Micro Laser Source for sensing applications A. T. Winzer a, J. Freitag a, P. Dannberg b, M. Hintz a, M. Schädel a, H.-J. Freitag a 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 m 2 cleanroom-class 10 500 m 2 cleanroom-class 100 1000 m 2 cleanroom-class 10,000 1000 m 2 klimatisierte Labore 2
Technologische Kompetenzen Simulation und Design Wafer-Technologie Aufbau- und Verbindungstechnik Certified QM System DIN EN ISO 9001 Messtechnik und Analytik 3
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 4
Target Applications & Requirements Small film thickness sensor In-vivo blood sugar sensor µlaser - units Polarizing beam splitter µlaser - unit Ø 1,4 mm µlaser - unit detection & signal amplification Beam splitter Reference detector sample detectors 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 5
Technological Options backside substrate etching + - frontside polymer lens hybrid assembly wafer scale process use available dies 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 polarizer simulated with spacer beam profile 6
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
Beam divergence measurement set up µlaser unit beam profiler different lens curvatures 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) Symmetrical beam profile Excellent focusing properties 8
counts Process capability measurement set up µlaser unit batch rotating polarizer beam profiler 8 c) automatic testing in wafer prober (up to 600 units) optical power typically 150.. 470 µw (nominal value of dies 0.2.. 0.5 mw) 6 4 2 0 0.8 0.85 0.90 polarization ratio High process yield 9
99,5 nm SiO2 318,7 nm SiO2 1000,9 nm SiO2 98,6 nm SiNx 196,6 nm SiNx 364,8 nm SiNx 107,0 nm SiON 216,5 nm SiON 394,2 nm SiON relative Abweichung (%) d (nm) Film Thickness Sensor demonstrator optical unit R p diode pair 1000 Istwert Messwert 800 600 400 200 0 2 0-2 -4 actual nominal sample measurements 99,5nm-SiO 2 -Referenzprobe align mit 678 nm Fit d (n = konstant) R p diode pair demonstrators with user interface for PC signal stability < 2, repeatabilty of sensor-to-sample adjustment needs improvement ( < 1%) Precise thickness determination (deviation to spectral ellipsometry < 3%) 10
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 11
Kontakt CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH Konrad-Zuse-Straße 14 Dr. Andreas T. Winzer 99099 Erfurt Fachbereichsleiter MOEMS Germany phone: 0361 663 1432 info@cismst.de AWinzer@cismst.de www.cismst.de 12