CN112241045A - 光学系统、载体基板和用于制造光学系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学系统(400)，所述光学系统包括：具有第一波导体(101)的第一光学部件(100)和载体基板(300)，其中所述第一光学部件(100)布置在所述载体基板(300)上。在此规定，所述第一光学部件(100)具有带有相对于所述第一波导体(101)的限定的位置和/或取向的第一标记组(110)，所述载体基板(300)具有第二标记组(310)，并且根据所述第一和第二标记组(110、310)的相对位置和/或取向能够检测在平行于所述载体基板(300)的表面的参考平面内是否实现了所述第一波导体(101)相对于所述载体基板(300)的期望的对准。此外，本发明涉及载体基板(300)和用于制造光学系统(400)的方法。

Description

光学系统、载体基板和用于制造光学系统的方法
技术领域
本发明涉及光学系统、载体基板和用于制造光学系统的方法。
背景技术
光学元件，例如激光器、调制器、光电二极管和其他元件，日益小型化。因此，紧凑的光学系统可以在合适的基板上实现，例如作为集成光路(也称为“photonic integratedcircuit”，PIC)。以此系统可用来实现分离器、耦合器、移相器、环形谐振器、阵列波导光栅、光放大器、开关和其他功能单元。在此，光通过波导体传输，所述波导体例如可以嵌入到由平面基板形成的光学部件内或应用于所述光学部件。
在制造对应的光学系统时，提供带有凹部或腔的光学部件可能是有利的，然后将另一光学部件引入到所述凹部或腔内。从文献DE 10 2016 203 453A1中已知对应的光学系统和对应的制造方法。
在制造这种类型的光学系统时，必须始终解决以下问题：即不同组件的波导体必须相互光学耦合，即必须精确地对准，使得光能够以对于可能的应用来说足够的效率从一个波导体传输到另一波导体内。
在此系统的制造中经常使用边缘发射光学部件，即在所述光学部件中在波导体中传播的光从部件的端面离开，或光可以通过部件的端面耦入到波导体内。为了此部件的光学耦合，将对应的端面以合适的位置和取向相互布置和对准，这也称为对接耦合。
待耦合的波导体的尺寸越小则对准精度的要求越高。例如，仅允许单光模传播的单模波导体可以具有几百纳米到几微米的横截面，由此相应地为光学耦合规定了窄公差。
为了在对接耦合中将边缘发射光学部件精确对准，已建议了不同方法。
在所谓的主动方法中，通过将部件的相互定位，可以将在建立光学耦合时传输的并且被测量的光信号最大化。但是，此方法很复杂，对应地昂贵，并且仅可在一定的情况下使用。所述方法也妨碍了进一步的小型化。
被动方法省去了对通过耦合传输的光信号的测量以及为此所需的复杂的制造设备。然而，为此(例如，在借助于参考接触面将光学部件相互对准的情况下)通常必须维持光学部件的极其严格的制造公差，这又是复杂且昂贵的。
此外，已经建议了用于生产PIC的异质集成方法，其中将半导体材料结合到互补金属氧化物半导体晶片上，并且然后在其上最终处理半导体，这通过部件的光刻结构实现了良好的精度。由于与过程相关的限制和低产量，此方法仅在少数应用中可行。
发明内容
对应地，本发明的任务是建议一种光学系统，所述光学系统在部件的对准方面具有改进，由此避免或减少了所提及的缺点。此外，建议了载体基板和用于制造光学系统的方法。
根据本发明，此任务通过根据权利要求1的光学系统、根据权利要求11的载体基板和根据权利要求12的方法来实现。本发明的有利的实施方案和改进方案由从属权利要求的特征得出。
在此建议的光学系统包括具有第一波导体的第一光学部件和载体基板，其中第一光学部件布置在载体基板上。
在此规定，第一光学部件具有带有相对于第一波导体限定的位置和/或取向的第一标记组，载体基板具有第二标记组，并且根据第一组标记和第二组标记的相对位置和/或取向可检测第一光学部件相对于载体基板是否在平行于载体基板的表面的参考平面内产生了期望的对准。
第一光学部件和载体基板分别具有前侧和与前侧相对的后侧。垂直于前侧或后侧的其他侧面在此称为端面。平行于前侧(即因此也平行于参考平面)的方向称为横向方向，垂直于横向方向的方向称为法向方向。
此类的光学系统的优点在于，通过优选在制造光学系统期间根据第一和第二标记组相对的位置和/或取向检测第一光学部件和载体基板的对准(即通过对于第一光学部件和载体基板的相对位置和/或取向的可能的修正)，以在实施上相对简单的和廉价的方式实现了第一光学部件和载体基板的高精度的相互对准。系统因此也可以用于对于带有第二波导体的第二光学部件在载体基板上的布置进行准备，其中可以将第一和第二波导体光学耦合。特别地，因此在同时放宽制造公差的情况下实现了被动对准的已知优点。
使用带有标记组的载体基板的还具有以下优点，即可以与光学部件分开地设计和制造载体基板，并且因此提供了很大的灵活性。
在本申请意义上的标记组包括一个或多个标记，其中标记是如下元件，即可以通过合适的测量设备检测所述元件位置和/或取向。此检测可以特别地以光学方式进行，例如可以通过作为测量设备的相机或另一光学扫描或检测系统(例如带有光栅扫描仪和点、线或面检测器的激光扫描系统)来进行。替代地，检测也可以以另外的方式进行，例如通过电测量或磁测量或基于接触的测量。在检测标记组的位置和/或取向时，可以完全地或部分地检测标记组中的全部标记、多个标记或仅一个标记。检测可以包括通过处理单元来处理以测量设备测量的数据。
因此，在对准两个构件时，可将标记组用作定位辅助。对应地，标记组或标记组的标记可以是除用作定位辅助之外不实现任何光学、电子、机械和/或另外的功能的元件。替代地，标记组也可以实现其他功能。
标记可以是例如覆层、嵌入的组成部分或部件的在某些特性方面(例如，光学特性)相对于环境局部地发生改变的组成部分。替代地，标记也可以是可用于其他目的的和/或为其他目的设置的组成部分，例如部件的结构组成部分，例如边缘、角部、表面或波导体。
光学系统可以包括布置在载体基板上的第二光学部件，所述第二光学部件具有与第一波导体可光学耦合的第二波导体。
光学系统因此以有利的方式被扩展以例如第二光学部件的光学、电子和/或电-光功能性。
第二光学部件可以包括第三标记组，其相对于第二波导体具有限定的位置和/或取向。根据至少两个标记组的相对位置和/或取向，可以检测第一光学部件和第二光学部件是否在平行于载体基板表面的参考平面内相互对准，使得可以实现第一波导体和第二波导体的光学耦合。
首先准备光学耦合，这通过如上所述使光学部件沿横向方向的相应对准实现光学耦合来进行。光学耦合的建立通常包括通过沿横向方向和法向方向的对准来分别实现光学耦合。
对应的光学系统的标记组可以被构造为使得所述标记组实现了光学部件的相互对准，这又包括使波导体相互对准以产生或改进或准备波导体的光学耦合。光学部件的相互对准在此可以包括通过光学部件的相对位置和/或取向的匹配而使标记组相互对准，从而建立标记组的规定的相对位置和/或取向。所规定的标记组的相对位置和/或取向由光学部件的标记组相对于相应的波导体的限定的位置和/或取向产生，从而通过产生规定的相对位置和/或取向来实现或改进或准备波导体的光学耦合。在对准光学部件的方面，可以在给定的标记组内完全地或部分地考虑标记组的全部标记、多个标记或仅一个标记。
因此，具有所述优点的被动耦合可用于两个光学部件的波导体。
光学部件和/或载体基板可以是平坦的或平坦地延伸的元件，其可以例如实现为芯片或晶片或可以由其形成。光学部件中的至少一个可以具有半导体芯片(例如硅芯片)、集成光路(PIC)、绝缘体上硅芯片、陶瓷芯片和/或玻璃芯片。此外，载体基板可以包含例如硅或其他半导体材料、陶瓷、玻璃或聚合物的材料，或由上述材料组成。波导体中的至少一个可以包含聚合物、玻璃、氧化物(例如SiO2)，氮化物(例如SiO2内的Si3N4)和/或硅(例如SiO2上的Si)。因此，这些成分、材料和组合物的多种设计和使用及其生产和处理方法转用到所提出的系统中，包括本领域技术人员已知的优点。
光学部件可以是边缘发射的光学部件；因此，第一和第二波导体可以布置在相应的光学部件内，使得光在波导体内平行于相应的光学部件的前侧传播和/或在此处形成，并且可以通过端面的一部分进入或离开波导体。
可以通过干法蚀刻(借助于用于针对性的、限定的端面的边缘形成的光刻缝隙)或机械抛光或通过(如需要，在预先刻划之后)沿限定的晶面的断开来制备端面。以此方式，可以实现对于光通过端面到波导体内的耦入和通过端面从波导体的耦出特别有利的特性。
光学部件的至少一个可以除第一/第二波导体之外具有一个或多个其他的波导体。载体基板也可以具有至少一个波导体。如果载体基板具有波导体，则可以规定，方法包括在载体基板的波导体和第一和/或第二波导体之间产生光学耦合。
除波导体之外，光学部件中的至少一个和/或载体基板还可以具有其他的元件，例如光学和/或电子元件。例如，光学部件中的至少一个和/或载体基板可以被实施为电-光电路。
可以规定，第二光学部件此外具有凹部，所述凹部从前侧沿与前侧对置的后侧的方向至少部分地穿过第二光学部件，其中第一光学部件布置在凹部内。
通过将光学部件布置在另一光学部件的凹部内，在光学系统的热性能、高频应用以及制造规模和成本方面具有优势。为此，也参考已经提到的文献DE 10 2016 203 453A1。
例如可以将凹部整块蚀刻掉，也可以通过光刻周部凹槽(沟槽)并且然后去除剩余的芯部来制成凹部。凹部可以部分或全部穿过第二光学部件，其中在全部穿过的情况中可实现对于凹部内部的良好的光学和机械可达性。
第一和/或第二光学部件当然可以具有一个或多个其他凹部。对应地，系统还可以包括至少一个第三光学部件，所述第三光学部件又具有至少一个与第一和/或第二波导体光学耦合的第三波导体和/或带有相对于第三波导体的限定的位置和/或取向的至少一个第四标记组，并且可以在载体基板上布置在另外的凹部/多个另外的凹部中的一个内。第四和第一和/或第二标记组可以适合于检测第一和第二波导体在参考平面内的相互相对位置和/或取向。
第二标记组可以具有：第一部分，所述第一部分被设置为通过第一标记组和第二标记组的第一部分的相互对准将第一波导体置于相对于载体基板的限定的位置和取向；和第二部分，所述第二部分被设置为通过第三标记组和第二标记组的第二部分的相互对准将第二波导体置于相对于载体基板并因此也相对于第一波导体的限定的位置和取向。
对于特定波长范围，特别是对于可见光、紫外光和/或红外光，载体基板可以是至少部分透明和/或半透明的。因而例如可以借助于相机单元有利地进行第二和第一和/或第三标记组的相对位置和/或取向的检测，所述相机单元靠近载体基板的背对光学部件的后侧布置，并且通过载体基板可以拍摄带有其标记组或标记组的部分的光学部件的图像。相机单元可以被设置为沿多个方向同时拍摄图像，例如相机单元可以设有分束器，由此可以沿两个相反的方向上同时拍摄和/或叠加图像。如此设置的相机单元可以放入在第一部件和载体基板之间，或第二部件和载体基板(包括布置在其上的可能的元件，例如第一光学部件)之间。然后可以同时检测载体基板和带有相应标记组的第一/第二光学部件并且将其对准。
通过检测两个波导体的相对位置和/或取向，定位可以被实现为与沿横向方向的期望的相对位置的最大偏差例如小于5μm，小于2μm，小于1μm，小于500nm或小于200nm，和/或与沿横向方向的期望的相对取向的最大角度偏差例如小于15mrad，小于5mrad，小于2mrad或小于1mrad。
可以规定，第一波导体与第一光学部件的前侧相距第一距离，第一光学部件的前侧朝向载体基板，并且选择第一距离，使得由此调节第一波导体和载体基板沿法向方向的期望的相互相对位置和/或取向。
以此给出了沿法向方向的第一波导体相对于载体基板的精确的和可复现的取向。
在此情况中此外规定，第二波导体与第二光学部件的前侧相距第二距离，第二光学部件的前侧朝向载体基板，并且选择第一和第二距离，使得由此调节第一和第二光学部件沿垂直于载体基板的表面的法向方向的相互相对位置和/或取向，使得实现第一和第二波导体的光学耦合。
以此得到了第一波导体和第二波导体沿法向方向上的对准，这有助于光学耦合。因此，在沿法向方向对准时，也体现了波导体的被动对准的优点。
例如，沿法向方向与期望的相对位置的最大偏差可以小于2μm，小于1μm，小于500nm，小于200nm或小于100nm。
第一和/或第二距离可以通过布置在第一和/或第二光学部件的前侧上的层来调节。以此可实现第一波导体和第二波导体相互沿法向方向的高精度并且可复现的对准。可以通过不同的方法，例如通过取向附生(也可以例如借助氧化物或氮化物进行金属化或钝化)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)或其他层沉积工艺，将此层施加到第一和/或第二光学部件的前侧上。
通过合适的横向和法向偏差公差的组合，可以实现期望的光学耦合效率，使得耦入到波导体中的一个内的光信号的强度相对于从波导体中的另一个耦出的光信号的强度的衰减例如小于3dB，小于2dB或小于1dB。
第一光学部件的第一端面和第二光学部件的第二端面之间的距离例如可以小于2μm，小于1μm，小于500nm，小于200nm，小于100nm，但也可以大于2μm，与第二波导体待耦合的第一波导体的端部通向所述第一端面，与第一波导体待光学耦合的第二波导体的端部通向所述第二端面。第一端面和第二端面也可以接触。
标记组中的至少一个的至少一部分可以在调节第一和第二距离时用作参考面。
例如，标记组的此部分可以被设计为在对应的光学部件和/或载体基板的前侧的限定厚度的金属层，在将光学部件布置在载体基板上时所述金属层限定了阻挡部并因此限定了参考面。因此，可沿法向方向实现稳定的对准。
可以规定，标记组中的至少一个的至少一部分通过波导体的部分实现或包含波导体的部分，和/或在同一个层位置中和/或通过同一个掩模直接或间接地制造。这实现了光学部件或光学系统的不复杂的制造，而没有用于制造标记的附加步骤。
可以通过光刻方法将标记组中的至少一个的至少一部分施加到光学部件中的一个上或嵌入到其内。以此方式，可以实现标记组或其部分的精确制造和特别好的可见性。
可以规定，在同一个工作步骤中和/或以同一个掩模通过光刻方法制造标记组中的至少一个的至少一部分和波导体中的至少一个的至少一部分。其优点是，以高精度和可复现性限定标记组或其对应的部分相对于对应的波导体的位置和/或取向。
标记组中的至少一个可以具有至少一个线形和/或十字形和/或圆形和/或椭圆形和/或多边形的元件，和/或可以具有多个平行的线和/或游标结构。
线形元件或其组合(即，包括十字形和多边形元件(或其边缘)或游标结构)是有利的。多个平行的线形元件的组可以被认为是特别有利的。标记组的线形元件可以以一个固定距离/多个固定距离与对应的波导体平行地走向，并且因此实现波导体的相互特别好的对准。
所述优点在经常遇到的情况中特别显著，在所述情况中光学部件的端面附近的波导体(并且特别地在端面上的波导体的进入点和离开点处)不垂直于端面，而是以大于或小于90°的角度与端面相遇。以此可以避免例如在激光腔内的不期望的光的背反射。在此情况中，进入点和离开点的确切位置取决于端面抛光或断开时已去除了多少材料(参见上文)。如果标记组的线形元件平行于波导体走向，则线形元件以与波导体相同的方式缩短，并且线形元件与端面的交点以与波导体的进入点和离开点相同的方式变化。
也可以根据线形元件的位置和/或取向来调节光学部件的必需的偏移，所述偏移可以例如由所涉及的波导体的折射率和对应的端面的距离规定。
可以规定，在方法结束时，即特别是在将部件相互对准并且将两个部件布置在载体基板上之后，第一和第二元件的相互朝向的端面的距离例如小于100μm，小于10μm，小于1μm或小于100nm。
可以规定，第一和第二标记组和/或第二和第三标记组以限定的方式相互补充和/或内接和/或互补，以便于对准。例如在简单的线形元件的情况中，或例如在已知实现了位置偏差的的特别精确的确定的游标结构的情况中，这已实现。例如，第一和/或第二和/或第三标记组的部分可以分别给出游标结构的读数刻度和主刻度。
可以规定，标记组中的至少一个包括多个具有尽可能大的(即，根据对应的光学部件或载体基板的尺寸和另外的元件在其上的布置而尽可能大的)距离的标记。元件之间的较大的距离实现了光学部件或载体基板的位置和/或取向与希望的位置的偏差的更精确的确定。
可以规定，标记组中的至少一个的至少一部分从对应的光学部件或载体基板的一个端面延伸到另一个边缘，和/或标记组中的至少一个包括在多个端面附近的元件。以此一方面改进了确定位置/取向偏差的精度，另一方面可以因此考虑在多个端面附近的波导体的走向，特别是如果应在多个端面上实现光学耦合。
还应该指出的一般考虑是，用于在光学元件相互对准时的每个待考虑的独立的自由度(位移、角度倾斜)的每个标记组必须分别包含至少一个与其他点不同的可识别的点。在线形的或其他方式扩展的、即非点形的元件的情况中，这可以由此元件的多个限定的点(例如端点)给出。
标记组中的至少一个的至少一部分可以是光学部件或载体基板中的一个的边缘或包括光学部件或载体基板中的一个的边缘。
特别是与同一标记组的另一部分相关，所述部分被设计为平行于波导体的线形元件，因此可以相对于所述波导体的离开点限定唯一的位置，即边缘与线形元件的交点。
光学部件中的至少一个的对应的边缘也可以通过标记组的部分来标记，所述部分被设计为延伸的表面元件(因此例如被设计为多边形，例如矩形)，并且因此特别好地可见。
可以规定，载体基板和/或至少一个光学部件具有粘合剂层，所述粘合剂层被设置为用于将第一和/或第二光学部件临时和/或永久地固定在载体基板上。这给出了稳定而灵活的安装可能性。可以以各种方式在光学系统的制造方法的要求或预期用途方面，例如在耐热性、导热性、其他热特性或电特性、对起作用的机械力的适应性等方面来考虑所使用的粘合剂。粘合剂层还可以实现至少临时密封/封闭光学部件和/或载体基板之间的空间。
可以规定，粘合剂层是结构化的和/或不连续的，和/或第一和第二波导体沿法向方向的相互对准包括使粘合剂层至少部分地变形。
结构化的和/或不连续的粘合剂层包括多个离散的粘合剂元件，这可以例如通过对连续粘合剂层的光刻处理来实现。这样的粘合剂层提供了特别高的柔性，并且可以有利地在粘合剂的结构尺寸/密度/表面覆盖率方面适合于方法或使用要求。
为此，粘合元件可以以各种方式成形，例如成形为点、矩形、多边形、环或线性元件。粘合元件可以叠加在光学部件或载体基板的表面的其他元件上，例如用作标记组的部分的结构化的金属层上，或粘合元件可以布置在所述其他元件之间的中间空间内。
例如，可以实现第一波导体和第二波导体沿法向方向的相互相对对准而使得粘合剂层至少部分地变形，使得光学部件和载体基板的前侧上的结构化金属层用作沿法向方向对准的参考表面，并且结构化粘合剂层的粘合剂元件布置在结构化金属层之间的中间空间内。如果粘合元件比结构化金属层更厚，则在光学部件(多个光学部件)与载体基板上下叠置的情况下通过压合使粘合元件变形，以此获得稳定的粘合，并且与结构化金属层在沿法向方向对准方面的优点相结合。
将粘合剂层结构化为离散的、尺寸限定的、形状可选择的粘合剂元件实现了制造方法的参数的匹配和优化，特别是在光学部件(多个光学部件)的结合面/布局和/或所需的结合力(上下叠置时的压力)和/或用于光学部件(多个光学部件)的对准所需的粘合剂层的变形程度等方面。薄的粘合剂层的最大变形程度(即“压平”)因此也可以更安全地实现，这实现了制造方法的更稳定的处理窗或提高的可复现性。
所建议的载体基板具有标记组并且被设置为被施加以光学部件，所述光学部件具有波导体和带有相对于波导体限定的位置和/或取向的标记组，使得根据标记组中的至少两个的相对位置和/或取向可检测在参考平面内是否产生了波导体相对于载体基板的期望的对准。
因此实现的载体基板有利地用于制造所建议的光学系统。
所建议的用于制造光学系统的方法包括：
提供至少一个光学部件和载体基板，所述至少一个光学部件分别具有第一波导体，
将至少一个光学部件布置在载体基板上。
在此规定，至少一个光学部件分别具有带有相对于相应的波导体限定的位置和/或取向的标记组，载体基板具有第二标记组，并且将至少一个光学部件布置在载体基板上包括：
检测至少一个光学部件的标记组相对于载体基板的第二标记组的相对位置和/或取向，以用于至少一个光学部件相对于载体基板在平行于载体基板的表面的参考平面内的对准。
方法的优点在于，优选地在光学系统的制造期间对于第一光学部件和载体基板的相互相对位置和/或取向进行检测(即，通过可能地修正第一光学部件与载体基板的相对位置和/或取向)，以在实施上相对简单的方式实现第一光学部件和载体基板的高精度的相互相对对准。
因此，系统还可以用于在载体基板上布置具有第二波导体的第二光学部件的准备，在此情况中可以将第一波导体和第二波导体光学耦合。特别地，在同时放宽制造公差的情况下实现了被动对准的已知优点。
在将第一光学部件和第二光学部件布置在载体基板上时，可以例如首先将第一光学部件布置在载体基板上，使得其前侧朝向载体基板的前侧。在此，可以借助于合适的测量设备将第一光学部件相对于载体基板对准，所述测量设备实现了第一和第二标记组的至少部分的相对位置和/或取向的确定。第一光学部件可以同时或随后例如通过施加到载体基板和/或第一光学部件上的粘合剂而临时或永久地固定在载体基板上。
然后可以将第二光学部件引到第一光学部件的后侧，以使第一光学部件的前侧也朝向载体基板的前侧，但是第一和第二部件之间仍然存在距离，所述距离通过合适的测量设备实现了第二和第三标记组的至少部分的相对位置和/或取向的确定。这可以例如以光学方式完成，例如通过至少一个相机拍摄图像。可以对应于所确定的相对位置和/或取向来修正第二光学部件和/或第一光学部件以及载体基板的位置和/或取向，使得由此实现第一和第二波导体的相互对准，特别是实现沿横向方向的对准。
在进行修正之后，可以重复光学部件的相对位置和/或取向的确定，以用于重复检验和/或修正第一和/或第二部件的位置和/或取向，如需要则多次(即，迭代地)检验和/或修改，直至达到或小于第一和第二波导体的相对位置和/或取向的期望的公差。第二光学部件可以在保持对准的情况下布置在载体基板上，并且也可以例如借助于施加到载体基板和/或第二光学部件的粘合剂而临时或永久地固定在载体基板上。在此，第一光学部件可以布置在第二光学部件的凹部内。
替代地，在第一光学部件和第二光学部件被布置在载体基板上时，可以首先将第二光学部件布置在载体基板上，只要第二光学部件完全穿过凹部，并且其余过程可以类似于上述情况执行，但是其中分别涉及第一光学部件或第二光学部件的步骤可以对应地调换或改动。
所描述的第一和第二波导体的相对位置和/或取向的检验和/或修正还可以用于挑选出没有达到期望公差的工件，或用于例如通过修正因数的匹配迭代地改进方法。
可以规定，第一波导体与第一光学部件的前侧相距第一距离，第二波导体与第二光学部件的前侧相距第二距离，在将第一和第二光学部件布置在载体基板上时第一和第二光学部件的前侧朝向载体基板，并且第一和第二光学部件的相互对准包括：
调节第一和第二距离，以用于将第一和第二波导体沿垂直于参考平面的法向方向相互对准。
第一和第二距离的调节可以进一步包括将层施加到第一和/或第二光学部件的前侧，其中例如可以使用上述的层沉积处理，例如取向附生或PECVD。
本发明的方法可以包括在至少一个光学部件相对于载体基板对准之后将载体基板从至少一个光学部件移除。
以此提高了对于另外的处理步骤的灵活性。
可以选择地以通常用于处理对应的系统的不同的方式进一步处理光学系统。这可以例如包括以合适的填充材料填充光学部件之间的剩余的间隙和/或使表面变薄和/或施加电接触部。
所述方法可以使用通常用于制造电子、光学或电-光部件和系统的系统和设备来实施，例如使用倒装式焊接器(Flip-Chip-Bonder)来实施。
应提到的是，所建议的方法的步骤和子步骤不必以特定的顺序执行，而是可以根据具体的实施方式来确定顺序。
附图说明
下文参考图1至图7e解释了本发明的示例性实施例。其中各图示意性地示出：
图1a示出带有第一光学部件和载体基板的光学系统的横截面，
图1b示出第二光学部件的横截面，
图2示出光学系统的另一示例的俯视图，
图3a至图3e示出在用于制造在图2中所示的光学系统的的方法的不同的步骤期间在图1b中所示的载体基板的横截面，
图4a至图4c示出根据另一示例的方法步骤中的、根据另一示例的载体基板的横截面，
图5a至图5e示出在不同的示例中在用于制造图2所示的光学系统的方法的不同的步骤期间在图1b中所示的第二光学部件的横截面，
图6a至图6d示出在用于制造在图2中所示的光学系统的方法的不同的步骤期间对应于图1a和图1b的光学部件和载体基板的横截面以及处理设备的部件，其中图1a所示的光学系统图示了中间步骤，
图7a示出在方法步骤期间的根据图2的光学系统，
图7b至图7e示出在根据其他示例的制造方法的不同的步骤期间的根据图2的光学系统。
以下分别以相同的附图标记标识不同示例和实施例的重复特征和相似特征。
具体实施方式
在图1a中在横截面中所示的光学系统400具有第一光学部件100和载体基板300。
第一光学部件100具有第一波导体101，所述第一波导体101形成在第一基板层102和第二基板层103之间，其中基板层102和103以III/V族材料或半导体族材料实现。第一基板层102被布置在第一光学部件100的前侧104，第二基板层103被布置在第一光学部件100的与前侧104对置的后侧105。第一波导体101通向第一光学部件100的端面109，所述端面109垂直于前侧104。
第一光学部件100通过粘合剂层301固定在玻璃晶片上，所述玻璃晶片用作载体基板300并且对于紫外光、可见光和红外光波长(例如从200nm至1200nm的波长范围，或仅对于部分范围，例如400至800nm的波长范围)是透明的。载体基板300具有朝向第一光学部件100的前侧304和与前侧304对置的后侧305。
第一光学部件100具有第一标记组110，所述第一标记组110带有相对于第一波导体101限定的位置和取向，载体基板300具有第二标记组310。如将在下文中进一步解释，可根据第一和第二标记组110和310的相对位置或取向来确定在平行于载体基板300的表面的参考平面中是否产生了第一波导体101相对于载体基板300的期望的对准。
在图1b中以横截面示出的第二光学部件200被设计为集成光路(PIC)。第二光学部件200具有第二波导体201，在所示的示例中，第二波导体201形成为SiO2层中的氮化物波导体(基于SiNx)。包含第二波导体101的SiO2层202布置在硅层203上。第二波导体201也可以以不同的方式形成，例如通过布置在SiO2层202上的另一硅层(绝缘体上硅结构，SOI)的光刻结构化形成。然后，可以可选地附加地通过薄氧化物钝化来保护第二波导体201。
SiO2层202布置在第二光学部件200的前侧204上，硅层203布置在第二光学部件200的与前侧204对置的后侧205上。第二波导体201通向第二光学部件200的端面209，所述端面209垂直于前侧204。
通过机械抛光或通过光刻限定的干法蚀刻或通过针对性的局部干法蚀刻来制备端面209，第二波导体201应在所述端面209上与第一波导体101光学耦合。替代地，可以例如通过沿限定的晶面断开来制备端面209。
通过沉积工艺制备前侧的层102和202，使得得到精确限定的层厚度。
第二光学部件200具有凹部206，所述凹部206从前侧204沿后侧205的方向部分地穿过第二光学部件200。凹部206可以替代地也完全地穿过第二光学部件200。也可以不存在凹部206。在此情况中，光学部件100和200相互并排布置而非内嵌布置。
第二光学部件200具有带有相对于第二波导体210限定的位置或取向的第三标记组210。
光学部件100和200以及载体基板300也可以以与上述示例不同的方式或由不同的材料形成。例如，光学部件100和200中的至少一个可以具有半导体芯片(例如硅芯片)、集成光路(PIC)、绝缘体上硅芯片、陶瓷芯片和/或玻璃芯片。此外，载体基板300可以包含例如硅或其他半导体材料、陶瓷、玻璃或聚合物的材料，或由所述材料制成。波导体101和201的至少一个可以包含聚合物、玻璃、氧化物(例如SiO2)、氮化物(例如SiO2内的Si3N4)和/或硅(例如SiO2上的Si)。
在图2中在俯视图中示出的光学系统400的另一实施例包括带有凹部206的第二光学部件200(以短虚线的轮廓线图示)、第一光学部件100(以连续的轮廓线图示)和载体基板300(以长虚线的轮廓线图示)。
第一光学部件100具有带有相对于第一波导体101限定的位置和取向的第一标记组110。载体基板300具有第二标记组310。第二光学部件200具有带有相对于第二波导体201限定的位置和取向的第三标记组210。根据标记组对(110/310、210/310、110/210)的相对位置和取向可检测第一和第二光学部件100和200是否在参考平面内相互对准，使得实现第一和第二光学部件100和200的光学耦合。
为此，第三标记组210具有由与第二波导体201平行且以固定间隔走向的线形元件形成的第一部分，以及由线性、正方形和十字形元件形成的第二部分，所述第二部分与第二标记组310的第一部分互补。互补在此指，在存在期望的相对对准时，将两个标记组210和310的对应部分的元件通过叠加补充为关联的形状或具有相互平行的边界线。
对应地，第一标记组110还具有第一部分和第二部分，所述第一部分由与第一波导体101平行且以固定的间隔走向的线形元件形成，所述第二部分由线形、正方形和十字形元件形成，所述第二部分与第二标记物组310的第二部分互补。
当然，标记组110、210、310也可以不同地构建，例如其中的至少一个可以具有至少一个圆形和/或椭圆形和/或多边形(例如，矩形)的元件和/或游标结构。由光学部件100和200在标记组110和210的区域内在端面109和209上形成的边缘也可以被视为标记组的部分，因为所述边缘导致与游标结构的线性元件的限定的交点。
标记组110、210和310被实施为施加到前侧104、204和304上的结构化金属层。标记组110、210、310也可以以另外的方式实现，例如标记组110和210可以与相应的波导体101和201分别在同一个工作步骤中并且以同一个掩模通过光刻方法制造，即在与波导体101和201相同的平面内嵌入到光学部件100和200内。则波导体101和201如果明显地可见，则其本身也可以用作标记组或标记组的部分。
粘合剂层301被设计为结构化的粘合剂层。可替代地，粘合剂层301也可以被设计为连续层。
下文参考图3a至图7e描述用于制造光学系统400的方法的示例性步骤。该方法包括提供第一光学部件100、第二光学部件200和载体基板300。
图3a至图3e示出了各个准备步骤中的载体基板300，所述准备步骤可以是用于制造光学系统400的方法的部分。首先，为用作载体基板300(图3a)的玻璃晶片设有连续的金属层311(图3b)，然后通过光刻方法对金属层进行结构化，因此形成第二标记组310(图3c)。
然后施加粘合剂层301(图3d)，所述粘合剂层301可以通过光刻方法和/或干法蚀刻方法和/或烧蚀方法被结构化，以此形成离散的粘合剂结构302(图3e)。粘合结构302优选地在第二标记组310之外布置在载体基板300的区域内。
图4a至图4c示出了各个准备步骤中的载体基板300的另一实例。用作载体基板300并且已被设有第二标记组310和结构化的粘合剂层302的玻璃晶片设有连续的光学透明聚合物层320(图4a)。然后，通过光刻方法将聚合物层320结构化，以此形成一组载体基板-波导体321(之后的图4b)。图4c示出了在示例性方法步骤中以此方式准备的载体基板300，其中将第一光学部件100布置在载体基板300上，使得在第一波导体101和载体基板-波导体321之间产生光学耦合。
图5a至图5c示出了各个准备步骤中的第二光学部件200，所述准备步骤可以是用于制造光学系统400的方法的部分。在此，第二光学部件200以其后侧205布置在载体500上。在将掩模220施加到前侧204上之后，将沟槽221蚀刻到第二光学部件200内，其中保留芯部222。掩模可以优选地是可移除的并和/或者是光刻结构化的层(金属层、钝化层、聚合物胶(光刻胶))。在移除芯部222以及如需要移除载体500和掩模220之后，第二光学部件200具有类似于图1b所示的形状(但是在此具有连续的凹部206)，所述第二光学部件200准备用于其他的方法步骤。
图5d和5e示出了根据另一示例的处于准备步骤中的第二光学部件200。在此，过程基本上如上文所述，但是掩模220被设计为直接蚀刻凹部206，即，而无引入沟槽的中间步骤。
图6a至图6d示出了示例性步骤，所述步骤用于将第一和第二光学部件100和200布置在载体基板300上，使得第一光学部件100被布置在第二光学部件200的凹部206内，以及将第一光学部件100和第二光学部件200对准，其中倒装式焊接器600用作处理设备。
倒装式焊接器600包括：下部件载体或卡盘601、上部件载体或结合臂602、转动载体或翻转臂603和相机系统604。
卡盘601被设置为在朝向结合臂602的侧上保持和/或三维移动构件。结合臂602被设置为在朝向卡盘601的侧上保持和/或三维地移动构件。翻转臂603被设置为接收构件和/或将其旋转180°和/或将其传递到卡盘601或粘合臂602上。相机系统604可以布置在卡盘601和结合臂602之间，并且被设置为同时将由卡盘601保持的构件的部分和由结合臂602保持的构件的部分成像(成像方向由箭头指示)，这可以例如通过将两个光学元件与两个传感器或一个传感器和一个分光器连接来实现。
在图6a所示的方法步骤中，卡盘601保持载体基板300，并且结合臂602 保持第一光学部件100，使得前侧104和304相互朝向。
通过相机单元604将第一标记组110的部分和第二标记组310的部分同时成像，这实现对于第一光学部件100和载体基板300的相对位置和取向的检测，更确切而言实现对于与期望的相对位置和取向的偏离的检测。现在，通过移动卡盘601和/或结合臂602，第一光学部件100和载体基板300相互对准(通过虚线指示)。
如图6b所示，然后(在移除相机单元604之后)前侧204和304通过移动卡盘601和/或结合臂602的移动并且保持希望的相对位置和取向被放在一起，直至第一光学部件100被布置在载体基板300上，并且通过粘合剂层301被固定。在此，粘合层301通过压合而部分地变形，使得标记组110和310或前侧104和304用作参考面。
在这一点上，可以在检查步骤中另外评估第一光学部件100在载体基板300上的安装。在移除结合臂602之后，可以通过由相机单元604透过光学透明的载体基板300检测标记组110、210、310的部分来检测第一光学部件100、第二光学部件200和载体基板300的相对位置和/或取向。
被施加以第一光学部件100的载体基板300通过翻转臂603被转动，并且被传递到粘合臂602上。现在将第二光学部件200施加在卡盘601上，其中第二光学部件200的前侧204朝向载体基板300的前侧304，并且朝向布置在载体基板300上的第一光学部件100的后侧105。
因此产生的情况在图6c中示出。现在通过相机单元604同时对于第三标记组210的部分和第二标记组310的部分成像，这实现了对于第二光学部件200和载体基板300的相对位置和取向的检测，更确切而言实现了对于与期望的相对位置和取向的偏差的检测。通过卡盘601和/或结合臂602的移动，第二光学部件200和载体基板300现在相互对准(由虚线指示)。因为由于前述步骤第一光学部件100已相对于载体基板300对准，所以也以此方式实现了第一光学部件100和第二光学部件200的相互相对对准。
如图6d所示，然后(在移除机单元604之后)通过在保持期望的相对位置和取向的同时移动卡盘601和/或结合臂602将前侧204和304放在一起，直至第二光学部件200被布置在载体基板300上，并且通过粘合剂层301固定，并且第一光学部件100布置在第二光学部件200的凹部206内。在此，粘合剂层301又通过压合而部分地变形，使得标记组210和310或前侧204和304用作参考面。
在移除结合臂602之后，可以通过由相机单元604透过光学透明的载体基板300检测标记组110、210、310的部分来检测第一光学部件100、第二光学部件200和载体基板300的相对位置和/或取向。以此可以检验对准的结果；如果对准的精度超出预定的公差之外，如需要则可以重复先前的方法步骤，或可以剔除工件。
应提到的是，当然也可以以不同的方式或以不同的顺序来实施单独的或所有的处理步骤。例如，可以首先将第二光学部件200布置并且对准在载体基板300上，并且然后可以将第一光学部件100引入到第二光学部件200的凹部206内，只要所述凹部206完全穿过第二光学部件200。
图7a示出了在前述步骤之后存在的光学系统400，其带有第一光学部件100、第二光学部件200和载体基板300(现在无处理设备600)。由于前侧的层102和202的精确限定的层厚度，第一光学部件100的前侧104和第一波导体101之间的第一距离以及第二光学部件204和第二波导体201之间的第二距离被调节，使得由此调节第一光学部件100和第二光学部件200沿法向方向的期望的相对位置和取向，并且因此波导体101和201也沿法向方向相互对准，使得实现了波导体101和201的光耦合。
因此，由于波导体101和201在横向以及法向上相互精确地对准，所以产生了波导体101和201的光学耦合。
图7b至图7e示出了根据各种可选的其他方法步骤的系统400，通过所述其他方法步骤能够进一步处理光学系统400。
在此，如在图7b中所示，可以将牺牲结构402施加在第一光学部件100的后侧105。可以将带有用于接收载体基板300的凹部410的辅助载体403施加在第二光学部件的前侧204。
如图7c和图7d所示，其中图7d是图7c中通过椭圆标记出的区域的详细视图，也可以使用光学填充材料404填充波导体101和201之间的可能剩余的间隙。光学填充材料404具有对于光学耦合来说良好的特性(波长透射、折射率、色散函数等)。
然后可以使用浇注材料405填充光学部件100和200之间的剩余的间隙。可以例如通过激光剥离或研磨来移除载体基板300和/或辅助载体403。(硬化后的)浇注材料405、硅层203和牺牲结构402可以通过研磨变薄到共同的后侧406。
如在图7e中所示，光学部件100和200可以在被暴露的共同的前侧407上与薄膜多层布线408电接触，并且设有凸块(接触元件)409。
对于技术人员而言显而易见的是，当然可以调整方法的步骤的数量、类型和顺序(特别是在各待制造的光学系统或所使用的光学部件的特性方面)。
附图标记列表
100 第一光学部件
101 第一波导体
102 第一基板层
103 第二基板层
104 前侧
105 后侧
109 端面
110 第一标记组
200 第二光学部件
201 第二波导体
202 SiO2层
203 硅层
204 前侧
205 后侧
206 凹部
209 端面
210 第二标记组
220 掩模
221 沟槽
222 芯部
300 载体基板
301 粘合剂层
302 粘合剂结构
304 前侧
305 后侧
310 第二标记组
311 金属层
320 聚合物层
321 载体基板-波导体
400 光学系统
402 牺牲结构
403 辅助载体
404 光学填充材料
405 浇注材料
406 后侧
407 前侧
408 薄膜多层布线
409 凸块
410 凹部
500 载体
600 倒装式焊接器
601 卡盘
602 结合臂
603 翻转臂
604 相机系统

Claims (17)

1.一种光学系统(400)，所述光学系统包括：
具有第一波导体(101)的第一光学部件(100)，和
载体基板(300)，其中所述第一光学部件(100)布置在所述载体基板(300)上，
其特征在于，
所述第一光学部件(100)具有带有相对于所述第一波导体(101)的限定的位置和/或取向的第一标记组(110)，所述载体基板(300)具有第二标记组(310)，并且根据所述第一和第二标记组(110、310)的相对位置和/或取向，能够检测在平行于所述载体基板(300)的表面的参考平面内是否产生了所述第一波导体(101)相对于所述载体基板(300)的期望的对准。
2.根据权利要求1所述的光学系统(400)，其中，所述光学系统还包括布置在所述载体基板(300)上的第二光学部件(200)，所述第二光学部件具有能够与所述第一波导体(101)光学耦合的第二波导体(201)。
3.根据权利要求2所述的光学系统(400)，其中，所述第二光学部件包括带有相对于所述第二波导体(201)的限定的位置和/或取向的第三标记组(210)，并且根据所述标记组(110、210、310)中的至少两个的相对位置和/或取向，能够检测所述第一和第二光学部件(100、200)是否在平行于所述载体基板(300)的表面的参考平面内相互对准，使得实现所述第一和第二波导体(101、201)的光学耦合。
4.根据权利要求2或3所述的光学系统，其中，所述第二光学部件还包括凹部(206)，所述第二光学部件(200)从前侧(204)沿与所述前侧(204)对置的后侧(205)的方向至少部分地穿过所述凹部，其中所述第一光学部件(100)布置在所述凹部(206)内。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的光学系统(400)，其中，所述载体基板(300)能够从所述第一和第二光学部件(100、200)移除，并且其中以光学填充材料(404)填充所述第一波导体(101)和所述第二波导体(201)之间的间隙，和/或以浇注材料(405)填充所述第一光学部件(100)和所述第二光学部件(200)之间的间隙。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的光学系统(400)，其中，在所述第一光学部件(100)的背对所述载体基板(300)的后侧(105)施加牺牲结构(402)，和/或其中在所述第二光学部件(200)的朝向所述载体基板(300)的前侧(204)施加带有用于接收所述载体基板(300)的凹部(410)的辅助载体(403)，和/或其中将所述第一和第二光学部件(100、200)的表面变薄到共同的后侧(406)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(400)，其中，所述载体基板(300)在特定波长范围内，特别是在可见光和/或紫外和/或红外波长范围内，至少是部分透明和/或半透明的。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的光学系统(400)，其中，所述第一波导体(101)与所述第一光学部件(100)的前侧(104)相距第一距离，所述第二波导体(101)与所述第二光学部件(200)的前侧(104)相距第二距离，所述第一和第二光学部件(100)的前侧(104)朝向所述载体基板(300)，并且选择第一和第二距离，使得由此调节第一和第二光学部件(100，200)沿垂直于所述载体基板(300)的表面的法向方向的相互相对位置和/或取向，使得实现所述第一和第二波导体(101、201)的所述光学耦合。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(400)，其中，所述标记组(110、210、310)中的至少一个的至少一部分由所述波导体(101、201)的部分实现或包含所述部分，和/或其中标记组中的至少一个的至少一部分是光学部件(100、200)中的一个的或载体基板(300)的边缘或者包含所述边缘，和/或所述标记组(110、210、310)中的至少一个的至少一部分通过光刻方法被施加到所述光学部件(100、200)或所述载体基板(300)上或嵌入到所述光学部件(100、200)或所述载体基板(300)内，和/或其中所述标记组(110、210)的至少一个的至少一部分与所述波导体(101、201)的至少一个的至少一部分在同一个工作步骤中和/或以同一个掩模通过光刻方法制造。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(400)，其中，所述标记组(110、210、310)中的至少一个具有至少一个线形元件和/或十字形元件和/或圆形元件和/或椭圆元件和/或多边形的元件和/或多个平行的线和/或游标结构。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统(400)，其中，所述载体基板(300)和/或所述光学部件(100、200)中的至少一个具有粘合剂层(301)，所述粘合剂层(301)被设置为用于临时和/或永久地将所述第一和/或第二光学部件(100、200)固定在所述载体基板(300)上。
12.根据权利要求11所述的光学系统(400)，其中，所述粘合剂层(301)被结构化和/或不连续，和/或在所述粘合剂层(301)至少部分地变形的情况下，所述第一和第二波导体(101、201)沿法向方向相互对准。
13.一种载体基板(300)，所述载体基板具有标记组(310)并且被设置为被施加以光学部件(100、200)，所述光学部件具有波导体(101、201)和带有相对于所述波导体(101、201)的限定的位置和/或取向的标记组(110、210)，使得根据标记组(110、210、310)中的至少两个的相对位置和/或取向，能够检测在平行于所述载体基板(300)的表面的参考平面内是否产生了所述波导体(101、201)相对于所述载体基板(300)的期望的对准。
14.一种用于制造光学系统(400)的方法，所述方法包括：
提供至少一个光学部件(100、200)和载体基板(300)，所述光学部件(100、200)分别具有至少一个波导体(101、201)，
将所述至少一个光学部件(100、200)布置在所述载体基板(300)上，
其特征在于，
所述至少一个光学部件(100、200)分别具有带有相对于相应的波导体(101、201)的限定的位置和/或取向的标记组(110、210)，所述载体基板(300)具有第二标记组(310)，并且将所述至少一个光学部件(100、200)布置在所述承载基板(300)上包括：
检测至少一个光学部件(100、200)的标记组(110、210)相对于所述载体基板(300)的所述第二标记组(310)的相对位置和/或取向，以用于在平行于所述载体基板(300)的表面的参考平面内将所述至少一个光学部件(100、200)的波导体(101、201)相对于所述载体基板(300)对准。
15.根据权利要求14所述的用于制造光学系统(400)的方法，所述方法包括：在将所述至少一个光学部件(100、200)相对于所述载体基板(300)对准之后，从所述至少一个光学部件(100、200)移除所述载体基板(300)。
16.根据权利要求15所述的用于制造光学系统(400)的方法，其中提供所述至少一个光学部件(100、200)包括提供所述第一光学部件(100)和所述第二光学部件(200)，并且所述方法进一步包括：
以光学填充材料(404)填充所述第一波导体(101)和所述第二波导体(201)之间剩余的间隙，和/或以浇注材料(405)填充所述第一光学部件(100)和所述第二光学部件(200)之间的剩余的间隙。
17.根据权利要求16所述的用于制造光学系统(400)的方法，所述方法包括：将所述第一和第二光学部件(100、200)的表面变薄到共同的后侧(406)，和/或将电接触部(408、409)施加在所述第一光学部件(100)和所述第二光学部件(200)的共同的前侧(407)，和/或将牺牲结构(402)施加在所述第一光学部件(100)的背对所述载体基板(300)的后侧(105)上，和/或将带有用于接收所述载体基板(300)的凹部(410)的辅助载体(403)施加在所述第二光学部件(200)的朝向所述载体基板(300)的前侧(204)。
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