DE19508222C1 - Optoelektronischer Wandler und Herstellverfahren - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen
Wandler mit einem Strahlung empfangenden oder aussendenden
Halbleiterbauelement, mit einer Bodenplatte, auf dem das
Halbleiterbauelement befestigt ist und mit einem mit der
Trägerplatte verbundenen Abstandhalter für ein optisch auf
das Halbleiterbauelement ausgerichtetes Linsensystem.
Solche Wandler sind bzw. aus der US 40 55 761 oder der JP 5-218 463 A bekannt. Ein wesentliches
Problem besteht darin, die Wandler mit gutem Wirkungsgrad zu
betreiben. Dies wird, abgesehen von den Eigenschaften des
Halbleiterbauelements selbst, dadurch erreicht, daß das
Linsensystem optisch optimal auf das Halbleiterbauelement
ausgerichtet wird. Nur dann läßt sich das Licht vom Halblei
terbauelement mit hohem Wirkungsgrad auf einen Lichtleiter
auskoppeln oder von einem Lichtleiter auf das Halbleiterbau
element einkoppeln.
Bei einem optoelektronischen Wandler muß außerdem sicherge
stellt werden, daß die optimale Justierung auch im Betrieb
erhalten bleibt. Bei Erwärmung des Wandlers im Betrieb kann
es nämlich zu Dejustierungen kommen, die den Wirkungsgrad
verschlechtern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektro
nischen Wandler der eingangs erwähnten Art so zu verbessern,
daß Temperaturschwankungen nur noch einen geringen Einfluß
auf die Justierung zwischen Halbleiterbauelement und Linsen
system haben. Außerdem soll ein einfaches Verfahren zum
Herstellen eines solchen optoelektronischen Wandlers angege
ben werden.
Das erstgenannte Ziel wird dadurch erreicht, daß die Boden
platte, der Abstandhalter und das Linsensystem aus Materia
lien mit zumindest ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffi
zienten bestehen.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran
sprüche 2 bis 8. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung
des optoelektronischen Wandlers ist Gegenstand des Anspruchs
9.
Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in
Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 und 4 charakteristische Schritte bei der Herstellung
des optoelektronischen Wandlers und
Fig. 5 ein Gehäuse mit eingesetztem Wandler.
Der optoelektronische Wandler nach Fig. 1 ist auf einer
Bodenplatte 1 aufgebaut. Die obere Oberfläche der Bodenplatte
1 ist mit Vertiefungen 2 versehen. Beidseitig der Vertiefung
2 bleiben Stege 3 stehen. In der Vertiefung 2 ist über eine
Metallisierung 5 ein Strahlung empfangendes oder aussendendes
Halbleiterbauelement 6 befestigt. Dieses kann z. B. eine
Fotodiode, eine lichtaussendende Diode (LED) oder ein
Vertical Cavity Surface Emitter Laser (VCSEL) sein. Die
Metallisierung 5 dient außerdem zur Stromzuführung zum
Halbleiterbauelement 6. Ein zweiter Kontakt liegt auf der
Oberseite des Halbleiterbauelementes.
Auf den Stegen 3 sind z. B. ebenfalls stegförmige Abstandhal
ter 7 befestigt. Auf den Abstandhaltern 7 liegt ein Linsen
system 8, das mit den Abstandhaltern stoffschlüssig verbunden
ist. Der Abstand zwischen dem Linsensystem und dem Boden der
Vertiefung 2 ist größer als die Dicke des Halbleiterbauele
ments 6 zuzüglich der Metallschicht 5.
Die Bodenplatte 1 besteht aus Silizium. Dies kann polykri
stallin oder monokristallin sein. Anstelle von Silizium kann
für die Bodenplatte 1 jedoch auch ein anderes Material mit
einem geeigneten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwen
det werden.
Die Abstandhalter 7 bestehen aus Glas, während das Linsensy
stem aus Silizium oder Glas bestehen kann. Wesentlich ist,
daß zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Linsensystem
wenigstens ein aus Glas bestehendes Teil angeordnet ist. Des
sen geringer Wärmeleitwert verhindert, daß vom Halbleiterbau
element 6 in die Bodenplatte 1 abgeleitete Wärme zum Linsen
system gelangt. Eine Bodenplatte aus Silizium wird wegen ih
rer guten Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise bei Strahlung aus
sendenden Halbleiterbauelementen verwendet, da hier die umge
setzte Leistung i.a. höher als bei Strahlungsempfängern ist.
Bei Strahlungsempfängern kann die Bodenplatte 1 aus Glas be
stehen, die Abstandhalter 7 aus Silizium und das Linsensystem
8 aus Silizium oder Glas. Silizium für das Linsensystem in
beiden Fällen kann dann der Vorzug gegeben werden, wenn die
Strahlung eine Wellenlänge hat, für die Silizium durchlässig
ist. Dies ist bei Wellenlänge größer als 1,1 µm der Fall.
Die Bodenplatte, die Abstandhalter 7 und das Linsensystem 8
können miteinander durch Kleben und/oder Löten verbunden wer
den. Liegen jeweils Siliziumflächen und Glasflächen aufein
ander, so können diese auch durch anodisches Bonden mitein
ander verbunden werden. Diese Technik ist bekannt. Dabei wer
den die miteinander zu bondenden Teile unter einer Temperatur
von z. B. 400°C aufeinandergedrückt und eine Spannung von z. B.
-1000 V wird am Glas angelegt. Da diese Verbindungstechnik
sehr gut reproduzierbar ist, empfiehlt es sich auch in
demjenigen Fall, bei dem die Bodenplatte 1 und das Linsen
system 8 aus Glas besteht, die Abstandhalter 7 aus Silizium
herzustellen. Beim Löten oder Verkleben von Abstandhalter und
Linsensystem wird zwischen beide Teile eine Lot- oder Kleber
schicht 9 eingefügt. Eine Lotschicht kann z. B. aufgedampft
werden.
Als Glas wird ein Typ verwendet, das ein dem Silizium ähnli
chen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Hierfür eignet
sich z. B. ein Borosilikatglas.
Soll der optoelektronische Wandler 11 eine geringe Kapazi
tät haben, so empfiehlt sich statt der Silizium-Bodenplatte
eine Glas-Bodenplatte. Ist jedoch aus Gründen der besseren
Wärmeableitung eine Silizium-Bodenplatte erforderlich, so
kann diese dünn ausgeführt und auf ihrer Rückseite mit einer
Glasplatte 10 (Fig. 2) verbunden werden. Die Glasplatte 10
kann mit der Siliziumbodenplatte entweder durch anodisches
Bonden, durch Löten oder durch Kleben verbunden sein.
Die in Fig. 1 und 2 gezeigten Wandler 11 werden in ein
Gehäuse eingesetzt (Fig. 5), das einen Sockel 14 und einen
Deckel 15 hat. Der Wandler 11 wird relativ zu einem im Deckel
15 angebrachtes Fenster 16 justiert und auf dem Sockel 14
befestigt. An das Fenster stößt ein Lichtwellenleiter (nicht
dargestellt), der durch eine Kupplung 20 mit dem Gehäuse
verbunden ist. Das Halbleiterbauelement selbst ist elektrisch
über die Metallisierung 5 und den auf der Oberseite des
Halbleiterbauelements angeordneten Kontakt mit zwei Anschlüs
sen 21 und 22 verbunden, über die die Betriebsspannung zuge
führt wird bzw. das elektrische Signal ausgekoppelt wird.
Zum gleichzeitigen Herstellen einer Vielzahl von optoelektro
nischen Wandlern 11 nach Fig. 1 oder 2 wird zunächst eine
Glasplatte oder Siliziumplatte 1 mit Vertiefungen 2 versehen
(Fig. 3). Diese Vertiefungen dienen der Aufnahme der Halb
leiterbauelemente und sind entsprechend breit bemessen.
Zwischen zwei der Vertiefungen 2 bleibt ein Steg stehen.
Diese Stege werden zweckmäßigerweise durch weitere Vertiefun
gen 12 voneinander getrennt, wodurch Stege 3 entstehen. Die
Vertiefungen 2, 12 können durch fotolithografisches
Ätzen oder durch Sägen hergestellt werden. Beim Sägen entste
hen einander parallele Stege 3, beim Ätzen können sie jede
beliebige Form, z. B. Gitterform annehmen.
Als nächstes wird auf die Stege 3 eine aus Silizium oder Glas
bestehende Platte 17 aufgelegt und mit den Stegen wie be
schrieben durch anodisches Bonden, Kleben oder Verlöten
verbunden. Dann wird die Platte 17 zersägt derart, daß das
zwischen den Stegen 3 liegende, nicht mit der Bodenplatte 1
verbundenen Material entfernt wird. Dabei entstehen die mit
den Stegen 3 verbundenen Abstandhalter 7 (Fig. 4). An
schließend werden die Halbleiterbauelemente 6 gemäß einem
vorgegebenen Raster in den Vertiefungen 2 befestigt.
Als nächster Schritt wird eine eine Vielzahl von Linsen
systemen enthaltende Platte 18 aus Silizium oder Glas auf die
Abstandhalter 7 aufgelegt. Die Linsensysteme sind in einem
Raster auf der Platte 18 angeordnet, das dem Raster der auf
der Bodenplatte 1 befestigten Halbleiterbauelement 6 ent
spricht. Die Linsensysteme werden optisch auf die Halbleiter
bauelemente 6 ausgerichtet und anschließend wird die Platte
18 mit den Abstandhaltern 7 durch das beschriebene anodische
Bonden oder durch Verlöten verbunden. Hierdurch entsteht ein
aus Bodenplatte 1, Halbleiterbauelementen 6, Abstandhaltern 7
und Platte 18 bestehender Verbund mit einer Vielzahl von
Halbleiterbauelementen und Linsensystemen. Dieser Verbund
wird dann durch zwischen den Stegen 3 gelegte Sägeschnitte 13
und durch dazu rechtwinklige, parallel zur Zeichenebene
liegende weitere Sägeschnitte zerlegt. Jede der dabei entste
henden Einheiten 11 wird, wie oben beschrieben, in ein Ge
häuse eingesetzt.
Die Technik der Vereinzelung eines Wafers in kleine Chips ist
in der Halbleitertechnik seit langem üblich und kann bei
Vereinzelung des Verbundes ebenfalls angewandt werden. Der
Verbund wird also durch Sägen, Ritzen und Brechen geteilt.
Hierbei ist es üblich, den Verbund auf einer elastischen
Klebefolie zu fixieren. Die Folie dient dann als Träger bei
allen Nachfolgeprozessen.
Es ist in Abänderung des beschriebenen Verfahrens auch mög
lich, zunächst fotolithografisch oder mechanisch die Vertie
fungen 2 und die Stege 3 zu erzeugen und dann die Abstandhal
ter wie beschrieben anzubringen. Anstelle einer mit vielen
Linsensystemen versehenen Scheibe 18 werden dann aber einzel
ne Linsensysteme optisch auf die Halbleiterkörper ausgerich
tet und mit den Abstandhaltern 7 verbunden.
Claims (10)
1. Optoelektronischer Wandler mit einem Strahlung empfangen
den oder aussendenden Halbleiterbauelement mit einer Boden
platte, auf dem das Halbleiterbauelement befestigt ist und
mit einem mit der Bodenplatte verbundenen Abstandhalter für
ein optisch auf das Halbleiterbauelement ausgerichtetes
Linsensystem,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Bodenplatte (1), der Abstandhalter (7) und das Linsensystem
(8) aus Materialien mit zumindest ähnlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten bestehen.
2. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Bodenplatte (1) und das Linsensystem (8) aus Silizium und der
Abstandhalter (7) aus Glas bestehen.
3. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Bodenplatte (1) aus Glas, das Linsensystem (8) und der Ab
standhalter (7) aus Silizium bestehen.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Bodenplatte (1) mit einer Metallschicht (5) versehen ist, auf
der das Halbleiterbauelement (6) befestigt ist.
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die aus
Glas mit den aus Silizium bestehenden Teilen jeweils durch
anodisches Bonden miteinander verbunden sind.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils
aus Glas bzw. aus Silizium bestehende Teile miteinander
verlötet oder verklebt sind.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Halbleiterbauelement (6) in einer Vertiefung (2) der Boden
platte (1) sitzt.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Bodenplatte (1) aus Silizium besteht und daß sie auf der vom
Halbleiterbauelement (6) abgewandten Seite mit einer Glas
platte (10) verbunden ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Optoelektronischen Wandlers
nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die Merkmale:
- a) In der Bodenplatte (1) werden Vertiefungen (2) zur Aufnah me der Halbleiterbauelemente (6) erzeugt derart, daß min destens auf einer Seite jeder Vertiefung ein Steg (3) ste hen bleibt,
- b) auf die Stege wird eine Platte (17) Von der Größe der Bodenplatte (1) aufgelegt und mit den Stegen (3) stoff schlüssig verbunden,
- c) die Platte (17) wird zwischen den Stegen (3) entfernt, so daß mit der Bödenplatte (1) verbundene Abstandhalter (7) entstehen,
- d) in die Vertiefungen (2) werden gemäß einem vorgegebenen Raster die Halbleiterbauelemente (6) eingesetzt und mit der Bodenplatte (1) verbunden,
- e) auf die Träger wird eine weitere Platte (18) aufgelegt, die eine der Anzahl der Halbleiterbauelemente entspre chende Zahl von Linsensystemen (8) enthält, die gemäß dem gleichen Raster auf der weiteren Platte angeordnet sind,
- f) die weitere Platte (18) wird bezüglich der Träger derart justiert, daß jedes der Linsensysteme auf eines der Halb leiterbauelemente ausgerichtet ist,
- g) die weitere Platte (18) wird auf den Trägern befestigt,
- h) der aus Bodenplatte, Halbleiterbauelementen, Abstandhal tern und weiterer Platte bestehende Verbund wird durch erste parallele Schnitte (13) und dazu rechtwinkelige zweite Schnitte zerteilt, so daß Einheiten (11) entstehen, die jeweils eine Bodenplatte (1), ein Halbleiterbauelement (6) Abstandhalter (7) und ein Linsensystem (8) enthalten.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß jede der
Einheiten (11) in ein gasdichtes Gehäuse (14, 15) eingesetzt
wird.
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