JP2006041156A

JP2006041156A - サブマウントおよびそれを用いた発光装置

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Publication number: JP2006041156A
Application number: JP2004218383A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Inoue; 友喜井上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】複数個の電子部品を互いに位置精度よく電気的に良好に接続でき搭載できるサブマウントおよびそのサブマウントを用いた発光装置を提供すること。
【解決手段】サブマウントは、絶縁基板１の上面に、密着金属層２ａ、第１の拡散防止層２ｂおよびＡｕから成る主導体層２ｃが順次積層されて成る配線層２と、この配線層２の上面にロウ材層５が積層されて成る、電子部品６が電気的に接続され搭載される複数の搭載部とを具備しており、複数の搭載部は、配線層２の上面にＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層５が積層されて成るものと、配線層２の上面にＡｕ層またはＡｕを主成分とする層３を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層５が積層されてなるものと、配線層２の上面にＰｔから成る第２の拡散防止層４を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層５が積層されて成るものとが混在している。
【選択図】図１

Description

本発明は複数個の電子部品を搭載するサブマウントおよび発光装置に関し、特に、波長の異なる発光素子等を複数個搭載することが可能なサブマウントおよび発光装置に関する。

近年、ＣＤプレーヤやＤＶＤプレーヤ等の光ディスク装置に加えて、さらに記録密度の大きい次世代ＤＶＤプレーヤと呼ばれる光ディスク装置の開発が進められている。ＣＤプレーヤに用いられる発光素子は、一般的にＧａＡｓ基板上に形成され、その発光波長は、780ｎｍ前後である。また、ＤＶＤプレーヤに用いられる発光素子は、一般的にＧａＡｓ基板上に形成され、その発光波長は650ｎｍ前後である。ＤＶＤプレーヤにＣＤの読み取り機能も付加することが検討されており、当初は、これら650ｎｍと780ｎｍの２つの発光素子による２系統の光学系を備えることで、一つの光ディスク装置にＣＤおよびＤＶＤプレーヤ機能の両方を持たせていた。しかしながら最近は、一つのＧａＡｓ基板上に２つの発光素子を集積化した１チップで２波長に対応できる発光素子が開発され、この発光素子による１系統の光学系でＣＤおよびＤＶＤの両方式に対応できるようになった。

ところで、次世代ＤＶＤプレーヤは、より記録密度を大きくするために、さらに発光波長の短い発光素子を用いる必要があり、現在、発光波長が405ｎｍ前後の発光素子の開発が進められている。この次世代ＤＶＤプレーヤの発光素子は、発光波長が650ｎｍおよび780ｎｍの発光素子に用いられる従来のＧａＡｓ基板上には形成されず、サファイア基板上やＧａＮ基板上に形成される。このため、次世代ＤＶＤプレーヤに用いられる発光素子は、従来のＤＶＤプレーヤおよびＣＤプレーヤの読み取りに用いる発光素子と同一基板上に形成して１チップとし、３波長の発光が可能な１チップの発光素子とすることは非常に困難であるという問題があった。

さらに、ＣＤ、ＤＶＤおよび次世代ＤＶＤの３つの規格において、どの規格のメディアに対しても書き込みできることが求められる傾向もあり、３波長（780ｎｍ、650ｎｍ、405ｎｍ）の発光がそれぞれ40ｍＷを超える高い出力が求められている。高出力の発光素子で、信頼性が高く、製造歩留りのよいものを得るためには、例えば780ｎｍと650ｎｍの２波長を発光する１つの発光素子を形成する場合よりも、２波長をそれぞれ別の発光素子として形成する場合の方が容易である。よって、３つの波長で書き込みを実現するための方法は、例えば、それぞれ波長の異なる３種の発光素子を一つのサブマウント上に別々に接合して搭載するという方法が検討されている。これによりＣＤ，ＤＶＤ，次世代ＤＶＤのそれぞれにおいて書き込みができる高出力の発光装置となる。
特開2000−183441号公報特開2000−196174号公報

しかしながら、３種の発光素子で対応できるようにするためには、サブマウントに搭載される３種の発光素子の相対的な位置精度が数μｍになるようにそれぞれの発光素子が搭載される必要がある。サブマウントに発光素子を搭載する方法として、サブマウントの表面の配線層上にロウ材を塗布しておき、このロウ材の上に発光素子を搭載する方法が行われている。このとき３種の発光素子を同時に搭載しようとすると、３種の発光素子の相対的な位置精度は低下しやすくなる。このため、まず１番目に発光素子を搭載し接合した後、この１番目に搭載した発光素子の位置を基準として２番目の発光素子を搭載し、さらにこれを基準として３番目の発光素子を搭載するという方法が行われている。

ところが、１番目の発光素子を搭載し接合した後に２番目の発光素子を搭載すると、ロウ材を再度溶融させることとなり累積の溶融時間が長くなる。同様に２番目の発光素子を搭載し接合した後に３番目の発光素子を搭載しようとすると、ロウ材を複数回溶融させることとなり、累積の溶融時間はさらに長くなる。このため先に搭載された発光素子を接合するロウ材層が酸化したり、ロウ材層の下に形成されている金属層の金属成分や発光素子側の金属層の金属成分がロウ材層に拡散するなど、ロウ材層の組成が大きく変化して、ロウ材が劣化する。また、ロウ材が複数回溶融することで、搭載された発光素子の位置がずれる。よって発光素子と配線層の接合性や位置精度が下がるという問題点があった。

その結果、３種の発光素子の接続状態はそれぞれ異なることとなり、３種の発光素子とサブマウントとの接続強度をすべて同じように強固な接続とするとともに相対的な位置精度をよくして搭載することは困難であるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、複数個の電子素子を良好に接続できるサブマウントおよびそのサブマウントを用いた発光装置を提供することにある。

本発明のサブマウントは、絶縁基板の上面に、密着金属層、第１の拡散防止層およびＡｕから成る主導体層が順次積層されて成る配線層と、該配線層の上面にロウ材層が積層されて成る、電子部品が電気的に接続され搭載される複数の搭載部とを具備しているサブマウントであって、前記複数の搭載部は、前記配線層の上面にＡｕ−Ｓｎ合金から成る前記ロウ材層が積層されて成るものと、前記配線層の上面にＡｕ層またはＡｕを主成分とする層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成る前記ロウ材層が積層されて成るものと、前記配線層の上面にＰｔから成る第２の拡散防止層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成る前記ロウ材層が積層されて成るものとが混在していることを特徴とする。

また、本発明の発光装置は、前記電子部品は発光素子であり、上記サブマウントの前記複数の搭載部にそれぞれ前記発光素子が搭載されていることを特徴とする。

本発明のサブマウントは、絶縁基板の上面に、密着金属層、第１の拡散防止層およびＡｕから成る主導体層が順次積層されて成る配線層と、この配線層の上面にロウ材層が積層されて成る、電子部品が電気的に接続され搭載される複数の搭載部とを具備しているサブマウントであって、複数の搭載部は、配線層の上面にＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層が積層されて成るものと、配線層の上面にＡｕ層またはＡｕを主成分とする層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層が積層されて成るものと、配線層の上面にＰｔから成る第２の拡散防止層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層が積層されて成るものとが混在していることから、Ａｕ−Ｓｎ合金層を溶融させた際に、配線層の上面にＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層が直接積層されて成る搭載部は、配線層に積層された主導体層のＡｕがＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層に溶け込んでロウ材層の溶融温度を変化させることができる。

また、配線層の上面にさらにＡｕ層またはＡｕを主成分とする層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層が積層されて成る搭載部は、Ａｕ−Ｓｎ合金層が溶融したときに、Ａｕ層またはＡｕを主成分とする層のＡｕがさらにＡｕ−Ｓｎ合金層に溶け込むため、Ａｕ−Ｓｎ合金層中のＡｕの含有量がより多くなり、ロウ材層の溶融温度の変化をより大きくすることができる。また、配線層の上面にＰｔから成る第２の拡散防止層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層が積層されて成る搭載部は、Ａｕ−Ｓｎ合金層が溶融したときに、第２の拡散防止層によって配線層に積層された主導体層のＡｕが、Ａｕ−Ｓｎ合金層に拡散することを防ぐので、Ａｕ−Ｓｎ合金層のＡｕとＳｎとの質量比が変化することはなく、ロウ材層の溶融温度は変化しない。

これらより、３個の搭載部に設けられるロウ材の溶融温度はそれぞれ良好に変えることができ、ロウ材層を溶融させて電子素子を搭載する際に、各々の搭載部のロウ材層の溶融温度や接合強度を所望のものに調節することができる。例えば３個の電子素子を１個ずつ搭載する際は、１番目の電子素子を溶融温度の一番高い搭載部に搭載し、次に２番目の電子素子を溶融温度の２番目に高い搭載部に、1番目の電子素子を搭載するときの溶融温度よりも低い温度で搭載し、最後に溶融温度の一番低い搭載部に３番目の電子素子を、1番目および２番目の電子素子を搭載するときの溶融温度よりも低い温度で搭載することで、３個の電子素子が全て強固にかつ位置精度よく接続され搭載されるサブマウントを得ることができる。

また、３個の搭載部にそれぞれ異なる溶融温度を持つ３種類のロウ材を設けた場合、工程が複雑となって生産性が低いのに対し、本発明では厚みおよび組成条件が同じとなる１種類のロウ材層を３個の搭載部に同時に成膜することができ、厚みの厚いＡｕ−Ｓｎ合金層の成膜回数が１回になるため、工程数が少なくなるメリットも大きくなり、生産性に優れる。

本発明の発光装置は、電子部品は発光素子であり、上記のサブマウントの複数の搭載部にそれぞれ発光素子が搭載されていることから、接続信頼性が高い発光装置を得ることができる。

本発明のサブマウントおよびそれを用いた発光装置について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明のサブマウントの実施の形態の一例を示す断面図、図２は本発明のサブマウントを用いた発光装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

図１において、１は絶縁基板、２は絶縁基板１の上面に積層されて成る配線層である。なお、配線層２のうち２ａは密着金属層、２ｂは密着金属層２ａの上面に積層された第１の拡散防止層、２ｃは第１の拡散防止層２ｂの上面に積層された金（Ａｕ）から成る主導体層である。３は配線層２の上面に積層されたＡｕ層またはＡｕを主成分とする層、４は配線層２の上面に積層された白金（Ｐｔ）から成る第２の拡散防止層、５はロウ材層である。ロウ材層５のうち５ａは配線層２の上面に積層されて成るＡｕ−錫（Ｓｎ）合金から成る第１のロウ材層であり、５ｂは配線層２の上面にＡｕ層またはＡｕを主成分とする層３を介して積層されたＡｕ−Ｓｎ合金から成る第２のロウ材層であり、５ｃは配線層２の上面にＰｔ層４を介して積層されたＡｕ−Ｓｎ合金から成る第３のロウ材層である。

また、図２において、６は電子部品であり、本例ではこの電子部品６が発光素子である場合について説明をする。発光素子６のうち６ａは第１のロウ材層５ａに電気的に接続され搭載された第１の発光素子、６ｂは第２のロウ材層５ｂに電気的に接続され搭載された第２の発光素子、６ｃは第３のロウ材層５ｃに電気的に接続され搭載された第３の発光素子である。

絶縁基板１は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，ガラスセラミックス，窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体等のセラミックス，石英，ダイヤモンド，サファイア，立方晶窒化硼素，および熱酸化膜を形成したシリコンのうち少なくとも１種から成る。これらから成る基板は体積抵抗率ρが10¹⁰Ωｍ以上の良好な絶縁性が得られるため、絶縁基板１に好適である。

なお、絶縁基板１は、窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，ダイヤモンド，表面に熱酸化膜を形成したシリコンから成るのがより好ましい。これらから成る絶縁基板１の熱伝導率は、40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、絶縁基板１の上面に接着固定される発光素子等の電子部品６が駆動時に熱を発しても、その熱は絶縁基板１を介して良好に外部に伝達される。このため、電子部品６を長時間にわたり正常かつ安定に作動させることが可能となる。

絶縁基板１の上面に順次積層される密着金属層２ａ、第１の拡散防止層２ｂおよびＡｕから成る主導体層２ｃは、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法により積層され、パターン加工が必要な場合は、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工される。

密着金属層２ａは、例えばチタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），タンタル（Ｔａ），ニオブ（Ｎｂ），ニクロム（Ｎｉ−Ｃｒ）合金および窒化タンタル（Ｔａ_２Ｎ）等のうち少なくとも１種類から成るのがよく、第１の拡散防止層２ｂは、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ），ロジウム（Ｒｈ），ルテニウム（Ｒｕ），ニッケル（Ｎｉ），Ｎｉ−Ｃｒ合金およびチタン（Ｔｉ）−タングステン（Ｗ）合金等のうち少なくとも１種類から成るのがよい。

密着金属層２ａの厚さは0.01〜0.2μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では、絶縁基板１の上面に密着金属層２ａを強固に密着させることが困難となる傾向がある。0.2μｍを超える場合は、密着金属層２ａの成膜時の内部応力によって密着金属層２ａの剥離が生じ易くなる。

また、第１の拡散防止層２ｂの厚さは0.05〜1μｍ程度が良い。0.05μｍ未満では、ピンホール等の欠陥が発生して第１の拡散防止層２ｂとしての機能を果たしにくくなる傾向がある。１μｍを超える場合は、成膜時の内部応力により第１の拡散防止層２ｂの剥離が生じ易くなる。

さらに、Ａｕから成る主導体層２ｃの厚さは0.1〜5μｍ程度が良い。0.1μｍ未満では、電気抵抗が大きくなる傾向がある。５μｍを超える場合は、成膜時の内部応力により主導体層２ｃの剥離を生じ易くなる。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、低コスト化の点で薄く形成することが好ましい。

そして、絶縁基板１の上面に、密着金属層２ａ、第１の拡散防止層２ｂ、主導体層２ｃが順次積層されて成る配線層２の上面の電子部品が電気的に接続され搭載される複数の搭載部において、第１の搭載部には配線層２の上面にロウ材層５（第１のロウ材層５ａ）のみが形成され、第２の搭載部には配線層２の上面にＡｕ層またはＡｕを主成分とする層３を介してロウ材層５（第２のロウ材層５ｂ）が順次積層され、第３の搭載部には配線層２の上面にＰｔから成る第２の拡散防止層４を介してロウ材層５（第３のロウ材層５ｃ）が順次積層される。

Ａｕ層またはＡｕを主成分とする層３の厚みは0.01〜0.5μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では、第1のロウ材層５ａのＡｕ−Ｓｎ合金の組成と第２ロウ材層５ｂの組成との違いにより生じる溶融温度差が生じにくく、そのために２個の発光素子の位置精度が低下しやすくなる傾向がある。0.5μｍを超える場合は、第２のロウ材層５ｂのＡｕ−Ｓｎ合金の組成においてＡｕの含有量が大きくなりすぎ、このため第２のロウ材層５ｂが溶融し難くなる傾向がある。

Ｐｔから成る第２の拡散防止層４の厚みは0.01〜1μｍ程度が良い。0.01μｍ未満では、主導体層２ｃを形成するＡｕが第２の拡散防止層４を越えて上面の第３のロウ材層５ｃ内へ拡散するのを十分に抑え難い傾向がある。１μｍを超える場合は、成膜時の第２の拡散防止層４の内部応力により第２の拡散防止層４の剥離を生じ易くなる。

Ａｕ層またはＡｕを主成分とする層３および第２の拡散防止層４は、蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法により形成され、パターン加工が必要な場合は、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工されることにより、配線層２の上面の所定の搭載部に積層される。

また、第１、第２および第３のロウ材層５ａ，５ｂ，５ｃも同じように蒸着法，スパッタリング法，ＣＶＤ法等の薄膜形成法によりなされ、パターン加工が必要な場合は、フォトリソグラフィ法，エッチング法，リフトオフ法等の加工方法を組み合わせることによってパターン加工されることにより、配線層２の主導体層２ｃの上面、Ａｕ層またはＡｕを主成分とする層３の上面および第２の拡散防止層４の上面に積層される。

Ａｕ−Ｓｎ合金から成る第１、第２および第３のロウ材層５ａ，５ｂ，５ｃの厚みはそれぞれ0.5μｍ〜3μｍ程度が好ましい。0.5μｍ未満では、第１、第２および第３の発光素子６ａ，６ｂ，６ｃ等の電子部品６を強固に接着することが困難となる。３μｍを超える場合は、ロウ材の量が多くなり過ぎ第１、第２および第３の発光素子６ａ，６ｂ，６ｃ等の電子部品６を接着固定させた際、第１、第２および第３のロウ材層５ａ，５ｂ，５ｃが第１、第２および第３の発光素子６ａ，６ｂ，６ｃ等の電子部品６の接合面から側面へ這い上がり、その側面に設けられたレーザ発光部等が塞がれるという不具合が生じ易い。また、Ａｕは貴金属で高価であることから、薄く形成する方が低コスト化の点で好ましい。

また第１のロウ材層５ａのＡｕとＳｎとの質量比は、第１のロウ材層５ａのＡｕに、第１のロウ材層５ａの直下の主導体層２ｃのＡｕを加えたＡｕの合計とＳｎとの質量比が、85：15〜65：35の範囲になるように第１のロウ材層５ａのＡｕとＳｎの質量比および厚みと主導体層２ｃのＡｕの厚みとを調整することが好ましい。さらに、第２のロウ材層５ｂのＡｕとＳｎとの質量比は、第２のロウ材層５ｂのＡｕに、その直下のＡｕ層またはＡｕを主成分とする層３のＡｕと、その直下の主導体層２ｃのＡｕを加えたＡｕの合計とＳｎとの質量比が、85：15〜65：35の範囲になるように第２のロウ材層５ｂのＡｕとＳｎの質量比、厚み、主導体層２ｃのＡｕの厚み、およびＡｕ層またはＡｕを主成分とする層３の厚みを調整することが好ましい。ここで、Ａｕの質量比の合計が、それぞれ85％を超える含有量となる場合、Ａｕ−Ｓｎ合金の状態図（図３）からも明らかなように溶融温度が400℃以上となり、実装温度が400℃以上と非常に高くなって電子部品６が破損しやすくなる。またＡｕの質量比の合計が、それぞれ65％未満の含有量となる場合も同様に、溶融温度が400℃以上となり電子部品６が破損しやすくなる。

なお、搭載部に設けられる第１および第２のロウ材層５ａ，５ｂは、Ａｕの拡散により溶融温度がそれぞれ変化する。その溶融温度の変化はＡｕ−Ｓｎ合金の状態図に従い、Ａｕ−Ｓｎ合金中のＡｕとＳｎの質量比が80：20のときに最低の280℃となる。例えば、第１、第２および第３のロウ材層５ａ，５ｂ，５ｃのＡｕの含有率を質量比において65％〜80％とするとともにＡｕの拡散後に80％を超えない値とする。すると、65％〜80％におけるＡｕ−Ｓｎ合金の液相線の傾きはＡｕが増加する方向にむかって負であるため、第１および第２のロウ材層５ａ，５ｂのＡｕの含有率は、Ａｕの拡散にともなって、Ａｕ−Ｓｎ合金の溶融温度を最低とする80％に近づき、溶融温度は低下する。この場合溶融温度は第３のロウ材層５ｃ，第１のロウ材層５ａ，第２のロウ材層５ｂの順番に低くなる。

また、例えば、第１、第２および第３のロウ材層５ａ，５ｂ，５ｃのＡｕの含有率を質量比において80％〜85％とする。Ａｕ−Ｓｎ合金の液相線は80％〜85％において、Ａｕが増加する方向にむかって傾きが正であるため、Ａｕの拡散にともなって第１および第２ロウ材５ａ，５ｂの溶融温度は上昇する。この場合溶融温度は第２のロウ材層５ｂ，第１のロウ材層５ａ，第３のロウ材層５ｃの順番に低くなる。このように、65％〜80％と80％〜85％において溶融温度の低いロウ材層の順番がかわる。

好ましくは、第１、第２および第３のロウ材層５ａ，５ｂ，５ｃのＡｕの含有率を質量比において65％〜80％としておくとともに、Ａｕの拡散後にＡｕの含有率が質量比において80％を超えない値としておくのが良い。これは、Ａｕの含有率が質量比において80％〜85％であるとき、Ａｕの拡散にともなって、ロウ材の溶融温度を400℃以上とする85％を超える含有率となりやすくなるからである。この場合、ロウ材の溶融温度は上昇し加熱による電子部品６の負担が大きくなる場合もある。

かくして、本発明の発光装置は、本発明のサブマウントの複数の搭載部にそれぞれ発光素子６ａ，６ｂ，６ｃが搭載されており、それぞれの発光素子６ａ，６ｂ，６ｃは、本発明の複数の搭載部にＡｕ−Ｓｎ合金から成るロウ材層５で互いの位置精度よく強固に接合されて搭載され、接続信頼性が高い発光装置とすることができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、サブマウントに搭載される電子部品６として発光素子６ａ，６ｂ，６ｃを例にして説明したが、発光素子６ａ，６ｂ，６ｃに限るものではなく、受光素子，振動素子，測温素子等の電子部品６であっても電子部品６同士の互いの相対的な位置精度が良好な状態で複数の搭載部に電子部品６が電気的に接続され搭載された電子装置とすることができる。

本発明のサブマウントの実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の半導体装置の実施の形態の一例を示す断面図である。Ａｕ−Ｓｎ合金の状態図である。

符号の説明

１：絶縁基板
２：配線層
２ａ：密着金属層
２ｂ：第１の拡散防止層
２ｃ：主導体層
３：Ａｕ層またはＡｕを主成分とする層
４：第２の拡散防止層
５：ロウ材層
６：電子部品

Claims

絶縁基板の上面に、密着金属層、第１の拡散防止層およびＡｕから成る主導体層が順次積層されて成る配線層と、該配線層の上面にロウ材層が積層されて成る、電子部品が電気的に接続され搭載される複数の搭載部とを具備しているサブマウントであって、前記複数の搭載部は、前記配線層の上面にＡｕ−Ｓｎ合金から成る前記ロウ材層が積層されて成るものと、前記配線層の上面にＡｕ層またはＡｕを主成分とする層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成る前記ロウ材層が積層されて成るものと、前記配線層の上面にＰｔから成る第２の拡散防止層を介してＡｕ−Ｓｎ合金から成る前記ロウ材層が積層されて成るものとが混在していることを特徴とするサブマウント。
前記電子部品は発光素子であり、請求項１記載のサブマウントの前記複数の搭載部にそれぞれ前記発光素子が搭載されていることを特徴とする発光装置。