(57)【要約】  非線形吸収現象による物質の接合を行う上で、超短光パルスレーザーの焦点形成位置を正確に形成することの困難性を大幅に緩和して、実用に適した２つの物質の接合方法と接合装置、および、接合物とその製造方法とを得る。超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側の物質が透明材料（１）からなり、前記透明材料（１）からなる物質内での前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によって生じるフィラメント領域（６）を、前記２つの物質の接合面に生成させて前記２つの物質を接合する。
2008035770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、
前記第１の物質内での前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によって生じるフィラメント領域を、前記２つの物質の接合面に生成させて前記２つの物質を接合すること特徴とする物質の接合方法。
【請求項２】
前記第１の物質が、ガラスまたは透明な樹脂である請求項１に記載の物質の接合方法。
【請求項３】
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が、前記第１の物質と同種の透明材料からなる請求項１または２に記載の物質の接合方法。
【請求項４】
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が、前記第１の物質とは異種の物質である請求項１または２に記載の物質の接合方法。
【請求項５】
前記第２の物質が、ガラス、金属、シリコン、金属もしくはシリコンの化合物、半導体もしくは半導体化合物、または、樹脂のいずれかである請求項４に記載の物質の接合方法。
【請求項６】
前記金属がステンレス、鉄、鋼、アルミニウム、または、銅のいずれか、またはこれらの少なくとも一つの合金である請求項５に記載の物質の接合方法。
【請求項７】
前記超短光パルスレーザービームが、前記２つの物質の接合面に対して所定角度傾斜した状態で入射する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の物質の接合方法。
【請求項８】
前記超短光パルスレーザービームの傾斜方向が、その走査方向と同じかもしくは正反対の方向である請求項７記載の物質の接合方法。
【請求項９】
前記超短光パルスレーザービームの傾斜方向が、その走査方向とほぼ直交する方向である請求項７記載の物質の接合方法。
【請求項１０】
前記２つの物質が、所定間隔隔てられて形成された複数の島状接合部によって接合される請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の物質の接合方法。
【請求項１１】
前記２つの物質が、所定間隔隔てられて形成された所定長さを持つ複数の線状接合部によって接合される請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の物質の接合方法。
【請求項１２】
超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が前記超短光パルスレーザービームを反射する物質であることを特徴とする物質の接合方法。
【請求項１３】
前記第２の物質が、金属またはその化合物である請求項７に記載の物質の接合方法。
【請求項１４】
前記超短光パルスレーザービームが、前記２つの物質の接合面に対して所定角度傾斜した状態で入射する請求項１２または請求項１３に記載の物質の接合方法。
【請求項１５】
超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、
被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、
前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備え、
前記照射手段は、前記超短光パルスレーザービームを、前記２つの物質の接合面を含む部分にフィラメント領域を生成するような照射条件で照射するものであることを特徴とする物質接合装置。
【請求項１６】
超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、
被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、前記超短光パルスビームを反射する第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、
前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備えたことを特徴とする物質接合装置。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載された物質の接合方法を用いて、２つの物質を接合して製造された接合体。
【請求項１８】
前記２つの物質が、基板内に半導体領域が形成された半導体基板と、透明な光学素子である請求項１７に記載の接合体。
【請求項１９】
前記２つの物質が、いずれも透明な光学素子である請求項１７に記載の接合体。
【請求項２０】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載された物質の接合方法を用いて、２つの物質を接合した接合体を製造することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２１】
前記２つの物質が、基板内に半導体領域が形成された半導体基板と、透明な光学素子である請求項２０に記載の接合体の製造方法。
【請求項２２】
前記２つの物質が、いずれも透明な光学素子である請求項２０に記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短光パルスレーザービームにより２つの物質を接合する接合方法、および、その接合に用いられる物質接合装置、さらに、その接合方法を用いて製造された接合体とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フェムト（１×１０-15）秒からピコ秒（１×１０-12）オーダーの超短光パルスレーザー（フェムト秒レーザーとも言う）を利用して、透明な材料からなる２つの物質を接合する方法が知られている（特許文献１）。【０００３】
この方法は、シリカガラス等の超短光パルスレーザービームに対して透明な物質を重ね合わせて圧着保持し、その当接部分に集光するように調整された超短光パルスレーザービームを照射して、レーザービームによる多光子吸収現象を生成させることで、重ね合わせた被接合物質のうちの少なくともいずれか一方を溶融させて接合するものである。【０００４】
このように、レーザービームによる多光子吸収現象を利用することで、従来、透明な物質同士をレーザー接合する際に必要であった、接合物質間に吸光材を配置することが不要となるので、接合作業が容易になり、また、吸光材による透過率の低減などの問題が生じない等の効果を奏するものである。
【特許文献１】特開２００５−  ６６６２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来の方法では、超短光パルスレーザービームの焦点を、２つの被接合物質の当接部分に正確に形成する必要がある一方、被接合物質がレーザービームに対して透明であるため、レーザービームの焦点形成位置が非常にわかりづらいという問題があった。【０００６】
このため、上記従来の方法では、例えば２枚のガラスを接合する場合にその片面に前もってレーザーアブレーションにより傷をつけておいて、接合面を光学的に検出できるようにしたり、接合面の側方からハロゲンランプを照射してレーザービームの集束状況と接合状況を確認しながら接合作業を行ったりする必要があった。また、２つの被接合物質の当接部分に正確にレーザービームの焦点を形成しなくてはならないという制約から、レーザービームの入射方向を接合面と垂直に保持しなくてはならないという課題も生じていた。【０００７】
そこで本発明は、上記した従来の課題を解決して、多光子吸収現象による物質の接合を行う上で、超短光パルスレーザーの焦点形成位置を正確に形成することの困難性を大幅に緩和して、実用に適した物質の接合方法とそのための物質接合装置、そして、その接合方法を用いて製造した接合体、ならびに、接合体の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の物質の接合方法は、超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、前記第１の物質内での前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によって生じるフィラメント領域を、前記２つの物質の接合面に生成させて前記２つの物質を接合すること特徴とする。【０００９】
なお、ここで、第１の物質が透明材料からなるという定義における透明とは、接合される物質に超短光パルスレーザービームが入射された際に、非線形吸収現象が生じる範囲において透明であるという意味である。したがって、接合される物質が、可視光に対して透明であるか否かは問題ではない。すなわち、部材として一般的に高い透明度を有していると認識されているか否かは本発明では問題とはならず、仮に、一般的に見て高い透明度を有していないと判断される部材であっても、超短光パルスレーザービームが非線形吸収現象を生じさせる限りにおいて、本発明における定義では、その物質は透明材料からなる物質ということになる。本明細書において「透明」という場合は、上記定義によるものとする。【００１０】
本発明の第１の物質の接合方法において、上記のようにすることで、所定長さに渡って生成されるフィラメント領域で２つの物質を接合できるため、超短光パルスレーザービームの焦点位置を正確に２つの被接合物質の当接部に位置あわせする必要が無くなり、実用に適した接合方法を提供することができる。【００１１】
また、本発明の第２の物質の接合方法は、超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が前記超短光パルスレーザービームを反射する物質であることを特徴とする。【００１２】
このようにすることで、２つの物質の当接部で超短光パルスレーザービームが反射されるため、その焦点位置を容易かつ正確に検出することができるので、パルスレーザーの焦点位置を当接部に位置あわせすることに格別困難な作業が必要とならず、実用に適した接合方法を提供することができる。【００１３】
また、本発明の第１の物質接合装置は、超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備え、前記照射手段は、前記超短光パルスレーザービームを、前記２つの物質の接合面を含む部分にフィラメント領域を生成するような照射条件で照射するものであることを特徴とする。【００１４】
このようにすることで、２つの物質の接合面の所望の位置にフィラメント領域を生成させ、２つの物質の接合を容易に行うことができる接合装置を実現することができる。【００１５】
さらに、本発明の第２の物質接合装置は、超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、前記超短光パルスビームを反射する第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備えたことを特徴とする。【００１６】
このようにすることで、透明材料からなる第１の物質と、超短光パルスビームを反射する第２の物質とを容易に接合することができる、実用性に富んだ接合装置を実現できる。【００１７】
さらに、本発明の接合体は、本発明の第１の物質の接合方法を用いて２つの物質を接合して製造されたものである。また、本発明の接合体の製造方法は、本発明の第１の物質の接合方法を用いて接合体を製造することを特徴とする。【００１８】
このようにすることで、透明な部材ともう一つの部材とを接合した接合体を容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の物質の接合方法、物質接合装置、および接合体とその製造方法によれば、非線形吸収現象を用いて２つの物質の接合を行う上で、超短光パルスレーザービームの焦点を正確な位置に形成することの困難性を大幅に緩和して、実用に適した状況で２つの物質の接合を行うことができ、２つの物質の接合体を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】フィラメント領域の生成状態を示すイメージ図である。
【図２】フィラメント領域の生成条件と生成状況を示す。
【図３】２つの物質の接合過程を示すイメージ図である。
【図４】被接合物質を固定するジグの概略を示す斜視図である。
【図５】接合強度試験器のイメージ図である。
【図６】ビームを傾斜して照査する状況を示すイメージ図である。
【図７】本発明の実施形態に係る物質接合装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  第１の物質
２  第２の物質
３  集束レンズ
４  超短光パルスレーザービーム
５  焦点
６  フィラメント領域
７  接合領域
８  接合部
９  レーザービーム
１０  押圧力
１１  レーザービーム走査方向
１２  改質（変質）領域
１３  上側プレート
１４  下側固定プレート
１５  突起
１６  固定ねじ
１７  ベース
１８  支柱
１９  プーリーブロック
２０  ワイヤ
２１  皿
２２  加重
２３  傾斜方向
２４  レーザー照射装置
２５  ＮＤフィルター
２６  シャッター
２７  凹レンズ
２８  凸レンズ
２９  アパーチャ
３０  ミラー
３１  カメラ
３２  制御装置
３３  ＸＹステージ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の第１の物質の接合方法は、超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、前記第１の物質内での前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によって生じるフィラメント領域を、前記２つの物質の接合面に生成させて前記２つの物質を接合するというものである。【００２３】
そして、このような本発明の第１の物質の接合方法は、所定長さに渡って生成されるフィラメント領域で２つの物質を接合できるため、超短光パルスレーザービームの焦点位置を正確に２つの被接合物質の当接部に位置合わせする必要が無くなるという、実用に適した接合方法である。【００２４】
このような、本発明の第１の物質の接合方法において、前記第１の物質が、ガラスまたは透明な樹脂であることが好ましい。透明材料からなる物質として、これらの物質を用いることで、レーザービームの自己集束作用によってフィラメント領域を良好に生成させることができる。【００２５】
なお、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が、前記第１の物質と同種の透明材料とすることができる。【００２６】
また、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が、前記第１の物質とは異種の物質とすることができる。この場合に、前記第２の物質が、ガラス、金属、シリコン、金属もしくはシリコンの化合物、半導体もしくは半導体化合物、または、樹脂のいずれかであることが好ましく、さらに、前記金属がステンレス、鉄、鋼、アルミニウム、または、銅のいずれか、またはこれらの少なくとも一つの合金であることが好ましい。【００２７】
このようにすることで、本発明の第１の物質の接合方法の実用性を活かして、従来は接合困難であった物質同士をも容易に接合することができる。【００２８】
なお、本発明の第１の物質の接合方法において、前記超短光パルスレーザービームが、前記２つの物質の接合面に対して所定角度傾斜した状態で入射すること、そして、前記超短光パルスレーザービームの傾斜方向が、前記超短光パルスレーザービームの走査方向と同じかもしくは正反対の方向であること、または、前記超短光パルスレーザービームの走査方向とほぼ直交する方向であることが好ましい。このようにすることで、２つの物質を接合する際のレーザービームパスの裕度を広げて様々な状況での接合に対応することができ、また、超短光レーザービームを２つの物質の接合面に対して垂直に入射させる場合に生じる弊害を防止することができる。【００２９】
また、本発明の第１の物質の接合方法において、前記２つの物質が、所定間隔隔てられて形成された複数の島状接合部によって接合されていること、もしくは、前記２つの物質が、所定間隔隔てられて形成された所定長さを持つ複数の線状接合部によって接合されていることが好ましい。このようにすることで、２つの被接合物質として例えば金属とガラスといった、熱膨張係数の大きく異なる物質同士を接合することができる。【００３０】
また、本発明の第２の物質の接合方法は、超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が前記超短光パルスレーザービームを反射する物質であるというものである。【００３１】
このような本発明の第２の接合方法は、２つの物質の当接部で超短光パルスレーザービームが反射されるため、その焦点位置を容易かつ正確に検出することができ、パルスレーザーの焦点位置を当接部に位置あわせすることに格別困難な作業が必要とならないという、実用に適した接合方法である。【００３２】
そして、本発明の第２の物質の接合方法においては、前記第２の物質が、金属またはその化合物であることが好ましい。また、前記超短光パルスレーザービームが、前記２つの物質の接合面に対して所定角度傾斜した状態で入射することが好ましい。【００３３】
さらに、本発明の第１の物質接合装置は、超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備え、前記照射手段は、前記超短光パルスレーザービームを、前記２つの物質の接合面を含む部分にフィラメント領域を生成するような照射条件で照射する。【００３４】
また、本発明の第２の物質接合装置は、超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、前記超短光パルスビームを反射する第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備える。【００３５】
このような、本発明の第１の物質接合装置、および、第２の物質接合装置は、２つの物質の接合面への超短光パルスレーザービームの照射と、２つの物質を接合するための超短光パルスレーザービームの走査とを容易に行うことができる。【００３６】
さらに、本発明の接合体は、本発明の第１の物質の接合方法を用いて、２つの物質を接合して製造されたものである。また、本発明の接合体の製造方法は、本発明の第１の物質の接合方法を用いて、２つの物質を接合するというものである。このようにすることで、透明な部材ともう一つの部材とを接合した接合体を容易に製造することができる。【００３７】
そして、本発明の接合体、およびその製造方法においては、前記２つの物質が、基板内に半導体領域が形成された半導体基板と透明材料からなる光学素子であること、または、前記２つの物質が、いずれも透明な光学素子であることが好ましい。このようにすることで、光学素子を搭載した半導体素子や、複数の光学素子が接合された複合的な光学素子を、容易に製造することができる。【００３８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。【００３９】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の物質の接合方法を第１の実施形態として説明するが、具体的な実施形態の説明をする前に、本実施形態にかかる接合方法における最も重要なポイントである、フィラメント領域とその生成の原理について説明する。【００４０】
パルス幅が、フェムト秒からピコ秒オーダーの超短光パルスレーザービームがガラスなどの透明物質に入射した際には、レーザービームが基本的にガウス型の空間強度分布を持っているために、非線形媒質中において光の強度が強い中心部分の屈折率が他の部分に比べて高くなって媒質自体が正のレンズとして働く。このため、入射光が一点に集中するようになるという自己集束作用が生じ、超短光パルスレーザービームは、透明物質中を有限距離伝搬した後にビーム径が極小になると考えられる。【００４１】
しかしながら、実際には、媒質の光イオン化が生じて物質内で電子とイオンとが自由に移動する状況となるプラズマ形成が生じ、媒質の屈折率が低減する。このような３次の非線形光学効果とプラズマ形成による屈折率の減少とが釣り合うと、超短光パルスレーザービームは、一定のビーム径のまま所定距離を伝搬する。この現象をフィラメンテーションと呼び、フィラメンテーションが起きている領域をフィラメント領域と呼ぶ。そして、このフィラメント領域では、プラズマ密度が一定に保たれて、破壊的な損傷が生じにくい状況となっていると考えられる。【００４２】
なお、発明者らが確認したところによると、パルスレーザービームのピークパワーが大きければ、パルス幅が１００ナノ（１×１０-9）秒ぐらいまではフィラメント領域が形成されることが分かった。本実施の形態で説明する本発明にかかる第１の物質の接合方法では、フィラメント領域を生成させてこれを利用して２つの物質を接合するものであるから、フィラメント領域の生成が接合における超短光パルスレーザービームの生成条件となる。言い換えると、本実施形態にかかる物質の接合方法として定義される「超短光パルスレーザービーム」とは、１００ナノ秒程度までのパルス幅を有するものを包含する。【００４３】
図１は、このようなフィラメント領域の生成を模式的に表したイメージ図である。図１（ａ）は、フィラメント領域が生成されていない従来の接合方法におけるレーザービームの状況を示すものであり、超短光パルスレーザービーム４は、レーザービームが入射する側の透明材料からなる第１の物質１と、これとは反対側の第２の物質２との接合面付近で、ビーム径の極小値部分である焦点５を形成するように、集束レンズ３で集光されている。【００４４】
これに対し、フィラメンテーションが生じている状態を示す図１（ｂ）では、超短光パルスレーザービーム４は、集束レンズ３を透過した後、透明材料からなる第１の物質１内での自己集束作用で最小径部分を形成した後、プラズマ現象と釣り合うことで最小径状況を一定の距離維持するフィラメント領域６を生成した状態で、第２の物質２内部に入り、レーザービームのエネルギー低減とともに自己集束作用が弱くなってビーム径が増大し、フィラメント領域６が消滅している。【００４５】
発明者らは、実際にシリカガラスを用いて、超短光パルスレーザービームを用いてフィラメント領域を発生させてみた。図２に、単一のフィラメント領域が発生した条件と生成されたフィラメント領域の大きさの一覧を示す。なお、図２においてフィラメント領域の長さとは、フィラメント領域が生成されたことでその部分のガラスが溶融し、超短光パルスレーザービームの照射後にシリカガラスの屈折率が変化した領域として判別できた部分のレーザービーム光軸方向の距離（深さ）を示し、フィラメント領域の径とは、上記屈折率の変化が生じた領域のレーザービーム光軸に垂直な面での直径を示す。【００４６】
図２に示すように、開口数（ＮＡ）が、０．０５から０．５５の広い範囲にわたってフィラメント領域が発生していることがわかる。【００４７】
また、それぞれの開口数（ＮＡ）において、パルスエネルギーが図２に示す範囲よりも小さくなると、フィラメント領域の生成は見られず、逆に図２に示す範囲よりも大きなパルスエネルギーを与えると、フィラメント領域が平行して複数本生じるマルチフィラメント現象が生じて、シリカガラスが黒っぽく変色するボイド領域が生成された。【００４８】
このボイド領域においてもシリカガラスが溶融したものと考えられるため、２つの物質の当接面にボイド領域を生成させることができれば、ボイド領域によって２つの物質を接合することも可能である。ただし、マルチフィラメント現象が生じてボイド領域となる領域を十分にコントロールすることは、単一フィラメントを生成させる場合と比較すると一定以上の困難を伴う。また、単一のフィラメント領域が形成された部分でのシリカガラスの透過率の低減が１０％ほどであるのに対して、ボイド領域での透過率低減は５０％以上と大きい。【００４９】
このため、超短光パルスビームの照射条件として、マルチフィラメント現象が生じる条件下で物質を接合する場合は、接合する２つの物質の内の一方が不透明である場合など、２つの物質が接合されて形成された接合体として考慮したときに、接合体全体で求められる透明性などの光学的特性がそれほど高くない場合に限ることが望ましい。【００５０】
一方、超短光パルスレーザービームで導波路を描く場合や、透明なガラス材からなる光学素子同士を接合して、全体として透明な光学素子を製造する場合などは、マルチフィラメント現象が生じないようにパルスエネルギーを調整することが望ましい。【００５１】
なお、開口数（ＮＡ）を大きくしていった場合にも、マルチフィラメント現象が発生しやすいことが観測された。また、開口数が小さいほど長いフィラメント領域が形成されることがわかった。このことは、レーザービームを集束するレンズとして比較的安価なものを用いることができることを意味しており、この点からも本発明の接合方法が実用的なものであることがわかる。【００５２】
観測された単一のフィラメント領域は、長さが短いもので１０μｍ程度、長いものでは数百μｍにも及んだが、フィラメント領域の径は、いずれの条件によるものでも約１．７μｍと安定していた。これは、上記したレーザービームの自己集束作用と、プラズマの発生によるビーム発散作用とが釣り合ってフィラメント領域が形成されるという原理を端的に裏付けているものと思われる。このように、フィラメント領域では、一定のビーム径の状態が所定距離に渡って生成することとなるので、超短光パルスレーザービームを用いて物質の接合を考えるときに、従来のようなレーザービームの焦点を正確に２つの物質の当接部に形成する場合と比較して、そのコントロールが格別に容易となることがわかる。【００５３】
なお、本発明の定義において、フィラメント領域の生成とは、上記のように超短光パルスレーザービームが所定の長さに渡って最小のビーム径を保つ状態が生じたことを言う。これに対して、従来の接合方法において用いられたような、通常の焦点を形成した場合には、その焦点深さは最大のものでもレーザービームの光軸方向で２〜３μｍには達しないことから、フィラメント領域が生成しているか否かは最小のビーム径の状態が、ビームの光軸方向にどれだけの長さに渡って生じているかを確認すれば容易に判別できる。【００５４】
また、このフィラメント領域が生成されたか否かは、ビーム照射後のガラスを見ることによっても確認することができる。フィラメント領域が生成された場合は、生成されたフィラメント領域の深さに相当する部分のガラスの屈折率が上昇して、光学顕微鏡で白く（明るく）見える。そして、この白い領域の上下端の境界部は、なめらかではあるもののある程度の急激な変化が生じていて、その上下の元々のガラス自体の状態が残っている透明領域に繋がっている。言い換えれば、フィラメント領域が生成された深さに渡って、層状の変質部分が残存する。これに対して、従来の接合方法でのように、２つの物質の当接面に焦点を形成させた場合には、フィラメント領域が形成された場合のような層状の白い領域は生じずに、接合面の部分のみが白く変化する。【００５５】
このように、ガラスが光学顕微鏡の観察にて白く変化しているのは、とりもなおさずフィラメント領域で超短光パルスレーザービームによって、本来透明であるため吸収のない物質中において多光子吸収や電場イオン化により誘起される光吸収現象が引き起こされ、その部分のガラスが一旦溶融し、ビームが消滅するとともに急速に冷却されて再凝固したためと思われる。この現象を用いれば、超短光パルスレーザービームによって、２つの物質を接合することが可能となる。そして、この方法によれば、フィラメント領域が形成されない接合部材の表面を破壊することなく２つの物質を接合可能であり、また、超短光パルスビームのパルス幅は、一般的な被接合材料の熱拡散に要する時間よりも小さいために、熱ひずみを極力省いた接合が可能となる。【００５６】
さらに、フィラメント領域が超短光パルスレーザービームの光軸方向に発生するものであるため、２つの物質を接合する接合面での被接合物質の間隔がフィラメント領域の長さよりも小さければ、光軸方向に試料自体や集束レンズなどの光学系を移動させて集光点を移動させる必要もない。また、リン酸塩ガラスなどのガラスでは、フィラメントの生成によりガラスの屈折率が減少し、光学顕微鏡で黒く（暗く）見えるが、重ねられたガラスの境界部において層状の変質領域部分が形成され、屈折率が上昇した場合と同様の過程にて接合を行うことができる。【００５７】
次に、本発明の第１の接合方法の実施形態として、超短光パルスレーザービームにより生成されるフィラメント領域を用いて２つの物質を接合する物質の接合方法の、具体的な内容を、図３および図４を用いて説明する。【００５８】
ここで、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は接合領域形成過程でのイメージを示す平面図、また図３（ｄ）（ｅ）（ｆ）はそれぞれ図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の状態を側面から見た場合のイメージ図である。【００５９】
まず試料として、７ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ０．７ｍｍのシリカガラスを２枚用意し、表面を清浄にして重ね合わせる。この試料の中央部分に２つの試料を接合するための接合領域７を形成した。接合領域７は、一辺が約４００μｍの正方形の領域であり、図３（ａ）はまだ接合作業を行っていない状態の接合領域７を示している。この中に、接合領域７形成後の平面図である図３（ｃ）に示すように、１辺が１００μｍの正方形の接合部８を縦方向横方向にそれぞれの間隔を２０μｍとして９個形成した。具体的には、図３（ｂ）に示すように、一つ一つの接合部８について、図中横方向に１００μｍに渡ってレーザービーム９を走査し、その後１μｍだけ、図中縦方向に照射位置を移動させて再び横方向にレーザービーム照射を行うという手順を繰り返した。【００６０】
このときのレーザービームは、チタンサファイヤレーザーシステムにより生成されたもので、中心波長は８００ｎｍ、パルス幅が８５ｆｓで、繰り返し周波数を１ｋＨｚとした。また、レーザービーム集束系の開口数（ＮＡ）は０．３で、エネルギーは１．０μＪ／ｐｕｌｓｅとした。【００６１】
超短光パルスレーザービームが入射する側の透明材料からなる第１の物質１としてのシリカガラスと、第２の物質２であるシリカガラスには、両者が十分に密着するよう、側面から見た図３（ｄ）に示すように上側の両端部分と下側の中央部分に押圧力１０がかかるようにし、接合領域７において約４０ＭＰａの圧力を加えた。具体的には、図４に示す固定用ジグを用いた。図４中、上側プレート１３と下側の固定プレート１４として示す一対の鉄製プレートで試料１，２を重ね合わせたものを挟み、固定ねじ１６でこれを締め付けるようにして押圧力を調整した。下側の固定プレート１４の中央には半球状の突起１５を設けて、超短光パルスレーザービームが照射される部分で、確実に２つの試料間隔がレーザービーム波長の４分の１程度となるように調整している。【００６２】
超短光パルスレーザービームを照射している状態の側面図である図３（ｅ）に示す通り、上記条件で照射された超短光パルスレーザービーム４は、集束レンズ３を透過した後図１（ｂ）に示したものと同じように、長さが約３０μｍの単一のフィラメント領域６を生成した。なお、図３（ｅ）中の矢印１１は、レーザービーム走査方向を示す。【００６３】
このようにして生成されたフィラメント領域では、局所的なシリカガラスの溶融が生じ、その後再凝固することで、２つの被接合物質がレーザー溶接されることとなる。そして、このフィラメント領域は、所定の長さに渡って光軸方向に形成されるため、集光点を光軸方向に走査することなく、２つの被接合物質の当接面を中心として双方の被接合物質を所定の深さに渡って溶融させることができるため、レーザー接合に適していることがわかる。【００６４】
接合された後の、透明材料からなる物質１と、他方の物質２であるシリカガラスを側方から監視した様子を示すのが、図３（ｆ）である。図３（ｆ）に示すように、２枚のシリカガラスは、その当接面を中心として、レーザービームが走査した部分にのみ、ごくわずかな白く見える改質（変質）領域１２が形成されている。今回の条件では、この白く見える改質（変質）領域の深さ（レーザービーム光軸方向の長さ）は、フィラメント領域の長さと等しい約３０μｍであることが確認できた。【００６５】
次に、このように接合された２枚のシリカガラスの接合強度を調べてみた。図５は、発明者らが接合強度を測定した試験器の概略イメージ図である。図５に示すように、ベース１７の上に支柱１８を立て、自由に回転できるようにプーリーブロック１９を設けた。そして、接合された２枚の被接着物質であるシリカガラスの、レーザービーム入射側の透明材料からなる物質１にワイヤ２０を接着し、このワイヤの他端に設けられた皿２１の上に荷重２２を加えていき、接合した試料が２つに割れるまでの荷重を測定した。そして、このとき得られた荷重の値を接合面積で割って接合強度を見積もった。【００６６】
その結果、上記条件で２枚のシリカガラスを接合した場合の接合強度は、約１５ＭＰａであり、実用上十分な強さであることが確認できた。なお、この接合強度は、接合されるガラス同士の密着度合いに左右される。そして、このガラスの密着度合いは、ガラスの大きさやガラスを接合する際に押さえつける力の大きさによって変化する。発明者らが確認したところによると、最適な条件が得られた場合には、最大でガラスの引っ張り強度程度、５０ＭＰａ程度の接合強度が得られた。【００６７】
以上、フィラメント領域を用いた本実施形態にかかる物質の接合方法の具体的な説明として、シリカガラス同士を接合する場合について説明してきたが、本実施形態にかかる接合方法で接合できる部材は、これに限られるものではない。たとえば、上記したシリカガラス同士のように、同種の透明材料であるガラス同士の接合例として、ボロシリカガラス同士の接合などが考えられる。【００６８】
また、同種のガラス同士の接合に限らず、シリカガラスとボロシリカガラスのように異種のガラス同士を接合することも可能である。【００６９】
また、超短光パルスレーザービームが照射されたときに、超短光パルスレーザービームが非線形吸収現象を生じさせる範囲において透明である物質としては、上記に例示したシリカガラスやボロシリカガラスに限らない。例えば、ノンアルカリガラス（無アルカリガラス）などの他のガラス材料も透明材料からなる物質として、第１の物質として用いることができる。さらに、透明性の高いアクリル樹脂などの樹脂類も、超短光パルスレーザービームが入射する側の透明材料からなる第１の物質として用いることができる。したがって、例えばアクリル樹脂同士を接合することも可能である。【００７０】
ここで、上記したように本実施形態にかかる物質の接合方法は、超短光パルスレーザービームが入射する側の第１の物質が透明材料からなる場合に、照射される超短光パルスレーザービームの条件をコントロールすることにより、自己集束作用を生じさせてフィラメント領域を形成するものである。そして、フィラメント領域が形成されることによって少なくとも第１の物質が一旦溶解し、その後凝固することで２つの物質を接合することができる。したがって、超短光パルスレーザービームが入射する側の、透明材料からなる第１の物質が、超短光パルスレーザービームが入射されることによって、フィラメント領域を形成するものであれば、第１の物質の接合対象である第２の物質がどのような材料のものであったとしても、これらを接合することができる。【００７１】
具体的には、透明材料からなる第１の物質として、上記例示したようなシリカガラスまたはボロシリカガラスなどのガラス類や透明性の高い樹脂類、その他の部材を用い、この第１の物質と接合されるもう一つの第２の物質として、第１の物質と同種の物質であるかもしくは異種の物質であるか、また、それが透明材料からなる物質であるか否かにかかわらずこれら２つの物質を接合することができる。【００７２】
発明者らが具体的に実験を行って確認したところでは、第１の物質をシリカガラスとしたときに、もう一つの第２の物質として、アクリル樹脂などの樹脂基板、シリコン基板、アルミニウム、銅やステンレスなどの金属板などを接合することができた。そして、上述した図５に示すシリカガラス同士の接合力を調べたものと同じ試験器を用いて測定したところ、シリカガラス同士の接合の場合と同じく１４．９〜１５．０ＭＰａの接合力を得ることができた。【００７３】
このように、本実施形態にかかる物質の接合方法によって、熱膨張係数が異なる異種の物質が接合できるのは、超短光パルスレーザービームによって引き起こされる非線形吸収現象が、直径としてわずか１〜２μｍのごくごく狭い領域で生じていて、かつ、被接合物質の溶融がごく短時間で終了するためであると考えられる。すなわち、接合領域の内のごく一部のみが溶融して再凝固するため、その狭い領域では被接合物質同士の熱膨張自体が絶対値として少量しか生じず、しかも、ビームの移動とともに次々に冷却されて再凝固していくため、被接合物質同士の熱膨張係数の差がほとんど影響しないものと思われる。【００７４】
本実施形態にかかる接合方法は、通常のレーザー溶接等ではその熱膨張係数の差から接合が不可能であるガラスと金属の接合ができ、レーザー溶接方法としての実用上の可能性が大きいものとして期待することができる。なお、本実施形態にかかる接合方法の原理から、熱膨張係数が大きく異なる異種の物質同士を接合する場合には、超短光パルスレーザービームのパルス幅と繰り返し頻度を的確に調整することが望ましい。【００７５】
また、上記したように、本実施形態にかかる接合方法によって、ガラスとシリコン基板との接合が可能であることが確認できた。このことは、本実施形態にかかる接合方法を用いることで、レンズ等の透明な光学素子と、拡散工程や注入工程などによってその基板内部に半導体領域が形成されて、チップごとに切断することで半導体素子として動作可能な半導体基板とを接合することによって、接合物として、光学的機能を有する半導体素子を製造することができることを示している。すなわち、本実施形態にかかる接合方法によって、半導体デバイスが形成された状態の半導体ウェハと、その半導体ウェハ上にガラスや樹脂などの透明部材からなる光学レンズ素子やパッケージなどを積層して直接接合して、いわゆるウェハレベルパッケージングを行うことができる。【００７６】
なお、本実施形態にかかる接合方法によって接合できる半導体基板としては、上記したシリコン基板に限らず、ＧａＡｓ基板やＧａＮ基板などの化合物系の半導体基板も含まれる。そして、本実施形態にかかる物質の接合方法を用いた半導体素子の製造方法を用いることで、チップ単位に切断されたデバイスとして製造された半導体素子、または、半導体製造工程を経た内部に半導体領域が形成されたウェハ基板と、ガラスや透明な樹脂などからなるパッケージやレンズなどの透明部材とを直接接合することができる。その結果、特に、ＣＣＤやレーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの、光学的機能を有する半導体素子の製造方法として、広い範囲の製品をカバーする実用的な製造方法を提供することができる。【００７７】
さらに、本実施の形態にかかる物質の接合方法で接合できる金属板としては、ステンレス、鉄、鋼、アルミニウム、または、銅等の主として単体の金属からなる金属板の他に、これらの金属の少なくともいずれか一つを含む合金板も含まれ、これらの金属板もしくは合金板とシリカガラス等の透明部材とが接合できることが確認されている。【００７８】
また、上記したように、ごく小さな面積同士が溶融して物質の接合が行われることから、例えばガラスとシリコンとの結晶の方位を合わせた状態で保持しつつ、本発明によって両者を接合し、これに所定のアニール工程を施すことによって、シリコンとガラスの単一結晶を形成することができる可能性もある。このような結晶の形成方法が実現した場合には、エピタキシャル成長以外の方法で結晶を作製できるという画期的な成果を得られる可能性を示している。【００７９】
さらに、上記したように、本実施形態にかかる物質の接合方法では、フィラメント領域を適切に生成させることで、例えばガラス同士を接合した時に生じるガラスの透過率の低減を１０％程度に抑えることができる。このことから、例えば、導光板と、光学レンズやプリズムなどの、それぞれ単体としてみたときに透明部材からなる光学素子である部材同士を、透過させる光の減衰を抑えて接合して接合物としての光学素子を製造することができる。したがって、例えばプリズムとレンズとの複合体など、形状や求められる光学特性上の制限から、単一の光学部材としては製造しにくく、かつ、全体的な光学特性として高い透過率が求められる光学素子などを製造するにあたって、本実施形態にかかる物質の接合方法を用いることで、大きな成果を得ることが期待できる。【００８０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の物質の接合方法の第２の実施形態を説明する。【００８１】
本発明の第１の物質の接合方法では、上記第１の実施形態として示したように超短光パルスレーザービームの集束条件を調整することで、フィラメント領域を生成することがポイントであるが、第２の実施形態では、この本発明の第１の物質の接合方法において、レーザービームの光軸方向に所定長さに渡って形成されるというフィラメント領域の特長を活かして、被接合物質同士の接合面である当接部に対してレーザービームを斜めに入射させるというものである。【００８２】
上述したように、従来の超短光パルスレーザービームの溶接では、被接合物質同士の当接部とレーザービームの集束点とを正確に一致させる必要があるため、レーザービームの集束光学系と被接合物質との距離を正確に保つ必要がある。このため、レーザービームの焦点の位置ずれが明らかに生じ易くなる、レーザービームを接合面に対して斜めに入射させることは非常に困難であり、実用上はむしろ不可能と言うべきものであった。しかしながら、本発明の第１の物質の接合方法の特徴であるフィラメント領域は、上記のようにレーザービームの光軸方向に所定の長さにわたって生成されるものであることから、レーザービームの集束光学系と被接合物同士の当接面である接合面との距離に一定の裕度が生まれ、レーザービームを斜めに入射できるという実用上のメリットが生じる。【００８３】
超短光パルスレーザービームを、接合面に対して所定角度傾斜して入射させる方向としては、まず、傾斜方向をビームの走査方向と同じ方向、もしくは正反対の方向とすることが考えられる。【００８４】
図６（ａ）は、透明材料からなる第１の物質１と第２の物質２とを接合するに当たって、超短光パルスレーザービーム４をビーム走査方向１１とは正反対の方向、すなわち、レーザービームの進行方向後方側を傾斜方向２３として走査している状態を示すイメージ図である。このようにすることでビームの照射系が照射点の真上に来なくなるので、照射点の位置や状況をその真上から確実に監視することができる。また、特に、ガラスと金属とを接合する場合のように、透明材料からなる第１の物質ではない側の、第２の物質２がレーザービームを反射する物質である場合には、接合面で反射したビームが照射時のビームパスを逆にたどって、集光レンズやレーザー発生装置などに悪影響を与えることを防止することができる。【００８５】
また、超短光パルスレーザービームを傾斜させる別の方向として、超短光パルスレーザービームをビームの走査方向にほぼ垂直の方向に傾斜させてビーム照射させることが考えられる。【００８６】
図６（ｂ）は、この状態を示し、ここでは、ビーム走査方向１１に対し垂直な方向である紙面の奥側から手前側に向かう方向を傾斜方向２３としてビームを走査している状態のイメージを示す。このようにすることで、たとえば、被接合物の形状が複雑になっていて、超短光パルスレーザービームを入射させる側に配置される物質である、透明材料からなる第１の物質の接合面の垂直上方の厚みが場所によって異なるようなものであったり、接合面の垂直上方にレーザービームを遮蔽したり、散乱させてしまうようなものが形成されているような場合には、これを避けて接合することができる。【００８７】
なお、本実施形態にかかる物質の接合方法は、超短光パルスレーザービームの入射方向のみが上記した第１の実施形態にかかる物質の接合方法と異なるものである。このため、本実施形態にかかる物質の接合方法によっても、上記第１の実施形態と同様に、第１の実施形態において説明した各種部材を接合することができる。また、第２の実施形態にかかる物質の接合方法も、パッケージングされた半導体素子の製造方法や、接合された光学部材の製造方法として第１の実施形態と同様に用いることができることはいうまでもない。【００８８】
（第３の実施形態）
本実施形態では、超短光パルスレーザービームによる非線形吸収現象を生じさせることにより、ガラス等の透明部材からなる物質と、金属などの超短光パルスレーザービームを反射する物質とを接合することについて説明する。【００８９】
上記本発明の物質の接合方法にかかる第１の実施形態および第２の実施形態では、超短光パルスレーザービームによりフィラメント領域を生成することによって、各種の物質を接合できることを説明してきた。そして、フィラメント領域が、レーザービームの光軸方向に所定の長さに渡って生成されるものであることから、従来の超短光パルスレーザービーム溶接の際の課題であった、被接合物質の当接面でレーザービームの焦点が正しく形成されているか否かを監視し続けることの困難性を解決した実用的に優れた接合方法であることを述べてきた。【００９０】
一方、上記第１の実施形態で示した接合方法によれば、超短光パルスレーザービームが入射する側に配置される第１の物質は、レーザービームが自己集束作用を生起するために透明材料からなる物質でなくてはならないが、第１の物質と接合される対象である第２の物質としては、金属などのレーザービームを反射する部材を用いることができ、また、接合領域でのレーザービームのスポット径が十分絞られていれば、ガラスと金属といった、相互の熱膨張係数の数値が大きく異なるために従来はレーザービームによる接合が不可能と考えられていた物質同士を接合することができる。【００９１】
このように、第２の物質として金属などの超短光パルスレーザービームを反射する部材を用いた場合には、接合面でのレーザービーム状態を容易に監視できるというメリットがあり、その場合には必ずしもフィラメント領域が生成されていなくても、レーザービーム径を容易に監視して、調整できることとなる。言い換えれば、第２の物質として超短光パルスレーザービームを反射する物質を用いることで、従来の接合方法での課題を解決した実用十分な接合方法を得ることができる。ここで、レーザービームの焦点の監視については、通常用いられているＣＣＤ等の撮像素子を用いたカメラによる方法や、焦点を形成することで最大値となるレーザービームの反射輝度を測定する方法などが考えられる。【００９２】
なお、本実施形態のように、レーザービームの入射する側とは異なる側に配置される第２の物質がレーザービームを反射するものである場合には、上記第２の実施形態において説明したような、レーザービームを被接合物質の接合面に対して傾斜した方向から照射する方法を採用することが好ましい。このように、レーザービームを被接合物質の接合面に対して傾斜した方向から照射することによって、反射したレーザービームがビーム生成系にもとることで、レーザービームの照射系機構に悪影響を与えるのを防止することができるからである。【００９３】
また、レーザービームを接合面に対して傾斜させないで照射する場合や、図６（ａ）に示した、レーザービームの傾斜方向がビーム走査方向と正反対の方向である場合には、第２の物質の接合面における反射ビームによって、透明材料からなる第１の物質の接合部分近傍に、ある程度の多光子吸収現象や電場イオン化により誘起される光吸収現象が生じることが期待できる。このため、このような場合には、第２の物質が透明材料からなる物質である場合のように、接合面でのレーザービームの反射が生じない場合と比較して、照射するレーザービームのエネルギーを低減することがより好ましいようである。【００９４】
発明者らの実験では、レーザービームを接合面に対して垂直方向から入射させる場合、すなわち、透明材料からなる第１の物質に、外部から照射されたレーザービームと接合面で反射されたレーザービームとが同時に入射する場合には、第２の物質がシリカガラスのようにビームを反射しないものとの接合の場合と比較して、ほぼ６０〜７０％のエネルギー量での照射が適切である。【００９５】
以上、本発明にかかる物質の接合方法、および、この接合方法を用いた接合物の製造方法について、その実施形態について具体的な説明を行ってきた。ここで、上記した本発明の接合方法の各実施形態では、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、２つの物質の接合領域の形成方法として、正方形の接合部を所定間隔隔てて島状に点在させたものを例示したが、本発明にかかる物質の接合方法における接合領域の形成方法はこれに限られるものではない。例えば、所定距離のレーザービーム走査によって形成される線状の接合部を、所定の間隔を隔てて複数形成することで接合領域を形成しても良い。【００９６】
そして、このように線状の接合部を複数形成する場合であっても、上記した島状の接合部を複数設ける場合と同じく、ある瞬間に溶融している領域は実際にレーザービームが照射されているごく狭い領域に限定されるため、例えばガラスと金属のようにそれぞれの熱膨張係数が大きく異なる物質同士をも接合できるという効果に変わりはない。ただし、レーザービームの走査速度をあまり速くしてしまうと、レーザービームによる溶融状態となっている部分の長さが長くなってしまい、後に冷却して再凝固する際に熱膨張係数の差による被接合物質の割れが生じるおそれがある。このため、線状の溶接部にて溶接領域を形成する場合には、前述したビームパルス幅とその繰り返し頻度とともに、レーザービームの走査速度にも十分な注意を払う必要がある。【００９７】
（第４の実施形態）
次に、本発明にかかる物質接合装置を、第４の実施形態として説明する。【００９８】
図７は、本実施形態にかかる物質接合装置の主たる構成を示す概略構成図である。【００９９】
図７に示すように、本実施形態にかかる物質接合装置では、第１の実施形態で図４を用いて説明した２つの被接合部材を密着させて保持する固定用のジグ（本図では図示を省略）などによって所定の加圧条件で密着させた、透明材料からなる第１の物質１および第２の物質２を、任意の方向に所定量、所定の速度で移動させることが可能なＸＹステージ３３上に載置している。【０１００】
チタンサファイヤ増幅レーザー装置２４から出射された超短光パルスレーザービーム４は、ＮＤフィルター２５やシャッター２６、凹レンズ２７，凸レンズ２８等の光学系を透過し、アパーチャ２９で外形が規制される。そして、ミラー３０で反射された後、集束レンズ３で所定の集束力を与えられて接合領域に入射する。この超短光パルスレーザービーム４の照射状況は、ＣＣＤ等の撮像素子を備えた監視カメラ３１により確認され、この情報に基づいて制御装置３２が、シャッター２６やＸＹステージ３３を調整することで装置全体をコントロールしている。【０１０１】
本実施形態に示す物質接合装置における、実際の超短光パルスレーザービームの照射条件や、照射角度、レーザービームの走査方向、被接合物質の種類等は、本発明の物質の接合方法として実施形態１から３において説明してきたものと同じであるので、ここでの詳細な説明は省略する。【０１０２】
たとえば、図７では、接合される第１の物質１および第２の物質２に対して、接合面の垂直上方から超短光パルスレーザービーム４が照射されているように図示されているが、本発明の第２の実施形態で示した、超短光パルスレーザービームの照射方向を接合面に対して傾斜させる場合には、被接合物質１および２を密着保持している、図示しない固定用のジグに傾きを持たせることで、相対的に被接合物質に対する超短光パルスレーザービームの光軸を傾斜させることが好ましい。超短光パルスレーザーの照射機構を調整して被接合物に照射されるレーザービームのパスを傾斜させることは、その調整が困難であるため、被接合物質が小さい場合には被接合物を傾斜した方が物質接合装置の構成を簡略化することができるからである。【０１０３】
また、本発明の物質の接合方法の第３の実施形態として示した、第２の物質として超短光パルスレーザービームを反射する物体を接合する場合に用いられる物質接合装置の場合も、物質接合装置における超短光パルスレーザービームの照射機構や、被接合物を移動させるＸＹステージなどについては、上記第１および第２の実施形態として示した接合方法を実施する場合に用いられる物質接合装置との違いはない。【０１０４】
ただし、第２の物質として超短光パルスレーザービームを反射する部材を用いる場合に使用される物質接合装置としては、超短光パルスレーザービームの照射条件を、フィラメント領域が形成される条件に制御しなくてもよいという点が異なる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
以上の説明から明らかなように、本発明の接合方法、接合装置、およひ、接合物とその製造方法は、同種又は異種のガラスなどの透明材料からなる部材同士や、透明材料からなる部材と異種の樹脂基板、シリコン基板、金属板、半導体基板などとを接合することができ、光学分野を中心として幅広い分野での応用用途が期待できる。
【図１】
2008035770.tif 000003
【図２】
2008035770.tif 000004
【図３】
2008035770.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年11月14日(2008.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、
前記第１の物質内での前記超短光パルスレーザービームの自己集束効果によって、前記超短光パルスレーザービームに前記２つの物質内で消滅するフィラメント領域を生成し、前記フィラメント領域を前記２つの物質の接合面に位置させて前記２つの物質を接合すること特徴とする物質の接合方法。
【請求項２】
前記第１の物質が、ガラスまたは透明な樹脂である請求項１に記載の物質の接合方法。
【請求項３】
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が、前記第１の物質と同種の透明材料からなる請求項１または２に記載の物質の接合方法。
【請求項４】
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が、前記第１の物質とは異種の物質である請求項１または２に記載の物質の接合方法。
【請求項５】
前記第２の物質が、ガラス、金属、シリコン、金属もしくはシリコンの化合物、半導体もしくは半導体化合物、または、樹脂のいずれかである請求項４に記載の物質の接合方法。
【請求項６】
前記金属がステンレス、鉄、鋼、アルミニウム、または、銅のいずれか、またはこれらの少なくとも一つの合金である請求項５に記載の物質の接合方法。
【請求項７】
前記超短光パルスレーザービームが、前記２つの物質の接合面に対して所定角度傾斜した状態で入射する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の物質の接合方法。
【請求項８】
前記超短光パルスレーザービームの傾斜方向が、その走査方向と同じかもしくは正反対の方向である請求項７記載の物質の接合方法。
【請求項９】
前記超短光パルスレーザービームの傾斜方向が、その走査方向とほぼ直交する方向である請求項７記載の物質の接合方法。
【請求項１０】
前記２つの物質が、所定間隔隔てられて形成された複数の島状接合部によって接合される請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の物質の接合方法。
【請求項１１】
前記２つの物質が、所定間隔隔てられて形成された所定長さを持つ複数の線状接合部によって接合される請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の物質の接合方法。
【請求項１２】
超短光パルスレーザービームにより非線形吸収現象を生じさせて２つの物質を接合する方法であって、
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側に位置する第１の物質が透明材料からなり、
前記２つの物質のうち、前記超短光パルスレーザービームが入射する側とは異なる側に位置する第２の物質が、金属、または、金属と同等以上に前記超短光パルスレーザービームを反射する物質であることを特徴とする物質の接合方法。
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
前記超短光パルスレーザービームが、前記２つの物質の接合面に対して所定角度傾斜した状態で入射する請求項１２に記載の物質の接合方法。
【請求項１５】
超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、
被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、
前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備え、
前記照射手段は、前記超短光パルスレーザービームに、前記２つの物質内で消滅するフィラメント領域を生成させ、かつ、前記フィラメント領域を前記２つの物質の接合面を含む部分に位置させる照射条件で、前記超短光パルスレーザービームを照射するものであることを特徴とする物質接合装置。
【請求項１６】
超短光パルスレーザービームを照射する照射手段と、
被接合物である２つの物質のうち、透明材料からなる第１の物質を前記超短光パルスレーザービームの入射側に、金属、または、前記超短光パルスレーザービームを金属と同等以上に反射する物質である第２の物質をその反対側にして、前記２つの物質を圧着状態で保持する保持手段と、
前記保持手段を搭載して、前記２つの物質の前記超短光パルスレーザービームに対する相対的な位置を変更させる移動手段とを備えたことを特徴とする物質接合装置。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載された物質の接合方法を用いて、２つの物質を接合して製造された接合体。
【請求項１８】
前記２つの物質が、基板内に半導体領域が形成された半導体基板と、透明な光学素子である請求項１７に記載の接合体。
【請求項１９】
前記２つの物質が、いずれも透明な光学素子である請求項１７に記載の接合体。
【請求項２０】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載された物質の接合方法を用いて、２つの物質を接合した接合体を製造することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２１】
前記２つの物質が、基板内に半導体領域が形成された半導体基板と、透明な光学素子である請求項２０に記載の接合体の製造方法。
【請求項２２】
前記２つの物質が、いずれも透明な光学素子である請求項２０に記載の接合体の製造方法。
【国際調査報告】
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