JP3838718B2

JP3838718B2 - Optical device mounting substrate manufacturing method and optical module manufacturing method

Info

Publication number: JP3838718B2
Application number: JP33430396A
Authority: JP
Inventors: 史朗作島; 幹雄京増
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2016-12-13
Also published as: JPH10170773A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に光ファイバや光導波路等の光導波体及び光素子（発光素子又は受光素子）などを配置して光学的に結合させるための光デバイス実装基板の作製方法及びその光デバイス実装基板から成る光モジュールの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの大容量化及び多機能化が求められており、それに伴って光送信器や光受信器等の光デバイスの小型化、高集積化、及び低コスト化が要望されている。
特に、光デバイスの組み立てコストを削減する目的で、同一基板上に光ファイバや半導体光素子などの光部品を搭載する技術、いわゆる光ハイブリッド実装技術やシリコンプラットフォームなどの技術が注目されている。
【０００３】
これらの技術によれば、例えば光ファイバと光素子とを同一基板上に形成されたＶ溝上及び導体パターン上のそれぞれに実装するだけで、無調心にて光モジュールの組み立てを実現することが可能であるとされている。
【０００４】
ここで、基板上に無調心で上記光部品を実装するには、基板に形成した光ファイバ搭載用のＶ溝と光素子搭載用の電極、またはＶ溝と光素子搭載用の位置合わせマーカーとが各々高精度に形成され、且つそれぞれにおける両者の位置関係がサブミクロンオーダーの精度で形成されなければならない。
【０００５】
図７に基づいて従来の方法について説明する。図７（ａ）〜（ｇ）はそれぞれ、従来の光ハイブリッド実装基板の製作工程を説明する平面図である。まず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板７１上にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の（シリコンのエッチング液に対して耐性を有する）膜を被着形成し、Ｖ溝形成用のフォトマスクを用いてフォトリソグラフィにより上記膜をパターニングして、Ｖ溝形成用パターン７２を得る。
【０００６】
次いで、図７（ｂ）に示すように、Ｖ溝形成用パターン７２をマスクとして、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のエッチング液により、シリコン基板７１が露出している面７１ａをエッチングし、Ｖ溝７３が形成される。
【０００７】
次いで、図７（ｃ）に示すように、上記表面層をいったん除去した後に、Ｖ溝７３を含むシリコン基板７１の表面全体に、熱酸化法もしくはスパッタ法やプラズマＣＶＤ法等により、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の保護膜７４を形成する。
【０００８】
次いで、図７（ｄ）に示すように、後記する電極や光素子実装用マーカーを形成するためのフォトマスクを用いて、電極形成領域７５や光素子実装用マーカー領域７６を除く領域にフォトレジスト７７を被着形成し、しかる後に、図７（ｅ）に示すように、その上から全面に電極材料となる金（Ａｕ）等の金属膜７８を蒸着法等により被着形成する。
【０００９】
次いで、図７（ｆ）に示すように、リフトオフ法により光素子搭載部を含む電極パターン７９及び光素子実装用マーカー８０を形成する。
【００１０】
そして、図７（ｇ）に示すように、電極７９の光素子搭載部に半田８１を塗布形成し、ダイシングによりファイバストッパ溝８２の形成、及びシリコン基板８１の端面８１ａにおいて切断を行うことにより、光ファイバと光素子を実装するための光デバイスの実装基板Ｊが完成する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法では、光ファイバ搭載用のＶ溝の形成時に、シリコン基板の端部等に設けられた位置合わせマーカー（不図示）と、電極及び光素子実装用のマーカー形成時に用いるフォトマスクのマーカーとで位置合せを行う。
【００１２】
しかしながら、これまでコンタクト式等の露光装置自体がサブミクロンオーダーの位置合せが不可能な場合が多く、たとえそれが可能であったとしても、Ｖ溝が形成されたシリコン基板へフォトレジストを塗布する際に、Ｖ溝周辺のフォトレジストの膜厚分布により、基板に形成されたマーカーの判別が困難となる場合がある。また、そのような問題点をクリアしたとしても、シリコン基板側の位置合せマーカーが種々のプロセスを経ているため、シリコン基板がこれらプロセスの熱履歴により反ることがあり、この反りが原因で位置合わせマーカーが位置ずれを起こすことがあるのである。
【００１３】
したがって、従来ではＶ溝と光素子搭載用のマーカーとの位置合せは非常に困難であったのであり、光ファイバと光素子とを無調心で精度良く実装することはできなかった。このため優れた光モジュールを提供することができなかった。
【００１４】
なお、この問題点を解決するために、Ｖ溝形成時と同時にＶ溝マーカーを作製する方法が考えられているが、上記プロセスのもとではＶ溝形成後に再形成された絶縁膜がＶ溝マーカーを覆うため、Ｖ溝マーカーのエッジ部分の検出精度が悪くなり、光素子実装精度の向上は見込めない。また、酸化膜を再形成せずにＶ溝作製時のマスクを残す場合でも、シリコン基板のエッチングが、絶縁膜の下部に進行することから、やはり光素子の実装精度の向上は見込めない。
【００１５】
そこで、本発明では上記事情に鑑みて完成されたものであり、その目的は光ファイバや光導波路等の光導波体搭載用のＶ溝等の搭載溝と光素子搭載用の電極、または搭載溝と光素子搭載用の位置合わせマーカーとの位置合せが精度よく作製され、かつ検出精度のよい位置合わせマーカー及び／又は位置合わせ可能な電極を有する光デバイス実装基板の作製方法及び信頼性の優れた光モジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光デバイス実装基板の作製方法は、基板上に光導波体と発光または受光を行う光素子とを配置して光学的に結合させるための光デバイス実装基板の作製方法であって、前記光導波体の搭載溝を形成するための搭載溝形成部、および前記光素子搭載用の電極を形成するための第１の開口部を有する電極形成用パターンを第１のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィにより形成する工程と、前記搭載溝形成部に前記搭載溝を形成した後に、第２のフォトマスクを用いたフォトリソグラフィにより、前記電極形成用パターンの前記第１の開口部の周辺部より広めの第２の開口部を有する電極パターンを前記電極形成用パターンの上に形成する工程と、前記電極パターンの上から電極材料の膜を被着形成した後、前記電極パターンおよび前記電極形成用パターンを除去することにより、前記第１の開口部内に形成された電極材料の膜を残して前記電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の光モジュールの作製方法は、上記方法を用いて作製した光デバイス実装基板上に光導波体と光素子とを配置して成る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る実施形態について図面に基づき説明する。
【００１９】
〔例１〕図１（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ光デバイス実装基板の作製工程を説明する平面図であり、図２（ａ）〜（ｈ）は図１の各工程図における一部省略断面図（搭載される、光ファイバや光導波路等の光導波体の光軸（もしくは形成される搭載溝（Ｖ溝）の長手方向の中心線）を含み基板に垂直な面で切断した場合の断面図）である。なお、簡単のため図１（ａ）にのみｉｉ−ｉｉ断面線を記入しているが、図１（ｂ）〜（ｈ）についても同様な断面線における断面図が図２（ｂ）〜（ｈ）にあらわれているものとする。
【００２０】
図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、まず、主面が（１００）面の単結晶シリコンから成る基板１を用意し、熱酸化法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等、もしくはそれらを組み合わせた成膜法により、基板１の全面に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を厚さ０．５〜６０μｍで形成し、その後、後記する光導波体を搭載させるための搭載溝であるＶ溝を、実際に形成させる領域よりも広い開口部２ａを有したＳｉＯ_２膜パターン２をフォトマスク１を用いてフォトリソグラフィにより形成する。なお、ここで、基板に所定形状のマーカー（不図示）を形成する。
【００２１】
次いで、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法等により窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４等のＳｉＮ_Ｘ、以下、ＳｉＮ_Ｘとする）膜を厚さ０．１〜２μｍで形成し、基板１に光導波体を搭載するための搭載溝形成用パターンと、光素子搭載用の電極パターン及び（／又は）光素子搭載用の位置合わせマーカーパターンが形成された、１枚のフォトマスク（基準マスク：フォトマスク２（第１のフォトマスク））を用いて、Ｖ溝形成部３、電極形成用パターン４、及び光素子搭載用マーカー形成部５の開口部（第１の開口部）を有するＳｉＮ_Ｘ膜パターン６を形成する。ここで、電極形成用パターン４、及び光素子搭載用マーカー形成部５はＳｉＯ_２膜２が露出した領域となっている。また、このとき不図示の所定形状のマーカーを形成する。
【００２２】
次いで、図１（ｃ）及び図２（ｃ）に示すように、溶液温度６０〜８０℃、３０〜４５重量％のＫＯＨ水溶液を用い、基板１の結晶面のエッチングレイトの差を利用して、エッチングレイトの小さい（１１１）面が溝の側面（基板１の表面に対して約５５°の傾斜面）にあらわれたＶ溝７を形成させる。このとき、電極形成用パターン４、及び光素子搭載用マーカー形成部５は、ＳｉＯ_２膜が露出されているため、シリコンのエッチングは進行せず、ＳｉＯ_２が多少エッチングされるだけであり、ＳｉＮ_Ｘ６の下部にアンダーカット部６ａが形成される。
【００２３】
次いで、図１（ｄ）及び図２（ｄ）に示すように、図１（ｃ）における電極形成用パターン４及び光素子搭載用マーカー形成部より広いパターンを有するフォトマスク３（第２のフォトマスク）を用い、このフォトマスク３を上記フォトマスク２で作製した領域に正確に位置合わせして、すなわち、フォトマスク２で形成した不図示のマーカーに正確に位置合わせして、電極形成用パターン、及び光素子搭載用マーカー形成部に開口部（第２の開口部）を有するフォトレジストパターン８を塗布し、さらに、電極形成用パターン４の上に電極材料であるＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｐｔ／ＴｉＮ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｒ，Ａｕ／Ｃｒなどを電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより厚さ３０００Å〜１μｍ程度に成膜する。
【００２４】
次いで、図１（ｅ）及び図２（ｅ）に示すように、リフトオフ法にてフォトレジストパターン８を除去することにより、導体膜を周辺に残した電極パターン１０及び光素子搭載用マーカー１１を形成する。
【００２５】
次いで、図１（ｆ）及び図２（ｆ）に示すように、ウエットエッチングもしくはドライエッチングによりＳｉＮ_Ｘ膜６を除去することにより、すなわち電極パターン１０の周辺部を電極形成用パターンにまで除去することにより、ＳｉＯ_２膜２上のパターンのみが形成され、最終形状の電極１０及び光素子搭載用マーカー１１が形成される。
【００２６】
次いで、図１（ｇ）及び図２（ｇ）に示すように、電極１０の上に半田１２を形成し、図１（ｈ）及び図２（ｈ）に示すように、基板１の端部の切断や電極１０とＶ溝７との間の溝切りをダイシングにより行い、端面１３及びファイバストッパ用溝１４を形成して、光デバイス実装基板Ｓが作製される。
【００２７】
そして、図３に示すように、光デバイス実装基板Ｓに形成されたＶ溝７に光ファイバ１５を搭載し、電極１０に半導体レーザ素子等の光素子１６を搭載するだけで精度よく光結合ができる、いわゆるパッシブアライメントが実現された光モジュールＭが完成される。この場合の精度は従来の誤差（±０．２〜±１．５μｍ）に比して殆ど誤差の無い程の正確な位置合わせを実現することができた。なお、光モジュールＭは不図示の蓋体を被せて全体を樹脂でモールドするか、蓋体を被せずに全体を樹脂でモールドするような構成であってもよい。
【００２８】
なおまた、例えばフォトレジストは搭載溝形成前においてはスピンコートを行い、Ｖ溝形成後においてはスプレーコート法を用いることにより、フォトレジストを均一に塗布形成させることができる。また、光導波体の搭載溝はＶ字状に限定されるものではなく、また、光素子搭載用マーカーの形状は矩形に限定されるものではなく、十字形等種々の形状とすることが可能である。また、光ファイバの代わりに基板の表層に導波路が形成された光導波路等の光導波体を設けてもよく、また、光素子は半導体レーザ素子の代わりに、ＬＥＤ素子やＰＤ素子等の発光素子及び／又は受光素子を設けてもよい。また、光デバイス実装基板Ｓはシリコン単結晶以外に、ＧａＡｓ単結晶、水晶、樹脂、セラミックス等でも使用可能であるが、Ｖ溝を異方性エッチングにより位置精度良く形成しやすい点でシリコン単結晶が好ましい。
【００２９】
〔例２〕図４（ａ）〜（ｈ）は、図１と同様に光デバイス実装基板の作製工程を説明する平面図であり、図５（ａ）〜（ｉ）は、図２と同様に各工程図における一部省略断面図である。なお、簡単のため図４（ａ）にのみＶ−Ｖ断面線を記入しているが、図５（ｂ）〜（ｈ）にも同様な断面図があらわれているものとする。
【００３０】
図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、主面が（１００）面の単結晶シリコンから成る基板２１を用意し、熱酸化法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等、もしくはそれらを組み合わせた成膜法により、基板２１の全面に厚さ０．５〜６０μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成し、次いでプラズマＣＶＤ法等により厚さ０．１〜２μｍの窒化シリコン（ＳｉＮ_Ｘ）膜を積層する。そして、基板２１に光導波体を搭載するための搭載溝形成用パターンと、光素子搭載用の電極パターン及び（／又は）光素子搭載用の位置合わせマーカーパターンとが形成されたフォトマスク（基準マスク：フォトマスク４（第１のフォトマスク））を用いて、後記するＶ溝を実際に形成させる開口部２２ａ、電極形成用パターンを形成させる開口部２２ｂ、及び光素子搭載用マーカー形成部を形成させる開口部２２ｃなどの開口部（第１の開口部）を有する、ＳｉＮ_Ｘ／ＳｉＯ_２膜のパターン２２をフォトリソグラフィにより形成する。なお、このとき不図示の所定形状のマーカーを形成する。
【００３１】
次いで、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、４（ａ）における電極形成用パターンを形成させる開口部２２ｂ、及び光素子搭載用マーカー形成部を形成させる開口部２２ｃを覆い、かつＶ溝形成部２２ａに接触しないように、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_Ｘ、ＴａＯ_Ｘ等のＶ溝エッチング用の保護用マスクパターン２３をフォトマスク５を用いて形成する。すなわち、このフォトマスク５（第２のフォトマスク）を上記フォトマスク４で作製した領域に正確に位置合わせして、すなわち、フォトマスク４で形成した不図示のマーカーに正確に位置合わせしてフォトリソグラフィにより保護用マスクパターン２３を形成する。
【００３２】
次いで、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、溶液温度６０〜８０℃、３０〜４５重量％のＫＯＨ水溶液を用い、基板１の結晶面のエッチングレイトの差を利用して、エッチングレイトの小さい（１１１）面が溝の側面（基板１の表面に対して約５５°の傾斜面）にあらわれたＶ溝２４を形成させる。
【００３３】
次いで、図４（ｄ）及び図５（ｄ）に示すように、電極形成用パターン２５（第１の電極形成部）及び光素子搭載用マーカー形成部２６を覆う保護用マスクパターンを除去し、基板全体を熱酸化させる。図中２７は熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）である。
【００３４】
次いで、図４（ｅ）及び図５（ｅ）に示すように、図４（ａ）における電極形成用パターン４及び光素子搭載用マーカー形成部より広いパターンを有する１枚のフォトマスク６を用い、このフォトマスク６（第２のフォトマスク）をフォトマスク５で作製した領域に正確に位置合わせして、すなわち、フォトマスク５で形成した不図示のマーカーに正確に位置合わせして、電極パターン部２５及び光素子搭載用マーカー形成部２６より広めに開口部（第２の開口部）を形成するようにフォトレジスト２８で覆い、さらに、基板全面に、電極材料であるＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｐｔ／ＴｉＮ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｒ，Ａｕ／Ｃｒなどの金属膜２９を電子ビーム蒸着法やスパッタ法などにより厚さ３０００〜１μｍ程度に成膜する。
【００３５】
次いで、図４（ｆ）及び図５（ｆ）に示すように、リフトオフ法にてフォトレジストパターン２８を除去することにより、導体膜を周辺に残した電極パターン３０（第２の電極形成部）及び光素子搭載用マーカー３１を形成する。
【００３６】
次いで、図４（ｇ）及び図５（ｇ）に示すように、ウエットエッチングもしくはドライエッチングによりＳｉＮ_Ｘ膜を除去することにより、基板上のパターンのみが形成され、最終形状の電極３２及び光素子搭載用マーカー３３が形成される。
【００３７】
そして、図４（ｈ）及び図５（ｈ）に示すように、光素子搭載部にＡｕＳｎ合金等の半田３４を形成し、その後の工程は図１（ｈ）及び図２（ｈ）と同様であるので説明を省略するが、断面図を図５（ｉ）に示す。
【００３８】
この方法によっても例１と同様な効果を奏することができる。
【００３９】
〔例３〕上記例１，例２においては、電極の形成前にＶ溝の作製を行った場合を示したが、先に電極パターンの形成を行い、次いでＶ溝の作製を行うようにしてもよい。以下に、この実施形態について説明する。
【００４０】
図６（ａ）〜（ｋ）は、それぞれ搭載される光導波体の光軸（もしくは、Ｖ溝の長手方向の中心線）で切った断面図とする。図６（ａ）に示すように、上記例２と同様に、主面が（１００）面の単結晶シリコンから成る基板４１を用意し、熱酸化法、スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等、もしくはそれらを組み合わせた成膜法により、基板４１の全面に厚さ０．５〜６０μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜４２を形成し、次いでプラズマＣＶＤ法等により厚さ０．１〜２μｍの窒化シリコン（ＳｉＮ_Ｘ）膜４３を積層する。
【００４１】
次いで、図６（ｂ）に示すように、Ｖ溝パターン、電極パターン、及び光素子搭載用マーカーパターンが形成されたフォトマスク（基準マスク：フォトマスク７）を用い、フォトリソグラフィにより、所定領域にフォトレジスト４４を塗布形成した後に、酸化シリコン膜４２及び窒化シリコン膜４３の不要部を除去する。このとき、不図示のマーカーが形成される。
【００４２】
次いで、図６（ｃ）に示すように、上記基準マスクで用いたフォトマスクと別のフォトマスク８（後記する電極形成用パターン及び光素子搭載用マーカー形成部の以外の領域にフォトレジストを塗布形成させるもの）を用いて、上記基準マスクで作製した領域に正確に位置合わせして、すなわち、基準マスクで形成した不図示のマーカーに正確に位置合わせして、電極形成用パターン及び光素子搭載用マーカー形成部を除いた領域に、フォトレジスト４５を塗布し、さらに、図６（ｄ）に示すように、上記例１，２と同様に金属膜４６を被着形成する。
【００４３】
次いで、図６（ｅ）に示すように、フォトレジスト４４，４５をリフトオフ法により除去することでもって、所定形状の電極４７，４８を形成することができる。
【００４４】
次いで、図６（ｆ）に示すように、ＣＶＤ法により基板全面に酸化シリコン膜４９を形成し、さらに、図６（ｇ）に示すように、さらに別のフォトマスク９（後記するＶ溝形成領域５１以外の領域にフォトレジストを塗布形成させるもの）を用いて、上記基準マスクで作製した領域に正確に位置合わせして、すなわち、基準マスクで形成した不図示のマーカーに正確に位置合わせして、電極パターン及び光素子搭載用マーカー部にフォトレジスト５０を塗布し、Ｖ溝形成領域５１を開口させる。
【００４５】
次いで、図６（ｈ）に示すように、フォトレジスト５０を所定の剥離液を用いて除去し、さらに、上記例１，２と同様に基板４１をエッチングすることによって、所定形状のＶ溝５２を形成する。
【００４６】
そして、図６（ｊ）に示すように、酸化シリコン膜をウエットエッチングもしくはドライエッチングにより除去し、さらに、図６（ｋ）に示すように、例１，例２と同様にして基板４１の切断や溝入れを行って光デバイス実装基板の作製を行う。
【００４７】
この方法によっても例１，例２と同様な効果を奏することができる。なお、例３においては、図６（ｅ）におけるリフトオフが容易かつ迅速に行えるという利点がある。
【００４８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更することが可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の光デバイス実装基板の作製方法によれば、従来のような搭載溝と光素子搭載用の電極、または搭載溝と位置合わせマーカーとの位置合わせを不要とし、且つその精度をサブミクロンオーダーで形成することが可能となり、光デバイス実装基板を迅速かつ高精度に提供することができ、ひいては信頼性の高い優れた光モジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明の光デバイス実装基板の作製工程を説明する平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｈ）は、図１の各工程に対応する一部省略断面図である。
【図３】光デバイス実装基板上に光導波体と光素子とを実装した様子を説明する斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｈ）は、それぞれ本発明の光デバイス実装基板の作製工程を説明する平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｉ）は、図４の各工程に対応する一部省略断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｋ）は、それぞれ本発明の光デバイス実装基板の作製工程を説明する一部省略断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ従来の光デバイス実装基板の作製工程を説明する平面図である。
【符号の説明】
１、２１、４１：基板
７、２４、５２：Ｖ溝（搭載溝）
１０、３２、４７、４８：電極
１１、３３：光素子搭載用マーカー
Ｓ：光デバイス実装基板
Ｍ：光モジュール[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing an optical device mounting substrate for optically coupling optical waveguides such as optical fibers and optical waveguides and optical elements (light-emitting elements or light-receiving elements) on a substrate and optically coupling them, and the optical device The present invention relates to a method for manufacturing an optical module including a mounting substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a demand for an increase in capacity and functionality of an optical communication system, and accordingly, there has been a demand for downsizing, high integration, and cost reduction of optical devices such as an optical transmitter and an optical receiver. .
In particular, for the purpose of reducing the assembly cost of an optical device, a technique for mounting an optical component such as an optical fiber or a semiconductor optical element on the same substrate, a technique such as a so-called optical hybrid mounting technique or a silicon platform has attracted attention.
[0003]
According to these technologies, for example, an optical module and an optical element can be assembled without any alignment by simply mounting the optical fiber and the optical element on the V-groove and the conductor pattern formed on the same substrate. It is supposed to be possible.
[0004]
Here, in order to mount the optical component on the substrate in a non-aligned manner, the V-groove for mounting the optical fiber and the electrode for mounting the optical element formed on the substrate, or the alignment marker for mounting the V-groove and the optical element. Must be formed with high accuracy, and the positional relationship between them must be formed with submicron order accuracy.
[0005]
A conventional method will be described with reference to FIG. FIGS. 7A to 7G are plan views for explaining a process for manufacturing a conventional optical hybrid mounting substrate. First, as shown in FIG. 7A, a film (having resistance to a silicon etching solution) such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on a silicon substrate 71 to form a V-groove. The film is patterned by photolithography using a photomask to obtain a V-groove forming pattern 72.
[0006]
Next, as shown in FIG. 7B, the silicon substrate 71 is exposed by an etching solution such as sodium hydroxide (NaOH) or potassium hydroxide (KOH) using the V-groove forming pattern 72 as a mask. 71a is etched and a V-groove 73 is formed.
[0007]
Next, as shown in FIG. 7C, after removing the surface layer once, a silicon oxide film is formed on the entire surface of the silicon substrate 71 including the V groove 73 by a thermal oxidation method, a sputtering method, a plasma CVD method or the like. Then, a protective film 74 such as a silicon nitride film is formed.
[0008]
Next, as shown in FIG. 7 (d), using a photomask for forming electrodes and optical element mounting markers, which will be described later, a photoresist is formed in a region excluding the electrode formation region 75 and the optical element mounting marker region 76. After that, as shown in FIG. 7E, a metal film 78 such as gold (Au) serving as an electrode material is deposited on the entire surface by vapor deposition as shown in FIG.
[0009]
Next, as shown in FIG. 7F, an electrode pattern 79 including an optical element mounting portion and an optical element mounting marker 80 are formed by a lift-off method.
[0010]
Then, as shown in FIG. 7G, solder 81 is applied and formed on the optical element mounting portion of the electrode 79, the fiber stopper groove 82 is formed by dicing, and the end surface 81a of the silicon substrate 81 is cut. An optical device mounting substrate J for mounting the optical fiber and the optical element is completed.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the above method, an alignment marker (not shown) provided at the end of a silicon substrate when forming a V-groove for mounting an optical fiber, and a photomask marker used when forming a marker for mounting electrodes and optical elements, Align with.
[0012]
However, until now, contact type exposure apparatuses themselves are often unable to perform sub-micron order alignment, and even if this is possible, a photoresist is applied to a silicon substrate on which a V-groove is formed. In some cases, it may be difficult to distinguish the marker formed on the substrate due to the film thickness distribution of the photoresist around the V-groove. Even if such problems are cleared, the alignment marker on the silicon substrate side undergoes various processes, so the silicon substrate may warp due to the thermal history of these processes, and this warpage causes the position The alignment marker may cause misalignment.
[0013]
Therefore, in the past, it was very difficult to align the V-groove and the marker for mounting the optical element, and it was not possible to mount the optical fiber and the optical element with no alignment and high accuracy. For this reason, an excellent optical module could not be provided.
[0014]
In order to solve this problem, a method for producing a V-groove marker at the same time as the formation of the V-groove has been considered. Under the above process, the insulating film re-formed after the formation of the V-groove is a V-groove. Since the marker is covered, the detection accuracy of the edge portion of the V-groove marker is deteriorated, and the improvement of the optical element mounting accuracy cannot be expected. Even when the mask for forming the V-groove is left without re-forming the oxide film, the etching of the silicon substrate proceeds under the insulating film, so that improvement in mounting accuracy of the optical element cannot be expected.
[0015]
Accordingly, the present invention has been completed in view of the above circumstances, and its purpose is to mount a mounting groove such as a V-groove for mounting an optical waveguide such as an optical fiber or an optical waveguide and an electrode for mounting an optical element, or a mounting groove. And an optical device mounting substrate having an alignment marker and / or an electrode that can be aligned with high accuracy in the alignment between the optical device and the alignment marker for mounting the optical element, and excellent in reliability. An object is to provide an optical module.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical device mounting substrate according to the present invention includes an optical device mounting substrate for optically coupling an optical waveguide and an optical element that emits or receives light on the substrate. The electrode forming pattern having a mounting groove forming portion for forming the mounting groove for the optical waveguide and a first opening for forming the electrode for mounting the optical element is provided in the first manufacturing method. A step of forming by photolithography using a first photomask; and after forming the mounting groove in the mounting groove forming portion, the first pattern of the electrode forming pattern is formed by photolithography using a second photomask . forming an electrode pattern on the electrode forming pattern having a second opening wider than the peripheral portion of the opening of, and the film of the electrode material from the top of the electrode pattern was deposited and formed , By removing the electrode pattern and the electrode formation pattern, and having a step of forming the electrode leaving the first film of the electrode material formed in the opening.
[0017]
The optical module manufacturing method of the present invention includes an optical waveguide and an optical element arranged on an optical device mounting substrate manufactured by using the above method .
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0019]
[Example 1] FIGS. 1A to 1H are plan views for explaining a manufacturing process of an optical device mounting substrate, and FIGS. 2A to 2H are partially omitted in each process diagram of FIG. Sectional view (in the case of cutting along a plane perpendicular to the substrate including the optical axis (or the center line in the longitudinal direction of the mounting groove (V groove) to be formed) of an optical waveguide such as an optical fiber or an optical waveguide to be mounted) FIG. For simplification, the ii-ii cross-sectional line is shown only in FIG. 1A, but the cross-sectional views of the same cross-sectional line in FIGS. 1B to 1H are also shown in FIGS. h).
[0020]
As shown in FIGS. 1A and 2A, first, a substrate 1 made of single crystal silicon having a (100) principal surface is prepared, and a thermal oxidation method, a sputtering method, a plasma CVD method, etc. A silicon oxide (SiO ₂ ) film having a thickness of 0.5 to 60 μm is formed on the entire surface of the substrate 1 by a film formation method combining them, and then a mounting groove V for mounting an optical waveguide to be described later. A SiO ₂ film pattern 2 having an opening 2 a wider than a region where a groove is actually formed is formed by photolithography using a photomask 1. Here, a marker (not shown) having a predetermined shape is formed on the substrate.
[0021]
Next, as shown in FIG. 1B and FIG. 2B, a silicon nitride (SiN _X such as Si ₃ N ₄ , hereinafter referred to as SiN _X ) film having a thickness of 0.1 to 0.1 is formed by plasma CVD or the like. 1. A mounting groove forming pattern for mounting an optical waveguide on the substrate 1, an electrode pattern for mounting an optical element, and / or an alignment marker pattern for mounting an optical element are formed. Using a single photomask (reference mask: photomask 2 (first photomask)), the V groove forming portion 3, the electrode forming pattern 4, and the opening (first first) of the optical element mounting marker forming portion 5 . The SiN _X film pattern 6 having an opening) is formed. Here, the electrode forming pattern 4 and the optical element mounting marker forming portion 5 are regions where the SiO ₂ film 2 is exposed. At this time, a marker having a predetermined shape (not shown) is formed.
[0022]
Next, as shown in FIG. 1C and FIG. 2C, a solution temperature of 60 to 80 ° C. and a 30 to 45 wt% KOH aqueous solution are used, and the difference in etching rate of the crystal plane of the substrate 1 is utilized. Then, the V-groove 7 in which the (111) surface having a small etching rate appears on the side surface of the groove (an inclined surface of about 55 ° with respect to the surface of the substrate 1) is formed. At this time, since the SiO ₂ film is exposed in the electrode forming pattern 4 and the optical element mounting marker forming portion 5, the etching of silicon does not proceed, and the SiO ₂ is only slightly etched. _An undercut portion 6a is formed in the lower portion of _X6 .
[0023]
Next, as shown in FIGS. 1D and 2D, a photomask 3 (second photo) having a pattern wider than the electrode forming pattern 4 and the optical element mounting marker forming portion in FIG. The photomask 3 is accurately aligned with the region produced by the photomask 2, that is, accurately aligned with a marker (not shown) formed by the photomask 2. , And a photoresist pattern 8 having an opening (second opening) is applied to the optical element mounting marker forming portion, and Au / Pt / Ti, Au, which are electrode materials, are further formed on the electrode forming pattern 4. / Pt / TiN / Ti, Au / Ti, Au / Ni / Cr, Au / Cr, etc. are formed to a thickness of about 3000 μm to 1 μm by electron beam vapor deposition or sputtering.
[0024]
Next, as shown in FIGS. 1 (e) and 2 (e), the photoresist pattern 8 is removed by a lift-off method, whereby the electrode pattern 10 and the optical element mounting marker 11 with the conductor film remaining in the periphery are removed. Form.
[0025]
Next, as shown in FIGS. 1 (f) and 2 (f), the SiN _X film 6 is removed by wet etching or dry etching, that is, the peripheral portion of the electrode pattern 10 is removed to the electrode forming pattern. Thus, only the pattern on the SiO ₂ film 2 is formed, and the final-shaped electrode 10 and the optical element mounting marker 11 are formed.
[0026]
Next, as shown in FIG. 1 (g) and FIG. 2 (g), solder 12 is formed on the electrode 10, and as shown in FIG. 1 (h) and FIG. The end face 13 and the fiber stopper groove 14 are formed by dicing the groove 10 and the groove 10 between the electrode 10 and the V-groove 7, and the optical device mounting substrate S is manufactured.
[0027]
Then, as shown in FIG. 3, optical coupling can be performed with high accuracy simply by mounting the optical fiber 15 in the V-groove 7 formed in the optical device mounting substrate S and mounting the optical element 16 such as a semiconductor laser element on the electrode 10. An optical module M capable of so-called passive alignment is completed. The accuracy in this case was able to realize an accurate alignment with almost no error compared to the conventional error (± 0.2 to ± 1.5 μm). The optical module M may be configured so that the whole is covered with a resin (not shown) and molded entirely with resin, or the whole is molded with resin without covering the lid.
[0028]
In addition, for example, the photoresist can be coated and formed uniformly by spin coating before forming the mounting groove and using the spray coating method after forming the V groove. Also, the mounting groove of the optical waveguide is not limited to a V-shape, and the shape of the optical element mounting marker is not limited to a rectangle, and can be various shapes such as a cross. It is. An optical waveguide such as an optical waveguide in which a waveguide is formed on the surface layer of the substrate may be provided instead of the optical fiber, and the optical element is a light emitting device such as an LED element or a PD element instead of the semiconductor laser element. An element and / or a light receiving element may be provided. In addition to the silicon single crystal, the optical device mounting substrate S can be made of GaAs single crystal, quartz, resin, ceramics, etc., but the silicon single crystal is easy in that the V-groove can be easily formed with anisotropic etching. Is preferred.
[0029]
[Example 2] FIGS. 4A to 4H are plan views for explaining a manufacturing process of an optical device mounting substrate as in FIG. 1, and FIGS. 5A to 5I are similar to FIG. FIG. 5 is a partially omitted cross-sectional view in each process diagram. For simplicity, the VV cross-sectional line is shown only in FIG. 4A, but the same cross-sectional view is also shown in FIGS. 5B to 5H.
[0030]
As shown in FIGS. 4A and 5A, a substrate 21 made of single crystal silicon having a (100) principal surface is prepared, and a thermal oxidation method, a sputtering method, a plasma CVD method, or the like is used. A silicon oxide (SiO ₂ ) film having a thickness of 0.5 to 60 μm is formed on the entire surface of the substrate 21 by a combined film forming method, and then a silicon nitride (SiN _X film having a thickness of 0.1 to 2 μm is formed by a plasma CVD method or the like. ) Laminate the films. Then, a photomask (reference) in which a mounting groove forming pattern for mounting an optical waveguide on the substrate 21, an electrode pattern for mounting an optical element, and / or an alignment marker pattern for mounting an optical element is formed. Mask: Photomask 4 (first photomask)) is used to form an opening 22a for actually forming a V-groove described later, an opening 22b for forming an electrode forming pattern, and an optical element mounting marker forming portion. A pattern 22 of the SiN _x / SiO ₂ film having an opening (first opening) such as the opening 22c to be formed is formed by photolithography. At this time, a marker having a predetermined shape (not shown) is formed.
[0031]
Next, as shown in FIGS. 4B and 5B, the opening 22b for forming the electrode forming pattern in 4 (a) and the opening 22c for forming the optical element mounting marker forming portion are covered. In addition, a protective mask pattern 23 for V-groove etching such as SiO ₂ , SiN _X , TaO _X is formed using the photomask 5 so as not to contact the V-groove forming portion 22 a. That is, the photomask 5 (second photomask) is accurately aligned with the region formed with the photomask 4, that is, accurately aligned with a marker (not shown) formed with the photomask 4. A protective mask pattern 23 is formed by lithography.
[0032]
Next, as shown in FIGS. 4C and 5C, a solution temperature of 60 to 80 ° C. and a 30 to 45 wt% KOH aqueous solution are used, and the difference in etching rate of the crystal plane of the substrate 1 is utilized. Then, the V-groove 24 in which the (111) surface having a small etching rate appears on the side surface of the groove (an inclined surface of about 55 ° with respect to the surface of the substrate 1) is formed.
[0033]
Next, as shown in FIGS. 4D and 5D, the protective mask pattern covering the electrode forming pattern 25 (first electrode forming portion) and the optical element mounting marker forming portion 26 is removed, The entire substrate is thermally oxidized. In the figure, reference numeral 27 denotes a thermal oxide film (SiO ₂ film).
[0034]
Next, as shown in FIGS. 4E and 5E, a single photomask 6 having a pattern wider than the electrode forming pattern 4 and the optical element mounting marker forming portion in FIG. 4A is used. The photomask 6 (second photomask) is accurately aligned with the region formed with the photomask 5, that is, accurately aligned with a marker (not shown) formed with the photomask 5. Covered with a photoresist 28 so as to form an opening (second opening) wider than the portion 25 and the optical element mounting marker forming portion 26, and Au / Pt / Ti as an electrode material on the entire surface of the substrate. A metal film 29 such as Au / Pt / TiN / Ti, Au / Ti, Au / Ni / Cr, or Au / Cr is formed to a thickness of about 3000 to 1 μm by an electron beam evaporation method or a sputtering method. .
[0035]
Next, as shown in FIGS. 4 (f) and 5 (f), the photoresist pattern 28 is removed by a lift-off method to leave an electrode pattern 30 (second electrode forming portion) with the conductor film left in the periphery. And the optical element mounting marker 31 is formed.
[0036]
Next, as shown in FIGS. 4G and 5G, only the pattern on the substrate is formed by removing the SiN _X film by wet etching or dry etching, and the electrode 32 and the optical element in the final shape are formed. A mounting marker 33 is formed.
[0037]
Then, as shown in FIGS. 4 (h) and 5 (h), a solder 34 such as an AuSn alloy is formed on the optical element mounting portion, and the subsequent steps are the same as those in FIGS. 1 (h) and 2 (h). Therefore, the description is omitted, but a cross-sectional view is shown in FIG.
[0038]
Also by this method, the same effect as Example 1 can be produced.
[0039]
[Example 3] In Examples 1 and 2, the V-groove was formed before the electrode was formed. However, the electrode pattern was formed first, and then the V-groove was formed. Also good. Hereinafter, this embodiment will be described.
[0040]
6A to 6K are cross-sectional views taken along the optical axis (or the center line in the longitudinal direction of the V-groove) of the optical waveguide to be mounted. As shown in FIG. 6A, as in Example 2 above, a substrate 41 made of single crystal silicon having a (100) principal surface is prepared, and a thermal oxidation method, a sputtering method, a plasma CVD method, etc. A silicon oxide (SiO ₂ ) film 42 having a thickness of 0.5 to 60 μm is formed on the entire surface of the substrate 41 by a film forming method combined with the above, and then a silicon nitride (0.1 to 2 μm thick) by a plasma CVD method or the like. A SiN _x ) film 43 is laminated.
[0041]
Next, as shown in FIG. 6B, a predetermined region is formed by photolithography using a photomask (reference mask: photomask 7) on which a V-groove pattern, an electrode pattern, and an optical element mounting marker pattern are formed. After the photoresist 44 is applied and formed, unnecessary portions of the silicon oxide film 42 and the silicon nitride film 43 are removed. At this time, a marker (not shown) is formed.
[0042]
Next, as shown in FIG. 6C, a photoresist is applied to a region other than the photomask 8 used for the reference mask (the electrode forming pattern and the optical element mounting marker forming portion described later). The electrode forming pattern and the optical element mounting are precisely aligned with the region made with the reference mask, that is, with the marker (not shown) formed with the reference mask. Photoresist 45 is applied to the region excluding the marker forming portion, and a metal film 46 is deposited as in Examples 1 and 2 as shown in FIG.
[0043]
Next, as shown in FIG. 6E, the electrodes 44 and 45 having a predetermined shape can be formed by removing the photoresists 44 and 45 by a lift-off method.
[0044]
Next, as shown in FIG. 6F, a silicon oxide film 49 is formed on the entire surface of the substrate by the CVD method. Further, as shown in FIG. 6G, another photomask 9 (V groove formation described later) is formed. Using a photoresist applied to a region other than the region 51), and accurately aligning with the region made with the reference mask, that is, accurately aligning with a marker (not shown) formed with the reference mask. Then, the photoresist 50 is applied to the electrode pattern and the optical element mounting marker portion, and the V-groove formation region 51 is opened.
[0045]
Next, as shown in FIG. 6 (h), the photoresist 50 is removed using a predetermined stripping solution, and the substrate 41 is etched in the same manner as in Examples 1 and 2 above. Form.
[0046]
Then, as shown in FIG. 6 (j), the silicon oxide film is removed by wet etching or dry etching. Further, as shown in FIG. 6 (k), the substrate 41 is cut in the same manner as in Example 1 and Example 2. Then, an optical device mounting substrate is manufactured by grooving.
[0047]
This method can provide the same effects as those of Example 1 and Example 2. In addition, in Example 3, there exists an advantage that the lift-off in FIG.6 (e) can be performed easily and rapidly.
[0048]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can change suitably in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0049]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the method for producing an optical device mounting substrate of the present invention, it is not necessary to align the mounting groove and the electrode for mounting the optical element as in the prior art, or the alignment between the mounting groove and the alignment marker, In addition, the accuracy can be formed on the order of submicrons, and the optical device mounting substrate can be provided promptly and with high accuracy. As a result, an excellent optical module with high reliability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1H are plan views for explaining a manufacturing process of an optical device mounting substrate according to the present invention.
2A to 2H are partially omitted cross-sectional views corresponding to the respective steps of FIG.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a state where an optical waveguide and an optical element are mounted on an optical device mounting substrate.
FIGS. 4A to 4H are plan views for explaining a manufacturing process of an optical device mounting substrate according to the present invention.
5A to 5I are partially omitted cross-sectional views corresponding to the respective steps in FIG.
FIGS. 6A to 6K are partially omitted cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an optical device mounting substrate according to the present invention.
FIGS. 7A to 7G are plan views for explaining a manufacturing process of a conventional optical device mounting substrate, respectively.
[Explanation of symbols]
1, 21, 41: Substrate 7, 24, 52: V groove (mounting groove)
10, 32, 47, 48: Electrodes 11, 33: Optical element mounting marker S: Optical device mounting substrate M: Optical module

Claims

An optical device mounting substrate manufacturing method for optically coupling an optical waveguide and an optical element that emits or receives light on a substrate, wherein the optical waveguide mounting groove is formed. Forming a groove forming portion and an electrode forming pattern having a first opening for forming the electrode for mounting the optical element by photolithography using a first photomask; and the mounting groove forming portion. After forming the mounting groove, the electrode pattern having the second opening wider than the periphery of the first opening of the electrode forming pattern is formed by photolithography using a second photomask. forming on the electrode formation pattern, after the film of the electrode material from the top of the electrode pattern was deposited and formed, to remove the electrode pattern and the electrode forming pattern Said first optical device packaging method for manufacturing a substrate characterized by having a step of leaving a film of electrode material was formed in the opening to form the electrode.

An optical module manufacturing method comprising: arranging the optical waveguide and the optical element on an optical device mounting substrate manufactured by the manufacturing method according to claim 1.