DE102004028117B4

DE102004028117B4 - Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zum Bilden eines optoelektronischen Bauelements

Info

Publication number: DE102004028117B4
Application number: DE102004028117A
Authority: DE
Inventors: Kendra J. Marina Del Rey Gallup; James Albert Milpitas Matthews
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: US20050265722A1; CN1595741A; JP2005094011A; US20050063431A1; CN100391066C; US7413917B2; DE102004028117A1; JP5015422B2

Abstract

Optoelektronisches Bauelement, umfassend eine Lasermontagebasis (80) und einen Deckel (130),
wobei die Lasermontagebasis (80) folgende Merkmale umfasst:
ein Substrat (54);
eine Linse (52), die auf dem Substrat (54) angeordnet und direkt zwischen dem Substrat (54) und einer zusätzlichen Schicht (56) angeordnet ist; und
einen Laser (122) über dem Substrat (54);
wobei der Deckel (130) einen Hohlraum (131) mit einer Oberfläche (132) definiert, die durch ein reflektierendes Material (134) bedeckt ist, an dem Licht von dem Laser (122) zu der Linse (52) reflektiert wird.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Bauelement und auf ein Verfahren zum Bilden eines optoelektronischen Bauelements.
Stand der Technik
Optoelektronische(OE-)Bauelemente werden im allgemeinen als einzelne Halbleiterstücke gehäust. Dies bedeutet, dass der Zusammenbau häufig langsam und arbeitsintensiv ist, was zu höheren Produktkosten führt. Was somit benötigt wird, ist ein Verfahren zum Verbessern des Häusens von OE-Bauelementen.
DE 198 23 691 A1 offenbart eine Gehäuseanordnung für ein Lasermodul mit einem hermetisch dichten Modulgehäuse, das das Lasermodul enthält und das mindestens einen laserlichtdurchlässigen Austrittswandabschnitt aufweist, mit einer Trägerplatte, die entweder den Boden des Modulgehäuses ausbildet oder einen Gehäuseboden des Modulgehäuses trägt und mit einer Einrichtung zur Ankopplung eines Lichtleiters, wobei die Trägerplatte einen aus einem dielektrischen Material bestehenden HF-Leiterbahnträger umfasst, und zur elektrischen HF-Kontaktierung des Lasermoduls eine an dem HF-Leiterbahnträger geführte HF-Leiterbahnstrecke vorgesehen ist.
EP 0,366,974 A1 offenbart eine Halbleiterschaltung, bestehend aus einem Substrat, auf dem mindestens eine integrierte Schaltung und mehrere elektrische Leiterbahnen angeordnet sind, wobei in mindestens einer optischen Verbindungsschicht und/oder innerhalb des Substrats mindestens ein Lichtwellenleiter vorhanden ist, sich in einer Aussparung oder Vertiefung des Substrates mindestens ein elektro-optischer und/oder ein opto-elektrischer Wandler befindet, der optisch an den Lichtwellenleiter angekoppelt ist und der elektrisch mit der integrierten Schaltung verbunden ist, und wobei die Verbindungsschicht oberhalb der Leiterbahnen sowie der integrierten Schaltung und/oder unterhalb des Substrates angeordnet ist.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optoelektronisches Bauelement mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein optoelektronisches Bauelement eine Montagebasis und einen Deckel. Die Montagebasis umfasst eine Linse und einen Laser über einem Substrat. Der Deckel definiert einen Hohlraum mit einer Oberfläche, die mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, um einen 45-Grad-Spiegel zu bilden. Der Spiegel reflektiert ein Licht von dem Laser zu der Linse und das Licht verlässt das optoelektronische Bauelement durch die Montagebasis.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens 10 zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements, das bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Montagebasis, einen Deckel und einen Ausrichtungspfosten umfasst;
2 bis 13 die Querschnitte der Montagebasis, die bei ei nem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Verfahren 10 gebildet wird;
14 eine Draufsicht der Montagebasis, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Verfahren 10 gebildet wird;
15 eine auseinandergezogene Ansicht des optoelektronischen Bauelements bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
16 eine zusammengesetzte Ansicht des optoelektronischen Bauelements bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
17 und 18 eine herkömmliche optische Unteranordnung (OSA = Optical Subassembly) und einen herkömmlichen LC-Verbinder;
19 einen Vergleich zwischen einer Optoelektronischer-Chip-Umhüllung (OECE = Optoelectronic Chip Enclosure) bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und den entsprechenden Elementen in einer herkömmlichen OSA;
20A und 20B eine OSA, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Ausrichtungspfosten verwendet;
21 die Ausrichtung der OSA von 20A und 20B und einen Faseroptikverbinder bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
22A und 22B die Vorteile des Verwendens eines Ausrichtungs pfostens im Vergleich zu einem Ausrichtungstor, bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
23 eine OSA mit eines zylindrischen Ausrichtungspfostens, der bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in eine Buchse eingefügt ist;
24 eine OSA mit einem massiven Ausrichtungspfosten, der bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in eine Buchse eingefügt ist; und
25 eine OSA mit einer massiven Ausrichtungskugel, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in eine Buchse eingefügt ist.
Die Verwendung gleicher Bezugszeichen bei unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche oder identische Elemente an. Die Querschnittsfiguren sind nicht maßstabsgerecht und dienen nur Darstellungszwecken.
Ein optoelektronisches Gehäuse kann einen Montagebasiswafer, einen Ringwafer, der mit dem Montagebasiswafer verbunden ist, und einen Deckelwafer umfassen, der mit dem Ringwafer verbunden ist. Der Deckelwafer umfasst typischerweise eine integrierte Linse. Der Montagebasiswafer umfasst typischerweise einen kantenemittierenden Laser und stellt eine Verbindung zum Versorgen des Lasers mit Leistung bereit. Der Ringwafer wird typischerweise unter Verwendung von RIE-Ätzen verarbeitet, um gerade Wände zu bilden. Eine zusätzliche Komponente, die eine 45-Grad-Oberfläche aufweist, ist in dem Ring neben dem Laser platziert. Diese Komponente wirkt als ein Spiegel, um das Licht von dem Laser nach oben durch die Linse in den Deckel zu reflektieren. Alternativ ist der Ringwafer verarbeitet, um einen integrierten 45-Grad-Spiegel zu bilden, der das Licht von dem Laser nach oben durch die Linse in den Deckelwafer reflektiert.
Das optoelektronische Gehäuse erfordert zwei hermetische Abdichtungen: eine zwischen dem Ringwafer und dem Deckelwafer und eine weitere zwischen dem Ringwafer und dem Montagebasiswafer. In dem Fall, wo es eine zusätzliche Spiegelkomponente gibt, muss dieselbe ebenfalls ausgerichtet und befestigt werden. Das optoelektronische Gehäuse erfordert auch, dass drei Wafer verarbeitet werden. Um außerdem die korrekte Weglänge beizubehalten, ist es notwendig, zwei dünne Wafer (z. B. 275 Mikrometer) für den Ringwafer und den Deckel/Linsenwafer zu verwenden. Was somit benötigt wird, ist eine Vorrichtung, die diese Nachteile des optoelektronischen Gehäuses adressiert.
Integrierte Optik und Elektronik
1 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 10 zum Herstellen einer Optoelektronischer-Chip-Umhüllung (OECE) 150 (16), die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Lasermontagebasis 80 und einen Deckel 130 umfasst.
Bei Schritt 12, wie es in 2 dargestellt ist, wird eine optische Linse 52 auf einem Substrat 54 der Montagebasis 80 gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat 54 ein Siliziumwafer mit Standard-Dicke (z. B. 675 Mikrometer), der für 1.310 Nanometer (nm) lichtdurchlässig ist. Alternativ kann das Substrat 54 Quarz, Natriumborosilikatglas (z. B. Pyrex^®), Saphir, Galliumarsenid, Siliziumkarbid oder Galliumphosphid sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Linse 52 ein optisches Beugungselement (DOE = Diffractive Optical Element), das von einem Stapel von Phasenschieberlinsenschichten strukturiert wird, um die gewünschte Linsenform zu bilden. Benachbarte Phasenschieberschichten in dem Stapel werden durch eine Ätzstopschicht getrennt. Die Phasenschieberschichten können amorphes Silizium (α – Si) sein, und die Ätzstopschichten können Siliziumdioxid (SiO₂) sein. Alternativ können die Phasenschieberschichten statt amorphem Silizium Siliziumnitrid (Si3N₄) sein.
Um den Stapel zu bilden, wird zunächst eine amorphe Siliziumschicht auf einem Substrat 54 gebildet. Die amorphe Siliziumschicht kann durch chemische Niederdruckdampfphasenabscheidung (LPCVD = Low Pressure Chemical Vapor Deposition) bei 550°C oder durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD = Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) aufgebracht werden. Die Dicke der amorphen Siliziumschicht kann durch die folgende Formel bestimmt werden:
Bei der obigen Gleichung ist t die Phasenschieberlinsenschicht, λ ist die Zielwellenlänge, N ist die Anzahl der Phasenschieberlinsenschicht und Δn_i ist die Differenz bei dem Brechungsindex (n_i) zwischen dem Phasenschieberlinsenmaterial und der Umgebung desselben. Bei einem Ausführungsbeispiel, wo λ 1.310 nm ist, N acht ist, n_i aus amorphem Silizium 3,6 ist und n_i aus Siliziumdioxid 1,46 ist, weist die amorphe Siliziumschicht eine typische Dicke von 765 Angström auf.
Als nächstes wird eine Siliziumdioxid-(SiO₂-)Schicht auf der amorphen Siliziumschicht gebildet. Die Siliziumdioxidschicht kann auf der amorphen Siliziumschicht in Dampf bei 550°C thermisch gewachsen werden. Alternativ kann die Siliziumdioxidschicht durch PECVD aufgebracht werden. Die Siliziumdioxidschicht hat eine typische Dicke von 50 Angström. Der Prozess des Aufbringens von amorphem Silizium und einer thermischen Niedertemperatur-Oxidation des amor phen Siliziums wird für die gewünschte Anzahl von Phasenschieberschichten wiederholt.
Sobald der Stapel gebildet ist, wird jede Schicht maskiert und geätzt, um die gewünschte Beugungslinse zu bilden. Die Siliziumdioxidschicht auf der oberen amorphen Siliziumschicht wird zunächst eingetaucht unter Verwendung einer verdünnten Wasser/Flusssäure-(HF-)Lösung (typischerweise 50:1). Nachfolgend wird ein Photoresist aufgeschleudert, belichtet und auf der amorphen Siliziumschicht entwickelt. Die amorphe Siliziumschicht wird dann zu der nächsten Siliziumdioxidschicht plasmageätzt, die als der Ätzstop wirkt. Der Prozess des Maskierens und Ätzens wird für die verbleibenden Phasenschieberschichten wiederholt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Linse 52 eine Bifokalbeugungslinse, die Laserlicht in eine Kleinwinkelverteilung umwandelt, die einheitlich durch ein Volumen verteilt ist. Die Abmessungen des Volumens sind groß relativ zu der Größe der Eingabefläche einer optischen Faser, daher können die Komponenten ohne weiteres ausgerichtet werden. Die Bifokalbeugungslinse hat eine Oberfläche mit Stegen, die zwei Brennweiten f1 und f2 liefern. Ein Entwurfsprozess für die Bifokalbeugungslinse kann mit dem Bestimmen der ersten Phasenfunktion beginnen, die eine Oberflächenkontur für eine herkömmliche Beugungslinse mit einer Brennweite f1 definiert. Alle herkömmlichen Techniken für einen Beugungslinsenentwurf können verwendet werden. Insbesondere kann handelsübliche Software, wie z. B. GLAD von Applied Optics Research, oder DIFFRACT von MM Research, Inc. die Phasenfunktionen von Beugungselementen analysieren. Eine zweite Phasenfunktion wird auf ähnliche Weise erzeugt, wobei die zweite Phasenfunktion derart ist, dass, falls die Phasenfunktion zusammen mit der ersten Phasenfunktion multiplext würde, die Kombination eine Beugungslinse liefern würde, die die zweite Brennweite f2 aufweist. Die zweite Phasenfunktion wird dann skaliert, um eine teilweise effiziente Beugungslinse zu liefern, die einen Prozentsatz (z. B. 50%) des einfallenden Lichts fokussiert, aber den Rest (z. B. 50%) des einfallenden Lichts ungestört durchläßt. Die erste Phasenfunktion und die skalierte zweite Phasenfunktion werden zusammen multiplexiert, um einen Endbifokallinsenentwurf zu bilden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Linse 52 ein Hybridbeugungs/brechungselement. Das Hybridbeugungs/brechungselement streut das Licht über ein Volumen, um die Ausrichtungstoleranz für eine optische Faser, wie sie oben beschrieben ist, auszudehnen. Die Hybridbeugungs/brechungslinse weist zumindest eine Oberfläche mit einer Krümmung für eine Brennweite, z. B. f2, auf. Ferner sind Beugungsmerkmale einer teilweise effizienten Beugungslinse an einer oder beiden Oberflächen der Hybridbeugungs/brechungslinse überlagert, so dass die Kombination zwei Brennweiten f1 und f2 für getrennte Bruchteile des einfallenden Lichts liefert.
Bei Schritt 14, wie es in 3 dargestellt ist, wird eine Oxidschicht 56 über dem Substrat 54 und der Linse 52 gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Oxidschicht 56 Siliziumdioxid, das durch PECVD aufgebracht wird, und weist eine typische Dicke von 1 Mikrometer auf. Die Oxidschicht 56 wird später planarisiert, um eine flache Oberfläche zum Durchlassen von Licht zu liefern. Dies kann an dem Ende des Prozesses durchgeführt werden, nachdem Metallschichten gebildet wurden.
Bei Schritt 16, wie er in 4 bis 6 dargestellt ist, wird eine Metallschicht 1 über der Oxidschicht 56 gebildet und dann strukturiert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Metallschicht 1 (4) ein Stapel aus Titan-Wolfram (TiW), Aluminium-Kupfer (AlCu) und TiW-Metallen, die durch Sputtern aufgebracht werden. Die TiW-Legierungsschichten sind typischerweise jeweils 0,1 Mikrometer dick, während die AlCu-Legierungsschicht typischerweise 0,8 Mikrometer dick ist. Die Metallschicht 1 ist strukturiert, um Verbin dungen zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Photoresist aufgeschleudert, belichtet und entwickelt, um eine Ätzmaske 60 (5) zu bilden, die Ätzfenster 62 (5) definiert. Abschnitte der Metallschicht 1, die durch Ätzfenster 62 belichtet werden, werden dann geätzt, um Verbindungen 1A (6) zu bilden. Danach wird die Maske 60 von den Verbindungen 1A abgezogen.
Bei Schritt 20, wie er in 7 und 8 dargestellt ist, wird eine dielektrische Schicht 64 über der Oxidschicht 56 und den Verbindungen 1A gebildet und dann planarisiert. Die dielektrische Schicht 64 isoliert die Verbindungen 1A von anderen leitfähigen Schichten. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die dielektrische Schicht 64 Siliziumdioxid, das aus Tetraethylorthosilikat (TEOS) hergestellt ist, das durch PECVD gebildet wird, und durch chemisches mechanisches Polieren (CMP; CMP = chemical mechanical polishing) planarisiert wird. Die dielektrische Schicht 64 weist eine typische Dicke von 1 Mikrometer auf.
Bei Schritt 22, wie er in 9 und 10 dargestellt ist, wird ein Kontaktfenster oder Durchgangsloch 70 zu den Verbindungen 1A gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Photoresist aufgeschleudert, belichtet und entwickelt, um eine Ätzmaske 66 (9) zu bilden, die ein Ätzfenster 68 (9) definiert. Ein Teil der dielektrischen Schicht 64, die durch das Ätzfenster 68 freigelegt wird, wird dann geätzt, um das Kontaktfenster/Durchgangsloch 70 zu bilden (10). Danach wird die Maske 66 von den Verbindungen 1A abgezogen. Ein Metall kann in dem Durchgangsloch 70 aufgebracht werden, um einen Stöpsel zu der Verbindung 1A zu bilden.
Bei Schritt 24, wie er in 11–13 dargestellt ist, wird eine Metallschicht 2 über der dielektrischen Schicht 64 gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Metallschicht 2 eine Titan-Platin-Gold-(TiPtAu-)Sequenz, die durch Verdampfung aufgebracht wird. Titan hat eine typische Dicke von 0,1 Mikrometer, Platin hat eine typische Dicke von 0,1 Mikrometer und Gold hat eine typische Dicke von 0,5 Mikrometer. Die Metallschicht 2 ist gebildet, um Kontaktanschlussflächen und Verbindungsanschlussflächen zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Photoresist aufgeschleudert, belichtet und entwickelt, um eine Abhebemaske 72 (11) zu bilden, die ein Aufbringungsfenster 73 (11) definiert. Die Metallschicht 2 (12) wird dann über der Abhebemaske 72 aufgebracht und durch das Fenster 73 auf die dielektrische Schicht 64. Danach wird die Maske 72 abgezogen, um die Metallschicht 2 abzuheben, die über der Maske 72 aufgebracht ist, und eine Kontaktanschlussfläche oder Verbindungsanschlussfläche 2A (13) zurückzulassen.
Die Metallschichten 1 und 2 können strukturiert werden, um zwei Verbindungsebenen zu bilden. Die zwei Verbindungspegel können durch Stöpsel zwischen den beiden Pegeln verbunden werden. 14 stellt eine Oberansicht der Montagebasis 80 dar, die bei einem Ausführungsbeispiel an diesem Punkt des Verfahrens 10 gebildet wird. Die Montagebasis 80 umfasst einen Abdichtungsring 106, der einen Umfang um die Linse 52 und die Kontaktanschlussflächen 82, 84, 86 und 88 bildet. Der Abdichtungsring 106 wird verwendet, um die Montagebasis 80 mit einem Deckel zu verbinden, der die Linse 52, ein Laserhalbleiterstück 122 (15) und ein Überwachungsphotodiodenhalbleiterstück 124 (15) umhüllt. Der Abdichtungsring 106 ist Teil einer Metallschicht 2, die bei Schritt 24 gebildet und strukturiert wird. Der Abdichtungsring 106 ist mit Verbindungsanschlussflächen 108 und 110 gekoppelt, die eine Masseverbindung liefern. Wenn der Abdichtungsring 106 später elektrisch mit einem metallbedeckten Deckel 130 gekoppelt ist, dient das Metall als eine Abschirmung für elektromagnetische Störungen (EMI; EMI = electromagnetic interference), so dass EMI nicht durch den Deckel 130 austreten kann.
Die Kontaktanschlussflächen 82 und 84 liefern elektrische Verbindungen zu dem Laserhalbleiterstück 122. Kontaktanschlussflächen 82 und 84 sind durch jeweilige vergrabene Leiterbahnen 90 und 92 mit jeweiligen Kontaktanschlussflächen 94 und 96 verbunden, die außerhalb des Abdichtungsrings 106 angeordnet sind. Die Leiterbahnen 90 und 92 sind Teil der Metallschicht 1, die bei Schritt 16 gebildet und strukturiert wird.
Kontaktanschlussflächen 86 und 88 liefern eine elektrische Verbindung zu dem Überwachungsphotodiodenhalbleiterstück 124. Die Kontaktanschlussflächen 86 und 88 sind durch jeweilige vergrabene Leiterbahnen 98 und 100 mit jeweiligen Kontaktanschlussflächen 102 und 104 verbunden, die außerhalb des Abdichtungsrings 106 angeordnet sind. Die Kontaktanschlussflächen 86 und 88 sind Teil der Metallschicht 2, die bei Schritt 24 gebildet und strukturiert wird. Leiterbahnen 98 und 100 sind Teil der Metallschicht 1, die bei Schritt 16 gebildet und strukturiert wird.
Bei Schritt 28, wie er in 15 dargestellt ist, ist das Laserhalbleiterstück 122 mit der Kontaktanschlussfläche 82 ausgerichtet und verbunden. Das Laserhalbleiterstück 122 ist ebenfalls durch eine Drahtverbindung elektrisch mit der Kontaktanschlussfläche 84 (14) verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Laserhalbleiterstück 122 ein kantenemittierender Fabry-Perot-Laser. Gleichartig dazu ist das Überwachungseinrichtungsphotodiodenhalbleiterstück 124 mit der Kontaktanschlussfläche 86 ausgerichtet und verbunden. Das Überwachungsvorrichtungsphotodiodenhalbleiterstück 124 ist ebenfalls durch eine Drahtverbindung mit der Kontaktanschlussfläche 88 elektrisch verbunden. Nachdem das Laserhalbleiterstück 122 und das Photodiodenhalbleiterstück 124 befestigt sind, kann eine antireflektierende Beschichtung (nicht gezeigt) auf die Oberfläche über der Linse 52 aufgebracht werden, um die Reflektion zu reduzieren, wenn das Licht die Montagebasis 80 verläßt.
Bei Schritt 30, wie er in 15 dargestellt ist, wird ein Deckel 130 gebildet. Der Deckel 130 definiert einen Hohlraum 131 mit einer Oberfläche 132, die durch ein reflektierendes Material 134 bedeckt ist. Der Hohlraum 131 liefert den notwendigen Raum zum Unterbringen von Halbleiterstücken, die sich auf der Montagebasis 80 befinden. Das reflektierende Material 134 auf der Oberfläche 132 bildet einen 45°-Spiegel 135, der Licht von einem Laserhalbleiterstück 122 zu der Linse 52 reflektiert. Das reflektierende Material 134 an der Kante des Deckels 130 wirkt auch als ein Abdichtungsring 136. Das reflektierende Material 134 über dem Hohlraum 131 dient auch als eine EMI-Abschirmung, wenn dieselbe durch den Abdichtungsring 136 und die Kontaktanschlussflächen 108 und 110 mit Masse verbunden ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das reflektierende Material 134 eine Titan-Platin-Gold-(TiPtAu-)Sequenz, die durch Aufdampfung aufgebracht ist. Titan hat eine typische Dicke von 0,1 Mikrometer, Platin hat eine typische Dicke von 0,1 Mikrometer und Gold hat eine typische Dicke von 0,1 Mikrometer. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Deckel 130 ein Siliziumwafer einer Standarddicke (z. B. 675 Mikrometer), der für 1.310 nm Licht durchlässig ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Deckel 130 eine <100> Ebene bei einem 9,74 Grad Versatz von einer Hauptoberfläche 138. Der Deckel 130 ist naßgeätzt, so dass die Oberfläche 132 entlang einer <111> Ebene des Siliziumsubstrats gebildet wird. Da die <100> Ebene des Deckels 130 bei einem 9,74 Grad Versatz von der Hauptoberfläche 138 ist, sind die <111> Ebene und der Spiegel 135 bei einem 45° Versatz von der Hauptoberfläche 138 ausgerichtet.
Bei Schritt 32, wie er in 16 dargestellt ist, wird der Deckel 130 mit der Oberseite der Montagebasis 80 ausgerichtet und an derselben befestigt, um die OECE 150 zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel sind der Abdichtungsring 136 des Deckels 130 und der Abdichtungsring 106 der Montagebasis 80 durch Lötmittel verbunden. Alternativ werden der Abdichtungsring 136 des Deckels 130 und der Abdichtungsring 106 der Montagebasis 80 durch eine Kaltschweißung verbunden.
Wie es zu sehen ist, wird Licht 152 (z. B. 1.310 nm) durch das Laserhalbleiterstück 122 emittiert. Licht 152 wird von dem Spiegel 135 nach unten zu der Linse 52 reflektiert. Die Linse 52 fokussiert dann das Licht 152, so dass dasselbe durch eine optische Faser an einer bestimmten Position empfangen werden kann. Da die Isolatorschicht 64, die Oxidschicht 56 und das Substrat 54 durchlässig für das Licht 152 sind, kann das Licht 152 das optoelektronische Bauelement 150 durch die Montagebasis 80 verlassen.
Bei Schritt 34, wie er in 16 dargestellt ist, ist ein Ausrichtungspfosten 140 mit der Rückseite der Montagebasis 80 ausgerichtet und verbunden. Der Ausrichtungspfosten 140 ermöglicht es, dass die OECE 150 mit einer optischen Faser in einer Hülse ausgerichtet wird.
Wie es für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich ist, kann der oben beschriebene Prozess auf einer Waferebene durchgeführt werden, so dass zahlreiche OECEs 150 gleichzeitig gebildet werden. Diese OECEs 150 werden dann vereinzelt, um einzelne Gehäuse zu bilden.
Die OECE 150 bietet im Vergleich zu dem herkömmlichen optoelektronischen Gehäuse mehrere Vorteile. Zunächst werden nur zwei Wafer benötigt, um die OECE 150 herzustellen, anstatt drei Wafer für ein herkömmliches Gehäuse. Zweitens können die Wafer eine Standarddicke aufweisen (z. B. 675 Mikrometer) anstatt zwei dünnen Wafern für ein herkömmliches Gehäuse. Drittens wird nur eine hermetische Abdichtung zwischen dem Deckel 130 und der Montagebasis 80 benötigt, anstatt zwei für ein herkömmliches Gehäuse.
Ausrichtungspfosten für optische Unteranordnungen
17 stellt eine herkömmliche optische Unteranordnung (OSA) 212 dar, die ein üblicher Baustein bei der Herstellung von Faseroptik-(FO-)Sende/Empfangsgeräten ist. Die OSA 212 wandelt elektrische Signale in optische Signale um und koppelt diese Lichtpulse in einen optischen Wellenleiter 214 (18) ein, wie z. B. eine Faser. Die Faser 214 ist typischerweise in einer Keramikhülse 216 befestigt, die in einem Verbinderkörper 218 enthalten ist. Der Verbinderkörper 218 kann ein Kleiner-Formfaktor-(SEE-)FO-Verbinder sein, wie z. B. der Lucent-Verbinder, der allgemein als der LC-Verbinder bekannt ist, der durch Lucent Technologies entwickelt wird. Andere FO-Verbindertypen, wie z. B. der SC-Verbinder, der ST-Verbinder und der FC-Verbinder können ebenfalls verwendet werden.
18 stellt die Einzelheiten der OSA 212 dar. Die OSA 212 umfasst typischerweise drei Elemente, die optisch ausgerichtet werden müssen: (1) ein optoelektronisches (OE-)Bauelement 220, (2) eine Linse 222 und (3) ein Tor 224, das die Hülse 216 aufnimmt, die die Faser 214 enthält. Im allgemeinen ist das OE-Bauelement 220 auf einem TO-Sockel 226 (TO = Transistor Outline = Transistor-Abmessungen) befestigt und in einem mit Fenster versehenen TO-Gehäuse 228 gehäust. Das Tor 224 ist Teil eines Körpers, der das TO-Gehäuse 228 und die Linse 222 aufnimmt. Diese drei Elemente müssen normalerweise innerhalb einiger Mikrometer ihrer idealen Positionen relativ zueinander ausgerichtet sein.
Die OSA 212 ist nicht vollständig und testbar, bis die Elemente derselben ausgerichtet und in ihren ordnungsgemäßen Positionen befestigt sind. Diese Ausrichtung wird normalerweise erreicht durch Versorgen des OE-Bauelements 220 mit Leistung und durch Bewegen des TO-Gehäuses 228 in der X-, Y- und Z-Richtung relativ zu dem Tor 224. Diese Ausrichtung wird dann „befestigt”, allgemein entweder mit einem Polymerhaftmittel oder durch einen Laserschweißprozess.
OSA-Entwürfe variieren wesentlich von Produkt zu Produkt, aber dieselben umfassen normalerweise ein gehäustes Bauelement (z. B. OE-Bauelement 220), eine Linse (z. B. Linsen 222) und ein Faser-Ausrichtungsmerkmal (z. B. Tor 224). Das Faser-Ausrichtungsmerkmal ist normalerweise ein Präzisionsloch, das mit spritzgegossenem Kunststoff oder Keramik hergestellt wird, um eine Keramikhülse (z. B. Hülse 216) aufzunehmen.
Es gibt einen fortlaufenden Druck, kleinere und günstigere OSAs herzustellen. Es gibt viele Gründe im Zusammenhang mit Kosten, Qualität und Funktionalität für den Wunsch nach einer kleinen OSA. Die kleine OSA ist jedoch nicht vollständig, bis dieselbe ein Ausrichtungsmerkmal umfasst. Was somit benötigt wird, ist ein Ausrichtungsmerkmal für kleine OSAs.
19 stellt eine OECE 302 im Vergleich zu den entsprechenden Teilen der herkömmlichen OSA 212 dar. Die OECE 302 erfordert ein Ausrichtungsmerkmal, das sowohl unaufwendig und angemessen proportioniert ist, um mit dem Gehäuse übereinzustimmen. Ein Verfahren wäre, die OECE 302 auszurichten und an einem Teil mit einem Präzisionsloch (z. B. einem Tor) zu befestigen. Diese Lösung hat jedoch schwerwiegende Nachteile, da das Tor notwendigerweise viel größer ist als die OECE 302 und daher wäre eine testbare ausgerichtete OSA sehr viel größer als die OECE 302.
20A und 20B stellen die OECE 302 mit einem Ausrichtungspfosten 304 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der Ausrichtungspfosten 304 ist ein zylindrisches Rohr, das mit dem Vorder-„Fenster” der OECE 302 ausgerichtet und an demselben befestigt ist. Das Ergebnis ist eine vollständig ausgerichtete und testfähige OSA 306. Durch Hinzufügen eines Ausrichtungspfostens 304 an das Vorder fenster der OECE 302 kann eine vollständig ausgerichtete OSA 306 innerhalb der „Standfläche” der OECE 302 erzeugt werden.
21 stellt den Zusammenbau der OSA 306 und eines FO-Verbinders 307 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Der FO-Verbinder 307 kann ein LC-Verbinder, ein SC-Verbinder, ein ST-Verbinder, ein FC-Verbinder oder andere ähnliche FO-Verbinder sein. Der Ausrichtungspfosten 304 auf einer vollkommen ausgerichteten OSA 306 wird in ein Ende einer Buchse 308 eingefügt, die aus Kunststoff, Metall oder Keramik hergestellt ist. Diese Unteranordnung der OSA 306 und der Buchse 308 bildet ein Teil eines Faseroptikmoduls, das mit einem Faseroptikkabel zusammenpassen würde, wie z. B. einer Faser 312 in dem FO-Verbinder 307, das durch den Benutzer geliefert wird. Eine Keramikhülse 310, die die Faser 312 trägt, wird in ein anderes Ende der Buchse 308 eingefügt. Die Buchse 308 ist mit dem richtigen ID hergestellt, um den OD des Ausrichtungspfostens 304 und der Hülse 310 aufzunehmen. Die Einfügung der OSA 306 in die Buchse 308 wäre vollkommen passiv und daher eine kostengünstige Operation.
Obwohl der Ausrichtungspfosten 304 ähnlich aussehen kann wie das Tor 224 (18) an einer herkömmlichen OSA 212 (18), ist es wichtig, anzumerken, dass dieselbe grundsätzlich unterschiedlich ist, weil das Ausrichtungsmerkmal an dem Ausrichtungspfosten 304 der äußere Durchmesser (OD; OD = outer diameter) und das Ausrichtungsmerkmal an dem Tor 224 der innere Durchmesser (ID; ID = inner diameter) ist. Mit Bezugnahme auf 17 ist der ID des Tors 224 normalerweise einige Mikrometer größer als der OD der dazupassenden Hülse 216. Das Tor 224 kann einen 1,255 mm ID aufweisen, um zu einem 1,249 mm OD der Hülse 216 zu passen. Mit Bezugnahme auf 21 hat der Ausrichtungspfosten 304 den gleichen oder ähnlichen OD (z. B. 1,25 mm) wie die Hülse 310. Der optische Abstand von der Linse 311 der OECE 302 zu der Faser 312 würde durch die Länge des Ausrich tungspfostens 304 eingestellt. Das Loch in der Mitte des Ausrichtungspfostens 304 wird nicht für die Ausrichtung verwendet, sondern nur, um es Licht 316 zu ermöglichen, dadurch zu verlaufen. Somit ist die Größe des Lochs nicht wesentlich. Die Abmessungen bei der obigen Beschreibung sind typisch zum Einkoppeln von Licht in Mehrmodenfasern. Das beschriebene Konzept kann auch bei OSAs zum Einkoppeln in Einmodenfasern angewendet werden, aber die Toleranzen, die für Einmodenfasern erforderlich sind, können enger sein als diejenigen, die für Mehrmodeneinkopplung erforderlich sind.
Das Konzept des Ausrichtens zu einem OD (d. h. ein Pfosten) unterscheidet sich etwas von dem Ausrichten zu einem ID (d. h. einem Loch), aber bietet zwei Hauptvorteile: Kosten und Größe.
Kosten – Es ist sehr leicht und wirtschaftlich, Pfosten mit einem Präzisionsdurchmesser herzustellen. Dies liegt daran, dass ein langer Stab hergestellt werden kann durch Schleifen des CD, und dann einfach durch Abschneiden von Stücken des Stabs viele Teile hergestellt werden können. Die Kosten der Herstellung eines Präzisionsmerkmals mit vielleicht einem Mikrometer oder zwei Toleranz ist wichtig, um die Kosten einer OSA 306 minimal zu halten. Das billigste Präzisionsmerkmal, das man herstellen kann, ist eine Kugel (z. B. ein Kugellager) und das wahrscheinlich zweitgünstigste Präzisionsmerkmal ist ein Zylinder.
Größe – Die OECE 302 kann in einem zweidimensionalen Array von Teilen hergestellt werden. Dieses Herstellungsverfahren würde Hunderte oder sogar Tausende von OSAs 306 vollständig erzeugen, abgesehen von den Ausrichtungsmerkmalen. Idealerweise würden die Ausrichtungsmerkmale hinzugefügt, während die OSAs 306 nach wie vor in Arrayform sind, aber dies ist nur möglich, falls das Ausrichtungsmerkmal kleiner ist als die Standfläche der OECE 302.
22A stellt dar, dass Ausrichtungspfosten 304 mit einem Array von OECEs 302 ausgerichtet und an demselben befestigt werden können (einzeln oder als eine Gruppe). Der Ausrichtungspfosten 304 ist klein genug, damit derselbe in das Vorderfenster der OECE 302 passt. Andererseits stellt 22B dar, dass die Tore 224 nicht mit einem Array von OECEs 302 ausgerichtet und an demselben befestigt werden können, ohne die Beabstandung und daher die Größe (und daher die Kosten) der OECEs 302 zu erhöhen.
23 stellt einen Querschnitt einer OSA 306 dar, die bei einem Ausführungsbeispiel in eine Buchse 308 eingefügt ist. Ein Array von OSAs 306 muss singuliert werden, bevor jede in die Buchse 308 oder etwas anderes, das viel größer ist, eingefügt werden kann. Die Vereinzelung an diesem Punkt ist jedoch kein Nachteil bei der Herstellung der OSAs 306, weil die Ausrichtungspfosten 304 bereits mit den OECEs 302 in der Arrayform ausgerichtet und an denselben befestigt wurden.
Ein weiterer Vorteil einer kleinen OSA 306 ist, dass dieselbe enger zusammen mit einer anderen OSA 306 ausgerichtet werden kann, um mit neuen kleineren FO-Verbindern zusammenzupassen. In der Tat geht einer der historischen Gründe für die aktuelle Größe von Doppelverbindern (wie z. B. die Doppel-LC-Verbinder) darauf zurück, wie nahe zusammen zwei TO-Gehäuse in Toren ausgerichtet werden können. Die OSA 306 würde somit kleinere Verbinder und kleinere Sende/Empfangsgeräte ermöglichen.
24 stellt einen Querschnitt einer OSA 306A dar, wo der zylindrische Ausrichtungspfosten 304 durch einen festen Ausrichtungspfosten 304A ersetzt wird, der aus einem transparenten Material hergestellt ist, wie z. B. Glas. Der äußere Durchmesser des Ausrichtungspfostens 304B wird als das Ausrichtungsmerkmal verwendet, während Licht 316 durch den Ausrichtungspfosten 304A durchgelassen wird.
25 stellt bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Querschnitt einer OSA 306B dar. Die OSA 306B ersetzt der zylindrische Ausrichtungspfosten 304 mit einer Teilkugel 304B, die aus transparentem Material, wie z. B. Glas, hergestellt ist. Der Umfang der Teilkugel 304B wird als das Ausrichtungsmerkmal verwendet, während Licht 316 durch die Teilkugel 304B durchgelassen wird.
Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung. Beispielsweise kann die Montagebasis 80 zusätzliche aktive und passive Schaltungsanordnungen umfassen. Genauer gesagt kann die Montagebasis 80 verarbeitet werden, um passive Schaltungsanordnungen, wie z. B. Widerstände und Kondensatoren, und aktive Schaltungsanordnungen zu bilden, wie z. B. Transistoren. Die Montagebasis kann auch verarbeitet werden, um eine integrierte bipolare CMOS-(BiCMOS-)Schaltung zu umfassen. Zahlreiche Ausführungsbeispiele sind durch die folgenden Ansprüche umschlossen.

Claims

Optoelektronisches Bauelement, umfassend eine Lasermontagebasis (80) und einen Deckel (130), wobei die Lasermontagebasis (80) folgende Merkmale umfasst: ein Substrat (54); eine Linse (52), die auf dem Substrat (54) angeordnet und direkt zwischen dem Substrat (54) und einer zusätzlichen Schicht (56) angeordnet ist; und einen Laser (122) über dem Substrat (54); wobei der Deckel (130) einen Hohlraum (131) mit einer Oberfläche (132) definiert, die durch ein reflektierendes Material (134) bedeckt ist, an dem Licht von dem Laser (122) zu der Linse (52) reflektiert wird.
Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1, bei dem das Substrat (54) der Lasermontagebasis (80) aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silizium, Quarz, Sodiumborosilikatglas, Saphir, Galliumarsenid, Siliziumkarbid und Galliumphosphid besteht.
Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lasermontagebasis (80) ferner folgende Merkmale umfasst: eine Planarisierungsschicht, die die Linse (52) bedeckt; und eine Verbindungsschicht (1A, 90, 92) über der Planarisierungsschicht.
Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 3, bei der die Planarisierungsschicht der Lasermontagebasis (80) eine Oxidschicht ist.
Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die Lasermontagebasis (80) ferner folgende Merkmale umfasst: eine dielektrische Schicht (64) über der Verbindungsschicht (1A, 90, 92); und eine Kontaktanschlussfläche (2A, 82, 84) über der dielektrischen Schicht, wobei der Laser (122) elektrisch mit der Kontaktanschlussfläche (2A, 82, 84) verbunden ist.
Optoelektronisches Bauelement gemäß Anspruch 5, bei dem die Lasermontagebasis (80) ferner folgendes Merkmal umfasst: einen Abdichtungsring (2A, 106) über der dielektrischen Schicht (64), der die Kontaktanschlussfläche (2A, 82, 84) und den Laser (122) umgibt.
Optoelektronisches Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Lasermontagebasis (80) ferner folgendes Merkmal umfasst: zumindest entweder eine passive integrierte Schaltung oder eine aktive integrierte Schaltung.
Verfahren zum Bilden eines optoelektronischen Bauelements, das folgende Schritte umfasst: Bilden einer Lasermontagebasis (80) mittels Bildens einer Linse (52) auf einem Substrat (54) und direkt eingebettet zwischen dem Substrat (54) und einer zusätzlichen Schicht (56); und Befestigens eines Lasers (122) an der Lasermontagebasis (80) über dem Substrat (54); Bilden eines Deckels (130), der einen Hohlraum (131) mit einer Oberfläche (132) definiert, die durch ein reflektierendes Material (134) bedeckt wird, an dem Licht von dem Laser (122) zu der Linse (52) reflektiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem das Substrat aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silizium, Quarz, Sodiumborosilikatglas, Saphir, Galliumarsenid, Siliziumkarbid und Galliumphosphid besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, das ferner nach dem Bilden einer Linse und vor dem Befestigen eines Lasers folgende Schritte umfasst: Bilden einer Planarisierungsschicht, die die Linse (52) bedeckt; und Bilden einer Verbindungsschicht (1A, 90, 92) über der Planarisierungsschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Planarisierungsschicht eine Oxidschicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, das ferner nach dem Bilden einer Verbindungsschicht und vor dem Befestigen eines Lasers folgende Schritte umfasst: Bilden einer dielektrischen Schicht (64), die die Verbindungsschicht (1A, 90, 92) bedeckt; und Bilden einer Kontaktanschlussfläche (2A, 82, 84) über der dielektrischen Schicht (64), wobei der Laser (122) elektrisch mit der Kontaktanschlussfläche (2A, 82, 84) verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner nach dem Bilden eines Dielektrikums und vor dem Befestigen eines Lasers folgenden Schritt umfasst: Bilden eines Abdichtungsrings (2A, 106) über der dielektrischen Schicht (64), der die Kontaktanschlussfläche (2a, 82, 84) und den Laser (122) umgibt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, das ferner folgenden Schritt umfasst: Bilden von zumindest entweder einer passiven integrierten Schaltung oder einer aktiven integrierten Schaltung über dem Substrat (54).