(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の上面の所定の部位に形態の異なる凹部を形成し、上面に異なる機能の素子が設けられ且つ前記凹部の形態と同形態で且つ互いに形態の異なる微小構造体を形成し、
（Ａ）微小構造体を流体に混入してスラリとし、
（Ｂ）前記スラリを、前記基体の上面で流動し、前記微小構造体を、対応する形態の凹部に嵌合する素子実装方法であって、
前記互いに形態の異なる微小構造体のうち形態の大きな順に前記（Ａ）工程及び前記（Ｂ）工程を行うことを特徴とする素子実装方法。
【請求項２】
前記異なる機能の素子は、互いに波長の異なる複数の発光素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の素子実装方法。
【請求項３】
前記異なる機能の素子は、互いに感受する波長の異なる複数の受光素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の素子実装方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、素子を基体（基板）に実装する素子実装方法とそれによって各素子が実装された光伝送装置に関し、例えばワンチップコンピュータのように、積層したＩＣチップ間での光インターコネクション装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの更なる高速化を図るため、ＣＰＵやＤＲＡＭ等のＩＣチップを積層し、チップ間のデータのやりとりを光信号で行うワンチップコンピュータが考えられている。このようなワンチップコンピュータの光インターコネクション装置は、例えば或るＩＣチップの発光素子と、他のＩＣチップの受光素子とが対向するようにして各ＩＣチップを積層すれば、一方の発光素子の発光を他のＩＣチップで直接的に受光することができる。従って、この光にデータを乗せれば、ＩＣチップ間でデータの伝送を高速に行うことができる。また、受光素子が設けられたＩＣチップを更に積層すれば、一つの発光素子の信号を複数の受光素子で受光することができる、つまり一つのＩＣチップのデータを同時に複数の他のＩＣチップに伝送することができるため、非常に高速な光バスを形成することもできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、チップ間で並列データ伝送を行うためには、光信号経路は、夫々独立している必要がある。しかし、ＩＣチップは非常に小さいので、複数の光信号経路の光が漏れて、所謂クロストークが生じる可能性が高い。これを防止するため、積層したＩＣチップ間に光導波路を形成することは非常に困難で、非現実的である。従って、チップ間並列データ伝送のためには、各光信号経路の信号形態、つまり光の波長を変える方法が有効である。
【０００４】
発光素子として挙げられる発光ダイオードや後述する面発光レーザ、受光素子として挙げられるフォトダイオード等は、何れも半導体基板上に形成されるが、同一基板内で光学特性を変え、しかも所定の部位にのみ、それらを製造することは不可能である。そのため、受発光素子は、ＩＣチップに直接実装する必要が生じる。
【０００５】
前記ＩＣチップに実装する発光素子としては、例えば出射口の口径が小さい垂直共振器型面発光レーザ等が挙げられる。この面発光レーザならば、ＩＣチップに実装する発光素子としても十分に小さいし、また垂直方向に発光することから、ＩＣチップ基板上に実装できれば、それだけで、積層された他のＩＣチップに対して発光することができる。また、フォトダイオードなどの受光素子も、ＩＣチップに実装する受光素子として十分に小さい。
【０００６】
しかしながら、このような小さな発光素子や受光素子をＩＣチップ等の基体に高集積に実装するのは困難である。しかも、積層されたＩＣチップ間に光バスを形成するためには、各ＩＣチップの所定の位置に受発光素子を正確に実装しなければならないが、これらの素子を、前述のように高密度に、しかも正確に実装するのは、より一層困難である。
【０００７】
本発明は前記諸問題を解決すべく開発されたものであり、例えば積層されたＩＣチップ間の光インターコネクション装置にも適用可能な光素子の実装方法及びそれによって実装された光伝送装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記諸問題を解決するため、本発明のうち請求項１に係る素子実装方法は、基体の上面の所定の部位に形態の異なる凹部を形成し、上面に異なる機能の素子が設けられ且つ前記凹部の形態と同形態で且つ互いに形態の異なる微小構造体を形成し、
（Ａ）微小構造体を流体に混入してスラリとし、
（Ｂ）前記スラリを、前記基体の上面で流動し、前記微小構造体を、対応する形態の凹部に嵌合する素子実装方法であって、
前記互いに形態の異なる微小構造体のうち形態の大きな順に前記（Ａ）工程及び前記（Ｂ）工程を行うことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のうち請求項２に係る素子実装方法は、前記請求項１の素子実装方法において、前記異なる機能の素子は、互いに波長の異なる複数の発光素子を含むことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明のうち請求項３に係る素子実装方法は、前記請求項１の素子実装方法において、前記異なる機能の素子は、互いに感受する波長の異なる複数の受光素子を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施形態の積層ＩＣチップ間の光インターコネクション装置の概略構成図であり、ここでは、ＣＰＵやＤＲＡＭ等のＩＣチップ（ＬＳＩ）１ａ〜１ｃを三層積層している。この実施形態では、図示する最下層のＩＣチップ１ｃの発光素子２ａの光を中層及び最上層のＩＣチップ１ｂ、１ａの受光素子３ａで受光し、最上層のＩＣチップ１ａの発光素子２ｂの光を中層及び最下層のＩＣチップ１ｂ、１ｃの受光素子３ｂで受光するように構成されている。そのため、一方の発光素子２ａは他方の発光素子２ｂと発光波長が異なり、また一方の受光素子３ｂは他方の受光素子３ｂと感受する受光波長帯域が異なる。なお、この実施形態では、各ＩＣチップ１ａ〜１ｃの基板（基体）４ａ〜４ｃ及び微小構造体７ａ〜８ｂをＳｉで作製した。そのため、各発光素子の光として１．０μｍ以上、好ましくは１．１μｍ以上の波長を選んでいる。Ｓｉは１．０μｍの波長に対して約１００ｃｍ-1と吸収係数が大きく、相応の損失がある。一方、波長が１．１μｍ以上では、吸収係数は１０ｃｍ-1以下と小さい。そこで、本実施形態では、各発光素子の光の波長を１．０μｍ以上、好ましくは１．１μｍ以上とした。この波長の光ならば、Ｓｉを容易に透過することができるため、対向する受発光素子間の光信号の伝達が良好にできる。勿論、後述する接着層２１も、この波長帯域の光に対して透明である。
【００１３】
前記各ＩＣチップ１ａ〜１ｃの各基板４ａ〜４ｃのうち、前記各発光素子２ａ、２ｂ及び受光素子３ａ、３ｂを実装すべき部位には、例えば図２に示すような凹部５ｂ（５ａ）、６ａ（６ｂ）が形成されている。図２は、このうち最上層のＩＣチップ１ａに形成されている凹部５ｂ、６ａを代表して示しているが、各凹部５ｂ、６ａは、上方形面より下方形面が小さく、且つ側面が台形状の凹部である。これらの凹部５ｂ、６ａは、Ｓｉを異方性エッチングすることによって、特に側面の傾きなど、極めて精度よく、形成することができる。なお、図２からも明らかなように、少なくとも同じ基板４ａ上の発光素子用凹部５ｂと受光素子用凹部６ａとは、大きさ等の形態が異なる。また、本実施形態では、図１に示すように、その他の凹部、例えば中層のＩＣチップ１ｂの基板４ｂの受光素子用凹部６ａ、６ｂ同士も、最下層のＩＣチップ１ｃの基板４ｃの受光素子用凹部６ｂと発光素子用凹部５ａとも大きさ等の形態が異なっている。つまり、例えば６ａや６ｂのように、同じ符号を付している凹部同士は大きさ等の形態が同じであるが、符号の異なる凹部同士は、互いに大きさ等の形態が異なる。換言すれば、同じ機能の素子が必要な部位の凹部は形態が同じであるが、異なる機能の素子用の凹部は形態が異なるのである。
【００１４】
図２には、前記発光素子２ｂ（２ａ）が上面に設けられた微小構造体７ｂ（７ａ）と、受光素子３ａ（３ｂ）が上面に設けられた微小構造体８ａ（８ｂ）も示している。微小構造体７ｂ（７ａ）、８ａ（８ｂ）はＳｉで構成される。各微小構造体７ｂ（７ａ）、８ａ（８ｂ）の形態は、何れも前記凹部５ｂ（５ａ）、６ａ（６ｂ）と同様に、上方形面より下方形面が小さく、側面が台形なブロック状である。但し、ここに示す前記他方の発光素子２ｂを実装する部位の発光素子用凹部５ｂと当該他方の発光素子２ｂが設けられている微小構造体７ｂとは同形態であり、前記一方の受光素子３ａを実装する部位の受光素子用凹部６ａと当該一方の受光素子３ａが設けられている微小構造体８ａとは同形態である。同様に、前記一方の発光素子２ａを実装する部位の発光素子用凹部５ａと当該一方の発光素子２ａが設けられている微小構造体７ａとは同形態であり、前記他方の受光素子３ｂを実装する部位の受光素子用凹部６ｂと当該他方の受光素子３ｂが設けられている微小構造体８ｂとは同形態である。即ち、夫々、機能の異なる素子が上面に設けられている微小構造体同士は互いに大きさ等の形態が異なるが、当該素子が実装されるべき部位の凹部とは同形態である。
【００１５】
前記二種類の発光素子２ａ、２ｂは、互いに発光波長の異なる面発光レーザによって構成される。また、前記二種類の受光素子３ａ、３ｂは、互いに感受する受光波長帯域の異なるフィルタ付きフォトダイオードで構成される。まず、面発光レーザからなる発光素子２ａ（２ｂ）が上面に設けられている微小構造体７ａ（７ｂ）の製造方法について説明する。ここでは、図３ａに示すように、面発光レーザ素子となるエピタキシャル層１１を、ｐコンタクト層１３を挟んで、Ｓｉ基板１２に貼付ける。エピタキシャル層１１の反対の面には、予めｎコンタクト層１４が設けられている。また、エピタキシャル層１１をＳｉ基板１２に貼付る技術としては、周知のＩｎＰ−Ｓｉ直接接合や、金属膜介装接合、半田接合、接着剤接合などが用いられる。
【００１６】
次に、図３ｂに示すように、前記エピタキシャル層１１にドライエッチングを施して、面発光レーザの発光部となる柱状部１５を形成する。次に、図３ｃに示すように、残っているエピタキシャル層１１にドライエッチングを施してコンタクトホール１６を形成し、共通電極として、前記ｐコンタクト層１３を露出する。次に、図３ｄに示すように、前記柱状部１５の周囲に、ポリイミドを埋め込んで、絶縁層１７を形成する。次に、図３ｅに示すように、前記ｎコンタクト層１４の上面にリング状上部電極１８を形成し、前記コンタクトホール１６内のｐコンタクト層１３の上面に下部電極１９を形成する。そして、最後に、図３ｆに示すように、前記Ｓｉ基板１２に異方性エッチングを施して、前述した微小構造体７ａ（７ｂ）を形成する。
【００１７】
また、前記受光素子３ａ、３ｂには、通常のフォトダイオード９の上下面に、通過する光の波長帯域が異なる多層膜コーティング１０ａ、１０ｂを施したものを用いる。即ち、例えばＳｉ基板と、多層膜コーティング１０ａ、１０ｂが施されたフォトダイオード９を接合し、当該多層膜コーティング１０ａ、１０ｂとフォトダイオード９をエッチング法などにより、所定の形状に成形した後、Ｓｉ基板に異方性エッチングを施して、前記微小構造体８ａ、８ｂを形成する。つまり、これらの多層膜コーティング１０ａ、１０ｂが通過する光の波長を規制するバンドパスフィルタをなし、全体で、特定の波長帯域の光だけを感受する受光素子３ａ、３ｂが構成される。ここでは、前記一方の受光素子３ａの多層膜コーティング１０ａは、前記一方の発光素子２ａの面発光レーザが発光する波長の光を透過するが、前記他方の発光素子２ｂの面発光レーザが発光する波長の光を遮断する特性を備えるように構成されている。それに対して、前記他方の受光素子３ｂの多層膜コーティング１０ｂは、前記他方の発光素子２ｂの面発光レーザが発光する波長の光を透過するが、前記一方の発光素子２ａの面発光レーザが発光する波長の光を遮断する特性を備えるように構成されている。
【００１８】
そして、例えばUnited States Patent 5904545に記載されるように、前記発光素子２ｂ（２ａ）が設けられた微小構造体７ｂ（７ａ）や、受光素子３ａ（３ｂ）が設けられた微小構造体８ａ（８ｂ）を、所定の流体に混入してスラリを作り、このスラリを前記各基板４ａ（４ｂ、４ｃ）の上面で流動する。すると、微小構造体７ｂ（７ａ）、８ａ（８ｂ）は、図２に示すように、同じ形態の凹部５ｂ（５ａ）、６ａ（６ｂ）に重力によって嵌合する。つまり、例えば前記最上層のＩＣチップ１ａの基板４ａにおいて、前記他方の発光素子２ｂを実装すべき部位の発光素子用凹部５ｂには、当該他方の発光素子２ｂが上面に設けられた微小構造体７ｂが嵌合し、前記一方の受光素子３ａを実装すべき部位の受光素子用凹部６ａには、当該一方の受光素子３ａが上面に設けられた微小構造体８ａが嵌合する。従って、例えば図４に示すように、前記最上層のＩＣチップ１ａの基板４ａに、前記四つの異なる凹部５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂを形成し、前記二つの異なる発光素子２ａ、２ｂが設けられた微小構造体７ａ、７ｂ及び二つの異なる受光素子３ａ、３ｂが設けられた微小構造体８ａ、８ｂを流体に混入してスラリを作り、それを前記基板４ａの上面で流動すれば、該当する凹部５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂに、夫々同形態の微小構造体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂが嵌合し、所望の部位に所望の素子を実装することができる。
【００１９】
但し、このように大きさの異なる微小構造体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂを用いて各受発光素子を実装する際には、形態の大きい微小構造体（ここでは微小構造体８ｂ）から形態の小さい微小構造体（ここでは微小構造体８ａ）といったように、形態の大きい順、つまり微小構造体８ｂ、８ａ、７ｂ、７ａの順で、夫々の微小構造体並びに各受発光素子が混入したスラリを基板４ａ（４ｂ、４ｃ）の上面で流動し、各受発光素子を実装するのが望ましい。これにより、例えば形態の小さい微小構造体７ｂが形態の大きい凹部６ａに誤って嵌合するのを防止することができる。つまり、形態の大きい凹部６ａには、既に形態の大きい微小構造体８ａが嵌合して、当該凹部６ａは閉塞されているからである。
【００２０】
このようにして各基板４ａ〜４ｃに各受発光素子２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂが実装されたら、被膜処理やコンタクトホール形成、配線等の必要な処理を施し、それら基板４ａ〜４ｃからなるＩＣチップ１ａ〜１ｃを所定の状態に積層する。本実施形態では、ＩＣチップ１ａ〜１ｃの積層に際し、透明な接着剤２１を用いた。これにより、前記発光素子２ａ、２ｂの光は、各基板４ａ〜４ｃ及び接着剤２１層を通過して、各受光素子３ａ、３ｂに到達する。そして、各受光素子３ａ、３ｂは、夫々、感受対象となる発光素子２ａ、２ｂの光だけを受光する。従って、各光信号経路から光が漏れても、異なる光信号経路の受光素子が、その光を誤って受光する、つまりクロストークの恐れがなく、完全に独立した光バスを形成することができる。
【００２１】
このように、本実施形態の素子実装方法では、機能の異なる素子を、極めて高密度に且つ正確に実装することができる。しかも、前記Ｓｉ異方性エッチングで形成される凹部５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ及び微小構造体７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂは、極めて形状精度が高いので、非常に小さな微小構造体も、確実に同形態の凹部に嵌合し、従って極めて高い精度で、所望の部位に所望の素子を実装することができる。
【００２２】
次に、本発明の素子実装方法及び光伝送装置を波長多重型光インターコネクション装置に適用した実施形態を示す。波長多重型光インターコネクション装置は、例えば図５のように構成される。この例は、例えば特開平１１−２８９３１７号公報に記載されるものと同等であり、波長の異なる複数の発光素子２が実装されている発光素子アレイ１１１と、光導波路となる光ファイバ１１０と、前記発光素子２の夫々の波長の光を抽出するフィルタ素子２２が実装されているフィルタアレイ１１２と、このフィルタアレイ１１２で抽出された各波長の光を受光する受光素子３が実装されている受光素子アレイ１１３とで構成される。なお、図では、理解を容易にするために、各構成要素を分離しているが、実質的に各構成要素は、光学的に直接接合されている。
【００２３】
このような波長多重型光インターコネクション装置では、前記発光素子アレイ１１１の各発光素子２から波長の異なる複数の光を発光し、その夫々の光を媒体として光ファイバ１１０内を伝送し、当該光ファイバ１１０から出射する光の中から、該当する波長の光を抽出して、それを受光素子アレイ１１３の各受光素子３で受光することにより、当該光に乗せられたデータを伝送することができる。
【００２４】
しかしながら、この場合も、異なる機能、つまり受発光する光の波長特性が異なる発光素子２や受光素子３を用いることから、夫々の素子は、夫々のアレイ上に実装しなければならない。しかも、大径のプラスチック光ファイバを用いても、光を伝送するコアの径は小さいので、このコア径の内部に、前記発光素子２や受光素子３を高密度且つ正確に実装するのは非常に困難である。
【００２５】
そこで、本実施形態では、前記積層ＩＣチップ間光インターコネクション装置に用いた発光素子付きの微小構造体及び受光素子付きの微小構造体を用いて、これらの各受発光素子を実装する。但し、前記受光素子は、所定の波長の光だけを受光するフィルタ機能が付加されているので、実質的に前記フィルタアレイ１１２は不要である。
【００２６】
そこで、図６ａに示すように、前記発光素子アレイ１１１の基板に、互いに異なる形態の凹部５ｃ〜５ｆを形成し、夫々の凹部の形態と同形態で且つ上面に発光素子２ｃ〜２ｆが設けられた前記微小構造体７ｃ〜７ｆを流体に混入してスラリを作り、このスラリを、当該基板の上面で流動して、同じ形態の凹部５ｃ〜５ｆに微小構造体７ｃ〜７ｆを嵌合し、当該発光素子アレイ１１１の基板に発光素子２ｃ〜２ｆを実装する。また、図６ｂに示すように、前記受光素子アレイ１１３の基板に、互いに異なる形態の凹部６ｃ〜６ｆを形成し、夫々の凹部の形態と同形態で且つ上面に受光素子３ｃ〜３ｆが設けられた前記微小構造体８ｃ〜８ｆを流体に混入してスラリを作り、このスラリを、当該基板の上面で流動して、同じ形態の凹部６ｃ〜６ｆに微小構造体８ｃ〜８ｆを嵌合し、当該受光素子アレイ１１３の基板に受光素子３ｃ〜３ｆを実装する。
【００２７】
このように、前述と同様、機能の異なる素子を、極めて高密度に且つ正確に実装することができる。しかも、前記Ｓｉ異方性エッチングで形成される凹部及び微小構造体は、極めて形状精度が高いので、非常に小さな微小構造体も、確実に同形態の凹部に嵌合し、従って極めて高い精度で、所望の部位に所望の素子を実装することができる。
【００２８】
なお、前記各実施形態では、微小構造体を、全て上下面が正方形で、側面が台形のものとしたが、微小構造体の形態は、これに限定されるものではなく、例えば上下面が長方形であったり、平行四辺形或いは菱形のようなものであってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係る素子実装方法によれば、基体の上面の所定の部位に形態の異なる凹部を形成すると共に、上面に異なる機能の素子が設けられ且つ前記凹部の形態と同形態で且つ互いに形態の異なる微小構造体を形成し、この素子が設けられた微小構造体を流体に混入してスラリとし、このスラリを、前記基体の上面で流動し、前記微小構造体を、対応する形態の凹部に嵌合することとしたため、凹部の形態と微小構造体とが同形態であれば、異なる機能の素子を極めて高密度に実装することができ、しかも凹部の形態と部位が正確であれば、素子を基体に対して極めて正確に実装することができる。
【００３０】
また、前記形態の異なる微小構造体のうち、微小構造体の形態が大きな順に、それぞれの微小構造体が混入したスラリを、基体の上面で流動させることとしたため、形態の小さな微小構造体が、それより大きな形態の凹部に嵌合する可能性が小さくなり、その分だけ、素子を正確に実装することができる。
【００３１】
また、本発明のうち請求項２に係る素子実装方法によれば、互いに波長の異なる複数の発光素子を含むこととしたため、積層ＩＣチップ間の光インターコネクション装置にも適用可能な発光素子実装済みＩＣチップを製造することができる。
また、本発明のうち請求項３に係る素子実装方法によれば、互いに感受する波長の異なる複数の受光素子を含むこととしたため、積層ＩＣチップ間の光インターコネクション装置にも適用可能な受光素子実装済みＩＣチップを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す積層ＩＣチップ間光インターコネクション装置の概略構成図である。
【図２】素子を各基板の凹部に嵌合する説明図である。
【図３】発光素子が上面に設けられている微小構造体の製造方法の説明図である。
【図４】形態の異なる微小構造体により機能の異なる素子を基板に実装した説明図である。
【図５】本発明の実施形態を示す波長多重型光インターコネクション装置の概略構成図である。
【図６】形態の異なる微小構造体により機能の異なる素子を基板に実装した説明図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ、１ｃはＩＣチップ
２（２ａ、２ｂ）は発光素子
３（３ａ、３ｂ）は受光素子
４ａ、４ｂ、４ｃは基板
５（５ａ、５ｂ）は凹部
６（６ａ、６ｂ）は凹部
７（７ａ、７ｂ）は微小構造体
８（８ａ、８ｂ）は微小構造体
９はフォトダイオード
１０（１０ａ、１０ｂ）は多層膜コーティング（バンドパスフィルタ）
１０は光ファイバ
１１は発光素子アレイ
１２はフィルタ素子アレイ
１３は受光素子アレイ
【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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