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Die
Erfindung betrifft ein Bauelement mit einem optischen Koppelfenster
sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauelements.
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Aus
der
US 4,802,727 ist
bekannt, eine Laserdiode derart in eine durch anisotropes Ätzen
eines monokristallinen Trägerelements hergestellte Vertiefung
einzusetzen, dass durch die plane Oberfläche der Laserdiode
optische Strahlen auskoppelbar sind und in einen Lichtwellenleiter
einkoppelbar sind. Der Lichtwellenleiter ist in eine durch anisotropes Ätzen hergestellte
V-förmige Nut in dem Trägerelement eingelegt,
wobei die Längsrichtung des Lichtwellenleiters und die
plane Oberfläche des Bauelements einen vom rechten Winkel
abweichenden Winkel einschließen.
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Eine
demgegenüber laterale optische Signaleinkopplung hat in
optoelektronischen Bauelementen den Vorteil längerer Absorptionsstrecken
und führt daher zu einer höheren lichtoptischen
Effizienz des Bauelements. Wünschenswert sind dabei Koppelfenster
mit möglichst geringen Übertragungsverlusten durch
Reflexion oder Streuung. Die Verluste sind unter anderem von der
Rauigkeit der Oberfläche des Koppelfensters und den optischen
Eigenschaften der bestrahlten Schichten abhängig. Das Koppelfenster
kann durch eine Seitenfläche des Bauelements gebildet sein,
die zu diesem Zweck nach dem Vereinzeln der in der Regel im Nutzen,
beispielsweise im Wafer-Verbund, hergestellten Bauelemente durch
eine Oberflächenbehandlung wie Schleifen oder Polieren
bearbeitet ist.
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Aus J.
T. Boyd und S. Sriram: Optical coupling from fibers to channel waveguides
formed an silicon, Applied Optics, Vol. 17 (1978), Nr. 6, S. 895
bis 898 ist ein Bauelement mit einem Substrat aus monokristallinem
Silicium und mit einem lateralen und durch eine Koppelfläche
gebildeten Koppelfenster für einen Lichtleiter bekannt,
wobei das Bauelement selbst einen in Dünnschichttechnik
hergestellten Lichtleiter aufweist, über den die aus einem
anzuschließenden faserförmigen Lichtwellenleiter
eingekoppelte Strahlung weitergeführt wird. Der faserförmige
Lichtwellenleiter ist dabei in eine durch anisotropes Ätzen
des monokristallinen Substrats hergestellte V-förmige Nut
einsetzbar, wobei das Koppelfenster an einer stirnseitigen Endfläche
der V-förmigen Nut angeordnet ist, die ebenfalls durch
anisotropes Ätzen hergestellt ist und mit der Oberfläche
des Substrats einen vom rechten Winkel abweichenden Winkel einschließt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement mit einem optischen
Koppelfenster und ein zugehöriges Herstellverfahren bereitzustellen,
das eine hohe Effizienz der Strahlenkopplung gewährleistet
und dennoch einfach herstellbar ist.
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Die
Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Bauelement und durch
das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Herstellverfahren gelöst. Besondere
Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen
bestimmt.
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In
einer Ausführungsart ist die Aufgabe gelöst durch
ein Bauelement mit einem Substrat aus einem monokristallinen Werkstoff
und mit einem lateralen und durch eine Koppelfläche gebildeten
Koppelfenster für einen Lichtleiter oder ein optoelektronisches
Bauelement, wobei über das Koppelfenster optische Strahlen
in das Bauelement einkoppelbar und/oder aus dem Bauelement auskoppelbar
sind, und wobei die Koppelfläche durch eine Bruchfläche entlang
einer durch das monokristalline Substrat bestimmten Kristallfläche
gebildet ist, und die Koppelfläche durch Ausbrechen eines
Abschnitts des monokristallinen Substrats gebildet ist.
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Durch
das Ausnutzen der Spaltbarkeit des monokristallinen Werkstoffes
des Substrats lassen sich Bruchflächen von sehr hoher Qualität,
insbesondere hinsichtlich der Planheit, auf einfache Weisheit herstellen.
In einer Ausführungsart ist die Bruchfläche unbearbeitet,
insbesondere deckschichtenfrei. Eine besondere Deckschichtenfolge
zur Reduktion der Reflexion ist möglich, aber nicht erforderlich.
An der Oberfläche des monokristallinen Werkstoffes kann
sich lediglich eine sehr dünne Oxydhaut bilden, die durch
eine Oxidation der Bruchfläche an Atmosphäre entsteht.
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In
einer Ausführungsart ist die Bruchfläche eine <110> Fläche des
monokristallinen Substrats. Das Substrat selbst kann eine <100> Orientierung aufweisen.
Die Wahl der <110> Fläche ermöglicht
die Herstellung von besonders planen Bruchflächen mit vergleichsweise geringen
Ausbrechkräften, durch die zuverlässig verhindert
ist, dass beim Ausbrechen das Substrat beschädigt wird.
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In
einer Ausführungsart ist die Bruchfläche von einer
Seitenkante des Bauelements zurückversetzt. Da die Seitenkanten
des Bauelements in der Regel durch Sägen oder Trennschleifen
gebildet sind, erlaubt das Zurückversetzen der Bruchfläche von
der Seitenkante die Bereitstellung einer Koppelfläche,
die hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften durch das Sägen
oder Trennschleifen nicht negativ beeinflusst ist.
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In
einer Ausführungsart weist das Bauelement integriert mindestens
eine Auflagefläche für einen auf das Koppelfenster
ausrichtbaren Lichtwellenleiter auf. Damit ist in dem Bauelement
integriert eine optimale Ausrichtung des Lichtwellenleiters auf
das Bauelement gewährleistet, ohne dass es aufwendiger
Montagetechniken bedarf. Der Lichtwellenleiter ist mit dem Bauelement
verbindbar, insbesondere verklebbar. Die Auflagefläche
kann insbesondere durch eine V-förmige Nut bereitgestellt
werden, in welche der Lichtwellenleiter mit seiner zylindrischen Mantelfläche
einlegbar ist. Die beiden Flächen der V-förmigen
Nut können einen Winkel zwischen 60 und 150° einschließen,
vorzugsweise einen Winkel zwischen 90 und 120°. Der Winkel
bestimmt zusammen mit der Tiefe der V-förmigen Nut die
Position des Lichtwellenleiters in Bezug auf die Koppelfläche.
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In
einer Ausführungsart schließt die Bruchfläche
mit der Oberfläche des Substrats einen rechten Winkel ein.
Dadurch ist die optische Kopplung des Bauelements beispielsweise
zu dem angrenzenden Lichtwellenleiter optimiert, insbesondere sind
die auftretenden Reflexionen auf ein Minimum reduziert.
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In
einer Ausführungsart ist die Auflagefläche für
den Lichtwellenleiter durch mindestens einen in das Substrat eingebrachten
Trennschnitt gebildet, der mit der Oberfläche des Substrats
einen Winkel von weniger als 90° einschließt.
Der Trennschnitt kann lateral von der Stirnseite des Bauelements
erfolgen, beispielsweise durch mechanisches Sägen oder
Trennschleifen. Alternativ hierzu kann der Trennschnitt auch auf
sonstige Weise, beispielsweise durch energiereiche Strahlen, etwa
mittels eines Lasers, hergestellt sein.
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In
einer Ausführungsart ist der Trennschnitt von der planen
Oberseite des Substrats eingebracht, was ebenfalls grundsätzlich
mechanisch, vorzugsweise aber mittels Energiestrahlen erfolgen kann. Die
Einbringung des Trennschnitts von oben hat den Vorteil, dass die
Trennschnitte bereits im Nutzen, beispielsweise in einem Wafer-Verbund
einer Vielzahl von Bauelementen, in das Bauelement eingebracht werden
kann und nicht erst nach einem mindestens teilweise Vereinzeln des
Bauelements aus dem Nutzen.
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In
einer Ausführungsart ist durch den Trennschnitt der auszubrechende
Abschnitt des monokristallinen Substrats begrenzt. Der Trennschnitt
kann den auszubrechenden Abschnitt bis auf eine verbleibende Fläche
begrenzen, wobei die verbleibende Fläche die Bruchfläche
bildet, die durch anschließendes Ausbrechen des Abschnitts
hergestellt wird.
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In
einer Ausführungsart ist die Auflagefläche für
den Lichtwellenleiter durch zwei sich im Substrat kreuzende Trennschnitte
gebildet. Dadurch kann der auszubrechende Abschnitt als zylinderförmiger
oder prismenförmiger Körper begrenzt werden, insbesondere
mit einer dreieckförmigen Grundfläche und einer
durch das anschließende Ausbrechen gebildeten dreieckförmigen
Deckfläche. Bei zylinderförmigen Körpern
sind zwei parallele, ebene und kongruente Grundflächen
durch einen Mantel miteinander verbunden.
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In
einer Ausführungsart begrenzt die Bruchfläche
die Auflagefläche für den Lichtwellenleiter stirnseitig.
Dadurch kann der Lichtwellenleiter entlang der Auflagefläche
bis an das stirnseitige Ende herangeschoben werden und dadurch der
Luftspalt zwischen dem stirnseitigen Ende des Lichtwellenleiters
und der Koppelfläche minimiert werden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines vorstehend
beschriebenen Bauelements mit einem Substrat aus einem einkristallinen Werkstoff
und mit einem lateralen und durch eine Koppelfläche gebildeten
Koppelfenster für einen Lichtleiter oder ein optoelektronisches
Bauelement, wobei über das Koppelfenster optische Strahlen
in das Bauelement einkoppelbar und/oder aus dem Bauelement auskoppelbar
sind, und wobei ein Abschnitt des einkristallinen Substrats ausgebrochen wird
und dabei die Koppelfläche als Bruchfläche entlang
einer der durch das einkristalline Substrat bestimmten Kristallflächen
gebildet wird.
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In
einer Ausführungsart wird vor dem Ausbrechen mindestens
ein Trennschnitt, vorzugsweise zwei einen spitzen Winkel zueinander
einschließende Trennschnitte, in das Substrat eingebracht,
der den auszubrechenden Abschnitt begrenzt. Durch den Trennschnitt
und das Ausbrechen wird auch eine Auflagefläche für
einen auf das Koppelfenster ausrichtbaren Lichtwellenleiter gebildet
und freigelegt.
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In
einer Ausführungsart wird der Abschnitt des einkristallinen
Substrats mit einem mit Ultraschall schwingendem Mikromeißel
ausgebrochen. Auf diese Weise ist zuverlässig verhindert,
dass durch das Ausbrechen die angrenzenden Bereiche des Substrats
beschädigt werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung,
in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den
Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale
jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination
erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt
einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Bauelements,
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2 zeigt
eine Draufsicht auf die Anordnung aus Bauelement und Lichtwellenleiter
der 1, und
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3 bis 6 zeigen
eine Abfolge eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauelements.
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Die 1 zeigt
einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Bauelements 1 mit einem Substrat 10 aus monokristallinem Werkstoff,
im Ausführungsbeispiel aus monokristallinem Silicium. Die 2 zeigt
eine Draufsicht auf die Anordnung aus Bauelement 1 und
Lichtwellenleiter 14 der 1.
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Das
Bauelement 1 weist ein laterales und durch eine Bruchfläche 12 gebildetes
Koppelfenster für einen Lichtleiter 14 auf, wobei über
das Koppelfenster optische Strahlen 16 in das Bauelement 1 einkoppelbar und/oder
aus dem Bauelement 1 auskoppelbar sind. Die Bruchfläche 12 ist
dabei durch eine Kristallfläche gebildet, die durch das
monokristalline Substrat 10 bestimmt ist, im Ausführungsbeispiel eine <110> Fläche des
monokristallinen Siliciumssubstrats, das eine <100> Oberfläche
aufweist.
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Auf
dem Substrat 10 sind monolithisch integriert und/oder in
Dünnschichttechnik Schichtfolgen ein- oder aufgebracht,
insbesondere eine lichtleitende Schicht 18, die auch monolithisch
in das Substrat 10 integriert sein kann, und eine beispielsweise
metallische Deckschicht 20; alternativ können
auch weitere Deckschichten zwischen der lichtleitenden Schicht 18 und
der Deckschicht 20 angeordnet sein. Die Koppelfläche
ist im Wesentlichen durch die Bruchfläche 12 als
solches gebildet, insbesondere ist keine separate Antireflexionsschicht
aufgebracht. Allenfalls ist an der Oberfläche der Bruchfläche 12 eine sehr
dünne Oxydschicht durch nach dem Ausbrechen stattfindende
Oxidation vorhanden.
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Die
Bruchfläche 12 ist von einer Seitenfläche 22 des
Bauelements 1 zurückversetzt. Die Bruchfläche 12 schließt
mit der Oberfläche 24 des Bauelements 1 einen
rechten Winkel ein, wobei die Oberfläche 24 des
Bauelements 1 mindestens bereichsweise auch durch eine
Oberfläche des Substrats 10 gebildet sein kann
oder parallel zur Oberfläche des Substrats 10 verlaufen
kann. Das Bauelement 1 weist integriert zwei Auflageflächen 26, 28 für
einen auf das Koppelfenster ausrichtbaren Lichtwellenleiter 14 auf.
Die beiden Auflagenflächen 26, 28 sind
wie nachstehend beschrieben durch Trennschnitte 30, 32 in
das Substrat 10 definiert, wobei die Bruchfläche 12 den
Aufnahmeraum für den Lichtwellenleiter 14 zwar stirnseitig
begrenzt, aber die Trennschnitte 30, 32 das durch
die Bruchfläche 12 gebildete stirnseitige Ende übergreifen
und in Längsrichtung des Aufnahmeraums für den
Lichtwellenleiter 14 über die Bruchfläche 12 hinaus
ein Stück weit in das Substrat 10 hineinragen.
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Der
Lichtwellenleiter 14 weist einen Fasermantel 34 und
einen Faserkern 36 auf, wobei die in den 1 und 2 dargestellten
Abmessungen nur beispielhaft und insbesondere nicht maßstäblich sind,
beispielsweise kann der Faserkern 36 eine deutlich geringere
radiale Erstreckung aufweisen, um dadurch eine Monomodefaser zu
bilden. Die aus dem Faserkern 36 über die Bruchfläche 12 eingekoppelten
Strahlen 16 werden zum Teil unmittelbar in die lichtleitende
Schicht 18 eingekoppelt, zum Teil auch in das Substratmaterial 10.
Aufgrund eines Unterschiedes der Brechungsindizes der lichtleitenden Schicht 18 einerseits
und der angrenzenden Schicht oder dem Substrat 10 andererseits
kommt es aber zu einer Beugung oder Brechung der eingekoppelten Strahlen 16 in
Richtung auf die lichtleitende Schicht 18.
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Die 3 bis 6 zeigen
eine Abfolge eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauelements 1.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauelement 1 bereits
aus einem Wafer-Verbund vereinzelt. Vor dem Vereinzeln wurden durch
in der Mikroelektronik oder Mikrooptik übliche Verfahren
Bauelementstrukturen auf der Oberfläche des Bauelements 1 aufgebracht,
umfassend eine metallische Deckschicht 20, die auch der
elektrischen Kontaktierung dienen kann, und elektrische Anschlussflächen 38.
Dadurch ist auf der Oberseite des Substrats 10 neben einer
isolierenden Schicht 40 eine Bauelementstruktur 42 aufgebracht,
die beispielsweise einen Lichtleiter oder ein optoelektronisches
Bauelement umfassen kann.
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Um
optische Strahlen 16 in das Bauelement 1, insbesondere
die Bauelementstruktur 42, einzukoppeln und/oder aus dem
Bauelement 1 auszukoppeln, soll ein laterales und durch
eine Koppelfläche gebildetes Koppelfenster hergestellt
werden. Hierzu werden in das plättchenförmige
und in der Draufsicht rechteckige Substrat 10 von einer
Seitenfläche 22 zwei Trennschnitte 30, 32 eingebracht,
die einen Winkel zwischen 90° und 120° einschließen
und die sich etwa in der Mitte des Substrats 10, bezogen
auf die Dicke des Substrats 10, kreuzen und auf der Oberseite
des Substrats 10 einen zylindrischen oder prismenförmigen
Abschnitt 44 begrenzen.
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Dieser
zylindrische Abschnitt 44 ist nur noch mit einer Seite
mit dem Substrat 10 verbunden. Durch ein geeignetes, in
den Figuren nicht dargestelltes Werkzeug, beispielsweise einen Mikromeißel, kann
der Abschnitt 44 ausgebrochen werden, wie in der 4 dargestellt.
Dadurch entsteht im Bereich der Bauelementestruktur 42 eine
Bruchfläche 12, die eine Koppelfläche
des Bauelements 1 bildet.
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Das
Einbringen der Trennschnitte 30, 32 kann beispielsweise
mittels einer handelsüblichen Wafersäge erfolgen,
durch die plane und V-förmig zueinander ausgerichtete Auflageflächen 26, 28 für
den Lichtwellenleiter 14 gebildet sind. Die Bruchfläche 12 ist
von der Seitenfläche 22 des Bauelements 1 zurückversetzt.
Der in die durch die Auflageflächen 26, 28 gebildete
V-förmige Nut einsetzbare Lichtwellenleiter 14 kann
bis an das durch die Bruchfläche 12 gebildete
stirnseitige Ende der V-förmigen Nut eingeschoben werden
und in der V-förmigen Nut beispielsweise durch einen Klebstoff 46 fixiert
werden.
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Eine
von den beiden Auflageflächen 26, 28 oder
von den beiden Trennschnitten 30, 32 bestimmte
Kante 48, die einer Kante des auszubrechenden Abschnitts 44 entsprechen
kann, kann parallel zur Oberfläche des Substrats 10 ausgerichtet
sein, insbesondere parallel zum Verlauf der lichtleitenden Schicht 18.
In diesem Fall kann der Lichtwellenleiter 14 parallel zur
Oberfläche des Substrats 10 ausgerichtet sein,
so dass in dem Lichtwellenleiter 14 geführtes
Licht parallel zur Oberfläche des Substrats 10 ein-
und/oder auskoppelbar ist. Alternativ hierzu kann die Kante 48 mit
der Oberfläche des Substrats 10 einen von Null
verschiedenen Winkel einschließen, beispielsweise einen
Winkel von mehr als 1°, insbesondere mindestens 2°,
und vorzugsweise mehr als 2° und weniger als 15°.
Dadurch kann der Lichtwellenleiter 14 so auf die Auflageflächen 26, 28 aufgelegt
werden, dass das Licht schräg in Bezug auf die Oberfläche
des Substrats 10 ein- bzw. auskoppelbar ist. Die Schrägstellung
kann dabei insbesondere derart sein, dass von dem Lichtwellenleiter 14 auch
Licht außerhalb der lichtleitenden Schicht 18 in
das Substrat 10 einkoppelbar ist und im weiteren Verlauf
des Strahlengangs des Lichts im Substrat 10 in die lichtleitende
Schicht 18 eintritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - J. T. Boyd
und S. Sriram: Optical coupling from fibers to channel waveguides
formed an silicon, Applied Optics, Vol. 17 (1978), Nr. 6, S. 895
bis 898 [0004]