DE102011113824B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von mindestens einem photonischen Bauelement sowie Halbleiterwafer oder Halbleiterchip mit einem derartig hergestellten photonischen Bauelement - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von mindestens einem photonischen Bauelement sowie Halbleiterwafer oder Halbleiterchip mit einem derartig hergestellten photonischen Bauelement Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Herstellen von mindestens einem photonischen Bauelement (32, 33, 35, 39, 41) in einer Oberflächenschicht (12) eines Halbleiterwafers oder Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40) und/oder innerhalb des Halbleiterwafers oder Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40), bei dem mindestens ein Laserstrahl (22) in das Material der Oberflächenschicht (12) und/oder des Halbleiterwafers oder des Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40) eingekoppelt wird, bei dem der Laserstrahl (22) in einer vorgegebenen Tiefe in dem Material fokussiert wird, und bei dem im Bereich des Fokus (23, 36) mindestens eine Eigenschaft des Materials und/oder die Materialstruktur verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das photonische Bauelement (32, 33, 35, 39, 41) unterhalb und/oder oberhalb einer Schaltungsschicht (13) in das Material eingebracht wird, wobei zum Erkennen von Schaltungen in der Schaltungsschicht eine Bilderkennungseinrichtung (24) verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mindestens einem photonischen Bauelement in einer Oberflächenschicht eines Halbleiterwafers oder Halbleiterchips und/oder innerhalb des Halbleiterwafers oder Halbleiterchips, bei dem mindestens ein Laserstrahl in das Material der Oberflächenschicht und/oder des Halbleiterwafers oder Halbleiterchips eingekoppelt wird, bei dem der Laserstrahl in einer vorgegebenen Tiefe in dem Material fokussiert wird, und bei dem im Bereich des Fokus mindestens eine Eigenschaft des Materials und/oder die Materialstruktur verändert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen von mindestens einem photonischen Bauelement gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Oberflächenschicht eines Halbleiterwafers oder Halbleiterchips und/oder innerhalb des Halbleiterwafers oder Halbleiterchips, mit einem Laser zum Erzeugen mindestens eines Laserstrahls, mit einer Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls in einem Fokus in einer vorgegebenen Tiefe in dem Material der Oberflächenschicht und/oder des Halbleiterwafers oder Halbleiterchips, und mit einer verfahrbaren Positioniereinrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls an einer vorgegebenen Stelle.
  • Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der US 2011/0211249 A1 bekannt.
  • Weiter ist es bekannt, photonische Bauelemente mit Halbleiterchips zu kombinieren, indem beispielsweise ein Halbleiterwafer mit photonischen Bauelementen und/oder Systemen mittels der so genannten Flip-Chip Technik auf Halbleiterchips aufgebondet wird. Bei der Flip-Chip Technik wird der Halbleiterchip unmittelbar und ohne weitere Anschlussdrähte mit einer Kontaktierungsseite des Halbleiterchips auf ein Schaltungssubstrat montiert. Hierdurch wird der Halbleiterchip auf dem Schaltungssubstrat befestigt bzw. gebondet.
  • Hierbei ist von Nachteil, dass die photonischen Bauelemente und/oder Systeme erst nach deren Herstellung beispielsweise in einem separaten Halbleiterwafer auf den Halbleiterchip aufgebracht werden können. Hierdurch sind zusätzliche Herstellungsschritte nötig, was zu einem erhöhten Aufwand führt.
  • Weiter ist nachteilig, dass mittels der bekannten Verfahren im Wesentlichen lediglich planare und/oder zweidimensionale photonische Strukturen realisierbar sind. Hierbei besteht die Gefahr, dass zukünftig benötigte photonische Bauelemente entweder gar nicht oder nicht in der notwendigen Komplexität und/oder Qualität herstellbar sind.
  • Zudem sind aufgrund der ständig steigenden Anforderungen an die Datenrate in integrierten Schaltungen optische bzw. photonische Datenleitungen und/oder Bauelemente nicht nur zwischen elektronischen Platinen und/oder zwischen elektronischen Komponenten von zunehmender Bedeutung. Vielmehr sind optische und/oder photonische Bauelemente auch innerhalb von Halbleiterchips für die Realisierung hoher Datenraten, insbesondere bei niedrigem Energieverbrauch, von zunehmender Relevanz. Hierbei sind neben optischen und/oder photonischen Leitungen auch beispielsweise optische und/oder photonische Schalter und/oder Router zur Steuerung des Datenstroms von Bedeutung. Weiter sind optische und/oder photonische Netzwerke und/oder Sensoren in und/oder auf Halbleiterchips von zunehmendem Interesse.
  • Es ist daher das der Erfindung zugrunde liegende Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, so dass optische und/oder photonische Bauelemente auf einfachere und kostengünstigere Weise mit möglichst beliebigen räumlichen Strukturen herstellbar sind.
  • Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das photonische Bauelement unterhalb und/oder oberhalb einer Schaltungsschicht in das Material eingebracht wird, wobei zum Erkennen von Schaltungen eine Bilderkennungseinrichtung verwendet wird. Des Weiteren wird das der Erfindung zugrunde liegende Problem durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der eine Bilderkennungseinrichtung zum Erkennen von Schaltungen vorgesehen ist.
  • Hierbei ist von Vorteil, dass komplexe zweidimensionale und/oder dreidimensionale Strukturen als optische und/oder photonische Bauelemente, Netzwerke und/oder Sensoren beispielsweise in Halbleiterwafern, teilprozessierten und/oder fertig prozessierten Halbleiterchips herstellbar sind. Vorzugsweise verbleibt hierbei das Material außerhalb des Fokus unverändert. Insbesondere sind photonische Bauelemente in der Oberflächenschicht eines Halbleiterwafers und/oder Halbleiterchips realisierbar. Eine derartige Oberflächenschicht kann aus einem nicht-halbleitenden Material, insbesondere einem Polymer, ausgebildet sein. Vorzugsweise sind photonische Bauelemente innerhalb, insbesondere unterhalb einer Oberflächenschicht des Halbleiterwafers und/oder des Halbleiterchips, herstellbar. Hierbei kann bisher ungenutztes Material des Halbleiterwafers und/oder des Halbleiterchips für die Herstellung des photonischen Bauelementes genutzt werden. Es sind somit hohe Packungsdichten, eine hohe Anzahl an Verschaltungsmöglichkeiten und/oder neue Funktionalitäten realisierbar. Die Vorteile einer optischen Datenverarbeitung sind somit bereits im Bereich eines Halbleiterchips nutzbar.
  • Weiter ist von Vorteil, dass übliche Problematiken bei eng benachbarten Datenleitungen aufgrund deren gegenseitiger Beeinflussung, insbesondere aufgrund des so genannten Crosstalk, aufgrund der dreidimensionalen Strukturierbarkeit und/oder der Verwendung von optischen und/oder photonischen Bauelementen vermeidbar sind.
  • Vorzugsweise werden mehrere Laserstrahlen, insbesondere acht, zehn oder zwölf Laserstrahlen, gleichzeitig eingebracht. Die Laserstrahlen können gleichzeitig in mehreren voneinander abweichenden Bereichen, insbesondere entsprechend der Anzahl der Laserstrahlen, fokussiert werden. Hierdurch ist eine höhere Fertigungsrate und/oder Produktionsgeschwindigkeit realisierbar. Zum Bereitstellen der mehreren Laserstrahlen können entsprechend der Anzahl der Laserstrahlen mehrere Laser vorgesehen sein und/oder mindestens ein Strahlteiler ist vorgesehen, mit der ein einzelner Laserstrahl in mehrere Laserstrahlen aufgeteilt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl zum Herstellen des photonischen Bauelements einer vorgegeben Struktur folgend in dem Material fokussiert. Hierbei können einzelne Punkte der vorgegebenen Struktur zum Fokussieren des Laserstrahls separat angefahren bzw. angesteuert werden und/oder die Struktur kann kontinuierlich mit einem fokussierten Laserstrahl abgefahren werden. Insbesondere ist die Struktur zweidimensional und/oder dreidimensional ausgebildet. Hierbei ist von Vorteil, dass komplexe dreidimensionale Strukturen realisierbar sind.
  • Nach der Erfindung wird das photonische Bauelement unterhalb und/oder oberhalb einer Schaltungsschicht, insbesondere einer vollständig oder teilweise hergestellten integrierten Schaltung, in das Material eingebracht. Hierbei kann der Halbleiterwafer eine Oberflächenschicht, eine Schaltungsschicht und eine Materialschicht aufweisen, wobei vorzugsweise die Schaltungsschicht zwischen der Oberflächenschicht und der Materialschicht angeordnet ist. Insbesondere ist die Oberflächenschicht aus einem nicht-halbleitenden Material ausgebildet. Beispielsweise kann die Oberflächenschicht aus einem Polymer hergestellt sein. Vorzugsweise dient die Oberflächenschicht als eine Schutzschicht für die Schaltungsschicht. Insbesondere ist die Materialschicht auf einer von der Oberflächenschicht abgewandten Seite der Schaltungsschicht angeordnet. Vorzugsweise ist die Materialschicht aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, ausgebildet. Insbesondere ist die mit dem fokussierten Laserstrahl zu behandelnde Oberflächenschicht oder Materialschicht dem Laser und/oder der Fokussiereinrichtung zugewandt. Insbesondere bei einem Halbleiterchip stellen die Oberflächenschicht und/oder die Materialschicht bisher ungenutzte Materialreserven dar. Diese sind nun nutzbar, indem in die Oberflächenschicht und/oder in die Materialschicht photonische Bauelemente einbringbar sind.
  • Die veränderten Eigenschaften des Materials und/oder die veränderte Materialstruktur können im Bereich des Fokus abhängig von der Zeitdauer der Fokussierung des Laserstrahls und/oder von der Energiedichte des fokussierten Laserstrahls abhängig sein. Somit sind gewünschte Eigenschaften des Materials im Bereich des Fokus mittels geeigneter Parameter, insbesondere der Zeitdauer der Fokussierung und/oder der Energiedichte des Laserstrahls, auf einfache und zugleich veränderbare Weise herstellbar. Vorzugsweise wird mittels der Fokussierung im Bereich des Fokus eine Multiphotonenabsorption, insbesondere eine Zwei-Photonen-Absorption, erreicht. Hierdurch sind die Materialeigenschaften in einem räumlich begrenzten und/oder definierbaren Bereich veränderbar, wodurch komplexe photonische Strukturen mit einer hinreichenden Genauigkeit und/oder Reproduzierbarkeit herstellbar sind.
  • Vorzugsweise wird im Bereich des Fokus mindestens eine optische Eigenschaft, insbesondere der Brechungsindex, des Materials verändert. Hierdurch kann ein Brechungsindexsprung innerhalb des Materials realisierbar sein, wodurch optische und/oder photonische Bauelemente, insbesondere Lichtleiter, herstellbar sind. Vorzugsweise ist der Brechungsindex im Bereich des Fokus geringer als in dem Material außerhalb des Bereichs des Fokus. In der Oberflächenschicht kann ein photonisches Bauelement als eine freistehende Struktur ausgebildet sein. Derartige photonische Bauelemente können aus einem Polymer ausgebildet sein. Vorzugsweise hat das Polymer und somit das photonische Bauelement einen Brechungsindex, der vom Brechungsindex der umgebenden Luft abweicht. Beispielsweise kann der Brechungsindex des Polymers größer als der Brechungsindex von Luft sein. Insbesondere sind Bereiche des Materials derart veränderbar, dass eine unbehandelte Region des Materials von behandeltem Material, in dem der Laserstrahl fokussiert worden ist, umgeben ist. Die unbehandelte und von verändertem Material umgebende Region kann dann beispielsweise als ein Lichtleiter genutzt werden. Insbesondere sind hierdurch photonische Kristalle realisierbar. Das photonische Bauelement und/oder der Lichtleiter kann rohrförmig und/oder schlauchartig ausgebildet sein. Aufgrund einer geeigneten Anordnung von Bereichen mit einem zum Material abweichenden Brechungsindex sind Umlenkungen und/oder Richtungswechsel realisierbar.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform wird im Bereich des Fokus ein Materialloch erzeugt und/oder die Gitterstruktur des Materials wird verändert. Vorzugsweise hat das Materialloch eine rohrförmige und/oder schlauchartige Gestalt. Somit kann sich das Materialloch, der Lichtleiter und/oder das photonische Bauelement kanalartig, rohrförmg und/oder schlauchartig durch das Material erstrecken. Mittels einer vorgegeben Anordnung von Löchern und/oder einer veränderten Gitterstruktur im Material ist eine vorgegebene Struktur eines photonischen Bauelementes realisierbar. Insbesondere sind Löcher und/oder eine veränderte Gitterstruktur im Material derart anordenbar, dass eine unbehandelte Region des Materials von den Löchern und/oder der veranderten Gitterstruktur umgeben ist. Die unbehandelte und von Löchern und/oder einer veränderten Gitterstruktur umgebene Region kann dann beispielsweise als ein Lichtleiter genutzt werden. Vorzugsweise sind hierdurch photonische Kristalle realisierbar. Alternativ oder zusätzlich kann die Materialstruktur, insbesondere die Gitterstruktur des Halbleitermaterials, aufgrund der Fokussierung des Laserstrahls im Bereich des Fokus verändert werden. Es kann eine Materialveränderung im Bereich des Fokus erreicht werden. Vorzugsweise wird kristallines, insbesondere einkristallines, Silizium im Bereich des Fokus hinsichtlich seines Brechungsindexes geändert. Insbesondere ergibt sich im Bereich des Fokus ein niedriger Brechungsindex als im unbehandelten Material. Das Silizium kann im Bereich des Fokus in eine Mischphase zwischen kristallinen und amorphen Silizium umgewandelt werden. Insbesondere wird kristallines, vorzugsweise einkristallines, Silizium im Bereich des Fokus in amorphes Silizium und/oder nanokristallines Silizium umgewandelt.
  • Vorzugsweise wird im Bereich des Fokus das Material zum Herauslösen aus dem Material außerhalb des Fokus geschwächt. Der mit dem fokussierten Laserstrahl behandelte und/oder geschwächte Bereich kann aus dem Material entfernt werden. Auch hierdurch sind photonische Strukturen realisierbar. Insbesondere wird der mit dem fokussierten Laserstrahl behandelte und/oder geschwächte Bereich zum Herauslösen und Entfernen aus dem Material einem gasförmigen und/oder flüssigen Fluid ausgesetzt. Beispielsweise kann der geschwächte Bereich zum Herauslösen und/oder Herausschwemmen in einer Flüssigkeit, insbesondere in einem Entwicklungsbad, geschwenkt werden.
  • Vorzugsweise ist die Schwächung des Materials und das Herauslösen des mit dem fokussierten Laserstrahls behandelten Bereichs für die Oberflächenschicht des Halbleiterwafers, insbesondere des Halbleiterchips, vorgesehen.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform wird der Laserstrahl in den Halbleiterwafer, insbesondere in den Halbleiterchip, mittels eines Lichteinkoppelmittels zum Erhöhen der numerischen Apertur und/oder zum Reduzieren von Reflexionsverlusten eingekoppelt. Hierdurch wird eine Fokussierung verbessert. Vorzugsweise wird als Lichteinkoppelmittel eine Immersionsflüssigkeit, insbesondere Öl oder Wasser, eingesetzt. Des Weiteren kann eine Antireflexionsschicht vorgesehen sein. Insbesondere hat die Antireflexionsschicht einen Brechungsindex, der zwischen einem Brechungsindex der Fokussiereinrichtung und einem Brechungsindex des Materials liegt. Vorzugsweise weist die Antireflexionsschicht eine vorgegebene Dicke auf.
  • Eine Veränderung der Tiefenlage des fokussierten Bereichs kann mittels einer Veränderung des Abstandes zwischen dem Laser und/oder der Fokussiereinrichtung einerseits und dem Halbleiterwafer und/oder Halbleiterchip andererseits erreicht werden. Vorzugsweise ist die Veränderung des Abstandes mittels eines mechanischen Verfahrens, insbesondere mittels der Positioniereinrichtung, realisierbar.
  • Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mittels einer Mehr-Achsen-Verfahreinrichtung ein Verfahren in alle Richtungen ermöglicht. Insbesondere weist die Positioniereinrichtung eine derartige Verfahreinrichtung auf. Mittels einer solchen Positioniereinrichtung und/oder Verfahreinrichtung sind komplexe, insbesondere dreidimensionale, photonische Strukturen realisierbar. Hierbei ist vorzugsweise der Halbleiterwafer, insbesondere der Halbleiterchip, beweglich und der Laser unbeweglich gelagert. Alternativ ist es jedoch ebenfalls möglich, den Halbleiterwafer, insbesondere den Halbleiterchip, unbeweglich und den Laser beweglich zu lagern. Insbesondere ist eine Lagekontrolleinrichtung zum Erfassen der Lage von dem Halbleiterwafer, insbesondere dem Halbleiterchip, dem Material und/oder dem Laser vorgesehen. Hierdurch sind photonische Bauelemente und/oder Strukturen mit der erforderlichen Genauigkeit herstellbar. Vorzugsweise ist die Lagekontrolleinrichtung als ein Laserinterferometrie-System oder ein Piezo-System ausgebildet.
  • Nach der Erfindung ist eine Bilderkennungseinrichtung, insbesondere zum Erkennen von Schaltungen, Chipstrukturen und/oder CMOS-Strukturen, vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, photonische Bauelemente und/oder Strukturen in Abhängigkeit von bereits vorhandenen Chip- und/oder CMOS-Strukturen eines Halbleiterchips an vorgegebenen Positionen in das Material einzubringen. Insbesondere sind hierdurch optische und/oder photonische Funktionalitäten in einen teilgefertigten oder fertig hergestellten Halbleiterchip einbringbar. Hierbei ist eine Beschädigung von bereits vorhandenen Strukturen mittels der Bilderkennungseinrichtung vermeidbar. Vorzugsweise weist die Bilderkennungseinrichtung eine Kamera auf.
  • Vorzugsweise sind die Bilderkennungseinrichtung, die Lagekontrolleinrichtung, die Positioniereinrichtung, die Fokussiereinrichtung und/oder der Laser mittels einer Steuerung steuerbar. Insbesondere sind einzelne und/oder sämtliche Funktionalitäten der Vorrichtung mittels der Steuerung zentral steuerbar.
  • Vorzugsweise ist die Gestalt des Fokus und/oder des mit dem fokussierten Laserstrahls behandelten Bereichs mittels der Steuerung und/oder der Fokussiereinrichtung veränderbar. Der Fokus und/oder der mit dem fokussierten Laserstrahl behandelte Bereich wird auch als Volumenpixel oder Voxel bezeichnet. Bisher ist eine ellipsoide Gestalt des Volumenpixels üblich. Insbesondere ist die Vorrichtung, die Steuerung und/oder die Fokussiereinrichtung ausgebildet, um eine ellipsoide, kugelförmige, quaderförmige oder rechteckige Gestalt des Fokus und/oder des mit dem fokussierten Laserstrahls behandelten Bereichs zu realisieren.
  • Insbesondere sind photonische Bauelemente und/oder Funktionalitäten gemäß folgender nicht abschließender Aufzählung realisierbar:
    Wellenleiter, insbesondere polarisationserhaltende Wellenleiter, Ringresonatoren, insbesondere dreidimensionale und/oder multistufige Ringresonatoren, Wellenleiterschalter, Wellenleiterteiler, Wellenleiterkombinierer, Wellenleiterkreuzungen, Fabry-Perot-Resonatoren, Koppler, Zirkulatoren, Multiplexer, Demultiplexer, elektrische und/oder optische Modulatoren, insbesondere bezüglich einer Amplitude, Phase und/oder Polarisation, Spiegel, Bragg-Strukturen, Beugungsgitter, Faser-Chip-Kopplungen, Lichtstrahlformung, insbesondere bezüglich des Strahlquerschnitts, elektrische Sensoren, optische Sensoren, chemische Sensoren, Router.
  • Insbesondere sind die elektrischen, optischen und/oder chemischen Sensoren zum Bestimmen von entsprechend elektrischen, optischen und/oder chemischen Größen ausgebildet.
  • Vorzugsweise sind mittels einem oder mehreren photonischen Bauelementen elektrische und/oder optische Signale erzeugbar.
  • Von besonderem Vorteil ist ein Halbleiterwafer und/oder ein Halbleiterchip hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei insbesondere eine oder mehrere der vorstehend genannten Bauelemente und/oder Funktionalitäten realisiert ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 3 eine geschnittene schematische Seitenansicht eines ersten Halbleiterchips mit photonischen Bauelementen,
  • 4 eine geschnittene schematische Seitenansicht eines zweiten Halbleiterchips mit einem photonischen Bauelement,
  • 5 eine geschnittene schematische Seitenansicht eines dritten Halbleiterchips mit einem photonischen Bauelement, und
  • 6 eine geschnittene schematische Seitenansicht eines weiteren Halbleiterchips mit einem photonischen Bauelement.
  • 1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines photonischen Bauelementes in einer Oberflächenschicht eines Halbleiterwafers und/oder innerhalb des Halbleiterwafers. Anstelle eines Halbleiterwafers kann ein teilgefertigter oder fertig hergestellter Halbleiterchip vorgesehen sein.
  • Nach dem das Verfahren in einem Schritt S10 gestartet ist, wird in einem Schritt S20 eine Positionierung mittels einer Positioniereinrichtung durchgeführt. Hierbei wird der Halbleiterchip und/oder der Laser derart verfahren, dass eine Fokussierung eines Laserstrahls in einem vorgegebenen Bereich realisierbar ist. Hierbei kann eine Neigungs-Korrektur durchgeführt werden. Für die Bestimmung der Lage des Halblelterwafers kann eine Lagekontrolleinrichtung vorgesehen sein. Nach der erfolgten Positionierung wird gemäß Schritt S30 ein Laserstrahl in das Material der Oberflächenschicht des Halbleiterwafers und/oder in den Halbleiterwafer selbst eingekoppelt. Solange der Laserstrahl unfokussiert ist, wird das Material nicht verändert. Sodann wird der Laserstrahl im Sinne von Schritt S40 mittels einer Fokussiereinrichtung in einer vorgegebenen Tiefe in dem Material fokussiert. Aufgrund der Fokussierung wird im Bereich des Fokus eine Multiphotonen- oder Zweiphotonenabsorption erreicht. Dies führt gemäß Schritt S50 zu einer Veränderungen mindestens einer Materialeigenschaft im Bereich des Fokus.
  • Anschließend wird in einem Schritt S60 geprüft, ob sämtliche Bereiche einer vorgegebenen Struktur in dem Material mit dem fokussierten Laserstrahl behandelt worden sind. Ist dies nicht der Fall, erfolgt gemäß Schritt S20 eine erneute Positionierung zum Vervollständigen der vorgegebenen Struktur. Hiernach werden die Schritte S30 bis S60 erneut durchlaufen. Wird in Schritt S60 festgestellt, dass sämtliche Bereiche der vorgegebenen Struktur mit dem fokussierten Laserstrahl behandelt worden sind, wird das Verfahren in einem Schritt S70 beendet.
  • 2 ist eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zu entnehmen. Die Vorrichtung 10 ist zum Herstellen von hier nicht näher dargestellten photonischen Bauelementen in einem Halbleiterchip 11 vorgesehen. Der Halbleiterchip 11 hat eine Oberflächenschicht 12. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Oberflächenschicht 12 aus einem Polymer. Des Weiteren hat der Halbleiterchip 11 eine Schaltungsschicht 13, die unterhalb der Oberflächenschicht 12 angeordnet ist. In der Schaltungsschicht 13 sind hier nicht näher dargestellte integrierte Schaltungen angeordnet. Unterhalb der Schaltungsschicht 13 ist eine Materialschicht 14 angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Schaltungsschicht 13 und die Materialschicht 14 Silizium auf.
  • In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterchip 11 als ein CMOS ausgebildet (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor; deutsch: komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter).
  • Der Halbleiterchip 11 ist auf einem Tisch 15 befestigt und in Bezug auf den Tisch 15 unbeweglich gehalten. Dem Tisch 15 ist eine Positioniereinrichtung 16 zugeordnet. Mittels der Positioniereinrichtung 16 ist der Tisch 15 und somit der Halbleiterchip 11 in sämtliche Raumrichtungen verfahrbar und positionierbar. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Tisch 15 als ein so genannter Mehr-Achsen-Tisch ausgebildet. Die Positioniereinrichtung 16 ist mittels einer Leitung 17 mit einer Steuerung 18 verbunden.
  • Weiter weist die Vorrichtung 10 einen Laser 19 auf. Der Laser 19 ist mittels einer Leitung 20 mit der Steuerung 18 verbunden. Des Weiteren ist dem Laser 19 eine Fokussiereinrichtung 21 zum Fokussieren eines Laserstrahls 22 zugeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl 22 in einem Fokus 23 in der Oberflächenschicht 12 fokussiert. Alternativ hierzu kann der Laserstrahl 22 auch in einem Fokus 23 in der Materialschicht 14 fokussiert werden. Vorzugsweise wird hierzu der Halbleiterchip 11 im Vergleich zu der Darstellung gemäß 2 um 180° um seine – hier horizontale – Längsachse gedreht auf dem Tisch 15 angeordnet. Insbesondere ist die mit dem fokussierten Laserstrahl 22 zu behandelnde Oberflächenschicht 12 oder Materialschicht 14 dem Laser 19 und/oder der Fokussiereinrichtung 21 zugewandt. Dies erlaubt eine Bearbeitung der Oberflächenschicht 12 und/oder der Materialschicht 14, wobei die Gefahr einer Beschädigung der Schaltungsschicht 13 deutlich reduziert oder verhindert ist. Alternativ ist auch denkbar, dass ein Fokus 23 in der Materialschicht 14 fokussiert wird, wobei der Laserstrahl 22 durch die Schaltungsschicht 13 verläuft. Im Bereich der Schaltungsschicht 13 ist der Laserstrahl 22 unfokussiert, wodurch eine Beschädigung der Schaltungsschicht 13 vermeidbar ist. Weiter kann der Laserstrahl 22 seitlich in die Oberflächenschicht 12 und/oder die Materialschicht 14 eingebracht werden
  • Die Vorrichtung 10 hat eine Bilderkennungseinrichtung 24 mit einem Objektiv 25. Die Bilderkennungseinrichtung 24 ist mittels einer Leitung 26 mit der Steuerung 18 verbunden. Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform können die Fokussiereinrichtung 21 und die Bilderkennungseinrichtung 24 eine einzige gemeinsame Optik aufweisen. Hierbei ist insbesondere ein Strahlteiler vorgesehen.
  • Darüber hinaus ist eine Lagekontrolleinrichtung 27 vorgesehen. Die Lagekontrolleinrichtung 27 ist mittels einer Leitung 28 mit der Steuerung 18 verbunden. Wie mit den Pfeilen 29, 30 angedeutet, ist die Lagekontrolleinrichtung 27 zum Erfassen der Lage des Tisches 15 bzw. des Halbleiterchips 11 und/oder dem Laser 19 ausgebildet.
  • 3 zeigt eine geschnittene schematische Seitenansicht eines ersten Halbleiterchips 31 mit photonischen Bauelementen 32, 33. Der Aufbau des Halbleiterchips 31 entspricht dem des Halbleiterchips 11 gemäß 2. Gleiche Merkmale wie zuvor tragen entsprechend gleiche Bezugszeichen. Insoweit wird auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die photonischen Bauelemente 32, 33 in die Oberflächenschicht 12 des Halbleiterchips 31 eingebracht. Alternativ hierzu können die photonischen Bauelemente 32, 33 auch als freistehende Bauelemente ausgebildet sein ohne in eine diese umgebende Oberflächenschicht 12 eingebettet zu sein.
  • 4 ist eine geschnittene schematische Seitenansicht eines zweiten Halbleiterchips 34 mit einem photonischen Bauelement 35 zu entnehmen, Der Aufbau des Halbleiterchips 34 entspricht dem des Halbleiterchips 11 gemäß 2. Gleiche Merkmale wie zuvor tragen entsprechend gleiche Bezugszeichen. Insoweit wird auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das photonische Bauelement 35 in der Materialschicht 14 eingebracht. Hier ist das photonische Bauelement 35 als ein photonischer Kristall ausgebildet. Dieser photonische Kristall hat periodisch angeordnete Löcher 36, die in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Materialschicht 14 rohrförmig und/oder schlauchartig durchlaufen. Für eine bessere Übersichtlichkeit sind nicht alle rohrförmigen Löcher 36 bzw. Röhren 36 mit einem Bezugszeichen versehen. Alternativ können die Löcher bzw. Röhren 36 auch aperiodisch angeordnet sein. Die Röhren 36 umgeben einen gestrichelt dargestellten Lichtleitbereich 37. Der rohrförmige Lichtleitbereich 37 erlaubt eine vorgegebene Lichtleitung in der Materialschicht 14. Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform können mehr Reihen von Löchern bzw. Röhren 36 vorgesehen sein.
  • 5 zeigt eine geschnittene schematische Seitenansicht eines dritten Halbleiterchips 38 mit einem photonischen Bauelement 39. Der Aufbau des Halbleiterchips 38 entspricht dem des Halbleiterchips 11 gemäß 2. Gleiche Merkmale wie zuvor tragen die gleichen Bezugszeichen. Insoweit wird auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das photonische Bauelement 39 ähnlich zu dem gemäß 4 innerhalb der Materialschicht 14 angeordnet. Im Unterschied zu dem Beispiel gemäß 4 sind hier die rohrförmig in der Materialschicht 14 erstreckenden Löcher 36 kreisförmig um den Lichtleitbereich 37 angeordnet. Gemäß einer alternativen Ausführung sind keine Löcher 36 vorgesehen, sondern in Bereichen 36 sind Materialeigenschaften des Materials der Materialschicht 14 aufgrund der Fokussierung des Laserstrahls 22 verändert. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Brechungsindex des Materials in den Bereichen 36 geringer als in der Materialschicht 14 außerhalb der Bereiche 36, wodurch ein Brechungsindexsprung realisiert ist. Alternativ zu der hier gezeigten Ausführungsform sind mehrere konzentrisch zum Lichtleitbereich 37 angeordnete Ringe mit rohrförmig ausgebildeten Löchern bzw. Röhren 36 vorgesehen. Weiter können die Löcher 36 einen gemeinsamen hier nicht näher dargestellten Lochmantel bilden, der den Lichtleitbereich 37 rohrförmig umgibt.
  • 6 zeigt eine geschnittene schematische Seitenansicht eines weiteren Halbleiterchips 40 mit einem photonischen Bauelement 41. Der Aufbau des Halbleiterchips 40 entspricht dem des Halbleiterchips 11 gemäß 2. Gleiche Merkmale wie zuvor tragen entsprechend gleiche Bezugszeichen. Insoweit wird auch auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das photonische Bauelement 41 ebenfalls in der Materialschicht 14 angeordnet. Aufgrund der Fokussierung des Laserstrahls 22 mit einer vorgegebenen Energiedichte im Bereich des photonischen Bauelementes 41 für eine vorgegebene Zeitdauer ist das Material in diesem Bereich modifiziert, indem der Brechungsindex im Bereich des photonischen Bauelementes 41 von dem Brechungsindex der Materialschicht 14 abweicht, wodurch der Bereich 41 als photonisches Bauelemente 41 nutzbar ist. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das photonische Bauelement 41 rohrförmig oder kanalartig in die Materialschicht 14 eingebettet. Hier besteht die Materialschicht 14 aus kristallinem Silizium und das photonische Bauelement 41 aus amorphem bzw. nanokristallinem Silizium. Weiter ist der Brechungsindex im Bereich des photonischen Bauelementes 41 höher als in der umgebenden Materialschicht 14.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gemäß 2 sind somit zwei- und/oder dreidimensionale photonische Bauelemente 32, 33, 35, 39, 41 in einem Halbleiterchip 11, 31, 34, 38, 40 herstellbar.
  • Hierbei ist von Vorteil, dass bisher ungenutzte Materialbereiche von bekannten Halbleiterchips, wie die Oberflächenschicht 12 und/oder die Materialschicht 14 für die photonischen Bauelemente 32, 33, 35, 39, 41 nutzbar sind. Hierbei können mehrere photonische Bauelemente 32, 33, 35, 39, 41 zur Realisierung eines photonischen Netzwerkes und/oder eines photonischen Sensors vorgesehen und miteinander verbunden sein. Aufgrund der Verwendung von optischen und/oder photonischen Bauelementen sind hohe Datenraten bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch realisierbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Vorrichtung
    11
    Halbleiterchip
    12
    Oberflächenschicht
    13
    Schaltungsschicht
    14
    Materialschicht
    15
    Tisch
    16
    Positioniereinrichtung
    17
    Leitung
    18
    Steuerung
    19
    Laser
    20
    Leitung
    21
    Fokussiereinrichtung
    22
    Laserstrahl
    23
    Fokus
    24
    Bilderkennungseinrichtung
    25
    Objektiv
    26
    Leitung
    27
    Lagekontrolleinrichtung
    28
    Leitung
    29
    Pfeil
    30
    Pfeil
    31
    Halbleiterchip
    32
    Photonisches Bauelement
    33
    Photonisches Bauelement
    34
    Halbleiterchip
    35
    Photonisches Bauelement
    36
    Loch bzw. Röhre
    37
    Lichtleitbereich
    38
    Halbleiterchip
    39
    Photonisches Bauelement
    40
    Halbleiterchip
    41
    Photonisches Bauelement
    S10
    Start
    S20
    Positionieren
    S30
    Laserstrahl einkoppeln
    S40
    Laserstrahl fokussieren
    S50
    Veränderungen der Materialeigenschaften im Fokusbereich
    S60
    Struktur vollständig?
    S70
    Ende

Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen von mindestens einem photonischen Bauelement (32, 33, 35, 39, 41) in einer Oberflächenschicht (12) eines Halbleiterwafers oder Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40) und/oder innerhalb des Halbleiterwafers oder Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40), bei dem mindestens ein Laserstrahl (22) in das Material der Oberflächenschicht (12) und/oder des Halbleiterwafers oder des Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40) eingekoppelt wird, bei dem der Laserstrahl (22) in einer vorgegebenen Tiefe in dem Material fokussiert wird, und bei dem im Bereich des Fokus (23, 36) mindestens eine Eigenschaft des Materials und/oder die Materialstruktur verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das photonische Bauelement (32, 33, 35, 39, 41) unterhalb und/oder oberhalb einer Schaltungsschicht (13) in das Material eingebracht wird, wobei zum Erkennen von Schaltungen in der Schaltungsschicht eine Bilderkennungseinrichtung (24) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (22) zum Herstellen des photonischen Bauelements (32, 33, 35, 39, 41) einer vorgegeben, insbesondere zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen, Struktur folgend in dem Material fokussiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterwafer oder Halbleiterchip eine Oberflächenschicht (12), eine Schaltungsschicht (13) und eine Materialschicht (14) aufweist, wobei die Schaltungsschicht (13) zwischen der Oberflächenschicht (12) und der Materialschicht (14) angeordnet ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Eigenschaft des Materials und/oder die veränderte Materialstruktur im Bereich des Fokus (23, 36) abhängig von der Zeitdauer der Fokussierung des Laserstrahls (22) und/oder von der Energiedichte des fokussierten Laserstrahls (22) ist, wobei vorzugsweise mittels der Fokussierung im Bereich des Fokus (23, 36) eine Multiphotonenabsorption, insbesondere eine Zwei-Photonen-Absorption, erreicht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Fokus (23, 36) mindestens eine optische Eigenschaft, insbesondere der Brechungsindex, des Materials verändert wird, wobei vorzugsweise der Brechungsindex im Bereich des Fokus (23, 36) geringer als in dem Material außerhalb des Bereichs des Fokus (23, 36) ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Fokus (22) ein Materialloch (36) erzeugt wird und/oder die Gitterstruktur des Materials verändert wird, insbesondere wird kristallines, vorzugsweise einkristallines, Silizium im Bereich des Fokus (23, 36) in amorphes Silizium umgewandelt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Fokus (23, 36) das Material zum Herauslösen aus dem Material außerhalb des Fokus (23, 36) geschwächt wird, wobei vorzugsweise der mit dem fokussierten Laserstrahl (22) behandelte Bereich (23, 36) aus dem Material entfernt wird, insbesondere wird der mit dem fokussierten Laserstrahl (22) behandelte Bereich (23, 36) zum Herauslösen und Entfernen aus dem Material einem gasförmigen und/oder flüssigen Fluid ausgesetzt.
  8. Vorrichtung zum Herstellen von mindestens einem photonischen Bauelement (32, 33, 35, 39, 41) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in der Oberflächenschicht (12) eines Halbleiterwafers oder Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40) und/oder innerhalb des Halbleiterwafers oder Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40), mit einem Laser (19) zum Erzeugen mindestens eines Laserstrahls (22), mit einer Fokussiereinrichtung (21) zum Fokussieren des Laserstrahls (22) in einem Fokus (23) in einer vorgegebenen Tiefe in dem Material der Oberflächenschicht (12) und/oder des Halbleiterwafers oder des Halbleiterchips (11, 31, 34, 38, 40), und mit einer verfahrbaren Positioniereinrichtung (16) zum Fokussieren des Laserstrahls (22) an einer vorgegebenen Stelle, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bilderkennungseinrichtung (24) zum Erkennen der Schaltungen in der Schaltungsschicht vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Mehr-Achsen-Verfahreinrichtung ein Verfahren in alle Richtungen ermöglicht ist, insbesondere ist eine Lagekontrolleinrichtung (27), vorzugsweise ein Laserinterferometrie-System oder ein Piezo-System, zum Erfassen der Lage von dem Halbleiterwafer oder Halbleiterchip, dem Material und/oder dem Laser (19) vorgesehen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderkennungseinrichtung (24), die Lagekontrolleinrichtung (27), die Positioniereinrichtung (16), die Fokussiereinrichtung (21) und/oder der Laser (19) mittels einer Steuerung (18) steuerbar sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt des Fokus (23) und/oder des mit dem fokussierten Laserstrahl (22) behandelten Bereichs (23, 36) mittels der Steuerung (18) und/oder der Fokussiereinrichtung (21) veränderbar ist, insbesondere ist die Gestalt ellipsoid, kugelförmig, quaderförmig oder rechteckig.
  12. Halbleiterwafer oder Halbleiterchip (11, 31, 34, 38, 40) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder hergestellt mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei eine oder mehrere der folgende photonischen Bauelemente und/oder Funktionalitäten realisiert ist: ein Wellenleiter, insbesondere ein polarisationserhaltender Wellenleiter, ein Ringresonator, insbesondere ein dreidimensionaler und/oder multistufiger Ringresonator, ein Wellenleiterschalter, ein Wellenleiterteiler, ein Wellenleiterkombinierer, eine Wellenleiterkreuzung, ein Fabry-Perot-Resonator, ein Koppler, ein Zirkulator, ein Multiplexer, ein Demultiplexer, ein, insbesondere elektrischer und/oder optischer, Modulator, insbesondere bezüglich einer Amplitude, Phase und/oder Polarisation, ein Spiegel, eine Bragg-Struktur, ein Beugungsgitter, eine Faser-Chip-Kopplung, eine Lichtstrahlformung, insbesondere bezüglich des Strahlquerschnitts, ein elektrischer Sensor, ein optischer Sensor, ein chemischer Sensor, ein Router.
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