(57)【要約】光エレクトロニクスモジュール（１）は、光ファイバ（４）を受動的に位置決めするための形につくられた溝（３）を有するセラミックウエハボード（２）を備える。セラミックウエハボード（２）は、光コンポーネントを受動的に位置決めするための形につくられた位置合せ要素を備える。光デバイス（８）が位置合せ要素に接し、よって光デバイス（８）が位置決めされて、セラミックウエハボード（２）に確実に固定される。光ファイバ（４）の末端が光デバイス（８）に隣接して位置決めされ、よって光ファイバ（４）を光デバイス（８）に光結合するように、光ファイバ（４）が溝（３）内で位置決めされる。光エレクトロニクスモジュール（１）は、セラミックウエハボード（２）に確実に固定された集積回路チップ（１１）及び、セラミックウエハボード（２）上に配されて集積回路チップ（１１）を光デバイス（８）に電気的に接続する導電材料も備える。
2005508518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エレクトロニクスモジュールにおいて、
光ファイバを受動的に位置決めするための形につくられた溝を有するセラミックウエハボードであって、光デバイスを受動的に位置決めするための形につくられた位置合せ要素を備えるセラミックウエハボード、
前記位置合せ要素に接して前記セラミックウエハボードに確実に固定され、これにより前記光デバイスが位置決めされる光デバイス、
前記溝内で位置決めされた光ファイバであって、該光ファイバの末端は前記光デバイスに隣接して位置決めされ、よって前記光ファイバが前記光デバイスに光結合されているものである光ファイバ、
前記セラミックウエハボードに確実に固定された集積回路チップ、及び
前記セラミックウエハボード上に配され、前記集積回路チップを前記光デバイスに電気的に接続する導電材料、
を備えることを特徴とする光エレクトロニクスモジュール。
【請求項２】
前記溝が、Ｖ字型断面を形成する、実質的に平坦な側壁を有することを特徴とする請求項１に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項３】
前記位置合せ要素が台座を含むことを特徴とする請求項２に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項４】
前記光デバイスがレーザを含むことを特徴とする請求項１に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項５】
前記光デバイスが光受信器を含むことを特徴とする請求項１に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項６】
前記光デバイスがレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項７】
前記セラミックウエハボードがＬＴＣＣセラミック材からつくられていることを特徴とする請求項１に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項８】
前記集積回路がＧａＡｓ集積回路を含み、
前記ＧａＡｓ集積回路に接続されたシリコン集積回路を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項９】
前記セラミックウエハボードの厚さが約０.２５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の光エレクトロニクスモジュール。
【請求項１０】
セラミックウエハボードの作成方法において、
少なくとも１つの受動位置合せ構造をもつ表面を有するシリコンウエハボードを提供する工程、
前記シリコンウエハボードから金型を作成する工程であって、前記金型の一部が前記位置合せ構造を再現するための形につくられる工程、
未焼結セラミック材料を前記金型と嵌め合せる工程であって、前記未焼結セラミック材料の一部が前記シリコンウエハボードの前記位置合せ構造と実質的に同じ形状を有するものである工程、及び
セラミックウエハボードを形成するために前記セラミック材料を焼結する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権主張】
【０００１】
本出願は２００１年１１月２日に出願された米国特許出願第１０/０１５９１４号の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、光コンポーネント、光エレクトロニクスコンポーネント及び／または電子コンポーネントの集積化に利用できるウエハボードに関する。
【背景技術】
【０００３】
「シリコンウエハボード技術（ＳＷＴ）」は光エレクトロニクスコンポーネント、電子コンポーネント及び光コンポーネントのハイブリッド型集積化のための「シリコン光学ベンチ（ＳｉＯＢ）」として広く用いられている。ＳＷＴにおいては、受信器モジュールまたは送信器モジュールのようなユニットにおいてレーザまたは検出器の活性領域を光ファイバのコアに受動的に位置合せするために、シリコンチップの表面上につくられた機械的位置合せ要素または目視位置合せマークが用いられている。
【０００４】
ＳＷＴは、低コストの光ファイバ製品及び光エレクトロニクス製品を作成するための、レーザアレイ、検出器アレイ、レーザ駆動回路及び単一モード光ファイバを含む、光エレクトロニクスデバイスのハイブリッド型集積化である。現在、ＳＷＴには目視受動位置合せ法及び機械的受動位置合せ法がある。いずれの技術においても、単一モード光ファイバの位置を精確に定めるために、シリコンウエハにエッチングされたＶ溝が用いられる。目視位置合せ法（例えば非特許文献１を参照されたい）では、受動位置合せを達成するため、レーザダイオード（ＬＤ）の底面及びウエハボードのシリコン表面にパターン付けされた２つの位置合せマークが用いられる。機械的受動位置合せ法では、受動位置合せを達成するため、ＬＤのボンディング側及びシリコン基板の表面につくられた機械的位置合せ要素が用いられる（例えば非特許文献２を参照されたい）。
【０００５】
一般に、受動位置合せでは能動位置合せに比較してプロセスコストが低減される。能動位置合せでは集成中にデバイスを作動させる必要があり、これは実施が困難であり、費用がかかることになり得る。
【０００６】
しかし、現在のＳＷＴには様々な欠点が生じ得る。おこり得る問題の一つは、Ｖ溝のエッチングに関する。シリコンのＶ溝構造は光ファイバの配置に広く用いられている。光ファイバの位置決め精度はシリコン基板上に形成されたＶ溝構造で決定される。これらのＶ溝は、ＫＯＨ溶液などのエッチング剤を用いる、Ｓｉの異方性エッチングにより作成される。シリコンのそのようなエッチング中の異方性エッチング剤における{１１１}面の侵食速度は他の結晶面よりかなり遅い。（１００）シリコンウエハの[１１０]結晶方位に沿うマスク法で形成された開口が異方性エッチング剤でエッチングされると、あるエッチング時間後にＶ字型の溝または平底Ｖ溝が形成されるであろう。Ｖ溝の傾斜側面はエッチング速度が最も遅い{１１１}結晶面である。一般に、（１００）面と（１１１）面の間のエッチング速度の比は、エッチング条件に依存して４０〜２００の範囲にある。単一モード光ファイバの受動位置合せへの適用に対し、レーザダイオードチップと光ファイバの間の総位置決め誤差は１μｍないしさらに小さい範囲内に制御される。Ｖ溝の水平方向位置（ｘ,ｙ）はフォトリソグラフィで通常定められ、Ｖ溝構造がシリコン基板の[１１０]結晶方位に沿って形成される場合、位置合せ精度はサブミクロンに達し得る。Ｖ溝内のファイバの垂直方向位置はＶ溝の幅で決定される。したがって、単一モードファイバへの適用に対してはＶ溝開口の[１１０]結晶方位に沿う位置合せ及びＶ溝幅の制御が極めて重要である。
【０００７】
精度が重要であるが、[１１０]結晶方位に沿うＶ溝開口の正確な位置合せは困難であろう。既知のプロセスでつくられるシリコンウエハにはウエハの方位及び正フラット方位にある程度の偏差がある。（１００）結晶面に沿ってスライスされた単結晶の方位精度は±０.５°〜１.０°である。[１１０]結晶方位に沿って切り入れられた正フラットの精度は±０.５°〜１.０°である。Ｖ溝開口の位置合せずれは、Ｖ溝の中心軸のシフト及びＶ溝の過剰なアンダカットを生じさせることになろう。{１１０}結晶方位に沿っていない正フラットにより生じる問題は予備位置合せ法によってある程度解決できるが、ウエハ方位の偏差により生じる問題を解決する方法は現在知られていない。したがって、Ｖ溝エッチングプロセスは現在、それぞれのウエハが個別仕様でエッチングされて測定される、そのようなウエハの量産の可能性が乏しい、マニュアルモードに限定されている。
【０００８】
既存のＳＷＴに関わる別の潜在的問題はシリコンウエハボードの高周波動作中におこり得る。高まり続ける光エレクトロニクスモジュールの帯域幅及びデータスループットに対する要求のため、モジュールの動作周波数は、ＯＣ１９２モジュールの１０Ｇｂ/秒及びＯＣ７６８モジュールの４０Ｇｂ/秒のように、高まり続けている。しかし、シリコンはマイクロ波伝送に対して高損失の基板材料である。ＳｉＯＢにおいて得られているマイクロ波伝送損失の最適化値は４０ＧＨｚで約-３ｄＢ/ｃｍである。ＳｉＯＢ上のコプレーナ導波路（ＣＰＷ）のインピーダンスは動作周波数によって変わり、これは界面順位の効果により生じる。ＣＰＷのインピーダンスは動作周波数による設計値に固定されず、よってマイクロ波信号の反射強度も変わることになろう。既存のＳＷＴ加工のプロセス作業周期は比較的長いため、付加的な問題が生じ得る。さらに、一般的なシリコンウエハボード製品の加工工程は極めて複雑である。加工には８〜９のマスク工程及び３９をこえる個別工程があり得る。シリコンウエハボードプロセスが複雑であることから、歩留まりが比較的低くなり、製造コストが比較的高くなる。
【非特許文献１】
ケイ・クラタ（K. Kurata）等，「受動位置合せを用いる表面実装型単一モードレーザモジュール（A Surface Mount Type Single-Mode Laser Module Using Passive Alignment）」，第４５回ＥＣＴＳ会議プロシーディング，１９９５年，ｐ.７５９
【非特許文献２】
シー・エイ・アルミエント（C. A. Armiento）等，「シリコンウエハボード上の送信器アレイのハイブリッド光エレクトロニクス集積化（Hybrid optoelectronic integration of transmitter arrays on silicon waferboard）」，ＳＰＩＥプロシーディング，米国マサチューセッツ州ボストン，１９９１年９月３〜４日，ｐ.１１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
歩留まりが比較的高く、製造コストが比較的低く、高周波動作時の損失が少ない、ウエハボードを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、機械的受動位置合せ要素を有するシリコンウエハボードを形成する工程を含む。次いでこのシリコンウエハボードから電気成形により金型がつくられる。生（未焼結）セラミックテープが金型内で成形され、次いで焼結されて、金型の作成に利用されたシリコンウエハボードと実質的に同じ機械的受動位置合せ要素を有するセラミックウエハボードが形成される。
【００１１】
本発明の別の態様は、光ファイバを受動的に位置決めするための形につくられた溝を有するセラミックウエハボードを備える光エレクトロニクスモジュールである。セラミックウエハボードには光コンポーネントを受動的に位置決めするための形につくられた位置合せ要素がある。光デバイスは位置合せ要素に接し、よって光デバイスが位置決めされてセラミックウエハボードに確実に固定される。光ファイバの末端が光デバイスに隣接して位置決めされ、よって光ファイバが光デバイスに光結合されるようにして、光ファイバが溝内で位置決めされる。光エレクトロニクスモジュールはセラミックウエハボードに確実に固定された集積回路チップも備え、導電材料がセラミックウエハボード上に配置されて、集積回路チップを光デバイスに電気的に接続する。
【００１２】
本発明の別の態様は、少なくとも１つの受動位置合せ構造をもつ表面を有するシリコンウエハボードを提供する工程を含む、セラミックウエハボードの作成方法である。金型の一部が位置合せ構造を再現するための形につくられるようにして、シリコンウエハボードから金型を作成する。未焼結セラミック材料の一部がシリコンウエハボードの位置合せ構造と実質的に同じである形状を有するようにして、未焼結セラミック材料を金型に嵌め合わせる。セラミック材料を焼結して、セラミックウエハボードを形成する。
【００１３】
本発明のまた別の態様は、少なくとも１つの受動位置合せ要素をもつ表面を有するシリコンウエハボードを提供する工程を含む、光モジュールの作成方法である。金型の一部が位置合せ要素を再現するための形につくられるようにして、シリコンウエハボードから金型を作成する。未焼結セラミック材料の一部がシリコンウエハボードの位置合せ要素と実質的に同じである形状を有するようにして、未焼結セラミック材料を金型に嵌め合わせる。セラミック材料を焼結してセラミックウエハボードを形成し、位置合せ要素を利用して光コンポーネントをセラミックウエハボードに確実に固定する。光ファイバもセラミックウエハボードに確実に固定する。
【００１４】
本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明に述べられ、当業者には説明から明らかであろうし、特許請求の範囲及び添付図面とともに以下の説明に述べられているように本発明を実施することにより認められるであろう。
【００１５】
上述の説明が本発明の例示に過ぎず、特許請求の範囲で定められる本発明の本質及び特徴の理解のための概要を提供することが目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な特徴及び実施形態を示し、図面に関する既述とともに、本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１を参照すれば、本発明の一態様にしたがう光エレクトロニクスモジュール１は、溝３内で光ファイバ４を受動的に位置決めするための形につくられた溝３を有するセラミックウエハボード２を備える。セラミックウエハボード２は、棒形レーザ８のような光コンポーネントをあらかじめ定められた合せ位置でファイバ４の末端に受動的に位置決めするための形につくられた、立柱５，前方台座６及び左台座７のような、１つまたはそれより多くの位置合せ要素を備える。棒形レーザすなわちレーザアレイ８は棒形レーザを左台座に対して受動的に位置決めするための位置合せノッチ９を備える。図示される例において、棒形レーザすなわちレーザアレイ８はセラミックウエハボード２に確実に固定される。しかし、受信器、送信器等のその他の様々な光コンポーネントもセラミックウエハボード２に確実に固定できることは当然である。集成時には、光ファイバ４の末端１０が棒形レーザ８に隣接して位置決めされ、よって光ファイバ４を棒形レーザ８に光結合するようにして、光ファイバ４が溝３内で位置決めされる。１つまたはそれより多くの集積回路チップをセラミックウエハボード２に確実に固定することができ、配線１２の形態の導電材料が集積回路チップ１１を棒形レーザ８に電気的に接続する。セラミックウエハボード２は、モジュールパッケージ本体、多チップモジュール（ＭＣＭ）基板、及びそれぞれが単体集積化パーツであるモジュールの全てのモジュールレベル連結体としてはたらくことができる点で、有利である。
【００１７】
セラミックウエハボード２は図２〜６に簡略に示されているようにして作成する。初めに、通常のシリコン加工技術を利用して母型シリコンウエハボード１５を作成する。例えば、垂直壁１７をもつ位置合せ台座５を形成するために、シリコン表面１６をＣｌ２ベースの化学剤を用いて反応性イオンエッチングすることができる。Ｖ溝３は、ＫＯＨ−アルコール溶液のような通常の手法を利用してエッチングする。金型２０及び金型２０からつくられるセラミックウエハボード２がセラミックウエハボード２に確実に固定される光コンポーネントに必要な位置合せを提供するのに十分な精度を確実にもつようにするのに必要な、正確な許容差を受動位置合せ構造が有するように、母型シリコンウエハボード１５を金型２０の作成に利用する。許容差はセラミックウエハボード２が利用される特定の用途に依存するが、一般にＶ溝３の寸法は±１μｍの範囲内に制御される。シリコンウエハボード１５の溝３，立柱５及び前方台座６のような様々な受動位置合せ構造を形成するための手法は技術上既知であるから、母型シリコンウエハボード１５の作成について本明細書でこれ以上の説明はしない。
【００１８】
次に図３を参照すれば、作成中に、既知の電気めっきプロセスにより導電金属材料を母型シリコンウエハボード１５上に形成する。そのような電気めっきプロセス時には、ニッケル、銅、亜鉛等のような導電金属シード層を初めに堆積し、次いで別の導電金属材料をシード層上に堆積する。様々な導電金属を利用することができるが、導電金属２１はニッケル材であることが好ましい。電気めっきプロセスの完了後、機械力を用いて金型２０をシリコンウエハボード１５から分離する。金型２０にはＶ溝３に対応する嶺２２がある（図４）。金型２０には、シリコンウエハボード１５の形状に依存して、立柱５または台座７に対応する凹所２３もある（図４）。
【００１９】
次に図５を参照すれば、金型２０を未焼結セラミックテープ２４に押し当てる。セラミックテープ２４は、米国デラウエア州ウィルミントン（Wilmington）のデュポン・コーポレーション（Dupont Corporation）から入手できる低温共焼成セラミック材であることが好ましい。セラミックテープ２４は厚さが約０.２５ｍｍ（０．０１０インチ厚）のデュポン・グリーンテープ（商標）セラミックであることが好ましい。この材料は９５１ ＧＴ ＬＴＣＣまたはＬＴＣＣセラミックであることが好ましい。セラミックテープ２４のＬＴＣＣ材は、高周波においてさえ、他の基板材料に比較して電気損失が非常に小さい。さらに、９５１ ＧＴ ＬＴＣＣ材の熱膨張係数はＧａＡｓ材の熱膨張係数とほとんど同じであり、したがって、熱膨張係数が同じでなければＧａＡｓコンポーネントとセラミックウエハボード２の間で熱膨張特性が異なることにより生じ得る応力が軽減される。さらに、セラミックテープ２４は収縮がゼロになるかまたはゼロに近くなるプロセスで焼結できる。セラミックテープ２４に対する焼成Ｘ，Ｙ収縮許容差は０.０１％である。したがって、本発明の手法により、高精度の受動位置合せ構造を有するセラミックウエハボード２が提供される。さらに、セラミック材の電気損失は、高周波においてさえ、シリコンに比較して非常に小さい。
【００２０】
図１を参照すれば、セラミックウエハボード２の焼結後、集積回路チップ１１と棒形レーザ８またはその他の光デバイスを電気的に相互接続するために、既知のマスク法を用いて導電材料の配線１２を形成することができる。棒形レーザ８をセラミックウエハボード２に確実に固定するために鑞材層２５を利用する。光コンポーネントとファイバを受動的に位置合せして確実に固定するための様々な手法及び装置は技術上既知であるから、光エレクトロモジュール１の集成のそのような態様を本明細書で詳細に説明することはしない。
【００２１】
セラミックウエハボード２は比較的高率で作成することができ、光ファイバ及びコンポーネントに実装のための非常に高精度の受動位置合せ構造を提供する。さらに、セラミック材により、高周波においてその他の材料にともなう損失が軽減される。
【００２２】
添付される特許請求の範囲に定められる本発明の精神または範囲を逸脱することなく本明細書に説明される本発明の好ましい実施形態に様々な改変がなされ得ることが、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一態様にしたがうセラミックウエハボードを備える光エレクトロニクスモジュールを示す、ある程度簡略化した、透視分解組立図である
【図２】受動位置合せ構造を有するシリコンウエハボードの簡略な正面図である
【図３】金型の電気成形を示す簡略な側面図である
【図４】金型の簡略な正面図である
【図５】未焼結セラミックテープの成形工程を示す簡略な正面図である
【図６】焼結後のセラミックウエハボードの簡略な正面図である
【符号の説明】
【００２４】
１    光エレクトロニクスモジュール
２    セラミックウエハボード
３    溝
４    光ファイバ
８    光デバイス
１１    集積回路チップ
１２    配線
１５    母型シリコンウエハボード
【国際公開パンフレット】
2005508518.tif 000003
2005508518.tif 000004
2005508518.tif 000005
2005508518.tif 000006
2005508518.tif 000007
2005508518.tif 000008
2005508518.tif 000009
2005508518.tif 000010
2005508518.tif 000011
2005508518.tif 000012
2005508518.tif 000013
2005508518.tif 000014
【国際調査報告】
2005508518.tif 000015