JP6633423B2 - 金属層付きサファイア基板、およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、気密容器の透過（覗き）窓、光デバイス用パッケージの透過窓等に用いられる、金属層付きサファイア基板、およびその製造方法に関する。

サファイアは、単結晶のアルミナ（化学式：Ａｌ_２Ｏ_３）であり、無色透明、高硬度、高強度、高熱伝導率、高絶縁性および高融点等の特性を有している。そのため、サファイアは、気密容器の透過窓や、受光素子、発光素子、光通信素子等を収納し、外部と光の授受を行う光デバイス用パッケージの透過窓としての採用が進んでいる（例えば、下記特許文献１参照）。

このようなサファイアからなる透過窓は、従来例を断面図で示す図６に記載のように、サファイア基板１と、サファイア基板１の一方の主面側の周縁部に位置する金属層２（メタライズ層ともいう。）とで構成されている。そして、サファイアからなる透過窓は、気密容器やパッケージにおける金属部分と、金属層２とがろう付けによって接合される。

特開２００１−１７６９９３号公報

近年の光デバイスおよび光デバイスパッケージの小型化にともない、パッケージの放熱面積が小さくなっており、ＬＥＤ発光素子等の光デバイスからの発熱によるパッケージの温度上昇が大きくなっている。パッケージの温度が上昇すると、サファイア基板と金属層との熱膨張差が大きくなり、この熱膨張差にともなう熱応力が大きくなる。サファイア自体は高強度の材料であるが、金属層が位置するサファイア基板の周縁部のエッジが立っている場合、掛かる熱応力によって周縁部に割れや欠け等が生じる。

本開示の金属層付きサファイア基板は、主面と、前記主面に繋がる側面とを備えるサファイア基板と、前記主面の周縁部の少なくとも一部を含む領域に配置された金属層とを備え、前記主面の前記周縁部は曲面状であり、前記周縁部は、前記主面から前記側面に近づくにしたがって曲率半径が漸減していることを特徴とする。

また、本開示の金属層付きサファイア基板の製造方法は、一方主面と、該一方主面の反対に位置する他方主面と、前記一方主面および前記他方主面間に位置する側面とを備えたサファイア基板を形成する工程と、前記サファイア基板を０．１ｍｍから２ｍｍの間隔で配置可能なキャリアに、一方主面および前記他方主面のいずれかが露出するように収納した後、前記サファイア基板を固定する固定工程と、前記キャリアに固定した状態で研磨する研磨工程と、前記サファイア基板における研磨面の周縁部に金属層を形成するメタライズ工程とを有する。

本開示の金属層付きサファイア基板によれば、金属層付きサファイア基板に発生する割れや欠け等を抑制することができる。

本実施形態の金属層付きサファイア基板の一例を示す概略断面図である。 図１に示す金属層付きサファイア基板を用いて構成された光デバイスパッケージの一例であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す断面図である。 本実施形態の金属層付きサファイア基板の他の例を示す概略断面図である。 本実施形態におけるサファイア基板の周縁部寸法の説明図である。 本実施形態の製造方法の収納工程において使用されるキャリアの一例の概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はｘ−ｘにおける断面図である。 従来の金属層付きサファイア基板の概略断面図である。

以下、本実施形態の金属層付きサファイア基板について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の金属層付きサファイア基板の一例を示す概略断面図である。図２は、図１に示す金属層付きサファイア基板を用いて構成された光デバイスパッケージの一例であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す断面図である。

図１に示す金属層付きサファイア基板１０（以降、単に基板１０ともいう）は、サファイア基板１と金属層２とを備える。サファイア基板１は、主面１ａと、主面１ａに繋がる側面１ｂとを備え、主面１ａの周縁部１ｃが曲面状である。金属層２は、周縁部１ｃに位置する。図１においては、金属層２が周縁部１ｃから側面１ｂまで連なって配置されている例を示している。

金属層２は、例えばいわゆるモリブデン（ Ｍｏ）−マンガン（ Ｍｎ）メタライズ層であり、モリブデン（ Ｍｏ）−マンガン（ Ｍｎ）合金等の高融点の金属材料からなる金属ペーストを、サファイア基板１の主面１ａの周縁部１ｃに所定の幅で被着させて焼き付けることによって形成されている。

基板１０は、例えば図２に示す光デバイスパッケージの窓部材等に用いられる。図２において、３はいわゆるＬＥＤ発光素子等の光デバイス、４は金属からなる筐体であり、基板１０は、例えば光デバイス３を収納した筐体４の開口部に取り付けられて光透過窓として機能する。基板１０は、基板１０が備える金属層２と、気密容器やパッケージにおける金属部分とが、例えば、ろう付けによって接合される。より具体的には、基板１０における金属層２と筐体４とが金属ろう５を介して接合されている。金属ろう５は、接合の際に金属層２の表面全体に沿って濡れ広がっている。

金属層２の熱膨張係数は、サファイア基板１の熱膨張係数よりも大きいため、パッケージの温度が上昇すると熱応力が発生する。例えば、図６に示す従来例の断面図のように、サファイア基板１の主面１ａの周縁部１ｃが曲面状でなく周縁にエッジ状の稜線部を有する場合、掛かる熱応力によってサファイア基板１に割れや欠けが発生する。一方、図１に示す本実施形態の基板１０は、金属層２が曲面状の周縁部１ｃの少なくとも一部を含む領域に配置されているので、掛かる熱応力にともなうサファイア基板１の割れや欠けが抑制されている。

また、図１および図２に示すように、金属層２が、基板１０の周縁部１ｃから側面１ｂにわたって配置されている、すなわち金属層２が周縁部１ｃ全体を覆うように配置されているときには、周縁部１ｃに掛かる熱応力が分散されるため、掛かる熱応力によってサファイア基板１の割れや欠けをさらに抑制できる。また、図２に示すように、金属ロウ５が、基板１０の周縁部１ｃから側面１ｂにわたって配置されている金属層２を覆うように接合されているときには、サファイア基板１と筐体４との接合強度を比較的高くすることができる。また、サファイア基板１よりもヤング率が大きい金属ろう５が外部からの衝撃を緩和することで、外部衝撃によるサファイア基板１の割れや欠け等を抑制できる。なお、温度上昇が少なく、例えば外部からの衝撃が小さい用途に使用する場合など、図３に示す他の実施形態のように、金属層２が周縁部１ｃの一部にのみ配置されていてもよい。

図４にサファイア基板１の周縁部１ｃの寸法の説明図を示している。周縁部１ｃは、主面１ａから側面１ｂに近づくにしたがって曲率半径Ｒが漸減している。ここで、曲率半径Ｒが漸減しているというのは、図４のような断面において、周縁部１ｃの輪郭が曲面状であり、周縁部１ｃの主面１ａ側の幅Ｌ１が、側面１ｂ側の幅Ｌ２よりも大きくなっていることを指す。このような構成を満たしているときには、金属層２に沿って金属ろう５が濡れ上がり易く、金属ろう５によって外部からの衝撃をより確実に緩和することができる。

本実施形態の基板１０において、周縁部１ｃの側面１ｂとの境界部分における曲率半径Ｒ１が０．０１ｍｍ以上であるときには、上記熱応力の集中が緩和され、割れや欠け等が発生しにくくなる。

周縁部１ｃの幅Ｌ１と曲率半径Ｒは、例えば、サファイア基板１の側面投影図または断面図を測定顕微鏡で観察して測定することができる。例えば曲率半径Ｒ（Ｒ１）は、周縁部１ｃの形状に合わせて円を描画し、その半径を求めることで測定することができる。

また、サファイア基板１の側面１ｂの表面粗さＲａが０．１μｍ以上、１０μｍ以下であるときには、サファイア基板１の側面１ｂにおける光の反射が低減されるので、覗き窓として用いた場合に内部が観察しやすい。また、光デバイス用透光窓として用いた場合に、ノイズが低減できる。側面１ｂの表面粗さＲａは、例えば表面粗さ測定器（東京精密：サーフコム１４００Ｇ）で測定することができる。

本実施形態では、サファイア基板１の外形状は、主面１ａの１辺の長さが２０ｍｍ以下の小型角型形状である。サファイア基板１の主面の外形状としては、平面視での主面形状が、円形状や多角形状などであってもよく特に限定されない。主面の形状が、直線部や角部がある多角形状の場合、これら直線部や角部に応力が集中し易いので、サファイア基板１に割れや欠け等が特に発生し易いが、本実施形態の場合、上述のように応力集中が抑制されているので、サファイア基板１の割れや欠けが発生し難い。

［金属層付きサファイア基板の製造方法］
次に、基板１０の製造方法について説明しておく。

＜サファイア基板を形成する工程＞
まず、一方主面１ａと、一方主面１ａの反対に位置する他方主面と、一方主面１ａおよび他方主面間に位置する側面１ｂとを備えたサファイア基板を形成する。

［研削工程］
まず、サファイア基板１を切り出すためのサファイア板を準備し、所望の厚み、例えば、０．５ｍｍ程度の厚みに研削加工する。研削工程には、例えばラッピング装置などの研削装置を用いることができる。

［切断工程］
続いて、研削工程で得られたサファイア板を切断して、所望の寸法、例えば、主面１ａが１０ｍｍ×２ｍｍの長方形状のサファイア基板１を作製する。切断工程には、例えばダイシング装置などの切断装置を用いることができる。切断工程において、例えば、ダイヤモンド砥石の番手＃２００〜＃４００等を使用することにより、側面１ｂの表面粗さＲａを０．１μｍ以上、１０μｍ以下とすることができる。

＜研磨工程＞
続いて、切断工程で得られたサファイア基板１の主面１ａを、研磨加工する。研磨工程では、例えば、銅定盤研磨装置等にて研磨加工した後、さらにポリッシング装置にて研磨加工するとよい。

［キャリアに固定する工程］
まず、サファイア基板を０．１ｍｍから２ｍｍの間隔で配置可能なキャリア１１に、一方主面１ａおよび他方主面のいずれかが露出するように収納した後、サファイア基板１１を固定する。

図５に本発明で用いられるキャリア１１の形状の一例を示す。キャリア１１は、金属や樹脂などの材料で形成されており、材質に関しては特に限定されない。キャリア１１は、所定の間隔で形成された開口部を有し、複数のサファイア基板１を開口部に収納して所定の間隔で保持できるように作成される。キャリア１１にサファイア基板１を収納し、セラミックなどからなる保持板１２にワックスによって貼り付けて固定する。この状態で、砥粒を含むスラリーを供給しながら、主面１ａに対して、銅定盤研磨とポリッシング研磨を行った後、保持板１２からサファイア基板１を剥離する。キャリア１１は、研磨時にサファイア基板１が、キャリア１１から露出するような厚みに作製するとキャリアを繰り返し使用できるのでよい。キャリア１１と保持部１２は一体で製作してもよい。

サファイア基板１を所定間隔で保持することにより、研磨の際、サファイア基板１同士の隙間にスラリーが流れ込み、主面１ａと側面１ｂとの周縁部１ｃが研磨される。これにより、主面１ａの研磨を行うと同時に、主面１ａの周縁部１ｃの断面線は側面１ｂに近づくにしたがって曲率半径が漸減していて、主面１ａ側の幅Ｌ１が、側面１ｂ側の幅Ｌ２よりも大きくなっている曲面状に加工することができる。

キャリア１１の開口部の寸法は、サファイア基板１の主面１ａの寸法に合わせて作成される。図５では長辺がＬｂ、短辺がＬｅである。キャリア１１の開口部の間隔（サファイア基板１の間隔）は、ＬｃとＬｆである。Ｌｃ（Ｌｆ）は例えば、０．１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下であるとよい。Ｌｃ（Ｌｆ）が０．１ｍｍよりも大きいと、周縁部３の曲面形状が形成されやすい。ＬｃとＬｆを大きくすると、周縁部１ｃの寸法が大きくなる。例えば、Ｌｃ＝Ｌｆが、１．０ｍｍ、０．７ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍのとき、（Ｒ１、Ｌ１）は、概略、（０．０５ｍｍ、０．１１ｍｍ）、（０．０３ｍｍ、０．０６ｍｍ）、（０．０２ｍｍ、０．０４ｍｍ）、（０．０１ｍｍ、０．０２ｍｍ）となる。Ｌｃ（Ｌｆ）が２．０ｍｍより小さいと、Ｌ１とＲ１を０．２ｍｍより小さくできるので、特に小型のサファイア基板１では好適である。

このような曲面状の周縁部１ｃを形成することにより、サファイア基板１同士の接触によって発生するキズ、カケが減少する。

また、キャリア１１の開口部に間隔を設けることで、研磨後のサファイア基板１をナイフ等を用いて１個ずつ保持板から剥がすことができるので、製品同士が接触する機会を低減できて、キズ、カケを低減することができる。

また、サファイア基板１が、主面１ａの１辺の長さが２０ｍｍ以下の小型角型部材であれば、複数のサファイア基板１をキャリア１１等によって同時に保持することにより、上記のような形状を有するサファイア基板１を生産性よく製造することができるのでよい。

＜メタライズ工程＞
続いて、研磨工程で得られたサファイア基板１の一主面１ａの周縁部に金属層２が形成されて、金属層付きサファイア基板１０が完成する。金属層２は、例えばモリブデン（
Ｍｏ）−マンガン（ Ｍｎ）合金等の高融点の金属材料をペースト化した金属ペーストを
、サファイア基板１の主面１ａの周縁部に所定の幅で被着させ、炉中で約１４００℃ 程
度の温度で還元雰囲気で焼き付けることにより、形成される。

上記切断工程と、研磨工程と、メタライズ工程とを備えた製造方法を用いて、金属層付きサファイア基板を製造することにより、キズ、カケの生じにくい形状の周縁部１ｃを形成することができ、サファイア基板１０同士の接触による割れや欠け等の発生を抑制することができる。

本発明は前述した実施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において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。

１ ：サファイア基板
１ａ：主面
１ｂ：側面
１ｃ：周縁部
２ ：金属層
３ ：光デバイス
４ ：筐体
１０：金属層付きサファイア基板
１１：キャリア
１２：保持板

Claims (3)

1. 主面と、前記主面に繋がる側面とを備えるサファイア基板と、
   前記主面の周縁部の少なくとも一部を含む領域に配置された金属層とを備える金属層付きサファイア基板であって、
   前記主面の前記周縁部が曲面状であり、
   前記周縁部は、前記主面から前記側面に近づくにしたがって曲率半径が漸減していることを特徴とする金属層付きサファイア基板。
2. 前記金属層は、前記周縁部から前記側面にわたって配置されていることを特徴とする請求項１記載の金属層付きサファイア基板。
3. 一方主面と、該一方主面の反対に位置する他方主面と、前記一方主面および前記他方主面間に位置する側面とを備えたサファイア基板を形成する工程と、
   前記サファイア基板を０．１ｍｍから２ｍｍの間隔で配置可能なキャリアに、一方主面および前記他方主面のいずれかが露出するように収納した後、前記サファイア基板を固定する固定工程と、
   前記キャリアに固定した状態で研磨する研磨工程と、
   前記サファイア基板における研磨面の周縁部に金属層を形成するメタライズ工程とを有することを特徴とする金属層付きサファイア基板の製造方法。