JP4112218B2 - マイクロ電気機械的機構 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ電気機械的システム(MEMS)機構に関し、特にレーザを一体化したMEMS機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
プリント回路基板上の複数の集積回路の一体化および特定構成のモジュール内への別種の集積回路の一体化、にフリップチップ法を適用することはある特定の分野で採用され始めている。フリップチップ法は、マルチチップモジュール(MCM)法の使用などの他の集積回路一体化方法に替わり得る、信頼性と価格効果をもつ方法であることが実証されている。しかしながら、この比較的新しい一体化方法は、ある特定の分野で使用され始めているが、製品の多様性および機能性の面から実現の可能性のある多くの効果についてさらに探求する必要がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、マイクロマシニング技術などの、これまで探求されていない分野にフリップチップ法を適用してその分野を進歩させることが必要と考えられる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
マイクロ電気機械的システム(micro-electromechanical system, MEMS)機構は、構造中にレーザが一体化されるように設計される。レーザは垂直キャビティ表面放出レーザ(VCSEL)である。このMEMS機構は、上面と下面とをもつマイクロ電気機械的基板を含み、該上面は第1の領域および第2の領域をもつものとして規定される。第1の基板ボンディングパッドは、第1の領域内の所定位置の上面に設置され、第2の基板ボンディングパッドは、第2の領域内の所定位置の上面に設置される。第1および第2の基板ボンディング領域には、それぞれ第1および第2のハンダ材料が堆積される。MEMS機構に一体化されるレーザの、第1の側には第1のレーザボンディングパッドが設けられ、第2の側には第2のレーザボンディングパッドが設けられる。レーザは、第1の基板ボンディングパッドと第2の基板ボンディングパッドの間に位置して、各パッドはそれぞれ第1および第2のレーザボンディングパッドと位置合わせされるようになっている。ハンダ材料のリフロー時に、リフロー工程の間に精密なレーザの位置合わせが行われ、同時にボンディングパッド間が機械的かつ電気的に接続される。さらなる実施形態では、MEMS基板はトレンチ部分を有した構造をもち、この部分に、第1および第2のレーバボンディングパッドをもつレーザが設置される。トレンチ内のレーザの設置は、基板表面から45度および54.74度のいずれかの角度で行われる。基板上のハンダリフローによりレーザは精密に位置決めされ、機械的に安定に固定される。
【0005】
別の実施形態では、前述のトレンチは、基板ボンディングパッドを担持したスプリング機構を含む。このスプリング機構によって、トレンチ内のレーザを、ハンダリフロー工程の間および後に適当な位置に固定することができる。さらに別の実施形態では、バイメタル式カンチレバーを用いてレーザの位置決めおよび電気的相互接続が行われる。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の第1の実施形態にしたがって作製されたMEMS基板10の一部を示す。詳しくは、基板10をパターニングおよび加工して、基板の深さ方向に沿って真空孔12をエッチング形成する。さらに、基板の第1の領域16上の第1のボンディングパッド14、および基板20の第2の領域上の第2のボンディングパッド18の加工が行われる。ボンディングパッド14および18は、表面へのハンダ濡れ性がよく、それによりボンディングパッドにハンダが密着するような材料からなる。一実施形態では、ボンディングパッド14および18はリソグラフィによって基板10上に画定された金の領域からなる。各パッド14および18の上面にはハンダ層22および24がパターン形成される。ハンダ層は鉛とスズの混合物で構成され、鉛とスズの比率によってハンダの種類が決定される。ハンダ層は、過剰なハンダを除去した後の残留ハンダ材料で形成されている。図1の加工基板を得るために必要なパターニング技術およびMEMS基板は当業者に周知のものである。
【0007】
図2は、レーザダイオードまたはチップ26を示した図であり、本実施形態では、このレーザダイオードは垂直キャビティ表面放出レーザ(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)である。レーザ26の第1および第2の側面には、第1および第2のボンディングパッド28および30が堆積される。これらのレーザボンディングパッドは、表面へのハンダ濡れ性のよい材料で構成される。この材料は、例えば金からなる。ボンディングパッド28,30は周知のリソグラフィ法によって形成される。図3を参照する。矢印32に示すように、レーザ26は、第1および第2の基板ボンディングパッド14および18間の隙間内に入れられ、真空孔12上に位置するようにされる。このレーザ26の設置は、周知のピックアンドプレース法によって行われる。図4に示すように、真空装置34が、真空孔12の底面側に作動可能に接続される。真空装置34の使用により真空が生成され、最終の組み立て工程が行われる間に、粗に位置合わせされたレーザ26を保持する。図4に示すように、ハンダ層22および24は非溶融状態である。
【0008】
次の組立工程では、ハンダ層22,24を加熱することにより、ハンダリフロー工程が行われる。この加熱は、アセンブリ全体の加熱、あるいはハンダに接触した加熱プローブ(図示せず)の使用による局部加熱などの、多くの周知の方法のいずれかによって行われる。このリフロー工程の際に、真空装置34によって形成された真空の作用は取り除かれて、精密なレーザの位置合わせが行われる。真空が解除されると、レーザ26は、ハンダ層22および24がハンダバンプへと変形する際に、リフロー工程の間に生成した表面張力によって動く。
【0009】
詳しくは、本出願は、リフロー工程の間に、ハンダ材料は自身の表面張力によって球状になろうとするため、ハンダ層がバンプまたはボール状に変形するという、ハンダ接合の性質を利用したものである。特に、周知のようにハンダは金に対して濡れ性がよい。したがって、基板ボンディングパッド14,18とレーザボンディングパッド28,30との位置関係を効果的に用いて、レーザ26を精密に位置合わせすることができる。リフロー工程が行われてハンダ材料が溶融状態になると、ハンダは基板ボンディングパッド14および18に接着するだけでなく、レーザボンディングパッド28および30にも近接しているので、球状に変形する際にこれらレーザボンディングパッドにも接着する。ハンダ層22,24の変形に伴って、レーザボンディングパッド28および30は引っ張られ、それらパッドに一体化したレーザ26もまた動く。ハンダ層22および24のハンダバンプまたはボールへの変形は、ハンダの表面張力が最小エネルギ形態に戻ろうとすることで生じる。ハンダ層22および24は、図ではほぼ方形の部材として示されているが、本来これらはディスク状その他の形状で形成することもできる。
【0010】
正確なレーザの移動位置は、用いた部材のパラメータを考慮することにより解析的に決定される。詳しくは、ハンダおよび各構成部品または部材の寸法、形状、高さ、およびハンダ組成がわかれば、リフロー工程で加わる圧力が計算により決定され、その情報がある特定の動作に変換される。実験により、本発明者等は、精密位置合わせ能力を1乃至2μm以内に規定することができた。例えば、約70μmの寸法で相互に約140μm離れたボンディングパッド上の、重量比で37%の鉛、63%のスズの二つのハンダパッド、および幅約500μm、長さ約500μm、高さ約100μmのレーザの場合、レーザは約2乃至3μm動く。
【0011】
図5および6に、第1の実施形態によるMEMS構造およびレーザ機構36を示す。この図に示すように、ハンダ層22,24から形成されたハンダバンプ38,40は、基板ボンディングパッド14,18およびレーザボンディングパッド28,30の両方に接着する。動作システムを完成するために、電気的接続部すなわちトレース42を基板上にパターン形成することにより、レーザ26から放出されたレーザビーム44が基板10表面にほぼ平行であるような、レーザ動作が可能になる。図では明らかに、ボンディングパッド14,18,28,30は実際の形態より大きく描かれている。この誇張された図は、パッドを明確に示すためのものである。実際の形態では、ハンダバンプの端部はパッド端部まで延在し、ハンダの表面張力によってハンダがパッド端部から溢れることが防止される。
【0012】
以上の記述から、ハンダバンプ38および40は複数の目的に寄与することが明らかである。第1に、これらバンプはレーザ26を精密に位置合わせする働きをする。次にレーザ26が所定位置に保持されると、これらバンプは基板とレーザボンディングパッドとの電気的相互接続部として機能する。電気的接続部すなわちトレース42は、信号ライン、または、コントローラまたは電源チップ46からの電力供給および/または制御信号ラインのいずれかであり、同様に基板10上に一体化される。
【0013】
図7に、第2の実施形態用として加工された基板50を示す。トレンチ52は標準的なリソグラフィ法でのエッチングにより形成される。この場合、エッチングされるトレンチは<110>結晶面に方位を揃えられ、エチレンジアミンピロカテコール(EDP)湿式エッチング剤を用いてエッチングされて、約45度に傾斜した側壁が得られるようにされる。さらに、図1の基板10と同様に、第1および第2の基板ボンディングパッド54および56が形成される。これらパッドの上面には、第1および第2のハンダ層58および60が堆積される。本実施形態に見られるように、基板ボンディングパッド54,56およびハンダ層58,60は、ほぼトレンチ52の角度に従っている。
【0014】
図8に、図2と同様の、VCSEL等のレーザ62を示す。レーザ62の第1および第2の側面に第1および第2のレーザボンディングパッド64,66がパターン形成される。これらパッドは、レーザ62の底面から適当な高さの箇所に設置されて、図9に示すような、レーザ62がトレンチ52内に挿入される時に、レーザボンディングパッド64および66が基板ボンディングパッド54および56と位置整合して、ハンダ層58,60の少なくとも一部と接触するようにされる。
【0015】
図9の配置によりレーザ62は粗に位置合わせされる。レーザ62を精密に位置合わせするために、ハンダ層58および60は、第1の実施形態に関連して述べた場合と同様の方法でリフローされる。このリフロー工程によって、ハンダ層58および60は、例えば図10に示すような球状バンプ68,70に変形する。溶融ハンダがレーザボンディングパッド64および66に濡れると、レーザ62は動いて所望の位置に正確に位置合わせされる。前述の実施形態と同様に、ハンダバンプ68および70はレーザ62を機械的に固定させるだけでなく、レーザボンディングパッドと基板ボンディングパッドとの電気的接続部となる。また、図10に示した形態は、ボンディングパッドとドライバまたはパワーチップ74との電気的トレースすなわち接続部72を含んでいる。
【0016】
粗な位置整合の間にレーザ62を固定するために、図9に明確に示したように、本実施形態においても基板50は、真空孔76を有して、真空装置78により生成された真空力によって、ハンダリフローが行われるまでレーザ62を固定するようにされる。
【0017】
45度の側壁角度をもつ、トレンチ、パッド、およびハンダ層が得られるような、基板50の作製は、エチレンジアミンピロカテコール(EDP)などの異方性シリコンエッチング剤を用いて行われる。45度の角度をもつ側壁は、あるしきい値以上の適当な濃度のEDPを用いて、シリコンウェハ50の面と位置整合させつつ行われる。しかしながら、54.74度の湿式エッチングおよび側壁角度もまた異方性シリコンエッチング剤を用いて実現することができることは明らかである。したがって、図10に示した本実施形態は、45度の角度だけでなく、54.74度の角度で作製することもできる。
【0018】
これまでの一体化方法と異なり、本記載の方法によれば、一体化されるレーザの受け入れ方向を、放出ビームがMEMS基板50の表面に対して45度または54.74度になるようにすることができる。この一体化方法は、装置設計に自由度をもたらし、種々の方式のスキャニング装置に適合し得る。
【0019】
この、基板表面に非平行のレーザビームを生成する方法によって得られる効果として、ビームがさらに表面またはバルク状のマイクロマシン部品と結合し、MEMS基板の平面外でビームを走査して、例えば外部光学装置と結合するようにできることなどがある。
【0020】
次に、図11および12に、第3の実施形態の基板80の側面図および上面図を示す。前述の実施形態と同様に、基板80は、パターン形成された基板ボンディングパッド82,84およびハンダ層86,88をもつ。さらに、トレンチ90が周知の加工方法にしたがってリソグラフィにより基板80内に形成される。また、トレンチ90の端から延びたスプリング機構92が、周知のリソグラフィ法によってパターン形成される。スプリング機構92は、ボンディングパッド84およびハンダ層88を担持している。スプリング機構92は、第1のボンディングパッド82と第2のボンディングパッド88との距離が図13のレーザ96の幅より若干小さくなるような寸法にされている。前述の実施形態と同様に、レーザ96はレーザボンディングパッド98および100を含む。最初に、距離94がレーザ96の幅より若干小さくなるようにスプリング92がトレンチ90内に延出しているため、レーザ96の横方向の動きによりレーザ96をトレンチ90内に設置することで、基板80とレーザ96とが相互に接続される。レーザ96を側面から導入して所定位置まで滑入することにより、スプリング92にレーザ96の後面での復元力が生じ、この復元力によってレーザ96は前方領域102中のコンタクトパッド82に押しつけられ(図12,13)、レーザは粗に固定される。しかしながら明らかに、スプリング92によって加わる圧力はレーザをさらに動かす程強力ではない。レーザ96は、基板ボンディングパッド82および84がレーザボンディングパッド98および100と位置整合するまでトレンチ92内に滑入される(図14参照)。その後、前述の実施形態と同様にハンダリフロー工程が行われる。この工程によって、再度レーザ位置が微調整されると共に、ボンディングパッド間が電気的に接続される。本発明により形成された、MEMS/VCSEL構造104を図15に示す。この構造にはさらに、ドライバまたは電力供給チップ108に通じた電気的トレース106が設けられている。図示のように本実施形態では、VCSELレーザ96は基板表面に平行なビーム110を供給する。
【0021】
機械的スプリング支持部材92の使用により前述の実施形態で用いた真空孔は不要になる。また、ハンダリフロー前におけるレーザの所定位置への固定に用いた機械的スプリングは、プロセスが終了した後もレーザを保持し続けるため、その後もさらに機械的支持が得られる。
【0022】
本実施形態における製造プロセスは、前述の実施形態の場合よりも複雑である。詳しくは、本プロセスは、スプリング92の乾式エッチング、およびスプリング表面のリソグラフィおよびメタライゼーションを含む。図15のスプリング機構92は、図から明らかなように、バルクの単結晶シリコンを用いて形成されるものとして示されている。実際には、スプリング92が形造られる、基板の表面部分は大量に不純物ドープされる。この高いドーピング濃度によって、続いての非ドープおよび露出したシリコン部分の異方性エッチングが可能になり、それによって高ドープされたスプリング構造をアンダーエッチして動作可能にすることができる。この工程は独立して行われて、MEMS基板上に存在する、全ての周囲のマイクロ装置の性能または製造プロセスに影響しないようにされる。
【0023】
図16および17に、第4の実施形態に用いる基板112の側面および上面図を示す。基板112は、組合わさったバイメタル式のカンチレバー114,116,118,および120を含むように加工される。図16および17に示すように、カンチレバー114〜120は、本来的な応力勾配を備えて設計および作製され、それにより作製プロセスの間に基板112から解放されると、これらカンチレバーは巻き上がるようになっている。カンチレバー114〜120の一方の端は、対応するメタライズされたボンディングパッド122,124,126,および128に接している。
【0024】
図18に、レーザボンディングパッド132,134,136,および138をもつ、基板112と一体化されるレーザ130を示す。これらレーザボンディングパッドの各々には、ハンダ層140,142,144,および146が形成されている。
【0025】
カンチレバー114〜120は十分な応力を有して、対向するカンチレバー間の開口にレーザ130が十分挿入できるようにされる。図19に示すように、レーザ130が粗な位置合わせ位置に挿入されると、カンチレバー114〜120はレーザ130を締め付けて固定する働きをする。この状態で、カンチレバー114〜120の先端は、対応するハンダ層140〜146に接している。その後、ハンダリフロー工程が行われてレーザ装置130はさらに精密に位置合わせされる。ハンダに接続されたカンチレバーは、図20に示すように、動作電圧、グランド接続、および信号を供給する電気的相互接続部として機能する。詳しくは、電気的トレース148によって、基板112に集積されたドライバまたは電力供給回路150との伝送が可能になる。
【0026】
以上の記載ではカンチレバーを受動部品として説明した。受動部品としての実施形態では、カンチレバーは本来的な応力勾配(a natural stress gradiant)を備えて設計および作製され、この応力勾配によって、カンチレバーは、基板からの解放時に所定の角度で巻き上がる。
【0027】
別の実施形態では、バイメタル式カンチレバー114〜120は、熱膨張係数の利用その他の周知の方法によって動作する。詳しくは、カンチレバーは、適当な電圧バイアスの印加によって、レーザ130を簡単に挿入できるように十分に開き上がった後、閉じてレーザを所定位置に締め付ける。
【0028】
好適な実施形態との関連により本発明を説明したが、その他の形態および構造によっても本発明を実施できることは当業者に明らかである。それら別の実施形態は本発明の範囲を逸脱するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の概念に基づいて加工されたMEMS基板を示す図である。
【図2】 図1の基板に一体化されるレーザを示す図である。
【図3】 適切に加工されたMEMS基板中へのレーザ機構の挿入を示す図である。
【図4】 ハンダリフロー前の収容位置でのレーザおよび基板を示す図である。
【図5】 本発明の一実施形態によるVCSELを一体化した完成後のMEMS機構を示す図である。
【図6】 図5のシステムの断面図である。
【図7】 本出願との関連で用いられる第2の基板の実施形態を示す図である。
【図8】 図7の基板に一体化される、適切に加工されたレーザを示す図である。
【図9】 図7のMEMS基板に粗に取り付けられた図8のレーザ機構を示す図である。
【図10】 本発明の第2の実施形態による一体化VCSELをもつ完成後のMEMS機構を示す図である。
【図11】 本発明の第3の実施形態による加工基板を示す図である。
【図12】 図11の基板の上面図である。
【図13】 図11の基板に一体化される、加工されたレーザの側面図である。
【図14】 図11の基板と粗に接続または位置合わせされた図13のレーザを示す図である。
【図15】 本発明の第3の実施形態におけるVCSELを一体化した、完成後のMEMS基板を示す図である。
【図16】 本発明の第4の実施形態における基板を示す図である。
【図17】 図16の基板の上面図である。
【図18】 第4の実施形態にしたがって加工されたレーザを示す図である。
【図19】 図16の基板と粗に位置合わせおよび接続された、図18のレーザを示す図である。
【図20】 本発明の第4の実施形態による、VCSELを一体化した完成後のMEMS基板を示す図である。
【符号の説明】
10,50,80,112 MEMS基板、12 真空孔、14,18,54,56 基板ボンディングパッド、22,24,58,60,86,88,140,142,144,146 ハンダ層、26,62,96,130 レーザ、28,30,64,66,98,100,123,134,136,138 レーザボンディングパッド、34,78 真空装置、38,40 ハンダバンプ、92 スプリング機構、114,116,118,120 バイメタル式カンチレバー。
Claims (3)
- レーザを組み込んだマイクロ電気機械的機構であって、
上面と下面とをもち前記上面が第1の領域および第2の領域をもつものとして規定されるマイクロ電気機械的機構基板と、
前記上面の前記第1の領域内の所定位置に位置した第1の基板ボンディングパッドと、
前記上面の前記第2の領域内の所定位置に位置した第2の基板ボンディングパッドと、
前記マイクロ電気機械的機構の前記上面であって前記第1の基板ボンディングパッドと前記第2の基板ボンディングパッドとの間に位置したレーザと、
前記レーザの第1の側面に配置され前記第1の基板ボンディングパッドに隣接した第1のレーザボンディングパッドと、
前記レーザの第2の側面に配置され前記第2の基板ボンディングパッドに隣接した第2のレーザボンディングパッドと、
前記第1の基板ボンディングパッドと前記第1のレーザボンディングパッドとに接する第1のハンダ接続部であって、ハンダリフロー時に表面張力により略球状に変形してレーザに位置調整力を付与する第1のハンダ接続部と、
前記第2の基板ボンディングパッドと前記第2のレーザボンディングパッドとに接する第2のハンダ接続部であって、ハンダリフロー時に表面張力により略球状に変形してレーザに位置調整力を付与する第2のハンダ接続部と、を含むことを特徴とするマイクロ電気機械的機構。 - 請求項1に記載のマイクロ電気機械的機構であって、開口が前記基板の前記第1および第2の表面の両方に存在するように前記マイクロ電気機械的機構基板を貫通して延びた真空孔を含み、前記レーザは前記真空孔の一端上に位置し、前記真空孔の内部は当該真空孔の他端に接続された吸引装置の駆動により真空となることを特徴とするマイクロ電気機械的機構。
- レーザを組み込んだマイクロ電気機械的機構であって、
上面と下面とをもち前記上面が第1の領域および第2の領域をもつものとして規定されるマイクロ電気機械的機構基板と、
前記上面の前記第1の領域内の所定位置に位置した少なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパッドと、
前記上面の前記第2の領域内の所定位置に位置した少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパッドと、
前記マイクロ電気機械的機構の前記上面であって前記少なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパッドと前記少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパッドとの間に位置したレーザと、
前記レーザの第1の側面に配置され前記少なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパッドから所定の距離を置いて配置された少なくとも一つの第1のレーザボンディングパッドと、
前記レーザの第2の側面に配置され前記少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパッドから所定の距離を置いて配置された少なくとも一つの第2のレーザボンディングパッドと、
前記少なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパッドと前記少なくとも一つの第1のレーザボンディングパッドとの間に延在して、それらパッドを相互接続させる少なくとも一つの第1の領域のカンチレバーと、
前記少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパッドと前記少なくとも一つの第2のレーザボンディングパッドとの間に延在して、それらパッドを相互接続させる少なくとも一つの第2の領域のカンチレバーと、
前記少なくとも一つの第1の領域の基板ボンディングパッドと前記少なくとも一つの第1のレーザボンディングパッドとに接した少なくとも一つの第1のハンダ接続部であって、ハンダリフロー時に表面張力により略球状に変形してレーザに位置調整力を付与する第1のハンダ接続部と、
前記少なくとも一つの第2の領域の基板ボンディングパッドと前記少なくとも一つの第2のレーザボンディングパッドとに接した少なくとも一つの第2のハンダ接続部であって、ハンダリフロー時に表面張力により略球状に変形してレーザに位置調整力を付与する第2のハンダ接続部と、を含むことを特徴とするマイクロ電気機械的機構。
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