JP6850212B2 - 受光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信用の受光素子およびその製造方法に関する。

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

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

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

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

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

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

従って、この半導体レンズおよび台座部は、次に示す通り、公知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて作製されることが多い。このフォトリソグラフィ技術およびこのドライエッチング技術は、公知の技術を用いればよい。

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

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

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

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

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

"100Gbit/s Compact Receiver Module with the Built-in Optical De-multiplexer" , F. Nakajima, et. al., 2013 IEEE Photonics Conference, (2013) 305-306.

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

よって、長時間のエッチングが必要な台座を有する半導体レンズの作製は困難であるという課題があった。

半導体レンズの台座部を作製するためのドライエッチングによって、レンズ部の形状が変化してしまうという課題を解決するために、台座部の作製時にレンズ部の形状が変化しない台座を有する半導体レンズ付ＰＤを作製することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

本発明においては、半導体レンズ形成面にＡｕ等からなるめっきで台座構造をあらかじめ形成しておいた半導体基板に対して、レンズ部を形成することで、容易に台座を有する半導体レンズを有するＰＤを実現している。

また、本発明の受光素子の作製方法の一態様は、
半導体基板の台座部をめっきにより形成するステップと、
前記台座部の内側をエッチングしてレンズ部を形成するステップと、
前記台座部を有する半導体基板の裏面と、フォトダイオード部が設けられた基板の裏面とを接合させるステップと、
を含むことを特徴とする。

台座部の高さはめっきの厚みで制御でき、また半導体基板を台座に加工する必要がないため、レンズ部の形状が設計値からずれてしまうという問題を解決できる。

台座部をめっきで形成できるため、半導体レンズの形状の設計およびプロセスが簡便になり、かつ、制御性がよいという利点を有する。

（ａ）光受信器の構成例の全体図を示す図である。（ｂ）光受信器の構成例の拡大図を示す図である。 （ａ）ＰＤ用の基板に設けられたＰＤ部を示す図である。（ｂ）レジストパターンの形成を示す図である。（ｃ）ベーク後のレジストパターンを示す図である。（ｄ）ドライエッチング（レンズ形状転写）を示す図である。（ｅ）ドライエッチング（台座部形成）を示す図である。 （ａ）Ｓｉ基板を示す図である。（ｂ）レジストパターンの形成を示す図である。（ｃ）レジストパターンのベークを示す図である。（ｄ）ドライエッチング（レンズ形状転写）を示す図である。（ｅ）ドライエッチング（台座部形成）を示す図である。（ｆ）Ｓｉ基板とＰＤ用の基板とのウェハ接合を示す図である。 （ａ）図２（ｄ）の拡大図を示す図である。（ｂ）従来技術の課題を示す図である。 （ａ）Ｓｉ基板を示す図である。（ｂ）パスメタルの形成を示す図である。（ｃ）レジストパターンを示す図である。（ｄ）めっきを示す図である。（ｅ）レジスト剥離とドライエッチングを示す図である。（ｆ）レジストパターンの形成を示す図である。（ｇ）レジスト剥離とドライエッチングとを示す図である。（ｈ）ドライエッチングによる半導体基板へのレンズ形状転写を示す図である。 （ａ）ウェハ接合（ＰＤ部を有する基板と、接着剤と、台座部とを有するＳｉ基板）を示す図である。（ｂ）台座部を有するＳｉ基板を有する光受信器を示す図である。

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

以下に、本発明の実施の形態の一例が示される。

［実施の形態１］
図５〜図６は、Ｓｉ基板にレンズ部を形成した後に、ＩｎＰ基板上に作製されたＰＤと貼り合わせることでレンズ付きＰＤを作製する実施の形態を示す。

図５（ａ）〜（ｈ）により、Ｓｉ基板上にＳｉレンズ部を形成する方法が述べられる。

まず、図５（ａ）のように、Ｓｉ基板５０１ａが用意され、次いで、図５（ｂ）のように、Ｓｉ基板上にスパッタ等によりパスメタルが蒸着され、パスメタル層５０２ａが形成される。メタルの種類はＡｕでよい。（図５（ａ）Ｓｉ基板を示す図、図５（ｂ）パスメタルの形成を示す図）

次に、公知のスピンコート法およびフォトリソグラフィ技術を用いて、Ｓｉ基板上のパスメタル上にレジストが塗布され、図５（ｃ）のようにレンズを形成したい部分にレジストパターン５０３ａが形成される。（図５（ｃ）レジストパターンを示す図）

続いて、図５（ｄ）に示すように、公知の金属めっき法によりＡｕ等のメタル層５０４はレジストで保護した部分以外に形成される。ここでめっきの厚さ（H_metal）とパスメタルの厚さの合計が台座部の高さＨに対応する。

続いて、図５（ｅ）に示すように、レジストパターン５０３aが剥離された後に、基板全体にドライエッチングを施し、パスメタル層５０２ａの一部が除去される。パスメタル層５０２ａの一部が除去され、パスメタル層５０２ｂが残る。（図５（ｅ）レジスト剥離とドライエッチング）

続いて、図５（ｆ）に示すように、Ｓｉが露出した部分に、公知のスピンコート法およびフォトリソグラフィー技術を用いて円柱状のレジストパターン５０５ａが形成される。ここで、典型的なレジスト厚は１０ μｍ前後である。円柱の直径は、Ｓｉレンズ部の開口直径と同じにしておく。（図５（ｆ）レジストパターンの形成）

続いて、図５（ｇ）のように、上記のＳｉ基板に形成したレジストパタ−ンを焼き鈍らせることで、レジストをレンズ形状のレジストパターン５０５ｂが成形される。（図５（ｇ）ベーク後のレジストパターン形成）

その後、公知のドライエッチング技術を用いて、ドライエッチングの選択比がＳｉ：レジスト＝１：１となるような条件で、レンズ形状のレジストを完全に削りきるまでＳｉ基板をエッチングすることで、図５（ｈ）のようなＳｉレンズ部を有するＳｉ基板が形成される。ここでレンズ部の高さはＨ_lensである。(図５（ｈ）ドライエッチングによる半導体基板へのレンズ形状転写を示す図)

続いて、図６（ａ）は、上記の台座部付きＳｉレンズ部を形成したＳｉ基板５０１ｂとＰＤ６０２を有する基板６０１とをウェハ接合する方法を示している。（図６（ａ）ウェハ接合（ＰＤ部を有する基板と、接着剤と、台座部を有するＳｉ基板）を示す図）

まず、上記の各基板は所望の厚さまで、研磨によって薄層化される。Ｓｉ基板５０１ｂの裏面及びＰＤ６０２用の基板６０１の裏面のうち少なくとも一面を研磨によってＳｉ基板５０１ｂ及び基板６０１のうち少なくとも一方を薄層化すればよい。

次に、熱硬化性接着剤であるベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）やポリイミドをスピンコート法を用いて、Ｓｉ基板上に塗布した接着層５０６を用いて、ＰＤ６０２を有する基板６０１とウェハ接合を行う。なお、図５を参照して説明したＳｉレンズ部を形成する方法において、Ｓｉ基板５０１ａに替えて、裏面にＰＤ部が形成された基板を用意し、図５（ｂ）〜（ｈ）と同様の工程により、ＰＤ部の裏面に直接パスメタル層５０２ａを蒸着して、台座部およびレンズ部を形成してもよい。

最後に、ダイシングをすることで、図６（ｂ）のような、台座部を有するＳｉレンズ部を有するＰＤを作製することができる。さらに、台座部の上面と光導波路６０３とが接し、ミラー６０４を含む光受信器を作製することができる。（図６（ｂ）台座部を有するＳｉ基板を有する光受信器を示す図）

本実施の形態の製造方法では、Ｓｉレンズの形成後に、台座部を形成するためのエッチングをＳｉレンズおよびＳｉ基板に対して行うことがないため、Ｓｉレンズ部の形状が変化する問題がない。

また、レンズの作動距離は、めっき厚で調節することができる。

なお、Ｓｉのレンズ表面に反射防止膜が形成されていてもよい。

本実施の形態では、ＰＤ用の基板に、ＩｎＰ基板が用いられたが、透明基板が用いられればよく、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板が用いられてもよい。本明細書において、透明基板とは、紫外光又は赤外光（通信波長１．３−１．５５μｍ帯）の光線透過率が５０％以上、１００％未満の基板を指す。

本実施の形態では、半導体基板にＳｉ基板が用いられたが、半導体基板にＩｎＰ、Ｇｅ又はＳｉとＧｅとの混合物を用いてもよい。

入射光はレンズを介してＰＤに到達するが、ＰＤの設計によっては吸収しきれずに反射してもどる場合が起こりうる。反射して戻る光は迷光と呼ばれ好ましくない。本実施の形態で台座として利用するめっきは基本的に光を透過しないため、光が戻らないようにミラーとして利用することも出来る。

めっき形成用のパスメタル層はＡｕの例を示したが、他の金属が用いられても良い。このとき、入射光の波長に対して吸収する性質のある金属、例えばＴｉ等を用いると前記の迷光のパワーを減衰させることが可能になる。

本実施の形態で示したように、台座部はめっきで形成できるため、半導体レンズの形状の設計およびプロセスが簡便になる。

本発明は、光通信用の受光素子およびその製造方法に適用することができる。

１０１ ＰＤ用の基板
１０２ ＰＤ部
１０３ 半導体レンズ
１０４ ミラー
１０５ 光導波路
１０６ 入射光線
２０１ａ ＰＤ用の基板
２０１ｂ エッチングされたＰＤ用の基板
２０１ｃ 台座部が形成されたＰＤ用の基板
２０２ａ レジストパターン
２０２ｂ ベーク後のレジストパターン
２０２ｃ エッチングされたレジストパターンの一部
２０３ 台座部の高さ
２０４ ＰＤ部
２０５ 台座部の形成開始時点のレンズ部形状
３０１ａ Ｓｉ基板
３０１ｂ エッチングされたＳｉ基板
３０１ｃ 台座部が形成されたＳｉ基板
３０２ａ レジストパターン
３０２ｂ ベーク後のレジストパターン
３０２ｃ エッチングされたレジストパターンの一部
３０３ 台座部の高さ
３０４ ＰＤ部
３０５ ＰＤ用の基板
３０６ 接着剤
５０１ａ Ｓｉ基板
５０２ａ, ５０２ｂ パスメタル層
５０３ａ レジストパターン
５０４ メタル層
５０５ａ, ５０５ｂ レジストパターン
５０６ 接着層
６０１ 基板
６０２ ＰＤ
６０３ 光導波路
６０４ ミラー

Claims (1)

1. 半導体基板の台座部をめっきにより形成するステップと、
   前記台座部の内側をエッチングしてレンズ部を形成するステップと、
   前記台座部を有する半導体基板の裏面と、フォトダイオード部が設けられた基板の裏面とを接合させるステップと、
   を含むことを特徴とする受光素子の作製方法。

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