(57)【要約】  一連の精密に形状化且つ配置された形状化要素を作製する方法は、精密に形状化されたパターン化研削材を用いて加工物内にチャネルを形成する。１つまたは複数のパターン化研削材は、１つまたは複数の交差軸に沿って接触且つ研削して形状化要素を画定する。形状化要素は光学素子、半導体素子またはその両方を含み得る。
2008517789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物を研削して、一連の形状化要素を画定するチャネルを少なくとも部分的に形成するステップと、
突起のパターンを有する加工面を有する少なくとも１つのパターン化研削材で、前記チャネルの表面を同時に研磨するステップと、
を含む、加工物から形状化要素を製造する方法。
【請求項２】
前記チャネルが先細側面を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記チャネルが光学品質まで研磨された側面を有する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記加工物が、
基板と、
担体とを備える請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加工物が光学材料を備えるとともに、前記形状化要素が光学素子を備える請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光学材料が以下の、ガラス類、方解石、サファイア、酸化亜鉛、炭化ケイ素、ダイヤモンド、高分子フィルム、およびそれらの組み合わせから選択される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記光学材料が複数の光学材料層を含む請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記光学材料が少なくとも０．０１ｃｍ2／ｓの熱拡散率を有する請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記突起の断面が円形円弧、非円形円弧、台形、放物線、角錐、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
研削するステップが、
複数の交差軸に沿ってチャネルを少なくとも部分的に形成するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記形状化要素が約１０ｍｍ未満の少なくとも一つの寸法を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
研磨スラリーが研磨するステップで用いられる請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記加工物が半導体材料を備える請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記半導体材料が以下の、シリコン、炭化ケイ素上に堆積された半導体、およびサファイア上に堆積された半導体から選択される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記形状化要素が発光デバイスである請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記加工物が一連の非分割ダイオードを含むウエハを備える請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記形状化要素を個片化するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
研削するステップが切削要素により行われる請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記切削要素がパターン化研削材である請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記切削要素がダイヤモンドソーである請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
研削するステップが、
チャネルをパターン化研削材で開始するステップと、
開始チャネル内の加工物材料をソーで除去するステップと、
加工物材料をパターン化研削材でさらに除去してチャネルを画定するステップと、
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
加工物を研削して、少なくとも１つの形状化要素を規定するチャネルを少なくとも部分的に形成するステップと、
突起のパターンを有する加工面を有する少なくとも１つのパターン化研削材で、前記チャネルの表面を同時に研磨するステップと、
を含む、加工物から少なくとも１つの形状化要素を製造する方法。
【請求項２３】
前記研削するステップが前記パターン化研削材により行われる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記研削するステップおよび前記研磨するステップが、前記パターン化研削材と前記加工物との間の揺動運動をさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記研削するステップおよび前記研磨するステップが、前記パターン化研削材と前記加工物との間の連続運動をさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記研磨するステップが、複数のパターン化研削材により行われる請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記パターン化研削材が少なくとも１つの粒子タイプおよび結合剤を含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
突起のパターンを有する加工面を有する少なくとも１つのパターン化研削材で加工物を研削して、一連の形状化要素を画定するチャネルを形成するステップと、
前記パターン化研削材で、チャネルの表面を研磨するステップと、
を含み、前記研削するステップと前記研磨するステップとが同時である、一連の形状化要素を製造する方法。
【請求項２９】
前記加工物が光学材料を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記光学材料が以下の、ガラス類、方解石、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド、高分子フィルム、およびそれらの組み合わせから選択される請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記加工物が半導体材料を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
研磨スラリーが前記研削するステップおよび前記研磨するステップで用いられる請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
液体潤滑剤および冷却剤が前記研削するステップおよび前記研磨するステップで用いられる請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子および半導体素子などの一連の形状化要素を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一つの数ミリメートル未満の寸法を有する光学素子（すなわち無機または有機材料であるとともに少なくとも一平面に沿って刻面された形状化体、形状化体は光を反射、屈折、吸収するおよび／または熱を伝達する）および半導体素子は、現在多数の方法により作製されている。これらの方法には成型、個々の要素のラッピング、焼結を伴うゾルゲルからの光学素子のキャスト、微細複製、および表面張力または収縮を利用して所望の形状を形成する方法がある。これらの方法のうちラッピングだけが耐火性または結晶材料からの精密な形状の作製を可能にする。しかしラッピングは特にダイヤモンド、炭化ケイ素、およびサファイアなどの高い熱伝導率を有するセラミクスに関して、大量の光学素子を作製する最も遅く且つ最も高価な方法の１つである。加えて個々にラッピングされた形状化要素は個々に取り扱わなければならならず、それは困難である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本出願は、加工物が研削されて一連の形状化要素を画定するチャネルを少なくとも部分的に形成する、加工物から形状化要素を製造する方法を開示する。チャネルの表面はパターン化研削材により光学品質まで研磨される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
図１ａおよび１ｂは一連の個々の光学および／または半導体素子を形成するための、基板材料を研削するパターン化研削材１０、３０の代表的な実施形態を示す。本明細書で用いるように研削は、基板材料の研削（ａｂｒａｄｉｎｇ）および研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を同時に含み得るが、研磨は別のステップとして行われ得る。加えて要素または形状化要素に関して本明細書で用いるように、「個々の」または「個片化（ｓｉｎｇｕｌａｔｅｄ）」とは、識別可能であるが必ずしも他の要素から切り離されていない要素を指す。同様に個片化とは、必ずしも互いに切り離されていない識別可能なユニットを形成することを指す。図示のようにパターン化研削材１０、３０は加工面１２、３２とバッキング１４、３４とを含む。加工面１２、３２は突起１６、３６と、粒子１８、３８と、結合剤２０、４０とを含む。
【０００５】
パターン化研削材１０、３０は結合剤２０、４０内に分散された粒子１８、３８の複合物をバッキング１４、３４に塗布することにより形成される。バッキング１４、３４はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、布、紙、不織布、金属箔、ガラス繊維、およびそれらの組み合わせなどの材料を備え得る。結合剤２０、４０は粒子１８、３８を分散させる媒体としての機能を果たすとともに、また複合物をバッキング１４、３４に接着させ得る。パターン化研削材１０、３０は複合物を成形することにより精密な三次元形状に形成される。
【０００６】
典型的な成形作業は、成形型（ｍｏｌｄ）内で複合物または樹脂を形成することを含み、複合物または樹脂はその後紫外光、電子、ｘ線、または熱エネルギーなどのエネルギー源で硬化される。代替的には複合物を塑性状態で形成するとともに硬化させて所望の形状を形成することができる。例えば粒子で充填されたフェノール結合剤が成形型で成形されるとともに、放射線または熱で硬化され得る。重要なことにはパターン化研削材１０、３０を厳密な仕様に合わせて作成することができることである。
【０００７】
スリーエム・カンパニー（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ）により製造されるトライザクト（登録商標）（Ｔｒｉｚａｃｔ（登録商標））研磨材がパターン化研削材の一例である。適当なパターン化研削材は研磨粒子と結合剤とを含む。結合剤材料はポリマ類、金属類またはセラミクス類で形成されている。一例にはウレタン類、エポキシ類、アクリル化ウレタン類、アクリル化エポキシ類、単および多官能アクリレート類、フェノール類、電鋳ニッケル、およびガラスタイプ材料がある。
【０００８】
粒子１８、３８は約０．５〜約２０μｍ、またはいくつかの実施形態において約１．５〜１０μｍの平均直径を有する。粒子１８、３８は溶融酸化アルミニウム（茶色、加熱処理済み、および白色酸化アルミニウムを含む）、セラミック酸化アルミニウム、緑色炭化ケイ素、炭化ケイ素、シリカ、クロミア、溶融アルミナ：ジルコニア、ダイヤモンド、酸化鉄、セリア、立方晶窒化ホウ素、炭化ホウ素、ガーネット、およびそれらの組み合わせを含み得る。研削性能を変更および改善するために、処理補助剤などの他のアジュバントが含まれ得る。
【０００９】
粒子１８、３８は直接結合剤に混合してもよく、または粒子は結合剤に混合される前にまず研削材塊に形成してもよい。研削材塊を形成するためには、粒子をシリカまたはケイ酸塩ガラスなどのガラスタイプ材料内で結合して切断性能を改善する。そして研削材塊を結合剤に混合する。
【００１０】
パターン化研削材１０、３０の突起１６、３６は多数の形状うちのいずれかに形成され得る。一例には非球面円弧を含む円形および非円形円弧、台形、放物線、四角錐、およびそれらの組み合わせである、研削経路に垂直な断面を有する突起１６、３６がある。パターン化研削材を用いて作製された個々の光学および／または半導体素子の断面は、パターン化研削材１０、３０の経路に垂直に取った突起１６、３６の反転断面を有する。加えて個々の要素は、形状化要素上により複雑なファセットを生成する可能性がある少なくともより複雑な断面形状を有する一平面に沿って刻面（ｆａｃｅｓｔｅｄ）される。
【００１１】
パターン化研削材１０、３０とは異なり、従来の研削材は通常平滑面を生成するために用いられる。溝形成を最小限に抑えるために、研削材頂点（間の間隔）のピッチはランダム化されているか、または頂点はサンディング動作に対して斜角に配向されているとともに、研削材はサンディング中は揺動される。代替的には従来の研削材の頂点は非特定形状を有して浅く、一ラッピングステップを含む。
【００１２】
またパターン化研削材１０、３０は従来のギャングソーと区別できる。ギャングソーは機械的に位置合わせされるとともに個々に取り付けられた多数列の金属刃である。金属刃は使用につれて鈍る。パターン化研削材は厳密に位置合わせされるとともにダイ（ｄｉｅ）、成形型（ｍｏｌｄ）、または他の技術から製造される複合材料の一体化列であり、さらにギャングソーとは異なり使用につれて磨滅または鋭くなるとともに、多数の機能と有用性とを有するように構築することができる。上述したようにパターン化研削材は研削および研磨を同時に行うことができる。この特徴はギャングソーによる切断を始めとする他の方法に比べて形状化要素の損傷の低減につながる。パターン化研削材は粉砕助剤、充填剤粒子、粒子表面処理、界面活性剤、パシベーション剤、酸化剤、カプリング剤、分散剤、および他の添加剤も含み得る。これらの材料の例は米国特許公報第２００３／００２４１６９Ａ１号明細書（ケンドール（Ｋｅｎｄａｌｌ）ら）に記載されている。
【００１３】
図２ａ〜２ｄは個々の精密な光学または／および半導体素子を、精密に形成されたパターン化研削材から形成する方法を図示する。図２ａは加工面１０２とバッキング１０４とを有するパターン化研削材１００を示す。加工面１０２は突起１０６を含むとともに、バッキング１０４は基準参照１０８を含む。
【００１４】
使用中、パターン化研削材１００を多数の工具のうちのいずれかにより用いて基板材料を研削して、個々の光学および／または半導体素子を形成する。パターン化研削材１００を回転可能シリンダ、ベルト、または平坦なシートの少なくとも一部分に適用して、研削プロセスの工具を作製してもよい。
【００１５】
図２ｂは光学および／または半導体材料で作製された加工物１１０を示す。加工物１１０は基板材料１１２と担体１１４とを含む。適当な基板材料には、ガラス類、方解石、サファイア、酸化亜鉛、炭化ケイ素、ダイヤモンド、およびそれらの組み合わせのような硬質無機材料などの光学材料がある。また光学材料にはこれらの材料の積層物、例えばガラスに接着された炭化ケイ素、ガラスに接着されたサファイア、ガラスに接着された方解石、およびガラスに接着された高分子フィルムがあり得る。光学材料の有利な特徴には、少なくとも０．０１ｃｍ2／ｓの熱拡散率、透明性、高屈折率、低色度、および低毒性がある。また基板材料１１２はシリコンなどの半導体材料、もしくは炭化ケイ素またはサファイア上に蒸着された半導体を備え得る。基板材料１１２は任意のタイプの光学および／または半導体材料で構成し得るが、パターン化研削材１１０による研削および研磨は、脆弱な、非常に硬い、および／または感温性材料、従来の方法を用いて切断することが非常に困難であるとともに成形不可能な材料に特に有利である。
【００１６】
限定を意図することなく、開示された要素に対して特定の有用性を有するガラスには、約１．７より大きい屈折率と摂氏７５０度未満のガラス転移温度、より好適には６５０Ｃ未満のガラス転移温度とを有する無鉛ガラスがある。すべてが同じであれば低熱膨張係数を有するガラスが好ましい。いくつかの例示的ガラスには、すべてショット・ガラス（Ｓｃｈｏｔｔ  Ｇｌａｓｓ）（独国）から入手可能なｎ−ＬＡＦ７、ｎ−ＬＡＦ３、ｎ−ＬＡＦ３３、およびｎ−ＬＡＳＦ４６、ならびにオハラ・コーポレーション（Ｏｈａｒａ  Ｃｏｒｐ．）から入手可能なＳ−ＮＰＨ２がある。
【００１７】
担体１１４は当該技術で周知の多数の材料のうちのいずれかで構成され得る。適当な材料は非常に機械的に安定していなければならない。
【００１８】
作業中、パターン化研削材１００の加工面１０２は加工物１１０の基材材料１１２と接触する。加工物１１０は連続運動または揺動運動のいずれかにより、加工物１１０内に少なくとも部分的にチャネルを形成するとともに、チャネルにより画定される要素の表面を光学品質にまで研磨するように研削される。パターン化研削材１００と加工物１１０との間の相対運動は図示の断面平面に垂直である。研削は乾燥または液体潤滑剤および冷却剤を用いて行われ得る。液体潤滑剤を利用する場合には、前述した粒子タイプにうちの１つを含む研磨スラリーが添加され得る。研磨スラリー（化学的機械的研磨（ＣＭＰ）で一般に用いられる）は当該技術で既知である。例えばシリカ、アルミナ、またはセリア研磨粒子を含む液体ベースの複合懸濁液、および酸化剤、ポリマ、ｐＨ安定剤、分散剤、および界面活性剤などの化学添加物を適合可能な研磨パッドと組み合わせて用いることができる。適当な研磨流体は突起との粒子接触または相互作用点における高反応性または腐食性を提供する。異なる温度を用いて研磨流体の反応性または腐食性を制御し得る。代替的にはパターン化研削材１００は研磨スラリーと組み合わせて用いられる無研削材パッドにより形成される。無研削材パッドがチャネルの形状を画定する一方で、研磨スラリーがチャネルの表面を光学品質まで研磨する。
【００１９】
要素の表面を遊離および固定砥粒研磨の両方を始めとする多数の従来の研磨技術のいずれかを用いて研磨することができる。遊離砥粒研磨において研磨鉱物（ＣｅＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｐ3、ダイヤモンド等）のスラリーは、溶剤（通例水）と組み合わされてパッドまたはプラテン材料に塗布される。研磨スラリーがパッド−基材界面に送達されつつ、研磨される材料基材が通常の負荷の元でパッドまたはプラテンに対して移動される。典型的なパッド材料はウレタン類などの多孔性ポリマ類、フェルト類、布類、または立毛（ｎａｐｐｅｄ）ポリマ材料類である。固定砥粒研磨において研磨鉱物は樹脂、金属または硝子（ガラス）であり得る接着剤内に頑固に保持される。この状況において研磨される基材または材料はまた通常の負荷の元でパッドまたはプラテン材料に対して移動される。研磨液体を固定砥粒−基材界面に適用して研磨を補助することができる。研磨液体のタイプは、材料除去を助けるように設計されたｐＨの水溶性または非水溶性液体であり得る。研磨粒子のスラリーを固定砥粒と一緒に用いて研磨動作を提供することもできる。固定砥粒および遊離砥粒研磨用研磨パッドは共に、材料除去、表面仕上げ、および大型のトポロジー形状維持の適当なバランスを生じるように設計された多様な機械的構成および特性を生じる。
【００２０】
図２ｃは研削プロセス中のパターン化研削材１００および加工物１１０を図示する。研削するためには加工面１０２と反対側のバッキング１０４と基材１１２の反対側の担体１１４とに力をかけて、研削プロセス中パターン化研削材１００と基材１１２とを接触させていなければならない。これらの力は硬い材料、弾性材料（例えばゴム）を介して、もしくは表面を支える空気または液体などの流体を介してかけられる。
【００２１】
図２ｄは個々の要素１１６とチャネル１１８とを有する加工物１１０を示す。各個々の要素１１６は側面１１６ａと上面１１６ｂとを含む。研削はチャネル１１８を形成して、側面１１６ａおよび上面１１６ｂの一部またはすべてを同時に、または１つまたは複数のパターン化研削材がチャネル１１８を形成した後に表面１１６ａおよび１１６ｂを研磨する状態で漸進的に研磨することによってもよい。同時に行われる場合には、研削速度は表面１１６ａおよび１１６ｂを光学品質まで研磨するほど十分に速い。漸進的に行われる場合には、各研削材がプロセス中に微細になっていく状態で２つ以上のパターン化研削材の漸進が用いられるか、または粒子がプロセス全体を通して微細になっていく場合、研磨スラリーが添加され得る。
【００２２】
パターン化研削材１００を、個々に異なる大きさに形成された粒子が分配または突起１０６の特定の部分に集中された状態で準備することができる。例えば大きな粒子を突起１０６の先端に組み込むことにより高い除去速度および要素１１６上に粗い仕上げを提供し得る。より微細な粒子を突起１０６の側部に集中させることにより、要素１１６の側面１１６ａを研磨し得る。パターン化研削材１００の各突起１０６間の表面であるランドは、要素１１６が突起１０６とほぼ同等の高さを有する場合には、加工物１１０の上面１１６ｂを研削する異なる粒径を組み込んでもよい。多機能領域を有するパターン化研削材の一例が国際公開第０１／４５９０３Ａ１パンフレット（オオイシ（Ｏｈｉｓｈｉ））に記載されている。
【００２３】
図３ａ〜３ｆは代替方法を示す。ここでダイヤモンドソーまたは同様なタイプの工具を用いてチャネルを大まかに形成し、チャネルはその後１つまたは複数のパターン化研削材で仕上げられる。
【００２４】
図３ａは突起２０６を有するパターン化研削材２００と、基材材料２１２と担体２１４とを有する加工物２１０とを含む。作業中加工物２１０は、突起２０６が部分的にのみチャネルを形成するようにパターン化研削材２００で研削される。
【００２５】
図３ａのステップの結果が図３ｂに示されている。加工物２１０はここで部分的に形成されたチャネル２１８ａを含む。
【００２６】
次に図３ｃに示されているように、ダイヤモンドソー２２０は部分形成チャネル２１８ａを、チャネルをさらに形成するためのガイドとして用いる。ダイヤモンドソー２２０は各チャネル２１８ａを個々に切削して、部分形成チャネル２１８ｂを形成する。部分形成チャネル２１８ａを用いることで、ダイヤモンドソー２２０が適正な場所に各チャネル２１８ｂを確実に切削することができる。図３ｂは各部分形成チャネル２１８ｂの形成後の加工物２１０を示す。ほぼ基材２１２を通しての切削を示しているが、ダイヤモンドソー２２０は基材２１２中を完全に切断することにより、部分形成チャネル２１８ｂを形成し得る。
【００２７】
チャネルの形成を仕上げるために、パターン化研削材２００は加工物２１０を研削してチャネル２１８を画定するとともに要素２１６を形成する。これは図３ｅに図示されている。パターン化研削材２００は当初に使用した同じパターン化研削材または異なるパターン化研削材であり得る。上記したＣＭＰおよび固定砥粒技術を用いてさらなる研磨を達成することができる。
【００２８】
個々の要素２１６が図３ｆに担体２１４に取り付けられて示されている。パターン化研削材２００は表面２１６ａおよび２１６ｂの少なくとも一部を光学品質にまで研磨した。
【００２９】
基材２１２が完全に研削され得るか、または完全に研削される前に研削を停止することができる。基材２１２中を完全に研削する前に研削が停止される場合には、その結果得られる形状化要素アレイを基材２１２の背面の残りをバックグラインドすることにより、個片化することができる。これが個片化形状化要素の背面から見たときのファセットの第２の平面を作製する。
【００３０】
図４ａ〜４ｃは代替方法を図示する。図４ａは粗いチャネル３１８ｃを有する基材３１２を示す。基材３１２は前述した方法または当該技術で周知の他の方法のいずれかにより研削または切削され得る。
【００３１】
図４ｂに示すように軟質で、容易に研磨されやすい共形コーティング３１２ａが、化学蒸着またはスパッタリングなどの技術を用いて粗く形状化された基材３１２材料上に堆積される。コーティング３１２ａはシリカ、ケイ酸塩ガラス、またはインジウムスズ酸化物であり得るとともに、部分形成要素のすべてを被覆しなければならない。そしてパターン化研削材はコーティング３１２ａを研削してチャネル３１８を形成するとともに、チャネル３１８の表面を光学品質まで研磨する。図４ｃは得られた製品、要素３１６ａを示す。
【００３２】
さらに他の代替方法において、（図示しない）パターン化研削材を最初に用いて加工物上の基板をプランジカットすることにより部分形成チャネルを形成する。その後同じまたは他のパターン化研削材が、パターン化研削材を部分形成チャネルの表面に対して横方向に付勢することにより部分形成チャネルの側面を研削する。この方法から生じるチャネルはパターン化研削材の突起より幅広い。
【００３３】
個々の要素はアレイとして用いられるように、または個々に用いられるように個片化され得る。個々に用いられる場合には、担体はその除去により形状化要素を個片化するように解放可能であり得る。
【００３４】
形状化要素は、各要素の基部が特定の所望形状を有するとともに形状化要素が刻面されるように形成することができる。形状およびファセットは加工物を１つまたは複数の交差軸に沿って研削することにより形成される。図５および６はこの概念を図示する。
【００３５】
図５は正方形基部（太字で示す）を有する要素の構成を図示する。図５は中心線ＣＬ１と中心線ＣＬ２とを示し、それらは加工物内に形成されたチャネルの中心線を表わしている。中心線ＣＬ１に沿って研削し、加工物をパターン化研削材に対して約９０°回転し、さらに中心線ＣＬ２に沿って研削することで、正方形基部を有する要素を作製する。
【００３６】
図６は六角形基部を有する要素（太字で示す）の構成を図示する。図６は中心線ＣＬ３と、中心線ＣＬ４と、中心線ＣＬ５とを示す。ここで相対的回転は３つの研削ステップ間で約６０°である。このプロセスによれば３つ以上のファセットを有する形状化要素を形成することが可能であり、形状化要素に３〜８のファセットが容易に作製される。各追加軸に沿った方向性研削は形状化要素上により複雑なファセットを生成する。
【００３７】
チャネルの経路は図５および６に示すように直線か、または曲線であり得る。複数の湾曲交差経路が形成されるか、または緩やかに湾曲した円弧であるかまたは回転体が形成されないように正弦曲線になり得る。
【００３８】
さらに交互配置プロセスによりチャネルを形成し得る。この方法において複数の第１のチャネルがパターン化研削材で加工物内に形成される。パターン化研削材が持ち上げられ、ある距離横方向に移動され、そして据え置かれて第１のチャネルと平行であるがずれている複数の第２のチャネルを形成して、第１および第２のチャネルが交互配置される。必要に応じて異なるパターン化研削材を用いて第２のチャネルを形成してもよい。このプロセスは所望の数のチャネルが達成されるまで、１つまたは複数のパターン化研削材を用いて継続される。
【００３９】
各要素の高さは設計の選択肢の問題であるが通例約１０ｍｍ、より好適には約３００μｍ〜約４ｍｍになる。各要素の基部幅は高さの約１０分の１〜約２分の１になり、各要素間の距離は高さの約２分の１になる。形状化要素のアスペクト比は通例２：１または５：１である。透明な光学材料で作製された要素は図示のように先細形状を有して、光を平行にするまたは焦点に収束させることができる。しかしいくつかの実施形態において垂直またはほぼ垂直側面を有する個々の要素を作製することが有利であり得る。
【００４０】
精密な個々の要素を製作するためには、パターン化研削材は所望の形状を形成するために必要な各軸に沿って研削するように、加工物に対して正確に位置決めされなければならない。これは多数の方法のいずれかによって行われ得る。図２ａに示すように、パターン化研削材１００は基準参照１０８を含み、基準参照１０８は工具のガイドに嵌入されて研削中パターン化研削材を正しい位置に位置決めおよび保持する。１つまたは複数の突起１０６などの基準参照は加工面１０２上にあってもよい。基準参照はガイドを用いて機械的であり得るか、または配置を制御する制御機構へ信号を供給し得る。制御機構はパターン化研削材１００、加工物１１０またはその両方の位置を動的に調整する。制御機構は光学的、機械的、電気的、または磁気的信号を利用し得る。
【００４１】
代替的にはローラおよび１つまたは２つの側壁をベルトを有する工具の縁部ガイドとして用い得る。この側壁はベルトの縁部の位置を規定する。
【００４２】
一連の光学素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイなどの個片化光源に接着され得る。しかし開示の方法により作製された個々の光学素子はアレイを画定する正確な場所にあるため、光学素子およびダイのいずれかまたは両方は解放可能な担体に固定されている場合、一連の光学素子は一連のＬＥＤダイとの位置合わせに理想的である。図７ａ〜７ｃは一連のＬＥＤダイに接着され得る一連の光学素子を製造する他の方法を図示する。
【００４３】
図７ａは突起４０６と突起４２２ａとを有するパターン化研削材４００を示す。図７ｂは光学材料４２４ｂおよび４２４ｃならびに担体４１４を有する加工物４１０を示す。ここで加工物４１０は多層光学材料の利用を図示する。例えば層４２４ｂはガラス、セラミックまたはポリマ類であり得る。適当なポリマには熱硬化性、熱可塑性、および配向熱可塑性ポリマがある。層４２４ｃの適当な材料にはガラス、セラミックまたはポリマ類、ならびに多層光学フィルムミラーまたは偏光板、金属類、インジウムスズ酸化物、酸化亜鉛、金属網、格子、網、およびワイヤグリッド偏光板を始めとする無機層などの他の材料がある。ワイヤグリッド偏光板は米国特許第６，２４３，１９９号明細書（ハンセン（Ｈａｎｓｅｎ）ら）および米国特許第６，７８５，０５０号明細書（ラインズ（Ｌｉｎｅｓ）ら）に記載されている。ワイヤグリッド偏光板は場合によっては保護コーティングで被覆され得る。
【００４４】
図７ｃは研削プロセスから形成された光学素子４１６を示す。光学素子４１６は側面４１６ａとチャネル４１８ｂを有する上面４１６ｂとを含む。図示のようにパターン化研削材４００の突起４２２ａは上面４１６ｂ内にＬＥＤの取り付けを助けるチャネル４１８ｂを形成する。パターン化研削材４００は光学品質までの研磨面４１６ａおよび４１６ｂに有し、約２０ｎｍ以下の表面粗さＲAを有することが好ましい。
【００４５】
いくつかの実施形態において、光学素子４１６に取り付けられたＬＥＤダイは光学素子４１６と接着される前にアレイに配列される。このプロセスが図８ａ〜８ｄに図示されている。
【００４６】
関連手法において図７ｂに示すような２つ以上の層状加工物は、上記のような光学材料で構成された第２のウエハに接着された半導体ウエハを備え得る。半導体ウエハは基材と、電極層と、エレクトロルミネセンスにより光を生成するのに適した半導体層とを含み得る。半導体ウエハ内に形成されたＬＥＤは、両方の電極にウエハの一方側からアクセス可能な「フリップチップ」設計を有することができる。ウエハ内のＬＥＤの発光面に対応する半導体ウエハの反対側は光学材料の層に接着されている。従来の接着方法を本明細書の他の部分に記載されているように用いることができる。そして半導体／光学組み合わせ加工物を本明細書に開示されたパターン化研削材のいずれか、例えば図１ｂのもので研削することができる。必要な場合には、半導体ウエハの電極層がもし存在すれば、電極層を研削プロセス中にポリマまたは他の材料の薄膜で保護することができる。このようなポリマまたは他の材料を後で熱、プラズマエッチング、または適当な溶剤を用いて除去することができる。研削を組み合わせ加工物の一側または両側から開始することができる。半導体ウエハ側から開始する場合には、且つ図１ｂのような先細突起を用いてウエハ内のＬＥＤ間にチャネルを切削する場合には、研削手順が完全である場合最終的な結果は、互いに固着されるとともに固有位置合わせされているが小さい個々の光学素子を小さい個々のＬＥＤダイに個々に位置合わせするまたはマウントする必要のない、多数の個々のＬＥＤダイ／光学素子対である。
【００４７】
図８ａは接着剤５２６によって担体５２４に取り付けられた基材５２２を示す。この例では基材５２２は半導体材料のウエハであるとともに、担体５２４は適当な溶剤、熱、ＵＶ照射、または適度な剥離力を用いて解放可能である。担体５２４は接着層を有するプラスチックフィルムなどの材料と場合によってはウエハフレームとを備え得る。適当なプラスチックフィルムにはダイシングテープとして当該技術で既知のもの、例えばニュージャージー州プリンストン（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ）のエーアイ・テクノロジー（ＡＩ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）により販売されているダイシングテープがある。ウエハフレームはプラスチックまたは金属で作製され得るが、曲げ、屈曲、腐食および熱に対して耐性がなければならない。
【００４８】
パターン化研削材５００は基材５２２を研削してＬＥＤダイを画定するチャネルを形成する。図８ｂに示すように基材５２２の厚さは突起５１６の高さ未満である。第１の研削ステップに続く研削ステップにおいて基材５２２への応力を緩和するために、チャネルを適当な材料でバック充填してもよく、その材料はその後分解されるかまたは最後の研削ステップの後で洗い流される。適当な材料は溶解可能、燃焼可能、または光分解可能な剛性高分子材料である。このバック充填技術を説明した実施形態のいずれかと共に用い得る。
【００４９】
その結果得られる、側面５３８ａと上面５３８ｂとを有し、担体５２４に取り付けられたＬＥＤダイ５３８が図８ｃに示されている。パターン化研削材５００を用いた半導体材料のウエハのダイシングは同時に側面５３８ａを光学品質まで研磨するため、ウエハのダイシングに伴う時間およびコストを低減する。加えてウエハをダイシングする現在の方法は欠損ダイの割合が大きくなる。開示の研削方法は欠損ダイが少なく、これはもう一つの大きなコスト削減である。基材の大きな部分にわたりウエハをダイシングするさらなる利点は、ダイサ速度が完成ダイの寸法にあまり依存しないということである。例えば大型のウエハを非常に小さいダイに個片化することは、従来のダイシング技術を用いると非常に時間がかかる恐れがある。
【００５０】
そして一連の光学素子４１６（図７ｃ）が一連のＬＥＤダイ５３８に取り付けられる。図８ｄに示すように、光学素子４１６はＬＥＤダイ５３８と一対一の対になる。対の光学素子およびＬＥＤダイをアレイとしてまたは個々に用い得る。光学素子４１６およびＬＥＤダイ５３８の各組み合わせを、担体４１４および５２４を除去することによりまたは担体４１４および５２４にわたって切断することにより個片化することができる。
【００５１】
代替方法において基材５２２は基材４２４ｂおよび４２４ｃ（図７ｂ）上に積層される。パターン化研削材は基材５２２、４２４ｃおよび４２４ｂのすべてまたは一部にわたり研削する。このようにＬＥＤに接着された一連の光学素子は、光学および半導体素子を互いに位置合わせする必要なく且つ別の研削ステップを行う必要なく形成される。
【００５２】
ダイ５３８は多数の方法のいずれかによって光学素子４１６に接着され得る。図９は接着の一形状を図示する。図９は光学素子４１６およびＬＥＤダイ５３８の個片化対合（ｐａｉｒｉｎｇ）を示す。硬化樹脂５４０はダイ５３８および光学素子４１６を包み込みその対合を一緒に接着する。
【００５３】
代替的には図１０に示すように、ホットメルト接着剤５４２が光学素子４１６とＬＥＤダイ５３８との間に塗布される。適当なホットメルト接着剤の例には、半結晶ポリオレフィン類、熱可塑性ポリエステル類、およびアクリル樹脂類がある。
【００５４】
他の実施形態においてダイ５３８の表面５３８ｂ、光学素子４１６の上面４１６ｃまたはその両方は薄膜プラズマアシストまたは従来のＣＶＤプロセスでシリカまたは他の無機材料で被覆されている。この後平坦化および、熱、圧力、水または他の化学剤の組み合わせによる接着が続く。また表面の少なくとも一方を水素イオンで照射することにより接着性も改善することができる。加えてＱ．−Ｙ．トン（Ｔｏｎｇ）およびＵ．ゲーゼル（Ｇｏｅｓｅｌｅ）著、半導体ウエハ接着（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｗａｆｅｒ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）の４および１０章、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、ニューヨーク（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）１９９９年に記載されているような半導体ウエハ接着技術を用い得る。他のウエハ接着方法が米国特許第５，９１５，１９３号明細書（トン（Ｔｏｎｇ）ら）および同第６，５６３，１３３号明細書（トン（Ｔｏｎｇ））に記載されている。
【００５５】
開示した光学素子および半導体の製造および仕上げの方法は、光学品質の一連の厳密に配置された要素を同時に作製することをもたらす。光学素子をＬＥＤなどの光源に接着または結合することは、ＬＥＤからの光を平行にするとともにＬＥＤから熱を奪う。その結果得られる方法は効率的であるとともに高品質製品を作製する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１ａ−１ｂ】パターン化研削材の代表的な実施形態の斜視図である。
【図２ａ−２ｄ】形状化要素を製造する方法の第１の実施形態を図示する断面図である。
【図３ａ−３ｆ】形状化要素を製造する方法の第２の実施形態を示す断面図である。
【図４ａ−４ｃ】形状化要素を製造する方法の第３の実施形態を示す断面図である。
【図５−６】チャネル形成を図示する図である。
【図７ａ−７ｃ】一連の光学素子を製造する代表的方法を示す断面図である。
【図８ａ−８ｄ】一連のＬＥＤダイを製造して光学素子に取り付ける代表的方法を示す断面図である。
【図９−１０】光学素子をＬＥＤダイに接着する代表的実施形態を示す断面図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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