DE19812008A1 - Optoelektronische Bauelementanordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine optoelektronische Bauelementanordnung angegeben, die aus einem strahlungsempfindlichen Detektorelement mit einem Halbleiter-Grundsubstrat mit ein oder mehreren dotierten Teilbereichen und mindestens einer Teilschicht besteht, die unmittelbar vor dem Halbleiter-Grundsubstrat angeordnet ist. Das Detektorelement ist auf einem transparenten Trägersubstrat angeordnet und zwischen dem Trägersubstrat und der dem Trägersubstrat zugewandten Fläche des Detektorelementes ist ein Füllmaterial angeordnet. Sämtliche Materialien, die vor dem Halbleiter-Grundsubstrat und den dotierten Teilbereichen angeordnet sind, weisen einen im wesentlichen ähnlichen Brechungsindex auf (Figur 2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Bauelementanord­ nung, welche ein strahlungsempfindliches Detektorelement umfaßt, das auf einem Trägersubstrat angeordnet ist.

Aus der US 5,670,781 ist beispielsweise bekannt, in der Abtasteinheit einer optischen Positionsmeßeinrichtung ein strahlungsempfindliches, optoelek­ tronisches Detektorelement über die sogenannte "Flip-Chip"- bzw. "Chip-on-glass"-Technologie auf einem Glas-Trägersubstrat anzuordnen. Hieraus resultieren insbesondere Vorteile bezüglich der Kontaktierung eines derarti­ gen Detektorelementes, da damit etwa filigrane Bond-Drähte, die ansonsten zur Kontaktierung erforderlich sind, vermieden werden können.

Als geeignete Detektorelemente kommen in einer solchen Anordnung etwa sogenannte CMOS-Photoelemente in Betracht. Derartige Photoelemente zeigen nunmehr bestimmte Eigenschaften, die sich bei der Anwendung in Hochpräzisions-Meßsystemen als nachteilig erweisen. So ist beispielsweise aus der Veröffentlichung "Image sensing with maximum sensitivity using in­ dustrial CMOS technology" von P. Seitz in SPIE Vol. 3099, Jahrgang 1997; Seite 22-33 bekannt, daß die Empfindlichkeit von CMOS-Photoelementen stark von der detektierten Strahlungswellenlänge abhängt und wellenlängen- abhängige Oszillationen zeigt. Eine graphische Darstellung dieses Zusam­ menhanges ist in Fig. 1 gezeigt, die die Abhängigkeit der detektierten Strahlungsintensität von der Strahlungswellenlänge bei derartigen Bauele­ menten veranschaulicht. Im Meßbetrieb einer Abtasteinheit eines optischen Positionsmeßsystems kann nunmehr nicht immer verhindert werden, daß auch die jeweils eingesetzte Lichtquelle eine schwankende emittierte Strah­ lungswellenlänge aufweist. In Fig. 1 ist neben der Bandbreite bzw. Halb­ wertsbreite FWHM_LQ der verwendeten Lichtquelle auch der Schwankungsbe­ reich Δλ_LQ der emittierten Wellenlänge dieser Lichtquelle angedeutet. Derar­ tige Schwankungen in der emittierten Wellenlänge λ_LQ der Lichtquelle sind beispielsweise auf Temperaturänderungen zurückzuführen. Es ergibt sich demzufolge eine nicht hinreichend stabile Ansprech-Charakteristik eines derartigen optoelektronischen Detektorelementes, insbesondere nicht im Fall einer ggf. temperaturabhängig variierenden Detektions-Wellenlänge.

Die Anordnung eines CMOS-Detektorelementes in "Flip-Chip"-Technologie auf einem Glas-Trägersubstrat ist desweiteren aus der US 5,483,060 be­ kannt. Bei der gezeigten Anordnung ergeben sich jedoch ebenfalls die oben diskutierten Probleme bezüglich der wellenlängen-abhängigen Ansprechcha­ rakteristik dieser Detektorelemente.

Im Zusammenhang mit der Anordnung von optoelektronischen Bauteilen auf einem Glas-Trägersubstrat sei desweiteren auf die US 5,682,066 verwiesen. In diesem Dokument wird vorgeschlagen, zwischen einer LED und dem Glas-Trägersubstrat ein spezielles Füllmaterial anzuordnen. Das Füllmaterial wird dabei so gewählt, daß dessen Bestandteile Brechungsindizes aufwei­ sen, die identisch mit dem Brechungsindex des Trägersubstrates sind. Die alleinige Wahl eines derartigen Füllmateriales löst jedoch nicht die oben an­ gesprochenen Probleme, wenn ein CMOS-Photoelement auf einem Träger­ substrat angeordnet werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optoelektronische Bauelementanordnung zu schaffen, insbesondere geeignet für eine Abtast­ einheit einer optischen Positionsmeßeinrichtung, die die einfache Anordnung eines strahlungsempfindlichen Detektorelementes auf einem Trägersubstrat ohne großen Kontaktierungsaufwand ermöglicht und bei dem gleichzeitig eine weitgehend wellenlängen-unabhängige Ansprech-Charakteristik des Detektorelementes gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optoelektronische Bauelementanord­ nung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementanordnung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den ab­ hängigen Ansprüchen aufgeführt sind.

Die verschiedenen erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten nun­ mehr, daß auch optoelektronische Detektorelemente wie CMOS-Photoele­ mente eine deutlich geringere Wellenlängenabhängigkeit in ihrer Ansprech­ charakteristik zeigen, als dies bislang beim Stand der Technik der Fall war. Dies bedeutet wiederum, daß erfindungsgemäße Bauelementanordnungen auch in Abtasteinheiten optischer Positionsmeßeinrichtungen eingesetzt werden können, selbst wenn dort nicht immer gewährleistet ist, daß die von der jeweiligen Strahlungsquelle emittierte Wellenlänge stabil bleibt.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelemen­ tanordnung sind in der einfachen Montage derartiger Bauelementanordnun­ gen zu sehen; so können die vorgesehenen Detektorelemente über die be­ kannte "Flip-Chip"-Technologie auf Trägersubstraten angeordnet werden. Die Kontaktierung der Detektorelemente kann dabei beispielsweise über sogenannte "Metall-Bumps" bzw. "Löt-Bumps" oder durch eine geeignete Klebekontaktierung erfolgen. Insbesondere läßt sich derart eine aufwendige Kontaktierung über filigrane Bonddrähte vermeiden.

Neben der einfachen Kontaktierung resultieren desweiteren Vorteile dahin­ gehend, daß derartige Bauelementanordnungen äußerst kompakt bauend ausgebildet werden können; im Fall des Einsatzes in Abtasteinheiten opti­ scher Positionsmeßeinrichtungen können extrem kleine Abmessungen der­ artiger Meßsysteme realisiert werden.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Figuren.

Hierbei zeigt

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen optoelektronischen Bauelementanordnung;

Fig. 3 eine Darstellung der Wellenlängenabhängigkeit der An­ sprechcharakteristik eines optoelektronischen Detektor­ elementes innerhalb der erfindungsgemäßen optoelektro­ nischen Bauelementanordnung.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Bau­ elementanordnung sei nachfolgend anhand der Fig. 2 erläutert. Eine derar­ tige Bauelementanordnung kann beispielsweise in Abtasteinheiten optischer Positionsmeßeinrichtungen zum Einsatz kommen. Diese werden zur opti­ schen Abtastung von Maßstabteilungen eingesetzt, um derart positionsab­ hängige Signale bezüglich der Relativpositionen zweier zueinander bewegli­ cher Teile zu erzeugen.

Gezeigt ist in Fig. 2 eine schematische Querschnitts-Darstellung eines strahlungsempfindlichen optoelektronischen Detektorelementes 1, das auf einem - für die eingesetzte Strahlungswellenlänge transparenten - Träger­ substrat 2 angeordnet ist. Die strahlungsempfindliche Fläche 3 des Detek­ torelementes 1 ist hierbei dem transparenten Trägersubstrat 2 zugewandt, über den Pfeil mit den Bezugszeichen h_ν sei die Einfallsrichtung der zu de­ tektierenden Strahlung angedeutet. Elektrisch leitfähige Verbindungen zwi­ schen den Kontaktierungsbereichen 6a, 6b des Detektorelementes 1 und elektrischen Leiterbahnen 5a, 5b auf dem Trägersubstrat 1 werden über die bekannte Flip-Chip-Verbindungstechnologie hergestellt. Hierzu werden die Kontaktierungsbereiche 6a, 6b bzw. Bond-Pads des Detektorelementes 1 und die Leiterbahnen 5a, 5b auf dem Trägersubstrat 2 über geeignete Kon­ taktierungs-Elemente 4a, 4b oder Kontaktierungsmaterialien leitend mitein­ ander verbunden. Zu diesem Zweck eignen sich unterschiedlichste Kontak­ tierungs-Elemente 4a, 4b oder Kontaktierungsmaterialien. Beispielsweise ist es möglich, als Kontaktierungselemente 4a, 4b sogenannte "Löt-Bumps" vorzusehen. Alternativ ist an dieser Stelle jedoch auch die Verwendung ei­ nes geeigneten elektrisch-leitfähigen Klebstoffes bzw. Leitklebers möglich. Im Fall der Verwendung eines geeigneten Klebstoffes an dieser Stelle resul­ tieren Vorteile dahingehend, daß hohe Temperaturen an diesen Stellen ver­ mieden werden können, die ansonsten aufgrund von Löttechniken auftreten würden. Desweiteren ist es möglich, bei der Verwendung derartiger Kleb­ stoffe, den Abstand zwischen der strahlungsempfindlichen Fläche 3 des Detektorelementes 1 und dem Trägersubstrat 2 zu verringern, da bei einer solchen Kontaktierungsart keine so voluminösen Kontaktierungs-Elemente 4a, 4b resultieren wie im Fall von "Löt-Bumps".

Auf die erläuterte Art und Weise kann das Detektorelement 1 etwa in der Abtasteinheit einer optischen Positionsmeßeinrichtung mit nachgeordneten Auswerte-Elementen verbunden werden. Diese sind beispielsweise ebenfalls auf dem Trägersubstrat 2 angeordnet und übernehmen eine Weiterverar­ beitung der detektierten Abtastsignale.

Zwischen der strahlungsempfindlichen Fläche 3 des Detektorelementes 1 und dem Trägersubstrat 1 ist desweiteren ein Füllmaterial 7 bzw. ein sog. "Underfill" eingebracht, der ebenfalls transparent für die verwendete Strah­ lungswellenlänge ist. Das Füllmaterial 7 dient hierbei u. a. als Moderator, um mechanische Spannungen auszugleichen, die zwischen dem Detektorele­ ment 1 und dem Trägersubstrat 2 auftreten können. Diese Spannungen werden durch verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten der an­ einandergrenzenden Materialien verursacht. Die Lebensdauer der gesamten Bauelement-Anordnung kann auf diese Art und Weise gesteigert werden. Im Fall der Verwendung von "Löt-Bumps" als Kontaktierungselemente 4a, 4b übernimmt das jeweilige Füllmaterial 7 neben der erwähnten "Moderator­ funktion" auch eine Schutzfunktion für die "Löt-Bumps" 4a, 4b.

Das lediglich schematisch dargestellte Detektorelement 1 ist bis auf die nachfolgend noch zu erläuternden Modifikationen als bekanntes CMOS-Pho­ toelement ausgebildet und besteht aus verschiedenen Teilschichten 1.1, 1.2 bzw. Teilbereichen 1.3. Die unterschiedlichen Teilschichten 1.1, 1.2 bzw. Teilbereiche 1.3 bestehen z. T. aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien mit ggf. unterschiedlicher Dotierung; neben den erwähnten Halbleitermate­ rialien können desweiteren auch noch diverseste sonstige Materialien zum Einsatz kommen. Derartige CMOS-Photodioden sind bis auf die nachfolgend zu erläuternden Modifikationen handelsübliche Bauelemente und werden z. B. von der Firma ORBIT Semiconductor Inc., Sunnyvale, USA vertrieben.

Bei der ersten Teilschicht 1.1 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbei­ spiel etwa um ein Schichtsystem aus mehreren einzelnen Schichten aus Siliziumdioxid SiO₂, die als Gate-Oxide oder Kondensatoren dienen und evtl. auch eine entsprechende Dotierung aufweisen können. Eine weitere Teil­ schicht 1.2 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das Halbleiter-Grund­ substrat aus Silizium gebildet, in dem verschiedene hochdotierte Teilbereiche eingebracht sind, von denen lediglich ein einzelner Teilbereich 1.3 schematisch gezeigt ist. In der Teilschicht 1.2 befindet sich im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Si-Halbleiter-Grundsubstrat und dem hoch­ dotierten Teilbereich 1.3 auch der eigentliche aktive Bereich des Detektor­ elementes 1, in dem letztlich die Signalerzeugung erfolgt. Auf die bekannte Art und Weise der Signalerzeugung in CMOS-Photoelementen sei an dieser Stelle nicht weiter eingegangen; es wird diesbezüglich beispielsweise auf das Lehrbuch "Semiconductor Devices", Sze S. M., J. Wiley & Sons, 1985, Seite 279-287 verwiesen.

Derart aufgebaute CMOS-Photoelemente sind wie bereits erwähnt grund­ sätzlich bekannt, wobei handelsübliche CMOS-Photoelemente in der Regel vor der Teilschicht 1.1 mit der strahlungsempfindlichen Fläche 3 ein oder mehrere Passivierungs- bzw. Schutzschichten aufweisen. Hierbei sind als Passivierungsschichten etwa Siliziumnitrid-Schichten (Si₃N₄) und/oder Oxini­ trid-Schichten (Si₃N₄ + SiO₂) vorgesehen. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, diese Passivierungsschichten der CMOS-Photodiode zu entfer­ nen oder aber gar nicht aufzubringen, da im Rahmen der vorliegenden Erfin­ dung erkannt wurde, daß die starke Wellenlängenabhängigkeit der An­ sprechcharakteristik dieser Elemente wesentlich von den unterschiedlichen Brechungsindizes in denjenigen Teilschichten beeinflußt wird, die an das Halbleiter-Grundsubstrat aus Silizium in Richtung der strahlungsempfindli­ chen Fläche 3 angrenzen. Insbesondere weisen die oben erwähnten, übli­ cherweise verwendeten Passivierungsschichten, die in diesem Bereich an­ geordnet sind, Brechungsindizes zwischen n ≈ 2.0 und n ≈ 1.7 auf, während die Teilschicht 1.1 einen Brechungsindex um n ≈ 1.45 besitzt. Die strah­ lungsempfindliche Fläche 3 des CMOS-Photoelementes, die dem Träger­ substrat 2 zugewandt ist, wird demzufolge im gezeigten Ausführungsbeispiel direkt von der ersten Teilschicht 1.1 des Photoelementes gebildet, die einen Brechungsindex von n ≈ 1.45 aufweist.

Als weitere erfindungsgemäße Maßnahme zur Vermeidung der starken Wellenlängenabhängigkeit im Ansprechverhalten derartiger Detektorele­ mente wird vorgesehen, auch in den an das Detektorelement 1 bzw. dessen strahlungsempfindliche Fläche 3 angrenzenden Bereichen der Bauelemen­ tanordnung Materialien mit einem Brechungsindex n zu wählen, die möglichst wenig vom Brechungsindex n derjenigen Teilschicht 1.1 des De­ tektorelementes 1 abweichen, die unmittelbar benachbart an das Halblei­ ter-Grundsubstrat 1.2 aus Silizium und den dotierten Teilbereichen 1.3 ange­ ordnet ist. So erweist sich im Fall des CMOS-Photoelementes etwa als Mate­ rial des Trägersubstrates 2 sogenanntes Bornfloat®-Glas mit einem Bre­ chungsindex von n ≈ 1.47 als vorteilhaft, das von der Firma Schott Glas werke, Mainz erhältlich ist.

Ebenso ist erfindungsgemäß vorgesehen, das verwendete Füllmaterial 7 zwischen dem Detektorelement 1 und dem Trägersubstrat 2 geeignet zu wählen, d. h. insbesondere ein Füllmaterial 7 zu wählen, dessen Brechungs­ index n ebenfalls nicht wesentlich vom Brechungsindex n der Teilschicht 1.1 abweicht, die unmittelbar vor dem Halbleiter-Grundsubstrat 1.2 und den darin eingebrachten, dotierten Teilbereichen 1.3 angeordnet ist. Hierzu ist im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa das Füllmaterial 7 mit der Produktbe­ zeichnung Vitralit 1505 geeignet, das von der Firma Panacol-Elosol GmbH, Oberursel vertrieben wird; dieses Füllmaterial 7 besitzt einen Brechungsin­ dex von n ≈ 1.52.

Es wurde somit erkannt, daß durch die erfindungsgemäße Anpassung der Brechungsindizes derjenigen Materialien, die vor dem Halbleiter-Grund­ substrat 1.2 aus Silizium und den darin eingebrachten, dotierten Teilberei­ chen 1.3, angeordnet sind, ein deutlich optimiertes Ansprechverhalten der Detektorelemente erreicht werden kann, insbesondere im Fall der Verwen­ dung von CMOS-Photoelementen. In einer vorteilhaften Ausführungsform liegen die entsprechenden Brechungsindizes n etwa zwischen 1.45 und 1.55.

Eine graphische Darstellung des derart optimierten Ansprechverhaltens ist in Fig. 3 gezeigt. Deutlich erkennbar sind hierbei die pro Wellenlängenintervall signifikant häufigeren wellenlängenabhängigen Oszillationen in der regi­ strierten Signalintensität. Schwankt nunmehr beispielsweise die emitterte Strahlungswellenlänge der Lichtquelle im markierten Bereich Δλ_LQ, so hat dies deutlich geringere Auswirkungen auf die registrierte Intensität im Ver­ gleich zum vorherigen Zustand, wie er anhand von Fig. 1 erläutert wurde. Der Grund hierfür liegt darin, daß nunmehr in diesem Schwankungsbereich Δλ_LQ über die Vielzahl wellenlängenabhängiger Oszillationen bei der Detek­ tion gemittelt wird. Analog zu Fig. 1 ist in Fig. 3 desweiteren die Band­ breite FWHM_LQ der verwendeten Lichtquelle eingezeichnet.

Neben den erläuterten Materialien können selbstverständlich auch Alternati­ ven hierzu zum Einsatz kommen, vorausgesetzt die erfindungsgemäßen Anförderungen bezüglich der Brechungsindizes sind erfüllt.

Als weitere Möglichkeit sein an dieser Stelle etwa erwähnt, daß es vorteilhaft sein kann, auf der Seite des Trägersubstrates 2 eine Antireflex-Beschichtung anzubringen, die abgewandt zum Detektorelement angeordnet ist. Das Auf­ bringen einer derartigen Beschichtung beeinflußt das Ansprechverhalten des Detektorelementes 1 nicht negativ.

Alternativ wäre es selbstverständlich auch grundsätzlich möglich, geeignete Passivierungsschichten vor der strahlungsempfindlichen Fläche 3 des De­ tektorelementes 1 vorzusehen, die vom Brechungsindex her besser an die Teilschicht 1.1 bzw. das Trägersubstrat 2 angepaßt sind als die oben er­ wähnten Passivierungsschichten.

Daneben sei darauf hingewiesen, daß insbesondere im Fall des Einsatzes der erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelementanordnung in der Abtasteinheit einer optischen Positionsmeßeinrichtung diverseste Ausge­ staltungsmöglichkeiten existieren. So kann z. B. desweiteren eine Abtasttei­ lung auf einer Seite des Trägersubstrates 2 vor der strahlungsempfindlichen Fläche 3 des Detektorelementes 1 angeordnet werden. Ebenso kann vorge­ sehen sein, auf der Rückseite des Detektorelementes 1 noch eine geeignete Vergußmasse als zusätzlichen Schutz der Anordnung anzubringen etc.

Claims (8)

1. Optoelektronische Bauelementanordnung, bestehend aus einem strah­ lungsempfindlichen Detektorelement (1) mit einem Halbleiter-Grund­ substrat (1.2), in das ein oder mehrere dotierte Teilbereiche (1.3) einge­ bracht sind und mindestens einer Teilschicht (1.1), die benachbart zum Halbleiter-Grundsubstrat (1.2) angeordnet ist, wobei das Detektorelement (1) auf einem transparenten Trägersubstrat (2) angeordnet ist und zwi­ schen dem Trägersubstrat (2) und der dem Trägersubstrat (2) zuge­ wandten Fläche (3) des Detektorelementes (1) ein Füllmaterial (7) ange­ ordnet ist und sämtliche Materialien, die in Richtung des Trägersubstrates (2) vor dem Halbleiter-Grundsubstrat (1.2) und den dotierten Teilberei­ chen (1.3) angeordnet sind, einen im wesentlichen ähnlichen Brechungs­ index (n) aufweisen.

2. Optoelektronische Bauelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial (7) als auch das Material des Trägersubstrates (2) einen Bre­ chungsindex (n) aufweist, der im wesentlichen ähnlich zum Brechungsin­ dex (n) derjenigen Teilschicht (1.1) ist, die unmittelbar benachbart zum Halbleiter-Grundsubstrat (1.2) angeordnet ist.

3. Optoelektronische Bauelementanordnung nach Anspruch 2, wobei das Detektorelement (1) vor dem Halbleiter-Grundsubstrat (1.2) lediglich eine Teilschicht (1.1) oder ein Schichtsystem aus Siliziumdioxid aufweist, an die sowohl der Brechungsindex (n) des Füllmaterials (7) als auch des Trägersubstrates (2) angepaßt sind.

4. Optoelektronische Bauelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Detektorelement (1) als CMOS-Photoelement ausgebildet ist.

5. Optoelektronische Bauelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Detektorelement (1) auf dem Trägersubstrat (2) über die Flip-Chip-Kon­ taktierungstechnologie aufgebracht ist.

6. Optoelektronische Bauelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Trägersubstrat (2) aus Glas besteht.

7. Optoelektronische Bauelementanordnung nach Anspruch 1, wobei der Brechungsindex (n) etwa zwischen 1.45 und 1.55 liegt.

8. Verwendung einer optoelektronischen Bauelementanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche in der Abtasteinheit einer optischen Posi­ tionsmeßeinrichtung.