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Die Erfindung betrifft allgemein optische, insbesondere elektro-optische Systeme. Insbesondere betrifft die Erfindung die Strahlführung in solchen elektrooptischen Systemen durch optische Komponenten.
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Elektro-optische Vorrichtungen beinhalten typischerweise einen Träger, ein auf dem Träger angeordnete elektro-optisches Element in Form eines elektro-optischen Wandlers und eine Gehäusung, mit der der Wandler eingeschlossen wird.
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Im Allgemeinen wird das zu wandelnde oder gewandelte Licht durch die Gehäusung zugeführt. Die Gehäusung ist daher typischerweise zumindest in Teilen transparent.
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Elektro-optische Wandler im Sinne dieser Offenbarung können insbesondere optische Abbildungsvorrichtungen und/oder Lichtquellen sein. Dazu gehören Lichtsensoren, insbesondere Kamerasensoren, Leuchtdioden und Laserdioden. Je nach Anforderung werden für diese elektro-optischen Wandler komplexe Gehäusungen benötigt. Ein wichtiger Bestandteil sind dabei massgeschneiderte Abstandhalter. Diese ermöglichen die Einstellung eines definierten Abstands zwischen unterschiedlichen aktiven und passiven Bauteilen oder leisten Beiträge zur Einhausung und den Schutz von elektromagentischen Transducern/ Emittern / Receivern etc. unter anderem zum Zwecke des Schutzes des sensiblen Bauteile.
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Abstandhalter können in der Regel aus vielen Materialien hergestellt werden. Die Auswahl bemisst sich aus einer Vielzahl von Kriterien, darunter Kosten, Strukturierbarkeit, Materialeigenschaten. Auch Oberflächeneigenschaften kommen zum Tragen für Bereiche des Abstandhalters, beziehungsweise Spacers, in denen die Verbindung hergestellt wird, sprich die Wafer/Bauteiloberfläche von den meist planparalellen Spacern.
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Demzufolge können grundsätzlich alle Materialien genutzt werden, darunter Kunststoffe, Keramiken, Metalle , Komposite. Glas ist eine bevorzugte Wahl wenn es u.a. um Kostengünstigkeit in Verbindung mit chemischer Resistenz etc. ankommt.
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In der US 2015 / 0 221 835 A1 wird ein elektro-optisches Bauteil beschrieben, das neben einem Abstandshalter einen polymeren Binder aufweist. Im Bindemittel ist ein Halbleiter, beispielweise ein lichtemittierendes Element verteilt.
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Die US 2006 / 0 030 074 A1 beschreibt ebenfalls elektro-optische Bauteile mit Abstandshaltern. Hier wird ein Glas auf zwei Substrate abgeschieden und bildet so einen Abstandshalter wie auch ein verbindendes Element zwischen den beiden Substraten.
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In „Fouckhardt et al., Multitude of glass roughness morphologies as a tool box for dosed optical scattering, Applied optics, 2010, 49, Nr.8, S. 1364-1372“ wird ein maskenfreier Ätzprozess von Glasoberflächen sowie die Auswirkung der einzelnen Prozessparameter auf die Morphologie und Rauheit des Glases beschrieben.
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Die
EP 1 869 705 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von gehäusten elektrooptischen Bauelementen, bei dem bereichsweise Bondelemente auf ein Trägersubstrat aufgebracht werden. Auf einem Coversubstrat wird durch Aufdampfen eine Mikrorahmenstruktur erzeugt. Nachfolgend werden Träger- und Coversubstrat über die Bondelemente miteinander verbunden, wobei die Mikrorahmenstruktur als Abstandhalter zwischen den beiden Substraten fungiert.
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Im Bereich der Laserdioden, insbesondere VCSELs, werden derzeit u.a. strukturierte Keramiken genutzt. Die Lichtemission erfolgt dabei typischerweise durch ein auf den Abstandhalter aufgesetztes Gehäuseelement. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten der Lichteinkopplung und Lichtauskopplung zu erweitern und gleichzeitig eine hermetische Gehäusung eines elektro-optischen Wandlers zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß ist in einem ersten Aspekt ein Abstandhalter-Wafer zur Herstellung von rahmenförmigen Abstandhaltern für die Gehäusung elektro-optischer Wandler durch Abtrennen von Abschnitten vom Abstandhalter-Wafer vorgesehen, wobei der Abstandhalter-Wafer eine Glasplatte umfasst, die eine Vielzahl von in einem Raster verteilt angeordneten, voneinander getrennten Öffnungen aufweist, so dass durch Abtrennen von Abschnitten der Glasplatte entlang von Trennlinien zwischen den Öffnungen die vereinzelten Abstandhalter erhältlich sind, wobei die Öffnungen Seitenwandungen mit einer Mikrostrukturierung mit einer Rauigkeit aufweisen, wobei der Mittenrauwert Ra der Rauigkeit kleiner als 0,5 µm bei einer Meßstrecke von 500 µm (± 50 µm) beträgt.
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Gegebenenfalls kann eine Meßstrecke von genau 500 µm nicht eingehalten oder eingestellt werden. Der Mittenrauwert Ra von kleiner 0,5 µm wird aber auch bei einer um bis zu 50 µm verkürzten oder insbesondere um bis zu 50 µm verlängerten Meßstrecke erreicht. Daher resultiert die obige Angabe einer möglichen Abweichung von ± 50 µm.
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Die Glasplatte ist insbesondere transparent, so dass das vom elektro-optischen Wandler zu detektierende oder emittierte Licht durch die mikrostruktierte Innenwandung hindurchtreten kann und damit eine seitliche Ein- oder Auskopplung ermöglicht. Mit der Erfindung wird also nicht nur die Transmission des Lichts durch ein auf einen Abstandhalter aufgesetztes Element, sondern alternativ oder zusätzlich seitlich durch den Abstandhalter hindurch ermöglicht. Gleichzeitig ermöglicht das Glas einen hermetischen Einschluss.
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Mit dem Abstandhalter-Wafer kann dann ein optisches System, bevorzugt ein Camera Imaging System, eine Leuchtdiode oder Laserdiode hergestellt werden, bei denen eine kontrollierte Leitung/Auskopplung/Einkopplung/Durchgang von Licht ermöglicht wird.
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Die Herstellung der Öffnungen erfolgt dabei mit einem optischen Strukturierungsverfahren. Konkret kann eine Durchstrukturierung durch lasergestütztes Ablatieren oder Perforieren erfolgen. Hierbei erfolgt eine laserinduzierte Perforation mit nachgeschaltetem Ätzverfahren zur Verbindung der Löcher durch Stegentfernung bzw. Aufweitung. Besonders mit einem laserbasierten Verfahren können Freiformen kostengünstig gefertigt werden. Daneben sind besonders diese Verfahren geeignet, mit hoher Präzision sehr geringe Abmessungstoleranzen der Strukturelemente zu erreichen. Eine Kombination eines laserbasierten Einbringens von filamentförmigen Störungen mit einem nachgeschaltenten Ätzverfahren ist prinzipiell bekannt aus der
DE 10 2018 100 299 A1 . In dem hier beschriebenen Verfahren werden die Parameter für das Einbringen der filamentförmigen Störungen und das nachfolgende Ätzen so eingestellt, dass der Mittenrauwert von unter 0,5 µm erreicht wird.
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Zur weiteren Kostenreduktion erfolgt die Fertigung der Abstandhalter auf Wafer- oder Sheetlevel. Dies ist vorteilhaft, da Camera-Imaging-Systeme und auch Laserdioden oft auf Wafer/Sheet Level hergestellt werden. Durch Nutzung des Laserverfahrens, insbesondere mit nachgeschalteter Ätzung, sind hochgenaue Lagetoleranzen Loch zu Loch und Loch zu Referenzpunkt (Kante, Marker) realisierbar, die auch eine solche Wafer-Level-Fertigung ermöglichen.
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Überraschend erweist sich die Mikrostrukturierung der Seitenwandung der Öffnung für die optischen Eigenschaften nicht als nachteilig. Im Gegenteil kann die Mikrostrukturierung sogar vorteilhafte lichtformende Eigenschaften haben. Um beispielsweise Speckle-Effekte bei Laserdioden oder andere Interferenzeffekte zu unterdrücken, ist insbesondere vorgesehen, dass die Mikrostruktuierung unregelmäßig ist, und/oder keine streng in einem regelmäßigen Raster angeordnete Strukturelemente aufweist. Es ist daher vorgesehen, dass die Mikrostrukturierung einen Mittenrauwert Ra von mindestens als 50 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm bei einer Meßstrecke von 500 µm aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
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Figurenliste
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- Die 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele von Abstandhalter-Wafern.
- 3 zeigt einen von einem Abstandhalter-Wafer abgetrennten Abstandhalter.
- 4 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
- In 5 ist eine mit einem Laser bearbeitete Glasplatte gezeigt.
- 6 zeigt farbcodierte zweidimensionale Höhenprofile einer Mikrostruktur auf der Innenwand einer Öffnung.
- 7 zeigt Messwerte des Mittenrauwerts als Funktion der Anzahl der Laserpulse für verschiedene Abstände zwischen den Auftreffpunkten der Laserpulse.
- Ein elektro-optisches Wandlerbauteil mit einem Abstandhalter zeigt 8.
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Ausführliche Beschreibung
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In den 1 und 2 sind zwei Beispiele von Abstandhalter-Wafern 1 in Aufsicht dargestellt. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im Wesentlichen in ihrer äußeren Form. Bei der Ausführungsform der 1 ist ein rechteckiger oder quadratischer Abstandhalter-Wafer 1 vorgesehen, während die Ausführungsform der 2 einen runden Abstandhalter-Wafer 1 vorsieht. Eine runde Form des Abstandhalter-Wafers 1, wie sie das Beispiel der 2 zeigt, kann beispielsweise günstig für einen Wafer-Level-Packaging-Prozess sein, bei welchem der Abstandhalter-Wafer 1 vor dem Auftrennen mit einem Funktionswafer verbunden wird.
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Der Abstandhalter-Wafer 1 dient zur Herstellung von Abstandhaltern 2 für die Gehäusung elektro-optischer Wandler durch Abtrennen von Abschnitten 4 vom Abstandhalter-Wafer 1. Der Abstandhalter-Wafer 1 umfasst oder besteht aus einer transparente Glasplatte 10. Diese weist eine Vielzahl von in einem Raster verteilt angeordneten, voneinander getrennten Öffnungen 5 auf. Erfolgt das Abtrennen von Abschnitten 4 der Glasplatte 10 entlang von Trennlinien 7, die zwischen den Öffnungen 5 verlaufen, so werden vereinzelte Abstandhalter 2 erhalten, die jeweils eine Öffnung 5 mit einem umlaufenden, geschlossenen Rand aufweisen. Die Öffnungen 5 weisen Seitenwandungen 50 mit einer Mikrostrukturierung mit einer Rauigkeit auf. Diese Rauigkeit weist eine Mittenrauwert Ra von kleiner als 0,5 µm bei einer Meßstrecke von 500 µm auf.
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Ohne Beschränkung auf die dargestellten Beispiele ist für die Herstellung von Abstandhaltern für optische Systeme eine Dicke der transparenten Glasplatte 10 im Bereich von 100 µm bis 3,5 mm, vorzugsweise im Bereich von 200 µm bis 3,0 mm von Vorteil.
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Gemäß noch einer Ausführungsform weist die Glasplatte eine sehr geringe Dickenvariation (TTV=Total Thickness Variation) auf. Die Dickenvariation der transparenten Glasplatte ist bei dieser Ausführungsform geringer als 10µm bevorzugt 5 µm, vorzugsweise geringer als 2 µm, besonders bevorzugt geringer als 1 µm. Dieser geringe TTV-Wert ist unter anderem günstig, um bei einem Zusammenbau der gehäusten elektro-optischen Wandler auf Waferebene die verschiedenen Wafer ganzflächig miteinander verbinden zu können. Ein geringer TTV-Wert ist auch günstig, um eine auf dem Abstandhalter aufgebrachte, beziehungsweise mit dem Abstandhalter verbundene optische Komponente sehr genau positionieren zu können. Zur Ermittlung der Dickenvariation werden über den Wafer verteilt Dickenmesswerte ermittelt und dann die Differenz zwischen dem absolut größten und dem absolut kleinsten Dickenmesswert als TTV gebildet. Ein geringer TTV ist ebenso wichtig um eine möglichst gleiche Abstandseinhaltung zu erreichen, insbesondere bei optischen Systemen. Schwanken diese auf Waferebene, sind die daraus gefertigten Abstandhalter in ihrer Dicke unterschiedlich und jedes einzelnde Kameramodul muss in Bezug auf Weglänge zwischen den Linsen - oder Filterelementen kontrolliert bzw. kompensiert werden.
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Neben dem TTV ist auch eine Dickentoleranz, d.h. Dickengleichheit von Wafer zu Wafer erforderlich. Dieser sollte beispielhaft unterhalb 10µm liegen, bevorzugt <= 5µm betragen
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die auch in den beiden Ausführungsbeispielen der 1 und 2 realisiert ist, weisen die Seitenwandungen 50 der Öffnungen 5 jeweils mindestens einen ebenen Abschnitt 52 auf. Durch diesen ebenen Abschnitt kann das Licht hindurchtreten, ohne dass die Seitenwandung 50 als Linse bzw. Zylinderlinse wirkt oder in sonstiger Weise das räumliche Intensitätsprofil des Lichts deformiert.
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Allgemein, ohne Beschränkung auf die speziellen dargestellten Beispiele können die Seitenwandungen 50 der Öffnungen 5 vier ebene Abschnitte 52 aufweisen. Dabei können insbesondere jeweils zwei ebene Abschnitte 52 gegenüberliegen. Dieses Merkmal ist besonders dann erfüllt, wenn die Öffnungen 5 eine rechteckige oder quadratische Grundform aufweisen. Das Merkmal ist aber auch dann noch erfüllt, wenn die Ecken rechteckiger oder quadratischer Öffnungen 5 abgerundet sind.
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Einen vereinzelten, durch Abtrennen eines Abschnitts erhaltenen Abstandhalter 2 in perspektivischer Ansicht zeigt 3 Der Abstandhalter 2 ist herstellbar durch Abtrennen eines Abschnitts 4 von einem Abstandhalter-Wafer 1 herstellbar, wobei der Abstandhalter 2 ein rahmenförmiges Element mit einer Öffnung 5 darstellt, dessen Seitenwandung 50 mit einer Mikrostrukturierung 9 versehen ist, wobei die Mikrostrukturierung 9 eine Rauigkeit aufweist, deren Mittenrauwert Ra kleiner als 0,5 µm bei einer Meßstrecke von 500 µm beträgt. Die insbesondere unregelmäßige Mikrostrukturierung 9 ist in der Figur durch unregelmäßig angeordnete und unterschiedlich große Kreise und Ellipsen symbolisiert.
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Die Außenwandung 20 des Abstandhalters 2 kann ebenfalls eine solche Mikrostrukturierung 9 aufweisen. Ebenso möglich sind aber auch andere Oberflächenstrukturen, auch eine polierte Oberfläche, je nach Auftrennverfahren und optionaler Nachbearbeitung. Besonders ist daran gedacht, dass ein Zusammensetzen der elektro-optischen Wandlerbauteile im Waferverbund durchzuführen. Dann wird die Außenwandung vorzugsweise beim Auftrennen des Waferverbunds des Abstandhalter-Wafers 1 mit einem Funktionswafer, beziehungsweise die Wandlerelemente tragenden Wafer gebildet. An den in 1 und 2 gezeigten Trennlinien wird dann demgemäß gleichzeitig auch ein mit dem Abstandhalter-Wafer 1 verbundener Funktions- oder Trägerwafer aufgetrennt. Generell werden für den Abstandhalter-Wafer 1 Gläser mit Ausdehnungskoeffizienten von kleiner 8·10-6 K-1 bevorzugt, um insbesondere im Waferverbund mit den dafür gängigen Materialien thermomechanische Spannungen gering zu halten.
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Nachfolgend wird die Herstellung des Abstandhalter-Wafers 1 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beschrieben.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Abstandhalter-Wafers 1 oder eines Abstandhalters 2 wird
- - der Laserstrahl 27 eines Ultrakurzpulslasers 30 auf eine der Seitenflächen 102, 103 einer transparenten Glasplatte 10 gerichtet und mit einer Fokussierungsoptik 23 zu einem langgezogenen Fokus in der transparenten Glasplatte 10 konzentriert (ohne Beschränkung der Verhältnisse von Glasplattendicke zu Fokallänge, d.h. der Fokus kann komplett im Substrat liegen oder auch eine oder beide Substratoberflächen schneiden), wobei durch die eingestrahlte Energie des Laserstrahls 27 eine filamentförmige Schädigung 32 im Volumen der transparenten Glasplatte 10 erzeugt wird, deren Längsrichtung quer zur Seitenfläche 102, 103, insbesondere senkrecht zur Seitenfläche 102, 103 verläuft und zur Erzeugung einer filamentförmigen Schädigung der Ultrakurzpulslaser 30 einen Puls oder ein Pulspaket mit mindestens zwei aufeinander folgenden Laserpulsen einstrahlt, und wobei
- - der Auftreffpunkt 73 des Laserstrahls 27 auf der transparenten Glasplatte 10 entlang eines vorgegebenen geschlossenen Pfades geführt und damit
- - eine Vielzahl von nebeneinander auf dem Pfad liegenden filamentförmigen Schädigungen 32 eingefügt wird, wobei
- - nach dem Einfügen der filamentförmigen Schädigungen 32
- - die transparente Glasplatte 10 einem Ätzmedium 33 ausgesetzt wird, und damit
- - die filamentförmige Schädigungen 32 zu Kanälen aufgeweitet werden, wobei durch das Ätzen der Durchmesser der Kanäle so weit vergrößert wird, bis das Glas zwischen den Kanälen abgetragen wird und die Kanäle sich vereinigen und eine Öffnung 5 bilden, wobei durch das Ätzen eine Mikrostrukturierung 9 erzeugt wird, die eine Rauigkeit aufweist, deren Mittenrauwert Ra kleiner als 0,5 µm bei einer Meßstrecke von 500 µm beträgt.
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Die Form des geschlossenen Pfades, entlang dessen der Auftreffpunkt des Laserstrahls geführt wird, bestimmt demnach die Kontur der Öffnung.
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In 4 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung 12 gezeigt, mit welcher in eine transparente Glasplatte 10 filamentförmige Schädigungen 32 eingefügt werden können, um nachfolgend in einem Ätzprozess Kanäle an den Stellen der filamentförmigen Schädigungen 32 einzufügen. Die Vorrichtung 12 umfasst einen Ultrakurzpulslaser 30 mit vorgeschalteter Fokussierungsoptik 23 und eine Positioniereinrichtung 17. Mit der Positioniereinrichtung 17 kann der Auftreffpunkt 73 des Laserstrahls 27 des Ultrakurzpulslasers 30 auf der Seitenfläche 102 einer zu bearbeitenden transparenten Glasplatte 10 lateral positioniert werden. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst die Positioniereinrichtung 17 einen x-y-Tisch, auf dem die transparente Glasplatte 10 auf einer Seitenfläche 103 aufliegt. Alternativ oder zusätzlich möglich ist aber auch, die Optik beweglich auszubilden, um den Laserstrahl 27 zu bewegen, so dass der Auftreffpunkt 32 des Laserstrahls 27 bei festgehaltener transparenter Glasplatte 10 bewegbar ist.
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Die Fokussierungsoptik 23 fokussiert den Laserstrahl 27 nun zu einem in Strahlrichtung, also dementsprechend quer, insbesondere senkrecht zur bestrahlten Seitenfläche 102 langgezogenen Fokus. Ein solcher Fokus kann beispielsweise mit einer kegelförmigen Linse (ein sogenanntes Axikon) oder einer Linse mit großer sphärischer Aberration erzeugt werden. Die Steuerung der Positioniereinrichtung 17 und des Ultrakurzpulslasers 30 wird vorzugsweise mittels einer programmtechnisch eingerichteten Recheneinrichtung 15 durchgeführt. Auf diese Weise lassen sich vorbestimmte Muster von lateral entlang der Seitenfläche 2 verteilten filamentförmigen Schädigungen 32 erzeugen, dies insbesondere durch Einlesen von Positionsdaten, vorzugsweise aus einer Datei oder über ein Netzwerk. Um eine Öffnung 5 zu erzeugen, ergeben die Positionsdaten einen geschlossenen, beziehungsweise ringförmigen Pfad.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können folgende Parameter für den Laserstrahl verwendet werden:
- Die Wellenlänge des Laserstrahls beträgt 1064 nm, typisch für einen YAG-Laser. Es wird ein Laserstrahl mit einem Rohstrahldurchmesser von 12 mm erzeugt, der dann mit einer Optik in Form einer Bikonvex-Linse mit einer Brennweite von 16 mm fokussiert wird. Die Pulsdauer des Ultrakurzpulslasers beträgt weniger als 20 ps, bevorzugt etwa 10 ps. Die Pulse werden in Bursts mit 2 oder mehr, bevorzugt 4 oder mehr Pulsen abgegeben. Die Burstfrequenz beträgt 12-48 ns, bevorzugt etwa 20 ns, die Pulsenergie mindestens 200 Mikrojoule, die Burstenergie entsprechend mindestens 400 Mikrojoule.
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Anschließend, nach dem Einfügen einer oder insbesondere einer Vielzahl von filamentförmigen Schädigungen 32 wird die transparente Glasplatte 10 entnommen und in einem Ätzbad gelagert, wo in einem langsamen Ätzprozess Glas entlang der filamentförmigen Schädigungen 32 entfernt wird, so dass an der Stelle einer solchen Schädigung 32 jeweils ein Kanal in die transparente Glasplatte 10 eingefügt wird.
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In einer Ausführungsform wird ein basisches Ätzbad mit einem pH-Wert > 12, beispielsweise eine KOH-Lösung mit > 4 mol/l bevorzugt > 5 mol/l besonders bevorzugt > 6 mol/l, aber < 30 mol/l. Das Ätzen wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unabhängig vom verwendeten Ätzmedium bei einer Temperatur des Ätzbads von > 70 °C, bevorzugt > 80 °C, besonders bevorzugt > 90 °C durchgeführt.
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5 zeigt in Aufsicht auf eine Seitenfläche 2 ein Glaselement 1 mit einer Vielzahl von filamentförmigen Schädigungen 32, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind, wie es durch die oben beschriebene rechnergesteuerte Ansteuerung der Positioniereinrichtung 17 und des Ultrakurzpulslasers 30 in das Glaselement 1 eingeschrieben werden kann. Im Speziellen sind die filamentförmigen Schädigungen 32 hier beispielhaft entlang vorgegebener geschlossener Pfade 53 in Form geschlossener rechteckiger Linien in die transparente Glasplatte eingefügt worden. Einer der Pfade 53 ist als gestrichelte Linie gekennzeichnet. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass mit dem Verfahren nicht nur rechteckige, sondern beliebig geformte Pfade 53 abgefahren werden können.
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Wenn sich beim nachfolgenden Ätzen an den filamentförmigen Schädigungen Kanäle bilden und sich vereinigen, löst sich das durch den geschlossenen Pfad 53 definierte Innenteil 54 heraus und hinterlässt eine Öffnung 5.
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Generell kann durch Wahl eines geeigneten Ätzprozesses eine Mikrostrukturierung 9 erhalten werden, die sich durch eine Vielzahl von kalottenförmigen Vertiefungen auszeichnet. Insbesondere können diese Vertiefungen durch vergleichsweise scharfe Grate getrennt sein. Da die Grate, an denen konvexe Krümmungsradien auftreten, nur schmal sind, kann die Mikrostrukturierung gemäß einer Ausführungsform auch dahingehend charakterisiert werden, dass das Verhältnis vom Flächenanteil mit konvex gewölbter Oberfläche zum Flächenanteil mit konkav gewölbter Oberfläche (wie sie etwa in den kalottenförmigen Vertiefungen vorliegt), höchstens 0,25, vorzugsweise höchstens 0,1 beträgt.
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Diese Mikrostrukturierung hat sich als besonders günstig erwiesen, um das hindurchtretende Licht nur wenig zu beeinflussen.
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Die Größe, Form und Tiefe der Vertiefungen und damit auch der Wert des Mittenrauwerts kann weiter durch den Ätzprozess und die Parameter der Laserbearbeitung beeinflusst werden.
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Bevorzugt werden geringe Ätzraten. In Weiterbildung des Verfahrens ist dazu vorgesehen, dass das Glas der transparenten Glasplatte 10 mit einer Abtragsrate von kleiner als 5 µm pro Stunde abgetragen wird. Insbesondere können die gewünschten Mittenrauwerte auch mittels der Gesamtätzdauer erreicht werden. Hierzu ist es günstig, wenn die Ätzdauer mindestens 12 Stunden beträgt. Vorzugsweise wird dabei der Abstand („Pitch“) der filamentförmigen Schädigungen an die Ätzdauer und Ätzrate angepasst, so dass ein überflüssiges Ätzen bei bereits abgelöstem Innenteil 54 vermieden wird.
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In
6 sind in drei Teilbildern (a), (b), (c) zweidimensionale Höhenprofile einer Mikrostruktur auf der Innenwand, beziehungsweise Seitenwandung 50 einer Öffnung dargestellt. Die verschiedenen, hier nur als Grauwerte dargestellten Farbwerte korrespondieren dabei zur Höhenkoordinate. Die Höhenprofile zeigen dabei verschieden große Ausschnitte der Seitenwandung 50 einer Probe. Die Messfeld-Größen und die anhand der Ausschnitte ermittelten Mittenrauwerte sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet:
| Teilbild | (a) | (b) | (c) |
| Größe Messfeld | 521µm×831µm | 336µm×336µm | 167µm×167µM |
| Mittenrauwert Ra | 0,41µm | 0,32µm | 0,17µm |
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In Teilbild (a) ist in der Bildmitte noch eine von links nach rechts laufende Meßstrecke eingezeichnet. Die Meßstrecke hat demnach eine Länge von 521 µm, also von etwa 500 µm. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, beträgt der Mittenrauwert bei einer Meßstrecke von 521 µm mit 0,41 µm weniger als 0,5 µm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die durch die Messung gemäß Teilbild (b) gestützt wird, kann der Mittenrauwert Ra der Mikrostrukturierung 9 der Seitenwandung 50 bei einer Meßstrecke von 350 µm weniger als 0,4 µm betragen. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform, die durch die Messung gemäß Teilbild (c) gestützt wird, kann der Mittenrauwert Ra der Mikrostrukturierung 9 der Seitenwandung 50 der Öffnung 5 bei einer Meßstrecke von 170 µm weniger als 0,25 µm betragen. Die Messtrecken können bei diesen Ausführungsformen auch jeweils um 10 % verlängert oder verkürzt sein, können also Längen von 350 µm ± 35 µm, beziehungsweise 170 µm ± 17 µm haben.
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Besonders bei der Betrachtung des Teilbilds (c) wird deutlich, dass die Mikrostrukturierung 9 überwiegend aus runden Flächen mit relativ monotonem Grauwert, also auch geringer Höhenänderung zusammengesetzt ist. Diese runden Flächen sind die tieferliegenden Teile der kalottenförmigen Vertiefungen 56. Demnach weisen die Vertiefungen 56 einen relativ ebenen und großen Bodenbereich auf. Dies kann auch eine Ursache dafür sein, dass die Mikrostrukturierung die Lichteinkopplung oder Auskopplung nur wenig beeinflusst.
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Die Beeinflussbarkeit des Mittenrauwerts der Mikrostrukturierung 9 wird auch besonders anhand von 7 deutlich.
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7 zeigt Messwerte des Mittenrauwerts an der Seitenwandung 50, die durch die oben beschriebene Kombination des Einbringens von filamentförmigen Schädigungen mit einem Ultrakurzpulslaser und dem anschließenden Aufätzen der Schädigungen hergestellt wurden. Die Messwerte sind als Funktion der Anzahl der Laserpulse innerhalb eines Bursts für verschiedene Abstände zwischen den Auftreffpunkten der Laserpulse aufgetragen. Die Anzahl der Laserpulse variiert von einem Einzelpuls bis zu 8 Pulsen im Burst-Betrieb des Ultrakurzpulslasers. Für das Herauslösen der Innenteile 54 wurde ein langsamer Ätzprozess mit einer Dauer von 48 Stunden gewählt. Wie man an den Diagrammen erkennt, sind besonders niedrige Abstände zur Erzielung niedriger Mittenrauwerte günstig. Im Speziellen sind Abstände bis 4 Mikrometer günstig. Bei diesen kleinen Abständen werden, wie die obersten beiden Diagramme („Pitch: 3 µm“ und „Pitch: 4 µm“) zeigen, niedrige Mittenrauwerte besonders bei wenigen Pulsen und sehr vielen Pulsen eines Bursts erreicht, obwohl die Abhängigkeit bei kleinen räumlichen Abständen der Auftreffpunkte nicht sehr stark ist. Eine höhere Rauigkeit zeigt sich auch bei verringerter Ätzdauer (nicht in der Figur gezeigt). Die Versuche wurden mit folgenden Parametern für das Ätzen durchgeführt: Es wurde eine Lösung mit 6 mol/L KOH bei 100 °C verwendet. Der Abtrag betrug an den Seitenflächen 34 µm bei einer Ätzdauer von 16 Stunden, 63 µm bei 30 Stunden und 97 µm bei 48 Stunden.
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Generell kann man folgende Tendenzen ablesen:
- (i) Ein großer Pitch führt zu einer raueren Oberfläche,
- (ii) Längere Ätzzeiten führen zu glatteren Seitenflächen.
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Die Ätzzeit an der freien Strukturfläche einer der Einflussfaktoren für die Rauigkeit der Oberfläche. Je früher das Innenteil 56 entfernt wird desto glatter kann die Struktur werden (kleiner Pitch). Je geringer die eingebrachte Schädigungsstruktur desto glatter ist die Struktur (kleine Burstzahl, oder geringe Energie in den einzelnen Laserpulsen aufgrund einer hohen Pulsanzahl). Auch die Pulslänge hat überraschend einen Einfluss auf die Rauigkeit der Seitenwandung. In einem weiteren Experiment wurden die in Bezug auf eine niedrige Rauigkeit besten Parameter für Pulse von 10 ps Dauer und 1 ps Dauer verglichen. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt:
- (i) Beste Parameter bei 10 ps:
- • 1 Burst / 3 µm Pitch
- → Ra = 0,42 pm - 0,50 µm.
- Beste Parameter bei 1 ps:
• 1 Pitch Burst / 3µm - 10 µm
- → Ra = 0,38 µm - 0,52 µm.
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Das Ätzen erfolgte jeweils mit einer Lösung von 6mol/L KOH bei 100°C, wobei 10 µm Glas abgetragen wurden. Generell zeigt sich, dass bei sehr kurzen Pulsdauern die Abhängigkeit vom Pitch geringer ist. Daher ergibt sich ein die obigen Ergebnisse einschließendes günstiges Parameterfeld mit einer Pulsdauer von 0,5 ps bis 2 ps (vorzugsweise 0,75 ps bis 1,5 ps) und einem Pitch von 1 µm bis 15 µm (vorzugsweise 2 µm bis 12 µm).
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Daher ist in Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass für das Heraustrennen der Innenteile 56 zumindest einer der folgenden Parameter im Verfahren realisiert wird:
- - der räumliche Abstand zweier Auftreffpunkte 73 des Laserstrahls 27 auf der transparenten Glasplatte 10 beträgt höchstens 6 µm, vorzugsweise höchstens 4,5 µm,
- - die Dauer des Ätzens beträgt mindestens 12, vorzugsweise mindestens 20 Stunden,
- - die Anzahl der Pulse eines Bursts zum Einbringen einer filamentförmigen Schädigung 32 beträgt höchstens 2 oder mindestens 7,
- - die Pulsdauer des Lasers liegt im Bereich von 0,5 ps bis 2 ps (vorzugsweise 0,75 ps bis 1,5 ps) bei einem räumliche Abstand zweier Auftreffpunkte 73 des Laserstrahls 27 auf der transparenten Glasplatte 10 von 1 µm bis 15 µm (vorzugsweise 2 µm bis 12 µm).
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Mit den Abstandhalter-Wafern 1, wie sie beispielhaft in den 1 und 2 gezeigt sind, oder mit den abgetrennten Abstandhaltern 2 können dann elektro-optische Wandlerbauelemente realisiert werden. Wie oben gesagt, kann die weitere Verarbeitung zur Herstellung der elektro-optischen Wandlerbauelemente auch im Waferverbund erfolgen, so dass das Abtrennen der Abstandhalter zusammen beim Abtrennen der Bauelemente vom Waferverbund erfolgt. Das Abtrennen kann in diesem Fall durch mechanisches Dicen, beziehungsweise Sägen mit einer Trennscheibe erfolgen. Ein elektro-optisches Wandlerbauteil 3 mit einem rahmenförmigen Abstandhalter 2 zeigt dazu 8. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine mögliche Realisierung einer Ausführungsform eines elekro-optischen Wandlerbauteils 3 mit einem wie hier beschriebenen Abstandhalter 2, umfassend einen Träger 11, auf welchem eine elektro-optisches Wandlerelement 13 angeordnet ist, wobei auf dem Träger 11 auf der Seite mit dem elektro-optischen Wandlerelement 13 der Abstandhalter 2 befestigt ist, so dass das elektro-optische Wandlerelement 13 in der Öffnung 5 angeordnet ist, und wobei auf dem Abstandhalter 2 ein Deckelelement 16 angeordnet ist, so dass ein seitlich durch die Seitenwandung 50 der Öffnung 5 des Abstandshalters 2 abgeschlossener Hohlraum 18 zwischen dem Träger 11 und dem Deckelelement 16 gebildet wird, der das elektro-optische Wandlerelement 13 umschließt. Dabei kann insbesondere Licht, welches vom elektro-optischen Wandlerelement 13 emittiert oder empfangen wird, den Hohlraum 18 queren. Während für viele Anwendungen gut temperaturleitende Materialien eingesetzt werden, eignet sich Glas als Material für den Abstandhalter hier, wenn etwa vermieden werden soll, dass eine hohe Wärmeleistung auf das Deckelelement übertragen wird. Dies kann etwa bei organischen Beschichtungen des Deckels oder bei temperaturempfindlichen optischen Präzisionselementen auf dem Deckel unerwünscht sein.
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Insbesondere ist in einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Abstandhalter 2 transparent ist. Dabei ist das Wandlerelement 13 ausgebildet, Licht seitlich zwischen dem Deckelelement 16 und dem Träger 11 durch die Innenseite 50 der Öffnung 5 des Abstandhalters 2 hindurch zu senden oder zu empfangen. Mögliche Strahlengänge sind in 8 als Lichtstrahlen 19 eingetragen. Gegebenenfalls können auch andere elektromagnetische Wellen durch den Abstandhalter 2 hindurch gesendet oder empfangen werden. Gedacht ist hier besonders an RF-Signale.
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Das elektro-optische Wandlerelement 13 kann generell eine Leuchtdiode, eine Laserdiode oder ein Kamerachip sein. Bei Laserdioden können sowohl VCSEL (VCSEL=„Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) als auch seitenemittierende Laserdioden (EEL=„Edge Emitting Laser“) verwendet werden. Bei EEL bietet sich eine Auskopplung des Laserlichts durch den Abstandhalter hindurch besonders an. Bei VCSEL kann beispielsweise das Laserlicht durch das Deckelelement 16 hindurch emittiert werden, wobei der transparente Abstandhalter 2 dazu nutzbar ist, Streulicht für eine externe Monitordiode zu transmittieren.
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Bei einem eingehausten Kamera-Chip als elektro-optisches Wandlerelement 13 kann die Mikrostrukturierung der Seitenwandung 50 mit geringer Rauigkeit von Vorteil sein, wenn in dem Hohlraum 18 eine Flüssiglinse eingesetzt wird. Bei Flüssiglinsen kann es an einer rauen Wand zu Blasenbildung kommen. Zudem können raue Strukturen die Linsenoberfläche beeinflussen.
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Das elektro-optische Wandlerelement 13 kann beispielsweise über eine oder mehrere elektrische Durchführungen 36 im Träger 11 versorgt werden. Im gezeigten Beispiel ist das elektro-optische Wandlerelement 13 mit Bonddrähten 35 mit den Durchführungen verbunden. Das elektro-optische Wandlerbauteil 3 kann weiterhin als SMD-Baustein ausgebildet sein. In diesem Fall können auf den Durchführungen 36 Lotkugeln 37 aufgebracht sein. Selbstverständlich existieren hier viele weitere Bauformen. Bei einer weiteren möglichen Bauform kann beispielsweise der Träger 11 selbst Bestandteil des elektro-optischen Wandlerelements 13 sein, etwa wenn der Träger 11 ein Halbleitersubstrat ist, in dem das elektro-optischen Wandlerelement 13 ausgebildet wird.
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Im dargestellten Beispiel ist nur ein einzelnes elektro-optisches Wandlerelement 13 im Hohlraum 18 eingeschlossen. Es können aber auch mehrere elektro-optische Wandlerelemente 13 in einem gemeinsamen Hohlraum 18 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Anordnung von mehreren VCSELn auf dem Träger 11 innerhalb des Hohlraums 18 befestigt sein. Generell können verschiedene Wandler, wie VCSL, EEL, LD miteinander innerhalb der Öffnung 5 kombiniert werden. Weiterhin können auch ein oder mehrere Sensoren und Emitter zusammen verbaut sein.
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In einer Ausführungsform bildet das elektro-optische Wandlerbauteil 3 ein Kamera-Modul welches für die zweidimensionale Bildaufzeichnung, oder auch für 3D-Erfassung (3D-Camera-Imaging), wie es für die dreidimensionale Gesichtserkennung eingesetzt werden kann.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann die Seitenwandung 50 der Öffnung 5 des rahmenförmigen Abstandhalters 2 beschichtet sein. Bei dem in 8 gezeigten Beispiel ist der auf der rechten Seite dargestellte Teil der Seitenwandung 50 mit einer Beschichtung 6 versehen. Die Beschichtung 6 kann die Seitenwandung 50 teilweise, aber auch vollständig bedecken. Eine solche Beschichtung 6 kann insbesondere eine Antireflex-Beschichtung, eine Reflexions-Beschichtung, eine halbtransparente Beschichtung, eine farbgebende Beschichtung oder eine metallische Beschichtung sein. Auch können mehrere Beschichtungen kombiniert werden, um eine mehrlagige Beschichtung zu erhalten. Die Beschichtung 6 kann bereits am Abstandhalter-Wafer 1 vor der Vereinzelung der Abstandhalter 2 aufgebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abstandhalter-Wafer
- 2
- Abstandhalter
- 3
- elektro-optisches Wandlerbauteil
- 4
- Abschnitt von 1
- 5
- Öffnung
- 6
- Beschichtung
- 7
- Trennlinie
- 9
- Mikrostrukturierung
- 10
- Glasplatte
- 11
- Träger
- 12
- Laserbearbeitungsvorrichtung
- 13
- elektro-optisches Wandlerelement
- 15
- Recheneinrichtung
- 16
- Deckelelement
- 17
- Positionierungseinrichtung
- 18
- Hohlrraum
- 19
- Lichtstrahl
- 20
- Außenwandung von 2
- 23
- Fokussierungsoptik
- 27
- Laserstrahl
- 30
- Ultrakurzpulslaser
- 32
- filamentförmige Schädigung
- 35
- Bonddraht
- 36
- Durchführung
- 37
- Lotkugel
- 50
- Seitenwandung von 5
- 52
- ebener Abschnitt von 5
- 53
- geschlossener Pfad
- 54
- Innenteil
- 56
- Vertiefung
- 73
- Auftreffpunkt des Laserstrahls 27
- 102, 103
- Seitenflächen von 10
- 105
- Kanal
