Neues Fertigungsverfahren für optische 3D-Chips

"Unser neues Fertigungsverfahren SPRIE nutzt bewährte Technologie wie das Ätzen, innovative Verfahren wie Selbstorganisation und kombiniert diese auf kreative Weise", erklärte Martin Wegener, Professor am Institut für Angewandte Physik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Das SPRIE-Verfahren strukturiert demnach einfach, großflächig und dreidimensional Silizium.

Zunächst wird auf die Siliziumoberfläche eine Lösung mit mikrometergroßen Kugeln aus Polystyren gegeben. Nach dem Trocknen ordnen diese sich selbst zu einer dichten, einlagigen Kugelschicht auf dem Silizium an. Nach einer Metallbeschichtung und dem Entfernen der Kugeln bleibt eine wabenförmige Ätzmaske auf der Siliziumoberfläche zurück.

"Diese Ätzmaske ist unsere zweidimensionale Schablone für die Konstruktion der dreidimensionalen Struktur", so Frölich. Die freiliegenden Bereiche werden durch ein reaktives Plasmagas weggeätzt. Ob die Gasteilchen dabei überwiegend nur in die Tiefe oder gleichmäßig in alle Richtungen ätzen, lässt sich mit einem elektrischen Feld beeinflussen. Zusätzlich können die Wände des Loches gezielt mit einer Polymerschicht vor weiterem Ätzen geschützt werden.

Durch Wiederholungen des Vorgangs wachsen die Löcher der Ätzmaske in die Tiefe. Mit bis zu 10 Mikrometern sind sie mehr als zehnmal so tief, wie sie breit sind. Stimmt man sehr genau die beiden Prozessschritte und das elektrische Feld aufeinander ab, kann man die Struktur der Wände steuern. Statt eines einfachen Loches mit senkrechten, glatten Wänden, erzeugt jeder Ätzschritt eine kugelförmige Vertiefung mit gewölbter Oberfläche. Diese Wölbung ist der Baustein für die regelmäßigen, sich wiederholenden Strukturen bei neuartigen Lichtwellenleitern.

"Optische Telekommunikation findet bei einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern statt. Deshalb erzeugen wir mit unserem Ätzverfahren entlang der Wand eine Riffelung, die ebenfalls im Mikrometerbereich liegt, führte Frölich weiter aus. Das Feld an dicht nebeneinanderliegenden und sehr tiefen, strukturierten Löchern wirkt in seiner Summe wie ein regelmäßiger Kristall, an dem Licht auf die gewünschte Art gebrochen wird.

Das Verfahren kann innerhalb von wenigen Minuten einen dreidimensionalen photonischen Kristall erzeugen, da es auf Prozesse zurückgreift, die heute schon in der Industrie üblich sind. Im Prinzip lässt sich damit aus einer frei wählbaren Maske eine dreidimensionale Struktur in Silizium erzeugen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, die an optische Bauteile gestellten Anforderungen in der Telekommunikation zu lösen.