(57)【要約】デバイスは、共有基板上に電子構成部品とフォトニック構成部品の両方備えている。電子構成部品は、基板を通してフォトニック構成部品にフォトニック信号を供給する光源を含む。
2005501269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板の第１の面上に位置するフォトニック構成部品と、
基板の第２の面上に位置する光源であって、基板を通してフォトニック構成部品にフォトニック信号を伝送するように位置決めされた光源とを含むデバイス。
【請求項２】
光源とフォトニック構成部品とを結合させるフォトニック・バイアをさらに含む請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
フォトニック・バイアが空気を含む請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
フォトニック・バイアが光ファイバを含む請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
フォトニック構成部品が導波路である請求項２に記載のデバイス。
【請求項６】
光源がレーザである請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
光源がＶＣＳＥＬである請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
導波路を通るようにフォトニック信号の向きを変える角度付き表面をさらに含む請求項５に記載のデバイス。
【請求項９】
角度付き表面が導波路の一部である請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
基板と、
基板の第１の面上に位置する導波路と、
基板の第２の面上に位置する光源であり、基板を通して導波路にフォトニック信号を伝送するように整列させられた光源とを含むデバイス。
【請求項１１】
光源が導波路とリソグラフィによって整列させられた請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
光源を導波路に結合させるフォトニック・バイアをさらに含む請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
フォトニック・バイアから導波路を通るようにフォトニック信号の向きを変える表面をさらに含む請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
該表面が基板の第２の側面と４５°の角度をなす請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
該表面が導波路の一部である請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１６】
電子構成部品をフォトニック構成部品に結合させる方法であって、
基板の第１の面でフォトニック信号を生成するステップと、
該フォトニック信号を、基板の反対側の面上に位置する導波路に基板を通して伝搬させるステップとを含む方法。
【請求項１７】
基板を通してフォトニック信号を伝搬させるステップを、フォトニック・バイアを介して実施する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
フォトニック・バイアが空気を含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
フォトニック・バイアが光ファイバを含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
基板を通してフォトニック信号を伝搬させるステップを、基板がフォトニック信号に対してほぼ透明になる波長を有するフォトニック信号を用いて実施する請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
フォトニック信号の波長が約１５５０ｎｍである請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
基板がシリコンである請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
基板と、
基板の第１の面上に位置する１つまたは複数の電子構成部品と、
基板の第２の面上に位置する導波路とを含むデバイスであって、該導波路が、基板を通して伝送されたフォトニック信号を導波路のチャネル中に向けて送るよう位置決めされた角度付き表面を有するデバイス。
【請求項２４】
角度付き表面が、基板の表面に対して約４５°の角度をなす請求項２３に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、光集積回路の分野に関する。特に、本発明は、共有基板上にフォトニック構成部品と電子構成部品を有するデバイスに関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
マルチチップ・モジュール（ｍｕｌｔｉ−ｃｈｉｐ ｍｏｄｕｌｅｓ：「ＭＣＭ」）では、電子構成部品は共有基板上に配置される。いくつかの半導体デバイスを互いに接近した状態でパッケージングすると、各デバイスに対して個別のパッケージが必要なくなる。電気的性能も改善され、ボードのスペースおよびコストも削減される。
【０００３】
従来のＭＣＭでは、各デバイスは基板に接続され、デバイス間の電気的接続は、ＭＣＭパッケージの一体部分であってもよい基板内部で行われる。デバイスを基板に接続するために使用される技術の１つは、フリップ・チップ、すなわち制御圧壊チップ接続（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｃｈｉｐ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ：「Ｃ４」）と呼ばれる。この技術では、はんだバンプをリフローして、基板上の端子パッドへ接続させる。
【０００４】
アレイ導波路や増幅器、カプラ、スプリッタ、その他の光ベース（「フォトニック」）信号を搬送するためのデバイスなど（ただしこれらに限定されない）のフォトニック構成部品は、半導体とは異なるプロセスを用いて製造される。したがって、電子構成部品およびフォトニック構成部品は、異なるプロセスで別々の基板上に製造され、その後それらを接続する。
【０００５】
詳細な説明
図１は、電子構成部品１２とフォトニック構成部品１４の両方を備える基板１０を示す図である。一実施形態では、電子構成部品１２は、電気的入力からフォトニック信号を生成する光源を含む。フォトニック信号は、基板１０の反対側にあるフォトニック構成部品１４に伝送される。一実施形態では、ハウジング１６を使用して、１つまたは複数の電子構成部品、フォトニック構成部品、および／あるいは基板を覆うことができる。ヒート・シンク１８を使用して、これら構成部品の冷却を補助することもある。
【０００６】
一実施形態では、端面発光型レーザ（ｅｄｇｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ：ＥＥＬ）２０などの光源を使用して、フォトニック信号を生成する。ＥＥＬは、基板１０の周りの光ファイバ２２を介して、基板１０の反対側にある導波路２４またはその他のフォトニック構成部品と結合される。
【０００７】
図２は、電子構成部品およびフォトニック構成部品を両方とも有する基板を作成するプロセスを説明する流れ図である。フォトニック構成部品は９００〜１１００℃までの高温を必要とするので、フォトニック側を最初に処理する（ボックス１０２）。標準的な半導体プロセスは約２３０℃までの温度で行われ、これを超えると例えばポリイミドを含む絶縁およびパッシベーション層が損傷を受けることがあることに留意されたい。
【０００８】
フォトニック構成部品の処理は、図７Ａ〜７Ｃおよび図８Ａ〜８Ｅに関連してさらに詳細に述べる導波路を作成することを含む。フォトニック構成部品を処理したあとで、電子相互接続を基板上に形成する（ボックス１０４）。電子構成部品は、はんだおよびフリップ・チップ（Ｃ４）のはんだバンプによって基板に取り付けられる。
【０００９】
図３は、基板１０に取り付けられ、フォトニック信号６０を供給するために利用される、垂直共振器面発光レーザ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）５０などの光源を示す図である。ＶＣＳＥＬ５０は、垂直な円錐形の光を生成する。一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、フリップ・チップ（Ｃ４）技術により、はんだバンプを用いて基板の一方の面に取り付けられる。ＶＣＳＥＬ５０は、基板の反対側にある導波路６４などのフォトニック構成部品にフォトニック信号６０を基板を通して供給するように、リソグラフィによって基板上で整列させられる。
【００１０】
一実施形態では、角度付き表面６８を使用して、フォトニック信号を約９０°の角度で反射させることにより、ＶＣＳＥＬ５０からのフォトニック信号６０の向きを変えて導波路６４を通させる。この実施形態では、角度付き表面は、基板の表面に対して約４５°の角度をなし、導波路の一部である。導波路に角度付き表面を作成する方法については、図７Ａ〜７Ｃおよび図８Ａ〜８Ｅに関連して述べる。
【００１１】
「フォトニック・バイア」は、光源を、基板の反対側にあるフォトニック構成部品と結合するために利用される。一実施形態では、反応性イオン・エッチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：「ＲＩＥ」）を使用して、基板に孔を形成する。ＲＩＥでは、異方性垂直エッチングが可能である。最も簡単な実施形態は、空気で満たしたフォトニック・バイアで、光源をフォトニック構成部品に結合する。ただし、フォトニック・バイアは、ガラスや酸化物、重合体などの標準的な光学材料（ただしこれらに限定されない）で作成することもできる。
【００１２】
図４は、光ファイバを含むフォトニック・バイアを作成する方法を示す図である。一実施形態では、エッチングその他の方法で基板に孔を形成し（ボックス２０２）、次いで基板を加熱する（ボックス２０４）。温度によって孔が拡張した後で、光ファイバをこの孔に挿入する（ボックス２０６）。基板が冷めて室温に戻り、孔が収縮すると、光ファイバは適所にしっかりと保持される。一実施形態では、基板を約１５０〜２００℃まで加熱するが、この温度は基板の熱膨張係数によって決まり、また基板が冷めた後でどの程度良好に光ファイバを適所に保持するかによっても決まる。
【００１３】
図５は、図４に関連して述べたように基板２２２に挿入した光ファイバ２２０の断面を示す図である。光ファイバ２２０を基板に挿入した後で、光ファイバ２２０の端部を研磨して、良好な光学的結合をもたらすことができる。後述するように、レンズ２５０を付け加えることができる。
【００１４】
図６Ａ〜６Ｄは、堆積によってフォトニック・バイアを作成する実施形態を示す断面図である。図６Ａで、基板２３０に孔またはトレンチ２３２を形成する。前述のように、ＲＩＥを用いてこの孔を形成することができる。その後、図６Ｂに示すようにクラッド２３６を堆積させる。一実施形態では、クラッド材料は酸化物であり、これを化学気相成長（ＣＶＤ）を用いて基板全体にわたって均一に所定の厚さまで堆積させる。次いで、図６Ｃに示すように、クラッド材料より高い屈折率を有する光コア材料２４０を堆積させ、孔の残りの部分を埋める。一実施形態では、光コア材料は重合体であるが、酸化物を使用することもできる。研磨ステップを適用して、より良好な光学的結合をフォトニック・バイアに与える。研磨を行って、図６Ｄに示すように、基板表面からクラッドを除去することもできる。
【００１５】
さらに、図６Ａ〜６Ｄの技術を利用して、基板の両側の構成部品どうしを結合するだけでなく、そのうちの１つまたは両方を基板内部に配置することができるフォトニック構成部品を結合させることもできる。
【００１６】
図４、図５および図６Ａ〜６Ｃの光ファイバ・フォトニック・バイアおよび堆積フォトニック・バイアのさらなる改善は、レンズを形成して、さらに良好に光をフォトニック・バイア中に送ることことである。レンズを形成する１つの方法は、重合体をフォトニック・バイアの端部に塗布することである。図５および図６Ｄに示すように、重合体が硬化するときにレンズ２５０が形成される。レンズに使用する材料の量および硬化時間を変更することによって、様々な形状を作成することができる。
【００１７】
一実施形態では、約１５５０ｎｍの波長を有するＶＣＳＥＬなどの光源を使用して、シリコン基板を通してフォトニック信号を供給する。シリコンは約１５５０ｎｍの波長を有する光に対して透明であるので、物理的なバイアは不要である。この場合の「フォトニック・バイア」は、固体のシリコン基板をまっすぐに通っている。
【００１８】
図７Ａ〜７Ｃは、フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第１の実施形態を示す断面図である。図７Ａは、基板３００中のフォトニック・バイア３０２を示している。フォトニック・バイアは、前述の方法の１つで作成することができる。
【００１９】
図７Ｂは、基板３００上に堆積させたクラッド３１０の層を示している。一実施形態では、クラッドはＳｉＯ２であり、これは基板３００上で熱成長させ、その後エッチングしてフォトニック・バイア３０２の縁部とリソグラフィによって位置合わせしたものである。あるいは、クラッド３０１は、その他の堆積およびエッチング方法で形成することもできる。
【００２０】
図７Ｃは、クラッド３１０と基板３００の上に堆積させた光コア材料３３０の層を示している。一実施形態では、光コア材料３３０は、高密度プラズマ（ＨＤＰ）堆積で堆積させる。基板３００およびクラッド３１０の高さが異なることから、光コア材料３３０は、基板表面に対して約４５°の角度をなす角度付き表面３２０を形成している。一実施形態では、光コア材料３３０はガラスであるが、別法として重合体またはその他の材料とすることもできる。光コア材料３３０は、クラッド３１０と外気３４０の間の断面に入射する光を捉えることによって導波路も形成する。一実施形態では、角度付き表面および導波路の光コア材料は、フォトニック・バイアと同じ材料であるか、または同様の屈折率を有する。
【００２１】
図８Ａ〜８Ｅは、フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第２の実施形態を示す断面図である。図８Ａは、基板４００とその上に堆積させたクラッド４１０を示している。フォトニック・バイア４０２は、基板４００およびクラッド４１０を貫通する。図８Ｂは、クラッド４１０およびフォトニック・バイア４０２の上に堆積させた光コア材料４１２の層を示している。次いで、図８Ｃに示すように、光コア材料４１２の上にマスク４１４を堆積させる。一実施形態では、マスクは窒化ケイ素で構成されるが、その他の材料を使用することもできる。
【００２２】
図８Ｄは、エッチングを行い、光コア材料に角度付き表面４２０が形成された後の導波路を示す。一実施形態では、等方性ウェット・エッチングを用いるが、別法として等方性ドライ・エッチングを用いることもできる。その後、図８Ｅに示すように、別のエッチングを利用してマスクを除去することができる。マスク４１４が２つあるので、それぞれの角度付き表面を備えた２つの導波路が得られる。もちろん、マスク層を修正すれば、単一の導波路および単一の角度付き表面の作成も容易に行うことができる。
【００２３】
図３に関連して述べたように、図７Ａ〜７Ｃおよび図８Ａ〜８Ｅの角度付き表面は、フォトニック信号の向きを変えてフォトニック・バイアから導波路中に送ることができる。リソグラフィによって光源と導波路とを整列させると、手作業で位置合わせを行う場合に比べて大幅に時間が節約され、効率が改善される。
【００２４】
したがって、共有基板上にあり、かつこの基板を通して連絡した電子構成部品およびフォトニック構成部品を有するデバイスを開示する。ただし、本明細書に記載した具体的な実施形態および方法は、単なる例示的なものである。頭記の特許請求の範囲に記載する本発明の範囲を逸脱することなく、多数の修正を形態および細部について行うことができる。本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
電子構成部品およびフォトニック構成部品を両方とも備えた基板を示す図である。
【図２】
電子構成部品およびフォトニック構成部品を両方とも備えた基板を作成するプロセスを示す流れ図である。
【図３】
基板に取り付けられ、フォトニック信号を供給するために利用される、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの光源を示す図である。
【図４】
光ファイバを含むフォトニック・バイアを作成する方法を示す図である。
【図５】
図４に関連して述べたように基板中に挿入された光ファイバの断面図である。
【図６】
堆積によってフォトニック・バイアを作成する実施形態を示す断面図である。
【図７】
フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第１の実施形態を示す断面図である。
【図８Ａ】
フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第２の実施形態を示す断面図である。
【図８Ｂ】
フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第２の実施形態を示す断面図である。
【図８Ｃ】
フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第２の実施形態を示す断面図である。
【図８Ｄ】
フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第２の実施形態を示す断面図である。
【図８Ｅ】
フォトニック信号の向きを変えるための角度付き表面を有する導波路を作成する第２の実施形態を示す断面図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【国際公開パンフレット】
2005501269.tif 000015
2005501269.tif 000016
2005501269.tif 000017
2005501269.tif 000018
2005501269.tif 000019
2005501269.tif 000020
2005501269.tif 000021
2005501269.tif 000022
2005501269.tif 000023
2005501269.tif 000024
2005501269.tif 000025
2005501269.tif 000026
2005501269.tif 000027
2005501269.tif 000028
2005501269.tif 000029
2005501269.tif 000030
2005501269.tif 000031
2005501269.tif 000032
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005501269.tif 000033
【国際調査報告】
2005501269.tif 000034
2005501269.tif 000035
2005501269.tif 000036