JPH0716028B2

JPH0716028B2 - 光学装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0716028B2
Application number: JP1666788A
Authority: JP
Inventors: 良光山添
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-01-27
Filing date: 1988-01-27
Publication date: 1995-02-22
Anticipated expiration: 2010-02-22
Also published as: JPH01191811A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は光学装置の製造方法に関し、特に詳細には、レ
ンズ付き半導体光学装置に及びこの製造方法に関する。

〔従来技術〕

近年、半導体発光素子、例えばレーザダイオードの放射
光を利用する光通信システムが発達してきた。このよう
なシステムでは、半導体発光素子チップからの放射光を
光ファイバ等の光学部品に効率よく光結合する必要があ
る。しかし、半導体発光素子チップから放射される光
は、通常約30度から約60度の広がり角を以って放射され
る。そのため、この状態で、光ファイバ等の光学部品に
光結合すると、放射光が分散し光結合効率が低くなる。
そこで、このような半導体発光素子を光ファイバ等の光
学部品に光結合する場合には、半導体発光素子チップの
発光部の直前にレンズ等の受動光学要素を置き、放射さ
れた光を平行光束にしたり、他の光学部品等の光入射部
に放射光が集束するように構成していた。このような場
合、レンズ等の光学部品を配置する際、この光学部品の
光軸と放射光の光軸とを一致させ、さらに、光学部品を
半導体素子の発光部に対して適切な位置に設置する必要
がある。具体的には、半導体レーザの放射光を直径約0.
3mm程度の平行光束にするには、半導体レーザの発光部
から約100μｍから150μｍ程度の離れた位置にレンズを
配置するのが好ましい。

このようなレンズ付き半導体発光装置を第７図に示す。

この第７図では、半導体発光素子チップ１はパッケージ
本体２に形成された位置合わせ溝４に沿って位置決めさ
れ、ハンダ付け等によりパッケージ２に固定されてい
る。更に、この半導体発光素子チップ１はパッケージ本
体２に設けられた電極部３とボンディングワイヤ16を介
して電気的に接続されている。レンズ５はパッケージ本
体２に形成されたレンズ収容凹部６に嵌め込まれ、紫外
線硬化樹脂等の接着剤等７で固定されていた。そして、
この位置合わせ溝４及び凹部６は機械加工により形成し
ていた。

〔発明の解決しようとする課題〕

一般にレンズ等を用いて半導体発光素子チップの放射光
を効率良く利用するためには、この光軸間のずれを約10
μｍ以下に押さえる必要がある。また、半導体発光素子
チップの発光部とレンズとの位置関係もできるだけ精度
良くしておくことが好ましい。しかし、先に説明した従
来のレンズ付き半導体発光装置では、半導体発光素子チ
ップの位置決めに使用する位置合わせ溝４及びレンズの
位置を決めるレンズ収容凹部６が機械加工で形成されて
いるため、これらの相対位置関係の精度を±50μｍ以下
にすることが難しく、半導体発光素子チップの発光部の
光軸とレンズの光軸とが±50μｍ程度ずれる可能性が大
きい。このため、従来では、第７図に示すようなレンズ
付き半導体発光装置を多量に生産し、その中から、良好
な位置精度を有している製品のみを選別し、使用してい
た。この様に多量の製品から良品のみを選別する方法で
は、製品の歩留まりが高くすることが出来ず、極めて不
経済である。そのため、このようにして製造された装置
は製品単価が高くなっていた。

また、この様な不経済を避けるため、半導体発光素子チ
ップ又はレンズのいずれか一方を先にパッケージに取り
付け、他方を位置調整しつつ固定する方法も考えられ
る。しかしこの方法では、例え顕微鏡を介して観察した
としても、レンズの軸心（中心）を視認することが非常
に難しい。又、レンズを介して半導体発光素子チップの
発光部を見定めてレンズと半導体発光素子チップの光軸
を合わせることは、半導体発光素子チップの発光部の位
置をレンズを介して視認するため、さらに困難である。
そのため、実用には向かない。

また更に、半導体発光素子チップを先にパッケージに固
定し、半導体発光素子チップを発光させ、その放射光を
レンズを介して光検知器にて検知しつつ、その放射光の
光強度が最大となるように調整し固定する方法も考えら
れる。しかし、この方法では、検知装置が複雑かつ高価
となり量産には向かないのである。

尚、本明細書中では、光学能動素子は光を発生あるいは
増幅する素子ばかりでなく、光路切替等を行なう機能を
有する機能素子を含むものである。

本発明は上記問題点を解決し、光学能動素子の光を効率
良く利用できる光学装置を安価でかつ高い歩留まりで製
造できる製造方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を達成するため、本発明の光学装置の製造方法
は、光を発光または受光する光学能動素子を基体の上面
に固定する工程と、光透過性の薄板の一方の面に、光学
能動素子からの光または光学能動素子への光に作用する
光学受動素子を収容する光学受動素子収容凹部を、他方
の面の光学受動素子収容凹部に対応する部分に位置合わ
せ用マークをフォトリソグラフィ法によりそれぞれ形成
する工程と、この工程により形成された薄板を基体の上
面に垂直な面に当接させ、光学受動素子収容凹部の側か
ら薄板を通して視認される光学能動素子の光軸と位置合
わせ用マークとを位置合わせすることにより、光学受動
素子収容凹部の中心部と光学能動素子の光軸との位置合
わせを行う工程と、位置合わせ工程完了後、薄板を垂直
な面に固定し、更に、光学受動素子収容凹部に光学受動
素子を固定する工程とを含むものである。

〔作用〕

本発明の光学装置では、光学受動素子を固定する薄板
を、光学能動素子を載せている基体と別体にし、光学能
動素子と光学受動素子の相対位置調整を可能にし、それ
らの光軸を正確に一致できるようにしている。

また、上記相対位置調整では、薄板上にフォトリソグラ
フィ法で光学受動素子収容凹部を形成し、さらにフォ
トリソグラフィ法を使用して、この光学受動素子収容凹
部に対して正確に位置決めれた位置合わせマークを形成
し、これらを利用して位置調整を行い正確でかつ簡単な
位置決めを可能にしている。

本発明の光学装置では、上述のように、レンズ等の光学
受動素子と光を発光又は受光する光学能動素子との光軸
合わせに使用するマーク等が光学受動素子を固定する薄
板内にフォトリソグラフィ法により形成されているの
で、これを用いて正確な光軸合わせが可能になる。

また、上記光学装置を製造する際にも、光学受動素子を
介することなく位置合わせマーク及び能動光学素子の光
軸を視認できるため、光軸合わせが容易となり、光学装
置を歩留まり高く安価に製造することができる。

〔実施例〕

以下図面を参照しつつ本発明に従う実施例について説明
する。

同一符号を付した要素は同一機能を有するため、重複す
る説明は省略する。

第１図は本発明に従う第１の実施例のレンズ付き半導体
発光装置の構成を示す。ここに示す実施例は、半導体発
光素子を高速度で動作させるためのチップキャリア型パ
ッケージに関するものである。この図において、パッケ
ージ本体２に位置決め用溝４が形成されている。半導体
発光素子チップ１が位置決め用溝４に沿って位置決めさ
れ、ハンダ付けによりパッケージ本体２に固定されてい
る。パッケージ本体２には、更に電極部３が設けられ、
この電極部３は半導体発光素子チップ１にボンデングワ
イヤ16により電気的に接続されている。

パッケージ本体２の側面2aには光透過性の薄板８が固定
されている。この光透過性の薄板８の材料としては、石
英ガラス、通常のガラス、光学ガラス等のガラス材料、
又は可視光及び赤外光を透過するプラスチック等が考え
られる。更に、単結晶又は多結晶又はアモルファス状の
材料でもよい。

薄板８の構造を第２（ｂ）図及び第２図（ｃ）図に示
す。これらの図はそれぞれ薄板８の表面及び裏面を示し
ている。この薄板８の一方の面には、レンズが嵌め込ま
れる円形状のレンズ収容凹部６が形成されており、また
他方の面のこの凹部に対応する部分には、光軸位置合わ
せ用マーク９が形成されている。この光軸位置合せ用マ
ーク９を利用し、レンズの軸心と半導体発光素子チップ
２の発光部の光軸とが一致するように位置調整を行う。

そして、この位置調整後、レンズをこのレンズ収容凹部
６に嵌め込み、固定する。そして、このレンズが嵌め込
まれるレンズ収容凹部６及び位置合せ用マーク９はフォ
トリソグラフィ法を利用して形成されている。

次に、上記半導体発光装置の製造方法について説明す
る。

上記半導体発光素子チップ１は、InP基板にInGaAsP混晶
系のエピタキシャル層を形成することにより、形成し、
例えば1.5μｍの波長のレーザ光を発光する半導体レー
ザを形成する。

このような半導体レーザを形成する方法は当業者にとっ
てよく知られているので、ここでは省略する。

次に、上記実施例で使用する光透過性の薄板８の製造方
法を第２図及び第３図を用いて説明する。

まず、厚さ250μｍで、その両面が鏡面研磨されているG
aP結晶基板10を用意する。

GaP結晶基板10上にSiO₂膜8aを1000Å程度の厚さで形成
する。この状態を第３（ａ）図に示す。次に、この結晶
基板10上のSiO₂膜上にフォトレジスト8bを塗布し、フォ
トリソグラフィ法によりSiO₂膜8aに直径400μｍの円形
状の穴部を形成する。この形成過程及び形成された状態
を第３（ｂ）図及び第３（ｃ）図に示す。ここで、第２
（ａ）図に示すように１枚の結晶基板上に一度に多量の
薄板を形成する。この方法はフォトリソグラフィ法の利
点を生かせて好ましい。次に、SiO₂膜10a上のレジスト
を除去し、化学エッチング法によりGaP結晶基板10をエ
ッチングし、深さ約100μｍのレンズ収容凹部６を形成
する。次に凹部６を形成した面とは反対の面に、先に形
成したマスク位置合わせ用マーク11を利用して、半導体
発光素子チップ１の発光部とレンズの軸心との位置合わ
せに使用する光軸位置合せ用マーク９をフォトリソグラ
フィ法を使用して形成する。このレンズ収容凹部６の形
成と同時に、マスク位置合せ用マーク11をSiO₂膜上に形
成する。この位置合わせマーク11の形状は矩形状で、そ
の内部にクロス部分を有するようにしているが、この形
状に限定されるものではなく、以下に述べる光軸位置合
わせ用マーク形状の際使用するフォトマスクの位置合わ
せに使用できるものであれば、どの様な形状のマークで
もよい。光軸位置合せ用マーク９の形状は長さ10μｍ、
幅５μｍ程度の長方形のパターンを第５図に示すように
十字型に形成した。この形成は先に説明したSiO₂マーク
に穴部を形成したと同様な方法で行う。

次に、レンズ収容凹部６と光軸位置合わせ用マーク９を
GaP結晶基板10に形成した後、結晶基板10の両面に無反
射コーティングを施す。これは半導体発光素子チップへ
の反射光を防止するためである。この無反射コーティン
グは、例えば電子サイクロトロン共鳴型の化学気相堆積
装置（以下、ECR型CVD装置という。）等を用いて付着さ
せる。その一例として、窒化シリコン膜を付着させるこ
とによって、反射率0.5％以下の無反射コーティングが
形成できた。また、このECR型CVD装置は、指向性をもっ
て膜を形成できるので、レンズ収容凹部６の底面に膜を
形成するのに特に適している。しかし、この様な無反射
コーティングを形成する装置としては、ECR型CVD装置に
限定されず、屈折率1.5〜２程度の透明誘電体膜をその
堆積厚さを制御しつつ堆積できる装置、例えば、プラズ
マCVD装置、電子ビーム蒸着装置、スパッタリング装置
当を使用しても無反射コーティングを行うことができ
る。

次に、GaP結晶基板10の光軸位置合わせマーク形成側の
面に金属膜25を真空蒸着により形成する。更に、この金
属膜25上にすずをメッキし、メタライズ部分を形成す
る。このようにしてメタライズ部分を形成した状態を第
２（ｂ）図及び第２図（ｃ）図に示す。この第２（ｂ）
図及び第２（ｃ）図では薄板に分離した状態を示してい
る。このメタライズ部分は、形成された薄板８をパッケ
ージ本体２の側面に固定する際、使用される。更に、こ
のように形成したGaP結晶基板10をダイシングし、約1.5
mm×3mm程度の小片に分割し、薄板８を完成させる。

上記のように形成した半導体発光素子チップ１及び薄板
８をパッケージ本体２に固定し、半導体発光装置を製造
する。以下、これらの組み立て方法について説明する。

まず最初に半導体発光素子チップ１をパッケージ本体２
にダイボンディングし、次にこの半導体発光素子チップ
１とパッケージ本体２に設けた電極部３とボンディング
ワイヤにより、電気的に接続する。このようにして半導
体発光素子を形成する。次に、この半導体素子に薄板を
固定する方法を第４図及び第５図を用いて説明する。

まず第４図に示すように、マイクロマニプレータ上のス
テージ12上に先に説明したように形成した半導体素子チ
ップ１が固定されたパッケージ本体２をクランプ13によ
り固定する。つぎに、薄板８を真空チャック14にて吸着
し、レンズ収容凹部６が半導体発光素子チップ１の発光
部の真上にくるようにマイクロマニプレータを動かす。
真上にきたら、真空チャック14を下降させ、薄板８をパ
ッケージ本体２の側面に軽く接触させる。次に、光学顕
微鏡を用いて半導体発光素子チップ１の発光部及び光軸
合わせ用マーク９を視認しつつ、光軸合わせを行う。

光学顕微鏡はマイクロマニプレータのステージ12の上方
に設置されている。そして半導体発光素子チップ１の直
上部付近に、この光学顕微鏡の対物レンズ15が位置する
ように設置する。この対物レンズ15の作動距離は十分長
いものである必要がある。また、ここで使用する真空チ
ャック14は上下動のみするものでもよいが、マニプレー
タにより前後左右に微動調整できるものが好ましい。こ
の様な状態で、光学顕微鏡を覗きつつ、半導体発光素子
チップ１の発光部の光軸が薄板８に形成したレンズ収容
凹部６の中心に位置するようにマイクロマニプレータを
作動し、位置調整をする。

この位置調整方法は以下の通りである。

第５図に光学顕微鏡の視野の状態を示す。この図に示す
ように、半導体発光素子チップ１の発光部ではエピタキ
シャル成長時の段差1aが残っているので、容易に発光部
の光軸を視認することができる。また、光軸位置合わせ
用マーク９は、レンズ収容凹部６の中心に関して点対称
に配置されているため、この光軸位置合わせ用マーク９
のパターンの中心がこのレンズ収容凹部６の中心にな
る。ここで、半導体発光素子チップ１のエピタキシャル
成長の段差1aが、第５図に示すように、光軸位置合わせ
マーク９のパターンの中心にくるようにマイクロマニプ
レータを動かし位置調整する。

この調整においては、先に説明したように光軸合わせマ
ーク９のパターンの中心がレンズ収容凹部６の中心、す
なわち、レンズがこの凹部６に嵌め込まれたときのレン
ズ５の中心となるため、レンズ５の中心を容易に視認す
ることができる。また、半導体発光素子チップ１の発光
部の視認が単なる平板状の透明体を介して行うことがで
きるので、そのエピタキシャル成長の段差1aを容易に視
認することができる。このため、これらのマークを使用
して容易に光軸位置合わせ行うことが可能になる。

光軸位置合わせ完了後、パッケージ本体２の側面に付着
したハンダ2bを介して、パッケージ本体２に押し付け
る。次に、マイクロマニプレータのステージ12内に設け
たヒータに電流を流し、パッケージ本体２を加熱し、パ
ッケージ本体２の側面に付着させたハンダ2bを溶かし、
薄板８の光軸位置合わせ用マーク９が形成されている面
のメタライズ部分に融着させ、薄板８とパッケージ本体
２を固定する。ハンダ2bのかわりに、メッキしたすずを
直接溶かしてもよい。

次に、真空チャック14を薄板８からはずし、真空チャッ
ク14でレンズ５を吸着し、レンズ収容凹部６の近傍にレ
ンズ５を置く。レンズ５は自動的にレンズ収容凹部６に
落ち込み、落ち込んだ状態でレンズの軸心と半導体発光
素子チップ１の発光部の光軸とが一致する。このレンズ
が落ち込んだ状態を第３（ｄ）図に示す。この図におい
てレンズ５は点線で示しあり、レンズ５はレンズ収容凹
部６のエッヂ部分で支持させることになる。この後、こ
のレンズ５を紫外線硬化型の樹脂で以って薄板８に固定
する。このようにして、本発明に従う実施例である光学
装置が製造できる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の
変形例が考えられ得る。

具体的には、上記実施例では光を発生する半導体レーザ
を例にとって説明したが、この代わりに、光信号を別の
ファイバに切替るようなスイッチ素子に本発明を適用し
てもよい。

また更に、上記実施例では、レンズ収容凹部は化学エッ
チング法により形成しているが、ドライエッチング法、
例えば、プラズマエッチング法によっても形成できる。

上記実施例では、薄板８とパッケージ本体２の固定をハ
ンダ2bを用いて行っているが、これらの固定を紫外線硬
化型の樹脂や、接着剤を使用してもよい。

また、レンズ５をレンズ収容凹部に固定する際、紫外線
硬化型の樹脂の代わりに熱硬化型の樹脂を用いてもよ
い。

また更に、上記実施例ではInGaAsPを用いた半導体レー
ザを例にとって説明したが、このタイプのものに限定さ
れるものでなく、AlGaAs,InGaAlP等の各種の混晶系の材
料を用いた半導体発光素子であればどれでも使用でき
る。また、半導体レーザによらず端面発光型の発光ダイ
オードに使用してもよい。

また更に、上記実施例では、薄板にGaP結晶基板を使用
しているが、サファイヤ等の光透過率の良い材料、ガラ
ス等の可視光や赤外光を透過できる材料であってフォト
リソグラフィ法で加工が可能のものであれば良い。この
薄板の形成の際、この両面を研磨した結晶基板をガラス
板に張り付けて、フォトリソグラフィ法により円形状の
レンズ収容凹部６、マスク位置合せ用マーク11及び光軸
位置合せ用マーク９をしてもよい。ガラス板に張り付け
た状態を第２（ｄ）図に示す。このようにガラス板に張
り付け処理することにより、光軸位置合わせ用マーク９
及び円形状のレンズ収容凹部６形成の際、位置決めに使
用する位置合わせ用マークをこのガラス板の周辺部上に
形成し、この位置合わせ用マークを利用して、光軸位置
合わせ用マーク９及び円形状のレンズ収容凹部６をフォ
トリソグラフィで形成できる。このように形成すること
により、容易に位置決め用マークを有する薄板を一度に
多量に製造することができる。

また更に、薄板にレンズ収容凹部を形成する際、SiO₂膜
を形成して行っているが、Si₃N₄膜を形成して、レンズ
収容凹部を形成しても良い。

更に、上記実施例では光軸位置合せ用マーク９の形状は
長さ10μｍ、幅５μｍ程度の長方形のパターンを第５図
に示すように十字型としているが、このパターンはこの
形状、大きさに限定にされるものでなく、種々の形状、
異なる大きさでもよい。例えば、パターン形状を三角形
状、環状等のものでもよい。

上記実施例では、この光軸位置合せ用マーク９は、エッ
チングによりGaP結晶基板上に彫り込むように形成して
いるが、金属の蒸着により形成してもよい。

また更に、上記実施例ではいわゆるチップキャリア型の
高周波用のパッケージを用いた半導体発光装置について
説明したが、低周波用のいわゆるメタルキャン型と呼ば
れるパッケージにも適用出来る。この適用例を第６図に
示す。この第６図において、半導体発光素子１はパッケ
ージ本体２上に固定され、このパッケージ本体２の側面
には薄板８が固定されている。この薄板８は上記実施例
のものと同じ方法で形成できる。そしてこの薄板８には
レンズ５が固定されている。このレンズ５と半導体発光
素子１との光軸位置合わせは上記実施例の場合と同様に
行うことができる。更に、このパッケージ本体２には発
光素子の出力強度調整用半導体受光素子18が固定され
る。更に、このパッケージ本体２の全面には保護キャッ
プ17をかぶせ、半導体発光素子１及び半導体受光素子18
を保護している。これらの半導体発光素子１及び半導体
受光素子18には、外部端子19、20及び21がそれぞれに接
続されており、他の電気部品と接続できるようになって
いる。

〔発明の効果〕

本発明の光学装置の製造方法では、目視により、かつ簡
単に光学素子同志の光軸位置合わせができるため、製品
歩留りが高くなる。したがって、従来のように、多量に
製造した光学装置の中から、完成品を選別し、不良品を
廃棄するといった不経済性をなくすことができ、また更
に、目視により位置合わせができるため、位置合わせ用
に高価な測定装置を使用しなくてすむ。又位置合わせの
際に、光学能動素子に電気を流したりする設備が不要に
なる。

以上のように、本発明に従う光学装置は安価でかつ光結
合効率の高いものであるので、本発明は光通信等のオプ
トエレクトロニクスの分野の技術発展に資するところが
大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図は第１図に示
す半導体発光装置で使用する薄板の製造の過程及び薄板
の構成図、第３図は第２図に示す薄板にレンズ収容凹部
を形成する工程を示す図、第４図は薄板を半導体発光素
子に対して位置調整する方法を説明する図、第５図は第
４図で使用する光学顕微鏡視野の状態を示す図、第６図
は本発明の別の実施例を示す図及び第７図は従来例の斜
視図である。１……半導体発光素子チップ、1a……段差部、２……パ
ッケージ本体、2a……パッケージ本体側面、2b……ハン
ダ、３……電極部、４……位置合わせ溝、５……レン
ズ、６……レンズ収容凹部、７……紫外線硬化型樹脂、
８……薄板、8a……SiO₂膜、8b……レジスト、９……光
軸合わせ用マーク、10……GaP結晶基板、11……マスク
位置合わせ用マーク、12……ステージ、13……クラン
プ、14……真空チャック、15……対物レンズ、16……ボ
ンディングワイヤ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を発光または受光する光学能動素子を基
体の上面に固定する工程と、光透過性の薄板の一方の面に、該光学能動素子からの光
または該光学能動素子への光に作用する光学受動素子を
収容する光学受動素子収容凹部を、他方の面の該光学受
動素子収容凹部に対応する部分に位置合わせ用マークを
フォトリソグラフィ法によりそれぞれ形成する工程と、該工程により形成された薄板を該基体の上面に垂直な面
に当接させ、該光学受動素子収容凹部の側から該薄板を
通して視認される該光学能動素子の光軸と該位置合わせ
用マークとを位置合わせすることにより、該光学受動素
子収容凹部の中心部と該光学能動素子の光軸との位置合
わせを行う工程と、前記位置合わせ工程完了後、前記薄板を該垂直な面に固
定し、更に、前記光学受動素子収容凹部に前記光学受動
素子を固定する工程とを含む光学装置の製造方法。