JPH07221408A - マイクロ素子構造 - Google Patents

マイクロ素子構造

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JPH07221408A
JPH07221408A JP25198494A JP25198494A JPH07221408A JP H07221408 A JPH07221408 A JP H07221408A JP 25198494 A JP25198494 A JP 25198494A JP 25198494 A JP25198494 A JP 25198494A JP H07221408 A JPH07221408 A JP H07221408A
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JP
Japan
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substrates
substrate
microdevice
kinematically
microdevice structure
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JP25198494A
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English (en)
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Edward J Gratrix
エドワード・ジェイ・グラトリックス
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Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/42Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4228Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements
    • G02B6/423Passive alignment, i.e. without a detection of the degree of coupling or the position of the elements using guiding surfaces for the alignment

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、2個の基体に取付けたマイクロ素
子を容易に正確に整列させることのできるマイクロ素子
構造を提供することを目的とする。 【構成】 互いに関連するマイクロ素子18, 26を具備
し、互いに近接する第1の表面14, 22をそれぞれ有する
第1、第2の基体12, 20と、それら第1および第2の基
体12, 20の第1の表面14, 22上の3個以上の設置位置に
形成され、マイクロ素子18, 26が相互に関して特有に整
列されるように第1、第2の基体12, 20を相互に運動学
的にインターフェイスする手段30, 32とを備えているこ
とを特徴とする。インターフェイスする手段30, 32はそ
れぞれの基体に設けた半球体で形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はマイクロ素子構造、特に
互いに基体と運動学的にインターフェイスするため2つ
の各基体で集積して形成される1つのこのようなマイク
ロ素子構造に関する。
【0002】
【従来の技術】ここで使用されている用語“マイクロ素
子”および全てのその変形の慣用語は産業上既知の機械
加工技術以外の技術により形成される特徴をもつ任意
の、または全ての光学的或いは電子的素子を含むものと
する。
【0003】現在、マイクロ素子を有する2以上の基体
が組立てられるとき、最終的な取付け前の基体の整列は
非常に困難であり、人為的エラーをかなり被ることにな
る。例えば、典型的に2つのマイクロ電子回路を含んだ
基体が互いに組立てられるとき、整列基準がこれらの回
路の製造処理中のいくつかの時点で各基体上に設けられ
る。多くの場合、基準が赤外線顕微鏡を使用して整列さ
れ、一度整列するとそれに続いて回路は互いに固着され
る。議論されているマイクロ素子の1応用は電子信号処
理回路を有する基体とを多重素子検出器アレイを有する
基体に整列させ、それに取付けることである。さらに、
光学的マイクロ素子を有する2以上の基体が整列される
とき、例えばレンズレットアレイがレーザダイオードの
アレイのような光学的マイクロ素子を有する別の基体と
整列されるとき、類似の整列技術が使用される。しかし
ながら、光学的マイクロ素子の整列を有する基体の場
合、整列はそれにもかかわらず顕微鏡の使用により行わ
れることができるが、整列を行うパーティは基準を整列
するために光学的マイクロ素子基体の1つを通して実際
に観察しなければならない。検出器アレイ上のレンズレ
ットアレイを配置する場合のように光学的マイクロ素子
を有する基体と電子マイクロ素子を有する基体が互いに
整列されるとき、類似の技術が使用される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述の整列構造には多
数の欠点がある。特に初期整列は人為的エラーを明白に
被る。さらに1以上の工程が互いに基体を固着するよう
に動作されるまで基体が位置に維持されなければならな
いのでオペレ−タは長時間にわたって整列を維持するこ
とを要求される。このような必要性も可視できる人為的
エラーを被るだけでなく、取付け期間中に誘発するエラ
ーも受ける。光学的および電子的技術の進歩と共に素子
密度が増加し続けおよび/または小さくなるためにこの
ような人為的エラーはマイクロ素子で増大する。
【0005】したがって、前述の欠点を克服し、オペレ
−タが整列を維持する必要をなくしたマイクロ素子構造
は非常に望ましいものである。
【0006】従って、本発明の目的は、通常のマイクロ
素子構造の前述の欠点を実質上完全に克服するマイクロ
素子構造を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的は、マイクロ素
子の整列が正確で特有であるように運動学的に基体を相
互にインターフェイスするための2つの各基体で集積し
て形成された手段を有するマイクロ素子構造を供給する
ことによって少なくとも部分的に達成される。
【0008】
【実施例】本発明の他の目的および利点は添付図面を伴
った後述の詳細な説明から当業者に明白であろう。図面
で全体を10と示され、本発明の原理を実施しているマイ
クロ素子構造は、第1、第2の主表面14,16 を有し第1
のマイクロ素子18を含む第1の基体12と、それぞれ第
1、第2の主表面22,24 とを有し少なくとも1つの第2
のマイクロ素子26を含む第2の基体と、第1、第2の基
体12,20 の第1の主表面14,22 の両者の上の少なくとも
3個の設置位置に形成されて第1、第2のマイクロ素子
18,26 がそれぞれ相互に整列されるように第1、第2の
基体12,20 をそれぞれ運動学的に相互にインターフェイ
スする手段28とを備えている。ここで使用されている用
語“運動学的インターフェイス”または“運動学的設
置”またはそれと同様の慣用語は2つの構造の特有な制
限のある結合を意味している。さらに、大部分の場合
に、整列が特有であることを確実にするために、通常、
3個の点は等辺三角形の形状で配置されない。しかしな
がら、このような制限は最低3個の点の1点で異なった
インターフェイス配置を設けることにより、容易に除か
れる。
【0009】1つの特定の実施例では、第1、第2の基
体12,20 と関連する第1、第2のマイクロ素子18,26 は
それぞれ組立てられるとき第1の主表面14,22 が互いに
近接するように配置される。図1、2で示されている実
施例では第1の基体12は論述のためにここではマイクロ
素子18として第1のマイクロレンズレットアレイを有す
るものとして説明され、第2の基体20はマイクロ素子26
としてレーザダイオードのアレイを有するものとして説
明されている。示されているように第1の基体12は第1
の主表面14で形成されるマイクロレンズレットアレイを
含み、従って第2の基体20と共に組立てられるときレン
ズレットアレイは第2の基体20の第1の基体表面22上に
形成されるレーザダイオードに接近する。
【0010】好ましい実施例では、運動学的に第1、第
2の基体12,20 とそれぞれインターフェイスする手段28
は第1の基体12の第1の主表面14に配置されそこから突
出する少なくとも3個の運動学的に設置された突出部30
と、第2の基体20の第1の主表面22に配置され突出部30
と運動学的にインターフェイスするように位置されてい
る同数の運動学的に設置された受け部32を含んでいる。
必要ではないが好ましい実施例では、突出部30は半球形
に形成されることが好ましい。さらに示されている実施
例では各運動学的に設置された受け部32は少なくとも3
個の別々の半球形バンプを含んでいる。運動学的に設置
された受け部32の1つを構成する各バンプのセットは3
点程度で運動学的に設置された突出部30の1つと運動学
的に接触するように配置されることが好ましい。より詳
細に後述するように突出部30と運動学的に設置された受
け部32はマイクロ素子18,26 の製造期間中に形成される
ことが好ましい。
【0011】突出部30と運動学的に設置された受け部32
のバンプの寸法はこれらの素子の特定の製造方法と同様
に基体12,20 上の特定のマイクロ素子18,26 に応じて決
定される。それにもかかわらず、以下の例は不必要な実
験をすることなく当業者がマイクロ素子を構造10に設け
られることを可能にするため非常に十分な情報を与えて
いる。
【0012】特定の1実施例では第1の基体12上のレン
ズレットアレイの個々のレンズレットは約200 マイクロ
メートルの焦点距離を有する。ダイオードから放射され
る光を照準するために、第1、第2の基体12,20 の第1
の主表面14,22 は焦点距離即ち約200 マイクロメートル
の距離で隔てられている。さらにレンズレットアレイの
隣接するレンズレットの間隔はダイオードアレイのダイ
オードの間隔に等しく、これは本発明の実施には臨界的
ではないが、この例では約50マイクロメートルとされて
いる。動作上、レーザダイオードの出力を実効的に照準
するために、ダイオードはレンズレットと正確に整列さ
れなければならない。
【0013】x、yの両方方向でダイオードアレイとレ
ンズレットアレイの整列を確実にするため、突出部30と
運動学的に設置された受け部32は非常に正確に寸法を定
められなければならず、それぞれ第1、第2の基体12,2
0 の第1の主表面14,22 上に位置されなければならな
い。焦点距離が確定され、即ち第1の主表面14,22 間の
分離距離“h”が決定され、突出部30の半球の半径、運
動学的に設置された受け部32のバンプの寸法が選択され
る。典型的に、各突出部30と、対応する受け部32の3点
接触を容易に確実にするために、半径は距離“h”より
も小さいが距離“h”の半分より長く選択される。本発
明の実施例では、例えば約200 マイクロメートルの焦点
距離では、約150 マイクロメートルの半径が選択され
る。運動学的に設置された受け部32のバンプとの間の距
離“d”は半球の半径の2倍よりも僅かに大きく選択さ
れる。距離“d”の決定は好ましい実施例ではグラフを
使用した次の式により確定されることができる。
【0014】h(d)=2*r*sin[θ(d)] h(d)は第1の表面14,22 間の間隔であり、dはバン
プ間の距離であり、rは半球の半径(この例では150 マ
イクロメートル)であり、θ(d)はアークコサイン
(d/4r)に等しい。
【0015】図3で示されているグラフは300 マイクロ
メートルから500 マイクロメートルの範囲の“d”値に
おける前述の式の解を示している。この例では第1の主
表面14,22 の間の間隔が知られており、即ち200 マイク
ロメートルに選択されているので、各運動学的に設置さ
れた受け部32のバンプ間の距離“d”はグラフから450
マイクロメートルよりもやや少なく決定される。
【0016】好ましくは各運動学的に設置された受け部
32のバンプは、第1の基体12の突出部30が各運動学的に
設置された受け部32のバンプに接触されるときに各突出
部30が運動学的に設置された受け部32と均等に接触を行
うように配置される。結果的な3個の点接触は対応する
運動学的に設置された受け部32内で、各突出部30の位置
を特有に固定し、したがって第1、第2の基体12,20 を
相互に関して特有に固定する。
【0017】突出部30と運動学的に設置された受け部32
は各基体12,20 の製造期間中に配置され、設定されるこ
とが好ましい。図4のaで示されているように、第1、
第2の基体12,20 にはそれぞれ第1の主表面14,22 に配
置されるフォトレジストのような光感知材料の層40が最
初に設けられる。図4のbで示されているようにこの例
では複数の開口36は例えばフォトリソグラフ工程により
フォトレジストの層40で形成される。フォトリソグラフ
工程により第1の基体12に突出部30の位置である開口36
が作られる。同様に、第2の基体20に適用されるフォト
リソグラフ工程により各運動学的に設置された受け部32
の3個の位置のための位置である開口36が作られる。フ
ォトリソグラフのような処理の固有の正確性のために突
出部30と運動学的に設置された受け部32は従って相互に
非常に正確に整列される。さらにこのような正確な整列
は反復可能である。
【0018】図4のcで示されているようにフォトレジ
スト層40の残りが除去される前に導電性のバンプ42は解
放位置に形成される。特定の1実施例ではバンプ42はイ
ンジウムはんだ結合を使用して形成される。代りにバン
プ42はプラスチック、ガラス、金属等から形成されるこ
とができる。典型的にインジウムバンプは既知の電着処
理により形成される。
【0019】その後、図4のdで示されているようにフ
ォトレジスト層40の残りが除去される。除去後、バンプ
42は図4のeで示されているようにバンプ42を材料の融
点まで加熱し材料が半球型に流動状態にすることよって
半球形40に形成される。材料の流動化が可能である融点
と時間は勿論、バンプ42を形成するために使用される材
料の特性によって決定される。有効に、バンプ42用のイ
ンジウムはんだ結合のような比較的低い融点を有する導
電材料の使用により、バンプ42はまた第1、第2の基体
を強固に固着するための接続として使用されることがで
きる。前述したことから基体がフォトリソグラフ処理段
階で処理されることができる限り任意の数の基体が組立
てられることができることが理解されよう。
【0020】本発明を1以上の特定の実施例に関して説
明したが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、
当業者により他の装置、構造が作られることが理解され
よう。従って、本発明は特許請求の範囲によってのみ限
定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を実施したマイクロ素子を有する
2つの基体のマイクロ素子構造の断面図。
【図2】本発明の原理を実施した図1で示されている2
つの基体のマイクロ素子構造の斜視図。
【図3】バンプの高さ対半球の間隔を示したグラフ。
【図4】本発明の方法による2つのマイクロ素子基体の
製造および組立て方法を示す一連の工程図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 33/00 M H01S 3/25

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1個の関連するマイクロ素子
    を具備し、互いに近接する第1の表面をそれぞれ有する
    第1および第2の基体と、 前記第1および第2の基体の前記第1の表面上の少なく
    とも3個の設置位置に形成され、前記マイクロ素子が相
    互に関して特有に整列されるように前記第1および第2
    の基体を相互に運動学的にインターフェイスする手段と
    を具備することを特徴とするマイクロ素子構造。
  2. 【請求項2】 前記第1および第2の基体と運動学的に
    インターフェイスする手段が前記第1の基体の前記第1
    の表面上に位置する少なくとも3個の運動学的突出部
    と、前記第2の基体の前記第1の表面に位置する少なく
    とも3個の運動学的受け部とを含む請求項1記載のマイ
    クロ素子構造。
  3. 【請求項3】 前記運動学的突出部が半球である請求項
    2記載のマイクロ素子構造。
  4. 【請求項4】 各前記受け部が前記第2の基体の前記第
    1の表面から突出する3個の半球を含む請求項3記載の
    マイクロ素子構造。
  5. 【請求項5】 各前記運動学的突出部が前記受け部の1
    つの3個の全ての半球と接触している請求項4記載のマ
    イクロ素子構造。
  6. 【請求項6】 各前記基体が電子マイクロ構造を含む請
    求項1記載のマイクロ素子構造。
  7. 【請求項7】 各前記基体が光学的マイクロ構造を含む
    請求項1記載のマイクロ素子構造。
  8. 【請求項8】 前記第1の基体が光学的マイクロ構造を
    含み、前記第2の基体が電子マイクロ素子を含む請求項
    1記載のマイクロ素子構造。
  9. 【請求項9】 前記第1の基体がレンズレットアレイを
    含む請求項1記載のマイクロ素子構造。
  10. 【請求項10】 前記第2の基体がレーザダイオードの
    アレイを含む請求項9記載のマイクロ素子構造。
  11. 【請求項11】 前記第1および第2の基体が約200 マ
    イクロメートルの距離で隔てられている請求項10記載
    のマイクロ素子構造。
  12. 【請求項12】 第1および第2の基体のそれぞれの第
    1の表面上の少なくとも3個の設置位置のそれぞれにお
    いて前記各基体上のマイクロ素子が相互に特有に整列さ
    れるように前記第1および第2の基体を運動学的にイン
    ターフェイスするために対応する突出部と受け部を形成
    することを特徴とするマイクロ素子構造の製造方法。
JP25198494A 1993-10-18 1994-10-18 マイクロ素子構造 Pending JPH07221408A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US13868493A 1993-10-18 1993-10-18
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JP (1) JPH07221408A (ja)
KR (1) KR950013296A (ja)
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IL (1) IL111219A0 (ja)
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