JP4112218B2 - マイクロ電気機械的機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
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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