JP6143262B2 - 露光ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザを光源とする露光ヘッド及びその製造方法に関するものである。

半導体レーザを光源とする露光装置は、回路パターンの形成や画像形成を含む各種のパターン形成に用いられている。このような露光装置は、露光処理の高速化の要求を満たすためにマルチビーム化がなされており、基板上に複数の半導体レーザ素子を並列配置したマルチビーム半導体レーザアレイヘッドを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。

また、下記特許文献２に記載された従来技術には、ｎ型ＧａＮ基板の（１−１０―４）面からなる主表面上に発光層を形成した半導体レーザ素子層と、この半導体レーザ素子層の端部に形成される（１−１０１）面からなる光出射面と対向する領域に形成され、ｎ型ＧａＮ基板の主表面に対して傾斜して延びる（０００−１）面からなる反射面とを備える半導体レーザ素子が示されており、更には、一つのウエハ（ｎ型ＧａＮ基板）に前述した反射面を有する半導体レーザ素子を並べて形成した面発光レーザアレイが示されている。

特開２００５−３５３６１４号公報 特開２００９―１７０４９６号公報

特許文献１に記載されるような従来技術は、個別形成された半導体レーザ素子を基板上に複数配列しているので、配列ピッチの位置精度を確保することが難しく、高精細なパターン形成を行う際に配列ピッチにばらつきがあると高品質のパターン形成を行うことができない問題が生じる。また、個別に形成される半導体レーザ素子には個体差が存在するので、特許文献１に記載されるような従来技術は、複数配列された半導体レーザ素子の出力を均一化してパターン形成の品質を高めることが困難な問題がある。

これに対して、特許文献２に記載された従来技術は、一つの基板上に複数の半導体レーザ素子を形成して基板と交差する方向にレーザ光を出射することができるものであるが、一つのウエハ上に複数の半導体レーザ素子を形成することで、半導体リソグラフィー技術の高い位置精度によるアレイ化が可能になるので、配列ピッチのばらつきによるパターン形成の品質劣化を解消することができる。また、一つのウエハ上に複数同時形成される半導体レーザ素子は個体差を最小限に抑えることができるので、複数配列された半導体レーザ素子の出力を均一化してパターン形成の品質を高めることができる。

しかしながら、特許文献２に記載される従来技術は、結晶成長面によって主表面に傾斜した反射面を形成するので、レーザ光の出射方向を基板に対して任意の方向に設定することができない問題があり、また、基板に対して発光層側にレーザ光を出射するので、発光層側に直接冷却手段を設けることができず、基板を介しての冷却にならざるを得ないので、効果的な発光層の冷却を行うことができない問題がある。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、半導体レーザを光源とする露光ヘッドにおいて、一つの基板上に複数の半導体レーザ素子を作り込むことで、高い位置精度のアレイ化と個体差を抑えた素子形成を可能にし、配列ピッチのばらつきによるパターン形成の品質劣化を解消すると共に、複数配列された半導体レーザ素子の出力を均一化してパターン形成の品質を高めること、基板上に複数の半導体レーザ素子を形成するに際して、基板に対して任意の方向にレーザ光の出射方向を設定することができると共に、効果的な発光層の冷却を行うことができること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による露光ヘッド及び露光ヘッドの製造方法は、以下の構成を少なくとも具備するものである。

一つの半導体基板と、前記半導体基板を共通の基板として、当該基板の表面に沿った発光層と前記表面に垂直な一対の共振器端面を有する複数の半導体レーザ素子部と、隣接する前記半導体レーザ素子部の前記共振器端面間に形成される凹溝部と、前記凹溝部内で前記半導体レーザ素子部の光出射面に対面させて当該光出射面から出射されるレーザ光を前記基板側に反射させる反射面とを備え、前記反射面は、前記凹溝部を埋める光透過層に前記基板の表面に対して傾斜した加工面を形成し、当該加工面上に形成され、前記光透過層を透過したレーザ光を反射することを特徴とする露光ヘッド。

一つの半導体基板上に当該半導体基板の表面に沿った発光層を含む半導体レーザ素子層を形成する工程と、前記半導体レーザ素子層に複数並列した凹溝部を形成し、当該凹溝部における一対の壁面を共振器端面とする複数の半導体レーザ素子部を形成する工程と、前記凹溝部を光透過層で埋め込み、当該光透過層に前記半導体基板の表面に対して傾斜した加工面を形成し、前記加工面上に、前記半導体レーザ素子部の光出射面に対面させて当該光出射面から出射されるレーザ光を前記基板側に反射させる反射面を形成する工程と、前記半導体基板のレーザ光出射側の面に、複数の前記半導体レーザ素子部を駆動する共通電極を形成すると共に、前記反射面に対向する光出射開口部を形成する工程とを有することを特徴とする露光ヘッドの製造方法。

このような特徴を有する本発明は、一つの基板上に複数の半導体レーザ素子部を作り込むことで、高い位置精度のアレイ化と個体差を抑えた素子形成を可能にし、配列ピッチのばらつきによるパターン形成の品質劣化を解消すると共に、複数配列された半導体レーザ素子部の出力を均一化してパターン形成の品質を高めることができる。また、基板上に複数の半導体レーザ素子部を形成するに際して、凹溝部に形成した光透過層の加工面上に反射面を形成することで、基板に対して任意の方向にレーザ光の出射方向を設定することができる。また、基板を介してレーザ光を出射することで、発光層に近い側から冷却することができるので、効果的な発光層の冷却が可能になる。

本発明の一実施形態に係る露光ヘッドの構成を示す説明図であり、（ａ）は要部説明図、（ｂ）が（ａ）におけるＡ部拡大図、（ｃ）が（ａ）におけるＢ部拡大図である。 本発明の実施形態における半導体レーザ素子部の層構造を示した説明図である。 本発明の他の実施形態に係る露光ヘッドの構成を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る露光ヘッドの製造方法の各工程を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る露光ヘッドの製造方法の各工程を説明する説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る露光ヘッドの構成を示す説明図であり、図１（ａ）は要部説明図、図１（ｂ）が図１（ａ）におけるＡ部拡大図、図１（ｃ）が図１（ａ）におけるＢ部拡大図である。

露光ヘッド１は、一つの半導体基板（以下、単に基板という）１０と、この基板１０を共通基板とする複数の半導体レーザ素子部２と、凹溝部３と、反射面４とを備えている。基板１０は、半導体レーザを構成することができる半導体基板であって、発生するレーザ光に対して光透過性を有する材料によって構成することができ、例えば、広い波長範囲で光透過性を有するＧａＮ基板や長波長域で光透過性を有するα−ＳｉＣ基板などを用いることができる。

半導体レーザ素子部２は、基板１０の表面に沿った発光層２Ａと、基板１０の表面に垂直な一対の共振器端面２０（２０Ａ，２０Ｂ）とを備えている。図２は、半導体レーザ素子部２の層構造の一例を示している。半導体レーザ素子部２の層構造Ｌは、半導体層Ｌ１とその外側に配置される電極層（第１電極層２１，第２電極層２２）とによって構成される。基板１０がｎ型ＧａＮ基板とすると、第１電極層２１はｐ電極となり、第２電極層２２はｎ電極となる。半導体層Ｌ１は、基板（ｎ型ＧａＮ基板）１０上に、例えば、第１半導体層（ｎ型ＧａＮ層）１１、発光層２Ａ、第２半導体層（ｐ型ＧａＮ層）１２などが積層される。なお、半導体レーザ素子部２の構造はこれに限らず、従来知られた各種の構造を採用することができる。

基板１０を共通基板とする複数の半導体レーザ素子部２は、共通の半導体層Ｌ１を凹溝部３によって分断することで形成される。すなわち、凹溝部３の左右壁面３Ａ，３Ｂが半導体レーザ素子部２における共振器端面２０（２０Ａ，２０Ｂ）を構成している。共振器端面２０は、光出射面となる一方の共振器端面２０Ａが部分反射面となり、他方の共振器端面２０Ｂには反射層２０Ｂ１が形成されている。このように形成される複数の半導体レーザ素子部２は、個体差を抑えた均一性の高い素子になる。

隣接する半導体レーザ素子部２の共振器端面２０間に形成される凹溝部３内には反射面４が形成されている。反射面４は、半導体レーザ素子部２の光出射面（一方の共振器端面２０Ａ）に対面させて形成されており、光出射面から出射されるレーザ光Ｌｂを基板１０側に向けて反射させるものである。

反射面４は、凹溝部３内に形成される光透過層５の加工面５Ａ上に形成されている。光透過層５は、後述するように形成され、基板１０の表面に対して任意の角度に傾斜した加工面５Ａを有する。この加工面５Ａ上に反射層４Ａを形成することで、基板１０側にレーザ光を反射する反射面４を形成している。

光透過層５は、ＳｉＯ₂層などの光透過性が高く、しかも加工性の良好な材料を用いる。本発明の実施形態に係る露光ヘッドは、加工性の良好な光透過層５の加工面５Ａ上に反射面４を形成しているので、基板１０の表面に対して任意の方向に反射してレーザ光を出射させることができる。

基板１０のレーザ光出射側の面には、複数の半導体レーザ素子部２を駆動する共通電極となる第２電極層２２が形成されており、また、反射面４に対向するように光出射開口部２３が設けられる。光出射開口部２３は、遮光機能を有する第２電極層２２に開口を形成したものである。半導体レーザ素子部２から出射して反射面４で反射され基板１０を透過したレーザ光は、光出射開口部２３から基板１０の外に出射され、マイクロレンズ６によって集光されて図示省略した被露光面に照射される。すなわち、基板１０の光出射側の面に形成される光出射開口部２３はマイクロレンズ６に対する開口絞りとして機能する。

図３は、本発明の他の実施形態に係る露光ヘッドの構成を示した説明図である。前述した実施形態と共通する部位は同一符号を付して重複説明を省略する。この実施形態に係る露光ヘッド１（１Ａ）は、基板１０の光出射側の面に形成される第２電極層２２が透明な絶縁膜２４を介して放熱層２５で覆われている。放熱層２５はＡｌなどの熱伝導性の高い金属層によって形成することができる。放熱層２５においても、当然ながら光出射開口部２３に対応した開口が形成されている。このような放熱層２５を設けることで、レーザ光が透過することによって加熱された基板１０を効果的に冷却することができる。

また、図３に示した露光ヘッド１（１Ａ）は、半導体レーザ素子部２上に液状冷却手段７を介在（循環）させることで、半導体レーザ素子部２に冷却手段を接触させている。液状冷却手段７は、例えば、絶縁性液体（住友スリーエム社製のフロリナート等）を用いることができる。露光ヘッド１（１Ａ）は、基板１０側からレーザ光Ｌｂを出射することで、半導体レーザ素子部２上を冷媒で覆うことが可能になる。これよって、加熱が顕著な発光層２Ａの近傍を効果的に冷却することが可能になり、半導体レーザ素子部２の発光効率を向上させることができる。液状冷却手段７で覆われる第１電極層２１には、バンプボール８を介して配線（Ａｕワイヤ）９が接続され、配線９が図示省略の駆動回路に接続される。

図４及び図５は、本発明の実施形態に係る露光ヘッドの製造方法の各工程を説明する説明図である。

第１工程としては、図４（ａ）に示すように、一つの基板（半導体基板）１０上に半導体基板１０の表面に沿った発光層２Ａを含む半導体層Ｌ１を形成する。

次の工程としては、図４（ｂ）に示すように、半導体層Ｌ１に複数並列した凹溝部３を形成し、凹溝部３における一対の壁面３Ａ，３Ｂを共振器端面２０とする複数の半導体レーザ素子部２を形成する。凹溝部３の形成は、基板１０（ＧａＮ基板）を機械加工によって削り出すことで、凹状の溝部を形成する。機械加工に換えて化学的加工技術（エッチング加工など）、物理的加工技術（イオンビーム加工など）を用いてもよい。また、これらの加工技術を組み合わせることで凹溝部３を形成することもできる。

凹溝部３の壁面３Ａ，３Ｂを共振器端面２０とした半導体レーザ素子部２を形成するためには、図３（ｃ）に示すように、壁面３Ｂに反射層２０Ｂ１を形成し、更に、壁面３Ａによる共振器端面２０（２０Ａ）を部分反射面とする。反射層２０Ｂ１の形成は、蒸着などの成膜法により、壁面３Ｂに反射率の高い金属膜を成膜するか、或いは、多層膜による全反射膜を成膜する。

次の工程は、図４（ｄ），図５（ｅ），図５（ｆ）に示すように、凹溝部３を光透過層５で埋め込み、光透過層５に基板（半導体基板）１０の表面に対して傾斜した加工面５Ａを形成する。具体的には、先ず、図４（ｄ）に示すように、凹溝部３を完全に光透過層５（例えば、ＳｉＯ₂層）で埋め込む。この際には、ＳＯＧ（Spin-on-Glass）法、ＣＶＤ法などの層堆積法を用いることができる。その後は、図５（ｅ）に示すように、凹溝部３からはみ出した光透過層５をＣＭＰ研磨などにより除去する。そして、図５（ｆ）に示すように、凹溝部３内の光出射端面側を、グレースケールマスクを用いたエッチング加工により傾斜構造とし、その他の凹溝部３内の光透過層５は全て除去する。この際の傾斜構造の形成やその他の光透過層５の除去には、前述したエッチング加工に限らず機械加工やイオンビーム加工などを用いてもよい。

次の工程は、図５（ｇ）に示すように、形成された加工面５Ａ上に、半導体レーザ素子部２の光出射面に対面させて光出射面から出射されるレーザ光を基板１０側に反射させる反射面４を形成する。反射面４の形成には、加工面５Ａ上に蒸着などの成膜法により反射層４Ａを成膜する。反射層４Ａは、反射率の高い金属膜を成膜するか、或いは、多層膜による全反射膜を形成する。

次の工程は、図５（ｈ）に示すように、基板（半導体基板）１０のレーザ光出射側の面に、複数の半導体レーザ素子部２を駆動する共通電極となる第２電極層２２を形成すると共に、反射面４に対向する光出射開口部２３を形成する。また、半導体層Ｌ１の上に第１電極層２１を形成する。光出射開口部２３の形成は、第２電極層２２を全面成膜した後に選択的なエッチングなどで必要な面積の開口を形成する。

以上説明した本発明の実施形態に係る露光ヘッド１（１Ａ）は、一つの基板１０上に複数の半導体レーザ素子部２を作り込むことで、高い位置精度のアレイ化と個体差を抑えた素子形成を可能にし、配列ピッチのばらつきによるパターン形成の品質劣化を解消すると共に、複数配列された半導体レーザ素子部２の出力を均一化してパターン形成の品質を高めることができる。

また、基板１０上に複数の半導体レーザ素子部２を形成するに際して、凹溝部３に形成した光透過層５の加工面５Ａ上に反射面４を形成することで、加工面５Ａの加工次第で基板１０に対して任意の方向にレーザ光の出射方向を設定することができる。また、基板１０を介してレーザ光を出射することで、発光層２Ａに近い側から冷却することができるので、効果的な発光層２Ａの冷却が可能になり、半導体レーザ素子部２の発光効率を高めることができる。また、効果的な冷却によって半導体レーザ素子部２のピッチ間隔の熱歪みなどを抑えることができるので、高精細なバターン形成を高品質で実現することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１，１Ａ：露光ヘッド，２：半導体レーザ素子部，２Ａ：発光層，
３：凹溝部，３Ａ，３Ｂ：壁面，４：反射面，４Ａ：反射層，
５：光透過層，５Ａ：加工面，６：マイクロレンズ，７：液体冷却手段，
１０：基板，２０（２０Ａ，２０Ｂ）：共振器端面，２０Ｂ１：反射層，
２１：第１電極層，２２：第２電極層，２３：光出射開口部，２４：絶縁膜，
２５：放熱層，Ｌ：層構造，Ｌ１：半導体層，Ｌｂ：レーザ光

Claims (5)

1. 一つの半導体基板と、
   前記半導体基板を共通の基板として、当該基板の表面に沿った発光層と前記表面に垂直な一対の共振器端面を有する複数の半導体レーザ素子部と、
   隣接する前記半導体レーザ素子部の前記共振器端面間に形成される凹溝部と、
   前記凹溝部内で前記半導体レーザ素子部の光出射面に対面させて当該光出射面から出射されるレーザ光を前記基板側に反射させる反射面とを備え、
   前記反射面は、前記凹溝部を埋める光透過層に前記基板の表面に対して傾斜した加工面を形成し、当該加工面上に形成され、前記光透過層を透過したレーザ光を反射することを特徴とする露光ヘッド。
2. 前記基板のレーザ光出射側の面には、複数の前記半導体レーザ素子部を駆動する共通電極と前記反射面に対向する光出射開口部が設けられることを特徴とする請求項１記載の露光ヘッド。
3. 前記共通電極は放熱層で覆われていることを特徴とする請求項２記載の露光ヘッド。
4. 前記半導体レーザ素子部には、冷却手段が接触していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載された露光ヘッド。
5. 一つの半導体基板上に当該半導体基板の表面に沿った発光層を含む半導体層を形成する工程と、
   前記半導体層に複数並列した凹溝部を形成し、当該凹溝部における一対の壁面を共振器端面とする複数の半導体レーザ素子部を形成する工程と、
   前記凹溝部を光透過層で埋め込み、当該光透過層に前記半導体基板の表面に対して傾斜した加工面を形成し、前記加工面上に、前記半導体レーザ素子部の光出射面に対面させて当該光出射面から出射されるレーザ光を
   
   前記基板側に反射させる反射面を形成する工程と、
   前記半導体基板のレーザ光出射側の面に、複数の前記半導体レーザ素子部を駆動する共通電極を形成すると共に、前記反射面に対向する光出射開口部を形成する工程とを有することを特徴とする露光ヘッドの製造方法。

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