JP2001015623A

JP2001015623A - 半導体レーザ装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001015623A
Application number: JP11187796A
Authority: JP
Inventors: Akira Mizuyoshi; 明水由
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】パッケージに密封された半導体レーザ装置に
おいて、パッケージ内の汚染物質による出力低下を防止
して安定な光出力を得、信頼性を向上させる。【解決手段】パッケージに、半導体レーザ素子10、導
波路型光波長変換素子15、コリメータレンズ12および2
1、集光レンズ13、バンドパスフィルター14および図示
されないペルチェとサーミスタを有機物を含む接着剤に
より固定し、前記パッケージ内部およびパッケージを密
封する窓付きキャップをオゾン水によりクリーニング
し、その後、パッケージを窓付きキャップにより密封す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
およびその製造方法に関し、特に、パッケージ内に、有
機物を含む接着剤により半導体レーザ素子および光学部
材が固定された後、密封されてなる半導体レーザ装置お
よびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、印刷機器、画像処理装置等の
光源として、例えば、単一モードの半導体レーザ素子か
ら発せられる光を反転ドメインＬｉＮｂＯ₃導波路型波
長変換素子に入射して、半分の波長の光を得る導波路型
波長変換装置が知られている。このような導波路型波長
変換装置は、光出力や発振波長の安定化のために、通
常、ペルチェ素子等により温度制御が行われており、ま
た、使用される環境での塵芥による影響や温度変化によ
る結露を防止するために、金属製のケース等に乾燥空気
や乾燥窒素により封止されるのが一般的である。

【０００３】ケース内には、半導体レーザ素子と、半導
体レーザ素子を接着するヘッダーと、ペルチェ素子と、
ヘッダーとペルチェ素子との間に使用する熱伝導性のよ
い基準板と、光学レンズと、光学ミラーと、波長変換素
子とが内蔵されている。さらに、このケースは、光取出
し用の窓付き金属ふたが、パラレルシーム溶接により取
り付けられる。

【０００４】これらの部品を組み立てる際、半導体レー
ザ素子とヘッダーの間では、例えば金錫、錫鉛、または
インジューム錫等の合金ハンダまたは、錫あるいはイン
ジュームなどのハンダが使用される。また、このハンダ
付けの際、ハンダ表面の酸化等によって固着したい面で
のハンダの濡れ性が低下することを回避するために、例
えばフラックス等の有機物を含む材料を使用することが
ある。後でこのフラックスは有機溶剤などで洗浄し取り
除くが、パッケージ内の表面積が大きい場合、あるいは
光学素子の微細な隙間にフラックスが入り込んだ場合は
取除くことが非常に難しい。また、ハンダ接着方法は、
ヘッダーと熱伝導性基準板の間にも使用され、フラック
スを使用する頻度も通常でも数回あるので、パッケージ
内の汚染の可能性が高くなる。

【０００５】また、このような半導体レーザ装置は、光
出力や発振波長を安定にするために温度調節されている
が、そのための素子温度を測定するサーミスタがヘッダ
ーに固定され内蔵されるのが一般的である。しかし、こ
のサーミスタをヘッダーに固定するためには、シリコー
ン系などの熱伝導性接着剤が使用されており、これらの
接着剤にはシロキサンあるいは軟化剤などの有機物を含
むため、これらによる汚染が生じることがある。

【０００６】さらに、ペルチェ素子とパッケージの接着
あるいはペルチェ素子と熱伝導性基準板との接着には、
例えば銀ペーストなどを用いることがあり、後でこの銀
ペーストに含まれるフィラーを１００〜１５０℃の適当
なガス出しベーキングにより取り除くが、脱ガスしきれ
ずに内部に吸着して残る場合がある。また、光学レンズ
や光学ミラーの固定に際しても、接着剤を使用する場
合、有機物が残留し装置内が汚染されることがある。

【０００７】上記のように、装置内の汚染源は、部品を
組み立てる際の、部材の固定を行ったり、電気的な導通
をとったり、熱伝導を確保するために必然的に行う、い
わゆる接着工程によるものだけではなく、使用する部材
そのものに付着していてパッケージ内に持ち込まれる場
合もある。このような状態のまま、パッケージを乾燥窒
素あるいは乾燥空気中で密封した場合に、内在するこれ
らの汚染物質が、光学部材の表面に堆積し、光路を遮
り、光量低下などの問題を引き起こす。この現象は、と
りわけ光強度の光密度の高い部分で起きやすい。

【０００８】しかし、導波路型波長変換装置のように、
半導体レーザ素子と波長変換素子の間隔が数μｍ以下で
近接している場合には、半導体レーザ素子の出力端面側
では汚染は生じない。むしろ、汚染物質は、波長変換素
子の出力端で加速的に生じることが見いだされた。とく
に装置を一定電流で連続動作させながら、光強度の経時
変化を観察してみると、光強度の低下の程度は、時間の
経過と共に徐々に加速されることが判った。これは、光
出射端面に何らかの異物が付着すると、その異物自身が
光を吸収し、さらにこれら異物自身がその堆積速度を速
めるものと考えられる。このことからレーザ装置内の汚
染物質はレーザ装置の経時信頼性を保証する上で非常に
大きな問題であった。これは光の波長が短くなること、
つまり１個あたりのフォトンの光のエネルギーが増加す
ることに起因し、より低いパワー密度例えば１ｍＷ程度
においても異物の堆積などが生じる。

【０００９】また、半導体レーザ素子を励起光源に用い
て、ＹＡＧやＹＶＯ₄等のレーザ光学結晶を励起し、赤
外光を得て、その赤外光を例えばＫＴＰ等の波長変換素
子に入射して半分の波長を得る構成の波長変換装置の場
合にも、波長が短くなるため、光出射面への異物の堆積
速度が速くなることがある。このように、イントラキャ
ビティ方式の第２次高調波発生装置においても、密封し
た場合の光路上の光学部材表面での異物による汚染は、
信頼性確保の上で重大な問題であった。

【００１０】さらに、波長変換を行わない半導体レーザ
装置を、上記のようにパッケージに密封する場合にも、
パッケージ内部に半導体レーザ素子、半導体レーザ素子
を接着するヘッダー、ヘッダーとペルチェ素子との間に
使用する熱伝導性の良い基準板およびペルチェ素子など
を組み立ててゆく工程において、パッケージ内のフラッ
クスなどによる汚染や、シリコーン系などの熱伝導性接
着剤による汚染があると、光出力の急激な低下が見られ
た。

【００１１】上記のような問題を解決する手段として、
米国特許第5578863号には、発振波長が０．６μｍから
０．９μｍであり、パッケージに密封された半導体発光
ダイオードにおいて、パッケージ内に、例えば０．２容
量％の酸化性ガスを含む乾燥不活性ガスを含有させるこ
とにより、パッケージ内の汚染物質をＣＯ₂や気体化合
物に分解できるため、あるいはミラー被膜上に汚染物質
が堆積しても除去できるため、良好な出力が得られるこ
とが記載されている。

【００１２】また、米国特許5392305号には、５０ｍＷ
以上のハイパワーの半導体レーザのパッケージ内に、１
００ｐｐｍ以上の酸素ガスを封入することにより、良好
な出力が得られることが記載されている。

【００１３】さらに、シリコンウェハを用いた半導体デ
バイスの分野では、洗浄工程において、これまでの塩酸
と過酸化水素水を用いるＲＣＡ洗浄に代わり、オゾンを
含む純水と希フッ酸で交互にウェハを洗浄することによ
り、有機物が酸化性の強いオゾンにより酸化分解され、
かつ、表面に形成された自然酸化膜はフッ酸によりエッ
チング除去されることが、1998年発行の服部毅氏によ
る、J.of.Electrochemical.,vol.145,No.9,p.3278に報
告されている。また、これらの洗浄に要する時間は１０
秒あるいは、１０秒を数回というきわめて短い時間であ
り、かつ少量の洗浄液を用いて効率よく洗浄できる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
半導体レーザ装置では、パッケージに密封した場合、発
光部の端面や光学部材の光透過部分に、実装の際のフラ
ックスや導電性ペーストや接着剤などの有機物の残留物
が異物となって堆積し、徐々に光出力が低下したり、つ
いには停止したりする問題があった。特に発振波長が短
く高出力の半導体レーザ装置においては、汚染物質の堆
積速度も速いという問題があった。

【００１５】本発明は上記事情に鑑みて、密封された半
導体レーザ装置内に残留する有機物等が光出力を低下す
ることを防止し、光出力の安定した信頼性の高い半導体
レーザ装置の製造方法を提供することを目的とするもの
である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置の製造方法は、パッケージ内に、半導体レーザ素子お
よび光学部材を、有機物を含む接着剤で固定した後、オ
ゾンを含む純水により該パッケージ内を洗浄し、パッケ
ージを密封するキャップをオゾンを含む純水により洗浄
した後、該キャップによりパッケージを密封することを
特徴とするものである。

【００１７】前記オゾンの濃度は、２０ｐｐｍ以上であ
ることが好ましく、さらには５０ｐｐｍ以上、さらには
９０ｐｐｍ以上であることがより望ましい。

【００１８】また、本発明の半導体レーザ装置は、上記
構成の半導体レーザ装置の製造方法においてオゾン水に
よりパッケージ内を洗浄することにより接着剤の表面が
強制酸化され、接着剤の表面に酸化被膜が形成されてな
ることを特徴とするものである。

【００１９】また、本発明の別の半導体レーザ装置の製
造方法は、パッケージ内に、半導体レーザ素子および光
学部材を、有機物を含む接着剤で固定した後、電界イオ
ン水により該パッケージ内を洗浄し、パッケージを密封
するキャップを電界イオン水により洗浄した後、該キャ
ップによりパッケージを密封することを特徴とするもの
である。

【００２０】また、本発明の半導体レーザ装置は、パッ
ケージ内に、半導体レーザ素子および光学部材を、有機
物を含む接着剤で固定した後、電界イオン水により該パ
ッケージ内を洗浄し、パッケージを密封するキャップを
電界イオン水により洗浄した後、該キャップによりパッ
ケージを密封する半導体レーザ装置の製造方法におい
て、電界イオン水によりパッケージ内を洗浄することに
より接着剤の表面が強制酸化され、接着剤の表面に酸化
被膜が形成されてなることを特徴とするものである。

【００２１】

【発明の効果】本発明の波長変換装置の製造方法による
と、パッケージ内に、半導体レーザ素子および光学部材
を、有機物を含む接着剤で固定した後、オゾンを含む純
水により該パッケージ内を洗浄し、パッケージを密封す
るキャップをオゾンを含む純水により洗浄した後、該キ
ャップによりパッケージを密封することとしたので、酸
化性の強いオゾンが、パッケージ内に残留する接着工程
での有機物等の汚染物質を酸化分解するため、有機物等
が素子の光出射面に堆積したり、光路を遮ることがない
ため、光出力の低下を防止することができ、安定な出力
を得ることができる。よって、長期信頼性を向上させる
ことができる。

【００２２】また、オゾンの濃度を２０ｐｐｍ以上、さ
らには５０ｐｐｍ以上、さらには９０ｐｐｍ以上にする
ことにより、より効果的にパッケージ内の汚染物質を除
去することができる。

【００２３】また、本発明の別の半導体レーザ装置の製
造方法によれば、パッケージに半導体レーザ装置を設置
し、パッケージ内およびキャップを電界イオン水で洗浄
することにより、電界イオン水の酸化力により、パッケ
ージ内に存在する有機物を効率良く除去することがで
き、安定な光出力を得ることができる。

【００２４】さらに、これまで、装置内に残留する有機
物等を有機溶剤で洗浄していたため、その有機溶剤の特
別な排液処理と排ガス処理を行う必要があった。しか
し、本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、オ
ゾンを含む純水あるいは電界イオン水を用いており、オ
ゾンを含む純水は容易に水と酸素に自然分解され、ま
た、電界イオン水は水であるため、排液は水として扱う
ことができ、処理が簡単であるという利点もある。

【００２５】また、オゾン水あるいは電界イオン水は酸
化性の強い溶液であるため、少量で、かつ短時間で洗浄
を行うことができ、上記のように処理が簡単であり、コ
ストダウンにも繋がる。

【００２６】また、本発明の半導体レーザ装置は、オゾ
ンによりパッケージ内が洗浄されることにより、接着剤
表面が強制酸化され、接着剤の表面に酸化被膜が形成さ
れているので、内部に含まれる有機物の揮発が抑制され
るという利点がある。

【００２７】さらに、本発明の別の半導体レーザ装置
は、電界イオン水によりパッケージ内が洗浄されること
により、接着剤の表面が酸化され、接着剤の表面に酸化
被膜が形成されているので、上記と同様の効果がある。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。

【００２９】図１は本発明の第１の実施の形態による発
振波長５３０ｎｍ帯の導波路型波長変換素子を示図１
に示すように、この波長変換装置は、半導体レーザ素子
10と、この半導体レーザ素子10から発散光状態で出射し
たレーザビーム（後方出射光）11Ｒを平行光化するコリ
メータレンズ12と、平行光化されたレーザビーム11Ｒを
収束させる集光レンズ13と、これらのレンズ12および13
の間に配された波長変換素子としての狭帯域バンドパス
フィルター14と、上記集光レンズ13によるレーザビーム
11Ｒの収束位置に配されたミラー20とを有している。

【００３０】そして、半導体レーザ素子10の前方端面
（図中の左端面）は、導波路型光波長変換素子15の端面
に直接結合されている。

【００３１】光波長変換素子15は非線形光学効果を有す
る強誘電体であるＬｉＮｂＯ₃にＭｇＯが、例えば５mol
％ドープされたもの（以下、ＭｇＯ−ＬＮと称する）の
結晶からなる基板16に、そのＺ軸と平行な自発分極の向
きを反転させたドメイン反転部17が周期的に形成されて
なる周期ドメイン反転構造に沿ってのびるチャンネル光
導波路18が形成されてなるものである。

【００３２】周期ドメイン反転構造は、基板16のＸ軸方
向にドメイン反転部17が並ぶように形成される。このよ
うな周期ドメイン反転構造は、例えば特開平6-242478号
に示される方法によって形成することができる。

【００３３】一方、チャンネル光導波路18は、周期ドメ
イン反転部17を形成した後、基板16の＋Ｚ面上に公知の
フォトリソグラフィとリフトオフにより金属マスクパタ
ーンを形成し、この基板16をピロリン酸中に浸漬してプ
ロトン交換処理を行い、マスクを除去した後にアニール
処理等の方法によって作成することができる。その後、
このチャンネル光導波路18の両端面18ａ、18ｂをエッジ
研磨し、端面18ａを含む素子端面に基本波であるレーザ
ビーム11に対するＡＲ（無反射）コート30を施し、端面
18ｂを含む素子端面に後述する第２高調波19に対するＡ
Ｒコート31を施すと、光波長変換素子15が完成する。な
お、半導体レーザ10の両端面（劈開面）には、その発振
波長の光に対するＬＲ（低反射率）コート32が施されて
いる。

【００３４】なお、上記のように構成される導波路型波
長変換装置は、半導体レーザ素子10と導波路型光波長変
換素子15は、図示されないペルチェとサーミスタにより
温度調節され、一定温度に保たれている。

【００３５】本実施の形態による導波路型波長変換装置
をパッケージに密封した場合、半導体レーザ素子10の光
出射側端面は、導波路型波長変換素子と直接結合されて
いるため、パッケージ内の汚染物質が堆積することはほ
とんどないが、導波路型光波長変換素子の光出射端面18
ｂ側に汚染物質が堆積しやすい。

【００３６】上記のように構成される導波路型波長変換
装置を光軸調整しながらパッケージ内に設置完了後、オ
ゾン水（ＤＩＯ₃：純水にオゾンを溶解させた水溶液）
を用いてパッケージごと、キャップを含めて洗浄する。
オゾン水に含まれるヒドロキシラジカル等の効果によっ
て、パッケージ内に残留し、特に経時で揮発してくる有
機物を効果的に酸化による不動態化あるいは除去が可能
である。オゾン発生装置としては、例えばアステック
（ASTeX、US）社のリコゾン（LIQUOZON）を用いること
により、高いオゾン濃度、例えば９０ｐｐｍ程度のオゾ
ン水を得ることができる。

【００３７】さらに、効果を上げるためには、水温を上
げることが効果的であるが、気泡発生による被洗浄物と
の接触面積の低下、ひいては洗浄ムラが生じるため、７
０℃以上は困難である。また、特に微細な加工が施され
ている部品、例えばレンズホルダーなど金属加工部品の
微細な穴や溝まで洗浄するためには、オゾン水の洗浄に
一般的な超音波洗浄方法を組み合わせることも効果的で
ある。

【００３８】オゾン水による洗浄後、純水にてリンスを
行い、例えば温純水引き上げ乾燥を行う。その後、パッ
ケージ内のゴミによる汚染や結露を防ぐために、出射光
をパッケージ外部に取り出す光学窓付きキャップを、パ
ッケージに、例えばパラレルシーム溶接装置などにより
溶接封止する。

【００３９】上記のように、光学素子が配置されたパッ
ケージを窓付きキャップで密封する前に、オゾン水でパ
ッケージ内とキャップを洗浄することにより、有機物等
が酸化分解されるので、光路上に有機物等が堆積するこ
とがないため、光出力が低下するのを防止することがで
き、安定した出力を得ることができる。また、従来のよ
うに有機溶剤を使用する必要がなく、排液処理が簡単で
あるという利点がある。

【００４０】上記実施の形態による波長変換装置は、オ
ゾン水でパッケージ内を洗浄したことにより、半導体レ
ーザ素子および光学部材等を固定している接着剤の表面
がオゾンにより強制酸化され、接着剤の表面に酸化被膜
が形成されている。接着剤の表面に酸化物が形成されて
いても、製品上何ら問題はない。

【００４１】なお、本実施の形態では導波路型波長変換
装置について説明したが、本発明は、ＹＡＧ等のレーザ
結晶を用いた波長変換装置および半導体レーザ装置から
発せられる光を波長変換しないで用いる半導体レーザ装
置にも適用することができ、上記実施の形態と同様の効
果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による導波路型波長
変換装置を示す図

【符号の説明】

10 半導体レーザ素子 12,21 コリメータレンズ 13 集光レンズ 14 バンドパスフィルター 15 導波路型光波長変換素子 16 基板 17 ドメイン反転部 18 光導波路 20 ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パッケージ内に、半導体レーザ素子およ
び光学部材を、有機物を含む接着剤で固定した後、オゾ
ンを含む純水により該パッケージ内を洗浄し、前記パッ
ケージを密封するキャップをオゾンを含む純水により洗
浄した後、該キャップにより前記パッケージを密封する
ことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項２】前記オゾンの濃度が、２０ｐｐｍ以上で
あることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置
の製造方法。
【請求項３】前記オゾンの濃度が、５０ｐｐｍ以上で
あることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置
の製造方法。
【請求項４】前記オゾンの濃度が、９０ｐｐｍ以上で
あることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置
の製造方法。
【請求項５】請求項１から４いずれか１項記載の半導
体レーザ装置の製造方法において、前記オゾンを含む純
水により前記パッケージ内を洗浄することによって、前
記接着剤の表面が強制酸化され、該接着剤の表面に酸化
被膜が形成されてなる半導体レーザ装置。
【請求項６】パッケージ内に、半導体レーザ素子およ
び光学部材を、有機物を含む接着剤で固定した後、電界
イオン水により該パッケージ内を洗浄し、前記パッケー
ジを密封するキャップを電界イオン水により洗浄した
後、該キャップにより前記パッケージを密封することを
特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項７】請求項６記載の半導体レーザ装置の製造
方法において、前記電界イオン水により前記パッケージ
内を洗浄することによって、前記接着剤の表面が強制酸
化され、該接着剤の表面に酸化被膜が形成されてなる半
導体レーザ装置。