Beschreibung
Bezeichnung der Erfindung: Photodiodenanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbleiterbauelement.
Die Erfindung betrifft eine Photodiodenanordnung mit einer Photodiode und einem Submount, über den eine elektrische Kontaktierung der Photodiode erfolgt, und ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten
Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbleiterbauelement, insbesondere zwischen einer Photodiode und einem Submount für eine Photodiode, wobei die miteinander verbundenen Halbleiterbauelemente eine unterschiedliche Außenkontur aufweisen.
Aus der DE 197 09 842 Cl ist eine elektrooptische Koppelbaugruppe mit einer Laserdiodenanordnung bekannt, bei der eine Mehrzahl von vertikal emittierenden VCSEL- Laserdioden in einem Array angeordnet sind. Den Laserdioden sind in einer Ebene angeordnete Lichtwellenleiter zugeordnet, deren kopplungsseitige Stirnflächen eine Strahlumlenkung des von den Laserdioden ausgestrahlten Lichts in die Lichtwellenleiter bewirken.
Es ist bekannt, bei derartigen Laserdiodenanordnungen eine oder mehrere Monitordioden vorzusehen, über die eine Überwachung und Steuerung der Laserdiodenanordnung erfolgt.
Einen entsprechenden, im Stand der Technik bekannten Aufbau zeigt schematisch die Figur 7. Danach ist auf einem Submount 100 ein Laserdiodenarray 101 angeordnet, das im dargestellten Ausführungsbeispiel aus sechzehn VCSEL-Dioden 102 besteht. Zwölf dieser Laserdioden 102 dienen der Datenkommunikationen und ihnen ist dementsprechend jeweils ein schematisch dargestellter Lichtwellenleiter 103 zugeordnet. Den beiden am Rand des Arrays 101 befindlichen Laserdioden 104, 105 ist
jeweils eine aus Gallium-Arsenid bestehende Monitordiode 111, 112 zugeordnet, deren optisch aktive Fläche direkt oberhalb der jeweils äußersten Laserdiode 104, 105 positioniert und diesen zugewandt ist.
Alternativ .wäre es auch möglich, die optisch aktive Fläche der Photodiode an der den Laserdioden 104, 105 abgewandten Seite, also oben anzubringen. Es wäre dann aber eine Umlenkoptik erforderlich, um den Laserstrahl auf die optisch aktive Fläche der Monitordiode zu lenken.
Die Monitordiode 111, 112 ist jeweils in einem Träger 113, 114 ausgebildet, der an einem als Abstandselement bzw. Spacer dienenden Submount 115, 116 befestigt ist. Bei dem Submount handelt es sich um einen Keramikträger.
Die Kontaktierung der Monitordioden 111-, 112 und auch der Laserdioden 102, 104, 105 erfolgt über Bond-Drähte 117, die über Metallisierungen 118 und weitere Bonddrähte 119 mit Kontakten eines schematisch dargestellten Steuer- und Treiberschaltkreises 120 verbunden sind.
Submount 115, 116 und Monitordiode 111, 112 sind in einem rechten Winkel zueinander positioniert, so dass zum einen die Monitordiode mit ihrer optisch aktiven Fläche über den Spacer hinausragt und zum anderen auf dem Spacer Platz für Kontaktpads zum Anschluß der Bonddrähte 119 ist.
Die beiden Monitordioden 111, 112 werden üblicherweise derart eingesetzt, daß mit Hilfe einer Monitordiode 111 die optische Ausgangsleistung der Laserdioden 102 geregelt wird, während die andere Laserdiode 112 eine Sicherheitsabschaltung für den Fall bewirkt, daß die Laserleistung über einen vorgegebenen Grenzwert hinausgeht. Derartige Regelungen sind an sich bekannt.
Zur elektrischen und mechanischen Verbindung von Submount 115, 116 und Monitordiode 111, 112 ist es bekannt, die beiden Chips durch Flip-Chip Montage zu verbinden. Die Flip-Chip Montage justiert die beiden vereinzelten Bauteile durch Wenden des einen Chips und anschließendem Positionieren auf dem anderen, in einem Werkstückträger liegenden Chip. Nachteilig muss bei diesem Verfahren das eine Bauteil nach dem Vereinzeln in einem Werkstückträger positioniert werden. Das Verfahren ist zeitaufwendig und die geringe Größe der vereinzelten Chips (etwa 2mm x 2mm) schwer zu handhaben. Auch ist das Verfahren kostenintensiv, das es sich um einen Einzelchipprozess, d.h. um aufwendige und teure Einzelanfertigungen handelt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Photodiodenanordnung und ein Verfahren zur . Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, die eine Verbindung der Halbleiterbauelemente unter Verwendung von Standardprozessen und dabei in kostengünstiger und effektiver Weise ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Photodiodenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Danach zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung in einem ersten Aspekt durch eine Photodiodenanordnung aus, bei der eine Photodiode und ein Submount zur Kontaktierung der Photodiode durch eutektisches Bonden miteinander verbunden sind. Dabei weisen beide Elemente auf der einander zugewandten Seite jeweils eine entsprechende Metallisierung auf. Unter einem Submount wird ein Trägerelement für die Photodiode verstanden.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem ersten Halbleiterbauelement und einem zweiten Halbleiterbauelement zur Verfügung, die eine unterschiedliche Außenkontur aufweisen. Insbesondere dient das Verfahren der Verbindung einer Photodiode mit einem Submount zur Herstellung einer Photodiodenanordnung gemäß Anspruch 1.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Herstellen einer Vielzahl erster Halbleiterbauelemente auf einem ersten Wafer, b) Herstellen einer Vielzahl zweiter Halbleiterbauelemente auf einem' zweiten Wafer, dabei c) Anbringen einer Metallisierung auf den ersten Halbleiterbauelementen des ersten Wafers, d) Anbringen einer Metallisierung auf den zweiten Halbleiterbauelementen des zweiten Wafers, e) Ausbildung von Gräben in den ersten und/oder den zweiten Halbleiterbauelemenen, danach f) Verbinden der beiden Wafer durch eutektisches Bonden der jeweiligen Metallisierungen, wobei der entstandene Waferverbund eine Vorder- und eine Rückseite aufweist, danach g) Vereinzelnen der Vorderseite des Wäferverbunds entsprechend einer ersten Außenkontur der zu vereinzelnden ersten Halbleiterbauelemente, wobei nur der erste Wafer durchtrennt wird, und anschließend h) Vereinzelnen der Rückseite des Wäferverbunds entsprechend einer zweiten Außenkontur der zu vereinzelnden zweiten Halbleiterbauelemente, wobei nur der zweite Wafer durchtrennt wird.
Erfindungsgemäß werden die zu verbindenden Halbleiterbauelemente somit bereits im Waferverbund miteinander verbunden. Dies erfolgt durch eutektisches Bonden der auf den jeweiligen Halbleiterbauelementen ausgebildeten Metallisierungen. Beispielsweise befindet sich auf dem einen Wafer eine Gold-Metallisierung und auf dem anderen Wafer eine
Gold-Zinn-Metallisierung. Durch die Gräben, die vor dem Bondvorgang in die jeweilige Oberfläche geätzt werden, wird sichergestellt, dass sich die Photodiode und der Submount nur an definierten Stellen miteinander verbinden. Es wird also durch die Ausbildung von Gräben eine topographische
Bearbeitung der Wafer an den Stellen bereitgestellt, an denen keine Verbindung der Wafer benötigt wird.
Zur Herstellung unterschiedlicher Außenkonturen der zu vereinzelnden Halbleiterbauelemente auf den beiden Seiten des Waferverbundes wird zunächst die Vorderseite und dann - bevorzugt nach einem Wenden den Waferverbundes - die Rückseite vereinzelt. Das Vereinzeln erfolgt bevorzugt durch Sägen der jeweiligen Seite. Es wird also nicht der komplette Waferverbund getrennt, sondern nur die jeweils oben zum
Liegen kommende..Komponente. Es können dadurch Endkomponenten im Waferprozess hergestellt werden, die unterschiedliche Konturen aufweisen, insbesondere winklig zueinander angeordnet sind.
Nach Vereinzelung werden die Endkomponenten aus dem Waferverbund gelöst und zur weiteren Verarbeitung einer automatisierten Vorrichtung zugeführt, bei der sich beispielsweise um ein sogenanntes „Blue-Tapeu, einen Werkstückträger handelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst effektiv und zeitsparend, da bis zu mehrere tausend Halbleiterbauelemente gleichzeitig aufeinander montiert werden können. Dabei werden mit Vorteil erprobte Verfahren auf neue Weise miteinander kombiniert und kann auf vorhandene Logistigketten zurückgegriffen werden. Das Verfahren ist auf alle Halbleiterbauelemente anwendbar, die mit Flip-Chip Montage jeweils einzeln miteinander verbunden werden. Dabei muss es lediglich möglich sein, bereits im Waferverband die für ein eutektisches Bonden erforderlichen Metallisierungen auf die jeweiligen Halbleiterbauelemente aufzubringen.
Durch Verwendung eutektischer Stoffgemische (z.B. Gold-Zinn mit Gold) wird der Schmelzpunkt für das Bonden der Metallisierungen herabgesetzt, so dass auf den Wafern ausgebildete Strukturen der Halbleiterbauelementen, beispielsweise optisch aktive Bereiche einer Photodiode, beim Bonden der Wafer nicht zerstört bzw. beschädigt werden.
Bevorzugt befinden sich auf den Wafern Justagemarken, die eine genaue Positionierung der jeweiligen Wafer aufeinander sicherstellen.
Bei den jeweiligen Halbleiterbauelementen, d.h. insbesondere jeweils einer Photodiode und einem Submount, handelt sich bevorzugt um Siliziumchips. Es handelt sich bei Silizium um ein relativ kostengünstiges Material und kann auf bereits erprobte Bearbeitungsverfahren zurückgegriffen werden.
Die Erfindung wird nochfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine seitliche Ansicht einer
Photodiodenanordnung mit einer Photodiode und einem Submount zum Tragen und Kontaktieren der
Photodiode;
Figur 2 zwei mittels eutektischen Bondens zu verbindenende Wafer vor dem Verbinden;
Figur 3 die beiden durch eutektisches Bonden verbundenen Wafer;
Figur 4 einen ersten Vereinzelungsprozess an der einen Seite der miteinander verbundenen Wafer;
Figur 5 einen zweiten Vereinzelungsprozess an der anderen Seite der miteinander verbundenen Wafer;
Figur 6 in Draufsicht eine aus dem
Vereinzelungsprozess hervorgeganege Photodiodenanordnung und
Figur 7 eine aus dem Stand der Technik bekannte Photodiodenanordnung.
Zur Erläuterung des Hintergrundes des Erfindung war eingangs eine im Stand der Technik bekannte Photodiodenanordnung anhand der Figur 7 beschrieben worden.
Die Figur 1 zeigt eine Photodiodenanordnung, bei der eine Monitordiode 1 auf einem Spacer 2 angeordnet ist. Sowohl der Spacer 2 als auch ein Array 3 vertikal emmittierender Halbleiterlaser (VCSEL) sind derart auf einem gemeinsamen Träger 4 positioniert, dass von einem seitlichen
Halbleiterlaser des Arrays ausgestrahltes Licht von der Monitordiode 1 direkt detektiert wird, die mit ihrer nach unten ausgerichteten optisch aktiven Schicht 14 über den Spacer 2 ragt.
Bei der Monitordiode 1 handelt es sich bevorzugt um eine Silizium-Photodiode. Ebenso ist der Submount 2 bevorzugt ein Silizium-Chip. Die beiden Komponenten 1, 2 weisen jeweils Metallisierungen auf. Die Metallisierungen des Spacers 2 sind dabei jeweils über einen Kontaktpad 21 mit einem Bonddraht verbindbar. Die Verbindung der beiden Komponenten 1, 2 erfolgt über ein eutektisches Bonden noch im Waferverbund, wodurch die Monitordiode 1 und der Submount 2 in einem Bereich 6 elektrisch und auch mechanisch miteinander verbunden werden. Dies wird nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläutert.
Gemäß Figur 2 werden auf der Vorderseite eines ersten Wafers 7 und der Vorderseite eines zweiten Wafer 8 in an sich bekannter Weise jeweils eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen 1', 2' strukturiert. Insbesondere handelt es sich bei den Halbleiterbauelementen 1' des ersten Wafers 7 um Photodioden mit optisch aktiven Flächen und bei den Halbleiterbauelementen 2' des zweiten Wafers 8 um Submounts, wie sie bei der Anordnung der Fig. 1 verwendet werden.
Die beiden Wafer 7, 8 werden mit Ihren Oberflächen aufeinandergelegt und unmittelbar mittels eutektischen Bondens miteinander verbunden. Gemäß Figur 3 wei-sen die beiden Wafer 7, 8 dabei jeweils eine Metallisierung 12', 21' auf. Bei der einen Metallisierung handelt es sich bevorzugt um eine Gold-Metallisierung 12', bei der anderen Metallisierung bevorzugt um eine Gold-Zinn-Metallisierung 21' . Des weiteren sind in der Oberfläche mindestens eines Wafers Gräben bzw. Aussparungen 9 vorgesehen. Die Aussparungen 9 sorgen dafür, das eine Verbindung zwischen den beiden Wafern nur in definierten Bereichen erfolgt. Auch sind auf den Wafern 7, 8 Justagehilfen (sogenannte Fiducials) angebracht (nicht dargestellt) . Das eutektische Bonden der beiden Wafer erfolgt in an sich bekannter Weise.
Nach dem Verbinden der beiden Wafer 7, 8 ist es erforderlich, eine Vereinzelung der gewünschten Komponenten vorzunehmen. Dabei wird gemäß Figur 4 zunächst lediglich der eine Wafer 8 des Wäferverbunds 7, 8 vereinzelt. Dies erfolgt durch Sägen der einen Seite des Waferverbundes 7, 8 entlang den Linien 10-a. Der eine Wafer 8 wird dabei entlang Linien 10-a vereinzelt, die den zu vereinzelnden Halbleiterbauelementen 1' eine erste gewünschte Außenkontur geben. Die im Bereich der Aussparungen 9 befindlichen Restbereiche 81, die nun keine Verbindung mit der Waferverbund 7, 8 mehr haben, werden entfernt, wobei die mit dem anderen Wafer 7 eutektisch
gebondeten Bereiche 82 übrig bleiben, die die gewünschten Halbleiterbauelemente 2 darstellen.
Nach Vereinzeln des einen Wafers 8 des Waferverbundes 7, 8 wird die andere Seite bzw. der andere Wafer 7 des
Waferverbundes 7, 9 vereinzelt, wozu dieser bevorzugt, aber nicht notwendigerweise gewendet wird (damit nur an einer Seite ein Sägewerkzeug angeordnet werden muss) . Gemäß Figur 5 wird der Wafer 7 durch Sägen entlang den Linien 10-b vereinzelt. Dabei wird den zu vereinzelnden
Halbleiterbauelementen eine zweite gewünschte Außenkontur geben, die von der Außenkontur der ersten
Halbleiterbauelemente 2 abweicht. Nach Vereinzeln auch des zweiten Wafers 7 verbleiben als Endkomponenten bereits verbundene Einheiten aus den beiden Halbleiterbauelementen 1, 2, bei den es sich beispielsweise um eine Monitordiode 1 und einen Submount 2 entsprechend Fig. 1 handelt.
Statt eines Vereinzeins durch Sägen können die Wafer 7, 8 auch durch andere Trenntechniken vereinzelt werden.
Figur 6 zeigt die Metallisierungen der beiden Halbleiterbauelemente für das Beispiel einer Monitordiode 1 und eines Submounts 2. Die Monitordiode 1 weist einen optisch aktiven Bereich 14 auf, die über Metallisierungen 12, 13 elektrisch Kontaktiert wird. Die Metallisierungen 12, 13 gehen jeweils in flächige Metallisierungsbereiche 12a, 13a über. Der Submount 2 weist zwei Kontaktpads 21 zur Kontaktierung der Monitordiode 1 auf, die jeweils mit Metallisierungen 22, 23 verbunden sind. Die Metallisierungen 22, 23 entsprechen in ihrer Geometrie in einem Überscheidungsbereich, in dem die Monitordiode 1 und der Submount 2 eutektisch miteinander gebondet sind, den Metallisierungen 12, 13 der Monitordiode und bilden flächige Metallisierungsbereiche 22a, 23a aus, so dass die jeweiligen Metallisierungen 22a, 12a; 23a, 13a aufeinanderliegen.