JP2005164871A

JP2005164871A - 光半導体素子実装用基板及びその製造方法

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Publication number: JP2005164871A
Application number: JP2003402365A
Authority: JP
Inventors: Masashi Higashiyama; 賢史東山; Teruhisa Akashi; 照久明石; Hideaki Takemori; 英昭竹盛; Kazuhiro Hirose; 一弘廣瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: JP4069856B2

Abstract

【課題】
入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板の入射光部材を配置する溝と光を反射する部材双方の性能向上を可能とする。
【解決手段】
入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板であって、前記シリコン基板に、該シリコン基板とは別体の光反射部材を配置する。或いは、シリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板の製造方法であって、前記シリコン基板に、入射光部材を配置するための溝を加工する工程と、該シリコン基板とは別体の光反射部材を取り付ける工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体素子実装用基板及びその製造方法に関する。

本発明は、光半導体素子であるレーザダイオードやホトダイオードを実装するための光半導体素子実装用基板に関し、特開平５−３０３０２８号公報等があげられる。

特開平５−３０３０２８号公報

従来、入射光部材を配置する溝と光を反射する部材との双方の性能を考慮していなかった。本発明の目的は、入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板の入射光部材を配置する溝と光を反射する部材双方の性能向上が可能な光半導体素子実装用基板及びその製造方法を提供することにある。

入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板であって、前記シリコン基板に、該シリコン基板とは別体の光反射部材を配置する。

本発明によると、入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板の入射光部材を配置する溝と光を反射する部材双方の性能向上が可能な光半導体素子実装用基板及びその製造方法を提供することができる。

光半導体素子であるレーザダイオードやホトダイオードを実装するための光半導体素子実装用基板技術について説明する。

結晶面方位｛１００｝のシリコン基板を用いた光半導体実装用基板においては、光ファイバやレンズを高精度に配置するために、シリコンの異方性エッチングにより形成された溝が用いられる。この他に、同じ異方性エッチングにより形成された溝を光の反射面として用いる。これは、レーザダイオードやホトダイオードの光半導体素子と光ファイバまたはレンズとの光結合を達成するために用いるものである。

例えば、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、光半導体素子実装用シリコン基板３１の断面における光結合現象を示す図である。溝の側面３２を光ファイバ２０からの出射光３０の反射面として用いている。光ファイバ２０からの出射光３０は、反射面である溝の側面３２で反射してホトダイオード２１へ入射させるよう構成されている。ここで、図１２
（ａ）は、溝の側面３２の傾斜角が、光ファイバ２０からの出射光３０の向きに対して、５４.７° の場合を示し、図１２（ｂ）は、溝の側面３２の傾斜角が、光ファイバ２０からの出射光３０の向きに対して、４５°の場合を示す。

図１２（ａ）の場合、溝の側面３２が５４.７° の傾斜を持つことにより、光の漏れが大きく、効率よく出射光３０をホトダイオード２１へ入射させることが困難である。また、図１２（ｂ）の場合、溝の側面３２の角度を４５°にし、光ファイバ２０からの出射光３０をホトダイオード２１へ効率よく入射させることができる。

結晶面方位｛１００｝のシリコン基板に角度４５.０° の反射面を形成する異方性エッチング方法について説明する。この場合のエッチング液としては、水酸化カリウム水溶液にイソプロピルアルコールを混ぜた溶液またはエチレン・ジアミン・プロカテコール水が挙げられている。但し、角度４５゜の溝と異方性エッチングにより形成される角度54.7゜を備えたＶ溝に代表される高精度な溝とを同時に形成することが困難である。そのため、光反射効率の向上と光ファイバやレンズに代表される光部品の高精度位置決めとの両方を達成することが困難である。角度４５゜の溝に関しては、例えば、エチレンジアミンプロカテコール水を結晶面方位｛１００｝のシリコン基板のエッチング液として用いる場合、図１３の形成されたエッチング溝３３に、結晶面方位｛１１１｝３５が現れるだけでなく、結晶面方位｛１１０｝３４の斜面上に光を遮蔽・乱反射させうる突起３６が形成される。そのため、光の反射効率を向上させるには適さない形状となる。また、エッチング液にイソプロピルアルコールを混入させた水酸化カリウム水溶液を結晶面方位｛１００｝のシリコン基板のエッチング液として用いた場合、エチレンジアミンピロカテコール水に比べて結晶面方位｛１１１｝の面粗さが大きくなる。その面を光の反射面として用いると、光が散乱し反射効率が落ちる。そのため、光の反射面として用いるのには適していない。次に、例えば、オフアングル９.７゜の結晶面方位｛１００｝のシリコン基板を用いる場合、図１４のように、エッチング溝３３には基板表面と４５゜の角度をなす結晶面方位
｛１１１｝３５が溝の一側面として形成される。しかし、結晶面方位｛１１１｝３５の面粗さは小さいものの、角度４５゜と対向する面の角度はおよそ６４.４゜となるので、エッチング形状が非対称構造になる。そのため、光ファイバやレンズを高精度に配置可能な対称構造のＶ溝を形成することが困難である。

また、エッチング液の管理が困難なため生産性を低下させることが考えられる。上記のイソプロピルアルコールを混入させた水酸化カリウム水溶液はイソプロピルアルコールが揮発しやすく液の濃度管理が困難である。特に、エッチング液を６０〜８０℃に加熱して用いる場合、顕著である。エッチング液の組成は、エッチング形状に大きく影響するため、組成が変化しない対策を施した機構が必要となる。また、エチレンジアミンプロカテコール水の使用は管理が困難である。

このように、生産性が良く、光ファイバやレンズを高精度に配置できる溝と、光を効率よく反射させる側面を備えた溝とを有する光半導体素子実装用基板を実現が望まれる。
（実施例）
まず、入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板の構造について、図１〜図４を用い説明する。図１は、本発明の実施例の光半導体素子実装用基板の斜視図である。

結晶面方位{１００}のシリコン基板７からなる光半導体素子実装用基板には、光入射部材である光ファイバを配置するために用いられる溝であるＶ溝１（例えば、深さ約１００μｍ）が形成されている。そのＶ溝１の一側面に交わるように、Ｖ溝１と同程度以上の深さのスリット３が形成されている。本実施例では、そのスリット３内に三角柱の光反射用部材２を配置している。つまり、シリコン基板７に、シリコン基板７とは別体の光反射用部材２を配置している。シリコン基板７の表裏面には絶縁膜であるシリコン酸化膜８が形成されている。また、Ｖ溝１が形成された光半導体素子実装用基板の表面には、シリコン酸化膜８を介してホトダイオード用第一金属薄膜配線４やホトダイオード用第二金属薄膜配線５が形成されている。さらに、ホトダイオード用第一金属薄膜配線４上にはホトダイオード搭載用はんだ薄膜６が形成されている。

図２は、図１のａ−ａ′断面を示す断面図である。光半導体素子実装用基板を構成するシリコン基板７の表面にはシリコン酸化膜８が形成されている。そのシリコン酸化膜８上にホトダイオード用第一金属薄膜配線４やホトダイオード搭載用はんだ薄膜６が形成されている。

光反射用部材２は、スリット３内に設置されており、スリット３と光反射用部材２とはおよそ接触している状態にある。光反射用部材２は接着材９によりスリット３内に固定されている。すなわち、光反射用部材２とシリコン基板７との間には、接着材９が存在する。接着材９は光反射用部材２およびシリコン基板７を構成する以外の材料である。また、シリコン酸化膜８に関しても同様である。すなわち、シリコン基板７と光反射用部材２との間にはこれらと異なる材料から成るものが存在している。

図３は、光反射用部材２を表している。光反射用部材２は、四角柱の形状をしており、その一側面を光反射面１０として利用する。図４は、第二の構造の三角柱の光反射用部材１１を示している。光反射用部材２と同様にその一側面を光反射面１０に適用する。図のように第二の光反射用部材１１はその断面が直角二等辺三角形である。この第二の光反射用部材１１を光反射用部材２の代わりにスリット３内に設置しても光反射用部材２と同様の効果が得られる。その際、スリット３の深さと第二の光反射用部材１１の高さとが一致することが好ましい。

いずれの光反射面１０上に光の反射効率がさらに向上するように金属薄膜や透過防止膜を形成してもよい。

シリコン基板７と光反射用部材２とを別体としているので、シリコン基板７上で光入射部材である光ファイバを配置するＶ溝１の傾斜部形成と、光反射面を有する光反射用部材２とを夫々別々に製作することが出来、Ｖ溝１の傾斜部、光反射面に夫々適した傾斜（角度）に精度良く製作することができる。また、光反射部材の反射面が、入射光方向と約
４５°の角度をなすよう構成することで、基板として性能向上に繋がる。

なお、約４５°とは、４５°が望ましいが、基板として性能が維持できうる範囲であれば良いものである。

次に、図１に示した光半導体素子用実装基板の製造工程を図５（ａ）〜（ｋ）を用いて説明する。

図５（ａ）に示すように、結晶面｛１００｝のシリコン基板７（例えば板厚１mm）を用いる。この基板の両表面に、熱酸化により、シリコン酸化膜８（例えば膜厚１μｍ）を成膜する。このシリコン酸化膜８はシリコンの異方性エッチング液となる水酸化カリウム水溶液からシリコンを保護するマスク層となる。このマスク層は水酸化カリウム水溶液に耐えられる材料であればよく、他にシリコン窒化膜でもよいし、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜であってもよい。

次に、図５（ｂ）に示すように、ホトリソグラフィによりレジストパターン１２を形成する。このレジストパターン１２をマスクにして、シリコン酸化膜８のエッチングを行う。エッチングには、例えば、ＢＨＦ（フッ化水素酸とフッ化アンモニウム水溶液の混合水溶液）を使用したウェットエッチングやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いることができる。エッチング終了後、レジストパターン１２を除去する。こうしてホトダイオード１３が形成される。

次に、図５（ｃ）に示すように、ホトダイオード１３が形成された後、シリコン基板７にＶ溝１を形成する。Ｖ溝１の形成には、水酸化カリウム水溶液（濃度約４０ｗｔ％，温度６０〜８０℃）による異方性エッチングを用いる。エッチングの進行は、結晶面方位
｛１１１｝で表される｛１１１｝面１４が表面に現れた時点で、見かけ上停止した状態になる。これは、水酸化カリウム水溶液による｛１１１｝面１４のエッチング速度が、他の結晶面と比較して格段に遅いためである。このため、Ｖ溝１の側面は｛１１１｝面１４から構成される。こうして作製されたＶ溝１は、幅及び深さが高精度に定まる。また、
｛１１１｝面１４は面粗さの小さい面になるため、光ファイバを高精度に配置するのに適している。

そして、図５(ｄ)に示すように、マスクとして使用したホトダイオード１３を、ＢＨＦを使用して除去する。

以上のようにして作成したＶ溝１の側面は、結晶面方位｛１１１｝から構成されることから、シリコン基板７の表面と５４.７°の角度を成す。

次に、この結晶面方位｛１１１｝からなる側面の一つを光反射用部材２の光反射面１０で置き換えるため、機械的なスリット加工を施し、一側面を除去する。図５（ｅ）に示すように、スリット３を形成する。

次に、ホトダイオードからの電気信号を取り出すための金属配線を形成する。まず、図５（ｆ）に示すように、電気絶縁層としてシリコン酸化膜８を例えば１.０μｍ形成する。そして、図５（ｇ）に示すように、そのシリコン酸化膜上に真空蒸着法やスパッタ法などにより、金属薄膜１５を成膜する。

次に、図５（ｈ）に示すように、ホトリソグラフィで配線用レジストパターン１６を形成し、イオンミリングなどによるエッチングで金属配線１７を形成する。エッチング終了後、図５（ｉ）に示すように、配線用レジストパターン１６を除去する。なお、この金属配線１７を構成する薄膜は任意である。例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／ＡｕやＣｒ／Ａｕとする。金属配線１７とホトダイオードとを電気的に結線する際、または金属配線１７から外部へ電気信号を取り出す際にワイヤボンディングを行うため、金属配線１７の最上層は、ワイヤボンディングに適したＡｕまたはＡｌが望ましい。

最後にホトダイオード搭載用のはんだ薄膜６を形成する。まず、図５（ｊ）に示すように、ホトリソグラフィではんだ用レジストパターン１８を形成する。次に真空蒸着法などを用いて、はんだ薄膜１９を成膜する。はんだ薄膜１９には例えば、ＡｕＳｎやＰｂＳｎを用いる。そして、図５（ｋ）に示すように、リフトオフ法によりホトダイオード搭載用はんだ薄膜６を形成する。

以上の工程によりシリコン基板７を構成するシリコンウエハを切断し所望の大きさにする。最後に、光反射用部材２をスリット３内に接着材等で配置して光半導体素子実装用基板が完成する。

ここで、図３のような光反射用部材２の形成には、オフアングル９.７° のシリコン基板を使用する。そして、前述の水酸化カリウム水溶液による異方性エッチングを行うことで基板表面と４５°の角度を成す側面を形成できる。この側面は結晶面｛１１１｝から成り、面粗さが小さいため、光の反射面として適している。最後にダイシングすることで、この側面を一側面として有する四角柱の光反射用部材２が完成する。

この光反射用部材は、光を効率よく反射できるような面粗さの小さい側面を有するものであればよく、例えばガラスから成っていてもよいし、シリコンから成っていてもよい。ガラスの場合、プリズムを形成するように図４に示した構造の第二の光反射用部材１１を形成することができる。ただし、光半導体素子実装用基板の材料と同じシリコンとすることが、熱膨張率などの熱特性の観点から好ましい。

図６は、図１の光半導体素子実装用基板に光ファイバ２０およびホトダイオード２１を実装したときの構成を示す。一方、図７は図６のｂ−ｂ′断面を示す断面図である。これらの図のようにして、光ファイバ２０からの出射光をスリット３に接着材９を挟んで実装された光反射用部材２の光反射面１０で屈折させてホトダイオード２１に光を入射させることができる。

図６では、図１に示した光半導体素子実装用基板はホトダイオード１３を搭載させるための基板であるが、光ファイバ２０の代わりに、ボールレンズ等のレンズを搭載した光半導体素子実装用基板にも本発明を適用することができる。

図８はレンズ２２およびホトダイオード２１を実装するための光半導体素子実装用基板の実施例を示している。この場合の異方性エッチングで形成する溝は、レンズ２２を搭載するための深溝２３と、光路を確保するための浅溝２４の連結した溝である。そして、浅溝２４の一側面を光反射用部材２で置き換えることで、レンズ２２を通した光を効率よくホトダイオード２１に入射させることができる。図９は図８のｃ−ｃ′断面を示す断面図である。レンズ２２を通った光がスリット３に設けられた光反射用部材２の光反射面１０により９０゜折り曲げられホトダイオード２１に入射される。なお、光反射用部材２はスリット３に接着材９により実装されている。

図１０は、本発明の光半導体素子実装用基板にレーザダイオード２５とホトダイオード２１と光ファイバ２０とを実装したときの構成を示す。ここでのホトダイオード２１はレーザダイオード２５からの出力光をモニタするために用いられる。レーザダイオード２５は光ファイバ２０とホトダイオード２１との間に位置する。図１１は図１０のｄ−ｄ′断面を示す断面図である。スリット３には光反射面１０を備えた第二の光反射用部材１１が接着材９を介して実装されている。レーザダイオード２５からの出力光が第二の光反射用部材１１にて９０゜折り曲げられ、レーザダイオード２５の動作をモニタするためのホトダイオード２１に入射される。また、レーザダイオード２５からの出力光は光ファイバ
２０を通って外部に送信される。

本実施例の光半導体素子実装用基板は、スリット内に角度４５゜を持つ光反射用部材を備えるのでスリットは角度４５゜の溝と認識することができる。そのため、本実施例の光半導体素子実装用基板は、角度４５゜の反射用溝と角度５４.７゜を備えた異方性エッチングにより形成された高精度なＶ溝とを備えているので、光反射効率の向上と光ファイバやレンズに代表される光部品の高精度位置決めとの両方を達成し、製作も容易である。また、異方性エッチングには水酸化カリウム水溶液を用いることができるので、液の管理が容易であり製造性が向上する。

本発明は、光半導体素子実装用基板及びその製造方法に適用される。

本発明における光半導体素子実装用基板の斜視図である。図１の光半導体素子実装用基板のａ−ａ′断面を示す断面図である。本発明における光反射用部材の構造を示す斜視図である。本発明における光反射用部材の第二の構造を示す斜視図である。本発明の光半導体素子実装用基板の加工プロセスを示すフロー図である。本発明の光半導体素子実装用基板にホトダイオードと光ファイバとを実装した場合の模式図である。図６の光半導体素子実装用基板のｂ−ｂ′断面を示す断面図である。本発明の光半導体素子実装用基板にホトダイオードとレンズとを実装した場合の模式図である。図８の光半導体素子実装用基板のｃ−ｃ′断面を示す断面図である。本発明の光半導体素子実装用基板にレーザダイオードとホトダイオードと光ファイバとを実装した場合の模式図である。図１０の光半導体素子実装用基板のｄ−ｄ′断面を示す断面図である。光半導体素子実装用シリコン基板を用いた光ファイバとホトダイオードとの光結合の様子を示す模式図である。エチレンジアミンプロカテコール水によるエッチングで形成される溝を示す模式図である。オフアングル９.７゜の結晶面方位｛１００｝のシリコン基板を用いた場合にエッチングで形成される溝を示す模式図である。

符号の説明

１…Ｖ溝、２…光反射用部材、３…スリット、４…ホトダイオード用第一金属薄膜配線、５…ホトダイオード用第二金属薄膜配線、６…ホトダイオード搭載用はんだ薄膜、７…シリコン基板、８…シリコン酸化膜、９…接着材、１０…光反射面、１１…第二の光反射用部材、１２…レジストパターン、１３，２１…ホトダイオード、１４…｛１１１｝面、１５…金属薄膜、１６…配線用レジストパターン、１７…金属配線、１８…はんだ用レジストパターン、１９…はんだ薄膜、２０…光ファイバ、２２…レンズ、２３…深溝、２４…浅溝、２５…レーザダイオード、３０…出射光、３１…光半導体素子実装用シリコン基板、３２…溝の側面、３３…エッチング溝、３４…結晶面方位｛１１０｝、３５…結晶面方位｛１１１｝、３６…突起。

Claims

入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板であって、
前記シリコン基板に、該シリコン基板とは別体の光反射部材を配置したことを特徴とする光半導体素子実装用基板。
入射光部材を配置するための溝を有するシリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板であって、
前記シリコン基板に光反射部材を配置し、且つ、該光反射部材の反射面が、入射光方向と約４５°の角度をなすよう構成したことを特徴とする光半導体素子実装用基板。
異方性エッチングにより形成された溝を備えた結晶方位｛１００｝面のシリコン基板を備えた光半導体素子実装用基板であって、矩形断面を持つ溝を備え、前記溝内に三角柱又は四角柱を配置することを特徴とする光半導体素子実装用基板。
請求項３に記載の光半導体素子実装用基板において、
前記溝の底面と前記三角柱又前記四角柱との間に、前記シリコン基板および前記三角柱又前記四角柱と異なる材料部材を配置することを特徴とする光半導体素子実装用基板。
請求項３に記載の光半導体素子実装用基板において、
前記溝内に三角柱または四角柱を配置し、該三角柱または四角柱により、約４５°の傾斜を形成することを特徴とする光半導体実装基板。
シリコン基板を備え、光反射を行う光半導体素子実装用基板の製造方法であって、
前記シリコン基板に、入射光部材を配置するための溝を加工する工程と、
該シリコン基板とは別体の光反射部材を取り付ける工程とを含むことを特徴とする光半導体素子実装用基板の製造方法。