(57)【要約】【解決手段】合成石英ガラスからなる窓材の主表面の外周縁部に接着剤を有する合成石英ガラスリッドであって、前記接着剤がテルル及び銀を含み、更にタングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群より選ばれる１種以上を含む低融点金属ガラスである合成石英ガラスリッド。【効果】本発明によれば、従来使用されてきた有機系接着剤に見られる短波長の光による割れや剥がれ、もしくは金錫系等の緻密な金属結晶構造を有する金属系接着剤が弱点とする異種材料接合時の応力の問題を解決することが可能となる。また、本合成石英ガラスリッドを用いた光学素子用パッケージは、来るべき水銀ランプ代替の光学素子登場時に、パッケージング材として有効なものとなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成石英ガラスからなる窓材の主表面の外周縁部に接着剤を有する合成石英ガラスリッドであって、前記接着剤がテルル及び銀を含み、更にタングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群より選ばれる１種以上を含む低融点金属ガラスであることを特徴とする合成石英ガラスリッド。
【請求項２】
前記低融点金属ガラス中におけるテルル及び銀の割合が、５０〜７０質量％である請求項１に記載の合成石英ガラスリッド。
【請求項３】
前記低融点金属ガラスのガラス転移温度が、１００〜４５０℃である請求項１又は２に記載の合成石英ガラスリッド。
【請求項４】
前記窓材は、板状、凹凸形状を有する球面状又は凹凸形状を有する非球面状のいずれかである請求項１〜３のいずれか１項に記載の合成石英ガラスリッド。
【請求項５】
前記窓材の厚みが、０．１〜５ｍｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載の合成石英ガラスリッド。
【請求項６】
光学素子が収容されている箱状の収容体に、該収容体の上端開放部を覆う請求項１〜５のいずれか１項に記載の合成石英ガラスリッドの前記窓材を前記接着剤により接合してなることを特徴とする光学素子用パッケージ。
【請求項７】
前記光学素子が、３００ｎｍ以下の波長の光を発光可能な素子である請求項６に記載の光学素子用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成石英ガラスリッド、例えばＵＶ−ＬＥＤ、短波長の出力の強いレーザー光源等、特に紫外線領域の光源を封止する際に用いられる合成石英ガラスを用いた合成石英ガラスリッド、及び合成石英ガラスリッドを用いた光学素子用パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
水銀ランプの規制に伴い、代替として短い波長、特に紫外線領域の光を出すことのできるＵＶ−ＬＥＤが注目されている。ＬＥＤは任意の波長を取り出すことができ、用途に応じた波長のＬＥＤが開発されている。例えば、ＵＶ領域である２６５ｎｍの波長は、殺菌に有効な波長であることが知られており、２６５ｎｍの波長の光を出すＵＶ−ＬＥＤが殺菌用途として開発されている。しかし、２６５ｎｍの光学素子が安定的に供給されたとしても、光学素子をパッケージングなしで使用することは難しく、ＵＶ−ＬＥＤからの光の取り出し効率をできるだけ高めてパッケージングすることが求められている。
【０００３】
ＬＥＤを含め、赤外領域等の長波長の光を出す光学素子をパッケージングする際には、窓材と光学素子が配置されている収容体を接合する接着剤が必要である。接着剤の種類としては、エポキシ樹脂系やアクリル樹脂系等の有機系接着剤、ガラスフリット等が挙げられる。
【０００４】
例えば、特表２０１５−５０５７９２号公報（特許文献１）では、太陽電池の封止、有機ＬＥＤパッケージ等を目的として、融点が３００℃程度の強化ガラスを基材とし、ガラスフリットとマイクロ波カップリング剤を混合したペーストを接着剤として用いた無機基材のシーリングについて提案されている。この方法を用いれば、窓材として使用している強化ガラスの強度を落とすことなく、マイクロ波を接着剤部分に照射すると基材同士を接着することができる。
【０００５】
また、特開２００８−２１９８５４号公報（特許文献２）では、マイクロレンズを接着させる際に、紫外線硬化型アクリル系液状樹脂もしくは熱硬化性の樹脂を接着剤として用いることが示されている。
【０００６】
特開２０１５−１４９５３３号公報（特許文献３）では、ベース基板及びリッドの線熱膨張係数に、より近い線熱膨張係数を有するバナジウム系の低融点ガラスを接着剤に用いて、電子デバイスをパッケージングする方法が記載されている。この手法を用いれば、気密性の高いパッケージングを行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１５−５０５７９２号公報
【特許文献２】特開２００８−２１９８５４号公報
【特許文献３】特開２０１５−１４９５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１は、強化ガラスの強度の観点から使用できる温度が３００℃までに制約されており、波長の短い発熱しやすい光源について長時間使用することは難しい。更に、ガラスフリットは純粋なＳｉＯ2ガラス成分だけで構成されているものではなく、短波長の光が持つエネルギーによるダメージが耐ＵＶ性を下げ、短波長領域では使用しづらい。
【０００９】
また、特許文献２は、紫外線で硬化させる接着剤を使用しているが、紫外線硬化型接着剤であっても、紫外線を当て続けると接着剤を構成している樹脂の内部の架橋が増えすぎ、接着剤が脆くなる。
【００１０】
特許文献３では、緻密な結晶構造を持つ素材であって、かつ熱膨張係数の異なる基材を接合すると、少なからず応力が発生して、長時間使用すると金属結晶構造内における欠陥や金属粒界によってシールが崩壊することが推察される。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、短波長、特に２８０ｎｍ以下の波長領域の光学素子に対して長期間安定で、異種材料接合時の応力の問題の解決が可能な合成石英ガラスリッド及び光学素子用パッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成するために、合成石英ガラス上に塗布する接着剤としてテルル及び銀を必須の金属元素とし、この２種類の金属元素を含む３種類以上の金属元素から構成された、無秩序な結晶構造を構成している合金を用いることに着目した。この低融点金属ガラスを用いることにより、異なる熱膨張係数を持つ基材を接合したときの応力を無秩序な結晶構造が吸収し、長期間安定的に光学素子をシールするパッケージを供給することができることを知見した。
【００１３】
この場合、短波長（３００ｎｍ以下）、特に２８０ｎｍ以下の波長を安定的に透過できる窓材として合成石英ガラスを用いることで紫外線を取り出すことができる。また、紫外線に対して耐性の高い物質であり、かつ異なる線熱膨張係数を有する合成石英ガラスから生じる応力を吸収できる結晶構造を有する低融点金属ガラスを接着剤として用いること、特に、該低融点金属ガラスを接着剤として用いた合成石英ガラスリッドにより、短波長の光学素子に対して長期間安定なパッケージとなる。そして、接着剤中に様々な酸化数をとることができ、かつ原子の大きさが大きい特徴を有するテルル、更に大きな延性を有する銀を用いることにより、長時間の使用が可能となる。
【００１４】
従って、本発明は、下記の合成石英ガラスリッド及び光学素子用パッケージを提供する。
〔１〕
合成石英ガラスからなる窓材の主表面の外周縁部に接着剤を有する合成石英ガラスリッドであって、前記接着剤がテルル及び銀を含み、更にタングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群より選ばれる１種以上を含む低融点金属ガラスであることを特徴とする合成石英ガラスリッド。
〔２〕
前記低融点金属ガラス中におけるテルル及び銀の割合が、５０〜７０質量％である〔１〕に記載の合成石英ガラスリッド。
〔３〕
前記低融点金属ガラスのガラス転移温度が、１００〜４５０℃である〔１〕又は〔２〕に記載の合成石英ガラスリッド。
〔４〕
前記窓材は、板状、凹凸形状を有する球面状又は凹凸形状を有する非球面状のいずれかである〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の合成石英ガラスリッド。
〔５〕
前記窓材の厚みが、０．１〜５ｍｍである〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の合成石英ガラスリッド。
〔６〕
光学素子が収容されている箱状の収容体に、該収容体の上端開放部を覆う〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の合成石英ガラスリッドの前記窓材を前記接着剤により接合してなることを特徴とする光学素子用パッケージ。
〔７〕
前記光学素子が、３００ｎｍ以下の波長の光を発光可能な素子である〔６〕に記載の光学素子用パッケージ。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来使用されてきた有機系接着剤に見られる短波長の光による割れや剥がれ、もしくは金錫系等の緻密な金属結晶構造を有する金属系接着剤が弱点とする異種材料接合時の応力の問題を解決することが可能となる。また、本合成石英ガラスリッドを用いた光学素子用パッケージは、来るべき水銀ランプ代替の光学素子登場時に、パッケージング材として有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明における光学素子用パッケージの一例を示す断面図である。
【図２】本発明における合成石英ガラスリッドの一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の光学素子用パッケージは、図１に示すように、例えば四角箱状に形成された収容体１の底部中央部に段差２を設け、その中央部に光学素子３が配置されている。
【００１８】
ＬＥＤに見られるように、光学素子から発せられる熱がパッケージング内にこもり高温状態になると、光学素子の発光効率のパフォーマンスが低下する。従って、高出力を目指している光学素子用パッケージにおける収容体は、放熱性のよいアルミナ系セラミックス、窒化アルミナ系セラミックス又はそれらに金や銅等の金属メッキをしたものが好ましい。
【００１９】
本発明の光学素子用パッケージは、合成石英ガラスからなる窓材４の主表面の外周縁部に接着剤５を有する合成石英ガラスリッド６が、前記収容体１の上端開放部を覆って配設され、該窓材４が、収容体１の上端面（額縁部）に接着剤５を介して接合されているものである。
【００２０】
窓材となる合成石英ガラスの形状は、板状、凹凸形状を有する球面状、凹凸形状を有する非球面状のいずれでもよい。光学素子が配置されている収容体を単純に封止する目的であれば、コスト面及び取り扱いの簡便さの観点から、板状のものが好ましい。一方、光学素子から発せられる光を効率よく取り出そうとする場合は、光学計算に基づいて設計された凹凸形状を有する単純な平凸レンズ形状、平凹レンズ形状、凸メニスカスレンズ形状等の球面状や非球面状のものが好ましい。窓材の厚みは、窓材の外側、即ち、光学素子用パッケージの外側との圧力（気圧又は水圧）差により、適宜選択することができ、強度の観点から、０．１ｍｍ以上、特に０．２ｍｍ以上で、５ｍｍ以下、特に４ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２１】
また、接着剤としては低融点金属ガラスを用い、図２に示すように窓材４の額縁部に幅３００〜５００μｍ、高さ（厚さ）３０〜１００μｍで塗布することが好ましい。これにより、素材の異なる、窓材（合成石英ガラス）と収容体の接合において生じる応力の吸収及び低波長の光による構造の破壊を低減し、長期にわたって安定な光学素子用パッケージとなる。本発明において、窓材である合成石英ガラスに塗布される接着剤として用いられる低融点金属ガラスは、少なくともテルル及び銀を含み、更にタングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群より選ばれる１種以上を含む。
【００２２】
合成石英ガラスは、ＳｉＯ2からなる非晶質である。合成石英ガラスを用いた窓材を作製するとき、接着剤として結晶構造が規則正しい単独の金属原子や２種類の金属原子からなる合金を選択すると、合成石英ガラスの表面との界面において密着性が悪くなる。これは、パッケージングとして使用する場合に、耐水性や外からの衝撃に対する安定性が低いことを示唆しており、パッケージングの崩壊につながる。
【００２３】
ここで、本発明の低融点金属ガラスは、金属を主成分としながらも結晶構造をもたず、３種類以上の金属原子が無秩序に集まって固まっている金属であるため、金属ガラスの持つナノレベルの無秩序原子配列が合成石英ガラスの表面に柔軟性をもって密着すると考えられる。よって、合成石英ガラスと接着剤の間で強固な結合を作り出すことができ、耐水性や外からの衝撃に対して強くすることができる。
【００２４】
接着剤について、密着性の観点から考えると、合成石英ガラスのＳｉＯ2と接着剤が仮想的に共有結合を作ることのできる金属元素が好ましい。また、低融点金属ガラスの結晶構造のナノレベルの無秩序原子配列による柔軟性を考えると、金属ガラスを構成する個々の金属原子の半径に差があることが好ましい。ナノレベルの無秩序原子配列の結晶構造を有する低融点金属ガラスを用いると、結晶構造内における原子がわずかに移動できるため、合成石英ガラスと収容体の接合において生じる応力を接着剤部分で吸収することができる。この２つの条件を満たすことのできる金属元素として入手のしやすさも考えると、本発明に使用する金属ガラスを構成する必須元素として、安定的に＋４価の酸化数をとることができ、原子の大きさが大きいテルルが必須元素の１つとなる。
【００２５】
また、窓材である合成石英ガラスと収容体を、接着剤を介して接合させるとき、接着剤が延びると接着層における密な構造を作ることができる。このとき、金属ガラス中に銀を混ぜておくと、銀の持つ大きな延性によって接着剤としての低融点金属ガラスが、荷重や熱等の接合条件により任意の接着幅を形成することが可能となる。接着幅を制御することにより、窓材の窓の有効部分の大きさを自由変化させることができ、取り出したい光の出力を制御することができる。
【００２６】
合成石英ガラスへの密着・接着性、異なる素材である合成石英ガラスと収容体との接合において生じる応力の吸収及び緩和、接着剤の延びを総合的に考慮すると、金属ガラス中におけるテルル及び銀の合計量の割合は、好ましくは５０〜７０質量％、更に好ましくは５５〜７０質量％、特に好ましくは５５〜６５質量％である。このとき、この２成分中の合計量の中でのテルルと銀の比率（テルル：銀）は、金属ガラスの柔軟性を考慮すると、質量比として１：１〜３：１であることが好ましい。
【００２７】
また、金属ガラスの結晶構造内において柔軟性を持たせるために、上記テルル及び銀とは原子の大きさが大きく異なる元素を低融点金属ガラスに混合することが好ましい。熱的特性、放射性等の観点から鑑みると、タングステン、バナジウム、リン、バリウム及びジルコニウムからなる群から選ばれるいずれかが好ましい。これら金属の含有量は、テルル及び銀の含有量の残部であるが、これらの中でジルコニウムが好ましく、ジルコニウムを１０〜３０質量％含有することが好ましい。また、タングステンは０〜１５質量％、特に５〜１０質量％、バナジウムは０〜３０質量％、特に５〜２０質量％、リンは０〜１５質量％、特に１〜１０質量％、バリウムは０〜１５質量％、特に１〜１０質量％が好ましい。
【００２８】
接着剤として用いられる金属ガラスのガラス転移温度、即ち接着剤としての効能が得られる温度は、低融点金属ガラスの流動性及び光学素子の耐熱性の観点から、好ましくは１００〜４５０℃、より好ましくは１５０〜４００℃、更に好ましくは２００〜４００℃である。
【００２９】
窓材の合成石英ガラスに接着剤である低融点金属ガラスをスクリーン印刷、ディスペンス、スタンピング等の方法によって塗布することができるが、合成石英ガラスの形状が板状の場合には、スクリーン印刷によって精度よく大量生産することができ、凹凸形状を有する球面状や凹凸形状を有する非球面状の場合には、スタンピングによって接着剤を塗布することができる。
【００３０】
本発明に適用される光学素子は、３００ｎｍ以下の波長の光を発光可能な素子である。
３００ｎｍ以下の波長の光を発光可能な素子の例としては、ＵＶ−ＬＥＤ、ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレーザー、ＹＡＧ  ＦＨＧレーザー等が挙げられる。
【００３１】
本発明におけるパッケージの製造方法としては、合成石英ガラスの主表面の外周縁部に、接着剤を有する合成石英ガラスリッドを用い、窓材である合成石英ガラスと、光学素子が配置された収容体を接合する方法が一般的である。なお、パッケージは、本発明の接着剤である低融点金属ガラスを用い、接着剤を光学素子が配置された収容体側に塗布し、窓材である合成石英ガラスを接合させる方法により製造することも可能である。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００３３】
［実施例１］
スライスされた合成石英ガラスウェーハ基板（６インチφ、厚さ０．２ｍｍ）を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップした後、遊星運度を行う両面ポリッシュ機にて粗研磨を行い、原料基板とした。研磨加工されたウェーハ基板を３．５ｍｍ角にダイシングカットした。テルル４５質量％、銀２５質量％、ジルコニウム３０質量％を含む合金からなる低融点金属ガラス（ガラス転移温度３００℃）をスクリーン印刷にて合成石英ガラスウェーハ基板（窓材）上に塗布した。塗布は、線幅４００μｍ、膜厚５０〜７０μｍになるように塗布し、低融点金属ガラスが半硬化の状態にして合成石英ガラスリッドを作製した。波長２６５ｎｍの光を出すことのできるＬＥＤ発光素子が設置されたアルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを３９０℃で重さ２ｋｇ／ｃｍ2の荷重をかけながら６０分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
【００３４】
作製した光学素子用パッケージを用いて、波長２６５ｎｍの光を３，０００時間以上発光させたところ、アルミナ系セラミックス又は合成石英ガラスの応力による接着剤部分の剥がれはなく、また２６５ｎｍの短波長による低融点金属ガラスのダメージも見られず、短波長用の光学素子用パッケージとして十分な機能を示した。
【００３５】
［実施例２］
スライスされた合成石英ガラスウェーハ基板（６インチφ、厚さ０．３ｍｍ）を、遊星運度を行う両面ラップ機でラップした後、遊星運度を行う両面ポリッシュ機にて粗研磨を行い、原料基板とした。研磨加工されたウェーハ基板を４．０ｍｍ角にダイシングカットした。テルル３６質量％、銀２６質量％、リン３質量％、バリウム１０質量％、タングステン１０質量％、ジルコニウム１５質量％を含む合金からなる低融点金属ガラス（ガラス転移温度３５０℃）をスクリーン印刷にて合成石英ガラスウェーハ基板（窓材）上に塗布した。塗布は、線幅３００μｍ、膜厚３０〜５０μｍになるように塗布し、低融点金属ガラスが半硬化の状態にして合成石英ガラスリッドを作製した。波長２８０ｎｍの光を出すことのできるＬＥＤ発光素子が設置された窒化アルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを３３０℃で重さ１ｋｇ／ｃｍ2の荷重をかけながら２５分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
【００３６】
作製した光学素子用パッケージを用いて、波長２８０ｎｍの光を３，０００時間以上発光させたところ、窒化アルミナ系セラミックス又は合成石英ガラスの応力による接着剤部分の剥がれはなく、また２８０ｎｍの短波長による低融点金属ガラスのダメージも見られず、短波長用の光学素子用パッケージとして十分な機能を示した。
【００３７】
［比較例１］
実施例１と同じ３．５ｍｍ角にダイシングカットされた合成石英ガラス基板（窓材）上に、アクリル樹脂系の紫外線硬化型樹脂の接着剤ＵＶＸ−８４００（電気化学工業（株）製）をディスペンサーにて実施例１と同様に塗布を行い、接着剤が半硬化の状態にして合成石英ガラスリッドを作製した。波長２６５ｎｍの光を出すことのできるＬＥＤ発光素子が設置されたアルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを１５０℃で重さ１ｋｇ／ｃｍ2の荷重をかけながら３０分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
【００３８】
作製した光学素子用パッケージを用いて、２６５ｎｍの波長の光を３５０時間発光させたところ、接着剤部分が剥がれ、合成石英ガラスとアルミナ系セラミックスの収容体が分離した。剥がれた接着剤部分を観察すると、短波長によって構造内に架橋が増えたと推察される接着剤の割れが見られた。
【００３９】
［比較例２］
実施例１と同じ３．５ｍｍ角にダイシングカットされた合成石英ガラス基板（窓材）上に、金錫合金ペーストＡｕ−２０Ｓｎ（三菱マテリアル（株）製）をスクリーン印刷にて実施例１と同様に塗布を行い、接着剤付の合成石英ガラスリッドを作製した。波長２８０ｎｍの光を出すことのできるＬＥＤ発光素子が設置されたアルミナ系セラミックスの収容体に対し、上記の合成石英ガラスリッドを２８０℃で重さ１ｋｇ／ｃｍ2の荷重をかけながら２０分間押し付けることにより、収容体と窓材の接合を行い、光学素子用パッケージを作製した。
【００４０】
作製した光学素子用パッケージを用いて、２８０ｎｍの波長の光を５００時間発光させたところ、接着剤部分が剥がれ、合成石英ガラスとアルミナ系セラミックスが分離した。
【符号の説明】
【００４１】
１  収容体
２  段差
３  光学素子
４  窓材
５  接着剤
６  合成石英ガラスリッド
【図１】
2018026548.tif 000003
【図２】
2018026548.tif 000004