JP2007142425A - 集積化ハイブリッドマイクロレンズアレイを有するフォトニックデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＣＳＥＬ等の光放射／検知素子からなるデバイスにマイクロレンズアレイを一体化、集積した装置を現実的且つ低コストに実現する。
【解決手段】基板１１１の上方に面するよう基板上部平坦面１１２上に少なくとも１個の光放射／検知素子１１８−１，１１８−２が形成されたＩＣ化光放射／検知デバイス１１０と、ペデスタル１５１の下部平坦面１５２上に少なくとも１個のマイクロレンズ１５８−１，１５８−２が一体形成され且つ複数本の脚部１５５−１，１５５−２が延設されたマイクロレンズ構造１５０とを作成し、構造１５０を面１１２上に実装してアセンブリ１００を製造する。その際、脚部１５５−１，１５５−２が面１１２上の対応領域１１２−１，１１２−２と接触して素子１１８−１，１１８−２からレンズ１５８−１，１５８−２まで所定距離Ｚ１に保持されるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、集積回路（ＩＣ）化光放射／検知（フォトニック）デバイス等に関し、更にはその種のデバイスの入射光や出射光を合焦できるよう配置されたマイクロレンズアレイを備えるアセンブリに関する。

高速プリンタの中には、印刷データの並列伝送を可能とするため半導体レーザによる多ビームレーザ光源を用いるものがある。そうした高速プリンタにおける印刷速度は、使用する多ビームレーザ光源から並列出射されるレーザビームの本数や、それらレーザビームの強度（出射パワー）により制約される面がある。初期のレーザ利用型高速プリンタでは印刷用多ビーム光源として端面発光デバイスが用いられていたが、端面発光デバイスにおける光出射方向は製造時に形成される各種の層に平行な方向、即ちデバイスチップ上面に平行な方向であったため、形成される多ビームレーザアレイにおけるレーザビーム上限本数が事実上４本と少ない、という問題点があった。こうしたことから、より最近のレーザ利用型高速プリンタではＶＣＳＥＬ(Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)が復権している。ＶＣＳＥＬは、製造時に形成される層と層との境界面に対し垂直な方向、従ってそのデバイスの上面に対し垂直な方向へと光を放射するデバイスであるため、端面発光デバイスに比べそのビーム本数が多い多ビームレーザアレイを容易に実現でき、印刷用多ビーム光源として魅力的である。しかしながら、ＶＣＳＥＬには、高速プリンタでの利用に関連して、本質的にその出射パワーが小さい、という短所がある。出射パワーが小さいと、各ビームで十分なエネルギを伝送しきるのに長い時間がかかってしまう。

そのため、各ＶＣＳＥＬ素子からの光学的スループットを十分高めることが、ＶＣＳＥＬ利用印刷における主要課題となっている。ＶＣＳＥＬの宿命である光学的スループットの低さは各ＶＣＳＥＬ素子の活性領域が狭いことから生じているものであり、従ってこの種のデバイスから大パワーの単一モード出射光を得ることは基本的に困難である。ＶＣＳＥＬ出射光を増強する目的で様々な技術的検討がなされ様々な技術革新が生まれてはいるものの、そうした努力にもかかわらず、現状におけるＶＣＳＥＬ出射パワーは未だ不十分であり、１８０ｐｐｍ以上の印刷速度で動作するプリンタプラットフォームを好適に実現できる水準には達していない。

そうしたなかでも、既存のＶＣＳＥＬアレイのうち割合に出射パワーの大きいものを改良してその光学的スループットを増大させ、高速印刷システムにおいて有効利用できるようにするためのアイデアが、様々に提案されている。その中には、能動冷却を使用するというアイデアや、ＶＣＳＥＬアレイを回転させつつ間引き走査を行うことにより実質光倍率を高めるというアイデアや、マイクロレンズアレイを用いビーム偏角を狭めてより多くの光を光学系に結合させるというアイデアがある。

今日用いられているＶＣＳＥＬの多くは、提案されているアイデアのうち、マイクロレンズを用いてビーム偏角を狭めそれによって出射パワーの少なさを補う、というアイデアに基づくものであり、薄膜プロセスを用いウェハ背面上にレンズを一体形成することによって製造されている。図１０に、基板背面にマイクロレンズを形成するアーキテクチャの例を示す。ここではＶＣＳＥＬ形成面を頂面と呼びその裏面を背面と呼ぶ。このやり方は幾つかの用途で有益なやり方であるが、反面幾つかの大きな制約条件を伴っている。まず、このアーキテクチャではレンズ直径及びレンズ間隔を大きくし数百μｍのオーダとしなければならない。次に、光源（ＶＣＳＥＬ素子）とレンズとの距離（図中上下方向の距離）の誤差を問題ないレベルに抑えることが肝要であるが、それには基板の厚みにばらつき乃至変動が生じないよう精密な（従って困難な）制御、管理を行わなければならない。更に、基板が使用波長を透過させる基板でなければならない。そして、基板背面処理によるレンズ形成工程がＶＣＳＥＬ形成工程に対しコンパチブルでなくてはならない。こうした制約条件があるため、従来、ＶＣＳＥＬ利用型印刷システムを低コストで生産することは困難乃至不可能であった。

本発明は、ＶＣＳＥＬにマイクロレンズアレイを一体化、集積した装置及びそれを実現する方法であって現実的、低コスト且つ適切な装置及び方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明の一実施形態に係るアセンブリにおいては、（１）その上面が平坦な基板、並びにこの基板の上方に面するよう当該基板に形成された少なくとも１個の光放射／検知素子を有するＩＣ化光放射／検知デバイスと、（２）その下面が平坦なペデスタル、このペデスタルの下面から突出した複数本の脚部、並びに当該ペデスタルの下面上に一体形成された少なくとも１個のマイクロレンズを有するマイクロレンズ構造と、を設け、（３）更に、上記マイクロレンズ構造を、上記脚部それぞれと上記基板の上面にある対応領域との接触によって上記光放射／検知素子から上記マイクロレンズまでの距離が所定距離に保持されるよう、当該基板の上面上に実装することとした。

また、本発明の一実施形態に係るアセンブリにおいては、（１）孔及びこの孔を取り巻く段付棚部を有するＩＣパッケージと、（２）ＩＣパッケージの孔内に実装された光放射／検知デバイスであって、その上面が平坦な基板、並びにこの基板の上方に面するよう当該基板の上面上に一体形成された複数個の光放射／検知素子によるアレイを有する光放射／検知デバイスと、（３）キャリアプレート、並びに複数個のマイクロレンズによるアレイを有するマイクロレンズ構造と、を設け、（４）更に、上記孔が上記キャリアプレートにより覆われるよう且つ上記マイクロレンズそれぞれと上記光放射／検知素子のうち対応するものとの距離が所定距離に保たれるよう、上記マイクロレンズ構造を上記ＩＣパッケージ上、上記光放射／検知デバイス上又はその双方の上に堅固に実装することとした。

そして、本発明の一実施形態に係る方法においては、（１）マイクロレンズよりも脚部の方が大きく張り出すこととなるよう、ブロック状ペデスタルの下部平坦面上に薄膜プロセスにより複数個のマイクロレンズ及び複数本の脚部を形成することによって、マイクロレンズ構造を形成するステップと、（２）上記マイクロレンズそれぞれが光放射／検知素子のうち対応するものの直上に位置することとなるよう、複数個の光放射／検知素子によるアレイを有するＩＣ化光放射／検知デバイスの上面の上方で上記マイクロレンズ構造を位置決めするステップと、（３）上記脚部それぞれが上記ＩＣ化光放射／検知デバイスの上面にある所定領域に接触するまで、上記マイクロレンズ構造、当該ＩＣ化光放射／検知デバイス又はその双方を動かすステップと、を実行することによって、（４）上記ＩＣ化光放射／検知デバイス及び上記マイクロレンズ構造を備えるアセンブリを製造することとした。

以下、本発明の実施形態、特にＩＣ化光放射／検知デバイス上にマイクロレンズを実装したハイブリッド型の装置について説明する。以下の説明では、なかでもＶＣＳＥＬアレイを使用するハイブリッド型の装置を想定しているが、本願に記載するハイブリッド型の構成は他種のＩＣ化光放射デバイス例えば発光ダイオードアレイや、他種ＩＣ化検知デバイス例えばｐｉｎフォトディテクタ、空胴共振センサ、金属半導体金属検波器、アバランシェフォトディテクタ等のアレイにも適用できる。即ち、本願では、「ＩＣ化光放射／検知デバイス」或いは「フォトニックデバイス」なる用語を、上述したものを含め各種のデバイスを包含する意味で用いている。

また、以下の説明は、特定の用途及びその用途にて求められる条件に従い本発明を実施した場合の構成についての説明であるが、本件技術分野における習熟者（いわゆる当業者）であれば、この説明を参照して自ら本発明を適用しアセンブリを製造することができよう。更に、本願中では方向を示す用語、例えば「上」「上へ」「下」「下へ」「上方」「下方」等の用語を使用しているが、これらは図面上における相対的な位置関係を示して説明を解りやすくするためのものであり、ある種の基準座標系における絶対的な位置関係や方向関係を限定する趣旨のものではない。また、これから説明する本発明の好適な実施形態に対しいわゆる当業者であれば様々な変形を施し得るであろうし、また一般的な原理を抽出して本発明を他種形態で実施することもできるであろう。従って、本発明はこれから図示説明する実施形態に限定して解釈、認定されるべきものではなく、むしろ、本発明の原理及び本願に記載の新規な構成に見合った最大限の技術的範囲が本発明に備わっているものと認定、解釈されるべきものである。

図１に、本発明の第１乃至上位概念的実施形態に係りＶＣＳＥＬデバイス１１０及びマイクロレンズ構造１５０を備えるＶＣＳＥＬ装置１００の分解斜視外観を示す。図中、マイクロレンズ構造１５０は実線と破線の二様で示されている。ＶＣＳＥＬデバイス１１０の上方に浮いている実線の方はＶＣＳＥＬデバイス１１０上への実装前の、ＶＣＳＥＬデバイス１１０に接触している破線の方は実装後の、状態を示している。

ＶＣＳＥＬデバイス１１０は既知の半導体製造技術で製造可能な従来型のＩＣ化デバイスであり、大まかには、その上面１１２が概ね平坦な半導体基板１１１と、基板上面１１２の中央部に少なくとも１個（図では１１８−１〜１１８−４の４個）配置されたＶＣＳＥＬ素子とを有している。なお、これらＶＣＳＥＬ素子１１８−１〜１１８−４を一括して参照するときには、ハイフンの後にある１〜４の添え字（図中４個ある構成を区別するために振った添え字）を省略し、ＶＣＳＥＬアレイ１１８或いは単にＶＣＳＥＬ１１８と呼ぶ（添え字の使用及び省略については他の参照符号についても同様とする）。各ＶＣＳＥＬ１１８は、そのＶＣＳＥＬ１１８にて発生した光ビームが主として基板上面１１２の上方に向け放射されることとなるよう、基板上面１１２上又は基板上面１１２下に形成されている。ＶＣＳＥＬデバイス１１０は、更に、基板上面１１２の周縁部に沿って配置された複数個の電極パッド１１３を有しており、これら電極パッド１１３は、既知の背面技術により形成された線状導体１１４のうち対応するものを介し、ＶＣＳＥＬ素子１１８−１〜１１８−４のうち対応するものに導電接続されている。例えば、図中手前側の縁に沿い配置形成されている電極パッドのうち電極パッド１１３−２１は線状導体１１４−２１により、電極パッド１１３−２２は線状導体１１４−２２により、ＶＣＳＥＬ素子１１８−２に接続されている。基板上面１１２上にある導電体のうち線状導体１１４は二酸化珪素等の絶縁素材で覆う方がよいが、電極パッド１１３は、既知のワイヤボンディング技術によりＩＣパッケージと好適に接続できるよう、露出させておいた方がよい。

マイクロレンズ構造１５０はモノリシックで（半）透明なブロック状ペデスタル１５１を有している。ペデスタル１５１の下面１５２は概ね平坦であり、その中央部には、少なくとも１個のマイクロレンズ１５８が、ペデスタル下面１５２から突出するようペデスタル１５１と一体に形成されている。マイクロレンズ１５８はＶＣＳＥＬ１１８と対応して設けられており、図示の例では同じく４個（１５８−１〜１５８−４）ある。やはり、一括して呼ぶときはマイクロレンズアレイ１５８又は単にマイクロレンズ１５８と呼ぶ。更に、ペデスタル１５１は３個以上のスタンドオフ１５５（図示の例では４個のスタンドオフ１５５−１〜１５５−４）即ち脚部を有している。本実施形態におけるスタンドオフ１５５はペデスタル下面１５２の周縁部に沿ってペデスタル１５１と一体に形成されており、マイクロレンズ１５８の突出長に比べ大きく、ペデスタル下面１５２から突出している。これも同じく、一括して呼ぶときはスタンドオフアレイ１５５又は単にスタンドオフ１５５と呼ぶ。また、以上の説明では「モノリシック」「一体形成」等の用語を使用しているが、これは、ペデスタル１５１を形成している光透過性の素材（ガラス、サファイア、プラスチック、ポリマ、アクリル、水晶等）の単体ブロックに対しケミカルエッチング、反応性イオンエッチング、イオンミリング、プラズマエッチング、モールド、写真利用形状形成等のマイクロマシニング（マイクロ形状形成）処理を施すことにより、目的とする構造を得ることができる、という意味である。スタンドオフ１５５は別種素材により形成することもできる。例えば、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレイコート法等の堆積・成長技術を使用してペデスタル上に適当な素材を堆積させることで、形成することができる。

図１の下半分及び図２に示す通り、基板上面１１２上には、各スタンドオフ１５５（図２では１５５−１及び１５５−２）を接触させる領域即ちスタンドオフ接触箇所１１２−１〜１１２−４（同１１２−１及び１１２−２）が定められている。本実施形態におけるペデスタル１５１は、各スタンドオフ１５５がスタンドオフ接触箇所１１２−１〜１１２−４のうち対応するものに接触するよう、ＶＣＳＥＬデバイス１１０の基板上面１１２上に実装されており、実際のところ、そのスタンドオフ１５５で基板上面１１２上に“立って”いるといえる。基板上面１１２及びペデスタル下面１５２が共に平坦であり、またペデスタル下面１５２からのスタンドオフ突出長Ｈ１がどのスタンドオフ１５５でも同じであるため、こうして“立たせる”ことで自動的に、ペデスタル下面１５２は基板上面１１２と平行になる。即ち、ペデスタル下面１５２によって規定される平面と、基板上面１１２によって規定される平面とが、互いに平行になり、各マイクロレンズ１５８（図２では１５８−１及び１５８−２）と基板上面１１２との距離が一定距離Ｚ１に保たれる。他方、マイクロレンズ１５８は互いに実質的に同一になるよう（例えばその直径がどのマイクロレンズ１５８でも同じ値Ｄ１で且つどのマイクロレンズ１５８の光学特性も互いに実質的に同一になるよう）形成されており、また基板上面１１２におけるＶＣＳＥＬ素子１１８の配置と整合するパターンで配置されている。しかも、マイクロレンズ距離Ｚ１は、マイクロレンズ１５８の光学特性、並びにＶＣＳＥＬ素子１１８（図２では１１８−１及び１１８−２）により放射（検知の場合は受信）される光ビームＬＢ（図２中の矢印付破線）の強度に応じて、決められている。従って、ペデスタル１５１に同一スタンドオフ長Ｈ１でスタンドオフ１５５−１〜１５５−４を形成し、そのスタンドオフ１５５がそれぞれ対応するスタンドオフ接触箇所１１２−１〜１１２−４にて基板上面１１２に接触するようペデスタル１５１を基板上面１１２上に実装することによって、全てのマイクロレンズ１５８が、ＶＣＳＥＬ素子１１８のうち対応するものからの距離が光学的に最適な距離Ｚ１になるよう自動的に且つ精密に位置決めされるため、各ＶＣＳＥＬ素子１１８からの光軸沿い光伝送量が顕著に改善される。

ＶＣＳＥＬデバイス１１０の基板上面１１２上へのマイクロレンズ構造１５０の実装形態は、この例では、周縁部に配置されている電極パッド１１３と中心部に配置されているＶＣＳＥＬ素子１１８との間にスタンドオフ接触箇所１１２−１〜１１２−４（図２では１１２−１及び１１２−２）を定めておき、実装時にこれに接触することとなるようペデスタル１５１にスタンドオフ１５５を形成しておき、そして基板上面１１２上にマイクロレンズ構造１５０を実装する、という形態である。この文中、電極パッド１１３とＶＣＳＥＬ素子１１８の「間」、という表現は、軸心的な意味合いで使われている。即ち、図１中でスタンドオフ接触箇所１１２−１とスタンドオフ接触箇所１１２−２とを結んでいる仮想線Ｌ１はＶＣＳＥＬアレイ１１８を取り巻いており、電極パッド１１３間を結ぶ仮想線Ｌ２は更にその外側を取り巻いている。この関係即ちＶＣＳＥＬアレイ１１８及び仮想線Ｌ２に対する仮想線Ｌ１の関係のことを、電極パッド１１３とＶＣＳＥＬ素子１１８の「間」と称している。後に本発明の第２乃至下位概念的実施形態及びその試作例を参照して説明するように、このようにマイクロレンズ構造１５０の周縁部が一群の電極パッド１１３よりも内側にあると、ＶＣＳＥＬデバイス１１０に対する導電接続のためワイヤボンディングを実施するのに都合がよい。即ち、フォトニックＩＣ用のＩＣパッケージ内にＶＣＳＥＬデバイス１１０を装填しワイヤボンディング等による配線を行ってＶＣＳＥＬデバイス１１０に試行通電した後に、マイクロレンズ構造１５０をそのＩＣパッケージに装着する、というプロセスを実施するのに都合がよい。このようにすることで、その仕様上の特性を全て満たし試験及び選別を通過したＶＣＳＥＬデバイス１１０乃至フォトニックＩＣだけを、付加価値的なレンズ装着工程に進めることが可能になるだけでなく、ＶＣＳＥＬデバイス１１０に対するマイクロレンズ構造１５０の位置決めをある種の能動位置決め方式により行うことも可能になる。ここでいう“ある種の”能動位置決め方式とは、位置決めプロセス実施時にフォトニックＩＣに通電して光信号を出射させ、その状態でＶＣＳＥＬデバイス１１０に対しマイクロレンズ構造１５０を動かし、マイクロレンズ構造１５０を介して位置決め装置の光検知部に届く光信号のレベルが最大になったときの位置関係が最適配置である、と判別する方式のことである。このように、フォトニック素子例えばＶＣＳＥＬデバイス１１０に対しレンズ構造１５０特にそのマイクロレンズ１５８を位置決めするのに先立ち、前者に通電可能であることは、前者に後者を一体化した構造及び一体化する方法においては重要なことである。

図３及び図４に、本発明の第２乃至下位概念的実施形態に係るＶＣＳＥＬアセンブリ２００の斜視外観及び縦断面を示す。このＶＣＳＥＬアセンブリ２００は、大まかにはＶＣＳＥＬ構造２１０及びマイクロレンズ構造２５０から構成されている。なお、上述した第１実施形態中の対応する構成部分と同じ又は似通った構成部分については、先に使用した参照符号と同じ又は類似した符号を使用して識別することとする。

図３の下半分及び図４に示されているように、ＶＣＳＥＬ構造２１０は、前述のＶＣＳＥＬデバイス１１０を従来型のＩＣパッケージ２２０内に実装した構成を有している。特に、ＩＣパッケージ２２０はその中央に孔２２２が形成された積層体２２１により構成されており、またＶＣＳＥＬデバイス１１０は、図３に示す要領でこの中央孔２２２内に実装され、且つ図４に示す要領で半田構造２３０によってＩＣパッケージ２２０の内側底面２２５上にしっかりと固定されている。図３に示すように、ＶＣＳＥＬデバイス１１０の電極パッドは、ボンディングワイヤ２４０によって中央孔２２２内に位置する内部電極パッド２２３に導電接続されている。図４に示す例では、ＩＣパッケージ２２０の内部電極パッド２２３は中央孔２２２内の段付棚部２２４上に形成されており、それぞれ、対応する接続用ワイヤ２４０によって、ＶＣＳＥＬデバイス１１０の電極パッド１１３のうちの対応するものに接続されている。更に、積層体２２１内には、パッケージングの分野で周知の手法を用い、絶縁素材層間の随所随所に導電トレース、例えば図４中便宜上破線で示した導電トレース２２９等が形成されている。これらの導電トレースは例えば銅から形成されており、パッケージ下面２２８上に被着している半田バンプ２２７等の外部電極と、これに対応する内部電極パッド２２３との間を、導電接続している。

本発明の発明者が最終的な目標としたのは個々のＶＣＳＥＬ素子のビーム偏角を狭めることである。それも、既に広く使用されているＩＣパッケージと同様の構成を有し既存のプロセスにより製造可能なＩＣパッケージ２２０内に、やはり従来と同様のプロセスにて製造可能なＶＣＳＥＬ素子１１８を実装する、という枠組みを保ちながら、光ビームＬＢの偏角即ちビーム偏角を狭めることである。以下、これを達成するために図３及び図４に示す実施形態にて採用した手法に関しより詳細に説明する。そのため、以下の記述では、本実施形態を、７８０ｎｍで発光するＶＣＳＥＬ素子を８個×４個配置したＶＣＳＥＬアレイ向けに最適化し、更にそのＶＣＳＥＬアレイ１１８を標準的な３６パッド表面実装ＬＬＣ(leadless chip carrier)パッケージ内に収容したものとして、説明する。即ち、例えばＤＣ１２５６ＧＡ、Ｄｏｃｕｃｏｌｏｒ ８０００、Ｘｅｒｏｘ ４１１０等、富士ゼロックス株式会社を製造元とする各種プリンタにて用いられるものと同類のＶＣＳＥＬアレイを、例えば京セラ株式会社等により製造されたＬＬＣパッケージ内に収容した構成及びその実現手法について説明する。更に、その最終目標として、ハイブリッド型マイクロレンズ配置を用い従来における半値幅＝１５°という典型値から実質偏角＝約８°までビーム偏角を狭める、という目標を設定した。この目標設定は後述の通り本実施形態の細部構成に影響を及ぼしている。いわゆる当業者であれば認識できるであろうが、本実施形態に改変を施すこと、例えばパッケージやＶＣＳＥＬデバイスを従来非公知の構造・方法等によるものとする等の改変を施すことも可能である。例えば、ビーム整形に関しまた別のことが要請される用途では、また異なるレンズ特性が要求されることとなろうが、そうした用途に対しても本発明に係る構造乃至手法は適用可能であるし、その際には必要な変形を施すべきであろう。説明の具体化、簡明化のため、以下の記述中には限定的ともとれる様々な事項が記載されることとなるが、それは記載した実施形態に対する変形可能性を排除することも、また別紙特許請求の範囲に記載の発明を限定的に解釈可能とすることも、意図するものではない。逐一注記はしないので注意されたい。

図３の上半分及び図４に示す通り、マイクロレンズ構造２５０はブロック状ペデスタル２５１及びキャリアプレート２６０から構成されている。ペデスタル２５１は、当該ペデスタル２５１をキャリアプレート２６０につなぎ止める部位である基部２５２と、その基部２５２から延びキャリアプレート２６０から突出する部位である自由端２５４とを有している。このペデスタル２５１の下面１５２、即ち自由端２５４の下面上には、第１実施形態におけるペデスタル１５１と同じく、スタンドオフ１５５及びマイクロレンズアレイ１５８が配されており、やはり第１実施形態と同じく、ペデスタル２５１は、そのスタンドオフ１５５が基板上面１１２上の対応する領域に接触するよう、ひいてはＶＣＳＥＬ素子１１８からマイクロレンズアレイ１５８までの距離が確実に所定距離になるように、ＶＣＳＥＬデバイス１１０上に実装されている。また、キャリアプレート２６０は、例えばガラスプレートの中央部２６２をミリング又はエッチングして開口を形成し、この開口内にペデスタル２５１の基部２５２を受け入れ保持できるようにした構成を有している。キャリアプレート２６０の役割はＩＣパッケージ２２０の中央孔２２２を封止することであり、図４に示すようにその周縁部２６５は少量の接着剤２７０によってＩＣパッケージ２２０にしっかりと固定されている。また、これは必須ではないが、少量の接着剤２７５を用いペデスタル２５１をＶＣＳＥＬデバイス１１０の基板上面１１２にしっかりと固定するとよい。キャリアプレート２６０を例えば紫外線（ＵＶ）透過性の素材により形成し、接着剤２７０（及び２７５）としてＵＶ硬化性の接着剤を用いた場合、キャリアプレート２６０を介し接着剤２７０（及び２７５）をＵＶにさらして硬化させることができる。

図５に、本発明の一実施形態に係るＶＣＳＥＬアセンブリ製造方法の大まかな流れを示す。ここでは上述の第２実施形態に係るＶＣＳＥＬアセンブリ２００を製造するものとして本方法を説明するが、本方法はそれ以外の光放射／光検知デバイスからなるアセンブリの製造にも使用できる。

図５の左上部分に示されているように、本方法においては、まずＶＣＳＥＬデバイス（５１０）及びそのハウジング先たるＩＣパッケージ（５１２）を製造又は入手し、更にそのＶＣＳＥＬデバイスをそのＩＣパッケージ内に実装する（５１４）。ここで「製造又は入手」としてあるのは、本発明の目的が、そもそも、大出力のＶＣＳＥＬを新規開発すること及び新規構成のＩＣパッケージを開発すること無しでＶＣＳＥＬ利用型高速印刷システムを実現することにあり、本発明にてそのための手段が提供されているため、ＶＣＳＥＬデバイス及びＩＣパッケージについては新たに製造せずに在庫品を使用することができるからである。そのようにすれば、部品コストを更に削減することもできる。また、使用できるＶＣＳＥＬデバイス及び従来型ＩＣパッケージの例としては、図３及び図４を参照して先に説明したものがある。更に、ＶＣＳＥＬデバイスをＩＣパッケージ内に実装する際には、既存の手法を用いることができる。例えば、ＩＣパッケージの（内側）底面上にＶＣＳＥＬデバイスを半田づけすればよい。また、デバイスを一旦組み上げてしまうと、マイクロレンズ構造によりＶＣＳＥＬアレイが完全に覆い隠されるため、ＶＣＳＥＬデバイスに対し物理的にアクセスすることができなくなる。そのため、ＶＣＳＥＬデバイス及びＩＣパッケージからなるアセンブリ上にマイクロレンズ構造を実装するのに先立って、ＶＣＳＥＬデバイスをＩＣパッケージに導電接続する必要がある。そこで、図３及び図４に示した例でいうならマイクロレンズ構造２５０の実装に先立つこの段階で、従来公知のワイヤボンディング技術を用いＶＣＳＥＬデバイス１１０をＩＣパッケージ２２０に導電接続する。

また、図５の右上部分に示されているように、本方法においては、マイクロレンズアレイ及び複数本のスタンドオフ（脚部）を薄膜技術を用いブロック状ペデスタルの下部平坦面上に形成し（５２０）、これと一体に又は分離してキャリアプレートを作成し（５２２）、そしてそのペデスタルをキャリアプレート上に実装する（５２４）ことによって、マイクロレンズ構造を製造する。マイクロレンズアレイの形成ひいてはマイクロレンズ構造の製造と、前述のＶＣＳＥＬデバイスの製造／入手、ＩＣパッケージの製造／入手ひいてはＶＣＳＥＬデバイス／ＩＣパッケージアセンブリの製造は、どちらを先に実施してもよいし、両者を同時に実施してもよい。

本実施形態におけるマイクロレンズアレイの形成ひいてはマイクロレンズ構造の製造に当たっては、既存のマイクロレンズ形成手法を使用することができる。そのため、使用するＶＣＳＥＬデバイス及びＩＣパッケージの組合せが決まり、寸法及び焦点距離に関する仕様乃至公差が決まれば、それに適合するようマイクロレンズアレイを形成し（又は適合するマイクロレンズアレイを入手し）それを用いてマイクロレンズ構造を製造することができる。ここで想定しているデバイスでは、使用するＶＣＳＥＬ素子の直径が２０μｍしかなくまたその配置ピッチが２８μｍしかないので、マイクロレンズアレイの形成に際しては非常に厳しい製造公差を満足させる必要がある。発明者の考えによれば、マイクロレンズ形成プロセスとＶＣＳＥＬデバイス製造プロセスはコンパチブルでなく、マイクロレンズ製造業者及びＶＣＳＥＬデバイス製造業者には両プロセスをコンパチブルにする気も見込みもない。そうしたことから、本実施形態においては、ＶＣＳＥＬデバイス若しくはそれとＩＣパッケージとのアセンブリと、マイクロレンズアレイ若しくはマイクロレンズ構造とを別々に製造し、両者を一体化する、というハイブリッド方式を用いている。

図６に、本発明による試作ペデスタルの拡大撮影画像を示す。このペデスタル上におけるマイクロレンズの配置パターンは、図示しない対応するＶＣＳＥＬデバイスにおけるＶＣＳＥＬ素子の配置パターンに合わせてある。ＶＣＳＥＬ素子との位置関係に関わる厳格な製造公差を満たすようマイクロレンズアレイを形成するには、幾つかの厳しい問題を克服しなければならない。就中、個々のマイクロレンズをかなり正確なサイズ、形状及び相対配置で形成しなければならない。ここで想定しているＶＣＳＥＬデバイスに適合するようマイクロレンズアレイを形成するには、発明者の考えによれば、マイクロレンズアレイ全体が、レンズ直径公差〜２μｍ、焦点距離均一度〜１μｍ、レンズ位置精度〜０．２μｍ、レンズ形成部基材平坦度（うねり）〜１μｍという範囲条件を満たさねばならない。そこで、これらの条件を満たすマイクロレンズアレイを、株式会社オハラが製造したＳＴＩＨ５３チタニアガラスのブロックをマイクロマシニング（例えばエッチング）して試作した。形成したマイクロレンズの断面形状は錐状、ＳＡＧは３．３μｍで、波長＝７８０ｎｍにおける焦点距離が３１μｍとなるようにした。スタンドオフは、ペデスタルと一体に且つマイクロレンズよりも大きく張り出すように形成し、その位置はマイクロレンズアレイよりも周縁部寄りとした。具体的には、図２におけるマイクロレンズ距離Ｚ１が２２．３±０．２μｍになるよう、マイクロレンズアレイと同じ株式会社オハラ製のガラス素材ＳＴＩＨ５３で一体形成した。ペデスタルの製造方法としては、ガラス素材を１枚のシート状に一括焼成し、得られたガラスシートをペデスタル境界線沿いに分割して複数個のブロック状ペデスタルにする、という方法を用いた。

図７に、本実施形態におけるキャリアプレートの斜視外観をやや単純化して示す。このキャリアプレート２６０−１の表裏には、キャリアプレート２６０−１の厚みの半分程の深さの溝２６４及び２６６が、直角に交差するよう刻み込まれている。従って、キャリアプレート２６０−１の中央部２６２には、溝２６４及び２６６の連なりによりスルーホール２６８が形成される。溝２６４及び２６６の幅は、それらにより形成されるスルーホール２６８のサイズが、ペデスタル基部を受け入れ保持することができるサイズとなるように、定めておく。なお、こうした形態に代え、キャリアプレートに穿孔して適当なスルーホールを形成し、ペデスタルを挿入及び糊付けする形態を採ってもよい。また、従来は、通常、ＶＣＳＥＬデバイスが実装されている適当なＩＣパッケージに更にカバーガラスを実装してＶＣＳＥＬデバイスを保護する、という形態が採られていたが、本実施形態におけるキャリプレート２６０−１は、そうしたカバーガラスの代替えとして機能し得るよう、即ち例えばＣｏｒｎｉｎｇ社製ガラス１７３７等の光透過性素材により形成された平坦片として、形成されている。但し、光透過性素材により形成されたペデスタルはその内外を光が往来できるため、これを避けたいなら非透過性素材からキャリアプレートを形成してもよい。

図８に、本発明による試作マイクロレンズ構造の撮影画像を示す。このマイクロレンズ構造は、前述の要領で作成されたキャリアプレート上に、やはり前述の要領で作成されたペデスタルを実装した構造である。ここで注意すべきことは、接着剤等を用いペデスタル基部がキャリアプレート中央部の開口内にしっかりと固定されていることと、マイクロレンズアレイが形成されているペデスタル自由端がキャリアプレートから離れた位置になるようペデスタルが実装されていることである。

組み上がったマイクロレンズ構造は、次いで、ＶＣＳＥＬデバイス及びＩＣパッケージからなるアセンブリの上面の上方において、マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズが対応するＶＣＳＥＬ素子の直上に位置することとなるよう、位置決めしてやる。本実施形態では、その位置決めのためのプロセスとして、マイクロレンズ構造及びＶＣＳＥＬデバイスのうち少なくとも一方を位置可調装置上に装着し、マイクロレンズ構造を通してＶＣＳＥＬ素子を見ることができるようマイクロレンズ構造及びＶＣＳＥＬデバイスの上方に拡大装置を配置し、その状態で位置可調装置を操作してＶＣＳＥＬデバイスに対するマイクロレンズ構造の位置関係を調整しつつ拡大装置を通してマイクロレンズの拡大像を捉え、その結果、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズのうち少なくとも１個が対応するＶＣＳＥＬ素子の直上にあることが判明したら調整を終える、という手順を含むプロセスを使用する。図５においては、そうしたプロセスを構成する工程の流れの例として、ＶＣＳＥＬデバイス及びＩＣパッケージからなるアセンブリを位置可調装置の例たるＸＹＺΘテーブル上に装着する（５３０）一方でマイクロレンズ構造を位置可調装置の例たるサポートチャック上に装着してＸＹＺΘテーブル上方に配置し（５３５）、拡大装置の例たる顕微鏡を用いてマイクロレンズアレイをＶＣＳＥＬアレイ上に位置決めする（５４０）、という流れが示されている。更に、ＩＣパッケージの中央孔の周縁部にある段付棚部に接着剤を塗布してもよい（５３０）。但し、この接着剤はひとまず硬化させないでおく。図９に、この段階で使用する装置即ち位置可調装置及び拡大装置の構成例を簡略化して示す。この図においては、ＶＣＳＥＬデバイス１１０及びＩＣパッケージ２２０からなるＶＣＳＥＬアセンブリ２００がテーブル９１０上に装着されており、マイクロレンズ構造２５０がチャック９２０上に保持されている。テーブル９１０は図示しないＸＹＺΘステージのマイクロメータ式操作によって搭載物（ＶＣＳＥＬアセンブリ２００）の位置を調整できる装置であり、チャック９２０は真空吸引によって物体を吸着し吸着物（マイクロレンズ構造２５０）をＶＣＳＥＬデバイス１１０上に懸架できるホルダチャック乃至サポートチャックである。これらテーブル９１０及びチャック９２０は、互いに一体にまたその搭載物及び吸着物と一体に、顕微鏡の対物レンズ９３０に対し動かすことができるよう、構成されている。例えば、図示しないＸＹＺステージ上にテーブル９１０及びチャック９２０を搭載しておきそのＸＹＺステージを適宜操作するようにするとよい。また、対物レンズ９３０に対し搭載物及び吸着物を一体に動かすだけであれば、チャック９２０を動かせるよう専用のＸＹＺステージを設け、テーブル９１０用のＸＹＺΘステージ（上述）と同期してこのチャック９２０用のＸＹＺステージを動かしてもよい。これらテーブル９１０及びチャック９２０は、更に、その搭載物及び吸着物を相対的に動かし、それらの間の位置関係を顕微鏡（簡明化のため対物レンズ９３０以外は省略）により高倍率で検査することができるよう、構成されている。即ち、顕微鏡の対物レンズ９３０の視野内にマイクロレンズ構造２５０及びＶＣＳＥＬデバイス１１０が捉えられている状態で、テーブル９１０をそのＸＹＺΘステージの操作によって動かすこと（或いはこれと共に又はこれに代えてチャック９２０をそのＸＹＺステージの操作によって動かすこと）ができる。こうした操作により、マイクロレンズをＶＣＳＥＬ素子に位置決めすること、即ち顕微鏡の対物レンズ９３０を介して捉えた拡大像において、マイクロレンズ構造２５０上のマイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズのうち少なくとも１個が、ＶＣＳＥＬデバイス上のＶＣＳＥＬ素子のうち対応するものの上方に重なるように、位置決めすることができる。

こうした手法による精密な位置決めが終わり、マイクロレンズアレイを構成する各マクロレンズが対応するＶＣＳＥＬ素子の直上に位置する状態となったら、図５に示すように、テーブル９１０用のＸＹＺΘステージを操作することによりＶＣＳＥＬデバイス及びＩＣパッケージからなるアセンブリを持ち上げ、スタンドオフを前述の形態でＶＣＳＥＬデバイスの基板上面に接触させる（５５０）。引き続き当該アセンブリを持ち上げるとマイクロレンズ構造２５０が押し上げられ、その自重によってマイクロレンズ構造２５０がアセンブリに押しつけられる結果、マイクロレンズ構造２５０はそのスタンドオフ（脚部）によって自立すると共にアセンブリに対して精密に平行化される。また、この時点でテーブル９１０やチャック９２０を操作しマイクロレンズ構造２５０に対しアセンブリを動かすことにより、ＸＹ方向位置を再調整乃至精密調整することもできる。何れにせよ、レーザメサ（ＶＣＳＥＬ素子）に対するマイクロレンズアレイの位置決めが自動的にしかもレーザメサを基準として行われるため、重要なことに、ＶＣＳＥＬ開口（マイクロレンズアレイの開口）の位置とそれに対応するメサ構造（ＶＣＳＥＬ素子）の位置とが、芯ズレ０．５μｍ以内という高い精度で一致することとなる。

こうして実装プロセスを終えたら、図５に示すように、キャリアプレートの周縁部とＩＣパッケージの段付棚部との間にＵＶ硬化性の接着剤を塗布し硬化させることにより、ＶＣＳＥＬデバイスに対するマイクロレンズ構造の位置を現位置で固定する（５６０）。先に実施した工程５３０で接着剤を塗布してある場合、その接着剤も同時に硬化させることができる。こうして得られるのは先に図４に示したＶＣＳＥＬ構造である。注記すべきことに、キャリアプレート２６０の周縁部２６５と段付棚部２２４の間を少量の接着剤２７０によって固定する必要上、それらキャリアプレート周縁部２６５と段付棚部２２４の間に幾分の隙間が必要であり、この隙間がないとマイクロレンズ構造２５０を傾けることができず、従ってＶＣＳＥＬデバイス１１０の基板上面１１２にスタンドオフ１５５を密着させることができない。また、この部分の接着剤を硬化させるためのＵＶは光ファイバからレンズホルダチャック９２０に向け送出され、その表面で反射され例えばキャリアプレート２６０を介してＶＣＳＥＬデバイス１１０のＩＣパッケージ２２０内に向かう。このようにして位置決め及び接合を完遂した後は、例えば、マイクロレンズ構造２５０の周りに残った隙間をエポキシで充填し、そのエポキシを硬化させればよい。

以上説明した製造方法によれば、各マイクロレンズアレイが信頼性及び再現性よくＶＣＳＥＬアレイ上方に高精度配置されたＶＣＳＥＬアセンブリを、製造に起因してＶＣＳＥＬデバイスに発生する基板厚み誤差及び方向誤差があるにもかかわらず、好適に製造することができる。即ち、まず、ＶＣＳＥＬデバイスを表面実装パッケージ内に実装する際、前述の通りＶＣＳＥＬデバイスの背面を下に向け表面実装パッケージ内に半田付けするというダイアタッチメントプロセスを用いているため、半田リフロー処理のばらつきによってＶＣＳＥＬデバイスの基板（ダイ）にある程度の傾斜がほぼ必然的に発生する。またこの傾斜はパッケージ毎に異なるものとなる。更に、ＶＣＳＥＬデバイスの基板の厚みはＶＣＳＥＬデバイスそれ自体の素子性能に重要な影響を及ぼすものではないので、基板背面にレンズを形成する構成のように基板厚みを精密に管理・制御することは避けたい。本方法では製造時における精密な基板厚み管理・制御を廃止し、ＶＣＳＥＬデバイスの基板厚みがデバイス毎に異なるものになることを許容している。これら、基板傾斜や基板厚みばらつき等によってＶＣＳＥＬデバイスの寸法、位置、向き等が幾分不確定になることから、本方法では、マイクロレンズのＺ方向位置の基準をＩＣパッケージやデバイス保持整列用ステージにではなくＶＣＳＥＬデバイスの表面にとっている。即ち、本発明の好適な実施形態においては、スタンドオフ（脚部）１５５とＶＣＳＥＬデバイス１１０とを接触させることで、製造起因変動要素例えば基板傾斜や基板厚みばらつきが吸収され、マイクロレンズアレイの位置がＶＣＳＥＬアレイの表面及び位置を基準に自動的に最適位置になるようにしている。

以上、本発明をその実施形態により説明したが、いわゆる当業者にとっては自明な通り、本発明の特徴的構成は他の形態でも同様に好適に実施可能である。本発明の技術的範囲には、それらの実施形態が例外なく包含される。例えば、上述した実施形態ではスタンドオフ（脚部）の本数が４本であったが、これを３本或いは８本にしてもよい。また、各マイクロレンズの表面形状はどのような状態、形状又は方向の光ビームが要求されるかによって決めればよいため、様々な形状にすることができる。球面でも非球面でもよいし、円筒面でもトロイダル面でも錘面でももよいし、プリズム面でも回折面でもファセット面でもよいし、中心が揃っていてもよいしずれていてもよいし、或いは更に自由形状であってもよい。更に、同一アレイをなしているマイクロレンズの構造を互いに違えてもよいし、基材即ちペデスタルにおけるマイクロレンズの配設箇所を上面にしてよいし下面にしてもよいしその両方にしてもよい。そして、マイクロレンズの開口形状乃至光ビームの断面形状は、例えば正方形、長方形、楕円形、六角形等、非円形でもよい。

本発明の第１実施形態に係り、マイクロレンズ構造及び光放射／検知デバイスを有するアセンブリを斜め上方から見た図である。 図１に示したアセンブリをやや単純化して示した縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係り、マイクロレンズ構造、ＶＣＳＥＬデバイス及びＩＣパッケージを有するＶＣＳＥＬアセンブリを斜め上方から見た分解図である。 図３に示したアセンブリをやや単純化して示した縦断面図である。 図３に示したアセンブリの製造方法を示す工程フロー図である。 本発明の試作品におけるペデスタル、特にそのマイクロレンズアレイ及びスタンドオフ（脚部）の撮影画像を示す図である。 第２実施形態におけるキャリアプレートの形状をやや単純化して示した斜視図である。 本発明の試作品におけるアセンブリ内マイクロレンズの撮影画像を示す図である。 第２実施形態に係るＶＣＳＥＬアセンブリの製造装置の例を示す分解斜視図である。 従来のマイクロレンズアレイ一体化型ＶＣＳＥＬアレイをやや単純化して示した断面図である。

符号の説明

１００ ＶＣＳＥＬ装置、１１０ ＶＣＳＥＬデバイス、１１１ 半導体基板、１１２ 基板上面、１１２−１〜１１２−４ スタンドオフ接触箇所、１１８ ＶＣＳＥＬ素子又はアレイ、１５０，２５０ マイクロレンズ構造、１５１，２５１ ペデスタル、１５２ ペデスタル下面、１５５ スタンドオフ又はそのアレイ、１５８ マイクロレンズ又はそのアレイ、２００ ＶＣＳＥＬアセンブリ、２１０ ＶＣＳＥＬ構造、２２０ ＩＣパッケージ、２２２ 中央孔、２２４ 段付棚部、２６０，２６０−１ キャリアプレート、５１０ ＶＣＳＥＬデバイス準備工程、５１２ ＩＣパッケージ準備工程、５１４ ＶＣＳＥＬデバイス実装工程、５２０ マイクロレンズアレイ／ペデスタル作成工程、５２２ キャリアプレート作成工程、５２４ ペデスタル実装工程、５３０ テーブル装着工程、５３５ チャック装着工程、５４０ 位置決め工程、５５０ アセンブリ引き揚げ工程、Ｈ１ スタンドオフ長、Ｚ１ マイクロレンズ距離。

Claims (3)

1. その上面が平坦な基板、並びにこの基板の上方に面するよう当該基板に形成された少なくとも１個の光放射／検知素子を有するＩＣ化光放射／検知デバイスと、
   その下面が平坦なペデスタル、このペデスタルの下面から突出した複数本の脚部、並びに当該ペデスタルの下面上に一体形成された少なくとも１個のマイクロレンズを有するマイクロレンズ構造と、
   を備え、更に、上記脚部それぞれと上記基板の上面にある対応領域との接触によって上記光放射／検知素子から上記マイクロレンズまでの距離が所定距離に保持されるよう、上記マイクロレンズ構造が当該基板の上面上に実装されたアセンブリ。
2. 孔及びこの孔を取り巻く段付棚部を有するＩＣパッケージと、
   ＩＣパッケージの孔内に実装された光放射／検知デバイスであって、その上面が平坦な基板、並びにこの基板の上方に面するよう当該基板の上面上に一体形成された複数個の光放射／検知素子によるアレイを有する光放射／検知デバイスと、
   キャリアプレート、並びに複数個のマイクロレンズによるアレイを有するマイクロレンズ構造と、
   を備え、更に、上記孔が上記キャリアプレートにより覆われるよう且つ上記マイクロレンズそれぞれと上記光放射／検知素子のうち対応するものとの距離が所定距離に保たれるよう、上記マイクロレンズ構造が上記ＩＣパッケージ上、上記光放射／検知デバイス上又はその双方の上に堅固に実装されたアセンブリ。
3. マイクロレンズよりも脚部の方が大きく張り出すこととなるよう、ブロック状ペデスタルの下部平坦面上に薄膜プロセスにより複数個のマイクロレンズ及び複数本の脚部を形成することによって、マイクロレンズ構造を形成するステップと、
   上記マイクロレンズそれぞれが光放射／検知素子のうち対応するものの直上に位置することとなるよう、複数個の光放射／検知素子によるアレイを有するＩＣ化光放射／検知デバイスの上面の上方で上記マイクロレンズ構造を位置決めするステップと、
   上記脚部それぞれが上記ＩＣ化光放射／検知デバイスの上面にある所定領域に接触するまで、上記マイクロレンズ構造、当該ＩＣ化光放射／検知デバイス又はその双方を動かすステップと、
   を有し、上記ＩＣ化光放射／検知デバイス及び上記マイクロレンズ構造を備えるアセンブリを製造するため実行される方法。