(57)【要約】【課題】  シリコン基板に対して強固に接着した金属被膜を有するシリコンベンチを提供する。【解決手段】  シリコン基板の表面の少なくとも一部分に金属混入層を有し、該金属混入層上に金属被膜を有することを特徴とするシリコンベンチ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の表面の少なくとも一部分に金属混入層を有し、該金属混入層上に金属被膜を有することを特徴とするシリコンベンチ。
【請求項２】
前記金属混入層が金属イオンの打込みにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンベンチ。
【請求項３】
前記打込まれる金属イオンが１００ｋｅＶ以上のエネルギーを有する金属イオンであることを特徴とする請求項２に記載のシリコンベンチ。
【請求項４】
前記打込まれる金属イオンがＮｉイオンであることを特徴とする請求項２又は３に記載のシリコンベンチ。
【請求項５】
前記金属被膜は電気伝導性、熱伝導性及び半田濡れ性の良好な金属から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコンベンチ。
【請求項６】
前記金属被膜はＡｕ又はＡｕとＳｎの合金を主成分とする材料から形成されていることを特徴とする請求項１又は５に記載のシリコンベンチ。
【請求項７】
前記金属被膜は無電解メッキ法により鍍着されることを特徴とする請求項１、５又は６に記載のシリコンベンチ。
【請求項８】
(1)シリコン基板を準備するステップと、
(2)前記シリコン基板の上面に所定の開口パターンを有するマスクを載置するステップと、
(3)前記マスクを通してシリコン基板の露出面に金属イオンを打ち込んで金属混入層を形成するステップと、
(4)前記金属混入層の上面に金属被膜を被着させるステップとからなることを特徴とするシリコンベンチの製造方法
【請求項９】
前記金属被膜は無電解メッキ法により鍍着されることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜７の何れかに記載のシリコンベンチの金属被膜に半田を介して接合させた光通信用素子を有することを特徴とする光通信部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属被膜を有するシリコン部品及びその製造方法に関する。更に詳細には、本発明は、素子担持体として使用される金属被膜を有するシリコンベンチ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの普及により、音楽や動画像、コンピュータデータなどの大量の情報を高速に送受信する必要が出てきた。光ファイバーを用いたデータの送受信では転送速度が家庭用で１００Ｍｂｐｓ以上であり、一般家庭に普及している電話回線を用いたモデムやＩＳＤＮに比べ、約３桁程度高速にデータを送受信できる。さらに、基幹系では１０〜４０Ｇｂｐｓに達している。また、近年、光多重通信という新しい技術が登場してさらなる高速化と大容量化が可能となっている。このような状況の中、光通信部品の需要はますます増加傾向にあり、そのコスト低減と信頼性向上が部品供給メーカーの課題となっている。
【０００３】
光通信部品において、光学レンズなどのガラス製素子、光ファイバやレーザダイオードなどの光学素子を搭載又は実装するために、シリコン（Ｓｉ）を主体とした素子担持体（シリコン製ベンチ又はシリコンベンチ）が使用されている。このようなシリコンベンチを用いた光通信部品は、光通信の中でその中枢となるパーツであり、高度な信頼性が求められている。
【０００４】
従来、前記のような光通信部品を組み立てる際、シリコンベンチにレンズ等を搭載し、両者を紫外線硬化型樹脂で固定していた（例えば、特許文献１参照）。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曝露され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。従って、従来の紫外線硬化型樹脂接着方法ではレンズ等とシリコンベンチとの間で長期間の密着性、気密性を得る事は困難であった。
【０００５】
そこで、レンズ等を紫外線硬化型樹脂でシリコンベンチに固定するのでなく、金属的結合（例えば、半田つけ、溶接等）により固定することが試みられた。半田付け等により固定するためには、レンズ等の素子とシリコンベンチとの固定部分にＮｉなどの金属被膜を設ける必要がある。このような金属被膜を介在させること無しにレンズ等の素子とシリコンベンチとを半田付けすることはできない。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。
【０００６】
特許文献２には、磁気記録媒体用ガラス基板にＮｉＰ金属被膜を無電解メッキする方法が記載されている。この方法によれば、ガラス基板に対するＮｉＰ無電解メッキ膜の密着性を向上させるために、ガラス基板表面を、炭化珪素粒子又はアルミナ粒子を含有する研磨液組成物を用いてラップ処理を行った後、化学エッチング処理を行ってから、ＮｉＰ無電解メッキ処理を行わなければならない。
【０００７】
しかし、特許文献２に記載されている方法では、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起きる。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。
【０００８】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、シリコン基板に対して強固に接着した金属被膜を有するシリコンベンチ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明の特徴は、シリコンベンチであって、シリコン基板の表面の少なくとも一部分に金属混入層を有し、該金属混入層上に金属被膜を有することである。
【００１１】
前記のように構成された請求項１に係る発明によれば、金属混入層を介して金属被膜がシリコン基板に接着されているため、シリコン基板に対する金属被膜の接着強度が飛躍的に向上する。
【００１２】
前記課題を解決するための手段として、請求項２に係る発明の特徴は、前記金属混入層が金属イオンの打込みにより形成されていることである。
【００１３】
前記のように構成された請求項２に係る発明によれば、金属混入層を確実かつ容易に形成することができる。
【００１４】
前記課題を解決するための手段として、請求項３に係る発明の特徴は、打ち込まれる金属イオンが１００ｋｅＶ以上のエネルギーを有する金属イオンであることである。
【００１５】
前記のように構成された請求項３に係る発明によれば、シリコン基板に形成される金属混入層が十分な厚みを有すると共に、シリコン基板と金属被膜とを強固に接着させることができる。
【００１６】
前記課題を解決するための手段として、請求項４に係る発明の特徴は、打ち込まれる金属イオンがＮｉイオンであることである。
【００１７】
前記のように構成された請求項４に係る発明によれば、本発明のシリコンベンチにとって申し分のない金属混入層を形成することができる。
【００１８】
前記課題を解決するための手段として、請求項５に係る発明の特徴は、前記金属被膜は電気伝導性、熱伝導性及び半田濡れ性の良好な金属から形成されていることである。
【００１９】
前記のように構成された請求項５に係る発明によれば、光通信用素子を実装した後、金属被膜を放熱膜、電気信号出力の導電路などとして使用できるばかりか、半田接合を容易かつ確実に行うことができる。
【００２０】
前記課題を解決するための手段として、請求項６に係る発明の特徴は、前記金属被膜はＡｕ又はＡｕとＳｎの合金を主成分とする材料から形成されていることである。
【００２１】
前記のように構成された請求項６に係る発明によれば、電気伝導性、熱伝導性及び半田濡れ性の全ての要件を満たすことができる。
【００２２】
前記課題を解決するための手段として、請求項７に係る発明の特徴は、前記金属被膜は無電解メッキ法により鍍着されることである。
【００２３】
前記のように構成された請求項７に係る発明によれば、安価に金属被膜を形成することができる。
【００２４】
前記課題を解決するための手段として、請求項８に係る発明の特徴は、シリコンベンチの製造方法であって、(1)シリコン基板を準備するステップと、
(2)前記シリコン基板の上面に所定の開口パターンを有するマスクを載置するステップと、
(3)前記マスクを通してシリコン基板の露出面に金属イオンを打ち込んで金属混入層を形成するステップと、
(4)前記金属混入層の上面に金属被膜を被着させるステップとからなることである。
【００２５】
前記のように構成された請求項８に係る発明によれば、シリコン基板に対して金属被膜が強固に接着し、優れた耐久性を示すシリコンベンチを製造することができる。
【００２６】
前記課題を解決するための手段として、請求項９に係る発明の特徴は、前記金属被膜は無電解メッキ法により鍍着されることである。
【００２７】
前記のように構成された請求項９に係る発明によれば、安価に金属被膜を形成することができる。
【００２８】
前記課題を解決するための手段として、請求項１０に係る発明の特徴は、光通信部品であって、請求項１〜７の何れかに記載のシリコンベンチの金属被膜に半田を介して光通信用素子を接合させたことである。
【００２９】
前記のように構成された請求項１０に係る発明によれば、高温・高湿の過酷な環境下においても光通信用素子と金属被膜との間の接合が破壊されず、長期間にわたって駆動可能な高信頼性の光通信部品が得られる。
【発明の効果】
【００３０】
シリコン基板の表面の少なくとも一部分に金属打込みにより形成された金属混入層を有し、該金属混入層上に無電解メッキ法により鍍着された金属被膜を有するシリコンベンチを使用することにより、該シリコンベンチの金属被膜とレンズなどの光通信用素子との間で非常に優れた接合性と耐久性を発揮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は本発明のシリコンベンチの一例の概要断面図である。本発明のシリコンベンチ１は基本的にシリコン基板３から形成されている。シリコン基板３の一方の表面に断面が台形状の溝５が食刻されており、この台形状溝５の内面に金属混入層７と、該金属混入層７の上面に被着された金属被膜９を有する。本発明のシリコンベンチ１においては、金属被膜９が金属混入層７を介してシリコン基板３に設けられているので、シリコン基板３に対する金属被膜９の接着強度が著しく高められる。台形状の溝５は実装される光通信用素子が円柱状のものを取付けるのに好都合であるが、実装素子が直方体状であれば、溝５は必ずしも必要はなく、シリコン基板の一方の表面の平面上に直接金属混入層７を設け、この金属混入層７の上面に金属被膜９を形成することもできる。
【００３２】
図２は、図１に示されたシリコンベンチの製造過程を説明する工程図である。図２の（１）において、一方の表面に断面が台形状の溝５が形成されているシリコン基板３を準備する。溝５の幅、深さ及び長さなどは、この溝内に実装される予定の素子の大きさを考慮して適宜決定することができる。このような溝５はシリコン基板３の（１００）面をエッチングなどの公知慣用の方法により食刻することにより形成することができる。エッチング方法としては、異方性エッチングが可能な反応性スパッタエッチング法や無反応性イオンエッチング法が好ましい。無反応性イオンエッチング法はスパッタエッチング法とイオンビームエッチング法を含む。言うまでもなく、溝５はその形状に応じて、等方性エッチングにより形成することも可能である。等方性エッチングとしては、ウエットエッチング（化学エッチング）とドライエッチング（反応性プラズマエッチング）の両方の方法を使用できる。溝５としては、図示されているような断面が台形状の溝に限らず、Ｖ字状の溝でもよい。シリコン基板の（１００）面を異方性エッチングすると、エッチングに方向性が生じるため、図示されているような断面が台形の溝やＶ字状の溝が形成される。このような異方性エッチングにより形成された断面が台形状又はＶ字状の溝はレンズなどの素子類を溝内に安定的に装入することができるので好都合である。溝５が不要であれば、溝５を有し無いシリコン基板を準備すればよい。
【００３３】
図２の（２）において、シリコン基板３の台形状溝５の上面に所定の開口パターンを有するマスク１７を載置する。次いで、図２の（３）において、マスク１７の開口パターンを介して、露出された台形状溝５の表面に金属イオンを打ち込む。本発明において金属イオンを打込むために使用されるイオン打込み装置自体は当業者に公知である。イオン打込み装置はイオン注入装置と呼ばれることもある。このようなイオン打込み装置は、加速電圧１０〜４００ｋｅＶ、ビーム電流数ｎＡ〜１０ｍＡで、使用可能な最大ビーム電流によって小電流形（〜１００μＡ）、中電流形（〜５００μＡ）、大電流形（〜１ｍＡ）、プレデポジション形（〜１０ｍＡ）に大別される。基板のシリコンと固溶することができる金属イオンであれば、容打込む金属イオンは原則として何でも良い。しかし、一般的に、打込まれる金属イオンは１００ｋｅＶ以上の高いエネルギーを有する金属イオンを用いることが好ましい。エネルギーの低い金属イオンをシリコン基板に打込んだ場合、金属混入層７が不完全なものとなり、シリコン基板３と金属被膜９とを十分な密着度で形成できなくなる。従って、打ち込まれる金属イオンは例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕなどが好ましい。Ａｕなどの原子量の大きな金属イオンは大きな加速エネルギーを与えなくてはならないため、大がかりなイオン打込み装置を必要とするので、工業生産性の観点からは、特にＮｉが好ましい。金属イオンエネルギーに対する原子量と打込み深さの関係を図４に示す。図４に示されるように、Ｎｉは１００ｋｅＶのイオンビーム強度で１００ｎｍ〜２００ｎｍの深さの金属混入層を形成できる。Ａｕの場合、１００ｎｍ〜２００ｎｍの深さの金属混入層を形成するには５００ｋｅＶのイオンビーム強度が必要である。この結果から、Ｎｉが特に好ましいことが理解できる。
【００３４】
金属イオン打込みにより図２の（４）に示されるように、シリコン基板３の台形状溝５の内壁面に金属混入層７を形成する。金属混入層７の膜厚は１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であることが好ましい。金属混入層７の膜厚が１００ｎｍ未満の場合、シリコン基板３と金属被膜９との密着性改善効果が不十分となる。一方、金属混入層７の膜厚が２００ｎｍ超の場合、シリコン基板３と金属被膜９との密着性改善効果が飽和するばかりか、シリコン基板３が脆くなるので好ましくない。
【００３５】
次いで、マスク１７を除去してから、図２の（５）に示されるように、金属混入層７の上面に金属被膜９を形成することにより本発明のシリコンベンチ１を完成させる。シリコン基板３に金属被膜９を直接形成しても、シリコン基板３に対する金属被膜９自体の付着力は極めて弱いため、金属被膜９は金属混入層７を介してシリコン基板３に設けなければならない。量産性の観点から、金属被膜９は無電解メッキ法により鍍着することが好ましい。金属被膜９は、電気伝導性又は熱伝導性の良い金属を主成分とする材料から形成することが好ましい。同様に、金属被膜９としては、半田の濡れ性の高い金属が好ましい。このような電気伝導性又は熱伝導性と半田濡れ性の両方の要件を同時に満たす金属被膜９の形成材料としてはＡｕ又はＡｕとＳｎとの合金を主成分とする材料が挙げられる。無電解メッキ法自体は当業者に公知であり、特に説明を要しないであろう。金属被膜９の膜厚は一般的に、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましい。金属被膜９の膜厚が５０ｎｍ未満の場合、電気伝導性又は熱伝導性改善効果、半田の濡れ性改善効果が不十分となるばかりか、実装素子の接合に不都合を来すことがあるので好ましくない。一方、金属被膜９の膜厚が１μｍ超の場合、電気伝導性又は熱伝導性改善効果、半田の濡れ性改善効果及び実装素子接合性改善効果が飽和し、不経済となるだけである。
【００３６】
図３は、図１に示されるシリコンベンチ１に実装素子（例えば、光学レンズ）１１を金属的結合により強固に固定した状態を示す概要断面図である。金属的結合による固定とは、例えば、半田付け、溶接などによる固定をいう。簡単な装置で固定できる点では半田付けが優れている。図３に示された実施態様では、実装素子（光学レンズ）１１は半田層１５を介してシリコンベンチ１の金属被膜９に接合されている。斯くして、実装素子（光学レンズ）１１をシリコンベンチ１に長期間にわたって安定的に担持させることができる。半田層１５による接合を助けるために、実装素子（光学レンズ）１１の外面にメタライズド層１３を形成しておくことが好ましい。
【００３７】
半田層１５の形成材料としてはＪＩＳ・Ｈ４３４１に規定されているような公知慣用の半田材料を適宜選択して使用できる。例えば、ＰｂＳｎ系合金及びこれに少量のＢｉ又はＳｎなどの低溶融性金属を含む合金系半田材料が好ましい。これらの半田材料の融点は高くても約３００℃程度であり、シリコンベンチ１や実装素子１１などに熱的な悪影響を及ぼす心配は無い。
【００３８】
実装素子１１の外面をメタライズする方法としては、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。実装素子には円柱及び直方体などの様々なタイプがあり、量産性を考慮した場合、物理蒸着法で円柱及び直方体の実装素子の外周全域にわたってメタライズすることは困難である。従って、実装素子石英フェルールを全面浸漬する事が可能な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。
【００３９】
実装素子１１の外面を無電解メッキ法でメタライズする場合、例えば、実装素子を置換型無電解金メッキ浴に浸漬し、実装素子外表面に金又は金合金（例えば、ＡｕＳｎ）膜をメッキする。金又は金合金膜の鍍着膜厚は例えば、実装素子１１の無電解メッキ浴への浸漬時間を調整することにより制御することができる。実装素子１１が光学レンズ、光ファイバ、石英フェルールなどのようなガラス製品である、ガラス面への金又は金合金膜の付着力が極めて弱いために、例えば、最初にＮｉ合金膜を下地層として鍍着し、次いで、このＮｉ合金下地膜の外面に金又は金合金膜を鍍着することが好ましい。また、“半田食われ”を防止するためＮｉ合金下地膜の膜厚を１μｍ以上にすることが好ましい。
【００４０】
図３において、実装素子１１として光学レンズの他、光ファイバ、レーザダイオード、光スイッチ、半導体、コンデンサ、光電変換素子などの種々の素子を実装させることができる。特に、レーザーダイオードなどの能動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、熱が原因で誤作動を起こす可能性がある。本発明のシリコンベンチ１では金属被膜９が存在するので、この金属被膜９はシリコン基板３から効率的に熱を逃がすように、放熱膜として用いることができる。これにより、シリコンベンチ１に光通信用素子を実装することにより作製された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、実装素子が光電変換素子である場合、前記金属被膜９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ができる。
【実施例】
【００４１】
実施例１
厚さ１．５ｍｍで（１００）面のシリコン基板に異方性エッチング処理を施し、幅１０００μｍ、深さ５００μｍ、長さ５ｍｍの断面が台形状の溝を食刻した。この台形状溝部分に、以下の手順で、金属混入層と金属被膜を形成した。
(1)金属混入層の形成
前記シリコン基板の台形状溝部以外の部分にマスクを施し、２００ｋｅＶのイオン注入機により、Ｎｉイオンの打ち込みを行った。
(2)金属被膜鍍着工程
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中に前記シリコン基板を５分間浸漬し、金属被膜（Ａｕ膜）を設け、シリコンベンチを作製した。
得られたシリコンベンチの金属被膜とシリコン基板境界部を表層付近の断面ＳＥＭ像を観察した。境界部付近には、シリコンに金属が混入している混入層が形成されていた。この金属被膜部分をスコッチ(Scotch)社製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。
また、シリコンベンチの台形状溝部に、外表面にメタライズド層を有する光学レンズを搭載し、半田により固定した。１５０℃、９０％ＲＨの環境下に１００時間放置したが、金属被膜の剥離、半田の割れ、光学レンズの脱落等の現象は一切見られなかった。
【００４２】
比較例１
実施例１と同様の台形状溝を有するシリコン基板を作成し、台形状溝以外の部分にマスクを施した。その後、スパッタ法を用いて、下地層としてＴｉ／Ｐｔ層を形成し、その下地層を介してＡｕからなる金属被膜を成膜し、シリコンベンチを作製した。実施例１と同様の方法で、ピール試験を行ったが、Ａｕ金属被膜の剥離は生じなかった。
また、シリコンベンチの台形状溝部に、外表面にメタライズド層を有する光学レンズを搭載し、半田により固定しようとした際、Ａｕ金属被膜の剥離を生じた。下地層が通常の成膜方法により形成されている場合、シリコン基板と金属被膜との密着強度が弱く、高温下で問題となることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のシリコンベンチに光学レンズやレーザダイオードなどの光通信用素子を実装することにより作製された光通信部品は、高温高湿度の環境下で長時間連続的に使用することを可能にする高耐久性を有する。従って、従来の光通信部品では対応不可能であった非常に過酷な状況においても高い信頼性を発揮し、広範な産業上の用途で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のシリコンベンチの一例の概要断面図である。
【図２】図１に示されたシリコンベンチの製造過程の一例を説明する工程図である。
【図３】図１に示されたシリコンベンチに光学レンズを実装した状態を示す概要断面図である。
【図４】金属イオンエネルギーに対する原子量と打込み深さの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  本発明のシリコンベンチ
３  シリコン基板
５  台形状溝
７  金属混入層
９  金属被膜
１１  光学レンズ
１３  メタライズド層
１５  半田層
１７  マスク   
【図１】
2005134524.tif 000003
【図２】
2005134524.tif 000004
【図３】
2005134524.tif 000005
【図４】
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