JP2007524243A - オプトエレクトロニクスによるマイクロ光学機器 - Google Patents

Abstract

本発明は、能動オプトエレクトロニクスを有する光学素子とモノリシックのオプトエレクトロニクスシステムとの組み合わせに関する。能動光学部品（２）を含むオプトエレクトロニクスウエハー（１）には（マイクロ）光学構造が備えられる。光学構造（１２、１３）は能動光学部品（２）に割り当てられ、すなわち、これらは能動光学部品（２）に影響を与え、および／もしくは、所望の方法でそこから発生する光に影響するように構成される。この目的のため、これらは光学部品に整列されるか、この目的を果たすべくその他の方法で調整されるかのどちらかである。組み合わされた能動光学部品／光学構造は、たとえば、光学構造を有する半導体ウエハーを少なくとも１つの能動光学部品（２）および少なくとも１つの光学構造（１２，１３）を含む部分に切断することによって分離される。

Description

発明の分野
本発明の分野はオプトエレクトロニクスデバイスである。これはより具体的には集積オプトエレクトロニクスデバイスを製造する方法、このような方法を用いて製造されたオプトエレクトロニクスデバイス、および半仕上げの製品、すなわち光学部品をウエハーレベルに備えるオプトエレクトロニクスウエハーに関する。

発明の背景
モノリシックのオプトエレクトロニクスシステムのための、光学素子の能動オプトエレクトロニクスデバイス（発光および光検出）との組み合わせは、ますます重要になってきている。オプトエレクトロニクスデバイスはますます小型化されているので、このようなオプトエレクトロニクスシステムを小型化するためには、光学部品およびマイクロシステムは同じ小型化をされる必要がある。しかし、現在最先端の技術によると、（受動）光学部品およびシステムは完全に分離した部分で、オプトエレクトロニクスデバイスの製造チェーンに組み込まれることができない。

（受動）光学部品がオプトエレクトロニクス製造チェーンに含まれる時、重要な要件は、通常、光学機器が光学能動部品の製造プロセスと互換性があることである。このことは、高温、多湿の環境での、および温度衝撃においての、安定性を含む；当然のことながら、光学機能に関する要件もまた、物質およびプロセスによって保証される必要がある：注目される波長帯における大いにまたは明確に規定された透明性、分散および偏光の正確な制御、整列、波長のほんの一部に至るまで制御される必要のある表面形状、層の光学品質：少ない引っかき、つつき、内包物、泡などである。そして最終的に機械的な要件、たとえば光学およびオプトエレクトロニクス部品の保護および形状安定性、もまた満たされなくてはならない。

発明の概要
本発明の目的は、小型化に適した新規の集積オプトエレクトロニクスシステム、およびその製造方法を提供することである。製造方法は、製造コストの削減をもたらすべきである。

この目的は、請求の範囲に規定される方法およびデバイスによって達成される。
この明細書において、以下の定義が用いられる。

「能動光学デバイス」：光感知もしくは発光デバイスのどちらかである；たとえば、検知器、画像感知器、ＬＥＤ、ＶＣＳＥＬ、レーザー、ＯＬＥＤなどである。「光学的能動」とは、電磁放射と相互作用するよう機能すること、もしくは電磁放射を放出することを意味する。

「光」：電磁放射、とりわけ、可視の、ＩＲもしくは紫外線の電磁放射。
「オプトエレクトロニクスウエハー」：能動光学部品／領域を有する能動光学デバイスのアレイを含む半導体ウエハー。

「受動光学部品」：屈折もしくは回折光学部品；光学システムをまた含む（光学素子、および、開口絞り、画面、ホルダーなどの機械形状の一群）。この用語はマイクロ光学素子に限定されず、レンズ、プリズム、ミラーなどの「古典的な」光学素子にもまた用いられることができる。

「オプトエレクトロニクスシステム」：能動および受動光学デバイス、素子、システム部品を含むシステム；たとえば、ＣＭＯＳカメラモジュール。

「複製」：エッチング、エンボス加工、成形などの技術を含む、所与の構造を（もしくはそのネガを、それぞれ）複製する任意の技術。大部分の実施例は紫外線複製、すなわち紫外線を用いた硬化段階を含む複製を参照して説明されるであろう。複製それ自体は、（マイクロ）光学構造に関しても、技術的に既知である。複製ツールを製造する方法と同じく複製技術はここでは詳細に説明されない。以下に説明される本発明の多くの実施形態において、光学部品の作成に複製技術は重要であるが、ウエハーボンディングなどのさらなる技術が、完全なシステムを作り上げるために用いられるであろう。

「マイクロ光学機器」：従来の光学機器と比較して、マイクロ光学機器は、屈折および／もしくは回折をもたらす微細構造に基づき、構造は、一般的には数マイクロメーター（μｍ）、たとえば０．１μｍ〜２００μｍ、０．２μｍ〜２００μｍ、または０．５μｍ〜２００μｍで、好ましくは０．２μｍか０．５μｍから約５０μｍの間で、しばしば０．５μｍから約３０μｍの間である、特徴的な深さ／高さ、およびしばしば幅も有する。すなわち、特徴的な外形深さおよび外形幅は、屈折マイクロ光学機器に関してほぼ数波長から数１０波長程度であり、回折光学機器に関して約１波長から数波長である。大まかにいうと、マイクロ光学素子は、構造上の異なる隣接した位置に存在する放射の位相関係がよく規定されるような構造を有する。このことは、構造の異なる素子における放射の挙動が幾何光学図で説明されることのできる、古典的な、純粋に屈折性の光学素子とは対照的である。したがってマイクロ光学素子は、古典的な光学素子とは対照的に（古典的なレンズ、ミラー要素など）、光の波動性が考慮に入れられる必要があり、マイクロ光学素子が放射にあたって有する影響に関与するような、構造を有するものとしてみなされることができる。一般的にマイクロ光学機器は、古典的な光学機器の延長である。回折光学素子（ＤＯＥ）は、マイクロ光学素子の実施例である；主として回折効果を有するマイクロ光学素子は、それらが何らかの屈折効果も有しているとしても、しばしばＤＯＥと称される。

「（マイクロ）光学ウエハー」：（マイクロ）光学部品のアレイを含む透明な基板。
したがって「ウエハー」の用語は、本明細書の文脈においては、オプトエレクトロニクス部品に関して、古典的な、教科書的な感覚で用いられる、すなわちこれは、明確に規定された結晶構造および集積回路構造を有する半導体物質のディスクである。対照的に「光学ウエハー」の語は、半導体ウエハーのサイズにほぼ対応するサイズを有する、透明なディスク状もしくはプレート状の基板を説明するのに用いられ、基板にはマイクロ光学構造が備えられる。光学ウエハーは基板上にしばしば、光学（マイクロ）構造を含むポリマー物質の薄膜を含む。

したがって「ウエハースケール」の語は、古典的な半導体ウエハーもしくは光学ウエハーのスケールを有するプロセス／製品に関して用いられる。これはまた、およそウエハーサイズを有し、その上で分離されるための、複数の個々の、しばしば同一の部品を有する他の製品のスケール、たとえばその上に複数のダイを有する、「ウエハースケール」インターポーザーもしくは相互接続、を説明するのにも用いられるであろう。

本発明の第１の原則は、光学機器とオプトエレクトロニクスとを、ウエハースケールで結合させることである。すなわち、オプトエレクトロニクスウエハーには光学（マイクロ
）構造（もしくはマイクロ光学構造）が備えられる。光学構造は、能動光学部品に割り当てられる、すなわちそれらは、能動光学部品に影響を与え、および／もしくは、所望の方法でそこから生じる光に、影響するよう構成される。この目的のために、それらは光学部品に整列されるか、その他の方法でこの目的を果たすよう調整される。結合された能動光学部品／光学構造は、たとえば、光学構造を有する半導体ウエハーを、少なくとも１つの能動部品および少なくとも１つの光学構造を含む部分にダイシングすることによって、分離される。

本発明の第２の原則は、能動光学構成要素と揃えられた（マイクロ）光学機器を含むウエハースケールの複製プロセスを提供することと、光学構造の能動光学部品に対して規定された３Ｄ位置を考慮する、明確に規定された３Ｄ構造もまた提供することである。

どちらの原則に関しても、光学（古典的および／もしくはマイクロ光学）構造が複製によって作成されることが好ましい。複製技術は、エンボス加工、成形などを含む。複製は、部品による部品の複製であり、マイクロ光学素子に割り当てられたそれぞれの個々の構造が、個々に作成されるであろう。他の方法として、複数の構造の複製は、複製ツールによって同時に達成されるであろう。つまるところ、ウエハーサイズの複製ツールによるウエハースケールの複製も可能である。

第１のアプローチによると、オプトエレクトロニクス部品およびマイクロ光学構造は、分離ウエハー上で作成される。オプトエレクトロニクスウエハーおよび光学ウエハーはウエハーレベルで取り付けられ、揃えられる。好適な実施形態によると、精密な距離制御に関して光学ウエハー上の複製３Ｄ構造などの、精密な距離および正確な整列を確保する手段が存在する。

第２のアプローチによると、複製（マイクロ）光学構造を有する複製物質の層（すなわち、それに構造を複製できる物質）は、オプトエレクトロニクスウエハー上、もしくはオプトエレクトロニクスウエハー上の透明な中間層の上に、直接提供される。光学機器は、オプトエレクトロニクスウエハー上に直接、適用される／複製されるであろう、すなわち、オプトエレクトロニクスウエハーは複製のための基板として機能する。この方法は大変小型のオプトエレクトロニクスシステムをもたらす。整列は、光学製造の間に既に行われ（たとえば、複製プロセス）、個々のウエハーを後ほど整列する必要はない。

好適な実施形態によると、この第２のアプローチは、オプトエレクトロニクスウエハーのいくつかの領域を、後からの電気接触のためにフリーにしておく、新しい技術およびプロセスと結合する、すなわち、複製光学素子は、オプトエレクトロニクスウエハー上の明確に規定された領域に限定される。したがって複製は、ウエハーの光学能動領域／部品の上で行われるが、さらなる物質は全く、電気的接触のためにアクセス可能である必要のある領域を乗り越えることができない。

これらの実施形態において、複製物質の層−すなわち、その中に複製されるところの物質−は、電気接触領域が電気的絶縁物質から完全に離れているような方法で構成される。このことは、たとえば、以下の方法の１つもしくはこれらの組み合わせによって達成されるであろう。

−写真構造複製：（マイクロ）光学構造は、硬化可能な物質に複製され、これはそこで、たとえばマスクを介した紫外線照射によって、もしくは集束または平行放射源による所望の領域の順次的な照射によって、選択的に硬化される。硬化されない物質はそこで除去され、電気的接触領域を露出する。

−硬化可能な物質を選択されたスポット上に配置し、複製ツール上の流れストップ構造を用いて、これが接触領域に流れることを防ぐ。

−まず、（マイクロ）光学構造を複製し、次に複製された部分をオプトエレクトロニクスウエハー上に糊づけする。

−保護層（犠牲層）をオプトエレクトロニクスウエハー上に提供し、保護層は、（マイクロ）光学構造が配置されるべき場所に溝を含む。

別の方法として、複製物質はオプトエレクトロニクスウエハーの上に、接触された後にのみ配置される。このようにして、電気的接点の透明な複製物質内への封入は、光学機能を有することに加え、またはそれに代わって、機械的摩耗に対する保護としても機能する。

さらに好適な実施形態によると、第１および第２のアプローチはどちらも、信頼できる厚さ制御に関する技術と組み合わせることができる：第１のアプローチによると、光学表面とオプトエレクトロニクス部品／デバイスとの距離は、その基板厚み自身、および好適には、ウエハーレベルの複製ディスタンスホルダーによって規定される。第２のアプローチによると、光学素子の光学能動部品からの距離は、複製層（さらに場合により中間層）の厚みによって決定される。このことは、（マイクロ）光学素子が水平方向に大変よく調整されていることのみならず、垂直方向にたとえば１μｍに至るまでの正確さで調整されていることをも意味する。好適な実施形態の説明において、このような精度を達成するための新規の技術が説明される。

光学部品およびオプトエレクトロニクスデバイスをウエハーレベルで組み合わせることにより、製造コストの主要な削減を達成することができる。しかし、ウエハーレベルでのこのような組み合わせを達成するべく以下に提供される方法は、個々の部品にもまた適用できる。

本発明の第３の原則は、透明の物質の第１の層をインターポーザーの上の能動光学デバイス（すなわち、ダイと相互接続基板／ＰＣＢとの間にあるデバイス）の上に、もしくは場合によっては、ダイボンドを用いてインターポーザーによって接触される相互接続基板の上に、直接提供することであり、第１の層は高い光学透明性および低い弾性モジュール（たとえば１０Ｍｐａもしくはそれより低い、１Ｍｐａから１０Ｍｐａの間の値）を有することが好ましく、そして第１の層の上に第２の透明層を提供することであり、第２の透明層はたとえば第１の層よりも硬い。

接触能動光学部品のこのようなパッケージは、従来技術の能動光学デバイスのパッケージに対して多くの利点を有する。たとえば、２層構造は、さらなるプロセス段階も考慮して、有利な特性を有する物質から選択することを可能にする。しばしば、装置製造プロセスの後にくる作成段階、たとえばＩＲリフローはんだ付け／仕上げにおいて、十分な熱抵抗を提供することが必要である。また、パッケージの表面は容易に引っかき傷をつけられないよう十分に硬くなければならない。これらの特性を組み合わせた物質はしばしば、硬化中に急激に縮む傾向があり、このようにして接触結合をはがす。２層構造は第１の比較的柔らかい、収縮の影響が低い物質を、第１の層として選択することを可能とする。第１の層の物質の実施例は、ｃａｓｔＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）である。第２の層は、硬化可能なエポキシなどの、ほぼ任意の収縮特性を有する硬い物質であってよい。

好適な実施形態によると、機械もしくは光学構造は、硬化の前に、第２の層に複製されるであろう。機械構造は、能動光学デバイスの位置における刻み目であり、したがって、
第２の層の表面は、ひっかきからさらに保護されるであろう。

第１の層は第２の層よりも厚いであろう。第１の層の厚さの要件は、これが、部品自身や結合などの、インターポーザー表面から突出する全ての構造を覆うことである。第１（中間）層のさらなる目的は、基板と第２の（硬い）層との異なる熱膨張係数を補償することでもあろう。熱硬化段階の後の基板曲がりなどの影響は、適切な物質を選択することで排除することができる。

本発明のこの第２の原則にしたがって作成されたパッケージは、複数の部品のレベルで作られるのが好ましく、すなわち、複数の結合された能動光学デバイスを含む広領域のインターポーザー基板が提供されるであろう。これらの全てのデバイスを含む相互接続基板は全体として、２つの透明な層を備えるであろう。そこで、相互接続基板は分離した個々のパッケージをもたらすべく分割されるであろう。

本発明の第３の原則は、本発明の第２の原則と結合され、適用可能な場合は、本発明の第１の原則とも組み合わされるであろう。

以下に、本発明の実施形態が、縮尺通りでない概略的な図面を参照して説明される。図面は以下を示す。

図において、類似の要素には同じ参照番号がつけられている。
好適な実施形態の説明
図１に示される実施形態は、たとえばレーザー、光検出器、発光デバイスなどの複数の光学能動部品２を有する、オプトエレクトロニクスウエハー１を含む。これはさらに、複製構造を有する光学ウエハー１１を含む。複製構造は、屈折構造１３と同様に回折光学構造１２を含み、たとえば両方の表面に、すなわち光学ウエハーの両側に、配置されるであろう。光学ウエハーは、紫外線硬化エポキシなどのエンボス加工可能な物質の層を両側に備えたガラスディスクであり、その物質に構造が複製される。光学ウエハーは、（マイクロ）レンズ、回折光学素子、もしくは格子などの光学構造に加えて、柱、支柱、壁などのディスタンスホルダー１４を含む。ディスタンスホルダーは複製構造であり、光学構造１２もそれを用いて複製されたところの複製ツールを用いて、エンボス加工可能な物質に複製された。別の方法として、ディスタンスホルダーは、分離複製もしくは印刷プロセスによって複製された。

そこで、説明されるデバイスの製造プロセスは、次のとおりである。
ａ） マイクロ光学形状およびマイクロ機械形状を含む複製ツールが提供される（このような複製ツールを製造する多様な方法がある；その中には、欧州特許出願０３ ４０５
８８８．３に説明されたプロセスがあり、そこに説明され、図２から図６に示される、格子状構造とマイクロ光学構造とを組み合わせるプロセスは、参照することにより本明細書の一部を構成する）。マイクロ機械形状は、それらがオプトエレクトロニウスウエハー上の機械逆構造もしくはこのウエハー上の何らかのフリー領域上のどちらかに適合するように設計される。

ｂ） 構造は、適切なプロセス、一般的に光学ウエハー上のエンボス加工もしくは成形加工により複製される。その後、もし光学ウエハーの基板がオプトエレクトロニクスウエハーと同じサイズでない場合（しばしば、基板はそのサイズにより選択される）、カッティング段階が実施され、オプトエレクトロニクスウエハーのサイズのウエハーをもたらすであろう。

ｃ） 光学ウエハーがオプトエレクトロニクスウエハー上に配置され、整列される（たとえば、マスクアライナ上に）。

ｄ） ウエハーは相互に結合される。好適な方法は、糊づけである：光学（透明）接着剤がオプトエレクトロニクスウエハー上に施され、光学ウエハーが支柱／ディスタンスホルダーに接触され、紫外線もしくは高温により硬化される。

図２０は、オプトエレクトロニクスウエハーと光学ウエハーとを相互に結合する、いくらか異なるアプローチを示す。まず、光学構造（図２０には示されない）は光学ウエハー１１上に複製される。そして、図の上部パネルに示されるように、スペーサ素子１５１が、光学ウエハーもしくはオプトエレクトロニクスウエハーのどちらかに加えられる。図中、スペーサ素子１５１は光学ウエハー上に加えられる。このことは、印刷プロセスで（整列された方法で）、もしくはスペーサ複製ツールを用いるプロセスで、なされることができる。スペーサはたとえば、作成されるデバイスの端の近くにあるように配置される；デバイスを囲んでもよい。印刷もしくは同様のプロセスの後、図２０の断面形状に示唆されるように、スペーサ素子はまだ柔らかい。次の段階として、他のウエハー（図示される実施形態において、オプトエレクトロニクスウエハー１）が整列された方法で加えられる。このことは図の中部パネルに表される。硬化プロセスの間、スペーサ間の距離は、たとえばウエハーの端に配置される、適切な間隔制御手段によって制御される。そこで、スペーサ素子は硬化される。最後に、作成されるデバイスが、たとえばダイシング線１５２に沿ったダイシングにより、分離される。結果として得られるデバイスが、図２０の下部パネルに示される。

ここに説明される本実施形態および他の実施形態におけるダイシングプロセスは、従来のワンカットダイシングプロセスであろう。別の方法として、これは第１の段階（「プレダイシング」段階）を含む２段階の手順であり、ウエハーアセンブリが広い鋸歯を用いて事前にカットされる。この第１の段階において、複製物質のみが除去され、一方、基板は鋸でひかれるだけである。第２の段階で、基板は切断される。この２段階の手順は、結果として得られる製品の縁に追加のステッピングを残す。

スペーサ素子は任意の硬化可能なもしくはその他の固まる物質、たとえば紫外線硬化エポキシから作られるであろう。これらは透明である必要がなく、したがって、スペーサ物質は多様な物質から選択されるであろう。

代替的なアプローチは、エンボス加工された（マイクロ）光学構造を有するエンボス加工可能な物質の層を、オプトエレクトロニクスウエハー上に直接、もしくはオプトエレクトロニクスウエハー上の透明な中間層上に、提供することである。その時、非伝導物質の接触しない領域を保持することは、注意深く考慮されなければならない。

図２および図３は、いくつかの光学能動領域２と、光学能動領域から間隔を取ったボンディングパッド２３とから構成される、オプトエレクトロニクスデバイス２１（ここではセンサーダイ、すなわち、ハウジングのない半導体デバイス）を示す。この実施例において、能動領域のアレイを有する光学センサーが示されるが、少なくとも１つの光学能動領域（部品）を有する任意のその他の種類のデバイスもまた含まれる。電気接触のためのこれらの領域は、この場合、光学能動領域のアレイ側にある；デバイスのレイアウトによって、これらはまた、任意の方法で配置されることができる、たとえば、各オプトエレクトロニクス部品に近接したボンディング領域である。受動的な光学部品の実施例であるマイクロレンズ２４は、光学能動領域の上面に直接配置されることで、これに割り当てられる。図示された実施例において、マイクロ光学構造は、各光学能動領域に別々に提供されるが、１つの構造がいくつかの能動領域の光を集めることもまた可能であろう。さらに、図
示された実施例において、エンボス加工可能な物質の層は、デバイス全体にわたって連続的である。しかし、原則として、これはまた、マイクロ光学構造の間で遮断されることもあるだろう。

オプトエレクトロニクスデバイス２１は、図４に示されるように、複数のオプトエレクトロニクスデバイスを含むウエハー１から作られる。

図２から図４より、（受動）光学部品もしくはシステムを、それらが局所的に大変明確に規定され、とりわけ、デバイスに電気接触する（たとえば結合により）要件に干渉しないような方法で提供することが、しばしば必要であることが明らかとなる。この局所的な限定がウエハーレベルで達成できることが望ましい。

図５は受動光学部品の限定を確保するプロセスの第１の実施例を表す。電気接触領域は「写真構造の」複製プロセスによって複製物質から離される。このプロセスにより、たとえば紫外線などの放射によって硬化可能な、変形可能な物質３１が、オプトエレクトロニクスウエハー１上に提供される。そこで、所望の構造３２が、たとえばエンボス加工によって、物質に複製される。そのために用いられる複製ツール３３は、受動光学部品の光学構造が光学能動領域に個別に設計される場合、オプトエレクトロニクスウエハーに整列される必要があるであろう。複製ツール３３（その時、硬化放射のため透明である）もしくは光学パスのどこかに提供されるマスク３４は、光学素子によって覆われる唯一の領域の照明を提供する。硬化しない物質は、硬化プロセスの後、洗い流されるか、もしくは成長する。

代替的な方法が図６および図７に描かれる。複製の局所的な限定は、空洞状の構造に複製することにより達成される。変形可能な、硬化可能な複製物質３１が、光学能動領域に施される。光学マイクロ構造は液体物質内にエンボス加工される。複製ツール３３は溝状の形状を含み、その中に（マイクロ光学）構造が配置される。したがってこれは、複製段階中に空洞４１を形成し、空洞壁構造４２を避ける必要のあるオプトエレクトロニクスウエハーの領域を密封するような方法で形成される。空洞内の複製物質は硬化される。空洞４１の形状は、施された液体の量が光学素子に必要とされるボリュームと完全に一致しない場合に起こりうる気泡もしくはその他の影響の形成を防ぐべく、特別なボリュームを含むことができる。これらの追加的ボリューム（リザーバ）は、ウエハー平面の上にあってもよく、ウエハー平面から垂直方向に間隔を取ってもよい。ボリュームは、射出成形のようなプロセス段階において、図７に示されるように、硬化しない物質を空洞に注ぎ込むことにも用いられるチャネル４３内に、配置されるか、接続されるかすることができる。

図８は、さらに他の可能性を示す：（マイクロ）光学素子が、複製ツール４２の空洞４３に複製物質を施し、硬化されることで作成される。硬化された素子は、整列糊付けプロセスなどの、整列結合プロセスにより、オプトエレクトロニクスウエハーに取り付けられる。この可能性は、図８に示される実施形態と組み合わされるであろう。代替的なプロセスによると、オプトエレクトロニクスウエハーと複製ツールが、まず整列される。そして、複製物質が複製ツールの溝状の形状に施される。次に、複製ツール−まだ整列されている−はオプトエレクトロニクスウエハーに接触させられる。最後に、複製物質が硬化される。

図９および図１０は、局所的に限定された複製の、さらに他の異なる原則を示す。第１の段階で、いかなる非伝導物質からも離される必要のある領域は、保護層５１で覆われる。保護層は、たとえば電気的に接触されなければならないために、非伝導物質から離される必要のある、全ての領域を保護する。これは、能動光学部品を構成する溝５２のアレイを形成する格子状構造を有するであろう。代替的な方法として、保護層は、保護される領
域を覆う複数のばらばらの部分、もしくは、接触領域の保護を確保する任意のその他の形状を含むであろう。このことは、保護層が、非伝導物質から離される必要のある全ての領域を覆うことを、必ずしも包含するわけではない。たとえば、これが格子の形状を有する場合−能動光学部品を含む溝を形成する−これは必ずしも接触領域を覆う必要はない。これは複製物質が個々の溝に施される場合である（以下参照）。

次の複製段階において、保護層は、マスクの一種として機能する。保護層は、たとえば、技術的に既知の方法で構成されたある種のレジストであろう。

もし保護層が溝５２のアレイを形成するならば−たとえば言及された欧州特許出願第０３ ４０５ ８８８号に示されるように−、マイクロ光学素子は溝の中に複製される。そこで、複製物質は溝内に局所的に施されるのが好ましいが、これは必須ではない。所望の構造が、液体もしくは塑性変形可能な複製物質に、複製ツール３３を用いてエンボス加工される；たとえば、同時に多数のアレイ素子に関して。このために、複製ツールおよびその下にあるオプトエレクトロニクス部品は通常、整列される必要がある。そして、硬化段階がそれに続く。これは１度に１つの空洞／溝もしくは小数の空洞／溝に関してであってよい。そこで、たとえば、複製が各溝もしくは小数の溝に関して個々に達成され、複製段階に直接、硬化段階が続く。これはたとえば同じ複製ツールを用いて、さらなる空洞／溝に関して繰り返される。しばしば好適な、別の方法として、複製および硬化は、一度に全てのウエハーもしくは大部分の空洞／溝に関して行われる。

硬化の後、電気接触領域上の保護層５１は、−もしこれがレジスト物質から作られていれば−一般的に溶解されることで洗い流される。図９の下部パネルは、−空洞／溝に個々に施されたとしても−いかに複製物質が犠牲層の端から溢れ出る恐れがあるかを示す。このことは、光学能動領域／部品上のマイクロ光学機器の高さｈの精度に影響しうる（図３参照）。ある特定の状況下では、このことはまた、犠牲層の溶解における問題、およびマイクロ光学素子の形状の不明確な定義を、もたらしうる。このことは、図１０に示されるように、硬化の後で、かつ溶解段階の前のダイシングプロセスにより避けることができる。図１０の上部パネルは、エンボス加工の間、複製物質５６が犠牲層５１の端から溢れ出る状態を示す。下部パネルには、ダイシングツール６１が象徴的に示される。実際には、ダイシングは、ウエハーソーやパンチカッターなどの機械ツールによって、もしくはレーザーカッティングなどによって、なされることができる。犠牲層が果たすさらなる機能は、ダイシング／カッティングプロセスにおける、その下のウエハーの保護である。

光学機能に関しては、多くの実施形態において、正しい３Ｄ整列が重要である。横方向の精度（すなわち、ｘ方向およびｙ方向への精度）が複製プロセスの整列によって管理されるのに対し、正確なｚ位置を確保する他の手段がある：光学能動領域の上の光学機器の高さｈの正確な制御は、図１１、図１２および図１３に表されるような特別な予防策を必要とするであろう。図１１は、厚さに関して特別な予防策のない実施形態を示す。厚さｈが重要である場合、犠牲層の厚さの正確な制御が要求される。いくつかの用途に関して１０から２０μｍの正確さが十分である一方、厳しい用途に関して２μｍもしくは１μｍまでもが要求されうる。一般的な高さｈは５μｍから１００μｍの間であるが、数ｍｍも要求されうる。ｈに関する実際の値および用いられる物質によっては、要求される精度は図１１のアプローチでは実現することが難しい。適切なプロセスおよびパラメータもしくは代替の物質を見つけることはとても困難であろう。また、複製ツールと犠牲層との間の複製物質の溢れは、さらなる不確実さを引き起こしうる（図９の下部パネルに図示されるように）。

これらの問題は、図１２および図１３に示されるアプローチ、もしくは説明される原理の任意の組み合わせにより解決できる。第１の段階として、犠牲層は、正確で再現可能な
厚さをもたらすプロセスによって作成される。光学システム設計により必要とされる値からのいかなるずれも、くぼみ７１もしくは空洞を複製ツール３３の中に形成することにより補償されることができる。この文脈においての「くぼみ」は、複製ツール上の範囲であり、複製される構造は複製ツール３３の表面７３に対して、一定の明確に規定された距離だけずれる。このようにして、犠牲層の厚さと比較して強化された高さｈは、図１３に示されるように、当接突起７２を構成する犠牲層５１によって実現されるであろう。これらの当接突起は、溝の周囲に配置されると、上記で「溢れ」と説明された影響もまた防止する。ツールの作成における技術は、マイクロ機械加工および高精度構造と同様である、すなわち、くぼみの深さの大変良好な制御が保証されることができる。

このことは機械設備においてのみ行われる必要があるので、最終的な精度に達するためにより高価な技術を用いることができる。このことは、それにより、複製側では高精度をもたらす標準的なプロセスが用いられ、一方機械設備側では必要とされる「端数の」値に達するために高価で大変正確なプロセスが用いられるであろうという、一般的な原則にしたがう。

犠牲層を用いることの主要な利点は、これらが、複製されたマイクロ光学素子のより複雑な形および形状を生成するのにもまた用いられることができるという事実である。ある可能性は、薄い犠牲層部分も、能動領域の上に適用することである。成長プロセスによりそれを硬化し、除去した後に、橋状の構造が形成されることができる。ある実施例が図１４に示される。犠牲層部分８１は能動部品２の上に配置され、これはここではたとえばレーザー構造（すなわち、たとえばＶＣＳＥＬ）である。この犠牲層部分を除去した後、空隙を構成する橋構造が形成される。このような空隙は、ある能動光学デバイスによって必要とされるであろう。

上記に説明された実施例は、硬化可能な複製物質を、ウエハー上もしくはウエハー上の選択されたスポット上に施すことを含む。このような硬化可能な複製物質は、たとえば、紫外線硬化エポキシまたは熱処理により硬化可能なポリマーである。しかし、このアプローチには選択肢がある。第１の選択肢は、熱可塑性物質、すなわち、高温で塑性変形可能な物質におけるホットエンボス加工である。第２の選択肢は、塑性変形可能な層をウエハー上に直接積層することである。構造は直接ウエハーに積層されるであろう。それに続く硬化もしくは冷却段階において、層は固まるであろう。積層のかわりに、塑性変形可能な層はウエハーに糊づけされてもよい。

本発明のさらなる原則が図１５を参照して説明される。最先端の技術によると、インターポーザーに結合された能動光学ダイの透明物質への封入は、とりわけ、それに続くＩＲリフロー段階などの加熱段階を含む用途に関して、実現可能ではなかった。このことの理由は、結合されたダイの上に成型され、結合を壊すことなく固められる既知の透明物質がないことである。

図１５を参照して説明される発明の態様は、半導体部品／デバイスは２層システムによって封入されるであろうという見識に基づく。最も外側の保護層の下のボリューム内の物質は、環境試験との互換性、オプトエレクトロニクス製造プロセス（たとえばＩＲリフロー）、および光学透明性および品質のように、ある要求される特性を有する必要がある。基本的な原則は、第１の層が、一定の距離を作成し（たとえば、ボンディングワイヤを覆い、保護するのに、または光学機器を正しいｚ位置に配置するのに十分なだけ厚い）、機械的パラメータ（この場合：機械的ストレスを低減するため、低いＥモジュールを有する）を確保する機能を有することである。「ボリューム」層にあるのに適していると証明された物質区分は、低い弾性モジュールと高い光学透明性を有する物質である。これは、この物質の高いボリュームが、高く早い温度変化を含む環境条件にさらされるからである。
薄いもしくは柔軟性のある基板の上での厚い層の曲がりを防止するために、２つの選択肢がある。

（ｉ） 基板および最も外側の保護層と同じ熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する物質を用いる。このことは一般的に、プラスチック（上面）および半導体（底面）では不可能である。

（ｉｉ） 大変低いＥモジュール（すなわち、低膨張）を有する物質を用いる
ＰＤＭＳはこのような物質の実施例である。ＰＤＭＳはまた、高い光学透明性、環境試験条件に対する高い抵抗などの、さらなる要件を果たす（低いＥモジュールとは別に）。

しかし、最も外側の層が、硬さや引っかき抵抗などのさらなる物理的特性を有してさえいれば十分である。最も上の層は、透明性や、ＩＲリフローなどのプロセスとの互換性とは別に、複製などのマイクロ構造技術と互換性があることもまた必要であり、保護（高湿度、極端な温度での硬い 「シールド」）を提供する必要がある。

図１５は、チップ１０１内の、結合１０３により接触されたダイ１０２の封入を示す。ダイ１０２は、相互接続基板もしくはプリント基板（図示されない）を接触するために、後側にはんだバンプ１０８（ボールグリッドアレイ、ＢＧＡ）のアレイを含むインターポーザー１０４の上に配置される。透明の物質は能動光学透明保護物質上に直接配置され、ＰＤＭＳ層１０９と、ＰＤＭＳ層の上の薄い最も外側のエポキシ層１１０との２つの層を含む。

図１６は、オプトエレクトロニクスチップの製造中の、半仕上げの製品のある実施例を示す。半仕上げの製品は、結合によって接続され、ＰＤＭＳなどの透明物質の第１の層によって全体的に封入された複数のオプトエレクトロニクスダイ１０２を有する、広域（「ウエハースケール」）のインターポーザー１０４を含む。透明物質の第１の層は、硬化可能なエポキシなどの、透明物質の第２の層１１０によって覆われる。透明物質の第２の層は、複製機械構造、すなわち、オプトエレクトロニクスダイの場所における刻み目１１２を含む。刻み目は、入射光または出射光のために提供された場所において、チップ表面を引っかきから保護する。

最終的なチップを製造するために、半仕上げの製品は個々のダイの間でばらばらにされ−図中の破線で示されるように−分離してパッケージ化されたチップを残す。

本発明の原則は、パッケージ化されるオプトエレクトロニクスダイを含む技術的に既知であるさらなる構成、およびフリップチップ接触ダイを含むオプトエレクトロニクス機能性のないダイにもまた用いられるであろう。

能動デバイスを透明の２層システムに封入することの原則は、好ましくはウエハーレベルで、もしくは複数のダイを含む広領域のインターポーザー上で、能動光学部品と受動光学部品との直接的な組み合わせの原則と、組み合わされることができる。

とりわけ、図２から図１４を参照して説明されるアプローチは、オプトエレクトロニクスウエハーもしくは部品とレンズ機能との距離が、５０より上から１００μｍの領域に入る時、その限界に達することができる。上述のプロセスは原則としてやはり実現可能であるが、複製物質の大変厚い層は固まるまで（たとえば紫外線硬化によって）に多くの時間を消費しうる。硬化中の収縮効果は、垂直方向におけるレンズの不正確な位置決めを招きかねない。ウエハースケールで、これらの影響はオプトエレクトロニクスウエハーの曲がりや欠けをも招きかねない。この潜在的な問題は、オプトエレクトロニクスウエハーと光
学表面との間の全ての物質が複製物質である必要はないという事実により、解決されることができる。そうではなく２層システムのうち１番上の層のみが複製プロセスと互換性のある特性を有する必要がある。

発明にしたがった実施形態が図１７に示される。複数の能動光学部品２から構成されるオプトエレクトロニクスウエハー１には、能動光学部品を封入するＰＤＭＳ層１２１が備えられる。ＰＤＭＳ層１２１の上には、たとえば紫外線硬化エポキシである、複製物質の層１２２が配置される。複製層は、（受動）光学機能性を実装する複製構造１２３を含む。構造は光学能動部品に割り当てられ、たとえば、それらに整列される。

「低Ｅモジュール物質」の上に、その上に複製層を有する他の光学ウエハーがあってもよい。一実施例として、ガラスはＰＤＭＳに対して優れた接着性がある。より一般的には、複製は、ＰＤＭＳ層に塗布された層に直接であるよう限定されず、第２の層−複製構造を含む−が追加される前に行われるかも知れない。

さらに他の方法として、ＰＤＭＳ層もまた構成されてよい。たとえば、複製が局所的に限定される空洞を作ることができる。この原則は図１８に示される。空洞１３１はＰＤＭＳ層１０９の中に、薄い最も外側の層１１０がマイクロ光学構造を備えられる位置に、備えられる。最も外側の層は、空洞が満たされ、たとえば均一の表面が提供されるような方法で提供される。このことは、空洞の位置を除いて、最も外側の層が本当に大変薄いことを可能にする。最も外側の物質は大変硬い物質であることが好ましく、切ることが容易でないため、このようにして、個々のデバイスをダイシングにより次に分離する段階が容易にされる。

さらに他の代替的な「ウエハースケール」の封入と、オプトエレクトロニクスと光学機能性との組み合わせは、図１９に示される。この実施形態において、薄い最も外側の層は、ウエハースケールでＰＤＭＳ層１０９を完全には覆わないが、光学機能性および保護が所望される位置に対応するスポットに限定され、製品は最も外側の層の物質からは、ダイシングラインに沿った位置で離れている。たとえば紫外線硬化エポキシの、一致したスポット１４１は、たとえばスペーサ部分１４２をその端に沿って、マイクロ光学構造の機械的保護のために備えてもよい。スペーサ部分と同じくスポット１４１への層の限定は、複製ツールにおいて提供される一致した形状により、マイクロ光学構造を複製する段階において提供されるであろう。

それぞれ図１８および図１９の第１および第２の層の特別な構造的形状が「ウエハースケール」のインターポーザーを参照して説明される一方、これらは図１７を参照して、すなわちオプトエレクトロニクスウエハーに関連して、説明される本発明の実施形態にも存在するであろう。

少なくとも１つのオプトエレクトロニクスデバイスを含むパッケージを製造する方法は、第１の透明物質の層の成型、硬化、場合によっては、異なるもしくは同一の物質のより多くの層のため、成型と硬化の段階の繰り返しを含むであろう。第１の透明物質の層における潜在的な空洞は、適宜構造化されたツールを硬化の間に適用することで、提供される。そこで、最も外側の層の物質が提供され、場合によっては光学構造が最も外側の層に複製される。この複製段階の間、最も外側の層のさらなる構造化、たとえば最も外側の層の不連続のスポットへの限定および／もしくはスペーサ部分の提供もまた、達成される。次に、最も外側の層は、複製ツールの除去の前に、硬化され／固められる。最後に、「ウエハースケール」のプロセスの場合、パッケージは個々のオプトエレクトロニクスデバイスに分離されるであろう。

この成型アプローチは、機械に影響を受けるボンディングワイヤが損傷を受けないという利点を有する。他の方法として、１以上の層が糊付もしくは積層によって固定されるであろう。

上記に説明された本発明の実施形態とは別に、多様なその他の実施形態が存在する。たとえば、図１５から図１９を参照して説明された原則は、受動光学素子のみを含む光学システムの実施形態にもまた用いることができる。

図１は、オプトエレクトロニクスウエハーと光学構造とのウエハースケールの組み合わせの第１の実施形態である。 オプトエレクトロニクスデバイスの図である。 オプトエレクトロニクスデバイスの図である。 図４は、複数のオプトエレクトロニクスデバイスを含むウエハーである。 図５は、写真構造複製の方法である。 フロー段階を用いた、局所的に限定された（もしくは選択的な）複製の方法である。 フロー段階を用いた、局所的に限定された（もしくは選択的な）複製の方法である。 図８は、局所的に限定された複製の方法の変形である。 保護層の使用を含む方法である。 保護層の使用を含む方法である。 厚さ制御の図である。 厚さ制御の図である。 厚さ制御の図である。 図１４は、橋状構造の製造の図である。 光学構造を含まないパッケージ化の実施例である。 光学構造を含まないパッケージ化の実施例である。 図１７は、オプトエレクトロニクスウエハーと光学構造とのウエハースケールの組み合わせのさらなる実施形態である。 光学構造と組み合わされたウエハースケールのパッケージ化の実施形態である。 光学構造と組み合わされたウエハースケールのパッケージ化の実施形態である。 図２０は、オプトエレクトロニクスウエハーと光学構造とのウエハースケールの組み合わせのさらなる実施形態である。

Claims (28)

1. 能動光学部品（２）を有するウエハー（１）を提供する段階で、各能動光学部品は光学能動表面を有する段階と、光学能動表面によって放射される電磁放射、および／もしくは、前記光学能動表面に影響を与える電磁放射に影響を与えるよう機能する能動光学部品に割り当てられた光学構造（１２，１３，１２３）を提供する段階と、光学構造を有する半導体ウエハーを少なくとも１つの能動光学部品および少なくとも１つの光学構造を含む部分に分離する段階と、から構成される、集積光学システムを製造する方法。
2. 透明な物質が、能動光学部品の少なくともいくつかに塗布され、構造は、前記透明な物質の表面に、整列した方法で複製されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 透明な物質の前記能動光学部品への塗布に続いて、構造が複製されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 透明な物質は、透明な物質の少なくとも２つの層を含み、前記能動光学部品を覆う前記２つの層の第１の層（１０９）は、前記少なくとも２つの層の最も外側の層（１１０）よりも厚いことを特徴とする、請求項２または３に記載の方法。
5. 前記第１の層が前記能動光学部品の上に成型され、前記最も外側の層が第１の層の上もしくは潜在的な中間層の上に配置され、光学構造が最も外側の層にエンボス加工されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の層（１１０）が複数の不連続のスポットから構成され、ウエハー（１）がそれに沿って分離される線が第２の層の物質から離されていることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 最も外側の層がその上に成型されるところの第１の層もしくは潜在的な中間層に、最も外側の層にエンボス加工された光学構造が備えられる場所に、空洞が備えられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 少なくとも透明の物質の部分が、放射線をあてることにより硬化可能であり、能動光学部品に塗布された後、たとえばマスクを介した照射によって選択的に位置を照射することにより、選択的な位置が硬化されることを特徴とする、請求項２から７のいずれかに記載の方法。
9. 構造（３２）は、複製ツール（３３）を用いて整列された複製により適用され、前記複製ツールは、複製ツールがフラットな表面に置かれたときに空洞（４１）を形成する溝状の形状を含み、複製ツール内の構造は溝状の形状であることを特徴とする、請求項２から７のいずれかに記載の方法。
10. 透明な物質が、液体もしくは塑性変形可能な状態で、光学構造があるべき場所に局所的に配置され、溝状の形状が、複製プロセスの間、限定された領域の外に透明な物質が溢れることを防ぐことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 複製ツールが、空洞（４１）に接続されたチャネル（４３）をさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 透明な物質が、液体もしくは塑性変形可能な状態で、複製ツールの上の溝状の形状に配置され、これが硬化の前と後とにウエハーに取り付けられることを特徴とする、請求項９
    に記載の方法。
13. ウエハーに、その表面を部分的に覆う保護層（５１）が備えられ、表面の覆われた部分は接触領域を含み、透明な物質が、液体もしくは塑性変形可能な状態で、保護層のくぼみにより形成された溝に配置され、もしくは保護層を含むウエハー上に広域にわたり配置され、続いて光学構造が透明物質に複製され、そこで透明物質が硬化され、その後、保護層（５１）が除去されることを特徴とする、請求項２から１２のいずれかに記載の方法。
14. ダイシング段階が、硬化段階の後に、保護層の除去前に行われ、ダイシング段階は、透明な物質の溝を、保護層に接する場所でカットすることを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 複製ツール（３３）はくぼみ（７１）を含み、複製される構造は、複製ツールの最も外側の表面（７３）に対してずれることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 保護層（５１）は、少なくともその縁の部分から突出する当接突起（７２）を含むことを特徴とする、請求項１３から１５のいずれかに記載の方法。
17. 光学構造が分離された光学ウエハー（１１）に複製され、ウエハーはさらに、その表面から明確に規定された距離だけ突出する、複製ディスタンスホルダー（１４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
18. 光学ウエハーは、その両側に光学構造を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
19. 光学構造は分離された光学ウエハー（１１）に複製され、硬化可能な物質のスペーサ素子（１５１）がたとえば印刷によって、半導体ウエハー（１）もしくは光学ウエハーのどちらかに提供され、半導体ウエハーおよび光学ウエハーは、スペーサ素子が半導体ウエハーと光学ウエハーとの間にあり両方のウエハーに当接するように整列された方法で位置づけられ、そこでスペーサ素子は硬化されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
20. オプトエレクトロニクス部品およびそれに割り当てられた受動光学部品から構成される集積オプトエレクトロニクスデバイスで、デバイスは請求項１から１９のいずれかに記載の方法によって製造される。
21. 複数のオプトエレクトロニクスデバイスにさらに加工される半仕上げの製品で、半仕上げの製品は、光学能動表面を含み、能動光学部品に割り当てられた透明な物質に提供された光学構造をさらに含む、複数の同一の能動光学部品を有する半導体ウエハーから構成され、光学能動表面から放射される電磁放射および／もしくは光学能動表面に影響を与える電磁放射に影響を与えるよう機能する。
22. インターポーザー上に能動光学部品を提供する段階で、能動光学部品はインターポーザーに結合を用いて接触される段階と、透明な物質の第１の層を表面上に成型する段階で、透明な物質の第１の層は能動光学部品と結合とを封入する段階と、透明な物質の第２の層を第１の層の上に提供する段階で、第２の層の物質は第１の層の物質と異なる段階とから構成される、集積光学デバイスを製造する方法。
23. 第２の層は第１の層よりも厚く、および／もしくは、第１の層は最終的に硬化した状態では、第１の層よりも硬いことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
24. 第１の層は１０Ｍｐａを下回る弾力性のモジュールを有することを特徴とする、請求項２２もしくは２３に記載の方法。
25. 第１の層はＰＤＭＳ層であり、第２の層は硬化可能な樹脂の層であることを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
26. インターポーザー上の能動光学部品から構成される集積光学デバイスで、能動光学部品は、結合を用いてインターポーザーに接触され、能動光学部品および結合は透明な物質の第１の層によって封入され、第１の層の物質と異なる透明な物質の第２の層は、第１の層の上である。
27. 光学能動部品を有する基板を提供する段階と、透明な物質を基板に塗布する段階で、透明な物質は少なくとも部分的に光学能動部品を覆う段階と、透明な物質を有する基板ウエハーを、前記透明な物質により封入された光学能動部品を含む部分に分離する段階とから構成される、集積光学システムを製造する方法。
28. 透明物質がマイクロ光学構造を備えられ、もしくは透明な物質が異なる透明な物質のさらなる層のシステムを備えられ、そのシステムの最も外側の層は光学構造を備えられることを特徴とする、請求項２７に記載の方法。

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