JP5349024B2 - 光学装置および光学装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、光学装置および光学装置の製造方法に関する。
近年、半導体基板の主面に、集積回路素子等の微細配線を形成する加工技術を応用して、極めて微小な電子機械機構（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ：以下、「ＭＥＭＳ」という。）を形成した電子装置が注目され、実用化に向けて開発が進められている。このような電子装置には、例えば、微小ミラーを駆動させて光の経路を切り換える光スイッチがある。この微小ミラーのように、光学分野に利用されるＭＥＭＳを、特に光ＭＥＭＳという。
このような光ＭＥＭＳをパッケージングする方法としては、光ＭＥＭＳが形成される基板と光ＭＥＭＳをカバーする基板とを接着剤によって接合することにより、ウェハスケールでパッケージングする方法がある。この場合、光ＭＥＭＳ対して光を透過させる必要があることから、カバー基板として、例えば光透過性を有するガラスが用いられる。
特表２００５−３９０７８号公報
一方、光ＭＥＭＳと外部回路との間で電気的接続が必要となる場合がある。しかし、カバー基板としてガラスを用いた場合には、ガラスに複雑な形状の配線導体を形成することが困難であることから、光ＭＥＭＳと外部回路との間で自由度の高い電気的接続を実現することは困難である。
以上のように、光ＭＥＭＳをパッケージングして得られる光学装置は、光ＭＥＭＳに対する透過性を有するとともに、光ＭＥＭＳと外部回路との間で自由度の高い電気的接続が求められる。
本発明の一つの態様によれば、光学装置は、表面に光ＭＥＭＳ素子が設けられた素子基板と、素子基板の光ＭＥＭＳ素子が設けられた表面に接続され、光ＭＥＭＳ素子に対応する位置に貫通孔を有する配線基板と、貫通孔を覆うように封止部材によって配線基板の表面に接続された光透過性部材と、光透過性部材が接続された配線基板の表面に設けられており、配線基板に電気的に接続された外部接続端子とを有する。配線基板は表面に段差を有しており、配線基板の表面のうち外部接続端子が設けられた部分から素子基板までの距離が、配線基板の表面のうち封止部材が設けられた部分から素子基板までの距離よりも小さい。
本発明の一態様によれば、光学装置は、光ＭＥＭＳに対する透過性を有するとともに、光ＭＥＭＳと外部回路との間で自由度の高い電気的接続を実現することができる。
本発明の一態様によれば、光学装置の製造方法は、光ＭＥＭＳに対する透過性を有するとともに、光ＭＥＭＳと外部回路と間で電気的接続の自由度が高い光学装置を製造可能である。
以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図４は、光学装置１の構成例を示す図であり、（ａ）は平面透視図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図４に示すように、本発明の実施の形態による光学装置１は、表面に光ＭＥＭＳ２が設けられた素子基板３と、素子基板３の光ＭＥＭＳ２が設けられた表面に接続され、光ＭＥＭＳ２に対応する位置に貫通孔４を有する配線基板５と、貫通孔４を覆うように配線基板５に接続された光透過性部材６とを有する。ここで、光透過性部材６は、配線基板５に封止部材７を介して接続される。これにより、光ＭＥＭＳ２は、気密封止される。素子基板３は、例えば半導体基板であり、その表面に、マイクロマシニング技術を用いることにより光ＭＥＭＳ２が形成されている。
図４は、光学装置１の構成例を示す図であり、（ａ）は平面透視図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図４に示すように、本発明の実施の形態による光学装置１は、表面に光ＭＥＭＳ２が設けられた素子基板３と、素子基板３の光ＭＥＭＳ２が設けられた表面に接続され、光ＭＥＭＳ２に対応する位置に貫通孔４を有する配線基板５と、貫通孔４を覆うように配線基板５に接続された光透過性部材６とを有する。ここで、光透過性部材６は、配線基板５に封止部材７を介して接続される。これにより、光ＭＥＭＳ２は、気密封止される。素子基板３は、例えば半導体基板であり、その表面に、マイクロマシニング技術を用いることにより光ＭＥＭＳ２が形成されている。
また、光学装置１は、配線基板５の光透過性部材６が接続される表面Ｓに設けられ、配線基板４に電気的に接続された外部接続端子８を有する。外部接続端子８は、貫通孔４の周囲に設けられている。外部接続端子８は、配線基板４とプリント配線基板等の外部回路基板とを電気的に接続する。
配線基板４は、絶縁層が積層されてなる絶縁基板９と積層体の内部に設けられた配線導体１０とを有する。外部接続端子８は、配線導体１０に接続される。絶縁基板９は、例えばガラスセラミックスからなる絶縁層が積層された積層体である。
光透過性部材６は、所望の光を透過する光透過領域を有する。光透過領域は、光透過性部材６の全体に渡っていても、一部のみであってもよい。光透過性部材６は、例えば、ガラス基板である。光透過性部材６を透過した光は、貫通孔４を通過して光ＭＥＭＳ２に到達する。例えば、光ＭＥＭＳ２が、いわゆるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）である場合、光透過性部材６を透過した光が、この光ＭＥＭＳ２によって走査される。
配線基板４の表面Ｓは段差を有する。すなわち、表面Ｓは、図２に示すように、素子基板３からの距離が異なる複数の領域Ａ１〜Ａ３を有する。例えば、光ＭＥＭＳ２に対向する第１領域Ａ１は、素子基板３からの距離Ｈ１が０であり、第１領域Ａ１の周囲の第２領域Ａ２は、素子基板３からの距離Ｈ２が距離Ｈ１よりも長い。この第２領域Ａ２には、封止部材７が設けられる。また、第２領域Ａ２の周囲に位置し、外部接続端子８が設けられる第３領域Ａ３は、素子基板３からの距離Ｈ３が、距離Ｈ２よりも小さい。このように、距離Ｈ３が距離Ｈ２よりも小さい場合には、外部接続端子８が、光学装置１から外側に突出することを抑制することができる。その結果、光学装置１をより小型にできる。
配線基板５の絶縁層がガラスセラミックスからなる場合、配線基板５と素子基板３とは、焼結により一体化されてもよい。具体的には、素子基板３上にガラスセラミックグリーンシートを熱圧着によって密着させ、ガラスセラミックグリーンシートを焼結させて、素子基板３と一体化することにより、配線基板５が、素子基板３に接合されてもよい。
ここで、ガラスセラミックグリーンシートとは、絶縁層を形成するガラス粉末およびセラミック粉末などの原料粉末をシート状に成形したものをいう。このとき、絶縁層は、絶縁相中のガラス成分によってガラス基板１１に接合される。
このように、可とう性を有するガラスセラミックグリーンシートを素子基板３上に熱圧着で密着させると、素子基板３と絶縁基板９とをより密着させることができ、光学装置１の気密性を高めることができる。
また、絶縁基板９が多層基板である場合、配線導体１０の絶縁基板９の内部における配置自由度が高くなり、配線基板５と素子基板３、および配線基板４と外部回路基板との電気的接続の自由度をより高くすることができる。結果として、光ＭＥＭＳ２と外部回路基板との電気的接続の自由度をより高くすることができる。
なお、配線導体１０は、絶縁基板９を構成するガラスセラミックグリーンシートと同時焼成により形成されてよい。例えば、ガラスセラミックグリーンシートにパンチング若しくはレーザー加工等の手法を用いて穴加工を施した後、ＡｇまたはＣｕ等からなる金属粉末をペースト状にした導体ペーストを充填し、その後、その導体ペーストをガラスセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷等の手法で形成する。そして、これらの表面および穴部に導体ペーストが形成されたセラミックグリーンシートを複数層積層し、焼成することにより多層配線構造を形成することができる。
このように同時焼成によりセラミック基板内に配線導体１０を形成すると、配線導体１０は、絶縁基板９に良好に密着する。これにより、配線導体１０と絶縁基板９との間に隙間が生じることを抑制することができ、光学装置１の気密信頼性を高めることができる。
また、素子基板３の表面に配線層を形成した場合でも、素子基板３の配線層と絶縁基板９の導体ペーストを接触させて焼成することにより、素子基板３の配線層と配線導体１０とを接合して導通させることができる。これにより、絶縁基板９の内部に設けた配線導体１０と素子基板３上の配線層とを電気的に接続することができるため、電気的接続の自由度をより高めることができる。
配線導体１０は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ，Ａｕあるいはその合金金属粉末を焼結させることにより形成される。
絶縁基板９は、光透過性部材６と熱膨張係数が近い結晶化材料からなることが望ましい。例えば、光透過性部材６がシリカガラスからなる場合、絶縁基板９は、熱膨張係数をシリカガラスの熱膨張係数に近い１．５乃至３．０×１０−６／℃とし、その結晶化度を７０％以上とすることが望ましい。
絶縁基板９の結晶化度が７０％以上であると、ガラス基板１１の洗浄工程において、ガラスセラミック焼結体がダメージを受けにくく、ガラスセラミック焼結体からの脱粒を低減できる。
低熱膨張係数、かつ高結晶度を有する絶縁基板９としては、結晶相にコーディライト、β−クォーツ、β−スポジュメン、またはβ−ユークプリタイトを析出するガラス材料を利用することができ、この結晶層に、熱膨張係数の調整のために、フィラーとして上記結晶若しくはその固溶体を添加することができる。
配線導体１０は、絶縁基板９の内部および表面の少なくとも一方に設けられる。配線導体１０は、多層配線構造にすることによって、光学装置１の設計自由度を高めることができる。
また、透光性部材６は、二次実装時にスペーサとして機能する。このスペーサにより、外部接続端子８の高さを保持することができ、外部回路基板と比較して熱膨張係数の小さい光学装置1の実装信頼性を高めることもできる。
また、外部接続端子８は、Ｐｂ−Ｓｎ，ＳｎＡｇ，若しくはＳｎＡｇＣｕなどの半田材料が主に用いられる。ここで、外部接続端子８としては、光学装置１と外部回路基板との間の熱応力を緩和するために、金属ボールを内部に取り込んだＳｎＡｇＣｕ半田などを用いるのが望ましい。
封止部材７は、光学装置１の二次実装時における耐熱性を有する材料からなる。このような封止部材７には、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ、ＡｕＳｎ，若しくはフリットガラスからなり、特に、ＡｕＳｎ，若しくはフリットガラス材料とすることが望ましい。これらの材料は、３００℃〜４５０℃で溶融流動するために、微小の隙間やボイド比率の小さい封止部材７を形成することができる。
次に、図３および図４を用いて、光学装置１の製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、複数のガラスセラミックグリーンシート３０を準備する。ここで、ガラスセラミックグリーンシートとは、ガラス粉末およびセラミック粉末と、有機バインダ、有機溶剤、および可塑剤等とを添加混合してスラリーとし、そのスラリーをドクターブレード法若しくはカレンダロール法を用いてシート状に成形したものをいう。
上記セラミック粉末は、例えばコーディエライト、β−クォーツ，β−スポジュメン，若しくはβ−ユークプリタイトなどの結晶または固溶体粉末である。ガラス粉末は、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系，ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系，若しくはＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３―ＭｇＯ系である。セラミック粉末およびガラス粉末の組み合わせの例として、セラミック粉末を、コーディエライトとし、ガラス粉末を、コーディエライトを７０％以上析出する結晶化ガラスとする組み合わせがある。このように選択すると、得られるガラスセラミック焼結体の熱膨張係数が２．０乃至３．０×１０−６／℃となり、その結晶化度は７０％乃至８０％以上となることから、この組み合わせはより好ましい。
上記有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系，ポリビニルブチラール系，ポリビニルアルコール系，ポリプロピレンカーボネート系，若しくはセルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられる。
グリーンシートを成形するためのスラリーに用いられる有機溶剤としては、その有機溶剤、ガラス粉末、セラミック粉末、および有機バインダを混練してグリーンシート成形に適した粘度のスラリーが得られるように、例えば炭化水素類，エーテル類，エステル類，ケトン類，若しくはアルコール類等から成るもの利用される。
次に、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）で作製したガラスセラミックグリーンシート３０に、金型加工、レーザー加工、またはマイクロドリル若しくはパンチング等の機械的加工により、貫通孔３１を形成する。この貫通孔３１は、ビア用貫通孔として利用されるか、若しくは光ＭＥＭＳ２を収容する貫通孔４を構成するために利用される。次に、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｇ−Ｐｔ，若しくはＡｇ−Ｐｄ等の金属粉末とガラス粉末とに適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合した導体ペースト３２を、スクリーン印刷等の手法を用いてビア用貫通孔に充填する。
次に、図３（ｃ）に示すように、ガラスセラミックグリーンシート３０の表面に上記導体ペースト３２をスクリーン印刷等により塗布する。
次に、図３（ｄ）に示すように、導体ペースト３２が塗布されたガラスセラミックグリーンシート３０を、３〜２０ＭＰａの圧力と５０〜８０℃の温度で加熱圧着してグリーンシート積層体３３を作製する。このとき、グリーンシート積層体３３の最上層となるガラスセラミックグリーンシート３０には密着時の加熱時に溶融する溶融成分を含有しているものを用いるのが望ましい。
次に、図３（ｅ）に示すように、半導体基板３とグリーンシート積層体３３とを、３〜１０ＭＰａの圧力と５０〜８０℃の温度で加熱圧着する。ここで、グリーンシート積層体３３の最上層に密着時の熱で溶融する溶融成分を含有している場合、半導体基板３とグリーンシート積層体３３とを低圧力でかつ良好に密着できるため、より好ましい。
次に、図３（ｆ）に示すように、半導体基板３に加熱圧着されたグリーンシート積層体３３を焼成して、複合基板３５を形成する。このとき、グリーンシート積層体３３の主面方向の収縮が半導体基板３によって抑制されるため、グリーンシート積層体３３はＺ方向のみに収縮し、主面方向の寸法精度を高精度に保つことができる。
次に、図４（ａ）に示すように、複合基板３５の半導体基板３において、絶縁基板９の貫通孔４に露出する表面に、光ＭＥＭＳ２を形成する。なお、ここで、光ＭＥＭＳ２があらかじめ形成された別の基板を、絶縁基板９の貫通孔４に露出する表面に接合してもよい。
次に、図４（ｂ）に示すように、例えばガラス基板等の光透過性基板３６と複合基板３５とをウエハーレベルで接続し、光ＭＥＭＳ２の気密封止を行う。光透過性基板３６と複合基板３５の接続は封止部材７の封止材の融点を超える３００℃〜４５０℃でかつ、互いの反りを修正するため、数ＭＰａ〜数十ＭＰａの圧力を印加してウエハーレベルで接続する。
ここで、封止部材７を構成する封止材をＡｕＳｎ半田あるいはフリットガラスとすることが望ましい。封止部材７はスクリーン印刷法によりペーストを塗布し、リフロー等で溶融させることでそれぞれ形成可能である。
その後、図４（ｂ）の破線で示す位置で光透過性基板３６を切断し、光透過性基板３６の外周部を除去する。これにより、配線基板５の表面Ｓに設けられた配線導体１０の一部である導電パッドが露出する。
次に、図４（ｃ）に示すように、光学装置１に対し、適切な治工具を用いて、外部接続端子８として半田ボール付けを行う。
本実施の形態による光学装置１によれば、絶縁基板９の内部に設けた配線導体１０および外部接続端子８を利用することにより、素子基板３の表面に設けた光ＭＥＭＳ２と外部回路とを電気的に容易に接続することができる。また、光ＭＥＭＳ２と外部回路との間で電気的接続の自由度を高めることができる。結果として、光学装置１の設計自由度をより高めることが可能となる。また、光ＭＥＭＳ２と外部回路との間で電気的接続の自由度を高めることができると同時に、小型の光学装置１を実現できる。
なお、上述の説明では、配線基板４の表面Ｓに外部接続端子８を設けたが、外部回路基板との実装の仕方によって、例えば配線基板４の側面に、配線導体１０と電気的に接続されるように外部接続端子８を接続してもよい。また、外部接続端８は、半田ボールに限定されるものではなく、各種ピン付けによるものであっても、リード線によるものであっても構わない。
また、配線基板５とガラス基板６とを封止部材７によって接続するとともに、素子基板３と配線基板５とを接続することから、光ＭＥＭＳ２を気密に封止することができる。特に、ガラスセラミックスからなる絶縁基板９は、素子基板３である半導体基板に接続された状態で一体焼成されることから、２つの基板３，９の密着を良好に保つことができ、光学装置１の気密性を高めることができる。
また、本実施の形態による光学装置１によれば、封止部材７による光ＭＥＭＳ２の封止を、光ＭＥＭＳ２の周囲ではなく、光ＭＥＭＳ２から離れた位置、具体的には、光ＭＥＭＳ２の周囲に位置する配線基板２と光透過性基板３６との間で行うことから、光ＭＥＭＳ２を封止部材７によって封止する際に加熱等を行うことによって、光ＭＥＭＳ２に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
なお、上述の製造方法において、半導体基板３を加工する際に、光ＭＥＭＳ２の稼動部と半導体基板３とを切り離さない状態でとどめ、次にグリーンシート積層体と半導体基板とを密着させて焼成し、その焼成後、光ＭＥＭＳ２の稼動部の固定部を除去することも可能である。
また、上述の製造方法において、半導体基板３とグリーンシート積層体３３とを焼成した後で半導体基板３の表面を加工したが、光学素子の種類に応じて、半導体基板３の表面に光学素子を配置した後に、グリーンシート積層体３３と半導体基板３を密着させて、その後焼成してもよい。
次に、１つの基板に複数の光学装置１を作り込み、この基板を切断することによって個々の光学装置１を得る場合の光学装置１の製造方法について説明する。図５（ａ）〜図５（ｆ）は、図３（ａ）〜図３（ｆ）に対応し、同一の構成には、同一の符号を付している。ここでは、主として、図３（ａ）〜図３（ｆ）と異なる点について説明する。すなわち、図３（ａ）〜図３（ｆ）と同様の点についてはその説明を省略することがある。
まず、図５（ａ）に示すように、ガラスセラミックグリーンシート３０を準備する。
次に、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）で作製したガラスセラミックグリーンシート３０に、ビア用貫通孔として利用される、または光ＭＥＭＳ２を収容する貫通孔４を構成するために利用される貫通孔３１を形成する。そして、導体ペースト３２を、スクリーン印刷等の手法を用いてビア用貫通孔に充填する。
次に、図５（ｃ）に示すように、ガラスセラミックグリーンシート３０の表面に上記導体ペースト３２を塗布する。
次に、図５（ｄ）に示すように、導体ペースト３２が塗布されたガラスセラミックグリーンシート３０を、３〜２０ＭＰａの圧力と５０〜８０℃の温度で加熱圧着してグリーンシート積層体４３を作製する。
次に、図５（ｅ）に示すように、半導体基板３とグリーンシート積層体４３とを３〜１０ＭＰａの圧力と５０〜８０℃の温度の条件下で加熱圧着して、半導体基板３とグリーンシート積層体４３とを加熱圧着する。
次に、図５（ｆ）に示すように、半導体基板３に加熱圧着されたグリーンシート積層体４３を焼成することにより複合母基板４４を作製する。
次に、図６（ａ）に示すように、複合母基板４４の半導体基板３において、配線基板５の貫通孔４に露出する表面に、光学素子として光ＭＥＭＳ２を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、複合母基板４４と光透過性基板４５とをウエハーレベルで接続することにより、複数の光ＭＥＭＳ２の気密封止を一括して行う。複合母基板４４と半導体母基板４５との接続は、封止部材５を構成する封止材の融点を超える３００℃〜４５０℃で、かつ互いの反りを修正するために数ＭＰａ〜数十ＭＰａの圧力を印加してウエハーレベルで接続する。
次に、図６（ｂ）の破線に示すように、複合母基板４４と光透過性基板４５とをダイシング等で個片化することにより複数の光学装置１を形成することができる。ここで、配線基板４の表面において、外部接続端子８が接続される第３領域Ａ３の半導体基板３からの距離Ｈ３が、第２領域Ａ２の半導体基板３からの距離Ｈ２に対して０．１ｍｍ以上低くなるように段差が設けられていることが望ましい。第３領域Ｈ３が０．１ｍｍ以上低くなっていることから、ダイシングによる個片化工程において、ダイシング刃によって第３領域Ａ３に傷がつくことを抑制できる。
次に図６（ｃ）に示すように、配線基板４の表面の外周部に、適切な治工具を用いて、外部接続端子８として半田ボール付けを行う。
上述の光ＭＥＭＳ２の例としては、微細な鏡面体を静電気力により傾けて反射方向を制御するマイクロミラーデバイス、または微小の回折素子の動きを利用して回折方向を制御するグレーティングライトバルブ素子などがある。
なお、上述の説明では、光学素子の例として、基板の表面にマイクロマシニング技術を用いて形成された光ＭＥＭＳを挙げたが、基板に別体で設けられた光学素子であってもよい。
また、素子基板３が、光透過性基板１１を透過する特定の光に対して透過性を有する場合に、光学素子２が、例えば光変調素子であってもよい。
１ 光学装置
２ 光ＭＥＭＳ
３ 素子基板
４ 貫通孔
５ 配線基板
６ 透光性部材
７ 封止部材
８ 外部接続端子
９ 絶縁基板
１０ 配線導体
２ 光ＭＥＭＳ
３ 素子基板
４ 貫通孔
５ 配線基板
６ 透光性部材
７ 封止部材
８ 外部接続端子
９ 絶縁基板
１０ 配線導体
Claims (2)
- 表面に光ＭＥＭＳ素子が設けられた素子基板と、
前記素子基板の前記光ＭＥＭＳ素子が設けられた表面に接続され、前記光ＭＥＭＳ素子に対応する位置に貫通孔を有する配線基板と、
前記貫通孔を覆うように封止部材によって前記配線基板の表面に接続された光透過性部材と、
前記光透過性部材が接続された前記配線基板の前記表面に設けられており、前記配線基板に電気的に接続された外部接続端子とを備えており、
前記配線基板が前記表面に段差を有しており、前記配線基板の前記表面のうち前記外部接続端子が設けられた部分から前記素子基板までの距離が、前記配線基板の前記表面のうち前記封止部材が設けられた部分から前記素子基板までの距離よりも小さいことを特徴とする光学装置。 - 前記配線基板は、絶縁層が積層されてなる積層体と、前記積層体の内部に設けられた配線導体とを有する請求項１に記載の光学装置。
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