JP2007000886A - 固体材料の常温接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度の大きな常温接合方法を提供すること。
【解決手段】二つの固体材料１３a、１３bを常温接合する方法であって、超短パルスレーザＬを低フルーエンスで偏光制御して前記二つの固体材料１３a、１３bの接合面に照射して該接合面に周期性微細構造を形成する微細構造形成ステップと、前記周期性微細構造が形成された前記二つの固体材料の接合面同士を突き合わせて加圧する加圧ステップと、を有することを特徴としている。
周期性微細構造により実効的な接合面積が増大し、化学結合力に周期性微細構造の噛み合わせによる物理結合力が加わり、接合強度を大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、固体材料の常温接合方法に関し、特に超短パルスレーザ照射による周期性微細構造を利用した固体材料の常温接合方法に関する。

これまで、サファイヤなどの誘電体結晶表面にフェムト秒レーザを照射して常温接合する方法が知られている（特許文献１参照）。この従来の方法は、フェムト秒レーザを照射してアブレーションを起こし、表面の不純物を除去して表面を活性化し、接合するものである。しかしこの方法での接合は共有結合、イオン結合、金属結合といった化学結合によるものであるため、接合強度が小さかった。特に、従来の方法による接合では、接合面に平行な剪断応力が掛かると簡単にずれてしまうことがあった。

一方、所定波長の超短パルスレーザを低フルーエンスで偏光制御して固体材料表面に照射することで、材料表面のレーザ照射領域にその所定波長の１／１０程度の周期性微細構造を形成する微細加工方法が知られている（特許文献２参照）。この加工方法によると、照射するレーザの偏光を直線偏光にすると、その偏光方向と直交する方向に沿って配列された細長い突起部と細長い溝部を含む周期性微細構造を、偏光を円偏光にすると粒状の突起部を含む周期性微細構造を、形成することができる。

ここで、「フルーエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）」とは、レーザの１パルス当たりのエネルギＥ（Ｊ）を照射断面積Ｓ（ｃｍ²）で割ったエネルギ密度Ｅ／Ｓ（Ｊ／ｃｍ²）である。「低フルーエンス」とは、材料表面が蒸散する現象（アブレーション）が生じるエネルギ密度の最小値（アブレーション閾値）近傍のフルーエンスのことである。アブレーション閾値及び低フルーエンスの範囲では材料表面に熱影響がほとんどない。このアブレーション閾値及び低フルーエンスの範囲は、材料によって異なる。低フルーエンスの範囲は、主にその材料の融点の違いにより異なり、通常アブレーション閾値の５倍程度を上限とする範囲で、材料によっては１０倍程度の範囲まで熱影響がほとんど生じない場合もある。
特開２００４−３５６４７５号公報 特開２００３−２１１４００号公報

本発明は、上記の従来の常温接合方法の問題に鑑みてなされたものであり、接合強度の大きな常温接合方法を提供することを課題としている。

課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、二つの固体材料を常温接合する方法であって、超短パルスレーザを低フルーエンスで偏光制御して前記二つの固体材料の接合面に照射して該接合面に周期性微細構造を形成する微細構造形成ステップと、前記周期性微細構造が形成された前記二つの固体材料の接合面同士を突き合わせて加圧する加圧ステップと、を有することを特徴としている。

周期性微細構造が形成された二つの固体材料の接合面同士を突き合わせて加圧して接合するので、周期性微細構造により実効的な接合面積が増大し、化学結合力に周期性微細構造の噛み合わせによる物理結合力が加わり、接合強度を大きくすることができる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の固体材料の常温接合方法であって、前記微細構造形成ステップ及び前記加圧ステップは真空中或いは不活性ガス中で行われることを特徴としている。

周期性微細構造が形成された接合面に酸化層や吸着層ができないので、接合強度がさらに大きくなる。

請求項３に係る発明は、請求項1或いは２に記載の固体材料の常温接合方法であって、前記周期性微細構造は周期が繰り返される方向と直交する方向に延びる細長い突起部と細長い溝部を有し、前記加圧ステップは該細長い突起部と該細長い溝部が延びる方向を一致させるように前記二つの固体材料の接合面同士を突き合わせて加圧することを特徴としている。

周期性微細構造の噛み合わせが良くなり、接合強度が増大する。

周期性微細構造が形成された二つの固体材料の接合面同士を突き合わせて加圧して接合するので、周期性微細構造により実効的な接合面積が増大し、化学結合力に周期性微細構造の噛み合わせによる物理結合力が加わり、接合強度を大きくすることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

先ず、この発明の固体材料の常温接合方法で使用する図１に示す常温接合装置について説明する。常温接合装置は、超短光パルスレーザＬを発生するレーザ発生器１と、真空容器７を備えている。真空容器７の下面にはＸ軸ステージ１２a、Ｙ軸ステージ１１a、Ｚ軸ステージ１０aが取り付けられ、上面には下面のステージ１２a、１１a、１０aに対向する位置にＸ軸ステージ１２b、Ｙ軸ステージ１１b、Ｚ軸ステージ１０bが取り付けられている。Ｘ軸ステージ１２aには平板状の固体材料１３aが接合面を上にして固定されており、Ｘ軸ステージ１２bには平板状の固体材材料１３bが接合面を下にして固定されている。なお、Ｚ軸ステージ１０a、１０bは、長いストロークと大きな駆動トルクを有しており、レーザ照射後に固体材料１３aと１３bの接合面を突き合わせて加圧することができるようになっている。真空容器７の一方の側壁中央付近には開口部８を備え、この開口部８にレーザ発生器１からの超短光パルスレーザＬを集光する集光レンズ４が装着されている。真空容器７の他方の側壁にはレンズ４と対向する位置から伸びる伸縮自在アーム６が取り付けられ、アーム６の先端には、±４５°折り曲げ手段５が取り付けられている。また、側壁の下部には真空排気バルブ９が取り付けられており、図示しない真空ポンプに接続され、真空容器７内が真空にされる。レーザ発生器１とレンズ４の間には必要に応じてアッテネータ２や偏光制御手段３が配設されている。

レーザ発生器１としては、例えば、アイシン精機製フェムトライト（ＦＣＰＡ Ｂ−２５０）を用いることができる。このフェムトライトは、波長λが１．５６μｍ、パルス幅が１ｐｓ、繰り返し周波数が１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの直線偏光の超短パルスレーザＬを発生する。

アッテネータ２としては、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ等を用いることができる。偏光制御手段３としては、レーザ発生器１からのレーザＬが直線偏光であれば、１／２波長板を用いることで、偏光方向を任意の方向に設定することができる。偏光制御手段３に１／４波長板を用いれば、直線偏光を円偏光にすることができる。レーザ発生器１からのレーザが無偏光であれば、偏光制御手段３にウォラストンプリズムや偏光板を用いることで、直線偏光にしてその方向を任意の方向に設定することができる。

集光レンズ２としては、例えば５倍の顕微鏡対物レンズを用いることができる。

±４５°折り曲げ手段５としては、ミラーやプリズムなどを用いることができる。

固体材料１３a、１３bは、金属、非金属、半導体、誘電体、無機、有機を問わない。また、固体材料１３a、１３bは、同一固体材料であることが接合強度の点で好ましいが、本発明の常温接合方法は、接合面に形成された周期性微細構造による接合面積の増大化と、化学結合力と周期性微細構造の噛み合わせによる物理結合力を利用するので、異種固体材料でもよい。

Ｚ軸方向は固体材料１３a、１３bの接合面と直交する方向なので、固体材料１３a、１３bにレーザＬを集光照射する集光レンズ４の焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１０a、１０bをＺ軸方向に移動させることにより固体材料１３a、１３bの接合面にレーザＬの集光スポット径（照射断面積）を任意に設定することができる。

集光スポットのＸ（Ｙ）軸方向の走査は、固体材料１３a、１３bをＸ（Ｙ）軸ステージ１２a、１２b（１１a、１１b）によってＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行われる。なお、集光スポットの走査は、たとえばガルバノミラーなどを使って行うこともできる。

固体材料に応じて照射断面積でのエネルギ密度が低フルーエンスになるように、レーザ発生器１からのパルスエネルギを制御すると共に、Ｚ軸ステージ１０a、１０bを制御して固体材料１３a、１３bの接合面での集光スポット径を調節する。

このように構成された常温接合装置を使用して、この発明の常温接合方法は次のようになされる。まず、固体材料１３aと１３bをそれぞれＸ軸ステージ１２aと１２bに取り付ける。次に、真空容器７内を減圧する。減圧の程度は０．１Ｐａ程度である。減圧しないで、アルゴンやキセノン等の不活性ガスで真空容器７内を置換してもよい。次に、固体材料に応じて照射断面積でのエネルギ密度が所定の低フルーエンスになるように、レーザ発生器１からのパルスエネルギをたとえばアッテネータ２で調節すると共に、Ｚ軸ステージ１０a、１０bを制御して固体材料１３a、１３bの接合面での集光スポット径を調節する。同時に、偏光制御手段３を制御してレーザＬの直線偏光方向を紙面に平行にする。次に、たとえば、±４５°折り曲げ手段５を実線のように＋４５°折り曲げるように設定して、レーザ発生器１から超短光パルスレーザＬを発生させて、所定の低フルーエンスで直線偏光方向を紙面に平行にして固体材料１３bの接合面に照射しながらＸ軸ステージ１２b、Ｙ軸ステージ１１bを移動させ、接合面に周期性微細構造を形成する（微細構造形成ステップ）。次に、±４５°折り曲げ手段５を点線のように−４５°折り曲げるように設定して、先程と同様の微細構造形成ステップを行い、固体材料１３aの接合面に周期性微細構造を形成する。

図２は、上記微細構造形成ステップで形成された細長い突起部及び細長い溝部が延びる方向と直線偏光との関係を模式的に示す図である。図示するように、紙面に平行な直線偏光Ｐが照射されると紙面と、すなわち直線偏光の偏光方向と直交する方向に延びる細長い突起部及び細長い溝部が形成される。

次に、アーム６を縮めて±４５°折り曲げ手段５を真空容器７の側壁近くに退避さる。次に、Ｚ軸ステージ１０a、１０bを駆動して固体材料１３a、１３bの接合面同士を突き合わせて加圧する（加圧ステップ）。加圧の程度は、固体材料によって異なり、０．１ＭＰａ〜１０ＧＰａ 程度である。これにより固体材料１３a、１３bの接合は完了する。

接合面の面積が大きい場合は、上記のように、レーザＬを固体材料の接合面に集光しながら、Ｘ軸ステージ、Ｙ軸ステージを走査させると時間がかかるので、次のようにするとよい。すなわち、図１の常温接合装置において、レーザ発生器１と集光レンズ４の間に、たとえばレーザＬが一方の面に垂直入射されて他方の面から他方の面を節とする歳差運動状レーザを出射する回転ウエッジ板を挿入して、接合面上の集光点を円形に動かし（トレパニングさせ）ながらＸ軸ステージ１２b、Ｙ軸ステージ１１bを走査するとよい。集光点が描く円形の幅で接合面に周期微細構造を形成することができ、大面積でも時間がかからない。

周期微細構造が形成された二つの固体材料の接合面を突き合わせて回転させながら加圧するとよい。周期微細構造を形成しないで回転接合する場合より回転トルクが低くても接合することできる。

また、周期微細構造が形成された二つの固体材料の接合面を突き合わせて振動させながら加圧するとよい。周期微細構造を形成しないで振動接合する場合より振動パワーが低くても接合することができる。

（実施例１）
本実施例の常温接合方法は、図３に示す微細構造形成装置を使っての微細構造形成ステップとハンドプレス機を使っての加圧ステップを有している。

図３において、１は、フェムト秒ファイバレーザ装置（アイシン精機製、ＦＣＰＡ Ｂ−２５０）で、中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅１ｐｓ、繰り返し周波数１５０ＫＨｚ、平均パワー４００ｍＷの直線偏光した超短パルスレーザを発生する。２は、透過率可変のＮＤフィルタ、３は１／２波長板、４’は赤外顕微鏡対物レンズ（オリンパス製、倍率５×）である。７は真空容器、１０、１１、１２はＺ軸ステージ、Ｙ軸ステージ、Ｘ軸ステージ、１３は鏡面研磨したステンレス板である。

＜予備ステップ＞ ２枚のステンレス板を用意し、先ず１枚をＸ軸ステージ１２に載置した。次にＺ軸ステージ１０を調節してステンレス板１３の上面を対物レンズ４’の焦点位置に一致させ、そのときの集光スポット径を測定して、スポット径１５μｍを得た。次に図示しない真空ポンプで真空容器７内を排気して０．１Ｐａにした。

＜微細構造形成ステップ＞ ＮＤフィルタ２を調節してフルーエンスを１．２Ｊ／ｃｍ²にし、１／２波長板３を調節して偏光方向を紙面に平行（Ｘ軸方向）にしてパルス幅１ｐｓの超短パルスレーザをステンレス板１３の上面に照射しながら、Ｘ軸ステージ１２、Ｙ軸ステージ１１を３０ｍｍ／ｓｅｃの速度で走査して細長い突起部と細長い溝部が延びる方向が紙面に直交するＹ軸方向の周期性微細構造を形成した。

次に、２枚のステンレス板の他方をＸ軸ステージ１２に載置し、上記の＜微細構造形成ステップ＞を繰り返した。

＜加圧ステップ＞ 周期性微細構造が形成された２枚のステンレス板の接合面を細長い突起部と細長い溝部が延びる方向を一致させるように突き合わせてハンドプレス機にセットして９．８ＭＰａで加圧した。

図４に微細構造形成ステップ後のＳＥＭ写真を示す。図４Ａ、Ｂは、図３における位置関係にあるステンレス板１３を俯瞰した写真で、偏光方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に延びる細長い突起部（白く見える部分）と細長い溝部（黒く見える部分）をもつ周期約１．０μｍの周期性微細構造が形成されていることがわかる。

加圧ステップ後の常温接合した２枚のステンレス板を２分割して一方を引張試験機にかけて接合強度を測定した結果、３８ＭＰａであった。これは、特開平１０−９２７０２号公報に開示されている従来の常温接合で得られている接合強度８〜１５ＭＰａを凌駕するものである。

さらに、引張試験機にかけなかった残りの接合試片を剪断試験機にかけて剪断強度を測定した結果、４０ＭＰａであった。

本発明の固体材料の常温接合方法で使用する常温接合装置の概略構成図である。 図１の常温接合装置を使って微細構造形成ステップで形成した細長い突起部及び細長い溝部が延びる方向と直線偏光との関係を模式的に示す図である。 実施例１の常温接合方法で使用する常温接合装置の概略構成図である。 実施例１における微細構造形成ステップ後のＳＥＭ写真である。

符号の説明

１・・・・・・・・・・・・レーザ発生器
２・・・・・・・・・・・・アッテネータ
３・・・・・・・・・・・・偏光制御手段
４、４’・・・・・・・・・集光レンズ
７・・・・・・・・・・・・真空容器
１０、１０a、１０b・・・・Ｚ軸ステージ
１１、１１a、１１b・・・・Ｙ軸ステージ
１２、１２a、１２b・・・・Ｘ軸ステージ
１３、１３a、１３b・・・・固体材料
Ｌ・・・・・・・・・・・・超短光レーザ
Ｐ・・・・・・・・・・・・直線偏光

Claims (3)

1. 二つの固体材料を常温接合する方法であって、
   超短パルスレーザを低フルーエンスで偏光制御して前記二つの固体材料の接合面に照射して該接合面に周期性微細構造を形成する微細構造形成ステップと、
   前記周期性微細構造が形成された前記二つの固体材料の接合面同士を突き合わせて加圧する加圧ステップと、
   を有することを特徴とする固体材料の常温接合方法。
2. 前記微細構造形成ステップ及び前記加圧ステップは真空中或いは不活性ガス中で行われることを特徴とする請求項１に記載の固体材料の常温接合方法。
3. 前記周期性微細構造は周期が繰り返される方向と直交する方向に延びる細長い突起部と細長い溝部を有し、前記加圧ステップは該細長い突起部と該細長い溝部が延びる方向を一致させるように前記二つの固体材料の接合面同士を突き合わせて加圧することを特徴とする請求項１或いは２に記載の固体材料の常温接合方法。

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