DE102021103353A1

DE102021103353A1 - Verfahren zur Herstellung eines Deckelsubstrats, Deckelsubstrat und optisches Bauelement

Info

Publication number: DE102021103353A1
Application number: DE102021103353.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Reinert; Vanessa Stenchly; Hans Joachim Quenzer; Dirk Kähler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2022-08-18
Also published as: WO2022171837A1

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines strukturierten Deckelsubstrats (1, 1') für ein optisches Bauelement (2, 2', 2"), umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Substratlage (3), Erzeugen einer Vielzahl von an einer Unterseite (4) der Substratlage (3) angeordneten Vertiefungen (5), Aufbringen einer optisch transparenten Dünnschicht (13) auf die Unterseite (4) der Substratlage (3) und Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht (13) in einem Bereich (16) jeder der Vertiefungen (5), so dass der jeweils freigestellte Teil der optisch transparenten Dünnschicht (13) ein optisches Membranfenster (15) bildet, wobei das Freistellen ein Ätzen von Teilen der Substratlage (3) ausgehend von einer der Unterseite (4) entgegengesetzten Oberseite (11) der Substratlage (3) umfasst. Die Anmeldung betrifft ferner ein strukturiertes Deckelsubstrat (1, 1') sowie ein optisches Bauelement (2, 2', 2").

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Deckelsubstrats für ein optisches Bauelement, ein Strukturiertes Deckelsubstrat sowie ein optisches Bauelement. Der Gegenstand der Anmeldung ist vorteilhaft im Gebiet der Optoelektronik, Photonik und Halbleiterfertigungstechnik einsetzbar, insbesondere in Verbindung mit einer zum Emittieren und/oder Detektieren von ultraviolettem Licht (UV-Licht) eingerichteten optischen Komponente.
Aus dem Stand der Technik sind lichtemittierende und/oder -detektierende Bauelemente, beispielsweise umfassend mit lichtemittierenden Dioden (LEDs) und/oder Photodioden bestückte planare Substrate, und entsprechende Deckelsubstrate zur Gehäusung solcher Bauelemente und Verfahren zur Herstellung solcher Deckelsubstrate bekannt.
In jüngerer Zeit wurden im ultravioletten Spektralbereich emittierende LEDs (UV-LEDs) entwickelt. Während im UVA-Bereich (315 nm-400 nm Wellenlänge) emittierende LEDs (UVA-LEDs) bereits hohe Quantenausbeuten (wall-plug efficiency, WPE) von über 80 % erzielen, liegt die derzeit erzielbare WPE bei im UVB- Bereich(280 nm-315 nm) oder im UVC-Bereich (200 nm-280 nm) emittierenden LEDs (UVB-LEDs, UVB-LEDs) aufgrund material- und fertigungstechnischer Einschränkungen deutlich darunter (beispielweise im Bereich von unter 5 %).
Daraus ergeben sich besondere Anforderungen an die Gehäusung von UV-LEDs, insbesondere UVB- oder UVC-LEDs, in entsprechenden Bauelementen. Etwa geht die geringe WPE mit erhöhten Wärmeverlusten bei gegebener Lichtleistung einher, was mehrere Nachteile mit sich bringt.
Häufig ist etwa eine hermetische Versiegelung optischer Komponenten wie UV-LEDs zum Schutz vor Umwelteinflüssen erwünscht oder erforderlich. insbesondere bei einer thermomechanischen Fehlanpassung zwischen verschiedenen Komponenten eines Bauelements (etwa zwischen einem Quarzglas-Deckelsubstrat und einem keramischen Bauelementesubstrat) kann eine erhöhte Wärmeentwicklung innerhalb des Bauelements zu mechanischer Beanspruchung führen, die die hermetische Versiegelung beschädigen oder zerstören kann.
Zudem kann eine erhöhte Wärmeentwicklung - insbesondere bei unzureichender Wärmeabfuhr - zu verringertem optischen Output, veränderten optischen Eigenschaften (Emissionsspektrum, räumliche Abstrahlcharakteristik) und/oder verringerter Lebensdauer von UV-LEDs bzw. von Bauelementen, die diese enthalten, führen.
Auch sollten diejenigen Bestandteile eines optischen Bauelements, die UV-Licht jeglicher Art ausgesetzt sind, sich durch hohe UV-Beständigkeit und - soweit erforderlich, etwa bei optischen Fenstern - durch hohe UV-Transparenz in den relevanten Wellenlängenbereichen auszeichnen.
Darüber hinaus ist es allgemein wünschenswert, optische Bauelemente kompakt auszulegen und wirtschaftlich, insbesondere mit kostengünstigen Ausgangsmaterialien und in paralleler Fertigung, herstellen zu können.
Der vorliegenden Anmeldung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Deckelsubstrats, ein Deckelsubstrat sowie ein optisches Bauelement vorzuschlagen, die die oben genannten erwünschten Eigenschaften wenigstens zum Teil aufweisen und die beschriebenen Probleme vermeiden oder zumindest verringern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Deckelsubstrat gemäß Anspruch 7 und ein optische Bauelement gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Herstellen eines strukturierten Deckelsubstrats für ein optisches Bauelement umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen einer Substratlage,
Erzeugen einer Vielzahl von an einer Unterseite der Substratlage angeordneten Vertiefungen,
Aufbringen einer optisch transparenten Dünnschicht auf die Unterseite der Substratlage und
Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht in einem Bereich jeder der Vertiefungen, so dass der jeweils freigestellte Teil der optisch transparenten Dünnschicht ein optisches Membranfenster bildet, wobei das Freistellen ein Ätzen von Teilen der Substratlage ausgehend von einer der Unterseite entgegengesetzten Oberseite der Substratlage umfasst.

Ein auf diese Weise strukturiertes Deckelsubstrat ermöglicht es, optische Bauelemente in kompakter Ausführung und in paralleler Fertigung, insbesondere mittels Waferlevel-Packaging in hoher Packungsdichte und anschließender Vereinzelung der Bauelemente, herzustellen. Jedes der Membranfenster (oder jede von mehreren Gruppen von nebeneinanderliegenden Membranfenstern) kann dabei zur Ein- und/oder Auskopplung von Licht in ein Bauelement bzw. aus diesem Bauelement eingerichtet sein.
Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, eine thermomechanisch an Silizium angepasste Substratlage zu verarbeiten, beispielsweise einen Siliziumwafer oder einen Glaswafer aus einem Glasmaterial mit einem an einen Halbleiter, insbesondere Silizium, angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (etwa Schott AF32, Corning Eagle XG, Hoya SD2, Schott Rayvolution). In Verbindung mit einem geeigneten Halbleiter-Bauelementesubstrat, insbesondere einem Siliziumwafer, kann dadurch eine thermomechanische Belastung eines resultierenden Bauelements verringert werden, was insbesondere ein verbesserte Lebensdauer des Bauelements und eine robuste hermetische Versiegelung erlaubt. Glas- und Siliziumwafer der genannten Art sind außerdem als kostengünstige Standardsubstrate erhältlich, was die Fertigungskosten senkt.
Als Glasmaterial wird hier insbesondere ein amorphes, anorganisches Material bezeichnet, dessen Viskosität sich bei steigender Temperatur kontinuierlich verringert. Ein an einen Halbleiter angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient (coefficient of thermal expansion, CTE) ist ein CTE, der dem des Halbleiters ähnelt, vorzugsweise so, dass er sich nicht um mehr als 2 ppm/K oder 1 ppm/K, insbesondere 0,5 ppm/K, von dem CTE des Halbleiters unterscheidet.
Bei einem aus einer optisch transparenten Dünnschicht gebildeten Membranfenster ist schon aufgrund der geringen Dicke die Absorption von Licht gering. Zudem eignet sich das Verfahren dazu, Materialien mit hoher UV-Transparenz, etwa Siliziumdioxid oder Silizium-Oxinitrid, als optisch transparente Dünnschicht zu verarbeiten, wodurch Deckelsubstrate für Bauelemente mit zur Emission und/oder Detektion von UV-Licht eingerichteten optischen Komponenten herstellbar sind.
Alternativ können Materialien mit hoher optischer Transparenz in anderen Wellenlängenbereichen, etwa im sichtbaren oder infraroten (IR) Bereich, als optisch transparente Dünnschicht verarbeitet werden. Beispielsweise kann Silizium mit einer hohen Transparenz für infrarotes Licht (IR-Licht), insbesondere in einem Wellenlängenbereich von ca. 1200 nm bis 12000 nm oder länger, verarbeitet werden, wodurch auch Deckelsubstrate für Bauelemente mit zur Emission und/oder Detektion von IR-Licht eingerichteten optischen Komponenten herstellbar sind.
Die genannten Materialien zeichnen sich zudem durch eine hohe UV-Beständigkeit aus, wodurch das Verfahren eine Grundlage für die Herstellung langlebiger Bauelemente zur Verfügung stellen kann.
Im Gegensatz zu Verfahren, bei denen beispielsweise optische Fenster innerhalb eines Glassubstrats durch teilweises Abtragen von Substratmaterial in der Weise gebildet werden, dass ein aus dem Substratmaterial gebildetes Fenster stehenbleibt, können mittels des vorgeschlagenen Verfahrens auf einfache Weise besonders dünne, dabei aber dennoch formstabile Membranfenster gebildet werden. Zudem können die Membranfenster hohe Materialreinheit aufweisen. Beispielsweise können die Membranfenster aus hochreinem Siliziumdioxid gebildet sein, ohne in der Glasverarbeitung häufig zugesetzte Fremdionen aufzuweisen, die etwa die Absorptionseigenschaften des Fensters beeinträchtigen und somit dessen UV-Transparenz und UV-Beständigkeit verringern können.
Als Dünnschicht wird hier eine nach Fertigung einer Substratlage auf diese aufgebrachte Schicht, insbesondere eine mittels Gasphasenabscheidung aufgebrachte Schicht, mit gegenüber der Substratlage geringer Schichtdicke verstanden (wobei die Dünnschicht auch von der Substratlage selbst durch weitere Schichten getrennt sein kann). Die Gasphasenabscheidung kann dabei etwa plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PE-CVD) und/oder Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LP-CVD) und/oder andere Methoden der Gasphasenabscheidung umfassen. Die Schichtdicke kann beispielsweise höchstens 20 µm, vorzugsweise höchstens 4 µm, in manchen Beispielen auch höchstens 200 nm oder mehr als 20 µm betragen.
Als optisches Membranfenster wird entsprechend ein gegenüber einem umgebendem Materialbereich der Substratlage verdünnter, insbesondere als freiliegende Dünnschicht gebildeter, Materialbereich verstanden, der insbesondere gegenüber dem umgebenden Materialbereich der Substratlage eine höhere optische Transmission, wenigstens in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich, aufweist. Das Membranfenster ist dabei vorzugsweise aus einem anderen Material bzw. anderen Materialien gebildet als der umgebende Materialbereich der Substratlage.
Jede der Vertiefungen kann beispielsweise flach, schräg, oder kuppelförmig geformt sein, wobei die Kuppelform etwa rotationssymmetrisch, exzentrisch und/oder elliptisch ausgeführt sein kann. Die Vertiefungen der Vielzahl von Vertiefungen können identische oder unterschiedliche Formen aufweisen. Neben der erwähnten Vielzahl von Vertiefungen kann die Substratlage weitere Vertiefungen aufweisen, die beispielsweise dazu eingerichtet sein können, ein Vereinzeln von Deckelelementen und/oder ein Freilegen von Kontaktierungen zu ermöglichen.
Die Vertiefungen der Substratlage können auf verschiedene Weise erzeugt werden. Etwa kann das Erzeugen der Vielzahl von an der Unterseite der Substratlage angeordneten Vertiefungen die folgenden Schritte umfassen:

Bereitstellen eines Formsubstrats, das eine Vielzahl von an einer Oberseite des Formsubstrats angeordneten Formvertiefungen aufweist,
Verbinden der Unterseite der Substratlage mit der Oberseite des Formsubstrats, so dass jede der Formvertiefungen mit der Unterseite der Substratlage eine im Wesentlichen gasdicht verschlossene Kavität bildet,
Tempern der Substratlage und/oder des Formsubstrats zum Verformen der Substratlage durch einen gegenüber einem Umgebungsdruck erhöhten Innendruck in den Kavitäten, so dass jeweils eine der zu erzeugenden Vertiefungen der Substratlage über jeder der Kavitäten erzeugt wird, und
Ablösen des Formsubstrats von der Substratlage.

Mittels eines solchen, auch als heißviskose Umformung bezeichneten Verfahrens ist eine große Zahl verschiedener Formen der Vertiefungen - und damit der Membranfenster - erzeugbar. Heißviskose Umformung eignet sich insbesondere, wenn die Substratlage ein Glasmaterial umfasst.
Die Formvertiefungen des Formsubstrats können beispielsweise eine runde oder elliptische oder polygonale Grundrissform (etwa quadratische, rechteckige, rautenförmige oder trapezförmige Grundrissform mit polygonalen oder verrundeten Ecken) aufweisen.
Zusätzlich zu den Formvertiefungen kann das Formsubstrat weitere Vertiefungen aufweisen, beispielsweise Gasaustauschkanäle und/oder zum Bilden von zusätzlichen Vertiefungen in der Substratlage mittels heißviskoser Umformungen eingerichtete Vertiefungen. Solche zusätzlichen Vertiefungen in der Substratlage können etwa dem Erzeugen von Hohlräumen zum Vereinzeln von Deckelelementen und/oder zum Freilegen von Kontaktierungen weiterverarbeiteter Bauelemente dienen.
Unter Tempern wird hier ein Temperaturbehandeln, beispielsweise ein zeitliches kontrolliertes, insbesondere homogenes, Erwärmen und/oder Abkühlen, vorzugsweise bei definiert regelbarem Umgebungsdruck, verstanden. Die Form der Vertiefungen wird beim Tempern durch den Umgebungsdruck, einen Temperaturverlauf des Temperaturbehandelns sowie ein in den Kavitäten eingeschlossenes Gasvolumen bestimmt. Insbesondere wird beim Tempern eine von der Unterseite der Substratlage aus betrachtet konvexe Form der Vertiefungen hergestellt, wenn eine Prozesstemperatur des Temperaturbehandelns eine Erweichungstemperatur der Substratlage übersteigt und zugleich der Innendruck in den Kavitäten gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht ist.
Zusätzlich kann das Erzeugen der Vertiefungen unter Anwendung der heißviskosen Umformung ein Anordnen eines Gegenformanschlags, umfassend eine Vielzahl von Gegenformvertiefungen, auf die Oberseite der Substratlage vor dem Tempern umfassen, wobei jede der Gegenformvertiefungen beim Anordnen auf der Substratlage entgegengesetzt zu einer jeweiligen Formvertiefung des Formsubstrats angeordnet wird. Das Verfahren kann dann ferner ein Ablösen des Gegenformanschlags von der Substratlage nach dem Tempern umfassen. Mittels eines Gegenformanschlags kann die Bandbreite erzeugbarer Formen der Vertiefungen in der Substratlage vergrößert und eine Reproduzierbarkeit und/oder Gleichförmigkeit der erzeugten Formen der Vertiefungen verbessert werden.
Das Verbinden der Unterseite der Substratlage mit der Oberseite des Formsubstrats kann ein bekanntes Waferbondverfahren, insbesondere ein anodisches Bonden umfassen.
Die Formvertiefungen können auf verschiedene Weise herstellbar sein, beispielsweise auf einfache Weise durch Ätzen unter Verwendung einer strukturierten Passivierungsschicht, insbesondere einer lithographisch strukturierten Resistschicht. Dementsprechend kann das Bereitstellen des Formsubstrats die folgenden Schritte umfassen:

Bereitstellen eines Halbleiterwafers mit einer Passivierungsschicht,
lithographisches Entfernen einer Vielzahl von Bereichen der Passivierungsschicht,
Ätzen der Oberfläche des Halbleiterwafers in jedem der Bereiche, in denen die Passivierungsschicht entfernt wurde, zum Erzeugen einer jeweiligen Formvertiefung der Vielzahl von Formvertiefungen,
Entfernen der Passivierungsschicht.

Alternativ zu der heißviskosen Umformung können die Vertiefungen der Substratlage auf andere Art und Weise erzeugt werden. Etwa kann das Erzeugen der Vielzahl von an der Unterseite der Substratlage angeordneten Vertiefungen die folgenden Schritte umfassen:

Aufbringen einer Passivierungsschicht auf die Substratlage,
Einbringen einer Vielzahl von Öffnungen in die Passivierungsschicht an der Unterseite der Substratlage, insbesondere mittels eines Trocken- oder Nassätzprozesses,
Ätzen der Substratlage ausgehend von den in die Passivierungsschicht eingebrachten Öffnungen, so dass jeweils eine der zu erzeugenden Vertiefungen der Substratlage über jeder der Öffnungen erzeugt wird.

Das Erzeugen der Vertiefungen durch Ätzen eignet sich besonders für eine aus Silizium gebildete Substratlage. Das Ätzen der Substratlage erfolgt vorzugsweise mittels eines isotropen Ätzprozesses, kann jedoch auch mittels eines anisotropen Ätzprozesses erfolgen.
Eine Zusammensetzung der Passivierungsschicht kann entsprechend der Art der Substratlage gewählt werden. Beispielsweise kann die Passivierungsschicht für eine Silizium-Substratlage Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid umfassen. Die Passivierungsschicht kann eine lithographisch strukturierbare Resistmaske sein oder umfassen. Es kann mehr als eine Passivierungsschicht vorgesehen sein, beispielsweise auf der Ober- und Unterseite der Substratlage.
Das Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht innerhalb jeder der Vertiefungen kann ein Aufbringen einer lithographisch strukturierbaren Resistmaske und/oder ein LIDE-Verfahren (laser-induced deep etching) und in beiden Fällen nachfolgendes Ätzen umfassen.
Das Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht innerhalb jeder der Vertiefungen kann die folgenden Schritte umfassen:

Aufbringen, in der genannten Reihenfolge, einer ersten Ätzstoppschicht, der optisch transparenten Dünnschicht und einer zweiten Ätzstoppschicht auf die Unterseite des Deckelsubstrats vor dem Ätzen der zu entfernenden Teile der Substratlage,
Entfernen von freiliegenden Bereichen der ersten und zweiten Ätzstoppschicht nach dem Ätzen der zu entfernenden Teile der Substratlage.

Ist ein Freistellen der optisch transparenten Dünnschicht auf diese Weise vorgesehen, kann die optisch transparente Dünnschicht insbesondere ein Material umfassen, das ohne Vorliegen der Ätzstoppschichten gemeinsam mit der Substratlage geätzt würde. Ist die Substratlage beispielsweise aus einem Glasmaterial gebildet, kann durch die Ätzstoppschichten eine Siliziumdioxid-Dünnschicht geschützt und somit zum Bilden des optischen Membranfensters verwendet werden. Besteht die Substratlage aus Silizium, kann mittels geeigneter Ätzstoppschichten auch das Membranfenster aus Silizium gebildet werden.
Die erste und/oder zweite Ätzstoppschicht kann Silizium umfassen. Die erste und/oder zweite Ätzstoppschicht kann mittels Gasphasenabscheidung, insbesondere PE-CVD erzeugt oder erzeugbar sein. Das Entfernen von freiliegenden Bereichen der Ätzstoppschichten kann ein Ätzen, etwa mittels KOH und/oder TMAH und/oder RIE umfassen.
Bei geeigneter Kombination von Substratlage (etwa Silizium) und optisch transparenter Dünnschicht (etwa Siliziumdioxid) kann das Freistellen auch durch Ätzen ohne separate Ätzstoppschichten erfolgen.
Das Verfahren kann ein Planarisieren und/oder Polieren der Oberseite der Substratlage umfassen, insbesondere zum Einebnen von beim Herstellen der Vielzahl von Vertiefungen entstandenen Unebenheiten der Oberseite des Deckelsubstrats, wodurch eine Oberflächenbeschaffenheit des Deckelsubstrats verbessert werden kann. Das Planarisieren und/oder Polieren kann im Falle der heißviskosen Umformung vor oder nach dem Entfernen des Formsubstrats erfolgen.
Das Verfahren kann ein einseitiges oder beidseitiges Aufbringen einer Antireflexbeschichtung auf das Deckelsubstrat, insbesondere die Membranfenster, umfassen. Die optische Transmission kann somit weiter verbessert werden. Die Antireflexbeschichtung kann insbesondere mittels Gasphasenabscheidung oder thermischer Aufdampfung oder Atomlagenabscheidung erzeugt werden.
Das Verfahren kann ein Aufbringen einer zum hermetischen Verbinden des Deckelsubstrats mit einem Bauelementesubstrat eingerichteten strukturierten Fügematerialschicht, insbesondere einer Metallisierung, auf die Unterseite des Deckelsubstrats umfassen. Alternativ kann als Fügematerialschicht etwa eine Glasfrit-Beschichtung vorgesehen sein. Mittels der Fügematerialschicht ist das Deckelsubstrat für eine Weiterverarbeitung durch hermetisches Bonden auf ein Bauelementesubstrat, entsprechend der Art der Fügematerialschicht etwa mittels eines Lötverfahrens oder eines Glasfritbondens vorbereitet.
Das Verfahren kann weiterhin ein Vereinzeln des Deckelsubstrats zu einzelnen Deckelelementen umfassen, wobei die Deckelelemente jeweils eines oder mehrere der optischen Membranfenster umfassen.
Das vorgeschlagene strukturierte Deckelsubstrat für ein optisches Bauelement umfasst:

eine Substratlage, umfassend eine Vielzahl von die Substratlage von einer Oberseite zu einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite durchtretenden Fensteröffnungen und
eine an der Unterseite der Substratlage aufgebrachte optisch transparente Dünnschicht,
wobei die optisch transparente Dünnschicht im Bereich jeder der Fensteröffnungen ein optisches Membranfenster ausbildet.

Ein solches strukturiertes Deckelsubstrat ist insbesondere mittels des vorgeschlagenen Verfahrens herstellbar und weist dementsprechend die bereits weiter oben beschriebenen Vorteile auf.
Das Deckelsubstrat kann ein Glassubstrat, insbesondere ein an Silizium thermomechanisch angepasstes Glassubstrat, oder ein Siliziumsubstrat sein oder umfassen.
Die optisch transparente Dünnschicht kann eine UV-transparente Schicht, insbesondere eine Siliziumdioxidschicht oder eine Silizium-Oxinitridschicht, sein oder umfassen. Die optisch transparente Dünnschicht kann eine im sichtbaren Wellenlängenbereich transparente Schicht sein oder umfassen. Die optisch transparente Dünnschicht kann eine IR-transparente Schicht, insbesondere eine Siliziumschicht, sein oder umfassen. Die optisch transparente Dünnschicht kann mehrere als Schichtstapel angeordnete Einzelschichten umfassen.
Die optischen Membranfenster können, von der Unterseite der Substratlage aus betrachtet, konvex, insbesondere kuppelförmig, geformt sein. So geformte Membranfenster weisen eine hohe Formstabilität auf und können insbesondere mittels des oben beschriebenen Verfahrens erzeugt werden, wobei die Form der Membranfenster durch die Form der Vertiefungen der Substratlage vorgegeben wird.
Die optischen Membranfenster können gegenüber der Oberseite der Substratlage versenkt angeordnet sein. Auf diese Weise können die Membranfenster vor mechanischen Einwirkungen geschützt sein. Alternativ können die Membranfenster mit der Oberseite der Substratlage bündig abschließen oder über diese hervorstehen.
Die Substratlage kann in einem Bereich um jede der Fensteröffnungen eine an der Unterseite der Substratlage angeordnete Vertiefung aufweisen, wodurch das Deckelsubstrat vorteilhaft dazu eingerichtet ist, durch Verbinden mit einem Bauelementesubstrat eine Kavität zur Aufnahme einer optischen Komponente zu bilden, insbesondere um eine geschlossene Bauteilgehäusung zu ergeben.
Das Deckelsubstrat kann zu jedem der Membranfenster ein über dem jeweiligen Membranfenster (d. h. an der der Oberseite der Substratlage zugewandten Seite des Membranfensters) angeordnetes Gitter umfassen. Das Gitter kann insbesondere durch Ätzen aus der Substratlage erzeugt sein, wobei das Membranfenster mit dem Gitter fest verbunden oder gegenüber diesem beweglich sein kann. Durch die Gitter können die Membranfenster zusätzlich vor mechanischen Einflüssen geschützt sein, insbesondere wenn hohe Innendrücke unter den Membranfenstern und/oder variable Umgebungsdrücke auftreten können.
Die Membranfenster und/oder die darüber angeordneten Gitter (sofern vorhanden) können Kantenmetallisierungen aufweisen, die etwa zur Formung von durchtretendem Licht und/oder zu einer projektionsbasierten Kanaltrennung eingerichtet sein können.
Das vorgeschlagene optische Bauelement umfasst

ein Substratelement, auf dem eine zum Emittieren und/oder Detektieren von Licht, insbesondere UV-Licht, eingerichtete optische Komponente angeordnet ist,
ein Deckelelement, umfassend ein in einer Fensteröffnung angeordnetes optisches Membranfenster, wobei die Fensteröffnung eine Substratlage des Deckelelements durchtritt,
wobei das Deckelelement so mit dem Substratelement verbunden oder verbindbar ist, dass die optische Komponente in einer zwischen dem optischen Membranfenster und dem Substratelement gebildeten Kavität hermetisch eingeschlossen oder einschließbar ist, und
wobei die optische Komponente zum Emittieren von Licht in einer das optische Membranfenster durchtretenden Richtung und/oder zum Erfassen von durch das optische Membranfenster in die Kavität eintretendem Licht in der Kavität angeordnet ist.

Eine mittlere Abstrahl- bzw. Einstrahlrichtung des eintretenden bzw. austretenden Lichts kann dabei beispielweise senkrecht zu einer die optische Komponente tragenden Oberfläche des Substratelements oder zu dieser Oberfläche abgewinkelt sein.
Es kann vorgesehen sein, dass das Deckelelement durch Vereinzeln aus einem strukturierten Deckelsubstrat, umfassend eine Vielzahl von Fensteröffnungen mit jeweiligen optischen Membranfenstern, gebildet ist. Insbesondere kann ein solches strukturiertes Deckelsubstrat, aus dem das Deckelelement gebildet sein kann, ein strukturiertes Deckelsubstrat der oben vorgeschlagenen Art und/oder ein mittels des vorgeschlagenen Verfahrens hergestelltes Deckelsubstrat sein.
Das Deckelelement selbst kann eine Vielzahl von Fensteröffnungen mit jeweils darin angeordneten optischen Membranfenstern aufweisen. In diesem Fall kann das Deckelelement selbst ein strukturiertes Deckelsubstrat der oben vorgeschlagenen Art und/oder mittels des oben vorgeschlagenen Verfahrens hergestellt sein. Entsprechend kann das Substratelement eine Vielzahl von Sockelbereichen, jeweils eingerichtet zum Aufnehmen einer optischen Komponente umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Substratelement durch Vereinzeln aus einem Bauelementesubstrat, umfassend eine Vielzahl von Sockelbereichen, jeweils eingerichtet zum Aufnehmen einer optischen Komponente, gebildet ist.
Das Bauelement kann durch Verbinden eines Deckelsubstrats und eines Bauelementesubstrats und anschließendes gemeinsames Vereinzeln zu Bauelementen oder durch getrenntes Vereinzeln eines Deckelsubstrats zu Deckelelementen und eines Bauelementesubstrats zu Substratelementen und anschließendes Verbinden eines der Deckelelemente mit einem der Substratelemente herstellbar sein. Das Vereinzeln kann auch ausgelassen werden.
Das Substratelement umfasst vorzugsweise eine Halbleiterlage, insbesondere eine Siliziumlage. Das Deckelelement umfasst vorzugsweise eine Substratlage aus einem Material, das dem Substratelement thermomechanisch angepasst ist, insbesondere Silizium oder ein an Silizium thermomechanisch angepasstes Glasmaterial.
Das Deckelelement kann mittels einer Fügematerialschicht, insbesondere eines metallischen Bondrahmens (durch Löten), mit dem Substratelement verbunden sein, wobei die Fügematerialschicht vor dem Verbinden an dem Substratelement und/oder dem Deckelelement angeordnet sein kann. Das Deckelelement kann alternativ durch Glasfritbonden, durch anodisches Bonden oder durch Laser-Direktverschweißung, insbesondere ohne Fügematerialschicht, mit dem Substratelement verbunden sein.
Die Kavitäten des Bauelements können mit einem Gas, beispielsweise Argon und/oder Sauerstoff und/oder synthetischer Luft, gefüllt sein.
Wesentliche Eigenschaften und Vorteile des Bauelements sind bereits oben in Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Verfahren und dem vorgeschlagenen Deckelsubstrat erläutert worden.
Das Bauelement ermöglicht ferner eine gute Wärmeableitung von der optischen Komponente. Eine besonders gute Wärmeableitung kann durch Vorsehen von Wärmeleitelementen ermöglicht werden. Etwa kann das Substratelement thermisch leitfähige Durchkontaktierungen (Vias), insbesondere mit Silbersinterpaste gefüllte Vias, mit Kupfer gefüllte Vias und/oder in hoher Dichte angeordnete Lötbumps aufweisen. Die thermisch leitfähigen Vias können insbesondere zugleich zur Verwendung als elektrische Kontaktierungen eingerichtet sein.
Auch können durch die Ausführung des Substratelements mit einer Halbleiterlage Komponenten wie Vorverstärker, Zener-Dioden, Monitoring-Photodioden etc. bereits in die Halbleiterlage integriert werden, etwa durch einen CMOS-Prozess, der vor einem Bestückungsprozess durchführbar ist. Damit können insbesondere ein geringer Montageaufwand, hohe Miniaturisierung, Test- bzw. Selbsttestfähigkeiten (insbesondere in effizienter Weise auf Waferebene) und/oder ein geringer Stromverbrauch des Bauelements verwirklicht werden.
Das Bauelement ist ferner frei von organischen Hilfs- oder Fügestoffen erzeugbar, so dass Ausdünstungen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen, und damit einhergehende Trübungen des Membranfensters vermieden werden können.
Das strukturierte Deckelsubstrat und das optische Bauelement können gemäß den im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Merkmalen weitergebildet werden; das Verfahren kann zusätzliche Schritte umfassen, die Merkmalen des Deckelsubstrats und/oder des Bauelements entsprechen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand 1 bis 18 erläutert. Dabei zeigen, jeweils in schematischen Teilquerschnitten,

1 bis 9 verschiedene Zwischenprodukte eines Verfahrens zur Herstellung eines strukturierten Deckelsubstrats,
10 ein strukturiertes Deckelsubstrat, hergestellt nach dem in 1 bis 9 illustrierten Verfahren,
11 ein Waferlevel-Bauelement, umfassend das Deckelsubstrat nach 10,
12 zwei optische Bauelemente, hergestellt aus dem Waferlevel-Bauelement nach 11,
13 bis 16 verschiedene Zwischenprodukte eines Verfahrens zur Herstellung eines strukturierten Deckelsubstrats gemäß einem weiteren Beispiel,
17 ein strukturiertes Deckelsubstrat gemäß einem weiteren Beispiel, hergestellt nach dem in 13 bis 16 illustrierten Verfahren,
18 ein Bauelement gemäß einem weiteren Beispiel, umfassend das Deckelsubstrat nach 17.

Wiederkehrende und ähnliche Merkmale verschiedener Ausführungsformen sind in den Abbildungen mit identischen oder ähnlichen alphanumerischen Bezugszeichen versehen.
1 bis 12 illustrieren ein erstes Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines strukturierten Deckelsubstrats 1 für ein optisches Bauelement sowie das mittels des Verfahrens erhältliche Deckelsubstrat 1 und mittels weiterer Verarbeitung des Deckelsubstrats 1 erzeugbare optische Bauelemente 2, 2'.
Ein erster Schritt des Verfahrens umfasst ein Bereitstellen einer Substratlage 3 (1). Die Substratlage 3 ist ein planarer Wafer, gebildet aus einem Glasmaterial mit einem an Silizium angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, etwa Schott AF32, Corning Eagle XG, Hoya SD2, oder Schott Rayvolution,.
Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein Erzeugen einer Vielzahl von an einer Unterseite 4 der Substratlage 3 angeordneten Vertiefungen 5 (2). In 1 bis 11 ist jeweils nur ein Teil der Substratlage 3 gezeigt, der eine der Vielzahl von Vertiefungen 5 umfasst. Die Substratlage 3 kann jedoch eine beliebige Anzahl von Vertiefungen 5 umfassen
Die Vertiefungen 5 werden in diesem Beispiel mittels heißviskoser Umformung erzeugt. Dementsprechend umfasst das Erzeugen der Vielzahl von an der Unterseite 4 der Substratlage 3 angeordneten Vertiefungen 5 zunächst ein Bereitstellen eines Formsubstrats 6, das eine Vielzahl von an einer Oberseite 7 des Formsubstrats angeordneten Formvertiefungen 8 aufweist (1) sowie ein Verbinden der Unterseite 4 der Substratlage 3 mit der Oberseite 7 des Formsubstrats 6, so dass jede der Formvertiefungen 8 mit der Unterseite 4 der Substratlage 3 eine im Wesentlichen gasdicht verschlossene Kavität 9 bildet (1).
Das Formsubstrat 6 ist in diesem Beispiel ein Siliziumwafer, kann jedoch auch ein anderes planares Substrat sein oder umfassen. Die Formvertiefungen 8 des Formsubstrats 6 können beispielsweise eine runde oder elliptische oder polygonale (etwa quadratische, rechteckige, rautenförmige oder trapezförmige Form mit polygonalen oder verrundeten Ecken) Grundrissform aufweisen.
Das Formsubstrat 6 wird hier strukturiert, insbesondere mit den Formvertiefungen 8 versehen, bereitgestellt. Die Formvertiefungen 8 können auf im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens erzeugt werden, beispielsweise auf einfache Weise durch Ätzen unter Verwendung einer strukturierten Passivierungsschicht, insbesondere einer lithographisch strukturierten Resistschicht, wie oben beschrieben. Dementsprechend kann das Bereitstellen des Formsubstrats die folgenden (hier nicht illustrierten) Schritte umfassen: Bereitstellen eines Halbleiterwafers mit einer Passivierungsschicht,
lithographisches Entfernen einer Vielzahl von Bereichen der Passivierungsschicht,
Ätzen der Oberfläche des Halbleiterwafers in jedem der Bereiche, in denen die Passivierungsschicht entfernt wurde, zum Erzeugen einer jeweiligen Formvertiefung der Vielzahl von Formvertiefungen,
Entfernen der Passivierungsschicht.
Das Verbinden der Unterseite 4 der Substratlage 3 mit der Oberseite 7 des Formsubstrats 6 erfolgt mittels anodischen Bondens, kann jedoch auch mittels anderer Waferbondverfahren erfolgen.
Zusätzlich zu den Formvertiefungen 8 kann das Formsubstrat 6 weitere Vertiefungen umfassen, beispielsweise Gasaustauschkanäle und/oder zum Bilden von zusätzlichen Vertiefungen in der Substratlage 3 mittels heißviskoser Umformungen eingerichtete Vertiefungen.
Das Erzeugen der Vertiefungen 5 umfasst weiterhin ein Tempern der Substratlage 3 und des Formsubstrats 6, beispielweise in einem Unterdruckofen. Beim Tempern wird ein Verformen der Substratlage 3 durch einen gegenüber einem Umgebungsdruck erhöhten Innendruck in den Kavitäten 9 erzielt, so dass jeweils eine der zu erzeugenden Vertiefungen 5 der Substratlage 3 über jeder der Kavitäten 9 erzeugt wird (2). Insbesondere übersteigt eine Prozesstemperatur des Temperns eine Erweichungstemperatur der Substratlage 3, während zugleich der Innendruck in dem Kavitäten 9 gegenüber dem Druck im Ofen erhöht ist, so dass eine von der Unterseite 4 der Substratlage 3 aus betrachtet konvexe Form der Vertiefungen 5 hergestellt wird.
Die Form der Vertiefungen 5 wird beim Tempern durch den Umgebungsdruck, einen Temperaturverlauf des Temperns sowie ein in den Kavitäten 9 eingeschlossenes Gasvolumen bestimmt. Jede der Vertiefungen 5 kann beispielsweise flach, schräg, oder - wie im gezeigten Beispiel - kuppelförmig geformt sein, wobei die Kuppelform etwa rotationssymmetrisch, exzentrisch und/oder elliptisch ausgeführt sein kann. Die Vertiefungen 5 können (wie gezeigt) identische oder unterschiedliche Formen aufweisen.
Die Bandbreite möglicher Formen der Vertiefungen 5 kann vergrößert werden, indem vorgesehen wird, dass vor dem Tempern ein Gegenformanschlag (nicht gezeigt), umfassend eine Vielzahl von Gegenformvertiefungen, mit einer der Unterseite 4 gegenüberliegenden Oberseite 11 der Substratlage 3 verbunden wird, wobei jede der Gegenformvertiefungen beim Anordnen auf der Substratlage entgegengesetzt zu einer jeweiligen Formvertiefung des Formsubstrats angeordnet wird. Das Verfahren kann dann ferner ein Ablösen des Gegenformanschlags von der Substratlage 3 nach dem Tempern umfassen.
Das Erzeugen der Vertiefungen 5 umfasst schließlich ein Ablösen des Formsubstrats 6 von der Substratlage 3 (3), etwa mittels eines Silizium-Ätzverfahrens und/oder durch Abschleifen.
Beim Erzeugen der Vertiefungen 5 entstehen durch Verformung der Substratlage 3 Auswölbungen 10 an der Oberseite 11 der Substratlage 3, die den jeweiligen Vertiefungen 5 gegenüberliegen (2 und 3).
Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst daher ein Planarisieren und/oder Polieren der Oberseite 4 der Substratlage 3 zum Einebnen der Auswölbungen 10 (4). Das Planarisieren und/oder Polieren erfolgt in diesem Beispiel nach dem Entfernen des Formsubstrats 6, kann jedoch auch davor erfolgen. Je nach gewünschter Oberflächenbeschaffenheit kann das Planarisieren bzw. Polieren auch ausgelassen werden.
Weitere Verfahrensschritte umfassen ein Aufbringen, in der genannten Reihenfolge, einer ersten Ätzstoppschicht 12 (5), einer optisch transparenten Dünnschicht 13 (6) und einer zweiten Ätzstoppschicht 14 (7) auf die Unterseite 4 der Substratlage 3.
Die erste und zweite Ätzstoppschicht 12, 14 sind vorzugsweise Siliziumschichten, die mittels PE-CVD abgeschieden werden. Die optisch transparente Dünnschicht 13 ist hier vorzugsweise eine Siliziumdioxidschicht, die mittels PE-CVD abgeschieden wird. Eine Schichtdicke der optisch transparenten Dünnschicht 13 liegt hier typischerweise im Bereich von 3 µm bis 20 µm und kann beispielsweise ca. 10 µm betragen.
Das Verfahren umfasst ein Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht 13 in einem Bereich jeder der Vertiefungen 5 (im Folgenden Freistellungsbereich 16), so dass der jeweils freigestellte Teil der optisch transparenten Dünnschicht 13 ein optisches Membranfenster 15 bildet (8 und 9).
Das Freistellen der optischen Dünnschicht 13 umfasst ein Ätzen der Freistellungsbereiche 16 der Substratlage 3 ausgehend von der Oberseite 11 der Substratlage 3. Dabei werden die zu entfernenden Freistellungsbereiche 16 zunächst mittels Einfalls von Laserlicht 17 im LIDE-Verfahren definiert und anschließend durch Ätzen (nass oder trocken) entfernt, so dass Fensteröffnungen 18 gebildet werden, innerhalb denen die in diesem Schritt noch von den Ätzstoppschichten 12 und 14 bedeckte optisch transparente Dünnschicht 13 freiliegt (8).
Alternativ können die Freistellungsbereiche 16 auf andere Weise, etwa durch aufbringen einer lithographisch strukturierbaren Resistmaske, definiert werden.
Das Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht 13 innerhalb jeder der Vertiefungen 5 umfasst ferner ein Entfernen von freiliegenden Bereichen der ersten und zweiten Ätzstoppschicht 12, 14 nach dem Ätzen der Freistellungsbereiche 16 durch einen weiteren Ätzschritt, vorzugsweise ein Silizium-Nassätzen, so dass die aus der optisch transparenten Dünnschicht 13 gebildeten Membranfenster 15 innerhalb der Fensteröffnungen 18 freiliegen (9).
Das Verfahren umfasst ferner ein Aufbringen einer zum hermetischen Verbinden des nun fertig gebildeten strukturierten Deckelsubstrats 1 mit einem Bauelementesubstrat eingerichteten strukturierten Metallisierung als Fügematerialschicht 19 auf die Unterseite des Deckelsubstrats 1 (10). Alternativ kann als Fügematerialschicht etwa eine Glasfrit-Beschichtung vorgesehen sein oder die Fügematerialschicht weggelassen und/oder auf ein mit dem Deckelsubstrat 1 zu verbindendes Bauelementesubstrat aufgebracht werden.
Die optischen Membranfenster 15 des Deckelsubstrats 1 sind gegenüber der Oberseite 11 der Substratlage 3 versenkt angeordnet. Alternativ können die Membranfenster 15mit der Oberseite 11 der Substratlage 3 bündig abschließen oder über diese hervorstehen.
Dadurch, dass die Substratlage 1 in einem Bereich um jede der Fensteröffnungen 15 die jeweilige an der Unterseite 4 der Substratlage 3 angeordnete Vertiefung 5 aufweist, ist das Deckelsubstrat 1 vorteilhaft dazu eingerichtet, durch Verbinden mit einem Bauelementesubstrat 20 zu dem in 11 gezeigten optischen Bauelement 2 weiterverarbeitet zu werden.
Das Verbinden kann dabei mittels der als Fügematerialschicht 19 aufgebrachten Metallisierung durch Löten erfolgen. Alternativ kann das Verbinden durch ein Glasfritbonden, durch anodisches Bonden oder durch Laser-Direktverschweißung, insbesondere ohne Fügematerialschicht, erfolgen.
Das Bauelementesubstrat 20 umfasst einen Silizium-Wafer 21, umfassend eine Vielzahl von Sockelbereichen 22, in denen jeweils eine optische Komponente 23 angeordnet ist. Jede der optischen Komponenten 23 ist mittels vertikal durch den Silizium-Wafer 21 durchgeführter Kontaktierungen 24 elektrisch ankontaktiert. Die Kontaktierungen 24 wirken zugleich als Wärmeleitelemente zur Abfuhr von Wärme aus dem Bauelement 2. Alternativ oder zusätzlich können lateral an einer Oberfläche des Silizium-Wafers geführte Kontaktierungen vorgesehen sein.
Die optischen Komponenten 23 sind zum Emittieren und/der Detektieren von UV-Licht eingerichtete Komponenten, beispielweise UV-LEDs und/oder UV-Photodioden, Monitordioden, Zenerdioden, Treiber oder Signalverstärker.
Wie in 12 illustriert, umfasst das Verfahren weiterhin ein Vereinzeln des optischen Bauelements 2, das ein Waferlevel-Vorläuferbauelement ist, zu einzelnen einsatzfertigen optischen Bauelementen 2'. Die optischen Bauelemente 2' sind somit in kompakter Ausführung und in paralleler Fertigung, insbesondere mittels Waferlevel-Packaging in hoher Packungsdichte und anschließender Vereinzelung der Bauelemente, herzustellen. Jedes der optischen Membranfenster 15 ist dabei zur Ein- und/oder Auskopplung von Licht in das Bauelement 2' bzw. aus diesem Bauelement 2' eingerichtet. Alternativ können die Bauelemente 2' durch getrenntes Vereinzeln des Deckelsubstrats 1 zu Deckelelementen und des Bauelementesubstrats 20 zu Substratelementen und anschließendes Verbinden jeweils eines der Deckelelemente mit einem der Substratelemente herstellbar sein. Weiter alternativ können die Bauelemente 2' durch getrenntes Vereinzeln des Deckelsubstrats 1 zu Deckelelementen und anschließendes Verbinden jeweils eines der Deckelelemente mit einer Position auf dem Bauelementesubstrat 20 herstellbar sein.
Jedes der optischen Bauelemente 2' umfasst ein Substratelement 25, auf dem eine der optischen Komponenten 23 angeordnet ist, und ein Deckelelement 26, umfassend jeweils eine der Fensteröffnungen 18 mit dem darin angeordneten optischen Membranfenster 15.
Das Deckelelement 26 ist so mit dem Substratelement 25 verbunden, dass die optische Komponente 23 in einer zwischen dem optischen Membranfenster und dem Substratelement 25 gebildeten Kavität (Komponentenkavität 27) hermetisch eingeschlossen ist.
Dabei ist die optische Komponente 23 zum Emittieren von Licht in einer das optische Membranfenster 15 durchtretenden Richtung und/oder zum Erfassen von durch das optische Membranfenster 15 in die Kavität 27 eintretendem Licht in der Kavität 27 angeordnet. Eine mittlere Abstrahl- bzw. Einstrahlrichtung des eintretenden bzw. austretenden Lichts steht senkrecht zu einer die optische Komponente 23 tragenden Oberfläche des Substratelements 25, kann jedoch zu dieser Oberfläche auch abgewinkelt sein.
13 bis 18 illustrieren ein zweites Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines strukturierten Deckelsubstrats 1' für ein optisches Bauelement sowie das mittels des Verfahrens erhältliche Deckelsubstrat 1' und ein mittels weiterer Verarbeitung des Deckelsubstrats 1' erzeugbares optisches Bauelement 2". Im Folgenden werden das zweite Beispiel des Verfahrens sowie das Deckelsubstrat 1' und das Bauelement 2" nur zusammenfassend beschrieben, wobei die Unterschiede gegenüber dem ersten Beispiel des Verfahrens, dem Deckelsubstrat 1 und den Bauelementen 2 und 2' hervorgehoben werden. Weitere Aspekte können gemäß der obigen Beschreibung vorgesehen sein.
Wie im oben beschriebenen ersten Beispiel umfasst das Verfahren gemäß dem zweiten Beispiel die Schritte:

Bereitstellen einer Substratlage 3 (13),
Erzeugen einer Vielzahl von an einer Unterseite 4 der Substratlage 3 angeordneten Vertiefungen 5 (13 bis 15),
Aufbringen einer optisch transparenten Dünnschicht 13 auf die Unterseite 4 der Substratlage 3 (16) und
Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht 13 in einem Bereich jeder der Vertiefungen 5, so dass der jeweils freigestellte Teil der optisch transparenten Dünnschicht 13 ein optisches Membranfenster 15 bildet, wobei das Freistellen ein Ätzen von Teilen der Substratlage 3 ausgehend von einer der Unterseite 4 entgegengesetzten Oberseite 11 der Substratlage 3 umfasst (17).

In 13 bis 18 ist jeweils nur ein Teil der Substratlage 3 gezeigt, der eine der Vielzahl von Vertiefungen 5 umfasst. Die Substratlage 3 kann jedoch eine beliebige Anzahl von Vertiefungen 5 umfassen. Die Substratlage 3 ist in diesem Beispiel ein planarer Wafer, gebildet aus Silizium.
Die Vertiefungen 5 werden in diesem Beispiel mittels eines Ätzverfahrens erzeugt, das die folgenden Schritte umfasst:

Aufbringen einer ersten Passivierungsschicht 28 auf die Unterseite 4 der Substratlage 3 und einer zweiten Passivierungsschicht 29 auf die Oberseite 11 der Substratlage 3 (13),
Einbringen einer Vielzahl von Öffnungen 30 in die erste Passivierungsschicht 28 (13),
Ätzen der Substratlage 3 ausgehend von den in die erste Passivierungsschicht 28 eingebrachten Öffnungen 30, so dass jeweils eine der zu erzeugenden Vertiefungen 5 der Substratlage 3 über jeder der Öffnungen 30 erzeugt wird (14).

Die Passivierungsschichten 28 und 29 umfassen Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid. Das Einbringen der Öffnungen 30 erfolgt mittels eines Trocken- oder Nassätzprozesses (13).
Das Ätzen der Substratlage 3 erfolgt zum Erzeugen der Vertiefungen 5 vorzugsweise mittels eines isotropen Ätzprozesses zum Erzeugen von kuppelförmigen Vertiefungen 5 (14), kann jedoch je nach gewünschter Form der Vertiefungen 5 auch mittels eines anisotropen Ätzprozesses erfolgen.
Nach dem Erzeugen der Vertiefungen 5 werden die Passivierungsschichten 28 und 29 von der Substratlage 3 entfernt (15).
Die optisch transparente Dünnschicht 13 (16) ist vorzugsweise eine mittels PE-CVD abgeschiedene Siliziumdioxid- und/oder Silizium-Oxinitridschicht, kann jedoch auch beispielsweise mittels thermischer Oxidation aufgebracht werden. Die optisch transparente Dünnschicht 13 kann optional durch Tempern nachverdichtet werden.
Zum Freistellen von Teilen der optisch transparenten Dünnschicht 13 werden zunächst Freistellungsbereiche 16 (16) mittels einer lithographisch strukturierbaren Lackmaske an der Oberseite 11 der Substratlage definiert (nicht gezeigt) und anschließend die Freistellungsbereiche 16 durch ein Nass- oder Trockenätzverfahren entfernt, so dass Fensteröffnungen 18 gebildet werden. Innerhalb jeder der Fensteröffnungen 18 ist die optisch transparente Dünnschicht 13 somit als Membranfenster 15 freigestellt und das strukturierte Deckelsubstrat 1' fertiggestellt (17).
Wie oben beschrieben kann auch das Deckelsubstrat 1' durch Verbinden mit einem Bauelementesubstrat 20 zu dem in 18 gezeigten optischen Bauelement 2" weiterverarbeitet werden, wobei eine optische Komponente 23 in einer zwischen dem optischen Membranfenster 15 und dem Bauelementesubstrat 20 gebildeten Komponentenkavität 27 hermetisch eingeschlossen ist.
Das Verfahren (in den beschriebenen Beispielen oder anderen Beispielen) kann weitere Schritte umfassen, etwa ein Aufbringen einer einseitigen oder beidseitigen Antireflexbeschichtung auf die Membranfenster 15 und/oder das Deckelsubstrat 1, ein Erzeugen von über den Membranfenstern 15 angeordneten Gittern, ein Aufbringen einer Kantenmetallisierung auf die Membranfenster 15 und/oder die darüber angeordneten Gitter und/oder eine Gasbefüllung der Komponentenkavitäten 27, etwa mit Argon und/oder Sauerstoff und/oder synthetischer Luft.
Bezugszeichenliste

1, 1': strukturiertes Deckelsubstrat,
2, 2', 2": optisches Bauelement,
3: Substratlage,
4: Unterseite der Substratlage,
5: Vertiefung,
6: Formsubstrat,
7: Oberseite des Formsubstrats,
8: Formvertiefung,
9: Kavität,
10: Auswölbung,
11: Oberseite der Substratlage,
12: erste Ätzstoppschicht,
13: optisch transparente Dünnschicht,
14: zweite Ätzstoppschicht,
15: optisches Membranfenster,
16: Freistellungsbereich,
17: Laserlicht,
18: Fensteröffnung,
19: Fügematerialschicht,
20: Bauelementesubstrat,
21: Silizium-Wafer,
22: Sockelbereich,
23: optische Komponente,
24: Kontaktierung,
25: Substratelement,
26: Deckelelement,
27: Komponentenkavität,
28: erste Passivierungsschicht,
29: zweite Passivierungsschicht,
30: Öffnung.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines strukturierten Deckelsubstrats (1, 1') für ein optisches Bauelement (2, 2', 2''), umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Substratlage (3), Erzeugen einer Vielzahl von an einer Unterseite (4) der Substratlage (3) angeordneten Vertiefungen (5), Aufbringen einer optisch transparenten Dünnschicht (13) auf die Unterseite (4) der Substratlage (3) und Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht (13) in einem Bereich (16) jeder der Vertiefungen (5), so dass der jeweils freigestellte Teil der optisch transparenten Dünnschicht (13) ein optisches Membranfenster (15) bildet, wobei das Freistellen ein Ätzen von Teilen der Substratlage (3) ausgehend von einer der Unterseite (4) entgegengesetzten Oberseite (11) der Substratlage (3) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der Vielzahl von an der Unterseite (4) der Substratlage (3) angeordneten Vertiefungen (5) umfasst: Bereitstellen eines Formsubstrats (6), das eine Vielzahl von an einer Oberseite (7) des Formsubstrats (6) angeordneten Formvertiefungen (8) aufweist, Verbinden der Unterseite (4) der Substratlage (3) mit der Oberseite (7) des Formsubstrats (6), so dass jede der Formvertiefungen (8) mit der Unterseite (4) der Substratlage (3) eine im Wesentlichen gasdicht verschlossene Kavität (9) bildet, Tempern der Substratlage (3) und/oder des Formsubstrats (6) zum Verformen der Substratlage (3) durch einen gegenüber einem Umgebungsdruck erhöhten Innendruck in den Kavitäten (9), so dass jeweils eine der zu erzeugenden Vertiefungen (5) der Substratlage (3) über jeder der Kavitäten (9) erzeugt wird, und Ablösen des Formsubstrats (6) von der Substratlage (3).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bereitstellen des Formsubstrats (6) umfasst: Bereitstellen eines Halbleiterwafers mit einer Passivierungsschicht, lithographisches Entfernen einer Vielzahl von Bereichen der Passivierungsschicht, Ätzen der Oberfläche des Halbleiterwafers in jedem der Bereiche, in denen die Passivierungsschicht entfernt wurde, zum Erzeugen einer jeweiligen Formvertiefung (8) der Vielzahl von Formvertiefungen (8), Entfernen der Passivierungsschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der Vielzahl von an der Unterseite (4) der Substratlage (3) angeordneten Vertiefungen (5) umfasst: Aufbringen einer Passivierungsschicht (28) auf die Substratlage (3), Einbringen einer Vielzahl von Öffnungen (30) in die Passivierungsschicht (28) an der Unterseite (4) der Substratlage (3), Ätzen, vorzugsweise isotropes Ätzen, der Substratlage (3) ausgehend von den in die Passivierungsschicht (28) eingebrachten Öffnungen (30), so dass jeweils eine der zu erzeugenden Vertiefungen (5) der Substratlage (3) über jeder der Öffnungen (30) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Freistellen jeweils eines Teils der optisch transparenten Dünnschicht (13) innerhalb jeder der Vertiefungen (5) umfasst: Aufbringen, in der genannten Reihenfolge, einer ersten Ätzstoppschicht (12), der optisch transparenten Dünnschicht (13) und einer zweiten Ätzstoppschicht (14) auf die Unterseite (4) der Substratlage (3) vor dem Ätzen der zu entfernenden Teile der Substratlage (3), Entfernen von freiliegenden Bereichen der ersten (12) und zweiten Ätzstoppschicht (14) nach dem Ätzen der zu entfernenden Teile der Substratlage (3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner um-fassend: Planarisieren und/oder Polieren der Oberseite (11) der Substratlage (3) zum Einebnen von beim Herstellen der Vielzahl von Vertiefungen (5) entstandenen Unebenheiten (10) der Oberseite (11) des Deckelsubstrats (1, 1') und/oder einseitiges oder beidseitiges Aufbringen einer Antireflexbeschichtung auf das Deckelsubstrat (1, 1') und/oder Aufbringen einer zum hermetischen Verbinden des Deckelsubstrats (1, 1') mit einem Bauelementesubstrat (20) eingerichteten strukturierten Fügematerialschicht (19), insbesondere einer Metallisierung, auf die Unterseite (4) des Deckelsubstrats (1, 1').
Strukturiertes Deckelsubstrat (1, 1') für ein optisches Bauelement (2, 2', 2"), umfassend: eine Substratlage (3), umfassend eine Vielzahl von die Substratlage (3) von einer Oberseite (11) zu einer der Oberseite (11) gegenüberliegenden Unterseite (4) durchtretenden Fensteröffnungen (18) und eine an der Unterseite (4) der Substratlage (3) aufgebrachte optisch transparente Dünnschicht (13), wobei die optisch transparente Dünnschicht (13) im Bereich jeder der Fensteröffnungen (18) ein optisches Membranfenster (15) ausbildet.
Strukturiertes Deckelsubstrat (1, 1') nach Anspruch 7, wobei das Deckelsubstrat ein Glassubstrat oder ein Siliziumsubstrat ist oder umfasst und/oder wobei die optisch transparente Dünnschicht (13) eine UV-transparente Schicht, insbesondere eine Siliziumdioxidschicht oder eine Oxinitridschicht, ist oder umfasst.
Strukturiertes Deckelsubstrat (1, 1') nach Anspruch 7 oder 8, wobei die optisch transparente Dünnschicht (13) eine IR-transparente Schicht, insbesondere eine Siliziumschicht, ist oder umfasst.
Strukturiertes Deckelsubstrat (1, 1') nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die optischen Membranfenster (15), von der Unterseite (4) der Substratlage (3) aus betrachtet, konvex, insbesondere kuppelförmig, geformt sind und/oder wobei die optischen Membranfenster (15) gegenüber der Oberseite (11) der Substratlage (3) versenkt angeordnet sind und/oder wobei die Substratlage (3) in einem Bereich (16) um jede der Fensteröffnungen (18) eine an der Unterseite (4) der Substratlage (3) angeordnete Vertiefung (5) aufweist.
Optisches Bauelement (2, 2', 2"), umfassend ein Substratelement (25), auf dem eine zum Emittieren und/oder Detektieren von Licht, insbesondere UV-Licht, eingerichtete optische Komponente (23) angeordnet ist, ein Deckelelement (26), umfassend ein in einer Fensteröffnung (18) angeordnetes optisches Membranfenster (15), wobei die Fensteröffnung (18) eine Substratlage (3) des Deckelelements (26) durchtritt, wobei das Deckelelement (26) so mit dem Substratelement (25) verbunden oder verbindbar ist, dass die optische Komponente (23) in einer zwischen dem optischen Membranfenster (15) und dem Substratelement (25) gebildeten Kavität (27) hermetisch eingeschlossen oder einschließbar ist, und wobei die optische Komponente (23) zum Emittieren von Licht in einer das optische Membranfenster (15) durchtretenden Richtung und/oder zum Erfassen von durch das optische Membranfenster (15) in die Kavität (27) eintretendem Licht in der Kavität (27) angeordnet ist.
Optisches Bauelement (2, 2', 2") nach Anspruch 11, wobei das Deckelelement (26) durch Vereinzeln aus einem strukturierten Deckelsubstrat (1, 1'), umfassend eine Vielzahl von Fensteröffnungen (18) mit jeweiligen optischen Membranfenstern (15), gebildet ist und/oder wobei das Substratelement (25) durch Vereinzeln aus einem Bauelementesubstrat (20), umfassend eine Vielzahl von Sockelbereichen, jeweils eingerichtet zum Aufnehmen einer optischen Komponente (23), gebildet ist.
Optisches Bauelement (2, 2', 2") nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Deckelelement (26) mittels eines metallischen Bondrahmens und/oder mittels Laser-Direktverschweißung und/oder mittels Glasfritbondens mit dem Substratelement (25) verbunden ist.