Die Erfindung betrifft eine Schaltermatrix nach dem Oberbe¬ griff des Anspruches 1 und zwei Verfahren zur Herstellung d selben.

Optisch nichtlineare Elemente können als Schalter für Licht arbeiten. Vereinfacht läßt sich dieser Vorgang folgendermaß beschreiben:

Wird die Leistung eines Laserstrahls, der ein solches Eleme bestrahlt, über einen bestimmten Schwellwert erhöht, so erg sich ein sprunghafter Anstieg des transmittierten und eine sprunghafte Abnahme des reflektierten Lichtes. Dieser Effek ermöglicht es, solche optisch nichtlinearen Bauelemente als Schalterelemente für eine digitale optische Datenverarbeitu zu verwenden. Für diesen Einsatz ist eine zweidi ensionale ordnung solcher Schalter besonders interessant, eine Schalt matrix, bei der die einzelnen Schaltelemente lateraler Ab¬ messungen in der Größenordnung von 10 μm x 10 μm besitzen u möglichst eng benachbart sind.

Eine solche Schaltermatrix ist aus "Optical Bistability III Springer-Verlag ISBN 3-540-16512-6, Seiten 39 - 41, bekannt Diese zweidimensionale Anordnung von Schaltelementen wurde mittels MBE (molecular beam epitaxy) realisiert. Auf einem plattenförmigen 0,2 μm dicken Al _0#4 Ga _{0> 6} As-Substrat sind 9 9 μm ² große und 1,5 μm dicke optisch aktive Schichten aus G im gegenseitigen Abstand von 20 μm aufgebracht. Die Abständ zwischen den Elementen können wegen der gegenseitigen Beein flussung nicht weiter verringert werden. Außerdem ist der H stellungsprozeß aufwendig und teuer.

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

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der im kennzeich¬ nenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale und der im kennzeichnenden Teil der in Anspruch 3 und 4 angegebenen Verfahren gelöst.

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

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

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

Mit dieser Technik lassen sich extrem genaue und feine Struk¬ turen herstellen mit lateralen Abmessungen im Mikrometerbe¬ reich bei einer frei wählbaren Höhe bis zu ca. 2 mm. Bei etwa

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geringeren Höhen lassen sich auch minimale laterale Abmessun¬ gen im Submikrometerbereich realisieren.

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

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

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei- . spiels mittels der Figuren 1 bis 6 beschrieben. Dabei zeigt

Figur 1 das Funktionsprinzip eines optischen nichtlinearen

Schaltelementes im Schaltzustand mit niedriger Trans¬ mission,

Figur 2 das Funktionsprinzip eines optischen nichtlinearen Schaltelementes im Schaltzustand mit hoher Trans¬ mission,

Figur 3 schematisch die gegenseitige Beeinflussung zweier benachbarter optischer Schaltelemente,

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

Figur 5 eine Strukturierung des Substrates zu Säulen mit niedrigem Aspektverhältnis und

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

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

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

In Figur 3 sind im Querschnitt zwei Schaltelemente 3 einer Schaltermatrix dargestellt, die durch die räumliche Ausdehnun einer ersten Wechselwirkungszone 14 mit einem ersten Strahlen bündel 12 und einer zweiten Wechselwirkungszone 15 mit einem zweiten Strahlenbündel 13 begrenzt sind. Der kleinstmögliche Abstand zwischen den beiden Schaltelementen 3 wird von deren störender Wechselwirkung 16 durch thermischen Kontakt und Diffusion von Ladungsträgern durch die optisch aktive Schicht 4 und durch das Substrat 7 begrenzt. Deshalb wird darüber nachgedacht, wie die einzelnen Schaltelemente bei relativ kleinem lateralen Abstand durch Einbringen von Gräben zwische ihren, räumlich getrennt werden können. Solche Gräben sind fü diesen Anwendungszweck bis jetzt nicht fabriziert worden. Man

denkt an den Einsatz einer Diamantsäge oder eines Laserstrahls als Fräswerkzeug. Sollten solche Gräben jemals verwirklicht werden, so werden sie auf jeden Fall ein Aspektverhältnis kleiner etwa 5 besitzen, d.h. die Tiefe eines Grabens wird höchstens um den Faktor 5 größer sein als seine Breite. Für eine effektive Entkopplung sind tiefe Gräben mit einem wesent¬ lich höheren Aspektverhältnis anzustreben. Aus demselben Grunde ist auch der Einsatz der aus der Herstellung mikroelek¬ tronischer Schaltkreise bekannten Trockenätzprozesse für eine solche Strukturierung nicht sinnvoll. Sofern die hier vorlie¬ genden Materialien und Substrate dieses überhaupt zulassen sollten.

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

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

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

raumes zwischen ihnen, stört die Funktion dieser Elemente nicht. Im Bedarfsfall gibt es einige Möglichkeiten, die Be- schichtung zwischen den Säulen zu unterbrechen.

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

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

Bezu szeichenliste;

1 Substratoberfläche

2 Säulen

3 Schaltelement

4 optisch aktive Schicht

5 Stirnfläche der Säule

6 der Säule 2 abgewandte Seite des Substrats 7

7 Substrat

8 Haltestrahl

9 reflektierter Strahl

10 transmittierter Strahl

11 Signalstrahl

12 erstes Strahlenbündel

13 zweites Strahlenbündel

14 erste Wechselwirkungszone

15 zweite Wechselwirkungszone

16 störende Wechselwirkung