JP4537540B2

JP4537540B2 - 発光素子のボンディング装置及びその方法

Info

Publication number: JP4537540B2
Application number: JP2000186563A
Authority: JP
Inventors: 彰牛島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2020-06-21
Also published as: JP2002009380A

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子として例えばレーザダイオードを基板にマウントする際に、発光素子から出力される光の光軸の傾きを検出してボンディングスル発光素子のボンディング装置、並びにそのボンディング方法に関する。
【従来の技術】
レーザダイオード（以下、ＬＤと略称する）は、電流注入によってレーザ発振が得られるため、電流のＯＮ−ＯＦＦによってレーザ光を容易に制御できる。そのため、光ファイバ通信や光計測等の分野に広く用いられている。
これらの用途に用いられているため、ＬＤはマウントしている基板（パッケージ等）に対して、ＬＤから出力される光の光軸が正確に所定の方向に設定されている必要がある。そのため、ＬＤを基板にマウントする際のダイボンディングでは、ＬＤをダイボンデイィグすべき基板に対してＸ方向、Ｙ方向の位置合わせと共に、角度（θ調整）合わせにより光軸方向の調整を行なっている。
このような光軸の調整を行うボンディング装置や方法は、例えば特開平２−１１４５９０号や特開平１０−２３５７５２号に開示されている。
特開平１０−２３５７５２号に開示されている技術を図８を参照して説明すると、電源８１からの電圧を第１のプローブ８２（ＬＤ８５の吸着も兼ねるマウントツール）と第２のプローブ８３により、サブマウント８４（半導体基板）状のはんだに密接しているＬＤ８５に印加して発光させ、ＬＤ８５から出力される発光パターンを、ＣＣＤカメラ８６により撮像して、その発光パターンの中心位置を画像処理装置８７により求め、次に、ＬＤ８５とＣＣＤカメラ８６との相対距離を距離変化機構８８により変化させた後、再びＬＤ８５から出力される発光パターンをＣＣＤ力メラ８６により撮像する。それにより、その発光パターンの中心位置を画像処理装置８７により求め、それらの発光パターンのそれぞれの中心位置及びＬＤ８５とＣＣＤカメラ８６との距離変化量に基づいて演算装置８９で演算してＬＤ８５の光軸傾き角度を求めている。
【発明が解決しようとする課題】
上述のＬＤの発光した光軸傾きの検出技術は、ＬＤを吸着しているのプローブの保持面と、ＬＤの発光面とが垂直な場合に適用することができる検出技術である。つまり、ＬＤの発光面とレーザダイオードの電極面とが異なる面（垂直関係等）の場合に用いることができる。
しかしながら、図９に示すように、この第１のプローブ８２を発光面９１と電極面９２とが同一なＬＤ８５ａに適用した場合、第１のプローブ８２に発光点９３が隠れてしまい、発光点９３やそれからの発光軸を観察することができないため、ＬＤ８５ａの発光軸の傾きを検出できない。したがって、ＬＤ８５ａを半導体基板に正確にマウントすることが困難である。
本発明はこれらの事情にもとづいてなされたもので、ＬＤ等の発光素子を半導体基板に実装するに際し、発光素子の発光面を保持しながら、発光点の位置および発光光軸の傾きを観察して調整できる発光素子の、ボンディング装置及びその方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明による手段によれば、発光素子の発光面を吸着し中空孔を有するマウントツールを具えたボンディングヘッドと、前記マウントツールの中空孔を介して前記発光素子からの光を受光しＺ軸方向に移動自在な受光手段と、この受光手段での受光結果にもとづいて前記発光素子の光軸の傾きを検出する光軸傾き検出手段を具備することを特徴とする発光素子のボンディング装置である。
また請求項２の発明による手段によれば、前記マウントツールは、発光素子に電流を印加可能とする電極を具えることを特徴とする発光素子のボンディング装置である。
また請求項３の発明による手段によれば、発光素子の発光面をマウントツールで吸着して半導体基板にマウントする発光素子のボンディング方法において、
前記半導体基板に前記発光素子をはんだを介してマウントする際に、前記発光素子を発光させ、その光を前記マウントツールの中空孔を介して受光部でＺ軸方向の少なくとも２箇所で受光し、それぞれの個所での基準光軸とのずれ量を測定し、その測定結果から前記発光面からの光の光軸傾きを算出する発光素子のボンディング方法である。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の発光素子の光軸傾き検出を行なうボンディング装置及びその方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。
まず、本発明での処理対象になっている垂直共振器レーザであるＬＤについて、その概要を説明する。
通常のＬＤでは、直接遷移型の半導体に電流を注入し、半導体中の電子および正孔の濃度をともに１０^１８ｃｍ^−２以上に高くすることで、伝導帯と荷電子帯との間に反転分布を形成し、誘導放出によりレーザ利得を発生させている。この状態で、半導体の内部あるいは端面に対向する反射鏡を設けることで共振器を形成してレーザ発振を達成している。
したがって、注入電流を一定の発振開始電流（発振しきい値電流）以上に増加させることによって、レーザ光出力が得られる。反射鏡としては、半導体の割れやすい結晶面（へき開面）がしばしば用いられている。また、高効率で安定なレーザ発振を得るための半導体多層構造としては、ダブルへテロ接合と呼ばれる構造が広く用いられている。
図１は、ダブルへテロ接合構造を用いたＬＤの模式構造図である。ＬＤ１０は半導体基板１上にレーザ光を増幅する機能を持つ活性層２を結晶成長させることで作製しており、活性層２の両端面は、へき開面３が形成されている。また、半導体基板１と活性層２の接合側の反対面にはそれぞれ電極４が形成されている。
なお、結晶成長方法としては、一般に用いられている液相成長法、分子線エピタキシ法、又は、有機金属気相成長法等を用いることができる。
ただし、半導体結晶のへき開面３は原子層オーダで平坦な面が必要であるため、レーザ光にとってはきわめて良好な反射鏡として作用するが、製造面からみると、数百μｍの大きさの素子に対して、へき開を行う必要があるので、その製造はあまり生産性が高くない。
本発明の処理対象である垂直共振器レーザのＬＤ１０ａは、それらの事情から、図２に模式構成図を示すように、活性層２ａにへき開面の代わりに誘電体や半導体の多層膜をダブルへテロ接合構造の上下に形成し、半導体基板１に対して垂直方向に共振器を形成する構造に形成したものである。また、半導体基板１と活性層２ａの接合側の反対面にはそれぞれ電極４が形成されている。
この垂直共振器レーザであるＬＤ１０ａを用いると、２次元方向（面内）での多数のレーザの集積が可能となることから、光インターコネクション等の用途に用いることもできる。
なお、ＬＤ１０ａの出力は、通常は数〜１０数ｍＷ、必要な駆動電流は１０〜１００ｍＡ、印加電圧１．５〜３Ｖ程度であるが、高出力のものでは１０Ｗ程度に達するものもある。また、素子の大きさは数百μｍ程度である。
次に、垂直共振器レーザの製造装置で用いる、本発明の光軸傾き検出方法及びその装置並びにボンディング方法及びその装置について説明する。
図３は、ボンディング装置の斜視図である。基台１１の上にはＸＹテーブル１２が設けられており、それぞれＸ軸モータ１３及びＹ軸モータ１４でそれぞれの方向に駆動される。また、Ｙ軸テーブル１５上にはＺ軸方向へ移動自在出先端にマウントツール１６を固定したヘッド１７が保持されている。このヘッド１７はヘッドＺ軸モータ１８によりボールねじを介してＺ軸方向へ移動する移動板２１に係合したθｘ、θｙ方向へ移動自在なゴニオステージ２２を介してツール保持部２５が形成されている。なお、ゴニオステージ２２はゴニオステージ用θＸ軸モータ２３およびゴニオステージ用θＹ軸モータ２４により駆動される。
ツール保持部２５には、図４に示すようなマウントツール１６が保持されている。このマウントツール１６は金属等の導電性部材で形成され中空孔２８を有するパイプ２６であり、その先端がＬＤ１０ａの吸着部２７を形成している。また、側面に中空孔２８に連通した真空供給口２９が設けられており、この真空供給口２９はホース３１を介して真空ポンプ等の真空源（不図示）に接続されている。なお、パイプ２６の内部の中空孔２８はＬＤ１０ａの発光点の観察孔である。
また、パイプ２６の上部にカバーフィルタ３２が設けられ、パイプ２６の内部から外部への光の漏れを防止している。
また、基台１１上のＸ軸テーブルの前方には、ＬＤ１０ａを配列して収納したトレイ３４を載置したＸＹ載置テーブル３５が設けられている。このトレイ３４の上方には撮像カメラ３６がカメラ保持アングル３７に保持されて固定されており、トレイ３４内のＬＤ１０ａを撮像している。
ＸＹ載置テーブル３５の側方には離間して、ＬＤ１０ａがマウントされる半導体基板１を載置する加工ステージ４１が配置されている。この加工ステージ４１は、ＬＤ１０ａを載置するθｚテーブル４２を具えており、また、ヒータ４３を内蔵している。さらに、加工ステージ４１の側方には光軸角度算出ユニット５１が配置されている。
この光軸角度算出ユニット５１は、ＣＣＤ受光部５２がＺ軸方向に移動自在に保持材５３に保持され、Ｚ軸駆動装置５４により駆動される。このＣＣＤ受光部５２は、ＬＤ１０ａを吸着するマウントツール１６の上方から、そのパイプ２６の中空孔２８を介してＬＤ１０ａが観察できる位置に設置されている。
次に、ボンディング装置の動作について説明する。なお、ボンディング装置自体の動作は、通常のボンディング装置と同様な一般的な動作であるので、個々の細かい説明は省略する。
ヘッド１７がＸＹ載置テーブル３５方向に移動して、ＸＹ載置テーブル３５上のＬＤ１０ａを収納しているトレイ３４の上方から下降して、トレイ３４の中からマウントツール１６でＬＤ１０ａを吸着して上昇する。なお、トレイ３４内のＬＤ１０ａは発光面が上側の状態で載置されている。したがって、マウントツール１６は中空孔２８の内部にＬＤ１０ａの発光部が位置し、その周辺の電極を吸着している。
ＬＤ１０ａを吸着したヘッド１７は加工テーブル４１方向に移動する。この加工テーブル４１上には半導体基板１が載置されている。ヘッド１７は下降してマウントツール１６が吸着しているＬＤ１０ａを半導体基板１のはんだで形成された所定個所に密接させる。
図５に示すように、その状態で電源５６から、ＬＤ１０ａを吸着しその電極（不図示）と導通しているマウントツール１６と、半導体基板１を載置して、その電極（不図示）と導通しているθｚテーブル４２とに、電源５６から電圧を印加することでＬＤ１０ａを発光させる。この発光した光による光軸（発光軸Ｌ_１）の様子を、マウントツール１６の中空孔２８を経由して、カバーフィルタ３２を透過した光をＣＣＤ受光部５２で撮像することにより観察する。
この観察は、まず、Ａの位置で発光軸Ｌ_１を観察し、次にＣＣＤ受光部５２をＢの位置まで距離Ｌだけ下降させて、Ｂの位置で発光軸Ｌ_１を観察する。この観察結果で、それぞれの位置でのＣＣＤ受光部５２の中心軸Ｌ_２と発光軸Ｌ_１とのずれを検出し、それにより発光軸Ｌ_１のずれ角度αを算出する。
つまり、発光軸Ｌ_１のずれ角度αは、Ａの位置でのＣＣＤ受光部５２の発光軸Ｌ_１とＬＤ１０ａからの発光軸Ｌ_１とのずれ量がａで、Ｂの位置でのＣＣＤ受光部５２の中心光軸Ｌ_２とＬＤ１０ａからの発光軸Ｌ_１とのずれ量がｂである場合、
α＝ｔａｎ^−１（ａ−ｂ）／ＬＬ：ＡとＢとの距離
となる。
発光軸Ｌ_１のずれ角度αの修正は、図６（ａ）および（ｂ）に模式図を示すように、発光軸のずれ角度αを算出した後に、図３で示したゴニオステージ２２を、ゴニオテージ用θＸ軸モータ１３およびゴニオステージ２２用θＹ軸モータ１４により所定量移動させて、はんだ６１上でＬＤ１０ａを吸着保持しているマウントツール１６の角度を補正して、はんだ６１に対するＬＤ１０ａの姿勢を制御して補正する。
また、はんだに対してＬＤ１０ａを角度βだけ傾斜して装着したい場合は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、ＣＣＤ受光部の中心軸とＬＤ１０ａの発光軸とのずれが無い場合や角度βと異なる場合に、はんだに対してＬＤ１０ａを傾斜（傾斜角β）して装着する場合の例である。
この場合も、図３で示したゴニオステージ２２をゴニオテージ用θＸ軸モータ１３およびゴニオステージ２２用θＹ軸モータ１４により所定量移動させて、はんだ６１上でＬＤ１０ａを吸着保持しているマウントツール１６の角度を設定して、はんだ６１に対するＬＤ１０ａの姿勢を制御して調整を行なう。
なお、ＬＤの光軸修正を伴わない、検査のみを行なう検査装置の場合は、マウントツールに観察孔を設けなくても行なうことができる。その際は、マウントツールの替わりに導通端子を設けて接続して通電し、上述と同様にＺ軸方向の２箇所でＣＣＤ受光部で受光し、それにより中心軸とのずれ量を測定して、測定結果からＬＤの光軸の傾きを算出することができる。
以上に述べたように、本発明によれば発光素子の発光面を吸着保持して半導体基板１等にはんだを介して装着する際でも、発光素子の光軸の傾きを正確に算出することができるので、その結果に応じて光軸の傾きを設定値に対して修正することができる。
それにより、発光体素子を半導体基板に対して、光軸の傾きが内容にすることも、所定の角度に傾けてボンディングすることも必要に応じて任意に行なうことができる。
【発明の効果】
本発明によれば、発光素子の発光面を吸着保持して半導体基板等に装着する際でも、発光素子の光軸を正確に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダブルへテロ接合構造を用いたＬＤの模式構造図。
【図２】垂直共振器レーザのＬＤの模式構成図。
【図３】本発明のボンディング装置の斜視図。
【図４】本発明のマウントツールの構成図。
【図５】本発明の光軸傾き角度検出の原理の説明図。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明による光軸修正の説明図。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、本発明による光軸修正の説明図。
【図８】従来の光軸傾き検出装置の概要図。
【図９】垂直共振器レーザのＬＤとマウントツールとの関係説明図。
【符号の説明】
１…半導体基板、４…電極、１０…ＬＤ、１６…マウントツール、２８…中空孔、５１…光軸角度算出ユニット、５２…ＣＣＤ受光部

Claims

発光素子の発光面を吸着し中空孔を有するマウントツールを具えたボンディングヘッドと、前記マウントツールの中空孔を介して前記発光素子からの光を受光しＺ軸方向に移動自在な受光手段と、この受光手段での受光結果にもとづいて前記発光素子の光軸の傾きを検出する光軸傾き検出手段を具備することを特徴とする発光素子のボンディング装置。
前記マウントツールは、発光素子に電流を印加可能とする電極を具えることを特徴とする請求項１記載の発光素子のボンディング装置。
発光素子の発光面をマウントツールで吸着して半導体基板にマウントする発光素子のボンディング方法において、
前記半導体基板に前記発光素子をはんだを介してマウントする際に、前記発光素子を発光させ、その光を前記マウントツールの中空孔を介して受光部でＺ軸方向の少なくとも２箇所で受光し、それぞれの個所での基準光軸とのずれ量を測定し、その測定結果から前記発光面からの光の光軸傾きを算出する発光素子のボンディング方法。