(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフロー可能な材料（ハンダと呼ぶ）からなる手段により基板に取り付けられる光学コンポーネントを含む物品製造のための方法であって、
ａ）ハンダで湿潤可能な第１の材料からなる複数の円形領域であって、実質的にハンダで湿潤できない第２の材料によって囲まれている、直径ｄを有する円形領域からなる主表面を有する基板を用意する工程と、
ｂ）直径Ｄのハンダ堆積の基部と、側壁と、円錐形の高さＨと、前記ハンダ堆積の基部と前記側壁との間の角度θ（円錐角度と呼ぶ）とからなる前記ハンダ本体と関連した実質的に円錐形のハンダ本体を、前記第１の材料領域上に形成する工程と、
ｃ）前記円錐形のハンダ本体を溶融せしめて溶融した材料を形成する工程と、
ｄ）前記溶融した材料を再凝固させて、高さｈ及び切頭の直径ｄを備えた、先端を切った球形状を有する再凝固されたハンダ本体（第１のハンダ隆起と呼ぶ）を生じさせる工程と、
ｅ）前記ハンダ隆起を溶融することを含む工程により、複数のハンダで湿潤可能な領域を持つ前記コンポーネントを基板に取り付ける工程とからなる方法において、
ｆ）これらのパラメータＨ、Ｄ、ｄ、ｈ及びθは多変数関数ｈ＝ｆ（Ｈ、Ｄ、ｄ、θ）で関連付けられ、ハンダ隆起のＺ軸方向の整列公差の条件を満足させるために縮小係数∂ｈ／∂Ｈが０．３以下になるようにそれぞれのパラメータが選択されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、リフトオフ・マスクの穴を介する視線堆積からなる工程により前記円錐形のハンダ本体を形成する工程を含む方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記光学コンポーネントの複数の領域は、直径ｄ２ の円形領域からなる方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、さらに、
ａ）直径Ｄ′のハンダ堆積の基部と、側壁と、円錐の高さＨ′と、前記ハンダ堆積の基部と前記側壁との間の円錐角度θ′とを有する複数の円錐形のハンダ本体の円形領域を、前記光学コンポーネントの円形領域上に形成する工程と、
ｂ）前記円錐形のハンダ本体を溶融せしめて溶融した材料を形成する工程と、
ｃ）前記溶融した材料を再凝固させて、高さｈ′及び切頭の直径ｄ′を備えた、先端を切った球形を有する再凝固されたハンダ本体（第２のハンダ隆起と呼ぶ）を生じさせる工程とからなり、
ｄ）これらのパラメータ  Ｈ′、Ｄ′、ｄ′、ｈ′及びθ′は、多変数関数ｈ′＝ｆ（Ｈ′、Ｄ′、ｄ′、θ′）で関連付けられ、ハンダ隆起のＺ軸方向の整列公差の条件を満足させるために縮小係数∂ｈ′／∂Ｈ′が０．３以下になるようにそれぞれのパラメータが選択されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記光学コンポーネントを前記基板に取り付ける工程は、
ａ）前記第１のハンダ隆起を前記第２のハンダ隆起に接する工程と、
ｂ）前記第１及び第２のハンダ隆起を溶融する工程と、
ｃ）溶融したハンダを凝固させる工程とからなる方法。
【請求項６】
請求項３記載の方法において、前記光学コンポーネントを基板に取り付ける工程は、
ａ）前記第１のハンダ隆起を前記光学コンポーネントの円形領域に接する工程と、
ｂ）前記第１のハンダ隆起を溶融する工程と、
ｃ）溶融したハンダを凝固させる工程とからなる方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、前記コンポーネントは半導体レーザである方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ボンディング技術、特にハンダ隆起ボンディングに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば通信やコンピュータ関連分野では、電気的技術と光学的技術の融合を要することがある。この融合を促進させるためには、光ファイバと関連の光電子工学的なコンポーネントとのパッケージ化を進めなければならない。光学的及び光電子工学的モジュールの製造コストは、典型的に、デバイスのコストよりむしろデバイスのパッケージ化のコストによるところが大きい。デバイスパッケージ化の１つの態様は、基板への、例えばデバイス、コンポーネント、アセンブリまたは半導体チップ（総称“コンポーネント”）のボンディングである。エレクトロニクス産業で広く用いられているボンディングアプローチは、フリップチップハンダ隆起手法である。
【０００３】
ハンダ隆起ボンディングはエレクトロニクス産業においてしっかり基礎固めされているが、ほんの最近このアプローチは光学的及び光電子工学的コンポーネントと共に用いられるようになったばかりである。ハンダ隆起ボンディングのこれらの新しい使用法は、典型的に技術の確立された応用においては重要でない技術の限界を示した。例えば、光学的及び光電子工学的ボンディングは、電子的ボンディングにおいて通例になっているものよりももっと厳しい整列公差（アラインメントの許容誤差）を伴う。後者においては、基板平面における整列が典型的に唯一の関心事である。通常、湿潤可能なパッドが基板上に正確に位置決めされさえすれば、コンポーネントは正確に位置決めされるだろう。基板に垂直な方向（ｚ方向）の整列は、典型的に電子的パッケージ化では重要なことではない。しかしながら、光学的及び／または光電子工学的コンポーネントを基板にボンディングする場合は、コンポーネントは、基板の平面（ｘ及びｙ方向）において正確に整列されるばかりでなく、基板に垂直な方向（ｚ方向）においても正確に整列されることを要することがある。典型的には、関連のレーザ放射源に対する光導波路の整列がどの方向にも一様に１μｍだけずれている場合は、この組み合わせの光結合効率は低過ぎて受け入れられない。
【０００４】
基板に垂直な方向の位置変化が例えば±１μｍ以内になるようにコンポーネントを基板にハンダボンディングすることは困難である。したがって、光学的及び光電子工学的パッケージ化において遭遇する、特にｚ方向における厳しい整列要求を満足させることができる方法が大いに必要とされ、光学的及び光電子工学的パッケージ化と関連したパッケージ化コストをかなり減らし得る。本出願はこのような方法を開示するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板へのコンポーネントの改善されたボンディングを提供できる方法で具体化される。本発明の物品製造方法は、リフロー可能な材料（以後“ハンダ”と総称する）により第２の本体（“基板”と呼ぶ）に“コンポーネント”（例えば半導体レーザのような光電子工学的デバイス）をボンディングすることからなる。本方法は、再凝固したハンダ本体（ハンダ“隆起”と呼ばれることもある）の高さ（ｈ）を，該隆起が得られる円錐形状の第１のハンダ本体の高さ（Ｈ
）の変化に対して比較的感度を悪くすることができる、関連パラメータ空間における領域が存在するという我々の発見に重大な前提がおかれている。この感度の悪さ（“縮小係数”（demaghtication  tactor）∂ｈ／∂Ｈが予め決められた値以下例えば＜０．５の条件で表わされる）とは、コンポーネントと基板間の間隔を、典型的には先行技術のハンダ隆起ボンディング技術で可能なものよりももっと精密に制御する能力に換算される。
【０００６】
より明確には、本方法は、（ハンダで）湿潤できない第２の材料で囲まれた少なくとも１つの実質的に円形（直径ｄ）の（ハンダで）湿潤可能な第１の材料領域（湿潤可能な“基部”）を有する基板を提供することを含む。この基板上には、前記湿潤可能な基部に接する（好適には上に置かれる）ように、実質的に円錐形（ハンダ堆積の直径Ｄ、高さＨ、ハンダ堆積と側壁間の角度θ）の第１のハンダ本体が形成される。本方法は、さらに、円錐形の第１のハンダ本体を溶かすことと、溶かされたハンダ材料を再凝固させて、再凝固したハンダ本体（ハンダ“隆起”）が生じるようにすることを含む。このハンダ隆起は、高さｈ及び切頭直径ｄを有する、先端を切った球形状となる。ここで、ｄは湿潤可能な基部の直径で決定される（そして該直径に等しくなる）。重要なのは、関連パラメータ（Ｄ、ｄ、Ｈ、ｈ及びθを含む）は、∂ｈ／∂Ｈ≦０．５になるように、好適には＜０．３または０．１に等しくなるように選択される。ハンダ隆起の形成後、“コンポーネント”は、ハンダ隆起を溶融することからなる工程で基板に取り付けられる。コンポーネントは、その上に形成される第２のハンダ隆起を持ち得るかまたは持ち得ない少なくとも１つの湿潤可能な基部を有する。第２のハンダ隆起は、前記ハンダ隆起と実質的に同じように形成される。
【０００７】
本発明の手法は、典型的に、コンポーネントと基板間の厚さを精密に制御したハンダ接合を形成するために用いられるだろうが、例として、適切な本体、例えば１個以上のコンポーネントのための基板として役立つべきものであるがそれ自体商品であるSiウエハ、上における高さを精密に制御したハンダ隆起を形成するために用いることもできる。
本発明の手法は、Ｚ軸整列における正確さと均一さを提供し、それにより、例として全部で６つの自由度を制御するための受動的な、レーザからファイバまでの整列スキームの能力を拡張する。
【０００８】
【実施例】
本発明の方法は、いずれかの適切な手法による基板への実質的に円錐形のハンダ本体の形成を含む。この目下好適な手法は技術上周知であり、基板上のリフトオフ・マスクの開口部（“バイア（ｖｉａ）”）を介するハンダの視線堆積を含む。詳細については、例えば、本手法を概略的に示しているジー・イー・ブロンダー(G.E.Blonder) 等の“相互接続方法及び材料”ＡＴ＆Ｔ  テクニカル  ジャーナル  １９９０年１１／１２月号，第４６ページ，図１Ａ〜図１Ｃを参照されたい。２は基板、１０はパターンが描かれたリフトオフ・マスク、３は（湿潤できない）基板２上の湿潤可能な基部（例えば銅、ニッケル、銀、金）、４及び５はハンダ堆積であり、堆積４は最終的に（開口の部分的または完全な閉塞により）ハンダ堆積の基部の直径Ｄ、高さＨ及び円錐角度θを有する円錐形状の第１のハンダ本体７になる。下記の説明は、湿潤可能な基部３が円形であると仮定しているが、少なくとも原理的に、他の形状（例えば楕円形）を用いることもできる。第１のハンダ本体の形状とサイズは、なかんずくリフトオフ・マスクの開口６により決定される。典型的に、開口６の側面は、側壁上に堆積が生じないようにわずかにテーパーが付けられている。
【０００９】
図２は模範的な第１のハンダ本体を概略的に示す。円錐角度θは、堆積隆起を作るために用いられる特定の加工装置により決定される。角度θに影響を与える重要なファクターは、リフトオフ・マスクのタイプ及び厚さ、蒸発装置の入射角度、蒸発するハンダのタイプである。
【００１０】
第１のハンダ本体の形成後、リフトオフ・マスクは基板から除去され、基板上には第１のハンダ本体が残る。リフトオフの後、その上に第１のハンダ本体を有する基板はハンダ溶融温度以上に短時間加熱され、次いでハンダが再凝固する。この溶融／再凝固工程は“リフロー（ｒｅ−ｆｌｏｗ）”と呼ばれる。リフローは、円錐形状の第１のハンダ本体を、湿潤可能な基部上にのみ位置決めされる先端を切った球形（ハンダ隆起と呼ぶ）に変形させる。予言できる形状に合わせるための溶融ハンダの能力は本発明の方法の重要な見地である。
【００１１】
図３に示されるハンダ隆起の重要な寸法は、隆起の高さｈ(bump)と、基部直径ｄと等しい切頭直径ｄを含む。
【００１２】
図２及び３における寸法の定義を参照して、第１のハンダ本体の容積は、
【数１】
0003540006.tif 000002
で与えられ、ハンダ隆起の容積は、
【数２】
0003540006.tif 000003
で与えられる。
【００１３】
パラメータθは加工装置の特性であり、どんな所定のケースでも定数とみなすことができる。寸法ｄ及びＤはリソグラフィの精密度で制御される。一方、Ｈは例えば蒸発速度に依存し、制御するのが比較的難しい。その結果、典型的にＨと関連して常態に復される変形は、ｄ及びＤと関連して常態に復される変形を実質的に越える。以下、ｈ(bump)及びｈ(joint) （図４参照）は共に、文脈から例証として挙げ得る正確な意味で“ｈ”と呼ぶ。
【００１４】
ハンダ隆起の形状変化に影響を与える他のパラメータは、ハンダの圧密係数である。この係数はリフロー前後のハンダの極微の密度差を斟酌する。圧密係数Ｃは、各加工装置のために実験的に容易に決定でき、どんな所定のケースでも定数とみなすことができる。円錐形のハンダ本体の容積は、圧密係数Ｃによりハンダ隆起の容積に関係づけられる。すなわち、
【数３】
0003540006.tif 000004
項を集めると、ハンダ隆起の高さをここで表わすｈに関する一般式は、
【数４】
0003540006.tif 000005
で与えられる。これは解析的に解くことができる三次方程式である。
【００１５】
ｈの値は、次の通り、パラメータＣ及びθと変数Ｈ、Ｄ及びｄにより決定される。
【数５】
0003540006.tif 000006
この式に基づき、種々の変数へのｈの依存度は計算可能であり、図に表わすことができる。図９はＨへのｈの依存度を示し、我々の発明の重要な態様である思いがけない特徴を例示している。
【００１６】
そこには３つの異なる領域が存在する。すなわち、低いＨでは、ｈはＨに対して立方根の依存度で立ち上がり、中間のＨではＨに対して弱く依存し、高いＨでは再び比較的急勾配に上がる。
【００１７】
曲線の中間領域は、∂ｈ／∂Ｈが比較的小さいパラメータ空間の一部に対応し、思いがけない特徴と呼ばれる上記のことの見本である。曲線の屈曲点は閉塞限界と呼ばれ、先端を切った円錐から円錐への成長に対応し、後続のハンダ堆積はマスク開口部の完全閉鎖によって拒まれる。この閉塞限界は、
【数６】
0003540006.tif 000007
のところで起こる。
【００１８】
閉塞限界を越えた曲線の第３領域は物理的なものではなく、純粋に数学的な加工物である。
【００１９】
本発明の実施例に関してこの曲線の最も重要な部分は、閉塞限界に至るまでの第２領域にある。Ｈに対するｈの飽和は、ハンダ本体高さＨの変化に対して比較的感度が悪いリフローされた隆起／接合高さｈを得る可能性を表わす。
【００２０】
次に、本発明を実施する際のそれぞれのパラメータの設定方法について図１０−１３を参照しながら述べる。“縮小係数” ∂ｈ／∂ＨはＨの単位変化あたりのｈの変化である。例えば、縮小係数０．１は、Ｈにおける１μｍの誤差はｈにおいてわずか０．１μｍにとどまることを意味する。このファクターに注目すれば、設計者はＨの変化に対するｈの適切な感度レベルを選択することができる。縮小係数は模範的に以下の手順を用いて式２から決定される。独立変数の数が以下の新しい変数
【数７】
0003540006.tif 000008
を導入することにより変数が３から２に減らされた場合は、式（５）は、
【数８】
0003540006.tif 000009
となる。
【数９】
0003540006.tif 000010
とすれば、
【数１０】
0003540006.tif 000011
となる。
【００２１】
比Ｈ／Ｄ及びｄ／Ｄは、実質的に一定の高さを有する隆起を設計するのに必要な全情報を含む。Ｈ／Ｄ−ｄ／Ｄの縮小係数の面プロットは図１０に示される。同様に、図１１はｈ／Ｄのプロットを示す。この説明のため、圧密比Ｃは典型的に０．９８と仮定され、円錐角度は８０度と仮定される。したがって、比Ｈ／Ｄ及びｄ／Ｄの仕様は、規格化された隆起の高さｈ／Ｄと同様に縮小係数を独特に決定する。これらすなわちアナログ的なプロットから量に関する情報を得るために、面プロットのうちの垂直または水平断面が典型的に採用され、それに依存して変数が望ましい主要な目標になる。例えば、設計目標がＨ／Ｄ＝１，２，３，等である場合は、Ｈ／Ｄのこれらの値に沿った面プロットの垂直断面は、縮小係数対ｄ／Ｄの２次元プロットの輪郭マップとして表わすことができる。当業者は、ここに与えられた情報に基づいてこのようなプログラムを実行することができるだろう。
【００２２】
以下の説明は、縮小係数及び規格化されたリフローされた高さ∂ｈ／∂Ｈが各々０．１乃至０．５の重要な範囲を有する２つの目標変数であるケースを例示する。水平断面は、Ｈ／Ｄ−ｄ／Ｄ空間における縮小係数とリフローされた高さとの輪郭マップを作るために重要な値で面プロットに作られる。これらの輪郭プロットは図１２に示される。プロットにおける線は縮小係数と規格化されたリフローされた高さｈ／Ｄの一定値輪郭を表わす。例えば、目標とされる縮小比が０．１であって、目標とされる規格化されたリフローされた高さの比が０．３の場合は、これらの２つの輪郭の交差は１．３のＨ／Ｄ比と２．２５のｄ／Ｄ比を決定する。この点で、設計者は１つ以上の変数（Ｈ、Ｄ、ｄまたはｈ）を明示することができ、この後すべての残りの寸法変数が自動的に決定されるだろう。例えば、Ｄが１００に選ばれると、Ｈは１３０に、ｄは２２５に、ｈは３０になるだろう。
【００２３】
輪郭プロットは、目標変数と独立変数間の差を強調し、後者は前者の望ましい値を得るように選択される。上記の説明では、縮小係数とリフローされた高さが目標変数であるのに対して、Ｈ／Ｄとｄ／Ｄは独立変数である。
【００２４】
上記の説明は、実質的に、基板例えば適当に用意されたシリコンウェハ上の１つのハンダ隆起（または複数の隆起）に関するものである。我々は、本発明（すなわち、高さｈが設計値の予め達成不可能な狭い範囲以内にあるハンダ隆起からなる）にしたがうような基板の商業的利用を見越しているが、それにハンダ接合されたコンポーネント（例えばレーザ）を備えた本発明による基板を含む有効な商業利用を期待している。
【００２５】
図４は、直径ｄ１ の基部を有する基板と直径ｄ２ の基部を有するコンポーネント間のハンダ隆起を例示する。図５〜８は、種々の可能性、すなわち、対称及び非対称の単一隆起形態（それぞれ図５及び６）と二隆起形態（それぞれ図７及び８）を示す。ここで、図５−８に示されるハンダの構造は例であり、その形状はそれらのパラメータによって変化する。対称形態により我々はｄ１ ＝ｄ２ を表わし、また非対称形態によりｄ１ がｄ２ に等しくないことを表わすつもりである。二隆起形態の場合には、各々の形態についてＨ、Ｄ、ｄ、ｈまたはθ及びＨ′、Ｄ′、ｄ′、ｈ′及びθ′が定義される（ここでの説明においてはｄ＝ｄ１、ｄ′＝ｄ２である）。
【００２６】
我々は、直径ｄ１ の基部は“第１の”先端を切った円錐形状のハンダ本体と関連し、直径ｄ２ の基部は“第２の”先端を切った円錐形状のハンダ本体を備えているとみなす。両先端を切った球（図４参照）の容積は、
【数１１】
0003540006.tif 000012
で与えられる。この容積は“接合”容積と呼ばれる。接合容積は、圧密係数Ｃにより第１及び第２のハンダ本体の容積と関係づけられる。非対称の二隆起接合の一般的ケースに関しては、
【数１２】
0003540006.tif 000013
となり、ここで、Ｖs１及びＶs２はそれぞれ第１及び第２のハンダ本体の容積である。項を集めると、ｈに関する一般式は、この場合はｈ(joint) を表わすが、
【数１３】
0003540006.tif 000014
で与えられる。ここで、下付き文字１及び２は、それぞれ第１及び第２のハンダ本体を指す。
【００２７】
これは解析的に解くことができる三次方程式である。したがって、接合の最終的な高さについて解くことができる。式１０を使用して、他の寸法による最終的な接合高さの依存度を計算してプロットすることができる。図９は、模範的な対称二隆起接合及び模範的な非対称単一隆起接合に関するｈ対Ｈの変化を示す。
【００２８】
縮小係数と単一のリフローされた規格化された高さとに関する輪郭プロットを限定するための前記手順は、容易にハンダ接合まで広げることができる。例として、規定比ｄ２ ／ｄ１ すなわち基部直径ｄ２ ／ｄ１ を有する非対称単一隆起接合形態の場合には、ハンダ接合に関する輪郭プロットのだいたいの形状は、単一のリフローされた隆起に関する図１２に示されるものに似ているが、湿潤可能な基部直径の比ｄ２ ／ｄ１ にしたがって変化する。図１３は、ｄ２ ／ｄ１ ＝２の場合の比対称な単一隆起接合形態に関する輪郭プロットを示す。どんな望ましいｄ２ ／ｄ１ に関する個々の輪郭プロットも、当業者ならば理解できるように、式（２）〜（４）及び（７）を使用して容易に描くことができる。
【００２９】
これら及び他のここに開示された設計ツールは、特に基板上のコンポーネントの間隔の許容変化に関して予め達成できない設計仕様を達成することができる。典型的には、∂ｈ／∂Ｈ＞０．５に関して達成可能な利点は典型的に商業的に意味あるものになるには小さ過ぎるだろうから、∂ｈ／∂Ｈが０．５以下、好適には０．３未満か０．１に等しくなる程度に、設計は選択されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは、視線堆積工程を示す。
Ｂは、視線堆積工程を示す。
Ｃは、視線堆積工程を示す。
【図２】リフロー前の堆積された先端を切った円錐形状のハンダ本体を示す。
【図３】リフロー後の堆積されたハンダ本体すなわちハンダ隆起を示す。
【図４】リフロー後の接合された堆積されたハンダ隆起を示す。
【図５】対称的な単一隆起接合形態を示す。
【図６】非対称的な単一隆起接合形態を示す。
【図７】対称的な二隆起接合形態を示す。
【図８】非対称的な二隆起接合形態を示す。
【図９】堆積されたハンダ高さに対するリフローされた隆起／接合高さの依存度を示す。
【図１０】縮小係数の面プロットである。
【図１１】ｈ／Ｄの面プロットである。
【図１２】単一リフロー隆起用の縮小係数及びリフロー高さｈ／Ｄの等高線プロットを示す。
【図１３】ｄ２ ／ｄ１ ＝２の場合の非対照的な単一リフロー隆起接合用の縮小係数及びリフロー高さｈ／Ｄの等高線プロットを示す。
【図１】
0003540006.tif 000015
【図２】
0003540006.tif 000016
【図３】
0003540006.tif 000017
【図４】
0003540006.tif 000018
【図５】
0003540006.tif 000019
【図６】
0003540006.tif 000020
【図７】
0003540006.tif 000021
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0003540006.tif 000026
【図１３】
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