JP5543525B2 - Optical device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも2枚の透明基板を用いた光デバイスおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an optical device using at least two transparent substrates and a method for manufacturing the same.
光を透過する複数の光学部材を組み合わせて所望の特性を得るようにした光デバイスが、数多く用いられている。このような光デバイスにおいては、複数の光学部材を貼り合わせる技術が重要となる。 Many optical devices are used in which a desired characteristic is obtained by combining a plurality of optical members that transmit light. In such an optical device, a technique for bonding a plurality of optical members is important.
複数の光学部品を組み合わせた光デバイスとしては、エタロンフィルタがある(特許文献1参照)。エタロンフィルタは、2つの平板状の部分透過ミラーを用い、これらの間にギャップ調整用の部材(ギャップ部材)を挟み、所望の共振器特性が得られるように2つの部分透過ミラーの間隔を決定している。このような構造のエタロンフィルタでは、ギャップ部材と、各部分透過ミラーとを接合して組み立てている。 As an optical device that combines a plurality of optical components, there is an etalon filter (see Patent Document 1). The etalon filter uses two flat-shaped partial transmission mirrors, and a gap adjusting member (gap member) is sandwiched between them to determine the distance between the two partial transmission mirrors so that the desired resonator characteristics can be obtained. doing. In the etalon filter having such a structure, the gap member and each partial transmission mirror are joined and assembled.
上述した光学部品の接合には、有機系の接着剤を用いた接合(接着),はんだによる接合,表面活性化接合,オプティカルコンタクトによる接合などがある。表面活性化接合は、高真空中でイオンガンを用いて接合面をクリーニングして表面原子の結合手を露出させ、重ね合わせることで直接接合する技術である。また、オプティカルコンタクトは、プラズマやエキシマレーザ光の照射により接合面を活性化して親水化させ、重ね合わせることで仮接合し、この後、高温処理により脱水して完全に接合させる技術である。 The above-described optical component bonding includes bonding (bonding) using an organic adhesive, bonding by solder, surface activated bonding, bonding by optical contact, and the like. Surface activated bonding is a technique in which a bonding surface is cleaned using an ion gun in a high vacuum to expose the bonding hands of surface atoms and are directly bonded by overlapping. The optical contact is a technique for activating and hydrophilizing a bonding surface by irradiation with plasma or excimer laser light, and temporarily bonding by superimposing and then dehydrating and completely bonding by high-temperature treatment.
しかしながら、上述した接合の技術では、次に示すような問題がある。まず、有機系の接着剤を用いる場合、接着剤の特性上、高温高湿などの環境下においては、経時的な変化による接着強度の低下があり、信頼性に課題がある。また、有機系の接着剤では、熱による接着剤の膨張収縮があり、光路長が変化してしまうなど、特性が安定しないなどの問題がある。また、接着剤の厚さを製品間で均一にすることが容易ではなく、製品特性にバラツキを発生させてしまうという問題がある。この厚さのバラツキについては、はんだを用いた接合においても同様である。 However, the above-described joining technique has the following problems. First, in the case of using an organic adhesive, there is a problem in reliability due to a decrease in adhesive strength due to a change over time in an environment such as high temperature and high humidity due to the characteristics of the adhesive. In addition, organic adhesives have problems such as thermal expansion and contraction of the adhesive and changes in the optical path length, resulting in unstable characteristics. In addition, it is not easy to make the thickness of the adhesive uniform among products, and there is a problem that variations in product characteristics occur. This variation in thickness is the same in joining using solder.
これに対し、表面活性化接合およびオプティカルコンタクトによれば、経時的な変化による接着強度の低下はほとんどなく、接着剤を用いていないため、バラツキの点でも問題が発生しない。しかしながら、表面活性化接合では、高い真空度が必要であり、活性化させた領域同士を貼り合わせるために、位置合わせなどが必要となり、製造装置が高価となり、製品コストの上昇を招くという問題がある。また、オプティカルコンタクトでは、250℃以上の高温処理が必要となり、熱膨張係数の異なる部品間を接合しようとすると、熱処理において剥離し、また、亀裂が発生するなどの問題がある。更に、光学部材の接合面の表面粗さが粗くなると、表面活性化接合およびオプティカルコンタクトでは、接合強度が低下する問題があった。 On the other hand, according to the surface activated bonding and the optical contact, there is almost no decrease in the adhesive strength due to the change over time, and no adhesive is used, so that there is no problem in terms of variation. However, in surface activated bonding, a high degree of vacuum is required, and in order to bond the activated regions to each other, alignment and the like are necessary, and the manufacturing apparatus becomes expensive, leading to an increase in product cost. is there. In addition, the optical contact requires a high temperature treatment of 250 ° C. or higher, and there is a problem in that, when trying to join parts having different thermal expansion coefficients, the heat treatment peels off and a crack occurs. Further, when the surface roughness of the joint surface of the optical member becomes rough, there is a problem that the joint strength decreases in the surface activated joint and the optical contact.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、製品コストの上昇を招くことなく、光学部品同士の接合強度が大きな光デバイスが製造できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to manufacture an optical device having a high bonding strength between optical components without causing an increase in product cost. To do.
本発明に係る光学デバイスは、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第1基板の中央部を除く周辺部の接合領域に形成された第1金属層と、第2基板の一方の面に形成されて第1金属層と当接して一体とされた第2金属層とを少なくとも備え、第1金属層および第2金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成され、第1金属層,第2金属層は、これらが形成されている形成面の表面粗さの3倍以上の厚さとされている。 An optical device according to the present invention includes a first metal layer formed in a bonding region of a peripheral portion excluding a central portion of a first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide, and one surface of a second substrate. At least a second metal layer formed in contact with and integrated with the first metal layer, wherein the first metal layer and the second metal layer include a metal having a positive free energy of formation of oxide at room temperature. The first metal layer and the second metal layer are made of materials and have a thickness that is three times or more the surface roughness of the formation surface on which the first metal layer and the second metal layer are formed .
上記光学デバイスにおいて、第2基板は、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成され、第2金属層は、第2基板の中央部を除く周辺部の接合領域に形成されていればよい。 In the optical device, the second substrate may be made of a transparent material containing silicon dioxide, and the second metal layer only needs to be formed in a bonding region in a peripheral portion excluding the central portion of the second substrate.
上記光学デバイスにおいて、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第3基板の中央部を除く周辺部の接合領域に形成された第3金属層と、第2基板の他方の面に形成されて第3金属層と当接して一体とされた第4金属層とを少なくとも備え、第3金属層および第4金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成されているものとしてもよい。なお、第3金属層,第4金属層は、これらが形成されている形成面の表面粗さの3倍以上の厚さとされているとよい。また、金属材料は、Au,Pt,およびこれらの金属を含む合金の中より選択されたものであればよい。 In the optical device, a third metal layer formed in a bonding region in a peripheral portion excluding a central portion of the third substrate made of a transparent material containing silicon dioxide, and formed on the other surface of the second substrate. At least a fourth metal layer that is in contact with and integrated with the third metal layer, and the third metal layer and the fourth metal layer are made of a metal material that includes a metal having a positive free energy of formation of oxide at room temperature. It is good also as what is done. The third metal layer and the fourth metal layer may have a thickness that is at least three times the surface roughness of the surface on which they are formed. Moreover, the metal material should just be selected from Au, Pt, and the alloy containing these metals.
また、本発明に係る光学デバイスの製造方法は、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第1基板の中央部を除く周辺部の接合領域に第1金属層を形成する工程と、第2基板の一方の面に第2金属層を形成する工程と、第1基板の第1金属層と第2基板の第2金属層とを当接させることで第1基板および第2基板を第1金属層および第2金属層により接合する工程とを少なくとも備え、第1金属層および第2金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成し、第1金属層,第2金属層は、これらが形成されている形成面の表面粗さの3倍以上の厚さに形成する。 In addition, the method for manufacturing an optical device according to the present invention includes a step of forming a first metal layer in a bonding region in a peripheral portion excluding a central portion of a first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide, and a second step. Forming the second metal layer on one surface of the substrate, and bringing the first metal layer of the first substrate and the second metal layer of the second substrate into contact with each other, thereby bringing the first substrate and the second substrate into contact with each other; At least a step of joining with the metal layer and the second metal layer, wherein the first metal layer and the second metal layer are made of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of oxide at room temperature , The layer and the second metal layer are formed to have a thickness that is at least three times the surface roughness of the surface on which they are formed .
上記光学デバイスの製造方法において、第2基板は、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成し、第2金属層は、第2基板の中央部を除く周辺部の接合領域に形成すればよい。 In the method for manufacturing an optical device, the second substrate is made of a transparent material containing silicon dioxide, and the second metal layer may be formed in a bonding region in a peripheral portion excluding the central portion of the second substrate.
また、上記光学デバイスの製造方法において、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第3基板の中央部を除く周辺部の接合領域に第3金属層を形成する工程と、第2基板の他方の面に第4金属層を形成する工程と、第3基板の第3金属層と第2基板の第4金属層とを当接させることで第3基板および第2基板を第3金属層および第4金属層により接合する工程とを備え、第3金属層および第4金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成するようにしてもよい。 In the method of manufacturing an optical device, a step of forming a third metal layer in a bonding region in a peripheral portion excluding a central portion of the third substrate made of a transparent material containing silicon dioxide, and the other of the second substrate Forming a fourth metal layer on the surface, and bringing the third metal layer of the third substrate and the fourth metal layer of the second substrate into contact with each other, thereby bringing the third substrate and the second substrate into contact with the third metal layer and A step of joining with a fourth metal layer, and the third metal layer and the fourth metal layer may be made of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of oxide at room temperature.
上記光学デバイスの製造方法において、第3金属層,第4金属層は、これらが形成されている形成面の表面粗さの3倍以上の厚さに形成するとよい。また、金属材料は、Au,Pt,およびこれらの金属を含む合金の中より選択されたものであればよい。 In the method for manufacturing an optical device , the third metal layer and the fourth metal layer may be formed to have a thickness that is three times or more the surface roughness of the formation surface on which the third metal layer and the fourth metal layer are formed. Moreover, the metal material should just be selected from Au, Pt, and the alloy containing these metals.
以上説明したことにより、本発明によれば、製品コストの上昇を招くことなく、光学部品同士の接合強度が大きな光デバイスが製造できるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain an excellent effect that an optical device having a high bonding strength between optical components can be manufactured without causing an increase in product cost.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1について図1A,図1B,図1Cを用いて説明する。図1A,図1B,図1Cは、本発明の実施の形態1における光学デバイスの製造方法を説明する各工程における状態を示す構成図である。図1A,図1B,図1Cでは、断面を模式的に示している。
[Embodiment 1]
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A, 1B, and 1C. 1A, 1B, and 1C are configuration diagrams showing states in respective steps for explaining a method of manufacturing an optical device according to Embodiment 1 of the present invention. 1A, 1B, and 1C schematically show cross sections.
まず、図1Aに示すように、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第1基板101の中央部を除く周辺部の接合領域に第1金属層102を形成する。第1基板101は、例えば、水晶板である。また、第1基板101は、石英板、ガラス板などであってもよい。このような第1基板101の表面に、例えば、真空成膜法により第1金属層102を形成する。第1金属層102は、Au,Pt,およびこれらの金属を含む合金などの常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成する。また、第1金属層102は、形成面の表面粗さの3倍以上の厚さに形成する。なお、日本工業規格では、「常温」を20℃±15℃(5−35℃)としている。また、表面粗さは、算術平均粗さである。
First, as shown in FIG. 1A, a
次に、図1Bに示すように、第2基板103の一方の面に第2金属層104を形成する。第2基板103は、例えば、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された基板であり、例えば、水晶板,石英板,ガラス板などである。また、第2金属層104は、第2基板103の中央部を除く周辺部の接合領域に形成する。例えば、真空成膜法により第2金属層104を形成する。第2金属層104は、Au,Pt,およびこれらの金属を含む合金などの常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成する。また、第2金属層104は、形成面の表面粗さの3倍以上の厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 1B, a
ここで、各金属層の接合領域への選択的な形成について、第1金属層102を例に説明する。例えば、第1基板101の表面に、接合領域が開放したレジストパターンを形成する。レジストパターンは、公知のフォトリソグラフィ技術により形成すればよい。このようにレジストパターンを形成した状態で、真空成膜法により上述した金属材料を堆積する。この後、有機溶剤などを用いてレジストパターンを除去(リフトオフ)すれば、接合領域に、選択的に第1金属層102が形成できる。この場合、金属材料の堆積は、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法により行ってもよい。
Here, selective formation of each metal layer in the bonding region will be described using the
また、次に示すように、第1金属層102を形成してもよい。まず、第1基板101の表面に、第1金属層102とする金属材料による金属膜を形成する。この場合も、金属膜の形成は、真空成膜法,スパッタ法などにより行えばよい。次いで、形成した金属膜の上に、接合領域を覆い、他の領域が開放したレジストパターンを形成する。レジストパターンは、公知のフォトリソグラフィ技術により形成すればよい。次に、形成したレジストパターンをマスクとし、選択的に金属膜をエッチングする。例えば、Auから金属膜を構成した場合、ヨウ素,ヨウ化アンモニウム,水,エタノールからなるエッチング液によりウェットエッチングすることで、選択的に金属膜がエッチングできる。これにより、接合領域に、選択的に第1金属層102が形成できる。また、接合表面への有機物などの吸着による汚染の心配がある場合には、金属層形成後に、加熱やUV光やプラズマ等でクリーニングすることが望ましい。
Further, as shown below, the
また、スパッタ法などにおいて、ステンシルマスクを用いて接合領域に金属材料を選択的に堆積することで、第1金属層102を形成してもよい。
Further, in the sputtering method or the like, the
以上のようにすることで、各金属層を形成した後、図1Cに示すように、第1基板101の第1金属層102と第2基板103の第2金属層104とを当接させる。ここで、第1基板101および第2基板103の平坦性などを考慮すると、第1金属層102と第2金属層104とが対向した状態で、第1基板101の上に第2基板103を載置しただけでは、第1金属層102と第2金属層104とが、点状に部分的に接触した状態となる場合もある。このような状態では、第1金属層102と第2金属層104とが、ある程度の広さの面で接触する(当接する)状態にならない。このような場合、第1基板101と第2基板103との間にある程度の荷重を加え、面で接触する領域が存在するようにする。
As described above, after each metal layer is formed, the
上述したように、第1金属層102と第2金属層104とを当接させれば、第1金属層102と第2金属層104とが直接接合する。ここで直接接合のメカニズムについて説明する。スパッタ法等により形成された金属層は微結晶構造の薄膜である。この微結晶構造の薄膜を重ね合わせることにより、薄膜の接合界面に金属の原子拡散を生じさせて、2つの基板を強固に接合する。このようにして第1金属層102と第2金属層104とを一体にすれば、第1基板101および第2基板103を第1金属層102および第2金属層104により接合することができる。第1金属層102および第2金属層104は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成しているので、大気中においても表面に自然酸化膜が形成されることがなく、両者を当接させることで、直接接合した状態が簡単に得られる。この接合は、大気中に限らず、減圧環境下で行ってもよく、また、大気圧以上の雰囲気で行ってもよい。また、接合環境は大気に限らず、例えば、窒素、不活性ガス中でも良い。接合温度は常温でよい。また、接合膜同士の拡散を補助するため必要に応じて加熱してもよい。
As described above, when the
上述した製造方法によれば二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第1基板101の中央部を除く周辺部の接合領域に形成された第1金属層102と、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第2基板103の中央部を除く周辺部の接合領域に形成されて第1金属層102と当接して一体とされた第2金属層104とを少なくとも備える光学デバイスが得られる。この光学デバイスによれば、図2の平面図に示すように、中央部201を除く周辺部に接合領域を設けており、第1基板101および第2基板103の中央部201には、金属層などを形成していない。このため、接合された第1基板101および第2基板103の中央部201は、光が透過する状態である。従って、本実施の形態によれば、中央部201を透過する光は、第1基板101および第2基板103の両者の光学特性が反映された状態となる。
According to the manufacturing method described above, the
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。実施の形態2では、図3に示すエタロンフィルタを例に説明する。このエタロンフィルタは、石英板(第1基板)301および石英板(第3基板)302を、石英からなるスペーサ(第2基板)303を介して対向して配置している。このように、スペーサ303を介して配置することで、石英板301と石英板302との間には、空間321が存在する状態となる。また、石英板301および石英板302には、各々の対向する一方の面に反射膜304,反射膜305を備えている。また、石英板301および石英板302の他方の面には、各々反射防止膜306,反射防止膜307を備えている。
[Embodiment 2]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the etalon filter shown in FIG. 3 will be described as an example. In this etalon filter, a quartz plate (first substrate) 301 and a quartz plate (third substrate) 302 are arranged to face each other with a spacer (second substrate) 303 made of quartz. As described above, the
また、石英板301とスペーサ303とは、第1金属層311と第2金属層312とを介して接合されている。第1金属層311は、石英板301の接合領域322において、反射膜304の上に形成されている。接合領域322は、石英板301の中央部の透過領域323を除く周辺部に設けられている。第2金属層312は、スペーサ303の石英板301との接合面(一方の面)に形成されている。第1金属層311と第2金属層312とは、対向面を当接させることで接合して一体とされている。このようにして一体とされた第1金属層311および第2金属層312により、石英板301とスペーサ303とが接合されている。
Further, the quartz plate 301 and the
同様に、石英板302とスペーサ303とは、第3金属層313と第4金属層314とを介して接合されている。第3金属層313は、石英板302の接合領域322において、反射膜305の上に形成されている。接合領域322は、石英板302の中央部の透過領域323を除く周辺部の領域である。第4金属層314は、スペーサ303の石英板302との接合面(他方の面)に形成されている。第3金属層313と第4金属層314とは、対向面を当接させることで接合して一体とされている。このようにして一体とされた第3金属層313および第4金属層314により、石英板302とスペーサ303とが接合されている。
Similarly, the
第1金属層311,第2金属層312,第3金属層313,第4金属層314は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成されている。これらは、例えば、Au,Pt,およびこれらの金属を含む合金のいずれかであればよい。また、第1金属層311,第2金属層312,第3金属層313,第4金属層314は、形成面の表面粗さ(算術平均粗さ)の3倍以上の厚さに形成されている。ところで、Au,Ptなどの金属は、石英や金属酸化物などとの密着性が高くない。このため、例えば、各金属層は、形成面の側に形成されたTa,Ti,Cr,Niなどの金属からなる密着層と、この上に形成されたAu,Ptなどの金属層との2層構造とするとよい。
The
上述したエタロンフィルタは、いわゆるファブリ・ペロー干渉計である。反射膜304と反射膜305との間隔を、所望とする光の波長の1/2の整数倍とすることで、透過領域323の「石英板301−空間321−石英板302」の光路において、所望とする波長の光を透過させることができる。
The etalon filter described above is a so-called Fabry-Perot interferometer. By setting the interval between the
以下、本実施の形態における光デバイスである上記エタロンフィルタの製造方法について簡単に説明する。まず、一方の面に反射膜304が形成され、他方の面に反射防止膜306が形成された石英板301、および、一方の面に反射膜305が形成され、他方の面に反射防止膜307が形成された石英板302を用意する。各石英板は、4mm×4mmで、板厚が1mmである。
Hereinafter, a method for manufacturing the etalon filter which is an optical device according to the present embodiment will be briefly described. First, a quartz plate 301 having a
また、反射膜304、反射防止膜306は、よく知られているように、各々屈折率が異なる複数の誘電体層が交互に積層されて構成されている。誘電体は、例えば、二酸化ケイ素(SiO2、屈折率=1.445)、二酸化チタン(TiO2、屈折率=2.3)、五酸化タンタル(Ta2O5、屈折率=2.2)である。各誘電体層の層厚および積層数を適宜に設定することで、所望の反射率や透過率(光学特性)が得られる。例えば、反射膜304は、サブミクロン程度の層厚の誘電体層を、10層以下積層することで構成できる。各誘電体層は、例えば、真空成膜法により形成できる。
Further, as is well known, the
次に、石英板301の一方の面(反射膜形成面)の接合領域322に第1金属層311を形成する。例えば、真空成膜法により層厚2nm程度にTa層を形成し、引き続き、層厚10nm程度にAu層を形成して第1金属層311を形成する。同様に、石英板302の一方の面(反射膜形成面)の接合領域322に第3金属層313を形成する。
Next, the
次に、スペーサ303の一方の接合面に第2金属層312を形成する。スペーサ303は、石英板301と石英板302との間隔が3mmとなる寸法に形成されている。また、スペーサ303は、組み込まれた状態で、空間321における光透過方向断面の寸法が、φ1.5mmとなるように形成されている。第2金属層312としては、例えば、真空成膜法により層厚2nm程度にTa層を形成し、引き続き、層厚10nm程度にAu層を形成すればよい。同様にして、スペーサ層303の他方の接合面に第4金属層314を形成する。
Next, the
次に、石英板301の第1金属層311とスペーサ303の第2金属層312とを当接させて一体とすることで、石英板301およびスペーサ303を第1金属層311および第2金属層312により接合する。同様に、石英板302の第3金属層313とスペーサ303の第4金属層314とを当接させて一体とすることで、石英板302およびスペーサ303を第3金属層313および第4金属層314により接合する。
Next, the
ここで、接合対象の両者の間にある程度の荷重を加え、接合面同士が密接する領域が存在するようにする。接合面の平坦性が高く、載置した状態で、自重だけで面で接触する領域が形成される場合、荷重などを加える必要はない。このようにすることで、上述したように、第1金属層311と第2金属層312とを当接させれば、第1金属層311と第2金属層312とが直接接合する。同様に、第3金属層313と第4金属層314とが直接接合する。
Here, a certain amount of load is applied between both of the objects to be joined so that there is a region where the joining surfaces are in close contact with each other. When the flatness of the joint surface is high and a region in contact with the surface is formed only by its own weight in the mounted state, it is not necessary to apply a load. By doing in this way, as mentioned above, if the
このようにして、第1金属層311と第2金属層312とを一体にすれば、石英板301およびスペーサ303を、第1金属層311および第2金属層312により接合することができる。同様に、第3金属層313と第4金属層314とを一体にすれば、石英板302およびスペーサ303を、第3金属層313および第4金属層314により接合することができる。
Thus, if
第1金属層311および第2金属層312は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成しているので、大気中においても表面に自然酸化膜が形成されることがなく、両者を当接させることで、直接接合した状態が簡単に得られる。第3金属層313および第4金属層314においても、上述同様である。
Since the
以下、接合に用いる金属層の層厚と、形成面の表面粗さとの関係について説明する。はじめに、接合面の表面粗さが異なる10mm×10mmの複数の水晶板(試験片)を用意し、異なる層厚の金属層を接合面に形成して接合させた複数の試料を作製し、作製した試料の引っ張り強度を測定する。試験片の表面粗さ(算出平均粗さ)は、Ra0.3nm,Ra0.7nm,Ra1.5nmである。接合では、各試験片の接合面(全面)に、層厚2nmのTa層およびAu層からなる金属層を形成し、金属層同士を当接させている。 Hereinafter, the relationship between the layer thickness of the metal layer used for bonding and the surface roughness of the formation surface will be described. First, a plurality of 10 mm × 10 mm crystal plates (test pieces) having different surface roughness of the bonding surface are prepared, and a plurality of samples are prepared by forming metal layers having different layer thicknesses on the bonding surface and bonding them. Measure the tensile strength of the sample. The surface roughness (calculated average roughness) of the test piece is Ra 0.3 nm, Ra 0.7 nm, and Ra 1.5 nm. In the bonding, a metal layer composed of a Ta layer and an Au layer having a thickness of 2 nm is formed on the bonding surface (entire surface) of each test piece, and the metal layers are brought into contact with each other.
また、Au層の層厚を変化させて各試料を作製している。Ra0.3nmの試験片では、Au層の層厚を、0.3,0.7,1.0,1.5,2.5,5.5(nm)とした試料を作製している。また、Ra0.7nmの試験片では、Au層の層厚を、0.7,1.4,2.1,3.5,5.6,9.8(nm)とした試料を作製している。また、Ra1.5nmの試験片では、Au層の層厚を、1.5,3.0,4.5,6.0,10.5,25.5(nm)とした試料を作製している。 In addition, each sample is manufactured by changing the thickness of the Au layer. In the specimen of Ra 0.3 nm, samples with the Au layer thicknesses of 0.3, 0.7, 1.0, 1.5, 2.5, and 5.5 (nm) are manufactured. In addition, for a specimen having a Ra of 0.7 nm, a sample having a Au layer thickness of 0.7, 1.4, 2.1, 3.5, 5.6, 9.8 (nm) was prepared. Yes. In addition, for a specimen having a thickness of Ra 1.5 nm, samples with Au layer thicknesses of 1.5, 3.0, 4.5, 6.0, 10.5, 25.5 (nm) were prepared. Yes.
図4に、各表面粗さの試験片同士を各金属層の厚さで接合した試料の、引っ張り強度を測定した結果を示す。図4では、横軸に、形成した金属層の厚さT(nm)を試験片の表面粗さRa(nm)で除した値を示している。また、図4において、黒四角が表面粗さRa0.3nmの試験片を用いた試料、白丸が表面粗さRa0.7nmの試験片を用いた試料,黒三角が表面粗さRa1.5nmの試験片を用いた試料の測定結果である。図4より分かるように、いずれの試験片の表面粗さにおいても、金属層の層厚を、表面粗さの3倍以上とすれば、引っ張り強度が飽和した状態となる。 In FIG. 4, the result of having measured the tensile strength of the sample which joined the test pieces of each surface roughness with the thickness of each metal layer is shown. In FIG. 4, the horizontal axis represents a value obtained by dividing the thickness T (nm) of the formed metal layer by the surface roughness Ra (nm) of the test piece. Further, in FIG. 4, a black square is a sample using a test piece having a surface roughness Ra of 0.3 nm, a white circle is a sample using a test piece having a surface roughness Ra of 0.7 nm, and a black triangle is a test having a surface roughness Ra of 1.5 nm. It is a measurement result of the sample using a piece. As can be seen from FIG. 4, in any surface roughness of the test piece, the tensile strength is saturated when the thickness of the metal layer is set to three times or more of the surface roughness.
次に、接合面の表面粗さが異なる10mm×10mmの水晶板(試験片)を用意し、これらを、各種の接合方法で接合した試料を作製し、作製した試料の引っ張り強度を測定した結果について説明する。試験片の表面粗さは、Ra0.3nm,Ra0.7nm,Ra1.3nm,Ra3nmである。また、接合方法は、オプティカルコンタクト,表面活性化接合,および上述した本発明による接合方法である。本発明による接合方法では、各試験片の接合面(全面)に、層厚2nmのTa層および層厚10nmのAu層からなる金属層を形成し、金属層同士を当接させている。このとき、金属層同士を当接させた2つの試験片を密着接合させるために、20kgfで加圧した。 Next, 10 mm × 10 mm crystal plates (test pieces) having different surface roughness of the bonding surfaces were prepared, and samples were prepared by bonding them by various bonding methods, and the tensile strength of the prepared samples was measured. Will be described. The surface roughness of the test piece is Ra 0.3 nm, Ra 0.7 nm, Ra 1.3 nm, Ra 3 nm. The bonding method includes optical contact, surface activated bonding, and the above-described bonding method according to the present invention. In the bonding method according to the present invention, a metal layer composed of a Ta layer having a thickness of 2 nm and an Au layer having a thickness of 10 nm is formed on the bonding surface (entire surface) of each test piece, and the metal layers are brought into contact with each other. At this time, in order to tightly join the two test pieces in which the metal layers were brought into contact with each other, the pressure was applied with 20 kgf.
以下の表1に、各表面粗さの試験片同士を、各接合方法で接合した試料の引っ張り強度を測定した結果を示す。表中に示す引っ張り強度の単位は、MPaである。なお、表中「25以上」は、引っ張り強度試験において、25MPa以上では、試料全体が破壊し、これ以上の強度の試験が行えない状態を示している。 Table 1 below shows the results of measuring the tensile strength of the samples obtained by joining the test pieces having respective surface roughnesses with each joining method. The unit of tensile strength shown in the table is MPa. In the table, “25 or more” indicates a state in which, in the tensile strength test, when the pressure is 25 MPa or more, the entire sample is broken and a test with a higher strength cannot be performed.
表1に示すように、本発明の接合方法によれば、表面粗さが0.3nmでは、オプティカルコンタクトおよび表面活性化接合に比較して、強い接合強度が得られていることが分かる。また、本発明の接合方法は、オプティカルコンタクトおよび表面活性化接合では接合できない表面粗さ0.7nm以上においても、高い接合強度が得られていることが分かる。このように、表面粗さ0.3nm〜0.7nmの範囲では、本発明の接合方法は、オプティカルコンタクトおよび表面活性化接合によりも接合強度が大きい。また、表面粗さ0.7nm以上では、本発明の接合方法でしか接合できない。 As shown in Table 1, it can be seen that, according to the bonding method of the present invention, when the surface roughness is 0.3 nm, a stronger bonding strength is obtained compared to the optical contact and the surface activated bonding. Further, it can be seen that the bonding method of the present invention provides high bonding strength even at a surface roughness of 0.7 nm or more, which cannot be bonded by optical contact and surface activation bonding. Thus, when the surface roughness is in the range of 0.3 nm to 0.7 nm, the bonding method of the present invention has a higher bonding strength than the optical contact and the surface activated bonding. In addition, when the surface roughness is 0.7 nm or more, bonding is possible only by the bonding method of the present invention.
以上に説明したように、本発明によれば、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料による金属層同士を当接して接合するようにしたので、製品コストの上昇を招くことなく、光学部品同士の接合強度が大きな光デバイスが製造できるようになる。特に、金属層の厚さを形成面の表面粗さの3倍以上の厚さとすることで、より大きな接合強度が得られるようになる。また、様々な材料からなる部品間を接合して光学デバイスが製造できるようになる。 As described above, according to the present invention, metal layers made of a metal material containing a positive metal having a positive oxide generation temperature at normal temperature are brought into contact with each other and joined together, resulting in an increase in product cost. Thus, an optical device having a high bonding strength between optical components can be manufactured. In particular, by setting the thickness of the metal layer to three times or more the surface roughness of the formation surface, a greater bonding strength can be obtained. In addition, optical devices can be manufactured by joining parts made of various materials.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、金属層を形成する接合領域は、基板の中央部を囲う全域としてもよく、また、基板の中央部を除く周辺部に、部分的に設けてもよい。また、ギャップ調製のためにスペーサを用いる場合、スペーサを一体構造としてもよく、複数の部品からスペーサを構成してもよい。また、スペーサは、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第1基板と同じ材料から構成する必要はない。また、大面積の基板(例えば直径2インチ,板厚1mm)を用い、接合した後で切り出すことで、複数の光学デバイスを同時に製造するようにしてもよい。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, the bonding region for forming the metal layer may be the entire region surrounding the central portion of the substrate, or may be partially provided in the peripheral portion other than the central portion of the substrate. Moreover, when using a spacer for gap preparation, a spacer may be made into an integral structure and a spacer may be comprised from several components. Further, the spacer need not be made of the same material as the first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide. Further, a plurality of optical devices may be manufactured at the same time by using a large-area substrate (for example, 2 inches in diameter and 1 mm in thickness) and cutting it after bonding.
101…第1基板、102…第1金属層、103…第2基板、104…第2金属層、201…中央部。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
第2基板の一方の面に第2金属層を形成する工程と、
前記第1基板の前記第1金属層と前記第2基板の第2金属層とを当接させることで前記第1基板および前記第2基板を前記第1金属層および前記第2金属層により接合する工程と
を少なくとも備え、
前記第1金属層および前記第2金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成し、
前記第1金属層および前記第2金属層は、前記第1金属層および前記第2金属層の形成面における表面粗さの3倍以上の厚さに形成することを特徴とする光学デバイスの製造方法。 Forming a first metal layer in a bonding region in a peripheral portion excluding a central portion of the first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide;
Forming a second metal layer on one surface of the second substrate;
The first substrate and the second substrate are joined by the first metal layer and the second metal layer by bringing the first metal layer of the first substrate into contact with the second metal layer of the second substrate. And at least a process of
The first metal layer and the second metal layer are composed of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of oxide at room temperature ,
The first metal layer and the second metal layer are formed to have a thickness not less than three times the surface roughness on the formation surface of the first metal layer and the second metal layer. Method.
前記第2基板は、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成し、
前記第2金属層は、前記第2基板の中央部を除く周辺部の接合領域に形成することを特徴とする光学デバイスの製造方法。 In the manufacturing method of the optical device of Claim 1,
The second substrate is made of a transparent material containing silicon dioxide,
The method of manufacturing an optical device, wherein the second metal layer is formed in a bonding region in a peripheral portion excluding a central portion of the second substrate.
二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第3基板の中央部を除く周辺部の接合領域に第3金属層を形成する工程と、
前記第2基板の他方の面に第4金属層を形成する工程と、
前記第3基板の前記第3金属層と前記第2基板の第4金属層とを当接させることで前記第3基板および前記第2基板を前記第3金属層および前記第4金属層により接合する工程と
を備え、
前記第3金属層および前記第4金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成することを特徴とする光学デバイスの製造方法。 In the manufacturing method of the optical device of Claim 1,
Forming a third metal layer in a bonding region in a peripheral portion excluding a central portion of a third substrate made of a transparent material containing silicon dioxide;
Forming a fourth metal layer on the other surface of the second substrate;
The third substrate and the second substrate are joined by the third metal layer and the fourth metal layer by bringing the third metal layer of the third substrate into contact with the fourth metal layer of the second substrate. Comprising the steps of:
The method for producing an optical device, wherein the third metal layer and the fourth metal layer are made of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of an oxide at room temperature.
前記第3金属層および前記第4金属層は、前記第3金属層および前記第4金属層の形成面における表面粗さの3倍以上の厚さに形成することを特徴とする光学デバイスの製造方法。 In the manufacturing method of the optical device according to claim 3,
The optical device is characterized in that the third metal layer and the fourth metal layer are formed to have a thickness of three times or more of the surface roughness on the formation surface of the third metal layer and the fourth metal layer. Method.
前記金属材料は、Au,Pt,およびこれらの金属を含む合金の中より選択されたものであることを特徴とする光学デバイスの製造方法。 In the manufacturing method of the optical device of any one of Claims 1-4 ,
The method of manufacturing an optical device, wherein the metal material is selected from Au, Pt, and alloys containing these metals.
第2基板の一方の面に形成されて前記第1金属層と当接して一体とされた第2金属層と
を少なくとも備え、
前記第1金属層および前記第2金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成され、
前記第1金属層および前記第2金属層は、前記第1金属層および前記第2金属層の形成面における表面粗さの3倍以上の厚さに形成されていることを特徴とする光学デバイス。 A first metal layer formed in a bonding region in a peripheral portion excluding the central portion of the first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide;
At least a second metal layer formed on one surface of the second substrate and in contact with the first metal layer;
The first metal layer and the second metal layer are made of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of oxide at room temperature ,
The optical device, wherein the first metal layer and the second metal layer are formed to have a thickness that is at least three times the surface roughness of the surface on which the first metal layer and the second metal layer are formed. .
前記第2基板は、二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成され、
前記第2金属層は、前記第2基板の中央部を除く周辺部の接合領域に形成されていることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 6.
The second substrate is made of a transparent material containing silicon dioxide,
The optical device, wherein the second metal layer is formed in a bonding region in a peripheral portion excluding a central portion of the second substrate.
二酸化ケイ素を含む透明な材料から構成された第3基板の中央部を除く周辺部の接合領域に形成された第3金属層と、
前記第2基板の他方の面に形成されて前記第3金属層と当接して一体とされた第4金属層と
を少なくとも備え、
前記第3金属層および第4金属層は、常温における酸化物の生成自由エネルギーが正の金属を含む金属材料から構成されていることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 6.
A third metal layer formed in a bonding region in a peripheral portion excluding the central portion of the third substrate made of a transparent material containing silicon dioxide;
And at least a fourth metal layer formed on the other surface of the second substrate and in contact with the third metal layer.
The optical device, wherein the third metal layer and the fourth metal layer are made of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of an oxide at room temperature.
前記第3金属層および前記第4金属層は、前記第3金属層および前記第4金属層の形成面における表面粗さの3倍以上の厚さに形成されていることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to claim 8.
The optical device, wherein the third metal layer and the fourth metal layer are formed to have a thickness that is at least three times the surface roughness of the formation surface of the third metal layer and the fourth metal layer. .
前記金属材料は、Au,Pt,およびこれらの金属を含む合金の中より選択されたものであることを特徴とする光学デバイス。 The optical device according to any one of claims 6 to 9 ,
The optical device is characterized in that the metal material is selected from Au, Pt, and alloys containing these metals.
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