JP2006003818A

JP2006003818A - 半導体集積回路チップ及びその製造方法

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Publication number: JP2006003818A
Application number: JP2004182703A
Authority: JP
Inventors: Teruhito Matsui; 輝仁松井; Katsumichi Itou; 克通伊東; Hideo Kikuchi; 秀雄菊地
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; NEC Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; NEC Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】光半導体素子と光導波路を精度良くかつ安定した状態で結合させることが可能な光電気変換機構を備えた半導体集積回路チップ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電子回路が形成された半導体集積回路基板２に形成された、光信号伝送を行うための光半導体素子５及び光導波路６を配設するための構造と、上記光半導体素子５から出射又は上記光半導体素子に入射される光を光路変換させて上記光導波路６と結合させる光学的な反射部４とを含む光電気変換機構を備え、またこれらを半導体集積回路基板の一部を写真製版技術等を使用して加工して形成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、プリント基板内での半導体集積回路チップ間の光信号伝送のための光電気変換機構を有する半導体集積回路チップ及びその製造方法に関する。

半導体集積回路(ＬＳＩ)チップの動作速度の高速化が進んでいる。これに対して、半導体集積回路チップ間の信号伝送はこれらが搭載されているプリント配線板上の電気配線を利用するが、この電気配線の信号伝送速度の制約が電子機器の高速化のネックとなっている。これを解決する方法として、電気配線の替わりに光導波路を使った光伝送が注目されている。このためには電気を光に変換し光導波路と結合する(あるいはその逆の変換を行う)光電気変換機構が必要となる。従来の光電気変換機構は一般的に、配線板内に基板面と平行に延び、配線板に搭載された光半導体素子から配線板面に向けて出射された光が結合されるように端面に４５°の角度の反射面が形成された光導波路が利用されており、光半導体素子をこの光導波路に対して光学的に調整しながら配線板に接合している(非特許文献１参照)。

Yuzo Ishii他著「SMT-Compatible Optical-I/O Chip Packaging for Chip-Level Optical Interconnects」、2001 Electronic Components and Technology Conference、(IEEE)、２００１年、p.８７０

従来の光電気変換機構にあっては、光半導体素子の出射光の中心が、光導波路に形成された４５°の反射面の中心にくるよう光学的な位置決めをした後、光半導体素子を固定するが、高い位置決め精度が要求される。また光導波路をプリント配線板に接合して形成した後、電子部品を搭載接合するために加熱すると光導波路の位置がずれたり、光導波路の材質が変質する可能性があり光学的な特性が変動する。また、周囲の雰囲気温度の変動によっても、光導波路に対して光半導体素子の位置ずれが生じ、信号の伝送特性が変動する。また、光半導体素子と光導波路が光学的にうまく結合できたかどうか組み立て時に測定し難いなどの問題があった。また、光導波路をプリント配線板の表面に接合する場合は、搭載部品の凹凸や電気配線が妨げとなり、自由に配置接合することが困難であるという問題もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、光半導体素子と光導波路を精度良くかつ安定した状態で結合させることが可能な光電気変換機構を備えた半導体集積回路チップ及びその製造方法を提供することを目的とするものである。

この発明は、電子回路が形成された半導体集積回路基板に形成された、光信号伝送を行うための光半導体素子及び光導波路を配設するための構造と、上記光半導体素子から出射又は上記光半導体素子に入射される光を光路変換させて上記光導波路と結合させる光学的な反射部と、を含む光電気変換機構を備えたことを特徴とする半導体集積回路チップにある。

また、電子回路が形成された半導体集積回路基板の一部を写真製版技術を使用して加工し、光信号伝送を行うための光半導体素子及び光導波路を配設するための構造、及び上記光半導体素子から出射又は上記光半導体素子に入射される光を光路変換させて上記光導波路と結合させる光学的な反射部を含む光電気変換機構を形成することを特徴とする半導体集積回路チップの製造方法にある。

光半導体素子と光導波路を精度良くかつ安定した状態で結合可能な光電気変換機構を備えた半導体集積回路チップが提供できる。

実施の形態１．
図１はプリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態１による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図であり、(ａ)は１つの半導体集積回路チップの発光側の光電気変換機構を拡大して示したもの、(ｂ)は２つの半導体集積回路チップが光導波路(アレイ)で接続されている状態を示す。光電気変換機構は、プリント配線板９上に実装された半導体集積回路チップ１のシリコン半導体基板(半導体集積回路基板)２の電子回路が形成されたおもて面の電子回路面３と反対側の裏面側(図では上側)に主に形成された反射面(４５°反射面)４、面発光レーザ等からなる半導体発光素子(アレイ)５、光導波路(アレイ)６、光導波路６を受け入れる位置決め用の溝６０、半導体発光素子５のための駆動用集積回路チップ８、絶縁膜１１、配線１２、貫通配線１０、さらに(ｂ)に示される半導体受光素子(アレイ)１４及びこれのための受信用集積回路チップ１５、並びに光導波路(アレイ)６間を接続する光コネクタ１６より構成される。なお、半導体集積回路チップ１、半導体発光素子５、駆動用集積回路チップ８等の実装にははんだんバンプ１３を使用している。また図１の(ａ)のA-A'線に沿った断面図は後述する図２の(ｂ)に示すものと基本的に同じである。図２の(ｂ)において光導波路６は２本の場合を示したが、本数はこれに限定されない。光導波路６は溝６０に配置されている。

図１の(ａ)を参照すると、半導体集積回路チップ１の半導体基板２の裏面上に光を偏向させる反射面４が形成され、また半導体基板２には半導体発光素子５、光導波路６、溝６０、駆動用集積回路チップ８が所定位置に取り付けられている。半導体基板２の電子回路面３からの電気信号は貫通配線１０を通して駆動用集積回路チップ８に送られ、所定の信号に変換された後、半導体発光素子５を駆動し、光信号に変換される。半導体発光素子５から出射された光は、４５°の反射面４により反射され、光路７が９０°偏向され光導波路６に導入される。なお受光側の構成も基本的には図１の(ａ)のものとほぼ同じで、半導体発光素子５、駆動用集積回路チップ８がそれぞれ半導体受光素子１４、受信用集積回路チップ１５に代わり、また光路７の矢印の方向が逆になる。これは以下の各実施の形態でも同様であり、また以下では主として発光側について説明するが、この発明は半導体受光素子１４、受信用集積回路チップ１５を備えた受光側も含む。

半導体発光素子５等の光関係の素子は半導体基板２の裏面に搭載されているため、既存の半導体集積回路チップ１の電子回路面３を大幅に変更することなく、光電気変換機構を実現することができる。また裏面を使用することにより、半導体基板２の面積を増やすことなく光駆動装置を組み込むことが可能である。図１の(ｂ)のように光導波路６を空間的に配置することにより、プリント配線板９上の電子回路部品に影響を与えることなく半導体集積回路チップ１間を接続でき、実装できる。

また、プリント配線板９に搭載された半導体集積回路チップ１相互間の光信号のやり取りを示す図１の(ｂ)では、図面の右側の半導体集積回路チップ１の半導体基板２には半導体発光素子５と半導体受光素子１４が搭載されており(従って駆動用集積回路チップ８及び受信用集積回路チップ１５も搭載されている)、可撓性を有する光導波路６を介して光電気変換機構間が相互に接続されていて、半導体発光素子５と半導体受光素子１４が光導波路６で結ばれている。そして必要に応じて光導波路６には光コネクタ１６が使用される。

この構造によれば、光路変換用の反射面４を半導体基板２の裏面に作り付けるようにしているため、新たに反射面を持つ光学装置等を設ける必要がなく、また光電気変換のためにプリント配線板９の面積を増やす必要もなく、部品点数も少なくて済む利点がある。半導体基板２の裏面に形成する反射面４の位置、半導体発光及び受光素子(光半導体素子)５、１４の位置、光導波路６を固定する位置を決めるための配設構造(溝６０、反射面４、配線１２、さらには位置決めのためのマーカや溝(図示せず))を、半導体集積回路チップ１の半導体基板２の電子回路面３の作製と同様、写真製版技術で作製することができるので、光学的な調整が容易であるだけでなく、位置精度の高いものが得られる。また、半導体基板２上で光導波路６を取り付けるため光軸合わせの調整も容易である。

本発明の光電気変換機構は半導体基板２、反射面４、光半導体素子５，１４、駆動用集積回路チップ８、受信用集積回路チップ１５、光導波路６を一体化して構成しているため、他の半導体集積回路チップや電気部品と同様にプリント配線板９に搭載するだけでよく、プリント配線板に光導波路が配設されている場合のようにプリント配線板上で光半導体素子の光導波路との光軸合わせをする必要がなく、調整が容易となる。また、プリント配線板９の線膨張係数は、半導体基板２や光半導体素子５，１４に比べて１桁大きいため、温度変化等により光軸の位置ずれが生じる。このため光学的変動が発生し、光信号の安定性に問題があるが、本発明の光電気変換機構は一体化されているため温度差による変動を受け難いため、熱的安定性に優れ、機械的強度にも優れている。さらに、可撓性に優れたフレキシブル型の光導波路６を利用して空間配線しているため、プリント配線板上の他の部品を妨げることなく、実装の自由度が確保されている。

従って、プリント配線板上に電子部品が高密度に実装されていても、本発明の光電気変換機構は半導体集積回路チップの面積を殆ど変えることなく光電気変換が実現できるため、プリント配線板上の面積の制約も少なくかつ光学的に安定した状態で搭載することができる。

なお、上記半導体基板の加工は、機械的加工のみならず写真製版技術と薬品によるウエットエッチング技術、あるいはガスによる半導体加工プロセスのドライエッチング技術が利用できる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図であり、(ａ)は１つの半導体集積回路チップの発光側の光電気変換機構を示したもの、(ｂ)は(ａ)のA-A'線に沿った断面図である。また図３は図２の凹面ミラー部分を拡大して示した断面図である。図において上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する(以下同様)。上記実施の形態１では反射面が平面で構成されていたが、この実施の形態２では反射面を凹面形状に加工し、凹面ミラー１７とすることにより、そのレンズ作用によって、半導体発光素子５と光導波路６をより効率よく結合することが可能である。半導体発光素子５は半導体基板２の配線１２を通して駆動用集積回路チップ８により電気信号で駆動される。

図３に示すように、ここでは加工された半導体基板２の傾斜面に厚い金(Ａｕ)の膜を形成し、この表面を凹面状に加工することにより凹面ミラー１７を形成している。通常のシリコン半導体の(１００)基板において、液体によるエッチング加工で斜面を形成した場合は、(１１１)面が被エッチング面となり、基板表面に対して５４.７°の角度を持つが、これは通常必要な角度４５°面ではない。しかし、この斜面に反射率の高い金属膜を厚く被覆し、球面加工することにより、レンズ作用を持たせるとともに球面の法線を基板２の表面に対して４５°の角度になるように調整することができる。これにより、基板の被エッチング面に拘わらず、光を直角方向に偏向させ、光半導体素子５、１４と光導波路６を効率よく結合することが可能になる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による発光側の光電気変換機構を示した断面図である。図４では、半導体基板２の裏面を直接凹面状に凹面加工部１８として加工し、さらに反射率を上げるためにこの凹面加工部１８表面に反射膜１９を形成してレンズ作用を持たせたもので、これによっても、実施の形態２の場合と同様の効果が得られる。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図であり、(ａ)は１つの半導体集積回路チップの発光側の光電気変換機構を示したもの、(ｂ)は(ａ)のB-B'線に沿った断面図であって光導波路を樹脂ガイドの間に嵌め込んで固定する状態を示す。この実施の形態では図５に示すように、光導波路６を半導体基板２に対して精度良く位置合わせしかつ支持固定するために、楔形の断面形状を有しかつ弾力性を持つ支持体として樹脂ガイド２０を半導体基板２側に設置したものである。この樹脂ガイド２０に光導波路６を嵌め込むことにより自動的に所定の位置に固定することが可能となる。

実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図であり、(ａ)は１つの半導体集積回路チップの発光側の光電気変換機構を示したもの、(ｂ)は(ａ)のC-C'線に沿った分解断面図であって光導波路を樹脂ガイドの間に嵌め込んで固定する状態を示す。この実施の形態では図６に示すように、半導体発光素子５及び駆動用集積回路チップ８を別の半導体基板であるシリコン(半導体)配線板２１に搭載し、この配線板２１を半導体基板２上に接合したものである。配線板２１には、半導体発光素子５と駆動用集積回路チップ用８の配線１２が形成されている。この場合は、樹脂ガイド２０は図６の(ｂ)に示すようにこの配線板２１の半導体基板２側の面に形成してもよく、光導波路６をこれらの樹脂ガイド２０に嵌め込むだけで、予め半導体発光素子５と所定の位置関係になるように構成できる。なおこの実施の形態の場合、溝６０に代わって光導波路６と樹脂ガイド２０を受け入れる隙間部６１、そして光半導体素子５，１４との間の光路７が通過する孔部６２が形成される。

実施の形態６．
上記各実施の形態では半導体集積回路チップの電子回路面と反対の半導体基板裏面に光電気変換機構の主要部を形成する場合について述べたが、この実施の形態６のように光電気変換機構の主要部である反射面４、半導体発光素子５、光導波路６、溝６０、駆動用集積回路チップ８、半導体受光素子１４及び受信用集積回路チップ１５等を半導体集積回路チップ１の半導体基板２の電子回路面３側に搭載してもまたよい。図７はこの発明の実施の形態６による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図であり、(ａ)は半導体集積回路チップ１を電子回路面３が上向きになるようにプリント配線板９に実装した場合、(ｂ)は半導体集積回路チップ１を電子回路面３が下向きになるようにプリント配線板９に実装した場合をそれぞれ示している。特に図７の(ｂ)に示すよう電子回路面３が下向きになるように実装した場合にでは、半導体(集積回路)基板２に裏面への配線用の貫通配線１０の加工が要らないという利点がある。このようにしても実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。

実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図であり、図８では半導体基板２が半導体発光素子５の発光波長に対して透明である場合の実施の形態を示したものである。この場合、半導体発光素子５は半導体基板２の電子回路面３側に搭載可能である。電子回路面３と反対の面に反射面２２が形成されている。半導体発光素子５から出射された光は半導体基板２内を透過し、反射面２２にて反射され、９０°偏向された後、光導波路６に結合される。反射面２２には反射効率を上げるため反射膜２３が形成されている。４５°の反射面は半導体の屈折率がおおよそ３.５と空気に比べて大きいため、半導体表面で全反射されるが、反射膜２３を形成しておくことにより、さらに安定的に高反射率が期待される。高い屈折率を持つ半導体基板２内に光を透すことにより、半導体発光素子５からの光の拡がりが空気中より抑制され、半導体発光素子５と光導波路６の距離が離れていても結合効率が落ちない効果がある。また、半導体発光素子５、駆動用集積回路チップ８(図示省略)を半導体基板２の電子回路面３に搭載することにより、貫通配線の加工が不要になる効果もある。半導体基板２の裏面には光導波路６を固定するためのガイド溝２４が形成されている。ここで利用される半導体発光素子５は、基板にＧａＡｓ、ＩｎＰといった化合物半導体が利用され、発光層にはＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓといった化合物で構成され、発光波長は１.２〜１.５５μｍであり、シリコン半導体基板はこれらの波長に対して透明であることを本発明では利用している。これは受光側の場合も同様である。

実施の形態８．
図９はこの発明の実施の形態８による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図であり、図９では実施の形態７の反射面２２を曲面加工して曲面反射面２５とし、レンズ作用を持たせたものである。半導体発光素子５の発光点と光導波路６の距離が離れている場合においても結合効率を落とすことなく光の結合が可能である。さらに、反射面２５には他の実施の形態と同様に反射効率を向上させるため、反射膜２３が形成されている。これは受光側の場合も同様である。

なお上記各実施の形態では、半導体発光素子５、駆動用集積回路チップ８、半導体受光素子１４及び受信用集積回路チップ１５を半導体集積回路チップ１と別の半導体チップで構成された例を示したが、半導体集積回路チップ１の半導体基板２内に形成してもよく、また、駆動用集積回路チップ８や受信用集積回路チップ１５に半導体発光素子５や半導体受光素子１４をそれぞれ搭載する構成にしても同様の効果が得られる。また、上記実施の形態４、５に関する樹脂ガイド２０は他の実施の形態でも実施可能であり、精度よく光導波路６を固定することができる。

また、半導体基板２の加工は、機械的加工のみならず写真製版技術と薬品によるウエットエッチング技術、あるいは、ガスによる半導体加工プロセスのドライエッチング技術が利用できる。また、半導体発光素子５は面発光レーザのみならず、端面発光レーザや発光ダイオードであってもよい。また、光導波路としてはポリマー製の光導波路でもガラス製の光ファイバでもよい。さらに、外部から塵埃等を防ぐため光導波路と半導体基板との繋ぎ部分(光結合装置)にシールやキャップを施してもよい。さらに、プリント配線板内の半導体集積回路チップ間相互の光伝送の例を示したが、プリント配線板間や装置間の光伝送にも適用できることは言うまでもない。さらに、上記実施の形態では、半導体基板の反射面の角度が４５°となる場合について説明したが、光導波路の位置等の関係から必要に応じて角度を変更してもよい。

最後にこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、当然ながらこれらの実施の形態の可能な組み合わせも含む。

プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態１による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態２による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。実施の形態２の反射部の拡大図である。プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態３による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態４による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態５による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態６による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態７による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。プリント配線板に実装されたこの発明の実施の形態８による光電気変換機構を搭載した半導体集積回路チップの断面図である。

符号の説明

１半導体集積回路チップ、２シリコン半導体基板(半導体集積回路基板)、３電子回路面、４ (４５°)反射面、５半導体発光素子アレイ(光半導体素子)、６光導波路、７光路、８駆動用集積回路チップ、９プリント配線板、１０貫通配線、１１絶縁膜、１２配線、１３はんだバンプ、１４半導体受光素子アレイ(光半導体素子)、１５受信用集積回路チップ、１６光コネクタ、１７凹面ミラー、１８凹面加工部、１９反射膜、２０樹脂ガイド、２１シリコン(半導体)配線板、２２反射面、２３反射膜、２４ガイド溝、２５曲面反射面、６０溝、６１隙間部、６２孔部。

Claims

電子回路が形成された半導体集積回路基板に形成された、光信号伝送を行うための光半導体素子及び光導波路を配設するための構造と、上記光半導体素子から出射又は上記光半導体素子に入射される光を光路変換させて上記光導波路と結合させる光学的な反射部と、を含む光電気変換機構を備えたことを特徴とする半導体集積回路チップ。
上記反射部が半導体集積回路基板に形成された反射面に反射膜を設けたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路チップ。
上記反射部が半導体集積回路基板に形成された反射面がレンズ状の曲面形状を有するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体集積回路チップ。
上記半導体集積回路基板に光導波路を位置決め固定するための支持体をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体集積回路チップ。
上記半導体集積回路基板上に上記光半導体素子を含む光電気変換のための回路を搭載すると共に上記光半導体素子の光路のための孔部を設けた半導体配線板をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体集積回路チップ。
上記光電気変換機構が上記半導体集積回路基板の電子回路が形成された面と反対側に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体集積回路チップ。
上記光電気変換機構が上記半導体集積回路基板の電子回路が形成された面側に形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体集積回路チップ。
上記光電気変換機構を形成した上記半導体集積回路基板の電子回路が形成された面側が上記半導体集積回路基板の実装面側であることを特徴とする請求項７に記載の半導体集積回路チップ。
上記半導体集積回路基板が上記光半導体素子で使用する光を透過するものであり、上記反射部及び光導波路がその他の上記光電気変換機構と上記半導体集積回路基板の反対側に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の半導体集積回路チップ。
電子回路が形成された半導体集積回路基板の一部を写真製版技術を使用して加工し、光信号伝送を行うための光半導体素子及び光導波路を配設するための構造、及び上記光半導体素子から出射又は上記光半導体素子に入射される光を光路変換させて上記光導波路と結合させる光学的な反射部を含む光電気変換機構を形成することを特徴とする半導体集積回路チップの製造方法。