JP5819874B2 - 光機能素子の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、光機能素子の作製方法に関する。具体的には、本発明は、光通信や光情報処理の分野で用いられる、光機能素子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、石英系平面光波回路（本明細書では、「ＰＬＣ」（Planar Lightwave Circuit）ともいう）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、および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ＰＤ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（本明細書では、「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、波長分割多重伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣ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に示すようなヘテロジニアス技術を用いたＰＬＣ上にＰＤが集積した構造が提案されている（非特許文献１および非特許文献２を参照）。図１は、従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を示す図である。

図１に示す構造は、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上の光導波路１７（光導波路１７は、下部クラッド１４−１と、コア部１６と、上部クラッド１４−２とから構成される）と、光導波路１７端に設けられたミラー１８と、光導波路１７上に設置されたＰＤ２２とから構成される。コア１６を伝搬する光は、ミラー１８で反射されて光路を変換され、ＰＤ２２に結合する。結合した光は、ＰＤ２２で電気信号に変換される。

図２は、図１に示した構造の作製プロセスを説明するためのフロー図である。最初に、プラットフォームとなるＰＬＣを作製後、接着層を介してエピタキシャル層を形成したＩｎＰ基板をＰＬＣにボンディング、研磨・ウエットエッチングし、ＩｎＰ基板のみを除去する。接合されたエピタキシャル層を、フォトリソグラフィーおよびエッチングで加工することで、ＰＬＣ上にＰＤを作製する。ＰＬＣ・ＰＤ光結合ミラーは、斜めドライエッチング後、アルミ蒸着により作製される。

上述したように、光機能素子の分野において、光機能素子を作製する際に、光回路基板であるＳｉ基板と機能素子基板であるＩｎＰ基板とを貼り付けることが知られている。光機能素子のなかには、作製する際に、ＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせたうえで加工することが必要な光機能素子が存在する。

図３に、従来からの方法であるＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせるプロセス例を説明するためのフロー図を示す。

まず、ＩｎＰウエハ３０を用意する。ＩｎＰウエハ３０には、ＩｎＰウエハ３０の結晶方位を示すオリエンテーションフラット３２（本明細書では、「オリフラ」ともいう：Orientation Flat）が形成されている。オリフラ３２は、ＩｎＰウエハ３０の結晶方位と平行になるように形成される。オリフラ３２は、ＩｎＰウエハ３０の結晶方位が視認できるようにするために形成される。オリフラ３２は、砥石を使用してＩｎＰウエハ３０を研削加工することにより形成される。オリフラ３２の製造誤差は、−１度〜＋１度である。オリフラ３２を形成したＩｎＰウエハ３０に対し、露光装置を用いてフォトマーカ３４を形成する。露光装置は、オリフラ３２を検出し、検出したオリフラ３２を基準に、フォトマーカ３４を形成する。露光装置による、フォトマーカ３４の製造誤差は、−１度〜＋１度である（図３中のステップ１）。

次に、Ｓｉウエハ３６を用意する。Ｓｉウエハ３６には、Ｓｉウエハ３６の結晶方位を示すオリフラ３８が形成されている。オリフラ３８は、Ｓｉウエハ３６の結晶方位と垂直になるように形成される。オリフラ３８は、Ｓｉウエハ３６の結晶方位が視認できるようにするために形成される。オリフラ３８は、砥石を使用してＳｉウエハ３６を研削加工することにより形成される。オリフラ３８の製造誤差は、−１度〜＋１度である。オリフラ３８を形成したＳｉウエハ３６に対し、露光装置を用いてフォトマーカ４０を形成する。露光装置は、オリフラ３８を検出し、検出したオリフラ３８を基準に、フォトマーカ４０を形成する。露光装置による、フォトマーカ４０の製造誤差は、−１度〜＋１度である（図３中のステップ２）。

次に、フォトマーカ４０を形成したＳｉウエハ３６と、フォトマーカ３４を形成したＩｎＰウエハ３０とを、接着層を介して貼り合わせる（図３中のステップ３）。

図３に示したように、光回路基板上の任意の位置に、機能素子基板を樹脂系接着剤にて貼り合わせた後、機能素子基板を加工して機能素子を任意かつ複数の位置に作製する。例として、貼り合わせた光回路基板と機能素子基板とを２枚まとめて劈開すること、あるいは、２枚まとめて研削することにより、現れた面を半導体レーザの出射面またはミラー面として利用すること等が考えられる。

しかしながら、従来方法では、機能素子基板を加工して機能素子を任意かつ複数の位置に作製するとき、機能素子の結晶面方位が揃わないことに起因して、結晶面方位に依存した加工工程における均一性が劣化するという問題があった。

具体的には、レーザの出射面またはミラー面を劈開または研削によって形成する際に、光回路基板の結晶面方位の影響を受けて、良好な特性を持つ面を形成できないという問題があった。

この問題を、図３に示した例を用いてさらに具体的に説明する。

ステップ３によって、貼り合わせたＳｉウエハ３６と、ＩｎＰウエハ３０とを２枚まとめて劈開または研削し、現れた面を半導体レーザの出射面として利用する場合、面が綺麗に現れるためには、Ｓｉ（１００）面を上面とするＳｉウエハ３６の面方位〈１００〉方向または〈０１０〉方向と、ＩｎＰ（１００）面を上面とするＩｎＰウエハ３０の面方位〈０１−１〉方向または〈０１１〉方向とが一致する必要がある。

ところが、図３に示した貼り合わせのプロセスでは、ウエハ貼り合わせの際に−４度〜＋４度の誤差が生じるため、ウエハを正確な位置に貼り付けることができない。なお、この−４度〜＋４度の誤差の内訳は、（１）オリフラ３２製造の際の製造誤差−１度〜＋１度と、（２）マーカ３４製造の際の製造誤差−１度〜＋１度と、（３）オリフラ３８製造の際の製造誤差−１度〜＋１度と、（４）マーカ４０製造の際の製造誤差−１度〜＋１度とである。

このように、図３に示すような、光学式マーカによるフォトリソプロセスを用いて、面方位合わせを行った場合、−４度〜＋４度の誤差が発生する恐れがある。従って、位置合わせ・貼り合わせた後に、ウエハを２枚まとめて劈開または研削したときに、綺麗な面が出ないという問題があった。

また、機能素子部のメサエッチング工程時に、メサ形状が不均一になるという問題もあった。

倉田優生、那須悠介、田村宗久、村本好史、横山春喜,"ヘテロジニアス技術による高速InP-PD集積型石英系PLCデバイス", 信ソ会,2011, C-3-33 (2011) Kurata, Yu; Nasu, Yusuke; Tamura, Munehisa; Yokoyama, Haruki; Muramoto, Yoshifumi, "Heterogeneous Integration of High-Speed InP PDs on Silica-Based Planar Lightwave Circuit Platform", Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, (2011)

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、光回路基板の結晶面方位と機能素子基板の結晶面方位とを高精度に合わせて光機能素子を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明は、Ｓｉ基板と、ＩｎＰ基板とを貼り合わせる方法であって、Ｓｉ基板に、劈開によりＳｉ劈開面を形成するステップと、Ｓｉ劈開面を基準に、Ｓｉ基板上に積層された留め部を形成するステップであって、留め部は、Ｓｉ劈開面と平行および／または垂直な面を持つ、留め部を形成するステップと、ＩｎＰ基板に、劈開によりＩｎＰ劈開面を形成するステップと、留め部が持つＳｉ劈開面と平行および／または垂直な面と、ＩｎＰ劈開面とが接するように、Ｓｉ基板上の留め部とは異なる位置にＩｎＰ基板を配置することにより、Ｓｉ基板と、ＩｎＰ基板との位置合わせを行うステップとを備えたことを特徴とする。

本発明により、光回路基板の結晶面方位と機能素子基板の結晶面方位とを高精度に合わせて光機能素子を作製することができる。

従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させるミラーを備えた構造を説明する図である。 図１に示した構造の作製プロセスを説明するためのフロー図である。 従来技術に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせるプロセス例を説明するためのフロー図である。 本発明の第１の実施形態に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせるプロセス例を説明するためのフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせる方法を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせる方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせる方法を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図４に、本願発明に係る方法であるＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせるプロセス例を説明するためのフロー図を示す。

まず、ＩｎＰウエハ５０を用意する。ＩｎＰウエハ５０には、オリフラは設けられていない。ＩｎＰウエハ５０を劈開し、劈開面５２を形成する（図４中のステップ１）。

次に、Ｓｉウエハ５４を用意する。Ｓｉウエハ５４には、劈開により、劈開面５６が形成される。劈開面５６を形成したＳｉウエハ５４に対し、露光装置を用いて、構造体５８−１，５８−２を形成する。構造体５８−１，５８−２は、劈開面５６と垂直な面を持つように形成される。露光装置は、劈開面５６を検出し、検出した劈開面５６を基準に、構造体５８−１，５８−２を形成する。露光装置による、構造体５８−１，５８−２の製造誤差は、−１度〜＋１度である（図４中のステップ２）。構造体は、縦横の長さは１ｍｍ程度以上であり、厚みは１５０μｍ程度以上である。構造体の材料としては、有機系のフォトレジストを使用した。構造体の材料として、ポリイミドを使用しても良い。また、Ｓｉウエハ５４を削り込んで加工することにより、構造体を形成しても良い。

Ｓｉウエハ５４に形成された構造体５８−１，５８−２は、後でＩｎＰウエハ５０と位置合わせする際に使用されるものである。ＩｎＰウエハ５０を構造体５８−１，５８−２に押しつけることで、位置合わせを行う。本明細書では、構造体５８−１，５８−２を留め部５８−１，５８−２とも呼称する。

次に、留め部５８−１，５８−２を使用して、Ｓｉウエハ５４と、ＩｎＰウエハ５０との位置合わせを行い、Ｓｉウエハ５４と、ＩｎＰウエハ５０とを、接着層を介して貼り合わせる。この際、構造体５８−１，５８−２が持つ劈開面５６と垂直な面が、ＩｎＰ基板５０の劈開面５２と接するように位置合わせされることに留意する。

図４に示すプロセスにより、Ｓｉウエハ５４が劈開される方向とＩｎＰウエハ５０が劈開される方向とを揃えて、劈開面方位合わせを行った場合、生じ得る誤差は、留め部５８−１，５８−２を形成する際の製造誤差−１度〜＋１度だけである。従って、図３に示したプロセスを利用して劈開面方位合わせを行った場合と比較すると、より精度良く、ＳｉウエハとＩｎＰウエハとの劈開面方位合わせをすることが可能である。よって、この後で、ウエハを２枚まとめて劈開したときに、綺麗な劈開面を出すことができる。

このように、本実施形態の特徴は、
・Ｓｉウエハを劈開し、Ｓｉ劈開面を形成すること
・形成したＳｉ劈開面を基準に、留め部を形成すること
・留め部は、Ｓｉウエハの劈開面と垂直な面を持つように形成されること
・ＩｎＰウエハを劈開し、ＩｎＰ劈開面を形成すること
・留め部とＩｎＰウエハの劈開面とを合わせることにより、ＳｉウエハとＩｎＰウエハとの位置合わせを行うこと
である。

（第２の実施形態）
上記、第１の実施形態では、ＳｉウエハとＩｎＰウエハとを２枚まとめて劈開するときのＳｉ劈開方向が、ＩｎＰ劈開方向〈０１１〉方向と平行になるように、ＳｉウエハとＩｎＰウエハとの位置合わせを行った。

第２の実施形態では、ＳｉウエハとＩｎＰウエハとを２枚まとめて劈開するときのＳｉ劈開方向が、ＩｎＰ劈開方向〈０１１〉方向と垂直になるように、ＳｉウエハとＩｎＰウエハとの位置合わせを行う。

図５は、第２の実施形態に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせる方法を説明するための図である。

図５に示すように、ＩｎＰウエハ５０には劈開面５２が形成されていること、Ｓｉウエハ５４には劈開面５６が形成されていること、および劈開面５６を基準に留め部５８−１，５８−２が形成されていることは、第１の実施形態と同じである。

しかし、留め部５８−１，５８−２が劈開面５６と平行な面を持つように形成され、この平行な面とＩｎＰウエハ５０の劈開面５２とが接するようすることで、Ｓｉウエハ５４とＩｎＰウエハ５０との位置合わせをする点において、本実施形態は、第１の実施形態と相違する。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせる方法を説明するための図である。第３の実施形態では、Ｓｉウエハ５４と矩形のＩｎＰチップ基板６０との間で位置合わせを行う。

Ｓｉウエハ５４は、劈開により形成された劈開面５６を有する。Ｓｉウエハ５４は、劈開面５６を基準にして形成された、留め部５８−１，５８−２，５８−３を有する。留め部５８−１，５８−２は、劈開面５６と平行な面を持つように形成される。留め部５８−３は、劈開面５６と垂直な面を持つように形成される。

矩形のＩｎＰチップ基板６０は、劈開により形成された劈開面６２，６４を有する。劈開面６２は、劈開面６４と直行する。

留め部５８−１，５８−２が持つ劈開面５６に対して平行な面と、矩形のＩｎＰチップ基板６０の劈開面６２とが接し、留め部５８−３の劈開面５６に対して垂直な面と、矩形のＩｎＰチップ基板６０の劈開面６４とが接するようにすることで、Ｓｉウエハ５４と矩形のＩｎＰチップ基板６０との間で位置合わせを行う。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係るＩｎＰ基板をＳｉ基板の所定の位置に精度良く貼り合わせる方法を説明するための図である。第４の実施形態では、Ｓｉウエハ５４と矩形のＩｎＰチップ基板６０との間で位置合わせを行う。

Ｓｉウエハ５４は、劈開により形成された劈開面５６を有する。Ｓｉウエハ５４は、劈開面５６を基準にして形成された、留め部５８−１，５８−２を有する。留め部５８−１は、劈開面５６と平行な面を持つように形成される。留め部５８−２は、劈開面５６と垂直な面を持つように形成される。

矩形のＩｎＰチップ基板６０は、劈開により形成された劈開面６２，６４を有する。劈開面６２は、劈開面６４と直行する。

留め部５８−１が持つ劈開面５６に対して平行な面と、矩形のＩｎＰチップ基板６０の劈開面６２とが接し、留め部５８−２が持つ劈開面５６に対して垂直な面と、矩形のＩｎＰチップ基板６０の劈開面６４とが接するようにすることで、Ｓｉウエハ５４と矩形のＩｎＰチップ基板６０との間で位置合わせを行う。

１２ Ｓｉ基板
１４ クラッド
１４−１ 下部クラッド
１４−２ 上部クラッド
１６ コア
１７ 光導波路
１８ ミラー
２２ ＰＤ（フォトダイオード）
３０ ＩｎＰウエハ
３２ オリフラ（オリエンテーションフラット）
３４ フォトマーカ
３６ Ｓｉウエハ
３８ オリフラ
４０ フォトマーカ
５０ ＩｎＰウエハ
５２ 劈開面
５４ Ｓｉウエハ
５６ 劈開面
５８−１，５８−２，５８−３ 留め部（構造体）
６０ ＩｎＰチップ基板
６２，６４ 劈開面

Claims (1)

1. Ｓｉ基板と、ＩｎＰ基板とを貼り合わせる方法であって、
   前記Ｓｉ基板に、劈開によりＳｉ劈開面を形成するステップと、
   前記Ｓｉ劈開面を基準に、前記Ｓｉ基板上に積層された留め部を形成するステップであって、前記留め部は、前記Ｓｉ劈開面と平行および／または垂直な面を持つ、留め部を形成するステップと、
   前記ＩｎＰ基板に、劈開によりＩｎＰ劈開面を形成するステップと、
   前記留め部が持つ前記Ｓｉ劈開面と平行および／または垂直な面と、前記ＩｎＰ劈開面とが接するように、前記Ｓｉ基板上の前記留め部とは異なる位置に前記ＩｎＰ基板を配置することにより、前記Ｓｉ基板と、前記ＩｎＰ基板との位置合わせを行うステップと
   を備えたことを特徴とする、Ｓｉ基板と、ＩｎＰ基板とを貼り合わせる方法。

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