JP7200670B2 - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光モジュール及びその製造方法に関する。

半導体ウェハから複数の半導体チップを切り出す方法として、切断しようとする箇所にレーザ光を照射する方法が知られている。この方法によれば、ダイシングを行う方法よりも時間を短縮することができる。

しかしながら、レーザ光を用いる方法で得られる半導体チップの切断面はダイシングを行う方法で得られる半導体チップの切断面よりも荒れたものとなる。このため、この方法で半導体ウェハから光半導体チップを切り出し、切断面に光ファイバをバットジョイントする場合、荒れの分だけ、光ファイバを光半導体チップの入出力部から離すこととなり、光信号が減衰しやすい。すなわち、光結合における損失が大きくなってしまう。

特許第３４０８８０５号公報 特許第４１９７６９３号公報

本開示の目的は、バットジョイントにおける光結合の損失を低減することができる光モジュール及びその製造方法を提供することにある。

本開示の一形態によれば、第１の面に第１領域及び第２領域を有する光半導体チップと、前記第１の面に光結合された光ファイバと、前記第１の面に接合される第２の面を有し、前記光ファイバを支持する支持部材と、を有し、前記第１領域は、複数の凹部を帯状に含み、前記第２領域の表面粗さは、前記第１領域の表面粗さよりも小さく、前記光半導体チップは、前記第２領域に光信号の入出力部を有し、前記第２の面は、前記第２領域内で前記第１の面に接合されている光モジュールが提供される。

本開示によれば、バットジョイントにおける光結合の損失を低減することができる。

実施形態に係る光モジュールの構成を示す斜視図である。 実施形態に係る光モジュールの構成を示す分解斜視図である。 モード直径が４μｍの場合のトレランスの例を示す図である。 劈開領域内の歪領域を示す図である。 支持部材の他の例を示す斜視図である。 支持部材の更に他の例を示す斜視図である。 せん断強度の分布を示す図である。 実施形態に係る光モジュールの製造方法を示す平面図（その１）である。 実施形態に係る光モジュールの製造方法を示す平面図（その２）である。 実施形態に係る光モジュールの製造方法を示す平面図（その３）である。 ステルスダイシングの前の半導体ウェハを示す斜視図である。

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

（光モジュールの構成）
まず、実施形態に係る光モジュールの構成について説明する。図１は、実施形態に係る光モジュールの構成を示す斜視図である。図２は、実施形態に係る光モジュールの構成を示す分解斜視図である。

図１及び図２に示すように、実施形態に係る光モジュール１は、光半導体チップ１０１と、光ファイバ２１０と、支持部材２０１と、を有する。光ファイバ２１０の数は特に限定されず、１本でもよく、複数本でもよい。

光半導体チップ１０１は、例えば、シリコン基板１１０に形成された光導波路１１１及び光素子１１２等を有する。光素子１１２には、例えばフォトダイオード、偏光ビームスプリッタ、変調器、ミキサ等が含まれる。シリコン基板１１０は、例えば、矩形状の平面形状を有しており、その一つの側面１０２に、光導波路１１１の入出力部が設けられている。側面１０２は第１の面の一例である。

光半導体チップ１０１は、ステルスダイシング技術により半導体ウェハから切り出されている。そして、側面１０２は、レーザ光照射領域１０２Ａと劈開領域１０２Ｂとを有する。レーザ光照射領域１０２Ａには、ステルスダイシング技術におけるレーザ光の複数の集光点が設けられている。各集光点には、レーザ光が集光することで形成された破壊起点となる微細な凹部が形成されている。レーザ光がシリコン基板１１０の表面から特定の深さに集光するようにして走査されている場合、微細な凹部は、レーザ光照射領域１０２Ａにおいて、当該特定の深さの近傍に帯状に存在する。また、レーザ光の走査が、深さを異ならせて複数回行われている場合、微細な凹部は、レーザ光照射領域１０２Ａにおいて、当該特定の深さの各々の近傍に帯状に存在する。すなわち、レーザ光照射領域１０２Ａには、複数の帯をなすように、微細な凹部が存在する。レーザ光の照射エネルギ等の照射条件にもよるが、側面１０２のレーザ光照射領域１０２Ａにおける表面粗さＲｐは、例えば３．５μｍ～５μｍである。

劈開領域１０２Ｂには、ステルスダイシング技術におけるレーザ光の集光点が存在せず、劈開割れにより形成された面となっている。このため、レーザ光照射領域１０２Ａに存在する、レーザ光の集光により形成された微細な凹部は存在しない。側面１０２の劈開領域１０２Ｂにおける表面粗さＲｐは、例えば０．７μｍ～２μｍである。そして、劈開領域１０２Ｂに、光半導体チップ１０１の光信号の入出力部が設けられている。例えば、光導波路１１１の入出力部が劈開領域１０２Ｂに設けられている。劈開領域１０２Ｂは、例えば、光半導体チップ１０１の厚さ方向の一端に沿って設けられている。

光半導体チップ１０１の他の３側面、例えば側面１０２に繋がる側面１０３は、その全体がレーザ光照射領域となっている。すなわち、側面１０３の全体にわたってステルスダイシング技術におけるレーザ光の複数の集光点が設けられている。例えば、側面１０３の全体に、複数の帯をなすように、微細な凹部が存在し、側面１０３の表面粗さＲｐは、例えば３．５μｍ～５μｍである。他の２側面も同様である。

光ファイバ２１０は支持部材２０１により支持されている。図１及び図２に示すように、支持部材２０１は側面１０２に接合される面２０２を有する。光ファイバ２１０の端面は面２０２に露出している。そして、面２０２は、劈開領域１０２Ｂ内で側面１０２に接合され、光ファイバ２１０が光半導体チップ１０１の入出力部に光結合している。すなわち、光ファイバ２１０は光半導体チップ１０１にバットジョイントされている。面２０２は第２の面の一例である。

例えば、支持部材２０１は紫外線硬化型の接着剤により光半導体チップ１０１に接着されている。接着剤の屈折率は、光ファイバ２１０の屈折率と同程度であることが好ましい。支持部材２０１の材料は限定されないが、紫外線を透過させる材料であることが好ましい。効率よく接着剤を硬化させるためである。

実施形態に係る光モジュール１においては、支持部材２０１の面２０２が劈開領域１０２Ｂ内で側面１０２に接合され、光ファイバ２１０が光半導体チップ１０１の入出力部に光結合している。光半導体チップ１０１は、例えばステルスダイシング技術により半導体ウェハから切り出されているが、劈開領域１０２Ｂには、レーザ光の複数の集光点がなく、劈開領域１０２Ｂの表面粗さはレーザ光照射領域１０２Ａの表面粗さよりも著しく小さい。このため、光ファイバ２１０の端面を光半導体チップ１０１の光信号の入出力部に近接させることができ、バットジョイントにおける光結合の損失を低減することができる。

例えば、シリコンフォトニクスにおいて、モード変換器で得られるモード直径は、製造のしやすさの観点から、３μｍ以上とすることが好ましい。図３に、モード直径が４μｍの場合のトレランスの例を示す。図３の横軸は、光ファイバ２１０と光半導体チップ１０１の入出力部との間のギャップを示し、縦軸は過剰損（過剰ロス）を示す。図３に示すように、モード直径が４μｍの場合、ギャップが４．５μｍ以下であれば、過剰損（過剰ロス）を０．５ｄＢ以内と、影響の生じにくいレベルまで低減することができる。レーザ光照射領域１０２Ａの表面粗さＲｐは、例えば３．５μｍ～５μｍであるため、レーザ光照射領域１０２Ａ内で光ファイバ２１０が側面１０２に接合される場合には、ギャップが４．５μｍを超え得る。一方、劈開領域１０２Ｂの表面粗さＲｐは、例えば０．７μｍ～２μｍであるため、本実施形態のように、劈開領域１０２Ｂ内で光ファイバ２１０が側面１０２に接合される場合には、ギャップを確実に４．５μｍ以下に抑えることができる。

このように、本実施形態によれば、光ファイバ２１０の端面を光半導体チップ１０１の光信号の入出力部に十分に近接させることができ、バットジョイントにおける光結合の損失を低減することができる。

なお、図４に示すように、劈開領域１０２Ｂのレーザ光照射領域１０２Ａとの境界近傍には、ステルスダイシング技術における劈開処理の際に、破壊起点から生じた歪が存在する歪領域１０２Ｃが形成され得る。歪領域１０２Ｃ内には結晶の乱れが存在し得るため、光信号に損失が生じ得る。このため、光半導体チップ１０１の光信号の入出力部は、歪領域１０２Ｃよりも内側に設けられていることが好ましく、支持部材２０１の面２０２は、歪領域１０２Ｃよりも内側で側面１０２に接合されていることが好ましい。この場合、側面１０２に垂直な方向から見たときに、レーザ光照射領域１０２Ａは、歪領域１０２Ｃを間に挟んで面２０２の外側に位置することとなる。歪領域１０２Ｃは緩衝領域の一例である。

なお、光半導体チップ１０１の材料は限定されない。例えば、シリコン基板１１０に代えて、リン化インジウム（ＩｎＰ）基板等が用いられてもよい。また、光半導体チップ１０１の形状は限定されない。光半導体チップ１０１が、例えば、六角形の平面形状を有していてもよい。また、劈開領域１０２Ｂが設けられる側面１０２のミラー指数は限定されないが、劈開が生じやすい面であることが好ましい。例えば、光半導体チップ１０１の材料にシリコンが用いられる場合、側面１０２のミラー指数は（１１０）であることが好ましく、光半導体チップ１０１の材料にリン化インジウムが用いられる場合、側面１０２のミラー指数は（１１０）であることが好ましい。光半導体チップ１０１の側面１０２は、屈折率が光ファイバ２１０の屈折率と同程度の材料で覆われていてもよい。

また、ステルスダイシング技術の特性上、劈開領域１０２Ｂは光半導体チップ１０１の厚さ方向の一端に沿って設けられていることができる。劈開領域１０２Ｂのサイズは限定されないが、劈開領域１０２Ｂが大きいほど、半導体ウェハからの個片化が困難となる。本発明者らはシリコン基板１１０において劈開領域１０２Ｂの厚さ方向に垂直な方向でのサイズが２．０ｍｍ以下であれば、表面粗さが十分に小さい劈開領域１０２Ｂが得られることを確認している。また、光半導体チップ１０１の厚さ方向においては、劈開領域１０２Ｂが厚さ方向の全体にわたって形成されているのではなく、一部にレーザ光照射領域１０２Ａが形成されていることが好ましい。ステルスダイシング技術において個片化を容易に行うことができるためである。

支持部材２０１の形状は限定されない。支持部材２０１に代えて、例えば、図５に示すように、互いに平坦な面で接触するブロック３０１Ａとブロック３０１Ｂとを有し、一方のブロック３０１Ａの他方のブロック３０１Ｂとの接触面にＶ字型の溝３０２が形成された支持部材３０１が用いられてもよい。この場合、光ファイバ２１０はＶ字型の溝３０２に収められる。また、支持部材２０１に代えて、例えば、図６に示すように、円筒型開口部４０２が形成された円柱状の支持部材４０１が用いられてもよい。この場合、光ファイバ２１０は円筒型開口部４０２内に収められる。

ここで、本発明者らが行った強度に関する試験について説明する。この試験では、図６に示す円柱状の支持部材４０１を模擬し、直径が１ｍｍのガラス製の支持部材を作製し、紫外線硬化型の接着剤を用いて、この端面を劈開領域１０２Ｂに接着し、支持部材にせん断応力を印加してせん断強度を測定した。この結果を図７に示す。一般的に、５００ｇｆのせん断強度が要求されるところ、図７に示すように、直径が１ｍｍのガラス製の支持部材によって十分なせん断強度を得ることができた。

以上のことから、１０％程度のばらつきを考慮すると、光半導体チップ１０１の厚さ方向に垂直な方向における支持部材のサイズ（幅）は、０．８ｍｍ～２ｍｍとすることが好ましい。

（光モジュールの製造方法）
次に、実施形態に係る光モジュールの製造方法について説明する。図８Ａ～図８Ｃは、実施形態に係る光モジュールの製造方法を示す平面図である。図９は、ステルスダイシングの前の半導体ウェハを示す斜視図である。

まず、図８Ａ及び図９に示すように、光半導体チップ１０１となる複数のチップ領域１１がアレイ状に形成された半導体ウェハ２２を、柔軟性を有するダイシングシート２１及び２３により挟む。なお、図８Ａ～図８Ｃでは、ダイシングシート２３を省略してある。半導体ウェハ２２は、主面内で縦横に延び、チップ領域１１を区画するダイシング領域１２を有する。

次いで、図８Ｂに示すように、ステルスダイシング技術により、半導体ウェハ２２の内部にレーザ光を集光させながら、集光点をダイシング領域１２の内側で走査することにより、半導体ウェハ２２の内部に改質領域１３を形成する。改質領域１３は半導体ウェハ２２の複数の深さに形成する。但し、劈開領域１０２Ｂを形成する予定の領域１４内では、劈開領域１０２Ｂを形成する深さにはレーザ光を集光させず、改質領域１３の形成を避ける。

その後、ダイシングシート２１及び２３を、それらの内側の半導体ウェハ２２と共に引き延ばす。この結果、レーザ光の集光点を起点として破壊が進行し、図８Ｃに示すように、ダイシング領域１２を境にして各チップ領域１１が個片化され、複数の光半導体チップ１０１が形成される。光半導体チップ１０１においては、改質領域１３に対応する部分にレーザ光照射領域１０２Ａが形成され、領域１４に対応する部分に劈開領域１０２Ｂが形成される。

また、光半導体チップ１０１の形成とは別途、支持部材２０１に支持された光ファイバ２１０を準備する。

そして、支持部材２０１の面２０２を劈開領域１０２Ｂ内で側面１０２に接合し、側面１０２に光ファイバ２１０を光結合する。このとき、支持部材２０１の面２０２は、劈開領域１０２Ｂ内の歪領域１０２Ｃよりも内側で側面１０２に接合することが好ましい。すなわち、側面１０２に垂直な方向から見たときに、レーザ光照射領域１０２Ａが、歪領域１０２Ｃを間に挟んで面２０２の外側に位置するように位置合わせすることが好ましい。

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
第１の面にレーザ光照射領域及び劈開領域を有する光半導体チップと、
前記第１の面に光結合された光ファイバと、
前記第１の面に接合される第２の面を有し、前記光ファイバを支持する支持部材と、
を有し、
前記光半導体チップは、前記劈開領域に光信号の入出力部を有し、
前記第２の面は、前記劈開領域内で前記第１の面に接合されていることを特徴とする光モジュール。
（付記２）
前記第１の面に垂直な方向から見たときに、前記レーザ光照射領域は、前記第２の面の外側に位置することを特徴とする付記１に記載の光モジュール。
（付記３）
前記劈開領域は、前記第２の面が接合された領域と前記レーザ光照射領域との間に緩衝領域を有することを特徴とする付記１又は２に記載の光モジュール。
（付記４）
前記劈開領域は、前記光半導体チップの厚さ方向の一端に沿って設けられていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の光モジュール。
（付記５）
前記支持部材は、紫外線硬化型の接着剤により前記光半導体チップに接着され、
前記支持部材は、紫外線を透過させることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の光モジュール。
（付記６）
第１の面にレーザ光照射領域及び劈開領域を有する光半導体チップを準備する工程と、
第２の面を有する支持部材に支持された光ファイバを準備する工程と、
前記第２の面を前記劈開領域内で前記第１の面に接合し、前記第１の面に前記光ファイバを光結合する工程と、
を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
（付記７）
前記光半導体チップを準備する工程は、
ウェハに、前記劈開領域を形成する領域内でのレーザ光の集光を避けながら、前記レーザ光照射領域を形成する領域内の複数箇所にレーザ光を集光させる工程と、
前記複数箇所を破壊の起点として、前記ウェハを劈開することで、前記レーザ光照射領域及び前記劈開領域を前記第１の面に形成する工程と、
を有することを特徴とする付記６に記載の光モジュールの製造方法。
（付記８）
前記第１の面に垂直な方向から見たときに、前記レーザ光照射領域を、前記第２の面の外側に位置させることを特徴とする付記６又は７に記載の光モジュールの製造方法。

１：光モジュール
１０１：光半導体チップ
１０２、１０３：側面
１０２Ａ：レーザ光照射領域
１０２Ｂ：劈開領域
１１１：光導波路
１１２：光素子
２０１、３０１、４０１：支持部材
２０２：面
２１０：光ファイバ

Claims (6)

1. 第１の面に第１領域及び第２領域を有する光半導体チップと、
   前記第１の面に光結合された光ファイバと、
   前記第１の面に接合される第２の面を有し、前記光ファイバを支持する支持部材と、
   を有し、
   前記第１領域は、複数の凹部を帯状に含み、
   前記第２領域の表面粗さは、前記第１領域の表面粗さよりも小さく、
   前記光半導体チップは、前記第２領域に光信号の入出力部を有し、
   前記第２の面は、前記第２領域内で前記第１の面に接合されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記第１の面に垂直な方向から見たときに、前記第１領域は、前記第２の面の外側に位置することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記第２領域は、前記第２の面が接合された領域と前記第１領域との間に緩衝領域を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記第２領域は、前記光半導体チップの厚さ方向の一端に沿って設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光モジュール。
5. 第１の面に第１領域及び第２領域を有する光半導体チップを準備する工程と、
   第２の面を有する支持部材に支持された光ファイバを準備する工程と、
   前記第２の面を前記第２領域内で前記第１の面に接合し、前記第１の面に前記光ファイバを光結合する工程と、
   を有し、
   前記第１領域は、複数の凹部を帯状に含み、
   前記第２領域の表面粗さは、前記第１領域の表面粗さよりも小さいことを特徴とする光モジュールの製造方法。
6. 前記光半導体チップを準備する工程は、
   ウェハに、前記第２領域を形成する領域内でのレーザ光の集光を避けながら、前記第１領域を形成する領域内の複数箇所にレーザ光を集光させる工程と、
   前記複数箇所を破壊の起点として、前記ウェハを劈開することで、前記第１領域及び前記第２領域を前記第１の面に形成する工程と、
   を有することを特徴とする請求項５に記載の光モジュールの製造方法。

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