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    Ein Gehäuse für einen Oberflächenemissionslaser umschließt den Chip zwischen einer Montagebasis und einer Abdeckung. Die Montagebasis und die Abdeckung können unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken gebildet werden, die einen Waferebene-Häusungsprozeß ermöglichen, der mehrere Chips an einem Montagebasiswafer befestigt, Abdeckungen entweder getrennt oder als Teil eines Abdeckungswafers an dem Montagebasiswafer befestigt und die Struktur schneidet, um einzelne Gehäuse zu trennen. Die Abdeckung umfaßt eine transparente Platte, die verarbeitet werden kann, um ein optisches Element wie z. B. eine Linse zu beinhalten. Ein an der Abdeckung befestigter Ausrichtungspfosten zeigt die Position eines optischen Signals von dem Laser an und paßt genau in ein Ende einer Hülse, während ein Optikfaserverbinder in das andere Ende paßt.
    公开号:DE102004025775A1
    申请号:DE102004025775
    申请日:2004-05-26
    公开日:2005-04-14
    发明作者:Brenton A. Palo Alto Baugh；Kendra Marina Del Rey Gallup；James A. Milpitas Matthews；Tak Kui Saratoga Wang；James H. Walnut Creek Williams；Robert E. Palo Alto Wilson
    申请人:Agilent Technologies Inc；
    IPC主号:H01S5-022
    专利说明:
    [0001] DiesePatentschrift bezieht sich auf die folgenden gleichzeitig eingereichtenUS-Patentanmeldungen und nimmt diese durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheitauf: Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Alignment Post for OpticalSubassemblies Made With Cylindrical Rods, Tubes, Spheres, or SimilarFeatures", AnwaltsaktenzeichenNr. 10030442-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Wafer-LevelPackaging of Optoelectronic Devices", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030489-1; Seriennummer UNBEKANNT,mit dem Titel „IntegratedOptics and Electronics",Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030566-1; Seriennummer UNBEKANNT, mitdem Titel „Methodsto Make Diffractive Optical Elements", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030769-1;Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Optoelectronic Device PackagingWith Hermetically Sealed Cavity and Integrated Optical Element", Anwaltsaktenzeichen Nr.10030386-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „OpticalDevice Package With Turning Mirror and Alignment Post", Anwaltsaktenzeichen 10030768-1;und Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Optical Receiver Package", AnwaltsaktenzeichenNr. 11030808-1.
    [0002] OptoelektronischeBauelemente bzw. Vorrichtungen wie z. B. Laserdioden für optischeSende-/und Empfangsgerätekönnenunter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken auf effizienteWeise hergestellt werden. Allgemein bilden Waferverarbeitungstechnikengleichzeitig eine großeAnzahl (z. B. Tausende) von Bauelementen auf einem Wafer. Der Waferwird dann gesägtoder geschnitten, um einzelne Chips zu trennen. Eine gleichzeitigeHerstellung einer großenAnzahl von Chips hältdie Kosten pro Chip niedrig, jedoch muß jeder einzelne Chip in einSystem eingehäustbzw. eingebaut wer den, das den Chip schützt und das sowohl elektrischeals auch optische Schnittstellen zur Verwendung der Bauelementeauf dem Chip liefert.
    [0003] DerZusammenbau eines Gehäusesoder eines Systems, das ein optoelektronisches Bauelement enthält, istaufgrund des Erfordernisses, mehrere optische Komponenten mit demHalbleiterbauelement auszurichten, oft kostspielig. Beispielsweise kanndie Sendeseite eines optischen Sende-/Empfänger-Chips einen oberflächenemittierendenVertikalresonatorlaser (VCSEL) umfassen, der ein optisches Signalin einer zu der Stirnseite des VCSEL senkrechten Richtung emittiert.In der Regel ist eine Linse oder ein anderes optisches Element notwendig,um das optische Signal von dem Laser zu fokussieren oder abzuändern undein Koppeln des optischen Signals in eine externe optische Faserzu verbessern. Der Laser, die Linse und eine optische Faser können während einesZusammenbauprozesses, der eine optische Unterbaugruppe (OSA – optical subassembly)erzeugt, ausgerichtet werden. Der Ausrichtungsprozeß kann einzeitaufwendiger/kostspieliger Prozeß sein, der ein Einstellender relativen Position des Lasers beinhaltet, während die in die Faser gekoppelteoptische Leistung gemessen wird. Die relativen Positionen des Lasers,der Linse und der optischen Faser werden verriegelt, nachdem die Effizienzder optischen Kopplung ein maximales oder akzeptables Niveau aufweist.Mechanismen zum Einstellen und Verriegeln der relativen Positiondes Lasers könnendie Kosten und Komplexitäteiner OSA erhöhen.Ferner müssendie Ausrichtungs- und Zusammenbauprozesse allgemein für jedesGehäuseseparat durchgeführtwerden.
    [0004] DasHäusenauf Waferebene ist eine vielversprechende Technologie zum Verringernder Größe und derKosten des Häusensvon optoelektronischen Bauelementen. Bei der Häusung auf Waferebene werdenKomponenten, die herkömmlicherweiseseparat an getrennten Gehäusengebildet und befestigt wurden, statt dessen auf einem Wafer, dermehreren Gehäusenentspricht, hergestellt. Die sich ergebende Struktur kann ge sägt odergeschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen. Häusungstechniken undStrukturen, die die Größe und/oderKosten von gehäustenoptoelektronischen Bauelementen verringern können, werden gesucht.
    [0005] DieAufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Strukturund ein Häusungsverfahren mitverbesserten Charakteristika zu schaffen.
    [0006] DieseAufgabe wird durch eine Struktur gemäß Anspruch 1 sowie durch einHäusungsverfahren gemäß Anspruch10 gelöst.
    [0007] Gemäß einemAspekt der Erfindung umfaßt einGehäuse,das einen Oberflächenemissionslaser bzw.VCSEL enthält,eine Abdeckung mit einem integrierten optischen Element wie z. B.einer Linse. Die Abdeckung kann eine zweistückige Struktur aufweisen, dieeinen Abstandshalterring, der eine Öffnung aufweist, die einenHohlraum definiert, und ein Deckelsubstrat umfaßt, das das integrierte optischeElement umfaßt.
    [0008] DieAbdeckung kann an einer Montagebasis befestigt sein, die elektrischeVerbindungen mit dem Laser liefert, um einen hermetisch abgedichteten Hohlraumzu bilden, der den Laser vor der Umgebung schützt. Ein Ausrichtungspfostenkann an der Stelle, an der das optische Signal die Abdeckung durchquert,an der Abdeckung befestigt (z. B. geklebt oder epoxidiert) sein.Diese optische Unterbaugruppe (OSA – optical sub-assembly) kanndann weiter zusammengebaut werden, indem der Ausrichtungspfostenin ein Ende einer passenden Hülseeingepaßtwird und indem eine optische Ferrule in das andere Ende der Hülse eingepaßt wird.Die Ferrule beherbergt eine optische Faser. Wenn die optische Faseran den Ausrichtungspfosten anstößt, hält die Hülse dieFerrule in einer Position zum effizienten Koppeln des optischenSignals in die Faser.
    [0009] Einexemplarisches Ausführungsbeispielder Erfindung ist eine Baugruppe, die einen Oberflächenemissionslaser,eine Montagebasis und eine Abdeckung umfaßt. Der Laser emittiert einoptisches Signal von seiner Oberseite. Die Montagebasis enthält Bahnen,die mit dem Laser elektrisch verbunden sind. Die Abdeckung ist ander Montagebasis befestigt, um einen Hohlraum (vorzugsweise einenhermetisch abgedichteten Hohlraum) zu bilden, der den Laser einschließt, undumfaßtein optisches Element in dem Pfad des optischen Signals. Die Bahnenin der Montagebasis verbinden allgemein interne Verbindungsanschlußflächen elektrisch,die in dem Hohlraum liegen, und verbinden den Chip mit Anschlüssen, dieaußerhalbdes Hohlraums zugänglichsind.
    [0010] EinAusführungsbeispielder Abdeckung umfaßteinen Abstandshalterring, der an der Montagebasis befestigt ist,und eine Platte, die an dem Abstandshalterring befestigt ist. DerAbstandshalterring kann aus einem Siliziumsubstrat gebildet sein,das fürdas optische Signal opak sein kann, während die Platte aus Glas odereinem anderen Material hergestellt ist, das für das optische Signal transparentist. Ein optisches Element kann in die Platte integriert oder anderselben befestigt sein. Ein Pfosten kann an einer Position, diemit einem Pfad des optischen Signals durch die Abdeckung ausgerichtetist, an der Abdeckung befestigt sein.
    [0011] Einweiteres spezifisches Ausführungsbeispielder Erfindung ist ein Häusungsprozeß. Der Häusungsprozeß umfaßt ein elektrischesVerbinden von Chips mit jeweiligen Montagebasisbereichen eines erstenWafers. Jeder Chip emittiert ein optisches Signal von seiner oberenOberfläche.Abdeckungen sind mit dem ersten Wafer verbunden. Jede Abdeckungkann einen Abstandshalter, der ein Loch aufweist, und eine Platteumfassen, die fürdie optischen Signale transparent ist und ein optisches Elementbeinhaltet. Die Abdeckungen könnenjeweilige Bereiche eines zweiten Wafers sein, so daß ein Verbindender Abdeckungen mit den Montagebasen einem Ver binden des zweitenWafers mit dem ersten Wafer entspricht. Die Chips werden anschließend injeweiligen Hohlräumenzwischen dem ersten Wafer und den jeweiligen Abdeckungen eingehüllt, undfür jedender Chips wird das optische Element in der entsprechenden Abdeckungpositioniert, um das optische Signal von dem Chip zu empfangen.Dann ist es möglich, diesich ergebende Struktur zu sägenoder zu schneiden, um einzelne Gehäuse, die die Chips enthalten, zutrennen.
    [0012] DieAbdeckungen könnendurch Folgendes hergestellt werden: Bilden einer oberen Ätzstoppschicht-Oberfläche aufeinem Halbleitersubstrat; Bilden einer Mehrzahl von optischen Elementen,die überder Ätzstoppschichtliegen; Befestigen einer transparenten Platte, die über denoptischen Elementen liegt; und Bilden von Löchern durch das Halbleitersubstratunterhalb der optischen Elemente.
    [0013] BevorzugteAusführungsbeispieleder vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend aufdie beiliegenden Zeichnungen nähererläutert.Es zeigen:
    [0014] 1 einen Querschnitt einesAbschnitts einer Struktur, die währendeines Häusungsprozesses aufWaferebene füroptoelektronische Bauelemente gemäß einem Ausführungsbeispielder Erfindung, der Drahtbonden fürelektrische Verbindungen verwendet, gebildet wird;
    [0015] 2 einen Querschnitt einesAbschnitts einer Struktur, die währendeines Häusungsprozesses aufWaferebene füroptische Halbleiterbauelemente gemäß einem Ausführungsbeispielder Erfindung, der Flip-Chip-Strukturen für elektrische Verbindungenverwendet, gebildet wird;
    [0016] 3 einen Querschnitt einerMontagebasis füreine optische Halbleiterbauelementbaugruppe gemäß einem Ausführungsbeispielder Erfindung;
    [0017] 4 eine perspektivische Ansichteiner Abdeckung fürein optisches Halbleiterbauelementgehäuse gemäß alternativen Ausführungsbeispielen derErfindung;
    [0018] 5A, 5B und 5C einVerfahren zum Herstellen einer Abdeckung gemäß einem Ausführungsbeispielder Erfindung;
    [0019] 6 einen Querschnitt eineroptischen Unterbaugruppe (OSA), die einen Oberflächenemissionslaser und eineAbdeckung mit einem integrierten optischen Element und einem Ausrichtungspfosten umfaßt; und
    [0020] 7 eine optische Baugruppe,die die OSA der 6 umfaßt.
    [0021] DieVerwendung derselben Referenzsymbole in verschiedenen Figuren weistauf ähnlicheoder identische Posten hin.
    [0022] Gemäß einemAspekt der Erfindung umfaßt einGehäuse,das ein optoelektronisches Bauelement enthält, eine Montagebasis und eineAbdeckung mit einem integrierten optischen Element für ein optischesSignal von dem optoelektronischen Bauelement. Die Montagebasis unddie Abdeckung könnenunter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken gebildet sein,und die Abdeckung kann ein Deckelsubstrat umfassen, das verarbeitetist, um das optische Element zu umfassen. Das optische Element fokussiertdas optische Signal von dem optoelektronischen Bauelement zum Koppelnin ein weiteres optisches Bauelement oder eine optische Faser.
    [0023] EinWaferebene-Herstellungsprozeß für dieseGehäusebefestigt einen ersten Wafer, der mehrere Abdeckungen umfaßt, an einemzweiten Wafer, der mehrere Montagebasen umfaßt. Die optoelektronischenBauelemente befinden sich in mehreren Hohlräumen, die durch das Verbindender Wafer gebildet werden. Die Hohlräume können hermetisch abgedichtetsein, um die umhülltenoptoelektronischen Bauelemente zu schützen. Die Struktur, die dieverbundenen Wafer umfaßt,wird gesägtoder geschnitten, um einzelne Gehäuse zu trennen.
    [0024] 1 zeigt eine Struktur 100,die während einesHäusungsprozessesauf Waferebene gemäß einemAusführungsbeispielder Erfindung hergestellt wird. Die Struktur 100 umfaßt mehrereoberflächenemittierendeVertikalresonatorlaser (VCSEL) 110. Die Laser 110 können einenherkömmlichenEntwurf aufweisen und könnenunter Verwendung von Verfahren, die in der Technik hinreichend bekanntsind, hergestellt sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispielweist jeder Laser 110 einen sendenden Abschnitt, der einenoberflächenemittierendenLaser umfaßt.
    [0025] JederLaser 110 befindet sich in einem der Hohlräume 140,die zwischen einem Montagebasiswafer 120 und einem Abdeckungswafer 130 gebildet sind.Bei dem Ausführungsbeispielder 1 sind die Laser 110 andem Montagebasiswafer 120 befestigt und elektrisch mitdemselben verbunden, die Laser 110 könnten alternativ dazu jedochauch an dem Abdeckungswafer 130 befestigt sein. Die Laser 110 können unterVerwendung einer herkömmlichen Chipbefestigungsausrüstung inder gewünschtenPosition festgeklebt oder auf andere Weise in derselben befestigtsein. In der Struktur 100 verbindet ein Drahtbonden dieVerbindungsanschlußflächen 115 aufden Lasern 110 mit internen Verbindungsanschlußflächen 122 aufdem Wafer 120.
    [0026] DerMontagebasiswafer 120 umfaßt Schaltungselemente wie z.B. Verbindungsanschlußflächen 122 undelektrische Bahnen bzw. Durchkontaktierungen (nicht gezeigt), diedie Laser 110 mit den externen Anschlüssen 124 verbinden. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel,bei dem sich die externen Anschlüsse 124 aufder oberen Oberflächedes Montagebasiswafers 120 befinden, alternativ dazu könnten externeAnschlüssejedoch auch auf einer unteren Oberfläche des Montagebasiswafersvorgesehen sein. Ferner könnenin den Mon tagebasiswafer 120 aktive Bauelemente (nichtgezeigt) wie z. B. Transistoren, ein Verstärker, eine Photodiode odereine Überwachungseinrichtung/einSensor integriert sein.
    [0027] DerAbdeckungswafer 130 ist so hergestellt, daß er inBereichen, die den Lasern 110 auf dem Montagebasiswafer 120 entsprechen,Vertiefungen oder Hohlräume 140 umfaßt. DerWafer 130 kann aus Silizium, Quarz oder einem beliebigenMaterial hergestellt werden, das für das optische Signal transparentund fürdie Bildung von Hohlräumen 140 geeignetist. Die Hohlräume 140 können aufverschiedene Weisen gebildet werden, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, einesFormens, Prägens,Ultraschallbearbeitens und (isotropen-, anisotropen- oder Plasma-) Ätzens.
    [0028] OptischeElemente 160 wie z.B. Linsen oder Prismen können entlangder Pfade der optischen Signale von den Lasern 110 an demAbdeckungswafer 130 befestigt sein oder in denselben integriertsein. Bei 1 sind dieoptischen Elemente 160 Linsen, die an dem Wafer 130 befestigtsind und dazu dienen, die optischen Signale zum Zweck einer besserenKopplung in eine optische Faser oder ein anderes optisches Bauelement,das in 1 nicht gezeigtist, zu fokussieren. Die US-Patentanmeldung Nr. 10/210,598 mit demTitel „OpticalFiber Coupler Having a Relaxed Alignment Tolerance" offenbart bifokaleBeugungslinsen, die füroptische Elemente 160 geeignet sind, wenn ein Koppeln deroptischen Signale in optische Fasern gewünscht wird.
    [0029] DerMontagebasiswafer 120 und der Abdeckungswafer 130 sindausgerichtet und miteinander verbunden. Eine Vielzahl von Waferbondingtechniken,einschließlicheines Lötens,Bondens durch Wärmekompressionoder Bondens mit einem Haftmittel, sind bekannt und könnten zumBefestigen der Wafer 120 und 130 eingesetzt werden.Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispielder Erfindung befestigt ein Lötenunter Verwendung eines eutektischen Gold/Zinn-Lötmittels die Wafer 120 und 130 aneinanderund dichtet die Hohlräume 140 hermetischab.
    [0030] HermetischeAbdichtungen an den Hohlräumen 140 schützen dieeingeschlossenen Chips 110 vor Umweltschäden.
    [0031] Nachdemdie Wafer 120 und 130 verbunden wurden, kann dieStruktur 100 gesägtoder geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu erzeugen, die jeweilseinen Laser 110 umfassen, der in einem Hohlraum 140 hermetischabgedichtet ist. Wie in 1 veranschaulichtist, könnenSägekanäle 142 indem Abdeckungswafer 140 gebildet werden, um ein Sägen desAbdeckungswafers 130 überden externen Anschlüssen 124 zuermöglichen,ohne darunterliegende Strukturen, z.B. die externen Anschlüsse 142, zubeschädigen.Der Montagebasiswafer 120 kann dann geschnitten werden,um einzelne Gehäusezu trennen.
    [0032] 2 veranschaulicht eine Struktur 200 gemäß einemalternativen Ausführungsbeispielder Erfindung, das Flip-Chip-Strukturenverwendet, um Laser 210 an einem Montagebasiswafer 220 zubefestigen. Fürein Flip-Chip-Häusenwerden Verbindungsanschlußflächen 215 aufChips 210 positioniert, um leitfähige Säulen oder Kontakthügel 225 auf demMontagebasiswafer 220 zu berühren. Die Kontakthügel 225 enthaltenallgemein ein Lötmittel,das aufgeschmolzen werden kann, um die Laser 210 physischund elektrisch an dem Wafer 220 zu befestigen. Eine (nichtgezeigte) Unterfüllungkann ferner verwendet werden, um die mechanische Integrität zwischendem Laser 210 und dem Montagebasiswafer 220 zuverbessern. Abgesehen von dem Verfahren zur Befestigung und elektrischenVerbindung der Chips 210 an dem Montagebasiswafer 220 istdie Struktur 200 im wesentlichen dieselbe wie die oben unter Bezugnahmeauf 1 beschriebene Struktur 100.
    [0033] Obwohl 1 und 2 Strukturen veranschaulichen, die während einesWaferebene-Häusungsprozessesgebildet werden, sind viele Variationen des offenbarten Prozessesmöglich.Statt des Befestigens des Abdeckungswafers 130 an dem Montagebasiswafer 120 oder 220 können insbesonderegetrennte Abdeckungen gebildet und an dem Montagebasiswafer befestigt werden.Dies vermeidet das Erfordernis, den Abdeckungswafer 130 über denexternen Anschlüssen 124 zuschneiden, wenn sich die externen Anschlüsse 124 auf einerStirn- oder Oberseite des Montagebasiswafers 120 befinden.Ferner könnenstatt eines Waferebene-Prozesses ähnliche Techniken für ein einzelnesGehäuseeingesetzt werden, bei dem ein Laser in dem Hohlraum zwischen einerMontagebasis und einer Abdeckung eingeschlossen ist, die zumindestein integriertes optisches Element aufweist.
    [0034] 3A zeigt einen Querschnitteiner Montagebasis 300 für ein Optisches-Bauelement-Gehäuse gemäß einemveranschaulichenden Ausführungsbeispielder Erfindung. Füreinen Häusungsprozeß auf Waferebeneist die Montagebasis 300 ein Bestandteil eines Montagebasiswafersund wird erst nach einem Verbinden des Montagebasiswafers, wie esoben beschrieben wurde, von anderen, ähnlichen Montagebasen getrennt.Alternativ dazu kann die Montagebasis 300 zur Herstellungeines einzelnen Gehäuses vonanderen, ähnlichenMontagebasen getrennt werden, bevor ein Optisches-Bauelement-Chipan der Montagebasis 300 befestigt wird.
    [0035] DieMontagebasis 300 kann unter Verwendung von Waferverarbeitungstechnikenhergestellt werden, wie sie beispielsweise in einer gleichzeitig eingereichtenUS-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT, mit dem Titel „Integrated Optics And Electronics", Anwaltsaktenzeichen10030566-1, beschrieben werden. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispielkann die Montagebasis 300 entweder ein verarbeitetes odernichtverarbeitetes Siliziumsubstrat sein und könnte passive und/oder aktiveSchaltungskomponenten beinhalten.
    [0036] Eineplanarisierte isolierende Schicht 330 ist auf dem Siliziumsubstrat 310 gebildet,um eine flache Oberflächezu liefern, auf der die Metallisierung strukturiert werden kann.Falls elektrische Verbindungen mit Schaltungselementen, die in demSubstrat 310 integriert sind, gewünscht werden, können inder isolierenden Schicht 330 Öffnungen gebildet sein. Beieinem exemplarischen Ausführungsbeispielder Erfindung ist die Schicht 330 eine TEOS-Schicht (TEOS= Tetraethylorthosilicat), die etwa 10.000 A dick ist.
    [0037] Leiterbahnen 340 und 345 können auseiner Metallschicht, z. B. einem 10.000 A dicken TiW/AlCu/TiW-Stapel,strukturiert werden. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispielbildet ein Prozeß, derein Aufdampfen eines Metalls und einen Abhebeprozeß, um unerwünschtesMetall zu beseitigen, umfaßt,Bahnen 340 und 345. Eine isolierende Schicht 330 (z.B. eine weitere TEOS-Schicht einer Dicke von etwa 10.000 A) kannaufgebracht werden, um die Bahnen 340 und 345 zuvergraben und zu isolieren. Auf diese Weise kann eine beliebigeAnzahl von Schichten von vergrabenen Bahnen gebildet werden. EinePassivierungsschicht 350 eines relativ harten und chemikalienbeständigen Materialswie z. B. Siliziumnitrid in einer etwa 4.500 A dicken Schicht kann aufder oberen isolierenden Schicht 335 gebildet sein, um diedarunterliegende Struktur zu schützen. ZumZweck eines elektrischen Verbindens mit einer optoelektronischenVorrichtung sind Öffnungen 370 durchdie Schichten 350 und 330 gebildet, um ausgewählte Bereiche(z. B. Verbindungsanschlußflächen) derBahnen 340 freizulegen.
    [0038] ZumZweck eines Verbindens/Anlötensmit bzw. an einer Abdeckung ist auf der Passivierungsschicht 350 eineMetallschicht 360 (z. B. ein Ti/Pt/Au-Stapel einer Dickevon etwa 5.000 A) gebildet.
    [0039] 4 zeigt eine perspektivischeAnsicht einer Abdeckung 400, die sich zum Befestigen ander Montagebasis 300 der 3 eignet.Die Abdeckung 400 kann unter Verwendung von standardmäßigen Waferverarbeitungstechnikenhergestellt werden. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispielder Erfindung bildet ein anisotropes Ätzen eines Siliziumsubstrats 410 einenHohlraum 420, der eine sehr glatte Facette 430 aufeiner <111> Ebene der Siliziumkristallstrukturauf weist. In dem Hohlraum 420 kann ein optisches Elementwie z. B. eine Linse gebildet sein.
    [0040] 5A zeigt eine Querschnittansichteiner Abdeckung 500 gemäß einemalternativen Ausführungsbeispielder Erfindung. Die Abdeckung 500 weist eine zweiteiligeStruktur auf, die einen Abstandshalterring 512 und eineTrägerplatte 520 umfaßt. EinVorteil der Abdeckung 500 besteht darin, daß die zweiSchichten 512 und 520 auf unterschiedliche Weiseverarbeitet und/oder aus verschiedenen Materialien hergestellt seinkönnen.Insbesondere kann der Abstandshalterring 512 unter Verwendung einerstandardmäßigen Siliziumwaferverarbeitung hergestelltwerden, und die Platte 520 kann aus einem Material wiez. B. Glas hergestellt sein, das für eine gewünschte Lichtwellenlänge transparentist. Dies ist wichtig, da derzeitige VCSELs üblicherweise Licht produzieren,das eine Wellenlänge(z. B. 850 nm) aufweist, die von Silizium absorbiert wird, und da Wafer,die aus Materialien wie z. B. Glas (das z. B. Natrium enthält) hergestelltsind, fürviele Siliziumwaferherstellungseinrichtungen eventuell ungeeignet sind.
    [0041] 5B veranschaulicht eineStruktur, die währendder Herstellung eines optischen Elements 530 gebildet wird.Der Herstellungsprozeß beginnt miteinem dünnenSiliziumsubstrat 512 (z. B. einem 275 μm dicken Siliziumwafer). Eine Ätzstoppschicht 514 ausSiliziumdioxid (SiO2) oder einem anderen Material,das in der Lage ist, als Ätzstoppfür Silizium zufungieren, ist bis zu einer Dicke von etwa 0,5 μm gebildet.
    [0042] Anschließend wirdauf die Ätzstoppschicht 514 einedünne Polysiliziumschicht 516 (z.B. etwa 1 μmoder weniger) aufgebracht. Die Polysiliziumschicht 516 fungiertals Basis füreine Bildung eines optischen Elements 530, ist jedoch dünn genug,um fürdie Wellenlängedes Lichts, das von dem eingehäustenLaser emittiert wird, transparent zu sein. Bei einem Beispiel wirddie Linse 530 beispielsweise dadurch auf der Schicht 516 gebildet,daß abwechselndeSchichten aus Polysilizium und Oxid abgelagert werden, um die gewünschte Gestaltoder die gewünschtenCharakteristika einer Beugungs- oder Brechungslinse zu erzielen.Eine gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT,mit dem Titel „Methodsto Make Diffractive Optical Elements", Anwaltsaktenzeichen 10030769-1 beschreibtmanche geeigneten Prozesse fürdie Herstellung der Linse 530.
    [0043] Eineplanarisierte transparente Schicht 518 aus einem Materialwie z. B. TEOS wird überder Linse 530 aufgebracht, um eine flache Oberfläche zum Verbindenmit der Trägerplatte 520 zuliefern. Wie in 5C gezeigtist, ist die Trägerplatte 520 beispielsweisedurch ein anodisches Verbinden, wenn die Trägerplatte 520 eineNatriumglasplatte ist, mit der Schicht 518 verbunden. Schließlich wirdein Abschnitt der Rückseitedes Substrats 512 bis hinunter zu der Ätzstoppschicht 514 geätzt, umeinen Hohlraum 540 zu bilden, wie in 5A veranschaulicht ist. Die Dicke desSiliziums, das oberhalb des Hohlraums 540 verbleibt, istdünn undermöglicht,daß Lichtder gewünschtenWellenlängedurch das optische Element 530 gelangt.
    [0044] EinVerbinden der Platte 520 und ein Ätzen des Substrats 512 wirdallgemein auf der Waferebene abgeschlossen, wo eine große Anzahlvon Abdeckungen 500 gleichzeitig gebildet wird. Vor odernach dem Verbinden mit einer Montagebasis können dann separate Abdeckungen 500 ausden verbundenen bzw. gebondeten Wafern ausgeschnitten werden.
    [0045] Umein Optisches-Bauelement-Gehäuseunter Verwendung der Montagebasis 300 und der Abdeckung 400 oder 500 zusammenzubauen,wird an der Montagebasis 300 unter Verwendung von herkömmlichenChipbefestigungs- und Drahtbondungsprozessen oder, alternativ dazu,unter Verwendung von Flip-Chip-Häusungsprozesseneine optoelektronische Vorrichtung angebracht. Elektrische Verbindungenmit den Bahnen 340 auf der Montagebasis 300 können denChip mit Leistung versorgen und Datensignale an den oder von demChip übermitteln. DieAbdeckung 400 oder 500 wird an der Montagebasis 300 befestigt,nachdem der Chip befestigt wurde. Dies kann entweder auf der Einzelgehäuseebene oderauf einer Waferebene erfolgen, die oben beschrieben wurde. Durchein Strukturieren von AuSn (oder eines anderen Lötmittels) auf die Montagebasis 300 und/oderdie Abdeckungen 400 oder 500 kann eine hermetischeAbdichtung erhalten werden, so daß, wenn die Abdeckung und dieMontagebasis zusammenplaziert werden, ein Lötmittelaufschmelzvorgang einehermetische Abdichtung erzeugt, die den umschlossenen Chip schützt.
    [0046] 6 veranschaulicht eine optischeUnterbaugruppe (OSA) 600 gemäß einem Ausführungsbeispielder Erfindung. Die OSA 600 umfaßt einen oberflächenemittierendenLaser 610. Der Laser 610 ist an einer Montagebasis 620 angebrachtund elektrisch mit derselben verbunden und vorzugsweise hermetischin einem Hohlraum 640 abgedichtet, wenn eine Abdeckung 630 mitder Montagebasis 620 verbunden wird. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem Flip-Chip-TechnikenVerbindungsanschlußflächen 612 desChips 610 mit jeweiligen leitfähigen Kontakthügeln 622 aufder Montagebasis 620 elektrisch verbinden. Alternativ dazukönnteein Drahtbonden, wie es oben beschrieben wurde, verwendet werden,um einen VCSEL mit einer Montagebasis zu verbinden.
    [0047] DieMontagebasis 620 ist ein Substrat, das verarbeitet wird,um externe Anschlüsse 624 für externeelektrische Verbindungen mit dem Laser 610 zu umfassen.Bei einem Ausführungsbeispielumfaßt dieMontagebasis 620 Bahnen, wie sie in 3 veranschaulicht sind, die direkte elektrischeVerbindungen zwischen den leitfähigenKontakthügeln 622 und denexternen Verbindungsanschlußflächen 624 liefern.Alternativ dazu kann die Montagebasis 620 ferner eine aktiveSchaltungsanordnung zur Verwendung mit dem Laser 610 oderandere Chips (z. B. einer Empfänger-oder einer Überwachungsphotodiode),die in demselben Gehäuseenthalten sein können,beinhalten.
    [0048] DieAbdeckung 630 kann unter Verwendung beliebiger der obenbeschriebenen Techniken mit der Montagebasis 620 verbundensein, und bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel verbindet ein Lötmitteldie Abdeckung 630 mit der Montagebasis 620. Folglichkann der Laser 610 in einem Hohlraum 640 zwischender Abdeckung 630 und der Montagebasis 620 hermetischabgedichtet sein.
    [0049] Wiein 6 veranschaulichtist, ist die Abdeckung 630 eine Mehrschichtstruktur, dieeinen Abstandshalterring 632 und eine Deckelplatte 634,wie sie oben unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wurden,umfaßt.Ein optisches Vorrichtung 650 ist in die Platte 634 integriert.Der Laser 610 richtet das optische Signal direkt durchdas optische Bauelement 650 und die Abdeckung 630.Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispielder Erfindung ist ein optisches Element 650 eine Beugungs-oder Brechungslinse (z. B. eine Bifokalbeugungslinse), die das optischeSignal zum Koppeln in eine optische Faser fokussiert.
    [0050] EinPfosten 660 ist an der Stelle, an der das Licht aus derAbdeckung 630 austritt, an der Abdeckung 630 befestigt(z. B. epoxidiert oder geklebt). Der Pfosten 660 fungiertals Ausrichtungsmerkmal, das das von dem optoelektronischen Bauelement 610 emittierteLicht auf eine optische Faser ausrichtet. Bei einem Ausführungsbeispielder Erfindung ist der Pfosten 660 ein Hohlzylinder, dessenInnendurchmesser größer istals das Strahlprofil. Der Pfosten 660 kann somit aus einembeliebigen geeignetermaßenhaltbaren Material wie z. B. Metall hergestellt sein. Alternativdazu kann der Pfosten 660 eine massive Struktur wie z.B. ein Zylinder oder eine Sphäre einesoptisch transparenten Materials sein. Ausrichtungspfosten für Gehäuse, dieoptische Bauelemente enthalten, sind in einer gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung,Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Alignment Post for OpticalSubassemblies Made With Cylin drical Rods, Tubes, Spheres, or SimilarFeatures", AnwaltsaktenzeichenNr. 10030442-1, näherbeschrieben.
    [0051] 7 zeigt eine optische Baugruppe 700, diedie OSA 600 enthält.Die Baugruppe 700 umfaßt eineHülse 710,die eine Ferrule 720 umgibt, die eine optische Faser 730 beherbergt.Die Ferrule 720 und die optische Faser 730 können Abschnitteeines herkömmlichenOptikfaserverbinders sein, der lediglich teilweise in 7 veranschaulicht ist. DieHülse 710 istim Grunde ein Hohlzylinder, der aus einem Metall oder aus einemanderen geeignetermaßenhaltbaren Material hergestellt ist, und weist eine Bohrung auf, diesowohl den Pfosten 660 des Gehäuses 600 als auchdie Ferrule 720 aufnimmt.
    [0052] Dieobere Oberflächedes Pfostens 660 fungiert als Faserstopp und steuert die „z"-Position der optischenFaser 730 relativ zu dem optischen Sender (d. h. VCSEL 610).Der Außendurchmesserdes Pfostens 660 gibt die Position in einer x-y-Ebene der Hülse 730 vor.Auf diese Weise ist die optische Faser 730 in der Ferrule 720 inder x-y-Ebene relativ zu dem Pfosten 660 zentriert, wodurchdas aus dem Chip 610 emittierte Licht auf einer optischenFaser zentriert wird. Dementsprechend vereinfacht eine ordnungsgemäße Positionierungeines Pfostens 660, der die gewünschte Länge aufweist, während der Herstellungdes Gehäuses 600 dieAusrichtung der optischen Faser 720 zum Zweck einer effizienten Kopplungdes optischen Signals.
    [0053] Obwohldie Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispielebeschrieben wurde, ist die Beschreibung lediglich ein Beispiel derAnmeldung der Erfindung und sollte nicht als einschränkend angesehenwerden. Verschiedene Adaptationen und Kombinationen von Merkmalender offenbarten Ausführungsbeispielefallen in den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgendenPatentansprüchedefiniert ist.
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] Struktur, die folgende Merkmale aufweist: eineVorrichtung (610), die ein optisches Signal von einerOberseite der Vorrichtung (610) emittiert; eine Montagebasis(620), die elektrische Bahnen enthält, die mit der Vorrichtung(610) elektrisch verbunden sind; und eine Abdeckung(630), die an der Montagebasis (620) befestigtist, um einen Hohlraum (640) zu bilden, der die Vorrichtung(610) einschließt,wobei die Abdeckung (630) ein optisches Element (650)in einem Pfad des optischen Signals umfaßt.
    [2] Struktur gemäß Anspruch1, bei der die Montagebasis (620) ferner folgende Merkmaleaufweist: interne Verbindungsanschlußflächen (622), die sich indem Hohlraum (640) befinden und mit der Vorrichtung (610)verbunden sind; und externe Anschlüsse (624), die mitden internen Verbindungsanschlußflächen (622)elektrisch verbunden sind und außerhalb des Hohlraums (640)zugänglich sind.
    [3] Struktur gemäß Anspruch1 oder 2, bei der ein Verbinden der Abdeckung (630) mitder Montagebasis (620) den Hohlraum (640) hermetischabdichtet.
    [4] Struktur gemäß einemder Ansprüche1 bis 3, bei der die Abdeckung (630) folgende Merkmaleaufweist: einen an der Montagebasis (620) befestigtenAbstandshalterring (632); und eine an dem Abstandshalterring(632) befestigte Platte (634).
    [5] Struktur gemäß Anspruch4, bei der das optische Element (650) auf der Platte (634)gebildet ist.
    [6] Struktur gemäß Anspruch4 oder 5, bei der der Abstandshalterring (632) ein Siliziumsubstratumfaßt, dasein durch dasselbe gebildetes Loch aufweist.
    [7] Struktur gemäß Anspruch6, bei der die Platte (634) eine Glasplatte umfaßt.
    [8] Struktur gemäß einemder Ansprüche4 bis 7, bei der die Platte (634) eine Glasplatte umfaßt.
    [9] Struktur gemäß einemder Ansprüche1 bis 8, die ferner einen Pfosten (660) aufweist, der ander Stelle, an der das optische Signal aus der Abdeckung (630)hervortritt, an der Abdeckung (630) befestigt ist.
    [10] Häusungsverfahren,das folgende Schritte umfaßt: elektrischesVerbinden einer Mehrzahl von Vorrichtungen (110) jeweilsmit einer Mehrzahl von Montagebasisbereichen auf einem ersten Wafer(120), wobei jeder Vorrichtung (110) ein optischesSignal von einer oberen Oberflächeder Vorrichtung (110) emittiert; Herstellen einerMehrzahl von Abdeckungen (500), wobei jede Abdeckung einenAbstandshalter (512), der ein Loch durch denselben aufweist,eine Platte (520), die für die optischen Signale transparentist, und ein optisches Element (530) umfaßt; Verbindender Abdeckungen (500) mit dem ersten Wafer (120),wobei die Vorrichtungen (110) in jeweiligen Hohlräumen (140)zwischen dem ersten Wafer (120) und den jeweiligen Abdeckungen(500) eingeschlossen sind und wobei das optische Element (530)in der entsprechenden Abdeckung (500) für jede der Vorrichtungen (110)positioniert ist, um das optische Signal von der Vorrichtung (110)zu empfangen; und Teilen des ersten Wafers (120),um eine Mehrzahl von Gehäusen,die die Vorrichtungen (110) enthalten, zu trennen.
    [11] Verfahren gemäß Anspruch10, bei dem die Abdeckungen (500) jeweilige Bereiche eineszweiten Wafers (130) umfassen, und bei dem das Verbinden derAbdeckungen (500) mit dem ersten Wafer (120) einVerbinden des zweiten Wafers (130) mit dem ersten Wafer(120) umfaßt.
    [12] Verfahren gemäß Anspruch10 oder 11, bei dem das Herstellen der Abdeckungen (500)folgende Schritte umfaßt: Bildeneiner Ätzstoppschicht(514) auf einer oberen Oberfläche auf einem Substrat (512); Bildeneiner Mehrzahl von optischen Elementen (530), die über der Ätzstoppschicht(514) liegen; und Bilden von Löchern (540) durchdas Substrat (514) jeweils unterhalb der optischen Elemente(530).
    [13] Verfahren gemäß Anspruch12, bei dem das Bilden der Löcher(540) ein Ätzeneiner rückwärtigen Oberfläche desSubstrats (512) umfaßt.
    [14] Verfahren gemäß Anspruch12 oder 13, das ferner ein Befestigen einer transparenten Platte,die überden optischen Elementen (530) liegt, umfaßt.
    [15] Verfahren gemäß einemder Ansprüche12 bis 14, bei dem das Substrat (512) aus einem Halbleiterhergestellt ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP2005094021A|2005-04-07|
    US20050062055A1|2005-03-24|
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-04-14| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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