CN1495739A - 激光模块和使用它的光头、光学信息记录再现装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及装载半导体激光芯片和反射面的激光模块，为高精度确定半导体激光芯片的位置，同时缩短生产时间、实现小型化和低成本，使在硅基板上设置的反射面上具有台阶，通过将这些反射面作为出射激光的反射面和激光芯片的位置确定面，可高精度确定位置。对于记录中需要大功率的激光模块，在与半导体激光芯片纵向方向的侧面相对的倾斜面上设置台阶，在从激光芯片的下部电极的下陷底部到硅基板上部的布线中，设置与激光芯片的纵向方向成角度的倾斜面来平缓斜面，经过该平缓斜面缓解迁移的产生。

Description

说明书 激光模块和使用它的光头、光学信息记录再现装置

技术领域

本发明涉及使用激光记录和读出在光盘、磁光盘等光记录媒体上记录的信息时的光学信息处理用激光模块，尤其涉及DVD和CD的组合等使用多个波长的激光模块以及使用该模块的光头和光学信息记录再现装置。

背景技术

使用780nm波长的激光的CD(光盘)驱动器中，要求提高便携CD播放器的携带方便性、内置CD-ROM的个人计算机等装置的小型化薄型化，同时，对于作为其主要部件的光头，需要减少部件数目和简化光学调整。因此，对应部件数目减少和光学调整的简化，出现例如特开平10-150244所示的在组装激光的反射面(以后称为微镜面)和受光元件的硅基板上装载半导体激光器的激光模块。

另一方面，近年来，具有CD的7倍记录密度的使用650nm波长的激光的DVD(数字多能盘)因使用原来的CD也使用的2波长对应驱动器而开始迅速普及。该驱动器使用的光头包含DVD用激光模块、准直透镜、物镜以及CD用的激光模块、准直透镜、物镜而使得光头自身大型化。

而且，近年来，在光盘上可记录的DVD-RAM(可重写DVD盘)在市场上出现了，相对于原来的再现专用CD和DVD，使用具有大约10倍的功率的半导体激光器。因此，为放置半导体激光器自身过热而要有放热特性，但出现保持半导体激光器的寿命的重要课题，当前半导体激光芯片和受光元件作为独立部件构成，半导体激光芯片正下方的分装(sub mount)要使用AlN(氮化铝)(导热率是150W/m℃)、SiC(碳化硅)(导热率是260W/m℃)等传输放热性优良的材料。这样的部件数目的增加使光头更大型化，同时增多了光学调整的场所，使得制造原价大幅度上升。

这样，光盘驱动器中与CD/DVD二者对应追加DVD-RAM的记录功能的多功能化与装置的小型化薄型化的要求情况相反。并且，400nm波长的兰色激光器的开发也很活跃，不久的将来期待其实用化。因此，今后，需要考虑对具有与CD、DVD的互换性，同时也可对应于兰色激光器的3波长对应的光盘驱动器的需求。但是这样的多功能化也增多光头的部件数，不只难以把装置小型化，而且出现光学调整复杂、大幅度提高成本的问题。

因此，今后，为使装置的多功能化和小型化薄型化两全，需要实用例如特开平10-21577所示的在具有受光元件和一段下陷的凹部部分(以后称为下陷部)的硅基板上贴付2个半导体激光芯片、设置微镜面的激光模块。即，在CD和DVD的情况下，使用具有与它们分别对应的激光光源和受光元件的激光模块、光源切换部件、对应于二者的波长的物镜和偏振衍射栅，选择与CD或DVD盘对应的激光将从激光光源到盘的光路视为与单波长的激光模块的情况相同。但是，为把多个激光芯片堆叠在具有微镜面和受光元件以及放大器的硅基板上，有下面的问题。

图9表示单波长的激光模块的结构图。光头的结构图如图10所示。

从半导体激光芯片1射出的激光由微镜面5反射，通过物镜6会聚在光盘7上。此时，为确保光盘7的光量，需要使激光芯片1和物镜6的光轴相符，为使半导体激光芯片1小至0.3×0.7×0.1mm左右，芯片自身的位置控制变困难，根据贴附时产生微小的位置偏离这种制造技术将与芯片贴附时的微镜面相对的激光的左右的角度精度设为±2°就可以了。并且，该角度误差通过在将激光模块9组装到光头时进行与偏振衍射栅8、物镜6、光头7的位置配合调整来消除。但是，并排安装2个激光芯片时的角度精度因为各个芯片各有±2°，使得整体的角度精度变为±4°，得不到激光器与光盘之间的光路精度。

另一方面，为将对应于CD和DVD的受光元件的放大器形成在与原来的单波长相同的硅基板面积上，需要使用更细微进行的LSI设计规则，但该过程进展在微镜面形成中出现下面所示的问题。即，微镜面基于在氢氧化钙水溶液进行湿蚀刻中，与硅基板(100)面相对的(111)面的蚀刻速度大致慢2个数量级(位)的现象形成。此时，(111)倾斜面所成角度为54.7°，但通过蚀刻以硅基板的(011)方向为轴从(100)面偏开θ角度的晶面(以后将角度θ称为偏离角θ)，倾斜面变化为(54.7-θ)°，得到期望的角度。即，在激光相对模块垂直向上过程中，偏离角为9.7°。但是，LSI的微细加工的进展非常需要基于形成的过程控制，确保这样大的偏离角度变得困难。因此，沿着物镜光轴射出激光中，考虑微镜面的角度的同时，还迫切需要装载模块的外壳结构。

而且，DVD-RAM用激光器中，为了记录，需要200mA左右的大电流。针对此，原来的激光模块中，激光芯片的下部电极经与成为微镜面的倾斜面成直角方向的倾斜面在硅基板上布线，但该倾斜面具有接近垂直的角度，倾斜面处的布线膜厚度减薄，并且布线部的晶界增多，流过大电流时，引起晶界破坏，恐怕有到断路处的迁移。

为防止DVD-RAM用激光器的发热造成的短寿命，硅基板的下陷部上装载激光器时，迫切要求在放热性上下一些工夫。

发明的内容

本发明中，使用一种具有半导体激光芯片和包含受光元件和反射面的硅基板的激光模块，其特征在于在下陷部的倾斜面上设置台阶，作为微镜面和半导体激光芯片的位置确定用突接基准。该模块可适用于具有波长不同的多个激光芯片的情况下，在微镜面间实现高精度的射出角度，从激光模块射出的激光通过物镜会聚到光盘上，通过将其反射光通过偏振衍射栅导向所述模块内的受光元件，用与1激光模块相等的部件数目实现光头的小型化。

作为与以(011)方向为轴在(100)面设置偏离角θ的硅基板的对应，激光芯片和硅基板的安装面以及微镜面所成角度α为180°-(54.7-θ)°＝(125.3+θ)°，因此该微镜面反射的光从垂直方向偏离2×{(180-α)°-45°}＝19.4-2θ)°。因此为通过物镜会聚到光盘，将其反射光通过偏振衍射栅导向模块内的受光元件，其特征在于在激光模块外壳的光头安装部或所述外壳内的硅基板安装部进行该偏离部分的角度配合。

并且，在DVD-RAM或CD-R(可记录CD盘)这样的需要大电流的激光模块中，为防止迁移产生，其特征在于在构成下陷部侧壁的倾斜面上设置台阶，在从激光芯片的下部电极的下陷部底部到硅基板的布线中，设置与激光芯片的纵向成角度的倾斜面来作成平缓斜面，经过该平缓斜面。

而且，对于RAM的放热，其特征在于激光芯片和硅基板的黏合使用导热率优良的AuSn，并且作为位于硅基板下部的外壳材料，改变原来的Koval(科瓦尔铝合金)、Al₂O₃(氧化铝)(导热率为17W/m℃)，而使用导热率优良的Fe(导热率为75W/m℃)或SiN(导热率为150W/m℃)等，或者作为散热片材料，使用CuW(导热率为210W/m℃)等导热率优良的材料。

附图的简要说明

图1(A)是表示本发明的一实施例的激光模块的斜视图；

图1(B)是表示表示本发明的一实施例的激光模块的下陷部放大图；

图1(C)是表示本发明的一实施例的激光模块的剖面图；

图2是表示本发明的2激光模块的一实施例的平面图；

图3是装载本发明的2激光模块的光头装置的简要结构图；

图4是原来的2激光模块装载光头装置的简要结构图；

图5是表示本发明的激光模块的硅基板的一实施例的平面图；

图6是表示本发明的2激光模块的一实施例的平面图；

图7是表示包含本发明的2激光模块的外壳的一实施例的平面图和剖面图；

图8(A)是表示2激光模块的最初的芯片贴合方法的平面图；

图8(B)是表示2激光模块的后来的芯片贴合方法的平面图；

图9是原来的激光模块的斜视图；

图10是简略表示原来的光头的结构图。

实施本发明的最佳实施例

下面使用附图说明本发明的实施例。

本发明的第一实施例如图1的(A)、(B)、(C)所示。与原来的例子不同的是将硅基板的倾斜部分成2段，向内的倾斜面作为微镜面10、前方的倾斜面作为激光芯片的位置确定基准面11。2个倾斜面之间的间隔通过微镜面的NA设计求出，这里，为60μm。该尺寸由掩模精度确定，实现亚微米的精度。微镜面10的宽度需要设定在不受激光的扩束角和微镜面角部附近的镜面的畸变影响的范围内，这里，设定为100μm。该结构的下陷部中，如沿着图1(C)的d-d’剖面图所示，通过在位置确定基准面11上突出对接激光芯片初射面12的下端，实现角度精度±1°。而且，该方法不需要图像处理等的复杂测定系统、位置调整用的复杂结构部，可仅在位置确定基准面上对押芯片来确定位置，可短时间生产。如图1(C)的e-e’剖面图所示，激光由微镜面10反射照射到模块外。

安装2个激光芯片的实施例如图2所示。图2表示将2个激光芯片贴附在包含受光元件的硅基板的下陷台(凹部部分)上的地方从上面看去的平面图。2个激光芯片分别是CD用780nm波长激光芯片13a和DVD-RAM用650nm波长激光芯片13b，隔开约50μm间隔并排贴附在下陷台14上。微镜面10和芯片位置确定基准面11的间隔为60μm，为蚀刻加工，二者间的间隔保持亚微米的精度。因此通过将2个激光芯片13a，13b突出对接在位置确定基准面11上，实现各角度精度±1°，模块整体也实现±1.4°。

图2的实施例的激光模块15装载在光头上的结构图如图3所示。本实施例中，使用650nm波长的DVD用激光芯片13b的射出光进行准直仪16、偏振衍射栅8、物镜6、光盘7之间的位置调整。此时，780nm波长的CD用激光芯片13a的射出光也经过与DVD相同的路径，将准直仪16、偏振衍射栅8、物镜6设置成CD/DVD共用部件，使得以与原来的单波长驱动器同样的大小实现与2波长对应的装置。不进行CD自身的光路位置配合产生的若干光量减少通过增加CD用780nm波长的激光芯片13a的功率而补偿。

为与本实施例相比，图4表示对应DVD-RAM和CD的2波长的原来的光头结构图。RAM用66激光nm二极管18的射出光通过准直仪19、分离棱镜20、偏振衍射栅8、物镜6会聚到光盘7上，盘反射的光再通过物镜6、偏振衍射栅8由分离棱镜20反射，通过准直仪21进入DVD用受光元件22中。另一方面，CD结构是使用激光器和受光元件以及全息件一体化的CD全息单元23，通过准直仪24后通过与DVD相同的光路，进入CD全息单元23中的受光元件。该已有例子的部件数目是12个，是图3所示的本实施例的2倍，并且彼此件光学调整非常复杂，光路调整花费很多时间。本实施例中，部件数目减少同时，调整场所简化，实现大幅度降低成本。

并且，上述光头安装在光盘装置上，通过使用对应于CD或DVD盘的更换自动地选择780nm或650nm波长的光源的电路，实现以与原来的单波长驱动器相等的大小进行2波长对应的装置。

接着，图5表示出在与激光模块的半导体激光芯片纵向的侧面相对的倾斜面上具有台阶的实施例。该图是安装激光芯片前的状态，表示可看到位于激光芯片下面的下部电极26的状态。根据基盘面的蚀刻速度差，与半导体激光芯片纵向的侧面相对的倾斜面a，a’，b具有接近垂直的角度，但c，d为比a，b更平缓的平缓斜面，由于d倾斜面更稳当，下部电极25经d部在硅基板上部布线(26)，通过使电极膜厚均匀，即使是DVD-RAM用激光器这样的需要大电流的情况下，有助于防止迁移，并且防止在将下陷部(凹部)设置得很深时的断路。

而且，在下陷部的微镜面侧和与半导体激光芯片纵向方向的侧面相对的倾斜面二者上设置台阶，接近激光芯片13a,13b的倾斜面作为芯片位置确定基准的实施例表示在图6中。芯片位置确定基准面27、11分别进行受光元件2与X、Y方向的精度配合。通过很好地管理蚀刻掩模的位置配合、蚀刻条件，实现与受光元件2相对的位置精度、X方向±5μm、Y方向±2μm。以这些作为基准面，将激光芯片突出对接于X方向、Y方向，满足与受光元件2的位置关系。此时，在接着芯片位置确定基准27的位置上设置角度，缓和倾斜角，将布线29从下部电极经斜面28在硅基板的上部作布线26，可防止迁移或断路。因此，使用该下陷结构，不进行尺寸测定和图像处理，通过将芯片押在下陷的倾斜面上可满足激光的必要精度，不用芯片自身的调整作业，进一步改善操作性，有利于成本降低。与半导体激光芯片纵向的侧面相对的倾斜面的台阶位置不限于如图5、6所示那样，不用说在实现上述效果的范围内可设置在任何位置。微镜面侧的台阶形状也不限于图6所示的形状，在实现上述效果的范围内可以是任意结构，例如，作为在激光器13a，13b之间的中央部分没有台阶的结构，通过使单侧的台阶11和激光器的接触部分非常大也可突出对接激光器来确定位置，或者通过在基准27和单侧的台阶11上在X、Y方向上突出对接激光芯片可进行位置确定。

而且，必须考虑DVD-RAM这样的激光芯片的放热的激光模块的实施例如图7所示。作为与硅基板4接触的部分的外壳材料，使用导热率优良并且对于环境适应性优越的AlN。或者，激光芯片13a，13b与下陷台14的黏合材料29最好是AuSn焊剂(导热率为57W/m℃)，或者即使在使用其他材料的情况下，激光芯片自身的导热率需要在50W/m℃以上。下部电极25中使用TiPtAu。

通过下部电极25中为包含Au的材料，在黏合时下部电极25的Au溶入AuSn焊剂中，AuSn焊剂的熔点上升。因此，黏合激光芯片12a后，用相同的AuSn焊剂进行另一侧激光芯片12b的黏合时，不用担心激光芯片12a的焊剂再熔化。这样，通过使用包含Au的黏合材料和电极材料，实现放热性和黏合多个激光芯片的操作性二者。并且，从外壳30的放热通过将光头的结构体作成铝模铸合金、外壳底部与铝模铸合金间用SUS304(不锈钢)金属板(或磷青铜或FeNiCo或合金42)接触而防止了热的滞留。

图7中，微镜面的角度α如前所述基于LSI过程的微细加工中的偏离角θ而成为(125.3+θ)°，从将激光垂直反射的135°偏离(19.4-2θ)°。因此，到外壳30的硅基板4的安装面31和外壳30的光头安装面32之间具有角度β＝(19.4-2θ)°，修正该偏离。

此时，由于α＝(125.3+θ)°、β＝(19.4-2θ)°，α、β的关系为2α+β＝270°。在外壳30的光头安装面32上具有角度，外壳30和硅基板4的安装面31所成角度β可能为2α+β＝270°。

本发明的下陷部中，2个激光芯片接近装载的制造方法如图8(A)、8(B)所示。图8(A)是从上面看将2个激光芯片之一的13a贴附在受光元件基板的位置的平面图。首先，使用通过真空吸附进行移动安装的风井(air pit)33a，将激光芯片13a运到下陷台14处。接着使用位置确定夹具34将激光芯片13a押至倾斜面f。接着返回夹具34，在风井33a在押付激光芯片13a的状态下加热，熔融黏合材料后在芯片上在数μm的范围内进行往返振动来进行脱气，之后，再用夹具34确定位置并冷却，将激光芯片13a固定在下陷台14上。

激光芯片13b的位置确定也同样进行，但2个芯片间的间隔仅为50μm，在2个芯片长度上设置大小，确保位置确定夹具的操作性。激光芯片13b黏合时激光芯片13a不动对应改变2个激光芯片的黏合材料的熔点。使用AuSn系的黏合材料时，对应地下部电极使用TiPtAu，划线时将电极材料Au溶入AuSn中，使得比原来的AuSn熔点高，但使用PbSn系黏合材料时，黏合前后的熔点没有急剧的变化，因此可改变2个激光芯片的黏合材料的熔点，把最初固定的黏合材料的熔点升高。如图8(A)、(B)所示，例如，相对激光器插入方向，将其侧壁部作成扩展成扇形的形状可提高激光器插入操作的效率。

产业上的可利用性

根据本发明，能够以装载激光芯片的激光模块的高精度作廉价的供给，有利于光头装置的小型化和成本的降低。

Claims (5)

1.一种激光模块，在包含受光元件的硅基板上设置凹部，在该凹部配置多个半导体激光芯片，其特征在于在所述凹部中配置的电极材料中包含Au，并且所述半导体激光芯片与所述凹部之间的黏合材料是AuSn，所述硅基板下部的外壳(package)材料为AlN或SiN，其导热率为50W/m℃以上。

2.一种光头，具有权利要求1所述的激光模块、铝模铸结构体，其特征在于所述激光模块的外壳底部和所述的铝模铸结构体之间用金属接触。

3.一种光头，安装1个或多个半导体激光芯片、具有微镜面的硅基板和容纳所述硅基板的外壳而构成，其特征在于所述半导体激光芯片和所述硅基板的安装面与微镜面所成角度α以及所述安装面与外壳到光头的安装面所成角度β之间具有关系2α+β＝270°(α＜135°、β＞0°)。

4.一种激光模块，用包含受光元件的硅基板和2个半导体激光芯片构成，其特征在于对所述2个半导体激光芯片的长度设置长短。

5.一种激光模块，用包含受光元件的硅基板和2个半导体激光芯片构成，其特征在于对所述2个半导体激光芯片的长度设置长短，将长度短的半导体激光芯片和硅基板固定的黏合剂的熔点比将另一个长度长的半导体激光芯片和硅基板固定的黏合剂的熔点高。

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