JP2005251966A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光素子と光ファイバ（光導波路）との接続における構造上および製造工程上の不具合を解決し、光素子と光ファイバないしは光導波路との光結合が高効率に行える構造および製造方法を提供する。
【解決手段】 光素子チップ１は、発光部２が形成された面を下に向けて実装基板４に搭載されている。光素子チップ１と実装基板４との間にはアンダーフィル樹脂６が充填され、発光部２を保護している。光素子チップ１の発光部２から出た光は上方に進行し、光入出力用の開口部である溝７を通って光ファイバ８に達する。光素子チップ１と光ファイバ８とは、光素子チップ１の発光部２から出た光が光ファイバ８のコア９に効率よく入射するように、光軸合わせがなされている。光素子チップ１と光ファイバ８との間には、光軸がずれるのを防ぐための樹脂１０が充填されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、情報通信の分野において用いられる半導体光素子を備えた半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。

近年、コンピュータによるネットワークを介した情報通信が頻繁に行われるようになり、伝送される情報量も画像を含んだ大容量のファイルが増大してきている。

このような大容量の情報通信は、電気信号を光信号に変換する半導体レーザあるいは発光ダイオード等の光半導体素子に光ファイバのような光導波路を接続して行われる。

例えば非特許文献１（オプティクス コミュニケーションズ４、４（１９７１年）第３０７頁から第３０９頁（Optics Communications, Volume 4, Number 4(1971),pp307-309））には、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのヘテロ接合を用いた発光ダイオードからの光を光ファイバに結合させる部位の構造が記載されている。

特許文献１（特開２００１−５９９２３号公報）には、半導体発光素子と光ファイバとの結合に関し、半導体発光素子を固定する半導体チップまたは基板に貫通穴を形成し、その貫通穴に光ファイバを通して半導体発光素子と光ファイバとを光接続する構造が記載されている。

また、非特許文献２（応用物理学会 第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集Ｎ０．３ １２５３頁 講演番号27a-W-3、2003年３月２７日から３０日 神奈川大学）には、感光性ポリイミドを用いた自己形成光導波路の形成方法が報告されている。また、この非特許文献２には、光の照射によって光透過部の屈折率が変化する材料の例が記載されている。

また、特許文献２（特開平９−９０１５３号公報）は、複数の光デバイスの間の全部または１部に光屈折率材料を配置し、１つまたは複数の光デバイスから光を照射して光屈折率材料に屈折率分布を付与することにより形成された光デバイス間の片方向または双方向の光結合路を含んだ光コネクタを開示している。このコネクタは、上記複数の光デバイスの少なくとも１つを脱着可能とすることによって、光デバイス間の光結合の簡便化、高効率化を図っている。
特開２００１−５９９２３号公報 特開平９−９０１５３号公報 オプティクス コミュニケーションズ４、４（１９７１年）第３０７頁から第３０９頁（Optics Communications, Volume 4, Number 4(1971),pp307-309） 応用物理学会 第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集N0.3 １２５３頁 講演番号27a-W-3、２００３年３月２７日から３０日 神奈川大学

上記非特許文献１に記載された発光ダイオードと光ファイバの接続構造では、光ファイバの先端部分が発光ダイオードに形成された溝の中へ挿入できるように光ファイバの外形寸法が制約されている。光ファイバの外形寸法が大きい場合には、発光ダイオードに形成される溝の外形も大きくしなければならない。このためには、発光ダイオードの製作工程において、より大面積の半導体結晶部分を除去しなければならず、工程コストが増大するという問題がある。また、半導体結晶が削られることによって結晶基材部が減少するため、結晶全体の力学的強度が低下して変形し易くなるという新たな不具合も発生する。

特許文献１に記載された接続構造においては、半導体チップまたは基板に形成された貫通穴に光ファイバを通す工程で、光ファイバ先端部と貫通穴の内面が機械的に接触するためにゴミが発生し、このゴミが光路の一部を塞ぐ結果、半導体発光素子と光ファイバとの光接続の損失が増大する虞れがある。

本発明の目的は、半導体光素子と光導波路とからなる光接続構造の接合効率を増大させる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明では、光入出力部となる光素子チップの裏面に溝を形成した半導体光素子に光ファイバを結合する構造において、光ファイバ端面を溝内に挿入せず、光素子チップに近接した位置に固定する。このとき、光ファイバ端面と光素子チップの溝部との間に生じる空間には、光透過性の良い樹脂を充填する。この樹脂には、光ファイバを通して導いた光が樹脂内を透過する過程において樹脂の化学的性質が変化し、光学的屈折率が高くなるような材料を用いる。さらに、発光素子の場合は、発光部から出た光が樹脂内を透過する際、樹脂の化学的性質が変化し、それによって光透過部の屈折率が増大する性質を持った樹脂を用いる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

光素子と光ファイバとの結合効率を増大させる構造が簡易に製造できるので、製造、組み立てコストの大幅な削減と製造歩留まりの向上、ならびに製品の信頼性向上が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態による半導体装置の光素子と光ファイバとの結合部の構造を模式的に示す断面図である。ここで光素子は、具体的には半導体レーザあるいは発光ダイオードなどの発光素子を想定している。

光素子チップ１は、発光部２が形成された面を下に向けて配置され、バンプ電極３を介して実装基板４の電極５に接続されている。光素子チップ１と実装基板４との間にはアンダーフィル樹脂６が充填され、発光部２を保護している。

光素子チップ１の上面には溝７が形成されており、この溝７の上方には、光導波路を構成する光ファイバ８の一端面が配置されている。光素子チップ１の上面の溝７は、光入出力用の開口部を構成し、発光部２から出た光を上方の光ファイバ８に効率よく入射させる。すなわち、光素子チップ１の発光部２から出た光は上方に進行し、光入出力用の開口部である溝７を通って光ファイバ８に達するようになっている。図に示すように、光ファイバ８の一端面は、溝７（開口部）よりも上方に配置されている。これにより、光ファイバ８の外形寸法が大きい場合でも、溝７の寸法を小さくできるので、溝７の加工が容易になり、かつ光素子チップ１の力学的強度の低下を防ぐことができる。

光素子チップ１と光ファイバ８とは、光素子チップ１の発光部２から出た光が光ファイバ８のコア９に効率よく入射するように、光軸合わせがなされている。そして、光素子チップ１と光ファイバ８との間には、この光軸がずれるのを防ぐための樹脂１０が充填されている。

上記のように構成された半導体装置を製造するには、まず、図２に示すように、光素子チップ１のバンプ電極３を実装基板４の電極５にフリップチップ接続する。次に、図３に示すように、光素子チップ１の溝７と光ファイバ８の端面とを接近させた後、注射器１２を使ってそれらの間に液状樹脂１０ａを注入する。液状樹脂１０ａの注入は、光素子チップ１の溝７と光ファイバ８の端面とを接近させる前に行ってもよい。いずれの場合においても、光ファイバ８のコア９は、光素子チップ１の発光部２から出る光の進行方向の軸とのずれが少なくなるような位置合わせが必要である。その後、図４に示すように、液状樹脂１０ａを硬化させることにより、光素子チップ１と光ファイバ８との間に樹脂１０を形成する。

光素子チップ１と光ファイバ８との間に樹脂１０を形成した後、図５に示すように、光素子チップ１と光ファイバ８との光結合が高い効率になるよう、光ファイバ８のコア９を通して樹脂１０に青紫色の光や紫外線を照射してもよい。紫外線としては、水銀ランプ光源を利用した波長スペクトル２００ｎｍから５００ｎｍの範囲にまたがるブロードな光を用いたり、あるいは波長４００ｎｍ帯の青紫色のレーザ光を利用してもよい。この光が樹脂１０の光路となる部分に照射されると、樹脂１０の内部に光化学反応が生じ、光に対する屈折率が局所的に高くなる。樹脂１０の材料として、エポキシ系感光性硬化型樹脂を用いた場合、上述の光照射の結果、光ファイバ８のコア９と光素子チップ１の発光部２とが光結合に最適となるよう、樹脂１０の内部に高屈折率部１１が形成された。

光素子チップ１と光ファイバ８との間に樹脂１０を充填した場合としない場合とで、さらに樹脂１０に光を照射して高屈折率部１１を形成した場合としない場合とで、光接続部の光結合特性を評価したところ、樹脂１０を充填しない場合は、光接続損失が１．５〜３デシベル（ｄＢ）であった。そして、長時間にわたる使用の結果、周囲の環境温度変化や機械的振動により、光接続部の結合損失が徐々に増大する傾向が現れた。

一方、樹脂１０を充填した場合は、光接続部の結合損失が０．５〜０．３デシベルに低減された。さらに、樹脂１０の内部に高屈折率部１１を形成した場合は、光接続損失が０．２〜０．５デシベル（ｄＢ）の範囲まで低減した。

本実施の形態では、光素子として発光素子を用いた場合について説明したが、受光素子を用いる場合であっても、本実施の形態と同様な構造および製造工程を適用できる。この場合は、光素子の受光部が光素子チップ１の発光部２に相当する。

（実施の形態２）
図６は、本実施の形態による半導体装置を示す斜視図である。この半導体装置は、１×４アレー状の光素子チップ２４とその制御用ＩＣ（またはＬＳＩ）２２とを１つの実装基板２１上に集積化実装した光インターコネクションモジュールを光ファイバ２６と接続したものである。光素子チップ２４の光取り出し用開口部２５には、光ファイバ２６の端面を接近させ、この部分における光接合効率を向上させるために、本発明の構造を適用している。なお、符号２３は光素子チップ２４のバンプ電極、２７は制御用ＩＣ２２のバンプ電極、２８は光素子チップ２４と制御用ＩＣ２２とを電気的に接続する配線である。

図７は、図６のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。光素子チップ２４は、実装基板２１上にフリップチップ実装された状態で電極部の接続がなされており、光ファイバ２６と光素子チップ２４との光接続部分には、樹脂２８が充填されている。また、光接続部の効率を向上させるために、光路となる樹脂２８の一部が周囲よりも屈折率の高い高屈折率部２９になっている。樹脂材料としてエポキシ系樹脂を用い、１×４アレー状の光素子チップ２４と４本の光ファイバ２６との光接続を評価したところ、接続損失は、０．２〜０．３ｄＢであった。

（実施の形態３）
図８は、本実施の形態による半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、光ファイバの端面を斜め４５度にカットし、光軸が９０度の変換をして接続される構造を有している。

光ファイバ３１のコア３２を伝播する光は、光ファイバ３１の端面３１ａで光路が９０度曲げられ、コア３２の軸に対して垂直の方向に進行する。光ファイバ３１の端面３１ａでは、光ファイバ３１を構成する材料の屈折率が空気の屈折率よりも大きいため、光の全反射が起こり、光路が直角に曲げられる現象を利用している。

前記実施の形態１、２と同様、光素子チップ３３と光ファイバ３１との間には樹脂３４が充填され、樹脂３４の光路となる部分には、高屈折率部３５が形成されている。樹脂３４の材料は、例えばポリイミド系樹脂である。

図９は、上記の接続構造を用いて１×４アレー状の光素子チップ３３と光ファイバ３１とを接続した光モジュール主要部の斜視図である。実装基板３６上には、光素子チップ３３とその制御用ＩＣ３７とがフリップチップ実装され、配線３８を介して電気的に接続されている。４本の光ファイバ３１のコア３２と光素子チップ３３のそれぞれの発光部とは、図８と同じ構造で接続されている。

（実施の形態４）
図１０は、本実施の形態による半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、前記実施の形態３と同様、光ファイバ４１の端面４１ａを斜め４５度にカットし、光軸が９０度の変換をして接続される構造を有しているが、光素子チップ４３は、前記実施の形態１〜３で用いた光素子チップよりも厚さが約１桁薄い１０マイクロメートル（μｍ）程度の薄膜状構造を有している。

光ファイバ４１のコア４２を伝播する光は、光ファイバ４１の端面４１ａで光路が９０度曲げられ、コア４２の軸に対して垂直の方向に進行する。また、光素子チップ４３と光ファイバ４１との間には樹脂４４が充填されている。

図１１は、樹脂４４の光路となる部分に紫外線を照射することによって、高屈折率部４５を形成した構造である。また、図１２は、実装基板４６に搭載された制御用ＬＳＩ４７の上に光素子チップ４３を重ね、この光素子チップ４３と光ファイバ４１との接続を１×４のアレー状にしたモジュールの斜視図である。本実施の形態においても、光素子チップ４３と光ファイバ４１との光接続を評価したが、接続損失は、０．２〜０．３ｄＢであった。

図１３は、制御用ＬＳＩ４７に光素子チップ４３を搭載したものを半田バンプ４８を介して実装基板４６にフリップチップ実装したモジュールの斜視図である。この場合、光ファイバ４１は、実装基板４６に形成された溝４９の内部に嵌め込まれ、位置ずれしないように固定されている。

図１４は、図１３に示すモジュールを光導波路（光ファイバ４１）の光軸に並行な方向から見た断面図である。樹脂４４は、光透過性を有する樹脂からなり、エポキシ系、ポリイミド系いずれの樹脂も使用できる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、コンピュータによるネットワークを介した大容量情報通信に不可欠の半導体装置における光接続構造に適用することができる。

本発明の一実施の形態である半導体装置における光素子と光ファイバとの結合部の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施の形態である半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図２に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図３に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図４に続く半導体装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す斜視図である。 図６のＡ−Ｂ線に沿った断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施の形態である半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 光素子チップ
２ 発光部
３ バンプ電極
４ 実装基板
５ 電極
６ アンダーフィル樹脂
７ 溝
８ 光ファイバ
９ コア
１０ 樹脂
１０ａ 液状樹脂
１１ 高屈折率部
１２ 注射器
２１ 実装基板
２２ 制御用ＩＣ
２３ バンプ電極
２４ 光素子チップ
２５ 開口部
２６ 光ファイバ
２７ バンプ電極
２８ 樹脂
２９ 高屈折率部
３１ 光ファイバ
３１ａ 端面
３２ コア
３３ 光素子チップ
３４ 樹脂
３５ 高屈折率部
３６ 実装基板
３７ 制御用ＩＣ
３８ 配線
４１ 光ファイバ
４１ａ 端面
４２ コア
４３ 光素子チップ
４４ 樹脂
４５ 高屈折部
４６ 実装基板
４７ 制御用ＬＳＩ
４８ 半田バンプ
４９ 溝

Claims (5)

1. 光入出力用の開口部が形成された半導体光素子と、光の入出力を行う光導波路とからなる光接続構造を有する半導体装置であって、
   前記光導波路の端面が前記半導体光素子の開口部の外に位置しており、前記半導体光素子と前記光導波路との間に樹脂が充填されていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、前記半導体光素子と前記光導波路との間に充填された前記樹脂の一部には、光の屈折率が周囲よりも高い高屈折率部が形成されていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１または２記載の半導体装置において、前記光導波路の前記端面は、前記光導波路の光軸に対して斜めに形成され、前記半導体光素子は、前記光導波路のコアに対して直角の方向に光の入出力を行うことを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１、２または３記載の半導体装置において、前記半導体光素子に前記光導波路が複数接続されていることを特徴とする半導体装置。
5. 光入出力用の開口部が形成された半導体光素子と、光の入出力を行う光導波路とからなる光接続構造を有し、
   前記光導波路の端面が前記半導体光素子の開口部の外に位置しており、前記半導体光素子と前記光導波路との間に樹脂が充填されている半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体光素子と前記光導波路との間に前記樹脂を充填した後、前記光導波路を通じて前記樹脂の一部に紫外線を照射することにより、前記樹脂の一部に光の屈折率が周囲よりも高い高屈折率部を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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