(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光素子の動作部の形成時に使用するマスクと同じマスクを用いて同一のプロセスでアライメント用のガイド部を形成し、該光素子の表面に光素子側電極を形成する光素子製作工程と、
基板の光学部材搭載部の形成時に使用するマスクと同じマスクを用いて同一のプロセスでエッチングマークを形成し、前記光素子が該基板に対する接合位置に配置された際に前記光素子側電極と該基板とが非接触であるような形状に溝部を形成し、該溝部の表面に基板側電極を形成し、該基板側電極の上部にハンダを載置する基板製作工程と、
前記光素子のガイド部を前記基板の前記エッチングマークが形成された表面部に当接し、前記光素子および前記基板の接合面方向の位置合わせを行い、前記光素子側電極および前記基板側電極を前記ハンダにより接合する組み立て工程とを備えた光モジュール作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信システムにおいて光の送信・受信に用いられる光モジュールおよび当該光モジュールの構成要素としての光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１６は、例えば特開平１１−２６７８３号公報に記載された従来の光モジュールの構成を示す断面図である。図１６において、１０１は光ファイバ、１０２は光ファイバの斜めに形成された先端部で全反射された光を受光して光電変換を実施する受光素子、１０３は光ファイバの先端部と突き当てて位置決めするための段差ストッパ、１０４は光ファイバ押えである。また、図１７は、上記従来の光モジュールのシリコン基板を示す平面図である。図１７において、１０５はシリコン基板、１０６は光ファイバを固定するためのガイド溝、１０７はガイド溝１０６を中心にして対称に配置され、メタライズパターンの一部として形成される基板側アライメントパターン、１０８は最終工程において受光素子を固定するためのＡｕＳｎハンダである。また、図１８は上記光モジュールの受光素子を示す表面および裏面に係る平面図である。図１８において、表面側の１０９は電極、裏面側の１１０は信号光を入射させる光入射窓、１１１は受光面、１１２は受光面１１１を中心にして対称に配置され、メタライズパターンの一部として形成される受光素子側アライメントパターンである。
【０００３】
次に、シリコン基板への受光素子の接合動作について説明する。図１９は、シリコン基板に対して受光素子を接合するためのビジュアルアライメント実装システムの構成を示す図である。図１９において、１１３は受光素子１０２を保持してその位置調整を実施するためのアーム、１１４は下方から投射される赤外線、１１５は赤外線による撮像を実施するカメラ、１１６は所望の位置関係が得られた際に加熱してハンダを溶融させるためのヒータである。位置合わせ工程においては、アーム１１３を駆動して、受光素子１０２の位置を調整し、シリコン基板１０５のアライメントパターン１０７と受光素子１０２のアライメントパターン１１２の中心とが一致した時点でアームを固定するとともにヒータ１１６を加熱して、シリコン基板１０５上のＡｕＳｎハンダ１０８を溶融させて、シリコン基板１０５に対して受光素子１０２を接合する。なお、上記の従来技術においては、光素子として受光素子を取り上げたが、レーザダイオード（以下、ＬＤと称する）、光導波路等についても同様の位置合わせ方式を用いてのシリコン基板に対する接合が実施されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光モジュールは以上のように構成されているので、受光素子の受光面、ＬＤの発光点等として与えられる光素子の動作部とメタルマークとして与えられる光素子側アライメントパターンとは別個のマスクにより別プロセスで作成されるとともに、一方光ファイバ搭載用のガイド溝として与えられる基板側のＶ溝とメタルマークとして与えられる基板側アライメントパターンとも別個のマスクにより別プロセスで作成されるから、それぞれ別個のマスクにより別プロセスで作成することに起因して±数μｍ程度のズレが生じて、光素子、光ファイバ等を如何に精密に実装しても本来位置合わせを行うべき受光面や発光部等の動作部と光ファイバのコアとの間で位置ズレが生じるから、モジュール毎の結合効率にバラツキが生じて歩留まりが低下するという課題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、位置合わせ精度を高めて歩留まりを向上することができる光モジュール作製方法を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光モジュール作製方法は、光素子の動作部の形成時に使用するマスクと同じマスクを用いて同一のプロセスでアライメント用のガイド部を形成し、光素子の表面に光素子側電極を形成する光素子製作工程と、基板の光学部材搭載部の形成時に使用するマスクと同じマスクを用いて同一のプロセスでエッチングマークを形成し、光素子が基板に対する接合位置に配置された際に光素子側電極と基板とが非接触であるような形状に溝部を形成し、溝部の表面に基板側電極を形成し、基板側電極の上部にハンダを載置する基板製作工程と、光素子のガイド部を基板のエッチングマークが形成された表面部に当接し、光素子および基板の接合面方向の位置合わせを行い、光素子側電極および基板側電極をハンダにより接合する組み立て工程とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤを示す平面図である。図１において、１はＬＤ本体（光素子）、２はＬＤ上に設けられるアライメント用のメタルマーク、３は活性層（動作部）、４は電極（光素子側電極）である。図２は、この発明の実施の形態１による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す平面図である。図２において、５はＳｉ基板本体（基板）、６はＳｉ基板５に形成された光ファイバ搭載用のＶ溝（光学部材搭載部）、７はＳｉ基板５上にＶ溝６の形成に用いるマスクと同じマスクを用いたエッチングにより当該Ｖ溝６と同時に形成されるエッチングマーク、８は電極（基板側電極）、９はハンダである。なお、Ｖ溝６とエッチングマーク７とを同じマスクを用いたエッチング工程により同時形成するので、、Ｖ溝６の中心とエッチングマーク７の中心との間の距離について±０．２μｍ以下の精度を得ることができる。
【０００８】
また、図３は、赤外線を用いた光素子とＳｉ基板とのアライメントシステムの構成を示す図である。図３において、図１および図２と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。１１は赤外線を照射する赤外線光源、１２はハーフミラー、１３は赤外線についての撮像を実施する赤外線カメラ、１４は赤外線カメラ１３により撮像された画像を表示するモニタである。
【０００９】
次に、上記アライメントシステムを用いたＬＤとＳｉ基板との位置合わせについて説明する。図３に示されるように、赤外線光源１１から発せられた赤外線が、ハーフミラー１２によって反射されてＳｉ基板５の裏面から入射する。Ｓｉ基板５については、表面および裏面に反射防止用のコーティング層を形成して、透過率を高めておくのが好適である。次に、Ｓｉ基板５の裏面から入射してＳｉ基板５を透過した赤外線は、Ｓｉ基板５の表面から外部へ照射される。但し、Ｓｉ基板５の表面部においてエッチングマーク７が形成されている部分では、赤外線の反射および屈折が生じる。次に、Ｓｉ基板５の表面から発せられた赤外線は、ＬＤ１へと入射するが、メタルマーク２のある部分では反射される。この反射された赤外線は、ハーフミラー１２から直進してきた光路と同じ光路を逆方向に直進して、Ｓｉ基板５およびハーフミラー１２を透過して赤外線カメラ１３により検出され、モニタ１４上に明部として表示される。
【００１０】
図４は、上記の赤外線アライメントシステムにより撮像され表示された画像の一例を示す図である。図４において、符号Ａで示される部分（以下、エリアＡと称する）はメタルマーク２により赤外線が反射されている部分を示す。また、符号Ｂで示される部分（以下、エリアＢと称する）はエッチングマーク７により赤外線が反射および屈折されている部分を示し、メタルマーク２とエッチングマーク７とが重なる場合には、エリアＢはエリアＡのなかの暗部として表示される。したがって、エリアＡおよびエリアＢのそれぞれについて重心演算等の画像処理を実施することにより、ＬＤ１とＳｉ基板５との位置合わせが可能となる。ＬＤ１とＳｉ基板５との位置合わせが終了すると、ハンダが溶融する温度まで昇温して、ＬＤ１とＳｉ基板５とを接合する。図５は、このような工程に基づいて組み立てられた光モジュールの構成を示す図である。
【００１１】
以上のように、この実施の形態１によれば、アライメント用のメタルマークが設けられた光素子１と、光ファイバ搭載用のＶ溝６の形成に用いるマスクと同じマスクを用いたエッチング工程で形成されるエッチングマークが設けられたＳｉ基板５とを備えるように構成したので、Ｓｉ基板５に形成されたＶ溝６とエッチングマークとの間の位置ズレを±０．２μｍ程度まで低減することができるから、赤外線を用いたメタルマークとエッチングマークとの位置合わせに基づく接合により作製される光モジュールについて、Ｓｉ基板５に形成されたＶ溝６に搭載される光学部材とＬＤ１の動作部である活性層３の中心との間の位置ズレを低減することができて、光モジュール毎の結合効率のバラツキを抑えて歩留まりを向上することができるという効果を奏する。
【００１２】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤを示す断面図である。図６において、２１はＬＤ本体（光素子）、２２は化合物半導体を結晶成長させることで形成された活性層（動作部）、２３は活性層２２の形成に用いるマスクと同じマスクを用いたプロセスで当該活性層２２と同時に形成されたアライメント用のガイド部、２４は電極（光素子側電極）、２５はガイド部２３の上面等に成膜により形成される認識用メタル、２５ａは認識用メタル２５においてガイド部２３のエッジにより位置決めを行うために形成された斜面部（認識部）である。図７は、この発明の実施の形態２による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤを示す平面図である。図７において、図６と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。また、図８は、この発明の実施の形態２による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す平面図である。図８において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。２６はＳｉ基板（基板）５上にＶ溝（光学部材搭載部）６の形成に用いるマスクと同じマスクを用いたエッチング工程によりＶ溝６と同時に形成されるエッチングマークであり、このエッチングマーク２６については複数個設けることが望まれるが、実施の形態２では４つのエッチングマーク２６を設けることとする。なお、図６および図７に示されるＬＤは、Electronics Letters Vol.31 No.9(1995) P.730に示される構造を基本とする。
【００１３】
上記のようにＬＤを構成することで、、発光点としての活性層２２とガイド部２３とは同じマスクを用いて同時形成されるから、活性層２２の中心とガイド部２３のエッジとの間の距離について±０．２μｍ以下の精度を得ることができる。また、斜面部２５ａはガイド部２３のエッジにより位置決めされるので、活性層２２の中心と斜面部２５ａとの間の距離についても同様の精度を得ることが可能となる。
【００１４】
次に、ＬＤとＳｉ基板との位置合わせについて説明する。この位置合わせにおいて使用される赤外線アライメントシステムは図３に示されたシステムと同一であるので、その説明を省略する。Ｓｉ基板５に設けられた電極８、ＬＤ２１に設けられた電極２４および認識用メタル２５については、反射された赤外線が赤外線カメラ１３により検出されて、モニタ１４上で明部として表示される。但し、認識用メタル２５の斜面部２５ａに入射した赤外線は、屈折および反射して赤外線カメラ１３には検出されない。また、実施の形態１と同様に、エッチングマーク２６に入射した赤外線も赤外線カメラ１３には検出されない。
【００１５】
図９は、この発明の実施の形態２によるＬＤおよびＳｉ基板に係る位置合わせにおいて赤外線アライメントシステムにより撮像され表示された画像の一例を示す図である。モニタ１４により暗部として表示される部分は、ハッチングを用いて表現している。上述したように、斜面部２５ａの帯状のエリアおよびエッチングマーク２６の四辺形のエリアが暗部として表示されるとともに、電極２４と認識用メタル２５との間のメタルが形成されていない符号２７で示される帯状のエリアも暗部として表示される。
【００１６】
図９に示されるような画像を得て位置合わせする際には、左右方向を位置合わせするために、各エッチングマーク２６の中心と斜面部２５ａとの間の距離が所定の距離となるように調整する。また、光軸方向を位置合わせするために、各エッチングマーク２６の中心とＬＤ２１の前端面または後端面との間の距離が所定の距離となるように調整する。
【００１７】
また、光軸方向に並んだエッチングマーク２６を連結する直線と斜面部２５ａとのなす角θについては、画像処理を実施して所望の角度に調整することができる。あるいは、図９に示されるように、Ｓｉ基板５上に４個形成された各々のエッチングマーク２６から斜面部２５ａまでのそれぞれの距離を設定しておいて、当該設定値に基づいて調整を実施することによる所望の角度に調整することも可能である。そして、上記の位置合わせ工程等が終了すると、ハンダが溶融する温度まで昇温して、ＬＤとＳｉ基板とを接合する。図５は、このような工程に基づいて組み立てられた光モジュールの構成を示す図である。
【００１８】
以上のように、この実施の形態２によれば、活性層２２等の動作部の形成に用いるマスクと同じマスクを用いたプロセスで動作部と同時に形成されるアライメント用のガイド部２３およびガイド部２３により位置決めされる認識部として与えられる斜面部２５ａが設けられたＬＤと、光ファイバ搭載用のＶ溝６の形成に用いるマスクと同じマスクを用いたエッチング工程でＶ溝６と同時に形成されるエッチングマーク２６が設けられたＳｉ基板５とを備えるように構成したので、実施の形態１と同等の効果が得られるとともに、ＬＤ２１に設けられた発光点としての活性層２２と斜面部２５ａとの間の位置ズレを±０．２μｍ程度まで低減することができるから、赤外線を用いたエッチングマーク２６と斜面部２５ａとの位置合わせに基づく接合により作製される光モジュールについて、Ｓｉ基板５に形成されたＶ溝６に搭載される光学部材とＬＤ２１の動作部である活性層２２の中心との間の位置ズレを低減することができて、光モジュール毎の結合効率のバラツキを抑えて歩留まりを向上することができるという効果を奏する。
【００１９】
なお、上記の実施の形態では、活性層２２と同じマスクにより同一のプロセスで形成されるガイド部２３のエッジにより認識用メタル２５の斜面部２５ａを位置決めして認識部として与える構造としているが、ガイド部２３のエッジにより認識用メタル２５の平坦部を位置決めして認識部として与える構造とすることも可能である。
【００２０】
また、図１０は、この発明の実施の形態２による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤの変形例を示す断面図である。また、図１１は、当該変形例を示す平面図である。この変形例によるＬＤは、認識用メタル２５が設けられていない点で図６等に示されたＬＤと相違する。
【００２１】
ガイド部２３も認識用メタル２５と比較すると僅かではあるが赤外線を反射する。したがって、赤外線カメラによる画像認識はやや困難となるが、照射する赤外線の光量およびカメラの設定等を調整することで、ガイド部２３による反射光のなかの暗部として表示されるエッチングマーク２６を認識することができ、Ｓｉ基板とＬＤとの位置合わせが可能となる。また、認識用メタル形成に係るメタル成膜プロセスを省くことができるから、ＬＤチップ作製プロセスを簡略化できるとともに、部品コストを低減することが可能となる。
【００２２】
実施の形態３．
図１２は、この発明の実施の形態３による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す平面図である。また、図１３は、この発明の実施の形態３による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す断面図である。図１２および図１３において、図８と同一符号は同一または相当部分を示すのでその説明を省略する。３１は基板５においてＶ溝６の延びる方向に所定の間隔を有するように形成された溝部、３２は溝部３１内に設けられた電極（基板側電極）、３３は電極３２上に載置されたハンダである。なお、溝部３１については、Ｓｉ基板５に対して図６に示されるＬＤ２１を接合位置に配置した際に、ＬＤ２１の電極（光素子側電極）２４とＳｉ基板５とが接触することがないような幅および深さを有するような形状に形成されるものとする。
【００２３】
図１４は、この発明の実施の形態３による光モジュールの構成を示す断面図である。Ｓｉ基板５に対してＬＤ２１を接合する際には、図１４に示されるようにＳｉ基板５においてエッチングマーク２６が形成された表面部にＬＤ２１の認識用メタル２５を当接させた後に、ハンダが溶融する温度まで昇温してＬＤ２１の電極２４とＳｉ基板５の電極３２とを、溶融したのち固着するハンダ３３により接合する。ＬＤ２１に形成された認識用メタル２５の厚みは１μｍ程度であり、厚み公差としては±２０％程度であるから、Ｓｉ基板５に対するＬＤ２１の位置合わせに係る垂直方向の位置ズレは約±０．２μｍということになる。なお、この実施の形態においても、上記の工程に基づいて組み立てられた光モジュールの態様は図５に示すようなものとなる。
【００２４】
以上のように、この実施の形態３によれば、実施の形態２と同等の効果が得られるとともに、Ｓｉ基板５において、電極３２およびハンダ３３を収容し、ＬＤ２１が接合位置に配置された際にＬＤ２１の電極２４とＳｉ基板５とが接触しないとともに認識用メタル２５がエッチングマーク２６の形成されたＳｉ基板５の表面部に当接するように形成された溝部３１を備えるように構成したので、溶融したのちに固着してＳｉ基板５の電極３２とＬＤ２１の電極２４とを接合するハンダ３３の接合状態での厚みの変動に起因する垂直方向の位置ズレを防止することができて、垂直方向の位置ズレをメタルの厚み公差に基づく±０．２μｍ程度に低減することができるから、光モジュール毎の結合効率のバラツキを抑えて歩留まりを向上することができるという効果を奏する。
【００２５】
実施の形態４．
図１５は、この発明の実施の形態４による光モジュールの構成を示す断面図である。この実施の形態４による光モジュールは、ＬＤ２１に認識用メタル２５が設けられていない点で、実施の形態３による光モジュールと相違する。すなわち、実施の形態３では実施の形態２による光モジュールのＬＤを使用するのに対して、実施の形態４では実施の形態２の変形例に係る光モジュールのＬＤを使用する。
【００２６】
図１５に示されるように、ＬＤ２１が接合位置に配置された際には、ガイド部２３がエッチングマーク２６の形成されたＳｉ基板５の表面部に当接する。したがって、実施の形態３と比較すると、認識用メタル２５がないのに応じて、垂直方向の位置ズレを大幅に低減することができる。
【００２７】
以上のように、この実施の形態４によれば、実施の形態２に係る変形例と同等の効果が得られるとともに、Ｓｉ基板５において、電極３２およびハンダ３３を収容し、ＬＤ２１が接合位置に配置された際にＬＤ２１の電極２４とＳｉ基板５とが接触しないとともにガイド部２３がエッチングマーク２６の形成されたＳｉ基板５の表面部に当接するように形成された溝部３１を備えるように構成したので、溶融したのちに固着してＳｉ基板５の電極３２とＬＤ２１の電極２４とを接合するハンダ３３の接合状態での厚みの変動に起因する垂直方向の位置ズレを防止することができて、垂直方向の位置ズレを大幅に低減することができるから、光モジュール毎の結合効率のバラツキを抑えて歩留まりを向上することができるという効果を奏する。
【００２８】
なお、上記の実施の形態１から実施の形態４による光モジュールにおいては、光素子としてＬＤを例に挙げて説明したが、本願発明はこのような態様に限定されるものではなく、例えば導波路型ＰＤ（フォトダイオード）、光導波路等の他の光素子とＳｉ基板とを有して構成される光モジュールに対しても本願発明を適用することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ガイド部による赤外線の反射光のなかの暗部として表示されるエッチングマークを認識することができるので、基板と光素子との位置合わせが可能になるという効果を奏する。また、光素子においてエッチングマーク認識用のメタル部形成に係るメタル成膜プロセスを省くこともでき、その場合には光素子作製プロセスを簡略化するとともに部品コストを低減することが可能になるという効果をも奏する。
溶融したのちに固着して基板側電極と光素子側電極とを接合するハンダの接合状態での厚みの変動に起因する垂直方向の位置ズレを防止することができるとともに、認識用メタルがないことからその厚み公差も０とすることができるので、垂直方向の位置ズレを大幅に低減することができるから、光モジュール毎の結合効率のバラツキを抑えて歩留まりを向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】  この発明の実施の形態１による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤを示す平面図である。
【図２】  この発明の実施の形態１による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す平面図である。
【図３】  赤外線を用いた光素子とＳｉ基板とのアライメントシステムの構成を示す図である。
【図４】  赤外線アライメントシステムにより撮像され表示された画像の一例を示す図である。
【図５】  組み立てられた光モジュールの構成を示す図である。
【図６】  この発明の実施の形態２による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤを示す断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態２による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤを示す平面図である。
【図８】  この発明の実施の形態２による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す平面図である。
【図９】  この発明の実施の形態２によるＬＤとＳｉ基板との位置合わせにおいて赤外線アライメントシステムにより撮像され表示された画像の一例を示す図である。
【図１０】  この発明の実施の形態２による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤの変形例を示す断面図である。
【図１１】  この発明の実施の形態２による光モジュールを構成する光素子としてのＬＤの変形例を示す平面図である。
【図１２】  この発明の実施の形態３による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す平面図である。
【図１３】  この発明の実施の形態３による光モジュールを構成するＳｉ基板を示す断面図である。
【図１４】  この発明の実施の形態３による光モジュールの構成を示す断面図である。
【図１５】  この発明の実施の形態４による光モジュールの構成を示す断面図である。
【図１６】  従来の光モジュールの構成を示す断面図である。
【図１７】  従来の光モジュールを構成するシリコン基板を示す平面図である。
【図１８】  従来の光モジュールを構成する受光素子を示す平面図である。
【図１９】  ビジュアルアライメント実装システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，２１  ＬＤ（光素子）、２  メタルマーク、３，２２  活性層（動作部）、４，２４  電極（光素子側電極）、５  Ｓｉ基板（基板）、６  Ｖ溝（光学部材搭載部）、７，２６  エッチングマーク、８，３２  電極（基板側電極）、９，３３  ハンダ、１１  赤外線光源、１２  ハーフミラー、１３  赤外線カメラ、１４  モニタ、２３  ガイド部、２５  認識用メタル、２５ａ  斜面部（認識部）、２７  帯状エリア、３１  溝部。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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