JPH0915440A - ハイブリッド光集積用実装基板の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板の凸部に集中する応力を低減し、信頼性
の高いハイブリッド光集積用実装基板の作製方法を提供
する。 【構成】 平坦な基板上の一部を残して他の部分を削り
取って凹凸基板を作製し、該凹凸基板上に前記凸部の高
さより厚いバッファー層を形成し、該バッファー層を前
記凹凸基板の凸部の平坦な表面が露出するまで平坦に除
去し、該バッファー層除去工程で形成された平坦な表面
上に下部クラッド層を形成し、該下部クラッド層上に該
下部クラッド層より屈折率の高いコア層を形成し、該コ
ア層より屈折率の低い上部クラッド層を形成し、前記凹
凸基板の凸部領域上の前記上部クラッド層、コア層及び
下部クラッド層を前記凸部の平坦な表面が露出するまで
除去し、前記露出された凸部表面上に電気配線層を形成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ハイブリッド光集積用
実装基板の作製方法に関し、特に、光通信や光情報処理
に用いるハイブリッド光集積回路において、信頼性の高
い実装基板の作製に適用して有効な技術に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年の光通信や光情報処理の高度化に伴
い、異種材料からなる光素子を同一基板上に集積化する
ハイブリッド光集積回路の実現が期待されている。特
に、基板の材料としてシリコン（Ｓｉ）を、光導波路の
材料として石英系ガラスを用いたハイブリッド光集積用
実装基板は、Ｓｉの持つ高加工性を利用した光学ベンチ
機能と、石英系ガラス光導波路の優れた導波特性を合せ
持つものとして非常に有望である。

【０００３】図６は、最近研究が進められている、凹凸
を有するＳｉ基板１’上の凹部に石英系光導波路２’
を、凸状のＳｉテラス部４’に光素子搭載部を形成した
「テラス付き光導波路基板」（山田他、１９９３年電子
情報通信学会春季大会Ｃ−２３４「ハイブリッド光集積
用ＳｉＯ₂／Ｓｉ基板の形成」）に半導体レーザーダイ
オード（ＬＤ）３’を集積化した例である。

【０００４】このテラス付き光導波路基板は、図６に示
すように、Ｓｉ基板１’の凸状のＳｉテラス部４’の上
には電気配線８’が形成されており、この電気配線８’
の上面から石英系光導波路２’のコア６’の中心までの
高さが、ＬＤ３’の素子表面から活性層までの高さに等
しく設定してあるので、ＬＤ３’をＳｉ基板１’の凸状
のＳｉテラス部４’の上に搭載するだけで高さの光軸合
わせが無調芯で実現できる。同時に、凸状のＳｉテラス
部４’はＬＤ３’のヒートシンクとしても機能する。こ
のように、「テラス付き光導波路基板」を用いれば、光
導波路と光素子とのハイブリッド集積が容易に実現でき
る。

【０００５】図７は、このような実装基板の作製方法を
説明するための各工程における各部の断面図であり、図
８は図７の（ｄ）図に示す凸状のＳｉテラス部の拡大図
である。まず、最初に、図７の（ａ）図に示すように、
Ｓｉ基板１’上の光素子搭載部を形成する部分に凸状の
Ｓｉテラス部４’を形成する。次に、図７の（ｂ）図に
示すように、凸状のＳｉテラス部４’を完全に埋め込む
ように第１のアンダークラッド層５ａ’を堆積した後、
基板表面の平坦化研磨を行い、凸状のＳｉテラス部４’
の表面を露出させる。

【０００６】次に、図７の（ｃ）図に示すように、高さ
調整用の第２のアンダークラッド層５ｂ’及びコア層
６’を順次堆積し、続いて、コア層６’のパターン化及
びオーバークラッド層７’の堆積を行い、光導波路を作
製する。そして、最後に、図７の（ｄ）図に示すよう
に、凸部を含む領域の光導波路を除去して光素子の結合
端面９’を形成し、電気配線８’の形成を行うことによ
り光素子搭載部の作製を完了した。このような構造及び
作製方法により、高精度光素子アライメントに優れた高
機能な実装基板が実現されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記従来
のテラス付き光導波路基板を検討した結果、以下の問題
点を見いだした。

【０００８】前記従来のテラス付き光導波路基板の構造
においては、図７の（ｃ）図に示すように、基板上で凸
状のＳｉテラス部４’が飛び出しているので、この部分
に、基板材料と光導波路材料との熱膨張係数の違いに起
因する応力が集中してしまう構造となっている。

【０００９】また、図７の（ｄ）図及び図８に示すよう
に、ＬＤ３’（光素子３’）が結合する光導波路端面
９’がこの凸状のＳｉテラス部４’の領域に形成されて
いるために、更に、この部分に応力が集中してしまう。
一般に、基板の特定部分に応力集中が起こると、その部
分の機械的強度の劣化が懸念され、最悪の場合は、凸部
界面での剥離等が考えられる。

【００１０】本発明の目的は、基板凸部での応力集中を
低減し、信頼性の高いハイブリッド光集積用実装基板の
作製方法を提供することにある。

【００１１】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下の通りである。

【００１３】基板上に光導波路部及び光素子搭載部を形
成するハイブリッド光集積用実装基板の作製方法におい
て、平坦な基板上の一部を残して他の部分を削り取って
凹凸基板を作製する凹凸基板作製工程と、前記凹凸基板
上に前記凸部の高さより厚いバッファー層を形成するバ
ッファー層形成工程と、前記バッファー層を前記凹凸基
板の凸部の平坦な表面が露出するまで平坦に除去するバ
ッファー層除去工程と、該バッファー層除去工程で形成
された平坦な表面上に下部クラッド層を形成する下部ク
ラッド層形成工程と、前記下部クラッド層上に該下部ク
ラッド層より屈折率の高いコア層を形成するコア層形成
工程と、前記コア層より屈折率の低い上部クラッド層を
形成する上部クラッド層形成工程と、前記凹凸基板の凸
部領域上の前記上部クラッド層、コア層及び下部クラッ
ド層を前記凸部の平坦な表面が露出するまで除去する凸
部露出工程と、前記露出された凸部表面上に電気配線層
を形成する工程からなる。

【００１４】前記基板がシリコン基板からなり、前記凹
凸基板作製工程が水酸化カリウム水溶液を用いた異方性
エッチング工程からなる。

【００１５】

【作用】前記の手段によれば、平坦な基板上の一部を残
して他の部分を削り取って凹凸基板を作製し、該凹凸基
板上に前記凸部の高さより厚いバッファー層を形成し、
該バッファー層を前記凹凸基板の凸部の平坦な表面が露
出するまで平坦に除去し、該バッファー層除去工程で形
成された平坦な表面上に下部クラッド層を形成し、該下
部クラッド層上に該下部クラッド層より屈折率の高いコ
ア層を形成し、該コア層より屈折率の低い上部クラッド
層を形成し、前記凹凸基板の凸部領域上の前記上部クラ
ッド層、コア層及び下部クラッド層を前記凸部の平坦な
表面が露出するまで除去し、前記露出された凸部表面上
に電気配線層を形成することにより、光素子の結合する
光導波路端面の位置を基板の凸部領域の外に設定して凸
部近傍に発生する応力を分散するので、従来構造で懸念
された基板凸部近傍に集中する応力を低減することがで
きる。これにより、機械的強度を高めた信頼性の高い実
装基板が実現できる。

【００１６】また、光素子の結合する光導波路端面の位
置を基板凸部領域の外に設定することにより、基板材料
と光導波路材料において熱膨張係数が大きく異なる場合
に、基板凸部近傍に集中する応力を低減できるので、機
械的強度を高めた信頼性の高い実装基板が実現できる。
特に、実装基板作製に有用である基板材料としてのシリ
コン（Ｓi）と光導波路材料としての石英ガラスの組み
合わせにおいて非常に有効である。

【００１７】すなわち、光素子の結合する光導波路端面
を基板凸部領域の外に形成しているので、凹凸を有する
基板を実装基板では避けられない基板材料と光導波路材
料の熱膨張係数の違いに起因して凸部近傍に発生する応
力に対して、更に片側を除去したことにより誘引される
応力を付加することなく、逆にその応力集中を低減する
ことが可能となる。特に、凸部近傍の光導波路を全て除
去した場合は凸部での応力を完全に除去できる。

【００１８】また、基板をシリコン基板とし、前記凹凸
基板作製工程を水酸化カリウム水溶液を用いた異方性エ
ッチングで行うので、加工精度を向上することができ
る。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２０】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００２１】（実施例１）図１は、本発明の実施例１の
作製方法によって作製されたハイブリッド光集積用実装
基板の概略構成を示す断面図であり、１は基板、２は光
導波路、３は光素子、３ａは光素子３のアンダークラッ
ド層、３ｂは光素子３のコア、３ｃは光素子３のオーバ
ークラッド層、４は光素子搭載部を有する凸部（テラス
部）、５は光導波路２のアンダークラッド層、６は光導
波路２のコア（パターン）、７は光導波路２のオーバー
クラッド層である。

【００２２】本実施例１の作製方法によって作製された
ハイブリッド光集積用実装基板は、図１に示すように、
前記基板１のとして、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板を
用い、光導波路２として、例えば、石英系導波路を用
い、光素子３として、例えば、半導体レーザダイオード
（ＬＤ）を用いたものである。

【００２３】前記光導波路２は、基板１の凹部領域に形
成されており、アンダークラッド層５、コア（パター
ン）６及びオーバークラッド層７からなる。そして、前
記光導波路２は、例えば、石英系ガラスで形成されてい
る。すなわち、アンダークラッド層５、コア（パター
ン）６及びオーバークラッド層７は、それぞれ石英系ガ
ラスからなる。そして、アンダークラッド層５は、第１
のアンダークラッド層５ａと第２のアンダークラッド層
５ｂの２層が積層されたものである。

【００２４】前記凸部（Ｓｉ凸部）４の上面に光素子搭
載部の領域が形成されている。前記基板の凸部上から石
英系ガラスからなる光導波路２がすべて除去されてお
り、前記凸部（Ｓｉ凸部）４の上表面が露出された構造
となっている。

【００２５】前記凸部４の上面は、光素子搭載時の高さ
方向アライメント用の基準面となり、この凸部４の高さ
は、光導波路２及び凸部４上の光素子搭載部での各層の
厚みと光素子３の構造により設定される。

【００２６】図２は、本実施例１のハイブリッド光集積
用実装基板の作製方法を説明するための各工程における
各部の断面図であり、（ａ）図から（ｄ）図までは光導
波路形成工程であり、（ｅ）図は光素子搭載部作製後の
構造である。ここで、全ての石英系導波膜の堆積には火
炎堆積法（ＦＨＤ法）を用いた。

【００２７】本実施例１のハイブリッド光集積用実装基
板の作製方法は、図２の（ａ）図に示すように、まず、
最初に、光素子搭載部を形成する部分の基板１上にシリ
コン酸化膜１０をマスクにして水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）水溶液の異方性エッチングにより高さ２５μｍの凸
部４を形成した。

【００２８】次に、図２の（ｂ）図に示すように、凸部
を完全に埋目込むように３０μｍ厚の第１のアンダーク
ラッド層５ａを堆積した後、図２の（ｃ）図に示すよう
に、基板表面の平坦化研磨を行い、凸部４の上表面を露
出させた。ここで、研磨により凸部４の高さは減少して
２０μｍとなった。

【００２９】続いて、図２の（ｄ）図に示すように、高
さ調整用の第２のアンダークラッド層５ｂ（５μｍ厚）
及びコア層６（比屈折率差△０.７５％、６μｍ厚）を
順次堆積した。そして、反応性イオンエッチング法（Ｒ
ＩＥ法）によるコア層のパターン化及びオーバークラッ
ド層７（２０μｍ厚）の堆積を行い、光導波路を形成し
た。

【００３０】次に、光素子搭載部の形成を行う。まず、
図２の（ｅ）図に示すように、凸部４を含む領域の光導
波路２を凸部４表面が現れるまでＲＩＥ法によりエッチ
ング除去してＬＤ３を結合させるための光素子結合端面
９を形成した。ここで、結合端面９の位置は凸部から５
０μｍ離して形成した。そして最後に電気配線８を形成
して、実装基板の作製を完了した。

【００３１】図３に、凸部４近傍の拡大図を示す。この
構造においては、凸部４領域に若干のガラス膜が残って
おり応力低減の効果が薄れてしまうことが懸念される。
しかしながら、凸部４高さに対して光素子結合端面９を
凸部４から離す距離を十分とれば、応力の分散を十分行
うことが可能である。本実施例１においても、凸部４高
さ２０μｍに対して、光素子結合端面９の位置は５０μ
ｍ離れており、応力は十分分散されている。

【００３２】なお、本実施例においては、基板１の材料
としてシリコン（Ｓｉ）を、光導波路２の材料として石
英系ガラスを用いているが、これらの材料に対しても何
ら限定されるものではなく、例えば、基板１として機械
加工により凸部を形成したアルミナ基板を、光導波路２
の材料として多成分ガラス材料や、高分子薄膜等の各種
誘電材料を用いることが可能である。

【００３３】（実施例２）図４は、本発明の実施例２の
作製方法によって作製されたハイブリッド光集積用実装
基板の概略構成を示す断面図であって、光素子搭載部内
の光導波路を完全に除去した構造の実装基板の凸部近傍
を示している。

【００３４】本実施例２の作製方法によって作製された
ハイブリッド光集積用実装基板は、図４に示すように、
前記基板１として、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板を用
い、光導波路２として、例えば、石英系導波路を用い、
光素子３として、例えば、半導体レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）を用いたものである。

【００３５】前記光導波路２は、基板１の凹部領域に形
成されており、アンダークラッド層５、コア（パター
ン）６及びオーバークラッド層７からなる。そして、前
記光導波路２は、例えば、石英系ガラスで形成されてい
る。すなわち、アンダークラッド層５、コア（パター
ン）６及びオーバークラッド層７は、それぞれ石英系ガ
ラスからなる。

【００３６】前記凸部（Ｓｉ凸部）４の上面に光素子搭
載部の領域が形成されている。前記基板１の凸部４の上
から石英系ガラスからなる光導波路２がすべて除去され
ており、前記凸部（Ｓｉ凸部）４の表面がすべて露出さ
れた構造となっている。この凸部４の上面からは、光素
子搭載時の高さ方向アライメント用の基準面となり、こ
の凸部４の高さは、光導波路２及び凸部４上の光素子搭
載部での各層の厚みと光素子の構造により設定される。

【００３７】前記凸部（Ｓｉ凸部）４の上面から基板１
の凹部に沿って電気配線８が設けられている。

【００３８】このように、基板１の凸部４の領域の光導
波路は、全て除去されているので、基板１の凸部４で発
生する応力の光導波路２への影響を完全に除去すること
ができる。

【００３９】本実施例２のハイブリッド光集積用実装基
板の作製工程は、光導波路２の形成において前記実施例
１と共通である。そして、光素子結合端面９を形成する
際に、実施例１においては、凸部４の表面が現れた段階
でエッチングを終了しているが、本実施例２において
は、光素子搭載部内で基板１の表面が露出するまでエッ
チング除去を行う。これにより、凸部４の領域の光導波
路は全て除去されており、応力を完全に除去している。

【００４０】なお、本実施例の構造では、光素子搭載部
内の光導波路が全て除去して基板１の表面が露出してい
るので、この上に直接電気配線８を形成した場合は、高
周波電気特性に問題が出てきてしまう。そこで、これへ
の対応としては、図５に示すように、凸部４の領域以外
の電気配線８を形成する部分に、誘電体であるポリイミ
ド膜１１を形成することにより、１ギガビット／秒（Ｇ
bit／ｓ）以上の高周波特性の優れた電気配線８の作製
が可能となる。

【００４１】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００４２】

【発明の効果】本願によって開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００４３】（１）光素子の結合する光導波路端面の位
置を基板の凸部領域の外に設定して基板の凸部近傍に発
生する応力を分散し、従来構造で懸念された基板の凸部
に集中する応力を低減できるので、機械的強度を高めた
信頼性の高い実装基板が実現できる。

【００４４】（２）光素子の結合する光導波路端面の位
置を基板の凸部領域の外に設定して基板材料と光導波路
材料において熱膨張係数が大きく異なる場合に、基板の
凸部に集中する応力を低減できるので、機械的強度を高
めて信頼性のある実装基板が実現できる。

【００４５】（３）基板をシリコン基板とし、前記凹凸
基板作製工程を水酸化カリウム水溶液を用いた異方性エ
ッチングで行うので、加工精度を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の作製方法によって作製され
たハイブリッド光集積用実装基板の概略構成を示す断面
図である。

【図２】本実施例１のハイブリッド光集積用実装基板の
作製方法を説明するための各工程における各部の断面図
である。

【図３】本実施例１の図２の（ｅ）図に示す凸部近傍の
拡大図である。

【図４】本発明の実施例２の作製方法によって作製され
たハイブリッド光集積用実装基

【図５】本発明のハイブリッド光集積用実装基板の実施
例２の改善基板の概略構成を示す断面図である。

【図６】従来のハイブリッド光集積用実装基板の問題点
を説明するための概略構成を示す断面図である。

【図７】従来のハイブリッド光集積用実装基板の作製工
程を示す図である。

【図８】従来のハイブリッド光集積用実装基板での光素
子搭載部を示す図である。

【符号の説明】

１…基板（シリコン基板）、２…光導波路（石英系導波
路）、３…光素子（ＬＤ）、３ａ…光素子のアンダーク
ラッド層、３ｂ…光素子のコア、３ｃ…光素子のオーバ
ークラッド層、４…基板凸部（テラス部）、５…光導波
路のアンダークラッド層、６…光導波路のコア（パター
ン）、７…光導波路のオーバークラッド層、８…電気配
線、９…光素子結合端面、１０…シリコン酸化膜、１１
…誘電体膜（ポリイミド膜）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 泰文 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 日比野 善典 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 鈴木 扇太 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に光導波路部及び光素子搭載部を
   形成するハイブリッド光集積用実装基板の作製方法にお
   いて、平坦な基板上の一部を残して他の部分を削り取っ
   て凹凸基板を作製する凹凸基板作製工程と、前記凹凸基
   板上に前記凸部の高さより厚いバッファー層を形成する
   バッファー層形成工程と、前記バッファー層を前記凹凸
   基板の凸部の平坦な表面が露出するまで平坦に除去する
   バッファー層除去工程と、該バッファー層除去工程で形
   成された平坦な表面上に下部クラッド層を形成する下部
   クラッド層形成工程と、前記下部クラッド層上に該下部
   クラッド層より屈折率の高いコア層を形成するコア層形
   成工程と、前記コア層より屈折率の低い上部クラッド層
   を形成する上部クラッド層形成工程と、前記凹凸基板の
   凸部領域上の前記上部クラッド層、コア層及び下部クラ
   ッド層を前記凸部の平坦な表面が露出するまで除去する
   凸部露出工程と、前記露出された凸部表面上に電気配線
   層を形成する工程からなることを特徴とするハイブリッ
   ド光集積用実装基板の作製方法。
2. 【請求項２】 前記基板がシリコン基板からなり、前記
   凹凸基板作製工程が水酸化カリウム水溶液を用いた異方
   性エッチング工程であることを特徴とする請求項１に記
   載されるハイブリッド光集積用実装基板の作製方法。