JP2744518B2 - 光学素子のボンディング方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザ等の光学素子を高精度に位置
決めし、ボンディングするための方法及び装置に関する
ものである。

（従来の技術） 第２図は、従来のボンディング装置の基本的な構成を
示す図である。

第２図において、１はエアピンセットで、その軸方向
に貫通した吸引孔を有し、図示しない真空ポンプ等によ
る吸引圧力により半導体レーザ等の光学素子２をその先
端に吸着し保持する。３はピンセット移動回転装置で、
エアピンセット１の中央部より後端側を保持し、エアピ
ンセット１を第２図中に設定した座標系のx,y,z方向に
移動させるとともに、ｚ軸を中心に所定角度回転させ
る。

４は基準物体としてのベースマウントで、その上面41
がxy平面に平行で、かつ、エアピンセット１の先端部と
対向するように配置され、上面41には電極等の光学素子
２の接合対象物体５が載置される。また、接合対象物体
５の上面には半田層６が形成される。

７はハウジングで、上面にはエアピンセット１の先端
部が出入りする開口部71が形成され、この開口部71とベ
ースマウント４の上面41が対向するようにベースマウン
ト４等が収容される。８はガス供給口で、不活性ガスあ
るいは還元性ガスをハウジング７内に導入する。９はヒ
ータで、ハウジング７内に配置され、ハウジング７内の
温度を半田溶融温度以上に上昇させる。

10は実体顕微鏡で、光学素子２と接合対象物体５との
接合領域の斜め上方（第２図では左上方）から光学素子
２の上部エッジ21とベースマウント４の上部エッジ42の
向き等を観察する。

このような構成において、光学素子２と接合対象物体
５を接合するには、まず、エアピンセット１により光学
素子２を吸着して保持し、ピンセット移動回転装置３に
よりエアピンセット１をx,y,zの所定の方向に移動さ
せ、光学素子２をベースマウント４の上面41の上方まで
移送する。

次いで、光学素子２がベースマウント４上の半田層６
に接触しないぎりぎりの位置までエアピンッセト１をｚ
方向に下降させた後、左斜め上方から実体顕微鏡10によ
りハウジング７の開口部71を介して、光学素子２のエッ
ジ21とベースマウント４のエッジ42を観察する。この観
察に基づき、ピンセット移動回転装置３により双方のエ
ッジ21及び42が平行になるように調整し、さらに、光学
素子２とベースマウント４のｘ方向の相対位置が所定の
値になるように位置合わせを行う。

この位置合わせと相前後して、ガス供給口８を介して
ハウジング７内に窒素あるいは水素との混合ガスを導入
し、不活性ガスをハウジング７内に充満させた状態でヒ
ータ９に通電し、ハウジング７内の温度を上昇させ、半
田相６を溶融させる。

この状態で、ピンセット移動回転装置３によりエアン
ピンセット１をｚ方向にさらに下降させて、光学素子２
の一面を半田層６に一定の力で押し付けボンディングを
確実にした後、エアピンセット１の吸着状態を解除し、
その後エアピンセット１をｚ方向に上昇させるととも
に、ヒータ９への通電状態を解除する。

これにより、半田が徐々に硬化し、光学素子２と接合
対象物体５とが接合される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の装置では、光学素子２とベ
ースマウント４との位置合わせを、斜め上方から実体顕
微鏡10を用いて両者のエッジ21及び42を観察することに
より行うため、 光学素子２とベースマウント４との相対的な位置合わ
せの際に、両者を接触させて行うことができず、また、
その調整が感覚的であるため、たとえ相対位置が所望の
値になったとしても、実際に光学素子２を半田層６に接
触させるときに、その相対位置量が変化してしまう、 実体顕微鏡10の作動距離を大きくとらなければならな
いことから、その倍率を上げることができない、 等の理由により、高精度に位置決めしボンディングする
ことが困難であった。

従って、従来の装置の場合、位置合わせ精度がせいぜ
い数μｍオーダーであり、また、それにもかかわらずこ
の精度を得るためには、かなりの熟練度が要求されると
いう欠点がある。

ましてや、ｙ方向の位置決めをも必要とするマルチビ
ーム半導体レーザからなる光学素子２をベースマウント
４上の接合対象物体５に接合するような場合には、両者
の上部エッジ21,42のみの情報しか得られないため、精
度の高いボンディングの実現は極めて困難な状況にあ
る。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、光学素子と接合対象物体とを高精度に接合
することができる光学素子のボンディング方法及びその
方法を的確に実現できるボンディング装置を提供するこ
とにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、基準物
体及び光学素子のうち少なくとも一方を、当該基準物体
の基準面をなす上面に平行な平面内で所定方向に移動さ
せて両者の相対的な位置決めをした後、当該基準物体上
面に垂直な方向に移動させて、基準物体上面に載置され
る接合対象物体と光学素子とを接合する光学素子のボン
ディング方法において、前記位置決めに際し、前記基準
物体と前記光学素子との側面に対し光ビームを照射して
基準物体と光学素子との相対変位を測定し、この測定結
果に基づいて前記基準物体及び光学素子のうち少なくと
も一方を所定方向に移動させるようにした。

また、請求項（２）では、基準物体及び光学素子のう
ち少なくとも一方を、当該基準物体の基準面をなす上面
に平行な平面内で所定方向に移動及び当該上面に垂直な
軸を中心に回転させて両者の相対的な位置決めをした
後、当該基準物体上面に垂直な方向に移動させて、基準
物体上面に載置される接合対象物体と光学素子とを接合
する光学素子のボンディング方法において、前記位置決
めに際し、前記基準物体と前記光学素子との側面に対し
光ビームを照射して、両側面の平行度を測定するととも
に、基準物体と光学素子との相対変位を測定し、この平
行度の測定結果に基づいて前記基準物体及び光学素子の
うち少なくとも一方を所定方向に回転させるとともに、
相対変位の測定結果に基づいて基準物体及び光学素子の
うち少なくとも一方を所定方向に移動させるようにし
た。

また、請求項（３）では、基準物体と光学素子との相
対的な位置決めをして基準物体上に載置される接合対象
物体と光学素子とを接合する光学素子のボンディング装
置において、前記光学素子を着脱自在に保持可能な保持
手段と、前記基準物体と前記光学素子との側面に対し光
ビームを照射して基準物体と光学素子との相対変位を測
定する変位測定手段と、前記変位測定手段の測定結果に
基づいて前記基準物体及び保持手段のうちいずれか一方
を、前記基準物体の上面に対し平行及び垂直な方向に移
動可能な移動手段とを備えた。

また、請求項（４）では、請求項（３）の光学素子の
ボンディング装置に、さらに、前記基準物体と前記光学
素子との側面に対し光ビームを照射して、両側面の平行
度を測定する平行度測定手段と、前記平行度測定手段の
測定結果に基づいて前記基準物体及び前記保持手段のう
ち少なくとも一方を、当該基準物体の上面に垂直な軸を
中心に回転可能な回転手段とを設けた。

（作 用） 請求項（１）によれば、基準物体と光学素子との側面
に対し光ビームが照射されて、基準物体と光学素子との
相対変位が測定される。

次に、この測定した相対変位に基づいて、基準物体及
び光学素子のうち少なくとも一方が、基準物体の上面に
平行な平面内で移動され、両者の相対的な位置決めが行
われる。

位置決めが終了した後、基準物体及び光学素子のうち
少なくとも一方が、基準物体の上面に垂直な方向に移動
され、基準物体上面に載置される接合対象物体と光学素
子とが接合される。

また、請求項（２）によれば、基準物体と光学素子と
の側面に対し光ビームが照射されて、両側面の平行度が
測定される。また、同様に、基準物体と光学素子との側
面に対し光ビームが照射されて、基準物体と光学素子と
の相対変位が測定される。

次に、この測定した平行度に基づいて、基準物体及び
光学素子のうち少なくとも一方が、基準物体上面に垂直
な軸を中心に回転され、また、測定した相対変位に基い
て、基準物体及び光学素子のうち少なくとも一方が、基
準物体の上面に平行な平面内で移動され、両者の相対的
な位置決めが行われる。

位置決めが終了した後、基準物体及び光学素子のうち
少なくとも一方が、基準物体の上面に垂直な方向に移動
され、基準物体上面に載置される接合対象物体と光学素
子とが接合される。

また、請求項（３）によれば、変位測定手段により基
準物体と光学素子との側面に対し光ビームが照射され
て、基準物体と光学素子との相対変位が測定される。

次に、この測定した相対変位に基づいて、基準物体及
び光学素子を保持した保持手段のうち少なくとも一方
が、移動手段により基準物体の上面に平行な平面内で移
動され、両者の相対的な位置決めが行われる。

位置決めが終了した後、基準物体及び保持手段のうち
少なくとも一方が、移動手段により基準物体の上面に垂
直な方向に移動され、基準物体上面に載置される接合対
象物体と光学素子とが接合される。

この両者の接合に伴い、保持手段による光学素子の保
持状態が解除される。

また、請求項（４）によれば、平行度測定手段により
基準物体と光学素子との側面に対し光ビームが照射され
て、両側面の平行度が測定される。また、変位測定手段
により基準物体と光学素子との側面に対し光ビームが照
射されて、基準物体と光学素子との相対変位が測定され
る。

次に、測定した平行度に基づいて、基準物体及び保持
手段のうち少なくとも一方が、回転手段により基準物体
上面に垂直な軸を中心に回転される。また、測定した相
対変位に基いて、基準物体及び保持手段のうち少なくと
も一方が、移動手段により基準物体の上面に平行な平面
内で移動され、両者の相対的な位置決めが行われる。

位置決めが終了した後、基準物体及び保持手段のうち
少なくとも一方が、移動物体により基準物体の上面に垂
直な方向に移動され、基準物体上面に載置される接合対
象物体と光学素子とが接合される。

この両者の接合に伴い、保持手段による光学素子の保
持状態が解除される。

（実施例） 第１図は、本発明に係る光学素子のボンディング方法
を適用したボンディング装置の一実施例を示す構成図で
あって、従来例を示す第２図と同一構成部分は同一符号
をもって表す。

即ち、１は保持手段としてのエアピンセットで、その
軸方向に貫通した吸引孔を有し、図示しない真空ポンプ
等による吸引圧力により、例えばマルチビーム半導体レ
ーザ等からなる光学素子２をその先端に吸着し保持す
る。

３はピンセット移動回転装置で、エアピンセット１の
中央部より後端側を保持し、エアピンセット１を第１図
中に設定した座標系のx,y,z方向に移動させるととも
に、ｚ軸を中心に所定角度回転させる。

４は基準物体としてのベースマウントで、その上面41
がxy平面に平行で、かつ、エアピンセット１の先端部と
対向するように配置され、上面41には電極等の光学素子
２の接合対象物体５が載置される。また、接合対象物体
５の上面には半田層６が形成される。

7aは方形状をなすハウジングで、透明の耐熱性ガラ
ス、例えばパイレックスガラスや石英ガラスから構成さ
れ、その上面にはエアンピンセット１の先端部が出入り
する開口部71が形成され、この開口部71とベースマウン
ト４の上面41が対向するようにベースマウント４等が収
容される。

８はガス供給口で、不活性ガスあるいは還元性ガスを
ハウジング7a内に導入する。

９はヒータで、ハウジング7a内に配置され、ハウジン
グ7a内の温度を半田溶融温度以上に上昇させる。

10は実体顕微鏡で、光学素子２と接合対象物体５との
接合領域の斜め上方（第１図では左上方）からエアピン
セット１の先端部を観察するために配置されている。

11は平行度・変位測定装置で、顕微鏡11a、半導体レ
ーザ（図示せず）、半導体レーザの光ビームを顕微鏡11
aの対物レンズ11cを有する鏡筒11bから出射させるため
及び光学素子２及びベースマウント４の側面2a,4aで反
射され鏡筒11bへ戻る反射光を検出するための各光学系
並びに反射光の検出系等（図示せず）を備えてなり、ハ
ウジング7aの左側面に対向し、かつ、ｚ方向にスライド
可能に既知のスライド機構（図示せず）に取り付けられ
配置されている。

また、平行度・変位測定装置11は、顕微鏡の鏡筒11b
から出射した光ビームBMが光学素子２またはベースマウ
ント４の側面2a,4aで（オート）フォーカスが得られる
ように鏡筒11bが移動するようになっている。なお、こ
のオートフォーカスの方法としては種々の方法がある
が、例えば、特開昭62−75411号公報に記載の方法を適
用することができる。

このような平行度・変位測定装置11は、光学素子２の
側面2aとベースマウント４の側面4aに対しレーザ光ビー
ムBMを照射して、各側面2a,4aからの反射光を検出し、
この検出結果から両側面2a,4aの平行度、具体的には両
側面2a,4aを平行に保つためにエアピンセット１を回転
すべき相対回転角Δθを測定し、図示しない表示部に表
示する。また、同様に、光学素子２の側面2aとベースマ
ウント４の側面4aに対しレーザ光ビームBMを照射して、
各側面2a,4aからの反射光を検出し、この検出結果から
光学素子２とベースマウント４との相対変位量Δｘを測
定し、図示しない表示部等に表示する。

具体的に、相対変位量Δｘを測定するには、まず、光
ビームBMを光学素子２の側面2aに照射し、その反射光を
検出してオートフォーカシングし、次に、ｚ方向に装置
を下降させた後、ベースマウント４の側面4aに光ビーム
BMを照射し、その反射光を検出してオートフォーカシン
グし、そのときの鏡筒の移動量ΔＸを求めることによ
り、光学素子２とベースマウント４の相対変位量（段
さ）Δｘを得る。

また、各側面2a、4aの２点の相対変位量Δｘを測定す
ることにより、光学素子２あるいはベースマウント４の
相対回転角Δθも求まる。

この相対回転角Δθについては、第３図に示すよう
に、光ビームBMを側面2a（4a）の１点に対して照射し、
側面2aによる反射光をポジションセンサ110にて検出
し、検出光の基準位置からのずれ量Δｄを得ることによ
り求めることもできる。

第４図は、エアピンセット１に保持された光学素子２
とベースマウント４とが近接した状態における、光学素
子２とベースマウント４の側面2a,4a側から見た拡大斜
視図である。

この例は、複数の出射光を放つマルチビーム半導体レ
ーザからなる光学素子２と、その光学素子２の電極23と
同じピッチで形成された複数の分離した電極（接合対象
物体）５及び半田層６を有するベースマウント４とを位
置決めし、ボンディングする場合を示している。なお、
この例のように、マルチビーム半導体レーザの出射する
側、即ち、活性層22を下にしてボンディングする場合
を、一般に、ジャンクションダウンと呼んでいる。

次に、このジャンクションダウンを例にとり、そのボ
ンディング手順を第５図を参照しながら順を追って説明
する。なお、第５図中の（ａ−２）〜（ｇ−２）はモニ
タ像を示している。

まず、第５図の（ａ−1,2）に示すように、エアピン
セット１により光学素子２を吸着して保持し、ピンセッ
ト移動回転装置３によりエアピンセット１をx,y,zの所
定の方向に移動させ、光学素子２をベースマウント４の
上面41の上方まで移送する。また、この移送時の吸着状
態を実体顕微鏡10により観察する。

次いで、第５図の（ｂ−1,2）、（ｃ−1,2）に示すよ
うに、平行度・変位測定装置11により、例えば、光学素
子２及びベースマウント４の各側面2a,4aの２点に対し
光ビームBMを照射することにより、相対回転角Δθを求
めた後、その後求められる相対回転角Δθが、所定の値
以下となるように、ピンセット移動回転装置３によりエ
アピンセット１を所定方向に回転する。

次に、ガス供給口８を介してハウジング7a内に窒素あ
るいは水素との混合ガスを導入し、不活性ガスをハウジ
ング7a内に充満させた状態でヒータ９に通電し、ハウジ
ング7a内の温度を上昇させ、半田層６を溶融させる（第
５図の（ｄ−1,2））。

次いで、ヒータ９による加熱後の熱膨張によるベース
マウント等の変動（移動）が発生しなくなった状態で、
第５図の（ｅ−1,2）に示すように、ピンセット移動回
転装置３によりエアピンセット１をｚ方向に下降させ、
光学素子２をベースマウント４の上面41にさらに接近さ
せた後、平行度・変位測定装置11により、光学素子２及
びベースマウント４の各側面2a,4aに対し光ビームBMを
照射して、光学素子２とベースマウント４との相対変位
量Δｘを求める。さらに、この求めた相対変位量Δｘに
基づいて、ピンセット移動回転装置３によりエアピンセ
ット１をx,y方向に移動させて、光学素子２のx,y方向の
位置決めを行う。

この状態で、第５図の（ｆ−1,2）に示すように、ピ
ンセット移動回転装置３によりエアピンセット１をｚ方
向にさらに下降させて、光学素子２の一面を半田層６に
一定の力で押し付けボンディングを確実にする。

この後、第５図の（ｇ−1,2）に示すように、エアピ
ンセット１の吸着状態を解除し、その後エアピンセット
１をｚ方向に上昇させるとともに、ヒータ９への通電状
態を解除する。

これにより、ハウジング7a内の温度が徐々に降下し、
これに伴い半田が硬化して光学素子２の各電極23と接合
対象物体５である各電極が精度良く接合される。

以上説明したように、本実施例によれば、光学素子２
及びベースマウント４の側面2a,4aを観察して、相対回
転角Δθ並びに相対変位量Δｘを求め、これに基いて光
学素子２のベースマウント４に対する位置決めを行うの
で、精度の高い位置決めができ、ひいてはボンディング
精度の向上を図れる利点がある。

また、光学素子２及びベースマウント４の側面2a,4a
を観察する構成になっているので、ベースマウント４の
上面41に形成した電極（接合対象物体５）の位置と光学
素子２の電極23とを容易に観察できる（本実施例では、
光学素子２としてマルチビーム半導体レーザを用いてい
るので活性層22をも観察できる）。

従って、ｘ方向のみならず、ｙ方向についても容易に
高精度に位置決めができ、ベースマウント４上の個々に
分離した複数の電極とマルチビーム半導体レーザの複数
の電極23を高精度に位置決めしてボンディングできる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、位置決
めに際し、基準物体と光学素子との側面に対し光ビーム
を照射して基準物体と光学素子との相対変位を測定し、
この測定結果に基づいて基準物体及び光学素子のうち少
なくとも一方を所定方向に移動させるようにしたので、
高精度な位置決めを実現でき、ひいてはボンディング精
度の向上を図れる。

従って、今後需要が高まるOSL（Optically Switched
Laser）やマルチビーム半導体レーザのジャンクション
ダウン実装等において必要不可欠な高精度ボンディング
に充分対応することができる。

また、請求項（２）によれば、位置決めに際し、基準
物体と光学素子との相対変位の測定のみならず、基準物
体と光学素子との両側面の平行度を測定し、この平行度
の測定結果に基づいて基準物体及び光学素子のうち少な
くとも一方を所定方向に回転させるようにしたので、請
求項（１）の場合に比較して、さらに高精度な位置決め
を実現できる。

また、請求項（３）によれば、請求項（１）に係る方
法を簡易及び的確に実現できる。

同様に、請求項（４）によれば、請求項（２）に係る
方法を簡易及び的確に実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学素子のボンディング方法を適
用したボンディング装置の一実施例を示す構成図、第２
図は従来のボンディング装置の構成図、第３図は側面の
傾きの測定方法の説明図、第４図は光学素子とベースマ
ウントを側面方向から見た拡大斜視図、第５図は本発明
に係るボンディング手順の説明図である。 図中、１……エアピンセット（保持手段）、２……光学
素子、３……ピンセット移動回転装置、４……ベースマ
ウント（基準物体）、５……接合対象物体（電極）、６
……半田層、7a……ハウジング、８……ガス供給口、９
……ヒータ、10……実体顕微鏡、11……平行度・変位測
定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 磯村 嘉伯 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 原 臣司 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 中村 勝重 東京都三鷹市大沢５丁目１番４号 三鷹 光器株式会社内 (72)発明者 三浦 勝弘 東京都三鷹市大沢５丁目１番４号 三鷹 光器株式会社内

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基準物体及び光学素子のうち少なくとも一
   方を、当該基準物体の基準面をなす上面に平行な平面内
   で所定方向に移動させて両者の相対的な位置決めをした
   後、当該基準物体上面に垂直な方向に移動させて、基準
   物体上面に載置される接合対象物体と光学素子とを接合
   する光学素子のボンディング方法において、 前記位置決めに際し、前記基準物体と前記光学素子との
   側面に対し光ビームを照射して基準物体と光学素子との
   相対変位を測定し、 この測定結果に基づいて前記基準物体及び光学素子のう
   ち少なくとも一方を所定方向に移動させる ことを特徴とする光学素子のボンディング方法。
2. 【請求項２】基準物体及び光学素子のうち少なくとも一
   方を、当該基準物体の基準面をなす上面に平行な平面内
   で所定方向に移動及び当該上面に垂直な軸を中心に回転
   させて両者の相対的な位置決めをした後、当該基準物体
   上面に垂直な方向に移動させて、基準物体上面に載置さ
   れる接合対象物体と光学素子とを接合する光学素子のボ
   ンディング方法において、 前記位置決めに際し、前記基準物体と前記光学素子との
   側面に対し光ビームを照射して、両側面の平行度を測定
   するとともに、基準物体と光学素子との相対変位を測定
   し、 この平行度の測定結果に基づいて前記基準物体及び光学
   素子のうち少なくとも一方を所定方向に回転させるとと
   もに、相対変位の測定結果に基づいて基準物体及び光学
   素子のうち少なくとも一方を所定方向に移動させる ことを特徴とする光学素子のボンディング方法。
3. 【請求項３】基準物体と光学素子との相対的な位置決め
   をして基準物体上に載置される接合対象物体と光学素子
   とを接合する光学素子のボンディング装置において、 前記光学素子を着脱自在に保持可能な保持手段と、 前記基準物体と前記光学素子との側面に対し光ビームを
   照射して基準物体と光学素子との相対変位を測定する変
   位測定手段と、 前記変位測定手段の測定結果に基づいて前記基準物体及
   び保持手段のうちいずれか一方を、前記基準物体の上面
   に対し平行及び垂直な方向に移動可能な移動手段とを備
   えた ことを特徴とする光学素子のボンディング装置。
4. 【請求項４】前記基準物体と前記光学素子との側面に対
   し光ビームを照射して、両側面の平行度を測定する平行
   度測定手段と、 前記平行度測定手段の測定結果に基づいて前記基準物体
   及び前記保持手段のうち少なくとも一方を、当該基準物
   体の上面に垂直な軸を中心に回転可能な回転手段とを備
   えた 請求項（３）記載の光学素子のボンディング装置。