阅读说明：本技术 合成石英玻璃空腔件、合成石英玻璃空腔盖、光学装置封装体和制造方法 (Synthetic quartz glass cavity, synthetic quartz glass cavity cover, optical device package and manufacturing method ) 是由 松井晴信 原田大实 冈藤大雄 山崎裕之 竹内正树 于 2019-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种合成石英玻璃空腔件、合成石英玻璃空腔盖、光学装置封装体和制造方法。具体地,将合成石英玻璃空腔件(1)连接至其上安装有光学装置(7)的基材(6),使得该装置可容纳在空腔件中。由与装置(7)相对的顶表面(2a)和侧表面(3a)构成的内表面限定空腔件(1)。顶表面(2a)是镜面表面并且侧表面(3a)是粗糙表面。(The invention relates to a synthetic quartz glass cavity, a synthetic quartz glass cavity cover, an optical device package and a manufacturing method. Specifically, a synthetic quartz glass cavity member (1) is attached to a substrate (6) on which an optical device (7) is mounted so that the device can be accommodated in the cavity member. The inner surface, constituted by a top surface (2a) and a side surface (3a) opposite the means (7), defines the cavity (1). The top surface (2a) is a mirror surface and the side surface (3a) is a rough surface.)

具体实施方式

在以下描述中，在附图中显示的几个视图中相同的附图标记表示相同的或对应的部分。术语“顶部”“底部”等仅用于方便描述，并不限制于任何一个位置或空间取向。具有活性表面的光学装置涵盖具有光发射表面的光发射装置和具有光接收表面的光接收装置。因此，活性表面是指光发射或接收装置的光发射或接收表面。

合成石英玻璃空腔件

本发明的一个实施方案是合成石英玻璃空腔件，其适合于连接至其上安装有光学装置的基材，使得可将该装置容纳在该空腔件中。该空腔件由与该光学装置的活性(active)表面相对的表面部分和剩余表面部分构成的内表面，该相对的表面部分为镜面表面并且该剩余表面部分为粗糙表面。

图1和2说明了一个示例性合成石英玻璃空腔件1。图1是空腔件1的平面图，并且图2是取自图1中的线Ⅱ-Ⅱ的横截面视图。空腔件1横截面为倒凹状(inverted recess)形状或矩形箱形状，具有顶壁2、侧壁3和底部开口4，由合成石英玻璃形成顶壁2和侧壁3。

如图2中最好显示的，空腔件1的内表面由与光学装置的活性表面相对的表面部分(即顶壁2的内表面2a)和剩余表面部分(即侧壁3的内表面3a)构成，相对的表面部分2a为镜面表面并且剩余表面部分3a为粗糙表面。因为与光学装置的活性表面相对的表面部分2a是传输光的表面，所以表面部分2a为镜面表面以便提高光提取效率。从相同的观点看，顶壁2的外表面2b优选也为镜面表面。空腔件内表面除顶壁内表面之外的剩余表面部分(即侧壁3的内表面3a)为粗糙表面使得光不可从除与光学装置的活性表面相对的表面之外的任何表面部分逃离，即内表面3a可充当内反射的伪反射器。没有特别限制，侧壁3的外表面3b可为粗糙表面或镜面表面。

从提高光从相对表面的提取效率的观点看，空腔件壁的粗糙表面优选具有0.1-0.5μm、更优选0.1-0.4μm的表面粗糙度(Ra)，并且空腔件的镜面表面优选具有0.05-0.4nm、更优选0.05-0.2nm的表面粗糙度(Ra)。需要说明，通过表面粗糙度测量仪器例如Surfcom480A(Tokyo Seimitsu Co.,Ltd.)测量表面粗糙度(Ra)。

假设提供了用于容纳光学装置的入口的空腔件1的开口4具有宽度或直径w1，并且传输光的空腔件的顶壁2的内表面2a具有宽度或直径w2，从光的传输和提取效率的观点看，优选w1:w2的比例范围在0.8:1.0-1.2:1.0(或0.8:1.0-1.0：1.2)，更优选0.9:1-1.2:1.0(或0.9:1-1.0：1.2)。

只要满足比例w1:w2的范围，空腔件1可为具有封闭顶部的柱状形状以及具有底部开口的横截面倒凹状形状(或矩形箱形状)。优选给出空腔件开口的宽度或直径w1与顶壁内表面的宽度或直径w2较小比率的形状。

合成石英玻璃空腔盖

图3说明在本发明另一个实施方案中合成石英玻璃空腔盖10。盖10由以上限定的合成石英玻璃空腔件1和在空腔件的侧壁3下端3c上形成的胶黏剂层5构成。例如，空腔盖10在其胶黏剂层5处连接至在其上安装光学装置7的基材6以构造光学装置封装体，其中在空腔件中容纳光学装置。构造了具有胶黏剂层5形式的气密密封(通常为金属密封)的光学装置封装体。

胶黏剂层可为含有环氧树脂或有机硅树脂的树脂基的胶黏剂层或者含有金属或金属混合物的金属基的胶黏剂层。

树脂基的胶黏剂层由含有树脂的糊剂形成并且具有网状或三维结构，并且可连接至各种材料，包括合成石英玻璃基材、陶瓷基材和金属基材。

金属基的胶黏剂层由含有金属的糊剂形成，该金属优选选自由金、银、铜、钯、铟、锡和铋和它们的混合物构成的组，更优选银、锡、铜和铋中一种或多种。通过烧结金属糊剂形成金属合金。

树脂或金属基糊剂可含有分散介质，其优选为有机溶剂。作为有机溶剂，从溶解树脂或防止金属颗粒在金属糊剂中整合在一起的观点看，空间位阻大、极性低的环烷烃和具有8-12个碳原子的长链烷基醇是优选的。树脂糊剂中分散介质的优选含量为至少10重量％和至多40重量％。金属糊剂中分散介质的优选含量为至少3重量％、更优选至少5重量％和至多20重量％、更优选至多15重量％。

合成石英玻璃是SiO₂的非晶材料。如果通过具有有序晶体结构的单一金属颗粒的胶黏剂层将石英玻璃连接至基材，在基材和玻璃之间界面处的粘附差。这意味着，当使用单一金属颗粒的胶黏剂层作为密封剂时，这是较不耐水的或对外部冲击较不稳定，从而导致光学装置封装体的破裂。据信用于形成金属基的胶黏剂层的金属糊剂是金属基的，但是不具有晶体结构，使得纳米水平的无序原子排列灵活地连接至合成石英玻璃表面。这在合成石英玻璃和胶黏剂层之间建立强的连接，提供耐水性和耐外部冲击性。因此优选的是，用于形成金属基的胶黏剂层的金属糊剂中的金属颗粒作为纳米颗粒存在。具体地，金属颗粒应优选具有至少5nm、更优选至少10nm和至多80nm、更优选至多60nm、甚至更优选至多40nm的一次颗粒尺寸，如通过动态光散射方法测量的。可通过与用于形成金属膜或金属化合物膜的金属糊剂中的金属颗粒相同的方法测量金属颗粒的一次颗粒尺寸，例如通过颗粒尺寸分析仪ELSZ-2000ZS或光散射分光光度计DLS-8000系列(Otsuka Electronics Co.,Ltd.)。

胶黏剂层的厚度可设定为适合于特定类型的光学装置封装体并且没有特别受限制。优选地，胶黏剂层具有至少10μm、更优选至少20μm和至多70μm、更优选至多60μm、甚至更优选至多50μm的厚度，如通过显微镜例如VHX-6000(Keyence Corp.)测量的。

考虑到当空腔盖与基材对齐并连接时经常施加压力的连接工序，胶黏剂层的宽度优选小于空腔件的侧壁下端的宽度，特别地80至95％、更特别85至95％、甚至更特别90至95％的空腔件的侧壁下端的宽度。

在一个实施方案中，在空腔件连接至基材之前立即将形成胶黏剂层的树脂或金属基糊剂施加至空腔件的侧壁下端。在另一个实施方案中，在空腔件的侧壁下端上预先形成胶黏剂层以构造空腔盖。在任一实施方案中，将空腔件的侧壁下端上的树脂或金属基糊剂优选加热至乙阶，即加热至使得糊剂不可流走的程度。

用于制造合成石英玻璃空腔件的方法

本发明的另外实施方案是用于制造合成石英玻璃空腔件的方法，其包括以下步骤：

在多个位置处钻孔合成石英玻璃基材以形成多个通孔，

在穿孔的合成石英玻璃基材上放置另一个合成石英玻璃基材以形成层合体，另一合成石英玻璃基材具有与穿孔的合成石英玻璃基材相对的镜面表面，和

在相邻的通孔之间的位置处将层合体切分成多个分立的合成石英玻璃空腔件。

玻璃基材

在形状方面不特别限制起始的和其它合成石英玻璃基材。例如，可使用具有4-8英寸(101.6-203.2mm)直径的圆形合成石英玻璃基材或具有一侧为4-6英寸(101.6-152.4mm)的矩形合成石英玻璃基材。鉴于当两个基材连接成层合体时的未对齐和强度，起始的或其它合成石英玻璃基材优选具有0.05-1.0nm、更优选0.05-0.5nm的表面粗糙度(Ra)。起始的或其它合成石英玻璃基材的厚度优选等于空腔件的期望深度。

钻孔

在多个位置处对起始的合成石英玻璃基材钻孔以形成多个通孔的步骤可为通过喷砂或通过使用机加工中心。

喷砂工艺是例如通过使用具有跨越起始玻璃基材的表面在X和Y方向上水平移动的喷嘴的设备，并且与空气喷射流一起向基材表面注射磨粒以在多个位置处在基材中形成多个通孔。磨粒优选为氧化铝或碳化硅，但不限于此。用于喷砂的磨粒优选具有#600至#3000的尺寸(或平均晶粒尺寸30-6μm)。

具体地，钻孔工艺可为喷砂起始基材的前表面或后表面的工艺，或者喷砂起始基材的前表面和后表面两者的工艺，同时逐步地改变磨粒的尺寸和喷砂压力。喷砂起始基材的前表面和后表面两者的工艺优选是出于以下目的，最小化或消除由通孔的锥度所致在起始基材的前表面和后表面之间开口宽度或直径的差异。

在喷砂工艺中，使用胶黏剂将具有对应于90-95％的通孔期望开口宽度或直径的钻孔样式的膜掩模附接至(待穿孔的)起始基材的表面。不特别限制膜掩模的材料，只要在喷砂结束时在基材上没有留下残余物即可。脆的材料例如陶瓷和玻璃是优选的。本文使用的胶黏剂通常选自脆的易断裂或低弹性胶黏剂，例如基于二氧化硅的胶黏剂、陶瓷胶黏剂和水泥。

在起始基材上通过膜掩模进行喷砂，由此立即研磨基材上未被膜掩模覆盖的区域直至形成通孔。

在通孔形成之后，如果在前表面上通孔的宽度或直径与后表面上通孔的宽度或直径的比率在预定的范围(空腔件的w1:w2比率)以外，通过蚀刻进行适当的修正以最小化由锥度所致的在玻璃基材的前表面和后表面之间开口宽度或直径的差异。

通过喷砂钻孔的通孔(研磨的)内表面是粗糙表面，具有优选0.1-0.5μm、更优选0.1-0.3μm的表面粗糙度(Ra)。在这一点，可通过计算机控制系统调节喷砂喷嘴的移动方向、移动速度和气动压力使得研磨的表面可变为具有预定粗糙度的粗糙表面。具体地，因为气动压力与磨粒和喷嘴-基材距离相互关联，所以气动压力没有定为固定值并且按照去除速率和研磨深度来调节。例如，当绿色的(green)碳化硅(GC)或白色的(white)氧化铝(alundum)(WA)用作磨粒时，气动压力优选为0.15-0.30MPa。

在其中钻孔步骤使用机加工中心的另一实施方案中，机加工玻璃基材的前表面和后表面两者的工艺优选出于以下目的：最小化由通孔的锥度所致的在玻璃基材的前表面和后表面之间开口宽度或直径的差异。

机加工步骤使用配备有金刚石砂轮的机加工中心或数字控制的钻机，在这样的机加工条件下旋转并移动金刚石砂轮使得不引起玻璃基材经机加工表面的开裂、龟裂或脱落，由此用于钻得具有预定尺寸或深度的通孔。具体地，通过使用具有电镀或金属键合的金刚石或CBN磨粒的磨轮，并且以优选100-60000rpm、更优选1000-40000rpm的轴转速和优选1-10000mm/min、更优选10-1000mm/min的研磨速率旋转砂轮来进行机加工。

合成石英玻璃基材的层合

在钻孔步骤之后是连接第二合成石英玻璃基材与具有多个通孔的第一合成石英玻璃基材以形成层合体的步骤。

从玻璃基材的挠曲观点看，待连接至第一玻璃基材的第二玻璃基材具有优选与第一玻璃基材相同的尺寸和优选至少0.2mm、更优选至少0.3mm的厚度。第二玻璃基材厚度的上限不是关键的并且从光提取效率的观点看，优选为至多0.6mm。

连接至第一玻璃基材的第二玻璃基材的表面至少在对应于钻孔的玻璃基材中通孔的区域上是镜面表面。优选地，连接至第一玻璃基材的第二玻璃基材的表面是镜面表面。镜面表面优选具有至多0.3nm、更优选至多0.2mm和至少0.05nm的表面粗糙度(Ra)。最优选地，第二玻璃基材的前表面和后表面都是镜面表面。

连接第一玻璃基材与第二玻璃基材的步骤可包括对齐地(如果两个玻璃基材具有相同的尺寸)放置两个玻璃基材并将它们连接在一起。虽然不需要施加任何载荷至玻璃基材，但是可施加约50gf或更小的轻载荷以防止连接未对齐。

一旦将第二(未钻孔)玻璃基材放置在具有通孔的第一(钻孔的)玻璃基材上，就将层合体放入炉中，优选在该炉中在1000-1200℃下加热2-4小时以将两个玻璃基材牢固地连接在一起。

在连接之后，如有必要，可在一个表面上抛光第二(未钻孔)玻璃基材直至最终玻璃空腔件顶壁的厚度达到期望值。

切分

在层合步骤之后是将层合体切分成多个分立的合成石英玻璃空腔件的步骤。

通过例如切割锯在相邻的通孔之间的位置处将层合体或连接的玻璃基材切分成多个分立的空腔件(即分割)。优选地，将层合体切分成多个1-5mm见方部件。

考虑了形成胶黏剂层的随后步骤，优选将切分的层合体送至随后步骤，而保持切割带附着至第二(未钻孔)玻璃基材，即玻璃空腔件的顶壁外表面。

用于制造空腔盖的方法

本发明的又一另外实施方案是用于制造空腔盖的方法，包括在空腔件的侧壁下端上形成胶黏剂层的步骤。

胶黏剂层可为树脂或金属基的胶黏剂层。可通过提供含有树脂和分散介质的糊剂或者含有至少一种选自金、银、铜、钯、铟、锡和铋的元素和分散介质的糊剂，并且由分散、丝网印刷、压花(stamping)或喷墨印刷将该糊剂施加至空腔件的侧壁下端来形成树脂或金属基的胶黏剂层。当期望通过单个步骤以高精度形成胶黏剂层时，优选能够在一个道次施加胶黏剂糊剂的丝网印刷技术。

形成胶黏剂层的树脂或金属基糊剂如之前所述，并且胶黏剂层的厚度和宽度也如之前所述。

可通过在小于固化温度的温度下加热将金属基糊剂转化为乙阶。从待密封在空腔件中的装置耐热性的观点看，优选在100-350℃、更优选100-300℃、甚至更优选150-300℃的温度下固化形成胶黏剂层的金属基糊剂。

由此获得的合成石英玻璃空腔盖可用于密封各种光学装置。特别当以稳定的方式传输波长280nm或更短的光的合成石英玻璃被用作空腔件时，空腔盖可与能够发射或接收UV-C光(波长240-300nm)或DUV光(波长170-240nm)的光学装置使用。

光学装置封装体和制造

本发明的另外实施方案是光学装置封装体，其包含空腔盖(2,3,5)和其上安装有光学装置7的基材6，如图4中所示。空腔盖设置在基材6上并与其通过胶黏剂层5连接使得装置7容纳在空腔件中。

光学装置选自光发射装置例如UV-LED、KrF受激准分子激光器和ArF受激准分子激光器，和光接收装置例如火焰传感器。

其上安装有光学装置的基材通常选自氧化铝基的陶瓷基材、氮化铝基的陶瓷基材和铜板。还包括前述基材，其具有金、银、铂或铬的金属层或者在它们的表面上的氮化铬、氧化钛等的金属化合物层。分别地，当在空腔件的侧壁内表面上涂布反射材料时，涂层可充当镜子。

通过以下制造光学装置封装体：在基材(其上安装有光学装置)上设置空腔盖，调节它们对齐，使胶黏剂层与基材接触，并且连接空腔盖至基材以构造在空腔件中容纳光学装置的封装体。

优选地，如果必要，在堆叠状态下加热空腔盖和其上安装有光学装置的基材。从光学装置耐热性的观点看，热处理的温度或固化温度优选为150-330℃，并且热处理的时间优选为1-60分钟、更优选1-30分钟。还优选地，同时施加压力。用于连接或加热连接部的气氛是空气气氛或不活泼气体气氛例如氮气。当空腔盖具有处于乙阶的金属基糊剂的胶黏剂层时，加热导致金属基胶黏剂层被压缩使得其中的金属颗粒紧密连接，从而建立更气密的密封。

实施例

通过说明的方式而非通过限制的方式以下给出本发明的实施例。

实施例1

提供具有为镜面表面的前表面和后表面(Ra＝0.3nm)的合成石英玻璃晶片或基材(直径101.6mm，厚度0.4mm)作为第一基材。将具有包括0.8mm见方孔径样式的膜掩模附着至玻璃基材的前表面。通过喷砂在玻璃基材的整个表面上对该玻璃基材钻孔以形成通孔。对于喷砂而言，在0.22MPa的气动压力下喷射磨粒WA#1200(Showa Denko K.K.)。

在喷砂结束时，通孔具有在基材前表面上的宽度0.82mm的方形开口和在基材后表面上的宽度0.81mm见方的方形开口(w1：w2＝1.0：1.0)。

将具有为镜面表面的前表面和后表面(Ra＝0.13nm)的另一个合成石英玻璃基材(直径101.6mm，厚度0.3mm)连接至具有多个通孔的第一基材，并且保持在1100℃下电炉中2小时将两个玻璃基材连接在一起。

通过切割锯在通孔之间的位置处将玻璃基材层合体切分成多个1.2mm见方部件(合成石英玻璃空腔件)。

使用分配器将有机硅树脂胶黏剂(KER-3000-M2，Shin-Etsu Chemical Co.,Ltd.)涂布至空腔件的侧壁下端以形成具有250μm宽度和15-20μm厚度的线性(linear)涂层，从而获得合成石英玻璃空腔盖。

在氧化铝基陶瓷基材(其上安装有火焰传感器)上设置空腔盖，在150gf/封装体的载荷下临时连接，并且在200℃下在干燥炉中加热连接1小时，从而完成光接收火焰传感器封装体。

将光接收火焰传感器封装体放置靠近发射在UV区域中的光的火焰。确认了通过合成石英玻璃捕获来自火焰的光从而传感器工作正常，同时任何地方都没有观察到胶黏剂层因玻璃空腔件或氧化铝基陶瓷基材的应力而剥落。封装体显示令人满意的性能。

实施例2

提供具有为镜面表面的前表面(Ra＝0.25nm)的合成石英玻璃晶片或基材(直径152.4mm，厚度0.3mm)作为第一基材。使用机加工中心，在玻璃基材的整个表面上对该玻璃基材钻孔。机加工中心配备有金刚石砂轮，其在20000rpm的轴转速和50mm/min的研磨速率下工作。以这种方式，在玻璃基材中形成多个通孔。在玻璃基材前表面和后表面上的开口都具有2.52mm的直径。

将具有为镜面表面的前表面和后表面(Ra＝0.13nm)的另一合成石英玻璃基材(直径152.4mm，厚度0.3mm)连接至具有多个通孔的第一基材，并且在1050℃下保持在电炉中4小时将两个玻璃基材连接在一起。

将(形成顶壁的)未穿孔的玻璃基材在其外表面上抛光(单侧研磨)直至空腔件的顶壁达到0.2mm的厚度。

通过切割锯在通孔之间的位置处将玻璃基材层合体切分成多个3.5mm见方的部件(合成石英玻璃空腔件)。

通过丝网印刷在每个空腔件的侧壁下端上涂布由30重量％银、30重量％锡、25重量％铋和15重量％铜构成的金属性玻璃或合金(玻璃化转变温度300℃)以形成具有240μm宽度和15-20μm厚度的线性涂层，并在100℃下加热25分钟，从而获得具有乙阶的金属性玻璃层的合成石英玻璃空腔盖。

在镀金的氮化铝基材上，安装能够发射285nm波长的光的UV-LED芯片。连接空腔盖与基材，同时在250℃下加热10分钟并施加1kgf/封装体的载荷，使得芯片容纳在空腔件中，从而完成光学装置封装体。

激活UV-LED芯片以发射具有285nm波长的光超过5000小时。任何地方都没有观察到胶黏剂层因玻璃空腔件或氮化铝基材的应力而剥落，并且没有观察到由短波长285nm的光对胶黏剂层的损害。短波长光学装置封装体显示令人满意的性能。

通过引用将日本专利申请No.2018-137374并入本文。

尽管描述了一些优选实施方案，但可以鉴于上述教导做出很多修改和改变。因此应当理解，可以以不同于上述的方式实践本发明而不偏离所附权利要求的范围。