JP2004047961A - 光接続装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板を用いて、ガイド溝内に置かれたレンズ等の光素子と基板上に置かれたＬＤ等の他の光素子とを近接させて配置することができ、高効率の光結合が可能な光接続装置を得る。
【解決手段】単結晶シリコン基板１０にレンズ用ガイド溝１１を設けるに際して、所望のガイド溝の幅よりも狭い直方体上の開口部を設けその後ＫＯＨ溶液によりウェットエッチングを行う。ガイド溝１１の光軸方向の端面は、２つの｛１１１｝面が露出して、上下から斜めに基板側に食い込んだ形状となる。端面下部にガイド溝１１側へのせり出し部がなく、その結果ＬＤ１２とレンズ１３を近接して配置することができ、素子間の光結合効率の高い光接続装置となる。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子あるいは受光素子等の光素子と、光ファイバあるいはレンズ等の他の光素子との光結合を、高い効率で実現することが可能な光接続装置とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の例を、図７、図８を参照して、発光素子であるレーザーダイオード（ＬＤと称する）とレンズを結合する場合を例に説明する。この種の光接続装置に関しては、Ｓｉ（シリコン）基板に両側面が下方に狭いテーパー状のガイド溝を位置決め形成し、ガイド溝内にレンズを固定して結合させる技術が広く知られている。図７はそのような光接続装置８０の斜視図、図８はガイド溝３３にレンズ３５を配置した状態を、図７中の８−８線で切断した断面図である。Ｘ−Ｘ線は光軸を示す。
【０００３】
図７、８に示すように、Ｓｉ基板３１の表面に、レンズ３５を支持するガイド溝３３が形成され、その端部に隣接するＳｉ基板３１の表面上に、ＬＤ３２が配置されている。このガイド溝３３の加工には簡便に高精度微細加工が行える異方性ウェットエッチングを利用する。Ｓｉ基板３１として表面が｛１００｝面である基板を用い、マスクに光軸方向に１辺を有する矩形の開口部を設けてエッチングすると、Ｓｉ基板３１の各結晶面のエッチング速度の違いから、下に狭いテーパー状の側面３７、３８を有するガイド溝３３が形成される。面３７、３８は共に｛１１１｝面である。ガイド溝３３にレンズ３５を固定することにより、レンズ３５は、ＬＤ３２と光軸が一致するように径方向の位置が決定され、ＬＤ３２とレンズ３５との光結合が実現される。
なお、｛１１１｝面というように｛　｝を用いて表現する方法は、方向の異なる同種の結晶面を総称するものとして一般的に用いられている。
【０００４】
しかしながら、この技術では、ガイド溝３３の終端部に端部｛１１１｝結晶面３４（傾き角度θ＝５４．７°）が形成されるので、この端部｛１１１｝結晶面３４が障害となってＬＤ３２とレンズ３５を近づけることが出来ない。即ち、Ｓｉ結晶は単一元素からなるため、ガイド溝を構成する｛１１１｝面は１種類のみである。そのためガイド溝の終端部にも側面と同じく｛１１１｝面が形成され、これがレンズ３５に向かってテーパー状にせり出すため、ＬＤ３２とレンズ３５との間隔を狭くするには限界がある。例えば、外径１０００μｍのレンズ３５を用いた場合、ＬＤ３２とレンズ３５との間隔は約３５０μｍにも開いてしまうため、ＬＤ３２とレンズ３５との光結合効率は極端に低くなってしまう。
【０００５】
上記のような光接続装置において、レンズ３５とＬＤ３２との間隔を低減するための技術として、機械的な加工法としては、ガイド溝３３の終端部の｛１１１｝面３４をほぼ垂直にダイシングで研削する方法が提案されている。あるいは化学的なウェットエッチングによる方法としては、２種類の｛１００｝面を有するＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板を用いて、光軸方向にＶ字状に凹んだ端面を形成する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この場合ガイド溝の端部には図８に２点鎖線で示す２種類の｛１００｝面３９ａ、３９ｂが現れる。これらの技術では、ＬＤ３２に対してレンズ３５の端部を近接配置でき、光結合効率を改善する上では有効である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２９５５５８号公報（図３、図７参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、提案されている上記の２つの方法はそれぞれ以下のような問題点を有している。前者の機械的な加工では、位置合わせで十分な精度を得ることが難しい上に、ダイシング溝がガイド溝３３の底面よりも下方まで形成されるため機械的強度が低下し、その後の素子アセンブルの工程で破損してしまうことも多い。更に、基板を横切る形でしか加工できないため、ガイド溝以外の部分も研削することから、シリコン基板上で素子の集積化を図るときの大きな制約となる。一方、後者のＧａＡＳ基板を用いる方法はＳｉ基板の場合とほぼ同様に加工できるが、ＧａＡｓ基板はＳｉ基板に比べて非常に脆く、機械的加工の場合と同様に、素子アセンブルの工程での破損が頻繁に発生する。
【０００８】
本発明の目的は、上記の問題点を解決し、Ｓｉ基板を用いて、簡易な異方性ウェットエッチングにより、高効率の光結合が得られる光接続装置とその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、｛１００｝面を表面とする単結晶シリコン基板上にガイド溝が形成され、該ガイド溝内に置かれた光素子と前記ガイド溝外に置かれた他の光素子とを、それぞれの光軸が一致する様に結合する光接続装置であって、前記光軸は｛１１０｝方向の方位を有し、前記ガイド溝の前記光軸方向の少なくとも一端面は、前記ガイド溝の深さ方向の中央部で、前記光軸に直交し前記表面に平行な一辺を共有する、２つの｛１１１｝面により形成されている、ことを特徴とする光接続装置である。
２つの｛１１１｝面はそれぞれ、基板表面及びガイド溝底面から、深さ方向の中央部に向かってガイド溝空間を広げる方向に傾斜した面である。即ち、ガイド溝の光軸方向の端面は上下から斜めに基板側に食い込んだ面となり、端面の下部がガイド溝側にせり出していない形状となる。従って、光素子どうしを近接配置することが可能となり、同じＳｉ基板を用いた従来例よりも高効率の光結合が実現できる。
【００１０】
本発明は、ガイド溝が光軸方向に逆台形の開口断面形状を有し、光軸と平行な両側面は共に｛１１１｝面であることが好ましい。
上記構成により、光軸と直角な方向、例えばレンズの場合の径方向、の位置決めが非常に容易になる。
【００１１】
本発明は、シリコン基板の表面に絶縁膜が形成され、該絶縁膜上に、ガイド溝の外部に配置される光素子用の金属配線膜が形成されている光接続装置とすることができる。
本構成により、レーザーダイオード（ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）等の発光、受光素子を、金属配線部以外との絶縁を確実にして配置することができる。
【００１２】
本発明は、ガイド溝内に光学レンズを、ガイド溝の外部の単結晶シリコン基板上に発光素子あるいは受光素子を、それぞれの光軸が一致するように配置したことを特徴とする、光通信用接続モジュールである。
本構成により各素子間の光結合の効率を高くすることができ、伝達損失の少ない、且つ小型の光通信用接続モジュールとなる。
【００１３】
本発明は、　｛１００｝面を表面とする単結晶シリコン基板の表面に、直方体状の開口部を、該開口部の深さ方向の対向する２対の側面が全て｛１１０｝面であるように形成する工程と、前記開口部を含み幅方向に前記開口部よりも広い領域に対して異方性ウェットエッチングを行い、前記開口部の｛１１０｝方向の少なくとも一端面に、｛１１０｝方向と直交し前記表面に平行な一辺を共有する、２つの｛１１１｝面を露出させてガイド溝を形成する工程と、を有することを特徴とする光接続装置の製造方法である。
本発明により、シリコン基板の各結晶面のエッチング速度の差を利用し、ガイド溝の光軸方向の端部に、下部のせり出し部のない、素子の近接配置が可能な端面を精度良く簡便に形成できる。
【００１４】
本発明は、前記開口部の形成をＳＦ_６（六弗化硫黄）及びＣ_４Ｆ_８（パーフロロ１ブテン又はパーフロロ２ブテン又はパーフロロシクロブテン）を用いる反応性イオンエッチングにより行うことが好ましい。
位置合わせの精度が良く、また異方性をもつことから、所望の直方体状の開口部を設けることがで容易である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］以下、本発明の第１の実施の形態を、図１乃至図４を参照して説明する。
図１は本実施の形態の光接続装置を示す全体斜視図、図２は、図１の光接続装置を用いてレンズと発光素子（ＬＤ）を結合させて配置した状態を、図１の線２−２で切断した状態で示す斜視図、図３は図２の状態を線３−３で切断した断面図、図４は光接続装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００１６】
本実施の形態の光接続装置７０には、図１、図２に示す様に、｛１００｝面を表面とする単結晶Ｓｉ基板１０の表面に、レンズ１３を配置するためのガイド溝１１が異方性ウェットエッチングにより形成されている。図１中のＸ−Ｘ線が光軸を示し、光軸方向の一方の端面には１６ａ、１６ｂで示す２つの｛１１１｝面が図のように露出し、光軸方向に凹んだ面となっている。対抗する他の端面も同様に、破線で形状を示す１７ａ、１７ｂの２つの｛１１１｝面が露出している。光軸に沿う方向の両側面には他の２つの｛１１１｝面１４、１５が傾斜を持って現れ、ガイド溝１１の断面は逆台形状である。両側面１４、１５により、レンズ１３の径方向の位置決めがなされる。
【００１７】
レンズ１３、ＬＤ１２の位置関係は図３に示すとおりである。ガイド溝１１の端面を形成する２つの｛１１１｝面、１６ａ、１６ｂが図のようにレンズ１３の反対側に傾斜して光軸方向に凹んだ端面となているため、従来例のように端面がレンズ１３を近づけるための障害となることがなく、ＬＤ１２とレンズ１３を十分近接させて配置することができる。
【００１８】
次に、上記構成の光接続装置７０を製造する方法の一例を図４（Ａ）〜（Ｅ）を用いて説明する。図４（Ａ）〜（Ｅ）の各図において、左側の図は光軸に沿って切断した断面図、右側の図は、図中のＹ−Ｙ線で光軸と直交する方向に切断した断面図である。
まず、図４（Ａ）に示すように単結晶Ｓｉ基板１０の表面に、熱酸化法等により、厚さ１０００Å（０．１μｍ）程度のＳｉＯ２膜２０を成膜する。その上にＣＶＤ法により厚さ３０００ÅのＳｉＮ膜２１を積層する。
【００１９】
更にスピンコート法により第１のレジスト２２を塗布し、ガイド溝を開口する領域をパターニングする。パターニングされたレジスト２２をマスクにＳｉＮ膜２１、ＳｉＯ２膜２０をエッチングして図４（Ｂ）となる。この時点の開口部５０の長手方向寸法Ｌ１と幅Ｄ１はそれぞれ、最終的に基板に形成されるガイド溝１１の、基板表面における光軸方向の長さ及び幅の寸法と一致している。ここで、ＳｉＮ膜２１のエッチングには反応性ガスとしてＳＦ６を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用い、その後のＳｉＯ２膜２０のエッチングはバッファードフッ酸によるウェットエッチングで行う。
【００２０】
次に第１のレジスト２２を除去し、第２のレジスト２３を塗布して開口部をパターニングし、図４（Ｃ）となる。この時点での開口部５１の寸法は、光軸方向は開口部５０と同じくＬ１であり、幅方向は、後のウェットエッチング工程での幅方向への侵食を考慮し、Ｄ１よりも小さいＤ２となる。即ち、ガイド溝１１の光軸方向の全長にわたって、両側面１４、１５がが連続した｛１１１｝面から形成されるようにＤ２を設定する。具体的には、幅Ｄ２の溝の深さをＤ４としたとき、Ｄ１、Ｄ２が
Ｄ１＝Ｄ２＋２・Ｄ４ｔａｎ（９０°−θ）　　　（１）
ここで、θは｛１１１｝面の傾き角度
の関係を満たしていれば良い。
次に図４（Ｄ）に示す様に、レジスト２３をマスクとしてＳｉ基板１０に直方体状の開口部５２を設ける。この工程は、ＳＦ_６（六弗化硫黄）及びＣ_４Ｆ_８（パーフロロ１ブテン又はパーフロロ２ブテン又はパーフロロシクロブテン）を用いるＲＩＥにより行う。通常のＳＦ_６だけを用いるＲＩＥよりも、特に深さ方向に精度良く平滑な端面を得ることができる。
【００２１】
次に第２のレジスト２３を除去し、ＳｉＯ２膜２０、ＳｉＮ膜２１をマスクとして、Ｓｉ基板１０をウェットエッチングする。エッチング液として２０％ＫＯＨ溶液を用い、温度８０℃にて行うと、エッチング速度は１．５μｍ／分程度となり、制御が容易である。
このウェットエッチングにより光軸方向の両端面には２つの｛１１１｝面、それぞれ１６ａ、１６ｂと１７ａ、１７ｂが現れ、図示するように上下から斜めに基板側に食い込んだ面となる。幅方向にも両側に｛１１１｝面１４、１５が露出し、溝断面は逆台形状となる。この形状により、レンズ１３の径方向が位置決めされる。
【００２２】
以上述べた他に、開口部５２の形成をレーザー加工により行うこともできる。加工面の精度、平滑性という点では前述のＲＩＥによる方法に劣るが、最終的にはウェットエッチングによる面が露出するためその影響は少なく、ＲＩＥよりも簡便な方法として十分適用できる。
【００２３】
［第２の実施形態］以下、本発明の第２の実施形態を図５、図６を参照して説明する。図５は本実施の形態の光接続装置を示す全体斜視図、図６は光接続装置の製造方法を示す工程断面図である。第１の実施の形態と同一の部材には同じ符号を付して説明を省略する。
本実施の形態の光接続装置７１は、第１の実施の形態におけるレンズ１３の後側（ＬＤ１２の反対側）に、レンズ用のガイド溝１１とつながる光ファイバ用のガイド溝１８を設けた光接続装置である。ＬＤに対してレンズ、レンズに対して光ファイバをそれぞれ近接配置することができ、高効率の光結合が可能となる。ガイド溝１８はＶ字状の溝となっており、両側面１９ａ、１９ｂは共に｛１１１｝面である。
【００２４】
図６に示す製造方法は、光ファイバ用のガイド溝１８をレンズ用のガイド溝１１と同時に作成できる方法である。図６において、図４の場合と同様に、各図の左側は光軸で切断した面の形状、右側は図中のＺ−Ｚ線で光軸と直交する方向に切断した面の形状である。また、図６（Ａ）〜（Ｅ）は、それぞれ図４の（Ａ）〜（Ｅ）に対応している。即ち図６（Ａ）〜（Ｅ）において、レンズ用ガイド溝１１が作成される領域はそれぞれ図４（Ａ）〜（Ｅ）と同様の処理がなされている。
先ず図６（Ａ）に示す様にＳｉＯ２膜２０、ＳｉＮ膜２１を成膜し、第１のレジスト２２をパターニングし、それをマスクにてＳｉＯ２膜２０、ＳｉＮ膜２１エッチングして図６（Ｂ）の形状となる。このときをガイド溝１８用の開口部５４の幅Ｄ３は、最終的なガイド溝１８の幅よりも狭く設定される。
次に図４（Ｃ）と同様に第２のレジスト２３を塗布し、パターニングして図６（Ｃ）となる。光ファイバ用ガイド溝１８はウェットエッチング前の直方体状の開口を必要としないので、この時点において開口部５４はレジスト２３に覆われている。
【００２５】
次に図６（Ｄ）に示すようにＲＩＥで直方体状の開口部５２を形成し、その後第２のレジスト２３を除去する。更にＫＯＨによるウェットエッチングによりレンズ用ガイド溝１１光ファイバ用ガイド溝１８を同時に形成する。ガイド溝１８の両側面には｛１１１｝面１９ａ、１９ｂが現れ、Ｖ字状の断面となる。
【００２６】
本発明の技術的範囲は上記の実施の形態に限られるものではなく、光学素子を結合させる接続装置全般について、各素子間の光軸方向の距離に設定の幅を持たせる手段として適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明の様に、本発明の光接続装置は、シリコン基板を用いウェットエッチングで製作した従来例とは異なり、ガイド溝の光軸方向の端面下部は溝の内側にせり出していない形状である。従ってガイド溝内に置かれた光素子と基板上におかれた他の光素子を近接して配置することができ、高効率の光結合が得られる。また、ウェットエッチングにおける各結晶面のエッチング速度の差を利用するので、高精度の光接続装置を再現性良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である光接続装置を示す斜視図である
【図２】図１の光接続装置にレンズ、ＬＤを配置した場合の斜視図である。
【図３】図２の３−３線に沿う断面図である。
【図４】同、光接続装置の製造工程を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態である光接続装置を示す斜視図である
【図６】同、光接続装置の製造工程を示す工程断面図である。
【図７】従来の光接続装置の１例を示す斜視図である。
【図８】図７の８−８線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１０、３１　シリコン基板
１１、３４　レンズ用ガイド溝
１２、３２　レーザーダイオード
１３、３５　レンズ
１４、１５　ガイド溝側面
１６ａ、１６ｂ　ガイド溝端面
１７ａ、１７ｂ　ガイド溝端面
１８　光ファイバ用ガイド溝
１９ａ、１９ｂ　ガイド溝側面
７０、７１　本発明の光接続装置
８０　従来例の光接続装置

Claims (6)

1. ｛１００｝面を表面とする単結晶シリコン基板上にガイド溝が形成され、該ガイド溝内に置かれた光素子と前記ガイド溝外に置かれた他の光素子とを、それぞれの光軸が一致する様に結合する光接続装置であって、前記光軸は｛１１０｝方向の方位を有し、前記ガイド溝の前記光軸方向の少なくとも一端面は、前記ガイド溝の深さ方向の略中央部で、前記光軸に直交し前記表面に平行な一辺、を共有する２つの｛１１１｝面により形成されている、ことを特徴とする光接続装置。
2. 前記ガイド溝の前記光軸と平行な両側面は、共に｛１１１｝面であることを特徴とする請求項１記載の光接続装置。
3. 前記単結晶シリコン基板の表面に絶縁膜が形成され、該絶縁膜上に、前記ガイド溝の外部に配置される光素子用の金属配線膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光接続装置。
4. 請求項１乃至３の光接続装置を用い、前記ガイド溝内に光学レンズを、前記ガイド溝の外部の前記単結晶シリコン基板上に発光素子あるいは受光素子を、それぞれの光軸が一致するように配置したことを特徴とする光通信用接続モジュール。
5. ｛１００｝面を表面とする単結晶シリコン基板の表面に、直方体状の開口部を、該開口部の深さ方向の対向する２対の側面が全て｛１１０｝面であるように形成する工程と、前記開口部を含み幅方向に前記開口部よりも広い領域に対して異方性ウェットエッチングを行い、前記開口部の｛１１０｝方向の少なくとも一端面に、｛１１０｝方向と直交し前記表面に平行な一辺を共有する、２つの｛１１１｝面を露出させてガイド溝を形成する工程と、を有することを特徴とする光接続装置の製造方法。
6. 前記開口部の形成をＳＦ_６（六弗化硫黄）及びＣ_４Ｆ_８（パーフロロ１ブテン又はパーフロロ２ブテン又はパーフロロシクロブテン）を用いる反応性イオンエッチングにより行うことを特徴とする、請求項５記載の光接続装置の製造方法。

Images