WO2013172080A1 - 光学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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WO2013172080A1
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WO
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metal layer
substrate
optical device
metal
bonding
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PCT/JP2013/056978
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French (fr)
Inventor
島津　武仁
大場　健司
古堅　由紀子
Original Assignee
国立大学法人東北大学
京セラクリスタルデバイス株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G02B5/284—Interference filters of etalon type comprising a resonant cavity other than a thin solid film, e.g. gas, air, solid plates

Definitions

  • the present invention relates to an optical device using at least two transparent substrates and a method of manufacturing the same.
  • optical devices are used in which a plurality of optical members transmitting light are combined to obtain desired characteristics.
  • a technique for bonding a plurality of optical members is important.
  • the etalon filter uses two flat plate-like partial transmission mirrors, sandwiching a gap adjusting member (gap member) between them, and determining the distance between the two partial transmission mirrors so as to obtain desired resonator characteristics. doing.
  • the gap member and each partially transmitting mirror are joined and assembled.
  • the bonding of the optical components described above includes bonding (bonding) using an organic adhesive, bonding by solder, surface activation bonding, bonding by optical contact, and the like.
  • Surface activated bonding is a technology in which bonding surfaces are cleaned using an ion gun in a high vacuum to expose bonds of surface atoms, and bonding is performed directly by superposition.
  • the optical contact is a technology in which the bonding surface is activated to be made hydrophilic by irradiation with plasma or excimer laser light to be made hydrophilic, and temporarily bonded by overlapping, and then it is dehydrated by high temperature treatment to be completely bonded.
  • the above-described bonding technique has the following problems.
  • in the case of an organic adhesive expansion and contraction of the adhesive due to heat may occur, and the optical path length may change, and the characteristics may not be stable.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to make it possible to manufacture an optical device having a high bonding strength between optical components without causing an increase in product cost. Do.
  • the optical device comprises a first metal layer formed in the bonding area of the peripheral portion excluding the central portion of the first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide, and one surface of the second substrate.
  • the second substrate may be made of a transparent material containing silicon dioxide, and the second metal layer may be formed in the bonding region of the peripheral portion excluding the central portion of the second substrate.
  • the first metal layer, the second metal layer, the third metal layer, and the fourth metal layer may have a thickness three or more times the surface roughness of the surface on which they are formed.
  • the metal material may be selected from Au, Pt, and alloys containing these metals.
  • the method of manufacturing an optical device further includes the steps of: forming a first metal layer in a bonding region of a peripheral portion excluding a central portion of a first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide; Forming a 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 to form a first substrate and a second substrate And a step of bonding by a metal layer and a 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 oxide formation at normal temperature.
  • the second substrate may be made of a transparent material containing silicon dioxide, and the second metal layer may be formed in the bonding region of the peripheral portion excluding the central portion of the second substrate.
  • the step of forming a third metal layer in the bonding region of the peripheral portion excluding the central portion of the third substrate made of a transparent material containing silicon dioxide, and the other of the second substrate Forming the fourth metal layer on the surface of the third substrate, and bringing the third metal layer of the third substrate and the fourth metal layer of the second substrate into contact with each other to form the third substrate and the second substrate;
  • the first metal layer, the second metal layer, the third metal layer, and the fourth metal layer are formed to have a thickness three or more times the surface roughness of the formation surface on which they are formed. It is good to do.
  • the metal material may be selected from Au, Pt, and alloys containing these metals.
  • FIG. 1A is a configuration diagram showing a state in each step of the method of manufacturing an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1B is a configuration diagram showing a state in each step of the method of manufacturing an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1C is a configuration diagram showing a state in each step of the method of manufacturing an optical device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the optical device in the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing the results of measuring the tensile strength of a sample in which test pieces of each surface roughness are joined at the thickness of each metal layer.
  • FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1C are block diagrams which show the state in each process explaining the manufacturing method of the optical device in Embodiment 1 of this invention.
  • the cross section is shown typically.
  • the first metal layer 102 is formed in the bonding region of the peripheral portion except the central portion of the first substrate 101 made of a transparent material containing silicon dioxide.
  • the first substrate 101 is, for example, a quartz plate.
  • the first substrate 101 may be a quartz plate, a glass plate, or the like.
  • the first metal layer 102 is formed on the surface of such a first substrate 101 by, for example, a vacuum film forming method.
  • the first metal layer 102 is made of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of an oxide at normal temperature, such as Au, Pt, and an alloy containing these metals.
  • the first metal layer 102 is formed to have a thickness three or more times the surface roughness of the formation surface.
  • “normal temperature” is set to 20 ° C. ⁇ 15 ° C. (5-35 ° C.).
  • surface roughness is arithmetic mean roughness.
  • the second metal layer 104 is formed on one surface of the second substrate 103.
  • the second substrate 103 is, for example, a substrate made of a transparent material containing silicon dioxide, and is, for example, a quartz plate, a quartz plate, a glass plate, or the like.
  • the second metal layer 104 is formed in the bonding region of the peripheral portion excluding the central portion of the second substrate 103.
  • the second metal layer 104 is formed by vacuum deposition.
  • the second metal layer 104 is made of a metal material containing a metal having a positive free energy of formation of an oxide at normal temperature, such as Au, Pt, and an alloy containing these metals. Further, the second metal layer 104 is formed to have a thickness three or more times the surface roughness of the formation surface.
  • the first metal layer 102 will be described as an example for selective formation of each metal layer in the junction region.
  • a resist pattern in which a bonding region is opened is formed on the surface of the first substrate 101.
  • the resist pattern may be formed by a known photolithography technique.
  • the above-described metal material is deposited by vacuum film formation.
  • the resist pattern is removed (lifted off) using an organic solvent or the like, whereby the first metal layer 102 can be selectively formed in the bonding region.
  • the deposition of the metal material may be performed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or an ion plating method.
  • the first metal layer 102 may be formed.
  • a metal film made of a metal material to be the first metal layer 102 is formed on the surface of the first substrate 101.
  • the metal film may be formed by a vacuum film formation method, a sputtering method, or the like.
  • a resist pattern is formed covering the junction region and opening the other region.
  • the resist pattern may be formed by a known photolithography technique.
  • the metal film is selectively etched.
  • the metal film when the metal film is made of Au, the metal film can be selectively etched by wet etching with an etching solution consisting of iodine, ammonium iodide, water and ethanol. Thereby, the first metal layer 102 can be selectively formed in the junction region.
  • an etching solution consisting of iodine, ammonium iodide, water and ethanol.
  • the first metal layer 102 can be selectively formed in the junction region.
  • the first metal layer 102 may be formed by selectively depositing a metal material on a bonding region using a stencil mask in a sputtering method or the like.
  • the first metal layer 102 of the first substrate 101 and the second metal layer 104 of the second substrate 103 are brought into contact with each other.
  • the second substrate 103 is placed on the first substrate 101 in a state where the first metal layer 102 and the second metal layer 104 face each other.
  • the first metal layer 102 and the second metal layer 104 are in partial contact with each other in a point-like manner only by being placed. In such a state, the first metal layer 102 and the second metal layer 104 do not come into contact (abut) on a surface of a certain size. In such a case, a certain amount of load is applied between the first substrate 101 and the second substrate 103 so that there is an area in contact with the surface.
  • the metal layer formed by sputtering or the like is a thin film of a microcrystalline structure. By superimposing the thin films of the microcrystalline structure, atomic diffusion of metal is generated at the bonding interface of the thin films to strongly bond the two substrates. As described above, when the first metal layer 102 and the second metal layer 104 are integrated, the first substrate 101 and the second substrate 103 can be joined by the first metal layer 102 and the second metal layer 104.
  • first metal layer 102 and the second metal layer 104 are made of a metal material containing a metal containing a positive free energy of oxide formation at normal temperature, a natural oxide film is formed on the surface even in the atmosphere. By bringing the two into contact with each other, a direct bonded state can be easily obtained.
  • This bonding may be performed not only in the atmosphere but also in a reduced pressure environment, or may be performed in an atmosphere at atmospheric pressure or higher.
  • the bonding environment is not limited to the air, and may be, for example, nitrogen or an inert gas.
  • the bonding temperature may be normal temperature. Moreover, in order to assist the diffusion of the bonding films, heating may be performed as needed.
  • An optical device is obtained, which comprises at least the second metal layer 104 formed in the bonding area of the peripheral part excluding the central part of the second substrate 103, and made integral with the first metal layer 102.
  • the bonding region is provided in the peripheral portion excluding the central portion 201, and the metal layer is formed on the central portion 201 of the first substrate 101 and the second substrate 103. And so does not form.
  • central portions 201 of the joined first substrate 101 and second substrate 103 are in a state in which light is transmitted. Therefore, according to the present embodiment, the light transmitted through the central portion 201 is in a state in which the optical characteristics of both the first substrate 101 and the second substrate 103 are reflected.
  • a quartz plate (first substrate) 301 and a quartz plate (third substrate) 302 are disposed opposite to each other via a spacer (second substrate) 303 made of quartz.
  • the spacer 303 by arranging the spacer 303, the space 321 is present between the quartz plate 301 and the quartz plate 302.
  • the quartz plate 301 and the quartz plate 302 are provided with a reflective film 304 and a reflective film 305 on one surface opposite to each other.
  • the other surface of the quartz plate 301 and the quartz plate 302 is provided with an antireflective film 306 and an antireflective film 307, respectively.
  • the quartz plate 301 and the spacer 303 are joined via the first metal layer 311 and the second metal layer 312.
  • the first metal layer 311 is formed on the reflective film 304 in the bonding region 322 of the quartz plate 301.
  • the bonding region 322 is provided in the peripheral portion excluding the transmission region 323 in the central portion of the quartz plate 301.
  • the second metal layer 312 is formed on the bonding surface (one surface) of the spacer 303 with the quartz plate 301.
  • the first metal layer 311 and the second metal layer 312 are joined together by bringing the opposing surfaces into contact with each other.
  • the quartz plate 301 and the spacer 303 are joined by the first metal layer 311 and the second metal layer 312 thus integrated.
  • the quartz plate 302 and the spacer 303 are joined via the third metal layer 313 and the fourth metal layer 314.
  • the third metal layer 313 is formed on the reflective film 305 in the bonding region 322 of the quartz plate 302.
  • the bonding region 322 is a peripheral region excluding the transmission region 323 in the central portion of the quartz plate 302.
  • the fourth metal layer 314 is formed on the bonding surface (other surface) of the spacer 303 with the quartz plate 302.
  • the third metal layer 313 and the fourth metal layer 314 are joined together by bringing the opposing surfaces into contact with each other.
  • the quartz plate 302 and the spacer 303 are joined by the third metal layer 313 and the fourth metal layer 314 thus integrated.
  • the first metal layer 311, the second metal layer 312, the third metal layer 313, and the fourth metal layer 314 are made of a metal material including a metal having a positive free energy of oxide formation at normal temperature. These may be, for example, any of Au, Pt, and an alloy containing these metals. Further, the first metal layer 311, the second metal layer 312, the third metal layer 313, and the fourth metal layer 314 are formed to have a thickness three or more times the surface roughness (arithmetic average roughness) of the formation surface There is. By the way, metals such as Au and Pt do not have high adhesion to quartz and metal oxides.
  • each metal layer is formed of an adhesion layer made of a metal such as Ta, Ti, Cr, or Ni formed on the side of the formation surface and a metal layer such as Au or Pt formed thereon. It is good to make it a layered structure.
  • the etalon filter described above is a so-called Fabry-Perot interferometer.
  • the distance between the reflective film 304 and the reflective film 305 is an integral multiple of 1/2 of the desired wavelength of light, in the light path of “quartz plate 301-space 321-quartz plate 302” in the transmission region 323, Light of a desired wavelength can be transmitted.
  • a quartz plate 301 having a reflection film 304 formed on one surface and an anti-reflection film 306 formed on the other surface, and a reflection film 305 formed on one surface, and an anti-reflection film 307 on the other surface.
  • a quartz plate 302 on which is formed.
  • Each quartz plate is 4 mm ⁇ 4 mm, and the plate thickness is 1 mm.
  • the reflective film 304 and the antireflective film 306 are configured by alternately laminating a plurality of dielectric layers each having a different refractive index.
  • the reflective film 304 can be configured by laminating ten or less dielectric layers having a thickness of about submicron. Each dielectric layer can be formed, for example, by vacuum deposition.
  • the first metal layer 311 is formed in the bonding region 322 of one surface (reflection film formation surface) of the quartz plate 301.
  • a Ta layer is formed to a layer thickness of about 2 nm by vacuum film formation, and subsequently, an Au layer is formed to a layer thickness of about 10 nm to form the first metal layer 102.
  • the third metal layer 313 is formed in the bonding region 322 of one surface (reflection film forming surface) of the quartz plate 302.
  • the second metal layer 312 is formed on one of the bonding surfaces of the spacer 303.
  • the spacer 303 is formed to have a dimension such that the distance between the quartz plate 301 and the quartz plate 302 is 3 mm. Further, the spacer 303 is formed so that the dimension of the cross section in the light transmission direction in the space 321 is ⁇ 1.5 mm in the assembled state.
  • a Ta layer may be formed to a layer thickness of about 2 nm by vacuum deposition, and an Au layer may be formed to a layer thickness of about 10 nm.
  • the fourth metal layer 314 is formed on the other bonding surface of the spacer layer 303.
  • the first metal layer 311 of the quartz plate 301 and the second metal layer 312 of the spacer 303 are brought into contact with each other to be integrated, whereby the quartz plate 301 and the spacer 303 are formed into the first metal layer 311 and the second metal layer. It joins by 312.
  • the third substrate and the spacer 303 are joined by the third metal layer and the second metal layer 312 by bringing the third metal layer of the third substrate and the fourth metal layer of the spacer 303 into contact with each other.
  • the quartz plate 301 and the spacer 303 can be joined by the first metal layer 311 and the second metal layer 312.
  • the quartz plate 302 and the spacer 303 can be joined by the third metal layer 313 and the fourth metal layer 314.
  • first metal layer 311 and the second metal layer 312 are made of a metal material containing a metal having a positive free energy of oxide formation at normal temperature, a natural oxide film is formed on the surface even in the atmosphere By bringing the two into contact with each other, a direct bonded state can be easily obtained.
  • third metal layer 313 and the fourth metal layer 314 as well.
  • a plurality of quartz plates (test pieces) of 10 mm ⁇ 10 mm having different surface roughness of the bonding surface are prepared, and a plurality of samples formed by bonding metal layers of different layer thicknesses on the bonding surface are produced. 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.
  • a metal layer composed of a Ta layer and an Au layer with a layer 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.
  • the thickness of the Au layer is changed to prepare each sample.
  • a sample in which the thickness of the Au layer is 0.3, 0.7, 1.0, 1.5, 2.5, 5.5 (nm) is produced.
  • a sample having an Au layer thickness of 0.7, 1.4, 2.1, 3.5, 5.6, 9.8 (nm) was prepared.
  • a sample in which the thickness of the Au layer is 1.5, 3.0, 4.5, 6.0, 10.5, 25.5 (nm) is manufactured. There is.
  • the abscissa represents the value obtained by dividing the thickness T (nm) of the formed metal layer by the surface roughness Ra (nm) of the test piece.
  • a black square is a sample using a test piece with surface roughness Ra 0.3 nm
  • a white circle is a sample using a test piece with surface roughness Ra 0.7 nm
  • a black triangle is a test using surface roughness Ra 1.5 nm It is a measurement result of the sample which used the piece.
  • the tensile strength is saturated if the layer thickness of the metal layer is three or more times the surface roughness.
  • a crystal plate (test piece) of 10 mm ⁇ 10 mm having different surface roughness of the bonding surface is prepared, and a sample obtained by bonding these by various bonding methods is prepared, and the tensile strength of the prepared sample is measured.
  • 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 is an optical contact, surface activated bonding, and the bonding method according to the present invention described above.
  • a metal layer consisting of a Ta layer with a layer thickness of 2 nm and an Au layer with a layer 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.
  • pressure was applied at 20 kgf.
  • the result of having measured the tensile strength of the sample which joined the test piece of each surface roughness by each joining method in Table 1 below is shown.
  • the unit of tensile strength shown in the table is MPa.
  • "25 or more" indicates that in the tensile strength test, at 25 MPa or more, the entire sample is broken, and no more strength test can be performed.
  • the bonding method of the present invention As shown in Table 1, according to the bonding method of the present invention, it can be seen that when the surface roughness is 0.3 nm, stronger bonding strength is obtained as compared to the optical contact and the surface activation bonding. Moreover, it is understood that the bonding method of the present invention achieves high bonding strength even in the surface roughness of 0.7 nm or more which can not be bonded by optical contact and surface activation bonding. Thus, in the surface roughness range of 0.3 nm to 0.7 nm, the bonding method of the present invention has higher bonding strength than the optical contact and the surface activation bonding. Further, when the surface roughness is 0.7 nm or more, bonding can be performed only by the bonding method of the present invention.
  • the cost of the product increases.
  • an optical device having a large bonding strength between optical components can be manufactured.
  • the thickness of the metal layer to be at least three times the surface roughness of the formation surface, higher bonding strength can be obtained.
  • 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 excluding the central portion of the substrate.
  • the spacer may be an integral structure, or the spacer may be configured from a plurality of parts.
  • the spacer does not have to be made of the same material as the first substrate made of a transparent material containing silicon dioxide.
  • a plurality of optical devices may be simultaneously manufactured by using a large-area substrate (for example, a diameter of 2 inches and a plate thickness of 1 mm) and cutting out after bonding.
  • first substrate 101 ... first substrate, 102 ... first metal layer, 103 ... second substrate, 104 ... second metal layer, 201 ... central portion.

Abstract

　酸化シリコン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）を形成し、第２基板（１０３）の一方の面に第２金属層（１０４）を形成し、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。第１金属層（１０２），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、形成面の表面粗さの３倍以上の厚さに形成する。

Description

光学デバイスおよびその製造方法
　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。
　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。
　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。
　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。
特開平０４－０６１１８１号公報
　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。
　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。
　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。
　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ている。
　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。
　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１金属層，第２金属層，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。
　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する。
　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。
　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２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。
　上記光学デバイスの製造方法において、第１金属層，第２金属層，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。
　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。
図１Ａ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１Ｂ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２は、本発明の実施の形態１における光学デバイスの構成を示す平面図である。 図３は、本発明の実施の形態２における光学デバイスの構成を示す断面図である。 図４は、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特性図である。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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１０２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。
　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。
　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、第３基板の第３金属層とスペーサ３０３の第４金属層とを当接させて一体とすることで、第３基板およびスペーサ３０３を第３金属層および第２金属層３１２により接合する。
　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。
　このようにして、第１金属層３１１と第２金属層３１２とを一体すれば、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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (12)

  1. 　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、
    　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することを特徴とする光学デバイスの製造方法。
  2. 　請求項１記載の光学デバイスの製造方法において、
    　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。
  3. 　請求項１記載の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、
    　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２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。
  4. 　請求項３記載の光学デバイスの製造方法において、
    　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。
  5. 　請求項１記載の光学デバイスの製造方法において、
    　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。
  6. 　請求項１記載の光学デバイスの製造方法において、
    　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。
  7. 　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ていることを特徴とする光学デバイス。
  8. 　請求項７記載の光学デバイスにおいて、
    　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。
  9. 　請求項７記載の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、
    　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。
  10. 　請求項９記載の光学デバイスにおいて、
    　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。
  11. 　請求項７記載の光学デバイスにおいて、
    　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。
  12. 　請求項７記載の光学デバイスにおいて、
    　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。
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