Vervollständigung der Prozesskette – Am Fraunhofer IZM gelingt die automatisierte Messung von Lichtwellenleitern in Glas
Die Verwendung von Glas als Baugruppenträger in der Elektronikfertigung
ermöglicht die zusätzliche Übertragung optischer Signale über das
Trägermaterial und kann so zu einer deutlich höheren Datenübertragung bei
Anwendungen im Automobil- und Telekommunikationsbereich sowie für KI-
Anwendungen beitragen. Forschenden am Fraunhofer IZM ist es jetzt
gelungen, im Rahmen des Forschungsprojektes „Integrierte Elektro-
Photonische Panelsysteme“ (EPho) eine Anlage zu entwickeln, die
automatisiert die Ausbreitungsverluste integrierter Lichtwellenleiter
charakterisiert.
Die rasant anwachsenden Datenmengen in einer zunehmend digitalisierten
Welt erfordern neue Lösungen, um Daten effizient verarbeiten und
übertragen zu können. Dafür braucht es immer mehr Transistoren, winzige
elektronische Bauelemente auf einem Chip, die für das Ausführen von
Rechenoperationen zuständig sind. Insbesondere in Datenzentren und High-
Performance-Computern, also dort, wo sehr viele Daten verarbeitet werden,
stößt die Miniaturisierung der Transistoren und deren Ankontaktierung an
die Grenze des technisch Machbaren. In modernen Chips sind die kleinsten
Strukturen nur noch wenige Siliziumatome breit. Dies erfordert eine
extreme Herstellungsgenauigkeit für immer mehr Transistoren pro Chip, was
zu einer geringeren Ausbeute bei der Herstellung und damit zu hohen Kosten
führt.
Um die Anzahl der Transistoren pro Package dennoch in einer
wirtschaftlichen Weise entsprechend des Mooreschen Gesetzes zu erhöhen und
damit eine weiter steigende Leistungsdichte zu erreichen, wird zunehmend
versucht, nicht alle Transistoren auf einem Chip zu platzieren, sondern
diese auf mehrere sogenannte Chiplets zu verteilen. Dieser Trendwechsel
wurde bereits vor einigen Jahren prognostiziert *¹. Das Prinzip
funktioniert aber nur dann gewinnbringend, wenn die Chiplets effektiv
miteinander verbunden sind.
Daraus ergeben sich hohe Anforderungen an das Substrat, auf dem die
Chiplets platziert sind. Die Verbindungen der Chiplets müssen immer
kleinere Strukturgrößen erfüllen. Angestrebt sind aktuell 3µm
(line/space), was auf organischen Substraten nicht mehr zuverlässig
prozessiert werden kann. Industrieführende Unternehmen, wie beispielsweise
Intel, setzen daher auf Glas als Substratmaterial. Diesen Ansatz verfolgt
auch das Fraunhofer IZM. Denn Glas ist ein Substratmaterial, in das auch
optische Lichtwellenleiter integriert werden können. So kann eine elektro-
optische Leiterplatte neben elektrischen auch optischen Signalen leiten
und damit die Datenübertragung maßgeblich erhöhen.
Das Fraunhofer IZM hat einen auf kommerziellem Equipment laufenden Prozess
entwickelt, der dämpfungsarme single- und multi-mode Wellenleiter mittels
Ionenaustauschverfahren in großformatige (>450mm x 300mm) Dünngläser
erzeugt. Da in einem Glas viele hundert Wellenleiter fabriziert werden
können, ist die Inspektion dieser Glaspanels sehr herausfordernd. Das
liegt auch daran, dass Glaspanels im Gegensatz zu elektrischen Leitungen
Kreuzungen erlauben und somit komplexe Layouts in eine einzige Lage
integriert werden können. Zur Vervollständigung der Prozesskette wurde nun
eine Anlage entwickelt, die automatisiert die Ausbreitungsverluste
integrierter Lichtwellenleiter charakterisiert. Dies umfasst auch mittels
Femtosekundenlaser geschriebene Wellenleiter oder Wellenleiter in anderen
Substratmaterialen. Der Messablauf ist dabei immer gleich:
1. Eine Probe wird in die Anlage eingelegt.
2. Das Layout wird hochgeladen, es werden die Wellenleiter
ausgewählt, die gemessen werden sollen und die Messung wird gestartet.
3. Die Anlage erkennt automatisiert die Kanten des Substrats,
eventuell vorhandene Marken, die genaue Position der Messfaser, nimmt eine
Referenzmessung auf und nutzt all diese Informationen, um im Anschluss die
Einfügeverluste aller ausgewählten Wellenleiter automatisiert zu messen.
Die hier entwickelte Anlage ermöglicht eine umfangreiche Prozesskontrolle
für die Herstellung von Lichtwellenleitern. Darüber hinaus können zur
Ermittlung neuer Prozessparameter bei der Entwicklung von Prozessen zur
Lichtwellenleiterherstellung viele tausend Parametersets untersucht
werden. Insbesondere bei Technologien mit vielen variablen Prozessgrößen,
wie bei dem Laserschreiben von Lichtwellenleitern, ermöglicht die Anlage
große Fortschritte in kurzer Zeit.
Das Projekt EPho (16ES0806) wurde 2022 erfolgreich beendet und wurde durch
das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit einer Summe in
Höhe von 1,33 Mio. Euro gefördert. Weitere Projektpartner waren die ILFA
GmbH, die Schröder Spezialglas GmbH und die FiconTEC Service GmbH.
*¹ siehe Interview von Real IZM mit Dr. Michael Töpper vom 05.09.2019:
https://blog.izm.fraunhofer.de
verfügbar)
