DE19539392A1 - Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat - Google Patents

Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat

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DE19539392A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat unter Verwendung eines Lotmittels in einer mit einer Strahlungsheizung ausgerüsteten, zumindest teilweise aus Quarzglas bestehenden Vakuumkammer, die eine Gaszuleitung in das Kammerinnere, eine Haltevorrichtung für die photonischen Komponenten und das Substrat sowie eine Kontrolleinrichtung aufweist.
Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der US-A 4 645 116 beschrieben. Mit der hieraus bekannten Vorrichtung können Laser-Chips durch Zwischenlage einer Lotmittelfolie auf Zinnbasis auf einen als Wärmesenke dienenden Kupferstutzen als Substrat flußmittelfrei aufgelötet werden. Dazu wird der Laser-Chip in einer glockenförmigen Vakuumkammer aus Quarzglas (Pyrex) entweder manuell auf das noch feste Zinnlot oder mit einem in der Kammer angeordneten Manipulator auf das aufgeschmolzene Zinnlot aufgelegt. Mit einer Strahlungsheizung in Form eines Lasers wird der Kupferstutzen erwärmt und dadurch die Zinnlotfolie aufgeschmolzen. Es entsteht eine großflächige, flußmittelfreie Lötverbindung, die eine mechanische und elektrische Kontaktierung der beiden Einzelelemente bewirkt (Die-Bonding). Die Temperatur des Bauteils wird an einer Referenzprobe über ein Thermoelement kontrolliert.
Das flußmittelfreie Löten ist für die Kontaktierung eines Laser-Chips mit seinen optischen Spiegelfacetten von grundlegender Bedeutung, da Flußmittelreste zur Ausbildung eines Belages oder zur Degradation der optischen Flächen führen können. Gleiches gilt für photonische Komponenten mit integrierten Lichtwellenleitern. Bei der in der US-A 4 645 116 beschriebenen Vorrichtung soll deshalb die Reduzierung der vorhandenen Lotoxide durch eine Evakuierung der Vakuumkammer auf mindestens 10-5 mbar und ein anschließendes Einleiten von molekularem Wasserstoff erreicht werden. Dabei ist für den Vorgang entscheidend, daß das Verhältnis der Partialdrücke H₂ zu H₂O (gasförmig) für eine Lötung bei 200°C etwa 100 : 1 sein muß. Die Konstanz dieses Partialdruckverhältnisses ist von ausschlaggebender Bedeutung für eine erfolgreiche Oxidreduktion. Von Kammerinnenwänden während des Heizvorganges abdampfendes Wasser kann dieses Verhältnis jedoch über einen so langen Zeitraum verändern, daß durch die einzubeziehende Wartezeit bis zur Rückstellung des zur Reduktion notwendigen Partialdruckverhältnisses jede maximal zulässige Lötzeit überschritten wird.
Aus der US-A 5 289 964 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der ein kleiner Glassockel mit einem größeren Metallstempel auf einer kleinen gemeinsamen Fläche in einer oxidreduzierenden Atmosphäre verbunden werden kann. Dazu wird die Glasbasis fest eingespannt und der Metallstempel über eine vertikale Absenkvorrichtung unter Zwischenlage der Lötfolie auf die Glasbasis abgesenkt. Zum Aufschmelzen des Lots wird der gesamte Aufbau erwärmt. Eine Reduzierung des Umgebungsdrucks erfolgt dabei nicht. Diese Vorrichtung dient der Herstellung von Drucksensoren.
Die EP-A2 0 625 796 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen, die in mehrere Kammern aufgeteilt ist. In einer hohen zylindrischen, evakuierbaren Reinigungskammer wird der Chip auf ein Fließband aufgelegt und ohne Aufheizen unter Inertgaszuführung durch Sputter-Ätzen von vorhandenen Oxidschichten befreit. Dieser Vorgang kann in­ situ durch einen Massenanalysierer für die losgelösten Sekundärionen überwacht werden. Die Justage des gereinigten Chips auf dem Substrat erfolgt in nicht weiter beschriebener Weise unter normalen Umgebungsbedingungen. Die Lötverbindung wird dann in einem zweiten Kammeraufbau mit Vor-, Haupt- und Abkühlkammer in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre unter Vakuum­ bedingungen hergestellt. Der Transport und die Lagerung der zu verbindenden Bauteile erfolgt durch das Fließband. Zum Aufschmelzen des Lots wird die gesamte Hauptkammer erwärmt.
Eine ähnliche Vorrichtung für das flußmittelfreie Löten wird in der US-A 5 409 543 beschrieben. Hierbei werden die zu verbindenden Bauelemente ebenfalls auf ein Trägerfließband aufgelegt und in einem evakuierbaren Kammersystem vorantransportiert. Die Aufschmelzung des Lots erfolgt unter Arbeitsgas in einer evakuierbaren Kammer bei relativ hohen Temperaturen durch eine oberhalb der zu verbindenden Bauelemente angeordnete Laser- Substratheizung und einer unterhalb angeordneten Widerstandsheizung. Die Bauelemente werden vollautomatisch plaziert, eine räumliche und zeitliche Kontrolle erfolgt ebenfalls automatisch in nicht weiter beschriebener Weise.
Aus der EP-A2 0 352 454 schließlich ist es bekannt, Bauelemente mit Lötverbindungen, insbesondere mit dem "Tape Automated Bonding" (TAB), herzustellen durch Anblasen und Erhitzen der Lötstelle mit einem heißen Gas, das Wasserstoffanteile (Formiergas) enthält und gleichzeitig oxidentfernend und -reduzierend wirkt. Dabei werden die zu verbindenden Bauteile in nicht weiter beschriebener Weise von Haltemitteln gehalten, die aufeinanderzubewegbar und miteinander verbindbar sind.
Bei den beschriebenen Vorrichtungen können die Lötverfahren ohne größere Justagevorkehrungen eingesetzt werden. Es werden keine besonders hohen Anforderungen an die Güte der durch das Kontaktieren erzielten Justage gestellt.
Aus der EP-A2 0 517 369 ist es dagegen bekannt, für optoelektronisch­ integrierte Schaltungen (OEIC), die mit Glasfasern zu verbinden sind, als flußmittelfreie Löttechnik in inerter Atmosphäre das sogenannte "Flip-Chip- Bonding" (FC-Bonding) anzuwenden, das nach einer präzisen Vorjustierung (auf 30 µm genau) des Chips auf dem Substrat eine Selbstjustierung zwischen den zu kontaktierenden Komponenten beim Lötvorgang ermöglicht. Hierbei wird der photonische Mikrochip mit der Oberseite nach unten gedreht ("Flip-Chip") und über ein strukturiertes Lotmittel in Form von auf dem Chip oder dem Substrat aufgebrachten Lotmittelpunkten (Bumps) durch deren Aufschmelzen in nicht­ oxidierender Atmosphäre mit dem Substrat verbunden. Die Selbstjustierung wird bewirkt über Rückstellkräfte in den flüssigen Lotmittelpunkten ("Einschwimmen"), die nach einer Minimierung der Oberflächenenergie streben. Neben der mechanisch/elektrischen Verbindung durch die Lötpunkte selbst erfolgt aufgrund einer entsprechenden Anordnung der optischen Elemente auch gleichzeitig die optische Verbindung, die höchste Justagegenauigkeit erfordert.
In der EP-A1 0 371 693 ist eine Vorrichtung für ein derartiges FC-Bonding offenbart, bei der die zu verbindenden Bauelemente, für deren Ausrichtung zueinander keine weiteren Mittel beschrieben sind, auf einer höhenverstellbaren Heizplattform als Lagerteller in einer zylindrischen Vakuumkammer aus Glas gelagert werden. Von der Oberseite der Vakuumkammer wird atomarer Wasserstoff zur Oxidreduktion an die Verbindungsstellen geleitet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Problematik ist darin zu sehen, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die empfindlichen Verfahrensparameter, die zur Erzielung einer bestmöglichen Bauteilqualität unabdingbar sind, insbesondere das Partialdruckverhältnis, unter möglichst geringer thermischer Belastung der Bauteilkomponenten optimal während des Herstellungsprozesses eingehalten werden können. Dabei soll die Vorrichtung gleichzeitig so gestaltet sein, daß die Kontaktierung durch Lötverbindungen insbesondere nach dem Flip-Chip-Bonding-Verfahren erfolgt und die exakte Vorjustierung der zu kontaktierenden Komponenten gewährleistet ist. Trotz der hohen Justagegenauigkeit soll die Vorrichtung in ihrem Aufbau sowie ihrer Funktionsweise einfach und damit kostengünstig sein.
Zur Lösung der beschriebenen Problematik ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten sauf einem Substrat vorgesehen, daß die Vakuumkammer als flache Kammer mit einem planen Boden aus einer unteren Quarzglasplatte und einem planen Deckel aus einer entfernbaren oberen Quarzglasplatte ausgeführt ist, die Strahlungsheizung als fokussierte Infrarot-Strahlungsheizung ausgebildet und unterhalb der den Kammerboden bildenden unteren Quarzglasplatte angeordnet sowie direkt auf das Substrat ausgerichtet ist, die Haltevorrichtung aus einer außerhalb der Vakuumkammer anordenbaren oberen Justagevorrichtung zur Halterung und Positionierung einer photonischen Komponente, insbesondere in Form eines infrarot-transparenten Flip-Chips, und einer außerhalb der Vakuumkammer angeordneten, die Infrarot-Strahlungsheizung nicht behindernden unteren Justagevorrichtung für das Substrat besteht und daß die Kontrolleinrichtung eine in-situ-Justagekontrolleinrichtung für die Selbstjustierung des Flip-Chips auf dem Substrat in Form eines Infrarotmikroskops aufweist, das oberhalb der den Kammerdeckel bildenden Quarzglasplatte anordenbar ist.
Der flache Aufbau der Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht einen optimalen Zugang zu den in ihrem Innern angeordneten, zu verbindenden Bauelementen bezüglich Handhabung, Behandlung und Beobachtung. Die planen, zumeist runden Quarzglasplatten sind einfach herstellbar. Die als Deckel ausgebildete obere Quarzglasplatte kann zum Öffnen und Schließen der Vakuumkammer leicht entfernt und wieder aufgelegt werden. Durch ihre Planität ermöglicht sie einen verzerrungsfreien Einblick in das Kammerinnere und einen optimalen, geringen Arbeitsabstand für darüber angeordnete Arbeitsmittel. Die unkomplizierte Geometrie der Kammer ermöglicht einfache Dichtsysteme, mit denen Vakuumdrücke bis 10-8 mbar erreichbar sind. Die Ausgestaltung des Bodens der Kammer als ebenfalls flache, durchsichtige Quarzglasplatte ermöglicht die darunterliegende Anordnung der fokussierten Infrarot- Strahlungsheizung außerhalb der Vakuumkammer und deren direkte Ausrichtung auf das zu kontaktierende Substrat. So kann ohne optische Verzerrungen und ohne Wärmeabsorption durch den Kammerboden oder anderer vorhandener Bauteile das Substrat direkt von unten beheizt werden. Mit der direkten Infrarot-(IR)-Strahlungsheizung kann eine sehr hohe Heizrate im Bereich oberhalb von 30°C/s erreicht werden. Damit erfolgt eine Erwärmung des Lotmittels auf ca. 200°C in sehr kurzer Zeit, so daß die thermische Belastung der zu kontaktierenden Komponenten und des Substrats gering ist. Außerdem wird durch die Fokussierung und die gezielte Ausrichtung der Infrarot- Strahlungsheizung auf das zu kontaktierende Substrat nur eine äußerst partielle Erwärmung in der Vakuumkammer bewirkt, wodurch die Bildung von Wasserdampf durch Wasser, das zwangsläufig auf den Kammerinnenwänden adsorbiert ist, sicher vermieden ist. Eine Verschiebung des Partialdruckverhältnisses von H₂ zu H₂O (gasförmig), deren Ausgleich erst wieder abgewartet werden müßte, ist sicher vermieden. Damit verringert sich die thermische Belastung für die zu verbindenen Bauteile zeitlich auf die minimal erforderliche Aufschmelzzeit für das Lotmittel und die Zeit für die Selbstjustierung. Die Oxidreduktion selbst kann bereits im festen Lotmittelzustand erfolgen.
An dieser Stelle kann bereits eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erwähnt werden, nach der oberhalb der den Kammerdeckel bildenden oberen Quarzglasplatte eine fokussierte Zusatz-Infrarot-Strahlungsquelle angeordnet und direkt auf den Flip-Chip ausgerichtet ist. Dadurch wird nunmehr auch der Flip-Chip direkt erwärmt, so daß die thermische Belastung der zu kontaktierenden photonischen Komponenten zeitlich optimierbar ist. Durch die plane Ausgestaltung der oberen Quarzglasplatte ist die Anordnung der Zusatz- Infrarot-Strahlungsquelle problemlos möglich. Besonders bei größeren oder kompakteren Bauelementen ist das Vorsehen der Zusatz-Infrarot- Strahlungsquelle von Nutzen.
Der erfindungsgemäße zweiteilige Aufbau der Haltevorrichtung in Form von zwei außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Justagevorrichtungen ermöglicht eine genaue Vorjustage der Kontaktierungspartner zueinander mit einer Lagetoleranz kleiner 5 µm. Durch die Anordnung ist die Vakuumkammer in ihren Abmessungen, speziell in ihrer besonders flachen Ausbildung, nicht von der Größe der beiden Justagevorrichtungen und deren zugehörigen Versorgungssystemen abhängig. Dabei ist die obere Justagevorrichtung so aufgebaut, daß sie leicht einen Chip halten kann, der in umgedrehter Form als "Flip-Chip" zu kontaktieren ist. Die Anordnung der unteren Justagevorrichtung ermöglicht Lageanpassungen des Substrats zusammen mit der unteren Quarzglasplatte, ohne die IR-Strahlungsheizung in ihrer direkten Ausrichtung auf das zu erwärmende Substrat zu behindern. Sie kann dazu ringförmig ausgebildet sein oder auch aus einem infrarot-transparenten Material bestehen. Zur Lagerung der Quarzglasplatte kann sie dann eine plane Auflagefläche aufweisen. Nach Beendigung der Vorjustage und nach dem entsprechenden Auflegen des Chips auf das Substrat kann die obere Justageeinrichtung so weit von dem oberen Quarzglasdeckel entfernt werden, daß ein ungehinderter Einblick in das geschlossene Kammerinnere von oben her möglich ist.
Neben einer an sich bekannten Temperatur-Kontrolleinrichtung ist bei der Erfindung eine in-situ-Justagekontrolleinrichtung vorgesehen. So kann während des Lötvorganges die Ausrichtung der beiden Bauelemente zueinander kontrolliert werden. Dabei wird mit dem Infrarot-Mikroskop durch den infrarot­ transparenten Chip hindurch die relative Lage der Bauelemente zueinander beurteilt. Bei Erreichen der optimalen Positionierung kann der Lötvorgang beendet werden, so daß bauelementabhängig die optimale Bonddauer erreicht wird. Die bei einer vorgegebenen Montagetoleranz zur Reduktion der Oxide erforderliche Heizphase kann so kurz wie möglich gehalten werden. Die minimale thermische Belastung beim Bonden und die damit auch verbundene Zeiteinsparung ermöglichen eine optimale Prozeßführung mit einer gesteigerten Produktion und einer gleichzeitigen Qualitätskontrolle. Kontrolle und Auswertung können dabei automatisch erfolgen. Das ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die obere Justagevorrichtung nach einer Erfindungsausgestaltung ein Mustererkennungssystem enthält.
Die Bewegungen der beiden Justagevorrichtungen können besonders einfach erfolgen, wenn nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die obere Justagevorrichtung eine dreh- und längsverschiebbare Vakuumansaugung und die untere Justagevorrichtung eine dreh- und längsverschiebbare Lagerung aufweist. Die Vakuumansaugung stellt eine besonders bauteilschonende, einfache Haltevorrichtung für den empfindlichen Mikrochip dar, zumal ein Vakuumpumpsystem für die zu evakuierende Vakuumkammer bereits vorhanden ist. Die Ausrichtung des Mikrochips erfolgt durch Autokollimation, d. h. durch eine parallelisierende Ausrichtung gegenüber dem Substrat durch Austaumeln, d. h. Drehen des Chips um seine beiden in der Oberfläche orthogonal zueinander liegenden Hauptachsen. Die Absenkung des Chips erfolgt über die senkrecht zu den beiden Achsen liegende sogenannte Bondachse. Die Ausrichtung der zu verbindenden Bauteile bezüglich der durch die Hauptachsen aufgespannten Hauptebene wird durch eine Drehung und Verschiebung der Lagerung, auf die direkt die den Boden bildende untere Quarzglasplatte mit dem aufgelegten Substrat aufgelegt ist, bezüglich der Bondachse bewirkt.
Eine andere Erfindungsausgestaltung sieht vor, daß die Wand der Vakuum­ kammer aus einem Metallring besteht, durch den sternförmig die Anschlüsse für die Evakuierungspumpe, die Gaszuleitung und die Temperatur- Kontrolleinrichtung hindurchgeführt sind. Bei einem derartigen "Bonderstern" sind alle erforderlichen Anschlüsse übersichtlich und leicht zugänglich in einer Ebene angeordnet. Dadurch wird die Handhabung des Bondersterns und seine Einbaumöglichkeiten in die gesamte Versorgungsanlage wesentlich erleichtert. Auch behindert diese Art der Anschlußzuführung nicht den freien Zugang zu der oberen und der unteren Quarzglasplatte der Kammer. Eine Ausgestaltung der Wandung in Form eines Metallringes ist möglich, weil das hieran zwangsläufig adsorbierte Wasser nicht ausdampfen kann, da die Wandung während der Heizphase durch die fokussierte IR-Strahlung nur in einem unkritischen Bereich erwärmt wird. Die Konstruktion eines Metallrings ist einfach und ermöglicht sichere Anschluß- und Dichtungsausführungen, gleichzeitig gibt sie der Vakuumkammer die erforderliche mechanische Stabilität. Andere Anordnungen der einzelnen Zuleitungen, beispielsweise durch eine Anordnung der Hochvakuumpumpe direkt unter der Vorrichtung, sind jedoch auch möglich.
Gemäß einer Erfindungsfortführung kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß der Vakuumkammer eine Vorvakuumkammer vorgeschaltet ist, von der aus die zu kontaktierenden Einzelelemente automatisch in die Vakuumkammer einschleusbar sind. Ein derartiger Aufbau aus mehreren Kammern ist zwar aus dem genannten Stand der Technik für die Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen bereits bekannt, bekommt aber gerade im Zusammenhang mit der oben beschriebenen Möglichkeit der Automatisierung bei der in-situ- Justage-Kontrolleinrichtung für die Erfindung eine besondere Bedeutung. Durch die Senkung der Evakuierungszeit auf wenige Minuten kann damit die Standzeit wesentlich verringert werden, was sich positiv für die Bauelementbehandlung und zugleich kostengünstig auswirkt. Dieser Vorteil wird noch verstärkt, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung die gesamte Vorrichtung automatisch steuerbar ist. Eine selbständig arbeitende Vorrichtung mit automatisch gesteuerter Vorjustage und Verfahrensabläufen sowie in-situ-Kontrolle der Kontaktierung ermöglicht eine besonders rationelle, aber qualitativ hochwertige Herstellung von optoelektronischen Hybrid-Bauelementen in hohen Stückzahlen.
Das zuvor Ausgeführte hat dann eine ganz besondere Bedeutung, wenn es sich bei der zu kontaktierenden photonischen Komponente um einen infrarot­ transparenten Flip-Chip mit integrierten Lichtwellenleitern und bei dem Substrat um eines mit eingeätzten V-Nuten, in die Glasfasern eingelegt werden können, handelt. Derartige hybridartig aufgebaute Bauelemente sind mechanisch, elektrisch und optisch äußerst empfindlich, so daß aus den bereits genannten Gründen in besonderem Maß ein flußmittelfreies Lötverfahren für die Kontaktierung eingesetzt werden muß. Außerdem können derartige Bauelemente, insbesondere wenn diese mehrere Faserein- und -ausgänge aufweisen, besonders vorteilhaft mit dem FC-Bonding-Verfahren hergestellt werden, da es sich hierbei um ein Simultanverfahren handelt, bei dem die mechanisch/elektrische und die optische Kontaktierung gleichzeitig herstellbar sind. Gleiches gilt auch, wenn es sich bei der zu kontaktierenden photonischen Komponente um einen Flächenstrahler mit geätzten Spiegeln zur Lichtübertragung zwischen den Konatktierungspartnern handelt. Für derartige Bauelemente eignet sich für die Kontaktierung die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie bereits an mehreren Stellen ausgeführt, in ganz besonderem Maße, so daß sich die hiermit hergestellten optoelektronischen Bauelemente durch eine hervorragende Herstellungsqualität und -genauigkeit bei einer günstigen Leistungs-Kosten-Relation auszeichnen.
Unterstützt wird die Kostengünstigkeit noch, wenn die Lötpunkte aus einer Zinn- Legierung bestehen, beispielsweise Blei-Zinn, Indium-Zinn oder Gold-Zinn. Derartige Legierungen weisen einen günstigen, relativ niedrigen Schmelzpunkt zwischen ca. 200 und 300°C auf. Außerdem kann auch hierfür - wie in der bereits erwähnten US-A 4 645 116 ausgeführt - eine Oxidreduktion bei Zuführung von molekularem Wasserstoff schon bereits bei einer Schmelztemperatur von ca. 200°C und einer Bondingzeit im Bereich unterhalb von 2 min erreicht werden. Dabei wirkt es sich unterstützend aus, wenn die den Lötpunkten zugeordneten Metallisierungsflächen aus Platin bestehen, da durch eine geringe Diffusion von Platin in das aufgeschmolzene Zinn-Legierungs-Lot die elektrischen und mechanischen Kontaktierungseigenschaften der Verbindungsstellen erhalten bleiben.
Vorteilhafte Auswirkungen hat es schließlich auch, wenn der optoelektronische Chip und das Substrat eine identische Noniusstruktur aufweisen. Diese ermöglicht in einfacher Weise eine visuelle, aber auch eine automatische Erkennung der Justagegenauigkeit beim Lötvorgang bei beidseitig polierten Bauelementen mittels des bereits erwähnten Infrarotmikroskops bzw. einer Infrarotkamera bis auf 0,2 µm. Eine derartige Genauigkeit erfüllt bei einer Lötverbindungsdicke im Bereich von 15 bis 30 µm und einem Faserdurchmesser von 125 µm mit einem Kerndurchmesser von 9 µm für die Lichtwellenleiter vollständig alle Anforderungen. Vereinfachend kann eine solche Noniusstruktur zusammen mit der Metallisierung für die Lotmittelpunkte und ihre Kontaktstellen mit der gleichen Metallisierungsmaske aufgebracht sein.
Im folgenden soll anhand von Erläuterungen zu der Figur die Erfindung in ihrem wesentlichen Charakter noch näher veranschaulicht werden. Die Figur zeigt dazu schematisch einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dargestellt ist die Vorrichtung im Zustand der stattfindenen Kontaktierung einer photonischen Komponente auf ein Substrat. Dabei ist der besseren Erkennbarkeit halber das optoelektronische Bauelement stark vergrößert dargestellt.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat mit einer runden, flachen Vakuumkammer 2, die einen flachen Boden aus einer unteren, runden Quarzglasplatte 3 und einen flachen Deckel aus einer oberen, runden Quarzglasplatte 4 aufweist. Unterhalb der unteren Quarzglasplatte 3 ist eine Strahlungsheizung in Form einer Infrarot-Stahlungsheizung 5 mit einer Leistung von ca. 150 W angeordnet, die direkt auf ein Substrat 6 ausgerichtet ist (Pfeile). Weiterhin liegt die untere Quarzglasplatte 3, die eine plane Auflagefläche für das Substrat 6 bildet, in einer unteren Justagevorrichtung 7 als Teil einer nicht weiter dargestellten ringförmigen Haltevorrichtung, die in der Figur durch zwei ringförmig miteinander verbundene Auflager 8, 9 angedeutet ist. Die Bewegungsmöglichkeiten der unteren Justagevorrichtung 7 werden durch das gezeigte untere Achsenkreuz verdeutlicht. Längsbewegungen entlang der Hauptachsen und eine Drehbewegung zu der senkrechten Achse - Bondachse - sind möglich. Durch ihre ringförmige Ausgestaltung behindert die untere Justagevorrichtung 7 den Strahlengang der IR-Strahlungsheizung 5 nicht. Auf die untere Quarzglasplatte 3 ist über einen unteren Dichtring 10 druckdicht ein flacher Metallring 11 aufgelegt. Dieser trägt, unter Vakuum ebenfalls druckdicht durch die Anordnung eines oberen Dichtringes 12, die als Deckel fungierende obere Quarzglasplatte 4. Diese ist auf den Metallring 11 aufgelegt, so daß sie einfach abnehmbar ist. Die untere Quarzglasplatte 3 wird durch lösbare Spannverschraubungen 13,14 (in der Figur nur angedeutet), die durch Auskragungen am Metallring 11 hindurchgreifen, druckdicht an diesen angedrückt. Durch den Metallring 11 sind sternförmig ein Vakuumanschluß 15, der zu einem nicht weiter dargestellten Pumpsystem führt, eine Gaszuführung 16 von einer nicht weiter dargestellten Gasversorgung mit reinem, molekularem Wasserstoff oder Stickstoff und eine Zuleitung für ein Thermoelement 17 als Teil einer nicht weiter dargestellten Kontrolleinrichtung hindurchgeführt. Das Thermoelement befindet sich auf einem Referenzsubstrat, das hinter dem Substrat 6 in der Vakuumkammer 2 liegt und in der Figur ebenfalls nicht weiter dargestellt ist. Durch die sternförmige Zuführungsart kann die Vorrichtung 1 auch als "Bonderstern" bezeichnet werden.
Auf das Substrat 6 ist ein optoelektronischer, infrarot-transparenter Hybridchip aufgelegt, der zusammen mit dem Substrat 6 ein Hybrid-Modul 19 bildet. Im gezeigten Beispiel ist der Hybridchip als Flip-Chip 18, d. h. in umgedrehter Form mit der Oberseite nach unten auf das Substrat 6 aufgelegt. Er weist an seiner Oberfläche Lichtwellenleiter 20 auf, die zur Ankopplung mit Glasfasern 21 mit einem Faserkern 22 gelangen sollen, die in eingeätzte V-Nuten 23 im Substrat 6 eingelegt bzw. einlegbar sind. Die mechanische/elektrische Verbindung zwischen dem Flip-Chip 18 und dem Substrat 6 erfolgt nach dem Verfahren des "Flip-Chip-Bonding" über außerhalb der optischen Elemente aufgebrachte Lotmittelpunkte 24 aus einer Blei-Zinn-Legierung als Lotmittel auf dem Substrat 6. Zugeordnete Metallisierungsflächen 25 (auch unterhalb der Lotmittelpunkte 24) auf dem Flip-Chip 18 sind aus Platin.
Oberhalb der oberen Quarzglasplatte 4 ist als weiterer Teil der Haltevorrichtung eine obere Justagevorrichtung 26 dargestellt, die im gezeigten Zustand der Vorrichtung 1 (Bonderstern) von dieser weggefahren ist. Die obere Justagevorrichtung 26 weist eine Vakuumansaugung 27 auf und ist dreh- und längsverschiebbar. Ihre Bewegungsmöglichkeiten sind durch das obere Achsenkreuz angedeutet. Es sind Drehbewegungen um die beiden Hauptachsen möglich, so daß der Flip-Chip 18 im angesaugten Zustand (nicht dargestellt) durch Autokollimation, d. h. Drehung um die beiden Achsen, zu dem Substrat 6 parallelisiert werden kann. Weiterhin ist eine Bewegung längs der Bondachse zum Absenken des Flip-Chips 18 auf das Substrat 6 möglich. Dieses kann über die untere Justagevorrichtung 7 in der Hauptebene längsverschoben und um die Bondachse gedreht werden. Mittig über der Vorrichtung 1 (Bonderstern), oberhalb der oberen Quarzglasplatte 4 ist als weiterer Teil der Kontrolleinrichtung eine höhenverstellbare in-situ-Justagekontrolleinrichtung in Form eines Infrarotmikroskops 28 (oder auch Infrarotkamera) angeordnet dargestellt. Auch das Infrarotmikroskop 28 ist aus der unmittelbaren Nähe der Vorrichtung 1 (Bonderstern) entfernbar. Auf dem Flip-Chip 18 befindet sich wie auf dem Substrat 6 eine identische Noniusstruktur, die sich durch die Übereinanderlagerung des Flip-Chips 18 mit dem Substrat 6 zu einem geteilten Balken zusammenfügt. Dessen innere Überlappung kann während des Lötvorganges mit dem Infrarotmikroskop 28 durch den infrarot-transparenten Flip-Chip 18 hindurch beobachtet werden. Bei Erreichen der erforderlichen Justagegenauigkeit kann der Vorgang beendet werden. Ebenfalls oberhalb der oberen Quarzglasplatte 4 ist eine Zusatz-Infrarot-Strahlungsheizung 29 angedeutet, die direkt auf den Flip-Chip 18 ausgerichtet ist, so daß dieser besonders schnell erwärmt werden kann.
Abschließend soll kurz der mit der Vorrichtung 1 (Bonderstern) vornehmbare Verfahrensablauf zur Herstellung des optoelektronischen Hybridmoduls 19 erläutert werden. Vor Beginn wird das Innere der Vakuumkammer 2 über die Gaszuführung 16 mit Stickstoff gereinigt. Der Flip-Chip 18 (im beschriebenen Beispiel ein Chip pro Substrat) wird dann in umgedrehter Form über die Vakuumansaugung 27 der oberen Justagevorrichtung 26 angesaugt, über das auf die untere Quarzglasplatte 3 zuvor aufgelegte Substrat 6 gefahren und zum Substrat 6 autokollimiert. Danach werden die Teile durch Ausrichtung des Substrats 6 über die untere Justageeinrichtung 7 in der Hauptebene zueinander ausgerichtet. Dann werden sie zueinander justiert, so daß die Metallisierungsflächen 25 mit den Lötpunkten 24 eine Mindestüberdeckung von 50% aufweisen. Anschließend wird durch Herabfahren der oberen Justagevorrichtung 26 der Flip-Chip 18 auf dem Substrat 6 abgelegt. Die obere Justagevorrichtung 26 wird wieder in ihre Ausgangsstellung gebracht, die Vorrichtung 1 (Bonderstern) durch Auflegen der oberen Quarzglasplatte 4 verschlossen und über den Vakuumanschluß 15 in einer Zeitspanne von ca. 10 min bis auf einen Druck von 10-6 bar evakuiert. Danach wird über die Gaszuführung 16 reiner molekularer Wasserstoff zur Oxidreduktion vor und während des Lötvorganges in das Kammerinnere eingeleitet. Die Oxidreduktion kann in der Hauptsache ohne Erwärmung bereits vor dem eigentlichen Lötvorgang erfolgen. Der eingestellte Innendruck bleibt auch während des nachfolgenden Hochheizens mit der IR-Strahlungsheizung 5 absolut konstant, da die Innenwände der Kammer nicht miterwärmt werden, so daß es nicht zu einer Erhöhung des Partialdruckes H₂O (gasförmig) durch von den Kammerinnenwänden desorbiertem Wasser kommen kann. Der konstant niedrige Innendruck ist für eine ausreichende Oxidreduktion und -verhinderung von ausschlaggebender Bedeutung. Das Hochheizen auf eine Endtemperatur von ca. 200°C erfolgt sehr schnell mit einer Heizrate größer als 20°C/s. Die Kontrolle erfolgt über das Thermoelement. Die Verbindung von Flip-Chip 18 und Substrat 6 wird in-situ über die Noniusstellung durch das Infrarotmikroskop 28 durch den infrarot-transparenten Flip-Chip 18 hindurch beobachtet, so daß bei Erreichen der erforderlichen Justagegenauigkeit die Heizphase beendet werden kann. Nach erfolgter Selbstausrichtung kühlen unter zunächst weiterer Wasserstoffzufuhr die Verbindungsstellen ab. Nach der Erstarrung der Lötverbindungen wird die Vorrichtung 1 (Bonderstern) mit Stickstoff belüftet und das hergestellte optolektronische Hybridmodul 19 entnommen.
Alle beschriebenen Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens können automatisiert und von einem Computer gesteuert werden. Zusammen mit den bereits beschriebenen baulichen Automatisierungsmaßnahmen kann damit eine Vorrichtung zur Herstellung elektronischer, insbesondere optoelektronischer Bauelemente bereitgestellt werden, die äußerst kostengünstig und schnell hochpräzise hergestellte Bauelemente in größeren Stückzahlen liefert.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Vakuumkammer
3 untere Quarzglasplatte
4 obere Quarzglasplatte
5 IR-Strahlungsheizung
6 Substrat
7 untere Justagevorrichtung
8 linkes Auflager
9 rechtes Auflager
10 unterer Dichtring
11 Metallring
12 oberer Dichtring
13 linke Spannverschraubung
14 rechte Spannverschraubung
15 Vakuumanschluß
16 Gaszuführung
17 Zuleitung für ein Thermoelement
18 Flip-Chip
19 Hybridmodul
20 Lichtwellenleiter
21 Glasfaser
22 Faserkern
23 V-Nut
24 Lotmittelpunkt
25 Metallisierungsfläche
26 obere Justagevorrichtung
27 Vakuumansaugung
28 Infrarotmikroskop
29 Zusatz-Infrarot-Strahlungsheizung

Claims (7)

1. Vorrichtung zur flußmittelfreien Kontaktierung von photonischen Komponenten auf einem Substrat unter Verwendung eines Lotmittels in einer mit einer Strahlungsheizung ausgerüsteten, zumindest teilweise aus Quarzglas bestehenden Vakuumkammer, die eine Gaszuleitung in das Kammerinnere, eine Haltevorrichtung für die photonischen Komponenten und das Substrat sowie eine Kontrolleinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Vakuumkammer (2) als flache Kammer mit einem planen Boden aus einer unteren Quarzglasplatte (3) und einem planen Deckel aus einer entfernbaren oberen Quarzglasplatte (4) ausgeführt ist,
  • - die Strahlungsheizung als fokussierte Infrarot-Strahlungsheizung (5) ausgebildet und unterhalb der den Kammerboden bildenden unteren Quarzglasplatte (3) angeordnet sowie direkt auf das Substrat (6) ausgerichtet ist,
  • - die Haltevorrichtung aus einer außerhalb der Vakuumkammer (2) anordenbaren oberen Justagevorrichtung (26) zur Halterung und Positionierung einer photonischen Komponente, insbesondere in Form eines infrarot-transparenten Flip-Chips (18), und einer außerhalb der Vakuumkammer (2) angeordneten, die Infrarot-Strahlungsheizung (5) nicht behindernden unteren Justagevorrichtung (7) für das Substrat (6) besteht und daß
  • - die Kontrolleinrichtung eine in-situ-Justagekontrolleinrichtung für die Selbstjustierung des Flip-Chips (18) auf dem Substrat (6) in Form eines Infrarotmikroskops (28) aufweist, das oberhalb der den Kammerdeckel bildenden oberen Quarzglasplatte (4) anordenbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der den Kammerdeckel bildenden oberen Quarzglasplatte (4) eine fokussierte Zusatz-Infrarot-Strahlungsquelle (29) angeordnet und direkt auf den Flip-Chip (18) ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Justagevorrichtung (26) ein Mustererkennungssystem enthält.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß daß die obere Justagevorrichtung (26) eine dreh- und längsverschiebbare Vakuumansaugung (27) und die untere Justagevorrichtung (7) eine dreh- und längsverschiebbare Lagerung (8, 9) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Vakuumkammer (2) aus einem Metallring (11) besteht, durch den sternförmig der Vakuumanschluß (15) , die Gaszuführung (16) und die Zuleitung für ein Thermoelement (17) hindurchgeführt sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumkammer (2) eine Vorvakuumkammer vorgeschaltet ist, von der aus die zu kontaktierenden Einzelelemente automatisch in die Vakuumkammer (2) einschleusbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie automatisch steuerbar ist.
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