JP2001044308A

JP2001044308A - 光デバイス実装用基板及びその製造方法並びに光モジュール

Info

Publication number: JP2001044308A
Application number: JP21484199A
Authority: JP
Inventors: Keiko Nakajima; 恵子中島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波体の搭載溝と光素子の位置合わせ用マ
ーカーとの位置合わせが精度良く作製され、かつ検出精
度の良い位置合わせマーカーを有し、基板と電極の絶縁
性が良く、はんだの流れ出しの心配のない光デバイス実
装用基板及びその製造方法並びに光モジュールを提供す
ること。【解決手段】基板１上に、光導波体１１を配設する光
導波体用溝１４と、光導波体１１と光結合させる光素子
１２を配設する光素子用凹部９と、光素子１２を位置合
わせする凹状マーカー１０とを形成して成る光モジュー
ルＭとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に光ファイ
バを含むファイバスタッブ，光ファイバ，光導波路等の
光導波体、及び発光素子や受光素子等の光素子を配置
し、これら光部品を精度よく光学的に結合させることが
可能な光デバイス実装用基板及びその製造方法並びに光
モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システムの大容量化及び多
機能化が求められており、それに伴って光送信器や光受
信器等の光デバイスの小型化，高集積化，及び低コスト
化が要望されている。

【０００３】特に、光デバイスの組み立てコストを削減
する目的で、同一基板上に光ファイバや半導体光素子等
の光部品を搭載する技術、いわゆる光ハイブリッド実装
技術やシリコンプラットフォーム等の技術が注目されて
いる。

【０００４】上記技術によれば、例えば基板上に形成さ
れた溝に光ファイバを実装し、同一の基板上に形成され
た導体パターンに光素子を実装するだけで、光ファイバ
と光素子とを無調心で位置合わせすることが可能とされ
ている。

【０００５】基板上に無調心で光部品の実装を可能にす
るには、例えば基板に形成した光ファイバ搭載用の溝と
光素子搭載用の電極、または光ファイバ搭載用の溝と光
素子搭載用の位置合わせマーカーとが各々高精度に形成
され、且つそれぞれにおける両者の位置関係がサブミク
ロンオーダーの精度で形成されていなければならない。

【０００６】このようなシリコンプラットフォームの作
製方法について、図５に基づき説明する。図５（ａ）〜
（ｈ）は、それぞれ光ハイブリッド実装基板の製作工程
を説明する平面図である。

【０００７】まず、図５（ａ）に示すように、所定方位
を主面とする単結晶のシリコン基板７１上にシリコン酸
化膜やシリコン窒化膜等の、シリコンのエッチング液に
対して耐性を有する膜を被着形成し、光導波体の搭載溝
として使用するＶ溝の形成用フォトマスクを用い、フォ
トリソグラフィにより上記膜をパターニングし、シリコ
ン基板７１の露出面７１ａを有したＶ溝形成用パターン
７２を得る。

【０００８】次に、図５（ｂ）に示すように、Ｖ溝形成
用パターン７２をマスクとして、水酸化ナトリウム（Ｎ
ａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、又は水酸化テト
ラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液に
より、図５（ａ）における露出面７１ａをエッチング
し、異方性エッチングによりＶ溝７３が形成される。

【０００９】次に、図５（ｃ）に示すように、図５
（ｂ）におけるＶ溝形成用パターン７２をいったん除去
した後に、Ｖ溝７３を含むシリコン基板７１の一主面全
体に、熱酸化法もしくはスパッタ法やプラズマＣＶＤ法
等により、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の保護膜
７４を形成する。

【００１０】次に、図５（ｄ）に示すように、後記する
電極や光素子実装用マーカーを形成するためのフォトマ
スクを用いることにより、電極形成領域７５や光素子実
装用マーカー形成領域７６を除く領域にフォトレジスト
７７を形成する。

【００１１】次に、図５（ｅ）に示すように、シリコン
基板７１の一主面側の全面に電極材料となる金（Ａｕ）
等の金属膜７８を蒸着法等により被着形成する。

【００１２】次に、図５（ｆ）に示すように、リフトオ
フ法により図５（ｄ）における電極形成領域７５や光素
子実装用マーカー形成領域７６を除く領域のフォトレジ
スト７７を除去し、後記する光素子搭載部を含む電極パ
ターン７９及び光素子実装用マーカー８０を形成する。

【００１３】そして、図５（ｇ）に示すように、電極パ
ターン７９の光素子搭載部に半田パターン８１を塗布形
成し、最後に、図５（ｈ）に示すように、ダイシングに
よりファイバストッパ溝８２、及びシリコン基板７１の
端面７１ａにおいて切断を行うことにより、不図示の光
ファイバを実装するためのＶ溝８３、及び不図示の光素
子を実装するための光素子搭載部（半田パターン８１）
を同一のシリコン基板７１に形成した光デバイスの実装
基板Ｊが完成する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記方法では、光ファ
イバ搭載溝であるＶ溝の形成時に、シリコン基板の端部
等に設けられた位置合わせマーカーと、電極及び光素子
実装用のマーカー形成時に用いるフォトマスクのマーカ
ーとで位置合せを行う。

【００１５】しかしながら、これまでコンタクト式等の
露光装置自体がサブミクロンオーダーの位置合せが不可
能な場合が多く、たとえそれが可能であったとしても、
Ｖ溝が形成されたシリコン基板へフォトレジストを塗布
する際に、Ｖ溝周辺のフォトレジストの膜厚分布によ
り、基板に形成されたマーカーの判別が困難となる。

【００１６】また、そのような問題点をクリアしたとし
ても、シリコン基板側の位置合せマーカーが種々の製造
プロセスを経ているため、シリコン基板がこれら製造プ
ロセスの熱履歴により反ることがあり、この反りが原因
で位置合わせマーカーそのものが位置ずれを起こす。

【００１７】したがって、従来ではＶ溝と光素子搭載用
のマーカーとの位置合せは非常に困難であったのであ
り、光ファイバと光素子とを無調心で精度良く実装する
ことはできなかった。このため、性能の良い優れた光モ
ジュールを提供することができなかった。

【００１８】上記問題点を解決するために、光ファイバ
搭載溝の形成と同時に電極及び／又は位置合わせ用マー
カーを作製する方法が提案されている（例えば特開平１
０−１７０７７３号公報）が、製造プロセスが上記の従
来方式に比較して煩雑となる。また、煩雑化した製造プ
ロセスにより形成される電極及び／又は位置合わせ用マ
ーカーの積層構造が複雑になるため、マーカーのエッジ
部のゆらぎが大きくなり、画像処理によるマーカーのエ
ッジ部の検出精度が悪くなるため、たとえ高精度にプラ
ットフォームを形成できたとしても、光素子の実装精度
の向上が見込めず、結果として、光導波体と発光素子や
受光素子等の光素子との位置決め精度が劣化し、ひいて
は優れた性能の光モジュールを提供できない。

【００１９】また、これらを回避する方法及び構成とし
て、本出願人は光ファイバや光導波路等の光導波体の搭
載溝と光素子の位置合わせ用マーカーとの位置合せが精
度良く作製され、かつ検出精度のよい位置合わせ用マー
カーを有したものも提案されている（特開平１１−１０
９１８４号公報）。

【００２０】しかしながら、深い搭載溝を形成する場
合、耐エッチング膜となる２層の膜はシリコンとの選択
比の低いＳｉＯ₂膜では不可能である。たとえば、シリ
コンのエッチャントに４０〜８０℃、３０〜４５重量％
のＫＯＨ水溶液を用いた場合、（１００）面を主面とす
るシリコン基板の深さ方向のエッチングレートは１５〜
２０μｍ／時間となる。この時、マーカー部に露出する
マスク膜（第１耐エッチング膜）に０．１〜２．０μｍ
の厚さのＳｉＯ₂膜を用いると、ＳｉＯ₂膜のエッチン
グレートは０．１〜０．２μｍ／時間なので、最大の膜
厚で最小のエッチングレートであってもエッチング時間
が２０時間を超えるとマスク膜であるＳｉＯ₂膜がすべ
てエッチングされてしまう。最大２０時間のエッチング
では、溝の深さは４００μｍが限界となり、ファイバス
タッブ用などの深い溝を必要とする場合、耐エッチング
膜としてＳｉＯ₂膜は使用できない。そのため、シリコ
ンとの選択比の高い窒化シリコン膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜また
はＳｉＮ_x膜）などを選択せざるえず、電極下地膜に絶
縁性の良い熱酸化膜は使用できないので、電極下地膜の
絶縁性に欠ける。

【００２１】また、完成時に溝エッチング時のマスク膜
が存在するため、オーバーエッチングにより生じたマス
ク膜のひさし部が割れて付着し、異物として基板表面に
残留しやすい。加えて、電極上に形成したはんだは、光
素子実装時に熱による溶融を行う際、電極パターン部か
ら流出し広がってしまう恐れがある。

【００２２】そこで、本発明は上記事情に鑑みて提案さ
れたものであり、光ファイバをスリーブに通したファイ
バスタッブなどの光導波体の搭載溝と光素子の位置合わ
せ用マーカーとの位置合わせが精度良く作製され、かつ
検出精度の良い位置合わせマーカーを有し、基板と電極
の絶縁性が良く、はんだの流れ出しの心配のない光デバ
イス実装用基板及びその製造方法並びに光モジュールを
提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の光デバイス実装用基板は、基板上に、光導
波体を配設する光導波体用溝と、光導波体と光結合させ
る光素子を配設する光素子用凹部と、光素子を位置合わ
せする凹状マーカーとを形成して成る。特に、少なくと
も光素子用凹部の表面に絶縁膜が被覆されていることを
特徴とする。また、絶縁膜が基板の熱酸化膜であること
を特徴とする。

【００２４】また、本発明の光デバイス実装用基板の製
造方法は、基板の所定表面をエッチング除去することに
より、光導波体を配設する光導波体用溝を形成させる溝
形成領域と、光素子を配設する光素子用凹部を形成させ
る凹状の凹部形成領域と、前記光素子を位置合わせする
凹状マーカーを形成させる凹状のマーカー形成領域とを
（同時的に）作製するようにしたことを特徴とする。

【００２５】さらに、本発明の光モジュールは、上記光
デバイス実装用基板の光導波体用溝に光導波体を、光素
子用凹部に光導波体に光結合させる光素子を各々配設し
て成るものとする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る実施形態に
ついて図面に基づき説明する。

【００２７】図１に本発明の一実施形態を模式的に説明
する光モジュールＭの斜視図を示す。図１に示すよう
に、光モジュールＭは少なくとも表面が絶縁膜で被覆さ
れた光デバイス実装用基板Ｓと、ファイバスタッブ、光
ファイバ、光導波路等の光導波体１１と、この光導波体
１１に光結合される光素子である発光素子１２と、発光
素子１２の出力をモニターして発光素子１２へ制御信号
を送出する受光素子１３とから主に構成されている。な
お、図１において詳細な電極パターンについては図示を
省略しているが、発光素子１２と受光素子１３とはそれ
ぞれ外部回路に電気的に接続されているものとする。

【００２８】ここで、光デバイス実装用基板Ｓは、単結
晶シリコン等から成る基板１に光導波体１１の載置に適
当な深さ（０．１〜０．８ｍｍ）を有する光導波体用溝
１４が形成され、発光素子１２や受光素子１３等の光素
子を配設するための光素子用凹部９（深さ０．１〜３μ
ｍ）、この光素子用凹部９内に光素子を搭載するための
電極パターン５、及び複数の凹状マーカー１０（深さ
０．１〜３μｍ、幅２〜５０μｍ）等がそれぞれ形成さ
れている。

【００２９】また、この凹状マーカー１０は光導波体１
１の光軸に対応する光導波体用溝１４の中心線Ｌに対し
て所定距離隔てて形成されている。図２に図１における
凹状マーカー１０の拡大図を示す。図２に示すように、
凹状マーカー１０は十字形を成す段差１０ａで示してい
るが、形状はこれに限定されるものではなく、光素子の
実装時に位置決めが容易なようにエッジ部が形成された
形状であれば、例えば矩形状や各種多角形状、円形状等
としてもよい。

【００３０】従来、電極パターンと同時に形成された成
膜パターンによるマーカーでは、製造プロセスが複雑で
あったため、特にマーカーのエッジ部でのゆらぎが大き
く、高精度にエッジ部の検出ができなかったが、本発明
では、基板をエッチング等することにより得られた段差
を利用した凹状マーカーとするので、エッジ部の直線性
が良好であり、これを高精度に検出できる。また、画像
処理に適したエッジの高精度の検出が可能となるよう
に、段差の深さ（凹部の深さ）も任意に決定できる。さ
らに、電極部はマーカーの段差と同様、基板主面に対し
ある深さ深くなっており、この段差により光素子実装時
のはんだの流出を極力防止することができる。

【００３１】次に、このような光デバイス実装用基板Ｓ
の製造方法について図３及び図４に基づき説明する。

【００３２】図３（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ光デバイス
実装基板の作製工程を模式的に説明する平面図であり、
図４（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ図３（ａ）〜（ｆ）の断
面図であり、図４（ａ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面
図、図４（ｂ）は図３（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図４
（ｃ）は図３（ｃ）のＣ−Ｃ線断面図、図４（ｄ）は図
３（ｄ）のＤ−Ｄ線断面図、図４（ｅ）は図３（ｅ）の
Ｅ−Ｅ線断面図、図４（ｆ）は図３（ｆ）のＦ−Ｆ線断
面図である。

【００３３】図３に示すように、まず、例えば異方性エ
ッチングが可能な主面が（１００）面の単結晶シリコン
から成る基板１を用意し、熱酸化法，スパッタ法，プラ
ズマＣＶＤ法，ＬＰ−ＣＶＤ法等、もしくはそれらを組
み合わせた薄膜形成法により、基板１の一主面全面に第
１の耐エッチング膜（例えば、窒化シリコン（Ｓｉ
Ｎ_x）膜）２を厚さ０．１〜１μｍで形成する。その
後、光導波体１１を搭載するための光導波体用溝形成用
パターン、光素子搭載用の凹状マーカーパターン、及び
光素子用凹部形成パターンが形成された１枚のフォトマ
スクを用いて、第１の耐エッチング膜２に光導波体１１
を搭載するための光導波体用溝を形成する第１の溝形成
領域（開口２ａの領域）、凹状のマーカー形成領域（開
口２ｂの領域）、及び光素子搭載用の凹部形成領域（開
口２ｃの領域）に同時的に開口が生じるように、フォト
リソグラフィーとエッチングを施し、第１の耐エッチン
グ膜２の厚さ以上にエッチングを行い、基板に段差をつ
ける。ここで、エッチングは例えばＲＩＥ（反応性イオ
ンエッチング）により行うものとする。また、この時の
段差の深さから第１の耐エッチング膜２の厚さを差し引
いたものが、最終的に光素子搭載用の凹状マーカー１
０、及び光素子用凹部９となる。

【００３４】次に、図３（ｂ），４（ｂ）に示すよう
に、ＬＰ−ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等により第２の耐
エッチング膜（例えば、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄等の
ＳｉＮ_x）膜）３を凹部形成領域とマーカー形成領域と
を覆うように厚さ０．１〜２μｍで形成する。その後、
フォトリソグラフィー及びエッチングにより、上記にお
いて形成した光素子搭載用のマーカー形成領域と凹部形
成領域を含む領域に第２の耐エッチング膜を残し、第１
の溝形成領域を覆っている第２の耐エッチング膜を除去
する。

【００３５】次に、図３（ｃ），図４（ｃ）に示すよう
に、溶液温度４０〜８０℃、３０〜４５重量％のＫＯＨ
水溶液を用い、基板１の結晶面のエッチングレートの差
を利用して、エッチングレートの小さい（１１１）面が
溝の側面（基板１の表面に対して約５５°の傾斜面）に
あらわれた光導波体用溝１ａ（第２の溝形成領域）を形
成する。なお、マーカー形成領域及び凹形成領域は上部
に第２の耐エッチング膜３が存在するためエッチングさ
れない。

【００３６】その後、図３（ｄ），図４（ｄ）に示すよ
うに、第１の耐エッチング膜２及び第２の耐エッチング
膜３をエッチングにより除去した後、光導波体用溝１ａ
の段差部を含む基板１の表面に基板１を熱酸化により得
られる熱酸化膜（例えば、ＳｉＯ₂膜）に代表される絶
縁膜を０．５〜２μｍの厚みに形成する。

【００３７】さらに、図３（ｅ），図４（ｅ）に示すよ
うに、光導波体用溝１ａの段差部を含む基板１の全面に
フォトレジストを塗布し、上記フォトマスクを用いて作
製した領域に正確に位置合わせして、電極パターンを形
成する領域に開口を有するフォトリソグラフィによりフ
ォトレジストパターンを形成し、リフトオフ法により電
極パターン５を形成する。この時電極パターン５は、電
極材料であるＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ，Ａｕ／Ｐｔ／ＴｉＮ／
Ｔｉ，Ａｕ／Ｔｉ，Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｒ，またはＡｕ／Ｃ
ｒ等を、電子ビーム蒸着法やスパッタ法などの薄膜形成
法により厚さ０．２〜１μm 程度に成膜する。なお、上
記電極材料は上層／下層の順で表記している。

【００３８】そして、電極パターン５の上にはんだ６を
形成し、最後に、図３（ｆ），図４（ｆ）に示すよう
に、基板１の端部の切断や電極パターン５と光導波体用
溝１４との間の溝切りをダイシングにより行い、基板１
の端面１ｂ及び光導波体ストッパ（光導波体１１が光フ
ァイバの場合ファイバストッパという）の溝７を形成し
て、光デバイス実装基板Ｓが作製される。なお、本実施
形態では、基板の表面が絶縁膜で覆われている例につい
て説明したが、この絶縁膜は少なくとも光素子用凹部の
表面に覆われていればよいものとする。

【００３９】このように、光デバイス実装基板Ｓに形成
された光導波体用溝１４に例えば光ファイバを搭載し、
電極パターン５上に形成した半田６の上に半導体レーザ
素子等の光素子を凹状マーカー１０を目印（基準点）と
して搭載するだけで、光ファイバと光素子との光結合が
非常に精度よく行うことが可能となる。これにより高精
度なパッシブアライメントが実現された光モジュールを
完成させることができる。この場合の精度は、従来の誤
差（±０．２〜±１．５μm ）に比して殆ど誤差の無い
程の正確な位置合わせを実現することができる。

【００４０】なお、フォトレジストは光導波体用溝の形
成前においては例えばスピンコートを行い、光導波体用
溝形成後においては例えばスプレーコート法を用いるこ
とにより、フォトレジストを均一に塗布形成させること
ができる。また、凹状マーカーの形状については、上記
例に限定されるものではない。また、光ファイバの代わ
りに基板の表層に導波路が形成された光導波路等の光導
波体を設けてもよく、また、光素子は発光素子だけ、受
光素子だけであってもよい。また、光デバイス実装基板
Ｓはシリコン単結晶以外に、ＧａＡｓ単結晶、水晶、樹
脂、セラミックス等でも使用可能であるが、光導波体用
溝を異方性エッチングにより位置精度良く形成しやすい
点でシリコン単結晶が好ましい。

【００４１】また、上記においては、電極の形成前に光
導波体用溝の作製を行った場合を示したが、先に電極パ
ターンの形成を行い、次に光導波体用溝の作製を行うよ
うにしてもよい。この方法によっても上記の場合と同様
な効果を奏することができ、リフトオフが容易かつ迅速
に行えるという利点がある。

【００４２】さらに、本発明は上述の実施形態に限定さ
れるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で
適宜変更することが可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
第１の溝形成用領域、凹部形成領域、及びマーカー形成
領域を同一製造プロセスにて精度良く形成することがで
き、従来のような煩雑な位置合わせを不要とし、且つそ
の精度をサブミクロンオーダーで形成することが可能と
なり、光デバイス実装基板を迅速かつ高精度に提供する
ことができる。

【００４４】また、基板表面をエッチングして形成した
凹状マーカーは、基板の凹部（段差）を利用しているの
で、エッジ部が製造プロセスで変形することがなく、し
かも画像処理に好適なコントラストを生じさせることが
可能となるので、凹状マーカーの検出精度を向上させる
ことができ、光導波体と光素子のトータルの実装精度を
飛躍的に向上させることができる。

【００４５】また、凹部形成領域も凹状マーカーと同
様、基板主面よりも所定深さ深くなっているので、光素
子実装時に熱等によりはんだが流出し周辺に広がること
を極力防止できる。また、光素子用凹部の表面は絶縁膜
で覆われる構成であるので、例えば光素子用の電極パタ
ーンは熱酸化膜上に形成することが可能であり、これに
よる絶縁を良好とすることができる。

【００４６】さらに、光導波体と光素子とが精度よく光
結合されることにより、性能の非常に優れた光モジュー
ルを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる光デバイス実装基板及び光モジ
ュールの一実施形態を説明する斜視図である。

【図２】凹状マーカーの一例を説明する拡大斜視図であ
る。

【図３】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明に係わる光
デバイス実装基板の作製工程の一例を説明する平面図で
ある。

【図４】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ図３（ａ）〜
（ｆ）における断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ従来の光デバイス
実装基板の作製工程を説明する平面図である。

【符号の説明】

１：基板２：第１耐エッチング膜３：第２耐エッチング膜４：絶縁膜（熱酸化膜）５：電極パターン６：はんだ７：ストッパー９：光素子用凹部１０：凹状マーカー１１：光導波体１２：発光素子１３：受光素子１４：光導波体用溝Ｓ：光デバイス実装用基板Ｍ：光モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 31/02 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、光導波体を配設する光導波体
用溝と、前記光導波体と光結合させる光素子を配設する
光素子用凹部と、前記光素子を位置合わせする凹状マー
カーとを形成して成る光デバイス実装用基板。
【請求項２】少なくとも前記光素子用凹部の表面に絶
縁膜が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載
の光デバイス実装用基板。
【請求項３】前記絶縁膜が前記基板の熱酸化膜である
ことを特徴とする請求項２に記載の光デバイス実装用基
板。
【請求項４】基板の所定表面をエッチング除去するこ
とにより、光導波体を配設する光導波体用溝を形成させ
る溝形成領域と、光素子を配設する光素子用凹部を形成
させる凹状の凹部形成領域と、前記光素子を位置合わせ
する凹状マーカーを形成させる凹状のマーカー形成領域
とを作製するようにしたことを特徴とする光デバイス実
装用基板の製造方法。
【請求項５】請求項１に記載の光デバイス実装用基板
の光導波体用溝に光導波体を、光素子用凹部に前記光導
波体に光結合させる光素子を各々配設して成る光モジュ
ール。