DE102006030363B3 - Process-tolerant alignment marks for aligning two vertically coupled optical components e.g. in integrated optics, involves forming marks from alignment light incident on optical coupling element - Google Patents

Process-tolerant alignment marks for aligning two vertically coupled optical components e.g. in integrated optics, involves forming marks from alignment light incident on optical coupling element Download PDF

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Abstract

Alignment marks for aligning two optical components to be coupled vertically of which one, at least, has a waveguide and an optical coupling element. The alignment marks are formed from alignment light incident on the optical coupling element (KE), in which the alignment light is taken via two parallel auxiliary waveguides (HWL1,HWL2) arranged at the same height as the waveguide (WL), and whose one end has a device for coupling the alignment light in the auxiliary waveguides and whose other end is aligned on the coupling element, which is common for the waveguide and the auxiliary waveguides.

Description

Die Erfindung betrifft Justiermarken für die Justierung zweier vertikal zu koppelnder optischer Komponenten, von denen eine mindestens einen Wellenleiter und ein optisches Koppelement aufweist.The The invention relates to alignment marks for the adjustment of two vertically to be coupled optical components, of which one at least one waveguide and an optical coupling element.

Derartige Justiermarken sind aus der US 200/0181882 A1 bekannt.such Alignment marks are known from US 200/0181882 A1.

In der integrierten Optik sind oftmals mehrere Chips zu kombinieren bzw. auf einem Träger zu platzieren. Hierfür muss die Justage höchst präzise im sub-μm-Bereich erfolgen.In The integrated optics are often multiple chips to combine or on a carrier to place. Therefor the adjustment must be highest precise in the sub-micron range respectively.

Zudem sind dem Stand der Technik nach zweite unterschiedliche Lösungen bekannt, Chips zueinander zu justieren und zu verbinden.moreover According to the prior art, second different solutions are known, To adjust and connect chips to each other.

Bei der Flip-Chip-Technik (z. B. beschrieben von G. Pascariu et al. in „Next Generation Electronics Packaging Utilizing Chip Technology", 2003 IEEE/CPMT/Int'I Electronics Manufacturing Technology Symposium, 16–18 July 2003, pp. 423–426) werden Justiermarken und Anlegekanten auf den zu verbindenden Chips erzeugt, die sich im Idealfall passiv beim Lötprozess zueinander ausrichten. Die Justiergenauigkeit hängt von der Genauigkeit der Justiermarken und Anlegekanten ab. Diese werden in mehreren aufeinander folgenden Prozessschritten definiert. Die Genauigkeit ist damit durch die Justage der Justiermarken auf den einzelnen Chips während des Herstellungsprozesses begrenzt.at flip-chip technique (e.g., described by G. Pascariu et al. in "Next Generation Electronics Packaging Utilizing Chip Technology ", 2003 IEEE / CPMT / Int'I Electronics Manufacturing Technology Symposium, 16-18 July 2003, pp. 423-426) Alignment marks and application edges on the chips to be connected, which are ideally passive in the soldering process to each other. The adjustment accuracy hangs from the accuracy of the alignment marks and contact edges. These are defined in several consecutive process steps. The accuracy is thus due to the adjustment of the alignment marks the individual chips during the Production process limited.

Bei der aktiven Justage werden die zu verbindenden Chips aktiv angesteuert, über die Optimierung der optischen Leistung justiert und anschließend fixiert. Diese Methode (beispielsweise beschrieben von Z. Zhang et al. in „Active Alignment of Optical Fibers to Planar Waveguide Using a Thermal-Curing Adhesive"; Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, No. 2, February 2005, S. 567–572 ist zwar derzeit die genaueste Methode, jedoch sehr aufwändig und teuer.at the active adjustment, the chips to be connected are actively controlled via the Optimization of the optical power adjusted and then fixed. This method (described, for example, by Z. Zhang et al., Active Alignment of Optical Fibers to Planar Waveguide Using a Thermal-Curing Adhesive "; Journal of Lightwave Technology, Vol. 23, no. 2, February 2005, p. 567-572 is true currently the most accurate method, but very complex and expensive.

Eine weitere Methode, die Platzierung mit Pick & Placer, ist in dem Artikel „Pick and Place Opreation of a Micro Object with High Reliability and Precision based on Micro Physics under SEM" von S. Saito et al. in International Conference on Robotics & Automation, 1999, 10–15 May 1999, S 2736–2743 beschrieben. Diese Methode ist sehr kostengünstig und damit für Massenprodukte interessant. Allerdings ist die Positioniergenauigkeit begrenzt. Bei dieser Methode werden einzelne Chips mit einem automatischen Greifer aufgenommen und auf dem Träger automatisch abgelegt. Im Idealfall passiert dieser Vorgang passiv, d.h. die Justage erfolgt über die XY-Koordinaten des Greifers. Falls eine höhere Genauigkeit der Justage erwünscht ist, kann über ein Kamera- und Bildauswertesystem auf vorhandene Justiermarken auf dem Träger justiert werden. Die Genauigkeit hängt hierbei – wie bei der Flip-Chip-Verbindung – wieder von der Genauigkeit der erzeugten Justiermarken ab.A another method, the placement with Pick & Placer, is in the article "Pick and Place Opreation of a Micro Object with High Reliability and Precision based on Micro Physics under SEM "by S. Saito et al. in International Conference on Robotics & Automation, 1999, 10-15 May 1999, p 2736-2743. This method is very cost effective and with it for Mass products interesting. However, the positioning accuracy limited. In this method, individual chips with an automatic Gripper picked up and stored automatically on the carrier. in the Ideally, this process happens passively, i. the adjustment is done via the XY coordinates of the gripper. If a higher Accuracy of adjustment desired is, can over a camera and image evaluation system for existing alignment marks on the carrier to be adjusted. The accuracy depends - as with the flip-chip connection - again from the accuracy of the generated alignment marks.

Auch für Justiermarken gibt es dem Stand der Technik nach unterschiedliche Ausführungen. So sind beispielweise Justiermarken in Form von Kreuzen bekannt, wobei eine kreuzfömige Justiermarke auf der Maske mit einer Justiermarke gleicher Form auf dem Substrat, die im ersten Strukturierungsprozess dort aufgebracht wurde, zueinander justiert werden. Eine zweiteilige Justiermaske mit rechteckigem Rahmen und im Rahmen liegendem Rechteck wird zur Justierung eines Messkopfes mittels optoelektronischer Auswertung verwendet.Also for alignment marks There are the prior art according to different versions. For example, alignment marks in the form of crosses are known, being a kreuzfömige Align mark on the mask with an alignment mark of the same shape the substrate applied in the first patterning process there was adjusted to each other. A two-part adjustment mask with rectangular frame and rectangle lying in the frame becomes the Adjustment of a measuring head by means of optoelectronic evaluation used.

Aufgabe der Erfindung ist es, Justiermarken mit zum Stand der Technik verbesserter Genauigkeit anzugeben, die z. B. für die Pick & Place Methode eingesetzt werden können und somit eine kostengünstige Justage optischer Komponenten mit großer Genauigkeit ermöglichen.task The invention is to improve alignment marks with the prior art To specify accuracy, the z. B. for the pick & place method can and thus a cost-effective Allow adjustment of optical components with great accuracy.

Die Erfindung wird gemäß Patentanspruch 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The Invention is according to claim 1 solved, advantageous developments emerge from the subclaims.

Die Justiermarken gemäß der Erfindung sind aus dem auf das optische Koppelelement auftreffenden Justierlicht, das durch zwei zusätzliche Hilfswellenleiter geführt wird und auf dieses Koppelement gerichtet ist, gebildet. Jeweils ein Ende der Hilfswellenleiter weist ein Mittel zum Einkoppeln des Justierlichts in diese Hilfswellenleiter auf, das jeweils andere Ende dieser Wellenleiter ist auf das Koppelelement, das sowohl für den Wellenleiter als auch für die Hilfswellenleiter ein gemeinsames ist, gerichtet.The Alignment marks according to the invention are from the incident on the optical coupling element Justierlicht, that by two extra Guided auxiliary conductor is directed and directed to this coupling element. Each one end of the auxiliary waveguide has a means for coupling the Justierlichts in this auxiliary waveguide, the other end this waveguide is on the coupling element, which is for both the waveguide as well as for the auxiliary waveguide is a common, addressed.

Die für die Bildung der Justiermarken notwendigen Elemente, wie Hilfswellenleiter und evtl. weitere Koppelelemente, können im selben entsprechenden Prozessschritt hergestellt werden, in dem Wellenleiter oder Koppelelement erzeugt werden. Damit ist eine prozesstolerante Erzeugung der Justiermarken gewährleistet, da die Justiermarken individuell für jedes Koppelelement erzeugt werden, woraus sich eine sehr viel genauere Justage der einen Komponente zur anderen Komponente im Vergleich mit der Herstellung von Justiermarken gemäß bekannter Verfahren aus dem Stand der Technik ergibt.The for the Formation of alignment marks necessary elements, such as auxiliary waveguides and possibly further coupling elements, can in the same corresponding Process step are made in the waveguide or coupling element be generated. This is a process tolerant generation of Justiermarken guaranteed because the alignment marks generated individually for each coupling element which results in a much more precise adjustment of one component to the other component in comparison with the production of alignment marks according to known Method of the prior art results.

Die erfindungsgemäßen prozesstoleranten leuchtenden Justiermarken gewährleisten damit eine hochgenaue Aufbautechnik (vergleichbar mit der aktiven Kopplung) mit einem gleichzeitig kostengünstigen Verfahren, z. B. der Pick & Place Methode. Die Erfindung ist universell einsetzbar und nicht auf ein spezielles Materialsystem oder ein spezielles Koppelelement begrenzt.The process-tolerant luminous alignment marks according to the invention thus ensure a high-precision construction technique (comparable to the active coupling) with a simultaneously cost-effective method, eg. B. the pick & place method. The invention is universally applicable and not limited to a specific material system or a special coupling element.

Vorteilhaft ist es, als Mittel zum Eintritt des Justierlichts in die Hilfswellenleiter je ein Hilfskoppelelement gleichen Typs wie das Koppelelement vorzusehen, das – wie bereits erwähnt – im selben Prozessschritt erzeugt wird wie das Koppelelement. In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Stirnflächen der einen optischen Komponente das Mittel zum Eintritt des Justierlichts in die Hilfswellenleiter.Advantageous it is as a means of entering the Justierlichts in the auxiliary waveguide each to provide an auxiliary coupling element of the same type as the coupling element, the how already mentioned - in the same Process step is generated as the coupling element. In another advantageous embodiment, the end faces of an optical component the means for entering the Justierlichts in the auxiliary waveguide.

In vorteilhafter Weise ist das jeweilige Hilfskoppelement und/oder das Koppelelement ein Spiegel oder ein Gitter oder eine Linse.In Advantageously, the respective auxiliary coupling element and / or the coupling element is a mirror or a grid or a lens.

Die präzise zu koppelnde andere optische Komponente ist eine Empfangs- oder eine Laserdiode oder ein anderes optisches Bauelement.The precise Another optical component to be coupled is a receive or a laser diode or other optical device.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:following the invention will be explained in more detail with reference to FIGS. Showing:

1 schematisch die Erzeugung prozesstoleranter Justiermarken am Beispiel der Justage einer Diode auf einem Träger im Querschnitt (A-B); 1 schematically the generation of process tolerant alignment marks on the example of the adjustment of a diode on a support in cross section (AB);

2 dasselbe Beispiel in der Aufsicht. 2 same example in supervision.

Aufgabe ist es, einen Chip, z.B. eine Diode D auf einem Träger T, z.B. einem Träger zu platzieren. Die Diode D muss dabei sehr genau positioniert werden, damit die optischen Verluste minimal sind. Der Träger T weist auf einem Substrat S eine Wellenleiterschicht WS mit Wellenleiter WL und den beiden Hilfswellenleitern HWL1 und HWL2 auf.task it is, a chip, e.g. a diode D on a carrier T, e.g. a carrier to place. The diode D must be positioned very accurately, so that the optical losses are minimal. The carrier T points on a substrate S, a waveguide layer WS with waveguide WL and the two auxiliary waveguides HWL1 and HWL2 on.

Dem Stand der Technik nach wären konventionelle Justiermarken sowohl auf der Diode als auch auf dem Träger vorhanden, um die beiden Komponenten zueinander zu justieren. Die Justiermarken werden während des Herstellungsprozesses fest definiert, jedoch nicht gleichzeitig mit dem Koppelelement.the According to the state of the art conventional alignment marks both on the diode and on the carrier present to adjust the two components to each other. The Alignment marks become during firmly defined in the manufacturing process but not simultaneously with the coupling element.

In dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden die Voraussetzungen für die Erzeugung der leuchtenden Justiermarken in demselben Prozessschritten hergestellt, bei denen auch das Koppelelement KE, hier ein 45° Spiegel, und der Wellenleiter WL hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Justiermarken M sind aus Leuchtpunkten des durch die Hilfswellenleiter HWL1, HWL2 geführten und auf dem Koppelelement KE auftreffenden Justierlichts gebildet. Sind Justiermarken mit kleinerer Fläche gewünscht, so kann dies über eine Verringerung der Breite der Hilfswellenleiter HWL1 und HWL2 erfolgen.In the embodiment of the invention become the conditions for the generation of the luminous alignment marks in the same process steps in which also the coupling element KE, here a 45 ° mirror, and the waveguide WL are manufactured. The alignment marks according to the invention M are from luminous points of the through the auxiliary waveguide HWL1, HWL2 guided and formed on the coupling element KE incident alignment light. are Alignment marks with smaller area desired so this can be over a reduction in the width of the auxiliary waveguide HWL1 and HWL2 done.

Justierlicht L wird in die Hilfswellenleiter HWL1, HWL2 eingekoppelt. Die Einstrahlung erfolgt idealerweise von oben über die Hilfskoppelelemente HKE1, HKE2. Das eingestrahlte Justierlicht L wird in den Hilfswellenleitern HWL1, HWL2 geführt und über das gemeinsame Koppelelement KE nach oben ausgestrahlt. Das ausgestrahlte Licht ist als leuchtende Justiermarke M zu erkennen. Die Diode D weist konventionelle Justiermarken auf, die bei der Justage mit den im Träger T erzeugten erfindungsgemäßen Justiermarken M z.B. mittels Pick & Place in bekannter Weise in Deckung gebracht werden.alignment light L is coupled into the auxiliary waveguides HWL1, HWL2. The radiation ideally takes place from above the auxiliary coupling elements HKE1, HKE2. The irradiated adjustment light L is guided in the auxiliary waveguides HWL1, HWL2 and via the common coupling element KE broadcast to the top. The emitted light is as a luminous alignment mark M to recognize. Diode D has conventional alignment marks, in the adjustment with the invention generated in the carrier T Justiermarken M e.g. by pick & place be brought in line in a known manner.

Die leuchtenden Justiermarken M sind zu dem eigentlichen Koppelpunkt KP sehr genau platziert. Selbst wenn das Koppelelement KE nur ungenau justiert wird oder sich der Parameter des Koppelelements KE, z. B. der Winkel des Spiegels änderte, wären die leuchtenden Justiermarken M immer noch im selben Verhältnis zu dem eigentlichen Koppelpunkt KP platziert. Die zu koppelnde Diode D, die einen Satz konventioneller Justiermarken aufweist, wird immer hochgenau zu den leuchtenden Justiermarken M justiert werden, da die beiden Hilfswellenleiter HWL1, HWL2 die Eigenschaften des Wellenleiters WL aufweisen und sie nur über die Maske in einem gemeinsamen Herstellungsprozess definiert sind.The Luminous alignment marks M are the actual crosspoint KP placed very accurately. Even if the coupling element KE only inaccurate is adjusted or the parameter of the coupling element KE, z. B. changed the angle of the mirror, would be the luminous alignment marks M still in the same proportion to placed the actual crosspoint KP. The diode to be coupled D, which has a set of conventional alignment marks, will always be adjusted with high precision to the luminous alignment marks M, since the two auxiliary waveguides HWL1, HWL2 the properties of the waveguide Have WL and they just over the mask are defined in a common manufacturing process.

Die erfindungsgemäßen prozesstoleranten Justiermarken ermöglichen eine kostengünstige Herstellungs- und Montagetechnik. Es wird eine sehr viel größere Ausbeute erreicht, da über einen großen Wafer die leuchtenden Justiermarken an jedem Ort des Wafers zu den entsprechenden Koppelpunkten in dem Koppelelement justiert sind.The Process tolerant alignment marks according to the invention enable a cost-effective Manufacturing and assembly technology. It will be a much larger yield reached over there a big wafer the luminous alignment marks at each location of the wafer to the corresponding Crosspoints are adjusted in the coupling element.

Claims (8)

Justiermarken für die Justierung zweier vertikal zu koppelnder optischer Komponenten, von denen eine mindestens einen Wellenleiter und ein optisches Koppelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass diese gebildet sind aus auf das optische Koppelelement (KE) auftreffendes Justierlicht (L), wobei das Justierlicht (L) über zwei parallel zum und in derselben Höhe wie der mindestens eine Wellenleiter (WL) angeordnete Hilfswellenleiter (HWL1, HWL2) geführt ist, deren eines Ende ein Mittel zum Einkoppeln des Justierlichts (L) in die Hilfswellenleiter (HWL1, HWL2) aufweist und deren anderes Ende auf das Koppelelement (KE), das ein gemeinsames für den mindestens einen Wellenleiter (WL) und die Hilfswellenleiter (HWL1, HWL2) ist, gerichtet ist.Adjustment marks for the adjustment of two optical components to be coupled vertically, one of which has at least one waveguide and an optical coupling element, characterized in that these are formed from alignment light (L) impinging on the optical coupling element (KE), wherein the adjustment light (L) via two parallel to and at the same height as the at least one waveguide (WL) arranged auxiliary waveguide (HWL1, HWL2) is guided, one end of a means for coupling the Justierlichts (L) in the auxiliary waveguide (HWL1, HWL2) and the other End on the coupling element (KE), which is a common for the at least one waveguide (WL) and the auxiliary waveguide (HWL1, HWL2) is directed. Justiermarken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Einkoppeln des Justierlichts (L) in die Hilfswellenleiter (HWL1, HWL2) die Stirnflächen der einen optischen Komponente ist.Alignment marks according to claim 1, characterized in that the means for coupling the alignment light (L) into the auxiliary waveguide (HWL1, HWL2) the faces which is an optical component. Justiermarken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Einkoppeln des Justierlichts (L) in die Hilfswellenleiter (HWL1, HWL2) je ein Hilfskoppelelement (HKE1, HKE2) gleichen Typs wie das Koppelelement (KE) ist.Alignment marks according to claim 1, characterized in that the means for coupling the alignment light (L) into the auxiliary waveguide (HWL1, HWL2) one auxiliary coupling element (HKE1, HKE2) of the same type how the coupling element (KE) is. Justiermarken nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Hilfskoppelement (HKE1, HKE2) und/oder das Koppelelement (KE) ein Spiegel ist.Alignment marks according to claim 3, characterized that the respective auxiliary coupling element (HKE1, HKE2) and / or the coupling element (KE) is a mirror. Justiermarken nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Hilfskoppelement (HKE1, HKE2) und/oder das Koppelelement (KE) ein Gitter ist.Alignment marks according to claim 3, characterized that the respective auxiliary coupling element (HKE1, HKE2) and / or the coupling element (KE) is a grid. Justiermarken nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Hilfskoppelement (HKE1, HKE2) und/oder das Koppelelement (KE) eine Linse ist.Alignment marks according to claim 3, characterized that the respective auxiliary coupling element (HKE1, HKE2) and / or the coupling element (KE) is a lens. Justiermarken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die andere optische Komponente eine Empfangsdiode ist.Alignment marks according to claim 1, characterized the other optical component is a receiving diode. Justiermarken nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die andere optische Komponente eine Laserdiode ist. Alignment marks according to claim 1, characterized the other optical component is a laser diode.
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