JP6950484B2 - 半導体素子、発光基板、光プリントヘッド、画像形成装置 - Google Patents

半導体素子、発光基板、光プリントヘッド、画像形成装置 Download PDF

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Description

本発明は、光プリントヘッドにおける半導体素子の構造、及びその製造方法に関する。
半導体ウエハから半導体素子を生成する過程での、ダイシングソーを用いたダイシング工程時、下地基板に外力がかかることから半導体層の破断が起こる。従来技術では、ダイシングを行う半導体層の端部に、下地基板回路とは独立した、分離パターンと呼称される導電体層を有した形状が提案されている(例えば、特許文献1参照)。分離パターンは、ダイシング時に外力を受けて破断することで外力を分散し、半導体層が破壊されるのを防ぐことが出来る。また、分離パターンを設けることで、下地絶縁膜層の平坦性を確保することが可能となり、半導体層を薄膜で張り付けることが出来る。
特開2008−10571号公報(第4頁、図1)
しかしながら、上記した従来の構成では、分離パターンによって半導体層の破壊は抑制できるが、ダイシング及びバックグラインド工程で発生する、半導体素子の角での欠けなどについては抑制が困難であった。
本発明による半導体素子は、発光部が配置された半導体素子であって、
ドライエッチングによりカットされて第1の方向に伸びる第1の切断部と、ダイシングによりカットされて前記第1の切断部と略直交する第2の方向に伸びる第2の切断部と、前記第1の切断部と前記第2の切断部との間に形成され、前記ドライエッチングによってカットされた面取り部とによって外形の一部が形成されることを特徴とする。
本発明によれば、半導体素子の角部にドライエッチングにより面取り部が形成されるため、製造工程での角部の欠け等を抑制することができる。
本発明による実施の形態1の半導体素子の要部構造を示す平面図である。 図1に示す半導体素子のA−A断面図である。 図1に示す半導体素子のB−B断面図である。 半導体素子の形成過程における段階での形状を示す製造工程図であり、半導体素子を複数形成する半導体ウエハの一部を平面的に示している。 半導体素子の形成過程における別段階での形状を示す製造工程図であり、半導体素子を複数形成する半導体ウエハの一部を平面的に示している。 半導体素子の形成過程における更に別段階での形状を示す製造工程図であり、半導体素子を複数形成する半導体ウエハの一部を平面的に示している。 実施の形態1の半導体素子の変形例の要部構成を示す平面図である。 本発明による実施の形態2の光プリントヘッドの要部構成を示す構成図である。 発光素子ユニットの一構成例を示す平面配置図である。 本発明による実施の形態3の画像形成装置の要部構成を模式的に示す要部構成図である。
実施の形態1.
図1は、本発明による実施の形態1の半導体素子101の要部構造を示す平面図であり、図2は、図1に示す半導体素子101のA−A断面図であり、図3は、図1に示す半導体素子101のB−B断面図である。尚、図1において、パッシベーション膜110、絶縁膜118を省略し、図2において絶縁膜118を省略している。更に図1、図2では、発光部105を簡略化した形状で示している。
図1〜図3に示すように、半導体素子101は、第1の方向としての長手方向(矢印A方向)に延在する駆動回路基板120、駆動回路基板120上に形成されたパッシベーション膜110、平坦化膜102、導電層103を備え、導電層103上には、長手方向に沿って所定の間隔で配置された複数の発光部105が形成されている。
図2に示すように、駆動回路基板120は、下地基板121とその上に配置された3層からなる配線形成層122によって形成されている。各配線形成層122は、集積回路領域106(図1)に形成された配線層107と集積回路領域106外の後述する所定領域に形成された分離パターン108のタイル部としての分離片108aと、これらの隙間を埋めると共に各層間の短絡を防ぐ層間絶縁層109を備える。尚、配線層107及び分離パターン108を形成する複数の分離片108aは、金属、例えばAlSiCuで形成されている。
パッシベーション膜110は、駆動回路基板120の上面全体に形成され、平坦化膜102は、図1の平面において、駆動回路基板120の長手方向に延在する集積回路領域106内にあって、同方向に延在するように形成され、導電層103は、平坦化膜102上に形成され、導電層103上には、所定数(複数)の発光部105が、長手方向に沿って等間隔L2に形成されている。
以上のように、半導体素子101は、集積回路領域106内において、長手方向に等間隔L2で配列された複数の発光部105を備え、且つ集積回路領域106外の長手方向の両端部において、後述するように所定のパターンで配列され複数の分離片108aからなる分離パターン108を配設した構成を有するものであるが、図1、図2には、長手方向に延在する半導体素子101の一端部周辺の構成のみを示す。
図3は、発光部105の断面を示す。発光部105は、ここではLED(light emitting diode)によって形成され、エピタキシャル層の積層構造を取っている。即ち、導電層103上に、n−GaAsからなるn型コンタクト層111が形成され、その上にn−AlGaAsからなるn型クラッド層112が形成され、その上にn−AlGaAsからなる活性層113が形成され、その上にp−AlGaAsからなるp型クラッド層114が形成され、更にその上にp−GaAsからなるp型コンタクト層115が形成されている。p型コンタクト層115と接続パッド116は、接続配線117で接続されており、発光部105は、各層間で短絡しないように絶縁膜118で覆われている。
以上のように構成された各発光部105では、接続パッド116と導電層103との間に、電流が流れることによって、活性層113が発光する。
尚、発光部105のn型コンタクト層111〜p型コンタクト層115は、後述するように、導電層103上に接合された半導体薄膜104(図4参照)に対して、フォトリソグラフィやエッチングなどの半導体プロセスによって分離形成される。
図1、図2に示すように、半導体素子101の、長手方方向における集積回路領域106外の端部には、分離パターン108が形成されている。分離パターン108は、互いに分離して配置された複数の直方体状の分離片108aで形成され、前記したように3層に分けて配置された分離片108a間を層間絶縁層109で覆った多層構造となっている。尚、ここでは、各層の分離片108aは、同一の位置関係で配置されているものとする。
半導体素子101は、多数の半導体素子101が形成された半導体ウエハを、ダイシングにより分割して生成される。図1に示すC−C´ラインは、後述するようにダイシングソーによるダイシングのカットラインを示している。その他のカット方法については後述する。
図1に示すように、半導体素子101には、複数の発光部105が所定の間隔L2で長手方向に配列されている。また、後述するように、この半導体素子101を例えば光プリントヘッド1200(図8参照)に採用する場合、その発光素子ユニット1230(図9参照)において、COB基板1202上に、複数の半導体素子101(図9では発光部ユニット1231に相当)をアレイ状に配置する。
この場合、印字の均一性を保持するために、発光部105のピッチを等間隔にする必要がある。そのためには、半導体素子101の端部の発光部105と、隣接する他の半導体素子101の対向する端部の発光部105のピッチも等間隔にする必要がある。一方で、信頼性向上のために、集積回路領域106とダイシングライン(C−C´ライン)を離す必要がある。
例えば、600dpi(dot per inch)の場合だと、間隔L2は42.3μm(25400μm/600dot)となる。この場合、発光部105の長手方向(配列方向)の寸法L3を10μm、発光部105の端と平坦化膜102の端の距離L4を2μm、平坦化膜102の端と半導体素子101の端との寸法をL1としたとき、
L2/2=(L1+L4)+L3/2
となり、
L1=(L2−L3)/2−L4
=(42.3−10)/2−2=14.14μm
となる。
更に、ここでの分離パターン108は、長手方向において分離片108aを3列に配置しているため、分離片108a間の隙間を1μm確保すると、分離片108a1つあたりのサイズの限界値L5は、
(L5+1μm)×3=L1
となり、
L5=L1/3−1μm
≒3.71μm
となる。実際には、発光部105のサイズは2μm〜50μm程度であるため、分離片108aが取りうるサイズは0.5μm〜10μm程度である。
尚、図1に示すように、各分離片108aは、半導体素子101の第2の方向としての短手方向(矢印B方向)においても複数列配置され、同方向において、少なくとも発光部105の存在領域を越える領域にわたって配置されるように構成されている。
概ね直方体状となる半導体素子101の長手方向における両端部において、隣接する半導体素子101と対向し、短手方向(矢印B方向)に伸びる第2の切断部としての対向面101aと、これと直角に交わり、長手方向(矢印A方向)に伸びる第1の切断部としての側面101b、側面101cとによって形成される角部には、各面に対して約45°傾斜して形成された面取り部150,151が形成されている。
尚、図1、図2には、半導体素子101の長手方向における一方の端部近傍の構成を示したが、他方の端部も同様に構成されているものである。即ち、他方の端部にある発光部105から端に向かって、距離L4の位置に平坦化膜102の端が形成され、平坦化膜102の端から距離L1の位置に半導体素子101の他端が形成され、幅L1の分離パターン108の領域に、分離片108aが3列に配置され、一対の角部には面取り部が、面取り部150,151とは逆向きに形成されている。
次に、半導体素子101の形成方法について説明する。図4〜図6は、半導体素子101の形成過程における各段階での形状を示す製造工程図であり、半導体素子101を複数形成する半導体ウエハ160の一部を同位置で示す平面図である。尚、図4〜図6の各図では、パッシベーション膜110及び絶縁膜118(図1)を省略している。
先ず図4に示すように、予め半導体ウエハ160に形成された集積回路領域106及び分離パターン108上に、パッシベーション膜110(図3)、平坦化膜102、及び導電層103を順次重ねて形成する。ここでは、集積回路領域106上、及び集積回路領域106の配線層107(図2)と同じ層の分離片108aを持つ分離パターン108上に平坦化膜102と導電層103を形成することで、導電層103上は、良好な平坦性を得ることが出来る。
次に図5に示すように、導電層103上に、分子間力を用いて半導体薄膜104をボンディングする。上記したように、導電層103の上平面は、良好な平坦性が保たれているため、このボンディングを可能にしている。尚、分離パターン108上にも半導体薄膜104をボンディングしておくことで、集積回路領域106の端部付近にまで発光部105を形成することが可能となる。
その後、フォトリソグラフィやエッチングなどの半導体プロセスを用いて半導体薄膜104に発光部105を形成し、図6に示すように、発光部105のp型コンタクト層115(図3)と接続パッド116とを接続配線で接続し、分離パターン108上の平坦化膜102及び導電層103を除去する。尚、半導体薄膜104は、図3に示すように、n型コンタクト層111〜p型コンタクト層115までの多層構造となっており、ここでは、上記の半導体プロセス工程によって、複数の発光部105に分離される。
更にフォトリソグラフィ技術を用いて、半導体素子101の角に面取り部150,151(図1)を形成する形状に、ドライエッチング領域119をパターン形成し、ドライエッチングでダイシングを行う。ドライエッチング領域119は、面取り部150,151(図1)が、端部から5μm〜20μm程度となるように設定する。
尚、半導体ウエハ160において、分離される前の半導体素子101(図1)が存在する領域を半導体素子領域101´と称す場合がある。
ドライエッチング領域119は、図6に示すように、短手方向(矢印B方向)で隣接する半導体素子領域101´間にあって、その両端部には、面取り部150,151(図1)を形成する傾斜した第1の境界部としての面取り境界部119aと、この面取り境界部119aに続いて長手方向に延在し、図1に示す半導体素子101の両側面101b,101cを形成する第2の境界部としての側面境界部119bを有する。尚、図6では、一端部近傍の構成のみを示している。
ドライエッチング深さは、半導体素子101の仕様に応じて変えることが可能で、例えば50μm〜700μm程度である。その後、カットラインC−C´に沿って、ダイシングソーによるダイシングを行う。更に、ドライエッチング領域119の深さに応じて、各半導体素子101が分割されるようにバックグラインド工程で裏面から基板を削る。これにより、図1に示すような形状の半導体素子101を得ることが出来る。尚、ここでは互いに分離された複数の半導体素子101は、全て同一形状となるように設定されている。
尚、上記した図1に示す半導体素子101では、発光部105にLEDを形成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば3端子素子である発光サイリスタを用いてもよい。その場合、半導体薄膜は、例えば上面から順に、p型アノード層、n型ゲート層、p型クラッド層、活性層、n型クラッド層、n型カソード層が形成されたサイリスタ構造とすることができる。
以上のように、本実施の形態の半導体素子101においては、四隅に面取り部150等が形成され、更に長手方向における端部に、同方向において、前記したように例えば3.7μm幅の分離片108aを、3層にわたって1μmの隙間を介して3列に配した分離パターン108が形成される。
これにより、カットラインC−C´でのダイシングを行う際に、ダイシングソーから外力が下地基板121に加わり、層間絶縁層109やパッシベーション膜110が剥離した場合でも、分離パターン108の領域で各分離片108aが剥離して外力を分散することで、各素子や配線層が形成された集積回路領域106への外力の進展を防ぐことが出来る。更に、半導体素子101の角が面取りされているため、半導体素子101を分割するバックグラインド工程において、角からのクラック進展や角欠けを抑制することが出来る。
(変形例1)
図7は、実施の形態1の半導体素子の変形例の要部構成を示す平面図である。この変形例1の半導体素子201が、前記した図1に示す半導体素子101と主に異なる点は、半導体素子201の4角に図1に示すように、平面的な面取り部150,151を形成するかわりに、断面円弧状のR面取り部250,251を形成した点である。
従って、この変形例1の半導体素子201の場合も、半導体素子101の場合と同様に、ダイシングを行う際に、層間絶縁層109やパッシベーション膜110が剥離した場合でも、分離パターン108が剥離して外力を分散することで、基板回路領域への進展を防ぐことが出来る。更に、半導体素子201の角がR面取りされているため、半導体素子201を分割するバックグラインド工程において、角からのクラック進展や角欠けを抑制することが出来る。また、R面取りの場合、面と面が交わる角がなくなるため、クラック進展や角欠けを抑制する効果が顕著となる。
実施の形態2.
図8は、本発明による実施の形態2の光プリントヘッド1200の要部構成を示す構成図である。
同図に示すように、ベース部材1201上には、発光基板としての発光素子ユニット1230が搭載されている。この発光素子ユニット1230は、実施の形態1の半導体素子101,201の何れかが発光部ユニット1231としてCOB(chip on board)基板1202上にアレイ状に搭載されたものである。
図9は、この発光素子ユニット1230の一構成例を示す平面配置図で、COB基板1202上には、前記した実施の形態1で説明した例えば半導体素子101が、発光部ユニット1231として長手方向に沿って複数配設されている。COB基板1202上には、その他に、発光部ユニット1231を駆動制御する電子部品が配置されて配線が形成されている、電子部品実装、配線及び接続のためのエリア1202a、1202b、及び外部から制御信号や電源などを供給するためのコネクタ1202c等が設けられている。
発光部ユニット1231の発光部105(図1参照)の上方には、発光部105から出射された光を集光するロッドレンズアレイ1203が配設されている。このロッドレンズアレイ1203は、柱状の光学レンズを発光部ユニット1231の概ね直線に沿って配列された発光部105(ここでは、図1における発光部105の配列)に沿って多数配列したもので、レンズホルダ1204によって所定位置に保持されている。
このレンズホルダ1204は、同図に示すように、ベース部材1201及び発光素子ユニット1230を覆うように形成されている。そして、ベース部材1201、発光素子ユニット1230、及びレンズホルダ1204は、ベース部材1201及びレンズホルダ1204に形成された開口部1201a,1204aを介して配設されるクランパ1205によって一体的に挟持されている。従って、発光素子ユニット1230で発生した光は、ロッドレンズアレイ1203を通して所定の外部部材に照射される。この光プリントヘッド1200は、例えば電子写真プリンタや電子写真コピー装置等の露光装置として用いられる。
以上のように、本実施の形態の光プリントヘッド1200によれば、発光部ユニット1231として、例えば実施形態1で説明した半導体素子101を配列した構成を備えているため、製造過程での歩留まりの低下を防止でき、また信頼性の高い光プリントヘッド1200を提供できる。
実施の形態3.
図10は、本発明による実施の形態3の画像形成装置1300の要部構成を模式的に示す要部構成図である。
同図に示すように、画像形成装置1300内には、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの各色の画像を、各々に形成する四つのプロセスユニット1301〜1304が記録媒体1305の搬送経路1320に沿ってその上流側から順に配置されている。これらのプロセスユニット1301〜1304の内部構成は共通しているため、例えばシアンのプロセスユニット1303を例にとり、これらの内部構成を説明する。
プロセスユニット1303には、像担持体として感光体ドラム1303aが矢印方向に回転可能に配置され、この感光体ドラム1303aの周囲にはその回転方向上流側から順に、感光体ドラム1303aの表面に電気供給して帯電させる帯電装置1303b、帯電された感光体ドラム1303aの表面に選択的に光を照射して静電潜像を形成する露光装置1303cが配設される。
更に、静電潜像が形成された感光体ドラム1303aの表面に、所定色(シアン)のトナーを付着させて顕像を発生させる現像装置1303d、及び感光体ドラム1303aの表面に残留したトナーを除去するクリーニング装置1303eが配設される。尚、これら各装置に用いられているドラム又はローラは、図示しない駆動源及びギアによって回転させられる。
また、画像形成装置1300は、その下部に、紙等の記録媒体1305を重ねた状態で収納する用紙カセット1306を装着し、その上方には記録媒体1305を1枚ずつ分離させて搬送するためのホッピングローラ1307を配設している。更に、記録媒体1305の搬送方向における、このホッピングローラ1307の下流側には、ピンチローラ1308,1309と共に記録媒体1305を挟持することによって、記録媒体1305の斜行を修正し、プロセスユニット1301〜1304に搬送するレジストローラ1310,1311を配設している。これ等のホッピングローラ1307及びレジストローラ1310,1311は、図示しない駆動源及びギアによって連動回転する。
プロセスユニット1301〜1304の各感光体ドラムに対向する位置には、それぞれ半導電性のゴム等によって形成された転写ローラ1312が配設されている。そして、感光体ドラム1301a〜1304a上のトナーを記録媒体1305に転写させるために、感光体ドラム1301a〜1304aの表面とこれらの各転写ローラ1312の表面との間に所定の電位差が生じるように構成されている。
定着装置1313は、加熱ローラとバックアップローラとを有し、記録媒体1305上に転写されたトナーを加圧、加熱することによって定着させる。また、排出ローラ1314,1315は、定着装置1313から排出された記録媒体1305を、排出部のピンチローラ1316,1317と共に挟持し、記録媒体スタッカ部1318に搬送する。尚、排出ローラ1314,1315は、図示されない駆動源及びギアによって連動回転する。ここで使用される露光装置1303cとしては、実施形態2で説明した光プリントヘッド1200が用いられる。
次に、前記構成の画像形成装置の動作について説明する。
まず、用紙カセット1306に堆積した状態で収納されている記録媒体1305がホッピングローラ1307によって、上から1枚ずつ分離されて搬送される。続いて、この記録媒体1305は、レジストローラ1310,1311及びピンチローラ1308,1309に挟持されて、プロセスユニット1301の感光体ドラム1301a及び転写ローラ1312に搬送される。その後、記録媒体1305は、感光体ドラム1301a及び転写ローラ1312に挟持され、その記録画面にトナー画像が転写されると同時に感光体ドラム1301aの回転によって搬送される。
同様にして、記録媒体1305は、順次プロセスユニット1302〜1304を通過し、その通過過程で、各露光装置1301c〜1304cにより形成された静電潜像を、現像装置1301d〜1304dによって現像した各色のトナー像がその記録画面に順次重ねて転写される。その後、定着装置1313によってトナー像が定着された記録媒体1305は、排出ローラ1314,1315及びピンチローラ1316,1317に挟持されて、画像形成装置1300の外部の記録媒体スタッカ部1318に排出される。以上の過程を経て、カラー画像が記録媒体1305上に形成される。
以上のように、本実施の形態の画像形成装置によれば、前記した実施の形態3で説明した光プリントヘッド1200を採用するため、製造時の歩留まりが改善されるなど生産性に優れ、また信頼性の高い画像形成装置を提供できる。
また、特許請求の範囲、及び実施の形態の説明において、「上」、「下」といった言葉を使用したが、これらは便宜上であって、対象物を配置する状態における絶対的な位置関係を限定するものではない。
上記した実施の形態では、本発明を、カラープリンタを例にして説明したが、本発明はこれ等に限定されるものではなく、発光アレイ素子を用いた複写機、ファクシミリ、MFP等の画像装置にも利用可能である。またカラープリンタについて説明したが、モノクロプリンタであってもよい。
101 半導体素子、 101a 対向面、 101b,101c 側面、 101´ 半導体素子領域、 102 平坦化膜、 103 導電層、 104 半導体薄膜、 105 発光部、 106 集積回路領域、 107 配線層、 108 分離パターン、 108a 分離片、 109 層間絶縁層、 110 パッシベーション膜、 111 n型コンタクト層、 112 n型クラッド層、 113 活性層、 114 p型クラッド層、 115 p型コンタクト層、 116 接続パッド、 117 接続配線、 118 絶縁膜、 119 ドライエッチング領域、 119a 面取り境界部、 119b 側面境界部、 120 駆動回路基板、 121 下地基板、 122 配線形成層、 150,151 面取り部、 160 半導体ウエハ、 201 半導体素子、 250,251 R面取り部、 1200 光プリントヘッド、 1201 ベース部材、 1202 COB基板、 1203 ロッドレンズアレイ、 1204 レンズホルダ、 1205 クランパ、 1230 発光素子ユニット、 1231 発光部ユニット、 1300 画像形成装置、 1301〜1304 プロセスユニット、 1303a 感光体ドラム、 1303b 帯電装置、 1303c 露光装置、 1303d 現像装置、 1303e クリーニング装置、 1301a〜1304a 感光体ドラム、 1305 記録媒体、 1306 用紙カセット、 1307 ホッピングローラ、 1308,1309 ピンチローラ、 1310,1311 レジストローラ、 1312 転写ローラ、 1313 定着装置、 1314,1315 排出ローラ、 1316,1317 ピンチローラ、 1318 記録媒体スタッカ部、 1320 搬送経路。

Claims (7)

  1. 発光部が配置された半導体素子であって、
    ドライエッチングによりカットされて第1の方向に伸びる第1の切断部と、
    ダイシングによりカットされて前記第1の切断部と略直交する第2の方向に伸びる第2の切断部と、
    前記第1の切断部と前記第2の切断部との間に形成され、前記ドライエッチングによってカットされた面取り部と
    によって外形の一部が形成されることを特徴とする半導体素子。
  2. 前記発光部は、前記第1の方向に沿って複数配置されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子。
  3. 前記第2の方向に沿って配置される複数のタイル部を有し、
    前記複数のタイル部は、
    前記第2の方向において、前記発光部の幅よりも広い領域にわたって配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体素子。
  4. 前記面取り部は、R形状であることを特徴とする請求項1から3までの何れかに記載の半導体素子。
  5. 請求項1から4までの何れかに記載の半導体素子を、前記第1の方向に沿って、COB基板上に複数配置したことを特徴とする発光基板。
  6. 請求項5の発光基板と、
    前記発光部からの光を集光するレンズと、
    前記レンズと前記発光部を保持するホルダとを有することを特徴とする光プリントヘッド。
  7. 請求項6の光プリントヘッドを有することを特徴とする画像形成装置。
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