (2) gerade ausreicht, um nach der anschließenden Entwicklung der Schicht (2) Bereiche des Substrates (1) ätzen zu können.Overlaying two coherent light bundles (3, 4) generated interference pattern is exposed and then developed, through the development exposed or almost exposed areas of the substrate (1) are subjected to an etching process and then the photosensitive layer (2) is removed from the substrate, characterized in that that the is arranged to be generated coupling grating (5) during the exposure of a shadow mask (6) while maintaining a minimum distance d _m i _n from the surface of the photosensitive layer (2) to the outer limit, the spatial separation of the by an inner edge (7 ) of the shadow mask (6) caused Fresnel diffraction pattern of the two light bundles (3, 4) on the surface, the thickness of the light-sensitive layer (2) being selected such that the superposition of the Fresnel diffraction pattern of the one light bundle with the undisturbed other light bundle ( 3, 4) for exposure of the photosensitive layer (2) is just sufficient to after the subsequent development of the layer (2) to be able to etch areas of the substrate (1).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand d_mi_n derart gewählt wird, dass die Beziehung2. The method according to claim 1, characterized in that the minimum distance d _m i _{n is selected} such that the relationship

erfüllt ist, wobei λ₀ der Zentralwellenlänge und θ dem gegebenenfalls gemittelten Einfallswinkel der beiden Lichtbündel entspricht .is satisfied, where λ ₀ corresponds to the central wavelength and θ to the optionally averaged angle of incidence of the two light beams.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Photoresistschicht als lichtempfindliche Schicht (2) eingesetzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a photoresist layer is used as the light-sensitive layer (2).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Schattenmaske (6) zur Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht (2) während der Belichtung der Schicht (2) verändert wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the distance of the shadow mask (6) to the surface of the light-sensitive layer (2) is changed during the exposure of the layer (2).

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schattenmaske (6) mit einer oder mehreren spaltförmigen Maskenöffnungen (8) eingesetzt wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a shadow mask (6) with one or more slit-shaped mask openings (8) is used.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schattenmaske (6) eingesetzt wird, deren innere Kanten (7), die eine Begrenzung des Koppelgitters parallel zu den Gitterlinien bewirken sollen, als Schneiden mit einem Schneidwinkel α gegenüber einer Hauptfläche der Schattenmaske ausgeführt sind, der der Bedingung θi + 2α < 90° genügt, wobei θi dem Einfallswinkel der beiden Lichtbündel entspricht.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a shadow mask (6) is used, the inner edges (7), which are intended to limit the coupling grid parallel to the grid lines, as cutting with a cutting angle α compared to one Main surface of the shadow mask are executed, which satisfies the condition θi + 2α <90 °, where θi corresponds to the angle of incidence of the two light beams.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass durch Einsatz einer Schattenmaske (6) mit mehreren matrixförmig angeordneten Maskenöffnungen (8) eine Vielzahl von Koppelgittern gleichzeitig auf dem Substrat (1) erzeugt wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that by using a shadow mask (6) with a plurality of mask openings (8) arranged in a matrix, a plurality of coupling gratings is simultaneously generated on the substrate (1).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Substrat nach dem Entfernen der lichtempfindlichen Schicht (2) mit einer Wellenleiterschicht beschichtet wird, deren Brechungsindex höher ist als der des Substrates (1).8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the substrate after removal of the photosensitive layer (2) is coated with a waveguide layer whose refractive index is higher than that of the substrate (1).

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass Substrat mit den ein oder mehreren Koppelgittern als Prägemaske für die Erzeugung anderer Koppelgitter eingesetzt wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that substrate with the one or more coupling grids is used as an embossing mask for the production of other coupling grids.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche mit einer Halterung für ein Substrat (1) , einer in definiertem Abstand zur Oberfläche eines in die Halterung eingesetzten Substrates (1) einstellbaren Schattenmaske (6), sowie einer kohärenten Laserlichtquelle mit einer Strahlteil- und Strahlaufweitungsoptik sowie Strahlführungs- elementen, um zwei Teilstrahlen (3, 4) unter definierten Einfallswinkeln auf der Oberfläche eines in die Halterung eingesetzten Substrates (1) überlagern zu können, wobei die Schattenmaske (6) Maskenöffnungen (8) mit senkrecht zu der durch die Teilstrahlen (3, 4) aufgespannten Ebene verlaufenden Kanten (7) aufweist, die schneiden- förmig ausgebildet sind.10. The device for carrying out the method according to one or more of the preceding claims with a holder for a substrate (1), a shadow mask (6) adjustable at a defined distance from the surface of a substrate (1) used in the holder, and a coherent laser light source with a beam splitter and beam expansion optics as well as beam guiding elements in order to be able to superimpose two partial beams (3, 4) at defined angles of incidence on the surface of a substrate (1) inserted into the holder, whereby the shadow mask (6) mask openings (8) with perpendicular to of the plane (3, 4) spanned by the plane extending edges (7), which are designed in a cutting shape.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb vorgesehen ist, mit dem die11. The device according to claim 10, characterized in that a drive is provided with which the

Schattenmaske (6) während der Belichtung senkrecht zur Substratoberfläche verfahren werden kann.Shadow mask (6) can be moved perpendicular to the substrate surface during the exposure.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schattenmaske (6) ein oder mehrere spaltförmige Maskenöffnungen (8) aufweist. 12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that the shadow mask (6) has one or more slit-shaped mask openings (8).