JP2009283557A

JP2009283557A - 半導体光デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2009283557A
Application number: JP2008132050A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Inada; 博史稲田; Kenji Hiratsuka; 健二平塚
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03

Abstract

【課題】所望の形状を有するモノリシック半導体レンズを簡易に形成できる半導体光デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】この半導体光デバイスの製造方法では、ナノスタンパ４３によってインプリント樹脂層４２に形成したマスクパターン４６を半導体基板２１の他面側に転写してモノリシック半導体レンズ２３を形成する。この方法では、ナノスタンパ４３の押印によってインプリント樹脂層４２に精度の高いマスクパターン４６を形成できるので、従来のようにウエットエッチングを用いる場合や、ベーキングによってレジストパターンを形成する場合と比較して、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズ２３を簡易に形成できる。また、モノリシック半導体レンズ２３の形状の再現性も良好なものとなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、モノリシック半導体レンズを備えた半導体光デバイスの製造方法に関する。

従来、基板の裏面にモノリシック半導体レンズを形成することにより、受光径の拡大を実現した半導体光デバイスがある。モノリシック半導体レンズを形成する方法として、例えば特許文献１に記載のモノリシックレンズ形成方法がある。この従来の方法では、半導体基板を２段階にウエットエッチングする過程において、第１のエッチングで得られるメサの曲率半径を、最終的なレンズの曲率半径に対して一定の範囲となるように規定している。

また、例えば特許文献２に記載の半導体受光素子では、半導体基板の裏面に塗布した円形状のレジストパターンを２００℃程度の温度でベーキングし、これをマスクとして基板を回転させながらイオンビームエッチングを行っている。
特開平７−３００８２号公報特開２００４−２００２０２号公報

しかしながら、上述した従来の方法のように、ウエットエッチングによってモノリシック半導体レンズを形成する場合、結晶の異方性の影響によって所望の曲率半径を得ることが難しいという問題があった。また、レジストパターンのベーキングでは、パターンの端部の変形が中央部の変形に比べて顕著に生じるため、レンズ形状が扁平になり易いという問題があった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズを簡易に形成できる半導体光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る半導体光デバイスの製造方法は、半導体基板の一面側に受光部を備えると共に、他面側にモノリシック半導体レンズを備えた半導体光デバイスの製造方法であって、半導体基板の他面側にインプリント樹脂層を形成する工程と、モノリシック半導体レンズの形状に対応したパターンを有するナノスタンパをインプリント樹脂層に押し付けてマスクパターンを形成する工程と、マスクパターンが形成されたインプリント樹脂層が消失するまで半導体基板をエッチングし、他面側にモノリシック半導体レンズを形成する工程と、を備えたことを特徴としている。

この半導体光デバイスの製造方法では、ナノスタンパによってインプリント樹脂層に形成したマスクパターンを半導体基板の他面側に転写してモノリシック半導体レンズを形成する。この方法では、ナノスタンパの押印によってインプリント樹脂層に精度の高いマスクパターンを形成できるので、従来のようにウエットエッチングを用いる場合や、ベーキングによってレジストパターンを形成する場合と比較して、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズを簡易に形成できる。また、モノリシック半導体レンズの形状の再現性も良好なものとなる。

また、半導体基板のエッチングをイオンミリングによって行うことが好ましい。イオンミリングを用いることにより、迅速なエッチングが可能となる。半導体基板へのマスクパターンの転写精度も良好であり、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズを更に再現性良く形成できる

また、インプリント樹脂層の形成に先立って、半導体基板の他面側のうねりを補填する樹脂層を形成することが好ましい。これにより、マスクパターンの精度が向上し、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズを一層確実に形成できる。

ナノスタンパのパターンが回折格子パターンを更に備えていることが好ましい。こうすると、モノリシック半導体レンズの表面に回折格子パターンを精度良く形成できる。かかる回折格子パターンにより、モノリシック半導体レンズの反射や収差を低減することが可能となる。

本発明によれば、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズを簡易に形成できる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体光デバイスの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る半導体光デバイスの製造方法を用いて作製された受光素子を搭載してなる光モジュールの構成を示した斜視図である。この光モジュール１は、例えば毎秒数ギガビットの高伝送レート光通信システムに組み込まれるモジュールである。光モジュール１は、図１に示すように、扁平な直方体形状をなすハウジング２を備えている。

ハウジング２の一方の側壁には、入力端子となる光ファイバ３を支持する支持部４が設けられている。光ファイバ３は、支持部４に支持されハウジング２の内部に導入されている。また、ハウジング２の他の側壁には、リード端子５，６，７及び出力端子８が設けられている。

ハウジング２の内部には、搭載基板１１が設けられている。搭載基板１１上には、受光素子（半導体光デバイス）１２と、キャパシタ１３，１４と、増幅素子１５とが配置されている。これらの受光素子１２、キャパシタ１３，１４、及び増幅素子１５は、所定の配線によって互いに接続されており、光ファイバ３から入力された光信号は、受光素子１２によって電気信号に変換され、増幅素子で増幅された後、出力端子８から出力される。キャパシタ１３，１４は、電源端子（不図示）からのノイズを除去する。

図２は、受光素子１２の構成を示す断面図である。同図に示すように、受光素子１２は、半導体基板２１と、半導体基板２１の一面側に形成された受光部２２と、半導体基板２１の他面側に形成されたモノリシック半導体レンズ２３とを備えて構成されている。半導体基板２１は、導電型がｎ型のＩｎＰによって形成されている。

受光部２２は、導電型がｎ型のＩｎＧａＡｓからなる第１の層２４と、導電型がｉ型のＩｎＧａＡｓからなる第２の層２５と、導電型がｐ型のＩｎＧａＡｓからなる第３の層２６とによって構成されている。第１の層２４は、半導体基板２１の一面側を覆うように形成されており、第２の層２５及び第３の層２６は、モノリシック半導体レンズ２３の形成位置に対応するように、第１の層２４の表面に隆起状に形成されている。

受光部２２の表面には、保護用のパッシベーション膜２７が形成されている。パッシベーション膜２７には、第１の層２４の一部を露出させる第１の開口部２７ａと、第３の層２６の一部を露出させる第２の開口部２７ｂとが設けられている。第１の開口部２７ａには、第１の層２４に接続されるｎ電極部２８が形成されている。また、第２の開口部２７ｂには、第３の層２６に接続されるｐ電極部２９が形成されている。ｐ電極部２９の表面には、ｐ電極部２９と第３の層２６の露出部分とを覆うと共に、ｎ電極部２８と反対側のパッシベーション膜２７の表面に伸びるｐ電極配線３０が形成されている。

モノリシック半導体レンズ２３は、半導体基板２１と一体に形成されている。モノリシック半導体レンズ２３は、レンズ径がおよそ１００μｍとなっており、厚さは１６μｍ〜１８μｍ程度となっている。また、モノリシック半導体レンズ２３の曲率半径は、中心から２５μｍの位置で１０７μｍ〜１３７μｍ程度となっており、中心から５０μｍの位置で９８μ〜１２８μｍ程度となっている。モノリシック半導体レンズ２３の表面には、ＡＲコート３１が形成され、レンズ表面における反射率の低減が図られている。

続いて、上述した受光素子１２の製造方法について説明する。

受光素子１２の製造にあたっては、まず半導体基板２１を用意する。次に、例えばＭＯＣＶＤ法を用いることにより、半導体基板２１の一面側に第１の層２４、第２の層２５、及び第３の層２６を順次成長させる。各層を成長させた後、例えばエッチングによって第２の層２５及び第３の層２６を突起状に成形する。

次に、第１の層２４と、突起状の第２の層２５及び第３の層２６を覆うようにパッシベーション膜２７を形成する。さらに、例えば所定のマスクを用いたエッチングにより、パッシベーション膜２７に第１の開口部２７ａと第２の開口部２７ｂを形成する。そして、例えばマスク蒸着法により、第１の開口部２７ａにｎ電極部２８を形成し、第２の開口部２７ｂにｐ電極部２９を形成する。ｐ電極部２９を形成した後、例えばマスク蒸着法によってｐ電極配線３０を形成する。これにより、半導体基板２１の一面側に受光部２２が形成される。

受光部２２の形成の後、半導体基板２１の他面側にモノリシック半導体レンズ２３を形成する。図３及び図４は、モノリシック半導体レンズの形成工程を示す図である。なお、同図においては、先に形成した受光部２２は省略している。

まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板２１の他面側に、例えばアクリル系樹脂からなる樹脂層４１をスピンコータで塗布する。これにより、半導体基板２１の表面の微細なうねりが樹脂層４１で補填される。また、樹脂層４１の表面に、例えばＵＶ硬化性樹脂からなるインプリント樹脂層４２をスピンコータで塗布する。インプリント樹脂層４２の厚さは、レンズ仕様に依存するが、例えば０．１μｍ〜０．５μｍ程度とする。

次に、ナノスタンパ４３を用意する。ナノスタンパ４３は、例えば石英によって形成されており、紫外線を透過すると共に、好適な強度及び加工容易性を有している。ナノスタンパ４３の押印面には、モノリシック半導体レンズ２３の形状に対応した凹状パターン４４が予め設けられている。

このようなナノスタンパ４３を、図３（ｂ）に示すように、インプリント樹脂層４２に押印する。ナノスタンパ４３の押し付け圧力は、例えば１．０Ｎ〜１０Ｎ程度である。そして、図３（ｃ）に示すように、ナノスタンパ４３をインプリント樹脂層４２に押し付けたままの状態で、ナノスタンパ４３の上方から紫外線４５を照射し、インプリント樹脂層４２を硬化させる。これにより、インプリント樹脂層４２には、モノリシック半導体レンズ２３の形状と同等のマスクパターン４６が転写される。

インプリント樹脂層４２の硬化が終了したら、図４（ａ）に示すように、ナノスタンパ４３をインプリント樹脂層４２から離型する。そして、図４（ｂ）に示すように、マスクパターン４６を有するインプリント樹脂層４２をマスクとし、イオンミリング法を用いてインプリント樹脂層４２及び半導体基板２１をエッチングする。

イオンミリングに用いるガスには、例えばＡｒが用いられる。Ａｒイオンの加速装置の電圧は約６００Ｖ、電流は約１５０ｍＡとした。インプリント樹脂層４２に対するＡｒイオンの入射角度は約４０°に設定した。また、エッチング速度は、インプリント樹脂層４２に対して約０．０２μｍ／ｍｉｎとし、半導体基板２１に対して約０．１μｍ／ｍｉｎとした。

イオンミリングにより、インプリント樹脂層４２が全て消失するまでエッチングを行うことにより、図４（ｃ）に示すように、インプリント樹脂層４２のマスクパターン４６が半導体基板２１の他面側に転写され、半導体基板２１と一体のモノリシック半導体レンズ２３が形成される。

この後、真空蒸着法によってモノリシック半導体レンズ２３の表面にＡＲコート３１を形成し、半導体基板２１を分割してチップ化を行うと、図２に示した受光素子１２が完成する。

以上説明したように、この半導体光デバイスの製造方法では、ナノスタンパ４３によってインプリント樹脂層４２に形成したマスクパターン４６を半導体基板２１の他面側に転写してモノリシック半導体レンズ２３を形成する。この方法では、ナノスタンパ４３の押印によってインプリント樹脂層４２に精度の高いマスクパターン４６を形成できるので、従来のようにウエットエッチングを用いる場合や、ベーキングによってレジストパターンを形成する場合と比較して、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズ２３を簡易に形成できる。また、モノリシック半導体レンズ２３の形状の再現性も良好なものとなる。

また、この半導体光デバイスの製造方法では、半導体基板２１のエッチングをイオンミリングによって行っているので、迅速なエッチングが可能となる。イオンミリングでは、半導体基板２１へのマスクパターン４６の転写精度も良好であり、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズ２３を更に再現性良く形成できる

また、この半導体光デバイスの製造方法では、インプリント樹脂層４２の形成に先立って、半導体基板２１の他面側のうねりを補填する樹脂層４１を形成している。これにより、インプリント樹脂層４２の平坦度が確保され、マスクパターン４６の精度が向上するため、所望の形状を有するモノリシック半導体レンズ２３を一層確実に形成できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば図５に示すように、ナノスタンパ４３の凹状パターン４４に回折格子パターン４４ａを更に形成するようにしてもよい。この場合、ナノスタンパ４３をインプリント樹脂層４２に押印し、イオンミリングによってインプリント樹脂層４２をエッチングすると、表面に回折格子パターンを有するモノリシック半導体レンズ２３が得られることとなる。

この回折格子パターンは、レンズの仕様に応じて適宜設定される。例えば図６（ａ）に示すように、環状のＤＯＥ（回折光学素子）パターン５１を形成してもよいし、例えば図６（ｂ）に示すように、ピッチ及び幅が径方向に行くに従って徐々に小さくなるように、複数の環状の回折格子パターン５２を同心円状に形成してもよい。また、例えば図６（ｃ）に示すように、入力信号の波長ピッチでドット状の回折格子パターン５３をレンズの表面全体に形成してもよい。このような構成により、モノリシック半導体レンズ２３の反射や収差を低減することが可能となる。

本発明に係る半導体光デバイスの製造方法を用いて作製された受光素子を搭載してなる光モジュールの構成を示した斜視図である。受光素子の構成を示した断面図である。モノリシック半導体レンズの形成工程を示した図である。図３の後続の工程を示した図である。変形例に係るモノリシック半導体レンズの形成工程を示した図である。モノリシック半導体レンズの表面に形成する回折格子パターンの一例を示した図である。

符号の説明

１…光モジュール、１２…受光素子（半導体光デバイス）、２１…半導体基板、２２…受光部、２３…モノリシック半導体レンズ、４１…樹脂層、４２…インプリント樹脂層、４３…ナノスタンパ、４４…ナノスタンパのパターン、４４ａ…回折格子パターン、４６…マスクパターン。

Claims

半導体基板の一面側に受光部を備えると共に、他面側にモノリシック半導体レンズを備えた半導体光デバイスの製造方法であって、
前記半導体基板の前記他面側にインプリント樹脂層を形成する工程と、
前記モノリシック半導体レンズの形状に対応したパターンを有するナノスタンパを前記インプリント樹脂層に押し付けてマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンが形成された前記インプリント樹脂層が消失するまで前記半導体基板をエッチングし、前記他面側に前記モノリシック半導体レンズを形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。
前記半導体基板のエッチングをイオンミリングによって行うことを特徴とする請求項１記載の半導体光デバイスの製造方法。
前記インプリント樹脂層の形成に先立って、前記半導体基板の前記他面側のうねりを補填する樹脂層を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体光デバイスの製造方法。
前記ナノスタンパの前記パターンが回折格子パターンを更に備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体光デバイスの製造方法。