WO2024201707A1 - 光学部品、透明封止部材、基板、及び光学部品の製造方法 - Google Patents

光学部品、透明封止部材、基板、及び光学部品の製造方法 Download PDF

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stress relaxation
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optical component
transparent sealing
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Definitions

  • the present invention relates to optical components, transparent sealing members, substrates, and methods for manufacturing optical components.
  • Optical components such as light-emitting devices or optical sensors have a structure in which a transparent sealing member is bonded to a substrate carrying an optical element, and the optical element is sealed with the transparent sealing member.
  • the optical element is a light-emitting element (e.g., an LED) or a light-receiving element (e.g., a photodiode).
  • the transparent sealing member is glass, and is bonded to the substrate using a low-melting-point alloy such as solder.
  • JP 2021-118199 A discloses a technique for providing a metallized layer on the quartz glass and the mounting substrate in order to solder a transparent sealing member made of quartz glass to the substrate.
  • JP 2019-046826 A discloses a technology for providing a 0.3 ⁇ m to 10 ⁇ m thick Au (gold) film as a stress relief layer at the joint between a transparent sealing member made of quartz glass and a substrate to prevent cracks in the transparent sealing member due to thermal expansion.
  • Optical components may be exposed to high temperatures due to heat generated by light-emitting elements in the environment in which they are used.
  • they may be exposed to high temperatures of, for example, 200°C to 400°C. This causes thermal stress at the joint between the transparent sealing member and the substrate due to the difference in the thermal expansion coefficient between the two, which can cause cracks or peeling in the fragile transparent sealing member and break the seal on the optical element.
  • JP 2021-118199 A may not provide sufficient stress relaxation effects.
  • the stress relaxation layer in JP 2019-046826 A is made of Au, but due to interdiffusion with the adjacent low-melting-point alloy (solder) containing Sn (tin), the stress relaxation layer may deteriorate, and sufficient stress relaxation effects may not be obtained.
  • the present invention aims to solve the above problems.
  • One aspect of the present invention relates to an optical component comprising: a substrate carrying an optical element; a transparent sealing member bonded to the upper part of the substrate and sealing the optical element; and a bonding portion formed by stacking a plurality of metal films and bonding the transparent sealing member to the substrate, the bonding portion having one or more stress relaxation layers formed of metal films having a Young's modulus of 150 GPa or less and having a total thickness of 1.2 ⁇ m or more; and diffusion prevention layers disposed on both sides of the stress relaxation layer in the thickness direction and preventing diffusion of the metal constituting the stress relaxation layer.
  • the diffusion prevention layer can prevent deterioration of the stress relaxation layer, and a sufficient level of the stress relaxation layer can be maintained, so that peeling or damage to the transparent sealing member due to thermal stress can be effectively suppressed.
  • the stress relaxation layer may be made of Cu (copper), Au (gold), Ag (silver), or Zn (zinc). This optical component can prevent peeling or damage to the transparent sealing member due to thermal shock.
  • the diffusion prevention layer may be made of Ni (nickel), Pd (palladium), or Pt (platinum). This optical component can prevent deterioration of the stress relaxation layer and can prevent peeling or damage to the transparent sealing member.
  • the stress relaxation layer may have a thermal expansion coefficient of 40 ppm/K or less. Such a stress relaxation layer can suppress the generation of thermal stress due to thermal deformation of the stress relaxation layer itself.
  • the sum of the thicknesses of the stress relaxation layers may be 10 ⁇ m or less.
  • a total thickness of the stress relaxation layers may be 0.28% or more of a thickness of the transparent sealing member above the stress relaxation layers. Since the stress relaxation layers in this optical component are formed with a sufficient thickness, the optical component can relax thermal stress between the transparent sealing member and the substrate.
  • the transparent sealing member above the stress relaxation layer may have a thickness of 0.2 mm or more. As the thickness of the transparent sealing member increases, the transparent sealing member tends to be less flexible and thermal stress tends to increase. This optical component can relax thermal stress even in the case of a thick transparent sealing member, and can prevent peeling or damage to the transparent sealing member.
  • a total thickness of the stress relaxation layer may be 0.25% or more of a thickness of the substrate below the stress relaxation layer. Since the stress relaxation layer in this optical component is formed with a sufficient thickness, it is possible to relax thermal stress between the transparent sealing member and the substrate.
  • the total thickness of the stress relaxation layer may be 0.05% or more of the sum of the thickness of the transparent sealing member above the stress relaxation layer and the thickness of the substrate below the stress relaxation layer. Since the stress relaxation layer in this optical component is formed with a sufficient thickness, it is possible to relax thermal stress between the transparent sealing member and the substrate.
  • a value of A ⁇ B may be 5 ⁇ 10 ⁇ 6 mm/K or more.
  • the outer dimension of the joint may be 3 mm or more. This optical component can prevent peeling and damage even for a transparent sealing member having a size typical of a light-emitting diode.
  • the transparent sealing member may be quartz glass or ultraviolet-transmitting glass. This optical component can prevent peeling or damage to the transparent sealing member, which has a weak strength, of an ultraviolet light-emitting diode or an ultraviolet light-receiving element, or the like.
  • the transparent sealing member may have a thermal expansion coefficient of 1 ppm/K or less.
  • the substrate may be any one of aluminum nitride, alumina, silicon, kovar, and silicon nitride.
  • the substrate may have a thermal expansion coefficient of 2.5 ppm/K or more.
  • the thickness of the substrate below the stress relaxation layer may be 0.2 mm or more.
  • the bonding portion includes a first metallization layer formed on a bonding surface of the transparent sealing member facing the substrate and made of a plurality of metal films, a second metallization layer formed on the substrate and made of a plurality of metal films, and a low-melting-point alloy layer bonding the first metallization layer and the second metallization layer, and the stress relaxation layer and the diffusion prevention layer may be provided on at least one of the first metallization layer and the second metallization layer.
  • This optical component can achieve both adhesion due to the low-melting-point alloy layer and thermal stress relaxation performance.
  • the stress relaxation layer and the diffusion prevention layer may be provided on both the first metallization layer and the second metallization layer, respectively.
  • This optical component can relax thermal stress between the transparent sealing member and the substrate.
  • Another aspect of this embodiment is a transparent sealing member that is bonded to a substrate carrying an optical element and seals the optical element, the transparent sealing member comprising: a lens that covers the optical element; a bonding surface that is provided on the periphery of the lens and bonded to the substrate; and a first metallization layer formed on the bonding surface, the first metallization layer having a stress relaxation layer that is made of a metal film having a Young's modulus of 150 GPa or less and has a thickness of 1.2 ⁇ m or more; and diffusion prevention layers that are disposed on both sides of the stress relaxation layer in the thickness direction and prevent diffusion of the metal that constitutes the stress relaxation layer.
  • the transparent sealing member can prevent deterioration of the diffusion prevention layer while mitigating thermal stress with the substrate through the diffusion prevention layer.
  • the transparent sealing member according to item 19 may further include a low melting point alloy layer formed on the first metallization layer. Since the transparent sealing member is provided with the low melting point alloy layer in advance, the bonding process to the substrate can be simplified.
  • a substrate for mounting an optical element includes an upper surface located on the outer periphery of a portion for mounting the optical element and to which a transparent sealing member is bonded, and a second metallization layer formed on the upper surface, the second metallization layer having a stress relaxation layer formed of a metal film having a Young's modulus of 150 GPa or less and a thickness of 1.2 ⁇ m or more, and a diffusion prevention layer disposed on both sides of the stress relaxation layer in the thickness direction to prevent diffusion of the metal constituting the stress relaxation layer.
  • This substrate can prevent the diffusion prevention layer from deteriorating while the diffusion prevention layer can relieve thermal stress with the substrate, thereby preventing peeling or damage to the bonded transparent sealing member.
  • Yet another aspect of the present invention is a method for manufacturing an optical component in which an optical element mounted on a substrate is sealed with a transparent sealing member, the method comprising the steps of joining a first metallization layer of the transparent sealing member and a second metallization layer of the substrate with a low melting point alloy, and at least one of the first metallization layer and the second metallization layer has one or more stress relaxation layers made of a metal film having a Young's modulus of 150 GPa or less and a total thickness of 1.2 ⁇ m or more, and diffusion prevention layers arranged on both sides of the stress relaxation layer in the thickness direction to prevent diffusion of the metal constituting the stress relaxation layer.
  • This method for manufacturing an optical component can prevent peeling or damage to the transparent sealing member.
  • optical components transparent sealing members, substrates, and methods for manufacturing optical components can prevent peeling or damage to the transparent sealing members due to thermal stress.
  • FIG. 1A is a perspective view of an array member used in manufacturing a transparent sealing member according to a first embodiment
  • FIG. 1B is a perspective view of a first metallized layer formed on a joining surface of the array member.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of the first metallization layer of FIG. 1B
  • FIG. 2B is an explanatory diagram of the singulation process.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram of a step of attaching a low melting point alloy foil to a first metallization layer
  • FIG. 3B is an explanatory diagram of a transparent sealing member having a first metallization layer and a low melting point alloy layer.
  • FIG. 4A is an explanatory diagram of a step of bonding the transparent sealing member of FIG.
  • FIG. 5A is a plan view of the optical component according to the first embodiment
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the optical component of FIG. 5A
  • FIG. 6A is an exploded perspective view of an optical component according to a first modified example of the first embodiment
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of the optical component of FIG. 6A
  • FIG. 7A is an exploded perspective view of an optical component according to a second modified example of the first embodiment
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the optical component of FIG. 7A.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of an optical component according to a third modification of the first embodiment
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of an optical component according to a fourth modification of the first embodiment.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of an optical component according to a second embodiment
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of an optical component according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a table showing the configurations of the transparent sealing members and low-melting-point alloy layers of the optical components according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 10 is a table showing the configurations of the transparent sealing members and low-melting-point alloy layers of the optical components according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2.
  • FIG. 11 is a table showing the relationship between the configuration of the substrate of the optical components according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 and the thickness of the optical components, and the evaluation results of the thermal shock test.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the thickness of the stress relaxation layer and the peeling occurrence rate in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, with the thickness of the stress relaxation layer on the horizontal axis and the peeling occurrence rate on the vertical axis.
  • FIG. 13 is a table showing the configurations of the transparent sealing members and low melting point alloy layers according to Examples 6 to 10.
  • FIG. 14 is a table showing the relationship between the configuration of the substrate and the thickness of the optical component according to Examples 6 to 10, and the evaluation results of the thermal shock test.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the thickness of the stress relaxation layer and the peeling occurrence rate in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2, with the thickness of the stress relaxation layer on the horizontal axis and the peeling occurrence rate on the vertical axi
  • FIG. 15 is a table showing the configurations of the transparent sealing members and low melting point alloy layers according to Examples 11 to 15.
  • FIG. 16 is a table showing the relationship between the configuration of the substrate and the thickness of the optical component according to Examples 11 to 15, and the evaluation results of the thermal shock test.
  • the optical component 10 according to the first embodiment will be described below together with its manufacturing method.
  • the optical component 10 of this embodiment will be described by taking an example in which an ultraviolet light emitting LED is sealed in a transparent sealing member 14 as the optical element 12.
  • the optical component 10 is not limited to this, and can also be suitably applied to cases in which a light emitting element such as various LEDs or a light receiving element such as a photodiode is sealed in a transparent sealing member 14.
  • the terms top, upper, lower, and downward used in this specification indicate the positional relationship inside the component, and do not limit the installation direction of the optical component 10.
  • the array member 16 is a plate-shaped member in which multiple lenses 18 are arranged vertically and horizontally.
  • the lenses 18 are parts that allow light to pass through.
  • the lenses 18 are not necessarily limited to being hemispherical, and also include flat-shaped windows.
  • the array member 16 of this embodiment includes a plurality of lenses 18, and is therefore also called a lens array.
  • the array member 16 has a front surface 16a from which the lenses 18 protrude, and a back surface 16b.
  • the array member 16 has a concave cavity 20 and a flat bonding surface 22 on the back surface 16b.
  • the array member 16 is made of, for example, quartz glass. Details of the manufacturing method of the array member 16 are described, for example, in International Publication WO 2019/012743.
  • the joining surface 22 of the array member 16 is polished.
  • the unevenness of the joining surface 22 is eliminated by polishing, making it flat.
  • less low melting point alloy layer 36 (solder) is required for joining, and the amount of low melting point alloy layer 36 containing Au used can be reduced. Note that polishing of the joining surface 22 can be performed as necessary depending on the unevenness of the joining surface 22, and may be omitted.
  • the metallization process is a process of forming a metal pattern (first metallization layer 24) on the joining surface 22, which has excellent wettability with the low melting point alloy layer 36 and adhesion to the transparent sealing member 14.
  • the first metallization layer 24 is formed in a rectangular ring shape surrounding the periphery of the cavity 20 of each lens 18.
  • the process of forming the first metallization layer 24 includes stacking a first adhesion layer 26, a first diffusion prevention layer 28, a first stress relaxation layer 30, a second diffusion prevention layer 32, and a second adhesion layer 34 in this order on the joining surface 22.
  • the first adhesion layer 26 is formed by depositing a metal film such as Ti (titanium) on the joining surface 22, for example, by a sputtering method.
  • the first adhesion layer 26 is formed to a thickness of, for example, 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the material of the first adhesion layer 26 is selected from metal materials that have excellent adhesion to quartz glass or ultraviolet-transmitting glass. In addition to Ti, other materials for the first adhesion layer 26 include Cr (chromium).
  • the first diffusion prevention layer 28 is formed by depositing a film of Pd (palladium) on the first adhesion layer 26 by a sputtering method.
  • the first diffusion prevention layer 28 is formed to a thickness of, for example, 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the first diffusion prevention layer 28 prevents the diffusion of the metal that constitutes the first stress relaxation layer 30.
  • the first diffusion prevention layer 28 is preferably made of a material that has excellent adhesion to the first adhesion layer 26 and the first stress relaxation layer 30.
  • the first diffusion prevention layer 28 may be composed of a Ni (nickel) film or a Pt (platinum) film.
  • the first stress relaxation layer 30 is, for example, made of a Cu (copper) film.
  • the first stress relaxation layer 30 is formed, for example, by forming a seed layer by a sputtering method and depositing a Cu (copper) film on the seed layer by a plating method.
  • the first stress relaxation layer 30 can be formed to a thickness of, for example, 1.2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less. Details of the thickness C of the first stress relaxation layer 30 will be described later.
  • the first stress relaxation layer 30 is not limited to Cu, and a metal material with a Young's modulus of 150 GPa or less can be used.
  • the first stress relaxation layer 30 is preferably made of a material with small thermal expansion, and it is preferable to use a material with a thermal expansion coefficient of 40 ppm/K or less.
  • materials for the first stress relaxation layer 30 that can be used instead of Cu include Au, Ag (silver), and Zn (zinc).
  • the second diffusion prevention layer 32 is formed by depositing a Ni film (which may be a Pd film or a Pt film) on the first stress relaxation layer 30, for example, by plating.
  • the second diffusion prevention layer 32 has a thickness of 0.1 to 5 ⁇ m.
  • the second diffusion prevention layer 32 prevents interdiffusion between the second adhesion layer 34 or the low melting point alloy layer 36 (see FIG. 3A) and the first stress relaxation layer 30, thereby preventing deterioration of the first stress relaxation layer 30.
  • Pd or Pt may be used instead of Ni for the second diffusion prevention layer 32.
  • the second adhesion layer 34 is formed by depositing an Au film on the second diffusion prevention layer 32, for example, by plating.
  • the second adhesion layer 34 is formed to a thickness of, for example, 0.1 to 2 ⁇ m.
  • the second adhesion layer 34 is formed from a material that has excellent wettability and adhesion with alloys containing Sn (tin) with a low melting point, such as solder.
  • the second adhesion layer 34 exhibits high adhesion to the low melting point alloy layer 36 by mixing and integrating with the low melting point alloy layer 36 without forming a boundary.
  • the above-mentioned layers from the first adhesion layer 26 to the second adhesion layer 34 are formed over the entire surface of the back surface 16b (see FIG. 1A) of the array member 16. Then, a mask (not shown) of a predetermined shape is formed on the second adhesion layer 34.
  • the mask may be formed by applying a photoresist material, exposing it to light, and developing it, or it may be formed by applying a mask material using a printing method. Then, each layer of the first adhesion layer 26 to the second adhesion layer 34 in the portion exposed from the mask is removed by etching, thereby completing the first metallization layer 24 consisting of the annular pattern shown in FIG. 1B.
  • a singulation process is performed.
  • the array member 16 is cut into individual transparent sealing members 14 by a dicing saw 38.
  • the cut transparent sealing members 14 have rectangular base portions 40 formed around the lenses 18 as shown in FIG. 3A.
  • the base portions 40 are formed in a flat plate shape.
  • the cut transparent sealing members 14 are stored in a tray (not shown) with the bonding surface 22 facing upward.
  • low melting point alloy foil 42 is placed on the first metallization layer 24.
  • the low melting point alloy foil 42 is shaped in advance so as to overlap at least a portion of the first metallization layer 24.
  • the low melting point alloy foil 42 is made of, for example, an AuSn (gold-tin) alloy.
  • AuSn gold-tin
  • various alloys containing Sn and having a melting point of 450°C or less can be used as the low melting point alloy foil 42.
  • the low melting point alloy foil 42 is partially bonded onto the first metallization layer 24 by, for example, dot welding as described in Japanese Patent No. 7182596.
  • the bonded low melting point alloy foil 42 forms the low melting point alloy layer 36.
  • the substrate 44 has the optical element 12 mounted on its upper surface 44a.
  • the optical element 12 is, for example, an ultraviolet light-emitting diode that emits ultraviolet light.
  • the substrate 44 is made of, for example, aluminum nitride, alumina, silicon, kovar, or silicon nitride.
  • the substrate 44 has, for example, a thermal expansion coefficient of 2.5 ppm/K or more.
  • the substrate 44 usually has a thermal expansion coefficient different from that of the transparent sealing member 14.
  • the substrate 44 has a second metallization layer 46 at the bonding portion 44b of its upper surface 44a.
  • the second metallization layer 46 of this embodiment is formed by laminating a third adhesion layer 48, a third diffusion prevention layer 50, and a fourth adhesion layer 56 in this order on the upper surface 44a of the substrate 44.
  • the third adhesion layer 48 is made of a metal film that has excellent adhesion to the substrate 44.
  • the third adhesion layer 48 is made of a Cr film (or Ti film) having a thickness of 0.01 to 0.5 ⁇ m, for example. Such a Cr film is formed, for example, by a sputtering method.
  • the third diffusion prevention layer 50 is a metal film that prevents diffusion of the fourth adhesion layer 56.
  • the third diffusion prevention layer 50 is made of, for example, a Ni film (or a Pd film or Pt film) with a thickness of 0.01 to 0.5 ⁇ m. Such a Ni film is formed by a sputtering method.
  • the fourth adhesion layer 56 is a metal film that has excellent wettability and adhesion to the low melting point alloy layer 36.
  • the fourth adhesion layer 56 is made of, for example, an Au film with a thickness of 0.1 to 2 ⁇ m.
  • the second metallization layer 46 is formed by sequentially depositing the third adhesion layer 48, the third diffusion prevention layer 50, and the fourth adhesion layer 56, and then patterning them by etching using a mask of a predetermined shape.
  • the transparent sealing member 14 is placed on the substrate 44.
  • the transparent sealing member 14 is positioned so that the first metallization layer 24 is located on top of the second metallization layer 46 of the substrate 44, and is placed on top of the substrate 44.
  • the substrate 44 and the transparent sealing member 14 are then heated to a temperature of 200 to 400°C.
  • This heating melts the low melting point alloy layer 36, as shown in FIG. 4B, and the second adhesion layer 34 and the fourth adhesion layer 56 become one body.
  • This process forms a joint 58 in which the first metallization layer 24 and the second metallization layer 46 are joined together without any gaps through the low melting point alloy layer 36.
  • the optical component 10 is completed.
  • the substrate 44 is covered with a transparent sealing member 14 when viewed in a plan view.
  • the transparent sealing member 14 has a transparent portion 15 and a first metallization layer 24.
  • the transparent sealing member 14 may be made of ultraviolet-transmitting glass (borosilicate glass) instead of quartz glass (thermal expansion coefficient 1 ppm/K or less).
  • the transparent portion 15 has a hemispherical lens 18 and a rectangular plate-like base portion 40 (also called a flange) formed around the lens 18.
  • a hemispherical cavity 20 is formed inside the lens 18.
  • the cavity 20 forms a space that houses the optical element 12.
  • the first metallization layer 24 is formed on the bonding surface 22 (see FIG. 2A).
  • the first metallization layer 24 extends along the periphery of the lens 18 and is formed in a rectangular ring shape, with its corners located below the base 40.
  • the thickness of the base 40 is defined as the thickness D of the transparent sealing member 14 above the bonding portion 58.
  • a portion of the first metallization layer 24 may overlap the lens 18.
  • the outer dimension of the first metallization layer 24 is defined as the outer dimension B of the bonding portion 58.
  • the bonding portion 58 has an outer dimension B of, for example, 3 mm or more.
  • the transparent sealing member 14 is bonded to the upper surface 44a of the substrate 44 via a bonding portion 58.
  • thermal stress is generated in both the optical component 10 and the substrate 44.
  • the magnitude of the thermal stress increases according to the difference in the amount of displacement due to thermal expansion between the transparent sealing member 14 and the substrate 44. If the thermal stress is large, cracks and peeling will occur in the relatively fragile transparent sealing member 14, and the seal on the optical element 12 will be broken.
  • the amount of displacement between the transparent sealing member 14 and the substrate 44 per 1° C. of temperature change is related to the product (A ⁇ B) of the absolute value A [ppm/K] of the difference between the thermal expansion coefficient of the transparent sealing member 14 and the thermal expansion coefficient of the substrate 44 and the outer dimension B [mm] of the bonding portion 58 (first metallized layer 24). If the value of A ⁇ B exceeds 5 ⁇ 10 ⁇ 6 [mm/K], the transparent sealing member 14 is likely to crack or peel off.
  • the optical component 10 has a first stress relief layer 30 on the first metallization layer 24.
  • the first stress relief layer 30 relieves thermal stress at the joint 58 by deforming in response to the displacement between the transparent sealing member 14 and the substrate 44.
  • the transparent sealing member 14 is thin, some of the thermal stress can be alleviated by the elastic deformation of the transparent sealing member 14, and the thickness C of the first stress relaxation layer 30 can be made thin.
  • the thickness D of the transparent sealing member 14 increases, the transparent sealing member 14 becomes difficult to deform, and unless the thickness C of the first stress relaxation layer 30 is increased, cracks and peeling due to thermal stress become more likely to occur.
  • the thickness D of the transparent sealing member 14 is 0.2 mm or more, the transparent sealing member 14 becomes more likely to peel or crack. In this case, if the thickness C of the first stress relaxation layer 30 is 0.28% or more of the thickness D of the transparent sealing member 14, cracks and peeling of the transparent sealing member 14 are suppressed.
  • the thicker the substrate 44 the less elastically deformable it becomes, so a thicker first stress relaxation layer 30 is required. If the thickness of the substrate 44 below the joint 58 is defined as the thickness F of the substrate 44, it is preferable to set the thickness C of the first stress relaxation layer 30 to 0.25% or more of the thickness F of the substrate 44, as this can prevent cracks and peeling of the transparent sealing member 14.
  • the thickness C of the first stress relaxation layer 30 is set to 0.05% or more of the thickness E of the optical component 10, which is the sum (D+F) of the thickness D of the transparent sealing member 14 and the thickness F of the substrate 44.
  • the optical component 10A shown in Figures 6A and 6B differs from the optical component 10 in Figure 4B in a transparent sealing member 14A and a substrate 44A.
  • the same components as those in the optical component 10 in Figure 4B are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.
  • the transparent sealing member 14A has a hemispherical lens 18 and a rectangular base portion 40 provided around the lens 18. As shown in FIG. 6B, the lens 18 does not have a cavity 20 formed therein, and is filled with quartz glass. The entire bottom side of the transparent sealing member 14A is composed of a flat bonding surface 22.
  • the substrate 44A has a box-shaped cavity 60 on its upper surface 44a.
  • the cavity 60 is formed in a rectangular shape in a plan view.
  • the cavity 60 houses the optical element 12.
  • the optical element 12 is bonded to the substrate 44A within the cavity 60.
  • a second metallization layer 46 is formed on the upper surface 44a of the substrate 44A.
  • the second metallization layer 46 is formed in a rectangular ring shape so as to surround the cavity 60.
  • the second metallization layer 46 is configured in the same manner as the second metallization layer 46 described with reference to FIG. 4A.
  • This modified example also prevents cracks and peeling of the transparent sealing member 14A.
  • the transparent sealing member 14B is composed of a hemispherical lens 18.
  • the transparent sealing member 14B does not have a plate-shaped pedestal portion 40 around the lens 18.
  • the lens 18 does not have a cavity 20 inside, and the inside is filled with quartz glass.
  • the bottom of the transparent sealing member 14B is formed by a flat joint surface 22.
  • the transparent sealing member 14B has a circular first metallization layer 24B on the joint surface 22.
  • the configuration of each layer of the first metallization layer 24B is the same as that of the first metallization layer 24 described with reference to Figure 2A.
  • a low melting point alloy layer 36 is formed on the first metallization layer 24B.
  • the substrate 44B has a cavity 60B, a lens accommodating recess 62, and a second metallization layer 46B.
  • the cavity 60B is formed in a cylindrical shape.
  • the cavity 60B accommodates the optical element 12.
  • the diameter of the cavity 60B is smaller than the inner diameter of the first metallization layer 24B of the transparent sealing member 14B.
  • the lens accommodating recess 62 is a recess formed on the outer periphery of the cavity 60B and is formed shallower than the cavity 60B.
  • the lens accommodating recess 62 is formed slightly larger than the outer diameter of the transparent sealing member 14B and accommodates the transparent sealing member 14B.
  • the second metallization layer 46B is formed on the bottom surface of the lens accommodating recess 62.
  • the configuration of each layer of the second metallization layer 46B is the same as that of the second metallization layer 46 described with reference to FIG. 4A.
  • the transparent sealing member 14B is arranged so that the first metallization layer 24B faces the second metallization layer 46B of the lens accommodating recess 62.
  • the first metallization layer 24B and the second metallization layer 46B are joined by the low melting point alloy layer 36 to form a joint 58.
  • the thickness of the transparent sealing member 14B above the joint 58 is defined as the thickness D of the transparent sealing member 14B above the center in the width direction of the first metallization layer 24B.
  • the thickness C of the first stress relaxation layer 30 is preferably set to 0.28% or more of the thickness D of the transparent sealing member 14B.
  • This modified example also prevents cracks and peeling of the transparent sealing member 14B.
  • optical component 10C of this modified example differs from optical component 10 shown in Fig. 4B in that it has a flat transparent sealing member 14C.
  • optical component 10C the same components as those of optical component 10 in Fig. 4B are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.
  • the transparent sealing member 14C has a lens 18 formed in a flat plate shape.
  • the lens 18 is integrated with the base portion 40.
  • the transparent sealing member 14C is formed in a rectangular shape with the same dimensions as the substrate 44 in a plan view.
  • the transparent sealing member 14C has a cavity 20C and a first metallization layer 24.
  • the cavity 20C is formed in a rectangular shape in a plan view.
  • the cavity 20C accommodates the optical element 12 mounted on the substrate 44.
  • the first metallization layer 24 is formed in a rectangular ring shape surrounding the outside of the cavity 20C.
  • the first metallization layer 24 is formed on the joining surface 22 of the transparent sealing member 14C and is joined to the second metallization layer 46 of the substrate 44 via the low melting point alloy layer 36.
  • each layer of the first metallization layer 24 and the second metallization layer 46 is the same as that of the first metallization layer 24 and the second metallization layer 46 of the first embodiment.
  • This modified example also prevents cracks and peeling of the transparent sealing member 14C.
  • optical component 10D of this modification differs from optical component 10 shown in Fig. 4B in that it has a flat transparent sealing member 14D.
  • optical component 10D the same components as those of optical component 10 in Fig. 4B are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof will be omitted.
  • the transparent sealing member 14D is formed in a flat plate shape and is rectangular in shape with the same dimensions as the substrate 44D in a plan view. No cavity 20 is formed in the transparent sealing member 14D, and a cavity 60D is formed in the substrate 44D.
  • the cavity 60D in the substrate 44D is rectangular in a plan view, and the substrate 44D is box-shaped.
  • the optical element 12 is mounted in the cavity 60D in the substrate 44D.
  • the transparent sealing member 14D is made of flat UV-transmitting glass or flat quartz glass.
  • the transparent sealing member 14D has a first metallization layer 24 formed in a rectangular ring shape surrounding the cavity 60D of the substrate 44D.
  • the first metallization layer 24 is bonded to the second metallization layer 46 of the substrate 44D via the low-melting-point alloy layer 36.
  • This modified example also prevents cracks and peeling of the transparent sealing member 14D.
  • the optical component 10E of this embodiment has a second stress relief layer 52 on the second metallization layer 46E of the substrate 44, and a first stress relief layer 30 is not provided on the first metallization layer 24E of the transparent sealing member 14.
  • the transparent sealing member 14 has a first metallized layer 24E formed on the joining surface 22.
  • the first metallized layer 24E has a structure in which a first adhesion layer 26, a first diffusion prevention layer 28, and a second adhesion layer 34 are laminated in this order on the joining surface 22.
  • the first adhesion layer 26 is made of a Ti film or a Cr film having a thickness of 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the first diffusion prevention layer 28 is made of a Pd film, a Pt film, or a Ni film having a thickness of 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the second adhesion layer 34 is made of an Au film having a thickness of 0.1 to 2 ⁇ m.
  • the low melting point alloy layer 36 is made of an AuSn alloy film having a thickness of 20 ⁇ m.
  • the substrate 44 has an optical element 12 mounted on its upper surface 44a.
  • a ring-shaped second metallization layer 46E is formed on the upper surface 44a of the substrate 44, surrounding the optical element 12.
  • the second metallization layer 46E has a structure in which a third adhesion layer 48, a third diffusion prevention layer 50, a second stress relief layer 52, a fourth diffusion prevention layer 54, and a fourth adhesion layer 56 are formed in this order on the upper surface 44a of the substrate 44.
  • the third adhesion layer 48 is made of a Ti film (or a Cr film) having a thickness of 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the third diffusion prevention layer 50 is made of a Pd film (which may be a Ni film or a Pt film) having a thickness of 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the third adhesion layer 48 and the third diffusion prevention layer 50 are formed, for example, by a sputtering method.
  • the second stress relief layer 52 is made of a metal (e.g., Cu) film with a Young's modulus of 150 GPa or less.
  • the second stress relief layer 52 is formed to a thickness of 1.2 ⁇ m or more.
  • the thickness of the second stress relief layer 52 may be the same as the thickness of the first stress relief layer 30 described in the first embodiment.
  • the fourth diffusion prevention layer 54 is made of a Ni film (or a Pd or Pt film) with a thickness of 0.1 to 5 ⁇ m.
  • the fourth adhesion layer 56 is made of an Au film with a thickness of 0.1 to 2 ⁇ m.
  • the second stress relaxation layer 52, the fourth diffusion prevention layer 54, and the fourth adhesion layer 56 are formed by plating.
  • the transparent sealing member 14 is bonded to the substrate 44 via the first metallization layer 24E, the second metallization layer 46E, and the low melting point alloy layer 36.
  • the second stress relaxation layer 52 provided on the second metallization layer 46E can relieve the thermal stress at the joint 58, preventing cracks and peeling of the transparent sealing member 14.
  • the optical component 10F of this embodiment has a first metallized layer 24 formed on the bonding surface 22 of the transparent sealing member 14.
  • the optical component 10F also has a second metallized layer 46E on the substrate 44.
  • the first stress relaxation layer 30 is formed on the first metallized layer 24 (see FIG. 2A).
  • the second stress relaxation layer 52 is formed on the second metallized layer 46E (see FIG. 9A). Therefore, the optical component 10F has the first stress relaxation layer 30 and the second stress relaxation layer 52 at the bonding portion 58.
  • the other configurations of the first metallized layer 24 are the same as those of the first metallized layer 24 of the first embodiment described with reference to FIG. 2A.
  • the other configurations of the second metallized layer 46E are the same as those of the second metallized layer 46E described with reference to FIG. 9A.
  • the low melting point alloy layer 36 is formed on the second metallization layer 46E.
  • the configuration of the low melting point alloy layer 36 is similar to that of the low melting point alloy layer 36 described with reference to Figures 3A and 3B.
  • the sum of the thicknesses of the first stress relaxation layer 30 and the second stress relaxation layer 52 may be 1.2 ⁇ m or more.
  • the first stress relaxation layer 30 and the second stress relaxation layer 52 can relax the thermal stress of the bonding portion 58, so that cracks and peeling of the transparent sealing member 14 can be prevented.
  • the optical components 10, 10A to 10F of the above-mentioned embodiments were fabricated and evaluated, and the results are described below.
  • the fabricated optical components 10, 10A to 10F were subjected to dimensional measurements of each part using a measuring microscope and a SEM (scanning electron microscope). If necessary, the optical component 10 was subjected to cross-sectional processing.
  • the material and composition were measured using an EDS attached to the SEM (scanning electron microscope).
  • the thermal expansion coefficient and Young's modulus are values in a bulk state.
  • the peeling occurrence rate of the transparent sealing member 14 was evaluated by carrying out a thermal shock test. This thermal shock test was carried out by mounting the optical component 10 on an aluminum heat dissipation substrate, applying a thermal cycle of -40°C to +85°C, and observing the presence or absence of peeling with the naked eye or an optical microscope.
  • Example 1 is a case where the first stress relaxation layer 30 is not formed, and the thickness of the first stress relaxation layer 30 is 0 ⁇ m.
  • Comparative Example 2 and Examples 1 to 4 the thickness of the first stress relaxation layer 30 varies in the range of 0.5 ⁇ m to 9.2 ⁇ m.
  • Example 5 is the optical component 10E shown in FIG. 9A, but is similar to Examples 1 to 4 except for the bonding portion 58.
  • a second stress relaxation layer 52 made of Cu and having a thickness of 8.3 ⁇ m is provided together with a first stress relaxation layer 30 having a thickness of 1.2 ⁇ m.
  • the peeling occurrence rate of the transparent sealing member 14 was 32%.
  • the peeling occurrence rate of the transparent sealing member 14 showed a tendency to decrease as the thickness of the first stress relaxation layer 30 or the second stress relaxation layer 52 (hereinafter collectively referred to as the stress relaxation layer) increased.
  • the stress relaxation layer it can be seen that when the thickness of the stress relaxation layer is in the range of less than 1.2 ⁇ m, the peeling occurrence rate of the transparent sealing member 14 increases sharply. Therefore, it was confirmed that if the thickness of the stress relaxation layer is in the range of 1.2 ⁇ m or more, the peeling occurrence rate of the transparent sealing member 14 can be suppressed to 6% or less.
  • Examples 6, 8, 11, and 13 are the results of evaluating the optical component 10 shown in Figures 5A and 5B.
  • the thickness of the first stress relaxation layer 30 is 3.0 ⁇ m, similar to Example 1 ( Figures 13 and 15).
  • Example 6 is different from Example 1 in that the thickness D of the base portion 40 of the transparent sealing member 14 is increased to 0.5 mm, as shown in Figure 13.
  • the peeling occurrence rate is within 2%, which is an improvement over the peeling occurrence rates of Comparative Examples 1 and 2.
  • Example 8 differs from Example 1 in that the dimensions of the transparent sealing member 14 are increased.
  • the outer dimension B of the first metallization layer 24 (joint 58) is 3.9 mm.
  • the peeling rate of the transparent sealing member 14 in Example 8 only increased slightly to 4%. The peeling rate in Example 8 was improved over the peeling rates in Comparative Examples 1 and 2.
  • Example 11 differs from Example 1 in that alumina is used for the substrate 44.
  • the thermal expansion coefficient of alumina is 7 ppm/K, which is greater than the thermal expansion coefficient of aluminum nitride in Example 1, 4.6 ppm/K. Therefore, the joint 58 is more susceptible to the stress caused by thermal expansion.
  • the peeling occurrence rate was kept at 6%, which was an improvement over the peeling occurrence rates in Comparative Examples 1 and 2.
  • Example 13 like Example 11, alumina was used for the substrate 44.
  • Example 13 differs from Example 11 in that Au, which has a smaller Young's modulus than Cu, was used as the material for the first stress relaxation layer 30, as shown in FIG. 15. As shown in FIG. 16, Example 13 had a peeling occurrence rate of 0%, which was an improvement over Example 11.
  • Example 7 shown in Fig. 13 is a test and evaluation result for the optical component 10A shown in Fig. 6A and Fig. 6B.
  • the transparent sealing member 14A does not have a cavity 20, so the transparent sealing member 14A is less likely to deform. Therefore, in Example 7, it is difficult to obtain the effect of relaxing the thermal stress caused by the deformation of the transparent sealing member 14A.
  • the peeling occurrence rate is only 4% due to the effect of the first stress relaxation layer 30, which is an improvement over the peeling occurrence rates of Comparative Examples 1 and 2.
  • Examples 9 and 10 shown in Fig. 13 are test and evaluation results for the optical component 10C shown in Fig. 8A.
  • Fig. 14 in Example 9, aluminum nitride with a thermal expansion coefficient of 4.6 ppm/K was used for the substrate 44, and in Example 10, silicon with a thermal expansion coefficient of 2.6 ppm/K was used for the substrate 44.
  • the peeling occurrence rate was 6%.
  • Example 10 in which the difference in the thermal expansion coefficient between the substrate 44 and the transparent sealing member 14 was small, the peeling occurrence rate was 0%.
  • the peeling occurrence rate was also improved compared to Comparative Examples 1 and 2.
  • Example 12 shown in Fig. 15 shows the test and evaluation results for optical component 10B shown in Fig. 7A and Fig. 7B.
  • Optical component 10B does not have a base portion 40.
  • the peeling occurrence rate is 0%, and the peeling occurrence rate can be suppressed more than in Comparative Examples 1 and 2.
  • Examples 14 and 15 shown in Fig. 15 are test and evaluation results for the optical component 10D shown in Fig. 8B.
  • quartz glass was used for the transparent sealing member 14, and aluminum nitride was used for the substrate 44.
  • ultraviolet-transmitting glass borosilicate glass
  • alumina was used for the substrate 44.
  • the peeling occurrence rate was 4%, and in Example 15, the peeling occurrence rate was 0%. Therefore, Examples 14 and 15 can suppress the peeling occurrence rate more than Comparative Examples 1 and 2.

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Abstract

光学素子（１２）を搭載した基板（４４）に透明封止部材（１４）を接合して封止する光学部品（１０）と、透明封止部材（１４）と、基板（４４）と、光学部品（１０）の製造方法とに関し、透明封止部材（１４）と基板（４４）とを接合するメタライズ層（２４、４６）に、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さの総和が１．２μｍ以上の１又は複数の応力緩和層（３０）と、応力緩和層（３０）の厚さ方向の両側に配置され、応力緩和層（３０）を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層（２８、３２）と、を設ける。

Description

光学部品、透明封止部材、基板、及び光学部品の製造方法
　本発明は、光学部品、透明封止部材、基板、及び光学部品の製造方法に関する。
　発光デバイス又は光センサ等の光学部品は、光学素子を搭載した基板に透明封止部材を接合して、光学素子を透明封止部材で封止した構造を有する。光学素子は、発光素子（例えば、ＬＥＤ等）又は受光素子（例えば、フォトダイオード）である。透明封止部材は、ガラスであり、ハンダ等の低融点合金を用いて基板に接合される。
　特開２０２１－１１８１９９号公報は、石英ガラスよりなる透明封止部材と、基板とをハンダで接合するために、石英ガラス及び実装基板とにメタライズ層を設ける技術を開示する。
　特開２０１９－０４６８２６号公報は、石英ガラスからなる透明封止部材と、基板との接合部分に関し、熱膨張による透明封止部材のクラック発生を防ぐために、厚さ０．３μｍ～１０μｍのＡｕ（金）膜を応力緩和層として設ける技術を開示する。
　光学部品は、使用環境下において発光素子の発熱による高温に曝される場合がある。また、光学部品の実装のためのリフロー工程では、例えば、２００℃～４００℃といった高温に曝されることがある。このため、透明封止部材と基板との接合部には、両者の熱膨張係数の差によって熱応力が発生し、脆弱な透明封止部材に、亀裂又は剥離が生じ、光学素子の封止が破れるおそれがある。
　特開２０２１－１１８１９９号公報のメタライズ層では、十分な応力緩和効果が得られない可能性がある。
　特開２０１９－０４６８２６号公報の応力緩和層はＡｕよりなるが、それに隣接するＳｎ（スズ）を含む低融点合金（ハンダ）との相互拡散により、応力緩和層が劣化し、十分な応力緩和効果が得られない可能性がある。
　本発明は、上記した課題を解決することを目的とする。
　本発明の態様を以下に例示する。
［項目１］
　本発明の一態様は、光学部品に関し、光学素子を搭載した基板と、前記基板の上方に接合され、前記光学素子を封止する透明封止部材と、複数の金属膜が積層され、前記透明封止部材と前記基板とを接合する接合部と、を備え、前記接合部は、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さの総和が１．２μｍ以上の１又は複数の応力緩和層と、前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する。
　上記の光学部品は、応力緩和層の劣化を拡散防止層で防止でき、十分な応力緩和層が維持されるため、熱応力による透明封止部材の剥離又は損傷を効果的に抑制できる。
［項目２］
　項目１記載の光学部品であって、前記応力緩和層は、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、又はＺｎ（亜鉛）でもよい。この光学部品は、熱衝撃による透明封止部材の剥離や損傷を防止できる。
［項目３］
　項目１又は２記載の光学部品であって、前記拡散防止層は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）、又はＰｔ（白金）でもよい。この光学部品は、応力緩和層の劣化を防止でき、透明封止部材の剥離や損傷を防止できる。
［項目４］
　項目１～３のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記応力緩和層は、熱膨張係数が４０ｐｐｍ／Ｋ以下でもよい。このような応力緩和層は、応力緩和層自身の熱変形による熱応力の発生を抑制できる。
［項目５］
　項目１～４のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和が１０μｍ以下であってもよい。
［項目６］
　項目１～５のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和は、前記応力緩和層の上方の前記透明封止部材の厚さの０．２８％以上であってもよい。この光学部品は、応力緩和層が十分な厚みで形成されるため、透明封止部材と基板との熱応力を緩和できる。
［項目７］
　項目１～６のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記応力緩和層の上方の前記透明封止部材の厚さが０．２ｍｍ以上であってもよい。透明封止部材の厚みが増すと、透明封止部材が撓みにくくなり、熱応力が高くなる傾向がある。この光学部品は、厚い透明封止部材であっても、熱応力を緩和でき、透明封止部材の剥離や損傷を防止できる。
［項目８］
　項目１～７のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和は、前記応力緩和層の下方の部分の前記基板の厚さの０．２５％以上でもよい。この光学部品は、応力緩和層が十分な厚みで形成されるため、透明封止部材と基板との熱応力を緩和できる。
［項目９］
　項目１～８のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和は、前記応力緩和層の上方の前記透明封止部材の厚さと前記応力緩和層の下方の前記基板の厚さとを加算した値に対して０．０５％以上でもよい。この光学部品は、応力緩和層が十分な厚みで形成されるため、透明封止部材と基板との熱応力を緩和できる。
［項目１０］
　項目１～９のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記透明封止部材の熱膨張係数と前記基板の熱膨張係数との差をＡ（ｐｐｍ／Ｋ）とし、前記接合部の外寸をＢ（ｍｍ）としたときに、Ａ×Ｂの値が５×１０－６ｍｍ／Ｋ以上でもよい。
［項目１１］
　項目１０記載の光学部品であって、前記接合部の外寸が３ｍｍ以上でもよい。この光学部品は、発光ダイオードの一般的なサイズを有する透明封止部材に対しても、その剥離や損傷を防止できる。
［項目１２］
　項目１～１１のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記透明封止部材が石英ガラス又は紫外線透過ガラスであってもよい。この光学部品は、紫外線発光ダイオード又は紫外線受光素子等の強度が弱い上記の透明封止部材の剥離や損傷を防止できる。
［項目１３］
　項目１２記載の光学部品であって、前記透明封止部材は、熱膨張係数が１ｐｐｍ／Ｋ以下であってもよい。
［項目１４］
　項目１～１３のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記基板は、窒化アルミニウム、アルミナ、シリコン、コバール及び窒化ケイ素のいずれかでよい。
［項目１５］
　項目１４記載の光学部品であって、前記基板は、熱膨張係数が２．５ｐｐｍ／Ｋ以上でもよい。
［項目１６］
　項目１～１５のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記応力緩和層の下方の前記基板の厚さが０．２ｍｍ以上であってもよい。
［項目１７］
　項目１～１６のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記接合部は、前記透明封止部材の前記基板を向く接合面の上に形成され、複数の金属膜よりなる第１メタライズ層と、前記基板の上に形成され、複数の金属膜よりなる第２メタライズ層と、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層とを接合する低融点合金層と、を備え、前記応力緩和層及び前記拡散防止層は、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との少なくとも一方に設けられてもよい。この光学部品は、低融点合金層による密着性と、熱応力の緩和性能とを両立できる。
［項目１８］
　項目１７記載の光学部品であって、前記応力緩和層及び前記拡散防止層は、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との両方に夫々設けられてもよい。この光学部品は、透明封止部材と基板との熱応力を緩和できる。
［項目１９］
　本実施形態の別の一態様は、光学素子を搭載した基板に接合され、前記光学素子を封止する透明封止部材であって、前記光学素子を覆うレンズと、前記レンズの周縁部に設けられ、前記基板に接合される接合面と、前記接合面の上に形成された第１メタライズ層と、を備え、前記第１メタライズ層は、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さが１．２μｍ以上の応力緩和層と、前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する。この透明封止部材は、拡散防止層の劣化を防ぎつつ、拡散防止層で基板との熱応力を緩和できる。
［項目２０］
　項目１９記載の透明封止部材は、さらに、前記第１メタライズ層の上に形成された低融点合金層を有してもよい。この透明封止部材は、予め低融点合金層を備えるため、基板への接合工程を簡略化できる。
［項目２１］
　本発明のさらに別の一態様は、光学素子を搭載する基板であって、前記光学素子を搭載する部分の外周部に位置し、透明封止部材が接合される上面と、前記上面の上に形成された第２メタライズ層と、を備え、前記第２メタライズ層は、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さが１．２μｍ以上の応力緩和層と、前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する。この基板は、拡散防止層の劣化を防ぎつつ、拡散防止層で基板との熱応力を緩和できるため、接合された透明封止部材の剥離や損傷を防止できる。
［項目２２］
　本発明のさらに別の一態様は、基板に実装された光学素子を透明封止部材で封止した光学部品の製造方法であって、前記透明封止部材の第１メタライズ層と、前記基板の第２メタライズ層とを低融点合金で接合する工程を有し、前記第１メタライズ層及び前記第２メタライズ層の少なくとも一方に、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さの総和が１．２μｍ以上の１又は複数の応力緩和層と、前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する。この光学部品の製造方法は、透明封止部材の剥離や損傷を防止できる。
　上記の、光学部品、透明封止部材、基板、及び光学部品の製造方法は、熱応力による透明封止部材の剥離又は損傷を防止できる。
図１Ａは、第１実施形態に係る透明封止部材の製造に用いられるアレイ部材の斜視図であり、図１Ｂはアレイ部材の接合面の上に形成された第１メタライズ層の斜視図である。 図２Ａは、図１Ｂの第１メタライズ層の断面図であり、図２Ｂは個片化工程の説明図である。 図３Ａは、第１メタライズ層への低融点合金箔の取り付け工程の説明図であり、図３Ｂは、第１メタライズ層及び低融点合金層を有する透明封止部材の説明図である。 図４Ａは、図３Ｂの透明封止部材を、基板に接合する工程の説明図であり、図４Ｂは第１実施形態に係る光学部品の説明図である。 図５Ａは、第１実施形態に係る光学部品の平面図であり、図５Ｂは図５Ａの光学部品の断面図である。 図６Ａは、第１実施形態の変形例１に係る光学部品の分解斜視図であり、図６Ｂは、図６Ａの光学部品の断面図である。 図７Ａは、第１実施形態の変形例２に係る光学部品の分解斜視図であり、図７Ｂは、図７Ａの光学部品の断面図である。 図８Ａは、第１実施形態の変形例３に係る光学部品の断面図であり、図８Ｂは、第１実施形態の変形例４に係る光学部品の断面図である。 図９Ａは、第２実施形態に係る光学部品の断面図であり、図９Ｂは第３実施形態に係る光学部品の断面図である。 図１０は、実施例１～５及び比較例１、２に係る光学部品の透明封止部材及び低融点合金層の構成を示す表である。 図１１は、実施例１～５及び比較例１、２に係る光学部品の基板の構成と光学部品の厚さの関係と、熱衝撃試験の評価結果とを示す表である。 図１２は、横軸に応力緩和層の厚さをとり、縦軸に剥離発生率をとって、実施例１～５及び比較例１、２の応力緩和層の厚さと剥離発生率との関係を示すグラフである。 図１３は、実施例６～１０に係る透明封止部材及び低融点合金層の構成を示す表である。 図１４は、実施例６～１０に係る基板の構成と、光学部品の厚さの関係と、熱衝撃試験の評価結果とを示す表である。 図１５は、実施例１１～１５に係る透明封止部材及び低融点合金層の構成を示す表である。 図１６は、実施例１１～１５に係る基板の構成と、光学部品の厚さの関係と、熱衝撃試験の評価結果とを示す表である。
（第１実施形態）
　以下、第１実施形態に係る光学部品１０が、その製造方法とともに説明される。本実施形態の光学部品１０は、光学素子１２として、紫外発光ＬＥＤを透明封止部材１４で封止する例で説明が行われる。ただし、光学部品１０は、これに限定されず、各種ＬＥＤ等の発光素子又はフォトダイオード等の受光素子を透明封止部材１４で封止する場合にも好適に応用できる。本明細書中で使用される上、上方、下及び下方との用語は、部材内部の配置関係を示すものであり、光学部品１０の設置方向を限定するものではない。
　まず、図１Ａ～図３Ｂを参照しつつ、光学部品１０の透明封止部材１４の製造について説明が行われる。透明封止部材１４の製造工程では、まず、図１Ａに示されるようなアレイ部材１６が用意される。アレイ部材１６は、複数のレンズ１８が縦方向及び横方向に連なった板状の部材である。なお、本明細書において、レンズ１８は、光を通す部分である。レンズ１８は、必ずしも半球状に限定されるものではなく、平板状の窓も含む。
　本実施形態のアレイ部材１６は、複数のレンズ１８を含むため、レンズアレイとも呼ばれる。アレイ部材１６は、レンズ１８が突出した表面１６ａと、裏面１６ｂとを有する。本実施形態では、アレイ部材１６は、裏面１６ｂに凹状のキャビティ２０と平坦な接合面２２とを有する。アレイ部材１６は、例えば、石英ガラスによって構成される。アレイ部材１６の製造方法の詳細は、例えば、国際公開２０１９／０１２７４３号に記載されている。
　次に、アレイ部材１６の接合面２２に対する研磨が行われる。研磨により接合面２２の凹凸が消失して平坦化される。接合面２２が平坦化されると、接合に必要とされる低融点合金層３６（ハンダ）が少なくて済み、Ａｕを含む低融点合金層３６の使用量を削減できる。なお、接合面２２の研磨は、接合面２２の凹凸に応じて必要に応じて行われればよく、省略されてもよい。
　次に、図１Ｂに示されるように、接合面２２のメタライズ化工程が行われる。メタライズ化工程は、接合面２２の上に、低融点合金層３６との濡れ性及び透明封止部材１４との密着性に優れた金属パターン（第１メタライズ層２４）を形成する工程である。第１メタライズ層２４は、図示のように、各レンズ１８のキャビティ２０の周囲を囲む矩形の環状に形成される。
　図２Ａに示されるように、第１メタライズ層２４を形成する工程は、接合面２２の上に、第１密着層２６と、第１拡散防止層２８と、第１応力緩和層３０と、第２拡散防止層３２と、第２密着層３４と、をこの順で積層する工程を含む。第１密着層２６は、接合面２２の上に、例えばスパッタ法により、Ｔｉ（チタン）等の金属膜を成膜して形成される。第１密着層２６は、厚さが例えば０．０１～０．５μｍの厚さに形成される。第１密着層２６の材料は、石英ガラス又は紫外線透過ガラスとの密着性に優れた金属材料から選択される。第１密着層２６の材料としては、Ｔｉ以外にＣｒ（クロム）が挙げられる。
　第１拡散防止層２８は、第１密着層２６の上に、スパッタ法により、Ｐｄ（パラジウム）を成膜して形成される。第１拡散防止層２８は、例えば厚さ０．０１～０．５μｍに形成される。第１拡散防止層２８は、第１応力緩和層３０を構成する金属の拡散を阻止する。第１拡散防止層２８は、第１密着層２６及び第１応力緩和層３０との密着性に優れた材料を用いることが好ましい。第１拡散防止層２８は、Ｎｉ（ニッケル）膜又はＰｔ（白金）膜で構成されてもよい。
　第１応力緩和層３０は、例えば、Ｃｕ（銅）膜によって構成される。このような第１応力緩和層３０は、例えば、スパッタ法によりシード層を形成し、そのシード層にメッキ法でＣｕ（銅）膜を堆積させて形成される。特に限定されないが、第１応力緩和層３０は、例えば１．２μｍ以上１０μｍ以下の厚さに形成され得る。第１応力緩和層３０の厚みＣの詳細は、後述される。なお、第１応力緩和層３０は、Ｃｕに限定されず、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属材料を使用できる。また、第１応力緩和層３０は、熱膨張が小さい材料が好ましく、熱膨張係数が４０ｐｐｍ／Ｋ以下の材料を用いることが好ましい。Ｃｕに変わる第１応力緩和層３０の材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ（銀）、Ｚｎ（亜鉛）等が挙げられる。
　第２拡散防止層３２は、第１応力緩和層３０の上に、例えばメッキ法によりＮｉ膜（Ｐｄ膜又はＰｔ膜でもよい）を堆積させて形成される。第２拡散防止層３２は、０．１～５μｍの厚さを有する。第２拡散防止層３２は、第２密着層３４又は低融点合金層３６（図３Ａ参照）と第１応力緩和層３０との相互拡散を阻止することで、第１応力緩和層３０の劣化を阻止する。第２拡散防止層３２には、Ｎｉの代わりにＰｄ又はＰｔが用いられてもよい。
　第２密着層３４は、第２拡散防止層３２の上に、例えばメッキ法によりＡｕ膜を堆積させて形成される。第２密着層３４は、例えば、厚さ０．１～２μｍに形成される。第２密着層３４は、ハンダ等の低融点のＳｎ（錫）を含む合金との濡れ性及び密着性に優れた材料によって形成される。第２密着層３４は、低融点合金層３６と境目を形成することなく混合して一体化することで、低融点合金層３６に対して高い密着力を発揮する。
　以上の第１密着層２６から第２密着層３４の各層は、アレイ部材１６の裏面１６ｂ（図１Ａ参照）の全面に形成される。その後、第２密着層３４の上に、所定形状のマスク（図示せず）が形成される。マスクは、フォトレジスト材料の塗布と、露光及び現像によって形成されてもよいし、マスク材料を印刷法で塗布して形成されてもよい。その後、マスクから露出している部分の第１密着層２６から第２密着層３４の各層をエッチングによって除去することにより、図１Ｂに示される環状のパターンよりなる第１メタライズ層２４が完成する。
　次に、図２Ｂに示されるように、個片化工程が行われる。個片化工程では、アレイ部材１６が、ダイシングソー３８によって、個々の透明封止部材１４に切り分けられる。切り分けられた透明封止部材１４は、図３Ａに示されるように、レンズ１８の周囲に矩形状の台座部４０が形成される。台座部４０は、平板状に形成される。切り分けられた透明封止部材１４は、図示しないトレーに、接合面２２を上に向けた状態で収容される。
　次に、図３Ａに示されるように、第１メタライズ層２４の上に低融点合金箔４２が載置される。低融点合金箔４２は、予め第１メタライズ層２４の少なくとも一部と重なる形状に整形されている。低融点合金箔４２は、例えば、ＡｕＳｎ（金錫）合金よりなる。低融点合金箔４２は、ＡｕＳｎ合金以外にも、Ｓｎを含む融点４５０℃以下の各種合金を使用することができる。
　その後、図３Ｂに示されるように、低融点合金箔４２は、例えば特許第７１８２５９６号公報に記載されたドット溶着により、部分的に第１メタライズ層２４の上に接合される。接合された低融点合金箔４２により、低融点合金層３６が形成される。以上の工程により、透明封止部材１４が完成する。
　次に、図４Ａ～図４Ｂに示されるように、透明封止部材１４を基板４４に接合する工程が行われる。図４Ａに示されるように、基板４４は、上面４４ａに光学素子１２を搭載する。光学素子１２は、例えば紫外線を放出する紫外発光ダイオードである。基板４４は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、シリコン、コバール又は窒化ケイ素よりなる。基板４４は、例えば、２．５ｐｐｍ／Ｋ以上の熱膨張係数を有する。基板４４は、通常、透明封止部材１４と異なる熱膨張係数を有する。基板４４は、その上面４４ａの接合部位４４ｂに、第２メタライズ層４６を有する。
　本実施形態の第２メタライズ層４６は、基板４４の上面４４ａに、第３密着層４８と、第３拡散防止層５０と、第４密着層５６とがこの順に積層されて構成される。第３密着層４８は、基板４４との密着性に優れた金属膜よりなる。第３密着層４８は、例えば、厚さが０．０１～０．５μｍのＣｒ膜（又はＴｉ膜）よりなる。このようＣｒ膜は、例えばスパッタ法により形成される。
　第３拡散防止層５０は、第４密着層５６の拡散を阻止する金属膜である。第３拡散防止層５０は、例えば、厚さが０．０１～０．５μｍのＮｉ膜（Ｐｄ膜又はＰｔ膜でもよい）よりなる。このようなＮｉ膜はスパッタ法により形成される。
　第４密着層５６は、低融点合金層３６との濡れ性及び密着性に優れた金属膜である。第４密着層５６は、例えば、厚さが０．１～２μｍのＡｕ膜よりなる。
　以上の第２メタライズ層４６は、第３密着層４８と、第３拡散防止層５０と、第４密着層５６とを順に成膜し、その後、所定形状のマスクを用いたエッチングでパターニングすることで形成される。
　次に、基板４４の上に透明封止部材１４が配置される。透明封止部材１４は、第１メタライズ層２４が基板４４の第２メタライズ層４６の上に位置するように位置決めされて、基板４４の上に載置される。その後、基板４４及び透明封止部材１４が、２００～４００℃の温度に加熱される。
　この加熱によって、図４Ｂに示されるように、低融点合金層３６が溶融し、第２密着層３４と第４密着層５６とが一体化する。この工程により、低融点合金層３６を通じて第１メタライズ層２４と第２メタライズ層４６とが隙間なく接合された接合部５８が形成される。以上の工程により、光学部品１０が完成する。
　図５Ａに示されるように、本実施形態の光学部品１０は、平面視した状態で、基板４４が透明封止部材１４で覆われる。透明封止部材１４は、透明部１５と、第１メタライズ層２４と、を有する。透明封止部材１４は、石英ガラス（熱膨張係数１ｐｐｍ／Ｋ以下）の代わりに紫外線透過ガラス（ホウケイ酸ガラス）で構成されてもよい。透明部１５は、半球状のレンズ１８と、レンズ１８の周囲に形成された矩形の板状の台座部４０（フランジとも呼ばれる）とを有する。図５Ｂに示されるように、レンズ１８の内部には、半球状のキャビティ２０が形成されている。キャビティ２０は、光学素子１２を収容する空間を形成する。
　図５Ａに示されるように、第１メタライズ層２４は、接合面２２（図２Ａ参照）の上に形成されている。第１メタライズ層２４は、レンズ１８の周縁部に沿って延在し、矩形の環状に形成されており、その角部は、台座部４０の下方に位置する。本実施形態において、台座部４０の厚さが、透明封止部材１４の接合部５８上の厚みＤと定義される。第１メタライズ層２４の一部は、レンズ１８と重なってもよい。第１メタライズ層２４の外寸は、接合部５８の外寸Ｂと定義される。接合部５８は、例えば、３ｍｍ以上の外寸Ｂを有する。
　図５Ｂに示されるように、透明封止部材１４は、接合部５８を介して基板４４の上面４４ａに接合されている。光学部品１０は、基板４４と透明封止部材１４との接合の際の温度変化によって、両者に熱応力が発生する。熱応力の大きさは、透明封止部材１４と基板４４との熱膨張による変位量の差に応じて増大する。熱応力が大きいと、相対的に脆弱な透明封止部材１４にクラックや剥離が発生し、光学素子１２の封止が破れる。
　透明封止部材１４と基板４４との温度変化１℃当たりの変位量は、透明封止部材１４の熱膨張係数と基板４４の熱膨張係数との差の絶対値Ａ［ｐｐｍ／Ｋ］と、接合部５８（第１メタライズ層２４）の外寸Ｂ［ｍｍ］との積（Ａ×Ｂ）に関連付けられる。Ａ×Ｂの値が、５×１０－６［ｍｍ／Ｋ］を超える場合には、透明封止部材１４にクラックや剥離が発生しやすくなる。
　透明封止部材１４の損傷を防ぐべく、光学部品１０は、第１メタライズ層２４に第１応力緩和層３０を有する。第１応力緩和層３０は、透明封止部材１４と基板４４との変位に応じて変形することで、接合部５８の熱応力を緩和する。第１応力緩和層３０は、厚くなるほど、より大きな熱膨張の変位を緩和できる。
　光学部品１０において、透明封止部材１４が薄い場合には、透明封止部材１４の弾性変形によって一部の熱応力を緩和できるため、第１応力緩和層３０の厚みＣを薄くできる。一方、透明封止部材１４の厚みＤが増えると、透明封止部材１４は、変形が困難となり、第１応力緩和層３０の厚みＣを増大させないと、熱応力によるクラックや剥離を生じやすくなる。透明封止部材１４の厚みＤが０．２ｍｍ以上になると、透明封止部材１４が剥離やクラックを生じやすくなる。この場合には、第１応力緩和層３０の厚みＣが透明封止部材１４の厚みＤに対して０．２８％以上であると、透明封止部材１４のクラックや剥離が抑制される。
　光学部品１０において、基板４４についても透明封止部材１４と同様に、厚さが増すほど弾性変形しにくくなるため、より厚い第１応力緩和層３０が必要となる。接合部５８の下方の部分の基板４４の厚さを、基板４４の厚みＦと定義した場合において、第１応力緩和層３０の厚みＣは、基板４４の厚みＦの０．２５％以上とすると、透明封止部材１４のクラックや剥離を抑制できて好適である。
　さらに、第１応力緩和層３０の厚みＣは、透明封止部材１４の厚みＤと、基板４４の厚みＦとを加算した値（Ｄ＋Ｆ）である光学部品１０の厚みＥに対して０．０５％以上に設定されると好適である。
（第１実施形態の変形例１）
　図６Ａ及び図６Ｂに示される光学部品１０Ａは、透明封止部材１４Ａ及び基板４４Ａにおいて図４Ｂの光学部品１０と異なる。光学部品１０Ａの構成において、図４Ｂの光学部品１０と同様の構成には、同一符号が付されてその詳細な説明は省略される。
　透明封止部材１４Ａは、半球形のレンズ１８と、レンズ１８の周囲に設けられた矩形状の台座部４０とを有する。図６Ｂに示されるように、レンズ１８は内部にキャビティ２０が形成されておらず、石英ガラスで満たされている。透明封止部材１４Ａは、下側全体が平坦な接合面２２で構成される。
　基板４４Ａは、上面４４ａに箱型のキャビティ６０を有する。キャビティ６０は、平面視で矩形状に形成されている。キャビティ６０は、光学素子１２を収容する。光学素子１２は、キャビティ６０内で基板４４Ａに接合されている。基板４４Ａの上面４４ａには、第２メタライズ層４６が形成されている。第２メタライズ層４６は、キャビティ６０を囲むように矩形の環状に形成されている。第２メタライズ層４６は、図４Ａを参照しつつ説明した第２メタライズ層４６と同様に構成される。
　本変形例において、基板４４Ａの厚さは、図６Ｂに示されるように接合部５８の下方の基板４４Ａの厚みＦと定義される。本変形例において、第１メタライズ層２４に第１応力緩和層３０が含まれるが、その厚さは、基板４４Ａの厚さの０．２５％以上とすることが好ましい。
　本変形例も、透明封止部材１４Ａのクラックや剥離を防止できる。
（第１実施形態の変形例２）
　図７Ａ及び図７Ｂに示される、本変形例の光学部品１０Ｂは、透明封止部材１４Ｂが半球状のレンズ１８で構成されている。透明封止部材１４Ｂは、レンズ１８の周囲に板状の台座部４０を有さない。レンズ１８は、内部にキャビティ２０を有しておらず、内部が石英ガラスで満たされている。透明封止部材１４Ｂの底部は、平坦な接合面２２で形成されている。透明封止部材１４Ｂは、接合面２２に、円環状の第１メタライズ層２４Ｂを有する。第１メタライズ層２４Ｂの各層の構成は、図２Ａを参照しつつ説明した第１メタライズ層２４と同様である。第１メタライズ層２４Ｂの上には低融点合金層３６が形成されている。
　基板４４Ｂは、キャビティ６０Ｂと、レンズ収容凹部６２と、第２メタライズ層４６Ｂと、を有する。キャビティ６０Ｂは、円筒状に形成されている。キャビティ６０Ｂは、光学素子１２を収容する。キャビティ６０Ｂの直径は、透明封止部材１４Ｂの第１メタライズ層２４Ｂの内径よりも小さい。レンズ収容凹部６２は、キャビティ６０Ｂの外周部に形成された凹部であり、キャビティ６０Ｂよりも浅く形成されている。レンズ収容凹部６２は、透明封止部材１４Ｂの外径よりも僅かに大きく形成されており、透明封止部材１４Ｂを収容する。レンズ収容凹部６２の底面には、第２メタライズ層４６Ｂが形成されている。第２メタライズ層４６Ｂの各層の構成は、図４Ａを参照しつつ説明した第２メタライズ層４６と同様である。
　透明封止部材１４Ｂは、第１メタライズ層２４Ｂがレンズ収容凹部６２の第２メタライズ層４６Ｂと向かい合うように配置される。第１メタライズ層２４Ｂ及び第２メタライズ層４６Ｂは、低融点合金層３６によって接合されて接合部５８を形成する。
　本変形例において、接合部５８の上方の透明封止部材１４Ｂの厚さは、第１メタライズ層２４Ｂの幅方向の中央の上方における透明封止部材１４Ｂの厚みＤと定義される。本変形例において、第１応力緩和層３０の厚みＣは、透明封止部材１４Ｂの厚みＤの０．２８％以上に設定されることが好ましい。
　本変形例も、透明封止部材１４Ｂのクラックや剥離を防止できる。
（第１実施形態の変形例３）
　図８Ａに示されるように、本変形例の光学部品１０Ｃは、平板状の透明封止部材１４Ｃを有する点で、図４Ｂに示される光学部品１０と異なる。光学部品１０Ｃの構成において、図４Ｂの光学部品１０と同様の構成には、同一符号が付されてその詳細な説明は省略される。
　透明封止部材１４Ｃは、レンズ１８が平板状に形成される。レンズ１８は台座部４０と一体化している。透明封止部材１４Ｃは、平面視で基板４４と同一寸法の矩形状に形成されている。透明封止部材１４Ｃは、キャビティ２０Ｃと第１メタライズ層２４とを有する。キャビティ２０Ｃは、平面視で矩形状に形成されている。キャビティ２０Ｃは、基板４４に搭載された光学素子１２を収容する。第１メタライズ層２４は、キャビティ２０Ｃの外側を囲む矩形の環状に形成されている。第１メタライズ層２４は、透明封止部材１４Ｃの接合面２２の上に形成されており、低融点合金層３６を介して基板４４の第２メタライズ層４６に接合されている。
　第１メタライズ層２４及び第２メタライズ層４６の各層の構成は、第１実施形態の第１メタライズ層２４及び第２メタライズ層４６と同様である。本変形例も、透明封止部材１４Ｃのクラックや剥離を防止できる。
（第１実施形態の変形例４）
　図８Ｂに示されるように、本変形例の光学部品１０Ｄは、平板状の透明封止部材１４Ｄを有する点で、図４Ｂに示される光学部品１０と異なる。光学部品１０Ｄの構成において、図４Ｂの光学部品１０と同様の構成には、同一符号が付されてその詳細な説明は省略される。
　透明封止部材１４Ｄは、平板状に形成され、平面視で基板４４Ｄと同一寸法の矩形状に形成されている。透明封止部材１４Ｄにはキャビティ２０が形成されておらず、基板４４Ｄにキャビティ６０Ｄが形成されている。基板４４Ｄのキャビティ６０Ｄは、平面視で矩形に形成されており、基板４４Ｄは箱状となっている。基板４４Ｄのキャビティ６０Ｄには、光学素子１２が搭載されている。
　透明封止部材１４Ｄは、平板状の紫外線透過ガラス又は平板状の石英ガラス等よりなる。透明封止部材１４Ｄは、基板４４Ｄのキャビティ６０Ｄを囲むように形成された矩形の環状に形成された第１メタライズ層２４を有する。第１メタライズ層２４は、低融点合金層３６を介して基板４４Ｄの第２メタライズ層４６に接合されている。
　本変形例も、透明封止部材１４Ｄのクラックや剥離を防止できる。
（第２実施形態）
　図９Ａに示されるように、本実施形態の光学部品１０Ｅは、基板４４の第２メタライズ層４６Ｅに第２応力緩和層５２を有し、透明封止部材１４の第１メタライズ層２４Ｅには第１応力緩和層３０が設けられていない。
　本実施形態の透明封止部材１４には、接合面２２に第１メタライズ層２４Ｅが形成されている。第１メタライズ層２４Ｅは、接合面２２の上に、第１密着層２６と、第１拡散防止層２８と、第２密着層３４とを、この順で積層した構造を有する。第１密着層２６は、厚さが０．０１～０．５μｍのＴｉ膜又はＣｒ膜よりなる。第１拡散防止層２８は、厚さが０．０１～０．５μｍのＰｄ膜、Ｐｔ膜又はＮｉ膜よりなる。第２密着層３４は、厚さが、０．１～２μmのＡｕ膜よりなる。低融点合金層３６は、厚さが２０μｍのＡｕＳｎ合金膜よりなる。
　基板４４は、上面４４ａに実装された光学素子１２を有する。基板４４の上面４４ａには、光学素子１２を取り囲む環状の第２メタライズ層４６Ｅが形成されている。第２メタライズ層４６Ｅは、基板４４の上面４４ａの上に、第３密着層４８と、第３拡散防止層５０と、第２応力緩和層５２と、第４拡散防止層５４と、第４密着層５６とを、この順に形成した構造を有する。第３密着層４８は、厚さが０．０１～０．５μｍのＴｉ膜（又はＣｒ膜）よりなる。第３拡散防止層５０は、厚さが０．０１～０．５μｍのＰｄ膜（Ｎｉ膜又はＰｔ膜でもよい）よりなる。第３密着層４８及び第３拡散防止層５０は、例えば、スパッタ法により形成される。第２応力緩和層５２は、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属（例えば、Ｃｕ）膜よりなる。第２応力緩和層５２は、厚さが１．２μｍ以上の厚さに形成される。第２応力緩和層５２の厚さは、第１実施形態で説明した第１応力緩和層３０の厚さと同様とすればよい。
　第４拡散防止層５４は、厚さが０．１～５μｍのＮｉ膜（Ｐｄ膜又はＰｔ膜でもよい）よりなる。第４密着層５６は、厚さが、０．１～２μｍのＡｕ膜よりなる。第２応力緩和層５２、第４拡散防止層５４及び第４密着層５６は、めっき法により形成される。
　光学部品１０Ｅにおいて、透明封止部材１４は、第１メタライズ層２４Ｅと第２メタライズ層４６Ｅと低融点合金層３６とを介して基板４４に接合される。光学部品１０Ｅは、第２メタライズ層４６Ｅに設けられた第２応力緩和層５２で、接合部５８の熱応力を緩和でき、透明封止部材１４のクラックや剥離を防止できる。
（第３実施形態）
　図９Ｂに示されるように、本実施形態の光学部品１０Ｆは、透明封止部材１４の接合面２２に形成された第１メタライズ層２４を有する。また、光学部品１０Ｆは、基板４４の上の第２メタライズ層４６Ｅを有する。第１メタライズ層２４には、第１応力緩和層３０が形成されている（図２Ａ参照）。第２メタライズ層４６Ｅには、第２応力緩和層５２が形成されている（図９Ａ参照）。したがって、光学部品１０Ｆは、接合部５８に、第１応力緩和層３０及び第２応力緩和層５２を有する。第１メタライズ層２４のその他の構成は、図２Ａを参照しつつ説明した第１実施形態の第１メタライズ層２４と同様である。また、第２メタライズ層４６Ｅのその他の構成は、図９Ａを参照しつつ説明した第２メタライズ層４６Ｅと同様である。
　特に限定されるものではないが、本実施形態では、低融点合金層３６が第２メタライズ層４６Ｅの上に形成されている。低融点合金層３６の構成は、図３Ａ及び図３Ｂを参照しつつ説明した低融点合金層３６と同様である。
　本実施形態の光学部品１０Ｆにおいて、第１応力緩和層３０と第２応力緩和層５２の厚さの総和が、１．２μｍ以上あればよい。本実施形態の光学部品１０Ｆは、第１応力緩和層３０と第２応力緩和層５２で接合部５８の熱応力を緩和できるため、透明封止部材１４のクラックや剥離を防止できる。
（実施形態及び比較例）
　以下、上記の実施形態の光学部品１０、１０Ａ～１０Ｆを作製して評価した結果について、説明が行われる。作製された光学部品１０、１０Ａ～１０Ｆは、測定顕微鏡及びＳＥＭ（走査電子顕微鏡）を使用して各部の寸法測定が行われた。必要に応じて光学部品１０に対して断面加工が行われた。材料及び組成は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）に付属するＥＤＳで測定された。熱膨張係数及びヤング率は、バルク状態での値である。透明封止部材１４の剥離発生率は、熱衝撃試験を行って評価した。この熱衝撃試験は、光学部品１０をアルミニウム製放熱基板に実装し、－４０℃～＋８５℃の熱サイクルを付与し、剥離の有無を目視又は光学顕微鏡にて観察して行われた。
（実施例１～５及び比較例１、２）
　実施例１～５及び比較例１、２は、同一寸法の光学部品１０、１０Ｅを作製してその評価が行われた。各部の寸法及び構成は、図１０及び図１１に示される。比較例１は、第１応力緩和層３０が形成されていない場合であり、第１応力緩和層３０の厚さが０μｍである。比較例２及び実施例１～４は、第１応力緩和層３０の厚さが、０．５μｍ～９．２μｍの範囲で変化している。実施例５は、図９Ａに示される光学部品１０Ｅであるが、接合部５８以外は、実施例１～４と同様である。実施例５では、厚さ１．２μｍの第１応力緩和層３０とともに、厚さ８．３μｍのＣｕからなる第２応力緩和層５２が設けられている。
　図１２に示されるように、第１応力緩和層３０及び第２応力緩和層５２を設けない比較例１では、透明封止部材１４の剥離発生率が３２％となった。透明封止部材１４の剥離発生率は、第１応力緩和層３０又は第２応力緩和層５２（以下、応力緩和層と総称される）の厚さが増加するとともに、減少する傾向を示した。特に、応力緩和層の厚さが１．２μｍ未満の範囲では、透明封止部材１４の剥離発生率が急増することがわかる。したがって、応力緩和層の厚さが１．２μｍ以上の範囲であれば、透明封止部材１４の剥離発生率が６％以下に抑制できることが確認できた。
（実施例６、８、１１、１３）
　実施例６、８、１１、１３は、図５Ａ及び図５Ｂに示される光学部品１０について評価した結果である。実施例６、８、１１、１３は、実施例１と同様に、第１応力緩和層３０の厚さが３．０μｍとなっている（図１３、図１５）。実施例６は、図１３に示されるように、透明封止部材１４の台座部４０の厚みＤを０．５ｍｍに増大させた点で、実施例１と異なっている。図１４に示されるように、実施例６は、剥離発生率が２％に収まり、比較例１、２の剥離発生率よりも改善が見られた。
　実施例８は、図１３に示されるように、透明封止部材１４の寸法を増大させた点で、実施例１と異なる。実施例８では、第１メタライズ層２４（接合部５８）の外寸Ｂが３．９ｍｍとなっている。透明封止部材１４の寸法が増大すると、熱膨張した基板４４との寸法差が増大する。しかしながら、図１４に示されるように、実施例８の透明封止部材１４の剥離発生率は４％とわずかな増加に止まった。実施例８の剥離発生率は、比較例１、２の剥離発生率よりも改善した。
　実施例１１は、図１６に示されるように、基板４４にアルミナが使用された点で、実施例１と異なる。アルミナの熱膨張係数は、７ｐｐｍ／Ｋと、実施例１の窒化アルミニウムの熱膨張係数４．６ｐｐｍ／Ｋよりも大きい。そのため、接合部５８は、熱膨張による応力の影響をより大きく受ける。実施例１１は、剥離発生率が６％に収まり、比較例１、２の剥離発生率よりも改善した。
　実施例１３は、実施例１１と同様に、基板４４にアルミナが使用された。実施例１３では、図１５に示されるように、第１応力緩和層３０の材料として、Ｃｕよりヤング率が小さなＡｕが用いられている点で、実施例１１と異なる。図１６に示されるように、実施例１３は、剥離発生率が０％であり、実施例１１よりも剥離発生率が改善した。
（実施例７）
　図１３に示される実施例７は、図６Ａ及び図６Ｂに示される光学部品１０Ａに関する試験及び評価結果である。実施例７は、図６Ｂに示されるように、透明封止部材１４Ａがキャビティ２０を有しないため、透明封止部材１４Ａが変形しにくくなっている。したがって、実施例７では、透明封止部材１４Ａの変形による熱応力の緩和効果が得られにくい。図１４に示されるように、実施例７では、第１応力緩和層３０の効果により剥離発生率が４％にとどまり、比較例１、２の剥離発生率よりも改善した。
（実施例９、１０）
　図１３に示される実施例９、１０は、図８Ａに示される光学部品１０Ｃに関する試験及び評価結果である。図１４に示されるように、実施例９は、基板４４に熱膨張係数が４．６ｐｐｍ／Ｋの窒化アルミニウムが使用され、実施例１０は基板４４に熱膨張係数が２．６ｐｐｍ／Ｋのシリコンが使用された。実施例９は、剥離発生率が６％となった。一方、基板４４と透明封止部材１４との熱膨張係数の差が小さい実施例１０は剥離発生率が０％となった。以上の実施例９、１０においても、比較例１、２に比べて剥離発生率が改善した。
（実施例１２）
　図１５に示される実施例１２は、図７Ａ及び図７Ｂに示される光学部品１０Ｂに関する試験及び評価結果である。光学部品１０Ｂは、台座部４０を有さない。図１６に示されるように、実施例１２は、剥離発生率が０％となり、比較例１、２よりも剥離発生率を抑制できる。
（実施例１４、１５）
　図１５に示される実施例１４、１５は、図８Ｂに示される光学部品１０Ｄに関する試験及び評価結果である。実施例１４は、透明封止部材１４に石英ガラスが使用され、基板４４に窒化アルミニウムが使用された。実施例１５は透明封止部材１４に紫外線透過ガラス（ホウケイ酸ガラス）が使用され、基板４４にアルミナが使用された。実施例１４は、剥離発生率が４％であり、実施例１５は剥離発生率が０％であった。したがって、実施例１４、１５は、比較例１、２よりも剥離発生率を抑制できる。
１０、１０Ａ～１０Ｆ…光学部品　　　　　１２…光学素子
１４、１４Ａ～１４Ｄ…透明封止部材　　　１５…透明部
１６…アレイ部材　　　　　　　　　　　　１８…レンズ
２０、２０Ｃ、６０、６０Ｂ、６０Ｄ…キャビティ
２２…接合面
２４、２４Ｂ、２４Ｅ…第１メタライズ層
２８、３２、５０、５４…拡散防止層
３０、５２…応力緩和層

Claims (22)

  1. 　光学素子を搭載した基板と、
    　前記基板の上方に配置され、前記光学素子を封止する透明封止部材と、
    　複数の金属膜が積層され、前記透明封止部材と前記基板とを接合する接合部と、を備え、前記接合部は、
    　ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さの総和が１．２μｍ以上の１又は複数の応力緩和層と、
    　前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する、光学部品。
  2. 　請求項１記載の光学部品であって、前記応力緩和層は、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、及びＺｎ（亜鉛）のいずれかよりなる、光学部品。
  3. 　請求項２記載の光学部品であって、前記拡散防止層は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）、及びＰｔ（白金）のいずれかよりなる、光学部品。
  4. 　請求項１記載の光学部品であって、前記応力緩和層は、熱膨張係数が４０ｐｐｍ／Ｋ以下である、光学部品。
  5. 　請求項１記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和が１０μｍ以下である、光学部品。
  6. 　請求項１記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和は、前記応力緩和層の上方の前記透明封止部材の厚さの０．２８％以上である、光学部品。
  7. 　請求項１記載の光学部品であって、前記応力緩和層の上方の前記透明封止部材の厚さが０．２ｍｍ以上である、光学部品。
  8. 　請求項１記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和は、前記応力緩和層の下方の部分の前記基板の厚さの０．２５％以上である、光学部品。
  9. 　請求項１記載の光学部品であって、前記応力緩和層の厚さの総和は、前記応力緩和層の上方の前記透明封止部材の厚さと前記応力緩和層の下方の前記基板の厚さとを加算した値に対して０．０５％以上である、光学部品。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記透明封止部材の熱膨張係数と前記基板の熱膨張係数との差をＡ（ｐｐｍ／Ｋ）とし、前記接合部の外寸をＢ（ｍｍ）としたときに、Ａ×Ｂの値が５×１０－６ｍｍ／Ｋ以上である、光学部品。
  11. 　請求項１０記載の光学部品であって、前記接合部の外寸が３ｍｍ以上である、光学部品。
  12. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記透明封止部材が石英ガラス又は紫外線透過ガラスからなる、光学部品。
  13. 　請求項１２記載の光学部品であって、前記透明封止部材は、熱膨張係数が１ｐｐｍ／Ｋ以下である、光学部品。
  14. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の光学部品であって、前記基板は、窒化アルミニウム、アルミナ、シリコン、コバール及び窒化ケイ素のいずれかよりなる、光学部品。
  15. 　請求項１４記載の光学部品であって、前記基板は、熱膨張係数が２．５ｐｐｍ／Ｋ以上である、光学部品。
  16. 　請求項１４記載の光学部品であって、前記応力緩和層の下方の前記基板の厚さが０．２ｍｍ以上である、光学部品。
  17. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の光学部品であって、
    　前記接合部は、
    　前記透明封止部材の前記基板を向く接合面の上に形成され、複数の金属膜よりなる第１メタライズ層と、
    　前記基板の上に形成され、複数の金属膜よりなる第２メタライズ層と、
    　前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層とを接合する低融点合金層と、を備え、
    　前記応力緩和層及び前記拡散防止層は、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との少なくとも一方に設けられている、光学部品。
  18. 　請求項１７記載の光学部品であって、前記応力緩和層及び前記拡散防止層は、前記第１メタライズ層と前記第２メタライズ層との両方に夫々設けられている、光学部品。
  19. 　光学素子を搭載した基板に接合され、前記光学素子を封止する透明封止部材であって、
    　前記光学素子を覆うレンズと、
    　前記レンズの周縁部に設けられ、前記基板に接合される接合面と、
    　前記接合面の上に形成された第１メタライズ層と、を備え、
    　前記第１メタライズ層は、
    　ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さが１．２μｍ以上の応力緩和層と、
    　前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する、透明封止部材。
  20. 　請求項１９記載の透明封止部材であって、さらに、前記第１メタライズ層の上に形成された低融点合金層を有する、透明封止部材。
  21. 　光学素子を搭載する基板であって、
    　前記光学素子を搭載する部分の外周部に位置し、透明封止部材が接合される上面と、
    　前記上面の上に形成された第２メタライズ層と、を備え、
    　前記第２メタライズ層は、
    　ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さが１．２μｍ以上の応力緩和層と、
    　前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する、基板。
  22. 　基板に実装された光学素子を透明封止部材で封止した光学部品の製造方法であって、
    　前記透明封止部材の第１メタライズ層と、前記基板の第２メタライズ層とを低融点合金で接合する工程を有し、
    　前記第１メタライズ層及び前記第２メタライズ層の少なくとも一方に、ヤング率が１５０ＧＰａ以下の金属膜によって構成され、厚さの総和が１．２μｍ以上の１又は複数の応力緩和層と、前記応力緩和層の厚さ方向の両側に配置され、前記応力緩和層を構成する金属の拡散を阻止する拡散防止層と、を有する、光学部品の製造方法。
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