CN111566065B - 功能元件和功能元件的制造方法以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的实施例的功能元件包括：第一基板；第二基板，布置成与所述第一基板对置；以及缓冲层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间，并且具有在层的厚度方向上变化的金属元素的浓度分布。

Description

功能元件和功能元件的制造方法以及电子设备
技术领域
本公开涉及功能元件及其制造方法以及包括该功能元件的电子设备，该功能元件包括例如粘在一起的两个或更多个透光基板。
背景技术
在接合透光物质的情况下，通常使用以下方法：其中将这些物质用包括丙烯酸聚合物作为材料的粘合剂粘在一起，然后通过用紫外线照射来接合这些物质。然而，已知固化的粘合剂由于紫外线等而变化其性质并劣化。为了应付这种情况，例如，专利文献1公开了包括作为要接合的构件的两种物质的结构。通过使用原子扩散接合方法，两种物质在没有粘合剂的情况下被接合。
引文列表
专利文献
专利文献1：日本未审查专利申请公开No.2010-46696
发明内容
顺便提及，要接合的透光构件的接合除了要抵抗要接合的构件之间的接合的劣化之外，还需要接合部的高透光性。
期望提供使得可以改善可靠性的功能元件、该功能元件的制造方法以及包括该功能元件的电子设备。
根据本公开的实施例的功能元件包括：第一基板；第二基板，布置成与第一基板对置；以及缓冲层，设置在第一基板和第二基板之间。缓冲层在其层中具有金属元素的浓度分布。该分布在膜厚度方向上变化。
根据本公开的实施例的功能元件的制造方法包括：将第一基板和第二基板接合；以及在第一基板和第二基板之间形成缓冲层。缓冲层在其层中具有金属元素的浓度分布。该分布在膜厚度方向上变化。
根据本公开的实施例的电子设备包括根据本公开的实施例的上述功能元件。
在根据本公开的实施例的功能元件和根据实施例的功能元件的制造方法以及根据实施例的电子设备中，第一基板和第二基板越过缓冲层接合，缓冲层在其层中具有金属元素的浓度分布。该分布在膜厚度方向上变化。这允许在没有粘合剂的情况下将第一基板和第二基板接合，并且使得可以改善接合部的透光性。
根据本公开的实施例的功能元件、根据实施例的功能元件的制造方法以及根据实施例的电子设备，第一基板和第二基板越过缓冲层接合，该缓冲层在其层中具有金属元素的浓度分布，因此形成不包括粘合剂并且具有高透光性的接合部。分布在膜厚度方向上变化。因此，可以提供具有高可靠性的功能元件。
要注意的是，这里描述的效果不必被限制，而是可以包括本公开中描述的任何效果。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的功能元件的配置的示意性截面图。
图2是示出图1中所示的缓冲层中的金属元素的浓度变化的示例的图。
图3是示出图1中所示的缓冲层中的金属元素的浓度变化的另一示例的图。
图4A是示出图1中所示的功能元件的制造方法的示例的示意性截面图。
图4B是示出图4A之后的过程的示意性截面图。
图4C是示出图4B之后的过程的示意性截面图。
图5A是示出退火处理之前的图4C中所示的各层中的金属元素的浓度分布的特性图。
图5B是示出退火处理之后的图4C中所示的各层中的金属元素的浓度分布的特性图。
图6A是示出图1中所示的功能元件的制造方法的另一示例的示意性截面图。
图6B是示出图6A之后的过程的示意性截面图。
图6C是示出图6B之后的过程的示意性截面图。
图7A是示出退火处理之前的图6C中所示的各层中的金属元素的浓度分布的特性图。
图7B是示出退火处理之后的图6C中所示的各层中的金属元素的浓度分布的特性图。
图8是根据本公开的修改示例的功能元件的配置的示意性截面图。
图9是示出应用示例的示例的示意性截面图。
图10是示出实验示例1-1和1-2中的每一个中的接合部的透射率与Ti膜的厚度之间的关系的特性图。
图11是示出实验示例1-3和1-4中的每一个中的接合部的透射率与Ti膜的厚度之间的关系的特性图。
图12是示出实验示例1-1和1-2中的每一个中的接合部的强度与Ti膜的厚度之间的关系的特性图。
图13是示出实验示例1-3和1-4中的每一个中的接合部的强度与Ti膜的厚度之间的关系的特性图。
图14是示出实验示例2-1和2-2中的各个光谱特性的图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本公开的实施例。以下描述是本公开的具体示例，但是本公开不限于以下模式。另外，本公开不限制在其图中所示出的各个部件的部署、尺寸、尺寸比率等。要注意的是，以以下顺序给出描述。
1.实施例(包括在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布的缓冲层作为接合部的功能元件的示例)
1-1.功能元件的配置
1-2.功能元件的制造方法
1-3.工作和效果
2.修改示例(包括在布置成彼此对置的基板之间的功能层的功能元件的示例)
3.应用示例
4.工作示例
<1.实施例>
图1示出了根据本公开的实施例的功能元件(功能元件1)的截面配置。该功能元件1具有其中要接合的两个或更多个构件被粘在一起的堆叠结构，并且例如被包括在投影仪等中使用的光学元件中(例如，参见图9)。根据本实施例的功能元件1具有以下配置：其中基板11(第一基板)和基板21(第二基板)越过在缓冲层12接合，该缓冲层12在堆叠方向(膜厚度方向；例如，Y轴方向)上具有变化的金属元素的浓度分布。基板11(第一基板)和基板21(第二基板)是要接合的构件。
(1-1.功能元件的配置)
基板11和基板21只要具有平坦的接合面即可，对基板11和基板21没有特别限定；例如，基板11和基板21各自包括无机材料、金属材料、塑料材料或某种其它材料。无机材料的示例包括硅(Si)、氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氧化铝(AlOx)、YAG(钇铝石榴石)、碳化硅(SiC)、金刚石等。氧化硅的示例包括玻璃、旋涂玻璃(SOG)等。金属材料的示例包括铝(Al)、镍(Ni)、不锈钢等。塑料材料的示例包括聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚醚酮(PEEK)等。基板11和基板21可以是透光基板，或者可以是非透光基板。透光基板的示例包括玻璃或石英基板等。
优选的是，基板11和基板21的接合面具有平滑性。具体而言，基板11和基板21的接合面优选具有例如0.5nm以下的算术平均粗糙度(Ra)；然而，例如，在接合时难以通过施加压力而使接合面塑性变形并紧密粘合的无机材料的情况下，基板11和基板21的接合面仅必须具有例如1nm以下的算术平均粗糙度(Ra)。
缓冲层12是将基板11和基板21接合的接合部，并且如上所述，缓冲层12在其层中具有在膜厚度方向(Y轴方向)上变化的金属元素的浓度分布。例如，缓冲层12具有以下配置：其中越过金属材料的氧化物层(金属氧化物层)，在基板11侧和基板21侧均设置有各自包含供氧材料的供氧层(供氧层13和22)。金属氧化物层例如通过稍后将描述的金属膜14和23被从供氧层13和22供应的氧所氧化而形成。在金属氧化物层与供氧层13和22之间形成上述金属元素的浓度分布。
图2示出了缓冲层12中的金属元素的浓度变化的示例。在图2中，横轴指示缓冲层12中的膜厚度方向上的位置；例如，Y0表示与基板11的界面，并且Y1表示与基板21的界面。纵轴指示缓冲层12中的金属元素的浓度。例如，如图2中所示，缓冲层12具有例如从缓冲层12的内部朝向与基板11和基板21的界面在预定范围内连续降低的浓度分布。
此外，缓冲层12中的金属元素的浓度分布不限于此。例如，尽管稍后描述细节，但是缓冲层12可以具有仅在布置成彼此对置的基板之一的一侧(例如，在基板21侧)形成的包含供氧材料的供氧层。在这种情况下，在缓冲层12中，如图3中所示，形成例如从基板11侧朝向基板21例如在预定范围内连续降低的浓度分布。在稍后描述的将基板11和基板21接合的过程中形成图2和图3中所示的缓冲层12中的金属元素的浓度分布。
包含在缓冲层12中的金属材料的示例包括铝(Al)、硅(Si)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、镓(Ga)、锗(Ge)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、银(Ag)、铟(In)、锡(Sn)、铪(Hf)、钽(Ta)等。上述金属材料是各自形成缓冲层12中的上述浓度分布的金属元素，并且用作稍后将描述的金属膜14和23的材料。也就是说，形成缓冲层12中的浓度分布的金属元素源自金属膜14和23。
包含在缓冲层12中的供氧材料只要是在将稍后将描述的金属膜14和金属膜23接合之后允许金属膜14和23被氧化的材料即可。作为这样的材料，例如可以使用与氧化学键合的无机材料或金属材料。此外，可以使用允许氧物理地吸附并包含在由供氧层13和22中的晶界等形成的空隙中的材料。作为供氧材料，任一材料优选为比用作金属膜14和23的金属材料中的每一个具有更低的结合氧的能力的材料。供氧材料的示例包括无机氧化物(例如，SiOx)、金属氧化物(例如，氧化铝(Al2O3))、无机氮化物(例如，SiN)、无机氮氧化物(例如，SiON)、无机氟化物(例如，SiFx)等。
在此，结合氧的能力定义如下。例如，在将钛(Ti)用作金属膜14和23中包含的金属材料的情况下，金属膜14和23中包含的每种金属材料的氧结合能力是将钛原子化学地结合到氧原子的能力。此外，在将氧化硅(SiO2)用作供氧材料的情况下，供氧材料的氧结合能力包括将硅原子化学地结合到氧原子的能力以及将氧化硅(SiO2)结合到非共价的、被捕获的氧的能力。要注意的是，非共价的、被捕获的氧包括通过水捕获的氧和在膜中捕获的氧。
要注意的是，金属材料和供氧材料可以是结晶固体，或者可以是玻璃状固体(非结晶固体)。
在功能元件1用作例如光学装置或某个其它装置中的诸如偏振转换元件之类的光学元件的情况下，缓冲层12优选具有透光性，并且在功能元件1例如用于诸如MEMS之类的电气装置中的情况下，缓冲层12优选具有电绝缘性。在这种情况下，优选使用各自具有高透光性的材料或各自具有高电绝缘性的材料作为包含在缓冲层12中的金属材料和供氧材料。在本实施例中，如上所述，缓冲层12中包含的金属材料的一部分或全部被从供氧层13和22供应的氧等氧化，并且变为氧化物，并且构成金属氧化物层。这增加了缓冲层12的透光性和电绝缘性。
(1-2.功能元件的制造方法)
例如，可以以以下方式制造这样的功能元件1。
首先，如图4A中所示，使用例如使用电子束的真空沉积方法在基板11的接合面上形成厚度为例如2nm以上且20μm以下的供氧层13(第一缓冲层)。要注意的是，除了真空沉积方法之外，离子辅助沉积(Ion Assisted Deposition：IAD)方法、溅射方法、离子镀覆方法、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition：CVD)方法等可以用于形成供氧层13。然后，在供氧层13上形成具有微晶结构的金属膜(第一金属膜)14。
供氧层13包含上述供氧材料。如上所述，优选形成厚度例如为2nm以上且20μm以下的供氧层13；然而，供氧层13的厚度不限于此。例如，如果通过例如镜面抛光降低供氧层13的表面粗糙度，则可以形成厚度为20μm以上的供氧层13。
金属膜14具有微晶结构，并且包含上述金属材料或半金属材料。金属膜14优选具有允许由供氧层13生成的氧充分氧化金属膜14中包含的金属材料的厚度，并且期望其厚度比供氧层13足够薄。在本实施例中，如稍后所描述的，使用原子扩散接合方法利用重叠的金属膜14和金属膜23将基板11和基板21接合。此时，如果供氧层13和22的各个表面是光滑的，则尽管金属膜14和23各自具有例如0.2nm的超薄膜的厚度，仍可以进行接合。同时，在供氧层13和22各自具有高表面粗糙度的情况下，或者在当形成金属膜14和23时在金属膜14和23与供氧层13和22之间的每个界面处形成氧化反应层的情况下，有必要使金属膜14和22更厚。但是，接合强度随着金属膜的氧化的进行而增加。此外，金属膜14和23的厚度对于赋予缓冲层12以透光性和绝缘性是重要的。因此，优选金属膜14薄，并且例如为0.2nm以上且10nm以下。
金属膜14例如使用以下方法来形成。首先，例如，在具有高真空度的1×10-4至1×10-8Pa的极限真空的真空室中，例如，使用诸如溅射方法或离子镀覆方法之类的物理气相沉积(Physical Vapor Deposition：PVD)方法、CVD方法或各种气相沉积方法中的任何一种来例如形成厚度为例如0.2nm以上且10nm以下的Ti膜。要注意的是，在使用具有相对低的扩散速率的金属材料的情况下，优选的是使用真空成膜方法或溅射方法进行成膜，其中在生成使得可以增加形成的金属膜14的内部应力的等离子体的情况下进行成膜。
形成金属膜14时的真空室中的压力仅必须是极限真空为1×10-4至1×10-8Pa的真空气氛；然而，更优选更低的压力(更高的真空度)。这使得例如可以使用易氧化的材料，诸如Al。
在使用溅射方法形成金属膜14的情况下，成膜时的惰性气体(通常为氩气(Ar))的压力优选为可放电区域(例如，0.01Pa以上)。但是，存在可能无法在超过30Pa(300μbar)的压力进行接合的可能性，因此优选将上限设定为30Pa(300μbar)以下。这是因为Ar气压力的增加会增加要形成的金属膜14的表面粗糙度。
然后，类似于上述方法，在基板21上按顺序形成供氧层22和金属膜23。与上述的供氧层13和金属膜14一样，供氧层22和金属膜23分别包含上述供氧材料和上述金属材料。
要注意的是，可以在不同的装置中形成供氧层13和22；但是，期望在同一装置中在真空条件下形成金属膜14和23并如后所述将金属膜14与金属膜23接合。这减少了金属膜14和23的表面的氧化，并因此使得能够实现良好的接合。
然后，如图4B中所示，将设置在基板11上的金属膜14和设置在基板21上的金属膜23布置成彼此对置，并且如图4C中所示，使用例如原子扩散接合方法利用重叠的金属膜14和金属膜23将基板11和基板21接合。这使得在金属膜14和金属膜23与晶粒边界之间的接合界面处发生原子扩散，并且使得可以进行应变松弛接合。
最后，在例如100℃以上且800℃以下的环境下，放置接合的基板11和21作为退火处理。这形成了在基板11和基板21之间的在其层中具有金属元素的浓度分布的缓冲层12。如上所述，完成了图1中所示的功能元件1。
要注意的是，退火处理可以在与金属膜14和23的形成以及金属膜14和金属膜23的接合的条件相同的条件下进行，或者例如可以在装置外部的气氛中进行。此外，作为退火处理的下限的温度的100℃是等于或高于使用功能元件1的环境温度的温度的示例。作为退火处理的上限的温度的800℃基于在功能元件1用作光学元件的情况下在基板11和21以及供氧层13和22中使用的光学玻璃的软化点和轻金属的熔点。因此，退火处理的温度不限于上述范围；例如，在形成即使在使用功能元件1的环境温度的范围内也稳定的金属氧化物膜的情况下，优选在100℃以下的处理。例如，在将具有热膨胀系数的低熔点玻璃或基板11和21接合的情况下，优选在例如300℃以下的环境下进行退火处理，并且更优选例如在100℃以下进行退火处理。例如，取决于成膜过程和成膜材料，将金属膜14和23放置于常温使得能够进行氧化。此外，降低供氧层13和22的密度以增加该层中的空隙会增加被物理吸附的水。这导致从供氧层供应更多的氧，在常温加速了金属膜14和23的氧化。
另外，缓冲层12的层中的金属元素的浓度分布如下形成。图5A示出了退火处理之前的图4C中所示的各层中的金属元素的浓度分布。图5B示出了退火处理之后的图4C中所示的各层中的金属元素的浓度分布。在使用原子扩散接合方法将金属膜14和金属膜23接合的功能元件1中，通过退火处理，氧从供氧层13和供氧层22向金属膜14和金属膜23扩散，并且金属膜14和23中包含的金属材料被氧化，这形成了金属氧化物层。这在基板11和基板21之间形成具有电绝缘性的透明接合界面。这时，在金属膜14和23中，金属原子被氧化，并且这使得氧原子进入在金属原子之间。这增加了金属原子之间的距离，并降低了每单位体积中金属元素的密度。因此，如图5B中所示，金属元素的分布宽度从金属膜14和23朝向供氧层13和22增加。如上所述，基板11和基板21之间的缓冲层12的层中的金属元素的浓度从图5A变化为图5B，并且在缓冲层12的层中形成例如如图2中所示的朝向与基板11和基板21的每个界面连续降低的金属元素的浓度分布。
要注意的是，在较高温度进行退火处理的情况下，金属氧化物层与供氧层13和22之间的相互扩散进一步被加速；然而，金属氧化物中的金属原子移动的可能性较小，因此在缓冲层12中形成了金属元素的浓度分布。
此外，能够通过例如能量弥散X射线分析(Energy Dispersive X-ray analysis：EDX)方法、电子能量损失光谱(Electron Energy Loss Spectroscopy:EELS)方法、二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry：SUMS)方法、TOF-SIMS分析等观察缓冲层12中的金属元素的浓度分布。
此外，例如可以以以下方式制造功能元件1。在上述制造方法中，举出在基板11和基板21上均设置有供氧层13和22的示例；然而，可以仅一个基板设置有供氧层以接合两个基板。
首先，如图6A中所示，例如，在基板21的接合面上形成供氧层22。然后，在供氧层22上形成具有微晶结构的金属膜23。在基板11的接合面上，在真空气氛下直接形成金属膜14。
然后，如图6B中所示，将基板21的其上形成有供氧层22和金属膜23的表面与基板11的其上形成有金属膜14的表面布置成彼此对置，并且如图6C中所示，使用例如原子扩散接合方法利用重叠的金属膜14和金属膜23将基板11和基板21接合。
最后，在例如100℃以上且800℃以下的环境下，放置接合的基板11和21作为退火处理。这形成了在基板11和基板21之间的在其层中具有金属元素的浓度分布的缓冲层12。如上所述，完成了图1中所示的功能元件1。
如上所述，在仅在一个基板上形成供氧层的情况下，如图7A(退火处理之前)和图7B(退火处理之后)中所示，在退火处理前后，各层中的金属元素的浓度分布变化，并且在缓冲层12的层中形成例如如图3中所示的从基板11侧朝向基板21连续降低的金属元素的浓度分布。
要注意的是，可以使用除了上述原子扩散接合方法以外的方法将金属膜14和23接合。例如，在布置成彼此对置的两个基板的一个或两个表面上预先形成金属膜的情况下，在真空室中通过例如等离子体蚀刻等激活预先形成的金属膜的表面使得可以将金属膜与另一金属膜接合。此外，作为加速金属膜14和23的氧化的过程，可以使用激光或电磁加热，并且可以局部加热。
(1-3.工作和效果)
如上所述，通常使用包括丙烯酸聚合物作为材料的粘合剂来接合透光物质。但是，已知固化的粘合剂由于紫外线等会变化其性质并且劣化。特别是在要接合的构件用作光学部件的情况下，例如，粘合剂可能由于从光源部输出的高亮度光而劣化，因此需要在没有粘合剂的情况下接合要接合的构件的技术。
作为在没有粘合剂的情况下接合要接合的构件的方法，例如存在玻璃料接合和熔融接合。但是，在玻璃料接合中接合强度低，并且在熔融接合中进行高温热处理；因此，不幸的是以工业术语难以实现。相比之下，原子扩散接合方法是在要接合的两个基板的各个表面上形成薄的金属微晶膜并使金属微晶膜彼此接触从而在室温将两个基板接合的技术。在彼此接触的金属微晶膜之间的界面处，通过金属表面上的大表面能和金属微晶膜的高原子扩散能力而导致发生原子扩散(原子重排)，从而将基板接合。
原子扩散接合方法甚至允许约几
Figure BDA0002575215980000111
的薄金属膜在室温将各自包含任何材料的基板接合。因此，可以在维持透明基板的透光性的同时将透明基板接合；然而，不幸的是由于用于接合的金属膜，透光性降低。此外，在用约几
Figure BDA0002575215980000112
的薄金属膜将基板接合的情况下，可以赋予接合界面以一定的电绝缘性，但是不幸的是，由于残留金属，轻微维持了导电性。
通常，多种金属氧化物均具有高透光性和绝缘性。因此，如果可以在接合之后氧化用于接合的金属膜，则可以实现具有高透光性和绝缘性的接合界面。
为了应付这种情况，在本实施例中，在基板11或基板21中的至少一个上形成供氧层(例如，供氧层13)，并且在基板11和21的每一个上形成具有微晶结构的金属膜(金属膜14和23)。使用原子扩散接合方法将基板11和基板21接合，然后在低温(例如，100℃以上且800℃以下)加热基板11和基板21。因此，接合之后的退火处理使氧从供氧层向金属膜移动，并且使金属膜氧化。这增加了接合界面的透明性并且消除了接合界面的导电性。即，可以在没有粘合剂的情况下将基板11和基板21接合，并且还可以增加接合部(缓冲层12)的透光性和电绝缘性。另外，在基板11和基板21之间的缓冲层12的层中形成在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布。
如上所述，在本实施例中，在基板11或基板21中的至少一个上形成供氧层和具有微晶结构的金属膜。使用原子扩散接合方法将基板11和基板21接合，然后在低温加热基板11和基板21。这在基板11和基板21之间形成了缓冲层12。缓冲层12在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布，并且还具有高透光性和电绝缘性。即，可以在没有粘合剂的情况下在基板11和基板21之间形成具有高接合强度、高透光性和电绝缘性的接合部。因此，可以提供具有高可靠性的功能元件1。
以下描述的是上述实施例的修改示例。在下面的描述中，与上述实施例的部件相同的部件由相同的附图标记表示，并且适当地省略相同部件的描述。
<2.修改示例>
图8示出了根据本公开的修改示例的功能元件(功能元件2)的截面配置。与上述实施例一样，该功能元件2具有其中要接合的两个或更多个构件被粘在一起的堆叠结构，并且例如被包含在投影仪等中使用的光学元件中(例如，参见图9)。根据本修改示例的功能元件2与上述实施例的不同之处在于，功能元件2在基板11与缓冲层12之间具有功能层15。
功能层15具有例如偏振分离膜、二向色过滤器、抗反射膜、生成相位差的膜等的光学功能，该偏振分离膜将入射在功能元件2上的光分离为S偏振光和P偏振光，该二向色过滤器反射具有预定波长的光并且透射具有另一波长的光。可以在基板11和基板21之间设置具有不同功能的多个功能层15，并且在这种情况下，可以在基板21和缓冲层12之间布置功能层15。
<3.应用示例>
随后，描述在上述实施例和修改示例中描述的功能元件(功能元件1和2)的应用示例。然而，以下描述的配置仅是示例，并且配置可适当地变化。
图9示意性地示出了作为功能元件的具体示例之一的光学元件(例如，棱镜3)的截面配置。棱镜3具有例如三角棱镜的形状，并且在布置成彼此对置的基板110和基板210之间从基板110侧按顺序包括功能层150、缓冲层12和功能层240。基板110和基板210各自包括例如具有三角锥形状的透明光学玻璃。功能层150和功能层240例如是各自使得能够分离和合成光的S偏振光和P偏振光的所谓的偏振分束器。功能层150和功能层240均具有其中例如按顺序重复地堆叠氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)的配置。例如，堆叠有11个TiO2膜、10个SiO2膜和10个Al2O3膜。缓冲层12包括钛(Ti)作为金属材料。缓冲层12进一步包括氧化硅(SiO2)，并且在其层中具有Ti浓度分布。包含在缓冲层12中的Ti的至少一部分以氧化钛(TiO2)存在。
要注意的是，通常使用离子辅助沉积(IAD)方法或真空沉积方法形成SiO2膜；然而，使用IAD方法或真空沉积方法形成的SiO2膜的平坦度低，并且在被抛光之后通常具有约为0.5nm的算术平均粗糙度(Ra)。如上所述，在将SiO2膜用作功能层(例如，功能层150)和缓冲层12并且使用允许形成具有与约0.5nm的算术平均粗糙度(Ra)对应的平坦度的SiO2膜的方法来形成SiO2膜的情况下，可以将功能层150的最外表面上的SiO2膜用作供氧层(例如，供氧层13)。
此外，棱镜3是根据本公开的功能元件的应用示例的示例，并且可应用于包括用粘合剂将要接合的两个或更多个构件接合的任何电子设备。例如，根据本公开的功能元件及其制造方法可应用于投影仪的光学装置，具体地，诸如相位差元件(相位差板)或偏振转换元件(PS转换器)之类的光学元件。另外，功能元件及其制造方法例如可应用于光源装置。光源装置中的接合的示例包括：LD(激光二极管)的准直透镜的接合；在高输出激光器中使用的诸如YAG-YAG之类的非线性晶体的接合；用于增加冷却效率的YAG-蓝宝石基板的接合；到投影仪中使用的轮式基板上的YAG陶瓷磷光体的接合等等。此外，功能元件及其制造方法也可应用于电气装置。电气装置中的接合的示例包括MEMS(微机电系统)、基于3D NAND的存储器和CMOS图像传感器中的堆叠TSV(硅通孔)接合以及SAW(表面声波)滤波器中的堆叠接合等等。
<4.工作示例>
接下来，描述本公开的工作示例。
(实验1：根据作为金属膜的Ti膜的厚度来评估接合部的透射率和接合强度)
首先，作为实验示例1-1，通过在两片石英玻璃的各接合面的每一个接合面上形成Ti膜作为微晶结构薄膜(金属膜)，然后将金属膜彼此接合，来制作样品。另外，制作了金属膜的厚度不同的各种样品，并测量了接合部的透射率和接合强度。在该实验中测量的接合部的各自的透射率均在为可见光范围的400至700nm的波长下表现出平均透射率。
另外，制作了实验示例1-2至1-4。作为实验示例1-2，除了在两片石英玻璃的各接合面的每个接合面上形成厚度为5μm的SiO2膜作为供氧层并在该SiO2膜上形成Ti膜作为金属膜之外，使用与上述实验示例1-1的方法类似的方法制作了金属膜的厚度不同的各种样品。作为实验示例1-3，使用与实验示例1-1的方法类似的方法将金属膜彼此接合，然后在300℃经历10小时的退火处理。作为实验示例1-4，使用与实验示例1-2的方法类似的方法将金属膜彼此接合，然后在300℃经历10小时的退火处理。表1总结了作为实验示例1-1至1-4制作的各个样品的组成和退火条件。
[表1]
Figure BDA0002575215980000151
图10示出了实验示例1-1和1-2中的每一个中的接合部的透射率与Ti膜的厚度之间的关系。图11示出了实验示例1-3和1-4中的每一个中的接合部的透射率与Ti膜的厚度之间的关系。图10和图11各自在纵轴上绘制接合部的透射率并且在横轴上绘制Ti膜的厚度。
图10的结果表明，接合部的透射率随着Ti膜的厚度的增加而降低。此外，图11的结果表明，在与实验示例1-1一样不形成供氧层的实验示例1-3中，接合部的透射率随着Ti膜的厚度的增加而降低，并且退火处理几乎不会引起透射率的变化。同时，在其中在石英玻璃上形成供氧层的实验示例1-4中，透射率几乎为100％而与Ti膜的厚度无关。即，表明了通过在Ti膜的下层中形成供氧层并在接合之后进行退火处理来增加接合部的透射率。
图12示出了实验示例1-1和1-2中的每一个中的接合部的强度与Ti膜的厚度之间的关系。图13示出了实验示例1-3和1-4中的每一个中的接合部的强度与Ti膜的厚度之间的关系。图12和图13各自在纵轴上绘制接合部的强度，并且在横轴上绘制Ti膜的厚度。要注意的是，接合强度是使用刮刀方法发现的。
图12的结果表明，接合部的强度随着Ti膜的厚度的增加而增加。此外，图13的结果表明，其中未形成供氧层的实验示例1-3提供了与实验示例1-1的结果几乎相同的结果，并且由退火处理引起的接合强度的变化中未看到较大变化。同时发现，在其中在石英玻璃上形成供氧层的实验示例1-4中，接合强度增加而与Ti膜的厚度无关。即，表明了通过在Ti膜的下层中形成供氧层并在接合之后进行退火处理来增加接合强度。
如上所述，实验1的结果表明，在根据本公开的功能元件中，在要接合的每个构件上设置供氧层，在供氧层上形成金属膜，并在将要接合的构件接合之后进一步进行退火处理，使得可以形成能够实现高透射率和高接合强度两者而与具有微晶结构的金属膜的厚度无关的接合部(缓冲层)。
(实验2：根据各波长评估接合部的透射率)
首先，作为实验示例2-1，准备两片透明光学玻璃(可从OHARA INC.获得的PBH56)，并在各接合面中的每个接合面上形成功能层。功能层具有以下配置：其中按顺序重复地堆叠氧化钛(TiO2)、氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)，并且堆叠了11个TiO2膜、10个SiO2膜和10个Al2O3膜。接下来，通过在每个功能层上形成厚度为5μm的SiO2膜作为供氧层，然后在SiO2膜上形成约0.1nm至1.0nm的Ti膜作为金属膜，并且将金属膜彼此接合来制作样品，并且测量光谱透射率。
另外，作为实验示例2-2，使用与上述实验示例2-1的方法类似的方法将金属膜彼此接合，然后在300℃进行48小时的退火处理来制作样品，并测量光谱透射率。表2总结了作为实验示例2-1至2-2制作的各个样品的组成和退火条件。
[表2]
Figure BDA0002575215980000161
要注意的是，在该实验中制作的功能层对应于在上述应用示例中描述的棱镜3的功能层150和功能层240。
图14示出了通过测量实验示例2-1和实验示例2-2中的每一个的光谱透射率而获得作为结果的根据每个波长的接合部的透射率。图14在纵轴上绘制了接合部的透射率，并且在横轴上绘制了波长。图14的结果表明，即使在要接合的构件和缓冲层之间形成另一层(功能层)，通过在接合之后进行退火处理也增加了接合部的透射率。
尽管上面已经参考实施例、修改示例和工作示例描述了本公开，但是本公开不限于在上述实施例等中描述的方面，并且可以以各种方式进行修改。例如，不一定必须提供在上述实施例等中描述的所有部件，并且可以进一步包括任何其它部件。另外，每个上述部件的材料和厚度仅是示例，但不限于本文描述的那些。
此外，在上述实施例和修改示例中，提供了将两个基板11和21接合的示例；然而，可以使用根据本公开的方法将另一基板进一步接合到基板11或基板21的与接合面相反的一侧的表面。
要注意的是，本文描述的效果仅仅是示例，而不是限制性的。此外，可能还有其它效果。
要注意的是，本公开可以具有以下配置。
(1)一种功能元件，包括：
第一基板；
第二基板，布置成与所述第一基板对置；和
缓冲层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间，所述缓冲层在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布。
(2)根据(1)所述的功能元件，其中，所述缓冲层在其层中具有朝向与所述第一基板和与所述第二基板的界面而降低的所述金属元素的浓度分布。
(3)根据(1)所述的功能元件，其中，所述缓冲层在其层中具有从与所述第一基板的界面朝向与所述第二基板的界面而降低的所述金属元素的浓度分布。
(4)根据(1)至(3)中的任一项所述的功能元件，其中，所述缓冲层具有透光性和电绝缘性。
(5)根据(1)至(4)中的任一项所述的功能元件，其中，所述缓冲层包括供氧材料。
(6)根据(1)至(5)中的任一项所述的功能元件，其中，所述缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任一种。
(7)根据(6)所述的功能元件，其中，所述金属元素的结合氧的能力比所述无机氧化物、所述无机氮化物、所述无机氮氧化物和所述无机氟化物的结合能力高。
(8)根据(1)至(7)中的任一项所述的功能元件，还包括至少在所述第一基板与所述缓冲层之间和在所述第二基板与所述缓冲层之间的至少一方的功能层。
(9)一种功能元件的制造方法，该方法包括
将第一基板和第二基板接合，并在所述第一基板和所述第二基板之间形成缓冲层，所述缓冲层在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布。
(10)根据(9)所述的功能元件的制造方法，其中
在所述第一基板上形成第一金属膜，所述第一金属膜具有第一缓冲层和微晶结构，所述第一缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任何一种，
在所述第二基板上形成第二金属膜，所述第二金属膜具有第二缓冲层和微晶结构，所述第二缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任一种，以及
在将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合之后，通过进行热处理来形成所述缓冲层。
(11)根据(10)所述的功能元件的制造方法，其中，在真空条件下形成所述第一金属膜和所述第二金属膜并且将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合。
(12)根据(11)所述的功能元件的制造方法，其中，进一步在同一装置中形成所述第一金属膜和所述第二金属膜并且将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合。
(13)根据(10)至(12)中的任一项所述的功能元件的制造方法，其中，通过在100℃以上且800℃以下的环境下放置接合的第一基板和第二基板作为所述热处理，从而使所述第一金属膜和所述第二金属膜氧化。
(14)根据(9)或(11)至(13)中的任一项所述的功能元件的制造方法，其中
在所述第一基板上形成第一金属膜，所述第一金属膜具有第一缓冲层和微晶结构，所述第一缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任何一种，
在所述第二基板上形成第二金属膜，所述第二金属膜具有微晶结构，以及
在将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合之后，通过进行热处理来形成所述缓冲层。
(15)一种电子设备，包括
功能元件，包括
第一基板，
第二基板，布置成与所述第一基板对置，以及
缓冲层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间，所述缓冲层在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布。
本申请要求基于2018年1月15日向日本专利局提交的日本专利申请No.2018-004115的优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用并入本申请。
本领域技术人员应该理解，取决于设计要求和其它因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (12)

1.一种功能元件，包括：
第一基板；
第二基板，布置成与所述第一基板对置；和
缓冲层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间，所述缓冲层在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布；
其中，所述缓冲层在其层中具有朝向与所述第一基板和与所述第二基板的界面而降低的所述金属元素的浓度分布；
其中，所述缓冲层包括供氧材料和金属材料；以及
其中，所述供氧材料的结合氧的能力比所述金属材料的结合能力低，并且在氧化过程中能够向所述金属材料供氧。
2.根据权利要求1所述的功能元件，其中，所述缓冲层具有透光性和电绝缘性。
3.根据权利要求1所述的功能元件，其中，所述缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任一种。
4.根据权利要求3所述的功能元件，其中，所述金属元素的结合氧的能力比所述无机氧化物、所述无机氮化物、所述无机氮氧化物和所述无机氟化物的结合能力高。
5.根据权利要求1所述的功能元件，还包括至少在所述第一基板与所述缓冲层之间和在所述第二基板与所述缓冲层之间的至少一方的功能层。
6.一种功能元件的制造方法，该方法包括
将第一基板和第二基板接合，并在所述第一基板和所述第二基板之间形成缓冲层，所述缓冲层在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布；
其中，所述缓冲层在其层中具有朝向与所述第一基板和与所述第二基板的界面而降低的所述金属元素的浓度分布；
其中，所述缓冲层包括供氧材料和金属材料；以及
其中，所述供氧材料的结合氧的能力比所述金属材料的结合能力低，并且在氧化过程中能够向所述金属材料供氧。
7.根据权利要求6所述的功能元件的制造方法，其中
在所述第一基板上形成第一金属膜，所述第一金属膜具有第一缓冲层和微晶结构，所述第一缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任何一种，
在所述第二基板上形成第二金属膜，所述第二金属膜具有第二缓冲层和微晶结构，所述第二缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任何一种，以及
在将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合之后，通过进行热处理来形成所述缓冲层。
8.根据权利要求7所述的功能元件的制造方法，其中，在真空条件下形成所述第一金属膜和所述第二金属膜并且将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合。
9.根据权利要求8所述的功能元件的制造方法，其中，进一步在同一装置中形成所述第一金属膜和所述第二金属膜并且将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合。
10.根据权利要求7所述的功能元件的制造方法，其中，通过在100℃以上且800℃以下的环境下放置接合的第一基板和第二基板作为所述热处理，从而使所述第一金属膜和所述第二金属膜氧化。
11.根据权利要求6所述的功能元件的制造方法，其中
在所述第一基板上形成第一金属膜，所述第一金属膜具有第一缓冲层和微晶结构，所述第一缓冲层包括无机氧化物、无机氮化物、无机氮氧化物和无机氟化物中的至少任何一种，
在所述第二基板上形成第二金属膜，所述第二金属膜具有微晶结构，以及
在将所述第一金属膜和所述第二金属膜接合之后，通过进行热处理来形成所述缓冲层。
12.一种电子设备，包括
功能元件，包括
第一基板，
第二基板，布置成与所述第一基板对置，以及
缓冲层，设置在所述第一基板和所述第二基板之间，所述缓冲层在其层中具有在膜厚度方向上变化的金属元素的浓度分布；
其中，所述缓冲层在其层中具有朝向与所述第一基板和与所述第二基板的界面而降低的所述金属元素的浓度分布；
其中，所述缓冲层包括供氧材料和金属材料；以及
其中，所述供氧材料的结合氧的能力比所述金属材料的结合能力低，并且在氧化过程中能够向所述金属材料供氧。
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