JP5342460B2 - レーザによる接合方法、該方法で接合した基板、及びかかる基板の使用 - Google Patents

レーザによる接合方法、該方法で接合した基板、及びかかる基板の使用 Download PDF

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Description

本発明は、レーザによる基板の接合方法に関する。該方法では、まず基板同士を押圧することにより摩擦結合し、その後レーザ照射を行って、その領域を活性化させることにより、基板同士の結合を強化させる。本発明はまた、該方法により形成した基板に関する。
最新技術から知られる直接接合又はウェハ接合は、十分な平面性を有する表面同士は接着力により結合できるという原則に基づいている。この直接接合は、室温からガラス転移点まで、又は室温から融点までの温度で行う。この種の方法は、例えば特許文献１及び特許文献２から知られている。
しかし、室温で直接接合した基板同士の結合は弱いものでしかなく、接合部分に十分な接着強さを持たせるために、通常はその後温度を上げて調質することで接合を補強する必要がある。このように接着力を十分に高めて結合を強化できるのは、通常は３００℃を超える温度でしかない。ただしこの温度処理の実質的な欠点は、熱膨張挙動の異なる基板に影響が出ることである。
独国特許出願公開第１９７５２４１２(ＤＥ，Ａ１) 独国特許出願公開第１００４８３７４(ＤＥ，Ａ１)
フェムト秒レーザパルスを密に集光させたことによる透明バルク材におけるレーザ誘起破壊と損傷（Laser-induced breakdown and damage in bulk transparent materials induced by tightly focused femtosecond laser pulses）（Meas. Sci. Technol. 12（2001），１７８４−１７９４頁）
従って、本発明の目的は平坦な基板同士を結合する方法を提供することであり、該方法は材料が特には熱弾性を示さない場合や、材料同士の熱膨張挙動が異なる場合にも使用できる一方で、基板の接着強さを高めることもできる。
請求項１の特徴を有する方法と請求項２３の特徴を有する接合基板により、この目的を達成する。本発明による使用を請求項２５及び請求項２６に示す。更なる従属項では有益な変形例を示す。
本発明は、レーザによる基板の接合方法を提供する。該方法では、第１段階において２つの基板を直接接触させると共に、場合により基板同士を押圧することにより摩擦結合し、その後これら基板の境界にレーザを照射して、その領域を活性化させることにより、２つの基板の結合を強化させる。当然のことながら、この方法によって２つより多くの基板を結合させることもできる。
上記方法において、第２段階でレーザ照射により結合を強化させることは本発明にとって肝要なことである。ただし、活性化中に基板の溶融温度又は変態温度に到達しないようにレーザエネルギーを選択する。溶融温度に到達させないことで、基板表面の形状が不変のまま維持される。
固相から液相に遷移させずに、供給するエネルギーを表面原子／分子の電子励起に変換する。これにより基本状態の被占軌道から励起状態の非占軌道へと電子励起が生じる。これには高化学反応が伴うが、この高化学反応によって２つの基板の接触点に新たな化学結合を形成することができる。電子の励起状態を緩和することによりエネルギーは固体格子に移り、これによって隣接する基板同士がさらに接近し、表面の発振励起を介して両基板の表面原子／分子の間に新たな化学結合（反応）が形成されることになる。
好ましくは、少なくとも１つの基板の分子及び／又は原子の化学的及び／又は熱的励起が、レーザ照射により境界の領域において可能となる、かつ／又は、少なくとも１つの基板の境界の領域において拡散プロセスを開始する。
本発明による方法の好適な実施形態では、レーザ照射をパルス化して基板への所定のエネルギー入力を可能にする。
レーザを境界に対して正確に集光照射することが好ましい。
上記方法の実行に関し、以下３つの変形例を用いることができる。
第１の変形例によれば、第１基板にまず照射を行った後、境界の領域においてのみ少なくとも１つの基板の分子及び／又は原子の結合状態を励起させるよう、レーザ照射の波長を調整すると共に、レーザ照射の焦点を選択する。所定の領域にレーザを集光照射する点で、正確な位置の特定が可能である。活性化エネルギーと、基板同士の結合の強化の度合いは、レーザ照射の焦点、パルスエネルギー、パルス反復率、及びパルス数といったパラメータにより調整することができる。
本発明による第２の変形例は、波長λ≧λａにおいて実質的に透明である基板を、波長λ≧λａの長波の非線形吸収レーザ照射により照射するものである。これに相応して境界においてレーザを正確に集光照射することにより、レーザ照射が十分に高い強度に到達すればマルチプロトンプロセスが起こる。活性化エネルギーとこの種の結合の強化の度合いは、レーザ照射の焦点、パルス持続時間、パルスエネルギー、パルス反復率、及びパルス数によって調整することができる。
１つのレーザではなく、λLaser１、λLaser２、λLaser３（これらは全てλａより大きい）といった波長の異なる数種のレーザを使用することもできる。
本発明の方法による第３の変形例は、所定波長のレーザ照射に対して実質的に透明な第１基板と、この波長のレーザ照射を実質的に吸収する第２基板とを使用するものである。レーザを照射すると、レーザ照射は透明の基板に吸収されることなく、まずこの基板を通過する。照射が第２基板に達する時のみ、吸収プロセスとそれに伴う熱活性化が起こる。
発生する入熱の制御は、パルス照射の焦点、波長、パルス持続時間、パルスエネルギー、さらにパルス反復率、及び照射時間、すなわちパルス数を適切に選択することによって行う。よって熱輸送と加熱量は、パルス持続時間に大きく依存する。超短パルス、即ちピコ秒からフェムト秒の範囲のパルスを使用すれば、広範囲への熱伝播を避けることができる。高パルスシーケンス周波数の場合、蓄熱が起こるおそれがある。この場合にはパルス数によって温度が上昇する。ただし、加熱領域が結果として集光領域より大きくなる可能性がある。
非晶質基板、又は一部結晶基板、又は結晶基板を基板として使用することができる。非晶質基板の群からはガラス、詳細には二酸化ケイ素が好適である。一部結晶基板としては、ガラスセラミックス、例えばゼロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ（登録商標））又はユーエルイー（ＵＬＥ（登録商標））を使用することが好ましい。結晶基板は半導体、セラミックス、圧電セラミックス、非線形光学結晶からなる群から選択することが好ましい。半導体としては、ここでは詳細にはシリコン、リン化インジウム、又はガリウムヒ素が好ましい。圧電セラミックスの中では、チタン酸バリウム、又はジルコン酸チタン酸鉛が特に好ましい。非線形光学結晶としては、詳細にはチタンリン酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸バリウム、又は三ホウ酸リチウムを使用する。プラスチック材料も同様に基板として使用することができる。プラスチック材料の群からは、詳細にはポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、又はポリマー及びコポリマー、又はシクロオレフィン、並びにこれらの複合材料が好ましい。
本発明による方法は、２つの異なる基板を使用する場合に特に適している。詳細には、基板が異なる熱膨張係数を有する場合を含み得る。ただし、同じ材料から製造した２つの基板を使用することも可能である。基板に関しては、可能な限り平坦な表面を有する基板を使用すべきである。
平坦度及び粗度に関する要件は、基板の材料とその柔軟性に依存する。基本的に平坦度に関する要件は、基板の曲げ強度が増すにつれて、詳細には基板の高さが増すにつれて、顕著に高くなる。
それぞれ約１mmの高さを有する２つのガラス基板を接合させるには、約２０mm＊２０mmの表面区画における局所平坦度が、好ましくは約１０ｎｍ（ＰＶ＝Peak to Valley（高低差））またはそれ以上であるべきである。ただしこの値は大まかな基準を示すにすぎない。材料、基板の高さ、及びプロセス制御（接触圧等）によっては、上記値は約一桁上下にずれてもよい。基本的に基板の高さが低くなれば、起伏が大きくなっても許容可能である。
表面の粗度は好ましくは１ｎｍ（ＲＭＳ、二乗平均平方根）以下であるべきであるが、少なくとも５ｎｍ（ＲＭＳ）以下とする。
表面の平面度に関するこの類の要件については、元々これらが備わっていなければ、例えば前処理ステップ及び洗浄ステップを設けて微粒子や汚れを除去することで満たすことができる。また更なる前処理ステップとして、例えば窒素、酸素、水素、又はアルゴンを用いた低圧又は高圧プラズマ処理や、さらにＳＯ２、ＮＨ３等の官能基を表面に吸収させる処理を行うこともできる。ここに挙げたすべての前処理ステップ、即ち洗浄、プラズマ活性化、及び官能基の吸収については、どの順番で行ってもよい。
本発明による方法は、中間の環境の影響をなくすべく、接合及びその後のレーザ活性化を行う一体化構造内で、同一ユニットで、特に好ましくは真空中、又は保護ガス中で行うこともできる。
さらに、隣接した領域をレーザで活性化することにより、基板同士の結合を線形性又は扁平性の面から強化することが好ましい。
本発明による方法の好適な変形例では、基板を洗浄し、基板表面をプラズマ活性化し、基板を互いに重ね合わせて押圧する、という処理ステップを有する周知の直接接合によって接合を行う。
本発明による方法の変形例では、平滑で平坦な２つの基板を互いに直接重ね合わせ、これら基板の間隔が部分的に原子寸法となる、すなわち最大１ｎｍとなるように置く。好適には、直接接合によりこれを行うことができるが、表面が十分に小さく平坦で汚れのない場合には、光学で実践されているように、２つの基板を重ね合わせて置き、それらを押圧する又はそれらを締め付けるだけで、基板同士の間隔を十分に小さくすることもできる。
第２ステップにおいてレーザを境界に集光照射すると、境界において可能な限り正確に最高の強度が達成される。
基板同士の境界にレーザを集光照射することによって、境界における強度が非常に高くなり、非線形的な吸収が生じる。これはマルチフォトンプロセス、すなわち２以上のフォトンの組み合わせによるものである。非線形的な吸収は、同一波長の複数のフォトンの組み合わせ、又は異なる波長の複数のフォトンの組み合わせであり、これにより個々のフォトンに対しては克服できないエネルギーギャップを克服できるようになる。この種の吸収プロセスは強度に依存する。従って、例えば２フォトンプロセスは強度の二乗に比例し、３フォトンプロセスは強度の三乗に比例する。非線形的吸収は、レーザ照射の集光状態、又はレーザ照射の集光強度に依存する。更に、結晶の局所対称性等の材料特有の影響要因も関係する。レーザ照射の強度が強ければ、マルチフォトン吸収とは別に、基板の電子構造、例えばバンドの歪み、境界面状態のエネルギー変位等に影響を与えることもあり、これらによって吸収、ひいては材料へのエネルギー入力が促進されることもある。さらに、伝導帯で一度励起した電子が非常に効率良くレーザ照射を吸収し、衝突プロセスを介してそのエネルギーを基板に迅速に供給できることにも留意されたい。
ガラス中の非線形的吸収に対してレーザの強度がどれくらい必要であるのか、そして適度な強度をいかにして達成できるかについては、例えばＣ．シェーファー（Ｃ．Ｓｃｈａｆｆｅｒ）らによる非特許文献１から知られている。パルス持続時間が約１００ｆｓで波長が８００ｎｍの場合、光学的な状態の進行（即ち、非常に多くの電子が価電子帯から伝導帯へ励起されてガラスが透明でなくなる場合）に対する強度の閾値は、約１０１３Ｗ／ｃｍ２である。
ただし、上記の例はおおよその基準を示しているにすぎない。電子の放出がほとんどなければ、十分な活性化を完全に生じることができる。すなわち、１桁から２桁小さい強度ですでに十分な活性化が生じ得る。さらに、欠陥、表面結合等によりバンドギャップがより小さくなる可能性もある。また、一部の特別な材料の場合、例えば基板中に実際に着色剤が含まれる場合には、ｋＷ／ｃｍ２の強度が実際に適切となる可能性もあることに留意されたい。
そのため、前記の刊行物に記載された手段は、所要の強度を実験的に作り出したものにすぎない。レーザ技術を専門とする者には、同程度の強度又は吸収による同様のエネルギー入力に至る調整パラメータの様々な変形例が一見して明らかであろう。
本発明は、上述の方法により形成した接合基板も提供する。
本発明による方法は、特にビーム形成に対する高性能要素の製造に適用する。照射の偏向、分散、及び集光についても理解するべきである。この分野を典型的に適用したものとしては、プリズムの接合又は格子閉じ込めがある。本発明による更なる使用は、接着剤を用いない正確な結合の形成に関する。無機又は有機中間層のない、機械的に安定した結合についても理解されたい。同様に、この中には電子光学変調器が含まれる。
本発明による使用の更なる例は、いわゆる混成集積に関連する。混成集積により異なる材料を結合して機能ユニットを形成することについても理解されたい。これは例えば、シリコン（マイクロ電子工学）とガリウムヒ素（GaAs）（光学）を結合して電子光学要素を形成することに関連する。ただし、電子光学要素とガラス若しくは透明のプラスチック材料（マイクロレンズアレイ）からなる構造要素との結合、又は光ガラス要素とプラスチック材料要素の結合も、混成集積という用語の範囲に含む。混成集積にしばしば関わる実質的な問題は、関連する材料の熱膨張が異なることであり、これに対応するよう結合の構成上の構造を適応させる必要がある。
基板同士の境界にレーザをいかに集光照射するかを示す概略図である。 １つのレーザ波長（ａ）又は２つの異なるレーザの波長（ｂ）での放射に対し、集光させない場合のエネルギー状態又はレーザ強度が低い場合のエネルギー状態を概略的に示す図である。 １つのレーザ波長（ａ）又は２つの異なるレーザの波長（ｂ）での放射に対し、集光させた場合のエネルギー状態又はレーザ強度が高い場合のエネルギー状態を概略的に示す図である。 レーザで活性化した基板の表面反応の第１の例を示す図である。 レーザで活性化した基板の表面反応の第２の例を示す図である。
添付の図面を参照して本発明による方法をより詳細に説明するが、ここに示す特定の実施形態に本発明の方法を限定するものではない。
レーザの集光照射を図１に概略的に示す。レーザ照射３はまず基板２を通過し、基板１との境界において集光する。
レーザ照射は最初の基板を通り抜けるが、これはレーザ照射が線形的吸収に必要な波長より長波である、即ち低エネルギーであるためである。これは、フォトンエネルギーが基板材料の価電子帯と伝導帯との間のエネルギーギャップを克服するほどのものではないことを意味する。よって基板２は照射した波長のレーザ照射に対して透明である。
図２ａ）及び図２ｂ）では、ここで照射したレーザの波長（矢印で示す）が両帯、すなわち被占状態と非占状態とのギャップを克服するほどのものではないことを概略的に示している。
図３ａ）及び図３ｂ）では、単一の照射レーザ波長（図３ａ））での集光のエネルギー状態と、２つの異なるレーザ波長（図３ｂ））での集光のエネルギー状態を示す。フォトンエネルギーの組み合わせは被占状態と非占状態とのエネルギーギャップを克服するに十分である。境界において非線形的な吸収とエネルギー入力が発生する。
励起状態は基板同士の接合状態を変化させる化学反応をもたらし、最終的には基板同士を互いにより強く接合／接着させることとなる。
図４では、レーザで活性化した基板で起こり得る表面反応を示す。図４ａ）は、レーザ照射で活性化する前のガラス表面を示す。ガラス表面のシリコン価電子帯は、多くの場合最初はＯＨ基によって飽和されている、即ちガラスは親水性の特徴を有する。レーザで活性化することにより化学反応が始まるが、この化学反応により安定した共有結合と水分の凝縮の形態でシリコン原子同士が酸素架橋結合することになる（図４ｂ））。生じたＨ２Ｏ分子はまず、例えば拡散によって境界から離れる方へ運ばれ、外部に到達する又は別所でさらに反応する。
図５では、第２の表面反応を一例として示す。図５ａ）は、レーザ照射による活性化の前にＨ原子によって飽和したガラス表面を示す。ここではガラスは疎水性である。レーザで活性化することによってＨ原子の切断が始まり、２つの隣接したＳｉ原子が互いに直接反応して、共有Ｓｉ−Ｓｉ結合（安定した共有結合）を形成する。生じたＨ２分子は拡散によって境界から離れる方へ運ばれ、外部に到達する又は別所でさらに反応する。
類似の反応は、ＯＨ又はＨの場合にはあり得ないが、表面上の他の官能基の場合には起こり得る。従ってシリコン以外の他の基板材料も適切である。
１、２ 基板
３ レーザ照射

Claims (26)

  1. 基板をレーザにより接合する方法であって、
    ２つの基板を直接接触させることにより結合し、その後前記基板同士の境界にレーザを照射して領域を活性化することにより、前記基板同士の結合を強化し、活性化中に前記基板の溶融温度又は転移温度に到達させず、
    前記基板同士の境界にレーザを集光照射することによって、境界における強度を高くし、マルチフォトン吸収プロセスにより非線形的な吸収を生じさせること、
    を特徴とする方法。
  2. レーザ照射により前記境界の前記領域において少なくとも１つ基板の分子及び／又は原子を化学的及び／又は熱的に励起させること、かつ／又は、前記境界の前記領域において少なくとも１つの基板で拡散プロセスを開始させること、
    を特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. レーザ照射をパルス化すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
  4. レーザ照射の波長を少なくとも１つの基板に調和させ、特に前記境界の前記領域において少なくとも１つの基板の分子及び／又は原子の接合状態を励起させるようにレーザ照射の焦点を選択し、レーザ照射の焦点、パルスエネルギー、パルス反復率、及びパルス数により、活性化エネルギー、ひいては結合の強さの度合いを調整すること、
    を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 所定の波長で放射したレーザ照射に対して実質的に透明である第１基板と、前記波長のレーザ照射を実質的に吸収する第２基板とを使用し、レーザ照射がまず前記第１基板を通過し、前記第２基板の表面においてのみ熱活性化が生じること、
    を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 波長λ ａ で放射したレーザ照射に対して実質的に透明な２つの基板を使用し、長波で非線形吸収波長のレーザ照射によりこれら基板を照射し、相応した高強度のレーザ照射を正確に集光することによりマルチフォトンプロセスを開始し、レーザ照射の焦点、波長、パルス持続時間、パルスエネルギー、パルス反復率、及びパルス数により、活性化エネルギー、ひいては結合の強さの度合いを調整すること、
    を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記基板が非晶質、一部結晶、及び／又は結晶であること、を特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記非晶質基板をガラスの群から選択し、詳細には二酸化ケイ素とすること、を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 一部結晶基板としてガラスセラミックスを使用すること、を特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 結晶基板として半導体、セラミックス、ピエゾセラミックス、及び／又は非線形光学結晶を使用すること、を特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. プラスチック材料、詳細にはポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、又はシクロオレフィンポリマー及びシクロオレフィンコポリマー、並びにこれらの複合材料を基板として使用すること、
    を特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. ２つの異なる基板を使用すること、を特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記基板が異なる熱膨張係数を有すること、を特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 同一材料からなる２つの基板を使用すること、を特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記基板同士を互いに押圧して摩擦結合すること、を特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. レーザによる活性化を保護ガス雰囲気中もしくは真空中で行うこと、を特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. 結合対象の基板の表面を予め洗浄すること、を特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
  18. 結合対象の基板の表面を予めプラズマ活性化すること、を特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
  19. 結合対象の基板の表面を予め機能化すること、を特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
  20. 隣接する領域を活性化することにより線形方向又は扁平方向に強化すること、を特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
  21. 洗浄、プラズマ活性化、及び押圧の工程を行う直接接合により接合を行うこと、を特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記方法の工程全てを同一ユニットで行うこと、を特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
  23. 請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法により形成した接合基板。
  24. 前記基板が異なる材料、詳細には熱膨張係数の異なる材料からなること、を特徴とする請求項２３に記載の方法。
  25. ビーム形成、詳細には放射の偏向、分散、及び集光に対する高性能要素を製造するための、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法の使用。
  26. 正確な結合を形成するための、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法の使用。
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