JP2002503011A - 検出器上に分離されたビームを照射する集積化された光学装置、およびその関連方法 - Google Patents

検出器上に分離されたビームを照射する集積化された光学装置、およびその関連方法

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Abstract

(57)【要約】 集積化された光学装置は、光源（１５）、およびこれに隣接して取り付けられた検出器（１７）を有する光学的に透明な基板（２１）を備える。基板は、光源から離れたターゲットに至る伝播光路上に光学部品を有する。光学部品は、光を１つ以上のビームに分光する。検出器は、ターゲットから反射したビームを受光する。１つ以上のビームを形成し、１つ以上のビームをターゲットに向け、ターゲットからの１つ以上のビームを検出器に向けるために必要なすべての光学部品は、基板、および／または基板に接合される任意の構造体の上に配置される。好適には、光学部品は、各ビームが検出器の固有の各検出部に照射されるように、１つ以上のビーム間の分離間隔を十分に設ける。離れたターゲットから検出器に至る帰還光路上には、各ビームに対して１つの光学部品を設けるか、全く設けない。別の基板（１１）を設けてこの基板に接合する。能動部品は、スペーサブロックを介するか直接に基板の底面に接合されるか、支持基板の上に設けてもよく、スペーサブロックを介するか、直接に、この支持基板を基板に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は光学分野に関し、とりわけ、個別の帰還光路にある１つ以上の信号を
形成する集積化された光学装置に関する。
【０００２】 （関連技術の説明） 数多くの一般的なコンピュータシステムは、データを記憶し、呼び出すことが
できる記憶媒体と協働するディスクドライブ機構を備える。一般的な光ディスク
駆動機構は、従来からレーザを用いて光ディスクに光を伝播するための光学ヘッ
ドを有する。ディスクの表面から反射された光は、光検出器により検出され、デ
ィスクからデータを読み出すように処理される。このような光学ヘッドの一例と
して、オフェイジ（Opheiji）に付与された「不足補正格子を有する平坦な光学 走査ヘッド」と題した米国特許第５，２０４，５１６に開示されてある。
【０００３】 しかしながら、光学ヘッド部品の寸法は、数多くの所望する用途および市場の
需要に対して、あまりにも大きいことが多い。また、集積回路およびシステム基
板の集積度が高まるにつれて、より小型の部品に対する要請が高まっている。加
えて、従来式の光ヘッドを製造するプロセスにおいては、レーザを励起させて、
または点灯させた上で、レーザ、検出器、光学部品を位置合わせする必要がある
（すなわち、「能動位置合わせ（active alignment）」である。）。能動位置合
わせプロセスの一例として、「コンパクトディスク装置のためのホログラフ光ヘ
ッド」と題して、光学技術（Optical Engineering）（１９８９年６月）で説明 され、開示されている。
【０００４】 残念ながら、これらの能動位置合わせ処理が要請するところは、複雑で、時間
を要し、さらに比較的に高価である。さらに、光ヘッドの垂直方向における寸法
の縮小化には限界がある。加えて、能動位置合わせ処理の要請するところに依存
して、操作できる光ヘッドの構成部品は比較的に大きな寸法となる。
【０００５】 （発明の要約） 上述の技術背景を念頭に入れると、本発明の目的は、ディスク駆動機構などの
光ヘッド、およびより小型で安価に製造できる関連する方法を提供することにあ
る。本発明のさらなる目的は、固有の帰還光路を有する１つ以上の信号を形成す
ることにある。
【０００６】 本発明のこれらおよびその他の目的、利点、特徴は、ターゲットからの帰還光
路上において、光学部品を１つ以上有するか、または全く有さない集積化された
光学ヘッドにより実現される。これにより、固有の帰還光路を形成できる。集積
化された光学部品は、第１および第２の表面を有する光学的に透明な基板を有す
る。この基板の一方の表面には、回折光学部品を形成してもよい。レーザなどの
光源は、基板の第１表面に隣接して配置され、基板および回折光学部品を介して
、光学的記憶媒体などのターゲットに向かって光を伝播する。基板内に設けた光
学部品は、光源からの光を１つ以上のビームに分光する。光検出器は、ターゲッ
トで反射して、基板を通過する各ビームを検出するように、基板の第１表面に隣
接して配置される。１つ以上のビームを形成し、１つ以上のビームをターゲット
に向け、ターゲットからの１つ以上のビームを検出器に向けるために必要なすべ
ての光学部品は、基板、および／または基板に接合される任意の構造体の上に取
り付けられる。好適には、検出器は、１つ以上のビームの各ビームを検出するた
めに、１つ以上の検出部を有する。
【０００７】 別の実施形態では、第２の透明基板が位置合わせされて、第１基板に接合され
る。第２基板は、１つ以上の光学部品を保持する。本発明のこの態様によれば、
ベンチまたは他の機械的形状の構成を有する位置合わせ領域は、１つの表面に形
成されて、例えば、結合凹部を他方の表面に形成してもよい。接着接合領域は、
位置合わせ領域と重なり合い、２つの基板を一体に保持する。フォトリソグラフ
技術を用いて、ウェーハ段階において、各ダイの構成部品を正確に配置すること
により、２つのウェーハを正確に位置合わせすることができる。第１および第２
基板を接続するために必要な特別の位置合わせ手段やステップを用いることなく
、アセンブリされたダイを切断することができる。
【０００８】 本発明のこれらおよびその他の目的は、ここに詳述された説明から容易に明ら
かとなる。ただし、本発明の精神と範疇に入る多様な変形例および修正例が、当
業者ならば、この詳細な説明から明らかとなるので、この詳細な説明および特定
の具体例は、本発明の好適な実施形態を説明するためだけのものである。
【０００９】 （好適な実施形態の詳細な説明） ここで、本発明の好適な実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明をよ
り詳細に説明する。ただし、本発明は、数多くの異なる形態として実現すること
ができ、ここで説明する実施形態に限定して解釈されるべきではない。むしろ、
この説明が完全にして完結するために、さらに当業者に本発明の概念を十分理解
させるために、これらの実施形態が説明されるのである。
【００１０】 図１Ａは、光源１０、伝播回折光学部品（ＤＯＥ）６、伝播屈折レンズ１２、
帰還屈折レンズ８、および検出器１７を有する集積化された装置の光学的設計図
である。これらの部品は、透明基板の上に集積化されている。光源１０が照射す
る光は、ＤＯＥ６により複数の光ビームに分割される。これらのビームは、伝播
屈折レンズ１２を介して、ターゲット表面１４まで伝播する。図１Ａにおいて、
任意の数を用いることができるが、一例として、２つのビーム２，４が図示され
ている。これらのビームは、ターゲット表面１４で反射して、帰還屈折レンズ８
を介して、検出器１７に反射する。検出器は、各ビームに対応して、１つ以上の
検出部を有していてもよいし、各ビーム用に設計された固有の領域を有する単一
の検出部を有していもよい。
【００１１】 光源がレーザである場合、光源は、巨視的なシステムのためのカン内に収容さ
れたレーザではなくて、半導体レーザチップそのものであることが好ましい。集
積化されたシステムの寸法は、通常の巨視的システムに比べて極めて小さいので
、ビームがＤＯＥ上であまりにも大きくならず、すべてのビームがＤＯＥ６に入
るように、光源をＤＯＥ６に相当に近接させる必要がある。つまり、本発明の集
積化するとうアプローチの一部は、好適にも、レーザチップまたはダイそのもの
を透明基板に隣接して形成することにある。
【００１２】 集積化された光学装置を形成する上で、最初の設計は、巨視的な設計を単に小
型化しようとすることであった。換言すると、図１Ａで示すように、１つのレン
ズを帰還光路上に配置した。巨視的な形態においては、帰還光路に配置されたレ
ンズにより、適切にビームを検出器に対して伝播させるために、複数のビームを
分離するとともに、集光する。
【００１３】 光源からターゲットまでの伝播光路において、光源１０からの光は、基板１１
の上面の上にあるＤＯＥに伝播する。この距離は、ＤＯＥにおいて十分に幅広い
ビームを形成するために、好適に用いられる。ＤＯＥにより形成されたビームは
、レンズ１２からの所定距離に配置されたターゲット表面１４の上で集光する。
この距離は、媒体（ターゲット）表面において、適正なスポットサイズの変調深
度および焦点深度が実現されるように選択される。
【００１４】 ターゲット表面１４から検出器１７までの帰還光路において、屈折レンズ８が
表面ターゲット１４から距離ｄ２の位置に配置され、屈折レンズ８から距離ｄ１
の位置に配置される。距離ｄ１，ｄ２は、これらの構成部品が実装される基板１
１，２１により決まる。距離の比ｄ１／ｄ２は、媒体から反射した像のレンズに
よる縮小率を左右する。帰還光路において１つのレンズを用いる場合、像を縮小
することで、スポットサイズだけでなくスポット間隔にも影響を与える。例えば
、ターゲット１４上のスポットサイズが０．０２０ｍｍであった場合、１／４に
縮小されると、０．００５ｍｍのスポットサイズが形成されるが、このスポット
サイズは、収差により０．０２５ｍｍの領域に拡大する。帰還光路上において１
つのレンズを用いる場合、図１Ａに示すように、スポット間隔が０．０２５ｍｍ
に縮小され、相当なクロストークノイズが生じる。図１Ａの検出器の平面におい
て、ビームが重なり合うことにより、このノイズを確認することができる。帰還
屈折レンズ８において、ビームが重なり合う。屈折レンズ８を用いて、ビームが
検出器１７の上で識別できるように、十分離れた位置にビームの像を形成するた
めには、帰還屈折レンズ８をターゲット１４により近接して配置する必要がある
。しかしながら、そのように配置すると、所望するように光学装置を集積化した
ことによる特性を活かせなくなってしまう。
【００１５】 このような構成において、帰還屈折レンズ８が適正にビームの焦点を合わせる
ためには、ビーム２，４の角度をできるだけ小さくし、できるだけ同じようにす
ることが必要である。これにより、これらのビームは、帰還屈折レンズ８の中心
位置の上に照射される。図１Ａで示す相対的スケールにおいて、上側基板の上面
からターゲットまでの距離を用いると、ビーム２の角度が５．６度で、ビーム４
の角度が６．９度である。しかし、ビーム２，４は、検出器１７の上で十分に分
離される必要がある。集積化された光学装置を用いた場合、帰還光路上のすべて
のビームを受光するために１つの屈折レンズを用いると、この２つの設計条件は
、互いに合い入れないものとなる。
【００１６】 帰還光路における光学部品を不要にできることを認識して、形成された択一的
な形態を示す図が、図１Ｂであって、光ビームの角度をより大きくして、光ビー
ム角度の間の差を広げている。換言すると、図１Ｂで示す光ビーム２，４の間の
分離は十分であって、ビームを分離するための光学部品を帰還光路上から取り除
いても、検出器１７の上において、ビームを分離して識別することができる。図
１Ｂにおいて、ビーム２の角度が８度で、ビーム４の角度が１１度である。
【００１７】 図１Ｂにおいて、上側基板の上面とターゲット１４の間の距離は、図１Ａと同
じである。したがって、明らかに、ターゲット１４上において、ビームをさらに
分離することができる。数多くの用途において、分離間隔が広がることは問題な
いが、特定の分離間隔が所望される用途においては、集積化された光ヘッドをタ
ーゲット１４に対してより接近して配置することができる。
【００１８】 図１Ｂで示す形態は、数多くの用途の集積化装置にとって好都合であるが、帰
還光路上から光学部品を完全に排除すると、許容できないレベルのノイズが発生
する。図１Ｃで示す一例としての１つの解決手段は、各ビームに対して個別の光
学部品を帰還光路上に備えることである。ビームの分離間隔が広くなったので、
帰還光路上に１つ以上の光学部品を利用することができる。以下に詳細に説明す
る受動位置合わせ処理（passive alignment）により、各ビームに対して１つ以 上の光学部品を必要とする解決手段が実現可能となる。
【００１９】 図１Ｃは、例えば、記憶媒体上の光トラックを検出するための、本発明による
光学装置の光学的設計図である。光源１０は、１５度の分光角度でコヒーレント
な（可干渉性の）光を、対象距離ｄ１、図示しない回折部品（ＤＯＥ）、および
屈折レンズを介して、上方向に伝播する。回折部品ＤＯＥにより、光はいくつも
のビームに分光される。図１Ｃでは、いくつもの光線として３つだけの光線が図
示されている。ビームは、レンズ１２から写像距離離れた位置に配置された表面
１４の上に集光される。写像表面上の光のスポットサイズおよびスポット間隔に
依存して、トラッキングの正確性とともに媒体上に記憶できる情報量が決まる。
縮小できるスポットの大きさは、この場合、およそ０．０２０ｍｍである。図１
Ｃの設計において、屈折レンズ１２は、媒体上に０．０２０ｍｍのスポットに光
を集光するためには、相当な曲率を有する必要がある。クロストークノイズを制
限するために、媒体上の光のスポットを、互いにおよそ０．１００ｍｍ離してお
く。当業者ならば容易に理解されるように、図示された配置手段２９により、光
ヘッドを配置することができる。
【００２０】 好適には、１つ以上のビームを形成し、ターゲット上にビームを照射し、ター
ゲットから検出器にビームを照射する必要のあるすべての光学部品は、基板およ
び／または接合すべき構造体の上に形成されることにより、集積化された光学装
置が提供される。好適には、帰還光路と伝播光路の両方の光路上にある任意の光
学部品は、直径が５００ミクロン、より好適には３００ミクロン未満である。構
成部品の実際の大きさは、集積化された光学装置に利用されるデバイスの全体的
な大きさにより決まるが、波長オーダより小さくするには限界がある。
【００２１】 光学部品が集積されない先行技術で教示されたように、単一レンズを用いて設
計しようとすれば、この小型な構成において０．０２０ｍｍのスポットにレーザ
光を集光するために必要なレンズの曲率により、単一レンズの寸法が左右される
。つまり、光学ヘッドの大きさを小さくするために、先行技術で教示された単一
レンズを使用することは、全体の光ヘッド装置の大きさを小さくする上での制限
要素となっている。この制限要素により、本発明においては、単一レンズではな
く複数のレンズを用いる理由の１つになっている。複数のレンズを用いることに
より、各ビームが、帰還光路上のこれらレンズのうちの１つにだけ入射するよう
に、ビーム間の分離間隔を十分に取ることができる。
【００２２】 距離の比ｄ１／ｄ２は、媒体から反射した像のレンズによる縮小度を決定する
。単一レンズ設計においては、この縮小度は、スポットサイズのみならず、スポ
ット間隔にも影響を与える。１／４の縮小度により、０．００５ｍｍのスポット
サイズが形成されるが、このスポットサイズは、収差により０．０２５ｍｍの領
域に拡大する。単一レンズ設計を用いる場合、スポット間隔も同様に、０．０２
５ｍｍまで縮小され、相当のクロストークノイズが生じる。およそ０．２００ｍ
ｍ離れた個別のレンズを用いることにより、検出器を約０．２２０ｍｍ離すこと
ができて、０．０２５ｍｍの光スポットを用いて、クロストークノイズを排除す
ることができる。
【００２３】 このように、伝播光路上においてビームの間隔を広げることにより、帰還光路
上の各ビームに対して個別の光学部品を用いて、検出器に対してビームを適正に
集光することができる。さらに、こうした個別の構成部品は、小型システムによ
り容易に集積化される。集積化されたシステムにおいては、光源にできるだけ接
近して媒体の上に回折格子を配置することが好ましいが、ビーム間の分離間隔は
維持する必要がある。この距離があまりにも短い場合、ビーム間の分離を維持す
るためには、より大きい偏向角度が必要となる。このとき、ビームがよりいっそ
う広がって、このシステムは、（紙面をｚ軸とすると）ｘ−ｙ方向において、あ
まりにも大きくなる。このように広がると、収差も同様に広がる。したがって、
角度は、できるだけ小さくする必要があり、一方、光源から検出器までの距離が
短い場合であってもビーム間分離を維持される。
【００２４】 図２は、本発明の好適な実施形態による光トラッキング装置を有する磁気フロ
ッピディスクヘッド５の側面図である。ヘッド５は、、媒体１４のさまざまなト
ラックに亙って延伸できるように、図示しない手段によりアーム部３に取り付け
られている。ヘッド５は、フレキシブルプリント基板回路７により、読み出し書
き込み回路およびトレース制御回路に電気的に接続されている。およそ２ｍｍ×
１．６ｍｍで、深さが４．５または５ｍｍの凹部９がヘッド部５に形成され、こ
の凹部内に基板１１を有する光学装置が取り付けられ、フレキシブル基板回路７
に接続される。同じ装置技術および方法を用いて、本発明による光学式ディスク
読取りヘッド、および光学的にトラッキングする磁気ディスクヘッドを形成でき
ることが理解されよう。
【００２５】 ここで、図３を参照すると、溶融シリカまたは光学材料からなる第１の透明基
板１１は、例えば、基板基準マークや記号、正確に位置合わせされたフォトリソ
グラフマスク、およびマイクロエレクトロニック回路の製造技術として広く知ら
れた金属積層技術を用いて、その底面１３に金属被膜パッドまたはコンタクトパ
ッドが配置されている。この好適な実施形態において、基板１１の表面１３は、
およそ１．６ｍｍ×２ｍｍで、厚さが０．８ｍｍである。レーザチップ１５は、
上述の金属被膜パッドのいくつかの手段により、表面１３に取り付けられている
。図３Ａを参照すると、レーザ１５は、端面発光（エッジ発光）レーザであって
、図３Ｂで示す精密鏡３３３を介して上方向に光を照射している。理解されるよ
うに、端面発光レーザ１５の代わりに、垂直キャビティ表面発光レーザを用いる
ことにより、基板表面に対して垂直方向にレーザビームを向けるための精密鏡を
不要にすることができる。
【００２６】 光検出チップ１７も同様に、金属被膜パッドにより基板１１の部品表面に取り
付けることができる。基板１１の対向する側にあるホログラム表面１９は、図７
で詳細に説明する回折光学部品を保持している。回折光学部品の位相形状は、コ
ンピュータ数値計算を用いて設計し、スワンソンらに付与された米国特許第５，
１６１，０５９号で教示された技術を用いて製造する。この米国特許は、ここに
一体のものとして統合される。
【００２７】 光学部品は、金属被膜パッドを配置するための基準マークや記号と同じものを
用いて、フォトリソグラフ技術により形成される。択一的には、第１の基準マー
クに対して位置合わせされた第２の基準マークを用いて、光学部品を形成するた
めに用いられるマスクを位置合わせすることができる。このようにして、光源、
鏡、および検出器を金属被膜パッドの上に取り付けるとき、このデバイス間の光
学部品を介した光路は、図３Ａおよび図３Ｂでより明らかに示すように、光学的
に位置合わせされている。端面発光レーザからの光の向きを変えるために必要な
らば、この精密鏡は、シリコンチップに金属被膜パッドおよび半田を用いて取り
付けられるという理由においてのみ、本明細書の目的のためのデバイスとして考
慮される。ホログラム表面１９は、第１透明基板１１に第２透明基板２１を接合
するための接合領域２３を有する。
【００２８】 第２基板２１は、レンズ対またはダブレットの第２レンズを設けた表面２５に
屈折光学部品を保持する。レーザ１５からの光は、ホログラム表面１９に設けた
回折光学部品により３つの光ビームに分光され、この光ビームは、基板２１を介
して媒体までおよそ２．４ｍｍ伝播する。各ビームの主要な光線だけが、説明の
ために図３に明確に示されている。１つのビームは、光強度フィードバックのた
めに用いられて、レーザ１５に対する電力を制御する。その他の２つのビームは
、媒体位置またはトラッキング検出のために用いられる。コヒーレントな光のビ
ームは、媒体１４で反射し、第２基板２１および第１基板１１を通過して帰還し
、検出器１７により検出される。金属被膜パッドを配置したために、すべての光
学部品は、光学的に位置合わせされるように設計されており、レーザを励起して
、１つの部品を他の部品に対して移動させて、光学的に位置合わせする必要がな
い。換言すると、先行技術においてレーザを動作させる必要のある能動位置合わ
せ（active alignment）よりはむしろ、受動位置合わせ（passive alignment） が用いられる。理解されるように、ビームは、表面１９にある回折光学部品を先
に通過することが好ましいが、光路上の光学部品の順序を変えることができ、本
発明の範囲から逸脱しない限り、１つ以上の複合的部品と組み合わせることがで
きる。
【００２９】 図３Ｂは、図３Ａの装置のもう一方の側面図である。図３Ｂで図示するように
、端面発光レーザ１５から発した光は、部品表面１３の平面と実質的に平行に進
み、鏡３３の４５度の傾斜表面により、部品表面に対して垂直に光の向きを変え
る必要がある。光は、その後、基板１１、表面１９上の回折光学部品、表面２５
上の屈折レンズ１６、および基板２１を通過して、図１Ａないし１Ｃおよび図３
Ａで図示するように、媒体１４で反射する。
【００３０】 図４Ａは、透明基板１１を部品表面１３の方から見たときの平面図である。電
気的に接続する金属被膜３９，４１，４３，４５は、検出器１７の検出フォトダ
イオードと電気的に接続される。検出器１７の下方にあって、中央部に配置され
るのは、金属被膜領域５３であって、３つの開口部を有し、この開口部を介して
媒体１４から反射した光を受光する。領域５３の両側に配置された半田ボール位
置合わせ領域４７は、この実施形態においては、電気的接続および位置合わせ機
構の両方として機能する。領域４９は、同様に、半田ボールまたはパッドであっ
て、レーザ１５を第１基板に対して位置合わせし、接続、レーザ１５に電流を供
給するために機能する。他方、領域５１は、機械的に位置合わせし、第１透明基
板１１に対して鏡３３を機械的に接続するためだけにある。
【００３１】 図４Ｂは、ホログラム表面１９を基板１１の方から見た平面図である。ホログ
ラム表面１９は、金属被膜領域５５を有し、この金属比膜は、迷光を低減し、回
折光学部品によりレーザ光から３つのビームを形成するマスクとして機能する。
これにより、３つのビームは、媒体１４の方に向かい、媒体で反射して、金属被
膜領域５９内に示す５つの開口部を介して検出器に到達する。金属被膜領域５５
の周囲には、検出器１７に悪影響を与えないように、レーザ１５からの迷光を散
乱する回折格子５７が設けてある。
【００３２】 図４Ｃは、同様に、屈折レンズ表面２５を示し、今回は基板２１の方から見た
平面図である。マスク５５上の回折光学部品と協働して、レンズ６１は、レーザ
光を成形し、スポット直径が２０ミクロンで、ビーム間隔が約１００ミクロンの
３つのスポットに、媒体１４上に集光する。レンズ６３と６５は、位置制御およ
び／またはデータ読み取りのために、マスク５９を介して、媒体１４で反射した
光を検出器１７に集光する。レンズ６７は、検出器１７のフォトダイオードに反
射光を集光して、このフォトダイオードが、レーザ１５に供給する電力を制御す
る電源制御回路に対して、信号強度のレベルを提供する。表面１９と表面２５の
両方の周囲には、一般に、図４Ｂ，４Ｃで示すような接合領域７１が設けてある
。領域７１は、間隔を設けたスタンドオフの台座を有し、その中に基板２１と接
合するための接着剤が配置されている。スタンドオフ台座により、受動的に、適
正に、または所望するように垂直間隔を設け、または位置合わせする。接着剤は
、硬化する時間を気にすることなく配置できるので、紫外線硬化型の接着剤が好
ましい。接着剤７１を領域７１に配置した後、基板１１および２１を位置合わせ
して、紫外線を照射して、接着剤に触媒作用を引き起こす。別の実施形態では、
フォトリソグラフ技術を用いて、接着剤を配置した金属被膜パッドとともに配置
して、半田ボール技術を用いて２つの基板を接合する。
【００３３】 図４Ｂは、マスク５５とともに、３つの回折光学部品７３，７５，７７を図示
している。３つの回折光学部品７３，７５，７７は、媒体から反射した５つのビ
ームを提供し、図３Ａでは、３つの主要な光線が図示されている。光学部品７５
は、媒体から反射された電源制御ビームを与え、図４Ｂで示すマスク５９上の開
口部７９で受光される。光学部品７３と７７は、各々、媒体において干渉する２
つビームを与え、１本の暗い光バンドとその両端に２つの明るい光バンドを形成
する。一対の明るい光バンドは、図４Ｂで示す一対の開口部８１，８３と８５，
８７に向かって反射し、媒体上の光トラックを検出するために、変化する光強度
を与える。回折光学部品を含む開口部７３，７５，７７は、長さが約１００ミク
ロンで、幅が２０ミクロンである。
【００３４】 図５は、各帰還光路上に個別の屈折部品を設けた択一例を示す。図５において
、帰還光路上の回折光学部品３９の代わりに、各屈折部品が用いられている。同
様に、伝播光路上の回折光学部品３７に代わって、屈折部品が用いられ、これに
より、精密鏡３３を介して放射源１５から出力される光線を分光する。回折光学
部品３７は、ターゲット表面１４上の回折格子に照射されるビームを分光する。
帰還光路上において、回折部品を用いることは、一般には、屈折部品を使うこと
よりもあまり好適ではない。回折光学部品は、波長依存性がより強く、分光角度
が大きいときあまり効率的でない。
【００３５】 図５と同様に、図６および図７を参照すると、能動部品は、好適にはシリコン
基板である支持基板３１の上に取り付けられる。支持基板３１は、ここに取り付
けられた能動部品のヒートシンクとしても機能する。接合領域２３は、回折光学
部品３７，３９が取り付けられた基板１１から基板３１を離間させる。透明基板
１１上のこれらの部品を取り付けた上述の方法と同様にして、受動位置合わせ処
理を用いて、能動部品を支持基板３１の上に取りつけることができる。接合領域
２３は、支持基板３１内に凹部をエッチング形成して、この内部に、レーザ１５
、検出器１７、および任意選択的な鏡３３を形成することができる。換言すると
、基板３１のエッチングされない部分が、接合領域２３として機能する。基板１
１，３１は、半田材料２７により接合してもよい。さらに、凹部に隣接する基板
の傾斜側壁を、鏡３３として機能させるようにしてもよい。択一的には、図６お
よび図７で図示するように、接合領域２３は、基板３１とは別のスペーサブロッ
クを有していてもよい。鏡３３は、図６で示すように、スペーサブロックとは個
別の部品であってもよいし、図７で示すように、スペーサブロックとしてその機
能を果たすようにしてもよい。
【００３６】 図６で示すように、帰還光路上には光学部品を用いないような、本発明の別の
実施形態が開示されている。伝播光路上の回折部品３７は、十分な分光角度を与
えるので、検出器１７に照射されるビームを十分に識別できる。これは、回折部
品に対する基板１１の対向表面の上に、屈折部品１９を設けることにより、容易
に実現される。
【００３７】 図７は、さらに別の実施形態であって、帰還経路上に光学部品が用いられてい
ない。図７において、屈折部品１９が別の基板２１の上に設けた回折部品３７に
対向するように取り付けられている。
【００３８】 図８を参照すると、フォトリソグラフ技術を用いて、基板２５の上に光学部品
を、回折部品および／または電子デバイスに対して位置合わせして配置する方法
が図示されている。マイクロレンズ１１５の形態を有する屈折光学部品は、マス
クを用いて、フォトレジスト１１１の円形層を光学材料の表面に配置することに
より形成される。フォトレジストが部分的な球面形状１１３を有するように、制
御された熱源を用いて、フォトレジストの一部を流動化させる。その後、フォト
レジスト１１３の厚さを連続的に変化させるような可変的なエッチング速度によ
り、表面２５がエッチングされて、フォトレジスト１１３と実質的に同じ形状を
有する屈折部品１１５が形成される。複合的な（ハイブリッド）光学部品が必要
である場合、マイクロレンズ１１５を、さらにエッチング処理またはエンボス処
理する。１つの実施形態においては、フォトレジスト層１１７をマイクロレンズ
１１５の上方に配置して、回折光学部品の位相パターンを有するフォトリソグラ
フマスクを介して露光する。露光したフォトレジストを現像したとき、マイクロ
レンズの表面をさらにエッチングして、屈折光学部品のパターンを与えて、複合
的な光学部品を形成することができる。別の実施形態においては、フォトレジス
トの代わりに、ポリマをマイクロレンズの上方に配置して、符号１２１で示すよ
うに、ポリマに対して位相パターンをエンボス処理する。理解されるように、凸
レンズ部品が図示されているが、同様の技術を用いて、凹状マイクロレンズを形
成することができる。図６で示すように、例えば、２表面ハイブリッド部品を設
ける代わりに、単一表面ハイブリッド部品１１９を伝播光路上で用いることが好
ましい。
【００３９】 これまで図示して説明した１つ以上の基板を有する構造体においては、すべて
の基板は、受動的に位置合わせし、以下に詳述するようにフォトリソグラフ技術
によるパターンを用いて接合することができる。以下の説明において、透明基板
１１，２１を参照しているが、支持基板３１も類似した方法により位置合わせし
てもよい。能動部品を含む支持基板を位置合わせするとき、図５ないし図７で図
示した集積化された光学装置は、複数の能動部品を含む支持ウェーハを、対応す
る複数の光学部品を含む透明基板に受動的に位置合わせすることにより、形成す
ることができる。その後、この対をなす支持−透明ウェーハをダイス切断するこ
とができる。択一的には、支持ウェーハを切断して、個々のレーザ／検出器を、
例えば、フリップチップ接合方法により透明基板に位置合わせして、接合するこ
とができる。最初に、個々の能動装置を形成することにより、レーザを独立して
検査することができる。
【００４０】 図９は、光学装置としてアセンブリしてダイス切断する前の２つの透明基板１
１，２１を示す図である。各構成部品は、フォトリソグラフ技術を用いて、各基
板上に正確に配置されているので、ウェーハ全体は、チップにダイス切断される
前に、基板１１上のレーザデバイスを全く励起させる必要なく、位置合わせして
連結することができる。図９は、各ダイの所定位置に配置されたレーザ、鏡、お
よび検出器を示すために、図２，３Ａ，３Ｂで図示されたものとは上下反転して
いる。支持基板３１が、１つまたは両方の透明基板に対して位置合わせして、図
５ないし図７で示す構成を形成する場合、当然ながら、能動部品は、ウェーハ１
１の上面には配置されない。
【００４１】 ウェーハを接合する前に、例えば、紫外線硬化接着剤などの接着剤を、少なく
とも一方のウェーハ上の各ダイの領域７１に配置する。接着剤を配置した後、２
つのウェーハの一方のウェーハに他方を位置合わせして配置する。本発明の１つ
の実施形態では、広く知られたフォトリソグラフマスク位置合わせ装置を補正基
準マーク９３，９５とともに用いて、２つの基板が互いに位置合わせされるまで
、これらの相対的位置をモニタする。基板１１を基板２１の上に下ろして、位置
合わせが再確認され、接着剤が紫外線により硬化される。
【００４２】 別の実施形態においては、２つのウェーハは、機械的な結合部材９１を用いて
、受動的に位置合わせされる。上述のスペーサブロックに加えて、機械的な結合
部材の３つの形態が、図１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに具現化され、図示されている
。図１０Ａで示す１つの実施形態は、基板１１，２１の結合面にエッチングされ
たＶ字型溝９７の形態を有する。２つのウェーハを位置合わせするために、これ
らの溝を球９９に対して位置合わせする。注目すべきは、これらのダイがウェー
ハとして一体である場合、ダイを位置合わせするためには、たった数個の溝と球
があればよいということである。位置合わせ手段の別の実施形態は、図１０Ｂで
示すように、フォトリソグラフ技術を用いて配置した金属被膜パッド１０１を有
し、半田ボール１０３をリフロー処理して接合する。択一的には、半田ボール１
０３を用いることなく、金属被膜パッド１０１を半田で形成してもよい。図１０
Ｃで示すさらに別の実施形態は、周囲表面だけを残してエッチングすることによ
り隆起したベンチ１０５を形成し、フォトリソグラフ技術を用いて配置されたエ
ッチャント、好適には反応性エッチャントを用いて形成された凹部１０７とベン
チ１０５を位置合わせする。
【００４３】 各ダイの接着領域７１において、２つの基板同士間に正確な間隔を設ける手段
が必要であるかもしれない。間隔を設ける１つの実施形態は、図１０Ｄで示すベ
ンチ１０９の手段により実現される。３つまたはそれ以上のベンチ１０９は、各
ダイの周囲にある領域７１内に、高圧力を有する接着剤の中で配置される。別の
実施形態では、半田バンプまたは半田ボールおよび金属被膜が、領域２３で用い
られ、図１０Ｂで示す接合と位置合わせを実現する。択一的には、高圧力を有す
る接着剤を選択した場合、接着剤を硬化させた後、ウェーハ全体の間隔を設ける
ためには、たった３つまたはそれ以上のベンチしか必要とせず、接合されたウェ
ーハをダイス切断することができる。
【００４４】 好適な実施形態に関連して説明してきたが、光学的システム設計の当業者なら
ば理解されるように、よりいっそうさまざまな構造および実施の形態における変
形例が、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、実現することができる。例
えば、回折部品に対して電子部品を正確に配置する基板と同じ基板の上に、フォ
トリソグラフ技術を用いて回折光学部品を配置してもよい。同様に、フォトリソ
グラフ技術を用いて、屈折光学部品を同一基板の別の表面上に位置合わせして配
置することができる。これにより、位置合わせするために、この装置における光
源を能動的に励起することなく、光学装置全体をたった１つの基板を用いて製造
することができる。
【００４５】 図面および明細書において、これまで本発明の好適な実施形態を説明し、図示
した。ここでは、特定の文言を用いたが、説明的意図をもって用いられたもので
あって、限定的な意味はない。本発明は、これらの図示された実施形態を参照し
て、相当に詳細に説明してきた。しかしながら、上述の明細書で開示され、添付
されたクレームで定義された本発明の精神と範囲を逸脱することなく、多様な修
正例および変形例が実現可能である。
【００４６】 本発明の目的および利点のいくつかが説明されるが、添付図面を参照しながら
本明細書を読めば、その他の目的および利点も明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 図１Ａは、本発明による集積化された光学装置の実施形態を示
す概略図である。
【図１Ｂ】 図１Ｂは、本発明による集積化された光学装置の別の実施形態
を示す概略図である。
【図１Ｃ】 図１Ｃは、本発明による集積化された光学装置を示す概略図で
ある。
【図２】 図２は、本発明による集積化された光学装置の断面図である。
【図３Ａ】 図３Ａは、本発明による集積化された光学装置の垂直断面図で
ある。
【図３Ｂ】 図３Ｂは、図３Ａで示す本発明による集積化された光学装置を
９０度回転させたときの垂直断面図である。
【図４Ａ】 図４Ａは、本発明による集積化された光学装置の第１の透明基
板を部品面から見た平面図である。
【図４Ｂ】 図４Ｂは、本発明による集積化された光学装置の第１の透明基
板のホログラム光学部品を示す平面図である。
【図４Ｃ】 図４Ｃは、本発明による集積化された光学装置の第２の透明基
板の屈折レンズ表面から見た平面図である。
【図５】 図５は、伝播光路上に回折部品、および帰還光路上に別の回折部
品を有する、本発明による集積化された光学装置の断面図である。
【図６】 図６は、伝播光路上の１つの基板上に回折部品と屈折部品を有し
、帰還光路上には光学部品を有さない、本発明による集積化された光学ヘッドの
断面図である。
【図７】 図７は、伝播光路上の２つの基板上に回折部品と屈折部品を有し
、帰還光路上には光学部品を有さない、本発明による集積化された光学ヘッドの
断面図である。
【図８】 図８は、本発明による集積化された光学ヘッドの垂直断面図であ
って、複合化マイクロレンズを形成する方法を示す。
【図９】 図９は、本発明による２つのウェーハを有する１つの物品を示す
斜視図である。
【図１０Ａ】 図１０Ａは、本発明による位置合わせの具体例を示す垂直断
面図である。
【図１０Ｂ】 図１０Ｂは、本発明による位置合わせの具体例を示す垂直断
面図である。
【図１０Ｃ】 図１０Ｃは、本発明による位置合わせの具体例を示す垂直断
面図である。
【図１０Ｄ】 図１０Ｄは、本発明による位置合わせの具体例を示す垂直断
面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 アラン・ディ・キャスマン アメリカ合衆国28269ノースカロライナ州 シャーロット、ローン・トゥリー・レイン 4700番 (72)発明者 ダブリュー・ハドソン・ウェルチ アメリカ合衆国28213ノースカロライナ州 シャーロット、フォックスバーロウ・ロー ド735番 Ｆターム(参考） 2H049 AA25 AA57 AA64 5D119 AA04 AA38 BA01 CA09 FA05 FA21 JA02 JA03 JA13 JA14 JA64 JC03 JC04 JC07 KA02 LB07 NA02

Claims (44)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 集積化された光学装置であって、 第１および第２の対向表面を有する光学的に透明な第１基板と、 第１基板を介して、離れたターゲットに光を照射するための、第１基板に隣接
    して取り付けられた光源と、 光源からターゲットに至る伝播光路上にあって、光を１つ以上のビームに分光
    するための、第１基板上に配置された伝播光学システムと、 ターゲットから反射した１つ以上のビームを受光する検出器とを備え、 １つ以上のビームを形成し、１つ以上のビームをターゲットに向け、ターゲッ
    トからの１つ以上のビームを検出器に向けるために必要なすべての光学部品は、
    第１基板、および第１基板に接合される任意の構造体の少なくとも一方の上に配
    置されることを特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の光学装置であって、 検出器は、離れたターゲットで反射した１つ以上のビームの各々を受光するた
    めの１つ以上の光検出部を有し、 伝播光学システムが、１つ以上のビームの各々が、１つ以上の光検出部のそれ
    ぞれの固有の光検出部に伝播するように、１つ以上のビームの間を十分に分離す
    ることを特徴とする光学装置。
  3. 【請求項３】 請求項２の光学装置であって、 それぞれの固有の光検出部に各ビームを伝播させるための、帰還光学システム
    をさらに備えることを特徴とする光学装置。
  4. 【請求項４】 請求項３の光学装置であって、 帰還光学システムが各ビームに対する屈折部品を有することを特徴とする光学
    装置。
  5. 【請求項５】 請求項３の光学装置であって、 帰還光学システムが各ビームに対する回折部品を有することを特徴とする光学
    装置。
  6. 【請求項６】 請求項３の光学装置であって、 帰還光学システムが１つ以上のビームを集光することを特徴とする光学装置。
  7. 【請求項７】 請求項３の光学装置であって、 帰還光学システムの光学部品は、直径が５００ミクロン未満であることを特徴
    とする光学装置。
  8. 【請求項８】 請求項１の光学装置であって、 伝播光学システムは、複合的な回折／屈折部品を有することを特徴とする光学
    装置。
  9. 【請求項９】 請求項８の光学装置であって、 複合的な回折／屈折部品は、第１基板の１つの表面上に形成されることを特徴
    とする光学装置。
  10. 【請求項１０】 請求項８の光学装置であって、 複合的な回折／屈折部品の屈折部は、第１基板の第１表面上に形成され、 複合的な回折／屈折部品の回折部は、第１基板の第２表面上に形成されること
    を特徴とする光学装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１の光学装置であって、 ターゲットから検出器に至る帰還光路上には、光学部品が存在しないことを特
    徴とする光学装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１の光学装置であって、 光源および検出器を第１基板上に取り付けるための手段を、さらに備えること
    を特徴とする光学装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１の光学装置であって、 光源および検出器を取り付けるための支持基板と、 支持基板と第１基板を接合する接合手段とを、さらに備えることを特徴とする
    光学装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１３の光学装置であって、 接合手段は、第１基板と支持基板の間のスペーサブロックを有することを特徴
    とする光学装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１の光学装置であって、 ターゲットは、１つ以上のビームが照射される回折格子を有することを特徴と
    する光学装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１の光学装置であって、 光学装置は、離れたターゲットに対するセンサの位置を決定するための位置セ
    ンサであることを特徴とする光学装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１の光学装置であって、 光学装置は位置センサで、離れたターゲットは光ディスクで、 位置センサは、光ディスク上の磁気ヘッドの位置を決定するために用いられる
    ことを特徴とする光学装置。
  18. 【請求項１８】 請求項１の光学装置であって、 光源は、端面発光レーザで、 光学装置は、端面発光レーザからの光の方向を変えるために用いられる鏡を、
    さらに備え、 鏡は、第１基板に隣接して取り付けられることを特徴とする光学装置。
  19. 【請求項１９】 請求項１の光学装置であって、 光源は、垂直キャビティ表面発光レーザであることを特徴とする光学装置。
  20. 【請求項２０】 請求項１の光学装置であって、 第１基板に対して、光源と検出器の少なくとも一方を受動的に位置合わせする
    ための機械的な結合手段を、さらに備えることを特徴とする光学装置。
  21. 【請求項２１】 請求項２０の光学装置であって、 機械的結合手段は、光源と基板間を正確に分離するためのスペーサブロックを
    有することを特徴とする光学装置。
  22. 【請求項２２】 請求項１の光学装置であって、 光源と検出器の少なくとも一方を配置しやすくするために用いられる、基板の
    底面上に少なくとも１つの金属パッドを、さらに備えることを特徴とする光学装
    置。
  23. 【請求項２３】 請求項２２の光学装置であって、 少なくとも１つの金属パッドの上に半田パッドを、さらに備えることを特徴と
    する光学装置。
  24. 【請求項２４】 請求項１の光学装置であって、 光源は、第１基板に直接的に接合される半導体レーザチップであることを特徴
    とする光学装置。
  25. 【請求項２５】 請求項１の光学装置であって、 光源は、スペーサブロックを用いて、第１基板に接合される半導体レーザチッ
    プであることを特徴とする光学装置。
  26. 【請求項２６】 請求項２の光学装置であって、 １つ以上の光検出部は、１つの検出器上の１つ以上の領域からなることを特徴
    とする光学装置。
  27. 【請求項２７】 請求項１の光学装置であって、 第１基板と接合される任意の構造体は、 光学的に透明であって、集積された伝播光学システムの光学部品を有する第２
    基板と、 第１基板と第２基板を一体に接合する接合手段とを、さらに備えたことを特徴
    とする光学装置。
  28. 【請求項２８】 請求項２７の光学装置であって、 第１基板と第２基板の接合手段は、第１基板と第２基板の間のスペーサブロッ
    クを有することを特徴とする光学装置。
  29. 【請求項２９】 請求項２７の光学装置であって、 第１基板の上面に回折光学部品と、 第２基板の下面に屈折光学部品とを、さらに備えたことを特徴とする光学装置
    。
  30. 【請求項３０】 請求項１の光学装置であって、 伝播光学システムは、単一の回折光学部品であることを特徴とする光学装置。
  31. 【請求項３１】 請求項１の光学装置であって、 伝播光学システムは、複数の回折光学部品であることを特徴とする光学装置。
  32. 【請求項３２】 請求項１の光学装置であって、 伝播光学システムにおける光学部品は、直径が５００ミクロン未満であること
    を特徴とする光学装置。
  33. 【請求項３３】 請求項１の光学装置であって、 伝播光路、およびターゲットから検出器に至るまでの帰還光路の少なくとも一
    方の光路上に、フォトリソグラフ技術を用いて形成された金属部をさらに備え、 金属部がマスクとして機能することを特徴とする光学装置。
  34. 【請求項３４】 請求項１の光学装置であって、 １つ以上のビームを検出器に照射するための帰還光学システムを、さらに備え
    ること特徴とする光学装置。
  35. 【請求項３５】 請求項３４の光学装置であって、 帰還光学システムは、１つ以上のビームを集光すること特徴とする光学装置。
  36. 【請求項３６】 光学装置を集積化する方法であって、 第１基板を介して、離れたターゲットに光を照射するための光源を、光学的に
    透明な第１基板に隣接して実装するステップと、 光源からターゲットに至る伝播光路上にあって、１つ以上のビームに分光する
    ための、第１基板上に配置された伝播光学システムを形成するステップと、 ターゲットから反射した１つ以上のビームを受光する検出器を、第１基板に隣
    接して実装するステップと、 １つ以上のビームを形成し、１つ以上のビームをターゲットに向け、ターゲッ
    トからの１つ以上のビームを検出器に向けるために必要なすべての光学部品を、
    第１基板、および第１基板に接合される任意の構造体の少なくとも一方の上に配
    置するステップとを有することを特徴とする方法。
  37. 【請求項３７】 請求項３６の方法であって、 光源を実装するステップ、および検出器を実装するステップの各なくとも一方
    は、第１基板に対して受動的に位置合わせするステップを含むことを特徴とする
    方法。
  38. 【請求項３８】 請求項３６の方法であって、 光源および検出器を支持基板の上に実装するステップと、 支持基板と第１基板を一体に接合するステップとを、さらに有することを特徴
    とする方法。
  39. 【請求項３９】 請求項３６の方法であって、 伝播光路上に光学部品を有する光学的に透明な第２基板、および第１基板を一
    体に接合するステップを、さらに有することを特徴とする方法。
  40. 【請求項４０】 請求項３６の方法であって、 ターゲットから検出器に至る帰還光路上に帰還光学システムを形成するステッ
    プを、さらに有することを特徴とする方法。
  41. 【請求項４１】 請求項３６の方法であって、 マスクとして機能する金属部を、ターゲットから検出器に至るまで帰還光路上
    にあって、第１基板上にフォトリソグラフ技術を用いて形成するステップを、さ
    らに有することを特徴とする方法。
  42. 【請求項４２】 請求項３６の方法であって、 スペーサブロックを介して、光源と基板の間に正確な間隔を設けるステップを
    、さらに有することを特徴とする方法。
  43. 【請求項４３】 請求項３６の方法であって、 光源と検出器の少なくとも一方を配置しやすくするための、第１基板の底面上
    に少なくとも１つの金属パッドを形成するステップを、さらに有することを特徴
    とする方法。
  44. 【請求項４４】 請求項３６の方法であって、 少なくとも１つの金属パッドの上に半田パッドを形成するステップを、さらに
    有することを特徴とする方法。
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