JP2004193533A - ダイボンディング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の課題は、半導体レーザチップに熱歪みが残留せずに更に効率的に半導体レーザチップをサブマウントに接合することである。
【解決手段】加熱プレート２４上にサブマウント２３を載置する。そして、ガス噴射ノズル１４から不活性ガスをサブマウント２３に吹き付ける。更に、レーザ光１５で加熱プレート２４の下面を照射することで、サブマウント２３を予備的に加熱する。そして、チップノズル１３が下降することで、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に載置する。その後、レーザ光１５の照射強度を上げて、加熱プレートを加熱する。これにより、サブマウント２３と半導体レーザチップ１８との間に介在するろう材が溶融して、サブマウント２３に半導体レーザチップ１８がダイボンディングされる。
【選択図】 図１
【解決手段】加熱プレート２４上にサブマウント２３を載置する。そして、ガス噴射ノズル１４から不活性ガスをサブマウント２３に吹き付ける。更に、レーザ光１５で加熱プレート２４の下面を照射することで、サブマウント２３を予備的に加熱する。そして、チップノズル１３が下降することで、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に載置する。その後、レーザ光１５の照射強度を上げて、加熱プレートを加熱する。これにより、サブマウント２３と半導体レーザチップ１８との間に介在するろう材が溶融して、サブマウント２３に半導体レーザチップ１８がダイボンディングされる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを基板上に接合するためのダイボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバによる通信技術の実用化が急速に広まりつつある。これにともない、光通信用のレーザ光を発する半導体レーザ発光装置も、よりすぐれた性能のものが要求されるようになっている。半導体レーザ発光装置の製造工程で重要なものの一つとして、半導体レーザチップをサブマウント上に接合するためのダイボンディングである。図８は、半導体レーザチップ用に一般に使用されているダイボンディング装置を示すものである。このダイボンディング装置は、電熱線が内蔵されたヒータ１と、半導体レーザチップ４を真空吸着するチップノズル３とを具備する。このダイボンディング装置は、ヒータ１上にサブマウント２を真空吸着し、チップノズル３で半導体レーザチップ４を真空吸着する。その後、ダイボンディング装置は、チップノズル３とともに半導体レーザチップ４をサブマウント２の上方に位置決めした後に、チップノズル３を下降して半導体レーザチップ４をサブマウント２に軽く押し付ける。次いで、ダイボンディング装置は、ヒータ１でサブマウント２を加熱することで、サブマウント２と半導体レーザチップ４との間に介在するろう材を溶融して、半導体レーザチップ４をサブマウント２にダイボンディングする。
【０００３】
しかし、以上のダイボンディング装置では、加熱はヒータ１に内蔵された電熱線で行われているので、ろう材の溶融温度まで加熱するには長時間を要している。また、加熱時間が長くなると、サブマウント２及びろう材に蓄積される熱エネルギーも多くなり、サブマウント２が冷却するために要する時間も長くなる。そのため、ろう材が完全に凝固するまで、半導体レーザチップ４の位置を保持する必要がある。つまり、加熱時間及び冷却時間が長いため、生産能率が著しく低い。
更に、加熱時間及び冷却時間が長い場合には半導体レーザチップ４に熱歪みがしばしば残留してしまい、熱歪みにより半導体レーザチップ４の発光特性が一様でなくなってしまう。そのため、半導体レーザ発光装置の信頼性低下の一因となっている。
【０００４】
このような不具合を解決するものとして、ガスヒータから２００〜３００℃に加熱された不活性ガスを吹出して、チップノズルおよびこのチップノズルに吸着保持された半導体レーザチップ及び加熱体に載置されたサブマウントを、１００〜２００℃に予熱する。次に加熱体に対して１〜５秒間大電流（２００〜８００Ａ）を給電して短時間でろう材を溶融するようにしたもの（特公平０５−０５４２６０）が提案されている。
また、ＩＣリードの半田付け方法として、ハロゲンランプの１次加熱源を用いて押圧部材を熱線照射して加熱し、この加熱された押圧部材を２次加熱源として、半田付けすべきワークを押えながら半田を溶融して半田付けを行っている（特公平０７−０４９１４９）例が上げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特公平０５−０５４２６０
【特許文献２】
特公平０７−０４９１４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した予熱と加熱体による急速加熱は加熱時間が短くなるが、加熱体の熱容量が大きいために冷却時間が短縮されない。また、ＩＣリードの半田付け方法を応用して、半導体レーザチップを吸着保持するチップノズルにハロゲンランプを照射して加熱した場合、ろう材を溶融するための温度と熱量がチップノズルを介して直接半導体レーザチップにかかるため、半導体レーザチップを破壊する恐れがある。
そこで、本発明は、半導体レーザチップに熱歪みが残留せずに更に短時間、効率的に半導体レーザチップをサブマウントに接合することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１に示すように、ノズル（例えばチップノズル１３）に吸着保持された半導体チップ（例えば半導体レーザチップ１８）を基板（例えばサブマウント２３）の表面に載置して前記半導体チップをダイボンディングするダイボンディング装置において、
前記基板を載せる加熱プレート２４と、上下に貫通する吸引孔１２ａを設け、前記加熱プレート２４を載せる台座１２と、上下に貫通する吸気孔１１ｃを設けた上壁部１１ａを有し、前記上壁部１１ａの上面に前記台座１２を載せ、前記基台１１及び前記加熱プレート２４を前記上壁部１１ａ上面に載置する基台１１と、前記吸気孔１１ｃと前記吸引孔１２ａを通して、前記加熱プレート２４の下面にレーザ光１５を照射するレーザ発光手段１６とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、上記「半導体チップ」には半導体レーザチップ、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等のように半導体に該当する素子の電子回路が形成されるチップ全般を示すものとする。
また「基板」とは、アルミナ基板やセラミック基板を含む上述の半導体チップがダイボンディングされる基板全般をいうものとする。従って、アルミナ基板、セラミック基板、半導体レーザチップに対するサブマウント等も「基板」の概念に含むものとする。
【０００９】
請求項１記載の発明では、加熱プレートと基台の間に台座をはさんだ状態で、加熱プレートを基台に取り付け、基台の内側下部にはレーザ発光手段を設けた。基台の上壁部と台座には貫通孔を設けたので、レーザ発光手段から発せられたレーザ光は前記貫通孔を通して、加熱プレートの下面に集光する。前記構成において加熱プレートの大きさを小さくして熱容量をさげたので加熱プレートは急速に加熱される。そして加熱プレートには熱伝導率の高い材料を採用したので、加熱プレート上の基板も加熱プレートからの熱伝導と輻射熱で急速に加熱されるから、ろう材の溶融温度まで短時間に加熱されてろう材が溶融する。
また、加熱プレートの熱容量が小さいので加熱プレートに蓄積される熱エネルギーが小さい。従って、加熱終了後の冷却工程において加熱プレートの放熱冷却がすみやかになされるから、ろう材が凝固するのに要する時間が短い。
以上より、半導体チップと基板の接合は短時間になされるから生産効率が向上するとともに、半導体チップに熱応力をかけず信頼性の高い接合がなされる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、例えば図１又は２に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、前記吸引孔１２ａ及び前記吸気孔１１ｃに通じ、上下に貫通するように前記加熱プレート２４に設けた吸着孔２４ａと、前記上壁部１１ａの裏面側に近接して前記基台１１の内部に配置された透光性部材（例えばガラス基板１７）と、前記基台１１と前記透光性部材１７とにより囲まれる空間（例えば上方空間部２０）に真空圧を発生する真空発生源２６とを備え、前記レーザ光１５は前記透光性部材１７を透過して照射されることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明では、吸着孔を介して基板を真空吸着することで、基板が加熱プレートに固定される。そのため、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、基板がしっかり位置決めされる。そのうえ、基台と透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸着孔及び真空発生源が通じている。透過性部材は基台の上劈部に近接して設けたので前記空間の体積を小さくすることができるため、吸引開始から基板を吸着するのに要する時間を短縮することができる。さらに、レーザ光は透光性部材を透過するので、レーザ光の照射を妨げることなく加熱プレート下面にレーザ光を集光できる。さらに吸着孔は加熱プレートに集光するレーザ光の円の外側に配列されているから、効率よく加熱プレートを熱することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、例えば図３に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレート２４Ａは、熱伝播板２７と、熱伝播板上に配置し、熱伝播板よりも熱伝導率が低い伝熱遅延板２８とより構成した多層構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明では、加熱プレートの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート底面の熱伝播板は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。熱伝播板の熱は伝熱遅延板の中央部に伝わるが、伝熱遅延版の熱伝導率はが熱伝播板の熱伝導率のよりも低いので伝熱遅延板の表面に熱が伝わる前に伝熱遅延版の底面全体が加熱状態となる。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、例えば図４に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレート２４Ｂは、熱伝播板３１及び熱伝播部材３３よりも低い熱伝導率を有する伝熱遅延部材３２と、伝熱遅延部材の周囲に配した複数の熱伝播部材と、伝熱遅延部材と熱伝播部材の上下に配置した熱伝播板とからなることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明では、加熱プレートの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート下面の熱伝播板は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。下部の熱伝播板の中央部には伝熱遅延部材が配置され、下部の熱伝播板の熱を上部の熱伝播板に伝えるが、伝熱遅延部材の熱伝導率は熱伝播板と熱伝播部材の熱伝導率よりも低いので、伝熱遅延部材から上部の熱伝播板に熱伝わる時には伝熱遅延板の周囲に配置された熱伝播部材は下部熱伝播板から上部熱伝播板に熱を伝える。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、例えば図５に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレートは、中心部に向かって没入する孔を有する熱伝播リング３５と、ラッパ状外形をなし、熱伝播リングより低い熱伝導率を有し、前記熱伝播リングの孔と嵌合する伝熱遅延コア３６とからなる構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明では、加熱プレートの中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート底面の中央部に配置された上方に広がるラッパ形状の伝熱遅延コアの底部が加熱される。同時に熱伝播リングの下面の中央部も過熱されるが、熱伝播リングの熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わり、伝熱遅延コアに熱を伝える。伝熱遅延コアの熱伝導率は熱伝播リングの熱伝導率よりも低いので伝熱遅延コア中央部の熱が下面から伝熱遅延コア中央部の上面に伝わる時には熱伝播リングの熱も伝熱遅延コアの上面に伝わり、さらに熱伝播板に伝わる。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。
【００１９】
図１には、ダイボンディング装置１０が示されている。
ダイボンディング装置１０は、水平方向に移動及び水平方向に回転するＸＹΘテーブルである基台１１と、基台１１上に配置された台座１２と、台座１２上に配置された加熱プレート２４と、気体を吸引して真空を発生させるための真空発生源２６と、半導体チップである半導体レーザチップ１８を真空吸着するためのチップノズル１３と、不活性ガス１９を噴射するためのガス噴射ノズル１４と、レーザ光１５を発光するレーザ発光手段１６と、ダイボンディング装置１０全体を制御する演算制御装置（図示略）等と、を具備する。
【００２０】
基台１１は、図示しないステッピングモータによって駆動されて、水平方向に移動及び回転することができる。また、このステッピングモータが演算処理装置からの信号によって制御されることで、基台１１の位置決めがなされる。
【００２１】
基台１１の内部は空洞となっている。基台１１の内部には、上壁部１１ａに近接して透光性を有する透明部材としてのガラス基板１７が略水平となって取り付けられている。このガラス基板１７によって、基台１１の内部空間は上方空間部（チャンバ）２０と下方空間部２１の二つの空間に区切られている。上方空間部２０は、る基台１１の上壁部１１ａ、基台１１の側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。下方空間部２１は、基台１１の底壁部（図示略）、側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。
【００２２】
側壁部１１ｂには配管２２が取り付けられており、配管２２の一端は上方空間部２０に通じている。一方、配管２２の他端は真空発生装置に接続されており、上方空間部２０内の気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。更に、上壁部１１ａには上下方向に貫通する吸気孔１１ｃが形成されており、吸気孔１１ｃは上方空間部２０に通じている。
【００２３】
台座１２は、上壁部１１ａの上面に固定されている。この台座１２は、セラミック、ステンレス鋼等の比較的熱伝導率の低い材料からなる。例えば、セラミックは１〜５Ｗ／ｍ・Ｋ程である。台座１２には上下方向に貫通する吸引孔１２ａが形成されており、この吸引孔１２ａは吸気孔１１ｃに連なっている。なお、吸引孔１２ａの径と吸気孔１１ｃの径はほぼ同一の大きさとなっている。
【００２４】
加熱プレート２４は、台座１２の上面に固定されている。この台座１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等の熱伝導率の高い材料からなる。例えば、窒化アルミニウムは１００〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程である。加熱工程において、加熱プレート２４の熱が基台１１に奪われないようになっている。加熱プレート２４は縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚さ３００μｍと小型であるから、小さな熱容量である。加熱プレート２４には上下方向に貫通する複数の吸着孔２４ａが形成されており、この吸着孔２４ａは吸引孔１２ａに連なっている。吸着孔２４ａはその下面に照射するレーザ光１５の集光する円、すなわち集光円２４（図２）の外側となるように配置され、吸着孔２４ａの全ては吸引孔１２ａに連なるようになっている。例えば、図２では集光円の径は０．３ｍｍ、吸着孔２４ａの径は０．１５ｍｍの時、吸引孔１２ａの径は約１ｍｍである。そして、この加熱プレート２４の上面が載置面であり、加熱プレート２４の上にサブマウント２３が載置されることになる。そして、真空発生源２６によって上方空間部２０から空気が吸引されると、上方空間部２０、吸気孔１１ｃ、吸引孔１２ａ及び吸着孔２４ａが負圧となって、サブマウント２３が加熱プレート２４に真空吸着されて、サブマウント２３が加熱プレート２４に固定されるようになっている。
【００２５】
チップノズル１３は、加熱プレート２４の上方に配されている。このチップノズル１３は、図示しない昇降装置によって上下方向に移動することができる。また、チップノズル１３は真空発生装置に接続されており、チップノズル１３を通じて気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。これにより、チップノズル１３が、半導体レーザチップ１８を真空吸着できるようになっている。
【００２６】
ガス噴射ノズル１４は、加熱プレート２４の上方に配されているとともに、上下方向に見て吸引孔１２ａ及び吸気孔１１ｃからずれて配されている。ガス噴射ノズル１４の先端は吸引孔１２ａに向いている。このガス噴射ノズル１４はアルゴンガス又は窒素ガス等の図示せぬ不活性ガス源に接続されている。ガス噴射ノズル１４の先端から不活性ガス１９が噴射されるようになっている。
【００２７】
レーザ発光手段１６は、下方空間部２１に配設されている。更に、レーザ発光手段１６から発光されたレーザ光１５はガラス基板１７を透過し、吸気孔１１ｃ及び吸引孔１２ａに向かい、更に、加熱プレート２４の下面へ向かうようになっている。つまり、レーザ光１５の焦点は加熱プレート２４の下面にあり、レーザ発光手段１６により、レーザ光１５は加熱プレート２４の下面で集光するようになっている。なお、加熱プレート２４の下面におけるレーザ光１５の集光円２５の径（フォーカシング径）は約０．３ｍｍである。
【００２８】
レーザ発光手段１６の発光源付近には、レーザ光１５の照射強度を検出して監視するためのモニタ（つまり、検出器）が設けられている。モニタによって検出されたレーザ光１５の照射強度は、演算制御装置にフィードバックされるようになっている。そして、演算制御装置は、フィードバック信号に基づいてレーザ発光手段１６を制御して、レーザ光１５の照射強度或いは照射時間等を制御するようになっている。
【００２９】
つぎに、以上のように構成されたダイボンディング装置１０を用いたダイボンディング方法について説明する。ここで、接合する半導体レーザチップ１８は、例えば、ＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体であり、その寸法は縦４００μｍ、横２５０μｍ、厚さ８０〜１３０μｍである。また、サブマウント２３は、例えば、窒化アルミニウム、炭化シリコン又はシリコン等からなり、その寸法は縦２ｍｍ、横１．２ｍｍ、厚さ２２０μｍである。更に、サブマウント２３の表面には、金メッキによる電気回路が施され、さらにＡｕ−Ｓｎ系ろう材、Ａｕ−Ｓｉ系ろう材、Ｉｎ系ろう材又はＳｕ−Ｐｂ系ろう材等のろう材がメッキされている。あるいは、前記材質からなるろう材の箔をサブマウント２３の表面に載せる。
【００３０】
まず、サブマウント２３の表面を上方に向けて、サブマウント２３を台座１２上に載置する。そして、真空発生源２６で上方空間部２０、吸気孔１１ｃ、吸引孔１２ａ及び吸着孔２４ａを負圧にして、サブマウント２３を真空吸着する。一方、真空発生装置でチップノズル１３を負圧にして、半導体レーザチップ１８をチップノズル１３の先端に真空吸着する。なお、真空発生装置の作動は、演算制御装置により制御される。
【００３１】
次いで、サブマウント２３の上方に配置された図示しないＣＣＤカメラでサブマウント２３を撮像する。そしてサブマウント２３にめっきされた基準マーク、あるいはサブマウント２３の外形から画像処理装置にてサブマウント２３のずれ量を計算し、演算装置に計算結果を伝える。そして演算制御装置がステッピングモータを制御することで、基台１１の位置決めがなされる。ここで、サブマウント２３上の半導体レーザチップ１８搭載目標位置がチップノズル１３の直下に位置するように基台１１の位置決めがなされる。基台１１の位置決めがなされると、演算制御装置がレーザ発光手段１６を制御して、レーザ発光手段１６がレーザ光１５を発光する。これにより、ガラス基板１７、上方空間部２０、吸気孔１１ｃ及び吸引孔１２ａを通じてレーザ光１５が加熱プレート２４の下面に照射される。この際、加熱プレート２４の下面におけるレーザ光１５のフォーカシング径は約０．３ｍｍである。レーザ光１５が加熱プレート２４の下面に照射されることで、加熱プレート２４が加熱され、さらに加熱プレート２４からの熱伝導及び輻射熱によりサブマウント２３は例えば１００〜２００℃に加熱される。なお、この際のサブマウント２３の温度はろう材の融点（共晶点）より低い。
【００３２】
レーザ光１５が発光されているのと同時に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９をサブマウント２３の表面に向けて噴射する。不活性ガス１９がサブマウント２３の表面に噴射されることで、熱によるろう材の酸化が不活性ガス１９によって防止される。
【００３３】
次いで、演算制御装置が昇降装置を制御して、チップノズル１３が昇降装置によって下降する。そして、チップノズル１３の先端に吸着された半導体レーザチップ１８がサブマウント２３の表面に接して、更に、半導体レーザチップ１８が例えば約１０ｇ程度でサブマウント２３に押し付けられる。この際にも、加熱プレート２４にはレーザ光１５が照射され続けており、更に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９が噴射され続けている。
【００３４】
次いで、演算制御装置がレーザ発光手段を制御して、レーザ光１５の照射強度を上昇させる。この際、レーザ光１５のパワー密度が例えば１０４Ｗ／ｃｍ＾２となるように演算制御装置がレーザ発光手段を制御する。そして、レーザ光１５のパワー密度が１０４Ｗ／ｃｍ＾２になったら、例えばレーザ発光装置が約１秒間レーザ光１５を加熱プレート２４に照射し続けるように演算制御装置がレーザ発光装置を制御する。すると、加熱プレート２４の温度が上昇するとともにサブマウント２３に伝熱され、ろう材が融点（例えば、３００〜３５０℃、ろう材の種類により異なる。）まで上昇する。その結果、サブマウント２３の表面と半導体レーザチップ１８との間に介在しているろう材が溶融する。溶融したろう材は、不活性ガスによる酸化防止作用により最良の濡れ性をもってサブマウント２３と半導体レーザチップ１８との間に浸透する。
【００３５】
約１秒間の照射時間が経過したら、演算制御装置はレーザ発光手段１６を制御して、レーザ発光手段１６からレーザ光１５が発光されることが停止する。レーザ光１５の発光が停止すると、ろう材が冷えて、ろう材が凝固する。そして、チップノズル１３が昇降装置によって上昇して、更に、ガス噴射ノズル１４からの不活性ガスの吹き付けも停止して、ダイボンディングに係る工程が終了する。
【００３６】
以上の実施の形態では、レーザ光１５によって熱容量が小さく、熱伝導率の高い加熱プレート２４を加熱し、加熱プレート２４からの熱伝導及び輻射伝熱によりサブマウント２３を加熱しているため、サブマウント２３と半導体レーザチップとの間に介在するろう材を瞬時に融点まで加熱することができ、ろう材を極めて短時間で溶融することができる。そのため、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３にダイボンディングするのに要する時間が比較的短く、ダイボンディングに係る生産効率が向上する。また、レーザ光１５を照射する面が加熱プレート２４の面であるから、ワークであるサブマウント２３の材質や表面処理が変わっても、レーザ光１５の反射率や吸収率は変わらないので接合品質のばらつきがない。
【００３７】
また、加熱プレート２４の熱容量を小さくしたので、ろう材を溶融するのに要する時間が短時間である。従って、サブマウント２３及びろう材に蓄積される熱エネルギーが小さい。さらに、加熱プレート２４の熱容量を小さくしたことから、レーザ光１５の照射を停止した後からろう材が凝固するまでに要する時間が短くなる。ろう材が凝固するまでの間は、チップノズル１３を下降させた状態でサブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の位置を保持させる必要があるが、その保持時間が短くて済み、チップノズル１３をすぐに上昇することができる。そのため、次サイクルで、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に接合するための準備（例えば、次サイクルに接合する半導体レーザチップ１８をチップノズル１３に吸着すること）等を前サイクルの接合工程後すぐに行え、生産効率が向上する。
【００３８】
更に、サブマウント２３及びろう材の加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体レーザチップ１８に熱歪みが生ずることがない。そのため、本発明に係るダイボンディング方法で接合された半導体レーザチップ１８を用いた半導体レーザ装置をより高い品質及び信頼性で提供することができる。
【００３９】
また、溶融したろう材が、不活性ガスによる酸化防止作用によってサブマウント２３及び半導体レーザチップ１８によく濡れるため、予めスクラブ洗浄を行う必要がなくなる。更に、濡れ性が良いため、接合中に半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に高い荷重で押圧する必要がなくなり、その結果、半導体レーザチップ１８の損傷を防止することができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、チップノズル１３は上下方向の移動のみならず、水平方向への移動もできるようにしても良い。この場合、基台１１の水平方向の移動、及び、チップノズル１３の水平方向の移動によって、サブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の相対的位置が決まる。
【００４１】
図３は加熱プレート２４Ａの第２の実施の形態である。図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図である。加熱プレート２４Ａは熱伝播板２７と伝熱遅延板２８から構成され、熱伝播板２７の上面に伝熱遅延板２８を配し、３層に積み上げた多層構造となっている。さらに多層構造体の上面に熱伝播板を配置して冷却効率を上げるようになっている。中央部には下面から上面に貫通する孔２９を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板２７は厚さが０．４５ｍｍであり、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料からなる。例えば、窒化アルミニウムは１００〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程である。伝熱遅延板２８は厚さが０．１５ｍｍであり、窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）材料からなる。例えば、９９．９％アルミナは３８Ｗ／ｍ・Ｋ程である。多層構造体の積層間はろう付けあるいは拡散接合によって接合されている。
【００４２】
加熱プレート２４Ａの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ａ底面の熱伝播板２７は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。熱伝播板２７の熱は伝熱遅延板２８の中央部に伝わるが、伝熱遅延版２８の熱伝導率はが熱伝播板２７の熱伝導率のよりも低いので伝熱遅延板２８の表面に熱が伝わる前に伝熱遅延版２８の底面全体が加熱状態となり、伝熱遅延版２８の上面は熱伝播板２７の上面より水平方向に温度差の少ない温度分布となる。３層の多層構造にする事で温度分布の改善が３回行われる。従って、加熱プレート２４Ａの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。図７は温度分布を解析したものであり、加熱プレート２４Ａの下面中央部は９００℃であるが、多層構造体の積層を熱が伝わるたびに温度分布が積分されて、加熱プレート２４Ａの上面は広い範囲で３５０℃の温度分布となっている。
【００４３】
図６は多層構造体の積層間を接合しない場合の実施例である。熱伝播板２７Ａと伝熱遅延板２８Ａの４隅に上下に貫通する貫通孔３０を設ける。ただし、最上部の熱伝播板２７の４隅には貫通孔を設けない。そして貫通孔３０の下部から真空吸引する事により貫通孔３０内は負圧となり、多層構造体である積層板は下方向に押し付けられて固定される。
【００４４】
図４は加熱プレート２４Ｂの第３の実施の形態である。図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。加熱プレート２４Ｂは熱伝播板３１と円筒状の伝熱遅延部材３２と円筒状の熱伝播部材３３から構成され、中心部に伝熱遅延部材３２を配置し、伝熱遅延部材３２の外側に熱伝播部材３３を４個配置する。そして熱伝播板３１は伝熱遅延部材３２と熱伝播部材３３とを上下ではさみ込む構造となっている。中央部には下面から上面に貫通する孔３４を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板３１と熱伝播部材３３は熱伝導率の高い窒化アルミニウム材料からなる。伝熱遅延部材３２は窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ材料からなる。上下の熱伝播板３１と伝熱遅延部材３２及び熱伝播部材３３はろう付けによって接合されている。
【００４５】
加熱プレート２４Ｂの下面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ｂ下面の熱伝播板３１は熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。下部の熱伝播板の中央部には伝熱遅延部材３２が配置され、下部の熱伝播板３１の熱を上部の熱伝播板３１に伝えるが、伝熱遅延部材３２の熱伝導率は熱伝播板３１と熱伝伝播部材３３の熱伝導率よりも低いので、伝熱遅延部材３２から上部の熱伝播板３１に熱伝わる時には伝熱遅延板３２の周囲に配置された熱伝播部材３３は下部の熱伝播板３１から上部の熱伝播板３１に熱を伝える。従って、加熱プレート２４Ｂの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。
【００４６】
図５は加熱プレート２４Ｃの第４の実施の形態である。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は断面図である。加熱プレート２４Ｃは、ラッパ状外形の伝熱遅延コア３６と、伝熱遅延コア３６のラッパ状外形に嵌合する孔を有する熱伝播リング３５から構成され、伝熱遅延コア３６と熱伝播リング３５を嵌合し、伝熱遅延コア３６のラッパ形状が上方に向かって開くように配置する。さらに上面に熱伝播板３５Ａを配置して冷却効率を上げるようになっている。伝熱遅延コア３６と熱伝播板３５Ａの中央部には下面から上面に貫通する孔３７を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板リング３５と熱伝播板３５Ａは熱伝導率の高い窒化アルミニウム材料からなる。伝熱遅延コア３６は窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ材料からなる。熱伝播リング３５と伝熱遅延コア３６はろう付けによって接合されている。
【００４７】
加熱プレート２４Ｃの中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ｃの中央部に配置された上方に広がるラッパ形状の伝熱遅延コア３６の下部が加熱される。同時に熱伝播リング３５の下面の中央部も加熱されるが、熱伝播リング３５の熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わり、伝熱遅延コア３６に熱を伝える。伝熱遅延コア３６の熱伝導率は熱伝播リング３５の熱伝導率よりも低いので伝熱遅延コア３６の中央部の熱が下面から伝熱遅延コア３６中央部の上面に伝わる時には熱伝播リング３５の熱も伝熱遅延コア３６の上面に伝わり、さらに熱伝播板３５Ａに伝熱される。従って、加熱プレート２４Ｃの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、レーザ発光手段によってレーザ光が、熱容量が小さく熱伝導率の高い加熱プレートに照射され、加熱プレートからの熱伝導及び輻射伝熱により基板が加熱されるため、ろう材の溶融温度まで基板及びろう材を極めて短時間に加熱することができる。従って、半導体チップと基板の接合に係る生産効率が向上する。
また、加熱プレートの熱容量を小さくしたので加熱プレートに蓄積される熱エネルギーが小さい。従って、ろう材が凝固するのに要する時間が短い。そのため、ろう材が凝固するまでの間半導体チップを保持している時間が短くなり、半導体チップと基板の接合に関する生産効率が向上する。
更に、ろう材及び基板の加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体チップに熱歪みが生ずることがなくなる。
レーザ光をサブマウントに直接照射するのではなく、加熱プレートにレーザ光を照射し、加熱プレートをを介してサブマウントを加熱するので、サブマウント下面の回路パターン等を変色させることがない。さらにレーザ光の照射は加熱プレートであるから、ワークであるサブマウントの材質や表面処理が変わっても、レーザ光の反射率や光吸収率は変わらないので信頼性の高いダイボンディングが行える。
【００４９】
請求項２記載の発明によれば、吸着孔を介して基板を真空吸着するので、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、基板がしっかり位置決めされる。そのうえ、加熱プレート、台座、基台及び透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸引孔及び真空発生源が通じているが、透光性部材を基台の上壁部に近接して設けたことにより空間の体積を小さくすることができる。そのため、基板を吸着するのに要する時間を短縮することができる。さらに、透光性部材はレーザ光を透過するのでレーザ光を照射する妨げとはならない。従って、レーザ光が加熱プレートに効率よく照射されるため、ろう材が溶融するのに要する加熱時間に影響を及ぼさない。
【００５０】
請求項３記載の発明によれば、加熱プレートを熱伝導率の高い材料の板と熱伝導率の低い材料の板を交互に積み重ねて多層構造とした。これにより小さな集光径でレーザ光が照射され加熱プレートの下面ではレーザ光を照射された中央部は高温であるが中央部から離れた下面では温度は低いが、上部に伝熱し多層構造体の積層を通過するごとに熱分布が積分されて加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【００５１】
請求項４記載の発明によれば、加熱プレートの上面には中央部に配置した伝熱遅延部材を介して伝熱されるとともに、周囲に配置した熱伝播部材を介して伝熱される。すなわち中央部及びその周囲から伝熱されるから加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【００５２】
請求項５記載の発明によれば、熱伝導率の高い熱伝播リングは伝熱遅延コアのラッパ状外形全体に伝熱するから加熱プレートの上面は熱勾配の小さな温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダイボンディング装置の具体的態様が示された縦断面図である。
【図２】図１に開示した加熱プレートの下面図である。
【図３】加熱プレートの第２の実施の形態正面図および側面図
【図４】加熱プレートの第３の実施の形態正面図および側面図
【図５】加熱プレートの第４の実施の形態正面図および断面図
【図６】加熱プレートの第２の実施の形態における応用例側面図
【図７】加熱プレートの第２の実施の形態における温度分布解析図
【図８】従来のダイボンディング装置が示された縦断面図である。
【符号の説明】
１０ ダイボンディング装置
１１ 基台
１１ａ 上壁部
１１ｃ 吸気孔
１２ 台座
１２ａ 吸引孔
１３ チップノズル（ノズル）
１４ ガス噴射ノズル
１５ レーザ光
１６ レーザ発光手段
１７ ガラス基板（透光性部材）
１８ 半導体レーザチップ（半導体チップ）
１９ 不活性ガス
２０ 上方空間部（空間）
２２ 配管
２３ サブマウント（基板）
２４ ２４Ａ ２４Ｂ ２４Ｃ 加熱プレート
２４ａ 吸着孔
２５ 集光円
２６ 真空発生源
２７ ３１ ３５Ａ 熱伝播板
２８ 伝熱遅延板
３２ 伝熱遅延部材
３３ 熱伝播部材
３５ 熱伝播リング
３６ 伝熱遅延コア
１００ ダイボンディング装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップを基板上に接合するためのダイボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバによる通信技術の実用化が急速に広まりつつある。これにともない、光通信用のレーザ光を発する半導体レーザ発光装置も、よりすぐれた性能のものが要求されるようになっている。半導体レーザ発光装置の製造工程で重要なものの一つとして、半導体レーザチップをサブマウント上に接合するためのダイボンディングである。図８は、半導体レーザチップ用に一般に使用されているダイボンディング装置を示すものである。このダイボンディング装置は、電熱線が内蔵されたヒータ１と、半導体レーザチップ４を真空吸着するチップノズル３とを具備する。このダイボンディング装置は、ヒータ１上にサブマウント２を真空吸着し、チップノズル３で半導体レーザチップ４を真空吸着する。その後、ダイボンディング装置は、チップノズル３とともに半導体レーザチップ４をサブマウント２の上方に位置決めした後に、チップノズル３を下降して半導体レーザチップ４をサブマウント２に軽く押し付ける。次いで、ダイボンディング装置は、ヒータ１でサブマウント２を加熱することで、サブマウント２と半導体レーザチップ４との間に介在するろう材を溶融して、半導体レーザチップ４をサブマウント２にダイボンディングする。
【０００３】
しかし、以上のダイボンディング装置では、加熱はヒータ１に内蔵された電熱線で行われているので、ろう材の溶融温度まで加熱するには長時間を要している。また、加熱時間が長くなると、サブマウント２及びろう材に蓄積される熱エネルギーも多くなり、サブマウント２が冷却するために要する時間も長くなる。そのため、ろう材が完全に凝固するまで、半導体レーザチップ４の位置を保持する必要がある。つまり、加熱時間及び冷却時間が長いため、生産能率が著しく低い。
更に、加熱時間及び冷却時間が長い場合には半導体レーザチップ４に熱歪みがしばしば残留してしまい、熱歪みにより半導体レーザチップ４の発光特性が一様でなくなってしまう。そのため、半導体レーザ発光装置の信頼性低下の一因となっている。
【０００４】
このような不具合を解決するものとして、ガスヒータから２００〜３００℃に加熱された不活性ガスを吹出して、チップノズルおよびこのチップノズルに吸着保持された半導体レーザチップ及び加熱体に載置されたサブマウントを、１００〜２００℃に予熱する。次に加熱体に対して１〜５秒間大電流（２００〜８００Ａ）を給電して短時間でろう材を溶融するようにしたもの（特公平０５−０５４２６０）が提案されている。
また、ＩＣリードの半田付け方法として、ハロゲンランプの１次加熱源を用いて押圧部材を熱線照射して加熱し、この加熱された押圧部材を２次加熱源として、半田付けすべきワークを押えながら半田を溶融して半田付けを行っている（特公平０７−０４９１４９）例が上げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特公平０５−０５４２６０
【特許文献２】
特公平０７−０４９１４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した予熱と加熱体による急速加熱は加熱時間が短くなるが、加熱体の熱容量が大きいために冷却時間が短縮されない。また、ＩＣリードの半田付け方法を応用して、半導体レーザチップを吸着保持するチップノズルにハロゲンランプを照射して加熱した場合、ろう材を溶融するための温度と熱量がチップノズルを介して直接半導体レーザチップにかかるため、半導体レーザチップを破壊する恐れがある。
そこで、本発明は、半導体レーザチップに熱歪みが残留せずに更に短時間、効率的に半導体レーザチップをサブマウントに接合することをその課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１に示すように、ノズル（例えばチップノズル１３）に吸着保持された半導体チップ（例えば半導体レーザチップ１８）を基板（例えばサブマウント２３）の表面に載置して前記半導体チップをダイボンディングするダイボンディング装置において、
前記基板を載せる加熱プレート２４と、上下に貫通する吸引孔１２ａを設け、前記加熱プレート２４を載せる台座１２と、上下に貫通する吸気孔１１ｃを設けた上壁部１１ａを有し、前記上壁部１１ａの上面に前記台座１２を載せ、前記基台１１及び前記加熱プレート２４を前記上壁部１１ａ上面に載置する基台１１と、前記吸気孔１１ｃと前記吸引孔１２ａを通して、前記加熱プレート２４の下面にレーザ光１５を照射するレーザ発光手段１６とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、上記「半導体チップ」には半導体レーザチップ、ＩＣチップ、ＬＳＩチップ等のように半導体に該当する素子の電子回路が形成されるチップ全般を示すものとする。
また「基板」とは、アルミナ基板やセラミック基板を含む上述の半導体チップがダイボンディングされる基板全般をいうものとする。従って、アルミナ基板、セラミック基板、半導体レーザチップに対するサブマウント等も「基板」の概念に含むものとする。
【０００９】
請求項１記載の発明では、加熱プレートと基台の間に台座をはさんだ状態で、加熱プレートを基台に取り付け、基台の内側下部にはレーザ発光手段を設けた。基台の上壁部と台座には貫通孔を設けたので、レーザ発光手段から発せられたレーザ光は前記貫通孔を通して、加熱プレートの下面に集光する。前記構成において加熱プレートの大きさを小さくして熱容量をさげたので加熱プレートは急速に加熱される。そして加熱プレートには熱伝導率の高い材料を採用したので、加熱プレート上の基板も加熱プレートからの熱伝導と輻射熱で急速に加熱されるから、ろう材の溶融温度まで短時間に加熱されてろう材が溶融する。
また、加熱プレートの熱容量が小さいので加熱プレートに蓄積される熱エネルギーが小さい。従って、加熱終了後の冷却工程において加熱プレートの放熱冷却がすみやかになされるから、ろう材が凝固するのに要する時間が短い。
以上より、半導体チップと基板の接合は短時間になされるから生産効率が向上するとともに、半導体チップに熱応力をかけず信頼性の高い接合がなされる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、例えば図１又は２に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、前記吸引孔１２ａ及び前記吸気孔１１ｃに通じ、上下に貫通するように前記加熱プレート２４に設けた吸着孔２４ａと、前記上壁部１１ａの裏面側に近接して前記基台１１の内部に配置された透光性部材（例えばガラス基板１７）と、前記基台１１と前記透光性部材１７とにより囲まれる空間（例えば上方空間部２０）に真空圧を発生する真空発生源２６とを備え、前記レーザ光１５は前記透光性部材１７を透過して照射されることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明では、吸着孔を介して基板を真空吸着することで、基板が加熱プレートに固定される。そのため、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、基板がしっかり位置決めされる。そのうえ、基台と透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸着孔及び真空発生源が通じている。透過性部材は基台の上劈部に近接して設けたので前記空間の体積を小さくすることができるため、吸引開始から基板を吸着するのに要する時間を短縮することができる。さらに、レーザ光は透光性部材を透過するので、レーザ光の照射を妨げることなく加熱プレート下面にレーザ光を集光できる。さらに吸着孔は加熱プレートに集光するレーザ光の円の外側に配列されているから、効率よく加熱プレートを熱することができる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、例えば図３に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレート２４Ａは、熱伝播板２７と、熱伝播板上に配置し、熱伝播板よりも熱伝導率が低い伝熱遅延板２８とより構成した多層構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明では、加熱プレートの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート底面の熱伝播板は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。熱伝播板の熱は伝熱遅延板の中央部に伝わるが、伝熱遅延版の熱伝導率はが熱伝播板の熱伝導率のよりも低いので伝熱遅延板の表面に熱が伝わる前に伝熱遅延版の底面全体が加熱状態となる。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１４】
請求項４記載の発明は、例えば図４に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレート２４Ｂは、熱伝播板３１及び熱伝播部材３３よりも低い熱伝導率を有する伝熱遅延部材３２と、伝熱遅延部材の周囲に配した複数の熱伝播部材と、伝熱遅延部材と熱伝播部材の上下に配置した熱伝播板とからなることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明では、加熱プレートの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート下面の熱伝播板は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。下部の熱伝播板の中央部には伝熱遅延部材が配置され、下部の熱伝播板の熱を上部の熱伝播板に伝えるが、伝熱遅延部材の熱伝導率は熱伝播板と熱伝播部材の熱伝導率よりも低いので、伝熱遅延部材から上部の熱伝播板に熱伝わる時には伝熱遅延板の周囲に配置された熱伝播部材は下部熱伝播板から上部熱伝播板に熱を伝える。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、例えば図５に示すように、請求項１記載のダイボンディング装置において、加熱プレートは、中心部に向かって没入する孔を有する熱伝播リング３５と、ラッパ状外形をなし、熱伝播リングより低い熱伝導率を有し、前記熱伝播リングの孔と嵌合する伝熱遅延コア３６とからなる構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の発明では、加熱プレートの中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート底面の中央部に配置された上方に広がるラッパ形状の伝熱遅延コアの底部が加熱される。同時に熱伝播リングの下面の中央部も過熱されるが、熱伝播リングの熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わり、伝熱遅延コアに熱を伝える。伝熱遅延コアの熱伝導率は熱伝播リングの熱伝導率よりも低いので伝熱遅延コア中央部の熱が下面から伝熱遅延コア中央部の上面に伝わる時には熱伝播リングの熱も伝熱遅延コアの上面に伝わり、さらに熱伝播板に伝わる。従って、加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。
【００１９】
図１には、ダイボンディング装置１０が示されている。
ダイボンディング装置１０は、水平方向に移動及び水平方向に回転するＸＹΘテーブルである基台１１と、基台１１上に配置された台座１２と、台座１２上に配置された加熱プレート２４と、気体を吸引して真空を発生させるための真空発生源２６と、半導体チップである半導体レーザチップ１８を真空吸着するためのチップノズル１３と、不活性ガス１９を噴射するためのガス噴射ノズル１４と、レーザ光１５を発光するレーザ発光手段１６と、ダイボンディング装置１０全体を制御する演算制御装置（図示略）等と、を具備する。
【００２０】
基台１１は、図示しないステッピングモータによって駆動されて、水平方向に移動及び回転することができる。また、このステッピングモータが演算処理装置からの信号によって制御されることで、基台１１の位置決めがなされる。
【００２１】
基台１１の内部は空洞となっている。基台１１の内部には、上壁部１１ａに近接して透光性を有する透明部材としてのガラス基板１７が略水平となって取り付けられている。このガラス基板１７によって、基台１１の内部空間は上方空間部（チャンバ）２０と下方空間部２１の二つの空間に区切られている。上方空間部２０は、る基台１１の上壁部１１ａ、基台１１の側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。下方空間部２１は、基台１１の底壁部（図示略）、側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。
【００２２】
側壁部１１ｂには配管２２が取り付けられており、配管２２の一端は上方空間部２０に通じている。一方、配管２２の他端は真空発生装置に接続されており、上方空間部２０内の気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。更に、上壁部１１ａには上下方向に貫通する吸気孔１１ｃが形成されており、吸気孔１１ｃは上方空間部２０に通じている。
【００２３】
台座１２は、上壁部１１ａの上面に固定されている。この台座１２は、セラミック、ステンレス鋼等の比較的熱伝導率の低い材料からなる。例えば、セラミックは１〜５Ｗ／ｍ・Ｋ程である。台座１２には上下方向に貫通する吸引孔１２ａが形成されており、この吸引孔１２ａは吸気孔１１ｃに連なっている。なお、吸引孔１２ａの径と吸気孔１１ｃの径はほぼ同一の大きさとなっている。
【００２４】
加熱プレート２４は、台座１２の上面に固定されている。この台座１２は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）等の熱伝導率の高い材料からなる。例えば、窒化アルミニウムは１００〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程である。加熱工程において、加熱プレート２４の熱が基台１１に奪われないようになっている。加熱プレート２４は縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚さ３００μｍと小型であるから、小さな熱容量である。加熱プレート２４には上下方向に貫通する複数の吸着孔２４ａが形成されており、この吸着孔２４ａは吸引孔１２ａに連なっている。吸着孔２４ａはその下面に照射するレーザ光１５の集光する円、すなわち集光円２４（図２）の外側となるように配置され、吸着孔２４ａの全ては吸引孔１２ａに連なるようになっている。例えば、図２では集光円の径は０．３ｍｍ、吸着孔２４ａの径は０．１５ｍｍの時、吸引孔１２ａの径は約１ｍｍである。そして、この加熱プレート２４の上面が載置面であり、加熱プレート２４の上にサブマウント２３が載置されることになる。そして、真空発生源２６によって上方空間部２０から空気が吸引されると、上方空間部２０、吸気孔１１ｃ、吸引孔１２ａ及び吸着孔２４ａが負圧となって、サブマウント２３が加熱プレート２４に真空吸着されて、サブマウント２３が加熱プレート２４に固定されるようになっている。
【００２５】
チップノズル１３は、加熱プレート２４の上方に配されている。このチップノズル１３は、図示しない昇降装置によって上下方向に移動することができる。また、チップノズル１３は真空発生装置に接続されており、チップノズル１３を通じて気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。これにより、チップノズル１３が、半導体レーザチップ１８を真空吸着できるようになっている。
【００２６】
ガス噴射ノズル１４は、加熱プレート２４の上方に配されているとともに、上下方向に見て吸引孔１２ａ及び吸気孔１１ｃからずれて配されている。ガス噴射ノズル１４の先端は吸引孔１２ａに向いている。このガス噴射ノズル１４はアルゴンガス又は窒素ガス等の図示せぬ不活性ガス源に接続されている。ガス噴射ノズル１４の先端から不活性ガス１９が噴射されるようになっている。
【００２７】
レーザ発光手段１６は、下方空間部２１に配設されている。更に、レーザ発光手段１６から発光されたレーザ光１５はガラス基板１７を透過し、吸気孔１１ｃ及び吸引孔１２ａに向かい、更に、加熱プレート２４の下面へ向かうようになっている。つまり、レーザ光１５の焦点は加熱プレート２４の下面にあり、レーザ発光手段１６により、レーザ光１５は加熱プレート２４の下面で集光するようになっている。なお、加熱プレート２４の下面におけるレーザ光１５の集光円２５の径（フォーカシング径）は約０．３ｍｍである。
【００２８】
レーザ発光手段１６の発光源付近には、レーザ光１５の照射強度を検出して監視するためのモニタ（つまり、検出器）が設けられている。モニタによって検出されたレーザ光１５の照射強度は、演算制御装置にフィードバックされるようになっている。そして、演算制御装置は、フィードバック信号に基づいてレーザ発光手段１６を制御して、レーザ光１５の照射強度或いは照射時間等を制御するようになっている。
【００２９】
つぎに、以上のように構成されたダイボンディング装置１０を用いたダイボンディング方法について説明する。ここで、接合する半導体レーザチップ１８は、例えば、ＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体であり、その寸法は縦４００μｍ、横２５０μｍ、厚さ８０〜１３０μｍである。また、サブマウント２３は、例えば、窒化アルミニウム、炭化シリコン又はシリコン等からなり、その寸法は縦２ｍｍ、横１．２ｍｍ、厚さ２２０μｍである。更に、サブマウント２３の表面には、金メッキによる電気回路が施され、さらにＡｕ−Ｓｎ系ろう材、Ａｕ−Ｓｉ系ろう材、Ｉｎ系ろう材又はＳｕ−Ｐｂ系ろう材等のろう材がメッキされている。あるいは、前記材質からなるろう材の箔をサブマウント２３の表面に載せる。
【００３０】
まず、サブマウント２３の表面を上方に向けて、サブマウント２３を台座１２上に載置する。そして、真空発生源２６で上方空間部２０、吸気孔１１ｃ、吸引孔１２ａ及び吸着孔２４ａを負圧にして、サブマウント２３を真空吸着する。一方、真空発生装置でチップノズル１３を負圧にして、半導体レーザチップ１８をチップノズル１３の先端に真空吸着する。なお、真空発生装置の作動は、演算制御装置により制御される。
【００３１】
次いで、サブマウント２３の上方に配置された図示しないＣＣＤカメラでサブマウント２３を撮像する。そしてサブマウント２３にめっきされた基準マーク、あるいはサブマウント２３の外形から画像処理装置にてサブマウント２３のずれ量を計算し、演算装置に計算結果を伝える。そして演算制御装置がステッピングモータを制御することで、基台１１の位置決めがなされる。ここで、サブマウント２３上の半導体レーザチップ１８搭載目標位置がチップノズル１３の直下に位置するように基台１１の位置決めがなされる。基台１１の位置決めがなされると、演算制御装置がレーザ発光手段１６を制御して、レーザ発光手段１６がレーザ光１５を発光する。これにより、ガラス基板１７、上方空間部２０、吸気孔１１ｃ及び吸引孔１２ａを通じてレーザ光１５が加熱プレート２４の下面に照射される。この際、加熱プレート２４の下面におけるレーザ光１５のフォーカシング径は約０．３ｍｍである。レーザ光１５が加熱プレート２４の下面に照射されることで、加熱プレート２４が加熱され、さらに加熱プレート２４からの熱伝導及び輻射熱によりサブマウント２３は例えば１００〜２００℃に加熱される。なお、この際のサブマウント２３の温度はろう材の融点（共晶点）より低い。
【００３２】
レーザ光１５が発光されているのと同時に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９をサブマウント２３の表面に向けて噴射する。不活性ガス１９がサブマウント２３の表面に噴射されることで、熱によるろう材の酸化が不活性ガス１９によって防止される。
【００３３】
次いで、演算制御装置が昇降装置を制御して、チップノズル１３が昇降装置によって下降する。そして、チップノズル１３の先端に吸着された半導体レーザチップ１８がサブマウント２３の表面に接して、更に、半導体レーザチップ１８が例えば約１０ｇ程度でサブマウント２３に押し付けられる。この際にも、加熱プレート２４にはレーザ光１５が照射され続けており、更に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９が噴射され続けている。
【００３４】
次いで、演算制御装置がレーザ発光手段を制御して、レーザ光１５の照射強度を上昇させる。この際、レーザ光１５のパワー密度が例えば１０４Ｗ／ｃｍ＾２となるように演算制御装置がレーザ発光手段を制御する。そして、レーザ光１５のパワー密度が１０４Ｗ／ｃｍ＾２になったら、例えばレーザ発光装置が約１秒間レーザ光１５を加熱プレート２４に照射し続けるように演算制御装置がレーザ発光装置を制御する。すると、加熱プレート２４の温度が上昇するとともにサブマウント２３に伝熱され、ろう材が融点（例えば、３００〜３５０℃、ろう材の種類により異なる。）まで上昇する。その結果、サブマウント２３の表面と半導体レーザチップ１８との間に介在しているろう材が溶融する。溶融したろう材は、不活性ガスによる酸化防止作用により最良の濡れ性をもってサブマウント２３と半導体レーザチップ１８との間に浸透する。
【００３５】
約１秒間の照射時間が経過したら、演算制御装置はレーザ発光手段１６を制御して、レーザ発光手段１６からレーザ光１５が発光されることが停止する。レーザ光１５の発光が停止すると、ろう材が冷えて、ろう材が凝固する。そして、チップノズル１３が昇降装置によって上昇して、更に、ガス噴射ノズル１４からの不活性ガスの吹き付けも停止して、ダイボンディングに係る工程が終了する。
【００３６】
以上の実施の形態では、レーザ光１５によって熱容量が小さく、熱伝導率の高い加熱プレート２４を加熱し、加熱プレート２４からの熱伝導及び輻射伝熱によりサブマウント２３を加熱しているため、サブマウント２３と半導体レーザチップとの間に介在するろう材を瞬時に融点まで加熱することができ、ろう材を極めて短時間で溶融することができる。そのため、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３にダイボンディングするのに要する時間が比較的短く、ダイボンディングに係る生産効率が向上する。また、レーザ光１５を照射する面が加熱プレート２４の面であるから、ワークであるサブマウント２３の材質や表面処理が変わっても、レーザ光１５の反射率や吸収率は変わらないので接合品質のばらつきがない。
【００３７】
また、加熱プレート２４の熱容量を小さくしたので、ろう材を溶融するのに要する時間が短時間である。従って、サブマウント２３及びろう材に蓄積される熱エネルギーが小さい。さらに、加熱プレート２４の熱容量を小さくしたことから、レーザ光１５の照射を停止した後からろう材が凝固するまでに要する時間が短くなる。ろう材が凝固するまでの間は、チップノズル１３を下降させた状態でサブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の位置を保持させる必要があるが、その保持時間が短くて済み、チップノズル１３をすぐに上昇することができる。そのため、次サイクルで、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に接合するための準備（例えば、次サイクルに接合する半導体レーザチップ１８をチップノズル１３に吸着すること）等を前サイクルの接合工程後すぐに行え、生産効率が向上する。
【００３８】
更に、サブマウント２３及びろう材の加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体レーザチップ１８に熱歪みが生ずることがない。そのため、本発明に係るダイボンディング方法で接合された半導体レーザチップ１８を用いた半導体レーザ装置をより高い品質及び信頼性で提供することができる。
【００３９】
また、溶融したろう材が、不活性ガスによる酸化防止作用によってサブマウント２３及び半導体レーザチップ１８によく濡れるため、予めスクラブ洗浄を行う必要がなくなる。更に、濡れ性が良いため、接合中に半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に高い荷重で押圧する必要がなくなり、その結果、半導体レーザチップ１８の損傷を防止することができる。
【００４０】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、チップノズル１３は上下方向の移動のみならず、水平方向への移動もできるようにしても良い。この場合、基台１１の水平方向の移動、及び、チップノズル１３の水平方向の移動によって、サブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の相対的位置が決まる。
【００４１】
図３は加熱プレート２４Ａの第２の実施の形態である。図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図である。加熱プレート２４Ａは熱伝播板２７と伝熱遅延板２８から構成され、熱伝播板２７の上面に伝熱遅延板２８を配し、３層に積み上げた多層構造となっている。さらに多層構造体の上面に熱伝播板を配置して冷却効率を上げるようになっている。中央部には下面から上面に貫通する孔２９を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板２７は厚さが０．４５ｍｍであり、熱伝導率の高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）材料からなる。例えば、窒化アルミニウムは１００〜１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程である。伝熱遅延板２８は厚さが０．１５ｍｍであり、窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）材料からなる。例えば、９９．９％アルミナは３８Ｗ／ｍ・Ｋ程である。多層構造体の積層間はろう付けあるいは拡散接合によって接合されている。
【００４２】
加熱プレート２４Ａの底面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ａ底面の熱伝播板２７は熱伝導率が高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。熱伝播板２７の熱は伝熱遅延板２８の中央部に伝わるが、伝熱遅延版２８の熱伝導率はが熱伝播板２７の熱伝導率のよりも低いので伝熱遅延板２８の表面に熱が伝わる前に伝熱遅延版２８の底面全体が加熱状態となり、伝熱遅延版２８の上面は熱伝播板２７の上面より水平方向に温度差の少ない温度分布となる。３層の多層構造にする事で温度分布の改善が３回行われる。従って、加熱プレート２４Ａの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布が得られる。図７は温度分布を解析したものであり、加熱プレート２４Ａの下面中央部は９００℃であるが、多層構造体の積層を熱が伝わるたびに温度分布が積分されて、加熱プレート２４Ａの上面は広い範囲で３５０℃の温度分布となっている。
【００４３】
図６は多層構造体の積層間を接合しない場合の実施例である。熱伝播板２７Ａと伝熱遅延板２８Ａの４隅に上下に貫通する貫通孔３０を設ける。ただし、最上部の熱伝播板２７の４隅には貫通孔を設けない。そして貫通孔３０の下部から真空吸引する事により貫通孔３０内は負圧となり、多層構造体である積層板は下方向に押し付けられて固定される。
【００４４】
図４は加熱プレート２４Ｂの第３の実施の形態である。図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は側面図である。加熱プレート２４Ｂは熱伝播板３１と円筒状の伝熱遅延部材３２と円筒状の熱伝播部材３３から構成され、中心部に伝熱遅延部材３２を配置し、伝熱遅延部材３２の外側に熱伝播部材３３を４個配置する。そして熱伝播板３１は伝熱遅延部材３２と熱伝播部材３３とを上下ではさみ込む構造となっている。中央部には下面から上面に貫通する孔３４を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板３１と熱伝播部材３３は熱伝導率の高い窒化アルミニウム材料からなる。伝熱遅延部材３２は窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ材料からなる。上下の熱伝播板３１と伝熱遅延部材３２及び熱伝播部材３３はろう付けによって接合されている。
【００４５】
加熱プレート２４Ｂの下面中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ｂ下面の熱伝播板３１は熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わる。下部の熱伝播板の中央部には伝熱遅延部材３２が配置され、下部の熱伝播板３１の熱を上部の熱伝播板３１に伝えるが、伝熱遅延部材３２の熱伝導率は熱伝播板３１と熱伝伝播部材３３の熱伝導率よりも低いので、伝熱遅延部材３２から上部の熱伝播板３１に熱伝わる時には伝熱遅延板３２の周囲に配置された熱伝播部材３３は下部の熱伝播板３１から上部の熱伝播板３１に熱を伝える。従って、加熱プレート２４Ｂの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。
【００４６】
図５は加熱プレート２４Ｃの第４の実施の形態である。図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は断面図である。加熱プレート２４Ｃは、ラッパ状外形の伝熱遅延コア３６と、伝熱遅延コア３６のラッパ状外形に嵌合する孔を有する熱伝播リング３５から構成され、伝熱遅延コア３６と熱伝播リング３５を嵌合し、伝熱遅延コア３６のラッパ形状が上方に向かって開くように配置する。さらに上面に熱伝播板３５Ａを配置して冷却効率を上げるようになっている。伝熱遅延コア３６と熱伝播板３５Ａの中央部には下面から上面に貫通する孔３７を有し、サブマウント２３を真空吸着する。熱伝播板リング３５と熱伝播板３５Ａは熱伝導率の高い窒化アルミニウム材料からなる。伝熱遅延コア３６は窒化アルミニウムより熱伝導率の低いアルミナ材料からなる。熱伝播リング３５と伝熱遅延コア３６はろう付けによって接合されている。
【００４７】
加熱プレート２４Ｃの中央部にレーザ光が照射されると加熱プレート２４Ｃの中央部に配置された上方に広がるラッパ形状の伝熱遅延コア３６の下部が加熱される。同時に熱伝播リング３５の下面の中央部も加熱されるが、熱伝播リング３５の熱伝導率の高いので上方及び水平方向に急速に熱が伝わり、伝熱遅延コア３６に熱を伝える。伝熱遅延コア３６の熱伝導率は熱伝播リング３５の熱伝導率よりも低いので伝熱遅延コア３６の中央部の熱が下面から伝熱遅延コア３６中央部の上面に伝わる時には熱伝播リング３５の熱も伝熱遅延コア３６の上面に伝わり、さらに熱伝播板３５Ａに伝熱される。従って、加熱プレート２４Ｃの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、レーザ発光手段によってレーザ光が、熱容量が小さく熱伝導率の高い加熱プレートに照射され、加熱プレートからの熱伝導及び輻射伝熱により基板が加熱されるため、ろう材の溶融温度まで基板及びろう材を極めて短時間に加熱することができる。従って、半導体チップと基板の接合に係る生産効率が向上する。
また、加熱プレートの熱容量を小さくしたので加熱プレートに蓄積される熱エネルギーが小さい。従って、ろう材が凝固するのに要する時間が短い。そのため、ろう材が凝固するまでの間半導体チップを保持している時間が短くなり、半導体チップと基板の接合に関する生産効率が向上する。
更に、ろう材及び基板の加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体チップに熱歪みが生ずることがなくなる。
レーザ光をサブマウントに直接照射するのではなく、加熱プレートにレーザ光を照射し、加熱プレートをを介してサブマウントを加熱するので、サブマウント下面の回路パターン等を変色させることがない。さらにレーザ光の照射は加熱プレートであるから、ワークであるサブマウントの材質や表面処理が変わっても、レーザ光の反射率や光吸収率は変わらないので信頼性の高いダイボンディングが行える。
【００４９】
請求項２記載の発明によれば、吸着孔を介して基板を真空吸着するので、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、基板がしっかり位置決めされる。そのうえ、加熱プレート、台座、基台及び透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸引孔及び真空発生源が通じているが、透光性部材を基台の上壁部に近接して設けたことにより空間の体積を小さくすることができる。そのため、基板を吸着するのに要する時間を短縮することができる。さらに、透光性部材はレーザ光を透過するのでレーザ光を照射する妨げとはならない。従って、レーザ光が加熱プレートに効率よく照射されるため、ろう材が溶融するのに要する加熱時間に影響を及ぼさない。
【００５０】
請求項３記載の発明によれば、加熱プレートを熱伝導率の高い材料の板と熱伝導率の低い材料の板を交互に積み重ねて多層構造とした。これにより小さな集光径でレーザ光が照射され加熱プレートの下面ではレーザ光を照射された中央部は高温であるが中央部から離れた下面では温度は低いが、上部に伝熱し多層構造体の積層を通過するごとに熱分布が積分されて加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【００５１】
請求項４記載の発明によれば、加熱プレートの上面には中央部に配置した伝熱遅延部材を介して伝熱されるとともに、周囲に配置した熱伝播部材を介して伝熱される。すなわち中央部及びその周囲から伝熱されるから加熱プレートの上面は水平方向に温度差の少ない温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【００５２】
請求項５記載の発明によれば、熱伝導率の高い熱伝播リングは伝熱遅延コアのラッパ状外形全体に伝熱するから加熱プレートの上面は熱勾配の小さな温度分布となる。従って、基板は均一な温度に加熱され、基板と半導体チップの間に介在するろう材は均一に溶融するので基板と半導体チップの接合の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダイボンディング装置の具体的態様が示された縦断面図である。
【図２】図１に開示した加熱プレートの下面図である。
【図３】加熱プレートの第２の実施の形態正面図および側面図
【図４】加熱プレートの第３の実施の形態正面図および側面図
【図５】加熱プレートの第４の実施の形態正面図および断面図
【図６】加熱プレートの第２の実施の形態における応用例側面図
【図７】加熱プレートの第２の実施の形態における温度分布解析図
【図８】従来のダイボンディング装置が示された縦断面図である。
【符号の説明】
１０ ダイボンディング装置
１１ 基台
１１ａ 上壁部
１１ｃ 吸気孔
１２ 台座
１２ａ 吸引孔
１３ チップノズル（ノズル）
１４ ガス噴射ノズル
１５ レーザ光
１６ レーザ発光手段
１７ ガラス基板（透光性部材）
１８ 半導体レーザチップ（半導体チップ）
１９ 不活性ガス
２０ 上方空間部（空間）
２２ 配管
２３ サブマウント（基板）
２４ ２４Ａ ２４Ｂ ２４Ｃ 加熱プレート
２４ａ 吸着孔
２５ 集光円
２６ 真空発生源
２７ ３１ ３５Ａ 熱伝播板
２８ 伝熱遅延板
３２ 伝熱遅延部材
３３ 熱伝播部材
３５ 熱伝播リング
３６ 伝熱遅延コア
１００ ダイボンディング装置
Claims (5)
- ノズルに吸着保持された半導体チップを基板の表面に載置して前記半導体チップをダイボンディングするダイボンディング装置において、
前記基板を載せる加熱プレートと、
上下に貫通する吸引孔を設け、前記加熱プレートを載せる台座と、
上下に貫通する吸気孔を設けた上壁部を有し、前記上壁部の上面に前記台座を載せ、前記台座及び前記加熱プレートを前記上壁部上面に載置する基台と、
前記吸気孔と前記吸引孔を通して、前記加熱プレートの下面にレーザ光を照射するレーザ発光手段とを備えたことを特徴とするダイボンディング装置。 - 前記吸引孔及び前記吸気孔に通じ、前記加熱プレートに設けた吸着孔と、
前記上壁部の裏面側に近接して前記基台の内部に配置された透光性部材と、
前記基台と前記透光性部材とにより囲まれる空間に真空圧を発生する真空発生源とを備え、
前記レーザ光は前記透光性部材を透過して照射されることを特徴とする請求項１記載のダイボンディング装置。 - 加熱プレートは、
熱伝播板と、熱伝播板上に配置し、熱伝播板よりも熱伝導率が低い伝熱遅延板とより構成した多層構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする請求項１記載のダイボンディング装置。 - 加熱プレートは、
熱伝播板及び熱伝播部材よりも低い熱伝導率を有する伝熱遅延部材と、伝熱遅延部材の周囲に配した複数の熱伝播部材と、伝熱遅延部材と熱伝播部材の上下に配置した熱伝播板とからなることを特徴とする請求項１記載のダイボンディング装置。 - 加熱プレートは、
中心部に向かって没入する孔を有する熱伝播リングと、ラッパ状外形をなし、熱伝播リングより低い熱伝導率を有し、前記熱伝播リングの孔と嵌合する伝熱遅延コアとからなる構造体の上面に熱伝播板を載置したことを特徴とする請求項１記載のダイボンディング装置。
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