JP5958928B2

JP5958928B2 - 光学デバイスの製造方法

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Publication number: JP5958928B2
Application number: JP2012030855A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎林
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP2013168509A

Description

本発明は、発光素子や受光素子等の光学素子とこれを収納する収納部材からなる光学デバイスに関する。

従来から、発光素子や受光素子等の光学素子はパッケージに収納されて光学デバイスとして利用されている。これらの光学素子は、発光面や受光面の活性面と同じ表面に駆動用の電極が形成されている。そのため、ボンディングワイヤを使用して光学素子の活性面側から電気的に接続する必要があり、光学素子の収納部材を低背化、小型化できないという課題があった。

特許文献１には、上記課題を解決するパッケージに収納される赤外線センサーからなるデバイス素子が記載されている。図３は、赤外線センサー１３１を収納する気密封止パッケージを表す断面図である（特許文献１の図２）。気密封止パッケージは、シリコン基板１３９と、このシリコン基板１３９に実装される赤外線センサー１３１と、赤外線センサー１３１を取り囲むようにしてシリコン基板１３９に接合されるガラス枠体１３３と、赤外線センサー１３１の背面側から加圧し、ガラス枠体１３３の上面に接合される第２の基板１３６を備えている。

シリコン基板１３９の表面にはシリコン酸化膜や窒化シリコン膜からなる絶縁膜１３８が形成され、この絶縁膜１３８は赤外線を透過するように赤外線透過領域の箇所だけ除去される。更に、絶縁膜１３８の上には赤外線透過領域を除いて基板電極１３４が形成され、シリコン基板１３９の赤外線センサー１３１側の表面からこれと反対側の裏面まで引き回されて形成される。シリコン基板１３９の上にはガラス枠体１３３がガラス封止材により接合される。第２の基板１３６は赤外線センサー１３１を背面側から加圧するようにガラス枠体１３３の最上面に接合される。赤外線センサー１３１はその赤外線受光部１３７の側の表面に素子電極１３２を備え、素子電極１３２と基板電極１３４との間の突起電極１３５が介在する。これにより、素子電極１３２と基板電極１３４は突起電極１３５を介して電気的、機械的に結合される。

このように、赤外線センサー１３１の赤外線受光部１３７をシリコン窓が形成してあるシリコン基板１３９に突起電極１３５を介して設置したのでボンディングワイヤを使用する必要がなく、小型、低背化し、高信頼性の気密封止パッケージングを実現することができる、というものである。

特開２００１-５７４３６号公報

特許文献１に記載の気密封止パッケージでは、ガラス枠体１３３の最上面に第２の基板１３６の表面を加圧しながら加熱して水素結合力により接合する。この際に、赤外線センサー１３１の素子電極１３２はシリコン基板１３９の基板電極１３４に突起電極１３５を介して加圧される。この圧力により素子電極１３２と基板電極１３４とが電気的に接続される。なお、ガラス枠体１３３の最上面と第２の基板１３６の表面とが間に金属薄膜を挟んで陽極接合により接合することもできる。従って、赤外線センサー１３１は常に背後からシリコン基板１３９側に加圧されており、この圧力により突起電極１３５を介して素子電極１３２と基板電極１３４が電気的、機械的に結合される。

このため、特許文献１の接合方法ではガラス枠体１３３の上端面と第２の基板１３６の表面との間の接合界面と、素子電極１３２と基板電極１３４との間の平坦性とを高度に制御する必要がある。特に、多数のパッケージを並べて多数個取りする場合は製造が極めて難しくなる。また、赤外線センサー１３１とガラス枠体１３３は熱膨張係数を近似させる必要がある。そうしないと、温度変化によって第２の基板１３６が赤外線センサー１３１を加圧する圧力が変化し、素子電極１３２と基板電極１３４との間の機械的、電気的接続を維持することができなくなる。

また、特許文献１に記載の気密封止パッケージは、赤外線受光部１３７側に外部回路と接続するための基板電極１３４が設置される。そのため、平面実装を行う場合は回路基板等に赤外線を通す窓を形成しなければならず、実装工程が複雑となる。

本発明は、上記課題を解決し、パッケージに封止する光学素子の材料に影響されることなく環境温度の変化に対して安定し、しかも回路基板等に容易に実装可能な光学デバイスを提供することを目的としてなされた。

本発明の光学デバイスは、凹部を有し、前記凹部の外周上端面から前記外周上端面とは反対側の裏面にかけて貫通する貫通電極を有する第一基板と、表面に中間電極を有し、前記中間電極と前記貫通電極とが電気的に接続し、前記凹部を覆うように前記外周上端面に接合する第二基板と、前記中間電極と電気的に接続するようにして前記第二基板に表面実装され、前記凹部に収納される光学チップと、を備えることとした。

また、前記第一基板と前記第二基板とは陽極接合により接合されることとした。

また、前記光学チップは前記第二基板側に光学面を備え、前記第二基板は前記光学面に対応する領域が透明であることとした。

また、前記第一基板と前記第二基板の接合面には陽極接合用の金属膜が設置されることとした。

また、前記金属膜と前記第一基板又は前記第二基板との間にシリコン薄膜が設置されることとした。

また、前記第一基板又は前記第二基板はガラスから成ることとした。

本発明の光学デバイスの製造方法は、第一基板に凹部を形成し、前記凹部の外周上端面から前記外周上端面とは反対側の裏面にかけて貫通する貫通電極を形成する第一基板工程と、第二基板の表面に中間電極を形成する第二基板工程と、前記第二基板の前記中間電極が形成される側の表面に光学チップを表面実装する実装工程と、前記凹部に前記光学チップが収納されるように前記外周上端面に前記第二基板を載置し、前記第一基板と前記第二基板とを陽極接合により接合する接合工程と、を備えることとした。

また、前記第一基板の前記外周上端面を研磨する研磨工程を備えることとした。

また、前記第一基板の前記外周上端面に陽極接合用の金属膜を形成する金属膜形成工程を備えこととした。

また、前記第二基板の前記中間電極が形成される側の表面に陽極接合用の金属膜を形成する金属膜形成工程を備えることとした。

また、前記陽極接合用の金属膜を形成する前にシリコン薄膜からなる下地膜を形成する下地膜形成工程を備えることとした。

本発明の光学デバイスは、凹部を有し、凹部の外周上端面から外周上端面とは反対側の裏面にかけて貫通する貫通電極を有する第一基板と、表面に中間電極を有し、中間電極と貫通電極とが電気的に接続し、凹部を覆うように外周上端面に接合する第二基板と、中間電極と電気的に接続するようにして第二基板に表面実装され、凹部に収納される光学チップと、を備える。これにより、光学デバイスを低背化、小型化し、かつ、光学面とは反対側を実装面とすることができる。

本発明の第一実施形態に係る光学デバイスの説明図である。本発明の第二実施形態に係る光学デバイスの製造方法を表す説明図である。従来公知の赤外線センサーを収納する気密封止パッケージを表す断面図である。

（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る光学デバイス１の説明図である。図１（ａ）が断面模式図であり、図１（ｂ）が上面模式図である。図１（ａ）は図１（ｂ）の部分ＡＡの断面模式図であり、図１（ｂ）の実線は第一基板２に設置される構成要素を表し、破線は第二基板３に設置される構成要素を表す。

図１に示すように、光学デバイス１は、凹部５が形成される第一基板２と、凹部５を塞ぐ第二基板３と、第二基板３に表面実装され、凹部５に収納される光学チップ４とを備える。第一基板２は、中央部に凹部５を有し、凹部５の外周の上端面ＴＰから上端面ＴＰとは反対側の裏面ＢＰにかけて貫通する貫通電極６を有する。第二基板３は、表面に第一の中間電極７ａを有し、第一の中間電極７ａと貫通電極６とは貫通電極６の上に設置される第二の中間電極７ｂを介して電気的に接続し、凹部５を覆うように上端面ＴＰに接合される。光学チップ４は、第一の中間電極７ａと電気的に接続するようにして第二基板３に表面実装される。

このように、光学チップ４を第二基板３に表面実装したので光学チップ４を低背化、小型化することができる。また、貫通電極６により第一基板２の上端面ＴＰから裏面ＢＰに配線したので、光学面ＫＰとは反対側の裏面ＢＰを他の回路基板等に容易に表面実装することができる。

具体的に説明する。第一基板２及び第二基板３はガラス、セラミックス、合成樹脂等を使用することができる。本実施形態では平面視で四角形を有するソーダガラス板を使用する。ソーダガラスの他にホウケイ酸ガラス等を使用することができる。ガラスは、耐湿性、気密性に優れ、かつ、透光性を有するので光学デバイスに適する。第一基板２の凹部５及び貫通孔１３はガラスの型成型により形成することができる。貫通孔１３は各辺に一箇所形成し、メッキ処理を施して金属材料を充填し、貫通電極６とすることができる。貫通電極６としてＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属材料の他に導電ペーストを充填して形成することができる。凹部５の外周の上端面ＴＰの最外周には陽極接合用の金属材料を蒸着法等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターンを形成して金属膜８とする。金属膜８としてアルミニウム膜を使用することができる。

金属膜８より内側で、各貫通電極６の上部を覆うように各辺に第二の中間電極７ｂをそれぞれ形成する。第二の中間電極７ｂは、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ等を蒸着法やスパッタリング法等により堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターンを形成することができる。本実施形態ではＡｕ／Ｃｒの２層構造とする。第一基板２の裏面ＢＰには、貫通電極６と電気的に接続される外部電極１１を形成する。外部電極１１は印刷法、蒸着法、又はスパッタリング法等により形成することができる。本実施形態では銀ペーストを印刷法により形成する。なお、第一基板２は光を遮光するために着色され、或いは黒色顔料を混入した遮光ガラスを使用することが望ましい。

第二基板３の内表面には絶縁膜からなるフィルター１０を形成する。光学チップ４として発光素子や受光素子を使用することができる。本実施形態では光センサーからなる受光素子を使用する。フィルター１０は、受光する光を視感度曲線に合わせるために設置している。その上にＴ字型の第一の中間電極７ａを設置する。第一の中間電極７ａは第二の中間電極７ｂと同様にＮｉ、Ｃｒ、Ａｕ等を蒸着法やスパッタリング法等により堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターンを形成することができる。本実施形態ではＡｕ／Ｃｒの２層構造とする。ここで、第一及び第二の中間電極７ａ、７ｂの合計の膜厚は金属膜８の膜厚と略等しくする。これにより、第一基板２と第二基板３とを陽極接合する際に、第二基板３と金属膜８間のイオン交換を容易にし、かつ、第一及び第二の中間電極７ａ、７ｂ間を確実に電気的に接続することができる。

光学チップ４は第二基板３の第一の中間電極７ａにバンプ１２を介して表面実装される。光学チップ４の光学面ＫＰは第二基板３側に向き、第二基板３の対応する領域は透明である。光学面ＫＰと第二基板３の内表面との間隔は略２０μｍと狭くすることができる。光学面ＫＰの光活性領域１５はＴ字型の４つの第一の中間電極７ａにより囲まれる構造を有している。そのため、横方向の外部から光が入射し難く、或いは横方向の外部に光を射出し難い構造を有している。

第二基板３と第一基板２とは金属膜８を介して陽極接合される。これにより、第一の中間電極７ａと第二の中間電極７ｂが導通し、光学チップ４に対して外部電極１１から電力を供給し、信号を供給し又は信号を外部に取り出すことができる。ここで、金属膜８と第一基板２との間、又は金属膜８と第二基板３との間にシリコン薄膜を設置することができる。シリコン薄膜を設置することより、第一基板２と第二基板３間の陽極接合の接合強度を向上させることができる。

本実施形態において、第一基板２及び第二基板３の外形は２ｍｍ×２ｍｍ〜３ｍｍ×３ｍｍであり、第一基板２の厚さは０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ、凹部５の深さは略０．３ｍｍであり、第二基板３の厚さは０．２ｍｍ〜０．３ｍｍである。なお、第一基板２と第二基板３とを陽極接合したが、本発明はこれに限定されず、接着剤を用いて第一基板２と第二基板と３を接合してもよい。この場合は金属膜８を形成する必要がなく、製造コストを削減することができる。ただし、陽極接合のほうが気密性は高く、信頼性の高い光学デバイスを構成することができる。

（第二実施形態）
図２は、本発明の第二実施形態に係る光学デバイス１の製造方法を表す説明図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

まず、第一基板工程において、図２（ａ）に示すように、第一基板２に凹部５と貫通孔１３を形成する。第一基板２としてソーダガラスやホウケイ酸ガラスを使用することができる。凹部５と貫通孔１３は第一基板２を軟化点以上に加熱し、型成型により形成する。なお、第一基板２は多数個同時に形成することができる。貫通孔１３の孔径は５０μｍ以上とする。孔径が５０μｍを下回ると、後のメッキ処理において金属材料が充填し難くなる。なお、型成型に変えてサンドブラスト等の研削法により第一基板２に凹部５や貫通孔１３を形成してもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、無電解メッキ処理により、貫通孔１３に金属材料を充填し、貫通電極６を形成する。金属材料としてＡｕやＡｇを充填することができる。無電解メッキ処理に代えて導電ペーストを充填してもよいし、金属棒等からなる金属材料を挿入して低融点ガラスペーストや導電ペースト等で密封してもよい。次に、研磨工程において、第一基板２の凹部５の上端面ＴＰを研削又は研磨して貫通電極６の上端面と第一基板２の上端面ＴＰとを面一な平坦面とする。次に、金属膜形成工程において、第一基板２の外周上端面ＴＰに接合用の金属膜８を形成する。金属膜８としてアルミニウム膜を略３００ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターンを形成する。次に、凹部５の外周上端面ＴＰであり、金属膜８よりも内側の各辺に、各貫通電極６の上端面を覆うように第二の中間電極７ｂを形成する。電極材料としてＡｕ／ＮｉやＡｕ／Ｃｒを堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法により第二の中間電極７ｂのパターンを形成する。以上が第一基板工程である。

次に、第二基板工程において、図２（ｃ）に示すように、第二基板３の表面にフィルター１０を形成する。フィルター１０は第二基板３の表面の全面や部分であってもよい。また、入射光や射出光の補正を行う必要がない場合は、フィルター１０を形成しなくともよい。フィルター１０としてシリコン酸化膜等からなる多層の絶縁膜を堆積して形成することができる。第二基板３としてソーダガラスやホウケイ酸ガラスを使用することができる。第二基板３を第一基板２と同じ材質を使用すれば、熱膨張による応力の発生を低減させることができる。

次に、第一の中間電極７ａを形成する。電極材料としてＡｕ／ＮｉやＡｕ／Ｃｒを堆積し、フォトリソグラフィ及びエッチング法により第二の中間電極７ｂのパターンを形成する。ここで、第一の中間電極７ａと第二の中間電極７ｂの合計の膜厚が金属膜８の厚さと略等しくなるように各膜厚を設定する。

次に、実装工程において、図２（ｄ）に示すように、第二基板３の第一の中間電極７ａが形成される側の表面に光学チップ４を表面実装する。このとき、光学チップ４の光学面ＫＰは第二基板３側に向いている。光学チップ４を第一の中間電極７ａにバンプ１２を介して実装する。光学面ＫＰと第二基板３との間の隙間は略２０μｍとしている。

次に、接合工程において、図２（ｅ）に示すように、第一基板２の凹部５に光学チップ４が収納されるように凹部５の外周上端面ＴＰに第二基板３を載置し、第一基板２と第二基板３とを陽極接合する。第一基板２及び第二基板３を略４００℃に加熱し、第二基板３側を陽極に、金属膜８を設置した第一基板２側を陰極に５００Ｖ〜６００Ｖの電圧を印加して接合する。外部電極１１は銀ペーストを印刷し、硬化して形成することができる。

なお、金属膜８を形成する前に、シリコン薄膜から成る下地膜を第一基板２の上端面ＴＰに形成し、その上に金属膜８を形成することができる。また、第二基板３の金属膜８に対応するように領域にシリコン薄膜からなる下地膜を形成することができる（下地膜形成工程）。このように、シリコン薄膜を介在させて陽極接合すれば、接合強度を向上させることができる。

以上説明した光学デバイス１の製造方法によれば、光学デバイス１を低背化、小型化し、かつ、光学面とは反対側を実装面としたので、回路基板等へ簡便に実装することができる。また、第一基板２の上端面ＴＰに第二基板３を接合するので、従来例と比較して管理する必要のある接合面が少なく光学デバイス１の多数個取りが容易となる。なお、本実施形態において第一基板２に金属膜８を形成したが、これに代えて第二基板３に金属膜８を形成してもよい。また、第一及び第二の中間電極７ａ、７ｂや金属膜８のパターン形成は、フォトリソグラフィ及びエッチング法に代えて、リフトオフ法やその他の方法を使用することができる。

１光学デバイス
２第一基板
３第二基板
４光学チップ
５凹部
６貫通電極
７中間電極、７ａ第一の中間電極、７ｂ第二の中間電極
８金属膜
１０フィルター
１１外部電極
１２バンプ
１３貫通孔
１５光活性領域
ＴＰ上端面、ＢＰ裏面、ＫＰ光学面、ＪＰ実装面

Claims

第一基板に凹部を形成し、前記凹部の外周上端面から前記外周上端面とは反対側の裏面にかけて貫通する貫通電極を形成する第一基板工程と、
前記外周上端面を研磨して前記外周上端面と前記貫通電極の上端面とを面一な平坦面とする研磨工程と、
前記外周上端面の最外周に陽極接合用の金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記外周上端面の前記金属膜よりも内側で、前記貫通電極を覆うように第二の中間電極を形成する工程と、
第二基板の表面に第一の中間電極を、前記第二の中間電極との合計の膜厚が前記金属膜の厚さと略等しくなる厚さに形成する第二基板工程と、
前記第二基板の前記第一の中間電極が形成される側の表面に光学チップを表面実装する実装工程と、
前記凹部に前記光学チップが収納されるように前記外周上端面に前記第二基板を載置し、前記第一基板と前記第二基板とを略４００℃に加熱し陽極接合により接合する接合工程と、を備える光学デバイスの製造方法。
前記陽極接合用の前記金属膜を形成する前にシリコン薄膜からなる下地膜を形成する下地膜形成工程を備える請求項１に記載の光学デバイスの製造方法。