JP6190325B2 - Optical semiconductor device mounting method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、パッシブアライメントにより光半導体素子を基板に実装する光半導体素子実装方法及び装置に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor element mounting method and apparatus for mounting an optical semiconductor element on a substrate by passive alignment.
近年のインターネットにおける高精細な画像配信などによるトラフィックの急激な増大により、幹線系においても、メトロ・アクセス系においてもネットワークの更なる高速・大容量化が急務な課題となっている。また、データセンタ内の装置間を結ぶ信号配線や装置内の配線を光化することにより、データセンタ全体や伝送装置の消費電力の大幅な低減と信号処理能力の飛躍的な向上を図ろうとする取り組みも盛んに行われている。そのようなニーズの高まりに呼応して、光信号を送受信する装置に使用される光モジュールにおいて、高速・高性能化と小型・低コスト・低消費電力化の両方を実現することが求められている。 Due to the rapid increase in traffic due to high-definition image distribution on the Internet in recent years, it has become an urgent issue to increase the speed and capacity of networks in both trunk and metro access systems. In addition, by optimizing the signal wiring that connects the devices in the data center and the wiring in the device, the power consumption of the entire data center and the transmission device is greatly reduced and the signal processing capability is dramatically improved. Efforts are also being actively made. In response to this growing need, optical modules used in devices that transmit and receive optical signals are required to achieve both high speed, high performance, and small size, low cost, and low power consumption. Yes.
一方、光モジュールを組み立てる際には、半導体レーザや光増幅器、フォトダイオード等の光半導体素子と、光ファイバや平面基板上に作製された光導波路とを高い効率で光学的に結合させることが重要な課題となる。 On the other hand, when assembling optical modules, it is important to optically couple optical semiconductor elements such as semiconductor lasers, optical amplifiers, and photodiodes with optical fibers and optical waveguides fabricated on a flat substrate with high efficiency. It becomes a difficult task.
そのため、半導体レーザのような発光素子においては、まず、パッケージ上に光素子を実装して固定する。次に、素子に電流を注入して発光させ、光ファイバや光導波路の端面を徐々に発光素子端面に近づけていくことにより、光素子から出力された光を光ファイバや光導波路と結合させて、光ファイバや光導波路のもう一方の端面から出てくる光出力パワーを光パワーメータにより観測できるようにし、光パワーメータの指示値が大きくなるように光ファイバや光導波路の位置を調整(光軸調心)して、指示値が最も大きくなった位置で光ファイバや光導波路を固定するという方法を用いることが一般的である。この実装方法は、アクティブアライメントと呼ばれている。 Therefore, in a light emitting device such as a semiconductor laser, first, an optical device is mounted and fixed on a package. Next, current is injected into the element to emit light, and the end face of the optical fiber or optical waveguide is gradually brought closer to the end face of the light emitting element, thereby coupling the light output from the optical element to the optical fiber or optical waveguide. The optical output power coming out from the other end face of the optical fiber or optical waveguide can be observed by an optical power meter, and the position of the optical fiber or optical waveguide is adjusted so that the indicated value of the optical power meter becomes large (optical It is common to use a method of fixing the optical fiber or the optical waveguide at the position where the indicated value becomes the largest after the axial alignment. This mounting method is called active alignment.
しかし、この方法では、一度、光素子をパッケージやサブキャリア等に実装し、ワイヤボンディング等を施してから調心を行う必要があるため、個々のモジュールの組立に手間と時間がかかることが、光モジュールの小型・低コスト化を図る上での課題となっている。 However, in this method, since it is necessary to align the optical element once it is mounted on a package, subcarrier, etc., and wire bonding is performed, it may take time and effort to assemble individual modules. This is a challenge for reducing the size and cost of optical modules.
そこで、光モジュールの抜本的な小型・低コスト化を図る方法の1つとして、半導体レーザや光増幅器、フォトダイオード等の光半導体素子を、前述の光軸調心を行うことなく、光半導体素子と搭載基板の両方に形成された位置合わせ用のマークを、CCDマイクロスコープ等を使って重ね合わせることにより、搭載基板上に光半導体素子をフリップチップ実装する方法が提案されてきた(例えば、特許文献1、特許文献2、非特許文献1参照)。
Therefore, as one of the methods for drastically reducing the size and cost of an optical module, an optical semiconductor element such as a semiconductor laser, an optical amplifier, and a photodiode can be used without performing the optical axis alignment described above. A method of flip-chip mounting an optical semiconductor element on a mounting substrate by superimposing alignment marks formed on both the mounting substrate and a mounting substrate using a CCD microscope or the like has been proposed (for example, patents).
この実装方法は、パッシブアライメントと呼ばれ、ICやチップ抵抗、チップコンデンサ等の電子部品をプリント基板上にフリップチップ実装するのと同じように光半導体素子を搭載基板上に実装できる方法として、光モジュールの組立工程や組立時間を短くするために有効である。 This mounting method is called passive alignment, and as a method for mounting an optical semiconductor element on a mounting substrate in the same manner as flip-chip mounting electronic components such as ICs, chip resistors, and chip capacitors on a printed circuit board, This is effective for shortening the module assembly process and assembly time.
また、デジタルビデオカメラの小型・低コスト化と画像解析技術の発展により、複数のカメラから取り込んだ画像を統合的に解析処理し、1つの新たな画像をリアルタイムに作り出す技術が提案され、実際に使用されている(例えば、特許文献3参照)。1例として、アラウンドビューモニターシステムと呼ばれる自動車の駐車支援システム等が知られている。このように、実際の空間では実現できない画像を、画像解析技術により仮想空間上でリアルタイムに実現する方法は、今後、多くの分野で応用されていく可能性があり、光半導体素子の実装技術への応用も期待される。 In addition, due to the downsizing and cost reduction of digital video cameras and the development of image analysis technology, a technology has been proposed to create a new image in real time by comprehensively analyzing images captured from multiple cameras. It is used (for example, refer to Patent Document 3). As an example, an automobile parking support system called an around view monitor system is known. As described above, a method of realizing an image that cannot be realized in an actual space in real time in a virtual space by image analysis technology may be applied in many fields in the future. Applications are also expected.
しかしながら、前述の位置合わせ用のマークを使ったパッシブアライメントによる実装方法を用いる際、搭載する光半導体素子の表面にマークを形成する工程が必要になり、実装装置や搭載基板に適合した光半導体素子を作製する必要があり、光半導体素子のコストを上げてしまうという課題がある。 However, when using the above-described passive alignment mounting method using the alignment mark, a process of forming a mark on the surface of the mounted optical semiconductor element is required, and the optical semiconductor element suitable for the mounting apparatus and mounting substrate Therefore, there is a problem that the cost of the optical semiconductor element is increased.
また、位置合わせ用のマークを使わずに、CCDマイクロスコープ等のカメラを用いて光半導体素子表面に形成された電極パターンを読み取り、その情報から光半導体素子の出射光の光軸位置を推定して搭載基板上に搭載する方法も用いられている。しかし、アクティブアライメントを用いた実装方法に比べ、光半導体素子と光ファイバ・光導波路との光軸合わせの精度が悪くなり、そのことが原因で光モジュールの光出力の低下と特性ばらつきが大きくなるという課題がある。 Also, without using the alignment mark, the electrode pattern formed on the surface of the optical semiconductor element is read using a camera such as a CCD microscope, and the optical axis position of the emitted light of the optical semiconductor element is estimated from the information. A method of mounting on a mounting board is also used. However, compared to the mounting method using active alignment, the accuracy of optical axis alignment between the optical semiconductor element and the optical fiber / optical waveguide is deteriorated, resulting in a decrease in optical output and characteristic variation of the optical module. There is a problem.
また、近年のネットワークの高速・大容量化の進展と低消費電力化への要求の高まりに より、光モジュールの高速化と低電流動作での高出力化が強く求められてきている。そのため、光半導体素子においては、変調動作部の寄生容量を低減するために素子長を短くしたり、電極の大きさをできるだけ小さくしたりすることが必須となっている。このことは、素子表面に位置合わせ用のマークを形成するスペースを設けることを困難にしている。 In addition, due to the recent progress of high-speed and large-capacity networks and increasing demand for low power consumption, there has been a strong demand for high-speed optical modules and high output with low current operation. For this reason, in an optical semiconductor element, it is essential to shorten the element length and reduce the size of the electrode as much as possible in order to reduce the parasitic capacitance of the modulation operation unit. This makes it difficult to provide a space for forming alignment marks on the element surface.
さらに、光モジュールの低電流動作と高出力化を実現するためには、光半導体素子からの出射光と光ファイバ・光導波路との結合効率をできるだけ高くする必要が生じており、光軸合わせの精度を歩留りよく高めることが困難な従来のパッシブアライメント実装方法を用いることが難しくなっている。 Furthermore, in order to realize low current operation and high output of the optical module, it is necessary to increase the coupling efficiency between the light emitted from the optical semiconductor element and the optical fiber / optical waveguide as much as possible. It is difficult to use a conventional passive alignment mounting method in which it is difficult to improve accuracy with a high yield.
このような上記の光軸合わせの精度低下を補償するために、光半導体素子の出射端面部、もしくは、光導波路の入射端面部にスポットサイズを変換できる領域を付加して、光軸ずれに対する許容度を大きくする検討も行われている。しかし、ここでも光半導体素子や光導波路の作製工程が複雑になり、作製コストが高くなることが課題となっている。 In order to compensate for such a decrease in the accuracy of the optical axis alignment, an area where the spot size can be converted is added to the exit end face part of the optical semiconductor element or the incident end face part of the optical waveguide to allow for the optical axis misalignment. Studies to increase the degree are also being conducted. However, the manufacturing process of the optical semiconductor element and the optical waveguide is complicated here, and the manufacturing cost is increased.
本発明の目的は、パッシブアライメント実装方法において、光半導体素子と光ファイバ・光導波路との結合効率を歩留りよく向上させることのできる光半導体素子実装方法及び装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical semiconductor element mounting method and apparatus capable of improving the coupling efficiency between an optical semiconductor element and an optical fiber / optical waveguide with a high yield in a passive alignment mounting method.
上記の課題を解決するために、本発明は、発光素子部を有する光半導体素子を基板上に形成された配線と電気的に接続し、かつ、光導波路もしくは光ファイバと光学的に結合するように基板上に実装する光半導体素子実装装置であって、前記光半導体素子が置かれる素子供給ステージと、前記素子供給ステージ上に置かれた前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面を撮影する第1のカメラと、前記第1の素子電極が形成された面を吸引固定して、前記光半導体素子を所定の座標系の任意の位置に移動させることができるボンディングツールであって、前記光半導体素子を吸引固定時に前記第1の素子電極と電気的に接続されるボンディングツール電極を有する、ボンディングツールと、前記ボンディングツールに吸引固定された前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面と対向する、第2の素子電極が形成された面を撮影する第2のカメラと、ステージ電極を有する素子端面観測ステージと、前記ステージ電極が形成された面を撮影する第3のカメラと、前記ボンディングツール電極と前記ステージ電極とに電気的に接続された電流源であって、前記ボンディングツールによって前記光半導体素子が前記素子端面観測ステージに押し付けられ、前記第2の素子電極が前記ステージ電極に電気的に接続されたとき、前記光半導体素子が発光する電流を供給する電流源と、前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面を撮影する第4のカメラであって、前記光半導体素子から出射された光の波長帯に感度を有する第4のカメラと、前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面とは対向する第2の出射端面を撮影する第5のカメラであって、前記光半導体素子から出射された光の波長帯に感度を有する第5のカメラと、前記基板が置かれる、前記基板を加熱および冷却することが可能な素子搭載ステージと、前記素子搭載ステージ上に置かれた前記基板上に形成された基板電極および前記基板と一体形成された光導波路もしくは前記基板に固定された光ファイバを撮影する第6のカメラと、前記第1〜第6のカメラで撮影された前記光半導体素子および前記基板の画像を取得し、合成することにより、前記光半導体素子の外形形状、外形寸法、前記第1および第2の出射端面における出射光の出射位置、出射角、出射方向、出射ビームの強度分布と前記基板電極の位置、形状、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置を前記所定の座標系にマッピングし、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記素子端面観測ステージに置かれるとき、前記第2の素子電極が前記ステージ電極に電気的に接続され、前記第1の出射端面と前記第4のカメラの撮像面とが平行、かつ、前記第2の出射端面と前記第5のカメラの撮像面とが平行になる前記光半導体素子の第1の最適位置を算出し、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記第1の最適位置に移動されたとき、前記光半導体素子の第1および第2の出射端面における外形形状、外形寸法、出射光の出射位置、出射ビームの強度分布の観測結果に基づき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、前記第1および第2の出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布を算出し、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記素子搭載ステージに置かれた前記基板上に置かれるとき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布の算出結果と、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置座標と、前記光半導体素子を前記基板上に搭載するときの位置座標とにおける、前記光半導体素子と前記光導波路もしくは光ファイバとの光学的な結合効率を算出する、画像解析装置と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is to electrically connect an optical semiconductor element having a light emitting element part to a wiring formed on a substrate and to optically couple with an optical waveguide or an optical fiber. An optical semiconductor element mounting apparatus for mounting on a substrate, wherein an element supply stage on which the optical semiconductor element is placed and a first element electrode of the optical semiconductor element placed on the element supply stage are formed A first camera for photographing a surface and a bonding tool capable of moving the optical semiconductor element to an arbitrary position in a predetermined coordinate system by sucking and fixing the surface on which the first element electrode is formed. A bonding tool having a bonding tool electrode that is electrically connected to the first element electrode when the optical semiconductor element is sucked and fixed before the optical semiconductor element is sucked and fixed to the bonding tool. A second camera for photographing a surface on which the second element electrode is formed, facing the surface on which the first element electrode of the optical semiconductor element is formed, an element end face observation stage having a stage electrode, and the stage electrode And a current source electrically connected to the bonding tool electrode and the stage electrode, wherein the optical semiconductor element is connected to the element end face observation stage by the bonding tool. When the second element electrode is pressed against the stage electrode and electrically connected to the stage electrode, a current source that supplies current emitted from the optical semiconductor element and the optical semiconductor that emits light on the element end face observation stage A fourth camera for photographing a first emission end face of the element, wherein the fourth camera is sensitive to a wavelength band of light emitted from the optical semiconductor element; A fifth camera for photographing a second emission end face facing the first emission end face of the optical semiconductor element that emits light on a child end face observation stage, wherein the wavelength band of the light emitted from the optical semiconductor element A fifth camera having sensitivity to the element, an element mounting stage on which the substrate is placed and capable of heating and cooling the substrate, and a substrate electrode formed on the substrate placed on the element mounting stage And a sixth camera for photographing an optical waveguide integrally formed with the substrate or an optical fiber fixed to the substrate, and images of the optical semiconductor element and the substrate photographed by the first to sixth cameras. By acquiring and synthesizing, the outer shape, outer dimension, exit position, exit angle, exit direction, exit beam intensity distribution of the exit light on the first and second exit end faces are obtained. The position of the substrate electrode, the shape, and the position of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber are mapped to the predetermined coordinate system, and the optical semiconductor element is placed on the element end face observation stage by the bonding tool. Two element electrodes are electrically connected to the stage electrode, the first exit end face and the imaging surface of the fourth camera are parallel, and the second exit end face and the fifth camera are imaged. A first optimal position of the optical semiconductor element that is parallel to a plane is calculated, and when the optical semiconductor element is moved to the first optimal position by the bonding tool, the first and second optical semiconductor elements are 2 on the first and second output end faces based on the observation results of the outer shape, the outer dimensions, the outgoing position of the outgoing light, and the intensity distribution of the outgoing beam. The emission angle, the emission direction, and the intensity distribution of the emitted beam at a position away from the first and second emission end faces by a predetermined distance are calculated, and the optical semiconductor element is placed on the element mounting stage by the bonding tool. When the light beam is placed on the substrate, the emission angle of the outgoing beam at the first and second outgoing end faces, the outgoing direction, the calculation result of the intensity distribution of the outgoing beam at a position away from the outgoing end face by a predetermined distance, and Optical coupling efficiency between the optical semiconductor element and the optical waveguide or optical fiber in the position coordinates of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber and the position coordinates when the optical semiconductor element is mounted on the substrate. And an image analysis device for calculating.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光半導体素子実装装置において、前記ボンディングツールが前記光半導体素子を前記素子搭載ステージに置かれた前記基板上に置くとき、前記画像解析装置は、前記第2の素子電極が前記基板電極と電気的に接続され、前記光導波路もしくは前記光ファイバの入射端面と前記第1および第2の出射端面の少なくとも一方とが所定の距離だけ離れた位置において、前記光導波路もしくは光ファイバと前記光半導体素子から出射される光との結合効率が最も高くなる、前記光半導体素子の第2の最適位置を算出し、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記第2の最適位置に移動されたとき、前記素子搭載ステージは、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記基板上に固定されると、所定の温度まで前記素子搭載ステージを加熱する、ことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical semiconductor element mounting apparatus according to the first aspect, when the bonding tool places the optical semiconductor element on the substrate placed on the element mounting stage, the image analyzing apparatus. The second element electrode is electrically connected to the substrate electrode, and the incident end face of the optical waveguide or the optical fiber is separated from at least one of the first and second emitting end faces by a predetermined distance. Calculating a second optimum position of the optical semiconductor element at which the coupling efficiency between the optical waveguide or optical fiber and the light emitted from the optical semiconductor element is highest, and the optical semiconductor element is the bonding tool When the element mounting stage is moved to the second optimum position by the bonding tool, the optical semiconductor element is placed on the substrate by the bonding tool. When constant, heating said element mounting stage to a predetermined temperature, characterized in that.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の光半導体素子実装装置において、前記画像解析装置は、前記第1および第2のカメラで前記素子供給ステージ上に置いた所定の長さの基準被測定物を撮影し、前記第3〜第5のカメラで前記素子端面観測ステージ上に置いた前記基準被測定物を撮影し、前記第6のカメラで前記素子搭載ステージ上に置いた前記基準被測定物を撮影し、前記第1〜第6のカメラの撮影倍率毎に撮影された画像における前記基準被測定物の寸法を求めて予め記憶しており、前記基準被測定物との比較から前記素子供給ステージ、前記素子端面観測ステージおよび前記素子搭載ステージ上に置かれた被測定物の寸法をそれぞれ算出することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical semiconductor element mounting apparatus according to the first or second aspect, the image analysis apparatus has a predetermined length placed on the element supply stage by the first and second cameras. The reference measurement object was photographed, the reference measurement object placed on the element end face observation stage was photographed with the third to fifth cameras, and placed on the element mounting stage with the sixth camera. The reference measurement object is photographed, and the dimensions of the reference measurement object in the images photographed at the photographing magnifications of the first to sixth cameras are obtained and stored in advance, and the reference measurement object and From these comparisons, the dimensions of the measurement object placed on the element supply stage, the element end face observation stage, and the element mounting stage are calculated.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光半導体素子実装装置において、前記光半導体素子は、p型半導体とn型半導体が活性層を水平方向に挟み込む形に配置された横注入型半導体レーザであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical semiconductor element mounting apparatus according to any one of the first to third aspects, the optical semiconductor element is formed such that a p-type semiconductor and an n-type semiconductor sandwich an active layer in a horizontal direction. It is a lateral injection type semiconductor laser arranged.
請求項5に記載の発明は、発光素子部を有する光半導体素子を基板上に形成された配線と電気的に接続し、かつ、光導波路もしくは光ファイバと光学的に結合するように基板上に実装する光半導体素子実装方法であって、素子供給ステージ上に前記光半導体素子を配置するステップと、第1のカメラを用いて、前記素子供給ステージ上に置かれた前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面を撮影するステップと、前記第1のカメラで撮影された前記光半導体素子の画像を取得し、前記光半導体素子の外形形状、外形寸法を前記所定の座標系にマッピングする第1のマッピングステップと、ボンディングツールを用いて、前記第1の素子電極が形成された面を吸引固定して、前記光半導体素子を所定の座標系の第1の位置に移動させるステップと、第2のカメラを用いて、前記第1の位置において前記ボンディングツールに吸引固定された前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面と対向する、第2の素子電極が形成された面を撮影するステップと、前記第2のカメラで撮影された前記光半導体素子の画像を取得し、前記光半導体素子の外形形状、外形寸法を前記所定の座標系にマッピングする第2のマッピングステップと、第3のカメラを用いて、素子端面観測ステージが有するステージ電極が形成された面を撮影するステップと、前記第3のカメラで撮影された前記ステージ電極の画像を取得し、前記ステージ電極の外形形状、外形寸法を前記所定の座標系にマッピングする第3のマッピングステップと、前記ボンディングツールが前記光半導体素子を前記素子端面観測ステージに置くとき、前記素子端面観測ステージが有するステージ電極に前記第2の素子電極が電気的に接続され、前記第1の出射端面と第4のカメラの撮像面とが平行、かつ、前記第2の出射端面と第5のカメラの撮像面とが平行になる前記光半導体素子の第1の最適位置を算出するステップと、前記第1の最適位置において、前記ボンディングツールに吸引固定された前記光半導体素子の第2の素子電極を前記素子端面観測ステージのステージ電極に押し付けるステップと、前記ボンディングツールが有する、前記光半導体素子を吸引固定時に前記第1の素子電極と電気的に接続されるボンディングツール電極と、前記ステージ電極との間に電流を供給し、前記光半導体素子を発光させるステップと、前記第4のカメラを用いて、前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面を撮影するステップと、前記第5のカメラを用いて、前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面と対向する、第2の出射端面を撮影するステップと、前記第4および第5のカメラで撮影された前記光半導体素子の画像を取得し、前記第1および第2の出射端面における出射光の出射位置、出射角、出射方向、出射ビームの強度分布を前記所定の座標系にマッピングする第4のマッピングステップと、前記第1の出射端面を撮影するステップおよび前記第2の出射端面を撮影するステップにおける、前記光半導体素子の第1および第2の出射端面における外形形状、外形寸法、出射光の出射位置、出射ビームの強度分布の観測結果に基づき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、前記第1および第2の出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布を算出するステップと、前記基板を加熱および冷却することが可能な素子搭載ステージ上に前記基板を配置するステップと、第6のカメラを用いて、前記素子搭載ステージ上に置かれた前記基板上に形成された基板電極および前記基板と一体形成された光導波路もしくは前記基板に固定された光ファイバを撮影するステップと、前記第6のカメラで撮影された前記基板の画像を取得し、前記基板電極の位置、形状、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置を前記所定の座標系にマッピングする第5のマッピングステップと、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記素子搭載ステージに置かれた前記基板上に置かれるとき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布の算出結果と、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置座標と、前記光半導体素子を前記基板上に搭載するときの位置座標とにおける、前記光半導体素子と前記光導波路もしくは光ファイバとの光学的な結合効率を算出するステップと、を有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, an optical semiconductor element having a light emitting element portion is electrically connected to a wiring formed on a substrate and is optically coupled to an optical waveguide or an optical fiber on the substrate. An optical semiconductor element mounting method for mounting, comprising: disposing the optical semiconductor element on an element supply stage; and using a first camera, a first of the optical semiconductor elements placed on the element supply stage. Photographing the surface on which the element electrode is formed, acquiring an image of the optical semiconductor element photographed by the first camera, and setting the outer shape and outer dimension of the optical semiconductor element to the predetermined coordinate system Using a first mapping step for mapping and a bonding tool, the surface on which the first element electrode is formed is fixed by suction, and the optical semiconductor element is moved to a first position in a predetermined coordinate system. A second element electrode facing the surface on which the first element electrode of the optical semiconductor element is fixed to the bonding tool at the first position by using the second camera and the second camera. A step of photographing the formed surface; and a second step of acquiring an image of the optical semiconductor element photographed by the second camera and mapping an outer shape and an outer dimension of the optical semiconductor element to the predetermined coordinate system. Mapping step, using a third camera, photographing a surface on which the stage electrode of the element end face observation stage is formed, obtaining an image of the stage electrode photographed by the third camera, A third mapping step for mapping the outer shape and outer dimension of the stage electrode to the predetermined coordinate system; and the bonding tool converts the optical semiconductor element to the element When placed on a plane observation stage, the second element electrode is electrically connected to a stage electrode of the element end face observation stage, the first emission end face and the imaging surface of the fourth camera are parallel, and A step of calculating a first optimum position of the optical semiconductor element in which the second emission end face and the imaging surface of the fifth camera are parallel; and suction fixing to the bonding tool at the first optimum position. And a step of pressing the second element electrode of the optical semiconductor element against a stage electrode of the element end face observation stage, and the bonding tool has an electrical connection with the first element electrode when the optical semiconductor element is suction fixed Supplying a current between the bonding tool electrode and the stage electrode, causing the optical semiconductor element to emit light, and using the fourth camera, The step of photographing the first emission end face of the optical semiconductor element that emits light on the element end face observation stage, and the first of the optical semiconductor element that emits light on the element end face observation stage using the fifth camera Photographing the second exit end face opposite to the exit end face, obtaining images of the optical semiconductor elements photographed by the fourth and fifth cameras, and at the first and second exit end faces A fourth mapping step for mapping the exit position, exit angle, exit direction, and exit beam intensity distribution of the exit light to the predetermined coordinate system; photographing the first exit end face; and the second exit end face On the basis of the observation results of the outer shape, the outer dimensions, the outgoing position of the outgoing light, and the intensity distribution of the outgoing beam at the first and second outgoing end faces of the optical semiconductor element in the step of photographing Calculating the exit beam exit angle at the first and second exit end faces, the exit direction, and the intensity distribution of the exit beam at a position away from the first and second exit end faces by a predetermined distance; Placing the substrate on an element mounting stage capable of heating and cooling the substrate, and using a sixth camera, a substrate electrode formed on the substrate placed on the element mounting stage And photographing the optical waveguide formed integrally with the substrate or the optical fiber fixed to the substrate, obtaining an image of the substrate photographed by the sixth camera, and the position, shape of the substrate electrode, A fifth mapping step for mapping the position of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber to the predetermined coordinate system; and When placed on the substrate placed on the element mounting stage by a tool, the exit beam at the first and second exit end faces, the exit direction, the exit direction, and the exit beam at a position away from the exit end face by a predetermined distance The optical semiconductor element and the optical waveguide or light in the calculation result of the intensity distribution, the position coordinates of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber, and the position coordinates when the optical semiconductor element is mounted on the substrate Calculating the optical coupling efficiency with the fiber.
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の光半導体素子実装方法において、前記ボンディングツールが前記光半導体素子を前記素子搭載ステージに置かれた前記基板上に置くとき、前記第2の素子電極が前記基板電極と電気的に接続され、前記光導波路もしくは前記光ファイバの入射端面と前記第1および第2の出射端面の少なくとも一方とが所定の距離だけ離れた位置において、前記光導波路もしくは光ファイバと前記光半導体素子から出射される光との結合効率が最も高くなる、前記光半導体素子の第2の最適位置を算出するステップと、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記第2の最適位置に固定するステップと、前記素子搭載ステージは、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記基板上に固定されると、所定の温度まで前記素子搭載ステージを加熱するステップと、をさらに有することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical semiconductor element mounting method according to the fifth aspect, when the bonding tool places the optical semiconductor element on the substrate placed on the element mounting stage, the second An element electrode is electrically connected to the substrate electrode, and the optical waveguide or the optical fiber has an incident end face and at least one of the first and second exit end faces separated by a predetermined distance. Alternatively, a step of calculating a second optimum position of the optical semiconductor element that provides the highest coupling efficiency between the optical fiber and the light emitted from the optical semiconductor element, and the optical semiconductor element is the second by the bonding tool. And fixing the optical semiconductor element on the substrate by the bonding tool. When, characterized in that it further comprises heating said element mounting stage to a predetermined temperature, the.
請求項7に記載の発明は、請求項5又は6に記載の光半導体素子実装方法において、前記第1〜第5のマッピングステップは、前記第1および第2のカメラで前記素子供給ステージ上に置いた所定の長さの基準被測定物を撮影し、前記第3〜第5のカメラで前記素子端面観測ステージ上に置いた前記基準被測定物を撮影し、前記第6のカメラで前記素子搭載ステージ上に置いた前記基準被測定物を撮影し、前記第1〜第6のカメラの撮影倍率毎に撮影された画像における前記基準被測定物の寸法を求めて予め記憶しており、前記基準被測定物との比較から前記素子供給ステージ、前記素子端面観測ステージおよび前記素子搭載ステージ上に置かれた被測定物の寸法をそれぞれ算出するステップを含むことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the optical semiconductor element mounting method according to the fifth or sixth aspect, the first to fifth mapping steps are performed on the element supply stage by the first and second cameras. A reference measurement object having a predetermined length is photographed, the reference measurement object placed on the element end face observation stage is photographed by the third to fifth cameras, and the element is photographed by the sixth camera. The reference measurement object placed on the mounting stage is photographed, and the dimensions of the reference measurement object in the images photographed for each photographing magnification of the first to sixth cameras are obtained and stored in advance, The method includes a step of calculating dimensions of the measurement object placed on the element supply stage, the element end face observation stage, and the element mounting stage from comparison with a reference measurement object.
請求項8に記載の発明は、請求項5乃至7のいずれかに記載の光半導体素子実装方法において、前記光半導体素子は、p型半導体とn型半導体が活性層を水平方向に挟み込む形に配置された横注入型半導体レーザであることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the optical semiconductor element mounting method according to any of the fifth to seventh aspects, the optical semiconductor element has a shape in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor sandwich an active layer in a horizontal direction. It is a lateral injection type semiconductor laser arranged.
本発明は、カメラを用いて光半導体素子の両端面から出力される光の位置と形状を精度よく画像情報として取り込むことで、搭載する素子ごとに光導波路もしくは光ファイバとの光学的な結合を最適にする搭載基板上の搭載位置を求められるようになり、従来のパッシブアライメントを用いた実装方法よりも精度よく高い結合効率の光モジュールを作製することができるようになるという効果を有する。 The present invention uses a camera to capture the position and shape of light output from both end faces of an optical semiconductor element as image information with high accuracy, thereby optically coupling an optical waveguide or optical fiber to each mounted element. An optimum mounting position on the mounting substrate is required, and an optical module with high coupling efficiency can be produced with higher accuracy than the conventional mounting method using passive alignment.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(第1の実施形態)
図1に、本発明の一実施形態に係る光半導体素子実装方法及び装置の概略を示す。1は10Gbit/sで直接変調動作が可能な出射光の波長が1.3μm帯のDFBレーザチップ、2、6〜9、12は第1〜6のCCDマイクロスコープであり、少なくとも第3、第4のCCDマイクロスコープ8、9は1.3μm帯の波長の光に対しても感度を持つCCDマイクロスコープである。3は素子供給ステージ、4はDFBレーザチップを一定の向きに並べて収容したチップトレイ、5はDFBレーザチップ1を吸引して持ち上げることのできるボンディングツールである。10は素子端面観測ステージ、11は直流出力もしくはパルス出力が可能な電流源、13は素子搭載ステージである。14はシリコンベンチ上にSiO2を積層させて光導波路を形成したPLC(Planar Lightwave Circuit)プラットフォームと呼ばれる光半導体素子搭載基板であり、15がPLCプラットフォーム上に形成された光導波路である。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically shows an optical semiconductor element mounting method and apparatus according to an embodiment of the present invention.
また、図1の第1〜第6のCCDマイクロスコープ2、6、7〜9、12から取り込まれた画像情報は、画像解析装置16に取り込まれてデジタルデータに変換され、統合的に解析処理される。
Also, the image information captured from the first to
尚、第1〜第6のCCDマイクロスコープ2、6、7〜9、12は、1つのCCDマイクロスコープを移動させて利用することも、複数のCCDマイクロスコープをそれぞれ別個に用意しても良い。
The first to
また、DFBレーザチップ1に代えて他の発振波長のレーザ素子を搭載する場合、第3、第4のCCDマイクロスコープ8、9を搭載するレーザ素子が出射するレーザ光の波長帯に感度を持つものにする。
Further, when a laser element having another oscillation wavelength is mounted instead of the
尚、各々のCCDマイクロスコープにおいて、予め正確な長さの分っている被測定物(寸法標準器)を各ステージの上に置き、各マイクロスコープの撮影倍率毎に撮影された画像における寸法標準器の寸法を求め、画像解析装置16に入力しておくことで各ステージ上の被測定物の寸法を算出することができる。
In each CCD microscope, an object to be measured (dimension standard) whose length is known in advance is placed on each stage, and a dimensional standard in an image taken for each imaging magnification of each microscope. The dimensions of the measurement object on each stage can be calculated by obtaining the dimensions of the device and inputting them to the
図2に、本実施形態で実装したDFBレーザチップ1の概観図を示す。17はp型InPクラッド層、22はFeをドープした半絶縁性InP埋込層、18と20はInGaAsPSCH層、19はInGaAsP活性層、21はn型InP基板、23は絶縁膜(SiO2)、24はp側電極(Au)、25はn側電極(Au)である。また、素子長は約200μm、素子の横幅は約250μm、素子の厚さは約100μmとなるように作製されている。
FIG. 2 shows an overview of the
本実施例では、まず、DFBレーザチップ1をp側電極24が下になるようにチップトレイ4の上に並べて収容する。その後、チップトレイ4を素子供給ステージ3上に置き、素子供給ステージ3に吸引させて固定する。その後、下記の手順で実装を行う。
In this embodiment, first, the
(1)素子供給ステージ3上に設置された第1のCCDマイクロスコープ2を使ってチップトレイ4上の各DFBレーザチップ1の配置を画像として取り込み、第1のCCDマイクロスコープ2に接続された画像解析装置16によって各DFBレーザチップ1の形状、位置および寸法を座標化する。図3に、画像解析装置16によって座標化された本実施形態のDFBレーザチップ1のn側電極が形成された面の画像を模式的に示す。本実施例では、DFBレーザチップの1つの隅の位置を原点としている。この画像より、DFBレーザチップのx軸方向の長さ(a)とy軸方向の長さ(b)が算出されると共に、n側電極25の中心位置26を算出する。次に、ボンディングツール5の先端部分の中心がn側電極25の中心位置26と重なるようにボンディングツール5の吸着位置の輪郭27を定める。同様にして、マッピングされた座標系に、チップトレイ4上に配列された各DFBレーザチップ1上面の輪郭をマッピングする。
(1) Using the
(2)上記の座標化された位置情報を用いて、チップトレイ上の各DFBレーザチップ1の中心位置にボンディングツール5を移動させてDFBレーザチップ1を吸着させ、トレイより持ち上げる。
(2) Using the coordinated position information, the
(3)ボンディングツール5に吸着させたDFBレーザチップ1を第2のCCDマイクロスコープ6上に搬送し、第2のCCDマイクロスコープ6を使ってDFBレーザチップ1のp側電極が形成された面、p側電極の形状、位置および寸法を画像情報として取り込み、画像解析装置16によってそれらの情報を座標化する。すなわち、電極が形成された面および電極の輪郭を、DFBレーザチップ1上面の輪郭がマッピングされた座標系、又はその座標系との相対的位置関係が規定された座標系にマッピングする。図4に、画像解析装置16によって座標化された本実施形態のDFBレーザチップ1のp側電極24が形成された面の画像を模式的に示す。
(3) The surface on which the
(4)第3のCCDマイクロスコープ7を使って、素子端面観測ステージ10上に形成された電極28、29の形状と位置、寸法を画像情報として取り込み、画像解析によってそれらの情報を座標化する。すなわち、少なくともボンディングツール5の先端に吸着されたDFBレーザチップと共通する座標系に素子端面観測ステージ上に形成された電極の輪郭をマッピングする。図5に、画像解析装置16によって座標化された素子端面観測ステージ10上面の画像を模式的に示す。本実施例では、素子端面観測ステージ上に素子を搭載する際の位置合わせに用いる情報として、電極28の中心位置30を予め算出している。図6は、画像解析装置16において、素子端面観測ステージ上にDFBレーザチップを搭載する際の位置決めをした画像を模式的に示す。
(4) Using the third CCD microscope 7, the shapes, positions, and dimensions of the
但し、本実施形態において用いたDFBレーザチップ1のp側の電極24は1つしかなく、そのため、素子端面観測ステージ上に形成された電極パターン28、29も、ステージ全体が1つの電極となるようなパターンでよいため、ステージ上に素子を搭載する際に、電極パターンどうしの正確な位置合わせの必要がない。従って、この電極28の中心位置30を予め算出する工程は、省略することが可能である。
However, there is only one p-
(5)ボンディングツール5に吸着させたDFBレーザチップ1を素子端面観測ステージ10上に搬送し、ボンディングツールを下降させてDFBレーザチップ1のp側電極が素子端面観測ステージ10上の電極と電気的に接続されるように押し付ける。図7(a)に、素子端面観測ステージ上にDFBレーザチップを搭載した時の模式図を示し、図7(b)に、ボンディングツールの先端部の模式図を示す。尚、図7の36は、第1の出射端面34におけるレーザ光の出射領域の形状(近視野像:Near Field Pattern)を表す。また、第1の出射端面34から出射される光は、半導体と空気との境界となる出射端面で屈折するため、第1の出射端面34から離れるにつれて広がっていく。図7の37は、第1の出射端面34から離れた位置で広がった放射領域の形状(遠視野像:Far Field Pattern)を表す。出射光が放射される方向(出射光の光軸)38は、第1の出射端面34における第1の出射領域36の中心と、第1の出射端面から離れた位置での放射領域37の中心を直線で結ぶ直線となる。この出射光が放射される方向38は、第2の出射端面35(第1の出射端面34とは反対側の出射端面)における第2の出射領域39の中心と出射領域36の中心を結ぶ直線41(DFBレーザチップ内における導波光の光軸)と、第1の出射領域36の中に含まれる各半導体層(図2の17、18、19、20、21、22)の屈折率から算出される等価屈折率、ならびに、空気の屈折率とを用いて算出することができる。
(5) The
尚、この時、DFBレーザチップ1の両側端面34、35と第4、第5のCCDマイクロスコープ8、9の撮影面(レンズ面)とが水平になるようにボンディングツール5の向きを調整する。ボンディングツール5の向きを調整する代わりに、素子端面観測ステージ10を回転させたり、第4、第5CCDマイクロスコープ8、9の位置を調整したりしても良い。
At this time, the orientation of the
また、DFBレーザチップ1の両側端面と第4、第5のCCDマイクロスコープ8、9の撮影面(レンズ面)とを水平にする代わりに、画像解析装置16で画像を補正しても良い。
Further, instead of leveling the both end surfaces of the
また、第4のCCDカメラ8の前に任意の位置での光の強度分布を観測できる光学系を取り付けることにより、出射領域36、及び、放射領域37の両方を観測するようにしてもよい。この場合は、第5のCCDカメラ9を使用しなくても出射光が放射される方向38を正確に求めることができる。
Further, by attaching an optical system capable of observing the light intensity distribution at an arbitrary position in front of the fourth CCD camera 8, both the
(6)ボンディングツール5の先端に形成された電極31からの配線32と、素子端面観測ステージ上の電極28からの配線29が接続された直流電流源11を動作させ、DFBレーザチップ1の閾値電流の値より少し大きな電流(本実施例では15mA)をDFBレーザチップ1に流し、レーザを発光させる。
(6) The DC
(7)DFBレーザチップ1の両側の端面34、35から光が出射されている状態で、第4、第5のCCDマイクロスコープ8、9により観測される画像情報を取り込み、出射端面34、35から出射される光の形状と寸法、中心位置を規定するために必要な情報(図8のd〜I、及び、図9のj〜o)を座標化する。出射端面34、35から出射される光の形状と寸法、中心位置は、DFBレーザチップ1の端面における出射光をCCDカメラで撮影し、画像解析装置16にてその領域を解析し、その輪郭を抽出することによって求められる。図8、図9に、本実施形態で実装したDFBレーザチップ1の出射端面の模式図を示す。
(7) The image information observed by the fourth and fifth CCD microscopes 8 and 9 is captured in a state where light is emitted from both end faces 34 and 35 of the
(9)第1、第2、第4、第5のCCDマイクロスコープ2、6、8、9から取り込まれた画像情報を画像解析装置16によって統合的に解析を行うことによって、DFBレーザチップ1の外形形状、電極形状と、光軸38および出射光の放射領域37とを同一の座標系にマッピングする。図10に、DFBレーザチップ1の電極形状と、光軸および出射光の放射領域との関係を示す見取り図を示す。
(9) The image information taken in from the first, second, fourth, and
尚、図10におけるDFBレーザチップ出射端面34、35からの出射光の広がり角(屈折角)は、予めDFBレーザの活性層(導波路層)の周りの半導体層組成で決まる等価屈折率を画像解析装置16に入力しておくことで求められている。
The spread angle (refractive angle) of the light emitted from the DFB laser chip emission end faces 34 and 35 in FIG. 10 is an equivalent refractive index determined in advance by the semiconductor layer composition around the active layer (waveguide layer) of the DFB laser. It is obtained by inputting to the
また、出射光が放射される方向(出射光の光軸)38、40は、画像解析装置16において、出射領域36の中心と出射領域39の中心を結ぶ直線41(DFBレーザチップ内における導波光の光軸)が出射端面34、35となす角度と等価屈折率とから求められる。
In addition, in the
(10)第6のCCDマイクロスコープ12を使って、素子搭載ステージ13上に吸引固定された光導波路15を積層した光半導体素子搭載基板14(PLCプラットフォーム)上に形成された電極の形状と位置、寸法、ならびに、光導波路の入射端面での位置を画像情報として取り込み、画像解析によってそれらの情報を座標化する。すなわち、DFBレーザチップ1の電極形状と、出射光の光軸38および出射光の放射領域37とがマッピングされた座標系に光半導体素子搭載基板14上に形成された電極の輪郭をマッピングする。図11に、画像解析装置16によって座標化された光半導体素子搭載基板14とDFBレーザチップ1の画像を模式的に示す。また、図12は、光半導体素子搭載基板14上にDFBレーザチップ1を実装した場合の、光導波路15の中央部における高さ方向の断面(y−z面)を模式的に示したものである。
(10) Using the
なお、本実施例における光半導体素子搭載基板14においては、光導波路と基板が一体になっているため、高さ(z軸)方向において光の進行方向(光軸)の位置調整を行うことが困難である。そこで、図12に示すように、高さ方向については、予め光半導体素子搭載基板14における光導波路15の光軸42の位置(導波路断面の中心)と、DFBレーザチップ1を光半導体素子搭載基板14の上に実装した時の活性層19の中央の位置45が一致するように光半導体素子搭載基板14とDFBレーザチップ1のそれぞれを設計することで、高さ方向の位置調整を省けるようにしている。
In the optical semiconductor
図13は、水平方向(x-y面)において、光半導体素子搭載基板14における光導波路15の光軸42とDFBレーザチップ1の第1の出射端面34から出射される光の光軸38が一致するようにするための光半導体素子搭載基板14とDFBレーザチップ1の位置関係を、画像解析装置16による解析により求め、座標化した画像の1例を模式的に表したものである。
In FIG. 13, in the horizontal direction (xy plane), the
この時、光半導体素子搭載基板上に形成された電極表面から光導波路の中心位置までの高さ46と、PLC光導波路のコアとクラッドにおける等価屈折率等の情報は、予め画像解析装置に入力しておく。また、DFBレーザチップ1の第1の出射端面34が光半導体素子搭載基板と接触して損傷するのを防ぐため、DFBレーザチップ1の第1の出射端面34の中央部から光半導体素子搭載基板14の端面までのy方向の間隔が10μmになるように設定している。
At this time, information such as the
尚、図13では、DFBレーザチップ内における導波光と第1の出射端面34とのなす角が90度(垂直)ではない場合を例にとっているため、第1の出射端面34から出射される光の光軸38はθ2だけ屈折した方向となる。従って、DFBレーザチップ1から出射された光を光半導体素子搭載基板14の光導波路に効率よく結合させるためには、図に示すように、DFBレーザチップ1の第1の出射端面34に対して光半導体素子搭載基板14を傾けて配置する必要がある。
In FIG. 13, the angle formed between the guided light in the DFB laser chip and the first
(11)図10に示した情報と第6のCCDマイクロスコープで観測した画像情報とを画像解析装置16により統合的に解析することにより、DFBレーザチップ1のp側電極と光半導体素子搭載基板14上に形成された電極との十分な電気的接続が確保される範囲内で、DFBレーザチップ1と光半導体素子搭載基板14上の光導波路との結合効率がもっとも大きくなる最適位置(図13)を導出し、その位置にボンディングツール5を下降させてDFBレーザチップ1を搭載する。
(11) The information shown in FIG. 10 and the image information observed with the sixth CCD microscope are analyzed in an integrated manner by the
また、実装後のDFBレーザチップ1と光半導体素子搭載基板14上の光導波路15との結合効率は、光導波路(コア)及びその周囲(クラッド)の屈折率、ならびに、光導波路の形状、寸法を予め画像解析装置16に入力しておくことで計算により見積もることができる。
In addition, the coupling efficiency between the mounted
(12)ボンディングツール5でDFBレーザチップ1を光半導体素子搭載基板14上に押し付けた状態で素子搭載ステージ13の温度を上昇させてDFBレーザチップ1又は光半導体素子搭載基板14の電極上のハンダ(AuSn)を融解させた後、素子搭載ステージ13の加熱を止め、空冷により素子搭載ステージ13を冷却させる。
(12) Solder on the
最後に、光半導体素子搭載基板上14上に形成されているn側電極とDFB−レーザチップ1のn側電極25とを金ワイヤーもしくは金リボン線によりワイヤボンディングを行って、電気的に接続する。
Finally, the n-side electrode formed on the optical semiconductor
以上で、本発明によるDFBレーザチップ1の光半導体素子搭載基板14上の実装工程は終了となる。
The mounting process of the
実装した光モジュールにおいて、DFBレーザチップ1と光半導体素子搭載基板14上の光導波路との結合効率を見積もったところ、約9dBの値が得られ、従来の合わせマークを用いたパッシブアライメントにより実装した場合の結合効率の平均的な値(約11dB)に比べ、高い結合効率が得られることが確認できた。
In the mounted optical module, when the coupling efficiency between the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る光半導体素子実装方法について、実装する光半導体素子として、変調器が集積されたDFBレーザ(変調器集積DFBレーザまたはEA−DFBレーザ)を例にとり、前述の第1の実施形態との相違点について説明する。
(Second Embodiment)
Next, regarding the optical semiconductor device mounting method according to the second embodiment of the present invention, as an optical semiconductor device to be mounted, a DFB laser (modulator integrated DFB laser or EA-DFB laser) integrated with a modulator is taken as an example. Differences from the first embodiment will be described.
図14に、EA−DFBレーザチップの概観図を示す。47は、DFBレーザ部であり、p側電極49の形状と活性層19の長さ(本実施例では、400μm)以外は、第1の実施形態で述べたDFBレーザチップと同じ構造である。また、48は、電界吸収型(EA)変調器部(長さ150μm)であり、47のDFBレーザ部で生成される波長1.3μm帯に対して吸収動作が可能な光吸収層52に電圧を印加することで、第1の出射端面34から出射される光のON/OFF切り換え動作を行う。
FIG. 14 shows an overview of the EA-DFB laser chip.
なお、DFBレーザ部47における光導波路(図2の18〜20)とEA変調器部48における光導波路52とは素子内部で突き当てて接合(バットジョイント)されており、両者の間での接続損失はほとんどない。
The optical waveguide (18 to 20 in FIG. 2) in the
さらに、DFBレーザ部47におけるp型InPクラッド層17(図2)とEA変調器部48におけるp型InPクラッド層53の間で電流が流れないように、分離溝51が形成されている。n型InPクラッド層21とn側電極25は、DFBレーザ部47とEA変調器部48において共通化されている。
Further, a
図15(a)に、素子端面観測ステージ上にEA−DFBレーザチップを搭載した時の模式図を示し、図15(b)に、ボンディングツールの先端部の模式図を示す。第1の実施形態とは、素子端面観測ステージ10上に形成される電極をDFBレーザ部搭載箇所とEA変調器部搭載箇所とで分離している点が異なる。第1、及び、第2の出射端面34、35における出射領域を観測する際には、ボンディングツール5の先端に形成された電極31からの配線32と、素子端面観測ステージ上の電極28からの配線29を電流源11に接続し、電極54からの配線55は電流源には接続しない。配線55については、通常、EA変調器部の電極に電圧を印加(バイアス)することで吸収層での光吸収が大きくなるようになっているため、本実施形態では無接続(オープン)としているが、電流源11とは別に電圧源を設置し、ボンディングツール5の先端に形成された電極31からの配線32と電極54からの配線55を電圧源に接続して電圧を印加するようにしてもよい。
FIG. 15A shows a schematic diagram when the EA-DFB laser chip is mounted on the element end face observation stage, and FIG. 15B shows a schematic diagram of the tip of the bonding tool. This embodiment is different from the first embodiment in that the electrode formed on the element end
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係る光半導体素子実装方法について、実装する光半導体素子として、半絶縁性の半導体基板上にp型半導体とn型半導体が活性層を挟み込む形に配置された横注入型半導体レーザを例にとり、前述の第1の実施形態との相違点について説明する。
(Third embodiment)
Next, regarding an optical semiconductor element mounting method according to the third embodiment of the present invention, as an optical semiconductor element to be mounted, a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are arranged on a semi-insulating semiconductor substrate with an active layer sandwiched therebetween. The difference from the above-described first embodiment will be described using the lateral injection type semiconductor laser as an example.
図16に、本実施例における横注入型半導体レーザチップの概観図を示す。半絶縁性InP基板59上に活性層19が形成され、活性層19の両側をp型InP層56とn型InP層57に挟み込むことにより、活性層に対して横方向に電流を注入するようにしている。p型InP層56とn型InP層57の上部にp側電極24とn側電極25を作製するため、2つの電極が同じ側に配置されることが大きな特徴となっている。また、活性層19の上部には、半絶縁性InP層58が形成され、p型InP層56とn型InP層57を電気的に分離している。
FIG. 16 shows an overview of the lateral injection type semiconductor laser chip in this example. An
図17(a)に、素子端面観測ステージ上に横注入型半導体レーザチップを搭載した時の模式図を示し、図17(b)に、ボンディングツールの先端部の模式図を示す。第1の実施形態とは、素子端面観測ステージ10上に、p側電極24とn側電極25の両方が形成されている点が異なる。従って、ボンディングツール5の先端に形成された電極31からの配線32は使用せず、素子端面観測ステージ上の電極60からの配線61と電極62からの配線63を電流源11に接続して、横注入型半導体レーザチップに電流を流す。
FIG. 17A shows a schematic diagram when a lateral injection type semiconductor laser chip is mounted on the element end face observation stage, and FIG. 17B shows a schematic diagram of the tip of the bonding tool. The difference from the first embodiment is that both the p-
第2および第3の実施形態として示したように、本発明は、主に素子端面観察ステージ上の電極形状と、電流源の接続方法を変えるだけで、様々な半導体素子を実装することが可能である。 As shown in the second and third embodiments, the present invention can mount various semiconductor elements mainly by changing the electrode shape on the element end face observation stage and the connection method of the current source. It is.
1 DFBレーザチップ
2、6〜9、12 CCDマイクロスコープ
3 素子供給ステージ
4 チップトレイ
5 ボンディングツール
10 素子端面観測ステージ
11 電流源
13 素子搭載ステージ
14 光半導体素子搭載基板
15 光導波路
16 画像解析装置
17 p型InPクラッド層
18、20 InGaAsPSCH層
19 InGaAsP活性層
21 n型InP基板
22 半絶縁性InP埋込層
23 絶縁膜(SiO2)
24 p側電極(Au)
25 n側電極(Au)
26 n側電極の中心位置
27 ボンディングツールの吸着位置の輪郭
28、29 素子端面観測ステージ上に形成された電極
30 電極28の中心位置
31 ボンディングツールの先端に形成された電極(Au)
32 ボンディングツールの先端に形成された電極からの配線(Au)
33 ボンディングツールの吸引口
34 第1の出射端面
35 第2の出射端面
36 第1の出射端面における出射領域
37 第1の出射端面から離れた位置での放射領域
38 出射光の光軸
39 第2の出射端面における出射領域
40 第2の出射端面から離れた位置での放射領域
41 DFBレーザチップ内における導波光の光軸
42 光半導体素子搭載基板に形成された光導波路の光軸
43 光半導体素子搭載基板上のp側電極(Au)
44 光半導体素子搭載基板上のn側電極(Au)
45 活性層の高さ方向の中央の位置
46 光半導体素子搭載基板上に形成された電極表面から光導波路中心位置までの高さ
47 EA−DFBレーザチップのDFBレーザ部
48 EA−DFBレーザチップのEA変調器部
49 DFBレーザ部のp側電極(Au)
50 EA変調器部のp側電極(Au)
51 電極ならびにp型InPクラッド層の分離溝
52 EA変調器の吸収層
53 EA変調器のp型InPクラッド層
54、55 素子端面観測ステージ上に形成された第2の電極(Au)
56 p型InP層
57 n型InP層
58 半絶縁性InP層
59 半絶縁性InP基板
60、61 光半導体素子搭載基板上のp側電極(Au)
62、63 光半導体素子搭載基板上のn側電極(Au)
DESCRIPTION OF
24 p-side electrode (Au)
25 n-side electrode (Au)
26 Center position of n-
32 Wiring from the electrode formed at the tip of the bonding tool (Au)
33 Suction port of
44 n-side electrode (Au) on optical semiconductor element mounting substrate
45 Active position in the center of the
50 p-side electrode (Au) of EA modulator
51 Electrode and separation groove of p-type InP clad
56 p-type InP layer 57 n-
62, 63 n-side electrode (Au) on optical semiconductor element mounting substrate
Claims (8)
前記光半導体素子が置かれる素子供給ステージと、
前記素子供給ステージ上に置かれた前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面を撮影する第1のカメラと、
前記第1の素子電極が形成された面を吸引固定して、前記光半導体素子を所定の座標系の任意の位置に移動させることができるボンディングツールであって、前記光半導体素子を吸引固定時に前記第1の素子電極と電気的に接続されるボンディングツール電極を有する、ボンディングツールと、
前記ボンディングツールに吸引固定された前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面と対向する、第2の素子電極が形成された面を撮影する第2のカメラと、
ステージ電極を有する素子端面観測ステージと、
前記ステージ電極が形成された面を撮影する第3のカメラと、
前記ボンディングツール電極と前記ステージ電極とに電気的に接続された電流源であって、前記ボンディングツールによって前記光半導体素子が前記素子端面観測ステージに押し付けられ、前記第2の素子電極が前記ステージ電極に電気的に接続されたとき、前記光半導体素子が発光する電流を供給する電流源と、
前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面を撮影する第4のカメラであって、前記光半導体素子から出射された光の波長帯に感度を有する第4のカメラと、
前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面とは対向する第2の出射端面を撮影する第5のカメラであって、前記光半導体素子から出射された光の波長帯に感度を有する第5のカメラと、
前記基板が置かれる、前記基板を加熱および冷却することが可能な素子搭載ステージと、
前記素子搭載ステージ上に置かれた前記基板上に形成された基板電極および前記基板と一体形成された光導波路もしくは前記基板に固定された光ファイバを撮影する第6のカメラと、
前記第1〜第6のカメラで撮影された前記光半導体素子および前記基板の画像を取得し、合成することにより、前記光半導体素子の外形形状、外形寸法、前記第1および第2の出射端面における出射光の出射位置、出射角、出射方向、出射ビームの強度分布と前記基板電極の位置、形状、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置を前記所定の座標系にマッピングし、
前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記素子端面観測ステージに置かれるとき、前記第2の素子電極が前記ステージ電極に電気的に接続され、前記第1の出射端面と前記第4のカメラの撮像面とが平行、かつ、前記第2の出射端面と前記第5のカメラの撮像面とが平行になる前記光半導体素子の第1の最適位置を算出し、
前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記第1の最適位置に移動されたとき、前記光半導体素子の第1および第2の出射端面における外形形状、外形寸法、出射光の出射位置、出射ビームの強度分布の観測結果に基づき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、前記第1および第2の出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布を算出し、
前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記素子搭載ステージに置かれた前記基板上に置かれるとき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布の算出結果と、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置座標と、前記光半導体素子を前記基板上に搭載するときの位置座標とにおける、前記光半導体素子と前記光導波路もしくは光ファイバとの光学的な結合効率を算出する、画像解析装置と、
を備えたことを特徴とする光半導体素子実装装置。 An optical semiconductor element mounting apparatus for electrically connecting an optical semiconductor element having a light emitting element portion to a wiring formed on a substrate and mounting the optical semiconductor element on the substrate so as to be optically coupled to an optical waveguide or an optical fiber. And
An element supply stage on which the optical semiconductor element is placed;
A first camera that photographs a surface on which the first element electrode of the optical semiconductor element placed on the element supply stage is formed;
A bonding tool capable of sucking and fixing the surface on which the first element electrode is formed and moving the optical semiconductor element to an arbitrary position in a predetermined coordinate system, when the optical semiconductor element is fixed by suction A bonding tool having a bonding tool electrode electrically connected to the first element electrode;
A second camera for photographing a surface on which the second element electrode is formed opposite to a surface on which the first element electrode of the optical semiconductor element fixed by suction to the bonding tool is formed;
An element end face observation stage having a stage electrode;
A third camera for photographing the surface on which the stage electrode is formed;
A current source electrically connected to the bonding tool electrode and the stage electrode, wherein the optical semiconductor element is pressed against the element end face observation stage by the bonding tool, and the second element electrode is the stage electrode A current source for supplying a current emitted by the optical semiconductor element when electrically connected to
4th camera which image | photographs the 1st output end surface of the said optical semiconductor element which light-emits on the said element end surface observation stage, Comprising: The 4th camera which has a sensitivity in the wavelength band of the light radiate | emitted from the said optical semiconductor element When,
A fifth camera for photographing a second emission end face of the optical semiconductor element that emits light on the element end face observation stage, the wavelength of light emitted from the optical semiconductor element. A fifth camera having sensitivity to the belt;
An element mounting stage on which the substrate is placed and capable of heating and cooling the substrate;
A sixth camera for photographing a substrate electrode formed on the substrate placed on the element mounting stage and an optical waveguide integrally formed with the substrate or an optical fiber fixed to the substrate;
By acquiring and synthesizing images of the optical semiconductor element and the substrate taken by the first to sixth cameras, the outer shape, the outer dimension, and the first and second emission end faces of the optical semiconductor element Mapping the emission position, emission angle, emission direction, intensity distribution of the emission beam and the position and shape of the substrate electrode, and the position of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber to the predetermined coordinate system,
When the optical semiconductor element is placed on the element end face observation stage by the bonding tool, the second element electrode is electrically connected to the stage electrode, and the first emission end face and the fourth camera are imaged. A first optimal position of the optical semiconductor element in which the plane is parallel and the second emission end face is parallel to the imaging surface of the fifth camera;
When the optical semiconductor element is moved to the first optimum position by the bonding tool, the outer shape, the outer dimension, the outgoing position of the outgoing light, the outgoing beam of the first and second outgoing end faces of the optical semiconductor element, Based on the observation result of the intensity distribution, the emission angle of the emission beam at the first and second emission end faces, the emission direction, and the intensity distribution of the emission beam at a position away from the first and second emission end faces by a predetermined distance. To calculate
When the optical semiconductor element is placed on the substrate placed on the element mounting stage by the bonding tool, the exit angle, exit direction, and predetermined distance from the exit end face of the exit beam at the first and second exit end faces The optical semiconductor in the calculation result of the intensity distribution of the outgoing beam at a position separated by a distance, the position coordinates of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber, and the position coordinates when the optical semiconductor element is mounted on the substrate An image analysis device for calculating an optical coupling efficiency between the element and the optical waveguide or optical fiber;
An optical semiconductor element mounting apparatus comprising:
前記画像解析装置は、前記第2の素子電極が前記基板電極と電気的に接続され、前記光導波路もしくは前記光ファイバの入射端面と前記第1および第2の出射端面の少なくとも一方とが所定の距離だけ離れた位置において、前記光導波路もしくは光ファイバと前記光半導体素子から出射される光との結合効率が最も高くなる、前記光半導体素子の第2の最適位置を算出し、
前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記第2の最適位置に移動されたとき、前記素子搭載ステージは、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記基板上に固定されると、所定の温度まで前記素子搭載ステージを加熱する、
ことを特徴とする請求項1に記載の光半導体素子実装装置。 When the bonding tool places the optical semiconductor element on the substrate placed on the element mounting stage,
In the image analysis device, the second element electrode is electrically connected to the substrate electrode, and an incident end face of the optical waveguide or the optical fiber and at least one of the first and second exit end faces are predetermined. Calculating a second optimum position of the optical semiconductor element at which the coupling efficiency between the optical waveguide or optical fiber and the light emitted from the optical semiconductor element is highest at a position separated by a distance;
When the optical semiconductor element is moved to the second optimum position by the bonding tool, the element mounting stage is fixed up to a predetermined temperature when the optical semiconductor element is fixed on the substrate by the bonding tool. Heating the element mounting stage,
The optical semiconductor element mounting apparatus according to claim 1.
素子供給ステージ上に前記光半導体素子を配置するステップと、
第1のカメラを用いて、前記素子供給ステージ上に置かれた前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面を撮影するステップと、
前記第1のカメラで撮影された前記光半導体素子の画像を取得し、前記光半導体素子の外形形状、外形寸法を前記所定の座標系にマッピングする第1のマッピングステップと、
ボンディングツールを用いて、前記第1の素子電極が形成された面を吸引固定して、前記光半導体素子を所定の座標系の第1の位置に移動させるステップと、
第2のカメラを用いて、前記第1の位置において前記ボンディングツールに吸引固定された前記光半導体素子の第1の素子電極が形成された面と対向する、第2の素子電極が形成された面を撮影するステップと、
前記第2のカメラで撮影された前記光半導体素子の画像を取得し、前記光半導体素子の外形形状、外形寸法を前記所定の座標系にマッピングする第2のマッピングステップと、
第3のカメラを用いて、素子端面観測ステージが有するステージ電極が形成された面を撮影するステップと、
前記第3のカメラで撮影された前記ステージ電極の画像を取得し、前記ステージ電極の外形形状、外形寸法を前記所定の座標系にマッピングする第3のマッピングステップと、
前記ボンディングツールが前記光半導体素子を前記素子端面観測ステージに置くとき、前記素子端面観測ステージが有するステージ電極に前記第2の素子電極が電気的に接続され、前記第1の出射端面と第4のカメラの撮像面とが平行、かつ、前記第2の出射端面と第5のカメラの撮像面とが平行になる前記光半導体素子の第1の最適位置を算出するステップと、
前記第1の最適位置において、前記ボンディングツールに吸引固定された前記光半導体素子の第2の素子電極を前記素子端面観測ステージのステージ電極に押し付けるステップと、
前記ボンディングツールが有する、前記光半導体素子を吸引固定時に前記第1の素子電極と電気的に接続されるボンディングツール電極と、前記ステージ電極との間に電流を供給し、前記光半導体素子を発光させるステップと、
前記第4のカメラを用いて、前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面を撮影するステップと、
前記第5のカメラを用いて、前記素子端面観測ステージ上で発光する前記光半導体素子の第1の出射端面と対向する、第2の出射端面を撮影するステップと、
前記第4および第5のカメラで撮影された前記光半導体素子の画像を取得し、前記第1および第2の出射端面における出射光の出射位置、出射角、出射方向、出射ビームの強度分布を前記所定の座標系にマッピングする第4のマッピングステップと、
前記第1の出射端面を撮影するステップおよび前記第2の出射端面を撮影するステップにおける、前記光半導体素子の第1および第2の出射端面における外形形状、外形寸法、出射光の出射位置、出射ビームの強度分布の観測結果に基づき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、前記第1および第2の出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布を算出するステップと、
前記基板を加熱および冷却することが可能な素子搭載ステージ上に前記基板を配置するステップと、
第6のカメラを用いて、前記素子搭載ステージ上に置かれた前記基板上に形成された基板電極および前記基板と一体形成された光導波路もしくは前記基板に固定された光ファイバを撮影するステップと、
前記第6のカメラで撮影された前記基板の画像を取得し、前記基板電極の位置、形状、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置を前記所定の座標系にマッピングする第5のマッピングステップと、
前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記素子搭載ステージに置かれた前記基板上に置かれるとき、前記第1および第2の出射端面における出射ビームの出射角、出射方向、出射端面から所定の距離だけ離れた位置における出射ビームの強度分布の算出結果と、前記光導波路もしくは光ファイバの入射端面の位置座標と、前記光半導体素子を前記基板上に搭載するときの位置座標とにおける、前記光半導体素子と前記光導波路もしくは光ファイバとの光学的な結合効率を算出するステップと、
を有することを特徴とする光半導体素子実装方法。 An optical semiconductor element mounting method in which an optical semiconductor element having a light emitting element portion is electrically connected to a wiring formed on a substrate and mounted on the substrate so as to be optically coupled to an optical waveguide or an optical fiber. And
Disposing the optical semiconductor element on an element supply stage;
Photographing a surface on which the first element electrode of the optical semiconductor element placed on the element supply stage is formed using a first camera;
A first mapping step of acquiring an image of the optical semiconductor element photographed by the first camera, and mapping an outer shape and an outer dimension of the optical semiconductor element to the predetermined coordinate system;
Using a bonding tool to suck and fix the surface on which the first element electrode is formed, and to move the optical semiconductor element to a first position in a predetermined coordinate system;
Using the second camera, a second element electrode is formed that faces the surface on which the first element electrode of the optical semiconductor element that is suction-fixed to the bonding tool at the first position is formed. A step of photographing the surface;
A second mapping step of acquiring an image of the optical semiconductor element taken by the second camera and mapping an outer shape and an outer dimension of the optical semiconductor element to the predetermined coordinate system;
Photographing the surface on which the stage electrode of the element end face observation stage is formed using a third camera;
A third mapping step of acquiring an image of the stage electrode photographed by the third camera, and mapping an outer shape and an outer dimension of the stage electrode to the predetermined coordinate system;
When the bonding tool places the optical semiconductor element on the element end face observation stage, the second element electrode is electrically connected to a stage electrode included in the element end face observation stage, and the first emission end face and the fourth Calculating a first optimum position of the optical semiconductor element in which the imaging surface of the camera is parallel and the second emission end surface and the imaging surface of the fifth camera are parallel;
Pressing the second element electrode of the optical semiconductor element sucked and fixed to the bonding tool at the first optimum position against the stage electrode of the element end face observation stage;
A current is supplied between a bonding tool electrode electrically connected to the first element electrode when the optical semiconductor element is held by suction and the stage electrode, and the optical semiconductor element emits light. Step to
Photographing the first exit end face of the optical semiconductor element that emits light on the element end face observation stage using the fourth camera;
Photographing a second emission end face facing the first emission end face of the optical semiconductor element that emits light on the element end face observation stage using the fifth camera;
Acquire images of the optical semiconductor elements taken by the fourth and fifth cameras, and determine the exit position, exit angle, exit direction, and exit beam intensity distribution of the exit light on the first and second exit end faces. A fourth mapping step for mapping to the predetermined coordinate system;
In the step of photographing the first emission end face and the step of photographing the second emission end face, the outer shape, the outer dimensions, the emission position of the emitted light, and the emission at the first and second emission end faces of the optical semiconductor element Based on the observation result of the intensity distribution of the beam, the exit angle of the exit beam at the first and second exit end faces, the exit direction, and the exit beam at a position away from the first and second exit end faces by a predetermined distance. Calculating an intensity distribution;
Placing the substrate on an element mounting stage capable of heating and cooling the substrate;
Photographing a substrate electrode formed on the substrate placed on the element mounting stage and an optical waveguide integrally formed with the substrate or an optical fiber fixed to the substrate using a sixth camera; ,
A fifth mapping step of acquiring an image of the substrate photographed by the sixth camera and mapping the position and shape of the substrate electrode and the position of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber to the predetermined coordinate system; When,
When the optical semiconductor element is placed on the substrate placed on the element mounting stage by the bonding tool, the exit angle, exit direction, and predetermined distance from the exit end face of the exit beam at the first and second exit end faces The optical semiconductor in the calculation result of the intensity distribution of the outgoing beam at a position separated by a distance, the position coordinates of the incident end face of the optical waveguide or optical fiber, and the position coordinates when the optical semiconductor element is mounted on the substrate Calculating the optical coupling efficiency between the element and the optical waveguide or optical fiber;
An optical semiconductor element mounting method comprising:
前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記第2の最適位置に固定するステップと、
前記素子搭載ステージは、前記光半導体素子が前記ボンディングツールによって前記基板上に固定されると、所定の温度まで前記素子搭載ステージを加熱するステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項5に記載の光半導体素子実装方法。 When the bonding tool places the optical semiconductor element on the substrate placed on the element mounting stage, the second element electrode is electrically connected to the substrate electrode, and the optical waveguide or the optical fiber is incident. The coupling efficiency between the optical waveguide or the optical fiber and the light emitted from the optical semiconductor element is highest at a position where the end face and at least one of the first and second emission end faces are separated by a predetermined distance. Calculating a second optimum position of the optical semiconductor element;
Fixing the optical semiconductor element to the second optimum position by the bonding tool;
The element mounting stage, when the optical semiconductor element is fixed on the substrate by the bonding tool, heating the element mounting stage to a predetermined temperature;
The optical semiconductor element mounting method according to claim 5, further comprising:
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