JP2009008769A - 光電気変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に形成する４５°ミラーや導波路との関係で光素子の実装精度が確保できる光電気変換装置の製造方法を提供する。
【解決手段】電気信号を光信号にまたは光信号を電気信号に変換する光素子４Ａと、光信号を伝搬する導波路３１を形成した基板３と、導波路３１の端部に面して基板３に形成され、導波路３１と光素子４Ａとを光学的に結合する４５°ミラー３３とを備えた光電気変換装置の製造方法であって、前記導波路３１の長手方向をＸ軸とし、前記４５°ミラー３３の上辺３３ａ若しくは４５°ミラー設置位置の上辺３３ａをＹ軸とした座標により、４５°ミラー３３に対して、光素子４Ａを位置合わせしながら基板３に実装する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電気変換装置の製造方法に関するものである。

従来、電気信号を光信号にまたは光信号を電気信号に変換する光素子と、光信号を伝搬する導波路を形成した基板と、導波路の端部に面して基板に形成され、導波路と光素子とを光学的に結合する４５°ミラーとを備えた光電気変換装置がある。

この光電気変換装置の製造工程においては、光素子を基板に実装する際に、基板に形成した４５°ミラーや導波路との間で高い位置精度が要求されている。

そのために、はんだが溶融して再度凝固する際の表面張力を利用したセルフアライメントにより、基板の電気接続パット（光素子の実装用電極）に対して光素子の実装精度を確保する方法が提案されている（引用文献１参照）。
特開平１０−１７０７６９号公報

しかしながら、この方法では、光素子と基板の電気接続パットとの間で位置合わせを行っていることになり、位置精度が必要とされる光素子と４５°ミラーや導波路との間の位置合わせではなく、しかも基板に形成する４５°ミラーや導波路は、加工形状にバラツキが発生することから、光素子の実装精度が確保できないので、光結合損失が大きくなるという問題があった。

本発明は、前記問題を解決するために成されたもので、基板に形成する４５°ミラーや導波路との関係で光素子の実装精度が確保できる光電気変換装置の製造方法を提供するものである。

前記課題を解決するために、本発明は、電気信号を光信号にまたは光信号を電気信号に変換する光素子と、光信号を伝搬する導波路を形成した基板と、導波路の端部に面して基板に形成され、導波路と光素子とを光学的に結合する４５°ミラーとを備えた光電気変換装置の製造方法であって、前記導波路の長手方向をＸ軸とし、前記４５°ミラーの上辺若しくは４５°ミラー設置位置の上辺をＹ軸とした座標により、４５°ミラーに対して、光素子を位置合わせしながら基板に実装することを特徴とする光電気変換装置の製造方法を提供するものである。

請求項２のように、前記光素子の位置合わせは、Ｘ軸に対しては導波路の幅の１／２、Ｙ軸に対しては導波路の高さの（√２）／２でシフトした直線の交点であることが好ましい。

請求項３のように、前記導波路は成型で形成し、４５°ミラーはエッチングで形成することが好ましい。

請求項４のように、前記導波路を成型で形成する時に、導波路の中心から幅方向に等距離の位置に、一対の円形状のマーカを同時に基板の表面に形成することが好ましい。

請求項５のように、前記４５°ミラー設置位置に、反射率の高い金属薄膜を形成することが好ましい。

請求項６のように、前記４５°ミラーの幅を導波路の幅よりも広くすることが好ましい。

請求項７のように、前記４５°ミラーと導波路の端部との間に隙間を形成することが好ましい。

請求項８のように、前記光素子の実装前に、前記基板の表面に形成された光素子の実装用電極を画像認識して予備調整を行い、その後、光素子を微調整しながら基板に実装することが好ましい。

本発明によれば、光素子の基板実装時の位置決め軸として、導波路の長手方向のＸ軸と、４５°ミラーの上辺等のＹ軸との２つの軸の直交座標とする位置に、光素子を微調整しながら基板に実装することで、基板に形成する４５°ミラーや導波路の加工形状にバラツキが発生しても、光素子の実装精度が確保できるから、光結合損失を最小に抑えることができる。

請求項２によれば、Ｘ軸に対しては導波路の幅の１／２、Ｙ軸に対しては導波路の高さの（√２）／２でシフトした直線の交点に光素子を位置合わせすれば良いので、光素子の実装位置の中心となる点である座標の交点を、容易かつ正確に決定できる。

請求項３によれば、導波路は成型で、４５°ミラーはエッチングで形成することで、導波路は低光学損失、４５°ミラーは高反射率となるように、それぞれに適したプロセス条件を設定でき、光素子の実装精度も確保できるようになる。

請求項４によれば、光素子の実装前の予備調整に際して、導波路の中心から幅方向に等距離の位置に、一対の円形状のマーカを導波路の成型と同時に基板の表面に形成することで、成型時の抜き勾配（テーパ）でマーカの円形状が太く若しくは２重に見えるような形状誤差があっても、マーカの中心位置を求めれば良いため、位置認識がしやすくなり、位置認識の誤差を最小に抑えることができる。

請求項５によれば、４５°ミラーの反射率を高くできるとともに、４５°ミラー周辺部分とのコントラストが大きくなり、光素子の実装前の位置認識がしやすくなる。

請求項６によれば、導波路の幅方向の成型位置のバラツキによる光結合損失の影響を受けにくくなるので、光結合損失を最小に抑えることができる。

請求項７によれば、４５°ミラーの加工形状にバラツキがあっても、導波路の端部が４５°ミラーと干渉しないので、４５°ミラーと導波路を歩留まり良く作製できるようになる。

請求項８によれば、基板に対してコントラストのある光素子の実装用電極を予備調整の画像認識に用いることで、光素子の微調整の精度が向上するようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図８および図９は、光電気変換装置１の基本構造であり、この光電気変換装置１は、発光側光電気変換部１Ａと、受光側光電気変換部１Ｂと、これらの変換部１Ａ，１Ｂを光学的に連結する外部の導波路９とを備えている。なお、図８において、図８の上下方向を上下方向、紙面と直交する方向を左右方向というとともに、発光側光電気変換部１Ａに対しては図８の右側を前方、左側を後方といい、受光側光電気変換部１Ｂに対しては図８の左側を前方、右側を後方という。

発光側光電気変換部１Ａは、配線基板２と、この配線基板２の上面に所定の間隔を隔てて実装されるマウント基板３とを備えている。また、マウント基板３の下面３ａには、電気信号を光信号に変換する発光素子４Ａと、この発光素子４Ａに電気信号を送信するためのＩＣ回路５０Ａが形成されたＩＣ基板５Ａとが実装されている。そして、マウント基板３には、発光素子４Ａと光学的に結合する導波路３１が形成されている。

発光素子４Ａとしては、上面から上方に発光する平面視で３００μｍ□の大きさのＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）が採用されている。ＩＣ基板５Ａは、ＶＣＳＥＬを駆動させるドライバＩＣであり、発光素子４Ａの近傍に配置されている。そして、発光素子４ＡおよびＩＣ基板５Ａは、金バンプ１１（図９参照）でマウント基板３の下面３ａに形成された図略の配線パターンに接続されている。なお、発光素子４Ａとしては、ＬＥＤ等も採用可能であるが、ＬＥＤ等は指向性がなく、導波路３１に光結合する割合が小さいので、光の効率に余裕があることが条件となり、その場合には低価格という点で有利である。

マウント基板３は、平面視で前後方向に延びる長方形状をなしており、半田バンプ１０で配線基板２の上面に形成された図略の配線パターンに接続されている。このマウント基板３は、実装時の熱の影響や使用環境による応力の影響を避けるために、剛性が必要である。また、光伝送の場合は、発光素子から受光素子までの光伝送効率が必要になるので、光素子を高精度に実装することや使用中の位置変動を極力抑制する必要がある。このため、マウント基板３としては、シリコン基板が採用されている。また、マウント基板３は、発光素子４Ａと線膨張係数の近い材料で構成されていることが好ましく、シリコン以外には、ＶＣＳＥＬ材料と同系統のＧａＡｓ等の化合物半導体で構成されていてもよい。

また、マウント基板３には、発光素子４Ａの真上となる位置に、光路を９０°屈曲させるための４５°ミラー３３が形成されている。

導波路３１は、４５°ミラー３３から前方に延在していて、マウント基板３の前端面と略面一となる端面を有している。この導波路３１は、図９に示すように、断面略正方形状のコア３１ａと、コア３１ａを周囲から覆うクラッド３１ｂとからなっており、マウント基板３に形成された導波路形成用溝３２内に配設されている。

コア３１ａおよびクラッド３１ｂのサイズは、発光素子４Ａから導波路３１までの距離、発光素子４Ａの発散角度および後述する受光素子４Ｂのサイズから光効率を優先して決定される。

例えば、５〜１０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送に使用される一般的なＶＣＳＥＬや受光素子４ＢであるＰＤ（フォトダイオード）では、ＶＣＳＥＬの発光径が５〜１０μｍ、発散角度が２０°程度であり、ＰＤの受光径が６０μｍ程度であるので、コア３１ａのサイズを４０μｍ□、クラッド３１ｂの厚みを２〜１０μｍとする。

マウント基板３の前端部には、下面３ａに導波路３１を挟んで離間する左右一対の樹脂構造部６が設けられているとともに、アダプタ７Ａが取り付けられている。そして、アダプタ７Ａに、外部の導波路９の端部に設けられた光コネクタ８Ａが着脱可能に装着されることによって、外部の導波路９がマウント基板３の導波路３１に光学的に結合されるようになっている。

外部の導波路９は、所定幅を有したフレキシブルなフィルム状のものであり、具体的に図示しないが、下クラッドの上にコアが載置され、このコアが上クラッドで覆われた構成となっている。

そして、光コネクタ８Ａがアダプタ７Ａに装着されると、マウント基板３の導波路３１のコア３１ａの位置と外部導波路９のコアの位置とが合致するようになる。

受光側光電気変換部１Ｂの基本的な構成は、発光側光電気変換部１Ａと同様であるため、詳細な説明は省略する。なお、発光側光電気変換部１Ａと異なる点としては、マウント基板３の下面３ａに、光信号を電気信号に変換する受光素子４Ｂと、この受光素子４Ｂから電気信号を受信するためのＩＣ回路５０Ｂが形成されたＩＣ基板５Ｂとが実装されている点である。受光素子４Ｂとしては、ＰＤが採用されており、ＩＣ基板５Ｂは、電流・電圧の変換を行うＴＩＡ（Ｔｒａｎｓ−ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）素子である。また、マウント基板３には、アンプ素子が実装されることもある。

次に、本発明の光電気変換装置１の製造方法を図１〜図７に基づいて説明する。なお、光電気変換装置１は、発光側光電気変換部１Ａと受光側光電気変換部１Ｂとを別々に製造することが可能であり、それらの製造方法は同じであるため、代表して発光側光電気変換部１Ａの製造方法を説明する。なお、図１〜図７では、作図の都合により、マウント基板３の下面３ａを上向きに表示している。

初めに、図１を参照しながら、マウント基板３に導波路３１と４５°ミラー（４５°の傾斜面）３３とを形成する方法を簡単に説明する。なお、通常は、シリコンウエハ（シリコン基板）を用いて、複数個のマウント基板３を同時に形成し、最終的にシリコンウエハを切断してマウント基板３を個片化するものであるが、以下では、マウント基板３として説明する。この場合、後述する発光素子４Ａの実装は、導波路３１を形成したシリコンウエハに対して行えば、実装位置を同量でシフトするだけで行うことができる。

先ず、マウント基板３に、導波路形成用溝３２および４５°ミラー３３を形成する。これらは、シリコン結晶のエッチング速度の違いを利用した異方性エッチングにより形成する。４５°ミラー３３を形成するためには、エッチング形成とエッチャント濃度、組成を調整して形成する。異方性エッチング以外にも、導波路形成用溝３２の形成には、反応性イオンエッチング等のドライエッチングの形成方法がある。

次に、マウント基板３上に発光素子４Ａを実装するための実装用電極３６を形成する。
この電極３６は、マウント基板３上に金を蒸着することによりパターンニングを行う。このとき、４５°ミラー３３にも金（反射率が高い）を同時に蒸着する。なお、使用する波長にもよるが、４５°ミラー３３に金を蒸着しないことも可能である。

そして、導波路形成用溝３２内にクラッド材（下クラッド材）を塗布し、次いで、金型（図示せず）を用いてクラッド材を押圧してコア用溝（図示せず）を形成し、このコア用溝に、コア材を充填してコア３１ａを形成し、最後にコア３１ａの上にクラッド材（上クラッド材）を塗布して、クラッド３１ｂを形成する。

その後、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するのであるが、発光素子４Ａに、スタッドバンプボンディングにより金バンプ１１を形成し、マウント基板３と発光素子４Ａを２００℃に加熱して超音波接合または熱圧着接合等を行う。なお、ＩＣ基板５Ａは、発光素子４Ａと同時にマウント基板３に実装される。

図１は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第１実施形態の製造方法である。

マウント基板（基板）３の導波路３１の長手方向をＸ軸（図１はコア幅の２本、コア幅の中心１本でも可）とし、４５°ミラー３３の上辺（若しくは４５°ミラー設置位置の上辺…マウント基板３の下面３ａ側の辺を云う。以下同様。）３３ａをＹ軸とした座標により、４５°ミラー３３に対して、発光素子（光素子）４Ａを位置合わせしながらマウント基板３の実装用電極３６に超音波接合または熱圧着接合等で実装する。

なお、４５°ミラー３３の上辺３３ａをＹ軸とする他に、４５°ミラー設置位置の上辺３３ａをＹ軸とするとしたのは、マウント基板３に導波路形成用溝３２と４５°ミラー３３を形成する際に、４５°ミラー３３は、単なる４５°の傾斜面だけとして、それに反射率が高い金等を蒸着することで４５°ミラー３３を形成する場合には、４５°の傾斜面が４５°ミラー設置位置となるからである。

第１実施形態のように、発光素子４Ａのマウント基板３の実装時の位置決め軸として、導波路３１の長手方向のＸ軸と、４５°ミラー３３の上辺３３ａ等のＹ軸との２つの軸の直交座標とする位置に、発光素子４Ａを微調整しながらマウント基板３に実装することで、マウント基板３に形成する４５°ミラー３３や導波路３１の加工形状にバラツキが発生しても、発光素子４Ａの実装精度が確保できるから、光結合損失を最小に抑えることができる。

図２は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第２実施形態の製造方法である。

図１の第１実施形態と対比すれば、発光素子４Ａの発光中心４Ａ（Ｃ）の位置合わせは、Ｘ軸に対しては導波路３１の幅Ｗの１／２、Ｙ軸に対しては導波路３１の高さＨの（√２）／２でシフトした直線Ｘ１，Ｔ１の交点としている。なお、発光素子４Ａの発光中心４Ａ（Ｃ）の位置合わせは、交点としないで、交点からいずれかの方向にオフセットさせる場合もある。

第２実施形態のように、Ｘ軸に対しては導波路３１の幅Ｗの１／２、Ｙ軸に対しては導波路３１の高さの（√２）／２でシフトした直線の交点に発光素子４Ａを位置合わせすれば良いので、発光素子４Ａの実装位置の中心となる点である座標の交点を、容易かつ正確に決定できる。

図３は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第３実施形態の製造方法である。

図３（ｂ）のように、マウント基板３に、導波路形成用溝３２および４５°ミラー３３を異方性エッチングにより形成する。そして、図３（ｃ）のように、導波路形成用溝３２内にクラッド材３１ｃを充填し、次いで、図３（ｄ）のように、エンボス成型やフォトリソグラフィによりコア用溝３１ｄを形成し、このコア用溝３１ｄに、図４（ｅ）のように、コア材を充填してコア３１ａを形成し、最後にコア３１ａの上にクラッド材を塗布して、クラッド３１ｂを形成する〔図３（ａ）参照〕。

第３実施形態のように、導波路、つまりコア３１ａは成型で、４５°ミラー３３はエッチングで形成することで、コア３１ａは低光学損失、４５°ミラー３３は高反射率となるように、それぞれに適したプロセス条件を設定でき、発光素子４Ａの実装精度も確保できるようになる。

図４は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第４実施形態の製造方法である。

図３の第３実施形態における図３（ｄ）のように、導波路３１を成型で形成する時、つまり、エンボス成型やフォトリソグラフィによりコア用溝３１ｄを形成する時に、導波路３１の中心３１（Ｃ）から幅方向に等距離Ｗ１，Ｗ１の位置に、一対の円形状のマーカ４０を同時にマウント基板３の表面に形成する。

第４実施形態のように、発光素子４Ａの実装前の予備調整に際して、導波路３１の中心３１（Ｃ）から幅方向に等距離Ｗ１，Ｗ１の位置に、一対の円形状のマーカ４０を導波路３１の成型と同時にマウント基板３の表面に形成することで、成型時の抜き勾配（テーパ）でマーカ４０の円形状が太く若しくは２重に見えるような形状誤差があっても、マーカ４０の中心位置４０（Ｃ）を求めれば良いため、位置認識がしやすくなり、位置認識の誤差を最小に抑えることができる。

図５は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第５実施形態の製造方法である。

図５（ａ）（ｂ）のように、４５°ミラー３３の設置位置に、反射率の高い金属薄膜３３ｂを形成する。金属薄膜３３ｂとしては、発光素子４Ａが赤外線を発光するのであれば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の材料が良好であるが、発光素子４Ａの使用波長に応じて、高反射率の材料を適当に選定すれば良い。

第５実施形態のように、４５°ミラー３３の設置位置に、反射率の高い金属薄膜３３ｂを形成することで、４５°ミラー３３の反射率を高くできるとともに、４５°ミラー３３の周辺部分とのコントラストが大きくなり、発光素子４Ａの実装前の位置認識がしやすくなる。

また、図５（ｃ）のように、４５°ミラー３３の設置位置と、その周辺の上下の平面部にも金属薄膜３３ｃを形成すれば、上方から観察したとき、４５°ミラー３３と上下の平面部とのコントラストがつきやすくなり、発光素子４Ａの実装前の位置認識がよりしやすくなる。

図６は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第６実施形態の製造方法である。

４５°ミラー３３の幅Ｗ３を導波路３１、つまりコア３１ａの幅Ｗ４よりも広くしている。

第６実施形態のように、４５°ミラー３３の幅Ｗ３をコア３１ａの幅Ｗ４よりも広くすることで、コア３１ａの幅方向の成型位置のバラツキ（二点鎖線参照）による光結合損失の影響を受けにくくなるので、光結合損失を最小に抑えることができる。

図７は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第７実施形態の製造方法である。

図７（ａ）のように、導波路形成用溝３２のミラー溝長さＬ１を導波路３１、つまりコア３１ａの長さＬ２よりも長くする。

第６実施形態のように、導波路形成用溝３２のミラー溝長さＬ１をコア３１ａの長さＬ２よりも長くすることで、４５°ミラー３３とコア３１ａの端部との間に隙間（Ｌ２−Ｌ１）が形成されるので、４５°ミラー３３の加工形状にバラツキがあっても、コア３２ａの端部が４５°ミラー３３と干渉しないので、４５°ミラー３３と導波路３１を歩留まり良く作製できるようになる。

図７（ｂ）は、マウント基板３の導波路形成用溝３２の両端に４５°ミラー３３をそれぞれ形成した例であり、この例であっても、導波路形成用溝３２のミラー溝長さＬ１をコア３１ａの長さＬ２よりも長くすれば良い。本例であれば、両端の４５°ミラー３３に対して、発光素子４Ａと受光素子４Ｂとを実装することになるので、実装後に光の入出力の動作検査ができる。

図７（ｃ）は、マウント基板３の表面に、導波路３１と、その両端に４５°ミラー３３をそれぞれ形成した例であり、この例であっても、ミラー溝長さＬ１をコア３１ａの長さＬ２よりも長くすれば良い。本例以外の各実施形態では、マウント基板３の導波路形成用溝３２に導波路３１と４５°ミラー３３を形成したものであるが、それぞれ本例のように、マウント基板３の表面に、導波路３１と４５°ミラー３３を形成したものであっても良い。

流用する図６は、マウント基板３に発光素子４Ａを実装するための第８実施形態の製造方法である。

発光素子４Ａの実装前に、マウント基板３の表面に形成された発光素子４Ａの実装用電極３６を画像認識して予備調整を行い、その後、発光素子４Ａを微調整しながらマウント基板３に実装する。

第８実施形態のように、マウント基板３に対してコントラストのある発光素子４Ａの実装用電極３６を予備調整の画像認識に用いることで、発光素子４Ａの位置合わせが高速になるとともに微調整の精度が向上するようになる。

本発明の第１実施形態に係る光電気変換装置の要部斜視図である。 第２実施形態に係る光電気変換装置の要部斜視図である。 第３実施形態に係る光電気変換装置であり、（ａ）は要部斜視図、（ｂ）〜（ｅ）は、製造工程の断面図である。 第４実施形態に係る光電気変換装置の要部平面図である。 第５実施形態に係る光電気変換装置であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は要部断面図、（ｃ）は変形例の要部断面図である。 第６，８実施形態に係る光電気変換装置の要部平面図である。 第７実施形態に係る光電気変換装置であり、（ａ）は要部断面図、（ｂ）（ｃ）は、それぞれ変形例の要部断面図である。 本発明に係る光電気変換装置の基本構造の側面図である。 （ａ）はマウント基板の側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１ 光電気変換装置
３ マウント基板（基板）
３１ 導波路
３１ａ コア
３１ｂ クラッド
３２ 導波路形成用溝
３３ ４５°ミラー
３３ａ 上辺
３３ｂ 金属薄膜
４Ａ 発光素子（光素子）
４Ｂ 受光素子（光素子）

Claims (8)

1. 電気信号を光信号にまたは光信号を電気信号に変換する光素子と、光信号を伝搬する導波路を形成した基板と、導波路の端部に面して基板に形成され、導波路と光素子とを光学的に結合する４５°ミラーとを備えた光電気変換装置の製造方法であって、
   前記導波路の長手方向をＸ軸とし、前記４５°ミラーの上辺若しくは４５°ミラー設置位置の上辺をＹ軸とした座標により、４５°ミラーに対して、光素子を位置合わせしながら基板に実装することを特徴とする光電気変換装置の製造方法。
2. 前記光素子の位置合わせは、Ｘ軸に対しては導波路の幅の１／２、Ｙ軸に対しては導波路の高さの（√２）／２でシフトした直線の交点であることを特徴とする請求項１に記載の光電気変換装置の製造方法。
3. 前記導波路は成型で形成し、４５°ミラーはエッチングで形成することを特徴とする請求項１または２に記載の光電気変換装置の製造方法。
4. 前記導波路を成型で形成する時に、導波路の中心から幅方向に等距離の位置に、一対の円形状のマーカを同時に基板の表面に形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電気変換装置の製造方法。
5. 前記４５°ミラー設置位置に、反射率の高い金属薄膜を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電気変換装置の製造方法。
6. 前記４５°ミラーの幅を導波路の幅よりも広くしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電気変換装置の製造方法。
7. 前記４５°ミラーと導波路の端部との間に隙間を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電気変換装置の製造方法。
8. 前記光素子の実装前に、前記基板の表面に形成された光素子の実装用電極を画像認識して予備調整を行い、その後、光素子を微調整しながら基板に実装することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光電気変換装置の製造方法。

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