(57)【要約】  本開示の一実施形態の機能素子は、第１基体と、第１基体と対向配置された第２基体と、第１基体と第２基体との間に設けられると共に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基体と、
前記第１基体と対向配置された第２基体と、
前記第１基体と前記第２基体との間に設けられると共に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層と
を備えた機能素子。
【請求項２】
前記バッファ層は層内に、前記第１基体および前記第２基体の界面に向かって低下する前記金属元素の濃度分布を有する、請求項１に記載の機能素子。
【請求項３】
前記バッファ層は層内に前記第１基体の界面から前記第２基体の界面に向かって低下する前記金属元素の濃度分布を有する、請求項１に記載の機能素子。
【請求項４】
前記バッファ層は、光透過性を有すると共に、電気的絶縁性を有する、請求項１に記載の機能素子。
【請求項５】
前記バッファ層は酸素供給材料を含む、請求項１に記載の機能素子。
【請求項６】
前記バッファ層は、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む、請求項１に記載の機能素子。
【請求項７】
前記金属元素は、前記無機酸化物、前記無機窒化物、前記無機酸窒化物および前記無機フッ化物よりも酸素結合力が高い、請求項６に記載の機能素子。
【請求項８】
更に、前記第１基体と前記バッファ層との間および前記第２基体と前記バッファ層との間の少なくとも一方に機能層を有する、請求項１に記載の機能素子。
【請求項９】
第１基体と第２基体とを接合し、前記第１基体と前記第２基体との間に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層を形成する
機能素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第１基体上に、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む第１のバッファ層および微結晶構造を有する第１の金属膜を形成し、
前記第２基体上に、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む第２のバッファ層および微結晶構造を有する第２の金属膜を形成し、
前記第１の金属膜と前記第２の金属膜とを接合させたのち加熱処理して前記バッファ層を形成する、請求項９に記載の機能素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の形成ならびに前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の接合を真空条件下にて行う、請求項１０に記載の機能素子の製造方法。
【請求項１２】
さらに、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の形成ならびに前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の接合を同一装置内にて行う、請求項１１に記載の機能素子の製造方法。
【請求項１３】
前記加熱処理として、１００℃以上８００℃以下の環境下に接合された前記第１基体および前記第２基体を放置することにより、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜を酸化させる、請求項１０に記載の機能素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１基体上に、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む第１のバッファ層および微結晶構造を有する第１の金属膜を形成し、
前記第２基体上に、微結晶構造を有する第２の金属膜を形成し、
前記第１の金属膜と前記第２の金属膜とを接合させたのち加熱処理して前記バッファ層を形成する、請求項９に記載の機能素子の製造方法。
【請求項１５】
第１基体と、
前記第１基体と対向配置された第２基体と、
前記第１基体と前記第２基体との間に設けられると共に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層と
を有する機能素子を備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば、光を透過する２つ以上の基体が貼り合わされた機能素子およびその製造方法ならびにこれを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光を透過する物質を接合する場合には、アクリルポリマーを材料とする接着剤を用いて貼り合わせたのち、紫外線を照射して接合する方法が用いられている。しかしながら、硬化後の接着剤は紫外線等によって変質し、劣化することが知られている。これに対して、例えば、特許文献１では、原子拡散接合法を用いることで、接着剤を用いずに被接合材である２つの基体を接合した構造体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４６６９６号公報
【発明の概要】
【０００４】
ところで、光を透過する被接合材の接合には、被接合材間の接合の劣化に対する耐性に加えて、接合部の高い光透過性が求められる。
【０００５】
信頼性を向上させることが可能な機能素子および機能素子の製造方法ならびにこれを備えた電子機器を提供することが望ましい。
【０００６】
本開示の一実施形態の機能素子は、第１基体と、第１基体と対向配置された第２基体と、第１基体と第２基体との間に設けられると共に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層とを備えたものである。
【０００７】
本開示の一実施形態の機能素子の製造方法は、第１基体と第２基体とを接合し、第１基体と第２基体との間に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層を形成する。
【０００８】
本開示の一実施形態の電子機器は、上記本開示の一実施形態の機能素子を備えたものである。
【０００９】
本開示の一実施形態の機能素子および一実施形態の機能素子の製造方法ならびに一実施形態の電子機器では、第１基体と第２基体とを、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層を間に接合するようにした。これにより、接着剤を用いることなく第１基体と第２基体との接合が可能となると共に、接合部の光透過性を向上させることが可能となる。
【００１０】
本開示の一実施形態の機能素子および一実施形態の機能素子の製造方法ならびに一実施形態の電子機器によれば、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層を間に第１基体と第２基体とを接合するようにしたので、接着剤を含まず、且つ、高い光透過性を有する接合部が形成される。よって、高い信頼性を有する機能素子を提供することが可能となる。
【００１１】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の一実施の形態に係る機能素子の構成を表す断面模式図である。
【図２】図１に示したバッファ層内における金属元素の濃度変化の一例を表す図である。
【図３】図１に示したバッファ層内における金属元素の濃度変化の他の例を表す図である。
【図４Ａ】図１に示した機能素子の製造方法の一例を表す断面模式図である。
【図４Ｂ】図４Ａに続く工程を表す断面模式図である。
【図４Ｃ】図４Ｂに続く工程を表す断面模式図である。
【図５Ａ】アニール処理前の図４Ｃに示した各層内における金属元素の濃度分布を表す特性図である。
【図５Ｂ】アニール処理後の図４Ｃに示した各層内における金属元素の濃度分布を表す特性図である。
【図６Ａ】図１に示した機能素子の製造方法の他の例を表す断面模式図である。
【図６Ｂ】図６Ａに続く工程を表す断面模式図である。
【図６Ｃ】図６Ｂに続く工程を表す断面模式図である。
【図７Ａ】アニール処理前の図６Ｃに示した各層内における金属元素の濃度分布を表す特性図である。
【図７Ｂ】アニール処理後の図６Ｃに示した各層内における金属元素の濃度分布を表す特性図である。
【図８】本開示の変形例に係る機能素子の構成を表す断面模式図である。
【図９】適用例の一例を表す断面模式図である。
【図１０】実験例１−１，１−２における接合部の透過率とＴｉ膜の厚みとの関係を表す特性図である。
【図１１】実験例１−３，１−４における接合部の透過率とＴｉ膜の厚みとの関係を表す特性図である。
【図１２】実験例１−１，１−２における接合部の強度とＴｉ膜の厚みとの関係を表す特性図である。
【図１３】実験例１−３，１−４における接合部の強度とＴｉ膜の厚みとの関係を表す特性図である。
【図１４】実験例２−１，２−２の分光特性を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本開示における実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比等についても、それらに限定されるものではない。なお、説明する順序は、下記の通りである。
１．実施の形態（接合部として層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層を有する機能素子の例）
１−１．機能素子の構成
１−２．機能素子の製造方法
１−３．作用・効果
２．変形例（対向配置された基体間に機能層を有する機能素子の例）
３．適用例
４．実施例
【００１４】
＜１．実施の形態＞
図１は、本開示の一実施の形態に係る機能素子（機能素子１）の断面構成を表したものである。この機能素子１は、２つ以上の被接合材が貼り合わされた積層構造を有するものであり、例えば、プロジェクタ等に用いられる光学素子（例えば、図９参照）を構成するものである。本実施の形態の機能素子１は、積層方向（膜厚方向；例えば、Ｙ軸方向）に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層１２を間に、被接合材である基体１１（第１基体）および基体２１（第２基体）が接合された構成を有する。
【００１５】
（１−１．機能素子の構成）
基体１１および基体２１は、接合面として平板な面を有するものであれば特に問わず、例えば、無機材料，金属材料またはプラスチック材料等により構成されている。無機材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、窒化シリコン（ＳｉＮx）、酸化アルミニウム（ＡｌＯx）、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）およびダイヤモンド等が挙げられる。酸化シリコンには、ガラスまたはスピンオングラス（ＳＯＧ）等が含まれる。金属材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）またはステンレス等が挙げられ、プラスチック材料としては、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）またはポリエチルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が挙げられる。基体１１および基体２１は、光透過性でもよいし、非光透過性でもよい。光透過性を有するものとしては、例えば、ガラスや石英基板等が挙げられる。
【００１６】
基体１１および基体２１の接合面は、平滑性を有することが好ましい。具体的には、基体１１および基体２１の接合面は、例えば０．５ｎｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有していることが好ましいが、例えば、接合時の加圧により接合面を塑性変形により密着させることが困難な無機材料では、例えば１ｎｍ以下の算術平均粗さ（Ｒａ）を有していればよい。
【００１７】
バッファ層１２は、基体１１と基体２１とを接合する接合部であり、上記のように、層内に、膜厚方向（Ｙ軸方向）に変化する金属元素の濃度分布を有する。バッファ層１２は、例えば、金属材料の酸化物層（金属酸化物層）を間に、酸素供給材料を含む酸素供給層（酸素供給層１３，２２）が基体１１側および基体２１側の両方に設けられた構成を有する。金属酸化物層は、例えば、後述する金属膜１４，２３が酸素供給層１３，２２から供給される酸素によって酸化されることで形成されたものである。上記金属元素の濃度分布は、金属酸化物層と酸素供給層１３，２２との間に形成されている。
【００１８】
図２は、バッファ層１２内における金属元素の濃度変化の一例を表したものである。図２では、横軸はバッファ層１２の膜厚方向の位置を表しており、例えば、Ｙ0を基体１１との界面とし、Ｙ1を基体２１との界面とする。縦軸はバッファ層１２内における金属元素の濃度を表している。バッファ層１２は、例えば、図２に示したように、バッファ層１２の内部から基体１１および基体２１の界面に向かって、所定の範囲において例えば連続的に低下する濃度分布を有する。
【００１９】
また、バッファ層１２内における金属元素の濃度分布はこれに限定されない。バッファ層１２は、詳細は後述するが、例えば、酸素供給材料を含む酸素供給層を対向配置される基体の一方（例えば、基体２１側）にのみ形成するようにしてもよい。その場合には、バッファ層１２内には、図３に示したように、例えば、基体１１側から基体２１に向かって、所定の範囲において例えば連続的に低下する濃度分布が形成される。図２および図３に示したバッファ層１２内における金属元素の濃度分布は、後述する基体１１と基体２１との接合工程において形成される。
【００２０】
バッファ層１２に含まれる金属材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ），シリコン（Ｓｉ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），ガリウム（Ｇａ），ゲルマニウム（Ｇｅ），ジルコニウム（Ｚｒ），ニオブ（Ｎｂ），モリブデン（Ｍｏ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ），銀（Ａｇ），インジウム（Ｉｎ），スズ（Ｓｎ），ハフニウム（Ｈｆ）およびタンタル（Ｔａ）等が挙げられる。上記金属材料は、上述したバッファ層１２内において濃度分布を形成する金属元素であり、後述する金属膜１４，２３の材料として用いるものである。即ち、バッファ層１２内において濃度分布を形成する金属元素は、金属膜１４，２３由来のものである。
【００２１】
バッファ層１２に含まれる酸素供給材料としては、後述する金属膜１４と金属膜２３との接合後に金属膜１４，２３を酸化させることが可能な材料であればよい。このような材料としては、例えば、酸素と化学結合した無機材料あるいは金属材料を用いることができる。また、酸素供給層１３，２２内において、粒界等によって形成される空隙に酸素を物理的な吸着によって内包することができる材料を用いることができる。いずれの材料においても、酸素供給材料としては、金属膜１４，２３として用いられる金属材料よりも酸素結合力が低い材料であることが好ましい。酸素供給材料の一例としては、無機酸化物（例えば、ＳｉＯx）、金属酸化物（例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3））、無機窒化物（例えば、ＳｉＮ）、無機酸窒化物（例えば、ＳｉＯＮ）および無機フッ化物（例えば、ＳｉＦx）等が挙げられる。
【００２２】
ここで、酸素結合力について以下のように定義する。例えば、金属膜１４，２３を構成する金属材料としてチタン（Ｔｉ）を用いる場合の金属膜１４，２３を構成する金属材料の酸素結合力とは、チタン原子と酸素原子との化学結合力である。また、酸素供給材料として酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を用いた場合の酸素供給材料の酸素結合力とは、シリコン原子と酸素原子との化学結合力および酸化ケイ素（ＳｉＯ2）と非共有結合性でとらわれている酸素との結合力を含む。なお、非共有結合性の中には水を介してとらわれている酸素や膜中にとらわれている酸素を含むものとする。
【００２３】
なお、金属材料および酸素供給材料は、結晶質固体でもよいし、ガラス質固体（非結晶質固体）でもよい。
【００２４】
バッファ層１２は、機能素子１を、例えば偏光変換素子等の光学素子として光学デバイス等に用いる場合には光透過性を有することが好ましく、例えばＭＥＭＳ等の電気デバイスに用いる場合には電気的絶縁性を有することが好ましい。その場合には、バッファ層１２に含まれる金属材料および酸素供給材料は、それぞれ、光透過性が高い材料あるいは電気的に絶縁性が高い材料を用いることが好ましい。本実施の形態では、バッファ層１２に含まれる金属材料は、上記のように、その一部または全部が酸素供給層１３，２２から供給される酸素等によって酸化されて酸化物となっており、金属酸化物層を構成している。これにより、バッファ層１２の光透過率および電気的絶縁性が向上する。
【００２５】
（１−２．機能素子の製造方法）
このような機能素子１は、例えば、次のように製造することができる。
【００２６】
まず、図４Ａに示したように、例えば、電子線を用いた真空蒸着法を用いて基体１１の接合面上に酸素供給層１３（第１のバッファ層）を、例えば２ｎｍ以上２０μｍ以下の厚さに形成する。なお、酸素供給層１３は、真空蒸着法の他、イオンアシスト法（Ion Assisted Deposition：ＩＡＤ）、スパッタリング法、イオンプレーティング法および化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）等を用いて形成するようにしてもよい。続いて、酸素供給層１３上に微結晶構造を有する金属膜（第１の金属膜）１４を形成する。
【００２７】
酸素供給層１３は、上記酸素供給材料を含んで構成されている。酸素供給層１３の厚みは、上記のように、例えば２ｎｍ以上２０μｍ以下の厚さとして形成することが好ましいがこれに限らない。例えば、酸素供給層１３の表面粗さが、例えば鏡面研磨によって低減されていれば、２０μｍ以上の厚みに形成してもよい。
【００２８】
金属膜１４は、微結晶構造を有するものであり、上記金属材料あるいは半金属材料を含んで構成されている。金属膜１４の厚みは、酸素供給層１３から発生する酸素によって金属膜１４を構成する金属材料が十分に酸化される厚みとすることが好ましく、酸素供給層１３と比較して十分に薄いことが望ましい。本実施の形態では、後述するように、原子拡散接合法を用いて金属膜１４と金属膜２３とを重ね合わせて基体１１と基体２１とを接合する。このとき、酸素供給層１３，２２の表面が平滑であれば、金属膜１４，２３の厚みは、例えば、それぞれ０．２ｎｍの極薄い膜でも接合できる。一方、酸素供給層１３，２２の表面粗さが大きい場合や、金属膜１４，２３の形成時に金属膜１４，２３と酸素供給層１３，２２との界面に酸化反応層が形成される場合には、金属膜１４，２３をより厚く形成する必要がある。しかしながら、接合強度は、金属膜の酸化が進むほど強度が増す。また、金属膜１４，２３の厚みは、バッファ層１２に光透過性および絶縁性を付加する上で重要となる。よって、金属膜１４は、薄い方が好ましく、例えば０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
金属膜１４は、例えば、以下の方法を用いて成膜する。まず、例えば、到達真空度が１×１０-4〜１×１０-8Ｐａの高真空度である真空容器において、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング等の物理蒸着法（Physical Vapor Deposition：ＰＶＤ）、ＣＶＤ法あるいは各種蒸着法を用いて、例えば０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さの、例えばＴｉ膜を成膜する。なお、拡散速度が比較的遅い金属材料を用いる場合には、成膜された金属膜１４の内部応力を高めることが可能なプラズマの発生下で成膜を行う真空成膜方法や、スパッタリング法を用いて成膜することが好ましい。
【００３０】
金属膜１４の成膜時の真空容器内の圧力は、到達真空度が１×１０-4〜１×１０-8Ｐａの真空雰囲気であればよいが、より低い圧力（高真空度）である程好ましい。これにより、例えば、Ａｌ等の酸化しやすい材料を用いることが可能となる。
【００３１】
スパッタリング法を用いて金属膜１４を成膜する場合には、成膜時における不活性ガス（一般的には、アルゴン（Ａｒ）ガス）の圧力は、放電可能な領域（例えば、０．０１Ｐａ以上）であることが好ましい。但し、３０Ｐａ（３００μｂａｒ）を超える接合を行うことができない虞があるため、上限は３０Ｐａ（３００μｂａｒ）以下とすることが好ましい。これは、Ａｒガス圧が上昇すると、成膜される金属膜１４の表面粗さが増加するからである。
【００３２】
続いて、上記方法と同様に、基体２１上に酸素供給層２２および金属膜２３をこの順に形成する。酸素供給層２２および金属膜２３は、上記酸素供給層１３および金属膜１４と同様に、上記酸素供給材料および上記金属材料を用いて構成されている。
【００３３】
なお、酸素供給層１３，２２は、それぞれ別の装置内で形成してもよいが、金属膜１４，２３の成膜および後述する金属膜１４と金属膜２３との接合は、真空条件下、同じ装置内で実施することが望ましい。これにより、金属膜１４，２３の表面の酸化が低減され、良好な接合が可能となる。
【００３４】
続いて、図４Ｂに示したように、基体１１上に設けた金属膜１４および基体２１上に設けた金属膜２３を向かい合わせに配置し、図４Ｃに示したように、例えば、原子拡散接合法を用いて金属膜１４と金属膜２３とを重ね合わせて基体１１と基体２１とを接合する。これにより、金属膜１４と金属膜２３との接合界面および結晶粒界において原子拡散を生じさせ、且つ、接合歪みを緩和させた接合を行うことが可能となる。
【００３５】
最後に、接合された基体１１および基体２１をアニール処理として、例えば、１００℃以上８００℃以下の環境下に放置する。これにより、基体１１と基体２１との間に、層内に金属元素の濃度分布を有するバッファ層１２が形成される。以上により、図１に示した機能素子１が完成する。
【００３６】
なお、アニール処理は、金属膜１４，２３の成膜および金属膜１４と金属膜２３との接合と同じ条件下で実施してもよいし、装置外において、例えば大気中で実施してもよい。また、アニール処理の下限温度である１００℃は、機能素子１が用いられる環境温度以上の温度としての一例である。上限温度である８００℃は、機能素子１を光学素子として用いる場合に基体１１，２１や酸素供給層１３，２２に使用される光学ガラスの軟化点や軽金属の融点に基づくものである。よって、アニール処理の温度は、上記範囲に限定されるものではなく、例えば、機能素子１が使用される環境温度の範囲内でも安定な金属酸化膜が形成される場合には、１００℃以下で処理することが好ましい。例えば、低融点ガラスや熱膨張係数の異なる基体１１，２１の接合を行う場合には、アニール処理は、例えば３００℃以下の環境下であることが好ましく、より好ましくは、例えば１００℃以下である。例えば、成膜プロセスや成膜材料によっては、金属膜１４，２３を常温で放置することにより酸化させることができる。更に、酸素供給層１３，２２の密度を下げて層内の空隙を増やすことによって物理吸着される水が多くなる。これにより、酸素供給層から供給される酸素が増え、金属膜１４，２３は常温での酸化が促進される。
【００３７】
また、バッファ層１２の層内における金属元素の濃度分布は以下のようにして形成される。図５Ａは、アニール処理前の図４Ｃに示した各層内における金属元素の濃度分布を表したものである。図５Ｂは、アニール処理後の図４Ｃに示した各層内における金属元素の濃度分布を表したものである。原子拡散接合法を用いて金属膜１４と金属膜２３とが接合された機能素子１では、アニール処理によって酸素供給層１３および酸素供給層２２から酸素が金属膜１４および金属膜２３に拡散して金属膜１４，２３を構成する金属材料が酸化されて金属酸化物層を形成する。これにより、基体１１と基体２１との間には、透明且つ電気的に絶縁性を有する接合界面が形成される。このとき、金属膜１４，２３では、金属原子が酸化されることにより金属原子間に酸素原子が入り込む。これにより、金属原子間の距離が広がり、単位体積当たりの金属元素の密度が低下する。よって、図５Ｂに示したように、金属膜１４，２３から酸素供給層１３，２２に向かって金属元素の分布の幅が広がる。以上により、基体１１と基体２１との間のバッファ層１２の層内における金属元素の濃度は、図５Ａから図５Ｂのように変化し、例えば、図２に示したように、バッファ層１２の層内において、基体１１および基体２１の界面に向かって、それぞれ連続的に低下する金属元素の濃度分布が形成される。
【００３８】
なお、より高い温度でアニール処理をした場合、金属酸化物層と酸素供給層１３，２２との間の相互拡散はより進むが、金属酸化物中の金属元素は動きにくいため、バッファ層１２内には、金属元素の濃度分布が形成される。
【００３９】
また、バッファ層１２内の金属元素の濃度分布は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析法（Energy Dispersive X-ray analysis：ＥＤＸ）、電子エネルギー損失分光法（Electron Energy Loss Spectroscopy：ＥＥＬＳ）、二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）およびＴＯＦ−ＳＩＭＳ分析等によって観測することができる。
【００４０】
また、機能素子１は、例えば、次のように製造することができる。上記製造方法では、基体１１および基体２１の両方に酸素供給層１３，２２を設けた例を示したが、一方の基体にのみ酸素供給層を形成して２つの基体を接合するようにしてもよい。
【００４１】
まず、図６Ａに示したように、例えば、基体２１の接合面上に酸素供給層２２を形成する。続いて、酸素供給層２２上に、微結晶構造を有する金属膜２３を形成する。基体１１の接合面上には、真空雰囲気下において、直接金属膜１４を形成する。
【００４２】
続いて、図６Ｂに示したように、基体２１の酸素供給層２２および金属膜２３が形成された面と基体１１の金属膜１４が形成された面とを向かい合わせに配置し、図６Ｃに示したように、例えば、原子拡散接合法を用いて金属膜１４と金属膜２３とを重ね合わせて基体１１と基体２１とを接合する。
【００４３】
最後に、接合された基体１１および基体２１をアニール処理として、例えば、１００℃以上８００℃以下の環境下に放置する。これにより、基体１１と基体２１との間に、層内に金属元素の濃度分布を有するバッファ層１２が形成される。以上により、図１に示した機能素子１が完成する。
【００４４】
上記のように、酸素供給層を基体の一方にのみ形成した場合には、アニール処理前後の各層内における金属元素の濃度分布は、図７Ａ（アニール処理前）および図７Ｂ（アニール処理後）のように変化し、例えば、図３に示したように、バッファ層１２の層内において、基体１１側から基体２１に向かって連続的に低下する金属元素の濃度分布が形成される。
【００４５】
なお、金属膜１４，２３の接合は、上述した原子拡散接合法以外の方法を用いて行ってもよい。例えば、対向配置された２つの基体の一方あるいは両方の表面に予め金属膜が形成されている場合には、真空容器内において、例えばプラズマエッチング等により予め形成された金属膜の表面を活性化することで、他方の金属膜と接合させることが可能となる。また、金属膜１４，２３の酸化を進めるプロセスとしては、レーザや電磁波加熱を用いてもよく、その加熱が局在的であってもよい。
【００４６】
（１−３．作用・効果）
前述したように、一般に、光を透過する物質の接合には、アクリルポリマーを材料とする接着剤が用いられている。しかしながら、硬化後の接着剤は紫外線等によって変質し、劣化することが知られている。特に、被接合材が光学部品として用いられる場合には、例えば、光源部から出射される高輝度な光によって接着剤が劣化しやすく、接着剤を用いずに、被接合材を張り合わせる技術が望まれている。
【００４７】
接着剤を用いない被接合材の接合方法としては、例えば、ガラスのすり合わせ接合や溶融接合がある。しかしながら、ガラスのすり合わせ接合では接合強度が低く、また、溶融接合では高温の熱処理を行うため、その実現には工業的に難しいという問題があった。これに対して、原子拡散接合法は、接合する２つの基体の表面にそれぞれ薄い金属微結晶膜を形成し、その金属微結晶膜を接触させることで２つの基体を室温で接合する技術である。接触させた金属微結晶膜間では、金属表面の大きな表面エネルギーと金属微結晶膜が有する高い原子拡散性能とによって界面に原子拡散（原子再配列）が生じ、これによって２つの基体は接合される。
【００４８】
原子拡散接合法では、数Å程度の薄い金属膜でも任意の材質の基板を室温で接合することができる。このため、光透過性を維持したまま透明基板を接合することができるが、接合に用いた金属膜によって光透過性が低下するという問題があった。また、数Å程度の薄い金属膜で接合した場合には、接合界面に一定の電気的絶縁性を付与することができるものの、残存する金属によって導電性が僅かに維持されるという問題があった。
【００４９】
一般に、多くの金属酸化物は高い光透過性を有すると共に、絶縁性を有する。従って、接合に用いた金属膜を接合後に酸化することができれば、高い光透過性と共に、絶縁性を有する接合界面を実現することが可能となる。
【００５０】
これに対して、本実施の形態では、基体１１および基体２１の少なくとも一方に、酸素供給層（例えば、酸素供給層１３）を形成し、各基体１１，２１上に微結晶構造を有する金属膜（金属膜１４，２３）を形成し、原子拡散接合法を用いて基体１１と基体２１とを接合したのち、低温（例えば、１００℃以上８００℃以下）で加熱するようにした。これにより、接合後のアニール処理によって、酸素供給層から金属膜に酸素が移動して金属膜が酸化され、接合界面の透明性が向上すると共に、接合界面の導電性が消失する。即ち、接着剤を用いることなく基体１１と基体２１との接合ができると共に、接合部（バッファ層１２）の光透過性および電気的な絶縁性を向上させることが可能となる。また、基体１１と基体２１との間のバッファ層１２の層内には膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布が形成される。
【００５１】
以上のように、本実施の形態では、基体１１および基体２１の少なくとも一方に、酸素供給層および微結晶構造を有する金属膜を形成し、原子拡散接合法を用いて基体１１と基体２１とを接合したのち、低温で加熱するようにした。これにより、基体１１と基体２１との間に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有すると共に、高い光透過性および電気的絶縁性を有するバッファ層１２が形成される。即ち、基体１１と基体２１との間に、接着剤を用いることなく、接合強度が高く、高い光透過性を有すると共に、電気的な絶縁性を有する接合部を形成することが可能となる。よって、高い信頼性を有する機能素子１を提供することが可能となる。
【００５２】
以下、上記実施の形態の変形例について説明するが、以降の説明において上記実施の形態と同一構成部分については同一符号を付してその説明は適宜省略する。
【００５３】
＜２．変形例＞
図８は、本開示の変形例に係る機能素子（機能素子２）の断面構成を表したものである。この機能素子２は、上記実施の形態と同様に、２つ以上の被接合材が貼り合わされた積層構造を有するものであり、例えば、プロジェクタ等に用いられる光学素子（例えば、図９参照）を構成するものである。本変形例の機能素子２は、基体１１とバッファ層１２との間に機能層１５を有する点が、上記実施の形態とは異なる。
【００５４】
機能層１５は、例えば、機能素子２に入射した光をＳ偏光とＰ偏光とに分離する偏光分離膜、所定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過するダイクロイックフィルタ、反射防止膜、位相差を生成する膜等の光学的機能を有するものである。基体１１と基体２１との間には、それぞれ異なる機能を有する複数の機能層１５を設けるようにしてもよく、その場合には、基体２１とバッファ層１２との間にも機能層１５を配置するようにしてもよい。
【００５５】
＜３．適用例＞
次に、上記実施の形態および変形例において説明した機能素子（機能素子１，２）の適用例について説明する。但し、以下で説明する構成はあくまで一例であり、その構成は適宜変更可能である。
【００５６】
図９は、機能素子の具体例の１つとしての光学素子（例えば、プリズム３）の断面構成を模式的に表したものである。プリズム３は、例えば、三角柱形状を有し、対向配置された基体１１０と基体２１０との間に、機能層１５０、バッファ層１２および機能層２４０を、基体１１０側からこの順に有する。基体１１０および基体２１０は、それぞれ、例えば、三角錐形状の透明光学ガラスによって構成されている。機能層１５０および機能層２４０は、例えば、光のＳ偏光とＰ偏光を分離合成できるいわゆる偏光ビームスプリッタであり、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ2）と酸化シリコン（ＳｉＯ2）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とがこの順に繰り返し積層されたものであり、例えば、ＴｉＯ2膜が１１層、ＳｉＯ2膜が１０層、Ａｌ2Ｏ3膜が１０層積層された構成を有する。バッファ層１２は、金属材料としてチタン（Ｔｉ）を含む。バッファ層１２は、さらに酸化シリコン（ＳｉＯ2）を含み、層内にＴｉの濃度分布を有する、バッファ層１２中に含まれるＴｉのうち少なくとも一部は、酸化チタン（ＴｉＯ2）として存在する。
【００５７】
なお、ＳｉＯ2膜は一般にイオンアシスト蒸着法（ＩＡＤ）や真空蒸着法を用いて成膜されるが、ＩＡＤや真空蒸着法を用いて成膜されたＳｉＯ2膜は平坦性が低く、算術平均粗さ（Ｒａ）０．５ｎｍ程度に研磨して用いる。上記のように、機能層（例えば、機能層１５０）およびバッファ層１２としてＳｉＯ2膜を用い、その算術平均粗さ（Ｒａ）０．５ｎｍ程度の平坦性を有するＳｉＯ2膜を成膜可能な方法を用いて形成する場合には、機能層１５０の最表面のＳｉＯ2膜を酸素供給層（例えば、酸素供給層１３）として用いることができる。
【００５８】
また、プリズム３は、本開示の機能素子の適用例の一例であり、接着剤を用いて２つ以上の被接合材を接合するあらゆる電子機器に適用することができる。例えば、本開示の機能素子およびその製造方法は、プロジェクタの光学デバイス、具体的には、位相差素子（位相差板）、偏光変換素子（ＰＳコンバーター）等の光学素子に適用することができる。この他、例えば、光源デバイスに適用することができる。一例として、ＬＤ（レーザダイオード）のコリメーターレンズの接合、高出力レーザ等に用いられるＹＡＧ−ＹＡＧ等の非線形結晶同士の接合、冷却効率向上のためのＹＡＧ−サファイヤ基板の接合およびプロジェクタに用いるホイール基板上へのＹＡＧセラミック蛍光体の接合等が挙げられる。更に、電気デバイスにも適用することができる。一例として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、３次元ＮＡＮＤ系メモリ、ＣＭＯＳイメージセンサにおける積層ＴＳＶ（Through Silicon Via）接合およびＳＡＷ（弾性表面波）フィルタ等の積層接合等が挙げられる。
【００５９】
＜４．実施例＞
次に、本開示の実施例について詳細に説明する。
【００６０】
（実験１：金属膜としてのＴｉ膜の厚みに対する接合部の透過率および接合強度の評価）
まず、実験例１−１として、２つの石英ガラスの接合面上に、それぞれ、微結晶構造薄膜（金属膜）としてＴｉ膜を形成したのち、金属膜同士を接合させたサンプルを作製した。この他、金属膜の厚みを変えた各種サンプルを作製し、接合部の透過率および接合強度を測定した。本実験で測定した接合部の透過率は可視光帯域である波長４００〜７００ｎｍでの平均透過率を示している。
【００６１】
この他、実験例１−２〜実験例１−４を作製した。実験例１−２としては、２つの石英ガラスの接合面上に、それぞれ、酸素供給層として厚み５μｍのＳｉＯ2膜を成膜し、このＳｉＯ2膜上に、それぞれ金属膜としてＴｉ膜を形成した以外は、上記実験例１−１と同様の方法を用いて、金属膜の厚みの異なる各種サンプルを作製した。実験例１−３としては、実験例１−１と同様の方法を用いて金属膜同士を接合したのち、摂氏３００℃で１０時間アニール処理を行った。実験例１−４としては、実験例１−２と同様の方法を用いて金属膜同士を接合したのち、摂氏３００℃で１０時間アニール処理を行った。表１は、実験例１−１〜１−４として作製した各サンプルの構成およびアニール条件をまとめたものである。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
図１０は、実験例１−１および実験例１−２の接合部の透過率とＴｉ膜の厚みとの関係を表したものである。図１１は、実験例１−３および実験例１−４の接合部の透過率とＴｉ膜の厚みとの関係を表したものである。図１０および図１１では、それぞれ、縦軸を接合部の透過率とし、横軸をＴｉ膜の厚みとしてプロットした。
【００６４】
図１０の結果から、Ｔｉ膜の厚みが増すとともに、接合部の透過率が下がっていくことがわかった。また、図１１の結果から、酸素供給層を形成しなかった実験例１−３では、実験例１−１と同様に、Ｔｉ膜の厚みが増すとともに、接合部の透過率が下がっており、アニール処理による透過率の変化はほとんどなかった。一方、石英ガラス上に酸素供給層を形成した実験例１−４では、Ｔｉ膜の厚みに関わらず、透過率がほぼ１００％であった。即ち、Ｔｉ膜の下層に酸素供給層を形成し、接合後にアニール処理を行うことで、接合部の透過率が向上することがわかった。
【００６５】
図１２は、実験例１−１および実験例１−２の接合部の強度とＴｉ膜の厚みとの関係を表したものである。図１３は、実験例１−３および実験例１−４の接合部の強度とＴｉ膜の厚みとの関係を表したものである。図１２および図１３では、それぞれ、縦軸を接合部の強度とし、横軸をＴｉ膜の厚みとしてプロットした。なお、接合強度は、ブレード法を用いて求めた。
【００６６】
図１２の結果から、Ｔｉ膜の厚みが増すとともに、接合部の強度が上昇していくことがわかった。また、図１３の結果から、酸素供給層を形成しなかった実験例１−３では、実験例１−１とほぼ同等の結果を示しており、アニール処理による接合強度の変化に大きな変化は確認できなかった。一方、石英ガラス上に酸素供給層を形成した実験例１−４では、Ｔｉ膜の厚みに関わらず、接合強度の上昇が確認できた。即ち、Ｔｉ膜の下層に酸素供給層を形成し、接合後にアニール処理を行うことで、接合強度が上昇することがわかった。
【００６７】
以上、実験１の結果から、本開示の機能素子では、被接合材上に酸素供給層を設け、酸素供給層上に金属膜を形成し、さらに被接合材を接合後にアニール処理を行うことで、微結晶構造を有する金属膜の厚みに関わらず、高い透過率と高い接合強度を両立可能な接合部（バッファ層）を形成できることがわかった。
【００６８】
（実験２：各波長に対する接合部の透過率の評価）
まず、実験例２−１として、２つの透明光学ガラス（ＯＨＡＲＡ製：ＰＢＨ５６）を用意し、それぞれの接合面上に機能層を形成した。機能層は、酸化チタン（ＴｉＯ2）と酸化シリコン（ＳｉＯ2）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とがこの順に繰り返し積層されたものであり、ＴｉＯ2膜が１１層、ＳｉＯ2膜が１０層、Ａｌ2Ｏ3膜が１０層積層された構成を有する。次に、機能層上に、それぞれ、酸素供給層として厚み５μｍのＳｉＯ2膜を成膜したのち、ＳｉＯ2膜上に金属膜として、０．１ｎｍ〜１．０ｎｍ程度のＴｉ膜を形成し、金属膜同士を接合させたサンプルを作製し、分光透過率を測定した。
【００６９】
この他、実験例２−２として、上記実験例２−１と同様の方法を用いて金属膜同士を接合したのち、摂氏３００度で４８時間アニール処理を行ったサンプルを作製し、分光透過率を測定した。表２は、実験例２−１〜２−２として作製した各サンプルの構成およびアニール条件をまとめたものである。
【００７０】
【表２】
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【００７１】
なお、本実験において作製した機能層は、上記適用例において説明したプリズム３の機能層１５０および機能層２４０に相当する。
【００７２】
図１４は、実験例２−１および実験例２−２の分光透過率の測定結果として、各波長に対する接合部の透過率を表したものである。図１４では、縦軸を接合部の透過率とし、横軸を波長としてプロットした。図１４の結果から、被接合材とバッファ層との間に他の層（機能層）を形成しても、接合後にアニール処理を行うことにより、接合部の透過率は向上することがわかった。
【００７３】
以上、実施の形態および変形例ならびに実施例を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施形態等で説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、実施の形態等において説明した全ての構成要素を備える必要はなく、さらに他の構成要素を含んでいてもよい。また、上述した構成要素の材料や厚みは一例であり、記載したものに限定されるものではない。
【００７４】
また、上記実施の形態および変形例では、２つの基体１１，２１を接合する例を示したが、基体１１および基体２１の接合面とは反対側の面に、さらに他の基体を本開示の方法を用いて接合するようにしてもよい。
【００７５】
なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。
【００７６】
なお、本開示は以下のような構成を取ることも可能である。
（１）
第１基体と、
前記第１基体と対向配置された第２基体と、
前記第１基体と前記第２基体との間に設けられると共に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層と
を備えた機能素子。
（２）
前記バッファ層は層内に、前記第１基体および前記第２基体の界面に向かって低下する前記金属元素の濃度分布を有する、前記（１）に記載の機能素子。
（３）
前記バッファ層は層内に前記第１基体の界面から前記第２基体の界面に向かって低下する前記金属元素の濃度分布を有する、前記（１）に記載の機能素子。
（４）
前記バッファ層は、光透過性を有すると共に、電気的絶縁性を有する、前記（１）乃至（３）のうちのいずれかに記載の機能素子。
（５）
前記バッファ層は酸素供給材料を含む、前記（１）乃至（４）のうちのいずれかに記載の機能素子。
（６）
前記バッファ層は、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む、前記（１）乃至（５）のうちのいずれかに記載の機能素子。
（７）
前記金属元素は、前記無機酸化物、前記無機窒化物、前記無機酸窒化物および前記無機フッ化物よりも酸素結合力が高い、前記（６）に記載の機能素子。
（８）
更に、前記第１基体と前記バッファ層との間および前記第２基体と前記バッファ層との間の少なくとも一方に機能層を有する、前記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の機能素子。
（９）
第１基体と第２基体とを接合し、前記第１基体と前記第２基体との間に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層を形成する
機能素子の製造方法。
（１０）
前記第１基体上に、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む第１のバッファ層および微結晶構造を有する第１の金属膜を形成し、
前記第２基体上に、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む第２のバッファ層および微結晶構造を有する第２の金属膜を形成し、
前記第１の金属膜と前記第２の金属膜とを接合させたのち加熱処理して前記バッファ層を形成する、前記（９）に記載の機能素子の製造方法。
（１１）
前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の形成ならびに前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の接合を真空条件下にて行う、前記（１０）に記載の機能素子の製造方法。
（１２）
さらに、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の形成ならびに前記第１の金属膜および前記第２の金属膜の接合を同一装置内にて行う、前記（１１）に記載の機能素子の製造方法。
（１３）
前記加熱処理として、１００℃以上８００℃以下の環境下に接合された前記第１基体および前記第２基体を放置することにより、前記第１の金属膜および前記第２の金属膜を酸化させる、前記（１０）乃至（１２）のうちのいずれかに記載の機能素子の製造方法。
（１４）
前記第１基体上に、少なくとも、無機酸化物、無機窒化物、無機酸窒化物および無機フッ化物のうちのいずれかを含む第１のバッファ層および微結晶構造を有する第１の金属膜を形成し、
前記第２基体上に、微結晶構造を有する第２の金属膜を形成し、
前記第１の金属膜と前記第２の金属膜とを接合させたのち加熱処理して前記バッファ層を形成する、前記（９）または前記（１１）乃至（１３）のうちのいずれかに記載の機能素子の製造方法。
（１５）
第１基体と、
前記第１基体と対向配置された第２基体と、
前記第１基体と前記第２基体との間に設けられると共に、層内に膜厚方向に変化する金属元素の濃度分布を有するバッファ層と
を有する機能素子を備えた電子機器。
【００７７】
本出願は、日本国特許庁において２０１８年１月１５日に出願された日本特許出願番号２０１８−００４１１５号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
【００７８】
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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