(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの部材の当接部又はその近傍に向けてレーザーを照射して、前記当接部を溶融することで前記二つの部材を接合する方法において、
前記レーザーの照射は、第一パルスレーザーを前記当接部に向けて照射する第一照射ステップと、前記第一パルスレーザーとは繰り返し周波数の異なる第二パルスレーザーを前記第一パルスレーザーの焦点の周辺領域に向けて照射する第二照射ステップとを有し、
前記第一照射ステップと前記第二照射ステップは、各々の照射期間の少なくとも一部が重複するようにして行われ、
レーザーパルスの単位繰り返し時間当たりの前記当接部への加熱量が前記当接部の熱拡散量よりも大きくなるよう、前記第一パルスレーザーの繰り返し周波数を設定し、かつ
前記単位繰り返し時間当たりの前記周辺領域への加熱量が前記周辺領域の熱拡散量よりも小さくなるよう、前記第二パルスレーザーの繰り返し周波数を設定することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記第二パルスレーザーを、前記周辺領域内の複数点に向けて照射する請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記第二パルスレーザーの焦点を、前記第一パルスレーザーの焦点位置に対してその照射方向にオフセットした位置に設定する請求項１又は２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記第二パルスレーザーの複数の焦点位置の前記オフセット量を、その照射方向から見て互いに隣り合う前記焦点の間で異ならせる請求項３に記載の接合方法。
【請求項５】
前記第一パルスレーザー及び前記第二パルスレーザーの照射期間における焦点位置を共に固定する請求項１〜４の何れかに記載の接合方法。
【請求項６】
前記第一パルスレーザー及び前記第二パルスレーザーの照射期間を共に１．０秒以上とする請求項１〜５の何れかに記載の接合方法。
【請求項７】
前記第一パルスレーザーと前記第二パルスレーザーの何れにもフェムト秒レーザーを用いる請求項１〜６の何れかに記載の接合方法。
【請求項８】
前記二つの部材のうち少なくとも一方の部材が板ガラスである請求項１〜７の何れか一項に記載の接合方法。
【請求項９】
前記二つの部材は互いに異なる材質からなる請求項８に記載の接合方法。
【請求項１０】
二つの部材の当接部又はその近傍に向けてレーザーを照射して、前記当接部を溶融することで前記二つの部材を接合するための装置であって、
第一パルスレーザーを照射する第一の光源と、
前記第一パルスレーザーとは繰り返し周波数の異なる第二パルスレーザーを照射する第二の光源と、
前記第一及び第二の光源から照射された前記第一及び第二パルスレーザーを前記二つの部材内に集光させるための光学系と、
前記光学系の経路上に配設され、前記第二パルスレーザーの位相変調を行う空間光位相変調器とを備え、
前記光学系及び前記空間光位相変調器は、前記第一パルスレーザーを前記当接部に向けて照射すると共に、前記第二パルスレーザーを前記第一パルスレーザーの焦点の周辺領域に向けて照射可能に構成され、
前記第一パルスレーザーの照射と前記第二パルスレーザーの照射は、各々の照射期間の少なくとも一部が重複するようにして行われ、
レーザーパルスの単位繰り返し時間当たりの前記当接部への加熱量が前記当接部の熱拡散量よりも大きくなるよう、前記第一パルスレーザーの繰り返し周波数が設定され、かつ  前記単位繰り返し時間当たりの前記周辺領域への加熱量が前記周辺領域の熱拡散量よりも小さくなるよう、前記第二パルスレーザーの繰り返し周波数が設定されることを特徴とする接合装置。
【請求項１１】
互いに異なる材質からなり、かつ少なくとも一方の部材がガラスからなる二つの部材の当接部に溶融凝固部が形成された接合体において、
前記溶融凝固部は前記二つの部材に跨って形成されると共に、
前記溶融凝固部のうち前記一方の部材側の領域に含まれるＳｉの割合が、前記一方の部材に含まれるＳｉの割合に比べて大きく、
前記溶融凝固部の他方の部材側の領域に含まれるＳｉの割合が、前記他方の部材に含まれるＳｉの割合に比べて小さく、かつ
前記溶融凝固部内にＳｉが相対的に密となる領域と、Ｓｉが相対的に疎となる領域とが形成されることを特徴とする接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合方法と接合装置、及び接合体に関し、特に超短パルスレーザーを用いた接合技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パルスレーザーの中でも、ピコ秒（１０-12秒）オーダーやフェムト秒（１０-15秒）オーダーのいわゆる超短パルスレーザーを利用した接合技術の研究、開発が進められている。
【０００３】
この接合技術は、超短パルスレーザーに対して透明な部材を当接させて、その当接部に集光するように超短パルスレーザーを照射して、当該レーザーの照射領域に多光子吸収現象を生じさせることで、上記照射領域を溶融させて接合するものである（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、この際のレーザーの焦点位置を二つの被接合部材の当接部に容易に合わせることのできる方法として、例えば特許文献２には、被接合部材のうち超短パルスレーザーが入射する側に位置する一方の被接合部材を透明材料からなるものとした場合に、超短パルスレーザーの自己集束効果によって一方の被接合部材内にフィラメント領域を生じさせ、かつこのフィラメント領域を二つの被接合部材の当接面に跨って生成する接合方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−６６６２９号公報
【特許文献２】国際公開２００８／０３５７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、従来の超短パルスレーザーを利用した接合技術は何れも、一本の超短パルスレーザーを二つの被接合部材の当接部又はその近傍に向けて集光照射することで当接部を加熱溶融するものであり、その照射時間も非常に短い。そのため、上述の方法で得られる接合部としての溶融凝固部は、当接部に係る各々の部材が一旦溶融した後、各々の溶融部が凝固する際に互いに付着したものに過ぎない。これでは、十分な接合強度を得ることは難しい。
【０００７】
また、上述の接合構造だと、当接部に係る各々の部材が一旦溶融した後に凝固する際の付着強度のみで接合強度が付与されているため、特に異種材同士の接合の場合に、同種材同士を接合する場合に比べて付着強度が低くなると、さらなる接合強度の低下を招くおそれがある。
【０００８】
以上の事情に鑑み、本明細書では、超短パルスレーザーを利用して二つの部材を接合するに際し、異種材同士の接合であっても高い接合強度を得ることを本発明により解決すべき技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題の解決は、本発明に係る接合方法により達成される。すなわち、この接合方法は、二つの部材の当接部又はその近傍に向けてレーザーを照射して、当接部を溶融することで二つの部材を接合する方法において、レーザーの照射は、第一パルスレーザーを当接部に向けて照射する第一照射ステップと、第一パルスレーザーとは繰り返し周波数の異なる第二パルスレーザーを第一パルスレーザーの焦点の周辺領域に向けて照射する第二照射ステップとを有し、第一照射ステップと第二照射ステップは、各々の照射期間の少なくとも一部が重複するようにして行われ、レーザーパルスの単位繰り返し時間当たりの当接部への加熱量が当接部の熱拡散量よりも大きくなるよう、第一パルスレーザーの繰り返し周波数を設定し、かつ単位繰り返し時間当たりの周辺領域への加熱量が周辺領域の熱拡散量よりも小さくなるよう、第二パルスレーザーの繰り返し周波数を設定する点をもって特徴付けられる。
【００１０】
このように、本発明は、被接合部材を溶融するための第一パルスレーザーと、第一パルスレーザーとは繰り返し周波数の異なる第二パルスレーザーとを照射し分けることで、これまでにない、新しい形態の接合部を形成することを試みたものである。その結果、本発明者らは、第一及び第二パルスレーザーの照射態様によって、溶融領域の温度分布を制御し得ること、及びこの温度分布の制御によって第一パルスレーザーの照射領域に所定の溶融液の流れを生成し得ることを見出した。これは、第一パルスレーザーの焦点の周辺領域に対するレーザーパルスの単位繰り返し時間当たりの加熱量が当該周辺領域の熱拡散量よりも小さくなるよう、第二パルスレーザーの繰り返し周波数を設定することで、第二パルスレーザーによる光励起直後に急激な温度上昇が生じ、この温度上昇が、第一パルスレーザーの照射領域を中心として生じる温度分布に影響を及ぼす（影響が大きく及ぶ領域ほど温度勾配がなだらかとなる）ためであると考えられる。
【００１１】
本発明は以上の知見に基づき成されたものであり、本発明によれば、第一パルスレーザーの照射領域を中心として生じた溶融領域内において溶融液の流動が促進される。そのため、当接部に跨って溶融領域を形成することで、互いに隣り合う一方の部材の溶融液と他方の部材の溶融液とが混ざり合い、凝固することで、溶融前とは異なる組織が当接部に跨って生成される。従って、従来の接合方法に比べて格段に強固な接合組織を双方の部材に跨って形成することができ、接合強度の大幅な向上を図ることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る接合方法は、第二パルスレーザーを、周辺領域内の複数点に向けて照射するものであってもよい。
【００１３】
本発明の趣旨が、溶融領域の温度制御にある点に鑑みれば、溶融領域の起点となる第一パルスレーザーの焦点の周辺領域内に相応の数の第二パルスレーザーを照射することが好ましい。この照射態様によれば、より精密に温度分布を制御することができるので、接合すべき部材の材質に応じた適度な温度分布を溶融領域に付与して、強固な溶融凝固部を形成することが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る接合方法は、第二パルスレーザーの焦点を、第一パルスレーザーの焦点位置に対してその照射方向にオフセットした位置に設定するものであってもよい。
【００１５】
このように、第二パルスレーザーの焦点を、第一パルスレーザーの焦点位置に対してその照射方向にオフセットした位置に設定することで、オフセットした側に溶融液の流れを誘導することが可能となる。その結果、オフセットした側への所定の元素の移動が活発になり、当該オフセットした側に上記所定の元素が密となる組織を形成することが可能となる。よって、密となる元素の溶融凝固部の強度に対する寄与度が高い場合には、溶融凝固部の更なる強度向上を図ることが可能となる。あるいは、強度に対する寄与度の高い元素が相対的に少ない部材の側に、上記元素が密となる組織を形成するよう第二パルスレーザーのオフセット方向及び量を設定することによっても、溶融凝固部の強度向上を図ることが可能となる。
【００１６】
また、この場合、本発明に係る接合方法は、第二パルスレーザーの複数の焦点位置のオフセット量を、その照射方向から見て互いに隣り合う焦点の間で異ならせるものであってもよい。
【００１７】
上述のように、溶融領域内における所定の元素の三次元分布は、第二パルスレーザーの焦点数及びその位置に大きく左右される。このことから、複数の第二パルスレーザーを照射するに際して、各第二パルスレーザーの焦点位置のオフセット量を、その照射方向から見て互いに隣り合う焦点の間で異ならせることで、溶融凝固部内における所定の元素の三次元分布の形成自由度を高めることが可能となる。よって、例えば上記所定の元素の溶融凝固部の強度に対する寄与度が高い場合、この元素の密となる組織に照射方向の凹凸を持たせた形状とすることで、溶融凝固部に一種のアンカー効果を付与することができ、これにより接合強度の更なる向上を図ることが可能となる。
【００１８】
また、本発明に係る接合方法は、第一パルスレーザー及び第二パルスレーザーの照射期間における焦点位置を共に固定するものであってもよい。
【００１９】
上述のように、本発明に係る接合方法は、溶融領域の温度分布を制御することにより溶融液の所定の流れを誘起可能とするものであるから、温度分布を容易かつ正確に制御する観点からは、第一及び第二パルスレーザーの照射期間中、各々の焦点位置は共に固定されていることが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る接合方法は、第一パルスレーザー及び第二パルスレーザーの照射期間を共に１．０秒以上とするものであってもよい。
【００２１】
このように、所定時間以上の照射期間を確保することで、被接合部材の当接部を第一パルスレーザーで十分に溶融すると共に、溶融した領域の温度分布を第二パルスレーザーとの相互干渉効果で適切に制御して、所期の溶融液の流れを発生させることができる。よって、所望の組織を有する溶融凝固部を形成することができ、接合強度の向上を確実に図ることが可能となる。
【００２２】
また、本発明に係る接合方法は、第一パルスレーザーと第二パルスレーザーの何れにもフェムト秒レーザーを用いるものであってもよい。
【００２３】
フェムト秒オーダーのパルス幅を有するパルスレーザーであれば、その集光領域のみにエネルギーを集中させることができるので、例えばガラスなどのパルスレーザーに対して透明な材質からなる部材を接合する場合、当接部又はその近傍のみを溶融することができる。また、実用的な出力の範囲内において、第二パルスレーザーで第一パルスレーザーの焦点の周辺領域を溶融させない程度にかつ第一パルスレーザーにより生成される溶融領域の温度分布に影響を及ぼし得る程度の加熱を施すのにフェムト秒レーザーが好適である。
【００２４】
また、本発明は、以上の説明に係る接合方法で二つの部材を接合してなる接合体としても提供することが可能である。
【００２５】
なお、この場合、被接合対象となる二つの部材のうち少なくとも前記双方のパルスレーザーの入射側に位置する一方の部材が板ガラスであることが好ましい。また、本発明に係る二つの部材は互いに異なる材質からなるものであってもよい。
【００２６】
また、前記課題の解決は、本発明に係る接合装置によっても達成される。すなわち、この接合装置は、二つの部材の当接部又はその近傍に向けてレーザーを照射して、当接部を溶融することで二つの部材を接合するための装置であって、第一パルスレーザーを照射する第一の光源と、第一パルスレーザーとは繰り返し周波数の異なる第二パルスレーザーを照射する第二の光源と、第一及び第二の光源から照射された第一及び第二パルスレーザーを二つの部材内に集光させるための光学系と、光学系の経路上に配設され、第二パルスレーザーの位相変調を行う空間光位相変調器とを備え、光学系及び空間光位相変調器は、第一パルスレーザーを当接部に向けて照射すると共に、第二パルスレーザーを第一パルスレーザーの焦点の周辺領域に向けて照射可能に構成され、第一パルスレーザーの照射と第二パルスレーザーの照射は、各々の照射期間の少なくとも一部が重複するようにして行われ、レーザーパルスの単位繰り返し時間当たりの当接部への加熱量が当接部の熱拡散量よりも大きくなるよう、第一パルスレーザーの繰り返し周波数が設定され、かつ単位繰り返し時間当たりの周辺領域への加熱量が周辺領域の熱拡散量よりも小さくなるよう、第二パルスレーザーの繰り返し周波数が設定されるものであってもよい。
【００２７】
上述のように、本発明に係る接合装置によれば、本発明に係る接合方法と同様に、第一パルスレーザーと第二パルスレーザーとの相互干渉効果により、第一パルスレーザーの照射領域を中心として生じた溶融領域内に所定の温度分布が付与され、当該領域内における溶融液の流動が促進される。そのため、当接部に跨って溶融領域を形成することで、互いに隣り合う一方の部材の溶融液と他方の部材の溶融液とが混ざり合い、凝固することで、溶融前とは異なる組織が当接部に跨って生成される。従って、従来の接合方法に比べて格段に強固な接合組織を双方の部材に跨って形成することができ、接合強度の大幅な向上を図ることが可能となる。
【００２８】
また、前記課題の解決は、本発明に係る接合体によっても達成される。すなわち、この接合体は、互いに異なる材質からなり、かつ少なくとも一方の部材がガラスからなる二つの部材の当接部に溶融凝固部が形成された接合体において、溶融凝固部は二つの部材に跨って形成されると共に、溶融凝固部のうち一方の部材側の領域では、他方の部材を構成する所定の元素の割合が一方の部材に含まれる所定の元素の割合に比べて増大し、かつ溶融凝固部の他方の部材側の領域では、一方の部材を構成する所定の元素の割合が他方の部材に含まれる所定の元素の割合に比べて増大している点をもって特徴付けられる。
【００２９】
少なくとも一方の部材がガラスからなる二つの部材を接合して接合体を形成するに際しては、従来、その接合方法に多くの制約があり、実質的に超短パルスレーザーを用いた接合のみが適用可能である。しかしながら、その場合、当接部への集光により生じ得る溶融凝固は、既述の通り、非常に短時間で生じることから、溶融前後で組織（元素分布）を大幅に変化させることは難しかった。これに対して、本発明に係る接合体では、二つの部材に跨って形成される溶融凝固部のうち一方の部材側の領域では、他方の部材を構成する所定の元素の割合が一方の部材に含まれる所定の元素の割合に比べて増大し、かつ溶融凝固部の他方の部材側の領域では、一方の部材を構成する所定の元素の割合が他方の部材に含まれる所定の元素の割合に比べて増大するようにした。このように溶融凝固部における元素の移動を図ることで、溶融凝固部としての組織を均一化することが可能となる。従って、溶融凝固部を強固にして、接合強度の向上を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
以上に述べたように、本発明によれば、超短パルスレーザーを利用して二つの部材を接合するに際し、異種材同士の接合であっても高い接合強度を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第一実施形態に係る接合装置の全体構成を説明するための図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る接合方法を説明するための要部斜視図である。
【図３】図２に示す被接合部材を各パルスレーザーの照射方向から見た要部平面図である。
【図４】図２に示す被接合部材を各パルスレーザーの照射方向に直交する向きから見た要部側面図である。
【図５】図２に示す態様で各パルスレーザーを照射した際の溶融領域の状態を説明するための要部側面図である。
【図６】図２に示す態様で各パルスレーザーを照射した際に得られる接合体の、溶融凝固部における所定の元素の三次元分布を示す（ａ）平面図と、（ｂ）側断面図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係る接合方法を説明するための要部側面図である。
【図８】図７に示す態様で各パルスレーザーを照射した際の溶融領域の状態を説明するための要部側面図である。
【図９】図７に示す態様で各パルスレーザーを照射した際に得られる接合体の、溶融凝固部における所定の元素の三次元分布を示す側断面図である。
【図１０】本発明の第三実施形態に係る接合方法を説明するための要部斜視図である。
【図１１】図１０に示す態様で各パルスレーザーを照射した際に得られる接合体を矢印Ａの方向から見た側断面図であって、溶融凝固部における所定の元素の三次元分布を示す側断面図である。
【図１２】図１０に示す態様で各パルスレーザーを照射した際に得られる接合体を矢印Ｂの方向から見た側断面図であって、溶融凝固部における所定の元素の三次元分布を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の第一実施形態を、図１〜図６を参照して説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態に係る接合装置１０の全体構成を示している。この接合装置１０は、第一パルスレーザー１１を発振可能な第一の光源としての第一レーザー発振器１２と、第二パルスレーザー１３を発振可能な照射可能な第二の光源としての第二レーザー発振器１４と、第一及び第二レーザー発振器１２，１４から発振された第一及び第二パルスレーザー１１，１３を、後述する二つの被接合部材１，２内に集光入射させるための光学系１５と、光学系１５の経路上に配設され、第二パルスレーザー１３の位相変調を行う空間光位相変調器１６と、二つの被接合部材１，２を載置するテーブル１７とを主に備える。
【００３４】
ここで、接合対象となる二つの被接合部材１，２は任意の材質からなるものでよいが、少なくとも各パルスレーザー１１，１３が入射する側の一方の被接合部材１は、例えばガラスなど各パルスレーザー１１，１３に対して透明な材質からなるものが好ましい。
【００３５】
また、後述するように、これら二つの被接合部材１，２は、互いに隙間なく（本発明に係るレーザー接合において支障を来さない程度の大きさの隙間以下とした状態で、の意である。）当接させるのがよい。例えば二つの被接合部材１，２が共にガラスからなるものである場合、これら二つの被接合部材１，２を、接着剤などを介在させることなく直接密着（いわゆるオプティカルコンタクト）させることにより、相互固定を図るようにしてもよい。
【００３６】
なお、この際、互いに向き合う一方の被接合部材１の表面１ａ（図１でいえば下側の表面）と、他方の被接合部材２の表面２ａ（図１でいえば上側の表面）の表面粗さＲａは共に２．０ｎｍ以下に設定される。各表面１ａ，２ａの表面粗さＲａを上述した範囲に設定することで、二つの被接合部材１，２を互いに位置ずれなく当接させることが可能となる。もちろん、密着性向上の観点からは、１．０ｎｍ以下とするのが好ましく、０．２ｎｍ以下とするのがより好ましい。
【００３７】
もちろん、当接手段は、上記例示の構成に限定されるものではなく、例えば図示は省略するが、二つの被接合部材１，２を挟持する挟持部材や、二つの被接合部材１，２をテーブル１７に向けて押圧する押圧部材などを設けることで、二つの被接合部材１，２の間に当接部３を形成するようにしてもかまわない。あるいは上記例示の手段を組合わせてもかまわない。
【００３８】
以下、接合装置１０の各構成要素の詳細を説明する。
【００３９】
光学系１５は、複数のミラー１８とレンズ１９とを有する。また、光学系１５は、本実施形態では、図１に示すように、互いに異なる向きから発振された第一パルスレーザー１１と第二パルスレーザー１３とを合波するビームスプリッター２０と、各ミラー１８やレンズ１９を介して伝達された双方のパルスレーザー１１，１３を二つの被接合部材１，２内に集光する対物レンズ２１とをさらに有する。
【００４０】
また、空間光位相変調器１６は、入光した第一パルスレーザー１１と第二パルスレーザー１３のうち、第二パルスレーザー１３の空間位相分布を変調可能に構成される。具体的には、予め作製しておいた位相ホログラムにより、第二パルスレーザー１３を分岐させて、第一パルスレーザー１１と共に、二つの被接合部材１，２内の所定の位相（三次元位置）に照射可能に構成される。本実施形態では、図２に示すように、第二パルスレーザー１３は四本に分岐すると共に、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａの周辺領域３ａに照射されるよう、各第二パルスレーザー１３の焦点１３ａの三次元位置が設定される。これを各パルスレーザー１１，１３の照射方向（図１でいえば板状をなす被接合部材１，２の深さ方向）から見ると、図３に示すように、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対して回転対称となるように、四本の第二パルスレーザー１３の焦点１３ａの位置が設定される。また、これを各パルスレーザー１１，１３の照射方向に直交する向き（図１でいえば左右方向）から見ると、図４に示すように、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａが二つの被接合部材１，２間の当接部３上に設定されると共に、各第二パルスレーザー１３の焦点１３ａが、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対してその照射方向、すなわち被接合部材１，２の深さ方向上側（一方の被接合部材１の側）に所定量ｄだけオフセットした位置に設定される。
【００４１】
第一パルスレーザー１１と第二パルスレーザー１３は共に二つの被接合部材１，２内に集光照射されるものであるが、その繰り返し周波数は互いに異なる大きさに設定される。ここで、第一パルスレーザー１１については、そのレーザーパルスの単位繰り返し時間当たりの当接部３への加熱量が、上記単位繰り返し時間当たりの当接部３の熱拡散量よりも大きくなるよう、その繰り返し周波数が設定される。また、第二パルスレーザー１３については、そのレーザーパルスの単位繰り返し時間当たりの周辺領域３ａへの加熱量が、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａの周辺領域３ａの熱拡散量よりも小さくなるよう、その繰り返し周波数が設定される。
【００４２】
一例を挙げると、二つの被接合部材１，２が共にシリケートガラスからなるものである場合、その繰り返し周波数のしきい値は５０ｋＨｚに設定される。すなわち、第一パルスレーザー１１の繰り返し周波数は少なくとも５０ｋＨｚを超える範囲（例えば５０ｋＨｚ以上でかつ１０００ｋＨｚ以下）に設定される。また、第二パルスレーザー１３の繰り返し周波数は少なくとも５０ｋＨｚ未満（例えば０．００１ｋＨｚ以上でかつ１０ｋＨｚ以下）に設定される。もちろん、このしきい値は、接合対象となる被接合部材１，２の材質（特に熱拡散率）や各パルスレーザー１１，１３の出力等によっても適宜変更されることが望ましい。
【００４３】
また、その他の照射条件としては、例えば二つの被接合部材１，２が共にシリケートガラスからなるものである場合、第一パルスレーザー１１の波長は４００ｎｍ以上でかつ２０００ｎｍ以下に設定され、パルス幅は１０ｆｓ（フェムト秒）以上でかつ１００００ｆｓ以下に設定され、出力は０．０１μＪ以上でかつ１０μＪ以下に設定される。第二パルスレーザー１３の波長は４００ｎｍ以上でかつ２０００ｎｍ以下に設定され、パルス幅は１０ｆｓ以上でかつ１００００ｆｓ以下に設定され、出力は０．０１μＪ以上でかつ１０μＪ以下に設定される。また、第一パルスレーザー１１の照射期間と第二パルスレーザー１３の照射期間とは、本実施形態では全期間で重複し、その長さは例えば０．１秒以上でかつ１０秒以下に設定される。なお、この間、テーブル１７は固定されており、第一及び第二パルスレーザー１１，１３の焦点１１ａ，１３ａの位置は照射期間中変わらないものとする。
【００４４】
以下、上記構成の接合装置１０を用いた接合方法の一例を主に図５及び図６に基づいて説明する。
【００４５】
まず、上述のように繰り返し周波数等の照射条件を適宜設定した第一パルスレーザー１１と第二パルスレーザー１３を各々のレーザー発振器１２，１４から発振する。そして、発振した双方のパルスレーザー１１，１３をビームスプリッター２０で合波した後、空間光位相変調器１６により第二パルスレーザー１３の位相分布を変調して対物レンズ２１を通過させる。これにより、第一パルスレーザー１１を当接部３に向けて照射すると共に、複数の第二パルスレーザー１３を第一パルスレーザー１１の焦点１１ａの周辺領域３ａに向けて照射する（図２〜図４）。
【００４６】
この際、第一パルスレーザー１１の照射領域１１ｂでは、多光子吸収現象に起因して加熱溶融が生じる。よって、この第一パルスレーザー１１の照射を継続することで、照射領域１１ｂを中心として溶融領域４が拡大する（図５）。また、第一パルスレーザー１１の繰り返し周波数は、上述の通り蓄熱可能な繰り返し周波数のしきい値を超える範囲に設定されているため、当接部３における単位繰り返し時間当たりの加熱量が熱拡散量を常に上回った状態となる。よって、照射領域１１ｂ及びその近傍における温度勾配は比較的なだらかになる。
【００４７】
一方、第二パルスレーザー１３の照射領域１３ｂでは、第一パルスレーザー１１の照射領域１１ｂと同様に加熱が生じるが、その繰り返し周波数は、蓄熱可能な繰り返し周波数のしきい値未満に設定されているため、周辺領域３ａにおける単位繰り返し時間当たりの熱拡散量が加熱量を上回る。よって、照射領域１３ｂには急峻な温度勾配は生じるものの、加熱溶融は生じない。
【００４８】
よって、図示のように、各々のパルスレーザー１１，１３の照射により形成された温度勾配が干渉し合う位置に焦点１１ａ，１３ａ（照射領域１１ｂ，１３ｂ）を設定することで、温度勾配が所定の三次元分布を示し、その分布に応じて溶融領域４内における溶融液の所定の流れが誘起される。本実施形態では、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａを、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対してその照射方向に所定量ｄだけオフセットした位置に設定したので、例えば第一パルスレーザー１１の照射領域１１ｂと第二パルスレーザー１３の照射領域１３ｂとの間では、溶融領域４の深さ方向中央側から上端側に向かう流れＦ１が発生する。このような流れＦ１が生じることで、溶融領域４の深さ方向上端側には、溶融領域４内において所定の元素、ここでは例えばガラスの主成分であるＳｉが相対的に多い溶融部４ａが生じる。また、これに伴い、第二パルスレーザー１３の照射領域１３ｂの外側（焦点１１ａとは反対側）では、溶融領域４の深さ方向上端側から中央側に向かう流れＦ２が発生する。この流れＦ２中の溶融液に含まれるＳｉは相対的に少ない。このように、溶融領域４内では特定の元素の移動を包含する流れＦ１，Ｆ２が循環的に生じた結果、所定の元素が密となる領域と疎となる領域が徐々に形成されていく。
【００４９】
図６は、上述した接合方法を実施して得られた接合体５の（ａ）要部平面図と、（ｂ）要部側断面図である。すなわち、溶融凝固部６は、本実施形態では、図６（ｂ）に示すように、略卵形状をなすもので、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対して第二パルスレーザー１３の焦点１３ａをオフセットした側が相対的に大径となっている。また、溶融凝固部６の大径側（一方の被接合部材１の側）は、図６（ａ）に示すように、第二パルスレーザー１３の照射態様（焦点１３ａの位置及び数）の影響を受けた形状、ここでは矩形に近い形状をなしている。
【００５０】
また、図６（ａ）及び（ｂ）は、溶融凝固部６内の所定の元素（ここではＳｉ）の相対的な含有比を色分けして示しており、溶融凝固部６内には、図６（ｂ）に示すように、Ｓｉが相対的に密となる領域６ａが層状に形成されている。このＳｉ密領域６ａは、本実施形態では、一方の被接合部材１の側、すなわち第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対して第二パルスレーザー１３の焦点１３ａをオフセットした側に形成されている。その一方で、Ｓｉ密領域６ａとは反対の側、すなわち他方の被接合部材２の側には、Ｓｉが相対的に疎となる領域６ｂが形成されている。
【００５１】
このように、本発明に係る接合方法及び接合装置１０によれば、第一パルスレーザー１１と第二パルスレーザー１３との相互干渉効果により、第一パルスレーザー１１の照射領域１１ｂを中心として生じた溶融領域４内に所定の温度分布が付与され、溶融領域４内における溶融液の流動が促進される。そのため、当接部３に跨って溶融領域４を形成することで、互いに隣り合う一方の被接合部材１の溶融液と他方の被接合部材２の溶融液とが混ざり合い、凝固することで、溶融前とは異なる組織としての溶融凝固部６が当接部３に跨って生成される。従って、従来の接合方法に比べて格段に強固な接合組織を双方の部材１，２に跨って形成することができ、接合強度の大幅な向上を図ることが可能となる。
【００５２】
また、本実施形態では、第二パルスレーザー１３を、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａの周辺領域３ａ内の複数点に向けて照射すると共に、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａを、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａの位置に対してその深さ方向にオフセットした位置に設定した。
【００５３】
このように、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａを、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａのまわりに複数設けるようにすれば、その分精密の温度勾配を溶融領域４に付与することができるので、接合すべき部材１，２の材質に応じた適度な温度分布を溶融領域４に付与して、強固な溶融凝固部６を形成することが可能となる。また、上述のように第二パルスレーザー１３の焦点１３ａを、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対してオフセットした位置に設定することで、オフセットした側に溶融液の流れを誘導することが可能となる。その結果、オフセットした側への所定の元素（例えばＳｉ）の移動が活発になり、当該オフセットした側に上記所定の元素が密となる組織６ａを形成することが可能となる。よって、Ｓｉのように密となる元素の溶融凝固部６の強度に対する寄与度が高い場合には、溶融凝固部６の更なる強度向上を図ることが可能となる。もちろん、当接部３を跨ぐ中間領域６ｃについても、各々の被接合部材１，２の溶融領域４に係る部分が溶融し、互いに混ざり合うことで新たに形成された組織であるから、Ｓｉ密領域６ａのように強度に対する寄与度が高い領域が当接部３を跨ぐ部位に形成されていなくても溶融凝固部６全体としての強度は十分に確保され得る。
【００５４】
以上、本発明の第一実施形態を説明したが、この接合方法と接合装置、及び接合体は、当然に本発明の範囲内において任意の形態を採ることができる。
【００５５】
図７〜図９はその一例（本発明の第二実施形態）を示すもので、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａの位置を第一実施形態と異ならせたものである。すなわち、本実施形態では、図７に示すように、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａの周辺領域３ａに照射される複数の第二パルスレーザー１３の焦点１３ａが、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対して被接合部材１，２の深さ方向下側（他方の被接合部材２の側）に所定量ｄだけオフセットした位置に設定されている。その他の照射条件及び構成は第一実施形態と同じであるのでその説明を省略する。
【００５６】
上述のように第二パルスレーザー１３の焦点１３ａの位置を設定した場合、溶融及び凝固過程において以下のような現象が生じる。すなわち、本実施形態では、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａを、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対してその深さ方向下側に所定量ｄだけオフセットした位置に設定したので、例えば図８に示すように、第一パルスレーザー１１の照射領域１１ｂと第二パルスレーザー１３の照射領域１３ｂとの間では、溶融領域４の深さ方向中央側から下端側に向かう流れＦ３が発生する。このような流れＦ３が生じることで、溶融領域４の深さ方向下端側には、溶融領域４内において所定の元素（例えばＳｉ）が相対的に多い溶融部４ａが生じる。また、これに伴い、第二パルスレーザー１３の照射領域１３ｂの外側（焦点１１ａとは反対側）では、溶融領域４の深さ方向下端側から中央側に向かう流れＦ４が発生する。この流れＦ２中の溶融液に含まれるＳｉは相対的に少ない。上述のように、溶融領域４内では特定の元素の移動を包含する流れＦ１，Ｆ２が循環的に生じた結果、所定の元素が密となる領域が溶融領域４の深さ方向下側に、疎となる領域が溶融領域４の深さ方向上側に徐々に形成されていく。
【００５７】
従って、上述した接合方法を実施して得られた接合体５の溶融凝固部６は、図９に示すように、第一実施形態と同様の全体形状をなすものの、その向きが逆になる。すなわち、溶融凝固部６の大径側領域は、第一実施形態では、一方の被接合部材１の側であったのに対し（図６（ｂ））、本実施形態では、他方の被接合部材２の側が相対的に大径となっている。また、溶融凝固部６内の所定の元素（ここではＳｉ）の相対的な含有比を見ると、Ｓｉが相対的に密となる領域６ａが、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対して第二パルスレーザー１３の焦点１３ａをオフセットした側、すなわち本実施形態では他方の被接合部材２の側に形成されている。
【００５８】
このように、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａのオフセット方向を異ならせることで、所定の元素が相対的に密となる領域６ａの形成位置も変化するため、例えば互いに材質の異なる被接合部材１，２を接合する場合など、そのオフセット方向やオフセット量ｄを調整することで、被接合部材１，２の組み合わせに応じた適正な構造の溶融凝固部６を形成することができ、組み合わせに制約を受けることなく十分な接合強度を接合体５に付与することが可能となる。
【００５９】
図１０〜図１２は本発明の第三実施形態に係る接合方法及び接合体を説明するための図であって、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａの位置を、第一実施形態と第二実施形態の何れとも異ならせたものである。すなわち、本実施形態では、図１０に示すように、第一パルスレーザー１１の焦点１１ａの周辺領域３ａに照射される複数（四本）の第二パルスレーザー１３の焦点１３ａの深さ方向位置が互いに異なっている。
【００６０】
このように第二パルスレーザー１３の焦点１３ａの位置を設定した場合には、溶融領域４に与える温度分布が第一及び第二実施形態とは異なることから、当然に溶融領域４内における溶融液の流動現象にも変化をもたらす。その結果、例えば図１１に示すように、接合体５を所定の一方向（図１０の矢印Ａの方向）から見た場合、Ｓｉ密組織６ａは、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａを第一パルスレーザー１１の焦点１１ａに対して深さ方向上側にオフセットした側（図１１中、右側）では、第一実施形態と同様、溶融凝固部６の深さ方向上端側に形成される。これに対し、第二パルスレーザー１３の焦点１３ａを第一パルスレーザー１１の焦点１１ａと深さ方向で同レベルの位置に設定した側（図１１中、左側）では、第一実施形態の場合よりも、深さ方向下側に位置していることがわかる。この形態は、左右で隣り合う他の焦点１３ａの位置においても同様に見られた（図１２）。
【００６１】
このように、本実施形態に係る接合方法及び接合体５によれば、溶融凝固部６内における所定の元素が密となる組織（Ｓｉ密領域６ａ）をより三次元的に複雑に分布させることが可能となる。よって、その分だけ、溶融凝固部６に一種のアンカー効果を付与することができ、接合強度の更なる向上を図ることが可能となる。
【００６２】
なお、以上の説明では、各パルスレーザー１１，１３の照射条件（出力、パルス幅、照射時間など）を照射期間中一定とした場合を説明したが、もちろん、途中で適宜変更することも可能である。要は、照射期間中一定か否かを問わず、接合対象となる被接合部材１，２の材質、必要とされる接合強度、接合領域（溶融凝固部６の大きさ、形状）等に応じて、適宜照射条件を調整することが肝要である。
【符号の説明】
【００６３】
１，２  被接合部材
３      当接部
３ａ    周辺領域
４      溶融領域
５      接合体
６      溶融凝固部
６ａ    Ｓｉ密       領域
６ｂ    Ｓｉ疎領域
６ｃ    中間領域
１０    接合装置
１１    第一パルスレーザー
１１ａ  焦点
１１ｂ  照射領域
１２    第一レーザー発振器
１３    第二パルスレーザー
１３ａ  焦点
１３ｂ  照射領域
１４    第二レーザー発振器
１５    光学系
１６    空間光位相変調器
１７    テーブル
２０    ビームスプリッター
２１    対物レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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