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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnik und der Mikromechanik sowie der Optik und ist mit besonderem Vorteil auf dem Gebiet der hybriden Integration von Mikroelektronik und Photonik einsetzbar.
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Neben der Integration von elektronischen Bauteilen in Halbleiterbauelemente schreitet auch die Integration von optischen und optoelektronischen Bauelementen und ihre Miniaturisierung fort. Typische optoelektronische Bauelemente sind dabei Laserquellen, Modulatoren, Photodioden und Ähnliches. Oft werden diese in optisch integrierte Schaltungen mit Splittern, Kopplern, Phasenschiebern, Verzögerungsleitungen, Ringresonatoren, optischen Verstärkern, Schaltern oder anderen Elementen zusammengefasst, wobei innerhalb der Bauelemente das Licht üblicherweise durch optische Wellenleiter geführt wird. Die Wellenleiter können zwischen den Komponenten als separate Lichtwellenleiterfasern oder auch als integrierte Wellenleiter in entsprechenden Substraten realisiert sein. Sollen dabei nur einzelne Lichtmoden transportiert werden, so werden sogenannte Single-Mode-Wellenleiter benötigt, die teilweise Durchmesser von wenigen hundert Nanometern bis zu wenigen Mikrometern aufweisen.
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Soll Licht von einem Lichtwellenleiter in einen zweiten übertragen werden, also zwei Lichtwellenleiter miteinander gekoppelt werden, so sind die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit besonders hoch. Eine besonders anspruchsvolle Realisierung einer Kopplung stellt die stirnseitige Anordnung zweiter Lichtwellenleiter dar, bei der diese entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet und stirnseitig zueinander angeordnet werden. Dieses Problem stellt sich beispielsweise bei einer Kopplung von Lichtwellenleitern, die in zwei verschiedene Bauelemente integriert sind, wobei die Bauelemente so zueinander auszurichten sind, dass die Lichtwellenleiter der verschiedenen Bauelemente stirnseitig miteinander gekoppelt werden.
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Es ist grundsätzlich möglich, solche Bauelemente zueinander zu justieren, während Licht von einem Lichtwellenleiter eines ersten Bauelements in einen Lichtwellenleiter des zweiten Bauelements gekoppelt wird, um durch die Messung des übertragenen Lichts die Kopplung und damit die Justage zu optimieren. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und in der Massenfertigung sehr kostspielig.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, eine Selbstjustage der Bauelemente mit flüssigem Lot während der Montage zu nutzen. Dabei wird die Oberflächenspannung des flüssigen Lots genutzt, um das Bauelement in eine optimierte Position zu ziehen. Zudem können mechanische Anschläge vorgesehen sein, um die jeweilige Sollposition zu definieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Bauelementen mit Lichtwellenleitern auf einem Substrat zu schaffen, die eine einfache und zuverlässige Positionierung der Lichtwellenleiter von verschiedenen Bauelementen relativ zueinander in einer Sollposition ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 6 stellen mögliche Implementierungen der Erfindung vor. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Substrat zur Montage sowie auf ein Verfahren zur Montage einer Anordnung mit zwei Bauelementen mit Lichtwellenleitern auf einem Substrat.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauelement, die jeweils mit einem gemeinsamen, planaren Substrat fest verbunden sind und von denen jedes wenigstens einen Lichtwellenleiter aufweist, wobei die Bauelemente auf dem Substrat unmittelbar nebeneinander und derart relativ zueinander angeordnet sind, dass zwei Koppelseiten der Bauelemente einander auf beiden Seiten einer Koppelebene gegenüberliegen und dass wenigstens zwei jeweils an Koppelflächen an den Koppelseiten endende Lichtwellenleiter der verschiedenen Bauelemente miteinander fluchtend ausgerichtet und so positioniert sind, dass sie stirnseitig optisch miteinander gekoppelt sind.
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Die Koppelebene kann auch mit einer Koppelseite oder den beiden Koppelseiten der Bauelemente identisch sein, oder mit einer Ebene, die durch die stirnseitigen Koppelstellen der Lichtwellenleiter an einer Koppelseite eines Bauelements verläuft.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das Substrat an seiner den Bauelementen zugewandten Oberfläche einen ersten optisch erkennbaren Substrat-Markierungssatz sowie einen zweiten optisch erkennbaren Substrat-Markierungssatz aufweist, dass jeder Substrat-Markierungssatz jeweils wenigstens eine gerade, insbesondere wenigstens zwei gerade, zueinander parallele und voneinander beabstandete Linien aufweist, wobei die Linien oder ihre geraden Verlängerungen jeweils die Koppelebene durchsetzen, und dass das erste Bauelement einen ersten Bauelement-Markierungssatz und das zweite Bauelement einen zweiten Bauelement-Markierungssatz trägt, wobei die Bauelement-Markierungssätze jeweils gerade, optisch erkennbare Linien oder Markierungen aufweisen, die parallel zu den Längsachsen der zu koppelnden Lichtwellenleiter verlaufen und die an den Linien der Substrat-Markierungssätze ausgerichtet sind.
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Markierungen können beispielsweise auch durch zwei oder mehr optisch erkennbare Punkte oder Punktegruppen gebildet sein, die auf einer geraden Linie liegen, zum Beispiel auch in Form von unterbrochenen Linien.
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Die Bauelemente sind typischerweise solche Bauelemente, in denen optische Elemente enthalten, insbesondere integriert sind. Zusätzlich können in die Bauelemente elektronische Elemente integriert sein. Die Bauelemente weisen jeweils an ihren Koppelseiten Koppelflächen auf, an denen die miteinander zu koppelnden Lichtwellenleiter enden. Um eine möglichst optisch gut definierte Austrittsfläche an einer Koppelseite oder -kante eines Bauelements für einen Lichtwellenleiter zu bilden, kann das Bauelement und/oder der Wellenleiter entweder entlang einer leicht spaltbaren Kristallorientierung mit sauberer Fläche gebrochen werden, es kann mit einer lithographisch strukturierten Maske in einem Trockenätzprozess erzeugt werden, oder es kann durch Polieren der Koppelseite des Bauelements eine möglichst gut definierte Koppelfläche geschaffen werden. In allen Fällen kommt es zu Toleranzen bei der Bildung der Austrittsfläche an dem Bauelement. Dies führt dazu, dass die Bauelemente, um sie miteinander zu koppeln und einen möglichst geringen Abstand zwischen den Austrittsflächen der zu koppelnden Lichtwellenleiter einzustellen, zur Erreichung einer optimierten Position in vielen Fällen linear aufeinander zu geschoben werden müssen. Aus diesem Grund empfiehlt es sich, dass die Substrat-Markierungssätze geradlinige, zueinander parallele Linien enthalten, an denen entlang die Bauelemente aufeinander zu geschoben werden können. Damit lässt sich unabhängig davon, wie viel von den miteinander zu verbindenden / zu koppelnden Bauelementen bei der Bildung der Austrittsfläche entfernt worden ist, ein optimierter Abstand zwischen den Koppelseiten der Bauelemente einstellen. Um die winkelmäßige Ausrichtung der beiden Bauelemente zueinander zu optimieren, ist es vorteilhaft, jeweils bei den Substrat-Markierungssätzen und den Bauelement-Markierungssätzen mehrere voneinander beabstandete parallele Linien vorzusehen. Es kann jedoch auch eine einzige Linie in einem Markierungssatz ausreichen. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass diese Linie sich über das gesamte Bauelement erstreckt.
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Im montierten Zustand liegen die Koppelflächen der Bauelemente einander auf beiden Seiten einer Koppelebene gegenüber. Dabei kann der Abstand der Koppelflächen zur Koppelebene beliebig klein sein, so dass die Koppelflächen im Grenzwert auch beide in der Koppelebene liegen und einander berühren können.
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Die einzelnen Linien der Markierungssätze sind optisch erkennbar und auch durch optische Erkennungssysteme von automatischen Bestückungsanlagen erkennbar zu machen. Die Linien der Markierungssätze können beispielsweise im Ätzverfahren auf das Substrat und die Bauelemente aufgebracht werden. Hierzu kann beispielsweise auch die Maske verwendet werden, die für die Ausbildung der Lichtwellenleiter an den Bauelementen verwendet wird.
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Als Linie eines Markierungssatzes kann an einem Bauelement beispielsweise auch der Lichtwellenleiter selbst oder eine Kante eines Grabens oder eines Steges dienen, in denen ein Lichtwellenleiter angeordnet ist. Grundsätzlich kann beim Erzeugen einer Linie eines Markierungssatzes versucht werden, einen möglichst schmalen Streifen durch Ätzen oder Aufbringen einer Markierungssubstanz zu erzeugen. Es ist jedoch auch denkbar, eine sichtbare Fläche auf einem Bauelement oder dem Substrat zu markieren, wobei wenigstens eine Kante dieser Fläche exakt definiert und gerade verläuft und eine Linie eines Markierungssatzes bildet. Grundsätzlich können Linien von Markierungssätzen durch Ränder von Stegen oder Gräben oder gerade Kanten gebildet sein, die im Rahmen mikromechanischer Halbleiterbearbeitung, also insbesondere durch Ätzen, auf den Bauelementen oder dem Substrat hergestellt werden.
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Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die zu koppelnden Lichtwellenleiter in beiden Bauelementen nach der Montage auf dem Substrat in demselben Abstand von der Substratoberfläche verlaufen, wobei die Lichtwellenleiter insbesondere jeweils an der dem Substrat zugewandten Seite der Bauelemente an deren Oberfläche angeordnet sind. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Lichtwellenleiter an einer Oberfläche des ersten und zweiten Bauelements verlaufen, wobei die beiden Bauelemente jeweils die gleiche Dicke aufweisen. Alternativ dazu muss bei unterschiedlicher Positionierung der Lichtwellenleiter in den verschiedenen Bauelementen ein Höhenunterschied durch geeignete Podeste im Substrat ausgeglichen werden.
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Eine weitere Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Bauelemente mit dem Substrat in Flip-Chip-Technik verbunden sind. Unter der Flip-Chip-Technik oder Flip-Chip-Montage wird ein Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Kontaktierung von Bauelementen verstanden, bei der die Bauelemente direkt und ohne die Verwendung von Bonddrähten mit einer Kontaktierungsseite zum Substrat hin orientiert montiert werden. Kontaktflächen des Bauelements werden dann unmittelbar auf Kontakthügel (Bumps) des Substrats gedrückt und somit mit dem Substrat in elektrischen Kontakt gebracht. Als Kontakthügel können auch aufgedruckte oder in anderen Verfahren aufgebrachte Lotmengen auf dem Substrat vorgesehen sein, die zur endgültigen Kontaktierung wenigstens teilweise verflüssigt werden können.
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Die zu koppelnden Lichtwellenleiter können an den Bauelementen jeweils auf der Seite angeordnet sein, die der Kontaktseite gegenüberliegt. Bei einer Flip-Chip-Montage liegen dann die zu koppelnden Lichtwellenleiter gut zugänglich auf der Oberseite der Bauelemente. Auf dieser Seite sind auch die Bauelement-Markierungssätze vorgesehen. Die Lichtwellenleiter können jedoch auch auf der dem Substrat zugewandten Kontaktseite der Bauelemente liegen, und dort insbesondere an der Oberfläche der Bauelemente.
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Eine weitere Implementierung der Anordnung kann vorsehen, dass wenigstens einer der Substrat-Markierungssätze eine Linie aufweist, die parallel zur Koppelebene verläuft. Grundsätzlich können die Bauelemente entlang der Linien der Substrat-Markierungssätze, die die Koppelebene durchsetzen, in gewissem Umfang frei verschoben werden. Eine Linie eines Substrat-Markierungssatzes, die parallel zur Koppelebene verläuft, kann zur Positionierung wenigstens eines der Bauelemente relativ zur Koppelebene dienen. Beispielsweise kann eine Vorderkante an der Koppelseite des Bauelements mit der Linie des Substrat-Markierungssatzes zur Deckung gebracht werden, die parallel zur Koppelebene verläuft. Das zweite Bauelement kann danach entweder an einer weiteren zur Koppelebene parallel verlaufenden Linie eines Substrat-Markierungssatzes oder auch an der Koppelseite des ersten Bauelements orientiert werden.
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Es kann zudem beispielsweise vorgesehen sein, dass eine oder mehrere der Linien der Markierungssätze Striche oder Kanten von optisch erkennbaren Flächen sind.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass eine oder mehrere der Linien oder alle Linien der Substrat-Markierungssätze und/oder der Bauelement-Markierungssätze, die oder deren Verlängerungen die Koppelebene durchsetzt/durchsetzen, in einem Winkel von weniger als 90 Grad zur Koppelebene ausgerichtet sind und parallel zu den Längsachsen der zu koppelnden Lichtwellenleiter der Bauelemente im Bereich der Koppelflächen verlaufen.
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Oft werden an den Koppelseiten der Bauelemente die Lichtwellenleiter nicht senkrecht zu der jeweiligen Koppelfläche des Bauelements an der Koppelseite, sondern in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel geführt, um an den Austrittsflächen der Lichtwellenleiter Rückreflexionen zu vermeiden oder zu minimieren. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Bauelemente zur Herstellung des optimalen Abstands relativ zueinander entlang der Längsachsen der miteinander zu koppelnden Lichtwellenleiter zu verschieben, um einen lateralen Versatz zu vermeiden. Aus diesem Grund sind die Linien der Substrat-Markierungssätze und der Bauelement-Markierungssätze, die die Koppelebene durchsetzen oder deren Verlängerungen die Koppelebene durchsetzen, jeweils parallel zu den zu koppelnden Lichtwellenleitern ausgerichtet und verlaufen in den genannten Fällen nicht senkrecht zur Koppelfläche/Koppelseite der Bauelemente, sondern in einem von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Koppelfläche/Koppelseite.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Anordnung der oben genannten und erläuterten Art auch auf ein Substrat zur Montage von wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauelement die jeweils mit dem Substrat mittels der Flip-Chip-Technologie fest verbunden werden, wobei zwei Koppelseiten der Bauelemente einander in einer oder auf beiden Seiten einer gemeinsamen Koppelebene gegenüberliegen und wobei wenigstens zwei an den Koppelseiten in Koppelflächen endende Lichtwellenleiter der verschiedenen Bauelemente miteinander fluchtend ausgerichtet und so positioniert werden, dass sie stirnseitig optisch miteinander gekoppelt sind. Die Aufgabe wird dann erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Substrat an seiner den Bauelementen zugewandten Oberfläche einen ersten optisch erkennbaren Substrat-Markierungssatz sowie einen zweiten optisch erkennbaren Substrat-Markierungssatz zur Positionierung der Bauelemente aufweist.
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Die Erfindung bezieht sich zudem auch auf ein Verfahren zur Montage einer Anordnung mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauelement, die jeweils mit einem gemeinsamen, planaren Substrat fest verbunden werden und von denen jedes wenigstens einen Lichtwellenleiter aufweist, wobei die Bauelemente auf dem Substrat unmittelbar nebeneinander und derart relativ zueinander angeordnet sind, dass zwei Koppelseiten oder Koppelflächen der Bauelemente einander in einer oder auf beiden Seiten einer gemeinsamen Koppelebene gegenüberliegen und dass wenigstens zwei an den Koppelseiten endende Lichtwellenleiter der verschiedenen Bauelemente miteinander fluchtend ausgerichtet und so positioniert sind, dass sie stirnseitig optisch miteinander gekoppelt sind, wobei das erste Bauelement einen ersten Bauelement-Markierungssatz und das zweite Bauelement einen zweiten Bauelement-Markierungssatz mit jeweils wenigstens einer geraden, insbesondere wenigstens zwei geraden, zueinander parallelen und voneinander beabstandeten Linien trägt, die parallel zu den Längsachsen der zu koppelnden Lichtwellenleiter verlaufen, wobei das Substrat an seiner den Bauelementen zugewandten Oberfläche einen ersten optisch erkennbaren Substrat-Markierungssatz sowie einen zweiten optisch erkennbaren Substrat-Markierungssatz aufweist, wobei im Verlauf des Verfahrens zunächst das erste Bauelement mit den Linien seines Bauelement-Markierungssatzes an den Linien des ersten Substrat-Markierungssatzes ausgerichtet und mit dem Substrat verbunden wird und danach das zweite Bauelement mit den Linien seines Bauelement-Markierungssatzes an den Linien des zweiten Substrat-Markierungssatzes ausgerichtet und, insbesondere im geringstmöglichen Abstand zum ersten Bauelement, mit dem Substrat verbunden wird.
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Ersatzweise kann anstelle der Ausrichtung des zweiten Bauelement-Markierungssatzes an dem zweiten Substrat-Markierungssatz auch vorgesehen sein, dass der zweite Bauelement-Markierungssatz an dem ersten Bauelement-Markierungssatz des bereits mit dem Substrat verbundenen Bauelements ausgerichtet wird.
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Die Ausrichtung der Bauelemente anhand der Substrat-Markierungssätze und der Bauelement-Markierungssätze kann beispielsweise durch ein automatisches, kamerabasiertes Erkennungs- und Bestückungssystems erfolgen. Die Ausrichtung geschieht derart, dass die Linien verschiedener Markierungssätze von der Oberseite der Bauelemente aus gesehen miteinander zur Deckung gebracht oder derart ausgerichtet werden, dass eine Linie eines Substrat-Markierungssatzes eine gerade Verlängerung einer über ihr angeordneten Linie eines Bauelement-Markierungssatzes bildet.
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Bei dem Verfahren kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die beiden Bauelemente mittels Bump-Kontakten auf dem Substrat befestigt werden. Die Bumpkontakte können so gleichmäßig hergestellt werden, dass sie jeweils die gleiche, definierte Höhe vom Substrat aus aufweisen, so dass eine planare Kontaktfläche eines Bauelements auf den Bumpkontakten parallel zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet werden kann. Die Bumpkontakte können so ausgeführt werden, dass durch Druck, insbesondere in Verbindung mit anderen physikalischen oder chemischen Einwirkungsarten jeweils eine leitende Verbindung zwischen Kontaktflächen der Bauelemente und dem Substrat hergestellt und gleichzeitig die Bauelemente mit dem Substrat mechanisch fest verbunden werden können.
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Zudem kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bauelemente während einer Befestigung auf Bumpkontakten des Substrats oder während einer Befestigung mittels eines Lötverfahrens auf dem Substrat auf nicht verformbare, mit dem Substrat verbundene mechanische Stopper aufgesetzt werden. Die mechanischen Stopper können elektrisch leitend oder nichtleitend ausgebildet sein und beispielsweise ausschließlich der Definition der Position eines Bauteils auf dem Substrat dienen. Sie bilden somit ausschließlich mechanische Anschläge, und die elektrische Kontaktierung wird über gesonderte Markierungspunkte oder Kontakthügel hergestellt. In diesem Fall kann die elektrische Kontaktierung auch über Lotpunkte gebildet werden, die an sich bei ihrer Verflüssigung keine ausreichend genau definierte Positionierung des kontaktierten Bauelements relativ zum Substrat erlauben; jedoch kann durch die mechanischen Stopper, gegebenenfalls in Verbindung mit einem auf das Bauelement während des Lotverfahrens ausgeübten Druck, das Bauelement mit dem Substrat durch Löten verbunden und gleichzeitig eine ausreichend genaue Positionierung des Bauelements oberhalb des Substrats erreicht werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigt
- 1 eine Ansicht eines Substrats und zweier Bauelemente vor der Montage,
- 2 ein Substrat mit einem ersten montierten Bauelement sowie ein zweites Bauelement vor der Montage,
- 3 im unteren Teil ein Substrat mit zwei montierten Bauelementen sowie im oberen Teil ein Substrat mit zwei montierten, gekürzten Bauelementen,
- 4 ein Substrat mit zwei Bauelementen vor der Montage, wobei die Bauelemente an den Koppelseiten schräg verlaufende Lichtwellenleiter aufweisen,
- 5 das Substrat aus 4 mit einem ersten montierten Bauelement und einem zweiten Bauelement vor der Montage,
- 6 unten das Substrat aus 4 mit zwei montierten Bauelementen, in der Mitte das Substrat mit zwei gekürzten Bauelementen vor der Montage sowie oben das Substrat mit zwei gekürzten Bauelementen nach der Montage,
- 7 in einer Seitenansicht ein Substrat mit zwei Bauelementen vor der Montage,
- 8 ein Substrat mit zwei Bauelementen, die auf Bumpkontakten ruhen,
- 9 ein Substrat mit zwei Bauelementen auf Bumpkontakten mit zusätzlichen mechanischen Stoppern,
- 10 ein Substrat mit zwei Bauelementen mit Lotverbindungen und mechanischen Stoppern sowie
- 11 ein Substrat mit zwei Bauelementen und mechanischen Stoppern einer weiteren Bauart sowie mit einer Lotverbindung zwischen den Bauelementen und dem Substrat.
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1 zeigt ein Substrat 3 sowie ein erstes Bauelement 1 und ein zweites Bauelement 2 vor der Montage auf dem Substrat. Das Substrat 3 weist einen ersten Substrat-Markierungssatz 11, 12, 13, 14, 15 sowie einen zweiten Substrat-Markierungssatz 16, 17, 18, 19, 20 auf. Die beiden Bauelemente 1, 2 sollen mit ihren Koppelseiten 8, 9, konkret mit den Koppelflächen 8a, 9a, entlang der Koppelebene 10 gekoppelt und auf dem Substrat 3 montiert werden. Dadurch soll sichergestellt werden, dass Licht zwischen den Lichtwellenleitern 4, 5 auf dem ersten Bauelement und den Lichtwellenleitern 6, 7 auf dem zweiten Bauelement 2 mit hoher Effizienz gekoppelt werden kann.
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Das erste Bauelement trägt einen ersten Bauelement-Markierungssatz 21, 22, 23, 24, wobei die einzelnen Linien des Bauelement-Markierungssatzes jeweils parallel zur Längsachse 29, 30 der Lichtwellenleiter auf den Bauelementen 1, 2 und im montierten Zustand senkrecht zur Koppelebene 10 verlaufen. Das zweite Bauelement 2 trägt einen zweiten Bauelement-Markierungssatz 25, 26, 27, 28.
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Die Lichtwellenleiter 4, 5, 6, 7 auf den Bauelementen sind schematisch dargestellt. Sie können auf den Bauelementen jeweils mit optischen Elementen, wie Laserdioden, Photodioden oder anderen optisch aktiven Elementen, verbunden sein, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
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Zudem sind in der 1 die beiden gestrichelten Linien 60, 61 eingezeichnet, die anzeigen, dass die Bauelemente 1, 2 zur Kopplung und vor der Montage auf dem Substrat 3 an ihren Koppelseiten bis zu diesen Linien abgeschliffen/ poliert werden, trocken geätzt oder an diesen Linien gebrochen/gespalten werden können, um jeweils eine glatte Koppelfläche herzustellen, die eine gute und verlustfreie Kopplung der Lichtwellenleiter erlaubt. Diese Bearbeitung der Bauteile 1, 2 kann nach der Anbringung der Bauelementmarkierungen stattfinden. Die Linien 21, 24, 25, 26 der Bauelement-Markierungssätze bleiben bei der Nachbearbeitung der Bauelemente wenigstens teilweise erhalten. Die Bauelementmarkierungen können somit trotz einer Veränderung der Bauelemente mit den entsprechenden Substratmarkierungen zur Deckung gebracht werden.
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In 2 ist das Substrat 3 aus 1 dargestellt, wobei das erste Bauelement 1 auf das Substrat aufgesetzt und montiert ist. Das erste Bauelement 1 ist dabei mit den Linien 21, 22, 23, 24 seines ersten Bauelement-Markierungssatzes jeweils an den Linien 11, 12, 13, 14 des ersten Substrat-Markierungssatzes orientiert, derart, dass die Linie 21 mit der Linie 11 zur Deckung gebracht ist, die Linie 22 mit der Linie 12, die Linie 23 mit der Linie 13 und die Linie 24 mit der Linie 14. Die Koppelfläche 8a des ersten Bauelements 1 ist mit der Linie 15 des ersten Substrat-Markierungssatzes zur Deckung gebracht, die parallel zur Koppelebene 10 verläuft und insbesondere in der Koppelebene 10 liegt. Die Bezeichnung der einzelnen Linien der Markierungssätze ist in den 2 und 3 der Übersichtlichkeit halber weggelassen, da die Linien der unterschiedlichen Markierungssätze übereinander angeordnet und deshalb nicht unterscheidbar sind.
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In 3 ist im unteren Teil ein Substrat 3 mit zwei montierten Bauelementen 1, 2 dargestellt, wobei die Bauelement-Markierungssätze mit den jeweiligen Substrat-Markierungssätzen zur Deckung gebracht sind. Die Lichtwellenleiter 4, 5, 6, 7 sind jeweils paarweise koaxial zueinander ausgerichtet und stirnseitig auf Stoß gekoppelt.
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In 3 ist im oberen Teil der Darstellung eine Montage eines ersten Bauelements 1 und eines zweiten Bauelements 2 nach einer Nachbearbeitung mit entsprechender Kürzung der Bauelemente dargestellt. Die Kürzung der Bauelemente 1, 2 zeigt sich dadurch, dass diese nach der Anordnung der Koppelflächen entlang der Koppelebene 10 auf dem Substrat 3 einen geringeren Raum einnehmen. Zum Vergleich sind in 3 die gestrichelten Linien 62, 63 eingezeichnet, die die Enden der Bauelemente 1, 2 in der unveränderten, unbearbeiteten Form nach der Montage (Beispiel im unteren Teil der 3) darstellen. Die bearbeiteten Bauelemente werden nach der Bearbeitung/ Kürzung einfach entlang der Linien der Markierungssätze auf die Koppelebene 10 zu geschoben.
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In 4 ist im oberen Teil ein Substrat 3' mit zwei Substrat-Markierungssätzen 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 64 dargestellt, die in einem Winkel α zur Koppelebene 10 verlaufen, der kleiner ist als 90 Grad. Der Winkel α entspricht dem Winkel, den die Enden der Lichtwellenleiter 4', 5' auf den Bauelementen 1', 2' mit der Koppelebene 10 bzw. mit der Koppelfläche 8a der einzelnen Bauelemente einschließen.
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Die Lichtwellenleiter 4', 5' sind an der Koppelseite in der Nähe der Koppelfläche des jeweiligen Bauelements 1', 2' nicht senkrecht zur Koppelfläche verlaufend angeordnet, sondern leicht schräggestellt, um Rückreflexionen an der Koppelfläche zu verhindern. Die Längsachsen der Lichtwellenleiter im Koppelbereich sind mit 31 und 32 bei den Bauelementen 1' und 2' bezeichnet.
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Die einzelnen Linien 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40 der Bauelement-Markierungssätze sind parallel zu den Längsachsen 31, 32 der Lichtwellenleiter-Enden im Koppelbereich, d. h. in der Nähe der Koppelflächen 8a, 9a, ausgerichtet und schließen mit der Koppelebene 10 denselben Winkel α ein wie die entsprechenden Linien der Substrat-Markierungssätze.
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In 4 sind gestrichelte Linien 60, 61 eingezeichnet, die den Verlauf der Koppelflächen 8a, 9a nach einer Bearbeitung der Bauelemente 1', 2' und der Entfernung eines Teils der Bauelemente 1', 2' durch Polieren oder Spalten anzeigen. Eine solche Bearbeitung der Bauelemente 1', 2' ist nicht in allen Fällen notwendig, kann jedoch sinnvoll sein. Diese Bearbeitung der Bauelemente 1', 2' findet nach der Anbringung der Bauelement-Markierungssätze statt.
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5 zeigt das Substrat 3' aus 4 mit einem auf ihm montierten Bauelement 1'. Der Bauelement-Markierungssatz des ersten Bauelements 1' ist mit dem Substrat-Markierungssatz auf dem Substrat 3' zur Deckung gebracht.
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Die Koppelfläche 8a des ersten Bauelements 1' ist an der Markierung/Linie 64des Substrat-Markierungssatzes ausgerichtet, so dass die Koppelfläche 8a in der Koppelebene 10 liegt.
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In 6 ist im unteren Teil das Substrat 3' aus 5 gezeigt, wobei auch das zweite Bauelement 2' montiert und mit dem Bauelement 1' so gekoppelt ist, dass die Lichtwellenleiter 4', 5' mit den Lichtwellenleitern 6', 7' auf dem zweiten Bauelement 2' stirnseitig auf Stoß gekoppelt sind. Die Bauelement-Markierungssätze beider Bauelemente 1', 2' sind mit den Substrat-Markierungssätzen des Substrats 3' zur Deckung gebracht. Die Linien 60, 61, die potenzielle Koppelflächen der Bauelemente 1', 2' nach einem Polieren oder Abspalten zeigen, sind für den unteren Teil der Figur ohne Belang.
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Werden die Bauelemente 1', 2' durch Polieren oder Spalten im Bereich der Koppelflächen nachbearbeitet, so ergeben sich die neuen Koppelflächen nach der Bearbeitung entlang der Linien 60, 61, und die Bauelemente 1', 2' sind etwas gekürzt. Dies zeigt sich nach dem Auflegen der Bauelemente 1', 2' auf das Substrat 3' im mittleren Teil der 6. Die beiden Bauelemente 1', 2' liegen nach der Kürzung mit ihren Koppelflächen noch nicht direkt stoßseitig aneinander, sondern sollten für eine optimierte Kopplung bis zur Koppelebene 10 aufeinander zu geschoben werden, bevor sie auf dem Substrat 3' montiert werden. Dieses Schieben der einzelnen Bauelemente 1', 2' geschieht entlang der schräggestellten Linien 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 der Substrat-Markierungssätze, so dass während des Verschiebungsvorgangs der Bauelemente die Bauelement-Markierungssätze mit den Substrat-Markierungssätzen in Deckung bleiben können. Die schräggestellten Enden der Lichtwellenleiter 4', 5', 6', 7' bleiben während der Verschiebung parallel zueinander ausgerichtet, bis eine Stoßkopplung oder eine Anordnung der stirnseitig zu koppelnden Lichtwellenleiter mit dem minimal möglichen Abstand erreicht ist. Durch die Schrägstellung der Linien der Markierungssätze wird erreicht, dass die Markierungssätze nicht geändert werden müssen, wenn die Bauelemente 1', 2' im Bereich der Koppelflächen durch Polieren oder Spalten gekürzt werden. Dies ist unabhängig von der Dicke der abgenommenen Schicht der Bauelemente 1', 2', solange die neue Koppelfläche sich in dem Bereich befindet, in dem die Lichtwellenleiter 4', 5', 6', 7' gegenüber der Koppelebene 10 in demselben Winkel schräggestellt sind.
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Im oberen Bereich der 6 sind die Bauelemente 1', 2' im endgültigen montierten Zustand auf dem Substrat 3' dargestellt. Die gestrichelten Linien 62, 63 zeigen das Maß der Kürzung der Bauelemente an.
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Grundsätzlich können sowohl bei den Markierungssätzen mit schräggestellten Markierungslinien, wie in den 4, 5 und 6 dargestellt, als auch bei den Markierungssätzen, bei denen die Linien sich senkrecht zur Koppelebene erstrecken, anstelle von Einzellinien auch jeweils Linienpaare aus parallelen, eng zusammen liegenden Linien verwendet werden. Beispielsweise können jeweils die Linien der Substrat-Markierungssätze als Doppellinien ausgeführt werden, so dass Einzellinien der Bauteilmarkierungssätze jeweils zwischen zwei Linien einer Markierung eines Substrat-Markierungssatzes positioniert werden können. Umgekehrt ist es auch möglich, die Bauelement-Markierungssätze jeweils mit Doppellinien auszustatten, so dass die jeweils zwei eng zusammen liegenden und parallel zueinander verlaufenden Linien eines Bauelement-Markierungssatzes so zum Substrat positioniert werden, dass eine einzelne Linie eines Substrat-Markierungssatzes zwischen den jeweils eng zusammen liegenden Linien einer Doppellinie eines Bauelement-Markierungssatzes zu liegen kommen. Der Abstand der jeweils eng zusammenliegenden Linien einer Doppellinie sollte jeweils weniger als die vierfache, insbesondere weniger als die zweifache Breite einer Linie betragen.
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In 7 ist ein Substrat 3 zusammen mit zwei Bauelementen 1, 2 vor der Montage dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Lichtwellenleiter 4, 6, die in die Bauelemente 1, 2 integriert sind, an deren Unterseite (Kontaktseite) liegen, d. h. an der Seite der Bauelemente, die dem Substrat 3 zugewandt ist. Wenn die beiden Bauelemente 1, 2 in gleicher Höhe relativ zum Substrat 3 montiert werden können, ergibt sich auf diese Weise die Positionierung der Lichtwellenleiter 4, 6 auf gleicher Höhe, unabhängig von der Dicke der Bauelemente 1, 2. Es zeigt sich in der Erfahrung, dass die Dicke der Bauelemente 1, 2 schwankt, so dass bei einer Positionierung der Lichtwellenleiter 4, 6 auf der Oberseite der Bauelemente, d. h. auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite, entweder eine weniger effiziente Kopplung stattfinden würde oder eine zusätzliche Justierung notwendig würde.
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Eine Montageaufgabe besteht darin, die Bauelemente 1, 2 in gleicher Höhe auf dem Substrat 3 zu befestigen. In 8 ist gezeigt, dass die Bauelemente 1, 2 auf sogenannten Bumpkontakten 49, 50 montiert werden können. Anschlussflächen der Bauelemente 1, 2 werden kontaktierend und mechanisch fest mit den Bumpkontakten 49, 50 verbunden, beispielsweise durch Ausübung eines ausreichenden Drucks. Allein durch eine ausreichend genaue Einstellung der Höhe der Bumpkontakte 49, 50 kann somit eine Befestigung der Bauelemente 1, 2 auf gleicher Höhe gewährleistet werden, wenn die Wellenleiterebene bei beiden Bauelementen gleich tief unter der Oberfläche angeordnet werden.
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9 zeigt zusätzlich zur 8 im montierten Zustand mechanische Stopper 51, 52. Diese können beispielsweise aus dem Material des Substrats 3 hergestellt sein, das beispielsweise aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial bestehen kann. Die mechanischen Stopper 51, 52 können in einem integrierten Herstellungsprozess gemeinsam mit dem Substrat hergestellt sein oder auch später als gesonderte Bauteile aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt werden. Damit wird die Einstellung der Höhe der Bauelemente 1, 2 oberhalb des Substrats von der Kontrolle der Verformung der Bumpkontakte 49, 50 unabhängig.
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In 10 ist gezeigt, dass der Abstand der Bauelemente 1, 2 vom Substrat auch im Rahmen eines reinen Lotverfahrens gut eingehalten werden kann. In 10 sind als Kontaktelemente die Lotpunkte 53, 54 dargestellt, die sowohl einen elektrischen Kontakt zwischen den Bauelementen 1, 2 und dem Substrat 3 als auch eine mechanische Verbindung herstellen können. Ein fester mechanischer Anschlag ist zudem durch die mechanischen Stopper 51, 52 gegeben, die fest mit dem Substrat 3 verbunden sind und beispielsweise aus demselben Material bestehen wie das Substrat 3. Die mechanischen Stopper 51, 52 können mit dem Substrat 3 einstückig hergestellt sein.
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In 11 ist dargestellt, dass bei Anwendung einer Lotverbindung zwischen den Bauelementen 1, 2 und dem Substrat 3 mechanische Stopper 51', 52' eingesetzt werden können, die separat vom Substrat 3 hergestellt sind und beispielsweise mit dem Substrat verklebt sein können. Diese separaten mechanischen Stopper können beispielsweise auch galvanisch additiv aufgebracht werden und aus Kupfer, Nickel oder Gold oder einem anderen Metall bestehen. Die elektrische Verbindung der Bauelemente mit dem Substrat kann durch thermisches Löten, Reflow-Löten oder Auf- oder Umschmelzen von Lotdepots erfolgen.
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Die Bondverbindung zwischen den Bumpkontakten und den Bauelementen 1, 2 kann durch Gold-Gold-Thermokompressionsbonden hergestellt werden. Die Toleranz der Höhen der Bumpkontakte kann sehr gering gehalten werden, beispielsweise unter 5 Prozent. Durch Planarisierung kann dies noch verbessert werden und auf einen Bereich von etwa 100 Nanometern minimiert werden.
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Noch geringere Toleranzen können erreicht werden, wenn die Bumpkontakt-Oberflächen planarisiert und chemisch aktiviert werden, da dann mit geringeren Bondtemperaturen und geringeren Bondkräften eine Montage erfolgen kann, wobei die Deformation der Bumpkontakte und die Höhentoleranz nach der Montage weiter minimiert werden.
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Damit ergibt sich insgesamt eine optimierte Genauigkeit der Positionierung von Lichtwellenleitern der verschiedenen Bauelemente zueinander in Richtung senkrecht zum Substrat wie auch in der zur Substratoberfläche parallelen Richtung und somit eine optimierte optische Stoßkopplung.
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Das Projekt, das zu dieser Anmeldung geführt hat, wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union Horizon 2020 gemäß Fördervereinbarung Nr. 761989 gefördert.
