(57)【要約】【課題】光素子の基板への表面活性化接合において、光素子の湾曲を防止して高性能な光モジュール及び光モジュールの製造方法を提供する。【解決手段】光素子である波長変換素子２０がシリコン基板１０に搭載された光モジュールにおいて、シリコン基板１０はＡｕからなるマイクロバンプ構造の接合部４１を有し、  波長変換素子２０は接合部４１に表面活性化接合技術で接合され、接合部４１のマイクロバンプ構造は、波長変換素子２０の両端部付近Ａ１に位置するマイクロバンプ４６と、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２に位置するマイクロバンプ４６とは、単位面積あたりのバンプ面積が異なる構成とした。これにより、波長変換素子２０の湾曲を防止して、光学的結合が確実で、伝送損失が少ない高性能な光モジュールを実現できる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光素子が基板に搭載された光モジュールにおいて、
前記基板は金属材料からなるマイクロバンプ構造の接合部を有し、
前記光素子は前記接合部に表面活性化接合技術で接合され、
前記接合部のマイクロバンプは、前記光素子の両端部付近に位置する前記マイクロバンプと、前記光素子の中央部付近に位置する前記マイクロバンプとは、
単位面積あたりのバンプ面積が異なることを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記光素子の両端部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプピッチが狭く、前記光素子の中央部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプピッチが広いことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記光素子の両端部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプ径が大きく、前記光素子の中央部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプ径が小さいことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
光素子が基板に搭載された光モジュールの製造方法において、
前記基板に金属材料からなるマイクロバンプ構造の接合部を形成する接合部形成工程と、
前記光素子を前記接合部に表面活性化接合技術によって接合する光素子接合工程と、
を備え、
前記接合部形成工程は、前記光素子の両端部付近に位置する前記マイクロバンプと、前記光素子の中央部付近に位置する前記マイクロバンプとは、単位面積あたりのバンプ面積が異なるように前記接合部を形成することを特徴とする光モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記接合部形成工程は、前記光素子の両端部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプピッチが狭く、前記光素子の中央部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプピッチが広い前記接合部を形成することを特徴とする請求項４に記載の光モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記接合部形成工程は、前記光素子の両端部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプ径が大きく、前記光素子の中央部付近に位置する前記マイクロバンプのバンプ径が小さい前記接合部を形成することを特徴とする請求項４に記載の光モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子を基板に搭載する光モジュール及び光モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
青色、緑色などの短波長レーザ光源は、レーザ・プロジェクタや高密度光記憶装置などの分野で幅広く開発が進められている。この短波長レーザ光源は、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ
Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第二高調波発生）と呼ばれる方式があり、半導体レーザが発振する基本波の赤外光を二次高調波に変換する波長変換素子によって、青色または緑色などのレーザ光を出力するものである。
【０００３】
このＳＨＧ方式の短波長レーザ光源として、シリコン基板上にレーザ素子と波長変換素子をマイクロバンプによる表面活性化接合技術で接合する光デバイスの提案がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
［従来のＳＨＧ方式による短波長レーザ光源の構成と動作の説明：図１］
以下、特許文献１による従来のＳＨＧ方式による短波長レーザ光源の構成の一例を図１を用いて説明する。図１は特許文献１の短波長レーザ光源である光モジュールを模式的に示した外観斜視図であり、図１において、光モジュール１は、板状のシリコン基板１０と、このシリコン基板１０上に搭載された光素子としてのレーザ素子３と、このレーザ素子３と光学的に結合するシリコン基板１０上に搭載された光素子としての波長変換素子２０によって構成される。
【０００５】
レーザ素子３は、赤外光などを出射するチップタイプの半導体レーザであり、波長変換素子２０は、薄い長板形状であり、内部に光導波路３０（破線で示す）を有している。この光導波路３０は、一例として強誘電体単結晶材料であるＬＮ（ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ３）を主成分としてＭｇＯを添加しており、波長変換素子２０の略中心の長手方向に沿って形成される。
【０００６】
次に従来のＳＨＧ方式による短波長レーザ光源の動作の概要を説明する。図１において、レーザ素子３はシリコン基板１０から図示しない手段によって駆動電流の供給を受けると、基本波である赤外光Ｌ１を出射する。波長変換素子２０は、レーザ素子３からの赤外光Ｌ１を光導波路３０に入射し、光導波路３０で高調波に変換して緑色光、または青色光のレーザ光Ｌ２を光導波路３０の反対側の出射口から出射する。光導光路３０から出射されたレーザ光Ｌ２は、図示しない光ファイバ等によって外部の光学系に伝達される。
【０００７】
ここで、レーザ素子３と波長変換素子２０の位置関係が高精度に調整されていないと、光学的結合が不十分となって、レーザ素子３からの赤外光Ｌ１を波長変換素子２０の光導波路３０に効率よく入射できなくなるので、レーザ素子３と波長変換素子２０の位置合わせが極めて重要である。また、波長変換素子２０は薄い長板形状であるので、シリコン基板１０に搭載する際に不要な応力がかかると湾曲しやすい特性がある。波長変換素子２０が湾曲すると、内部の光導波路３０も湾曲し、入射した赤外光Ｌ１の伝送損失が増えて波長変換素子２０が十分に機能できない問題が生じるので、注意が必要である。
【０００８】
［従来のＳＨＧ方式による短波長レーザ光源の光素子搭載方法の説明：図２］
次に、従来の短波長レーザ光源における光素子の搭載方法の概要を図２の分解斜視図を用いて説明する。図２において、シリコン基板１０の表面には、レーザ素子３と波長変換
素子２０を搭載するための接合部４０、４１が形成されている。この接合部４０、４１は、Ａｕから成るマイクロバンプ構造である。
【０００９】
ここで、レーザ素子３の下面にはＡｕ膜（図示せず）が形成されており、レーザ素子３を接合部４０上の所定の位置に載せて加圧することで、レーザ素子３は表面活性化接合技術でシリコン基板１０に接合される。同様に、波長変換素子２０の下面にもＡｕ膜（図示せず）が形成されており、接合部４１上の所定の位置に載せて加圧することで、波長変換素子２０はシリコン基板１０に表面活性化接合技術で接合される。なお、接合部４１は光導波路３０の部分を避けて、２本の平行な細長いパターンとして形成される。
【００１０】
ここで、図１及び図２で示す短波長レーザ光源である光モジュール１は、従来例として提示しているが、この光モジュール１の外観的な基本構成は、本発明の光モジュールと同様であるので、後述する本発明の実施形態も、図１及び図２の光モジュール１を参照して説明する。これは本発明が、光素子を接合する接合部のマイクロバンプ構造に関することであり、光モジュールとしての基本構成は、従来例と同様であるからである。
【００１１】
［従来の短波長レーザ光源の表面活性化接合の説明：図３（ａ）］
次に、従来の短波長レーザ光源における表面活性化接合の概要を図３（ａ）を用いて説明する。図３（ａ）は、前述した図１の光モジュール１を切断線Ａ−Ａ´によって切断したシリコン基板１０と波長変換素子２０の断面図である。図３（ａ）において、シリコン基板１０の表面には、接合部４１が形成され、接合部４１の表面には、所定の径のマイクロバンプ４５が所定のピッチで多数形成されている。また、波長変換素子２０の下面には、Ａｕ膜２１が形成されている。
【００１２】
ここで接合の前に、シリコン基板１０の接合部４１と波長変換素子２０の接合面のＡｕ膜２１は、アルゴンプラズマにより洗浄され、それぞれの表面を活性化させる。そして、波長変換素子２０を図示しない加圧ツールで吸着し、シリコン基板１０の接合部４１上に載せて、加熱せずに常温で荷重Ｋを加えると、接合部４１のマイクロバンプ４５と波長変換素子２０の下面のＡｕ膜２１が接触し、マイクロバンプ４５がわずかにつぶれて、波長変換素子２０は表面活性化接合によって接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−２４２４３６号公報（８頁、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
［従来の表面活性化接合による湾曲問題：図３（ｂ）］
しかし、図３（ａ）によって説明した従来の表面活性化接合では、図３（ｂ）に示すように、波長変換素子２０を接合のために均一に荷重しても、波長変換素子２０の中央部付近よりも両端部付近の方が強い荷重が加わり、中央部付近のマイクロバンプ４５のつぶれ量は少なく、両端部付近のマイクロバンプのつぶれ量が多くなる。
【００１５】
これは、中央部のバンプは周囲にもバンプが存在するが、両端部のバンプはそれより外側にはバンプが存在せず、単位面積あたりのバンプの数が中央部に比べて両端部のほうが少ないので、バンプ１個あたりに加わる荷重が両端部になるほど大きくなるからと考えられる。これにより、波長変換素子２０はシリコン基板１０に対して、中央部付近が盛り上がって湾曲した状態で接合される。
【００１６】
このように、波長変換素子２０が湾曲した状態で接合すると、レーザ素子３に対する波
長変換素子２０の位置（特に高さ）にばらつきが生じて、レーザ素子３と波長変換素子２０との光学的結合が正常になされず、光損失が増大する問題がある。また、波長変換素子２０が湾曲すると、内部の光導波路３０も湾曲し、レーザ素子３からの赤外光Ｌ１（図１参照）が入射しても、光導波路３０内部での伝送損失が増えて波長変換素子２０が十分に機能できない問題が生じる。このような接合時による光素子の湾曲は、特に波長変換素子２０のように、細く長い部品を接合する場合に顕著に現れるので大きな問題であった。
【００１７】
［従来の表面活性化接合による剥離問題：図４］
また、図４（ａ）に示すように、波長変換素子２０がシリコン基板１０に対して、中央部付近が盛り上がって湾曲した状態で接合されると、波長変換素子２０は荷重が解放されたのち、波長変換素子２０の湾曲した両端部付近で元に戻ろうとする力ｋ１が発生する。この元に戻ろうとする力ｋ１によって、波長変換素子２０の両端部付近の接合強度が低下する。
【００１８】
また、図４（ｂ）に示すように、接合強度が低下した波長変換素子２０の両端部付近は、最悪の場合、剥離状態になることが想定される（破線の楕円で示す）。このように、波長変換素子２０の両端部付近の接合強度が低下し、また、剥離した場合は、レーザ素子３と波長変換素子２０との光学的結合に問題が生じるだけでなく、光モジュールとしての信頼性が大きく損なわれることになる。
【００１９】
本発明の目的は上記課題を解決し、光素子の基板への表面活性化接合において、光素子の湾曲を防止して高性能な光モジュール及び光モジュールの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の光モジュール及び光モジュールの製造方法は、下記記載の構成と方法を採用する。
【００２１】
本発明の光モジュールは、光素子が基板に搭載された光モジュールにおいて、基板は金属材料からなるマイクロバンプ構造の接合部を有し、光素子は接合部に表面活性化接合技術で接合され、接合部のマイクロバンプは、光素子の両端部付近に位置するマイクロバンプと、光素子の中央部付近に位置するマイクロバンプとは、単位面積あたりのバンプ面積が異なることを特徴とする。
【００２２】
また、光素子の両端部付近に位置するマイクロバンプのバンプピッチが狭く、光素子の中央部付近に位置するマイクロバンプのバンプピッチが広くてもよい。
【００２３】
また、光素子の両端部付近に位置するマイクロバンプのバンプ径が大きく、光素子の中央部付近に位置するマイクロバンプのバンプ径が小さくてもよい。
【００２４】
本発明の光モジュールの製造方法は、光素子が基板に搭載された光モジュールの製造方法において、基板に金属材料からなるマイクロバンプ構造の接合部を形成する接合部形成工程と、光素子を接合部に表面活性化接合技術によって接合する光素子接合工程と、を備え、接合部形成工程は、光素子の両端部付近に位置するマイクロバンプと、光素子の中央部付近に位置するマイクロバンプとは、単位面積あたりのバンプ面積が異なるように接合部を形成することを特徴とする。
【００２５】
また、接合部形成工程は、光素子の両端部付近に位置するマイクロバンプのバンプピッチが狭く、光素子の中央部付近に位置するマイクロバンプのバンプピッチが広い接合部を形成してもよい。
【００２６】
また、接合部形成工程は、光素子の両端部付近に位置するマイクロバンプのバンプ径が大きく、光素子の中央部付近に位置するマイクロバンプのバンプ径が小さい接合部を形成してもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明により、光素子の両端部付近に位置する基板の接合部と、光素子の中央部付近に位置する基板の接合部とでは、表面活性化接合のためのマイクロバンプの単位面積あたりのバンプ面積が異なることによって、マイクロバンプのつぶれ量を均一にして、接合時における光素子の湾曲を減少させることが出来る。
【００２８】
また、光素子の両端部付近に位置する基板の接合部と、光素子の中央部付近に位置する基板の接合部とでは、表面活性化接合のためのマイクロバンプの単位面積あたりのバンプ面積が異なるように接合部を形成することによって、マイクロバンプのつぶれ量を均一にして、接合時における光素子の湾曲を減少させることが可能な製造方法を提供出来る。
【００２９】
また、加熱を必要としない表面活性化接合技術を用いて、光素子を基板に接合するので、熱ストレスによる部品の機能劣化が発生せず、また、マイクロバンプ構造によって熱膨張係数差による歪みの発生の防止など、多くの利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来及び本発明の実施形態の光モジュールの外観を示す斜視図である。
【図２】従来及び本発明の実施形態の光モジュールの分解斜視図である。
【図３】従来の光モジュールの表面活性化接合による波長変換素子の湾曲状態を説明する模式的な断面図である。
【図４】従来の光モジュールの表面活性化接合による波長変換素子の剥離状態を説明する模式的な断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の光モジュールの断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の光モジュールの接合部形成工程を説明する工程図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の光モジュールの接合部のマイクロバンプ構造を示す斜視図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の光モジュールの光素子接合工程を説明する説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の光モジュールの断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の光モジュールの接合部のマイクロバンプ配置を示す上面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の光モジュールの熱抵抗の演算に用いる熱伝導経路の簡易モデルを表す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［表面活性化接合技術について］
次に、本発明の実施形態を説明する前に、公知ではあるが本発明を理解する助けになるので、表面活性化接合技術の概略を説明する。表面活性化接合技術は、物質表面を覆っている酸化膜、塵（コンタミ）などの不活性層をプラズマ処理などで取り除いて活性化し、表面エネルギーの高い原子同士を接触させることで原子間の凝着力を利用して接合する技術である。但し、この技術でもフラットな接合面同士での接合では、加熱をある程度（１００〜１５０℃）かけないと接合ができない。本発明では、接合温度をより低くすべく、接合面の片側、すなわちシリコン基板の接合部に塑性変形しやすいＡｕの材質からなるマイクロバンプを形成することにより、常温での接合を可能としている。
【００３２】
ここで、表面活性化接合の原理を説明する。実在表面（接合部など）上には、酸化膜、コンタミが存在している。このため、プラズマ洗浄やイオンビームによるスパッタエッチングをおこない、接合部の表面を活性化させ、接合部が結合手を持った原子が露出している活性状態にする。これにより、接合の対象である、レーザ素子や波長変換素子の下面のＡｕ膜を接合部に接触させるだけで原子間接合させることができる。
【００３３】
この表面活性化接合によれば、無加熱接合であるため、下記の各利点を有する。
１．熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生しない。
２．部品に対する熱ストレスがなく部品の機能劣化が生じない。
３．無加熱および固相接合であるため、実装時の位置ずれが生じない。
４．他部品への熱影響が生じない。
５．原子の直接接合であるため、接合層の経時劣化が生じない。
【００３４】
以下図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
［各実施形態の特徴］
第１の実施形態の特徴は、光素子の両端部付近に位置する接合部と、光素子の中央部付近に位置する接合部とは、バンプピッチが異なるマイクロバンプ構造を有することである。また、第２の実施形態の特徴は、光素子の両端部付近に位置する接合部と、光素子の中央部付近に位置する接合部とは、バンプ径が異なるマイクロバンプ構造を有することである。
【実施例１】
【００３５】
［第１の実施形態の光モジュールの接合部の説明：図５］
第１の実施形態の光モジュールの接合部の構成を図５を用いて説明する。なお、第１の実施形態の光モジュールは、図１及び図２で前述した従来の光モジュール１と基本構成は同様であるので、第１の実施形態の光モジュールの全体構成は図１及び図２を参照とし、同一要素には同一番号を付して重複する説明は省略する。
【００３６】
図５は、図１の光モジュール１を切断線Ａ−Ａ´によって切断したシリコン基板１０と波長変換素子２０の断面図である。図５において、シリコン基板１０の表面には、接合部４１が形成され、接合部４１の表面には、所定の径のマイクロバンプ４６が多数形成されている。また、光素子としての波長変換素子２０の下面には、Ａｕ膜２１が形成されている。この波長変換素子２０が、シリコン基板１０の接合部４１上に置かれて所定の荷重で加圧されることで、波長変換素子２０の下面のＡｕ膜２１が接触し、マイクロバンプ４６がわずかにつぶれて、波長変換素子２０は表面活性化接合によって接合される。
【００３７】
ここで接合部４１のマイクロバンプ４６は、波長変換素子２０の両端部付近Ａ１に位置するマイクロバンプ４６と、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２に位置するマイクロバンプ４６では、バンプピッチが異なるように形成される。具体的には、波長変換素子２０の両端部付近Ａ１に位置するマイクロバンプ４６は、バンプピッチＰ１を狭く形成し、中央部付近Ａ２に位置するマイクロバンプ４６は、バンプピッチＰ２を広く形成する。すなわち、細長いパターンである接合部４１の長手方向の両端部付近Ａ１のバンプピッチを狭くして、中央部付近Ａ２のバンプピッチを広くするのである。なお、接合部４１の短手方向の両端のバンプピッチを狭くすることは、必ずしも必要ない。
【００３８】
このようにマイクロバンプ４６を形成することによって、表面活性化接合での荷重の印加において、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２よりも両端部付近Ａ１の方が強い荷重が加わったとしても、両端部付近Ａ１のマイクロバンプ４６はピッチが狭くて数が多いので、単位面積当たりのバンプの面積が大きくなり、マイクロバンプ４６は荷重に耐えてつぶ
れ過ぎることが無く、適切なつぶれ量となる。また、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２の荷重は、両端部付近Ａ１の荷重よりも小さいが、中央部付近Ａ２のマイクロバンプ４６はピッチが広くて数が少ないので、単位面積当たりのバンプの面積が小さくなり、荷重に対して適切なつぶれ量となる。
【００３９】
この結果、マイクロバンプ４６のつぶれ量を両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２で均一にできるので、表面活性化接合における波長変換素子２０の湾曲を防止出来る。これにより、レーザ素子３に対する位置合わせを高精度に実施できるので、レーザ素子３と波長変換素子２０との光学的結合を確実に行うことが出来る。また、波長変換素子２０の湾曲を防止できるので、光導波路３０内部での伝送損失を最小限に抑えて高性能な光モジュールを提供できる。また、波長変換素子２０の湾曲を防止できるので、両端部付近Ａ１での接合強度の低下や接合面の剥離を防止して信頼性の高い光モジュールを提供できる。なお、具体的な両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２のピッチ幅は、所定の荷重が印加されたときに、バンプが均一なつぶれ量になるように調整するとよい。
【００４０】
［第１の実施形態の光モジュールの接合部形成工程の説明：図６］
次に、第１の実施形態の光モジュールの接合部形成工程の一例を図６の工程図を用いて説明する。なお、図６は、前述の図２で示したシリコン基板１０を長手方向に切断した断面図であり、シリコン基板１０には、レーザ素子３が搭載されるレーザ素子搭載領域１１と、波長変換素子２０が搭載される波長変換素子搭載領域１２が設けられている。
【００４１】
図６（ａ）の工程において、ＣＭＯＳ−ＬＳＩの形成工程を経て平坦化されたシリコン基板１０の表面に、金属材料である金のＡｕ膜１３を形成する。
【００４２】
次に図６（ｂ）の工程において、前述のレーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２の部分に、Ａｕ膜１３を電極として残すためのレジスト膜１４を形成する。すなわち、この領域がシリコン基板１０上の接合部４０、４１となる。
【００４３】
次に図６（ｃ）の工程において、エッチングをおこない、レジスト膜１４で覆われていない領域のＡｕ膜１３を除去し、電極を形成する。これにより、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２にＡｕ膜１３が電極として形成される。
【００４４】
次に図６（ｄ）の工程において、レジスト膜１４を除去した後に、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２に形成されたＡｕ膜１３の電極の表面に、マイクロバンプ用のレジスト膜１５を形成する。このレジスト膜１５は、たとえば、平面で見て小さな略円形のドットが多数並んだパターンとして形成される。ここで、前述した波長変換素子２０の両端部付近Ａ１のマイクロバンプ４６のバンプピッチと、中央部付近Ａ２のマイクロバンプ４６のバンプピッチの違いは、このレジスト膜１５のパターンによって形成される。
【００４５】
次に図６（ｅ）の工程において、ハーフエッチングをおこない、レジスト膜１５のドット状の隙間のＡｕ膜１３に、所定の深さの溝１３ａを形成する。
【００４６】
次に図６（ｆ）の工程において、レジスト膜１５を除去する。これにより、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２のＡｕ膜１３の表面に、溝１３ａによるドット状に多数並んだマイクロバンプ４６が形成される。なお、各マイクロバンプ４６の隙間、すなわち、溝１３ａ（図６（ｅ）参照）の底にはＡｕ膜１３が残っており、これによって、各マイクロバンプ４６の下部がＡｕ膜１３でつながっているので、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２の全体が電極として導通可能な状態である。このようにマイクロバンプ４６が多数形成されたレーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１
２の二つの領域が、接合部４０、４１となる。
【００４７】
なお、第１のシリコン基板１０の表面に、マイクロバンプ以外の配線パターン等を形成する場合は、図６（ｂ）の工程で形成したレジスト膜１４を、形成する配線パターンに合わせてパターン化し、図６（ｃ）の工程でエッチングすることで、配線パターンなどを形成することが出来る。また、レーザ素子３を搭載する接合部４０のマイクロバンプ４６も、必要に応じて両端部と中央部でバンプピッチを変えてよい。
【００４８】
以上説明した接合部形成工程によれば、シリコン基板１０の表面に、Ａｕから成るマイクロバンプ構造を有する接合部、及び、配線パターン等を一括して効率的に製造することが出来る。なお、接合部４１のマイクロバンプ４６のピッチは、前述したように両端部と中央部で異なっているが、図６ではピッチの違いの記載は省略している。
【００４９】
［接合部のマイクロバンプ構造の説明：図７］
次に、接合部形成工程で形成された接合部４０、４１のマイクロバンプの構造を図７を用いて説明する。図７は接合部４１の一部を拡大した斜視図である。図７において、マイクロバンプ４６はＡｕで成る略円柱形状で、一例として直径８μｍ、高さ２μｍ程度で形成される。そして、各マイクロバンプ４６の隙間、すなわち、溝１３ａの底面は、前述したようにＡｕ膜１３が存在するので、各マイクロバンプ４６は、このＡｕ膜１３によって機械的電気的につながっており、一体化した電極として構成される。
【００５０】
また、各マイクロバンプ４６のバンプピッチは、図面上において、Ｘ軸方向をピッチＰｘとし、Ｙ軸方向をピッチＰｙとする。ここで、前述したように、波長変換素子２０の両端部付近Ａ１に位置する接合部４１のマイクロバンプ４６のピッチＰｘ、Ｐｙを所定の幅だけ狭くし、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２に位置する接合部４１のマイクロバンプ４６のピッチＰｘ、Ｐｙを所定の幅だけ広く形成することで、マイクロバンプ４６のつぶれ量を両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２で均一にできる。
【００５１】
なお、両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２のピッチＰｘ、Ｐｙは、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方のピッチを変えても良いし、一方の軸だけのピッチを変えても良い。たとえば、波長変換素子２０の長手方向をＸ軸方向とするならば、Ｘ軸方向のピッチＰｘのみを両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２で変えても良い。
【００５２】
［光モジュールの光素子接合工程の説明：図８］
次に、第１の実施形態の光素子であるレーザ素子と波長変換素子とを、前述の表面活性化接合技術により搭載する接合工程を図８を用いて説明する。図８は、シリコン基板にレーザ素子と波長変換素子とを搭載する接合工程を説明する光モジュール１の側面図である。
【００５３】
図８（ａ）において、シリコン基板１０上には、接合部４０、４１が形成され、これらの接合部４０、４１には、前述した接合部形成工程によってマイクロバンプ４６が多数形成されている。この状態で前述した表面活性化接合により、レーザ素子３と波長変換素子２０を接合させるが、接合の前にシリコン基板１０の接合部４０、４１、および光素子のレーザ素子３、波長変換素子２０の接合面の電極は、アルゴンプラズマにより洗浄し、それぞれの表面を活性化させる。なお、レーザ素子３の下面の接合面には、電極としてＡｕ膜３ａが形成されており、また、波長変換素子２０の下面の接合面には、同じくＡｕ膜２１が形成されている。
【００５４】
次に、図８（ｂ）において、シリコン基板１０の接合部４０にはレーザ素子３のＡｕ膜３ａを位置させ、接合部４１には波長変換素子２０の下面のＡｕ膜２１を位置させ、互い
に接触して所定の荷重Ｋを加圧することによって常温状態での表面活性化接合を実施する。このとき、レーザ素子３と波長変換素子２０が確実に光学的結合するように、図示しない手段によってレーザ素子３を発光させ、波長変換素子２０の光導波路３０の出射口３０ｂからレーザ光Ｌ２をセンサー（図示せず）で検出しながら、荷重Ｋを調整して精密な位置合わせを行いつつ表面活性化接合を実施して光モジュール１を完成する。
【００５５】
ここで、波長変換素子２０を接合する接合部４１は、前述したように、波長変換素子２０の両端部付近に位置するマイクロバンプ４６はバンプピッチが狭く、中央部付近に位置するマイクロバンプ４６はバンプピッチが広く形成されているので、マイクロバンプ４６のつぶれ量が均一になって、接合時の波長変換素子２０の平坦度を保つことが出来る。これにより、レーザ素子３と波長変換素子２０間の調芯を精密に合わせることができるので、レーザ素子３と波長変換素子２０との光学的結合を確実に合わせ込むことが出来る。また、波長変換素子２０の湾曲を防止できるので、光導波路３０内部での伝送損失を最小限に抑えると共に、接合面の剥離を防ぎ、高性能で信頼性に優れた光モジュールを提供できる。
【実施例２】
【００５６】
［第２の実施形態の光モジュールの接合部の説明：図９］
次に、第２の実施形態の光モジュールの接合部の構成を図９を用いて説明する。なお、第２の実施形態の光モジュールは、図１及び図２で前述した従来の光モジュール１と基本構成は同様であるので、第２の実施形態の光モジュールの構成は図１及び図２を参照とし、同一要素には同一番号を付し重複する説明は省略する。
【００５７】
図９は、前述の図１の光モジュール１を切断線Ａ−Ａ´によって切断したシリコン基板１０と波長変換素子２０の断面図である。図９において、シリコン基板１０の表面には、接合部４１が形成され、接合部４１の表面には、マイクロバンプ４７が多数形成されている。また、波長変換素子２０の下面には、Ａｕ膜２１が形成されている。この波長変換素子２０が、シリコン基板１０の接合部４１上に置かれて所定の荷重で加圧されることで、波長変換素子２０の下面のＡｕ膜２１が接触し、マイクロバンプ４７がわずかにつぶれて、波長変換素子２０は表面活性化接合によって接合される。
【００５８】
ここで接合部４１のマイクロバンプ４７は、波長変換素子２０の両端部の両端部付近Ａ１に位置するマイクロバンプ４７と、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２に位置するマイクロバンプ４７では、バンプ径が異なるように形成される。具体的には、波長変換素子２０の両端部付近Ａ１に位置するマイクロバンプ４７は、バンプ径Ｄ１を大きく形成し、中央部付近Ａ２に位置するマイクロバンプ４７は、バンプ径Ｄ２を小さく形成する。
【００５９】
このようにマイクロバンプ４７を形成することによって、表面活性化接合での荷重の印加において、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２よりも両端部付近Ａ１の方が強い荷重が加わったとしても、両端部付近Ａ１のマイクロバンプ４７はバンプ径が大きいので、単位面積当たりのバンプの面積が大きくなり、マイクロバンプ４７は荷重に耐えて適切なつぶれ量となる。また、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２の荷重は、両端部付近Ａ１の荷重よりも小さいが、中央部付近Ａ２のマイクロバンプ４７はバンプ径が小さいので、単位面積当たりのバンプの面積が小さくなり、荷重に対して適切なつぶれ量となる。
【００６０】
この結果、マイクロバンプ４７のつぶれ量を両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２で均一にできるので、接合時における波長変換素子２０の湾曲を減少させることが出来る。これにより、第１の実施形態と同様な効果が得られて、高性能な光モジュールを提供できる。
【００６１】
また、第１の実施形態ではバンプピッチを変え、第２の実施形態ではバンプ径を変えて
いるが、バンプピッチとバンプ径の両方を変えてもよい。すなわち、波長変換素子２０の両端部付近Ａ１に位置するマイクロバンプ４７は、バンプピッチを狭くすると共にバンプ径を大きく形成し、波長変換素子２０の中央部付近Ａ２に位置するマイクロバンプ４７は、バンプピッチを広げると共にバンプ径を小さく形成してもよい。これにより、両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２のマイクロバンプのつぶれ量を更にきめ細かく調整して、波長変換素子２０の平坦度を向上できる。
【００６２】
また、第１及び第２の実施形態において、バンプピッチは狭く又は広くの２段階、バンプ径は大きく又は小さくの２段階を例として示したが、バンプ構造の違いは２段階以上でもよい。たとえば、両端部付近Ａ１と中央部付近Ａ２の間の領域に、第１の実施形態であれば中程度のバンプピッチを形成し、第２の実施形態であれば、中程度のバンプ径を形成しても良い。このように、多段階にバンプ構造を変えることでマイクロバンプのつぶれ量をきめ細かく調整して、波長変換素子２０の平坦度を向上できる。
【００６３】
以上のように、本発明は、光素子を表面活性化接合するための接合部のマイクロバンプのバンプピッチまたはバンプ径を、接合する光素子の両端部付近と中央部付近で異ならせることにより、バンプのつぶれ量を均一にして光素子が湾曲することを防ぎ、光学的結合が確実で、伝送損失を最小限に抑えた高性能な光モジュールを提供することが出来る。とくに、波長変換素子のように、光素子が薄く細長い形状である場合、本発明は極めて大きな効果を発揮することが出来る。
【実施例３】
【００６４】
［第３の実施形態の光モジュールの接合部の説明：図１０］
次に、第３の実施形態の光モジュールの接合部の構成を図１０を用いて説明する。なお、第３の実施形態の光モジュールは、図１及び図２で前述した従来の光モジュール１と基本構成は同様であるので、第３の実施形態の光モジュールの構成は図１及び図２を参照とし、同一要素には同一番号を付し重複する説明は省略する。
【００６５】
図１０は、前述の図２の光モジュール１のシリコン基板１０を上面からみた図であり、特に波長変換素子２０とレーザ素子３が実装される付近を表わしている。シリコン基板１０の表面には、接合部４１が形成され、接合部４１の表面には、マイクロバンプ４８（以下、単にバンプと表記する場合もある）が多数形成されており、波長変換素子２０と表面活性化接合により接合される。同様にして、接合部４０にはレーザ素子３が接合される。
【００６６】
ここで接合部４１のバンプ４８は、接合する波長変換素子２０の短手方向に対し、中央の導波路３０付近と外側端部とでは、バンプ径が異なるように形成して配置されている。具体的には、波長変換素子２０の導波路３０に沿って配置するものはバンプ径を小さくし、導波路３０から離れるにしたがってバンプ径を大きくしていき、短手方向端部に沿って並んだバンプ４８はバンプ径が最も大きくなっている。
【００６７】
いま、レーザ素子３から、バンプ４８を介して波長変換素子２０に伝わる熱伝導を考えてみる。レーザ素子３を熱源とし、これにより波長変換素子２０の導波路３０にどのような温度変化をもたらすかを考察する。
簡易モデルとして、熱源はレーザ素子３の中央付近とし、導波路３０のどこか１点に対してバンプ４８を通る熱伝導経路を決め、その熱抵抗を算出して従来の構成との比較を行う。
比較較のための従来のモデルとしては、バンプ４８の面積はいずれも同じであり、接合部４１内にほぼ均等に配置されているものとする。これに対し、本実施例では、バンプ４８の面積が導波路３０からの距離に応じて異なっており、導波路３０までの垂線方向の距離が長くなるほどバンプ４８の面積が大きくなるようにしている。
なお、波長変換素子２０のシリコン基板１０への接合強度および接合バランスが変わらないようにするため、バンプ４８の各面積の合計および配置している中心位置は、従来のモデルと同じとした。
【００６８】
ここで、本実施例のバンプ４８は、波長変換素子２０と接合した際に、導波路３０に近い位置にあるものをバンプ４８ａ、遠い位置にあるものをバンプ４８ｃ、バンプ４８ａとバンプ４８ｃの間の距離に位置するバンプを４８ｂとした。
また、波長変換素子２０の長手方向に沿って並ぶバンプ同士はいずれも同径であるとして、ここでは、バンプ４８ａ、４８ｂ、４８ｃの中から、導波路３０の所定の１点から導波路３０に垂直な線上にある各バンプ径の１つずつに対して演算を行なった。
また、上記バンプの面積Ｓ、およびレーザ素子３から各バンプを介して導波路３０までの熱伝導経路長Ｌとして、バンプ４８ａについてはそれぞれＳａおよびＬａ、バンプ４８ｂについてはそれぞれＳｂおよびＬｂ、バンプ４８ｃについてはそれぞれＳｃおよびＬｃ、とした。
【００６９】
図１１は、本実施例の構成により演算する簡易モデルについて、上述の条件をまとめて図示したものである。
シリコン基板１０において、レーザ素子３の接合領域の中央付近Ａを熱源とし、導波路３０の所定の１点Ｂまで、Ｂから導波路３０に垂直方向に並んだ４８ａ、４８ｂ、４８ｃの各径のバンプそれぞれ１つずつを経由する熱伝導経路Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを定める。
ここで、バンプ４８ａ、４８ｂ、４８ｃのそれぞれのバンプ径をＤａ、Ｄｂ、Ｄｃとすると、Ｄａ＜Ｄｂ＜Ｄｃの関係が成り立ち、各熱伝導経路長Ｌの長短関係は、Ｌａ＜Ｌｂ＜Ｌｃとなっている。
ちなみに、従来の構成では、各バンプ径はいずれも同じ（Ｄａ＝Ｄｂ＝Ｄｃ）であるが、各熱伝導経路長Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃは、本実施例と同様に、上記長短関係が成り立っている。
【００７０】
これらの条件で熱抵抗を算出するとともに、従来構成の場合と比較してみる。
まず、バンプ４８ａを介するレーザ素子３から導波路３０までの熱抵抗Ｒａは、次式で与えられる。
【００７１】
Ｒａ＝（１／λ）・（Ｌａ／Ｓａ）            …（１）
【００７２】
ここで、λは熱伝導率、Ｓａは熱伝導経路の断面積である。
同様にして、バンプ４８ｂ、４８ｃを介する経路の熱抵抗Ｒｂ、Ｒｃは、それぞれ次式で与えられる。
【００７３】
Ｒｂ＝（１／λ）・（Ｌｂ／Ｓｂ）            …（２）
Ｒｃ＝（１／λ）・（Ｌｃ／Ｓｃ）            …（３）
【００７４】
一方、従来に構成における熱抵抗は、各バンプ径Ｄが同じであるため熱伝導経路の断面積をＳとすると、次のように与えられる。
【００７５】
ｒａ＝（１／λ）・（Ｌａ／Ｓ）              …（４）
ｒｂ＝（１／λ）・（Ｌｂ／Ｓ）              …（５）
ｒｃ＝（１／λ）・（Ｌｃ／Ｓ）              …（６）
【００７６】
次に、本実施例の構成と、従来の構成とで、熱抵抗にどのような差があるかを見るために式を変形する。
ここで、単純化のために、以下のような置き換えを行なう。
【００７７】
Ｓｂ＝Ｓ                      …（７）
Ｓａ＝Ｓ−α                  …（８）
Ｓｃ＝Ｓ＋α                  …（９）
【００７８】
上記式（７）は、バンプ径Ｄｂが、従来の構成のバンプ径Ｄと同サイズであると仮定して、バンプ４８ｂを通る熱伝導経路の断面積Ｓｂを従来の構成における熱伝導経路の断面積Ｓに置き換えたものである。
また、上記式（８）は、バンプ径Ｄａが、バンプ径Ｄｂよりαだけ小さいものとし、式（９）は、バンプ径Ｄｃが、バンプ径Ｄｂよりαだけ大きいと仮定して表したものである。
なお、バンプ形状が略円形であることから、バンプ面積はバンプ径の２乗に比例している。また、熱伝導経路の断面積はほぼバンプ径に比例するものとして、従来の構成に対する熱抵抗の大小関係を得ることを主目的に、バンプ径の大小関係がそのまま熱伝導経路の断面積の大小関係にあてはまるものと仮定した。
【００７９】
さて、上記式（１）〜（３）で与えられたバンプ４８ａ、４８ｂ、４８ｃを介した熱抵抗の合計Ｒは以下の式より求まる。
【００８０】
Ｒ＝１／（１／Ｒａ＋１／Ｒｂ＋１／Ｒｃ）      …（１０）
【００８１】
上記式（１０）に式（１）〜（３）を代入し、式（７）〜（９）で置き換えを行なうことにより、次の式が得られる。
Ｒ＝Ａ（１／（Ｂ＋Ｃ））                      …（１１）
【００８２】
ここで、Ａ、ＢおよびＣは以下のように置いた。
【００８３】
Ａ＝ＬａＬｂＬｃ／λ                          …（１２）
Ｂ＝ＳＬｂＬｃ＋ＳＬａＬｃ＋ＳＬａＬｂ        …（１３）
Ｃ＝αＬｂ（−Ｌｃ＋Ｌａ）                    …（１４）
【００８４】
同様にして、従来の構成の熱抵抗の合計ｒは、以下のようになる。
【００８５】
ｒ＝１／（１／ｒａ＋１／ｒｂ＋１／ｒｃ）      …（１５）
【００８６】
上記式（１５）に式（４）〜（６）を代入し、ＡおよびＢを上記式（１２）および（１３）のようにおくと、次の式となる。
ｒ＝Ａ（１／Ｂ）                              …（１６）
【００８７】
いま、各熱伝導経路長Ｌの長短関係が、Ｌａ＜Ｌｂ＜Ｌｃとなっていることから、上記式（１４）から、Ｃ＝αＬｂ（−Ｌｃ＋Ｌａ）<０となり、Ｃは負数であることがわかる。
よって、以下の関係が成り立つ。
【００８８】
Ａ（１／（Ｂ＋Ｃ））＞Ａ（１／Ｂ）            …（１７）
【００８９】
上記式（１７）の左辺はＲ、右辺はｒであるので、Ｒ＞ｒとなり、本実施例の構成による熱抵抗Ｒは、従来の構成の熱抵抗ｒよりも大きくなることがわかる。
つまり、従来の構成に比べて熱が流れにくくなっており、レーザ素子３の発熱による影響が、波長変換素子２０の導波路３０に届きにくくなっている。
このことは、導波路３０に近い中央付近のバンプ径が小さくなったことで、熱源であるレーザ素子３から導波路３０までの距離が短い熱伝導経路ほど細くなり、熱が伝わりにくくなっていることが定性的に理解できよう。
【００９０】
このように、波長変換素子２０の中央付近のバンプ径を小さく、外側端部付近のバンプ径を大きくすることで、全体としてのバンプの面積は変えずに接合強度を保ちつつ、従来に比べて熱抵抗が大きくなることから熱が伝わりにくくなり、レーザ素子３の発熱が、導波路３０に与える温度上昇の影響は小さくなるため、波長変換素子２０の温度特性が改善され波長変換効率が上がることから、長時間の連続動作でも高効率で安定した出力が得られる光源が実現する。
このことは、前述の実施例２で示した、加重印加時の湾曲を減少することと合わせ、波長変換素子２０の性能に影響を及ぼす外的要因を排除できるという優れた効果を生む構成であることを表わしている。
【００９１】
実施例３では、波長変換素子２０の外側端部付近でバンプ径を大きくしたが、単位面積あたりのバンプ面積が大きければ同様な効果を生じるので、波長変換素子２０の外側両端部でバンプピッチを狭くする構成でも構わない。
【００９２】
また、実施例３では、波長変換素子２０の長手方向に沿って並んだバンプ同士は、いずれも同じ径としたが、先の実施例のように、長手方向の両端部付近のバンプ径を大きくするか、またはバンプピッチを狭くするようにマイクロバンプを配置しても構わない。その場合は、本実施例の温度特性の改善という効果と、さらに先の実施例で記述したように、光素子の湾曲を減少させる効果を併せて得られることになる。
【００９３】
なお、本発明の実施形態で示した構成図や工程図等は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を満たすものであれば、任意に変更してよい。また、実施形態において、シリコン基板に搭載する光素子をレーザ素子と波長変換素子として説明したが、これに限定されず、搭載する光素子はどのような部品でも適応される。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明の光モジュールは、青色、緑色などの短波長レーザ光源として、レーザ・プロジェクタやレーザ光による照明装置、光ピンセットなどの様々な分野で幅広く利用することが出来る。
【符号の説明】
【００９５】
１  光モジュール
３  レーザ素子
１０  シリコン基板
２０  波長変換素子
２１  Ａｕ膜
３０  光導波路
４０、４１  接合部
４６、４７  マイクロバンプ
Ｌ１  赤外光
Ｌ２  レーザ光
【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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