DE4211899A1 - Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems und daraus Bildung eines Mikrosystemlasers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Mi­ krosystems und daraus Bildung eines Mikrosystemlasers gemäß dem Gat­ tungsbegriff des Anspruches 1.

Methoden zur Strukturierung von Halbleitermaterialien - wie Silizium und Galliumarsenid - beispielsweise durch anisotropes Ätzen sind bekannt. Insbesondere ist es möglich, in einer definierten Abfolge unterschiedli­ cher Behandlungen ziemlich komplexe Strukturen in einzelnen Wafern zu erzeugen. Bei allen entsprechenden Verfahren des Standes der Technik wer­ den die einzelnen heterogenen Komponenten eines Mikrosystems jedoch auf einer gemeinsamen Basis integriert, was bedeutet, daß jedes System quasi einzeln gefertigt werden muß. Eine gleichzeitige Bearbeitung von ähnli­ chen Komponenten unter gleichzeitigem Entfallen jeglicher Justage oder Positionierung der Einzelkomponenten ist nach dem Stand der Technik bis­ her nicht möglich, wie beispielsweise auch aus der Druckschrift DE-PS 39 25 201 und der deutschen Patentanmeldung P 40 41 130.3-33 (int. Az. 11035) hervorgeht.

Beispielsweise ist unter anderem auch durch die Anmelderin in der deut­ schen Patentanmeldung P 41 40 404.1-33 (int. Az. 11197) ein Verfahren zur Kontaktierung von Wafern bekanntgeworden, also unterschiedliche Bondverfahren und sogenannte optische Kontaktierungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem mit Hilfe bekannter Halbleiter-Strukturierung im Batchverfahren komplexe Mikrosysteme herzustellen, die neben den hori­ zontalen auch bevorzugt vertikale Strukturen zur Bildung der Mikrosyste­ me aufweisen, wobei alle Wafer zueinander justiert und miteinander kon­ taktiert werden und eine parallele und voneinander unabhängige Ansteue­ rung der Mikrosysteme ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen

Fig. 1 eine Schemaskizze zur Veranschaulichung des vorgeschlagenen Ver­ fahrens zur Herstellung vertikal strukturierter Mikrosysteme,

Fig. 2 ein Schemabild eines Ausführungsbeispieles zur Bildung eines Mi­ krosystem-Festkörperlasers in einer Explosionsdarstellung mit Bezeichnung der einzelnen Systemfunktionen,

Fig. 3 ein Schemabild des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 mit einge­ zeichnetem Strahlengang des Lasersystems in der Explosionsdar­ stellung,

Fig. 4 ein Schemabild des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 in Real­ darstellung mit der Kontaktierung der einzelnen - spezifische Funktionen bildende - Wafern.

Die Fig. 1 veranschaulicht in einfacher und schematisierter Weise das vorgeschlagene Verfahren. Es sind hier in diesem Ausführungsbeispiel sieben Wafer 100 bis 700 übereinander und miteinander kontaktiert, wobei die einzelnen Wafer spezifische Funktionen eines bestimmten Mikrosystems tragen. So können einzelne Wafer beispielsweise mikromechanische Ver­ stellelemente (Aktuatoren), optische Komponenten (laseraktive Medien, Spiegel, abbildende Systeme), Sensoren (Photodioden, Temperatur-, Druck- oder Wegsensoren etc.), elektronische Komponenten (Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise zur Ansteuerung der Komponenten, zur Auswertung der Sensoren und Ableitung eines Regelsignales), Kühlsysteme (geregelte Mikrokühler) tragen oder eine Kombination davon. Vorzugsweise tragen die Wafer 100 bis 700 solche Strukturen, die einerseits im jeweils verwende­ ten Substrat gut herstellbar sind und andererseits in ähnlichen Prozeß­ verfahren strukturiert werden können.

Auch die elektrischen Kontaktierungen können im wesentlichen in den Wa­ fern hergestellt werden. Diese unterschiedlichen Wafer, welche aus den bekannten Halbleitermaterialien, aber auch aus anderen in Waferform fer­ tigbaren Substraten wie etwa Glas, Quarz oder Kristall bestehen können, werden nach ihrer Strukturierung als Ganzes zueinander justiert - wobei z. B. optische oder mechanische Positionshilfen hilfreich sein können - nach den üblichen Verfahren (Bonden, optisches Kontaktieren) miteinander kontaktiert und entlang den Ebenen 10, 20, 30 . . . zerschnitten, so daß letztlich sich vorzugsweise vertikale Strukturen 1, 2 etc. ergeben, wel­ che komplette Mikrosysteme mit komplexen Funktionen darstellen.

Verzichtet man auf ein Zerschneiden der Wafer, so können flächenmäßige Anordnungen von Mikrosystemen parallel und unabhängig voneinander ange­ steuert eingesetzt werden. Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbei­ spiel eines Mikrosystem-Festkörperlasers. Dieser Laser besteht im vor­ liegenden Falle aus einem von Laserdioden gepumpten Festkörperkristall, wobei die Laserdiodenstrahlung über eine Koppeloptik 711, 712 in eine Kristallscheibe fokussiert wird, der Festkörperlaser in seiner Ausgangs­ leistung geregelt und in seiner Frequenz abstimmbar ist und letztlich auf eine Referenzkavität stabilisiert wird. Die durch die Laserdioden 641, 642 induzierte Wärmelast wird durch die Mikrokanalkühler 701, 702 aus dem System herausgeführt. Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus ei­ ner solchen Waferanordnung, typischerweise enthält jedoch ein Wafer eine Vielzahl solcher Elemente, wie sie in der Figur, die nachfolgend detail­ liert beschrieben wird, der Übersicht halber nur zweifach eingezeichnet sind.

Der Wafer 700 enthält in diesem Ausführungsbeispiel den Mikrokühler. Dieser Wafer selbst kann nun seinerseits aus einem Siliziumsubstrat 702 bestehen, in welches Kühlkanäle 701 geätzt sind, die durch einen zweiten planen Wafer 703 flächig verschlossen werden. Der Durchfluß durch einen solchen Mikrokühler ist beispielsweise durch integrierte Mikroventile regelbar.

Auf diesen Wafer 700 schließt sich der Wafer 600 an, der beispielsweise aus einem Gallium-Arsenid-Substrat 631 gefertigt ist. Hierin sind mono­ lithisch die Pumplaserdioden 601, 602 integriert. Durch anisotropes Ät­ zen und gegebenenfalls durch optische Bedampfung sind Strahlumlenkele­ mente 611, 612 integriert, welche den horizontal emittierten Laserdio­ denstrahl in die Vertikale umlenken. Nahe der Laserdioden 601, 602 sind Standard-Dioden 641, 642 strukturiert, welche als Temperatursensoren für die Laserdiodentemperatur dienen und aus welchen ein Regelsignal für die Kühlung ableitbar ist.

Der daran anschließende Wafer 500 umfaßt eine abbildende Optik 511, 512 zur Fokussierung der Pumplaserstrahlung in den Laserkristall. Die jewei­ lige Linse 511, 512 wird durch Formung des Siliziumsubstrates 501 für Infrarot-Wellenlängen, bei denen Silizium transparent ist, geformt, kann für andere Wellenlängen aber auch aus integrierten Glaslinsen oder -ku­ geln bestehen oder aber als holographisches optisches Element ausgebil­ det sein. Im letztgenannten Fall wird als Substrat 501 vorzugsweise Glas verwendet werden, in welchem durch Ätzprozesse ein Phasengitter einge­ schrieben ist und welches die abbildenden Eigenschaften eines Linsensy­ stems aufweist. In bestimmten Fällen kann Wafer 500 auch weggelassen werden.

Der anschließende Wafer 400 besteht aus einem Laserkristall oder Laser­ glas. Die polierte, mit Ionen der Lanthanid-Gruppe dotierte laseraktive Schicht 402 ist beidseitig optisch beschichtet und zwar so, daß die Schicht 403 einen optischen Kurzpaßfilter abgibt, der hochtransmittie­ rend für die Pumplichtwellenlänge der Laserdiode und hochreflektierend für die Festkörperlaser-Wellenlänge ist. Das Coating 401 ist als Antire­ flexbeschichtung für die Laserwellenlänge und gegebenenfalls reflektie­ rend für die Pumplichtwellenlänge ausgeführt.

Der Wafer 300 beinhaltet im wesentlichen aktiv kontrollierte Laserspie­ gel 331, 332 für den Festkörperlaser, die im wesentlichen aus einer für die Laserwellenlänge teilreflektierenden Spiegelschicht bestehen, welche auf einem beispielsweise Siliziumsubstrat 351 aufgedampft und als Trans­ missionsspiegel ausgeführt ist. Weiterhin ist zur aktiven Bewegung des Spiegels 331, 332 jeweils ein mikromechanischer Aktuator 311, 321 und 312, 322 angeordnet. Dieser Wafer 300 kann seinerseits zur geeigneten Ausbildung der Aktuatorelemente aus zwei miteinander verbundenen Sub­ straten 351 und 352 zusammengesetzt sein, wobei in das obere Substrat noch Photodioden 341, 342 und 301, 302 eingelassen sind. Die beiden er­ steren bilden Sensoren zur Messung der Laserausgangsleistung, die beiden letzteren Sensoren zur aktiven Frequenzstabilisierung des Lasers.

Zwischen Wafer 400 und Wafer 300 können nun noch weitere Wafer mit In­ ter-Cavity-Elementen angeordnet sein, wie beispielsweise nicht lineare optische Kristalle zur Frequenzvervielfachung, Phasenmodulation etc.

Der weitere Wafer 200 in dem Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Strahl­ umlenkung zur Auskopplung eines Teilstrahles geringer Intensität, wel­ cher auf die Photodioden 341, 342 des Wafers 300 gelenkt wird um die Leistung zu messen sowie eine Referenzkavität zur Frequenzstabilisierung des Lasers. Die Strahlumlenkung wird geformt durch einen teilreflektie­ renden Transmissionsspiegel 251, 252 sowie einer hochreflektierenden Spiegelschicht 261, 262, welche auf schräg geätztem Substrat angebracht ist, so daß eine Reflexion des Teilstrahles in der gewünschten Richtung erfolgt. Eine Strahlumlenkung kann prinzipiell auch auf andere Weise ge­ bildet werden, beispielsweise durch ein holographisches Gitter, welches einen Teilstrahl geringer Intensität in der ersten Ordnung reflektiert, oder durch geeignet geformte integrierte Optik (Wellenleiterstrukturen).

Die Referenzkavität jedes Systems besteht aus zwei Spiegelschichten 211, 201, wobei die letztere über die Aktuatorelemente 231, 221 aktiv bewegt wird und diejenige 211 hingegen starr mit dem Substrat 241 verbunden ist. Durch die mikromechanischen Aktuatoren kann die Transmissionsfre­ quenz des so gebildeten Resonators moduliert werden, woraus ein Fehler­ signal zur Ansteuerung des Laserspiegels 301 des Wafers 300 ableitbar ist. Hier sei vermerkt, daß selbstverständlich auch die Elektronik in die Substrate mit einstrukturiert werden kann, also eine intelligente Sensor-Auswertung und Stellsignalerzeugung "on the chip" mit den Aktua­ toren und Sensoren realisierbar ist.

Abschließend ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel noch der Wafer 100 zu erläutern, der eine Strahlumlenkung, gebildet aus den teilreflektie­ renden Transmissionsspiegeln 711, 712 sowie den hochreflektierenden Re­ flexspiegeln 721, 722 aufweist, die in analoger Weise zu den Strahlum­ lenkelementen des Wafers 200 zur Auskopplung eines Teilstrahles geringer Intensität des Festkörperlasers zum Durchgang durch die Referenzkavität des Wafers 200 und anschließender Detektion in der Photodiode 301 des Wafers 300 ausgebildet ist.

Die Fig. 3 veranschaulicht in gleichem Aufbau, wie das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel, nochmals den optischen Strahlengang. Die Laserdio­ denstrahlung (gepunktet gezeichnet) wird über ein abbildendes Element 800 in einen Festkörperkristall 801 fokussiert, welcher einseitig für die Laserwellenlänge reflektierend bedampft ist und so einen laserakti­ ven Resonator bildet, zusammen mit einem diskreten, mikromechanisch be­ wegbaren Laserspiegel 802. Man kann hier von einem halbmonolithischen Laseraufbau sprechen. Ein erster Teilstrahl 803 des Lasers wird ausge­ koppelt und über Umlenkelemente 251, 261 auf die Photodiode 341 zur Mes­ sung der Laserausgangsleistung gelenkt.

Ein weiterer Teilstrahl 804 wird durch eine abstimmbare Referenzkavität gelenkt, deren Transmissionsmaximum durch aktive Spiegelbewegung eines der beiden Resonatorspiegel moduliert wird und aus welchem durch Detek­ tion auf einer zweiten Photodiode 301 ein Fehlersignal zur Frequenzsta­ bilisierung des Festkörperlasers durch aktive Bewegung des Laserspiegels abgeleitet wird.

In der Fig. 4 ist nun der Aufbau analog zur Explositionsdarstellung der Fig. 2 verdeutlicht. Hier sind die Wafer 100 bis 700 in ihrer positio­ nierten und kontaktierten Stellung zueinander dargestellt. Weiterhin sind hier die möglichen Schnittstellen eingezeichnet, entlang welcher die einzelnen Mikrolasersysteme getrennt werden können. Verzichtet man auf eine Trennung, so kann eine flächenmäßige Anordnung voneinander un­ abhängig kontrollierbaren Mikrolasersystemen gebildet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines komplexen Mikrosystems unter Ein­ beziehung der Systemtechnik von Mikroelektronik, Mikromechanik und Mi­ krooptik, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unterschiedlich struk­ turierte Wafer (100 bis 700), bestehend aus Halbleiter-, Quarz- oder Kristallmaterial, welches die mikrooptischen, mikromechanischen oder mi­ kroelektronischen Funktionen beinhaltet, übereinanderliegend miteinander verbunden werden, so daß ein Mikrosystem entsteht, welches eine komplexe Struktur vorwiegend in vertikaler Richtung aufweist, wobei die Wafer vor ihrer Kontaktierung zueinander positioniert und justiert werden und auf den Wafern optische, mechanische oder elektrische Positionierhilfen in­ tegriert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die un­ terschiedlich strukturierten Wafer (100 bis 700) nach ihrer Justage und Kontaktierung an gekennzeichneten Schnittstellen (S1, S2, . . . ) getrennt werden und jedes geschnittene vertikale Strukturelement ein unabhängiges Mikrosystem mit komplexen Funktionen bildet.

3. Mikrosystemlaser, gebildet nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander kontaktierten Wafer (100 bis 700) einen Verbund bilden, der in vertikaler Richtung komplexe Strukturen aufweist, daß weiterhin eine flächige Anordnung einer Mehr­ zahl solcher komplexen Strukturen entsteht (Arrays), welche entweder als flächenhaft zusammengefaßte Einzelstrukturelemente jeweils unabhängig voneinander als Mikrolasersystem betreibbar sind, oder voneinander an vorgegebenen Schnittstellen (S1, S2) getrennt werden, so daß eine Viel­ zahl einzelner, unabhängiger Mikrosystemlaser entstehen.

4. Mikrosystemlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem als Mikrolasersystem zusammengefaßten Einzelstrukturelement la­ seraktive Elemente sowie Sensoren zur Laserstrahlanalyse angeordnet sind.

5. Mikrosystemlaser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß elektronische Schaltkreise und mikromechanische Aktuatoren an­ geordnet sind, welche aus den Sensoren Regelgrößen ableiten und Stell­ größen zur aktiven Laserregelung ermitteln und zur aktiven Beeinflussung des Lasers in seinen Strahleigenschaften mikromechanische Aktuatoren an­ geordnet sind.

6. Mikrosystemlaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Wärmeabfuhr ein Wafer (700) als Mikrokühlsystem strukturiert ist, dessen Kühlleistung regelbar ist und hierfür eine Stellgröße durch einen oder mehrere in dem Mikrosystemlaser integrierten Temperatursensoren ableitbar ist.