JP3379818B2 - 多ビーム半導体レーザーの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】本発明は、一般に半導体レーザー装置に関
するもので、更に詳細には、近接して隔置されるが、熱
的、電気的及び光学的に相互に分離された複数個の半導
体レーザー・チップから多ダイオード・レーザーを製造
する方法に関するものである。 【０００２】本発明は、約２０μｍの小さいレーザー間
間隔を達成するハイブリッド・デュアル・レーザー設計
の半導体レーザー装置を生産する方法に関するものであ
る。こうした装置は、光ディスク読み取り装置又は（通
常ラスター出力スキャナー（ＲＯＳ）と称している）飛
点スキャナーを含む多数の装置内に導入可能である。飛
点スキャナーは、典型的には、直線状若しくは高速走査
方向での感光記録媒体を横切る強度変調された１本以上
の光のビームを繰り返し掃引するよう、その中央軸線の
周りに回転される反射多面型多角形ミラーを備えてい
る。多数の強度変調ビームを採用しているプリンター
は、マルチ・ビーム若しくはマルチ・スポット・プリン
ターと称している。デュアル若しくは多点レーザーは、
１インチあたり約６００点（ｓｐｉ）の解像度で作動す
る高速プリンターを可能にする技術であると考えられ
る。本発明では、ＲＯＳに対してマルチビーム出力能力
を提供すべくヒートシンクから離れてｐ側で固着された
非対称多レーザー・ダイスを利用している。更に、ハイ
ブリッド・デュアル・レーザー設計にて２個のレーザー
・ダイスを分離する小さい空気空間が、両ダイス間に熱
的、電気的及び光学的分離を提供する。レーザーを駆動
するには、ワイヤ固着パッドが、レーザー・ダイスの片
側からベースを通じて延在した状態にてｐ側に電気的接
触がなされる。 【０００３】今日迄、多ビーム半導体レーザーの望まし
さが認識されて来ている。しかしながら、熱的漏話が原
因で、先行技術の提案に対する実際的なレーザー間間隔
は、一般に少なくとも１００μｍに限定されている。放
出レーザー・ビームの近接した間隔を達成すべく意図さ
れている設計は公知であるが、関連ある開示内容は以下
の通りである。 【０００４】米国特許第４，９０１，３２５号は、一対
の半導体レーザー・チップと電極面が大略平行で且つ相
互に対向するようレーザー・チップを固定する固定装置
とを利用している、光ディスク装置において使用される
半導体レーザー装置を開示している。固定装置は、単一
部片、Ｕ形ブロックのいずれかを含み若しくは代替的に
フォト・ダイオードが最終的に実装される一対のブロッ
クを含む。一対のブロックが使用される場合、視覚シス
テムの制御の下でブロックを整合させ且つブロックをベ
ース・プレートに永久的に固定する目的で工作機械が使
用される。 【０００５】米国特許第４，８７０，６５２号は、独立
的にアドレス可能な半導体レーザーのモノリシック高密
度アレイを開示している。レーザーは、更に位相ロッキ
ングを表示せずに最低の漏話効果にて、中心間隔が３〜
１０μｍで近接して隔置されたエミッターを有すること
が特徴になっている。 【０００６】米国特許第４，７９６，９６４号は、ラス
ター出力スキャナー内で多エミッター・ソリッド・ステ
ート半導体レーザーを使用する方法を述べている。 【０００７】米国特許第４，４０３，２４３号には、半
導体レーザーにより装置内で発生された発光レーザー・
ビームの伝送を可能にするよう固定される光伝送部材に
対する支持手段と半田付け手段を含むレーザー装置が開
示してある。 【０００８】本発明によれば、支持ヒートシンクに固定
された第１及び第２半導体レーザー・ダイスを有する多
ビーム半導体レーザーを製造する方法が提供される。本
方法は、サンドイッチを形成すべく中間材料層の反対側
上にヒートシンクの面する側をラミネートする段階、当
該サンドイッチをベースに固着する段階、ヒートシンク
の相対的位置を乱さずに中間材料層を除去する段階、及
び、第１及び第２半導体レーザー・ダイスをヒートシン
クの面する側上に永久的に固定する段階を含む。 【０００９】図１は、本発明にて製造されたハイブリッ
ド半導体レーザー設計を図解している斜視破断図であ
る。 【００１０】図２は、本発明で採用された基本的な処理
段階を図解している流れ図である。 【００１１】図３は、図２に表された処理に従って半導
体レーザーを組み立てる方法の斜視図である。 【００１２】図４は、図１に表された半導体レーザーの
最終的組立て段階を表す模式的図である。 【００１３】本発明のハイブリッド・多ビーム・半導体
レーザーを組み立てる方法の全般的理解のため、ここで
図面を参照する。図面において同様の要素を表すべく同
様の参照番号が全体を通じて使用されている。図１は、
完全に組立てられた状態で見えるハイブリッド半導体レ
ーザーの破断図を示す。 【００１４】更に詳細には、図１は、以後説明する新規
な方法を使用して好適に製造された多ビーム半導体レー
ザーを図解している。多ビーム・レーザー１２は、一般
に以後、面する表面として参照する相互に対向したヒー
トシンク２０及び２２の表面上に永久的に固定されてい
る一対の半導体レーザー装置即ちダイス１４及び１６を
含む。ヒートシンクも、半田パッド２６により円形ベー
ス・プレート２４に堅固に固定されている。ベース・プ
レート２４には、一連の絶縁供給路（ｆｅｅｄ−ｔｈｒ
ｏｕｇｈ）３０が含まれ、当該供給路は、端子３２が、
リード３４に接続された外部電源からレーザー・ダイス
に電力を供給出来るようにする。その上、アース・リー
ド３６は、導電性のベース・プレート２４に対する電気
的接触を提供すべく、好適には半田付け若しくはろう付
けにより、当該ベース・プレートの下側に永久的に接続
され、ベース・プレートとヒートシンクを介してレーザ
ー・ダイスにいたる電気的アース路を確立する。前述し
た内部素子が一旦組み立てられると、透明窓４４を含む
キャップ４２が内部素子上方に設置され、ベース・プレ
ートに対してシールされ、多ビーム・レーザー装置を容
器に入れてレーザー・アッセンブリー４６を完成させ
る。アッセンブリー４６は、次に堅固な支持部材４８に
固定され、当該支持部材は、レーザー・アッセンブリー
を保護するだけでなく複数個の設置孔を提供し、当該孔
は、レーザー・アッセンブリーを正確に位置付けてネジ
若しくは同様の（非図示の）締め付け機構により（非図
示の）設置構造に対し支持させるべく使用可能である。 【００１５】ヒートシンク２０及び２２の相互に対する
正確な設置は、多点レーザー・アッセンブリー４６に対
して所望のビーム間間隔を得るのに重要である。実際、
数ミクロンに過ぎないレーザー間間隔が、本明細書で説
明したハイブリッド・レーザー設計にて且つ以下の組立
て方法を使用して達成出来よう。重要な因子は、ヒート
シンクの平行に面する表面の間の間隔における公差、及
び、レーザー・ダイスを製造するのに使用されるベース
半導体ウエハーの厚さにおける変動である。これらの両
公差は、レーザーの分離（図４におけるΔＸ）と、ΔＸ
を制御出来る精度を決定する。２個のヒートシンクをベ
ース・プレート上に位置付ける目的で、自動化組立て作
動を使用出来るが、これは典型的には大略±５μｍの公
称精度を達成出来るに過ぎない。しかしながら、ヒート
シンクの正確な相対的設置に依存しないヒートシンク位
置付け方法を備えることが好ましい。 【００１６】最小レーザー間間隔を制御する他の重要な
因子は、レーザー基材ウエハーを所定厚さに薄くするこ
とが出来る精度である。一般に、機械的安定性と取扱い
の容易性のため、化学−機械的研磨方法による薄膜化に
続く典型的な最終基材厚さは、約±１０μｍの範囲若し
くは誤差にて大略７０μｍである。しかしながら、近代
の厚さ測定機器、又は粗さ計（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅ
ｒ）及びウエハー薄化処理のための光学的研磨の使用
は、約±１μｍの精度迄の厚さ変動の達成を可能にする
ものと信じられている。 【００１７】図２に示された段階及び図３と図４に図解
された部分的組立てで表される如く、ヒートシンク２０
及び２２の所望の位置付けを達成する方法は、寸法を正
確に制御出来るエッチング可能な若しくは溶解可能な中
間スペーサー材料６０の反対側上にヒートシンクをラミ
ネートすることである。図２を参照すると、ラミネート
方法には、段階１１０での第１ヒートシンク上での中間
材料の蒸着段階、次に、段階１１２での中間スペーサー
材料の反対側への第２ヒートシンクの固着が含まれる。
図３に表される如く、ラミネート若しくはサンドイッチ
６２は、次にヒートシンクがベース２４に固定されるよ
う、半田付け、ろう付け、若しくは他の方法で固着出来
よう。次に、スペーサー材料はエッチング処理され若し
くは溶解されて、２個の適切に隔置されたヒートシンク
を所望の相対的整合にて永久的に固定された状態に残
す。 【００１８】例えば、表面側Ａ上に銅スペーサー６０を
製造する目的で、金若しくはニッケル・メッキの第１ヒ
ートシンク２２を電気メッキすることが出来る。次に、
金若しくはニッケル・メッキの第２ヒートシンク２０の
面する側Ｂは、ラミネートを完成させるべく高融点半田
を使用して銅スペーサーに固着出来る。好適には、半田
は、融点が約３００℃以上であり、金−錫、鉛−錫、若
しくは鉛−銀の如き合金に出来よう。 【００１９】ヒートシンク２０及び２２は、大略２００
μｍの空気間隙を横切って平行な表面Ａ及びＢを有する
よう意図されている。この平行な表面も又ヒートシンク
表面が相互に重なる領域たる領域６６のみでなく、面す
る表面Ａ及びＢが機械的アクセスのため露呈される外部
に存在する領域があるよう横方向に変位される。更に、
スピンコートされた有機ポリマー及び真空蒸発された有
機、金属若しくは酸化物材料を含めた電気メッキした銅
の代わりに別のスペーサー材料を使用出来よう。 【００２０】大略１％の妥当な電気メッキ厚さ精度を仮
定すれば、約２００μｍの公称ヒートシンク間隔に対し
て約±1.0 μｍの間隔精度が予測される。次に、ヒート
シンクは、ラミネートを半田パッド２６上に設置し、半
田パッドを溶かすのに十分な熱を与える間にラミネート
をベースに対して押し付けることにより、段階１１４に
てベース２４に固着される。好適には、ラミネートは、
中間融点を有する半田を使用してベースに固着されよ
う。例えば、高い鉛含有率を有する鉛−インジウム半田
は、結果的に大略２３０℃乃至２８０℃の範囲の半田融
点を生じる。 【００２１】代替的実施態様においては、スペーサー材
料は、段階１１０における如く、第１ヒートシンク上に
蒸着され、引き続きスペーサー及び第１ヒートシンク
は、ベース・プレート２４に固着出来る。次に、第２ヒ
ートシンクは、スペーサー材料に対し当接する関係にて
ベース・プレート上に設置出来、低融点半田若しくは同
等の接合方法を使用してベース・プレートに固着出来よ
う。こうした代替例は、実質的に前述した３部品ラミネ
ートと同じ平行ヒートシンクの整合上及び間隔上の精度
を達成するものと信じられている。 【００２２】ヒートシンク２０及び２２を乗せて組み立
てたベース・プレートの冷却に引き続き、段階１１６で
銅スペーサー材料６０は、化学的にエッチング処理さ
れ、ヒートシンクを所望の如く位置付けられた状態に残
す。更に詳細には、電気メッキされた銅スペーサーが、
２個のレーザー・ヒートシンクの間で使用されれば、当
該スペーサーは、通常の印刷回路基板処理で使用される
アンモニア性銅食刻液で除去出来る。これらの食刻液
は、銅に対して選択性があり、ヒートシンクのベースに
対する固着には影響を与えないままである。要求があれ
ば、ベース・プレート固定側とは反対側での最上方ヒー
トシンク面の後続のダイアモンド機械加工は、その最上
方の面が共面（ｃｏｐｌａｎｅｒ）であることを保証す
る。これは更に、レーザー放射孔７０が、個々の上方ヒ
ートシンク面と共面になるよう固定され且つ同じ面内に
存在することを保証する。 【００２３】次の段階たる段階１１８では、レーザー・
ダイスが、その片側に沿って放射ストライプ７０を有す
るような個々のヒートシンクの面する表面上でのレーザ
ー・ダイスの位置付けと固定を達成する。ここで段階１
１８を図解している図４を参照すると、組立て作動は、
重なる領域６６の外側に存在している露呈領域内にて、
レーザー・ダイスの基材側がヒートシンクに接触した状
態で、レーザー・ダイスをヒートシンクの面する表面上
に設置すること、並びに、矢印７２で示された方向に
て、その重なる領域内の他のヒートシンクの平行表面の
間で当該レーザー・ダイスを摺動させることから成って
いる。段階１１８の作動は、更に図４に図解してあり、
そこでレーザー・ダイスの元の位置は、位置Ｆにおいて
想像線で示され、レーザー・ダイスは、掴み及び配置
（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ）ロボット７４のチャ
ックにより支持されている。 【００２４】レーザー・ダイスが、一旦位置Ｇに位置付
けられると、ダイスは、所定位置にて半田付けされ、ヒ
ートシンク２２の表面に永久的に固定される。好適に
は、レーザー・ダイス１４及び１６は、約２１０℃以下
にて溶ける純粋インジウム若しくは高インジウム成分の
インジウム−鉛合金の如き低温半田を使用して、それぞ
れヒートシンク２０及び２２に対して位置付けられ固定
されよう。２個のレーザー・ダイスの固着は、大部分の
場合、両方のレーザーに対して同じ半田を使用する１回
の作動中に行うことが出来よう。代替的に、簡便性が確
かめられれば、第１レーザー固着に対して低温インジウ
ム−鉛半田、第２レーザー固着に対して純粋インジウム
を使用することも出来る。更に強調する点は、前述の段
階１１２、１１４及び１１８に関連して前述した連続的
固着方法は、先に製造した固着が新しい固着製造時に軟
化せず且つ変形しないよう、固着接合において使用され
る漸進的に低い温度の半田を要求することにある。こう
した連続的半田付け作動とろう付け作動は良く知られて
おり、前述した３つの結合固着シーケンスに対して純粋
金属と合金の広い範囲が適しているかもしれない。 【００２５】ヒートシンクの制限された重なりの結果、
両方のレーザー・ダイス１４及び１６の上面の部分が、
ヒートシンクの最外側端部上の非重なり領域にて露呈さ
れる。従って、レーザー・ダイスの非重なり端部は、レ
ーザーのｐ側への電気的接触を可能にすべくワイヤ固着
パッドとして利用可能である。更に詳細には、図２の段
階１２０において、アッセンブリーは、その個々の端子
とレーザー・ダイスの間に導電体７８及び８０をワイヤ
固着することで完了される。ワイヤ固着が端子３２への
接続を一旦完了すると、次に、レーザー・ダイスは、図
１のリード３４及び３６に接続された（非図示の）外部
電源により動力を受けることが出来る。 【００２６】ヒートシンク２２の表面上でのレーザー・
ダイス１６の正確な設置を更に確実にすべく、整合機構
を採用することが出来る。一般に、整合機構も、レーザ
ー・エミッター・ストライプの位置を定めるので、当該
機構はレーザー・ダイスをヒートシンクの表面上に正確
に位置付ける目的で使用出来よう。代替的に、ｙ方向で
のレーザー・ダイスの設置を制御する目的で、一般に利
用可能な視覚システムを採用出来る。更に、レーザー・
ダイスの相互に対するｙ方向での設置は重要であるが、
これはレーザーが励起される時間の間の遅延を使用して
補正出来る。従って、前述した方法によって最も正確に
制御される臨界寸法は、図４においてΔＸで表したＸ方
向でのレーザー・エミッター７０の分離寸法である。 【００２７】要約すると、本発明は、多ビーム半導体レ
ーザーを製造する方法であり、ここでレーザーにはそれ
ぞれ一対の支持ヒートシンクに固定された第１及び第２
半導体レーザー・ダイスが含まれる。この方法では、支
持するヒートシンクを相互に対し若しくは中間スペーサ
ーの反対側上に正確に位置付けるラミネーション作動を
利用する。ヒートシンクを永久的にベース・プレートに
固定した後、中間スペーサーは溶かされ若しくはレーザ
ー・ダイスに対する設置面を露呈させるべく除去され
る。本方法は、位置上の誤差を低減すべく相互に対して
正確なヒートシンクの相対的設置を可能にするだけでな
く、多ダイオード・レーザー装置を製造するのに一般に
採用される多段階整合作動の必要性を無くす。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明にて製造されたハイブリッド半導体レ
ーザー設計を図解している斜視破断図である。 【図２】 本発明で採用された基本的な処理段階を図解
している流れ図である。 【図３】 図２に表された処理に従って半導体レーザー
を組み立てる方法の斜視図である。 【図４】 図１に表された半導体レーザーの最終的組立
て段階を表す模式的図である。 【符号の説明】 １２…多ビーム・レーザー、１４…レーザー・ダイス、
１６…レーザー・ダイス、２０…ヒートシンク、２２…
ヒートシンク、２４…ベース・プレート、２６…半田パ
ッド、３０…供給路、３２…端子、３４…リード、３６
…アース・リード、４２…キャップ、４４…透明窓、４
６…アッセンブリー、４８…支持部材、６０…中間スペ
ーサー材料、６２…ラミネート、６６…領域、７０…レ
ーザー放射孔、７２…方向、７４…掴み及び配置ロボッ
ト、７８…導電体、８０…導電体

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−60829（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−234583（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−82906（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−230783（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−254783（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−237490（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−70936（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−75282（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 多ビーム半導体レーザーの製造方法であ
   って：第１ヒートシンクと第２ヒートシンクの間に配設
   された中間材料層を含むラミネートを形成する段階と；
   ラミネートをベースに固着する段階と；第１ヒートシン
   クと第２ヒートシンクの対向する面を相互に隔置させる
   べく中間材料層をラミネートから除去する段階と；第１
   半導体レーザー・ダイスを第１ヒートシンクの面上に、
   第２半導体ダイスを第２ヒートシンクの面上に固着する
   段階とから成る多ビーム半導体レーザーの製造方法。