JP2002009380A

JP2002009380A - 発光素子のボンディング装置及びその方法

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Publication number: JP2002009380A
Application number: JP2000186563A
Authority: JP
Inventors: Akira Ushijima; 彰牛島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2002-01-11
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP4537540B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＤ等の発光素子を半導体基板に実装するに
際し、発光素子の発光面を保持しながら、発光点の位置
および発光光軸の傾きを観察して調整できる光軸の傾き
検出方法とその装置、並びに、ボンディング方法及びそ
の装置を提供すること。【解決手段】発光素子（ＬＤ１０ａ）を発光させ、そ
の光をマウントツール１６の中空孔２８を介して受光部
５２でＺ軸方向の少なくとも２箇所で受光し、それぞれ
の個所での基準光軸とのずれ量を測定し、その測定結果
からＬＤ１０ａ発光面からの光の光軸傾きを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子として例
えばレーザダイオードを基板にマウントする際に、発光
素子から出力される光の光軸の傾きを検出してボンディ
ングスル発光素子のボンディング装置、並びにそのボン
ディング方法に関する。

【従来の技術】レーザダイオード（以下、ＬＤと略称す
る）は、電流注入によってレーザ発振が得られるため、
電流のＯＮ−ＯＦＦによってレーザ光を容易に制御でき
る。そのため、光ファイバ通信や光計測等の分野に広く
用いられている。これらの用途に用いられているため、
ＬＤはマウントしている基板（パッケージ等）に対し
て、ＬＤから出力される光の光軸が正確に所定の方向に
設定されている必要がある。そのため、ＬＤを基板にマ
ウントする際のダイボンディングでは、ＬＤをダイボン
デイィグすべき基板に対してＸ方向、Ｙ方向の位置合わ
せと共に、角度（θ調整）合わせにより光軸方向の調整
を行なっている。このような光軸の調整を行うボンディ
ング装置や方法は、例えば特開平２−１１４５９０号や
特開平１０−２３５７５２号に開示されている。特開平
１０−２３５７５２号に開示されている技術を図８を参
照して説明すると、電源８１からの電圧を第１のプロー
ブ８２（ＬＤ８５の吸着も兼ねるマウントツール）と第
２のプローブ８３により、サブマウント８４（半導体基
板）状のはんだに密接しているＬＤ８５に印加して発光
させ、ＬＤ８５から出力される発光パターンを、ＣＣＤ
カメラ８６により撮像して、その発光パターンの中心位
置を画像処理装置８７により求め、次に、ＬＤ８５とＣ
ＣＤカメラ８６との相対距離を距離変化機構８８により
変化させた後、再びＬＤ８５から出力される発光パター
ンをＣＣＤ力メラ８６により撮像する。それにより、そ
の発光パターンの中心位置を画像処理装置８７により求
め、それらの発光パターンのそれぞれの中心位置及びＬ
Ｄ８５とＣＣＤカメラ８６との距離変化量に基づいて演
算装置８９で演算してＬＤ８５の光軸傾き角度を求めて
いる。

【発明が解決しようとする課題】上述のＬＤの発光した
光軸傾きの検出技術は、ＬＤを吸着しているのプローブ
の保持面と、ＬＤの発光面とが垂直な場合に適用するこ
とができる検出技術である。つまり、ＬＤの発光面とレ
ーザダイオードの電極面とが異なる面（垂直関係等）の
場合に用いることができる。しかしながら、図９に示す
ように、この第１のプローブ８２を発光面９１と電極面
９２とが同一なＬＤ８５ａに適用した場合、第１のプロ
ーブ８２に発光点９３が隠れてしまい、発光点９３やそ
れからの発光軸を観察することができないため、ＬＤ８
５ａの発光軸の傾きを検出できない。したがって、ＬＤ
８５ａを半導体基板に正確にマウントすることが困難で
ある。本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもの
で、ＬＤ等の発光素子を半導体基板に実装するに際し、
発光素子の発光面を保持しながら、発光点の位置および
発光光軸の傾きを観察して調整できる発光素子の、ボン
ディング装置及びその方法を提供することを目的として
いる。

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、発光素子の発光面を吸着し中空孔を有する
マウントツールを具えたボンディングヘッドと、前記マ
ウントツールの中空孔を介して前記発光素子からの光を
受光しＺ軸方向に移動自在な受光手段と、この受光手段
での受光結果にもとづいて前記発光素子の光軸の傾きを
検出する光軸傾き検出手段を具備することを特徴とする
発光素子のボンディング装置である。また請求項２の発
明による手段によれば、前記マウントツールは、発光素
子に電流を印加可能とする電極を具えることを特徴とす
る発光素子のボンディング装置である。また請求項３の
発明による手段によれば、発光素子の発光面をマウント
ツールで吸着して半導体基板にマウントする発光素子の
ボンディング方法において、前記半導体基板に前記発光
素子をはんだを介してマウントする際に、前記発光素子
を発光させ、その光を前記マウントツールの中空孔を介
して受光部でＺ軸方向の少なくとも２箇所で受光し、そ
れぞれの個所での基準光軸とのずれ量を測定し、その測
定結果から前記発光面からの光の光軸傾きを算出する発
光素子のボンディング方法である。

【発明の実施の形態】以下、本発明の発光素子の光軸傾
き検出を行なうボンディング装置及びその方法の実施の
形態を、図面を参照して説明する。まず、本発明での処
理対象になっている垂直共振器レーザであるＬＤについ
て、その概要を説明する。通常のＬＤでは、直接遷移型
の半導体に電流を注入し、半導体中の電子および正孔の
濃度をともに１０^１８ｃｍ^−２以上に高くすることで、
伝導帯と荷電子帯との間に反転分布を形成し、誘導放出
によりレーザ利得を発生させている。この状態で、半導
体の内部あるいは端面に対向する反射鏡を設けることで
共振器を形成してレーザ発振を達成している。したがっ
て、注入電流を一定の発振開始電流（発振しきい値電
流）以上に増加させることによって、レーザ光出力が得
られる。反射鏡としては、半導体の割れやすい結晶面
（へき開面）がしばしば用いられている。また、高効率
で安定なレーザ発振を得るための半導体多層構造として
は、ダブルへテロ接合と呼ばれる構造が広く用いられて
いる。図１は、ダブルへテロ接合構造を用いたＬＤの模
式構造図である。ＬＤ１０は半導体基板１上にレーザ光
を増幅する機能を持つ活性層２を結晶成長させることで
作製しており、活性層２の両端面は、へき開面３が形成
されている。また、半導体基板１と活性層２の接合側の
反対面にはそれぞれ電極４が形成されている。なお、結
晶成長方法としては、一般に用いられている液相成長
法、分子線エピタキシ法、又は、有機金属気相成長法等
を用いることができる。ただし、半導体結晶のへき開面
３は原子層オーダで平坦な面が必要であるため、レーザ
光にとってはきわめて良好な反射鏡として作用するが、
製造面からみると、数百μｍの大きさの素子に対して、
へき開を行う必要があるので、その製造はあまり生産性
が高くない。本発明の処理対象である垂直共振器レーザ
のＬＤ１０ａは、それらの事情から、図２に模式構成図
を示すように、活性層２ａにへき開面の代わりに誘電体
や半導体の多層膜をダブルへテロ接合構造の上下に形成
し、半導体基板１に対して垂直方向に共振器を形成する
構造に形成したものである。また、半導体基板１と活性
層２ａの接合側の反対面にはそれぞれ電極４が形成され
ている。この垂直共振器レーザであるＬＤ１０ａを用い
ると、２次元方向（面内）での多数のレーザの集積が可
能となることから、光インターコネクション等の用途に
用いることもできる。なお、ＬＤ１０ａの出力は、通常
は数〜１０数ｍＷ、必要な駆動電流は１０〜１００ｍ
Ａ、印加電圧１．５〜３Ｖ程度であるが、高出力のもの
では１０Ｗ程度に達するものもある。また、素子の大き
さは数百μｍ程度である。次に、垂直共振器レーザの製
造装置で用いる、本発明の光軸傾き検出方法及びその装
置並びにボンディング方法及びその装置について説明す
る。図３は、ボンディング装置の斜視図である。基台１
１の上にはＸＹテーブル１２が設けられており、それぞ
れＸ軸モータ１３及びＹ軸モータ１４でそれぞれの方向
に駆動される。また、Ｙ軸テーブル１５上にはＺ軸方向
へ移動自在出先端にマウントツール１６を固定したヘッ
ド１７が保持されている。このヘッド１７はヘッドＺ軸
モータ１８によりボールねじを介してＺ軸方向へ移動す
る移動板２１に係合したθｘ、θｙ方向へ移動自在なゴ
ニオステージ２２を介してツール保持部２５が形成され
ている。なお、ゴニオステージ２２はゴニオステージ用
θＸ軸モータ２３およびゴニオステージ用θＹ軸モータ
２４により駆動される。ツール保持部２５には、図４に
示すようなマウントツール１６が保持されている。この
マウントツール１６は金属等の導電性部材で形成され中
空孔２８を有するパイプ２６であり、その先端がＬＤ１
０ａの吸着部２７を形成している。また、側面に中空孔
２８に連通した真空供給口２９が設けられており、この
真空供給口２９はホース３１を介して真空ポンプ等の真
空源（不図示）に接続されている。なお、パイプ２６の
内部の中空孔２８はＬＤ１０ａの発光点の観察孔であ
る。また、パイプ２６の上部にカバーフィルタ３２が設
けられ、パイプ２６の内部から外部への光の漏れを防止
している。また、基台１１上のＸ軸テーブルの前方に
は、ＬＤ１０ａを配列して収納したトレイ３４を載置し
たＸＹ載置テーブル３５が設けられている。このトレイ
３４の上方には撮像カメラ３６がカメラ保持アングル３
７に保持されて固定されており、トレイ３４内のＬＤ１
０ａを撮像している。ＸＹ載置テーブル３５の側方には
離間して、ＬＤ１０ａがマウントされる半導体基板１を
載置する加工ステージ４１が配置されている。この加工
ステージ４１は、ＬＤ１０ａを載置するθｚテーブル４
２を具えており、また、ヒータ４３を内蔵している。さ
らに、加工ステージ４１の側方には光軸角度算出ユニッ
ト５１が配置されている。この光軸角度算出ユニット５
１は、ＣＣＤ受光部５２がＺ軸方向に移動自在に保持材
５３に保持され、Ｚ軸駆動装置５４により駆動される。
このＣＣＤ受光部５２は、ＬＤ１０ａを吸着するマウン
トツール１６の上方から、そのパイプ２６の中空孔２８
を介してＬＤ１０ａが観察できる位置に設置されてい
る。次に、ボンディング装置の動作について説明する。
なお、ボンディング装置自体の動作は、通常のボンディ
ング装置と同様な一般的な動作であるので、個々の細か
い説明は省略する。ヘッド１７がＸＹ載置テーブル３５
方向に移動して、ＸＹ載置テーブル３５上のＬＤ１０ａ
を収納しているトレイ３４の上方から下降して、トレイ
３４の中からマウントツール１６でＬＤ１０ａを吸着し
て上昇する。なお、トレイ３４内のＬＤ１０ａは発光面
が上側の状態で載置されている。したがって、マウント
ツール１６は中空孔２８の内部にＬＤ１０ａの発光部が
位置し、その周辺の電極を吸着している。ＬＤ１０ａを
吸着したヘッド１７は加工テーブル４１方向に移動す
る。この加工テーブル４１上には半導体基板１が載置さ
れている。ヘッド１７は下降してマウントツール１６が
吸着しているＬＤ１０ａを半導体基板１のはんだで形成
された所定個所に密接させる。図５に示すように、その
状態で電源５６から、ＬＤ１０ａを吸着しその電極（不
図示）と導通しているマウントツール１６と、半導体基
板１を載置して、その電極（不図示）と導通しているθ
ｚテーブル４２とに、電源５６から電圧を印加すること
でＬＤ１０ａを発光させる。この発光した光による光軸
（発光軸Ｌ_１）の様子を、マウントツール１６の中空孔
２８を経由して、カバーフィルタ３２を透過した光をＣ
ＣＤ受光部５２で撮像することにより観察する。この観
察は、まず、Ａの位置で発光軸Ｌ_１を観察し、次にＣＣＤ
受光部５２をＢの位置まで距離Ｌだけ下降させて、Ｂの
位置で発光軸Ｌ_１を観察する。この観察結果で、それぞ
れの位置でのＣＣＤ受光部５２の中心軸Ｌ_２と発光軸Ｌ
_１とのずれを検出し、それにより発光軸Ｌ_１のずれ角度
αを算出する。つまり、発光軸Ｌ_１のずれ角度αは、Ａ
の位置でのＣＣＤ受光部５２の発光軸Ｌ_１とＬＤ１０ａ
からの発光軸Ｌ_１とのずれ量がａで、Ｂの位置でのＣＣ
Ｄ受光部５２の中心光軸Ｌ_２とＬＤ１０ａからの発光軸
Ｌ_１とのずれ量がｂである場合、 α＝ｔａｎ^−１（ａ−ｂ）／ＬＬ：ＡとＢとの距離となる。発光軸Ｌ_１のずれ角度αの修正は、図６（ａ）
および（ｂ）に模式図を示すように、発光軸のずれ角度
αを算出した後に、図３で示したゴニオステージ２２
を、ゴニオテージ用θＸ軸モータ１３およびゴニオステ
ージ２２用θＹ軸モータ１４により所定量移動させて、
はんだ６１上でＬＤ１０ａを吸着保持しているマウント
ツール１６の角度を補正して、はんだ６１に対するＬＤ
１０ａの姿勢を制御して補正する。また、はんだに対し
てＬＤ１０ａを角度βだけ傾斜して装着したい場合は、
図７（ａ）および（ｂ）に示すように、ＣＣＤ受光部の
中心軸とＬＤ１０ａの発光軸とのずれが無い場合や角度
βと異なる場合に、はんだに対してＬＤ１０ａを傾斜
（傾斜角β）して装着する場合の例である。この場合
も、図３で示したゴニオステージ２２をゴニオテージ用
θＸ軸モータ１３およびゴニオステージ２２用θＹ軸モ
ータ１４により所定量移動させて、はんだ６１上でＬＤ
１０ａを吸着保持しているマウントツール１６の角度を
設定して、はんだ６１に対するＬＤ１０ａの姿勢を制御
して調整を行なう。なお、ＬＤの光軸修正を伴わない、
検査のみを行なう検査装置の場合は、マウントツールに
観察孔を設けなくても行なうことができる。その際は、
マウントツールの替わりに導通端子を設けて接続して通
電し、上述と同様にＺ軸方向の２箇所でＣＣＤ受光部で
受光し、それにより中心軸とのずれ量を測定して、測定
結果からＬＤの光軸の傾きを算出することができる。以
上に述べたように、本発明によれば発光素子の発光面を
吸着保持して半導体基板１等にはんだを介して装着する
際でも、発光素子の光軸の傾きを正確に算出することが
できるので、その結果に応じて光軸の傾きを設定値に対
して修正することができる。それにより、発光体素子を
半導体基板に対して、光軸の傾きが内容にすることも、所
定の角度に傾けてボンディングすることも必要に応じて
任意に行なうことができる。

【発明の効果】本発明によれば、発光素子の発光面を吸
着保持して半導体基板等に装着する際でも、発光素子の
光軸を正確に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダブルへテロ接合構造を用いたＬＤの模式構造
図。

【図２】垂直共振器レーザのＬＤの模式構成図。

【図３】本発明のボンディング装置の斜視図。

【図４】本発明のマウントツールの構成図。

【図５】本発明の光軸傾き角度検出の原理の説明図。

【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明による光軸修正
の説明図。

【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明による光軸修正
の説明図。

【図８】従来の光軸傾き検出装置の概要図。

【図９】垂直共振器レーザのＬＤとマウントツールとの
関係説明図。

【符号の説明】

１…半導体基板、４…電極、１０…ＬＤ、１６…マウン
トツール、２８…中空孔、５１…光軸角度算出ユニッ
ト、５２…ＣＣＤ受光部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光素子の発光面を吸着し中空孔を有す
るマウントツールを具えたボンディングヘッドと、前記
マウントツールの中空孔を介して前記発光素子からの光
を受光しＺ軸方向に移動自在な受光手段と、この受光手
段での受光結果にもとづいて前記発光素子の光軸の傾き
を検出する光軸傾き検出手段を具備することを特徴とす
る発光素子のボンディング装置。
【請求項２】前記マウントツールは、発光素子に電流
を印加可能とする電極を具えることを特徴とする請求項
１記載の発光素子のボンディング装置。
【請求項３】発光素子の発光面をマウントツールで吸
着して半導体基板にマウントする発光素子のボンディン
グ方法において、前記半導体基板に前記発光素子をはん
だを介してマウントする際に、前記発光素子を発光させ、
その光を前記マウントツールの中空孔を介して受光部で
Ｚ軸方向の少なくとも２箇所で受光し、それぞれの個所
での基準光軸とのずれ量を測定し、その測定結果から前
記発光面からの光の光軸傾きを算出する発光素子のボン
ディング方法。