DE102018216157A1

DE102018216157A1 - Wafer arrangement and photonic system

Info

Publication number: DE102018216157A1
Application number: DE102018216157.7A
Authority: DE
Inventors: Pedro Andrei Krochin Yepez; Ulrike Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Es wird eine Waferanordnung (1) beschrieben, die auf einer Oberfläche (3) ein oder mehrere Bauteile (4a-e) umfasst, die in einem Betriebszustand Abwärme produzieren. Die Waferanordnung (1) weist auf der Oberfläche (3) voneinander thermisch isolierte Bereiche (8a-c) auf.Ferner wird ein photonisches System (2) vorgeschlagen, das die Waferanordnung (1) aufweist.A wafer arrangement (1) is described which comprises one or more components (4a-e) on a surface (3) which produce waste heat in an operating state. The wafer arrangement (1) has regions (8a-c) which are thermally insulated from one another on the surface (3). A photonic system (2) is also proposed which has the wafer arrangement (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Waferanordnung, die auf einer Oberfläche ein oder mehrere Bauteile umfasst, die in einem Betriebszustand Abwärme produzieren.The present invention relates to a wafer arrangement which comprises one or more components on one surface which produce waste heat in an operating state.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein photonisches System, das die Waferanordnung aufweist.The present invention further relates to a photonic system which has the wafer arrangement.

Stand der TechnikState of the art

Bei vielen Anwendungen, die Waferanordnungen verwenden, beispielsweise Silicon-on-lnsulator-(SOI-)Waferanordnungen (deutsch: Silizium-auf-Isolator) mit einem oder mehreren SOI-Wafern, stellt Abwärme von integrierten elektronischen oder auch optischen Bauteilen ein Problem dar.In many applications that use wafer arrangements, for example silicon-on-insulator (SOI) wafer arrangements (German: silicon-on-insulator) with one or more SOI wafers, waste heat from integrated electronic or optical components is a problem.

Insbesondere bei solchen SOI-Waferanordnungen müssen Anordnungen und Methoden für effiziente Wärmedissipation gefunden und genutzt werden. In dem Gebiet der Photonik beispielsweise muss Licht effizient, kostengünstig und in einer serientauglichen Art in einen Photonic Integrated Circuit (PIC), integrierter photonischer Schaltkreis, eingekoppelt werden. Deshalb ist es erwünscht, insbesondere eine oder mehrere Laserquellen direkt auf photonischen Schaltkreisen zu integrieren.With such SOI wafer arrangements in particular, arrangements and methods for efficient heat dissipation must be found and used. In the field of photonics, for example, light has to be coupled into a photonic integrated circuit (PIC), an integrated photonic circuit, efficiently, inexpensively and in a manner suitable for series production. It is therefore desirable to integrate one or more laser sources directly onto photonic circuits.

Bekannt ist die Einkopplung von Laserlicht mittels optischer Fasern. Um kompakte Systeme zu realisieren, ist es erwünscht, das Licht direkt aus einer Laserquelle in den PIC einzukoppeln. Als Laserquellen werden beispielsweise Kantenemitter oder Vertikalemitter (kurz VCSEL, von englisch vertical-cavity surface-emitting laser) eingesetzt. Diese Laserquellen müssen entweder neben den Photonic-IC oder auf dem Photonic-IC platziert werden. Die Laserquelle ist ein Beispiel für das Bauteil, das in einem Betriebszustand Abwärme produziert.The coupling of laser light by means of optical fibers is known. In order to implement compact systems, it is desirable to couple the light directly from a laser source into the PIC. Edge emitters or vertical emitters (VCSEL for short, from English vertical-cavity surface-emitting laser) are used as laser sources. These laser sources must either be placed next to the Photonic IC or on the Photonic IC. The laser source is an example of the component that produces waste heat in one operating state.

Das Platzieren von der Laserquelle neben den PIC verlangt eine extreme Positioniergenauigkeit im Sub-Mikrometer-Bereich, um die Kopplungseffizienz zwischen Laserquelle und PIC auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Durch Platzieren der Laserquelle auf dem PIC wird die geforderte Positioniergenauigkeit oft mittels lithographischer Nachbearbeitung erreicht.Placing the laser source next to the PIC requires extreme positioning accuracy in the sub-micron range to keep the coupling efficiency between the laser source and PIC at an acceptable level. By placing the laser source on the PIC, the required positioning accuracy is often achieved by means of lithographic post-processing.

Für einige Anwendungen, in denen die Wellenlänge des Lichtes moduliert werden muss, zum Beispiel für FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) LIDAR-Anwendungen, muss die Wellenlänge der Laserquelle stabil gehalten werden. Außerdem werden oft mehrere Laserquellen auf dem PIC integriert, um den gewünschten Wellenlängenbereich abdecken zu können.For some applications in which the wavelength of the light has to be modulated, for example for FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) LIDAR applications, the wavelength of the laser source has to be kept stable. In addition, several laser sources are often integrated on the PIC in order to cover the desired wavelength range.

Bei Integration von einer oder mehreren Laserquellen auf den PIC entsteht, aufgrund der hohen thermischen Verluste der Laserquellen, erheblich viel Abwärme. Da sowohl die Wellenlänge des Lasers, als auch die Funktion der photonischen Strukturen stark temperaturabhängig sind, müssen Temperaturschwankungen und Temperaturgradienten auf den PIC minimiert werden. Zum einen kann nämlich aufgrund von Temperaturschwankungen und Temperaturgradienten die Emissionswellenlänge des Lasers verschoben werden, zum anderen ändert sich die Brechungszahl der photonischen Komponenten mit der Temperatur. Je nach photonischer Komponente kann eine Änderung der Brechungszahl zu schlechterer Leitung innerhalb der Wellenleiter führen oder auch zu unerwünschten Phasenverschiebungen des Lichts in den Phasenschiebern. Durch diese unerwünschten Änderungen kann das Verhalten des photonischen Systems schlecht kontrollierbar sein. Daher müssen üblicherweise thermische Verluste möglichst effizient aus dem photonischen System abgeführt werden.When integrating one or more laser sources on the PIC, a lot of waste heat is generated due to the high thermal losses of the laser sources. Since both the wavelength of the laser and the function of the photonic structures are strongly temperature-dependent, temperature fluctuations and temperature gradients on the PIC must be minimized. On the one hand, the emission wavelength of the laser can be shifted due to temperature fluctuations and temperature gradients, on the other hand, the refractive index of the photonic components changes with temperature. Depending on the photonic component, a change in the refractive index can lead to poorer conduction within the waveguide or to undesired phase shifts in the light in the phase shifters. The behavior of the photonic system can be difficult to control due to these undesirable changes. Therefore, thermal losses usually have to be removed from the photonic system as efficiently as possible.

Bekannt ist, die Verlustwärme von der Unterseite des PIC abzuführen. Deshalb werden beispielsweise temperatursensitive PIC auf Keramiksubstrate geklebt, da diese bessere Wärmeleiteigenschaften als konventionelle Leiterplatten besitzen. Oft werden auch Substrate des PIC durch thermoelektrische Kühler (TEC) aufwändig aktiv gekühlt oder beheizt, um die PIC auf einer möglichst definierten Temperatur zu halten.It is known to dissipate the heat loss from the bottom of the PIC. That is why, for example, temperature-sensitive PICs are glued to ceramic substrates because they have better thermal conductivity properties than conventional printed circuit boards. PIC substrates are often also actively cooled or heated by thermoelectric coolers (TEC) to keep the PIC at a defined temperature.

Ein besonderes Problem ergibt sich im Bereich der Siliziumphotonik, bei der ein mehrschichtiger Wafer für die Herstellung von photonischen Schaltkreisen verwendet wird. Dabei werden Siliziumphotonikbauteile auf Silicon-on-Insulator-Wafern hergestellt, die als eine Schichtenabfolge Silizium, Siliziumoxid und wieder Silizium aufweisen. Während reines Silizium ein sehr guter Wärmeleiter ist und somit ein Siliziumwafer als Wärmesenke wirkt, weist Siliziumdioxid eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Deshalb ist in solchen Fällen eine photonische Schicht (beispielsweise die oberste Siliziumschicht des photonischen SOI-Wafers), auch Tragschicht genannt, aufgrund der dazwischenliegenden Siliziumdioxid- (SiO₂-) Oxidschicht, auch Isolierschicht genannt, thermisch von dem Siliziumwafer, auch Substratschicht genannt, isoliert. Die Abwärme der elektronischen oder auch optischen Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, auf der Tragschicht verteilt sich somit üblicherweise mit einem Temperaturgradienten über die gesamte Tragschicht hinweg.A particular problem arises in the field of silicon electronics, in which a multilayer wafer is used for the production of photonic circuits. Silicon electronics components are manufactured on silicon-on-insulator wafers that have silicon, silicon oxide and silicon as a layer sequence. While pure silicon is a very good heat conductor and thus a silicon wafer acts as a heat sink, silicon dioxide has a very low thermal conductivity. In such cases, therefore, a photonic layer (for example the uppermost silicon layer of the photonic SOI wafer), also called a base layer, is thermally insulated from the silicon wafer, also called a substrate layer, due to the silicon dioxide (SiO ₂ ) oxide layer in between, also called an insulating layer . The waste heat from the electronic or optical components, which produce waste heat in the operating state, is thus distributed over the entire base layer with a temperature gradient.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird die Waferanordnung zur Verfügung gestellt, die auf einer Oberfläche ein oder mehrere Bauteile umfasst, die in einem Betriebszustand Abwärme produzieren, wobei die Waferanordnung auf der Oberfläche voneinander thermisch isolierte Bereiche aufweist.According to the invention, the wafer arrangement is made available on a surface or comprises several components which produce waste heat in an operating state, the wafer arrangement having regions which are thermally insulated from one another on the surface.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Waferanordnung hat den Vorteil, dass die Verteilung der Abwärme effizient gesteuert werden kann. So können Strukturen der Waferanordnung auf der Oberfläche in thermisch isolierten Bereichen angeordnet werden, die für die jeweilige Struktur besonders geeignete Temperaturen aufweisen. Temperatursensitive photonische Regionen eines PIC, in denen beispielsweise wärmeempfindliche photonische Bauteile angeordnet sind, können so beispielsweise von der Verlustwärme der integrierten Laserquellen entkoppelt werden, wenn diese in jeweils anderen Bereichen angeordnet sind, die thermisch voneinander entkoppelt sind. Auch können beispielsweise die Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, jeweils voneinander thermisch isoliert in verschiedenen Bereichen angeordnet sein.The wafer arrangement according to the invention has the advantage that the distribution of the waste heat can be controlled efficiently. Structures of the wafer arrangement can thus be arranged on the surface in thermally insulated areas which have temperatures which are particularly suitable for the respective structure. Temperature-sensitive photonic regions of a PIC, in which, for example, heat-sensitive photonic components are arranged, can be decoupled from the heat loss of the integrated laser sources, for example, if these are arranged in different areas that are thermally decoupled from one another. For example, the components that produce waste heat in the operating state can also be arranged in different areas, thermally insulated from one another.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.

Eine Waferanordnung gemäß der Erfindung kann einen oder mehrere Wafer aufweisen. In bevorzugten Ausführungsformen weist die Waferanordnung einen einzelnen Silicon-on-Insulator-Wafer auf, der das eine oder die mehreren Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, aufweist. In anderen Ausführungsformen weist die Waferanordnung eine Vielzahl von einzelnen Wafern auf, die jeweils das eine oder die mehreren Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, aufweisen.A wafer arrangement according to the invention can have one or more wafers. In preferred embodiments, the wafer arrangement has a single silicon-on-insulator wafer that has the one or more components that produce waste heat in the operating state. In other embodiments, the wafer arrangement has a multiplicity of individual wafers, each of which has the one or more components which produce waste heat in the operating state.

Bevorzugte Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, sind elektronische Bauteile. Andere bevorzugte Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, sind optische Bauteile.Preferred components that produce waste heat in the operating state are electronic components. Other preferred components that produce waste heat in the operating state are optical components.

Vorzugsweise umfasst die Waferanordnung eine Tragschicht, die die Oberfläche bereitstellt. Die Tragschicht trägt vorzugsweise das eine oder die mehreren Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren. Bevorzugt ist, dass mindestens eine Ausnehmung in der Tragschicht gebildet ist, um die voneinander thermisch isolierten Bereiche zu bilden. So kann die Ausnehmung bereits bei der Herstellung der Waferanordnung erzeugt werden. Die Ausnehmung kann vorzugsweise in die Tragschicht geätzt werden. Zudem kann durch das Vorsehen einer Ausnehmung auf zusätzliches Material, zum Beispiel für die Errichtung einer Wärmetrennwand, die von der Oberfläche nach oben hervorstehen kann, verzichtet werden. Bevorzugt ist, dass eine oder mehrere Ausnehmungen benachbart zu den Bauteilen, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, insbesondere um die Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, herum platziert sind. So können die Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, gut thermisch voneinander und von anderen Bereichen isoliert werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Ausnehmung in der Tragschicht in eine Tiefe von mehr als 50 % einer Dicke der Tragschicht, besonders vorzugsweise von mehr als 75 % der Dicke der Tragschicht. Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Ausnehmung sich in der Tragschicht in die Tiefe von mehr als 90 % der Dicke der Tragschicht erstreckt. Nochmal bevorzugt ist, dass die Ausnehmung als Durchgangsloch durch die Tragschicht hindurch gebildet ist. So kann eine laterale Ausbreitung der Abwärme über die Oberfläche und die Tragschicht hinweg besonders gut kontrolliert, vorzugsweise unterbrochen werden.The wafer arrangement preferably comprises a support layer which provides the surface. The base layer preferably carries the one or more components which produce waste heat in the operating state. It is preferred that at least one recess is formed in the support layer in order to form the regions which are thermally insulated from one another. In this way, the recess can already be produced during the manufacture of the wafer arrangement. The recess can preferably be etched into the base layer. In addition, the provision of a recess makes it possible to dispense with additional material, for example for the construction of a heat partition which can protrude from the surface upwards. It is preferred that one or more recesses are placed adjacent to the components that produce waste heat in the operating state, in particular around the components that produce waste heat in the operating state. In this way, the components that produce waste heat in the operating state can be thermally insulated from one another and from other areas. The recess in the base layer preferably extends to a depth of more than 50% of a thickness of the base layer, particularly preferably of more than 75% of the thickness of the base layer. It is very particularly preferred that the recess extends in the base layer to a depth of more than 90% of the thickness of the base layer. It is again preferred that the recess is formed as a through hole through the support layer. Thus, a lateral spread of the waste heat over the surface and the base layer can be controlled particularly well, preferably interrupted.

Bevorzugt ist, dass die Waferanordnung eine Isolierschicht umfasst. Die Isolierschicht ist vorzugsweise unter der Tragschicht gebildet. In Ausführungsformen setzt sich die Ausnehmung in die Isolierschicht fort. Vorzugsweise erstreckt sich die Ausnehmung, ausgehend von der Tragschicht, in der Isolierschicht in eine Tiefe von mehr als 50 % der Dicke der Isolierschicht, besonders vorzugsweise von mehr als 75 % der Dicke der Isolierschicht. Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Ausnehmung sich in der Isolierschicht in die Tiefe von mehr als 90 % der Dicke der Isolierschicht erstreckt. So kann eine laterale Ausbreitung der Abwärme über die Oberfläche und die Tragschicht hinweg besonders gut kontrolliert, vorzugsweise unterbrochen werden. Es gibt Ausführungsformen, in denen die Tiefe der Ausnehmungen von den genannten Werten nach oben oder nach unten abweicht.It is preferred that the wafer arrangement comprises an insulating layer. The insulating layer is preferably formed under the base layer. In embodiments, the recess continues in the insulating layer. The recess preferably extends from the base layer in the insulating layer to a depth of more than 50% of the thickness of the insulating layer, particularly preferably more than 75% of the thickness of the insulating layer. It is very particularly preferred that the recess in the insulating layer extends to a depth of more than 90% of the thickness of the insulating layer. Thus, a lateral spread of the waste heat over the surface and the base layer can be controlled particularly well, preferably interrupted. There are embodiments in which the depth of the recesses deviates upwards or downwards from the values mentioned.

In manchen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ausnehmung eine Breite von mehr als 100 µm hat. Besonders bevorzugt sind Breiten von mehr als 150 µm, nochmals bevorzugt mehr als 200 µm, nochmals bevorzugt mehr als 300 µm, nochmals bevorzugt mehr als 500 µm, nochmals bevorzugt mehr als 1000 µm und nochmals bevorzugt mehr als 2000 µm. Je breiter die Ausnehmung, umso besser kann eine Effizienz der thermischen Entkopplung zwischen den isolierten Bereichen auf der Oberfläche sein. Die Geometrie der Ausnehmungen ist jedoch nicht auf die genannten Maße beschränkt. Die Breite der Ausnehmungen kann je nach Aufbau der Waferanordnung unterschiedlich sein. Auch innerhalb derselben Waferanordnung können einige Ausnehmungen Breiten aufweisen, die sich von Breiten anderer Ausnehmungen unterscheiden. Die Breiten können von den genannten Breitenbereichen abweichen. Insbesondere kann die Ausnehmung die Breite von weniger als 100 µm haben, vorzugsweise wenn die Waferanordnung mehrere Ausnehmungen aufweist. In some embodiments it is provided that the recess has a width of more than 100 μm. Widths of more than 150 μm, particularly preferably more than 200 μm, further preferably more than 300 μm, further preferably more than 500 μm, further preferably more than 1000 μm and further preferably more than 2000 μm are particularly preferred. The wider the recess, the better the efficiency of the thermal decoupling between the isolated areas on the surface. However, the geometry of the recesses is not limited to the dimensions mentioned. The width of the recesses can vary depending on the structure of the wafer arrangement. Even within the same wafer arrangement, some recesses can have widths that differ from the widths of other recesses. The widths can deviate from the width ranges mentioned. In particular, the recess can have a width of less than 100 μm, preferably if the wafer arrangement has a plurality of recesses.

Vorzugsweise ist die Ausnehmung um weniger als 5 mm von dem nächsten Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, beabstandet. So kann eine kompakte Nutzung der Oberfläche sichergestellt und eine effiziente thermische Isolierung zwischen den Bereichen erreicht werden. Besonders bevorzugt beträgt ein Abstand zwischen Ausnehmung und Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, weniger als 4 mm, nochmals bevorzugt weniger als 2 mm und nochmals bevorzugt weniger als 1 mm. Geometrie und Position sind jedoch nicht auf die genannten Werte beschränkt. Je nach Anwendungszweck kann der Abstand zwischen Ausnehmung und Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, unterschiedlich sein. Auch innerhalb derselben Waferanordnung kann zwischen einigen Bauteilen und einer zugeordneten Ausnehmung ein anderer Abstand gewählt sein als zwischen weiteren Bauteilen und der diesen zugeordneten Ausnehmung, je nach Bedarf der Abfuhr der Abwärme. Sind mehrere Ausnehmungen vorgesehen, kann beispielsweise der Abstand zwischen Bauteil und einer ersten Ausnehmung größer sein als der Abstand zwischen Bauteil und einer zweiten Ausnehmung.The recess is preferably spaced apart by less than 5 mm from the next component which produces waste heat in the operating state. This ensures compact use of the surface and efficient thermal insulation between the areas can be achieved. A distance between the recess and the component which produces waste heat in the operating state is particularly preferably less than 4 mm, again preferably less than 2 mm and again preferably less than 1 mm. However, geometry and position are not limited to the values mentioned. Depending on the application, the distance between the recess and the component that produces waste heat in the operating state can be different. Also within the same wafer arrangement, a different distance can be chosen between some components and an assigned recess than between further components and the recess assigned to them, depending on the need to remove the waste heat. If several recesses are provided, the distance between the component and a first recess can be greater than the distance between the component and a second recess, for example.

Einige Ausführungsformen sehen vor, dass die Ausnehmung als Graben in einer Ausbreitungsebene der Tragschicht gebildet ist. Gräben sind einfach herzustellende Ausnehmungen, insbesondere schon bei der Herstellung der Waferanordnung. Der Graben kann gerade oder gekrümmt sein. Der Graben kann im Querschnitt in der Ausbreitungsebene der Tragschicht rechteckig gebildet sein. Der Graben kann im Querschnitt in einer Ausbreitungsebene der Isolierschicht, parallel zur Ausbreitungsrichtung der Tragschicht, rechteckig gebildet sein. Alternativ kann die Ausnehmung als Rundloch, insbesondere als Durchgangsrundloch, das die Tragschicht komplett durchdringt, gebildet sein. Vorzugsweise sind dann mehrere Rundlöcher in der Tragschicht dafür angeordnet, die thermisch isolierten Bereiche der Oberfläche zu bilden. Je nach Form der Ausnehmung können die thermisch isolierten Bereiche auf der Oberfläche in einer Aufsicht rechteckig sein oder an ihren Rändern eine abgerundete Form aufweisen.Some embodiments provide that the recess is formed as a trench in a plane of propagation of the base layer. Trenches are recesses that are easy to produce, in particular already during the manufacture of the wafer arrangement. The trench can be straight or curved. The trench can have a rectangular cross section in the plane of propagation of the base layer. The trench can be rectangular in cross section in a plane of propagation of the insulating layer, parallel to the direction of propagation of the base layer. Alternatively, the recess can be formed as a round hole, in particular as a through round hole, which completely penetrates the base layer. A plurality of round holes are then preferably arranged in the base layer to form the thermally insulated regions of the surface. Depending on the shape of the recess, the thermally insulated areas on the surface can be rectangular in a top view or have a rounded shape at their edges.

Bevorzugt ist, dass sich die Ausnehmung als länglicher, gerader Graben erstreckt. Diese Art von Gräben ist oft besonders einfach herzustellen. Alternativ kann der Graben als Ring, also kreisförmig, um ein oder mehrere Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, gebildet sein. So können eine oder mehrere Inseln auf der Oberfläche geschaffen sein, um auf der Insel ein oder mehrere Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, oder ein oder mehrere wärmeempfindliche Strukturen der Waferanordnung thermisch zu isolieren.It is preferred that the recess extends as an elongated, straight trench. This type of trench is often particularly easy to manufacture. Alternatively, the trench can be formed as a ring, that is to say circular, around one or more components which produce waste heat in the operating state. One or more islands on the surface can thus be created in order to thermally insulate one or more components which produce waste heat in the operating state or one or more heat-sensitive structures of the wafer arrangement on the island.

Die Ausnehmung ist vorzugsweise dafür angeordnet, eines oder mehrere der Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, von temperatursensitiven Strukturen der Waferanordnung thermisch zu entkoppeln. Das kann bedeuten, dass die Ausnehmung zwischen dem Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, und der temperatursensitiven Struktur angeordnet ist. So kann verhindert werden, dass die Abwärme des Bauteils in dem Betriebszustand die temperatursensitive Struktur erwärmt. Alternativ kann die Ausnehmung dafür angeordnet sein, eines oder mehrere der Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, von einem oder mehreren anderen der Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, thermisch zu entkoppeln. So kann verhindert werden, dass ein bereits selbst Abwärme produzierendes Bauteil durch andere Abwärme produzierende Bauteile noch weiter erwärmt wird.The recess is preferably arranged to thermally decouple one or more of the components that produce waste heat in the operating state from temperature-sensitive structures of the wafer arrangement. This can mean that the recess is arranged between the component that produces waste heat in the operating state and the temperature-sensitive structure. This can prevent the waste heat of the component from heating the temperature-sensitive structure in the operating state. Alternatively, the recess can be arranged to thermally decouple one or more of the components that produce waste heat in the operating state from one or more other components that produce waste heat in the operating state. This can prevent a component that is already producing waste heat from being heated even further by other components that produce waste heat.

Vorzugsweise weist die Waferanordnung eine Substratschicht auf. Die Substratschicht ist bevorzugt unterhalb der Trägerschicht gebildet. Die Ausnehmung weist vorzugsweise ein Wärmeleitmaterial auf. Dieses Wärmeleitmaterial ermöglicht vorzugsweise, die Abwärme in die Substratschicht abzuleiten. Ausnehmungen, die das Wärmeleitmaterial aufweisen, weisen den besonderen Vorteil auf, dass das Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, thermisch von dem Rest der Waferanordnung isoliert werden kann und zugleich die Abwärme effizient von dem Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, abgeführt werden kann. Eine der größten Herausforderungen ist beispielsweise bei der Integration von Laserquellen auf Silizium-basierten photonischen IC (Si-PIC) die Abführung der von den Laserquellen erzeugten Wärme (sogenannte Verlustwärme oder Abwärme). Aufgrund der schlechten thermischen Eigenschaften der Isolierschicht, die vorzugsweise eine Oxidschicht ist, breitet sich der größte Teil der Abwärme in der Regel entlang einer oberen Siliziumschicht, die eine bevorzugte Tragschicht ist, aus, bevor sie den Siliziumwafer, also eine bevorzugte Substratschicht, erreicht. Die Idee hinter der Verwendung von Wärmeleitmaterial zur Bildung von Wärmebrücken besteht darin, ein sehr gutes thermisch leitendes Material zwischen der Tragschicht und der Substratschicht einzusetzen, um die thermisch isolierende Oxidschicht, die bevorzugte Isolierschicht, zu überbrücken, die in Ausführungsformen zwischen der Tragschicht und der Substratschicht angeordnet ist. Durch Verwendung von solchen Wärmebrücken entsteht ein Weg mit höherer Wärmeleitfähigkeit zwischen der Laserquelle, also allgemein dem Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, und dem Siliziumsubstrat, das beispielhaft die Substratschicht bildet und eine Wärmesenke darstellt. Auf diese Weise kann beispielsweise die Abwärme von integrierten Laserquellen in einer serientauglichen Art und Weise entzogen werden, durch das Wärmeleitmaterial, und zugleich, durch die Ausnehmung, eine unkontrollierte laterale Ausbreitung der Abwärme entlang der Oberfläche und der Tragschicht verhindert werden. So wird mittels der Waferanordnung eine Methode implementiert, um die thermische Isolierung der photonischen Schicht von der Substratschicht zu „überbrücken“. In Ausführungsformen, insbesondere ohne Wärmeleitmaterial in den Ausnehmungen, kann zur besseren Abfuhr der Abwärme für das Bauteil, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, eine passive Kühlung, wie Wärmeleitrippen auf dem Bauteil, und/oder eine aktive Kühlung, wie ein Gebläse, das einen Luftstrom über dem Bauteil erzeugt, bereitgestellt sein.The wafer arrangement preferably has a substrate layer. The substrate layer is preferably formed below the carrier layer. The recess preferably has a heat conducting material. This heat-conducting material preferably enables the waste heat to be dissipated into the substrate layer. Recesses which have the heat-conducting material have the particular advantage that the component which produces waste heat in the operating state can be thermally insulated from the rest of the wafer arrangement, and at the same time the waste heat can be efficiently removed from the component which produces waste heat in the operating state can be. One of the greatest challenges, for example, when integrating laser sources on silicon-based photonic IC (Si-PIC) is the dissipation of the heat generated by the laser sources (so-called heat loss or waste heat). Because of the poor thermal properties of the insulating layer, which is preferably an oxide layer, the majority of the waste heat generally spreads along an upper silicon layer, which is a preferred base layer, before it reaches the silicon wafer, that is to say a preferred substrate layer. The idea behind using thermal conductive material to form thermal bridges is to use a very good thermally conductive material between the support layer and the substrate layer in order to bridge the thermally insulating oxide layer, the preferred insulating layer, which in embodiments between the support layer and the substrate layer is arranged. The use of such thermal bridges creates a path with higher thermal conductivity between the laser source, that is to say generally the component that produces waste heat in the operating state, and the silicon substrate, for example the substrate layer forms and represents a heat sink. In this way, for example, the waste heat from integrated laser sources can be extracted in a manner suitable for series production, through the heat-conducting material and at the same time, through the recess, an uncontrolled lateral spread of the waste heat along the surface and the base layer can be prevented. A method is implemented by means of the wafer arrangement in order to “bridge” the thermal insulation of the photonic layer from the substrate layer. In embodiments, in particular without heat-conducting material in the recesses, passive cooling, such as heat-conducting fins on the component, and / or active cooling, such as a blower, can unite the component that produces waste heat in the operating state Airflow generated over the component, be provided.

In besonderen Ausführungsformen ist die Ausnehmung vollständig mit dem Wärmeleitmaterial gefüllt. Dies kann eine besonders gute Ableitung der Abwärme weg von der Oberfläche ermöglichen. Vorzugsweise schließt das Wärmeleitmaterial bündig mit der Oberfläche nach außen hin ab. So kann eine plane Oberfläche bereitgestellt werden.In special embodiments, the recess is completely filled with the heat conducting material. This can allow a particularly good dissipation of the waste heat away from the surface. The heat-conducting material is preferably flush with the surface towards the outside. In this way, a flat surface can be provided.

Bevorzugt ist, dass das Wärmeleitmaterial CMOS-kompatibel ist. CMOS steht für Complementary metal-oxide-semiconductor (engl.: ‚sich ergänzender MetallOxid-Halbleiter‘). Viele elektronische Elemente, insbesondere Waferanordnungen, basieren auf dieser Technologie. So kann das Wärmeleitmaterial bereits in einem CMOS-Prozess, bei der Herstellung der Waferanordnung, aufgebracht werden. Das Wärmeleitmaterial ist dementsprechend vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus Kupfer und polykristallinem Silizium ausgewählt. Kupfer kann besonders bevorzugt sein, da in einigen Ausführungsformen mit Kupfer eine bessere Ableitung der Abwärme erreichbar ist als mit polykristallinem Silizium. In anderen Ausführungsformen ist das Wärmeleitmaterial allerdings weder Kupfer noch polykristallines Silizium, sondern ein anderes, jeweils zweckmäßiges Wärmeleitmaterial. In manchen Ausführungsformen kann das Wärmeleitmaterial sogar CMOS-inkompatibel sein.It is preferred that the heat conducting material is CMOS compatible. CMOS stands for Complementary metal-oxide-semiconductor (English: 'complementary metal oxide semiconductor'). Many electronic elements, particularly wafer arrays, are based on this technology. In this way, the heat conducting material can already be applied in a CMOS process during the manufacture of the wafer arrangement. Accordingly, the heat conducting material is preferably selected from the group consisting of copper and polycrystalline silicon. Copper can be particularly preferred, since in some embodiments copper can better dissipate the waste heat than polycrystalline silicon. In other embodiments, however, the heat-conducting material is neither copper nor polycrystalline silicon, but rather another heat-conducting material that is appropriate in each case. In some embodiments, the thermal conductive material may even be CMOS incompatible.

Die Waferanordnung weist in bevorzugten Ausführungsformen eine Bauteilanzahl von zwei oder mehr Bauteilen, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, und eine Ausnehmungsanzahl von einer oder mehr Ausnehmungen auf. Vorzugsweise sind drei, nochmal bevorzugt 5, nochmal bevorzugt 10 und besonders vorzugsweise mehr als 20 Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, auf der Oberfläche getragen. Vorzugsweise sind eine, nochmal bevorzugt 2, nochmal bevorzugt 5 und besonders vorzugsweise mehr als 10 Ausnehmungen in der Oberfläche gebildet. Besonders kostengünstig und einfach herzustellen kann die Waferanordnung sein, wenn die Anzahl der Ausnehmungen kleiner ist als die Anzahl der Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren. In manchen Ausführungsformen, insbesondere wenn die abzuführende Abwärme sehr groß ist, kann jedoch die Anzahl der Ausnehmungen größer als die Anzahl der Bauteile, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, sein.In preferred embodiments, the wafer arrangement has a number of components of two or more components that produce waste heat in the operating state and a number of recesses of one or more recesses. Three are preferred, again preferred 5 , preferred again 10th and particularly preferably more than 20th Components that produce waste heat in the operating state are carried on the surface. Preferably, one is preferred again 2nd , preferred again 5 and particularly preferably more than 10th Recesses are formed in the surface. The wafer arrangement can be particularly inexpensive and simple to manufacture if the number of recesses is smaller than the number of components which produce waste heat in the operating state. In some embodiments, especially if the waste heat to be removed is very large, the number of recesses can be larger than the number of components that produce waste heat in the operating state.

In manchen Ausführungsformen ist das Bauteil eine Laserquelle. In einigen Ausführungsformen ist die Tragschicht eine photonische Schicht. Die Isolierschicht ist vorzugsweise eine Oxidschicht. Die Substratschicht ist in manchen Ausführungsformen aus Silizium gebildet.In some embodiments, the device is a laser source. In some embodiments, the base layer is a photonic layer. The insulating layer is preferably an oxide layer. In some embodiments, the substrate layer is formed from silicon.

Erfindungsgemäß wird weiter das photonische System zur Verfügung gestellt, das eine Ausführungsform der oben beschriebenen Waferanordnung aufweist.According to the invention, the photonic system is further provided, which has an embodiment of the wafer arrangement described above.

Das erfindungsgemäße photonische System hat den Vorteil, dass die Verteilung der Abwärme effizient gesteuert werden kann. So können Strukturen der Waferanordnung auf der Oberfläche in thermisch isolierten Bereichen angeordnet werden, die für die jeweilige Struktur besonders geeignete Temperaturen aufweisen.The photonic system according to the invention has the advantage that the distribution of the waste heat can be controlled efficiently. Structures of the wafer arrangement can thus be arranged on the surface in thermally insulated areas which have temperatures which are particularly suitable for the respective structure.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Die Waferanordnung des photonischen Systems kann so ausgestaltet sein, wie die oben beschriebene Waferanordnung in ihren jeweiligen Ausführungsformen. Bevorzugt ist dabei, dass das photonische System ein optisches System ist. Photonische Systeme werden vorzugsweise auf SOI-Wafern hergestellt, sodass das photonische System vorzugsweise einen oder mehrere SOI-Wafer aufweist. Dabei befinden sich die photonischen Komponenten vorzugsweise auf der obersten Siliziumschicht des SOI-Wafers, die eine bevorzugte Tragschicht ist.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description. The wafer arrangement of the photonic system can be configured in the same way as the above-described wafer arrangement in its respective embodiments. It is preferred that the photonic system is an optical system. Photonic systems are preferably produced on SOI wafers, so that the photonic system preferably has one or more SOI wafers. The photonic components are preferably located on the uppermost silicon layer of the SOI wafer, which is a preferred base layer.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
2 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description. It shows:

1 a side view of a first embodiment of the invention; and
2nd a plan view of a second embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist eine Waferanordnung 1 in einer Seitenansicht gezeigt, die Teil eines photonischen Systems 2 ist. Allerdings ist die Waferanordnung 1 nicht auf die Anwendung in einem photonischen System 2 beschränkt. Das photonische System 2 ist in diesem Fall ein optisches System. Das photonische System 2 kann beispielsweise in einem LiDAR-System verwirklicht sein. Allerdings ist das photonische System 2 nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Die Waferanordnung 1 umfasst einen einzelnen SOI-Wafer.In the 1 is a wafer arrangement 1 shown in a side view, part of a photonic system 2nd is. However, the wafer arrangement is 1 not for use in a photonic system 2nd limited. The photonic system 2nd is an optical system in this case. The photonic system 2nd can be implemented in a LiDAR system, for example. However, the photonic system 2nd not limited to this embodiment. The wafer arrangement 1 comprises a single SOI wafer.

Die Waferanordnung 1 umfasst auf einer Oberfläche 3, die hier beispielhaft die Oberfläche 3 des SOI-Wafers ist, ein Bauteil 4a, das in einem Betriebszustand Abwärme produziert. In der ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem Bauteil 4a um eine Laserquelle. Die Waferanordnung 1 umfasst weiter eine Tragschicht 5, die die Oberfläche 3 bereitstellt und die das Bauteil 4a trägt. Das photonische System 2 weist also auf der obersten Schicht, der Tragschicht 5 eine integrierte Wärmequelle, das Bauteil 4a, auf. Weiter umfasst die Waferanordnung 1 eine Isolierschicht 6, die unter der Tragschicht 5 gebildet ist. Außerdem umfasst die Waferanordnung 1 eine Substratschicht 7, die unter der Isolierschicht 6 gebildet ist. Die Isolierschicht 6 ist also zwischen der Substratschicht 7 und der Tragschicht 5 angeordnet. Außerdem ist die Tragschicht 5 zwischen der Isolierschicht 6 und dem Bauteil 4a angeordnet. So steht in diesem Ausführungsbeispiel die Substratschicht 7 mit der Isolierschicht 6 in direktem Kontakt. Weiter steht die Isolierschicht 6 in direktem Kontakt mit der Tragschicht 5.The wafer arrangement 1 covers on one surface 3rd which here is an example of the surface 3rd of the SOI wafer is a component 4a which produces waste heat in one operating state. In the first embodiment, the component is 4a around a laser source. The wafer arrangement 1 also includes a base layer 5 that the surface 3rd provides and which the component 4a wearing. The photonic system 2nd points to the top layer, the base layer 5 an integrated heat source, the component 4a , on. The wafer arrangement further comprises 1 an insulating layer 6 that under the base course 5 is formed. The wafer arrangement also includes 1 a substrate layer 7 that under the insulating layer 6 is formed. The insulation layer 6 is between the substrate layer 7 and the base course 5 arranged. In addition, the base course 5 between the insulating layer 6 and the component 4a arranged. The substrate layer stands in this embodiment 7 with the insulating layer 6 in direct contact. There is also the insulating layer 6 in direct contact with the base course 5 .

Die Waferanordnung 1 weist im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf der Oberfläche 3 drei voneinander thermisch isolierte Bereiche 8a-c auf. Das hat den Vorteil, dass die Verteilung der Abwärme des Bauteils 4a effizient gesteuert werden kann. So können Strukturen der Waferanordnung 1 auf der Oberfläche 3 wahlweise in den voneinander thermisch isolierten Bereichen 8a-c angeordnet werden, die für die jeweilige Struktur besonders geeignete Temperaturen aufweisen.The wafer arrangement 1 points in the first embodiment 1 on the surface 3rd three thermally insulated areas 8a-c on. This has the advantage that the distribution of the waste heat of the component 4a can be controlled efficiently. For example, structures of the wafer arrangement 1 on the surface 3rd optionally in the thermally insulated areas 8a-c can be arranged which have temperatures particularly suitable for the respective structure.

Wie in 1 zu sehen ist, sind zwei Ausnehmungen 9a, 9b in der Tragschicht gebildet 5, um die voneinander thermisch isolierten Bereiche 8a-c zu bilden. Jede Ausnehmung 9a, 9b weist zudem jeweils ein CMOS-kompatibles Wärmeleitmaterial 10 auf, in diesem ersten Ausführungsbeispiel Kupfer, um die Abwärme in die Substratschicht 7 abzuleiten. Die Ausnehmungen 9a, 9b sind vollständig mit dem Wärmeleitmaterial 10 gefüllt. Das Wärmeleitmaterial 10 schließt nach außen hin mit der Oberfläche 3 ab. Die Ausnehmungen 9a, 9b setzen sich jeweils in die Isolierschicht 6 fort. Das bedeutet, dass die Ausnehmungen 9a, 9b die Tragschicht 5 vollständig durchdringen, also als Durchgangslöcher durch die Tragschicht 5 gebildet sind. Dabei haben die Ausnehmungen 9a, 9b jeweils eine Breite von mehr als 100 µm, genauer 150 µm. Jede der Ausnehmungen 9a, 9b ist um weniger als 5 mm von dem Bauteil 4a, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, beabstandet. Genauer gesagt haben beide Ausnehmungen 9a, 9b jeweils denselben Abstand von dem Bauteil 4a, der 1 mm beträgt. Dieser Abstand ist jedoch nur beispielhaft gewählt und kann sich je nach Ausführungsform ändern. Insbesondere kann der Abstand zwischen Bauteil 4a und einer der Ausnehmungen 9a größer sein als der Abstand zwischen Bauteil 4a und einer anderen der Ausnehmungen 9b. Die beiden Ausnehmungen 9a, 9b sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils als länglicher, gerader Graben in einer Ausbreitungsebene der Tragschicht 5 und der Isolierschicht 6 gebildet, die sich in 1 entlang der Blickrichtung erstreckt. As in 1 there are two recesses 9a , 9b formed in the base layer 5 to the thermally insulated areas 8a-c to build. Any recess 9a , 9b also has a CMOS-compatible heat-conducting material 10th on, in this first embodiment copper to the waste heat in the substrate layer 7 to derive. The recesses 9a , 9b are completely with the heat conducting material 10th filled. The heat conducting material 10th closes outwards with the surface 3rd from. The recesses 9a , 9b sit down in the insulation layer 6 away. That means the recesses 9a , 9b the base course 5 penetrate completely, i.e. as through holes through the base course 5 are formed. The recesses have 9a , 9b each with a width of more than 100 µm, more precisely 150 µm. Each of the recesses 9a , 9b is less than 5 mm from the component 4a , which produces waste heat in the operating state, spaced apart. More precisely, both have recesses 9a , 9b always the same distance from the component 4a which is 1 mm. However, this distance is chosen only as an example and can change depending on the embodiment. In particular, the distance between the component 4a and one of the recesses 9a be greater than the distance between the component 4a and another of the recesses 9b . The two recesses 9a , 9b are each in this embodiment as an elongated, straight trench in a plane of spread of the base layer 5 and the insulating layer 6 educated who are in 1 extends along the line of sight.

Die Erfindung ist nicht auf längliche, gerade Graben beschränkt. In nicht gezeigten Ausführungsformen ist der Graben beispielsweise kreisförmig um das Bauteil 4a angeordnet.The invention is not limited to elongated, straight trenches. In embodiments that are not shown, the trench is, for example, circular around the component 4a arranged.

Die Waferanordnung 1 weist somit mehrere durch das Wärmeleitmaterial 10 in den Ausnehmungen 9a, 9b gebildete Wärmebrücken auf, um die Abwärme des Bauteils 4a von der Tragschicht 5 in die Substratschicht 7 abzuleiten. In der ersten Ausführungsform sind beispielhaft genau zwei Wärmebrücken gezeigt, es können aber auch mehr als zwei Wärmebrücken oder, wie im zweiten Ausführungsbeispiel in 2 gezeigt und weiter unten beschrieben, nur genau eine Wärmebrücke sein.The wafer arrangement 1 thus has several through the heat conducting material 10th in the recesses 9a , 9b formed thermal bridges to the waste heat of the component 4a from the base course 5 into the substrate layer 7 to derive. In the first embodiment, exactly two thermal bridges are shown as examples, but more than two thermal bridges or, as in the second exemplary embodiment in FIG 2nd shown and described below, just be a thermal bridge.

Die Ausnehmungen 9a, 9b sind gemäß 1 also sowohl dafür angeordnet, die Abwärme dem Bauteil 4a zu entziehen, als auch dafür, das Bauteil 4a von temperatursensitiven Strukturen der Waferanordnung thermisch zu entkoppeln, insbesondere lateral. Es handelt sich bei diesen temperatursensitiven Strukturen beispielhaft um Phasenschieber und Ringresonatoren (nicht dargestellt). Im ersten Ausführungsbeispiel befindet sich deshalb das Bauteil 4a zwischen den beiden Ausnehmungen 9a, 9b, während die Ausnehmungen 9a, 9b zwischen dem Bauteil 4a und den temperatursensitiven Strukturen angeordnet sind.The recesses 9a , 9b are according to 1 So both arranged to waste the component 4a to withdraw, as well as for the component 4a To thermally decouple from temperature-sensitive structures of the wafer arrangement, in particular laterally. These temperature-sensitive structures are, for example, phase shifters and ring resonators (not shown). The component is therefore in the first exemplary embodiment 4a between the two recesses 9a , 9b while the recesses 9a , 9b between the component 4a and the temperature-sensitive structures are arranged.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Tragschicht 5. Die dort veranschaulichte Waferanordnung 1, die hinsichtlich der verschiedenen Schichten 5, 6, 7 so aufgebaut ist, wie die Waferanordnung 1 im ersten Ausführungsbeispiel, weist mehrere Bauteile 4a-e, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, und nur genau eine Ausnehmung 9a auf. Eine Bauteilanzahl ist somit größer als eine Ausnehmungsanzahl. Die Bauteilanzahl beträgt nämlich fünf und die Ausnehmungsanzahl beträgt eins. Entsprechend weist die Waferanordnung 1 im zweiten Ausführungsbeispiel auf der Oberfläche 3 zwei voneinander thermisch isolierte Bereiche 8a, 8b auf. Das zweite Ausführungsbeispiel weist als Bauteile 4a-e fünf Laserquellen auf, die im selben thermisch isolierten Bereich 8a der zwei thermisch isolierten Bereiche 8a, 8b angeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind die fünf Bauteile 4a-e auf einer gemeinsamen Linie angeordnet. Im anderen thermisch isolierten Bereich 8b der beiden thermisch isolierten Bereiche 8a, 8b sind beispielsweise Phasenschieber und Ringresonatoren angeordnet (nicht dargestellt). So kann, wie gezeigt, bei einer Vielzahl von Laserquellen genau eine Wärmebrücke verwendet werden, um einen ganzen Bereich effizienter zu entwärmen und von dem photonischen Bereich des PIC thermisch zu entkoppeln. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 9a also dafür angeordnet, mehrere Bauteile 4a-e, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, von temperatursensitiven Strukturen, nämlich den Phasenschiebern und Ringresonatoren, der Waferanordnung 1 thermisch zu entkoppeln. Das photonische System 2 weist also im zweiten Ausführungsbeispiel auf der obersten Schicht, der Tragschicht 5, fünf integrierte Wärmequellen, die fünf Bauteile 4a-e, auf. 2nd shows a second embodiment of the invention in a plan view perpendicular to the direction of propagation of the base layer 5 . The wafer arrangement illustrated there 1 that regarding the different layers 5 , 6 , 7 is constructed like the wafer arrangement 1 in the first embodiment, has several components 4a-e which produce waste heat in the operating state and only one recess 9a on. A number of components is therefore greater than a number of recesses. The number of components is five and the number of recesses is one. The wafer arrangement points accordingly 1 in the second embodiment on the surface 3rd two thermally insulated areas 8a , 8b on. The second embodiment has components 4a-e five laser sources on the same thermally isolated area 8a of the two thermally insulated areas 8a , 8b are arranged. In the present case, the five components 4a-e arranged on a common line. In the other thermally insulated area 8b of the two thermally insulated areas 8a , 8b For example, phase shifters and ring resonators are arranged (not shown). Thus, as shown, exactly one thermal bridge can be used in a large number of laser sources in order to heat an entire region more efficiently and to thermally decouple it from the photonic region of the PIC. In the second embodiment, the recess 9a so arranged for several components 4a-e , which produce waste heat in the operating state, of temperature-sensitive structures, namely the phase shifters and ring resonators, of the wafer arrangement 1 to decouple thermally. The photonic system 2nd So points in the second embodiment on the top layer, the base layer 5 , five integrated heat sources, the five components 4a-e , on.

Wie in 2 gezeigt ist, ist die Ausnehmung 9a in der Tragschicht 5 gebildet. Die Ausnehmung 9a setzt sich in die Isolierschicht 6 fort, was in 2 jedoch nicht erkennbar ist, und weist ein CMOS-kompatibles Wärmeleitmaterial 10 auf, in diesem Fall polykristallines Silizium, um die Abwärme in die Substratschicht 7 abzuleiten. Die Ausnehmung 9a ist vollständig mit dem Wärmeleitmaterial 10 gefüllt. Die Ausnehmung 9a hat beispielhaft eine Breite von mehr als 100 µm, genauer 150 µm. Die Ausnehmung 9a ist beispielhaft um weniger als 5 mm von jedem Bauteil 4a-e, das in dem Betriebszustand Abwärme produziert, beabstandet. Genauer gesagt beträgt der Abstand der Ausnehmung 9a zu jedem der fünf Bauteile 4 im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielhaft jeweils 2 mm. Die Ausnehmung 9a ist als länglicher, gerader Graben in der Ausbreitungsebene der Tragschicht 5 gebildet, die in 2 in einer Abbildungsebene liegt. Der Graben ist durch Ätzen gebildet worden. Während der Graben, also die Ausnehmung 9a, eine laterale Ausbreitung der Abwärme auf der Oberfläche 3 verhindert, sorgt das Wärmeleitmaterial 10, das sich in der Ausnehmung 9a befindet, für eine effektive Ableitung der Abwärme von der Oberfläche 3 in die Substratschicht 7. 2 zeigt nur eine mögliche, beispielhafte Konfiguration eines optischen Systems, in der mehrere Bauteile 4a-e, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren, vorhanden sind, in diesem Ausführungsbeispiel die fünf integrierten Laserquellen. Die Bauteile 4a-e können in nicht gezeigten Ausführungsformen allerdings auch andere Bauteile 4a-e als Laserquellen sein, beispielsweise elektrische Widerstände, die in dem Betriebszustand Abwärme produzieren. Auch die genannten Werte für Breiten und Abstände sind nicht zwingend, sondern können in nicht gezeigten Ausführungsformen nach oben oder unten abweichen.As in 2nd is shown is the recess 9a in the base layer 5 educated. The recess 9a sits in the insulating layer 6 continued what in 2nd but is not recognizable, and has a CMOS-compatible heat-conducting material 10th on, in this case polycrystalline silicon to the waste heat in the substrate layer 7 to derive. The recess 9a is completely with the heat conducting material 10th filled. The recess 9a has, for example, a width of more than 100 µm, more precisely 150 µm. The recess 9a is exemplary by less than 5 mm from each component 4a-e , which produces waste heat in the operating state, spaced apart. More precisely, the distance between the recess is 9a to each of the five components 4th in the exemplary embodiment shown, for example 2 mm each. The recess 9a is an elongated, straight trench in the spreading plane of the base course 5 formed the in 2nd lies in a mapping level. The trench has been formed by etching. During the trench, i.e. the recess 9a , a lateral spread of the waste heat on the surface 3rd prevents the heat conducting material 10th that is in the recess 9a for an effective dissipation of the waste heat from the surface 3rd into the substrate layer 7 . 2nd shows only one possible, exemplary configuration of an optical system in which several components 4a-e that produce waste heat in the operating state are present, in this exemplary embodiment the five integrated laser sources. The components 4a-e can in other embodiments not shown, however, other components 4a-e be as laser sources, for example electrical resistors that produce waste heat in the operating state. The stated values for widths and distances are also not mandatory, but can deviate upwards or downwards in embodiments that are not shown.

Bei beiden Waferanordnungen 1 des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels gehören beispielhaft zu jeweils einem photonischen System 2, auch photonische integrierte Schaltung, kurz PIC, oder Integriertoptische Vorrichtung genannt. In beiden gezeigten Ausführungsformen ist die Tragschicht 5 eine photonische Schicht, die hier beispielhaft aus Silizium gebildet ist und deshalb lateral, also in der Ausbreitungsebene, gut Abwärme leitet. Die Isolierschicht 6 ist in beiden Ausführungsformen eine Oxidschicht und beispielhaft aus SiO₂ gebildet und wirkt daher thermisch isolierend. Die Substratschicht 7 ist in beiden Ausführungsformen aus reinem Silizium gebildet und daher eine Wärmesenke für die Waferanordnung 1. Photonische Komponenten auf der Tragschicht 5 können in manchen Ausführungsformen aus reinem Silizium hergestellt sein oder auch aus dotiertem Silizium.With both wafer arrangements 1 the first and the second exemplary embodiment each belong to a photonic system 2nd , also called photonic integrated circuit, or PIC for short, or integrated optical device. In both embodiments shown, the base layer 5 a photonic layer, which is formed here for example from silicon and therefore conducts waste heat well laterally, that is to say in the plane of propagation. The insulation layer 6 is an oxide layer in both embodiments and is formed, for example, from SiO ₂ and therefore has a thermally insulating effect. The substrate layer 7 is formed from pure silicon in both embodiments and therefore a heat sink for the wafer arrangement 1 . Photonic components on the base layer 5 In some embodiments, they can be made from pure silicon or else from doped silicon.

Die beiden Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Waferanordnung 1 erfindungsgemäß auf der Oberfläche 3 voneinander thermisch isolierte Bereiche 8a-8c aufweist, nämlich drei thermisch isolierte Bereiche 8a-c im ersten Ausführungsbeispiel und zwei thermisch isolierte Bereiche 8a, 8b im zweiten Ausführungsbeispiel. Die gezeigten Ausführungsformen der Erfindung stellen zudem Wärmebrücken im Silizium photonischer IC bereit, mittels des Wärmeleitmaterials 10 in den Ausnehmungen 9a, 9b, sodass jeweils ein bevorzugter Wärmepfad zwischen einer oder mehreren Laserquellen, die bevorzugte Bauteile 4a-e sind, und einem Siliziumwafer, also einer bevorzugten Substratschicht 7, entsteht. Ein Aspekt der Erfindung betrifft also Wärmebrücken für ein auf Silicon-on-Insulator (SOI) basierendem photonischen System (PIC) mit integrierter Laserquelle. Die Wärmebrücken sind beispielsweise um die Laserquelle platziert, sodass die Verlustwärme hauptsächlich von der Laserquelle zum Siliziumwafer, der Substratschicht 7, fließen kann. Somit wird eine Menge von Abwärme, die von der Laserquelle in die temperatursensitiven photonischen Bereiche des PIC fließt, mindestens verringert. Sowohl die Effizienz der Wärmeabfuhr als auch die Effizienz der Entkopplung des photonischen Bereichs des PIC, also des thermisch isolierten Bereichs, der die wärmeempfindlichen Strukturen aufweist, hängt insbesondere von der Geometrie, insbesondere Breite der Ausnehmung 9a, 9b und Abstand zur Wärmequelle, und von der thermischen Leitfähigkeit des verwendeten Wärmeleitmaterials 10 ab. Je höher die thermische Leitfähigkeit des Wärmematerials 10 und je breiter die Ausnehmung 9a, 9b, umso besser ist die Effizienz der Wärmebrücken. Da solche Wärmebrücken aus CMOS-kompatiblen Wärmematerialien 10 hergestellt werden können, können die Wärmebrücken bereits während der Produktion des PIC fabriziert werden.The two exemplary embodiments show that the wafer arrangement 1 according to the invention on the surface 3rd areas thermally insulated from each other 8a-8c has, namely three thermally insulated areas 8a-c in the first embodiment and two thermally insulated areas 8a , 8b in the second embodiment. The embodiments of the invention shown also provide thermal bridges in the silicon photonic IC by means of the heat conducting material 10th in the recesses 9a , 9b , so that a preferred heat path between one or more laser sources, the preferred components 4a-e and a silicon wafer, i.e. a preferred substrate layer 7 , arises. One aspect of the invention thus relates to thermal bridges for a silicon-on-insulator (SOI) based photonic system (PIC) with an integrated laser source. The thermal bridges are placed around the laser source, for example, so that the heat loss is mainly from the laser source to the silicon wafer, the substrate layer 7 , can flow. Thus, an amount of waste heat that flows from the laser source into the temperature-sensitive photonic regions of the PIC is at least reduced. Both the efficiency of the heat dissipation and the efficiency of the decoupling of the photonic region of the PIC, that is to say the thermally insulated region which has the heat-sensitive structures, depend in particular on the geometry, in particular the width of the recess 9a , 9b and distance from the heat source, and from the thermal conductivity of the heat conducting material used 10th from. The higher the thermal conductivity of the heat material 10th and the wider the recess 9a , 9b , the better the efficiency of the thermal bridges. Because such thermal bridges are made of CMOS-compatible thermal materials 10th can be produced, the thermal bridges can be fabricated during the production of the PIC.

Die Waferanordnung 1 ist anhand von Beispielen mit Wärmebrücken, die aus Kupfer oder polykristallinem Silizium, auch Poly-Silizium genannt, als Wärmeleitmaterialien 10 gebildet sind, dargestellt, aber nicht auf diese beiden Wärmeleitmaterialen 10 beschränkt. In nicht gezeigten Ausführungsformen können in Ausnehmungen 9a, 9b auch Mischungen aus verschiedenen Wärmeleitmaterialen 10 vorhanden sein sowie verschiedene Ausnehmungen 9a, 9b jeweils verschiedene Wärmeleitmaterialien 10 enthalten.The wafer arrangement 1 is based on examples with thermal bridges made of copper or polycrystalline silicon, also called polysilicon, as heat conducting materials 10th are formed, shown, but not on these two heat conducting materials 10th limited. In embodiments that are not shown, recesses can be made 9a , 9b also mixtures of different heat conducting materials 10th be present as well as various recesses 9a , 9b different heat conducting materials 10th contain.

Claims

Wafer arrangement (1) which comprises on one surface (3) one or more components (4a-e) which produce waste heat in an operating state, characterized in that the wafer arrangement (1) on the surface (3) areas which are thermally insulated from one another ( 8a-8c).

Wafer arrangement (1) after Claim 1 The wafer arrangement (1) comprises a support layer (5) which provides the surface (3) and which carries the one or more components (4a-e) which produce waste heat in the operating state, and at least one recess (9a , 9b) is formed in the support layer (5) in order to form the regions (8a-c) which are thermally insulated from one another.

Wafer arrangement (1) after Claim 2 , wherein the wafer arrangement (1) comprises an insulating layer (6), which is formed under the supporting layer (5), and the recess (9a, 9b) continues into the insulating layer (6).

Wafer arrangement (1) after Claim 2 or 3rd , wherein the recess (9a, 9b) has a width of more than 100 microns.

Wafer arrangement (1) according to one of the Claims 2 to 4th , wherein the recess (9a, 9b) is spaced apart by less than 5 mm from the next component (4a-e) which produces waste heat in the operating state.

Wafer arrangement (1) according to one of the Claims 2 to 5 , wherein the recess (9a, 9b) is formed as a trench in a plane of propagation of the base layer (5).

Wafer arrangement (1) after Claim 6 , wherein the recess (9a, 9b) extends as an elongated, straight trench.

Wafer arrangement (1) according to one of the Claims 2 to 7 , The recess (9a, 9b) being arranged to thermally decouple one or more of the components (4a-e), which produce waste heat in the operating state, from temperature-sensitive structures of the wafer arrangement (1).

Wafer arrangement (1) according to one of the Claims 2 to 8th , wherein the wafer arrangement (1) has a substrate layer (7), which is formed under the support layer (5), and the recess (9a, 9b) has a heat conducting material (10) in order to dissipate the waste heat into the substrate layer (7).

Wafer arrangement (1) after Claim 9 , wherein the recess (9a, 9b) is completely filled with the heat-conducting material (10).

Wafer arrangement (1) after Claim 10 , wherein the heat conducting material (10) is CMOS compatible.

Wafer arrangement (1) according to one of the preceding claims, wherein the wafer arrangement (1) has a component number of two or more components (4a-e), which produce waste heat in the operating state, and a recess number of one or more recesses (9a, 9b) .

Photonic system (2) according to a wafer arrangement (1) Claim 1 having.

Photonic system (2) after Claim 13 which is an optical system.