(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主成分が二酸化ケイ素である第１基板の表面をスパッタリングするステップと、
前記表面に接合機能中間層を付着させるステップと、
前記接合機能中間層を介して前記表面を主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板に常温接合して接合基板を生成するステップとを具備し、
前記接合機能中間層の材料は、前記第１基板の主成分と異なり、前記第２基板の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有する材料から選択される
デバイス製造方法。
【請求項２】
主成分が二酸化ケイ素である第１基板の表面をスパッタリングするステップと、
主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板の表面をスパッタリングするステップと、
前記基板表面に接合機能中間層を付着させるステップと、
前記接合機能中間層を介して前記第１基板表面を前記第２基板表面に常温接合して接合基板を生成するステップとを具備し、
前記接合機能中間層の材料は、前記第１基板の主成分と異なり、前記第２基板の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有する材料から選択される
デバイス製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１基板の表面をスパッタリングすると同時に、前記第２基板の表面をスパッタリングするステップを具備する、
デバイス製造方法。
【請求項４】
主成分が二酸化ケイ素である第１基板の表面に接合機能中間層を形成するステップと、
前記接合機能中間層が形成された前記第１基板の表面をスパッタリングするステップと、
前記接合機能中間層を介して前記第１基板の表面を主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板に常温接合して接合基板を生成するステップとを具備し、
前記接合機能中間層の材料は、前記第１基板の主成分と異なり、前記第２基板の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有する材料から選択される
デバイス製造方法。
【請求項５】
主成分が二酸化ケイ素である第１基板の表面に接合機能中間層を形成するステップと、
前記接合機能中間層を形成した前記第１基板の表面をスパッタリングするステップと、
主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板の表面をスパッタリングするステップと、
前記接合機能中間層を介して前記第１基板の表面を前記第２基板に常温接合して接合基板を生成するステップとを具備し、
前記接合機能中間層の材料は、前記第１基板の主成分と異なり、前記第２基板の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有する材料から選択される
デバイス製造方法。
【請求項６】
請求項５において、
前記接合機能中間層を形成した第１基板の表面をスパッタリングすると同時に、
第２基板の表面をスパッタリングするステップを具備する、
デバイス製造方法。
【請求項７】
主成分が二酸化ケイ素である第１基板の表面に接合機能中間層を形成するステップと、
主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板の表面に接合機能中間層を形成するステップと、
前記接合機能中間層を形成した第１基板の表面をスパッタリングするステップと、
前記接合機能中間層を形成した第２基板の表面をスパッタリングするステップと、
前記接合機能中間層を介して前記第１基板の表面を前記第２基板の表面に常温接合して接合基板を生成するステップとを具備し、
前記接合機能中間層の材料は、前記第１基板の主成分と異なり、前記第２基板の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有する材料から選択される
デバイス製造方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記接合機能中間層を形成した第１基板の表面をスパッタリングすると同時に、
前記接合機能中間層を形成した第２基板の表面をスパッタリングするステップを具備する、
デバイス製造方法。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかにおいて、
前記第１基板は、石英と石英ガラスとガラスとのうちのいずれかであり、
前記石英は、結晶構造を有する
デバイス製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかにおいて、
前記第２基板は、石英と石英ガラスとガラスとのうちのいずれかであり、
前記石英は、結晶構造を有する
デバイス製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれかにおいて、
前記接合機能中間層の材料は、酸化アルミニウムまたは二酸化チタンまたは二酸化ジルコニウムまたは二酸化ハフニウムである
デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイスおよびデバイス製造方法に関し、特に、光を利用するデバイスおよびそのデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光を利用するデバイス(いわゆる光学デバイス)として光センサー等の受光素子、ＬＥＤ等の発光素子、また光スイッチ等の光信号伝達用デバイスが産業の各分野で利用されている。この中でも、半導体微細加工技術を応用して製造されたＣＣＤ受光素子やＣＭＯＳイメージセンサー等の固体撮像素子の応用が拡大している。また、これらの光デバイスの機能を微小機械要素に組み込んだ光ＭＥＭＳデバイスの開発・応用も急速に進んでいる。このような光ＭＥＭＳデバイスには、微細加工技術が確立しているＳｉ基板のほかに、光の透過率が大きい材料、特にＳｉＯ２系材料（合成石英、ガラス等）が多く適用されている。
【０００３】
この様な固体撮像素子、あるいは光ＭＥＭＳデバイスの製造においては、半導体ウェーハ基板上に複数のデバイスを一括して形成・封止し、ダイシングにより個々のデバイスに分割するウェーハレベルプロセスが一般的に用いられている。
【０００４】
この製造プロセスにおいて、デバイスを形成したデバイスウェーハ基板に封止用ウェーハ基板を積層・接合してデバイスを封止するのがウェーハレベルパッケージングである。近年、ウェーハ基板間の接合に直接接合を用いる製造方法が提案されている。接着剤やはんだを用いない直接接合による接合は接合界面に他の材料層が介在しないため、高い接合強度と良好な界面物性が得られる利点を持つ。従来からＭＥＭＳデバイスの製造に利用されてきた直接接合法の例としては陽極接合や拡散接合が挙げられる。また近年になって平坦化・清浄化した表面に水酸基等を付与し、水素結合と熱処理により強固な接合を得る接合方法も提案されている。
【０００５】
しかしこれらの直接接合法は接合工程もしくは接合後に熱処理を伴うため、これがＭＥＭＳデバイス製造において問題となる。光ＭＥＭＳデバイスの場合はパッケージングに光の透過性が要求されるため、デバイス基板（Ｓｉ等）とは異なる、光透過性を持つ基板（ＳｉＯ２系材料等）による封止が要望される。こうした異種基板の接合工程が熱処理を伴う場合、基板材料の熱膨張率の差により接合界面に熱歪みを生じ、デバイスの信頼性・耐久性を損なう要因となる。このため接合プロセス温度の低減はＭＥＭＳデバイス製造の大きな技術課題となっている。また加熱と冷却に時間を要するため製造時のタクトタイムを短縮できないことも製造上の課題の１つである。
【０００６】
このため、接合工程において加熱を伴わない常温接合プロセスの適用が望まれているが、常温接合、特に表面に活性基を付与せず被接合面のダングリングボンド等により接合する常温接合は被接合材料の材料物性に接合性が大きく左右される。特にＳｉＯ２系材料は常温接合では接合が困難な材料であることが知られている。
【０００７】
常温接合は、金属の接合方法としては以前から知られていたが、近年になって半導体材料や酸化物材料の接合へ適用が拡大されつつある。しかし非特許文献１に記載されているようにＡｌ２Ｏ３など一部の酸化物材料は表面活性化と圧接によりある程度の接合強度を得られることが知られているが、ＳｉＯ２などの材料は実用的な接合強度を得られない。このため活性基付与など被接合面への表面処理や加熱後処理を用いる方法が提案されている。
【０００８】
特開２００４−０５４１７０号公報にはレーザー光学結晶の接合方法が開示されている。接着剤等の中間材を用いずにイオンビームエッチングのみを接合面に施してレーザー光学結晶を接合することを特徴としている。この方法はレーザー光学結晶、特にＹＶＯ４結晶の接合方法として開発された手法である。しかしこの方法はガーネット結晶の接合には適用できるが、ＳｉＯ２系材料は接合できない。
【０００９】
特開２００５−１０４８１０号公報には機能性セラミックス多結晶体をＳｉ等の半導体単結晶材料と常温接合する方法が開示されている。セラミックス多結晶体の表面に半導体との反応活性を持つ金属薄膜層を形成し、金属と半導体の反応により生じた反応生成物層を介して接合を得る方法に特徴を持つ。表面粗さの大きいセラミックス基板の接合に有効な手法として提案されている。
【００１０】
しかしながらこれらの手法は接合の後工程として加熱処理を行うことがＭＥＭＳデバイス製造工程への適用の上で問題となる。また、接合対象基板と金属層との反応性を前提とするため対象材料が限定的である。
【００１１】
一方で、表面活性化と圧接のみでは強度を得られないＳｉＯ２の様な難接合性材料に対しても、金属膜を被接合面に形成することで常温接合できる可能性が非特許文献２などにおいて指摘されていた。これを具体的に実施する方法がこれまでに提案されている。
【００１２】
特開２００４−３３７９２７号公報には従来の常温接合では難接合性のイオン性結晶基板同士を接合する方法として、被接合面上に金属薄膜を形成することを特徴とする手法が開示されている。この手法では。真空中で被接合面へ不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス中性原子ビームと、金属イオンビームまたは金属中性原子ビームとを照射し、各基板の接合面上に１ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚の金属薄膜を形成する。
【００１３】
特開２００４−３４３３５９号公報には常温接合による弾性表面波素子の製造方法が開示されており、その方法として中間膜を介した接合方法を挙げている。ＬｉＴａＯ３等の圧電単結晶基板とＡｌ２Ｏ３あるいはＳｉ等の結晶性基板とを表面活性化処理と圧接により高温での熱処理なしに接合することを特徴としており、この方法の１つとしてＳｉもしくは絶縁材料、金属を中間層として形成し接合する方法を例示している。
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−３４３３５９号公報
【特許文献２】特開２００４−０５４１７０号公報
【特許文献３】特開２００４−３３７９２７号公報
【特許文献４】特開２００５−１０４８１０号公報
【非特許文献１】高木  他  ＮＥＤＯ技術開発機構平成１５年度研究助成事業成果報告会予稿集  ｐｐ．２２０−２２５（２００３）
【非特許文献２】高木  機械技術研究所報告  １８９号（２０００）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した様に、表面活性化と圧接のみではＳｉＯ２系材料を実用的な接合強度で接合することは困難であり、実用的な接合強度を得るためには接合強度を生起させる接合機能中間層として金属等を接合界面に介在させる方法が有効である。
しかしながら、接合機能中間層に金属を用いる方法は接合強度の生起のみに視点をおいた手法であり、他の接合界面物性、例えば光透過性については充分な特性を得られない。接合機能中間層としてのごく薄い金属層（１００ｎｍ以下）でも光透過損失を生ずることは、例えば上述の特許文献３にも提示されている。この様な光透過損失は光ＭＥＭＳデバイスなど光透過性に性能が要求されるデバイスにおいては性能劣化や信頼性の低下につながるため、デバイスの製造方法として適切とはいえない。一方で、常温接合は被接合材料の材料物性に接合性が大きく左右される接合方法であり、単に接合機能中間層を他の材料とするのみでは接合強度・光透過特性共に実現することはできない。
本発明の課題は、ＳｉＯ２系材料基板を実用的な接合強度で常温接合し、光透過特性に優れるデバイスおよびデバイス製造方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、破損を防止し、レイアウトの制限を緩和するデバイスおよびデバイス製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以下に、発明を実施するための最良の形態・実施例で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態・実施例の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
本発明によるデバイスは、主成分が二酸化ケイ素である第１基板（１１）と、主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板（１２）と、第１基板（１１）と第２基板（１２）との間に配置され、実用的な接合強度を生起する機能を担う接合機能中間層（２８）とを備えている。第１基板（１１）は、接合機能中間層（２８）を介して常温接合により第２基板（１２）に接合されている。このとき、接合機能中間層（２８）の材料は、第１基板（１１）の主成分と異なり、第２基板（１２）の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有する材料から選択される。このようなデバイスは、第１基板（１１）と第２基板（１２）との接合が実用的な接合強度を持ち、さらに、その接合界面の光透過性に優れ、その接合界面を光が透過する部位に配置することができる。このため、このようなデバイスは、その接合界面に関するレイアウトの制限を緩和することができ、レイアウトを多様化し、製造プロセスをより多様化することができる。
【００１８】
本発明によるデバイスは、第１基板（１１）が結晶構造を有する石英と石英ガラスとガラスとのうちのいずれかであることが好ましい。本発明によるデバイスは、さらに、第２基板（１２）が石英と石英ガラスとガラスとのうちのいずれかである特徴を持つ。その石英は、結晶構造を有している。
【００１９】
接合機能中間層（２８）の好適な材料としては、酸化アルミニウムまたは二酸化チタンまたは二酸化ジルコニウムまたは二酸化ハフニウムが例示される。本発明によるデバイスにおいて、接合機能中間層（２８）は、第１材料と第２材料との界面に層状に分布している。また本発明による別のデバイスにおいて、接合機能中間層（２８）は、第１材料と第２材料との界面に連続的または断続的な薄膜状に分布している特徴を持つ。
【００２０】
本発明による受光素子は、本発明によるデバイスと、第１基板（１１）と第２基板（１２）との界面を透過する光に基づいて信号を生成する受光素子本体とを備えている。本発明による発光素子は、本発明によるデバイスと、入力される信号に基づいて第１基板（１１）と第２基板（１２）との界面を透過する光を生成する発光素子本体とを備えている。
【００２１】
本発明による受光デバイスは、光透過性を持ち、主成分が二酸化ケイ素である第１基板（１１）と、外部からの光に感応して出力信号または起電力を生成する受光素子が形成された第２基板（１２）とを備えている。その第１基板（１１）と第２基板（１２）とは、光透過性を有している接合機能中間層（２８）を介して常温接合により接合されて受光素子を封止している。このとき、第１基板（１１）は、結晶構造を有する石英と石英ガラスとガラスとのうちのいずれかであることが好ましい。その受光素子の好適例としては、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサーが例示される。その受光素子の別の好適例としては、太陽電池、光電変換素子、または電磁波（例えば高周波の電磁波）を電力に変換する機能素子が例示される。
【００２２】
接合機能中間層（２８）の好適な材料としては、酸化アルミニウムまたは二酸化チタンまたは二酸化ジルコニウムまたは二酸化ハフニウムが例示される。
【００２３】
本発明による発光デバイスは、光透過性を持ち、主成分が二酸化ケイ素である第１基板（１１）と、発光素子が形成された第２基板（１２）とを備えている。第１基板（１１）と第２基板（１２）とは、光透過性を有している接合機能中間層（２８）を介して常温接合により接合されて発光素子を封止している。このとき、接合機能中間層（２８）の好適な材料としては、酸化アルミニウムまたは二酸化チタンまたは二酸化ジルコニウムまたは二酸化ハフニウムが例示される。
【００２４】
本発明による光信号伝達用デバイスは、光信号を伝達する光信号伝達用デバイスであり、光透過性を持ち、主成分が二酸化ケイ素である第１部材と、光透過性を持ち、主成分が二酸化ケイ素である第２部材とを備えている。第１基板（１１）と第２基板（１２）とは、光透過性を有している接合機能中間層（２８）を介して常温接合により接合されている。その光信号は、第１基板（１１）と第２基板（１２）との界面を透過する。このとき、接合機能中間層（２８）の好適な材料としては、酸化アルミニウムまたは二酸化チタンが例示される。このような光信号伝達用デバイスとしては、光スイッチ、レンズ、光ファイバーが例示される。この様な光信号伝達用デバイスとしては、フォトニック結晶ファイバーを併せて例示する。
【００２５】
本発明によるデバイス製造方法は、ＳｉＯ２系材料基板を常温接合により実用的接合強度で接合して、光透過性に優れるデバイスを製造する方法である。本発明によるデバイス製造方法は、主成分が二酸化ケイ素である第１基板（１１）の表面をスパッタリングするステップと、表面に常温接合の際に実用的な接合強度を生起する機能を担う接合機能中間層（２８）を付着させるステップと、接合機能中間層（２８）を介して表面を主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板（１２）に常温接合して接合基板を生成するステップとを備えている。このとき、その接合機能中間層（２８）の材料は、第１基板（１１）の主成分と異なり、第２基板（１２）の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有している材料から選択される。また、本発明によるデバイス製造方法は、主成分が二酸化ケイ素である第１基板（１１）の表面をスパッタリングするステップと、主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板（１２）の表面をスパッタリングするステップと、表面に常温接合の際に実用的な接合強度を生起する機能を担う接合機能中間層（２８）を付着させるステップと、接合機能中間層（２８）を介して第１基板表面を第２基板表面に常温接合して接合基板を生成するステップとを備えている。このとき、その接合機能中間層（２８）の材料は、第１基板（１１）の主成分と異なり、第２基板（１２）の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有している材料から選択される。また、本発明によるデバイス製造方法は、第１基板（１１）の表面をスパッタリングすると同時に、第２基板の表面をスパッタリングするステップを備えている。
【００２６】
本発明によるデバイス製造方法は、主成分が二酸化ケイ素である第１基板（１１）の表面に接合機能中間層（２８）を形成するステップと、接合機能中間層（２８）が形成された後に表面をスパッタリングするステップと、接合機能中間層（２８）を介して表面を主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板（１２）に常温接合して接合基板を生成するステップとを備えている。また本発明による別のデバイス製造方法は、主成分が二酸化ケイ素である第１基板（１１）の表面に接合機能中間層（２８）を形成するステップと、接合機能中間層（２８）を形成した第１基板表面をスパッタリングするステップと、主成分がシリコンあるいは化合物半導体あるいは二酸化ケイ素あるいはフッ化物のいずれかである第２基板の表面をスパッタリングするステップと、接合機能中間層（２８）を介して第１基板の表面を第２基板（１２）に常温接合して接合基板を生成するステップとを備えている。本発明によるデバイス製造方法は、さらに第１基板表面をスパッタリングすると同時に、第２基板の表面をスパッタリングするステップを備える特徴を持つ。
上記のデバイス製造方法において、その接合機能中間層（２８）の材料は、第１基板（１１）の主成分と異なり、第２基板（１２）の主成分と異なり、酸化物あるいはフッ化物あるいは窒化物のうちの光透過性を有している材料から選択される。
本発明によるデバイス製造方法は、第１基板（１１）が結晶構造を有する石英と石英ガラスとガラスとのうちのいずれかである特徴を持つ。本発明によるデバイス製造方法は、さらに、第２基板（１２）が結晶構造を有する石英と石英ガラスとガラスとのうちのいずれかである特徴を有する。
【００２７】
接合機能中間層（２８）の好適な材料としては、酸化アルミニウムまたは二酸化チタンまたは二酸化ジルコニウムまたは二酸化ハフニウムが例示される。また、接合機能中間層（２８）は、第１基板（１１）と第２基板（１２）との界面に層状に分布している。また、別のデバイス製造方法においては、接合機能中間層（２８）は、第１基板（１１）と第２基板（１２）との界面に連続的または断続的な薄膜状に分布している。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によるデバイスは、従来技術では常温接合が困難であったＳｉＯ２系材料基板を常温で接合して形成されており、性能劣化や信頼性低下がなく、光透過特性にも優れている。本発明によるデバイス製造方法は、従来技術では常温接合が困難であったＳｉＯ２系基板を実用的接合強度で接合し、かつ接合界面での光透過性の劣化を生じない常温接合を可能とするため性能劣化や信頼性低下がなく、光透過特性に優れるデバイスを生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図面を参照して、本発明によるデバイスの実施の形態を記載する。そのデバイスは、常温接合装置を用いて製造される。その常温接合装置１は、図１に示されているように、接合チャンバー２とイオンガン３と上側ステージ５と下側ステージ６とを備えている。
【００３０】
接合チャンバー２は、内部を環境から密閉する容器であり、ステンレス鋼により形成されている。接合チャンバー２は、さらに、図示されていない真空ポンプと蓋とを備えている。その真空ポンプは、接合チャンバー２の内部から気体を排気する。その真空ポンプとしては、内部の金属製の複数の羽根が気体分子を弾き飛ばすことにより排気するターボ分子ポンプが例示される。その蓋は、接合チャンバー２の外部と内部とを接続するゲートを閉鎖し、または、開放する。
【００３１】
上側ステージ５は、ステンレス鋼から形成され、円柱状に形成され、接合チャンバー２に対して鉛直方向に平行移動可能に支持されている。上側ステージ５は、その円柱の下端に誘電層を備え、その誘電層と基板１１の間に電圧を印加し、静電力によってその誘電層に基板１１を吸着して支持する。上側ステージ５は、図示されていない圧接機構を備えている。その圧接機構は、ユーザの操作により、上側ステージ５を接合チャンバー２に対して鉛直方向に平行移動させる。
【００３２】
下側ステージ６は、ステンレス鋼から形成されている。下側ステージ６は、その上端に誘電層を備え、その誘電層と基板１２の間に電圧を印加し、静電力によってその誘電層に基板１２を吸着して支持する。下側ステージ６は、さらに、図示されていない位置決め機構を備えている。その位置決め機構は、ユーザの操作により下側ステージ６を水平方向に平行な方向に平行移動させ、下側ステージ６を鉛直方向に平行な回転軸を中心に回転移動させる。
【００３３】
イオンガン３は、上側ステージ５に支持される基板１１と下側ステージ６に支持される基板１２とに向けられている。イオンガン３は、その向けられている方向に向けて加速された荷電粒子を放出する。その荷電粒子としては、アルゴンイオンが例示される。接合チャンバー２は、図示されていない電子銃をさらに備えていてもよい。その電子銃は、イオンガン３により荷電粒子が照射される対象に向けられて配置され、その対象に向けて加速された電子を放出する。このような電子は、イオンガン３により放出された荷電粒子により正に帯電している対象を中和することに用いられる。
【００３４】
図２〜図５は、常温接合装置１を用いて常温接合するとき基板１１と基板１２との状態を示している。作業者は、まず、接合チャンバー２の蓋を開けて、上側ステージ５に基板１１を保持させ、下側ステージ６に基板１２を保持させる。作業者は、接合チャンバー２の蓋を閉めて、接合チャンバー２の内部に真空雰囲気を生成する。作業者は、下側ステージ６の位置決め機構を操作して、基板１１が基板１２に対向するように、下側ステージ６を水平に移動する。
【００３５】
基板１１は石英ガラス製であり、図２に示されているように、実用的な接合強度を生起する機能を担う接合機能中間層２８として表面に酸化アルミニウム層が形成されている。この接合機能中間層の表面に不活性表面２１が存在している。その不活性表面２１は、その表面に付着している不純物や、基板材料が変成した生成物、酸素などにより結合手が終端され反応活性に乏しい状態となっている材料最表面層などから形成されている。基板１２は、基板１１と同様に石英ガラス製であり、実用的な接合強度を生起する機能を担う接合機能中間層２８’として表面に酸化アルミニウム層が形成されている。この接合機能中間層の表面にも不活性表面２２が形成されている。
【００３６】
作業者は、図３に示されているように、基板１１と基板１２とが十分に離れた状態で、イオンガン３を用いて基板１２に荷電粒子を照射し、イオンガン３を用いて基板１１に荷電粒子を照射する。基板１２と基板１１とは、その荷電粒子が照射されることによりスパッタリングされ、その表面に形成される不活性表面２１、２２とがそれぞれ除去される。
【００３７】
荷電粒子の照射が終了すると、図４に示されているように、基板１１および基板１２に形成された接合機能中間層２８、２８’の表面に活性表面２４、２５が露出する。
【００３８】
作業者は、上側ステージ５の圧接機構を操作して、上側ステージ５を鉛直下方向に下降させて、図５に示されているように、基板１１と基板１２とを接触させる。基板１１と基板１２とは、このように接触することにより常温接合される。このとき、基板１１と基板１２との界面２７には、接合機能中間層２８が存在し、基板１１と基板１２との間に実用的な接合強度を生起して両者の接合を仲介する。
【００３９】
なお、接合機能中間層２８は、界面２７に断続的な薄膜状に分布させることもできる。このような接合機能中間層２８は、連続的な層状の接合機能中間層と同様にして、基板１１と基板１２との間に実用的な接合強度を生起して両者の接合を仲介する。
【００４０】
なお、接合機能中間層２８は、酸化アルミニウムと異なる他の物質から形成されることもできる。その物質は、光透過性を有する材料であり、かつ、酸化物と窒化物とフッ化物とのうちのいずれかの材料から形成される。その酸化物としては、二酸化チタンＴｉＯ２または二酸化ジルコニウムＺｒＯ２または二酸化ハフニウムＨｆＯ２とが例示される。その窒化物としては、窒化ケイ素ＳｉＮ、窒化チタンＴｉＮが例示される。そのフッ化物としては、フッ化カルシウムＣａＦ２、フッ化マグネシウムＭｇＦ２が例示される。接合機能中間層２８は、これらの物質のうちの１つまたは複数の物質から形成されている。
【００４１】
本発明によるデバイス製造方法の実施の形態は、本発明によるデバイスを生産する方法であり、常温接合装置１を用いて実行される。
【００４２】
このようなデバイス製造方法によれば、製品は、光透過性を有しており実用的な接合強度を生起する機能を担う接合機能中間層が介在することで、従来方法では常温接合されにくいＳｉＯ２系材料から形成される基板を実用的接合強度で常温接合することができる。その材料としては、結晶構造を有する合成石英、パイレックス（登録商標）、ガラス、石英ガラスが例示される。パイレックス（登録商標）、ガラス、石英ガラスは、結晶化しないで固化したものであり、立体的な網目状構造を有している。本発明による常温接合方法は、常温接合される２つの基板が、共にこのようなＳｉＯ２系材料のうちのいずれかの材料から形成されているときにも、適用することができ、このような２つの基板を実用的接合強度で常温接合することができる。
【００４３】
また、このようなデバイス製造方法により生産された製品で、基板１１、１２が共に光を透過するＳｉＯ２系材料から形成されている製品の場合、光（たとえば、高強度レーザー光線）が照射されるときに、その接合界面で光が吸収されないので、信号強度の低下や光吸収に起因する光損傷が防止される。これにより光信号の伝達を損なわない、あるいは高強度光への耐力に優れたデバイスを製造できる。また、このようなデバイス製造方法により生産された製品は、ＳｉＯ２系材料の接合に酸化物・フッ化物・窒化物のいずれかの材料を用いるため接合界面内に電気伝導性がなく、このため界面が電磁波の伝達を妨げない。これは例えば、基板を透過する光を受光すると共に、デバイス内の機能素子が電磁波を受けて素子の駆動電力に変換する様なＲＦ−ＭＥＭＳデバイスの製造に効果的に適用される。
【００４４】
なお、このようなデバイス製造方法により製造された製品は、常温接合された界面に介在する接合機能中間層の組成が測定されることができる。その測定方法としては、透過型電子顕微鏡を用いたＥＤＸ分析が例示される。
【００４５】
本発明によるデバイス製造方法の比較例は、既述の実施の形態におけるデバイス製造方法において接合機能中間層２８、２８’が削除されている。このような比較例のデバイス製造方法によれば、荷電粒子の照射が終了すると、図６に示されているように、基板１１’と基板１２’とは、その表面に活性表面３１と活性表面３２とがそれぞれ露出する。活性表面３１は、基板１１’の母材と同じＳｉＯ２を主成分とする。活性表面３２は、基板１２’の母材と同じ成分から形成されている。活性表面３１と活性表面３２とには、接合強度を生起する機能を担う他の材料は介在していないため、図７に示されているように、両者を接触させ加重を印加して圧接しても実用的な接合強度を得られない。
【００４６】
常温接合された基板の接合強度は、接合部の結合エネルギーを用いて評価することができる。その結合エネルギーは、周知の方法により評価することができる。その方法としては、高木  機械技術研究所報告  １８９号（２０００）に記載されるブレード挿入法が例示される。図８は、そのブレード挿入法により結合エネルギーの計測方法を示している。すなわち、検査者は、常温接合された基板４１と基板４２との界面に、剃刀刃４３を挿入する。このとき、基板４１と基板４２とは、互いに剥離してクラック４４が生じる。検査者は、そのクラック４４の進展長さを測定する。接合界面での一方の表面の単位面積当たりの結合エネルギーΔγは、クラック４４の進展長さＬと剃刀刃４３の厚さ２ｙと基板４１の厚さｔ１と基板４２の厚さｔ２と基板４１のヤング率Ｅ１と基板４２のヤング率Ｅ２とを用いて、次式：
【数１】
0004348454.tif 000002
により表現される。結合エネルギーΔγは、値が大きいほど、接合強度が大きく、基板同士が剥離しにくいことを示している。
【００４７】
さらに、結合エネルギーΔγが０．１Ｊ／ｍ２以上であることは、たとえば、接合強度が弱いものの基板４１と基板４２とが穏やかにダイシングされたときに、基板４１と基板４２とが剥離しない程度に接合されていることを示している。結合エネルギーΔγが０．５Ｊ／ｍ２以上であれば、基板４１と基板４２とが高速にダイシングされたときに、基板４１と基板４２とが剥離しない程度に接合されている。このことから、上記述べてきた「実用的な接合強度」として、接合界面での一方の表面の単位面積当たりの結合エネルギーΔγが０．１Ｊ／ｍ２以上，より好ましくは０．５Ｊ／ｍ２以上であるものと定義する。
本発明によるデバイス製造方法を用いて常温接合された基板に対して結合エネルギーΔγを測定した実験の実験結果は、下表：
【表１】
0004348454.tif 000003
により表現される。このとき、接合機能中間層２８は、いずれも膜厚が数ｎｍで形成されている。すなわち、その実験結果は、接合部に接合機能中間層２８が配置されないときにその接合部の結合エネルギーΔγが０．１Ｊ／ｍ２未満であることを示し、接合機能中間層２８が酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３であるときに結合エネルギーΔγが０．５Ｊ／ｍ２以上であることを示し、接合機能中間層２８が二酸化チタンＴｉＯ２であるときに結合エネルギーΔγが０．８Ｊ／ｍ２以上であることを示し、接合機能中間層２８が二酸化ジルコニウムＺｒＯ２であるときに結合エネルギーΔγが０．８Ｊ／ｍ２以上であることを示し、接合機能中間層２８が二酸化ハフニウムＨｆＯ２であるときに結合エネルギーΔγが０．８Ｊ／ｍ２以上であることを示している。すなわち、この実験結果は、接合機能中間層２８が配置されないときに、常温接合された基板の接合部の結合エネルギーΔγが０．１Ｊ／ｍ２未満であることを示し、接合機能中間層２８が配置されるときに、常温接合された基板の接合部の結合エネルギーΔγが０．１Ｊ／ｍ２以上であることを示している。この実験結果は、さらに、接合機能中間層２８が配置されないときに、その基板が実用的な接合強度で接合されないで、この実験結果は、接合機能中間層２８が配置されるときに、その基板が実用的な接合強度で接合されることを示している。
【００４８】
本発明によるデバイスの実施の形態は、既述の常温接合装置１を用いて、既述の常温接合方法により生産される。そのデバイスは、照射される光に基づいて電気信号または起電力を生成する受光デバイスに適用され、複数の基板と受光素子本体とを備えている。その複数の基板は、受光素子本体が形成された基板と、ＳｉＯ２を主成分とし光を透過する光透過特性に優れるＳｉＯ２系材料基板を含む。そのＳｉＯ２系材料としては、結晶構造を有している合成石英、パイレックス（登録商標）、ガラス、石英ガラスが例示される。パイレックス（登録商標）、ガラス、石英ガラスは、結晶化しないで固化したものであり、立体的な網目状構造を有している。その複数の基板は、既述の基板１１と基板１２とを含み、常温接合された界面が内部に形成されている。すなわち、基板１１と基板１２との界面２７には、接合機能中間層２８が形成される。接合機能中間層２８は、光透過性を有する酸化物と窒化物とフッ化物とのうちのいずれかから形成されている。その酸化物としては、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３、二酸化チタンＴｉＯ２、二酸化ジルコニウムＺｒＯ２、二酸化ハフニウムＨｆＯ２が例示される。その窒化物としては、窒化ケイ素ＳｉＮ、窒化チタンＴｉＮが例示される。そのフッ化物としては、フッ化カルシウムＣａＦ２、フッ化マグネシウムＭｇＦ２が例示される。その受光素子本体は、その複数の基板のいずれか（たとえば、基板１２）に形成され、デバイスに照射される光に基づいて電気信号または起電力を生成する。
【００４９】
このようなデバイスは、接合機能中間層２８を介して従来の常温接合では接合が困難なＳｉＯ２系材料が常温接合されており、性能劣化・信頼性低下を生ずることなく受光素子への光透過性にも優れている。さらに、基板１１と基板１２との接合界面は、光を透過することができ、このようなデバイスは、その接合界面を光が透過する部位に配置することができる。このため、このようなデバイスは、その接合界面に関するレイアウトの制限を緩和することができ、レイアウトを多様化し、製造プロセスをより多様化することができる。この結果、そのデバイスは、設計をより容易にし、製造プロセスをより容易にすることができる。
【００５０】
なお、本発明によるデバイスは、印加される電気信号に基づいて発光する発光デバイスに適用されることもできる。このとき、そのデバイスは、複数の基板と発光素子本体とを備えている。その複数の基板は、既述の基板１１と基板１２とを含み、常温接合された界面が内部に形成されている。すなわち、基板１１と基板１２との界面２７には、接合機能中間層２８が形成される。接合機能中間層２８は、光透過性を有する酸化物と窒化物とフッ化物とのうちのいずれかから形成されている。その酸化物としては、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３、二酸化チタンＴｉＯ２、二酸化ジルコニウムＺｒＯ２、二酸化ハフニウムＨｆＯ２が例示される。その窒化物としては、窒化ケイ素ＳｉＮ、窒化チタンＴｉＮが例示される。そのフッ化物としては、フッ化カルシウムＣａＦ２、フッ化マグネシウムＭｇＦ２が例示される。その発光素子本体は、その複数の基板のいずれか（たとえば、基板１２）に形成され、デバイスに印加される電気信号に基づいて光を発光する。
【００５１】
このようなデバイスは、従来の常温接合では接合が困難なＳｉＯ２系材料が常温接合されており、性能劣化・信頼性低下を生ずることなく発光素子からの光透過性に優れている。また基板１１と基板１２との接合界面を光が透過する部位に配置することができる。このため、このようなデバイスは、その接合界面に関するレイアウトの制限を緩和することができ、レイアウトを多様化し、製造プロセスをより多様化することができる。この結果、そのデバイスは、設計をより容易にし、製造プロセスをより容易にすることができる。
【００５２】
さらに、本発明によるデバイスは、光信号伝達用デバイスに適用されることもできる。このとき、そのデバイスは、複数の基板と光信号伝達用素子本体とを備えている。その複数の基板は、既述の基板１１と基板１２とを含み、常温接合された界面が内部に形成されている。すなわち、基板１１と基板１２との界面２７には、接合機能中間層２８が形成される。接合機能中間層２８は、光透過性を有する酸化物と窒化物とフッ化物とのうちのいずれかから形成されている。その酸化物としては、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３、二酸化チタンＴｉＯ２、二酸化ジルコニウムＺｒＯ２、二酸化ハフニウムＨｆＯ２が例示される。その窒化物としては、窒化ケイ素ＳｉＮ、窒化チタンＴｉＮが例示される。そのフッ化物としては、フッ化カルシウムＣａＦ２、フッ化マグネシウムＭｇＦ２が例示される。その光信号伝達用素子本体は、その複数の基板のいずれか（たとえば、基板１２）に形成されている。このような光信号伝達用素子本体としては、光スイッチ、レンズ、光ファイバーが例示される。その光スイッチは、ミラーと複数の光伝送路を備えている。その光スイッチは、入力された光信号をそのミラーに反射させて、複数の光伝送路のうちから選択された１つの光伝送路に出力する。このような光信号伝達用素子本体としては、フォトニック結晶ファイバーが併せて例示される。
【００５３】
このようなデバイスは、既述のデバイスと同様にして、接合機能中間層２８を介して従来の常温接合では接合が困難なＳｉＯ２系材料が常温接合されており、性能劣化・信頼性低下を生ずることがない。熱処理に依る歪みや中間層による吸収に起因する透過損失がなく、界面を介して伝達される光信号の伝達性能や、高強度光に対する耐力に優れている。また、基板１１と基板１２との接合界面を光が透過する部位に配置することができる。このため、このようなデバイスは、その接合界面に関するレイアウトの制限を緩和することができ、レイアウトを多様化し、製造プロセスをより多様化することができる。この結果、そのデバイスは、設計をより容易にし、製造プロセスをより容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明による常温接合装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は、基板の状態を示す断面図である。
【図３】図３は、基板の他の状態を示す断面図である。
【図４】図４は、基板のさらに他の状態を示す断面図である。
【図５】図５は、基板のさらに他の状態を示す断面図である。
【図６】図６は、比較例の基板の状態を示す断面図である。
【図７】図７は、比較例の基板の他の状態を示す断面図である。
【図８】図８は、接合強度を評価するときの基板の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  ：常温接合装置
２  ：チャンバー
３  ：イオンガン
５  ：上側ステージ
６  ：下側ステージ
１１：基板
１２：基板
２１：不活性表面
２２：不活性表面
２４：活性表面
２５：活性表面
２７：界面
２８、２８’：接合機能中間層
３１：活性表面
３２：活性表面
３３：界面
４１：基板
４２：基板
４３：剃刀刃
４４：クラック
【図１】
0004348454.tif 000004
【図２】
0004348454.tif 000005
【図３】
0004348454.tif 000006
【図４】
0004348454.tif 000007
【図５】
0004348454.tif 000008
【図６】
0004348454.tif 000009
【図７】
0004348454.tif 000010
【図８】
0004348454.tif 000011