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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements mit einem Substrat aus einem einkristallinen Werkstoff, auf dessen Oberfläche vor dem Vereinzeln des Bauelements aus einem Waferverbund eine Bauelementestruktur aufgebracht ist, und mit einem lateralen und durch eine Koppelfläche gebildeten Koppelfenster für einen Lichtleiter oder ein optoelektronisches Bauelement, wobei über das Koppelfenster optische Strahlen in das Bauelement einkoppelbar und/oder aus dem Bauelement auskoppelbar sind, und wobei ein Abschnitt des einkristallinen Substrats ausgebrochen wird und dabei die Koppelfläche als Bruchfläche entlang einer der durch das einkristalline Substrat bestimmten Kristallflächen gebildet wird, und wobei das Bauelement integriert zwei Auflageflächen für einen auf das Koppelfenster ausrichtbaren Lichtwellenleiter aufweist.
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Aus der
US 4,802,727 ist bekannt, eine Laserdiode derart in eine durch anisotropes Ätzen eines monokristallinen Trägerelements hergestellte Vertiefung einzusetzen, dass durch die plane Oberfläche der Laserdiode optische Strahlen auskoppelbar sind und in einen Lichtwellenleiter einkoppelbar sind. Der Lichtwellenleiter ist in eine durch anisotropes Ätzen hergestellte V-förmige Nut in dem Trägerelement eingelegt, wobei die Längsrichtung des Lichtwellenleiters und die plane Oberfläche des Bauelements einen vom rechten Winkel abweichenden Winkel einschließen.
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Eine demgegenüber laterale optische Signaleinkopplung hat in optoelektronischen Bauelementen den Vorteil längerer Absorptionsstrecken und führt daher zu einer höheren lichtoptischen Effizienz des Bauelements. Wünschenswert sind dabei Koppelfenster mit möglichst geringen Übertragungsverlusten durch Reflexion oder Streuung. Die Verluste sind unter anderem von der Rauigkeit der Oberfläche des Koppelfensters und den optischen Eigenschaften der bestrahlten Schichten abhängig. Das Koppelfenster kann durch eine Seitenfläche des Bauelements gebildet sein, die zu diesem Zweck nach dem Vereinzeln der in der Regel im Nutzen, beispielsweise im Wafer-Verbund, hergestellten Bauelemente durch eine Oberflächenbehandlung wie Schleifen oder Polieren bearbeitet ist.
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Aus J. T. Boyd und S. Sriram: Optical coupling from fibers to channel waveguides formed on silicon, Applied Optics, Vol. 17 (1978), Nr. 6, S. 895 bis 898 ist ein Bauelement mit einem Substrat aus monokristallinem Silicium und mit einem lateralen und durch eine Koppelfläche gebildeten Koppelfenster für einen Lichtleiter bekannt, wobei das Bauelement selbst einen in Dünnschichttechnik hergestellten Lichtleiter aufweist, über den die aus einem anzuschließenden faserförmigen Lichtwellenleiter eingekoppelte Strahlung weitergeführt wird. Der faserförmige Lichtwellenleiter ist dabei in eine durch anisotropes Ätzen des monokristallinen Substrats hergestellte V-förmige Nut einsetzbar, wobei das Koppelfenster an einer stirnseitigen Endfläche der V-förmigen Nut angeordnet ist, die ebenfalls durch anisotropes Ätzen hergestellt ist und mit der Oberfläche des Substrats einen vom rechten Winkel abweichenden Winkel einschließt.
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Aus der
DE 41 42 850 A1 ist eine Lichtleiterverbindung zum Verkoppeln eines Wellenleiters und einer Faser bekannt. Für das Einbetten der optischen Faser wird in das Substrat eine Ätzgrube eingebracht.
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Aus der
US 4,973,133 A ist eine Vorrichtung zum Ankoppeln einer optischen Faser an ein Koppelfenster bekannt, wobei durch einen mittels Laserstrahlen angeregten nasschemischen Ätzprozess zwei Schlitze in das Substrat der Vorrichtung eingeätzt werden und die so hergestellte Balken anschließend in einem Ultraschallbad abgetrennt wird.
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Aus der
US 5,518,965 A und der
US 5,700,382 A sind Verfahren zum optischen Koppeln einer Faser bekannt, bei denen für das Einbetten der optischen Faser in das Substrat eine Ätzgrube eingebracht wird.
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Aus der
US 6,077,720 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem mit einer Wafersäge V-förmige Schlitze in die Rückseitenoberfläche eines Substrats eingebracht werden; die Wafersäge wird auch dazu eingesetzt, die Stirnseiten von optoelektronischen Bauelementen zu polieren.
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Aus der
US 5,842,622 A ist eine Vorrichtung zum Spalten von optischen Fasern bekannt, mit der Faserenden mit vorgebbaren Winkelausrichtungen herstellbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellverfahren bereitzustellen, das eine hohe Effizienz der Strahlenkopplung gewährleistet und dennoch einfach herstellbar ist.
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Die Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Herstellverfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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Gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 ist vorgesehen, dass nach dem Vereinzeln des Bauelements aus dem Waferverbund und vor dem Ausbrechen des Abschnitts zwei die Auflagefläche bildende Trennschnitte lateral von einer gegenüber der die Bauelementestruktur aufweisende Oberfläche abgewinkelten Seitenfläche des Bauelements, nämlich von einer Stirnseite des Bauelements, in das Substrat eingebracht werden und dass sich die Trennschnitte in dem Substrat kreuzen.
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Vor dem Ausbrechen werden die zwei Trennschnitte, vorzugsweise die zwei einen spitzen Winkel zueinander einschließende Trennschnitte, in das Substrat eingebracht, der den auszubrechenden Abschnitt begrenzt. Durch den Trennschnitt und das Ausbrechen wird auch eine Auflagefläche für einen auf das Koppelfenster ausrichtbaren Lichtwellenleiter gebildet und freigelegt.
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In einer Ausführungsart wird der Abschnitt des einkristallinen Substrats mit einem mit Ultraschall schwingendem Mikromeißel ausgebrochen. Auf diese Weise ist zuverlässig verhindert, dass durch das Ausbrechen die angrenzenden Bereiche des Substrats beschädigt werden.
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Durch das Ausnutzen der Spaltbarkeit des monokristallinen Werkstoffes des Substrats lassen sich Bruchflächen von sehr hoher Qualität, insbesondere hinsichtlich der Planheit, auf einfache Weisheit herstellen. In einer Ausführungsart ist die Bruchfläche unbearbeitet, insbesondere deckschichtenfrei. Eine besondere Deckschichtenfolge zur Reduktion der Reflexion ist möglich, aber nicht erforderlich. An der Oberfläche des monokristallinen Werkstoffes kann sich lediglich eine sehr dünne Oxydhaut bilden, die durch eine Oxidation der Bruchfläche an Atmosphäre entsteht.
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In einer Ausführungsart ist die Bruchfläche eine <110> Fläche des monokristallinen Substrats. Das Substrat selbst kann eine <100> Orientierung aufweisen. Die Wahl der <110> Fläche ermöglicht die Herstellung von besonders planen Bruchflächen mit vergleichsweise geringen Ausbrechkräften, durch die zuverlässig verhindert ist, dass beim Ausbrechen das Substrat beschädigt wird.
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In einer Ausführungsart ist die Bruchfläche von einer Seitenkante des Bauelements zurückversetzt. Da die Seitenkanten des Bauelements in der Regel durch Sägen oder Trennschleifen gebildet sind, erlaubt das Zurückversetzen der Bruchfläche von der Seitenkante die Bereitstellung einer Koppelfläche, die hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften durch das Sägen oder Trennschleifen nicht negativ beeinflusst ist.
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Das Bauelement weist integriert zwei Auflageflächen für einen auf das Koppelfenster ausrichtbaren Lichtwellenleiter auf. Damit ist in dem Bauelement integriert eine optimale Ausrichtung des Lichtwellenleiters auf das Bauelement gewährleistet, ohne dass es aufwendiger Montagetechniken bedarf. Der Lichtwellenleiter ist mit dem Bauelement verbindbar, insbesondere verklebbar. Die Auflagefläche kann insbesondere durch eine V-förmige Nut bereitgestellt werden, in welche der Lichtwellenleiter mit seiner zylindrischen Mantelfläche einlegbar ist. Die beiden Flächen der V-förmigen Nut können einen Winkel zwischen 60 und 150° einschließen, vorzugsweise einen Winkel zwischen 90 und 120°. Der Winkel bestimmt zusammen mit der Tiefe der V-förmigen Nut die Position des Lichtwellenleiters in Bezug auf die Koppelfläche.
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In einer Ausführungsart schließt die Bruchfläche mit der Oberfläche des Substrats einen rechten Winkel ein. Dadurch ist die optische Kopplung des Bauelements beispielsweise zu dem angrenzenden Lichtwellenleiter optimiert, insbesondere sind die auftretenden Reflexionen auf ein Minimum reduziert.
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Die Auflageflächen für den Lichtwellenleiter sind durch zwei in das Substrat eingebrachte Trennschnitte gebildet, die in einer Ausführungsart mit der Oberfläche des Substrats einen Winkel von weniger als 90° einschließen. Die Trennschnitte erfolgen lateral von der Stirnseite des Bauelements, beispielsweise durch mechanisches Sägen oder Trennschleifen. Alternativ hierzu kann der Trennschnitt auch auf sonstige Weise, beispielsweise durch energiereiche Strahlen, etwa mittels eines Lasers, hergestellt sein.
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Abweichend von der Erfindung kann der Trennschnitt auch von der planen Oberseite des Substrats eingebracht werden, was ebenfalls grundsätzlich mechanisch, vorzugsweise aber mittels Energiestrahlen erfolgen kann. Die Einbringung des Trennschnitts von oben hat den Vorteil, dass die Trennschnitte bereits im Nutzen, beispielsweise in einem Wafer-Verbund einer Vielzahl von Bauelementen, in das Bauelement eingebracht werden kann und nicht erst nach einem mindestens teilweise Vereinzeln des Bauelements aus dem Nutzen.
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In einer Ausführungsart ist durch den Trennschnitt der auszubrechende Abschnitt des monokristallinen Substrats begrenzt. Der Trennschnitt kann den auszubrechenden Abschnitt bis auf eine verbleibende Fläche begrenzen, wobei die verbleibende Fläche die Bruchfläche bildet, die durch anschließendes Ausbrechen des Abschnitts hergestellt wird.
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Die Auflageflächen für den Lichtwellenleiter sind durch zwei sich im Substrat kreuzende Trennschnitte gebildet. Dadurch kann der auszubrechende Abschnitt als zylinderförmiger oder prismenförmiger Körper begrenzt werden, insbesondere mit einer dreieckförmigen Grundfläche und einer durch das anschließende Ausbrechen gebildeten dreieckförmigen Deckfläche. Bei zylinderförmigen Körpern sind zwei parallele, ebene und kongruente Grundflächen durch einen Mantel miteinander verbunden.
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In einer Ausführungsart begrenzt die Bruchfläche die Auflagefläche für den Lichtwellenleiter stirnseitig. Dadurch kann der Lichtwellenleiter entlang der Auflagefläche bis an das stirnseitige Ende herangeschoben werden und dadurch der Luftspalt zwischen dem stirnseitigen Ende des Lichtwellenleiters und der Koppelfläche minimiert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements;
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung aus Bauelement und Lichtwellenleiter der 1; und
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3 bis 6 zeigen eine Abfolge eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauelements.
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelements 1 mit einem Substrat 10 aus monokristallinem Werkstoff, im Ausführungsbeispiel aus monokristallinem Silicium. Die 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung aus Bauelement 1 und Lichtwellenleiter 14 der 1.
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Das Bauelement 1 weist ein laterales und durch eine Bruchfläche 12 gebildetes Koppelfenster für einen Lichtleiter 14 auf, wobei über das Koppelfenster optische Strahlen 16 in das Bauelement 1 einkoppelbar und/oder aus dem Bauelement 1 auskoppelbar sind. Die Bruchfläche 12 ist dabei durch eine Kristallfläche gebildet, die durch das monokristalline Substrat 10 bestimmt ist, im Ausführungsbeispiel eine <110> Fläche des monokristallinen Siliciumsubstrats, das eine <100> Oberfläche aufweist.
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Auf dem Substrat 10 sind monolithisch integriert und/oder in Dünnschichttechnik Schichtfolgen ein- oder aufgebracht, insbesondere eine lichtleitende Schicht 18, die auch monolithisch in das Substrat 10 integriert sein kann, und eine beispielsweise metallische Deckschicht 20; alternativ können auch weitere Deckschichten zwischen der lichtleitenden Schicht 18 und der Deckschicht 20 angeordnet sein. Die Koppelfläche ist im Wesentlichen durch die Bruchfläche 12 als solches gebildet, insbesondere ist keine separate Antireflexionsschicht aufgebracht. Allenfalls ist an der Oberfläche der Bruchfläche 12 eine sehr dünne Oxydschicht durch nach dem Ausbrechen stattfindende Oxidation vorhanden.
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Die Bruchfläche 12 ist von einer Seitenfläche 22 des Bauelements 1 zurückversetzt. Die Bruchfläche 12 schließt mit der Oberfläche 24 des Bauelements 1 einen rechten Winkel ein, wobei die Oberfläche 24 des Bauelements 1 mindestens bereichsweise auch durch eine Oberfläche des Substrats 10 gebildet sein kann oder parallel zur Oberfläche des Substrats 10 verlaufen kann. Das Bauelement 1 weist integriert zwei Auflageflächen 26, 28 für einen auf das Koppelfenster ausrichtbaren Lichtwellenleiter 14 auf. Die beiden Auflagenflächen 26, 28 sind wie nachstehend beschrieben durch Trennschnitte 30, 32 in das Substrat 10 definiert, wobei die Bruchfläche 12 den Aufnahmeraum für den Lichtwellenleiter 14 zwar stirnseitig begrenzt, aber die Trennschnitte 30, 32 das durch die Bruchfläche 12 gebildete stirnseitige Ende übergreifen und in Längsrichtung des Aufnahmeraums für den Lichtwellenleiter 14 über die Bruchfläche 12 hinaus ein Stück weit in das Substrat 10 hineinragen.
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Der Lichtwellenleiter 14 weist einen Fasermantel 34 und einen Faserkern 36 auf, wobei die in den 1 und 2 dargestellten Abmessungen nur beispielhaft und insbesondere nicht maßstäblich sind, beispielsweise kann der Faserkern 36 eine deutlich geringere radiale Erstreckung aufweisen, um dadurch eine Monomodefaser zu bilden. Die aus dem Faserkern 36 über die Bruchfläche 12 eingekoppelten Strahlen 16 werden zum Teil unmittelbar in die lichtleitende Schicht 18 eingekoppelt, zum Teil auch in das Substratmaterial 10. Aufgrund eines Unterschiedes der Brechungsindizes der lichtleitenden Schicht 18 einerseits und der angrenzenden Schicht oder dem Substrat 10 andererseits kommt es aber zu einer Beugung oder Brechung der eingekoppelten Strahlen 16 in Richtung auf die lichtleitende Schicht 18.
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Die 3 bis 6 zeigen eine Abfolge eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauelements 1. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauelement 1 bereits aus einem Wafer-Verbund vereinzelt. Vor dem Vereinzeln wurden durch in der Mikroelektronik oder Mikrooptik übliche Verfahren Bauelementstrukturen auf der Oberfläche des Bauelements 1 aufgebracht, umfassend eine metallische Deckschicht 20, die auch der elektrischen Kontaktierung dienen kann, und elektrische Anschlussflächen 38. Dadurch ist auf der Oberseite des Substrats 10 neben einer isolierenden Schicht 40 eine Bauelementstruktur 42 aufgebracht, die beispielsweise einen Lichtleiter oder ein optoelektronisches Bauelement umfassen kann.
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Um optische Strahlen 16 in das Bauelement 1, insbesondere die Bauelementstruktur 42, einzukoppeln und/oder aus dem Bauelement 1 auszukoppeln, soll ein laterales und durch eine Koppelfläche gebildetes Koppelfenster hergestellt werden. Hierzu werden in das plättchenförmige und in der Draufsicht rechteckige Substrat 10 von einer Seitenfläche 22 zwei Trennschnitte 30, 32 eingebracht, die einen Winkel zwischen 90° und 120° einschließen und die sich etwa in der Mitte des Substrats 10, bezogen auf die Dicke des Substrats 10, kreuzen und auf der Oberseite des Substrats 10 einen zylindrischen oder prismenförmigen Abschnitt 44 begrenzen.
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Dieser zylindrische Abschnitt 44 ist nur noch mit einer Seite mit dem Substrat 10 verbunden. Durch ein geeignetes, in den Figuren nicht dargestelltes Werkzeug, beispielsweise einen Mikromeißel, kann der Abschnitt 44 ausgebrochen werden, wie in der 4 dargestellt. Dadurch entsteht im Bereich der Bauelementestruktur 42 eine Bruchfläche 12, die eine Koppelfläche des Bauelements 1 bildet.
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Das Einbringen der Trennschnitte 30, 32 kann beispielsweise mittels einer handelsüblichen Wafersäge erfolgen, durch die plane und V-förmig zueinander ausgerichtete Auflageflächen 26, 28 für den Lichtwellenleiter 14 gebildet sind. Die Bruchfläche 12 ist von der Seitenfläche 22 des Bauelements 1 zurückversetzt. Der in die durch die Auflageflächen 26, 28 gebildete V-förmige Nut einsetzbare Lichtwellenleiter 14 kann bis an das durch die Bruchfläche 12 gebildete stirnseitige Ende der V-förmigen Nut eingeschoben werden und in der V-förmigen Nut beispielsweise durch einen Klebstoff 46 fixiert werden.
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Eine von den beiden Auflageflächen 26, 28 oder von den beiden Trennschnitten 30, 32 bestimmte Kante 48, die einer Kante des auszubrechenden Abschnitts 44 entsprechen kann, kann parallel zur Oberfläche des Substrats 10 ausgerichtet sein, insbesondere parallel zum Verlauf der lichtleitenden Schicht 18. In diesem Fall kann der Lichtwellenleiter 14 parallel zur Oberfläche des Substrats 10 ausgerichtet sein, so dass in dem Lichtwellenleiter 14 geführtes Licht parallel zur Oberfläche des Substrats 10 ein- und/oder auskoppelbar ist. Alternativ hierzu kann die Kante 48 mit der Oberfläche des Substrats 10 einen von Null verschiedenen Winkel einschließen, beispielsweise einen Winkel von mehr als 1°, insbesondere mindestens 2°, und vorzugsweise mehr als 2° und weniger als 15°. Dadurch kann der Lichtwellenleiter 14 so auf die Auflageflächen 26, 28 aufgelegt werden, dass das Licht schräg in Bezug auf die Oberfläche des Substrats 10 ein- bzw. auskoppelbar ist. Die Schrägstellung kann dabei insbesondere derart sein, dass von dem Lichtwellenleiter 14 auch Licht außerhalb der lichtleitenden Schicht 18 in das Substrat 10 einkoppelbar ist und im weiteren Verlauf des Strahlengangs des Lichts im Substrat 10 in die lichtleitende Schicht 18 eintritt.
