JP2016001289A - 光デバイスの作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路が形成されたチップまたはウエハ上に、チップ状の機能素子を効率良くかつ位置精度良く配置可能な光デバイス作製方法を提供する。
【解決手段】光導波路が形成されたチップまたはウエハ上に、チップ状の機能素子を配置して光デバイスを作製する方法であって、ガイド基板４０１上にチップ状の機能素子４１０を仮配置する工程と、機能素子４１０が仮配置されたガイド基板４０１上に、光導波路４０６が形成されたチップまたはウエハからなる光導波路基板４２０を、接着面を下にして対向して配置する工程と、光導波路基板４２０を機能素子４１０と接触させる工程と、光導波路基板４２０と機能素子４１０とを接合する工程とを備えた。
【選択図】図４

Description

本発明は、光デバイスの作製方法に関し、具体的には、ＰＬＣの表面に機能素子を集積した光デバイスの作製方法に関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められている。その技術の一つとして、石英系平面光導波路回路（以下、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）ともいう）が知られている。石英系ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度といった優れた特徴を有し、複合機能一体集積のプラットフォームとして有望である。

実際に伝送端局における光受信装置にはフォトダイオード（以下、ＰＤともいう。）などの受光素子からなる光モジュールや、レーザーダイオード（以下、ＬＤともいう。）などの発光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが光結合により実装されている。また、例えば、波長多重分割伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣの中の複数の光導波路についての光強度を監視するために、多数のＰＤが集積化されて実装されている。

光導波路と受（発）光素子の光結合を可能とする構造として、図１に示すような、光導波路の一部の領域に、基板面に対して垂直方向に光路を変換する反射ミラーを設けた構造が提案されている。図１に示すように、下部クラッド１０２と、コア１０３と、上部クラッド１０４とから構成された光導波路を伝播する光が、ミラー１０５で反射されてＰＤ１０６に結合される。

図２は、図１のＰＤ１０６の部分の拡大図である。基板２００上に作製されるＰＤは、絶縁層２０１と、接着剤層２０２と、Ｎ層２０３、Ｉ層２０４、Ｐ層２０５が順番に積層されて成るＰＩＮ層２０６と、Ｎ層２０３上の電極層２０７−１と、ＰＩＮ層２０６上の電極層２０７−２と、接着剤層２０２、ＰＩＮ層２０６、及び電極層２０７−１、２０７−２を覆う絶縁層２０８と、絶縁層上の配線２０９−１、２０９−２とから構成される。基板２００直上の絶縁層２０１は、基板２００が導電性の場合に挿入され、具体的にはSiO₂層又はポリイミド層である。

図３に作製方法を示す。（ａ）光導波路３０１を形成後、（ｂ）光導波路表面に接着剤３０４を塗布する。その後、ＩｎＰ基板３０２にエピタキシャル層３０３が形成されたチップを、エピタキシャル面３０２を下にして光導波路３０１に接着する。（ｃ）その後、ＩｎＰチップの基板３０２を研削、研磨、ウエットエッチング工程で除去する。（ｄ）そして、光導波路上のエピタキシャル膜３０３を、フォトリソグラフィー、エッチング、絶縁膜形成、配線形成などの工程を経て、ＰＤ３０５へと加工する。（ｅ）その後、マイクロミラー３０６を作製し、（ｆ）ミラー表面にＡｌ３０７などの金属を蒸着する。この中で、ＩｎＰチップを基板上に接着するボンディング工程においては、接着が必要な個所に必要最小限の大きさのＩｎＰチップを接着する必要がある。

特許第４４６７５４４号明細書

Y.Kurata et al., "Heterogeneous Integration of High-Speed InP PDs on Silica-Based Planar Lightwave Circuit Platform", Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, (2011)

しかしながら、１つ１つのチップを位置精度よく配置するためには、チップボンダーなどの高価な実装装置が必要となり、低コストな作製プロセスを実現する際の課題となっていた。また、一度接着層においてしまうと、チップに接着剤が付着するため位置合わせをやり直すことが難しく、工程上の課題となっていた。

本発明は、これらの問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光導波路上面への光半導体チップを代表とする機能素子を効率良くかつ位置精度良く配置できる光デバイス作製方法を提供することである。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光導波路が形成されたチップまたはウエハ上にチップ状の機能素子を配置した光デバイスを作製するための光デバイス作製方法である。光デバイス作製方法は、ガイド用基板上にチップ状の機能素子を仮配置する工程と、ガイド用基板の機能素子が仮配置された面と、光導波路が形成されたチップまたはウエハの接着面とを対向させて、当該ガイド用基板と当該チップまたはウエハとを配置する工程と、チップまたはウエハと前記機能素子とを接触させる工程と、チップまたはウエハと前記機能素子とを接合する工程と、を備えることを特徴とする。

一実施形態では、機能素子は、光半導体エピタキシャル膜が形成された光半導体用加工基板であること、または、光半導体回路として加工済み（光半導体の機能を実装済み）の光半導体基板であることを特徴とする。一実施形態では、上記方法は、光半導体用加工基板に形成された光半導体エピタキシャル膜を加工する工程を備えることを特徴とする。

一実施形態では、上記方法における接合する工程は、常温接合する工程または有機材料により接着する工程であることを特徴とする。一実子形態では、ガイド用基板上には、チップ状の機能素子が配置されるべき位置を表すマーカーが形成されていることを特徴とする。一実施形態では、マーカーの形成は、ガイド用基板の表面上に形成された凹状の窪みあるいは凸状の線または破線であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光導波路上面への光半導体チップを代表とする機能素子を効率良くかつ位置精度良く配置できる光デバイス作製方法を提供することが可能となる。

従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させる反射ミラーを備えた構造を説明する図である。 従来技術に係る、光結合回路素子ＰＤの断面図である。 従来技術に係る、ＰＬＣ表面に機能素子を集積した光デバイスの作製法を説明する図である。 本発明の実施形態に係る、ＰＬＣ表面に機能素子を配置する方法を説明する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明では、図３を参照して説明したように、機能素子としてはエピタキシャル層が形成されたＩｎＰ基板（光導波路基板４２０の接着面と接合した後にＩｎＰ基板を除去してエピタキシャル膜を光半導体回路に加工する部材：光半導体加工用基板）を例とするが、機能素子は、エピタキシャル膜が絶縁膜や配線が形成済みのＰＤやＬＤとして機能する素子であっても良い。

図４に、本発明の実施形態に係る、ＰＬＣ表面に機能素子を配置する方法を示す。
本実施形態に係る方法は、最初に第１のステップとして、機能素子を配置する位置を表すマーカー４０２が形成されたガイド用基板４０１を準備する（図４（ａ）を参照）。ガイド用基板４０１は、機能素子４１０の材質や特性、必要な形状精度や位置精度、後の接着行程を考慮し、赤外線を透過するＳｉやＳｉＯ２、あるいは樹脂材料としてエポキシやアクリル、ポリイミドといった材質を選択する。このマーカー４０２としては、機能素子４１０を精度よく配置するために、ガイド用基板の表面上に形成した凹状の窪みが望ましい。その窪みは、機能素子をＰＬＣ表面に接着するのに必要な位置精度を備えるとともに、後の接着行程で接着剤が機能素子のみに接触するように、機能素子の厚さ以下の深さを有することが望ましい。ガイド用基板４０１の表面と窪みの段差が小さすぎるとマーカーとしての役割を果たせなくなるので、適切な深さが必要なことは言うまでもない。その他、接着する光導波路チップまたはウエハが、反り等により完全な平行平板でない場合には、その形状変形を考慮した段差が必要となる。マーカーは、配置された機能素子４１０のガイド用基板の表面に水平な方向へ移動を防止することができれば、凹状の窪みに限られず、ガイド用基板の表面上に形成した凸状の線または破線であっても良い。

次に第２のステップとして、エピタキシャル層４０４とＩｎＰ基板４０３からなる機能素子４１０を、エピタキシャル層４０４を上面に向けてガイド用基板４０１のマーカー４０２に合わせていく。マーカー４０２が窪み形状であるので、機能素子４１０は、その窪みに落とし込んでいくだけで、高精度配置を実現できる（図４（ｂ）、（ｃ）を参照）。

第３のステップとして、光導波路４０６が形成された基板４０７からなる光導波路基板４２０を準備する。この基板４２０は、一つ以上の光導波回路が形成されたウエハでもチップ状に切り出したものでも良い。光導波路基板４２０の接着面を下にして、機能素子４１０が配列されたガイド用基板４０１表面に対向させる。光導波路基板４２０の接着面にはあらかじめ接着剤４０５をスピンコーター等で均一に塗布しておく。接着剤４０５としてはポリイミドやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、エポキシ等の熱硬化性の材料（有機材料）が挙げられる。この時、ガイド用基板４０１と、光導波路基板４２０の正確な位置合わせが必要となるが、その方法として、まずは両者を出来る限り近接させることとし、両者の距離を保ったまま、水平方向の位置合わせを行う。水平方向の位置合わせの際には、両者に形成された実装用マーカーを利用することが望ましいが、これを実現するためには、たとえばガイド用基板４０１と光導波路基板４２０は、ＳｉやＳｉＯ２等の赤外光を透過する材料を選択しておき、ガイド用基板４０１の下方から上方に向かって赤外光を照射し、ガイド用基板４０１と光導波路基板４２０に形成された実装用マーカーを合わせることによって、位置精度を確保する。（図４（ｄ）を参照）。

第４のステップとして、位置精度を確保したガイド用基板４０１と光導波路基板４２０を接触させ、接着剤４０５が硬化するまでその状態を保持する（図４（ｅ）を参照）。接着剤４０５が硬化した後に、ガイド用基板４０１と光導波路基板４２０を引き離して機能素子が配置された光導波路基板４２０を得る（図４（ｆ）を参照）。未硬化の状態でも接着剤の接着力で機能素子の位置がずれたりしないようであれば、図４（ｆ）の状態で接着剤の硬化作業を行っても良い。

接着剤が硬化した後に、図３を参照して説明したように、研削、研磨、ウエットエッチングなどによりＩｎＰ基板４０３を除去するステップと、エピタキシャル膜を光半導体素子に加工するステップを行い、所望の機能を有する光デバイスを作製することができる。なお、上述したように、機能素子が、エピタキシャル膜に対する加工が行われて絶縁膜や配線が形成され既に所望の機能が有している素子である場合には、機能素子を光導波路基板４２０の接着面と接合した後にエピタキシャル層を加工する必要なない。

本実施例では、接着剤を用いて機能素子と光導波路基板を接合する方法について述べたが、接着剤を用いない常温接合と呼ばれる接合方法でも良い。常温接合を用いる場合には、プラズマ処理による接着面の活性化が必要な場合が多いが、それは図４（ｃ）の状態でエピタキシャル層４０４の表面処理を行うと良い。また、機能素子としてはエピタキシャル層が形成されたＩｎＰ基板の例を述べたが、非接着層である光導波路に新たな機能が付与できるのであれば、その種類は限定されない。

１００ ＰＬＣ
１０１ 基板
１０２ 下部クラッド
１０３ コア
１０４ 上部クラッド
１０５ ミラー
１０６ ＰＤ
２００ 基板
２０１ 絶縁層
２０２ 接着剤層
２０３ Ｎ層
２０４ Ｉ層
２０５ Ｐ層
２０６ ＰＩＮ層
２０７−１，２０７−２ 電極層
２０８ 絶縁層
２０９−１，２０９−２ 配線
３０１ 光導波路
３０２ ＩｎＰ基板
３０３ エピタキシャル層
３０４ 接着剤
３０５ ＰＤ
３０６ マイクロミラー
３０７ Ａｌ
４０１ ガイド用基板
４０２ マーカー
４０３ ＩｎＰ基板
４０４ エピタキシャル層
４０５ 接着剤
４０６ 光導波路
４０７ 基板
４１０ 機能素子
４２０ 光導波路基板

Claims (5)

1. 光導波路が形成されたチップまたはウエハ上にチップ状の機能素子を配置した光デバイスを作製するための光デバイス作製方法であって、
   ガイド用基板上にチップ状の機能素子を仮配置する工程と、
   前記ガイド用基板の前記機能素子が仮配置された面と、前記光導波路が形成されたチップまたはウエハの接着面とを対向させて、前記ガイド用基板と前記チップまたはウエハとを配置する工程と、
   前記チップまたはウエハと前記機能素子とを接触させる工程と、
   前記チップまたはウエハと前記機能素子とを接合する工程と、
   を備えた、ことを特徴とする光デバイス作製方法。
2. 前記機能素子は、光半導体エピタキシャル膜が形成された光半導体用加工基板であることを特徴とする、請求項１に記載の光デバイス作製方法。
3. 前記光半導体エピタキシャル膜を加工する工程を備えたことを特徴とする、請求項２に記載の光デバイス作製方法。
4. 前記接合する工程は、常温接合する工程または有機材料により接着する工程を含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の光デバイスの作製方法。
5. 前記ガイド用基板上には、前記チップ状の機能素子が配置されるべき位置を表すマーカーが形成されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の光デバイスの作製方法。

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