JP2002246682A - マイクロ電気機械的機構 - Google Patents
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Abstract
低価格なレーザ一体形のマイクロ電気機械的機構を提供
する。 【解決手段】 マイクロ電気機械的機構基板10の上面
の第1の基板ボンディングパッド14に隣接して、レー
ザ26の第1の側面に位置した第1のレーザボンディン
グパッド28を設ける。第2の基板ボンディングパッド
18に隣接して、レーザ26の第2の側面に位置した第
2のレーザボンディングパッドを設ける。第1の基板ボ
ンディングパッド14と第1のレーザボンディングパッ
ド28とに接した第1のハンダ接続部38、および第2
の基板ボンディングパッド18と第2のレーザボンディ
ングパッドとに接した第2のハンダ接続部40、をハン
ダリフローにより溶融する。
Description
械的システム(MEMS)機構に関し、特にレーザを一
体化したMEMS機構に関する。
一体化および特定構成のモジュール内への別種の集積回
路の一体化、にフリップチップ法を適用することはある
特定の分野で採用され始めている。フリップチップ法
は、マルチチップモジュール(MCM)法の使用などの
他の集積回路一体化方法に替わり得る、信頼性と価格効
果をもつ方法であることが実証されている。しかしなが
ら、この比較的新しい一体化方法は、ある特定の分野で
使用され始めているが、製品の多様性および機能性の面
から実現の可能性のある多くの効果についてさらに探求
する必要がある。
マシニング技術などの、これまで探求されていない分野
にフリップチップ法を適用してその分野を進歩させるこ
とが必要と考えられる。
テム(micro-electromechanical system, MEMS)機構
は、構造中にレーザが一体化されるように設計される。
レーザは垂直キャビティ表面放出レーザ(VCSEL)
である。このMEMS機構は、上面と下面とをもつマイ
クロ電気機械的基板を含み、該上面は第1の領域および
第2の領域をもつものとして規定される。第1の基板ボ
ンディングパッドは、第1の領域内の所定位置の上面に
設置され、第2の基板ボンディングパッドは、第2の領
域内の所定位置の上面に設置される。第1および第2の
基板ボンディング領域には、それぞれ第1および第2の
ハンダ材料が堆積される。MEMS機構に一体化される
レーザの、第1の側には第1のレーザボンディングパッ
ドが設けられ、第2の側には第2のレーザボンディング
パッドが設けられる。レーザは、第1の基板ボンディン
グパッドと第2の基板ボンディングパッドの間に位置し
て、各パッドはそれぞれ第1および第2のレーザボンデ
ィングパッドと位置合わせされるようになっている。ハ
ンダ材料のリフロー時に、リフロー工程の間に精密なレ
ーザの位置合わせが行われ、同時にボンディングパッド
間が機械的かつ電気的に接続される。さらなる実施形態
では、MEMS基板はトレンチ部分を有した構造をも
ち、この部分に、第1および第2のレーバボンディング
パッドをもつレーザが設置される。トレンチ内のレーザ
の設置は、基板表面から45度および54.74度のい
ずれかの角度で行われる。基板上のハンダリフローによ
りレーザは精密に位置決めされ、機械的に安定に固定さ
れる。
板ボンディングパッドを担持したスプリング機構を含
む。このスプリング機構によって、トレンチ内のレーザ
を、ハンダリフロー工程の間および後に適当な位置に固
定することができる。さらに別の実施形態では、バイメ
タル式カンチレバーを用いてレーザの位置決めおよび電
気的相互接続が行われる。
にしたがって作製されたMEMS基板10の一部を示
す。詳しくは、基板10をパターニングおよび加工し
て、基板の深さ方向に沿って真空孔12をエッチング形
成する。さらに、基板の第1の領域16上の第1のボン
ディングパッド14、および基板20の第2の領域上の
第2のボンディングパッド18の加工が行われる。ボン
ディングパッド14および18は、表面へのハンダ濡れ
性がよく、それによりボンディングパッドにハンダが密
着するような材料からなる。一実施形態では、ボンディ
ングパッド14および18はリソグラフィによって基板
10上に画定された金の領域からなる。各パッド14お
よび18の上面にはハンダ層22および24がパターン
形成される。ハンダ層は鉛とスズの混合物で構成され、
鉛とスズの比率によってハンダの種類が決定される。ハ
ンダ層は、過剰なハンダを除去した後の残留ハンダ材料
で形成されている。図1の加工基板を得るために必要な
パターニング技術およびMEMS基板は当業者に周知の
ものである。
6を示した図であり、本実施形態では、このレーザダイ
オードは垂直キャビティ表面放出レーザ(vertical cavi
tysurface emitting laser)(VCSEL)である。レ
ーザ26の第1および第2の側面には、第1および第2
のボンディングパッド28および30が堆積される。こ
れらのレーザボンディングパッドは、表面へのハンダ濡
れ性のよい材料で構成される。この材料は、例えば金か
らなる。ボンディングパッド28,30は周知のリソグ
ラフィ法によって形成される。図3を参照する。矢印3
2に示すように、レーザ26は、第1および第2の基板
ボンディングパッド14および18間の隙間内に入れら
れ、真空孔12上に位置するようにされる。このレーザ
26の設置は、周知のピックアンドプレース法によって
行われる。図4に示すように、真空装置34が、真空孔
12の底面側に作動可能に接続される。真空装置34の
使用により真空が生成され、最終の組み立て工程が行わ
れる間に、粗に位置合わせされたレーザ26を保持す
る。図4に示すように、ハンダ層22および24は非溶
融状態である。
加熱することにより、ハンダリフロー工程が行われる。
この加熱は、アセンブリ全体の加熱、あるいはハンダに
接触した加熱プローブ(図示せず)の使用による局部加
熱などの、多くの周知の方法のいずれかによって行われ
る。このリフロー工程の際に、真空装置34によって形
成された真空の作用は取り除かれて、精密なレーザの位
置合わせが行われる。真空が解除されると、レーザ26
は、ハンダ層22および24がハンダバンプへと変形す
る際に、リフロー工程の間に生成した表面張力によって
動く。
に、ハンダ材料は自身の表面張力によって球状になろう
とするため、ハンダ層がバンプまたはボール状に変形す
るという、ハンダ接合の性質を利用したものである。特
に、周知のようにハンダは金に対して濡れ性がよい。し
たがって、基板ボンディングパッド14,18とレーザ
ボンディングパッド28,30との位置関係を効果的に
用いて、レーザ26を精密に位置合わせすることができ
る。リフロー工程が行われてハンダ材料が溶融状態にな
ると、ハンダは基板ボンディングパッド14および18
に接着するだけでなく、レーザボンディングパッド28
および30にも近接しているので、球状に変形する際に
これらレーザボンディングパッドにも接着する。ハンダ
層22,24の変形に伴って、レーザボンディングパッ
ド28および30は引っ張られ、それらパッドに一体化
したレーザ26もまた動く。ハンダ層22および24の
ハンダバンプまたはボールへの変形は、ハンダの表面張
力が最小エネルギ形態に戻ろうとすることで生じる。ハ
ンダ層22および24は、図ではほぼ方形の部材として
示されているが、本来これらはディスク状その他の形状
で形成することもできる。
パラメータを考慮することにより解析的に決定される。
詳しくは、ハンダおよび各構成部品または部材の寸法、
形状、高さ、およびハンダ組成がわかれば、リフロー工
程で加わる圧力が計算により決定され、その情報がある
特定の動作に変換される。実験により、本発明者等は、
精密位置合わせ能力を1乃至2μm以内に規定すること
ができた。例えば、約70μmの寸法で相互に約140
μm離れたボンディングパッド上の、重量比で37%の
鉛、63%のスズの二つのハンダパッド、および幅約5
00μm、長さ約500μm、高さ約100μmのレー
ザの場合、レーザは約2乃至3μm動く。
EMS構造およびレーザ機構36を示す。この図に示す
ように、ハンダ層22,24から形成されたハンダバン
プ38,40は、基板ボンディングパッド14,18お
よびレーザボンディングパッド28,30の両方に接着
する。動作システムを完成するために、電気的接続部す
なわちトレース42を基板上にパターン形成することに
より、レーザ26から放出されたレーザビーム44が基
板10表面にほぼ平行であるような、レーザ動作が可能
になる。図では明らかに、ボンディングパッド14,1
8,28,30は実際の形態より大きく描かれている。
この誇張された図は、パッドを明確に示すためのもので
ある。実際の形態では、ハンダバンプの端部はパッド端
部まで延在し、ハンダの表面張力によってハンダがパッ
ド端部から溢れることが防止される。
40は複数の目的に寄与することが明らかである。第1
に、これらバンプはレーザ26を精密に位置合わせする
働きをする。次にレーザ26が所定位置に保持される
と、これらバンプは基板とレーザボンディングパッドと
の電気的相互接続部として機能する。電気的接続部すな
わちトレース42は、信号ライン、または、コントロー
ラまたは電源チップ46からの電力供給および/または
制御信号ラインのいずれかであり、同様に基板10上に
一体化される。
た基板50を示す。トレンチ52は標準的なリソグラフ
ィ法でのエッチングにより形成される。この場合、エッ
チングされるトレンチは<110>結晶面に方位を揃え
られ、エチレンジアミンピロカテコール(EDP)湿式
エッチング剤を用いてエッチングされて、約45度に傾
斜した側壁が得られるようにされる。さらに、図1の基
板10と同様に、第1および第2の基板ボンディングパ
ッド54および56が形成される。これらパッドの上面
には、第1および第2のハンダ層58および60が堆積
される。本実施形態に見られるように、基板ボンディン
グパッド54,56およびハンダ層58,60は、ほぼ
トレンチ52の角度に従っている。
ーザ62を示す。レーザ62の第1および第2の側面に
第1および第2のレーザボンディングパッド64,66
がパターン形成される。これらパッドは、レーザ62の
底面から適当な高さの箇所に設置されて、図9に示すよ
うな、レーザ62がトレンチ52内に挿入される時に、
レーザボンディングパッド64および66が基板ボンデ
ィングパッド54および56と位置整合して、ハンダ層
58,60の少なくとも一部と接触するようにされる。
わせされる。レーザ62を精密に位置合わせするため
に、ハンダ層58および60は、第1の実施形態に関連
して述べた場合と同様の方法でリフローされる。このリ
フロー工程によって、ハンダ層58および60は、例え
ば図10に示すような球状バンプ68,70に変形す
る。溶融ハンダがレーザボンディングパッド64および
66に濡れると、レーザ62は動いて所望の位置に正確
に位置合わせされる。前述の実施形態と同様に、ハンダ
バンプ68および70はレーザ62を機械的に固定させ
るだけでなく、レーザボンディングパッドと基板ボンデ
ィングパッドとの電気的接続部となる。また、図10に
示した形態は、ボンディングパッドとドライバまたはパ
ワーチップ74との電気的トレースすなわち接続部72
を含んでいる。
ために、図9に明確に示したように、本実施形態におい
ても基板50は、真空孔76を有して、真空装置78に
より生成された真空力によって、ハンダリフローが行わ
れるまでレーザ62を固定するようにされる。
ド、およびハンダ層が得られるような、基板50の作製
は、エチレンジアミンピロカテコール(EDP)などの
異方性シリコンエッチング剤を用いて行われる。45度
の角度をもつ側壁は、あるしきい値以上の適当な濃度の
EDPを用いて、シリコンウェハ50の面と位置整合さ
せつつ行われる。しかしながら、54.74度の湿式エ
ッチングおよび側壁角度もまた異方性シリコンエッチン
グ剤を用いて実現することができることは明らかであ
る。したがって、図10に示した本実施形態は、45度
の角度だけでなく、54.74度の角度で作製すること
もできる。
方法によれば、一体化されるレーザの受け入れ方向を、
放出ビームがMEMS基板50の表面に対して45度ま
たは54.74度になるようにすることができる。この
一体化方法は、装置設計に自由度をもたらし、種々の方
式のスキャニング装置に適合し得る。
生成する方法によって得られる効果として、ビームがさ
らに表面またはバルク状のマイクロマシン部品と結合
し、MEMS基板の平面外でビームを走査して、例えば
外部光学装置と結合するようにできることなどがある。
態の基板80の側面図および上面図を示す。前述の実施
形態と同様に、基板80は、パターン形成された基板ボ
ンディングパッド82,84およびハンダ層86,88
をもつ。さらに、トレンチ90が周知の加工方法にした
がってリソグラフィにより基板80内に形成される。ま
た、トレンチ90の端から延びたスプリング機構92
が、周知のリソグラフィ法によってパターン形成され
る。スプリング機構92は、ボンディングパッド84お
よびハンダ層88を担持している。スプリング機構92
は、第1のボンディングパッド82と第2のボンディン
グパッド88との距離が図13のレーザ96の幅より若
干小さくなるような寸法にされている。前述の実施形態
と同様に、レーザ96はレーザボンディングパッド98
および100を含む。最初に、距離94がレーザ96の
幅より若干小さくなるようにスプリング92がトレンチ
90内に延出しているため、レーザ96の横方向の動き
によりレーザ96をトレンチ90内に設置することで、
基板80とレーザ96とが相互に接続される。レーザ9
6を側面から導入して所定位置まで滑入することによ
り、スプリング92にレーザ96の後面での復元力が生
じ、この復元力によってレーザ96は前方領域102中
のコンタクトパッド82に押しつけられ(図12,1
3)、レーザは粗に固定される。しかしながら明らか
に、スプリング92によって加わる圧力はレーザをさら
に動かす程強力ではない。レーザ96は、基板ボンディ
ングパッド82および84がレーザボンディングパッド
98および100と位置整合するまでトレンチ92内に
滑入される(図14参照)。その後、前述の実施形態と
同様にハンダリフロー工程が行われる。この工程によっ
て、再度レーザ位置が微調整されると共に、ボンディン
グパッド間が電気的に接続される。本発明により形成さ
れた、MEMS/VCSEL構造104を図15に示
す。この構造にはさらに、ドライバまたは電力供給チッ
プ108に通じた電気的トレース106が設けられてい
る。図示のように本実施形態では、VCSELレーザ9
6は基板表面に平行なビーム110を供給する。
り前述の実施形態で用いた真空孔は不要になる。また、
ハンダリフロー前におけるレーザの所定位置への固定に
用いた機械的スプリングは、プロセスが終了した後もレ
ーザを保持し続けるため、その後もさらに機械的支持が
得られる。
の実施形態の場合よりも複雑である。詳しくは、本プロ
セスは、スプリング92の乾式エッチング、およびスプ
リング表面のリソグラフィおよびメタライゼーションを
含む。図15のスプリング機構92は、図から明らかな
ように、バルクの単結晶シリコンを用いて形成されるも
のとして示されている。実際には、スプリング92が形
造られる、基板の表面部分は大量に不純物ドープされ
る。この高いドーピング濃度によって、続いての非ドー
プおよび露出したシリコン部分の異方性エッチングが可
能になり、それによって高ドープされたスプリング構造
をアンダーエッチして動作可能にすることができる。こ
の工程は独立して行われて、MEMS基板上に存在す
る、全ての周囲のマイクロ装置の性能または製造プロセ
スに影響しないようにされる。
いる基板112の側面および上面図を示す。基板112
は、組合わさったバイメタル式のカンチレバー114,
116,118,および120を含むように加工され
る。図16および17に示すように、カンチレバー11
4〜120は、本来的な応力勾配を備えて設計および作
製され、それにより作製プロセスの間に基板112から
解放されると、これらカンチレバーは巻き上がるように
なっている。カンチレバー114〜120の一方の端
は、対応するメタライズされたボンディングパッド12
2,124,126,および128に接している。
2,134,136,および138をもつ、基板112
と一体化されるレーザ130を示す。これらレーザボン
ディングパッドの各々には、ハンダ層140,142,
144,および146が形成されている。
を有して、対向するカンチレバー間の開口にレーザ13
0が十分挿入できるようにされる。図19に示すよう
に、レーザ130が粗な位置合わせ位置に挿入される
と、カンチレバー114〜120はレーザ130を締め
付けて固定する働きをする。この状態で、カンチレバー
114〜120の先端は、対応するハンダ層140〜1
46に接している。その後、ハンダリフロー工程が行わ
れてレーザ装置130はさらに精密に位置合わせされ
る。ハンダに接続されたカンチレバーは、図20に示す
ように、動作電圧、グランド接続、および信号を供給す
る電気的相互接続部として機能する。詳しくは、電気的
トレース148によって、基板112に集積されたドラ
イバまたは電力供給回路150との伝送が可能になる。
して説明した。受動部品としての実施形態では、カンチ
レバーは本来的な応力勾配(a natural stress gradian
t)を備えて設計および作製され、この応力勾配によっ
て、カンチレバーは、基板からの解放時に所定の角度で
巻き上がる。
バー114〜120は、熱膨張係数の利用その他の周知
の方法によって動作する。詳しくは、カンチレバーは、
適当な電圧バイアスの印加によって、レーザ130を簡
単に挿入できるように十分に開き上がった後、閉じてレ
ーザを所定位置に締め付ける。
明したが、その他の形態および構造によっても本発明を
実施できることは当業者に明らかである。それら別の実
施形態は本発明の範囲を逸脱するものではない。
基板を示す図である。
ある。
機構の挿入を示す図である。
び基板を示す図である。
化した完成後のMEMS機構を示す図である。
施形態を示す図である。
たレーザを示す図である。
8のレーザ機構を示す図である。
SELをもつ完成後のMEMS機構を示す図である。
示す図である。
レーザの側面図である。
された図13のレーザを示す図である。
Lを一体化した、完成後のMEMS基板を示す図であ
る。
す図である。
ーザを示す図である。
された、図18のレーザを示す図である。
Lを一体化した完成後のMEMS基板を示す図である。
孔、14,18,54,56 基板ボンディングパッ
ド、22,24,58,60,86,88,140,1
42,144,146 ハンダ層、26,62,96,
130 レーザ、28,30,64,66,98,10
0,123,134,136,138 レーザボンディ
ングパッド、34,78 真空装置、38,40 ハン
ダバンプ、92 スプリング機構、114,116,1
18,120 バイメタル式カンチレバー。
Claims (3)
- 【請求項1】 レーザを組み込んだマイクロ電気機械的
機構であって、 上面と下面とをもち前記上面が第1の領域および第2の
領域をもつものとして規定されるマイクロ電気機械的機
構基板と、 前記上面の前記第1の領域内の所定位置に位置した第1
の基板ボンディングパッドと、 前記上面の前記第2の領域内の所定位置に位置した第2
の基板ボンディングパッドと、 前記マイクロ電気機械的機構の前記上面であって前記第
1の基板ボンディングパッドと前記第2の基板ボンディ
ングパッドとの間に位置したレーザと、 前記レーザの第1の側面に配置され前記第1の基板ボン
ディングパッドに隣接した第1のレーザボンディングパ
ッドと、 前記レーザの第2の側面に配置され前記第2の基板ボン
ディングパッドに隣接した第2のレーザボンディングパ
ッドと、 前記第1の基板ボンディングパッドと前記第1のレーザ
ボンディングパッドとに接する第1のハンダ接続部と、 前記第2の基板ボンディングパッドと前記第2のレーザ
ボンディングパッドとに接する第2のハンダ接続部と、
を含むことを特徴とするマイクロ電気機械的機構。 - 【請求項2】 請求項1に記載のマイクロ電気機械的機
構であって、開口が前記基板の前記第1および第2の表
面の両方に存在するように前記マイクロ電気機械的機構
基板を貫通して延びた真空孔を含み、前記レーザは前記
真空孔上に位置することを特徴とするマイクロ電気機械
的機構。 - 【請求項3】 レーザを組み込んだマイクロ電気機械的
機構であって、 上面と下面とをもち前記上面が第1の領域および第2の
領域をもつものとして規定されるマイクロ電気機械的機
構基板と、 前記上面の前記第1の領域内の所定位置に位置した少な
くとも一つの第1の領域の基板ボンディングパッドと、 前記上面の前記第2の領域内の所定位置に位置した少な
くとも一つの第2の領域の基板ボンディングパッドと、 前記マイクロ電気機械的機構の前記上面であって前記少
なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパッドと
前記少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパ
ッドとの間に位置したレーザと、 前記レーザの第1の側面に配置され前記少なくとも一つ
の第1の領域の基板ボンディングパッドから所定の距離
を置いて配置された少なくとも一つの第1のレーザボン
ディングパッドと、 前記レーザの第2の側面に配置され前記少なくとも一つ
の第2の領域の基板ボンディングパッドから所定の距離
を置いて配置された少なくとも一つの第2のレーザボン
ディングパッドと、 前記少なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパ
ッドと前記少なくとも一つの第1のレーザボンディング
パッドとの間に延在して、それらパッドを相互接続させ
る少なくとも一つの第1の領域のカンチレバーと、 前記少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパ
ッドと前記少なくとも一つの第2のレーザボンディング
パッドとの間に延在して、それらパッドを相互接続させ
る少なくとも一つの第2の領域のカンチレバーと、 前記少なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパ
ッドと前記少なくとも一つの第1のレーザボンディング
パッドとに接した少なくとも一つの第1のハンダ接続部
と、 前記少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパ
ッドと前記少なくとも一つの第2のレーザボンディング
パッドとに接した少なくとも一つの第2のハンダ接続部
と、を含むことを特徴とするマイクロ電気機械的機構。
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