JP2010128477A

JP2010128477A - 光学部品の製造方法及び光学部品

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Publication number: JP2010128477A
Application number: JP2008306723A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Adachi; 和正安達; Motoo Takada; 元生高田; Kozo Ono; 公三小野
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: US8424746B2; US20100136306A1; JP5132534B2

Abstract

【課題】内部に光を透過させて用いられる光学部品を製造するにあたり、互いに線膨張係数の異なる材料からなる基板同士であっても容易に接合すること。
【解決手段】互いに線膨張係数の異なる複数の基板の接合面に、脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなるバッファ層を形成し、このバッファ層同士が相対向するように接合する基板同士を積層する。そして、この積層体に対して加熱処理を行うことにより、バッファ層同士の間で原子を介した直接接合を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、その内部に光を透過させて用いられる光学部品の製造方法及び光学部品に関する。

例えばデジタルカメラ用のＣＣＤ素子やＣＭＯＳセンサのためのオプチカルローパスフィルタなどの光学部品の材料としては、例えばチップ状の水晶が用いられている。この光学部品は、例えば水晶の結晶軸の向きがチップの水平面と平行でかつチップの水平面の４辺に対して所定の角度だけ傾斜するように当該チップを切り出しておき、このチップの水平面に対して垂直に光を入射させることによって、チップに入射した光が当該チップを直線的に透過する常光線と、この常光線と平行に且つ常光線から所定の距離だけ離れた位置において放出される異光線と、の２つの経路に入射光が分離されるという現象を利用したものである。チップの裏面側においてこの異光線が放出される位置は、例えばチップの４辺に対する水晶の結晶軸の傾斜角度に応じて変わることになる。

従って、例えば結晶軸の傾斜角度が互いに異なる複数の水晶チップを重ね合わせて一体化した積層体に対して、水晶チップの積層方向に向かって垂直に光を照射することによって、１本の入射光が始めの１枚の水晶チップを透過すると２本に増え、この２本の透過光が続く水晶チップを透過すると各々が２本に増えるので合わせて例えば４本に増えていき、そして順次後続の水晶チップを透過する毎に透過光の本数が増えていくことになる。そのため、水晶チップの積層枚数や各々の水晶チップにおける結晶軸の傾斜角度に応じて、積層体を透過する光の経路の数を増やしたり、あるいは積層体を透過する透過光（常光線及び異光線）の並び（配置）を調整したりできることになる。そこで、この水晶を用いた光学部品は、例えばこの積層体を透過した光が到達する部位に設けられた撮像素子の画素の数や配置などに応じて、積層体の積層枚数や各々の水晶チップの結晶軸の傾斜角度などが調整されている。また、光路長の調整のために、これらの水晶チップ間にアモルファス状のガラスチップを介在させる場合もあるし、また例えば各々の光の透過領域や不透過領域などの光学特性が互いに異なるガラスチップ同士を貼り合わせて積層して水晶チップ間に介在させる場合もある。

そのため、この積層体は、上記のように各々の水晶チップ間において結晶軸の角度がずれていたり、あるいは水晶とは物性の異なるガラス板が介在したりすることにより、更には隣り合うガラス板間においても物性が異なることにより、線膨張係数が互いに異なる複数の層により構成されていることになる。このような積層体からなるチップ状の光学部品は、例えば以下のようにして基板から切り出される。

先ず、後述の図２に示すように、結晶軸の向きが水平面に平行で且つ水平面の周囲の１つの辺に対する傾斜角度θが各々異なる複数枚の水晶や、アモルファス状のガラスなどからなる互いに線膨張係数の異なる複数枚の基板１０３を例えばアクリル系の接着剤１０２を用いて接着して、図１０（ａ）に示すように積層体１０１を形成する。そして、同図（ｂ）に示すように、この積層体１０１に対して例えば冷却水や潤滑油などの切削液を供給すると共に、切断用の砥石１０４を用いてダイシングと呼ばれる加工により碁盤の目状に積層体１０１を切断することによって、矩形の水晶チップ１００が積層体１０１から切り出されることになる。この時、水晶チップ１００の切断面の上下の角部にはダイシング加工によりチッピングと呼ばれるカケが多く生成することから、このカケの大きさや数を抑えるために、このダイシング加工は例えば積層体１０１に対して砥石１０４が切り込んでいく速度（加工速度）を例えば数ｍｍ／ｍｉｎ程度の極めて遅い速度に設定して行うようにしている。その後、このチップは、洗浄により表面に付着した切削液や切削カスが除去される。

一方、例えば１枚の単板からなる基板１０３からチップを切り出す加工方法としては、上記のダイシング加工以外にも、例えばスクライビングと呼ばれる加工方法が知られている。具体的にはこの加工方法は、例えば図１１（ａ）に示すように、先ず基板１０３の表面に例えば鋭利なダイヤモンドの刃１０５などを押し当てると共に、同図（ｂ）のようにチップの外縁に沿ってライン状のクラックを碁盤の目状に形成する。次いで、同図（ｃ）に示すように、基板１０３に加重を加えてこのクラックを基板１０３の厚さ方向に伝搬させて割断し、同図（ｄ）のように基板１０３を割って（ブレークして）矩形の水晶チップ１００を製造する方法である。

この加工方法では、ダイヤモンド刃１０５による加工は基板１０３の表面にクラックを付けるだけなので、加工が容易であることから砥石１０４よりも例えば数十倍程度速くダイヤモンド刃１０５を走行させることができ、そのため既述のダイシング加工よりも速く加工することができる。従って、ダイシング加工よりも生産性が高くなり、また加工装置の台数も少なくて済む。また、スクライビング加工はこのように基板１０３の表面にクラックを形成してチップ化するだけなので、ダイシング加工よりもカケの大きさや数を抑えることができる。更に、このスクライビング加工には切削液が不要であるため、加工後のチップの洗浄や廃液の処理を簡略化することができる。

そこで、上記の積層体１０１に対してもこのスクライビングにより加工することが望ましい。しかし、この積層体１０１は上記のように各々の基板１０３、１０３間に緩衝材となる接着剤１０２が介在しており、この接着剤１０２は脆性破壊を起こさないので、上層からのクラックの伝搬が遮られてしまう。そのため、図１２に示すように、下層側の基板１０３に向かう程クラックが到達しにくくなり、この積層体１０１を割断するのは困難である。

一方、例えば特許文献１に記載されているように、このような接着剤１０２を介さずに複数の基板１０３を直接接合する方法が知られている。この方法は、基板１０３、１０３間に例えば酸素（Ｏ）や水素（Ｈ）などを含む分子を介在させて例えば４００℃程度に加熱することで、分子間で強固な結合を持たせて複数の基板１０３を接合する方法である。この方法であれば、基板１０３、１０３間には接着剤１０２が介在せず、そのためスクライビングにより積層体１０１に対して一体的に亀裂を入れることができると考えられる。しかし、既述のようにこの積層体１０１は各々線膨張係数の異なる複数の基板１０３からなり、接合時の加熱や冷却によって膨張収縮する割合が各々の基板１０３毎に異なるため、接合処理時に基板１０３内において割れが発生したり、接合できなかったりする。

特許文献２には、線膨張係数の異なる２枚の基板同士を直接接合するにあたって、２枚の基板の間に一方の基板とほぼ同じ線膨張係数を持つ基板を介在させる技術が記載されているが、この方法では積層体１０１が極めて厚くなってしまう。

特開２００６−２４８８９５（段落（０１１３）〜（０１２６））特開平０７−０８６１０６（段落（０００８）〜（０００９））

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、互いに線膨張係数の異なる複数の基板の積層体からなる光学部品用の個片をスクライビングにより得ることのできる光学部品の製造方法及び光学部品を提供することにある。

本発明の光学部品の製造方法は、
内部に光を透過させて用いられる光学部品の製造方法において、
光学材料基板からなる第１の基板の表面に、脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなる第１のバッファ層を形成する工程と、
前記第１の基板とは線膨張係数の異なる光学材料基板からなる第２の基板の表面に、脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなる第２のバッファ層を形成する工程と、
次いで、前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層とを重ね合わせて加熱処理を行い、当該第１のバッファ層及び第２のバッファ層を介して両基板を接合して積層体を得る工程と、
しかる後、スクライビング加工により前記積層体を積層方向に切断して光学部品用の個片を得る工程と、を含むことを特徴とする。

前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層の屈折率は、各々２．５以下であることが好ましい。
前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、各々金属、金属酸化物及び金属フッ化物のいずれかであることが好ましい。
前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、各々スパッタ法あるいは蒸着法により形成されることが好ましい。

本発明の光学部品は、
内部に光を透過させて用いられる光学部品において、
光学材料基板からなる第１の基板と、
前記第１の基板とは線膨張係数の異なる光学材料基板からなる第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成され、脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなるバッファ層と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、内部に光を透過させて用いられる光学部品を製造するために互いに線膨張係数の異なる基板同士を接合するにあたって、各々の基板の接合面に脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなるバッファ層を形成し、熱処理によりこのバッファ層同士を接合させているので、基板間の線膨張係数の違いによって熱処理時に発生する応力をバッファ層が緩和するため、互いに線膨張係数の異なる基板同士でも確実に一体化させて積層体を形成できる。そのため、基板間にはクラックの伝搬を遮る緩衝材が介在しないので、この積層体をスクライビング加工により一体的に切断することができ、光学部品を簡便に得ることができる。

本発明の光学部品の製造方法の第１の実施の形態として、互いに線膨張係数の異なる光学材料基板である第１の基板１と第２の基板２とを接合する場合について、図１に示すフローチャートに基づいて説明する。初めにこれらの基板１、２について説明すると、図２に示すように、基板１、２は各々例えば水平面の大きさが４０．５×４８ｍｍの板状の水晶から構成されており、また厚さ寸法が夫々例えば０．３ｍｍ、０．３ｍｍとなっている。また、これらの基板１、２は、結晶軸（Ｚ軸）の向きが各々の基板１、２の水平面に平行でかつ当該結晶軸の向きと１つの辺（この例では図２中下側の辺）とのなす傾斜角度θが基板１については例えば４５°、基板２については例えば１３５°となるように、つまり基板１、２間では結晶軸の向きが直交するように調整されている。これらの基板１、２の線膨張係数は、Ｚ軸に垂直方向が１３．１×１０^−６／Ｋ、Ｚ軸に平行方向が７．１×１０^−６／Ｋとなっている。従って、例えばこれらの基板１、２を厚さ方向に重ね合わせると、面方向の線膨張係数が互いに異なっていることになる。また、これらの基板１、２の屈折率ｎ_１、ｎ_２は、夫々１．５４、１．５４となっている。

先ず、例えば両面研磨装置を用いて、図３（ａ）に示すこれらの基板１、２の水平面が同図（ｂ）のように平滑となるように研磨する（ステップＳ１１）。次いで、例えばスパッタリング装置、イオンビームアシスト（ＩＡＤ）蒸着装置、イオンビームスパッタ（ＩＢＳ）装置またはラジカルアシストスパッタ（ＲＡＳ）装置などを用いて、これらの基板１、２の表面に、夫々膜厚が例えば７０ｎｍ〜７００ｎｍの透明で且つ屈折率が例えば１．６３〜１．７好ましくは１．６７の脆性破壊を起こす無機物例えばアルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３；アルミナ）からなる第１のバッファ層３及び第２のバッファ層４を成膜する（ステップＳ１２）。上記のような装置を用いて成膜処理を行うことにより、図３（ｃ）に示すように、各バッファ層３、４は基板１、２の表面の形状に倣うように平滑で、且つ緻密でアモルファス（非結晶質）状となる。また、各々のバッファ層３、４は、下層側の基板１、２と夫々強い結合力で固着することとなる。

そして、図４（ａ）に示すように、第１のバッファ層３と及び第２のバッファ層４とが相対向するように、第１の基板１と第２の基板２とを重ね合わせる（ステップＳ１３）。次いで、例えば真空雰囲気中において、例えば５００℃で所定時間の加熱処理を行う（ステップＳ１４）。この加熱処理により、図４（ｂ）に示すように、バッファ層３、４間では原子の拡散が起こるので、あるいは原子間において結合が生成するので、いわば当該バッファ層３、４間における界面がなくなっていき、バッファ層３、４が直接接合されて、当該バッファ層３、４を介して基板１、２が一体化して積層体５が形成される。

この時、基板１、２は加熱処理により例えば水平方向に伸びようとするが、既述のように夫々の線膨張係数が異なるので、例えば図５（ａ）に示すように夫々の膨張率（膨張する長さ）が異なる。そのため、これらの基板１、２を直接接触させて接合しようとすると、加熱時の膨張量の差あるいは加熱処理が終了した後の冷却時の収縮量の差により、基板１、２間に応力が生じて当該基板１、２が割れてしまったり、あるいは接合できなかったりすることになる。しかし、基板１、２間にはアモルファス状のバッファ層３、４が介在しており、このバッファ層３、４は、この加熱処理によっても結晶化しないか、あるいは部分的に結晶化してもほぼアモルファス状態が保たれることとなる。そのため、これらのバッファ層３、４により各々の基板１、２間における膨張収縮率の差やこの差により生じる応力が緩和されるので、つまり微視的に見るとバッファ層３、４は基板１、２の近傍では当該基板１、２に強く固着されたまま基板１、２の膨張収縮に伴って伸縮し、また基板１、２の表面から離れるにつれて伸縮量が小さくなっていき、バッファ層３、４間の境界付近ではほとんど伸縮しないかあるいは問題とならないレベルにまで伸縮量が小さくなる。そのため、基板１、２は、割れたりあるいは応力によって変形したりすることが抑えられながら、バッファ層３、４により一体的に接合されることになる。
この時、図５（ｂ）に示すように、基板１、２の間に介在する第１のバッファ層３及び第２のバッファ層４を接合層６とすると、この接合層６の屈折率ｎ_３は、例えば１．６３〜１．７好ましくは１．６７となる。そのため、積層体５の屈折率ｎ_１、ｎ_２及びｎ_３は、ほとんど同じ値となる。その後、以下のようにこの積層体５に対してスクライビング加工を行う。

先ず、図６（ａ）に示すように、この積層体５の表面にダイヤモンド刃８などを押し当てながら当該表面を例えば１０，０００ｍｍ／ｓｅｃ程度の速度で移動させて、同図（ｂ）及び図８（ａ）のように積層体５の表面に光学部品となる水晶チップ７の形状に応じて碁盤の目状にクラック９を入れる（ステップＳ１５）。そして、図７（ａ）に示すように、例えばこのクラック９の形成された部位を下側から押圧（支持）すると共に、このクラック９を挟むように例えば２ヶ所において上方から荷重を加える（ステップＳ１６）。この時、基板１、２は水晶から構成されているので脆性破壊を起こす材料であり、また基板１、２間に介在する接合層６についてもアルミナからなる脆性破壊を起こす材料である。従って、このように荷重を加えていくと、この図７（ａ）に示すように、積層体５にはクラック９が厚さ方向に対して伝搬していき、その後積層体５の下面にまで亀裂が到達し、同図（ｂ）のように基板１、２の積層方向に対して積層体５が一体的に切断（ブレーク）されることとなる。こうしてクラック９を基点とした切断を繰り返していくことにより、図８（ｂ）のように大きさが例えば７×８ｍｍ程度の個片である複数の水晶チップ７が分離される。その後、この水晶チップ７は、例えば洗浄された後、光が当該水晶チップ７内を透過する光学部品として用いられることになる。尚、実際にはクラック９は極めて小さいが、上記の図６及び図７においてはこのクラック９を模式的に示している。

上述の実施の形態によれば、互いに線膨張係数の異なる基板１、２を接合するにあたって、基板１、２の夫々の接合面に脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなるバッファ層３、４を形成し、加熱処理によりこれらのバッファ層３、４を接合させることによって、基板１、２を一体的に接合している。そのため、これらのバッファ層３、４が加熱処理時における基板１、２間の膨張収縮率の差やこの差により生じる応力を緩和するので、互いに線膨張係数の異なる基板１、２同士であっても接合できる。また、基板１、２間には例えば接着剤のように緩衝材となってクラック９の伝搬を阻害する弾性体が介在しないので、スクライビング加工を行う時にクラック９が厚さ方向に伝搬し、当該積層体５を容易に確実に切断することができる。従って、既述のダイシング加工時の砥石による加工速度よりもダイヤモンド刃８による加工速度を極めて速くすることができるので、生産性を高めることができるし、また加工（切断）装置の数量も抑えることができる。更にダイシング加工と比べてカケの大きさや数を抑えることもできるし、また切断後の洗浄や廃液の処理を簡略化することができる。

また、基板１、２間に介在させるバッファ層３、４は、既述のように屈折率が極めて小さいので、当該バッファ層３、４における光の屈折が抑えられ、光学部品としての機能の低下を最小限に抑えながら上記のように高い生産性で当該光学部品を製造することができる。この時、これらのバッファ層３、４からなる接合層６は、既述のように膜厚が極めて薄く形成されているので、光学部品の大型化を抑えることができる。
更に、バッファ層３、４同士を直接接合するにあたって、基板１、２の表面を研磨した後当該バッファ層３、４を成膜しているので、バッファ層３、４の表面についても平滑となる。そのため、接合する時にはバッファ層３、４同士が面内に亘って均一に接触するので、面内に亘って強い結合力で基板１、２を接合することができる。
更にまた、上記のような成膜方法によりバッファ層３、４を形成することにより緻密なバッファ層３、４が形成されるので、極めて強い接合強度で基板１、２同士を接合することができる。

尚、基板１、２を接合するにあたって、例えば一方の基板１（２）のみにバッファ層３（４）を形成し、他方の基板２（１）にはバッファ層４（３）を形成せずに直接接合しても良いが、既述のように基板１、２間における膨張収縮の影響を抑えるためには、基板１、２の両面にバッファ層３、４を形成することが好ましい。

上記の例においては、光学材料基板である基板１、２として水晶を例に挙げて説明したが、水晶だけでなく、例えば光学的特性が異なるために互いに線膨張係数の異なる光学ガラス同士の接合に本発明を適用しても良い。また、例えば水晶、石英及びガラス等のシリコン酸化物からなる互いに物性の異なる材料同士を接合する場合に本発明を適用しても良い。

また、上記の実施の形態においては、２枚の基板１、２を接合した積層体５について説明したが、本発明は２枚以上の積層体５を接合する場合にも適用できる。このような例について図９を参照して説明する。この例では、図９（ａ）に示すように、屈折率ｎが夫々１．５２、１．５２、１．５２、傾斜角度θが夫々４５°、１３５°、９０°の水晶からなる基板１０、１１、１２を上側からこの順番で積層すると共に、基板１０と基板１１との間に例えば屈折率が１．５１のガラス基板１３を介在させている。

そして、上記の例と同様に、これらの基板１０〜１３の上下面を研磨した後、基板１０〜１３における接合面つまり基板１０の下面と、ガラス基板１３及び基板１１の上下面と、基板１２の上面と、に対して既述のように例えばアルミナからなるバッファ層１４を成膜する。そして、同図（ｂ）に示すように、これらの基板１０〜１３を積層し、加熱処理を行って相対向するバッファ層１４、１４からなる接合層１６を介して積層体１５を一体的に接合する。次いで、同図（ｃ）のようにスクライビング加工を行うことにより、このような多層の積層体１５においても同様に、クラック９が厚さ方向に伝搬して一体的に切断されることになる。

この実施の形態においても既述の例と同様の効果が得られる。また、このような多数枚の基板１０〜１３であっても接合して切断でき、また水晶とは材質の異なるガラス基板１３であっても、積層体１５として一体化して切断できるので、機能性の高い光学部品を簡便に製造することができる。

既述のバッファ層３、４としては、アルミナ以外にも、金属、金属酸化物及び金属フッ化物のいずれかであっても良く、具体的にはアルミニウム、シリコン及びジルコニウムのいずれかを含む酸化物（アルミナ、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２））と、マグネシウム、リチウム及びストロンチウムのいずれかを含むフッ化物（２フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、２フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ_２））と、の中から選ばれる１種以上であれば良い。また、これらの材料以外にも、屈折率が２．５以下の無機物のフッ化物例えばＣｅＦ_３（フッ化セリウム）などであっても良い。つまり、透明であり脆性破壊を起こす無機物であれば良い。

尚、上記のバッファ層３、４、１４としては、各々の材質が異なっていても良いし、膜厚が各々のバッファ層３、４、１４において異なっていても良い。この時、接合する２枚の基板１、２（１０〜１３）間における接合層６、１６の厚さは、例えば０．００１ｍｍ以下の場合にはこの接合層６、１６により加熱処理時の基板１、２（１０〜１３）の応力を緩和する作用が弱くなり、また０．０２ｍｍ以上の場合には水晶チップ７が大型化してしまうことから、０．０１ｍｍ〜０．００３ｍｍであることが好ましい。

本発明の光学部品の製造方法の工程の一例を示すフローチャート図である。本発明に用いられる基板である水晶の特性を示す概略図である。上記の光学部品の製造方法の工程の一部を示す概略図である。上記の光学部品の製造方法の工程の一部を示す概略図である。上記の光学部品の製造方法の工程の一部を示す概略図である。上記の光学部品の製造方法の工程の一部を示す概略図である。上記の光学部品の製造方法の工程の一部を示す概略図である。上記の光学部品の製造方法の工程の一部を示す概略図である。上記の光学部品の製造方法の他の実施の形態における工程の一例を示す概略図である。従来の光学部品の製造方法を示す概略図である。従来の光学部品の製造方法を示す概略図である。従来の光学部品の製造方法を示す概略図である。

符号の説明

１第１の基板
２第２の基板
３第１のバッファ層
４第２のバッファ層
θ 傾斜角度

Claims

内部に光を透過させて用いられる光学部品の製造方法において、
光学材料基板からなる第１の基板の表面に、脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなる第１のバッファ層を形成する工程と、
前記第１の基板とは線膨張係数の異なる光学材料基板からなる第２の基板の表面に、脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなる第２のバッファ層を形成する工程と、
次いで、前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層とを重ね合わせて加熱処理を行い、当該第１のバッファ層及び第２のバッファ層を介して両基板を接合して積層体を得る工程と、
しかる後、スクライビング加工により前記積層体を積層方向に切断して光学部品用の個片を得る工程と、を含むことを特徴とする光学部品の製造方法。
前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層の屈折率は、各々２．５以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学部品の製造方法。
前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、各々金属、金属酸化物及び金属フッ化物のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の光学部品の製造方法。
前記第１のバッファ層及び前記第２のバッファ層は、各々スパッタ法あるいは蒸着法により形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の光学部品の製造方法。
内部に光を透過させて用いられる光学部品において、
光学材料基板からなる第１の基板と、
前記第１の基板とは線膨張係数の異なる光学材料基板からなる第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成され、脆性破壊を起こすアモルファス状の無機物からなるバッファ層と、を備えたことを特徴とする光学部品。