JP6173303B2 - レーザ光源装置及びレーザ光源装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源装置及びレーザ光源装置の製造方法に関し、特に、光素子と合波器とを基板に搭載するレーザ光源装置及びレーザ光源装置の製造方法に関する。

従来、光源装置から出射した光を空間光変調装置によって変調し、変調した画像光を投射レンズなどの投射光学系によりスクリーンに拡大投射するプロジェクタが知られている。プロジェクタの光源装置として、従来はメタルハライドランプやハロゲンランプなどが利用されていた。しかしながら、近年では、光源装置及びプロジェクタの小型化、長寿命、高画質等を図るため、３原色（ＲＧＢ）のＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：レーザダイオード）を光源とした表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の投写型表示装置のレーザ光源は、ＣＡＮタイプの構造ステムを有している。具体的には、貫通して垂直に接続された共通端子上にＬＤチップを固着し、ＬＤチップの他方の電極とワイヤで接続された端子及び共通端子をステムの裏面に引き出し、透明な窓を有する筒状の金属製キャップをステム上に取り付けてＬＤチップを封止している。特許文献１では、ＣＡＮタイプのレーザ光源をＲＧＢとして３個配置し、各レーザ光源からのレーザ光を複数のダイクロイックミラーで合波し、合波したレーザ光をレンズによって集光して出射するレーザユニットを表示装置の光源として提案している。

特開２０１１−１７５２６８号公報

しかしながら、近年、ピコプロジェクタと呼ばれる携帯機器への搭載を狙った非常に小さいプロジェクタの要求が高まっている。しかしながら、特許文献１に記載の表示装置に組み込まれるレーザユニットは、ＣＡＮタイプのレーザ光源を配線基板の穴に填め込んでハンダで実装する構成である。したがって、小型化が困難であり、レーザ光源の径より薄いレーザユニットを実現することは不可能である。このため、特許文献１に記載のＣＡＮタイプのレーザ光源では、小型化薄型化に限界があった。

また、特許文献１に記載のレーザユニットでは、出射されるレーザ光の光路を調整するために、半田付けされる各レーザ光源の位置合わせ、複数のダイクロイックミラーの位置合わせ、及び、レンズの位置合わせが必要であった。この為、レーザユニットとしての調整工程が複雑で光路調整が難しいという問題があった。また、調整箇所が多いことで、レーザ光のそれぞれの光路がばらつくことが考えられ、この結果、光損失が大きくなり、結合効率が低下するという問題もあった。

本発明の目的は、上記の課題を解決することを可能とするレーザ光源装置及びレーザ光源装置の製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は、光素子などを基板上に集積化することにより、小型薄型で光路調整が容易なレーザ光源装置及びレーザ光源装置の製造方法を提供することである。

レーザ光源装置は、厚み方向の段差によって第１の平面と前記第１の平面より低い位置に形成された第２の平面を有するシリコン基板と、第１の平面上に形成されたＡｕから構成されるマイクロバンプ構造を有する第１の接合部と、第２の平面上に形成されたＡｕから構成されるマイクロバンプ構造を有する第２の接合部と、第１の接合部に表面活性化接合技術で接合され、レーザ光を出射する第１の光素子及び第２の光素子と、第２の接合部に表面活性化接合技術で接合され且つ第１の光素子からのレーザ光を合波器へ向けて反射する反射部材と、第２の接合部に表面活性化接合技術で接合され且つ第２の光素子からのレーザ光を直接受光して第１の光素子からのレーザ光及び第２の光素子からのレーザ光を合波する合波器を有し、第１の光素子及び反射部材の間の距離と、第２の光素子及び合波器の間の距離とを異ならせることによって、第１の光素子から合波器までの光路長と第２の光素子から合波器までの光路長とが等しくなるように設定されていることを特徴とする。

レーザ光源装置では、シリコン基板の前記厚み方向の段差は、第１の平面の水平方向において、階段状に形成され、第１及び第２の光素子は、厚み方向の段差の階段状に形成された端面に配置されていることが好ましい。

レーザ光源装置では、第１及び第２の光素子はレーザ素子であり、合波器はダイクロイックミラープリズムであることが好ましい。

レーザ光源装置では、シリコン基板上に搭載され、第１及び第２の光素子を駆動する駆動ＩＣを更に有することが好ましい。

レーザ光源装置では、レーザ光を出射する第３の光素子及び第２の合波器を更に有し、第２の合波器は、第３の光素子からのレーザ光を直接受光し、合波器によって合波された第１の光素子からのレーザ光及び第２の光素子からのレーザ光と、第３の光素子からのレーザ光とを合波することが好ましい。

レーザ光源装置の製造方法は、シリコン基板に、厚み方向の段差によって第１の平面と第１の平面より低い位置に第２の平面を形成し、第１の平面上にＡｕから構成されるマイクロバンプ構造を有する第１の接合部を形成し、第２の平面上にＡｕから構成されるマイクロバンプ構造を有する第２の接合部を形成し、第１の接合部に表面活性化接合技術によりレーザ光を出射する第１の光素子及び第２の光素子を接合し、第２の接合部に表面活性化接合技術により第２の光素子からのレーザ光を直接受光し第１の光素子からのレーザ光及び第２の光素子からのレーザ光を合波する合波器を接合し、第２の接合部に表面活性化接合技術により第１の光素子からのレーザ光を合波器へ向けて反射する反射部材を接合する工程を有し、第１の光素子及び反射部材の間の距離と、第２の光素子及び合波器の間の距離とを異ならせることによって、第１の光素子から合波器までの光路長と第２の光素子から合波器までの光路長とが等しくなるように設定されていることを特徴とする。

レーザ光源装置の製造方法では、第１及び第２の光素子からレーザ光を出射させ、第１の光素子からレーザ光と第２の光素子からレーザ光の光路が重なるように反射部材の位置を調整する工程を更に有することが好ましい。

レーザ光源装置の製造方法では、レーザ光を出射する第３の光素子、及び合波器によって合波された第１の光素子からのレーザ光及び第２の光素子からのレーザ光と第３の光素子からのレーザ光とを合波する第２の合波器を更に有し、反射部材の位置を調整する工程では、合波器によって合波された第１の光素子からのレーザ光及び第２の光素子からのレーザ光と、第３の光素子からのレーザ光との光路が重なるように、反射部材の位置を調整する、ことが好ましい。

レーザ光源装置の製造方法では、シリコン基板の前記厚み方向の段差は、第１の平面の水平方向において、階段状に形成され、第１及び第２の光素子は、厚み方向の段差の階段状に形成された端面に配置されていることが好ましい。

レーザ光源装置の製造方法では、第１及び第２の光素子はレーザ素子であり、合波器はダイクロイックミラープリズムであることが好ましい。

レーザ光源装置の製造方法では、第１及び第２の光素子を駆動する駆動ＩＣをシリコン基板上に搭載する工程を更に有することが好ましい。

レーザ光源装置は、複数の光素子と、該光素子からの複数のレーザ光を合波する複数の合波器とを、シリコン基板に搭載したレーザ光源装置において、シリコン基板はＡｕからなるマイクロバンプ構造の接合部を有し、複数の光素子と複数の合波器は、接合部に表面活性化接合技術で接合され、シリコン基板は、厚み方向の段差によって第１の平面と該第１の平面より低い位置の第２の平面が形成され、第１の平面には複数の光素子が接合され、第２の平面には複数の合波器が複数の光素子にそれぞれ対応して接合され、シリコン基板の厚み方向の段差は、第１の平面の水平方向に階段状に形成され、複数の光素子が階段状の段差の端面に沿って接合されることで、光素子と合波器とのそれぞれの距離を異ならせて、複数の光素子からそれぞれ出射されるレーザ光の光路長が略等しくなることを特徴とする。

レーザ光源装置の製造方法は、複数の光素子と、該光素子からの複数のレーザ光を合波する複数の合波器とを、シリコン基板に搭載したレーザ光源装置の製造方法において、シリコン基板に厚み方向の段差によって第１の平面と該第１の平面より低い位置の第２の平面を形成する段差形成工程と、シリコン基板にＡｕからなるマイクロバンプ構造の接合部を形成する接合部形成工程と、第１の平面に複数の光素子を表面活性化接合技術によって接合する光素子接合工程と、第２の平面に複数の合波器を表面活性化接合技術によって複数の光素子にそれぞれ対応して接合する合波器接合工程と、を有し、段差形成工程は、第１の平面の水平方向に階段状に段差を形成し、光素子接合工程によって複数の光素子が階段状の段差の端面に沿って接合することで、光素子と合波器とのそれぞれの距離を異ならせて、複数の光素子からそれぞれ出射されるレーザ光の光路長が略等しくなることを特徴とする。

また、レーザ光源装置の製造方法では、合波器接合工程は、複数の合波器のうちの第１の合波器を接合する工程と、複数の光素子からの二つのレーザ光を出射する工程と、複数の合波器のうちの第２の合波器によって合波した二つのレーザ光の光路が重なるように第２の合波器の位置を調整する工程と、第２の合波器を接合する工程と、複数の光素子からのすべてのレーザ光を出射する工程と、複数の合波器のうちの第３の合波器によって合波したすべてのレーザ光の光路が重なるように第３の合波器の位置を調整する工程と、第３の合波器を接合する工程と、を有することを特徴とする。

レーザ光源装置では、シリコン基板上に光素子、合波器及び反射部材を表面活性化接合技術によって接合するので、これらの部品を基板上に集積化でき、小型化及び薄型化を実現することができる。

レーザ光源装置では、マイクロバンプによる加熱を必要としない表面活性化接合技術を用いるので、熱ストレスがなく部品の機能劣化が生じることがなく、熱膨張係数差による歪みの発生を防止することができる。

レーザ光源装置では、光素子と合波器は、表面活性化接合で結合されるので、実装時の位置ずれが少なく、高精度な位置合わせが可能である。

レーザ光源装置では、光素子、合波器及び反射部材の高さ関係を最適化し、光素子からのレーザ光の光路の広がりに対応して合波器を最適な位置に配置することができる。これにより、光損失が少なく、外部の光回路や光変調器（図示せず）との結合効率に優れたレーザ光源装置を提供できる。また、シリコン基板に段差を設けることで、合波器の厚さをシリコン基板で吸収するので、極めて薄型のレーザ光源装置を実現できる。

レーザ光源装置では、複数のレーザ素子からそれぞれ出射されるレーザ光の光路長を等しくすることができる。これにより、各光路にレンズを配置しなくても、各レーザ光の光路径を揃えることができるので、レンズを必要としないレーザ光源装置を実現できる。

レーザ光源装置において、光素子がレーザ素子である場合には、小型、長寿命、高輝度である。また、レーザ光源装置において、合波器がダイクロイックミラープリズムである場合には、プリズムの底面が略三角形の面を有しており、この底面にＡｕ膜を形成することで、シリコン基板に確実に接合することができる。

レーザ光源装置において、光素子を駆動する駆動ＩＣをシリコン基板に搭載した場合には、駆動ＩＣを外部に配置する必要が無く、装置を集積化及び極めて小型化することができる。

レーザ光源装置の製造方法では、シリコン基板上に光素子と合波器を表面活性化接合技術によって接合する工程により製造するので、位置ずれが少なく、高精度に位置合わせをすることができる。

レーザ光源装置の製造方法では、出射光の光路調整は、光素子が三つである場合、二つの合波器の位置調整だけで光路調整を行うことが出来、光路調整が極めて容易に光路調整を行うことができる。

レーザ光源装置の製造方法において、光素子がレーザ素子であり合波器がダイクロイックミラープリズムの場合、位置ずれが少なく、高精度に位置合わせをすることが可能である。

レーザ光源装置の製造方法において、光素子を駆動する駆動ＩＣを搭載する工程を含む場合、駆動ＩＣを外部に配置する工程が不要となり、製造工程を簡略することが可能となる。

レーザ光源装置１の概要構成を示す図である。 図１のＡＡ´断面図である。 レーザ光源装置１の平面図である。 レーザ光源装置１の製造工程を示す工程表である。 接合部形成工程の詳細を示す工程図である。 接合部形成工程（ＳＴ２）で形成された接合部４０の一部を拡大した斜視図である。 （ａ）は光素子接合工程を説明するための斜視図であり、（ｂ）は第１の合波器の接合を説明するための斜視図である。 （ａ）は第２の合波器の接合を説明するための斜視図であり、（ｂ）は第３の合波器の接合を説明するための斜視図である。 他のレーザ光源装置６０の概略構成を示す図である。

以下図面を参照して、レーザ光源装置及びレーザ光源装置の製造方法について説明する。本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１は、レーザ光源装置１の概要構成を示す図である。

以下、図１を用いて、レーザ光源装置１について説明を行う。レーザ光源装置１の基本構成は、段差を有するシリコン基板１０に、複数のレーザ素子（２１、２２、２３）及びダイクロイックミラープリズム（３１、３２、３３）を表面活性化接合技術によって接合した点である。

レーザ光源装置１は、プラットフォームとしてのシリコン基板１０と、シリコン基板１０に搭載される複数の光素子としてのレーザ素子２１、２２、２３と、複数の合波器としてのダイクロイックミラープリズム３１、３２、３３（以下、ダイクロプリズム３１、３２、３３と略す）を備えている。なお、以降の記述において、複数のレーザ素子のすべてを指す場合はレーザ素子２０と記載し、複数のダイクロプリズムのすべてを指す場合はダイクロプリズム３０と記載するものとする。

シリコン基板１０は、第１の平面１１と第２の平面１２とを有し、第２の平面は厚み方向の段差１３によって第１の平面１１より低い位置に形成される。段差１３は、第１の平面１１の水平方向に階段状に形成され、レーザ素子２０は階段状に形成されている段差１３の段差端面に沿って第１の平面１１上に接合される。

ダイクロプリズム３０は、第２の平面１２にレーザ素子２０にそれぞれ対応して接合される。すなわち、ダイクロプリズム３１はレーザ素子２１から出射されるレーザ光を入射する位置に接合され、ダイクロプリズム３２はレーザ素子２２から出射されるレーザ光を入射する位置に接合され、ダイクロプリズム３３はレーザ素子２３から出射されるレーザ光を入射する位置に接合される。

シリコン基板１０の第１の平面１１には、レーザ素子２０を接合するためのＡｕ（金）で構成されるマイクロバンプ構造の接合部４０が形成される。接合部４０は、レーザ素子２０の下面の電極（図示せず）と電気的に接続し、第１の平面１１に形成される複数の電極パターン４６を介して外部のレーザ素子駆動回路（図示せず）と電気的に接続している。

第２の平面１２には、ダイクロプリズム３０を接合するためのＡｕ（金）で構成されるマイクロバンプ構造の接合部５０が形成される。なお、接合部４０と接合部５０の詳細については後述する。レーザ素子２０は、各色のレーザ光を直接発光するレーザ素子でもよいし、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第二高調波発生）方式のレーザ素子などでもよい。なお、ＳＨＧ方式の場合は、レーザ素子２０からのレーザ光を入射して第二高調波を発生する波長変換素子を配置する必要がある。

次に、レーザ光源装置１の動作の概略を説明する。レーザ素子２０は、電極パターン４６及び接合部４０を介して、外部のレーザ素子駆動回路からの駆動電流が供給されると、それぞれのレーザ光を出射する。一例として、レーザ素子２１は赤色レーザ素子であって赤色レーザ光２１ａ（以下、Ｒレーザ光２１ａと略す）を出射し、レーザ素子２２は緑色レーザ素子であって緑色レーザ光２２ａ（以下、Ｇレーザ光２２ａと略す）を出射し、レーザ素子２３は青色レーザ素子であって青色レーザ光２３ａ（以下、Ｂレーザ光２３ａと略す）を出射する。

レーザ素子２１から出射されたＲレーザ光２１ａは、対応するダイクロプリズム３１に入射し、ダイクロプリズム３１は、反射部材であり、Ｒレーザ光２１ａを反射して、隣に位置するダイクロプリズム３２に向けて出射する。ダイクロプリズム３２は、Ｒレーザ光２１ａを入射して選択的に透過し、また、レーザ素子２２から出射されたＧレーザ光２２ａを入射して選択的に反射する。これにより、ダイクロプリズム３２は、Ｒレーザ光２１ａとＧレーザ光２２ａを合波して、ＲＧレーザ光２４を隣に位置するダイクロプリズム３３に向けて出射する。

ダイクロプリズム３３は、ＲＧレーザ光２４を入射して選択的に透過し、また、レーザ素子２３から出射されたＢレーザ光２３ａを入射して選択的に反射する。これにより、ダイクロプリズム３３は、ＲＧレーザ光２４とＢレーザ光２３ａを合波してＲＧＢレーザ光２５を出射する。すなわち、ＲＧＢレーザ光２５は、Ｒレーザ光２１ａ、Ｇレーザ光２２ａ及びＢレーザ光２３ａが合波されたレーザ光である。ＲＧＢレーザ光２５を外部の空間光変調手段（図示せず）によって映像光に変換し、投影光学手段（図示せず）によってスクリーン（図示せず）に投影することで、高画質のフルカラー映像を表示することができる。

図２は、図１のＡＡ´断面図である。

次に、図２を用いて、レーザ光源装置１における、レーザ素子とダイクロプリズムの高さの関係について説明する。図２において、レーザ素子２２は、シリコン基板１０の第１の平面１１に形成される段差１３の端面に沿って、接合部４０によりシリコン基板１０と接合されている。なお、レーザ素子２２の出射面２２ｂが、段差１３の端面よりわずかに出っ張るように接合されると良い。

これにより、出射面２２ｂから出射するＧレーザ光２２ａが第１の平面１１によってケラレることなく出射できる。なお、出射面２２ｂの下端部に出射口２２ｃがあり、出射口２２ｃからＧレーザ光２２ａが出射される。Ｇレーザ光２２ａは、出射口２２ｃから出射されると、図示するように所定の角度θによって少しずつ広がりながら進む。

また、レーザ素子２２に対応して接合されるダイクロプリズム３２は、段差１３の高さ分だけ第１の平面１１より低い第２の平面１２において、接合部５０によりシリコン基板１０と接合されている。上記の構成によって、ダイクロプリズム３２は、レーザ素子２２より所定の低い位置に配置されることになる。

ここで、Ｇレーザ光２２ａの光路の中心となる光軸２２ｄが、ダイクロプリズム３２の厚みの約半分の位置を通過するように、段差１３の高さＨを決定している。このような配置によって、Ｇレーザ光２２ａの光路が、図示するように角度θで広がりながらダイクロプリズム３２に入射したとしても、ダイクロプリズム３２は広がった光路のＧレーザ光２２ａのすべてを入射し、そのまま反射して出射することができる。

シリコン基板１０は、第１の平面１１と第２の平面１２とを有し、第２の平面１２が厚み方向の段差１３によって第１の平面１１より高さＨだけ低い位置に形成され、第１の平面１１にレーザ素子２０が接合され、第２の平面１２にダイクロプリズム３０が接合されている。このような構成によって、レーザ素子２０とダイクロプリズム３０と高さ関係が最適化されて、レーザ光の光路の広がりをダイクロプリズム３０が損失することなくすべて入射できる。したがって、レーザ光源装置１は、光損失が少なく、外部の光回路や光変調器（図示せず）との結合効率に優れている。

ダイクロプリズム３０は、レーザ光を入射するために所定の厚みが必要であるが、低い位置の第２の平面１２においてシリコン基板１０と接合されている。したがって、ダイクロプリズム３０の厚みをシリコン基板１０が吸収していることとなり、レーザ光源装置１を極めて薄型に実現できる。なお、図２はレーザ素子２２とダイクロプリズム３２の高さ関係について示しているが、レーザ素子２１とダイクロプリズム３１、及び、レーザ素子２３とダイクロプリズム３３の高さ関係も同様である。

図３は、レーザ光源装置１の平面図である。

次に、図３を利用して、レーザ光源装置１のレーザ光の光路長について説明する。なお、図３では接合部４０、５０と電極パターン４６の図示を省略している。図３において、シリコン基板１０の段差１３は、前述したように、第１の平面１１の水平方向に階段状に形成され、レーザ素子２０は階段状に形成されている段差１３の端面に沿って第１の平面１１上に接合されている。

レーザ素子２１から出射されるＲレーザ光２１ａは、ダイクロプリズム３１に入射し、ダイクロプリズム３１によって直角に反射して、ダイクロプリズム３２とダイクロプリズム３３を透過して外部のレンズ２に入射する。また、レーザ素子２２から出射されるＧレーザ光２２ａは、ダイクロプリズム３２に入射し、ダイクロプリズム３２によって直角に反射して、ダイクロプリズム３３を透過して外部のレンズ２に入射する。さらに、レーザ素子２３から出射されるＢレーザ光２３ａは、ダイクロプリズム３３に入射し、ダイクロプリズム３３によって直角に反射して、外部のレンズ２に入射する。

外部のレンズ２は、合波されたＲＧＢレーザ光２５を外部の空間光変調手段（図示せず）に伝達するための光学部品である。また、各レーザ光は、前述したように、広がりながら進むが、ここでは、説明を分かりやすくするために光路を直線で示している。

レーザ素子２０からそれぞれ出射されるＲレーザ光２１ａ、Ｇレーザ光２２ａ、Ｂレーザ光２３ａの光路は、図示するように平行に距離Ｉ１だけ離れている。この距離Ｉ１が短いほど、シリコン基板１０のサイズを小さくできるが、結合部４０（図１参照）のパターン上の制約や、レーザ素子２０を表面活性化接合するツール（図示せず）の制約等で、所定の距離が必要である。距離Ｉ１が存在するために、仮にすべてのレーザ素子２０を横一列に並べた場合、ダイクロプリズム３０に反射してレンズ２に到達するそれぞれのレーザ光は、光路長が異なることになる。

仮にすべてのレーザ素子２０を横一列に並べた場合、レンズ２から最も近い位置のレーザ素子２３のＢレーザ光２３ａの光路長に対して、レンズ２から最も遠い位置のレーザ素子２１のＲレーザ光２１ａの光路長は距離Ｉ１の２倍だけ長くなる。このように光路長が異なると、前述したようにレーザ光は角度θで広がるので、光路長が短いＢレーザ光２３ａの光路径（ビーム径）は小さくなり、光路長が長いＲレーザ光２１ａの光路径（ビーム径）は大きくなる。この結果、ダイクロプリズム３３で合波されるＲＧＢレーザ光２５は、各色レーザ光の不均一な光路径が重なり合ったビームとして、レンズ２に到達することとなる。したがって、この様なＲＧＢレーザ光２５を変調した場合、映像に色むら等の不具合が発生して問題となる可能性がある。

この問題を解決するために、レーザ光源装置１では、第１の平面１１と第２の平面１２との間の段差１３を水平方向に階段状に形成し、その段差１３の端面に沿ってレーザ素子２０を第１の平面１１上に結合する構成とした。そして、水平方向の階段状の段差１３の１段ごとの距離Ｉ２を前述した光路間の距離Ｉ１と等しくしている。したがって、レーザ光源装置１では、光路間の距離Ｉ１を、１段ごとの距離Ｉ２で相殺し、すべてのレーザ光の光路長が等しくなるように構成している。

レンズ２から最も離れた位置のレーザ素子２１は、階段状の段差の一番手前、すなわち、ダイクロプリズム３１に最も近く、距離Ｉ２が存在しない位置に結合される。また、レンズ２から中間の位置のレーザ素子２２は、階段状の段差の一段目の位置、すなわち、ダイクロプリズム３２に対して距離Ｉ２が存在する位置に結合される。さらに、レンズ２に最も近い位置のレーザ素子２３は、階段状の段差の二段目の位置、すなわち、ダイクロプリズム３３に対して距離Ｉ２の２倍が存在する位置に結合される。

このように、段差１３を水平方向の階段状に形成し、段差１３の端面に沿ってレーザ素子２０を接合することで、レーザ素子２０と、そのレーザ素子２０に対応するダイクロプリズム３０との距離を異ならせて、すべてのレーザ光の光路長を等しくするのである。この結果、レンズ２に入射するＲＧＢレーザ光２５の色ごとの光路径が等しく揃うので、色むら等のない高画質の映像を得ることができる。

なお、レーザ素子２０とダイクロプリズム３０の間の光路にレンズを配置して、各レーザ光が広がらないように制御すれば、光路長が異なっても光路径が変化しないように構成することも可能である。しかしながら、シリコン基板１０上にレンズを配置すれば、レンズの実装工程や調整工程が増え、また、レンズのためのスペースを確保することでシリコン基板１０のサイズが大きくなるという問題が生じる可能性がある。そこで、レーザ光源装置１では、各レーザ光の光路長を等しくすることで、シリコン基板１０上のレンズを不要とし、製造工程の簡素化や装置の小型化薄型化に大きな効果を得ている。

図４は、レーザ光源装置１の製造工程を示す工程表である。

最初に、ＬＳＩの形成工程を経て形成されたシリコン基板１０の表面に深掘りエッチング加工によって段差１３を形成し、図１に示す様な第１の平面１１と第２の平面１２を形成する（ステップＳＴ１：段差形成工程）。形成する段差の高さＨは、前述したように、レーザ素子とダイクロプリズムの高さ関係から決定され、１００〜５００μｍ程度である。

次に、シリコン基板１０の第１の平面１１と第２の平面１２にマイクロバンプ構造の接合部４０、５０を形成する（ステップＳＴ２：接合部形成工程）。

図５は、接合部形成工程の詳細を示す工程図である。図５（ａ）〜図５（ｆ）は、図１で示したシリコン基板１０の第１の平面１１の一部分を厚さ方向に切断した拡大断面図である。

最初に、シリコン基板１０の第１の平面１１の表面に、金属材料である金のＡｕ膜４１を形成する（図５（ａ）参照）。

次に、接合部４０となる領域４０ａの部分に、Ａｕ膜４１を電極として残すためのレジスト膜４２を形成する（図５（ｂ）参照）。すなわち、この領域４０ａが接合部４０となる。

次に、エッチングをおこない、レジスト膜４２で覆われていない領域のＡｕ膜４１を除去し、電極を形成する（図５（ｃ）参照）。これにより、領域４０ａにＡｕ膜４１が電極として形成される。

次に、レジスト膜４２を除去した後に、Ａｕ膜４１の電極の表面に、マイクロバンプ用のレジスト膜４４を形成する（図５（ｄ）参照）。レジスト膜４４は、たとえば、平面で見て小さな略円形のドットが多数並んだパターンとして形成される。

次に、ハーフエッチングをおこない、レジスト膜４４のドット状の隙間のＡｕ膜４１に、所定の深さの溝４１ａを形成する（図５（ｅ）参照）。

次に、レジスト膜４４を除去し、マイクロバンプ４５が多数形成された領域４０ａが接合部４０として形成される（図５（ｆ）参照）。これにより、領域４０ａのＡｕ膜４１の表面に、溝４１ａによるドット状に多数並んだマイクロバンプ４５が形成される。なお、各マイクロバンプ４５の隙間、すなわち、溝４１ａの底にはＡｕ膜４１が残っており、各マイクロバンプ４５の下部がＡｕ膜４１でつながっているので、領域４０ａの全体が電極として導通可能な状態である。なお、第２の平面１２に形成される接合部５０も、同一工程によって形成される。

また、シリコン基板１０の表面に、マイクロバンプ以外の電極パターン４６等（図１参照）を形成する場合は、図５（ｂ）の工程で形成したレジスト膜４２を電極パターン４６に合わせてパターン化する。さらに、電極パターン４６に合わせてパターン化されたレジスト膜４２をエッチング（図５（ｃ）参照）することで、電極パターン４６などを形成することができる。以上説明した接合部形成工程によれば、シリコン基板１０の表面に、Ａｕ膜から成るマイクロバンプ構造を有する接合部４０、５０、及び、電極パターン４６等を一括して効率的に製造することができる。

図６は、接合部形成工程（ＳＴ２）で形成された接合部４０の一部を拡大した斜視図である。

図６に示す様に、マイクロバンプ４５はＡｕで成る略円柱形状で、一例として直径８μｍ、高さ２μｍ程度で形成される。各マイクロバンプ４５の隙間、すなわち、溝４１ａの底面は、前述したようにＡｕ膜４１が存在するので、各マイクロバンプ４５は、Ａｕ膜４１によって機械的及び電気的につながっており、一体化した電極として構成される。

以下に、マイクロバンプ構造の接合部４０、５０による光素子接合工程と合波器接合工程で用いる表面活性化接合技術の概略について説明する。

表面活性化接合技術は、物質表面を覆っている酸化膜、塵（コンタミ）などの不活性層をプラズマ処理などで取り除いて活性化し、表面エネルギーの高い原子同士を接触させることで原子間の凝着力を利用して接合する技術である。但し、表面活性化接合技術でもフラットな接合面同士での接合では、加熱をある程度（１００〜１５０℃）かけないと接合ができない。レーザ光源装置１では、接合温度をより低くすべく、接合面の片側、すなわちシリコン基板１０の接合部４０、５０に塑性変形しやすいＡｕの材質からなるマイクロバンプ４５を形成することにより、常温での接合を可能としている。

ここで、表面活性化接合の原理を説明する。実在表面（接合部４０、５０等）上には、酸化膜、コンタミが存在している。このため、プラズマ洗浄やイオンビームによるスパッタエッチングをおこない、接合部４０、５０の表面を活性化させ、接合部４０、５０が結合手を持った原子が露出している活性状態にする。これにより、接合の対象である、レーザ素子２０やダイクロプリズム３０の下面のＡｕ膜を接合部４０、５０に接触させるだけで原子間接合させることができる。

表面活性化接合は、無加熱接合であるため、下記の各利点を有する。
１．熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生しない。
２．部品に対する熱ストレスがなく部品の機能劣化が生じない。
３．無加熱および固相接合であるため、実装時の位置ずれが生じない。
４．他部品への熱影響が生じない。
５．原子の直接接合であるため、接合層の経時劣化が生じない。

次に、シリコン基板１０の第１の平面１１の接合部４０に、光素子であるレーザ素子２０を接合する（ステップＳＴ３：光素子接合工程）。光素子接合工程を図７（ａ）を用いて説明する。

シリコン基板１０の第１の平面１１上には、接合部４０が形成され、この接合部４０には、前述した接合部形成工程によってマイクロバンプが多数形成されている。接合部４０に前述した表面活性化接合技術によって、レーザ素子２０をそれぞれ接合させる。接合の前には、シリコン基板１０の接合部４０、及び、レーザ素子２０の下面を、アルゴンプラズマにより洗浄し、それぞれの表面を活性化させる。なお、レーザ素子２０の下面の接合面には、電極としてＡｕ膜（図示せず）が形成されている。

例えば、レーザ素子２３を接合する場合は、レーザ素子２３を加圧ツール３で吸着し、シリコン基板１０の接合部４０の所定の位置に載せる。このとき、レーザ素子２３は、段差１３の端面に沿った所定の位置に接合させるため、精密な位置決めが必要である。例えば、接合部４０の所定の位置にアライメントマーカ（図示せず）を付けることで、レーザ素子２３の位置決めを行うことができる。

レーザ素子２３を位置決めして所定の位置に載せたならば、加圧ツール３によってレーザ素子２３に所定の荷重を加える。これにより、接合部４０のマイクロバンプ４５（図６参照）とレーザ素子２３の下面のＡｕ膜が接触して、加圧によってマイクロバンプ４５は厚み方向にわずかに変形する。この結果、マイクロバンプ４５のＡｕとレーザ素子２３の下面のＡｕ膜が共に活性化していることにより、常温でシリコン基板１０とレーザ素子２３は接合される（表面活性化接合）。なお、レーザ素子２１及び２２も、同様に接合される。

次に、シリコン基板１０の第２の平面１２の接合部５０に、合波器であるダイクロプリズム３０を接合する（ステップＳＴ４：合波器接合工程）。合波器接合工程ＳＴ４は、更に、ＳＴ４１からＳＴ４７の細工程を有している。合波器接合工程ＳＴ４を、図７（ｂ）及び図８を用いて説明する。

図７（ｂ）示す様に、第１の合波器であるダイクロプリズム３３を加圧ツール３で吸着し、シリコン基板１０の第２の平面１２に形成されている接合部５０の所定の位置に載せる。ここで、ダイクロプリズム３３はレーザ素子２３に対応し、レーザ素子２３からのＢレーザ光２３ａ（図１参照）を反射する位置に載せられる。なお、ダイクロプリズム３３も精密な位置決めが必要なので、例えば、接合部５０の所定の位置に設けられたアライメントマーカ（図示せず）を利用すれば良い。

次に、加圧ツール３によってダイクロプリズム３３に所定の荷重Ｋを加えることで、レーザ素子と同様に表面活性化接合を行う（ＳＴ４１）。なお、ダイクロプリズム３０の底面にはＡｕ膜が形成されている。また、ダイクロプリズム３０は、ダイクロイックミラーでも機能的には良いが、ミラーは薄いためにシリコン基板１０への接合が困難である。しかし、ダイクロプリズム３０の底面は三角形の面であるので、この底面にＡｕ膜を形成することで、シリコン基板１０に確実に接合することができる。

次に、レーザ素子２２とレーザ素子２３に外部から駆動電流を供給し、Ｇレーザ２２ａとＢレーザ光２３ａを出射する（ＳＴ４２）。

次に、図８（ａ）に示す様に、Ｇレーザ２２ａとＢレーザ光２３ａを出射した状態で、第２の合波器であるダイクロプリズム３２を加圧ツール３で吸着し、シリコン基板１０の第２の平面１２に形成されている接合部５０の所定の位置に載せる。そして、ダイクロプリズム３２によって合波したＧＢレーザ光２６（すなわち、Ｇレーザ光２２ａとＢレーザ光２３ａの合波）を外部の検出器４によって検出する。ここで、Ｇレーザ光２２ａとＢレーザ光２３ａの光路が所定の位置で重なるように、加圧ツール３によってダイクロプリズム３２の位置をＸ軸方向とＹ軸方向及び角度によって調整し、位置決めを行う（ＳＴ４３）。

次に、ダイクロプリズム３２の位置決め後、加圧ツール３によってダイクロプリズム３２に所定の荷重Ｋを加えて表面活性化接合を行う（ＳＴ４４）。

次に、レーザ素子２０のすべてに外部から駆動電流を供給し、Ｒレーザ２１ａとＧレーザ光２２ａとＢレーザ光２３ａを出射する（ＳＴ４５）。

次に、図８（ｂ）に示す様に、Ｒレーザ２１ａ、Ｇレーザ光２２ａ、Ｂレーザ光２３ａを出射した状態で、第３の合波器であるダイクロプリズム３１を加圧ツール３で吸着し、シリコン基板１０の第２の平面１２に形成されている接合部５０の所定の位置に載せる。そして、ダイクロプリズム３１を載せたことによって合波したＲＧＢレーザ光２５（すなわち、Ｒレーザ光２１ａ、Ｇレーザ光２２ａ及びＢレーザ光２３ａの合波）を検出器４によって検出する。ここで、Ｒレーザ光２１ａ、Ｇレーザ光２２ａ及びＢレーザ光２３ａの光路が所定の位置で重なるように、加圧ツール３によってダイクロプリズム３１の位置をＸ軸方向とＹ軸方向及び角度により調整し、位置決めを行う（ＳＴ４６）。

次に、ダイクロプリズム３１の位置決め後、加圧ツール３によってダイクロプリズム３１に所定の荷重Ｋを加えて表面活性化接合を行う（ＳＴ４７）。このように、ステップＳＴ４１からＳＴ４７を実施することによって、合波器接合工程ＳＴ４は完了し、外部に出射されるＲＧＢレーザ光２５の光路が高精度に調整されたレーザ光源装置を完成することができる。

以上のように、レーザ光源装置１は、シリコン基板上にレーザ素子とダイクロプリズムを表面活性化接合技術によって接合し集積化するので、スペース効率に優れており、極めて薄く、且つ小型化されている。また、レーザ光源装置１では、レーザ素子を熱伝導率に優れたＡｕを介してシリコン基板に直接接合するので、放熱効果に優れており、携帯機器に搭載するピコプロジェクタに好適である。

また、レーザ素子とダイクロプリズムは、加熱を必要としないマイクロバンプを用いた表面活性化接合技術によって接合されている。したがって、レーザ光源装置１では、シリコン基板とレーザ素子の熱膨張係数差による歪みの発生が抑えられ、熱ストレスがなく部品の機能劣化が生じない。また、レーザ光源装置１では、実装時の位置ずれが少ないので高精度に合波されたＲＧＢレーザ光を出射でき、色むら等の無い高性能なプロジェクタとして利用することができる。

さらに、レーザ光源装置１では、外部に出射するＲＧＢレーザ光の光路調整を二つのダイクロプリズムの位置調整のみで実現できるので、光路調整が極めて容易である。

図９は、他のレーザ光源装置６０の概略構成を示す図である。

以下、図９を用いて、レーザ光源装置６０について説明を行う。レーザ光源装置６０において、レーザ光源装置１と同一要素には同一番号を付し重複する説明は省略する。レーザ光源装置６０の基本構成は、レーザ光源装置１の構成に加えて、レーザ素子を駆動するＩＣチップをシリコン基板上に実装し、更に、集積化したことである。

レーザ光源装置６０は、シリコン基板１０と、シリコン基板１０に搭載される複数の光素子としてのレーザ素子２１、２２、２３と、複数の合波器としてのダイクロプリズム３１、３２、３３と、駆動ＩＣ６１とを備えている。なお、レーザ素子２１、２２、２３とダイクロプリズム３１、３２、３３の構成、動作については、レーザ光源装置１と同様であるので説明は省略する。

駆動ＩＣ６１は、第１の平面１１上に表面活性化接合によって接合され、外部から電源の供給を受けて複数のレーザ素子２０を駆動し、Ｒレーザ光２１ａ、Ｇレーザ光２２ａ、Ｂレーザ光２３ａをそれぞれ出射させる。駆動ＩＣ６１とレーザ素子２０とは、第１の平面１１上に形成される配線パターンによって電気的に接続されているが、図９では、配線パターンは省略している。

シリコン基板１０に駆動ＩＣ６１を接合する工程は、レーザ光源装置１の製造工程における光素子接合工程（ステップＳＴ３）において、レーザ素子２０の接合と同時に実施することができるので説明は省略する。

以上のように、レーザ光源装置６０は、レーザ素子２０を駆動する駆動ＩＣ６１をシリコン基板１０に搭載するので、駆動ＩＣ６１を外部に配置する必要が無く、集積化されており、極めて小型化することができる。また、レーザ光源装置６０は、駆動ＩＣ６１を内蔵することによって、レーザ光源装置への配線数も削減できるので、レーザ光源装置の電気的接続手段が簡素化され、組み込み性に優れている。

レーザ光源装置１及び６０に関して示した構成図や工程表等は、これらに限定されるものではなく、本発明の要旨を満たすものであれば、任意に変更してよい。また、レーザ光源装置１及び６０では、レーザ素子がＲＧＢの３個搭載される例を示したが、レーザ素子の数はこれに限定されず、例えば、レーザ素子が２個であっても良く、更に、レーザ素子を４個以上搭載しても良い。

上述したレーザ光源装置１及び６０は、極めて小型薄型に構成できるので、携帯電話などの携帯機器に搭載されるピコプロジェクタ用光源装置等として、幅広く利用することができる。

Claims (5)

1. レーザ光源装置の製造方法であって、
   シリコン基板に、厚み方向の段差によって第１の平面と前記第１の平面より低い位置に第２の平面を形成し、
   前記第１の平面上にＡｕから構成されるマイクロバンプ構造を有する第１の接合部を形成し、
   前記第２の平面上にＡｕから構成されるマイクロバンプ構造を有する第２の接合部を形成し、
   前記第１の接合部に表面活性化接合技術により、レーザ光を出射する第１の光素子及び第２の光素子を接合し、
   前記第２の接合部に表面活性化接合技術により、前記第２の光素子からのレーザ光を直接受光し、前記第１の光素子からのレーザ光及び前記第２の光素子からのレーザ光を合波する合波器を接合し、
   前記第１の光素子、前記第２の光素子及び前記合波器を、前記第１及び第２の接合部を介して前記シリコン基板に接合後に、前記第１及び第２の光素子からレーザ光を出射させて、前記第１の光素子からのレーザ光と前記第２の光素子からのレーザ光の光路が重なるように、前記第１の光素子からのレーザ光を前記合波器へ向けて反射する反射部材の位置を調整し、
   前記第２の接合部に表面活性化接合技術により、調整された位置に、前記反射部材を接合する、工程を有し、
   前記第１の光素子及び前記反射部材の間の距離と、前記第２の光素子及び前記合波器の間の距離とを異ならせることによって、前記第１の光素子から前記合波器までの光路長と前記第２の光素子から前記合波器までの光路長とが等しくなるように設定されている、
   ことを特徴とするレーザ光源装置の製造方法。
2. レーザ光を出射する第３の光素子、及び前記合波器によって合波された前記第１の光素子からのレーザ光及び前記第２の光素子からのレーザ光と前記第３の光素子からのレーザ光とを合波する第２の合波器を更に有し、
   前記反射部材の位置を調整する工程では、前記合波器によって合波された前記第１の光素子からのレーザ光及び前記第２の光素子からのレーザ光と、前記第３の光素子からのレーザ光との光路が重なるように、前記反射部材の位置を調整する、請求項１に記載のレーザ光源装置の製造方法。
3. 前記シリコン基板の前記厚み方向の段差は、前記第１の平面の水平方向において、階段状に形成され、前記第１及び第２の光素子は、前記厚み方向の段差の階段状に形成された端面に配置されている、請求項１に記載のレーザ光源装置の製造方法。
4. 前記第１及び第２の光素子はレーザ素子であり、前記合波器はダイクロイックミラープリズムである、請求項１に記載のレーザ光源装置の製造方法。
5. 前記第１及び第２の光素子を駆動する駆動ＩＣを前記シリコン基板上に搭載する、工程を更に有する、請求項１に記載のレーザ光源装置の製造方法。