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Die Erfindung betrifft ein optisches System, eine optische Komponente und ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems.
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Optische Elemente - beispielsweise Laser, Modulatoren, Photodioden und andere Elemente - werden zunehmend miniaturisiert, zu neuen Funktionen verschaltet und integriert. Somit können kompakte optische Systeme auf geeigneten Substraten verwirklicht werden, etwa als photonischer integrierter Schaltkreis (auch „photonic integrated circuit“, PIC). Mit solchen Systemen lassen sich etwa Splitter, Koppler, Phasenschieber, Ringresonatoren, Arrayed Waveguide Gratings, optische Verstärker, Schalter und andere funktionelle Einheiten umsetzen. Dabei wird Licht durch Wellenleiter übertragen, die etwa in aus flachen Substraten gebildeten optischen Komponenten eingebettet oder auf diese aufgebracht sein können.
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Bei der Herstellung entsprechender optischer Systeme kann es vorteilhaft sein, eine optische Komponente mit einer Aussparung bzw. Kavität zu versehen, in welche dann eine zweite optische Komponente eingebracht wird. Ein entsprechendes optisches System und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sind aus der Druckschrift
DE 10 2016 203 453 A1 bekannt.
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Bei der Herstellung optischer Systeme dieser Art ist stets das Problem zu lösen, dass Wellenleiter verschiedener Komponenten miteinander optisch gekoppelt, also so präzise zueinander ausgerichtet werden müssen, dass Licht von einem Wellenleiter in einen anderen Wellenleiter mit einer für etwaige Anwendungen ausreichende Effizienz übertragen werden kann.
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Häufig kommen bei solchen optischen Systemen kantenemittierende optische Komponenten zum Einsatz, also solche Komponenten, bei denen sich im Wellenleiter ausbreitendes Licht aus einer Stirnfläche der Komponente austreten bzw. Licht durch eine Stirnfläche der Komponente in einen Wellenleiter eingekoppelt werden kann. Zur optischen Kopplung solcher Komponenten werden die entsprechenden Stirnflächen in geeigneter Lage und Orientierung zueinander angeordnet und ausgerichtet, was auch als Stoßkopplung bezeichnet wird.
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Die Anforderungen an die Präzision der Ausrichtung sind umso höher, je kleiner die Dimensionen der zu koppelnden Wellenleiter sind. Etwa kann ein Single-Mode-Wellenleiter, der die Ausbreitung nur einer einzigen Lichtmode erlaubt, einen Querschnitt von wenigen hundert Nanometern bis wenigen Mikrometern aufweisen, wodurch entsprechend enge Toleranzen für die optische Kopplung vorgegeben werden.
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Zur präzisen Ausrichtung kantenemittierender optischer Komponenten bei der Stoßkopplung sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden.
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Bei sogenannten aktiven Verfahren wird ein Lichtsignal, das beim Zustandekommen der optischen Kopplung transmittiert wird und gemessen werden kann, durch Positionieren der Komponenten zueinander maximiert. Solche Verfahren sind jedoch aufwändig, entsprechend kostspielig und nur in bestimmten Situationen einsetzbar. Sie stehen auch einer weiteren Miniaturisierung im Wege.
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Passive Verfahren verzichten auf die Messung eines durch die Kopplung transmittierten Lichtsignals und die dafür notwendigen komplexen Fertigungsanordnungen. Dafür sind jedoch typischerweise extrem stringente Fertigungstoleranzen der optischen Komponenten einzuhalten (etwa wenn diese mithilfe von Referenz-Kontaktflächen zueinander ausgerichtet werden), was wiederum aufwändig und kostspielig ist.
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Weiterhin sind heterogene Integrationsmethoden für die Herstellung von PICs vorgeschlagen worden, wobei Halbleitermaterialien auf Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-Wafern gebondet und die Halbleiter dann darauf fertigprozessiert werden, was durch lithographische Strukturierung von Komponenten eine gute Genauigkeit ermöglicht. Solche Verfahren sind aufgrund prozessbedingter Einschränkungen und geringer Ausbeute nur bei wenigen Anwendungen praktikabel.
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Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit Verbesserungen bezüglich der Ausrichtung von Komponenten vorzuschlagen, durch welche die genannten Nachteile vermieden oder vermindert werden. Ferner sollen eine optische Komponente und ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems vorgeschlagen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches System nach Anspruch 1, eine optische Komponente nach Anspruch 9 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Das vorgeschlagene optische System umfasst:
- eine erste optische Komponente, aufweisend einen ersten Wellenleiter sowie eine Aussparung, welche die erste optische Komponente von einer Vorderseite zu einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite wenigstens teilweise durchtritt,
- eine zweite optische Komponente, die in der Aussparung der ersten optischen Komponente angeordnet ist und einen mit dem ersten Wellenleiter optisch koppelbaren zweiten Wellenleiter aufweist,
- und ein Trägersubstrat, wobei die erste und zweite optische Komponente jeweils auf dem Trägersubstrat angeordnet sind.
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Es ist vorgesehen, dass die erste optische Komponente einen ersten Markierungssatz mit einer definierten Position und/oder Orientierung bezüglich des ersten Wellenleiters aufweist, die zweite optische Komponente einen zweiten Markierungssatz mit einer definierten Position und/oder Orientierung bezüglich des zweiten Wellenleiters aufweist und anhand einer relativen Position und/oder Orientierung des ersten und zweiten Markierungssatzes erfassbar ist, ob die erste und zweite optische Komponente in einer zu einer Oberfläche des Trägersubstrats parallelen Referenzebene so zueinander ausgerichtet sind, dass eine optische Kopplung des ersten und zweiten Wellenleiters ermöglicht ist.
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Jede der optischen Komponenten sowie das Trägersubstrat hat eine Vorderseite und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite. Weitere Seitenflächen, die zu der Vorder- bzw. Rückseite senkrecht stehen, werden hier als Stirnflächen bezeichnet. Richtungen, die zu der Vorderseite - also auch zu der Referenzebene - parallel sind, werden als laterale Richtungen bezeichnet, dazu senkrecht stehende Richtungen als Normalrichtungen.
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Dadurch, dass die optische Kopplung wie beschrieben durch entsprechendes Ausrichten der optischen Komponenten in lateralen Richtungen ermöglicht ist, ist die optische Kopplung zunächst vorbereitet. Ein Herstellen der optischen Kopplung umfasst insgesamt jeweils ein Ermöglichen der optischen Kopplung durch Ausrichten in lateralen Richtungen und in einer Normalrichtung.
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Das beschriebene optische System hat den Vorteil, dass durch das Erfassen der Ausrichtung der optischen Komponenten anhand der relativen Position und/oder Orientierung des ersten und zweiten Markierungssatzes zueinander - vorzugsweise während der Herstellung des optischen Systems - eine optische Kopplung des ersten und zweiten Wellenleiters mit hoher Genauigkeit auf vergleichsweise einfach zu implementierende und kostengünstige Weise ermöglicht wird (nämlich durch etwaiges Korrigieren einer relativen Position und/oder Orientierung der ersten und zweiten optischen Komponente zum Herstellen bzw. Verbessern der optischen Kopplung). Insbesondere werden die bekannten Vorteile passiver Ausrichtung bei gleichzeitiger Entspannung der Fertigungstoleranzen erzielt.
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Durch das Anordnen einer optischen Komponente in einer Aussparung einer anderen optischen Komponente ergeben sich Vorteile im Hinblick auf thermische Eigenschaften des optischen Systems, Hochfrequenzanwendungen und die Skalierung und Kosten der Herstellung. Es wird hierzu auch auf die bereits genannte Druckschrift
DE 10 2016 203 453 A1 verwiesen.
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Ein Markierungssatz im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst eine oder mehrere Markierungen, wobei eine Markierung ein Element ist, dessen Position und/oder Orientierung mittels einer geeigneten Messvorrichtung erfasst werden kann. Dieses Erfassen kann insbesondere auf optischem Wege, also beispielsweise mittels einer Kamera oder eines anderen optischen Abtast- oder Erfassungssystems (etwa eines Laserabtastsystems mit einem Rasterscanner und einem Punkt-, Linien- oder Flächendetektor) als Messvorrichtung erfolgen. Das Erfassen kann alternativ auch auf anderem Wege erfolgen, beispielsweise mittels elektrischer oder magnetischer oder kontaktbasierter Messung. Beim Erfassen der Position und/oder Orientierung eines Markierungssatzes können alle Markierungen, mehrere Markierungen oder nur eine Markierung des Markierungssatzes ganz oder teilweise erfasst werden.
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Das Erfassen kann ein Verarbeiten von mittels der Messvorrichtung gemessenen Daten mittels einer Verarbeitungseinheit umfassen. Die Markierungssätze des hier vorgeschlagenen optischen Systems können so ausgelegt sein, dass sie ein Ausrichten der optischen Komponenten zueinander ermöglichen, was wiederum ein Ausrichten der Wellenleiter zueinander zum Herstellen oder Verbessern oder Vorbereiten der optischen Kopplung der Wellenleiter umfasst. Das Ausrichten der optischen Komponenten zueinander umfasst dabei ein Ausrichten der Markierungssätze zueinander durch Anpassen einer relativen Position und/oder Orientierung der optischen Komponenten derart, dass eine vorgegebene relative Position und/oder Orientierung der Markierungssätze hergestellt wird. Die vorgegebene relative Position und/oder Orientierung der Markierungssätze ergibt sich aus der definierten Position und/oder Orientierung der Markierungssätze bezüglich des jeweiligen Wellenleiters derart, dass durch Herstellen der vorgegebenen relativen Position und/oder Orientierung die optische Kopplung der Wellenleiter erzielt oder verbessert oder vorbereitet wird. Für Aspekte des Ausrichtens der optischen Komponenten können innerhalb eines gegebenen Markierungssatzes alle Markierungen, mehrere Markierungen oder auch nur eine Markierung des Markierungssatzes ganz oder teilweise zu berücksichtigen sein.
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Ein Markierungssatz kann also als Positionierhilfe bei der Ausrichtung zweier Bauteile verwendbar sein. Entsprechend kann ein Markierungssatz bzw. eine Markierung eines Markierungssatzes ein Element sein, dass keine optische, elektronische, mechanische und/oder andere Funktion außer der Verwendung als Positionierhilfe erfüllt. Alternativ kann ein Markierungssatz auch noch weitere Funktionen erfüllen.
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Eine Markierung kann beispielsweise eine Beschichtung, ein eingebetteter Bestandteil oder ein bereichsweise in bestimmten Eigenschaften, etwa optischen Eigenschaften, gegenüber der Umgebung veränderter Bestandteil einer Komponente sein. Eine Markierung kann alternativ auch ein für andere Zwecke verwendbarer und/oder vorgesehener Bestandteil, etwa ein struktureller Bestandteil einer Komponente sein, beispielsweise eine Kante, Ecke, Fläche oder auch ein Wellenleiter.
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Die optischen Komponenten und/oder das Trägersubstrat können flache bzw. flächig ausgedehnte Elemente sein, die beispielsweise als Chips oder Wafer realisiert oder aus diesen gebildet sein können. Mindestens eine der optischen Komponenten kann einen Halbleiterchip (etwa einen Silizium-Chip), einen photonischen integrierten Schaltkreis (PIC), einen Silicon-on-Insulator-Chip, einen keramischen Chip und/oder einen Glas-Chip aufweisen. Ferner kann das Trägersubstrat Materialien wie Silizium oder andere Halbleitermaterialien, Keramik, Glas oder Polymere enthalten oder aus diesen bestehen. Mindestens einer der Wellenleiter kann ein Polymer, ein Glas, ein Oxid (etwa SiO2), ein Nitrid (etwa Si3N4 in SiO2) und/oder Silizium (etwa als Si auf SiO2) enthalten. Die vielfältigen Ausführungen und Verwendungen solcher Komponenten, Materialien und Zusammensetzungen sowie die Verfahren zu ihrer Herstellung und Verarbeitung übertragen sich somit einschließlich ihrer dem Fachmann bekannten Vorteile auf das vorgeschlagene System.
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Die optischen Komponenten können kantenemittierend sein; der erste und zweite Wellenleiter können also in der jeweiligen optischen Komponente so angeordnet sein, dass sich Licht in den Wellenleitern parallel zu der Vorderseite der jeweiligen optischen Komponente ausbreiten und durch einen Teil einer Stirnfläche in den Wellenleiter eintreten bzw. aus diesem austreten kann.
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Die Stirnflächen können durch mechanisches Polieren, durch lithographisch definiertes Trockenätzen oder durch Brechen (ggf. nach vorherigem Einritzen) entlang definierter Kristallflächen präpariert sein. Damit können insbesondere vorteilhafte Eigenschaften für das Ein- bzw. Auskoppeln von Licht durch die Stirnflächen in die Wellenleiter bzw. aus den Wellenleitern erzielt werden.
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Mindestens eine der optischen Komponenten kann neben dem ersten/zweiten Wellenleiter noch einen oder mehrere weitere Wellenleiter aufweisen. Neben den Wellenleitern kann mindestens eine der optischen Komponenten auch weitere Elemente, beispielsweise optische und/oder elektronische Elemente aufweisen. Beispielsweise kann mindestens eine der optischen Komponenten als elektro-optische Schaltung ausgeführt sein.
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Die Aussparung kann etwa in einem Stück herausgeätzt oder durch Ätzen von umlaufenden Vertiefungen (Trenches) und anschließendes Entnehmen des verbleibenden Kerns hergestellt sein. Die Aussparung kann die erste optische Komponente teilweise oder vollständig durchtreten, wobei im letzteren Fall eine besonders gute optische und mechanische Zugänglichkeit des Inneren der Aussparung gegeben ist.
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Die erste und/oder zweite optische Komponente kann natürlich eine oder mehrere weitere Aussparungen aufweisen. Entsprechend kann das System auch mindestens eine dritte optische Komponente umfassen, die wiederum mindestens einen mit dem ersten und/oder zweiten Wellenleiter optisch gekoppelten dritten Wellenleiter und/oder mindestens einen dritten Markierungssatz mit einer definierten Position und/oder Orientierung bezüglich des dritten Wellenleiters aufweisen und auf dem Trägersubstrat in der weiteren Aussparung/einer der weiteren Aussparungen angeordnet sein kann. Der dritte und erste und/oder zweite Markierungssatz können dann zum Erfassen einer relativen Position und/oder Orientierung des ersten und zweiten Wellenleiters zueinander in der Referenzebene geeignet sein.
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Dadurch, dass der erste und zweite Markierungssatz zueinander wie beschrieben ausgerichtet sind, kann eine Ausrichtung des ersten und zweiten Wellenleiters zueinander mit einer maximalen Abweichung von einer gewünschten relativen Position in lateralen Richtungen von beispielsweise weniger als 5 µm, weniger als 2 um weniger als 1 um, weniger als 500 nm oder weniger als 200 nm und/oder einer maximalen Winkelabweichung von einer gewünschten relativen Orientierung in lateralen Richtungen von beispielsweise weniger als 15 mrad, weniger als 5 mrad, weniger als 2 mrad oder weniger als 1 mrad erzielt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste Wellenleiter einen ersten Abstand von der Vorderseite der ersten optischen Komponente aufweist, der zweite Wellenleiter einen zweiten Abstand von einer Vorderseite der zweiten optischen Komponente aufweist, die Vorderseiten der ersten und zweiten optischen Komponente dem Trägersubstrat zugewandt sind und der erste und zweite Abstand so gewählt sind, dass dadurch eine relative Position und/oder Orientierung der ersten und zweiten optischen Komponente zueinander in einer zu der Referenzebene senkrecht stehenden Normalrichtung derart eingestellt ist, dass die optische Kopplung des ersten und zweiten Wellenleiters ermöglicht wird.
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Damit ist eine Ausrichtung des ersten und zweiten Wellenleiter in der Normalrichtung gegeben, die zu der optischen Kopplung beiträgt. Somit können die Vorteile der passiven Ausrichtung der Wellenleiter auch bei der Ausrichtung in der Normalrichtung zum Tragen kommen.
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Beispielsweise kann eine maximale Abweichung von einer gewünschten relativen Position in der Normalrichtung von weniger als 2 um, weniger als 1 um, weniger als 500 nm, weniger als 200 nm oder weniger als 100 nm erzielt werden.
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Der erste und/oder zweite Abstand kann durch auf der Vorderseite der ersten und/oder zweiten optischen Komponente angeordnete Schichten eingestellt sein. Damit lässt sich ein hochpräzises und reproduzierbares Ausrichten des ersten und zweiten Wellenleiters zueinander in der Normalrichtung erzielen. Solche Schichten können mittels verschiedener Verfahren auf die Vorderseite der ersten und/oder zweiten optischen Komponente aufgebracht werden, beispielsweise durch Epitaxie (auch gefolgt von Metallisierungen oder Passivierungen, etwa mittels Oxid oder Nitrid), plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) oder andere Schichtabscheideprozesse.
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Durch Kombinieren geeigneter lateraler und normaler Abweichungstoleranzen kann eine gewünschte Effizienz der optischen Kopplung erzielt werden, so dass eine Abdämpfung der Intensität eines in einen der Wellenleiter eingekoppelten Lichtsignals gegenüber der Intensität eines aus dem anderen Wellenleiter ausgekoppelten Lichtsignals beispielsweise weniger als 6 dB, weniger als 3 dB, weniger als 2 dB oder weniger als 1 dB beträgt.
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Ein Abstand zwischen einer ersten Stirnfläche der ersten optischen Komponente, in welche ein mit dem zweiten Wellenleiter zu koppelnde Ende des ersten Wellenleiters mündet und einer zweiten Stirnfläche der zweiten optischen Komponente, in welche ein mit dem ersten Wellenleiter optisch zu koppelndes Ende des zweiten Wellenleiter mündet, kann beispielsweise weniger als 2 µm, weniger als 1 µm, weniger als 500 nm, weniger als 200 nm, weniger als 100 nm, aber auch mehr als 2 µm betragen. Die erste und zweite Stirnfläche können sich auch berühren.
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Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil mindestens eines der Markierungssätze durch einen Teil eines der Wellenleiter verwirklicht ist oder diesen enthält und/oder dass wenigstens ein Teil mindestens eines der Markierungssätze eine Kante einer der optischen Komponenten ist oder diese enthält. Dies ermöglicht eine besonders unkomplizierte Herstellung der optischen Komponenten bzw. des optischen Systems ohne zusätzliche Schritte zur Herstellung der Markierungen.
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Wenigstens ein Teil mindestens eines der Markierungssätze kann durch ein lithographisches Verfahren auf eine der optischen Komponenten aufgebracht oder in diese eingebettet sein. Auf diese Weise können eine präzise Fertigung und eine besonders gute Sichtbarkeit der Markierungssätze bzw. Teile davon erzielt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil mindestens eines der Markierungssätze und wenigstens ein Teil mindestens eines der Wellenleiter in einem gemeinsamen Arbeitsschritt und/oder mittels einer gemeinsamen Maske durch ein lithographisches Verfahren hergestellt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Position und/oder Orientierung der Markierungssätze bzw. der entsprechenden Teile davon bezüglich des entsprechenden Wellenleiters mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit definiert ist.
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Das Trägersubstrat kann für einen bestimmten Wellenlängenbereich wenigstens teilweise transparent und/oder transluzent sein, beispielsweise für sichtbares Licht, ultraviolettes Licht und/oder infrarotes Licht. Das Erfassen der relativen Position und/oder Orientierung des ersten und zweiten Wellenleiters zueinander in der Referenzebene kann dann vorteilhafterweise etwa mit Hilfe einer Kameraeinheit erfolgen, die nahe der den optischen Komponenten abgewandten Rückseite des Trägersubstrats angeordnet wird und durch das Trägersubstrat hindurch Bilder der optischen Komponenten mit deren Markierungssätzen bzw. Teilen der Markierungssätze aufnehmen kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der ersten optischen Komponente derart verdünnt ist, dass wenigstens ein Teil des ersten Markierungssatzes von der Rückseite der ersten optischen Komponente aus erfassbar, insbesondere sichtbar und/oder messbar, ist.
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Beispielsweise kann die Aussparung an der Rückseite der optischen Komponente einen größeren Querschnitt als an der Vorderseite der optische Komponente haben. Das kann etwa dadurch erzielt werden, dass die Aussparung von der Rückseite der ersten optischen Komponente aus mit einer Rückseitenmaske, von der Vorderseite der ersten optischen Komponente aus mit einer Vorderseitenmaske geätzt wird, wobei die Rückseitenmaske einen größeren ungeschützten Bereich aufweist als die Vorderseitenmaske.
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Besonders vorteilhaft kann der verdünnte Teil im Bereich des Randes oder eines Teils des Randes der Aussparung angeordnet sein.
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Durch den verdünnten Teil im Bereich des Randes der Aussparung ergibt sich eine Stufe, d. h. ein Bereich, in dem die Aussparung einen kleineren Querschnitt gegenüber einem anderen Bereich der Aussparung aufweist. Die Stufe kann in der Nähe der Markierungssätze verbreitert sein, um ein besseres optisches Erfassen der Markierungssätze zu ermöglichen. Der erste Markierungssatz kann wenigstens teilweise an einer der Rückseite der ersten optischen Komponente zugewandten Seite der Stufe angeordnet sein, so dass er von der Rückseite aus direkt sichtbar ist, oder er kann wenigstens teilweise innerhalb der Stufe oder an deren der Vorderseite der ersten optischen Komponente zugewandten Seite angeordnet sein, so dass er durch den verdünnten Teil der ersten optischen Komponente hindurch von der Rückseite der ersten optischen Komponente aus sichtbar ist.
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Das Ausrichten des ersten und zweiten Markierungssatzes zueinander kann mithilfe des verdünnten Teils bzw. der Stufe in besonders vorteilhafter Weise auf optischem Wege erfolgen, wobei hier eine Kameraeinheit zwischen die erste und zweite Komponente eingebracht wird, während diese - während der Herstellung des Systems - aneinander herangeführt werden, wobei aber noch ein ausreichender Abstand zwischen der ersten und zweiten Komponente besteht. Die Kameraeinheit kann insbesondere zwei Optiken und/oder einen Optikteiler und/oder zwei Sensoren aufweisen, so dass in zwei entgegengesetzte Richtungen Bilder erfasst werden können, wobei zugleich etwa die Rückseite - also die dem Trägersubstrat abgewandte Seite - der zweiten Komponente und die Vorderseite der zweiten Komponente abgebildet werden können. Aufgrund der beschriebenen Verdünnung sind dabei wenigstens Teile beider Markierungssätze sichtbar.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die beiden Markierungssätze mit einer festen Fokusebene abgebildet werden können, womit eine besonders hohe Positioniergenauigkeit möglich ist.
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Mindestens einer der Markierungssätze kann mindestens ein linienförmiges und/oder kreuzförmiges und/oder kreisförmiges und/oder elliptisches und/oder vieleckiges Element und/oder mehrere parallele Linien und/oder eine Noniusstruktur aufweisen.
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Vorteilhaft sind linienförmige Elemente bzw. Kombinationen davon (was also kreuzförmige und vieleckige Elemente - bzw. deren Kanten - oder Noniusstrukturen umfasst). Als besonders vorteilhaft können Sätze von mehreren parallelen linienförmigen Elementen angesehen werden. Linienförmige Elemente eines Markierungssatzes können parallel zu dem entsprechenden Wellenleiter in einem festen Abstand/festen Abständen verlaufen und somit eine besonders gute Ausrichtung der Wellenleiter zueinander ermöglichen.
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Die genannten Vorteile kommen besonders in der häufig anzutreffenden Situation zum Tragen, worin ein Wellenleiter in der Nähe der Stirnfläche einer optischen Komponente - und insbesondere am Ein- bzw. Austrittspunkt des Wellenleiters an der Stirnfläche - nicht senkrecht zu der Stirnfläche steht, sondern diese in einem Winkel von mehr oder weniger als 90° trifft. Damit können unerwünschte Rückreflexionen von Licht, beispielsweise in Laserkavitäten, vermieden werden. In dieser Situation hängt die genaue Lage des Ein- bzw. Austrittspunkts davon ab, wieviel Material beim Polieren oder Brechen der Stirnfläche (s. o.) entfernt worden ist. Verläuft ein linienförmiges Element eines Markierungssatzes parallel zu dem Wellenleiter, so wird das linienförmige Element in gleicher Weise gekürzt wie der Wellenleiter, und der Schnittpunkt des linienförmigen Elements mit der Stirnfläche ändert sich in gleicher Weise wie der Ein-/Austrittspunkt des Wellenleiters.
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Auch ein nötiger Versatz der optischen Komponenten, der beispielweise durch die Brechungsindizes der beteiligten Wellenleiter und den Abstand der entsprechenden Stirnflächen vorgegeben sein kann, kann anhand der Lagen und/oder Orientierungen der linienförmigen Elemente eingestellt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass einander zugewandte Stirnflächen des ersten und zweiten Elements am Ende des Verfahrens - d. h. insbesondere nach dem Ausrichten der Komponenten zueinander und dem Anordnen beider Komponenten auf dem Trägersubstrat - einen Abstand von beispielsweise weniger als 100 µm, weniger als 10 um, weniger als 1 µm oder weniger als 100 nm haben.
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Es kann vorgesehen sein, dass sich der erste und zweite Markierungssatz auf definierte Weise ergänzen und/oder ineinander greifen und/oder zueinander komplementär sind, um ein Ausrichten zu erleichten. Dies kann beispielsweise bereits im Fall einfacher linienförmiger Elemente gegeben sein oder beispielsweise im Fall von Noniusstrukturen, die bekanntermaßen eine besonders genaue Bestimmung einer Positionsabweichung ermöglichen. Beispielsweise können Teile des ersten und zweiten Markierungssatzes jeweils die Ablese- und Hauptskala einer Noniusstruktur ergeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Markierungssätze mehrere Markierungen in einem möglichst großen Abstand (d. h. möglichst groß nach Maßgabe der Dimension der entsprechenden optischen Komponente und der Anordnung anderer Elemente darauf) umfasst. Ein größerer Abstand der Elemente ermöglicht eine genauere Bestimmung von Abweichungen der Position und/oder Orientierung der optischen Komponenten von der gewünschten Lage.
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Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil mindestens eines der Markierungssätze von einer Stirnfläche der entsprechenden optischen Komponente zu einer anderen Kante durchläuft und/oder dass mindestens einer der Markierungssätze Elemente in der Nähe mehrerer Stirnflächen umfasst. Auch hiermit wird zum einen die Genauigkeit der Bestimmung von Positions-/Orientierungsabweichungen verbessert, zum anderen kann so dem Verlauf eines Wellenleiters in der Nähe mehrerer Stirnflächen Rechnung getragen werden, insbesondere wenn an mehreren Stirnflächen optische Kopplungen erzielt werden sollen.
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Es sei noch auf die allgemeine Überlegung hingewiesen, dass jeder Markierungssatz für jeden beim Ausrichten der optischen Elemente zueinander zu berücksichtigenden unabhängigen Freiheitsgrad (Verschiebung, Winkelverkippung) jeweils mindestens einen erkennbaren Punkt enthalten muss, der von den anderen Punkten verschieden ist. Bei linienförmigen oder sonstigen ausgedehnten, also nicht punktförmigen Elementen, können diese schon durch mehrere definierte Punkte solcher Elemente (beispielsweise Endpunkte) gegeben sein.
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Wenigstens ein Teil mindestens eines der Markierungssätze kann eine Kante einer der optischen Komponenten sein oder diese enthalten.
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Insbesondere in Verbindung mit einem weiteren - als parallel zu einem der Wellenleiter liegendes linienförmiges Element ausgeführten - Teils desselben Markierungssatzes, kann so eine eindeutige Position mit Bezug auf einen Austrittspunkt des besagten Wellenleiters, nämlich als Schnittpunkt der Kante und des linienförmigen Elements, definiert werden.
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Eine entsprechende Kante mindestens einer der optischen Komponenten kann auch durch einen Teil eines Markierungssatzes, der als ausgedehntes Flächenelement (also etwa als Vieleck, beispielsweise als Rechteck) ausgeführt ist, markiert und somit besonders gut sichtbar gemacht werden.
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Die vorgeschlagene optische Komponente weist einen Wellenleiter und einen Markierungssatz mit einer definierten Position und/oder Orientierung bezüglich des Wellenleiters auf. Sie kann ferner eine Aussparung aufweisen, welche die erste optische Komponente von einer Vorderseite zu einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite wenigstens teilweise durchtritt.
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Die so beschaffene optische Komponente ist vorteilhaft beim Herstellen des vorgeschlagenen optischen Systems zu verwenden.
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Das vorgeschlagene Verfahren zum Herstellen eines optischen Systems umfasst:
- Bereitstellen einer ersten optischen Komponente, aufweisend einen ersten Wellenleiter sowie eine Aussparung, welche die erste optische Komponente von einer Vorderseite zu einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite durchtritt, einer zweiten optischen Komponente, aufweisend einen zweiten Wellenleiter, und eines Trägersubstrats,
- Anordnen der ersten und zweiten optischen Komponente auf dem Trägersubstrat derart, dass die zweite optische Komponente in der Aussparung der ersten optischen Komponente angeordnet wird,
- Ausrichten der ersten und zweiten optischen Komponente zueinander derart, dass eine optische Kopplung des ersten Wellenleiters mit dem zweiten Wellenleiter hergestellt wird.
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Es ist vorgesehen, dass die erste optische Komponente einen ersten Markierungssatz mit einer definierten Position und/oder Orientierung bezüglich des ersten Wellenleiters aufweist, die zweite optische Komponente einen zweiten Markierungssatz mit einer definierten Position und/oder Orientierung bezüglich des zweiten Wellenleiters aufweist und das Ausrichten der ersten und zweiten optischen Komponente zueinander umfasst:
- Ausrichten des ersten und zweiten Markierungssatzes zueinander zum Ausrichten des ersten und zweiten Wellenleiters zueinander in einer zu einer Oberfläche des Trägersubstrats parallelen Referenzebene.
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Ein derartiges Ausrichten der ersten und zweiten optischen Komponente zueinander hat den Vorteil, dass das so eingerichtete Verfahren eine optische Kopplung mit hoher Genauigkeit auf vergleichsweise einfach zu implementierende und kostengünstige Weise ermöglicht. Insbesondere werden die bekannten Vorteile passiver Ausrichtung bei gleichzeitiger Entspannung der Fertigungstoleranzen erzielt. Auch alle weiteren oben angegebenen Vorteile des vorgeschlagenen optischen Systems werden durch das Verfahren verwirklicht.
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Die erste optische Komponente kann bereits bei Beginn des Verfahrens mit der Aussparung versehen sein oder erst im Laufe des Verfahrens mit der Aussparung versehen werden, etwa wie oben beschrieben.
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Beim Anordnen der ersten und zweiten optischen Komponente auf dem Trägersubstrat kann beispielsweise zunächst die erste optische Komponente so auf dem Trägersubstrat angeordnet werden, dass ihre Vorderseite der Vorderseite des Trägersubstrats zugewandt ist. Die erste optische Komponente kann zugleich oder anschließend temporär oder permanent an dem Trägersubstrat befestigt werden, beispielsweise mittels eines auf das Trägersubstrat und/oder die erste optische Komponente aufgebrachten Klebemittels.
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Die zweite optische Komponente kann dann so an die Rückseite der ersten optischen Komponente herangeführt werden, dass die Vorderseite der ersten optischen Komponente ebenfalls der Vorderseite des Trägersubstrats zugewandt ist, aber noch ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Komponente besteht, der mittels einer geeigneten Messvorrichtung ein Bestimmen einer relativen Position und/oder Orientierung wenigstens von Teilen des ersten und zweiten Markierungssatzes ermöglicht. Dies kann beispielsweise auf optischem Wege, etwa durch Aufzeichnen von Bildern mittels mindestens einer Kamera geschehen. Eine Position und/oder Orientierung der zweiten optischen Komponente und/oder der ersten optischen Komponente samt des Trägersubstrats kann entsprechend der bestimmten relativen Position und/oder Orientierung so korrigiert werden, dass ein dadurch ein Ausrichten des ersten und zweiten Wellenleiters zueinander, insbesondere in lateralen Richtungen, ermöglicht wird.
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Nach erfolgtem Korrigieren kann das Bestimmen der relativen Position und/oder Orientierung der optischen Komponenten sowie das Korrigieren der Position und/oder Orientierung der ersten und/oder zweiten Komponente wiederholt werden - ggf. mehrfach, also iterativ -, bis eine gewünschte Toleranz der relativen Position und/oder Orientierung des ersten und zweiten Wellenleiters erreicht oder unterschritten wird. Die zweite optische Komponente kann unter Beibehalten der Ausrichtung auf dem Trägersubstrat angeordnet und an diesem ebenfalls temporär oder permanent befestigt werden, beispielsweise mittels eines auf das Trägersubstrat und/oder die zweite optische Komponente aufgebrachten Klebemittels.
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Alternativ kann beim Anordnen der ersten und zweiten optischen Komponente auf dem Trägersubstrat zunächst die zweite optische Komponente auf dem Trägersubstrat angeordnet werden und im Übrigen analog wie oben verfahren werden, wobei jedoch die Schritte, welche jeweils die erste oder zweite optische Komponente betreffen, entsprechend vertauscht bzw. abgewandelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste Wellenleiter einen ersten Abstand von der Vorderseite der ersten optischen Komponente aufweist, der zweite Wellenleiter einen zweiten Abstand von einer Vorderseite der zweiten optischen Komponente aufweist, beim Anordnen der ersten und zweiten optischen Komponente auf dem Trägersubstrat die Vorderseiten der ersten und zweiten optischen Komponente dem Trägersubstrat zugewandt sind und das Ausrichten der ersten und zweiten optischen Komponente zueinander umfasst:
- Einstellen des ersten und zweiten Abstands zum Ausrichten des ersten und zweiten Wellenleiters zueinander in einer zu der Referenzebene senkrecht stehenden Normalrichtung.
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Das Einstellen des ersten und zweiten Abstands kann weiterhin ein Aufbringen von Schichten auf die Vorderseite der ersten und/oder zweiten optischen Komponente umfassen, wobei etwa die weiter oben erwähnten Schichtabscheideprozesse, z.B. Epitaxie oder PECVD, zur Anwendung kommen können.
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Das optische System kann optional auf verschiedene Arten weiterverarbeitet werden, die für die Prozessierung entsprechender Systeme üblich sind. Dies kann beispielsweise ein Entfernen des Trägersubstrats und/oder Verfüllen verbleibender Spalte zwischen den optischen Komponenten mit geeigneten Füllmaterialien und/oder Rückdünnung von Oberflächen und/oder Aufbringen von elektrischen Kontaktierungen umfassen.
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Das Verfahren kann mithilfe üblicher Systeme und Vorrichtungen zur Herstellung elektronischer, optischer oder elektro-optischer Komponenten und Systeme ausgeführt werden, beispielsweise mittels eines Flip-Chip-Bonders.
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Es sei erwähnt, dass die genannten Schritte und Teilschritte des Verfahrens nicht in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen, sondern die Reihenfolge je nach konkreter Ausführungsweise festgelegt werden kann.
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Beispielhafte Ausführungsweisen der Erfindung werden nachfolgend anhand 1 bis 6 erläutert. Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 einen Querschnitt einer ersten optischen Komponente, die auf einem Trägersubstrat befestigt ist.
- 2 einen Querschnitt einer zweiten optischen Komponente,
- 3 eine Aufsicht eines Teils eines unter Verwendung der in 1 und 2 gezeigten optischen Komponenten hergestellten optischen Systems,
- 4 eine Aufsicht eines Teils eines optischen Systems gemäß eines weiteren Beispiels,
- 5a bis 5h Querschnitte der in 1 bis 3 gezeigten optischen Komponenten während verschiedener Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des in 3 dargestellten optischen Systems,
- 6 einen Querschnitt optischer Komponenten gemäß eines weiteren Beispiels in einem Verfahrensschritt nach einem weiteren Beispiel.
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Die in 1 im Querschnitt gezeigte erste optische Komponente 100 ist als photonischer integrierter Schaltkreis (PIC) ausgeführt. Die erste optische Komponente 100 weist einen ersten Wellenleiter 101 auf, der im gezeigten Beispiel als Nitrid-Wellenleiter (basierend auf SiNx) in einer SiO2-Schicht gebildet ist. Die den ersten Wellenleiter 101 enthaltende SiO2-Schicht 102 ist auf einer Siliziumschicht 103 angeordnet. Der erste Wellenleiter 101 kann auch auf andere Weise, etwa durch lithographische Strukturierung einer weiteren, auf der SiO2-Schicht 102 angeordneten Siliziumschicht, gebildet sein (Silicon-on-Insulator-Architektur, SOI). Der erste Wellenleiter 101 kann dann optional zusätzlich durch eine dünne Oxid-Passivierung geschützt sein.
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Die SiO2-Schicht 102 ist an der Vorderseite 104 der ersten optischen Komponente 100 angeordnet, die Siliziumschicht 103 an der Rückseite 105 der ersten optischen Komponente 100. Der erste Wellenleiter 101 mündet in Stirnflächen 109 der ersten optischen Komponente 100, die zu der Vorderseite 104 senkrecht stehen. Die erste optische Komponente 100 ist insbesondere kantenemittierend.
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Die erste optische Komponente 100 ist mittels einer Klebemittelschicht 301 an einem als Trägersubstrat 300 dienenden Glaswafer befestigt, kann alternativ aber auch auf andere Weise, beispielsweise mittels einer Lotschicht an diesem befestigt sein.
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Die erste optische Komponente 100 weist eine Aussparung 106 auf, welche die erste optische Komponente 100 von der Vorderseite 104 zu der Rückseite 105 durchtritt. Die Aussparung 106 kann die erste optische Komponente 100 auch nur teilweise durchtreten. An einem Rand 107 der Aussparung 106 ist die erste optische Komponente 100 verdünnt, und zwar dergestalt, dass die Aussparung im Bereich der Siliziumschicht 103 einen größeren Querschnitt hat als im Bereich des Wellenleiters 101 und der SiO2-Schicht 102, so dass eine Stufe 108 gebildet wird. Die Stufe 108 ist dabei dünn genug, dass der entsprechende Teil des ersten Markierungssatzes 110 von der Rückseite 105 der ersten optischen Komponente 100 aus sichtbar ist. Die Aussparung 106 kann auch ohne Stufe bzw. Verdünnung ausgeführt sein, beispielsweise so, dass sie entlang der Normalrichtung überall identische Querschnitte hat.
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Die in 2 im Querschnitt gezeigte zweite optische Komponente 200 weist einen zweiten Wellenleiter 201 auf, der zwischen einer ersten Substratschicht 202 und einer zweiten Substratschicht 203 angeordnet ist, wobei die Substratschichten 202 und 203 in einem Ill/V-Materialsystem realisiert sind. Die erste Substratschicht 202 ist an der Vorderseite 204 der zweiten optischen Komponente 200 angeordnet, die zweite Substratschicht 203 an der Rückseite 205 der zweiten optischen Komponente 200. Der zweite Wellenleiter 201 mündet in Stirnflächen 209 der zweiten optischen Komponente 200, die zu der Vorderseite 204 senkrecht stehen. Die zweite optische Komponente 200 ist insbesondere kantenemittierend.
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Der zweite Wellenleiter 201 ist mit dem ersten Wellenleiter 101 optisch koppelbar. Diejenigen Stirnflächen 209, an denen der zweite Wellenleiter 201 mit dem ersten Wellenleiter 101 optisch gekoppelt werden soll, sind durch mechanisches Polieren oder durch lithographisch strukturiertes Trockenätzen präpariert. Alternativ können die Stirnflächen 209 beispielsweise durch Brechen entlang definierter Kristallflächen präpariert sein.
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Die vorderseitigen Schichten 102 und 202 sind durch Abscheideprozesse so präpariert, dass sich präzise definierte Schichtdicken ergeben.
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Die optischen Komponenten 100 und 200 sowie das Trägersubstrat 300 können auch auf andere Weise bzw. aus anderen Materialien gebildet sein als oben beispielhaft beschrieben. Etwa kann mindestens eine der optischen Komponenten 100 und 200 einen Halbleiterchip (etwa einen Silizium-Chip), einen photonischen integrierten Schaltkreis (PIC), einen Silicon-on-Insulator-Chip, einen keramischen Chip und/oder einen Glas-Chip aufweisen. Ferner kann das Trägersubstrat 300 Materialien wie Silizium oder andere Halbleitermaterialien, Keramik, Glas oder Polymere enthalten oder aus diesen bestehen. Mindestens einer der Wellenleiter 101 und 201 kann ein Polymer, ein Glas, ein Oxid (etwa SiO2), ein Nitrid (etwa Si3N4 in SiO2) und/oder Silizium (etwa als Si auf SiO2) enthalten.
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Das in 3 in Aufsicht gezeigte optische System 400 umfasst die erste optische Komponente 100 mit der Aussparung 106, die in der Aussparung 106 angeordnete zweite optische Komponente 200 und das Trägersubstrat 300 (hier nicht gezeigt), wobei die erste und zweite optische Komponente 100 und 200 jeweils auf dem Trägersubstrat 300 angeordnet und mittels der Klebeschicht 301 befestigt sind. Die erste optische Komponente 100 weist einen ersten Markierungssatz 110 auf, der aus parallel zu dem ersten Wellenleiter 101 verlaufenden Linien, also linienförmigen Elementen, gebildet ist und somit eine definierte Position und Orientierung bezüglich des ersten Wellenleiters 101 hat. Die zweite optische Komponente 200 weist einen zweiten Markierungssatz 210 auf, der aus parallel zu dem zweiten Wellenleiter 201 verlaufenden Linien gebildet ist und somit eine definierte Position und Orientierung bezüglich des zweiten Wellenleiters 201 hat. Somit ist anhand einer relativen Position und/oder Orientierung des ersten und zweiten Markierungssatzes 110 und 210 erfassbar, ob die erste und zweite optische Komponente 100 und 200 in einer zu den Vorderseiten 104 und 204 und somit auch zu einer Oberfläche des Trägersubstrats 300 parallelen Referenzebene so zueinander ausgerichtet sind, dass eine optische Kopplung des ersten und zweiten Wellenleiters 101 und 201 ermöglicht wird.
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Die Markierungssätze 110 und 210 sind mit den jeweiligen Wellenleitern 101 und 201 jeweils in einem gemeinsamen Arbeitsschritt und mittels einer gemeinsamen Maske durch ein lithographisches Verfahren hergestellt, sind also in die optischen Komponenten 100 und 200 eingebettet. Die Markierungssätze 110 und 210 können auch auf alternative Weisen gebildet sein, beispielsweise können sie Metallelemente umfassen, die auf die Vorderseiten 104 und 204 der optischen Komponenten 100 und 200 aufgebracht sind. Auch die Wellenleiter 101 und 202 selbst können, sofern sie deutlich sichtbar sind, als Markierungssätze oder Teile von Markierungssätzen dienen.
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Die Markierungssätze 110 und 210 bilden Teile einer Noniusstruktur. Auch die Kanten, die von den optischen Komponenten 100 und 200 an den Stirnflächen 109 und 209 im Bereich der Markierungssätze 110 und 210 gebildet werden, können als Teil der Markierungssätze angesehen werden, da sie mit den linearen Elementen der Noniusstrukturen definierte Schnittpunkte ergeben.
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Im Bereich des ersten Markierungssatzes 110 ist die Stufe 108 gegenüber anderen Bereichen des Randes 107 verbreitert.
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Das in 4 als Aufsicht gezeigte optische System 400' umfasst eine erste optische Komponente 100' mit einem ersten Wellenleiter 101 und einer Aussparung 106 sowie eine zweite optische Komponente 200' mit einem zweiten Wellenleiter 201. Im Unterschied zu den Markierungssätzen 110 und 210 der optischen Komponenten 100 und 200 sind die Markierungssätze 110' und 210' der optischen Komponenten 100' und 200' jeweils aus zwei linienförmigen Justagemarken (111, 112; 211, 212) aufgebaut, die zu den Wellenleitern 101 und 201 parallel verlaufen. Die Justagemarkenpaare 111/112 und 211/212 haben jeweils einen Abstand, der entsprechend Ausmaßen der zweiten optischen Komponente 200' maximiert ist.
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Die Markierungssätze 110/210 bzw. 110'/210' können natürlich auch anders aufgebaut sein, etwa kann mindestens einer von ihnen mindestens ein kreuzförmiges und/oder kreisförmiges und/oder elliptisches und/oder vieleckiges Element aufweisen.
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Im Folgenden werden anhand von 5a bis 6 weitere Aspekte des optischen Systems 400, der optischen Komponenten 100 und 200 und beispielhafte Schritte des Verfahrens zum Herstellen des optischen Systems 400 beschrieben. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen der ersten optischen Komponente 100, der zweiten optischen Komponente 200 und des Trägersubstrats 300, ein Anordnen der ersten und zweiten optischen Komponente 100 und 200 auf dem Trägersubstrat 300 derart, dass die zweite optische Komponente 200 in der Aussparung 106 der ersten optischen Komponente 100 angeordnet wird, und ein Ausrichten der ersten und zweiten optischen Komponente 100 und 200 zueinander derart, dass eine optische Kopplung des ersten Wellenleiters 101 mit dem zweiten Wellenleiter 201 ermöglicht wird. Hierzu werden der erste und zweite Markierungssatz 110 und 210 zueinander in der Referenzebene ausgerichtet.
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In 5a bis 6 wird jeweils die Seite der jeweils gezeigten Komponente nach oben orientiert gezeigt, die auch im jeweiligen Verfahrensschritt nach oben zeigt, d. h. von einem Werkstückträger einer für das Verfahren verwendeten Prozessiervorrichtung abgewandt ist. Wird die Komponente zwischen aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten gewendet, wird darauf zusätzlich hingewiesen.
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Die Prozessiervorrichtung kann beispielsweise ein üblicher Bonder für flache Substrate, insbesondere Halbleiterbauteile, sein.
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5a zeigt die optische Komponente 100 in teilweise prozessierter Form mit dem ersten Wellenleiter 101, der SiO2-Schicht 102 und der Siliziumschicht 103, wobei die SiO2-Schicht 102 zur Verarbeitung zugänglich ist.
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5b zeigt die erste optische Komponente 100, nachdem in weiteren Schritten eine Vorderseiten-Maske 120 auf die SiO2-Schicht 102 aufgebracht worden ist sowie anschließend Vorderseiten-Trenches 121 in die SiO2-Schicht 102 mit dem ersten Wellenleiter 101 geätzt worden sind.
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Anschließend wird die erste optische Komponente 100 gewendet und, wie in 5c gezeigt, auf dem Trägersubstrat 300 angeordnet und befestigt. Nach Aufbringen einer Rückseiten-Maske 122 auf die Siliziumschicht 103 werden Rückseiten-Trenches 123 in die Siliziumschicht 103 geätzt, wobei ein Kern 124 zurückbleibt. Nach Entfernen des Kerns 124 hat die erste optische Komponente die in 1 gezeigte Form, die somit für die übrigen Verfahrensschritte bereitgestellt ist.
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Wie in 5d gezeigt, wird nun die zweite optische Komponente 200 - mit ihrer Vorderseite 204 der Rückseite 105 der ersten optischen Komponente 100 zugewandt - in die Nähe der ersten optischen Komponente 200 gebracht.
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Eine Kameraeinheit 500 mit zwei Optiken 501 und 502, die auf entgegengesetzten Seiten der Kameraeinheit 500 angeordnet sind, ermöglicht es, gleichzeitig einen Teil der Stufe 108 der ersten optischen Komponente 100 und einen Teil der Vorderseite 204 der zweiten optischen Komponente 200 abzubilden, wobei jeweils ein Teil der Markierungssätze 110 und 210 (hier im Querschnitt nicht sichtbar) erfasst wird.
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Die optischen Komponenten 100 und 200 werden nun zueinander ausgerichtet, in dem die Position und Orientierung der zweiten optischen Komponente 200 so korrigiert werden, dass die Markierungssätze 110 und 210 in der gewünschten Weise zueinander ausgerichtet sind. Dies kann durch wiederholtes Erfassen der Markierungssätze 110 und 210 mittels der Kameraeinheit 500 kontrolliert werden.
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Unter Beibehalten der gewünschten relativen Orientierung und lateralen Lage wird nun die zweite optische Komponente 200 auf dem Trägersubstrat 300 innerhalb der Aussparung 106 der ersten optischen Komponente 100 angeordnet und durch die Klebemittelschicht 301 auf dem Trägersubstrat 300 befestigt.
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Durch die präzise definierten Schichtdicken der vorderseitigen Schichten 102 und 202 werden hierbei ein erster Abstand zwischen der Vorderseite 104 der ersten optischen Komponente 100 und dem ersten Wellenleiter 101 und ein zweiter Abstand zwischen der zweiten optischen Komponente 204 und dem zweiten Wellenleiter 201 so eingestellt, dass dadurch die gewünschte relative Position und Orientierung der ersten und zweiten optischen Komponente 100 und 200 in der Normalrichtung eingestellt ist und somit auch die Wellenleiter 101 und 201 in der Normalrichtung zueinander so ausgerichtet sind, dass ihre optische Kopplung ermöglicht wird.
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Da somit die Wellenleiter 101 und 201 sowohl lateral als auch normal zueinander präzise ausgerichtet sind, wird eine optische Kopplung der Wellenleiter 101 und 201 hergestellt.
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5f bis 5h zeigen optionale weitere Verfahrensschritte, mit denen das optische System 400 weiterverarbeitet werden kann.
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Hierbei werden zunächst - wie in 5f gezeigt - evtl. verbleibende Spalte zwischen den Wellenleitern 101 und 201 mit einem optischen Füllmaterial 401 verfüllt, wobei das optische Füllmaterial 401 für die optische Kopplung günstige Eigenschaften (Wellenlängentransmission, Brechungsindex, Dispersionsfunktion etc.) aufweist.
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Zudem wird eine Opferstruktur 402 an der Rückseite 205 der zweiten optischen Komponente 200 angebracht, sofern diese gegenüber der Rückseite 105 der ersten optischen Komponente 205 in der Normalrichtung zurückgesetzt ist.
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Anschließend werden - siehe 5g - verbleibende Spalte zwischen den optischen Komponenten 100 und 200 mit einer Vergussmasse 403 verfüllt und die (ausgehärtete) Vergussmasse 403, die zweite Siliziumschicht 103 und die Opferstruktur 402 durch Abschleifen zu einer gemeinsamen Rückseite 405 rückgedünnt.
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Nach Wenden des optischen Systems 400 und Entfernen des Trägersubstrats 300 können, wie in 5h dargestellt, die optischen Komponenten 100 und 200 an der nunmehr freigelegten Vorderseite 404 mit einer Dünnfilm-Mehrlagenverdrahtung 406 elektrisch ankontaktiert und mit Bumps (Kontaktelementen) 407 versehen werden.
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Die Anzahl, Art und Reihenfolge der Schritte des Verfahrens können natürlich, wie einem Fachmann unmittelbar ersichtlich ist, angepasst werden (insbesondere in Hinblick auf das jeweils herzustellende optische System bzw. die Eigenschaften der verwendeten optischen Komponenten).
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6 zeigt eine mögliche Alternative zu dem in 5d gezeigten Verfahrensschritt. Bei der hier gezeigten ersten optischen Komponente 100", die neben der zweiten Komponente 200" Teil des optischen System 400" sein soll, wird auf die Bildung einer Stufe am Rand der Aussparung 106 verzichtet. Durch Verwendung eines optisch transparenten Trägersubstrats 300" ist es möglich, die optischen Komponenten zum Ausrichten mittels der Kameraeinheit 500', die nur eine Optik 501' aufweist, durch das Trägersubstrat 300" abzubilden. Hierbei wird die Kameraeinheit 500' nacheinander in verschiedene Positionen gebracht (durch Pfeil angedeutet), wobei jeweils eine unterschiedliche Fokusebene einzustellen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 100', 100''
- Erste optische Komponente
- 101
- Erster Wellenleiter
- 102
- SiO2-Schicht
- 103
- Siliziumschicht
- 104
- Vorderseite
- 105
- Rückseite
- 106
- Aussparung
- 107
- Rand
- 108
- Stufe
- 109
- Stirnfläche
- 110, 110'
- Erster Markierungssatz
- 111
- Erste Justagemarke
- 112
- Zweite Justagemarke
- 120
- Vorderseiten-Maske
- 121
- Vorderseiten-Trenches
- 122
- Rückseiten-Maske
- 123
- Rückseiten-Trenches
- 124
- Kern
- 200, 200', 200''
- Zweite optische Komponente
- 201
- Zweiter Wellenleiter
- 202
- Erste Substratschicht
- 203
- Zweite Substratschicht
- 204
- Vorderseite
- 205
- Rückseite
- 209
- Stirnfläche
- 210, 210'
- Zweiter Markierungssatz
- 211
- Erste Justagemarke
- 212
- Zweite Justagemarke
- 300, 300''
- Trägersubstrat
- 301
- Klebemittelschicht
- 400, 400',
- 400" Optisches System
- 401
- Optisches Füllmaterial
- 402
- Opferstruktur
- 403
- Vergussmasse
- 404
- Vorderseite
- 405
- Rückseite
- 406
- Dünnfilm-Mehrlagenverdrahtung
- 407
- Bumps
- 500, 500'
- Kameraeinheit
- 501, 501'
- Erste Optik
- 502
- Zweite Optik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016203453 A1 [0003, 0018]
