JP2008026839A - 結合方法および光学アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】光学アセンブリにおけるレンズ、光ファイバおよび密封蓋をはじめとする結合構成部品を、構成部品に対して汚染物質として作用しない一体に結合する方法、及び結合された構成部品を含む光学アセンブリを提供する。また光学アセンブリの製造を簡単にし費用を増加させない光学アセンブリを提供する。
【解決手段】マグネシウムを含む結合剤を用いて光ファイバ７やボールレンズ９及び密封蓋２３をシリコン基体３に化学的に結合する方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、結合の分野、さらに詳細にはオプトエレクトロニクス分野に関する。とりわけ、詳細には、本発明は、２つの物体、例えば、光学アセンブリにおけるレンズ、光ファイバおよび密封蓋をはじめとする結合構成部品を、一体に結合する方法に関する。加えて、本発明は結合された構成部品を含む光学アセンブリに関する。本発明は、微小光学アセンブリの製造に対して特に適用性が大きい。

光学アセンブリは、レンズ、エタロンおよび光ファイバをはじめとする光学構成部品を含み、および付加的な構成部品、例えば、半導体レーザダイオードおよびフォトダイオードをはじめとするオプトエレクトロニクスデバイスならびに構成部品を密封する蓋を含み得る。当該アセンブリは、さらに、構成部品が結合される基体またはサブマウントを含む。使用される結合剤は、例えば、構成部品および基体材料並びに望ましい結合温度に基づいて選択される。エポキシをはじめとする有機材料を含む結合剤が知られている。しかし、有機材料は光学構成部品およびオプトエレクトロニクス構成部品に対して汚染物質として作用し、形成されたアセンブリの信頼性に悪影響を及ぼす。したがって、有機含有結合剤を、特に密封される光学アセンブリ中においては避けることが望ましい。

光学アセンブリの製造工程において、構成部品は典型的には、徐々により低い温度で逐次的に基体に結合され、結合部の緩みによる先に結合された構成部品の移動または剥離が生じるのを防止する。オプトエレクトロニクスデバイスに対する典型的な結合物質は、約２８０℃の融解温度を有する、Ａｕ／Ｓｎ（８０：２０共晶）をはじめとする高温はんだである。オプトエレクトロニクスデバイスの結合後に構成部品を結合する場合、結合温度をかかるはんだの融点未満として、Ａｕ／Ｓｎはんだ結合部の再融解を避ける必要がある。

光ファイバ、レンズ、フィルタおよびエタロンをはじめとする光学構成部品は典型的に、ガラスから形成されるかまたはガラス同等のオプティカルコーティングを含む。基体にこのような構成部品をはんだ付けする１つの技術は、はんだに付着性の金属で光学構成部品の一部をコーティングすることを含む。しかし、この技術は光学アセンブリの製造を複雑にし、費用を増加させる。

米国特許第５，１７８，３１９号はアルミニウムにガラス球体または光ファイバをはじめとする光学要素を結合する方法を開示している。開示されている方法は、光学要素およびアルミニウムの界面に、熱および／または音響エネルギーの形でのエネルギーと共に、圧力を加えることを含む。界面に熱を提供する目的のために、米国特許第５，１７８，３１９号は、３００℃より高い温度、例えば３５０℃を開示している。より適応性のある結合階層を可能にするため、アルミニウムに、使用される温度より低い温度で光学構成部品を結合することができる方法が望ましい。
米国特許第５，１７８，３１９号明細書

本発明は最新技術に関連する１以上の前述の問題に対応する。

本発明の第１態様は、第１物体を第２物体に結合する方法を提供する。当該方法は：（ａ）第１物体を提供すること；（ｂ）第２物体を提供すること；及び（ｃ）マグネシウムを含む結合剤を用いて第１物体を第２物体に化学的に結合すること、を含む。

本発明の第２態様は、光学アセンブリにおいて構成部品を結合する方法を提供する。当該方法は：（ａ）基体を提供すること；（ｂ）基体に結合する構成部品を提供すること；及び（ｃ）マグネシウムを含む結合剤を用いて基体に構成部品を化学的に結合すること、を含む。

本発明の第３態様においては、光学アセンブリが提供される。当該光学アセンブリは、基体、構成部品、および基体と構成部品の間に基体へ構成部品を化学的に結合するためのマグネシウムを含む結合剤を含む。

本発明の方法および光学アセンブリにおいては、レンズ、光ファイバおよび密封蓋をはじめとする構成部品を容易に基体に結合させることができる。効果的な基体材料は、シリコン、例えば、好都合には、ウエハ−形状であってもよく、及び表面酸化物を有することができる単結晶シリコンである。結合材料は、例えば、１以上の予備成形物（ｐｒｅｆｏｒｍ）の形、または光学構成部品および／もしくは基体にコーティングされた層の形をとり得る。基体に構成部品を結合する技術は、例えば、熱圧着処理であってもよい。この方法は、密封されるデバイス、例えば密封されるオプトエレクトロニクス超小型構成部品（密封される体積内に配置されるオプトエレクトロニクスデバイスおよび光学構成部品を含む）の製造において使用され得る。

用語「上に」および「上全体に」は同義的に空間関係の定義に使用され、及び介在する層または構造がある状態またはない状態を含む。また、本明細書で使用されるとき、用語「光学アセンブリ」は、オプトエレクトロニクス機能を備えるまたは備えない光学機能を有する構造を包含する。また本明細書で使用されるとき、用語「金属」は純粋な金属、合金および金属複合物を包含する。

本出願は、米国特許法第１１９（ｅ）条により、２００５年８月１５日出願の米国仮特許出願第６０／７０８，５５２号および２００５年８月１６日出願の米国仮特許出願第６０／７０８，６４１号の優先権を主張する。これらの仮出願の全内容は、参照により本明細書に引用される。

本発明は添付の図面を参照して説明される。図面では同一参照番号は同一形態を表す。

これより本発明が図１を参照して説明される。図１は、本発明の結合方法を適用することができる例示的な光学アセンブリ１を示す。当該光学アセンブリは、その中または上に様々な表面形状が形成される上面５を有する基体３を含む。基体３はウエハ−またはチップの形状であってもよい半導体材料、例えば、＜１００＞単結晶シリコンのようなシリコン、ガリウム砒素、リン化インジウムもしくはニオブ酸リチウム、またはセラミック、ポリマー、または金属から典型的に形成される。光学構成部品およびオプトエレクトロニクス構成部品、ならびにアセンブリを密封する蓋を含む、様々な構成部品が、基体の上面５に結合され得る。典型的な光学構成部品には、例えば、光ファイバ、レンズ、フィルタおよびエタロンが含まれる。オプトエレクトロニクスデバイスには、例えば、レーザーダイおよび光検出器が含まれる。図示された実施形態では、光ファイバスタブ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｔｕｂ）７、ボールレンズ９およびオプトエレクトロニクスデバイス１１が基体の上面５に結合されている。

上面５は、その中にまたは上に形成される、様々な構成部品を保持するための１以上の表面形状を含む。図示された表面形状は、光ファイバスタブ７を保持するためのＶ溝（示されている）またはＵ溝をはじめとする溝１３と、ボールレンズ９を保持するためのピット（ｐｉｔ）１５と、光クリアランスピット１６と、オプトエレクトロニクスデバイス１１の電気接続のための金属形状体１７とを含む。金属形状体１７は、オプトエレクトロニクスデバイス１１がはんだ付けされる接触パッド１８と、金属線１９と、電源への接続のための結合パッド２１とを含む。表面形状体を形成する技術は当業者にはよく知られている。例えば、Ｖ溝およびレンズピットおよび光クリアランスピットは、マスキングおよびウェットおよび／またはドライエッチング技術を使用して形成することができ、メタライゼーション構造は、スパッタリング、蒸着またはめっき技術を使用して形成され得る。場合によっては、これらの技術を使用して基体原型を形成することができ、この原型から基体が成形工程で形成され得る。光学構成部品およびオプトエレクトロニクス構成部品を収納するための密閉して封じ込められた体積を形成するために、さらに蓋２３を設けることができる。

図２Ａおよび２Ｂは、図１の線Ａ−ＡおよびＢ−Ｂに沿った断面における、基体３に結合される工程での光ファイバスタブ７およびボールレンズ９をそれぞれ示す。光学構成部品は典型的に、酸化物材料、例えば、ホウケイ酸ガラスをはじめとするドープガラス（例えば、ＢＫ７ホウケイ酸ガラスは、米国ペンシルベニア州ドリエー（Ｄｕｒｙｅａ）のＳｃｈｏｔｔ Ｇｌａｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．，から商業的に入手可能である）、アルミナをはじめとするセラミック、またはサファイア、スピネルもしくはキュービックジルコニアをはじめとする結晶体から形成される。光学構成部品が酸化物から形成されない場合、それは、化学量論酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）または非化学量論酸化ケイ素、酸化タンタルまたは酸化チタンといった酸化物層によりコーティングされることができ、以下に説明される結合剤を用いて結合することができる。

基体への光学構成部品７、９および密封蓋２３をはじめとする構成部品の結合は、結合剤２５を用いて容易になされる。結合剤はマグネシウムを含み、典型的には、マグネシウムベース（全結合剤を基準にして５０重量パーセントより多い）であり、例えば、金属マグネシウム（９９重量パーセントより多くのマグネシウム）、マグネシウムベースの合金またはマグネシウムベースの複合材料である。典型的に結合剤は、金属マグネシウムである。マグネシウムベースの合金または複合材料は、例えば、結合温度、耐食性および結合強度といった、結合剤の１以上の特性を改変するために有効である。好適な合金化剤には、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｐｂならびに希土類元素が包含される。好適な複合材料としては、例えば、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）により示される場合の、ＡＺ６１Ａ−Ｆ（９２．３５重量パーセントのＭｇ、６．５重量パーセントのＡｌ、０．１５重量パーセントのＭｎ、１．０重量パーセントのＺｎ）、ＡＺ１０Ａ−Ｆ（９８．２重量パーセントのＭｇ、１．２重量パーセントのＡｌ、０．２重量パーセントのＭｎ、０．４重量パーセントのＺｎ）およびＡＭ２０−Ｆ（９７．８重量パーセントのＭｇ、２．１重量パーセントのＡｌ、０．１重量パーセントのＭｎ）が挙げられる。

結合剤は、例えば、蒸着、無電解めっき、電解めっき、スパッタリングまたは他の知られているメタライゼーション技術により、基体および／または構成部品の表面に形成されるコーティングの形体を取ることができる。結合力を向上するために、めっきのためのシード層を提供するために、または例えば結合剤の下の金属線１９との間で絶縁体として作用させるために、任意に中間層を使用してもよい。使用される結合剤の厚さは、例えば、結合剤の材料、結合剤の密度、結合温度、光学構成部品の形状および基体の結合範囲の形状に依存する。さらに膜密度もまた理想的な層の厚さを決定する一因となる。金属マグネシウム層の典型的な予備結合された厚さは、２〜２５μｍ、例えば１０〜１５μｍである。

結合剤は場合により、図３に示されているとおり、１以上のペレットまたは予備成形物２７の形体とすることができる。この例示された方法では、ペレットまたは予備成形物は、くぼみに光学構成部品を導入する前または後に、基体表面のくぼみ（例えば溝１３またはレンズピット１５）内に配置され得る。このようにペレットおよび予備成形物を使用すると、メタライゼーション工程に関連する費用、処理時間および複雑性を効果的に排除する。加えて、ペレットおよび予備成形物は、正確な量の結合剤からそれぞれ形成され得るので、堅実で且つ均質な結合を実現する。典型的には、ペレットの形状はほぼ球形であるが、不規則な形状であってもよい。予備成形物は任意の形状、例えば、球形、環状形、楕円形または円柱形であってもよい。マグネシウム予備成形物は、例えば、米国ロードアイランド州リバーサイドのＲｅａｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌから商業的に入手可能である。球形のペレットまたは予備成形物の場合、例えば、典型的なサイズは５０〜３００μｍであり、４００μｍのボールレンズまたは１２５μｍのファイバスタブを結合するには例えば約１００μｍである。ペレットおよび予備成形物の好適な形状およびサイズは、結合される構成部品および基体の形状をはじめとする様々な要因に依存する。

結合剤は、特定の基体材料、例えば、シリコンおよびガリウム砒素には十分に結合しない。このような場合、結合剤が結合することができる材料の１以上の層２８を基体上に形成することができる。例えば、この層は基体の上面または表面形状体、例えば、溝１３およびレンズピット１５の結合面上に形成され得る。好適な層としては、例えば、酸化物（例えば、化学量論酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）もしくは非化学量論酸化ケイ素をはじめとする酸化ケイ素）または金属層（例えば、アルミニウム層）が挙げられる。これらの層の好適な厚さは、例えば、含まれる具体的な材料に依存し、好適な厚さは、当業者に理解される。

構成部品は、熱圧着結合技術を用いて結合剤２５により基体３に結合され得る。かかる工程では、圧力は光学構成部品と基体の間に加えられ、図２Ａ〜Ｂ中の矢印により示されているように、構成部品を基体に押し付ける。熱圧着結合技術はさらに、結合剤を加熱して、圧力適用の間に結合剤の温度を上げることを含む。結合剤は、構成部品が基体に押し付けられる前および／または同時に、加熱されてもよい。さらに、押し付けの後に続く期間の間、アセンブリを加熱し続けることが有益であり得る。特定のいずれの理論にも拘束されることはないが、構成部品と基体の間に加えられる圧力により、構成部品が結合剤上に生成される自然酸化物を貫通すると考えられる。結合剤中のマグネシウムが、構成部品の酸化物または酸化物コーティングと直接接触および反応して、酸化マグネシウム結合を形成する。したがって、結合剤中のマグネシウムが、化学結合の主な構成成分を形成する。

結合工程において適用される温度および圧力は、構成部品と基体の間に結合を形成するのに十分高いが、構成部品を変形させるかまたは別の損傷を与える温度および圧力よりは低い。温度および圧力は、例えば、結合剤の材料、ならびに構成部品および基体（例えば、結合範囲）の材料および形状、および任意の介在する層に依存する。結合温度は典型的に２２５〜５００℃であり、例えば、２５０〜３００℃であり、３００℃より低くてもよい。以下の例は本発明のさらなる様々な態様を示すことを意図するが、いずれの態様においても本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

実施例１
図２Ａ〜Ｂに示すように、１０２６Åの窒化ケイ素および２５０５Åの二酸化ケイ素でコーティングされている直径１２５μｍのガラス光ファイバスタブ７および直径４００μｍのスピネルボールレンズは、以下のとおり＜１００＞シリコン基体３に結合されている。Ｖ溝１３（公称値では、幅１３３μｍ）およびレンズピット１５（基体面での幅４７０×４７０μｍ、深さ２７０μｍ）は異方性ドライエッチングによりシリコン基体の上面に形成される。厚さ４７００Åの二酸化ケイ素層は、熱酸化により基体、Ｖ溝およびピットの表面上に形成される。厚さ１２μｍのマグネシウム層は、熱蒸着によりＶ溝およびレンズピット内の酸化物の上に形成される。ファイバスタブおよびボールレンズはそれぞれＶ溝およびピット内に配置され、この構造体は加熱板上で２７５℃に加熱される。ファイバスタブがその長さに沿って２点において結合剤でコーティングされているＶ溝に接触すると同時に、ボールレンズが４点でピットに接触する。１０秒の間、８００グラム／ミリメートルの圧力がファイバスタブの長さに沿って加えられ、１０００グラムがボールレンズに対して加えられる。圧力は、ファイバスタブおよびボールレンズに接触する鋼棒に連結された空気式ピストンを用いて適用される。温度は、圧力が適用される間および追加して５０秒間維持される。このようにして、基体とファイバスタブおよびボールレンズ両方との間に熱圧着結合が形成される。

実施例２
マグネシウム層の代わりに２つの直径５０〜７５μｍの球形のマグネシウムペレットがＶ溝に配置され、１つのかかるペレットがレンズピット内に置かれる以外、実施例１の手順および材料が繰り返される。

実施例３
マグネシウムペレットがそれぞれ、長さ１００μｍで直径１２５μｍの円柱形のＡＳＴＭ ＡＺ６１Ａ（９２．３５重量パーセントのＭｇ、６．５重量パーセントのＡｌ、０．１５重量パーセントのＭｎ、１．０重量パーセントのＺｎ）ワイヤに置き換えられる以外は、実施例２の手順および材料が繰り返される。

本発明による典型的な光学アセンブリの図である。 本発明による、図１の光学アセンブリにおける構成部品の結合を示す図である。 本発明による、図１の光学アセンブリにおける構成部品の結合を示す図である。 本発明の方法において使用され得る典型的な結合ペレットまたは予備成形物の図である。

符号の説明

１ 光学アセンブリ
３ 基体
５ 上面
７ 光ファイバスタブ
９ ボールレンズ
１１ オプトエレクトロニクスデバイス
１３ 溝
１５ レンズピット
１６ 光クリアランスピット
１７ 金属形状体
１８ 接触パッド
１９ 金属線
２１ 結合パッド
２３ 蓋
２５ 結合剤
２７ 予備成形物
２８ 層

Claims (10)

1. 第１物体を第２物体に結合する方法であって、
   （ａ）第１物体を提供すること、
   （ｂ）第２物体を提供すること、及び
   （ｃ）マグネシウムを含む結合剤を用いて第１物体を第２物体に化学的に結合することを含む、方法。
2. 第１物体が基体であり、及び第２物体が構成部品であり、前記基体および構成部品が光学アセンブリの一部を形成する、請求項１に記載の方法。
3. 基体が単結晶シリコンから形成され、単結晶シリコンが、その上に形成された二酸化ケイ素層を有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 構成部品が、封じ込まれた体積内の光学構成部品および／またはオプトエレクトロニクス構成部品を密封するための蓋である、請求項２または３に記載の方法。
5. 結合剤が金属マグネシウムである、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 結合剤が予備成形物を構成する、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. （ｃ）が構成部品と基体の間に熱圧着結合を形成することを含む、請求項２〜６のいずれかに記載の方法。
8. （ｃ）の前に、
   （ｄ）（ｃ）の構成部品の結合に使用される温度より高い温度で第２の構成部品を基体に結合することをさらに含む、請求項２〜７のいずれかに記載の方法。
9. 基体および構成部品のそれぞれが、結合剤が化学的に結合する酸化物を含む、請求項２〜８のいずれかに記載の方法。
10. 基体；構成部品；および、前記基体と前記構成部品の間の、前記基体に前記構成部品を結合するためのマグネシウムを含む結合剤；を含む、光学アセンブリ。

Images