JP5378376B2 - レーザ軟化ガラスバンプを用いる微細位置合せ - Google Patents

Description

関連出願の説明

本出願は、同時係属であり、共通に譲渡された、「レーザ軟化ガラスバンプを用いる微細位置合せ（MICROALIGNMENT USING LASER SOFTENED GLASS BUMPS）」についての、２００７年７月１６日に出願された米国特許出願第６０/９５９６４０号及び２００７年１１月３０日に出願された米国特許出願第６１/００５，０５５号に関連し、これらの特許出願の優先権を主張する。

本発明は全般的には２つないしさらに多くの物体の微細位置合せに関し、特に、アセンブリ時電気−熱駆動を用いる、プレーナ基板の微細位置合せに関する。

プレーナ型導波路デバイスの位置合せは一般に、例えば圧電微細位置決め機構によって駆動される多軸平行移動／回転ステージのような、外部精密位置決めシステムによって与えられる。一般に、有機接着剤または金属ソルダーのような取付材料が位置合せされた基板と基板の間に配置され、基板位置合せを長時間維持するために用いられる。精密位置決めシステムは一般に２つのプレーナ型導波路デバイス上の導波路アレイを、横方向位置ずれを０.２μｍ未満に抑えて、位置合せできるが、取付後の再作業率が高くならないように、接着剤が硬化する間導波路位置合せを維持することが肝要な問題である。

レーザ溶接を適用すると、サブミクロンの単一導波路横方向位置合せを達成するために溶接後曲げ再作業が必要であることが多い。プレーナ型導波路のアレイを位置合せするためのこの方法の使用は、プレーナ基板に平行な平面で曲げ回転がおこる場合、さらに困難である。回転は導波路アレイの一端に空隙をつくり、望ましくない軸方向位置ずれ及び結合損失を招く。

本出願の所有者に譲渡された、名称を「光素子を位置合せする方法及び構造（Method and structure for aligning optical elements）」とする特許文献１に開示されるような、結晶ブロック取付はデバイスの基板へのゼロシフト取付けのための一解決策であるが、中間ブロックを介する共通位置合せ基板へのプレーナ型デバイス取付けのカンチレバー的性質により、この手法はワイアボンディングによる電気的相互接続を必要とするプレーナ型デバイスにそれほど適していない。さらに、２つの基板を位置合せするために完全６軸位置決めシステムが必要である。

プレーナ型デバイスの別の位置合せ／取付手法は、共通位置合せ基板に一体化されているかまたは共通位置合せ基板上に取り付けられている微動アクチュエータを含む。例えば、圧電材料、電歪材料、磁歪材料及び磁性材料の膨張及び／または収縮に基づく、内蔵微動アクチュエータが既に説明されている。プレートと基板の間の静電気力、ポリマーの電気誘起形状変化及び屈曲素子の超音波励起に基づく微動アクチュエータも作製されている。別の共通内蔵微動アクチュエータ手法は熱−機械効果による材料の膨張及び／または収縮を利用する。ＭＥＭＳ及び半導体製造プロセスを用いてプレーナ基板に作り込まれることが多い、そのような微動アクチュエータ構造は、
（１）選ばれた支持アームまたは支持梁の加熱に基づき、アームまたは梁が単一材料を用いて作製される、微動アクチュエータ。残りのアーム、梁または支持構造は加熱されないから、アームまたは梁にかかるＣＴＥ誘起差動力により微動アクチュエータ構造の変形（平行移動及び／または回転）が生じる；
（２）支持アームが、それぞれのＣＴＥが相異なる２種の材料から作製された、二材料積層構造であることから変形する微動アクチュエータ。そのようなアームは加熱されると低ＣＴＥ材料側に湾曲することによって駆動を与える；
の２つのグループに大別することができる。

これらの駆動手法の全てにともなう欠点は、それぞれの位置を維持するために連続制御入力（例：電気信号）を必要とすることである。このことは制御入力が製品の寿命にわたって維持されなければならないことを意味するから、ハイブリッド光コンポーネントの微細位置合せにおいて重大な欠点である。さらに、上述した微細位置合せ技術の多くは製品コストを高める複雑な精密微細構造（例えば、ＭＥＭＳ）を必要とする。ＭＥＭＳアクチュエータは、制御入力が取り除かれた後もその位置を維持するように、ラッチ構造を組み込んで設計することができる。しかし、そのようなアクチュエータは上述した標準ＭＥＭＳより構造がさらに一層複雑になり、この結果、製造コストがさらに高くなると予測され得る。

密閉キャビティ内でポリマー材を、膨張すると既定の方向に力がかかるように加熱することで、別のタイプの熱−機械アクチュエータを形成することができる。このアクチュエータ方策はＭＥＭＳアクチュエータ手法に比べてかなり単純であるが、やはり定常的な制御入力（例：ポリマーヒーターへの電圧）印加が必要である。また、熱−機械的ポリマー膨張がアクチュエータに与えられるから、周囲温度の変化がポリマー寸法の変化を誘起させ、この結果、アクチュエータ位置に望ましくないシフトを生じさせ得るであろう。

コーニング（Corning）社で、ＩＲ吸収パイレックス（登録商標）類似ガラス系が最近開発された。このプロセスにより、バンプ高が７０〜１００μｍまでの暗色ガラスバンプの形成が可能になる。そのようなバンプはプレーナ型導波路デバイス基板の位置合せのためのスタンドオフ構造として用いることができる。１回ないしさらに多くのレーザ加熱サイクルがエネルギーをバンプに向けて、バンプ高を大きくする。閉ループ制御システムを用いて、バンプ高を目標高に達するまで徐々に大きくすることができる。

米国特許第６５１２６４２号明細書

本発明の課題は、ＩＲ吸収ガラスバンプをスタンドオフ構造としてプレーナ型導波路デバイス基板の精密位置合せに用いるための手法を提供することである。

本発明の一実施形態は、（１）過大ガラスバンプの形成及び（２）制御されたバンプ軟化及びカバー基板に印加される下向き圧力の組合せによるバンプ高の緩やかな減少による、精確な高さのガラスバンプスタンドオフ構造を作製するための手法を含む。バンプを軟化させるためにはレーザが優先的に用いられるが、他のエネルギー源も用いることができる。バンプ軟化に選ばれるレーザ波長は、最小限の光吸収でビームにカバーガラスを通過させ得る波長であることが好ましい。例えば１.５５μｍレーザからの光は最小の吸収でＳｉ基板を通過するであろうが、例えばＦｅ及びＣｕがドープされたガラス（以降「暗色」ガラス）のような光吸収性ガラスにおいては比較的強く吸収され、ガラスは局所加熱を受けるであろう。

本発明の方法及び技法の様々な実施形態にしたがえば、
−過大暗色ガラスバンプを、レーザ形成を用いてその場で、または様々な低コストプロセス（例：型押、成形）により暗色ガラス基板取付の前に、形成することができる；
−複数のプロセスパラメータ（例えば、可変レーザパワー及びカバー基板印加圧力）を用いることで正確なカバー基板高位置決めのための改善されたプロセス制御を達成できる；
−バンプレーザ加熱及び基板位置合せ作業を反復することにより、初期位置合せ後、カバー基板高の再位置決めを可能にすることができる；
−カバー基板の基板熱絶縁被覆層または表面構造がバンプ軟化中のカバー基板を介する熱散逸を制限するために機能することができる；
−バンプ軟化プロセスは、初期バンプ形成プロセスで微少クラック形成によるバンプ弱化が生じた場合には特に、カバー基板に対する改善された基板支持を与える、接触領域が拡大された支持構造を形成する；
−バンプ軟化に使用されるＩＲレーザと同じＩＲレーザを、カバー基板と暗色ガラス基板の間に配される接着剤を局所的に硬化させるためにも用いることができる。

その他の特徴及び利点は以下の説明及び関連図面から明らかであろう。

図１は本発明の一態様にしたがうハイブリッドアセンブリまたはその一部の簡略な断面図である。 図２は、プレーナ型導波路基板１４がＳＯＡ１８の形態にある別の基板への位置合せのためにアセンブリ上に配置されている、図１のハイブリッドアセンブリの簡略な断面図である。 図３は、光源３８からの照射ビーム３６による照射を示している、図２のハイブリッドアセンブリの簡略な断面図である。 図４は、バンプ２８ａの軟化及びその結果の高さ減少を示している、図３のハイブリッドアセンブリの簡略な断面図である。 図５は、バンプ２８ｂの軟化及びその結果の高さ減少を示している、図４のハイブリッドアセンブリの簡略な断面図である。 図６は、バンプ２８と基板１４の間の比較的大きな接触領域２９を示している、導波路１６の導波路１２との位置合せ完了後の図５のハイブリッドアセンブリの簡略な断面図である。

図１は、（いずれもが図２に示される）プレーナ型導波路基板１４上の光導波路１２がＳＯＡ（半導体光増幅器）アレイ基板１８上の導波路１６に位置合せされなければならない、ハイブリッドアセンブリ１０を示す（断面図に示される導波路１２及び導波路１６では１つの代表導波路１２だけが見えているが、図の平面の下方及び上方には複数の導波路が配置されている）。暗色ガラス基板２０が有機接着剤またはソルダー２４を用いて下部位置合せ基板２２上に取り付けられる。ＳＯＡアレイ基板１８もソルダー層２６のようないずれかの許容され得る方法によって位置合せ基板２２上に取り付けられる。暗色ガラス基板２０は、後に位置合せスタンドオフとしてはたらくであろう過大ガラスバンプ２８を提供する。バンプは、プレーナ型導波路基板１４上の導波路１２をＳＯＡアレイ導波路１６に適切に位置合せするために必要な高さより大きな高さ、すなわち暗色ガラス基板２０からの離隔距離３０を有することから、「過大」と形容される。

過大暗色ガラスバンプ２８は、望ましくは、レーザバンプ形成を用いて（ハイブリッドアセンブリ１０の集成／位置合せプロセス中に基板２０上に）その場で形成することができる。バンプは、位置合せ基板２２への暗色ガラス基板２０の取付けに先立ち、基板２０上に前もって作製することもできる。過大バンプの高さ許容範囲は、以降の位置合せ工程が（例えば許容範囲が０.１〜０.３μｍの）微細高さ位置合せを達成するであろうから、比較的緩く（例えば５〜２０μｍもの広い範囲に）することができる。緩いバンプ高要件により、レーザバンプ形成、成形、型押、表面機械加工またはフリットスクリーン印刷を含むがこれらには限定されない、広い低コストバンプアレイ前形成プロセスが可能になる。例えば、本発明の文脈において使用するための過大ガラスバンプ２８は、薄いガラスシートに熱型押を施して間隔の密な突起ドーム列を形成することによって、形成することができる。

次いで、ピグテイルブロック３４によって光ファイバ３２に連結されたプレーナ型導波路基板１４のような、プレーナ型導波路基板が図２に示されるように過大ガラスバンプ２８の頂部上に配置される。上面からの可視光映像またはＩＲ光映像を用いて、プレーナ型導波路基板の導波路１２をＳＯＡアレイ導波路１６に粗く位置合せする。過大ガラスバンプにより、プレーナ型導波路基板の導波路はＳＯＡアレイ導波路から垂直方向に比較的小さな距離、例えば５〜３０μｍ、変位している。

図３に示されるように、１５５０ｎｍレーザのような、適する光源３８からのＩＲ光ビームのような光ビーム３６が、次いで、プレーナ型導波路基板１４を通して、バンプ２８ａのような、過大暗色ガラスバンプ上に導かれる。長波長ＩＲ光（例：λ＝１.５５μｍ）は、例えばプレーナ型Ｓｉ導波路基板を比較的僅かな減衰で通過するであろう。しかし、この同じ光が、暗色ガラス基板２０を通過する際には強く吸収され、図３において暗色ガラスバンプを加熱することになる。プレーナ型導波路基板１４がＳｉの代わりにシリカで作製されていれば、より短波長の光源（例：λ＝８５０ｎｍ）を用いることができる。

図３はプレーナ型導波路基板１４を上側から通過する光ビーム３６を示すが、別の構成においては、ＩＲ光を下側から用いて暗色ガラスバンプ加熱を達成することができるであろう。この手法では、ＩＲ光に透明な材料（例：Ｓｉまたはシリカ）で下側位置合せ基板２２を作製する必要があろう。別の光手法において、暗色ガラスバンプ上またはその近傍に直結する光ヒーター電極４０がバンプ加熱のためのＩＲ光を供給できる。そのようなヒーター電極４０は、プレーナ型導波路基板１４または位置合せ基板２２のような、暗色ガラスバンプに直近の隣接基板上に配置することもできるであろう。

暗色ガラス加熱プロセス中に、太い黒矢印４２で全体として示されるように、プレーナ型導波路基板１４の上面に下向きの圧力が印加される。過大暗色ガラスバンプ２８ａが十分に加熱されると、下向き圧力４２が暗色ガラスバンプ２８ａの高さを徐々に減少させて、バンプ２８ａのガラス（「バンプガラス」）を、図４に示されるように、横方向に押し拡げるであろう。バンプ高減少率は、プレーナ型導波路基板１４に印加される圧力及び／または暗色ガラスバンプ２８に印加される光ビーム３６のビームパワーを調節することによって制御することができる。

暗色ガラスバンプ加熱プロセスは、図５に示されるように、（１つまたは複数の）残りの過大バンプ２８ｂに対して反復される。（例えば、複数のバンプ２８への複数の加熱サイクルにより）過大バンプ２８の高さを徐々に減少させることによって、図６に示されるように、プレーナ型導波路基板の導波路１２をＳＯＡアレイ基板の導波路１６に位置合せすることができる。

本発明の暗色ガラスバンプベース基板位置合せプロセスは、暗色ガラスバンプ２８の頂部における、ガラスバンプ２８とプレーナ型導波路基板１４の間の機械的接触領域２９を比較的大きくすることができるから、他の暗色ガラス位置合せ手法に大きく優ることができる。この大接触領域２９により、高められたバンプ強度及び、位置合せ及び接着剤下塗り硬化プロセス中の、高められた耐変形強度が得られる。この大接触領域は、微少クラックまたはその他の構造欠陥が他のレーザ形成暗色ガラスバンプをかなり弱める場合に、特に重要になり得る。型押、成形、等のような先付暗色ガラスバンプ形成プロセスを用いることで、望ましければ、より大きな基板接触面積をもつ形状を含む、任意の形状の過大バンプをつくることができる。

１０ ハイブリッドアセンブリ
１２，１６ 光導波路
１４ プレーナ型導波路基板
１８ ＳＯＡアレイ基板
２０ 暗色ガラス基板
２２ 位置合せ基板
２４ 有機接着剤
２６ ソルダー層
２８ ガラスバンプ
３０ 離隔距離
３２ 光ファイバ
３４ ピグテイルブロック
３６ 光ビーム
３８ 光源
４０ 光ヒーター電極
４２ 下向き圧力

Claims (9)

1. 精確な高さをもつガラスバンプスタンドオフ構造を作製する方法において、前記方法が、
   ガラス基板上に過大ガラスバンプを設ける工程、
   前記バンプを加熱するための熱源を準備する工程、
   位置合せされるべき基板を前記過大バンプ上に配置する工程、及び
   （１）前記バンプを加熱することによる前記バンプの軟化及び（２）前記位置合せされるべき基板への圧力印加を含む操作の組合せにより、前記ガラス基板と前記位置合せされるべき基板とが間隔を空けるよう、前記過大バンプの高さを必要な高さに減少させる工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記熱源が、前記ガラス基板と組み合わされた照射ビームであり、該ガラス基板が前記照射ビームの波長において吸収を示すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記照射ビームがレーザであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記照射ビームが１.５５μｍレーザであることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記位置合わせされるべき基板がシリコンを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記バンプ高を減少させる前記工程が、前記位置合せされるべき基板を通して前記バンプを照射する工程を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記方法が、前記ガラス基板を位置合せ基板上に配置する工程をさらに含み、前記バンプ高を減少させる前記工程が、前記位置合わせ基板を通して前記バンプを照射する工程を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
8. ガラス基板上に過大ガラスバンプを設ける前記工程が、前記ガラス基板上にガラスバンプを型押しするかまたは成形する工程を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. ガラス基板上に過大ガラスバンプを設ける前記工程が、前記ガラス基板をレーザで照射する工程を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。

Images