DE69309817T2

DE69309817T2 - Herstellungsverfahren einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE69309817T2
Application number: DE69309817T
Authority: DE
Inventors: Takashi Iwasaki; Toshiyuki Nitta
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: CA2100115A1; US5403773A; JPH0629577A; DE69309817D1; CA2100115C; EP0587277B1; KR970005155B1; KR940006297A; EP0587277A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für lichtemittierende Vorrichtungen, die für die optoelektronische Übertragung von Informationen von Bedeutung sind. Eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung bedeutet eine lichtemittierende Diode und eine Laserdiode. Das Material zur Herstellung lichtemittierender Halbleitervorrichtungen ist GaAs, GaP, InP, usw. Die lichtemittierende Vorrichtung ist des weiteren durch die Emissionsrichtung klassifiziert; es gibt einen Oberflächenemissionstyp, der Licht von einer Oberfläche eines Halbleiterchips emittiert und einen Stirnseitenemissionstyp, der Licht an der Stirnseite eines Chips emittiert. Diese Erfindung schlägt eine verbesserte lichtemittierende Vorrichtung vom Oberflächenemissionstyp vor. Die Oberflächenemissionstypvorrichtungen erlauben dem Licht, sich ausgehend von einem schmalen Lichtaustrittsgebiet in alle Richtungen auszubreiten. Folglich ist eine Linse notwendig, um das Licht von der lichtemittierenden Vorrichtung auf den Kern einer optischen Faser zu bündeln. Die Linse muß das Licht mit hoher Effizienz auf den engen Kern bündeln.
Bei optischen Kommunikationssystemen oder optischen Meßsystemen wird zur Ankopplung des Chips an den Kern einer optischen Faser eine sphärische Linse direkt auf dem Chip einer lichtemittierenden Vorrichtung befestigt. Aufgrund der großen Divergenz des Lichts an der ausstrahlenden Zone des Chips und wegen der Enge des Faserkerns befestigt man vorzugsweise eine sphärische Linse direkt auf dem Chip einer lichtemittierenden Vorrichtung. Dieses deshalb, weil eine sphärische Linse eine kurze Brennweite und sphärische Symmetrie besitzt. Eine solche direkte Befestigung hat sich bei Ankopplung einer optischen Faser an eine lichtemittierende Vorrichtung bei optoelektronischer Kommunikation oder optischen Messungen durchgesetzt.
Eine indirekte Ankopplung einer Linse ist ungünstig. Indirekte Ankopplung bedeutet hier, daß ein Halbleiterchip auf einem Werkstück einer Bauemheit befestigt wird, wobei eine Kappe mit einer Linse das Werkstück bedeckt. Indirekte Ankopplung wird häufig bei Photodioden verwendet.
Die japanische Patentveröffentlichung 57-29067 (29067/1982) beschreibt einen Aufbau einer lichtemittierenden Vorrichtung, die hergestellt wird mit den Schritten: Fräsen einer kreisförmigen Aushöhlung auf einer vorderseitigen Oberfläche eines Chips oberhalb einer Ausstrahlungszone, Anbringen von Klebstoff an der Aushöhlung und Befestigen einer sphärischen Linse auf der Aushöhlung mit Hilfe des Klebstoffes. Der Aufbau ist bei korrekter Positionierung der Linse erfolgreich, da die Linse kreisförmig mit dem Überstand der Aushöhlung Kontakt hat. Wenn das Zentrum der ausstrahlenden Zone mit dem Zentrum der Aushöhlung zusammenfällt, fällt das Zentrum der Linse mit dem Zentrum der ausstrahlenden Zone zusammen. Da jedoch das Aufstreichen von Klebstoff an der Aushöhlung dem Befestigen einer sphärischen Linse auf der klebstoffbestrichenen Aushöhlung vorangeht, wird ein Klebstoff hoher Viskosität nicht genügend von der Aushöhlung ausgeschlossen. Dann kann die sphärische Linse nicht mit dem Überstand der Aushöhlung in Kontakt kommen; sie schwimmt auf dem Klebstoff von der Kante der Aushöhlung weg. Dieses ist eine Schwierigkeit bei der japanischen Patentveröffentlichung 57-29067.
Ein anderer Nachteil ist die Abweichung des Zentrums der ausstrahlenden Zone vom Zentrum der Aushöhlung. Das Zentrum der ausstrahlenden Zone fällt nicht immer mit dem Zentrum der Aushöhlung in Richtung der Oberflächennormalen zusammen. Falls das Zentrum der ausstrahlenden Zone vom Zentrum der Aushöhlung abweicht, weicht auch das Zentrum der ausstrahlenden Zone von der sphärischen Linse ab. Das von der Linse gebündelte Licht wird, statt in vertikaler Richtung auszutreten, schief austreten.
Die Patentoffenlegungsschrift 60-161684 (161684/1985) beschreibt einen anderen Aufbau für eine auf einem Halbleiterchip angesetzte Linse. Anstatt eine kreisförmige Aushöhlung auf einem Vorrichtungschip zu fräsen, werden nach der JP-A-60- 161684 mehrere Vorsprünge auf der Oberfläche eines Chips erzeugt. Das Zentrum der Mehrzahl Vorsprünge wurde dabei so festgelegt, daß es mit dem Zentrum der ausstrahlenden Zone im Chip zusammenfiel. Die Höhen und Positionen der Vorsprünge wurden so ausgelegt, daß die sphärische Linse mit den Kanten aller Vorsprünge in Kontakt kommen kann. Die Position der Kugellinse war durch die Vorsprünge vollständig festgelegt. Es gab überhaupt keinen Verrückungsspielraum für die Kugellinse (sphärische Linse). Der Satz von Vorsprüngen ermöglichte eine eindeutige Festlegung der Position zur Linse. Die Linse wurde mit Klebstoff zwischen den Vorsprüngen befestigt.
Im allgemeinen hat die lichtemittierende Vorrichtung eine schmale ausstrahlende Zone, und auch der Kern einer optischen Faser ist bei optoelektronischen Kommunikationssystemen eng. Eine wirksame Kopplung zwischen Faser und lichtemittierender Vorrichtung erfordert geringe Toleranz, nämlich weniger als 2µm, bei der Ausrichtung der sphärischen Linse in Richtung parallel zur Oberfläche.
Jedoch leiden lichtemittierende Vorrichtungen, bei denen eine Linse direkt angesetzt ist, an der Schwierigkeit einer Positionierung. Eine solche Vorrichtung vom Linsentragtyp hat eine ausstrahlende Zone auf der einen Oberfläche und eine Linse auf der anderen Oberfläche. Die erste Oberfläche mit der ausstrahlenden Zone sei nachstehend als vordere Fläche bezeichnet und die zweite Fläche mit der Linse als rückseitige Fläche. Das aktive Gebiet (ausstrahlende Zone) wurde auf der vorderen Fläche hergestellt mit Hilfe eines Waferverfahrens, das die Schritte Züchten epitaktischer Schichten, Photolithographie und Ätzen umfaßt. Wenn die rückseitige Fläche zum Festhalten einer Kugellinse mit Vorsprüngen versehen werden muß, müssen auch die Vorsprünge auf der rückseitigen Fläche hergestellt werden mit Hilfe eines anderen Waferverfahrens, das die Schritte Photolithographie und Trockenätzen umfaßt.
Folglich sind bei der Vorrichtung vom Linsentragtyp Zweifach-Waferverfahren auf vorderer und rückseitiger Fläche nötig.
Ein Einfach-Waferverfahren ermöglicht exakte Positionierung von Teilen wie einer Elektrode, pn-Übergängen, aktiven Zonen, und dergleichen mehr. Zweifach- Waferverfahren auf beiden Flächen können jedoch keine hohe Positionierungsgenauigkeit der auf beiden Flächen hergestellten Teile erzielen. Signifikante Fehler werden das Zweifach-Waferverfahren, das die beiden Oberflächen behandelt, sicherlich begleiten. Der Nachteil sei nun noch detaillierter erläutert.
Ein Verbindungshalbleiter-Wafer, z.B. GaAs-, Inp- oder GaP-Wafer wird zur Herstellung hochemittierender Vorrichtungen verwendet. Der Wafer hat anfänglich eine Dicke von 400µm-600µm, was die Handhabung des Wafers im nachfolgenden Waferverfahren erleichtert. Hochemittierende Vorrichtungen werden hergestellt mit Hilfe des Waferverfahrens, das die Schritte epitaktisches Züchten, Fremdstoffdiffusion, Ätzen, und Erzeugen einer Elektrode auf der vorderen Fläche des mit der rückseitigen Fläche auf einem Werkstück befestigten Wafers umfaßt. Das erste Waferverfahren ergibt viele äquivalente Vorrichtungen auf der vorderen Fläche des Wafers. Die ausstrahlende Zone (aktive Schicht oder pn-Übergang) ist nahe der vorderen Fläche erzeugt worden.
Daraufhin wird der Wafer vom Werkstück abgenommen. Der Wafer wird mit der Oberseite nach unten wieder auf einem Kopf einer Schleifvorrichtung befestigt. Die vordere Fläche mit der ausstrahlenden Zone wird an dem Tragkopf angeklebt. Die rückseitige Fläche des Wafers (Substratseite) wird so lange geschliffen, bis die Dikke auf ungefähr 100µm-200µm abgenommen hat. Die Dickenverminderung ist zur Erhöhung der durch den durch die ausstrahlende Zone (pn-Übergang oder aktive Schichten) fließenden Injektionsstrom erzeugten Wärme notwendig. Vorzugsweise sollte der Wafer auf eine Dicke von 100µm-200µm abgetragen werden. Die Schleifbehandlung beseitigt Material um eine Dicke von ungefähr 300µm-400µm von der rückseitigen Fläche des Wafers. Das Schleifen vermindert den Abstand zwischen rückseitiger Fläche und ausstrahlender Zone (aktiven Schichten) auf weniger als 100µm-200µm. Die Schleifbehandlung trägt sowohl zur Verbesserung der Wärmeableitung als auch zur Verringerung der Lichtabsorption zwischen ausstrahlender Zone und rückseitiger Fläche (emittierende Fläche) bei.
Nach der Schleifbehandlung wird der Wafer einem weiteren Waferverfahren auf der rückseitigen Fläche unterzogen. Für das zweite Waferverfahren wird die vordere Fläche auf ein Werkstück geklebt. Das zweite Waferverfahren ätzt die rückseitige Fläche zum Fräsen von Aushöhlungen oder zum Erzeugen von Vorsprüngen. Die Positionen der Aushöhlungen oder Vorsprünge sollten als mit den ausstrahlenden Zonen zusammenfallend festgelegt werden. Dafür wird der Wafer mit zwei Waferverfahren auf beiden Flächen behandelt. Die Vorrichtungen vom Linsentragtyp erfordern auf die vordere und rückseitige Fläche angewandte Zweifach- Waferverfahren. Eine ausstrahlende Zone pro Vorrichtungseinheit wird auf der vorderen Fläche durch das erste Waferverfahren hergestellt. Eine Aushöhlung oder ein Satz Vorsprünge pro Vorrichtungseinheit wird auf der rückseitigen Fläche (emittierende Fläche) durch das zweite Waferverfahren erzeugt. Ein auf einer einzigen Oberfläche ausgeführtes Einfach-Waferverfahren kann eine hohe Positioniergenauigkeit der Teile, z.B. Diffusionszonen, pn-Übergänge oder eine Elektrode erreichen. Die Zweifach-Waferverfahren können jedoch die präzise Teilepositionierung auf verschiedenen Oberflächen nicht sicherstellen.
Die Zweifach-Waferverfahren ergeben viele lichtemittierende Vorrichtungseinheiten auf einem Wafer. Der Wafer wird entlang Spaltungslinien angerissen und in einzelne Vorrichtungschips geteilt. Der Chip wird zu einer Baueinheit mit einer Linse und Zuleitungen montiert. Elektroden des Vorrichtungschips werden mit den Anschlüssen der Baueinheit verbunden.
Ein Wafer hat typischerweise einen Durchmesser von 2-3 Inches (5-7,6 cm). Ein Chip aber ist ein kleines Rechteck mit Seiten von 300µm bis 500µm. Wie erwähnt, müssen bei der Herstellung der linsentragenden Vorrichtungen die ausstrahlenden Zonen oder eine Elektrode auf der vorderen Fläche mit Hilfe des ersten Waferverfahrens erzeugt werden, muß die rückseitige Fläche geschliffen und müssen Aushöhlungen oder Vorsprünge auf der rückseitigen Fläche mit Hilfe des zweiten Waferverfahrens, z.B. Ätzen, Bedampfen, Photolithographie usw., erzeugt werden.
Die Abweichungstoleranz zwischen dem Zentrum der ausstrahlenden Zone auf der vorderen Fläche und dem Zentrum der Aushöhlung oder der Vorsprünge auf der rückseitigen Fläche muß weniger als 2µm sein. Der Wafer hat jedoch einen solch großen Durchmesser und so eine geringe Dicke, daß er sich wahrscheinlich verbiegt. Die Verbiegung des Wafers verhindert bei der Photolithographie einen engen Kontakt zwischen Wafer und Maske. Ein Luftspalt zwischen Wafer und Maske kann Positionierungsfehler der zu belichtenden Flecke zur Folge haben. Folglich macht eine Waferverbiegung die Positionierung der Teile auf beiden Flächen schwierig. Die Deformation des Wafers vergrößert die die Positionierung der Teile auf zwei Oberflächen betreffenden Fehler. Wegen der Verbiegung des Wafers und des Zweifach- Waferverfahrens wird das Zentrum der ausstrahlenden Zone auf der vorderen Fläche wahrscheinlich vom Zentrum der Aushöhlung oder der Vorsprünge auf der rückseitigen Fläche abweichen. Folglich überschreitet der Positionierungsfehler zwischen vorderer ausstrahlenden Zone und rückseitiger Aushöhlung oder Vorsprünge oftmals die Toleranz von 2µm.
Die Vorrichtung vom Oberflächenemissionstyp wird mit einer sphärischen Linse versehen, und zwar mit Hilfe der Schritte: Justieren der Positionen auf beiden Flächen, Fräsen von Aushöhlungen oder Vorsprüngen und Ankleben einer sphärischen Linse auf der Aushöhlung oder an den Vorsprüngen. Wegen der Schwierigkeit des Zusammenfallens von Positionen auf zwei Flächen, fällt das Zentrum einer Linse nicht notwendigerweise innerhalb der Toleranz mit dem Zentrum der ausstrahlenden Zone zusammen. Die Unstimmigkeit zwischen Linse und ausstrahlender Zone vermindert den Ankopplungswirkungsgrad an eine optische Faser. Hier bedeutet der Ankopplungswirkungsgrad das Verhältnis der einen Faserkern erreichenden Lichtstrahlen zu den von der ausstrahlenden Zone insgesamt emittierten Lichtstrahlen. Folglich müssen lichtemittierende Vorrichtungen hinsichtlich ihres Ankopplungswirkungsgrades getestet werden, nachdem die Vorrichtungen vollständig zu Baueinheiten oder Behältnissen mit einer optischen Faser zusammengesetzt worden sind. Der Ankopplungswirkungsgrad wird durch Anlegen eines Stroms an die lichtemittierende Vorrichtung und Messen der Lichtintensität am anderen Ende der optischen Faser geprüft. Da die Linse mit Klebstoff befestigt wurde, kann die Position der Linse nicht korrigiert werden. Daher müssen die Proben, die einen geringen, unter einem vorgegebenen Wert liegenden Ankopplungswirkungsgrad aufweisend, verworfen werden. Nur die Proben mit einem Ankopplungswirkungsgrad über dem Grenzwert bestehen den Test. Daher hat bisher das Verfahren zur Anbringung einer Linse auf einer Vorrichtung an geringer Ausbeute gelitten. Die geringe Ausbeute hat die Herstellungskosten wesentlich erhöht.
EP-A-0269339 beschreibt die Ausrichtung einer sphärischen Linse mit einer LED unter Verwendung des von der LED emittierten Lichtes.
JP-A-60000413 beschreibt die Ausrichtung von Mikrolinsen mit einer LED durch Messung der Lichtintensität unter Verwendung eines Photodetektors.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung linsentragender lichtemittierender Vorrichtungen ohne Verwendung von Zweifach-Waferverfahren auf beiden Flächen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung mit einem Chip mit einer vorderen und einer rückseitigen Fläche, einer auf der vorderen Fläche angebrachten Elektrode und einer schmalen ausstrahlenden Zone nahe der vorderen Fläche sowie einer sphärischen Linse, welche auf der rückseitigen Fläche befestigt ist, um Lichtbündel zu konvergieren, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Schleifen der rückseitigen Fläche eines Wafers, bis die Dicke des Wafers auf einen vorbestimmten Wert reduziert ist;
Ausbilden einer Elektrode auf der rückseitigen Fläche in der Form, daß es dem Licht möglicht wird, hierdurch hindurch zu treten;
Teilen des Wafers mit einer flachen rückwärtigen Fläche in eine Mehrzahl individueller Vorrichtungschips, von denen jeder eine ausstrahlende Zone und Elektroden hat;
Befestigen eines Chips mit seiner vorderen Fläche auf einem Werkstück;
Zuführen von Strom zu dem Vorrichtungschip, um ihn zur Emission von Licht durch die rückseitige Fläche zu veranlassen;
Beobachten des Musters der ausstrahlenden Zone mit einer TV-Kamera, welche mit einem Computer verbunden ist;
Bestimmen des Mittelpunkts der ausstrahlenden Zone in einem zweidimensionalen Koordinatensystem, welches auf der rückseitigen Fläche des Chips festgelegt ist;
Speichern der Koordinaten des Mittelpunkts der ausstrahlenden Zonen;
Zuführen von Klebstoff zu der rückseitigen Fläche;
Anbringen einer sphärischen Linse an der Position der gespeicherten Koordinaten oberhalb des Mittelpunktes der ausstrahlenden Zone; und
Härten des Klebstoffes, um die Linse auf der nickseitigen Fläche ohne eine Lücke zwischen Linse und Fläche zu befestigen.
Eine Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß dieser Erfindung umfaßt die Schritte: Herstellen ausstrahlender Zonen und einer Elektrode auf einer vorderen Fläche des Wafers, Schleifen der rückseitigen Fläche des Wafers bis auf eine festgelegte Dicke mit hoher Präzision, Erzeugen einer Elektrode auf der rückseitigen Fläche, Teilen des Wafers in individuelle Vorrichtungschips, Befestigen eines Vorrichtungschips an der vorderen Fläche auf einem Werkstück, Zuführen von Strom zu den Elektroden des Chips zum Lichtstrahlen-Emittierenlassen der ausstrahlenden Zone, Beobachten der Lichtstrahlen an der rückseitigen Fläche mit Hilfe einer TV-Kamera, Bestimmen der Zentrumsposition der ausstrahlenden Zone durch Bildverarbeitung, Speichern der Position des Zentrums der ausstrahlenden Zone in einem Speicher, Zuführen von Klebstoff an die rückseitige Fläche des Chips, Halten einer sphärischen Linse mit einer Vakuum- Spannhülse, Verbringen der Linse an der Position des Zentrums der ausstrahlenden Zone in Kontakt mit der rückseitigen Fläche, Härten des Klebstoffes zur Fixierung der Linse an der Position des Zentrums der ausstrahlenden Zone, und Freigeben der sphärischen Linse von der Vakuum-Spannhülse.
Der Klebstoff ist vorzugsweise ein ultraviolett härtendes Harz, da die Zone im Moment einer Bestrahlung mit ultraviolettem Licht gehärtet wird. Im Falle des ultraviolett härtenden Klebstoffs sollten Ultraviolettstrahlen auf den Klebstoff treffen, wenn die Vakuumhülse die Kugellinse gerade über den Mittelpunkt der ausstrahlenden Zone bringt. Da die Position des Zentrums bereits gespeichert wurde, ist es einfach, die sphärische Linse zur Zentrumsposition zu bringen, obwohl der Klebstoff die Oberfläche des Chips verschmieren kann.
Die Bedeutung der einzelnen Schritte sei nun im Detail erläutert. Bei der Erfindung ist das Schleifen der rückseitigen Fläche wichtig. Das Schleifen der rückseitigen Fläche sei kurz als Rückseitenschleifen bezeichnet. Bei der Erfindung wird die rückseitige Fläche gleichmäßig auf eine vorbestimmte Dicke mit hoher Präzision geschliffen. Jeder Abstand zwischen ausstrahlender Zone zur geschliffenen Rückseite ist bei dem Wafer, d.h. für alle individuellen Vorrichtungen, gleich. Die Angleichung jedes Abstandes für alle Vorrichtungen ermöglicht einen konstanten Abstand einer sphärischen Linse von der ausstrahlenden Zone, wenn die Linse in Kontakt mit der rückseitige Flächen gebracht wird. Im Berührungszustand ist der Abstand d&sub1; zwischen dem Mittelpunkt der Linse und dem Mittelpunkt der ausstrahlenden Zone die Summe von Radius r der sphärischen Linse und dem Abstand d&sub2; zwischen rückseitiger Fläche und Mittelpunkt der ausstrahlenden Zone. Die Erfindung erfordert nämlich überall im Wafer ein konstantes d&sub2; und die Gleichung d&sub1; = d&sub2; + r. d&sub1; und r sind vorbestimmte Konstanten. d&sub1; wurde als optimaler Wert des Abstandes zwischen Linsenmittelpunkt und ausstrahlender Zone bestimmt. r ist der Radius der sphärischen Linse. Das Rückseitenschleifen muß das Substrat des Wafers exakt in der Weise entfernen, daß der Abstand d&sub2; von der ausstrahlenden Zone zur rückseitigen Fläche auf die Differenz (d&sub1; - r) reduziert wird. Eines der Merkmale der Erfindung wird einfach ausgedrückt durch d&sub2; = d&sub1; - r. Rückseitenschleifen mit hoher Präzision ermöglicht ein Angleichen der Abstände d&sub2; von den ausstrahlenden Zonen zur rückseitigen Fläche innerhalb einer kleinen Toleranz.
Für eine bequeme Darstellung sei nun ein dreidimensionales Koordinatensystem 0-XYZ definiert. Der Ursprung ist in das Zentrum der ausstrahlenden Zone gesetzt. Die XY-Ebene liegt parallel zu den Oberflächen des Wafers. Die X-Achse liegt parallel zu einer Spaltungslinie. Die Y-Achse liegt parallel zu einer anderen Spaltungslinie. Die Z-Achse ist die Normale der Oberflächen. Die Linsenposition wird einfach durch die Koordinaten (x, y, z) bezeichnet. Der Abstand L zwischen der sphärischen Linse und der ausstrahlenden Zone ist gegeben durch
L = (x² + y² + z²) 1/2.
Die optimale Position für den Mittelpunkt der Linse ist x = 0, y = 0, z = d&sub1;. Rückseitenschleifen mit hoher Präzision verbessert die Positionierung längs der Z-Achse. Z ist nämlich präzise bestimmt durch exaktes Rückseitenschleifen des Wafers. Die Dickentoleranz beträgt bei der Erfindung ungefähr ± 40µm. Beim Rückseitenschleifen beträgt die Toleranz vorzugsweise ungefähr ± 10µm.
Wenn das Rückseitenschleifen ungenau ist, und d&sub2; < d&sub1; - r, muß die Linse im Klebstoff schwimmen, wobei sie von der rückseitigen Fläche mit einem Spalt von (d&sub1; - r - d&sub2;) absteht, um einen hohen Kopplungswirkungsgrad zu erzielen. Falls das Rückseitenschleifen ungenau ist und d&sub2; > d&sub1; - r, gibt es die optimale Position der Linse nicht. Somit ist das Schleifen der rückseitigen Fläche mit hoher Präzision eines der wichtigsten Merkmale der Erfindung. Jüngere Entwicklung der Schleiftechnologie ermöglicht es den Erfindern, die linsentragende Vorrichtung mit hohem Kopplungswirkungsgrad zusammenzusetzen. Das Rückseitenschleifen bezieht sich nur auf die Linsenpositionierung in Z-Richtung. Nach dem Rückseitenschleifen wird eine flache Elektrode auf der rückseitigen Fläche erzeugt. Die Elektrode erlaubt es dem Licht, durch sie hindurch auszutreten.
Ein anderes Merkmal der Erfindung ist die Linsenpositionierung in X- und Y-Richtung mit Hilfe der Schritte: Beobachten einer ausstrahlenden Zone, die durch das Substrat hindurchstrahlt, durch eine TV-Kamera mit einem Mikroskop, Bildverarbeitung der ausstrahlenden Zone zur Bestimmung der zweidimensionalen Koordinaten deren Zentrums, Speichern der Koordinaten des Zentrums der ausstrahlenden Zone, und Anbringen einer Kugellinse mit Hilfe einer Vakuum-Spannhülse an der gespeicherten Position gerade über dem Zentrum der ausstrahlenden Zone.
Für bisherige Verfahren unter Verwendung von Aushöhlungen oder Vorsprüngen bestand keine Notwendigkeit, die Mittelpunkte der ausstrahlenden Zonen zu finden, da die Aushöhlungen oder Vorsprünge die Position einer Kugellinse in der XY-Ebene genau bestimmten.
Das vorliegende Verfahren erzeugt jedoch weder Aushöhlungen noch Vorsprünge auf der rückseitigen Fläche, wobei die Rückseite flach bleibt mit einer Elektrode, die einen Lichtdurchtritt nicht hindert. Somit ist das zweite Waferverfahren auf der rückseitigen Fläche nun völlig unnötig. Die Erfindung kommt ohne das zweite Waferverfahren, durch welches frühere Verfahren Aushöhlungen oder Vorsprünge zur Positionierung in der XY-Ebene erzeugten, aus. Die Erfindung ist vor einem Positionierungsfehler zwischen vorderer und rückseitiger Fläche gefeit, da die Erfindung ohne jegliche Löcher, Vorsprünge oder Markierungen auf der rückseitigen Fläche ausgeführt wird.
Da die rückseitige Fläche vollkommen flach und ohne Strukturen ist, wird die Linsenpositionierung in der XY-Ebene unverzichtbar. Daher wird die Position der ausstrahlenden Zone in der XY-Ebene dadurch gesucht, daß man die ausstrahlende Zone glimmen läßt, die glimmende ausstrahlende Zone beobachtet, die Position ihres Zentrums bestimmt und die zweidimensionale Koordinate des Zentrums speichert. Dann wird eine Kugellinse durch die Spannhülse an einem Ort des Koordinatensystems (0, 0, d&sub1;) angebracht und auf der rückseitigen Fläche durch Härtung eines Klebstoffes befestigt.
Die flache rückseitige Fläche des Wafers ohne Elektrode ist kein Nachteil, sondern ein Vorteil der Erfindung. Obwohl die Flachheit der rückseitigen Fläche die zweidimensionale Positionierung der sphärischen Linse verlangt, macht die Flachheit es einer Vakuum-Spannhülse möglich, die Linse an einem bekannten Punkt anzubringen, was die Positionierungsgenauigkeit der Linse verbessert.
Vorteile der Erfindung seien nun erläutert.
Beim Verfahren der Erfindung wird die rückseitige Fläche (Substratseite) eines Wafers mit hoher Präzision geschliffen, bis der Abstand d&sub2; zwischen ausstrahlender Zone und nickseitiger Fläche auf einen definierten Wert (d&sub1; - r) abgenommen hat, wobei r der Radius einer sphärischen Linse und d&sub1; der optimale Abstand zwischen Linsenzentrum und Zentrum der ausstrahlenden Zone ist. Dieses ist die Positionierung in Z-Richtung.
Daraufhin sucht man nach dem vorliegenden Verfahren die zweidimensionale Position der auf dem Werkstück befestigten ausstrahlenden Zone dadurch, daß man das Leuchten der ausstrahlenden Zone durch eine TV-Kamera beobachtet und Bildverarbeitung durch einen Computer vornimmt. Die zweidimensionale Koordinate des Zentrums der ausstrahlenden Zone auf dem Werkstück wird in einem Speicher abgespeichert. Klebstoff wird der rückseitigen Fläche des Chips zugeführt. Dann bringt eine Tragvorrichtung eine sphärische Linse, die sie mit Hilfe einer Vakuum- Spannhülse hält, zu der Position, die durch die Koordinaten (0, 0, d&sub1;) im dreidimensionalen Koordinatensystem ausgedrückt und durch Bestimmung des Zentrums der ausstrahlenden Zone als Ursprung festgelegt wurde. Da die rückseitige Fläche bis auf die Elektrode flach ist, kann die Tragvorrichtung eine sphärische Linse an einen beliebigen Ort heranführen. Die flache Oberfläche der rückseitigen Fläche und die Bildverarbeitung zum Suchen des Zentrums der ausstrahlenden Zone realisieren die günstigste Position für die Linse zum Erhalt eines maximalen Kopplungswirkungsgrades.
Darüber hinaus umschließt der Klebstoff den pn-Übergang eines Chips und schützt ihn damit. Der Klebstoff dient als Passivierungsfilm zum Schutz des pn-Überganges der Vorrichtung vor dem Eindringen von Sauerstoff, Wasser und Schwermetall, und vor der Diffusion von Ionen etc.
Im Unterschied zu den früheren Methoden braucht die Erfindung keine zwei Waferverfahren auf beiden Oberflächen. Die Probleme von Positionsfehlern zwischen vorderseitigen Teilen (beispielsweise ausstrahlenden Zonen) und rückseitigen Teilen (z.B. Aushöhlungen) werden durch die Erfindung gelöst.
Das Weglassen der Schritte des Erzeugens von Aushöhlungen oder Vorsprüngen verringert Zeit und Kosten der Herstellung.
Herkömmliche Verfahren leiden unter geringer Ausbeute, da erst vollständig zusammengesetzte Vorrichtungen durch Anlegen eines Stromes geprüft wurden. Im Gegensatz dazu kann bei der Erfindung das Zentrum der ausstrahlenden Zone durch Prüfen bei Stromzufuhr zur Vorrichtung aufgefunden werden. Da die Linse an dem Ort gerade über der nachgewiesenen ausstrahlenden Zone angebracht wird, ist der Kopplungswirkungsgrad an eine optische Faser hoch genug. Die Erfindung ist vor unvollkommenen Produkten gefeit und führt zu hoher Ausbeute.
Wenn eine sphärische Linse auf der rückseitigen Fläche eines Chips montiert wird, können verschiedene Prüfungen, z.B. der elektrischen Eigenschaften oder der optischen Eigenschaften, sofort erledigt werden, da Elektroden des Chips an eine externe Spannungsquelle durch einige Anschlüsse und Verbindungen angeschlossen worden sind. Solche vorbereitenden Untersuchungen können die bei der Produktuntersuchung betroffenen Schritte verringern. Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung lichtemittierender Vorrichtungen mit hoher Ausbeute und hoher Produktivität vor. Die lichtemittierenden Vorrichtungen sind als Lichtquellen bei optoelektronischer Kommunikation am geeignetsten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematische Ansichten der Verfahrensschritte nach der Erfindung, und zwar Fig. 1(a) den Schritt, bei dem eine TV-Kamera eine ausstrahlende Zone eines lichtemittierenden Vorrichtungschips beobachtet; Fig. 1(b) den Schritt, bei dem Klebstoff dem Vorrichtungschip zugeführt wird; Fig. 1(c) den Schritt, bei dem eine Vakuum-Spannhülse eine sphärische Linse auf die rückseitige Fläche des Vorrichtungschips aufsetzt; und Fig. 1(d) den Schritt, bei dem ultraviolette Lichtstrahlen den Klebstoff härten; sowie
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Chips, auf den eine sphärische Linse geklebt ist.
Ausstrahlende Zonen und eine Elektrode sind auf einer vorderen Fläche eines auf einem Werkstück befestigten Wafers hergestellt mit Hilfe eines Waferverfahrens, das beispielsweise epitaktisches Züchten von Filmen, Fremdstoffdiffusion, Ätzen und Photolithographie unter Verwendung von Masken und Photoresists umfaßt. Eine Vorrichtungseinheit umfaßt eine ausstrahlende Zone und eine Elektrode. Der Wafer wird von dem Werkstück abgenommen. Der Wafer wird am Kopf eines Schleifgerätes mit der Oberseite nach unten befestigt. Die rückseitige Fläche des Wafers wird mit hoher Präzision auf eine vorbestimmte Dicke geschliffen. Die Dicke des Wafers muß überall gleichmäßig sein. Jeder Abstand zwischen ausstrahlenden Zonen und rückseitiger Fläche ist im Wafer konstant. Die rückseitige Fläche wird flach gelassen. Auf der rückseitigen Fläche werden keine Strukturen erzeugt. Die rückseitige Fläche ist frei von Aushöhlungen oder Vorsprüngen. Eine andere Elektrode wird auf der rückseitigen Fläche so erzeugt, daß Licht durch sie hindurch austreten kann.
Dann wird der Wafer in eine Vielzahl individueller Chips (4) durch Anreißen des Wafers entlang Spaltungslinien geteilt. Ein individueller Chip wird auf einem Werkstück befestigt (nicht dargestellt). Elektroden des Chips werden mit Hilfe von Leitungen an eine äußere Spannungsquelle angeschlossen. Zur Erregung der Vorrichtung wird ein Strom den Elektroden zugeführt. Eine TV-Kamera beobachtet die Emission von Lichtstrahlen aus der ausstrahlenden Zone. Ein Bild der ausstrahlenden Zone wird auf einem Satz Bildsensoren erzeugt. Die Kamera weist das Muster der ausstrahlenden Zone nach. Bildverarbeitung lokalisiert das Zentrum der ausstrahlenden Zone. Verschiedene Bildverarbeitungen sind verfügbar. Eine Verarbeitung bestimmt einen Schwerpunkt der ausstrahlenden Zone dadurch, daß sie die Lichtintensität eines Pixels mit einem Schwellenwert vergleicht, die Pixel in schwarze und weiße Pixel aufteilt, eine Umrißlinie der schwarzen oder weißen Pixel herleitet und den Schwerpunkt des durch die Umrißlinie eingeschlossenen Musters berechnet. Ein anderes Verfahren bestimmt einen Schwerpunkt dadurch, daß die Helligkeit der Pixel gemessen wird, Pixel gleicher Helligkeit verbunden werden, Linien gleicher Helligkeit auf dem ausgestrahlten Muster gezeichnet werden und der Punkt maximaler Helligkeit nachgewiesen wird. Damit ist das Zentrum der ausstrahlenden Zone bezüglich eines zweidimensionalen Koordinatensystems, das auf der Bildebene der TV-Kamera festgelegt wurde, bestimmt. Die Zentrumskoordinate wird im Speicher eines mit der TV-Kamera verbundenen Personalcomputers eingespeichert.
Dann wird ultraviolett härtender Klebstoff (6) auf die rückseitige Fläche des Vorrichtungschips (4) gestrichen, wie in Fig. 1 (b) gezeigt. Der Brechungsindex des Klebstoffharzes (6) sollte ähnlich den Brechungsindices des Vorrichtungschips (4) und der sphärischen Linse (2) sein. Falls die Brechungsindices zu verschieden sind, wird der Lichtverlust aufgrund Grenzflächenreflektionen zu groß sein.
Zusätzlich zur Befestigung der sphärischen Linse dient der Klebstoff auch als Passivierungsfilm zum Schutz des pn-Übergangs des Vorrichtungschips vor externer Verschmutzung oder Oxidation. Da die Kugellinse auf der rückseitigen Fläche montiert ist, kann die vordere Fläche des Chips unbedeckt bleiben. Die Enden des pn-Übergangs werden jedoch mit Klebstoff bedeckt. Da der Klebstoff (6) auch den pn-Übergang des Chips einschließen kann, kann der pn-Übergang (ausstrahlende Zone) sicher vor Wasser, Sauerstoff, Schwermetall oder Ionen, geschützt werden. Somit sollte die Art des Klebstoffes vom Standpunkt des Brechungsindex aus und von der Schutzfunktion aus gewählt werden. Dann hält eine durch eine Tragvorrichtung angetriebene Vakuum-Spannhülse (7) eine sphärische Linse (6) und führt die Linse (6) zu dem Ort genau über dem Zentrum der ausstrahlenden Zone hin. Die Linse (2) schließt einen Teil des Klebstoffs (6) vom Mittelteil aus, wie in Fig. 1(c) gezeigt.
Darüber hinaus wird der ultraviolett härtende Klebstoff (6) mit ultravioletten Strahlen bestrahlt. Falls die sphärische Linse (2) für ultraviolettes Licht transparent ist, ist es bequem, ultraviolette Strahlen durch die sphärische Linse (2) hindurch zur Klebstoffzone (6) zu leiten. Wenn die sphärische Linse (2) für ultraviolettes Licht opak ist, wie beispielsweise Glas B7 oder Saphir, sollten die ultravioletten Lichtstrahlen, von der Chipseite her eingeleitet werden. Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen härtet das Klebstoffharz. Die Vakuum-Spannhülse (7) gibt die Linsenkugel frei. Fig. 2 zeigt den Aufbau eines linsentragenden Vorrichtungschips nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, mit einem Chip mit einer vorderen und einer rückseitigen Fläche, einer auf der voderen Fläche angebrachten Elektrode und einer schmalen ausstrahlenden Zone nahe der vorderen Fläche sowie einer sphärischen Linse, welche auf der rückseitigen Fläche befestigt ist, um Lichtbündel zu konvergieren, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

- Schleifen der rückseitigen Fläche eines Wafers bis die Dicke des Wafers auf einen vorbestimmten Wert reduziert ist,

- Ausbilden einer Elektrode auf der rückseitigen Fläche in der Form, daß es dem Licht ermöglicht wird, hierdurch hindurchzutreten,

- Teilen des Wafers mit einer flachen rückwärtigen Fläche in eine Mehrzahl individueller Vorrichtungschips (4), von denen jeder eine ausstrahlende Zone (1) und Elektroden hat,

- Befestigen eines Chips (4) mit seiner vorderen Fläche auf einem Werkstück,

- Zuführen von Strom zu dem Vorrichtungschip, um ihn zur Emission von Licht durch die rückseitige Fläche zu veranlassen,

- Beobachten des Musters der ausstrahlenden Zone (1) mit einer TV-Kamera, welche mit einem Computer verbunden ist,

- Bestimmen des Mittepunktes der ausstrahlenden Zone (1) in einem zweidimensionalen Koordinatensystem, welches auf der rückseitigen Fäche des Chips festgelegt ist,

- Speichern der Koordinaten des Mittelpunkts der ausstrahlenden Zonen,

- Zuführen von Klebstoff (6) zu der rückseitigen Fläche,

- Anbringen einer sphärischen Linse (2) an der Position der gespeicherten Koordinaten oberhalb des Mittelpunktes der ausstrahlenden Zone (1) und

- Härten des Klebstoffs (6), um die Linse (2) auf der rückseitigen Fläche ohne eine Lücke zwischen Linse und Fläche zu befestigen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem besagter Schleifschritt ausgeführt wird mit einer Toleranz von ±40 µm.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Toleranz der Dicke des geschliffenen Wafers :±10 µm beträgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem

- der Klebstoff (6) ein ultraviolett härtendes Harz ohne Schwermetalle ist, eine Passivierungsfunktion zum Schutz der Vorrichtung vor Wasser oder Sauerstoff hat und gehärtet wird durch Bestrahlen mit ultravioletten Lichtstrahlen, und

- der gehärtete Klebstoff zum einen die Funktion des Schutzes der Vorrichtung hat und zum anderen die Funktion, den sphärischen Ball zu befestigen.