光集積デバイスとその製造方法、及び光モジュール
【課題】 光集積デバイスに光ファイバを位置決めする際に、光ファイバの位置ずれや角度のずれを最小にする。
【解決手段】 光集積デバイスは、基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、前記開口に案内されて前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバとを含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接する。
【解決手段】 光集積デバイスは、基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、前記開口に案内されて前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバとを含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光集積デバイスとその製造方法、及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバやルータなど内部に複数のノードを有する情報機器において、近い将来、ノード間の伝送容量は１０〜１００Gbps以上、伝送帯域は１〜１０Tbpsクラスが必要になると言われている。この場合、現在使用されている電気配線に代わって光配線によるインターコネクションが必要になる。
【０００３】
ノード間の伝送容量が１００Gbps以上、伝送帯域が１０Tbpsクラスのシステムでは、機器の省電力化、高集積化が不可欠である。そのような省電力、高集積のシステムは、光電気変換素子や光変調器、合分波器を少数のチップに集約したいわゆるシリコンフォトニクス技術によって実現されることが期待されている。
【０００４】
シリコンフォトニクス技術に用いられる光電気集積チップは、半導体プロセス工程によって作製される。シリコン基板上にクラッド層やシリコン細線光導波路が形成され，シリコン細線光導波路の末端に、光ファイバと光結合を行うためのグレーティングカプラが形成されている。
【０００５】
ところで、ノード間で光信号を伝送する際には、長距離を伝送しても波形劣化の影響が小さいシングルモードファイバを用いることが望ましい。しかし、シングルモードファイバを用いる場合には、光電気集積チップ内に形成されたグレーティングカプラに、高い位置精度と角度精度で実装する必要がある。
【０００６】
Luxtera社は、シリコンフォトニクス技術を用いた光トランシーバを製品化しており、８チャンネルのグレーティングカプラが形成されたCMOS Transceiver Dieに８チャンネルのシングルモードファイバアレイをアクティブアライメントにより実装している（たとえば、非特許文献１参照）。しかし、アクティブアライメント実装には特殊な設備が必要であり、量産時の製造コスト低減が見込めるパッシブアライメント実装技術が望まれる。
【０００７】
パッシブアライメント実装技術として、光電気集積チップ上にドライフィルムレジストを用いて傾斜（テーパ）を有するガイド構造を厚く形成し、光ファイバ先端をガイド構造に沿わせることにより、光電気集積チップ上の光素子と光ファイバをアライメントする方法が提案されている(たとえば、非特許文献２参照)。ガイド構造を厚く形成するために、ドライフィルムレジストを多層に積層している。
【０００８】
しかし、ドライフィルムレジストの積層プロセスにより多層のガイド構造を形成する場合、フォトリソグラフィー工程で異なる層の開口部側壁間で位置ずれ発生し、直線状のテーパが形成できない。
【０００９】
例えば、図１（Ａ）ではシリコン基板１０上に光導波路１０２とグレーティングカプラ１０３が形成され、保護層１０４を介してラミネートされたドライフィルムレジスト１０５〜１０９に開口１３０が形成されている。中間層１０８に位置ずれが生じた場合、テーパ状の開口１３０に沿って光ファイバ１２０の先端を位置決めしようとしても、光ファイバ１２０の先端位置や角度が、目的とする位置、角度からずれてしまう。図１（Ａ）で予定されるファイバ位置Ｐは垂線から角度θで傾斜するが、光ファイバ１２０を実装すると図１（Ｂ）に示すように、設計された傾斜角θよりも小さい角度で光ファイバ１２０が傾斜して、開口１３０内に保持される。
【００１０】
図２では逆に、中間層１０７に位置ずれが生じ、光ファイバ１２０は設計された傾斜角度θよりも大きな角度で傾斜して開口１３０内に保持される。図１（Ｂ）や図２（Ｂ）のように光ファイバ１２０の傾斜角度が本来の位置からずれると、グレーティングカプラ１０３を介した光導波路１０２と光ファイバ１２０との間の光結合効率が大きく低下してしまう。
【００１１】
したがって、パッシブアライメントにより光電気集積チップに光ファイバを位置決めする際に、ドライフィルムレジストの多層化プロセスによりファイバガイド構造を厚く形成しても、光ファイバの位置ずれや傾斜角度のずれを小さくできる構成が望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Narashima et al.,“An Ultra Low Power CMOS Photonics Technology Platform for H/S OptoelectronicTransceivers at less than $1 per Gbps”, Proc. OFC 2010 （2010）
【非特許文献２】Christoph Kopp etal., “Dry-film Technology as a Standard Process for Passive Optical Alignment ofSilicon Photonics Devices” Proc. ECTC 2009 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
光集積デバイスに光ファイバを位置決めする際に、光ファイバの位置ずれや角度のずれを低減できる構成と手法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一つの態様では、光集積デバイスは、
基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、
前記開口に案内されて、前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバと
を含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、
前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接する。
【発明の効果】
【００１５】
低コストで接続信頼性の高い光ファイバガイド構造を有する光集積デバイスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】公知の光ファイバアライメント構造の問題点を示す図である。
【図２】公知の光ファイバアライメント構造の問題点を示す図である。
【図３】実施形態の光電気集積チップを用いた光モジュールを搭載した電子機器の概略図である。
【図４】実施形態の光電気集積チップにおける光ファイバ位置決め構造の説明図である。
【図５】実施形態の光電気集積チップにおける光ファイバ位置決め構造の説明図である。
【図６】実施形態の光電気集積チップにおける光ファイバ位置決め構造の説明図である。
【図７Ａ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｂ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｃ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｄ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｅ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｆ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｇ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｈ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｉ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｊ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｋ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図８】光ファイバを保持、保護するためのハウジングを取り付けた構成例を示す図である。
【図９】比較例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。図３は、複数の光モジュール１０を搭載した電子機器１の概略図である。各光モジュール１０には、光集積デバイスの一例としての光電気集積チップ２０が実装されている。電子機器１は、ノード間の光インターコネクションを備えた次世代の情報機器で用いられる多層回路基板であり、光モジュール１０の各々がノードを構成している。光モジュール１０は、半田バンプ１５によって回路基板２に実装され、ノード間は、光ファイバ４を用いて光接続されている。回路基板２のエッジには、ボード外接続用の光コネクタ３が配置され、各ノード（光モジュール１０）と光コネクタ３の間が光ファイバ４によって光接続されている。
【００１８】
光モジュール１０は、インタポーザ基板１１上に、インターコネクト制御チップ１２、ロジックチップ１３、メモリチップ１４等の電子部品と、光電気集積チップ２０とを搭載している。光電気集積チップ２０は、たとえばシリコン基板上にクラッド層や光導波路が形成され、光導波路の末端に、光ファイバと光結合を行うグレーティングカプラが形成されている。光ファイバ４は、たとえばアレイ状に配列されてハウジング５内に収容されて光電気集積チップ２０と接続される。
【００１９】
図４は、実施形態の光電気集積チップ２０の光ファイバ位置決め構造を示す断面図である。光電気集積チップ２０は、シリコン基板２１上に、少なくとも光導波路２２とグレーティングカプラ２３が形成されている。グレーティングカプラ２３は、外部から、あるいは外部への光信号の入出力インタフェースとして機能する。図４では、図示はしないが、シリコン基板２１上に光電変換素子や、光強度を変化させる光変調素子等もモノリシックに集積されているものとする。
【００２０】
グレーティングカプラ２３が形成された基板２１上に、最下層２５、中間層２６、ボンディングフィルム２７、最上層２９を含む多層ガイド層３１が形成されている。多層ガイド層３１を貫通する開口３０内に光ファイバ４が配置される。光ファイバ４の先端面は、保護層２４を介して、基板２１上のグレーティングカプラ２３と対向している。
【００２１】
開口３０は、多層ガイド層３１の最下層２５に形成された開口部３２と、中間層２６に形成された開口部３３と、最上層２９に形成された開口部３４を含む。中間層２６の開口部３３の開口幅は、最下層２５の開口部３２の開口幅と、最上層２９の開口部３４の開口幅よりも広い。
【００２２】
ここで「開口幅」というときは、光ファイバ４が傾斜する方向での開口サイズをいうものとする。図４の例では、光ファイバ４は紙面の右方向に傾斜するので、開口幅は紙面の左右方向（水平方向）の開口サイズを指す。複数の光ファイバ４をアレイ状に配列する場合は、光ファイバ４は、開口幅と直交する方向に配列される。したがって、ファイバ配列方向は図４の紙面に対して垂直な方向となる。
【００２３】
開口３０内に挿入された光ファイバ４の端部は、最下層２５の開口部３２の一端側である開口端Ａと、最上層２９の開口部３４の他端側である開口端Ｂの２箇所に当接して、緩やかな曲率をもって位置決めされる。この状態で、光ファイバ４は開口３０内に充填された光学接着剤３５で固定されている。
【００２４】
図５は、多層ガイド層３１の開口部３０の開口部の説明図である。図４と同様に、紙面の左右方向（水平方向）を開口３０の幅方向とする。最下層２５の開口部３２は、グレーティングカプラ２３を露出する開口幅Ｗ１を有する。中間層２６の開口部３３は、Ｗ１よりも広い開口幅Ｗ２を有する。最上層２９の開口部３４は、Ｗ２よりも狭い開口幅Ｗ３を有する。
【００２５】
開口３０に挿入された光ファイバ４を図４のように傾斜させるために、図５において、中間層２６の開口部３３は、最下層２５の開口部３２の側壁３２Ｓに対して、最下層２５での光ファイバ当接側である開口端Ａ側にオフセットして広く拡がっている。また、中間層２６の開口部３３は、最上層２９の開口部３４の側壁３４Ｓに対して、最上層２９での光ファイバ当接側である開口端Ｂ側にオフセットして広く拡がっている。換言すると、最下層２５の開口部３２は、中間層２６の開口部３３の中心に対して、光ファイバ４が傾斜する方向（図４、５の例では紙面の右側）にオフセットし、最上層２９の開口部３４は、中間層２６の開口部３３の中心に対して、光ファイバが傾斜する方向と反対側の方向（図４，５の例では紙面の左側）にオフセットする。
【００２６】
開口部３３と開口部３２、３４の間の相対的なオフセット量は、開口３０の形成工程における各層の位置ずれ量よりも大きく設定されている。開口３０をこのような断面形状とすることで、光ファイバ４の傾斜は、図４に示すように最下層２５の開口端Ａと最上層２９の開口端Ｂの２箇所のみで規定され、あらかじめ設計された傾斜角との角度ずれを最小にすることができる。
【００２７】
図６は、ツール５０を用いた光ファイバ４の位置決めを説明するための図である。光ファイバ４を、６軸（ｘ、ｙ、ｚ、θx、θy、θz）の調整が可能なツール５０に吸着固定し、光学接着剤３５を充填した開口３０内に挿入する。光ファイバ４の先端が保護層２４に接触する高さで、矢印のように、ツール５０に光ファイバ４を傾斜させる方向に加重を加えると、光ファイバ４は多層ガイド層３１の最上層２９の開口端Ｂと、最下層２５の開口端Ａの２箇所に当接され、緩やかな曲率をもって位置決めされる。
【００２８】
たとえば、外径が８０μｍの光ファイバ４を用いるとすると、中間層２６の開口部３３のＢ側側壁３３ＳＢは、最上層２９のＢ側の側壁３４Ｓよりも５〜５０μｍ、さらに望ましくは１５〜２５μｍ、外側にオフセットして配置されている。また、中間層２６の開口部３３のＡ側側壁３３ＳＡは、最下層２５のＡ側の側壁３２ｓよりも５〜５０μｍ、さらに望ましくは１５〜２５μｍ、外側にオフセットして配置されている。
【００２９】
中間層２６に開口部３３を形成する工程で、仮に各層で水平方向に数μｍ程度の位置ずれが発生しても、中間層２６の開口部側壁３３Ｓは光ファイバ４に接触しない。したがって、位置決め時に光ファイバ４の傾斜角度のずれを低減することが可能である。また、光ファイバ４は、最下層２５の開口端Ａと、最上層２９における反対側の開口端Ｂとに当接して位置決めされるため、最上層２９の開口部３４に位置ずれが生じたとしても、光ファイバ４の保持角度のずれ量は従来に比べて小さい。
【００３０】
図７Ａ〜図７Ｋは、実施形態の光電気集積チップ（光集積デバイス）２０の製造工程図である。図７Ａ〜図７Ｋを通して、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。以下では、外径８０μmの光ファイバ４を使用する例を説明するが、光ファイバ４の外径は８０μmに限定されるものではない。８０μｍよりも大きくても小さくてもよく、光ファイバ４の外径に合わせて多層ガイド層３１の厚さや開口３０のサイズを適宜決めることができる。また，光ファイバ４は単独でもアレイ状に配列されたものでもどちらでもよい。以下の例では、４本の光ファイバ４が一列に並ぶファイバアレイを例にとって説明する。
【００３１】
まず、図７Ａに示すように、シリコン基板２１上に、シリコン細線光導波路２２と、これに接続して光インタフェースの役割を果たすグレーティングカプラ２３を形成する。シリコン基板２１上には、位置決め用のアライメントマーク７５が配置されている。シリコン基板は、たとえば外形φ１００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシリコン基板上に複数のチップ領域が配置されたものである。図７Ａでは、図示の都合上、１チップ分の領域のみを示している。
【００３２】
次に、図７Ｂに示すように、シリコン基板２１全体を覆って、厚さ１０μmの保護層２４を形成する。保護層２４は、例えば旭硝子製の「ＣＹＴＯＰTM」（登録商標）、品番CTX-807MPをスピンコートし、大気雰囲気中で８０℃、６０分の乾燥後、大気雰囲気中で１８０℃、６０分のキュアを行なうことによって形成する。その後、保護膜２４の不要な部分をＲＩＥ法によりパターニングして除去する。
【００３３】
次に、図７Ｃに示すように、厚さ６５μｍのドライフィルムレジストを、最下層のガイド層２５として保護膜２４上にラミネートし、フォトリソグラフィー法によりパターニングして、最下層２５の開口部３２を形成する。ドライフィルムレジストは、たとえば、東京応化工業製の「ＴＭＭＦTM S2000」である。このドライフィルムレジストを、ロールラミネータを用いて、ラミネートロール温度１１０℃、ラミネートロール速度１ｍ／分、ラミネートロール圧力０．３ＭＰａの条件でラミネートする。コンタクト露光装置（型名：ＵＸ３、ウシオ電機製）を用いて、露光量４００ｍＪ／ｃｍ2で露光し、オーブンで窒素雰囲気中、９０℃で５分加熱処理した後に、現像液（品名：PM Thinner、東京応化工業製）を用いて現像する。最後にオーブンを用いて窒素雰囲気中、２００℃、６０℃でポストベーク処理を行い、開口部３２を形成する。
【００３４】
開口部３２は、光ファイバの水平方向の位置決めが容易なように、上面からみた形状でＶ字型のコーナー３２Ｖを一部に含む。この例では、開口部３２は、ファイバ配列方向に沿ってＶ字型コーナー３２Ｖが連なるノコリギ歯状の平面形状を有する。開口部３２の幅Ｗ１は、上述したように、光ファイバ４が傾斜する方向に沿った開口サイズである。開口部３２のＶ字型コーナー３２Ｖは、光ファイバ４の端部を受け取る開口端Ａ（図４、図５参照）に対応する。
【００３５】
次に、図７Ｄに示すように、厚さ６５μｍのドライフィルムを３層重ねた厚さ１９５μmの中間層２６に、開口部３３を形成する。図７Ｃと同じドライフィルムを用い、ラミネートとパターニングを３回繰り返す。ここで、複数のドライフィルムレジストを順次硬化、積層した後に、一括してＲＩＥ処理することにより一度の処理で開口部３３を形成することも考えられる。しかし、反応ガスにＯ2を用い、ガス圧０．２ＰａでＲＩＥ処理を行う場合、エッチング速度は毎分０．３μm程度である。厚さ２００μmのドライフィルムレジストに開口部３３を形成しようとすると、１１時間以上の処理が必要になる。すなわちマシンタイムにより生ずるプロセスコストが非常に高くなる。誘導結合型プラズマドライプロセス装置（ICP-RIE）を用いると、エッチング時間は数分の１程度に短縮されるが、酸素イオン衝突によるレジストの発熱が大きく、レジストの変質を防ぐためにエッチングと冷却を繰返し行う必要がある。基板冷却工程を含めた場合、マシンタイムの十分な短縮は図れない。
【００３６】
これらの理由から、積層されたドライレジストフィルムに開口を形成する場合は各層ごとに開口部を形成する。各層ごとに開口部を形成すると、層間の位置ずれが生じるが、上述したように、中間層２６の開口幅Ｗ２は、光ファイバ４に位置ずれの影響が及ばないように、最下層２５の開口幅Ｗ１と、最上層２９の開口幅Ｗ３（図５参照）よりも広く設定される。図７Ｄの例では、最下層２５の開口３２の幅Ｗ１の方向と、これに直交する配列方向の双方で、各辺を１５μｍずつ大きくした長方形の開口３３を形成している。開口３３内に、最下層２５の開口３２と、保護膜２４を介してグレーティングカプラ２３が露出している。
【００３７】
次に、図７Ｅに示すように、別の基板５１を用意する。基板５１は外形φ１００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシリコン基板５１である。基板５１上に、図７Ｃ、図７Ｄで用いたのと同じ厚さ６５μｍのドライフィルムレジストをラミネートして、最上層２９を形成する。ドライフィルムレジスト２９をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、開口部３４を形成する。開口部３４は、図７Ｃの開口部３２と同様に、ファイバ配列方向に沿ってＶ字型コーナー３４Ｖが連なったノコリギ歯状の平面形状を有する。ただし、Ｖ字型コーナー３４Ｖが形成される向きが、図７Ｃの開口部３２と逆方向である。最上層２９の開口部３４のＶ字型コーナー３４Ｖは、最上層２９で光ファイバ４を当接させる開口端Ｂ（図４参照）に対応する。
【００３８】
次に、図７Ｆに示すように、厚さ２０μｍの熱ボンディングフィルム２７を打ち抜きプレスを用いて所定の形状に加工した後に、テープマウンタを用いて、基板５１上のドライフィルム２９上に貼り付ける。その後、ダイシングソーを用いて、光電気集積チップ２０の寸法２０×２０ｍｍに切断、個片化する。
【００３９】
次に、図７Ｇに示すように、先に最下層２５や中間層２６、開口部３２、３３を形成したシリコン基板２１に、個別化した基板５１を、熱ボンディングフィルム２７を下にしてフリップチップ接合する。接合条件は、たとえば、フリップチップボンダを用いて、荷重９８N、ヘッド加熱温度１８０℃、パルスヒート加熱１８０℃、１０秒の条件とする。フリップチップ接合後、オーブンを用いて窒素雰囲気中１５０℃で２時間加熱して、熱ボンディングフィルム２７を熱硬化させる。
【００４０】
次に、図７Hに示すように、ＩＣＰエッチング装置（型名：Ｅ６２０、パナソニックファクトリーソリューション製）を用いて、エッチング速度２０μｍ／分で１５分エッチング処理を行うことにより、別の基板５１のみを除去する。これにより、多層ガイド層３１を貫通し、保護層２４を介してグレーティングカプラ２３を露出する開口３０が形成される。
【００４１】
次に、図７Ｉに示すように、ディスペンサで光学接着剤（例えば、品番：GA-700H、NTT-AT社製）３５を開口３０内に充填する。
【００４２】
次に、図７Ｊに示すように、４本の光ファイバ４をツール５０に吸着固定し、一括して開口３０の光学接着剤３０の中に挿入する。光ファイバ４の挿入角度は、最終的に光ファイバを傾斜させて保持する方向と反対側の方向に１〜１０°、たとえば５°傾斜させて挿入する。この状態では、光ファイバ４は最下層２５の開口端Ａにも、最上層２９の開口端Ｂにも接していない。
【００４３】
次に、図７Ｋに示すように、光ファイバ４の先端が保護層２４に接触したところで、ツール５０に光ファイバ４を傾斜させる方向に荷重を加える。これにより、光ファイバ４は多層レジストの最下層２５の開口部３２の開口端Ａと、最上層２９の開口部３４の開口端Ｂの２箇所に当接して、緩やかな曲率をもって位置決めされる。この位置で、ＵＶスポット照明装置を用いて、照射強度３０ｍＷ／ｃｍ2、１０分のＵＶ照射を行い、光学接着剤３５を硬化させる。これにより、光ファイバ４の先端部がグレーティングカプラ２３に対して高い精度で位置決めされる。
【００４４】
図８は、ファイバガイド構造の開口３０の上部に光ファイバ４を保持、保護するためのハウジング６１を配置した例を示す。図８（Ａ）は上面図、図８（Ｂ）は断面図である。ハウジング６１は、その内壁に、傾斜した光ファイバ４をハウジング外に案内する傾斜面６１ａを有する。ハウジング６１の内部は、接着剤６２が充填され光ファイバ４を固定する。
【実施例】
【００４５】
図７Ａ〜図７Ｋの方法で作製した光電気集積チップ２０の１０ロットについて、光ファイバ４の位置決め角度の設計値からのずれ量を計測した。その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
表１の結果から、最適角度に対する角度ずれの標準偏差は０．４度であることが分かる。
【比較例】
【００４７】
比較例として、図９に示すように、最下層１０５から最上層１０９に至るまで垂直方向に対して１０度のテーパ角がつくように開口１３０を形成した光電気集積チップを作製した。具体的には、外形φ１００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシリコン基板１０１に、シリコン細線光導波路１０２、グレーティングカプラ１０３、アライメントマーク（不図示）などを形成する。全面にＣｙｔｏｐTM（登録商標）（品番：CTX-807P，旭硝子社製）をスピンコートし、大気雰囲気中８０℃で６０分乾燥後、大気雰囲気中１８０℃で６０分の加熱硬化処理を行い、厚さ約１０μｍの保護層１０４を形成した。次にドライフィルムレジスト（型名：TMMFTM S2000，東京応化工業製）をラミネートする。ラミネート条件は、ロールラミネータを用いて、ラミネートロール温度１１０℃、ラミネートロール速度１ｍ／分、ラミネートロール圧力０．３ＭＰａとする。コンタクト露光装置（型名：UX3，ウシオ電機製）を用いて、露光量４００ｍｊ／ｃｍ2で露光、９０℃で５分の加熱処理後、現像液（品名：PM Thinner，東京応化工業製）を用いて、ステンレスバット中で８分揺動させて現像する。その後、オーブンを用いてＮ2雰囲気中、２００℃で６０分の条件でポストベーク処理することにより最下層１０５及び開口部を形成した。ここで、最下層１０５の開口部壁面は、光ファイバ１２０を傾斜させて固定するために、垂直方向に対し１０度のテーパ角を有するように形成した。次に最下層１０５と同じドライフィルムレジストを用いて、同じプロセスにより、中間層１０６〜１０８及び最上層１０９を順次形成し、それぞれに開口部を形成した。その際、中間層１０６〜１０８の開口部と最上層１０９の開口部の壁面は最下層１０５の開口部と同様に、垂直方向に対して１０度のテーパ角を有し、かつ、下層から上層にむけて開口幅が次第に広くなるように形成した。すなわち、多層ガイド層１１０の開口１３０の断面形状が全体として断面Ｖ字のテーパ形状となるように、各層の開口幅を調節した。
【００４８】
しかし、露光時のアライメント精度の制約のため、中間層のうちの一層１０７について開口部の側壁が、その下の層の側壁よりも５μｍ開口１３０の内側に突出する現象が発生した。
【００４９】
この状態のまま、ツールを用いて光ファイバ１２０を開口１３０の断面形状に沿うように位置決めし、固定したところ、光ファイバ１２０は、最下層１０５の開口部壁面と、位置ずれした中間層１０７の開口部壁面とに当接して固定された。このため、光ファイバの傾斜角度は１２．４度となった。光ファイバ１２０がグレーティングカプラ１０３との間で高効率に光結合するのに必要な光ファイバ１２０の傾斜角度１０度に対して、１．４度のずれが発生した。また，光ファイバ１２０が位置ずれした中間層１０７の開口部壁面と当接して傾斜角度が１．４度ずれたことにより、光ファイバ１２０の先端の水平位置は、本来位置決めされるべき水平位置に対して、傾斜方向と反対側（図９では左側）に８．２μｍずれた位置で固定された。このため、グレーティングカプラ１０３によるシリコン細線光導波路１０２と光ファイバ１２０との光結合効率は１５％となり、実施形態の光集積チップ２０と比較して、１／４の光結合効率しか得られないことが分かった。
【００５０】
図９の光ファイガイド構造を有する光電気集積チップの１０ロットについて、実施例と同様に光ファイバ１２０の位置決め角度の設計値からのずれ量を計測した。表２に示すように、角度ずれの標準偏差は０．９度であり、実施例に対して２倍以上大きいことが分かった。
【００５１】
【表２】
【００５２】
このように、実施形態の構成を用いることにより、光電気集積チップ２０への光ファイバ４のパッシブアライメントによる位置決めにおいて、位置ずれ、角度ずれを小さくすることができる。その結果、実装プロセスコスト削減、ならびに実装プロセスコスト削減による光モジュール１０、電子機器１の低コスト化が期待できる。
【００５３】
本発明は上述した実施形態に限定されない。開口内で光ファイバを受け取るＶ字型コーナーは、平面Ｖ字形状に限定されず、Ｕ字型、アーチ型など任意の形状をとることができる。また、中間層と最上層及び最下層との側壁のオフセット量は、ファイバ径とフォトリソグラフィー工程で生じる位置ずれ量を勘案して適宜設定することができる。中間層の開口の中心に対して最下層と最上層の開口のいずれか一方だけをオフセットさせる構成としてもよい。また、光ファイバを緩やかな曲率をもって最上層の開口側壁と最下層の開口側壁で位置決めする際に中間層の開口側壁と接触しないだけの開口幅を中間層に持たせる場合は、必ずしも最下層の開口と最上層の開口をオフセットさせなくてもよい。
【００５４】
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、
前記開口に案内されて、前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバと、
を含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、
前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接することを特徴とする光集積デバイス。
（付記２）
前記最下層の開口部と前記最上層の開口部は、前記中間層の開口部の中心に対して互いに反対方向にオフセットしていることを特徴とする付記１に記載の光集積デバイス。
（付記３）
前記最下層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第２の端部側にオフセットし、前記最上層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第１の端部側にオフセットしていることを特徴とする付記２に記載の光集積デバイス。
（付記４）
前記最下層のガイド層の前記開口部は、前記第１の端部で前記光ファイバを受け取る第１のファイバ受け取り部を有し、前記最上層のガイド層の前記開口部は、前記第２の端部で前記光ファイバを受け取る第２のファイバ受け取り部を有することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記５）
前記最下層のガイド層の前記開口部と、前記最上層のガイド層の前記開口部は、平面形状において互いに逆方向を向いた多角形を含むことを特徴とする付記４に記載の光集積デバイス。
（付記６）
前記光ファイバは、前記中間層に形成された開口部の側壁と接触しないで保持されることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記７）
前記中間層での前記開口幅は、前記最下層のガイド層と前記最上層のガイド層での開口幅よりも１０〜１００μｍ広いことを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記８）
前記光ファイバの先端面は、前記開口内で、使用波長に対して光透過性の保護膜を介して前記光入力部と対向することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記９）
前記開口の上部に配置され前記光ファイバを保持するハウジングをさらに有することを特徴とする付記１〜８のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記１０）
付記１〜９のいずれかに記載の光集積デバイスと、電子部品とを中継基板上に搭載した光モジュール。
（付記１１）
付記１０に記載の光モジュールが複数配置された基板と、
前記基板のエッジに配置された光コネクタと、
を含み、前記複数の光モジュール間、又は前記光モジュールと前記光コネクタの間が前記光ファイバで接続されている電子機器。
（付記１２）
基板上に積層される複数のガイド層に、最下層のガイド層の開口幅と最上層のガイド層の開口幅が、前記最下層と最上層の間の中間層の開口幅よりも狭く設定された開口を形成して、前記開口内に前記基板に形成された光結合素子を露出し、
前記開口内に光ファイバを案内し、
前記光ファイバを、前記最下層の開口部の第１側壁と、前記最上層の開口部の前記第１側壁と反対側の第２側壁とに当接させて固定する
ことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
（付記１３）
前記開口の形成は、
前記最下層のガイド層に第１の開口幅の開口部を形成し、
前記最下層のガイド層上に前記中間層を配置して、前記中間層に前記第１の開口部と連通し、前記第１の開口部の開口幅よりも広い第２の開口幅の開口部を形成し、
前記中間層上に、前記第２の開口部と連通し前記第２の開口幅よりも狭い第３の開口幅を有する前記最上層のガイド層を配置する
ことを特徴とする付記１２に記載の光集積デバイスの製造方法。
（付記１４）
前記最下層の開口部と、前記最上層の開口部を、前記中間層の開口部の中心に対して互いに逆方向にオフセットさせて配置することを特徴とする付記１２に記載の光集積デバイスの製造方法。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
産業用、公共用等、任意の光伝送システムに利用可能である。一例として、サーバやハイエンドコンピュータシステムの高速伝送路に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電子機器
４ 光ファイバ
１０ 光モジュール
２０ 光電気集積チップ（光集積デバイス）
２１ シリコン基板（基板）
２２ 光導波路
２３ グレーティングカプラ（光入出力部）
２４ 保護層
２５ 多層ガイド層の最下層
２６ 多層ガイド層の中間層
２９ 多層ガイド層の最上層
３０ 開口
３２ 最下層の開口部
３３ 中間層の開口部
３４ 最上層の開口部
３２Ｓ、３３ＳＡ、３３ＳＢ、３４Ｓ 開口部側壁
３２Ｖ、３４Ｖ Ｖ字型コーナー（ファイバ受け取り部）
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 開口幅
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光集積デバイスとその製造方法、及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーバやルータなど内部に複数のノードを有する情報機器において、近い将来、ノード間の伝送容量は１０〜１００Gbps以上、伝送帯域は１〜１０Tbpsクラスが必要になると言われている。この場合、現在使用されている電気配線に代わって光配線によるインターコネクションが必要になる。
【０００３】
ノード間の伝送容量が１００Gbps以上、伝送帯域が１０Tbpsクラスのシステムでは、機器の省電力化、高集積化が不可欠である。そのような省電力、高集積のシステムは、光電気変換素子や光変調器、合分波器を少数のチップに集約したいわゆるシリコンフォトニクス技術によって実現されることが期待されている。
【０００４】
シリコンフォトニクス技術に用いられる光電気集積チップは、半導体プロセス工程によって作製される。シリコン基板上にクラッド層やシリコン細線光導波路が形成され，シリコン細線光導波路の末端に、光ファイバと光結合を行うためのグレーティングカプラが形成されている。
【０００５】
ところで、ノード間で光信号を伝送する際には、長距離を伝送しても波形劣化の影響が小さいシングルモードファイバを用いることが望ましい。しかし、シングルモードファイバを用いる場合には、光電気集積チップ内に形成されたグレーティングカプラに、高い位置精度と角度精度で実装する必要がある。
【０００６】
Luxtera社は、シリコンフォトニクス技術を用いた光トランシーバを製品化しており、８チャンネルのグレーティングカプラが形成されたCMOS Transceiver Dieに８チャンネルのシングルモードファイバアレイをアクティブアライメントにより実装している（たとえば、非特許文献１参照）。しかし、アクティブアライメント実装には特殊な設備が必要であり、量産時の製造コスト低減が見込めるパッシブアライメント実装技術が望まれる。
【０００７】
パッシブアライメント実装技術として、光電気集積チップ上にドライフィルムレジストを用いて傾斜（テーパ）を有するガイド構造を厚く形成し、光ファイバ先端をガイド構造に沿わせることにより、光電気集積チップ上の光素子と光ファイバをアライメントする方法が提案されている(たとえば、非特許文献２参照)。ガイド構造を厚く形成するために、ドライフィルムレジストを多層に積層している。
【０００８】
しかし、ドライフィルムレジストの積層プロセスにより多層のガイド構造を形成する場合、フォトリソグラフィー工程で異なる層の開口部側壁間で位置ずれ発生し、直線状のテーパが形成できない。
【０００９】
例えば、図１（Ａ）ではシリコン基板１０上に光導波路１０２とグレーティングカプラ１０３が形成され、保護層１０４を介してラミネートされたドライフィルムレジスト１０５〜１０９に開口１３０が形成されている。中間層１０８に位置ずれが生じた場合、テーパ状の開口１３０に沿って光ファイバ１２０の先端を位置決めしようとしても、光ファイバ１２０の先端位置や角度が、目的とする位置、角度からずれてしまう。図１（Ａ）で予定されるファイバ位置Ｐは垂線から角度θで傾斜するが、光ファイバ１２０を実装すると図１（Ｂ）に示すように、設計された傾斜角θよりも小さい角度で光ファイバ１２０が傾斜して、開口１３０内に保持される。
【００１０】
図２では逆に、中間層１０７に位置ずれが生じ、光ファイバ１２０は設計された傾斜角度θよりも大きな角度で傾斜して開口１３０内に保持される。図１（Ｂ）や図２（Ｂ）のように光ファイバ１２０の傾斜角度が本来の位置からずれると、グレーティングカプラ１０３を介した光導波路１０２と光ファイバ１２０との間の光結合効率が大きく低下してしまう。
【００１１】
したがって、パッシブアライメントにより光電気集積チップに光ファイバを位置決めする際に、ドライフィルムレジストの多層化プロセスによりファイバガイド構造を厚く形成しても、光ファイバの位置ずれや傾斜角度のずれを小さくできる構成が望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Narashima et al.,“An Ultra Low Power CMOS Photonics Technology Platform for H/S OptoelectronicTransceivers at less than $1 per Gbps”, Proc. OFC 2010 （2010）
【非特許文献２】Christoph Kopp etal., “Dry-film Technology as a Standard Process for Passive Optical Alignment ofSilicon Photonics Devices” Proc. ECTC 2009 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
光集積デバイスに光ファイバを位置決めする際に、光ファイバの位置ずれや角度のずれを低減できる構成と手法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一つの態様では、光集積デバイスは、
基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、
前記開口に案内されて、前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバと
を含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、
前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接する。
【発明の効果】
【００１５】
低コストで接続信頼性の高い光ファイバガイド構造を有する光集積デバイスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】公知の光ファイバアライメント構造の問題点を示す図である。
【図２】公知の光ファイバアライメント構造の問題点を示す図である。
【図３】実施形態の光電気集積チップを用いた光モジュールを搭載した電子機器の概略図である。
【図４】実施形態の光電気集積チップにおける光ファイバ位置決め構造の説明図である。
【図５】実施形態の光電気集積チップにおける光ファイバ位置決め構造の説明図である。
【図６】実施形態の光電気集積チップにおける光ファイバ位置決め構造の説明図である。
【図７Ａ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｂ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｃ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｄ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｅ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｆ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｇ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｈ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｉ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｊ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図７Ｋ】実施形態の光電気集積チップの製造工程図である。
【図８】光ファイバを保持、保護するためのハウジングを取り付けた構成例を示す図である。
【図９】比較例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。図３は、複数の光モジュール１０を搭載した電子機器１の概略図である。各光モジュール１０には、光集積デバイスの一例としての光電気集積チップ２０が実装されている。電子機器１は、ノード間の光インターコネクションを備えた次世代の情報機器で用いられる多層回路基板であり、光モジュール１０の各々がノードを構成している。光モジュール１０は、半田バンプ１５によって回路基板２に実装され、ノード間は、光ファイバ４を用いて光接続されている。回路基板２のエッジには、ボード外接続用の光コネクタ３が配置され、各ノード（光モジュール１０）と光コネクタ３の間が光ファイバ４によって光接続されている。
【００１８】
光モジュール１０は、インタポーザ基板１１上に、インターコネクト制御チップ１２、ロジックチップ１３、メモリチップ１４等の電子部品と、光電気集積チップ２０とを搭載している。光電気集積チップ２０は、たとえばシリコン基板上にクラッド層や光導波路が形成され、光導波路の末端に、光ファイバと光結合を行うグレーティングカプラが形成されている。光ファイバ４は、たとえばアレイ状に配列されてハウジング５内に収容されて光電気集積チップ２０と接続される。
【００１９】
図４は、実施形態の光電気集積チップ２０の光ファイバ位置決め構造を示す断面図である。光電気集積チップ２０は、シリコン基板２１上に、少なくとも光導波路２２とグレーティングカプラ２３が形成されている。グレーティングカプラ２３は、外部から、あるいは外部への光信号の入出力インタフェースとして機能する。図４では、図示はしないが、シリコン基板２１上に光電変換素子や、光強度を変化させる光変調素子等もモノリシックに集積されているものとする。
【００２０】
グレーティングカプラ２３が形成された基板２１上に、最下層２５、中間層２６、ボンディングフィルム２７、最上層２９を含む多層ガイド層３１が形成されている。多層ガイド層３１を貫通する開口３０内に光ファイバ４が配置される。光ファイバ４の先端面は、保護層２４を介して、基板２１上のグレーティングカプラ２３と対向している。
【００２１】
開口３０は、多層ガイド層３１の最下層２５に形成された開口部３２と、中間層２６に形成された開口部３３と、最上層２９に形成された開口部３４を含む。中間層２６の開口部３３の開口幅は、最下層２５の開口部３２の開口幅と、最上層２９の開口部３４の開口幅よりも広い。
【００２２】
ここで「開口幅」というときは、光ファイバ４が傾斜する方向での開口サイズをいうものとする。図４の例では、光ファイバ４は紙面の右方向に傾斜するので、開口幅は紙面の左右方向（水平方向）の開口サイズを指す。複数の光ファイバ４をアレイ状に配列する場合は、光ファイバ４は、開口幅と直交する方向に配列される。したがって、ファイバ配列方向は図４の紙面に対して垂直な方向となる。
【００２３】
開口３０内に挿入された光ファイバ４の端部は、最下層２５の開口部３２の一端側である開口端Ａと、最上層２９の開口部３４の他端側である開口端Ｂの２箇所に当接して、緩やかな曲率をもって位置決めされる。この状態で、光ファイバ４は開口３０内に充填された光学接着剤３５で固定されている。
【００２４】
図５は、多層ガイド層３１の開口部３０の開口部の説明図である。図４と同様に、紙面の左右方向（水平方向）を開口３０の幅方向とする。最下層２５の開口部３２は、グレーティングカプラ２３を露出する開口幅Ｗ１を有する。中間層２６の開口部３３は、Ｗ１よりも広い開口幅Ｗ２を有する。最上層２９の開口部３４は、Ｗ２よりも狭い開口幅Ｗ３を有する。
【００２５】
開口３０に挿入された光ファイバ４を図４のように傾斜させるために、図５において、中間層２６の開口部３３は、最下層２５の開口部３２の側壁３２Ｓに対して、最下層２５での光ファイバ当接側である開口端Ａ側にオフセットして広く拡がっている。また、中間層２６の開口部３３は、最上層２９の開口部３４の側壁３４Ｓに対して、最上層２９での光ファイバ当接側である開口端Ｂ側にオフセットして広く拡がっている。換言すると、最下層２５の開口部３２は、中間層２６の開口部３３の中心に対して、光ファイバ４が傾斜する方向（図４、５の例では紙面の右側）にオフセットし、最上層２９の開口部３４は、中間層２６の開口部３３の中心に対して、光ファイバが傾斜する方向と反対側の方向（図４，５の例では紙面の左側）にオフセットする。
【００２６】
開口部３３と開口部３２、３４の間の相対的なオフセット量は、開口３０の形成工程における各層の位置ずれ量よりも大きく設定されている。開口３０をこのような断面形状とすることで、光ファイバ４の傾斜は、図４に示すように最下層２５の開口端Ａと最上層２９の開口端Ｂの２箇所のみで規定され、あらかじめ設計された傾斜角との角度ずれを最小にすることができる。
【００２７】
図６は、ツール５０を用いた光ファイバ４の位置決めを説明するための図である。光ファイバ４を、６軸（ｘ、ｙ、ｚ、θx、θy、θz）の調整が可能なツール５０に吸着固定し、光学接着剤３５を充填した開口３０内に挿入する。光ファイバ４の先端が保護層２４に接触する高さで、矢印のように、ツール５０に光ファイバ４を傾斜させる方向に加重を加えると、光ファイバ４は多層ガイド層３１の最上層２９の開口端Ｂと、最下層２５の開口端Ａの２箇所に当接され、緩やかな曲率をもって位置決めされる。
【００２８】
たとえば、外径が８０μｍの光ファイバ４を用いるとすると、中間層２６の開口部３３のＢ側側壁３３ＳＢは、最上層２９のＢ側の側壁３４Ｓよりも５〜５０μｍ、さらに望ましくは１５〜２５μｍ、外側にオフセットして配置されている。また、中間層２６の開口部３３のＡ側側壁３３ＳＡは、最下層２５のＡ側の側壁３２ｓよりも５〜５０μｍ、さらに望ましくは１５〜２５μｍ、外側にオフセットして配置されている。
【００２９】
中間層２６に開口部３３を形成する工程で、仮に各層で水平方向に数μｍ程度の位置ずれが発生しても、中間層２６の開口部側壁３３Ｓは光ファイバ４に接触しない。したがって、位置決め時に光ファイバ４の傾斜角度のずれを低減することが可能である。また、光ファイバ４は、最下層２５の開口端Ａと、最上層２９における反対側の開口端Ｂとに当接して位置決めされるため、最上層２９の開口部３４に位置ずれが生じたとしても、光ファイバ４の保持角度のずれ量は従来に比べて小さい。
【００３０】
図７Ａ〜図７Ｋは、実施形態の光電気集積チップ（光集積デバイス）２０の製造工程図である。図７Ａ〜図７Ｋを通して、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。以下では、外径８０μmの光ファイバ４を使用する例を説明するが、光ファイバ４の外径は８０μmに限定されるものではない。８０μｍよりも大きくても小さくてもよく、光ファイバ４の外径に合わせて多層ガイド層３１の厚さや開口３０のサイズを適宜決めることができる。また，光ファイバ４は単独でもアレイ状に配列されたものでもどちらでもよい。以下の例では、４本の光ファイバ４が一列に並ぶファイバアレイを例にとって説明する。
【００３１】
まず、図７Ａに示すように、シリコン基板２１上に、シリコン細線光導波路２２と、これに接続して光インタフェースの役割を果たすグレーティングカプラ２３を形成する。シリコン基板２１上には、位置決め用のアライメントマーク７５が配置されている。シリコン基板は、たとえば外形φ１００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシリコン基板上に複数のチップ領域が配置されたものである。図７Ａでは、図示の都合上、１チップ分の領域のみを示している。
【００３２】
次に、図７Ｂに示すように、シリコン基板２１全体を覆って、厚さ１０μmの保護層２４を形成する。保護層２４は、例えば旭硝子製の「ＣＹＴＯＰTM」（登録商標）、品番CTX-807MPをスピンコートし、大気雰囲気中で８０℃、６０分の乾燥後、大気雰囲気中で１８０℃、６０分のキュアを行なうことによって形成する。その後、保護膜２４の不要な部分をＲＩＥ法によりパターニングして除去する。
【００３３】
次に、図７Ｃに示すように、厚さ６５μｍのドライフィルムレジストを、最下層のガイド層２５として保護膜２４上にラミネートし、フォトリソグラフィー法によりパターニングして、最下層２５の開口部３２を形成する。ドライフィルムレジストは、たとえば、東京応化工業製の「ＴＭＭＦTM S2000」である。このドライフィルムレジストを、ロールラミネータを用いて、ラミネートロール温度１１０℃、ラミネートロール速度１ｍ／分、ラミネートロール圧力０．３ＭＰａの条件でラミネートする。コンタクト露光装置（型名：ＵＸ３、ウシオ電機製）を用いて、露光量４００ｍＪ／ｃｍ2で露光し、オーブンで窒素雰囲気中、９０℃で５分加熱処理した後に、現像液（品名：PM Thinner、東京応化工業製）を用いて現像する。最後にオーブンを用いて窒素雰囲気中、２００℃、６０℃でポストベーク処理を行い、開口部３２を形成する。
【００３４】
開口部３２は、光ファイバの水平方向の位置決めが容易なように、上面からみた形状でＶ字型のコーナー３２Ｖを一部に含む。この例では、開口部３２は、ファイバ配列方向に沿ってＶ字型コーナー３２Ｖが連なるノコリギ歯状の平面形状を有する。開口部３２の幅Ｗ１は、上述したように、光ファイバ４が傾斜する方向に沿った開口サイズである。開口部３２のＶ字型コーナー３２Ｖは、光ファイバ４の端部を受け取る開口端Ａ（図４、図５参照）に対応する。
【００３５】
次に、図７Ｄに示すように、厚さ６５μｍのドライフィルムを３層重ねた厚さ１９５μmの中間層２６に、開口部３３を形成する。図７Ｃと同じドライフィルムを用い、ラミネートとパターニングを３回繰り返す。ここで、複数のドライフィルムレジストを順次硬化、積層した後に、一括してＲＩＥ処理することにより一度の処理で開口部３３を形成することも考えられる。しかし、反応ガスにＯ2を用い、ガス圧０．２ＰａでＲＩＥ処理を行う場合、エッチング速度は毎分０．３μm程度である。厚さ２００μmのドライフィルムレジストに開口部３３を形成しようとすると、１１時間以上の処理が必要になる。すなわちマシンタイムにより生ずるプロセスコストが非常に高くなる。誘導結合型プラズマドライプロセス装置（ICP-RIE）を用いると、エッチング時間は数分の１程度に短縮されるが、酸素イオン衝突によるレジストの発熱が大きく、レジストの変質を防ぐためにエッチングと冷却を繰返し行う必要がある。基板冷却工程を含めた場合、マシンタイムの十分な短縮は図れない。
【００３６】
これらの理由から、積層されたドライレジストフィルムに開口を形成する場合は各層ごとに開口部を形成する。各層ごとに開口部を形成すると、層間の位置ずれが生じるが、上述したように、中間層２６の開口幅Ｗ２は、光ファイバ４に位置ずれの影響が及ばないように、最下層２５の開口幅Ｗ１と、最上層２９の開口幅Ｗ３（図５参照）よりも広く設定される。図７Ｄの例では、最下層２５の開口３２の幅Ｗ１の方向と、これに直交する配列方向の双方で、各辺を１５μｍずつ大きくした長方形の開口３３を形成している。開口３３内に、最下層２５の開口３２と、保護膜２４を介してグレーティングカプラ２３が露出している。
【００３７】
次に、図７Ｅに示すように、別の基板５１を用意する。基板５１は外形φ１００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシリコン基板５１である。基板５１上に、図７Ｃ、図７Ｄで用いたのと同じ厚さ６５μｍのドライフィルムレジストをラミネートして、最上層２９を形成する。ドライフィルムレジスト２９をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、開口部３４を形成する。開口部３４は、図７Ｃの開口部３２と同様に、ファイバ配列方向に沿ってＶ字型コーナー３４Ｖが連なったノコリギ歯状の平面形状を有する。ただし、Ｖ字型コーナー３４Ｖが形成される向きが、図７Ｃの開口部３２と逆方向である。最上層２９の開口部３４のＶ字型コーナー３４Ｖは、最上層２９で光ファイバ４を当接させる開口端Ｂ（図４参照）に対応する。
【００３８】
次に、図７Ｆに示すように、厚さ２０μｍの熱ボンディングフィルム２７を打ち抜きプレスを用いて所定の形状に加工した後に、テープマウンタを用いて、基板５１上のドライフィルム２９上に貼り付ける。その後、ダイシングソーを用いて、光電気集積チップ２０の寸法２０×２０ｍｍに切断、個片化する。
【００３９】
次に、図７Ｇに示すように、先に最下層２５や中間層２６、開口部３２、３３を形成したシリコン基板２１に、個別化した基板５１を、熱ボンディングフィルム２７を下にしてフリップチップ接合する。接合条件は、たとえば、フリップチップボンダを用いて、荷重９８N、ヘッド加熱温度１８０℃、パルスヒート加熱１８０℃、１０秒の条件とする。フリップチップ接合後、オーブンを用いて窒素雰囲気中１５０℃で２時間加熱して、熱ボンディングフィルム２７を熱硬化させる。
【００４０】
次に、図７Hに示すように、ＩＣＰエッチング装置（型名：Ｅ６２０、パナソニックファクトリーソリューション製）を用いて、エッチング速度２０μｍ／分で１５分エッチング処理を行うことにより、別の基板５１のみを除去する。これにより、多層ガイド層３１を貫通し、保護層２４を介してグレーティングカプラ２３を露出する開口３０が形成される。
【００４１】
次に、図７Ｉに示すように、ディスペンサで光学接着剤（例えば、品番：GA-700H、NTT-AT社製）３５を開口３０内に充填する。
【００４２】
次に、図７Ｊに示すように、４本の光ファイバ４をツール５０に吸着固定し、一括して開口３０の光学接着剤３０の中に挿入する。光ファイバ４の挿入角度は、最終的に光ファイバを傾斜させて保持する方向と反対側の方向に１〜１０°、たとえば５°傾斜させて挿入する。この状態では、光ファイバ４は最下層２５の開口端Ａにも、最上層２９の開口端Ｂにも接していない。
【００４３】
次に、図７Ｋに示すように、光ファイバ４の先端が保護層２４に接触したところで、ツール５０に光ファイバ４を傾斜させる方向に荷重を加える。これにより、光ファイバ４は多層レジストの最下層２５の開口部３２の開口端Ａと、最上層２９の開口部３４の開口端Ｂの２箇所に当接して、緩やかな曲率をもって位置決めされる。この位置で、ＵＶスポット照明装置を用いて、照射強度３０ｍＷ／ｃｍ2、１０分のＵＶ照射を行い、光学接着剤３５を硬化させる。これにより、光ファイバ４の先端部がグレーティングカプラ２３に対して高い精度で位置決めされる。
【００４４】
図８は、ファイバガイド構造の開口３０の上部に光ファイバ４を保持、保護するためのハウジング６１を配置した例を示す。図８（Ａ）は上面図、図８（Ｂ）は断面図である。ハウジング６１は、その内壁に、傾斜した光ファイバ４をハウジング外に案内する傾斜面６１ａを有する。ハウジング６１の内部は、接着剤６２が充填され光ファイバ４を固定する。
【実施例】
【００４５】
図７Ａ〜図７Ｋの方法で作製した光電気集積チップ２０の１０ロットについて、光ファイバ４の位置決め角度の設計値からのずれ量を計測した。その結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
表１の結果から、最適角度に対する角度ずれの標準偏差は０．４度であることが分かる。
【比較例】
【００４７】
比較例として、図９に示すように、最下層１０５から最上層１０９に至るまで垂直方向に対して１０度のテーパ角がつくように開口１３０を形成した光電気集積チップを作製した。具体的には、外形φ１００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシリコン基板１０１に、シリコン細線光導波路１０２、グレーティングカプラ１０３、アライメントマーク（不図示）などを形成する。全面にＣｙｔｏｐTM（登録商標）（品番：CTX-807P，旭硝子社製）をスピンコートし、大気雰囲気中８０℃で６０分乾燥後、大気雰囲気中１８０℃で６０分の加熱硬化処理を行い、厚さ約１０μｍの保護層１０４を形成した。次にドライフィルムレジスト（型名：TMMFTM S2000，東京応化工業製）をラミネートする。ラミネート条件は、ロールラミネータを用いて、ラミネートロール温度１１０℃、ラミネートロール速度１ｍ／分、ラミネートロール圧力０．３ＭＰａとする。コンタクト露光装置（型名：UX3，ウシオ電機製）を用いて、露光量４００ｍｊ／ｃｍ2で露光、９０℃で５分の加熱処理後、現像液（品名：PM Thinner，東京応化工業製）を用いて、ステンレスバット中で８分揺動させて現像する。その後、オーブンを用いてＮ2雰囲気中、２００℃で６０分の条件でポストベーク処理することにより最下層１０５及び開口部を形成した。ここで、最下層１０５の開口部壁面は、光ファイバ１２０を傾斜させて固定するために、垂直方向に対し１０度のテーパ角を有するように形成した。次に最下層１０５と同じドライフィルムレジストを用いて、同じプロセスにより、中間層１０６〜１０８及び最上層１０９を順次形成し、それぞれに開口部を形成した。その際、中間層１０６〜１０８の開口部と最上層１０９の開口部の壁面は最下層１０５の開口部と同様に、垂直方向に対して１０度のテーパ角を有し、かつ、下層から上層にむけて開口幅が次第に広くなるように形成した。すなわち、多層ガイド層１１０の開口１３０の断面形状が全体として断面Ｖ字のテーパ形状となるように、各層の開口幅を調節した。
【００４８】
しかし、露光時のアライメント精度の制約のため、中間層のうちの一層１０７について開口部の側壁が、その下の層の側壁よりも５μｍ開口１３０の内側に突出する現象が発生した。
【００４９】
この状態のまま、ツールを用いて光ファイバ１２０を開口１３０の断面形状に沿うように位置決めし、固定したところ、光ファイバ１２０は、最下層１０５の開口部壁面と、位置ずれした中間層１０７の開口部壁面とに当接して固定された。このため、光ファイバの傾斜角度は１２．４度となった。光ファイバ１２０がグレーティングカプラ１０３との間で高効率に光結合するのに必要な光ファイバ１２０の傾斜角度１０度に対して、１．４度のずれが発生した。また，光ファイバ１２０が位置ずれした中間層１０７の開口部壁面と当接して傾斜角度が１．４度ずれたことにより、光ファイバ１２０の先端の水平位置は、本来位置決めされるべき水平位置に対して、傾斜方向と反対側（図９では左側）に８．２μｍずれた位置で固定された。このため、グレーティングカプラ１０３によるシリコン細線光導波路１０２と光ファイバ１２０との光結合効率は１５％となり、実施形態の光集積チップ２０と比較して、１／４の光結合効率しか得られないことが分かった。
【００５０】
図９の光ファイガイド構造を有する光電気集積チップの１０ロットについて、実施例と同様に光ファイバ１２０の位置決め角度の設計値からのずれ量を計測した。表２に示すように、角度ずれの標準偏差は０．９度であり、実施例に対して２倍以上大きいことが分かった。
【００５１】
【表２】
【００５２】
このように、実施形態の構成を用いることにより、光電気集積チップ２０への光ファイバ４のパッシブアライメントによる位置決めにおいて、位置ずれ、角度ずれを小さくすることができる。その結果、実装プロセスコスト削減、ならびに実装プロセスコスト削減による光モジュール１０、電子機器１の低コスト化が期待できる。
【００５３】
本発明は上述した実施形態に限定されない。開口内で光ファイバを受け取るＶ字型コーナーは、平面Ｖ字形状に限定されず、Ｕ字型、アーチ型など任意の形状をとることができる。また、中間層と最上層及び最下層との側壁のオフセット量は、ファイバ径とフォトリソグラフィー工程で生じる位置ずれ量を勘案して適宜設定することができる。中間層の開口の中心に対して最下層と最上層の開口のいずれか一方だけをオフセットさせる構成としてもよい。また、光ファイバを緩やかな曲率をもって最上層の開口側壁と最下層の開口側壁で位置決めする際に中間層の開口側壁と接触しないだけの開口幅を中間層に持たせる場合は、必ずしも最下層の開口と最上層の開口をオフセットさせなくてもよい。
【００５４】
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、
前記開口に案内されて、前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバと、
を含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、
前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接することを特徴とする光集積デバイス。
（付記２）
前記最下層の開口部と前記最上層の開口部は、前記中間層の開口部の中心に対して互いに反対方向にオフセットしていることを特徴とする付記１に記載の光集積デバイス。
（付記３）
前記最下層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第２の端部側にオフセットし、前記最上層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第１の端部側にオフセットしていることを特徴とする付記２に記載の光集積デバイス。
（付記４）
前記最下層のガイド層の前記開口部は、前記第１の端部で前記光ファイバを受け取る第１のファイバ受け取り部を有し、前記最上層のガイド層の前記開口部は、前記第２の端部で前記光ファイバを受け取る第２のファイバ受け取り部を有することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記５）
前記最下層のガイド層の前記開口部と、前記最上層のガイド層の前記開口部は、平面形状において互いに逆方向を向いた多角形を含むことを特徴とする付記４に記載の光集積デバイス。
（付記６）
前記光ファイバは、前記中間層に形成された開口部の側壁と接触しないで保持されることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記７）
前記中間層での前記開口幅は、前記最下層のガイド層と前記最上層のガイド層での開口幅よりも１０〜１００μｍ広いことを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記８）
前記光ファイバの先端面は、前記開口内で、使用波長に対して光透過性の保護膜を介して前記光入力部と対向することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記９）
前記開口の上部に配置され前記光ファイバを保持するハウジングをさらに有することを特徴とする付記１〜８のいずれかに記載の光集積デバイス。
（付記１０）
付記１〜９のいずれかに記載の光集積デバイスと、電子部品とを中継基板上に搭載した光モジュール。
（付記１１）
付記１０に記載の光モジュールが複数配置された基板と、
前記基板のエッジに配置された光コネクタと、
を含み、前記複数の光モジュール間、又は前記光モジュールと前記光コネクタの間が前記光ファイバで接続されている電子機器。
（付記１２）
基板上に積層される複数のガイド層に、最下層のガイド層の開口幅と最上層のガイド層の開口幅が、前記最下層と最上層の間の中間層の開口幅よりも狭く設定された開口を形成して、前記開口内に前記基板に形成された光結合素子を露出し、
前記開口内に光ファイバを案内し、
前記光ファイバを、前記最下層の開口部の第１側壁と、前記最上層の開口部の前記第１側壁と反対側の第２側壁とに当接させて固定する
ことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
（付記１３）
前記開口の形成は、
前記最下層のガイド層に第１の開口幅の開口部を形成し、
前記最下層のガイド層上に前記中間層を配置して、前記中間層に前記第１の開口部と連通し、前記第１の開口部の開口幅よりも広い第２の開口幅の開口部を形成し、
前記中間層上に、前記第２の開口部と連通し前記第２の開口幅よりも狭い第３の開口幅を有する前記最上層のガイド層を配置する
ことを特徴とする付記１２に記載の光集積デバイスの製造方法。
（付記１４）
前記最下層の開口部と、前記最上層の開口部を、前記中間層の開口部の中心に対して互いに逆方向にオフセットさせて配置することを特徴とする付記１２に記載の光集積デバイスの製造方法。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
産業用、公共用等、任意の光伝送システムに利用可能である。一例として、サーバやハイエンドコンピュータシステムの高速伝送路に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ 電子機器
４ 光ファイバ
１０ 光モジュール
２０ 光電気集積チップ（光集積デバイス）
２１ シリコン基板（基板）
２２ 光導波路
２３ グレーティングカプラ（光入出力部）
２４ 保護層
２５ 多層ガイド層の最下層
２６ 多層ガイド層の中間層
２９ 多層ガイド層の最上層
３０ 開口
３２ 最下層の開口部
３３ 中間層の開口部
３４ 最上層の開口部
３２Ｓ、３３ＳＡ、３３ＳＢ、３４Ｓ 開口部側壁
３２Ｖ、３４Ｖ Ｖ字型コーナー（ファイバ受け取り部）
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 開口幅
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、
前記開口に案内されて、前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバと、
を含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、
前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接することを特徴とする光集積デバイス。
【請求項２】
前記最下層の開口部と前記最上層の開口部は、前記中間層の開口部の中心に対して互いに反対方向にオフセットしていることを特徴とする請求項１に記載の光集積デバイス。
【請求項３】
前記最下層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第２の端部側にオフセットし、前記最上層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第１の端部側にオフセットしていることを特徴とする請求項２に記載の光集積デバイス。
【請求項４】
前記最下層のガイド層の前記開口部は、前記第１の端部で前記光ファイバを受け取る第１のファイバ受け取り部を有し、前記最上層のガイド層の前記開口部は、前記第２の端部で前記光ファイバを受け取る第２のファイバ受け取り部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光集積デバイス。
【請求項５】
前記最下層のガイド層の前記開口部と、前記最上層のガイド層の前記開口部は、平面形状において互いに逆方向を向いた多角形を含むことを特徴とする請求項４に記載の光集積デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光集積デバイスと、電子部品とを中継基板上に搭載した光モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の光モジュールが複数配置された基板と、
前記基板のエッジに配置された光コネクタと、
を含み、前記複数の光モジュール間、又は前記光モジュールと前記光コネクタの間が前記光ファイバで接続されていることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
基板上に積層される複数のガイド層に、最下層のガイド層の開口幅と最上層のガイド層の開口幅が、前記最下層と最上層の間の中間層の開口幅よりも狭く設定された開口を形成して、前記開口内に前記基板に形成された光結合素子を露出し、
前記開口内に光ファイバを案内し、
前記光ファイバを、前記最下層の開口部の第１側壁と、前記最上層の開口部の前記第１側壁と反対側の第２側壁とに当接させて固定する
ことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
【請求項１】
基板上に積層された多層ガイド層を貫通する開口と、
前記開口に案内されて、前記基板に形成された光入出力部と光学的に接続される光ファイバと、
を含み、前記開口は、最下層のガイド層と最上層のガイド層における開口幅が、前記最下層と前記最上層の間に位置する中間層の開口幅よりも狭く、
前記光ファイバは、開口幅方向に沿った第１の端部で前記最下層のガイド層の開口部の側壁に当接し、前記第１の端部と反対側の第２の端部で前記最上層のガイド層の開口部の側壁と当接することを特徴とする光集積デバイス。
【請求項２】
前記最下層の開口部と前記最上層の開口部は、前記中間層の開口部の中心に対して互いに反対方向にオフセットしていることを特徴とする請求項１に記載の光集積デバイス。
【請求項３】
前記最下層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第２の端部側にオフセットし、前記最上層の開口部は、前記中間層の中心に対して前記第１の端部側にオフセットしていることを特徴とする請求項２に記載の光集積デバイス。
【請求項４】
前記最下層のガイド層の前記開口部は、前記第１の端部で前記光ファイバを受け取る第１のファイバ受け取り部を有し、前記最上層のガイド層の前記開口部は、前記第２の端部で前記光ファイバを受け取る第２のファイバ受け取り部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光集積デバイス。
【請求項５】
前記最下層のガイド層の前記開口部と、前記最上層のガイド層の前記開口部は、平面形状において互いに逆方向を向いた多角形を含むことを特徴とする請求項４に記載の光集積デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の光集積デバイスと、電子部品とを中継基板上に搭載した光モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の光モジュールが複数配置された基板と、
前記基板のエッジに配置された光コネクタと、
を含み、前記複数の光モジュール間、又は前記光モジュールと前記光コネクタの間が前記光ファイバで接続されていることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
基板上に積層される複数のガイド層に、最下層のガイド層の開口幅と最上層のガイド層の開口幅が、前記最下層と最上層の間の中間層の開口幅よりも狭く設定された開口を形成して、前記開口内に前記基板に形成された光結合素子を露出し、
前記開口内に光ファイバを案内し、
前記光ファイバを、前記最下層の開口部の第１側壁と、前記最上層の開口部の前記第１側壁と反対側の第２側壁とに当接させて固定する
ことを特徴とする光集積デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図７Ｈ】
【図７Ｉ】
【図７Ｊ】
【図７Ｋ】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図７Ｅ】
【図７Ｆ】
【図７Ｇ】
【図７Ｈ】
【図７Ｉ】
【図７Ｊ】
【図７Ｋ】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８０１８８（Ｐ２０１３−８０１８８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１３６３（Ｐ２０１１−２２１３６３）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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