DE102020212424A1

DE102020212424A1 - Laser-Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements

Info

Publication number: DE102020212424A1
Application number: DE102020212424.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Majoni; Christoph Schelling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-10-01
Filing date: 2020-10-01
Publication date: 2022-04-07
Also published as: CN114268017A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laser-Bauelement mit einem Kavitätssubstrat (10), welches an einer ersten Seite eine Kavität (15) und wenigstens eine Leiterbahn (40) aufweist, mit einem Deckelsubstrat (20), welches an einer Innenseite mit dem Kavitätssubstrat an dessen erster Seite mittels eines Verbindungsmittels verbunden ist und die Kavität abschließt und mit einem Laser (50), welcher in der Kavität angeordnet ist, wobei der Laser mit der Leiterbahn elektrisch leitend verbunden und daran befestigt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements.

Description

Stand der Technik
Für neuartige Projektionsanwendungen wie beispielsweise Augmented Reality Brillen werden Lichtquellen benötigt, die besonders geringe Baugröße besitzen und sehr kompakte, kostengünstige und flexible Aufbaukonzepte ermöglichen. Dies können beispielsweise Laserdioden sein. Solche Laserbauelemente müssen aber vor Umwelteinflüssen, insbesondere Sauerstoff geschützt werden. Herkömmlich werden die Laser in TO-Metallgehäuse eingebaut, welche jedoch sehr groß sind. Eine hermetisch dichte Verpackung mittels mikromechanisch bearbeiteter Wafer aus der Halbleiterindustrie ermöglicht eine weitere Miniaturisierung.
Aus den Offenlegungsschriften US2015003482A , DE 10 2015 108 117 A1 , DE 10 2015 208 704 A1 sind Laser-Bauelemente mit mikromechanischen Verpackungen bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein robustes Laser-Bauelement mit einer einfachen, hermetischen Verpackung zu schaffen.
Vorteile der Erfindung
Kern
Die Erfindung betrifft ein Laser-Bauelement mit einem Kavitätssubstrat (10), welches an einer ersten Seite eine Kavität (15) und wenigstens eine Leiterbahn (40) aufweist, mit einem Deckelsubstrat (20), welches an einer Innenseite mit dem Kavitätssubstrat an dessen erster Seite mittels eines Verbindungsmittels verbunden ist und die Kavität abschließt, und mit einem Laser (50), welcher in der Kavität angeordnet ist, wobei der Laser mit der Leiterbahn elektrisch leitend verbunden und daran befestigt ist.
Vorteilhaft verbindet diese Anordnung das Befestigen des Lasers mit der elektrischen Kontaktierung des Lasers. Vorteilhaft kommt diese Anordnung ohne Bonddrähte aus und ermöglicht so eine besonders robuste und kompakte Bauform. Vorteilhaft können Kavitätssubstrat und Deckelsubstrat unmittelbar, also ohne Abstandshalter, miteinander gebondet werden. Dadurch ist nur eine hermetische Bondverbindung notwendig.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Laser-Bauelements umfasst eine hermetische Verpackung bestehend aus einem Kavitätssubstrat mit einer darin ausgebildeten Kavität, wobei mindestens eine der Seitenwände schräg ausgebildet ist, Leiterbahnen, die von einer äußeren Oberfläche des Substrates über eine schräge Seitenwand auf den Boden der Kavität geführt sind, einen Laser, der elektrisch mit diesen Leiterbahnen verbunden ist, und ein transparentes Deckelsubstrat, das mit der äußeren Oberfläche des Kavitätssubstrates über eine Bondverbindung hermetisch dicht verbunden ist.
Das Deckelsubstrat kann Durchkontakte außerhalb des Kavernenbereichs aufweisen, die mit den in die Kaverne führenden Leiterbahnen elektrisch leitfähig verbunden sind.
Das Kavitätssubstrat kann alternativ Drahtbondpads in einem überlappfreien Bereich außerhalb des Deckelsubstrates aufweisen.
Das Deckelsubstrat kann optische Elemente wie eine optische Apertur oder eine aufgeprägte Linse aufweisen.
Der Laser kann aus einem Laser-Chip auf einem Keramiksubstrat bestehen, wobei das Keramiksubstrat (z. B. aus AIN) mit den Leiterbahnen in der Kaverne verbunden ist, z. B. über Durchkontakte und eine Lotverbindung.
Bei dem Laserchip kann es sich um einen kantenemittierenden oder einen vertikal emittierenden Laser handeln.
Statt eines einzelnen Lasers können mehrere Laser, auch mit verschiedenen Emissionswellenlängen, in der Kavität platziert werden.
Eine der Kavernenwände kann eine bevorzugt schräge Spiegelfläche zur Umlenkung von Licht oder ein transparentes Austrittsfenster aufweisen, insbesondere in Kombination mit einem kantenemittierenden Laser-Chip.
Als Bondverbindung zwischen Deckelsubstrat und Kavitätssubstrat wird vorteilhaft CuSn, AuSn oder ein reaktives Multilagen-Bondmaterialsystem wie z. B. Ni/Al, Ti/Al, Ni/Si, Ta/Si, Ti/Si verwendet. Diese Bondmaterialsysteme ermöglichen ein Bonden bei einer Temperatur unterhalb von 250...300°C, was essentiell für die Zuverlässigkeit der Laser ist, die keine hohen Temperaturen in der Weiterverarbeitung tolerieren.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements. Vorteilhaft erfordert das Verfahren nur eine hermetische Bondverbindung und somit nur einen Verfahrensschritt des Bondens. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Laser-Bauelement kann in Flip-Chip Anordnung montiert werden, also mit dem Deckelsubstrat zur Montagefläche weisend. Vorteilhaft ermöglicht das Verfahren die Integration weiterer Verfahrensschritte, wie beispielsweise das Ausbilden einer Spiegelfläche oder eines optischen Fensters in der Kavität.
Figurenliste

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Laser-Bauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel mit Durchkontakten durch ein Deckelsubstrat.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Laser-Bauelement in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit freiliegenden äußeren Kontakten auf einem Kavitätssubstrat.
3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements.

Beschreibung
Laser-Bauelement
Die Laserbauelemente müssen wegen ihrer hohen optischen Leistungsdichte im Betrieb vor Sauerstoff geschützt werden. Dies wird über eine hermetisch dichte Wafer-Level (WL)-Verpackung und eine definierte sauerstofffreie Bondatmosphäre erzielt. Für die Zuverlässigkeit der Laserbauelemente ist es günstig, wenn die hermetische Dichtung über möglichst wenige Bondverbindungen dargestellt werden kann.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Laser-Bauelement in einem ersten Ausführungsbeispiel mit Durchkontakten durch ein Deckelsubstrat. Das Laser-Bauelement umfasst ein Kavitätssubstrat 10, welches an einer ersten Seite eine Kavität 15 und wenigstens eine Leiterbahn 40 aufweist, sowie ein Deckelsubstrat 20, welches an einer Innenseite mit dem Kavitätssubstrat an dessen erster Seite mittels einer hermetischen Bondverbindung 130 verbunden ist und die Kavität abschließt. In der Kavität ist ein Laser 50 angeordnet, wobei der Laserchip mit der Leiterbahn über ein Verdrahtungssubstrat 60 (z. B. AIN-Keramik) elektrisch leitend verbunden und daran befestigt ist. Das Laser-Bauelement weist einen optischen Strahlengang 55 auf, welcher Licht aus dem Bauelement austreten lässt.
Das Kavitätssubstrat 10 stellt mit der darin ausgebildeten Kavität die Aufnahme für den Laserchip dar. Eine schräge Seitenwand der Kavität ermöglicht es, an der ersten Seite die Leiterbahnen von der äußeren Oberfläche des Substrates auf den Boden der Kavität zu führen. Am Boden befinden sich Kontaktflächen, mit denen ein oder mehrere Laserbauelemente elektrisch über eine Lot- oder Drahtbondverbindung kontaktiert ist bzw. sind. Dazu ist ein Verdrahtungssubstrat 60 zwischen den Leiterbahnen und dem Laser angeordnet. Ein transparentes Deckelsubstrat 20, das mit der äußeren Oberfläche des Kavitätssubstrates an dessen erster Seite über eine Bondverbindung 130 verbunden ist, dichtet die Kavität 15 hermetisch nach außen ab. Zwischen den Leiterbahnen 40 und dem Kavitätssubstrat 10 ist eine elektrisch isolierende Schicht 30 angeordnet.
Das Deckelsubstrat 20 weist in diesem Beispiel Durchkontakte 110 außerhalb des Kavernenbereichs auf, die mit den in die Kaverne führenden Leiterbahnen elektrisch leitfähig verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, äußere Kontakte darzustellen, welche sich über das Deckelsubstrat erheben. Hier sind dafür Lotkugeln 120 angeordnet. Das Laser-Bauelement kann somit kopfüber („Flipchip“) montiert werden, sodass es in Montagerichtung Licht emittiert („bottom emitter“). Dazu ist das Deckelsubstrat vorteilhaft von einem Glaswafer mit Durchkontakten 110 (sog. Through Glass Vias) gebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Zuleitungen niedrigere RC-Konstanten besitzen als bei einer Durchführung durch das Kavitätssubstrat, für das üblicherweise Silizium verwendet wird.
Als weiterer Vorteil des Laser-Bauelements ist anzuführen, dass die Rückseite des Kavitätssubstrats ganzflächig für Wärmeabfuhrmaßnahmen kontaktiert werden kann, was letztlich der Zuverlässigkeit des Laser-Bauelements zu Gute kommt.
In einer alternativen Ausführungsform können statt der Lotkugeln 120 Drahtbonds angeordnet sein.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Laser-Bauelement in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit freiliegenden äußeren Kontakten auf einem Kavitätssubstrat. Das Kavitätssubstrat weist alternativ zum ersten Ausführungsbeispiel Drahtbondpads in einem überlappfreien Bereich außerhalb des Deckelsubstrates auf.
In dieser Aufbauvariante erfolgt die Kontaktierung bevorzugt über Drahtbonds, eine Überkopf-Kontaktierung mittels Lotkugeln ist jedoch ebenfalls vorstellbar.
Das Deckelsubstrat kann optische Elemente wie eine optische Apertur 80, Antireflektionsbeschichtungen 90 oder auch eine aufgeprägte Linse aufweisen. Dadurch lässt sich die Strahlqualität des Bauelements verbessern und ungewollte, ungerichtete Streustrahlung unterdrücken.
Der Laserchip kann auf einem Verdrahtungssubstrat 60 (z. B. aus AIN-Keramik) aufgebaut sein, welches dann mit den Leiterbahnen in der Kaverne verbunden wird, z. B. über Durchkontakte und eine Lotverbindung. Dieses Vorgehen ermöglicht eine Funktionsprüfung der Laser auf dem Verdrahtungssubstrat vor dem Einbau in die Kavität und stellt sicher, dass nur funktionale Laser verpackt werden.
Bei dem Laserchip kann es sich um einen kantenemittierenden oder einen vertikal emittierenden Laser handeln. Statt eines einzelnen Lasers können mehrere Laser in der Kavität platziert werden, wobei auch die Kombination beider Laserarten - kantenemittierender EEL (edge emitting laser) und vertikal emittierender VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) - in derselben Kavität möglich ist. Die Kombination verschiedener Laser ermöglicht die Realisierung von kompakten RGB(IR)-Laser-Bauelementen, beispielsweise für eine Farbprojektion.
Eine der Kavernenwände weist eine bevorzugt schräge Spiegelfläche 70 zur Umlenkung von Licht auf. Alternativ kann die Kavernenwand als ein transparentes Austrittsfenster eingerichtet sein. Dies ist insbesondere in Kombination mit einem kantenemittierenden Laser-Chip sinnvoll. Mit dieser Spiegelfläche bzw. dem Austrittsfenster wird die Wahl der Emissionsrichtung möglich.
Als Bondverbindung 130 zwischen Deckelsubstrat und Kavitätssubstrat wird CuSn, AuSn oder ein reaktives Multilagen-Bondmaterialsystem wie z. B. Ni/Al, Ti/Al, Ni/Si, Ta/Si, Ti/Si verwendet. Diese Bondmaterialsysteme ermöglichen ein Bonden unterhalb von 250...300°C, was essentiell für die Zuverlässigkeit der Laser ist, die keine hohen Temperaturen in der Weiterverarbeitung tolerieren.
Herstellungsverfahren
3 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements. In einem Schritt (A) werden ein Kavitätssubstrat und ein Deckelsubstrat bereitgestellt. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein monokristalliner Siliziumwafer als Kavitätssubstrat und ein Glaswafer als Deckelsubstrat bereitgestellt. Das Herstellungsverfahren wird anschließend auf Waferebene durchgeführt. In einem Schritt (B) wird eine Kavität an einer ersten Seite in das Kavitätssubstrat eingebracht. Das geschieht beispielsweise durch Ätzen oder auch mechanisches Bohren oder auch Laserbohren. In einem Schritt (C) wird eine Isolationsschicht, beispielsweise aus SiO2, an einer Oberfläche an der ersten Seite des Kavitätssubstrats ausgebildet. Die elektrisch isolierende Schicht oder Isolationsschicht kann beispielsweise abgeschieden werden. Sie kann aber auch, insbesondere auf einem Siliziumwafer, durch thermische Oxidation erzeugt werden. In einem Schritt (D) werden auf der Isolationsschicht Leiterbahnen, beispielsweise aus Kupfer, Nickel oder Gold ausgebildet. Dies kann insbesondere durch Aufdampfen geschehen. Die Leiterbahnen werden in einem Ausführungsbeispiel derart angeordnet, dass sie sich von einem ersten Bereich am Boden der Kavität bis zu einem zweiten Bereich außerhalb der Kavität auf der ersten Seite des Kavitätssubstrats erstrecken. In einem Schritt (E) wird der Laser in der Kavität, beispielsweise durch Löten bei T<300°C auf die Leiterbahnen montiert. Es kommen aber auch Kleben mit einem Leitkleber oder andere Montageverfahren infrage, welche den Laser einerseits mechanisch an dem Kavitätssubstrat befestigen und andererseits elektrisch mit den Leiterbahnen kontaktieren. In einem Schritt (F) wird das Deckelsubstrat auf das Kavitätssubstrat gebondet. Dies geschieht beispielsweise durch SLID-Bonden (engl: solid liquid interdiffusion bonding) oder durch reaktives Bonden, beispielsweise mit integrierten reaktiven Multilagensystemen (iRMS-Bonden). Das Verfahren kann auch noch um weitere Schritte ergänzt sein. So kann beispielsweise nach dem Schritt (B) und vor dem Schritt (E) auf eine Wand der Kaverne eine Spiegelschicht aufgebracht werden. _[csi] Im Schritt (A) kann ein Deckelsubstrat mit darin angelegten Durchkontakten bereitgestellt werden.
Nach dem Schritt (F) in einem Schritt (G) können Lotkugeln oder Drahtbonds auf äußere Kontakte aufgebracht werden, welche mit den Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind.
Nach dem Schritt (F) und insbesondere nach dem Schritt (G) können die verbundenen Wafer, beispielsweise mittels Sägen, in einzelne Laser-Bauelemente zerteilt werden.
Bezugszeichenliste

10: Kavitätssubstrat
15: Kavität
20: Deckelsubstrat
30: Isolationsschicht
40: Leiterbahn
50: Laser
55: Strahlengang
60: Verdrahtungssubstrat
70: Spiegelfläche
80: [Blende] _[cs2]
90: Antireflektionsbeschichtung (ARC)
100: Verbindungsbereich
110: Durchkontakt (via)
120: Lotkugel
130: hermetische Bondverbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2015003482 A [0002]
DE 102015108117 A1 [0002]
DE 102015208704 A1 [0002]

Claims

Laser-Bauelement - mit einem Kavitätssubstrat (10), welches an einer ersten Seite eine Kavität (15) und wenigstens eine Leiterbahn (40) aufweist, - mit einem Deckelsubstrat (20), welches an einer Innenseite mit dem Kavitätssubstrat an dessen erster Seite mittels eines Verbindungsmittels verbunden ist und die Kavität abschließt, - mit einem Laser (50), welcher in der Kavität angeordnet ist, wobei der Laser mit der Leiterbahn elektrisch leitend verbunden und daran befestigt ist.
Laser-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelsubstrat (20) in einem Strahlengang (55) des Lasers (50) angeordnet und zur Transmission von Lichtstrahlung aus dem Laser eingerichtet ist.
Laser-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (50) mittels eines Verdrahtungssubstrats (60) mit der Leiterbahn (40) elektrisch leitend verbunden und daran befestigt ist.
Laser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kavitätssubstrat (10) an der ersten Seite eine Isolationsschicht (30) aufweist, welche wenigstens zwischen der Leiterbahn (40) und dem Kavitätssubstrat angeordnet ist.
Laser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand der Kavität (15) an der ersten Seite des Kavitätssubstrats (10) als Spiegelfläche (70) im Strahlengang (55) des Lasers (50) eingerichtet ist, derart, dass Lichtstrahlung aus dem Laser zum Deckelsubstrat (20) reflektierbar ist.
Laser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelsubstrat (20) an der Innenseite eine Beschichtung aufweist, welche als Blende (80) für die Lichtstrahlung aus dem Laser ausgestaltet ist.
Laser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand der Kavität (15) an der ersten Seite des Kavitätssubstrats (10) als Fenster im Strahlengang des Lasers eingerichtet ist, derart, dass Lichtstrahlung aus dem Laser (50) durch das Kavitätssubstrat nach außen gelangen kann.
Laser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Oberfläche des Deckelsubstrats (20) im Strahlengang des Lasers (50) eine Antireflektionsbeschichtung (90) aufweist.
Laser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Seite des Kavitätssubstrats (10) neben dem Deckelsubstrat (20) wenigstens ein äußerer elektrischer Kontakt ausgebildet ist, welcher mit der Leiterbahn (40) elektrisch kontaktiert ist.
Laser-Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass, der äußere elektrische Kontakt, höher über die erste Seite des Kavitätssubstrats ragt, als das Deckelsubstrat und insbesondere eine Lotkugel (120) oder einen Drahtbond aufweist.
Laser-Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelsubstrat (20) wenigstens einen Durchkontakt (110) von der Innenseite zu einer gegenüberliegenden Außenseite aufweist, wobei der Durchkontakt an der Innenseite mit der Leiterbahn (40) elektrisch kontaktiert ist und an der Außenseite einen äußeren elektrischen Kontakt, insbesondere eine Lotkugel (120) oder einen Drahtbond aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements mit den Schritten: (A) Bereitstellen eines Kavitätssubstrates und eines Deckelsubstrats; (B) Einbringen einer Kavität in das Kavitätssubstrat an einer ersten Seite; (C) Ausbilden einer Isolationsschicht an einer Oberfläche an der ersten Seite des Kavitätssubstrats; (D) Ausbilden von Leiterbahnen, insbesondere aus Cu, Ni oder Au, auf der Isolationsschicht; (E) Montage des Lasers in der Kavität, z. B. durch Löten und elektrisches Kontaktieren an den Leiterbahnen; (F) Bonden des Deckelsubstrates auf das Kavitätssubstrat, insbesondere mittels SLID- oder iRMS-Bonden.
Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (B) und vor dem Schritt (E) eine Spiegelfläche an einer Seitenwand der Kavität ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Laser-Bauelements nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt (F) in einem Schritt (G) Lotkugeln oder Drahtbonds auf äußere Kontakte aufgebracht werden, welche mit den Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind.