JP2017032625A - 光学部材の製造方法、半導体レーザ装置の製造方法及び半導体レーザ装置 - Google Patents

光学部材の製造方法、半導体レーザ装置の製造方法及び半導体レーザ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】平滑度の高い斜面を備えた光学部材を高精度で、簡便な方法にて製造する方法及びそのような高精度な光学部材を備えた半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】(a){110}面からなる第1主面11aを有するシリコン基板11を準備し、(b)第1主面11a上に、<100>方向に伸びる開口12aを有するマスクパターン12を形成し、(c)シリコン基板11を、マスクパターン12をマスクとして用いて第1主面11a側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成することを含む光学部材の製造方法。【選択図】図1

Description

本開示は、光学部材の製造方法、半導体レーザ装置の製造方法及び半導体レーザ装置に関する。
光学分野、とりわけ半導体レーザでは、近年パッケージの小型化、高出力化が求められている。このため、1つのパッケージ内に1つ又は複数のレーザ素子及びそれに対応する光学部材、例えば、45度傾斜面を有する光学部材を配置し、垂直に反射させたレーザ光をレンズでコリメートして利用する形態の半導体レーザ装置が提案されている。また、45度傾斜面を有する光学部材を安価に供給するために、シリコンを用い、シリコンをウェットエッチングして45度傾斜面を有する光学部材を製造する方法が提案されている(例えば、特許文献1〜3等)。
特開2000−77382 特開2006−86492 特表2009−526390
しかし、45度斜面の角度精度と平滑度の両立は容易ではない。また、このようなミラーを簡便な方法で製造できる方法はいまだ確立しておらず、平滑度の高い斜面を備えた光学部材を高精度で、簡便な方法にて製造する方法が要求されている。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、平滑度の高い斜面を備えた光学部材を高精度で、簡便な方法にて製造する方法及びそのような高精度な光学部材を備えた半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
本開示は、以下の発明を含む。
(1){110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備し、
前記第1主面上に、<100>方向に伸びる開口を有するマスクパターンを形成し、
前記シリコン基板を、前記マスクパターンをマスクとして用いて前記第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成することを含む光学部材の製造方法。
(2)上記光学部材と、半導体レーザ素子とを、前記半導体レーザ素子から出射するレーザ光が前記光学部材の前記反射膜に照射されるように、実装基板に固定することを含む半導体レーザ装置の製造方法。
(3)実装基板と、
前記実装基板上に設けられた半導体レーザ素子と、
{110}面及び{100}面を有するSiからなり、前記{110}面及び{100}面の一方が前記実装基板上に固定され、他方が反射膜で被覆され、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を反射する光学部材と、を備える半導体レーザ装置。
本開示によれば、平滑度の高い斜面を備えた光学部材を高精度で、簡便な方法にて製造することができる。また、そのような高精度な光学部材を備えた半導体レーザ装置を提供することができる。
本開示におけるシリコン基板上のマスクパターンの一実施形態を示す平面図A及び断面図Bである。 本開示の光学部材の製造方法における一実施形態を説明するための概略断面図である。 本開示の光学部材の製造方法における別の実施形態を説明するための概略断面図である。 本開示の半導体レーザ装置の一実施形態を示す平面図A及びA−A’線概略断面図Bである。 本開示の半導体レーザ装置の別の実施形態を示す概略断面図である。 本開示の半導体レーザ装置のさらに別の実施形態を示す概略断面図である。 本開示の半導体レーザ装置のさらに別の実施形態を示す概略断面図である。 本開示の半導体レーザ装置の製造方法によって得られるシリコン基板の面を説明するための平面図A、縦側面図B及び横側面図Cである。
発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する発光装置は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。
各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。
実施形態1:光学部材の製造方法
この実施形態の光学部材の製造方法は、
(a){110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備し、
(b)前記第1主面上に、<100>方向に伸びる開口を有するマスクパターンを形成し、
(c)前記シリコン基板を、前記マスクパターンをマスクとして用いて前記第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成することを含む。
(a:シリコン基板の準備)
{110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備する。ここで、{110}面とは、シリコンの常温及び常圧で安定な結晶構造であるダイヤモンド構造における結晶格子面のうちのひとつ(110)面とその等価結晶面との全ての面を指す。等価結晶面とは、ミラー指数によって定義される等価結晶面又はファセットのファミリを意味する。シリコン基板の第1主面は、{110}面に対して±2度程度のオフ角は許容される。オフ角は、好ましくは±1度、より好ましくは±0.2度である。
シリコン基板の大きさ及び厚みは、例えば、得ようとする光学部材の用途等により適宜調整することができる。1つのシリコン基板から複数の光学部材を得ることが好ましく、このために、シリコン基板は、数センチ〜数十センチの長さ及び/又は幅を有するものであればよい。
シリコン基板の厚みは、均一であることが好ましいが、部分的に異なる部分が存在してもよい。シリコン基板の第1主面と反対側の第2主面も、{110}面からなる面であるシリコン基板が好ましい。つまり、シリコン基板は、第1主面に平行な第2主面を有することが好ましい。シリコン基板の厚みは、例えば、100〜数千μmとすることができ、例えば、500〜2000μmとすることができる。
(b:マスクパターンの形成)
シリコン基板の第1主面にマスクパターンを形成する。このマスクパターンは、例えば、図1に示すように、<100>方向に伸びる開口を有する。<100>方向に伸びる開口は、第1主面に平行な方向に伸びる開口とすることができる。
ここで、<100>方向とは、シリコンの常温及び常圧で安定な結晶構造であるダイヤモンド構造における結晶格子面のうちのひとつである(100)面に対する垂直方向と、その等価結晶面に対する垂直方向の全ての方向とを指す。
マスクパターンの開口は、<100>方向に伸びるストライプ状であってもよい。また、<100>方向に対して垂直に交わる方向(つまり、<110>方向)に伸びる開口と連結した格子状であってもよい。例えば、<110>方向に伸びる開口と連結した格子状でもよい。また、<100>方向に伸びる開口は、その外縁(両端)が<100>方向と略平行であることが好ましく、<110>方向に伸びる開口は、その外縁(両端)が<110>方向と略平行であることが好ましい。
<100>方向に伸びる開口の長さは、用いるシリコン基板の大きさに従って適宜設定することができる。<100>方向に伸びる開口の幅は、後の工程において得ようとする傾斜面の高さ等によって適宜設定することができる。例えば、200〜1000μm程度が挙げられる。<100>方向以外に伸びる開口を有する場合、その幅は、<100>方向に伸びる開口の幅と同等でもよいし、異なっていてもよい。<100>方向以外に伸びる開口により形成される傾斜面は光学部材としての機能に関係しない。よって、<100>方向以外に伸びる開口の幅は<100>方向に伸びる開口の幅よりも小さいことが好ましい。これにより、シリコン基板の面積を有効に使用することができる。また、分割用の溝として使用する場合には開口の幅はある程度大きいことが好ましく、例えば、50〜500μm程度とすることができる。
開口の深さは、マスクパターンの厚みに相当し、例えば、0.1〜1μm程度が挙げられる。
マスクパターンは、通常、レジスト膜又は絶縁膜(Si、Hf、Zr、Al、Ti、La等の酸化膜又は窒化膜あるいはそれらの複合膜等)等の形成、フォトリソグラフィ及びエッチング工程によって形成するなど、当該分野で公知の材料、公知の方法を利用して形成することができる。特に、マスクパターンの材料は、後述するウェットエッチングのエッチャントの種類によって適宜選択することが好ましい。
なお、上述した<100>方向に対して垂直に交わる方向に伸びる開口を、シリコン基板の第1主面のマスクパターンに形成しない場合には、シリコン基板の第2主面にマスクパターン及び<100>方向に対して垂直に交わる方向に伸びる開口を別個に形成してもよい。
(c:傾斜面の形成)
シリコン基板を、マスクパターンをマスクとして用いて第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成する。傾斜面は、<100>方向に伸び、シリコン基板の第2主面(つまり、{110}面)に対して45度の傾斜角度を有する面とすることが好ましい。言い換えると、傾斜面は、シリコン基板の第1主面と成す角度が135度であることが好ましい。ただし、ここでいう{100}面は、{100}面に対して±2度程度のオフ角は許容され、よって、第2主面に対して45±2度程度の傾斜角度を有する面であってもよい。オフ角は、好ましくは±1度、より好ましくは±0.2度である。
なお、ここでのエッチングは、ウェットエッチングを行うことが好ましいが、異方性エッチングを行うことができるエッチング方法であればよい。
ウェットエッチングは、上述したマスクパターンをマスクとして、異方性エッチングが可能なエッチャントを用いる限り、どのような条件で行ってもよい。エッチャントとしては、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、エチレンジアミンピロカテコール(EDP)、ヒドラジン等又はこれらにイソプロパノール等を添加した混合液、またはこれらの混合液が挙げられる。その濃度は、シリコン基板のエッチング速度等を考慮して、適宜設定することができる。なかでも、TMAHを用いることが好ましい。TMAHは、他の異方性エッチャントに比較して、{110}面シリコン基板のエッチングにおいて異方性が高く、{110}面シリコン基板に対して、主面から約45度傾斜した傾斜面を高精度で形成できるからである。また、TMAHは取り扱いが容易であることからも好ましい。
エッチング条件としては、例えばエッチャントがTMAHである場合は、エッチャントの温度を摂氏80〜110度に設定し、2〜10時間程度の浸漬を行うことが挙げられる。浸漬時間は所望のエッチング量が得られる程度に調整すればよい。
ここで用いたマスクパターンに、上述した<100>方向に対して垂直に交わる方向(<110>方向)に伸びる開口をも形成されている場合には、<110>方向の辺から{111}面である35度程度の傾斜角度を有する面(図8A〜8C中、11d参照)が形成される。ここでの角度も、{110}面に対して±2度程度のオフ角は許容される。
上述した45度及び35度の傾斜面が形成された後、引き続きエッチングを継続すると、それぞれ対向する辺からの斜面によって、断面形状が、台形状、さらに進むとV字状の溝が形成される。シリコン基板は、<100>方向及び<110>方向ともに劈開性がないため、台形状、好ましくはV字状の溝が形成される場合には、V字の底において、後述する分割が容易になるため、V字状の溝が形成されるまでエッチングすることが好ましい。
傾斜面は、シリコン基板の第1主面から、例えば、数百〜千数百μm程度、さらに200〜1000μm程度の深さにおいて形成することが好ましい。
(d、d’:反射膜の形成)
シリコン基板の一表面に反射膜を形成する。ここでの一表面とは、得られたシリコン基板の使用形態によって、適宜選択することができる。例えば、得られた傾斜面及び第2主面の一方に反射膜を形成することが好ましい。得られた傾斜面に反射膜を形成する場合には、傾斜した角度で成膜することになるため、膜厚の制御が困難になり、膜質が低下する懸念があるため、なかでも、第2主面に形成することが好ましい。
反射膜は、例えば半導体レーザ素子からの光を50%以上反射し得る材料によって形成することができる。言い換えると、反射膜は、半導体レーザ素子の発振波長における反射率を50%以上とすることができる。高出力の半導体レーザ素子(例えば光出力1W以上)と組み合わせる場合は、80%以上反射し得る材料によって形成することが好ましく、さらには90%以上又は95%以上反射し得る材料によって形成することが好ましい。例えば、金、銀、銅、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、チタン、タンタル、タングステン、コバルト、ルテニウム、錫、亜鉛、鉛等の金属又はこれらの合金(例えば、Al合金としては、Alと、Cu、Ag、Pt等の白金族系の金属との合金)の単層又は多層構造膜が挙げられる。反射膜を金属で構成する場合は、なかでも、Al、Au、Ag、Crの金属の単層膜等が好ましい。
反射膜は、2種以上の誘電体を複数積層させた誘電体多層膜等であってもよい。誘電体多層膜としては、DBR(distributed Bragg reflector:分布ブラッグ反射)膜が好ましい。DBR膜を構成する誘電体としては、例えば、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物又は窒化物が挙げられる。なかでも、Si、Zr、Nb、Ta、Al等の酸化物の積層構造が好ましい。また、反射膜の1層目は、シリコンとの密着性が良いものが好ましく、例えばSiO2等のSi含有層が適していると考えられる。誘電体多層膜の各層の材料及び膜厚を調整することによって所望の反射率を得ることができる。
反射膜は、特に、誘電体多層膜によって形成されるものが好ましい。誘電体多層膜は、金属からなる反射膜と比較して、レーザの発振波長に対する反射率を高くできる。つまり、反射率を100%に近づけることができる。これによって、光吸収が小さい、つまり発熱が小さい光学部材を実現することができる。その結果、高出力の半導体レーザ装置を実現することができる。誘電体多層膜は各層の膜厚が変化すると反射率が変化するため、設計値どおりの膜厚で形成できるように、ウェハ状態で被形成面に対して垂直方向に成膜することが好ましい。したがって、誘電体多層膜は、シリコン基板の第2主面({110}面)に形成されるものがより好ましい。
反射膜の厚みは、例えば、0.数〜数十μm程度が挙げられ、0.1〜10μm程度が好ましく、0.3〜7μm程度がより好ましい。
反射膜は、例えば、真空蒸着法、イオンプレーティング法、イオン・ベーパー・デポジション(IVD)法、スパッタリング法、ECRスパッタリング法、プラズマ蒸着法、化学的気相成長(CVD)法、ECR−CVD法、ECR−プラズマCVD法、電子ビーム蒸着(EB)法、原子層堆積(ALD)法等の公知の方法によって形成することができる。なお、いずれの成膜方法においても、被形成面に対して垂直方向に成膜することが好ましい。
このように、上述した傾斜面を作成した後、反射膜を形成することにより、角度精度及び平滑度等に優れ、膜質の良い反射機能を有する反射膜を形成することができる。その結果、光学部材の反射効率及び耐久性を高めることができる。また、光学部材を、簡易、簡便かつ高精度に効率よく製造することができる。さらに、光学部材自体の製造コストを低減することができる。
(e:シリコン基板の分割)
シリコン基板は、任意に分割してもよい。分割は、上述した反射膜を形成する前後のいずれでもよい。
シリコン基板の分割は、例えば、45度傾斜面に沿った方向、つまり、<100>方向に行うことが好ましい。上述したように、シリコン基板に傾斜面を形成した場合、2つの傾斜面を含んで又は1つの傾斜面によって、断面形状が台形状又はV字状の溝が形成されるため、台形又はV字状の溝内において、この溝に沿って分割することが好ましい。これによって、マスクパターンにおける開口が複数存在する場合には、1つの光学部材の両側に2つの傾斜面を有するものを形成することができる。
また、2つの傾斜面の間において、シリコン基板の{110}面(第1主面)が存在する場合には、そのシリコン基板の{110}面において、<100>方向に伸びる方向に平行な方向においてさらに分割してもよい。このような分割により、1つの光学部材に、1つの傾斜面のみを有するものを形成することができる。
さらに、上述した<110>方向に伸びる方向のエッチングの有無にかかわらず、傾斜面に沿った方向に対して直交する方向、つまり<110>方向にも分割することが好ましい。ここでの分割は、<110>方向に伸びる方向のエッチングによる傾斜による溝を利用してもよいし、後述するような分割の補助溝又はクラックを利用してもよい。
シリコン基板の分割の際には、分割の補助溝及び/又はクラックを形成して、分割することが好ましい。このような補助溝及び/又はクラックは、例えば、ブレードダイシング、レーザダイシング等の公知の方法によって行うことができる。なかでも、内部加工可能なレーザダイシングを用いることが好ましい。これにより、どのような厚みであってもほぼ全面にクラックを形成でき、分割の際にデブリの発生を抑制することができる。内部加工可能なレーザダイシングを用いる場合は、例えば、レーザダイシング装置によって内部加工レーザを照射し、それぞれのV字溝の直下にクラックを形成し、その後、図2Dに示すように、V字溝の下端から、それを起点にブレイク装置でシリコン基板11を分割する。
分割後のシリコン基板の大きさは、任意に設定することができる。例えば、<110>方向の辺が2.0mm、<100>方向の辺が1.0mmとすることができる。
実施形態2:半導体レーザ装置
この実施形態の半導レーザ装置は、例えば、図4A及び図4Bに示すように、
実装基板1と、
実装基板1上に設けられた半導体レーザ素子4と、
{110}面及び{100}面を有するSiからなり、{110}面及び{100}面の一方が前記実装基板上に固定され、他方が反射膜で被覆され、半導体レーザ素子4から出射されたレーザ光を反射する光学部材5とを備える。
(光学部材5)
光学部材5は、半導体レーザ素子4から出射されたレーザ光を、意図する方向に反射させる部材である。光学部材5は、Si(シリコン)からなるものが好ましい。Siは、従来の石英からなる光学部材、いわゆるプリズムよりも熱伝導率が高いため、例えば、半導体レーザ素子の出力が1W以上の高出力レーザに対して特に有利である。
また、光学部材は、Siの{110}面及び{100}面を有するものが好ましい。つまり、光学部材5のレーザの反射面を、{110}面又は{100}面の一方とするものが好ましい。ただし、ここでの{110}面及び{100}面は、±2度程度のオフ角による傾斜が許容されることを意図する。さらに、Siの{110}面及び{100}面の一方が実装基板上に固定され、他方が反射膜で被覆されたものが好ましい。例えば、{110}面が実装基板上に固定され、{100}面が反射膜で被覆され、レーザ光の反射面とすることができる。なお、ここでいう{100}面は、{110}面に対する角度が45度である面を指すことができる。
なお、この{110}面は、例えば、上述した光学部材の製造方法におけるシリコン基板の第2主面に相当するもの、また、{100}面は、<100>方向に伸びる開口を有するマスクパターンを用いたエッチングによって形成された傾斜面であることが好ましい。
光学部材5は、反射面となる{110}面又は{100}面が、上述したように、反射膜で被覆されているものが通常使用される。
光学部材5は、半導体レーザ素子4に対向して配置される。この場合の対向配置とは、光学部材5の反射面、つまり反射膜で被覆された面に、半導体レーザ素子4から出射したレーザ光が照射され、これを反射させることができる位置に、光学部材5と対面して、光学部材5を配置することを意味する。例えば、光学部材の反射面を、半導体レーザ素子の光学部材側の端部に対して傾斜するように配置する。このような反射面によって、レーザ光が反射され、半導体レーザ素子4から出射されたレーザ光の光軸を方向転換することができる。半導体レーザ素子からレーザ光が実装基板の主面に対して平行に出射される場合は、実装基板の主面と傾斜面とのなす角度を45度±2度、好ましくは45度±1度、より好ましくは45度±0.2度とすれば、半導体レーザ素子からの光を実装基板1に対して垂直な方向に出射させることができる。
光学部材5の形状は、上述した反射面を備える限り、特に限定されるものではなく、種々の形状が挙げられる。例えば、多角形柱、多角形錐台及びこれらが組み合わせられた形状等が挙げられる。光学部材5は、さらに、{110}面に対して傾斜した傾斜面を有してもよい(図8A〜8C中の11d参照)。該傾斜面の{110}面に対する傾斜角度は、{100}面の{110}面に対する傾斜角度よりも小さく、例えば35度程度である。
光学部材5は、反射面が、例えば、半導体レーザ素子から、10〜150μm程度以内で配置されていることが好ましく、20〜100μm程度以内であることがより好ましい。
光学部材5は、実装基板上に1つのみ配置されていてもよいし、複数配置されていてもよい。後者の場合、例えば、行列状に配置されていることが好ましい。また、光学部材5は、1つの半導体レーザ素子に対して1つずつ配置されていてもよいし、複数の半導体レーザ素子に対して1つのみ配置されていてもよい。
光学部材5は、通常、実装基板1上に、金属層及び/又は接着部材を介して配置されている。金属層は、光学部材5の固定面及び/又は平面積よりも小さな面積で配置されていてもよいし、同等の面積で配置されていてもよい。また、光学部材5の固定面の縁からはみ出して配置されていてもよい。これによって、光学部材5の放熱経路を確保することができる。
金属層は、Au、Ag、Al等による金属の単層又はそれらを含む積層体のいずれによって形成されていてもよい。具体的には、Ti/Pt/Au、Ni/Au、Ni/Pd/Au、Ni/Pd/Au/Pd等の積層体が挙げられる。金属層の最表面をAuとすると、Auの一部又は全部が後述する接着部材、例えば、Au系の半田に拡散することがある。この場合は、拡散したAuは接着部材として機能する。金属層は、蒸着法、スパッタ法、めっき等、当該分野で公知の方法によって形成することができる。なかでも、スパッタ法によって形成されていることが好ましい。
接着部材としては、Au系半田材(AuSn系半田、AuGe系半田、AuSi系半田、AuNi系半田、AuPdNi系半田等)、Ag系半田材(AgSn系半田)等の金属材料からなるものが挙げられる。接着部材を用いる場合は、実装基板又は金属層と光学部材との接着面を、接着部材を介して合わせた後、所定の温度及び圧力下で保持することによって行うことができる。例えば、熱圧着法が利用される。放熱性の観点から、接着部材は、実装基板又は金属層と、光学部材との間の全面に配置されていることが好ましい。また、UV硬化接着剤、熱硬化接着剤等の接着剤を用いてもよい。
(実装基板1)
実装基板1は、半導体レーザ装置を構成する半導体レーザ素子4及び光学部材5等を載置するためのものである。実装基板1は、半導体レーザ素子4で発生する熱を効率的に外部に放出するためにも利用される。実装基板1は、典型的には絶縁性のセラミックからなる。絶縁性のセラミックとしては、AlN、SiC、アルミナ等が挙げられる。絶縁性のセラミックの下面には、放熱性を考慮して、さらに金属部材(Cu、Al等)、異種材料の絶縁性セラミック等が配置されていてもよい。
実装基板1の厚みは、特に限定されないが、例えば、0.2〜5mm程度が挙げられる。
実装基板1の形状、大きさは特に限定されるものではなく、意図する半導体レーザ装置の形状及び大きさ等によって適宜調整することができる。平面形状としては、矩形等の多角形、円形、楕円形又はこれらに近似する形状が挙げられる。実装基板1は、その表面に凹凸等を有するものであってもよいが、表面が平坦な平板状のものが好ましい。例えば、実装基板1として、一辺が2〜30mm程度の平板状の矩形形状の実装基板1が挙げられる。
実装基板1は、その表面に、配線パターンを有していてもよい。また、外部電源と接続するための端子が設けられていてもよい。実装基板1内部に配線パターン等が埋設されていてもよい。実装基板1の表面に外部電源と接続するための端子を設けることにより、実装基板1の裏面全面を放熱面とすることができる。
(サブマウント3)
実装基板1上にサブマウント3が設けられていてもよい。このとき、半導体レーザ素子4は、サブマウント3上に設けられる。サブマウント3は、半導体レーザ素子4の放熱のために熱伝導性の高い材料によって形成されており、シリコンよりも熱伝導性が高い材料によって形成されているものが好ましい。具体的には、AlN、CuW、ダイヤモンド、SiC、セラミックス等が挙げられる。なかでも、サブマウントは、単結晶のAlN又はSiCからなるものが好ましい。
サブマウント3の厚みは、特に限定されないが、例えば、100〜500μm程度が挙げられ、120〜400μm程度が好ましく、150〜300μm程度がより好ましい。サブマウント3を一定以上の厚みとすることにより、半導体レーザ素子からの光を効率的に反射部材で反射させて取り出すことができる。サブマウント3の厚みは、例えば、半導体レーザ素子の発光点が反射膜の下端よりも上に位置する程度の厚みとする。半導体レーザ素子の高さは、半導体レーザ素子から放射される光のうち所望の部分(反射したい光強度の部分)が反射膜に収まるように配置することが好ましい。
サブマウント3の平面形状は特に限定されず、例えば、矩形等の多角形、円形、楕円形又はこれらに近似する形状等が挙げられる。サブマウント3の大きさは、放熱性や最終的に得ようとする半導体レーザ装置の特性に合わせて適宜調整することができる。例えば、サブマウント3は、平面視において、半導体レーザ素子4の平面積よりも大きな平面積を有している。つまり、サブマウント3は、平面視において、半導体レーザ素子4の長さ及び幅よりも大きな長さ及び幅を有する。これにより、半導体レーザ素子4の全体又は略全体をサブマウント3上に配置することができ、放熱経路を確保することができる。
サブマウント3は、実装基板1上に1つのみ配置されていてもよいし、複数配置されていてもよい。後者の場合、例えば、行列状に配置されていることが好ましい。
サブマウント3は、通常、実装基板1上に、上述したような金属層及び/又は接着部材を介して配置されている。金属層は、サブマウント3の平面積よりも小さな面積で配置されていてもよいし、同等の面積で配置されていてもよい。また、サブマウント3の縁からはみ出して配置されていてもよい。
(半導体レーザ素子4)
半導体レーザ素子4は、電圧が印加され、しきい値以上の電流が流れると、活性層及びその付近でレーザ発振が起こり、生成されたレーザ光が導波路領域を通って外部に放射される機能を有する。このような半導体レーザ素子4としては、半導体が複数層積層されて構成される公知のレーザ素子のいずれをも使用することができる。例えば、導電性の基板の上にn型半導体層、活性層及びp型半導体層が順に積層され、半導体層の表面に絶縁膜及び電極等が形成された構造の素子が挙げられる。半導体層の材料は、III−V族の化合物が挙げられ、なかでも窒化物半導体が好ましい。
半導体レーザ素子4は、サブマウント3上に設けられている。これにより、半導体レーザ素子4から発生する熱を、サブマウント3等を介して実装基板1に効率的に逃がすことができる。半導体レーザ素子4は、基板側が実装面となるジャンクションアップ(フェイスアップ)実装されていてもよいが、ジャンクションダウン(フェイスダウン)実装されていることが好ましい。ジャンクションダウン実装とすることにより、半導体レーザ素子4におけるレーザ光の発振部位を下方のサブマウント3および実装基板1に近づけることができる。このようにレーザ光の発振部位という発熱しやすい部分をサブマウント3および実装基板1の近くに配置することにより、効果的に放熱することができる。ジャンクションダウン実装する場合は、半導体レーザ素子4を、その一部が、サブマウント3の端部よりも光学部材5側に突き出るように配置することが好ましい。突き出る長さは、例えば10〜20μm程度とすることができる。これにより、レーザ光がサブマウントに反射されることを抑制でき、また、実装基板の表面に平行な方向における半導体レーザ素子4と光学部材5との距離を短くすることができる。つまり、半導体レーザ素子4を後述する光学部材5により近接させることができる。これにより、半導体レーザ装置のサイズをより小さくすることができる。また、一般的に、半導体レーザ素子4は、半導体層側が発熱するため、半導体層側を実装基板側とする、つまり発熱箇所をサブマウント3又は実装基板1に近づけることができるジャンクションダウン実装により放熱性をより向上させることができる。
半導体レーザ素子4は、1つのサブマウント3の上に1つのみ配置されていてもよいし、1つのサブマウント3の上に複数配置されていてもよい。複数の半導体レーザ素子4は、同じ波長帯、異なる波長帯のいずれでもよい。また、複数の半導体レーザ素子4は、行列状に載置されていてもよい。
(キャップ)
半導体レーザ装置10は、さらに、半導体レーザ素子4及び光学部材5を被覆するようにキャップ8が実装基板1に取り付けられて、封止されていることが好ましく、気密封止されていることがより好ましい。特に、発振波長が300〜600nm程度の半導体材料(例えば、窒化物半導体)を用いた半導体レーザ素子4を用いる場合には、有機物及び水分等を集塵しやすいため、キャップ8を設けることによって、レーザ装置内の気密性を高め、防水性、防塵性を高めることができる。また、この場合は、キャップ8により気密封止された内部に配置する部材は、樹脂等の有機物を含まない部材であることが好ましい。
キャップ8の形状は、有底の筒型(円柱又は多角形柱等)、錐台型(円錐台又は多角形錐台等)、ドーム型及びこれらの変形形状等が挙げられる。キャップ8は、例えば、Ni、Co、Fe、Ni−Fe合金、コバール、真鍮等の材料を用いて形成することができる。実装基板1に設けられたキャップ8は、その一面に開口部が設けられていることが好ましい。開口部には透光性部材7が設けられていることが好ましい。透光性部材7からレーザ光を取り出すことができる。キャップ8は、抵抗溶接又は半田付け等の公知の方法により、実装基板1に固定することができる。
(レンズ)
レンズは、レーザ光を平行光、集光又は拡散させるなどの役割を果たす。レンズは、光学部材ミラーによって反射されたレーザ光の出射方向に配置されていてもよいし、半導体レーザ素子と光学部材との間であって、半導体レーザ素子からのレーザ光が照射される位置に配置されていてもよい。
レンズは、レーザ光を透過することのできる材料が用いられ、ガラス、石英、合成石英、サファイア、透明セラミック、プラスチック等、一般に用いられている材料によって形成することができる。種々のアプリケーションへの適用のため、半導体レーザ装置から取り出す光を平行光とすることが好ましく、そのため、レーザ光を半導体レーザ装置から平行光として出射させるために、コリメートレンズを用いることが好ましい。なお、レンズの形状は特に限定されず、円形または楕円形であることが好ましい。レンズの大きさとしては、最終的に半導体レーザ装置から取り出したいレーザ光に応じて任意に決定することができる。
実施形態3:半導体レーザ装置の製造方法
この実施形態の半導体レーザ装置の製造方法は、上述した光学部材と、半導体レーザ素子とを、半導体レーザ素子から出射するレーザ光が光学部材の反射膜に照射されるように、実装基板に固定することを含む。
実装基板に、まず半導体レーザ素子を固定し、次いで半導体レーザ素子から出射するレーザ光が光学部材の反射膜に当たるように光学部材を固定してもよいし、まず光学部材を固定し、光学部材の反射膜にレーザ光が当たるように、半導体レーザ素子を固定してもよいし、同時でもよい。
このように、半導体レーザ素子と光学部材とを固定することにより、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を出射方向と異なる方向に反射させることができる。
光学部材を実装基板に固定する場合、実装基板に対面させる光学部材の面を、実装基板表面に対して45度となるように固定することが好ましい。そのために、実装基板に対面させる光学部材の面を、例えば、上述したシリコン基板の{110}面又は{100}面の一方とするものが好ましく、{100}面がより好ましい。これにより、上述のエッチング処理を施していない{110}面を反射面とすることができる。このような{110}面は、エッチングによる面荒れや欠陥の発生が無いため、反射面としてより適している。{110}面を実装基板に固定する場合には、実装基板表面に対して{100}面が45度の角度で傾斜した反射面とすることができ、{100}面を実装基板上に固定する場合には、{110}面が45度の角度で傾斜した反射面とすることができる。
光学部材を実装基板に固定する場合、上述したように、金属層及び/又は接着部材を介して固定することが好ましい。
半導体レーザ素子を実装基板に固定する場合、半導体レーザ素子をサブマウントに固定し、さらに、サブマウントを実装基板に、金属層及び/又は接着部材を介して固定するか、実装基板にサブマウントを固定し、半導体レーザ素子をサブマウントに固定することが好ましい。この場合、半導体レーザ素子をジャンクションダウン実装するのであれば、上述のとおり、半導体レーザ素子を、その一部が、サブマウントの端部よりも光学部材側に配置することが好ましい。半導体レーザ素子、サブマウント及び実装基板は、上述した金属層及び/又は接着部材を介して固定することができる。
光学部材を実装基板に固定し、その後に半導体レーザを実装基板に固定することにより、光学部材の位置をカメラ等で画像認識させ、光学部材の位置を基準として半導体レーザ素子の実装位置を決定することができる。これにより、簡便な方法で正確な位置に半導体レーザ素子及び光学部材を実装することができる。
半導体レーザ素子及び光学部材を実装基板に固定した後、各部材をダイボンディング及びワイヤーボンディング等により電気的に接続する。
レンズを実装する場合には、任意に、レンズの位置合わせ及び接着を行ってもよい。レンズの実装の位置を決定した後、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等のUV硬化接着剤、熱硬化接着剤等を用いて、レンズを任意の位置に固定する。
半導体レーザ装置をキャップにより封止する場合は、任意に、抵抗溶接、半田付け等で実装基板にキャップを接着すればよい。封止する際は、露点摂氏−10度以下の乾燥した大気中、窒素雰囲気中等で封止することができる。また、各部材をアッシング又は熱処理等の方法を用いて前処理し、各部材に付着した水分、有機物の除去を行うことが好ましい。
以下に、本発明の光学部材の製造方法、半導体レーザ装置の製造方法及び半導体レーザ装置の実施例を、図面を用いて具体的に説明する。
実施例1:光学部材の製造方法
(a:シリコン基板の準備)
まず、図1A及び図1Bに示すように、シリコン基板11を準備する。このシリコン基板11は、第1主面11a及び第2主面11cにおいて{110}面を有している。シリコン基板11の厚みは、例えば、500μmである。
(b:マスクパターンの形成)
シリコン基板11の第1主面11aのほぼ全面に、CVD装置によりSiO2膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィにより、<100>方向と<110>方向にそれぞれ沿った開口を有するマスク形成用のパターンを形成し、バッファードフッ酸によってSiO2膜をウェットエッチングする。これによって、<100>方向と<110>方向にそれぞれ沿った開口12a、12bを有するマスクパターン12を形成した。つまり、マスクパターン12はSiO2からなる。マスクパターン12においては、開口12aの幅Qを600μmとし、開口12bの幅Zを300μmとした。また、マスクパターンの<100>方向の辺長Xを500μm、<110>方向の辺長Yを700μmとした。
(c:傾斜面の形成)
次に、図2Aに示すように、マスクパターン12をマスクとして、シリコン基板11の第1主面11aである{110}面を摂氏約90度のTMAHで240分間ウェットエッチングした。これによって、<100>方向に沿って、第1主面11aから深さ約400μmの45度の傾斜面を露出させた。ここでの45度の傾斜面に対向する面も45度の傾斜面であり、断面形状を略V字状の溝とした。ここでの45度の傾斜面11bは{100}面となる。
また、同時に、<110>方向に沿って、第1主面11aから深さ約300μmの35度の傾斜面を露出させた。ここでの35度の傾斜面に対向する面も35度の傾斜面であり、断面形状を略V字状の溝とした。
その後、図2Bに示すように、マスクパターン12をバッファードフッ酸によって除去した。
(d:反射膜の形成)
図2Cに示すように、得られたシリコン基板11の傾斜面11bである{100}面に、スパッタ装置を用いてAl膜を200nmで成膜し、反射膜13を形成した。この反射膜13の反射率は約92%である。
ここでは、被成膜面が45度で傾斜しているために、膜厚の制御が困難であることから、傾斜面にも良好な膜厚制御で成膜することができる金属膜を反射膜として形成した。
(e:シリコン基板の分割)
次に、図2Dに示すように、シリコン基板11を、シリコン基板11の<100>方向及び<110>方向のエッチングされたV字状溝の中央(V字頂点部分)から分割した。
これによって、平面形状が略矩形のシリコン基板11による光学部材を形成することができる。この光学部材は、図8A〜8Cに示すように、45度の2つの傾斜面、つまり11b{100}面と、35度の2つの傾斜面、つまり11dとの2種類の傾斜面を備えることができ、45度の2つの傾斜面を反射面とすることができる。なお、11b{100}面と、35度の傾斜面11dとは、例えば、徐々に傾斜角度が変化した複数の面方位の面によって連結されている。丸みを帯びた曲面によって連結されていてもよい。
任意に、図2Eに示すように、シリコン基板11の<100>方向に沿って、V字溝間に存在するシリコン基板の第2主面11cである{110}面に補助溝14を形成し、図2Fに示すように、補助溝14から<100>方向にシリコン基板11を分割してもよい。このようにして、45度の1つのみの傾斜面を反射面とする光学部材5Aを形成する。
実施例2:光学部材の製造方法
実施例1と同様に、シリコン基板11に、断面形状が略V字状の45度の傾斜面(図8A〜8C中、11b)及び35度の傾斜面(図8A〜8C中、11d)を形成する。
(d’:反射膜の形成)
図3Aに示すように、得られたシリコン基板11の第2主面11cである{110}面に、ECR装置を用いてSiO2膜/ZrO2膜(75nm/50nm)を7ペアーの積層構造(合計膜厚875nm)で成膜して反射膜23を形成する。この反射膜23の反射率は約99%である。
その後、実施例1と同様に、図3Bに示すように、シリコン基板を分割し、45度の2つの傾斜面を反射面とする光学部材15を形成する。
実施例3:半導体レーザ装置
この実施例の半導体レーザ装置10は、図4A及び4Bに示すように、主として、実装基板1と、実装基板1上に設けられたサブマウント3と、サブマウント3上に設けられた半導体レーザ素子4と、光学部材5Aとを備える。また、半導体レーザ素子4及び光学部材5Aは、キャップ8によって気密封止されている。
実装基板1は、長方形のAlNからなる絶縁性のセラミック板1aと、その下面に配置されたCuからなる金属部材1bによって構成されている。
実装基板1の上面には、金属層2A、2Bが、半導体レーザ素子4及び光学部材5Aが載置される部位にそれぞれ互いに離間して配置されている。
金属層2Aは、実装基板1側からTi(0.06μm)/Pt(0.2μm)が積層されており、さらに、その上にAu−Sn系共晶半田(3μm)が配置されている。金属層2Bは、実装基板1側からTi(0.06μm)/Pt(0.2μm)/Au(1μm)/Pd(0.3μm)が積層されており、さらに、その上にAu−Sn系共晶半田(3μm)が配置されている。
光学部材5Aは、シリコンからなり、実装基板1に固定されている第2主面11cである{110}面及び第2主面11cに対して45度傾斜した傾斜面11bである{100}面を有する。傾斜面11bには、上述したアルミニウムによる反射膜13が形成されている。光学部材5Aの上面から底面までの高さは500μmである。また、傾斜面11bの高さは、200μmである。
光学部材5Aの第2主面11cは、金属層2Bを介して、実装基板1に固定されている。光学部材5Aと後述するサブマウント3とは、例えば、実装基板1表面において、35μmである。
サブマウント3は、裏面に、Ti(0.06μm)/Pt(0.2μm)が積層されたAlNから構成されている。サブマウント3は、例えば、450μm×1900μm×200μm(厚み)の直方体形状を有する。
サブマウント3の実装基板1上への実装時には、実装基板1側からTi(0.06μm)/Pt(0.2μm)と、Au−Sn系共晶半田(3μm)と、Pt(0.2μm)/Ti(0.06μm)がこの順に積層され、加熱によって実装される。
半導体レーザ素子4は、サブマウント3上に、例えば、Au−Sn系共晶半田を介して配置されている。半導体レーザ素子4は、窒化物半導体から形成された発振波長445nmの略矩形の素子(150×1200μm)である。
半導体レーザ素子4の光学部材5A側の端面は、サブマウント3の光学部材5A側の端面よりも、光学部材5A側に配置されている。その端面間の距離は、例えば、15μmである。
半導体レーザ素子4の光出射面は、光学部材5Aの反射面と対面しており、100μm程度離間して配置されている。
キャップ8は、半導体レーザ素子4及び光学部材5Aを気密封止するように実装基板1上に固定されている。キャップ8は上面に開口部を有しており、開口部にはガラスからなる透光性部材7が設けられている。
このような半導体レーザ装置10では、平滑度に優れ、簡便に角度精度がなされた反射面を利用することができ、このような反射面に対して、膜質の良好な反射膜が配置していることにより、反射効率及び耐久性に優れた半導体レーザ装置を安価に得ることができる。
また、半導体レーザ素子4の大部分をサブマウント3上に配置させることができるために、サブマウント3による放熱性を確保することができる。さらに、半導体レーザ素子4と光学部材5Aとを近接させることができるため、レーザ光のビーム径を小さく維持することができ、高輝度の光を得ることができる。
実施例4:半導体レーザ装置
この実施例の半導体レーザ装置20は、図5に示すように、実装基板1上に、光学部材5と、この光学部材5を挟んで2つの半導体レーザ素子4とを備える以外、実質的に半導体レーザ装置10と同様の構成を有する。キャップ28は、金属部材の開口部8aに透光性部材27が設けられており、透光性部材27からレーザ光を取り出すことができる。
ここでの光学部材5としては、上述した光学部材の製造において、図2Dに示す光学部材を利用することができる。光学部材5は、直方体上に四角形錐台が載置された形状であり、互いに異なる大きさの略四角形状の上面及び底面を有し、上面及び底面の間に、上面に隣接し、上面に対して45度傾斜した傾斜面11b及び底面に隣接する非傾斜面を2つ有する。光学部材5の上面から底面までの高さは500μmである。また、傾斜面11bの高さは、200μmである。
半導体レーザ素子4は、光学部材5の2つの反射面に対向して2つ配置されている。
実施例5:半導体レーザ装置
この実施例の半導体レーザ装置30は、図6に示すように、実装基板1上に配置された光学部材15の向きが異なる以外、実質的に半導体レーザ装置10と同様の構成を有する。キャップ38は、金属部材の開口部に透光性部材37が設けられており、透光性部材37からレーザ光を取り出すことができる。
ここでの光学部材15としては、上述した光学部材の製造において、図3Bに示す光学部材を利用することができる。光学部材15の反射面は、シリコン基板の第2主面11cである{110}面であり、この反射面に、SiO2膜/ZrO2膜(75nm/50nm)の積層膜からなる反射膜23を有している。この反射面が、実装基板1表面に対して45度となるように、光学部材15の傾斜面11bである{100}面が、実装基板1に対面して、金属層2Bを介して固定されている。
光学部材15の最下端から最上端までの高さは1000μmである。
実施例6:半導体レーザ装置
この実施例の半導体レーザ装置10Bは、図7に示すように、光学部材5Aと半導体レーザ素子4との間にレンズ6が配置されている以外、実質的に半導体レーザ装置10と同様の構成を有する。
レンズ6は、半導体レーザ素子4から出射された光をコヒーレント光にするためのコリメートレンズ機能を有する。
本発明の製造方法によれば、近年需要が増している高出力半導体レーザパッケージ、低コスト小型レーザパッケージ等、大きさ及び形状を問わず幅広い表面実装型レーザパッケージに対し、安価で品質の高い傾斜反射面を有する光学部材を容易に提供できる。また、本発明の半導体レーザ装置は、光ディスク、光通信システム、プロジェクタ、ディスプレイ、印刷機又は測定器等のデバイスに幅広く利用することができる。
1 実装基板
1a セラミック板
1b 金属部材
2A、2B 金属層
3 サブマウント
4 半導体レーザ素子
5、5A、15 光学部材
6 レンズ
7、27、37 透光性部材
8、28、38 キャップ
8a 開口部
10、20、30、10B 半導体レーザ装置
11 シリコン基板
11a 第1主面{110}
11b 傾斜面{100}
11c 第2主面{110}
11d 傾斜面
12 マスクパターン
12a、12b 開口
13、23 反射膜
14 補助溝

Claims (17)

  1. (a){110}面からなる第1主面を有するシリコン基板を準備し、
    (b)前記第1主面上に、<100>方向に伸びる開口を有するマスクパターンを形成し、
    (c)前記シリコン基板を、前記マスクパターンをマスクとして用いて前記第1主面側からウェットエッチングして、{100}面を有する傾斜面を形成することを含む光学部材の製造方法。
  2. さらに、前記工程(c)の後に、(d)得られた前記傾斜面に反射膜を形成することを含む請求項1に記載の光学部材の製造方法。
  3. 前記工程(a)において、前記シリコン基板は前記第1主面に平行な第2主面を有し、
    さらに、前記工程(c)の後に、(d’)前記第2主面に反射膜を形成することを含む請求項1に記載の光学部材の製造方法。
  4. さらに、前記工程(c)の後に、(e)得られた前記シリコン基板を、前記傾斜面の下端から、前記<100>方向に分割することを含む請求項1から3のいずれか1つに記載の光学部材の製造方法。
  5. 前記工程(e)において、前記シリコン基板を<110>方向に分割する請求項4に記載の光学部材の製造方法。
  6. 前記工程(b)において、前記マスクパターンに、さらに<110>方向に伸びる開口を形成する請求項5に記載の光学部材の製造方法。
  7. 請求項2〜6のいずれか1つで得られた前記光学部材と、半導体レーザ素子とを、前記半導体レーザ素子から出射するレーザ光が前記光学部材の前記反射膜に照射されるように、実装基板に固定することを含む半導体レーザ装置の製造方法。
  8. 前記反射膜が形成された面と前記実装基板との成す角が45度となるように、前記光学部材を前記実装基板に固定する請求項7に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  9. 前記半導体レーザ素子を、サブマウントを介して前記実装基板に固定する請求項7又は8に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  10. 前記半導体レーザ素子を、その一部が、前記サブマウントの端部よりも前記光学部材側に配置する請求項9に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  11. さらに、前記実装基板上に、前記半導体レーザ素子及び前記光学部材を気密封止するキャップを設ける請求項7から10のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  12. 前記半導体レーザ素子を、前記サブマウントにジャンクションダウン実装する請求項9から11のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  13. 実装基板と、
    前記実装基板上に設けられた半導体レーザ素子と、
    {110}面及び{100}面を有するSiからなり、前記{110}面及び前記{100}面の一方が前記実装基板上に固定され、他方が反射膜で被覆され、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を反射する光学部材と、を備える半導体レーザ装置。
  14. 前記実装基板上に設けられたサブマウントを備え、
    前記半導体レーザ素子は、前記サブマウント上に設けられた請求項13に記載の半導体レーザ装置。
  15. 前記サブマウントは、Siよりも熱伝導率が高い材料からなる請求項14に記載の半導体レーザ装置。
  16. 前記サブマウントは、単結晶のAlN又はSiCである請求項14又は15に記載の半導体レーザ装置。
  17. 前記反射膜は、誘電体多層膜である請求項13から16のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置。
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