(57)【要約】【課題】接着性の高い金属被膜を設けたシリコンベンチを得る。前記シリコンベンチには前記レンズを金属的結合により固定可能であり、固定強度を飛躍的に高め、高耐久性を有する光通信部品を提供するものである。【解決手段】シリコン基板にＶ溝を設け、少なくとも前記Ｖ溝部分に、複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコンの酸化物被膜を形成し、さらに、前記凹部を埋めて形成されるアンカー層を介して、金属被膜を設ける。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板にＶ溝が設けられ、少なくとも前記Ｖ溝部分に、複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコンの酸化物被膜が形成され、さらに、前記凹部を埋めて形成されるアンカー層を介して、金属被膜が設けられていることを特徴とするシリコンベンチ。
【請求項２】
前記凹部の深さが、１〜４μｍであることを特徴とする請求項１記載のシリコンベンチ。
【請求項３】
前記凹部は、前記シリコンの酸化物被膜上の直線１５μｍあたり１〜４個、形成されることを特徴とする請求項１記載のシリコンベンチ。
【請求項４】
前記アンカー層は、ＰまたはＢの少なくとも１つの元素とＮｉ元素を含む材料で形成されることを特徴とする請求項１記載のシリコンベンチ。
【請求項５】
前記金属被膜は、Ａｕ、ＳｎまたはＡｎとＳｎとの合金を主成分とする材料により設けられることを特徴とする請求項１記載のシリコンベンチ。
【請求項６】
前記アンカー層が１μｍ以上の厚みで形成されることを特徴とする請求項１記載のシリコンベンチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる光通信部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン（Ｓｉ）を主体とした光通信部品担持体シリコンベンチ（シリコン製光学ベンチ）のＶ溝部に、レンズ等のガラス製部品を搭載した光通信部品は、光通信の中でその中枢となるパーツであり、基幹系光通信部品としての信頼性が求められている。
【０００３】
これまで前記光通信部品を組む際、シリコンベンチのＶ溝部にレンズ等を搭載し、両者を紫外線硬化型樹脂等で固定していた（特許文献１）。しかし、この方法では常温常湿下では大きな問題は発生しなかったが、高温高湿度の環境に長時間接するとレンズ等がシリコンベンチから浮き上がったり、場合によっては脱離する問題があった。そこで、紫外線硬化型樹脂で固定するのでなく、金属的結合により固定することが考えられる。例えば、半田つけ、溶接、等である。半田付け等により固定するためには、固定部分に金属被膜を設ける必要がある。金属被膜を設ける方法としては、真空蒸着やスパッタリング等の物理蒸着法、及び無電解メッキによる湿式法があるが、無電解メッキによる湿式法が量産性の観点から圧倒的に優位である。
【０００４】
従来の無電解メッキの手法として、下記特許文献２等に開示された手法がある。特許文献２には、磁気記録媒体用ガラス基板にＮｉＰを無電解メッキする手法が開示されており、メッキ膜の密着性を向上させるために、ガラス基板に微細な凹部を設ける処理を施している。
【０００５】
しかし、特許文献２に記載されている手法では、光通信部品として十分な密着性を有する金属被膜は得られない。光通信用部品には長時間非常に高い耐久性が必要とされるためである。シリコンベンチ、レンズ等を半田または溶接で接着する場合、金属被膜が溶融するため、金属被膜の剥離が生じる現象がおきる。この現象を「半田食われ」という。半田食われを防止するために、金属被膜には非常に強い密着性と十分な厚みが必要となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６１−９３４１９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０３６７４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、レンズをシリコンベンチに金属的結合により固定可能とし、固定強度を飛躍的に高め、高耐久性を有する光通信部品を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコン基板にＶ溝が設けられ、少なくとも前記Ｖ溝部分に、複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコンの酸化物被膜が形成され、さらに、前記凹部を埋めて形成されるアンカー層を介して、金属被膜が設けられていることを特徴とするシリコンベンチに関するものである。
【０００９】
本発明により、レンズをシリコンベンチのＶ溝部分に、金属的結合により強固に固定することができる。ここで、Ｖ溝とは、シリコン基板に異方性エッチングにより設けられる溝の意味であり、Ｖ形の溝の他に、Ｖ形の底が平坦である台形の溝も含む。
【００１０】
金属的結合による固定とは、例えば、半田づけ、溶接等による固定をいう。簡易な装置で固定できる点では、半田付けが優れている。
【００１１】
レンズをシリコンベンチのＶ溝部分に金属的結合により固定するためには、シリコンベンチのＶ溝部分およびレンズの外周側面に金属被膜を設ける必要がある。半田付けで固定を行う場合は、金属被膜は半田の濡れ性の高い金属が好ましい。例えば、金属被膜は、Ａｕ、ＳｎまたはＡｕとＳｎの合金を主成分とする材料で設けられることが好ましい。
【００１２】
本発明では、シリコンベンチおよびレンズに対する前記金属被膜の付着力は極めて弱いため、金属被膜はアンカー層を介して設ける必要があることに着目した。アンカー層としては、比較的シリコンまたはガラスに対し接着力の強い膜を用いると良い。例えば、ＰまたはＢの少なくとも１つの元素とＮｉ元素を含む材料で形成されることが好ましい。つまり、ニッケル燐、ニッケルボロンを含む材料である。ニッケル燐中の燐濃度は２〜１５ａｔ．％、ニッケルボロン中のボロン濃度は１〜１０ａｔ．％が好ましい。次亜燐酸を還元剤として使用する無電解ニッケルメッキにおいて、共析する燐濃度は２ａｔ．％〜１５ａｔ．％が好ましい。また、ジメチルアミンボランを還元剤として使用する無電解ニッケルメッキにおいては、共析するボロン濃度が１ａｔ．％〜１０ａｔ．％が好ましい。
【００１３】
さらに、本発明の発明者らは、シリコンベンチの構成材料であるシリコン、およびレンズの構成材料であるガラスの表面処理を検討した。その結果、シリコンおよびガラスの表面に複数の微細なオーバーハング状の凹部を形成しすることに着目した。上記オーバーハング状の凹部が形成されていない場合、アンカー層を０．５μｍ以上の厚みで形成すると、膜応力のため表面から剥離してしまう。しかし、前記オーバーハング状の凹部を形成し、凹部を埋めてアンカー層を形成することにより、前記半田食われを防止できる十分な密着力および膜厚を確保することができた。アンカー層は、１μｍ以上の厚みで形成することが好ましい。
【００１４】
この理由は、ガラス等の表面に設けられた凹部のオーバーハング状という特異な形状により、強固なアンカー効果が得られたためと考えられる。
【００１５】
前記凹部の深さは、１〜４μｍであることが好ましく、前記凹部は、ガラス等表面上の直線１５μｍあたり１〜４個形成されることが好ましい。この範囲で、アンカー層の強い接着力が得られる。また、前記凹部の深さは、アンカー層上に設ける金属被膜の表面の荒れを考えた場合にも、深さが４μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
以下に、ガラス表面またはシリコン表面に複数の微細なオーバーハング状の凹部を形成する表面処理の方法について、シリコン基板を例にして記す。
【００１７】
先ずシリコン基板表面を物理的に研摩し、表面を荒らす。この物理的粗化はサンドブラスト或いは、＃３００〜＃１０００の砥粒を用いるとよい。次いで化学的エッチングにより、さらに粗化する。この化学的エッチングは、フッ酸、フッ化アンモニウム及び酸性フッ化アンモニウムに過酸化水素を混合したエッチング液にシリコン基板を浸漬して行う。この工程により複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成される。ガラスを用いて同様の表面処理を行った場合も同様の結果を得た。
【００１８】
この工程により、前記凹部ができる要因は、化学的エッチング剤の一種として、過酸化水素等の酸化剤を用いているためと思われる。ここで、化学的エッチング剤に酸化剤を用いるため、シリコン基板表面は酸化され、シリコン基板上には、複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコンの酸化物被膜が形成される。
【００１９】
シリコンの酸化物被膜が形成されることは、アンカー層を無電解鍍金で形成する場合、好都合である。無電解鍍金を行うには、Ｐｄ等の金属触媒が表面に付着する必要があるが、触媒はシリコンよりもガラス等のシリコン酸化物への付着力が強いからである。
【００２０】
但し、化学的エッチングにより形成される酸化物被膜が薄い場合もあるので、別途酸化工程を設けることが好ましい。酸化工程は、例えば、１０００℃〜１１００℃の水蒸気中にシリコン基板を放置する事によって行う。酸化物被膜は、１〜２μｍ設けることが好ましい。
【００２１】
表面処理工程の後、酸化工程を設けることにより、シリコン基板上に複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコンの酸化物被膜を確実に形成することができる。
【００２２】
尚、この酸化工程は、シリコンベンチ、シリコン基板等に金属被膜を設ける場合に必要な工程である。シリコンの酸化物であるガラスより形成されるレンズ等に金属被膜を設ける場合は、不要である。
【００２３】
シリコンベンチには、上述のレンズの他、種々の部品をマウントさせることが必要である。特に、レーザダイオード等のアクティブ素子を実装した場合、発熱が問題となる。長時間の使用では、熱が原因で誤動作を起こす可能性がある。前記金属被膜は、シリコン基板から効率よく熱を逃すように、放熱膜として用いることができる。これにより、光通信部品を長時間安定して駆動させることができ、高耐久性を維持できる。また前記金属被膜は、光電変換素子の電気信号出力の導電路としても用いることもできる。
【００２４】
本発明の前記金属被膜は、電気伝導性または熱伝導性の良い金属を主成分とする材料で設けられることが好ましい。前記電気伝導性または熱伝導性の良い金属は、Ｃｕ、ＮｉまたはＣｒであることが好ましい。また、前記金属被膜は３００μｍ以上の厚みで設けられることが好ましい。
【００２５】
光通信部品は高耐久性が要求されるため、前記金属被膜はシリコン基板と強い密着性が必要である。そこで本発明では、シリコン基板の表面に複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコン酸化物被膜を形成し、さらに、前記凹部を埋めて形成されるアンカー層を介して金属被膜を設けている。
【００２６】
シリコン基板の表面に金属被膜を設ける方法は、以下の様に行う。上述のシリコン基板の表面処理を行い、複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコン酸化物被膜を形成し、その後、無電解メッキによりアンカー層を形成する。凹部の深さ、アンカー層の膜厚等の最適値は、上述の場合と同様である。その後、電解メッキにより、金属被膜をＣｕ、ＮｉまたはＣｒを主成分とする材料により設ける。
【００２７】
上述の方法により、作製した本発明のシリコン製光通信部品は、金属被膜の接着強度が強く、長時間、安定して駆動可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
外径１ｍｍ、長さ２ｍｍのガラス製レンズのレンズ面上に、カーボン膜をスパッタ法により３０ｎｍ成膜した。カーボン膜を設けることにより表面エネルギーが低下し、無電解鍍金の金属触媒がのらなくなるため、レンズ面には鍍金膜は施されなくなる。
【００２９】
次に、以下のようにレンズ外周側面に鍍金を施す。
▲１▼表面処理
対象物を＃８００の砥粒で物理的に研磨した。
その後、酸性フッ化アンモニウムを４ｗｔ．％、過酸化水素を１１ｗｔ．％含むエッチング液中に１０分間常温で浸漬した。
【００３０】
▲２▼鍍金の為の前処理工程
対象物を１０規定の水酸化ナトリウム水溶液中に２分間常温で浸漬した。水洗後、奥野製薬工業社製の陽イオン界面活性剤ＯＰＣ−３７０Ｍの７５ｇ／Ｌ水溶液中に３分間常温で浸漬した。
【００３１】
▲３▼金属触媒核付与工程
水洗後、シプレーファーイスト社の一液系キャタリスト９Ｆの塩酸水溶液中に対象物を３分間常温で浸漬した。水洗後、シプレーファーイスト社のアクセラレーター２４０の硫酸水溶液中に３分間常温で浸漬した。
【００３２】
▲４▼アンカー層鍍金工程
水洗後、浴温８５℃の日進化成の無電解Ｎｉメッキ液ＮＰ−７００中に対象物を５分間浸漬した。これにより、ニッケル燐かならなるアンカー層が形成された。
【００３３】
▲５▼金属被膜鍍金工程
水洗後、浴温６５℃の奥野製薬工業の置換型無電解Ａｕメッキ液ムデンノーブルＡＵ中に対象物を５分間浸漬し、金属被膜（Ａｕ膜）を設け、完成物を得た。
【００３４】
完成物の金属被膜表層付近の断面ＳＥＭ像を観察した。対象物の表面には、多数のオーバーハング状凹部が確認でき、凹部の深さは平均２．３μｍであった。断面写真において表面上の直線１５μｍあたり、約３個の凹部が形成されていた。アンカー層の厚さは６〜８μｍであり、アンカー層中のＰ濃度は８ａｔ．％であった。アンカー層上の金属被膜の厚さは１００ｎｍである。この金属被膜部分をＳｃｏｔｃｈのメンディングテープ８１０を用いてピール試験を行ったが、膜剥離は生じなかった。
【００３５】
次に、厚さ１．５ｍｍで（１００）面のシリコン基板に異方性エッチングを適し、幅１０００μｍ、深さ５００μｍ、長さ５ｍｍの台形のＶ溝を設け、シリコンベンチを作製した。
【００３６】
シリコンベンチのＶ溝部分に前記▲１▼の工程を施した。その後、１０００℃の水蒸気中にシリコンベンチを５時間程放置し、表面に酸化物被膜を形成した。酸化物被膜の膜厚は、約１．２μｍであった。更に前記▲２▼〜▲５▼の工程を施し、Ｖ溝部分に金属被膜を有するシリコンベンチが完成した。
【００３７】
完成したシリコンベンチの金属被膜表層付近の断面ＳＥＭ像を観察した。シリコンベンチのＶ溝部分には、多数のオーバーハング状凹部が形成されたシリコンの酸化物被膜が形成されていた。凹部の深さ、アンカー層の厚さ、金属被膜の厚さ、ピール試験の結果等、全て前記レンズの場合と同様であった。
【００３８】
前記シリコンベンチに前記レンズを半田で固定した。この際半田食われは生じなかった。半田付けした接着強度を測定した結果、２ｋｇ以上の接着強度を示した。さらにこのレンズを半田付けしたシリコンベンチを８５℃，９０％ＲＨの環境に２０００時間及び＋８５／−４０℃のヒートサイクル５００回を行ったが、レンズがシリコンベンチ上から浮き上がったり脱離する事はなかった。
【００３９】
（実施例２）
「▲４▼アンカー層鍍金工程」において、アンカー層用の無電解鍍金浴を「日本カニゼンの無電解ＮｉＢメッキ液カニボロン」にした以外は、実施例１と同様に、レンズおよびシリコンベンチの鍍金を行った。したがって、アンカー層はニッケルボロンにより形成された。アンカー層中のＢ濃度は４ａｔ．％であった。
【００４０】
その後、作製した前記シリコンベンチに前記レンズを半田により固定した。全ての評価について、実施例１と同様の結果を得た。
【００４１】
（比較例１）
実施例１の「▲１▼表面処理」をフッ酸のみによる処理に、具体的には「▲１▼表面処理：２００ｍｌ／Ｌのフッ酸水溶液中に２分間常温で浸漬した。」とした以外は、実施例１と同様の方法で、レンズ外周側面およびシリコンベンチのＶ溝部分に金属被膜を設けた。
【００４２】
これをＳｃｏｔｃｈのメンディングテープ８１０を用いてピール試験を行ったが、（アンカー層）／（対象物）界面で膜剥離を生じた。次に、この金属被膜表層付近の断面ＳＥＭ像を観察した。表面には、凹部は形成されてはいたが、オーバーハング状の凹部は存在せず、凹部の深さは０．５μｍであった。
【００４３】
前記レンズを前記シリコンベンチに半田で固定した。半田付けの接着強度を測定した結果、接着強度は０．４ｋｇであった。さらに半田付けしたレンズを８５℃，９０％ＲＨの環境に２０００時間及び＋８５／−４０℃のヒートサイクル５００回を行ったところ、試験後レンズがシリコンベンチ上から浮き上がっていた。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、シリコン基板にＶ溝を設け、少なくとも前記Ｖ溝部分に、複数の微細なオーバーハング状の凹部が形成されたシリコンの酸化物被膜を形成し、さらに、前記凹部を埋めて形成されるアンカー層を介して、金属被膜を設けたことにより、接着性の高い金属被膜を設けたシリコンベンチを得ることができた。前記シリコンベンチには前記レンズを金属的結合により固定可能であり、固定強度を飛躍的に高め、高耐久性を有する光通信部品を提供するものである。