Micro Laser Source for sensing applications A. T. Winzera, J. Freitaga, P. Dannbergb, M. Hintza, M. Schädela, H.-J. Freitaga a - CiS
Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, Erfurt b - Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF, Jena 1
Fakten Gemeinnützige privatrechtliche GmbH Gründung 1993 Umsatz 2013
12,8 Mio €
• Öffentliche Förderung
54 %
• Industrielle Auftragsforschung und Prototyping
46 %
Mitarbeiter 2013
123
• Ingenieure und Wissenschaftler
94
• Techniker und Facharbeiter
29
Reinraum Ausstattung: • 100 m2 cleanroom-class 10 • 500 m2 cleanroom-class 100 • 1000 m2 cleanroom-class 10,000
• 1000 m2 klimatisierte Labore 2
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Technologische Kompetenzen
Simulation und Design
Wafer-Technologie
Aufbau- und Verbindungstechnik
Certified QM System DIN EN ISO 9001
Messtechnik und Analytik
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Stärken und Kompetenzen
• Vereinigung aller Teilbereiche für die industrienahe Entwicklung von Sensor-Mikrosystemen unter einem Dach • hoch qualifizierte Teams von Entwicklungsingenieuren mit langjähriger praktischer Erfahrung • umfangreiche Erfahrung in der 3D-Strukurierung, Stapeltechnologien und Doppelseitenprozessierung • direkter Transfer von Entwicklungsergebnissen in die Fertigung in hoher Qualität
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Target Applications & Requirements
Small film thickness sensor
In-vivo blood sugar sensor Ø 1,4 mm
Polarizing beam splitter
µLaser - units
µLaser - unit
µLaser - unit
Beam splitter
Reference detector
detection & signal amplification
detectors sample
Measurement chamber
Requirements: •
Small footprint (0.7 mm)
•
Stable linear polarization
•
Use of available laser diodes (VCSEL)
•
Beam diameter < 500 µm at distances 0 .. 30 mm
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Technological Options backside substrate etching +
-
wafer scale process use available dies
frontside polymer lens
hybrid assembly
Glass wafer functions
1. Carry and connect laser die 2. Optical spacer 3. Carry lens array Precision alignment of elements Small size
VCSEL
glass
micro lens with spacer
polarizer simulated beam profile
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Manufacturing Process Chain
lens
substrate selection
metallisation
micro optics
die bonding
testing
unit singulation
VCSEL die
700 µm
1 mm
Wafer scale process chain 7
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Beam divergence measurement set up
different lens curvatures beam
µLaser unit
profiler
ROC = 417 µm 0.7°
ROC=392 µm 0.5°
distance
500 µm @ 7.5 mm
500 µm @ 30 mm
• Divergence controlled by lens curvature
• Beam divergence down to 0.5° (1/e² full angle)
Excellent focusing properties
• Symmetrical beam profile 8
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Process capability
measurement set up µLaser unit
rotating
beam
batch
polarizer
profiler
8
c)
• automatic testing in wafer prober (up to 600 units) • optical power typically 150 .. 470 µW (nominal value of
counts
6 4 2 0 0.8
dies 0.2 .. 0.5 mW)
0.85
0.90
polarization ratio
High process yield
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Film Thickness Sensor demonstrator
optical unit
Rp diode pair
1000
Istwert Messwert
800
d (nm)
Rp diode pair
99,5nm-SiO2-Referenzprobe align mit 678 nm Fit d (n = konstant)
600
sample measurements
400 200
actual nominal
• demonstrators with user interface for PC
0
• signal stability < 2‰,
-2
• repeatabilty of sensor-to-sample adjustment needs improvement ( < 1%) 394,2 nm SiON
216,5 nm SiON
107,0 nm SiON
364,8 nm SiNx
196,6 nm SiNx
98,6 nm SiNx
1000,9 nm SiO2
318,7 nm SiO2
-4 99,5 nm SiO2
relative Abweichung (%)
0 2
Precise thickness determination (deviation to spectral ellipsometry < 3%) 10
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Acknowledgements
•
German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy under the grants MF130023, MF130021 and MF140040
•
Siegert Thin Film Technology GmbH, Hermsdorf
•
Orafol Fresnel Optics GmbH, Apolda
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Kontakt
CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH Konrad-Zuse-Straße 14
Dr. Andreas T. Winzer
99099 Erfurt
Fachbereichsleiter MOEMS
Germany
phone: 0361 – 663 1432
[email protected]
[email protected]
www.cismst.de
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