JP2004311861A

JP2004311861A - 複合光学装置及びその製造方法

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Publication number: JP2004311861A
Application number: JP2003106156A
Authority: JP
Inventors: Kiyotsugu Tanaka; 清嗣田中; Mitsunori Ueda; 充紀植田; Kazuhiro Shinoda; 和宏篠田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: JP4446149B2

Abstract

【課題】光学素子と面発光型素子とを接合した構成を有する複合光学装置において、両素子の間の位置精度を高める。
【解決手段】複合光学装置の製造において、複数の面発光型素子２を平面上に配列させた構成をもつ集合体４と、複数の光学素子３を平面上に配列させた構成をもつ集合体５を作製し、両集合体の間で位置調整を行ってから接合する。そして、集合体４、５が接合された結合物を個々の部品に切断して、個々の複合光学装置に分離する。素子分離前にアライメント作業を高い精度で一度に行うことができる。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子（微小レンズ等）と面発光型素子（レーザーダイオードや発光ダイオード等）とを接合して構成される複合光学装置において、光学素子と面発光型素子との光学的な位置調整について高い精度及び信頼性を得るための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザーダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）や発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｅｄＤｉｏｄｅ）等の面発光型の発光素子を光源として用いた各種の光学デバイスが知られている。
【０００３】
例えば、レーザーダイオードの用途として、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋ）やＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）等、光ディスクの記録再生用光源、あるいは光ファイバーを用いた通信用デバイスの光源（例えば、非特許文献１参照）等が挙げられる。また、ＬＥＤは、表示ランプや低速の光通信用光源等に用いられている。
【０００４】
このような発光素子に対して光学素子（レンズやミラー等）を組み合わせた構成のデバイスにおいて、両素子の間で光学的な調整を高い精度で行うことが要求される（レーザーダイオードと光ファイバーとの結合においてコリメータレンズ（あるいはコリメ−ティングレンズ）等の光学素子を用いる構成形態等では、結合効率等への影響が問題とされる。）。
【０００５】
例えば、レーザーダイオードを光源とする場合について説明すると、レーザーは化合物半導体上に活性層を形成してその両端のへき開により共振器を形成しているため、レーザー発光の方向がウェハーの表面に対して平行な方向となる（ウェハー状態のままでは発光させることができない。）。そこで、例えば、シリコン基板上にワイヤーボンディング用電極を形成しておくとともに、該シリコン基板上にレーザーチップをペーストでマウントし、シリコン基板上の電極（パッド）とレーザーチップの電極（パッド）とをワイヤーボンディングで接続する。そして、シリコン基板の電極に通電して素子を発光させる。
【０００６】
このような製造工程を経ることにより、レーザーの発光点位置は、素子外形の基準面（機械的な位置決めの基準面）に対して、ある程度のバラツキをもつことになるので、個々の素子を使用する場合には、レーザーダイオードを実際に発光させたときの発光点位置を基準とするアライメント作業が必要である。
【０００７】
尚、このことは、レーザーダイオードに比べてそれほど高い精度を要求されない発光ダイオードにおいても同様であり、例えば、個々の発光素子を作製した後、反射ミラー等の光学素子と組み合わせて使用する場合に、ＬＥＤ素子を発光させて光学的な調整（光軸合わせ等）を行う必要がある。
【０００８】
【非特許文献１】
米津宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子−」、第３版、工学図書株式会社、昭和６１年（１９８６年）１２月，ｐ．２６６−２７１
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の製造方法では、発光素子と光学素子との間でアライメントの精度を高くすることが困難であるか、あるいは所定の精度を得るための調整作業が複雑であったり、時間がかかる等の問題がある。
【００１０】
例えば、レーザーダイオードを用いる場合の光学素子のアライメント作業では、発光点を通る基準軸に関して並進方向の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）と、傾動方向（あおり方向等）の２軸及び回動方向の１軸とを合わせた最大６軸の調整が必要とされ、その作業を個々の素子について行う必要があるため、大掛かりな設備を必要としコスト上昇の一因となっていた。
【００１１】
尚、発光素子がウェハー上に作製された状態では、素子の形成領域以外の場所に付された基準マークから所定の位置精度（例えば、サブミクロンオーダー）をもって多数の素子が配列されているが、それらの素子を分割することによって、位置決めの基準となるべきものが無くなってしまう。また、外形を基準とした位置精度を想定した場合に、寸法精度に十分注意して加工（ダイシング）を行ったとしてもウェハー上での精度に比べて低くなってしまう。つまり、集合体として形成される発光素子を、１つ１つの素子に分割した後で精度の高い調整を行うことは困難であり、従来の方法では精度面で限界がある（あまり精度を要求されない場合にしか適用できない。）。
【００１２】
そこで、本発明は、光学素子と面発光型素子とを接合した構成を有する複合光学装置において、両素子の間の位置精度を高めることを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合光学装置の製造方法は、上記した課題を解決するために、下記に示す工程を有する。
【００１４】
（１）複数の面発光型素子を平面上に配列させた構成をもつ第一の集合体及び複数の光学素子を平面上に配列させた構成をもつ第二の集合体を作製する工程。
【００１５】
（２）第一の集合体と第二の集合体との間で位置調整を行ってから両者を接合する工程。
【００１６】
（３）第一の集合体と第二の集合体とが接合された結合物を個々の部品に切断することで複数の複合光学装置に分離する工程。
【００１７】
従って、本発明によれば、第一及び第二の集合体について光学的な位置合わせを行った後に両者を接合してから、個々の複合光学装置に分離することにより、光学素子と面発光型素子との間の位置精度を十分に確保することができる。しかも、分離前において複数の複合光学装置についてアライメント作業を同時に行うことができるので、作業効率が良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、複合光学装置及びその製造方法に関し、複合光学装置の用途としては、例えば、光学式記録媒体を用いた記録再生装置等において信号記録や信号再生を行うための光学式ヘッド装置の光源や、光ファイバーを用いた光通信用デバイスの光源、あるいは各種の表示デバイス等への適用が挙げられる。
【００１９】
図１は、本発明に係る素子作製の基本的事項について説明するための図であり、本例に示す複合光学装置１は、面発光型素子２と光学素子３とから構成される。
【００２０】
面発光型素子２としては、レーザーダイオードや発光ダイオード等が挙げられ、複数の素子がウェハー上に配列された状態で作製される。
【００２１】
また、光学素子３は、面発光型素子２に対して接合される部材であり、透明材料（ガラスや樹脂等）を用いて、複数の光学素子を同一平面上に配列させた状態で作製される。
【００２２】
面発光型素子２と光学素子３との接合に際して、面発光型素子２の発光点位置と光学素子３の光軸を設計通りに位置合わせする作業（アライメント）が行われる。この作業の後、両者が接合されて一体化した複合光学素子が作製され、ボンディング工程等を経て素子が完成する。
【００２３】
図２は、面発光型素子２の一例を示したものである。尚、図の上方には、１単位の素子構造（光軸方向からみた平面図）を示し、その下方には、ウェハー状態で多数の素子が配列された集合体４を示している。
【００２４】
本例では面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｅｄＬａｓｅｒ）を示しており、発光面をウェハー表面に有する発光素子（レーザーダイオード）である。
【００２５】
図には、発光点２Ｐを矩形枠の中心部において「○」印で示しており、その左上方の角部にアノード電極２Ａが形成され、発光点２Ｐの右下方の角部にカソード電極２Ｋが形成されている。
【００２６】
図３は光学素子３の一例を示したものである。尚、図の上方には、１単位の素子構造（光軸方向からみた平面図及び光軸を含む面で切断したＢ−Ｂ線に沿う断面図）を示し、その下方には、多数の素子が配列された集合体（レンズアレイ）５を示している。そして、最下段に示す図は、Ｃ−Ｃ線に沿って集合体５を切断した拡大断面図である。
【００２７】
本例に示す光学素子３はマイクロレンズとして形成され、コリメータの機能をもつ反射型のものが使用されている。
【００２８】
光学素子３は、図示のように光軸方向からみた場合に２つの同心円によって区分けされる３つの領域を有しており、断面図に示すように、中心部に位置する小円領域内に凹面が形成され、該凹面が第一反射面３Ｒ１とされる。そして、第一反射面３Ｒ１の周囲の平坦な面が出射面３Ｏとされている。
【００２９】
光学素子３のうち、面発光型素子２に接合される側には、第一反射面３Ｒ１に対応した位置に入射面３Ｉが形成され、その周囲に形成された曲面が第二反射面３Ｒ２とされる。
【００３０】
光学素子３と面発光型素子２とを接合（陽極接合等）するための接合部については、光学素子３に設ける形態と面発光型素子２に設ける形態が挙げられ、本例では、加工性やコスト等を考慮して前者の形態を採っている。つまり、光学素子３には、第二反射面３Ｒ２の外周部において面発光型素子２の側に突出した接合部３Ｊ、３Ｊ、・・・が設けられており、それらの各端面が面発光型素子２に対する接合面（３Ｓ）とされている。
【００３１】
尚、光軸方向からみたときに光学素子３の四隅には、４分の１円弧状の切欠３Ｌ、３Ｌ、・・・が形成されているが、これは、面発光型素子に係る電気的な配線接続を考慮したものである。つまり、上記した面発光レーザーには、アノード電極２Ａ及びカソード電極２Ｋが電気的な接続部（本例ではワイヤーパッド）として形成されているので、それらの上方に光学素子３をただ位置させてしまったのでは、ワイヤーボンディングが困難である。そこで、各切欠３Ｌを通して外部回路との間で配線処理を行うために、集合体５には円形状の穴（スルーホール）６、６、・・・や、半円状又は４分の１円状の切欠７、７、・・・が形成されている（穴や切欠の形状や寸法等については、これ以外にも各種の実施態様が可能である。）。
【００３２】
面発光型素子２と光学素子３が接合された状態（図１のＡ−Ａ線に沿う断面図の破線参照）において、発光点２Ｐから発した光は、光学素子３の入射面３Ｉから素子内に入ってから第一反射面３Ｒ１において全反射される。その後、第二反射面３Ｒ２において全反射され、光軸に平行な光線として出射面３Ｏから外部に出射される。
【００３３】
次に、複合光学装置１の製造方法について、図４乃至図８を用いて説明する。尚、以下では上記した面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）とマイクロレンズを一体化させた複合光学素子を例にして説明する。
【００３４】
製造工程は、概ね以下の通りである。
【００３５】
（１）集合体４、５の作製工程（図４、図５参照）
（２）アライメント工程（図６参照）
（３）集合体４、５の接合工程（図７参照）
（４）素子の分離工程（図８参照）
（５）電極配線工程。
【００３６】
図４は、多数の面発光型素子２、２、・・・を有する集合体４を示しており、半導体製造プロセスを用いて化合物半導体レーザーをウェハー上に形成したものである。このように、上記（１）の工程では、各面発光型素子を同一平面上に規則的に配列させることによって集合体４が作製される。
【００３７】
また、図５は、多数の光学素子３、３、・・・を有する集合体５を示しており、透明材料を用いたマイクロレンズアレイとして形成される。その製法については、例えば、ガラス材料を用いる場合、下記に示す形態が挙げられる。
【００３８】
・ガラスプレス法＝ガラス製の平行平板（平面板）を用意して、その両面から非常に高い精度をもって加工された金型で挟み込んで加熱プレスを行うことにより、金型の形状をガラスに転写する方法（熱収縮による変形に注意を要する。）。
【００３９】
・エッチング法＝ドライエッチング又はウェットエッチングによりフォトマスクで選択的にレジストを形成してガラス製平行平板を部分的に削っていくことにより所望の形状を形成する方法。
【００４０】
尚、光学素子３については、面発光型素子２に対して接合部分（図３に示す接合部３Ｊを参照）が必要であり、集合体４を構成するウェハー表面に対する接合面（図３に示す３Ｓを参照）が基準面に対して平行であって平坦面であることが必要である。
【００４１】
また、本例では、光学素子として反射型のレンズ素子を用いているが、これに限らず、屈折型のレンズ素子や、各種形態のレンズ素子（例えば、フレネルレンズや、ｎステップホログラムレンズ、グレイスケールホログラムレンズ等の回折型レンズ）を作製することが可能である。
【００４２】
そして、前記したように集合体５には、面発光型素子２の電極配線を考慮して、穴６や切欠７が形成されるが、例えば、エッチングで穴等を形成する方法や、レーザービームで加工する方法、機械加工法等が挙げられる。但し、これらの穴等はワイヤーボンディング作業を考慮して形成されるものであるため、それほど高い加工精度を必要としない。尚、本発明の適用においては、必ずしも集合体５に貫通孔を形成した構成形態に限られない。例えば、面発光型素子２の背面（発光点とは反対側の面）から電極を取り出せるようにした構成形態等では、集合体５に穴や切欠を形成する必要はない。
【００４３】
図６は、集合体４と集合体５を重ね合わせた様子を示しており、上記（２）の工程では、両集合体の間で位置調整を正確に行うことが必要である。つまり、光学素子３の光軸上に、面発光型素子２の発光点が位置するように所定の精度をもってアライメント作業を行うことが重要であり、その際、ウェハー上での面発光型素子２の配列方向における形成ピッチ（図の縦方向及び横方向のピッチ）と、光学素子３の配列方向における形成ピッチとが十分に高い精度をもって等しくされていることが必要である。
【００４４】
前記した従来のアライメント方法、例えば、ウェハーから個々に切り出された面発光型素子をパッケージに入れる際に、光学素子のアライメント作業を行って該素子を固定する方法では、光学的な調整に高い精度が必要とされ、しかも、素子毎に手間と時間のかかる調整を行う必要がある。
【００４５】
これに対して、本発明では、集合体４と集合体５との間で各素子の配列方向におけるアライメントを行うことで、面発光型素子２と光学素子３との間の全ての組み合わせについて光学的な位置合わせが完了する。即ち、一度のアライメント作業によって多数の素子についてのアライメントを行うことができる。
【００４６】
尚、アライメント方法の具体例としては、集合体４、５のうち素子形成領域以外の場所にそれぞれアライメント用の目印（アライメントマーク）を予め形成しておき、各目印の位置を合わせることにより行う。アライメントマークは、それぞれの素子の集合体を形成する際に作製プロセスにおいて素子形成とほぼ同時に形成することができるので、形成されるマーク位置については、各素子に対して高い精度（例えば、サブミクロンオーダー）が保証される。
【００４７】
図７は、集合体４、５の接合工程について説明するための図であり、光学素子３の接合部３Ｊ、３Ｊ、・・・が、面発光レーザーのウェハー表面に接合された状態を示している。
【００４８】
本発明の適用において接合方法の如何は問わないので、例えば、半田を用いる方法や、接着剤を用いる方法、超音波接合を用いる方法、陽極接合を用いる方法等が挙げられる。
【００４９】
尚、以下では、接合の確実性や、環境変化や経時変化による影響等を考慮して、陽極接合による方法について説明する。
【００５０】
陽極接合は、半導体ウェハー同士、あるいはガラスと半導体ウェハーとを接合する場合に用いられる。例えば、後者の場合、酸素プラズマ処理したガラス（光学素子の材料）とガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板とを高い精度で位置決めした上で両者を貼り合わせ、これを両面から電極で押えた状態にして、空気中又はＡｓ雰囲気中で３５０〜５００゜Ｃの温度で加熱する。そして、電極間に１キロボルト程度の高電圧を５〜２０分に亘って印加する。尚、ガラスとウェハーとを貼り合わせる場合において、貼り合わせ面の面精度（面粗度）に注意する必要があり、例えば、Ｒａ値でｎｍ（ナノメートル）オーダーの鏡面にする必要がある。また、使用するガラス材料については、パイレックスガラス（商標）等のアルカリガラスを用いるか、あるいは製造の都合上、無アルカリガラスを用いる必要がある場合には、ナトリウム等のアルカリ金属を接合部分の表面に予め蒸着しておき、これをウェハーに貼り合せて陽極接合を行うことができる（これにより、ガラス材料について選択の余地が広がる。）。
【００５１】
こうして、集合体４と集合体５とが接合された結合物は、図８に示すように、個々の部品に切断される。つまり、ダイシング（スクライビング）工程により、多数（例えば、１、２万個）の複合光学装置１が得られる。
【００５２】
尚、集合体５に形成された穴６は４つに等分割され、また半円状の切欠７は２等分されて光学素子３の切欠３Ｌを構成する。
【００５３】
光学素子３及び面発光型素子２が接合により一体化された、それぞれの複合型光学素子は、その後、切欠３Ｌの部分（エッジ部）を通した電極（２Ａ、２Ｋ）へのワイヤーボンディング工程等の必要な作業を経て完成する。
【００５４】
上記した構成によれば、下記に示す利点を得ることができる。
【００５５】
・ウェハー上に多数配列される面発光型素子群に対して、平板上に多数配列される光学素子群を位置決めした上で接合し、その後ダイシングを行うことで、多数の複合光学素子を同時に、しかも高い精度をもって作製することができる。よって、製造が簡単であって量産化に適しており、コスト面で有利である。
【００５６】
・光学素子群と面発光型素子群との光学的な位置合わせを一度に行うことができるので、全素子について同じ精度が保証される。
【００５７】
・コリメータレンズ等のように光軸をもった光学素子を用いる場合には、該素子のレンズ中心を機械的基準として利用することが可能であり、該レンズ中心が光軸上の中心として保証されることになる。また、レンズ設計に従ってレンズ素子の出射面から焦点位置までの距離を保証することが可能である。このことは、従来のように個々の発光素子を点灯させた状態でアライメントを行う方法とは違って、レンズ面を機械的な基準として用いることができることを意味する。例えば、レーザー光をレンズ素子の出射面から無限遠点に向けて平行光線として出射させるような設計を行う場合において、該出射面上の中心が光軸上の中心とされ光線が出射面に対して垂直に進行することが保証される。よって、その後の光（出射光）を、光ファイバー等の導光部材に対して結合させる場合のアライメントが容易になる。
【００５８】
・光学素子と面発光型素子とを面接合で一体化することで複合光学装置を作製でき、信頼性が高い。
【００５９】
・光通信用素子や該素子を用いた通信システム、あるいは各種の光学デバイス及びこれを用いた情報処理システムへの適用において、小型化及び高機能化を図るとともに、性能や信頼性を向上させることができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１に係る発明によれば、光学素子と面発光型素子との間の相対的な位置決めにおいて精度を十分に保証することができる。また、分離前の全ての素子について光学的な調整を同時に行うことができるとともに、調整に必要な設備が簡単であって、作業時間やコスト面で有利である。
【００６１】
請求項２に係る発明によれば、面発光型素子のうち光学素子に対して接合される面に電気的な接続部を設ける場合に、配線処理を容易に行うことができる。
【００６２】
請求項３や請求項４に係る発明によれば、光学素子と面発光型素子とを確実に接合させることができるので、信頼性が高い。
【００６３】
請求項５に係る発明によれば、面発光レーザーとコリメータレンズと接合させた構成を有する複合光学装置への適用において、高い精度及び信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る素子作製について説明するための図である。
【図２】面発光型素子の一例を示す図である。
【図３】光学素子の一例を示す説明図である。
【図４】図５乃至図８とともに、本発明に係る製造方法について説明するための図であり、本図は、多数の面発光型素子を有する集合体の一例を示す図である。
【図５】多数の光学素子を有する集合体の一例を示す図である。
【図６】アライメント工程について説明するための図である。
【図７】接合工程について説明するための図である。
【図８】ダイシング工程について説明するための図である。
【符号の説明】
１…複合光学装置、２…面発光型素子、２Ａ、２Ｋ…接続部、３…光学素子、３Ｊ…接合部、４…第一の集合体、５…第二の集合体、６…穴、７…切欠

Claims

面発光型素子と光学素子とを接合した構成を有する複合光学装置の製造方法であって、
複数の上記面発光型素子を平面上に配列させた構成をもつ第一の集合体及び複数の上記光学素子を平面上に配列させた構成をもつ第二の集合体を作製する工程と、
上記第一の集合体と上記第二の集合体との間で位置調整を行ってから両者を接合する工程と、
上記第一の集合体と上記第二の集合体とが接合された結合物を個々の部品に切断することで複数の複合光学装置に分離する工程を有する
ことを特徴とする複合光学装置の製造方法。
請求項１に記載した複合光学装置の製造方法において、
上記第一の集合体のうち、上記第二の集合体と接合される面に、上記面発光型素子に係る電気的な接続部を形成するとともに、上記第二の集合体のうち該接続部に対応する位置に配線用の穴又は切欠を形成した
ことを特徴とする複合光学装置の製造方法。
請求項１に記載した複合光学装置の製造方法において、
陽極接合により上記第一の集合体と上記第二の集合体を接合する
ことを特徴とする複合光学装置の製造方法。
面発光型素子と光学素子とが一体化された構成を有する複合光学装置において、
上記光学素子と上記面発光型素子とを陽極接合するための接合部が上記光学素子又は上記面発光型素子に設けられている
ことを特徴とする複合光学装置。
請求項４に記載した複合光学装置において、
上記面発光型素子が面発光レーザーであり、上記光学素子がコリメータレンズである
ことを特徴とする複合光学装置。