(57)【要約】【課題】  歩留りの向上を図ることができ、信頼性及び特性が高い光電変換装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置を提供すること。【解決手段】  光電変換素子２と、光電変換素子２が設けられ、その出射光又は入射光を透過する素子基体１と、光電変換素子２とは反対の面側において、素子基体１自体に光電変換素子２に対応して設けられたレンズ部４とを有し、素子基体１のレンズ部４が形成された面側に、レンズ部４を埋設し、前記出射光又は入射光を透過する保護層５が配され、レンズ部４とは反対側の保護層５の表面が平坦になっている、光電変換装置６及びその製造方法。本発明の光電変換装置と、光導波部と、前記光電変換素子を駆動する駆動素子とからなる、光情報処理装置。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられ、その出射光又は入射光を透過する素子基体と、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体自体に前記光電変換素子に対応して設けられたレンズ部とを有し、前記素子基体の前記レンズ部が形成された面側に、前記レンズ部を埋設し、前記出射光又は入射光を透過する保護層が配され、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面が平坦になっている、光電変換装置。
【請求項２】
前記保護層が、前記素子基体とは屈折率が異なる材料により形成されている、請求項１に記載した光電変換装置。
【請求項３】
前記保護層の屈折率が前記素子基体の屈折率よりも小さい、請求項２に記載した光電変換装置。
【請求項４】
光電変換装置と、光導波部と、前記光電変換素子を駆動する駆動素子とからなり、前記光電変換装置が、
光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられ、その出射光又は入射光を透過する素  子基体と、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体自体に前記光電変  換素子に対応して設けられたレンズ部とを有し、前記素子基体の前記レンズ部が形成さ  れた面側に、前記レンズ部を埋設し、前記出射光又は入射光を透過する保護層が配され  、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面が平坦になっている
ことを特徴とする、光情報処理装置。
【請求項５】
前記保護層が、前記素子基体とは屈折率が異なる材料により形成されている、請求項４に記載した光情報処理装置。
【請求項６】
前記保護層の屈折率が前記素子基体の屈折率よりも小さい、請求項５に記載した光情報処理装置。
【請求項７】
光電変換素子の出射光又は入射光を透過する素子基体に前記光電変換素子を設ける工程と、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体を加工することにより前記光電変換素子に対応したレンズ部を形成する工程と、前記素子基体の前記レンズ部が形成された面側に、前記レンズ部を埋設するように、前記出射光又は入射光を透過する保護材料を被着して保護層を形成する工程と、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面を平坦化する工程とを有する、光電変換装置の製造方法。
【請求項８】
前記保護層を、前記素子基体とは屈折率が異なる材料により形成する、請求項７に記載した光電変換装置の製造方法。
【請求項９】
前記保護層の屈折率を前記素子基体の屈折率より小さくする、請求項８に記載した光電変換装置の製造方法。
【請求項１０】
前記保護層をＳＯＧ（spin on glass）により形成する、請求項７に記載した光電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体チップ間の信号伝搬は、全て基板配線を介した電気信号によりなされている。しかし、昨今のＭＰＵ高機能化に伴い、チップ間にて必要とされるデータ授受量は著しく増大し、結果として様々な高周波問題が浮上している。それらの代表的なものとして、ＲＣ信号遅延、インピーダンスミスマッチ、ＥＭＣ／ＥＭＩ、クロストーク等が挙げられる。
【０００３】
上記の問題を解決するため、これまで実装業界などが中心となり、配線配置の最適化や新素材開発などの様々な手法を駆使し、解決に当たってきた。
【０００４】
しかし近年、上記の配線配置の最適化や新素材開発等の効果を物性的限界に阻まれつつあり、今後システムの更なる高機能化を実現するためには、単純な半導体チップの実装を前提としたプリント配線板の構造そのものを見直す必要が生じてきている。近年、これら諸問題を解決すべく様々な抜本対策が提案されているが、以下にその代表的なものを記す。
【０００５】
・マルチチップモジュール（ＭＣＭ）化による微細配線結合
高機能チップを、セラミック・シリコンなどの精密実装基板上に実装し、マザーボード（多層プリント基板）上では形成不可能である微細配線結合を実現する。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量が飛躍的に増大する。
【０００６】
・各種半導体チップの封止、一体化による電気配線結合
各種半導体チップをポリイミド樹脂などを用いて二次元的に封止、一体化し、その一体化された基板上にて微細配線結合を行う。これによって配線の狭ピッチ化が可能となり、バス幅を広げることでデータ授受量が飛躍的に増大する。
【０００７】
・半導体チップの三次元結合
各種半導体チップに貫通電極を設け、それぞれを貼り合わせることで積層構造とする。これにより、異種半導体チップ間の結線が物理的に短絡化され、結果として信号遅延などの問題が回避される。但しその一方、積層化による発熱量増加、半導体チップ間の熱応力などの問題が生じる。
【０００８】
さらに、上記のように信号授受の高速化及び大容量化を実現するために、光配線による光伝送結合技術が開発されている（例えば、後記の非特許文献１及び非特許文献２参照。）。光配線は、電子機器間、電子機器内のボード間又はボード内のチップ間など、種々の個所に適用可能である。例えば図４に示すように、チップ間のような短距離間の信号の伝送には、チップが搭載されているプリント配線板５０上に光導波路５１を形成し、発光素子（例えば面発光レーザー）５２によって信号変調された光を光導波路５１へ入射させ、入射した光は光導波路５１を導波し、光導波路５１から出射された光は、受光素子（例えばフォトダイオード）５３によって受光される。このように、光導波路５１を信号変調されたレーザー光等の伝送路とした光伝送・通信システムを構築することができる。
【０００９】
また、発光素子５２や受光素子５３には、レンズ部５８が設けられたレンズ基体５９が接合されており、これにより、発光素子５２からの発光光を平行光化して効果的に光導波路５１へ入射させることができ、或いは、光導波路５１から出射された光を集光して効果的に受光素子５３へ受光させることができる。
【００１０】
以下に、発光素子５２と、レンズ部５８が設けられたレンズ基体５９とからなる光電変換装置の製造方法を説明する。まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ等の基体５４に発光素子５２を形成し、この基体５４に補強材５５を貼り付ける。次いで、図５（ｃ）に示すように、発光素子５２の光出射面５６が露出するように、基体５４を研削又はエッチング等により薄板化する。次に、図５（ｄ）に示すように、発光素子５２の光出射面５６の側において、補強のための透明支持基体５７を接合し、補強材５５を剥離する。次に、図５（ｅ）に示すように、発光素子５２からの信号光を平行光化して効果的に光導波路へ入射させるために、基体５４に透明支持基体５７を介して、発光素子５２に対応する位置にそれぞれレンズ部５８が設けられたレンズ基体５９を接合する。なお、図４の受光素子５３についても上述した発光素子５２と同様にして、光導波路５１から出射された光を集光して効果的に受光素子５３へ受光させるために、受光素子５３を形成した基体に、レンズ部が設けられたレンズ基体を透明支持基体を介して接合する（図示省略）。以上のようにして、従来例による光電変換装置６０は作製される。
【００１１】
一方、ＧａＡｓ等の基体の発光素子又は受光素子が設けられた面とは反対の面側において、基体を加工することにより、発光素子又は受光素子に対応したレンズ部を設ける方法が提案されている（例えば、後記の非特許文献３又は非特許文献４参照。）。
【００１２】
【非特許文献１】日経エレクトロニクス、“光配線との遭遇”２００１年１２月３日の１２２頁、１２３頁、１２４頁、１２５頁、図４、図５、図６、図７
【非特許文献２】NTT R&D, vol.48, no.3, pp.271-280 (1999)
【非特許文献３】IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.5, NO.2, MARCH/APRIL 1999, p.157-165
【非特許文献４】Electronic Components and Technology Conference (1997), p.376-381, "Free-Space Optical Link Realized with Microlensed Components"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図５に示すような従来例による製造方法は、レンズ基体５９を透明支持基体５７を介して基体５４に貼り付けているが、ＧａＡｓ等の基体５４は脆いため、異種材料との接合構造では熱膨張率差により破壊され易く、また基体５４と透明支持基体５７との剥れなどが懸念される。従って、歩留りの低下、特性の劣化などの問題が生じる。
【００１４】
また、上記の非特許文献３又は非特許文献４による光電変換装置では、ＧａＡｓ等の基体において、発光素子又は受光素子が設けられた面側、及び加工によりレンズ部が設けられた面側が露出しており、ＧａＡｓ等の基体は脆いため、作製工程中に破壊され易く、基体やレンズ部にダメージなく、アセンブリするのは非常に困難である。
【００１５】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、歩留りの向上を図ることができ、信頼性及び特性が高い光電変換装置及びその製造方法、並びに光情報処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
即ち、本発明は、光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられ、その出射光又は入射光を透過する素子基体と、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体自体に前記光電変換素子に対応して設けられたレンズ部とを有し、前記素子基体の前記レンズ部が形成された面側に、前記レンズ部を埋設し、前記出射光又は入射光を透過する保護層が配され、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面が平坦になっている、光電変換装置に係るものである。
【００１７】
また、光電変換素子の出射光又は入射光を透過する素子基体に前記光電変換素子を設ける工程と、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体を加工することにより前記光電変換素子に対応したレンズ部を形成する工程と、前記素子基体の前記レンズ部が形成された面側に、前記レンズ部を埋設するように、前記出射光又は入射光を透過する保護材料を被着して保護層を形成する工程と、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面を平坦化する工程とを有する、光電変換装置の製造方法に係るものである。
【００１８】
さらに、光電変換装置と、光導波部と、前記光電変換素子を駆動する駆動素子とからなり、前記光電変換装置が、
光電変換素子と、前記光電変換素子が設けられ、その出射光又は入射光を透過する素  子基体と、前記光電変換素子とは反対の面側において、前記素子基体自体に前記光電変  換素子に対応して設けられたレンズ部とを有し、前記素子基体の前記レンズ部が形成さ  れた面側に、前記レンズ部を埋設し、前記出射光又は入射光を透過する保護層が配され  、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面が平坦になっている
ことを特徴とする、光情報処理装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、前記レンズ部が、前記素子基体自体に前記光電変換素子に対応して設けられているので、図５に示すような従来例による製造方法と比較し、前記素子基体としてＧａＡｓ等の脆い基体を用いても、異種材料との接合構造ではないので、熱膨張率差により前記素子基体が破壊されることはなく、また前記レンズ部と前記素子基体とが剥離することはない。従って、歩留り及び特性の向上を図ることができる。
【００２０】
また、前記素子基体の前記レンズ部が形成された面側に、前記レンズ部を埋設し、前記出射光又は入射光を透過する前記保護層が配され、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面が平坦になっているので、上記の非特許文献３又は非特許文献４による光電変換装置と比較し、前記素子基体としてＧａＡｓ等の脆い基体を用いても、作製工程中に破壊されるのを効果的に防止することができ、前記レンズ部が形成された前記素子基体にダメージなく、アセンブリすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明において、前記光電変換素子は発光素子（例えば面発光レーザー）や受光素子（例えばフォトダイオード）であることが望ましく、前記レンズ部によって前記発光素子からの信号光を平行光化して効果的に前記光導波部へ入射させることができ、或いは、前記光導波部から出射された光を集光して効果的に前記受光素子へ受光させることができる。
【００２２】
また、前記保護層が、前記素子基体とは屈折率が異なる材料により形成されていることが好ましく、具体的には、前記保護層の屈折率が前記素子基体の屈折率よりも小さいことが望ましい。これにより、光信号を効果的に平行光化又は集光することができる。
【００２３】
さらに、前記保護層をＳＯＧ（spin on glass）により形成することが好ましい。これにより、前記出射光又は入射光を透過する前記保護材料を被着して前記保護層を形成する工程と、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面を平坦化する工程とを同時に行うことができる。またこれ以外にも、前記保護材料を蒸着などで被着して前記保護層を形成した後、前記レンズ部とは反対側の前記保護層の表面を研磨などで平坦化してもよい。
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
第１の実施の形態
図１は、本発明に基づく光電変換装置の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。
【００２６】
まず、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の素子基体１に発光素子（例えば面発光レーザー）や受光素子（例えばフォトダイオード）等の光電変換素子２を形成する。このとき、光電変換素子２の形成と同時に、素子基体１に光電変換素子２と後述する前記レンズ部との光軸合わせ用のアライメントマーク（図示省略）を設けることが好ましい。光電変換素子２の作製方法は、従来公知の方法がいずれも適用可能である。
【００２７】
例えば、ＧａＡｓやＳｉからなる素子基体１は、波長が９８０ｎｍ帯以上の伝搬波を透過することが知られており、このように光電変換素子２の出射光又は入射光の波長を適宜選択することにより、素子基体１は前記出射光又は入射光を透過することができる。
【００２８】
次に、図１（ｃ）に示すように、素子基体１の素子２形成面とは反対の面側において、レジスト３を設ける。
【００２９】
次に、図１（ｄ）に示すように、レジスト３をグレートーンマスクなどを用いて３次元露光、現像し、光電変換素子２に対応する位置に、前記レンズ部の形状を形成する。
【００３０】
次に、図１（ｅ）に示すように、ドライエッチングなどにより素子基体１自体に光電変換素子２に対応したレンズ部４を形成する。レンズ部４によって光電変換素子２としての前記発光素子からの信号光を平行光化して効果的に前記光導波部（図示省略）へ入射させることができ、或いは、前記光導波部から出射された光を集光して効果的に光電変換素子２としての前記受光素子へ受光させることができる。
【００３１】
そして、図１（ｆ）に示すように、素子基体１のレンズ部４が形成された面側に、レンズ部４を埋設するように、前記出射光又は入射光を透過する保護材料を被着して保護層５を形成し、また、レンズ部４とは反対側の保護層５の表面を平坦化する。
【００３２】
ここで、保護層５を、素子基体１とは屈折率が異なる材料により形成することが好ましく、具体的には、保護層５の屈折率を素子基体１の屈折率よりも小さくすることが望ましい。これにより、光信号を効果的に平行光化又は集光することができる。
【００３３】
また、保護層５をＳＯＧにより形成することが好ましい。これにより、前記保護材料を被着して保護層５を形成する工程と、レンズ部４とは反対側の保護層５の表面を平坦化する工程とを同時に行うことができる。この場合、ＧａＡｓ素子基体１の屈折率は３．５〜４であり、保護層５の屈折率は１．５である。またこれ以外にも、前記保護材料を蒸着などで被着して保護層５を形成した後、レンズ部４とは反対側の保護層５の表面を研磨などで平坦化してもよい。
【００３４】
上記のようにして、本発明に基づく光電変換装置６を作製することができる。
【００３５】
本実施の形態によれば、レンズ部４が、素子基体１自体に光電変換素子２に対応して設けられているので、図５に示すような従来例による製造方法と比較し、素子基体１としてＧａＡｓ等の脆い基体を用いても、異種材料との接合構造ではないので、熱膨張率差により素子基体１が破壊されることはなく、またレンズ部４と素子基体１とが剥離することはない。従って、歩留り及び特性の向上を図ることができる。
【００３６】
また、従来例における透明支持基体を接合する工程を削減することができるので、作製プロセスをより簡素化することができ、またコストダウンが可能となる。
【００３７】
また、図５（ｅ）に示すような光電変換素子５２とレンズ基体５９間のアライメント工程が不要となるので、光電変換素子２とレンズ部４の光学機能部の相対位置精度が向上する。なお、本発明に基づく製造方法では、例えば両面アライメント露光装置にて対応可能である。
【００３８】
また、素子基体１のレンズ部４が形成された面側に、レンズ部４を埋設し、前記出射光又は入射光を透過する保護層５が配され、レンズ部４とは反対側の保護層５の表面が平坦になっているので、上記の非特許文献３又は非特許文献４による光電変換装置と比較し、素子基体１としてＧａＡｓ等の脆い基体を用いても、作製工程中に破壊されるのを効果的に防止することができ、レンズ部４が形成された素子基体１にダメージを与えることなく、アセンブリすることができる。さらに、保護層５の表面が平坦化されているので、ハンドリングが容易となる。
【００３９】
また、本発明に基づく光電変換装置６の厚さは、素子基体１及び保護層５の厚みの合計となるため、従来例に比べて小型化、薄型化を容易に実現することができる。
【００４０】
さらに、薄型化することができるので、例えば、光電変換素子２としての前記発光素子からの発光光のビーム径をより小径化することができるなど、光学設計の自由度が増す。
【００４１】
具体的には、発光径Φ１０μｍ、放射角全角９０°の面発光レーザーから、できるだけ小径の平行ビームを取り出したい場合、図５に示すような従来例において、透明支持基体５７の厚さを１００μｍ、レンズ基体５９の厚さを１００μｍとすると、ビーム径の制御に関与する厚さが２００μｍとなるため、最小ビーム径はΦ４１０μｍとなる。
【００４２】
これに対し、本発明に基づく光電変換装置６は、図２に示すように、素子基体１の厚さを１００μｍとすると、ビーム径の制御に関与する厚さが素子基体１の厚さ１００μｍのみと薄くなるので、最小ビーム径は２１０μｍとなり、ビーム径のより小径化が可能となる。
【００４３】
第２の実施の形態
図３は、本発明に基づく光情報処理装置の一例の概略断面図である。図３に示すように、本発明に基づく光情報処理装置７は、本発明に基づく光電変換装置６と、前記光導波部としての例えば光導波路８と、光電変換素子２ａ、２ｂを駆動する駆動素子９とからなる。また、本発明に基づく光電変換装置６はインターポーザー１０にはんだ１１によって実装され、またインターポーザー１０の光電変換装置６とは反対の面側において駆動素子９が実装されている。そして、光電変換素子２ａ、２ｂと駆動素子９とがインターポーザー１０の貫通電極１２を介して電気的に接続されている。さらに、光導波路８はプリント配線板１３に実装されている。
【００４４】
前記光導波部としての光導波路８は特に限定されず、従来公知のものが使用可能であるが、例えば、クラッド１４ａ、１４ｂと、これらクラッド１４ａ、１４ｂ間に挟持されたコア層１５とを有し、また光入射部及び光出射部にそれぞれレンズ部材１６を有する。さらに、光導波路８の光入射端面及び光出射端面は、４５°ミラー面に形成されている。
【００４５】
本発明に基づく光情報処理装置７のメカニズムは、前記光電変換素子としての発光素子２ａによって信号変調された光（例えばレーザー光）がレンズ部４で平行光化される。この信号光は、更に光導波路８の光入射部に形成されたレンズ部材１６によって集光され、光導波路８のコア層１５へ効果的に入射される。入射した光は光導波路８を導波し、光導波路８の光出射部に形成されたレンズ部材１６によって平行光化されて、光導波路８から出射される。そして、出射光はレンズ部４によって集光されて、前記光電変換素子としての受光素子２ｂに効果的に受光される。このように、光導波路８を信号変調されたレーザー光等の伝送路とした光伝送・通信システムを構築することができる。
【００４６】
以上、本発明を実施の形態について説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。
【００４７】
例えば、前記レンズ部の形状は特に限定されず、上記に凸レンズの例を挙げて説明したが、凹レンズであっても構わない。
【００４８】
また、前記光導波部として前記光導波路を用いる例を挙げて説明したが、例えば光ファイバー等も適用可能である。
【００４９】
なお、本発明は、レーザー光に信号を乗せた上述した光配線システムに好適であるが、これ以外にも、光源等の選択によりディスプレイ用などにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第１の実施の形態による、本発明に基づく光電変換装置の製造方法の一例を工程順に示す概略断面図である。
【図２】同、本発明に基づく光電変換装置の一例の一部拡大概略断面図である。
【図３】第２の実施の形態による、本発明に基づく光情報処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図４】従来例による、光配線システムの一例の概略断面図である。
【図５】同、光電変換装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…素子基体、２…光電変換素子、２ａ…発光素子、２ｂ…受光素子、３…レジスト、
４…レンズ部、５…保護層、６…光電変換装置、７…光情報処理装置、８…光導波路、
９…駆動素子、１０…インターポーザー、１１…はんだ、１２…貫通電極、
１３…プリント配線板、１４ａ、１４ｂ…クラッド、１５…コア層、１６…レンズ部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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