JP2019196301A - 被覆された光学素子、被覆された光学素子を有する部品およびその製造方法 - Google Patents

被覆された光学素子、被覆された光学素子を有する部品およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】被覆された光学素子を有する部品またはモジュールの製造を容易化且つ改善する【解決手段】アルカリ含有ガラス（５）の光学的に透明な基板（３）と表面（７）上のコーティング（９）とを含む光学素子（１）であって、前記コーティング（９）が表面（７）の前記コーティング（９）で被覆された領域内でアルカリ含有ガラス（５）の陽極接合を可能にし、且つ前記陽極接合は前記コーティングの外側表面（９１）で形成する、前記光学素子（１）によって解決される。【選択図】なし

Description

本発明は一般に、薄膜を被覆された光学素子、例えば反射防止コーティングを有する素子、または誘電体波長フィルタで被覆された、または部分的に反射性または吸収性コーティングで被覆された素子に関する。特に、本発明は、光学素子が陽極接合によって、前記コーティングが施与される界面でさらなる素子に固定される配置に関する。
米国特許出願公開第２００３／００２１００４号明細書(US2003/0021004 A1)は、光学ＭＥＭＳデバイスの製造方法を開示し、ここでは、光学的に透過性の基板を準備し、光学コーティングを前記基板の一方の表面または両方の表面上に堆積して、光学コーティングおよび基板を通る方向の経路に沿った光学信号の伝搬を可能または改善し、前記基板は典型的には能動的または受動的な光学素子を取り囲み、前記光学素子は光センサ、光エミッタまたは受動的な、可動性の、動作可能な微細構造であってよく、前記微細構造の動作は、前記微細構造が光学信号と相互作用することを引き起こす。前記光学コーティングは、微細構造の能動または受動または動作可能な部分の下／上のみに、つまり光学信号の経路内に存在し、且つ第１の基板上の、第２の基板への接合が行われる領域には存在しないように、かかる基板がパターニングされるように施与される。
陽極接合は、ＭＥＭＳデバイスの製造における、特にデバイスのパッケージングのための標準的な方法である。その接合のために、アルカリ含有ガラスが使用される。適しているのは、ソーダ含有ホウケイ酸ガラスまたはソーダライムガラスである。陽極接合を行うために、アルカリイオンがガラス内で可動になるまでガラスを加熱する。電場が印加されて、アルカリイオンがガラスに接触する電極に向かって動く。これにより界面で電荷の空乏領域がもたらされ、それが基板を共に押す静電力を及ぼす。基板表面の密な接触は、基板間の物理結合および化学結合の形成をもたらす。
米国特許出願公開第２００３／００２１００４号明細書内にも開示されるように、コーティングの構造化を例えば選択エッチング、リソグラフィーパターニング、およびリフトオフまたは物理的なマスク形成によって行うことができる。しかしながら、これは費用がかかり、且つ、例えばＭＥＭＳデバイスの製造における追加的なプロセス段階を必要とする。さらには、構造化はコーティングを害するかまたは劣化させることがある。
米国特許出願公開第２００３／００２１００４号明細書
従って、本発明の課題は、被覆された光学素子を有する部品またはモジュールの製造を容易化且つ改善することである。前記課題は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の改良態様は、従属請求項内に定義される。
本発明の１つの態様によれば、アルカリ含有ガラスの光学的に透明な基板と表面上のコーティングとを含む光学素子が提供される。この特定のコーティングは、前記コーティングで被覆される表面領域内でのアルカリ含有ガラスの陽極接合を妨害するものではなく／可能にし、前記陽極接合はそれぞれ前記コーティングの外側表面で形成または確立されている。
これまでのところ、陽極接合は、ガラスと基板との間の直接的な界面を必要とすると考えられていた。被覆されたガラスの場合、ガラスと基板との間のコーティングの存在が接合を妨害すると考えられていた。パターニング段階は、コーティングを有さない接合領域を保持して、ガラスとＳｉとの、またはガラスと金属との直接的な接触を有する必要があると考えられていた。これは、コーティングの前、またはコーティング後の選択／局所エッチング段階の前にマスク形成段階を必要とする。これは追加的且つ費用のかかるプロセス段階である。それはベアガラスが基板に曝露されるパターンの正確なアライメントも必要とする。特に、小さなパーツ（ＭＥＭＳ）の場合、このアライメントは先進的な／高価なプロセス装置を必要とする。しかしながら、驚くべきことに、接合プロセスと適合性のあるコーティングがある。従って、１つの実施態様によれば、コーティングは以下の特徴の１つまたは両方を有する：
・ コーティングの材料は、陽極接合される能力がない、
・ コーティング自体は、陽極接合界面で電荷空乏領域を確立するために十分な量のアルカリイオンを含有しない、
・ ｍｏｌ％でのアルカリ含有率は、アルカリ含有ガラスのアルカリ含有率の１／１０未満である。
コーティングに対する、信頼性のある接合を得るために、コーティングの外側表面が親水性または極性であることが有利である。これは、コーティング表面と、光学素子に接続されるべきさらなる素子との間の化学結合の形成を容易にする。
さらなる態様によれば、光学機能性モジュールまたは部品が提供され、前記部品は本発明による光学素子、つまり、アルカリ含有ガラスの光学的に透明な基板と、前記基板表面上のコーティングとを有する光学素子、および前記光学的に透明な基板に接続された第２の基板を含み、前記第２の基板は、前記コーティングで被覆された表面領域で前記光学的に透明な基板に陽極接合によって接続されるので、前記コーティングは前記光学的に透明な基板と前記第２の基板との間に配置され、且つ前記光学的に透明な基板と前記第２の基板との両方と直接接触する。
この構成における陽極接合による基板の接続は、コーティングと第２の基板の表面との間の界面で確立される。このように、コーティングは接触領域で除去される必要はない。
コーティングは、単独の層からなってもよいし、少なくとも２つの連続層を含有してもよい。
一般に、単純且つ有利な実施態様において、基板はコーティングによって完全に被覆された面、特に平面を有する。典型的な実施態様において、基板はそれぞれ２つの対向する平面または側を有するディスク形状である。この構成において、少なくとも１つの面は、上記で説明されたようにコーティングで完全に被覆され得る。しかしながら、前記面上に周縁のコーティング除外領域が備えられることがある。
好ましくは、第２の基板はシリコン基板、例えばシリコンウェハ、または金属基板である。ＭＥＭＳ部品を製造するために、ガラス基板に陽極接合されたシリコン基板が用いられることがある。従って、本発明の１つの実施態様によれば、光学部品はＭＥＭＳデバイス、特にＭＯＥＭＳデバイスである。光学素子に接合されるべき他の基板が完全にシリコンまたは金属製である必要はない。しかしながら、光学素子に接合される箇所は好ましくはシリコンまたは金属部分である。従って、より一般的には、第２の基板は、光学素子に接合されるシリコンまたは金属部分を含む。シリコンはシリコン酸化物、特に自然酸化層で被覆され得る。この場合、シリコン酸化物は光学素子に接合する部分の表面を形成する。
一般に、さらなる実施態様によれば、第２の基板もガラス基板に接合する側の上にコーティングを備え得る。そのようなコーティングは、例えば金属または酸化物コーティングであってよい。例えば、ガラス基板に接合される側は、アルミニウムコーティングまたはＳｉＯ2コーティングを備え得る。
最上層のために、または一般にはコーティングの外側表面のために適した材料は、
・ ＳｉＯ2、ＳｉＯx（つまり一般にシリコン酸化物）、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＯx（つまり一般にアルミニウム酸化物）、
・ 金属、
・ 金属酸化物、例えばＳｃ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2およびＨｆＯ2、
・ フッ化物および硫化物、例えばＭｇＦ2、ＺｎＳ、フッ化バリウム（ＢａＦ2）、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、フッ化セリウム（ＣｅＦ3）、フッ化ランタン（ＬａＦ3）、フッ化ネオジム（ＮｄＦ3）、フッ化イッテルビウム（ＹｂＦ3）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ3）、フッ化ジスプロシウム（ＤｙＦ3）およびフッ化イットリウム（ＹＦ3）、
・ それらの混合物、つまり上記で挙げられた材料の１つ以上を含有する材料（従って、それらの上記の材料の少なくとも１つを含有する、ドープ材料および混合材料も）、例えばＡｌドープＳｉＯ2またはＳｉドープＴｉＯ2
である。
典型的には、コーティング、または少なくともその最上層、またはその外側表面は、陽極接合を可能にするために無機である。
本発明の有利な実施態様によれば、コーティングは少なくとも２つの層を含む。多層コーティングでは、より複雑な光学機能を実現でき、例えば多層反射防止またはダイクロイックフィルタである。
コーティングは、それ自体は陽極接合によって表面で接合され得ない材料の層も含み得る。この場合、この層は接合可能な材料、例えばＳｉＯ2層またはＡｌ2Ｏ3層で被覆される。この最上層は必ずしも光学機能を有する必要はないが、他の基板への化学結合を確立する機能を有する。従って、本発明の１つの実施態様において、コーティングは少なくとも２つの層を含む。
従って、本発明の改良態様において、コーティングは、陽極接合によって他の表面に接合しない非接合材料の層を含む。コーティングは、アルカリ含有ガラスの、コーティングで被覆されている表面領域上での陽極接合を可能にする、つまり電荷空乏領域の影響下で他の基板への物理結合または化学結合を確立する材料のさらなる層を含む。
前記部品を製造するために、本発明はさらに、光学素子を有する部品の製造方法を包含し、前記方法は以下の段階を含む：
・ アルカリ含有ガラスの光学的に透明な基板を準備する段階、
・ 前記基板表面上にコーティングを堆積し、前記コーティングが、前記アルカリ含有ガラスの、前記コーティングで被覆されている表面領域上での陽極接合を可能にする段階、
・ 第２の基板を前記光学的に透明な基板上のコーティングと接触させる段階、
・ 前記光学的に透明な基板を、前記ガラス内でアルカリイオンの拡散を可能にする温度まで加熱する段階、および
・ 前記光学的に透明な基板と前記第２の基板との積層体にわたって電圧を印加して、アルカリイオンがガラスのバルク内で移動してアルカリ空乏領域を作り、且つ前記印加電圧および界面でのイオン空乏領域により生成される電場の影響下で、前記コーティングを有する光学的に透明な基板と、前記第２の基板とを一緒に接合する段階。
前記陽極接合は、コーティングとの界面でのガラスにおける持続的な空乏領域によって特徴付けられることができ、そこでアルカリ含有率はガラスのバルクまたは基板の反対の面に対して低減されている。従って、本発明の１つの実施態様によれば、光学素子の基板のガラスはコーティングとの界面でアルカリ空乏領域を有するが、ただしその空乏は経時的に平坦化される。
従って、従来の製造のように陽極接合が確立される。しかしながら、それとは異なり、アルカリ空乏は接合された表面で直接的に生じるのではなく、ガラスからコーティングへの界面で生じる。
前記方法の好ましい実施態様において、
・ 基板と被覆されたガラスとの積層体を、２５０℃を上回るがガラスのガラス転移温度（Ｔｇ）未満の温度に加熱し、
・ 電場を生成するために印加される電圧は２５０Ｖを上回り、且つ
・ 透明基板のガラスの破壊強度を超える接合強度が達成される。しかしながら、電圧破壊および素子の最終的な損傷を回避するために、印加電圧を１５００Ｖ未満に制限することが好ましい。
好ましい実施態様によれば、前記部品は、コーティングと第２の基板との間の陽極接合の接合強度が７ＭＰａを上回る。好ましくは、接合強度は少なくとも１０ＭＰａである。
本発明および好ましい実施態様を、以下で図面を参照しながらさらに説明する。
図１は、コーティングを有する光学素子の断面を示す。 図２は、多層コーティングを有する光学素子の断面を示す。 図３は、追加された薄層を有する図１の実施態様の変化態様を図示する。 図４は、多層の非接合材料を有する変化態様を示す。 図５は、接合材料と非接合材料との交互の多層を有する変化態様を示す。 図６は、基板両面上にコーティングを有する図４の実施態様の変化態様である。 図７は、２つの被覆されたウェハを示す。 図８は、被覆された光学素子を有する部品の２つの例を示す。 図９は、デバイスウェハに接合された透明なウェハを有するウェハパッケージを示す。
好ましい実施態様の詳細な説明
図１は本発明による光学素子１を示す。光学素子１は、アルカリ含有ガラス５の光学的に透明な基板３と、前記基板３の表面７上のコーティング９とを含む。前記基板のガラスは陽極接合を可能にする種類のものである。従って、ガラスのアルカリイオンは、軟化点未満の高められた温度で、ガラスマトリックス内で動くことができる。コーティング９と共に、前記コーティング９で被覆される表面７の領域内でアルカリ含有ガラス５の陽極接合が可能であり、且つ前記陽極接合は前記コーティングの外側表面９１で形成する。好ましくは、前記基板３は２つの対向する面１３、１５を有し、１つの面１３が、表面７を形成し、その上にコーティング９が堆積されている。
意外なことに、且つ図１の特定の実施態様に限定されることなく、コーティング９自体は陽極接合される能力がある材料である必要はない。具体的には、コーティング自体が、接合界面で、つまりコーティングの外側表面９１で電荷空乏領域を確立するために十分な量のアルカリイオンを含有する必要はない。しかしながら、印加される電圧に起因して、界面１７でのアルカリ空乏はガラス内でまだ生じるので、接続されるべき基板間で強い静電場が作り上げられる。コーティングの全体的な厚さは好ましくは２ｎｍ〜５０μｍ、特に２０ｎｍ〜２０μｍの範囲である。前記場の強度は厚さの増加と共に低下するが、５０μｍの上限でも、安定且つ強固な接合がまだ可能である。コーティング内側で著しいイオンの移動は起きないと仮定すると、その電場の力は接合を開始するかまたは少なくとも十分な強度の接合力を確立するためには低すぎるであろう。コーティングの厚さと場の強度との間の関係は、おおよそ反比例であると仮定される。つまり、コーティングの厚さを２倍すると、静電力は半分になる。接合を妨害するコーティングの厚さは、印加され得る最大電圧と、接合を達成するための表面の親和力との両方に依存する。この親和力は例えば、親水性材料の場合は表面でのＯＨ-基の密度、欠陥および包含物の密度に依存し得る。従って、厚さについて明確な制限はない。
示されるとおり、基板３の平面１３はコーティング９で完全に被覆されている。コーティングのさらなる構造化をすることなく、前記光学素子を陽極接合のために使用できる。本発明の１つの実施態様によれば、図１の特定の例示的な例に限定されることなく、前記光学素子は前記コーティングで完全に被覆された１つの面を有するガラスウェハである。堆積プロセスにおいて、例えばウェハを保持するクランプに起因して、被覆されるウェハ端部で小さな領域があることがある。これは、ウェハ端部でコーティングを有さない小さな領域をもたらし得る。同様に、取り扱い上の理由から、周縁のコーティング除外領域が備えられることがある。連続的なコーティングを有するが好ましくは端部で空いたままの小さい領域または端部で周縁のコーティング除外領域を有するウェハも、完全に被覆された面を有するウェハとしてみなされる。
接合を容易にするために、最上層の材料は好ましくは親水性または極性である。一般に、親水性または極性の材料は、接触角が４５°未満、好ましくは２５°未満である材料とみなされる。表面での接触角は、汚染に起因してより大きいこともある。しかしながら、表面で層を形成する材料が親水性である限り、これはあまり重要ではない。従って、上記で特定される接触角は、表面の洗浄後に達成されることもできる。
光学コーティング９の最後の層として施与される場合、完全に被覆されたウェハを陽極接合可能にする被覆材料は、場合により、Ｓｉの自然酸化膜および金属、例えばコバールに対して親水性接合を示す全ての材料である。
これは確かにＳｉＯ2、ＳｉＯx、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＯxおよび金属層を含む。さらに、金属酸化物、例えばＳｃ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2およびＨｆＯ2が適している。さらに、フッ化物および硫化物、例えばＭｇＦ2、ＺｎＳ、フッ化バリウム（ＢａＦ2）、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、フッ化セリウム（ＣｅＦ3）、フッ化ランタン（ＬａＦ3）、フッ化ネオジム（ＮｄＦ3）、フッ化イッテルビウム（ＹｂＦ3）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ3）、フッ化ジスプロシウム（ＤｙＦ3）およびフッ化イットリウム（ＹＦ3）を使用して、例えば、特別な光学特性、例えばＭｇＦ2の場合のような低い屈折率を使用できる。
前記コーティングは、上述の化合物の少なくとも１つを含むドープまたは混合された材料、例えばＡｌドープされたＳｉＯ2、またはＳｉドープされたＴｉＯ2を含有してもよい。
図２は図１の実施態様の改良態様を示す。該実施態様において、コーティング９は少なくとも２つの層を含む。図２の例において、コーティングは３つの層９２、９３、９４を含む。さらに、示されるとおり、コーティング９は基板の対向する面１３、１５の両方に施与され得る。一般に、図１および図２の例に限定されることなく、１以上の層を有するコーティング９は特に以下の１つであってよい：
・ 反射防止コーティング、
・ 単数または複数の保護層を有するか有さないミラーコーティング（金属、誘電体または組み合わせ）、
・ フィルタコーティング、特にダイクロイックフィルタ、偏光フィルタ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ＮＤ(neutral density)フィルタ、シングルまたはマルチノッチフィルタまたはビームスプリッタコーティングであって、場合によりダイクロイックまたは偏光特性を提供するもの。
さらに、前記コーティングは、硬度および／または引掻耐性を付与する材料または層を含み得る。この種のコーティング材料は特に、窒化物、酸窒化物、炭窒化物または炭化物、例えば炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化チタンまたは窒化ケイ素、または混合材料である。
さらに、高いＬＩＤＴ、低吸収、低反射または低回折損失を有する材料または層の設計を用いることができる。
前記コーティングは非接合材料も含み得る。例えば、図２に示される実施態様において、層９２、９３の一方または両方が、それ自体は陽極接合に適していない材料製であってよい。この場合、コーティング９は、陽極接合によって他の表面に接合しない非接合材料の層を含み、さらなる層が準備される。このさらなる層は、アルカリ含有ガラスの陽極接合を、コーティングで被覆される表面領域上で可能にする材料のものである。従って、図２の例において、最上層９４は陽極接合によって他の材料に接合する材料のものである。例えば、最上層９４は、ＳｉＯ2層、ＳｉＯx層またはＡｌ2Ｏ3層であってよい。特に、コーティング自体が、陽極接合を可能にする電荷空乏領域を作るために十分な量でアルカリイオンを含有する必要はない。具体的には、コーティングのアルカリ含有率は、存在する場合、ｍｏｌ％で測定されるガラスのアルカリ含有率の１０分の１未満であってよい。
コーティング９は実質的に１つ以上の非接合材料からなることもできる。そのようなコーティングを用いるために、光学機能を有さないが陽極接合を可能にするだけの接合可能材料（典型的にはＳｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3）の薄層を非接合材料の上部に堆積され得る。図３は、非接合材料の層９２を有するこの変化態様の例を示す。この層９２の上に、接合材料（例えば上述のＳｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3）のさらなる薄層を堆積する。この層９３は他の基板への化学結合を確立するためだけに役立つので、非常に薄くてよい。本発明の１つの実施態様によれば、コーティング９は非結合材料の層９２、および前記非結合材料の層９２の上部の結合材料のさらなる層９３を含み、前記さらなる層はコーティング９の外側表面を形成し、且つ１ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは４ｎｍ〜２０ｎｍ、および特に５ｎｍ〜１５ｎｍの厚さを有する。
コーティングの全体的な厚さは好ましくは２ｎｍ〜５０μｍ、特に２０ｎｍ〜２０μｍの範囲である。
他の実施態様によれば、特に多層積層体の最上層も光学機能への寄与を有する場合、その層の厚さは好ましくは５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。これは、単層のコーティングが可視光範囲（典型的には４００〜７００ｎｍの波長）について光学機能を有する場合、その単層のコーティングの厚さの好ましい範囲でもある。ＮＩＲまたはＩＲ範囲で光学特性を有する層については、典型的な層厚は波長に伴って線形的に増加し、好ましくは１２５ｎｍ〜１０００ｎｍ厚の層に至る。
図４は、多層の非接合材料を有する変化態様を示す。この変化態様によれば、コーティング９は層の多層積層体である。特に、コーティング９は交互の層９６、９７の積層体を含み得る。両方の層の種類９６、９７の材料が非接合、つまり陽極接合のために適していないことがある。この実施態様において、積層体は、接合材料の層９５で終端しており、それが結果としてコーティング９の外側表面９１を形成する。その終端層は光学機能を有することがある。その層は、上記のとおり非常に薄く、コーティング９の光学特性に著しく寄与しなくてもよい。
図５の実施態様において、コーティング９は交互の層９５、９６の多層積層体を含み、ここで層９５は接合可能材料のものであり、層９６は非接合可能材料のものである。交互の層９５、９６の順は、接合可能材料の最上層９５で終端する。
図６の実施態様に示すとおり、交互の層系を有する多層コーティング９は、基板３の両面上に堆積され得る。示された実施態様において、両方のコーティングは、それらの一連の層および接合材料の層９５で終端していることに関して同一である。終端層９５は、他の基板に接合されないコーティング上では省略してもよい。
一般に、描かれた例のいずれかに限定されることなく、コーティング９の層数は１から３００まで変化し得る。典型的には、例えば反射防止機能のためには、それは１〜８層である。複雑なフィルタ（例えばノッチフィルタ）のためには、それは３００〜６００層であってもよい。
堆積技術は、いかなる薄膜堆積方法であってもよく、限定されずにＰＶＤ（物理気相堆積）、ＣＶＤ（化学気相堆積）またはＡＬＤ（原子層堆積）を含み、特にＰＶＤについて、限定されずに電子ビーム蒸着、イオンビームスパッタ、マグネトロンスパッタ、イオンアシスト蒸着、熱蒸着、または任意の他の薄膜被覆技術であってよい。以下で議論される例は、イオンアシスト蒸着を使用して成された。
基板が透明である波長範囲は、２５０ｎｍから４μｍまでであり得る。従って、本発明による光学的に透明との用語は、可視の波長範囲に限定されるのではなく、赤外光および紫外光も含む。より具体的には、可視範囲（４００〜７００ｎｍ）、近赤外（８５０〜２５００ｎｍ）および中赤外（２５００〜３５００ｎｍ）、および特に電気通信およびレーザー範囲の用途のために典型的なレーザー波長（９０５、９５０、１０３０、１０５０、１０６４、１５３５、１５５０および１５７０ｎｍ）、およびＬＥＤおよびＯＬＥＤ光源のための波長（赤色、緑色および青色における可視波長）および例えばＯＰＯによって生成される任意の波長が、本発明による光学部品に関係する。従って、基板はそれらの波長または波長範囲の少なくとも１つに対して透明であると理解される。
外側表面９１の粗さ（Ｒｑ）は有利には０．１〜２ｎｍ ＲＭＳであるが、０．１ｎｍ ＲＭＳ未満（下限なし）、または２ｎｍ ＲＭＳより高くてもよい。粗さは堆積のパラメータによって、例えばプラズマ堆積プロセスにおける出力密度によって影響され得る。陽極接合を容易にし、且つ接合を強化するためには、粗さが少ないことが一般に有利である。
図７は２つの基板３を示す。両方の基板３はウェハ３０であり、それをウェハレベルの陽極接合プロセスにおいて用いることができ、その後に部品を分離できる。左側のウェハ（ａ）は、本発明により加工され得るウェハ３０である。ウェハ３０の面１３は、コーティング９で完全に被覆されており、周縁のコーティング除外領域３３は空いたままである。右側のウェハ（ｂ）は従来のプロセスにおいて使用されるウェハ３０である。コーティング９は、周縁のコーティング除外領域３３の内側の領域を完全に被覆するのではなく、空いたままの縞状の接合領域３５でさらに構造化されている。それらの領域は、ウェハをさらなる基板に陽極接合して、そのさらなる基板がウェハ材料に直接接触することが想定されている。しかしながら、この構造化はさらなる加工を必要とする。また、ウェハ間のアライメントは、さらなるウェハ上の接合構造が接合領域３５と合致するように、より正確でなければならない。示された実施態様において、ウェハは丸い形状である。しかしながら、他の形状のウェハも可能である。例えば、ウェハは角形、特に正方形、またはより一般には多角形の形状を有し得る。
図８は、被覆された光学素子１の部品２の２つの例を示す。例（ａ）は本発明による部品２であり、例（ｂ）は従来通りに製造されている。両方の例は、アルカリ含有ガラス５の基板３を、さらなる基板１１に接合することにより製造されている。部品（ａ）および（ｂ）はＭＯＥＭＳデバイスであり、部品（ａ）は本発明による部品であり、部品（ｂ）は比較例である。
特に、その製造は、以下の段階：
・ アルカリ含有ガラス５の光学的に透明な基板３を準備する段階、
・ コーティング９を基板３の表面上に堆積する段階、
・ 第２の基板１１を、前記光学的に透明な基板３上の前記コーティング９と接触させる段階、
・ 前記光学的に透明な基板３を、前記ガラス５内のアルカリイオンの拡散を可能にする温度まで加熱する段階、および
・ 前記光学的に透明な基板３および前記第２の基板１１の積層体にわたって電圧を印加し、前記光学的に透明な基板３と前記第２の基板１１とを一緒に接合させる段階、
を含む。
例（ｂ）において、コーティング９は、接合領域３５においては除去されており、ガラス５が第２の基板１１と直接接触する。
しかしながら、本発明によれば、コーティングは１つ以上の接合領域３５上にかかっている。従って、第２の基板１１は、ガラスの代わりにコーティング９と接触される。電圧が印加されると、印加電圧によりもたらされる静電場の影響下で、アルカリイオンが動いてガラス５とコーティング９との界面から離れる。このように、コーティングとの界面でガラス中にアルカリ空乏領域６が生成され、その界面で高い静電力が生じて、光学的に透明な基板３と第２の基板１１とが一緒に接合される。従って、従来の製造と類似して、陽極接合４が確立されるが、しかしながら、アルカリ空乏が前記接合プロセスの間に形成される際、陽極接合界面４で直接的にというよりはむしろ、ガラス５からコーティング９への界面で形成される。その陽極接合４は、同等の強度も有する。７ＭＰａを上回る接合強度を確立でき、その接合強度１０ＭＰａを超えることすらある。
基板３はさらに、対向する面の上にコーティング１０を備え得る。コーティング９、１０は、同一または異なっていてもよく、例えばコーティング９は図３、図４および図５の実施態様のとおり、接合材料の追加的な層を有する。
ＭＯＥＭＳデバイス２０は一般に、１つ以上の光学的な能動または受動素子、例えば光センサ、光源、または１つ以上の動作可能な光機械素子２１を含む。それらの素子は、光学素子１を透過した光と相互作用する。例えば、本発明の１つの実施態様によれば、且つ図８の特定の実施態様に限定されることなく、部品２の第２の基板は、印加電圧または電流によって傾かせることが可能なミラーの形態の光機械素子２１を含む。
光学素子１を透過し且つ光機械素子２１によって影響を及ぼされた光は、光学素子１を通じて反射して戻り、第２の基板１１を透過するか、または部品２内で吸収されることができる。一般に光は、ＭＯＥＭＳデバイス２０内の光学的に受動的または能動的な素子によって、反射、屈折または一般には転送または放出され得る。
一般に、且つ描かれた実施態様に限定されることなく、部品２の光学素子１は特に、２つの対向する平行平面を有する基板３を用いた窓であってよい。前記の窓は特に、光機械素子または光電子素子、例えば光電子的な光源、センサ、およびアクチュエータを封入するために役立つことができる。
図８の例においても示されるように、第２の基板１１は接合突起部を含むことがあり、その上に光学的に透明な基板３が取り付けられる。接合突起部２５は、隆起状の支持体であってよい。特に、接合突起部２５は、部品２の光電子素子または光機械素子を囲むまたは取り囲む接合フレームであってもよい。一般に、接合突起部は、第２の基板の本体と共に搭載されてもよいし、その上の追加的な構造であってもよい。例えば第２の基板は、隆起部が光電子素子または光機械素子の周りに立ったままであるようにエッチングまたは構造化されたシリコン基板であってよい。接合突起部２５は、金属構造物、例えば鉄ニッケル合金、例えばコバールから製造された突起であってもよい。この金属はシリコンに近い線熱膨張係数を有する。一般に、第２の基板１１も透明な基板３に接合する側の上にコーティングを備えていることがある。また、同様の熱膨張係数を有するガラス５を選択することが有利である。
陽極接合の手順はウェハレベルで実施される。これは、ガラスウェハと第２のウェハが一緒に接合され、且つ製造されるべき部品は陽極接合後の特定の時間でウェハのパッケージから分離されることを意味する。このように、図７に示される構造化および引き続く接合突起部へのアライメントを省略できるので、本発明は特に有利である。図９は本発明によるウェハパッケージ３１の例を示す。ウェハパッケージ３１は一般に、光学的に透明なウェハ３０と、多数の光電子素子または光機械素子を有する第２のウェハ３２とを含み、光学的に透明なウェハ３０の第２のウェハに面する側がコーティング９で被覆され、且つ光学的に透明なウェハ３０と第２のウェハとが接合領域３５で陽極接合４によって一緒に接合され、コーティング９は接合領域３５にわたって広がるので、コーティング９が第２のウェハ３２と接触し、コーティングと第２のウェハ３２との間に陽極接合が形成される。接合領域３５は、本発明による部品２を、分離ライン４０に沿ってウェハパッケージ３１から分離できるように形成されている。従って、部品２の光学的に透明な基板３および第２の基板１１は、それぞれ第１のウェハおよび第２のウェハ３０、３２の部分から形成される。
好ましくは、接合領域３５は図８の例のように接合突起部２５によって定義される。好ましくは、接合突起部２５は、第２のウェハ上でデバイス、例えば光機械素子または光電子素子２２のまわりを一周する接合フレーム２８として形成される。このように、ウェハ３０、３２が一緒に接合された後に素子が封入される。
以下に、本発明による光学部品２の製造例を記載する。基板３はＭＥＭｐａｘウェハである。ＭＥＭｐａｘは、シリコンの線熱膨張係数と非常に近く合致する線熱膨張係数α（２０℃； ３００℃）＝３．３×１０-6Ｋ-1を有するホウケイ酸ガラスである。
反射防止コーティングを前記ＭＥＭｐａｘウェハ上に堆積した。該コーティング９は４層のコーティングであり、波長９０５ｎｍ（ＮＩＲレーザー用途のために典型的）に対して最適化されている。その４層とは、２３１ｎｍのＴａ2Ｏ5（最下層）／９５ｎｍのＳｉＯ2／１７８ｎｍのＴａ2Ｏ5／１２５ｎｍのＳｉＯ2（最上層）であった。コーティング９の外側表面９１、つまり厚さ１２５ｎｍを有するＳｉＯ2層の表面は、粗さ１〜１．５ｎｍ ＲＭＳを有する。このウェハをシリコンウェハに接合し、前記コーティングはシリコンウェハに直接的に接触した。
接合のために静電電圧１２５０Ｖを印加し、接合を開始させるために必要なイオンの移動、ひいては静電力が、イオン電流から観察すると３６０℃で開始した。その温度をさらに３８０℃へと高め、イオン電流の立ち上がりが観察された後、その印加電圧および温度を１０〜１５分間保持した。それらは陽極接合のために典型的なプロセスパラメータである。より長い接合時間、より高い温度または他の接合プロセスパラメータの最適化は、より大きな接合領域および／またはより高い接合エネルギーをもたらし得る。
当業者にとっては、本発明が図に示された特定の実施態様に限定されないことが明らかである。むしろ、実施態様は特許請求の範囲内で変化することができ、異なる例の特徴を組み合わせることができる。とりわけ、本発明は図８に開示されるようなＭＥＭＳデバイスまたはＭＯＥＭＳデバイスに限定されない。むしろ、本発明は、電子分野のパッケージングのために一般に適用でき、可能性のある用途はＬＥＤおよびＯＬＥＤおよびレーザー光源の気密パッケージング、光学センサ、ＮＩＲセンサおよびＭＩＲセンサのパッケージングであり、ここでコーティングを必要とする光学的に透明な素子は典型的にはガラス部品であり（必ずしもウェハではない）、且つパッケージングはメタルのケーシングであってよい。
１ 光学素子
２ 部品
３ 透明基板
４ 陽極接合
５ アルカリ含有ガラス
６ アルカリ空乏領域
７ 基板３の表面
９、１０ コーティング
１１ 第２の基板
１３、１５ ３の面
１７ ３、９の間の界面
２０ ＭＯＥＭＳデバイス
２１ 光機械素子
２２ 光電子素子
２５ 接合突起部
２６ 透明ウェハ
２７ デバイスウェハ
２８ 接合フレーム
３０ ウェハ
３１ ウェハパッケージ
３２ 第２のウェハ
３３ コーティング除外領域
３５ 接合領域
４０ 分離ライン
９１ ９の外側表面
９２、９３、９４ コーティング９の層
９５ 接合（可能）材料の層
９６、９７ 非接合（可能）材料の層

Claims (23)

  1. アルカリ含有ガラス（５）の光学的に透明な基板（３）と表面（７）上のコーティング（９）とを含む光学素子（１）であって、前記コーティング（９）が表面（７）の前記コーティング（９）で被覆された領域内でアルカリ含有ガラス（５）の陽極接合を可能にし、且つ前記陽極接合は前記コーティングの外側表面（９１）で形成する、前記光学素子（１）。
  2. 前記コーティングは、少なくともその外側表面（９１）でアルカリ不含であることを特徴とする、請求項１に記載の光学素子（１）。
  3. 前記コーティング（９）の外側表面（９１）が親水性または極性であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学素子（１）。
  4. 前記コーティング（９）の外側表面（９１）が、
    ・ ＳｉＯ2、ＳｉＯx（つまり一般にシリコン酸化物）、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＯx（つまり一般にアルミニウム酸化物）、
    ・ 金属、
    ・ 金属酸化物、例えばＳｃ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｎｂ2Ｏ5、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2およびＨｆＯ2、
    ・ フッ化物および硫化物、例えばＭｇＦ2、ＺｎＳ、フッ化バリウム（ＢａＦ2）、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）、フッ化セリウム（ＣｅＦ3）、フッ化ランタン（ＬａＦ3）、フッ化ネオジム（ＮｄＦ3）、フッ化イッテルビウム（ＹｂＦ3）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ3）、フッ化ジスプロシウム（ＤｙＦ3）およびフッ化イットリウム（ＹＦ3）、
    ・ それらの混合物、つまり、上記で挙げられた材料の１つ以上を含有する材料（従って、それらの上記の材料の少なくとも１つを含有する、ドープ材料および混合材料も）、例えばＡｌドープＳｉＯ2またはＳｉドープＴｉＯ2
    の１つを含むことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の光学素子（１）。
  5. 前記基板が、前記コーティング（９）によって完全に被覆された面、特に平面を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の光学素子（１）。
  6. 前記コーティング（９）の厚さが、２ｎｍ〜５０μｍ、好ましくは２０ｎｍ〜２０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の光学素子（１）。
  7. 前記コーティング（９）が少なくとも２つの層を含むことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の光学素子（１）。
  8. 前記コーティング（９）が、陽極接合によって他の表面に接合しない非接合材料の層と、前記コーティング（９）で被覆されている表面領域上でアルカリ含有ガラスの陽極接合を可能にする材料のさらなる層とを含むことを特徴とする、請求項７に記載の光学素子（１）。
  9. 前記さらなる層が、厚さ１ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは４ｎｍ〜２０ｎｍ、および特に５ｎｍ〜１５ｎｍを有することを特徴とする、請求項８に記載の光学素子（１）。
  10. 前記コーティング（９）の最上層の厚さが、５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲である、請求項６または７に記載の光学素子（１）。
  11. 前記コーティング（９）の外側表面（９１）の粗さ（Ｒｑ）が、０．１〜２ｎｍ ＲＭＳであることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の光学素子（１）。
  12. 前記コーティング（９）が、
    ・ 反射防止コーティング、
    ・ 単数または複数の保護層を有するか有さないミラーコーティング（金属、誘電体または組み合わせ）、
    ・ フィルタコーティング、特にダイクロイックフィルタ、偏光フィルタ、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、ＮＤフィルタ、シングルまたはマルチノッチフィルタまたはビームスプリッタコーティング
    の１つであることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の光学素子（１）。
  13. 前記コーティング（９）が窒化物、酸窒化物、炭窒化物または炭化物、またはそれらの混合物を含むことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の光学素子（１）。
  14. アルカリ含有ガラス（５）の光学的に透明な基板（３）と前記基板（３）の表面（７）上のコーティング（９）とを有する光学素子（１）、および前記光学的に透明な基板（３）に接続された第２の基板（１１）を含む部品（２）であって、前記第２の基板（１１）は、前記コーティング（９）で被覆された表面（７）の領域で前記光学的に透明な基板（３）に陽極接合によって接続されるので、前記コーティング（９）は前記光学的に透明な基板（３）と前記第２の基板（１１）との間に配置され、且つ前記光学的に透明な基板（３）と前記第２の基板（１１）との両方と直接接触する、前記部品（２）。
  15. 前記第２の基板（１１）は、前記光学素子に接合されているシリコン部分、特にシリコン酸化物で被覆されたシリコン部分、または金属部分を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の部品（２）。
  16. 前記部品（２）が、ＭＥＭＳデバイス、特にＭＯＥＭＳデバイスであることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の部品（２）。
  17. 前記基板（３）のガラス（５）が、前記コーティング（９）の界面でアルカリ空乏領域（６）を有することを特徴とする、請求項１４から１６までのいずれか１項に記載の部品（２）。
  18. 前記光学素子（１）が、２つの対向する平行平面を有する基板（３）を用いた窓である、請求項１４から１７までのいずれか１項に記載の部品（２）。
  19. 前記コーティング（９）と前記第２の基板（１１）との間の陽極接合（４）の接合強度が７ＭＰａを上回り、好ましくは少なくとも１０ＭＰａの値を有することを特徴とする、請求項１４から１８までのいずれか１項に記載の部品（２）。
  20. 前記コーティング（９）が、以下の特徴：
    ・ 前記コーティング（９）の材料は、陽極接合される能力がない、
    ・ 前記コーティング（９）自体は、陽極接合界面で電荷空乏領域を確立するために十分な量でアルカリイオンを含有しない、
    ・ ｍｏｌ％でのアルカリ含有率は、前記アルカリ含有ガラスのアルカリ含有率の１／１０未満である、
    の少なくとも１つを有する、請求項１４から１９までのいずれか１項に記載の部品（２）。
  21. 光学的に透明なウェハ（３０）と、多数の光電子素子または光機械素子を有する第２のウェハ（３２）とを含むウェハパッケージ（３１）であって、前記光学的に透明なウェハ（３０）の、前記第２のウェハ（３２）に面する側は、コーティング（９）で被覆され、且つ前記光学的に透明なウェハ（３０）と第２のウェハ（３２）とが接合領域（３５）で、陽極接合（４）によって一緒に接合され、前記コーティング（９）は接合領域（３５）にわたって広がるので、前記コーティング（９）が前記第２のウェハ（３２）と接触し、前記コーティング（９）と第２のウェハ（３２）との間に陽極接合（４）が形成される、前記ウェハパッケージ（３１）。
  22. 光学素子（１）を有する部品（２）の製造方法であって、以下の段階：
    ・ アルカリ含有ガラス（５）の光学的に透明な基板（３）を準備する段階、
    ・ 前記基板（３）の表面上にコーティング（９）を堆積し、前記コーティング（９）が、前記アルカリ含有ガラス（５）の、コーティング（９）で被覆されている表面領域上での陽極接合を可能にする段階、
    ・ 第２の基板（１１）を、前記光学的に透明な基板（３）上の前記コーティング（９）と接触させる段階、
    ・ 前記光学的に透明な基板（３）を、前記ガラス（５）中でのアルカリイオンの拡散を可能にする温度まで加熱する段階、および
    ・ 前記光学的に透明な基板（３）と前記第２の基板（１１）との積層体にわたって電圧を印加して、アルカリイオンが前記ガラスのバルク内で移動してアルカリ空乏領域（６）が作られ、且つ前記印加電圧および界面でのイオン空乏領域により生成される電場の影響下で、前記コーティング（９）を有する前記光学的に透明な基板（３）と、前記第２の基板（１１）とを一緒に接合する段階
    を含む、前記方法。
  23. ・ 基板（３）と被覆されたガラス（５）との積層体を、２５０℃を上回るが前記ガラス（５）のガラス転移温度（Ｔｇ）未満である温度まで加熱し、
    ・ 前記電場を生成するために印加される電圧は２５０Ｖを上回るが好ましくは１５００Ｖ未満であり、且つ
    ・ 前記透明な基板（３）のガラス（５）の破壊強度を上回る接合強度が達成される、
    請求項２２に記載の方法。
JP2019085714A 2018-04-27 2019-04-26 被覆された光学素子、被覆された光学素子を有する部品およびその製造方法 Withdrawn JP2019196301A (ja)

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