專利名稱：激光焊接器件與光學(xué)微型臺架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明技術(shù)解決的問題是如何將結(jié)構(gòu)器件固定到基片上，尤其是應(yīng)用半導(dǎo)體材料激光焊接，例如將硅，銦磷化物和鎵砷化物等材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)器件固定到運(yùn)用于光纖行業(yè)的基片上。
光纖對調(diào)技術(shù)分為兩類，消極對調(diào)和積極對調(diào)。前者通常利用的是微型臺架上的蝕刻槽(公差相當(dāng)小)。同樣，也可以利用分離結(jié)構(gòu)器件，它是應(yīng)用各種可視和結(jié)構(gòu)栓固定在微型臺架上的一種器件。發(fā)表于2000年9月12日，美國專利號為6,118,917的發(fā)明專利論述的就是如何應(yīng)用對調(diào)平臺(包括相應(yīng)的突出和凹陷部位)使分離結(jié)構(gòu)器件對調(diào)。應(yīng)用光學(xué)粘結(jié)劑或焊接金屬板(以前的技術(shù)是沉積在對應(yīng)的表面上)將結(jié)構(gòu)器件固定到微型臺架上。
積極對調(diào)技術(shù)是將光纖向光學(xué)器件移動，直到可以測量到一定的光耦合量。這樣，光纖就固定在微型臺架上。發(fā)表于1987年10月27日，美國專利號為4,702,547的發(fā)明專利論述的就是如何將金屬片和涂上不同材料的襯墊固定在一起。發(fā)表于1993年5月11日，美國專利號為5,210,811的發(fā)明專利論述的就是在光纖和激光對調(diào)后，如何將金屬對調(diào)片激光焊接到光纖外圍的金屬線上。發(fā)表于1994年6月7日，美國專利號為5,319,729的發(fā)明專利論述的是一種對調(diào)技術(shù)，它將硅光線直接焊接到硅板上。該技術(shù)要應(yīng)用到CO2激光來加熱硅板，使其溫度達(dá)到2000℃，這也使得所有會受激光影響的器件變形。
同樣，對于密封焊接，可以用到各種技術(shù)將外殼焊接到光學(xué)器件的表面上。以前的相關(guān)技術(shù)中大多數(shù)都是使用粘結(jié)劑，如焊錫，膠，低熔點(diǎn)的玻璃將不同材料的結(jié)構(gòu)器件固定，如發(fā)表于2000年6月3日，美國專利號為6,074,104的發(fā)明就是這種技術(shù)。另外，還要用到特別的鍍膜或板使各種器件粘結(jié)在一起。正如發(fā)表于1983年8月30日，美國專利號為6,074,104的發(fā)明揭示的一樣，要用到一個分離殼體來安裝基片。在這種情況下，需要一個分離板將基片安裝到殼體上。
美國專利號為5,995,688的發(fā)明也是一種將結(jié)構(gòu)器件固定到微型臺架上的技術(shù)。它是靠焊錫將結(jié)構(gòu)器件固定到微型臺架上，就是把結(jié)構(gòu)器件上和微型臺架上各自預(yù)先要粘結(jié)的部位粘結(jié)到一起。
從上面的幾個例子看出，利用以前的對調(diào)和密封焊接技術(shù)將各種器件粘結(jié)在一起需要花費(fèi)不少的勞動力，因?yàn)樾枰貏e的金屬鍍膜或板，還需要某種分離粘結(jié)劑。
目前的這項(xiàng)發(fā)明克服了以前技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，它可以將硅，銦磷化物和鎵砷化物等材料的結(jié)構(gòu)器件固定到相似材料的基片上，不需要用到任何分離粘結(jié)劑，也不需要應(yīng)用激光波長和高溫(高溫會損傷到其他器件)。
這項(xiàng)發(fā)明還能夠?qū)⒁粋€光學(xué)器件密封焊接到半導(dǎo)體微型臺架上，它是通過直接連接一個半導(dǎo)體蓋子到微型臺架上，這樣就密封焊接了光學(xué)器件。
圖5和圖6說明的是是該發(fā)明中的消極對調(diào)技術(shù)；圖7是利用該發(fā)明中的積極對調(diào)技術(shù)的裝置的平面圖；圖8是利用該發(fā)明中的密封焊接技術(shù)的裝置的側(cè)面圖；圖9是圖8所示裝置的平面圖.
硅是一種易碎的晶體材料，延展性幾乎為0。而且，對于典型金屬，熔化狀態(tài)下的強(qiáng)度比固體狀態(tài)下的強(qiáng)度低5-10％(溫度相同的情況下)。但是，硅卻相反，液狀硅的強(qiáng)度比固狀硅的強(qiáng)度高8％。這樣的性質(zhì)使得硅內(nèi)部產(chǎn)生與其他金屬元素不同的裂紋。一般來說，如果液狀金屬在逐漸冷卻收縮的過程中，熔液沒能完全回到熔化中心，固化后的金屬就會產(chǎn)生裂紋和孔隙。如果控制冷卻率的外部參數(shù)發(fā)生，這種現(xiàn)象在某種程度上可以得到控制。因此焊接金屬的表面因?yàn)橛辛藟毫蜁a(chǎn)生拉力而延伸。
通常高功率短脈沖的激光容易穿透硅材料，而低功率長脈沖的激光會使材料產(chǎn)生嚴(yán)重的孔隙和裂紋。波長為9000到11000nm的CO2激光常被用來焊接材料，比如焊接硅石。然而，雖然波長大于1200nm的光源穿過硅材料時(shí)，穿透效果相當(dāng)好，但仍有部分波長會被吸收，這就需要高功率的光源以得到所需要的硅熔化狀態(tài)。因此，最好選擇紫外光(150nm)到5000nm的激光作為光源，這也包括一些常見的激光，如脈沖銅氣體激光(CVL)(511nm和589nm)，雙頻率釹釔鋁深紅色激光(NdYAG)(532nm)和持續(xù)波(CW)和脈沖NdYAG激光(1064nm)。其他半導(dǎo)體材料(如InP和GaAs)的光學(xué)平臺會有些不同而且需要不同的激光。雖然任何光束都會產(chǎn)生可用的功率，但激光是最好的選擇。
使用長脈沖(0.1ms to 20ms NdYAG激光(1064nm)，具有5到20MW/cm2.高峰功率強(qiáng)度的激光穿透硅材料就會得到很好的穿透效果。而且，如果激光的脈沖持續(xù)時(shí)間在8到16ms之間，高峰功率在100和500W之間，脈沖能量在1和4J之間，脈沖重復(fù)頻率達(dá)到3至16pps，平均功率有4.8到32W，穿透效果更好。下面的表列出的是

圖1至圖3中的1064 NdYAG激光穿透硅材料的激光參數(shù)。表1圖1至圖3激光焊接示意圖的激光參數(shù)

從表中的數(shù)據(jù)可以看出，軌跡1到4的激光脈沖能量相同，但高峰功率從3kW降到1.5kW再降到750W和300W.高峰功率軌跡顯示的是一種性質(zhì)不穩(wěn)定的排出材料。這種材料是棕色的，因此含有某種硅元素。在低峰功率處，是一種流動材料而不是排出材料。點(diǎn)和軌跡旁還有一道白邊距。這在圖2中可以明顯看到，可能是硅氧化物。對于軌跡5，脈沖重復(fù)頻率變成2倍2pps，軌跡7是4pps，軌跡8是8pps。這些軌跡說明了熔化是由單脈沖和連續(xù)的熔化引起的。圖1右下角和圖2左上角都是可見裂紋，都是由于熔化10熔去了許多材料造成的。在低功率熔化處，尤其是nos.12 & 13，硅的表層似乎被“撕去”.。
為避免半導(dǎo)體材料被氧化，建議焊接在周圍都是惰性氣體的條件下進(jìn)行，如氬氣，氮?dú)?，氦氣，氙氣和氪氣?？梢栽诠潭ú课怀淙脒@些惰性氣體或把器件放入充滿惰性氣體的密封箱中。圖4說明的就是材料在空氣中熔化和在氬氣中熔化的區(qū)別?？諝庵械娜刍瘯沟帽砻娈a(chǎn)生裂紋，而氬氣中的熔化使得表面光潔度很好。
實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)將樣品的兩個拋光面焊接在一起時(shí)，如果焊接距離小于10μm，容易在焊接處的底部(中央)形成裂紋。其他的10個樣品也是同樣結(jié)果。相反，如果焊接距離大于10μm，使用的是雖同樣的激光參數(shù)，但不會產(chǎn)生裂紋。
常見的熔化深度(有足夠的力度)對于每100μm半徑點(diǎn)大小就有100-150μm，換算出的速度就是從0.1mm/s到1mm/s。圖5和圖6說明的是消極對調(diào)系統(tǒng)的一種形式，其中光纖1與安裝在半導(dǎo)體(鍶，InP，GaN，SiC和GaAs)基片3上的光學(xué)器件平行。第一步，用凹槽4固定基片3上的光纖1。凹槽4可以在基片3上直接蝕刻出也可以在安裝在基片3中的分離光纖固定器6上。然后將光學(xué)器件，如透鏡，激光，光電探測器，雙色濾波器，波導(dǎo)，光開關(guān)，偏振器，波片或偏振旋轉(zhuǎn)儀等安裝在結(jié)構(gòu)器件2(和基片的材料相同，如硅，InP或GaAs)上。接著將結(jié)構(gòu)器件2安裝到基片3上的預(yù)定部位，與凹槽4平行。固定的部位就是結(jié)構(gòu)器件2和基片3交叉連接點(diǎn)。這樣，一束光，如激光，就會在固定部位產(chǎn)生連接點(diǎn)11，這一連接點(diǎn)將結(jié)構(gòu)器件2固定到基片3上。連接點(diǎn)11最好是固體焊接，但其他形式的焊接，如燒接也可以，只要能將器件固定在一起就可以。最后，用安裝夾7將光纖1固定到凹槽4上。安裝夾7可以隨意裝上，不過最佳的是使彈簧針從凹槽4周邊延伸出去。這樣，可以微微調(diào)整光纖的位置。然而，如果光纖尾部12與光學(xué)器件完全對調(diào)平行后，光纖1就可以用任何方法(包括焊接，粘結(jié)等)固定到安裝夾7上。
光纖固定器6也可以采用本發(fā)明的焊接技術(shù)安裝到基片3上，這樣產(chǎn)生了焊縫13，它可以是延續(xù)的或一系列間斷的焊縫。因此，可以使用激光焊接技術(shù)將所有器件連接在一起，而不需要使用特別的鍍膜或粘結(jié)劑。
另外，焊接過程可以分為2或3個步驟，每一步包括將光束引向固定部位的某處，并微微調(diào)整結(jié)構(gòu)器件2的位置直到光學(xué)器件和光纖1完全對調(diào)平行。
圖7說明的是一種使用積極對調(diào)系統(tǒng)的裝置。其中，光纖1與光學(xué)器件2對調(diào)平行，光學(xué)器件2以可移動的平臺16的形式安裝在基片3上?；?包括安裝光纖1的凹槽18和將光纖1固定在凹槽18的安裝夾。采用深度電抗離子蝕刻(DRIE)技術(shù)在基片3上蝕刻出平臺16，從而也產(chǎn)生了周圍的凹槽21。平臺16由彈簧部位22和安裝部位23組成。彈簧部位22是一種擋板彈簧，一端24從凹槽21的周圍延伸出去。安裝部位23包括與凹槽18(接收光纖1)平行的凹槽26和將光纖1固定在凹槽26上的安裝夾27。安裝部位23上有一小孔28，這使得它可以和促動裝置嚙合。平臺16受到促動后，光纖1的尾部11也相對于光纖裝置2移動直到兩束光耦合。當(dāng)光耦合達(dá)到預(yù)定程度時(shí)，一激光光束就會被引向連接固定點(diǎn)上，這樣就產(chǎn)生了焊縫29。其中，兩個焊接在一起的表面并不是相鄰。因此，焊縫29跨過平臺16和基片3之間的凹槽21。平臺16焊接到基片3后，擋板彈簧22的末端有切口24，因此產(chǎn)生壓力。其中，基片3和平臺16可能含有集成電路。
圖8和圖9說明的是如何應(yīng)用本發(fā)明的焊接技術(shù)將光學(xué)器件2密封焊接到基片3上。其中的結(jié)構(gòu)器件是半導(dǎo)體(鍶，InP，GaN，SiC或GaAs)蓋31(安裝在光學(xué)器件2的頂部)。連接固定部位就在蓋31的周圍，也就是蓋31和基片相接的地方。光學(xué)器件2是一種光電二級管，以蓋31為光窗，也就是波長是1300和1500nm之間的光可以穿透這個半導(dǎo)體蓋。也可以將一透鏡和蓋31連接在一起來引導(dǎo)光的方向。因?yàn)閼?yīng)用了光學(xué)器件2，基片3可能含有集成電路。各種電導(dǎo)和光波導(dǎo)可以通過基片3和蓋31上的密封金屬材料連接到集成電路上。為密封焊接器件2，前面提到的激光類型就在蓋31周圍產(chǎn)生了半導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的連接點(diǎn)32，這一連接點(diǎn)自身可能引起電路傳導(dǎo)。
權(quán)利要求
1.將第一個半導(dǎo)體器件連接到第二個半導(dǎo)體器件上的方法包括以下步驟a)準(zhǔn)備第一個和第二個半導(dǎo)體器件；b)將第一個半導(dǎo)體器件靠近第二個光學(xué)器件，確定二者連接到一起的固定部位；c)將一有足夠強(qiáng)度的光束引向該固定部位，以連接第一及第二個半導(dǎo)體器件的連接部位。
2.權(quán)利要求1中的第一及第二半導(dǎo)體器件是由硅，InP，GaAs等半導(dǎo)體元素中的一種或數(shù)種組成。
3.權(quán)利要求1中的第一個半導(dǎo)體器件是一個半導(dǎo)體微型臺架，第二個半導(dǎo)體器件安裝在這個微型臺架上。
4.權(quán)利要求3中的第二個半導(dǎo)體器件是一種有外表面的蓋子，用來密封光學(xué)器件到該微型臺架上，并且固定部位延伸到蓋子的外表面和微型臺架相接處。
5.權(quán)利要求3中的第二個半導(dǎo)體器件是從第一個器件蝕刻出的一個支臂，連接固定部位包括這個支臂的邊緣，微型臺架的邊緣和分離支臂與微型臺架的一個凹槽。
6.權(quán)利要求3中的第二個半導(dǎo)體器件支撐一個光學(xué)元件；固定部位包括第二個半導(dǎo)體器件的一個邊緣和微型臺架的一個表面。
7.權(quán)利要求1中的光束是激光光束。
8.權(quán)利要求7中的激光光束的峰功率密度為5到20MW/cm2。
9.權(quán)利要求7中的激光光束的基波長為150nm到5000nm。
10.權(quán)利要求7中的激光光束的波長為1064nm，并來自一個長脈沖的NdYAG激光。
11.權(quán)利要求1到10中的任一方法還包括在步驟c)的進(jìn)行過程中往固定部位上充入惰性氣體。
12.權(quán)利要求1到10的任一方法中，步驟c)將第一個半導(dǎo)體器件焊接或燒接在第二個半導(dǎo)體器件上以形成一個連接點(diǎn)。
13.權(quán)利要求1到10的任一方法中，步驟c)包括先僅連接整個固定部位的一部分，調(diào)整第二個半導(dǎo)體器件的位置，連接固定部位的其他部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光焊接器件與光學(xué)微型臺架的微電子基片。當(dāng)今許多光學(xué)器件都應(yīng)用一種叫作光學(xué)微型臺架的微電子基片。傳統(tǒng)的裝置應(yīng)用多種技術(shù)將各種元件連接固定在一起,或固定到半導(dǎo)體微型臺架上。這些技術(shù)要求基片表面鍍膜或使用分離粘結(jié)材料,如焊錫,玻璃或粘結(jié)劑。本發(fā)明應(yīng)用了一種激光焊接技術(shù)將半導(dǎo)體,如硅,硅,銦磷化物和鎵砷化物等材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)器件固定到由相同材料構(gòu)成的微型臺架上。這種激光的波長在焊接過程中不會損傷到其他元件。這樣就不需要使用到分離粘結(jié)材料,也就省去了以前技術(shù)中的粘結(jié)過程。
文檔編號G02B6/36GK1371780SQ02105289
公開日2002年10月2日 申請日期2002年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月26日
發(fā)明者羅伯特·W·馬斯克 申請人:Jds尤尼費(fèi)斯公司