JP2018041885A - モジュール、モジュールの製造装置、およびモジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光素子などの素子の実装の際に素子の端面の微小な異物を効率良く除去可能なモジュール、モジュールの製造装置、およびモジュールの製造方法を実現する。【解決手段】 基板と、前記基板の表面に接合材で接合され前記表面に垂直な１つの端面を有する２つの素子とを備え、前記素子は前記端面の表面に均一な厚さの保護膜を有し、前記保護膜の前記基板の前記表面に垂直な２つの側面の前記端面と反対側の隅が直線であり、前記２つの素子の端面同士は平行に近接することを特徴とするモジュール。【選択図】 図１１

Description

本発明は、モジュール、モジュールの製造装置、およびモジュールの製造方法に関するものである。

ＬＳＩ（Large Scale Integration）等のデバイスの高速化にともなって、電気的な通信方法の速度限界が問題となっている。そのため、電気的な通信方法の代替として光通信・光情報処理等の開発・研究が進められている。

光モジュール（module）は、光信号と電気信号を変換する光通信用の半導体素子や、光信号の伝送路である光導波路を備えた光導波路基板等の要素部品から構成され、光信号と電気信号を相互に変換する機能部品である。

特許文献１には、このような光モジュールの構造の例が示されている。特許文献１に記載された光モジュールの構造は、２つの光素子のそれぞれの受発光点の露出した端面同士が互いに対向して近接している。そして、２つの光素子の受発光点に入出する光の光軸同士の位置ずれ寸法は、ゼロ乃至０．１μｍである。

近年開発の進むＳｉ（シリコン）フォトニクス技術による光機能部品においては、Ｓｉ導波路によって光回路が形成されている。しかし、導波路径が約２μｍと細い上、Ｓｉの屈折率が３．５であり、石英導波路の１．４乃至１．５と比べて高いため、空気に対する光の放射角が石英導波路より大きくなる。そのため、良好な光結合を行うには、２つの光素子の対向した端面間の間隔を、０．５±０．２μｍ程度の高精度に実装することが求められる。

特開２０１６−１１５６９４号公報

この様に、光素子同士を近接させる光モジュールの組立においては、対向させる光素子の端面間のギャップ（gap）への微小な異物による、コンタミネーション（contamination）に特に注意する必要がある。

しかし、一般的なクリーンルーム（clean room）の環境下でも１μｍ未満の微小な異物を完全に除去することは極めて困難であり、微小な異物の除去は、光モジュールの品質や製造歩留りを向上させるための重要な要素である。

本発明の目的は、光素子などの素子の実装の際に素子の端面の微小な異物を効率良く除去可能なモジュール、モジュールの製造装置、およびモジュールの製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のモジュールは、基板と、前記基板の表面に接合材で接合され前記表面に垂直な１つの端面を有する２つの素子とを備え、前記素子は前記端面の表面に均一な厚さの保護膜を有し、前記保護膜の前記基板の前記表面に垂直な２つの側面の前記端面と反対側の隅が直線であり、前記２つの素子の端面同士は平行に近接する。

上記の目的を達成するために、本発明のモジュールの製造装置は、基板と、前記基板の表面に接合材で接合され前記表面に垂直な１つの端面を有する２つの素子とを備え、前記素子は前記端面の表面に均一な厚さの保護膜を有し、前記保護膜の前記基板の前記表面に垂直な２つの側面の前記端面と反対側の隅が直線であり、前記２つの素子の端面同士は平行に近接するモジュールの製造装置において、前記２つの素子のそれぞれを保持する２つの保持部を備え、前記保持部は前記基板の前記表面と平行に上下方向に移動し、更に前記保持部は前記保持部の１つが保持する素子の保護面の前記基板に対する垂直面を前記２つの素子のもう一方の保護面の前記基板に対する垂直面に対して遠近方向、平行方向、および平行からずらす角度とに移動するモジュールの製造装置である。

上記の目的を達成するために、本発明のモジュールの製造方法は、基板と、前記基板の表面に接合材で接合され前記表面に垂直な１つの端面を有する２つの素子とを備え、前記素子は前記端面の表面に均一な厚さの保護膜を有し、前記保護膜の前記基板の前記表面に垂直な２つの側面の前記端面と反対側の隅が直線であり、前記２つの素子の端面同士は平行に近接するモジュールの製造方法において、前記２つの素子は第１の素子と第２の素子からなり、前記第１の素子の前記基板の前記表面に垂直な側面の１つの前記端面と反対側の隅の前記直線部で前記第２の素子の前記保護膜の表面をこするモジュールの製造方法である。

本発明のモジュール、モジュールの製造装置、およびモジュールの製造方法によれば、光素子などの素子の実装の際に素子の端面の微小な異物を効率良く除去可能になる。

第１の実施形態の構成例を示す図である。 第１の実施形態の構成例を示す図である。 第１の実施形態の構成例を示す図である。 第１の実施形態の構成例を示す図である。 第１の実施形態の動作例を示す図である。 第１の実施形態の動作例を示す図である。 第１の実施形態の動作例を示す図である。 第１の実施形態の動作例を示す図である。 第１の実施形態の動作例を示す図である。 第１の実施形態の動作例を示す図である。 第２の実施形態の構成例を示す図である。

［第１の実施形態］
次に、本発明の実施の形態について図１乃至図４を参照して詳細に説明する。
［構成の説明］
図１に、本実施形態の光モジュール１０の構造を示す。光モジュール１０は、基板１３の上に光素子１１および光素子１２が配置され、光素子１１および光素子１２は、接合材１４によって基板１３に接合されている。

光素子１１および光素子１２は、例えば半導体レーザのベアチップなどの光素子であってもよい。また、基板１３は、例えば板状のシリコンの表面に電極を形成した光素子の実装用の基板であってよい。接合材１４は、例えばＡｕＳｎ（金錫）はんだなどであってよい。

また、光素子１１および光素子１２の互いに対向する端面には、それぞれ保護膜１５が形成されている。保護膜１５は、例えばＳｉＯ２（二酸化ケイ素）を主成分とする反射光抑制用コーティング膜などであってよい。

図２は、光モジュール１０の光素子１１および光素子１２の互いに対向する端面付近を拡大した図である。

光素子１１および光素子１２には、それぞれ光の導波路ｐおよび光の導波路ｑが形成されている。光素子１１および光素子１２の導波路に入出する光が、保護膜１５を通過して光学的に結合することによって、光モジュールとしての機能が実現される。

ここで、空気の層である間隙ｂが狭くなるほど、光素子１１および光素子１２の導波路どうしの光軸に対する垂直方向の位置精度が高い必要があり、光モジュールの組立が困難になる。一方、間隙ｂが広くなるほど、導波路から出る光が放射状により拡散することで所望の光結合を実現できなくなる。図２では、光は図の左方向から光素子１１の内部を導波路ｐに沿って進行し、光素子１２の内部を導波路ｑに沿って進行する様子を示している。そして、光素子１２の保護膜１５の内部の図中ｒで示す部分で光が拡散している様子を示している。

上記の事情を勘案すると、保護膜１５の厚さａは、０．５〜１μｍの均一な厚さであることが好適である。また、光素子１１および光素子１２の端面のそれぞれの保護膜１５どうしは、間隙ｂが０．５±０．２μｍの寸法で近接することが望ましい。

また、後述する様に、光素子１１および光素子１２の端面に付着する微小な異物を除去する工程において、一方の保護膜１５の端面の角部を用いて、もう一方の端面の表面をこすって、端面上の微小な異物を除去する。その為には、保護膜１５の端面の角部は優れた直線性を有することが極めて重要である。

一般的に、光素子はＳｉやＧａＡｓ（ガリウム・砒素化合物）やＩｎＰ（インジウム・リン）等の化合物半導体で作られる。しかし、素材が脆い材料であることや、劈開による分割等の影響から光素子の外形の角部についての直線性は、概して良くない場合が多い。

そこで、保護膜の端面の角部が、光素子のエッジの直線性に影響されない為には、光素子１１および光素子１２の端部より内側に形成する必要がある。更に、保護膜をエッチング（Etching）で形成する際のパターニング（patterning）の精度を考慮すると、図２のｃで示す寸法は、１０〜１５μｍであることが好適である。

次に、図３、および図４に、本発明の光モジュールの製造装置３０の構成を示す。

図３は製造装置３０の断面図で、図４は上面図である。尚、図４では、後述の画像認識部４６は省略している。そして、図３の断面図は、図４のＡ−Ｂにおける断面図である。

また、図４は、製造装置３０の構成を示す上面図である。

製造装置３０は、台３１、固定加熱部３２、外輪部３３、内輪部３４、ベアリング３５、外輪ステージ回転部３６、内輪ステージ回転部３７、外輪ステージ（stage）３８、内輪ステージ３９を備える。また、製造装置３０は、外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０、および内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１、支持台４２、支持台４３、外輪側チップ保持部４４、内輪側チップ保持部４５、および画像認識部４６を備える。

台３１は、製造装置３０の構成部品を固定する台である。固定加熱部３２は、図１に示した基板１３を固定して設置し、接合材１４を加熱溶融する加熱機構を有する部品である。固定加熱部３２は、例えば加熱用のセラミックヒータと、基板１３を吸着する機能を備えたステージであってよい。

また、外輪部３３および内輪部３４は、固定加熱部３２の中心を通る軸を中心に回転する回転機構であり、直径の大きい方が外輪部３３で、直径の小さい方が内輪部３４である。そして、外輪部３３および、内輪部３４は、ボールベアリングやクロスローラベアリングなどのベアリング３５で台３１と接続されている。

外輪ステージ回転部３６と内輪ステージ回転部３７は、それぞれ外輪部３３、内輪部３４を回転するための駆動部である。外輪ステージ回転部３６と内輪ステージ回転部３７は、例えばステッピングモータなどにより回転角度を正確に制御して駆動することでもよい。

外輪ステージ３８、および内輪ステージ３９は、それぞれ外輪部３３、および内輪部３４の上に固定され、図４の様に上面図で見ると、半円形に近い形状をしている。

外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０と内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１は、それぞれ、外輪ステージ３８、および内輪ステージ３９の上に配置され、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能なステージである。ここで、Ｘ方向は図３の右方向、次に述べるＹ方向はＸ方向と直交し、図の手前から図の奥へ向かう方向とする。外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０、および内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１は、ステッピングモータなどの回転角度を正確に制御可能な駆動源によって駆動し、Ｘ方向とＹ方向に対する直動機構を有するＸＹステージ機構であってよい。

支持台４２、および支持台４３は、それぞれ外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０と、内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１の上に固定された固定台である。

外輪側チップ保持部４４、および内輪側チップ保持部４５は、それぞれ支持台４２、および支持台４３の上に固定される。そして、外輪側チップ保持部４４、および内輪側チップ保持部４５は、例えば吸着穴を設けて光素子１１および光素子１２を吸着固定できる機能を有するガラスアーム部品などであってもよい。

画像認識部４６は、例えばＣＣＤカメラと高倍率レンズとを組み合わせて画像処理装置等に接続し、画像から対象物の計測等を行うことのできる画像認識機構であってもよい。
［動作の説明］
次に本実施形態の動作について、図３、および図５乃至図１０を参照して説明する。

図５は、図３に示される画像認識部４６により、光素子１１および光素子１２の端面部分が高倍率で観察されている様子を示す模式図である。図５は、図４と同じ方向から見た上面図である。

図５では、光素子１１、および光素子１２の端面の保護膜１５には、大きさや位置の異なる複数の微小な異物１６が付着している様子が観察される。光素子１１は、外輪側チップ保持部４４に、光素子１２は内輪側チップ保持部４５にそれぞれ保持されている。また、図５には図示していないが、図の背景に相当する領域には、固定加熱部３２に固定された基板１３が存在する。

次に、図６乃至図７を参照し、光素子１１の端面の保護膜１５に付着している異物１６を、光素子１２の保護膜１５の下側の角部で光素子１１の端面の保護膜の表面をこすって除去する動作を説明する。

まず、作業者は、図３に示される外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０、或いは内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を駆動して、光素子１１と光素子１２の端面どうしの間隔を離す。

次に、内輪ステージ回転部３７を駆動して右方向に回転して、光素子１２を移動する。次に、作業者は画像認識部４６から出力される画像を確認しながら外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０を操作する。そして、図６の左の図の様に、光素子１１の保護膜１５の上端付近と光素子１２の保護膜１５の下側の角部を接触させる。

次に、光素子１２の保護膜１５の下側の角部が、図６の左図中の上向き矢印の方向に光素子１１の保護膜１５の表面に沿ってこする様に、作業者は、画像認識部４６の出力画像を確認しながら外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０を駆動する。その結果、図６の右の図の様に、光素子１１の保護膜１５の表面に付着している異物１６は、光素子１２の保護膜１５の下側の角部の下の部分に溜まることで除去される。

図６で示した工程の後に、光素子１１の保護膜１５の表面に、図６の工程でこすり取りきれなかった異物１６が残っていることもある。また、図６の工程中に、光素子１２の保護膜１５の表面に付着している異物１６が、光素子１１の保護膜１５の表面に移って付着する場合もある。図７は、これらの異物１６を、光素子１２の保護膜１５の上側の角部を用いてこすり取る動作を示す模式図である。

まず、外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０、或いは内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を駆動して、光素子１１と光素子１２の端面どうしの間隔を離す。

次に、光素子１２を図３の内輪ステージ回転部３７を駆動して左方向に回転する。次に、作業者は画像認識部４６から出力される画像を確認しながら外輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を操作する。そして、図７の左の図の様に光素子１１の保護膜１５の下端付近と光素子１２の保護膜１５の上側の角部を接触させる。

次に、光素子１２の保護膜１５の上側の角部が、図７左図の下向き矢印の方向に光素子１１の保護膜１５の表面に沿ってこする様に、作業者は、画像認識部４６の出力画像を確認しながら外輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を駆動する。その結果、図７の右の図の様に、光素子１１の保護膜１５の表面に残留して付着していた異物１６は、光素子１２の保護膜１５の上側の角部の上の部分に溜まることで除去される。

図６および図７に示す工程を行った後にも、光素子１１の保護膜１５に微小な異物１６が残留していることがある。その場合は、図６または図７に示した工程を適宜繰り返すことで光素子１１の保護膜１５の表面の異物１６を除去できる。

次に、図８乃至図９を参照し、光素子１２の端面の保護膜１５に付着している異物１６を、光素子１１の保護膜１５の下側の角部で光素子１１の端面の保護膜の表面をこすって除去する動作を説明する。

まず、図３に示す外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０、或いは内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を駆動して、光素子１１と光素子１２の端面どうしの間隔を離す。

次に、外輪ステージ回転部３６を駆動して左方向に回転して、光素子１１を移動する。次に、作業者は画像認識部４６から出力される画像を確認しながら内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を操作する。そして、図８の左の図の様に、光素子１１の保護膜１５の下側の角部を光素子１２の保護膜１５の上端付近に接触させる。

次に、光素子１１の保護膜１５の下側の角部が、図８の左図中の下向き矢印の方向に光素子１２の保護膜１５の表面に沿ってこする様に、作業者は、画像認識部４６の出力画像を確認しながら内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を駆動する。その結果、図８の右の図の様に、光素子１２の保護膜１５の表面に付着している異物１６は、光素子１１の保護膜１５の下側の角部の下の部分に溜まることで除去される。

図８で示した工程の後に、光素子１１の保護膜１５の表面に図８の工程でこすり取りきれなかった異物１６が残っていることがある。図９は、これらの異物１６を、光素子１１の保護膜１５の上側の角部を用いてこすり取る動作を示す模式図である。

まず、図３に示す外輪側ＸＹ方向移動ステージ４０、或いは内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を駆動して、光素子１１と光素子１２の端面どうしの間隔を離す。

次に、外輪ステージ回転部３６を駆動して光素子１２を右方向に回転する。次に、作業者は画像認識部４６から出力される画像を確認しながら内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を操作する。そして、図９の左の図の様に光素子１１の保護膜１５の上側の角部を光素子１２の保護膜１５の下端付近に接触させる。

次に、光素子１２の保護膜１５の上側の角部が、図９の左の図の下向き矢印方向に光素子１１の保護膜１５の表面に沿ってこする様に、作業者は、画像認識部４６の出力画像を確認しながら内輪側ＸＹ方向移動ステージ４１を駆動する。その結果、図９の右の図の様に、光素子１２の保護膜１５の表面に残留して付着していた異物１６は、光素子１１の保護膜１５の上側の角部の上の部分に溜まることで除去される。

図８および図９に示す工程を行った後にも、光素子１２の保護膜１５に微小な異物１６が残留している場合は、図８または図９に示した工程を適宜繰り返すことで光素子１２の保護膜１５の表面の異物１６を除去できる。

図１０は、図６乃至図９の工程を完了し、光素子１１と光素子１２の端面を平行に対向する状態に戻した様子を示している。この時にも、光素子１１および光素子１２の保護膜上に異物１６が確認された場合には、適宜図６乃至図９の工程を行って、異物１６を除去することが可能である。

尚、光素子１１および光素子１２の端面に異物１６が観察されない場合は、図６乃至図９の不要な工程は省略してよい。

図１０の様に、完全に異物１６を除去した後、基板１３に光素子１１と光素子１２を基板１３の上の実装位置に正確に配置し、光素子１１と光素子１２を基板１３に押し当てて固定加熱部３２を加熱する。その後、冷却すると光素子１１と光素子１２は基板１３に固定されて光モジュール１０が完成する。

ここで、光素子１１と光素子１２を基板に押し当てて加熱する技術は、一般的な技術であるので詳細の説明は省略する。

以上説明した様に、本実施形態に示す光モジュールの製造装置３０は、光素子１１および光素子１２を実装する際に、光素子１１および光素子１２の端面の微小な異物を効率良く除去することが出来る。
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について図１１を参照して説明する。

本実施形態のモジュール１００は、基板１０３と、前記基板１０３の表面に接合材１０４で接合され前記表面に垂直な１つの端面を有する素子１０１と素子１０２とを備える。そして、前記素子１０１と前記素子１０２は前記端面の表面に均一な厚さの保護膜１０５を有し、前記保護膜１０５の前記基板１０３の前記表面に垂直な２つの側面の前記端面と反対側の隅が直線であり、前記素子１０１と素子１０２の端面同士は平行に近接する。

以上説明した様に、本実施形態に示すモジュール１００は、素子１０１および素子１０２を実装する際に、素子１０１および素子１０２の端面の微小な異物を効率良く除去することが出来る。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、次のように拡張または変形できる。

第１の実施形態に記載の光モジュール１０および製造装置３０は、光モジュール以外でも適用することが出来る。即ち、２つの素子の端面同士が平行に近接して基板上に固定される一般的なモジュールに対しても適用することが出来る。

１０ 光モジュール
１１ 光素子
１２ 光素子
１３ 基板
１４ 接合材
１５ 保護膜
１６ 異物
３０ 製造装置
３１ 台
３２ 固定加熱部
３３ 外輪部
３４ 内輪部
３５ ベアリング
３６ 外輪ステージ回転部
３７ 内輪ステージ回転部
３８ 外輪ステージ
３９ 内輪ステージ
４０ 外輪側ＸＹ方向移動ステージ
４１ 内輪側ＸＹ方向移動ステージ
４２ 支持台
４３ 支持台
４４ 外輪側チップ保持部
４５ 内輪側チップ保持部
４６ 画像認識部
１００ モジュール
１０１ 素子
１０２ 素子
１０４ 接合材
１０５ 保護膜

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の表面に接合材で接合され前記表面に垂直な１つの端面を有する２つの素子とを備え、
   前記素子は前記端面の表面に均一な厚さの保護膜を有し、
   前記保護膜の前記基板の前記表面に垂直な２つの側面の前記端面と反対側の隅が直線であり、
   前記２つの素子の端面同士は平行に近接することを特徴とするモジュール。
2. 請求項１に記載のモジュールを製造するモジュールの製造装置において、
   前記２つの素子のそれぞれを保持する２つの保持部を備え、
   前記保持部は前記基板の前記表面と平行に上下方向に移動し、更に前記保持部は前記保持部の１つが保持する素子の保護面の前記基板に対する垂直面を前記２つの素子のもう一方の保護面の前記基板に対する垂直面に対して遠近方向、平行方向、および平行からずらす角度とに移動することを特徴とするモジュールの製造装置。
3. 請求項１に記載のモジュールを製造するモジュールの製造方法において、
   前記２つの素子は第１の素子と第２の素子からなり、前記第１の素子の前記基板の前記表面に垂直な側面の１つの前記端面と反対側の隅の前記直線部で前記第２の素子の前記保護膜の表面をこすることを特徴とするモジュールの製造方法。
4. 前記２つの素子は光素子であり、前記端面は光の入出面であることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
5. 前記２つの素子は光素子であり、前記端面は光の入出面であることを特徴とする請求項２に記載のモジュールの製造装置。
6. 前記２つの素子は光素子であり、前記端面は光の入出面であることを特徴とする請求項３に記載のモジュールの製造方法。

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