Technisches Gebiet
[0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Lichtwellenleiterstrukturen auf einem Substrat zur Bildung von elektro-optischen Leiterplatten.
Stand der Technik
[0002] Die elektro-optische Leiterplattentechnologie kombiniert Leiterplatten umfassend elektronische, elektro-optische und optische Komponenten, wie beispielsweise Lichtwellenleiterstrukturen.
[0003] Lichtwellenleiterstrukturen bestehen aus einer Mehrzahl von transparenten Schichten, basierend auf UV-härtenden Polymermaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindices. Aufgrund der Transparenz können die Lichtwellenleiterstrukturen nicht mittels Bilderkennungssystemen detektiert werden. Eine präzise Ausrichtung von elektro-optischen Komponenten (LED's, Laserquellen, Photodioden) oder anderen Elementen (Referenzmarken, optische Fasern, etc.) anhand der Lichtwellenleiterstrukturen und relativ zu den Lichtwellenleiterstrukturen ist aufgrund der Transparenz nicht möglich. Die präzise Ausrichtung der einzelnen Komponenten relativ zueinander sind aber zwingend erforderlich.
[0004] Ein Verfahren zur Herstellung von Lichtwellenleiterstrukturen mittels Maskenbelichtung offenbart das Dokument EP2 000 837, welches ein Herstellungsverfahren für mehrschichtige Lichtwellenleiterstrukturen, umfassend eine Unterschicht (under-cladding layer), eine Kernschicht (core) und eine Mantelschicht (over-cladding layer) beschreibt.
[0005] Auf einem Substrat werden die unterschiedlichen Schichten schrittweise aufgebracht und schrittweise durch eine Mehrzahl von Belichtungsmasken belichtet. Im ersten Schritt wird eine Unterschicht auf ein Substrat aufgebracht. Anschliessend findet mit Hilfe einer ersten Belichtungsmaske und einer entsprechenden Belichtung und Entfernung der nicht belichteten Abschnitte statt, wobei Referenzmarken aus dem Material der Unterschicht erzeugt werden.
[0006] In einem weiteren Schritt werden diese Referenzmarken mit dünnen Metallfilmen überdeckt. Die Referenzmarken werden durch die Metallfilme optisch erkennbar, wodurch Positionierungen von weiteren Belichtungsmasken und Komponenten relativ zur transparenten Unterschicht unter Verwendung der optisch erkennbaren Referenzmarken mit Metallfilmen erreichbar sind.
[0007] Mit dem in EP2 000 837 beschriebenen Verfahren sind nahezu beliebige planare optische Lichtwellenleiterstrukturen erreichbar, indem ausschliesslich die Maskenbelichtung eingesetzt wird.
[0008] Zur Schaffung der sichtbaren Referenzmarken muss die hergestellte Unterschicht mit einer Abdeckung abgedeckt werden, bevor eine Beschichtung des Substrates mit Metallen an gewünschten Stellen erfolgen kann. Die Positionierung der Abdeckung relativ zur transparenten Unterschicht ist aufgrund der Durchsichtigkeit schwierig.
[0009] Ausserdem muss das Verfahren des schichtweisen Aufbaus der Lichtwellenleiterstruktur unterbrochen werden, um die Metallfilme im Vakuum aufzudampfen oder durch sputtering zu erzeugen. Das mit der Unterschicht bedeckte Substrat muss dazu mit positionierter Abdeckung versehen beispielsweise in eine Vakuumkammer eingebracht werden, wodurch eine Unterbrechung auftritt.
[0010] Am Ende des gesamten Herstellungsverfahrens sind mit Metallfilmen versehene Referenzmarken auf dem Substrat angeordnet, wobei eine weitere Verwendung dieser Referenzmarken nicht offenbart ist.
Darstellung der Erfindung
[0011] Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt ein Verfahren zur Herstellung von mehrschichtigen Lichtwellenleiterstrukturen auf Leiterplatten zu schaffen, welches die hochpräzise Anordnung einzelner Schichten von Lichtwellenleiterstrukturen zueinander und in Relation zu einem Substrat in aufeinander folgenden Verfahrensschritten ermöglicht.
[0012] Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung einer aktiven Justage von elektro-optischen Komponenten relativ zur Lichtwellenleiterstruktur während der Ankopplung an die Lichtwellenleiterstruktur und somit die Schaffung eines zeitsparenden Verfahrens zur Herstellung von kompletten elektro-optischen Leiterplatten, umfassend optische Lichtwellenleiterstrukturen und elektro-optische Komponenten.
[0013] Diese Aufgabe erfüllt das Verfahren gemäss Patentanspruch 1.
[0014] Das beschriebene Verfahren nutzt eine geeignete Reihenfolge und Kombination der Aufbringung der einzelnen transparenten Schichten der Lichtwellenleiterstruktur unter Verwendung der Maskenbelichtung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0015] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Verfahrensschritte eines erfindungsgemässen Verfahrens wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.
<tb>Fig. 1a<sep>zeigt einen Schnitt durch eine elektro-optische Leiterplatte umfassend ein Substrat mit aufgebrachter optisch sichtbarer unstrukturierter flächigen Referenzmarke, während
<tb>Fig. 1b<sep>einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte mit aufgetragener Unterschicht während des UV-Belichtungsvorganges mit einer ersten Maske zeigt.
<tb>Fig. 1c<sep>zeigt einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte, nachdem das unbelichtete Material der Unterschicht weggewaschen wurde.
<tb>Fig. 1d<sep>zeigt einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte mit aufgetragener Kernschicht während des UV-Belichtungsvorganges mit einer zweiten Maske, während
<tb>Fig. 1e<sep>einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte, nachdem das unbelichtete Material der Kernschicht weggewaschen wurde, zeigt.
<tb>Fig. 1f<sep>zeigt einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte mit aufgetragener Mantelschicht während des UV-Belichtungsvorganges mit einer dritten Maske, während
<tb>Fig. 1g<sep>einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte zeigt, nachdem das unbelichtete Material der Mantelschicht weggewaschen wurde.
<tb>Fig. 1h<sep>zeigt einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte, nachdem Teile der Referenzmarke mittels Ätzverfahren entfernt wurden und strukturierte Referenzmarken erstellt wurden.
<tb>Fig. 1i<sep>zeigt einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte, nachdem ein Loch das Substrat und die unstrukturierte Referenzmarke querend angeordnet wurde, während
<tb>Fig. 1j<sep>eine, an die Leiterplatte formschlüssig angekoppelte elektro-optische Komponente zeigt.
<tb>Fig. 2a<sep>zeigt eine perspektivische Ansicht einer elektro-optischen Leiterplatte mit angekoppeltem Spiegelmodul, während
<tb>Fig. 2b<sep>eine perspektivische Ansicht einer elektro-optischen Leiterplatte mit angekoppelter Diode und
<tb>Fig. 2c<sep>eine perspektivische Ansicht einer elektro-optischen Leiterplatte mit Teilen angekoppelter Glasfasern zeigt.
<tb>Fig. 3a<sep>zeigt eine Aufsicht auf eine Referenzmarke in Form eines Kreuzes, während
<tb>Fig. 3b<sep>eine Aufsicht auf eine quadratische Referenzmarke mit zwei auf der selben Diagonalen der Referenzmarke angeordneten Löchern,
<tb>Fig. 3c<sep>eine Aufsicht auf eine quadratische Referenzmarke mit einem zentralen Loch und
<tb>Fig. 3d<sep>eine Aufsicht auf mehrere voneinander beabstandete Referenzmarken, zeigt.
<tb>Fig. 4<sep>zeigt einen Schnitt durch die elektro-optische Leiterplatte, nachdem die Unterschicht mit der Kernschicht bedeckt wurde und die Referenzmarke mit einem UV-härtenden Photolack bedeckt wurde.
<tb>Fig. 5<sep>zeigt einen Schnitt durch eine elektro-optische Leiterplatte, mit teilweise freigelegter Unterschicht, die als Referenzlage für eine vertikale Ausrichtung von elektro-optischen Komponenten dient.
Beschreibung
[0016] Eine elektro-optische Leiterplatte wird von einem Substrat 1 zum Beispiel aus FR4, Polyamid, Glas oder Silizium gebildet, auf welchem auch metallische Strukturen für elektrische Schaltungen angeordnet sein können.
[0017] In einem ersten Schritt werden unstrukturierte flächige Referenzmarken 3 auf das Substrat 1 aufgebracht. Diese unstrukturierten Referenzmarken 3 müssen optisch sichtbar sein und eine grosse Opazität aufweisen, damit sie in einem späteren Verfahrensschritt zur Ausrichtung von Belichtungsmasken dienen können. Darum bieten sich unstrukturierte Referenzmarken 3 aus Metallfilmen, beispielsweise aus dünnen Kupferschichten an. Die Schichtdicke kann von etwa 10 [micro]m bis 100 [micro]m Dicke variieren, wodurch ausreichend gut sichtbare Referenzmarken 3 erreichbar sind. Ein mit unstrukturierten Referenzmarken 3 versehenes Substrat 1 ist in Fig. 1agezeigt.
[0018] Im nächsten Schritt wird eine Unterschicht 2, bestehend aus einem ersten UV-härtendem Polymer, auf dem Substrat 1 aufgebracht. Dies geschieht durch Rakeln, Spincoating, Inkjet oder andere bekannte Verfahren.
[0019] Anschliessend wird die Unterschicht 2 unter UV-Licht ausgehärtet. Zur Definition der auszuhärtenden Regionen wird eine erste Maske 8a verwendet. Die Positionierung der ersten Maske 8a ist problemlos durch Ausrichtung relativ zu den gut sichtbaren unstrukturierten Referenzmarken 3 möglich.
[0020] Als Maske können herkömmliche Belichtungsmasken verwendet werden, welche in der Leiterplatten- und Chipherstellung gebräuchlich sind. Typischerweise handelt es sich um chrombeschichtete Glasplatten, welche entsprechend strukturiert sind. Das nicht belichtete erste Polymer wird anschliessend weggewaschen, wobei die Unterschicht 2 nur in den gewünschten Bereichen auf dem Substrat 1 stehen bleibt, wie in Fig. 1c erkennbar. Die Anbringung der Unterschicht 2 auf dem Substrat, sowie die Anbringung weiterer Schichten transparenter Polymere erfolgt durch bekannte fotolithografische Verfahrensschritte, welche jeweils Belichtungsmasken nutzen.
[0021] Im nächsten Schritt wird eine Kernschicht 4, das Substrat 1 bedeckend mit den gleichen, vorher beschriebenen Methoden aufgebracht. Wie Fig. 1dzeigt, kann die Kernschicht 4 auch die unstrukturierten Referenzmarken 3 überdecken.
[0022] Beim Material der Kernschicht 4 handelt es sich um ein zweites UV-härtendes Polymer welches verglichen mit dem Material der Unterschicht 2 einen unterschiedlichen Brechungsindex besitzt. Nach der Beschichtung wird das Kernmaterial mittels UV-Licht ausgehärtet. Dazu wird eine zweite Maske 8b verwendet, welche ebenfalls relativ zu den unstrukturierten Referenzmarken 3 ausrichtbar ist. Da die Unterschicht 2 transparent ist, kann eine genaue Positionierung der zweiten Maske 8b indirekt zur Unterschicht 2, relativ zu den unstrukturierten Referenzmarken 3 erfolgen. Nach der Belichtung wird das nicht belichtete Material weggewaschen, wobei die Kernschicht 4 insbesondere auf der Unterschicht 2 gebildet worden ist.
[0023] Fig. 1e zeigt die erstellte Kernschicht 4 auf der Unterschicht 2, wobei zusätzlich auch die unstrukturierten Referenzmarken 3 mit ausgehärtetem Polymer der Kernschicht 4 bedeckt sind. Diese Bedeckung kann zur späteren Verwendung der Referenzmarken 3 nach Abschluss des Herstellungsverfahrens nützlich sein, ist aber nicht zwingend für die Weiterverarbeitung der elektro-optischen Leiterplatten oder die Ankopplung von elektro-optischen Komponenten an die Lichtwellenleiterstruktur erforderlich.
[0024] Im nächsten Schritt wird ein drittes UV-härtendes Polymer zur Bildung einer Mantelschicht 5 zum Schutz der mehrschichtigen Lichtwellenleiterstruktur 0 grossflächig auf dem Substrat 1 aufgebracht und anschliessend unter UV-Licht ausgehärtet (Fig. 1f). Dazu wird eine dritte Maske 8c verwendet. Die Ausrichtung der dritten Maske 8c relativ zur transparenten Kernschicht 4 bzw. zur transparenten Unterschicht 2 erfolgt problemlos optisch detektierbar über die unstrukturierten Referenzmarken 3. Da das dritte und das erste Polymer ähnliche oder gleiche optische Eigenschaften aufweist, kann als drittes Polymer das erste Polymer erneut eingesetzt werden.
[0025] In der in Fig. 1g gezeigten Ausführungsform wurden die Bereiche der unstrukturierten Referenzmarken 3 nicht belichtet und durch einen Wasch-Schritt wieder vom Material der Mantelschicht 5 befreit.
[0026] Die Erzeugung der optischen Lichtwellenleiterstrukturen 0 ist nun abgeschlossen, wobei weitere optische oder elektrische Schichten auf die drei Schichten der Lichtwellenleiterstruktur 0, Unterschicht 2, Kernschicht 4 und Mantelschicht 5 mittels Verpressung auflaminiert werden können. Die einzelnen Schichten haben typischerweise Dimensionen von einigen 10 um. Dank des Brechungsindexunterschiedes sind sie in der Lage, Licht mit geringer Dämpfung über grössere Distanzen zu übertragen. Durch die äusserst genaue Ausrichtung der zweiten Maske 8b relativ zu den gut sichtbaren unstrukturierten Referenzmarken 3, ist eine äusserst präzise Herstellung der Kernschicht 4 auf der Unterschicht 2, relativ zur transparenten Unterschicht 2 möglich.
Eine ebenso präzise Ausrichtung und Herstellung der Mantelschicht 5 relativ zur Kernschicht 4 ist durch die exakte Positionierung der dritten Maske 8c anhand der unstrukturierten Referenzmarken 3 möglich.
[0027] Die verwendeten Belichtungsmasken 8a, 8b, 8c weisen Markierungsvorrichtungen auf, mit welchen eine präzise Positionierung der Belichtungsmasken relativ zum Substrat 1 und zu den Schichten der Lichtwellenleiterstruktur 0 möglich ist.
[0028] Zur weiteren Verwendung der unstrukturierten Referenzmarken 3 auf der elektro-optischen Leiterplatte, beispielsweise zur präzisen Ausrichtung von optischen oder elektronischen Komponenten relativ zur Lichtwellenleiterstruktur 0, können die unstrukturierten Referenzmarken 3 mit geeigneten Mitteln in strukturierte Referenzmarken 30 mit räumlich veränderter Ausdehnung umgewandelt werden. Wie in Fig. 1hgezeigt werden Bereiche der unstrukturierten Referenzmarken 3, welche nicht von einer Kernschicht 4 bedeckt sind, durch einen Ätzvorgang entfernt, wodurch die strukturierten Referenzmarken 30 eine andere räumliche Form erhalten, als die anfänglich unstrukturierten Referenzmarken 3.
Durch die Bedeckung von Bereichen der unstrukturierten Referenzmarken 3 ist der Ätzvorgang und die Schaffung strukturierter Referenzmarken 30 möglich, sodass die strukturierten Referenzmarken 30 elektro-optisch mit anderen elektro-optischen Komponenten 9a, 9b, 9c, wie später in einer weiteren Ausführungsform in Fig. 1jgezeigt, koppelbar und weiterverwendbar sind.
[0029] Fig. 1h zeigt die elektro-optische Leiterplatte mit definitiv angeordneten strukturierten Referenzmarken 30, an welchen elektro-optischen Komponenten 9a, 9b, 9c präzise an die Lichtwellenleiterstruktur 0 ankoppelbar sind, wobei Licht von den elektro-optischen Komponenten 9 in die Kernschicht 4 einkoppelbar ist. Ausserdem können die strukturierten Referenzmarken 30 auch als Verankerung von elektro-optischen Komponenten 9 dienen.
[0030] Die Enden der unsichtbaren Schichten der Lichtwellenleiterstruktur 0 und die sichtbaren strukturierten Referenzmarken 3, 30 beispielsweise aus Kupfer sind hochpräzis zueinander positioniert. Die Genauigkeit ist nur von der verwendeten zweiten Maske 8b abhängig und liegt im Bereich von wenigen 10 nm.
[0031] An das Herstellungsverfahren angeschlossene Behandlungsschritte Während eine Koppelung und eine präzise Ausrichtung der elektro-optischen Komponenten 9 direkt auf den unstrukturierten Referenzmarken 3 und strukturierten Referenzmarken 30 erfolgen kann, sind weitere Arbeitsschritte zur Optimierung der strukturierten Referenzmarken 30 vorteilhaft.
[0032] Fig. 1i zeigt eine mögliche nachfolgende Bearbeitung. Anhand der strukturierten Referenzmarken 30 werden mechanisch oder mittels Laser Löcher 11 in die elektro-optische Leiterplatte gebohrt. In Fig. 1j werden diese Löcher 11 dazu verwendet, elektro-optische Komponenten 9 in Form von beispielsweise Spiegelmodulen 9a mit Positionierstiften 12 relativ zu der Lichtwellenleiterstruktur 0, insbesondere zur Kernschicht 4 hochpräzise zu positionieren und zu fixieren, wobei eine formschlüssige Verbindung der elektro-optischen Komponenten 9 mit der elektro-optischen Leiterplatte möglich ist.
[0033] In Fig. 2a ist eine perspektivische Ansicht einer elektro-optische Leiterplatte, umfassend das Substrat 1, auf welchem die Lichtwellenleiterstruktur 0, welche mit einem Spiegelmodul 9a gekoppelt ist, dargestellt.
[0034] Neben den oben beschriebenen Spiegelmodulen 9a können elektro-optische Leiterplatten mit elektro-optischen Komponente 9b in Form von Laserdioden, Photodioden allgemein LEDs bestückt sein. Die elektro-optische Komponente 9b wird mit Hilfe der hochpräzisen Referenzmarken 30 auf dem Substrat 1 der Leiterplatte relativ zur Lichtwellenleiterstruktur 0 ausgerichtet und dort befestigt (Fig. 2b). Für die genaue Justage der elektro-optischen Komponenten 9 ist keine Detektion oder Ausmessung der Position der Lichtwellenleiterstruktur 0 nötig, da die elektro-optischen Komponenten 9 einfach in Relation zu den strukturierten Referenzmarken 30 auf der Leiterplatte positionierbar sind. Es entfällt damit ein aktive Anpassung der elektro-optischen Komponente 9 an die Kernschicht 4.
[0035] Die Positionierung der elektro-optischen Komponenten 9 kann auch relativ zu den unstrukturierten Referenzmarken 3 erfolgen, welche gar nicht oder nur teilweise von einer Kernschicht 4 bedeckt sind.
[0036] Oftmals ist es nötig optische Signale aus Glasfasern in die elektro-optische Leiterplatte einzukoppeln. Fig. 3d zeigt eine mögliche Lösung für dieses Problem. Mehrere strukturierte Referenzmarken 30 können voneinander beabstandet sein und Zwischenräume ausbilden, in welche Glasfasern 9c einlegbar sind. Anstatt der Zwischenräume können auch Nuten in die Referenzmarken 3, 30 eingeformt sein, in welchen die Glasfasern 9c einlegbar sind. Aufgrund der präzisen Ausrichtung der Referenzmarken 3, 30 relativ zu den Kernschichten 4 der Lichtwellenleiterstruktur 0 ist eine präzise Justage der Glasfasern 9c relativ zur Kernschicht 4 gegeben. Die Glasfasern 9c müssen damit nicht aktiv zur Einkopplung von Licht in die Kernschicht 4 justiert werden.
[0037] In den Fig. 3a bis 3d sind Beispiele von strukturierten Referenzmarken 30 dargestellt, welche eine präzise Ausrichtung elektro-optischer Komponenten 9 an die Lichtwellenleiterstruktur 0, genauer an die Kernschicht 4 ermöglichen.
[0038] Versuche haben gezeigt, dass die verwendeten Photopolymere im ausgehärteten Zustand ausgezeichnete Haftungswerte auf Kupfer aufweisen. Falls aus anwendungstechnischen Gründen ein anderes Material verwendet werden muss, welches auf Kupfer schlecht haftet kann auch partiell ein herkömmlicher, UV-härtender Photolack 10 die unstrukturierten Referenzmarken 3 überdeckend, aufgetragen werden. Diese Situation ist in Fig. 4 dargestellt. Anstatt der Kernschicht 4 wird partiell eine Schicht aus Photolack 10 auf den unstrukturierten Referenzmarken 3 im gleichen Schritt zusammen mit der Kernschicht 4, welche auf die Unterschicht 2 aufgebracht wird, aufgetragen.
[0039] Anschliessend wird die zweite Maske 8b anhand der Referenzmarken 3 positioniert und die elektro-optische Leiterplatte belichtet. Alle anderen Prozessschritte werden wie oben erläutert beibehalten. Eine Ein- und Auskopplung von Licht in und aus der Kernschicht 4 der Lichtwellenleiterstruktur 0 kann trotzdem erfolgen, wenn die elektro-optischen Komponenten 9 relativ zu den unstrukturierten Referenzmarken 3 ausgerichtet werden.
[0040] Die elektro-optischen Leiterplatten können hochkomplexe optische Strukturen enthalten, mit einer sehr grossen Anzahl an Lichtwellenleiterstrukturen 0. Auf den elektro-optischen Leiterplatten mit Lichtwellenleiterstrukturen 0 können weitere Leiterplatten aufgebaut werden, so dass die optischen Lichtwellenleiterstrukturen 0 Innenlagen zwischen Leiterplatten bilden.
[0041] Alternativ zur Verwendung von flüssigen Polymeren können dieselben Schritte mit polymeren Trockenfilm Materialien durchgeführt werden. Einziger Unterschied ist, dass die äussere Form der Unterschicht 2, der Kernschicht 4 und der Mantelschicht 5 nicht mehr durch Belichten, sondern durch mechanische Bearbeitung z.B. Schneiden oder Fräsen entstehen.
[0042] Die Schichtdicken der Unterschicht 2, der Kernschicht 4 und der Mantelschicht 5 können mit einer Präzision von einigen wenigen um erzeugt werden. Diese Präzision reicht in vielen Fällen aus, um elektro-optische Komponenten auch in der Höhe zu den Lichtwellenleiterstrukturen 0 auszurichten. Falls eine höhere Präzision verlangt ist, wird die obere Mantelschicht 5 so belichtet, dass beim späteren Waschschritt, die Unterschicht 2 teilweise an definierten Aussparungsstellen 13 freigelegt wird. Diese Aussparungsstellen 13 können direkt dazu verwendet werden elektro-optische Komponenten 9a, 9b, 9c in der Höhe ohne aktive Justage, präzise relativ zu den Lichtwellenleiterstrukturen 0 auszurichten.
Bezugszeichenliste
[0043]
<tb>0<sep>Lichtwellenleiterstruktur
<tb>1<sep>Substrat
<tb>2<sep>Unterschicht
<tb>3<sep>Unstrukturierte Referenzmarke
<tb><sep>30 strukturierte Referenzmarke
<tb>4<sep>Kernschicht
<tb>5<sep>Mantelschicht
<tb><sep>8a Erste Maske
<tb><sep>8b Zweite Maske
<tb><sep>8c Dritte Maske
<tb>9<sep>elektro-optische Komponente
<tb><sep>9a Spiegelmodul
<tb><sep>9b Laserdioden, Photodioden (allgemein LEDs)
<tb><sep>9c Glasfasern
Technical area
The present invention describes a method for producing multilayer optical waveguide structures on a substrate for the formation of electro-optical circuit boards.
State of the art
The electro-optical circuit board technology combines printed circuit boards comprising electronic, electro-optical and optical components, such as optical waveguide structures.
Optical waveguide structures consist of a plurality of transparent layers based on UV-curing polymer materials having different refractive indices. Due to the transparency, the optical waveguide structures can not be detected by means of image recognition systems. A precise alignment of electro-optical components (LEDs, laser sources, photodiodes) or other elements (reference marks, optical fibers, etc.) on the basis of optical waveguide structures and relative to the optical waveguide structures is not possible due to the transparency. However, the precise alignment of the individual components relative to one another is absolutely necessary.
A method for producing optical waveguide structures by means of mask exposure discloses document EP2000837, which describes a manufacturing method for multilayer optical waveguide structures comprising an under-cladding layer, a core layer and an over-cladding layer ,
On a substrate, the different layers are applied stepwise and exposed stepwise through a plurality of exposure masks. In the first step, a lower layer is applied to a substrate. Subsequently, with the aid of a first exposure mask and a corresponding exposure and removal of the unexposed portions, reference marks are generated from the material of the lower layer.
In a further step, these reference marks are covered with thin metal films. The reference marks are optically recognizable by the metal films, whereby positions of further exposure masks and components relative to the transparent lower layer can be achieved using the optically recognizable reference marks with metal films.
With the method described in EP2 000 837 almost any planar optical waveguide structures can be achieved by exclusively the mask exposure is used.
To create the visible reference marks, the underlayer produced must be covered with a cover before a coating of the substrate can be done with metals at desired locations. The positioning of the cover relative to the transparent lower layer is difficult due to the transparency.
In addition, the process of laminar structure of the optical waveguide structure must be interrupted to vaporize the metal films in vacuum or to produce by sputtering. For this purpose, the substrate covered with the underlayer must be provided, for example with a positioned cover, in a vacuum chamber, whereby an interruption occurs.
At the end of the entire manufacturing process provided with metal films reference marks are arranged on the substrate, wherein a further use of these reference marks is not disclosed.
Presentation of the invention
The present invention has for its object to provide a method for producing multilayer optical waveguide structures on printed circuit boards, which allows the high-precision arrangement of individual layers of optical waveguide structures to each other and in relation to a substrate in successive process steps.
Another object of the invention is the avoidance of an active adjustment of electro-optical components relative to the optical waveguide structure during the coupling to the optical waveguide structure and thus the provision of a time-saving method for the production of complete electro-optical circuit boards comprising optical waveguide structures and electronic optical components.
This object is achieved by the method according to claim 1.
The described method uses a suitable order and combination of the application of the individual transparent layers of the optical waveguide structure using the mask exposure.
Brief description of the drawings
A preferred embodiment of the method steps of an inventive method will be described below in conjunction with the accompanying drawings.
<Tb> FIG. 1a <sep> shows a section through an electro-optical circuit board comprising a substrate with applied optically visible unstructured planar reference mark, while FIG
<Tb> FIG. 1b shows a section through the electro-optic printed circuit board with a sub-layer applied during the UV exposure process with a first mask.
<Tb> FIG. Fig. 1c shows a section through the electro-optic printed circuit board after the unexposed material of the underlayer has been washed away.
<Tb> FIG. 1d <sep> shows a section through the electro-optic printed circuit board with a deposited core layer during the UV exposure process with a second mask while
<Tb> FIG. Fig. 1e shows a section through the electro-optic circuit board after the unexposed material of the core layer has been washed away.
<Tb> FIG. 1f <sep> shows a section through the electro-optic printed circuit board with a cladding layer applied during the UV exposure process with a third mask while
<Tb> FIG. Fig. 1g shows a section through the electro-optic printed circuit board after the unexposed material of the cladding layer has been washed away.
<Tb> FIG. 1h <sep> shows a section through the electro-optical circuit board after parts of the reference mark have been removed by means of etching and structured reference marks have been created.
<Tb> FIG. 1i <sep> shows a section through the electro-optical circuit board after a hole has been traversed across the substrate and the unstructured reference mark
<Tb> FIG. 1j <sep>, an electro-optical component which is positively coupled to the printed circuit board.
<Tb> FIG. FIG. 2a shows a perspective view of an electro-optic printed circuit board with a coupled mirror module during. FIG
<Tb> FIG. 2b is a perspective view of an electro-optic printed circuit board with a coupled diode and
<Tb> FIG. Figure 2c shows a perspective view of an electro-optic printed circuit board with parts of coupled glass fibers.
<Tb> FIG. 3a <sep> shows a plan view of a reference mark in the form of a cross, while
<Tb> FIG. 3b <sep> is a plan view of a square reference mark with two holes arranged on the same diagonal of the reference mark,
<Tb> FIG. 3c <sep> is a plan view of a square reference mark with a central hole and
<Tb> FIG. 3d <sep> is a plan view of a plurality of spaced-apart reference marks.
<Tb> FIG. Fig. 4 shows a section through the electro-optical circuit board after the underlayer has been covered with the core layer and the reference mark has been covered with a UV-curable photoresist.
<Tb> FIG. Figure 5 shows a section through an electro-optic printed circuit board, with a partially exposed sub-layer, serving as a reference for vertical alignment of electro-optic components.
description
An electro-optical circuit board is formed by a substrate 1, for example made of FR4, polyamide, glass or silicon, on which also metallic structures for electrical circuits can be arranged.
In a first step unstructured planar reference marks 3 are applied to the substrate 1. These unstructured reference marks 3 must be visually visible and have a high opacity, so that they can serve in a later method step for aligning exposure masks. This is why unstructured reference marks 3 made of metal films, for example of thin copper layers, are available. The layer thickness can vary from about 10 [micro] m to 100 [micro] m thickness, whereby sufficiently well visible reference marks 3 can be achieved. A substrate 1 provided with unstructured reference marks 3 is shown in FIG.
In the next step, a lower layer 2, consisting of a first UV-curing polymer, is applied to the substrate 1. This is done by knife coating, spin coating, inkjet or other known methods.
Subsequently, the lower layer 2 is cured under UV light. To define the regions to be cured, a first mask 8a is used. The positioning of the first mask 8a is easily possible by alignment relative to the clearly visible unstructured reference marks 3.
As a mask, conventional exposure masks can be used, which are common in printed circuit board and chip manufacture. Typically, these are chrome-plated glass plates, which are structured accordingly. The unexposed first polymer is subsequently washed away, wherein the lower layer 2 remains only in the desired areas on the substrate 1, as shown in Fig. 1c recognizable. The application of the lower layer 2 on the substrate, as well as the attachment of further layers of transparent polymers is carried out by known photolithographic process steps, each of which use exposure masks.
In the next step, a core layer 4, the substrate 1 is applied covering the same, previously described methods. As FIG. 1d shows, the core layer 4 can also cover the unstructured reference marks 3.
The material of the core layer 4 is a second UV-curing polymer which has a different refractive index compared to the material of the underlayer 2. After coating, the core material is cured by means of UV light. For this purpose, a second mask 8b is used, which can also be aligned relative to the unstructured reference marks 3. Since the sub-layer 2 is transparent, accurate positioning of the second mask 8b can be done indirectly to the sub-layer 2, relative to the unstructured reference marks 3. After exposure, the unexposed material is washed away, wherein the core layer 4 has been formed in particular on the lower layer 2.
Fig. 1e shows the created core layer 4 on the lower layer 2, wherein additionally the unstructured reference marks 3 are covered with cured polymer of the core layer 4. This covering may be useful for later use of the reference marks 3 after completion of the manufacturing process, but is not necessarily required for further processing of the electro-optic circuit boards or the coupling of electro-optical components to the optical waveguide structure.
In the next step, a third UV-curing polymer to form a cladding layer 5 for the protection of the multilayer optical waveguide structure 0 is applied over a large area on the substrate 1 and then cured under UV light (Fig. 1f). For this purpose, a third mask 8c is used. The orientation of the third mask 8c relative to the transparent core layer 4 or to the transparent lower layer 2 is easily optically detectable via the unstructured reference marks 3. Since the third and the first polymer have similar or identical optical properties, the third polymer can be reused as the third polymer become.
In the embodiment shown in FIG. 1g, the regions of the unstructured reference marks 3 were not exposed and freed from the material of the cladding layer 5 again by a washing step.
The generation of the optical waveguide structures 0 is now complete, wherein further optical or electrical layers can be laminated to the three layers of the optical waveguide structure 0, lower layer 2, core layer 4 and cladding layer 5 by means of compression. The individual layers typically have dimensions of several tens of microns. Thanks to the refractive index difference, they are able to transmit light with low attenuation over longer distances. Due to the extremely precise alignment of the second mask 8b relative to the clearly visible unstructured reference marks 3, an extremely precise production of the core layer 4 on the lower layer 2, relative to the transparent lower layer 2 is possible.
An equally precise alignment and production of the cladding layer 5 relative to the core layer 4 is possible by the exact positioning of the third mask 8c on the basis of the unstructured reference marks 3.
The exposure masks 8a, 8b, 8c used have marking devices with which a precise positioning of the exposure masks relative to the substrate 1 and to the layers of the optical waveguide structure 0 is possible.
For further use of the unstructured reference marks 3 on the electro-optical circuit board, for example, for precise alignment of optical or electronic components relative to the optical waveguide structure 0, the unstructured reference marks 3 can be converted by suitable means into structured reference marks 30 with spatially modified extent. As shown in FIG. 1h, regions of the unstructured reference marks 3, which are not covered by a core layer 4, are removed by an etching process, whereby the structured reference marks 30 are given a different spatial form than the initially unstructured reference marks 3.
By covering regions of the unstructured reference marks 3, the etching process and the creation of structured reference marks 30 are possible, so that the structured reference marks 30 are electro-optically associated with other electro-optical components 9a, 9b, 9c, as shown later in another embodiment in FIG , be coupled and reusable.
Fig. 1h shows the electro-optical circuit board with definitely arranged structured reference marks 30, to which electro-optical components 9a, 9b, 9c are precisely coupled to the optical waveguide structure 0, wherein light from the electro-optical components 9 in the core layer 4 can be coupled. In addition, the structured reference marks 30 can also serve as anchoring of electro-optical components 9.
The ends of the invisible layers of the optical waveguide structure 0 and the visible structured reference marks 3, 30, for example made of copper are positioned with high precision to each other. The accuracy depends only on the used second mask 8b and is in the range of a few 10 nm.
Treatment steps connected to the production method While coupling and precise alignment of the electro-optical components 9 can take place directly on the unstructured reference marks 3 and structured reference marks 30, further work steps for optimizing the structured reference marks 30 are advantageous.
Fig. 1i shows a possible subsequent processing. Using the structured reference marks 30 holes 11 are drilled in the electro-optical circuit board mechanically or by means of laser. In Fig. 1j, these holes 11 are used to position and fix electro-optical components 9 in the form of mirror modules 9a with positioning pins 12 relative to the optical waveguide structure 0, in particular to the core layer 4, wherein a positive connection of the electro-optical Components 9 with the electro-optical circuit board is possible.
In Fig. 2a is a perspective view of an electro-optical circuit board, comprising the substrate 1, on which the optical waveguide structure 0, which is coupled to a mirror module 9a, is shown.
In addition to the mirror modules 9a described above, electro-optical circuit boards can be equipped with electro-optical component 9b in the form of laser diodes, photodiodes LEDs in general. The electro-optical component 9b is aligned with the aid of the high-precision reference marks 30 on the substrate 1 of the printed circuit board relative to the optical waveguide structure 0 and fixed there (FIG. 2b). For the exact adjustment of the electro-optical components 9, no detection or measurement of the position of the optical waveguide structure O is necessary, since the electro-optical components 9 can be easily positioned in relation to the structured reference marks 30 on the printed circuit board. It thus eliminates an active adaptation of the electro-optical component 9 to the core layer. 4
The positioning of the electro-optical components 9 can also take place relative to the unstructured reference marks 3, which are not or only partially covered by a core layer 4.
Often it is necessary to couple optical signals from glass fibers in the electro-optical circuit board. Fig. 3d shows a possible solution to this problem. A plurality of structured reference marks 30 may be spaced apart from one another and form spaces in which glass fibers 9c can be inserted. Instead of the intermediate spaces, grooves can also be formed in the reference marks 3, 30, in which the glass fibers 9c can be inserted. Due to the precise alignment of the reference marks 3, 30 relative to the core layers 4 of the optical waveguide structure 0, a precise adjustment of the glass fibers 9c relative to the core layer 4 is given. The glass fibers 9 c need not be actively adjusted for coupling light into the core layer 4.
Examples of structured reference marks 30 are shown in FIGS. 3 a to 3 d, which enable a precise alignment of electro-optical components 9 to the optical waveguide structure 0, more particularly to the core layer 4.
Experiments have shown that the photopolymers used in the cured state have excellent adhesion to copper. If, for performance reasons, another material must be used which adheres poorly to copper, it is also possible to partially apply a conventional, UV-curing photoresist 10 covering the unstructured reference marks 3. This situation is shown in FIG. Instead of the core layer 4, a layer of photoresist 10 is partially applied to the unstructured reference marks 3 in the same step together with the core layer 4, which is applied to the underlayer 2.
Subsequently, the second mask 8b is positioned based on the reference marks 3 and exposed the electro-optical circuit board. All other process steps are retained as explained above. A coupling and uncoupling of light into and out of the core layer 4 of the optical waveguide structure 0 can nevertheless take place if the electro-optical components 9 are aligned relative to the unstructured reference marks 3.
The electro-optical circuit boards may contain highly complex optical structures, with a very large number of optical waveguide structures 0. On the electro-optical circuit boards with optical waveguide structures 0 further printed circuit boards can be constructed so that the optical waveguide structures form 0 inner layers between printed circuit boards.
Alternatively to the use of liquid polymers, the same steps can be carried out with polymeric dry film materials. The only difference is that the outer shape of the lower layer 2, the core layer 4 and the cladding layer 5 is no longer exposed by exposure but by mechanical processing e.g. Cutting or milling arise.
The layer thicknesses of the underlayer 2, the core layer 4 and the cladding layer 5 can be produced with a precision of a few μm. This precision is sufficient in many cases to align electro-optical components also in height to the optical waveguide structures 0. If a higher precision is required, the upper cladding layer 5 is exposed so that in the subsequent washing step, the lower layer 2 is partially exposed at defined recess locations 13. These recess locations 13 can be used directly to align electro-optical components 9a, 9b, 9c in height without active adjustment, precisely relative to the optical waveguide structures 0.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0043]
<Tb> 0 <sep> optical waveguide structure
<Tb> 1 <sep> Substrate
<Tb> 2 <sep> underclass
<tb> 3 <sep> Unstructured reference mark
<tb> <sep> 30 structured reference mark
<Tb> 4 <sep> core layer
<Tb> 5 <sep> cladding layer
<tb> <sep> 8a First mask
<tb> <sep> 8b Second mask
<tb> <sep> 8c Third mask
<tb> 9 <sep> electro-optical component
<tb> <sep> 9a mirror module
<tb> <sep> 9b laser diodes, photodiodes (generally LEDs)
<tb> <sep> 9c glass fibers