CN102760451B - 用于在滑块上对准激光二极管的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种结构包括通道波导和邻近通道波导的输入小面的袋。具有输出小面的激光器被放置在袋中。该结构包括激光器或袋的壁上的挡块。该挡块被放置在激光器和袋的壁之间的分界面，以使得激光器的输出小面和波导的输入小面由缝隙分离。

Description

用于在滑块上对准激光二极管的方法和装置

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年4月30日提交的美国临时专利申请第61/330,067号的权益，该临时专利申请的内容通过引用整体合并于此。

技术领域

本发明涉及用于在滑块上对准激光二极管的方法和装置。

背景技术

热辅助磁记录(HAMR)通常是指这样的概念：局部加热记录介质以减少介质的矫顽磁性，以使得在由热源引起的介质的临时磁软化期间所应用的磁写入场可以更容易地引导介质的磁化。可以使用严格受限的高功率激光斑点来加热一部分记录介质。然后，经加热部分经受设定经加热部分的磁化方向的磁场。借助于HAMR，环境温度下介质的矫顽磁性可以远高于在记录期间的矫顽磁性，由此以小得多的位单元在高得多的存储密度下实现所记录的位的稳定性。

一种用于将光引导到记录介质上的方法使用被安装在读/写头(也被称为“滑块”)上的激光二极管。激光二极管将光定向到平面波导，该平面波导将光传输到邻近滑块的空气轴承表面的小斑点。可以包括近场换能器(NFT)，以便进一步聚集光。近场换能器被设计为在所指定的光波长达到局部表面等离子体激元(LSP)条件。在LSP下，由于电子在金属中的集体振荡，出现环绕近场换能器的高强度场。该场的部分将隧穿入邻近的介质并被吸收，局部提高了介质的温度以便用于记录。

热辅助磁记录(HAMR)的重要问题是被用作光功率源的激光二极管的位置。一种当前的设计将激光二极管放置在滑块的顶部。使用外部光学元件将来自激光二极管的辐射聚焦并定向到波导上的耦合光栅。这种方法涉及开发外部光学元件，并且可以通过一一装配滑块并使用主动对准来实现。

潜在的实施方式使用诸如固体浸没镜(SIM)/或通道波导之类的光定位元件的组合来将激光二极管合并到滑块的后缘并使用波导耦合器来将激光引导到近场换能器。取得来自激光器的光与波导的期望耦合需要在激光二极管和波导之间适当对准。另外，这需要以节省成本的方式来完成。

发明内容

在一个方面中，一种装置包括：结构，包括通道波导和邻近通道波导的输入小面的袋；激光器，具有输出小面且被放置在袋中；以及挡块，该挡块在激光器和袋的壁中的至少一个上；其中，挡块被放置在激光器和袋的壁之间的分界面，使得激光器的输出小面和波导的输入小面由缝隙分隔。

在另一方面中，一种方法涉及：提供一种结构，该结构包括通道波导和邻近通道波导的输入小面的袋；将具有输出小面的激光器放置在袋中；将激光器向袋的壁推动，直到在激光器和袋的壁中的至少一个上的轴向挡块被放置在激光器和袋的壁之间的分界面，以使得激光器的输出小面和波导的输入小面由缝隙分隔；并且固定激光器和通道波导的相对位置。

在另一方面中，一种方法涉及：相对于头晶片定位载体晶片，以使得载体晶片的多个激光二极管中的每一个与头晶片的多个滑块部分中的相应一个的对准部件相对准；经由载体晶片和头晶片中的至少一个中的开口在载体晶片和头晶片之间灌注气体，以便在其间的焊料表面上创建优先表面条件；以及执行回流操作以便将激光二极管接合到相应的滑块部分，其中，回流操作还与滑块部分的对准部件协同引起其间的最终对准。

附图说明

图1是可以包括根据一个实施方式的滑块的盘驱动器形式的数据存储设备的图形表示。

图2是激光二极管和滑块的一部分的剖视图。

图3是激光二极管和滑块的一部分的等视轴图。

图4是激光二极管和滑块的一部分的剖视图。

图5是激光二极管和滑块的一部分的剖视图。

图6是激光二极管和滑块的一部分的剖视图。

图7是滑块中的袋的一部分的等视轴图。

图8是包括接合焊盘的滑块中的袋的一部分的剖视图。

图9是包括接合凸块的滑块中的袋的一部分的剖视图。

图10是激光二极管和滑块的一部分的剖视图。

图11是激光二极管和滑块的一部分的剖视图。

图12是激光二极管和滑块的一部分的剖视图。

图13是包括多个激光二极管的第一晶片和包括多个滑块的第二晶片的剖视图。

图14是包括多个激光二极管的第一晶片和包括多个滑块的第二晶片的剖视图。

图15是包括多个激光二极管的第一晶片和包括多个滑块的第二晶片的剖视图。

图16是根据一个示例实施方式的激光二极管的透视图。

图17是阐释根据一个示例实施方式将激光二极管装配到滑块的流程图。

具体实施方式

图1是可以包括根据一个实施方式构建的滑块的盘驱动器10形式的数据存储设备的图形表示。盘驱动器10包括被确定尺寸为且被配置为包含盘驱动器的各种组件的外壳12(在该视图中上部被移除且下部可见)。盘驱动器10包括用于旋转外壳内的至少一个磁存储介质16的主轴电动机14。至少一个臂18被包含在外壳12内，且每一臂18具有带有记录头或滑块22的第一端部20和通过轴承26枢轴地安装在轴上的第二端部24。致动电动机28位于臂的第二端部24，用于将臂18绕轴旋转以便将记录头22定位在盘16的所期望的磁道27上。致动电动机28由控制器调节，控制器在本视图中未示出，且在本领域中是公知的。

对于热辅助磁记录(HAMR)，电磁辐射(例如可见光、红外或紫外光)被定向到记录介质的表面上，以便提高介质的局部区域的温度，以促进所加热的区域的磁化的切换。HAMR记录头的近来的设计包括滑块上的薄膜波导以将光引导到记录介质以便局部加热记录介质。可以使用被放置在记录头的空气轴承表面处的近场换能器来将电磁辐射引导到记录介质上的小斑点。

在根据一种实施方式构建的HAMR存储设备中，将激光二极管芯片放置在滑块上。通过使用具有诸如停止器和台阶之类的专门设计的部件的激光二极管床(也被称为腔或袋)来实现激光二极管输出和波导的精确对准。

图2是在热辅助磁记录中使用的滑块的示例的剖视图。滑块30包括基板32、基板上的底涂层34、底涂层上的波导36和被放置为邻近波导的写入杆38。线圈40包括缠绕写入杆的导体。激光二极管42被放置在滑块上，以便将光引导到波导的输入小面44上。然后，光通过波导并被用来加热存储介质48的被放置为邻近滑块的空气轴承表面50的部分46。光可以与近场换能器一起用来进一步控制热效应。期望将激光二极管的输出小面52与波导的输入小面对准，以便实现来自激光二极管的光与波导的有效耦合。另外，避免了在激光二极管的输出小面52与波导的输入小面之间的物理接触，以便防止可以由这样的接触引起的对各小面的损坏。

在一个方面中，一种方法用于在用于热辅助磁记录(HAMR)的滑块上对准激光二极管和波导。当激光二极管被放置在滑块上时，滑块包括用于激光二极管和通道波导的被动对准的几何特征。

图3示出具有带有前小面挡块64和66的袋62(也被称为床或腔)的滑块的一部分60的示例。滑块包括具有邻近袋的输入小面70的平面波导部分68。输入小面处于袋的壁74中的凹座72中，在凹座的相对侧上带有挡块64和66。可以是以激光器芯片形式的激光二极管76包括输出小面78，激光器从输出小面78中发射电磁辐射，例如可见光、红外或紫外光。激光二极管可以被放置在袋中，并向波导移动，直到它紧靠挡块64和66。挡块防止在激光器输出小面和波导输入小面之间的接触。

对于图3的装置，通过将激光二极管放置在袋中并将激光二极管向前推到挡块来实现在激光器的输出小面和波导的输入小面之间的对准。波导侧上的输入小面可以通过垂直蚀刻工艺来形成，且可以比激光二极管的有源输出区域(即，输出小面)宽。这种设计允许精确控制在激光二极管的输出小面和波导的输入小面之间的距离。在激光二极管的输出小面和波导的输入小面之间的距离80由袋的壁中的凹座的深度界定。因而，激光二极管的有源区域不与波导机械接触，且保持不受损伤。

可以借助于袋的壁中的蚀刻台阶和激光二极管上的一个或多个挡块来控制在横向方向上的(即，X方向)激光器输出小面和波导输入小面之间的相对位置。这在图4中所阐释的实施方式中示出，其中，滑块的一部分90包括波导92和袋94。在这一示例中，激光二极管96包括一个或多个挡块98和伸出部分100。激光二极管侧的挡块可以是被放置在激光器输出小面102的相对侧上的凸出物。替代地，挡块可以是激光二极管的一侧的部分，且输出小面凹入该侧中。借助于这一结构，在激光二极管和输出小面上的挡块之间的距离可以由光刻工艺界定。因而，几何距离控制与光刻工艺的精度相同，该精度可以低于50nm。

图5中示出提供横向对准(即，以Z方向)的结构。该结构包括袋的基座中的一个或多个蚀刻的凹槽以及激光器芯片上的台面结构。在图5的实施方式中，激光二极管110包括安装在袋116的基座或底部中的凹槽114内的纵向延伸的台面或突出物112。台面可以被用来界定单个模式激光二极管的光学限制和电流限制。在这种配置中，突出的台面的中央部分包含有源激光器量子阱。外部区域(被用于机械参考)被向下蚀刻到激光器的基座基板材料。

图6是根据另一实施方式构建的滑块120的一部分的图示。在图6的实施方式中，在接合工艺期间控制垂直方向(即，Y方向)的对准，其中通过接合化合物124将激光二极管122安装在滑块袋中。滑块包括蚀刻的挡块126和128，以提供垂直距离控制而无需精确控制接合化合物厚度。获取激光二极管芯片的可重复的垂直位置的一种方式是在接合工艺期间将其向下握持。握持激光器芯片的另一方法是在接合期间使用接合化合物的表面张力。这种方法可以被认为是两个步骤的过程。第一步骤是以2-5微米的粗公差将激光二极管芯片放置在袋中。在第二步骤中，作为使用接合化合物的回流过程的结果，可以使用表面张力来精确地对准激光二极管和通道波导。

图7示出具有带有挡块144和146的袋142的滑块140的一部分的示例。滑块包括具有邻近袋的输入小面150的平面波导部分148。输入小面处于袋的壁154中的凹座152中，在凹座的相对侧上带有挡块144和146。可以是以激光器芯片的形式的激光二极管156包括输出小面158，激光器从输出小面158中发射电磁辐射，例如可见光、红外或紫外光。激光二极管可以被放置在袋中并向波导移动，直到它紧靠挡块144和146。挡块防止在激光器输出小面和波导输入小面之间的接触。

对于图7的示例，通过将激光二极管放置在袋中并向前推动激光二极管到挡块来实现在激光器的输出小面和波导的输入小面之间的对准。波导侧上的输入小面可以通过垂直蚀刻工艺来形成，且可以比激光二极管的有源输出区域(即，输出小面)宽。这种设计允许精确控制在激光二极管的输出小面和波导的输入小面之间的距离。更具体地，在激光二极管的输出小面和波导的输入小面之间的距离160由袋的壁中的凹座的深度来界定。因而激光二极管的有源区域不与波导机械接触，且保持不受损伤。

多个焊料凸块162被放置在袋142的底部164。激光二极管接触焊盘166也被放置在袋的底部且可以具有图7中所呈现的形状。袋的底部上的接触焊盘166充当吸热器。最终的激光二极管芯片位置将取决于润湿区域的位置、在袋的底部和激光二极管之间的接合化合物(共晶)材料的量和挡块设计。图7的结构可以用于倒装片接合方法。接合化合物的示例包括焊料和环氧树脂。

图8-图12阐释如何使用接合工艺来将激光二极管向挡块推动。图8示出滑块170中的袋的底部的一部分的剖视图。晶种层172被放置在袋的底部上。多个接触焊盘174被放置在晶种层上面的绝缘体174中的开口上。接触焊盘由将允许形成良好焊料凸块的“凸块冶金学下”(UBM)可润湿的材料形成(例如，Au、Cu、Ni、Cr、Ti、TiW)。绝缘材料176被放置在接触焊盘之间。接触焊盘可以只用来定位，或者也可以用于电接触。

图9示出图8的结构的剖视图，在接触焊盘174上添加了多个接合化合物(例如，共晶材料)凸块178。

图10示出图9的结构的剖视图，且增加了具有在底部表面上的晶种层182的激光二极管180，以及被放置在晶种层上的多个接触焊盘184。绝缘材料186被放置在各接触焊盘之间。激光二极管上的接触焊盘的位置由于放置容差而相对于袋中的接触焊盘固有偏移。

图11示出由于材料回流(例如，焊料回流)引起的自对准，其中，激光二极管相对于滑块中的所期望的参考表面偏移，且回流的共晶材料的表面张力产生由箭头188阐释的力。

图12示出在共晶材料固化之后图11的结构的剖视图。从图8-图12，可以看见，可以使用接合化合物的表面张力来将激光二极管上的接触焊盘与袋中的接触焊盘对准。通过选择二极管和袋上的接触焊盘的相对位置，表面张力可以用来将激光器推到与图3和图7中的挡块接触。另外，可以有意地偏移凸块以便在实现自对准平衡之前将激光器驱动到机械挡块中。

在一种实施方式中，可以同时将多个激光器芯片接合到多个滑块。通过使用带有专门设计的部件(如挡块和台阶)的激光二极管床来实现激光二极管输出小面和通道波导的输入小面的精确对准。在放置激光二极管之后立即接着是单个工具中的焊料回流，因此以上所描述的这两个工艺步骤有效地变成一个生产步骤。在图13-图15中阐释该方法。

图13是包括多个滑块部分202的第一晶片200(也被称为头晶片)和包括多个激光二极管206的第二晶片204(也被称为载体晶片)的剖视图。滑块部分包括床208，每一个床都具有多个焊料凸块210。载体晶片包括允许来自氢自由基源214的氢自由基通过的多个开口212。激光二极管中的每一个也包括多个焊料凸块216。当如图13中所示两个晶片被分离时，氢自由基执行清洁功能以便清洁焊料凸块。可以使用诸如常压等离子体之类的工艺来形成氢自由基。替代地，活性气体(例如甲酸)可以用来在焊料表面上产生优先表面条件。

图14示出图13的结构，其中，将第二晶片向第一晶片移动以使得床中的焊料凸块和二极管上的焊料凸块合并。在图14中所阐释的步骤中，使用表面张力来将激光二极管推向界定激光二极管输出小面和波导输入小面的最终相对位置的挡块。

图15示出图14的结构，其中，载体晶片已经移动离开第一晶片，留下被附加到第一晶片的激光二极管。

在一种实施方式中，AlTiC头晶片被制造为带有波导元件和蚀刻床(或袋)以便接收激光二极管。这些袋可以包括用于被动对准的部件，诸如机械挡块和/或焊料凸块。蚀刻袋界定激光二极管芯片的最终位置。载体晶片包括孔以便允许诸如氢自由基和/或甲酸蒸汽之类的化学活性物质的流动。蚀刻袋的尺寸应匹配快速抓放工具的放置精度。袋位置匹配头晶片中的滑块部分的位置。载体晶片的尺寸可以与头晶片相同或者比头晶片大。

可以借助于快速抓放工具将激光二极管放置到载体晶片上的袋中。激光二极管最初处于载体晶片上的袋中而无需机械固定。由振动或不正确的水平定向引起的可能的激光器芯片移动受到载体晶片袋壁限制。可以通过将袋壁用作机械停止器将激光器芯片的自由移动用于减少放置工具位置改变。

化学活性物质的源可以具有匹配载体晶片的尺寸。这种源的示例是可商购的常压等离子体工具。

正如在图13-图15中所阐释的，装配激光二极管和滑块的这种过程包括图17的流程图中所示出的步骤。首先，230将载体晶片放置为邻近头晶片，具有某一间距，例如若干毫米(参见图13)。232将该源放置为接近载体晶片，以通过载体晶片中的孔提供化学活性物质流。234开启该源，且将晶片加热为高于焊料熔点。236允许焊料回流和焊料表面预清洁的一些时间，以便从焊料表面移除氧化物。晶片之间的缝隙应被选择为允许由清洁物质同时接触两个晶片上的焊料。

接下来，238使得各晶片接触，以使得两个晶片上的焊料相互接触(也参见图14)。在焊接之前清洁工艺立即继续，直到小的缝隙限制了对焊料的接触。在借助于机械挡块的被动对准的情况中，240可以应用附加移动以便将激光二极管芯片推到与头晶片上的挡块接触，并且242关闭加热器。244在焊料固化期间继续将激光器推向挡块。在固化之后，250释放载体晶片(也参见图15)。如果将焊料凸块用于自对准，则246允许激光器浮动，且248关闭加热器。激光器在焊料固化期间应浮动。

接合焊盘几何形状和布局对激光二极管的自对准性质具有显著影响。主要是，焊料阵列的尺寸、形状和体积直接影响对准特性。在图16中示出标准布局，其示出带有中央吸热器连接222和外部对准焊盘224的边缘发射激光二极管220的自对准接合焊盘布局的示例。该焊盘布局包括焊料自对准凸块和伸长的吸热器连接的组合，以便通过滑块/头结构提供焊料自对准、电接触和热冷却。

尽管已经描述了若干实施方式，但本领域中的技术人员应明显看出，可以在不偏离权利要求的范围的前提下对所描述的实施方式做出各种改变。以上所描述的实现和其他实现是在下列权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种用于对准激光器的装置，包括：

包括通道波导和袋的结构，该袋邻近所述通道波导的输入小面；

具有输出小面并被放置在所述袋中的激光器；

所述激光器和所述袋的一个壁这两者中至少一个之上的挡块；以及

被放置在所述激光器和所述袋的底部之间的吸热器，

其中，所述挡块被放置在所述激光器和所述袋的壁之间的分界面上，使得所述激光器的输出小面和所述波导的输入小面由至少在最终对准后的缝隙分隔。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挡块邻近所述袋的壁中的凹座。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挡块邻近所述激光器的输出小面。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

所述激光器上的第一多个焊盘；

所述袋中的第二多个焊盘；以及

被放置在所述第一多个焊盘和所述第二多个焊盘的各个焊盘之间的接合材料。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，相对于期望参考表面偏移在所述多个焊盘之间的相对对准。

6.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

所述袋的底部中的凹槽；以及

从所述激光器延伸到所述凹槽中的台面。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：

在所述袋的边缘和所述激光器的边缘之间的附加挡块。

8.一种用于对准激光器的方法，包括：

提供包括通道波导和袋的结构，该袋邻近所述通道波导的输入小面；

在所述袋中放置具有输出小面的激光器；

将所述激光器向所述袋的壁推动，直到所述激光器和所述袋的一个壁这两者中至少一个之上的轴向挡块被放置在所述激光器和所述袋的一个壁之间的分界面，使得所述激光器的输出小面和所述波导的输入小面由至少在最终对准后的缝隙分隔；

固定所述激光器和所述通道波导的相对位置；以及

在所述激光器和所述袋的底部之间放置吸热器。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述挡块邻近所述袋的壁中的凹座。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述激光器向所述袋的壁推动包括使用表面张力来将所述激光器推向所述壁，以使得所述激光器的输出小面与所述通道波导的输入小面对准。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使用有意的激光器偏移来允许在与所述挡块接触之前发生横向对准。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，偏移在激光器焊盘和基板焊盘之间的相对对准，使得在完全对准之前在轴向方向实现所述激光器和所述挡块之间的接触。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，焊料回流高度比垂直挡块高度小，使得焊料处于张力下并将所述激光器拉向所述垂直挡块。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括将氢自由基和表面活化气体中的至少一种灌注到所述袋和所述激光器之间的缝隙。