(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブマウントの表面に半導体素子をダイボンディングするダイボンディング方法において、
前記サブマウントの表面に前記半導体素子を載置して、前記サブマウントの裏面の法線に対してレーザ光の照射方向が傾いた状態で前記サブマウントの裏面に向けてそのレーザ光を照射することで前記サブマウントを加熱することにより、前記サブマウントと前記半導体素子との間に介在するろう材を溶融し、前記サブマウントに前記半導体素子を接合することを特徴とするダイボンディング方法。
【請求項２】
サブマウントの表面に半導体素子をダイボンディングするダイボンディング装置において、
レーザ光を発するレーザ発光手段と、前記サブマウントを載置する載置台とを具備し、
前記サブマウントを真空吸着するための吸引孔が前記載置台を貫通しており、
前記載置台の裏面側から前記レーザ発光手段が前記吸引孔を通じて前記サブマウントの裏面にレーザ光を照射することで、前記サブマウントを加熱し、前記サブマウントと前記半導体素子との間に介在するろう材を溶融することを特徴とするダイボンディング装置。
【請求項３】
透光性部材が前記載置台の裏面側に配設されることで前記載置台と前記透光性部材とにより囲まれる空間が構成されており、前記空間に前記吸引孔が通じており、更に、真空圧を発生する真空発生源が前記空間に接続されており、
前記レーザ発光手段は前記透光性部材及び前記吸引孔を介して前記サブマウントにレーザ光を照射することを特徴とする請求項２記載のダイボンディング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子をサブマウント上に接合するためのダイボンディング方法及びダイボンディング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、デジタル通信の高速化が求められ、光ファイバ方式の通信技術の実用化が急速に広まりつつある。これにともない、光通信用のレーザ光を発する半導体レーザ発光装置も、その価格、寿命、性能の点でよりすぐれたものが要求されるようになっている。半導体レーザ発光装置の製造工程で重要なものの一つとして、半導体レーザチップをサブマウント上に接合するためのダイボンディングである。図３は、半導体レーザチップ用に一般に使用されているダイボンディング装置を示すものである。このダイボンディング装置は、電熱線が内蔵されたプレヒータ１と、半導体レーザチップ４を真空吸着するキャピラリ３とを具備する。このダイボンディング装置は、プレヒータ１上にサブマウント２を真空吸着し、キャピラリ３で半導体レーザチップ４を真空吸着する。その後、ダイボンディング装置は、キャピラリ３とともに半導体レーザチップ４をサブマウント２の上方に位置決めした後に、キャピラリ３を下降して半導体レーザチップ４をサブマウント２に軽く押し付ける。次いで、ダイボンディング装置は、プレヒータ１でサブマウント２を加熱することで、サブマウント２と半導体レーザチップ４との間に介在するインサート材を溶融して、半導体レーザチップ４をサブマウント２にダイボンディングする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上のダイボンディング装置では、加熱はプレヒータ１に内蔵された電熱線で行われているので、インサート材の溶融温度まで加熱するには長時間を要している。また、加熱時間が長くなると、サブマウント２及びインサート材に蓄積される熱エネルギーも多くなり、サブマウント２が冷却するために要する時間も長くなる。そのため、インサート材が完全に凝固するまで、半導体レーザチップ４の位置を保持する必要がある。つまり、加熱時間及び冷却時間が長いため、生産能率が著しく低い。
更に、加熱時間及び冷却時間が長い場合には半導体レーザチップ４に熱歪がしばしば残留してしまい、熱歪みにより半導体レーザチップ４の発光特性が一様でなくなってしまう。そのため、半導体レーザ発光装置の信頼性低下の一因となっている。
【０００４】
そこで、本発明は、半導体レーザチップ等の半導体素子に熱歪みが残留せずに更に効率的に半導体素子をサブマウントに接合することをその課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１又は図２に示すように、サブマウント（例えばサブマウント２３）の表面に半導体素子（例えば半導体レーザチップ１８）をダイボンディングするダイボンディング方法において、
前記サブマウントの表面に前記半導体素子を載置して、前記サブマウントの裏面の法線に対してレーザ光の照射方向が傾いた状態で前記サブマウントの裏面に向けてそのレーザ光を照射することで前記サブマウントを加熱することにより、前記サブマウントと前記半導体素子との間に介在するろう材（例えば、インサート材）を溶融し、前記サブマウントに前記半導体素子を接合することを特徴とする。
【０００６】
請求項１記載の発明では、レーザ光がサブマウントに照射されるため、ろう材の溶融温度（共晶接合なら、共晶点）までサブマウント及びろう材が極めて短時間に加熱される。従って、半導体素子とサブマウントの接合に係る生産効率が向上する。
また、加熱時間が短いと、サブマウント或いはろう材に蓄積される熱エネルギーが小さくなり、ろう材が凝固するのに要する時間が短くなる。そのため、ろう材が凝固するまでの間半導体素子を保持している時間が短くなり、半導体素子とサブマウントの接合に係る生産効率が向上する。
更に、ろう材及びサブマウントの加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体素子に熱歪みが生ずることがなくなる。
【０００８】
また、レーザ光の照射方向がサブマウントの裏面の法線に対して傾いているため、レーザ光がサブマウントの裏面でレーザ光の照射源に向けて反射することがない。従って、レーザ光の強度を検出して監視するためのモニタにサブマウント裏面からの反射光が入射しないので、安定した強度でレーザ光を照射することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、例えば図１又は図２に示すように、サブマウント（例えばサブマウント２３）の表面に半導体素子（例えば半導体レーザチップ１８）をダイボンディングするダイボンディング装置（例えばダイボンディング装置１０又はダイボンディング装置１００）において、
レーザ光を発するレーザ発光手段と、前記サブマウントを載置する載置台（例えば台座１２及び上壁部１１ａ）とを具備し、
前記サブマウントを真空吸着するための吸引孔（例えば貫通孔１２ａ及び吸引孔１１ｃ）が前記載置台を貫通しており、
前記載置台の裏面側から前記レーザ発光手段が前記吸引孔を通じて前記サブマウントの裏面にレーザ光を照射することで、前記サブマウントを加熱し、前記サブマウントと前記半導体素子との間に介在するろう材を溶融することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明では、レーザ発光手段によってレーザ光がサブマウントに照射されるため、ろう材の溶融温度（共晶接合なら、共晶点）までサブマウント及びろう材が極めて短時間に加熱される。従って、半導体素子とサブマウントの接合に関する生産効率が向上する。
また、加熱時間が短いと、サブマウント或いはろう材に蓄積される熱エネルギーが小さくなり、ろう材が凝固するのに要する時間が短くなる。そのため、ろう材が凝固するまでの間半導体素子を保持している時間が短くなり、半導体素子とサブマウントの接合に係る生産効率が向上する。
更に、ろう材及びサブマウントの加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体素子に熱歪みが生ずることがなくなる。
【００１４】
また、吸着孔を介してサブマウントを真空吸着することで、サブマウントが載置台に固定される。そのため、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、サブマウントがしっかり位置決めされる。そのうえ、吸引孔を介してサブマウントにレーザ光が照射されるため、サブマウントに直接レーザ光を当てることができ、ろう材が溶融するのに要する加熱時間を短くすることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、例えば図１又は図２に示すように、透光性部材（例えばガラス基板１７）が前記載置台の裏面側に配設されることで前記載置台と前記透光性部材とにより囲まれる空間（例えば上方空間部２０）が構成されており、前記空間に前記吸引孔が通じており、更に、真空圧を発生する真空発生源が前記空間に接続されており、
前記レーザ発光手段は前記透光性部材及び前記吸引孔を介して前記サブマウントにレーザ光を照射することを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の発明では、載置台と透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸引孔及び真空発生源が通じているため、その真空発生源から吸引孔までの間の体積を小さくすることができる。そのため、サブマウントを吸着するのに要する時間を短縮することができる。もちろん、レーザ光は透光性部材を介してサブマウントに照射されるため、サブマウントが十分に加熱される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。
【００１８】
〔第１の実施の形態〕
図１には、ダイボンディング装置１０が示されている。
ダイボンディング装置１０は、水平方向に移動するＸ−Ｙテーブルである基台１１と、基台１１上に敷設された台座１２と、気体を吸引して真空を発生させるための真空発生装置（図示略）と、半導体素子である半導体レーザチップ１８を真空吸着するためのキャピラリ１３と、不活性ガス１９を噴射するためのガス噴射ノズル１４と、レーザ光１５を発光するレーザ発光装置（図示略）と、レーザ発光装置から発光したレーザ光１５を屈折して集光する焦点レンズ１６と、ダイボンディング装置１０全体を制御する演算制御装置（図示略）等と、を具備する。
【００１９】
基台１１は、図示しないステッピングモータによって駆動されて、水平方向に移動することができる。また、このステッピングモータが演算処理装置からの信号によって制御されることで、基台１１の位置決めがなされる。
【００２０】
基台１１の内部は空洞となっている。基台１１の内部には、透光性を有する透明部材としてのガラス基板１７が略水平となって取り付けられている。このガラス基板１７によって、基台１１の内部空間は上方空間部（チャンバ）２０と下方空間部２１の二つの空間に区切られている。上方空間部２０は、載置台となる基台１１の上壁部１１ａ、基台１１の側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。下方空間部２１は、基台１１の底壁部（図示略）、側壁部１１ｂ及びガラス基板１７によって囲まれる空間である。
【００２１】
側壁部１１ｂには配管２２が取り付けられており、配管２２の一端は上方空間部２０に通じている。一方、配管２２の他端は真空発生装置に接続されており、上方空間部２０内の気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。更に、上壁部１１ａには上下方向に貫通する吸引孔１１ｃが形成されており、吸引孔１１ｃは上方空間部２０に通じている。
【００２２】
台座１２は、上壁部１１ａの上面に固定されている。この台座１２は、セラミック、ステンレス鋼等の比較的熱伝導率の低い材料からなる。台座１２には上下方向に貫通する貫通孔１２ａが形成されており、この貫通孔１２ａは吸引孔１１ｃに連なっている。そして、この台座１２の上面が載置面であり、台座１２上にサブマウント２３が載置されることになる。そして、真空発生装置によって上方空間部２０から気体が吸引されると、上方空間部２０、吸引孔１１ｃ及び貫通孔１２ａが真空圧となって、サブマウント２３が台座１２に真空吸着されて、サブマウント２３が台座１２に固定されるようになっている。
【００２３】
キャピラリ１３は、台座１２の上方に配されている。このキャピラリ１３は、図示しない昇降装置によって上下方向に移動することができる。また、キャピラリ１３は真空発生装置に接続されており、キャピラリ１３を通じて気体が真空発生装置によって吸引されるようになっている。これにより、キャピラリ１３が、半導体レーザチップ１８を真空吸着できるようになっている。
【００２４】
ガス噴射ノズル１４は、台座１２の上方に配されているとともに、上下方向に見て貫通孔１２ａ及び吸引孔１１ｃからずれて配されている。ガス噴射ノズル１４の先端は貫通孔１２ａに向いている。このガス噴射ノズル１４はアルゴンガス又は窒素ガス等の図示せぬ不活性ガス源に接続されている。ガス噴射ノズル１４の先端から不活性ガス１９が噴射されるようになっている。
【００２５】
焦点レンズ１６は、下方空間部２１に配設されている。更に、焦点レンズ１６の下方にレーザ発光装置が配されている。レーザ発光装置は、焦点レンズ１６に向いており、焦点レンズ１６に向けてレーザ光１５を発するようになっている。更に、レーザ発光装置から発光されたレーザ光１５は焦点レンズ１６を介して吸引孔１１ｃ及び貫通孔１２ａに向かい、更に、台座１２の上方へ向かうようになっている。つまり、レーザ光１５の焦点は台座１２の上面と同一の水平面にあり、レーザ光１５は焦点レンズ１６で屈折して、台座１２の上面と同一の水平面で集光するようになっている。なお、台座１２の上面と同一の水平面におけるレーザ光１５の焦点径（フォーカシング径）は約０．４ｍｍである。
【００２６】
レーザ発光装置の発光源（つまり、レーザ発振部付近）には、レーザ光１５の照射強度を検出して監視するためのモニタ（つまり、検出器）が設けられている。モニタによって検出されたレーザ光１５の照射強度は、演算制御装置にフィードバックされるようになっている。そして、演算制御装置は、フィードバック信号に基づいてレーザ発光装置を制御して、レーザ光１５の照射強度或いは照射時間等を制御するようになっている。
【００２７】
つぎに、以上のように構成されたダイボンディング装置１０を用いたダイボンディング方法について説明する。ここで、接合する半導体レーザチップ１８は、例えば、ＧａＡｌＡｓ系の半導体化合物であり、その寸法は縦４００μｍ、横２５０μｍ、厚さ８０〜１３０μｍである。また、サブマウント２３は、例えば、窒化アルミニウム又はシリコンからなり、その寸法は縦２ｍｍ、横１．２ｍｍ、厚さ２２０μｍである。更に、サブマウント２３の表面には、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材、Ａｕ−Ｓｉ系ろう材、Ｉｎ系ろう材又はＳｕ−Ｐｂ系ろう材等のインサート材がメッキされている。
【００２８】
まず、サブマウント２３の表面を上方に向けて、サブマウント２３を台座１２上に載置する。そして、真空発生装置で上方空間部２０、吸引孔１１ｃ及び貫通孔１２ａを真空圧にして、サブマウント２３を台座１２に真空吸着する。一方、真空発生装置でキャピラリ１３を真空圧にして、半導体レーザチップ１８をキャピラリ１３の先端に真空吸着する。なお、真空発生装置の作動は、演算制御装置により制御される。
【００２９】
次いで、演算制御装置がステッピングモータを制御することで、基台１１の位置決めがなされる。ここで、貫通孔１２ａ及び吸引孔１１ｃがキャピラリ１３の直下に位置するように基台１１の位置決めがなされる。基台１１の位置決めがなされている際には、演算制御装置がレーザ発光装置を制御して、レーザ発光装置がレーザ光１５を発光する。これにより、ガラス基板１７、上方空間部２０、吸引孔１１ｃ及び貫通孔１２ａを通じてレーザ光１５がサブマウント２３の裏面に照射される。この際、サブマウント２３の裏面におけるレーザ光１５のフォーカシング径は約０．４ｍｍである。レーザ光１５がサブマウント２３の裏面に照射されることで、サブマウント２３は例えば１００〜２００℃に加熱される。なお、この際のサブマウント２３の温度はインサート材の融点（共晶点）より低い。
【００３０】
レーザ光１５が発光されているのと同時に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９をサブマウント２３の表面に向けて噴射する。不活性ガス１９がサブマウント２３の表面に噴射されることで、熱によるインサート材の酸化が不活性ガス１９によって防止される。
【００３１】
次いで、演算制御装置が昇降装置を制御して、キャピラリ１３が昇降装置によって下降する。そして、キャピラリ１３の先端に吸着された半導体レーザチップ１８がサブマウント２３の表面に接して、更に、半導体レーザチップ１８が例えば約１０ｇ程度でサブマウント２３に押し付けられる。この際にも、サブマウント２３にはレーザ光１５が照射され続けており、更に、ガス噴射ノズル１４から不活性ガス１９が噴射され続けている。
【００３２】
次いで、演算制御装置がレーザ発光装置を制御して、レーザ光１５の照射強度を上昇させる。この際、レーザ光１５のパワー密度が例えば１０4Ｗ／ｃｍ2となるように演算制御装置がレーザ発光装置を制御する。そして、レーザ光１５のパワー密度が１０4Ｗ／ｃｍ2になったら、例えばレーザ発光装置が約１秒間レーザ光１５をサブマウント２３に照射し続けるように演算制御装置がレーザ発光装置を制御する。すると、サブマウント２３の温度が上昇するとともに、インサート材が融点（例えば、３００〜３５０℃、インサート材の種類により異なる。）まで上昇する。その結果、サブマウント２３の表面と半導体レーザチップ１８との間に介在しているインサート材が溶融する。溶融したインサート材は、不活性ガスによる酸化防止作用により最良の濡れ性をもってサブマウント２３と半導体レーザチップ１８との間に浸透する。
【００３３】
約１秒間の照射時間が経過したら、演算制御装置はレーザ発光装置を制御して、レーザ発光装置からレーザ光が発光されることが停止する。レーザ光の発光が停止すると、インサート材が冷えて、インサート材が凝固する。そして、キャピラリ１３が昇降装置によって上昇して、更に、ガス噴射ノズル１４からの不活性ガスの吹き付けも停止して、ダイボンディングに係る工程が終了する。
【００３４】
以上の実施の形態では、レーザ光によってサブマウント２３を加熱しているため、インサート材を瞬時に融点まで加熱することができ、インサート材を極めて短時間で溶融することができる。そのため、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３にダイボンディングするのに要する時間が比較的短く、ダイボンディングに係る生産効率が向上する。
【００３５】
また、インサート材を溶融するのに要する時間が短時間であるため、サブマウント２３及びインサート材に蓄積される熱エネルギーが小さい。そのため、レーザ光の照射を停止した後からインサート材が凝固するまでに要する時間が短くなる。インサート材が凝固するまでの間は、キャピラリ１３を下降させた状態でサブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の位置を保持させる必要があるが、その保持時間が短くて済み、キャピラリ１３をすぐに上昇することができる。そのため、次サイクルで、半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に接合するための準備（例えば、次サイクルに接合する半導体レーザチップ１８をキャピラリ１３に吸着すること）等を前サイクルの接合工程後すぐに行え、生産効率が向上する。
【００３６】
更に、サブマウント２３及びインサート材の加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体レーザチップ１８に熱歪みが生ずることがない。そのため、本発明に係るダイボンディング方法で接合された半導体レーザチップ１８を用いた半導体レーザ装置をより高い品質及び信頼性で提供することができる。
【００３７】
また、溶融したインサート材が、不活性ガスによる酸化防止作用によってサブマウント２３及び半導体レーザチップ１８によく濡れるため、予めスクラブ洗浄を行う必要がなくなる。更に、濡れ性が良いため、接合中に半導体レーザチップ１８をサブマウント２３に高い荷重で押圧する必要がなくなり、その結果、半導体レーザチップ１８の損傷を防止することができる。
【００３８】
〔第２の実施の形態〕
図２には、別の例のダイボンディング装置１００が示されている。
ダイボンディング装置１００は、ダイボンディング装置１０と同様に、基台１１と、台座１２と、真空発生装置と、キャピラリ１３と、ガス噴射ノズル１４と、レーザ発光装置（図示略）と、焦点レンズ１６と、演算制御装置等と、を具備する。なお、ダイボンディング装置１００については、ダイボンディング装置１０と同様の構成要素に同様の符号を付してその説明を省略し、異なる点について説明する。
【００３９】
つまり、ダイボンディング装置１０では、レーザ発光装置の光軸はサブマウント２３の裏面つまり台座１２の上面に対してほぼ垂直であったが、ダイボンディング装置１００では、レーザ発光装置の光軸はサブマウント２３の裏面に対して垂直ではない。
【００４０】
即ち、サブマウント２３の法線に対して、レーザ発光装置の光軸は所定の角度αだけ傾いている。光軸が角度αだけ傾いているのに伴い、焦点レンズ１６も第一の実施の形態に対して角度αだけ傾いている。
【００４１】
レーザ光１５が、サブマウント２３の法線に対して傾いてサブマウント２３に入射するため、サブマウント２３での一次反射光が発光源近傍のモニタに入射することがない。従って、レーザ発光装置から発光されたレーザ光のみの照射強度がモニタで検出監視されるから、レーザ光の照射強度の出力制御を安定して行うことができる。
【００４２】
以上のダイボンディング装置１００を用いたダイボンディング方法は、レーザ光１５の入射角が異なること以外は、第一の実施の形態の場合と同様である。そのため、ダイボンディング装置１００を用いたダイボンディング方法の詳細な説明は省略する。また、第二の実施の形態でも、第一の実施の形態と同様の作用効果を奏する。
【００４３】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、キャピラリ１３は上下方向の移動のみならず、水平方向への移動もできるようにしても良い。この場合、基台１１の水平方向の移動、及び、キャピラリ１３の水平方向の移動によって、サブマウント２３に対する半導体レーザチップ１８の相対的位置が決まる。
また、ダイボンディングする素子は、半導体レーザチップ１８に限らず、他の半導体素子であっても良い。
【００４４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、レーザ光がサブマウントに照射されるため、ろう材の溶融温度までサブマウント及びろう材が極めて短時間に加熱される。従って、半導体素子とサブマウントの接合に係る生産効率が向上する。
また、加熱時間が短いと、ろう材が凝固するのに要する時間が短くなる。そのため、ろう材が凝固するまでの間半導体素子を保持している時間が短くなり、半導体素子とサブマウントの接合に関する生産効率が向上する。
更に、ろう材及びサブマウントの加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体素子に熱歪みが生ずることがなくなる。
【００４５】
また、レーザ光の照射源に向けて反射することがないから、レーザ光の強度を監視するモニタには反射光が入射しないので、サブマウントに照射するレーザ光の強度を安定して照射することができる。
【００４７】
請求項２記載の発明によれば、レーザ発光手段によってレーザ光がサブマウントに照射されるため、ろう材の溶融温度までサブマウント及びろう材を極めて短時間に加熱することができる。従って、半導体素子とサブマウントの接合に係る生産効率が向上する。
また、加熱時間が短いとろう材が凝固するのに要する時間が短い。そのため、ろう材が凝固するまでの間半導体素子を保持している時間が短くなり、半導体素子とサブマウントの接合に関する生産効率が向上する。
更に、ろう材及びサブマウントの加熱時間及び冷却時間が短いため、半導体素子に熱歪みが生ずることがなくなる。
【００４８】
また、吸着孔を介してサブマウントを真空吸着することで、ろう材が溶融してから凝固するまでの間、サブマウントがしっかり位置決めされる。そのうえ、吸引孔を介してサブマウントにレーザ光が照射されるため、サブマウントに直接レーザ光を当てることができ、ろう材が溶融するのに要する加熱時間を短くすることができる。
【００４９】
請求項３記載の発明によれば、載置台と透光性部材とにより囲まれる領域により空間が構成され、その空間には吸引孔及び真空発生源が通じているため、その真空発生源から吸引孔までの間の体積を小さくすることができる。そのため、サブマウントを吸着するのに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダイボンディング装置の具体的態様が示された縦断面図である。
【図２】上記ダイボンディング装置とは別例のダイボンディング装置が示された縦断面図である。
【図３】従来のダイボンディング装置が示された縦断面図である。
【符号の説明】
１０      ダイボンディング装置
１１      基台
１１ａ      上壁部（載置台）
１１ｃ      吸引孔
１２      台座（載置台）
１２ａ      貫通孔（吸引孔）
１４      ガス噴射ノズル
１５      レーザ光
１７      ガラス基板（透光性部材）
１８      半導体レーザチップ（半導体素子）
１９      不活性ガス
２０      上方空間部（空間）
２２      配管
２３      サブマウント
１００      ダイボンディング装置
【図１】
0003833531.tif 000002
【図２】
0003833531.tif 000003
【図３】
0003833531.tif 000004