JP5487358B2 - レーザ光を用いた基板の封止および接触の方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを用いた基板の加工に関するものである。具体的には、本発明は、パルスレーザ光を用いた、電気的接触領域を含むガラスおよび／または半導体基板の溶接に関するものである。基板は例えばサファイア、石英またはシリコンを含んでいてもよい。

欧州特許出願公開第１３６９９１２号広報には、レーザビームを用いてフリップチップをチップキャリアに接合する方法が開示されている。該方法は、チップの接触領域とチップキャリアの接触領域との位置合わせを行うステップと、この位置合わせされた接触領域にチップまたはキャリアを通してレーザビームを投影し、それらを電気的に相互に接合するステップとを含んでいる。しかしながら、接触領域の周囲は外気（酸素）および湿気にさらされたままであり、製造するデバイスが悪影響を受けることがある。

米国特許出願公開第２００４／２０７３１４号明細書、同２００５／１７４０４２号明細書、同２００３／１９７８２７号明細書および特開２００５−０２８８９１号公報は、半導体またはガラス基板の部品を接触または接合するためにレーザ溶接を使用する、さらなる方法を開示している。しかしながら、これらの方法はどれも、同時に接触性と封止性に優れた構造を生成できるものではない。

欧州特許出願公開第１３６９９１２号広報 米国特許出願公開第２００４／２０７３１４号明細書 米国特許出願公開第２００５／１７４０４２号明細書 米国特許出願公開第２００３／１９７８２７号明細書 特開２００５−０２８８９１号公報

本発明の目的は、レーザ光を用いた基板の電気接触において、改善された方法を実現させることであり、該方法はまた、粒子、酸素および湿気に対する保護を提供するものでもある。

本発明のさらなる目的は、電気接触を有する、しっかりと封止された電子モジュールを提供することである。

これらの目的は、独立請求項に係る方法および電子モジュールによって実現される。

本発明は、レーザ光が、通常絶縁されている基板材料と、この基板材料に塗布される導電層とを、それらの界面領域にパルスレーザ光を掃引することにより、溶解を誘引するという知見に基づくものである。これら両方の領域の、実質的に完全な溶解（溶接）が実現される。

一実施形態において、本発明は、少なくとも一つの第１導電層、すなわち接触端子をその上に有する第１絶縁基板、好適にはガラス基板を、少なくとも一つの第２導電層をその上に有する少なくとも一つの第２絶縁基板、好適にはガラスまたはシリコン基板と溶解して、電気的に接触させる方法を提供する。本方法は、
・前記第１基板および第２基板を積層して、それらの間に界面領域を形成するステップであって、該界面領域は、
・少なくとも一つの第１導電層に面し、少なくとも一つの第２導電層と少なくとも部分的に位置合わせされた電気接続領域と、
・絶縁基板が互いに向き合う基板溶解領域と
を備えるステップと、
・基板の界面領域に、前記基板の内の一つを通して、レーザ源から複数の連続する集束レーザパルスを集束させるステップであって、レーザ光のパルス持続時間、パルス周波数およびパルス出力は、基板材料および導電層の局所的な融解を提供するように選択するステップと、
・所定の速度と経路で前記レーザ源および前記基板を相互に移動させて、構造的に変更された領域が前記界面領域に形成され、この構造的に変更された領域が前記電気接続領域および前記基板溶解領域と重なるようにするステップと
を含んでいる。

「絶縁基板」という用語は、マイクロエレクトロニクスにおいてウエハとして頻繁に使用される固有半導体基板を含む、全ての非導電基板のことである。導電層は典型的には金属層である。

本発明は大きな利点を提供する。先ず、基板の機械的および電気的接続は同じ工程段階で行われるので、本方法は単純であり、時間および費用の節約を提供する。２つ目として、材料を直接溶解することにより、溶接線を完全に密封した状態にすることができる。３つ目として、同じ電気デバイス内において、他の基板または部品の純粋な機械的または電気的な接続に、同一のレーザ露光方法を使用することができる。４つ目として、極めて高品質な、ピンホールのない溶接線を生成することができる。

一実施形態によれば、基板体の中の少なくとも一つは、使用するレーザ波長のために透明である。このためレーザは基板を通って導かれ、界面に集束される。ここで、体積あたりの強度は、基板または基板の接触領域の加熱および溶接を実現するくらい十分に強い。

本発明の一つの目的は、生成される溶接線の質が高い、すなわち実質的に微小クラックのない、基板のレーザ誘起溶接および電気接触を行うことである。これは具体的に、基板において、非線形吸収に加えて、かなりの線形吸収効果を誘導するピコ秒単位のレーザパルスを使用して実現される。ただしこのレーザパルスは、時間的および空間的に十分頻繁に、基板に向けられるものとする。従って、次のパルスは、そのパルスが前のパルスのまだ十分に熱いスポットと実質的に重なるように基板に向けられ、線吸収によって、レーザエネルギは基板にさらに吸収される。吸収の増加に加え、高いパルス繰り返し率により、基板材料の微小クラック感受性が低減される。これは、前のパルスが材料の剛性を低減させ、次のパルスがくると、衝撃波が弱められるからである。

装置であって、該装置は、
・所定の持続時間、パルス周波数および焦点径を有するレーザパルスを放出するパルスレーザ源と、
・レーザ光が、パルスレーザ源から基板の内の一つを通して基板の界面領域に導かれるように、基板を保持する手段と、
・所定の速度で、所定の経路に沿って、パルスレーザ源に対して基板を移動させる手段と
を備えている。

あるいは、レーザビームを例えばミラー光学素子を使って導き、レーザ源および／または基板の移動を回避してもよい。

レーザ源と基板との間の効果的な光学距離は、レーザパルスが基板の界面領域に集束されるように設定する。つまり、基板材料を局所的に融解するのに十分なエネルギーが、個々のパルスから両方の基板に吸収される。

本発明による方法は、被加工材内に少量の微小クラックを有する被加工基板、すなわち加工部品の強い曲げ強度をもたらすことがわかっている。

本明細書において、「基板」という用語は、広義には、適切なパルスレーザ露光によって構造的な変化（融解または再固化）が発生する、任意のターゲット材料または材料の組み合わせのことをいう。基板は、実質的に均質か、または異なる材料から生成された複数の領域または層を備えていてもよい。これらの領域または層は、最初に接続させてもよい。加工レーザは、所望される効果によって、一つの層もしくは領域、または２つ以上の層または領域の界面に向けてもよい。

本発明のさらなる実施形態および利点を、添付の図面を参照して、下記に詳しく記載する。

本発明の一実施形態による、溶接工程の側面図である。 図１に示す工程による、溶接品の側面図である。 ａ〜ｃは、ａ）超小型回路、ｂ）ガラス基板および本発明に従って溶解および電気的に接続された、ａ）とｂ）の部品を含むｃ）電子モジュールの上面図および側面図であり、ｄは本発明を用いて製造された、多機能電子モジュールの上面図である。 ａ〜ｄは、本発明の一実施形態による（Ｏ）ＬＥＤ表示の溶接を示している。 ａおよびｂは、２つの異なる焦点径の周波数の関数として、各位置におけるレーザパルスを示す図である。 本発明によってガラス基板に加工された微小構造の断面画像である。 本発明によって生成された界面の断面画像である。

図１は、本方法を実行する一つのやり方を示している。第１電気接触端子２９Ａを含む第１基板２８Ａ（例えばガラス基板）および第２電気接触端子２９Ｂを含む第２基板２８Ｂ（例えば半導体チップ）を提供する。基板２８Ａおよび２８Ｂは、接触端子２９Ａおよび２９Ｂがそれらの界面領域で相互に位置合わせされるように、積層体２８として相互に重ね合わせて設置されている。その後、レーザ源２０を、光学素子２２によってパルスレーザビーム２４を生成するために使用し、このビームは基板の内の一つを通って界面領域に集束され、複数の連続して重なるレーザ誘起スポットが界面領域に生成される。図２に示すように、この工程の後、積層体２８は溶解積層体２８’に変形し、この溶解積層体において、基板２８Ａおよび２８Ｂは、接触端子２９Ａ，２９Ｂのない領域２７に完全に溶解される。接触端子２９Ａおよび２９Ｂの領域では、これらの接触端子は完全に溶解され、基板の間に電気接続領域２９が設けられる。

図３ａは、電子機能部３３と、複数の接触端子３４とを有する基板３２を備えるマイクロチップを示している。図３ｂは、積層される際にマイクロチップの接触端子３４と嵌合するように構成された接触端子３６を有する、基板３１を示している。図３ｃは、積層状態のマイクロチップおよび基板と、本発明の方法を使って素子の間に設けられた溶接線３７とを示している。この溶接線は、向い合う接触端子３６および３４、また、これらの接触端子の外の領域とも重なっており、この場合は閉ループを形成している。このようにして、基板間に拡散される外部の湿気や酸素に対して、マイクロチップコアのための封止保護が実現される。

図３ｄは、本方法を使って複数の機能部品が実装された基板３０を備える多機能デバイスを示している。尚、全ての部品が両方のタイプの溶解領域（直接基板溶解領域および電気接触領域）を含む必要はない。例えば、本方法を使って感湿センサを封止し、それから大きな基板に接触させてもよいが、表示素子を接触させずに大きな基板に封止するだけでもよい（接触は他の手段によって行う）。密封性が必要でない場合には、電気接触のみを行ってもよい。本発明の利点は、これらの各々のケースに同じレーザ露光方法を使用することができることであり、このことにより、このような多機能デバイスの製造も単純化することができる。

具体的には、本発明は、シリコンや、石英、石英ガラス、ホウケイ酸塩、石灰ガラス、温度膨張係数調整ガラスおよびサファイアなどの産業用ガラスや、酸化ジルコニウム、ＬｉＴａＯ_３などのセラミックやこれらの材料を組み合わせたガラスおよび／半導体基板の溶接に有用である。基板は、例えば、クロム、銅、金、銀、モリブデンまたは酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などから生成された導電領域を含んでいてもよい。

本方法を使って溶接することのできる、特に好適な材料の組み合わせ（基板１／導電材料１−導電材料２／基板２）は、下記の通りである：
ガラス／クロム − クロム／ガラス
ガラス／銅 − 銅／ガラス
ガラス／銅 − 銅／シリコン
ガラス／金 − 金／ガラス
ガラス／金 − 金／シリコン
ガラス／銀 − 銀／シリコン
ガラス／モリブデン − モリブデン／ガラス
ガラス／ＩＴＯ − ＩＴＯ／ガラス

レーザ光は、典型的にはガラス基板を通して向けられる。その中を通ってレーザパルスが向けられる基板の厚さは、典型的には１００〜５００μｍである。下の基板の厚さは重要ではないが、少なくとも３００〜１０００μｍの厚さをうまく加工することができる。基板上のメタライゼーションの厚さは、典型的には０．１〜５μｍ、具体的には０．１〜３μｍである。

一実施形態によれば、２０〜１００ｐｓのパルス持続時間、パルス周波数および移動速度は、焦点径の５分の１以下の連続するパルス間の距離において、パルスが多く重なるように調整される。パルス周波数は、好適には少なくとも１ＭＨｚである。このパラメータ範囲において、レーザ出力の非線形吸収および線形吸収はどちらも最も効率的に利用され、既知の方法よりも高い全吸収率となることがわかっている。従って、ターゲットスポットはさらに熱い、というのも、次のパルスの到着時に、前のパルスによって材料は使用される波長に対して局所的に透明ではないが、すでに最初から大きな吸収率、すなわち多数の自由キャリアを有している。言い換えると、前のパルスのため、伝導バンド内の電子数は非常に多く、材料は、レーザ放射の高い吸収率を有する金属状のターゲットのようでもある。典型的な用途では、焦点径は１〜１０μｍの範囲であり、これは２００ｎｍ〜２μｍの範囲のパルス間の典型的な最大距離である。基板内で生じる物理的な現象については、我々が先に出願した、ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＦＩ２００９／０５０４７４に詳しく記載されている。

記載している加工方法のさらなる利点は、レーザ光の低ピーク出力（典型的には１０^１２ Ｗ／ｃｍ^２未満）を利用することができ、平均出力は依然として高い、または既知の方法と少なくとも同じレベルであるということである。従って、各パルスによって生じるレーザ誘起衝撃波には、パルスの衝撃領域のすぐ近くに向けられる次のパルスによる大きな熱波が続く。このことによる一つの恩恵は、個々のパルスによって生じる局所的な亀裂が、周りの融解効果が高くなるにつれて自動的に修復されることである。従って、本発明による工程から生じる構造的に変化した領域は安定しており、そして高品質である。典型的には、使用されるピーク出力は１０^１０ 〜１０^１２ Ｗ／ｃｍ^２であり、具体的には１０^１０ 〜５*１０^１１ Ｗ／ｃｍ^２である。これは、フェムト秒パルス工程または多光子吸収工程で必要とされるものよりもはるかに少なく、結果としてレーザ誘起欠陥の数が大幅に低減される。

一実施形態によれば、パルス周波数を増大させるか、または移動速度を低減させて、連続する構造的に変化したスポット間の距離が、焦点径の１０分の１以下、好適には２０分の１以下になるようにする。こうすることによって、基板内で発生する線吸収効果がさらに増大され、より均質な加工線の実現が助けられる。加工周波数は、好適には少なくとも４ＭＨｚであるが、最大で２０ＭＨｚ、またはそれ以上とすることもできる。

金属化領域において、金属箔の電子は、メタライゼーションのない領域と比べると、線吸収効果を増大させる。プラズマ雲が形成され、その電子は、厳密な金属化領域だけでなく、その領域の近くのガラスまたは半導体基板内においても光の吸収を増大させる。

一般に、連続するパルスの重なる割合は、式（１−（加工速度＊（パルス間の時間）／焦点径））によって表される。図５ａおよび図５ｂは、それぞれ２μｍおよび６μｍのスポット径と、加工周波数の関数としての３つの例示的加工速度に関して、この式を使って計算した、基板の各位置に当たるパルスの数を示している。

上に開示した好適なパルスパラメータの範囲は、使用される波長において、通常の状態で、全体的または部分的に透明な基板の加工に使用することができる。これは実際、材料の不純物または格子欠陥によって、光イオン化処理と、さらには衝突イオン化処理とが開始されるからである。短パルス、具体的にはフェムト秒単位パルスで基板加工を行う上で主要な役割を果たす、いわゆる多光子吸収は、それほど発生しないし、必要ではない。

好適な実施形態によれば、使用する波長は、近赤外線範囲、すなわち０．７５〜１．４μｍである。この範囲は、シリコン加工だけでなく、既知の低周波数および／またはフェムト秒単位の加工法を使った、少なくとも任意の産業的な方法による加工が困難な、サファイアや石英などのバンドギャップの大きな材料にも適切であることが証明されている。

一実施形態によれば、非極性レーザ光が使用される。これによって基板内の電磁場の向きは任意となり、基板の格子パラメータの影響が少なくなる。言い換えれば、非極性光は、より幅広い種類の基板で有効だということがわかっている。

図６は、本発明によってガラス基板に加工される微小構造の断面図である。レーザを上から基板に当て、図示するテーパ端（矢印参照）において融解工程が開始される。２０ｐｓ以上の持続時間を有するパルスは、鋭い開始点を有し、この開始点の近くでクラックする可能性の高い短パルス、具体的にはサブｐｓパルスとは異なり、開始点では丸型の形状であることが分かる。また、結果的に生じたガラス内の形状の径は非常に大きいので、多光子吸収に関する出力密度は十分でなく、この形状の上部に向かって線吸収効果が増強するのもわかる。

図７は、本発明によって生成される界面の断面画像であり、この界面は、基板が完全に相互に溶解された基板溶解領域７２と、導電性金属融解層（明瞭に示されていない）が完全に相互に溶解された、基板溶解領域の両側面にある、電気接続領域７１Ａ，７１Ｂとを備えている。基板溶解領域７２において、構造的に変化した部分は各々の基板に沿って数マイクロメータ延在し、溶解が非常に貫通（密封）した状態であることがわかる。この領域において、基板間の接続は、「拡散深接合」と特徴付けることができる。一方で、電気接続領域７１Ａおよび７１Ｂにおいては、構造的に変化した部分の深さは、金属含有層、すなわち、「表面接合」によるレーザエネルギのより局所的な吸収により、より浅い状態である。

好適な実施形態によれば、使用されるレーザ源はファイバレーザ源である。ファイバレーザは、メガヘルツの周波数範囲で光を生成することができるという利点を有しており、これは上述のように、加工速度と品質との面で最も有利であることがわかっている。ここでいうファイバレーザは、活性利得媒質がドープ光ファイバであるレーザである。ドーピングは、エルビウム、イッテルビウム、ネオジム、ジスプロシウム、プラセオジム、ツリウムなどの希土類元素で行うことができる。

本発明は、別々の接触ステージがないので、溶接中に極めて高い加工速度を実現させることができるという利点がある。さらに、溶接線を密封的に封止して、非常に高品質に製造することができる。

本発明は、集積回路やその他の微小デバイスの製造に使用される、シリコン結晶ウエハおよびその他の半導体材料の溶接に使用することができる。このようなウエハは、ドーピング、イオン注入、エッチング、蒸着およびフォトリソグラフィパターニングなどの任意の既知の微細加工プロセスによって、ウエハに内蔵および／または実装されるマイクロ電子デバイアスと、電子電流および／または電位をデバイスに導通させる電子端子とを含んでいる。

特別な利点は、例えば、表示パネル（例えば、ＬＣＤパネルおよび（Ｏ）ＬＥＤパネル）の製造に使用される、極薄ウエハ（例えば、２００μｍ以下、具体的には１００μｍ以下）で実現される。しかしながら、本発明は原則として任意の厚さのウエハに使用することができる。

一実施形態によれば、本発明は、界面領域を有する少なくとも２つの重なり合う層の溶接に使用され、本方法は、レーザパルスを界面領域に集束させて、その界面領域で局所的な融解を実現させるステップと、再固化によってこれらの層を溶接するステップとを含んでいる。

溶接用途を図２に概略的に示している。この方法において、レーザ源２０および光学素子２２は、レーザ光ビーム２４を生成し、それを基板２８の２つの個々の層２８Ａおよび２８Ｂの界面に集束させるために使用される。移動する基板に当てられる、複数の重なり合うパルスは、上述の原理によって層２８Ａおよび２８Ｂを接続させる溶接線２６を生じさせる。

一例によれば、基板は２枚の重なり合うガラスパネルを備えており、これらのパネルは、切れ目なく連続する継目によって、これらのパネルの内の少なくとも一つのフリンジ領域で溶接される。 よって、例えば表示パネルまたは光感受性パネルを、本方法によって製造することができる。図４ａおよび図４ｂは、ＯＬＥＤ表示パネルの製造例を示している。パネル４８は、並んだ個々の発光部を有する活性層４９を含む基層４８Ａと、前面ガラス層４８Ｂとを備えている。最初に、層４８Ａおよび４８Ｂを重ねて置き、密封的に保護されなければならない活性層４９がそれらの層の間にくるようにする。その後、本発明を用いて活性層全体の周りに溶接線４６を生成する。好適には、溶接線は切れ目がない（連続している）。従って、活性層には埃と湿気に対して効果的なバリアを形成することができ、同時に、接着剤などを追加することなく、パネルの層を効率的に貼り付けることができる。頻繁なパルシングと、ガラス層の完全な融解および再固化により、継目の不浸透性は非常に高くなる。好適には、パネル４８Ａおよび４８Ｂの電気接触を、上述の様に同時に実行することができる。

図４ｃおよび図４ｄは、基板溶接を行う２つの代替例の詳細を示している。図４ｃの工程では、ガラス層４８Ａおよび４８Ｂは、界面領域で互いに離隔されており、溶接線４６Ａがその間に直接生成されている。図４ｄの工程において、ガラス層４８Ａと４８Ｂとの間に、架橋層４７がさらに設けられている。この架橋層４７によってガラス間の自由距離が低減され、層が確実に一体化される。従って溶接線４６は、架橋層と前面ガラス４８Ｂとの間に生成される。架橋層４７は金属層であってもよい。両方の基板に架橋金属層を設けてもよく、この場合、溶接ステップには金属層の溶解ステップも含まれる。

表示パネルの製造に加え、本溶接方法は、密封封止および電気接触のどちらも必要とする用途において、他の任意のレーザ溶接可能な部品および基板をも溶解するために使用することができる。このような必要性は、例えば、マイクロセンサや他のマイクロコンポーネントの基板への接合、ウエハレベルパッケージング用途、温度感知部品のパッケージング、光学素子の一体化およびマイクロ流体素子の一体化において生じることがある。

上述の実施形態、実施例、および添付の図面は説明のために提供したものであり、限定するためのものではない。本発明の範囲は、下記の特許請求の範囲に定められており、これに記載された範囲で、均等範囲を考慮して解釈するものとする。

Claims (13)

1. 少なくとも一つの第１導電層（２９Ａ）をその上に有する第１絶縁基板（２８Ａ）を、少なくとも一つの第２導電層（２９Ｂ）をその上に有する少なくとも一つの第２絶縁基板（２８Ｂ）と溶解し、電気的に接触させる方法であって、該方法は、
   ・前記第１および第２基板を、これらの間に界面領域が形成されるように積層するステップであって、該界面領域が、
   ・少なくとも一つの第１導電層（２９Ａ）に面し、少なくとも一つの第２導電層（２９Ｂ）と少なくとも部分的に位置合わせされている電気接続領域と、
   ・前記絶縁基板（２８Ａ，２８Ｂ）が互いに直接向き合う基板溶解領域と
   を備えるステップと、
   ・前記基板の内の一つを通して、レーザ源（２０）から複数の一連の集束レーザパルスを前記基板（２８Ａ，２８Ｂ）の界面領域に集束させるステップであって、前記レーザ光のパルス持続時間、パルス周波数およびパルス出力は、前記基板（２８Ａ，２８Ｂ）材料および前記導電層（２９Ａ，２９Ｂ）の局所的な融解を提供するように選択されるステップと、
   ・所定の速度と経路で、前記レーザ源（２０）と前記基板とを相互に移動させ、前記電気接続領域および前記基板溶解領域と重なる、構造的に変更された領域を前記界面領域に形成するステップと
   を含む。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記構造的に変更された領域は、連続的に密封された封止溶接線を含む方法。
3. 請求項１または２に記載の方法であって、前記パルスレーザ光の経路が、好適には、前記基板（２８Ａ，２８Ｂ）の内の何れかに含まれる、湿気または酸素検出素子の周りに閉ループを形成する方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の方法であって、前記基板（２８Ａ，２８Ｂ）の内の少なくとも一つは、前記導電層として、複数の接触端子を有するマイクロチップまたは表示パネルを備える方法。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の方法であって、前記絶縁基板（２８Ａ，２８Ｂ）の内の少なくとも一つは、ガラスパネルを備える方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記ガラスパネルを通して前記レーザ光を前記界面領域に集束させるステップを含む方法。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の方法であって、前記基板（２８Ａ，２８Ｂ）の内の少なくとも一つはシリコンマイクロチップを備え、前記第２導電層が、シリコンマイクロチップの接触端子を形成する方法。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の方法であって、前記第１および第２基板（２８Ａ，２８Ｂ）の完全な局所的溶解は、基板融解領域において前記構造的に変更された領域として生成され、前記第１および第２導電層（２９Ａ，２９Ｂ）の完全な局所的溶解は、前記電気接続領域で生成される方法。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の方法であって、
   ・前記パルス持続時間は２０〜１００ｐｓであり、
   ・前記パルス周波数は少なくとも１ＭＨｚ、具体的には少なくとも４ＭＨｚであり、
   ・前記パルスレーザの移動速度は、連続するパルスが相互に重なり合うように調節される方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記連続するパルス間の距離は、パルスの焦点径の５分の１以下である方法。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法であって、前記導電層の厚さは１μｍ未満である方法。
12. 請求項１０に記載の方法であって、前記連続するパルス間の距離は、パルスの焦点径の１０分の１以下である方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、前記連続するパルス間の距離は、パルスの焦点径の２０分の１以下である方法。

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