-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiters, einen mit diesem Verfahren hergestellten optischen Wellenleiter sowie ein medizinisches Implantat mit einem solchen optischen Wellenleiter.
-
Optische Wellenleiter sind aus lichtdurchlässigen Materialien bestehende Strukturen, in denen sich Licht in Form von Moden ausbreiten kann. Ein optischer Wellenleiter besteht aus einem Kernmaterial und einem Mantelmaterial, wobei das Kernmaterial einen höheren Brechungsindex aufweist als das Mantelmaterial. Je größer der Unterschied zwischen den Brechungsindizes beider Materialien ist, umso kleinere Biegeradien können für die optischen Wellenleiter erreicht werden. Insbesondere in der Optogenetik werden flexible Wellenleiter mit möglichst kleinen Biegeradien (kleiner 1 mm) benötigt. Da größere Unterschiede der Brechungsindizes zu erhöhten Streuverlusten an rauen Grenzflächen führen, muss die Kombination der Materialien passend gewählt werden. Weiterhin sollte die laterale Periodizität der Wellenleiter (Summe aus Wellenleiterbreite und -abstand) kleiner als 50 µm betragen, um eine ausreichende Anzahl an Wellenleitern nebeneinander auf einem Bauteil integrieren zu können.
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von optischen Wellenleitern bekannt.
-
Die
EP 0 445 527 B1 beschreibt ein photolithographisches Verfahren, bei dem in ein Glassubstrat feine Kanäle mit ca. 7 µm Breite eingeätzt und der Kanalgrund anschließend mit einer PMMA-Schicht versehen wird. Danach werden die Kanäle mit einem nicht-linear optischen Polymer verfüllt und mit einer weiteren PMMA-Schicht abgedeckt. Nachteilig ist aber, dass das Glassubstrat starr ist und die mit diesem Verfahren erzeugten optischen Wellenleiter nicht flexibel sind. Weiterhin ist das Einbringen der PMMA-Schicht auf den Kanalgrund der feinen Kanäle technologisch anspruchsvoll.
-
Ein weiteres photolithographisches Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter wird in
EP 1 674 905 B1 beschrieben. Hierbei wird zunächst eine Doppelschicht aus einem unteren Mantelmaterial und einem Kernmaterial bereitgestellt. Anschließend wird die Kernmaterialschicht photolithographisch strukturiert und danach mit einem oberen Mantelmaterial beschichtet. Als Mantelmaterial und Kernmaterial werden Organosilizium-Verbindungen verwendet.
-
In
WO 2018/089929 A1 werden ein flexibler optischer Wellenleiter sowie ein Verfahren zur Herstellung von flexiblen optischen Wellenleitern beschrieben. Das Verfahren sieht zunächst das Auftragen einer ersten Mantelschicht und einer Kernschicht mittels Spin Coating vor. Die Kernschicht wird anschließend photolithographisch strukturiert und dann mit einer zweiten Mantelschicht abgedeckt, die ebenfalls mittels Spin Coating aufgetragen wird. Das Kernmaterial kann u.a. aus SU8 bestehen. Als Mantelmaterial wird ein Fluorpolymer eingesetzt. SU8 ist ein Fotolack, der im Wesentlichen aus den drei Bestandteilen Grundharz, Lösungsmittel und fotoempfindlicher Komponente besteht, wobei das Grundharz ein Epoxidharz ist, welches aus einem Glycidylether Abkömmling von Bisphenol A gebildet wird.
-
Aus „SU8 Based Waveguide for Optrodes“, S. Pimenta, Proceedings 2, 814 MDPI (2018) sind theoretische Studien zur Eignung der Materialkombination PMMA/SU8/PMMA für Wellenleiterstrukturen bekannt. Nachteilig ist aber, dass eine photolithographische Strukturierung der SU8-Kernschicht mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren aufgrund der geringen Beständigkeit von PMMA gegenüber prozesstypischen Lösemitteln (bzw. SU8-Entwicklerlösung) eine Rissbildung im PMMA hervorruft. Diese Rissbildung verhindert die Fertigung von defektfreien Schichten und damit verlustarmen Wellenleitern. Zur Herstellung defektfreier Schichten kann somit nur eine mechanische Strukturierung der SU8-Kernschicht durchgeführt werden, mit der wiederum aber im Vergleich zur photolithographischen Strukturierung nur deutlich gröbere Strukturen erzeugt werden können. Insbesondere laterale Periodizitäten von kleiner 50 µm können mit einer mechanischen Strukturierung bei der Materialkombination PMMA/SU8/PMMA nicht erreicht werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung optischer Wellenleiter auf Basis der Materialkombination PMMA/SU8/PMMA zu schaffen, mit dem laterale Periodizitäten von kleiner 50 µm erreichbar sind. Weiterhin soll der optische Wellenleiter eine hohe mechanische Flexibilität aufweisen, wobei Biegeradien von kleiner 1 mm möglich sein sollen.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, welches die folgenden Schritte umfasst,
- - Ausbildung einer ersten PMMA-Schicht zur Bildung der unteren Mantelschicht des optischen Wellenleiters,
- - Ausbildung einer Schutzschicht auf der ersten PMMA-Schicht,
- - Auftragen einer SU8-Schicht auf die Schutzschicht,
- - photolithographische Strukturierung der SU8-Schicht durch Belichtung der für die Kernschicht des optischen Wellenleiters vorgesehenen Bereiche der SU8-Schicht und anschließende Entfernung unbelichteter Bereiche der SU8-Schicht mittels für SU8 geeigneter Entwicklerflüssigkeit,
- - Ausbildung einer zweiten PMMA-Schicht auf nach der photolithographischen Strukturierung freiliegenden Oberflächen der SU8-Schicht und der Schutzschicht zur Bildung der oberen Mantelschicht des optischen Wellenleiters,
-
Das Material der Schutzschicht wird dabei so gewählt, dass es zum einen gegenüber der Entwicklerflüssigkeit beständig ist und zum anderen innerhalb des optischen Wellenleiters im Wesentlichen optisch inaktiv ist.
-
Die Schutzschicht innerhalb des optischen Wellenleiters ist im Wesentlichen dann optisch inaktiv, wenn der Brechungsindex der Schutzschicht und der Brechungsindex der Kernschicht etwa gleich sind und die Schutzschicht eine Schichtstärke von kleinergleich 5 % der Schichtstärke der Kernschicht aufweist. Alternativ können der Brechungsindex der Schutzschicht und der Brechungsindex der unteren Mantelschicht etwa gleich sein. In einer möglichen Ausgestaltung wird die zwischen den Wellenleitern liegende Schutzschicht nach der Strukturierung der Wellenleiter entfernt, z. B. durch trockenchemisches oder nasschemisches Ätzen. In diesem Fall ist die Schutzschicht unabhängig von ihrem Brechungsindex optisch inaktiv.
-
Durch die Schutzschicht wird die erste PMMA-Schicht bei dem Einsatz der Entwicklerflüssigkeit während der photolithographischen Strukturierung der SU8-Kernschicht geschützt. Somit wird eine durch die Entwicklerflüssigkeit verursachte Rissbildung in der ersten PMMA-Schicht vermieden.
-
In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Ausbildung der Schutzschicht durch Auftragen einer SU8-Schicht auf die erste PMMA-Schicht und anschließende Belichtung dieser SU8-Schicht. Durch die Belichtung wird diese SU8-Schicht gegenüber der photolithographischen Strukturierung der weiteren (zum Aufbau der Kernschicht nachfolgend aufgetragenen) SU8-Schicht beständig. Weiterhin weisen die als SU8-Schicht ausgeführte Schutzschicht und die Kernschicht denselben Brechungsindex auf.
-
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Ausbildung der ersten Mantelschicht und/oder die Ausbildung der zweiten Mantelschicht durch Schichtauftrag mittels Spin Coating und anschließender thermischer Aushärtung erfolgt.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass auch das Auftragen der SU8-Schicht auf der Schutzschicht und/oder das Auftragen der SU8-Schicht auf der ersten PMMA-Schicht mittels Spin Coating erfolgt.
-
Weiterhin wird ein optischer Wellenleiter vorgeschlagen, der eine untere Mantelschicht aus PMMA, eine Kernschicht aus SU8 und eine obere Mantelschicht aus PMMA aufweist, wobei die Kernschicht mittels photolithographischer Strukturierung einer SU8-Schicht gebildet ist. Zwischen der unteren Mantelschicht und der Kernschicht ist eine Schutzschicht angeordnet. Diese Schutzschicht ist gegenüber der photolithographischen Entwicklerflüssigkeit beständig und innerhalb des optischen Wellenleiters im Wesentlichen optisch inaktiv.
-
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Schutzschicht des optischen Wellenleiters eine SU8-Schicht.
-
Eine Ausführung sieht vor, dass der optische Wellenleiter eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Kernschichten aufweist. Der optische Wellenleiter bildet damit ein Bauteil, welches mehrere Kanäle in der Kernschicht zur Lichtausbreitung enthält, welche auch mit Richtungsänderungen ausgeführt, über Weichen miteinander verbunden, in den lateralen Abmessungen verändert oder mit Ein- und Auskoppelstrukturen ausgestattet werden können.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die untere Mantelschicht eine Schichtstärke von 5 µm bis 10 µm, die obere Mantelschicht eine Schichtstärke von 2 µm bis 5 µm, die Schutzschicht eine Schichtstärke von 0,1 µm bis 0,2 µm und die Kernschicht eine Schichtstärke von 5 µm bis 15 µm aufweisen. Ein derartig ausgeführter Wellenleiter zeichnet sich durch eine hohe mechanische Flexibilität aus. Das Materialsystem PMMA/SU8/PMMA ermöglicht dabei Biegeradien des Wellenleiters von kleiner 1 mm. Im roten Spektralbereich (638 nm bis 660 nm) weist PMMA einen Brechungsindex von 1,49 und SU8 einen Brechungsindex von 1,57 auf. Durch diesen großen Unterschied der Brechungsindizes treten bei einem Durchlaufen einer entsprechenden Lichtwelle durch den Wellenleiter auch bei derartig kleinen Biegeradien nur sehr geringe optische Verluste auf. Durch die Dimensionierung der Schichtdicke der Schutzschicht wird darüber hinaus auch sichergestellt, dass diese im optischen Wellenleiter im Wesentlichen optisch inaktiv ist.
-
In einer Ausführung weisen die nebeneinander angeordneten Kernschichten quer zur Lichtlaufrichtung eine Breite von 5 µm bis 15 µm und einen Abstand von 10 µm bis 20 µm auf. Mit einer derartigen Dimensionierung werden laterale Periodizitäten von kleinergleich 50 µm erzeugt. Beispielsweise wird mit einer Breite von 10 µm und einem Abstand von 15 µm eine Periodizität von 25 µm erreicht und mit geringerer Breite und/oder geringerem Abstand entsprechend eine laterale Periodizität kleiner 25 µm. Damit kann in einem Bauteil eine große Packungsdichte mehrerer Kanäle in der Kernschicht zur Lichtausbreitung erzielt werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf geradlinig ausgeführte Kernschichten beschränkt. Die photolithographische Strukturierung ermöglicht grundsätzlich jede Geometrie bei der Bildung der als Kernschicht dienenden Kanäle. Beispielsweise können die Kanäle innerhalb der ersten PMMA-Schicht auch mit Richtungsänderungen ausgeführt oder über Weichen miteinander verbunden sein. Mit der photolithographischen Strukturierung sind dabei auch Richtungsänderungen der Kernschicht mit Krümmungsradien kleiner 1 mm in hoher Qualität herstellbar, welche wiederum durch den großen Unterschied der Brechungsindizes von PMMA und SU8 von einer Lichtwelle mit geringen Verlusten durchlaufen werden.
-
Weiterhin wird ein optogenetisches Implantat vorgeschlagen, welches einen erfindungsgemäßen optischen Wellenleiter mit den oben genannten Dimensionierungen aufweist. Die hohe mechanische Flexibilität des erfindungsgemäßen optischen Wellenleiters verbunden mit den geringen optischen Verlusten ermöglicht die Integration in ein derartiges Implantat. Mit der hohen Packungsdichte der Kanäle in der Kernschicht ist eine hohe Dichte an übertragbaren Lichtimpulsen möglich, welche wiederum eine hochauflösende optische Anregung von organischem Zellmaterial ermöglicht.
-
Insbesondere wird ein als Cochlea-Implantat ausgestaltetes optogenetisches Implantat vorgeschlagen, welches einen erfindungsgemäßen optischen Wellenleiter aufweist und im Innenohr eines Menschen eingesetzt wird. Durch die hochauflösende optische Anregung können die Hörnerven im Innenohr im Vergleich zu elektrisch wirkenden Implantaten räumlicher gezielter angeregt werden.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Die 1a bis 1g zeigen dabei einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines optischen Wellenleiters 1 (1g). Ausgangspunkt ist ein Trägersubstrat, welches in 1a als Silizium-Wafer 2 mit einer Opferschicht 3 ausgestaltet ist, ohne dass es hierauf beschränkt ist. Auf dieses Trägersubstrat wird auf der Opferschicht 3 eine erste PMMA-Schicht 4 ausgebildet. Diese erste PMMA-Schicht wird mittels Spin Coating auf das Trägersubstrat aufgetragen und anschließend thermisch ausgehärtet (1b). Nach dem Ausbilden der ersten PMMA-Schicht 4 wird auf dieser eine Schutzschicht 5 ausgebildet (1c). In der dargestellten Ausführung wird als Schutzschicht 5 eine SU8-Schicht ausgebildet, die zunächst auf die erste PMMA-Schicht 4 mittels Spin Coating aufgetragen und anschließend belichtet wird. Gemäß 1d wird dann auf die belichtete SU8-Schutzschicht 5 eine weitere SU8-Schicht 6 mittels Spin Coating aufgetragen. Diese wird in einem folgenden Schritt mittels Photolithographie strukturiert (1e), wobei dabei die Kernschicht 6a, 6b, 6c des optischen Wellenleiters 1 ausgeformt wird. Bei der photolithographischen Strukturierung der SU8-Schicht 6 erfolgt zunächst nach deren Auftragen eine Belichtung der Bereiche, welche die Kernschicht 6a, 6b, 6c des optischen Wellenleiters 1 bilden soll. An den belichteten Stellen polymerisiert sie SU8-Schicht in einem nachfolgenden Ausheizschritt. Danach wird die partiell belichtete SU8-Schicht 6 mit einer für SU8 geeigneter Entwicklerflüssigkeit behandelt, wobei damit unbelichtete Bereiche der SU8-Schicht 6 gelöst und entfernt werden. Die belichteten Bereiche bleiben hingegen erhalten. Die 1e zeigt die verbliebenen belichteten Bereiche, welche die Kernschicht 6a, 6b, 6c des optischen Wellenleiters 1 bilden. In der dargestellten Ausführung sind drei nebeneinander angeordnete Kanäle 6a, 6b, 6c in der Kernschicht 6 zur Lichtführung vorgesehen, ohne dass die Erfindung aber auf diese Ausführung beschränkt ist. Ebenso können weniger oder mehr Kanäle 6a, 6b, 6c vorgesehen werden. Auf den nach der photolithographischen Strukturierung freiliegenden Oberflächen der SU8-Schicht 6 und Schutzschicht 5 wird dann eine zweite PMMA-Schicht 7 ausgebildet, wobei hierfür PMMA mittels Spin Coating aufgetragen und anschließend ausgehärtet wird (1f). Nach dem Ausbilden der zweiten PMMA-Schicht wird die Opferschicht 3 mittels geeigneter Lösemittel entfernt, sodass der optische Wellenleiter 1 von dem Silizium-Wafer 2 abgenommen werden kann.
-
1g zeigt den mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten optischen Wellenleiter 1 mit einer aus der ersten PMMA-Schicht 4 aufgebauten unteren Mantelschicht, einer aus der zweiten PMMA-Schicht 7 aufgebauten oberen Mantelschicht und einer aus der aus der SU8-Schicht 6 gebildeten Kernschicht mit den drei Kanälen 6a, 6b, 6c. Weiterhin ist die zwischen der unteren Mantelschicht und der Kernschicht und in zur Kernschicht angrenzenden Bereichen zwischen oberer Mantelschicht und unterer Mantelschicht angeordnete Schutzschicht 5 sichtbar. Die Schutzschicht 5 bildet also eine durchgehende Schicht auf der ersten PMMA-Schicht 4.
-
In der dargestellten Ausführung weisen die untere Mantelschicht eine Schichtstärke von 5 µm bis 10 µm, die obere Mantelschicht eine Schichtstärke von 2 µm bis 5 µm, die Schutzschicht 5 eine Schichtstärke von 0,1 µm bis 0,2 µm und die Kernschicht 6 eine Schichtstärke von 5 µm bis 15 µm auf. Die Kernschichten 6a, 6b, 6c bzw. die Kanäle 6a, 6b, 6c der Kernschicht 6 weisen quer zur Lichtlaufrichtung (Lichtlaufrichtung ist senkrecht zur Bildebene) eine Breite von 5 µm bis 15 µm und die nebeneinander angeordneten Kernschichten 6a, 6b, 6c einen Abstand von 10 µm bis 20 µm auf. Mit einer Breite von 10 µm und einem Abstand von 15 µm wird eine laterale Periodizität L von 25 µm und damit kleinergleich 50 µm erreicht. Mit geringerer Breite und/oder geringerem Abstand wird entsprechend eine laterale Periodizität L von kleiner 25 µm erzielt.
-
In einer nicht dargestellten Ausführung ist der optische Wellenleiter gemäß 1g in einem als Cochlea-Implantat ausgestalteten optogenetischen Implantat integriert. Ein optogenetischen Implantat ist eine Form eines medizinischen Implantats.
-
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung des optischen Wellenleiters 1 ist in den zur Kernschicht angrenzenden Bereichen die Schutzschicht 5 mittels eines weiteren Verfahrensschritts (zwischen photolithographischer Strukturierung und Auftragen der zweiten PMMA-Schicht 7) entfernt worden. Dieser weitere Verfahrensschritt kann beispielsweise ein trockenchemischer oder nasschemischer Ätzschritt sein. Im Ergebnis ist die Schutzsicht 5 in dieser Ausführung des optischen Wellenleiters 1 dann nur noch zwischen der unteren Mantelschicht und den Kernschichten 6a, 6b, 6c vorhanden. In den zu den Kernschichten 6a, 6b, 6c angrenzenden Bereichen liegt die obere Mantelschicht auf der unteren Mantelschicht auf.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- optischer Wellenleiter
- 2
- Silizium-Wafer
- 3
- Opferschicht
- 4
- erste PMMA-Schicht, untere Mantelschicht
- 5
- Schutzschicht
- 6
- SU8-Schicht, Kernschicht
- 6a
- Kernschicht, Kanal der Kernschicht
- 6b
- Kernschicht, Kanal der Kernschicht
- 6c
- Kernschicht, Kanal der Kernschicht
- 7
- zweite PMMA-Schicht, obere Mantelschicht
- L
- Laterale Periodizität
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0445527 B1 [0004]
- EP 1674905 B1 [0005]
- WO 2018089929 A1 [0006]
