DE69838071T2 - Halbleiterscheibengrosse integrierte optische elemente - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Integrieren einer Mehrzahl von optischen Elementen auf einer Waferebene. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine effiziente Erzeugung von integrierten multiplen Elementen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Da sich die Nachfrage nach kleineren optischen Komponenten erhöht, die in einer breiteren Vielfalt von Anwendungen zu verwenden sind, verbessert sich auch die Fähigkeit, solche optischen Elemente effizient herzustellen. Durch das Bilden solcher integrierten multiplen optischen Elemente auf dem Niveau einer Massenproduktion steigt auch der Bedarf an einer exakten Ausrichtung. Ferner ist eine solche Ausrichtung entscheidend, wenn mehr als ein optisches Element integriert wird.
  • Integrierte multiple optische Elemente sind multiple optische Elemente, die entlang der Z-Achse aufgeschichtet sind, das heißt in der Richtung der Ausbreitung des Lichts. Folglich tritt Licht, welches sich entlang der Z-Achse bewegt, nacheinander durch die multiplen Elemente. Diese Elemente sind integriert, so dass eine weitere Ausrichtung der Elemente miteinander nicht notwendig ist, wobei nur das integrierte Element mit einem gewünschten System auszurichten bleibt, welches typischerweise aktive Elemente enthält.
  • Viele optische Systeme erfordern multiple optische Elemente. Solche erforderlichen multiplen optischen Elemente schließen multiple lichtbrechende Elemente, multiple ablenkende Elemente und gemischte lichtbrechende/ablenkende Elemente ein. Viele dieser Systeme multipler Elemente wurden in der Vergangenheit gebildet, durch das miteinander Verbinden von einzelnen Elementen oder durch das unabhängige Verbinden zu einer Struktur mit fluchtender Anordnung.
  • In einer Größen- oder makroskopischen Optik, die in einer bearbeiteten Struktur mit fluchtender Anordnung zu montieren ist, welche durch die Verwendung von mechanischen Bearbeitungswerkzeugen gebildet wurde, beträgt die typische Ausrichtungsgenauigkeit, welche erzielt werden kann, in etwa 25 bis 50 Mikrometer. Um ein höheres Maß von 15 bis 25 Mikrometer zu erzielen, ist ein aktives Ausrichten erforderlich. Ein aktives Ausrichten schließt typischerweise ein Einschalten einer Lichtquelle ein, zum Beispiel einen Laser, und das nacheinander abwärts gerichtete Platzieren von jeder Optik mit nicht ausgehärtetem ultravioletten (UV) Klebstoff. Dann wird jedes Teil bewegt, in der Regel mit einer Übersetzungsstufe, bis das entsprechende Ansprechen des Lasers erzielt wird. Dann wird das Teil an der richtigen Stelle gehalten und das Epoxyd wird mit UV-Licht ausgehärtet, wobei auf diese Art und Weise das Element montiert wird. Dieses wird nacheinander für jedes Element in dem System ausgeführt.
  • Ausrichtungsgenauigkeiten von weniger als 15 Mikrometer für einzelne Elemente können erzielt werden durch die Verwendung von aktiver Ausrichtung, aber solche Genauigkeiten erhöhen die Zeitdauer erheblich, die für das Bewegen des Elementes verwendet wird. Diese Erhöhung wird weiter gesteigert, wenn mehr als ein optisches Element auszurichten ist. Folglich wird eine solche Ausrichtungsgenauigkeit häufig unpraktisch, selbst bei Anwendung von aktiver Ausrichtung.
  • Das U.S. Patent Nr. 5.214.535 offenbart das Verbinden eines schützenden Wafers an einem Wafer, welcher ablenkende optische Elemente enthält. Diese verbundenen Wafer werden dann einem Dicing-Verfahren unterzogen, um eine Vielzahl von einzelnen binären Überdeckungsaufbauten für die ablenkenden optischen Linsen zu bilden. Der alleinige Grund für den schützenden Wafer ist die Notwendigkeit zu vermeiden, das ablenkende optische Element zu reinigen. EP 0731 416 A2 offenbart das Verbinden eines Wafers – welcher mehr als eine Linse umfasst – mit anderen Elementen, um einen Scanner zu bilden, mit nur einem Wafer, der Linsen enthält.
  • Bei vielen neueren Optik-Anwendungen besteht eine Notwendigkeit – wie in der Konfiguration des optischen Kopfes, der in der gemeinsam mit der vorliegenden Erfindung angemeldeten zusammenhängenden Anmeldung mit der Seriennummer 08/727.837, welche hiermit durch Bezugnahme als eingeschlossen zu verstehen ist, dargelegt wird, und der vorstehend genannten integrierten Strahlformungs-Anwendung –, dass optische Systeme aus mehreren mikro-optischen Komponenten zusammengesetzt gebildet werden, bei denen die benötigten Toleranzen viel geringer sind als sie mit herkömmlichen Lösungswegen zu erzielen sind. Zusätzlich zu dem Erfordernis von geringen Toleranzen, werden auch Elemente mit geringeren Kosten verlangt. Die benötigte Ausrichtungstoleranz kann 1 bis 5 Mikrometer betragen, welches mit herkömmlichen Verfahren sehr kostenaufwendig zu erzielen ist.
  • Um größere Ausrichtungstoleranzen zu erzielen, wurden passive Ausrichtungstechniken verwendet, wie in dem U.S. Patent Nr. 5.683.469 für Feldman mit dem Titel „Microelectronic Module Having Optical and Electrical Interconnects" bekannt gemacht wurden. Eine solche passive Ausrichtungstechnik ist, metallische Auflager auf der Optik und auf dem Laser zu platzieren, Lötmaterial zwischen ihnen zu platzieren und selbst-ausrichtende Eigenschaften zu nutzen, um das Ausrichten zu erzielen. Wenn Lötmaterial aufschmilzt, werden die Teile darin durch eine Oberflächenspannung veranlasst, sich selbst auszurichten. Jedoch wurde die passive Ausrichtung nicht eingesetzt für eine Ausrichtung von Wafer zu Wafer. Genauer gesagt macht die hohe Dichte von erforderlichen Löthöckern und die Dicke und die Masse des Wafers eine solche Ausrichtung unpraktisch.
  • Ein weiteres Problem bei dem Integrieren von multiplen optischen Elementen, die auf separaten Wafern in einer Waferebene gebildet sind, entsteht durch das Dicing-Verfahren zum Bilden der einzelnen integrierten Elemente. Das Dicing-Verfahren ist unsauber durch das Verwenden einer Dicing-Poliersuspension. Wenn einzelne Wafer durch das Dicing-Verfahren zerschnitten werden, können die Oberflächen von diesen gereinigt werden, um die Dicing-Poliersuspension zu entfernen. Wenn jedoch die Wafer durch das Bonding-Verfahren miteinander verbunden sind, tritt die Poliersuspension in den Spalt zwischen die Wafer. Das Entfernen der Poliersuspension aus dem Spalt, der zwischen den Wafern gebildet ist, ist recht schwierig.
  • Integrierte Elemente sind auch manchmal durch das Spritzgießverfahren hergestellt. Mit dem Spritzgießverfahren können Kunststoffelemente gefertigt werden, die zwei geformte Elemente aufweisen, welche auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Substrates angeordnet sind. Multiple Kunststoffelemente können mit einem Spritzgießverfahren-Werkzeug mit Mehrfach-Hohlraum gleichzeitig gefertigt werden.
  • Glasselemente werden auch manchmal durch Formung gefertigt, wie in dem U.S. Patent Nr. 4.883.528 für Carpenter mit dem Titel „Apparatus for Molding Glass Optical Elements". In diesem Fall – genau wie bei dem Kunststoff-Spritzgießverfahren – werden multiple integrierte Elemente geformt, durch die Formung von zwei Elementen auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Substrats. Glassformung weist jedoch Nachteile auf, indem die Werkzeugbestückung kostspielig ist, und in der Größe begrenzt ist, die verwendet werden kann.
  • Um Optik kostengünstig zu gestalten, werden typischerweise Replikationstechniken verwendet. Zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Kunststoff-Spritzgießverfahren und der Glass-Formung, können einzelne Elemente auch geprägt werden. Ein Beispiel eines solchen Prägevorgangs kann in dem U.S. Patent Nr. 5.597.613 für Galarneau mit dem Titel „Scale-up Process for Replicating Large Area Diffractive Optical Elements" gefunden werden. Replizierte Optik wurde zuvor noch nicht zusammen mit selbstausrichtenden Löt-Techniken angewendet. Bei jedem Replizierverfahren werden viele einzelne Elemente so kostengünstig wie möglich erzeugt.
  • Solche Replikationstechniken wurden nicht auf einer Waferebene mit einem anschließenden Dicing angewendet. Grund dafür sind in erster Linie die Drücke, welche auf die geprägte Schicht während des Dicing-Verfahrens angewendet werden. Wenn das Prägen auf einer Waferebene angewendet wird, werden außergewöhnliche Probleme, so wie das Aufrechterhalten des Zustandes, in dem das Polymer – welches einem Prägevorgang unterzogen wurde – ausreichend an dem Substrat befestigt wurde, zum Beispiel, so dass die Ausrichtung, die insbesondere bei dem kleinen Maßstab oder wenn mehr als ein Element zu integrieren ist entscheidend ist, nicht beseitigt.
  • Ferner sind diese Replizierverfahren nicht kompatibel mit den photolithographischen Verfahren der Waferebene. Genauer gesagt erzielen die Replizierverfahren nicht die erforderliche Ausrichtungsgenauigkeit für photolithographisches Bearbeiten. Selbst wenn der Prägevorgang mit dem lithographischen Bearbeiten kompatibel ist, wäre es zu teuer, ein Element zur Zeit lithographisch zu gestalten. Außerdem würde der chemische Bearbeitungsabschnitt des lithographischen Bearbeitens das Prägematerial angreifen.
  • Es entstehen bei dem Prägen auf Kunststoff, wie es herkömmlicherweise getan wird, und bei dem lithographischen Bearbeiten andere Probleme. Genauer gesagt wird auch der Kunststoff von den Chemikalien angegriffen, die bei dem lithographischen Bearbeiten verwendet werden. Kunststoff ist außerdem zu anfällig gegenüber eines sich Verziehens aufgrund von thermischen Einflüssen, welches sich auf das Ausrichten nachteilig auswirkt, das während eines lithographischen Verfahrens erforderlich ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In Anbetracht des vorstehend beschriebenen Hintergrundes, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, integrierte multiple optische Elemente wirksam herzustellen. Solche wirksame Herstellung wird ausgeführt durch das Bilden der integrierten multiplen optischen Elemente auf einer Waferebene.
  • Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sich den Problemen zuzuwenden, die entstehen, wenn versucht wird, eine solche Waferebenen-Produktion von integrierten multiplen optischen Elementen zu erzielen. Diese Probleme schließen das Sicherstellen einer exakten Ausrichtung ein, welches einen präzisen Dicing-Vorgang des Wafers in die Bestandteil bildendenden integrierten multiplen optischen Elemente gestattet, wenn mehr als ein Wafer durch Bonden miteinander verbunden wird, und das Bereitstellen von zusätzlichen Einrichtungen zum Gestatten eines einfachen Einbindens des integrierten multiplen optischen Elements in ein Gesamtsystem für eine gewünschte Anwendung.
  • Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Prägen bereitzustellen, welches eine ausreichende Ausrichtung zur Verwendung mit photolithographischen Einrichtungen und eine ausreichende Haftung aufweist, um dem Dicing standzuhalten.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die vorliegende Erfindung wird genauer verstanden werden durch die ausführliche Beschreibung, die im Folgenden gegeben wird, und die beigefügten Figuren, die nur zur Darstellung bereitgestellt werden und folglich die vorliegende Erfindung nicht beschränken. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Beispiel zum miteinander Verbinden von zwei Wafern, welches nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist;
  • 2 eine zweite Ausführungsform zum miteinander Verbinden von zwei Wafern;
  • 3a eine perspektivische Ansicht, welche zu verbindende Wafer zeigt;
  • 3b eine Aufsicht, die einen einzelnen Chip auf einem zu verbindenden Wafer zeigt;
  • 4a und 4b spezielle Beispiele vom miteinander Verbinden von zwei Substraten, wobei 4b nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist;
  • 5 ein Ablaufdiagramm des Bonding-Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
  • 6a eine durch ein Vorlagen-Element in Waferform zu prägende Oberfläche, welche nicht ein Teil der beanspruchten Erfindung ist;
  • 6b eine Oberfläche, die prägbares Material auf dieser aufweist, um von einem Hauptelement in Waferform geprägt zu werden, welche nicht ein Teil der beanspruchten Erfindung ist;
  • 7 einen Wafer, auf dem optische Elemente auf beiden Seiten gebildet ist, welche nicht ein Teil der beanspruchten Erfindung sind; und
  • 8 eine Querschnittsansicht eines Substrats, welches ein Mehrfachelement aufweist, das aus einer Mikrolinse besteht, mit einem ablenkenden Element, welches direkt auf diesem integriert ist, das nicht ein Teil der beanspruchten Erfindung ist.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Das Beispiel, welches in 1 gezeigt ist und im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figur beschreiben wird, ist nicht ein Teil der beanspruchten Erfindung.
  • Wie in 1 zu sehen ist, sind ein erster Substrat-Wafer 10 und ein zweiter Substrat-Wafer 12 miteinander verbunden, um integrierte multiple optische Elemente bereitzustellen. Ein Wafer ist typischerweise eine Scheibe, weist typischerweise einen Durchmesser von 4, 6, 8 oder 12 Inch (1 Inch = 25,4 mm) und eine Dicke zwischen 400 Mikrometer und 6 mm auf. Der Substrat-Wafer kann jede gewünschte Konfiguration aufweisen. Die Substrate sind vorzugsweise optisch transparent und flach gebildet, das heißt sie weisen weniger als einige Veränderungen in der Oberflächenhöhe über der Oberfläche von diesem auf, zum Beispiel weniger als eine Welle, abhängig von den Erfordernissen der gewünschten Anwendung.
  • Diese Wafer weisen eine Anordnung von jeweiligen optischen Elementen auf, die auf entweder einer oder beiden Oberflächen von diesem gebildet sind. Die einzelnen optischen Elemente können entweder ablenkend, lichtbrechend oder eine Mischung daraus sein. Gestrichelte Linien 8 kennzeichnen, wo sich das Dicing-Verfahren auf den Wafern ereignen soll, um die einzelnen integrierten Elemente bereitzustellen.
  • Ein Bonding-Material 14 wird an strategischen Stellen auf jedem Substrat platziert, um die Befestigung von diesem zu vereinfachen. Durch das Umgeben der optischen Elemente, welche die endgültigen integrierten Chips bilden sollen, bildet der Klebstoff 14 an diesen entscheidenden Verbindungsstellen eine Abdichtung zwischen den Wafern. Während des Dicing-Vorgangs verhindert die Abdichtung, dass Dicing-Poliersuspension zwischen die Elemente eintritt, welches zu einer Verunreinigung von diesen führen würde. Da die Elemente miteinander verbunden bleiben, ist es nahezu unmöglich, irgendwelche Dicing-Poliersuspension zu entfernen, die dazwischen eingeschossen ist. Die Dicing-Poliersuspension bringt noch weitere Probleme mit sich, wenn ablenkende Elemente miteinander verbunden werden, da die Strukturen der ablenkenden Elemente dazu neigen, die Poliersuspension einzuschließen.
  • Vorzugsweise kann ein Klebstoff oder Lötmittel als das Bonding-Material 14 verwendet werden. Lötmittel ist in vielen Anwendungen vorzuziehen, weil es glatter ist als Klebstoff und eine einfachere Bewegung vor dem Verbinden gestattet. Klebstoffe weisen den Vorteil auf, dass sie für eine Anzahl von Anwendungen weniger kostspielig sind, sie können mit oder ohne Erwärmen verbunden werden, sie kommen durch Oxidation nicht zu Schaden und sie können transparent gebildet sein.
  • Wenn ein fluider Klebstoff als das Bonding-Material verwendet wird, ist die Viskosität des fluiden Klebstoffs wichtig. Der Klebstoff darf nicht zu dünn sein, andernfalls bildet er Perlen, welches ein unbestimmtes Festhaften bereitstellt, welches gestattet, dass Dicing-Poliersuspension zwischen die Elemente auf die Wafer tritt, wobei auf diese Art und Weise die Elemente verunreinigt werden. Ist der Klebstoff zu dick, ist die spezifische innere Beanspruchung zu groß und es wird kein ausreichend intensiver Kontakt zwischen den Substraten 10 und 12 erzielt, die miteinander zu verbinden sind. Der fluide Klebstoff weist vorzugsweise eine Viskosität zwischen 1.000 und 10.000 Zentipoise auf. Zufriedenstellende Epoxyde schließen Norland 68 und Masterbond UV 15-7 ein.
  • Wenn ein fluider Klebstoff eingesetzt wird, muss er in einer kontrollierten Art und Weise bereitgestellt werden, so wie er von einer Düse ausgestoßen wird, gesteuert in Übereinstimmung mit den gewünschten Koordinaten, um den fluiden Klebstoff zu empfangen. Nach der Ausrichtung der Wafer wird der gesamte Zusammenbau ausgehärtet, wobei auf diese Art und Weise der fluide Klebstoff gehärtet und der Bonding-Vorgang abgeschlossen wird.
  • Wenn Lötmittel verwendet wurde, kann ein Verfahren des Galvanisierens oder Sputterns eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein abdeckendes Material über das Substrat gelegt werden, wo auch immer das Substrat kein Lötmaterial aufweisen soll. Dann wird der gesamte Wafer in einem Bad oder einer Zerstäubungskammer platziert. Dann wird Lötmaterial über den gesamten Wafer platziert und das abdeckende Material wird abgezogen, wobei das Lötmaterial dort gelassen wird, wo kein abdeckendes Material war. Sobald die Wafer angemessen ausgerichtet sind, wird das Lötmaterial dann erwärmt, um aufzuschmilzen. Das Lötmaterial wird abgekühlt und es wird gestattet, dass es wieder erhärtet, wobei auf diese Weise das Bonding-Verfahren abgeschlossen wird.
  • Bei dem Verwenden des Bonding-Materials, wenn allein ein fluider Klebstoff verwendet wird, wie in 1 gezeigt, wird ein viskoserer Klebstoff benötigt, um sicherzustellen, dass das Bonding-Material dort verbleibt, wo es aufgebracht wurde. Selbst wenn ein viskoser Klebstoff verwendet wird, verbreitet sich der Klebstoff typischerweise über einen verhältnismäßig großen Bereich, was zu einer Notwendigkeit für einen größeren toten Raum zwischen Elementen führt, die zu integreren sind, um diese Ausbreitung unterzubringen, ohne dass sich der Klebstoff mit den Elementen selbst stört.
  • Es ist ebenfalls schwierig, die Höhe des Klebstoffs zu steuern, wenn der Klebstoff allein verwendet wird. Dieses führt dazu, dass die Menge an Klebstoff überkompensiert wird und die Höhe des Klebstoffs und folglich die Abtrennung zwischen den Wafern oft größer ist als erwünscht. Die Schwierigkeit, die Höhe des Klebstoffs zu steuern, führt auch dazu, dass Luft in dem Raum, der die optischen Elemente enthält, eingeschlossen wird. Dieses entsteht durch die Unbeständigkeit bezüglich der Höhe und dem Zeitpunkt, wann ein Vakuum auf dem Wafer-Paar gezogen wird. Diese Luft ist nicht wünschenswert, da sie sich bei dem Erwärmen ausdehnen kann und so die Verbindung der Elemente zerstören kann.
  • Eine Ausführungsform zum Verbinden gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 2 gezeigt, in der nur ein einzelnes integriertes optisches Element des Wafers zu sehen ist. Abstandselemente 16 für jedes zu integrierende Element sind in den unteren Substrat-Wafer 12 geätzt oder repliziert, zur selben Zeit, wenn die Anordnung von optischen Elementen für den Substrat-Wafer 12 erstellt wird, und sind typischerweise aus demselben Material wie der Substrat-Wafer. Diese Abstandselemente 16 weisen einen Schlitz auf, der zwischen zwei Oberflächen ge bildet ist, in dem der Klebstoff 14 zu platzieren ist. Diese Schlitze stellen dann einen präzise Abstand zwischen den zu verbindenden Substraten bereit und stellen zudem eine Bonding-Oberfläche bereit, an welcher der Klebstoff 14 haften kann. Dieser vergrößerte Oberflächenbereich verringert auch das Problem der Perlenbildung.
  • Wenn Lötmittel als das Bonding-Material 14 verwendet wird, werden vorzugsweise feste Abstandselemente verwendet, um den gewünschten Abstand zwischen den Wafern bereitzustellen. Das Lötmittel wird dann in einer dünnen, zum Beispiel 4 bis 5 Mikrometer dicken Schicht auf die Abstandselemente abgegeben. Während das Lötmittel allein verwendet werden könnte, wie in 1 gezeigt, ist es besser durchführbar und wirtschaftlicher, das Lötmittel zusammen mit Abstandselementen zu verwenden.
  • Die Verwendung der Abstandselemente gestattet eine einheitlichere und berechenbarere zu erzielende Höhe, was dazu führt, dass weniger Luft zwischen den verbundenen Elementen eingeschlossen wird. Ein Vakuum kann nun gezogen werden, genau vor oder bei Kontakt zwischen dem Bonding-Material und dem anderen Substrat, aufgrund der Reduzierung einer Veränderlichkeit der Abtrennung.
  • Das Substrat, welches nicht die Abstandselemente enthält, kann Schlitze aufweisen, die auf diesem gebildet sind, um die Abstandselemente 16 darin aufzunehmen. Diese Schlitze können gleichzeitig gebildet sein, wenn irgendein optisches Element auf der Oberfläche gebildet wird. Bei einer solchen Konfiguration werden die Abstandselemente 16 und die entsprechenden Schlitze als Ausrichtungspunkte dienen, welche ein Ausrichten der Wafer zu dem anderen erleichtern.
  • 3a zeigt die zwei Substrate 10 und 12, bevor sie verbunden und zerschnitten sind. Die einzelnen zu integrierenden optischen Elemente 19 können aus einem oder mehreren optischen Elementen bestehen. Ferner können die optischen Elemente auf den Wafern identisch sein oder können sich voneinander unterscheiden. Vor dem Verbinden der Wafer 10, 12, wird das Bonding-Material 14 auf zumindest einem der Wafer auf die vorstehend beschriebene Art und Weise platziert. Vorzugsweise schließen beide Substrate 10 und 12 irgendwo auf ihnen Bezugsmarkierungen 18 ein, wahrscheinlich an einer äußeren Kante von diesen, um ein Ausrichten der Wafer sicherzustellen, so dass alle einzelnen Elemente auf diesen gleichzeitig ausgerichtet werden. Alternativ können die Bezugsmarkierungen 18 verwendet werden, um mechanische Ausrichtungspunkte 18' auf den Wafern 11, 12 zu erzeugen. Die Bezugsmarkierungen 18 und/oder die Ausrichtungspunkte 18' können verwendet werden, um die Wafer auszurichten.
  • 3b zeigt eine Aufsicht auf ein Substrat 12, welches zu verbinden ist, einschließlich der Stelle des umgebenden Bonding-Materials 14 für ein bestimmtes Element 19. Wie aus dieser Aufsicht zu erkennen ist, umgibt das Bonding-Material 14 vollständig das einzelne optische Element, das mit Bezugszeichen 19 gekennzeichnet ist.
  • Für jede Ausführungsform, die in den 1 oder 2 gezeigt wird, verschließt das Bonding-Material, das entweder direkt oder durch das Verwenden von Abstandselementen bereitgestellt wird, jedes Element vollständig, um einzeln verwendet zu werden. Wenn ein Wafer zerschnitten wird, um die einzelnen Elemente auszuführen, wird folglich verhindert, dass Dicing-Poliersuspension, die während des Dicing-Verfahrens verwendet wird, die optischen Elemente verschmutzt. Zusätzlich zu dem Bereitstellen einer strukturellen Komponente, um die Ausrichtung und Festigkeit während des Dicing-Vorgangs zu erhalten, ruft folglich die Bonding-Material-Abdichtung auch einen sehr viel sauberen Arbeitsablauf für die resultierenden integrierten Chips hervor.
  • Ein spezielles Beispiel von integrierten multiplen optischen Elementen ist in 4a gezeigt. Ein Brechungselement 20 ist auf einer Oberfläche des ersten Substrats 12 gebildet. Ein Beugungselement 22 ist auf einer Oberfläche des anderen Substrats 10 gebildet. Ein Beugungselement 28 kann auch auf einer unteren Oberfläche von jedem Substrat gebildet sein. Die Abstandselemente 16, welche die Schlitze zum Aufnehmen des Klebstoffs 14 bilden, sind zeitgleich mit einer Brechungslinse gebildet.
  • Wenn sich die Linse 20 auf dem Wafer 12 direkt gegenüber dem anderen Wafer befindet, kann die Spitze der Linse 20 auch verwendet werden, um den angemessenen Abstand zwischen den Substraten 10 und 12 bereitzustellen. Wenn ein weiterer Abstand erfordert wird, können die Abstandselemente 16 höher gebildet werden, um diesen angemessenen Abstand zu erzielen.
  • Zusätzlich zu dem Verwenden der Bezugsmarkierungen 18, die in 3a gezeigt sind, für das Ausrichten der Substrate 10, 12, können die Bezugsmarkierungen 18 auch verwendet werden, um metallische Auflager 24 auf gegenüberliegenden Seiten der Substrate bereitzustellen, eher als ihre verbundenen Oberflächen, um die Ausrichtung und das Einfügen der integrierten multiplen optischen Elemente in ihre geplante endgültige Verwendung zu vereinfachen. Solche metallischen Auflager sind insbesondere nützlich zum Verbinden der integrierten multiplen optischen Elemente mit einem aktiven oder elektrischen Element, so wie in einem Laser zur Verwendung in einem optischen Kopf, einem Laserpointer, einem Detektor usw. Ferner kann – um Licht zu blockieren – Metall 26 auf derselben Oberfläche wie das ablenkende Element 22 selbst platziert werden, durch die Verwendung der Bezugsmarkierungen 18.
  • Das Beispiel, das in 4b gezeigt und im Folgenden unter Bezugnahme auf diese Figur beschrieben wird, ist nicht Teil der beanspruchten Erfindung.
  • Ein alternatives optisches Subsystem, welches diskrete Vorrichtungen enthält, die auf einem Trägersubstrat vorgesehen sind, ist in 4b dargestellt. Wie in 4b gezeigt, ist es bei einigen Konfigurationen vorteilhaft, einen von den Wafern zuerst zu zerteilen, um einzelne Chips zu bilden, die einzelnen Chips passiv mit dem anderen Wafer auszurichten, Bonding-Material bereitzustellen, um die Elemente des integrierten optischen Subsystems abzudichten, und dann das Wafer-Chip-Paar zu zerschneiden. In 4b schließt das integrierte optische Subsystem eine seitlich emittierende Laserdiode 25 ein, einschließlich eine Überwachungsdiode 29, und einen Spiegel 27, um Licht von der Laserdiode 25 zu einem ablenkenden optischen Element 22 zu lenken, welches auf dem Wafer 10 gebildet ist, der zuvor in einzelne Chips 11 zerschnitten wurde. Die diskreten Vorrichtungen 25, 27 und 29 sind in dem Substrat 12 montiert. Bonding-Material 14 dichtet jedes Subsystem ab. Die gestrichelten Linien 8 kennzeichnen, wo sich der Dicing-Vorgang zu ereignen hat. Während immer noch ein einzelnes Platzieren der Chips auf dem Wafer erforderlich ist, wird immer noch ein passives Ausrichten wirksam eingesetzt, und die Abdichtung, die um das verbundene Wafer-Chip-Paar gebildet ist, verhindert weiter, dass Dicing-Poliersuspension zwischen das Wafer-Chip-Paar eintritt. Wenn einzelne Elemente auf einem Trägersubstrat vorgesehen sind, enthält das Trägersubstrat Bezugsmarkierungen für jedes Subsystem. Verwandte Strukturen können gefunden werden in der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 08/727.837 , eingereicht am 27. September 1996 mit dem Titel „Integrated Optical Head for Disc Drives and Method of Forming the Same" und der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 08/917.865 mit dem Titel "Integrated Beam Shaper and Use Thereof", eingereicht am 27. August 1997, welche hiermit durch Bezugnahme als eingeschlossen zu verstehen sind.
  • 5 zeigt ein Ablaufdiagramm des allgemeinen Verfahrens des miteinander Verbindens von zwei Wafern, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. In Schritt 30 wird ein Substrat-Wafer relativ zu dem zu verteilenden Bonding-Material positioniert. In Schritt 32 wird das Bonding-Material auf den Wafer in einem Muster aufgetragen, um eine Abdichtung um die optischen Elemente mit den Abstandselementen 16 bereitzustellen. In Schritt 34 wird der zweite Substrat-Wafer ausgerichtet mit dem ersten Substrat-Wafer. Gerade bevor ein Kontakt erreicht wird, wird ein Vakuum gezogen, um Luft zwischen den Substraten zu entfernen. In Schritt 36 werden die Wafer in Kontakt miteinander gebracht. In Schritt 38 wird die Ausrichtung der zwei Wafer bestätigt. In Schritt 40 wird der Klebstoff ausgehärtet oder das Lötmaterial wird aufgeschmolzen und dann wird ihm gestattet, zu erhärten. Sobald fest verbunden, werden in Schritt 42 die verbundenen Wafer in die einzelnen Elemente zerschnitten.
  • Die miteinander zu verbindenden Elemente werden vorzugsweise durch direkte photolithografische Techniken erzeugt, wie zum Beispiel in dem U.S. Patent Nr. 5.161.059 für Swanson bekannt gemacht, welches hiermit durch Bezugnahme als eingeschlossen zu verstehen ist, für die ablenkenden Elemente, oder durch das Erzeugen der kugelförmigen lichtbrechenden Elemente durch das Schmelzen eines Photoresists, wie ausgeführt von O. Wada, „Ion-Beam Etching of InP and its Application to the Fabrication of High Radiance InGAsP/InP Light Emitting Diodes", General Electric Chemical Society, Solid State Science and Tech nology, Vol. 131, Nr. 10, Oktober 1984, Seiten 2373-2380, oder das Bilden von lichtbrechenden Elementen in jeder Form, durch das Einsetzen von photolithographischen Techniken, die verwendet werden, um ablenkende optische Elemente zu erzeugen, wenn die darin verwendeten Masken Graukeilmasken sind, so wie High Energy Beam Sensitive (HERS) oder absorbierende Graukeilmasken, offenbart in der vorläufigen Anmeldung mit der Seriennummer 60/041.042, eingereicht am 21. März 1997, welches hiermit durch Bezugnahme als eingeschlossen zu verstehen ist.
  • Das Beispiel, das in den 6a und 6b gezeigt und im Folgenden unter Bezugnahme auf diese Figur beschrieben wird, ist nicht Teil der beanspruchten Erfindung.
  • Alternativ können diese photolithografischen Techniken verwendet werden, um ein Vorlagen-Element 48 in Glas zu bilden, welches wiederum dann verwendet werden kann, um das gewünschte Element auf einer Waferebene in einer Schicht aus prägbaren Material 50 auf einem Substrat 52, wie in 6a gezeigt, auszustanzen. Die Schicht 50 ist vorzugsweise ein Polymer, während das Substrat 52 Glas sein kann, zum Beispiel geschmolzenes Quarz, oder Kunststoff, vorzugsweise Polycarbonat oder Acryl. Das Polymer ist vorzugsweise ein durch UV aushärtbares Acrylat-Photopolymer, das sich gut von einer Vorlage lösen lässt und gut an einem Substrat haftet, so dass es nicht zerbricht, nachdem es ausgehärtet ist oder sich von dem Substrat während des Dicing-Vorgangs löst. Passende Polymere schließen PHILIPS Typ 40029 Harz oder GAFGARD 233 ein. Gestrichelte Linien 58 kennzeichnen die Dicing-Linien zum Bilden eines einzelnen integrierten Elements aus dem Wafer.
  • In dem Beispiel, das in 6a gezeigt wird, ist die Schicht aus prägbaren Material 50 auf dem Vorlagen-Element 48 vorgesehen. Eine Schicht aus Haftvermittler 54 ist vorzugsweise auf dem Substrat 52 vorgesehen und/oder eine Schicht aus einem Ablösemittel ist auf dem Vorlagen-Element 48 zwischen dem Vorlagen-Element und dem Prägematerial ausgebildet. Die Verwendung eines Haftvermittlers und/oder eines Ablösemittels ist von besonderer Wichtigkeit, wenn die Vorlage und das Substrat aus demselben Material sind oder wenn die Vorlage natürlich eine höhere Affinität zum Anhaften an dem prägbaren Material aufweist.
  • Der Typ des verwendeten Haftvermittlers ist eine Funktion des Photopolymers, das als das prägbare Material, das Vorlagen-Material und das Substrat-Material zu verwenden ist. Ein passender Haftvermittler zur Verwendung mit einem Glas-Substrat ist HMDS (Hexamethyldisilan). Dieser Haftvermittler unterstützt eine bessere Verbindung des prägbaren Materials auf dem Substrat 52, was insbesondere entscheidend ist, wenn der Prägevorgang auf der Waferebene ausgeführt wird, da der geprägte Wafer dem Dicing zu unterziehen ist, wie im Folgenden beschrieben.
  • Das Bereitstellen der prägbaren Schicht 50 auf der Vorlage 48 und des Haftvermittlers 54 auf dem Substrat 52 stellt vorteilhaft glatte Oberflächen bereit, die für das Prägen in Kontakt zu bringen sind, wodurch das Beseitigen der Luftblasen einfacher gemacht wird, wie im Folgenden beschrieben. Das Bereitstellen der prägbaren Schicht auf der Vorlage 48 stellt auch einen bequemen Mechanismus für das Beibehalten der Ausrichtung von sich berührenden, ausgerichteten Wafern bereit, die nicht miteinander verbunden wurden, wie im Folgenden beschrieben.
  • Wenn entweder das Substrat oder die Vorlage aus Kunststoff gefertigt sind, ist es vorzuziehen, das Polymer auf der anderen, nicht aus Kunststoff gebildeten Komponente zu platzieren, da Kunststoff in dem UV-Bereich stark absorbiert, der für das Aktivieren des Polymer verwendet wird. Folglich, wenn es erforderlich ist, dass die UV-Strahlung durch Kunststoff hindurchtritt, wird ein intensiverer Strahl für den gewünschten Effekt erforderlich sein, welches deutlich weniger effizient ist.
  • Die Anwendung des Prägens auf der Waferebene ist von bestimmten Interesse, wenn weitere Einrichtungen bei den lithographischen Verfahren unter Verwendung des Wafers bereitzustellen sind, das heißt es wird Material ausgewählt, das zu dem Wafer hinzugefügt oder von dem Wafer entfernt wird. Solche weiteren Einrichtungen können entspiegelnde Beschichtungen oder andere Einrichtungen einschließen, zum Beispiel Metallisierungs-Auflager zum Ausrichten der Chips, die von dem Substrat 52 in einem System zerteilt wurden, auf der geprägten Schicht. Jede solcher Einrichtungen kann auch lithographisch auf einer gegenüberliegenden Oberfläche 56 des Substrats 52 vorgesehen sein.
  • Typischerweise würde eine entspiegelnde Beschichtung eher über die gesamte Oberfläche aufgetragen werden als selektiv. Wenn jedoch sowohl eine entspiegelnde Beschichtung als auch metallische Auflager verwendet werden, würde das Metall auch nicht haften, wo die Beschichtung vorhanden ist, und die Beschichtung, die das Metall bedeckt, ist nicht zufriedenstellend. Wenn ferner der Wafer an einem anderen Wafer zu verbinden ist, würde das Bonding-Material nicht an der Oberfläche, die eine solche entspiegelnde Beschichtung aufweist, haften, wobei es auf diese Weise erforderlich ist, die Beschichtung selektiv zu positionieren.
  • Um die Ausrichtung zu erzielen, die zum Ausführen des lithographischen Verfahrens in Verbindung mit dem Prägen notwendig ist, können Bezugsmarkierungen, wie in 3 gezeigt, auf dem Substrat 52 und der Vorlage 48 bereitgestellt sein. Wenn das lithographische Verfahren ausgeführt wird, machen die Ausrichtungstoleranzen, die dabei erforderlich sind, Glas attraktiver für das Substrat als Kunststoff. Glas weist einen niedrigeren Koeffizienten der thermischen Ausdehnung auf und Glas ist ebener als Kunststoff, das heißt es beugt und verzieht sich weniger als Kunststoff. Diese Einrichtungen sind insbesondere entscheidend, wenn Elemente auf einer Waferebene gebildet werden.
  • Während das prägbare Material 50 in 6a gezeigt wird, wie es auf der Vorlage 48 bereitgestellt ist, ist es schwierig, die Dicke des prägbaren Materials 50 zu steuern, wenn es auf die Vorlage 48 angewendet wurde. Da es oft wünschenswert ist, dass das prägbare Material 50 eine so dünne Schicht wie möglich aufweist, während es das Muster empfängt, kann es vorteilhaft sein, das prägbare Material 50 auf dem Substrat 52 bereitzustellen, zum Beispiel durch das Zentrifugieren auf das Photresist oder das Epoxyd, wie in 6b gezeigt. Dicke Schichten aus prägbarem Material 50 führen zu sehr viel längeren Ätzzeiten, was zu erhöhten Kosten führt sowie zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass sich der Zustand des mit Muster versehenen Materials verschlechtern wird, aufgrund des verstärkten Aussetzens des Ätzprozesses, und zu erhöhten Ungenau igkeiten aufgrund von Abweichungen in der Ätzrate über dem Element. Die Dicke des prägbaren Materials 50, das auf dem Substrat 52 bereitgestellt ist, kann in einer herkömmlichen Art und Weise exakt gesteuert werden.
  • Wenn die Vorlage auf dem Substrat platziert wird, kann der Wafer nicht gerade nach unten in Kontakt gebracht werden. Grund dafür ist, dass Luftblasen vorhanden sein würden, die sich nachteilig auf das geprägte Produkt auswirken, und es keine Möglichkeit gibt, diese zu entfernen.
  • Folglich stellt die Vorlage, in dem sie mit dem Substrat in Kontakt gebracht wird, anfänglich nur auf einer Kante des Substrats Kontakt her und wird dann rotiert, um den Wafer abwärts in Kontakt mit dem Substrat zu bringen. Dieser geneigte Kontakt gestattet den Luftblasen, die in dem geprägten Material vorhanden sind, aus den Seiten hinausgestoßen zu werden. Da die Vorlage einen transparenten Zustand aufweist, können die Luftblasen visuell beobachtet werden, so wie es auch mit der erfolgreichen Beseitigung von diesen erfolgen kann. Wie vorstehend bemerkt, macht es das Vorhandensein dieser Luftblasen für die Oberflächen, die in Kontakt gebracht werden sollen, vorteilhaft, einen glatten Zustand aufzuweisen, da das ablenkende Element, das auf der Oberfläche der Vorlage 48 gebildet ist, Luftblasen einschließen könnte, selbst während eines solchen geneigten Kontaktes.
  • Der Grad der Neigung, die zum Entfernen der Luftblasen benötigt wird, hängt ab von der Größe und Tiefe der replizierten Einrichtungen. Die Neigung sollte groß genug sein, so dass die größten Einrichtungen über den gesamten Wafer bei einem anfänglichen Kontakt nicht den anderen Wafer berühren.
  • Wenn alternativ die Wafer-Replik einen flexiblen Zustand aufweist, kann die Wafer-Replik einen gebogenen Zustand aufweisen, um eine leicht konvexe Oberfläche zu bilden. Die Vorlage wird dann abwärts in Kontakt mit der Wafer-Replik in der Mitte gebracht und dann wird die Wafer-Replik zu einem vollständigen Kontakt über die ganze Oberfläche gelöst, um auf diese Weise die Luftblasen zu beseitigen. Das Maß an erforderlicher Biegung ist gerade ausreichend, so dass die größten Einrichtungen nicht den anderen Wafer über den gesamten Wafer bei dem anfänglich Kontakt berühren.
  • Wenn Bezugsmarkierungen selbst verwendet werden, um das Vorlagen-Element 48 an dem Glas-Substrat 52 auszurichten, in Übereinsstimmung mit der vorliegenden Erfindung, kann ein herkömmlicher Maskaligner in einer modifizierten Form verwendet werden. Typischerweise wird in einem Maskaligner eine Maske in Kontakt mit einer Platte gebracht und dann verschließt ein Vakuum die Maske und die Platte in einer Ausrichtung. Jedoch kann ein Vakuum nicht erzeugt werden, wenn sich ein flüssiges pägbares Material, so wie ein Polymer, auf der Oberseite eines Wafers befindet. Folglich wird der vorstehend genannte geneigte Kontakt genutzt. Sobald der Kontakt eingerichtet ist, sind die Wafer in einer herkömmlichen Weise aneinander ausgerichtet, durch die Nutzung der Bezugsmarkierungen, bevor sie ausgehärtet werden.
  • Ferner ist die Intensität, die erforderlich ist, um das Polymer auszuhärten, sehr hoch, zum Beispiel 3-5 W/cm2, und muss auf einmal für eine kurze Dauer angewendet werden, zum Beispiel für weniger als 30 Sekunden. Wenn zu diesem Zeitpunkt nicht ausreichend Energie und Intensität angewendet werden, kann das Aushärten des Polymer nie erzielt werden. Grund dafür ist die Tatsache, dass die Photoinitiatoren in dem Polymer verbraucht werden können durch eine solche unvollständige Belichtung ohne vollständige Polymerisation. Es ist jedoch nicht einfach, eine Quelle mit einer solch hohen Intensität mit dem Maskaligner bereitzustellen. Grund dafür ist die Größe und auch die Temperatur der erforderten Hochenergie-Lichtquelle. Die Wärme von der Hochenergie-Lichtquelle wird verursachen, dass sich der Maskaligner-Rahmen verzieht, wenn er den thermischen Schwankungen ausgesetzt wird. Während der Maskaligner thermisch kompensiert werden könnte oder angepasst werden könnte, um bei hohen Temperaturen zu arbeiten, ist die folgende Lösung wirtschaftlicher und stellt zufriedenstellende Ergebnisse bereit.
  • Zusätzlich zu dem geneigten Kontakt, der für das Platzieren der Vorlage in vollständigem Kontakt mit dem Substrat in dem Maskaligner benötigt wird, führt, sobald ein solcher vollständiger Kontakt erzielt wurde, eher als das Aushärten der gesamten Oberfläche, ein Ausbringungssystem, so wie eine Glasfaser, die Strahlung von einer UV Quelle zu dem Vorlagen-Substrat in Kontakt mit dem Maskaligner. Das Ausbringungssystem führt UV-Strahlung nur einzelnen Punkten auf dem Polymer zu.
  • Das Ausbringungssystem ist klein genug, um in den Maskaligner zu passen und leitet nicht ausreichend Hitze ab, um eine Neugestaltung des Maskaligner zu erfordern. Wenn eine Glasfaser verwendet wird, weisen diese Punkte eine Größe von etwa 2 mm auf. Alternativ kann ein UV Laser verwendet werden, der einen kleinen Zustand und gute Eigenschaften zum Enthalten aufweist, das heißt keine signifikanten thermischen Auswirkungen auf das System ausübt.
  • Der Ausbringungssystem stellt die Strahlung vorzugsweise Punkten in der Umgebung des Wafers in einer symmetrischen Form bereit. Für einen 101,6 mm (4 Inch) Wafer werden nur etwa 6 bis 12 Punkte benötigt. Wenn zusätzlich Punkte für eine erhöhte Stabilität erwünscht sind, könnten einige Punkte in Richtung auf den Mittelpunkt des Wafers platziert sein. Diese Punkte sind vorzugsweise in dem Umfang platziert, und es wird vorzugsweise eine minimale Anzahl dieser Punkte verwendet, da ein Bereich, an dem ein Haft-Punkt angeordnet ist, nicht zur einheitlichen Polymerisation dient, wie die Bereiche, die nicht der Punkt-Strahlung ausgesetzt sind.
  • Diese Haft-Punkte heften die Vorlage an der richtigen Stelle an das Substrat. Die Beleuchtung, die für das Aushärten der Haft-Punkte verwendet wird, wird nur lokal aufgetragen und es sind ausreichend wenig dieser Haft-Punkte, so dass der Bereich, der die Beleuchtung empfängt, klein genug ist, um sich wirksam auf den Rest des prägbaren Materials auszuwirken. Sobald eine Ausrichtung erzielt wurde und die Vorlage an der richtigen Stelle angeheftet wurde, wird das Substrat-Vorlagen-Paar von dem Aligner entfernt und dann unter der hoch intensiven UV-Quelle über der gesamten Oberfläche für eine vollständige Polymerisation ausgehärtet. Die Haft-Punkte verhindern ein Verschieben der Ausrichtung, die in dem Maskaligner erzielt wurde, während gestattet wird, dass das Substrat-Vorlagen-Paar von dem Maskaligner entfernt wird, um auf diese Art und Weise die Hochenergie-Lichtquelle außerhalb des Maskaligners für das Aushärten des Polymer zu verwenden.
  • Alternativ können die Bezugsmarkierungen verwendet werden, um mechanische Ausrichtungseinrichtungen auf dem Rand der Oberflächen zu bilden, welche miteinander in Kontakt zu setzen sind. Die mechanische Ausrichtungseinrichtungen können eine Ausrichtung entlang irgendeiner Achse bereitstellen, und es kann mehr als eine solcher mechanischen Ausrichtungseinrichtungen geben. Zum Beispiel sind die Abstandselemente in 4 zum Ausrichten der Wafer entlang der Y-Achse gedacht, während die metallischen Auflager eine Ausrichtung des Wafer-Paares an zusätzlichen Elementen entlang der X und Z Achsen bereitstellen. Die Ausrichtungseinrichtungen sind vorzugsweise durch das Prägen selbst gebildet.
  • Das Prägen und die lithographische Bearbeitung auf der gegenüberliegenden Oberfläche kann in jeder Reihenfolge ausgeführt werden. Wenn das Prägen zuerst ausgeführt wird, ist es vorteilhaft, die Vorlage die geprägte Schicht bedecken zu lassen, bis die darauffolgende Bearbeitung auf der gegenüberliegenden Oberfläche vollständig ausgeführt ist. Die Vorlage wird dann als eine Abdichtung für die geprägte Struktur dienen, welche das Polymer während der lithographischen Bearbeitung vor Lösungsmitteln schützt und die Einrichtungen im Laufe des Erwärmens während der lithographischen Bearbeitung richtig hält.
  • Wenn die lithographische Bearbeitung zuerst ausgeführt wird, wird eine präzisere Ausrichtung während des Prägens erfordert, um eine zufriedenstellende Ausrichtung der photolithographischen Vorrichtungen bereitzustellen, als es während des normalen Prägens erforderlich ist. Folglich wird die Prägeausstattung nicht eingesetzt, um eine solche Ausrichtung auszuführen. Dann werden die vorstehend genannten Ausrichtungstechniken während des Prägens erfordert.
  • Sobald all die gewünschten Verfahren vollständig ausgeführt wurden, wird der Wafer durch Dicing zerschnitten, um die einzelnen Elemente zu bilden. Solches Dicing bringt mechanische Drücke auf den geprägten Wafer an. Folglich ist die vollständige Polymerisation und ausreichende Haftung des geprägten Abschnitts an dem Substrat von besonderer Wichtigkeit, so dass der geprägte Abschnitt nicht während des Dicing-Vorgangs aufblättert. Folglich muss das bestimmte Polymer, ein Haftvermittler und das Substrat sorgfältig ausgewählt werden, und es muss aufgepasst werden, wie sich diese Elemente gegenseitig beeinflussen. Um ein Aufblättern der geprägten Schicht während des Dicing-Vorgangs zu vermeiden, sollte vorzugsweise die Haftung des Polymer an dem Substrat etwa 100 Gramm einer Scherfestigkeit auf einem fertiggestellten Chip betragen.
  • Alternativ kann Polymer auf den Abschnitten, die nicht die Elemente selbst bilden, entfernt werden, und dann könnte das UV Epoxyd in diesen gereinigten Bereichen eingesetzt werden, welche nicht länger das UV Polymer enthalten, um direkt den Glassubstrat-Wafer, der das UV Polymer aufweist, mit einem anderen Wafer zu verbinden. Ein bevorzugter Weg, um das Polymer zu entfernen, schließt das Bereitstellen eines Musters aus Metall auf der Vorlage ein. Dieses Metall blockiert Licht, wobei auf diese Weise das Aushärten des Polymer in diesem Muster verhindert wird. Wenn ein flüssiges Polymer verwendet wird, kann dieses ungehärtete Polymer dann fortgewaschen werden. Andere Materialien – so wie das UV Epoxyd für das Verbinden von Wafer an Wafer oder an Metall für eine aktive Element-Befestigung oder für das Blockieren von Licht, kann nun platziert werden, wo das Polymer entfernt wurde.
  • Das Beispiel, das in den 7 und 8 gezeigt und im Folgenden unter Bezugnahme auf diese Figuren beschrieben wird, ist nicht Teil der beanspruchten Erfindung.
  • Zusätzlich zu dem Verbinden der zwei Substrate, das in 1 bis 4 gezeigt wird, können die Ausrichtungsmarkierungen verwendet werden, um optische Elemente auf der anderen Seite des Substrats selbst zu erzeugen, wie in 7 gezeigt. Die Erzeugung kann sich auch durch irgendeines der Verfahren ereignen, die vorstehend für das Erzeugen von optischen Elementen genannt sind. Das doppelseitige Element 70 in 7 weist ein ablenkendes Element 72 auf einer ersten Oberfläche 70a von dieser auf und ein lichtbrechendes Element 74 auf einer zweiten Oberfläche 70b von dieser auf, aber es kann jedes gewünschte Element auf dieser ausgebildet sein. Es können metallische Auflager 76 durch lithographische Bearbeitung auf dem gemischten Element vorgesehen sein.
  • Eine weitere Konfiguration von integrierten multiplen optischen Elementen ist in 8 gezeigt, in welcher ein ablenkendes Element 82 direkt auf einem lichtbrechenden Element 84 gebildet ist. Das lichtbrechende Element kann durch jede der vorstehend genannten photolithographischen Techniken gebildet sein. In dem bestimmten Beispiel, das in 8 gezeigt ist, ist das lichtbrechende Element gebildet durch das Platzieren einer kreisförmigen Schicht aus Photoresist 86 auf einer Oberfläche aus optischen Material, durch die Verwendung einer Ma ske. Das Photoresist wird dann durch die gesteuerte Verwendung von Wärme teilweise weggespült, so dass das Photoresist eine teilweise kugelförmige Form 87 annimmt. Danach wird die Oberfläche geätzt und ein lichtbrechendes Element 84, welches im Wesentlichen dieselbe Form wie das Photoresist 87 aufweist, wird durch die variable Ätzrate der sich kontinuierlich verändernden Dicke des Photoresist 87 gebildet. Die Mikrolinse 84 wird dann weiter bearbeitet, um das ablenkende Element 82 darauf zu bilden. Das ablenkende Element kann durch lithographische Bearbeitung oder Prägen gebildet sein.
  • Die Wafer, die ausgerichtet und mit einander verbunden oder geprägt sind, können Anordnungen derselben Elemente enthalten oder können unterschiedliche Elemente enthalten. Ferner, wenn Ausrichtungserfordernisse es erlauben, können die Wafer eher Kunststoff als Glas darstellen. Die integrierten Elemente, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auf der Wafer-Ebene hergestellt werden, weisen eine Größenordnung von 100 Mikrometern bis so groß wie mehrere Millimeter auf, und erfordern Ausrichtungsgenauigkeiten von ±1-2 Mikrometer, welches erzielt werden kann durch die Verwendung der Bezugsmarkierungen und/oder Ausrichtungseinrichtungen der vorliegenden Erfindung.
  • Wenn die optischen Elemente auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Substrats vorgesehen sind – eher als dass sie in der Art und Weise verbunden sind, dass sie einander zugewandt sind – betragen tolerierbare Ausrichtungsgenauigkeiten ±10 Mikrometer. Grund dafür ist die Tatsache, dass wenn Licht durch die Dicke des Glases durchgelassen wird, ein geringes Maß einer Neigung korrigiert werden oder enthalten sein kann.
  • Als eine Alternative zu den Bezugsmarkierungen, die für ein passives Ausrichten verwendet werden, können die Bezugsmarkierungen verwendet werden, um mechanische Ausrichtungseinrichtungen zu erzeugen, so wie entsprechende Rillen, begleitet von einer Kugel, metallische Auflager, begleitet von einem Lötball, und einer Stütze mit einer entsprechenden Aussparung. Nur einige wenige dieser Ausrichtungseinrichtungen werden benötigt, um einen ganzen Wafer auszurichten.
  • Als eine Alternative zum Platzieren von Bonding-Material um den Umfang von jedem Chip, kann der Chip selbst zumindest in dem Teil des optischen Pfades für den Chip von dem Bonding-Material bedeckt sein. Dieses vermehrte Bonding-Material wird dem Chip zusätzliche Stabilität verleihen. Es ist jedoch wünschenswert, die größtmögliche Differenz in dem Brechungsindex zwischen dem optischen Element und der nächsten Oberfläche zu erzielen, oder das ablenkende Element wird eine tiefere Ätzung aufweisen müssen und das lichtbrechende Element wird eine größere Durchbiegungshöhe benötigen, um auf dieselbe Art und Weise zu funktionieren. Folglich ist es wünschenswert, Luft in diesem Spalt aufzuweisen, da es einen Index von 1,0 aufweist. Wenn eine größere Stabilität erforderlich ist, kann ein Bonding-Material verwendet werden, welches einen Brechungsindex so gering wie möglich aufweist, wenn das Bondingmaterial einen Teil eines optischen Pfades des optischen Elements abzudecken hat. Vorzugsweise werden dann die optischen Elemente in Photoresist gebildet, welches einen höheren Index als Glas aufweist, das heißt die Elemente, die in Photoresist gebildet sind, werden nicht in das Substrat geätzt, sondern dienen als die Elemente selbst.
  • Die Vergrößerung des Bereichs des Bonding-Materials erhöht zusätzlich die Möglichkeit von Luftblasen in diesem, welches auch eine optische Leistung beeinflussen kann. Während das Bonding-Material über den ganzen Chip vorgesehen sein kann, ist es folglich oft vorteilhaft, das Bonding-Material nur über einen Teil des optischen Pfades für den Chip bereitzustellen, während ein ganzer Strahl in dem optischen Pfad umgriffen wird, um die Möglichkeit von Blasen zu minimieren. Wenn ferner aktive Elemente mit dem Spalt vorgesehen sind, kann das Bonding-Material nicht platziert werden, um sich nicht mit dem Funktionieren dieser aktiven Elemente zu behindern.
  • All die Elemente der vorliegenden Erfindung sind vorteilhaft ausgestattet mit metallischen Auflagern für einen einfachen Einbau, einschließlich der Ausrichtung, in einem System, typischerweise einschließlich aktiver Elemente. Die metallischen Auflager können wirksam auf der Wafer-Ebene lithographisch bereitgestellt sein.
  • Während das Substrat dargestellt wurde, in dem es als einzelnes Material gebildet ist, kann außerdem auch ein Substrat verwendet werden, welches mehrere Schichten aufweist. Zum Beispiel kann auch ein Substrat als ein Substrat verwendet werden, welches aus einem optisch aktiven Material besteht, das zwischen zwei polarisierenden Schichten angeordnet ist, um auf diese Weise eine optischen Isolator zu bilden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bilden integrierter optischer Teilsysteme, umfassend: – Bereitstellen eines ersten Wafersubstrats (12); – Bilden einer ersten Anordnung von Chips mit optischen Elementen (19) auf dem ersten Wafersubstrat (12) und gleichzeitig Bilden von Abstandselementen (16) mit Schlitzen in dem ersten Wafersubstrat (12) durch Ätzen, wobei die Abstandselemente (16) mit Schlitzen jeden der zu integrierenden Chips mit optischen Elementen (19) umgeben; – Füllen der Schlitze mit einem Bonding-Material (14); – Bereitstellen eines zweiten Wafersubstrats (10), welches eine zweite Anordnung von Chips (11) aufweist; – Ausrichten der zweiten Chips (11) mit den Chips mit optischen Elementen (19) durch das Ausrichten der ersten und zweiten Wafersubstrate, so dass jeder der Chips mit optischen Elementen (19) einen der zweiten Chips (11) aufweist, um entsprechende ausgerichtete Chip-Paare zu bilden; – Verarbeiten des Bonding-Materials (14), um dadurch die ausgerichteten ersten und zweiten Wafersubstrate und die entsprechenden ausgerichteten Chip-Paare miteinander zu verbinden; – Zerschneiden der miteinander verbundenen ersten und zweiten Wafersubstrate, um entsprechende ausgerichtete und miteinander verbundene Chip-Paare zu trennen, um dadurch die integrierten optischen Teilsysteme zu bilden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das selektive Entfernen von Material von oder Hinzufügen von Material (24) zu dem ersten und/oder dem zweiten Wafer in einem vorbestimmten Muster für die Befestigung von weiteren Elementen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei einer der ersten (19) und zweiten (11) Chips ein Halbleiter-Chip ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Halbleiter-Chip einen Vertical-Cavity Side-Emitting Laser (25) enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Halbleiter-Chip einen Detektor enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, welches ferner das Anbringen diskreter Vorrichtungen (25) auf einem der ersten (19) und zweiten (11) Chips umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das besagte Anbringen das Anbringen von einem Spiegel (27) und/oder einem Laser (25) einschließt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das besagte Anbringen das Anbringen einer Optik einschließt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bonding-Material (14) eine ausreichende Abdichtung bereitstellt, so dass verhindert wird, dass eine Dicing-Poliersuspension, welche während des Dicing-Vorgangs zugeführt wird, in den Spalt zwischen den Substraten eintritt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl der erste als auch der zweite Chip ein optisches Element einschließt, und das besagte Ausrichten das Ausrichten des optischen Elements einschließt, wobei das integrierte optische Teilsystem zumindest zwei optische Elemente (20, 26) aufweist.
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