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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein Mikrooptoelektronikmodul gemäß den auf den Stand der Technik
bezogenen Abschnitten der unabhängigen
Ansprüche.
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Optische Kommunikationssysteme werden vielfach
zum Befördern
großer
Informationsmengen unter Verwendung von Licht und optischen Fasern anstelle
des elektrischen Stroms und der Metalldrähte, die bei anderen Kommunikationssystemen
zu finden sind, verwendet. Diese optischen Kommunikationssysteme
können
ferner größere Informationsmengen
mit einem geringeren Datenverlust und bei geringeren Kosten über große Entfernungen
befördern
als das ältere
Metalldrahtsystem. Aus diesem Grund fand bezüglich Komponenten optischer
Kommunikationssysteme, beispielsweise Optoelektronikbausteinen oder
-modulen, bereits eine beträchtliche Entwicklung
statt.
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Optoelektronik bezieht sich allgemein
auf Bauelemente, die sowohl elektronische als auch optische Attribute
aufweisen. Optoelektronikmodule umfassen die optischen Teile, die
notwendig sind, um das Licht, das die Informationen durch die optische Faser
trägt,
zu senden, empfangen oder verarbeiten. Die Optoelektronikbauelemente,
die Bestandteil der Optoelektronikmodule sind, umfassen Laser, die
ansprechend auf ein elektronisches Signal ein kohärentes Licht
erzeugen, und Photodetektoren, die ansprechend auf Licht ein elektronisches
Signal erzeugen. Dies sind die Bauelemente, die üblicherweise verwendet werden,
um die optischen Informationen, die an den optischen Fasern entlangwandern,
zu senden, zu empfangen und zu verarbeiten. Diese Optoelektronikbauelemente
können
jedoch nicht ohne die Hilfe anderer optischer Teile, die zusammen
das Optoelektronikmodul bilden, effizient arbeiten.
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In der Regel verwenden Optoelektronikmodule
kantenemittierende Halbleiterlaser zum Senden und oberflächenerfassende
Photodetektoren zum Empfangen des Lichtes, das die Informationen
durch die optischen Fasern trägt.
Kantenemittierende Laser weisen jedoch einen relativ weiten Ausstrahlungswinkel
auf. Der Ausstrahlungswinkel ist der Winkel des Licht„Kegels", der von dem kantenemittierenden Laser
ausgestrahlt wird. Deshalb weisen Sendermodule eine zwischen den
Laser und die optische Faser eingefügte Linse zum Fokussieren des
Laserlichts auf, um beim optischen Koppeln eine hohe Effizienz zu
erhalten. Desgleichen weist Licht, das eine optische Faser verläßt, einen
Ausstrahlungswinkel auf. Somit ist in der Regel zwischen die optische
Faser und einen oberflächenerfassenden
Photodetektor in einem Empfängermodul
eine Linse zum Fokussieren des Lichts eingefügt, um eine hohe Kopplungseffizienz
zu erhalten. Die Verwendung einer Linse weist den zusätzlichen
Vorteil auf, daß sie
ermöglicht,
daß die
Entfernung zwischen verschiedenen Elementen der Optoelektronikmodule
gemäß den Entwurfszielen
von Modul zu Modul variiert.
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Zwischen den kantenemittierenden
Laser und die optische Faser können
bei einem Sendermodul auch andere optische Komponenten eingefügt sein,
z. B. Filter, Trennglieder oder Spiegel. Diese Komponenten können je
nach dem Entwurf und der beabsichtigten Funktion des spezifischen
Optoelektronikmoduls verschiedene Funktionen erfüllen. Beispielsweise ist es
wünschenswert,
ein optisches Trennglied zwischen den Laser und die optische Faser
einzufügen.
Das optische Trennglied ermöglicht, daß das Laserlicht
auf seinem Weg zu einer optischen Faser in einer Richtung frei passiert,
verhindert jedoch, daß Laserlicht,
das von der optischen Faser kommt, zu dem Laser zurückkehrt.
Desgleichen können
bei einem Empfängermodul
andere optische Komponenten zwischen den Photodetektor und die optische
Faser eingefügt
sein.
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Bei einem Optoelektronikmodul ist
es wünschenswert,
daß der
Laser, die Linse, die optische Komponente und die optische Faser
in einer präzisen vorbestimmten
Ausrichtung zueinander vorliegen. Desgleichen ist es wünschenswert,
daß die
optische Faser, die Linse, die optische Komponente und der Photodetektor
in dem Empfängermodul
in einer präzisen
vorbestimmten Ausrichtung zueinander vorliegen. Um diese präzise Ausrichtung
zu erreichen, werden in der Regel dreidimensionale Halterungen oder
Befestigungen benötigt,
um die Komponenten in ihrer Position und in einer Ausrichtung zueinander
zu halten.
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Ein Nachteil derartiger herkömmlicher
Optoelektronikmodule oder -bausteine besteht darin, daß die Halterungen
in der Herstellung teuer sind, da sie eine relativ hohe Präzision erfordern.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß ein Montieren der Komponenten
der Optoelektronikmodule in präzise
Positionen unter Verwendung der Halterungen zeitaufwendig ist, was
einen geringen Durchsatz in der Produktion bewirkt. Ferner kann
auch ein beträchtlicher Zeitaufwand
und eine beträchtliche
Sorgfalt in bezug auf Ausrichtung und Einstellung beim Zusammenbauen
der Optoelektronikmodule erforderlich sein. Schließlich müssen die
Module vollständig
in ihr abschließendes
Gehäuse
eingebaut werden, bevor sie getestet werden können. Dies schränkt die
Fähigkeit der
Optoelektronikmodule ein, durch Bedienpersonen, die mittelmäßig ausgebildet
sind, auf kostengünstige
Weise in Massenproduktion hergestellt zu werden. Dies führt ferner
zur Produktion von unbrauchbaren Modulen. Diese Faktoren verhindern
in der Regel die Herstellung von kostengünstigen Optoelektronikmodulen.
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In der EP-A-0640853 ist ein integriertes
optisches Bauelement des Typs offenbart, der in dem auf den Stand
der Technik bezogenen Abschnitt des Patentanspruchs 1 definiert
ist und der ein Halbleitersubstrat aufweist, das eine in dessen
oberen Schicht gebildete Ausnehmung, eine auf einer Oberfläche des
Substrats angeordnete optische Komponente, eine durch die Ausnehmung
geführte
weitere optische Komponente sowie an einer Hauptoberfläche des
Substrats angebrachte elektronische Komponenten aufweist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
ein Mikrooptoelektronikmodul zu schaffen, das mit einer präzisen Positionierung
und Ausrichtung des Optoelektronikbauelements und der optischen
Komponente ohne weiteres und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Mikrooptoelektronikmodul
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist,
die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
eines Mikrooptoelektronikmoduls gemäß der Erfindung, die die Ausrichtung
der optischen Komponente, der Kugellinse und des Optoelektronikbauelements
in Bezug auf den optischen Pfad zeigt.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der 1, wobei die optische
Komponente und die Kugellinse der Deutlichkeit halber entfernt sind.
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3 ist
eine entlang des optischen Pfads genommene Querschnittsseitenansicht
des Mikrooptoelektronikmoduls, wie es in 1 gezeigt ist.
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4 ist
eine entlang des optischen Pfads genommene Querschnittsseitenansicht
eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Mikrooptoelektronikmoduls gemäß der Erfindung.
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5 ist
eine ausführliche
Draufsicht eines Abschnitts des Substrats, die die Ausrichtung einer Ätzmaske
mit der kristallinen Struktur des Substrats zeigt.
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6 ist
eine Seitenschnittansicht des in 5 gezeigten
Abschnitts des Substrats, die entlang der Linie „6-6" der 5 genommen
ist und den Ätzvorgang
zeigt.
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7 ist
dieselbe Ansicht wie in 5,
wobei die Maske weggelassen ist, was den gebildeten geradlinigen
Hohlraum zeigt.
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8 ist
eine ausführliche
Ansicht des Abschnitts des Substrats, der den geradlinigen Hohlraum
in dem Ausführungsbeispiel
der 1 des Mikrooptoelektronikmoduls
gemäß der Erfindung
zeigt, wie es von der Seite zu sehen ist, wobei sich die optischen
Komponenten an ihrem Platz befinden.
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9 ist
eine ausführliche
Draufsicht des Abschnitts des Substrats, der den in 8 gezeigten geradlinigen Hohlraum definiert.
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10 ist
eine Draufsicht des Ausführungsbeispiels
des Mikrooptoelektronikmoduls gemäß der in 2 gezeigten Erfindung.
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11 ist
eine Seitenansicht des Mikrooptoelektronikmoduls gemäß der Erfindung,
wie es in 10 gezeigt
ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie in den Zeichnungen gezeigt ist,
ist die Erfindung in einem Mikrooptoelektronikmodul verkörpert, das
auf einem einzigen Substrat montiert ist, wobei verschiedene topographische
Merkmale des Substrats eine optische Komponente und eine Kugellinse
entlang eines durch ein Optoelektronikbauelement definierten optischen
Pfades präzise
ausrichten.
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Bei der folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung bezieht sich der Begriff „geradliniger
Hohlraum" entweder
auf eine absatzförmige oder
auf eine hohlraumförmige
Oberflächenanordnung,
die sich von einer Hauptoberfläche
des Substrats in das Substrat erstreckt. Ferner bezieht sich der Begriff „pyramidenförmiger Hohlraum" sowohl auf einen
pyramidenförmigen
Hohlraum als auch auf einen pyramidenstumpfförmigen Hohlraum.
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Das Mikrooptoelektronikmodul gemäß der Erfindung
umfaßt
ein Substrat, das eine Hauptoberfläche aufweist und einen pyramidenförmigen Hohlraum
und einen geradlinigen Hohlraum definiert, die sich von der Hauptoberfläche in das
Substrat erstrecken. Der geradlinige Hohlraum weist eine flache
Unterseite und eine flache Seite auf. Der geradlinige Hohlraum und
der pyramidenförmige
Hohlraum halten auf robuste Weise eine Kugellinse bzw. eine optische
Komponente und richten diese präzise
aus. Das Substrat kann ferner eine Kerbe definieren, die sich von
der Hauptoberfläche
und der flachen Seite des geradlinigen Hohlraums in das Substrat
erstreckt, um zu ermöglichen,
daß Licht
ungehindert zwischen der Linse und der optischen Komponente passiert.
Das Mikrooptoelektronikmodul gemäß der Erfindung
bietet den Vorteil einer einfachen Massenherstellung bei beträchtlich
verringerten Kosten und mit weit weniger gut ausgebildeten Arbeitern
als Module, die in der Technik bekannt sind. Bei dem Mikrooptoelektronikmodul
gemäß der Erfindung
ermöglichen
die topologischen Merkmale des Substrats, daß die Ku gellinse und die optische
Komponente aufgrund der topographischen Merkmale des Substrats auf
wiederholte Weise mit hoher Präzision
und minimalen Aufwand ausgerichtet werden können. Das Mikrooptoelektronikmodul
gemäß der Erfindung
weist den weiteren Vorteil auf, daß es kleiner ist als bekannte
Mikrooptoelektronikmodule. Zusätzlich
können
sie ferner vor einem Einbau in ihr endgültiges Gehäuse ohne weiteres getestet
werden.
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In der folgenden ausführlichen
Beschreibung und in den Zeichnungen sind gleiche Elemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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In den 1 bis 3 ist ein Mikrooptoelektronikmodul 1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt. Das Mikrooptoelektronikmodul gemäß der Erfindung
umfaßt
ein Substrat 3, das eine Hauptoberfläche 21 aufweist, in
die ein geradliniger Hohlraum 5 gebildet ist. Der geradlinige Hohlraum
wird durch eine flache Unterseite 9 und eine flache Seite 11 begrenzt.
Der geradlinige Hohlraum 5 kann sich, wie in 3 gezeigt ist, zu der Kante 37 des
Substrats 3 erstrecken oder kann durch eine zweite Seitenoberfläche 39 begrenzt
sein, wie sie in 4,
das ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
zeigt, gezeigt ist.
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Der geradlinige Hohlraum 5 kann
auf mechanische Weise in dem Substrat 3 gebildet sein,
bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Material des Substrats 3 jedoch kristallines Silizium,
das ermöglicht,
daß das
Substrat 3 unter Verwendung einer photolithographischen
Maske und eines Ätzvorgangs,
wie sie beim Herstellen von integrierten Halbleiterschaltungen verwendet
werden, gebildet wird. Dies ermöglicht
ferner, daß die
in dem Substrat 3 gebildeten Merkmale ein hohes Maß an Abmessungs- und
Positionsgenauigkeit besitzen. Zusätzlich kann unter Verwendung
einer Stapelverarbeitung eine hohe Anzahl des Substrats 3 aus
einem einzigen Siliziumwafer hergestellt werden, was die Herstellungskosten
des Substrats 3 weiter verringert. Bei dem bevorzug ten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die kristallographischen Ebenen des kristallinen
Siliziummaterials des Substrats 3 derart ausgerichtet, daß die Hauptoberfläche 21 des
Substrats 3 eine <100> kristallographische
Oberfläche
ist. Gemäß der Verwendung
in diesem Dokument bedeutet eine <100> kristallographische
Oberfläche
eine <100> kristallographische
Oberfläche
oder eine äquivalente kristallographische
Oberfläche,
die <010>, <001>, <100>, <010> und <001> kristallographische
Oberflächen
umfaßt.
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5 mit 7 zeigen das Substrat 3,
wobei sie eine mögliche Ätztechnik
zum Bilden des geradlinigen Hohlraums 5 darstellen. Eine
photolithographische Maske 45, die auf der Hauptoberfläche 21 des Substrats 3 gebildet
ist, weist eine längliche
hexagonale Öffnung 41 auf.
Die Masse schützt
die direkt unter derselben befindliche Hauptoberfläche 21 vor
einer Berührung
mit einem anisotropen Ätzmittel,
beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH). Die längliche hexagonale Öffnung 41 ermöglicht,
daß das
anisotrope Ätzmittel
einen freiliegenden Abschnitt 40 der Hauptoberfläche, der
direkt unter dem Sechseck befindlich ist, das durch die längliche
hexagonale Öffnung 41 definiert
ist, frei berührt.
Vorzugsweise ist die Maske 45 derart auf der Hauptoberfläche 21 angeordnet,
daß die
kurzen Seiten 43 der länglichen
hexagonalen Öffnung 41 mit
Schnittpunkten 42 der <111> kristallographischen
Ebenen 25 und mit der <100> kristallographischen
Ebene der Hauptoberfläche
ausgerichtet sind.
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Wenn das anisotrope Ätzmittel
durch die längliche
hexagonale Öffnung 41 in
der Maske 45 auf den freiliegenden Abschnitt 40 der
Hauptoberfläche 21 aufgebracht
wird, ätzt
es sich rasch in der Richtung der <100> kristallographischen
Ebenen in das Siliziummaterial des Substrats 3, um die
flache Unterseite 9 und die flache Seite 11 des
geradlinigen Hohlraums 5 zu bilden, ätzt sich jedoch in der Richtung
der <111> kristallographischen
Ebenen 25, die die <100> kristallographische
Ebene der Hauptoberfläche 21 an
den kurzen Seiten 43 schneiden, nur sehr langsam in das
Silizium. Wie in 7 gezeigt ist,
bilden die Abschnitte der <111> kristallographischen
Ebenen 25, die durch das Ätzmittel freigelegt werden,
die Enden 20 des geradlinigen Hohlraums 5. Die
Geschwindigkeit des anisotropen Ätzens
in die <100> kristallographischen
Ebenen kann unter bestimmten Bedingungen beispielsweise 1000 Mal
höher sein
als die Geschwindigkeit des Ätzens
in die <111> kristallographischen
Ebenen. Mit anderen Worten dienen die <111> kristallographischen
Ebenen 25 bei diesem Typ von photolithographischem Ätzvorgang
effektiv als Ätzstop.
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6 zeigt
das Substrat 3 in einer Querschnittsansicht. Kurz nachdem
das Ätzmittel
aufgebracht wird, wird in dem Substrat ein kleiner geradliniger
Hohlraum 5A gebildet. Der geradlinige Hohlraum 5A weist
eine flache Seite 11A und eine flache Unterseite 9A auf,
die senkrecht bzw. parallel zu der Hauptoberfläche 21 des Substrats 3 sind.
Ferner weist der kleine geradlinige Hohlraum 5A eine zweite flache
Seite 39A auf. Da die Hauptoberfläche 21 eine <100> kristallographische
Ebene ist, sind auch die flache Unterseite 9A und die flache
Seite 11A <100> kristallographische
Ebenen.
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Mit fortschreitendem Ätzvorgang
wird ein größerer geradliniger
Hohlraum 5B mit einer flachen Seite 11B und einer
flachen Unterseite 9B gebildet. Die flache Unterseite 9B und
die flache Seite 11B sind gleichermaßen <100> kristallographische
Ebenen. Falls das Ätzmittel
ausreichend lang wirken darf, erreichen die flache Seite 11 und
die flache Unterseite 9 schließlich die <111> kristallographischen
Ebenen 25. Wenn die <111> kristallographischen
Ebenen 25 erreicht sind, hört das Ätzen in der Richtung der <111> kristallographischen
Ebenen 25 effektiv auf. Beim Bilden des geradlinigen Hohlraums 5 muß der Ätzvorgang
angehalten werden, wenn die flache Seite 11 die Abmessung
erreicht hat, die durch den Entwurf des Optoelektronikmoduls 1 erforderlich
ist. Nachdem der geradlinige Hohlraum 5 gebildet wurde,
kann die Maske 45 von der Hauptoberfläche 21 des Substrats 3 entfernt
werden. Der geradlinige Hohlraum erscheint, wie dies in 7 gezeigt ist.
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Wie in 7 gezeigt
ist, kann das Substrat 3 anschließend durch Linien „A-A", „B-B" und „C-C" in Scheiben geschnitten
werden, wobei der beibehaltene Abschnitt des Substrats durch die
Pfeile angegeben ist. Die drei durch die Linien „A-A", „B-B" und „C-C" angegebenen Scheiben
entfernen jegliches unbenötigte
Substrat 3 und entfernen insbesondere Enden 20.
Dies minimiert die Größe des Substrats und
des Mikrooptoelektronikbauelements gemäß der Erfindung. Ein Inscheibenschneiden
entlang der Linie „A-A" entfernt die zweite
flache Seite 39. Beim Inscheibenschneiden entlang „B-B" ist es vorzuziehen, einen
kleinen Abschnitt einer <111> kristallographischen
Ebene 25 in dem geradlinigen Hohlraum zu belassen. Wie
später
gezeigt wird, ist es vorteilhaft, zumindest eine <111> kristallographische
Ebene 25 in dem geradlinigen Hohlraum 5 teilweise
freiliegend zu lassen, um die Lokalisiereroberfläche 10 zu liefern.
Alternativ kann das gesamte oder ein Teil des Inscheibenschneidens
weggelassen werden.
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Das in den 1 bis 3 gezeigte
Ausführungsbeispiel
des Mikrooptoelektronikmoduls umfaßt ferner das Optoelektronikbauelement 13.
Das Optoelektronikbauelement 13 ist die Komponente des
Mikrooptoelektronikmoduls, die Licht in Elektrizität oder, umgekehrt,
Elektrizität
in Licht umwandelt. Das Optoelektronikbauelement 13 ist üblicherweise
entweder ein Halbleiterlaser, der ansprechend auf ein elektrisches
Signal kohärentes
Licht erzeugt, oder ein Halbleiterphotodetektor, der ansprechend
auf Licht ein elektrisches Signal erzeugt. Bei dem Mikrooptoelektronikmodul
gemäß der Erfindung
ist das Optoelektronikbauelement 13 in einer vordefinierten
Entfernung von dem geradlinigen Hohlraum 5 auf dem Substrat 3 angebracht.
Das Bonden und die elektrische Verbindung derartiger Optoelektronikbauelemente
mit einem Substrat ist in der Technik bekannt und kann unter Verwendung
einer Lötpastentechnik
bewerkstelligt werden. Das Optoelek tronikbauelement 13 definiert
den optischen Pfad 15, und das Optoelektronikbauelement 13 ist
derart ausgerichtet, daß der
optische Pfad 15 zu der Hauptoberfläche 21 des Substrats 3 im
wesentlichen parallel ist und den geradlinigen Hohlraum 5 kreuzt.
Normalerweise kreuzt der optische Pfad den geradlinigen Hohlraum
in einem Winkel, der zu der flachen Seite 11 im wesentlichen senkrecht
ist, bei manchen optischen Komponenten 17 ist es jedoch
wünschenswert,
daß der
optische Pfad den geradlinigen Hohlraum bei einem Winkel kreuzt,
der nicht im wesentlichen senkrecht zu der flachen Seite ist.
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Das Optoelektronikmodul 1 umfaßt ferner
die optische Komponente 17. Die optische Komponente 17 ist
jegliches Bauelement, das entworfen ist, um auf irgendeine Weise
auf Licht einzuwirken. Beispiele von optischen Komponenten 17 sind
optische Filter, optische Trennglieder, Spiegel und Linsen. Bei
dem Mikrooptoelektronikmodul gemäß der Erfindung
umfaßt
die optische Komponente 17 einen Abschnitt, der an die
flache Unterseite 9 des geradlinigen Hohlraums 5 anstößt, und
einen Abschnitt, der an die flache Seite 11 des geradlinigen
Hohlraums 5 anstößt. Es ist
vorzuziehen, daß die
Abschnitte der optischen Komponente, die an die flache Unterseite
und an die flache Seite des geradlinigen Hohlraums anstoßen, im
wesentlichen flach sind. Die flache Unterseite 9 und die
flache Seite 11 richten die optische Komponente 17 in
einer vorbestimmten Beziehung zu dem Optoelektronikbauelement 13 aus, üblicherweise derart,
daß der
optische Pfad 15 die optische Komponente 17 berührt. Die
genaue Position der optischen Komponente 17 in Bezug auf
die Hauptoberfläche 21 wird
durch die Position der flachen Unterseite 9 gesteuert.
Somit steuert die flache Unterseite 9 die Position der
optischen Komponente 17 in einer ersten, zu der flachen
Unterseite 9 senkrechten Richtung. Desgleichen wird die
genaue Entfernung der optischen Komponente 17 von dem Optoelektronikbauelement 13 durch
die flache Seite 11 gesteuert. Somit steuert die flache Seite 11 die
Position der optischen Komponente 17 in einer zweiten,
zu der fla chen Seite senkrechten Richtung. Falls eine hohe Genauigkeit benötigt wird,
um die optische Komponente 17 in einer dritten Richtung,
das heißt
in einer Richtung, die zu der ersten Richtung und zu der zweiten
Richtung senkrecht ist, zu positionieren, kann eine Ausrichtung in
dieser dritten Richtung bewerkstelligt werden, indem eine Lokalisiereroberfläche 10 verwendet
wird, die ebenfalls durch das Substrat 3 definiert ist.
Die Lokalisiereroberfläche 10 ist
ein Abschnitt des Substrats 3, der in den geradlinigen
Hohlraum 5 vorsteht. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Lokalisiereroberfläche 10 ein
Abschnitt einer <111> kristallographischen
Ebene 25, die durch den oben beschriebenen photolithographischen Ätzvorgang
in den geradlinigen Hohlraum vorsteht. Die Lokalisiereroberfläche 10 ist
in 8 und 9 ausführlicher gezeigt.
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Durch ein derartiges Ausrichten der
optischen Komponente 17 in dem geradlinigen Hohlraum 5,
daß sie
nicht nur an die flache Seite 11 und die flache Unterseite 9,
sondern auch an die Lokalisiereroberfläche 10 anstößt, kann
die Position der optischen Komponente 17 in der ersten,
der zweiten und der dritten Richtung präzise lokalisiert werden. Nachdem die
optische Komponente 17 ausgerichtet ist, wird sie an der
flachen Unterseite 9 oder der flachen Seite 11 mit
dem geradlinigen Hohlraum 5 verbunden, um sie dauerhaft
in ihrer Position zu halten. Falls jemals ein Erfordernis besteht,
die optische Komponente 17 zu ersetzen, kann mit einer
minimalen Fertigkeit eine optische Ersatzkomponente in derselben
präzisen Position
in dem Mikrooptoelektronikmodul 1 installiert werden, indem
die optische Ersatzkomponente einfach derart in dem geradlinigen
Hohlraum 5 plaziert wird, daß sie an die flache Seite 11,
die flache Unterseite 9 und die Lokalisiereroberfläche 10 anstößt.
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Wie in den 1 bis 4 gezeigt
ist, definiert das Substrat 3 ferner den pyramidenförmigen Hohlraum 19,
der sich von der Hauptoberfläche 21 des Substrats
in das Substrat erstreckt. Bei dieser Offenbarung kann der Begriff „pyrami denförmiger Hohlraum" entweder einen rein
pyramidenförmigen
Hohlraum oder einen pyramidenstumpfförmigen Hohlraum umfassen, wie
in den Figuren gezeigt ist. Der pyramidenförmige Hohlraum ist so angeordnet,
daß er
durch den optischen Pfad 15 gekreuzt wird. Ferner ist der
pyramidenförmige
Hohlraum 19 vorzugsweise so ausgerichtet, daß der optische
Pfad 15 den pyramidenförmigen
Hohlraum 19 entlang einer Diagonalen 27 des pyramidenförmigen Hohlraums 19 kreuzt. Ferner
ist bevorzugt, daß der
pyramidenförmige Hohlraum 19 zwischen
dem geradlinigen Hohlraum 5 und dem Optoelektronikbauelement 13 angeordnet ist.
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Wie auch der geradlinige Hohlraum 5 kann der
pyramidenförmige
Hohlraum 19 mechanisch in dem Substrat 3 gebildet
sein. Der pyramidenförmige Hohlraum 19 wird
unter Verwendung eines photolithographischen Ätzvorgangs gebildet, und zwar
sehr ähnlich
der Art und Weise, die oben in bezug auf die Erzeugung des geradlinigen
Hohlraums 5, wie er in 5 und 6 gezeigt ist, beschrieben
wurde. Im Fall des pyramidenförmigen
Hohlraums 19 wird der Ätzvorgang
jedoch nicht angehalten, wenn ein geradliniger Hohlraum 5 der
richtigen Abmessungen gebildet wird, sondern der Ätzvorgang
wird fortgesetzt, bis er Abschnitte der <111> kristallographischen
Ebenen 25 freilegt. Es wird bevorzugt, daß der pyramidenförmige Hohlraum
ein pyramidenstumpfförmiger
Hohlraum ist, wobei der pyramidenförmige Hohlraum an der flachen
Oberfläche 22,
die zu der Hauptoberfläche 21 im
wesentlichen parallel ist, abgeschnitten ist. Dies wird bewerkstelligt,
indem der Ätzvorgang
beendet wird, nachdem der pyramidenförmige Hohlraum 19 die
gewünschte
Tiefe erreicht hat. Wie oben beschrieben wurde, fungieren die <111> kristallographischen
Ebenen alternativ dazu effektiv als Ätzstop, so daß der Ätzvorgang
fortgesetzt werden kann, bis er endet, ohne daß für diesen Ätzvorgang eine genaue Zeitvorgabe
benötigt
wird. Ferner ist kein Inscheibenschneiden des Substrats 3 erforderlich,
um die Gestalt des pyramidenförmigen
Hohlraums 19 zu definieren. Die Größe und Position des pyramidenförmigen Hohlraums 19 wird
durch die Größe und Posi tion einer
zweiten länglichen
hexagonalen Öffnung
definiert, die ähnlich
der länglichen
hexagonalen Öffnung 41 in
der Maske 45 ist.
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Bei kristallinem Silizium schneiden
die <111> kristallographischen
Ebenen die <100> kristallographischen
Ebenen bei etwa 54,7 Grad. Wenn also die Hauptoberfläche 21 des
Substrats 3 auf der <100> kristallographischen
Ebene liegt, erstreckt sich der pyramidenförmige Hohlraum 19 von
der Hauptoberfläche 21 bei
einem Winkel von 54,7 Grad in das Substrat 3. Falls die
Hauptoberfläche 21 des
Substrats 3 nicht entlang der <100> kristallographischen
Ebenen liegt, so liegt der Winkel, bei dem die <111> kristallographischen
Ebenen die Hauptoberfläche 21 schneiden,
bei 54,7 Grad plus dem Winkel zwischen der <100> kristallographischen
Ebene und der Ebene der Hauptoberfläche 21.
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Die <111> kristallographischen
Ebenen 25 des pyramidenförmigen Hohlraums 19 definieren
genau das Innere des pyramidenförmigen
Hohlraums 19, was bewirkt, daß der pyramidenförmige Hohlraum 19 mit
Genauigkeiten, die im Mikrometeroder sogar im Submikrometerbereich
liegen, präzisionsgebildet
wird.
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Wie in 1 gezeigt
ist, umfaßt
das Mikrooptoelektronikmodul 1 ferner die Kugellinse 29.
Die Kugellinse 29 berührt
das Substrat 3 an drei oder mehreren Berührungspunkten 31 in
dem pyramidenförmigen
Hohlraum 19. Diese Berührungspunkte
sind in 10 gezeigt.
Wenn die Kugellinse 29 in dem pyramidenförmigen Hohlraum 19 sitzt,
definiert der pyramidenförmige
Hohlraum 19 die dreidimensionale Position der Kugellinse 29 mit
derselben Genauigkeit, mit der der pyramidenförmige Hohlraum 19 definiert
ist, was auf standardmäßigen photolithographischen
Prozessen beruht. Somit positionieren die Berührungspunkte 31 in
dem pyramidenförmigen
Hohlraum 19 die Kugellinse 29 in einer vordefinierten
Beziehung zu dem Optoelektronikbauelement 13 und der optischen
Komponente 17. Nachdem sich die Kugellinse 29 in
Kon takt mit dem Substrat 3 in dem pyramidenförmigen Hohlraum
befindet, kann sie mit dem Substrat verbunden bzw. an dasselbe gebondet werden,
um sie dauerhaft in dieser vordefinierten Beziehung zu dem Optoelektronikbauelement 13 zu halten.
Es wird bevorzugt, daß die
Kugellinse an die flache Oberfläche 22 in
dem pyramidenförmigen Hohlraum
gebondet wird.
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Vorzugsweise ist die Öffnung des
pyramidenförmigen
Hohlraums 19 im wesentlichen quadratisch. Die Öffnungsränder 49 befinden
sich an dem Schnittpunkt des pyramidenförmigen Hohlraums 19 und
der Hauptoberfläche 21 des
Substrats 3. Die Öffnungsränder 49 entsprechen
ferner den Schnittpunkten 42 der <111> kristallographischen
Ebenen 25 mit der <100> kristallographischen
Ebene der Hauptoberfläche 21.
Vorzugsweise ist die Größe der Öffnung des
pyramidenförmigen
Hohlraums 19 größer als
die der Kugellinse 29. Wenn also die Kugellinse in dem
pyramidenförmigen
Hohlraum 19 sitzt, berührt die
Kugellinse das Substrat 3 an Berührungspunkten 31,
die in dem pyramidenförmigen
Hohlraum positioniert sind, und berührt nicht die Öffnungsränder 49 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 19 oder der flachen Oberfläche 22. Wie man weiß, ist eine
Ebene robuster als ein Rand. Ein Rand ist zerbrechlich und schwierig
zu bilden. Falls ein Rand nicht ordnungsgemäß gebildet ist oder abgesprungen
ist, können
sich die Berührungspunkte
mit der Kugellinse bewegen. Dies kann bewirken, daß sich die
Position der Kugellinse von der vordefinierten Position verschiebt.
Ferner können
die Randberührungspunkte
in der Regel ein sphärisch
geformtes Objekt nicht einschränken, es
sei denn, die pyramidenförmige Öffnung ist
genau quadratisch. Diese Probleme verschwinden, wenn die Kugellinse 29 das
Substrat 3 in dem pyramidenförmigen Hohlraum an den Berührungspunkten 31 berührt.
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Alternativ dazu kann die Größe des pyramidenförmigen Hohlraums 19 derart
sein, daß die
Kugellinse 29 die Öffnungs ränder 49 des
pyramidenförmigen
Hohlraums 19 berührt,
wenn sie in dem pyramidenförmigen
Hohlraum 19 sitzt.
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Wie ebenfalls in den 1 bis 3 gezeigt
ist, kann es wünschenswert
sein, daß das
Substrat 3 zusätzlich
eine Kerbe 33 definiert, die sich von der Hauptoberfläche 21 und
der flachen Seite 11 des geradlinigen Hohlraums 5 in
das Substrat 3 erstreckt. Die Kerbe sollte derart angeordnet
sein, daß sie durch
den optischen Pfad 15 gekreuzt wird. Die Kerbe 33 ermöglicht,
daß Licht
zwischen der Kugellinse 29 und der optischen Komponente 17 passiert.
Das Substrat 3 ist aus kristallinem Silizium hergestellt, was
ermöglicht,
daß das
Substrat 3 auf photolithographische Weise maskiert und
geätzt
wird, wie es beim Herstellen von integrierten Halbleiterschaltungen breite
Verwendung findet. Dies ermöglicht
ferner, daß die
Größe und Position
der Kerbe 33 in dem Substrat 3 mit hoher Genauigkeit
definiert wird. Ferner kann unter Verwendung einer Stapelverarbeitung
eine hohe Anzahl des Substrats 3 aus einem einzigen Siliziumwafer
hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten des Substrats 3 weiter
gesenkt werden.
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10 und 11 zeigen, daß die Kerbe 33 bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Mikrooptoelektronikmoduls gemäß der Erfindung die Form einer
Hälfte
eines pyramidenförmigen
Hohlraums annimmt, dessen Diagonale 50 an dem Schnittpunkt 51 der
flachen Seite 11 und der Hauptoberfläche 21 ausgerichtet
ist. Wie oben angemerkt wurde, kann der Begriff pyramidenförmiger Hohlraum
bei dieser Offenbarung entweder einen rein pyramidenförmigen Hohlraum
oder einen pyramidenstumpfförmigen Hohlraum
umfassen, wie in den Figuren gezeigt ist. Alternativ dazu kann die
Kerbe die Form eines geradlinigen Hohlraums annehmen, der dem geradlinigen Hohlraum 5 ähnelt. Die
Kerbe 33 ist ferner auf dem optischen Pfad 15 mittig
angeordnet. Dies ermöglicht,
daß die <111> kristallographischen
Ebenen 25 die Kerbe 33 begrenzen. Die Kerbe kann
zusätzlich durch
eine flache Oberfläche 26 begrenzt
sein. Somit kann die Kerbe 33 unter Verwendung des selben
photolithographischen Ätzvorgangs
gebildet werden, wie er oben zum Bilden des pyramidenförmigen Hohlraums 19 beschrieben
wurde. Alternativ dazu kann die Kerbe unter Verwendung des oben
beschriebenen Vorgangs zum Bilden des geradlinigen Hohlraums oder
unter Verwendung einer Kombination des Vorgangs zum Bilden des geradlinigen
Hohlraums 5 und des Vorgangs zum Bilden des pyramidenförmigen Hohlraums
gebildet werden. Ferner kann dieselbe Maske 45 verwendet
werden, um gleichzeitig die Kerbe, den pyramidenförmigen Hohlraum
und den geradlinigen Hohlraum 5 zu positionieren.
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Vor dem Bilden des geradlinigen Hohlraums 5 in
dem Substrat 3 können
alternativ dazu der pyramidenförmige
Hohlraum 19 und ein zweiter, dem pyramidenförmigen Hohlraum 19 ähnlicher
pyramidenförmiger
Hohlraum unter Verwendung desselben photolithographischen Ätzvorgangs,
wie er oben beschrieben wurde, in dem Substrat 3 gebildet
werden. Dann wird die Maske 45 derart auf der Hauptoberfläche 21 positioniert,
daß die
flache Seite 11 des geradlinigen Hohlraums 5,
der in dem freiliegenden Abschnitt 40 der Hauptoberfläche gebildet
wird, mit der Diagonalen des zweiten pyramidenförmigen Hohlraums ausgerichtet
ist. Wenn der geradlinige Hohlraum gebildet wird, entfernt der photolithographische Ätzvorgang
einen Abschnitt des Substrats, der die Hälfte des zweiten pyramidenförmigen Hohlraums definierte,
wobei die zweite Hälfte
des zweiten pyramidenförmigen
Hohlraums intakt bleibt. Die zweite Hälfte des zweiten pyramidenförmigen Hohlraums definiert
die Kerbe 33, und die Diagonale des zweiten pyramidenförmigen Hohlraums
definiert die Diagonale 50.
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Die Verwendung eines einzigen Substrats 3 bei
dem Mikrooptoelektronikmodul 1 bietet die Vorteile der
Massenproduktion unter Verwendung photolithographischer Maskierungs-
und Ätztechniken,
die in der Halbleiterindustrie hinreichend bekannt sind. Die Substrate 3 können mit
einer hohen Genauigkeit hergestellt werden, und eine hohe Anzahl
des Substrats 3 kann unter Verwendung einer Stapelverarbeitung
aus einem einzigen Siliziumwafer hergestellt werden, wodurch die
Herstellungskosten weiter verringert werden. Ferner ermöglichen
der geradlinige Hohlraum 5 und die Lokalisiereroberfläche 10,
daß eine
optische Komponente 17 rasch, kostengünstig und genau mit dem optischen
Pfad 15 ausgerichtet wird. Desgleichen liefert der pyramidenförmige Hohlraum 19 eine
robuste Befestigung für
die Kugellinse 29, während
er die Kugellinse mit großer
Genauigkeit entlang dem optischen Pfad 19 passiv ausrichtet.
Die Erfindung bietet den zusätzlichen
Vorteil, daß sie
als vollständiges
Optoelektronikmodul vor einer endgültigen Einhäusung testbar ist.
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Obwohl mehrere spezifische Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, soll die Erfindung
nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen der so beschriebenen
und veranschaulichten Teile beschränkt werden. Die Erfindung wird
lediglich durch die Patentansprüche
beschränkt.