DE4425636A1 - Einrichtung zur Aufnahme optischer Elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Aufnahme optischer Ele­ mente, wie Laserkristalle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Realisierung komplexer Mikrosysteme, welche elektrische, mechanische und optische Komponenten vereinen, erfordert unter anderem die Integrati­ onsmöglichkeit sehr unterschiedlicher optischer Komponenten in ein System. Bisher bekannt sind jedoch nur die Aufnahme von Lichtleitfasern in sogenann­ ten V-Gräben, ferner die Integration von Spiegeln in Silizium oder ähnlichen Materialien und die Realisierung von Lichtwellenleitern. Ferner zählt es zum Stand der Technik, optische Schalter auf der Basis von LiNbO₃, die mit Wel­ lenleitern auf Silizium verbunden sind, zu realisieren. Hierbei handelt es sich dann um planare Strukturen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Aufnahme optischer Elemente zu schaffen, bei der einzelne selektierte Kristalle in einer mittels "batch-processing" hergestellten waferähnlichen Struktur so aufgenommen werden, daß sie im Batchverfahren weiterverarbeitet und insbe­ sondere als ganze Scheibe in dreidimensionale Mikrosysteme integriert werden kann.

Die bisher ungelöste Aufgabe optische Kristalle in dreidimensionalen Mikro­ systemen einzusetzen, wobei die Möglichkeit des "batch-processing" für das gesamte Mikrosystem weiterhin erhalten bleibt, wird durch die im Anspruch 1 vorgeschlagenen Maßnahmen realisiert. Sie basieren auf der Realisierung kom­ plexer Mikrosysteme gemäß der Druckschrift P 42 11 899.9-33. In ihr wird der Aufbau eines Mikrolasers im Waferverbund beschrieben, wobei für die Laser­ kristalle von Kristallscheiben mit dem Durchmesser eines Wafers ausgegangen wird. Optische Kristalle, insbesondere Laserkristalle, weisen jedoch in der Praxis starke Inhomogenitäten auf, was in dieser Bauweise zu einer hohen Ausschußrate führen würde, dies wird jedoch durch die vorgeschlagenen Maß­ nahmen ebenfalls weitgehend optimiert.

In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert sowie in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt und eine Draufsicht von zwei anisotrop geätzten <100<Silizium-Wafer-Teile in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt und eine Draufsicht von einem anisotrop geätzten <110<Silizium-Waferteil,

Fig. 3 einen Schnitt und eine Draufsicht von einem Silizium-Wafer mit de­ finiert geätzten Bereichen von etwa 50 µm,

Fig. 4 einen Teilschnitt durch je ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus einem Wafer (a) und aus zwei Wafern (b).

Sind in ein komplexes Mikrosystem, das im "batch-processing" hergestellt ist, optische Kristalle - beispielsweise Laserkristalle - einzusetzen, so müssen diese in einem zum System kompatiblen Material gefaßt werden, das eine "Selbstjustage" der Kristalle zur Waferoberfläche ermöglicht. Hierfür eignet sich anisotrop geätztes Silizium oder vergleichbar andere Materialien. Die An­ forderungen an die Parallelität zweier optischer Komponenten eines Festkör­ perlaserresonators - Laserkristall und Spiegel - liegen im Bereich von 10^-4 rad, was beispielsweise auf einen 4′′-Wafer bezogen einem Dickenunterschied von 10 µm entspricht. Dies ist gerade die vom Hersteller garantierte Dickentoleranz polierter Siliziumwafer. Auf den Durchmesser der Laserkristalle von typi­ scherweise 3 mm bezogen ergibt sich eine Höhentoleranz der Auflage von 0,3 µm. Dies aber liegt weit oberhalb der durch Ätzen realisierbaren Genauigkeit.

Grundsätzlich kann die hier vorgeschlagene Einrichtung zur Aufnahme von optischen Kristallen 10 aus einem oder zwei Wafern 11 aus Silizium oder ähn­ lich bearbeitbarem Material bestehen. Zur Bestückung von Siliziumwafern 11 mit optischen Kristallen 10 werden in diese geeignete Strukturen, wie Löcher oder eckige Durchführungen 12 durch isotropes oder anisotropes Ätzen oder auch durch Ultraschallbohren bzw. -fräsen so geschaffen, daß der optische Kristall in einer definierten Auflage 13 aufgenommen werden kann, die zur Gewährleistung eines beugungsfreien Strahldurchtritts mittig zum Kristall 10 eben diese Löcher oder eckigen Durchführungen aufweist. Hierfür gibt es zur Realisierung verschiedene Möglichkeiten, die nachfolgend an Ausführungsbei­ spielen beschrieben werden.

Wird die Aufnahme für optische Kristalle aus nur einem Siliziumwafer 11 ge­ fertigt, so werden in einem beidseitigen anisotropen Ätzprozeß die Öffnungen 12 für die Aufnahme des Laserkristalls 10 und die Auflage 13 für diesen ge­ schaffen.

Hierzu werden beidseitig auf einem <110<Siliziumwafer 11 photolithogra­ phisch Rechtecke 12 mit beidseitig unterschiedlichen Kantenlängen so auf den Oberflächen definiert, daß ihre Mittelpunkte M1 und M2 jeweils übereinander angeordnet sind. Da die <111<Kristallebene mit der niedrigsten Ätzrate senk­ recht zur Oberfläche eines <110<Siliziumwafers 11 orientiert ist, lassen sich somit rechteckige Öffnungen oder Durchbrüche 12 mit einem Aspektverhältnis von größer als 1 : 200, d. h. mit großer Flankensteilheit herstellen. Die beiden <111<-Kristallebenen schließen einen Winkel von 70,5° zueinander ein, der gleichzeitig einen Winkel zwischen den beiden Kanten des Rechtecks definiert. Die Öffnung 12 für die Aufnahme des Kristalls 10 weist eine lichte Weite L auf, die den geometrischen Abmaßen oder dem Durchmesser des optischen Kristalls 10 entsprechend ist und eine Tiefe, die der halben Dicke des Silizi­ umswafers 11 entspricht. Die von der anderen Seite des Wafers 11 geätzte Öffnung 12 ist ebenfalls eine halbe Waferdicke tief und weist Kantenlängen von etwa dreifachem Durchmesser des durchtretenden Strahls auf, um Beu­ gungsverluste zu minimieren. Typischerweise beträgt diese lichte Weite etwa 1,5 mm. Die beim Ätzprozeß entstehende Stufe zwischen den beiden Öffnun­ gen wird als Auflage 13 für den optischen Kristall genutzt. Ein beliebiges Ver­ hältnis der Tiefe beider Öffnungen zueinander läßt sich durch ein zeitversetztes Öffnen der photolithographischen Maske realisieren (Fig. 1).

Alternativ zum Ätzprozeß können die beiden unterschiedlichen Öffnungen 12 in beliebiger Tiefe und Form auch durch Ultraschallbohren gefertigt werden. Die geschaffenen Öffnungen 12 dienen wiederum zur Aufnahme optischer Kristalle 10, so daß eine Funktionsebene optischer Kristalle 10 aufgebaut wer­ den kann. Die hierbei realisierbaren Genauigkeiten reichen jedoch bei weitem nicht aus, um eine Selbstjustage der optischen Flächen parallel zur Waferober­ fläche sicherzustellen. Spezielle Bestückungstechniken oder auch eine nach der Bestückung mit Kristallen 10 stattfindende beidseitige Politur des Aufnahme­ wafers 11 führen zur benötigten Parallelität der Oberflächen.

Die hier vorgeschlagene Aufnahme von optischen Kristallen mit unterschied­ lich groß geätzten Rechtecken läßt sich auch aus zwei separat strukturierten Siliziumwafern 11 herstellen, wodurch eine erhöhte Flexibilität der Formgestal­ tung und der Funktionsweise erzielt wird. Verbunden werden die fertig struk­ turierten Wafer 11 mit den bekannten Methoden, wie Si-Si-Hochtemperatur­ bonden, durch anodischen Bonden oder auch Kleben bzw. Löten. Aus vorste­ henden Ausführungen ergibt sich, daß die Öffnungen unterschiedlicher lichter Weite und Tiefe auch unabhängig voneinander in zwei unterschiedlich oder gleichdicke <110<Siliziumwafer 11 anisotrop geätzt werden können. Selbst­ verständlich kann auch in einen Wafer 11 bei entsprechender Orientierung des­ selben ein rundes Loch mit allerdings stark geneigten Kantenflächen geschaf­ fen werden. Diese Löcher eignen sich wegen der flachen Kantenwinkel und der daraus resultierenden Kristallauflage 13 auf einer geschlossenen Bogenlinie nicht so gut für die Aufnahme der optischen Kristalle 10, da die Justage dersel­ ben zum Aufnahmewafer mechanisch unterbestimmt ist. Die im Ätzprozeß geschützte Seite aber eignet sich wegen der Planität der Oberfläche gut für die Auflage der Kristalle, so daß eine eckige oder mehr rundliche Öffnung als Strahldurchtrittsführung 12 und Kristallauflage 13 in einer aus zwei Wafern 11 bestehenden Struktur Verwendung findet (Fig. 2).

Zur Realisierung komplexer Laserresonatoren, die beispielsweise einen nicht­ linearen Kristall zur Frequenzkonvertierung beinhalten, ist eine wohldefinierte Polarisierung der Emission des Festkörperlasers von entscheidender Bedeu­ tung. Bekannt ist die Tatsache, daß in optisch isotropen Medien durch extern ausgeübten Streß eine Polarisierung des Festkörperlasers induzierbar ist. Ein solcher externer Streß ist in der vorbeschriebenen Kristallaufnahme 13 dadurch auf die optischen Kristalle 10 ausübbar, daß die lichte Weite L der rechteckigen Öffnung 12, die in einen <110<Siliziumwafer 11 anisotrop geätzt worden ist, um einen Betrag dL kleiner gewählt wird als die max. lichte Weite L des opti­ schen Kristalls 10, während die zweite lichte Weite der Öffnung 12 um einiges größer dimensioniert ist (Fig. 2).

Da die optischen Kristalle 10 - wie beispielsweise Nd:YAG - einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Silizium aufweisen, wird zur Be­ stückung mit optischen Kristallen 10 der Aufnahmewafer 11 auf eine höhere Temperatur gebracht als sie der Kristall 10 aufweist. Eine Angleichung der Temperatur von Aufnahmewafer 11 und optischem Kristall führt nun wegen des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zur definierten Einleitung von Streß in den optischen Kristall 10 parallel zur lichten Weite L der geätzten Öffnung 12.

Weiterhin ergibt sich durch die Verwendung von Silizium als Trägermaterial (Wafer 11) die Möglichkeit, daß die bei Stromfluß durch Silizium mit definier­ tem elektrischen Widerstand auftretenden Ohm′schen Verluste zur Heizung der Kristalle 10 herangezogen werden. Hierzu werden zwei Ohm′sche Kontakte zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht. Weiterhin können in einem weiten Rahmen der benötigte Strom und die aus ihm resultierende Spannung durch den spezifischen Widerstand des Siliziums variiert werden, der stark von der Dotierung des Siliziums abhängig ist. Alternativ können natürlich auch normale bekannte Widerstände auf das Silizium aufgebracht werden. Unter Verwen­ dung der sogenannten "Vier-Punkt-Messung" ist bei bekannter Kennlinie des Widerstandes gleichzeitig die Kontrolle und Regelung der Temperatur gege­ ben.

Zur Realisierung eines komplexen Mikrosystems, das im Schichtaufbau herge­ stellt wird und das unter anderem optische Kristalle 10 enthält, ist die Verbin­ dung zwischen den Kristallebenen und weiteren Ebenen eine schwierige Auf­ gabe. Die bisher beschriebene Einrichtung zur Aufnahme optischer Kristalle 10 eignet sich nicht nur wegen des angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizi­ enten, sondern vor allem wegen der Möglichkeit, definierte Bereiche zur Ver­ klebung oder Lötung mit weiteren Wafern zu schaffen. So können beispiels­ weise bei der Verwendung von Kapillarklebern durch das Ätzen von Vertie­ fungen von Vertiefungen 15, deren Tiefe an die Viskosität des zu verwendeten Klebstoffes angepaßt ist, Bereiche zur Verbindung mit weiteren Wafern 11 definiert werden. Weiterhin lassen sich Entlüftungskanäle realisieren, um die Bildung von Luftblasen beim Einfüllen des Klebstoffes zu eliminieren. Die Klebekanäle werden hierbei so angeordnet, daß bei der Klebstoffeinbringung nur diese Bereiche, nicht aber die optischen Flächen mit Klebstoff verschmiert werden.

Ein spezieller Vorzug der hier vorgeschlagenen Einrichtung ist es, daß es im Sinne eines "batch-processing" möglich ist, zunächst ausgewählte Kristalle 10 in die Aufnahme 12, 13 einzubringen und erst dann diese mit den Kristallen in einem Arbeitsgang zu beschichten. Hierdurch entfällt nicht nur die Halterung einzelner Kristalle zur Beschichtung, sondern auch die Randstörungen, die bei der Beschichtung von Kristallen mittels "ion-plating" auftreten, falls diese in Metall gehalten sind. Letzteres kann durch die Verwendung von isoliertem Si­ lizium als Halterungsmaterial umgangen werden. Das Auftreten dieser Rand­ störungen bei in Metall gefaßten Kristallen wird heute auf elektrische Feld­ spitzen an den Metallrändern zurückgeführt, die eine gleichmäßige Beschich­ tung des Kristalls auch an dessen Rändern beim "ion-plating" verhindern.

Wird jedoch der Kristall 10 in einem Isolator 14 (Fig. 4a) gehalten - wie dies beispielsweise ein allseitig oxidierter Siliziumwafer 11 ist - so können sich keine Spitzen des elektrischen Feldes ausbilden. Hierzu muß nach dem Ätzen oder Ultraschallbohren der Öffnungen, Durchbrüche etc. 12 eine geschlossene Isolierschicht 14 auf das Silizium aufgebracht werden (Fig. 4a, b). Durch die übliche Aufdampfung von SiO₂, Si₃N₄ etc. Glas kann letzteres zugleich als Bondvermittler für eine anodische Bondung mit einem weiteren Siliziumwafer 11 verwendet werden, der beispielsweise bei einem Aufbau der Kristallauf­ nahme zwei Wafer 11 benötigt.

Damit ist eine Einrichtung zur Aufnahme beliebiger Kristalle geschaffen, die die Möglichkeiten für eine Selbstjustage der Kristalloberflächen parallel zur Waferoberfläche aufzeigt, ferner eine Temperaturstabilisierung und die defi­ nierte Einleitung von Streß in die optischen Kristalle ermöglicht. Weiterhin können zur Verbindung mit anderen Wafern, welche ebenfalls optische Kom­ ponenten tragen, Klebefugen definiert angeordnet werden und es wird die Möglichkeit geschaffen, die bei der Beschichtung von optischen Komponenten mittels "ion-plating" auftretenden Randstörungen zu eliminieren.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Aufnahme optischer Komponenten, wie Laserkristalle zur Integration in batch-prozessierte dreidimensionale Mikrosysteme, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren Siliziumwafern (11) oder Wafern aus ähnlichem Material, wie etwa Halbleiterkristall Vertiefungen oder Durch­ brüche bzw. Löcher (12) durch Ätzen oder Ultraschallbohren erzeugt werden und diese Durchbrüche oder Löcher (12) entweder unterschiedliche lichte Weiten (L) bei gleichzeitig übereinander liegenden Mittelpunkten (M1, M2) aufweisen oder mit einem solchen Absatz (13) versehen sind, daß die einzu­ bringenden optischen Komponenten (z. B. Laserkristall 10) in einem definierten Abstand zur Waferunterseite zu liegen kommen und aufgrund der hochpräzisen Waferoberfläche bei geeigneter präziser Erzeugung des Absatzes beispielswei­ se durch anisotropes Ätzen, die optischen Komponenten parallel zur Wafer­ unter- oder -oberseite ausgerichtet sind, ohne daß diese eigens justiert werden müssen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die opti­ schen Elemente (Laserkristall 10) in den Durchbrüchen oder Löchern (12) eingeklebt oder eingespannt sind, wobei zum Einkleben dieser Elemente (10) wie auch zum Verkleben der Wafer (11) miteinander durch (anisotropes) Ätzen eingebrachte Gräben oder Rillen so angeordnet sind, daß der Klebstoff ledig­ lich an optisch nicht wirksamen Flächen anliegt und eine Klebstoffbenetzung der zu der Oberfläche der Wafer (11) parallelen Flächen der optischen Kom­ ponenten (10) ausgeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche oder Löcher (12) für die Aufnahme des Laserkristalls (10) zwischen der Ober- und Unterfläche des Siliziumwafers (11) eine der Geome­ trie des Kristalls (10) entsprechende lichte Weite (L) und eine der halben Dicke des Wafers (11) entsprechende Tiefe aufweist und die beim Ätzprozeß der beiden Wafer-Flächenseiten entstehende Stufe (13) als Auflage für den Laserkristall (10) dient.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberflächen von Wafer (11) und Laserkristall (10) nach deren Bestückung durch beidseitige Politur parallel geschliffen werden.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß optisch ver- oder entspiegelte Komponenten (10) in den Durchbrü­ chen oder Löchern (12) der Siliziumwafer (11) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß optisch unbeschichtete Komponenten (10) in die Durchbrüche oder Löcher (12) der Siliziumwafer (11) eingebracht werden, welche (11) mit einer dünnen Schicht lichtleitenden Materials (SiO₂ etc.) überzogen ist und die Komponenten (10) mit einer oder mehreren optisch wirksamen dielektrischen Beschichtungen versehen sind, die vorzugsweise im Ion-Plating-Verfahren aufgebracht sind, um Randstörungen der Beschichtung zu minimieren.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der zur Bestückung mit optischen Kristallen (10) vorgesehene Silizi­ umwafer (11) auf eine höhere Temperatur gebracht wird als sie der Kristall (10) bei der Einsetzung aufweist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der rechteckig geformte Durchbruch oder das Loch (12) zur Aufnah­ me der optischen Komponente (10) eine etwas geringere lichte Weite (L) zu der realen Weite der Komponente (10) aufweist, so daß letztere (10) beim Ein­ setzen parallel zur auftretenden Klemmung einen definierten Streß aufnimmt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die beim angelegten Stromfluß durch den den Laserkristall (10) auf­ nehmenden Siliziumwafer (11) erzeugten elektrischen Widerstände und deren Ohm′sche Verluste zur Heizung der Kristalle (10) verwendet werden.