JP6320372B2 - レーザーダイオード用サブマウント及びレーザーダイオードユニットを製造するためのレーザーアブレーションプロセス - Google Patents

Description

本願は、２０１１年６月１７日出願のＰＣＴ／ＵＳ２０１１／１０４９０１号の一部係属出願であり、その優先権を部分的に主張し、その内容全体は参照として本願に組み込まれる。

本発明は、平坦なサブマウント及びその上に取り付けられたレーザーダイオードを各々含む複数のレーザーダイオードユニットを、バリを形成せずに、時間及びコスト効率的に、サブマウントの金属化層の所望の表面領域をアブレーションするように動作可能な高出力パルスレーザーを用いることによって、大量生産する方法に関する。

高出力半導体レーザーは、多様な分野、特に軍事及び産業における広範な応用を有する。半導体デバイスの製造において達成されている飛躍的進歩は、一部には、フォトレジスト製のマスクを用いることによって一枚の基板を複数の半導体デバイスに分割するプレーナー技術に因るものである。

高出力レーザーダイオードの進展は、概して、全てプレーナー技術に基づいた、ダイオードレーザー性能の改善と、パッケージング設計の最適化とに因るものである。最大利用可能出力、波長、寿命等の高出力レーザーの主な特徴は、ダイオード又は半導体構造自体によって制限されるものではなく、ヒートシンクやサブマウントの構成及び製造方法を含むパッケージングの質によっても大きく制限される。既知のように、パッケージングプロセスは、高出力ダイオードレーザーの製造コストの略５０％以上をも占める。従って、レーザーダイオードパッケージはコスト効率的でなければならない。言うまでもなく、ベースの製造を含むパッケージング技術は、現在、研究開発の非常に盛んな分野である。

レーザーダイオードの動作特性及び寿命がどちらも接合温度の影響を強く受けることは周知である。高電流で動作するエッジ発光レーザーダイオードでは、熱拡散体をデバイスの活性領域と金属キャリアパッケージとの間に配置する必要がある。高密度で配置される場合には、熱放散が更に重要になる。この問題の重大性を最少にするため、典型的には、高熱伝導性の薄膜金属がヒートシンク用に用いられる。所望のトポロジーを提供するように物質を徹底的に選択して組み合わせなければならず、金属の組み合わせを徹底的に設計しなければならない。従って、出力密度が増加すると、コスト効率的なパッケージング法に加えて、高信頼性のサブマウントを、温度変化に敏感なアクティブデバイスの安定性を守るように構成しなければならない。

図１を参照すると、典型的なサブマウントの製造プロセスは、ベース１０の形成を含む。ベース１０は、一般的に熱伝導性セラミック物質（酸化ベリリウム（ＢｅＯ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等）製の基板キャリア１２を備えて構成され得る。更に、金属サブ層１４が基板１２の上に配置されて、頂部金属サブ層１８がサブ金属層１４の上に配置される。これら金属サブ層が組み合わさって、熱をキャリア１２に向けて拡散し、また、拡散障壁を提供するように構成される。等間隔のはんだストリップ１６（これは、後述のように、ベース１０が複数のサブマウント２５に分割された後に提供されるレーザーダイオードにその構造体１０を結合する）が、頂部金属層１８に適用され、典型的には金／錫合金（ＡｕＳｎ）製である。そして、その構造体１０が、逆極性の電気コンタクト間に複数の分離溝２０を有するように加工される。その後、切断線２２に沿って、ベース１０が複数の均一なサブマウント２５に切断される。最後に、レーザーダイオードが各サブマウントにはんだ付けされる。

切断鋸によってベース１０をサブマウントに切断する前に、金属層１４が、領域Ａ、Ｂにおいてそれぞれ切断線２２に沿って、分離溝２０に沿って、除去される。そうしなければ、鋸（図示せず）が構造体をサブマウント２５に切断していく間に複数のバリが形成され得るが、これは、レーザーダイオード又はレーザーダイオード２４の所望の位置決めに影響し得るので許容可能なものではない。

金属層１４及び１８の除去は、フォトリソグラフィによって行われ、感光性物質又はフォトレジスト製のフォトマスクが使用される。マスクは、表面に適用されて、フォトレジスト像が金属層の表面に形成されるように加工される。この像を層に転写するために、典型的には、ウェットエッチングとイオンミリングという二つの従来のエッチング法が用いられる。ウェットエッチングは、高速であるので、コスト効率的となる。しかしながら、そのプロセス中において、複数の金属サブ層が異なる温度で溶融するので、結果としての切断のエッジは平坦ではなく、結果として、レーザーダイオード２４が傾斜した配置になり、一方のエッジ、例えば発光エッジが、反対側のダイオードの端よりも高い平面内に延在することになる。傾斜した配置は、ダイオードの動作に重大な影響を及ぼし得る。更に他の望ましくない結果はアンダーカットの形成である。これは、整列工程に決定的な影響を有する。イオンドライエッチングは、鋭くて平坦な垂直エッジを提供することができる。しかしながら、この方法は遅い。例えば、１５〜３０マイクロメートルの金属層をエッチングするのに、典型的には略３０時間かかる。大量生産においては、このような長時間のプロセスは許容できないほどに高価なものになる。

どちらの方法においても、フォトレジストを比較的多孔質な金属表面に適用する場合には、表面が汚れる。表面のクリーニングは完全には上手くいかないものとなり得る。表面からフォトレジストが完全になくなっていない場合、後続の工程が効果的なものではなくなり得る。例えば、はんだ物質はフォトレジストと相互作用し得て、これは、基板とレーザーダイオードとの間の結合に決定的な影響を与える。

上述の方法に共通して、金属除去プロセスを開始してしまうと、そのパラメータを制御することは非常に困難になる点に留意されたい。例えば、一枚の平坦なベースを複数のサブマウントに後で切断するために金属物質を除去することは、常に全ての金属サブ層を除去することを要するものではない。対照的に、分離溝の形成は、金属層を完全にアブレーションすることを要する。フォトリソグラフィプロセス中においてどちらの方法にも関連するパラメータを操作できないことは、レーザーダイオードユニットの製造に関する比較的高いコストに明確に寄与している。

米国特許出願公開第２００８／０１９１３５９号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１７４７８７号明細書 特開２０１０−１７２９００号公報 特開平１０−０４４１３９号公報 米国特許出願公開第２０１１／０２１７７９９号明細書

従って、レーザーダイオード用のサブマウントの製造方法の改善が必要とされている。

更に、レーザーダイオード用のベースとして使用される多層構造の表面から金属を除去するコスト効率的で質の高い方法が必要とされている。

本開示の方法は、処理されるベースの表面に対する照射を行うように動作可能なパルスレーザーを使用して、所望の表面領域内で金属層を除去することに基づく。つまり、上述のフォトリソグラフィ法とは対照的に、本開示は、レーザーによってサブマウントの表面をアブレーションすることを教示する。レーザーアブレーションは、サブマウント製造プロセスを効率的でコスト効果的なものにすることを可能にする。

必ずしもではないが好ましくは、レーザーは、金属表面に対する照射を行うパルスサブナノ秒ファイバーレーザーとして構成される。金属に対する照射は、切断線及び分離溝の領域において行われる。レーザーアブレーションの結果としてのエッジはクリーンで、鋭く、平坦である。

本開示の一態様によると、レーザーは、所望のパルス繰り返し率、パルス持続時間、ピーク出力及び波長を特徴とするレーザービームを放出するように動作可能である。ビーム特性は、アブレーションされた金属が溶融せずに蒸発するように選択される。そうでなければ、金属液滴が、アブレーションされた領域付近の表面上にバンプを形成し得て、これは、レーザーダイオードの所望の平坦な配置を損ない、及び／又は、電気回路の短絡の可能性を生じさせる。

照射が行われる物質の厚さは、目の前の作業に応じて変わり得る。例えば、分離溝用に金属物質に対して行われる照射は、切断線に沿った金属物質の除去に必要とされるものとは異なるレーザーパラメータを必要とし得る。更に、動作レーザーパラメータが所望のパラメータ又は選択されたパラメータから逸脱することは頻繁に生じる。従って、本開示の更なる態様は、レーザーダイオードユニットの製造におけるレーザー関与のパラメータを制御することに関する。

以下、添付図面を参照して、本開示のプロセス及び組み立てられたレーザーダイオードユニットの上述の及び他の特徴及び利点を詳細に説明する。

レーザーダイオードユニットを組み立てるのに用いられる典型的なヒートシンクの斜視図である。 本開示に従って構成されたサブマウントの斜視図である。 図２のサブマウントの表面上のアブレーションパターンを示す。 本開示の方法に従ってアブレーションされた表面領域を備えたレーザーダイオードの正面図である。 本開示の方法に従って製造された本開示のレーザーダイオードユニットの斜視図である。 パルス繰り返し率の関数としてアブレーション深さを示すコンピューター生成グラフである。 パルスレーザーが処理される表面を走査する線速度（線走査速度とも称される）の関数としてアブレーション深さを示すコンピューター生成グラフである。 ピッチ、つまり隣接する平行なレーザー経路間の距離の関数としてアブレーション深さを示すコンピューター生成グラフである。 パルス持続時間（パルス幅）の関数としてアブレーション深さを示すコンピューター生成グラフである。 本開示の方法をダイヤグラムで示すチャートである。

以下、開示される構成を詳細に説明する。図面は縮尺通りではなく、半導体業界の当業者において周知の層を示していない。“結合”又は同様の用語は、必ずしも直接的な接続を意味するものではなく、中間的な要素を介した接続も含むものである。

図２は、レーザー５２を取り入れた本開示のアブレーションプロセスをダイヤグラムで示し、そのレーザー５２は、必ずしもではないが好ましくは、ナノ秒からサブナノ秒の範囲で動作するパルスファイバーレーザー構成を有する。レーザー５２は、伝送ファイバー５６によってレーザーヘッド５４に伝送されるパルス出力を放出するように動作可能である。レーザー５２の構成は、固体レーザー、半導体レーザー、ガスレーザー、ダイレーザーから選択可能であるが、好ましくは、数百ナノメートルから略２マイクロメートルの間の範囲の波長で動作するファイバーレーザーである。レーザーヘッド５４及びベース５０は、分離溝５８及びダイシング線４４を含むベースの所望の領域内の金属層に対する照射を行うように、所定の経路に沿って互いに対して相対的に配置可能である。

本開示のレーザー照射プロセスの効率は、アブレーションされる領域に隣接する表面上に金属液滴を蓄積させずに、可能な限り最も短い時間で所望の深さＤｄに金属層をアブレーションするように選択される多様なパラメータに依存する。このような蓄積は、当業者にはバリ３２として知られていて、金属及びレーザーのパラメータ次第で形成されたり、形成されなかったりする。形成されると、バリ３２は、発光エッジに平行及び垂直に延在して、多様な方法でレーザーダイオードの所望の動作に決定的な影響を与え得る。バリ３２は、取り付けられたレーザーダイオードのエッジが発光を行うベース５０の表面からの距離を超える高さｈ_ｂを有して形成され得て、レーザービームの伝播に干渉し、ベース５０の平坦性を損ない得る。

レーザーパラメータは、特に、パルス持続時間（パルス幅）、パルス繰り返し率、ピーク出力、波長を有する。他のパラメータ（以下、プロセスパラメータと称する）も同様に重要であり、パス回数（その回数において、レーザーヘッド５４が所望の深さでの金属層に対する照射を完了することが望ましい）、パターン間隔（つまり、レーザー処理される領域の両側を繋ぐ経路の隣接する伸びと伸びとの間の距離）が含まれ得る。

図３を簡単に参照すると、レーザーヘッド３０の例示的な単一の線形経路が点Ｓと点Ｆとの間に定められていて、アブレーションされる正方形の領域全体をカバーしている。パターン間隔Ｄｓは、その経路の隣接する平行な線形の伸びと伸びとの間の距離である。しかしながら、当業者には既知のように、経路３０が多用なパターンを有し得る点には留意されたい。後述のように、レーザーパラメータ及びプロセスパラメータの両方の適切な選択が、時間効率的、つまりはコスト効率的に、高品質レーザーダイオードユニットの大量生産を可能にする。所望のパラメータは、ベース５０の金属及び幾何学的形状の組み合わせに対して微調整される。

図２に戻ると、ベース５０は、ＢｅＯ又はＡｌＮ製のセラミックキャリア４２を含む。多層金属シーケンスは、特に、比較的厚い銀（Ａｇ）サブ層２６をキャリア４２の上に含む。Ａｇサブ層２６は、レーザーダイオード用のベースの製造において広く使用されている金に対して複数の利点を有する。金と比較して、銀は、高い熱伝導率と低い電気抵抗率を有する。従って、レーザーダイオードの使用時に発生する熱が、Ａｇサブ層２６に効果的に拡散する。更に、Ａｇ層は、金属層にはんだ付けされるレーザーダイオードの熱膨張係数に実質的に適合する累積的熱膨張係数を備えたサブマウントを提供するように決定された厚さを有するように構成される。

図２と共に図４を参照すると、ベース５０は、間隔の空けられた複数のはんだ層３４を更に有し、それらはんだ層３４は、破線で示され且つアブレーション後に形成される分離溝５８を画定する各領域の隣で金属層の上に適用される。この時点において、ベース５０の金属層２６は、各分離溝５８に対応し且つその前後においてキャリア４２のダイシング線４４の上方の金属表面領域に対応する領域に対する照射を行うレーザービームによって処理される準備ができている。有利には、ベース５０の長手軸Ａ‐Ａに平行に延伸するダイシング領域に沿った金属サブ層に対して、細い領域４６を形成するように照射が行われる。領域４６は、ベース４２を切断する間の切断鋸と金属物質との間の偶発的な接触が防止されるような寸法にされる。同じ構成を、軸Ａ‐Ａに垂直に延伸するダイシング線に沿って形成することができる。

図５は、本開示の方法に従って製造された一つのレーザーダイオードユニット４０を示し、上述のようなベース５０と、サブマウント（例えば、Ｐ側）にはんだ付けされたレーザーダイオード又はチップ５６とを含む。分離溝５８は、極性の異なるコンタクト“＋”及び“−”３８を分離し、コンタクト３８は、電気ワイヤ２８によってチップ５６に結合される。レーザーアブレーションの結果として形成されるエッジは鋭く、チップ５６を支持する表面は平坦であり、たとえある程度のバリが残っていたとしても、そのバリの高さは、基準値（例えば、はんだストリップ３４の表面に対するレーザーダイオード５６の高さｈ_ｌｄであり得て、略１μｍから略３μｍまでとなり得る）よりも低い。レーザーユニット４０の総厚さは、略５０μｍから略５ｍｍとなる。銀サブ層２６は、最大略２００μｍの厚さを有するように構成され得る。

レーザーを利用する本方法の疑うべくもない利点の一つは、プロセスパラメータを制御することを可能にする点である。これは、照射深さが均一である必要が無い場合に特に便利である。分離溝５８がキャリア４２の平面内で終わっていて、逆極性のコンタクト３８を互いに分離しているのは明らかである。しかしながら、ダイシング線４４の上方のアブレーションされた金属領域は、必ずしも、セラミックキャリア４２にまで延在しているものではない。キャリア４２から或る距離においてアブレーションが停止して、ダイシング鋸によるダイシングが残留している金属を介して終了する可能性がある。従って、レーザーパラメータ及びプロセスパラメータに関する全てのデータをルックアップテーブルに収集することが、これらのパラメータの許容可能なレベルに対応する最適値を選択するのに役立つ。

図６を参照すると、アブレーション深さＤａが、１０６０ｎｍの波長で動作するイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバーレーザーの異なるパルス繰り返し率におけるパス回数の関数として示されている。レーザーの線速度（７．３ｍ／秒）及びパターン間隔（６．１μｍ）、パルス持続時間（１ｎｓ）を固定して、グラフＩＩＩ、ＩＶ、Ｖでそれぞれ表される１２５０ｋＨｚ、１０００ｋＨｚ、７５０ｋＨｚの周波数で動作するレーザーが、１５回の最小パス回数で図２の金属化層に対する照射を行う。示されているグラフの水平な伸びは、金属に対する照射の完了を示している。高周波数、特に１７５０ｋＨｚに対応するグラフＩは、あまり満足のいかない結果を示している。グラフＶＩに対応する５００ｋＨｚの最も低い周波数は、グラフＩＩＩ、ＩＶ、Ｖに対応する他の周波数よりも、所望の深さに到達するのにより多くのパス回数を必要としている。

図７は、図６のものと同じに固定したパルス持続時間及び間隔の値において、また、５〜２０回のパス回数範囲における７５０ｋＨｚの固定繰り返し率において、レーザーヘッドの線速度がアブレーション深度に対して有する影響を示す。見て取れるように、アブレーション深さは、選択した速度にかかわらず、パス回数が１０回に近づくにつれて、線形に増加する。グラフＩ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶにそれぞれ対応する３ｍ／秒、４ｍ／秒、５ｍ／秒、６ｍ／秒の速度において、アブレーション深さが実質的に変化しておらず、これは、これらの速度においては、１０回のパス回数付近で、金属の除去が完了していることを示す。深さは、最も高く選択した８ｍ／秒の速度においてもあまり増大しないままであるが、パス回数は増える。二番目に高い７ｍ／秒の速度で移動可能なレーザーヘッドは、１５回程度で金属に対する照射を完全に行う。

図８は、概して、繰り返し率及び線速度の値が固定されている一方で、１２．２μｍ（グラフＩ）から４．９μｍ（グラフＶＩＩ）まで減少する間隔に対して、アブレーション深度が増大する様子を示す。図は、バリ高さと間隔との間の複雑な関係性を示す。１２．２μｍの最も大きな間隔（グラフＩ）は、パス回数が増加するにつれてわずかに増大する平均バリ高さにある程度対応している。

図９は、異なるパルス持続期間に対するパス回数の関数としてアブレーション深さの値を示す。１０ｎｓ、５ｎｓ、１ｎｓの長さのパルスに対応するグラフＩ、ＩＩ、ＩＩＩに表されるように、３から５回のパスの小さな初期範囲を除いては、パルス持続時間が減少すると、アブレーション深さも減少していて、５ｎｓの長さのパルスは、１０ｎｍの長さのパルスよりも多く物質に対する照射を行う。

図１０は、単純なダイヤグラムで、レーザーダイオードサブマウントの本開示の製造方法及びその構成をまとめたものを示す。上述のように、多数のデータが収集されて、ルックアップテーブルに集められている。データは、上述の多様なパラメータに依存し、更には、略５００ｎｍから略１０μｍの範囲となり得る波長と、最大数十マイクロメートルに達するサブマウントの厚にも依存する。勿論、レーザービーム出力が、本開示の方法の結果に影響し、略０．５Ｗから略５００Ｗの範囲内となる。

プロセスパラメータ及びレーザーパラメータは、ナノ秒からサブナノ秒（フェムト秒、ピコ秒のサブ範囲等）の範囲内のパルス持続時間、パルス繰り返し率、ビーム出力、波長、線速度、サブマウント厚さ、パス回数を含むが、サブマウント厚さ及び金属層の組成がわかれば簡単に制御可能である。アブレーション深さ及び／又はバリ高さが、中央処理装置（ＣＰＵ，ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）に記憶された所望の値に対応しない場合には、深さ及びバリ高さの両方が所望のプリセット値に達するまで、ＣＰＵが例示されるパラメータのいずれかを制御することができる。例えば、所望のアブレーション深さに達したが、バリ高さがまだであると、ＣＰＵがパス回数を増やし得る。より深い深さが望ましくない場合には、ＣＰＵが、レーザー出力を減少させる信号を出力し得て、所望の深さに影響を与えずに、バリのみを処理するようにする。更に、それぞれ異なる波長で動作する複数のレーザーを選択的に利用することによって、レーザービームの波長を制御することができる。

添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を少なくとも一つ説明してきたが、本発明がこれらの実施形態に厳密に限定されるものではないことを理解されたい。多様な波長、ファイバーパラメータ及び希土類元素ドーパントを含む多様な変更、修正及び適合が、上述のような本発明の範囲や精神から逸脱せずに、当業者によって実現され得る。

２６ サブ層
３２ バリ
３４ はんだストリップ
３８ コンタクト
４０ レーザーダイオードユニット
４２ キャリア
４４ ダイシング線
５０ ベース
５２ レーザー
５４ レーザーヘッド
５８ 分離溝

Claims (19)

1. サブマウント及び前記サブマウントにはんだ付けされたレーザーダイオードを各々含む複数のレーザーダイオードユニットを製造する方法であって、
   セラミックキャリア及び前記キャリア上のヒートシンク用金属層を含むベースを提供することと、
   前記金属層の表面上に所定のパターンで向けられる複数のレーザー光パルスを発生させることによって、前記金属層を所望の深さにアブレーションすることと、
   前記セラミックキャリアを複数のサブマウントにダイシングすることと、を備えた方法。
2. 前記ベースのダイシングの前に、前記金属層の表面上に間隔の空いた複数のはんだストリップを堆積させることを更に備えた請求項１に記載の方法。
3. 各サブマウントごとに１個ずつレーザーダイオードをはんだ付けすることを更に備えた請求項２に記載の方法。
4. 前記金属層のアブレーションが、異なる極性のコンタクト間に分離溝を提供すること、及び、前記キャリア内の複数のダイシング線に沿って前記金属層の厚さを低減することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記金属層の総厚さに対応する前記所望の深さで前記ダイシング線に沿って前記所望の深さまで前記金属層に対する照射が行われる、請求項４に記載の方法。
6. 前記金属層の総厚さの一部に対応する前記所望の深さまで前記ダイシング線に沿って前記金属層に対する照射が行われる、請求項４に記載の方法。
7. 前記ダイシング線に沿った前記金属層の蒸発が、前記金属層の厚さが低減した複数の領域であって、前記ダイシング線よりも各々幅広な複数の領域を形成することによって、前記セラミックキャリアのエッジから内向きに間隔の空いた金属層を各々備えた前記複数のサブマウントを提供することを含む、請求項４に記載の方法。
8. 前記金属層のアブレーションが、パルス繰り返し率、パルス持続時間、ビーム出力、線速度、及びパス回数並びにこれらの組み合わせから成る群から選択されたレーザービームパラメータを制御して、前記所望の深さ及びバリの高さを提供することを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記金属層が銀サブ層を備えて構成される、請求項１に記載の方法。
10. セラミックキャリアと、前記キャリア上の少なくとも銀サブ層を含むヒートシンク用金属層と、前記金属層にはんだ付けされたレーザーダイオードとを各々含む複数のサブマウントを製造するためのシステムであって、
    前記金属層の表面上に所定のパターンで向けられる複数の光パルスを放出するように動作可能なパルスレーザーと、
    少なくとも一つのレーザーパラメータを制御して、所定の領域内の前記金属層を所望の深さにアブレーションするように動作可能な制御装置と、を備えたシステム。
11. 前記所定のパターンが、分離溝を画定する領域と、前記キャリアを通る各ダイシング線の上方の前記金属層の領域と、を含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記所望の深さが均一であり、前記金属層の総厚さに対応している、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記分離溝を画定する領域の所望の深さが、前記金属層の総厚さに対応し、前記ダイシング線の上方の領域の所望の深さが前記金属層の総厚さ又は一部に対応している、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記パルスレーザーが、ファイバーレーザー、半導体レーザー、ガスレーザー、及びダイレーザーから選択された構成を有する、請求項１０に記載のシステム。
15. 各サブマウントが、前記セラミックキャリアの周囲から内向きに間隔の空いた金属層の対向するエッジを有する、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記レーザーのパラメータが、パルス繰り返し率、パルス持続時間、ビーム出力、線速度、及びパス回数並びにこれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１１に記載のシステム。
17. 前記パルス持続時間がナノ秒からサブナノ秒の範囲内にある、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記パルスレーザーの出力が０．５Ｗから略５００Ｗの間の範囲内にある、請求項１１に記載のシステム。
19. 前記レーザーが、略５００ｎｍから略１０マイクロメートルの間の周波数範囲内のパルスを放出する、請求項１０に記載のシステム。