JP4219677B2 - 光学装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク用のピックアップシステム,プリンター,デジタル複写機,光通信用モジュールなどに利用可能な光学装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般にLD(半導体レーザ;レーザダイオード)などの光源から発せられる光線を整形する場合には、LDが実装されているキャンの外側にレンズを配置する事が行われる。その場合には、LDの発光点から数mm程度離れ、光の発散角が40°程度ある事から、そのレンズは数mmの口径を持つ事になる。また、レンズの実装配置は、LDの発光スポットを観察しながら手作業で行われる事が多く、製造コストが高くなるとともに、その実装公差は非常に大きい。このような大きな公差では、実装した後の完成した光学装置の光線には大きな収差がのり、今後求められる高品質な光源とは言えない。
【0003】
また、一方、キャンの内部、LDのステムやサブマウント(LDを固定してある基板)に直接レンズを実装する試みがなされている。この場合には、LDの発光点近傍数十μmの距離にレンズを実装する事ができ、そのレンズも数十〜数百μmの口径のもので良くなる。このような大きさのレンズはマイクロレンズとして、半導体プロセスなどによって作られる。以下では、このようなマイクロレンズやプリズム,ミラーなどを含む微小な光学素子を微小光学素子とする。このマイクロレンズはその作製方法も確立し、アレイ化し易いこともあり、その実用化には期待も大きく、多くの研究もなされている(例えば、特許文献1,特許文献2,特許文献3,特許文献4,特許文献5参照。)。しかし、マイクロレンズと発光素子との実装には多くの問題が残り、その実装公差は未だ大きい。
【0004】
次に、従来の微小光学素子の実装方法について述べる。従来では、微小光学素子,発光素子,支持体を実装した光学装置は、図11に示す様に配置されている。ここで、支持体は、2つの部材からなり、発光素子を実装しているサブマウントと、それを実装するステムとからなっている。それぞれの支持体は、機械加工による金属片であり、その精度を高めることでコストも高くなる。実装方法としては、サブマウントに発光素子を実装し、それをステムに実装し、そのステムに微小光学素子を実装するものであり、それぞれの側面は一致することがない。また、それぞれ一つ一つ実装する必要があり、その精度を高めるためには高い製造コストを要していた。
【0005】
また、異方性エッチングを利用して支持体(サブマウント)を作製する方法もいくつかの方法が考えられている(例えば、特許文献6,特許文献7参照。)。このような方法では、異方性エッチングにおける高精度加工を利用して、それによって作製された高精度の支持体に、発光素子や微小光学素子(プリズムなど)を実装し、光学装置として高品質のものを提供できている。しかし、特許文献6,特許文献7に示されている方法では、製造工程のコスト意識がなく、それぞれを一つ一つ実装することを前提としている。このように、実装を一つ一つ行う方法では、実装による製造コストが膨大にかかり、また、その製造にかかわる誤差がのることにより、実際に製品化するには課題が山積している。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−185792号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平5−236216号公報
【0008】
【特許文献3】
特開平6−160605号公報
【0009】
【特許文献4】
特開平2−222589号公報
【0010】
【特許文献5】
特開2001−021771号公報
【0011】
【特許文献6】
特開平8−36780号公報
【0012】
【特許文献7】
特開平8−31005号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、低コストで高精度の実装が可能な光学装置の製造方法を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、第1の基板上に発光素子からの光線を整形するマイクロレンズを複数並べた第1の光学装置部品を作成する工程と、
第2の基板上に発光素子およびマイクロレンズを支持する支持体を複数並べた第2の光学装置部品を作成する工程と、
第1の光学装置部品と第2の光学装置部品とを接合する工程とを有し、
マイクロレンズと支持体とを同時に切り離して、マイクロレンズとそれを支持する支持体とを含む個別の光学装置を製造す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記載の光学装置の製造方法において、前記接合する工程において、隣りのマイクロレンズもしくは支持体までつながっている樹脂注入溝に、光学装置部品の端部に存在する開口部から接着性のある樹脂を流し込む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または請求項2記載の光学装置の製造方法において、前記接合する工程において、第1の光学装置部品に設けられたアライメントマークと第2の光学装置部品に設けられたアライメントマークとを用いて相対的な位置を合わせ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乃至請求項3のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法において、前記第2の光学装置部品を作成する工程において、前記第2の基板を異方性エッチングすることにより発光素子を固定する面を作成することを特徴としている。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0036】
発光素子と、発光素子からの光線を整形する微小光学素子と、前記発光素子および前記微小光学素子を支持する支持体とを有している光学装置において、微小光学素子や支持体には、ガラスや金属を加工し用いている。それぞれは、高価な部材を用いており、できる限り小さい方が、価格の低い光学装置、光学装置部品を提供できる。しかし、それぞれの部材には、それぞれの機能を持たせるべき大きさが決まっている。その中で、支持材は微小光学素子を固定するために作られており、その大きさは微小光学素子の固定面の大きさに依存している。固定面は接着強度からその面積が決められている。しかし、微小光学素子、もしくは、支持体の大きさは、固定面に寄与しない部分も存在している。そのような部分は実装などに用いられるが、固定するといった機能には不要な部分となり、その面積を低減することが望まれる。ただし、ここでは支持体と微小光学素子とが別の物質からなり、そもそも一体化していないものを実装することで、一体化することを前提としている。
【0037】
上記面積を低減するため、本発明では、発光素子と、発光素子からの光線を整形する微小光学素子と、前記発光素子および前記微小光学素子を支持する支持体とを有している光学装置において、前記微小光学素子の側面と前記支持体の側面とを、略同一平面上に存在させるようにしている。
【0038】
なお、従来、支持体として用いられてきたものは金属加工などによって作られてきた。そのため、微細な加工をする場合には非常にコストが高くついた。また、その高精度の加工においても、サブμmオーダーの加工は困難であった。特に支持体として、発光素子を固定する面や微小光学素子を固定する面にはサブμmの精度が求められ、従来の旋盤やフライスと言った加工機では難しい。また、支持体自体が数百μmの大きさであるために、その側面を研磨することも難しく、コストのかかる工程となる。
【0039】
このような問題を回避するため、本発明の光学装置では、支持体を結晶とし、支持体の面がその結晶方位面と一致するようにしている。
【0040】
より具体的に、本発明の光学装置では、前記支持体としてSi基板を用い、発光素子を固定する面をSi基板の{111}面とし、微小光学素子を固定する面をSi基板の{110}面としている。
【0041】
また、発光素子(LD(レーザーダイオード))は、そのへき開端面において、基板とエピタキシャル層との間から光を放つ。つまり、フェイスダウンで実装されるLDの場合には、その下部サブμmの部分が発光点となる。そのため、この部分に発光素子LDを実装する際に用いた伝熱性導電性の接着剤などが発光点に付着する恐れがある。発光点にこのような付着物が付けば、発光効率の低下,波長の変動などの不具合が生じる。
【0042】
このような問題を回避するため、本発明の光学装置では、支持体の発光素子が固定されている面に、付着防止溝が設けられている。
【0043】
また、微小光学素子と支持体との接合、または、発光素子と支持体との接合には、その界面に接着剤を塗布する方法が行われている。しかし、その接着剤の厚みなどによって、正確な実装が困難になる。
【0044】
このような問題を回避するため、本発明の光学装置では、微小光学素子と支持体との接合面であって、支持体もしくは微小光学素子のいずれかの面に、樹脂注入溝が設けられている。または、発光素子と支持体との接合面であって、支持体もしくは発光素子のいずれかの面に、樹脂注入溝が設けられている。
【0045】
また、実装する際には、上述のように、樹脂注入溝に接着剤を塗布するが、その塗布量を常に最適な状態にコントロールする必要がある。この塗布量が少なすぎると接合が弱くなり、多すぎると溝から溢れ出し、微小光学素子と支持体との界面に流れ込み、高精度の実装ができなくなる。
【0046】
このような問題を回避するため、前記樹脂注入溝は、光学装置の側面において開口しているのが良い。
【0047】
また、微小光学素子と支持体を接合した後に洗浄を行うことで,微小光学素子と支持体とを個別に洗浄している場合に比べて、低コストで光学装置を製造することができる。しかし、接着剤による接合では、その後の洗浄方法は限られる。通常の有機洗浄などによって、問題が起きない接着方法が望まれる。
【0048】
このため、本発明の光学装置において、微小光学素子と支持体とは、陽極接合によって固定されているのが良い。
【0049】
また、支持体と微小光学素子とを複数並べた光学装置部品をそれぞれの光学装置に切り分ける際に、通常、ダイサーが用いられる。ダイサーは微小光学素子と支持体とを同時に切り離すことができる。しかし、上述した本発明の光学装置では、部分部分によって、微小光学素子のみを切る領域と、微小光学素子と支持体とを同時に切る領域とが存在する。ダイサー加工の際には、ハンドリングが容易なため、支持体の面を粘着シートに固定する。このため、微小光学素子は支持体にのみ固定されている。この状態では、微小光学素子のみを切る領域において、ダイサーによるチッピングが起きる。これを防止するためには、切削する全ての領域において、微小光学素子が支持体に固定されていることが望まれる。
【0050】
このため、本発明の光学装置において、前記微小光学素子の側面4面全てが支持体の側面と同一平面上にあるのが好ましい。
【0051】
また、発光素子の支持体への実装は、その精度において、数μmオーダーで行うことが要求されている。従来であれば、アクティブアライメントなどを用いることで高い精度の実装を行ってきたが、光学装置の製造コストが高くなる。支持体の平面はその平坦性が良いため、この支持体に押し当て実装することで、簡便に図1のY方向の精度を出すことができる。しかし、図1のZ方向,X方向およびその方向のチルトに関しては、高い精度の実装が必要であり、かつ、簡便に多数の素子を同時に実装できる方法が望まれる。なお、以下では、Z軸を光線方向とし、X,Y軸を図1のように定義する。
【0052】
このため、本発明の光学装置において、発光素子と微小光学素子とは接触しているのが好ましい。また、本発明の光学装置において、発光素子と支持体とは複数面において接触しているのが好ましい。
【0053】
また、発光素子や支持体には、化合物基板や金属を加工して用いている。発光素子や支持体のそれぞれは、高価な部材を用いており、できる限り小さい方が、価格の低い光学装置、光学装置部品を提供できる。しかし、発光素子や支持体のそれぞれの部材には、それぞれの機能を持たせるべき大きさが決まっている。その中で、支持材は発光素子を固定するために作られており、その大きさは発光素子との固定面の大きさに依存している。固定面は接着強度からその面積が決められている。しかし、発光素子もしくは支持体の大きさは、固定面に寄与しない部分も存在している。そのような部分は固定する機能としては不用であり、その面積を低減することが望まれる。ただし、ここでは支持体と発光素子とが別の物質からなり、そもそも一体化していないものを実装することで、一体化することを前提としている。
【0054】
この面積を低減するため、本発明の光学装置において、発光素子と支持体と微小光学素子のそれぞれの側面は、略同一平面上に存在するのが好ましい。
【0055】
また、従来の実装では、支持体を個別に作製していた。それに合わせて、微小光学素子も個別に作製し、それぞれを実装する必要があった。支持体を個別に単独に作製、個別に単独に実装する方法ではコストがかかる。また、支持体と微小光学素子を接合する場合に、一つ一つ接着剤を滴下する方法ではコストがかかる。従って、複数の支持体と微小光学素子を同時に複数製造し、それぞれを複数同時に接合する方法が望まれる。同時に複数の支持体が作製できれば、その状態のまま、複数個を同時に実装することができる。これにより、微小光学素子を個別に作製する必要はない。また、このことは発光素子にも同様なことが言える。複数同時に実装する際には、それぞれを個別に接合する必要がある。
【0056】
このため、本発明の光学装置部品として、発光素子と発光素子からの光線を整形する微小光学素子とを支持する支持体を、光線方向に垂直な方向に複数並べて平板状にしたものにすることができる。
【0057】
また、本発明の光学装置部品として、発光素子からの光線を整形する微小光学素子を複数並べた平板状の第1の光学装置部品と発光素子および微小光学素子を支持する支持体を複数並べた平板状の第2の光学装置部品とのそれぞれに、アライメントマークが設けられ、それぞれのアライメントマークが整合した状態で、第1の光学装置部品と第2の光学装置部品とが接合されているものにすることができる。
【0058】
また、発光素子からの光線を整形する微小光学素子を複数並べた平板状の光学装置部品または発光素子および微小光学素子を支持する支持体を複数並べた平板状の光学装置部品において、樹脂注入溝が隣りの微小光学素子もしくは支持体までつながっており、樹脂注入溝の開口部が前記光学装置部品の端部に存在するようにすることができる。
【0059】
また、本発明において、光学装置部品の製造方法として、発光素子からの光線を整形する微小光学素子を複数並べた平板状の光学装置部品と発光素子および微小光学素子を支持する支持体を複数並べた平板状の光学装置部品との相対的な位置を合わせることができる。
【0060】
また、発光素子からの光線を整形する微小光学素子を複数並べた平板状の光学装置部品と発光素子および微小光学素子を支持する支持体を複数並べた平板状の光学装置部品とを接合する際に、隣りの微小光学素子もしくは支持体までつながっている樹脂注入溝に、光学装置部品の端部に存在する開口部から接着性のある樹脂を流し込むことができる。
【0061】
また、本発明において、光学装置の製造方法として、発光素子からの光線を整形する微小光学素子を複数並べた平板状の光学装置部品と発光素子および微小光学素子を支持する支持体を複数並べた平板状の光学装置部品とを接合する工程があり、光学装置単体に切り離す工程を、微小光学素子と支持体とで同時に行うことができる。
【0062】
また、光学装置の製造方法として、発光素子からの光線を整形する微小光学素子を複数並べた平板状の光学装置部品と発光素子および微小光学素子を支持する支持体を複数並べた平板状の光学装置部品とを接合した光学装置部品に対し、発光素子を複数並べた光学装置部品をアライメントして接合した後に、微小光学素子,支持体,発光素子を同時に切り離して光学装置単体を得ることができる。
【0063】
また、微小光学素子を光線の入射側,出射側の両面(以下では、それぞれ、第1面,第2面とする)に作製する場合、その入射側,出射側の素子間の距離が短い場合がある。この場合には、第1面を作製した後に第2面を研磨することで、第1面と第2面との距離を短くすることができる。しかし、このように研磨することで、基板自体は薄くなり、洗浄やエッチングなどのプロセスにおけるハンドリングなどに支障がきたす。第1面,第2面の距離が短い場合でも、安定したプロセスが必要とされている。
【0064】
このため、発光素子からの光線を整形する微小光学素子の光線の入射側の面を第1面として作製し、発光素子および微小光学素子を支持する支持体を複数並べた平板状の光学装置部品と接合した後に、微小光学素子の光線の出射側の面を第2面として作製し、微小光学素子,支持体を同時に切り離して光学装置単体を得ることができる。
【0065】
また、製造コストを低減するため、発光素子と、発光素子からの光線を整形する微小光学素子と、前記発光素子および前記微小光学素子を支持する支持体とを有している光学装置の製造方法において、支持体として結晶を用い、発光素子を固定する面を異方性エッチングを施した面として、それに垂直な面を研磨によって作製することができる。
【0066】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
【0067】
(実施例1)
図1は発光素子から放たれた光を整形することを目的とした実施例1の光学装置を示す図である。この実施例1の光学装置により、例えば、発光ダイオードなどによって放たれた楕円の光プロファイルを真円にすることや、光の発散角を抑えるような機能を持たせることができる。
【0068】
図1の光学装置において、微小光学素子は、パイレックスガラス基板にマイクロレンズが形成されたものとなっている。ここで、マイクロレンズは、発光素子から離れた面に1面にだけ備え、発光素子に近い側の面は平面となっている。また、図1において、支持体は、Si基板を異方性エッチングすることで作製されている。ここで、支持体であるSi基板の(110)面に微小光学素子を固定し、Si基板の(111)面に発光素子を固定している。また、支持体と微小光学素子の側面は同一平面上にあるように設計されている。また、発光素子には半導体レーザーを用いており、半導体レーザーのエピタキシャル面を支持体に固定するジャンクションダウンとしている。また、半導体レーザーの発光端面を微小光学素子に当接させている。
【0069】
次に、図1の光学装置の製造方法の一例について図10(a),(b),(c)を用いて説明する。この例では、支持体の基板にはSiを用いた。すなわち、Siは従来から多くの利用分野で用いられ、コストが低いことや異方性エッチングの容易さなどから採用した。また、基板は4インチ{110}ウェハーを厚さ1mmにして用いた。表面は研磨加工を施し、平坦性は満足している。また、マスクにはSi3N4を利用して、パターニングは{111}が出るように合わせ、エッチャントにはKOHを用いた。異方性エッチングによって、Siウェハーには垂直の穴が開くことになる。パターニングを行う際にそのマスクにはアライメントマークをいれており、Siウェハーの端部よりにアライメントマークが作りこまれる。Si基板内には複数の支持体が作りこまれ、図10(a)に示すような第1の光学装置部品となる。
【0070】
また、微小光学素子にはパイレックスガラス基板を用い、4インチウェハー、厚みが500μmのものを用いた。このパイレックスガラス基板にグレースケールマスクによるパターニングを施し、マイクロレンズを作り込む。マイクロレンズは高さが数μm、口径が数百μmのものである。この際にも、マスクにはアライメントマークを作りこみ、パイレックスガラス基板の端部よりにアライメントマークが作りこまれる。これにより、微小光学素子がパイレックスガラス基板上に複数作りこまれ、図10(a)に示すような第2の光学装置部品となる。
【0071】
次に、図10(b)に示すように、この2つの光学装置部品(第1,第2の光学装置部品)をアライメントして接合する。接合の方法には陽極接合を用いた。この方法では、ホットプレートの上に第1の光学装置部品である異方性エッチングを行ったSi基板を設置し、その上に第2の光学装置部品であるパイレックスガラス基板を顕微鏡観察しながらアライメントし、この状態で400℃,数百Vの電圧を印加することで、2つの光学装置部品を接合できる。また、この方法の代替手段として、アライメントして1000℃程度まで加熱する直接接合や拡散接合などの方法を利用することができる。
【0072】
次に、図10(c)に示すように、接合された光学装置部品をダイシングによって、個別の光学装置に切り分ける。このとき、未使用領域がないように設計した。
【0073】
このようにして個別に分けられた光学装置に発光素子を実装する。このとき、発光素子は支持体と微小光学素子の2つの面にならうように当接実装を行った。接着は側面にUV硬化樹脂を塗布することで固定する。
【0074】
(実施例2)
図2,図3,図4は発光素子から放たれた光を整形することを目的とした実施例2の光学装置を示す図である。なお、図2,図3,図4は、それぞれ、実施例2の光学装置の斜視図,断面図,平面図である。この実施例2の光学装置により、例えば、発光ダイオードなどによって放たれた楕円の光プロファイルを真円にすることや、光の発散角を抑えるような機能を持たせることができる。図2乃至図4の光学装置において、微小光学素子は、石英基板にマイクロレンズが形成されたものとなっている。ここで、基板に石英を用いることで、屈折率分布が少なく、ドライエッチングなどでレンズの高さが大きい加工ができるなど、加工にバリエーションを多く持たせることができる。また、マイクロレンズは基板の両面に加工され、これにより、1面に加工していたものに比べ、光の整形能力が数段高くなる。また、支持体はSi基板を異方性エッチングすることで作製している。そして、Si基板の(110)面に微小光学素子を固定し、Si基板の(111)面に発光素子を固定している。
【0075】
また、この実施例2の光学装置では、支持体の発光素子界面に付着防止溝が作られ、この付着防止溝によって、発光素子と支持体との界面に導電性の接着剤を塗布してこれがはみ出てきた場合にも発光面を汚す恐れがないようにしている。また、この実施例2の光学装置では、樹脂注入溝が支持体に掘り込まれ、図4に示すように側面に開口部を有している。また、支持体と微小光学素子の側面は同一平面上にあるように設計されている。また、発光素子には半導体レーザーを用いており、半導体レーザーのエピタキシャル面を支持体に固定するジャンクションダウンとしている。
【0076】
次に、図2乃至図4の光学装置の製造方法の一例について図10(a),(b),(c)を用いて説明する。この例では、支持体の基板にはSiを用いた。すなわち、Siは従来から多くの利用分野で用いられ、コストが低いことや異方性エッチングの容易さなどから採用した。また、基板は4インチ{110}ウェハーを厚さ1mmにして用いた。表面は研磨加工を施し、平坦性は満足している。
【0077】
この実施例2では、先ず、Siウェハー上に樹脂注入溝および付着防止溝を加工する。加工方法は、レジストを塗布後、フォトリソグラフィープロセスを用いて、パターニングする。その後にドライエッチングを用いて、Siウェハー内に溝を加工する。樹脂注入溝は隣接する樹脂注入溝とつながるようにパターニングしてある。これにより、図9に示すように、樹脂注入溝は一連につながり、その端部は第1の光学装置部品の側面から開口している。なお、樹脂注入溝は、同様な形状として、微小光学素子の方に加工しても良い。
【0078】
この後、異方性エッチングによって貫通穴をあける。マスクにはSi3N4を利用して、先ほど付着防止溝や樹脂注入溝などを加工した裏面を利用する。パターニングは{111}が出るように合わせ、エッチャントにはKOHを用いた。異方性エッチングによって、Siウェハーには垂直の穴が開くことになる。パターニングを行う際にそのマスクにはアライメントマークをいれており、Siウェハーの端部よりにアライメントマークが作りこまれる。Si基板内には複数の支持体が作りこまれ、図10(a)に示すような第1の光学装置部品となる。ただし、この状態では微小光学素子は片面にのみ加工され、第2面への加工は施していない。
【0079】
また、微小光学素子には石英基板を用い、4インチウェハー、厚みが500μmのものを用いた。この石英ガラス基板にグレースケールマスクによるパターニングを施し、マイクロレンズを作り込む。マイクロレンズは高さ数μm、口径が数百μmのものである。この際にも、マスクにはアライメントマークを作りこみ、石英基板の端部よりにアライメントマークが作りこまれる。これにより、微小光学素子が石英基板上に複数作りこまれ、図10(a)に示すような第2の光学装置部品となる。
【0080】
次いで、図10(b)に示すように、この2つの光学装置部品(第1,第2の光学装置部品)をアライメントして接合する。接合の方法には接着剤による接合を用いた。この方法では、それぞれのアライメントマークを顕微鏡観察しながらアライメントし、その状態で、UV硬化樹脂を光学装置部品の端部に滴下し、仮止めをする。この状態で、図9の開口部からUV硬化樹脂を流し込む。UV硬化樹脂には粘性の低いものを採用し、開口部にこの樹脂を滴下することで、樹脂は毛細管現象により流れ込む。樹脂注入溝がUV硬化樹脂に満たされたことを確認した後に、UVを照射し硬化接合する。
【0081】
この接合された光学装置部品の微小光学素子基板側を研磨する。これにより、第2面に施すマイクロレンズとの距離を制御することができる。このように研磨した後に、先ほどと同様にグレースケールマスクを用いた工法によって、第2面のマイクロレンズを作る。
【0082】
そして、図10(c)に示すように、接合された光学装置部品をダイシングによって、個別の光学装置に切り分ける。このとき、固定に寄与しない不要な未使用領域がないように設計した。そして、このように個別に分けられた光学装置に発光素子を実装する。このとき、発光素子と支持体との界面に導電性接着剤を塗布し接合する。
【0083】
(実施例3)
図5は発光素子から放たれた光を整形することを目的とした実施例3の光学装置を示す図である。この実施例3の光学装置により、例えば、発光ダイオードなどによって放たれた楕円の光プロファイルを真円にすることや、光の発散角を抑えるような機能を持たせることができる。図5の光学装置において、微小光学素子は、石英基板にマイクロレンズが形成されたものとなっている。ここで、マイクロレンズは発光素子から離れた面に1面にだけ備え、発光素子に近い側の面は平面である。また、支持体はSi基板を異方性エッチングすることで作製している。そして、Si基板の(110)面に微小光学素子を固定し、Si基板の(111)面に発光素子を固定している。また、支持体と微小光学素子の側面は同一平面上にあるように設計されている。また、発光素子には半導体レーザーを用いており、半導体レーザーのエピタキシャル面を支持体に固定するジャンクションダウンとしている。また、半導体レーザーの発光端面を微小光学素子に当接させている。この実施例3では、微小光学素子の側面4面全てが、支持体の側面と一致していることを特徴としている。
【0084】
次に、図5の光学装置の製造方法の一例について図10(a),(b),(c)を用いて説明する。この例では、支持体の基板にはSiを用いた。すなわち、Siは従来から多くの利用分野で用いられ、コストが低いことや異方性エッチングの容易さなどから採用した。また、基板は4インチ{110}ウェハーを厚さ1mmにして用いた。表面は研磨加工を施し、平坦性は満足している。また、マスクにはSi3N4を利用して、パターニングは{111}が出るように合わせ、エッチャントにはKOHを用いた。また、この実施例3では、図5に示すように、発光素子を囲むように支持体が形成されている。このような形状をパターニングで行う。異方性エッチングによって、Siウェハーには垂直の穴が開くことになる。パターニングを行う際にそのマスクにはアライメントマークをいれており、Siウェハーの端部よりにアライメントマークが作りこまれる。Si基板内には複数の支持体が作りこまれ、図10(a)に示すような第1の光学装置部品となる。
【0085】
また、微小光学素子にはパイレックスガラス基板を用い、4インチウェハー、厚みが500μmのものを用いた。このパイレックスガラス基板にグレースケールマスクによるパターニングを施し、マイクロレンズを作り込む。マイクロレンズは高さが数μm、口径が数百μmのものである。この際にも、マスクにはアライメントマークを作りこみ、石英基板の端部よりにアライメントマークが作りこまれる。これにより、微小光学素子が石英基板上に複数作りこまれ、図10(a)に示すような第2の光学装置部品となる。
【0086】
次に、図10(b)に示すように、この2つの光学装置部品(第1,第2の光学装置部品)をアライメントして接合する。接合の方法には陽極接合を用いた。この方法では、ホットプレートの上に第1の光学装置部品である異方性エッチングを行ったSi基板を設置し、その上に第2の光学装置部品である石英基板を顕微鏡観察しながらアライメントし、この状態で400℃,数百Vの電圧を印加することで、2つの光学装置部品を接合できる。また、この方法の代替手段として、アライメントして1000℃程度まで加熱する直接接合や拡散接合などの方法を利用することができる。
【0087】
次いで、図10(c)に示すように、接合された光学装置部品をダイシングによって、個別の光学装置に切り分ける。この実施例3では、どの切削面においても、支持体と微小光学素子が接合していることから、チッピングなどの不具合が起きにくい。
【0088】
このようにして個別に分けられた光学装置に発光素子を実装する。このとき、発光素子は支持体と微小光学素子の2つの面にならうように当接実装を行った。接着は側面にUV硬化樹脂を塗布することで固定する。
【0089】
(実施例4)
図6,図7,図8は発光素子から放たれた光を整形することを目的とした実施例4の光学装置を示す図である。なお、図6,図7,図8は、それぞれ、実施例4の光学装置の斜視図,断面図,平面図である。この実施例4の光学装置により、例えば、発光ダイオードなどによって放たれた楕円の光プロファイルを真円にすることや、光の発散角を抑えるような機能を持たせることができる。図6乃至図8の光学装置において、微小光学素子は、石英基板にマイクロレンズが形成されたものとなっている。ここで、基板に石英を用いることで、屈折率分布が少なく、ドライエッチングなどでレンズの高さが大きい加工ができるなど、加工にバリエーションを多く持たせることができる。また、マイクロレンズは基板の両面に加工され、これにより、1面に加工していたものに比べ、光の整形能力が数段高くなる。また、支持体はSi基板を異方性エッチングすることで作製している。そして、Si基板の(110)面に微小光学素子を固定し、Si基板の(111)面に発光素子を固定している。
【0090】
また、支持体の発光素子界面には付着防止溝が作られ、この付着防止溝によって、発光素子と支持体の界面に導電性の接着剤を塗布してこれがはみ出てきた場合にも発光面を汚す恐れがないようにしている。また、この付着防止溝は樹脂注入溝を兼ねており、この部分に接着用の導電樹脂が流し込まれている。微小光学素子と支持体との接着に利用する樹脂注入溝は、支持体に掘り込まれ、図8に示すように側面に開口部を有している。また、発光素子には半導体レーザーを用いており、半導体レーザーのエピタキシャル面を支持体に固定するジャンクションダウンとしている。また、発光素子と支持体と微小光学素子の側面は同一平面上にあるように設計されている。
【0091】
次に、図6乃至図8の光学装置の製造方法の一例について図10(a),(b),(c)を用いて説明する。この例では、支持体の基板にはSiを用いた。すなわち、Siは従来から多くの利用分野で用いられ、コストが低いことや異方性エッチングの容易さなどから採用した。また、基板は4インチ{110}ウェハーを厚さ1mmにして用いた。表面は研磨加工を施し、平坦性は満足している。
【0092】
この実施例4では、先ず、Siウェハー上に樹脂注入溝を加工する。加工方法は、レジストを塗布後、フォトリソグラフィープロセスを用いて、パターニングする。その後にドライエッチングを用いて、Siウェハー内に溝を加工する。樹脂注入溝は隣接する樹脂注入溝とつながるようにパターニングしてある。これにより、図9のように、樹脂注入溝は一連につながり、その端部は第1の光学装置部品の側面から開口している。なお、樹脂注入溝は、同様な形状として、微小光学素子の方に加工しても良い。支持体に加工されたスペーサー部も同様にドライエッチングによって作られる。すなわち、Siウェハーの表面にスペーサーの部分のみのを残したレジストを30μm程度塗布する。これを選択比1程度でドライエッチングする。それにより、スペーサー部だけが凸状に残った状態のSiウェハーとなる。この工程は先の樹脂注入溝の加工と同時に行うことが可能である。このドライエッチング加工面には全領域にわたり、Si3N4膜をマスクとして成膜し、この面とは裏側の面には、貫通穴が開くようにSi3N4をパターニングして成膜する。パターニングは{111}が出るように合わせ、エッチャントにはKOHを用いた。この実施例4では、付着防止溝を設けるようにパターニングする。異方性エッチングによって、Siウェハーには垂直の穴が開く。これにKOHの異方性エッチングを行う。異方性エッチングは丁度貫通穴が開いたタイミングで終了し、スペーサーの部分は残るようにした。パターニングを行う際に、そのマスクにはアライメントマークをいれており、Siウェハーの端部よりにアライメントマークが作りこまれる。Si基板内には複数の支持体が作りこまれ、図10(a)に示すような第1の光学装置部品となる。スペーサー部の加工については、ボロンの拡散などによって、異方性エッチングをコントロールすることで作りこむことも可能である。
【0093】
また、微小光学素子には石英基板を用い、4インチウェハー、厚みが500μmのものを用いた。この石英ガラス基板にグレースケールマスクによるパターニングを施し、マイクロレンズを作り込む。マイクロレンズは高さ数μm、口径が数百μmのものである。この際にも、マスクにはアライメントマークを作りこみ、石英基板の端部よりにアライメントマークが作りこまれる。これにより、微小光学素子が石英基板上に複数作りこまれ、図10(a)に示すような第2の光学装置部品となる。ただし、この状態では微小光学素子は片面にのみ加工され、第2面への加工は施されていない。
【0094】
次いで、図10(b)に示すように、この2つの光学装置部品(第1,第2の光学装置部品)をアライメントして接合する。接合の方法には接着剤によるものを用いた。この方法では、それぞれのアライメントマークを顕微鏡観察しながらアライメントし、その状態で、UV硬化樹脂を光学装置部品の端部に滴下し、仮止めをする。この状態で、図9の開口部からUV硬化樹脂を流し込む。UV硬化樹脂には粘性の低いものを採用し、開口部にこの樹脂を滴下することで、樹脂は毛細管現象により流れ込む。樹脂注入溝がUV硬化樹脂に満たされたことを確認した後に、UVを照射し硬化接合する。
【0095】
この接合された光学装置部品の微小光学素子基板側を研磨する。これにより、第2面に施すマイクロレンズとの距離を制御することができる。このように研磨した後に、先ほどと同様にグレースケールマスクを用いた工法によって、第2面のマイクロレンズを作る。
【0096】
次に、発光素子を実装する。発光素子には、発光素子単体が一列に複数並んだアレイ状のものを利用する。このアレイはマスク設計によって、その隣接する発光素子間距離が決められ、高い精度で正確に配列されている。そのため、このアレイを精度良く実装することで、一度に複数の発光素子を高精度に実装できることになる。このとき、発光素子と支持体との界面に導電性接着剤を樹脂注入溝(図6の上部)から流し込む。
【0097】
そして、図10(c)に示すように、接合された光学装置部品をダイシングによって、個別の光学装置に切り分ける。このとき、未使用領域がないように設計した。
【0098】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項1乃至請求項4記載の発明によれば、第1の基板上に発光素子からの光線を整形するマイクロレンズを複数並べた第1の光学装置部品を作成する工程と、第2の基板上に発光素子およびマイクロレンズを支持する支持体を複数並べた第2の光学装置部品を作成する工程と、第1の光学装置部品と第2の光学装置部品とを接合する工程とを有し、マイクロレンズと支持体とを同時に切り離して、マイクロレンズとそれを支持する支持体とを含む個別の光学装置を製造するので、支持体とマイクロレンズが接合された複数の光学装置を一度に完成させることができる。これにより、個別に行っていたアライメント,接着を複数同時に行うことができ、製造コストが低減される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の光学装置を示す図である。
【図2】実施例2の光学装置を示す図である。
【図3】実施例2の光学装置を示す図である。
【図4】実施例2の光学装置を示す図である。
【図5】実施例3の光学装置を示す図である。
【図6】実施例4の光学装置を示す図である。
【図7】実施例4の光学装置を示す図である。
【図8】実施例4の光学装置を示す図である。
【図9】第1の光学装置部品と第2の光学装置部品とを接合した状態を示す図である。
【図10】本発明の光学装置の製造方法の一例を示す図である。
【図11】従来の光学装置を示す図である。
Claims (4)
- 第1の基板上に発光素子からの光線を整形するマイクロレンズを複数並べた第1の光学装置部品を作成する工程と、
第2の基板上に発光素子およびマイクロレンズを支持する支持体を複数並べた第2の光学装置部品を作成する工程と、
第1の光学装置部品と第2の光学装置部品とを接合する工程とを有し、
マイクロレンズと支持体とを同時に切り離して、マイクロレンズとそれを支持する支持体とを含む個別の光学装置を製造することを特徴とする光学装置の製造方法。 - 請求項1記載の光学装置の製造方法において、前記接合する工程において、隣りのマイクロレンズもしくは支持体までつながっている樹脂注入溝に、光学装置部品の端部に存在する開口部から接着性のある樹脂を流し込むことを特徴とする光学装置の製造方法。
- 請求項1または請求項2記載の光学装置の製造方法において、前記接合する工程において、第1の光学装置部品に設けられたアライメントマークと第2の光学装置部品に設けられたアライメントマークとを用いて相対的な位置を合わせることを特徴とする光学装置の製造方法。
- 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の光学装置の製造方法において、前記第2の光学装置部品を作成する工程において、前記第2の基板を異方性エッチングすることにより発光素子を固定する面を作成することを特徴とする光学装置の製造方法。
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