CN1919951A - 粘结方法和光学组件 - Google Patents

Abstract

提供用包含镁的粘结剂将第一物体化学粘结到第二物体上的方法。也提供了粘结光学组件中部件的方法，以及光学组件。本发明可具体应用于形成微型光学组件的光电工业中。

Description

粘结方法和光学组件

本申请根据35U.S.C.§119要求于2005年8月15日提交的美国临时申请No.60/708552和于2005年8月16日提交的美国临时申请No.60/708641的优选权，上述申请的全部内容参考引用于本文中。

技术领域

本发明涉及粘结领域，更具体的是涉及光电子领域。具体的是，本发明涉及将两个物体粘结在一起的方法，例如，将诸如光学组件中的透镜、光纤和密封盖的部件粘结在一起。而且，本发明涉及包括粘结的部件的光学组件。本发明具体应用在微型光学组件的制造中。

背景技术

光学组件包括诸如透镜、标准器和光纤的光学部件，可以包括其它的部件，如光电子器件(如半导体激光模和光电二极管)，以及用于密封所述部件的盖子。所述组件还包括与部件粘结的基底，或者底架(submount)。所用的粘结剂根据例如部件、基底材料以及所需的粘结温度来选择。已知有包含有机材料的粘结剂如环氧化物。但是，有机材料对光学部件和光电部件而言是污染，对所形成的组件的可靠性有不利的影响。因此要求避免使用包含有机物的粘结剂，尤其是在密封的光学组件中。

在光学组件的制造方法中，所述部件通常在逐渐降低的温度下按照顺序粘结到基底上，以防止之前粘结的部件因粘结点松开而移动或分开。一种用于光电器件的典型的粘结材料是一种高温焊料，如Au/Sn(80∶20，共熔的)，它的熔点约为280℃。当在光电器件之后粘结部件时，粘结温度应低于这种焊料的熔点，以避免Au/Sn焊料接点再次熔化。

光学部件如光纤、透镜、滤光片和标准器通常由玻璃形成，或者包含玻璃状的光学涂层。一种用于将这种部件焊接到基底上的技术包括用金属涂布光学部件的一部分，所述金属粘附到焊料上。但是，这种技术给光学组件的制造增加了复杂性和成本。

美国专利No.5178319公开了将光学元件如玻璃球和光纤粘结到铝上的方法。所公开的方法包括将压力和能量(以热能和/或声能的形式)一起施加到光学元件和铝之间的界面上。为了将热施加到所述界面，’319专利公开了其温度大于300℃，如350℃。为了得到更柔韧的粘接等级，要求该方法能在比使用铝时所用的温度更低的温度下粘结光学部件。

发明内容

本发明解决了本领域现有技术中的一个或多个上述问题。

本发明一方面提供将第一物体粘结到第二物体上的方法。所述方法包括(a)提供第一物体，(b)提供第二物体；(c)用包含镁的粘结剂将第一物体化学粘结到第二物体上。

本发明第二方面提供粘结光学组件中的部件的方法。所述方法包括(a)提供基底，(b)提供要粘结到所述基底上的部件，(c)用包含镁的粘结剂将所述部件粘结到所述基底上。

本发明第三方面提供光学组件。所述光学组件包括基底、部件、以及在所述基底和部件之间用于将所述部件化学粘结到所述基底上的包含镁的粘结剂。

在本发明的方法和光学组件中，诸如透镜、光纤和密封盖的部件可容易地粘结到基底上。有用的基底材料是硅，如单晶硅，其可方便地呈晶片的形式，并且可以制成具有表面氧化物。所述粘结材料可以呈例如一种或多种预制件的形式，或者呈涂布在光学部件和/或基底上的层的形式。将所述部件粘结到基底上的技术可以是例如热压缩工艺。所述方法可以用于制造密封器件(例如密封的光电微型部件，包括光电器件以及置于密封容积内的光学部件)。

在本文中，术语“一个”包含了“一个或多个”。术语“上”和“上方”相互交换使用以限定空间关系，并且包括存在或不存在居间层或结构的情况。在本文中，术语“光学组件”包括具有光学功能，并且具有或不具有光电功能的结构。在本文中，术语“金属”包括纯金属、金属合金和金属复合物。

附图说明

本发明参考以下附图进行讨论，其中，相同的数字表示相同的特征：

图1说明了本发明示例的光学组件；

图2A-B说明了根据本发明粘结图1所示的光学组件中的部件；

图3说明了示例性地粘结可用于本发明方法中的小颗粒或预制件。

具体实施方式

以下，本发明参考图1进行说明，图1说明了示例的光学组件1，其中可发现本发明的粘结方法的应用。光学组件包括具有上表面5的基底3，在其中和其上形成了各种表面特征。基底3通常由半导体材料形成，可以呈晶片或芯片的形式，所述材料例如硅(如单晶硅)、砷化镓、磷化铟或铌酸锂、陶瓷、聚合物或金属。在基底上表面5上可以粘结各种部件，包括光学和光电部件，以及用于密封所述组件的盖子。典型的光学部件包括例如光纤、透镜、滤光片和标准器。光电器件包括例如激光模和光电探测器。在示例的实施方式中，光纤根部7、球面透镜9和光电器件11粘结到基底的上表面5上。

上表面5包括形成在其中或其上的、用于固定各种部件的一个或多个表面特征。所述表面特征包括用于固定光学根部7的凹槽13，如V-凹槽(显示)或U-凹槽，用于固定球面透镜9的凹陷15，光栅(light clearance)凹陷16，以及用于电连接光电器件11的金属特征17。金属特征17包括光电器件11焊接到其上的接触垫18、金属线19和用于连接电源的粘结垫21。本领域技术人员已知用于形成所述表面特征的技术。例如，可以使用掩膜和湿法和/或干法蚀刻技术来形成V-凹槽、透镜和光栅凹陷，而金属化结构可以通过溅射、蒸发或电镀技术来形成。这些技术可以任选使用，形成基底母体，由此可以在模塑工艺中形成基底。还提供盖子23来形成密封的容积，用于容纳光学和光电部件。

图2A和2B分别说明了在沿图1的线A-A和B-B的截面中，在粘结到基底3上的工艺中的光纤根部7和球面透镜9。所述光学部件通常由氧化物材料例如掺杂的玻璃(如硅酸硼玻璃，例如BK7硅酸硼玻璃，购自Schott Glass TechnologiesInc.，Duryea，PA USA)、陶瓷(如氧化铝)、或晶体(如蓝宝石、尖晶石或立方氧化锆)形成。若所述光学部件不由氧化物形成，可以涂布氧化物层如化学计量的(SiO₂)或非化学计量的氧化硅，氧化钽或氧化钛，以用粘结剂粘结，如下述。

使用粘结剂25有利于将部件如光学部件7、9和密封盖23与基底粘结。所述粘结剂包括镁，通常是基于镁的(以整个粘结剂计，大于50重量％的镁)，例如，金属镁(大于99重量％的镁)、镁基合金或镁基复合物。通常，所述粘结剂是金属镁。例如可以使用镁基合金或复合物，用于改变所述粘结剂的一种或多种性能，如粘结温度，耐腐蚀性和粘结强度。合适的共混剂包括例如Al、Si、Sn、Zn、Zr、Pb以及稀土元素。合适的复合物包括例如AZ61A-F(92.35重量％的Mg、6.5重量％的Al、0.15重量％的Mn、1.0重量％的Zn)、AZ10A-F(98.2重量％的Mg、1.2重量％的Al、0.2重量％的Mn、0.4重量％的Zn)和AM20-F(97.8重量％的Mg、2.1重量％的Al、0.1重量％的Mn)，如美国试验和材料协会(ASTM)所标注的。

所述粘结剂可以呈在基底和/或部件的表面上形成的涂层的形式，例如通过蒸发、化学镀、电镀、溅射或其它已知的金属化技术来进行。可以任选使用中间层来提高粘合性，提供用于电镀的种子层(seed layer)，或者作为绝缘体，例如，在粘结剂下方的金属线19之间的绝缘体。所用粘结剂的厚度取决于例如粘结剂材料、粘结剂密度、粘结温度、光学部件的几何构型、以及基底粘结区域的几何构型。所述膜的密度在确定理想的层厚度时也起到重要的作用。用于金属镁层的一般预先粘结的厚度为2-25微米，例如，10-15微米。

粘结剂可以任选呈一种或多种小颗粒或预制件27的形式，如图3所示。在这一示例的方法中，在将光学部件引入凹处之前或之后，可将所述小颗粒或预制件置于基底表面的凹处(例如，凹槽13或透镜凹陷15)。以这种方式使用小颗粒和预制件可以有效地降低成本、加工时间以及与金属化方法相关的复杂性。此外，所述小颗粒和预制件可各自由精确量的粘结剂形成，由此形成一致且均匀的粘结。通常，小颗粒的几何形状大致是球形的，但是也可以是不规则的形状。预制件可以呈任何几何构型，例如球形、环形、椭圆或圆柱形。镁预制件可以是市售购得的，例如，购自Read International，Riverside，RI USA。在使用球形小颗粒或预制件的情况下，例如，一般粒度为50-300微米，例如，约为100微米，用于粘结400微米的球面透镜或125微米的光纤根部。所述小颗粒和预制件的合适的几何构型和粒度取决于各种因素，如要粘结的部件和基底的几何构型。

所述粘结剂不能很好地粘结到某些基底，例如硅和砷化镓上。在这种情况下，可以在基底上形成一层或多层所述粘结剂要粘结的材料层28。例如，这一层可以在基底上表面或表面特征(例如，凹槽13和透镜凹陷15的粘结表面)上形成。合适的层包括例如氧化物，如氧化硅(如化学计量(SiO₂)或非化学计量的氧化硅)，或金属层，如铝层。这些层的合适厚度取决于例如所用的具体材料，本领域那些技术人员应该可以理解。

所述部件可以使用热压缩粘结技术用粘结剂25粘结到基底3上。在这种工艺中，在光学部件和基底之间施加压力，以将所述部件压到基底上，如图2A-B中箭头所示。所述热压缩粘结技术还包括加热所述粘结剂，使所述粘结剂在施压时处于高温下。所述粘结剂可以在将部件挤压到基底上之前和/或同时被加热。此外，在压缩之后继续加热所述组件一段时间是有好处的。虽不局限于任何具体的理论，但是认为在部件和基底之间施加的压力会导致部件布满(penetrate)在粘结剂上形成的天然氧化物。在粘结剂中的镁直接接触并与部件的氧化物或氧化物涂层反应，形成氧化物-镁粘结。由此，粘结剂中的镁形成化学粘结的主结构。

所述粘结工艺中施加的温度和压力高得足以导致部件和基底之间的粘结，但是所述温度和压力又应低于会导致部件变形或其它损伤的温度和压力。所述温度和压力取决于，例如粘结剂材料、以及部件和基底(例如，粘结区域)和任意居间层的材料和几何构型。粘结温度通常为225-500℃，例如，250-300℃，可以低于300℃。以下实施例用于进一步说明本发明的各个方面，但是决不是用于限制本发明的范围。

实施例1

参考图2A-B，将125微米直径的玻璃光纤根部7和400微米直径的尖晶石球面透镜(涂布有1026埃氮化硅和2505埃二氧化硅)如下述粘结到硅基底3上。在所述硅基底的上表面上通过各向异性湿法蚀刻形成V-凹槽13(标称宽度为133微米)和透镜凹陷15(在基底表面上，470×470微米宽，深270微米)。在基底表面、V-凹槽和凹陷上通过热氧化形成4700埃厚的二氧化硅层。在V-凹槽和透镜凹陷中的氧化物上通过热蒸发形成12微米厚的镁层。将光纤根部和球面透镜分别置于V-凹槽和凹陷中，并将所述结构在热板上加热至275℃。所述光纤根部在沿其长度的两个点处与涂布粘结剂的V-凹槽接触，而所述球面透镜在四个点处与凹陷接触。沿光纤根部的长度施加800g/mm的压力(对球面透镜则是100g/mm)10秒。所述压力通过连接到钢棒上的气动活塞来施加，该气动活塞与光纤根部和球面透镜接触。在施压期间再保持该温度50秒。由此在基底和光纤根部和球面透镜之间形成热压缩粘结。

实施例2

除了将2个50-75微米直径的球形镁颗粒置于V-凹槽中，并将一个这种颗粒置于透镜凹陷，以代替镁层之外，重复实施例1的步骤和材料。

实施例3

除了用100微米长、125微米直径的ASTM AZ61A圆柱(92.35重量％的Mg、6.5重量％的Al、0.15重量％的Mn、1.0重量％的Zn)金属线代替镁颗粒以外，重复实施例2所述的步骤和材料。

Claims (10)

1.一种将第一物体粘结到第二物体上的方法，所述方法包括：

(a)提供第一物体；

(b)提供第二物体；

(c)用包含镁的粘结剂将第一物体化学粘结到第二物体上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一物体是基底，所述第二物体是部件，所述基底和部件形成光学组件的一部分。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基底由其上形成了二氧化硅层的单晶硅形成。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述部件是用于密封封闭体积内的光学和/或光电部件的盖子。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述粘结剂是金属镁。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述粘结剂包括预制件。

7.如权利要求2-6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括在所述部件和基底之间形成热压缩粘结。

8.如权利要求2-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在步骤(c)之前

(d)在高于步骤(c)中粘结部件所用的温度的温度下，将第二部件粘结到所述基底上。

9.如权利要求2-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述基底和部件各自包含与所述粘结剂化学粘结的氧化物。

10.一种光学组件，它包括基底、部件、以及在所述基底和部件之间的用于将所述部件化学粘结到基底上的包含镁的粘结剂。

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