(57)【要約】【課題】レーザダイオードに対してレンズの位置あわせを容易に行うことができるチップを提供すること。【解決手段】ウェハレベルのデバイス形成プロセスが複数のＶＣＳＥＬ（１１０，４１０）の放射領域を取り囲むスタンディング構造（１２０，４３０）を形成する。スタンディング構造（１２０）は、それぞれのＶＣＳＥＬ（１１０）について、ボールレンズ（２３０）または他の光学要素を保持するように形作られる。すなわち、スタンディング構造は、光学要素が形成されるプラットフォームを含む。チップレベルまたはウェハレベルプロセスのいずれかの間にスタンディング構造に取り付けられるボールレンズ（２３０）は、スタンディング構造にはめ合わされ、自動的に位置あわせされる。光学要素のウェハレベルの形成は、リソグラフィ・プロセスに関連する精度で光学要素を位置あわせできる。【選択図】図１
2005252257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオードを含むチップと、
前記チップに取り付けられ、該チップから前記レーザダイオードのビームが出射する出射領域を囲むスタンディング構造と、
前記スタンディング構造に取り付けられ、前記スタンディング構造が画定するキャビティ内に少なくとも部分的に入るボールレンズと、
を含むデバイス。
【請求項２】
エアギャップが前記ボールレンズと前記出射領域との間の前記キャビティ内にある請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
接着剤が前記ボールレンズと前記出射領域との間の前記キャビティを満たす請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ボールレンズが前記レーザダイオードの光の出射領域に自動的に並ぶように、前記スタンディング構造と前記ボールレンズとの接触面は円形である請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
前記ボールレンズがビームを集光したあと前記レーザダイオードからのビームを受ける位置に配置される光ファイバをさらに備える請求項１から４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
複数のレーザダイオードをウェハ上に製造するステップと、
前記ウェハ上に、前記レーザダイオードのそれぞれの出射領域を中心とする複数のキャビティを画定するスタンディング構造を形成するステップと、
前記スタンディング構造にレンズを取り付けるステップとを含み、各レンズが少なくとも部分的に対応するキャビティ内に入る、方法。
【請求項７】
前記各レンズはボールレンズからなる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記レンズを取り付けるステップは、
前記スタンディング構造に接着材を塗布するステップと、
前記レンズを前記スタンディング構造上にセットするステップと、
を含む請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記レンズを取り付けるステップは、
前記スタンディング構造上に前記レンズをセットするステップと、
前記スタンディング構造を前記スタンディング構造内の材料が前記レンズに接着する温度まで加熱するステップと、
を含む請求項６または７に記載の方法。
【請求項１０】
前記ウェハを切断して複数のチップに分離するステップをさらに含み、各チップが前記レーザダイオードのうちの少なくとも１つと前記スタンディング構造のうちの少なくとも１つとを含み、
前記レンズを取り付けるステップは、前記ウェハの切断の後に行われる請求項６から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
レーザダイオードを含む基板と、
前記基板に取り付けられたスタンディング構造と、
前記スタンディング構造上に形成され、前記レーザダイオードからのビームが前記基板から出射される出射領域に重なるレンズと、
を備えるデバイス。
【請求項１２】
前記スタンディング構造は、
前記基板に取り付けられたスタンドオフと、
前記レンズが上に乗り、前記スタンドオフによって支持されるプラットフォームを備える請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記プラットフォームは第１の材料のプレートを含み、前記スタンドオフは第２の材料の柱からなる請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記プラットフォームと前記スタンドオフは、一体構造の一部であり共通の材料で形成される請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記スタンディング構造は、前記レーザダイオードの出射領域上に形成された柱からなる請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記レンズはモールドで形成された光学面を有する請求項１１から１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１７】
前記レンズ内の材料が液体であるとき、前記レンズは形成される光学面を有する請求項１１から１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１８】
複数のレーザダイオードを第１のウェハ上に作るステップと、
前記第１のウェハ上にスタンディング構造を形成するステップと、
前記スタンディング構造に重なるレンズを作るステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
第２のウェハを前記スタンディング構造の上面に取り付けることをさらに含み、前記レンズは前記第２のウェハ上に作られる請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スタンディング構造を形成するステップは、
前記第１のウェハ上に、複数の開口部を含む第１の層を形成するステップと、
前記第１の層の中の開口部を満たし前記第１の層の上面に重なる第２の層を堆積するステップと、
前記第１の層を除去し、前記スタンディング構造を形成する第２の層の一部を残すステップと、
を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記スタンディング構造を形成することは、前記レーザダイオードの出射領域に重なる柱を形成することを含み、前記レンズは前記柱の上面に作られる請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記レンズを作るステップは、モールドを利用し、前記モールドの面を前記レンズを形成する材料の上に複製するステップを含む請求項１８から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記レンズを作るステップは、光硬化性ポリマをインクジェット印刷するステップを含む請求項１８から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記レンズを作るステップは、
前記レーザダイオードの出射領域に重なる面上にレンズ材料の領域を形成するステップと、
前記レンズ材料の表面張力によりカーブした面が作られる温度まで前記領域を加熱するステップと、
を含む請求項１８から２１のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザダイオードを含むデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、よく知られたウェハ加工技術を使用して製造できる半導体レーザダイオードである。従来、この技術では、単一のウェハ上に多数のＶＣＳＥＬを作成する。ついでウェハは切断、スクライブ、または別の方法でチップに分割される。各チップは少なくとも１つのＶＣＳＥＬを含み、さらに、ウェハ上に形成された別の集積回路を含む場合もある。ついでチップをパッケージしてから使用する。
【０００３】
ＶＣＳＥＬの一般的な使用は、光ファイバ上で送信する光信号を生成することである。
【０００４】
この用途では、ＶＣＳＥＬからの光信号は一般に光カプラまたはポートを介して光ファイバに入る。ＶＣＳＥＬからの光エネルギを光ファイバに効率的に結合するためには、ＶＣＳＥＬのビーム強度プロファイルが主として光ファイバのコアにあるように、ＶＣＳＥＬと光ファイバを並べなければならない。ＶＣＳＥＬと光ファイバの間で光学系を使用して、結合効率を改善し、ＶＣＳＥＬと光ファイバのアライメント許容度を増加させることができる。特にこのように使用するための一般的な光学系は、光ファイバの一端で光ビームのプロファイルを集光および／または操作する１つまたは複数の光学素子を含む。次の議論では、レンズは、光ビームのプロファイルを操作することができ、屈折素子または回折素子であってもよい任意の光学素子を指す。
【０００５】
一般に、ＶＣＳＥＬの出射領域上にレンズを直接形成すると、焦点距離が十分に短く、ビームを適切に集光するか平行にすることのできるレンズを作成することは難しいので、適切な光学的性能は得られない。従って通常は、光信号を処理するためにレンズとＶＣＳＥＬの発光領域の間にエアギャップあるいは分離が必要である。さらに、ＶＣＳＥＬの有効領域上のレンズ材は、界面応力を導入することによってＶＣＳＥＬの信頼度を犠牲にすることがある。さらに、ＶＣＳＥＬの正面ファセット上のレンズ材が、ＶＣＳＥＬの正面ミラーの反射率を変えることがあり、ＶＣＳＥＬを設計しなおさなければならない場合がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レンズを、ＶＣＳＥＬを含むパッケージかアセンブリの一部にすることにより、エアギャップを備えたより長い焦点距離のレンズ素子が使用できる。しかし、ＶＣＳＥＬとファイバの間にレンズを使用する光学パッケージあるいはアセンブリの欠点は、ＶＣＳＥＬ、レンズ、光ファイバを並べなければならないことである。一般にレンズとチップ上のＶＣＳＥＬを並べるためには精密機器が必要であり、時間もかかり、高価なプロセスとなる。したがって、レンズとＶＣＳＥＬを組み合わせることに関連するコストを低減する構造と方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、ウェハレベルのデバイス作成プロセスは、ウェハ上の多数のＶＣＳＥＬの上にスタンディング構造（standing structure）を形成する。スタンディング構造は、それぞれのＶＣＳＥＬＳについてボールレンズや他の光学素子を保持する形状に作成することができ、ウェハ処理中に達成された精度で並べることができる。例えば、リソグラフィプロセスにより、フォトレジストなどの高分子材料、絶縁材、半導体材料、金属のスタンディング構造を形成することができる。チップレベルのパッケージングプロセスあるいはウェハレベルのプロセスのいずれかの間に、スタンディング構造上にボールレンズをセットすることができる。スタンディング構造上でボールレンズをセットする前あるいは後に、スタンディング構造に接着剤を塗ることができる。その後、接着剤を硬化させることができる。
【０００８】
発明の別の態様によれば、ウェハレベルのデバイス製造プロセスでは、ウェハ上にレンズを含む構造を形成する。こうして、ウェハレベルプロセスにより、レンズとレーザダイオードを正確に並べる。１つのウェハレベルプロセスは、レンズウェハをレーザウェハ上のスタンディング構造またはスタンドオフ（standoff）に接着する。レンズウェハをレーザウェハに接着させる前または後に、屈折レンズまたは回折レンズをレンズウェハ上に形成することができる。別のウェハレベルプロセスでは、レーザダイオードの出射領域に重なるスタンドオフ構造を形成し、スタンドオフ構造上で屈折レンズまたは回折レンズを形成する。犠牲層を使用して、レンズの下にエアギャップを提供することができる。特に、レーザダイオードの出射領域上に犠牲層を形成し、ついで、レンズが形成された後に除去して、レーザダイオードとその上のレンズの間にギャップを作成することができる。レンズは種々の技術でレーザウェハ上に形成することができる。この技術には、モールドまたは複製プロセス、印刷方法、リソグラフィで形成された領域が液化する間の表面張力などが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【０００９】
本発明の１つの具体的な実施形態は、レーザダイオードを含むチップと、チップに接着され、レーザダイオードからのビームがチップから出射される出射領域を囲むスタンディング構造と、スタンディング構造に接着され、スタンディング構造によって画定されたキャビティ内に少なくとも一部が入っているボールレンズとを含むデバイスである。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、レーザダイオードを含む基板と、基板に接着されたスタンディング構造と、スタンディング構造上に形成され、レーザダイオードからのビームが基板から出射される出射領域に重なるレンズとを含むデバイスである。基板は、別々のチップに分割する前のウェハであってもよいし、分離後のチップであってもよい。
【００１１】
また、本発明の別の実施形態は、レンズを備えたレーザダイオードを作成するプロセスである。このプロセスは、ウェハ上に複数のレーザダイオードを作成することと、ウェハ上に、レーザダイオードのそれぞれの出射領域を中心とする複数のキャビティを画定するスタンディング構造を形成することと、スタンディング構造にレンズを接着することとを含む。各レンズの少なくとも一部がそれぞれ対応するキャビティに入るので、それぞれ対応するレーザダイオードと自動的に並ぶ。
【００１２】
本発明のさらに別の実施形態によるプロセスは、ウェハ上に複数のレーザダイオードを作成することと、ウェハ上にスタンディング構造を形成することと、スタンディング構造に重なるレンズを作成することとを含む。
【００１３】
異なる図の中に同じ参照記号が使用されている場合は、同様の項目または同一の項目を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一態様によれば、半導体レーザダイオードのウェハレベルの作成プロセスにより、光学素子を並べるための構造を作成することができる。光学素子はウェハレベルまたはチップレベルで、個別のレーザダイオードに接着させるかまたはこの上に形成することができる。
【００１５】
図１は、ウェハ１００の中と上に多数のレーザダイオード１１０が形成された、本発明の一実施形態を示す。本発明の例としての実施形態では、各レーザダイオード１１０は、よく知られた半導体加工技術を使用して形成することができる面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）である。たとえば、「高速ＶＣＳＥＬ」という題名の米国特許第６，６５８，０４０号は、適切なレーザダイオードの１つの特定の例を記述している。しかしより一般には、本発明の態様は、ウェハ面から光ビームを出射する任意のレーザダイオード構造に適用することができる。
【００１６】
各レーザダイオード１１０は、電気接続用のボンドパッド１１２と、光ビームが出射される発光領域１１４とを含む。スクライブレーン１０２はレーザダイオード１１０を分離し、レーザダイオード１１０を破損せずにウェハ１００を個別のチップに切断する、切断、スクライブ、または他の処理を可能にする。
【００１７】
スタンディング構造１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ（本明細書では全般に構造１２０と呼ぶ）は、レンズが備えられる各レーザダイオード１１０のそれぞれの発光領域１１４を囲む。図１ではスタンディング構造１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄは互いに異なり、構造１２０の適切な幾何形状の一部を示す。しかし、より典型的には、ウェハ１００上の全ての構造１２０は、実質的に同一のデバイスを製造するプロセスについては同じになるであろう。
【００１８】
図１のスタンディング構造１２０Ａはリング型であり、対応するレーザダイオード１１０の出射領域１１４を中心としている。一般に、スタンディング構造１２０Ａの内径、幅、高さは、レーザダイオード１１０上に接着されるレンズのサイズと光学的性質に依存する。また、スタンディング構造１２０Ａに使用される材料、レーザダイオード１１０への電気接続を形成する技術と構造にも依存することがある。レンズが３００μｍの直径を有するボールレンズである本発明の例としての実施形態では、スタンディング構造１２０Ａは、ポリイミド、シクロテン、エポキシ、フォトレジストなどの高分子材で作成することができ、約６０μｍから８０μｍの内径、約２０μｍから４０μｍの幅、約２０μｍから６０μｍの高さまたは厚さを有する。適切な高分子材の１つの例はＡｒｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社が製造するＤｕｒｉｍｉｄｅ  ７５２０である。別の可能な高分子材はＭｉｃｒｏＣｈｅｍ社によるＳＵ−８である。どちらの高分子材もスピンにより分配し、リソグラフィ法によってパターン形成することができる。
【００１９】
スタンディング構造１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄはスタンディング構造１２０Ａと似ているが、それぞれのリングの壁を介して形成された１つまたは複数の開口部１２２を有する。開口部１２２は、接着剤がレンズを構造１２０に接着する実施形態において、空気／接着剤の流れの制御を補助する。特に、１つの接着プロセスでは、構造１２０上にボールレンズをセットする前に構造１２０を光透過性接着剤でコーティングする。最良の光学的性能を得るために、レーザビームの光路から空気と接着剤の不規則な界面などの不均一を除去するべきである。従って好ましくは、ボールレンズとレーザダイオード１１０の間の構造１２０内に形成されたキャビティを空気あるいは透明な接着剤で満たし、接着剤が光路内に入る場所で、接着剤中の気泡が形成されるのを避けるべきである。開口部１２２を設けることによって、空気または気泡をトラップせずに、構造１２０中のキャビティを容易に接着剤で満たすことができる。キャビティを満たす接着剤がレーザダイオード１１０の活性面上に直接ある実施形態では、大幅な界面応力を導入しないシリコンなどの接着剤が好ましい。
【００２０】
レーザ１１０とレンズの間にエアギャップを提供する別の接着プロセスでは、開口部１２２は、トラップされた気体の熱膨張がレンズの接着を破壊するのを防ぐ。構造１２０における開口部１２２の大きさと数は、使用する特定の接着プロセスに最良に適するように選択することができる。
【００２１】
上記の図示されたスタンディング構造１２０は主にリングの形状である。また、この構造１２０上にボールレンズをセットするとき、ボールレンズを固定すると下にあるレーザダイオード１１０とボールレンズが自動的に並ぶ。またスタンディング構造１２０に関するその他の幾何形状により、スタンディング構造１２０が作成した開口部にフィットするような形状のボールレンズまたは他の光学素子と共に使用すると自動的な位置あわせが得られる。例えば、レーザダイオード１１０の発光領域１１４から等しい距離である等しい高さの３つ以上のポストによりボールレンズを正しいアライメントに保持できる。このようなポストは種々の形状を有していてもよく、この中には図１に示されたリングのセクションも含まれるが、この形状に限定されるものではない。
【００２２】
上述のように、スタンディング構造１２０はポリマ、金属、絶縁体を含む種々の材料から形成することができる。フォトレジストなどのポリマを使用する本発明の実施形態においては、スタンディング構造１２０の作成は、ＳＵ−８などのフォトレジスト層を、レーザダイオード１１０が上に製造されたウェハ上にスピンすることで開始する。フォトレジスト層の厚さはスタンディング構造１２０の所望の高さによって選択し、本発明の例としての実施形態では約２０μｍから６０μｍになる。その後、従来のフォトリソグラフィプロセスは、フォトレジスト層を適切な波長の光パターンに露光し、ついで、フォトレジストを現像して、スタンディング構造１２０を形成するフォトレジスト領域を残す。場合によっては、スタンディング構造１２０の耐久性を向上させるためにフォトレジスト領域を焼くかまたは他の方法で硬化させてもよい。
【００２３】
スタンディング構造１２０の代替の実施形態では、ポリマ以外の他の材料を含んでいてもよい。特に電気めっきプロセスを使用して、金属のスタンディング構造１２０を形成することができる。このようなプロセスでは、クロミウムの接着層と金の上面層とを含むシードコーティングをウェハ１００に蒸着させることができる。ついでシード層上に形成されるフォトレジストモールド層は、スタンディング構造１２０に対応する領域でシード層を露出する開口部を含む。その後、露出した領域を、電気めっきプロセスによりニッケルなどの金属でたとえば２０μｍと６０μｍの間などの所望の厚さにめっきすることができる。その後、フォトレジスト層とシード層の非めっき部分を除去し、金属のスタンディング構造１２０を残す。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態による、ボールレンズ２３０が取り付けられたデバイス２００を示す。デバイス２００は、図１のウェハ１００上のレーザダイオード１１０のうちの１つに対応するチップ２１０を含む。ボールレンズ２３０は、好ましくは、下のレーザダイオードからの出力ビームを平行にするかまたは集光するように選択された直径および屈折率を有するプラスチック、ガラス、サファイアなどの光学材の球である。ボールレンズ２３０をセットする前に従来のワイヤボンディング技術を使用して、電気接続用ワイヤ２５０をボンドパッド１１２に取り付けることができる。しかし、ボンドワイヤ２５０がボールレンズ２３０の配置に干渉することを防ぐために、低いプロファイルまたは短いループのワイヤボンドが好ましい。たとえば、ボールレンズ２３０が約３００μｍの直径を有し、スタンディング構造１２０が約３８．５μｍの高さと約６５μｍの内径を有する実施形態においては、ボンドワイヤ２５０は好ましくはボールレンズ２３０の下のチップ２１０の面上で約１５０μｍ未満の高さに伸びる。
【００２５】
ボールレンズ２３０はスタンディング構造１２０の上に安定し、シリコンなどの接着剤でその場所に接着させることができる。上記のように、光を透過する接着剤でボールレンズ２３０とその下のレーザダイオードの間のキャビティを満たしてもよい。別法としては、接着剤（図示せず）はボールレンズ２３０を囲むか、および／または、スタンディング構造１２０をキャップし、ボールレンズ２３０とその下にあるレーザダイオードの間にエアギャップを残すことができる。
【００２６】
別の代替の接着プロセスでは、ウェハ１００をまずポリイミドでコーティングし、その後、Ｓｈｉｐｌｅｙ社が製造するＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔ  Ｓ１８２２などのポジレジストでコーティングする。したがってポリイミド層はフォトイメージング不可である。ついでリソグラフィプロセスによりフォトレジスト層にパターン形成し、マスクを形成し、フォトレジストマスクを使用してポリイミドをパターン形成する。この結果得られるスタンディング構造１２０は、フォトレジストでキャップされたポリイミドベースを含む。ついで、ウェハ１００をチップに切断する前または後のいずれかにボールレンズ２３０をスタンディング構造１２０の中に入れ、ポリイミドの上に残るフォトレジストを加熱してリフローし、ボールレンズ２３０をスタンディング構造１２０に恒久的に保持するか取り付ける。
【００２７】
ボールレンズ２３０を対応するスタンディング構造１２０に取り付ける上記のプロセスは一般に、ウェハレベルあるいはチップレベルのいずれかで行なうことができる。接着剤を塗布する場合、過剰な接着剤がワイヤボンディングに干渉することを防ぐために、ワイヤボンディングの後にチップレベルの接着プロセスを行う方が好ましい。フォトレジストのリフローによってレンズを取り付ける場合、接着されたレンズが、チップ分離やワイヤボンディングプロセスを干渉しなければ、ウェハレベルプロセスの方が好ましい場合がある。
【００２８】
スタンディング構造１２０の形状および場所を画定するリソグラフィプロセスにより、スタンディング構造がレーザダイオード１１０と並び、スタンディング構造１２０内のキャビティ内にボールレンズ２３０をフィットさせることにより、ボールレンズ２３０がスタンディング構造１２０と並ぶ。さらに、ボールレンズ２３０は球対称なので、ボールレンズ２３０の方向を制御する必要はない。このように接着プロセスは比較的簡単で安く、高精度の位置あわせ（例えば約４μｍ未満の許容差）を提供する。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態による、光ソース３１０からの光信号を光ポート３２０と関連づけられた光ファイバ３２６へ結合するシステム３００を示す。システム３００はたとえば、光ファイバネットワーク上でデータを送信する通信システムの一部、または、ＣＤまたはＤＶＤのプレーヤまたはドライブの一部であってもよい。
【００３０】
光学系３１０は、ヘッダ３１２に接着されたＶＣＳＥＬチップ２１０を含む。ヘッダ３１２はプリント回路基板あるいは機械的な支持構造であってもよい。ボンドワイヤまたは他の構造（図示せず）はＶＣＳＥＬチップ２１０をヘッダ３１２または他の回路（図示せず）へ電気接続することができる。接着剤２４０は、チップ２１０上のレーザダイオードの出射領域を囲むスタンディング構造１２０にボールレンズ２３０を取り付ける。レーザダイオードからの出力ビームは一般に、レーザダイオードの特性である角度で分岐する。ボールレンズ２３０は出力ビームの分岐を低減し、好ましくは、出力ビームが平行になるような光学特性（たとえば焦点距離）を有する。ボールレンズ２３０とレーザダイオードの発光領域の分離を制御して、平行ビームまたは適切な集束距離のいずれかを得る。
【００３１】
図示された実施形態では、光ポート３２０は、ポリマ領域のリフロー、インクジェット印刷、モールドなどによって収斂レンズ３２４が上に形成されるガラスプレート３２２などの光学素子を含む。収斂レンズ３２４は、ボールレンズ３２３からの平行ビームを光ファイバ３１６の端に集光する。代替としては、ガラス３２２とレンズ３２４を除去し、ボールレンズ２３０がファイバ３２６上に光ビームを集光してもよい。
【００３２】
ソース３１０からの分岐が低減されるので（理想的には除去されるので）、システム３００におけるアライメント許容差が緩和される。特にソース３１０とポート３２０の間のより広い分離範囲について、ソース３１０からの光エネルギが効率的に結合できる。
【００３３】
本発明の別の態様によれば、レンズを別に形成しレーザウェハに取り付けるのではなく、レーザダイオードに重ねて形成することができる。ウェハレーザにレンズを重ねて形成するために、モールド、複製プロセス、印刷方法、リソグラフィで形成された領域のリフロー中の表面張力などの種々のレンズ形成技術を使用することができる。このようなレンズは一般に、エアギャップあるいは他の分離がレーザダイオードとそれぞれのレンズの間にある場合に最良に機能する。
【００３４】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、図４Ｄで示したデバイス４６０の製造プロセスを示す。デバイス４６０は、半導体チップ４０５の中のレーザダイオード４１０の出射領域に重なるレンズ４５０を含む。スタンドオフ４３０と透明なプレート４４５はレンズ４５０を支持し、レーザダイオード４１０とレンズ４５０の間に分離を提供する。この分離は、レーザダイオード４１０とプレート４４５の間にあるエアギャップを含み、レーザダイオード４１０の正面ファセットで材料の界面に関連する信頼性の問題を回避する。この分離により、さらに容易に達成できる焦点距離を有するレンズ４５０が使用でき、その後パッド４２０へワイヤボンディングするためのスペースが得られる。
【００３５】
図４Ａに示すように、デバイス４６０の製造工程は、多数のレーザダイオード４１０を含むウェハ４００を製造することで開始することができる。本発明の例としての実施形態では、各レーザダイオード４１０は、ＶＣＳＥＬの出射領域に隣接するボンディングパッド４２０を有するＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬの製造についてよく知られたウェハ加工技術を使用して、ウェハ４００を作成することができる。
【００３６】
図４Ｂに示すように、フォトリソグラフィプロセスによりウェハ４００上にスタンドオフ４３０を形成することができる。例としての実施形態では、スタンドオフ４３０はフォトイメージングが可能なポリイミドかＳＵ−８などのフォトレジスト材料で作成するが、別法としては、金属、半導体、絶縁体などの他の材料を使用することができる。スタンドオフを形成するために、所望の材料を、たとえば１０μｍから１００μｍの範囲の所望の高さのスタンドオフ４３０にしたがって選択された厚さでウェハ４００上に堆積することができる。所望の光パターンに露光し現像すると、スタンドオフ４３０はレンズ４５０が提供される各レーザダイオード４１０を囲む。スタンドオフ４３０は、図１のスタンディング構造１２０の構成のうち任意の構成を有していてもよく、または単にレーザダイオード４１０に近い任意の形状のポストであってもよい。
【００３７】
図４Ｃに示すように、レンズウェハ４４０はスタンドオフ４３０の上に接着される。好ましくはレンズウェハ４４０は、レーザダイオード４１０から放射される波長の光を透過するガラスまたは石英などの材料の薄いウェハである（たとえば約０．５ｍｍから１．５ｍｍの厚さ）。レンズウェハ４４０は、透明な接着剤をレンズウェハ面上にスピンコーティングすることによって、スタンドオフ４３０に接着することができる。
【００３８】
レンズ４５０は、レンズウェハ４４０をスタンドオフ４３０へ接着する前または接着した後に、レンズウェハ４４０上で形成する。ウェハボンディングの前にレンズ４５０をレンズウェハ４４０上に形成する場合、レンズウェハ４４０上のレンズ４５０をレーザウェハ４００上のそれぞれのレーザダイオード４１０に並べるために、並べられたウェハボンディングプロセスが必要となる。
【００３９】
レンズウェハ４４０上にレンズ４５０を作成するために、種々の技術を使用することができる。１つの技術では、リソグラフィでフォトレジスト層にパターン形成してそれぞれのレーザダイオード４１０上にフォトレジスト領域を形成し、フォトレジスト領域が十分に溶けて表面張力によりカーブしたレンズ面が形成されるまで、フォトレジスト領域を加熱することによって、レンズ４５０を形成する。別法としては、印刷プロセス（例えばインクインクジェット印刷）またはモールドプロセス（例えば、Ｍ．Ｇａｌｅが説明する「複製された回折光学素子とミクロ光学素子」、Ｏｐｔｉｃｓ  ＆  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｎｅｗｓ、２００３年８月）により、レンズウェハ４４０上にレンズ４５０を形成することができる。Ｃ．Ｄａｖｉｄによる、「ブレーズした回折光学素子のための高いアスペクト比を備えるステアケースプロファイルの作成」、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ５３、２０００年の６７７ページから６８０ページ、および米国特許第６，６７０，１０５号に記述された方法によっても回折レンズを形成することができる。
【００４０】
レーザ４１０とそれぞれのレンズ４５０の間にエアギャップを作成することに加えて、スタンドオフ４３０により、レンズウェハ４４０をスクライブレーン４４２に沿って切り、レーザウェハ４１０をスクライブレーン４０２に沿って切ることができるスペースが提供される。個別のデバイス４６０上のボンディングパッド４２０は図４Ｄに示すように分離され、ワイヤボンディングのためにアクセス可能になる。
【００４１】
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、本発明の別の実施形態によるデバイス５６０（図５Ｃ）の製造プロセスを示す。この製造プロセスは、図４Ａのレーザウェハ４００で開始し、スタンドオフ５３０はそれぞれのレーザダイオード４１０上に直接形成される。従来のフォトリソグラフィプロセスによって、レーザダイオード４１０とレンズ５５０の間に所望の分離を提供するために十分な厚さを有する、ポリイミドまたはＳＵ−８などの光透過材料のスタンドオフ５３０を形成することができる。図５Ｂに示すように、レンズ製造プロセスは、スタンドオフ５３０の上で屈折レンズまたは回折レンズ５５０を直接形成するので、レンズウェハのボンディングは必要ではない。例としての実施形態では、非接触インクジェット印刷方法を使用してレンズ５５０を形成できる。この方法では、液体のＵＶ硬化材を、スタンディング構造５３０の上に噴射することができる。液体はスタンディング構造５３０の上面全体に流れるが、スタンディング構造５３０の端で表面張力によって保持される。また表面張力により、ＵＶ硬化材の球状の面が形成される。液体材料の硬化により、固体の屈折レンズ５５０が形成される。レンズ形成後、図５Ｃに示すようにウェハ４００を切断し、個別のデバイス５６０に分離する。
【００４２】
図５Ａから図５Ｃのスタンドオフ５３０は、スタンドオフ５３０がレーザダイオード４１０の正面ファセットに重なり、少なくともレンズと同じ大きさの面積を有するという点で、図４Ｂのスタンドオフ４３０とは異なる。従ってデバイス５６０は、レーザダイオード４１０の正面のファセット上にエアギャップを有しない。応力を最小化するか、および／または、レーザダイオード４１０に関してより低い動作温度を使用するスタンドオフ材を選択することによって、レーザダイオードの正面ファセットにおける界面応力に関する懸念に対処することができる。
【００４３】
図６Ａから図６Ｄは、レーザダイオード４１０とそれぞれのレンズ６４０の間にエアギャップを作成するために除去することができる犠牲層６３０を使用した製造プロセスを示す。図６Ａに示すように、製造プロセスは図４Ａのレーザウェハ４００上にパターン形成された犠牲層６３０を形成することで開始する。犠牲層６３０はスタンドオフの高さに関して望ましい厚さを有するフォトレジスト材から形成することができ、スタンドオフを形成する領域に開口部６３２を有する。
【００４４】
ＵＶ硬化エポキシなどの材料のレンズ層６４０を堆積させて犠牲層６３０の中の開口部６３２を満たし、さらに、たとえば約２００μｍの厚さなどのモールド加工に十分な厚さを犠牲層６３０の上に有する。レンズ層は図６Ｂに示すようにパターン形成され、それぞれのレーザダイオード４１０上に別々の領域を作成し、レーザダイオード４１０の電気接点４２０上の犠牲層６３０の一部を露出する。開口部６３２の中に伸びるレンズ層６４０の部分は、レンズ用のスタンドオフを形成する。
【００４５】
その後、複製プロセスにより、レンズ層６４０の上面を所望の形状にモールドし、屈折レンズまたは回折レンズを形成することができる。図６Ｂに示すように、ウェハサイズのモールド６５０をレンズ層６４０に適用し、レンズ層６４０を所望の形状に形成し、所望のレンズ面を形成することができる。一般に複製プロセスでは種々の技術を使用し、レンズ層６４０に所望の輪郭を刻印することができる。１つの技術は、レンズ層６４０を変形させるのに十分な温度までモールド６５０を加熱し、ついでレンズ層６４０を冷却してエンボス形状を保存する、ホットエンボスプロセスである。別法としては、レンズ層６４０が可鍛性の硬化していない状態である時にモールド６５０を適用し、モールド６５０をその位置のままにしてたとえばＵＶ硬化を使用してレンズ層６４０を硬化させることもできる。図６Ｃはモールド６５０を除去した後の構造を示す。
【００４６】
選択性エッチングにより犠牲層６３０を除去し、図６Ｄに示すように、スタンドオフ６４２とレンズ本体６４４を含むレンズ層６４０を残すことができる。図６Ａから図６Ｄのプロセスでは、レンズ層６４０の上にレンズ面を形成した後に犠牲層６３０を除去するが、処理ステップの順序は変更することができる。スタンドオフ６４２は、開口部６３２の中にレンズ層６４０の一部から形成され、レーザダイオード４１０とそれぞれのレンズ本体６４４の間にエアギャップを提供しながらレンズ本体６４４を支持する。従来の切断または他のプロセスにより、レーザウェハ４００を個別のチップ（図示せず）に切断することができる。
【００４７】
図７Ａから図７Ｃは、レンズ製造の間に犠牲層６３０を使用して支持し、犠牲層６３０を除去してエアギャップを形成する別のプロセスを示す。図７Ａから図７Ｃのプロセスは、上述のように犠牲層６３０が上に形成されたレーザウェハ４００を含む図６Ａの構造から開始してもよい。その後、レンズ支持層７４０を蒸着し犠牲層６３０の中の開口部６３２を満たし、所望の高さだけ犠牲層６３０の上に伸ばす。レンズ支持層７４０は、ポリイミド、ＳＵ−８、または、レンズ支持層７４０に実質的に影響を与えずに選択的エッチングによって犠牲層６３０を除去できる他の任意の光透過材で作成することができる。図７Ａで示すように、犠牲層６３０を除去する次の選択的エッチングプロセスのために、レンズ支持層７４０をパターン形成して犠牲層６３０の一部を露出することができる。図７Ｂは、犠牲層６３０を除去した後に、スタンドオフ７４２と支持領域７４４を含む、残りのレンズ支持層７４０を示す。
【００４８】
図７Ｃに示すように、レンズ形成プロセスによりレンズ支持層７４０の上にレンズ７５０を形成する。本発明の例としての実施形態では、インクジェット印刷などの印刷動作により支持領域７４４上に所望のようにレンズ材を堆積させ、レンズ７５０を形成する。ＵＶ硬化剤のインクジェット印刷は、図５Ａから図５Ｃのプロセスに関して上述した方法で行うことができる。このような印刷プロセスは支持領域７４４に実質的な熱または圧力を加えないので、犠牲層６３０を除去した後にこの技術を使用して屈折レンズ７５０を作成することができる。しかし、処理ステップを別の順序にすることも可能である。
【００４９】
図８Ａから図８Ｃは、犠牲層６３０を使用するさらに別のデバイス製造プロセスを示す。図６Ａに示すように、本発明のこの実施形態は、犠牲層６３０が上に重なったレーザウェハ４００の製造から開始してもよい。ついで、ポリイミドまたはＳＵ−８などの材料のレンズ支持層８４０を蒸着し、犠牲層６３０の中の開口部６３２を満たし、犠牲層６３０の上を覆う。図８Ａに示すように、フォトレジストマスク８５０を使用してレンズ支持層８４０にパターン形成し、犠牲層６３０の一部を露出することができる。同じプロセスを使用して図７Ａのレンズの支持層７４０をパターン形成することができるが、図８Ａから図８Ｃのプロセスでは、フォトレジストマスク８５０は、レンズ支持層８４０の露出部分を除去した後にはぎ取られず、レンズ支持ウェハ８４０に残る。
【００５０】
図８Ｂに示すように、犠牲層６３０を除去し、マスク８５０と、スタンドオフ８４２とレンズ支持領域８４４を含むレンズ支持層８４０を残す。マスク８５０を形成するフォトレジスト材は、犠牲層６３０を除去する間にマスク８５０が除去されないようにするために、犠牲層６３０を形成するフォトレジスト材とは異なっていなければならない。本発明の一実施形態では、Ｆｕｔｕｒｅｘ社が市販するＮＲ９−８０００Ｐなどのネガレジストを犠牲材料６３０として使用し、Ａｒｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社が市販するＤｕｒｉｍｉｄｅ１００をスタンドオフ材料８４０として使用する。Ｓｈｉｐｌｅｙ社が市販するＳ１８２２などのポジフォトレジストをマスク８５０として使用し、スタンドオフ材料８４０をパターン形成し現像することができる。スタンドオフ材料８４０をパターン形成した後、Ｆｕｔｕｒｅｘ社が市販するネガレジストストリッパＲＲ４で犠牲層６３０を除去することができる。
【００５１】
犠牲層６３０を除去した後、マスク８５０の領域が液化する温度までマスク８５０を加熱することにより、レンズ８５５をレンズ支持領域８４４上に形成することができる。その後、表面張力により、マスク８５０を冷却した後に残る凸レンズ輪郭が作成される。
【００５２】
本発明を特定の実施形態に関して説明したが、この説明は発明の出願の例としてとるべきであり、制限としてとるべきでない。特に、図４Ａから図４Ｄ、図５Ａから図５Ｃ、図６Ａから図６Ｄ、図７Ａから図７Ｃ、図８Ａから図８Ｃのうち、任意の方法を使用して製造されたビーム源を、図３のビーム源３１０の代わりに使用することができ、また、光通信システム、ＣＤまたはＤＶＤのドライブまたはプレーヤ、または光信号またはレーザビームを使用するほかのシステムなどのより高いレベルのシステムにも使用できる。開示された実施形態に関する種々の他の適応例や特徴の組み合わせ例も、付随するクレームによって定義される本発明の範囲にある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態による、レンズのためのスタンド構造を伴う多数の半導体レーザを含むウェハの一部。
【図２】本発明の一実施形態による、ボールレンズが取り付けられた半導体レーザチップの斜視図。
【図３】本発明の一実施形態による、光信号のビームプロファイルを平行にするか調節して、光ファイバポートへ光信号を結合するためのアライメント許容差を増加させるシステム。
【図４Ａ】本発明の一実施形態による、レーザダイオードを含むウェハ上のスタンディング構造に接着されたレンズウェハ上にレンズアレイを形成するプロセス。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による、レーザダイオードを含むウェハ上のスタンディング構造に接着されたレンズウェハ上にレンズアレイを形成するプロセス。
【図４Ｃ】本発明の一実施形態による、レーザダイオードを含むウェハ上のスタンディング構造に接着されたレンズウェハ上にレンズアレイを形成するプロセス。
【図４Ｄ】本発明の一実施形態による、レーザダイオードを含むウェハ上のスタンディング構造に接着されたレンズウェハ上にレンズアレイを形成するプロセス。
【図５Ａ】本発明の一実施形態による、レーザダイオードに重なるスタンドオフの上でレンズを形成するウェハレベルのプロセス。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態による、レーザダイオードに重なるスタンドオフの上でレンズを形成するウェハレベルのプロセス。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態による、レーザダイオードに重なるスタンドオフの上でレンズを形成するウェハレベルのプロセス。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハと複製プロセスによって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハと複製プロセスによって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハと複製プロセスによって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図６Ｄ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハと複製プロセスによって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図７Ａ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハとインクジェット印刷によって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハとインクジェット印刷によって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図７Ｃ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハとインクジェット印刷によって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図８Ａ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハとリフロープロセスによって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図８Ｂ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハとリフロープロセスによって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図８Ｃ】本発明の一実施形態による、犠牲層を除去して、レーザウェハとリフロープロセスによって形成されたレンズの間にエアギャップを作成するウェハレベルのプロセス。
【図１】
2005252257.tif 000003
【図２】
2005252257.tif 000004
【図３】
2005252257.tif 000005
【図４Ａ】
2005252257.tif 000006
【図４Ｂ】
2005252257.tif 000007
【図４Ｃ】
2005252257.tif 000008
【図４Ｄ】
2005252257.tif 000009
【図５Ａ】
2005252257.tif 000010
【図５Ｂ】
2005252257.tif 000011
【図５Ｃ】
2005252257.tif 000012
【図６Ａ】
2005252257.tif 000013
【図６Ｂ】
2005252257.tif 000014
【図６Ｃ】
2005252257.tif 000015
【図６Ｄ】
2005252257.tif 000016
【図７Ａ】
2005252257.tif 000017
【図７Ｂ】
2005252257.tif 000018
【図７Ｃ】
2005252257.tif 000019
【図８Ａ】
2005252257.tif 000020
【図８Ｂ】
2005252257.tif 000021
【図８Ｃ】
2005252257.tif 000022