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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisch-optisches Bauteil in Form eines mikromechanisch verpackten optischen Halbleiterbauelements.
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Optisch aktive Bauelemente müssen oft in einer hermetischen Atmosphäre betrieben werden. Einige Laserdioden müssen beispielsweise in feuchte-freiem und organikfreiem Umfeld betrieben, um deren Lebensdauer nicht signifikant zu reduzieren.
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Die heute üblichen Gehäuse, um dieses Umfeld sicher zu stellen, sind sehr aufwendig und teuer. Oft werden dazu Metallgehäuse verwendet, die einerseits Keramikdurchführungen besitzen, um elektrische Signale zum optischen Bauteil führen zu können und andererseits mindestens ein Glasfenster besitzen, um ein optischen Signal zum optischen Bauteil hinein und/oder heraus führen zu können.
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Bekannt sind weiter mikromechanische Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren und deren Herstellungsverfahren. Die Sensoren werden auf Wafer-Level, das heißt in großer Anzahl auf einem Siliziumsubstrat (Wafer) parallel miteinander hergestellt und auch auf Wafer-Level, meist über ein Bondverfahren, bei dem ein weiter Wafer auf den Wafer mit den Sensoren aufgebracht wird, in einer hermetisch abgeschlossenen Kaverne verpackt. Der Herstellungsprozess ist relativ kostengünstig, da die einzelnen, an sich teuren, Arbeitsschritte auf Wafer-Level, also gleichzeitig für ein Ensemble von vielen einzelnen Sensoren gemacht werden. Die üblicherweise verwendeten Bondverfahren benötigen eine hohe Bondtemperatur ermöglichen aber gleichzeitig auch eine hermetische und sehr robuste Verbindung.
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Wünschenswert wäre, wenn man optisch aktive Bauelemente ebenfalls auf Wafer-Level hermetisch und robust verschießen könnte. Eine einfache Nutzung dieser Prozess für optische Bauelement ist aber nicht möglich da die optisch aktiven Bauelemente normalerweise die hohen Bondtemperaturen nicht überleben.
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Aufgabe
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Es wird eine Anordnung und ein Herstellungsverfahren gesucht, um in einem Waferverbund, optische Bauteile hermetisch zu verpacken. Das Verfahren soll dabei ermöglichen die optischen Bauteile hermetisch zu schützen und gleichzeitig soll die thermische Belastung auf die optischen Bauteile während des Herstellungsverfahrens möglichst gering gehalten werden.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisch-optisches Bauteil mit einem optischen Fenster, einem Abstandshalter und einem Bauteilsubstrat, wobei der Abstandshalter eine Ausnehmung aufweist, welche eine Kaverne bildet, die von dem optischen Fenster und dem Bauteilsubstrat begrenzt ist, wobei in der Kaverne ein optisches Halbleiterbauelement angeordnet ist, welches an dem Bauteilsubstrat befestigt ist und dazu eingerichtet ist, optische Strahlung durch das optische Fenster zu senden, wobei das optische Fenster und der Abstandshalter mittels einer ersten stoffschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, wobei der Abstandshalter und das Bauteilsubstrat mittels einer zweiten stoffschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, Dabei ist in einer Draufsicht auf das optische Fenster die erste stoffschlüssige Verbindung unter dem optischen Fenster angeordnet, und die zweite stoffschlüssige Verbindung ist neben dem optischen Fenster angeordnet. Die Vorrichtung ist einfach aufgebaut.
Vorteilhaft ist, dass das optische Fenster ein Glas ist. Das erlaubt optische Transmission bei gleichzeitig einfacher Herstellung. Vorteilhaft ist das Bauteilsubstrat eine Keramik ist. Vorteilhaft lässt sich das Bauteil daran gut kontaktieren und Wärme ableiten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des mikromechanisch-optisches Bauteils sieht vor, dass die erste stoffschlüssige Verbindung oder auch die zweite stoffschlüssige Verbindung ein Seal Glas Bond ist. Vorteilhaft lässt sich so eine hermetische Kaverne schaffen.
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Vorteilhaft ist, dass, die Kaverne hermetisch dicht abgeschlossen ist. Dadurch ist das optische Halbleiterbauelement vor Staub, Feuchtigkeit und weiteren Umwelteinflüssen gesch ützt.
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Vorteilhaft weist der Abstandshalter an einer dem Bauteilsubstrat zugewandten Oberfläche eine erste Absorptionsschicht auf. Vorteilhaft lässt sich die Vorrichtung so besser mittels Durchstrahlschweißen fertigen.
Vorteilhaft ist aber auch, dass das optische Fenster an einer an die Kaverne angrenzenden Oberfläche eine zweite Absorptionsschicht aufweist. Vorteilhaft lassen sich dadurch störende Reflektionen von Licht in der Kaverne vermeiden. Besonders vorteilhaft ist, wenn die erste Absorptionsschicht und die zweite Absorptionsschicht aus dem gleichen Material bestehen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanisch-optischen Bauteils. Es wird vorgeschlagen einen Spacer-Wafer mit Ausnehmungen für die einzelnen optischen Elemente herzustellen. Weiter wird vorgeschlagen auf den Spacer-Wafer flächig einen Glaswafer zu bonden. Dann wird das Glas bevorzugt mit einem einfachen Sägeprozess in Bahnen außerhalb des Bondrahmens und auch außerhalb der Ausnehmung entfernt. Einzelne optische Elemente, die auf einzelne Substraten vorliegen, werden in die Ausnehmung eingesetzte und zum Wafer justiert. Dann wird über einen lokalen und sehr kurzen Erwärmungsprozess eine hermetische Verbindung zwischen dem Einzelsubstrat und dem Wafer hergestellt. Durch die kurzzeitige und lokale Erwärmung kann einerseits eine zuverlässige hermetische Verbindung erzeugt werden und andererseits kann das optische Bauteil vor einer zu starken Erwärmung geschützt werden. Die kurzzeitige und lokale Erwärmung erfolgt von der Wafer-Vorderseite bevorzugt mit einem Laserpuls, der durch den Trägerwafer hindurch auf das Substrat erfolgt. Die Bestückung, die Justage und ein mechanischer Druckaufbau während des Bondvorgangs erfolgt von der Wafer-Rückseite.
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Das Verfahren hat eine Reihe vorteilhafter Merkmale und Ausgestaltungen.
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Einzelne optische Elemente werden auf eine Waferverbund aufgebracht, dadurch kann für jedes Einzelelement eine sehr genau Justage erfolgen. Beim finalen Bondprozess mit dem das optische Element in der Ausnehmung des Spacer-Wafers hermetisch versiegelt wird, wird die Bondverbindung nur lokal erwärmt. Dadurch kann bei lokal, hoher Temperatur eine sehr zuverlässige Bondverbindung erzeugt werden, und trotzdem wird das optische Bauteil nicht signifikant erwärmt. Die lokale Erwärmung erfolgt durch den Spacer-Wafer hindurch. Die Oberfläche des Spacer-Wafers wird so vorbereitet, dass man gut mit einem IR-Laser einkoppeln kann. Das Glas wird dazu vorher an dieser Position entfernt. Die Oberfläche im Bereich der zweiten Bondverbindung wird nicht durch einen Sägeschnitt geschädigt. Es kann eine Absorptionsschicht unterhalb des Spacer-Wafers vorgesehen werden. Der erste und der zweite Bondrahmen sind geomatsch voneinander getrennt. Als Spacer-Wafer wird bevorzugt eine einkristalliner Silizium-Wafer verwendet.
Das Verfahren enthält sehr wenige Komponenten und schafft eine einfach aufgebaute Vorrichtung. Insbesondere muss auch kein TSV-Trägerwafer verwendet werden. Mit dem neuen Herstellungsverfahren wird eine sehr hohe Justage-Genauigkeit zwischen dem optischen Halbleiterbauelement und einer Spiegelfläche erzielt. Das hergestellte Package ist schließlich sehr klein.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisch-optisches Bauteil in einem ersten Ausführungsbeispiel.
- Die 2 a - e zeigen in verschiedenen Stadien der Vorrichtung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanisch-optischen Bauteils.
- 3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanisch-optischen Bauteils.
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Beschreibung
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes mikromechanisch-optisches Bauteil in einem ersten Ausführungsbeispiel.
Dargestellt ist ein mikromechanisch-optisches Bauteil mit einem optischen Fenster 140, einem Abstandshalter 110 und einem Bauteilsubstrat 19. Der Abstandshalter 110 weist eine Ausnehmung auf, welche eine Kaverne 30 bildet, die von dem optischen Fenster und dem Bauteilsubstrat begrenzt ist. In der Kaverne ist ein optisches Halbleiterbauelement 18 angeordnet, welches an dem Bauteilsubstrat befestigt ist und dazu eingerichtet ist, in einem Strahlengang 40 optische Strahlung durch das optische Fenster zu senden. Das das optische Fenster und der Abstandshalter sind mittels einer ersten stoffschlüssigen Verbindung 5 miteinander verbunden. Der Abstandshalter und das Bauteilsubstrat sind mittels einer zweiten stoffschlüssigen Verbindung 15 miteinander verbunden. Dabei sind in einer Draufsicht 200 auf das optische Fenster die erste stoffschlüssige Verbindung unter dem optischen Fenster und die zweite stoffschlüssige Verbindung neben dem optischen Fenster angeordnet.
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Die 2 a - e zeigen in verschiedenen Stadien der Vorrichtung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen mikromechanisch-optischen Bauteils. Zunächst wird ein Spacer-Wafer 1 mit einer Ausnehmung 2 hergestellt (2a). Für optische Elemente, die ein Signal ausgeben oder aufnehmen, das nicht senkrecht zur Wafer-Ebene verläuft ist es günstig im Spacer-Wafer ein passives optisches Element wie einen Spiegel vorzusehen, um in einfacher Weise einen geeigneten Strahlengang zu erreichen. Beispielsweise kann über eine KOH-Ätzung eine definierte schräge Flanke 3 in einen einkristallinen Siliziumwafer mit definierter Kristallorientierung geätzt werden, die als Spiegelflanke genutzt werden kann. Die Spiegelfläche kann außerdem noch mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden.
Auf den Spacer-Wafer wird ein Glaswafer 4 gebondet (2b). Bevorzugt wird der Glaswafer über ein Seal-Gals-Lotverfahren auf den Spacer-Wafer aufgebracht. Das Seal-Glas 5 kann über ein Siebdruckverfahren auf den Glaswafer oder auf den Spacer-Wafer aufgebracht werden. Der Glas-Wafer wird jeweils umlaufend, um die Ausnehmungen in Spacer-Wafer, auf den Spacer-Wafer aufgebondet. In einem umlaufenden Bereich 6 um diesen Bondbereich 5, die erste stoffschlüssige Verbindung, wird bewusst keine Bondung zwischen Glas-Wafer und Spacer-Wafer vorgesehen. Über ein Seal-Glas-Lot-Verfahren mit lokal aufgebrachten Lot kann dies sehr einfach erreicht werden. Andere lokale stoffschlüssige Verbindungen 5 außer Seal Glas Bonds sind jedoch ebenfalls denkbar.
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Der Glaswafer wird in einem überschüssigen Bereich 8 teilweise oder ganz außerhalb des Bondrahmenbereichs entfernt (2c). Bevorzugt kann dies mittels eines einfachen Sägeprozesses erfolgen. Im Ergebnis wird aus dem Glaswafer 4 ein Fenster 140 geschaffen. Beim Sägeprozess kann leicht in den Spacer-Wafer gesägt werden, wodurch eine geringe Ausnehmung 7 infolge des Sägeschnittes geschaffen wird. Dies ist technisch einfach zu erreichen. Der Säge-Prozess kann jedoch in einer technisch aufwendigeren Variante auch derart ausgeführt werden, dass er auf Höhe der Bondverbindung stoppt. Dann entsteht keine Ausnehmung durch den Sägeschnitt. Diese aufwendigere Variante, wird bevorzugt dann verwendet, wenn besonders kleine Bauteile gewünscht sind.
Optional kann eine erste Absorptionsschicht 9 für einen zweiten Bondprozess aufgebracht werden. Bevorzugt kann die erste Absorptionsschicht auf der Rückseite des Spacer-Wafers aufgebracht werden.
Oft ist es auch wünschenswert, das optische Fenster 140 an Stellen an denen kein Strahlengang vorgesehen ist intransparent zu gestalten um Streustrahlung zu unterdrücken. In einer besonders günstigen Variante kann mit einer gerichteten Abscheidung, beispielsweise mit einem Sputter- oder Aufdampf-Verfahren, sowohl die erste Absorptionsschicht 9 auf der Rückseite des Spacer-Wafers 1 als auch die zweite Absorptionsschicht 10 zur Unterdrückung der Streustrahlung auf der Unterseite des Glaswafers 4 bzw. des Fensters 140 gleichzeitig abgeschieden werden. Durch eine flächige Abscheidung einer solchen Schicht auf die Rückseite des Spacer-Wafers, auf dem schon der Glaswafer aufgebondet ist, kann diese erreicht werden. Die Spiegelfläche kann dabei als selbstjustierende Abschattung dienen, um den Glaswafer an der Stelle, an der ein optischer Strahl ein- oder austritt nicht zu beschichten.
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Optischen Bauteile, insbesondere ein optisches Halbleiterbauelement 18 werden nun auf einem Bauteilsubstrat 19 aufbracht (nicht gesondert dargestellt, s. 2d). Günstig ist es ein keramisches Substrat zu verwenden. Dies hat geringe Kosten und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Günstig ist es ein Substrat mit elektrischen Durchkontakten zu verwenden, um früh und kostengünstig die elektrischen Zugänge zu erzeugen. Günstig ist es ein Substrat mit vorbereiteten Rückseitenkontakten 20 zu verwenden. Bevorzugt können die Bauteile auf dem Substrat schon geprüft und je nach Messwert aussortiert werden, so dass nur gute Bauteile weiterverarbeitet werden können.
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Die einzelnen optischen Bauteile werden nun auf der Rückseite des Spacer-Wafers 1 in eine Kaverne 30 eingebracht, die durch die Ausnehmung 2 geschaffen wurde. Das Bauteilsubstrat 19 ist kein Wafer, sondern ein Einzelsubstrat. Dadurch lässt es sich in der Ausnehmung individuell justieren. Das Bauteilsubstrat 19 wird nun mit einer zweiten stoffschlüssigen Verbindung 15, mit einem Bondverfahren, mit dem Spacer-Wafer verbunden. Die Bondverbindung umschließt die Ausnehmung 2 im Spacer-Wafer 1 und damit die Kaverne 30 und liegt ganz oder teilweise in einem Bereich in dem kein Glas auf dem Spacer-Wafer vorhanden ist. Dann wird mit einem kurzen Wärme-Puls 11 eine hermetische Verbindung zwischen Spacer-Wafer 1 und Bauteilsubstrat 19 erzeugt (2d). Bevorzugt wird dazu ein Material für eine Bondverbindung auf dem Spacer-Wafer oder auf dem Bauteilsubstrat angeordnet. Besonders günstig ist ein Seal-Glas, das beispielsweise mit einem Siebdruckverfahren aufgebracht wird.
In einer besonders günstigen Variante kann die Justage des Bauteilsubstrats zum Spacer-Wafer darüber erfolgen, dass ein charakteristisches Merkmal des optischen Bauelements auf ein charakteristisches Merkmal des Spiegels im Spacer-Wafer justiert wird. Damit kann erreicht werden, dass Ungenauigkeiten beim der Herstellung des Spiegels, oder bei der Herstellung der Ausnehmung oder bei der Aufbringung des optischen Elements auf das Keramik-Substrat haben damit ein Einfluss auf die Genauigkeit des optischen Strahls zwischen Spiegel und optischem Element. In einer besonders günstige Variante kann diese Fein-Justage von der Vorderseite durch das optische Fenster erfolgen, wobei gleichzeitig, das Spiegelelement und das optische Element beobachtet werden können und somit eine besonders hohe Justage-Genauigkeit erreicht werden kann.
Bevorzugt wird der neue Seal-Glas-Bondrahmen mit einem kurzen Laser-Puls aufgewärmt. Der Laser-Plus wird bevorzugt kürzer als 200 msec angewendet. Der Laserplus kann auch als Mehrfachpuls angewendet werden. Es wird bevorzugt ein Laser mit einer Wellenlänge von mehr als 600 nm verwendet. Der Laserpuls wird bevorzugt nur lokal im Bereich des neuen Seal-Glas-Bondrahmens eingebracht. Der Laser-Puls wird bevorzugt von der Vorderseite eingebracht. Es wird bevorzugt im Bereich außerhalb des ersten Bondrahmens eingebracht.
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In optional weiteren Schritten können auf der Rückseite des Einzelsubstrats 19 die Kontaktflächen 20 erzeugt oder weiterverarbeitet werden. Es ist beispielsweise günstig die Einzelsubstrate zunächst mit flachen Kontaktflächen zu versehen und dann in diesem Schritt, also nach dem Aufbonden auf den Spacer-Wafer im Waferverbund Lotkugeln auf die Kontaktflächen aufzubringen. Die Lotkugeln können bei einer derartigen Reihenfolge nicht im Bondprozess geschädigt werden, ein einfacheres Handling im Bondprozess ist möglich und im Waferverbund können die Lotkugeln kostengünstig auf alle Kontaktflächen gleichzeitig aufgebracht werden.
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In einem letzten Schritt werden die mikromechanisch-optischen Bauteile vereinzelt. Dazu wird der Abstandswafer 1 durchgesägt und es entstehen einzelne Bauteile mit Abstandshalter 110 (2e). Im Ergebnis zeigt die 2e ein erfindungsgemäßes mikromechanisch-optisches Bauteil in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die dargestellte Vorrichtung weist gegenüber zu der in 1 gezeigten Vorrichtung zusätzlich an einer dem Bauteilsubstrat 19 zugewandten Oberfläche des Abstandshalter 110 eine erste Absorptionsschicht 9 und an einer an die Kaverne (30) angrenzenden Oberfläche des optischen Fensters 140 eine zweite Absorptionsschicht 10 auf. Die zweite Absorptionsschicht ist dabei noch strukturiert. Sie bedeckt nicht das gesamte Fenster, sondern nur einen Teil. Ein anderer Teil des Fensters gegenüber der Spiegelflanke bleibt frei, sodass Licht entlang des Strahlengangs 40 ungehindert das Fenster passieren kann.
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3 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines mikromechanisch-optischen Bauteils.
Das Verfahren beinhaltet die wesentlichen Schritte:
- A: Bereitstellen eines Spacer-Wafers mit einer Ausnehmung;
- B: Verbinden des Spacer-Wafers mit einem Glaswafer durch eine erste stoffschlüssige Verbindung;
- C: Herstellung eines Fensters durch Sägen durch den Glaswafer und Entfernen von überschüssigen Glasteilen;
- D: Bereitstellen eines Bauteilsubstrats mit einem darauf befestigten optischen Halbleiterbauteil;
- E: Anlegen des Bauteilsubstrats an den Spacer-Wafer derart, dass das optische Halbleiterbauteil in der Ausnehmung angeordnet wird,
- F: Verbinden des Bauteilsubstrats mit dem Spacer-Wafer mittels Durchstrahl-Bonden, wobei ein Strahl von der Seite des Fensters her, am Fenster vorbei und durch den Spacer-Wafer gerichtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spacer-Wafer
- 2
- Ausnehmung
- 3
- Spiegelfläche
- 4
- Glaswafer
- 5
- erste stoffschlüssige Verbindung, Seal Glas Bond
- 6
- umlaufender Bereich neben Seal Glas Bond
- 7
- Ausnehmung durch Sägeschnitt
- 8
- überschüssiger Glaswafer-Bereich
- 9
- erste Absorptionsschicht
- 10
- zweite Absorptionsschicht
- 11
- Wärmestrahlungspuls
- 15
- zweite stoffschlüssige Verbindung
- 18
- optische Bauelemente
- 19
- Bauteilsubstrat
- 20
- Rückseiten-Kontakte
- 30
- Kaverne
- 40
- Strahlengang
- 110
- Spacer, Abstandshalter
- 140
- Glasfenster
- 200
- Draufsicht
