JP2018182172A

JP2018182172A - 受光素子およびその作製方法

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Publication number: JP2018182172A
Application number: JP2017082317A
Authority: JP
Inventors: 圭穂前田; Yoshio Maeda; 史人中島; Fumito Nakajima; 好史村本; Yoshifumi Muramoto; 広明三条; Hiroaki Sanjo
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】光受信器に搭載される受光素子（フォトダイオード）およびその作製方法を提供する。【解決手段】受光素子は、フォトダイオード部が設けられた基板と、レンズ部が設けられた半導体基板５０１ｂと、台座部を含む基板を含む半導体受光素子において、台座部と、半導体基板５０１ｂの表面上の端部とが接し、台座部に囲まれた開口部内にレンズ部がある。【選択図】図５

Description

本発明は、光通信用の受光素子およびその作製方法に関する。

光通信の高速化に伴って、光受信器に搭載される受光素子（フォトダイオード：本明細書では、以下、ＰＤという）の受光径の微小化が進んでいる。

微小な受光径を持つＰＤに高効率に光を入射するために、非特許文献１に示すように、屈折率の高い半導体レンズを用いて集光させる方法を採用することが一般的である。

特に図１（ａ）のようなＰＤ用の基板１０１、ＰＤ部１０２、半導体レンズ１０３、及びミラー１０４を含み、光導波路１０５を用いる光受信器で、微小径のＰＤに光を結合するには入射光線１０６を空間中で広げ、高曲率・高屈折率の半導体レンズ１０３で入射光線１０６を急峻に絞る必要がある。（図１（ｂ）光受信器の拡大図）

半導体レンズ１０３としては、図２のように、小型化が進む光受信器に高集積化や製造コストの面で適した、半導体基板を直接加工するモノリシックレンズや、図３のようにレンズを形成した半導体基板をウェハ接合によって、ＰＤ用の基板に貼り合わせた接合レンズを用いることが多い。

この半導体レンズ付ＰＤを図１の光受信器に搭載する場合、導波路の出射端とレンズとの間に空間をとるための、数十μｍ程度の高さを有する高い台座部が必要となる。

台座の無い半導体レンズ付ＰＤを光導波路に搭載する時に、接着剤やスペーサーを挟むことで台座の代わりをさせる方法も存在するが、台座の高さの精密な制御が困難であり、また個別に実装が必要なため光受信器には適さない。

従って、この半導体レンズおよび台座部の製造方法は次に示す通り、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて製造されることができる。このフォトリソグラフィ技術およびこのドライエッチング技術は、公知の技術を用いればよい。

図２に、従来のモノリシックレンズの製造方法を示す。図２（ａ）は、ＰＤ用の基板２０１ａに設けられたＰＤ部２０４を示している。また、図３に、従来の接合レンズの製造方法を示す。図３（ａ）は、Ｓｉ基板３０１ａを示している。

図２（ｂ）、図３（ｂ）（レジストパターンの形成）のように、フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体基板上に円柱状のレジストパターン２０２ａ、３０２aを形成する。その後、高温で焼き鈍すことで、図２（ｃ）、図３（ｃ）のようなレンズ形状に成形し、ベーク後のレジストパターン２０２ｂ、３０２ｂを得る（図２（ｃ）、図３（ｃ）レジストパターンのベーク）。このフォトリソグラフィ技術は公知の方法を用いればよい。なお、レンズ部以外の台座部はレンズ部より厚いレジストで保護しておけばよい。

次に、図２（ｄ）、図３（ｄ）のようにドライエッチング技術によって、レジストパターンと半導体基板をエッチングすることで、半導体基板をレンズ形状に加工し、レンズ形状の表面を有する、エッチングされたＰＤ用の基板２０１ｂ、レンズ形状の表面を有する、エッチングされたＳｉ基板３０１ｂを得る（図２（ｄ）、図３（ｄ）ドライエッチング（レンズ形状転写））。なお、エッチングされたレジストパターンの一部２０２ｃ、エッチングされたレジストパターンの一部３０２ｃが残っている。

さらにレンズ形状の形成後もエッチングを続けることで、図２（ｅ）、図３（ｅ）のように台座部が形成されたＰＤ用の基板２０１ｃ、台座部が形成されたＳｉ基板３０１ｃを得る（図２（ｅ）、図３（ｅ）ドライエッチング（台座部形成））。

図３（ｆ）のように、台座部が形成されたＳｉ基板３０１ｃの裏面と、ＰＤ部３０４が形成されたＰＤ用の基板３０５の裏面とを接着剤３０６を介して貼り合わせ、台座を有する半導体レンズ付ＰＤを得る（図３（ｆ）Ｓｉ基板とＰＤ用の基板とのウェハ接合）。

"１００Ｇｂｉｔ/ｓＣｏｍｐａｃｔＲｅｃｅｉｖｅｒＭｏｄｕｌｅｗｉｔｈｔｈｅＢｕｉｌｔ−ｉｎＯｐｔｉｃａｌＤｅ−ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ",Ｆ. Ｎａｋａｊｉｍａ, ｅｔ. ａｌ., ２０１３ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ, (２０１３) ３０５−３０６．

図４（ａ）は、図２（ｄ）の拡大図である。前述の方法では、図４（ｂ）のように、台座部を形成するためのエッチング中に、台座部の形成開始時点のレンズ部形状２０５から、レンズ部のエッチングも進むため、レンズの直径や曲率半径が設計値からずれてしまう問題が発生してしまっている。

よって、長時間のエッチングが必要な台座を有する半導体レンズの製造は困難である課題を有していた。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。本発明においては、台座構造をガラスモールド法で作製したガラス基板と、ドライエッチングで作製した半導体レンズ基板をそれぞれ作製しておき、各基板とＰＤ用の基板をウェハ接合技術よって貼り合わせたのちに、チップ化することで台座を有する半導体レンズ付ＰＤを実現している。

本発明の光検出器の一様態は、
フォトダイオード部が設けられた基板と、
レンズ部が設けられた半導体基板と、
台座部を含む基板を含む受光素子において、
前記台座部と、前記半導体基板の表面上の端部とが接し、
前記台座部に囲まれた開口部内に前記レンズ部があることを特徴とする半導体受光素子である。

前記半導体基板は、Ｓｉ、Ｇｅ及びそれらの混合物を含んでいてもよい。

前記台座部を含む基板は、ガラス基板、プラスチック基板及び石英基板からなる群から選ばれた一であってもよい。

前記台座部を含む基板の開口部の幅φ_glassの大きさは、前記レンズ部の直径φ_lensの大きさより大きいことを特徴とする。

本発明の光検出器の作製方法の一様態は、基板に開口部を形成することにより、前記基板の台座部を形成するステップと、
前記開口部と半導体基板のレンズ部とが対向するように、前記半導体基板の表面上の端部と前記台座部とを接合させるステップと、
前記半導体基板の裏面と、フォトダイオード部が設けられた基板の裏面とを接合させるステップとを含むことを特徴とする受光素子の作製方法である。

前記基板の開口部は、ガラスモールド法によって形成されてもよい。

前記基板の開口部が設けられた表面と対向する裏面、前記半導体基板の裏面及びフォトダイオード部が設けられた基板の裏面のうち少なくとも一面を研磨によって薄層化されてもよい。

台座部の高さは、ガラスモールド法の型で制御することができ、また、半導体レンズ側に台座部を形成する必要がないためレンズ形状が設計値からずれてしまうことを防ぐことができる。

本明細書の作製方法では、レンズ部形成後に、台座部を形成するためのエッチングをレンズ部およびＳｉ基板に対して行わないため、レンズ部の形状が変化することはない。

レンズ部の作動距離は、ガラス基板に形成した台座部の高さで調節でき、その台座部の高さは、ガラス基板の厚さ以内であれば、ガラスモールド法の型で調整することができる。

あらかじめ個別に作製したＰＤ用の基板、半導体レンズ基板、及び台座構造を有するガラス基板をウェハ接合技術を用いて接合し、チップ化することで、台座部を有する半導体レンズ付ＰＤを高精度に作製することができる。

（ａ）：光受信器の構成例の全体図を示す図である。（ｂ）光受信器の構成例の拡大図を示す図である。（ａ）ＰＤ用の基板に設けられたＰＤ部を示す図である。（ｂ）レジストパターンの形成を示す図である。（ｃ）ベーク後のレジストパターンを示す図である。（ｄ）ドライエッチング（レンズ形状転写）を示す図である。（ｅ）ドライエッチング（台座部形成）を示す図である。（ａ）は、Ｓｉ基板３０１ａを示す図である。（ｂ）レジストパターンの形成を示す図である。（ｃ）レジストパターンのベークを示す図である。（ｄ）ドライエッチング（レンズ形状転写）を示す図である。（ｅ）ドライエッチング（台座部形成）を示す図である。（ｆ）Ｓｉ基板とＰＤ用の基板とのウェハ接合を示す図である。（ａ）図２（ｄ）の拡大図を示す図である。（ｂ）従来技術の課題を示す図である。（ａ）は、Ｓｉ基板３０１ａを示す図である。（ｂ）レジストパターンの形成を示す図である。（ｃ）ベーク後のレジストパターンを示す図である。（ｄ）ドライエッチング（レンズ形状転写）を示す図である。（ｅ）ウェハ接合（ＰＤ基板＋Ｓｉ基板＋ガラス基板）を示す図である。（ｆ）Ｓｉレンズ部付のＰＤを示す図である。（ａ）ガラス基板の台座部の形成方法を示す断面図である。（ｂ）ダイシング前のガラス基板の台座部の形成方法を示す上面図である。（ａ）台座部を有するガラス基板を示す断面図である。（ｂ）ダイシング前の台座部を有するガラス基板を示す上面図である。

以下、本発明の光変調器の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。

以下に本発明の実施の形態の一例を示す。

（実施の形態１）
図５（台座を有する半導体レンズ付ＰＤ）に半導体レンズとしてＳｉ基板５０１ａを加工したＳｉレンズ部を用い、ＰＤ用の基板としてＩｎＰ基板を用いた実施の形態の概略図を示す。

まず、図５(ａ) 〜図５(ｄ)を参照して、Ｓｉ基板５０１ａ上にＳｉレンズ部を形成する方法を述べる。

図５(ｂ)のように、スピンコート法およびフォトリソグラフィ技術を用いて、Ｓｉ基板５０１ａ上にレジストを塗布し、円柱状のレジストパターン５０２ａを形成する。スピンコート法およびフォトリソグラフィ技術は公知の方法を用いればよい。ここで、典型的には、レジスト厚は１０μｍ前後である。円柱の直径は、Ｓｉレンズの開口直径と同じにしておく。

続いて、図５(ｃ)のように、上記のＳｉ基板５０１ａに形成したレジストパターンを焼き鈍らせることで、レジストをレンズ形状に成形し、ベーク後のレジストパターン５０２ｂを形成する（ベーク後のレジストパターン）。

その後、公知のドライエッチング技術を用いて、ドライエッチングの選択比がＳｉ：レジスト＝１：１となるような条件で、レンズ形状のベーク後のレジストパターン５０２ｂを完全に削りきるまでＳｉ基板をエッチングすることで、図５(ｄ)のようなＳｉレンズ部を有するＳｉ基板５０１ｂを形成する（図５(ｄ)ドライエッチング（レンズ形状転写））。

次に、台座部５０３ａ付きガラス基板５０３を図６〜図７のように、型６０１を用いたガラスモールド法を用いて作製する。

ここで、台座部の開口部５０３ｂの幅φ_glassの大きさは、図５(ａ)〜図５(ｄ)で作製したＳｉレンズ部の直径φ_lensの大きさより大きくなるように設計する。また、台座部の開口の配置も同様に、Ｓｉレンズ部の配置にあわせて設計しておく。

一方、図７（ａ）中の台座部の高さＨ_glassは、図５(ｄ)中のレンズの高さＨ_lensにＳｉレンズ部の作動距離を足した値とする。

続いて、図５(ｅ)のように、上記の台座部５０３ａが形成されたガラス基板５０３およびＳｉレンズを有するＳｉ基板５０１ｂをウェハ接合（１）５０４する方法と、Ｓｉレンズを有するＳｉ基板５０１ｂ及びＰＤ部５０７が形成されたＰＤ用の基板５０６をウェハ接合（２）５０８する方法を述べる。

まず、上記の各基板を所望の厚さまで、研磨によって薄層化しておく。ガラス基板５０３の開口部５０３ｂが設けられた表面と対向する裏面、前記Ｓｉ基板５０１ｂの裏面及びＰＤ用の基板５０６の裏面のうち少なくとも一面を研磨によって薄層化されればよい。

次に、プラズマ活性化法や陽極酸化法によってガラス基板５０３とＳｉレンズ部を有するＳｉ基板５０１ｂをウェハ接合（１）５０４する。そのプラズマ活性化法や陽極酸化法は、公知の方法を用いればよい。また、ガラス基板５０３とＳｉレンズ部を有するＳｉ基板５０１ｂとの間に紫外線硬化性接着剤を設け、紫外線照射により紫外線硬化性接着剤を硬化させることによって、ガラス基板５０３とＳｉレンズ部を有するＳｉ基板５０１ｂとを接合してもよい。

続いで、熱硬化性接着剤５０５であるＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）やポリイミドをスピンコート法を用いて、この接合したガラス基板５０３とＳｉ基板５０１ｂに塗布し、ＰＤ用の基板５０６とウェハ接合（２）５０８を行う。Ｓｉレンズ部がガラス基板で被われているため、ウェハ接合（２）でスピンコート法を採用することができる。

最後に、ダイシングをすることで、図５（ｆ）のような台座部を有するＳｉレンズ部付のＰＤを作製することができる。なお、熱硬化性接着剤５０５は、接合後、超薄膜となるので、図５（ｆ）では図示を省略している。

上記の作製方法では、Ｓｉレンズ形成後に、台座部を形成するためのエッチングをＳｉレンズおよびＳｉ基板に対して行わないため、Ｓｉレンズ形状が変化することはおこらない。

レンズの作動距離は、ガラス基板５０３に形成した台座部５０３aの高さで調節でき、その台座部の高さは、ガラス基板５０３の厚さ以内であれば、ガラスモールド法の型で調整することができる。

本実施形態１に示したように、あらかじめ個別に作製したＰＤ用の基板、半導体レンズ基板、および台座構造を有するガラス基板をウェハ接合技術を用いて接合し、チップ化することで、台座を有する半導体レンズ付ＰＤを高精度に作製することができる。

本実施の形態では、台座部付き基板として、ガラス基板５０３を用いたが、透明基板であればよく、石英基板や、プラスチック基板を用いてもよい。本明細書において、透明基板とは、紫外光又は赤外光（通信波長１．３−１．５５μｍ帯）の光線透過率が５０％以上、１００％未満の基板を指す。

本実施の形態では、半導体基板としてＳｉ基板を用いたが、半導体基板に、Ｇｅ又はＳｉとＧｅとの混合物を用いてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１に記載されたＰＤは、電話機など電子機器に設けられた表示部へ適用することが可能である。

本発明は、光受信器に搭載される受光素子（フォトダイオード）およびその作製方法に適用することができる。

１０１ＰＤ用の基板
１０２ＰＤ部
１０３半導体レンズ
１０４ミラー
１０５光導波路
１０６入射光線
２０１ａＰＤ用の基板
２０１ｂエッチングされたＰＤ用の基板
２０１ｃ台座部が形成されたＰＤ用の基板
２０２ａレジストパターン
２０２ｂベーク後のレジストパターン
２０２ｃエッチングされたレジストパターンの一部
２０３台座部の高さ
２０４ＰＤ部
２０５台座部の形成開始時点のレンズ部形状
３０１ａＳｉ基板
３０１ｂエッチングされたＳｉ基板
３０１ｃ台座部が形成されたＳｉ基板
３０２ａレジストパターン
３０２ｂベーク後のレジストパターン
３０２ｃエッチングされたレジストパターンの一部
３０３台座部の高さ
３０４ＰＤ部
３０５ＰＤ用の基板
３０６接着剤
５０１ａＳｉ基板
５０１ｂＳｉレンズ部を有するＳｉ基板
５０２ａレジストパターン
５０２ｂベーク後のレジストパターン
５０３ガラス基板
５０３ａ台座部
５０３ｂ開口部
５０５熱硬化性接着剤
５０６ＰＤ用の基板
５０７ＰＤ部
６０１型

Claims

フォトダイオード部が設けられた基板と、
レンズ部が設けられた半導体基板と、
台座部を含む基板を含む受光素子において、
前記台座部と、前記半導体基板の表面上の端部とが接し、
前記台座部に囲まれた開口部内に前記レンズ部があることを特徴とする受光素子。
請求項１に記載の受光素子において、
前記半導体基板は、Ｓｉ、Ｇｅ及びそれらの混合物を含んでいることを特徴とする受光素子。
請求項１または請求項２に記載の受光素子において、
前記台座部を含む基板は、ガラス基板、プラスチック基板及び石英基板からなる群から選ばれた一であることを特徴とする受光素子。
請求項１乃至３いずれか一項に記載の受光素子において、
前記台座部を含む基板の開口部の幅φ_glassの大きさは、前記レンズ部の直径φ_lensの大きさより大きいことを特徴とする受光素子。
基板に開口部を形成することにより、台座部を形成するステップと、
前記開口部と半導体基板のレンズ部とが対向するように、前記半導体基板の表面上の端部と前記台座部とを接合させるステップと、
前記半導体基板の裏面と、フォトダイオード部が設けられた基板の裏面とを接合させるステップとを含むことを特徴とする受光素子の作製方法。
請求項５に記載の受光素子の作製方法において、
前記基板の開口部は、ガラスモールド法によって形成されることを特徴とする受光素子の作製方法。
請求項５または請求項６に記載の受光素子の作製方法において、
前記基板の開口部が設けられた表面と対向する裏面、前記半導体基板の裏面及びフォトダイオード部が設けられた基板の裏面のうち少なくとも一面を研磨によって薄層化することを特徴とする受光素子の作製方法。