JP4740030B2 - レーザ装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ディスク用、照明用、分析用光源などに用いられる青色、紫色、近紫外や紫外の短波長域のレーザ装置、特に窒化物半導体レーザ装置の製造方法に関する。

青色、紫色、近紫外や紫外の短波長域のレーザ装置、特に半導体レーザ装置は、一般に、半導体レーザチップとレーザ光を透過するキャップを気密封止することで製造されるが、製造時に半導体レーザチップとキャップの内部空間へ汚染物質が侵入し、半導体レーザチップの光出射端面に堆積してレーザ特性を劣化させるという問題がある。

上記汚染物質としてはシロキサン系物質や炭化水素化合物などが考えられ、その発生源としては人体、微生物、建材や製造装置に用いるグリース・オイルが製造工程の大気中に含まれている場合や、レーザ装置の製造過程で用いる粘着シートなどが考えられる。このため、レーザ装置の製造中にレーザチップやキャップへ汚染物質が付着してしまい、たとえレーザチップのキャップ内への封入時に清浄な雰囲気を用いたとしても、汚染物質がキャップ内に混入しているものと考えられる。

また、レーザ装置の駆動時には熱が発生するが、この駆動熱により、封入気体の対流が引き起こされるため、封入気体中に含まれている汚染物質が、レーザチップの光出射端面に連続的に供給される。汚染物質は、短波長レーザ光によって化学反応を起こし、反応物質がレーザチップの光出射端面に堆積するため、レーザ装置の発光強度が経時的に低下する。

ここで、封入気体中に浮遊する汚染物質を除去して光出射端面への反応物質の堆積を防止するため、キャップ封止された半導体レーザ装置の内部にゼオライト吸着剤を設ける技術がある（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、この特許文献１に記載の技術を用いても、封入気体中の汚染物質を十分に吸着除去することができず、長期的に作動させると、半導体レーザチップの光出射端面に反応物質の堆積がなされてしまうことが判った。

また、光出射端面への反応物質の堆積を防止するため、半導体レーザチップの光出射端面に紫外線などのエネルギービームを照射し、気密封止する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、この特許文献２に記載の技術を用いると、半導体レーザチップ自体がエネルギービームによって損傷を受け、動作電圧が使用中に上昇するといった劣化が生じることが判った。

また、光出射端面への反応物質の堆積を防止するため、半導体レーザチップのパッケージにドライオゾンガスを満たして気密封止し、紫外線を照射する技術がある（例えば、特許文献３参照。）。

しかしながら、本発明者らが検討したところ、この特許文献３に記載の技術を用いると、半導体レーザチップにおいて使われているＡｕ、Ｐｔ以外の金属が酸化され、動作電圧が使用中に上昇するといった劣化が生じることが判った。
特開２００４−１４８２０号公報（第２頁） 特開２００４−４００５１号公報（第６頁） 特開２００４−２７３９０８号公報（第８頁）

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、レーザチップに悪影響を与えることなく、レーザ装置の動作時における光出射端面への反応物質の堆積を抑制し、レーザ装置の動作電流の経時的上昇による劣化を防止し長寿命化を図ることのできるレーザ装置の製造方法を提供することにある。

（１）本発明は、レーザチップを、低融点金属を介して該低融点金属をその融点よりも高い温度で溶融することにより保持体に固着する工程と、該レーザチップを固着した保持体を、低融点金属の融点よりも低い加熱処理温度で加熱する工程と、封止工程を有することを特徴とするレーザ装置の製造方法である。

想定される汚染物質は、シリコンを含む材料であるシロキサン系物質、あるいは炭化水素化合物であり、想定される汚染メカニズムは、ステムやサブマウントなどの保持体やレーザチップ等に付着しているこれらの汚染物質が、気密封止パッケージ内で揮発し、レーザチップが発するレーザ光によって化学反応を起こし、光出射端面に反応物質が堆積することである。このような反応物質の堆積を防止するため、気密封止前に、汚染物質の除去を行うことが考えられるが、除去後に再び汚染物質が付着してはいけない。そのように考えると、レーザチップが気密封止直前の状態であるステムやサブマウントなどの保持体に固着した状態において除去工程を行うことが望ましい。しかし、ステムに固着するために、低融点金属を用い、加熱による除去工程を行うと、汚染物質の除去を行う際に低融点金属が溶けてしまうという問題がある。以上の点に鑑み、本発明では、低融点金属の融点より低い温度で加熱処理を行うことにより、レーザチップがステムに固着した状態を維持しながら、汚染物質の加熱除去を行う。

（２）また、本発明は、レーザチップを、低融点金属を介して該低融点金属をその融点よりも高い温度で溶融することにより保持体に固着する工程と、該レーザチップを固着した保持体を、オゾンを発生させた雰囲気で、低融点金属の融点よりも低い加熱処理温度で加熱する工程と、封止工程を有することを特徴とするレーザ装置の製造方法である。

汚染物質を加熱除去する際に、レーザチップと保持体を固着する低融点金属の融点よりも低い温度にする必要があるため、汚染物質が十分除去できない場合がある。オゾンによる処理を併用することにより、加熱処理で十分に揮発しない高分子量の汚染物質を酸化し分解することによって、汚染物質の除去を効果的に行うことができる。

（３）また、本発明は、レーザチップを、低融点金属を介して該低融点金属をその融点よりも高い温度で溶融することにより保持体に固着する工程と、該レーザチップを固着した保持体を、酸素プラズマを発生させた雰囲気で、低融点金属の融点よりも低い加熱処理温度で加熱する工程と、封止工程を有することを特徴とするレーザ装置の製造方法である。

汚染物質を加熱処理によって除去する際に、レーザチップと保持体を固着する低融点金属の融点よりも低い温度にする必要があるため、汚染物質が十分除去できない場合がある。酸素プラズマによる処理を併用することにより、加熱処理で十分に揮発しない高分子量の汚染物質を酸化し分解することによって、汚染物質の除去を効果的に行うことができる。

（４）また、本発明は、加熱処理温度が低融点金属の融点より２０℃以上低いことを特徴とするレーザ装置の製造方法である。この条件であれば、レーザチップを固着した保持体をそのまま加熱処理することが可能である。

（５）また、本発明は、加熱処理温度で加熱する工程が、１０分以上であることを特徴とするレーザ装置の製造方法である。この条件であれば、レーザチップを固着した保持体から汚染物質を除去することが可能である。なお、加熱処理時間としては、４時間以下であることが更に望ましい。

（６）また、本発明は、該低融点金属が、Ｓｎの割合が５重量％以上９０重量％以下であるＡｕ−Ｓｎ合金であって、加熱処理温度が１７５℃以上であることを特徴とするレーザ装置の製造方法である。汚染物質を除去するために加熱処理温度は高いことが望ましいが、低融点金属として従来のＰｂＳｎハンダ（融点１８３℃）あるいはそれと類似の融点を有する鉛フリーハンダを用いるとすると、加熱処理温度を代表的なシロキサン系物質の沸点よりも高くすることができない。本発明では、低融点金属の中でも融点が高温の部類であるＡｕＳｎを用いることにより、代表的なシロキサン系物質の沸点よりも高い加熱処理温度を実現し、汚染物質の除去を効果的に行う。なお、加熱処理温度の下限としては２１１℃以上が更に望ましく、２４５℃以上が一層望ましい。また、加熱処理温度の上限としては、低融点金属の融点より２０℃以上低いことが望ましく、具体的にはＳｎの割合が２０重量％である場合に、２６０℃以下が更に望ましい。

（７）また、本発明は、前記オゾンを発生させた雰囲気での加熱処理において、オゾンを発生するために照射される紫外線が、レーザチップに照射されないよう遮蔽されていることを特徴とするレーザ装置の製造方法である。これにより、紫外線がレーザチップに照射されて損傷が生じることなく、汚染物質の除去を効果的に行うことができる。

（８）また、本発明は、加熱処理温度で加熱する工程における雰囲気ガスが、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム、キセノンまたは前記ガスのうち少なくとも２種以上を含む混合ガスであることを特徴とするレーザ装置の製造方法である。これらのガスは不活性であるため、レーザチップに損傷を与えない。

（９）また、本発明は、封止工程において、露点が−１０℃以下である封入気体を封入して、レーザチップの気密封止を行うことを特徴とするレーザ装置の製造方法である。これにより、レーザチップは水分の影響を受けずに保護される。

（１０）また、本発明は、前記加熱する工程において、露点が−１０℃以下の雰囲気下で前記レーザチップを固着した保持体およびキャップを加熱することを特徴とするレーザ装置の製造方法である。これにより、レーザチップが水分の影響を受けずに、汚染物質の除去を効果的に行うことができる。

（１１）また、本発明は、封入気体が、乾燥空気、窒素、酸素、水素、アルゴン、ヘリウム、キセノンまたは前記ガスのうち少なくとも２種以上を含む混合ガスであることを特徴とするレーザ装置の製造方法である。これらのガスは、レーザ装置に悪影響を与えない。

（１２）また、本発明は、前記加熱工程と前記封止工程との間において前記レーザチップを固着した保持体を大気中に暴露する時間が、６０分以内であることを特徴とする請求項１乃至１０に記載のレーザ装置の製造方法である。この時間以内であれば、大気中の汚染物質の付着による再汚染の影響が少ない。

（１３）また、本発明は、レーザチップが、発光波長が５００ｎｍ以下であるレーザチップである。発光波長が５００ｎｍ以下の場合に、短波長の光による汚染物質の化学反応が生じ、発光波長が４５０ｎｍ以下で顕著になり、４２０ｎｍ以下でさらに著しくなるため、本発明による製造方法を適用して長寿命化を図ることができる。

（１４）また、本発明は、レーザチップが窒化物半導体レーザチップである。窒化物半導体レーザチップは小型であり、短波長のレーザを効率よく発生することができる。

本発明は、汚染物質を除去する加熱処理を行う工程を、レーザチップをステムやサブマウントなどの保持体に固着した状態で行うことができるため、汚染物質の除去後にすみやかに気密封止を行うことが可能となり、汚染物質の再付着を防止することができる。その結果、レーザ光出射端面への反応物質の堆積が抑制され、レーザ装置の動作電流の経時的上昇による劣化を防止することができるため長寿命化を図ることができる。

以下において、本発明を実施するための最良の形態である窒化物半導体レーザ装置について説明する。ただし、本発明の課題である、レーザ光出射端面への反応物質の堆積による特性劣化の抑制は、単位面積あたりの光強度が高いレーザ装置、特に波長５００ｎｍ以下の発光波長のレーザ装置に共通する課題である。従って、本発明は、例えば波長８１０ｎｍ程度のレーザとＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）素子を用いて４０５ｎｍ程度の波長の光を発生するＳＨＧレーザなどの他のレーザ装置にも適用可能である。また、有機物を用いたレーザ装置や、酸化亜鉛系半導体を用いたレーザ装置など、現在開発中であって将来窒化物半導体レーザ装置を越える優れた特性が得られることが期待される他のレーザ装置にも適用することが可能である。また、短波長レーザ以外のＡｌＧａＡｓ系赤外半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザなどにおいても、汚染物質を除去することにより、レーザの駆動中における端面への汚染物質や反応物質の堆積を除去する働きがある。

尚、以下において、「窒化物半導体」とは、少なくともＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成されるものとする。このとき、窒化物半導体の窒素元素のうち、約２０％以下が、Ａｓ、ＰおよびＳｂのいずれかの元素に置換されていても構わない。又、前記窒化物半導体中にＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅがドーピングされているものでも構わない。

＜窒化物半導体レーザ装置の構成＞
図１及び図２は、本発明の各実施例に共通して用いる窒化物半導体レーザ装置１０１の概略構成図を示す。

概略構成の上面図である図１（ｂ）において、窒化物半導体レーザ装置１０１は、レーザチップ固着保持体１００にキャップ１０６を封止したものである。レーザチップ固着保持体１００は、窒化物半導体レーザチップ１０３をマウントしたサブマウント１０２を、ステム１０４のブロック部１０５に固着したものである。ステム１０４およびそのブロック部１０５は一体成型されており、銅あるいは鉄などの金属にＡｕなどのメッキを施したものからなっている。

概略構成の正面図である図１（ａ）において、キャップ１０６には、キャップ内の窒化物半導体レーザチップ１０３から射出されたレーザビームを外部に取り出すための光透過窓１０７が設けられている。光透過窓１０７は、レーザビームを透過することのできるガラスあるいはプラスチック等により構成され、該ガラス等に波長選択性のコーティングがされる場合もある。キャップ１０６は銅あるいは鉄などの金属にＡｕなどのメッキを施したものからなっている。

レーザチップ固着保持体１００を光出射面側から眺めた正面図である図２において、ステム１０４のブロック部１０５上に、ステム側ハンダ層１５１、サブマウント１０２、チップ側ハンダ層１５２、窒化物半導体レーザチップ１０３が順に配置されている。

サブマウント１０２は、絶縁性のＳｉＣ板１４０の上下両面に金属膜１４１、１４２が形成されたものである。金属膜１４１、１４２は、ＳｉＣ板１４０に接する側より、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）をこの順に積層したものである。サブマウント１０２は、窒化物半導体レーザチップ１０３で発生した熱を放散する役割を有している。

ステム１０４には、一対のピン１１０、ピン１１１が設けられている。ピン１１０、ピン１１１は、銅、鉄などの金属により構成されており、表面には金（Ａｕ）などの薄膜がコートされている。ステム１０４とピン１１０、ピン１１１との間は、それぞれガラスなどよりなる絶縁性のリング１１２、１１３によって電気的に絶縁されている。ピン１１０にはＡｕなどよりなるワイヤ１２１の一端部が接続されている。このワイヤ１２１の他端部はサブマウント１０２表面の金属膜１４１と接続され、チップ側ハンダ層１５２を介して窒化物半導体レーザチップ１０３のｎ側電極２０１と電気的に接続されている。ピン１１１にはＡｕなどよりなるワイヤ１２２の一端部が接続されている。このワイヤ１２２の他端部は窒化物半導体レーザチップ１０３のｐ側電極２０２に接続されている。

＜窒化物半導体レーザチップ＞
窒化物半導体レーザチップ１０３の正面図を図３（ａ）に示す。ｎ型ＧａＮ基板１６１の上に、ｎ型クラッド層１６２Ａ、ＩｎＧａＮ活性層１６２Ｂ、ｐ型クラッド層１６２Ｃを含む窒化物半導体層１６２が形成されている。また、リッジ１３５の両脇におけるｐ型クラッド層１６２Ｃの一部がエッチングされ、そこに酸化シリコン絶縁体埋め込み層２０３が形成されている。リッジ１３５におけるｐ型クラッド層１６２Ｃの上および酸化シリコン絶縁体埋め込み層２０３の上には、ｐ側電極２０２が形成され、ｎ型ＧａＮ基板１６１の下には、ｎ側電極２０１が形成されている。

ｎ側電極２０１は、例えば、ｎ型ＧａＮ基板１６１側から順にＨｆ、Ａｌの積層体２０１Ａと、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕの積層体２０１Ｂよりなる構造である。

ｐ側電極２０２は、例えば、ｐ型クラッド層１６２Ｃ側から順にＰｄ、Ｍｏの積層体２０２Ａと、Ｐｔ、Ａｕの積層体２０２Ｂよりなる構造である。

窒化物半導体レーザチップ１０３の上面図を図３（ｂ）に示す。チップ幅２３５は４００μｍ、チップ共振器長２３６は６００μｍである。また、図３（ｂ）において、レーザ光の光出射端面２２１には、酸化アルミニウム層が１層よりなるＡＲ（ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング２３１が形成され、レーザ光の出射側と反対の端面２２２には、酸化シリコン層及び酸化チタン層を交互に全９層被覆したＨＲ（ｈｉｇｈ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティング２３２が形成されている。

＜窒化物半導体レーザチップの製造工程＞
図３（ａ）に示された窒化物半導体レーザチップ１０３が複数形成されたウエハは以下のように製造される。まず、一般的に用いられている周知の技術を適宜用いて、ｎ型ＧａＮ基板１６１上に窒化物半導体層１６２及びｐ側電極２０２を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１６１の裏面側から、研磨もしくはエッチングを行うことにより、ウエハの厚みを当初の３５０μｍから４０〜１５０μｍ程度まで薄くする。その後、ｎ側電極２０１を形成する。

このようにして窒化物半導体層１６２、ｐ側電極２０２、ｎ側電極２０１が形成されたウエハを劈開し、劈開面に対して真空蒸着法あるいはＥＣＲスパッタ法などによってＡＲコーティング２３１およびＨＲコーティング２３２を行う。このとき、窒化物半導体レーザチップ１０３の共振器長が６００μｍとなるように、ウエハの劈開が行われる。尚、ウエハの劈開の代わりにエッチングによってレーザ光出射端面の形成を行ってもよい。

＜窒化物半導体レーザチップのチップ分割工程＞
このようにウエハを劈開することで得られたレーザ・バーを、更に窒化物半導体レーザチップ１０３に分割する。チップ分割工程の前半工程であるスクライブ工程を示す図４（ａ）において、粘着シート２５０に貼り付けられたレーザ・バー２４０をスクライブ装置（図示せず）にセットし、スクライブ装置内のダイヤモンドスクライバなどを用いてスクライブライン２４１を形成する。この粘着シート２５０の粘着剤の成分が、分割した窒化物半導体レーザチップ１０３に付着、残留する恐れがある。次にチップ分割工程の後半工程であるブレーキング工程では、図４（ｂ）に示すように、粘着シート２５０をスクライブライン２４１に直交する矢印２５１・２５２に示す方向に引き伸ばすことにより、レーザ・バー２４０から個々の窒化物半導体レーザチップ１０３を分割する。窒化物半導体レーザチップ１０３は粘着シート２５０に貼り付けられているため、ばらばらにならない。なお、チップ分割工程として、ダイヤモンドスクライバを用いない方法であるダイシング法、レーザアブレーション法等を用いても構わない。

このようにして得られた窒化物半導体レーザチップ１０３をチップの状態でパルス電流駆動により特性評価を行い、閾値電流値が基準値より小さい良品チップを選別する。

＜同時ダイボンディング・ワイヤボンディング＞
窒化物半導体レーザチップ１０３を実際に使えるようにパッケージングして、窒化物半導体レーザ装置１０１とする製造工程を以下に示す。ダイボンディング工程を説明するための図５において、ステム１０４をダイボンディング装置の支持台２６１にセットする。ステム側ハンダ層１５１とチップ側ハンダ層１５２が両面に付いているサブマウント１０２を、ステムのブロック部１０５に置く。次に、ダイボンディング装置のコレット２７０によって窒化物半導体レーザチップ１０３を吸引し、チップ側ハンダ層１５２の上まで移動して窒化物半導体レーザチップ１０３を置き吸引を停止する。ただし、サブマウント１０２において、ステム側ハンダ層１５１とチップ側ハンダ層１５２が両面に付いている。ステム側ハンダ層１５１、チップ側ハンダ層１５２は、共にＡｕとＳｎの割合が８０％対２０％（重量比）、融点２８０℃のものを用いた。この状態で、ダイボンディング装置のコレット２７０により窒化物半導体レーザチップ１０３に荷重Ｆを加え、３１０℃５秒の加熱を行うことにより、ステム側ハンダ層１５１とチップ側ハンダ層１５２が溶融する。室温まで冷却することにより、ステム側ハンダ層１５１とチップ側ハンダ層１５２が固化し、同時ダイボンディング（窒化物半導体レーザチップ１０３、サブマウント１０２、ステム１０４が同時に固着されること）が行われる。

続いて、ワイヤボンディング装置（図示せず）に製造中のステム１０４などを移して、図２に示すように、ｐ側電極２０２とピン１１１との間にワイヤ１２２を接続（ワイヤボンディング）すると共に、サブマウント１０２表面の金属膜１４１とピン１１０との間にワイヤ１２１をワイヤボンディングして、レーザチップ固着保持体１００とする。

なお、例えばステム側ハンダ層１５１、チップ側ハンダ層１５２にＡｕ１０重量％、Ｓｎ９０重量％のＡｕ−Ｓｎハンダ（融点２１７℃）を用いることもできる。Ｓｎの組成比率としては、１５重量％以上であれば実用的な融点になるため、Ｓｎの組成比率としては１５重量％以上９０重量％以下が好適であり、特にＡｕとＳｎの共晶点である１５〜３０重量％および８０〜９０重量％、高融点が得られる３０〜４０重量％が好適である。

＜加熱処理・気密封止工程＞
実施例１は、レーザチップ固着保持体１００について、引き続き以下の工程を行っている。

レーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６を、図６に示すオーブン２８０内に導入する。大気圧の窒素（純度９９．９９９９％、露点−２０℃）をガス導入口２８１から導入し、ガス排出口２８２から徐々に排出する。オーブン２８０内の窒素の温度を２５５℃にすることによってレーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６の加熱処理温度を２５５℃にして、３０分保持する。処理を終えたレーザチップ固着保持体１００を、オーブン２８０から取り出して１０分後に、気密封止装置（図示せず）に入れる。露点−２０℃の乾燥空気雰囲気で満たされている気密封止装置内で、キャップ１０６をレーザチップ固着保持体１００に重ねて抵抗加熱法により接合して気密封止をし、気密封止装置外に取り出す。これによって、乾燥空気を封入して、内部の窒化物半導体レーザチップ１０３を外部から遮断する。ここで、抵抗加熱法は、キャップ１０６とステム１０４の接触部に短時間電流を流し、接触部で加熱、溶解接合される現象を利用する。以上により、窒化物半導体レーザ装置１０１が完成する。

＜実施例１に係る半導体レーザの特性＞
このようにして作製した１００台の窒化物半導体レーザ装置を、７０℃、連続発振８０ｍＷの自動出力制御（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＰＣ）で、寿命試験にかけたところ、平均寿命（ｍｅａｎ ｔｉｍｅ ｔｏ ｆａｉｌｕｒｅｓ：ＭＴＴＦ）が７８５２時間であった。

また、該１００台の窒化物半導体レーザ装置全てにおいて、寿命試験後の光出射端面を観察したところ、反応物質の堆積によると考えられる黒色化等の変質は生じていなかった。

＜加熱温度・時間の範囲＞
ワイヤボンディング工程後の加熱処理温度の理論上の上限は、ステム側ハンダ層１５１とチップ側ハンダ層１５２の融点であるが、実際には融点近くなると合金が軟化するため、融点より約２０℃以下の温度がより望ましい。例えばハンダ層１５１・１５２にＡｕ８０％−Ｓｎ２０％を用いる場合、融点が２８０℃となるため、２６０℃以下が望ましい。

ここで、汚染物質の候補である代表的なシロキサン系物質の沸点は、Ｏｃｔａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｔｅｔｒａｓｉｌｏｘａｎｅ＝１７５℃、Ｄｅｃａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｓｉｌｏｘａｎｅ＝２１１℃、Ｄｏｄｅｃａｍｅｔｈｙｌｃｙｃｌｏｈｅｘａｓｉｌｏｘａｎｅ＝２４５℃である。また、汚染物質の候補である代表的な炭化水素化合物の沸点は、Ｄｅｃａｎｅ＝１７４℃、Ｄｏｄｅｃａｎｅ＝２１３℃、Ｔｅｔｒａｄｅｃａｎｅ＝２５４℃、Ｃｙｃｌｏｈｅｘｙｌａｃｅｔａｔｅ＝１７７℃、２−Ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌａｃｅｔａｔｅ＝１９９℃、リン酸エステル＝２１５℃である。これらの汚染物質は、粘着シート２５０に用いられる粘着剤の添加剤として含まれる場合があり、また粘着剤の主成分である高分子有機物が分解されることによっても発生することがある。さらに、人体、微生物、建材、製造装置に用いるオイルやグリースも発生源となりうる。これらの物質の沸点まで加熱を行うことにより、気化した汚染物質を効果的に除去することが可能になる。従って、例えばシロキサン系物質を除去するためには、加熱処理温度としては１７５℃以上が望ましく、２１１℃以上がさらに望ましく、２４５℃以上が一層望ましい。１７５℃以上であれば、Ｄｅｃａｎｅなどの炭化水素化合物についても効果的に除去することができる。低融点金属の融点の関係で温度を上げるのが困難なときには、実施例２や実施例３に示す手法を併用することが望ましい。

また、加熱時間については、５分以下では十分な効果が得られないため、１０分以上が望ましい。また４時間以上行っても効果が増大しないため、１０分以上４時間以内が好適である。

＜比較例１＞
レーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６について、同時ダイボンディングおよびワイヤボンディング工程後、加熱処理を行なわずに、気密封止装置内の乾燥空気雰囲気中に移した。その他は、実施例１と同様の工程を行った。

このようにして、作製した１００台の窒化物半導体レーザ装置を７０℃、連続発振８０ｍＷのＡＰＣで、寿命試験にかけた場合、ＭＴＴＦが７５６時間であった。

また、該１００台の窒化物半導体レーザ装置全てにおいて、寿命試験後の光出射端面を観察したところ、９２％において、反応物質の堆積によると考えられる黒色化等の変質が生じていた。

以上より、加熱処理を行うことによって信頼性が向上する効果が確かめられた。

＜比較例２＞
実施例１において、加熱処理後９０分間、レーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６を大気に暴露したのち、気密封止装置内の乾燥空気雰囲気中に移した。その他は、実施例１と同様の工程を行った。

このようにして作製した１００台の窒化物半導体レーザ装置を、７０℃、連続発振８０ｍＷのＡＰＣで寿命試験にかけた場合、ＭＴＴＦが１５２０時間であった。

また、該１００台の窒化物半導体レーザ装置全てにおいて、寿命試験後の光出射端面を観察したところ、７２％において、反応物質の堆積によると考えられる黒色化等の変質が生じていた。

以上より、加熱処理後、レーザチップ固着保持体１００を大気に暴露する時間は、６０分以内が好適であることがわかった。大気暴露時間が６０分以上の場合、駆動時にレーザ特性に影響を与える程度の水分が絶縁層に吸収されたり、窒化物半導体レーザチップ表面、もしくは周辺部に付着するため、好ましくないものと考えられる。

＜比較例３＞
実施例１において、加熱処理を終えたレーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６を、オーブン２８０から取り出して１０分後に、露点が０℃の空気雰囲気に満たされた気密封止装置中に入れ、キャップ１０６をレーザチップ固着保持体１００に重ねて抵抗加熱法により接合して気密封止し、気密封止装置より取り出した。

このようにして作製した１００台の窒化物半導体レーザ装置を、７０℃、連続発振８０ｍＷのＡＰＣで寿命試験にかけた場合、ＭＴＴＦが１８５９時間であった。また、該１００台の窒化物半導体レーザ装置全てにおいて、寿命試験後の光出射端面を観察したところ、５４％において、反応物質の堆積によると考えられる黒色化等の変質が生じていた。

以上より、窒化物半導体レーザチップ部を封入する封入気体の露点は−１０℃以下が好適であることがわかった。露点が−１０℃以上の場合、駆動時にレーザ特性に影響を与える量の水分がキャップ内に存在し、レーザ光により、水分とＳｉ、Ｃ等が反応し、光出射端面が変質しやすくなるため、好ましくないものと考えられる。

実施例２において、実施例１と違う点について説明する。

窒化物半導体レーザチップ１０３と、サブマウント１０２と、ステム１０４とを同時ダイボンディングし、ワイヤボンディング工程を行うまでは実施例１と同様である。ここまでの工程を終えたレーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６を、図７に示すオゾン発生装置２９０に導入する。オゾン発生装置２９０内の雰囲気は、大気圧の酸素２９５（純度９９．９９９９％、露点−１０℃）をガス導入口２９１から導入し、ガス排出口２９２から徐々に排出することにより、ほぼ酸素のみで満たされている。レーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６を、設定温度２２０℃に加熱し、紫外線ランプ２９３から波長１８５ｎｍおよび波長２５４ｎｍの紫外線２９４を照度＝５．１ｍＷ／ｃｍ2で３０分間照射することによりオゾン２９６を発生させ、オゾン処理を行った。ただしレーザチップ固着保持体１００に紫外線２９４が直接当たらず、オゾンのみが当たるように、レーザチップ固着保持体１００を遮蔽板２９７の影となる部分に配置した。

処理を終えた後、５０℃以下に自然冷却されたレーザチップ固着保持体１００をオゾン発生装置２９０から大気中に取り出し、その１０分後、露点−２０℃の乾燥空気雰囲気で満たされている気密封止装置内で、キャップ１０６をレーザチップ固着保持体１００に重ねて抵抗加熱法により接合して気密封止をし、気密封止装置外に取り出す。これによって、乾燥空気を封入して、内部の窒化物半導体レーザチップ１０３を外部から遮断する。ここで、抵抗加熱法は、キャップ１０６とステム１０４の接触部に短時間電流を流し、接触部で加熱、溶解接合される現象を利用する。

このようにして作製した１００台の窒化物半導体レーザ装置を、７０℃連続発振８０ｍＷのＡＰＣで寿命試験にかけた場合、ＭＴＴＦが８０１１時間であった。また、該１００台の窒化物半導体レーザ装置全てにおいて、寿命試験後の光出射端面を観察したところ、反応物質の堆積によると考えられる黒色化等の変質は生じていなかった。

加熱条件でのオゾン処理を行うことにより、高分子の汚染物質の分子結合が切断されて低分子の汚染物質になるため、汚染物質の沸点が低下すると考えられる。従って、オゾン処理を併用することによって、単に加熱処理を行う場合より低温でも汚染物質の除去が促進されるため、良好な寿命が得られているものと考えられる。加熱処理温度を低温にすることによって、低融点金属の軟化による半導体レーザチップの位置ずれが生じるのを防止することができる。

実施例３において、実施例１と違う点について説明する。

窒化物半導体レーザチップ１０３と、サブマウント１０２と、ステム１０４とを同時ダイボンディングし、ワイヤボンディング工程を行うまでは実施例１と同様である。ここまでの工程を終えたレーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６を、図８に示すプラズマ発生装置３００に導入し、ガス導入口３１１より、Ａｒと酸素をＡｒ流量＝１００ｓｃｃｍ、酸素流量＝１００ｓｃｃｍの流量で導入し、ガス排出口３１２に接続した真空ポンプ３１３によって、プラズマ発生装置３００内部の圧力を１０Ｐａにした。引き続き、レーザチップ固着保持体１００およびキャップ１０６の温度を２２０℃にして、３０分間酸素プラズマ処理を行った。酸素プラズマ処理は、電極３０５を接地電位とし、電極３０３にカップリングコンデンサ３０２を介して高周波電源３０１で発生した交流（ＲＦ周波数＝１３．５６ＭＨｚ、ＲＦ−Ｐｏｗｅｒ＝３００Ｗ）を印加して、プラズマ３０４を電極３０３、３０５の間に発生させて行った。ただし電極３０３、３０５は平行に配置された平板電極である。なお、酸素プラズマ処理の際にピン１１０、ピン１１１をステム１０４と同電位とすることにより、電荷が不均一に蓄積するチャージアップ現象を防いでいる。

処理を終えた後、５０℃以下に自然冷却されたレーザチップ固着保持体１００を大気中に取り出し、その１０分後に、気密封止装置（図示せず）に入れた。露点−２０℃の乾燥空気雰囲気で満たされている気密封止装置内で、キャップ１０６とレーザチップ固着保持体１００を接合することによって、内部の窒化物半導体レーザチップ１０３を接合して気密封止をし、気密封止装置外に取り出した。これによって、乾燥空気を封入して、内部の窒化物半導体レーザチップ１０３を外部から遮断した。

このようにして、作製した１００台の窒化物半導体レーザ装置を７０℃、連続発振８０ｍＷのＡＰＣで、寿命試験にかけたところ、ＭＴＴＦが８１５１時間であった。

加熱条件での酸素プラズマ処理を行うことにより、高分子の汚染物質の分子結合が切断されて低分子の汚染物質になるため、汚染物質の沸点が低下すると考えられる。従って、酸素プラズマ処理を併用することによって、単に加熱処理を行う場合より低温でも汚染物質の除去が促進されるため、良好な寿命が得られているものと考えられる。加熱処理温度を低温にすることによって、低融点金属の軟化による半導体レーザチップの位置ずれが生じるのを防止することができる。

＜その他の実施可能形態＞
実施例１〜３では、窒化物半導体レーザチップ、サブマウント、ステムを同時マウントしたレーザチップ固着保持体について加熱処理、オゾン処理、あるいは酸素プラズマ処理を行った例を示したが、サブマウントを用いずに窒化物半導体レーザチップを直接ステムにマウントしたレーザチップ固着保持体について加熱処理、オゾン処理、あるいは酸素プラズマ処理を行ってもよい。また、窒化物半導体レーザチップをサブマウントにマウントしたレーザチップ固着保持体について加熱処理、オゾン処理、あるいは酸素プラズマ処理を行った後、レーザチップ固着保持体をステムにマウントしてもよい。

実施例１〜３では保持体としてステムを用いたが、レーザチップを固着する保持体としては、フレームもしくはその他のパッケージを用いてもよい。

実施例１〜３では加熱処理後のレーザチップを外気より遮断するために気密封止を行ったが、樹脂をカバーすることによる樹脂封止、その他の外気を遮断するための封止を行っても良い。

実施例１〜３ではキャップに光透過窓を有しているが、光透過窓が保持体側にあり、キャップが単に気密封止のみの役割を行うものであってもよい。

実施例１〜３ではレーザチップ固着保持体とキャップの両方について加熱処理、オゾン処理、あるいは酸素プラズマ処理を行った例を示したが、少なくともレーザチップ固着保持体について加熱処理、オゾン処理、あるいは酸素プラズマ処理を行うことによって効果が得られる。

実施例１〜３では、サブマウント１０２にＳｉＣ板を用いたが、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｓｉ、Ａｇ、Ｆｅ、ＣｕＷ、ＢｅＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＧａＡｓ等のサブマウントを用いてもよい。また、サブマウントを用いずに、直接ステムにレーザチップを固着してもよい。

実施例１〜３では、ステム側ハンダ層１５１、チップ側ハンダ層１５２にＡｕ−Ｓｎハンダを用いたが、その他、例えば、Ｉｎ系ハンダのＩｎＰｂ、ＩｎＳｎ、ＩｎＡｇ、ＩｎＡｇＰｂ等、あるいは、Ｓｎ、ＳｎＰｂ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇＰｂ、ＳｎＰｂＳｂ、ＳｎＡｇＣｕ等のＳｎを含むハンダ、あるいは、ＰｂＳｎ、ＰｂＳｂ、ＰｂＡｇ、ＰｂＺｎ等のＰｂを含むハンダ、あるいはＡｌＺｎ、ＳｎＺｎ、ＳｎＺｎＢｉなどの高温ハンダを用いてもよい。ハンダの形成は蒸着法以外に塗布法、スパッタ法、印刷法、メッキ法等を用いてもよく、シート状のハンダをステム上に置いてもよい。

実施例１〜３では、レーザ光の光出射端面２２１およびレーザ光の出射側と反対の端面２２２の端面コーティングを行なったが、光出射端面の端面コーティングを行なわない場合も、本発明を適用することで、光出射端面への反応物質の堆積の防止による寿命向上の効果が得られる。

実施例１〜３でｎ側電極２０１の積層体２０１ＡはＨｆとＡｌの２層を用いたが、Ｈｆ以外にＴｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｗ、Ａｌ、Ｔｌ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄとその化合物を用いても良く、Ａｌ以外にＡｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｇｅとその化合物を用いても良く、膜厚も上記厚さに限るものではない。

また、サブマウントのレーザチップ固着面上に、さらに、ワイヤボンディング用のパッド部を設けることや、ダイボンディング時の位置合わせのための印を設けることは、当業者には、容易に想定し得る事項である。あるいは、いわゆるマルチビームレーザのように、３以上の電極を有するレーザチップを積載したレーザ装置にも、上記原理に基づいて本発明を応用することは、当業者にとって容易に想定し得る。

さらに、ハンダ層とサブマウント基体との間には、公知のごとく、種々の膜を介在させることが可能であり、例えば、サブマウントとハンダ間の密着性を向上させるための膜、サブマウントとハンダ間の反応を防止するための膜、さらには、これらの膜の間の密着性を高めたり、酸化を防止するための膜が適宜形成されていてもよい。ハンダ、ボンディングパッド、サブマウント相互の間にも、同様の目的で、種々の膜を介在させることが想定される。

実施例１〜３では、窒化物半導体レーザチップ１０３の基板としてｎ型ＧａＮ基板１６１を用いたが、ｐ型ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ等の基板を用いてもよい。

また、実施例１〜３では、光導波路部となるリッジ１３５がサブマウントと反対側に位置するジャンクション−アップであるが、リッジがサブマウント側であるジャンクション−ダウンの場合にも適用できる。

また、実施例１〜３では、ステムにレーザチップを一つ固着した一つの発光波長を有するレーザ装置の場合について説明したが、本発明は、二つ以上の発光波長を有する多波長レーザ装置にも適用することができる。

ステム１０４には、窒化物半導体レーザチップ１０３以外の半導体素子、例えば受光素子等がさらに固着されていてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明を実施するための最良の形態における窒化物半導体レーザ装置１０１ の概略構成図である。 本発明を実施するための最良の形態におけるレーザチップ固着保持体１００ の概略構成図である 本発明を実施するための最良の形態における窒化物半導体レーザチップの概 略構成図である。 本発明を実施するための最良の形態における窒化物半導体レーザチップのチ ップ分割工程の説明図である。 本発明を実施するための最良の形態における窒化物半導体レーザチップの同 時ダイボンディング工程の説明図である。 実施例１の加熱処理を行う装置の概略図である。 実施例２のオゾン処理を行う装置の概略図である。 実施例３の酸素プラズマ処理を行う装置の概略図である。

符号の説明

１００ レーザチップ固着保持体
１０１ 窒化物半導体レーザ装置
１０２ サブマウント
１０３ 窒化物半導体レーザチップ
１０４ ステム
１０５ ステムのブロック部
１０６ キャップ
１０７ 光透過窓
１１０、１１１ ピン
１１２、１１３ 絶縁性のリング
１２１、１２２ ワイヤ
１３５ リッジ
１４０ ＳｉＣ板
１４１、１４２ サブマウント表面の金属膜
１５１ ステム側ハンダ層
１５２ チップ側ハンダ層
１６１ ｎ型ＧａＮ基板
１６２ 窒化物半導体層
２０１ ｎ側電極
２０２ ｐ側電極
２０３ 酸化シリコン絶縁体埋め込み層
２２１ レーザ光の光出射端面
２２２ レーザ光の出射側と反対の端面
２３１ ＡＲコーティング
２３２ ＨＲコーティング
２３５ チップ幅
２３６ チップ共振器長
２４０ レーザ・バー
２４１ スクライブライン
２５０ 粘着シート
２５１、２５２ 引き伸ばし方向
２６１ ダイボンディング装置の支持台
２７０ ダイボンディング装置のコレット
２８０ オーブン
２８１ ガス導入口
２８２ ガス排出口
２９０ オゾン発生装置
２９１ ガス導入口
２９２ ガス排出口
２９３ 紫外線ランプ
２９４ 紫外線
２９５ 酸素
２９６ オゾン
２９７ 遮蔽板
３００ プラズマ発生装置
３０１ 高周波電源
３０２ カップリングコンデンサ
３０３、３０５ 電極
３０４ プラズマ
３１１ ガス導入口
３１２ ガス排出口
３１３ 真空ポンプ

Claims (10)

1. レーザチップを、低融点金属を介して該低融点金属をその融点よりも高い温度で溶融することにより保持体に固着する工程と、
   該レーザチップを固着した保持体を、オゾンを発生させた雰囲気下で、前記融点よりも低い加熱処理温度で加熱する工程と、
   封止工程を有し、
   前記オゾンを発生させた雰囲気下での加熱処理において、前記オゾンを発生させるために照射される紫外線が、前記レーザチップに照射されないことを特徴とするレーザ装置の製造方法。
2. 前記加熱処理温度が前記融点より２０℃以上低いことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置の製造方法。
3. 前記加熱する工程が、１０分以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ装置の製造方法。
4. 前記低融点金属が、Ｓｎの割合が１５重量％以上９０重量％以下であるＡｕ−Ｓｎ合金であって、前記加熱処理温度が１７５℃以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
5. 前記封止工程において、
   露点が−１０℃以下である封入気体を封入して、該レーザチップの気密封止を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
6. 前記加熱する工程において、
   露点が−１０℃以下の雰囲気下で前記レーザチップを固着した保持体およびキャップを加熱することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
7. 前記封入気体が、乾燥空気、窒素、酸素、水素、アルゴン、ヘリウム、キセノンまたは前記ガスのうち少なくとも２種以上を含む混合ガスであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置の製造方法。
8. 前記加熱する工程と前記封止工程との間において前記レーザチップを固着した保持体を大気中に暴露する時間が、６０分以内であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
9. 前記レーザチップが、発光波長が５００ｎｍ以下であるレーザチップであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
10. 前記レーザチップが、窒化物半導体レーザチップであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のレーザ装置の製造方法。
    

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