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DE69426090T2 - Verfahren zur Herstellung einer optische Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer optische Halbleitervorrichtung

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DE69426090T2
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layer
optical
circuit substrate
optical semiconductor
semiconductor element
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Original Assignee
NEC Corp
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung, bei der ein optisches Halbleiterelement mit einem optischen Schaltungssubstrat verbunden und daran befestigt wird.
  • Ein Beispiel einer optischen Halbleitervorrichtung, bei der ein optisches Halbleiterelement mit einem optischen Schaltungssubstrat verbunden wird, wurde in der anhängigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 08/126 769 mit dem Titel "Optical coupling equipment for an An Optical Semiconductor and An Optical Fiber" und im entsprechenden Patent US-A-5 392 372 von den Erfindern der vorliegenden Patentanmeldung vorgeschlagen.
  • Zum Verbinden des optischen Halbleiterelements mit dem optischen Schaltungssubstrat, wird im allgemeinen ein eutektisches Gold-Zinn-(AuSn)-Lot verwendet. Insbesondere wird das Lot zunächst durch Erwärmen geschmolzen, und das optische Halbleiterelement wird zu diesem Zeitpunkt auf das optische Schaltungssubstrat aufgebracht und gegen dieses gedrückt, so daß das optische Halbleiterelement mit dem optischen Schaltungssubstrat verbunden werden kann.
  • Weil das eutektische AuSn-Lot jedoch leicht oxidiert, muß der Vorgang in einer Stickstoffatmosphäre oder einer Reduktionsatmosphäre ausgeführt werden, in der Wasserstoffgas mit etwas Stickstoffgas gemischt ist. Überdies muß, bevor das optische Halbleiterelement gegen das optische Schaltungssubstrat gedrückt wird, ein sogenannter "Reinigungsvorgang" ausgeführt werden, bei dem auf das optische Halbleiterelement Druck ausgeübt wird und es zum Schwingen gebracht wird, um einen am eutektischen AuSn-Lot ausgebildeten Oxidfilm vorab zu entfernen.
  • Als ein weiteres Verbindungsverfahren ist ein Verfahren bekannt, bei dem Sn auf der Übergangsfläche einer Elektrode des optischen Schaltungssubstrats oder auf der Übergangsfläche des optischen Halbleiterelements abgelagert wird und sowohl das optische Schaltungssubstrat als auch das optische Halbleiterelement erwärmt und gegeneinander gedrückt werden, um den Übergang zu bilden. In diesem Fall sind die nicht oxidierende Atmosphäre und der Reinigungsvorgang für das optische Halbleiterelement erforderlich, weil Sn leicht oxidiert.
  • Es gibt ein weiteres von den oben angegebenen Verfahren verschiedenes Verfahren, bei denen eine Schicht des eutektischen AuSn-Lots auf einem Übergangsabschnitt des optischen Schaltungssubstrats gebildet wird, wobei bei diesem eine dünne Au-Schicht auf der Schicht des eutektischen Lots gebildet wird. Ein optisches Halbleiterelement wird auf der Au- Schicht angeordnet, so daß der Übergang durch Schmelzen der Schicht des eutektischen Lots gebildet wird. Die Einzelheiten dieses Verfahrens sind in der JP-A-1-138777 (1989) offenbart.
  • Es sind viele Vorschläge zu der Struktur gemacht worden, bei der ein optisches Koppeln mit einer optischen Faser ohne eine Ausrichtung der optischen Achse ausgeführt werden kann. Um die Struktur zu erzielen, muß das optische Halbleiterelement an einer vorgegebenen Position mit hoher Genauigkeit mit dem optischen Schaltungssubstrat verbunden werden. Selbst wenn das optische Halbleiterelement unter Verwendung der oben angegebenen herkömmlichen Verbindungsverfahren mit einer hohen Genauigkeit im Submikrometerbereich angeordnet und verbunden werden muß, verschiebt sich die Übergangsposition, weil das optische Halbleiterelement beim oben beschriebenen Reinigungsvorgang zum Schwingen gebracht wird.
  • Eine Schmelze aus dem eutektischen AuSn-Lot hat eine Dicke von 20 bis 30 um. Wenn daher das optische Halbleiter element mit dem geschmolzenen eutektischen AuSn-Lot in Kontakt gebracht wird, wird die Oberfläche einer Elektrodenschicht des optischen Halbleiterelements befeuchtet und wird zur gleichen Zeit das optische Halbleiterelement wegen der Oberflächenspannung des eutektischen AuSn-Lots zufällig bewegt. Hierbei bedeutet "die Elektrodenschichtoberfläche ist feucht", daß sich das geschmolzene eutektische AuSn-Lot dünn auf der Elektrodenschichtoberfläche ausbreitet. Weil das optische Halbleiterelement weiterhin durch Druckanwendung um 10 bis 20 um in das geschmolzene eutektische AuSn-Lot einsinkt, ist das Positionieren des optischen Halbleiterelements im Submikrometerbereich bei den herkömmlichen Verbindungsverfahren sehr schwierig.
  • Selbst wenn Sn abgelagert wird, ist der Reinigungsvorgang notwendig, weil wie bei den oben angegebenen Verbindungsverfahren ein Oxidfilm auf der Schicht des eutektischen Lots erzeugt wird. Aus diesem Grund ist es unmöglich, das optische Halbleiterelement an einer vorgegebenen Position mit einer hohen Genauigkeit im Submikrometerbereich zu positionieren. Überdies ist es schwierig, eine vollkommene eutektische AuSn- Schicht lediglich durch Diffundieren von Sn und Au beim Verbinden des optischen Halbleiterelements zu erzeugen. In diesem Fall wird das Gewichtsprozentverhältnis von Sn zu Au so groß, daß leicht ein brüchiger Metallverbund erzeugt wird. Demgemäß ist es schwierig, die Zuverlässigkeit nach dem Verbinden zu gewährleisten. Es ist daher erforderlich, den Speicherzustand, die Temperatur in der Verbindung und die Erwärmungszeit strikt zu regeln.
  • Selbst wenn eine dünne Au-Schicht auf einer auf einem Übergangsabschnitt des optischen Schaltungssubstrats gebildeten eutektischen AuSn-Lotschicht abgelagert wird, ist es weiter erforderlich, die Au-Schicht dünn zu machen, um den eutektischen Zustand aufrechtzuerhalten. Folglich wäre der Reinigungsvorgang wie bei den oben angegebenen Verfahren erforderlich, weil Au der Au-Schicht und Sn der eutektischen AuSn-Lotschicht wechselseitig in die eutektische Schicht und die Au-Schicht diffundieren und dadurch ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Übergangsabschnitts erzeugt wird. In diesem Fall tritt, falls die abgelagerte Schicht aus Au so dick gemacht ist, daß die Erzeugung des Oxidfilms verhindert werden kann, ein anderes Problem auf, bei dem der eutektische Zustand wegen der wechselseitigen Diffusion von Au der Au- Schicht und von Sn der eutektischen AuSn-Lotschicht nicht aufrechterhalten werden kann. Überdies ist es oft schwierig, den stabilen verbundenen Zustand nach dem Schmelzen und Verbinden aufrechtzuerhalten, wenn die Randtemperatur des Übergangsabschnitts erhöht wird, was insbesondere bei einer hohen Temperatur der Fall ist, weil der Schmelzpunkt des eutektischen Zustands von AuSn niedrig ist.
  • Weitere optische Halbleiter und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in EP-A-119691 und US-A-5 197 654 offenbart.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit und mit einem optischen Halbleiterelement, das auf einem optischen Schaltungssubstrat mit einer hohen Genauigkeit im Submikrometerbereich angeordnet werden kann, bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
  • Bei der durch die vorliegende Erfindung hergestellten optischen Halbleitervorrichtung ist das optische Halbleiterelement mit dem optischen Schaltungssubstrat verbunden und daran befestigt. Die Fläche eines Übergangsabschnitts des optischen Halbleiterelements und/oder die Fläche eines Übergangsabschnitts des optischen Schaltungssubstrats ist mit einer darauf ausgebildeten Au-Schicht versehen, und eine Au- Schicht und eine Sn-Schicht sind in einem oder in beiden der Übergangsabschnitte laminiert ausgebildet. Die Übergangsabschnitte sind eutektisch gemacht, so daß das optische Halbleiterelement mit dem optischen Schaltungssubstrat durch die Übergangsabschnitte verbunden ist.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Gewichtsprozentverhältnis von Au und Sn im Über gangsabschnitt des optischen Schaltungssubstrats etwa 80% 20%, bevor der Übergang ausgebildet ist und eine dünne Au-Schicht auf der Übergangsabschnittsfläche des optischen Halbleiterelements ausgebildet ist. Die Übergangsabschnitte werden auf eine Temperatur von 280ºC oder darüber erwärmt, so daß Au und Sn geschmolzen werden, um den Übergang zu bilden. Insbesondere werden Au-Schichten und wenigstens eine Sn-Schicht laminiert auf dem optischen Schaltungssubstrat ausgebildet, so daß die obere Schicht die Au-Schicht ist und die Zusammensetzung von Au der Au-Schichten einschließlich der oberen Au-Schicht und von Sn der Sn- Schicht in Gewichtsprozenten etwa 80%. 20% beträgt. Um das optische Halbleiterelement mit dem optischen Schaltungssubstrat zu verbinden, wird das optische Halbleiterelement mit dem optischen Schaltungssubstrat in Kontakt gebracht und gegen dieses gedrückt, woraufhin das Substrat und das Element zusammen erwärmt werden. Wenn die Temperatur ansteigt, diffundieren Au und Sn wechselseitig in die Sn-Schicht bzw. die Au-Schicht. Die wechselseitige Diffusion von Au und Sn verläuft bei einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts von Sn liegt, aktiver.
  • Wenn das optische Schaltungssubstrat und das optische Halbleiterelement zusammen bis auf eine Temperatur von 280ºC oder darüber erwärmt sind, setzt sich das wechselseitige Diffundieren von Au und Sn so fort, daß das Gewichtsprozentverhältnis von Au und Sn etwa 80%. 20% wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die eutektische AuSn-Schicht erzeugt, welche die Übergangsabschnittsoberfläche des optischen Halbleiterelements befeuchtet. Falls der Erwärmungszustand aufrechterhalten wird, diffundiert Sn in die Elektrodenschicht des optischen Halbleiterelements, so daß die Grenzschicht zwischen der Elektrodenschicht des optischen Halbleiterelements und dem optischen Schaltungssubstrat verschwindet. Zu diesem Zeitpunkt wird das Abkühlen des Schaltungssubstrats und des Halbleiterelements eingeleitet, so daß der Übergang vollständig ausgebildet wird. Das Gewichtsprozentverhältnis von Au und Sn nach dem Bilden des Übergangs beträgt mindestens 80%, und der Zustand des Übergangs verschiebt sich im Gleichgewichtsphasendiagramm vom eutektischen AuSn-Zustand zu einem leicht Au-reichen Zustand. Als Ergebnis wird der Schmelzpunkt des Übergangs so hoch, daß der stabile Übergang erhalten werden kann. Wenn der Übergangszustand zu einem Zustand, der Sn-reicher als der eutektische Zustand ist, verschoben wird, ist eine Legierung im Übergang brüchig. Wenn jedoch der Übergangszustand zu einem Zustand, der Au-reicher als der eutektische Zustand ist, verschoben wird, was bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, tritt ein solches Problem nicht auf.
  • Fig. 1 ist ein Diagramm, in dem der Aufbau einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten optischen Halbleitervorrichtung dargestellt ist,
  • Fig. 2A ist ein Diagramm, in dem dargestellt ist, daß ein optisches Halbleiterelement gegen einen Übergangsabschnitt eines optischen Schaltungssubstrats gedrückt ist,
  • Fig. 2B ist ein Diagramm, in dem der Zustand der wechselseitigen Diffusion von Au in eine Sn-Schicht und von Sn in eine Au-Schicht dargestellt ist,
  • Fig. 2C ist ein Diagramm, in dem dargestellt ist, daß eine eutektische AuSn-Schicht erzeugt wird,
  • Fig. 2D ist ein Diagramm, in dem der Diffusionszustand von Au und Sn zwischen der Elektrodenschicht des optischen Halbleiterelements und der eutektischen AuSn-Schicht dargestellt ist,
  • die Fig. 3A und 3B sind Diagramme, in denen die Ergebnisse einer durch Röntgenbeugung jeweils vor und nach dem Erwärmen vorgenommenen Komponentenanalyse des Übergangsabschnitts des optischen Halbleiterelements bei der optischen Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt sind,
  • Fig. 4 ist ein AuSn-Gleichgewichtsphasendiagramm, in dem die Änderung der Zustände der Übergangsabschnitte dargestellt ist,
  • Fig. 5 ist ein Diagramm, in dem ein Meßergebnis von Positionsfehlern in Höhenrichtung bei der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten optischen Halbleitervorrichtung dargestellt ist,
  • Fig. 6 ist ein Diagramm, in dem ein Meßergebnis von Positionsfehlern in Seitenrichtung bei der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten optischen Halbleitervorrichtung dargestellt ist, und
  • Fig. 7 ist ein Diagramm, in dem ein Ergebnis einer Scherfestigkeitsprüfung für den Übergang der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten optischen Halbleitervorrichtung dargestellt ist.
  • Eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte optische Halbleitervorrichtung wird weiter unten mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt den Aufbau der optischen Halbleitervorrichtung. Eine Sperrschicht 8 mit einer Titan-(Ti)-Schicht 6 und einer darauf ausgebildeten Platin-(Pt)-Schicht 7 ist auf dem optischen Schaltungssubstrat 1 ausgebildet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Siliciumsubstrat als das optische Schaltungssubstrat 1 eingesetzt, das einen optischen Wellenleiter und eine optische Trenn-/Verbindungseinheit mit einem optischen Richtungskoppler oder einer optischen Y- Verzweigungseinheit aufweist.
  • Eine Au-Schicht 3 und eine Sn-Schicht 4 werden in dieser Reihenfolge, auf der Sperrschicht 8 laminiert ausgebildet. Eine andere Au-Schicht 5 mit einer vorgegebenen Dicke wird auf der laminierten Schicht der Au-Schicht 3 und der Sn- Schicht 4 als eine obere Schicht gebildet. Die Sperrschicht 8, die laminierte Schicht und die obere Au-Schicht bilden einen Übergangsabschnitt 2 des optischen Schaltungssubstrats 1.
  • Die Dicke der oberen Au-Schicht ist beispielsweise als etwa 0,4 um vorgegeben, so daß eine Oxidschicht selbst dann nicht leicht auf der laminierten Schicht erzeugt werden kann, wenn Au der Au-Schicht 5 und Sn der Sn-Schicht 4 wechselseitig in die Sn-Schicht 4 bzw. die Au-Schicht 5 diffundieren.
  • Eine Au-Elektrodenschicht 10 einer Halbleiterlaserdiode 9 wird als ein Übergangsabschnitt eines optischen Halbleiterelements 9 mit der oberen Au-Schicht 5 des Übergangsabschnitts 2 in Kontakt gebracht, und die Laserdiode 9 wird an das optische Schaltungssubstrat 1 gedrückt. Daraufhin wird geheizt, so daß die Halbleiterlaserdiode 9 über die Übergangsabschnitte mit dem optischen Schaltungssubstrat 1 verbunden werden kann.
  • Die Fig. 2A bis 2D sind Diagramme zur Darstellung der Vorgänge, bei denen die Halbleiterlaserdiode 9 mit dem optischen Schaltungssubstrat 1 verbunden wird, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Fig. 2A zeigt den Vorgang, bei dem auf die Halbleiterlaserdiode 9 Druck ausgeübt wird, um sie gegen das optische Schaltungssubstrat 1 zu drücken. Fig. 2B zeigt den Vorgang, bei dem Au der Au-Schichten 3 und 5 und Sn der Sn- Schicht 4 wechselseitig in die Sn-Schicht 4 bzw. die Au- Schichten 3 und 5 diffundiert werden. Fig. 2C zeigt den Zustand, in dem eine eutektische Schicht aus Au und Sn erzeugt wird. Fig. 2D zeigt den Vorgang, bei dem Au in der Elektrodenschicht 10 und Sn in der eutektischen AuSn-Schicht wechselseitig in die eutektische Schicht bzw. die Elektrodenschicht 10 diffundieren.
  • Als nächstes wird weiter unten das Verfahren zur Herstellung der optischen Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die Fig. 1 und 2A bis 2D beschrieben.
  • Um die Halbleiterlaserdiode 9 mit dem optischen Schaltungssubstrat 1 zu verbinden, wird die Halbleiterlaserdiode 9 auf dem optischen Schaltungssubstrat 1 angeordnet, so daß die Elektrodenschicht 10 die obere Au-Schicht 5 des Übergangsabschnitts 2 berührt, und sie wird gegen das optische Schaltungssubstrat 1 gedrückt, wie in Fig. 2A dargestellt ist.
  • Daraufhin wird das optische Schaltungssubstrat 1 auf eine Temperatur von 280ºC oder darunter erwärmt. Wenn die Temperatur erhöht wird, beginnen Au der Au-Schichten 3 und 5 und Sn der Sn-Schicht 4 über Grenzschichten zwischen der Sn- Schicht 4 und der Au-Schicht 3 bzw. zwischen der Sn-Schicht 4 und der Au-Schicht 5 wechselseitig in die Schicht 4 und die Schichten 3 und 5 zu diffundieren, so daß eine Diffusionsschicht 11 aus Au und Sn gebildet wird, wie in Fig. 2B dargestellt ist.
  • Nachfolgend wird das Diffundieren von Au und Sn weiter beschleunigt, wenn das optische Schaltungssubstrat 1 auf eine Temperatur von 280ºC oder darüber erwärmt wird. Wenn das Gewichtsprozentverhältnis von Au und Sn etwa 80. 20 erreicht, wird die eutektische Schicht 12 aus Au und Sn erzeugt, wie in Fig. 2C dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Kontaktfläche der Elektrodenschicht 10 mit dem eutektischen AuSn 12 befeuchtet, so daß die Unebenheit der Kontaktfläche beseitigt wird.
  • Wenn das optische Schaltungssubstrat 1 weiter erwärmt wird, beginnt Sn, in das Innere der Elektrodenschicht 10 der Halbleiterlaserdiode 9 zu diffundieren. Daher verschwindet die Grenzschicht zwischen der Elektrodenschicht 10 als dem Übergangsabschnitt der Halbleiterlaserdiode 9 und dem Übergangsabschnitt 2 des optischen Schaltungssubstrats 1, wie in Fig. 2D dargestellt ist. In diesem Zustand wird das optische Schaltungssubstrat 1 abgekühlt, so daß der Übergang vollständig ausgebildet wird.
  • Auf diese Weise werden bei der vorliegenden Erfindung die Au-Schichten und die Sn-Schicht abwechselnd im Übergangsabschnitt 2 laminiert ausgebildet, so daß die obere Schicht des Übergangsabschnitts 2 die Au-Schicht ist. In diesem Fall ist das Gewichtsprozentverhältnis von Au in den Au-Schichten unter Einschluß der oberen Au-Schicht und von Sn in der Sn- Schicht im Übergangsabschnitt 2 auf 80. 20 gesetzt. Demgemäß wird es ermöglicht, daß mehrere Schichten von Au und Sn durch Ablagern oder Sputtern gebildet werden. Dies erlaubt es, daß diese Schichten mit einer hohen Dickengenauigkeit gebildet werden und daß sie dünn gemacht werden.
  • Zusätzlich kann durch Bilden des Übergangsabschnitts 2 des optischen Schaltungssubstrats 1 in der oben beschriebenen Weise das Absinken der Halbleiterlaserdiode 9 in Höhenrichtung wegen der Druckanwendung nahezu vermieden werden. Daher kann die Position der Halbleiterlaserdiode 9 in Höhenrichtung, nachdem sie verbunden wurde, mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich oder darunter gesteuert werden.
  • Weil weiterhin der Oberflächenbereich der Elektrodenschicht 10 der Halbleiterlaserdiode 9 groß ist und die Dicke des Übergangsabschnitts sehr gering ist, ist der Einfluß der Oberflächenspannung des eutektischen AuSn 12 auf die mit dem geschmolzenen eutektischen AuSn 12 befeuchtete Elektrodenschicht 10 vernachlässigbar gering. Selbst wenn die Oxidation beim Aufheizen leicht erfolgt, kann der AuSn-Schmelzzustand leicht ohne eine Oberflächenoxidation erreicht werden, weil die Au-Schicht 5 als die obere Schicht im Übergangsabschnitt vorhanden ist, bis eine geschmolzene AuSn-Schicht erzeugt wird.
  • Aus diesen Gründen wird kein großer Positionsfehler der Halbleiterlaserdiode 9 infolge der Oberflächenspannung der geschmolzenen eutektischen AuSn-Schicht 12 hervorgerufen, und ein Reinigungsvorgang zum Entfernen einer Oxidschicht ist nicht erforderlich. Auf diese Weise kann die Befestigung der Laserdiode 9 mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich ausgeführt werden, wenn die Halbleiterlaserdiode 9 vor dem Verbinden mit einer hohen Genauigkeit positioniert wird. Zusätzlich werden komplizierte Vorgänge, wie ein Säurereinigungsvorgang vor dem Verbindungsvorgang, unnötig, wenn das optische Schaltungssubstrat 1 verunreinigungsfrei gelagert wird, weil die Oberfläche des Übergangsabschnitts 2 mit der chemisch stabilen Au-Schicht überzogen ist.
  • Weiterhin ist es dann, wenn die AuSn-Legierung oder eutektische Schicht durch Ablagern gebildet wird, wegen der Änderung des Ablagerungszustands auf herkömmliche Weise schwierig, eine solche Legierungsschicht mit einer gleich mäßigen Zusammensetzung zu bilden. Bei der vorliegenden Erfindung kann dagegen die Legierungsschicht mit einer gleichmäßigen Zusammensetzung lediglich durch Steuern der Dicke jeder Schicht erhalten werden, weil die Au- und Sn- Schichten nacheinander durch Ablagern oder Sputtern gebildet werden.
  • Bei der oben angegebenen, gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Ausführungsform ist der Übergangsabschnitt 2 des optischen Schaltungssubstrats 1 derart ausgebildet, daß er eine mehrschichtige Struktur aufweist. Die mehrschichtige Struktur kann jedoch im selben Abschnitt auf der Oberfläche der Halbleiterlaserdiode 9 gebildet werden wie der Übergang oder die Übergangsabschnitte des optischen Schaltungssubstrats 1 und der Halbleiterlaserdiode 9. Es ist in jedem der Fälle erforderlich, daß die obere Schicht des Übergangsabschnitts mit der mehrschichtigen Struktur, die auf dem Substrat 1 oder der Laserdiode 9 ausgebildet ist, eine Au-Schicht mit einer vorgegebenen Dicke ist.
  • Als nächstes wird weiter unten eine optische Halbleitervorrichtung mit einer anderen mehrschichtigen Struktur gemäß einer weiteren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Ausführungsform als eine Modifikation beschrieben.
  • Wenn ein sehr kleiner Chip, wie ein optisches Halbleiterelement, unter Verwendung der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Übergangsstruktur gebondet wird, kann der Übergangsabschnitt mit der mehrschichtigen Struktur dünn gemacht werden, weil der Übergangsbereich der Elektrodenschicht des optischen Halbleiterelements beim im Quadrat 300 um messenden Halbleiterelement beispielsweise lediglich 250 um · 60 um mißt. Jede der bei der oben angegebenen Ausführungsform verwendeten Au/Sn/Au-Schichten hat eine Dicke von 1 bis 2 um. Wenn die mehrschichtige Struktur aus drei Schichten aus Au/Sn/Au an der Substratseite verwendet wird, wird ein gutes Ergebnis erhalten, wenn drei Schichten aus Au/Sn/Au jeweils eine Dicke von 0,4, 0,6 bzw. 0,4 um haben, so daß die Gesamtdicke der Schichten 1,4 um beträgt und die Dicke der Au-Schicht auf dem optischen Halbleiterelement 0,4 um beträgt.
  • Die für das Verständnis der Erfindung hilfreiche Beschreibung der Modifikation, bei der die drei Schichten aus Au/Sn/Au 0,6, 0,6 und 0,2 um dick sind, wird weiter unten gegeben. Der Grundaufbau des Übergangsabschnitts gleicht demjenigen bei der oben beschriebenen Ausführungsform. Nachdem die Halbleiterlaserdiode als das optische Halbleiterelement mit einer Kraft von 2 · 10&supmin;³ N gegen das optische Schaltungssubstrat gedrückt worden ist, werden die Laserdiode und das Substrat zusammen in einer Stickstoffatmosphäre für 30 Sekunden auf 340ºC erwärmt. Die Fig. 3A und 3B zeigen die durch die Dünnfilm-Röntgenbeugung erhaltenen Ergebnisse der Beobachtung des Übergangsabschnitts der Halbleiterlaserdiode, in dem die Legierungsschicht ausgebildet ist, vor und nach dem Erwärmen. Wie aus Fig. 3A ersichtlich ist, können nur die Beugungsspitzen von Au vor dem Erwärmen erkannt werden und es ist ersichtlich, daß die Oberflächenoxidation verringert ist. Es kann dagegen erkannt werden, daß Au und Sn unter Ausbildung einer AuSn-Legierungsschicht nach dem Erwärmen wechselseitig diffundieren, wie aus Fig. 3B ersichtlich ist.
  • Die Änderung der Zustände von Au und Sn in der Übergangsstruktur mittels Schmelzen durch das Erwärmen und mittels Verfestigung durch das Abkühlen kann mit Bezug auf das in Fig. 4 dargestellte AuSn-Gleichgewichtsphasendiagramm erklärt werden. Au/Sn/Au in den Schichten des Übergangsabschnitts auf dem optischen Schaltungssubstrat befinden sich vor dem Erwärmen im Zustand 1 in der Figur, und Au und Sn betragen 70% : 30% in Atomprozent und 80% : 20% in Gewichtsprozent. Wenn die Temperatur durch das Erwärmen ansteigt, schreitet die Diffusion von Au und Sn fort, so daß sich die Zustände entlang dem Pfeil 2 ändern. Wenn Au und Sn vollständig geschmolzen sind, befinden sie sich im Zustand 3. Weil der Übergangsabschnitt des optischen Schaltungssubstrats die Au-Elektrodenschicht der Halbleiter laserdiode als den Übergangsabschnitt berührt, diffundiert Sn weiter in die Au-Elektrodenschicht. Daher ändert sich der Zustand zum Zustand 4. Wenn das Erwärmen in diesem Zustand unterbrochen wird und mit dem Abkühlen begonnen wird, ist der Übergang vollständig ausgebildet. Daher ist das Gewichtsprozentverhältnis von Au und Sn der Übergangsstruktur nach dem Erwärmen von demjenigen des Übergangsabschnitts des optischen Schaltungssubstrats vor dem Erwärmen verschieden.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist der herkömmlich ausgeführte Reinigungsvorgang bei Verwendung der mehrschichtigen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung unnötig, und es kann ein vollkommener Übergang erzielt werden. Daher kann die Verschlechterung der Übergangsgenauigkeit wegen des Reinigungsvorgangs vermieden werden.
  • Als nächstes wird die Übergangsgenauigkeit der entsprechend der Übergangsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengefügten Halbleiterlaserdiode in Höhen- und in Seitenrichtung beschrieben. Fig. 5 zeigt das Meßergebnis von Positionsfehlern der Halbleiterlaserdiode in Höhenrichtung. Die Abweichung beträgt α = 0,18 um und ist sehr gering. Es sei bemerkt, daß sich die Übergangsstruktur infolge der Druckanwendung im geschmolzenen Zustand von Au und Sn im Übergangsabschnitt des Schaltungssubstrats in Seitenrichtung leicht ausdehnt, so daß die Höhe der Übergangsstruktur im Vergleich zu derjenigen vor dem Bilden des Übergangs um 0,4 um verringert ist. Falls die Abweichung in Höhenrichtung gering ist, kann die Verschlechterung der Übergangseigenschaften durch im voraus erfolgendes Berücksichtigen eines Ausgleichs für die Abweichung vermieden werden.
  • Fig. 6 zeigt das Ergebnis, wenn Positionsfehler der Halbleiterlaserdiode in seitlicher oder horizontaler Richtung unter Markieren des Substrats und des Halbleiterlasers gemessen werden. Weil die Übergangsstruktur relativ dünn ist, kann der Einfluß der Oberflächenspannung der geschmolzenen eutektischen AuSn-Schicht verringert werden. Überdies beträgt der Positionsfehler im Durchschnitt 0,46 um, weil der Reinigungs vorgang unnötig ist, was zu einem guten Übergangsergebnis führt.
  • Die Anfangsübergangsstärke beträgt hinsichtlich der Scherfestigkeit 80 Gramm, und die Verschlechterung von dieser konnte selbst nach Anwendung eines Wärmezyklus nicht erkannt werden. Insbesondere wurde die stabile Übergangsstruktur durch Setzen des Gewichtsprozentverhältnisses von Au und Sn im Übergangsabschnitt des optischen Schaltungssubstrats auf 80. 20 und durch Verschieben von diesem vom eutektischen Zustand zu einem verglichen mit einem Fall, in dem der eutektische Zustand aufrechterhalten wird, Au-reicheren Zustand erhalten.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Übergangsabschnitt auf dem optischen Halbleiterelement und/oder dem optischen Schaltungssubstrat bereitgestellt, und der Übergangsabschnitt umfaßt die als die obere Schicht ausgebildete Au-Schicht und eine Schicht, bei der Au-Schichten und Sn-Schichten laminiert ausgebildet sind und Au und Sn eutektisch gemacht sind. Das optische Halbleiterelement wird mit dem optischen Schaltungssubstrat durch die eutektische Schicht verbunden. Daher kann das optische Halbleiterelement mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich positioniert werden. Weiterhin wird der Zustand der Übergangsstruktur vom eutektischen Zustand von Au und Sn zu dem Zustand, der Au-reicher als der eutektische Zustand ist, verschoben, so daß die selbst bei einer hohen Temperatur stabile Übergangsstruktur erhalten werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer optischen Halbleitervorrichtung, welches die folgenden Schritte aufweist:
a) Bilden einer ersten Au-Schicht (3) auf einem Übergangsabschnitt (2) eines Substrats (1),
b) Bilden einer Sn-Schicht (4) auf der ersten Au- Schicht (3),
c) Bilden einer zweiten Au-Schicht (5) mit einer Dicke von etwa 0,4 um auf der Sn-Schicht (4),
d) Bringen der Übergangsfläche (10) des optischen Halbleiterelements (9) in Kontakt mit dem Übergangsabschnitt (2) des optischen Schaltungssubstrats (1),
e) Drücken des optischen Halbleiterelements (9) gegen das optische Schaltungssubstrat,
f) Erwärmen des optischen Schaltungssubstrats (1), bis die Übergangsfläche (10) mit dem eutektischen AuSn befeuchtet ist, und
g) Abkühlen des optischen Schaltungssubstrats (1) auf Raumtemperatur, wobei das Gewichtsprozentverhältnis von Au und Sn etwa 80% : 20% beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke der Au-Unterschicht (3), der Sn-Schicht (4) und der Au-Unterschicht (5) im Bereich von 1 bis 2 um liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Erwärmungsschritt das Erwärmen des optischen Schaltungssubstrats (1) auf eine Temperatur von 280ºC oder darüber beinhaltet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Sperrschicht (8) zwischen dem Substrat (2) und der ersten Au- Schicht (3) gebildet wird, wobei die Sperrschicht (8) eine Titan-(Ti)-Schicht (6) und eine darauf ausgebildete Platin- (Pt)-Schicht (7) aufweist.
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