專利名稱：粘結(jié)方法和光學(xué)組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粘結(jié)領(lǐng)域，更具體的是涉及光電子領(lǐng)域。具體的是，本發(fā)明涉及將兩個(gè)物體粘結(jié)在一起的方法，例如，將諸如光學(xué)組件中的透鏡、光纖和密封蓋的部件粘結(jié)在一起。而且，本發(fā)明涉及包括粘結(jié)的部件的光學(xué)組件。本發(fā)明具體應(yīng)用在微型光學(xué)組件的制造中。
背景技術(shù)：
光學(xué)組件包括諸如透鏡、標(biāo)準(zhǔn)器和光纖的光學(xué)部件，可以包括其它的部件，如光電子器件(如半導(dǎo)體激光模和光電二極管)，以及用于密封所述部件的蓋子。所述組件還包括與部件粘結(jié)的基底，或者底架(submount)。所用的粘結(jié)劑根據(jù)例如部件、基底材料以及所需的粘結(jié)溫度來(lái)選擇。已知有包含有機(jī)材料的粘結(jié)劑如環(huán)氧化物。但是，有機(jī)材料對(duì)光學(xué)部件和光電部件而言是污染，對(duì)所形成的組件的可靠性有不利的影響。因此要求避免使用包含有機(jī)物的粘結(jié)劑，尤其是在密封的光學(xué)組件中。
在光學(xué)組件的制造方法中，所述部件通常在逐漸降低的溫度下按照順序粘結(jié)到基底上，以防止之前粘結(jié)的部件因粘結(jié)點(diǎn)松開(kāi)而移動(dòng)或分開(kāi)。一種用于光電器件的典型的粘結(jié)材料是一種高溫焊料，如Au/Sn(80∶20，共熔的)，它的熔點(diǎn)約為280℃。當(dāng)在光電器件之后粘結(jié)部件時(shí)，粘結(jié)溫度應(yīng)低于這種焊料的熔點(diǎn)，以避免Au/Sn焊料接點(diǎn)再次熔化。
光學(xué)部件如光纖、透鏡、濾光片和標(biāo)準(zhǔn)器通常由玻璃形成，或者包含玻璃狀的光學(xué)涂層。一種用于將這種部件焊接到基底上的技術(shù)包括用金屬涂布光學(xué)部件的一部分，所述金屬粘附到焊料上。但是，這種技術(shù)給光學(xué)組件的制造增加了復(fù)雜性和成本。
美國(guó)專利No.5178319公開(kāi)了將光學(xué)元件如玻璃球和光纖粘結(jié)到鋁上的方法。所公開(kāi)的方法包括將壓力和能量(以熱能和/或聲能的形式)一起施加到光學(xué)元件和鋁之間的界面上。為了將熱施加到所述界面，’319專利公開(kāi)了其溫度大于300℃，如350℃。為了得到更柔韌的粘接等級(jí)，要求該方法能在比使用鋁時(shí)所用的溫度更低的溫度下粘結(jié)光學(xué)部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)或多個(gè)上述問(wèn)題。
本發(fā)明一方面提供將第一物體粘結(jié)到第二物體上的方法。所述方法包括(a)提供第一物體，(b)提供第二物體；(c)用包含鎂的粘結(jié)劑將第一物體化學(xué)粘結(jié)到第二物體上。
本發(fā)明第二方面提供粘結(jié)光學(xué)組件中的部件的方法。所述方法包括(a)提供基底，(b)提供要粘結(jié)到所述基底上的部件，(c)用包含鎂的粘結(jié)劑將所述部件粘結(jié)到所述基底上。
本發(fā)明第三方面提供光學(xué)組件。所述光學(xué)組件包括基底、部件、以及在所述基底和部件之間用于將所述部件化學(xué)粘結(jié)到所述基底上的包含鎂的粘結(jié)劑。
在本發(fā)明的方法和光學(xué)組件中，諸如透鏡、光纖和密封蓋的部件可容易地粘結(jié)到基底上。有用的基底材料是硅，如單晶硅，其可方便地呈晶片的形式，并且可以制成具有表面氧化物。所述粘結(jié)材料可以呈例如一種或多種預(yù)制件的形式，或者呈涂布在光學(xué)部件和/或基底上的層的形式。將所述部件粘結(jié)到基底上的技術(shù)可以是例如熱壓縮工藝。所述方法可以用于制造密封器件(例如密封的光電微型部件，包括光電器件以及置于密封容積內(nèi)的光學(xué)部件)。
在本文中，術(shù)語(yǔ)“一個(gè)”包含了“一個(gè)或多個(gè)”。術(shù)語(yǔ)“上”和“上方”相互交換使用以限定空間關(guān)系，并且包括存在或不存在居間層或結(jié)構(gòu)的情況。在本文中，術(shù)語(yǔ)“光學(xué)組件”包括具有光學(xué)功能，并且具有或不具有光電功能的結(jié)構(gòu)。在本文中，術(shù)語(yǔ)“金屬”包括純金屬、金屬合金和金屬?gòu)?fù)合物。


本發(fā)明參考以下附圖進(jìn)行討論，其中，相同的數(shù)字表示相同的特征
圖1說(shuō)明了本發(fā)明示例的光學(xué)組件；圖2A-B說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明粘結(jié)圖1所示的光學(xué)組件中的部件；圖3說(shuō)明了示例性地粘結(jié)可用于本發(fā)明方法中的小顆粒或預(yù)制件。
具體實(shí)施例方式
以下，本發(fā)明參考圖1進(jìn)行說(shuō)明，圖1說(shuō)明了示例的光學(xué)組件1，其中可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的粘結(jié)方法的應(yīng)用。光學(xué)組件包括具有上表面5的基底3，在其中和其上形成了各種表面特征?；?通常由半導(dǎo)體材料形成，可以呈晶片或芯片的形式，所述材料例如硅(如單晶硅)、砷化鎵、磷化銦或鈮酸鋰、陶瓷、聚合物或金屬。在基底上表面5上可以粘結(jié)各種部件，包括光學(xué)和光電部件，以及用于密封所述組件的蓋子。典型的光學(xué)部件包括例如光纖、透鏡、濾光片和標(biāo)準(zhǔn)器。光電器件包括例如激光模和光電探測(cè)器。在示例的實(shí)施方式中，光纖根部7、球面透鏡9和光電器件11粘結(jié)到基底的上表面5上。
上表面5包括形成在其中或其上的、用于固定各種部件的一個(gè)或多個(gè)表面特征。所述表面特征包括用于固定光學(xué)根部7的凹槽13，如V-凹槽(顯示)或U-凹槽，用于固定球面透鏡9的凹陷15，光柵(light clearance)凹陷16，以及用于電連接光電器件11的金屬特征17。金屬特征17包括光電器件11焊接到其上的接觸墊18、金屬線19和用于連接電源的粘結(jié)墊21。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知用于形成所述表面特征的技術(shù)。例如，可以使用掩膜和濕法和/或干法蝕刻技術(shù)來(lái)形成V-凹槽、透鏡和光柵凹陷，而金屬化結(jié)構(gòu)可以通過(guò)濺射、蒸發(fā)或電鍍技術(shù)來(lái)形成。這些技術(shù)可以任選使用，形成基底母體，由此可以在模塑工藝中形成基底。還提供蓋子23來(lái)形成密封的容積，用于容納光學(xué)和光電部件。
圖2A和2B分別說(shuō)明了在沿圖1的線A-A和B-B的截面中，在粘結(jié)到基底3上的工藝中的光纖根部7和球面透鏡9。所述光學(xué)部件通常由氧化物材料例如摻雜的玻璃(如硅酸硼玻璃，例如BK7硅酸硼玻璃，購(gòu)自Schott Glass TechnologiesInc.，Duryea，PA USA)、陶瓷(如氧化鋁)、或晶體(如藍(lán)寶石、尖晶石或立方氧化鋯)形成。若所述光學(xué)部件不由氧化物形成，可以涂布氧化物層如化學(xué)計(jì)量的(SiO2)或非化學(xué)計(jì)量的氧化硅，氧化鉭或氧化鈦，以用粘結(jié)劑粘結(jié)，如下述。
使用粘結(jié)劑25有利于將部件如光學(xué)部件7、9和密封蓋23與基底粘結(jié)。所述粘結(jié)劑包括鎂，通常是基于鎂的(以整個(gè)粘結(jié)劑計(jì)，大于50重量％的鎂)，例如，金屬鎂(大于99重量％的鎂)、鎂基合金或鎂基復(fù)合物。通常，所述粘結(jié)劑是金屬鎂。例如可以使用鎂基合金或復(fù)合物，用于改變所述粘結(jié)劑的一種或多種性能，如粘結(jié)溫度，耐腐蝕性和粘結(jié)強(qiáng)度。合適的共混劑包括例如Al、Si、Sn、Zn、Zr、Pb以及稀土元素。合適的復(fù)合物包括例如AZ61A-F(92.35重量％的Mg、6.5重量％的Al、0.15重量％的Mn、1.0重量％的Zn)、AZ10A-F(98.2重量％的Mg、1.2重量％的Al、0.2重量％的Mn、0.4重量％的Zn)和AM20-F(97.8重量％的Mg、2.1重量％的Al、0.1重量％的Mn)，如美國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)(ASTM)所標(biāo)注的。
所述粘結(jié)劑可以呈在基底和/或部件的表面上形成的涂層的形式，例如通過(guò)蒸發(fā)、化學(xué)鍍、電鍍、濺射或其它已知的金屬化技術(shù)來(lái)進(jìn)行?？梢匀芜x使用中間層來(lái)提高粘合性，提供用于電鍍的種子層(seed layer)，或者作為絕緣體，例如，在粘結(jié)劑下方的金屬線19之間的絕緣體。所用粘結(jié)劑的厚度取決于例如粘結(jié)劑材料、粘結(jié)劑密度、粘結(jié)溫度、光學(xué)部件的幾何構(gòu)型、以及基底粘結(jié)區(qū)域的幾何構(gòu)型。所述膜的密度在確定理想的層厚度時(shí)也起到重要的作用。用于金屬鎂層的一般預(yù)先粘結(jié)的厚度為2-25微米，例如，10-15微米。
粘結(jié)劑可以任選呈一種或多種小顆?；蝾A(yù)制件27的形式，如圖3所示。在這一示例的方法中，在將光學(xué)部件引入凹處之前或之后，可將所述小顆?；蝾A(yù)制件置于基底表面的凹處(例如，凹槽13或透鏡凹陷15)。以這種方式使用小顆粒和預(yù)制件可以有效地降低成本、加工時(shí)間以及與金屬化方法相關(guān)的復(fù)雜性。此外，所述小顆粒和預(yù)制件可各自由精確量的粘結(jié)劑形成，由此形成一致且均勻的粘結(jié)。通常，小顆粒的幾何形狀大致是球形的，但是也可以是不規(guī)則的形狀。預(yù)制件可以呈任何幾何構(gòu)型，例如球形、環(huán)形、橢圓或圓柱形。鎂預(yù)制件可以是市售購(gòu)得的，例如，購(gòu)自Read International，Riverside，RI USA。在使用球形小顆?；蝾A(yù)制件的情況下，例如，一般粒度為50-300微米，例如，約為100微米，用于粘結(jié)400微米的球面透鏡或125微米的光纖根部。所述小顆粒和預(yù)制件的合適的幾何構(gòu)型和粒度取決于各種因素，如要粘結(jié)的部件和基底的幾何構(gòu)型。
所述粘結(jié)劑不能很好地粘結(jié)到某些基底，例如硅和砷化鎵上。在這種情況下，可以在基底上形成一層或多層所述粘結(jié)劑要粘結(jié)的材料層28。例如，這一層可以在基底上表面或表面特征(例如，凹槽13和透鏡凹陷15的粘結(jié)表面)上形成。合適的層包括例如氧化物，如氧化硅(如化學(xué)計(jì)量(SiO2)或非化學(xué)計(jì)量的氧化硅)，或金屬層，如鋁層。這些層的合適厚度取決于例如所用的具體材料，本領(lǐng)域那些技術(shù)人員應(yīng)該可以理解。
所述部件可以使用熱壓縮粘結(jié)技術(shù)用粘結(jié)劑25粘結(jié)到基底3上。在這種工藝中，在光學(xué)部件和基底之間施加壓力，以將所述部件壓到基底上，如圖2A-B中箭頭所示。所述熱壓縮粘結(jié)技術(shù)還包括加熱所述粘結(jié)劑，使所述粘結(jié)劑在施壓時(shí)處于高溫下。所述粘結(jié)劑可以在將部件擠壓到基底上之前和/或同時(shí)被加熱。此外，在壓縮之后繼續(xù)加熱所述組件一段時(shí)間是有好處的。雖不局限于任何具體的理論，但是認(rèn)為在部件和基底之間施加的壓力會(huì)導(dǎo)致部件布滿(penetrate)在粘結(jié)劑上形成的天然氧化物。在粘結(jié)劑中的鎂直接接觸并與部件的氧化物或氧化物涂層反應(yīng)，形成氧化物-鎂粘結(jié)。由此，粘結(jié)劑中的鎂形成化學(xué)粘結(jié)的主結(jié)構(gòu)。
所述粘結(jié)工藝中施加的溫度和壓力高得足以導(dǎo)致部件和基底之間的粘結(jié)，但是所述溫度和壓力又應(yīng)低于會(huì)導(dǎo)致部件變形或其它損傷的溫度和壓力。所述溫度和壓力取決于，例如粘結(jié)劑材料、以及部件和基底(例如，粘結(jié)區(qū)域)和任意居間層的材料和幾何構(gòu)型。粘結(jié)溫度通常為225-500℃，例如，250-300℃，可以低于300℃。以下實(shí)施例用于進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的各個(gè)方面，但是決不是用于限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1參考圖2A-B，將125微米直徑的玻璃光纖根部7和400微米直徑的尖晶石球面透鏡(涂布有1026埃氮化硅和2505埃二氧化硅)如下述粘結(jié)到硅基底3上。在所述硅基底的上表面上通過(guò)各向異性濕法蝕刻形成V-凹槽13(標(biāo)稱寬度為133微米)和透鏡凹陷15(在基底表面上，470×470微米寬，深270微米)。在基底表面、V-凹槽和凹陷上通過(guò)熱氧化形成4700埃厚的二氧化硅層。在V-凹槽和透鏡凹陷中的氧化物上通過(guò)熱蒸發(fā)形成12微米厚的鎂層。將光纖根部和球面透鏡分別置于V-凹槽和凹陷中，并將所述結(jié)構(gòu)在熱板上加熱至275℃。所述光纖根部在沿其長(zhǎng)度的兩個(gè)點(diǎn)處與涂布粘結(jié)劑的V-凹槽接觸，而所述球面透鏡在四個(gè)點(diǎn)處與凹陷接觸。沿光纖根部的長(zhǎng)度施加800g/mm的壓力(對(duì)球面透鏡則是100g/mm)10秒。所述壓力通過(guò)連接到鋼棒上的氣動(dòng)活塞來(lái)施加，該氣動(dòng)活塞與光纖根部和球面透鏡接觸。在施壓期間再保持該溫度50秒。由此在基底和光纖根部和球面透鏡之間形成熱壓縮粘結(jié)。
實(shí)施例2除了將2個(gè)50-75微米直徑的球形鎂顆粒置于V-凹槽中，并將一個(gè)這種顆粒置于透鏡凹陷，以代替鎂層之外，重復(fù)實(shí)施例1的步驟和材料。
實(shí)施例3除了用100微米長(zhǎng)、125微米直徑的ASTM AZ61A圓柱(92.35重量％的Mg、6.5重量％的Al、0.15重量％的Mn、1.0重量％的Zn)金屬線代替鎂顆粒以外，重復(fù)實(shí)施例2所述的步驟和材料。
權(quán)利要求
1.一種將第一物體粘結(jié)到第二物體上的方法，所述方法包括(a)提供第一物體；(b)提供第二物體；(c)用包含鎂的粘結(jié)劑將第一物體化學(xué)粘結(jié)到第二物體上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一物體是基底，所述第二物體是部件，所述基底和部件形成光學(xué)組件的一部分。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基底由其上形成了二氧化硅層的單晶硅形成。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述部件是用于密封封閉體積內(nèi)的光學(xué)和/或光電部件的蓋子。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑是金屬鎂。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑包括預(yù)制件。
7.如權(quán)利要求2-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟(c)包括在所述部件和基底之間形成熱壓縮粘結(jié)。
8.如權(quán)利要求2-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟(c)之前(d)在高于步驟(c)中粘結(jié)部件所用的溫度的溫度下，將第二部件粘結(jié)到所述基底上。
9.如權(quán)利要求2-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述基底和部件各自包含與所述粘結(jié)劑化學(xué)粘結(jié)的氧化物。
10.一種光學(xué)組件，它包括基底、部件、以及在所述基底和部件之間的用于將所述部件化學(xué)粘結(jié)到基底上的包含鎂的粘結(jié)劑。
全文摘要
提供用包含鎂的粘結(jié)劑將第一物體化學(xué)粘結(jié)到第二物體上的方法。也提供了粘結(jié)光學(xué)組件中部件的方法，以及光學(xué)組件。本發(fā)明可具體應(yīng)用于形成微型光學(xué)組件的光電工業(yè)中。
文檔編號(hào)G02B6/255GK1919951SQ20061012150
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者C·E·蓋比 申請(qǐng)人:羅門(mén)哈斯電子材料有限公司