DE102020213776A1 - Method of cleaving a crystal - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spalten eines Kristalls (2), umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls auf den Kristall (2) zum Modifizieren, insbesondere zum Abtragen, von Material des Kristalls (2). Beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls wird das Material des Kristalls (2) bis zu einer Eindringtiefe modifiziert, die mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% einer Dicke des Kristalls (2) entspricht, wobei durch das Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls der Kristall (2) entlang einer vorgegebenen Bruchkante gespalten wird.The invention relates to a method for cleaving a crystal (2), comprising: irradiating a pulsed laser beam onto the crystal (2) to modify, in particular to remove, material from the crystal (2). When the pulsed laser beam is radiated in, the material of the crystal (2) is modified to a penetration depth which corresponds to at least 30%, preferably at least 40%, of a thickness of the crystal (2), the crystal (2) being radiated along by the pulsed laser beam a predetermined breaking edge is split.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spalten eines Kristalls, umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls auf den Kristall zum Modifizieren, insbesondere zum Abtragen, von Material des Kristalls.The present invention relates to a method for cleaving a crystal, comprising: irradiating a pulsed laser beam onto the crystal to modify, in particular to remove, material from the crystal.
Die Modifikation des Materials des Kristalls kann beispielsweise im Einbringen von Störstellen und/oder Defekten in das Material des Kristalls bestehen, die durch die Wechselwirkung des Materials des Kristalls mit dem gepulsten Laserstrahl erzeugt werden. Bei den Störstellen bzw. Defekten kann es sich beispielsweise um Dichteänderungen, chemische Änderungen und/oder um lokale Verspannungen handeln, die ein Spalten des Kristalls begünstigen. Die Modifikation des Materials des Kristalls kann auch darin bestehen, dass Material des Kristalls typischerweise durch Laserablation abgetragen wird.The modification of the material of the crystal can consist, for example, in the introduction of imperfections and/or defects into the material of the crystal, which are produced by the interaction of the material of the crystal with the pulsed laser beam. The imperfections or defects can be, for example, changes in density, chemical changes and/or local stresses that promote splitting of the crystal. The modification of the material of the crystal can also consist in material of the crystal typically being removed by laser ablation.
Bei dem Kristall kann es sich um einen optischen Kristall handeln, d.h. um einen Kristall, der für optische Anwendungen genutzt werden kann. Bei dem optischen Kristall kann es sich insbesondere um einen nichtlinearen optischen Kristall handeln. Bei dem Kristall kann es sich aber auch um einen Halbleiterkristall handeln, z.B. um einen Silizium-Kristall, oder um eine andere Art von Kristall.The crystal may be an optical crystal, i.e. a crystal that can be used for optical applications. The optical crystal can in particular be a non-linear optical crystal. However, the crystal can also be a semiconductor crystal, e.g. a silicon crystal, or another type of crystal.
Integrierte Optiken basierend auf Mikrostrukturen und Wellenleiterstrukturen in optischen Kristallen sind eine wichtige Voraussetzung für moderne (quanten)optische Geräte und Schalter. Um die Effizienz der resultierenden optischen Aufbauten zu gewährleisten, ist es erforderlich, die Verluste beim Einkoppeln, insbesondere beim direkten Einkoppeln („direct coupling“), in die einzelnen Strukturen zu minimieren. Ein Schlüsselfaktor ist dabei die Beschaffenheit der Endfacetten von Wellenleiterstrukturen, die in der Regel eine Rauheit in der Größenordnung von weniger als 10 nm aufweisen müssen. Die Herstellung dieser Endfacetten geschieht in der Regel nach der Strukturierung der eigentlichen Wellenleiter durch kontrolliertes Abtrennen der Endbereiche.Integrated optics based on microstructures and waveguide structures in optical crystals are an important prerequisite for modern (quantum) optical devices and switches. In order to ensure the efficiency of the resulting optical structures, it is necessary to minimize the losses during coupling, in particular during direct coupling, into the individual structures. A key factor is the nature of the end facets of waveguide structures, which typically must have a roughness on the order of less than 10 nm. These end facets are usually produced after the actual waveguide has been structured by controlled separation of the end areas.
Die dabei typischerweise zum Einsatz kommenden Vereinzelungsmethoden wie Sägen oder Polieren sind sehr zeitaufwändig und teuer, wobei der Durchsatz entweder durch den Prozess selbst limitiert ist, wie z.B. Diamantsägen, oder durch die Anzahl von Schritten, wie z.B. beim Anritzen und mechanischen Spalten.The singulation methods typically used, such as sawing or polishing, are very time-consuming and expensive, with throughput limited either by the process itself, such as diamond sawing, or by the number of steps, such as scribing and mechanical cleaving.
In dem Artikel „Ultrabroadband Nonlinear Optics in Nanophotonic Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides“, M. Jankowski et al., arXiv:1909.08806, 19. September 2019, wird zum Erzeugen von Endfacetten mit optischer Qualität an periodisch gepoltem Lithiumniobat eine konventionelle Lasersäge eingesetzt, mit der Laserpulse mit Pulsenergien in der Größenordnung von µJ in die Probe fokussiert werden, um ein periodisches Array von Schädigungsstellen zu erzeugen, die als Keimstellen zur Rissausbreitung dienen. Bei einem solchen auch als „stealth dicing“ bekannten Prozess wird die Probe bzw. der optische Kristall nachfolgend gespalten, indem eine Trägermembran, auf der die Probe angeordnet ist, in radialer Richtung gedehnt wird.In the article "Ultrabroadband Nonlinear Optics in Nanophotonic Periodically Poled Lithium Niobate Waveguides", M. Jankowski et al., arXiv:1909.08806, 19 September 2019, a conventional laser saw is used to produce optical quality end facets on periodically poled lithium niobate, with of the laser pulses with pulse energies on the order of µJ are focused into the sample to create a periodic array of damage sites that serve as nucleation sites for crack propagation. In such a process, also known as “stealth dicing”, the sample or the optical crystal is subsequently split by a carrier membrane on which the sample is arranged being stretched in the radial direction.
In dem Artikel „Smooth Surfaces with High Accuracies“, S. Mahdi et al., Laser Technik Journal 9, Nr. 3 (2012): 36-39 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Silizium-auf-Isolator Chip mit einem Femtosekunden-Laser angeritzt wird, wobei sich Kerben in dem Chip ausbilden. Nach dem Anritzen wird der Chip mit Hilfe von mechanischen Werkzeugen entlang der Mitte der Kerbe gespalten.In the article "Smooth Surfaces with High Accuracies", S. Mahdi et al., Laser Technik Journal 9, No. 3 (2012): 36-39, a method is described in which a silicon-on-insulator chip with a femtosecond - Laser is scribed, forming nicks in the chip. After scribing, the chip is split along the center of the kerf using mechanical tools.
In der
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Aufgabe der Erfindungobject of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Spalten eines Kristalls zu verbessern.The object of the invention is to improve a method for cleaving a crystal.
Gegenstand der Erfindungsubject of the invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls das Material des Kristalls bis zu einer Eindringtiefe modifiziert, insbesondere abgetragen, wird, die mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% einer Dicke des Kristalls entspricht, wobei durch das Einstrahlen (und während des Einstrahlens) des gepulsten Laserstrahls der Kristall entlang einer vorgegebenen Bruchkante gespalten wird. Die Eindringtiefe in den Kristall definiert den Bereich, in dem Material des Kristalls modifiziert wird, beispielsweise indem Material des Kristalls durch Laserablation abgetragen wird.This object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which, when the pulsed laser beam is irradiated, the material of the crystal is modified, in particular removed, to a penetration depth which corresponds to at least 30%, preferably at least 40%, of a thickness of the crystal, wherein by irradiating (and during irradiating) the pulsed laser beam, the crystal is split along a predetermined breaking edge. The penetration depth into the crystal defines the area in which material of the crystal is modified, for example by material of the crystal being removed by laser ablation.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Material des Kristalls bei der Einstrahlung des Laserstrahls modifiziert, so dass dieser entlang der Bruchkante gespalten werden kann. Beispielsweise können beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls durch Laserablation tiefe, kraterförmige Sollbruchstellen in das Material des Kristalls eingebracht werden. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise ein direkter Selbstspaltungsprozess des Kristalls erreicht werden kann, d.h. der Kristall wird entlang der Bruchkante durch einen Energieeintrag, der bei der Einstrahlung des Laserstrahls eingebracht wird, gespalten. Die direkte Selbstspaltung unterscheidet das hier beschriebene Verfahren von den weiter oben beschriebenen Verfahren, bei denen zunächst ein lasergestütztes Anritzen des (optischen) Kristalls erfolgt, der (optische) Kristall aber erst durch einen nachfolgenden mechanischen Spaltungsprozess gespalten wird.In the method according to the invention, the material of the crystal is modified when the laser beam is irradiated, so that it can be split along the breaking edge. For example, when the pulsed laser beam is radiated in, deep, crater-shaped predetermined breaking points can be introduced into the material of the crystal by laser ablation. It has been shown that a direct self-cleavage process of the crystal can be achieved in this way, i.e. the crystal is split along the fracture edge by an energy input that is introduced when the laser beam is irradiated. The direct self-cleavage distinguishes the method described here from the methods described above, in which the (optical) crystal is first laser-assisted scratched, but the (optical) crystal is only split by a subsequent mechanical splitting process.
Die bei dem hier beschriebenen Verfahren erzeugte Bruchkante weist eine charakteristische Struktur auf, bei der entlang derjenigen Seite des Kristalls, auf die der gepulste Laserstrahl eingestrahlt wird, tiefe Defekte, beispielsweise in Form von Ablationskratern, gebildet werden, während auf einer der Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls abgewandten Seite des Kristalls aufgrund der direkten Selbstspaltung eine vollständig glatte Bruchkante gebildet wird, die eine Rauheit in der Größenordnung eines Moleküldurchmessers bzw. im atomaren Bereich (Angström) aufweist. In dem glatten Teilbereich der Bruchkante, der sich z.B. über ca. die Hälfte der Dicke des Kristalls erstrecken kann, wird eine Kristallfacette mit optischer Qualität erzeugt, die bei einem optischen Kristall z.B. zur Herstellung von Endfacetten von Wellenleiterstrukturen mit minimalen Kopplungsverlusten verwendet werden kann. Der Kristall, der auf die oben beschriebene Weise entlang der Bruchkante gespalten wird, kann aber auch ein Substrat eines Materialverbunds mit einem optischen Kristall bilden, der mit einer Oberfläche des Substrats durch Bonden verbunden ist. Weist der optische Kristall eine deutlich geringere Dicke als das kristalline Substrat auf, wird der optische Kristall typischerweise ebenfalls entlang der Bruchkante gespalten, wobei an dem optischen Kristall eine Kristallfacette mit optischer Qualität erzeugt wird.The fracture edge produced in the method described here has a characteristic structure in which deep defects, for example in the form of ablation craters, are formed along that side of the crystal onto which the pulsed laser beam is irradiated, while on one of the irradiation of the pulsed laser beam Due to the direct self-cleavage, a completely smooth fracture edge is formed on the opposite side of the crystal, which has a roughness in the order of a molecular diameter or in the atomic range (Angstrom). In the smooth portion of the breaking edge, which can extend e.g. over about half the thickness of the crystal, a crystal facet with optical quality is produced, which can be used in an optical crystal, e.g. However, the crystal cleaved along the fractured edge in the manner described above may also constitute a composite material substrate having an optical crystal bonded to a surface of the substrate. If the optical crystal has a significantly smaller thickness than the crystalline substrate, the optical crystal is typically also cleaved along the fracture line, producing an optical quality crystal facet on the optical crystal.
Das hier beschriebene Verfahren zur Selbstspaltung des Kristalls erfordert keine Vorbehandlung des Materials des Kristalls. Zudem sind vor und nach dem Spalten des Kristalls wenige bis keine Reinigungsschritte erforderlich, so dass ggf. auf die Durchführung des Verfahrens in einem Reinraum verzichtet werden kann. Das hier beschriebene Verfahren ist somit kostengünstig durchführbar und bei geeigneter Optimierung sehr stabil und reproduzierbar. Zudem handelt es sich um ein trockenes Trennverfahren, bei dem es zu keinen Verunreinigungen durch Kühl- oder Schmierflüssigkeiten kommt. Anders als beim Diamant-Sägen handelt es sich auch nicht um ein abrasives Verfahren, so dass kein Materialverschleiß bei der Herstellung auftritt, es zu keinen Verunreinigungen und daher auch zu keinem Materialausschuss kommt.The method described here for the self-cleavage of the crystal does not require any pretreatment of the material of the crystal. In addition, few or no cleaning steps are required before and after the splitting of the crystal, so that it may be possible to dispense with carrying out the method in a clean room. The method described here can therefore be carried out inexpensively and, with suitable optimization, is very stable and reproducible. In addition, it is a dry separation process in which there is no contamination from cooling or lubricating liquids. In contrast to diamond sawing, it is not an abrasive process either, so that there is no material wear during production, there is no contamination and therefore no material wastage.
Bei einer Variante verläuft die Bruchkante entlang einer Kristallachse bzw. entlang einer Kristallebene und/oder in einer Ebene senkrecht zu einer Oberfläche des Kristalls, auf die der gepulste Laserstrahl eingestrahlt wird. Um eine möglichst glatte Bruchkante zu erhalten, ist es in der Regel günstig, wenn die Bruchkante entlang einer Kristallachse bzw. einer Kristallebene des gespaltenen Kristalls verläuft. Für den Fall, dass der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche des Kristalls eingestrahlt wird, verläuft die Bruchkante in der Regel in einer Ebene senkrecht zur Oberfläche des Kristalls. In diesem Fall ist eine Spaltung des Kristalls entlang der Ebene senkrecht zur Oberfläche ggf. auch möglich, wenn diese Ebene nicht mit einer Kristallebene übereinstimmt.In one variant, the breaking edge runs along a crystal axis or along a crystal plane and/or in a plane perpendicular to a surface of the crystal onto which the pulsed laser beam is radiated. In order to obtain a fracture edge that is as smooth as possible, it is generally advantageous if the fracture edge runs along a crystal axis or a crystal plane of the split crystal. If the laser beam is radiated perpendicularly onto the surface of the crystal, the breaking edge usually runs in a plane perpendicular to the surface of the crystal. In this case, cleavage of the crystal along the plane perpendicular to the surface may also be possible if this plane does not coincide with a crystal plane.
Entgegen herkömmlicher Spaltverfahren können mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren somit auch Bruchkanten entlang von Ebenen erzeugt werden, die nicht entlang der natürlichen Spaltrichtung (d.h. typischerweise entlang einer Kristallebene) verlaufen. Auf diese Weise ist es möglich, gegenüber der Dickenrichtung des Kristalls geneigte bzw. angewinkelte Endfacetten zu erzeugen. Diese ermöglichen Anwendungen wie z.B. Brewster-Fenster und damit verbesserte Kopplungseigenschaften. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es typischerweise aber günstig, wenn die Bruchkante entlang der natürlichen Spaltrichtung, d.h. entlang einer vorgegebenen Kristallebene, verläuft.In contrast to conventional cleavage methods, the method proposed here can also be used to produce break edges along planes that do not run along the natural direction of cleavage (ie typically along a crystal plane). In this way it is possible to produce end facets which are inclined or angled with respect to the direction of the thickness of the crystal. This enable applications such as Brewster windows and thus improved coupling properties. However, as described above, it is typically favorable if the fracture edge runs along the natural direction of cleavage, ie along a predetermined crystal plane.
Bei einer Variante wird das Material des Kristalls beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls bis zu einer Eindringtiefe modifiziert, die nicht mehr als 70%, bevorzugt nicht mehr als 60% der Dicke des Kristalls entspricht. Auch wenn die Höhe des Bereichs, in dem eine Endfacette einer Wellenleiterstruktur an einem optischen Kristall gebildet wird, in der Regel bei nicht mehr als 5% der Dicke des optischen Kristalls liegt, sollte die Eindringtiefe des gepulsten Laserstrahls typischerweise den oben angegebenen Wert nicht übersteigen. Für den Fall, dass der Kristall, auf den der Laserstrahl eingestrahlt wird, ein kristallines Substrat eines Materialverbunds mit einem optischen Kristall bildet, kann die Eindringtiefe ggf. auch größer gewählt werden.In one variant, the material of the crystal is modified when the pulsed laser beam is irradiated to a penetration depth which corresponds to no more than 70%, preferably no more than 60%, of the thickness of the crystal. Although the height of the region where an end facet of a waveguide structure is formed on an optical crystal is usually no more than 5% of the thickness of the optical crystal, the penetration depth of the pulsed laser beam should typically not exceed the value specified above. In the event that the crystal onto which the laser beam is radiated forms a crystalline substrate of a material composite with an optical crystal, the penetration depth can also be selected to be greater if necessary.
Bei einer weiteren Variante wird die gepulste Laserstrahlung auf einer vorgegebenen, insbesondere geradlinigen Bahnkurve entlang einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten, bevorzugt in sich geschlossenen Einstrahlungskonturen auf eine Oberfläche des Kristalls eingestrahlt. Für die Erzeugung der vorgegebenen, in der Regel linienförmigen bzw. geradlinigen Bahnkurve werden der gepulste Laserstrahl und der Kristall relativ zueinander bewegt. Zur Erreichung der für die Spaltung erforderlichen Genauigkeit ist es günstig, wenn der Kristall ortsfest bleibt und der gepulste Laserstrahl über die Oberfläche bewegt wird.In a further variant, the pulsed laser radiation is radiated onto a surface of the crystal on a predetermined, in particular rectilinear path curve along a plurality of spaced apart, preferably self-contained irradiation contours. The pulsed laser beam and the crystal are moved relative to one another to generate the predetermined, generally linear or rectilinear trajectory. In order to achieve the accuracy required for the cleavage, it is favorable if the crystal remains stationary and the pulsed laser beam is moved over the surface.
Entlang der Einstrahlungskonturen wird Material des Kristalls modifiziert, wobei sich Risse in dem Kristall ausbreiten, die bis zu derjenigen Oberfläche des Kristalls reichen, die der bestrahlen Oberfläche abgewandt ist. Auf diese Weise wird der Kristall entlang einer Bruchkante gespalten, die sich in dem Volumen des Kristalls entlang der vorgegebenen Bahnkurve erstreckt. Die Einstrahlungskonturen entlang der vorgegebenen Bahnkurve wirken somit in der Art einer Perforation, entlang derer der optische Kristall gespalten wird. Der gepulste Laserstrahl wird typischerweise auf die Oberfläche oder ggf. auf einen oberflächennahen Volumenbereich des Kristalls fokussiert. Bei den Einstrahlungskonturen handelt es sich bevorzugt um geschlossene Konturen, es ist aber grundsätzlich auch möglich, dass eine jeweilige Einstrahlungskontur keine geschlossene Kontur aufweist.Material of the crystal is modified along the irradiation contours, with cracks propagating in the crystal that reach to that surface of the crystal which faces away from the irradiated surface. In this way, the crystal is split along a fracture line that extends in the volume of the crystal along the predetermined trajectory. The irradiation contours along the predetermined trajectory thus act in the manner of a perforation, along which the optical crystal is split. The pulsed laser beam is typically focused on the surface or, if necessary, on a volume area of the crystal close to the surface. The irradiation contours are preferably closed contours, but in principle it is also possible for a respective irradiation contour not to have a closed contour.
Bei der Oberfläche, auf die der gepulste Laserstrahl eingestrahlt wird, kann es sich um eine Oberfläche eines optischen Kristalls handeln, es ist aber auch möglich, dass der gepulste Laserstrahl auf die Oberfläche eines Substrats eingestrahlt wird, das mit dem optischen Kristall verbunden ist, wie dies beispielsweise bei so genannten als LNol (Lithiumniobate-on-Insulator) der Fall ist, bei dem ein LiNbO3-Kristall auf ein (kristallines) Substrat aus einem Isolator bzw. einem Halbleiter gebondet ist. Auch in diesem Fall ist es erforderlich, dass die Eindringtiefe des gepulsten Laserstrahls in das Material des Kristalls, der das Substrat bildet, bei der Materialmodifikation bei mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40% der Dicke des Kristalls liegt.The surface on which the pulsed laser beam is irradiated may be a surface of an optical crystal, but it is also possible that the pulsed laser beam is irradiated on the surface of a substrate bonded to the optical crystal, such as This is the case, for example, with so-called LNol (lithium niobate-on insulator), in which a LiNbO 3 crystal is bonded to a (crystalline) substrate made of an insulator or a semiconductor. In this case, too, it is necessary for the penetration depth of the pulsed laser beam into the material of the crystal that forms the substrate to be at least 30%, preferably at least 40%, of the thickness of the crystal during the material modification.
Bei einer weiteren Variante weist eine jeweilige Einstrahlungskontur eine Erstreckung quer zur vorgegebenen Bahnkurve auf, die größer ist als eine Erstreckung entlang (d.h. parallel zur) vorgegebenen Bahnkurve. Generell gilt, dass es für die Spaltung des Kristalls günstig ist, wenn das Aspekt-Verhältnis aus der Erstreckung 2 a einer jeweiligen Einstrahlungskontur quer zur Bahnkurve und der Erstreckung 2 b parallel zur Bahnkurve gilt: 1 ≤ ( 2 a / 2 b ). Für den Fall, dass es sich bei der Bahnkurve um eine gekrümmte Bahnkurve handelt, bezieht sich die parallele bzw. senkrechte Erstreckung auf die momentan bestrahlte Stelle entlang der Bahnkurve.In a further variant, a respective irradiation contour has an extent transverse to the predetermined trajectory, which is greater than an extent along (i.e. parallel to) the predetermined trajectory. In general, it is favorable for the cleavage of the crystal when the aspect ratio of the extension 2 a of a respective irradiation contour transverse to the trajectory and the extension 2 b parallel to the trajectory applies: 1 ≤ ( 2 a / 2 b ). In the event that the trajectory is a curved trajectory, the parallel or perpendicular extension relates to the instantaneously irradiated point along the trajectory.
Wie weiter oben beschrieben wurde, handelt es sich bei der Bruchkante, entlang derer der Kristall gespalten werden soll, in der Regel um eine Bruchebene und bei der vorgegebenen Bahnkurve auf dem Kristall typischerweise um eine Gerade. Aufgrund von Winkeltoleranzen bei der Justage bzw. bei der Herstellung des Kristalls kann die vorgegebene Bahnkurve von der Bruchkante bzw. von der Kristallebene abweichen, entlang derer der Kristall gespalten werden soll. Um dennoch prozesssicher die Spaltung des Kristalls zu bewirken, sollte der gepulste Laserstrahl an jeder Einstrahlungskontur entlang der vorgegebenen Bahnkurve die vorgegebene Bruchkante des Kristalls treffen, d.h. die Bruchkante sollte jede Einstrahlungskontur entlang der Bahnkurve schneiden.As described above, the fracture line along which the crystal is to be split is usually a fracture plane and the specified trajectory on the crystal is typically a straight line. Due to angular tolerances during the adjustment or during the manufacture of the crystal, the specified trajectory can deviate from the breaking edge or from the crystal plane along which the crystal is to be split. However, in order to reliably split the crystal, the pulsed laser beam should hit the specified breaking edge of the crystal at each irradiation contour along the predetermined trajectory, i.e. the breaking edge should intersect each irradiation contour along the trajectory.
Handelt es sich bei der Bruchkante, entlang derer der Kristall gespalten werden soll, um eine Bruchebene mit Länge B entlang der vorgegebenen Bahnkurve (bei korrekter Ausrichtung der Bahnkurve zu dem Kristall) und beträgt die Erstreckung der Einstrahlungskontur quer zur Bahnkurve 2 a, so ist die (halbe) Erstreckung der Einstrahlungskontur quer zur Bahnkurve gegeben durch:
Bei einer Weiterbildung dieser Variante liegt die Erstreckung der Einstrahlungskontur quer zur vorgegebenen Bahnkurve zwischen 40 µm und 200 µm. Diese Größenordnung der Erstreckung der Einstrahlungskonturquer zur Bahnkurve hat sich für die Selbstspaltung des Kristalls als günstig erwiesen.In a further development of this variant, the extension of the irradiation contour is between 40 μm and 200 μm transversely to the specified trajectory. This dimension of the extent of the irradiation contour transverse to the trajectory curve has proven to be favorable for the self-splitting of the crystal.
Bei einer Weiterbildung der obigen Variante liegt die Erstreckung der Einstrahlungskontur entlang der vorgegebenen Bahnkurve zwischen 4 µm und 30 µm. Eine Erstreckung der Einstrahlungskontur entlang der vorgegebenen Bahnkurve in der angegebenen Größenordnung begünstigt die Selbstspaltung des Kristalls durch die Materialmodifikation bzw. die Laserablation.In a further development of the above variant, the extent of the irradiation contour along the specified trajectory is between 4 μm and 30 μm. An extension of the irradiation contour along the specified trajectory in the given order of magnitude favors the self-cleavage of the crystal through the material modification or the laser ablation.
Bei einer weiteren Weiterbildung ist eine Geometrie der Einstrahlungskontur ausgewählt aus der Gruppe umfassend: Ellipsen, Vielecke, insbesondere Rauten oder Rechtecke, und Linien. Bei den erstgenannten Einstrahlungskonturen handelt es sich um geschlossene Konturen. Bei einer linienförmigen Einstrahlungskontur kann es sich ebenfalls um eine geschlossene Kontur handeln, d.h. der Anfangs- und der Endpunkt der Kontur fallen zusammen, es ist aber auch möglich, dass es sich bei der linienförmigen Kontur um eine offene Kontur handelt, bei welcher der Anfangs- und Endpunkt nicht zusammenfallen. Handelt es sich bei der Einstrahlungskontur um eine Ellipse, verläuft die lange Halbachse typischerweise quer zur vorgegebenen Bahnkurve und die kurze Halbachse verläuft entlang der vorgegebenen Bahnkurve. Auch bei Vielecken, z.B. bei Rechtecken, aber auch bei einer linienförmigen Einstrahlungskontur ist die Erstreckung quer zur vorgegebenen Bahnkurve in der Regel größer ist als die Erstreckung entlang der vorgegebenen Bahnkurve. Unter einer linienförmigen Einstrahlungskontur wird eine Einstrahlungskontur verstanden, deren Länge mindestens 10 Mal so groß ist wie deren Breite.In a further development, a geometry of the irradiation contour is selected from the group comprising: ellipses, polygons, in particular rhombuses or rectangles, and lines. The irradiation contours mentioned first are closed contours. A line-shaped irradiation contour can also be a closed contour, i.e. the start and end point of the contour coincide, but it is also possible for the line-shaped contour to be an open contour in which the start point and end point do not coincide. If the irradiation contour is an ellipse, the long semi-axis typically runs transversely to the specified trajectory and the short semi-axis runs along the specified trajectory. Also in the case of polygons, e.g. in the case of rectangles, but also in the case of a line-shaped irradiation contour, the extent transverse to the specified trajectory is generally greater than the extent along the specified trajectory. A line-shaped irradiation contour is understood to mean an irradiation contour whose length is at least 10 times greater than its width.
Der gepulste Laserstrahl, der auf die Oberfläche eingestrahlt wird, weist typischerweise einen Strahldurchmesser auf, der zwischen der Beugungsgrenze und ca. 50 µm liegt. Der gepulste Laserstrahl weist in der Regel einen runden Strahlquerschnitt auf, es ist aber auch möglich, den gepulsten Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlformungsoptik geeignet zu formen, so dass dieser eine vorgegebene, von einer runden Geometrie abweichende Form aufweist.The pulsed laser beam that is radiated onto the surface typically has a beam diameter that lies between the diffraction limit and approx. 50 µm. The pulsed laser beam generally has a round beam cross-section, but it is also possible to shape the pulsed laser beam in a suitable manner with the aid of beam-shaping optics, so that it has a predetermined shape that deviates from a round geometry.
Bei einer weiteren Weiterbildung liegt ein Abstand zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen zwischen 50 µm und 400 µm. In der Regel ist der Abstand zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen konstant, d.h. dieser variiert nicht entlang der Bahnkurve. Grundsätzlich kann der Abstand zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen aber auch entlang der Bahnkurve variieren. Durch die Wahl eines geeigneten Abstandes zwischen den Einstrahlungskonturen wird die Selbstspaltung des Kristalls begünstigt bzw. ermöglicht.In a further development, the distance between adjacent irradiation contours is between 50 μm and 400 μm. As a rule, the distance between adjacent irradiation contours is constant, i.e. it does not vary along the trajectory. In principle, however, the distance between adjacent irradiation contours can also vary along the trajectory. By choosing a suitable distance between the irradiation contours, the self-cleavage of the crystal is favored or made possible.
Bei einer weiteren Variante liegt eine Sprunggeschwindigkeit zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen zwischen 100 mm/s und 4000 mm/s. Die Sprunggeschwindigkeit zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen ist in der Regel größer als die Markiergeschwindigkeit (s.u.) bei der Bewegung der Laserstrahls entlang der Einstrahlungskontur.In a further variant, a jump speed between adjacent irradiation contours is between 100 mm/s and 4000 mm/s. The jumping speed between adjacent irradiation contours is usually greater than the marking speed (see below) when the laser beam moves along the irradiation contour.
Bei einer Weiterbildung liegt eine Markiergeschwindigkeit bei der Bewegung des gepulsten Laserstrahls entlang der Einstrahlungskontur zwischen 10 mm/s und 200 mm/s. Bei der Bewegung des gepulsten Laserstrahls entlang der Einstrahlungskontur überlappen sich typischerweise die Strahlquerschnitte von aufeinanderfolgenden Laserpulsen, so dass eine kontinuierliche Einstrahlungskontur erzeugt wird. Wie weiter oben angegeben wurde, ist die Markiergeschwindigkeit in der Regel geringer als die Sprunggeschwindigkeit zwischen benachbarten Einstrahlungskonturen. Gegebenenfalls kann die Einstrahlungskontur auch mehrfach mit dem gepulsten Laserstrahl abgefahren werden.In a development, a marking speed during the movement of the pulsed laser beam along the irradiation contour is between 10 mm/s and 200 mm/s. During the movement of the pulsed laser beam along the irradiation contour, the beam cross sections of successive laser pulses typically overlap, so that a continuous irradiation contour is generated. As stated above, the marking speed is usually lower than the jump speed between adjacent irradiation contours. If necessary, the irradiation contour can also be traversed several times with the pulsed laser beam.
Das Spalten des Kristalls mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist deutlich schneller als herkömmliche Verfahren zur Vereinzelung bzw. zum Spalten von Kristallen z.B. zur Herstellung von Endfacetten von Wellenleiterstrukturen. Aufgrund der schnellen Spaltgeschwindigkeit ist das Verfahren skalierbar, d.h. es kann eine Vereinzelung bzw. ein Spalten des Kristalls nicht nur auf Chip-Ebene, sondern auch auf Wafer-Ebene erfolgen, ohne dass der Zeitaufwand hierbei deutlich zunimmt. Die aus der Sprunggeschwindigkeit, der Markiergeschwindigkeit und der Länge der jeweiligen Einstrahlungskontur resultierende Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher der gepulste Laserstrahl entlang der Bahnkurve bewegt wird, entspricht ungefähr der Spaltpropagationsgeschwindigkeit im Material des Kristalls.The splitting of the crystal with the aid of the method according to the invention is significantly faster than conventional methods for separating or splitting crystals, e.g. for the production of end facets of waveguide structures. Due to the fast splitting speed, the process is scalable, i.e. the crystal can be singulated or split not only at chip level, but also at wafer level, without significantly increasing the time required. The feed rate resulting from the jumping speed, the marking speed and the length of the respective irradiation contour, with which the pulsed laser beam is moved along the trajectory curve, corresponds approximately to the gap propagation speed in the material of the crystal.
Bei einer Weiterbildung ist der Kristall streifenförmig und die vorgegebene Bahnkurve erstreckt sich quer zu einer Längsrichtung des streifenförmigen Kristalls (bzw. des Kristallstreifens). In diesem Fall wird der Kristallstreifen entlang seiner Breite, d.h. quer zur Längsrichtung, gespalten. Der Kristallstreifen weist eine definierte Länge und Breite auf und kann mit Hilfe eines herkömmlichen Vereinzelungsverfahrens aus einem Wafer erzeugt werden. Beispielsweise kann der Wafer durch Laserperforation bzw. durch Laserablation mit anschließendem mechanischen Brechen in eine Mehrzahl von Kristallstreifen aufgeteilt werden. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es aber auch möglich, dass für das Aufteilen des Wafers in die Kristallstreifen das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird, bei dem eine Selbstspaltung des Kristalls stattfindet.In a development, the crystal is in the form of a strip and the predetermined trajectory extends transversely to a longitudinal direction of the crystal in the form of a strip (or the crystal strip). In this case, the crystal strip is split along its width, ie transversely to the longitudinal direction. The crystal strip has a defined length and width and can be produced from a wafer using a conventional singulation method. For example, the wafer can be divided into a plurality of crystal strips by laser perforation or by laser ablation with subsequent mechanical breaking. As above was described, but it is also possible that the method according to the invention is used for dividing the wafer into the crystal strips, in which self-cleavage of the crystal takes place.
Bei einer weiteren Variante ist der Kristall ein optischer Kristall, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Lithiumniobat, LiNbO3, Lithiumtantalat, LiTaO3, oder Kaliumtitanylphosphat, KTP. Es versteht sich, dass die genannten Materialien auch dotiert sein können, z.B. kann es sich bei LiNbO3 um MgO:LiNbO3 handeln. Der optische Kristall kann auch eine Brechungsindexstruktur zur planaren Wellenleitung oder zur Rippen-Wellenleitung aufweisen und z.B. als PE (proton-exchanged) LiNbO3 bzw. MgO:LiNbO3 ausgebildet sein.In another variant, the crystal is an optical crystal selected from the group comprising: lithium niobate, LiNbO 3 , lithium tantalate, LiTaO 3 , or potassium titanyl phosphate, KTP. It goes without saying that the materials mentioned can also be doped, for example LiNbO 3 can be MgO:LiNbO 3 . The optical crystal can also have a refractive index structure for planar waveguiding or for ribbed waveguiding and can be in the form of PE (proton-exchanged) LiNbO 3 or MgO:LiNbO 3 , for example.
Bei einer alternativen Variante bildet der Kristall ein Substrat, bevorzugt in Form eines Halbleiterkristalls, insbesondere eines Silizium-Kristalls, das mit einem optischen Kristall einen Materialverbund bildet, wobei beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls auf eine dem optischen Kristall abgewandte Seite des Substrats auch der optische Kristall entlang der Bruchkante gespalten wird. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der optische Kristall, der mit Hilfe des Verfahrens gespalten werden soll, auch auf einem kristallinen Substrat gebondet sein, d.h. der optische Kristall kann einen Materialverbund mit einem anderen Material bilden. In diesem Fall weist der optische Kristall typischerweise eine Dicke auf, die deutlich (in der Regel mindestens eine Größenordnung) kleiner ist als die Dicke des Substrats. Wird das Substrat entlang der Bruchkante gespalten, wird daher auch der optische Kristall entlang derselben Bruchkante gespalten. Durch die Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls auf die dem optischen Kristall abgewandte Seite des Substrats wird der optische Kristall in dem glatten Teilbereich der Bruchkante gespalten und weist daher optische Qualität auf. Das Substrat kann beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von ca. 500 µm aufweisen, die Dicke des optischen Kristalls liegt in der Regel in der Größenordnung von ca. 5 µm - 10 µm.In an alternative variant, the crystal forms a substrate, preferably in the form of a semiconductor crystal, in particular a silicon crystal, which forms a material composite with an optical crystal is split along the breaking edge. As described above, the optical crystal to be cleaved by the method can also be bonded onto a crystalline substrate, i.e. the optical crystal can form a material composite with another material. In this case, the optical crystal typically has a thickness that is significantly (usually at least an order of magnitude) smaller than the thickness of the substrate. Therefore, when the substrate is cleaved along the fracture line, the optical crystal is also cleaved along the same fracture line. The irradiation of the pulsed laser beam onto the side of the substrate facing away from the optical crystal splits the optical crystal in the smooth partial area of the breaking edge and therefore has optical quality. The substrate can, for example, have a thickness of the order of about 500 μm, the thickness of the optical crystal is usually of the order of about 5 μm-10 μm.
Die Verbindung des optischen Kristalls mit dem Substrat zu dem Materialverbund kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann zum Verbinden ein gepulster Laserstrahl auf eine Oberfläche zwischen dem optischen Kristall und dem Substrat eingestrahlt werden, um eine Schmelzzone zu bilden und auf diese Weise den optischen Kristall stoffschlüssig mit dem Substrat zu verbinden. Zwischen dem optischen Kristall und dem Substrat kann eine Zwischenschicht gebildet sein, auf die der gepulste Laserstrahl zum Ausbilden der Schmelzzone eingestrahlt wird, wie dies in der
Bei einer weiteren Variante ist an dem optischen Kristall an einer dem eingestrahlten Laserstrahl abgewandten Seite mindestens eine Wellenleiterstruktur gebildet, wobei die Bruchkante beim Spalten des optischen Kristalls eine Endfacette der Wellenleiterstruktur ausbildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der optische Kristall bereits mit einem Wellenleiter strukturiert sein. In diesem Fall wird beim Spalten des optischen Kristalls eine Endfacette mit optischer Qualität erhalten. Die Endfacette wird hierbei in dem durch die Selbstspaltung erzeugten, glatten Bereich der Bruchkante gebildet, der nicht von der Materialmodifikation betroffen ist bzw. der nicht bei der Laserablation abgetragen wird.In a further variant, at least one waveguide structure is formed on the optical crystal on a side facing away from the incident laser beam, with the breaking edge forming an end facet of the waveguide structure when the optical crystal is split. As described above, the optical crystal can already be structured with a waveguide. In this case, when the optical crystal is cleaved, an optical quality end facet is obtained. In this case, the end facet is formed in the smooth area of the fracture edge produced by the self-cleavage, which is not affected by the material modification or which is not removed during the laser ablation.
Bei dem optischen Kristall, der eine Wellenleiterstruktur aufweist, handelt es sich typischerweise um einen Kristallstreifen, der wie weiter oben beschrieben durch Vereinzelung aus einem Wafer gebildet wurde. Bei einem solchen vorstrukturierten optischen Kristall können ggf. auftretende innere Verspannungen die Qualität der entstehenden Endfacetten beeinflussen. Die Tauglichkeit der mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens hergestellten Endfacetten für die Wellenleitung bzw. für die Einkopplung von Strahlung wurde durch Transmissionsmessungen etc. nachgewiesen. Es versteht sich, dass der optische Kristall, der die Wellenleiterstruktur aufweist, auch einen Materialverbund mit dem weiter oben beschriebenen kristallinen Substrat bilden kann.The optical crystal having a waveguide structure is typically a crystal strip formed from a wafer by dicing as described above. In the case of such a prestructured optical crystal, any internal stresses that may occur can influence the quality of the end facets that are produced. The suitability of the end facets produced with the aid of the method described here for wave guidance or for the coupling of radiation was proven by transmission measurements etc. It goes without saying that the optical crystal having the waveguide structure can also form a material composite with the crystalline substrate described above.
Die Wellenleiterstruktur wird typischerweise in dem optischen Kristall gebildet, indem um bzw. seitlich entlang der Wellenleiterstruktur ein Materialabtrag erfolgt. Die Dicke des optischen Kristalls wird in diesem Fall daher von der (planen) Oberseite der Wellenleiterstruktur bis zur (planen) Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite des optischen Kristalls gemessen.The waveguide structure is typically formed in the optical crystal by removing material around or laterally along the waveguide structure. The thickness of the optical crystal in this case is therefore measured from the top (planar) surface of the waveguide structure to the (planar) surface on the opposite side of the optical crystal.
Es versteht sich, dass das hier beschriebene Verfahren auch dazu eingesetzt werden kann, einen nicht vorstrukturierten optischen Kristall zu spalten, um Chips mit Facetten optischer Qualität zu erzeugen, die beliebig weiter verwendet werden können.It goes without saying that the method described here can also be used to cleave a non-prestructured optical crystal in order to produce chips with optical quality facets which can be used in any further manner.
Es ist günstig, wenn das Einstrahlen der gepulsten Laserstrahlung in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Bei der Schutzgasatmosphäre bzw. bei dem für die Erzeugung der Schutzgasatmosphäre verwendeten Gas kann es sich beispielsweise um Stickstoff oder um Argon handeln. Für die Durchführung des Verfahrens sind geeignete Atmosphären- und Strömungsverhältnisse günstig. Auf die korrekte Form und Anbringung der Gasdüsen sowie der Absaugung ist hierbei zu achten.It is favorable if the irradiation of the pulsed laser radiation is carried out in a protective gas atmosphere. The protective gas atmosphere or the gas used to generate the protective gas atmosphere can be nitrogen or argon, for example. For carrying out the procedure are suitable Atmospheric and flow conditions favourable. The correct form and attachment of the gas nozzles and the suction must be ensured here.
Für die Durchführung des Verfahrens sowie für die Entnahme der Proben bzw. der vereinzelten Chips nach der Spaltung spielt auch die korrekte Halterung des Kristalls, beispielsweise in Form eines Kristallstreifens, eine Rolle, um die Qualität bzw. die Reproduzierbarkeit des Verfahrens zu erhöhen. Hierbei können u.a. folgende Möglichkeiten zum Einsatz kommen: Vakuumhalter mit großflächiger Ansaugfläche, insbesondere unter Verwendung von Komponenten aus poröser Keramik, sowie komplexe Spannvorrichtungen (z.B. Schraubstockvariante) aus Metall und/oder Kunststoffen, beispielsweise mit Zacken- und/oder Zahnstrukturen. Insbesondere kann mit Hilfe einer geeigneten Halterung ein gesamter Wafer (instantan) vereinzelt werden.The correct mounting of the crystal, for example in the form of a crystal strip, also plays a role in carrying out the method and for removing the samples or the individual chips after the splitting, in order to increase the quality and the reproducibility of the method. The following options can be used here: Vacuum holders with a large suction surface, in particular using components made of porous ceramics, as well as complex clamping devices (e.g. vice variants) made of metal and/or plastics, for example with serrated and/or toothed structures. In particular, an entire wafer can be singulated (instantaneously) with the aid of a suitable holder.
Für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens ist es erforderlich, die Parameter des gepulsten Laserstrahls geeignet zu wählen.For the successful implementation of the method, it is necessary to choose the parameters of the pulsed laser beam appropriately.
Bei einer Variante wird der gepulste Laserstrahl mit einer Wellenlänge eingestrahlt, die zwischen 200 nm und 10 µm, bevorzugt zwischen 200 nm und 1100 nm, liegt. Für die Modifikation des Materials des Kristalls ist es typischerweise erforderlich, dass das Material des Kristalls den gepulsten Laserstrahl absorbiert, d.h. das Material des Kristalls sollte nicht transparent für die Wellenlänge des Laserstrahls sein, bzw. das Material des Kristalls sollte eine erhöhte Absorption für die Wellenlänge des Laserstrahls aufweisen. Dies ist in der Regel bei Wellenlängen von weniger als 550 nm bzw. unterhalb der Bandkante des Kristalls der Fall, bei Lithiumniobat beispielsweise bei Wellenlängen von weniger als ca. 400 nm, bei Silizium bei Wellenlängen von weniger als z.B. 1100 nm.In one variant, the pulsed laser beam is irradiated with a wavelength of between 200 nm and 10 μm, preferably between 200 nm and 1100 nm. The modification of the crystal material typically requires that the crystal material absorbs the pulsed laser beam, i.e. the crystal material should not be transparent to the wavelength of the laser beam, or the crystal material should have increased absorption for the wavelength of the laser beam. This is usually the case at wavelengths of less than 550 nm or below the band edge of the crystal, with lithium niobate, for example, at wavelengths of less than approx. 400 nm, with silicon at wavelengths of less than e.g. 1100 nm.
Für die Modifikation bzw. die Ablation von Material ist es erforderlich, dass der gepulste Laserstrahl eine Pulsenergie aufweist, die oberhalb der Modifikations- bzw. Ablationsschwelle liegt. Für Lithiumniobat als Material des optischen Kristalls liegt die Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls typischerweise zwischen 0,1 µJ und 10 µJ.For the modification or ablation of material, it is necessary for the pulsed laser beam to have a pulse energy that is above the modification or ablation threshold. For lithium niobate as the material of the optical crystal, the pulse energy of the pulsed laser beam is typically between 0.1 µJ and 10 µJ.
Bei einer weiteren Variante wird der gepulste Laserstrahl mit einer Pulsdauer zwischen 10 fs und 8 ns, bevorzugt zwischen 100 fs und 10 ps, eingestrahlt. Für die Modifikation von Material bzw. für die Laserablation haben sich insbesondere Pulsdauern im Ultrakurzpuls-Bereich zwischen 100 fs und 10 ps bewährt.In a further variant, the pulsed laser beam is irradiated with a pulse duration of between 10 fs and 8 ns, preferably between 100 fs and 10 ps. For the modification of material or for laser ablation, pulse durations in the ultra-short pulse range between 100 fs and 10 ps have proven particularly useful.
Bei einer weiteren Variante wird die gepulste Laserstrahlung mit einer Repetitionsrate zwischen 1 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 500 kHz und 2000 kHz, eingestrahlt. Die Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls mit diesen Repetitionsraten begünstigt die Selbstspaltung des Kristalls.In a further variant, the pulsed laser radiation is radiated in at a repetition rate between 1 kHz and 10 MHz, in particular between 500 kHz and 2000 kHz. The irradiation of the pulsed laser beam with these repetition rates favors the self-cleavage of the crystal.
Grundsätzlich kann die Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls kontinuierlich oder im Burst-Betrieb erfolgen. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird der Laserstrahl typischerweise nur in den voneinander beabstandeten Einstrahlungskonturen auf den Kristall eingestrahlt, d.h. in den Volumenbereichen, die zwischen zwei benachbarten Einstrahlungskonturen sowie in Volumenbereichen, die innerhalb von (geschlossenen) Einstrahlungskonturen liegen, erfolgt keine Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls.In principle, the irradiation of the pulsed laser beam can take place continuously or in burst mode. As described above, the laser beam is typically only irradiated onto the crystal in the irradiation contours that are spaced apart from each other, i.e. the pulsed laser beam is not irradiated in the volume areas that lie between two adjacent irradiation contours and in volume areas that lie within (closed) irradiation contours .
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those listed below can each be used individually or together in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:
-
1a-d schematische Darstellungen eines Wafers bei der Vereinzelung, eines bei der Vereinzelung erzeugten Kristallstreifens, des Einschreibens von Wellenleiterstrukturen in den Kristallstreifen, sowie der Selbstspaltung des Kristallstreifens, -
2 eine Draufsicht auf den Kristallstreifen von1 d mit einer geradlinigen Bahnkurve, entlang derer ein gepulster Laserstrahl an voneinander beabstandeten, ellipsenförmigen Einstrahlungskonturen auf den Kristallstreifen eingestrahlt wird, -
3a,b Darstellungen einer Bruchkante desKristallstreifens von 2 mit bzw. ohne eine Wellenleiterstruktur, -
4 eine Detaildarstellung einer Endfacette der Wellenleiterstruktur des optischen Kristalls von3a , sowie -
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Materialverbunds aus einem Kristall-Substrat und einem optischen Kristall.
-
1a-d Schematic representations of a wafer during separation, a crystal strip produced during separation, the writing of waveguide structures in the crystal strip, and the self-cleavage of the crystal strip, -
2 a plan view of the crystal stripe of FIG1d with a rectilinear trajectory along which a pulsed laser beam is radiated onto the crystal strip at spaced, elliptical irradiation contours, -
3a,b Representations of a broken edge of the crystal strip of2 with or without a waveguide structure, -
4 FIG. 12 is a detailed view of an end facet of the optical crystal waveguide structure of FIG3a , such as -
5 a schematic sectional view of a material composite of a crystal substrate and an optical crystal.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawings, identical reference symbols are used for identical or functionally identical components.
In einem in
Zwischen dem in
In dem in
Bei der Selbstspaltung des Kristallstreifens 2 wird mit Hilfe des gepulsten Laserstrahls 3 eine Material-Modifikation, beispielsweise ein Materialabtrag durch Laserablation erzeugt, der sich von der Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 bis zu einer Eindringtiefe T erstreckt, die bei mehr als 30%, genauer gesagt bei mehr als 40% der Dicke D des Kristallstreifens 2 liegt, wie dies in
Wie anhand von
Durch die Selbstspaltung wird bei der in
Auch wenn die Höhe H der Endfacette 10 der Wellenleiterstruktur 4 vergleichsweise gering ist und in der Regel bei weniger als 5% der Dicke D des Kristallstreifens 2 liegt, ist es günstig, wenn der Kristallstreifen 2 beim Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls 3 nur bis zu einer Eindringtiefe T abgetragen wird, die in der Regel nicht mehr als 70% der Dicke D, typischerweise nicht mehr als 60% der Dicke D des Kristallstreifens 2 entspricht.Even if the height H of the
Wie in
Zur Erzeugung des in
Bei dem in
Für die Erzeugung der Selbstspaltung des Kristallstreifens 2 entlang der vorgegebenen Bahnkurve 6 hat es sich als günstig erwiesen, wenn die maximale Erstreckung 2 a der ellipsenförmigen Einstrahlungskontur 11 quer zur Bahnkurve 6 zwischen 40 µm und 200 µm liegt. Entsprechend hat sich für die Selbstspaltung eine maximale Erstreckung 2 b der Einstrahlungskontur 11 entlang der vorgegebenen Bahnkurve 6 zwischen 4 µm und 30 µm als günstig erwiesen.For generating the self-cleavage of the
Die Einstrahlungskonturen 11 können auch eine andere als eine ellipsenförmige Geometrie haben. Beispielsweise können die Einstrahlungskonturen 11 Vielecke, z.B. Rauten oder Rechtecke, bilden oder linienförmig sein. Auch in diesem Fall ist es günstig, wenn die Einstrahlungskonturen 11 eine größere maximale Erstreckung quer zur geradlinigen Bahnkurve 6 (in Y-Richtung) aufweisen als entlang der geradlinigen Bahnkurve 6 (in X-Richtung).The
Bei dem in
Wie in
In der Regel ist es günstig, wenn die jeweilige Bruchkante 8 entlang einer Kristallebene des Kristallstreifens 2 verläuft. Die X-Richtung und die Y-Richtung, entlang derer der Wafer 1 beim in
Grundsätzlich ist es mittels des hier beschriebenen Selbstspaltungsverfahrens möglich, den Kristallstreifen 2 entlang einer praktisch beliebig ausgerichteten Bruchebene bzw. Bruchkante 8 zu spalten. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Bruchkante 8 in einer Ebene senkrecht zur Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 bzw. in Dickenrichtung (Z-Richtung) verläuft. Vielmehr kann die Bruchkante 8 auch unter einem Winkel zur Dickenrichtung (Z-Richtung) ausgerichtet sein. Dies ist insbesondere günstig, um Endfacetten 10 an den Wellenleiterstrukturen 4 zu bilden, die z.B. unter dem Brewster-Winkel zur einfallenden Strahlung ausgerichtet sind. Zur Erzeugung von seitlich geneigten Bruchkanten 8 wird der gepulste Laserstrahl 3 in der Regel nicht wie weiter oben beschrieben senkrecht auf die Rückseite 5b des Kristallstreifens 2 eingestrahlt, sondern unter einem von 90° verschiedenen Winkel.In principle, it is possible by means of the self-cleavage method described here to cleave the
Für die Ablation von Material des Kristallstreifens 2 ist es erforderlich, dass der gepulste Laserstrahl 3 in dem Material des Kristallstreifens absorbiert wird. Es ist daher günstig, wenn das Material des Kristallstreifens 2 nicht transparent für die Wellenlänge λ des Laserstrahls 3 ist. Grundsätzlich kann die Wellenlänge λ des Laserstrahls 3 in einem Wertebereich zwischen ca. 200 nm und ca. 10 µm liegen. Bei typischen optischen Kristallen 2 wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat oder Kaliumtitanylphosphat ist es günstig, wenn die Wellenlänge λ des Laserstrahls 3 bei weniger als 550 nm, insbesondere bei weniger als 400 nm, und bei mehr als 200 nm liegt. Die Pulsenergie des gepulsten Laserstrahls 3 ist im gezeigten Beispiel größer als die Ablationsschwelle des Materials des Kristallstreifens 2. Im gezeigten Beispiel, bei dem es sich bei dem Material des Kristallstreifens 2 um Lithiumniobat handelt, sollte die (mittlere) Pulsenergie zwischen ca. 0,1 µJ und 10 µJ liegen.For the ablation of material of the
Pulsdauern τ des Laserstrahls 3, die zwischen 10 fs und 8 ns, insbesondere zwischen 100 fs und 10 ps liegen (Ultrakurzpulse) haben sich für die Selbstspaltung bzw. für die Materialmodifikation als günstig herausgestellt. Die Ablation des Materials des Kristallstreifens 2 wird ebenfalls begünstigt, wenn der gepulste Laserstrahl 3 mit einer Repetitionsrate zwischen 1 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 500 kHz und 2000 kHz, eingestrahlt wird.Pulse durations τ of the laser beam 3 that are between 10 fs and 8 ns, in particular between 100 fs and 10 ps (ultra short pulses) have proven to be favorable for the self-cleavage or for the material modification. The ablation of the material of the
Zwar wurde das Selbstspaltungs-Verfahren weiter oben in Zusammenhang mit streifenförmigen optischen Kristallen bzw. Kristallstreifen 2 beschrieben, es ist aber ebenso möglich, einen optischen Kristall in Form des in
Das Einstrahlen des gepulsten Laserstrahls 3 wird in der Regel in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Bei der Schutzgasatmosphäre bzw. bei dem für die Erzeugung der Schutzgasatmosphäre verwendeten Gas bzw. Gasen kann es sich beispielsweise um Stickstoff oder um Argon handeln. Für die Durchführung des Verfahrens sind geeignete Atmosphären- und Strömungsverhältnisse günstig.The irradiation of the pulsed laser beam 3 is generally carried out in a protective gas atmosphere. The protective gas atmosphere or the gas or gases used to generate the protective gas atmosphere can be, for example, nitrogen or argon. Suitable atmospheric and flow conditions are favorable for carrying out the process.
Es versteht sich, dass das hier beschriebene Selbstspaltungs-Verfahren auch an optischen Kristallen 2 durchgeführt werden kann, die eine Dotierung aufweisen oder die eine Brechungsindexstruktur zur planaren Wellenleitung oder zur Rippen-Wellenleitung aufweisen, z.B. PE (proton-exchanged) LiNbO3.It goes without saying that the self-cleavage method described here can also be carried out on
Auch kann der optische Kristall 2 Teil eines Materialverbunds sein, z.B. kann es sich bei dem Materialverbund um LNol handeln. In diesem Fall wird der gepulste Laserstrahl 3 nicht auf die Rückseite 5b des optischen Kristalls 2, sondern auf die Rückseite 5b eines kristallinen Substrats 13 eingestrahlt. An einer Vorderseite 5a des Substrats 13 ist der optische Kristall 2 mit dem Substrat 13 verbunden. Im gezeigten Beispiel ist zwischen dem Substrat 13 und dem optischen Kristall 2, bei dem es sich um Lithiumniobat handelt, eine Zwischenschicht 14 gebildet. Die Zwischenschicht 14, die beispielsweise aus SiO2 bestehen kann, begünstigt die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung des optischen Kristalls 2 mit dem Substrat 13, wenn die Verbindung durch das Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls erzeugt wird, wie dies in der
Bei dem kristallinen Substrat 13 handelt es sich bei dem in
Die Dicke DM des optischen Kristalls 2 ist bei dem in
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- US 8969761 B2 [0009]US8969761B2 [0009]
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- DE 102020211282 [0036, 0074]DE 102020211282 [0036, 0074]
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