JP2006171641A - 光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッド、加工装置および光導波シートのミラー面の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】設計変更に対応できるような設計の自由度を保つことが容易に可能であり、少量多品種の生産に対応することができる光電子装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】キャピラリ部2の先端に設けられた加工ヘッド1であって、加工ヘッド1の先端部は、加工ヘッド1の対称軸AXに対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面1aおよび第2面1bを有し、クラッド30aとクラッド内に埋め込まれたコア30bを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シート30に対して、光導波路の端部となる位置に加工ヘッド1が打ち込まれたときに、光導波路の端部に第1面1aおよび第2面1bの形状が転写されてミラー面MRが形成される構成の加工ヘッドとする。
【選択図】図1
【解決手段】キャピラリ部2の先端に設けられた加工ヘッド1であって、加工ヘッド1の先端部は、加工ヘッド1の対称軸AXに対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面1aおよび第2面1bを有し、クラッド30aとクラッド内に埋め込まれたコア30bを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シート30に対して、光導波路の端部となる位置に加工ヘッド1が打ち込まれたときに、光導波路の端部に第1面1aおよび第2面1bの形状が転写されてミラー面MRが形成される構成の加工ヘッドとする。
【選択図】図1
Description
本発明は光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッド、加工装置および光導波シートのミラー面の形成方法に関し、特に光信号を出射する発光部を含む半導体チップと、光信号を受光する受光部を含む半導体チップとを光学的に接続する光導波シートのミラー面の形成用の加工ヘッド、加工装置、およびミラー面の形成方法に関する。
近年、半導体技術の進展は目覚しく、特にCPUや高速ロジックのLSI世界ではクロック周波数が既にGHzオーダーを超えるに至っている。
また、特に近年においては、4000x2000ピクセルのような超高解像度画像データの取り扱いや、これを高速フレームレートで画像をキャプチャーするカメラや再生するディスプレイなどの開発が活発化し、これらの画像データを加工せずに種々の装置間で引き回す必要性も生じてきている。
例えば上記4000x2000ピクセル、240フレームで10ビットx3色の場合のデータレートは57.6Gbpsで、非常に大きなデータレートとなってしまう。
GHzを超える信号の配線には、LSIの内部、外部、或いはシステム間を問わず、従来問題とならなかった数多くの課題があり、これらを解決する事が近々のシステムの性能向上面、或いは半導体の更なる集積化、高速化において非常に重要な要素となっている。
それらの課題とは、信号の歪み(Signal Integrity)、電気的配線の周波数限界、配線のロス、配線の遅延、配線からの輻射、信号のSkew、配線駆動に関わる消費電力の増大などである。
それらの課題とは、信号の歪み(Signal Integrity)、電気的配線の周波数限界、配線のロス、配線の遅延、配線からの輻射、信号のSkew、配線駆動に関わる消費電力の増大などである。
これらの課題を克服するために、AlやCuといった金属を用いた電気配線の変わりに光を配線に用いようとする試みがある。
これらの試みのうち、例えば、ボード内、あるいはボード間の接続を光導波路を用いて光で信号伝達を行う手法が研究されている。
特に、近年LSIチップ中あるいは異なるLSIに供給するクロックのSkew(タイミング差)が問題とされ、ボード上や、LSI上の配線においても完全等長配線を用い、Hバーと称せられるHの字のような形状を有する光配線にクロックを分配して配線Skewを抑える試みも数多くなされている。
上記のような光導波路を用いた光配線構造においては、通常、光信号から電気信号へ、あるいは電気信号から光信号への変換が必要であるが、多くの場合、アセンブリプロセスの簡便性や配線のしやすさ、又製造コストの観点から、発光素子としてはVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、受光素子としてはPIN−PDなどの面型デバイスを用いて、これらのデバイスの光入出力面が水平な向きとなるようにして、LSI上やボード上などに実装することが多い。
上記のような光配線を有する構成においては、発光素子や受光素子と光導波路との効率的な光結合が不可欠であり、多くのケースでは、光導波路の端部を光導波方向に対して45°の角度を有するミラー面に加工し、このミラー面において光の伝播方向を90°屈曲させる構成としている。
上記の45°ミラー面の形成方法としては、例えば、半導体チップなどをカットするダイサーのブレード(刃)を90°に研磨して用いる方法が広く行われている。
まず、図8(a)および図8(a)の側面からの図面に相当する図8(b)に示すように、ダミー基板150上に剥離層151を形成した後、この上層に、第1の屈折率のクラッド130aと、クラッド130aの内部において光導波方向に延伸するパターンを有し、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するコア130bからなる光導波シート130を形成する。
次に、上記の構成の光導波賂の端面となる部分において、上記のように刃先が90°に研磨されたダイサーを用いて、コアとこれを被覆するクラッドを完全に、あるいは上面からコアの深さまで、カットする。
まず、図8(a)および図8(a)の側面からの図面に相当する図8(b)に示すように、ダミー基板150上に剥離層151を形成した後、この上層に、第1の屈折率のクラッド130aと、クラッド130aの内部において光導波方向に延伸するパターンを有し、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するコア130bからなる光導波シート130を形成する。
次に、上記の構成の光導波賂の端面となる部分において、上記のように刃先が90°に研磨されたダイサーを用いて、コアとこれを被覆するクラッドを完全に、あるいは上面からコアの深さまで、カットする。
上記のダイサーによるカットの結果、図8(c)に示すように、クラッド130aとコア130bからなる光導波シート130にV次溝Vが形成される。このV字溝Vの壁面がミラー面MRとなる。
上記の方法によれば、比較的反射率の高い良好な45°ミラー面が得られるものの、長手方向の精度がダイサーの位置あわせ精度で決まってしまい、あまり精度が良くない。また、ミラー面となる光導波路端部が一列に並んだ複数の光導波路の加工には適しているが、光導波路端部が千鳥状に配置して構成された複数の光導波路のミラー面の加工には対応できないという欠点があった。
また、上記の45°ミラー面を形成する別の方法として、RIE(反応性イオンエッチング)などのドライエッチング法を用いる方法が知られている。
まず、図9(a)に示すように、上記と同様にして、コア130bとこれを被覆するクラッド130aからなる光導波シート130を形成する。さらに光導波シート130の上層に、光導波賂の端面となる部分を開口するパターンのレジスト膜Rをパターン形成する。
まず、図9(a)に示すように、上記と同様にして、コア130bとこれを被覆するクラッド130aからなる光導波シート130を形成する。さらに光導波シート130の上層に、光導波賂の端面となる部分を開口するパターンのレジスト膜Rをパターン形成する。
次に、図9(b)に示すように、ダミー基板150を45°傾けた状態で、RIE(反応性イオンエッチング)などの垂直加工が可能なドライエッチングを施す。エッチングガスは、基板面に対して所定の角度β(45°)で入射する。
上記のようにエッチングした結果、図9(c)に示すように、クラッド130aとコア130bからなる光導波シート130に、コア30bの光導波方向に対して傾きを有する内壁面を有する開口部Pが形成される。開口部Pの内壁面がミラー面MRとなる。
上記の方法では、通常、レジストの材料と導波路の材料のエッチング選択比を大きく取ることが難しく、また、エッチング中のマスクの後退などに起因して、高い加工精度を得るのが難しい。さらに、45°に傾けた状態でのエッチング処理では、対象とする基板が大きくなると、限られたエッチングチャンバ中では、加工角度あるいはエッチングレートにおいて均一性を得るのが非常に困難となるという問題もある。
解決しようとする問題点は、上記のような方法では、設計変更に対応できるような設計の自由度を保つことが困難であり、少量多品種の生産に対応することが困難であるという点である。
上記の課題を解決するため、本発明の光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッドは、キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドであって、前記加工ヘッドの先端部は、前記加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有し、クラッドと前記クラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、前記光導波路の端部となる位置に前記加工ヘッドが打ち込まれたときに、前記光導波路の端部に前記第1面および前記第2面の形状が転写されてミラー面が形成される。
上記の本発明の加工ヘッドは、キャピラリ部の先端に設けられており、加工ヘッドの先端部は、加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有する。この加工ヘッドが、クラッドとクラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、光導波路の端部となる位置に打ち込まれると、光導波路の端部に第1面および第2面の形状が転写されてミラー面が形成される。
また、上記の課題を解決するため、本発明の光導波シートのミラー面形成用の加工装置は、キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドを有する加工装置であって、前記加工ヘッドの先端部は、前記加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有し、クラッドと前記クラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、前記光導波路の端部となる位置に前記加工ヘッドが打ち込まれたときに、前記光導波路の端部に前記第1面および前記第2面の形状が転写されてミラー面が形成される。
上記の本発明の加工装置は、キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドを有し、前記加工ヘッドの先端部は、加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有する。この加工ヘッドが、クラッドとクラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、光導波路の端部となる位置に打ち込まれたときに、光導波路の端部に第1面および第2面の形状が転写されてミラー面が形成される。
また、上記の課題を解決するため、上記の本発明の光導波シートのミラー面の形成方法は、クラッドと前記クラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、前記光導波路の端部となる位置に、キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドであって、前記加工ヘッドの先端部が前記加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有する前記加工ヘッドを打ち込む工程と、前記光導波シートから前記加工ヘッドをリリースし、前記光導波路の端部に前記第1面および前記第2面の形状を転写してミラー面を形成する工程とを有する。
上記の本発明の光導波シートのミラー面の形成方法は、まず、クラッドとクラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、光導波路の端部となる位置に、キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドであって、加工ヘッドの先端部が加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有する加工ヘッドを打ち込む。
次に、光導波シートから前記加工ヘッドをリリースする。これにより、光導波路の端部に第1面および第2面の形状を転写し、ミラー面を形成する。
次に、光導波シートから前記加工ヘッドをリリースする。これにより、光導波路の端部に第1面および第2面の形状を転写し、ミラー面を形成する。
本発明の光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッドを用いて加工すると、設計変更に対応できるような設計の自由度を保つことが容易に可能であり、少量多品種の生産に対応することができる。
本発明の光導波シートのミラー面形成用の加工装置を用いて加工すると、設計変更に対応できるような設計の自由度を保つことが容易に可能であり、少量多品種の生産に容易に対応することができる。
本発明の光導波シートのミラー面の形成方法により、クロックなどの光信号を伝達する光導波シートを形成するのに、設計変更に対応できるような設計の自由度を保つことが容易に可能であり、少量多品種の生産に対応して製造することができる。
以下に、本発明に係る光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッド、加工装置および光導波シートのミラー面の形成方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
第1実施形態
図1(a)は、本実施形態に係る光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッドを備えた加工装置の加工ヘッド部分の模式的斜視図である。
加工ヘッド1が略円筒形のキャピラリ2の先端に形成されており、キャピラリ2の加工ヘッド1と反対側の端部がキャピラリ保持部3によって保持されている。
図1(a)は、本実施形態に係る光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッドを備えた加工装置の加工ヘッド部分の模式的斜視図である。
加工ヘッド1が略円筒形のキャピラリ2の先端に形成されており、キャピラリ2の加工ヘッド1と反対側の端部がキャピラリ保持部3によって保持されている。
図1(b)は本実施形態に係る加工ヘッドの一側面図であり、図1(c)は図1(b)と直行する側からの側面図である。
加工ヘッド1の先端部は、加工ヘッド1の対称軸AXに対して所定の角度α(45°)の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面1aおよび第2面1bを有する。
上記の加工ヘッドは、クラッドとクラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、光導波路の端部となる位置に打ち込まれると、光導波路の端部に第1面1aおよび第2面1bの形状が転写されてミラー面が形成されるような形状となっている。
加工ヘッド1の先端部は、加工ヘッド1の対称軸AXに対して所定の角度α(45°)の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面1aおよび第2面1bを有する。
上記の加工ヘッドは、クラッドとクラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、光導波路の端部となる位置に打ち込まれると、光導波路の端部に第1面1aおよび第2面1bの形状が転写されてミラー面が形成されるような形状となっている。
上記の本実施形態の加工ヘッドは、好ましくは加工ヘッドを加熱する加熱手段を備えている。
光導波シートの加工において、例えば光導波シートが熱可塑性材料から構成される場合には熱を印加することで光導波シートを軟化させ、加工しやすくすることができる。あるいは、例えば光導波シートが熱硬化性材料から構成される場合には、加工した形状を保持するように熱を印加して硬化させることができる。いずれの場合でも、加熱温度は光導波シート材料の熱分解温度以下とする。
光導波シートの加工において、例えば光導波シートが熱可塑性材料から構成される場合には熱を印加することで光導波シートを軟化させ、加工しやすくすることができる。あるいは、例えば光導波シートが熱硬化性材料から構成される場合には、加工した形状を保持するように熱を印加して硬化させることができる。いずれの場合でも、加熱温度は光導波シート材料の熱分解温度以下とする。
また、上記の加工ヘッド1は、好ましくは、アルミナ、アルミナイトライド、シリコンカーバイド、ボロンナイトライドなどのセラミック、サファイヤ、ルビー、ダイヤモンドなどの人工鉱物、ステンレス、タングステン、チタンなどの金属や金属合金、タングステン、チタン、アルミニウム、シリコン、タンタルなどの炭化物、窒化物、炭窒化物などのいわゆる超鋼合金、およびこれらの超鋼合金にコバルト、ニッケル、クロム、モリブデンなどの添加物を加えたもの、などから構成されている。
第1面1aおよび第2面1bの対称軸AXに投影した長さLは、この加工ヘッド1により加工される光導波シートの加工すべき厚さ以上に設定され、少なくともコアの下面までの厚さ以上であり、例えば光導波シート全体の厚さとする。
また、第1面1aおよび第2面1bの幅Wは、この加工ヘッド1により加工される光導波シートにおけるコアの幅以上に設定される。
また、第1面1aおよび第2面1bの幅Wは、この加工ヘッド1により加工される光導波シートにおけるコアの幅以上に設定される。
上記の加工ヘッドを用いて光導波シートのミラー面を形成する方法について説明する。
まず、加工される光導波シートとして、図2(a)に示すように、シリコンあるいはガラスなどのダミー基板50上に剥離層51を形成した後、この上層に光導波シート30を形成する。即ち、剥離層51上にクラッド材料を塗布し、キュア処理を行った後、コア材料を塗布し、パターン露光および現像処理により所定のパターンに加工し、さらに再びクラッド材料を塗布し、平坦化してシート状に加工する。
上記のようにして、第1の屈折率のクラッド30aと、クラッド30aに被覆されて、例えばストライプ状に光導波方向に延伸するパターンを有し、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するコア30bを有し、シート状に成形された光導波シート30を形成する。
剥離層51は、熱可塑性の樹脂、光導波シートを構成する樹脂材料と密着性の悪いチタン/銅積層体、特定の酸に溶解する酸化シリコン膜などを用いることができる。
まず、加工される光導波シートとして、図2(a)に示すように、シリコンあるいはガラスなどのダミー基板50上に剥離層51を形成した後、この上層に光導波シート30を形成する。即ち、剥離層51上にクラッド材料を塗布し、キュア処理を行った後、コア材料を塗布し、パターン露光および現像処理により所定のパターンに加工し、さらに再びクラッド材料を塗布し、平坦化してシート状に加工する。
上記のようにして、第1の屈折率のクラッド30aと、クラッド30aに被覆されて、例えばストライプ状に光導波方向に延伸するパターンを有し、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するコア30bを有し、シート状に成形された光導波シート30を形成する。
剥離層51は、熱可塑性の樹脂、光導波シートを構成する樹脂材料と密着性の悪いチタン/銅積層体、特定の酸に溶解する酸化シリコン膜などを用いることができる。
光導波シートは、用いる光の波長に対して透明であり、例えば、ポリイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリノルボルネン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂など、またはこれらのフッ化物などの有機系材料から構成されている。
また、上記のコアとしては、例えばマルチモードの伝播を仮定すると、コア30bの厚み、幅はおよそ5〜50μm、クラッド30aの厚みとしてはコア30bの1/4〜1/2くらいが適当である。
また、上記のコアとしては、例えばマルチモードの伝播を仮定すると、コア30bの厚み、幅はおよそ5〜50μm、クラッド30aの厚みとしてはコア30bの1/4〜1/2くらいが適当である。
次に、図2(b)に示すように、上記の構成の光導波シートに対して、光導波路の端部となる位置と加工ヘッドとを位置合わせして、所定の力を印加して上記の構成の加工ヘッド1を打ち込む。このとき、少なくとも加工ヘッド1の先端がコア30bの下面に到達するように、例えば光導波シートの下層の剥離層51に達する程度にまで、加工ヘッドを打ち込む。
このとき、場合によっては加工ヘッド1で加工された部分から加工残渣(バリ)30cが押し出されて発生する。
このとき、場合によっては加工ヘッド1で加工された部分から加工残渣(バリ)30cが押し出されて発生する。
次に、図2(c)に示すように、光導波シート30から加工ヘッド1をリリースし、光導波路の端部に加工ヘッド1の第1面1aおよび第2面1bの形状を転写して、V字溝30vを形成する。V字溝30vの壁面がミラー面MRとなる。
次に、例えば研磨シート上にフェースダウンで光導波シート表面のラッピング処理を行って、図2(d)に示すように加工残渣30cを除去する。また、使用した加工ヘッド上にも残渣が生じることがあるので、必要に応じてダミー加工基板を用いてスクラブすることで残渣を除去する。
以上で、加工ヘッドを用いて光導波シートのミラー面を形成することができる。
以上で、加工ヘッドを用いて光導波シートのミラー面を形成することができる。
上記の光導波路の端部となる位置に加工ヘッドを打ち込む工程においては、例えば、光導波シートを不図示の下部ヒータで所定の温度に保持し、また、不図示の加熱手段により加工ヘッドを所定の温度に加熱しながら行う。
光導波シートの加工において、例えば光導波シートが熱可塑性材料から構成される場合には、熱を印加することで光導波シートを軟化させ、加工しやすくすることができる。あるいは、例えば光導波シートが熱硬化性材料から構成される場合には、加工した形状を保持するように熱を印加して硬化させることができる。いずれの場合でも、加工ヘッドの加熱温度は光導波シート材料の熱分解温度以下とする。
光導波シートの加工において、例えば光導波シートが熱可塑性材料から構成される場合には、熱を印加することで光導波シートを軟化させ、加工しやすくすることができる。あるいは、例えば光導波シートが熱硬化性材料から構成される場合には、加工した形状を保持するように熱を印加して硬化させることができる。いずれの場合でも、加工ヘッドの加熱温度は光導波シート材料の熱分解温度以下とする。
上記の加工ヘッドを用いた加工装置は、ボンディングワイヤ装置を転用して得ることができ、即ち、ボンディングワイヤ装置のヘッドを本実施形態の加工ヘッドに変更して得ることができる。
この加工装置を用いて光導波シートにミラー面を形成する場合、加工ヘッドによる加工ポイントの座標を予め設定および入力しておくことで、光導波路上の場所や、向きに拘わらず、任意の場所に高速でミラー面を形成することができる。この時の加工速度は、ワイヤボンディングのボンディング速度に略等しく、1秒間につき5〜10ポイント程度の加工が可能である。
この加工装置を用いて光導波シートにミラー面を形成する場合、加工ヘッドによる加工ポイントの座標を予め設定および入力しておくことで、光導波路上の場所や、向きに拘わらず、任意の場所に高速でミラー面を形成することができる。この時の加工速度は、ワイヤボンディングのボンディング速度に略等しく、1秒間につき5〜10ポイント程度の加工が可能である。
上記のように加工された光導波シート30は、剥離層51との界面において剥離されて、例えば実装基板上に実装され、光導波路の端部に相当するV字溝30vの壁面であるミラー面に発光素子や受光素子の光入出部が重なるように配置されて用いられる。
本実施形態の光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッドとこれを備えた加工装置、並びに光導波シートのミラー面の形成方法により、特殊なマスクの使用やリソグラフ工程が不要で、簡便に、精度良く、かつ製造コストを抑制して光導波シートのミラー面を形成することができ、設計変更に対応できるような設計の自由度を保つことが容易に可能であり、少量多品種の生産に対応することができる。
第2実施形態
図3は本実施形態に係るマルチチップモジュールである光電子装置の模式断面図である。
実装基板10の一方の面に光導波シート30が不図示の接着層により貼り合わされ、さらに光導波シート30を介して、発光素子を組み込んだ半導体装置20aと受光素子を組み込んだ半導体装置20bとが実装基板10に実装されている。また実装基板10の他方の面に、他の実装基板に実装するためのバンプ40が形成されている。
図3は本実施形態に係るマルチチップモジュールである光電子装置の模式断面図である。
実装基板10の一方の面に光導波シート30が不図示の接着層により貼り合わされ、さらに光導波シート30を介して、発光素子を組み込んだ半導体装置20aと受光素子を組み込んだ半導体装置20bとが実装基板10に実装されている。また実装基板10の他方の面に、他の実装基板に実装するためのバンプ40が形成されている。
実装基板10は、例えば4層のパターン加工された配線層(11,13,15,17)と、それらの間に設けられて積層された樹脂絶縁層(12,14,16)と、配線層(11,13,15,17)間を垂直に接続する垂直配線(18,19)などから構成されている。
図面上は4層の配線層と3層の樹脂絶縁層を有する構成であるが、これ以外の構成であっても良い。
図面上は4層の配線層と3層の樹脂絶縁層を有する構成であるが、これ以外の構成であっても良い。
光導波シート30は、第1の屈折率のクラッド30aと、クラッド30aの内部において、例えばストライプ状に光導波方向に延伸するパターンを有し、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するコア30bを有し、シート状に成形されたもので、光導波路の端部となる位置にV字溝30vが形成されており、V字溝30vの壁面が光導波路のミラー面となっている。
発光素子を組み込んだ半導体装置20aは、所定の電子回路が形成された半導体チップ21aに、VCSELなどの発光素子22aが搭載され、樹脂層23aで封止されている。樹脂層23aを貫通して半導体チップ21aのパッドに接続するポスト24aに、バンプ25aが形成されており、このバンプ25aを介して、光導波シート30上に発光素子22aの発光部の位置が光導波シート30のV字溝30vのミラー面に重なるようにして実装基板10に実装されている。
受光素子を組み込んだ半導体装置20bは、所定の電子回路が形成された半導体チップ21bに、PIN―PDなどの受光素子22bが搭載され、樹脂層23bで封止されている。樹脂層23bを貫通して半導体チップ21bのパッドに接続するポスト24bに、バンプ25bが形成されており、このバンプ25bを介して、光導波シート30上に受光素子22bの受光部の位置が光導波シート30のミラー面に重なるようにして実装基板10に実装されている。
発光素子22aの発光部から出射した光は、光導波シートに設けられた光導波路の一方の端部であるV字溝30vのミラー面により反射して進路を90°屈曲させ、光導波路内を進行する。光導波路の他方の端部であるV字溝30vに到達すると、この壁面であるミラー面において再び進路を90°屈曲させて光導波シートの面外方向に出射し、受光素子22bの受光部に入射する構成となっている。
このようにして、発光素子を有する半導体装置と受光素子を有する半導体装置が光配線により接続された構成となっている。
このようにして、発光素子を有する半導体装置と受光素子を有する半導体装置が光配線により接続された構成となっている。
光導波シート30は、用いる光の波長に対して透明であり、例えば、ポリイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリノルボルネン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂など、またはこれらのフッ化物などの有機系材料を用いることができる。
半導体装置(20a,20b)は、光導波シート30をまたぐようにして、各バンプ(25a,25b)により実装基板10上に実装されている。あるいは、光を導波しない領域にのみ形成された光導波シート30を貫通するパッド用開口部において、各バンプ(25a,25b)で接続する構成としてもよい。
例えば、発光素子22a出射する光がクロック信号である場合、受光素子22bの近傍における半導体チップ21b上にアンプが設けられ、受光素子22bに入射される光のクロック信号を電気のクロック信号に復調する。
上記のように光配線でクロック信号を授受する場合において、特にクロック信号である光を光導波シート内で複数に分割して、複数のクロック信号を複数の受光素子で受光するような構成とすることもでき、この場合には発光素子の発光部の位置から各受光素子の受光部の位置までの光を導波する距離が、複数のいずれの経路においても等しい距離となっていることが好ましい。
このように、クロック供給を行う光配線について完全等長配線とすることで、クロック信号を複数の受光部に分配するときのスキューをほぼ抑制することができる。
このように、クロック供給を行う光配線について完全等長配線とすることで、クロック信号を複数の受光部に分配するときのスキューをほぼ抑制することができる。
次に、本実施形態に係る光電子装置の製造方法について説明する。
光導波シートの形成方法としては、まず、図4(a)に示すように、シリコンあるいはガラスなどからなるダミー基板50の表面に、例えば、電子ビーム蒸着法あるいはスパッタリング法などにより、チタン層と銅層の積層体を形成し、剥離層51とする。あるいは、CVD(Chemical Vapor Deposition)法あるいはスパッタリング法により、酸化シリコン層を形成し、剥離層51とすることもできる。この場合には、ダミー基板50はシリコンなどを用いる。
光導波シートの形成方法としては、まず、図4(a)に示すように、シリコンあるいはガラスなどからなるダミー基板50の表面に、例えば、電子ビーム蒸着法あるいはスパッタリング法などにより、チタン層と銅層の積層体を形成し、剥離層51とする。あるいは、CVD(Chemical Vapor Deposition)法あるいはスパッタリング法により、酸化シリコン層を形成し、剥離層51とすることもできる。この場合には、ダミー基板50はシリコンなどを用いる。
次に、図4(b)に示すように、例えばスピンコートや印刷法によりポリイミド樹脂などの第1の屈折率の樹脂層を形成し、キュア処理を行って硬化させ、第1クラッド30aとする。
次に、図4(c)に示すように、例えば感光性ポリイミドなどの第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有する感光性樹脂層を形成し、パターニング用マスクを用いて露光を行い、さらに現像およびキュア処理を行って、コア30bを形成する。
例えば、マルチモードの伝播を仮定すると、コア30bの厚み、幅はおよそ5〜50μm、クラッド30aの厚みとしてはコア30bの1/4〜1/2くらいが適当である。
例えば、マルチモードの伝播を仮定すると、コア30bの厚み、幅はおよそ5〜50μm、クラッド30aの厚みとしてはコア30bの1/4〜1/2くらいが適当である。
次に、図5(a)に示すように、上記と同様に、例えばスピンコートや印刷法によりポリイミド樹脂などの第1の屈折率の樹脂層を形成し、必要に応じて加熱リフローを行い、キュア処理を行って硬化させ、第1クラッド30aを形成する。
このようにして、コア30bの外周をクラッド30aが被覆してシート状に成形された光導波シート30を形成する。
図5(b)は図5(a)の状態においてコアの延伸方向に平行な断面を示し、これは図5(a)とは直交する方向の断面であり、以降の工程はこの方向の断面に沿って行う。
このようにして、コア30bの外周をクラッド30aが被覆してシート状に成形された光導波シート30を形成する。
図5(b)は図5(a)の状態においてコアの延伸方向に平行な断面を示し、これは図5(a)とは直交する方向の断面であり、以降の工程はこの方向の断面に沿って行う。
次に、図5(c)に示すように、第1実施形態に記載の加工ヘッド1を用い、光導波シートに対して、光導波路の端部となる位置と加工ヘッドとを位置合わせして、所定の力を印加して加工ヘッド1を打ち込む。このとき、少なくとも加工ヘッド1の先端がコア30bの下面に到達するように、例えば光導波シートの下層の剥離層51に達する程度にまで、加工ヘッドを打ち込む。
光導波シート30から加工ヘッド1をリリースすると、光導波路の端部に加工ヘッド1の第1面1aおよび第2面1bの形状を転写して、V字溝30vを形成する。V字溝30vの壁面がミラー面MRとなる。
光導波シート30から加工ヘッド1をリリースすると、光導波路の端部に加工ヘッド1の第1面1aおよび第2面1bの形状を転写して、V字溝30vを形成する。V字溝30vの壁面がミラー面MRとなる。
上記のV字溝30vを形成する工程において、加工ヘッド1で加工された部分から加工残渣(バリ)30cが押し出されて発生するので、必要に応じて、例えば研磨シート上にフェースダウンで光導波シート表面のラッピング処理を行い、加工残渣30cを除去する。
次に、図6(a)に示すように、別工程で予め形成された実装基板10の一方の面に不図示の接着層により光導波シート30を貼り合わせる。
次に、図6(b)に示すように、例えば剥離層51としてチタン層と銅層の積層体を用いている場合、塩酸などの酸に浸漬して剥離層51と光導波シート30のクラッド30aの界面において剥離する。
あるいは、剥離層51として酸化シリコン層を用いている場合には、フッ酸あるいはバッファードフッ酸などの酸に浸漬して剥離層41を溶解して、光導波シート30を剥離する。
あるいは、剥離層51として酸化シリコン層を用いている場合には、フッ酸あるいはバッファードフッ酸などの酸に浸漬して剥離層41を溶解して、光導波シート30を剥離する。
次に、図6(c)に示すように、発光素子22aの発光部と入射側の光導波シート30のV字溝30vのミラー面とが重なるように、光導波シート30を介して、別工程で予め形成された半導体装置20aをバンプ接続で実装基板10に実装する。また、受光素子22bの発光部と出射側の光導波シート30のV字溝30vのミラー面とが重なるように、光導波シート30を介して、別工程で予め形成された半導体装置20bをバンプ接続で実装基板10に実装する。
半導体装置(20a,20b)を実装するには、光導波シート30をまたぐようにして、各バンプ(25a,25b)により実装基板10に実装してもよく、あるいは、光を導波しない領域にのみ形成された光導波シート30を貫通するパッド用開口部を設けて、この開口部において各バンプ(25a,25b)で接続する構成としてもよい。
上記の開口部をもうける場合、例えば実装基板10に予めランドを形成しておき、光導波シートを貼り合わせた後、CO2レーザやエキシマレーザなどのレーザ光を照射することで開口することができる。このとき、ランドはレーザ光のストッパとなる。
上記の開口部をもうける場合、例えば実装基板10に予めランドを形成しておき、光導波シートを貼り合わせた後、CO2レーザやエキシマレーザなどのレーザ光を照射することで開口することができる。このとき、ランドはレーザ光のストッパとなる。
次に、必要に応じて、実装基板10の他方の面に、他の実装基板に実装するためのバンプ40を形成する。
以上で、図3に示す構成の光電子装置(マルチチップモジュール)が形成できる。
以上で、図3に示す構成の光電子装置(マルチチップモジュール)が形成できる。
本実施形態で用いる光導波シートのミラー面の形成方法では、特殊なマスクの使用やリソグラフ工程が不要で、簡便に、精度良く、かつ製造コストを抑制して光導波シートのミラー面を形成することができ、設計変更に対応できるような設計の自由度を保つことが容易に可能であり、少量多品種の生産に対応することができる。
第3実施形態
図7(a)は本実施形態に係るマルチチップモジュールである光電子装置の模式断面図であり、図7(b)は平面図である。
半導体チップIC上に光導波シートPSが不図示の接着層により貼り合わされ、さらに光導波シートPSを介して、VCSELを組み込んだレーザダイオードチップLDCと、PIN−PDを組み込んだフォトダイオードチップPDCがマウントされている。これらのレーザダイオードチップLDCとフォトダイオードチップPDCが樹脂層RSで封止されており、樹脂層RSを貫通して半導体チップICのパッドに接続して形成されたポストPTに外部接続用のバンプBPが形成されている。
図7(a)は本実施形態に係るマルチチップモジュールである光電子装置の模式断面図であり、図7(b)は平面図である。
半導体チップIC上に光導波シートPSが不図示の接着層により貼り合わされ、さらに光導波シートPSを介して、VCSELを組み込んだレーザダイオードチップLDCと、PIN−PDを組み込んだフォトダイオードチップPDCがマウントされている。これらのレーザダイオードチップLDCとフォトダイオードチップPDCが樹脂層RSで封止されており、樹脂層RSを貫通して半導体チップICのパッドに接続して形成されたポストPTに外部接続用のバンプBPが形成されている。
レーザダイオードチップLDCには、2列のVCSELのアレイ(LDAa、LDAb)が並べて設けられており、それぞれにレーザダイオードドライバLDDが設けられている構成である。
上記の2列のVCSELのアレイ(LDAa、LDAb)は、それぞれ例えば100μmピッチで16個のレーザダイオードが並べられたアレイとなっており、2列のアレイはアレイの延伸方向に50μmずれて平行には並べられているので、実質的に50μmピッチで32個のレーザダイオードが並べられた千鳥配置のアレイとなっている。
上記の2列のVCSELのアレイ(LDAa、LDAb)は、それぞれ例えば100μmピッチで16個のレーザダイオードが並べられたアレイとなっており、2列のアレイはアレイの延伸方向に50μmずれて平行には並べられているので、実質的に50μmピッチで32個のレーザダイオードが並べられた千鳥配置のアレイとなっている。
一方、フォトダイオードチップPDCには、2列のPIN−PDのアレイ(PDAa、PDAb)が並べて設けられており、それぞれにトランスインピダンスアンプTIAが設けられている構成である。
上記の2列のPIN−PDのアレイ(PDAa、PDAb)もまた、それぞれ例えば100μmピッチで16個のフォトダイオードが並べられたアレイとなっており、2列のアレイはアレイの延伸方向に50μmずれて平行には並べられているので、実質的に50μmピッチで32個のフォトダイオードが並べられた千鳥配置のアレイとなっている。
上記の2列のPIN−PDのアレイ(PDAa、PDAb)もまた、それぞれ例えば100μmピッチで16個のフォトダイオードが並べられたアレイとなっており、2列のアレイはアレイの延伸方向に50μmずれて平行には並べられているので、実質的に50μmピッチで32個のフォトダイオードが並べられた千鳥配置のアレイとなっている。
光導波シートPSは、第1の屈折率のクラッド30aと、クラッド30aの内部において、VCSELのアレイ(LDAa、LDAb)の千鳥配置された32個のVCSELの光出射部と、PIN−PDのアレイ(PDAa,PDAb)の千鳥配置された32個のPIN−PDの光入射部とをそれぞれ接続するように延伸するパターンを有し、第1の屈折率よりも高い第2の屈折率を有するコア30bを有し、シート状に成形されたもので、上記の光出射部と光入射部となる位置に、第1および第2実施形態の光導波シートと同様のV字溝が形成されており、V字溝の壁面が光導波路のミラー面となっている。
レーザダイオードアレイの各VCSELから出射した光は、VCSELに重なる位置において光導波シートに設けられたV字溝のミラー面により反射して進路を90°屈曲させ、光導波路内を進行し、PIN−PDに重なる位置において光導波シートに設けられたV字溝のミラー面により進路を再び進路を90°屈曲させて光導波シートの面外方向に出射し、フォトダイオードアレイの各PIN−PDに入射する構成となっている。
上記の一対のLSI(LDC、PDC)上には、上記VCSELなどの発光素子とレーザドライバ、PIN−PDなどの受光素子とトランスインピダンスアンプが集積化されている。
これらのICを形成するには、駆動能力のある程度大きな、即ち、ゲート幅の大きなトランジスタが必要であり、一方でアナログ回路としてインダクタなど比較的大きなサイズのパッシブ素子をLSI上に形成することが必要であり、回路ブロックの形成幅は、最低でも100μm程度は必要である。
これらのICを形成するには、駆動能力のある程度大きな、即ち、ゲート幅の大きなトランジスタが必要であり、一方でアナログ回路としてインダクタなど比較的大きなサイズのパッシブ素子をLSI上に形成することが必要であり、回路ブロックの形成幅は、最低でも100μm程度は必要である。
また、通常この様なLSI間の高速信号のバス本数は1000本〜数1000本におよび、これらを形成する際には一度でアレイ状に形成されることが望ましいため、各チャンネルのピッチをできるだけ小さくすることが望まれている。
そこで、本実施形態では、発光素子と受光素子をそれぞれ千鳥アレイ状に配置することで、光I/O回路を100μmピッチで、光導波路を50μmピッチで形成することが可能になる。
従来の方法では、千鳥アレイ状に配置された発光素子と受光素子に対応するように、光導波路にミラー面を形成することが困難であったが、第1実施形態および第2実施形態に示すような光導波シートのミラー面の加工ヘッドを用いて形成することで、容易に千鳥配置のミラー面を形成することができる。
本実施形態により、簡便かつローコストな光導波路への45°のミラー面の形成が、リソグラフ工程なしで形成可能になり、特に少量多品種の生産においては、短期間に、多様なパターンに対応した光導波路シートの作成が可能になる。
また、特にシステム上の要請からくる高密度な光導波路の形成においては、千鳥状にミラーを形成したい場合や、お互いに2次元面内で90°異なる向きへ導波方向を変えることが自由にできるようになり、設計の自由度が大幅に向上する。
また、特にシステム上の要請からくる高密度な光導波路の形成においては、千鳥状にミラーを形成したい場合や、お互いに2次元面内で90°異なる向きへ導波方向を変えることが自由にできるようになり、設計の自由度が大幅に向上する。
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、光導波シートで伝達する光の発光源としては、VCSELなどのレーザダイオードの他、発光ダイオードなどを用いることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
例えば、光導波シートで伝達する光の発光源としては、VCSELなどのレーザダイオードの他、発光ダイオードなどを用いることができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明の光導波シートのミラー面の形成方法は、コンピュータ機器の特に、ゲーム用コンピュータ、ネットワークサーバ、ホームサーバ、ロボットの頭脳など、大容量かつ高速信号処置が求められるMPUもしくは画像処理プロセッサ、高速キャッシュメモリなど超高速信号処理LSIなどを構成するための、光配線を形成するための光導波シートのミラー面の形成方法に適用できる。
また、本発明の光導波シートのミラー面の形成装置は、上記のような光導波シートを形成する方法に適用できる。
1…加工ヘッド、1a…第1面、1b…第2面、2…キャピラリ、3…キャピラリ保持部、10…実装基板、11,13,15,17…配線層、12,14,16…樹脂絶縁層、18,19…垂直配線、20a,20b…半導体装置、21a,21b…半導体チップ、22a…発光素子、22b…受光素子、23a,23b…樹脂層、24a,24b…ポスト、25a,25b…バンプ、30…光導波シート、30a…クラッド、30b…コア、30c…加工残渣、30v…V字溝、40…バンプ、50…ダミー基板、51…剥離層、AX…対称軸、MR…ミラー面、IC…半導体チップ、LDC…レーザダイオードチップ、PDC…フォトダイオードチップ、LDAa,LDAb…レーザダイオードアレイ、PDAa,PDAb…フォトダイオードアレイ、LDD…レーザダイオードドライバ、TIA…トランスインピダンスアンプ、PS…光導波シート、RS…樹脂層、PT…ポスト、BP…バンプ
Claims (12)
- キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドであって、
前記加工ヘッドの先端部は、前記加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有し、
クラッドと前記クラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、前記光導波路の端部となる位置に前記加工ヘッドが打ち込まれたときに、前記光導波路の端部に前記第1面および前記第2面の形状が転写されてミラー面が形成される
光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッド。 - 前記加工ヘッドを加熱する加熱手段を備えている
請求項1に記載の光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッド。 - 前記加工ヘッドが、セラミック、人工鉱物、金属、金属合金、超鋼金属あるいはこの合金から構成されている
請求項1に記載の光導波シートのミラー面形成用の加工ヘッド。 - キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドを有する加工装置であって、
前記加工ヘッドの先端部は、前記加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有し、
クラッドと前記クラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、前記光導波路の端部となる位置に前記加工ヘッドが打ち込まれたときに、前記光導波路の端部に前記第1面および前記第2面の形状が転写されてミラー面が形成される
光導波シートのミラー面形成用の加工装置。 - 前記加工ヘッドを加熱する加熱手段を備えている
請求項4に記載の光導波シートのミラー面形成用の加工装置。 - 前記加工ヘッドが、セラミック、人工鉱物、金属、金属合金、超鋼金属あるいはこの合金から構成されている
請求項4に記載の光導波シートのミラー面形成用の加工装置。 - クラッドと前記クラッド内に埋め込まれたコアを有する光導波路がシート状に成形されてなる光導波シートに対して、前記光導波路の端部となる位置に、キャピラリ部の先端に設けられた加工ヘッドであって、前記加工ヘッドの先端部が前記加工ヘッドの対称軸に対して45°の角度で交差し、かつ互いに直行する第1面および第2面を有する前記加工ヘッドを打ち込む工程と、
前記光導波シートから前記加工ヘッドをリリースし、前記光導波路の端部に前記第1面および前記第2面の形状を転写してミラー面を形成する工程と
を有する光導波シートのミラー面の形成方法。 - 前記加工ヘッドをリリースする工程の後に、前記光導波シートに前記加工ヘッドが打ち込まれたことにより生じる加工残渣を除去する工程をさらに有する
請求項7に記載の光導波シートのミラー面の形成方法。 - 前記光導波シートに前記加工ヘッドを打ち込む工程において、前記加工ヘッドを加熱しながら行う
請求項7に記載の光導波シートのミラー面の形成方法。 - 前記光導波シートが熱可塑性材料から構成されている
請求項7に記載の光導波シートのミラー面の形成方法。 - 前記光導波シートが熱硬化性材料から構成されている
請求項7に記載の光導波シートのミラー面の形成方法。 - 前記加工ヘッドが、セラミック、人工鉱物、金属、金属合金、超鋼金属あるいはこの合金から構成されている
請求項7に記載の光導波シートのミラー面の形成方法。
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