Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie

Multifunktionale hermetische Abdichtung mit kombinierten Glas/Si-Gehäusen

Forschung und Entwicklung

© Fraunhofer ISIT
Glas-Si-Verbundwafer

Die Grundlage für unsere hermetischen Glasverschlüsse ist unsere patentierte Glasfluss-Technologie. Hier kommen kombinierte Silizium- und Glassubstrate sowie verschiedene Ätz- und Strukturierungstechnologien zum Einsatz.

Mit dieser Technologie stellen wir neue Komponenten aus Glas auf Waferebene her. Ohne weitere Bearbeitung können wir nun Mikrolinsen, Reflektoren, Prismen und andere speziell geformte optische Fenster oder Teile in großen Stückzahlen auf Waferebene herstellen. Dies ermöglicht eine wirtschaftliche Klein-/Hochserienproduktion von mikrooptischen Komponenten für Ihre Anwendung.

© Fraunhofer ISIT
CT-Bild eines WL-versiegelten Mikrospiegels

3D-Glasformung: Optische Vakuumverpackungen für MEMS-Verkapselung

Die vom ISIT patentierte 3D-Glasformungstechnologie ermöglicht die Herstellung verschiedener optischer Komponenten wie Linsen, Spiegel, Prismen usw. in Verbindung mit einer hermetischen optischen Verpackung und einer Getter-Integration zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Hochvakuums. Durch Hinzufügen von Getterbeschichtungen kann die Technologie auch bei niedrigen Drücken von 10-8 mbar eingesetzt werden. Für niedrigere Drücke (UHV) wie bei Ionenfallen müssen mehr F&E-Anstrengungen unternommen werden, z. B. durch Hinzufügen von dielelektrischen Beschichtungen und höhere Qualifizierung.

© Fraunhofer ISIT

 

 

Ø Blende [mm]

Material

Anwendung

Linse

Spiegel

VIS

0.4 - 8.0

2.0 - 8.0

Glas

Sensoren, Bildgeber

NIR

0.3 - 0.8

 

Glas, Si

LD-Strahlformung

FIR

0.5 - 1.2

2.0 - 16.0

Si

FIR-Sensor & Bildgeber

UPDATE | 03.02.2022

© Kiutra GmbH
Abb. 1: Temperaturverlauf der auf die Spiegelpackages gewirkt hat.
© Fraunhofer ISIT
Abb. 2: Getestete Spiegelpackages mit hermetisch integrierten Mikrospiegeln (die Spiegeldurchmesser betragen links 2 mm x 4 mm, rechts 1 mm).

Die Erzeugung und Verwendung von QuBits z.B. in supraleitenden oder Ionenfallen-basierten QC-Systemen erfordern in der Regel sehr tiefe Temperaturen von einigen 100 mK bis einigen K, da die Zustände sonst zu schnell zerfallen (Dekohärenz) und für Rechenoperationen nicht genutzt werden können bzw. deren Genauigkeit unter der Fehlertoleranz liegen. Auch unsere hermetischen Glaspackages müssen diesen Temperaturen somit Stand halten und wurden daher bei unserem Partner, der Firma Kiutra GmbH, in deren neuartigen Kryostaten basierend auf adiabatischer Kühlung durch Demagnetisierung durchgeführt. Abb. 1 zeigt den Temperaturverlauf.

Als sehr positives Ergebnis ist zu werten, dass unsere Standard-Spiegelpackages mit schrägen und kuppelförmigen Formen (Abb. 2) diese Belastung ohne Schaden überstanden haben. Das Vakuum war jeweils noch vorhanden und die Mikrospiegel in den Packages schwingen nach den Tests in identischer Weise wie zuvor.

Dieses Ergebnis ergänzt unser Portfolio mit Technologien auch für ultrakalte Anwendungen.

Silizium-Optik

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Unsere innovative Glasfluss-Technologie ist gut für die Silizium-Optik. Das Verfahren profitiert von standardisierten Verfahren zur Strukturierung von Silizium in einem Reinraum. Erfahren Sie mehr über dieses Verfahren in unserem Video.

Übersicht

Charakteristika

  • Füllung von tiefen Siliziumstrukturen durch amorphes Glas
  • WAK Glas = WAK Silizium
  • Durchkontaktierungen oder Sacklöcher
  • Bildseitenverhältnis 4-5
  • Glasarten: Borofloat 33, AF32

USPs

  • Glasstrukturen in Silizium oder umgekehrt
  • Positive Eigenschaften von Glas und Silizium in Kombination: CTE-Übereinstimmung, elektr. Eigenschaften
  • Glas: Dielektrisches Material, HF-tauglich, transparent
  • Silizium: Hohe Wärmeleitfähigkeit

Anwendung

  • Optisches Packaging, photonische Schaltungen, optische Signalmanipulation für Quantensensorik (Gravimetrie, Spektroskopie usw.)
  • Optische (Glas in Si) oder elektrische (Metall in Glas) Durchführungen, z. B. für Ionenfallen.

Referenzen

  1. V. Stenchly et al., Modular packaging concept for MEMS and MOEMS, doi:10.1088/1742-6596/922/1/012015
  2. S. Gu-Stoppel et al.: A triple-wafer-bonded AlScN driven quasi-static MEMS mirror with high linearity and large tilt angles; doi: 10.1117/12.2542800
  3. S. Gu-Stoppel et al.: A designing and manufacturing platform for AlScN based highly linear quasi-static MEMS mirrors with large optical apertures; doi: 10.1117/12.2583399