JP2005093804A - サブマウント構造および半導体発光ユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 １個または複数個の半導体発光素子を電気的に発光させることなく、高精度にサブマウント上に実装することの可能なサブマウント構造を提供する。
【解決手段】 １個または複数個の半導体発光素子をサブマウントに実装可能なサブマウント構造において、前記サブマウント表面には、電気信号取出用金属電極２が形成され、前記金属電極２の一部には半導体発光素子をダイボンディングするためのハンダ領域３が形成されており、前記サブマウントの一部には各半導体発光素子を位置合わせするためのマーカ５が形成されていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サブマウント構造および半導体発光ユニットの製造方法に関する。

ＤＶＤプレーヤーでは、ＤＶＤとＣＤとの両者を互換再生できることが望まれる。そのためには、ＤＶＤ再生用に波長の短い６３５ｎｍあるいは６５０ｎｍの赤色半導体レーザを搭載し、ＣＤ再生用に７８０ｎｍの近赤外半導体レーザを搭載する光ピックアップが必要とされ、装置の小型化のためには、２種類の半導体レーザチップを一つのパッケージの中に組み込んだ集積型光ピックアップの実現が期待されている。しかし、２つの光源を一つのパッケージに組み込んで光学系を共通化するためには、２つの半導体レーザチップの発光点間隔をできるだけ接近させる必要があり、その間隔としては１００μｍ以下が望ましく、更にその実装公差は±１０μｍ程度と厳しい精度が要求されている。しかし、一般的な半導体レーザ素子は幅が３００μｍ程度であり、その中央に発光点が形成されているので、２つの半導体レーザ素子を並列に配置した場合には、発光点間隔は３００μｍ以上となり仕様を満足出来ない。

従来、例えば特許文献１には、発光点間隔を狭くする方法が示されている。図６は特許文献１に示されている半導体レーザの構造を示す図である。図６には、発光波長７８０ｎｍの第一の半導体レーザチップ、発光波長６５０ｎｍの第二の半導体レーザがサブマウント上にジャンクションダウンで実装されている様子が示されている。なお、６５０ｎｍの半導体レーザの出射端面形状は結晶成長の関係から平行四辺形となっている。図６に示すように、特許文献１には、半導体レーザ素子の発光点位置を端部に偏らせることで発光点間隔を狭くする方法が提案されている。たとえば、半導体レーザチップの発光点が発光点間隔方向において端部から３０μｍの位置に形成され、これらチップを３０μｍの間隔でダイボンディングすれば、その発光点間隔は９０μｍと見積もられ、要求仕様を満足することができる。

さらに、光学系を共通化するためには、お互いの半導体レーザの放射角ズレと出射端面のズレが問題になる。たとえば、二つの半導体レーザの放射角ズレは±１°以内、好ましくは±０．５°以内がのぞましい。また、二つの半導体レーザの出射端面の光軸方向のズレは±５μｍ以内、好ましくは±２μｍ以内が望まれる。

一般に、半導体レーザは熱伝導率が高く、熱膨張率差の小さい窒化アルミ，シリコンなどのサブマウント材にダイボンディングされ、さらに銅製ヒートシンクに実装して、半導体発光ユニットが形成される。このとき、サブマウントに実装する半導体レーザチップは、サブマウントの外形を基準に実装工法が採用される。しかし、サブマウント外形は、ダイシングで切り出されており、チッピングと呼ばれる欠けが多数発生している。特にセラミック製の窒化アルミ基板は、そのチッピングが大きく、１０〜５０μｍの欠けが生じてしまう。このような欠けのある外形を規準に実装してしまえば、例えば、サブマウントの幅６００μｍの端に１０μｍの欠けがあった場合でも、角度として約１°の誤差となってしまい、高精度実装することは出来ない。

従来、半導体レーザの発光点位置を観察する手法としては、実際に電流を流して発光させる方法が採用されている。図７には特許文献に記載の従来例が示されている。すなわち、特許文献２には、半導体レーザチップをダイボンディングする直前の中間ステージ上にチップを置き、レーザチップを発光させて、その発光方向、すなわちＺ方向（チップ厚み方向）とＸ方向（チップ出射端面に平行な方向）はＮＦＰ観察用カメラで、θ方向はＦＦＰ観察用カメラで各々計測を行い、発光方向を補正した後、レーザチップを吸引・搬送してダイボンディングする方法が提案されている。
特開平１１−１１２０８９号公報 特開平７−２０２３４７号公報

しかしながら、上記従来法では、発光点を観測するために発光電源とプローブを必要とするためダイボンディング装置が高額であったり、発光点観察の工程が煩雑であり、工程が長くなるなどの欠点があった。また、発光点を観察しながらの工法では、工程が長くなり、実装コストが高くなってしまうという不具合があった。

本発明は、上記従来技術の欠点を解決し、１個または複数個の半導体発光素子を電気的に発光させることなく、高精度にサブマウント上に実装することの可能なサブマウント構造および半導体発光ユニットの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、１個または複数個の半導体発光素子をサブマウントに実装可能なサブマウント構造において、前記サブマウント表面には、電気信号取出用金属電極が形成され、前記金属電極の一部には半導体発光素子をダイボンディングするためのハンダ領域が形成されており、前記サブマウントの一部には各半導体発光素子を位置合わせするためのマーカが形成されていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、前記電気信号取出用金属電極の一部で形成されていることを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、サブマウント外形よりも内側に形成されており、半導体発光素子直下ではサブマウント端部まで延伸していることを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、スリット状のものであることを特徴としている。

また、請求項５記載の発明は、請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、円形状であることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、お互いに直交する方向で形成されていることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、サブマウントのマーカを検出する画像認識手段と、半導体発光素子を搬送する搬送手段と、半導体チップの表面および裏面を観察する観察手段とを有するダイボンディング装置を用いて、サブマウントのマーカを検出する工程と、半導体発光素子の出射端面位置および裏面の電流狭窄層を検出する工程と、前記サブマウントのマーカから所定の位置に前記半導体発光素子を配置する工程と、前記半導体発光素子を加圧加熱してダイボンディングする工程とを行なうことを特徴とする半導体発光ユニットの製造方法である。

以上に説明したように、請求項１乃至請求項６記載の発明によれば、１個または複数個の半導体発光素子をサブマウントに実装可能なサブマウント構造において、前記サブマウント表面には、電気信号取出用金属電極が形成され、前記金属電極の一部には半導体発光素子をダイボンディングするためのハンダ領域が形成されており、前記サブマウントの一部には各半導体発光素子を位置合わせするためのマーカが形成されているので、１個または複数個の半導体発光素子を電気的に発光させることなく、高精度にサブマウント上に実装することができる。

すなわち、本発明のサブマウント構造は、サブマウント表面の一部に半導体発光素子の位置決め用の規準となるマーカを配置したことにより、従来、サブマウント外形を規準として実装した場合よりも、高精度に半導体発光素子を実装することが可能となり、歩留まりを向上させることができる。

特に、請求項２記載の発明では、請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、前記電気信号取出用金属電極の一部で形成されているので、従来の金属電極形成工程によりマーカを形成することができて、従来のサブマウントと同じ製造コストで提供できる。

また、請求項３記載の発明では、請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、サブマウント外形よりも内側に形成されており、半導体発光素子直下ではサブマウント端部まで延伸しており、正確なマーカ形状を確保するためにマーカ部をサブマウント外形よりも後退させてチッピングの影響を無くし、半導体発光素子直下ではサブマウント端部まで延伸させて形成することで、半導体発光素子からの放熱性を損なうこと無く、従来同様の信頼性を確保することができる。

また、請求項４記載の発明では、スリット形状のマーカとすることで、スリット中心位置の検出が可能になり、エッジ検出時の画像条件に左右され難い。したがって、高精度な半導体発光ユニットを製造することができる。

また、請求項５記載の発明では、円形状のマーカとすることで、円中心（重心）位置の検出が可能になり、エッジ検出時の画像条件に左右され難い。したがって、高精度な半導体発光ユニットを製造することができる。

また、請求項６記載の発明では、サブマウント上面に、お互いに直交する様なマーカを二個形成することで、半導体発光素子をサブマウント上面において、より高精度に位置決めすることが可能になり、高精度な半導体発光ユニットを提供することが可能になる。

また、請求項７記載の発明では、サブマウントのマーカを検出する画像認識手段と、半導体発光素子を搬送する搬送手段と、半導体チップの表面および裏面を観察する観察手段とを有するダイボンディング装置を用いて、サブマウントのマーカを検出する工程と、半導体発光素子の出射端面位置および裏面の電流狭窄層を検出する工程と、前記サブマウントのマーカから所定の位置に前記半導体発光素子を配置する工程と、前記半導体発光素子を加圧加熱してダイボンディングする工程とにより半導体発光ユニットを製造することにより（すなわち、マーカを付けたサブマウントと、画像認識機能および高精度な搬送機能を有したダイボンディング装置を用いて半導体発光ユニットを製造することにより）、高精度な半導体発光ユニットを、半導体発光素子を発光させることなく低コストで製造することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明は、１個または複数個の半導体発光素子をサブマウントに実装可能なサブマウント構造において、前記サブマウント表面には、電気信号取出用金属電極が形成され、前記金属電極の一部には半導体発光素子をダイボンディングするためのハンダ領域が形成されており、前記サブマウントの一部には各半導体発光素子を位置合わせするためのマーカが形成されていることを特徴としている。

サブマウントの表面に、実装の基準となるマーカを形成することにより、半導体発光素子の配置位置をサブマウント外形に頼らずに高精度で位置決めすることが可能になる。

上記本発明のサブマウント構造において、前記マーカは、例えば、電気信号取出用金属電極の一部で形成されている。すなわち、サブマウントの表面に、実装の基準となるマーカを金属電極の一部としてホトリソ技術により形成することにより、高精度にマーカを作りこむことが可能になる。

また、上記本発明のサブマウント構造において、前記マーカは、例えば、サブマウント外形よりも内側に形成されており、半導体発光素子直下ではサブマウント端部まで延伸している。すなわち、マーカをサブマウント端部から後退させて内側に形成することで、チッピングの影響を避けて形成し、半導体発光素子直下ではマーカ（例えば金属電極の一部）をサブマウント端部まで延伸させることで、半導体発光素子を実装した際にハンダがサブマウント端部まで濡れ広がり、半導体発光素子との接触面積を可能な限り広く確保することが可能になり、半導体発光素子からの放熱特性を良好な状態にできる。

また、上記本発明のサブマウント構造において、前記マーカは、例えば、スリット状のものである。この場合、マーカをダイボンダーの画像処理機能によってエッジ検出などの位置検出を行う際に、スリット状マーカの両端のエッジを検出させ、さらにその２つのエッジの中心を画像処理して検出することにより、マーカ位置の検出精度を高くすることが可能になる。

また、上記本発明のサブマウント構造において、前記マーカは、例えば、円形状である。このように、マーカを円形とする場合には、ダイボンダーの画像処理機能において、円形マーカの中心（重心）を算出させることで、サブマウントのマーカ位置の検出精度を高くすることが可能になる。

また、上記本発明のサブマウント構造において、前記マーカは、例えば、お互いに直交する方向で形成されている。この場合、サブマウント表面に形成されるマーカは二ヶ所で、それぞれ直交するように配置することにより、半導体発光素子の配置位置をサブマウント上で二次元的に特定することが可能になる。

また、本発明の半導体発光ユニットの製造方法は、サブマウントのマーカを検出する画像認識手段と、半導体発光素子を搬送する搬送手段と、半導体チップの表面および裏面を観察する観察手段とを有するダイボンディング装置を用いて、サブマウントのマーカを検出する工程と、半導体発光素子の出射端面位置および裏面の電流狭窄層を検出する工程と、前記サブマウントのマーカから所定の位置に前記半導体発光素子を配置する工程と、前記半導体発光素子を加圧加熱してダイボンディングする工程とを行なうことを特徴としている。この場合、サブマウント上のマーカを正確に検出する機能、半導体チップの表面および裏面を観察する機能を用いて、半導体発光素子を高精度にサブマウント上のマーカと位置合わせしてダイボンディングすることにより、発光させることなく高精度に半導体発光ユニットを製造することが可能になる。

図１（ａ）は本発明に係るサブマウント構造の構成例を示す図である。図１（ａ）のサブマウント構造は、厚さ２００μｍ程度の窒化アルミ基板１を使用し、その表面にはＴｉ（厚さ０．１μｍ）／Ｐｔ（厚さ０．２μｍ）／Ａｕ（厚さ０．５μｍ）を順次積層して金属電極２が形成され、その金属電極２の一部には半導体レーザチップをダイボンディングするための厚さ３μｍのＡｕ−Ｓｎ（３０ｗｔ％）ハンダ層領域３が形成されている。

また、図１（ｂ）には、図１（ａ）のサブマウント構造に半導体レーザチップ４を実装した状態が示されている。

サブマウントの外形としては、ほぼ半導体レーザチップ共振器長の長さと、半導体レーザチップの出射面幅の２倍から３倍の幅で形成されている。一般にはサブマウント外形としては、長さ０．５〜１ｍｍ、幅０．６〜０．９ｍｍ程度となる。

図１（ａ）のサブマウントでは、その金属電極２の一部をサブマウント外形よりも内側に形成させて、半導体レーザの出射端面の設置位置を設定する際の基準となるマーカ５としている。マーカの形成位置は、サブマウントをダイシングする際のチッピング量を考慮して決定し、一般には数μｍから５０μｍ程度の範囲に形成する。窒化アルミ基板に場合には、チッピングは大きいため、５０μｍサブマウント外形から後退させて形成している。半導体レーザチップ４の実装では、先ず、ダイボンダーの画像認識装置において、サブマウントの金属電極部のマーカ５の位置をエッジ検出する。その後、サブマウント上方で半導体レーザチップ４の外形を画像処理してその出射端面位置を検出する。前記半導体レーザチップ端面をサブマウントのマーカ５の位置から所定の距離（Ｄ）だけ離れた位置に半導体レーザチップ４の端面が来るように移動し、チップ４をダイボンディングする。サブマウントに形成したマーカ５を使うことで、半導体レーザチップの実装精度を高くすることが可能になる。

また、サブマウントに高精度なマーカを形成したことで、半導体レーザチップを実装した後の実装精度確認が可能になる。

図２（ａ）は本発明に係るサブマウント構造の他の構成例を示す図である。図２（ａ）の例では、半導体レーザの出射端面位置の基準となるサブマウント上のマーカ５が、スリット状になっている。図２（ｂ）には、図２（ａ）のサブマウント構造に半導体レーザチップ４を実装した状態が示されている。

図１（ａ）の例では、金属電極の直線状の端部を使ってエッジ検出したのに対して、図２（ａ）のサブマウントのマーカ５はスリット状とし、スリットの両端をエッジ検出し、その中心を検出することにより、より精度の高いマーカ検出が可能になり、半導体レーザの実装精度も向上させることが可能になる。

図３には、スリット状マーカの画像処理の様子が示されている。スリット状マーカでは、画像の明るさの変化量を閾値にしてエッジを検出する際に、一個所のエッジ検出に含まれる誤差を、二個所のエッジ検出とすることで誤差をキャンセルすることができ、高精度な位置検出が可能になる。

図４（ａ）は本発明に係るサブマウント構造のさらに他の構成例を示す図である。図４（ａ）のサブマウント構造は、厚さ２００μｍ程度の窒化アルミ基板１を使用し、その表面にはリード線取出しのためにＴｉ（０．１ｕｍ）／Ｐｔ（０．２ｕｍ）／Ａｕ（０．５ｕｍ）を順次積層させて形成した金属電極２が形成され、その金属電極２の一部には半導体レーザチップをダイボンディングするための厚さ３μｍのＡｕ−Ｓｎ（３０ｗｔ％）ハンダ層領域３が形成されている。

また、図４（ｂ）には、図４（ａ）のサブマウント構造に半導体レーザチップ４を実装した状態が示されている。

サブマウントの外形としては、ほぼ半導体レーザチップ共振器長の長さと、半導体レーザチップの出射面幅の２倍から３倍の幅で形成されている。一般にはサブマウント外形としては、長さ０．５〜１ｍｍ、幅０．６〜０．９ｍｍ程度となる。

図４（ａ）のサブマウントでは、図１（ａ）のマーカ５が直線状であったのに対して、マーカ５が円形となっている。すなわち、図４（ａ）では、サブマウントの幅方向において、その両端近傍に円形上の金属領域あるいは円形状の下地サブマウント材の露出部を形成した構造となっている。

図４（ａ）のサブマウントでは、マーカを円形とし、画像認識装置においてその重心を求める処理をして、その位置を計測させる。円形画像の重心を求めることにより、再現性の高い実装が可能になる。

図５（ａ）は本発明に係るサブマウント構造の他の構成例を示す図である。図５（ａ）の例では、発光波長の異なる二つの半導体レーザチップを同一のサブマウントに実装するサブマウント構造となっている。すなわち、図５（ａ）のサブマウント構造は、厚さ２００μｍ程度の窒化アルミ基板１を使用し、その表面にはリード線取出しのためにＴｉ（０．１ｕｍ）／Ｐｔ（０．２ｕｍ）／Ａｕ（０．５ｕｍ）を順次積層させて形成した第一および第二の金属電極２が所定の間隔で電気的に絶縁されて形成され、各々の金属電極の一部には半導体レーザチップをダイボンディングするための厚さ３μｍのＡｕ−Ｓｎ（３０ｗｔ％）ハンダ層領域３が形成されている。図５（ｂ）には、図５（ａ）のサブマウント構造に半導体レーザチップ４を実装した状態が示されている。図５（ａ）のサブマウント構造では、サブマウント上のマーカを基準に二つの半導体レーザチップ４が配置されるので、お互いの光軸方向のズレを極めて小さくすることが可能になる。

本発明は、ＣＤおよびＤＶＤ兼用光ピックアップ用光源、ピックアップモジュール、レーザプリンタやデジタル複写機の複数ビーム書き込み用光源、半導体レーザと光ファイバーを同一基板上で結合する半導体レーザモジュールなどに利用される。

本発明に係るサブマウント構造の構成例を示す図である。 本発明に係るサブマウント構造の他の構成例を示す図である。 本発明のマーカの画像処理を説明するための図である。 本発明に係るサブマウント構造の他の構成例を示す図である。 本発明に係るサブマウント構造の他の構成例を示す図である。 従来の半導体レーザの構造を示す図である。 従来の半導体レーザの発光点位置を観察する手法を説明するための図である。

符号の説明

１ サブマウント基板
２ 金属電極
３ ハンダ層
４ 半導体レーザチップ
５ マーカ
６ ギャップ

Claims (7)

1. １個または複数個の半導体発光素子をサブマウントに実装可能なサブマウント構造において、前記サブマウント表面には、電気信号取出用金属電極が形成され、前記金属電極の一部には半導体発光素子をダイボンディングするためのハンダ領域が形成されており、前記サブマウントの一部には各半導体発光素子を位置合わせするためのマーカが形成されていることを特徴とするサブマウント構造。
2. 請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、前記電気信号取出用金属電極の一部で形成されていることを特徴とするサブマウント構造。
3. 請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、サブマウント外形よりも内側に形成されており、半導体発光素子直下ではサブマウント端部まで延伸していることを特徴とするサブマウント構造。
4. 請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、スリット状のものであることを特徴とするサブマウント構造。
5. 請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、円形状であることを特徴とするサブマウント構造。
6. 請求項１記載のサブマウント構造において、前記マーカは、お互いに直交する方向で形成されていることを特徴とするサブマウント構造。
7. サブマウントのマーカを検出する画像認識手段と、半導体発光素子を搬送する搬送手段と、半導体チップの表面および裏面を観察する観察手段とを有するダイボンディング装置を用いて、サブマウントのマーカを検出する工程と、半導体発光素子の出射端面位置および裏面の電流狭窄層を検出する工程と、前記サブマウントのマーカから所定の位置に前記半導体発光素子を配置する工程と、前記半導体発光素子を加圧加熱してダイボンディングする工程とを行なうことを特徴とする半導体発光ユニットの製造方法。

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