JPH07503328A

JPH07503328A - 集積された光学部品の整列

Info

Publication number: JPH07503328A
Application number: JP5513013A
Authority: JP
Inventors: ウエルボーン、アンソニー・デービッド; クーパー、ケネス
Original assignee: ブリテイッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1995-04-06
Also published as: AU670922B2; KR950700554A; DE69331876T2; AU3360893A; EP0624257B1; EP0624257A1; WO1993015424A1; CA2128534C; US5656507A; CA2128534A1; DE69331876D1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】集積された光学部品の整列本発明は集積された光学部品のような部品の整列に関する。

集積された光学部品（光ファイバまたは平面導波体、検出器、ファイバ増幅器および類似物）を十分な正確性をもって共に設置することは通常困難である。

最も要求されている条件の１つはレーザと導波体との間に正確な整列を提供することである。この必要性の１例としてＡｓＧ導波体に結合する半導体レーザの場合が考慮されている。最大のパワー転送で、レーザと導波体は共に正確に突合わせをしなければならない。結合効率は２つの部品のモードサイズの不整合により制限を受ける。現在問題としている構造では、４５％の効率または３．５ｄＢの損失を結果としている。

実際上、正確な突合わせ結合の達成は可能ではなく、それ故レーザと、軸整列の感度が最低である導波体との間の最適の分離を決定することが必要である。信号タイプの応用では１０％または１０ｄＢの損失のレーザと導波体との間の結合効率は最小の許容値と考えられる。この数値を目標の仕様とすると、許容可能な最大の水平および垂直不整合はレーザと導波体との間の分離関数として計算される。現在の場合では６μｍの分離は軸的不整列（目標値を超過した損失が生じる前に垂直または水平方向で１．７μｍまたは１．９μｍが得られる）に対する最低の感度を与えることが発見されている。

これらの計算はレーザと導波体との間の角度的偏差を考慮せず“最良のケース” の評価と見なければならない。結果として母板処理でめられた整列の許容誤差は水平および垂直の両方向で１μｍよりも少ないと考えられる。１０％よりも高い結合効率が必要とされるならば、（例えば光増幅器用のレーザポンプの場合のように）例えばレンズを有するレーザ構造の使用により２つの部品のモードサイズを整合することが必要である。

いわゆる“フリップチップ”はんだ結合技術により２つの集積回路またはチップを結合することが知られている。結合される２つの集積回路の面はそれぞれ金属パッドの対応するパターンを含み、一方の集積回路には各金属パッド上にはんだバンブが設けられ、２つの集積回路はほぼ整列され、はん列するように移動し、従って各集積回路上の対応する金属パッドは正確に整列される。整列は金属パッド自体により決定される。これは特に２つの集積回路が電気的に相互接続されるフリップチップの場合のように２つの部品を非常に正確に整列する方法を提供するが、前述したように集積された光学部品の整列ではより高い正確度の整列が必要とされる。

本発明は、１観点によると予め定められた整列で機能部分と共に２つの部品を接続する方法を提供し、この方法は、第１の機能部分と、この第１の機能部分に関して予め定められた位置にある第１の整列手段とを形成するように第１の部品を処理し、前記第１の部品の表面上の予め定められた位置にパッドを形成し、第２の機能部分と、この第２の機能部分に関して予め定められた位置にある第２の整列手段とを形成するため前記第２の部品を処理し、前記第２の部品の表面上の予め定められた位置にパッドを形成し、前記パッドの１つに溶融可能な固体を設け、溶融可能な固体はパッドに優先的に固着する材料であり、２つの部品をほぼ整列させ、２つの部品上の近接しているパッドを相互接続するように溶融可能な固体を溶融する段階を具備し、第１、第２の整列手段と金属パッドの配置は、２つの部品上の近接したパッドと接触する溶融固体の表面張力が２つの部品を関連位置に駆動し、従って第１、第２の整列手段を正確に整列させ、第１、第２の機能部分を予め定められた整列になるようにしている。

前記２つの部品が整列されるとき前記溶融固体の表面張力が整列手段を互いに接触させるように押し付ける力成分を連続的に与えるように前記パッドが配置されることが好ましい。

一方または両方の部品に関して機能部分はまた整列手段と同じエツチング段階により限定されることが好ましい。

本発明の方法では非常に顕著な利点が存在する。従って整列手段は同一処理により製造されるとき部品の機能部分と再現可能に正確に整列される。従って例えば部品の一方が半導体レーザである場合、レーザの放射出力（機能部分である）は整列手段を提供するため使用されるエツチング処理段階で限定される。同様に、部品がシリコン母板であるならば導波体の人力（この目的では機能部分である）は整列手段の限定のためにも使用されるエツチング段階で限定される。

この方法は湿式およびドライエツチングおよびフォトリソグラフか必要である通常のシリコン処理と両立可能である。

通常の技術によるとエツチングはフォトレジスト層がフォトリソグラフにより表面上に置かれた後、実行されることができる。

好ましい装置では、各部品は直交方向で動作する２つの整列手段を含む。

整列手段は突出部、端縁部またはスロットを含む。好ましい装置では部品の一方はエツチングにより定められることができる交差平面を含んだ結晶性材料の基体を具備し、整列手段のエツチングは整列手段を形成する。

本発明はまた、共に設置された２つの部品の組合わせで提供し、各部品は機能部分と、前記機能部分に関して予め定められた位置の整列手段とを有し、各部品は表面上の予め定められた位置にパッドを含み、前記２つの部品は２つの部品上の近接したパッド間に延在する溶融固体により相互接続され、前記組合わせは請求項１乃至９のいずれか１項に説明されている方法により形成されている。

本発明を添付図面を参照して単なる例示として以下説明する。

図１は本発明の方法により設置されている半導体レーザを有する母板部分の平面図である。

図２は図１の線Ｙ−Ｙにおける断面図である。

図３は図１の線Ｘ−Ｘにおける断面図である。

図１を参照すると、頂部に半導体レーザ１１が設けられているシリコン母板ｌＯが示されている。本発明の処理では例えば導波体１２のような種々の部品が母板１０のシリコン上で形成されている。先導波体１２はドープされていない二酸化シリコンクラッドにより包囲されているリソグラフでパターン化されたＡｓＧコアによってシリコン母板上に限定される。ガラスのこの組合わせは低温で有効に処理されることができ、大きな屈折率差により損失が低く母板上に高い部品密度を許容する小さい曲率半径の製造を可能にする。

処理シーケンスはマイクロ加工または湿式エツチング処理により最初に凹部１３を形成することを含む。導波体１２は低クラッドまたはバッファ層のためのＰＥＣＶＤのドープされていない酸化シリコンで部分的に満たされているＫＯＨ化学エツチングされた凹部（典型的に７μｍの深さ）を使用して湿式エツチング処理により生成される。導波体コアはドライ（プラズマ）エツチングされ、９５０℃ 乃至１０００℃の温度の酸化雰囲気中で再流動される２μｍの厚さのＡｓＧ層により形成される。このプラズマドライエツチング処理はまた後に参照するスロット１４を続いて形成するマスクを限定する。正確であることを必要とする導波体端部はプラズマエツチングにより形成される。

４〜６μｍのドープされていない酸化物は導波体コアを包囲するため付着される。コアとクラディングとの間の空洞から生じる潜在的な問題は平面化技術の使用により最小限にされる。

マイクロ加工または湿式エツチングは導波体１２と正確に整列するＶ型溝１４を形成するために限定されたマスクによって使用される。

凹部１３とＶ型溝１４は両者ともＫＯＨまたはエチレンジアミンピロカテコール（ＦＤＰ）と水のようなエツチング液を使用して異方性エツチング処理によるマイクロ加工により形成される。このようなエツチング液によってシリコンエツチングにおいていくつかの結晶面は他よりも遅い。従ってマスクの窓がシリコン表面と２つのこのような平面の交差に沿って正確に整列されるときエツチングはこれらの平面で終了し、Ｖ型溝が結果として生じる。これらの平面はシリコンの結晶学的構造に直接関連しているので、四部１３またはＶ型溝１４の角度と方向は非常に厳密に制御される。Ｖ型溝の幅はそれ故、典型的には０．２５μｍ〜０．５μｍの許容度に非常に正確に制御されることができる。Ｖ型溝１４のマスクの窓は、導波体１２がエツチングされるのと同一段階でエツチングされるとき、Ｖ型溝１４の位置、特にＶ型溝１４の側面はフォトリソグラフの利用により導波体１２の位置に関して正確に予め定められることができる。

Ｖ型溝１４は（結晶面に沿うときに期待されるように）直線であり、決定される適切な深さであることが図１から明白である。

母板ｌＯの頂部表面には、１対のポリシリコン停止部１６が設けられ、これはポリシリコン停止部を与えるためにポリシリコン層を提供し、（Ｖ型溝１４の湿式エツチングの前で、導波体の端部表面のプラズマエツチングの直前に）層の残留物をエツチングして除去することにより形成される。ポリシリコン停止部がマスクを通してエツチング処理手段により与えられるので、ポリシリコン停止部１６の端部１７は例えば導波体１２の入力と正確に整列される。

“Ｌ”型の金属パッド１８は半導体技術でよく知られている方法で四部１３に配置され、パッドの一方の足はＶ型溝に平行に延在し他方の足はポリシリコン停止部１６の端縁部１７に平行に延在する。

半導体レーザ１１を参照すると、レーザ放射が導波体１２に近接して出力される能動領域（ｖ　ｉ　ｚ、出力）が設けられている。半導体レーザの下部表面はその下部表面から決定される下方向の隆起部２１を含む。隆起部２１はエツチング処理により生成され、エツチングは前述したように実行される。レーザの能動領域１９もエツチング処理により限定され、能動領域１９と隆起部２１の整列はエツチング処理に使用されたマスクにより予め定められ、それ故、正確に決定されることができる。

レーザ１１の下部表面には金属パッド１８と同様の形態と大きさである金属パッド２２が設けられており、即ち隆起部２１に平行な第１の足とレーザの端縁部２３に平行な第２の足とを有する“Ｌ”型であり、パッド２２の足の幅が小さく、典型的にパッド１８の足の幅の３分の１である点が異なっている。

金属パッド１８と２２の位置と形状は適切なマスクを通じてフォトリソグラフにより関連部品の製造で定められる。さらに金属パッドは溶融はんだにより濡れる金属で作られるかそのような金属で被覆される。

図１で誇張して示されているように母板とレーザが正確に整列するとき、図１では金属パッド２２は金属パッド１８より僅かに下で左側にある。

母板１０と半導体レーザ１１の組立て前、金属パッド２２にははんだバンブの形態ではんだ２６が設けられている。

半導体レーザ１１を母板１０に組立てるために、レーザ１１は最終位置とほぼ整列して母板上に置かれる。実際上、ポリシリコン停止部１６の頂点に位置することが不可能であるために、隆起部２１はＶ型溝１４の中間方向に位置するのでレーザ１１は図１の最終位置の下部および左側に位置する。はんだは溶融され、表面張力効果（図２．３のはんだ２６参照）により、２つの金属パッド１８．２２を相互接続し、図面の矢印Ａ方向にレーザ１１を吸引し、従って隆起部２１は図３で示されているようにＶ型溝１４の右側と結合し、レーザ端部２３はポリシリコン停止部１６の端縁部１７と接触する。このようにして半導体レーザ１１は母板１０と正確に整列され、その結果、能動領域１９は導波体１２と正確に整列する。

レーザ１１と母板１０の最終的に整列した位置では２つの金属パッド１８．２２は互いに正確に整列するように配置されている。

代りに金属パッド２２は図１を参照すると金属パッド１８の下および左側（図では誇張しているが）に配置されており、レーザ１１と母板１０が正確に整列されるとき溶融はんだの表面張力効果により生じる残余した僅かな力が存在してレーザ１１を矢印Ａの方向に圧迫する。

ある状況ではレーザ１１は、母板１０に重複して存在する広い表面を有し、レーザと母板が相互に関して移動する場合に、克服すべき摩擦力が存在する。この場合、１つの解決策は各はんだバンブのはんだの量を他の場合よりも多くすることであり、その結果、はんだが溶融したとき摩擦を消去するためにレーザ１１を母板１０上に上昇させるのに十分なはんだが存在する。レーザが母板上に上昇される量は非常に小さく典型的に１μｍであることが好ましく、それ故、各はんだバンブのはんだ量はレーザと母板との間に正確な間隙を提供するように慎重に計算される。このようにして摩擦を特にゼロに減少することによって表面張力効果は前述したように母板に関してレーザを正確な整列へ移動させるのに十分である。

−それ故、レーザ、検出器および／または他の光集積回路のような外部部品を母板に接続する方法を提供する。その処理は通常のシリコン処理およびフォトリソグラフに両立する。

半導体レーザ１１を母板ｌＯとの正確な整列に移動するために、溶融はんだの表面張力を使用することによってレーザを移動する制御された力の使用を可能にする。過剰な力は整列手段、特に容易に損傷または破損する隆起部２１に損傷を生じさせる。

別の装置ではパッド１８はまたパッド２２よりも薄く作られ、その場合には方向は図１の図面に関して！８０　”回転されなければならない。

本発明は前記の例の詳細に関して限定されない。

２つのパッド１８．２２は本実施例の配列では“Ｌ”型で示されている。しかしながら２つのパッドは他の形態、例えば長方形でもよいが、これらは図１で示されている関連した方向を有し、即ちパッド１８は（図面の平面では）さらにパッド２２に関して右上である。

本発明は前記した例の詳細に関して限定されない。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成６年７月２７日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の機能部分とこの第１の機能部分に関して予め定められた位置にある第１の整列手段とを形成するように第１の部品を処理し、前記第１の部品の表面上の予め定められた位置にパッドを形成し、第２の機能部分と前記第２の機能部分に関して予め定められた位置にある第２の整列手段とを形成するように前記第２の部品を処理し、前記第２の部品の表面上の予め定められた位置にパッドを形成し、前記パッドの１つに溶融可能な固体を設け、溶融可能な固体はパッドに優先的に固着する材料であり、２つの部品をほぼ整列させ、２つの部品上の近接しているパッドを相互接続するように溶融可能な固体を溶融する段階を具備し、第１、第２の整列手段と金属パッドの配置は、２つの部品上の近接したパッドと接触する溶融固体の表面張力が２つの部品を関連位置に押し付け、第１、第２の整列手段を正確に整列させ、第１、第２の機能部分を予め定められた整列になるようにしている予め定められた整列で機能部分と共に２つの部品を接続する方法。
（２）前記２つの部品が整列されるとき前記溶融固体の表面張力が第１、第２の整列手段を互いに接触させるように押し付ける力成分を連続的に提供するように前記パッドが配置されることを特徴とする請求項１記載の方法。
（３）前記部品の少なくとも１つの前記整列手段がエッチングにより限定され、前記部品の機能部分も同じエッチング段階により限定されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
（４）直交方向で動作するように２つの整列手段を設けるために前記各部品を処理することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
（５）前記整列手段の少なくとも１つが突出部を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
（６）前記整列手段の少なくとも１つが端縁部を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
（７）前記整列手段の少なくとも１つがスロットを具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
（８）前記部品の少なくとも１つがエッチングにより定められることができる交差平面を含んだ結晶性材料の基体を具備し、部品のエッチングによって前記整列手段が形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
（９）前記２つの部品が集積された光学部品を具備することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
（１０）前記部品の一方が半導体レーザを含み、他方が導波体を含む請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法。
（１１）２つの部品が共に設置され、各部品は機能部分とこの機能部分に関して予め定められた位置にある整列手段とを具備し、各部品は表面上の予め定められた位置にパッドを含み、前記２つの部品は２つの部品上の近接したパッド間に延在する溶融固体により相互接続され、請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法によって形成される組合わせ。
（１２）共に設置されている２つの集積された光学部品を具備し、第１の前記部品は半導体レーザを含み、第２の前記部品は導波体を含み、第１の部品は半導体レーザの出力部と、前記レーザ出力手段に関して予め定められた位置に設けられている整列手段とを含み、第２の部品は導波体入力部と前記導波体入力部に関して予め定められている位置に設けられている整列手段とを含み、各部品は表面上の予め定められた位置にパッドを含み、前記２つの部品は２つの部品上の近接したパッドの間に延在する溶融固体により相互接続され、それによって半導体出力と導波体入力が整列される請求項１乃至１０のいずれか１項記載の方法によって形成された集積された光学装置。