СПОСОБ МОНТАЖА КРИСТАЛЛОВ VCSEL НА КРИСТАЛЛОДЕРЖАТЕЛЕ
METHOD OF VCSEL CRYSTALS MOUNTING ON CRYSTAL HOLDER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу монтажа кристаллов VCSEL (VCSEL: лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором), в частности, содержащих двумерные решетки лазерных излучателей, на кристаллодержателе, в котором соединение между кристаллами и кристаллодержателем достигается с помощью пайки.
Уровень техники
Излучательные решетки VCSEL ИК-диапазона позволяют произвести заданный нагрев обрабатываемой детали, давая возможность формирования заданного распределения освещенности при надлежащей компоновке решетки. В конкретных применениях, например при попытке создать очень однородное освещение, проецируя суперпозицию увеличенных изображений, полученных в ближнем поле, требуется очень точная настройка (<5-10 мкм) излучающих окон кристаллов VCSEL относительно друг друга. Известно, что столь высокая точность размещения при сборке кристаллов VCSEL на кристаллодержателе может быть достигнута путем активного оптического выравнивания. В этом активном оптическом выравнивании лазеры активированы и излучение контролируется камерой во время манипуляции и размещения кристаллов. Это дорогостоящий и занимающий много времени способ.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа сборки кристаллов VCSEL на кристаллодержателе, который обеспечивает высокую точность размещения кристаллов без каких-либо занимающих много времени мер.
Эта цель достигается с помощью способа, представленного в п.1 формулы изобретения. Пункт 7 формулы изобретения относится к устройству решетки VCSEL, смонтированному в соответствии с предложенным способом. Предпочтительные варианты осуществления способа и устройства являются объектом патентования зависимых пунктов формулы изобретения или могут быть выведены из последующих частей описания и предпочтительных вариантов осуществления.
В предлагаемом способе первый несмачиваемый слой для расплавленного припоя осаждают на стороне соединения кристаллов VCSEL, которые должны быть присоединены к кристаллодержателю. Второй несмачиваемый слой для расплавленного припоя осаждают на стороне соединения кристаллодержателя, которая должна быть присоединена к кристаллам VCSEL. Несмачиваемые слои осаждают с рассчитанным рисунком или их рисунок формируют после осаждения путем локального удаления материала слоя или локального нанесения другого материала для формирования смачиваемых областей соединения на кристаллодержателе и кристаллах VCSEL, которые должны быть механически соединены. Припой наносится на области соединения по меньшей мере одной из двух сторон соединения. Кристаллы VCSEL располагаются на кристаллодержателе и припаиваются в областях соединения к кристаллодержателю для механического и в большинстве случаев также электрического соединения кристаллов VCSEL и кристаллодержателя. Во время пайки кристаллодержатель и кристаллы VCSEL не фиксируются механически  относительно друг друга, для того чтобы дать возможность кристаллам VCSEL перемещаться на кристаллодержателе под действием сил поверхностного натяжения расплавленного припоя.
2
2
Термин «кристаллодержатель» в данном контексте относится к любому компоненту основания, на котором кристаллы VCSEL должны быть установлены и, возможно, также электрически соединены. В типичном примере кристаллодержатель это - теплопроводящая пластина, которая затем приводится в контакт с теплоотводом для отведения тепла, выделяемого кристаллами VCSEL, к теплоотводу. Кристаллы VCSEL могут состоять из одиночных VCSEL, одномерных решеток VCSEL или малых двумерных решеток VCSEL, в частности решеток с размерами от 0,5×0,5 мм до 5×5 мм. Несмачиваемый слой представляет собой слой материала, имеющий поверхность, которая не смачивается припоем, используемым для соединения кристаллов VCSEL с кристаллодержателем. В отличие от этого области соединения формируются из материала, имеющего поверхность, которая смачивается припоем, используемым для соединения. Несмачиваемый слой может быть уже осажден с заданным рисунком, например, с помощью соответствующего метода литографии. В этом случае слой или подложка, на который наносится несмачиваемый слой, должны уже обеспечивать свойства смачивания для используемого припоя. Термин «формирование рисунка» в данном контексте означает, что в несмачиваемом слое формируются сквозные отверстия к нижележащей подложке или слою, при этом сквозные отверстия ограничивают области соединения. Другая возможность заключается в том, чтобы сформировать рисунок осажденного несмачиваемого слоя путем локального удаления материала после осаждения или локального нанесения другого материала к несмачиваемому слою, и этот другой материал обеспечивает свойства смачивания для расплавленного припоя. С этим дополнительным материалом, таким образом, формируются площадки для пайки на несмачиваемом слое, которые используются для последующего процесса пайки. Для специалиста в данной области очевидно, что материал в областях соединения должен быть выбран такой, чтобы допускать соединения пайкой с применяемым материалом припоя.
При использовании указанного выше способа происходит самовыравнивание кристаллов VCSEL на кристаллодержателе под действием сил поверхностного натяжения расплавленного припоя при пайке. Задавая области соединения с высокой точностью, что возможно с помощью известных литографических методов при формировании рисунка несмачиваемого слоя, достигается высокая точность также в выравнивании кристаллов VCSEL на кристаллодержателе во время пайки в результате упомянутого самовыравнивания. Самовыравнивание создается с помощью областей соединения со свойствами смачивания и областей между ними, которые оказывают сопротивление смачиванию, когда припой находится в жидкой фазе, как на стороне VCSEL, так и на стороне кристаллодержателя. Припой можно наносить либо на кристаллодержатель, либо на кристаллы VCSEL. Поверхностное натяжение расплавленного припоя затем пытается свести к минимуму поверхность (т.е. свободную энергию) и, следовательно, подтягивает отдельные кристаллы VCSEL к правильному местоположению, заданному областями соединения.
Предложенный способ позволяет, таким образом, производить выравнивание кристаллов VCSEL на кристаллодержателе с высокой точностью, ограниченной только точностью задания областей соединения, то есть формированием рисунка несмачиваемого слоя. Способ не требует какого-либо дорогостоящего и занимающего много времени активного выравнивания.
Припой может быть нанесен после формирования рисунка несмачиваемого слоя на область соединения кристаллодержателя и/или на область соединения кристаллов VCSEL. Предпочтительно, чтобы припой был предварительно нанесен в виде столбикового вывода из припоя на область соединения. Кристаллы VCSEL помещаются затем на кристаллодержатель, и кристаллодержатель с кристаллами VCSEL нагревают в соответствующей печи, для того чтобы расплавить припой и выполнить процесс пайки.
Материал для формирования несмачиваемого слоя предпочтительно выбирать из группы Ti, TiW и Ni, которые образуют стабильные поверхностные оксиды. Окисление происходит в результате воздействия окружающей среды на осажденный слой из этих материалов. Окисление также может быть ускорено, например, кислородной плазменной обработкой или аналогичными мерами. «Стабильные» означает, что в процессе пайки образовавшиеся поверхностные оксиды, которые обеспечивают несмачиваемые свойства, не разрушаются. Оптимальные несмачиваемые свойства достигаются несмачиваемыми слоями из Ti. Предпочтительными материалами для припоя, используемыми для монтажа кристаллов VCSEL на кристаллодержателе, являются AuSn, AgSn или индий. Эти материалы являются основными компонентами припоя, который также может иметь малые добавки из других металлов, например Cu в AgSn, для воздействия на температуру плавления или прочность.
Кристаллы VCSEL с VCSEL с излучением с нижней стороны припаяны таким образом, что верхняя поверхность VCSEL, то есть поверхность, на которой сформированы мезаструктуры, соединена с кристаллодержателем. Каждый кристалл обычно содержит подложку n-типа, прозрачную для лазерного излучения, генерируемого VCSEL, на которой сформированы мезаструктуры VCSEL, которые включают в себя по меньшей мере р-n переход и n- и р-зеркала с распределенным брегговским отражением (DBR). Подложка n-типа также может быть заменена стеклянной подложкой или слоем стекла или прозрачными подложкой или слоем другого типа, в частности, если не доступен материал n-типа, прозрачный для длины волны конкретного лазерного излучения. В настоящем патенте применение термина «мезаструктура р-типа» используется для мезаструктуры, имеющей электрический р-контакт, даже если мезаструктура содержит также материал n-типа. При осаждении металлического слоя перед осаждением несмачиваемого слоя, при этом металлический слой образует n-контакты VCSEL, может быть сформирована проводящая сеть между мезаструктурами р-типа VCSEL для равномерного распределения тока по всем мезаструктурам р-типа. Так называемые мезаструктуры n-типа образуются путем покрытия мезаструктур электрически изолирующим пассивирующим слоем, который по меньшей мере должен перекрывать р-n переход, остающийся открытым после травления мезаструктур. Электрическое соединение с n-контактом формируется отдельным металлическим слоем, который перекрывает и слой n-контакта, и эту мезаструктуру. При соединении с n-контактом на той же высоте, что и с р-контактом, оказывается возможным электрически соединить кристаллы VCSEL последовательно или параллельно без каких-либо проводов на стороне подложки. С таким устройством решетки VCSEL, сформированным по предлагаемому способу, решетка микролинз может быть размещена очень близко или присоединена к излучающей поверхности кристаллов VCSEL. Это позволяет, например, получить суперпозицию увеличенных изображений ближнего поля, что требуется для некоторых применений, таких как уже упомянутые во вступительной части описания.
Другой металлический слой наносится так, чтобы перекрыть мезаструктуры р-типа и р-контакты. Этот слой может быть нанесен на той же стадии, что и формирование слоя для подключения к n-контакту. Этот металлический слой механически стабилизирует мезаструктуры. Так как этот металлический слой также охватывает боковые стороны мезаструктур р-типа, передача тепла к кристаллодержателю может быть улучшена путем формирования металлического слоя из материала с высокой теплопроводностью, предпочтительно Аu или Cu. Это важно для максимальной эффективности и выходной мощности мощных VCSEL решеток, в которых сопротивление передаче тепла от кристаллов VCSEL к теплоотводу должно быть сведено к минимуму. При использовании кристаллодержателя из соответствующих материалов с высокой теплопроводностью, например из кремния, AlN или алмаза с теплопроводностью 150 Вт/(м⋅К) или выше, достигается очень низкое тепловое сопротивление к нижележащему теплоотводу, что приводит к максимальной эффективности всего устройства решетки VCSEL.
Устройство решетки VCSEL, собранное в соответствии с предложенным способом, таким образом, содержит несколько кристаллов VCSEL, расположенных вплотную друг другу на кристаллодержателе, который может быть прикреплен к теплоотводу. Кристаллы VCSEL и кристаллодержатель соединены паяными соединениями, сформированными между областями соединения на сторонах соединения кристаллов VCSEL и кристаллодержателя. Стороны соединения кристаллов VCSEL и кристаллодержателя являются сторонами, обращенными друг к другу. Области соединения окружены несмачиваемыми слоями, сформированными на каждой из сторон соединения. Устройство может также содержать дополнительные слои, как описано в связи с предлагаемым способом.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и разъяснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанный(ые) далее.
Краткое описание чертежей
Предлагаемый способ и соответствующее устройство решетки VCSEL описаны далее посредством примеров в сочетании с прилагаемыми фигурами более подробно. На фигурах показано:
Фиг. 1 - самовыравниваемое устройство решетки VCSEL с излучением с нижней стороны, смонтированное в соответствии с предлагаемым способом;
Фиг. 2 - пример структуры слоев самовыравниваемого кристалла VCSEL с излучением с нижней стороны, приготовленного для монтажа в соответствии с предлагаемым способом; и
Фиг. 3 - пример структуры слоев кристаллодержателя, подготовленного для монтажа кристаллов VCSEL в соответствии с предлагаемым способом.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг. 1 показана компоновка, посредством которой достигается самовыравнивание во время припаивания кристалла 1 VCSEL с излучением с нижней стороны к кристаллодержателю 2 таким образом, чтобы излучающие окна VCSEL всех кристаллов на одном кристаллодержателе 2 были размещены с требуемой точностью относительно друг друга. Каждый кристалл 1 содержит решетку VCSEL из нескольких VCSEL, три из которых с их мезаструктурами 4 р-типа показаны на фиг. 1. На фигуре показано сечение одного кристалла 1 VCSEL полностью и только небольшой части второго кристалла на правой стороне рисунка. Кристаллы 1 VCSEL содержат подложку 5 n-типа, на которой мезаструктуры 4 р-типа формируются известным способом. VCSEL соединены n-контактами 6 на стороне подложки и р-контактами 7 на верхней части мезаструктур 4. N-контакты 6 - это металлические слои, имеющие контакт с низким омическим сопротивлением (низкий барьер Шоттки) с GaAs материалом n-типа подложки 5 или с DBR зеркалами n-типа в случае, когда травление мезаструктур остановлено в этих слоях зеркал (не показаны на фигуре). На нижней излучающей поверхности подложки 5, противоположной мезаструктурам 4 р-типа, нанесена дополнительная металлизация 9 для минимизации электрического сопротивления и для возможного выполнения функции отражателя в случае, если устройство, например, используется, в резонаторе для сохранения мощности излучения, которое не было поглощено обрабатываемой деталью. В этой металлизации 9 формируются окна излучения, чтобы дать возможность выхода генерируемому лазерному излучению. Эти окна могут включать в себя антиотражающее (AR) покрытие 8, чтобы избежать внутренних отражений лазерного излучения. На фиг. 1 сторона мезаструктуры VCSEL ориентирована вниз к кристаллодержателю 2.
В примере на фиг. 1 формирование рисунка металла таково, что кристаллы 1 VCSEL электрически соединены последовательно, без соединительных проводников. Подключение к материалу 6 n-типа реализуется гальваническим металлическим слоем 10, лежащим на верхней части изолирующего слоя 11 и контактирующим с n-контактом 6. Это показано на мезаструктуре 28 n-типа с правой стороны кристалла 1, который не является активным VCSEL излучателем, а только представляет собой опорную конструкцию для поддержания кристалла на кристаллодержателе 2 и электрического последовательного соединения с соседним кристаллом 1. N-контактный слой 6 образует сеть между мезаструктурами р-типа, чтобы уменьшить электрическое сопротивление и содействовать равномерному распределению напряжения по всем р-мезаструктурам.
р-Соединение достигается посредством р-контактов 7 (металлических площадок) на мезаструктурах 4 VCSEL. В этом примере дополнительный гальванический металлический слой 12 перекрывает мезаструктуры 4 р-типа и р-контакт 7. Он создается одновременно с металлизацией (металлический слой 10) для n-соединения, так что оба металлических слоя равны по высоте. Это можно увидеть на левой стороне фиг.1 с мезаструктурами 4 р-типа. Металлические слои 10 и 12 механически стабилизируют мезаструктуры. Без этого напряжение термического рассогласования из-за разных коэффициентов теплового расширения между подложкой и материалом GaAs может вызывать разрушение внешних мезаструктур.
Эти металлические слои 10, 12, которые предпочтительно изготовлены из Au или Cu и которые имеют очень высокие теплопроводность и электропроводность, будут также служить для максимизации передачи тепла к кристаллодержателю 2 за счет увеличения поверхности GaAs, которая может выделять тепло. Металлический слой 12 может быть сформирован из Au толщиной от 0,1 до 3 мкм и заканчивается несмачивающимся слоем 13. Примерами материалов для этого несмачивающегося слоя 13 являются Ti, TiW или Ni, которые образуют стабильные поверхностные оксиды, которые предотвращают смачивание припоем этих слоев. Толщина таких слоев может составлять от 50 нм до 1 мкм.
Чтобы допустить контакт с припоем, на вершине мезаструктур создается смачиваемая площадка 14 для пайки. Это должно быть сделано с высокой точностью, которая должна быть лучше, чем требуемая точность выравнивания между окнами излучения. Примером такой площадки для пайки является стопа слоев из Ti/Pd/Au или стопа из Pd/Au сверху стопы из металлического слоя 12 и несмачиваемого слоя 13. При пайке верхний слой Au растворяется в припое, так что нижележащий слой подвергается воздействию припоя. Так как этот слой может быть несмачиваемым припоем, Pd действует как барьер между припоем и несмачиваемым слоем. В настоящем примере эти кристаллы 1 VCSEL припаяны к кристаллодержателям 2 предварительно нанесенным AuSn-припоем 15 толщиной 5 мкм.
До процесса пайки на стороне кристаллодержателя поверх проводящего металлического слоя 16 нанесен несмачиваемый слой (13), например проводящий слой Au или Cu, толщиной 3 мкм. Поверх этого слоя осаждают тонкий Ti-слой для формирования несмачиваемого слоя 13. Сверху этого несмачиваемого слоя 13 сформированы наплавленные слои из Ti/Pt/AuSn припоя. Ti/Pt-слой под припоем 15 служит в качестве барьера, предотвращающего диффузию припоя AuSn в слой 16 Au, так как это вызывает хрупкость сплавов.
На фиг. 1 показана часть сформированного устройства, в котором кристаллодержатель 2 дополнительно соединен посредством припоя 27 с теплоотводом 3. Как правило, этот припой 27 имеет более низкую температуру плавления, чем припой 15, используемый для припаивания VCSEL. Кристаллодержатель 2 сформирован предпочтительно из материала с высокой теплопроводностью, как AlN, и служит распределителем тепла.
В альтернативном варианте осуществления для пайки используются контактные столбики 19 из AgSn. Преимуществом AgSn является более низкая температура плавления, что позволяет снизить напряжение теплового рассогласования из-за разницы в коэффициентах теплового расширения между кристаллодержателем 2 из AlN и арсенидом галлия (GaAs) кристаллов 1 VCSEL. Площадка 17 для пайки из Cu используется в сочетании с несмачиваемым слоем 18 TiW. Столбиковый вывод 19 из AgSn толщиной 5, 10 и 20 мкм был успешно применен. Высота в 5 мкм столбиковых выводов 19 из припоя более предпочтительна, так как минимизируется тепловое сопротивление.
На фиг. 2 показан один из VCSEL кристалла 1 с левой стороны и мезаструктура 28 n-типа справа. Мезаструктура 28 n-типа может быть выполнена в виде пластины, продолжающейся в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, но также иметь любую другую форму. На фигуре показана структура слоев после формирования столбиковых выводов. В верхней части мезаструктуры 4 р-типа показан TiW-несмачиваемый слой 18 на р-контактной площадке 7. На этом несмачиваемом слое сформирована площадка 17 для пайки из Cu, на которой осажден столбиковый вывод 19 из SnAg. С правой стороны показаны (см. также фиг.1) n-контакт 6, изолирующий слой 11, металлический слой 10, соединенный с n-контактом 6 и несмачиваемым слоем 18. Дополнительный гальванический слой 20 Au в этом примере был применен для того, чтобы способствовать упрочнению структуры. Этот дополнительный слой также может быть исключен. Таким же образом, как с левой стороны, площадка 17 для пайки из Cu сформирована на несмачиваемом слое 18 и столбиковый вывод 19 из AgSn наносится на эту площадку 17 для пайки.
Сторона кристаллодержателя показана на фиг. 3. На этой фигуре показано сечение снизу и вид сверху в верхней части. На виде сверху кристаллодержателя можно увидеть области 21 соединения. Эти области 21 соединения сформированы посредством сквозных отверстий в несмачиваемом слое 23 из Ti к нижележащей (смачиваемой) стопе 24 слоев из Ti/Pt с предпочтительной толщиной слоя Pt по меньшей мере 0,2 мкм, чтобы предотвратить диффузию припоя в толстый слой Au под ним. В нижней части фигуры можно увидеть структуру слоя кристаллодержателя 2 из AlN. На задней стороне этого кристаллодержателя 2 сформирована стопа 26 слоев из Ti/Pt/Au, которая служит для улучшения условий смачивания при припаивании кристаллодержателя, например, к теплоотводу из Cu. Такой слой может быть также нанесен на кристаллодержатель в примере на фиг.1. На верхнюю сторону кристаллодержателя нанесена стопа 25 слоев из Ti/Pd/Au. Его часть из Au имеет предпочтительную толщину 3 мкм, для того чтобы сопротивление покрытия было достаточно низким. Сверху этой стопы 25 слоев нанесен смачиваемый слой 24, части которого образуют упомянутые выше области 21 соединения. Сверху этого смачиваемого слоя нанесен несмачиваемый слой 23 из Ti в структуре со сформированным рисунком, чтобы обеспечить отверстия к смачиваемому слою для формирования областей 21 соединения. Поверхность Au слоя 25, нанесенного непосредственно на кристаллодержатель 2, также видна в одной четко заданной области от верхней части кристаллодержателя. Эта область служит контактными площадками для проводного соединения, но также формирует визуальный маркер 22 для размещения кристаллов VCSEL и для последующей обработки устройства решетки VCSEL.
Хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в приведенном выше описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как примерные или иллюстративные, а не ограничивающие; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления.
Например, можно также применить изобретение в варианте осуществления, в котором подложка обеспечивает дополнительные слои или электронные компоненты или в котором кристаллы VCSEL имеют отличающуюся конструкцию. Слои, которые формируются в соответствии с предложенным способом, могут быть не только одиночными слоями, но и стопами слоев, например, в случае слоев для n-контакта и р-контакта. Другие варианты в соответствии с настоящим изобретением могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при осуществлении заявленного изобретения на основании изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы и использование единственного числа не исключает множество. Сам по себе факт, что некоторые меры изложены во взаимно различающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих мер не может быть использовано с выгодой. В частности, все зависимые пункты формулы способа можно свободно комбинировать. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует истолковывать как ограничивающие объем.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 кристалл VCSEL
2 кристаллодержатель
3 теплоотвод
4 мезаструктура р-типа
5 подложка n-типа
6 n-контакт
7 р-контакт
8 AR-покрытие
9 металлизация
10 металлический слой (n)
11 изолирующий слой
12 металлический слой (р)
13 несмачиваемый слой
14 площадка для пайки
15 припой
16 проводящий слой
17 площадка из Cu для пайки
18 TiW несмачиваемый слой
19 столбиковый вывод из SnAg
20 гальванический Au слой
21 области соединения
22 визуальный маркер
23 несмачиваемый слой
24 Ti/Pt слой
25 слой из Ti/Pd/Au
26 слой из Ti/Pt/Au
27 припой
28 мезаструктура n-типа