DE102004025775A1

DE102004025775A1 - Oberflächenemissionslasergehäuse, das ein integriertes optisches Element und einen integrierten Ausrichtungspfosten aufweist

Info

Publication number: DE102004025775A1
Application number: DE102004025775A
Authority: DE
Inventors: Kendra Marina Del Rey Gallup; Brenton A. Palo Alto Baugh; Robert E. Palo Alto Wilson; James A. Milpitas Matthews; James H. Walnut Creek Williams; Tak Kui Saratoga Wang
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2005-04-14
Also published as: JP2005094021A; JP4901086B2; US6982437B2; US7358109B2; US20050062055A1; CN1599159A; US20050098790A1; CN100530865C

Abstract

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.

Description

Diese Patentschrift bezieht sich auf die folgenden gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldungen und nimmt diese durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit auf: Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Alignment Post for Optical Subassemblies Made With Cylindrical Rods, Tubes, Spheres, or Similar Features", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030442-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Wafer-Level Packaging of Optoelectronic Devices", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030489-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Integrated Optics and Electronics", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030566-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Methods to Make Diffractive Optical Elements", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030769-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Optoelectronic Device Packaging With Hermetically Sealed Cavity and Integrated Optical Element", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030386-1; Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Optical Device Package With Turning Mirror and Alignment Post", Anwaltsaktenzeichen 10030768-1; und Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Optical Receiver Package", Anwaltsaktenzeichen Nr. 11030808-1.

Optoelektronische Bauelemente bzw. Vorrichtungen wie z. B. Laserdioden für optische Sende-/und Empfangsgeräte können unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken auf effiziente Weise hergestellt werden. Allgemein bilden Waferverarbeitungstechniken gleichzeitig eine große Anzahl (z. B. Tausende) von Bauelementen auf einem Wafer. Der Wafer wird dann gesägt oder geschnitten, um einzelne Chips zu trennen. Eine gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl von Chips hält die Kosten pro Chip niedrig, jedoch muß jeder einzelne Chip in ein System eingehäust bzw. eingebaut wer den, das den Chip schützt und das sowohl elektrische als auch optische Schnittstellen zur Verwendung der Bauelemente auf dem Chip liefert.

Der Zusammenbau eines Gehäuses oder eines Systems, das ein optoelektronisches Bauelement enthält, ist aufgrund des Erfordernisses, mehrere optische Komponenten mit dem Halbleiterbauelement auszurichten, oft kostspielig. Beispielsweise kann die Sendeseite eines optischen Sende-/Empfänger-Chips einen oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlaser (VCSEL) umfassen, der ein optisches Signal in 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 und ein Koppeln des optischen Signals in eine externe optische Faser zu verbessern. Der Laser, die Linse und eine optische Faser können während eines Zusammenbauprozesses, der eine optische Unterbaugruppe (OSA – optical subassembly) erzeugt, ausgerichtet werden. Der Ausrichtungsprozeß kann ein zeitaufwendiger/kostspieliger Prozeß sein, der ein Einstellen der relativen Position des Lasers beinhaltet, während die in die Faser gekoppelte optische Leistung gemessen wird. Die relativen Positionen des Lasers, der Linse und der optischen Faser werden verriegelt, nachdem die Effizienz der optischen Kopplung ein maximales oder akzeptables Niveau aufweist. Mechanismen zum Einstellen und Verriegeln der relativen Position des Lasers können die Kosten und Komplexität einer OSA erhöhen. Ferner müssen die Ausrichtungs- und Zusammenbauprozesse allgemein für jedes Gehäuse separat durchgeführt werden.

Das Häusen auf Waferebene ist eine vielversprechende Technologie zum Verringern der Größe und der Kosten des Häusens von optoelektronischen Bauelementen. Bei der Häusung auf Waferebene werden Komponenten, die herkömmlicherweise separat an getrennten Gehäusen gebildet und befestigt wurden, statt dessen auf einem Wafer, der mehreren Gehäusen entspricht, hergestellt. Die sich ergebende Struktur kann ge sägt oder geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen. Häusungstechniken und Strukturen, die die Größe und/oder Kosten von gehäusten optoelektronischen Bauelementen verringern können, werden gesucht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Struktur und ein Häusungsverfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Struktur gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Häusungsverfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Gehäuse, 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, die einen Abstandshalterring, der eine Öffnung aufweist, die einen Hohlraum definiert, und ein Deckelsubstrat umfaßt, das das integrierte optische Element umfaßt.

Die Abdeckung kann an einer Montagebasis befestigt sein, die elektrische Verbindungen mit dem Laser liefert, um einen hermetisch abgedichteten Hohlraum zu bilden, der den Laser vor der Umgebung schützt. Ein Ausrichtungspfosten kann 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) kann dann weiter zusammengebaut werden, indem der Ausrichtungspfosten in ein Ende einer passenden Hülse eingepaßt wird und indem eine optische Ferrule in das andere Ende der Hülse eingepaßt wird. Die Ferrule beherbergt eine optische Faser. Wenn die optische Faser an den Ausrichtungspfosten anstößt, hält die Hülse die Ferrule in einer Position zum effizienten Koppeln des optischen Signals in die Faser.

Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Baugruppe, die einen Oberflächenemissionslaser, eine Montagebasis und eine Abdeckung umfaßt. Der Laser emittiert ein optisches Signal von seiner Oberseite. Die Montagebasis enthält Bahnen, die mit dem Laser elektrisch verbunden sind. Die Abdeckung ist an der Montagebasis befestigt, um einen Hohlraum (vorzugsweise einen hermetisch abgedichteten Hohlraum) zu bilden, der den Laser einschließt, und umfaßt ein optisches Element in dem Pfad des optischen Signals. Die Bahnen in der Montagebasis verbinden allgemein interne Verbindungsanschlußflächen elektrisch, die in dem Hohlraum liegen, und verbinden den Chip mit Anschlüssen, die außerhalb des Hohlraums zugänglich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Abdeckung umfaßt einen Abstandshalterring, der an der Montagebasis befestigt ist, und eine Platte, die an dem Abstandshalterring befestigt ist. Der Abstandshalterring kann aus einem Siliziumsubstrat gebildet sein, das für das optische Signal opak sein kann, während die Platte aus Glas oder einem anderen Material hergestellt ist, das für das optische Signal transparent ist. Ein optisches Element kann in die Platte integriert oder an derselben befestigt sein. Ein Pfosten kann an einer Position, die mit einem Pfad des optischen Signals durch die Abdeckung ausgerichtet ist, an der Abdeckung befestigt sein.

Ein weiteres spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Häusungsprozeß. Der Häusungsprozeß umfaßt ein elektrisches Verbinden von Chips mit jeweiligen Montagebasisbereichen eines ersten Wafers. Jeder Chip emittiert ein optisches Signal von seiner oberen Oberfläche. Abdeckungen sind mit dem ersten Wafer verbunden. Jede Abdeckung kann einen Abstandshalter, der ein Loch aufweist, und eine Platte umfassen, die für die optischen Signale transparent ist und ein optisches Element beinhaltet. Die Abdeckungen können jeweilige Bereiche eines zweiten Wafers sein, so daß ein Verbinden der Abdeckungen mit den Montagebasen einem Ver binden des zweiten Wafers mit dem ersten Wafer entspricht. Die Chips werden anschließend in jeweiligen Hohlräumen zwischen dem ersten Wafer und den jeweiligen Abdeckungen eingehüllt, und für jeden der Chips wird das optische Element in der entsprechenden Abdeckung positioniert, um das optische Signal von dem Chip zu empfangen. Dann ist es möglich, die sich ergebende Struktur zu sägen oder zu schneiden, um einzelne Gehäuse, die die Chips enthalten, zu trennen.

Die Abdeckungen können durch Folgendes hergestellt werden: Bilden einer oberen Ätzstoppschicht-Oberfläche auf einem Halbleitersubstrat; Bilden einer Mehrzahl von optischen Elementen, die über der Ätzstoppschicht liegen; Befestigen einer transparenten Platte, die über den optischen Elementen liegt; und Bilden von Löchern durch das Halbleitersubstrat unterhalb der optischen Elemente.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt eines Abschnitts einer Struktur, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene für optoelektronische Bauelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Drahtbonden für elektrische Verbindungen verwendet, gebildet wird;
2 einen Querschnitt eines Abschnitts einer Struktur, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene für optische Halbleiterbauelemente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, der Flip-Chip-Strukturen für elektrische Verbindungen verwendet, gebildet wird;
3 einen Querschnitt einer Montagebasis für eine optische Halbleiterbauelementbaugruppe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung für ein optisches Halbleiterbauelementgehäuse gemäß alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung;
5A, 5B und 5C ein Verfahren zum Herstellen einer Abdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 einen Querschnitt einer optischen Unterbaugruppe (OSA), die einen Oberflächenemissionslaser und eine Abdeckung mit einem integrierten optischen Element und einem Ausrichtungspfosten umfaßt; und
7 eine optische Baugruppe, die die OSA der 6 umfaßt.
Die Verwendung derselben Referenzsymbole in verschiedenen Figuren weist auf ähnliche oder identische Posten hin.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Gehäuse, das ein optoelektronisches Bauelement enthält, eine Montagebasis und eine Abdeckung mit einem integrierten optischen Element für ein optisches Signal von dem optoelektronischen Bauelement. Die Montagebasis und die Abdeckung können unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken gebildet sein, und die Abdeckung kann ein Deckelsubstrat umfassen, das verarbeitet ist, um das optische Element zu umfassen. Das optische Element fokussiert das optische Signal von dem optoelektronischen Bauelement zum Koppeln in ein weiteres optisches Bauelement oder eine optische Faser.
Ein Waferebene-Herstellungsprozeß für diese Gehäuse befestigt einen ersten Wafer, der mehrere Abdeckungen umfaßt, an einem zweiten Wafer, der mehrere Montagebasen umfaßt. Die optoelektronischen Bauelemente befinden sich in mehreren Hohlräumen, die durch das Verbinden der Wafer gebildet werden. Die Hohlräume können hermetisch abgedichtet sein, um die umhüllten optoelektronischen Bauelemente zu schützen. Die Struktur, die die verbundenen Wafer umfaßt, wird gesägt oder geschnitten, um einzelne Gehäuse zu trennen.
1 zeigt eine Struktur 100, die während eines Häusungsprozesses auf Waferebene gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wird. Die Struktur 100 umfaßt mehrere oberflächenemittierende Vertikalresonatorlaser (VCSEL) 110. Die Laser 110 können einen herkömmlichen Entwurf aufweisen und können unter Verwendung von Verfahren, die in der Technik hinreichend bekannt sind, hergestellt sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel weist jeder Laser 110 einen sendenden Abschnitt, der einen oberflächenemittierenden Laser umfaßt.
Jeder Laser 110 befindet sich in einem der Hohlräume 140, die zwischen einem Montagebasiswafer 120 und einem Abdeckungswafer 130 gebildet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 sind die Laser 110 an dem Montagebasiswafer 120 befestigt und elektrisch mit demselben verbunden, die Laser 110 könnten alternativ dazu jedoch auch an dem Abdeckungswafer 130 befestigt sein. Die Laser 110 können unter Verwendung einer herkömmlichen Chipbefestigungsausrüstung in der gewünschten Position festgeklebt oder auf andere Weise in derselben befestigt sein. In der Struktur 100 verbindet ein Drahtbonden die Verbindungsanschlußflächen 115 auf den Lasern 110 mit internen Verbindungsanschlußflächen 122 auf dem Wafer 120.
Der Montagebasiswafer 120 umfaßt Schaltungselemente wie z. B. Verbindungsanschlußflächen 122 und elektrische Bahnen bzw. Durchkontaktierungen (nicht gezeigt), die die Laser 110 mit den externen Anschlüssen 124 verbinden. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sich die externen Anschlüsse 124 auf der oberen Oberfläche des Montagebasiswafers 120 befinden, alternativ dazu könnten externe Anschlüsse jedoch auch auf einer unteren Oberfläche des Montagebasiswafers vorgesehen sein. Ferner können in den Mon tagebasiswafer 120 aktive Bauelemente (nicht gezeigt) wie z. B. Transistoren, ein Verstärker, eine Photodiode oder eine Überwachungseinrichtung/ein Sensor integriert sein.
Der Abdeckungswafer 130 ist so hergestellt, daß er in Bereichen, die den Lasern 110 auf dem Montagebasiswafer 120 entsprechen, Vertiefungen oder Hohlräume 140 umfaßt. Der Wafer 130 kann aus Silizium, Quarz oder einem beliebigen Material hergestellt werden, das für das optische Signal transparent und für die Bildung von Hohlräumen 140 geeignet ist. Die Hohlräume 140 können auf verschiedene Weisen gebildet werden, einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, eines Formens, Prägens, Ultraschallbearbeitens und (isotropen-, anisotropen- oder Plasma-) Ätzens.
Optische Elemente 160 wie z.B. Linsen oder Prismen können entlang der Pfade der optischen Signale von den Lasern 110 an dem Abdeckungswafer 130 befestigt sein oder in denselben integriert sein. Bei 1 sind die optischen Elemente 160 Linsen, die an dem Wafer 130 befestigt sind und dazu dienen, die optischen Signale zum Zweck einer besseren Kopplung in eine optische Faser oder ein anderes optisches Bauelement, das in 1 nicht gezeigt ist, zu fokussieren. Die US-Patentanmeldung Nr. 10/210,598 mit dem Titel „Optical Fiber Coupler Having a Relaxed Alignment Tolerance" offenbart bifokale Beugungslinsen, die für optische Elemente 160 geeignet sind, wenn ein Koppeln der optischen Signale in optische Fasern gewünscht wird.
Der Montagebasiswafer 120 und der Abdeckungswafer 130 sind ausgerichtet und miteinander verbunden. Eine Vielzahl von Waferbondingtechniken, einschließlich eines Lötens, Bondens durch Wärmekompression oder Bondens mit einem Haftmittel, sind bekannt und könnten zum Befestigen der Wafer 120 und 130 eingesetzt werden. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung befestigt ein Löten unter Verwendung eines eutektischen Gold/Zinn-Lötmittels die Wafer 120 und 130 aneinander und dichtet die Hohlräume 140 hermetisch ab.
Hermetische Abdichtungen an den Hohlräumen 140 schützen die eingeschlossenen Chips 110 vor Umweltschäden.
Nachdem die Wafer 120 und 130 verbunden wurden, kann die Struktur 100 gesägt oder geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu erzeugen, die jeweils einen Laser 110 umfassen, der in einem Hohlraum 140 hermetisch abgedichtet ist. Wie in 1 veranschaulicht ist, können Sägekanäle 142 in dem Abdeckungswafer 140 gebildet werden, um ein Sägen des Abdeckungswafers 130 über den externen Anschlüssen 124 zu ermöglichen, ohne darunterliegende Strukturen, z.B. die externen Anschlüsse 142, zu beschädigen. Der Montagebasiswafer 120 kann dann geschnitten werden, um einzelne Gehäuse zu trennen.
2 veranschaulicht eine Struktur 200 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Flip-Chip-Strukturen verwendet, um Laser 210 an einem Montagebasiswafer 220 zu befestigen. Für ein Flip-Chip-Häusen werden Verbindungsanschlußflächen 215 auf Chips 210 positioniert, um leitfähige Säulen oder Kontakthügel 225 auf dem Montagebasiswafer 220 zu berühren. Die Kontakthügel 225 enthalten allgemein ein Lötmittel, das aufgeschmolzen werden kann, um die Laser 210 physisch und elektrisch an dem Wafer 220 zu befestigen. Eine (nicht gezeigte) Unterfüllung kann ferner verwendet werden, um die mechanische Integrität zwischen dem Laser 210 und dem Montagebasiswafer 220 zu verbessern. Abgesehen von dem Verfahren zur Befestigung und elektrischen Verbindung der Chips 210 an dem Montagebasiswafer 220 ist die Struktur 200 im wesentlichen dieselbe wie die oben unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Struktur 100.
Obwohl 1 und 2 Strukturen veranschaulichen, die während eines Waferebene-Häusungsprozesses gebildet werden, sind viele Variationen des offenbarten Prozesses möglich. Statt des Befestigens des Abdeckungswafers 130 an dem Montagebasiswafer 120 oder 220 können insbesondere getrennte Abdeckungen gebildet und an dem Montagebasiswafer befestigt werden. Dies vermeidet das Erfordernis, den Abdeckungswafer 130 über den externen Anschlüssen 124 zu schneiden, wenn sich die externen Anschlüsse 124 auf einer Stirn- oder Oberseite des Montagebasiswafers 120 befinden. Ferner können statt eines Waferebene-Prozesses ähnliche Techniken für ein einzelnes Gehäuse eingesetzt werden, bei dem ein Laser in dem Hohlraum zwischen einer Montagebasis und einer Abdeckung eingeschlossen ist, die zumindest ein integriertes optisches Element aufweist.
3A zeigt einen Querschnitt einer Montagebasis 300 für ein Optisches-Bauelement-Gehäuse gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für einen Häusungsprozeß auf Waferebene ist die Montagebasis 300 ein Bestandteil eines Montagebasiswafers und wird erst nach einem Verbinden des Montagebasiswafers, wie es oben beschrieben wurde, von anderen, ähnlichen Montagebasen getrennt. Alternativ dazu kann die Montagebasis 300 zur Herstellung eines einzelnen Gehäuses von anderen, ähnlichen Montagebasen getrennt werden, bevor ein Optisches-Bauelement-Chip an der Montagebasis 300 befestigt wird.
Die Montagebasis 300 kann unter Verwendung von Waferverarbeitungstechniken hergestellt werden, wie sie beispielsweise in einer gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT, mit dem Titel „Integrated Optics And Electronics", Anwaltsaktenzeichen 10030566-1, beschrieben werden. Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel kann die Montagebasis 300 entweder ein verarbeitetes oder nichtverarbeitetes Siliziumsubstrat sein und könnte passive und/oder aktive Schaltungskomponenten beinhalten.
Eine planarisierte isolierende Schicht 330 ist auf dem Siliziumsubstrat 310 gebildet, um eine flache Oberfläche zu liefern, auf der die Metallisierung strukturiert werden kann. Falls elektrische Verbindungen mit Schaltungselementen, die in dem Substrat 310 integriert sind, gewünscht werden, können in der isolierenden Schicht 330 Öffnungen gebildet sein. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Schicht 330 eine TEOS-Schicht (TEOS = Tetraethylorthosilicat), die etwa 10.000 A dick ist.
Leiterbahnen 340 und 345 können aus einer Metallschicht, z. B. einem 10.000 A dicken TiW/AlCu/TiW-Stapel, strukturiert werden. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel bildet ein Prozeß, der ein Aufdampfen eines Metalls und einen Abhebeprozeß, um unerwünschtes Metall zu beseitigen, umfaßt, Bahnen 340 und 345. Eine isolierende Schicht 330 (z. B. eine weitere TEOS-Schicht einer Dicke von etwa 10.000 A) kann aufgebracht werden, um die Bahnen 340 und 345 zu vergraben und zu isolieren. Auf diese Weise kann eine beliebige Anzahl von Schichten von vergrabenen Bahnen gebildet werden. Eine Passivierungsschicht 350 eines relativ harten und chemikalienbeständigen Materials wie z. B. Siliziumnitrid in einer etwa 4.500 A dicken Schicht kann auf der oberen isolierenden Schicht 335 gebildet sein, um die darunterliegende Struktur zu schützen. Zum Zweck eines elektrischen Verbindens mit einer optoelektronischen Vorrichtung sind Öffnungen 370 durch die Schichten 350 und 330 gebildet, um ausgewählte Bereiche (z. B. Verbindungsanschlußflächen) der Bahnen 340 freizulegen.
Zum Zweck eines Verbindens/Anlötens mit bzw. an einer Abdeckung ist auf der Passivierungsschicht 350 eine Metallschicht 360 (z. B. ein Ti/Pt/Au-Stapel einer Dicke von etwa 5.000 A) gebildet.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Abdeckung 400, die sich zum Befestigen an der Montagebasis 300 der 3 eignet. Die Abdeckung 400 kann unter Verwendung von standardmäßigen Waferverarbeitungstechniken hergestellt werden. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet ein anisotropes Ätzen eines Siliziumsubstrats 410 einen Hohlraum 420, der eine sehr glatte Facette 430 auf einer <111> Ebene der Siliziumkristallstruktur auf weist. In dem Hohlraum 420 kann ein optisches Element wie z. B. eine Linse gebildet sein.
5A zeigt eine Querschnittansicht einer Abdeckung 500 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Abdeckung 500 weist eine zweiteilige Struktur auf, die einen Abstandshalterring 512 und eine Trägerplatte 520 umfaßt. Ein Vorteil der Abdeckung 500 besteht darin, daß die zwei Schichten 512 und 520 auf unterschiedliche Weise verarbeitet und/oder aus verschiedenen Materialien hergestellt sein können. Insbesondere kann der Abstandshalterring 512 unter Verwendung einer standardmäßigen Siliziumwaferverarbeitung hergestellt werden, und die Platte 520 kann aus einem Material wie z. B. Glas hergestellt sein, das für eine gewünschte Lichtwellenlänge transparent ist. 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) hergestellt sind, für viele Siliziumwaferherstellungseinrichtungen eventuell ungeeignet sind.
5B veranschaulicht eine Struktur, die während der Herstellung eines optischen Elements 530 gebildet wird. Der Herstellungsprozeß beginnt mit einem dünnen Siliziumsubstrat 512 (z. B. einem 275 μm dicken Siliziumwafer). Eine Ätzstoppschicht 514 aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder einem anderen Material, das in der Lage ist, als Ätzstopp für Silizium zu fungieren, ist bis zu einer Dicke von etwa 0,5 μm gebildet.
Anschließend wird auf die Ätzstoppschicht 514 eine dünne Polysiliziumschicht 516 (z. B. etwa 1 μm oder weniger) aufgebracht. Die Polysiliziumschicht 516 fungiert als Basis für eine Bildung eines optischen Elements 530, ist jedoch dünn genug, um für die Wellenlänge des Lichts, das von dem eingehäusten Laser emittiert wird, transparent zu sein. Bei einem Beispiel wird die Linse 530 beispielsweise dadurch auf der Schicht 516 gebildet, daß abwechselnde Schichten aus Polysilizium und Oxid abgelagert werden, um die gewünschte Gestalt oder die gewünschten Charakteristika einer Beugungs- oder Brechungslinse zu erzielen. Eine gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung Nr. UNBEKANNT, mit dem Titel „Methods to Make Diffractive Optical Elements", Anwaltsaktenzeichen 10030769-1 beschreibt manche geeigneten Prozesse für die Herstellung der Linse 530.
Eine planarisierte transparente Schicht 518 aus einem Material wie z. B. TEOS wird über der Linse 530 aufgebracht, um eine flache Oberfläche zum Verbinden mit der Trägerplatte 520 zu liefern. Wie in 5C gezeigt ist, ist die Trägerplatte 520 beispielsweise durch ein anodisches Verbinden, wenn die Trägerplatte 520 eine Natriumglasplatte ist, mit der Schicht 518 verbunden. Schließlich wird ein Abschnitt der Rückseite des Substrats 512 bis hinunter zu der Ätzstoppschicht 514 geätzt, um einen Hohlraum 540 zu bilden, wie in 5A veranschaulicht ist. Die Dicke des Siliziums, das oberhalb des Hohlraums 540 verbleibt, ist dünn und ermöglicht, daß Licht der gewünschten Wellenlänge durch das optische Element 530 gelangt.
Ein Verbinden der Platte 520 und ein Ätzen des Substrats 512 wird allgemein auf der Waferebene abgeschlossen, wo eine große Anzahl von Abdeckungen 500 gleichzeitig gebildet wird. Vor oder nach dem Verbinden mit einer Montagebasis können dann separate Abdeckungen 500 aus den verbundenen bzw. gebondeten Wafern ausgeschnitten werden.
Um ein Optisches-Bauelement-Gehäuse unter Verwendung der Montagebasis 300 und der Abdeckung 400 oder 500 zusammenzubauen, wird an der Montagebasis 300 unter Verwendung von herkömmlichen Chipbefestigungs- und Drahtbondungsprozessen oder, alternativ dazu, unter Verwendung von Flip-Chip-Häusungsprozessen eine optoelektronische Vorrichtung angebracht. Elektrische Verbindungen mit den Bahnen 340 auf der Montagebasis 300 können den Chip mit Leistung versorgen und Datensignale an den oder von dem Chip übermitteln. Die Abdeckung 400 oder 500 wird an der Montagebasis 300 befestigt, nachdem der Chip befestigt wurde. Dies kann entweder auf der Einzelgehäuseebene oder auf einer Waferebene erfolgen, die oben beschrieben wurde. Durch ein Strukturieren von AuSn (oder eines anderen Lötmittels) auf die Montagebasis 300 und/oder die Abdeckungen 400 oder 500 kann eine hermetische Abdichtung erhalten werden, so daß, wenn die Abdeckung und die Montagebasis zusammenplaziert werden, ein Lötmittelaufschmelzvorgang eine hermetische Abdichtung erzeugt, die den umschlossenen Chip schützt.
6 veranschaulicht eine optische Unterbaugruppe (OSA) 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die OSA 600 umfaßt einen oberflächenemittierenden Laser 610. Der Laser 610 ist an einer Montagebasis 620 angebracht und elektrisch mit derselben verbunden und vorzugsweise hermetisch in einem Hohlraum 640 abgedichtet, wenn eine Abdeckung 630 mit der Montagebasis 620 verbunden wird. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem Flip-Chip-Techniken Verbindungsanschlußflächen 612 des Chips 610 mit jeweiligen leitfähigen Kontakthügeln 622 auf der Montagebasis 620 elektrisch verbinden. Alternativ dazu könnte ein Drahtbonden, wie es oben beschrieben wurde, verwendet werden, um einen VCSEL mit einer Montagebasis zu verbinden.
Die Montagebasis 620 ist ein Substrat, das verarbeitet wird, um externe Anschlüsse 624 für externe elektrische Verbindungen mit dem Laser 610 zu umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt die Montagebasis 620 Bahnen, wie sie in 3 veranschaulicht sind, die direkte elektrische Verbindungen zwischen den leitfähigen Kontakthügeln 622 und den externen Verbindungsanschlußflächen 624 liefern. Alternativ dazu kann die Montagebasis 620 ferner eine aktive Schaltungsanordnung zur Verwendung mit dem Laser 610 oder andere Chips (z. B. einer Empfänger- oder einer Überwachungsphotodiode), die in demselben Gehäuse enthalten sein können, beinhalten.
Die Abdeckung 630 kann unter Verwendung beliebiger der oben beschriebenen Techniken mit der Montagebasis 620 verbunden sein, und bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel verbindet ein Lötmittel die Abdeckung 630 mit der Montagebasis 620. Folglich kann der Laser 610 in einem Hohlraum 640 zwischen der Abdeckung 630 und der Montagebasis 620 hermetisch abgedichtet sein.
Wie in 6 veranschaulicht ist, ist die Abdeckung 630 eine Mehrschichtstruktur, die einen 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 durch das optische Bauelement 650 und die Abdeckung 630. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein optisches Element 650 eine Beugungs- oder Brechungslinse (z. B. eine Bifokalbeugungslinse), die das optische Signal zum Koppeln in eine optische Faser fokussiert.
Ein Pfosten 660 ist an der Stelle, an der das Licht aus der Abdeckung 630 austritt, an der Abdeckung 630 befestigt (z. B. epoxidiert oder geklebt). Der Pfosten 660 fungiert als Ausrichtungsmerkmal, das das von dem optoelektronischen Bauelement 610 emittierte Licht auf eine optische Faser ausrichtet. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Pfosten 660 ein Hohlzylinder, dessen Innendurchmesser größer ist als das Strahlprofil. Der Pfosten 660 kann somit aus einem beliebigen geeignetermaßen haltbaren Material wie z. B. Metall hergestellt sein. Alternativ dazu kann der Pfosten 660 eine massive Struktur wie z. B. ein Zylinder oder eine Sphäre eines optisch transparenten Materials sein. Ausrichtungspfosten für Gehäuse, die optische Bauelemente enthalten, sind in einer gleichzeitig eingereichten US-Patentanmeldung, Seriennummer UNBEKANNT, mit dem Titel „Alignment Post for Optical Subassemblies Made With Cylin drical Rods, Tubes, Spheres, or Similar Features", Anwaltsaktenzeichen Nr. 10030442-1, näher beschrieben.
7 zeigt eine optische Baugruppe 700, die die OSA 600 enthält. Die Baugruppe 700 umfaßt eine Hülse 710, die eine Ferrule 720 umgibt, die eine optische Faser 730 beherbergt. Die Ferrule 720 und die optische Faser 730 können Abschnitte eines herkömmlichen Optikfaserverbinders sein, der lediglich teilweise in 7 veranschaulicht ist. Die Hülse 710 ist im Grunde ein Hohlzylinder, der aus einem Metall oder aus einem anderen geeignetermaßen haltbaren Material hergestellt ist, und weist eine Bohrung auf, die sowohl den Pfosten 660 des Gehäuses 600 als auch die Ferrule 720 aufnimmt.
Die obere Oberfläche des Pfostens 660 fungiert als Faserstopp und steuert die „z"-Position der optischen Faser 730 relativ zu dem optischen Sender (d. h. VCSEL 610). Der Außendurchmesser des 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 in der x-y-Ebene relativ zu dem Pfosten 660 zentriert, wodurch das aus dem Chip 610 emittierte Licht auf einer optischen Faser zentriert wird. Dementsprechend vereinfacht eine ordnungsgemäße Positionierung eines Pfostens 660, der die gewünschte Länge aufweist, während der Herstellung des Gehäuses 600 die Ausrichtung der optischen Faser 720 zum Zweck einer effizienten Kopplung des optischen Signals.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Beschreibung lediglich ein Beispiel der Anmeldung der Erfindung und sollte nicht als einschränkend angesehen werden. Verschiedene Adaptationen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele fallen in den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Patentansprüche definiert ist.

Claims

Struktur, die folgende Merkmale aufweist: eine Vorrichtung (610), die ein optisches Signal von einer Oberseite 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) befestigt ist, 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.
Struktur gemäß Anspruch 1, bei der die Montagebasis (620) ferner folgende Merkmale aufweist: interne Verbindungsanschlußflächen (622), die sich in dem Hohlraum (640) befinden und mit der Vorrichtung (610) verbunden sind; und externe Anschlüsse (624), die mit den internen Verbindungsanschlußflächen (622) elektrisch verbunden sind und außerhalb des Hohlraums (640) zugänglich sind.
Struktur gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der ein Verbinden der Abdeckung (630) mit der Montagebasis (620) den Hohlraum (640) hermetisch abdichtet.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Abdeckung (630) folgende Merkmale aufweist: einen an der Montagebasis (620) befestigten Abstandshalterring (632); und eine an dem Abstandshalterring (632) befestigte Platte (634).
Struktur gemäß Anspruch 4, bei der das optische Element (650) auf der Platte (634) gebildet ist.
Struktur gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der der Abstandshalterring (632) ein Siliziumsubstrat umfaßt, das ein durch dasselbe gebildetes Loch aufweist.
Struktur gemäß Anspruch 6, bei der die Platte (634) eine Glasplatte umfaßt.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Platte (634) eine Glasplatte umfaßt.
Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, die ferner einen Pfosten (660) aufweist, der an der Stelle, an der das optische Signal aus der Abdeckung (630) hervortritt, an der Abdeckung (630) befestigt ist.
Häusungsverfahren, das folgende Schritte umfaßt: elektrisches Verbinden einer Mehrzahl von Vorrichtungen (110) jeweils mit einer Mehrzahl von Montagebasisbereichen auf einem ersten Wafer (120), wobei jeder Vorrichtung (110) ein optisches Signal von einer oberen Oberfläche der Vorrichtung (110) emittiert; Herstellen einer Mehrzahl von Abdeckungen (500), wobei jede Abdeckung einen Abstandshalter (512), der ein Loch durch denselben aufweist, eine Platte (520), die für die optischen Signale transparent ist, und ein optisches Element (530) umfaßt; Verbinden der 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.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Abdeckungen (500) jeweilige Bereiche eines zweiten Wafers (130) umfassen, und bei dem das Verbinden der Abdeckungen (500) mit dem ersten Wafer (120) ein Verbinden des zweiten Wafers (130) mit dem ersten Wafer (120) umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem das Herstellen der Abdeckungen (500) folgende Schritte umfaßt: Bilden einer Ätzstoppschicht (514) auf einer oberen Oberfläche auf einem Substrat (512); Bilden einer Mehrzahl von optischen Elementen (530), die über der Ätzstoppschicht (514) liegen; und Bilden von Löchern (540) durch das Substrat (514) jeweils unterhalb der optischen Elemente (530).
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem das Bilden der Löcher (540) ein Ätzen einer rückwärtigen Oberfläche des Substrats (512) umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, das ferner ein Befestigen einer transparenten Platte, die über den optischen Elementen (530) liegt, umfaßt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Substrat (512) aus einem Halbleiter hergestellt ist.