KR100198460B1 - 브이홈에 정렬된 렌즈를 가진 광모듈 및 그 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광통신 시스템에서 광 송/수신을 위해 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈 및 그 제작방법에 관한 것으로서, 종래 능동/수동 방식의 정렬법으로 만들어지는 광모듈이 제조단가가 높고 광결합 효율이 낮은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 기판의 표면 아래를 통한 빛의 전파통로를 제공하고 렌즈의 위치를 결정하기 위한 광송신용 V홈과 광수신용 V홈이 기판에 각기 독립되어 내설되되 상기 광송신용 V홈이 두 개로 내설되는 실리콘 기판과; 상기 광송신용 V홈 사이에서 렌즈가 내설된 광송신 V홈의 종단 바로 뒤에 정렬 마크를 이용하여 광도파로가 V홈과 사전정렬된 다음 솔더범퍼를 통해 상기 기판에 플립칩 본딩되는 광원인 레이저와, 상기 한 개의 광송신용 V홈내에 부착되어 상기 레이저를 통해 방출된 빛을 집속하는 송신용 렌즈와, 그리고 상기 나머지 한 개의 광송신용 V홈의 상기 레이저 맞은 편 종단 측벽위에 그 활성영역이 기판으로 향하게 플립칩 본딩되어 상기 레이저를 감시하는 레이저 모니터용 광검출기를 포함한 광송신모듈과; 상기 실리콘 기판에 광수신용 V홈내에부착되어 외부로부터 전달된 퍼짐성의 빛을 집속하는 수신용 렌즈와, 상기 광수신용 V홈의 종단 측벽 위에 수광영역을 아래로 향하게 부착되어 상기 수신용 렌즈를 통해 외부로부터 입사되는 빛을 검출하는 광수신용 광검출기를 포함한 광수신모듈로 구성되고, 상기 광송신모듈과 광수신모듈은 동일한 실리콘 기판내에 구성되어, 능동정렬방식의 광모듈에 비해 패키지의 크기를 소형화할 수가 있고, 제조단가를 저렴하게 하며, 또한 수동정렬방식에 비해 렌즈를 사용함으로써 광결합 효율을 높일 수가 있으며, 레이저 및 광검출기 소자와 V홈, 그리고 렌즈로 구성된 어레이형 광모듈을 하나의 기판에 용이하게 제작할 수 있는 것이다.

Description

브이홈에 정렬된 렌즈를 가진 광모듈 및 그 제작방법

본 발명은 브이홈에 정렬된 렌즈를 가진 광모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 초고속 대용량의 광통신에서 레이저를 비롯한 광검출기 등의 광소자와 렌즈를 하나의 실리콘 기판에 수동적인 정렬방식으로 정렬 고정시키는 광모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 초고속 대용량의 광통신에 이용되는 빛은 공기, 유리, 유전체 등을 매질로 하여 전송된다.

광통신에서는 빛을 효율적으로 원거리까지 전송시키는 것이 무엇보다 중요한데 이를 위해 광섬유를 포함한 넓은 의미의 광도파로에서는 코아(core)라고 부르는 광흡수기가 적은 특정한 영역에 빛을 제한시켜 전송시킨다.

단일모드 광도파로의 코아는 보통 직경이 수 미크론 정도로서 매우 좁은 공간내에서 빛의 전송이 이루어진다.

광모듈은 한 개 이상의 광소자 및 광부품이 모여 구성되는 것으로서 여기에는 다른 종류의 광소자 및 광부품 사이에 빛이 서로 전달될 수 있는 광적인 연결이 필요하다.

광송신 혹은 광수신 모듈은 광통신 시스템을 위한 가장 기본적인 장치로서 광섬유, 광도파로, 레이저, 광검출기, 거울, 그리고 렌즈 등의 능동 및 수동의 각종 광소자들로 구성된다. 광모듈 내에서 이들 구성 소자들간의 광결합을 위해서는 앞에서 언급한 바와 같이 빛의 전달통로가 매우 좁기 때문에 수 미크론 이하의 정밀한 정렬이 요구된다.

이 요구에 따른 종래의 기술로는 크게 능동방식과 수동방식의 두가지 정렬법이 있다.

능동 방식은 광원과 피광원의 구동과 피광원의 정렬과정에서 광결합 효율의 직접적인 측정에 의해 두 광소자 사이의 최적의 광결합 위치를 찾아가는 방식이다.

반면 수동 방식은 실리콘 웨이퍼 등의 광학용 기판위에 광소자의 정렬을 위한 마크나 받침대 등을 반도체 제조공정 등의 정밀한 가공기술로 미리 형성시켜 두고 광소자들을 기판위에 정밀히 부착하는 것으로서 상호간에 광결합이 자동적으로 이루어지게 하는 방식이다.

능동 정렬법은 고도의 정밀한 기계장치에 의해 이루어지고 레이저 용접에 의한 고정 역시 매우 견고하여 광결합 효율이 높고 제품의 신뢰도가 높은 반면에, 제조단가가 높은 점이 단점이다.

한편, 수동 정렬법은 대량생산에 의한 가격 절감의 잇점을 갖고 있으나 아직 광결합 효율이 매우 낮고 제품의 신뢰도가 낮은 단점이 있다.

기존의 수동방식의 광정렬법에서 레이저 등의 광소자와 광섬유간의 수동정렬을 위해서 광소자의 플립칩 본딩과 브이홈을 이용한 광섬유의 정렬 및 고정이 가장 널리 이용되고 있다.

수동정렬 방식에서 광섬유의 정렬과 고정을 위해서 브이홈을 사용하는 것은 실리콘의 비등방성 식각으로 형성되는 브이홈의 폭과 깊이가 미크론 이하의 높은 정밀도로 제작 가능하여 브이홈내에 고정되는 광섬유의 높이와 위치를 정확히 조절 가능하기 때문이다.

플립칩 본딩된 광소자와 브이홈에 실장된 광섬유를 수동적으로 정렬시키기 위해서는 브이홈의 형성과 플립칩 본딩용 패드의 제작과정에서 이미 이들이 정렬되어 있어야 하고, 또한 광소자의 본딩 과정에서 정렬의 흐트러짐이 없어야 한다.

상기의 수동정렬법의 정밀도는 현재의 기술로 약 2~3um이다.

레이저나 광섬유 등 좁은 구경에서 방출되는 빛을 발산하는 성질을 가지므로 효율적인 광결합을 위해서는 빛을 집속하는 렌즈 등의 장치가 필요하다.

그러나 렌즈 및 경사진(tapered) 광섬유 등이 사용되면 광결합에 요구되는 정렬 정밀도가 1~2um 이하로 매우 엄격해져서 기존의 수동 광결합 방식의 적용이 불가능하다.

따라서 기존의 수동정렬법에서는 통상 butt 광결합이 사용되고, 이때 가능한 광결합 효율은 수 % 정도로서 매우 낮다.

한편 실리콘 기판위에 렌즈를 부착하여 사용하기 위해서는 광축이 기판 표면으로부터 렌즈의 반경만큼 높은 위치에 형성되어야 하기 때문에 레이저 등의 광소자 역시 같은 높이만큼 표면으로부터 높여주어야 한다.

이를 위해서 통상 광소자 밑에 받침대를 놓고 그 위에 광소자를 부착하게 되는데, 이 경우 기판 표면과 받침대 두 곳에서의 정렬 작업이 요구되어 그만큼 오차의 발생 요인이 증가하여 적절한 광결합 효율을 얻기가 매우 어렵다.

한편, 소자의 측면(edge)에서 빛을 방출하는 레이저와는 달리 빛을 수신하는 활성 영역이 소자의 표면에 존재하는 포토 다이오드와 같은 광검출기 소자를 기판 표면과 평행한 광과 결합시키기 위해서는 광검출기를 기판에 수직으로 세우거나 혹은 기판 표면에 대해 비스듬히 부착하게 되는데 광검출기는 통상 그 두께가 약 백 미크론 정도로 얇기 때문에 광검출기 자체를 기판에 세우거나 비스듬히 부착할 수 없고 별도의 보조지지대를 필요로 한다. 이 방식 역시 소자를 직접 기판에 부착, 정렬하는 플립칩 본딩법에 비해 정렬 정밀도가 떨어지고, 지지대와 기판에 이중으로 접합하는 공정을 필요로 하므로 제조 단가를 높이는 요인이 되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 능동방식의 정렬법 및 기존의 수동 방식의 광결합 장치가 갖는 문제점을 해결하기 위해 광소자의 패키지에 실리콘 웨이퍼를 사용하여 패키지를 소형화하고 제조단가를 저렴하게 하는데 그 목적이 있다.

또다른 발명의 목적은 실리콘 기판에 브이홈을 형성하고 브이홈내에 렌즈를 부착시킴으로써 광축을 기판의 표면 근처에 위치시켜 레이저를 받침대없이 기판 표면에 직접 부착할 수 있게 하여 플립칩 본딩에 의한 자동정렬 기능을 이용할 수 있게 한다.

또다른 발명의 목적은 수동 방식의 정렬을 사용하면서도 렌즈를 사용함으로써 높은 광결합 효율을 얻을 수 있다.

또다른 발명의 목적은 비등방성 실리콘 에칭으로 형성된 브이홈내에 렌즈를 부착함으로써 렌즈의 높이와 브이홈에 수직인 방향으로의 위치 정밀도가 매우 커서 플립칩 본딩된 광소자와의 정밀한 수동정렬이 가능하다.

또다른 발명의 목적은 렌즈와 광소자간에 거리의 오차가 발생하여 렌즈를 통과한 빛의 초점위치가 달라지더라도 기판과 광도파로 사이의 거리를 적절히 조절함으로써 광결합 효율의 저하를 방지한다.

또다른 발명의 목적은 브이홈과 광소자 부착용 범프 제작에 실리콘 기판과 반도체 제조공정을 이용함으로써 동일한 기판에 병렬로 제작이 가능하므로 하나 이상의 광소자와 렌즈를 가진 어레이형 결합 장치를 소형, 저가로 제작이 가능하다.

또다른 발명의 목적은 렌즈 부착용 브이홈의 넓이를 조절하여 측면 발광용 레이저와 표면 수광용 광검출기 소자를 동일한 기판내에서 서로 평행한 빔과 광결합시킬 수 있다.

또다른 발명의 목적은 광원과 광수신 소자의 쌍으로된 송신 및 수신용 광결합 장치를 동일한 기판에 동시에 제작이 가능하고 또한 이들의 어레이 장치 역시 제작이 가능하다.

제1a도는 본 발명에 따른 브이홈과 그 위에 부착된 렌즈, 그리고 플립칩 본딩된 광소자들로 구성된 광모듈의 사시도.

제1b도는 제1a도에서 광송신 모듈의 A-A' 절개 단면도.

제1c도는 제1a도에서 광수신 모듈의 B-B' 절개 단면도.

제2a도 내지 제2d도는 본 발명에 따른 실리콘 기판을 제조하는 방법을 도시한 단면도.

제3도는 제2a도 내지 제2d도에 의해 제조된 실리콘 기판위에 렌즈와 광소자를 부착하는 방법을 나타낸 사시도.

제4도는 렌즈 부속장치의 사시도.

제5도는 본 발명에 따른 광모듈과 광도파로소자 및 광섬유를 결합하여 제조된 광어셈블리의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,23,40,60,83,93,110 : 실리콘 기판 2,3,9,21,30,62,51,81 : 브이홈

4,5,25,61,84,91 : 렌즈 6,22,85,113 : 레이저

8,63,115 : 광검출기 7,32,114 : 모니터용 광검출기

18 : 광송신모듈 19 : 광수신모듈

14,17,31,56,65 : 브이홈의 종단 측벽 27,66 : 광도파로의 코아

24 : 레이저에서 방출된 빔 28,36,79 : 레이저의 광도파로

29 : 레이저의 후면에서 방출된 빔 67 : 광도파로의 코아에서 방출된 빔

68 : 렌즈의 중심선 69 : 렌즈에서 집속됨 빔

26,70 : 기판의 표면 59 : 브이홈의 측벽에서 반사된 빔

45 : 포토레지스트 41 : 제1절연막

44 : 제2절연막 43 : 정렬마크패드

42 : 금속 패드 47 : 솔더댐

46 : 브이홈 식각창 26,70 : 실리콘 기판의 표면

51,77 : 레이저 받침대 12,55,88 : 솔더범프

15,33,334,64 : 광검출기의 활성영역 13,20,48,89 : 정렬마크

53 : 금속 반사막 78 : 레이저의 정렬마크

27 : 광섬유 28 : 광섬유의 코아

29 : 레이저다이오드 30 : 본딩 와이어

11 : 눈금자 10 : 와이어븐딩패드

16 : 금속 연결선 92 : 홈

128 : 광모듈 122 : 광섬유

127 : 파장분할다중화장치 124 : 마하젠더소자

123 : 3dB 결합기 119 : 덮개

129 : 광섬유 블록

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광섬유 혹은 수동 및 능동의 광도파로장치와, 광소자 예를 들어 레이저 및 발광다이오드와 같은 광원과 포토다이오드와 같은 광검출기 혹은 발광 수광소자의 쌍 간의 광결합 장치는 표면 실장된 광소자, 퍼짐성 및의 전파와 광집속용 렌즈의 부착을 위한 브이홈, 그리고 브이홈에 부착된 렌즈를 포함하는 실리콘 기판으로 구성된다. 상기 광소자는 레이저 혹은 발광다이오드와 같은 광원과 혹은 포토다이오드와 같은 수광소자 혹은 광원 및 수광소자의 쌍 혹은 상기 광원, 수광소자, 광원 및 수광소자의 쌍으로 된 어레이를 포함한다.

광소자의 표면 실장은 솔더 본딩, 수지 본딩 혹은 플립칩 본딩 등으로 이루어진다.

상기 광소자가 레이저 다이오드 혹은 발광다이오드인 경우에 레이저의 facet으로부터 방출된 빛은 브이홈과 기판 상의 공기중을 통하여 렌즈로 전달되고 다음에 상기 기판의 브이홈 끝에 놓여지는 광섬유 혹은 광도파로의 코아로 전달한다.

반면에, 상기 광소자가 광검출기와 같은 수광소자인 경우에 반대로 광섬유 혹은 광도파로로부터 방출된 빛은 브이홈과 기판상부를 전파하여 브이홈내의 렌즈에 도달하고, 집속된 다음에 브이홈의 종단 측벽에 조사되고 다시 측벽을 반사면으로 하여 표면실장된 광소자의 활성영역으로 입사된다.

상기 광소자의 표면실장은 광소자와 브이홈 그리고 브이홈에 실장된 렌즈가 수동적인 방법으로 광결합될 수 있도록 자동적인 정렬 기능을 가져야 한다.

이러한 측면에서 플립칩 솔더 본딩이 가장 바람직한 예이며, 상기 실리콘 기판은 플립칩 본딩을 위한 솔더범프를 가져서 광소자의 부착과, 정렬, 그리고 광소자와 외부와의 전기적 연결을 도모한다.

상기 솔더범프는 반도체 제조법의 자기정렬기능을 활용하여 브이홈과 자동정렬되어진다.

또한 브이홈에 부착된 렌즈는 반도체 제조공정과 실리콘 이방성 식각이 갖는 미크론 이하의 정밀한 폭 제어성에 의해 그 높이와 좌우 수평위치가 용이하게 광소자와 정렬도며 광소자로부터의 거리는 거리 식별자 혹은 우물정자 형태의 브이홈 형성에 맞추어진다.

상기 브이홈은 기판에서 광소자의 맞은편 끝까지 형성되고, 그 길이는 렌즈의 초점거리와 접속되는 빔의 배율에 따라 결정된다.

상기 광소자는 표면에 상기 기판의 범프와 대응되는 위치에 금속패드 혹은 솔더범프를 가져서 기판상의 솔더범프와 본딩된다.

이하, 본 발명에 따른 브이홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광소자 모듈 및 그 제조방법을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1a도는 광송신 및 광수신 모듈을 하나의 기판에 구성한 상기 모듈의 사시도이다.

실리콘 기판(1)과 그 기판내에 형성된 송신/수신용 브이홈(2,3), 송신/수신 브이홈내에 부착된 송신/수신용 렌즈(4,5), 레이저(6), 레이저 모니터용 광검출기(7), 그리고 광수신용 광수신용 광검출기(8) 등으로 구성된다.

광송신 모듈(18)은 공원인 레이저(6)와 퍼짐성 빛의 집속을 위한 송신용 렌즈(4), 기판의 표면 아래를 통한 빛의 전파통로를 제공하고 렌즈의 위치를 결정하는 제1, 제2송신용 브이홈(2,9), 그리고 상기 레이저(6)를 감시하는 광검출기(7)로 구성된다.

레이저(6)는 제1송신용 브이홈(2)의 종단 바로 뒤에 정렬마크(20)를 이용하여 광도팔로(36)가 제1송신용 브이홈(2)과 사전정렬된 다음 솔더 범프(12)를 통해 기판(1)에 플립칩 본딩된다.

레이저(6) 모니터용 광검출기(7)는 상기 레이저(6)의 후면, 즉 송신용 렌즈(4)가 없는 쪽에 있는 제2송신용 브이홈(9)의 레이저(6) 맞은 편 종단 측벽(14) 위에 그 활성영역(15)이 기판으로 향하여 플립칩 본딩된다.

제1b도는 상기 광송신 모듈(18)의 A-A'로 자른 단면도로서, 제1송신용 브이홈(21)의 한쪽은 기판(23)의 끝까지 이르며, 다른 한쪽은 레이저(22) 앞에서 종단된다. 이러한 제1송신용 브이홈(21)은 레이저(22)에서 방출된 빔(24)이 실리콘 기판의 표면(26) 아래를 통해 제1송신용 브이홈(21)에 부착된 송신용 렌즈(25)의 중심 근처로 빛의 전파를 가능케 하고, 레이저(22)와 송신용 렌즈(25)를 x, y, z 세 방향에서 자동적으로 정렬시키는 역할을 한다.

즉, 제1송신용 브이홈(21)에 부착된 송신용 렌즈(25)는 브이홈(21)의 위치와 폭에 의해 길이에 직각인 방향에서 렌즈(25)의 수평적인 위치와 실리콘 기판 표면으로부터 렌즈(25) 중심의 높이가 각각 결정된다.

제1송신용 브이홈(21)의 길이는 상기 송신용 렌즈(25)를 포함한 광경로와 렌즈(25)를 통한 확대 또는 축소 배율의 선택에 의해 결정된다.

레이저(22)의 광도파로(28)에서 방출된 퍼짐성 빔(24)은 제1송신용 브이홈(21)에 의해 형성된 채널과 기판 상부를 통하여 렌즈(25)에 도달하고, 여기서 다시 집속되어 상기 기판 끝에서 광도파로 혹은 광섬유의 코아(27)로 입사된다.

상기 레이저(22)의 후면에서 방출된 빔(29)은 레이저(22) 후면의 제2송신용 브이홈(30)의 종단 측벽(31)에서 반사되어 광검출기(32)의 활성영역(33)으로 전달된다.

한편, 광수신모듈(19)은 광모듈 외부로부터 전달된 빛을 수신하는 것으로서도 제1a도에서와 같이, 하나의 수신용 브이홈(3)과 그 내부에 부착된 수신용 렌즈(5) 그리고 광검출기(8)로 구성된다.

광검출기(8)는 수신용 브이홈(3)의 종단 측벽(17) 위에 수광영역(15)을 아래로 향하여 부착된다. 이때 광검출기(8)와 수신용 브이홈(3) 그리고 브이홈(3)에 부착된 수신용 렌즈(5)간의 정렬은 정렬마크(13)를 이용한 사전 정렬과 솔더 범프(12)를 통한 플립칩 본딩으로 달성된다.

제1c도는 상기 광수신 모듈(19)을 B-B'로 자른 단면도이다.

광섬유 혹은 광도파로 소자의 코아(66)에서 방출된 빔(67)은 수신용 렌즈(61)의 중심선(68)보다 높은 곳에 그 중심이 위치하도록 입사된다. 그러면 상기 렌즈(61)를 통해 집속된 빔(69)은 기판(60)의 표면(70) 아래로 향하여 꺾이게 되어 54.7도의 경사면을 가진 수신용 브이홈(62)의 종단 측벽(65)으로 조준된다.

브이홈의 측벽(65)에서 반사된 빔(59)은 상기 광검출기(63)의 수광부(64)로 입사하게 된다.

제1a도에서의 상기 기판(1)에는 광소자의 플립칩 본딩을 위한 범프(12)들과 광소자를 외부와 전기적으로 연결시키기 위한 연결선(16)과 와이어본딩패드(10), 그리고 렌즈의 z방향의 거리를 측정하기 위한 눈금자(11) 등을 가질 수 있다.

이와같은 상기 광송신모듈(18) 및 광수신모듈(19)은 서로 다른 기판에 개별적으로 형성도 가능하며, 또한 송신 및 수신 모듈의 쌍과 송신 및 수신 모듈의 어레이를 동일한 기판에 형성하는 것도 가능하다.

다음으로, 제2a도 내지 제2d도는 상기한 광결합장치로서의 실리콘 기판을 제조하는 방법을 나타낸 공정 단면도이다.

먼저, 제2a도를 참조하여, 실리콘기판(40)의 앞, 뒷면에 실리콘 질화막 혹은 실리콘 산화막 혹은 이들의 이중층 등의 제1절연막(41)을 형성하고, 제1절연막 위에 전사공정과 리프트-오프 공정으로 금속패드(42) 및 정렬마크패드(43)를 형성한다.

금속패드(42) 및 정렬마크패드(43)는 다층박막 구조로 형성되는데 제1절연막(41)과 직접 접촉하는 최하층 금속으로는 Cr 혹은 Ti, 그 다음층은 Ni, 혹은 Cu, 그리고 그 다음층에 Pt를 사용하고 최외곽에 Au를 사용한다.

다음에, 제2b도를 참조하여, 상기 기판(40)의 전면에 실리콘 질화막 혹은 실리콘 산화막에 제2절연막(44의 증착과 포토레지스터(45)의 도포와 전사공정, 그리고 제1절연막(41) 및 제2절연막(44)의 건식식각을 통하여 상기 금속패드(42)상의 소정 위치에 상기 금속패드(42) 면적보다 적은 솔더댐(47)과, 상기 정렬마크패드(43)의 소정 위치에 상기 정렬마크패드(43) 폭보다 적은 정렬마크(48), 그리고 V홈 식각창(46)을 각각 형성하고 포토레지스트(45)를 제거한다.

이때, 상기 제1절연막(41)과 제2절연막(44)을 식각하여 V홈 식각창(46)을 형성할 때 금속패드(42)상의 제2절연막(44)의 소정부분을 동시에 식각하여 솔더댐(47)을 형성한다.

또한, 제2b도에서와 같이, 상기 정렬마크패드(43)위에 증착된 제2절연막(44)을 V홈의 식각창 형성과 동시에 식각하여 정렬마크(48)를 형성시킴으로써 정렬마크(48)와 V홈 식각창(46) 사이의 전사공정오차를 제거할 수가 있다.

다음에 제2c도를 참조하여, 전사공정과 Au 등의 도금을 통하여 브이홈 식각창(46) 종단의 소정의 위치에 레이저 받침대(51)를 형성한 다음에 실리콘 비등방성 에칭 용액으로 상기 브이홈 식각창(46)을 통하여 실리콘 기판 내부에 브이홈(50)을 형성한다.

이어서 제2d도를 참조하여, 전사공정과 솔더물질의 증착 및 리프트-오프공정을 통하여 솔더댐(47)상에 솔더범프(55)를 형성한다. 솔더범프(55)는 리프트-오프 공정 이외에 전기도금법 등으로도 형성될 수 있다.

또한 상기 브이홈(50) 측벽(56)에서의 빛의 반사를 향상시키기 위해 상기 브이홈 측벽(56)에 금속반사막(53)을 형성하는 것도 가능하다.

제3도를 참조하여 상기에서 제조된 실리콘 기판을 이용하여 광모듈의 조립과정을 설명하면, 실리콘 기판(83)의 브이홈(81) 및 렌즈(84)와 정렬된 위치에 레이저칩(85)을 정렬하여 부착시키기 위해서는 먼저 광도파로(79)의 방향이 브이홈(81)의 길이 방향으로 향하도록 하여 레이저(85) 표면에 형성된 정렬마크(78)가 상기 실리콘 기판(83) 상의 정렬용 마크(89)와 일치되도록 사전 정렬한 뒤 레이저칩(85)을 상기 범프(88)상에 얹고 기판(83) 혹은 레이저칩(85)을 가열하여 용융된 솔더의 부착력으로 실리콘 기판(83)에 본딩한다.

이때 본딩된 레이저칩의 높이는 기판(83)상에 형성된 레이저 받침대(77)의 높이에 의해 결정된다.

같은 방법으로 상기 레이저 모니터용 광검출기(7) 및 광수신용 광검출기(8)를 플립칩 본딩된다. 렌즈(84)를 상기 브이홈(81)에 정렬 고정시키기 위해서는 브이홈(81)내 소정의 위치에 접착제를 적용하고 그 위에 렌즈(84)를 고정시킨 다음에 UV 조사 혹은 가열에 의해 부착시킨다.

또한, 이러한 렌즈(84)는 렌즈 고정용 보조기판 위에 렌즈를 먼저 접착시킨 다음에 이를 상기 실리콘 기판의 렌즈 부착용 V홈에 부착시킬 수가 있다.

아울러, 렌즈의 중심을 실리콘 기판 표면에 위치시켜 렌즈를 통과한 빔이 V홈의 전단측벽면을 조사하고 플립칩 본딩된 광검출기의 광수신부로 반사되도록 한다.

브이홈(81)의 길이방향과 나란한 방향의 렌즈의 위치는 상기 제1a도의 상기 송신용 브이홈(2) 가장자리에 형성된 거리 측정용 눈금자(11)를 이용하여 결정한다.

또한, 브이홈에 부착된 렌즈의 직경이 수백 미크론으로서 아주 적은 경우에 제4도와 같은 별도의 부속장치를 사용할 수 있다. 이 장치는 실리콘 기판(93)위에 렌즈(91)의 직경보다 적은 홈(92)을 형성시키고 홈(92)속에 렌즈(91)를 먼저 집착시킨 다음에 이를 뒤집어서 렌즈(91)가 브이홈(81)을 향하도록 하여 상기 브이홈(81)의 소정의 위치에 렌즈(91)와 실리콘 기판(93)을 동시에 부착한다. 이것은 작은 렌즈의 취급을 용이하게 하고 상기 실리콘 기판(83)상에 렌즈(84)를 보다 견고히 고정할 수 있다.

또한, 이러한 렌즈는 렌즈 중심의 수평적인 간격이 어레이형 광섬유의 인접한 두 코아간 거리의 정수배이다.

광소자와 렌즈의 부착이 완료된 상기 실리콘 기판(1)은 광모듈로서 사용될 수 있으므로 여기에 능동 및 수동의 광도파로소자 혹은 광섬유를 결합시키면 하나의 완전한 광송신 및/혹은 수신용 광모듈이 된다.

제5도는 그 한 실시예로서, 광모듈(128)을 두 개 이상의 광섬유(122)와 결합된 파장분할다중화장치(wavelenght division multiplexing)(127)와 결합하여 파장분할다중화 광모듈을 구현한 예를 보인 것이다.

파장분할다중화장치(127)는 실리콘 등의 기판(118) 위에 형성되어진 마하젠더 소자(124)와 3dB 결합기(123) 그리고 광필터 등으로 구성되며 기판 단면의 연마와 광도파로의 보호를 위해 보통 덮개(119)를 가진다.

광섬유 블록(129)은 기판(120) 위에 부착된 광섬유(122)와 이를 고정, 보호하는 덮개(119)로 구성된다. 파장분할다중화장치(127)와 광섬유 블록(129)을 능동 혹은 수동 정렬 방식으로 정렬 및 고정시킨 다음에 광모듈(128)과 파장분할 다중화 소자(127)를 다축으로 stage 위에 각각 고정시키고 광모듈(128)상의 광소자들, 즉 레이저(113), 레이저 감시용 광검출기(114), 그리고 수신용 광검출기(128)에 전기적인 신호를 인가하여 동작시킨 상태에서 상기 광모듈(128)과 광섬유(122) 사이의 광결합 효율을 모니터링하는 능동적인 방식으로 초대의 광결합 효율이 얻어지는 위치를 탐색한 다음에 두 모듈을 접착제로 고정시킨다.

본 발명은 레이저를 비롯한 광검출기 등의 광소자와 렌즈를 하나의 실리콘 기판에 수동적인 정렬 방식으로 정렬 고정시키는 장치 및 그 제조법으로서 능동 정렬 방식의 광모듈에 비해 패키지의 크기를 소형화할 수 있고, 반도체 제조공정기술을 이용하여 대량생산이 가능하여 제조단가를 저렴하게 하고, 또한 수동정렬을 사용하면서도 렌즈를 사용함으로써 수동정렬 방식의 단점인 낮은 광결합 효율을 개선할 수 있고, 레이저 및 광검출기 소자와 브이홈, 그리고 렌즈로 구성된 어레이형 광모듈을 하나의 기판에 용이하게 제작할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (22)

1. 기판의 표면 아래를 통한 빛의 전파통로를 제공하고 렌즈의 위치를 결정하기 위한 광송신용 V홈과 광수신용 V홈이 기판에 각기 독립되어 내설되되 상기 광송신용 V홈이 두 개로 내설되는 실리콘 기판과; 상기 광송신용 V홈 사이에서 렌즈가 내설된 광송신 V홈의 종단 바로 뒤에 정렬 마크를 이용하여 광도파로가 V홈과 사전정렬된 다음 솔더범퍼를 통해 상기 기판에 플립칩 본딩되는 광원인 레이저와, 상기 한 개의 광송신용 V홈내에 부착되어 상기 레이저를 통해 방출된 빛을 집속하는 송신용 렌즈와, 그리고 상기 나머지 한 개의 광송신용 V홈의 상기 레이저 맞은 편 종단 측벽위에 그 활성영역이 기판으로 향하게 플립칩 본딩되어 상기 레이저를 감시하는 레이저 모니터용 광검출기를 포함한 광송신모듈과; 상기 실리콘 기판에 광수신용 V홈내에 부착되어 외부로부터 전달된 퍼짐성의 빛을 집속하는 수신용 렌즈와, 상기 광수신용 V홈의 종단 측벽 위에 수광영역을 아래로 향하게 부착되어 상기 수신용 렌즈를 통해 외부로부터 입사되는 빛을 검출하는 광수신용 광검출기를 포함한 광수신모듈로 구성되고, 상기 광송신모듈과 광수신모듈은 동일한 실리콘 기판내에 구성된 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈.
2. 제1항에 있어서, 상기 광송신모듈과 광수신모듈이 적어도 한 조 이상 동일한 기판에 병렬로 나열된 어레이형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈.
3. 제1항에 있어서, 상기 광모듈이 파장분할 다중화장치와 결합된 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
4. 제1항에 있어서, 상기 광 모듈이 광섬유와 결합된 것을 특징으로 하는 광 어셈블리.
5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 개의 렌즈는 그 중심의 수평적인 간격이 어레이형 광섬유의 인접한 두 중심간 거리의 정수배인 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈.
6. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 상기 레이저 모니터용 광검출기, 광수신용 광검출기, 그리고 레이저 각각과 플립칩 본딩을 위한 범프와, 외부와 전기적으로 연결시키기 위한 연결선 및 와이어 본딩패드와, 그리고 상기 렌즈의 V홈 길이 방향의 거리를 측정하기 위한 눈금자가 부설된 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈.
7. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 기판의 앞뒷면에 형성되는 제1절연막과, 상기 제1절연막 위에 형성되는 다층의 금속패드 및 정렬마크패드와, 기판의 전면에 형성된 제2절연막과, 제1절연막과 제2절연막의 식각을 통해 형성된 V홈 식각창 및 솔더댐과, 상기 금속패드 위에 형성된 레이저 받침대와, 상기 V홈 식각창을 통해 실리콘 기판 내부에 형성된 V홈과, 상기 금속패드와 제2절연막 위에 형성된 솔더범프와, 그리고 상기 V홈의 측벽에 형성된 금속반사막으로 구성된 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈.
8. 광 송/수신용 V홈을 갖는 실리콘 기판 위에 정렬하여 용융된 솔더로 레이저를 실리콘 기판에 플립칩 본딩하는 제1과정과; 상기 실리콘 기판위에 정렬하여 용융된 솔더로 레이저 모니터용 광검출기 및 광수신용 광검출기를 플립칩 본딩하는 제2과정과; 상기 각 V홈내 소정의 위치에 접착제를 접착한 후 자외선 혹은 가열에 의해 광 송/수신용 렌즈를 부착하는 제3과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 실리콘 기판은 기판의 앞뒷면 상에 제1절연막을 형성하고 그 위에 전사공정과 리프트오프공정에 의해 금속패드 및 정렬마크패드를 형성하는 제1공정과; 상기 제1공정의 결과물의 전면에 제2절연막과 포토레지스트를 도포와 전사공정을 한 후 상기 제1절연막 및 제2절연막을 건식식각하여 상기 금속패드상의 소정 위치에 상기 금속패드 면적보다 작은 솔더댐과, 상기 정렬마크패드의 소정 위치에 상기 정렬마크패드 폭보다 작은 정렬마크와, 그리고 V홈 식각창을 각각 형성하고 포토레지스트를 제거하는 제2공정과; 상기 V홈 식각창 종단의 소정 위치에 레이저 받침대를 형성한 후 실리콘 비등방성 에칭용액으로 상기 V홈 식각창을 통하여 실리콘 기판 내부에 V홈을 형성하는 제3공정과; 그리고 상기 솔더댐 위에 전사공정과 솔더물질의 증착 및 리프트오프 방법에 의해 솔더범프를 형성하는 제4공정으로 형성하는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 결정방향이 (100)인 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
11. 제9항에 있어서, 상기 제1절연막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 제1절연막은 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 다층으로 구성하는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
13. 제9항에 있어서, 상기 제2절연막은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
14. 제9항에 있어서, 상기 금속패드 및 정렬마크패드는 상기 제1절연막과 Cr 혹은 Ti, Ni 혹은 Cu, Pt, 그리고 Au의 순서로 직접 접촉하게 형성하는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
15. 제9항에 있어서, 상기 솔더댐과 V홈 식각차의 식각패턴 사이의 전사공정오차를 자동적으로 제거하기 위해 상기 솔더댐의 식각패턴을 V홈 식각창과 같은 마스크상에 있도록 서로 자기정렬시키는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
16. 제9항에 있어서, 상기 V홈의 측벽에는 빛을 반사시키기 위해 금속반사막을 증착하는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
17. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 레이저의 실리콘 기판 표면으로부터의 높이는 상기 레이저 받침대의 두께로 조절하는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
18. 제8항에 있어서, 상기 레이저의 후면에 V홈을 형성하고 레이저의 후면으로부터 방사된 빛이 V홈의 측벽을 통하여 광수신용 광검출기를 통하여 입사되도록 한 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
19. 제8항에 있어서, 상기 레이저 및 광수신용 광검출기를 기판에 플립칩 본딩할 때 기판과 레이저 및 광수신용 광검출기 전면의 소정 위치에 정렬마크를 형성시켜 레이저와 광수신용 광검출기의 플립칩 본딩시 사전정렬하는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
20. 제9항에 있어서, 상기 정렬마크패드위에 증착된 제2절연막을 V홈의 식각창 형성과 동시에 식각하여 정렬마크를 형성시켜 상기 정렬마크와 V홈 식각창 사이의 전사공정오차를 제거하는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
21. 제8항에 있어서, 상기 V홈은 그 폭을 빔의 전파를 위한 V홈의 폭보다 넓게 하여 레이저 혹은 광검출기로부터의 렌즈의 거리가 렌즈부착용 V홈의 위치에 의해 자동적으로 결정되게 한 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.
22. 제8항에 있어서, 상기 렌즈를 통한 빔이 V홈의 전단측벽을 조사하여 광검출기로 반사되도록 상기 렌즈의 중심을 실리콘 기판 표면 아래에 위치시키는 것을 특징으로 하는 V홈에 정렬된 렌즈를 갖는 광모듈의 제작방법.