JP2004524679A - 発光半導体パッケージ - Google Patents
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Abstract
発光半導体パッケージ(250)は、1つの表面を有する半導体チップ(252)を備えている。前記表面上または表面内には、1または複数の発光デバイス(254)が形成されている。チップ(252)の表面には、発光デバイス(254)を包むキャップ(256)が接着されている。キャップは、発光デバイス(254)によって放射される光を透過する1または複数の領域(258)を有している。キャップは、ウエハを個々のパッケージに分離する前のウエハ段階で、半導体チップ(252)に接着される。
Description
【技術分野】
【0001】
この発明は、保護キャップを成形して、マイクロ電子半導体チップに対して各チップ毎を基本にウエハスケールで保護キャップを両側に適用することに関する。特に、本発明は、保護キャップを成形するとともに、発光デバイスを組み込んだ半導体チップに対して保護キャップを適用することに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体チップは、通常、チップおよびその配線を外気および機械的なダメージから保護するために、保護層内にパッケージされている。既存のパッケージシステムは、一般に、エポキシ樹脂成形体および熱硬化剤を使用して、チップの周囲に固定保護層を形成する。これは、通常、リードフレームに接着されたダイスカットされたチップにおいて個別に行なわれるため、各ウエハ毎に多数回行なわなければならない。他のパッケージング方法は、密封シールされた金属パッケージまたはセラミックパッケージと、ボールグリッドアレイ(BGA)パッケージおよびピングリッドアレイ(PGA)パッケージ等のアレイパッケージとを有している。最近では、ウエハスケールパッケージング(WSP)が使用され始めてきている。成形・硬化技術を使用すると、ウエハは、機械的な応力および熱的な応力の両方を受ける。また、そのように形成される保護キャップは、固体の材料片であるため、MEMSデバイスに使用することができない。これは、MEMSデバイスが高分子材料によって動作不能となるためである。MEMSデバイスのための既存のパッケージシステムは、熱的にシールされたパッケージを各デバイス毎に有しており、あるいは、シリコンまたはガラスウエハスケールパッケージングを使用する。これらの両者は、比較的高いコストを伴う作業である。
【0003】
また、発光素子や光受容体等の光学活性デバイスを組み込んだデバイスは、キャップを必要とする。この場合、キャップの少なくとも一部は、相対光を透過する。また、キャップは、多くの場合、キャップを透過する光を合焦させるレンズを必要とするため、エポキシ樹脂成形技術を使用することができない。デバイスは、一般に、個別にパッケージされ、あるいは、シリコンまたはガラスウエハスケールパッケージングを使用する。
【発明の開示内容】
【0004】
1つの広い形態において、本発明は、
a)上面および下面を有するとともに、1または複数の波長の電磁放射線を上面から放射する少なくとも1つの発光デバイスが形成された半導体チップと、
b)中央部と、中央部の周端から延びる第1の周壁とを有する中空の第1のキャップであって、第1の周壁の自由端が上面に接着されることにより第1のキャビティを形成し、平面視で少なくとも1つの発光デバイスの一部または全部を覆うとともに、前記1または複数の波長の電磁放射線を少なくとも部分的に透過もしくは半透過する少なくとも1つの領域を前記中央部が有している第1のキャップと、
を有し、
ウエハが個々のパッケージに分離される前のウエハ段階で、第1のキャップが半導体チップに接着される発光半導体パッケージを提供する。
【0005】
また、少なくとも1つの領域は、前記少なくとも1つの発光デバイスによって放射される前記電磁放射線を屈折させても良い。
【0006】
また、キャップは、電磁放射線伝送ケーブルまたはファイバをキャップに取り付けるための少なくとも1つの取り付け手段を更に有し、これにより、少なくとも1つの発光デバイスから放射される電磁放射線が、前記少なくとも1つの領域を通じてケーブルへと透過しても良い。少なくとも1つの取り付け手段は、第1の周壁から離間する中央部の外周から延びる第2の周壁を有していることが好ましい。
【0007】
また、パッケージは、チップの下面に接着された第2のキャップを有していても良い。
【0008】
第2のキャップは、平面視で、1または複数の発光デバイスの一部または全部を覆っていても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
図1および図2には、ウエハスケールで半導体ウエハ上に保護キャップを形成する従来の方法が示されている。半導体ウエハ10は、内部にキャビティ14が形成されたモールド(型)12に対して押し付けられている。また、キャビティ14内には液状高分子材料16が注入されている。高分子材料は、固体の保護キャップ18を形成するようになっている。その後、ウエハは、ウエハ鋸(wafer saw)を使用して単離(singulate)される。この技術は、その上にMEMSデバイスが形成されたウエハには適用できない。なぜなら、液状高分子材料がMEMSデバイスを取り囲んでその駆動を妨げるからである。
【0010】
図3は、MEMSデバイスを保護するための従来技術を示している。象徴的に示されたMEMSデバイス24を有するMEMSチップ20がシリコンウエハ26に接着される。これは、各チップステージまたはウエハステージで行なわれても良い。一般に、ウエハ26は、KOH等のエッチング剤を用いた結晶異方性エッチングによりエッチングされ、これにより、MEMSデバイスの位置に対応する一連の凹部28が形成される。ウエハ26は、MEMSウエハ20と注意深く位置合わせされ、MEMSウエハ20に対して接着される。このような手段は、MEMSデバイスをパッケージする有効な手段であるが、余分なシリコンウエハ(あるいは、時として、ガラス)を必要とし、また、このシリコンウエハをエッチングしてキャビティを形成しなければならないため、費用がかかる。
【0011】
図4は、その上に表面MEMS32が形成されたMEMSウエハ30を示している。このウエハ30には、本発明にしたがって、熱可塑性材料から成る中空の保護キャップ34が接着して設けられており、これにより、MEMSデバイスのための機械的で且つ大気から成る保護バリアが形成されている。MEMSデバイスが動作できるように、キャップ34は、ウエハとともにキャビティを形成する。
【0012】
成形された熱可塑性の中空キャップを使用すると、安価なパッケージングを行なうことができる。しかしながら、従来の技術は、必要な精度および微細加工されたデバイスに必要な熱的安定性を与えない。
【0013】
図5〜図7は、微細加工されたデバイス44から成る多数の群42を有する半導体ウエハ40をパッケージングできる技術を示している。この場合、デバイス群44は、象徴的に示されており、上面46上または上面46内に形成されている。
【0014】
従来の射出成形法およびスチール金型50,52を使用して、キャップ48の配列が形成される。これらのキャップは、デバイス群42と同じ公称間隔で、スプルール(sprule)54上に支持されている。この方法を使用すると、ほとんどと言っていいほど、図20に示されるように、結果的にMEMSデバイスの破壊を伴うアライメント不良が生じる。図20において、キャップ48aは、そのMEMSデバイス群42aと正確に位置合わせされている。しかしながら、キャップ同士の間隔がデバイス群同士の間隔よりも大きいため、キャップ48bが正確に位置合わせされていない。しかし、キャップ48bは、そのデバイス群42bのいずれのMEMSデバイスも破壊していない。これに対し、キャップ44c,44dは、大きなアライメント不良を起こしており、キャップの周壁が1または複数のMEMSデバイス44上にのしかかっており、MEMSデバイスの機能を損ねている。
【0015】
このようなアライメント不良は、スプルール材料とシリコンウエハとの熱膨張の差、成形部品の剛性不足、これらの技術を使用して正確に位置合わせしてウエハに高分子を接着できるように設計された機械部品の不足、を含む多くの要因によって生じ得る。
【0016】
これに対する解決策は、シリコン等のウエハと同じ熱膨張係数を有するツール(道具)を使用することである。図8および図9は、シリコンツール60を使用して熱可塑性キャップ60の列を保持することによりキャップをシリコンウエハ40に接着する技術を象徴的に示している。ツール60は、ウエハ40と同じ材料によって形成されているため、温度の変化によってアライメントが変化しない。すなわち、キャップ60同士の間隔は、MEMSデバイス44から成る群42同士の間隔と同じ大きさだけ変化する。そのため、接着時に、図9に示されるように全てのキャップが正確に位置合わせされる。また、シリコンを必要な精度で加工する多くの経験がある。
【0017】
図10〜図16は、中空の保護キャップを形成して、この保護キャップをウエハ、好ましくは半導体ウエハに適用する第1のシステムを概略的に示している。
【0018】
図10は、図4に示される中空の保護キャップを形成するための成形システム100を示している。この保護キャップは、MEMSデバイスまたは任意の他の微細加工デバイスと共に使用されても良い。成形システム100は、2つのシリコンウエハ102,104を有している。上側のウエハ102は、従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング技術を使用して処理されることにより、その下面108に一連の凹部106を有している。下側のウエハ104は、同様に処理されることにより、凹部106の端と位置合わせされる一連の溝112をその上面110に有している。凹部106および溝112は、処理されるウエハのチップサイズに合わせて、また、ウエハ上での間隔の繰り返しに対応する中心での繰り返しに合わせて、寸法付けられる。図示の実施形態において、保護キャップは、MEMSインクジェット印字ヘッド用に設計されているため、平面視において、その幅に対して長さが非常に長くなっている。凹部は、その端部が図示されていないが、矩形である。溝112の端部は図示されていないが、各凹部の両側の溝112は、実際には、平面視で矩形状を成す1つの溝である。
【0019】
隣り合うキャップにおける溝112は、エッチングされなかった材料部分114を形成する。同様に、隣り合う凹部106は、エッチングされなかった材料部分116を形成する。これらの材料部分114,116は、互いに位置合わせされ、2つのウエハ同士が押し付けられる際にこれらの材料部分114,116で2つのウエハが互いに接触する。
【0020】
キャップの周囲のための溝112が全て下側ウエハ104内にあり、中央部のための凹部104が全て上側ウエハ102内にあるように、2つの表面をエッチングした。
【0021】
エッチングされなかった表面上でのみ成形ウエハ同士が接触しなければならないというものではない。また、たった1つのモールド内で1つの凹部により中央部が形成されなければならないというものでもなく、たった1つのモールド内で1つの溝または1つの凹部によって周壁が形成されなければならないというものでもない。モールド間の有効な分割ライン(割れ目)は、望ましい任意の位置に配置されても良く、平面である必要はない。しかしながら、分割ラインの平面性は、一般に、モールドの製造(組立)を容易にする。
【0022】
また、アセンブリ100は、上側リリースウエハ(解放ウエハ)またはイジェクトウエハ(射出ウエハ)118と、下側リリースウエハまたはイジェクトウエハ120とを有している。これらの上側および下側のリリースウエハは、従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング技術を使用して処理されることにより、一連のリリースピン(解放ピン)122,124をそれぞれ有するシリコンウエハである。上側および下側の成形ウエハ102,104は、ピン122,124を受ける対応する穴126,128を有して形成されている。上側の穴126は、各凹部106の中心または軸にほぼ向けて位置されており、一方、下側の穴128は溝112内に位置されている。しかしながら、穴126,128は、その位置が特に重要ではなく、成形されたキャップを射出できるように配置されていれば良い。
【0023】
リリースピン122,124は、対応する穴の深さよりも長い。ピン122の自由端が穴126の内端と位置合わせされると、上側成形ウエハ102と上側リリースウエハ118との間に隙間130が形成される。この実施形態において、下側ピン124の長さは、下側成形ウエハ104の厚さと同じである。しかしながら、ピン124の長さは、ウエハの厚さよりも長くても良く、あるいは、短くても良い。ピン124の長さが下側ウエハ104の最大厚よりも短い場合、穴128の深さ、すなわち、少なくとも溝112で減ったウエハ104の厚さよりもピン124を長くする必要がある。下側のウエハ104,120は、ピン124が穴128内に部分的に挿入されるが穴128を越えて溝112内へと延びず、2つのウエハ間に隙間132が形成されるように、位置決めされる。ピン124は、穴の端部と面一になるように延びて、溝112に略平坦なベースを形成することが好ましい。
【0024】
成形ウエハおよびリリースウエハの厚さは約800ミクロンであり、隙間130,132の厚さは10〜100ミクロンのオーダーである。しかしながら、これは重要ではない。
【0025】
成形ツール(成形の型)は、滑らかなエッチングを形成するため、ボッシュエッチングではなく、低温ディープシリコンエッチングを使用してエッチングされることが好ましい。ボッシュエッチングは、ピンやキャップ凹部の側壁等のエッチングされた側壁にスキャロッピング(scalloping)を形成する。このスキャロッピングにより、成形材料からモールド(型)を解放することが非常に難しくなる。これに対し、低温エッチングを使用すると、エッチングされた壁が非常に滑らかとなり、モールドの解放が容易になる。
【0026】
2つのウエハ102,104間には、厚さが約200〜500ミクロンの熱可塑性材料から成るシート134が配置される。また、アセンブリは、オーストラリアのシャーディングのエレクトロニック・ビジョンズ・グループから市販されているEV501等の従来のウエハ接着マシン内に配置される。
【0027】
アセンブリは、マシン内で機械的に一括して押圧されるが、成形ウエハ同士を互いに押し付けて、大気圧を越える圧力を隙間130,132に作用させることにより、熱可塑性シートを変形させても良いことは言うまでもない。あるいは、他の手段を使用しても良い。
【0028】
シート134は、熱伝導によって加熱されても良いが、図12に矢印136で示されるように、放射線、好ましくは赤外線を使用して加熱されることが望ましい。熱伝導による加熱と放射線加熱とを組み合わせて使用しても良い。成形ウエハ102,104およびリリースウエハ118,120はそれぞれ、シリコンによって形成され、約1000nm〜約5000nmの範囲の波長の赤外光をほぼ透過する。選択された材料134は、本質的にこの波長範囲内の光を吸収し、あるいは、この波長範囲内の光を吸収するように添加される。材料134がこの範囲内の光を本質的に吸収しない場合、適した添加剤は、これらの波長の光を吸収する“カーボンブラック”(無定形炭素粒子)である。他の適した添加剤を使用しても良い。
【0029】
シート134は、2つの成形ウエハ間に配置され、矢印136で示されるように、適当な波長の赤外光に晒される。赤外線は、対称に加熱できるようにウエハおよびシート134の両側から供給されることが好ましいが、これは必須要件ではない。赤外線が片側のみから供給されても良い。シリコンウエハが赤外線を透過するため、赤外線は、ウエハを通り過ぎてシート134によって吸収される。適した温度まで加熱した後、成形ウエハ同士を互いに押し付けて、シート134を変形させても良い。特に熱伝導を使用する場合には、シート134が十分に加熱されるのを待つことなく、シート134が加熱されている間にウエハ同士を押し付けても良い。シリコン以外の材料が使用される場合、その使用される材料を透過する他の波長の電磁放射線によってシート134が加熱されても良い。
【0030】
シート134は、ウエハ接着マシン内で処理されると、凹部106および溝112によって規定されるキャビティの形状に成形される。また、材料は、図13aに矢印142で示されるように、2つの部分114,116間の隙間から実質的に押し出され(圧搾され)、これにより、一連のキャップ138が形成される。
【0031】
前述したように、成形ウエハ102,102は、従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング技術を使用して形成される。このプロセスの精度は、使用されるリソグラフィおよびレジストによって決まる。シリコン対レジストのエッチング選択度は、一般に、約40:1〜約150:1である。この場合、500μmの厚さのエッチングでは、約15μm〜4μmのレジスト厚が必要である。接触マスクまたは近接マスクを使用すると、約2μmの臨界寸法を達成することができる。ステッパー、電子ビーム、あるいは、X線リソグラフィを使用すると、1ミクロン未満まで臨界寸法を小さくすることができる。したがって、部分114と部分116との間から材料134を完全に押出して、隣り合うキャップ136を完全に分離することができる。また、製造公差に起因する相対表面の位置の変化により、最大で約2ミクロンの厚さの薄い層140を、隣り合うキャップ136同士の間の部分114,116間に残しても良い。
【0032】
成形ウエハまたはリリースウエハが半導体材料から成ることは必須の要件ではなく、また、これらのウエハが従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング法を使用して処理されることも必須の要件ではない。必要に応じて、他の材料および方法を使用しても良い。しかしながら、半導体ウエハと同様の材料を使用すると、温度変化があまり影響しないため、精度が良くなる。また、リソグラフィおよびディープシリコンエッチング法は、良く理解されており、必要な度合いの精度を与える。また、1つの製造プラントを使用して、半導体デバイスおよび成形装置の両方を製造しても良い。
【0033】
2つの成形ウエハ102,104間から材料を押し出す際に材料が移動できる空間が存在するように、2つの成形ウエハ102,104を形成する必要があることは言うまでもない。
【0034】
保護キャップ138を形成した後、材料134を上側成形ウエハ102に付着させたまま、下側の成形ウエハ104およびリリースウエハ120を取り除くことが好ましい。下側の成形ウエハとリリースウエハとの間の隙間132に負圧を作用させる。リリースウエハ118,120は、アセンブリ内に装着固定されている。一方、成形ウエハ102,104は、ウエハの基準面に対して垂直に移動できる。したがって、下側成形ウエハ104は、リリースウエハ120に向けて下方に引き下げられる。リリースウエハ120のピン124は、材料134に対して強固に押し付けられているため、材料134を所定の位置に保持するとともに、材料が下側成形ウエハ124と共に下方に移動することを防止する。この段階後のアセンブリ100の配置構成が図15に示されている。
【0035】
この時、下側リリースウエハ120は、ピン124によってのみ材料134と接触するため、材料134を上側成形ウエハ102から引き離すことなく、下側リリースウエハ120と材料134との接触状態を解除することは比較的容易である。これが行なわれた後、アセンブリは図16に示される配置構成となり、材料134は、更なる処理に晒されて、ウエハに対して取り付けられる。
【0036】
シート134は、上側成形ウエハに取り付けられたまま、図17に示されるように、下側から、エッチング、好ましくは酸素プラズマエッチングに晒され、これにより、材料から成る薄い層140が除去される。残りの材料の厚さが十分に大きいため、エッチングは、残りの材料に影響を殆ど及ぼさない。エッチングされたアセンブリが図18に示されている。
【0037】
その後、アセンブリは、その上に多くのチップが形成されたウエハ144上に配置される。各チップは、複数のMEMSデバイス146を有している。構成部品は、位置合わせされた後、キャップ138をウエハに接着させるためにEV501等の従来のウエハ接着マシン内に配置される。各キャップがチップの全て又は一部の上を覆うように、チップの列が位置決めされる。デバイスは、象徴的に図示されており、MEMSデバイス、MOEMSデバイス、他の微細加工デバイス、受動電子素子、または、従来の半導体デバイスであっても良い。
【0038】
ウエハ接着マシンからアセンブリを除去した後、上側の隙間130に負圧を作用させて、上側成形ウエハ102を上側リリースウエハ118に向けて上方に引き上げる。下側成形ウエハ102の解放と同様に、キャップ138は、上側リリースウエハのピン122によって所定の位置に保持される。したがって、上側成形ウエハの移動作用に起因してキャップがウエハから誤って外れてしまう可能性を、完全に防止できないとしても、低減することができる。
【0039】
この時、ウエハ144は、各チップが別個のキャップ138によって保護された状態となっている。この状態で、ウエハを個々のダイに単離することができる。チップが規則的な配列で配置される場合、従来のウエハ単離方法−ソーイング(鋸切り)またはスクライビング(刻み付け)を使用しても良い。しかしながら、チップ間の分割ラインが規則的でない場合、あるいは、チップが非常に脆弱でソーイングやスクライビングを行なうことができない場合には、ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング(DRIE)を使用してウエハを単離しても良い。DRIEは、ウエハのソーイングよりも非常に高価であるが、ウエハが既にウエハディープエッチングによって要求されている場合には、MEMSデバイスの数の増加と同様に、実際的価値がない。エッチングが使用される場合、次に、ウエハ144は、アルカテル601Eまたは表面技術システム高性能シリコンエッチングマシン等のエッチングシステム内で、ディープシリコンエッチングに晒され、これにより、ウエハ144が各パッケージに分離される。このエッチングは、1分間に約2〜5ミクロンの速度で行なわれ、ウエハのキャップ側またはウエハの下側から施されても良い。エッチングは、異方性が高く(方向性があり)、エッチング方向の横からシリコンをエッチングすることは殆どない。エッチングがキャップ側から施される場合には、キャップ138がマスクとして作用し、キャップ間のシリコン材料だけがエッチングされる。各チップ間の全てのシリコン材料が除去されるまでエッチングが続けられることにより、その後のプロセスのためにチップ148が分離される。エッチングが下側から施される場合には、ウエハの下面に別個のマスクを加える必要がある。
【0040】
分離段階でディープエッチングの方向に晒される(露出される)任意のシリコンは、エッチングによって除去される。したがって、エッチングが上端(キャップ)側から施される場合、チップの上面上に保持する必要がある電気接着パッド等の任意の露出シリコンは、レジスト等によって保護されなければならない。レジストは、ワイヤボンディング前に除去されなければならない。あるいは、ウエハの下面にマスクを加えて、後側からディープシリコンエッチングを行なう。また、ウエハの下面に第2のキャップを設けても良い。この場合、上側のキャップと同じ形成方法を利用するとともに、下側のキャップをエッチング用のマスクとして使用する。ウエハの段階で上側のキャップおよび下側のキャップの両方を設けることにより、各チップは、単離前にほぼ完全にパッケージされる。
【0041】
図22は、上面および下面の両方に保護キャップを設ける技術を示している。この図は、その上面154に一連のMEMSデバイスチップ153が形成されたウエハ150を示している。各チップ153は、1または複数のMEMSデバイス152を有するとともに、他の微細加工素子を選択的に有している。前述した本発明の技術により、上面154には、保護キャップ156の第1のセットが形成されている。各チップ153の接着パッド158は、上面154上にあり、保護キャップ156によって覆われていない。前述した本発明の技術により、ウエハの下面162には、保護キャップ160の第2のセットが形成されている。保護キャップの第1および第2のセットは、連続的にウエハに設けられても良く、あるいは、同時にウエハに設けられても良い。設ける順番は重要ではない。キャップ160の第2のセットは、各チップ153の下側に配置されるが、第1のセット156よりも大きく、接着パッド158の下側でこれを越えて延びている。
【0042】
その後、ウエハ150は、各チップを分離するため、矢印164によって示されるように、ウエハの上面からではなく、ウエハの下面からディープシリコンエッチングに晒される。したがって、下側のキャップ160は、接着パッド158に対してマスクとして作用するとともに、エッチングプロセスが非常に方向性を有しているため、各チップの下側キャップ160間のシリコンだけがエッチングによって除去される。下側キャップの輪郭の内側にある上面上の接着パッド158および他の露出する部分は、実質的にエッチングによって影響を受けないため、チップ152がエッチングによって損傷することはない。
【0043】
中空の空間が必要な場合には、第2のセットのキャップを設けるだけで済むことは言うまでもない。しかし、第2のセットのキャップが不必要で望ましくない場合、下面上にレジストをグリッドパターンでコーティングして、露出するチップ間の領域をディープエッチングのために残しても良い。
【0044】
図28は、本発明に係るキャップを組み込んだ半導体レーザチップパッケージ250を示している。パッケージは半導体チップ252を有している。半導体チップ252上には、一連の半導体レーザデバイス254が形成されている。例えば、これらは、バーチカル・キャビティ・サーフェイス・エミッティング・レーザ(VCSEL)であっても良い。VCSELは、チップの面に対してほぼ垂直にレーザ光を放射する。前述した本発明の技術を使用してキャップ256が形成されてチップに取り付けられる。しかしながら、キャップは、VCSELによって放射された光の波長をほぼ透過する材料によって形成されている。また、キャップは、カバー部260内に屈折レンズ258を有するように形成されている。これを達成することは、適切な形状の凹部を有する成形ウエハを形成することにより、比較的容易となる。
【0045】
キャップの製造に含まれるステップが図23〜図26に示されている。キャップは、前述した成形技術を使用して製造されるが、以下のように修正される。
【0046】
キャップを形成するために使用される下側成形ウエハ200の成形面内には、一連のレンズ形成凹部が形成されている必要がある。レジストマスク201は、マスク201内に一連の小さな穴203を有して上面に加えられる(図23a)。その後、ウエハは、等方性エッチングに晒される。穴のサイズは比較的小さいため、エッチング剤は、エッチング穴の裏側の半球状の凹部202をエッチングする(図23b)。エッチング後、マスクが除去される。
【0047】
図23cに示されるように、キャップの側壁のための凹部204は、壁形成凹部に対応する開口210を有する第2のレジスト206を上面208に塗布することにより形成される。図23に示されるように、異方性ディープシリコンエッチングが上面に施されて、壁形成凹部204が形成される。図24に示されるように、イジェクタピン穴(射出ピン穴)214を形成するための開口を有する第2のレジスト212が下面に塗布される。異方性ディープシリコンエッチングが下面に施されて、図24に示されるように、イジェクタピン穴が形成される。図25は、完成した下側ウエハの側面図を示している。
【0048】
その後、図26に示されるように、前述した成形技術を使用してプラスチックシート222が成形される。上側キャップ220、上側および下側リリースウエハ224,226はそれぞれ、前述したと同様である。標準的な技術と同様に、圧力を加えながら、矢印228で示されるように、赤外線を使用してプラスチックシートを加熱する。この成形によりキャップ256が形成される。この場合、キャップは、その下面に、一連の細長いレンズを有している。その後、図示のように、前述した方法を用いてキャップがウエハに接着される。ウエハは、単離されるとともに、必要な電気的接続が成されて、図28に示されるような完成したパッケージが形成される。
【0049】
明細書の全体にわたって、半導体、特にシリコン半導体について言及してきたが、本発明は、半導体やシリコン系の半導体に限定されず、半導体以外のデバイスおよびガリウムヒ素半導体等のシリコン系以外の半導体にも適用できることは言うまでもない。
【0050】
特にMEMSデバイスに関して本発明を説明してきたが、本発明は、MEMSデバイスまたはMOEMSデバイスに限定されず、ウエハ上に一括形成されるあるいは一括形成されても良い任意のデバイスに適用できることは言うまでもない。
【0051】
当業者であれば分かるように、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、ここで説明した実施形態に多くの自明な変更および変形を成すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】半導体チップ上に保護キャップを形成する従来の方法を示している。
【図2】図1の方法にしたがって形成された従来のパッケージングの断面を示している。
【図3】MEMSデバイスの従来のパッケージングの断面を示している。
【図4】本発明にしたがってパッケージされたMEMSデバイスの断面を示している。
【図5】成形キャップを形成することができる装置を示している。
【図6】図5の装置を使用して形成されたキャップをシリコンウエハに取り付ける方法を示している。
【図7】互いに接着された図6のウエハおよびキャップを示している。
【図8】成形されたキャップを本発明にしたがってシリコンウエハに取り付ける方法を象徴的に示している。
【図9】互いに接着された図8のウエハおよびキャップを示している。
【図10】保護キャップを形成するための装置の分解断面図を示している。
【図11】図10の装置の分解斜視図を示している。
【図12】成形開始時における図10の装置の断面図を示している。
【図13】成形の終了後であってモールドの一方側が他方側から解放される直前における図10の装置を示している。
【図13a】図13の拡大図を示している。
【図14】図13に対応する図10の装置の斜視図を示している。
【図15】一方のモールドが部分的に除去された後における装置の側断面図を示している。
【図16】一方のモールドが完全に除去された後における装置の側断面図を示している。
【図17】エッチングを受ける装置の側断面図を示している。
【図18】エッチングを受けた後における装置の側断面図を示している。
【図19】ウエハへの適用および第2のモールド除去開始時における装置の側断面図を示している。
【図20】キャップ付設後におけるウエハの側断面図を示している。
【図21】ウエハの単離後における一連のチップの側断面図を示している。
【図22】ウエハの単離前に両側にキャップが設けられたウエハの側断面図を示している。
【図23】成形ウエハを形成する段階の側断面図を示している。
【図24】次の形成段階における図23のウエハの側断面図を示している。
【図25】完成した図示のウエハの側断面図である。
【図26】図25のウエハを使用する成形プロセスの側断面図を示している。
【図27】ウエハを別個のパッケージに分離する前に取り付けられ且つ図26のプロセスによって形成されるキャップによって光学デバイスがパケージングされた半導体ウエハの断面図を示している。
【図28】パッケージされた完成状態における光半導体チップの断面図を示している。
【符号の説明】
【0053】
254 発光デバイス
258 屈折レンズ
260 カバー部
256 キャップ
250 半導体レーザーチップパッケージ
252 半導体チップ
【0001】
この発明は、保護キャップを成形して、マイクロ電子半導体チップに対して各チップ毎を基本にウエハスケールで保護キャップを両側に適用することに関する。特に、本発明は、保護キャップを成形するとともに、発光デバイスを組み込んだ半導体チップに対して保護キャップを適用することに関する。
【背景技術】
【0002】
半導体チップは、通常、チップおよびその配線を外気および機械的なダメージから保護するために、保護層内にパッケージされている。既存のパッケージシステムは、一般に、エポキシ樹脂成形体および熱硬化剤を使用して、チップの周囲に固定保護層を形成する。これは、通常、リードフレームに接着されたダイスカットされたチップにおいて個別に行なわれるため、各ウエハ毎に多数回行なわなければならない。他のパッケージング方法は、密封シールされた金属パッケージまたはセラミックパッケージと、ボールグリッドアレイ(BGA)パッケージおよびピングリッドアレイ(PGA)パッケージ等のアレイパッケージとを有している。最近では、ウエハスケールパッケージング(WSP)が使用され始めてきている。成形・硬化技術を使用すると、ウエハは、機械的な応力および熱的な応力の両方を受ける。また、そのように形成される保護キャップは、固体の材料片であるため、MEMSデバイスに使用することができない。これは、MEMSデバイスが高分子材料によって動作不能となるためである。MEMSデバイスのための既存のパッケージシステムは、熱的にシールされたパッケージを各デバイス毎に有しており、あるいは、シリコンまたはガラスウエハスケールパッケージングを使用する。これらの両者は、比較的高いコストを伴う作業である。
【0003】
また、発光素子や光受容体等の光学活性デバイスを組み込んだデバイスは、キャップを必要とする。この場合、キャップの少なくとも一部は、相対光を透過する。また、キャップは、多くの場合、キャップを透過する光を合焦させるレンズを必要とするため、エポキシ樹脂成形技術を使用することができない。デバイスは、一般に、個別にパッケージされ、あるいは、シリコンまたはガラスウエハスケールパッケージングを使用する。
【発明の開示内容】
【0004】
1つの広い形態において、本発明は、
a)上面および下面を有するとともに、1または複数の波長の電磁放射線を上面から放射する少なくとも1つの発光デバイスが形成された半導体チップと、
b)中央部と、中央部の周端から延びる第1の周壁とを有する中空の第1のキャップであって、第1の周壁の自由端が上面に接着されることにより第1のキャビティを形成し、平面視で少なくとも1つの発光デバイスの一部または全部を覆うとともに、前記1または複数の波長の電磁放射線を少なくとも部分的に透過もしくは半透過する少なくとも1つの領域を前記中央部が有している第1のキャップと、
を有し、
ウエハが個々のパッケージに分離される前のウエハ段階で、第1のキャップが半導体チップに接着される発光半導体パッケージを提供する。
【0005】
また、少なくとも1つの領域は、前記少なくとも1つの発光デバイスによって放射される前記電磁放射線を屈折させても良い。
【0006】
また、キャップは、電磁放射線伝送ケーブルまたはファイバをキャップに取り付けるための少なくとも1つの取り付け手段を更に有し、これにより、少なくとも1つの発光デバイスから放射される電磁放射線が、前記少なくとも1つの領域を通じてケーブルへと透過しても良い。少なくとも1つの取り付け手段は、第1の周壁から離間する中央部の外周から延びる第2の周壁を有していることが好ましい。
【0007】
また、パッケージは、チップの下面に接着された第2のキャップを有していても良い。
【0008】
第2のキャップは、平面視で、1または複数の発光デバイスの一部または全部を覆っていても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
図1および図2には、ウエハスケールで半導体ウエハ上に保護キャップを形成する従来の方法が示されている。半導体ウエハ10は、内部にキャビティ14が形成されたモールド(型)12に対して押し付けられている。また、キャビティ14内には液状高分子材料16が注入されている。高分子材料は、固体の保護キャップ18を形成するようになっている。その後、ウエハは、ウエハ鋸(wafer saw)を使用して単離(singulate)される。この技術は、その上にMEMSデバイスが形成されたウエハには適用できない。なぜなら、液状高分子材料がMEMSデバイスを取り囲んでその駆動を妨げるからである。
【0010】
図3は、MEMSデバイスを保護するための従来技術を示している。象徴的に示されたMEMSデバイス24を有するMEMSチップ20がシリコンウエハ26に接着される。これは、各チップステージまたはウエハステージで行なわれても良い。一般に、ウエハ26は、KOH等のエッチング剤を用いた結晶異方性エッチングによりエッチングされ、これにより、MEMSデバイスの位置に対応する一連の凹部28が形成される。ウエハ26は、MEMSウエハ20と注意深く位置合わせされ、MEMSウエハ20に対して接着される。このような手段は、MEMSデバイスをパッケージする有効な手段であるが、余分なシリコンウエハ(あるいは、時として、ガラス)を必要とし、また、このシリコンウエハをエッチングしてキャビティを形成しなければならないため、費用がかかる。
【0011】
図4は、その上に表面MEMS32が形成されたMEMSウエハ30を示している。このウエハ30には、本発明にしたがって、熱可塑性材料から成る中空の保護キャップ34が接着して設けられており、これにより、MEMSデバイスのための機械的で且つ大気から成る保護バリアが形成されている。MEMSデバイスが動作できるように、キャップ34は、ウエハとともにキャビティを形成する。
【0012】
成形された熱可塑性の中空キャップを使用すると、安価なパッケージングを行なうことができる。しかしながら、従来の技術は、必要な精度および微細加工されたデバイスに必要な熱的安定性を与えない。
【0013】
図5〜図7は、微細加工されたデバイス44から成る多数の群42を有する半導体ウエハ40をパッケージングできる技術を示している。この場合、デバイス群44は、象徴的に示されており、上面46上または上面46内に形成されている。
【0014】
従来の射出成形法およびスチール金型50,52を使用して、キャップ48の配列が形成される。これらのキャップは、デバイス群42と同じ公称間隔で、スプルール(sprule)54上に支持されている。この方法を使用すると、ほとんどと言っていいほど、図20に示されるように、結果的にMEMSデバイスの破壊を伴うアライメント不良が生じる。図20において、キャップ48aは、そのMEMSデバイス群42aと正確に位置合わせされている。しかしながら、キャップ同士の間隔がデバイス群同士の間隔よりも大きいため、キャップ48bが正確に位置合わせされていない。しかし、キャップ48bは、そのデバイス群42bのいずれのMEMSデバイスも破壊していない。これに対し、キャップ44c,44dは、大きなアライメント不良を起こしており、キャップの周壁が1または複数のMEMSデバイス44上にのしかかっており、MEMSデバイスの機能を損ねている。
【0015】
このようなアライメント不良は、スプルール材料とシリコンウエハとの熱膨張の差、成形部品の剛性不足、これらの技術を使用して正確に位置合わせしてウエハに高分子を接着できるように設計された機械部品の不足、を含む多くの要因によって生じ得る。
【0016】
これに対する解決策は、シリコン等のウエハと同じ熱膨張係数を有するツール(道具)を使用することである。図8および図9は、シリコンツール60を使用して熱可塑性キャップ60の列を保持することによりキャップをシリコンウエハ40に接着する技術を象徴的に示している。ツール60は、ウエハ40と同じ材料によって形成されているため、温度の変化によってアライメントが変化しない。すなわち、キャップ60同士の間隔は、MEMSデバイス44から成る群42同士の間隔と同じ大きさだけ変化する。そのため、接着時に、図9に示されるように全てのキャップが正確に位置合わせされる。また、シリコンを必要な精度で加工する多くの経験がある。
【0017】
図10〜図16は、中空の保護キャップを形成して、この保護キャップをウエハ、好ましくは半導体ウエハに適用する第1のシステムを概略的に示している。
【0018】
図10は、図4に示される中空の保護キャップを形成するための成形システム100を示している。この保護キャップは、MEMSデバイスまたは任意の他の微細加工デバイスと共に使用されても良い。成形システム100は、2つのシリコンウエハ102,104を有している。上側のウエハ102は、従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング技術を使用して処理されることにより、その下面108に一連の凹部106を有している。下側のウエハ104は、同様に処理されることにより、凹部106の端と位置合わせされる一連の溝112をその上面110に有している。凹部106および溝112は、処理されるウエハのチップサイズに合わせて、また、ウエハ上での間隔の繰り返しに対応する中心での繰り返しに合わせて、寸法付けられる。図示の実施形態において、保護キャップは、MEMSインクジェット印字ヘッド用に設計されているため、平面視において、その幅に対して長さが非常に長くなっている。凹部は、その端部が図示されていないが、矩形である。溝112の端部は図示されていないが、各凹部の両側の溝112は、実際には、平面視で矩形状を成す1つの溝である。
【0019】
隣り合うキャップにおける溝112は、エッチングされなかった材料部分114を形成する。同様に、隣り合う凹部106は、エッチングされなかった材料部分116を形成する。これらの材料部分114,116は、互いに位置合わせされ、2つのウエハ同士が押し付けられる際にこれらの材料部分114,116で2つのウエハが互いに接触する。
【0020】
キャップの周囲のための溝112が全て下側ウエハ104内にあり、中央部のための凹部104が全て上側ウエハ102内にあるように、2つの表面をエッチングした。
【0021】
エッチングされなかった表面上でのみ成形ウエハ同士が接触しなければならないというものではない。また、たった1つのモールド内で1つの凹部により中央部が形成されなければならないというものでもなく、たった1つのモールド内で1つの溝または1つの凹部によって周壁が形成されなければならないというものでもない。モールド間の有効な分割ライン(割れ目)は、望ましい任意の位置に配置されても良く、平面である必要はない。しかしながら、分割ラインの平面性は、一般に、モールドの製造(組立)を容易にする。
【0022】
また、アセンブリ100は、上側リリースウエハ(解放ウエハ)またはイジェクトウエハ(射出ウエハ)118と、下側リリースウエハまたはイジェクトウエハ120とを有している。これらの上側および下側のリリースウエハは、従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング技術を使用して処理されることにより、一連のリリースピン(解放ピン)122,124をそれぞれ有するシリコンウエハである。上側および下側の成形ウエハ102,104は、ピン122,124を受ける対応する穴126,128を有して形成されている。上側の穴126は、各凹部106の中心または軸にほぼ向けて位置されており、一方、下側の穴128は溝112内に位置されている。しかしながら、穴126,128は、その位置が特に重要ではなく、成形されたキャップを射出できるように配置されていれば良い。
【0023】
リリースピン122,124は、対応する穴の深さよりも長い。ピン122の自由端が穴126の内端と位置合わせされると、上側成形ウエハ102と上側リリースウエハ118との間に隙間130が形成される。この実施形態において、下側ピン124の長さは、下側成形ウエハ104の厚さと同じである。しかしながら、ピン124の長さは、ウエハの厚さよりも長くても良く、あるいは、短くても良い。ピン124の長さが下側ウエハ104の最大厚よりも短い場合、穴128の深さ、すなわち、少なくとも溝112で減ったウエハ104の厚さよりもピン124を長くする必要がある。下側のウエハ104,120は、ピン124が穴128内に部分的に挿入されるが穴128を越えて溝112内へと延びず、2つのウエハ間に隙間132が形成されるように、位置決めされる。ピン124は、穴の端部と面一になるように延びて、溝112に略平坦なベースを形成することが好ましい。
【0024】
成形ウエハおよびリリースウエハの厚さは約800ミクロンであり、隙間130,132の厚さは10〜100ミクロンのオーダーである。しかしながら、これは重要ではない。
【0025】
成形ツール(成形の型)は、滑らかなエッチングを形成するため、ボッシュエッチングではなく、低温ディープシリコンエッチングを使用してエッチングされることが好ましい。ボッシュエッチングは、ピンやキャップ凹部の側壁等のエッチングされた側壁にスキャロッピング(scalloping)を形成する。このスキャロッピングにより、成形材料からモールド(型)を解放することが非常に難しくなる。これに対し、低温エッチングを使用すると、エッチングされた壁が非常に滑らかとなり、モールドの解放が容易になる。
【0026】
2つのウエハ102,104間には、厚さが約200〜500ミクロンの熱可塑性材料から成るシート134が配置される。また、アセンブリは、オーストラリアのシャーディングのエレクトロニック・ビジョンズ・グループから市販されているEV501等の従来のウエハ接着マシン内に配置される。
【0027】
アセンブリは、マシン内で機械的に一括して押圧されるが、成形ウエハ同士を互いに押し付けて、大気圧を越える圧力を隙間130,132に作用させることにより、熱可塑性シートを変形させても良いことは言うまでもない。あるいは、他の手段を使用しても良い。
【0028】
シート134は、熱伝導によって加熱されても良いが、図12に矢印136で示されるように、放射線、好ましくは赤外線を使用して加熱されることが望ましい。熱伝導による加熱と放射線加熱とを組み合わせて使用しても良い。成形ウエハ102,104およびリリースウエハ118,120はそれぞれ、シリコンによって形成され、約1000nm〜約5000nmの範囲の波長の赤外光をほぼ透過する。選択された材料134は、本質的にこの波長範囲内の光を吸収し、あるいは、この波長範囲内の光を吸収するように添加される。材料134がこの範囲内の光を本質的に吸収しない場合、適した添加剤は、これらの波長の光を吸収する“カーボンブラック”(無定形炭素粒子)である。他の適した添加剤を使用しても良い。
【0029】
シート134は、2つの成形ウエハ間に配置され、矢印136で示されるように、適当な波長の赤外光に晒される。赤外線は、対称に加熱できるようにウエハおよびシート134の両側から供給されることが好ましいが、これは必須要件ではない。赤外線が片側のみから供給されても良い。シリコンウエハが赤外線を透過するため、赤外線は、ウエハを通り過ぎてシート134によって吸収される。適した温度まで加熱した後、成形ウエハ同士を互いに押し付けて、シート134を変形させても良い。特に熱伝導を使用する場合には、シート134が十分に加熱されるのを待つことなく、シート134が加熱されている間にウエハ同士を押し付けても良い。シリコン以外の材料が使用される場合、その使用される材料を透過する他の波長の電磁放射線によってシート134が加熱されても良い。
【0030】
シート134は、ウエハ接着マシン内で処理されると、凹部106および溝112によって規定されるキャビティの形状に成形される。また、材料は、図13aに矢印142で示されるように、2つの部分114,116間の隙間から実質的に押し出され(圧搾され)、これにより、一連のキャップ138が形成される。
【0031】
前述したように、成形ウエハ102,102は、従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング技術を使用して形成される。このプロセスの精度は、使用されるリソグラフィおよびレジストによって決まる。シリコン対レジストのエッチング選択度は、一般に、約40:1〜約150:1である。この場合、500μmの厚さのエッチングでは、約15μm〜4μmのレジスト厚が必要である。接触マスクまたは近接マスクを使用すると、約2μmの臨界寸法を達成することができる。ステッパー、電子ビーム、あるいは、X線リソグラフィを使用すると、1ミクロン未満まで臨界寸法を小さくすることができる。したがって、部分114と部分116との間から材料134を完全に押出して、隣り合うキャップ136を完全に分離することができる。また、製造公差に起因する相対表面の位置の変化により、最大で約2ミクロンの厚さの薄い層140を、隣り合うキャップ136同士の間の部分114,116間に残しても良い。
【0032】
成形ウエハまたはリリースウエハが半導体材料から成ることは必須の要件ではなく、また、これらのウエハが従来のリソグラフィおよびディープシリコンエッチング法を使用して処理されることも必須の要件ではない。必要に応じて、他の材料および方法を使用しても良い。しかしながら、半導体ウエハと同様の材料を使用すると、温度変化があまり影響しないため、精度が良くなる。また、リソグラフィおよびディープシリコンエッチング法は、良く理解されており、必要な度合いの精度を与える。また、1つの製造プラントを使用して、半導体デバイスおよび成形装置の両方を製造しても良い。
【0033】
2つの成形ウエハ102,104間から材料を押し出す際に材料が移動できる空間が存在するように、2つの成形ウエハ102,104を形成する必要があることは言うまでもない。
【0034】
保護キャップ138を形成した後、材料134を上側成形ウエハ102に付着させたまま、下側の成形ウエハ104およびリリースウエハ120を取り除くことが好ましい。下側の成形ウエハとリリースウエハとの間の隙間132に負圧を作用させる。リリースウエハ118,120は、アセンブリ内に装着固定されている。一方、成形ウエハ102,104は、ウエハの基準面に対して垂直に移動できる。したがって、下側成形ウエハ104は、リリースウエハ120に向けて下方に引き下げられる。リリースウエハ120のピン124は、材料134に対して強固に押し付けられているため、材料134を所定の位置に保持するとともに、材料が下側成形ウエハ124と共に下方に移動することを防止する。この段階後のアセンブリ100の配置構成が図15に示されている。
【0035】
この時、下側リリースウエハ120は、ピン124によってのみ材料134と接触するため、材料134を上側成形ウエハ102から引き離すことなく、下側リリースウエハ120と材料134との接触状態を解除することは比較的容易である。これが行なわれた後、アセンブリは図16に示される配置構成となり、材料134は、更なる処理に晒されて、ウエハに対して取り付けられる。
【0036】
シート134は、上側成形ウエハに取り付けられたまま、図17に示されるように、下側から、エッチング、好ましくは酸素プラズマエッチングに晒され、これにより、材料から成る薄い層140が除去される。残りの材料の厚さが十分に大きいため、エッチングは、残りの材料に影響を殆ど及ぼさない。エッチングされたアセンブリが図18に示されている。
【0037】
その後、アセンブリは、その上に多くのチップが形成されたウエハ144上に配置される。各チップは、複数のMEMSデバイス146を有している。構成部品は、位置合わせされた後、キャップ138をウエハに接着させるためにEV501等の従来のウエハ接着マシン内に配置される。各キャップがチップの全て又は一部の上を覆うように、チップの列が位置決めされる。デバイスは、象徴的に図示されており、MEMSデバイス、MOEMSデバイス、他の微細加工デバイス、受動電子素子、または、従来の半導体デバイスであっても良い。
【0038】
ウエハ接着マシンからアセンブリを除去した後、上側の隙間130に負圧を作用させて、上側成形ウエハ102を上側リリースウエハ118に向けて上方に引き上げる。下側成形ウエハ102の解放と同様に、キャップ138は、上側リリースウエハのピン122によって所定の位置に保持される。したがって、上側成形ウエハの移動作用に起因してキャップがウエハから誤って外れてしまう可能性を、完全に防止できないとしても、低減することができる。
【0039】
この時、ウエハ144は、各チップが別個のキャップ138によって保護された状態となっている。この状態で、ウエハを個々のダイに単離することができる。チップが規則的な配列で配置される場合、従来のウエハ単離方法−ソーイング(鋸切り)またはスクライビング(刻み付け)を使用しても良い。しかしながら、チップ間の分割ラインが規則的でない場合、あるいは、チップが非常に脆弱でソーイングやスクライビングを行なうことができない場合には、ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング(DRIE)を使用してウエハを単離しても良い。DRIEは、ウエハのソーイングよりも非常に高価であるが、ウエハが既にウエハディープエッチングによって要求されている場合には、MEMSデバイスの数の増加と同様に、実際的価値がない。エッチングが使用される場合、次に、ウエハ144は、アルカテル601Eまたは表面技術システム高性能シリコンエッチングマシン等のエッチングシステム内で、ディープシリコンエッチングに晒され、これにより、ウエハ144が各パッケージに分離される。このエッチングは、1分間に約2〜5ミクロンの速度で行なわれ、ウエハのキャップ側またはウエハの下側から施されても良い。エッチングは、異方性が高く(方向性があり)、エッチング方向の横からシリコンをエッチングすることは殆どない。エッチングがキャップ側から施される場合には、キャップ138がマスクとして作用し、キャップ間のシリコン材料だけがエッチングされる。各チップ間の全てのシリコン材料が除去されるまでエッチングが続けられることにより、その後のプロセスのためにチップ148が分離される。エッチングが下側から施される場合には、ウエハの下面に別個のマスクを加える必要がある。
【0040】
分離段階でディープエッチングの方向に晒される(露出される)任意のシリコンは、エッチングによって除去される。したがって、エッチングが上端(キャップ)側から施される場合、チップの上面上に保持する必要がある電気接着パッド等の任意の露出シリコンは、レジスト等によって保護されなければならない。レジストは、ワイヤボンディング前に除去されなければならない。あるいは、ウエハの下面にマスクを加えて、後側からディープシリコンエッチングを行なう。また、ウエハの下面に第2のキャップを設けても良い。この場合、上側のキャップと同じ形成方法を利用するとともに、下側のキャップをエッチング用のマスクとして使用する。ウエハの段階で上側のキャップおよび下側のキャップの両方を設けることにより、各チップは、単離前にほぼ完全にパッケージされる。
【0041】
図22は、上面および下面の両方に保護キャップを設ける技術を示している。この図は、その上面154に一連のMEMSデバイスチップ153が形成されたウエハ150を示している。各チップ153は、1または複数のMEMSデバイス152を有するとともに、他の微細加工素子を選択的に有している。前述した本発明の技術により、上面154には、保護キャップ156の第1のセットが形成されている。各チップ153の接着パッド158は、上面154上にあり、保護キャップ156によって覆われていない。前述した本発明の技術により、ウエハの下面162には、保護キャップ160の第2のセットが形成されている。保護キャップの第1および第2のセットは、連続的にウエハに設けられても良く、あるいは、同時にウエハに設けられても良い。設ける順番は重要ではない。キャップ160の第2のセットは、各チップ153の下側に配置されるが、第1のセット156よりも大きく、接着パッド158の下側でこれを越えて延びている。
【0042】
その後、ウエハ150は、各チップを分離するため、矢印164によって示されるように、ウエハの上面からではなく、ウエハの下面からディープシリコンエッチングに晒される。したがって、下側のキャップ160は、接着パッド158に対してマスクとして作用するとともに、エッチングプロセスが非常に方向性を有しているため、各チップの下側キャップ160間のシリコンだけがエッチングによって除去される。下側キャップの輪郭の内側にある上面上の接着パッド158および他の露出する部分は、実質的にエッチングによって影響を受けないため、チップ152がエッチングによって損傷することはない。
【0043】
中空の空間が必要な場合には、第2のセットのキャップを設けるだけで済むことは言うまでもない。しかし、第2のセットのキャップが不必要で望ましくない場合、下面上にレジストをグリッドパターンでコーティングして、露出するチップ間の領域をディープエッチングのために残しても良い。
【0044】
図28は、本発明に係るキャップを組み込んだ半導体レーザチップパッケージ250を示している。パッケージは半導体チップ252を有している。半導体チップ252上には、一連の半導体レーザデバイス254が形成されている。例えば、これらは、バーチカル・キャビティ・サーフェイス・エミッティング・レーザ(VCSEL)であっても良い。VCSELは、チップの面に対してほぼ垂直にレーザ光を放射する。前述した本発明の技術を使用してキャップ256が形成されてチップに取り付けられる。しかしながら、キャップは、VCSELによって放射された光の波長をほぼ透過する材料によって形成されている。また、キャップは、カバー部260内に屈折レンズ258を有するように形成されている。これを達成することは、適切な形状の凹部を有する成形ウエハを形成することにより、比較的容易となる。
【0045】
キャップの製造に含まれるステップが図23〜図26に示されている。キャップは、前述した成形技術を使用して製造されるが、以下のように修正される。
【0046】
キャップを形成するために使用される下側成形ウエハ200の成形面内には、一連のレンズ形成凹部が形成されている必要がある。レジストマスク201は、マスク201内に一連の小さな穴203を有して上面に加えられる(図23a)。その後、ウエハは、等方性エッチングに晒される。穴のサイズは比較的小さいため、エッチング剤は、エッチング穴の裏側の半球状の凹部202をエッチングする(図23b)。エッチング後、マスクが除去される。
【0047】
図23cに示されるように、キャップの側壁のための凹部204は、壁形成凹部に対応する開口210を有する第2のレジスト206を上面208に塗布することにより形成される。図23に示されるように、異方性ディープシリコンエッチングが上面に施されて、壁形成凹部204が形成される。図24に示されるように、イジェクタピン穴(射出ピン穴)214を形成するための開口を有する第2のレジスト212が下面に塗布される。異方性ディープシリコンエッチングが下面に施されて、図24に示されるように、イジェクタピン穴が形成される。図25は、完成した下側ウエハの側面図を示している。
【0048】
その後、図26に示されるように、前述した成形技術を使用してプラスチックシート222が成形される。上側キャップ220、上側および下側リリースウエハ224,226はそれぞれ、前述したと同様である。標準的な技術と同様に、圧力を加えながら、矢印228で示されるように、赤外線を使用してプラスチックシートを加熱する。この成形によりキャップ256が形成される。この場合、キャップは、その下面に、一連の細長いレンズを有している。その後、図示のように、前述した方法を用いてキャップがウエハに接着される。ウエハは、単離されるとともに、必要な電気的接続が成されて、図28に示されるような完成したパッケージが形成される。
【0049】
明細書の全体にわたって、半導体、特にシリコン半導体について言及してきたが、本発明は、半導体やシリコン系の半導体に限定されず、半導体以外のデバイスおよびガリウムヒ素半導体等のシリコン系以外の半導体にも適用できることは言うまでもない。
【0050】
特にMEMSデバイスに関して本発明を説明してきたが、本発明は、MEMSデバイスまたはMOEMSデバイスに限定されず、ウエハ上に一括形成されるあるいは一括形成されても良い任意のデバイスに適用できることは言うまでもない。
【0051】
当業者であれば分かるように、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、ここで説明した実施形態に多くの自明な変更および変形を成すことができる。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】半導体チップ上に保護キャップを形成する従来の方法を示している。
【図2】図1の方法にしたがって形成された従来のパッケージングの断面を示している。
【図3】MEMSデバイスの従来のパッケージングの断面を示している。
【図4】本発明にしたがってパッケージされたMEMSデバイスの断面を示している。
【図5】成形キャップを形成することができる装置を示している。
【図6】図5の装置を使用して形成されたキャップをシリコンウエハに取り付ける方法を示している。
【図7】互いに接着された図6のウエハおよびキャップを示している。
【図8】成形されたキャップを本発明にしたがってシリコンウエハに取り付ける方法を象徴的に示している。
【図9】互いに接着された図8のウエハおよびキャップを示している。
【図10】保護キャップを形成するための装置の分解断面図を示している。
【図11】図10の装置の分解斜視図を示している。
【図12】成形開始時における図10の装置の断面図を示している。
【図13】成形の終了後であってモールドの一方側が他方側から解放される直前における図10の装置を示している。
【図13a】図13の拡大図を示している。
【図14】図13に対応する図10の装置の斜視図を示している。
【図15】一方のモールドが部分的に除去された後における装置の側断面図を示している。
【図16】一方のモールドが完全に除去された後における装置の側断面図を示している。
【図17】エッチングを受ける装置の側断面図を示している。
【図18】エッチングを受けた後における装置の側断面図を示している。
【図19】ウエハへの適用および第2のモールド除去開始時における装置の側断面図を示している。
【図20】キャップ付設後におけるウエハの側断面図を示している。
【図21】ウエハの単離後における一連のチップの側断面図を示している。
【図22】ウエハの単離前に両側にキャップが設けられたウエハの側断面図を示している。
【図23】成形ウエハを形成する段階の側断面図を示している。
【図24】次の形成段階における図23のウエハの側断面図を示している。
【図25】完成した図示のウエハの側断面図である。
【図26】図25のウエハを使用する成形プロセスの側断面図を示している。
【図27】ウエハを別個のパッケージに分離する前に取り付けられ且つ図26のプロセスによって形成されるキャップによって光学デバイスがパケージングされた半導体ウエハの断面図を示している。
【図28】パッケージされた完成状態における光半導体チップの断面図を示している。
【符号の説明】
【0053】
254 発光デバイス
258 屈折レンズ
260 カバー部
256 キャップ
250 半導体レーザーチップパッケージ
252 半導体チップ
Claims (7)
- a)上面および下面を有するとともに、1または複数の波長の電磁放射線を上面から放射する少なくとも1つの発光デバイスが形成された半導体チップと、
b)中央部と、中央部の周端から延びる第1の周壁とを有する中空の第1のキャップであって、第1の周壁の自由端が上面に接着されることにより第1のキャビティを形成し、平面視で少なくとも1つの発光デバイスの一部または全部を覆うとともに、前記1または複数の波長の電磁放射線を少なくとも部分的に透過もしくは半透過する少なくとも1つの領域を前記中央部が有している第1のキャップと、
を有し、
ウエハが個々のパッケージに分離される前のウエハ段階で、第1のキャップが半導体チップに接着される発光半導体パッケージ。 - 少なくとも1つの領域は、前記少なくとも1つの発光デバイスによって放射される前記電磁放射線を屈折させる、請求項1に記載のパッケージ。
- キャップは、電磁放射線伝送ケーブルまたはファイバをキャップに取り付けるための少なくとも1つの取り付け手段を更に有し、これにより、少なくとも1つの発光デバイスから放射される少なくとも幾らかの電磁放射線が、前記少なくとも1つの領域を通じて、ケーブルまたはファイバへと透過する、請求項1に記載のパッケージ。
- 少なくとも1つの取り付け手段は、第1の周壁から離間する中央部の外周から延びる第2の周壁を有している、請求項3に記載のパッケージ。
- 少なくとも1つの取り付け手段は、少なくとも1つの凹部を中央部に有している、請求項3に記載のパッケージ。
- チップの下面に接着された第2のキャップを更に有している、請求項1に記載のパッケージ。
- チップの下面に接着された第2のキャップを更に有し、前記第2のキャップは、平面視で、少なくとも1つの発光デバイスの一部または全部を覆っている、請求項1に記載のパッケージ。
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