WO2021219782A1 - Abstandhalter-wafer zur herstellung eines elektro-optischen wandlerbauteils, abstandhalter, verfahren zur herstellung eines solchen abstandhalter-wafers, sowie elektro-optischer wandlerbauteil mit einem solchen abstandhalter - Google Patents

Abstandhalter-wafer zur herstellung eines elektro-optischen wandlerbauteils, abstandhalter, verfahren zur herstellung eines solchen abstandhalter-wafers, sowie elektro-optischer wandlerbauteil mit einem solchen abstandhalter Download PDF

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Martin BLEZINGER
Simon HERING
Fabian Wagner
Markus HEISS-CHOUQUET
Vanessa GLÄßER
Andreas Ortner
Michael DRISCH
Annika Hörberg
Robert Hettler
Lars MÜLLER
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Definitions

  • the invention relates generally to optical, in particular electro-optical, systems.
  • the invention relates to the beam guidance in such electro-optical systems by optical components.
  • Electro-optic devices typically include a carrier, a
  • the light to be converted or converted is fed through the housing.
  • the housing is therefore typically at least partially transparent.
  • Electro-optical converters in the sense of this disclosure can in particular be optical imaging devices and / or light sources. These include light sensors, in particular camera sensors, light emitting diodes and laser diodes. Depending on the requirements, complex housings are required for these electro-optical converters. Custom-made spacers are an important part of this.
  • Spacers can typically be made from many materials.
  • the selection is based on a large number of criteria, including costs,
  • Structurability material properties. Surface properties also come into play for areas of the spacer or spacer in which the connection is made, i.e. the wafer / component surface of the mostly plane-parallel spacers.
  • a spacer wafer for producing frame-shaped spacers for housing electro-optical converters by separating sections from the spacer wafer, the spacer wafer comprising a glass plate which distributes a plurality of in a grid arranged, separate openings, so that the separated spacers can be obtained by separating sections of the glass plate along dividing lines between the openings, the openings having side walls with a microstructuring with a roughness, the mean roughness value R a of the roughness less than 0, 5 pm for a measuring section of 500 gm ( ⁇ 50 pm).
  • the mean roughness value R a of less than 0.5 pm is also achieved with a measuring section shortened by up to 50 pm or, in particular, lengthened by up to 50 pm. The above information therefore results in a possible deviation of ⁇ 50 pm.
  • the glass plate is in particular transparent, so that the light to be detected or emitted by the electro-optical converter can pass through the micro-structured inner wall and thus enables lateral coupling in or out.
  • the invention therefore not only enables the light to be transmitted through an element placed on a spacer, but alternatively or additionally laterally through the spacer.
  • the spacer can also act as an optical element and, for example, lead to a change in direction or deflection of the light.
  • the spacer has at least one deflection element which is integrated in the component.
  • the deflecting element is preferably made of the same material as the spacer.
  • the deflection element is integrated into the spacer in such a way that the spacer and deflection element form a monolithic component.
  • the deflecting element is formed by an inclined or curved edge surface of the spacer.
  • the glass enables a hermetic enclosure.
  • an optical system preferably a camera imaging system, a light-emitting diode or laser diode, can then be produced, in which a controlled conduction / decoupling / coupling / passage of light is made possible.
  • the openings are preferably produced using an optical structuring process.
  • structuring can be carried out by laser-assisted ablation or perforation.
  • the inner part enclosed by the closed line of adjacent perforations can be released by introducing thermal stresses.
  • these methods are particularly suitable for achieving very low dimensional tolerances of the structural elements with high precision.
  • a combination of a laser-based introduction of filamentary disturbances with a subsequent etching process is known in principle from DE 102018 100299 A1.
  • the parameters for the introduction of the filamentary disturbances and the subsequent etching are set in such a way that the mean roughness value of less than 0.5 pm is achieved.
  • the spacers are manufactured at wafer or sheet level. This is advantageous since camera imaging systems and also laser diodes are often manufactured at the wafer / sheet level.
  • highly precise position tolerances hole to hole and hole to reference point (edge, marker) can be realized, which also enable such wafer-level production.
  • the microstructuring of the side wall of the opening does not prove to be disadvantageous for the optical properties.
  • it can Micro structuring even have advantageous light-shaping properties.
  • the micro-structuring has a mean roughness value R a of at least 50 nm, preferably at least 100 nm for a measuring section of 500 ⁇ m.
  • FIGS. 1 and 2 show exemplary embodiments of spacer wafers.
  • Fig. 3 shows a separated from a standhafter wafer spacer.
  • FIGS. 4 to 7 show different embodiments of separated spacers with different edge surfaces.
  • FIG. 8 shows a laser processing apparatus.
  • a laser machined glass plate is shown.
  • FIG. 10 shows color-coded two-dimensional height profiles of a microstructure on the inner wall of an opening.
  • FIG. 11 shows measured values of the mean roughness as a function of the number of laser pulses for different distances between the points of incidence of the laser pulses.
  • An electro-optical converter component with a spacer is shown in FIG. 12.
  • spacer wafers 1 two examples are shown in plan view.
  • the two exemplary embodiments differ essentially in their external shape.
  • a rectangular or square spacer wafer 1 is provided, while the embodiment of FIG. 2 provides a round wafer 1 from steadfast.
  • a round shape of the Ab steadhafter wafer 1, as shown in the example of FIG. 2, can, for example be favorable for a wafer-level packaging process, in which the spacer wafer 1 is connected to a functional wafer before the separation.
  • the spacer wafer 1 is used to produce spacers 2 for the housing of electro-optical converters by separating sections 4 from the spacer wafer 1.
  • the spacer wafer 1 comprises or consists of a transparent glass plate 10. This has a plurality of in A grid arranged distributed, separate openings 5 on. If sections 4 of the glass plate 10 are separated along separating lines 7 which run between the openings 5, then isolated spacers 2 are obtained, each of which has an opening 5 with a circumferential, closed edge.
  • the openings 5 have side walls 50 with a micro-structuring with a roughness. This roughness has a mean roughness value R a of less than 0.5 pm for a measuring section of 500 pm.
  • a thickness of the transparent glass plate 10 in the range from 100 ⁇ m to 3.5 mm, preferably in the range from 200 ⁇ m to 3.0 mm, is advantageous for the production of spacers for optical systems.
  • TTV Total Thickness Variation
  • the variation in thickness of the transparent glass plate is less than 10 pm, preferably 5 pm, preferably less than 2 pm, particularly preferably less than 1 pm.
  • This low TTV value is favorable, among other things, in order to be able to connect the various wafers to one another over the entire surface when the housed electro-optical converters are assembled at the wafer level.
  • a low TTV value is also favorable in order to be able to position an optical component attached to the spacer or connected to the spacer very precisely.
  • To determine the thickness variation thickness measurement values are determined distributed over the wafer and then the difference between the absolute largest and the absolute smallest thickness measurement value is calculated as TTV.
  • a low TTV is just as important in order to maintain the same distance as possible, especially with optical systems. If these fluctuate at the wafer level, the spacers made from them are different in their thickness and each individual camera module has to be in relation to Path length between the lens or filter elements can be controlled or compensated.
  • the side walls 50 of the openings 5 each have at least one flat section 52.
  • the light can pass through this flat section without the side wall 50 acting as a lens or cylindrical lens or otherwise deforming the spatial intensity profile of the light.
  • the side walls 50 of the openings 5 can have four flat sections 52.
  • two planar sections 52 can be opposite each other. This feature is particularly fulfilled when the openings 5 have a rectangular or square basic shape. The feature is also still fulfilled when the corners of rectangular or square openings 5 are rounded.
  • the side walls 50 of the openings 5 can also have at least one non-planar section 520.
  • the relevant section or the edge surface 520 can in particular have an inclined, arched or spiral shape.
  • An inclined section or an inclined edge surface 520 can represent a deflecting element, for example, so that a targeted vertical coupling in or coupling out of a light beam can take place.
  • further components for example beam-controlling elements
  • further components can also be placed on the inclined sections.
  • a corresponding spacer with an inclined section ensures that the additional components are correctly angularly positioned without the need for high assembly costs.
  • a corresponding component can also be obtained by coating the inclined edge surface, for example to produce a surface with high reflection.
  • the inclined edge surface can be coated completely or only partially.
  • the inclined edge surface preferably has a coating in the partial areas in which the light strikes.
  • An isolated spacer 2 obtained by cutting off a section is shown in a perspective view.
  • the spacer 2 can be produced by cutting off a section 4 from a spacer wafer 1
  • Side wall 50 is provided with a micro-structuring 9, the micro-structuring 9 having a roughness whose mean roughness value R a is less than 0.5 ⁇ m for a measuring section of 500 ⁇ m.
  • the particularly irregular micro-structuring 9 is symbolized in the figure by irregularly arranged circles and ellipses of different sizes.
  • the outer wall 20 of the spacer 2 can also have such a micro-structuring 9.
  • other surface structures are also possible, including a polished surface, depending on the separation process and optional post-processing. It is particularly thought that the electro-optical converter components should be put together in the wafer assembly.
  • the outer wall is then preferably formed when the composite wafer of the spacer wafer 1 is separated with a functional wafer or wafer carrying the transducer elements.
  • a functional or carrier wafer connected to the spacer wafer 1 is accordingly separated at the same time.
  • glasses with coefficients of expansion of less than 8-10 6 K 1 are preferred for the spacer wafer 1 in order to keep thermomechanical stresses low, especially in the wafer assembly with the materials commonly used for this purpose.
  • the spacer wafer 1 By selecting the glass used, it is also possible to adapt the thermal expansion coefficient of the spacer to the thermal expansion coefficient of other components installed together with the spacer.
  • the production of the spacer wafer 1 according to a particularly preferred embodiment of the production method is described below.
  • the laser beam 27 of an ultra-short pulse laser 30 is directed onto one of the side surfaces 102, 103 of a transparent glass plate 10 and concentrated with a focusing optics 23 to an elongated focus in the transparent glass plate 10 (without restricting the ratio of glass plate thickness to focal length, i.e.
  • the focus can be completely in Substrate lying or also cut one or both substrate surfaces), with the irradiated energy of the laser beam 27 producing a filamentary damage 32 in the volume of the transparent glass plate 10, the longitudinal direction of which runs transversely to the side surface 102, 103, in particular perpendicular to the side surface 102, 103 and to generate filamentary damage, the ultrashort pulse laser 30 radiates a pulse or a pulse packet with at least two successive laser pulses, and wherein
  • the transparent glass plate 10 is exposed to an etching medium 33, and thus
  • the filamentary damage 32 is widened into channels, the diameter of the channels being enlarged by the etching until the glass between the channels is removed and the channels unite and form an opening 5, with a micro-structuring 9 due to the etching is generated which has a roughness whose mean roughness value R a is less than 0.5 pm for a measuring section of 500 pm.
  • the shape of the closed path, along which the point of impact of the laser beam is guided, determines the contour of the opening.
  • a further development provides that at least partial areas of the spacer wafer 1 or of the spacer 2 are subsequently polished or ablated can in particular take place with a pulsed laser, for example with an ultrashort pulse laser.
  • the pulse duration of the laser is preferably a maximum of 10 ps, preferably a maximum of 4 ps and very particularly preferably a maximum of 1 ps.
  • the use of a CCh laser has proven to be particularly advantageous for laser polishing.
  • partial areas of the spacer wafer 1 or of the spacer 2 are ablated after the etching process by treatment with an ultrashort pulse laser.
  • additional structures that act as optical elements can be generated, for example.
  • microlenses or diffuser elements can be obtained within the spacer wafer 1 or the spacer 2.
  • partial areas of the spacer wafer 1 or of the spacer 2 can also be beveled by laser ablation.
  • laser polishing can, however, also take place independently of a previous laser ablation.
  • one embodiment of the manufacturing method according to the invention provides a laser polishing of at least a portion of the Ab steadhafter wafer 1 or of the spacer 2 after the etching process.
  • the Ab steadhafter wafer 1 or the spacer 2 preferably has at least a partial area whose mean roughness value R a is less than 0.05 pm or even at most 0.04 pm over a measuring distance of 500 pm ( ⁇ 50 pm). Another embodiment provides that the mean roughness value R a is less than 20 nm, preferably less than 10 nm, for a measuring section of 50 ⁇ m in at least one sub-area.
  • the spacer wafer 1 or the spacer 2 has an average arithmetic height S a of less than 5 nm, less than 2 nm or even at most 1 nm, at least in a partial area.
  • the mean arithmetic height Sa is preferably determined over an area of 500 ⁇ m 2 .
  • the mean arithmetic height S a is the expansion of the line roughness parameter R a into the area.
  • the parameter S a describes the Mean value of the amount of height difference of each point compared to the arithmetic mean of the surface.
  • Laser polishing can increase the optical quality of the corresponding sub-area.
  • spacers 2 or partial areas of spacer 2 which have not been subjected to laser ablation also have a laser-polished surface. On the one hand, this allows the. Surface roughness can be reduced again.
  • the side walls of the spacer wafer 1 or of the spacer 2 have at least two areas with different mean roughness values R ai and R a2 .
  • the mean roughness value R ai is lower than the mean roughness value R a 2.
  • the side wall preferably has no or at least a less pronounced microstructure in the partial area with the mean roughness value R ai (compared to the microstructure in partial areas with an average roughness value R a 2).
  • the lower mean roughness value R ai can in particular be achieved by laser polishing the corresponding sub-area of the spacer wafer 1 or of the spacer 2.
  • the laser polishing leads to a reduction in the microstructuring of the corresponding sub-area of the spacer wafer 1 or of the spacer 2.
  • the subregions of the component on which the light beam impinges during operation thus have, according to one embodiment, an average roughness value R a of less than 50 nm, preferably of at most 40 nm.
  • the mean roughness value Ra in the relevant subregions of the component is even less than 40 nm.
  • the spacer 200 has a side wall with an inclined one Edge surface 520.
  • the edge surface 520 here has an angle ⁇ to the bottom surface (not shown) of the spacer 200.
  • the angle ⁇ can be set as desired.
  • the edge surface 520 can have an angle ⁇ of 45 °. The high flexibility with regard to the angle ⁇ is made possible here both by the material used for the spacer and by the method for its production.
  • the etching angle is not restricted by a given crystal structure, as is the case, for example, when etching silicon single crystals.
  • the angle ⁇ can also be set by tilting the laser during filamentation.
  • individual areas can also be beveled by a laser ablation process following the etching process.
  • FIG. 5 schematically shows a side view through a cross section of a further exemplary embodiment of a spacer 201 with an inclined edge surface 525, with material being removed by laser ablation in the sub-area 61 of the edge surface 525.
  • the sub-area 61 can function as an optical element due to its surface structure.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of an embodiment in plan.
  • the spacer 202 shown here has the edge surfaces 521, 522, 523 and 527.
  • the edge surface 527 is curved in a concave manner.
  • the curvature of the edge surface 527 was created in the exemplary embodiment 202 shown in FIG. 6 by material removal by means of laser ablation.
  • the surface of the edge face 527 is laser polished.
  • the edge surface 527 can have an angle ⁇ 90 ° in addition to the bottom surface of the spacer 526, i.e. the edge surface 527 can be an inclined edge.
  • the exemplary embodiments 200, 201, 2002 shown schematically in FIGS. 4 to 6 have edge surfaces 520, 524 and 527 which have a different geometry to the other three edge faces. Due to the great flexibility of the manufacturing process, the geometry of the individual edge surfaces of the spacer can be freely adjusted. Embodiments are also possible in which the spacer has several edge surfaces with an angle ⁇ F 90 °, the angles ⁇ of the individual edge surfaces being able to differ from one another. Individual edge surfaces with a different geometry or structure can also be created. This means that spacers with more complex structures or geometry are also accessible with just a few process steps.
  • the spacer has at least one inclined edge surface at an angle ⁇ F 90 °, the edge surface having a flat surface and a beam-controlling element, for example in the form of a mirror, being applied to the edge surface.
  • a round spacer with a continuous inner edge surface, the angle ⁇ of the edge surface or the inner wall of the hole changing continuously to the base of the component within the spacer.
  • the spacer thus has an area for the angle a, the angle a being dependent on the location. If the inner edge surface of the spacer acts in a component as an area of incidence for a light beam, the decoupling angle can be adjusted by turning the spacer.
  • the edge surface 528 has a locally curved structure 60.
  • the structure 60 can be produced in particular after the etching process by ablating the corresponding sub-area with an ultrashort pulse laser and subsequent laser polishing of the corresponding sub-area of the edge surface 528.
  • the structure 60 can be designed in such a way that it forms an optical element within the spacer. For example Concave mirrors, beam-scattering elements, microlenses or user-configured free forms can be integrated into the spacer by means of laser ablation.
  • the device 12 comprises an ultrashort pulse laser 30 with upstream focusing optics 23 and a positioning device 17.
  • the positioning device 17 With the positioning device 17, the point of impact 73 of the laser beam 27 of the ultrashort pulse laser 30 can be positioned laterally on the side surface 102 of a transparent glass plate 10 to be processed.
  • the positioning device 17 comprises an x-y table on which the transparent glass plate 10 rests on a side surface 103.
  • the optics it is also possible to design the optics to be movable in order to move the laser beam 27, so that the point of impact 32 of the laser beam 27 can be moved while the transparent glass plate 10 is held.
  • the focusing optics 23 now focus the laser beam 27 to a focus that is elongated in the beam direction, that is to say accordingly transversely, in particular perpendicular to the irradiated side surface 102.
  • a focus can be generated, for example, with a conical lens (a so-called axicon) or a lens with large spherical aberration.
  • the control of the positioning device 17 and the ultrashort pulse laser 30 is preferably carried out by means of a computer 15 that is set up in terms of programming. In this way, predetermined patterns of filamentary damage 32 distributed laterally along the side surface 2 can be generated, in particular by reading in position data, preferably from a file or via a network. In order to generate an opening 5, the position data result in a closed or ring-shaped path.
  • the following parameters can be used for the laser beam:
  • the wavelength of the laser beam is 1064nm, typical for a YAG laser.
  • a laser beam with a raw beam diameter of 12mm is generated, which is then focused with optics in the form of a biconvex lens with a focal length of 16mm.
  • the pulse duration of the ultrashort pulse laser is less than 20ps, preferably about 10ps.
  • the pulses are emitted in bursts with 2 or more, preferably 4 or more pulses.
  • the burst frequency is 12-48 ns, preferably about 20 ns, the pulse energy at least 200 microjoules, the burst energy correspondingly at least 400 microjoules.
  • the transparent glass plate 10 is removed and stored in an etching bath, where glass is removed along the filamentary damage 32 in a slow etching process, so that at the location of such damage 32 in each case a channel is inserted into the transparent glass plate 10.
  • a basic etching bath with a pH value> 12 for example a KOH solution with> 4 mol / l, preferably> 5 mol / l, particularly preferably> 6 mol / l, but ⁇ 30 mol / l.
  • the etching is carried out at a temperature of the etching bath of> 70 ° C., preferably> 80 ° C., particularly preferably> 90 ° C., regardless of the etching medium used.
  • FIG. 9 shows a top view of a side surface 2 of a glass element 1 with a large number of filamentary damage 32, which are arranged in a specific pattern, as is written into the glass element 1 by the computer-controlled activation of the positioning device 17 and the ultrashort pulse laser 30 described above can.
  • the filamentary damage 32 has here been inserted into the transparent glass plate along predetermined closed paths 53 in the form of closed rectangular lines, for example.
  • One of the paths 53 is shown as a dashed line. It is evident to the person skilled in the art that not only rectangular paths 53, but paths 53 of any shape can be followed with the method.
  • the inner part 54 defined by the closed path 53 detaches and leaves an opening 5.
  • a micro-structuring 9 can be obtained which is characterized by a large number of dome-shaped depressions. In particular, these depressions can be separated by comparatively sharp ridges. Since the ridges at which convex radii of curvature occur are only narrow, the micro-structuring according to One embodiment can also be characterized in that the ratio of the area portion with a convexly curved surface to the area portion with a concavely curved surface (such as is present in the dome-shaped depressions) is at most 0.25, preferably at most 0.1.
  • This microstructuring has proven to be particularly beneficial in order to only have a slight influence on the light passing through.
  • the size, shape and depth of the depressions and thus also the value of the mean roughness value can be further influenced by the etching process and the parameters of the laser processing.
  • etching rates are preferred.
  • the desired mean roughness values can also be achieved by means of the total etching time.
  • the distance (“pitch”) between the filamentary damage is preferably adapted to the etching duration and etching rate, so that unnecessary etching is avoided when the inner part 54 has already been detached.
  • FIG. 10 two-dimensional height profiles of a microstructure on the inner wall or side wall 50 of an opening are shown in three partial images (a), (b), (c).
  • the height profiles show sections of the side wall 50 of a sample of different sizes.
  • the measuring field sizes and the mean roughness values determined on the basis of the sections are listed in the following table:
  • a measuring section running from left to right is drawn in the center of the image.
  • the measuring section therefore has a length of 521 pm, that is of about 500 mih.
  • the mean roughness value for a measuring section of 521 gm is 0.41 gm less than 0.5 gm.
  • the mean roughness value R a the micro-structuring 9 of the side wall 50 with a measuring section of 350 gm be less than 0.4 gm.
  • the mean roughness value R a of the micro-structuring 9 of the side wall 50 of the opening 5 can be less than 0.25 ⁇ m for a measurement section of 170 ⁇ m.
  • the measuring sections can also each be lengthened or shortened by 10%, that is to say they can have lengths of 350 gm ⁇ 35 gm or 170 gm ⁇ 17 gm.
  • the micro-structuring 9 is composed predominantly of round surfaces with a relatively monotonous gray value, that is to say also with a slight change in height. These round surfaces are the deeper parts of the dome-shaped depressions 56. Accordingly, the depressions 56 have a relatively flat and large base area. This can also be a reason for the fact that the microstructuring only slightly influences the coupling in or coupling out of light.
  • 11 shows measured values of the mean roughness value on the side wall 50, which were produced by the above-described combination of the introduction of filamentary damage with an ultrashort pulse laser and the subsequent etching of the damage.
  • the measured values are plotted as a function of the number of laser pulses within a burst for various distances between the points of impact of the laser pulses.
  • the number of laser pulses varies from a single pulse to 8 pulses in the burst mode of the ultrashort pulse laser.
  • a slow etching process with a duration of 48 hours was selected for detaching the inner parts 54.
  • particularly small distances are favorable for achieving low mean roughness values. In particular, distances of up to 4 micrometers are favorable.
  • a solution with 6 mol / L KOH at 100 ° C. was used.
  • the removal on the side surfaces was 34 pm for an etching time of 16 hours, 63 pm for 30 hours and 97 pm for 48 hours.
  • the etching time on the free structure surface is one of the factors influencing the roughness of the surface.
  • the pulse length also has a surprising influence on the roughness of the side wall.
  • the best parameters for low roughness were compared for pulses of 10 ps duration and 1 ps duration. The following results were achieved:
  • the etching was carried out in each case with a solution of 6 mol / L KOH at 100 ° C., 10 ⁇ m of glass being removed.
  • a pulse duration of 0.5 ps to 2 ps (preferably 0.75 ps to 1.5 ps) and a pitch of 1 pm to 15 pm (preferably 2 pm to 12 pm) .
  • the spatial distance between two points of impact 73 of the laser beam 27 on the transparent glass plate 10 is at most 6 ⁇ m, preferably at most 4.5 ⁇ m,
  • the duration of the etching is at least 12, preferably at least 20 hours
  • the number of pulses in a burst to introduce filamentary damage 32 is at most 2 or at least 7,
  • the pulse duration of the laser is in the range from 0.5 ps to 2 ps (preferably 0.75 ps to 1.5 ps) with a spatial distance between two points of impact 73 of the laser beam 27 on the transparent glass plate 10 of 1 pm to 15 pm ( preferably 2 pm to 12 pm).
  • electro-optical converter components can then be realized.
  • the further processing for the production of the electro-optical converter components can also take place in the wafer assembly, so that the separation of the spacers occurs together when the components are separated from the wafer assembly.
  • the cutting can be done by mechanical dicing or sawing with a cutting disc.
  • FIG. 1 An electro-optical converter component 3 with a frame-shaped spacer 2 is shown in FIG
  • the transducer element 13 is arranged, the spacer 2 being attached to the carrier 11 on the side with the electro-optical transducer element 13, so that the electro-optical transducer element 13 is arranged in the opening 5, and a cover element 16 on the spacer 2 is arranged so that a laterally closed by the side wall 50 of the opening 5 of the spacer 2 cavity 18 is formed between the carrier 11 and the cover element 16, which surrounds the electro-optical converter element 13.
  • light that is emitted or received by the electro-optical converter element 13 can traverse the cavity 18. While temperature-conducting materials are used for many applications, glass is a suitable material for the spacer here if, for example, it is to be avoided that a high heat output is transferred to the cover element.
  • the spacer 2 is transparent.
  • the transducer element 13 is designed to transmit or receive light laterally between the cover element 16 and the carrier 11 through the inside 50 of the opening 5 of the spacer 2. Possible beam paths are shown in FIG. 12 as light rays 19. If necessary, other electromagnetic waves can also be transmitted or received through the spacer 2. Particular attention is paid to RF signals here.
  • the electro-optical converter element 13 can generally be a light-emitting diode, a laser diode or a camera chip.
  • EEL Electrode Emitting Laser
  • coupling out the laser light through the spacer is particularly useful.
  • spacers with at least one inclined edge in connection with a deflecting element however, the laser light can also be deflected, so that a vertical decoupling of the laser light is also possible here.
  • the deflecting element can be integrated into the spacer, for example in the form of an optical structure or a reflective coating.
  • the laser light can be emitted through the cover element 16, the transparent spacer 2 being usable to transmit scattered light for an external monitor diode.
  • the microstructuring of the side wall 50 with little roughness can be advantageous if a liquid lens is used in the cavity 18. With liquid lenses, bubbles can form on a rough wall. In addition, rough structures can affect the lens surface.
  • the electro-optical converter element 13 can be supplied, for example, via one or more electrical feed-throughs 36 in the carrier 11.
  • the electro-optical converter element 13 is connected to the leadthroughs with bonding wires 35.
  • the electro-optical converter component 3 can also be designed as an SMD module. In this case, the bushings 36 Solder balls 37 be applied.
  • the carrier 11 itself can be part of the electro-optical converter element 13, for example when the carrier 11 is a semiconductor substrate in which the electro-optical converter element 13 is formed.
  • electro-optical converter element 13 In the example shown, only a single electro-optical converter element 13 is enclosed in the cavity 18. However, several electro-optical converter elements 13 can also be arranged in a common cavity 18. For example, an arrangement of several VCSELs can be attached to the carrier 11 within the cavity 18. In general, different converters such as VCSL, EEL, LD can be combined with one another within the opening 5. Furthermore, one or more sensors and emitters can also be installed together.
  • the electro-optical converter component 3 forms a camera module which can be used for two-dimensional image recording or also for 3D capture (3D camera imaging), as can be used for three-dimensional face recognition.
  • the side wall 50 of the opening 5 of the frame-shaped spacer 2 can be coated.
  • the part of the side wall 50 shown on the right-hand side is provided with a coating 6.
  • the coating 6 can cover the side wall 50 partially, but also completely.
  • Such a coating 6 can in particular be an anti-reflective coating, a reflective coating, a semitransparent coating, a coloring coating or a metallic coating.
  • Several coatings can also be combined in order to obtain a multi-layer coating.
  • the coating 6 can already be applied to the spacer wafer 1 before the separation of the spacer 2. List of reference symbols

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Abstract

Die Erfindung sieht einen Abstandhalter-Wafer (1) zur Herstellung von Abstandhaltern (2) für die Gehäusung elektro-optischer Wandler (3) durch Abtrennen von Abschnitten (4) vom Abstandhalter-Wafer (1) vor. Der Abstandhalter-Wafer (1) umfasst eine transparente Glasplatte (10), die eine Vielzahl von in einem Raster verteilt angeordneten, voneinander getrennten Öffnungen (5) aufweist, so dass durch Abtrennen von Abschnitten (4) der Glasplatte (10) entlang von Trennlinien (7) zwischen den Öffnungen (5) die vereinzelten Abstandhalter (2) erhältlich sind, wobei die Öffnungen (5) Seitenwandungen (50) mit einer Mikrostrukturierung (9) mit einer Rauigkeit aufweisen, wobei der Mittenrauwert Ra der Rauigkeit kleiner als 0,5 µm bei einer Meßstrecke von 500 µm beträgt.

Description

ABSTANDHALTER-WAFER ZUR HERSTELLUNG EINES ELEKTRO-OPTISCHEN WANDLERBAUTEILS, ABSTANDHALTER, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES SOLCHEN ABSTANDHALTER-WAFERS, SOWIE ELEKTRO-OPTISCHER WANDLERBAUTEIL MIT EINEM SOLCHEN ABSTANDHALTER
5 Beschreibung
Die Erfindung betrifft allgemein optische, insbesondere elektro-optische Systeme. Insbesondere betrifft die Erfindung die Strahlführung in solchen elektro optischen Systemen durch optische Komponenten.
Elektro-optische Vorrichtungen beinhalten typischerweise einen Träger, ein auf
10 dem Träger angeordnete elektro-optisches Element in Form eines elektro-opti sehen Wandlers und eine Gehäusung, mit der der Wandler eingeschlossen wird.
Im Allgemeinen wird das zu wandelnde oder gewandelte Licht durch die Gehäusung zugeführt. Die Gehäusung ist daher typischerweise zumindest in Teilen transparent.
15 Elektro-optische Wandler im Sinne dieser Offenbarung können insbesondere optische Abbildungsvorrichtungen und/oder Lichtquellen sein. Dazu gehören Lichtsensoren, insbesondere Kamerasensoren, Leuchtdioden und Laserdioden. Je nach Anforderung werden für diese elektro-optischen Wandler komplexe Gehäusungen benötigt. Ein wichtiger Bestandteil sind dabei massgeschneiderte Abstandhalter. Diese
20 ermöglichen die Einstellung eines definierten Abstands zwischen unterschiedlichen aktiven und passiven Bauteilen oder leisten Beiträge zur Einhausung und den Schutz von elektromagentischen Transducern/ Emittern / Receivern etc. unter anderem zum Zwecke des Schutzes des sensiblen Bauteile.
Abstandhalter können in der Regel aus vielen Materialien hergestellt werden.
25 Die Auswahl bemisst sich aus einer Vielzahl von Kriterien, darunter Kosten,
Strukturierbarkeit, Materialeigenschaten. Auch Oberflächeneigenschaften kommen zum Tragen für Bereiche des Abstandhalters, beziehungsweise Spacers, in denen die Verbindung hergestellt wird, sprich die Wafer/Bauteiloberfläche von den meist planparalellen Spacern.
30 Demzufolge können grundsätzlich alle Materialien genutzt werden, darunter
Kunststoffe, Keramiken, Metalle, Komposite. Glas ist eine bevorzugte Wahl wenn es u.a. um Kostengünstigkeit in Verbindung mit chemischer Resistenz etc. ankommt. Im Bereich der Laserdioden, insbesondere VCSELs, werden derzeit u.a. strukturierte Keramiken genutzt. Die Lichtemission erfolgt dabei typischerweise durch ein auf den Abstandhalter aufgesetztes Gehäuseelement. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten der Lichteinkopplung und Lichtauskopplung zu erweitern und gleichzeitig eine hermetische Gehäusung eines elektro-optischen Wandlers zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß ist in einem ersten Aspekt ein Abstandhalter-Wafer zur Herstellung von rahmenförmigen Abstandhaltern für die Gehäusung elektro-optischer Wandler durch Abtrennen von Abschnitten vom Ab standhalter- Wafer vorgesehen, wobei der Abstandhalter-Wafer eine Glasplatte umfasst, die eine Vielzahl von in einem Raster verteilt angeordneten, voneinander getrennten Öffnungen aufweist, so dass durch Abtrennen von Abschnitten der Glasplatte entlang von Trennlinien zwischen den Öffnungen die vereinzelten Abstandhalter erhältlich sind, wobei die Öffnungen Seitenwandungen mit einer Mikrostrukturierung mit einer Rauigkeit aufweisen, wobei der Mittenrauwert Ra der Rauigkeit kleiner als 0,5 pm bei einer Meßstrecke von 500 gm (± 50 pm) beträgt.
Gegebenenfalls kann eine Meßstrecke von genau 500 pm nicht eingehalten oder eingestellt werden. Der Mittenrauwert Ra von kleiner 0,5 pm wird aber auch bei einer um bis zu 50 pm verkürzten oder insbesondere um bis zu 50 pm verlängerten Meßstrecke erreicht. Daher resultiert die obige Angabe einer möglichen Abweichung von ± 50 pm.
Die Glasplatte ist insbesondere transparent, so dass das vom elektro-optischen Wandler zu detektierende oder emittierte Licht durch die mikro strukturierte Innenwandung hindurchtreten kann und damit eine seitliche Ein- oder Auskopplung ermöglicht. Mit der Erfindung wird also nicht nur die Transmission des Lichts durch ein auf einen Abstandhalter aufgesetztes Element, sondern alternativ oder zusätzlich seitlich durch den Abstandhalter hindurch ermöglicht.
Weiterhin kann der Abstandhalter auch als optisches Element füngieren und beispielsweise zu einer Richtungsänderung bzw. Umlenkung des Lichtes führen. So weist gemäß einer Ausführungsform der Abstandhalter zumindest ein Umlenkelement auf, welches im Bauteil integriert ist. Hierbei besteht das Umlenkelement vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Abstandshalter. Insbesondere ist das Umlenkelement derart in den Abstandhalter integriert, dass Abstandhalter und Umlenkelement ein monolithisches Bauteil bilden. Insbesondere wird das Umlenkelement durch eine schräge oder gekrümmte Kantenfläche des Abstandhalters gebildet. Gleichzeitig ermöglicht das Glas einen hermetischen Einschluss.
Mit dem Ab standhalter- Wafer kann dann ein optisches System, bevorzugt ein Camera Imaging System, eine Leuchtdiode oder Laserdiode hergestellt werden, bei denen eine kontrollierte Leitung/ Auskopplung/Einkopplung/Durchgang von Licht ermöglicht wird.
Die Herstellung der Öffnungen erfolgt dabei bevorzugt mit einem optischen Strukturierungsverfahren. Konkret kann eine Durchstrukturierung durch lasergestütztes Ablatieren oder Perforieren erfolgen. Das Herauslösen des von der geschlossenen Linie nebeneinanderliegender Perforationen umschlossenen Innenteils kann durch Einbringen thermischer Spannungen erfolgen. Besonders bevorzugt ist aber eine laserinduzierte Perforation mit nachgeschaltetem Ätzverfahren zur Verbindung der Löcher durch Stegentfemung bzw. Aufweitung. Besonders mit einem laserbasierten Verfahren können Freiformen kostengünstig gefertigt werden. Daneben sind besonders diese Verfahren geeignet, mit hoher Präzision sehr geringe Abmessungstoleranzen der Strukturelemente zu erreichen. Eine Kombination eines laserbasierten Einbringens von filamentförmigen Störungen mit einem nachgeschaltenten Ätzverfahren ist prinzipiell bekannt aus der DE 102018 100299 Al. In dem hier beschriebenen Verfahren werden die Parameter für das Einbringen der filamentförmigen Störungen und das nachfolgende Ätzen so eingestellt, dass der Mittenrauwert von unter 0,5 pm erreicht wird.
Zur weiteren Kostenreduktion erfolgt die Fertigung der Abstandhalter auf Wafer- oder Sheetlevel. Dies ist vorteilhaft, da Camera-Imaging-Systeme und auch Laserdioden oft auf Wafer/Sheet Level hergestellt werden. Durch Nutzung des Laserverfahrens, insbesondere mit nachgeschalteter Ätzung, sind hochgenaue Lagetoleranzen Loch zu Loch und Loch zu Referenzpunkt (Kante, Marker) realisierbar, die auch eine solche Wafer-Level-Fertigung ermöglichen.
Überraschend erweist sich die Mikrostrukturierung der Seitenwandung der Öffnung für die optischen Eigenschaften nicht als nachteilig. Im Gegenteil kann die Mikro Strukturierung sogar vorteilhafte lichtformende Eigenschaften haben. Um beispielsweise Speckle-Effekte bei Laserdioden oder andere Interferenzeffekte zu unterdrücken, ist insbesondere vorgesehen, dass die Mikro struktuierung unregelmäßig ist, und/oder keine streng in einem regelmäßigen Raster angeordnete Strukturelemente aufweist. Gemäß einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Mikro Strukturierung einen Mittenrauwert Ra von mindestens als 50 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm bei einer Meßstrecke von 500 pm aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Fig. 1 und Fig. 2 zeigen Ausführungsbeispiele von Abstandhalter-Wafern. Fig. 3 zeigt einen von einem Ab standhafter- Wafer abgetrennten Abstandhalter. Fig. 4 bis Fig. 7 zeigen verschiedene Ausführungsformen abgetrennter Abstandshalter mit unterschiedlichen Kantenflächen.
Fig. 8 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung.
In Fig. 9 ist eine mit einem Laser bearbeitete Glasplatte gezeigt.
Fig. 10 zeigt farbcodierte zweidimensionale Höhenprofile einer Mikrostruktur auf der Innenwand einer Öffnung.
Fig. 11 zeigt Messwerte des Mittenrauwerts als Funktion der Anzahl der Laserpulse für verschiedene Abstände zwischen den Auftreffpunkten der Laserpulse. Ein elektro-optisches Wandlerbauteil mit einem Abstandhalter zeigt Fig. 12.
Ausführliche Beschreibung
In den Fig. 1 und 2 sind zwei Beispiele von Abstandhalter-Wafem 1 in Aufsicht dargestellt. Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im Wesentlichen in ihrer äußeren Form. Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist ein rechteckiger oder quadratischer Abstandhalter-Wafer 1 vorgesehen, während die Ausführungsform der Fig. 2 einen runden Ab standhafter- Wafer 1 vorsieht. Eine runde Form des Ab standhafter- Wafers 1, wie sie das Beispiel der Fig. 2 zeigt, kann beispielsweise günstig für einen Wafer-Level-Packaging-Prozess sein, bei welchem der Abstandhalter- Wafer 1 vor dem Auftrennen mit einem Funktionswafer verbunden wird.
Der Abstandhalter-Wafer 1 dient zur Herstellung von Abstandhaltern 2 für die Gehäusung elektro-optischer Wandler durch Abtrennen von Abschnitten 4 vom Ab standhalter- Wafer 1. Der Abstandhalter-Wafer 1 umfasst oder besteht aus einer transparente Glasplatte 10. Diese weist eine Vielzahl von in einem Raster verteilt angeordneten, voneinander getrennten Öffnungen 5 auf. Erfolgt das Abtrennen von Abschnitten 4 der Glasplatte 10 entlang von Trennlinien 7, die zwischen den Öffnungen 5 verlaufen, so werden vereinzelte Abstandhalter 2 erhalten, die jeweils eine Öffnung 5 mit einem umlaufenden, geschlossenen Rand aufweisen. Die Öffnungen 5 weisen Seitenwandungen 50 mit einer Mikro Strukturierung mit einer Rauigkeit auf. Diese Rauigkeit weist eine Mittenrauwert Ra von kleiner als 0,5 pm bei einer Meßstrecke von 500 pm auf.
Ohne Beschränkung auf die dargestellten Beispiele ist für die Herstellung von Abstandhaltern für optische Systeme eine Dicke der transparenten Glasplatte 10 im Bereich von 100 pm bis 3,5 mm, vorzugsweise im Bereich von 200 pm bis 3,0 mm von Vorteil.
Gemäß noch einer Ausführungsform weist die Glasplatte eine sehr geringe Dickenvariation (TTV=Total Thickness Variation) auf. Die Dickenvariation der transparenten Glasplatte ist bei dieser Ausführungsform geringer als 10pm, bevorzugt 5 pm, vorzugsweise geringer als 2 pm, besonders bevorzugt geringer als 1 pm. Dieser geringe TTV-Wert ist unter anderem günstig, um bei einem Zusammenbau der gehäusten elektro-optischen Wandler auf Waferebene die verschiedenen Wafer ganzflächig miteinander verbinden zu können. Ein geringer TTV-Wert ist auch günstig, um eine auf dem Abstandhalter aufgebrachte, beziehungsweise mit dem Abstandhalter verbundene optische Komponente sehr genau positionieren zu können. Zur Ermittlung der Dickenvariation werden über den Wafer verteilt Dickenmesswerte ermittelt und dann die Differenz zwischen dem absolut größten und dem absolut kleinsten Dickenmesswert als TTV gebildet. Ein geringer TTV ist ebenso wichtig um eine möglichst gleiche Abstandseinhaltung zu erreichen, insbesondere bei optischen Systemen. Schwanken diese auf Waferebene, sind die daraus gefertigten Abstandhalter in ihrer Dicke unterschiedlich und jedes einzelne Kameramodul muss in Bezug auf Weglänge zwischen den Linsen - oder Filterelementen kontrolliert bzw. kompensiert werden.
Neben dem TTV ist auch eine Dickentoleranz, d.h. Dickengleichheit von Wafer zu Wafer erforderlich. Dieser sollte beispielhaft unterhalb 1 Opm liegen, bevorzugt <= 5pm betragen
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, die auch in den beiden Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und Fig. 2 realisiert ist, weisen die Seitenwandungen 50 der Öffnungen 5 jeweils mindestens einen ebenen Abschnitt 52 auf. Durch diesen ebenen Abschnitt kann das Licht hindurchtreten, ohne dass die Seitenwandung 50 als Linse bzw. Zylinderlinse wirkt oder in sonstiger Weise das räumliche Intensitätsprofil des Lichts deformiert.
Allgemein, ohne Beschränkung auf die speziellen dargestellten Beispiele können die Seitenwandungen 50 der Öffnungen 5 vier ebene Abschnitte 52 aufweisen. Dabei können insbesondere jeweils zwei ebene Abschnitte 52 gegenüberliegen. Dieses Merkmal ist besonders dann erfüllt, wenn die Öffnungen 5 eine rechteckige oder quadratische Grundform aufweisen. Das Merkmal ist aber auch dann noch erfüllt, wenn die Ecken rechteckiger oder quadratischer Öffnungen 5 abgerundet sind.
Alternativ können die Seitenwandungen 50 der Öffnungen 5 auch zumindest einen nicht ebenen Abschnitt 520 aufweisen. Dies wird in Fig. 4 dargestellt. Hierbei kann der betreffende Abschnitt bzw. die Kantenfläche 520 insbesondere eine schräge, gewölbte oder spiralförmige Form aufweisen. Ein schräger Abschnitt bzw. eine schräge Kantenfläche 520 kann beispielsweise ein Umlenkelement darstellen, so dass ein gezieltes vertikales Ein- oder Auskoppeln eines Lichtstrahls erfolgen kann. Durch die Verwendung entsprechender Abstandhalter kann somit auch bei Verwendung einer horizontal kantenemittierenden Lichtquelle eine vertikale Auskopplung des Lichts erfolgen, ohne dass hierzu neben dem Abstandhalter weitere optische Elemente wie beispielsweise Spiegel notwendig sind.
Alternativ oder zusätzlich können auf den schrägen Abschnitten auch weitere Bauteile, beispielsweise strahlensteuernde Elemente, platziert werden. Hier gewährleistet die Verwendung eines entsprechenden Abstandhalters mit einem schrägen Abschnitt eine winkeltreue Positionierung der zusätzlichen Bauteile, ohne dass hierfür ein hoher Montageaufwand notwendig ist. Weiterhin kann ein entsprechendes Bauteil auch durch die Beschichtung der schrägen Kantenfläche, beispielsweise zur Erzeugung einer Oberfläche mit hoher Reflexion, erhalten werden. Hierbei kann die schräge Kantenfläche vollständig oder nur teilweise beschichtet werden. Vorzugsweise weist die schräge Kantenfläche in den Teilbereichen, in denen das Licht auftrifft, eine Beschichtung auf.
Einen vereinzelten, durch Abtrennen eines Abschnitts erhaltenen Abstandhalter 2 in perspektivischer Ansicht zeigt Fig. 3. Der Abstandhalter 2 ist herstellbar durch Abtrennen eines Abschnitts 4 von einem Abstandhalter-Wafer 1 herstellbar, wobei der Abstandhalter 2 ein rahmenförmiges Element mit einer Öffnung 5 darstellt, dessen Seitenwandung 50 mit einer Mikro Strukturierung 9 versehen ist, wobei die Mikrostrukturierung 9 eine Rauigkeit aufweist, deren Mittenrauwert Ra kleiner als 0,5 pm bei einer Messstrecke von 500 pm beträgt. Die insbesondere unregelmäßige Mikro Strukturierung 9 ist in der Figur durch unregelmäßig angeordnete und unterschiedlich große Kreise und Ellipsen symbolisiert.
Die Außenwandung 20 des Abstandhalters 2 kann ebenfalls eine solche Mikro Strukturierung 9 aufweisen. Ebenso möglich sind aber auch andere Oberflächenstrukturen, auch eine polierte Oberfläche, je nach Auftrennverfahren und optionaler Nachbearbeitung. Besonders ist daran gedacht, dass ein Zusammensetzen der elektro-opti sehen Wandlerbauteile im Waferverbund durchzufiihren. Dann wird die Außenwandung vorzugsweise beim Auftrennen des Waferverbunds des Abstandhalter- Wafers 1 mit einem Funktionswafer, beziehungsweise die Wandlerelemente tragenden Wafer gebildet. An den in Fig. 1 und Fig.2 gezeigten Trennlinien wird dann demgemäß gleichzeitig auch ein mit dem Abstandhalter-Wafer 1 verbundener Funktions- oder Trägerwafer aufgetrennt. Generell werden für den Abstandhalter-Wafer 1 Gläser mit Ausdehnungskoeffizienten von kleiner 8-106 K 1 bevorzugt, um insbesondere im Waferverbund mit den dafür gängigen Materialien thermomechanische Spannungen gering zu halten.
Durch die Auswahl des verwendeten Glases ist es zudem möglich, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Abstandhalters auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten weiterer, gemeinsam mit dem Abstandhalter verbauter Bauteile anzupassen. Nachfolgend wird die Herstellung des Abstandhalter-Wafers 1 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens beschrieben.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Ab standhalter- Wafers 1 oder eines Abstandhalters 2 wird
- der Laserstrahl 27 eines Ultrakurzpulslasers 30 auf eine der Seitenflächen 102, 103 einer transparenten Glasplatte 10 gerichtet und mit einer Fokussierungsoptik 23 zu einem langgezogenen Fokus in der transparenten Glasplatte 10 konzentriert (ohne Beschränkung der Verhältnisse von Glasplattendicke zu Fokallänge, d.h. der Fokus kann komplett im Substrat liegen oder auch eine oder beide Substratoberflächen schneiden), wobei durch die eingestrahlte Energie des Laserstrahls 27 eine filamentförmige Schädigung 32 im Volumen der transparenten Glasplatte 10 erzeugt wird, deren Längsrichtung quer zur Seitenfläche 102, 103, insbesondere senkrecht zur Seitenfläche 102, 103 verläuft und zur Erzeugung einer filamentförmigen Schädigung der Ultrakurzpulslaser 30 einen Puls oder ein Pulspaket mit mindestens zwei aufeinander folgenden Laserpulsen einstrahlt, und wobei
- der Auftreffpunkt 73 des Laserstrahls 27 auf der transparenten Glasplatte 1 entlang eines vorgegebenen geschlossenen Pfades geführt und damit
- eine Vielzahl von nebeneinander auf dem Pfad liegenden filamentförmigen Schädigungen 32 eingefügt wird, wobei
- nach dem Einfügen der filamentförmigen Schädigungen 32
- die transparente Glasplatte 10 einem Ätzmedium 33 ausgesetzt wird, und damit
- die filamentförmige Schädigungen 32 zu Kanälen aufgeweitet werden, wobei durch das Ätzen der Durchmesser der Kanäle so weit vergrößert wird, bis das Glas zwischen den Kanälen abgetragen wird und die Kanäle sich vereinigen und eine Öffnung 5 bilden, wobei durch das Ätzen eine Mikro Strukturierung 9 erzeugt wird, die eine Rauigkeit aufweist, deren Mittenrauwert Ra kleiner als 0,5 pm bei einer Meßstrecke von 500 pm beträgt.
Die Form des geschlossenen Pfades, entlang dessen der Auftreffpunkt des Laserstrahls geführt wird, bestimmt demnach die Kontur der Öffnung.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass nachfolgend zumindest Teilbereiche des Ab standhalter- Wafers 1 oder des Abstandshalters 2 poliert oder ablatiert werden Dies kann insbesondere mit einem gepulsten Laser, beispielsweise mit einem Ultrakurzpulslaser erfolgen. Vorzugsweise beträgt die Pulsdauer des Lasers maximal 10 ps, vorzugsweise maximal 4 ps und ganz besonders bevorzugt maximal 1 ps. Zur Laserpolitur hat sich insbesondere die Verwendung eines CCh-Lasers als vorteilhaft herausgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform werden Teilbereiche des Abstandhalter-Wafers 1 oder des Abstandshalters 2 nach dem Ätzprozess durch die Behandlung mit einem Ultrakurzpulslaser ablatiert. Durch den Materialabtrag in den entsprechenden Bereichen können beispielsweise zusätzliche Strukturen, die als optische Elemente wirken, erzeugt werden. So können beispielsweise Mikrolinsen oder Diffüserelemente innerhalb der Abstandhalter-Wafer 1 oder des Abstandhalters 2 erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich können durch Laserablation auch Teilbereiche des Abstandshalter-Wafers 1 oder des Abstandhalters 2 abgeschrägt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest die ablatierten Teilbereiche des Abstandshalter-Wafers 1 oder des Abstandshalters 2 nachfolgend einer Laserpolitur unterzogen werden. Eine Laserpolitur kann jedoch auch unabhängig von einer vorangegangenen Laserablation erfolgen. So sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens eine Laserpolitur zumindest eines Teilbereichs des Ab standhafter- Wafers 1 oder des Abstandshalters 2 nach dem Ätzvorgang vor.
Bevorzugt weist der Ab standhafter- Wafer 1 oder der Abstandhalter 2 zumindest einen Teilbereich auf, dessen Mittenrauheitswert Ra kleiner 0,05 pm oder sogar höchstens 0,04 pm über eine Messstrecke von 500 pm (± 50 pm) ist. Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass in zumindest einem Teilbereich der Mittenrauheitswert Ra kleiner 20 nm, bevorzugt kleiner als lOnm bei einer Meßstrecke von 50 pm ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Abstandshalter-Wafer 1 oder der Abstandshalter 2 zumindest in einem Teilbereich eine mittlere arithmetische Höhe Sa von weniger als 5 nm, weniger als 2 nm oder sogar höchstens 1 nm auf. Vorzugsweise wird die mittlere arithmetische Höhe Sa über eine Fläche von 500 pm2 bestimmt. Bei der mittleren arithmetischen Höhe Sa handelt es sich um die Erweiterung des Linienenrauheitsparameters Ra in die Fläche. Der Parameter Sa beschreibt den Mittelwert des Betrag des Höhenunterschieds eines jeden Punktes im Vergleich zum arithmetischen Mittel der Oberfläche.
Durch die Laserpolitur kann hierbei die optische Qualität des entsprechenden Teilbereichs erhöht werden.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass auch Abstandshalter 2 oder Teilbereiche des Abstandshalters 2, welche keiner Laserablation unterzogen wurden, eine laserpolierte Oberfläche aufweisen. Hierdurch kann zum einen die. Oberflächenrauhigkeit nochmals reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Seitenwandungen des Abstandhalter- Wafers 1 oder des Abstandhalters 2 zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichen Mittenrauheitswerten Rai und Ra2 auf. Hierbei ist der Mittenrauheitswert Rai geringer als der Mittenrauheitswert Ra2. Vorzugsweise weist die Seitenwandung im Teilbereich mit dem Mittenrauheitswert Rai keine oder zumindest eine schwächer ausgeprägte Mikrostruktur (verglichen mit der Mikrostruktur in Teilbereichen mit einem Mittenrauheit swert Ra2) auf. Vorzugsweise beträgt die Differenz der Mittenrauheitswerte ARa = Ra2 - Rai zumindest 10 nm, bevorzugt zumindest 60 nm und besonders bevorzugt zumindest 80 nm aufweist. Der geringere Mittenrauheitswert Rai kann insbesondere durch eine Laserpolitur des entsprechenden Teilbereichs des Ab standhalter- Wafers 1 oder des Abstandhalters 2 erreicht werden. Die Laserpolitur führt hierbei zu einer Verringerung der Mikrostrukturierung des entsprechenden Teilbereichs des Abstandhalter-Wafers 1 oder des Abstandhalters 2. Gemäß einer Ausführungsform wird zumindest der Bereich des Abstandhalter-Wafers 1 oder des Abstandhalters 2, auf den bei der Verwendung des Abstandshalters 2 in einem Bauteil der Lichtstrahl auftrifft, einer Laserpolitur unterzogen. Die Teilbereiche des Bauteils, auf den im Betrieb der Lichtstrahl auftrifft, weisen somit gemäß einer Ausführungsform einen Mittenrauheitswert Ra von weniger als 50 nm, vorzugsweise von höchstens 40 nm auf. Gemäß einer Ausgestaltung ist der Mittenrauheitswert Ra in den betreffenden Teilbereichen des Bauteils sogar kleiner als 40 nm,.
In Fig. 4 ist eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines bereits vereinzelten Abstandshalters 200 dargestellt. Der Abstandshalter 200 weist neben drei Seitenwänden mit ebenen Kantenflächen (521, 523, fehlende Seitenwand nicht dargestellt) eine Seitenwand mit einer schrägen Kantenfläche 520 auf. Die Kantenfläche 520 weist hierbei einen Winkel a zur Bodenfläche (nicht dargestellt) des Abstandhalters 200 auf. Der Winkel a kann dabei gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens beliebig eingestellt werden. So kann die Kantenfläche 520 beispielsweise einen Winkel a von 45° aufweisen. Die hohe Flexibilität in Hinblick auf den Winkel a wird hierbei sowohl durch das verwendete Material des Abstandhalters als auch durch das Verfahren zu dessen Herstellung ermöglicht. So wird durch die Verwendung von Glas als Material für den Abstandshalter der Ätzwinkel nicht durch eine vorgegebene Kristall Struktur, wie dies beispielsweise beim Ätzen von Siliziumeinkristallen der Fall ist, beschränkt. Weiterhin kann der Winkel a auch durch ein Schrägstellen des Lasers beim Filamentieren eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können einzelne Bereiche auch durch einen dem Ätzvorgang nachfolgenden Laserablationsprozess angeschrägt werden.
Gemäß einer Weiterbildung werden einzelne Teilbereiche des Abstandhalter- Wafer f bzw. des Abstandhalters 2, beispielsweise nur eine der Kantenflächen , durch Laserablation zu bearbeiten. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die einzelnen Kantenflächen des Abstandhalters 200 unterschiedlich zu gestalten.
Fig. 5 stellt schematisch eine Seitenansicht durch einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Abstandhalters 201 mit einer schrägen Kantenfläche 525 dar, wobei im Teilbereich 61 der Kantenfläche 525 durch Laserablation Material abgetragen wurde. Der Teilbereich 61 kann auf Grund seiner Oberflächenstruktur als optisches Element fungieren.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels in Aufsicht. Der dargestellte Abstandhalter 202 weist dabei die Kantenflächen 521, 522, 523 und 527 auf. Die Kantenfläche 527 ist hierbei konkav gewölbt. Die Wölbung der Kantenfläche 527 entstand in dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel 202 durch einen Materialabtrag mittels Laserablation. Zusätzlich ist die Oberfläche der Kantenfläche 527 laserpoliert. Die Kantenfläche 527 kann hierbei zusätzlich zur Bodenfläche des Abstandhalters 526 einen Winkel a 90° aufweisen, d.h. die Kantenfläche 527 kann eine schräge Kante sein.
Die in den Fig. 4 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele 200, 201, 2002 weisen Kantenflächen 520, 524 und 527 auf, welche eine abweichende Geometrie zu den anderen drei Kantenflächen aufweist. Durch die große Flexibilität des Herstellungsverfahrens kann die Geometrie der einzelnen Kantenflächen des Abstandshalters frei eingestellt werden. So sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen der Abstandshalter mehrere Kantenflächen mit einem Winkel a F 90° aufweisen, wobei sich die Winkel a der einzelnen Kantenflächen voneinander unterscheiden können. Auch können einzelne Kantenflächen mit abweichender Geometrie oder Struktur erzeugt werden. Somit sind auch Abstandhalter mit komplexeren Strukturen bzw. Geometrie mit nur wenigen Prozessschritten zugänglich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Abstandshalter drei senkrechte Kantenflächen, d.h. mit einem Winkel a = 90°, und eine schräge oder gewölbte Kantenfläche mit einem Winkel a F 90° auf. Gemäß einer Ausführungsform weist der Abstandshalter zumindest eine Kantenfläche mit einem Winkel a < 56° auf.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Abstandshalter zumindest eine schräge Kantenfläche mit einem Winkel a F 90° aufweist, wobei die Kantenfläche eine ebene Oberfläche aufweist und ein strahl steuerndes Element, beispielsweise in Form eines Spiegels, auf der Kantenfläche abgebracht wird. Eine andere Ausführungsform sieht einen runden Abstandshalter mit einer durchgängigen inneren Kantenfläche vor, wobei sich der Winkel a der Kantenfläche bzw. der Lochinnenwandung zum Boden des Bauteils innerhalb des Abstandhalters kontinuierlich ändert. Der Abstandhalter weist somit einen Bereich für den Winkel a auf, wobei der Winkel a ortsabhängig ist. Fungiert die innere Kantenfläche des Abstandhalters in einem Bauteil als Auftreffbereich für einen Lichtstrahl, so kann durch Drehen des Abstandhalters der Auskoppelwinkel eingestellt werden.
Weiterhin können auch gezielte Strukturen in zumindest eine der Kantenflächen eingebracht werden. Dies wird anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels in Fig.7 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Kantenfläche 528 lokal eine gewölbte Struktur 60 auf. Die Struktur 60 kann insbesondere nach dem Ätzvorgang durch Ablation des entsprechenden Teilbereichs mit einem Ultrakurzpulslaser und nachfolgender Laserpolitur des entsprechenden Teilbereichs der Kantenfläche 528 erzeugt werden. Hierbei kann die Struktur 60 derart ausgebildet sein, dass sie ein optisches Element innerhalb des Abstandhalters bildet. So können beispielsweise mittels Laserablation Konkavspiegel, strahlstreuende Elemente, Mikrolinsen oder benutzerkonfigurierte Freiformen in den Abstandhalter integriert werden.
In Fig. 8 ist ein Ausfiihrungsbeispiel für eine Laserbearbeitungsvorrichtung 12 gezeigt, mit welcher in eine transparente Glasplatte 10 filamentförmige Schädigungen 32 eingefugt werden können, um nachfolgend in einem Ätzprozess Kanäle an den Stellen der filamentförmigen Schädigungen 32 einzufugen. Die Vorrichtung 12 umfasst einen Ultrakurzpulslaser 30 mit vorgeschalteter Fokussierungsoptik 23 und eine Positioniereinrichtung 17. Mit der Positioniereinrichtung 17 kann der Auftreffpunkt 73 des Laserstrahls 27 des Ultrakurzpulslasers 30 auf der Seitenfläche 102 einer zu bearbeitenden transparenten Glasplatte 10 lateral positioniert werden. Bei dem dargestellten Beispiel umfasst die Positioniereinrichtung 17 einen x-y-Tisch, auf dem die transparente Glasplatte 10 auf einer Seitenfläche 103 aufliegt. Alternativ oder zusätzlich möglich ist aber auch, die Optik beweglich auszubilden, um den Laserstrahl 27 zu bewegen, so dass der Auftreffpunkt 32 des Laserstrahls 27 bei festgehaltener transparenter Glasplatte 10 bewegbar ist.
Die Fokussierungsoptik 23 fokussiert den Laserstrahl 27 nun zu einem in Strahlrichtung, also dementsprechend quer, insbesondere senkrecht zur bestrahlten Seitenfläche 102 langgezogenen Fokus. Ein solcher Fokus kann beispielsweise mit einer kegelförmigen Linse (ein sogenanntes Axikon) oder einer Linse mit großer sphärischer Aberration erzeugt werden. Die Steuerung der Positioniereinrichtung 17 und des Ultrakurzpulslasers 30 wird vorzugsweise mittels einer programmtechnisch eingerichteten Recheneinrichtung 15 durchgeführt. Auf diese Weise lassen sich vorbestimmte Muster von lateral entlang der Seitenfläche 2 verteilten filamentförmigen Schädigungen 32 erzeugen, dies insbesondere durch Einlesen von Positionsdaten, vorzugsweise aus einer Datei oder über ein Netzwerk. Um eine Öffnung 5 zu erzeugen, ergeben die Positionsdaten einen geschlossenen, beziehungsweise ringförmigen Pfad.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können folgende Parameter für den Laserstrahl verwendet werden:
Die Wellenlänge des Laserstrahls beträgt 1064nm, typisch für einen YAG-Laser. Es wird ein Laserstrahl mit einem Rohstrahl durchmesser von 12mm erzeugt, der dann mit einer Optik in Form einer Bikonvex-Linse mit einer Brennweite von 16mm fokussiert wird. Die Pulsdauer des Ultrakurzpulslasers beträgt weniger als 20ps, bevorzugt etwa lOps. Die Pulse werden in Bursts mit 2 oder mehr, bevorzugt 4 oder mehr Pulsen abgegeben. Die Burstfrequenz beträgt 12-48ns, bevorzugt etwa 20ns, die Pulsenergie mindestens 200 Mikrojoule, die Burstenergie entsprechend mindestens 400 Mikrojoule.
Anschließend, nach dem Einfügen einer oder insbesondere einer Vielzahl von filamentförmigen Schädigungen 32 wird die transparente Glasplatte 10 entnommen und in einem Ätzbad gelagert, wo in einem langsamen Ätzprozess Glas entlang der filamentförmigen Schädigungen 32 entfernt wird, so dass an der Stelle einer solchen Schädigung 32 jeweils ein Kanal in die transparente Glasplatte 10 eingefugt wird.
In einer Ausführungsform wird ein basisches Ätzbad mit einem ph-Wert >12, beispielsweise eine KOH-Lösung mit >4mol/l bevorzugt >5mol/l besonders bevorzugt >6mol/l, aber <30mol/l. Das Ätzen wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unabhängig vom verwendeten Ätzmedium bei einer Temperatur des Ätzbads von >70°C, bevorzugt >80°C, besonders bevorzugt >90°C durchgeführt.
Fig. 9 zeigt in Aufsicht auf eine Seitenfläche 2 ein Glaselement 1 mit einer Vielzahl von filamentförmigen Schädigungen 32, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind, wie es durch die oben beschriebene rechnergesteuerte Ansteuerung der Positioniereinrichtung 17 und des Ultrakurzpulslasers 30 in das Glaselement 1 eingeschrieben werden kann. Im Speziellen sind die filamentförmigen Schädigungen 32 hier beispielhaft entlang vorgegebener geschlossener Pfade 53 in Form geschlossener rechteckiger Linien in die transparente Glasplatte eingefügt worden. Einer der Pfade 53 ist als gestrichelte Linie gekennzeichnet. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass mit dem Verfahren nicht nur rechteckige, sondern beliebig geformte Pfade 53 abgefahren werden können.
Wenn sich beim nachfolgenden Ätzen an den filamentförmigen Schädigungen Kanäle bilden und sich vereinigen, löst sich das durch den geschlossenen Pfad 53 definierte Innenteil 54 heraus und hinterlässt eine Öffnung 5.
Generell kann durch Wahl eines geeigneten Ätzprozesses eine Mikro Strukturierung 9 erhalten werden, die sich durch eine Vielzahl von kalottenförmigen Vertiefüngen auszeichnet. Insbesondere können diese Vertiefungen durch vergleichsweise scharfe Grate getrennt sein. Da die Grate, an denen konvexe Krümmungsradien auftreten, nur schmal sind, kann die Mikro Strukturierung gemäß einer Ausführungsform auch dahingehend charakterisiert werden, dass das Verhältnis vom Flächenanteil mit konvex gewölbter Oberfläche zum Flächenanteil mit konkav gewölbter Oberfläche (wie sie etwa in den kalottenförmigen Vertiefungen vorliegt), höchstens 0,25, vorzugsweise höchstens 0,1 beträgt.
Diese Mikrostrukturierung hat sich als besonders günstig erwiesen, um das hindurchtretende Licht nur wenig zu beeinflussen.
Die Größe, Form und Tiefe der Vertiefungen und damit auch der Wert des Mittenrauwerts kann weiter durch den Ätzprozess und die Parameter der Laserbearbeitung beeinflusst werden.
Bevorzugt werden geringe Ätzraten. In Weiterbildung des Verfahrens ist dazu vorgesehen, dass das Glas der transparenten Glasplatte 10 mit einer Abtragsrate von kleiner als 5 pm pro Stunde abgetragen wird. Insbesondere können die gewünschten Mittenrauwerte auch mittels der Gesamtätzdauer erreicht werden. Hierzu ist es günstig, wenn die Ätzdauer mindestens 12 Stunden beträgt. Vorzugsweise wird dabei der Abstand („Pitch“) der filamentförmigen Schädigungen an die Ätzdauer und Ätzrate angepasst, so dass ein überflüssiges Ätzen bei bereits abgelöstem Innenteil 54 vermieden wird.
In Fig. 10 sind in drei Teilbildern (a), (b), (c) zweidimensionale Höhenprofile einer Mikrostruktur auf der Innenwand, beziehungsweise Seitenwandung 50 einer Öffnung dargestellt. Die verschiedenen, hier nur als Grauwerte dargestellten Farbwerte korrespondieren dabei zur Höhenkoordinate. Die Höhenprofile zeigen dabei verschieden große Ausschnitte der Seitenwandung 50 einer Probe. Die Messfeld- Größen und die anhand der Ausschnitte ermittelten Mittenrauwerte sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet:
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In Teilbild (a) ist in der Bildmitte noch eine von links nach rechts laufende Meßstrecke eingezeichnet. Die Meßstrecke hat demnach eine Länge von 521 pm, also von etwa 500 mih. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, beträgt der Mittenrauwert bei einer Meßstrecke von 521 gm mit 0,41 gm weniger als 0,5 gm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die durch die Messung gemäß Teilbild (b) gestützt wird, kann der Mittenrauwert Ra der Mikro Strukturierung 9 der Seitenwandung 50 bei einer Meßstrecke von 350 gm weniger als 0,4 gm betragen. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform, die durch die Messung gemäß Teilbild (c) gestützt wird, kann der Mittenrauwert Ra der Mikro Strukturierung 9 der Seitenwandung 50 der Öffnung 5 bei einer Meßstrecke von 170 gm weniger als 0,25 gm betragen. Die Messtrecken können bei diesen Ausführungsformen auch jeweils um 10 % verlängert oder verkürzt sein, können also Längen von 350 gm ± 35 gm, beziehungsweise 170 gm ± 17 gm haben.
Besonders bei der Betrachtung des Teilbilds (c) wird deutlich, dass die Mikro Strukturierung 9 überwiegend aus runden Flächen mit relativ monotonem Grauwert, also auch geringer Höhenänderung zusammengesetzt ist. Diese runden Flächen sind die tieferliegenden Teile der kalottenförmigen Vertiefungen 56. Demnach weisen die Vertiefüngen 56 einen relativ ebenen und großen Bodenbereich auf. Dies kann auch eine Ursache dafür sein, dass die Mikrostrukturierung die Lichteinkopplung oder Auskopplung nur wenig beeinflusst.
Die Beeinflussbarkeit des Mittenrauwerts der Mikro Strukturierung 9 wird auch besonders anhand von Fig. 11 deutlich.
Fig. 11 zeigt Messwerte des Mittenrauwerts an der Seitenwandung 50, die durch die oben beschriebene Kombination des Einbringens von filamentförmigen Schädigungen mit einem Ultrakurzpulslaser und dem anschließenden Aufätzen der Schädigungen hergestellt wurden. Die Messwerte sind als Funktion der Anzahl der Laserpulse innerhalb eines Bursts für verschiedene Abstände zwischen den Auftreffpunkten der Laserpulse aufgetragen. Die Anzahl der Laserpulse variiert von einem Einzelpuls bis zu 8 Pulsen im Burst-Betrieb des Ultrakurzpulslasers. Für das Herauslösen der Innenteile 54 wurde ein langsamer Ätzprozess mit einer Dauer von 48 Stunden gewählt. Wie man an den Diagrammen erkennt, sind besonders niedrige Abstände zur Erzielung niedriger Mittenrauwerte günstig. Im Speziellen sind Abstände bis 4 Mikrometer günstig. Bei diesen kleinen Abständen werden, wie die obersten beiden Diagramme („Pitch: 3 gm“ und „Pitch: 4 gm“) zeigen, niedrige Mittenrauwerte besonders bei wenigen Pulsen und sehr vielen Pulsen eines Bursts erreicht, obwohl die Abhängigkeit bei kleinen räumlichen Abständen der Auftreffpunkte nicht sehr stark ist. Eine höhere Rauigkeit zeigt sich auch bei verringerter Ätzdauer (nicht in der Figur gezeigt). Die Versuche wurden mit folgenden Parametern für das Ätzen durchgeführt:
Es wurde eine Lösung mit 6mol/L KOH bei 100°C verwendet. Der Abtrag betrug an den Seitenflächen 34pm bei einer Ätzdauer von 16 Stunden, 63pm bei 30 Stunden und 97pm bei 48 Stunden.
Generell kann man folgende Tendenzen ablesen:
(i) Ein großer Pitch führt zu einer raueren Oberfläche,
(ii) Längere Ätzzeiten führen zu glatteren Seitenflächen.
Die Ätzzeit an der freien Strukturfläche einer der Einflussfaktoren für die Rauigkeit der Oberfläche. Je früher das Innenteil 56 entfernt wird desto glatter kann die Struktur werden (kleiner Pitch). Je geringer die eingebrachte Schädigungsstruktur desto glatter ist die Struktur (kleine Burstzahl, oder geringe Energie in den einzelnen Laserpulsen aufgrund einer hohen Pulsanzahl). Auch die Pulslänge hat überraschend einen Einfluss auf die Rauigkeit der Seitenwandung. In einem weiteren Experiment wurden die in Bezug auf eine niedrige Rauigkeit besten Parameter für Pulse von 10 ps Dauer und 1 ps Dauer verglichen. Es wurden folgende Ergebnisse erzielt:
(i) Beste Parameter bei lOps:
• 1 Burst/3 pm Pitch
-> Ra = 0,42pm-0,50pm.
Beste Parameter bei lps:
• 1 Burst/3 pm-10pm Pitch
-> Ra = 0,38pm-0,52pm.
Das Ätzen erfolgte jeweils mit einer Lösung von 6mol/L KOH bei 100°C, wobei 10 pm Glas abgetragen wurden. Generell zeigt sich, dass bei sehr kurzen Pulsdauern die Abhängigkeit vom Pitch geringer ist. Daher ergibt sich ein die obigen Ergebnisse einschließendes günstiges Parameterfeld mit einer Pulsdauer von 0,5 ps bis 2 ps (vorzugsweise 0,75 ps bis 1,5 ps) und einem Pitch von 1 pm bis 15 pm (vorzugsweise 2 pm bis 12 pm).
Daher ist in Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass für das Heraustrennen der Innenteile 56 zumindest einer der folgenden Parameter im Verfahren realisiert wird: - der räumliche Abstand zweier Auftreffpunkte 73 des Laserstrahls 27 auf der transparenten Glasplatte 10 beträgt höchstens 6 pm, vorzugsweise höchstens 4,5 gm,
- die Dauer des Ätzens beträgt mindestens 12, vorzugsweise mindestens 20 Stunden,
- die Anzahl der Pulse eines Bursts zum Einbringen einer filamentförmigen Schädigung 32 beträgt höchstens 2 oder mindestens 7,
- die Pulsdauer des Lasers liegt im Bereich von 0,5 ps bis 2 ps (vorzugsweise 0,75 ps bis 1,5 ps) bei einem räumliche Abstand zweier Auftreffpunkte 73 des Laserstrahls 27 auf der transparenten Glasplatte 10 von 1 pm bis 15 pm (vorzugsweise 2 pm bis 12 pm).
Mit den Ab standhafter- Wafern 1, wie sie beispielhaft in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, oder mit den abgetrennten Abstandhaltern 2 können dann elektro-optische Wandlerbauelemente realisiert werden. Wie oben gesagt, kann die weitere Verarbeitung zur Herstellung der elektro-optischen Wandlerbauelemente auch im Waferverbund erfolgen, so dass das Abtrennen der Abstandhalter zusammen beim Abtrennen der Bauelemente vom Waferverbund erfolgt. Das Abtrennen kann in diesem Fall durch mechanisches Dicen, beziehungsweise Sägen mit einer Trennscheibe erfolgen. Ein elektro-optisches Wandlerbauteil 3 mit einem rahmenförmigen Abstandhalter 2 zeigt dazu Fig. 12. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine mögliche Realisierung einer Ausführungsform eines elekro-optischen Wandlerbauteils 3 mit einem wie hier beschriebenen Abstandhalter 2, umfassend einen Träger 11, auf welchem eine elektro optisches Wandlerelement 13 angeordnet ist, wobei auf dem Träger 11 auf der Seite mit dem elektro-optischen Wandlerelement 13 der Abstandhalter 2 befestigt ist, so dass das elektro-optische Wandlerelement 13 in der Öffnung 5 angeordnet ist, und wobei auf dem Abstandhalter 2 ein Deckelelement 16 angeordnet ist, so dass ein seitlich durch die Seitenwandung 50 der Öffnung 5 des Abstandshalters 2 abgeschlossener Hohlraum 18 zwischen dem Träger 11 und dem Deckelelement 16 gebildet wird, der das elektro optische Wandlerelement 13 umschließt. Dabei kann insbesondere Licht, welches vom elektro-optischen Wandlerelement 13 emittiert oder empfangen wird, den Hohlraum 18 queren. Während für viele Anwendungen gut temperaturleitende Materialien eingesetzt werden, eignet sich Glas als Material für den Abstandhalter hier, wenn etwa vermieden werden soll, dass eine hohe Wärmeleistung auf das Deckelelement übertragen wird.
Dies kann etwa bei organischen Beschichtungen des Deckels oder bei temperaturempfindlichen optischen Präzisionselementen auf dem Deckel unerwünscht sein.
Insbesondere ist in einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Abstandhalter 2 transparent ist. Dabei ist das Wandlerelement 13 ausgebildet, Licht seitlich zwischen dem Deckelelement 16 und dem Träger 11 durch die Innenseite 50 der Öffnung 5 des Abstandhalters 2 hindurch zu senden oder zu empfangen. Mögliche Strahlengänge sind in Fig. 12 als Lichtstrahlen 19 eingetragen. Gegebenenfalls können auch andere elektromagnetische Wellen durch den Abstandhalter 2 hindurch gesendet oder empfangen werden. Gedacht ist hier besonders an RF-Signale.
Das elektro-optische Wandlerelement 13 kann generell eine Leuchtdiode, eine Laserdiode oder ein Kamerachip sein. Bei Laserdioden können sowohl VCSEL (VCSEL=“Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) als auch seitenemittierende Laserdioden (EEL=“Edge Emitting Laser“) verwendet werden. Bei EEL bietet sich eine Auskopplung des Laserlichts durch den Abstandhalter hindurch besonders an. Durch die Verwendung von Abstandshaltern mit zumindest einer schrägen Kante in Verbindung mit einem Umlenkelement kann jedoch auch eine Umlenkung des Laserlichts erfolgen, so dass hier auch eine vertikale Auskopplung des Laserlichts möglich ist. Das Umlenkelement kann hierbei in den Abstandhalter integriert sein, beispielsweise in Form einer optischen Struktur oder einer reflektierenden Beschichtung.
Bei VCSEL kann beispielsweise das Laserlicht durch das Deckel element 16 hindurch emittiert werden, wobei der transparente Abstandhalter 2 dazu nutzbar ist, Streulicht für eine externe Monitordiode zu transmittieren.
Bei einem eingehausten Kamera-Chip als elektro-optisches Wandlerelement 13 kann die Mikrostrukturierung der Seitenwandung 50 mit geringer Rauigkeit von Vorteil sein, wenn in dem Hohlraum 18 eine Flüssiglinse eingesetzt wird. Bei Flüssiglinsen kann es an einer rauen Wand zu Blasenbildung kommen. Zudem können raue Strukturen die Linsenoberfläche beeinflussen.
Das elektro-optische Wandlerelement 13 kann beispielsweise über eine oder mehrere elektrische Durchführungen 36 im Träger 11 versorgt werden. Im gezeigten Beispiel ist das elektro-optische Wandlerelement 13 mit Bonddrähten 35 mit den Durchführungen verbunden. Das elektro-optische Wandlerbauteil 3 kann weiterhin als SMD-Baustein ausgebildet sein. In diesem Fall können auf den Durchführungen 36 Lotkugeln 37 aufgebracht sein. Selbstverständlich existieren hier viele weitere Bauformen. Bei einer weiteren möglichen Bauform kann beispielsweise der Träger 11 selbst Bestandteil des elektro-opti sehen Wandlerelements 13 sein, etwa wenn der Träger 11 ein Halbleitersubstrat ist, in dem das elektro-optischen Wandlerelement 13 ausgebildet wird.
Im dargestellten Beispiel ist nur ein einzelnes elektro-optisches Wandlerelement 13 im Hohlraum 18 eingeschlossen. Es können aber auch mehrere elektro-optische Wandlerelemente 13 in einem gemeinsamen Hohlraum 18 angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Anordnung von mehreren VCSELn auf dem Träger 11 innerhalb des Hohlraums 18 befestigt sein. Generell können verschiedene Wandler, wie VCSL, EEL, LD miteinander innerhalb der Öffnung 5 kombiniert werden. Weiterhin können auch ein oder mehrere Sensoren und Emitter zusammen verbaut sein.
In einer Ausführungsform bildet das elektro-optische Wandlerbauteil 3 ein Kamera-Modul welches für die zweidimensionale Bildaufzeichnung, oder auch für 3D- Erfassung (3D-Camera-Imaging), wie es für die dreidimensionale Gesichtserkennung eingesetzt werden kann.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann die Seitenwandung 50 der Öffnung 5 des rahmenförmigen Abstandhalters 2 beschichtet sein. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel ist der auf der rechten Seite dargestellte Teil der Seitenwandung 50 mit einer Beschichtung 6 versehen. Die Beschichtung 6 kann die Seitenwandung 50 teilweise, aber auch vollständig bedecken. Eine solche Beschichtung 6 kann insbesondere eine Antireflex-Beschichtung, eine Reflexions-Beschichtung, eine halbtransparente Beschichtung, eine farbgebende Beschichtung oder eine metallische Beschichtung sein. Auch können mehrere Beschichtungen kombiniert werden, um eine mehrlagige Beschichtung zu erhalten. Die Beschichtung 6 kann bereits am Ab standhalter- Wafer 1 vor der Vereinzelung der Abstandhalter 2 aufgebracht werden. Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Ab standhalter-W afer ( 1 ) zur Herstellung von rahmenförmigen Abstandhaltem (2) für die Gehäusung elektro-optischer Wandler (3) durch Abtrennen von Abschnitten (4) vom Abstandhalter-Wafer (1), wobei der Ab standhalter- Wafer (1) eine transparente Glasplatte (10) umfasst, die eine Vielzahl von in einem Raster verteilt angeordneten, voneinander getrennten Öffnungen (5) aufweist, so dass durch Abtrennen von Abschnitten (4) der Glasplatte (10) entlang von Trennlinien (7) zwischen den Öffnungen (5) die vereinzelten Abstandhalter (2) erhältlich sind, wobei die Öffnungen (5) Seitenwandungen (50) mit einer Mikrostrukturierung (9) mit einer Rauigkeit aufweisen, wobei der Mittenrauwert Ra der Rauigkeit kleiner als 0,5 pm bei einer Meßstrecke von 500 pm beträgt.
2. Ab standhalter-W afer (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandungen (50) der Öffnungen (5) jeweils mindestens einen ebenen Abschnitt (52) aufweisen.
3. Ab standhalter-W afer (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwandungen (50) der Öffnungen (5) jeweils mindestens eine schräge Kantenfläche (520) aufweisen, wobei die schräge Kantenfläche (520) einen Winkel a 90° mit der Unterseite des Abstandhalter-Wafers (1) bildet.
4. Abstandshalter-Wafer (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die zumindest eine schräge Kantenfläche (520) zumindest in einem Teilbereich eine Beschichtung oder optische Struktur aufweist.
5. Abstandshalter-Wafer (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Abschnitt einer Seitenwandung (50) zumindest in einem Teilbereich einen Mittenrauwert Ra aufweist, der kleiner als 50 nm, bevorzugt höchstens 40 nm, besonders bevorzugt kleiner als 40 nm bei einer Meßstrecke von 500 mih ist, oder bevorzugt kleiner als 20 nm, bevorzugt kleiner als lOnm bei einer Meßstrecke von 50 gm ist.
6. Abstandhalter-Wafer (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung (9) einen Mittenrauwert Ra von mindestens 50 nm, vorzugsweise mindestens 100 nm bei einer Meßstrecke von 500 gm aufweist.
7. Abstandhalter-Wafer (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturierung (9) eine Vielzahl von kalottenförmigen Vertiefungen aufweist.
8. Ab standhalter- Wafer (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale:
- der Mittenrauwert Ra der Mikrostrukturierung (9) der Seitenwandung (50) der Öffnung (5) beträgt bei einer Meßstrecke von 350 gm weniger als
0,4 gm,
- der Mittenrauwert Ra der Mikrostrukturierung (9) der Seitenwandung (50) der Öffnung (5) beträgt bei einer Meßstrecke von 170 gm weniger als 0,25 gm,
- die Mikrostruktuierung ist unregelmäßig, so dass insbesondere eine Anordnung von Strukturelementen in einem regelmäßigen strengen Raster fehlt,
- die Seitenwandungen (50) der Öffnungen (5) weisen vier ebene Abschnitte (52) auf, insbesondere, wobei jeweils zwei ebene Abschnitte (52) gegenüberliegen,
- die Seitenwandungen (50) der Öffnung (5) weisen zumindest einen ebenen Abschnitt (52), vorzugsweise drei ebene Abschnitte (52) und einen Abschnitt mit einer schrägen Kante (520) auf
- das Verhältnis vom Flächenanteil der Mikrostrukturierung (9) mit konvex gewölbter Oberfläche zum Flächenanteil mit konkav gewölbter Oberfläche beträgt höchstens 0,25,
- die Seitenwandung 50 der Öffnungen sind beschichtet.
9. Ab standhalter- Wafer (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale:
- die transparente Glasplatte (10) weist eine Dicke im Bereich von 100 pm bis 3,5 mm, vorzugsweise im Bereich von 200 pm bis 3,0 mm auf,
- die Dickenvariation der transparenten Glasplatte (10) ist geringer als 5 pm, vorzugsweise geringer als 2 pm, besonders bevorzugt geringer als 1 pm.
10. Abstandhalter (2), herstellbar durch Abtrennen eines Abschnitts (4) von einem Ab standhalter- Wafer (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Abstandhalter (2) ein rahmenförmiges Element mit einer Öffnung (5) darstellt, dessen Seitenwandung (50) mit einer Mikro Strukturierung (9) versehen ist, wobei die Mikrostrukturierung (9) eine Rauigkeit aufweist, deren Mittenrauwert Ra kleiner als 0,5 pm bei einer Meßstrecke von 500 pm beträgt.
11. Verfahren zur Herstellung eines Abstandhalter-Wafers (1) oder eines Abstandhalters (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem
- der Laserstrahl (27) eines Ultrakurzpulslasers (30) auf eine der Seitenflächen (102, 103) einer transparenten Glasplatte (10) gerichtet und mit einer Fokussierungsoptik (23) zu einem langgezogenen Fokus in der transparenten Glasplatte (10) konzentriert wird, wobei durch die eingestrahlte Energie des Laserstrahls (27) eine filamentförmige Schädigung (32) im Volumen der transparenten Glasplatte (10) erzeugt wird, deren Längsrichtung quer zur Seitenfläche (102, 103), insbesondere senkrecht zur Seitenfläche (102, 103) verläuft und zur Erzeugung einer filamentförmigen Schädigung der Ultrakurzpulslaser (30) einen Puls oder ein Pulspaket mit mindestens zwei aufeinander folgenden Laserpulsen einstrahlt, und wobei
- der Auftreffpunkt (73) des Laserstrahls (27) auf der transparenten Glasplatte (1) entlang eines vorgegebenen geschlossenen Pfades geführt und damit
- eine Vielzahl von nebeneinander auf dem Pfad liegenden filamentförmigen Schädigungen (32) eingefiigt wird, wobei
- nach dem Einfügen der filamentförmigen Schädigungen (32)
- die transparente Glasplatte (10) einem Ätzmedium (33) ausgesetzt wird, und damit
- die filamentförmige Schädigungen (32) zu Kanälen (105) aufgeweitet werden, wobei durch das Ätzen der Durchmesser der Kanäle (105) so weit vergrößert wird, bis das Glas zwischen den Kanälen (105) abgetragen wird und die Kanäle (105) sich vereinigen und eine Öffnung (5) bilden, wobei durch das Ätzen eine Mikrostrukturierung (9) erzeugt wird, die eine Rauigkeit aufweist, deren Mittenrauwert Ra kleiner als 0,5 pm bei einer Meßstrecke von 500 gm beträgt.
12. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale:
- das Glas der transparenten Glasplatte (10) wird mit einer Abtragsrate von kleiner als 5 pm pro Stunde abgetragen,
- die Ätzdauer beträgt mindestens 12 Stunden
- der räumliche Abstand zweier Auftreffpunkte (73) des Laserstrahls (27) auf der transparenten Glasplatte (10) beträgt höchstens 6 pm, vorzugsweise höchstens 4,5 pm,
- die Anzahl der Pulse eines Bursts zum Einbringen einer filamentförmigen Schädigung (32) beträgt höchstens 2 oder mindestens 7,
- die Pulsdauer des Lasers liegt im Bereich von 0,5 ps bis 2 ps bei einem räumliche Abstand zweier Auftreffpunkte (73) des Laserstrahls (27) auf der transparenten Glasplatte (10) von 1 pm bis 15 pm,
- nachfolgend zum Ätzprozess erfolgt eine Laserpolitur zumindest eines Teilbereichs der Öffnung (5).
13. Elekro-optisches Wandlerbauteil (3) mit einem Abstandhalter (2) nach Anspruch 7, umfassend einen Träger (11), auf welchem ein oder mehrer elektro-optische Wandlerelemente (13) angeordnet sind, wobei auf dem Träger (11) auf der Seite mit dem elektro-optischen Wandlerelement (13) der Abstandhalter (2) befestigt ist, so dass das elektro-optische Wandlerelement (13) in der Öffnung (5) angeordnet ist, und wobei auf dem Abstandhalter (2) ein Deckelelement (16) angeordnet ist, so dass ein seitlich durch die Seitenwandung (50) der Öffnung (5) des Abstandshalters (2) abgeschlossener Hohlraum (18) zwischen dem Träger (11) und dem Deckelelement (16) gebildet wird, der das elektro-optische Wandlerelement (13) umschließt, insbesondere so dass Licht, welches vom elektro-optischen Wandlerelement (13) emittiert oder empfangen wird, den Hohlraum (18) quert.
14. Elektro-optisches Wandlerbauteil (3) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (2) transparent ist und das Wandlerelement (13) ausgebildet ist, Licht seitlich zwischen dem Deckelelement (16) und dem Träger (11) durch die Innenseite (50) der Öffnung (5) des Abstandhalters (2) hindurch zu senden oder zu empfangen.
15. Elektro-optisches Wandlerbauteil (3) gemäß Anspruch 14, wobei der Abstandhalter ein Umlenkelement umfasst und das Wandlerelement (13) ausgebildet ist, Licht durch das Deckelement (16) hindurch zu senden oder zu empfangen.
16. Elektro-optisches Wandlerbauteil (3) gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, wobei das elektro-optische Wandlerelement (13) eines der folgenden Elemente ist:
- eine Leuchtdiode,
- eine Laserdiode, insbesondere
- ein VCSEL oder eine - EEL,
- ein Kamera- Sensor oder Emitterchip.
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